JP2012177311A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】低圧力比、低流量でのサージング抑制作用を有する遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】インペラ６と、該インペラを回転自在に収納するケーシング２とを有し、該ケーシングには前記インペラを収納するインペラ収納室４と、該インペラ収納室の周囲に形成された環洞流路８と、該環洞流路に連通する流体吐出口９と、前記ケーシングと同心に形成され、前記インペラ収納室に連通する吸入空気導入部１２とが形成され、前記インペラ収納室入口の上流側に絞り部１１を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機に関するものである。

圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機の作動領域を制限するものとして、低流量時に於ける流体の逆流によるサージングの発生がある。サージングが発生すると遠心圧縮機の運転が不能になるので、サージングの発生を抑制することが遠心圧縮機の作動領域拡大につながる。

遠心圧縮機は、高速で回転するインペラと、インペラを収納し、インペラの周囲にスクロール流路を形成するケーシングを有しており、該ケーシングは非軸対称の形状を有している。この非軸対称性の影響により、流体がインペラより流出するインペラの出口圧力は均一ではなく、インペラの周縁の周方向で圧力分布が生じる。

このインペラ出口の圧力分布は、インペラの入口迄伝播し、インペラの入口も周方向に圧力分布を有する。又、サージングの発生限界値が決定される要因の１つにインペラの出口の圧力があり、インペラの出口の圧力が所定値を超えるとサージングが発生する。従って、現状では、遠心圧縮機の流量を減少させた場合、インペラの出口の圧力が高い部分で最初にサージングが発生すると考えられる。

尚、サージングの発生を抑制する手段の１つとしてケーシングトリートメントがあり、特許文献１に示される遠心圧縮機はケーシングトリートメントにより、サージング抑制による遠心圧縮機の作動領域拡大を図っている。

ケーシングトリートメントによるサージング抑制は、圧力比の高い場合に効果があるが圧力比が低くなるとサージング抑制効果も少なくなる。一方現在では、遠心圧縮機のより広い作動領域での使用が求められており、この為、低圧力比、低流量でのサージング抑制が必要とされている。

特開２００９−２５７１７７号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、低圧力比、低流量でのサージング抑制作用を有する遠心圧縮機を提供するものである。

本発明は、インペラと、該インペラを回転自在に収納するケーシングとを有し、該ケーシングには前記インペラを収納するインペラ収納室と、該インペラ収納室の周囲に形成された環洞流路と、該環洞流路に連通する流体吐出口と、前記ケーシングと同心に形成され、前記インペラ収納室に連通する吸入空気導入部とが形成され、前記インペラ収納室入口の上流側に絞り部を形成した遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記絞り部の外周側に、該絞り部をバイパスし、該絞り部の上流側と下流側とを連通させる二次流路を設け、該二次流路に該二次流路を開閉する弁体が設けられ、該弁体は開閉手段によって開閉される遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記二次流路は円筒状の空間であり、前記二次流路の少なくとも一部は内周面、外周面が同心の球面で構成された球状流路であり、前記内周面、前記外周面の曲率中心は前記ケーシングの中心線上で合致し、前記弁体は円周方向に所定数前記球状流路に設けられると共に前記曲率中心を通過する軸心を中心に回転可能であり、前記弁体は前記中心線と平行な状態で、前記二次流路を全開し、全開から略９０°回転した状態で前記二次流路を全閉する遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、流体の圧力比、流量に応じて、前記弁体の開度を設定する遠心圧縮機に係るものである。

本発明によれば、インペラと、該インペラを回転自在に収納するケーシングとを有し、該ケーシングには前記インペラを収納するインペラ収納室と、該インペラ収納室の周囲に形成された環洞流路と、該環洞流路に連通する流体吐出口と、前記ケーシングと同心に形成され、前記インペラ収納室に連通する吸入空気導入部とが形成され、前記インペラ収納室入口の上流側に絞り部を形成したので、低圧力比、低流量で前記絞り部がインペラ入口部で生じた逆流現象が上流側に波及することを抑止し、遠心圧縮機の作動領域の拡大が図れるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係る遠心圧縮機の半断面図である。 遠心圧縮機の作動特性を示すグラフである。 （Ａ）（Ｂ）は、本実施例の作動を示す模式図であり、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は本実施例を示す。 （Ａ）は本発明の第２の実施例に係る遠心圧縮機の半断面図、（Ｂ）は図４のＡ矢視図である。 （Ａ）（Ｂ）は、第２の実施例の作動を示す模式図であり、（Ａ）は二次流路を全閉した状態、（Ｂ）は全開した状態を示す。 （Ａ）（Ｂ）は、本発明の実施例と従来例との作動の比較を示しており、（Ａ）は第１の実施例と従来例との比較、（Ｂ）は第２の実施例と従来例との比較を示している。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の第１の実施例に係る遠心圧縮機１について説明する。

図１中、２はケーシング、３は該ケーシング２の中心線を示している。前記ケーシング２はインペラ収納室４と前記中心線３と同心上に設けられた吸入口５とを有し、前記インペラ収納室４にはインペラ６が収納され、該インペラ６は回転軸７を介して回転自在に支持されている。又、前記インペラ６の周囲には環洞流路８が形成され、該環洞流路８と前記インペラ収納室４とはディフューザ流路９によって連通されている。

前記インペラ収納室４の上流側（図１中左側）には、中心に向って壁面を隆起させて縮径した絞り部１１が形成され、該絞り部１１の直径Ｄ１は、前記インペラ収納室４の入口の直径Ｄ２より小さくなっている。又、前記絞り部１１から上流側に向って漸次拡径し、吸入空気導入部１２（直径Ｄ３）に至り、更に前記吸入口５へと連続している。ここで、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３となっている。

前記遠心圧縮機１は前記回転軸７を介して排気タービン等に連結され、排気タービンは内燃機関の排気ガスによって駆動される。排気タービンの駆動により、前記回転軸７を介して前記インペラ６が回転され、前記吸入口５より空気が吸引され、吸引された空気は前記インペラ６内に吸引されると共に該インペラ６の回転による遠心力で圧縮され、前記ディフューザ流路９、前記環洞流路８を経て図示しない吐出口より吐出される。

又、吸引された空気は、前記インペラ６に吸引される前に前記絞り部１１を通過することで絞られる。該絞り部１１は、遠心圧縮機１の吐出量が減少した場合に発生する、前記インペラ６入口部で発生する逆流現象が上流に波及するのを抑止する。

図２は、前記遠心圧縮機１の作動領域を、圧力比と流量との関係で示したものであり、図中、各曲線Ａ〜Ｄは圧力比の小さい場合から大きい場合の動作特性曲線を示しており、圧力比はＡ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄとなっている。本実施例では、圧力比の小さい場合でのサージングの発生を抑制する。

以下、第１の実施例の作用について、従来との比較により説明する。

図３（Ａ）（Ｂ）は、図１で示される前記吸入空気導入部１２から前記ディフューザ流路９に至る流体流路を模式的に示したものであり、図３（Ａ）は従来の絞り部１１が形成されていないもの、図３（Ｂ）は第１の実施例の遠心圧縮機であり、絞り部１１が形成されたものである。尚、図３（Ａ）（Ｂ）中、破線は流体の流れを示している。

図３（Ａ）に示される様に、サージングが発生する直前では、前記インペラ６の入口部に局部的な高圧部が発生し、流路壁面に沿って逆流現象１３が発生する。この逆流現象１３は、流量が減少すると共に成長し、又上流側に伝播し、ついにはサージングを発生する。

図３（Ｂ）に示される様に、第１の実施例では前記インペラ６の入口部に局部的な高圧部が発生し、逆流現象１３が発生した場合でも、前記絞り部１１が逆流現象１３の上流側への成長を阻止する。即ち、前記絞り部１１で絞られ、速度が増加した流体は、前記絞り部１１の壁面に沿って流れ、前記絞り部１１を乗越えようとする逆流現象１３を押戻す。従って、サージングの発生が抑制される。

図６（Ａ）は、従来の遠心圧縮機と第１の実施例の低圧力比での動作特性曲線を示しており、例えば図２の曲線Ａに相当する。又、図６（Ａ）中、白丸のプロットが第１の実施例の遠心圧縮機（絞り部１１が設けられているもの）、黒丸のプロットが従来の遠心圧縮機（絞り部１１がないもの）に対応している。

図６（Ａ）に示される様に第１の実施例では、サージングが発生する流量限界が小流量側にシフトしており、サージング抑制効果がはっきりと現れている。尚、前記絞り部１１により、流量が絞られることからチョークが発生する流量限界も小流量側にシフトしている。

図４は、本発明の第２の実施例を示している。

第２の実施例では、インペラ６入口に開口し、又吸入空気導入部１２に開口し、絞り部１１をバイパスする二次流路１５を形成し、更に該二次流路１５を開閉可能としたものである。

前記二次流路１５は中心線３を中心とする円筒状の空間であり、円周所要ピッチでリブ（図示せず）が設けられている。又前記二次流路１５の少なくとも一部は内周面、外周面が同心の球面で構成された球状流路１５ａとなっており、前記内周面の半径Ｒｉ、外周面の半径Ｒｏの中心Ｏは前記中心線３上に存在する。

前記球状流路１５ａには、弁体である開閉弁１６が所定数設けられる。該開閉弁１６は円弧形状で、且つ略矩形体であり、外周は前記外円周の半径Ｒｏと等しい曲率を有する曲線、内周は前記内円周の半径Ｒｉと等しい曲率を有する曲線となっており、回転軸１７を介して回転自在に支持され、該回転軸１７と前記開閉弁１６とは一体に回転する。前記回転軸１７の軸心は前記球面の中心を通過する様になっており、前記回転軸１７を回転することで、前記開閉弁１６の内周は前記球状流路１５ａの内球面に沿って摺動し、前記開閉弁１６の外周は前記球状流路１５ａの外球面に沿って摺動する。該開閉弁１６は所要の回転手段によって同期回転される。

回転手段としては、例えば以下のものがある。

前記回転軸１７はケーシング２の外部に突出し、突出した端部にはリンクアーム１８が固着され、リンクアーム１８同士はリンクプレート１９によって連結されている。従って、前記開閉弁１６は、前記リンクアーム１８、前記リンクプレート１９及び前記回転軸１７を介して同期して回転する様になっている。又、前記リンクプレート１９のいずれか１つにシリンダ等のアクチュエータ（図示せず）が連結され、該アクチュエータの駆動で前記リンクプレート１９、前記リンクアーム１８を介して前記開閉弁１６が同期して回転する。

前記複数の開閉弁１６は、図４（Ｂ）に示される様に、略９０°回転可能であり、前記開閉弁１６が開状態（図４（Ｂ）中、２点鎖線で示す）の場合は、前記中心線３と平行となり、閉状態（図４（Ｂ）中、実線で示す）では該中心線３と直角の位置になり、開閉弁１６，１６同士は端縁が重なり合う様になっている。

尚、図４（Ｂ）では、２つの開閉弁１６を図示しているが、実際には所定ピッチで前記二次流路１５全周に亘り設けられている。従って、前記開閉弁１６を前記中心線３と平行とすることで、前記二次流路１５が全開になり、前記開閉弁１６を９０°回転させることで、前記二次流路１５が全閉となる。

尚、前記開閉弁１６は回転式ではなく、スライド式としてもよい。即ち、前記回転軸１７を軸心方向に摺動可能とし、前記開閉弁１６を前記二次流路１５に進入、後退させ、前記二次流路１５を開閉する。

第２の実施例の作動について、図５（Ａ）、図５（Ｂ）を参照して説明する。

前記開閉弁１６は、所定流量、例えば流量がＱ１（図６（Ｂ）参照）以下の時には全閉され、流量がＱ１を超えると、全開にされる。

全閉状態では、図３で説明した前記二次流路１５が設けられていない状態と同様であり、前記インペラ６入口部分で発生した逆流現象１３は、前記絞り部１１によって上流側への波及が抑制される。

次に、前記流量Ｑ１を超える流量では、前記開閉弁１６を全開にする。

前記開閉弁１６を全開にすることで、前記絞り部１１の上流側と下流側が前記二次流路１５によって連通され、該二次流路１５を通って流体が前記インペラ６に流入する。この為、前記開閉弁１６を全開とした場合、前記絞り部１１を形成しない場合と同様、又は略同様となり、チョークが発生する流量限界も大流量側にシフトする。

図６（Ｂ）は、従来の遠心圧縮機と第２の実施例の低圧力比での動作特性曲線を示しており、例えば図２の曲線Ａに相当する。又、図６（Ｂ）中、白丸のプロットが第２の実施例を示し、流量Ｑ１より小流量の場合は、前記開閉弁１６が閉じられ、流量Ｑ１より大流量の場合は前記開閉弁１６が開放されている。又、黒丸のプロットが従来の遠心圧縮機に対応している。

従って、図６（Ｂ）に見られる様に、前記二次流路１５の開閉により、サージングが発生する限界の流量が小流量側へシフトし、大流量側ではチョークが発生する限界は従来と変らない。

而して、前記絞り部１１を設け、更に前記二次流路１５、前記開閉弁１６を設け、流量に応じて前記開閉弁１６を開閉することで、チョークが発生する流量限界を減少させることなく、サージングが発生する流量限界を減少させることができ、一層の作動領域拡大を図ることができる。

尚、前記二次流路１５は前記絞り部１１の上流側と下流側を連通すればよく、円筒状に限らず、貫通孔を円周方向に所要ピッチで複数穿設してもよい。この場合、前記開閉弁１６は貫通孔の直線部に設けられ、貫通孔の内径に略等しい外径を有する円板となる。

又、上記実施例では、前記開閉弁１６を全閉、全開の２態様としたが、圧力比、流量に対応させ、開度を設定する様にしてもよい。又、開度を設定する際の開閉弁１６の向きは、二次流路１５内の流れがインペラ６回転方向に対して、順方向、逆方向どちらになる様に設定してもよい。

１ 遠心圧縮機
２ ケーシング
３ 中心線
４ インペラ収納室
６ インペラ
７ 回転軸
８ 環洞流路
９ ディフューザ流路
１１ 絞り部
１２ 吸入空気導入部
１３ 逆流現象
１５ 二次流路

Claims (4)

1. インペラと、該インペラを回転自在に収納するケーシングとを有し、該ケーシングには前記インペラを収納するインペラ収納室と、該インペラ収納室の周囲に形成された環洞流路と、該環洞流路に連通する流体吐出口と、前記ケーシングと同心に形成され、前記インペラ収納室に連通する吸入空気導入部とが形成され、前記インペラ収納室入口の上流側に絞り部を形成したことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記絞り部の外周側に、該絞り部をバイパスし、該絞り部の上流側と下流側とを連通させる二次流路を設け、該二次流路に該二次流路を開閉する弁体が設けられ、該弁体は開閉手段によって開閉される請求項１の遠心圧縮機。
3. 前記二次流路は円筒状の空間であり、前記二次流路の少なくとも一部は内周面、外周面が同心の球面で構成された球状流路であり、前記内周面、前記外周面の曲率中心は前記ケーシングの中心線上で合致し、前記弁体は円周方向に所定数前記球状流路に設けられると共に前記曲率中心を通過する軸心を中心に回転可能であり、前記弁体は前記中心線と平行な状態で、前記二次流路を全開し、全開から略９０°回転した状態で前記二次流路を全閉する請求項２の遠心圧縮機。
4. 流体の圧力比、流量に応じて、前記弁体の開度を設定する請求項２又は請求項３の遠心圧縮機。

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