JP2012246931A

JP2012246931A - 遠心圧縮機

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Publication number: JP2012246931A
Application number: JP2012203783A
Authority: JP
Inventors: Akira Umeyama; 亮楳山; Ryosuke Fukuyama; 了介福山; Kazuo Yamada; 一穂山田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP5630488B2

Abstract

【課題】ベーン付きディフューザ壁を備えた遠心圧縮機において、低流量から高流量に亘る流量条件の変化に関わらず圧縮効率を高める
【解決手段】インペラ４の周囲に一対のディフューザ壁１７、１８により区画されたディフューザ１２及びディフューザ１２に連通するボリュート１４を配置し、一定の入口角度を有する複数のベーン２６をディフューザ壁１７にディフューザ壁１８と対向させて設け、ディフューザ壁１８の外周部及び内周部をそれぞれ可撓性部材２０、２１によってバックプレート３に取り付け、ケーシングの一部に一方のディフューザ壁１８と連結する駆動手段２５を配設し、可撓性部材２０、２１は、一方のディフューザ壁１８とともにディフューザ１２の一部を形成し、ディフューザ壁１８を複数のベーン２６がディフューザ壁１７に接近した位置と少なくともインペラ４の湾曲周面の延長部まで離間した位置との間において移動可能に配設した。
【選択図】図１

Description

本願発明は、インペラの周囲にベーン付きディフューザを備えた遠心圧縮機に関するものである。

遠心圧縮機は、回転数が低い時の低流量から回転数が高い時の高流量に亘って運転されている。高流量時では図５に示すように、インペラの半径方向の速度成分Ｖ１が大きいため、気体はディフューザに流れ易くなり、比較的問題が少ない。しかし、低流量時では図６に示すように、インペラの周方向の速度成分Ｖ２が大きくなり、ディフューザへ流れる気体が減少して流速も低くなる。このため、ディフューザにおいてストールが発生し易くなり、運転可能な低流量域が制限されるという問題がある。このような遠心圧縮機における低流量時の問題を解消し、運転可能な低流量域を拡大するために、従来から多くの対策が提案されている。

例えば、ディフューザ壁に駆動手段により回動可能なベーンを設け、流量に応じてベーンの入口角度を変更することにより、低流量域における気体をディフューザへ流入し易くし、気体の整流効果により圧縮効率を上げる手段が提示されている。また、例えば特許文献１は、一定の入口角度に設定したベーンが一方のディフューザ壁に固定され、前記ベーンがディフューザを横断して他方のディフューザ壁に形成した溝内に嵌入された構成を開示している。ベーンを固定した一方のディフューザ壁はケーシングとの間に多数準備されたスペーサーの１つを介在することによって他方のディフューザ壁側に変位され、ディフューザの流路幅を適宜狭める。このため、気体は低流量時においても半径方向の速度成分を高められ、ディフューザに流入し易くなる。

特許文献２は、ベーンを持たないディフューザ壁の一方を駆動手段によって他方のディフューザ壁側へ変位可能に構成し、低流量運転時に一方のディフューザ壁を移動してディフューザの流路幅を狭くする構成を開示している。特許文献２は、低流量運転時にディフューザの通路幅を狭くすることにより、インペラから供給される低流量の気体の半径方向の速度成分を高め、気体をディフューザに流入し易くしている。

特開昭５０−５４９０９号公報特開２００８−９５６７８号公報

ディフューザ壁に設けたベーンの入口角度を可変に構成した前記従来技術は、ベーンの入口角度を変更するための駆動手段及び連結手段の構成が複雑である。また、ベーンは所定の流量時に適合させた入口角度を基準に運転時の流量に応じて適宜回動され、入口角度を変更するものであるため、低流量から高流量までの全流量域において入口角度を適切に変更することは難しい。この結果、前記従来技術は基準流量から離れるに従い気体の流れる方向の角度とベーンの入口角度との差が大きくなり、圧縮効率が低下してしまうという問題がある。

特許文献１に開示された従来技術は、スペーサーを適宜取り換えなければならないため、流量が低流量から高流量まで連続して変動する中で運転される遠心圧縮機への実用化が困難である。さらに、前記従来技術及び特許文献１はベーンがディフューザの流路の幅全域を常に規制する構成であるため、特に高流量運転になるに従い、ベーン自体がディフューザに流入する気体の抵抗となり、気体の流れを乱して圧縮効率を低下してしまうという共通の問題を有する。

特許文献２は、ディフューザ壁を移動してディフューザの流路幅を狭くすることにより低流量における流速を高め、半径方向の速度成分の増加が可能であるが、ディフューザに供給された気体の流れが不安定であり、圧縮効率を充分に高めることができないという問題を有する。

本願発明は、ベーン付きディフューザ壁を備えた遠心圧縮機において、低流量から高流量に亘る流量条件の変化に関わらず圧縮効率を高めることを目的とする。

請求項１に記載の本願発明は、ケーシングの一部を形成するバックプレートにより回転軸を支持し、前記回転軸に固定したインペラの湾曲周面に複数の翼を備え、前記インペラの周囲に一対のディフューザ壁により区画されたディフューザ及び前記ディフューザに連通するボリュートを配置し、低流量から高流量に亘る運転時に前記インペラの回転により気体を吸引し、圧縮した気体を前記ディフューザに供給する遠心圧縮機において、一定の入口角度を有する複数のベーンを前記ディフューザ壁のいずれか一方のディフューザ壁に他方のディフューザ壁と対向させて設け、前記一方のディフューザ壁の外周部及び内周部をそれぞれ可撓性部材によって前記バックプレートに取り付け、前記ケーシングの一部に前記一方のディフューザ壁と連結する駆動手段を配設し、前記一方のディフューザ壁の外周部及び内周部の前記可撓性部材は、前記一方のディフューザ壁とともに前記ディフューザの一部を形成し、前記一方のディフューザ壁を前記複数のベーンが前記他方のディフューザ壁に接近した位置と少なくとも前記インペラの湾曲周面の延長部まで離間した位置との間において移動可能に配設したことを特徴とする。

請求項１記載の本願発明によれば、低流量から高流量に亘る流量条件の変化に関わらずベーンの入口角度に対するインペラからディフューザに供給される気体の流れ方向の角度を安定化することができ、いずれの流量においても遠心圧縮機の圧縮効率を高めることができる。また、一方のディフューザ壁が他方のディフューザ壁から最大に離間した時、ベーンはディフューザを開放するため、高流量運転時における気体の流れがベーンの影響を受けず、圧縮効率を充分に高めることができる。
また、簡単な構成によりディフューザを区画する一方のディフューザ壁全体を移動することができる。また、高流量側での運転時に、インペラからディフューザに至る気体の流れが可撓性部材に案内され、流路中に段差が形成されないため、気体を円滑に流すことができる。

請求項２に記載の本願発明は、前記バックプレートの前記インペラよりも外周側に環状空間を形成し、前記環状空間に前記一方のディフューザ壁を介在し、前記一方のディフューザ壁の外周部及び内周部の可撓性部材をそれぞれ環状に形成したことを特徴とする。

請求項３に記載の本願発明は、前記インペラに備えた複数の翼の間に短翼を配置したことを特徴とするため、各翼間の間隔を広げ気体の吸引効率を高めるとともに吸引された気体を長翼及び短翼により絞り込み、気体の圧縮効率を高めることができる。

本願発明は、ベーン付きディフューザ壁を備えた遠心圧縮機の運転において、流量条件の変化に関わらず圧縮効率を高めることができる。

本実施形態における遠心圧縮機の高流量運転時を示す縦断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。遠心圧縮機の低流量運転時を示す部分縦断面図である。ベーンと気体の流れを示す説明図である。従来の高流量運転におけるベーンと気体の流れを示す説明図である。従来の低流量運転におけるベーンと気体の流れを示す説明図である。

以下、本実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。なお、本願明細書では、図１の左側を前方、右側を後方として説明する。

本願発明を実施する遠心圧縮機のケーシングは、第１ケーシング１と第２ケーシング２を図示しない適宜手段により接合することによって構成されている。第１ケーシング１の一部を形成し、半径方向に延びるバックプレート３には、インペラ４を固定した回転軸５がシール機能付軸受６を介して回転可能に支持されている。回転軸５は図示されていないが、例えば自動車エンジンからの排ガスにより回転されるタービンを駆動源としている。前記タービンの回転軸は回転軸５と同軸で構成され、前記タービンの回転により回転軸５のインペラ４を回転する。

インペラ４は前方から後方に向けて径が拡大する湾曲周面４ａ上に均等な間隔で取り付けられた６枚の長翼（以下単に翼と呼称する）７と、各翼７間の中央部に取り付けられた６枚の短翼８とを有する。短翼８の長さは翼７の長さのほぼ二分の一程度である。第２ケーシング２は内部に、インペラ４を収容する漏斗状の空間９の前方に、平行な流路１０及び漏斗状に拡開する吸入口１１を備えている。また、インペラ４の周囲にはディフューザ１２及び連通空間１３を介してディフューザ１２と連通する蝸牛状のボリュート１４が形成されている。従って、インペラ４の回転により吸入口１１から吸引された気体はインペラ４の遠心力によって圧縮されながらディフューザ１２へ供給され、さらに圧縮される。ディフューザ１２で圧縮された気体は連通空間１３及びボリュート１４を介して吐出口１５に送られ、図示しない所定の作動機構へ供給される。

バックプレート３にはインペラ４よりも外周側に環状空間１６が形成され、内側バックプレート３ａと外側バックプレート３ｂとに区分けされる。ディフューザ１２は一対のディフューザ壁１７及びディフューザ壁１７と対向する位置に配置されたディフューザ壁１８によって区画されている。ディフューザ壁１７は第２ケーシング２の一部を環状に立設した壁面で構成され、ディフューザ壁１７の後面によりディフューザ１２を区画するとともに前面によりボリュート１４を区画している。

ディフューザ壁１８は環状に形成され、環状空間１６に装着されている。ディフューザ壁１８の内周部及び外周部には挟着板１９によって固定された環状の可撓性部材２０、２１が設けられている。可撓性部材２０の内周部は挟着板２２によって内側バックプレート３ａに固定され、可撓性部材２１の外周部は挟着板２３によって外側バックプレート３ｂに固定されている。従って、ディフューザ壁１８はバックプレート３に可撓性部材２０、２１の撓みによってインペラ４の回転軸心線方向に移動可能に支持されている。可撓性部材２０、２１は、一方のディフューザ壁１８とともにディフューザ１２の一部を形成する。

ディフューザ壁１８はリンク機構２４を介して第１ケーシング１の一部に取り付けられた駆動手段２５に連結されている。駆動手段２５は、例えば、油圧シリンダ、ソレノイド、ロータリソレノイドあるいはサーボモータ、ステッピングモータ等の種々の手段を用いることができる。駆動手段２５は図示されていないが、回転軸５の回転数検知装置あるいはインペラ４によって吸引される気体の流量検知装置等からの検知信号に基づく制御装置からの駆動指令により駆動される。このため、駆動手段２５が前記制御装置から指令された駆動量だけ回転すると、ディフューザ壁１８はディフューザ壁１７側に所定量移動するかまたはディフューザ壁１７と反対方向に所定量移動することができる。

一方、ディフューザ壁１８には、ディフューザ１２に臨む形態で複数（本実施形態では１７枚）のベーン２６が一体的に設けられている。ベーン２６は図２に示すように、インペラ４の周囲に均等に配置されている。ベーン２６はインペラ４の回転方向に対して背面側が若干湾曲した紡錘形状に形成され、インペラ４の回転方向に傾斜するように配設されている。

ベーン２６はその長さ方向の基準線Ｘ１が回転軸５の中心軸線、即ちインペラ４の回転軸心線と直交する半径方向線Ｘ２（図４に示した気体の半径方向の速度成分Ｖ１と一致する）に対してインペラ４の回転方向に一定角度傾斜した入口角度βに設定されている。入口角度βは低流量から高流量の間の任意の流量の運転時におけるインペラ４からディフューザ１２へ供給される気体の流れ方向Ｆ３（図４参照）に最も適した角度に設定されている。なお、入口角度βを設定する任意の流量は、本願発明の構成から低流量側よりも高流量側の流量を基準にすることが好ましい。

以上のように構成した本実施形態の作用を図１、図３及び図４に基づき、図５及び図６に示した従来の固定式ベーンの場合と比較して説明する。なお、各図に記載した符号Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３はディフューザ１２に供給される気体の流れ方向を示す。Ｖ１はディフューザ１２に供給される気体の半径方向の速度成分を示し、Ｖ２はディフューザ１２に供給される気体の周方向の速度成分を示す。Ｘ１はベーン２６の長さ方向の基準線を示し、Ｘ２はインペラ４の回転軸心線（回転軸５の中心軸線）と直交する半径方向線を示す。α１、α２、α３は半径方向の速度成分Ｖ１（半径方向線Ｘ２と一致する）に対する気体の流れ方向Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の角度を示す。βは半径方向の速度成分Ｖ１（半径方向線Ｘ２と一致する）に対しインペラ４の回転方向に傾斜したベーン２６の入口角度を示す。各図の入口角度βは前記したように、低流量から高流量の間の任意の流量における気体の流れ方向Ｆ３に最も適した一定角度である。

図５は遠心圧縮機が高流量で運転されている場合の気体の流れを示したものである。気体は半径方向の速度成分Ｖ１が高いため、気体の流れ方向Ｆ１を半径方向に指向する。しかし、気体の流れ角度α１が小さくなり、ベーン２６の入口角度βに対する角度差はインペラ４の回転と反対方向に大きくなる。このため、遠心圧縮機はディフューザ１２への気体の流入量を増大しても、ベーン２６による整流機能が低下し、圧縮効率を低下する。また、高流量時における角度差の増大により、ベーン２６は気体の流れに対する障害物となり、圧縮効率をさらに低下する要因となる。気体の流れ角度α１とベーン２６の入口角度βとの角度差は、高流量になるに従い増大し、遠心圧縮機の圧縮効率の低下が大きくなる。

図６は遠心圧縮機が低流量で運転されている場合の気体の流れを示したものである。低流量では気体の流速が低く、周方向の速度成分Ｖ２が増大する。このため、気体の流れ方向Ｆ２はインペラ４の回転方向に大きく傾斜し、気体の流れ角度α２が大きくなる。従って、気体の流れ角度α２とベーン２６の入口角度βとの角度差はインペラ４の回転方向に大きくなり、気体はディフューザ１２へ流入し難くなるとともにベーン２６による整流機能も低下し、圧縮効率が低下する。気体の流れ角度α２とベーン２６の入口角度βとの角度差は、低流量になるに従い増大し、遠心圧縮機の圧縮効率の低下が大きくなる。

図５及び図６に示したように、従来技術のように固定式のベーン２６を設置しても、高流量側及び低流量側の双方において気体の流れ角度α１、α２とベーン２６の入口角度βとの角度差が大きくなり、圧縮効率を充分に高めることができなかった。このような問題となる角度差の発生は、ベーン２６を従来技術のように可動式にし、入口角度βを変更するように構成しても解消できなかった。

本実施形態では図４に示すように、ディフューザ壁１８に固定したベーン２６の入口角度βは予め設定した任意の流量における気体の流れ方向Ｆ３に最も適した角度に初期設定され、予め設定した任意の流量ではベーン２６の整流機能が作用し、圧縮効率を充分に高めることができる。なお、入口角度βの設定は遠心圧縮機の起動時等、低回転における低流量状態で任意の流量を選択して行うことが好ましい。しかし、入口角度βを設定する任意の流量は低流量よりも多い中流量時や中流量よりも多い高流量側において選択することも可能である。

流量が前記任意の流量から低流量側に変化すると、図示しない制御装置からの指令により駆動手段２５が作動し、ディフューザ壁１８は図３に示すようにディフューザ壁１７側へ移動する。また、ベーン２６はディフューザ１２の流路の幅全域を規制する位置に配置される。ディフューザ壁１８の移動によってディフューザ１２の流路幅が狭められ、ディフューザ１２の流路面積は小さくなる。このため、インペラ４から供給される気体の半径方向の速度成分Ｖ１が高くなり、気体の流れ角度α３と入口角度βとの角度差は前記予め設定した任意の流量における初期設定時とほぼ同一水準に維持される。従って、ベーン２６による気体の整流効果が充分に生じ、遠心圧縮機は予め設定した任意の流量時と同様に高い圧縮効率を得ることができる。

流量が前記予め設定した任意の流量から高流量側に変化した場合、図示しない制御装置からの指令により駆動手段２５が作動し、ディフューザ壁１８は図１に示すようにディフューザ壁１７から離間する方向に移動する。ディフューザ１２の流路幅はディフューザ壁１８の移動により予め設定した任意の流量時よりも広くなり、流路面積が大きくなる。このため、気体の半径方向の速度成分Ｖ１が小さくなり、気体の流れ方向Ｆ３はベーン２６側に傾く。従って、気体の流れ角度α３と入口角度βとの角度差は前記予め設定した任意の流量における初期設定時とほぼ同一水準に維持され、遠心圧縮機は予め設定した任意の流量時と同様に高い圧縮効率を得ることができる。また、ディフューザ壁１８は高流量に伴い後退してディフューザ１２の流路を順次開放する。最後退位置では、ベーン２６のディフューザ壁１７と対向する面がインペラ４の湾曲周面４ａの延長部の位置まで離間するため、ディフューザ１２は完全に開放される。このため、ベーン２６とディフューザ壁１７との間隔はインペラ４における気体の出口部の間隔とほぼ同程度になり、ディフューザ１２へ流入する気体の流れはベーン２６により阻害されることが無い。従って、高流量時においても最適な流れ角度を維持することができ、高い圧縮効率を得ることができる。なお、ディフューザ壁１８はベーン２６が湾曲周面４ａの延長部の位置よりもさらに離間する位置まで後退するように設定されてもよい。

以上説明したように、本実施形態はインペラ４からディフューザ１２へ供給する流量に応じてベーン２６を設けたディフューザ壁１８をディフューザ壁１７へ接近する方向、あるいは離間する方向へ移動するように構成した。この構成により、低流量から高流量までのいずれの流量時の運転においても気体の流れ角度α３とベーン２６の入口角度βとの角度差を一定の水準に保つことができる。また、高流量運転時にはディフューザ１２の流路の幅全域を開放するように構成したため、ベーン２６がディフューザ１２へ流入する気体の流れを阻害することが無い。従って、遠心圧縮機の低流量から高流量に亘る全ての運転において圧縮効率を高めることができる。

前記した本実施形態は以下の作用効果を有する。
（１）遠心圧縮機の低流量から高流量に亘る運転において圧縮効率を高めることができる。
（２）ベーン２６はディフューザ壁１８に固定されているため、構成が簡単である。
（３）いかなる流量においても、気体の流れ角度α３とベーン２６の入口角度βとの角度差がほぼ一定に保たれるため、低流量側の運転領域を拡大することができる。
（４）可撓性部材２０、２１の存在により、他の手段を必要とすることなくディフューザ１２からの気体の漏洩を防止することができる。

本願発明は、前記した実施形態の構成に限定されるものではなく本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。

（１）インペラ４は短翼８を無くし、長翼からなる翼のみで構成することができる。
（２）ボリュート１４側のディフューザ壁１７にベーン２６を設けて移動可能に構成し、ディフューザ壁１８を固定壁として構成することができる。
（３）ディフューザ壁１７及び１８の双方を互いに接近、離間する方向に移動可能に構成することができる。

（４）可撓性部材２０、２１は、ゴム、樹脂、繊維強化樹脂あるいは薄い金属板等からなる弾性変形可能な部材で構成することができる。

１第１ケーシング
２第２ケーシング
３バックプレート
４インペラ
４ａ湾曲周面
５回転軸
７翼
８短翼
１２ディフューザ
１４ボリュート
１６環状空間
１７、１８ディフューザ壁
１９、２２、２３挟着板
２０、２１可撓性部材
２５駆動手段
２６ベーン

Claims

ケーシングの一部を形成するバックプレートにより回転軸を支持し、前記回転軸に固定したインペラの湾曲周面に複数の翼を備え、前記インペラの周囲に一対のディフューザ壁により区画されたディフューザ及び前記ディフューザに連通するボリュートを配置し、低流量から高流量に亘る運転時に前記インペラの回転により気体を吸引し、圧縮した気体を前記ディフューザに供給する遠心圧縮機において、
一定の入口角度を有する複数のベーンを前記ディフューザ壁のいずれか一方のディフューザ壁に他方のディフューザ壁と対向させて設け、
前記一方のディフューザ壁の外周部及び内周部をそれぞれ可撓性部材によって前記バックプレートに取り付け、前記ケーシングの一部に前記一方のディフューザ壁と連結する駆動手段を配設し、
前記一方のディフューザ壁の外周部及び内周部の前記可撓性部材は、前記一方のディフューザ壁とともに前記ディフューザの一部を形成し、
前記一方のディフューザ壁を前記複数のベーンが前記他方のディフューザ壁に接近した位置と少なくとも前記インペラの湾曲周面の延長部まで離間した位置との間において移動可能に配設したことを特徴とする遠心圧縮機。
前記バックプレートの前記インペラよりも外周側に環状空間を形成し、前記環状空間に前記一方のディフューザ壁を介在し、前記一方のディフューザ壁の外周部及び内周部の可撓性部材をそれぞれ環状に形成したことを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
前記インペラに備えた複数の翼の間に短翼を配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。