JP2014129742A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサインペラの組み込みを簡易化しつつ比速度を高め、圧縮効率の向上を図る。
【解決手段】遠心圧縮機１は、回転軸と、回転軸に固定された上流側コンプレッサインペラ５および下流側コンプレッサインペラ６と、コンプレッサハウジング２とを備え、上流側コンプレッサインペラの出力側最外径Ｌ_１は、下流側コンプレッサインペラの入力側最外径Ｌ_２以下であり、複数の下流側翼６ｂの入力側最内径Ｌ_３は、複数の上流側翼５ｂの出力側最外径Ｌ_４より小さい。かかる構成で組み込みを簡易化しつつ比速度を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心力の作用で気体を昇圧させる遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機は、コンプレッサインペラ（羽根車）を回転させ、回転するコンプレッサインペラ内の径方向への流路に気体を通過させ、主として遠心力の作用で気体を昇圧させる機器である。かかる遠心圧縮機は、例えば産業用の圧縮機やガスタービンに用いられる。

このような遠心圧縮機では、遠心圧縮機に取り込む気体の流量が少ない場合や圧力比が高い場合で、回転数を十分高く設定できない場合、比速度が小さくなって圧縮効率が悪くなる。そこで、圧縮機を多段化して効率の改善を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１、２）。

米国特許出願公開第２００７／０１２２２９６号明細書 米国特許第４４２８７１５号明細書

しかし、特許文献１、２に示される多段式遠心圧縮機は、いずれもその構造が複雑であり、製造コストが増大する問題があった。また、多段に構成される複数のコンプレッサインペラの間には、流路を形成するためのハウジングが存在するので、複数のコンプレッサインペラを別々に組み込まなくてはならず、十分な剛性を得られなかったり、回転軸に対するバランスを十分にとることができない等の問題もあった。

ここで、多段式遠心圧縮機のうち、上流側のコンプレッサインペラの径方向外側に下流側のコンプレッサインペラを設けることで、両者の間にハウジングを含めることなく組み込みを容易にすることは可能であるが、遠心圧縮機に許容される径方向の外形寸法を単に二分するだけでは、単段式遠心圧縮機と機能が変わらず、やはり、比速度が小さくなるといった問題が残ることになる。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、コンプレッサインペラの組み込みを簡易化しつつ比速度を高め、圧縮効率の向上を図ることが可能な遠心圧縮機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の遠心圧縮機は、回転軸と、回転軸に固定された上流側インペラ本体と、上流側インペラ本体の周方向に間隔を空けて配された複数の上流側翼と、を有し、回転による遠心力の作用で周囲の気体を昇圧する上流側コンプレッサインペラと、回転軸に固定された下流側インペラ本体と、下流側インペラ本体の周方向に間隔を空けて配された複数の下流側翼と、を有し、上流側コンプレッサインペラで昇圧された気体をさらに昇圧する下流側コンプレッサインペラと、上流側コンプレッサインペラおよび下流側コンプレッサインペラが収容されるコンプレッサハウジングと、を備え、上流側コンプレッサインペラの出力側最外径は、下流側コンプレッサインペラの入力側最外径以下であり、複数の下流側翼の入力側最内径は、複数の上流側翼の出力側最外径より小さいことを特徴とする。

上流側コンプレッサインペラの出力側の径方向外側に位置し、上流側コンプレッサインペラで昇圧された気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザをさらに備えてもよい。

下流側コンプレッサインペラの入力側の径方向外側に位置し、上流側コンプレッサインペラで昇圧された気体の周方向速度成分を抑制するリターンガイドベーンをさらに備えてもよい。

上流側インペラ本体とコンプレッサハウジングとの境において、上流側インペラ本体の上流側翼が設けられた面と裏面との気体の流通を抑制するラビリンスシールをさらに含んでもよい。

本発明によれば、コンプレッサインペラの組み込みを簡易化しつつ比速度を高め、圧縮効率の向上を図ることが可能となる。

遠心圧縮機の概略断面図である。 単段式遠心圧縮機および多段式遠心圧縮機の比速度と圧縮効率との関係を説明するための説明図である。 上流側コンプレッサインペラとディフューザとの関係を説明するための前面側から見た説明図である。 下流側コンプレッサインペラとリターンガイドベーンとの関係を説明するための前面側から見た説明図である。 図１（ａ）のＡ部分の拡大図である。 遠心圧縮機の他の例を示す概略断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（遠心圧縮機１）
図１は、遠心圧縮機１の概略断面図である。以下では、Ｆで示す矢印の方向を遠心圧縮機１の前側とし、Ｒで示す矢印の方向を遠心圧縮機１の後側として説明する。また、後述するコンプレッサインペラの説明において、入力側はコンプレッサインペラにおける気体の流れの最上流側を、出力側はコンプレッサインペラにおける気体の流れの最下流側を示す。図１（ａ）に示すように、遠心圧縮機１は、コンプレッサハウジング２と、コンプレッサハウジング２の後側に連結されるケーシング３とを備えている。遠心圧縮機１は、産業用圧縮機、ガスタービン（燃焼用空気圧縮）、過給機、送風機、冷却装置等、様々な用途に用いることができる。また、遠心圧縮機１は、軸流式の圧縮機より小型軽量化できるといった利点も有する。

ケーシング３の後側には、例えば、遠心圧縮機１の前後方向に軸受孔を有する図示しないベアリングハウジングが設けられ、この軸受孔に、回転軸としてのシャフト４がベアリングを介して回転自在に支持されている。シャフト４の前端部には、上流側コンプレッサインペラ５と下流側コンプレッサインペラ６とが同心で一体形成されており（別体として形成し一体的に連結されていてもよい）、この上流側コンプレッサインペラ５と下流側コンプレッサインペラ６がコンプレッサハウジング２内に回転自在に収容されている（上流側コンプレッサインペラ５と下流側コンプレッサインペラ６とのいずれも指す場合は単にコンプレッサインペラという）。また、シャフト４の後端部には図示しない駆動源が連結され、上流側コンプレッサインペラ５および下流側コンプレッサインペラ６は、かかる駆動源により強制的に回転される。

上流側コンプレッサインペラ５は、シャフト４に固定された上流側インペラ本体５ａと、上流側インペラ本体５ａの周方向に間隔を空けて配された複数の上流側翼５ｂとを含んで構成される。同様に、下流側コンプレッサインペラ６は、シャフト４に固定された下流側インペラ本体６ａと、下流側インペラ本体６ａの周方向に間隔を空けて配された複数の下流側翼６ｂとを含んで構成される。図１（ａ）では、上流側インペラ本体５ａおよび下流側インペラ本体６ａにのみハッチングを施したが、上流側インペラ本体５ａと上流側翼５ｂとは、また、下流側インペラ本体６ａと下流側翼６ｂとは一体形成されている。ただし、別体に形成されるのを排除するものではない。

コンプレッサハウジング２には、上流側コンプレッサインペラ５に臨み、上流側コンプレッサインペラ５と同心かつ遠心圧縮機１の前側に開口する吸気口７が形成されている。ここでは、駆動源により上流側コンプレッサインペラ５および下流側コンプレッサインペラ６が回転し、上流側コンプレッサインペラ５の入力側が負圧になり、吸気口７から気体が吸引される。

上流側コンプレッサインペラ５の出力側と下流側コンプレッサインペラ６の入力側とは、連通路８を通じて連通している。連通路８は、上流側コンプレッサインペラ５の出力側と下流側コンプレッサインペラ６の入力側とを周方向に亘って連通するので、シャフト４を中心に環状に空間が形成されることとなる。また、下流側コンプレッサインペラ６の出力側には周方向に亘って連通する流路９が形成される。流路９は、さらに、下流側コンプレッサインペラ６よりシャフト４の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１０と連通する。コンプレッサスクロール流路１０は、圧縮された空気を吐出する不図示の吐出口と連通する。

したがって、シャフト４を介して上流側コンプレッサインペラ５が回転すると、吸気口７からコンプレッサハウジング２内に気体が吸引されるとともに、当該吸引された気体は、上流側コンプレッサインペラ５の上流側インペラ本体５ａとコンプレッサハウジング２のシュラウド面２ａとの間を通過し、遠心力の作用で圧縮されて連通路８に抜ける。そして、再び、下流側コンプレッサインペラ６の下流側インペラ本体６ａとコンプレッサハウジング２のシュラウド面２ｂとの間を通過し、遠心力の作用で流路９に抜け、最終的にコンプレッサスクロール流路１０で昇圧されて吐出口に導かれることとなる。

このように、本実施形態では、コンプレッサインペラを少なくとも２段で構成し、１段目の上流側コンプレッサインペラ５で圧縮された気体を、さらに２段目の下流側コンプレッサインペラ６で加圧することとしている。

仮に、コンプレッサインペラを単段で形成した場合、遠心圧縮機に取り込む気体の流量が少ないと翼の高さを低くしなければならない。また、強度制限等の理由で回転数（回転速度）を十分高くできないことがある。そうすると、比速度が小さくなって圧縮効率が悪くなる。そこで、上記のように、コンプレッサインペラを複数段（ここでは２段）で構成することで、１段あたりの仕事を減らすことができ、比速度を大きくすることが可能となる。すると、回転数が低くとも高い効率で気体を圧縮することができる。

図２は、単段式遠心圧縮機および多段式遠心圧縮機の比速度Ｎｓと圧縮効率ηとの関係を説明するための説明図である。比速度Ｎｓは、以下の数式１で表すことができる。

…（数式１）
ここで、Ｎは回転数（ｒｐｍ）、Ｑは体積流量（ｍ^３／ｍｉｎ）、Ｃｐは定圧比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）、Ｔは温度（Ｋ）、Πは圧力比、γは比熱比である。

例えば、単段式遠心圧縮機では、想定される体積流量Ｑ、温度Ｔ、圧力比Πが決まると、比速度Ｎｓも決まる。比速度Nsが最適値（０．１２）となるような回転数Nを採用することができればよいが、上述のように強度などの制約から回転数Nが、例えば最適値の半分程度にしか設定することができない場合には、比速度Nsは０．０６に低下し、圧縮効率ηも図２において矢印で示した黒丸の如く低下する。

一方、本実施形態の多段式遠心圧縮機では、仕事を複数段に分散しているので、比速度Ｎｓも、例えば、図２において白丸で示すように、０．０８および０．１０と分散でき、各段の圧力効率は単段の場合の圧力効率よりも高くなり、総合的な圧縮効率を維持することができる。

また、１段あたりの仕事を減少することで、コンプレッサインペラの出力側から出力される気体の径方向速度成分を維持しつつ、周方向速度成分を小さくすることができるので、後述するディフューザでの圧力損失も低減することが可能となる。

さらに、単段式と比較して、個々のコンプレッサインペラの外径を小さくでき、インペラ背面の表面積（気体との接触面積）の低減を図ることができるので、背面の摩擦損失と、軸方向の荷重低減、すなわち、軸受の損失を低減することが可能となる。

ここで、上流側コンプレッサインペラ５および下流側コンプレッサインペラ６の構造について触れる。図１（ａ）から上流側コンプレッサインペラ５および下流側コンプレッサインペラ６を抜き出した図１（ｂ）を参照すると、下記のような特徴を有する。まず、上流側コンプレッサインペラ５の出力側最外径、すなわち、上流側インペラ本体５ａの出力側最外径Ｌ_１は、下流側コンプレッサインペラ６の入力側最外径、すなわち、下流側翼６ｂの入力側最外径Ｌ_２（または、シュラウド面２ｂの最内径）以下となるように構成する。

こうすることで、上流側コンプレッサインペラ５と下流側コンプレッサインペラ６とを解体することなく、両者をシャフト４に固定した状態のままで、コンプレッサハウジング２後方からコンプレッサハウジング２内にスムーズに組み込むことができる。このような簡易な構成によって、製造コストの増大を回避しつつ、コンプレッサインペラを多段に組むことが可能となる。また、コンプレッサインペラを最初から一体的に構成することで、十分な剛性を得られ、シャフト４に対するバランスも十分にとることができる。

また、本実施形態では、複数の下流側翼６ｂの入力側最内径Ｌ_３は、複数の上流側翼５ｂの出力側最外径Ｌ_４よりも小さくなるように構成する。こうすることで、上流側翼５ｂと下流側翼６ｂとの径方向の長さの和を、単段式より長くできるので圧縮効果を高めることが可能となる。すると、流量が少ない場合であっても比速度を大きくすることができ、圧縮効率の向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態においては、圧縮効率の向上のため、連通路８や流路９にはディフューザ１１ａ、１１ｂが設けられている。ここでは、連通路８に設けられたディフューザ１１ａを挙げて説明する。

図３は、上流側コンプレッサインペラ５とディフューザ１１ａとの関係を説明するための前面側から見た説明図である。ここでは、理解を容易にするために、上流側翼５ｂとディフューザ１１ａにハッチングを施している。ディフューザ１１ａは、図１（ａ）および図３に示すように、上流側コンプレッサインペラ５の出力側の径方向外側に位置し、上流側コンプレッサインペラ５で加えられた気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する。

具体的に、上流側コンプレッサインペラ５がシャフト４を中心に白抜き矢印のように回転すると、遠心圧縮機１の前後方向に吸気された気体は、遠心力の作用で、シャフト４に垂直な平面方向（連通路８方向）に向きを変えて流れる。連通路８において、気体は、図３中、実線矢印の方向に速度ｖで流れる。隣接するディフューザ１１ａはシャフト４から径方向に離隔するほど、その間隔が広がっている。気体は、流路断面が広くなる分、速度ｖが低下するが、その運動エネルギーに代えて圧力エネルギーが高くなる。

また、本実施形態においては、圧縮効率の向上のため、連通路８にリターンガイドベーン１２が設けられている（図１（ａ）参照）。

図４は、下流側コンプレッサインペラ６とリターンガイドベーン１２との関係を説明するための前面側から見た説明図である。ここでは、理解を容易にするために、下流側翼６ｂとリターンガイドベーン１２にハッチングを施している。リターンガイドベーン１２は、図１（ａ）および図４に示すように、下流側コンプレッサインペラ６の気体の入力側の径方向外側に位置し、上流側コンプレッサインペラ５で昇圧された気体の方向を徐々に径方向に変化させることで周方向速度成分を抑制する。

具体的に、下流側コンプレッサインペラ６がシャフト４を中心に白抜き矢印のように回転すると、上流側コンプレッサインペラ５で昇圧された気体が、連通路８中のディフューザ１１ａを通過して、下流側コンプレッサインペラ６の入力側に吸引される。このとき、連通路８において、気体は、図４中、実線矢印の方向に速度ｖ_１で流れる。かかる気体の速度ｖ_１は、径方向速度成分ｖｒと周方向速度成分ｖθとに分解することができる。隣接するリターンガイドベーン１２は、その翼がシャフト４に近づくに連れ、径方向との角度が小さくなるように形成されているので、シャフト４に近づくに連れ、流体の向きと径方向との角度が小さくなって、例えば、絶対値が速度ｖ_２と等しい（｜ｖ_１｜＝｜ｖ_２｜）速度ｖ_２になる。すなわち、速度ｖ_１の絶対値を維持したまま、径方向速度成分ｖｒを高め、周方向速度成分ｖθを低減することができる。

このように、気体の流れを径方向に戻すことで、下流側コンプレッサインペラ６の入力側に吸引される気体が、上流側コンプレッサインペラ５同様、径方向に流れるため、下流側コンプレッサインペラ６の入口で旋回流を抑制し、圧力比を高めることができる。

また、上流側コンプレッサインペラ５とコンプレッサハウジング２は相対回転するので、両者の接触を回避すべく両者の境には、クリアランスが設けられる。しかし、単に、クリアランスを大きくしてしまうと、上流側インペラ本体５ａの上流側翼５ｂが設けられた面（翼面）から、連通路８を介して、上流側インペラ本体５ａの裏面に流れる本来の流れと異なる、上流側インペラ本体５ａの翼面と裏面との直接的な流れが生じてしまう。

図５は、図１（ａ）のＡ部分の拡大図である。このような上流側インペラ本体５ａの翼面と裏面との気体の直接的な流通を回避すべく、図５に示すように、上流側インペラ本体５ａとコンプレッサハウジング２との境において、上流側インペラ本体５ａの翼面と裏面との気体の流通を抑制するラビリンスシール１３を設けている。ラビリンスシール１３は、回転側（上流側コンプレッサインペラ５）と、固定側（コンプレッサハウジング２）との間に凹凸の隙間を複数段重ね、差圧を段階的に変化させることでシール性を持たせたものである。かかる構成により、上流側コンプレッサインペラ５の回転を確保しつつ、上流側インペラ本体５ａの翼面から、連通路８を介して、上流側インペラ本体５ａの裏面に流れる本来の流れを維持することが可能となる。

（変形例）
図６は、遠心圧縮機の他の例（遠心圧縮機２１）を示す概略断面図である。図１（ａ）を用いて既に述べた構成要素は、実質的に機能が同一なので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違する部分に関してのみ説明する。

まず、図６の変形例では、図１（ａ）と異なり、連通路８においてディフューザ１１ａとリターンガイドベーン１２とを個別に設けず、一体化したディフューザ１１ｃを用いている。このような構成により、ディフューザ１１ａとリターンガイドベーン１２とを個別に設けた場合より、製造工数や部品点数を削減することができ、製造コストの低減を図ることができる。また、両者を連続させることでディフューザ１１ｃの剛性を高めることが可能となる。

また、図６の構造について、下流側コンプレッサインペラ６の下流側インペラ本体６ａの出力側の径方向最外径を、下流側翼６ｂの径方向最外径より小さくすることで、上流側コンプレッサインペラ５および下流側コンプレッサインペラ６を全て下流側翼６ｂの径方向最外径以下とすることができ、見た目の外観寸法を小さくし、図１の遠心圧縮機１同様、コンプレッサインペラの組み込みが容易になる。

以上、説明したように、本実施形態の遠心圧縮機１、２１では、コンプレッサインペラの組み込みを簡易化しつつ比速度を高め、圧縮効率の向上を図ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、遠心圧縮機１、２１の複数段を遠心圧縮機＋遠心圧縮機で構成したが、かかる場合に限らず、上流側を軸流式または斜流式の圧縮機、すなわち、軸流式圧縮機＋遠心圧縮機や斜流式圧縮機＋遠心圧縮機で構成することもできる。

本発明は、遠心力の作用で気体を昇圧させる遠心圧縮機に利用することができる。

１、２１ …遠心圧縮機
２ …コンプレッサハウジング
４ …シャフト（回転軸）
５ …上流側コンプレッサインペラ
５ａ …上流側インペラ本体
５ｂ …上流側翼
６ …下流側コンプレッサインペラ
６ａ …下流側インペラ本体
６ｂ …下流側翼
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ …ディフューザ
１２ …リターンガイドベーン
１３ …ラビリンスシール

Claims (4)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定された上流側インペラ本体と、該上流側インペラ本体の周方向に間隔を空けて配された複数の上流側翼と、を有し、回転による遠心力の作用で周囲の気体を昇圧する上流側コンプレッサインペラと、
   前記回転軸に固定された下流側インペラ本体と、該下流側インペラ本体の周方向に間隔を空けて配された複数の下流側翼と、を有し、前記上流側コンプレッサインペラで昇圧された気体をさらに昇圧する下流側コンプレッサインペラと、
   前記上流側コンプレッサインペラおよび前記下流側コンプレッサインペラが収容されるコンプレッサハウジングと、
   を備え、
   前記上流側コンプレッサインペラの出力側最外径は、前記下流側コンプレッサインペラの入力側最外径以下であり、
   前記複数の下流側翼の入力側最内径は、前記複数の上流側翼の出力側最外径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
2. 前記上流側コンプレッサインペラの出力側の径方向外側に位置し、該上流側コンプレッサインペラで昇圧された気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記下流側コンプレッサインペラの入力側の径方向外側に位置し、前記上流側コンプレッサインペラで昇圧された気体の周方向速度成分を抑制するリターンガイドベーンをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記上流側インペラ本体と前記コンプレッサハウジングとの境において、前記上流側インペラ本体の前記上流側翼が設けられた面と裏面との気体の流通を抑制するラビリンスシールをさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。

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