JP2014152637A

JP2014152637A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2014152637A
Application number: JP2013020704A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Yamashita; 修一山下
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-25
Also published as: CN104822948A; EP2955387A1; US20150354588A1; EP2955387A4; WO2014122819A1

Abstract

【課題】遠心圧縮機のインペラの出口から送り出される流体の旋回失速をより確実に抑制する。
【解決手段】回転することで、軸方向一方側に向かって流入する流体を径方向外側を向く出口から送り出すインペラ３と、インペラ３を囲むように設けられ、インペラ３の出口から送り出される流体が流通するとともに下流側に向かうにしたがって流体の圧力を大きくさせる出口流路６が形成されたケーシング５と、を備え、出口流路６に接続される第一開口部２８と、出口流路６における第一開口部２８よりも上流側に接続される第二開口部２７と、を有する循環流路２６が形成されている遠心圧縮機。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心力を利用して気体を圧縮する遠心圧縮機に関するものである。

周知のように、遠心圧縮機は、回転するインペラの半径方向に気体を通り抜けさせ、その際に発生する遠心力を利用してそれら気体を圧縮するものである。この種の遠心圧縮機において、インペラを軸方向に多段に備え、気体を段階的に圧縮する多段式の遠心圧縮機が知られている。

具体的には、遠心圧縮機は、ケーシング内においてインペラが回転軸上に回転可能に支持され、このインペラを回転させることにより、ケーシングの吸込口から空気やガスなどの流体を吸引して遠心力を付与し、その運動エネルギーをディフューザ及びスクロール部で圧力エネルギーに変換して、ケーシングの排出口から送出するように構成されている。

上述したような遠心圧縮機においては、周方向の流れが不均一になることにより発生する旋回失速を抑制するために、ディフューザ幅を通常よりも狭める、あるいはインペラ背面とディフューザ入口とを接続する循環流路を設置することがある（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
いずれの構成も、ディフューザ入口での流速を増加させ、流れをより半径方向に向けて流れ角を小さくすることで旋回失速が生じにくい構造とするものである。

特開２０１１−１２２５１６号公報特開２０１０−０４３６４８号公報

ところで、上述した特許文献１、特許文献２に記載されているようなインペラ背面とディフューザ入口とを接続する循環流路を設置する構造を有する遠心圧縮機では、高圧圧縮流体の一部をディフューザではなく、インペラ背面に噴出す構成であるので、主流からインペラ背面への漏れ流れが低減され、主流速度が維持される。しかしながら、出口流路を流れる流体の流速増加としては改良の余地がある。
また、回転軸とハブケーシングとの間に設けられるシール（例えばラビリンスシール）での漏れが多くなるという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、出口流路を流れる流体の流速を増加させることによって、より確実に旋回失速を抑制することができる遠心圧縮機を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の遠心圧縮機は、回転することで、軸方向一方側に向かって流入する流体を径方向外側を向く出口から送り出すインペラと、前記インペラを囲むように設けられ、前記インペラの出口から送り出される流体が流通するとともに下流側に向かうにしたがって該流体の圧力を大きくさせる出口流路が形成されたケーシングと、を備え、前記出口流路に接続される第一開口部と、前記出口流路における前記第一開口部よりも上流側に接続される第二開口部と、を有する循環流路が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、出口流路の第二開口部より流入する流体が出口流路を流れる流体の流速を増加させるように循環することによって、より確実に旋回失速を抑制することができる。

上記遠心圧縮機において、前記第二開口部は、前記出口流路の下流側に指向していることが好ましい。

上記構成によれば、第二開口部より導入される循環流が出口流路の下流側に向かうため、出口流路を流れる流体の流速をより増加させることができる。

上記遠心圧縮機において、前記出口流路は、前記インペラの出口に接続され、前記インペラにより前記流体に与えられた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と、前記ディフューザの出口に接続され、前記流体を外部に吐出させるスクロールと、を有し、前記第一開口部は、前記スクロールに設けられていることが好ましい。

上記構成によれば、第一開口部と第二開口部との圧力差をより大きくすることができるため、より確実に循環流を流すことができる。

上記遠心圧縮機において、前記出口流路は、前記インペラの出口に接続され、前記インペラにより前記流体に与えられた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有し、前記第一開口部は、前記ディフューザの出口側に設けられている構成としてもよい。

本発明によれば、出口流路の第二開口部より流入する流体が出口流路を流れる流体の流速を増加させるように循環することによって、より確実に旋回失速を抑制することができる。

本発明の実施形態の遠心圧縮機の概略断面図である。本発明の実施形態の遠心圧縮機における最終段のインペラ及びスクロール部を拡大した図である。本発明の実施形態の変形例の遠心圧縮機における最終段のインペラ及びスクロール部を拡大した図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、遠心圧縮機の一例として、インペラを複数備えた多段式の遠心圧縮機を例に挙げて説明する。

図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、主として、軸線Ｏ回りに回転させられる回転軸２と、回転軸２に取り付けられて遠心力を利用して空気などの流体Ｇを圧縮するインペラ３と、回転軸２を回転可能に支持すると共に流体Ｇを上流側から下流側に流す流路４が形成されたケーシング５と、によって構成されている。

ケーシング５は、略円柱状の外郭をなすように形成され、中心を貫くように回転軸２が配置されている。ケーシング５のうち回転軸２の軸方向の両端には、ジャーナル軸受７が設けられ、一端には、スラスト軸受８が設けられている。これらジャーナル軸受７及びスラスト軸受８は回転軸２を回転可能に支持している。即ち、回転軸２は、ジャーナル軸受７及びスラスト軸受８を介してケーシング５に支持されている。

また、ケーシング５のうち軸方向の一端側には流体Ｇを外部から流入させる吸込口９が設けられ、他端側には流体Ｇが外部に流出する排出口１０が設けられている。ケーシング５内には、これら吸込口９及び排出口１０にそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間１１が設けられている。この内部空間１１は、インペラ３を収容する空間として機能すると共に上述した流路４としても機能する。即ち、吸込口９と排出口１０とは、インペラ３及び流路４を介して連通している。また、ケーシング５は、シュラウドケーシング５ａとハブケーシング５ｂとによって構成されており、内部空間１１はシュラウドケーシング５ａと、ハブケーシング５ｂとによって形成されている。

インペラ３は、回転軸２の軸方向に間隔を空けて複数配列されている。なお、図示例において、インペラ３は六つ設けられているが少なくとも一つ設けられていればよい。図２に示すように、各インペラ３は、排出口１０側に進むにつれて漸次拡径した略円盤状のハブ１３と、ハブ１３に放射状に取り付けられ、周方向に並んだ複数の羽根１４と、これら複数の羽根１４の先端側を周方向に覆うように取り付けられたシュラウド１５と、によって構成されている。

流路４は、流体Ｇが複数のインペラ３によって段階的に圧縮されるように、回転軸２の径方向に蛇行しながら軸方向に進行して各インペラ３間を繋ぐように形成されている。詳細に説明すると、この流路４は、主に吸込通路１７と、圧縮通路１８と、ディフューザ通路１９と、リターン通路２０と、によって構成されている。ディフューザ通路１９は、インペラ３により流体に与えられた運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する通路である。

吸込通路１７は、径方向外方から径方向内方に流体Ｇを流した後、この流体Ｇの向きをインペラ３の直前で回転軸２の軸方向に変換させる通路である。具体的には、径方向外方から径方向内方に向けて流体Ｇを流す直線状のストレート通路２１と、ストレート通路２１から流れてきた流体Ｇの流れ方向を径方向内方から軸方向に変換して流体Ｇをインペラ３に向かわせる湾曲形状のコーナー通路２２と、によって構成されている。

さらに、二つのインペラ３間に位置するストレート通路２１には、軸線Ｏを中心とした放射状に配置されてストレート通路２１を回転軸２の周方向に分割する複数のリターンベーン２３が設けられている。

圧縮通路１８は、吸込通路１７から送られてきた流体Ｇをインペラ３内で圧縮させるための通路であり、ハブ１３の羽根取付面とシュラウド１５の内壁面とによって囲まれることで画成されている。
ディフューザ通路１９は、その径方向内方側が圧縮通路１８に連通しており、インペラ３によって圧縮された流体Ｇを径方向外方に流す役割を果たす。なお、ディフューザ通路１９の径方向外方側は、リターン通路２０に連通しているが、流路４のうち最も下流側に位置するインペラ３（図１においては六段目のインペラ３）の径方向外方に連なるディフューザ通路１９は、後述する吐出スクロール１２に連通している。

リターン通路２０は、断面略Ｕ字状に形成され、リターン通路２０の上流端側はディフューザ通路１９に連通しており、下流端側が吸込通路１７のストレート通路２１に連通している。このリターン通路２０は、インペラ３（上流側のインペラ３）によってディフューザ通路１９を通って径方向外方に流れてきた流体Ｇの流れ方向を径方向内方に反転させて、ストレート通路２１に送り出している。

ケーシング５内には、吐出口から流体を吐出するための吐出スクロール１２が設けられている。吐出スクロール１２は、最終段のインペラ３の外周部に位置するディフューザ通路１９の出口の全周を囲うように形成されたスクロール流路２５を有している。
スクロール流路２５は、最終段のインペラ３の外周部に位置するディフューザ通路１９の出口の全周を囲うように形成され、インペラ３の回転方向に沿って、その断面積が漸次連続的に拡大するように形成されている。
上記ディフューザ通路１９及び吐出スクロール１２は、インペラ３の出口から送り出される流体が流通するとともに下流側に向かうにしたがって流体の圧力を大きくさせる出口流路６として機能するものである。

そして、本実施形態の遠心圧縮機１のケーシング５においては、吐出スクロール１２のスクロール流路２５の底面と、ディフューザ通路１９とを接続する循環流路２６が設けられている。具体的には、循環流路２６は、ディフューザ通路１９の入口近傍に設けられた第二開口部２８と、スクロール流路２５の底面に設けられた第一開口部２７とを有する流路４である。

第二開口部２８は、ディフューザ通路１９の下流側を指向するように形成されている。即ち、第一開口部２７から流入し、第二開口部２８から噴出する圧縮空気がディフューザ通路１９の出口側に向かって噴出するように方向付けられている。

次に、以上のように構成された遠心圧縮機１による流体Ｇの圧縮について説明する。
各インペラ３が回転軸２と共に回転すると、吸込口９から流路４内に流入した流体Ｇは、吸込口９から一段目のインペラ３の吸込通路１７、圧縮通路１８、ディフューザ通路１９、リターン通路２０の順に流れた後、二段目のインペラ３の吸込通路１７、圧縮通路１８…という順に流れていく。そして、流路４の最も下流側に位置するディフューザ通路１９直後の吐出スクロール１２まで流れた流体Ｇは、排出口１０から外部に流れる。

流体Ｇは、上述した順で流路４を流れる途中、各インペラ３によって圧縮される。即ち、この遠心圧縮機１においては、流体Ｇが複数のインペラ３によって段階的に圧縮され、これによって大きな圧縮比を容易に得ることができる。

ここで、循環流路２６は、第一開口部２７から圧縮流体の一部を取り込み、第二開口部２８から噴出してディフューザ通路１９と吐出スクロール１２との間で圧縮流体の一部が循環されるように構成されている。

上記実施形態によれば、圧縮空気は、スクロール流路２５の第一開口部２７より流入し循環流路２６を介してディフューザ通路１９の第二開口部２８から噴出する。即ち、圧縮空気は、圧縮流体ディフューザ通路１９を流れる流体の流速を増加させるように循環する。これにより、より確実に旋回失速を抑制することができる。

また、第二開口部２８がディフューザ通路１９の下流側に指向するように形成されていることによって、第二開口部２８より導入される圧縮流体がディフューザ通路１９の下流側に向かって噴出されるため、ディフューザ通路１９を流れる流体の流速をより増加させることができる。

また、第一開口部２７が吐出スクロール１２に設けられていることによって、第一開口部２７と第二開口部２８との圧力差をより大きくすることができるため、より確実に循環流を流すことができる。
さらに、圧縮空気がインペラ３の背面に導入にされることがないため、例えば回転軸２とケーシング５との間にラビリンスシールなどのシールを設けた場合においても、シールからの漏れが多くなることがない。

なお、上記実施形態においては、循環流路２６の第一開口部２７を吐出スクロール１２に設ける構成としたが、第一開口部２７の形成箇所は、ディフューザ通路１９及び吐出スクロール１２より構成された出口流路上であって、第二開口部２８の下流側であればよい。例えば、図３に示すように、第一開口部２７をディフューザ通路１９の出口側に設ける構成としてもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、循環流路２６は、その全てを新たに形成する必要はなく、従前からあるラインから分岐させて、ディフューザ通路１９に噴出させるような構成としてもよい。
また、上記実施形態においては、第二開口部２８は、ディフューザ通路１９の後流側を指向する構成としたが、これに限ることはなく、ディフューザ通路１９を流れる圧縮流体の流速を低下させなければよい。例えば、ディフューザ通路１９の延在方向に直交する方向に噴射してもよい。

１遠心圧縮機
２回転軸
３インペラ
４流路
５ケーシング
６出口流路
９吸込口
１０排出口
１１内部空間
１２吐出スクロール
１３ハブ
１４羽根
１５シュラウド
１７吸込通路
１８圧縮通路
１９ディフューザ通路
２０リターン通路
２１ストレート通路
２２コーナー通路
２３リターンベーン
２５スクロール流路
２６循環流路
２７第一開口部
２８第二開口部

Claims

回転することで、軸方向一方側に向かって流入する流体を径方向外側を向く出口から送り出すインペラと、
前記インペラを囲むように設けられ、前記インペラの出口から送り出される流体が流通するとともに下流側に向かうにしたがって該流体の圧力を大きくさせる出口流路が形成されたケーシングと、を備え、
前記出口流路に接続される第一開口部と、前記出口流路における前記第一開口部よりも上流側に接続される第二開口部と、を有する循環流路が形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
前記第二開口部は、前記出口流路の下流側に指向していることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記出口流路は、前記インペラの出口に接続され、前記インペラにより前記流体に与えられた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と、
前記ディフューザの出口に接続され、前記流体を外部に吐出させるスクロールと、を有し、
前記第一開口部は、前記スクロールに設けられている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。
前記出口流路は、前記インペラの出口に接続され、前記インペラにより前記流体に与えられた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有し、
前記第一開口部は、前記ディフューザの出口側に設けられている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。