JP2015059493A

JP2015059493A - 回転機械

Info

Publication number: JP2015059493A
Application number: JP2013193390A
Authority: JP
Inventors: 山下　修一; 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: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: JP6158008B2; EP3048309A4; WO2015041174A1; EP3048309B1; US10077778B2; CN105518309A; EP3048309A1; US20160201687A1; CN105518309B

Abstract

【課題】高効率維持と広作動範囲確保を両立させた回転機械。【解決手段】回転軸２と、回転軸２に固定されて、回転軸２とともに回転する複数のインペラ３と、回転軸２及びインペラ３を囲って、インペラ３から径方向外側に排出される流体Ｇが流通するディフューザ通路１９、及び、ディフューザ通路１９を流通した流体Ｇを径方向内側に向かって案内して後段のインペラ３に導入するリターン通路２０を画成するケーシング５と、を備え、複数のインペラ３は、後段側に配置される程、流体Ｇの流路断面積が小さく形成され、隣り合う一対のインペラ３にそれぞれ対応するディフューザ通路１９のうち、前段側に配置されるディフューザ通路１９がベーンレスディフューザとされ、後段側に配置されるディフューザ通路１９がベーンドディフューザとされている回転機械を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸と、回転軸に固定されて回転軸とともに回転する複数のインペラとを有する回転機械に関する。

周知のように、遠心圧縮機などの回転機械は、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。

インペラは、遠心圧縮機のケーシング内において、回転軸上に回転可能に支持されている。遠心圧縮機は、回転軸を介して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する。遠心力による運動エネルギーは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され、圧縮された気体はケーシングの排出口から送出される。

上述したような回転機械のうち、特に同一の軸に多数のインペラが取り付けられ、気体の出入口をそれぞれ一つずつ有する遠心圧縮機は、一軸多段遠心圧縮機の中でもストレート型遠心圧縮機と呼ばれている。
一軸多段遠心圧縮機としては、特許文献１に記載されているような、ベーンドディフューザを有する段と、ベーンレスディフューザを有する段とを組み合わせたものが知られている。この遠心圧縮機は、ベーンドディフューザを有する段において高効率維持を狙い、ベーンレスディフューザを有する段において広作動範囲の確保を狙う構成とされている。

特開２０１０−３１７７７号公報

多段のインペラを有する回転機械においては、後段になるに従って気体の温度が高くなる。一方、インペラの直径が全段同じであれば、全段のインペラが同じ回転数で回転するが、温度の上昇に伴い後段になるに従って音速が高くなる。これにより前段では機械マッハ数（インペラの周速を音速で除した値）が高くなり、後段では機械マッハ数が低くなる。

特許文献１に記載されている回転機械のように、機械マッハ数が高い前段側においてベーンドディフューザを設けると、ベーンレスディフューザとした場合と比較して作動範囲（流量範囲）が狭くなる可能性がある。
また、後段になるに従って気体は圧縮されて体積流量が小さくなるため、後段の方が前段よりも流路幅が狭くなる。流路幅が狭い後段においてベーンレスディフューザとした場合、効率が低下する可能性がある。
即ち、前段側をベーンドディフューザとし、後段側をベーンレスディフューザとした組み合わせにおいては、回転機械の高効率維持と、広作動範囲確保の両立が十分に達成できない可能性がある。

この発明は、高効率維持と広作動範囲確保を両立させた回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、回転機械は、回転軸と、該回転軸に固定されて、該回転軸とともに回転する複数のインペラと、前記回転軸及び前記インペラを囲って、前記インペラから径方向外側に排出される流体が流通するディフューザ通路、及び、該ディフューザ通路を流通した流体を径方向内側に向かって案内して後段の前記インペラに導入するリターン流路を画成するケーシングと、を備え、前記複数のインペラは、後段側に配置される程、前記流体の流路断面積が小さく形成され、隣り合う一対の前記インペラにそれぞれ対応する前記ディフューザ通路のうち、前段側に配置される前記ディフューザ通路がベーンレスディフューザとされ、後段側に配置される前記ディフューザ通路がベーンドディフューザとされている。

上記構成によれば、機械マッハ数が高い前段側においてベーンレスディフューザとすることによって作動範囲が確保され、流路断面積が小さい後段側においてベーンドディフューザとすることによって高効率を維持することができる。これにより、高効率維持と広作動範囲確保を両立させた回転機械を提供することができる。

上記回転機械において、前記前段側に配置される前記ディフューザ通路よりも更に前段側に配置される全ての前記ディフューザ通路がベーンレスディフューザとされ、記後段側に配置される前記ディフューザ通路よりも更に後段側に配置される全ての前記ディフューザ通路がベーンドディフューザとされている構成としてもよい。

上記回転機械において、前記一対のインペラが前記回転軸の軸方向に複数連結されている構成としてもよい。

本発明によれば、機械マッハ数が高い前段側においてベーンレスディフューザとすることによって作動範囲が確保され、流路断面積が小さい後段側においてベーンドディフューザとすることによって高効率を維持することができる。これにより、高効率維持と広作動範囲確保を両立させた回転機械を提供することができる。

本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の概略断面図である。本発明の第一実施形態の遠心圧縮機におけるインペラを拡大した図である。本発明の第一実施形態の遠心圧縮機及び従来の遠心圧縮機の性能曲線図である。本発明の第二実施形態の遠心圧縮機の概略断面図である。本発明の第三実施形態の遠心圧縮機の概略断面図である。

（第一実施形態）
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、回転機械の一例として、インペラを複数備えた多段式の一軸多段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。

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。本実施形態の遠心圧縮機１は、初段圧縮機段３１から五段圧縮機段３５の五段の圧縮機段を有している。なお、図示例において、インペラ３は五つ設けられているが少なくとも二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。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Ｇ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。
インペラ３は、後段側に配置される程、流体Ｇの流路断面積が小さくなるように形成されている。換言すれば、流体Ｇの下流側に向かうに従って、圧縮通路１８が細くなるように形成されている。

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においては五段目のインペラ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（前段側のインペラ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。
前述したように、インペラ３は、後段側に配置される程、流体Ｇの流路断面積が小さくなるように形成されている。これに対応して、流路４は、流体Ｇの下流側（後段側）に向かうに従って、流路幅が狭くなっている。例えば、ディフューザ通路１９は、下流側程狭くなるように形成されている。

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。

本実施形態の遠心圧縮機は、初段圧縮機段３１、二段圧縮機段３２、及び三段圧縮機段３３のインペラの出口に接続されたディフューザ通路１９は、ベーンレスディフューザとされている。即ち、初段圧縮機段３１から三段圧縮機段３３のインペラ３から径方向外側に排出される流体Ｇが流通するディフューザ通路には、翼（ディフューザベーン、羽根）が形成されていない。

四段圧縮機段３４、及び五段圧縮機段３５のインペラ３の出口に接続されたディフューザ通路１９は、ベーンドディフューザとされている。即ち、四段圧縮機段３４、及び五段圧縮機段３５のインペラ３から径方向外側に排出される流体Ｇが流通するディフューザには複数の翼２９が形成されている。

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から初段圧縮機段３１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、二段圧縮機段３２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。

図３に従来の遠心圧縮機、従来技術である特許文献１に記載の遠心圧縮機、及び本実施形態の遠心圧縮機１の性能試験結果比較を示す。
従来の遠心圧縮機は、全段ベーンレスディフューザとした構成である。特許文献１に記載の遠心圧縮機は、初段圧縮機段から三段圧縮機段をベーンドディフューザとし、四段圧縮機段及び五段圧縮機段をベーンレスディフューザとした構成である。
図３のグラフにおいて、横軸は吸込体積流量であり、縦軸は断熱ヘッド（遠心圧縮機の出口圧）及び効率である。

図３に示すように、本実施形態の遠心圧縮機は、従来の遠心圧縮機と比較して、効率、及び作動範囲（流量範囲）がともに改善されている。また、特許文献１に記載の遠心圧縮機では十分成し得なかった広作動範囲化と高効率維持を、本実施形態の遠心圧縮機では十分成し得ている。
作動範囲に関しては、機械マッハ数が高い前段側でベーンレスディフューザとすることによって作動範囲が確保される。ここで、機械マッハ数Ｍは、インペラの回転数をＮ、インペラの外径をＤ、音速をａとすると、以下の数式（１）より算出される値である。
Ｍ＝ π×Ｄ×Ｎ／６０／ａ・・・（１）
なお、音速ａは、ガスの温度をＴ、比熱比をκ、ガス定数をＲとすると、以下の数式（２）より算出することができる。
ａ＝√（κ×Ｒ×Ｔ）・・・（２）

即ち、機械マッハ数が高い前段側の圧縮機段をベーンレスディフューザとすることによって、翼によって規定される作動範囲の制限がなくなるため、作動範囲を確保することができる。

効率に関しては、流路幅が狭い後段においてベーンドディフューザとすることによって高効率が維持される。即ち、ディフューザ通路１９の翼２９によって、流体Ｇをより昇圧することができる。

上記構成によれば、機械マッハ数が高い前段側においてベーンレスディフューザとすることによって作動範囲が確保され、流路断面積が小さい後段側においてベーンドディフューザとすることによって高効率を維持することができる。これにより、高効率維持と広作動範囲確保を両立させた遠心圧縮機１を提供することができる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の遠心圧縮機１Ｂを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、初段圧縮機段３１、三段圧縮機段３３、及び五段圧縮機段３５のディフューザ通路１９
がベーンレスディフューザとされている。一方、二段圧縮機段３２、四段圧縮機段３４のディフューザ通路１９はベーンドディフューザとされている。

上記実施形態によれば、隣り合う一対のインペラ３にそれぞれ対応するディフューザ通路１９のうち、前段側がベーンレスディフューザとなり、後段側をベーンドディフューザとなる。このような形態とすることで、局所的な高効率維持と、高作動範囲確保が可能となる。

（第三実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の遠心圧縮機１Ｃを図面に基づいて説明する。
図５に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、初段圧縮機段３１のディフューザ通路１９がベーンレスディフューザとされている。一方、二段圧縮機段３２、三段圧縮機段３３、四段圧縮機段３４、及び五段圧縮機段３５のディフューザ通路１９はベーンドディフューザとされている。即ち、初段圧縮機段３１のみをベーンレスディフューザとし、二段圧縮機段３２以降をベーンドディフューザとしている。
効率維持と作動範囲確保のバランスからこのような配置とすることもできる。つまり、要求される効率、作動範囲に応じて、ベーンレスディフューザ、ベーンドディフューザの配置を適宜調整することができる。

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、上記各実施形態は、遠心圧縮機のディフューザに対してベーンレスディフューザ、ベーンドディフューザの配置を変更したが、他の回転機械、例えば、多段遠心送風機にも適用可能である。

本発明は、回転軸と、回転軸に固定されて、回転軸とともに回転する複数のインペラと、回転軸及びインペラを囲って、インペラから径方向外側に排出される流体が流通するディフューザ、及び、ディフューザを流通した流体を径方向内側に向かって案内して後段のインペラに導入するリターン流路を画成するケーシングと、を備えた回転機械に適用可能である。

１，１Ｂ，１Ｃ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
２９翼
３１，３２，３３，３４，３５圧縮機段

Claims

回転軸と、
該回転軸に固定されて、該回転軸とともに回転する複数のインペラと、
前記回転軸及び前記インペラを囲って、前記インペラから径方向外側に排出される流体が流通するディフューザ通路、及び、該ディフューザ通路を流通した流体を径方向内側に向かって案内して後段の前記インペラに導入するリターン流路を画成するケーシングと、を備え、
前記複数のインペラは、後段側に配置される程、前記流体の流路断面積が小さく形成され、
隣り合う一対の前記インペラにそれぞれ対応する前記ディフューザ通路のうち、前段側に配置される前記ディフューザ通路がベーンレスディフューザとされ、後段側に配置される前記ディフューザ通路がベーンドディフューザとされていることを特徴とする回転機械。
前記前段側に配置される前記ディフューザ通路よりも更に前段側に配置される全ての前記ディフューザ通路がベーンレスディフューザとされ、
前記後段側に配置される前記ディフューザ通路よりも更に後段側に配置される全ての前記ディフューザ通路がベーンドディフューザとされていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
前記一対のインペラが前記回転軸の軸方向に複数連結されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。