JP2015108342A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーン表面の流れに剥離が生じ難く作動範囲が縮小するという性能低下を抑制できることを目的とする。【解決手段】インペラ(11)と、その径方向外側に設けられた環状のディフューザ(15)と、を備える。ディフューザ(15)は、シュラウド側壁部(3b)と、シュラウド側壁部(3b)に対して間隙をもって対向するハブ側壁部(5a)と、その間隙において周方向に離隔して配設された複数のディフューザベーン(19)と、シュラウド側壁部(3b)及びハブ側壁部(5a)の少なくとも一方とディフューザベーン(19)とを連結支持する支柱(19b)と、を有する。ディフューザベーン(19)は、シュラウド側壁部(3b)との間に第１の隙間(Cs)を形成し、ハブ側壁部(5a)との間に第２の隙間(Ch)を形成するように設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機に係り、特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。

遠心圧縮機のディフューザ流路内に複数のベーンを周方向に離隔して設けることで、遠心圧縮機の効率を向上させる技術が知られている。
さらに、この複数のベーンの高さ(翼高さ）を、ディフューザ流路のスパン方向の幅よりも低くして、ベーンと、シュラウド側壁又はハブ側壁と、の間に隙間(クリアランス）を形成することで、圧縮機の効率を向上させつつ作動範囲も拡大させる技術が、本出願人の出願に係る特許文献１に開示されている。ここでスパン方向とは、シュラウド側壁とハブ側壁とを最短で結ぶ直線の方向として規定される。

特開２０１０−１９０１４９号公報

ところで、インペラ出口における気体の流れについて、その絶対流れ角αのスパン方向特性を調べてみると、図８の特性を示すことが明らかになっている。図８は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics)解析の結果である。
ここで、インペラ出口における流れの絶対流れ角αは、一般に図９に示されるように、半径方向と流れの絶対速度ベクトルの方向とがなす角度として規定される。

図８において、横軸は、絶対流れ角αの大小を示し、縦軸は、インペラ出口のスパン方向位置を、「０」をハブ側端とし「１」をシュラウド側端として０〜１の領域に置き換えて示す線形軸である。
例えば「０．５」は、ハブ壁とシュラウド壁との間の中央位置となる。

図８にて明らかなように、絶対流れ角αは、シュラウド側とハブ側との間のスパン方向において一定ではない。
具体的には、絶対流れ角αは、中央部「０．５」を含むミッドスパン（Ａ１〜Ａ２）において、ハブ側に向かうに従って小さくなるように漸減しているのに対し、シュラウド側領域（Ａ２〜１）及びハブ側領域（０〜Ａ１）において、それぞれシュラウド壁及びハブ壁に近づくに従って急増するように変化する。
また、その増加の変化度合いは、ハブ側領域（０〜Ａ１）が、シュラウド側領域（Ａ２〜１）に比べ、より急峻となっている。
また、ミッドスパン（Ａ１〜Ａ２）における絶対流れ角αの漸減は、概ね線形に変化している。

このような絶対流れ角αの特性に対し、従来のベーンは、概ねミッドスパン（Ａ１〜Ａ２）の値に対応するベーン入口角を設定し、設定した入口角をスパン方向に一定値で有する形状で形成されている。
そのため、ベーンとシュラウド側壁との間にクリアランスを形成した場合はベーンの入口側端部近傍のハブ側領域において、また、ハブ側壁との間にクリアランスを形成した場合はベーンの入口側端部近傍のシュラウド側領域において、ベーンの入口角と絶対流れ角αとに大きな乖離が生じていた。
従って、従来の遠心圧縮機は、この大きな乖離によってベーン表面の流れに剥離が生じ、作動範囲が縮小するという性能低下を招く虞があった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ベーン表面の流れに剥離が生じ難く、作動範囲が縮小するという性能低下を抑制できる遠心圧縮機を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
１） インペラ(11)と、前記インペラ(11)に対する径方向外側に設けられた環状のディフューザ(15)と、を備えた遠心圧縮機であって、
前記ディフューザ(15)は、
シュラウド側壁部(3b)と、
前記シュラウド側壁部(3b)に対して間隙をもって対向するハブ側壁部(5a)と、
前記間隙において周方向に離隔して配設された複数のディフューザベーン(19)と、
前記シュラウド側壁部(3b)及び前記ハブ側壁部(5a)の少なくとも一方と前記ディフューザベーン(19)とを連結支持する支柱(19b)と、
を有し、
前記ディフューザベーン(19)は、前記シュラウド側壁部(3b)との間に第１の隙間(Cs)を形成し、前記ハブ側壁部(5a)との間に第２の隙間(Ch)を形成するように設けられていることを特徴とする遠心圧縮機(1)である。
２） 前記ディフューザベーン(19)の入口側端部において、前記第１の隙間(Cs)は、前記第２の隙間(Ch)よりも広いことを特徴とする１）に記載の遠心圧縮機(1)である。
３） 前記第１の隙間(Cs)及び前記第２の隙間(Ch)の少なくとも一方は、前記ディフューザベーン(19)の入口側よりも出口側の方が狭いことを特徴とする１）又は２）に記載の遠心圧縮機(1)である。
４） 前記ディフューザベーン(19)は、前記支柱(19b)により、出口側に偏った位置で連結支持されていることを特徴とする１）〜３）のいずれか一つに記載の遠心圧縮機(1)である。
５） 前記ディフューザベーン(19)は、入口角(β)が、前記シュラウド側壁部(3b)の側よりも前記ハブ側壁部(5a)の側の方が小さくなるよう形成されていることを特徴とする１）〜４）のいずれか一つに記載の遠心圧縮機(1)である。

本発明によれば、ベーン表面の流れに剥離が生じ難く、作動範囲が縮小するという性能低下を抑制することができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る遠心圧縮機の実施例である遠心圧縮機１を説明するための半断面図である。 遠心圧縮機１が備えるディフューザ１５を説明するための部分断面図である。 ディフューザ１５に設けられたベーン１９などを説明するための部分後面図である。 ベーン１９の変形例であるベーン１９Ａを説明するための部分後面図である。 ディフューザ１５の変形例を説明するための部分断面図である。 ディフューザ１５の別の変形例を説明するための部分断面図である。 ディフューザ１５のさらに別の変形例を説明するための部分断面図である。 インペラ１１の出口における流れの絶対流れ角αを説明するためのＣＦＤ解析結果である。 絶対流れ角αを説明するための模式図である。

本発明の実施の形態に係る遠心圧縮機を、その実施例となる遠心圧縮機１により図１〜図９を参照して説明する。説明における前後方向は、便宜的に図１に矢印で示された方向で規定する。
まず、図１を参照して遠心圧縮機１について説明する。図１は、遠心圧縮機１の半断面図である。

遠心圧縮機１は、略環状の吸気流路部３ａを有する本体ハウジング３と、本体ハウジング３の後方側に連結された蓋ハウジング５と、を含むハウジング体７を有している。
本体ハウジング３における吸気流路部３ａの内部は、前方側を上流側として後方側へ吸気される流体（例えば空気）の吸気流路９となっている。
吸気流路９の後方側には、インペラ１１が配設されている。
インペラ１１は、ハブ部１１ａと、ハブ部１１ａから径方向外側に延出するよう設けられた羽根部１１ｂと、を有している。
ハブ部１１ａには、シャフト１３が挿通固定されている。このシャフト１３は、蓋ハウジング５に回転自在に支持されつつ、図示しない駆動源に連結されている。
この駆動源の動作により、インペラ１１はシャフト１３と共に回転軸線ＣＬ１まわりに回転するようになっている。
遠心圧縮機１は、インペラ１１の回転により、吸気流路９内の空気を、吸引圧縮すると共に、インペラ１１の径方向外側に設けられたディフューザ１５を通してスクロール通路１７に向け送給する。

ディフューザ１５は、インペラ１１の後方側（下流側）の径方向外側において、本体ハウジング３の後方側の壁部３ｂと、この壁部３ｂに所定の間隔をもって対向する蓋ハウジング５の前方側の壁部５ａと、により、回転軸線ＣＬ１を中心とする環状に形成されている。
以下、壁部３ｂをシュラウド側の壁部３ｂ（又はシュラウド側壁部３ｂ）とも称し、壁部５ａをハブ側の壁部５ａ（又はハブ側壁部５ａ）とも称する。
壁部３ｂと壁部５ａとの間に形成される環状の間隙は、ディフューザ１５を流れる流体の流路１５ａとなっている。

流路１５ａには、周方向に離隔して複数のディフューザベーン１９が設けられている。
具体的には、各ディフューザベーン１９は、シュラウド側の壁部３ｂに埋め込むように固定された環状のベーンプレート２１に一体的に取り付けられている。以下、ディフューザベーン１９をベーン１９とも称し、ベーンプレート２１をＶプレート２１とも称する。

次に、ベーン１９について、図２及び図３も参照して詳述する。
図２は、図１におけるディフューザ１５の近傍を拡大した部分断面図であり、図３は、環状のＶプレート２１の一部として、約１／４（約９０°）の部分を示した部分後面図である。

ベーン１９は、図２のように回転軸線ＣＬ１に直交する方向から見たときに、ディフューザ１５の流路に沿う長手を有した短冊状を呈し、図３のように後方側から見たときに、回転軸線ＣＬ１を中心とする時計回りで内径側から外径側に向かい、かつ外径側に凸となる弓型に湾曲する翼として形成されている。この時計回りで外径側に向かう形状は、インペラ１１が矢印ＤＲ１の方向に回転する場合に適用される。
ベーン１９は、その延在方向の概ね中央部位において、支柱１９ｂによりＶプレート２１に対して連結支持されている。

ディフューザ１５のスパン方向（シュラウド側の壁部３ｂとハブ側の壁部５ａとを最短で結ぶ直線方向：図２における前後方向に相当）において、ベーン１９とシュラウド側の壁部３ｂとの間は、支柱１９ｂ以外の部分で離隔し、隙間Ｃｓが形成されている。
隙間Ｃｓのスパン方向の距離を距離Ｌｓとする。距離Ｌｓは、ベーン１９の入口側から出口側に至る延在方向のいずれの位置においても概ね同じとされている。
また、ベーン１９と、ハブ側の壁部５ａとの間は、全ての部分で離隔し、隙間Ｃｈが形成されている。
隙間Ｃｈのスパン方向の距離をＬｈとする。距離Ｌｈは、ベーン１９の入口側から出口側に至る延在方向のいずれの位置においても概ね同じとされている。

ベーン１９のスパン方向の幅を距離Ｌｍとすると、距離Ｌｓ＋距離Ｌｍ＋距離Ｌｈが、ディフューザ１５のスパン方向の幅となる。
すなわち、遠心圧縮機１は、ディフューザ１５において、ベーン１９とシュラウド側の壁部３ｂとの間に第１の隙間として隙間Ｃｓが形成され、ベーン１９とハブ側の壁部５ａとの間に第２の隙間として隙間Ｃｈが形成されている。

これにより、ベーン１９は、少なくともディフューザ１５の入口側において、スパン方向の中央領域にのみ存在しており、絶対流れ角αがミッドスパンに対して急峻に増加するシュラウド側の壁部３ｂ及びハブ側の壁部５ａ近傍領域に存在していない。
従って、遠心圧縮機１は、ベーン１９において、羽根中心線ＣＬ２の接線と半径方向との成す角度である入口角β(図３参照）と流れの絶対流れ角α（図９参照）との間で大きな乖離が生じる範囲が著しく減少している。これにより、ベーン１９の表面での剥離発生が生じ難く遠心圧縮機１の作動範囲の縮小という性能低下が起こりにくくなっている。

隙間Ｃｓの距離Ｌｓと、隙間Ｃｈの距離Ｌｈと、を、より厳密に設定する場合は、例えば次のようにするとよい。
図８に示される絶対流れ角αの変化特性は、遠心圧縮機１が備えるインペラ１１の出口における流れにおいても同様である。
この絶対流れ角αの変化特性において、ハブ側で非線形に変化するハブ側領域（０〜Ａ１）（以下、ハブ側領域ＡＨと称する）のスパン方向範囲と、シュラウド側で非線形に変化するシュラウド側領域（Ａ２〜１）（以下、シュラウド側領域ＡＳと称する）のスパン方向範囲と、では、ハブ側領域ＡＨの方が狭くなっている。

そこで、ベーン１９とハブ側の壁部５ａとの間の隙間Ｃｈに対応する距離Ｌｈを、ベーン１９とシュラウド側の壁部３ｂとの間の隙間Ｃｓに対応する距離Ｌｓよりも小さくすることが好ましい。すなわち、隙間Ｃｓを隙間Ｃｈよりも広くすることが好ましい。すなわち、距離Ｌｈ＜距離Ｌｓ である。
また、ベーン１９の入口角βは、図８における、概ね線形に変化する「Ａ１−Ａ２」領域（以下、ミッドスパン領域ＡＭと称する）の絶対流れ角αに対応して設定するとよい。
すなわち、ベーン１９の入口角βを、α１≦β≦α２ を満たす一定値とする。例えば、平均値として（α１＋α２）／２ の値にする。
α１は、ミッドスパン領域ＡＭとハブ側領域ＡＨとの境界位置である「Ａ１」での絶対流れ角であり、α２は、ミッドスパン領域ＡＭとシュラウド側領域ＡＳとの境界位置である「Ａ２」での絶対流れ角である。
これにより、ベーン１９において、その入口角βと流れの絶対流れ角αとの間で大きな乖離が生じる範囲は僅かとなり、ベーン１９の表面での剥離発生が生じ難く遠心圧縮機１の作動範囲の縮小という性能低下が起こりにくくなっている。

一般に、図８に示される絶対流れ角αの変化特性は、流れの流量に依存する。
具体的には、流量が少なくなる程、主流（ミッドスパン）の流れ角αが大きくなるためハブ側領域ＡＨとシュラウド側領域ＡＳにおける絶対流れ角αの増加量が少なくなる傾向にある。
すなわち、流量が少ない程、絶対流れ角αの、シュラウド側の最大値αｓｍａｘ及びハブ側の最大値ａｈｍａｘが、小さくなる。換言するならば、最大値αｓｍａｘとα２との差、及び最大値αｈｍａｘとα１との差が小さくなる。
そこで、ベーン１９の入口角βを一定に設定する場合、小流量から大流量の内の、最高特性を発揮すべき流量に応じた値を、α１〜α２との間で設定するとよい。
詳しくは、遠心圧縮機１を主に小流量で使用する場合は、小流量での効率向上を狙って入口角βをα２に近い値とし、主に大流量で使用する場合は、大流量での効率向上を狙って入口角βをα１に近い値にするとよい。

これにより、所望の流量におけるベーン１９の入口角βと流れの絶対流れ角αとの乖離程度を効果的に抑制し、ベーン１９の表面における流れの剥離を生じ難くすることができる。

更に詳しくは、図８において、ミッドスパン領域とハブ側領域ＡＨとの境界位置である「Ａ１」は、０〜１で示されるディフューザ１５のスパン方向の幅において、ハブ側から約０．１の位置にある。
また、ミッドスパン領域ＡＭと、シュラウド側領域ＡＳと、の境界位置である「Ａ２」は、ディフューザ１５のスパン方向の幅において、ハブ側から約０．６５の位置にある。
そこで、流路１５ａのスパン方向におけるベーン１９の存在領域を、ミッドスパン領域である０．１〜０．６５の領域に対応させるとより好ましい。
この場合、距離Ｌｈ＜距離Ｌｓ＜距離Ｌｍ となる。
これにより、ベーン１９において、その入口角βと流れの絶対流れ角αとの乖離が生じる範囲がより顕著に減少し、ベーン１９の表面での流れの剥離をより生じ難くすることができる。

さらに詳しく具体的比率で説明するならば、距離Ｌｓ：距離Ｌｍ：距離Ｌｈ＝０．３５：０．５５：０．１、又はこれに近い比率（４：６：１など）に設定するとよい。
これにより、遠心圧縮機１のベーン１９において、その入口角βと流れの絶対流れ角αとの乖離が生じる部位範囲をほとんど無くし、ベーン１９の表面における流れの剥離をほぼ解消することができる。

いずれにおいても、ベーン１９の表面における流れの剥離が生じ難くなるので、遠心圧縮機１における作動範囲の縮小という性能低下を抑制することができる。

本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形例としてもよい。

ベーン１９の入口角βは、スパン方向全域で一定値なるものに限定されない。
例えば、ベーン１９を、その入口角βが、図８に示されるミッドスパン領域ＡＭの線形変化に対応してスパン方向に変化するように形成して変形例のベーン１９Ａとしてもよい。
具体的には、図３と同様に後方から見た図である図４に示されるように、ベーン１９Ａは、ベーン１９に対し、ハブ側端部の入口角β１をシュラウド側端部の入口角β２よりも小さくし、かつハブ側端部からシュラウド側端部に向かって概ね線形的に大きくなるよう変化する形状にしたものである。
図４では、ハブ側端部の羽根中心線ＣＬ３及びシュラウド側端部の羽根中心線ＣＬ４を、それぞれ一点鎖線で示している。

支柱１９ｂの位置は、ベーン１９の延在方向の中央付近に限定されない。
図５に示されるように、支柱１９ｂを、ディフューザ１５の流路１５ａの下流側、すなわち、ベーン１９の出口側に偏って設けてもよい。
これは、支柱１９ｂ自体が、隙間Ｃｓを塞ぐものになるため、流路１５ａの上流側に設けられている場合よりも、下流側に設けられている場合の方が、ディフューザでの圧力回復により流速が小さくなるため支柱による損失を減らすことができる。従って、隙間Ｃｓを塞ぐ支柱１９ｂは、ベーン１９の出口側にある方が好ましい。

ベーン１９の支持構造は、上述のＶプレート２１に一体形成して支持する構造に限定されない。例えば、図６（ａ）に示されるように、シュラウド側の壁部３ｂに形成された穴３ｂ１に、強嵌合や接着等により固定された支柱１９ｂで片持ち的に連結支持されていてもよい。
また、図６（ｂ）に示されるように、シュラウド側の壁部３ｂに形成された穴３ｂ１に、強嵌合や接着等で固定された支柱１９ｂ、及びハブ側の壁部５ａに形成された穴５ａ１に強嵌合や接着等で固定された支柱１９ｃにより両持ち的に連結支持されていてもよい。、
この両持ち連結支持の場合、支柱１９ｂと支柱１９ｃとの位置は、図６（ｃ）に示されるように、ディフューザ１５の流路１５ａの流れ方向に沿ってずれた位置とされていてもよい。
尚、図６（ａ）〜図６（ｃ）では、流れの方向例が矢印で示されている。

ベーン１９のスパン方向の幅は、入口側から出口側まで一定となるものに限定されない。例えば、図７（ａ）に示されるように、シュラウド側の隙間Ｃｓは一定で、ハブ側の隙間Ｃｈが入口側から出口側に向かうに従って狭くなるように、ベーン１９のハブ側縁部１９ｄが傾斜する傾斜部１９ｄ１を有して形成されていてもよい。
また、図７（ｂ）に示されるように、ハブ側の隙間Ｃｈは一定で、シュラウド側の隙間Ｃｓが入口側から出口側に向かうに従って狭くなるように、ベーン１９のシュラウド側縁部１９ｅが傾斜する傾斜部１９ｅ１を有して形成されていてもよい。
また、図７（ｃ）に示されるように、ハブ側の隙間Ｃｈとシュラウド側の隙間Ｃｓとが共に入口側から出口側に向かうに従って狭くなるように、ベーン１９のハブ側縁部１９ｄ及びシュラウド側縁部１９ｅがそれぞれ傾斜する傾斜部１９ｄ１，１９ｅ１を有して形成されていてもよい。
尚、図７（ａ）〜図７（ｃ）では、流れの方向が矢印で示されている。

図７（ａ）〜（ｃ）で示される変形例は、いずれも、ベーン１９のスパン方向の幅について、シュラウド側の壁部３ｂ及びハブ側の壁部５ａの少なくとも一方に入口側から出口側に向かうに従って少なくとも拡大する部分を設け、それにより、流路１５ａのスパン方向で流路幅を縮小させている例である。
傾斜部１９ｄ１及び傾斜部１９ｅ１は、一部に形成されているものに限らず、図７（ｃ）のように、それぞれハブ側縁部１９ｄ及びシュラウド側縁部１９ｅの全部に形成されていてもよい。
ベーン１９の出口側（下流側）では、流れがその出口側に達する迄の間にベーン１９による整流作用が働いて入口側より剥離が起きにくくなる場合もあり得る。
そこで、ベーン１９の出口側のスパン方向の幅を入口側よりも拡大して、流れを転向させるベーン１９の表面領域を増加させると、流れはよりディフューザ１５の出口側を向き、ベーン１９の下流においてディフューザ１５の流路１５ａ内の通過距離が短くなるので圧力損失を抑制できる。これにより、作動域を拡張させつつ、隙間Ｃｈ，Ｃｓによる効率低下量を減少させることができる。

上述の各変形例は、互いに適宜組み合わせてよい。

１ 遠心圧縮機
３ 本体ハウジング
３ａ 吸気流路部
３ｂ 壁部
３ｂ１ 穴
５ 蓋ハウジング
５ａ 壁部
５ａ１ 穴
７ ハウジング体
９ 吸気流路
１１ インペラ
１３ シャフト
１５ ディフューザ
１５ａ 流路
１７ スクロール通路
１９，１９Ａ ベーン（ディフューザべーン）
１９ｂ，１９ｃ 支柱
２１ Ｖプレート（ベーンプレート）
Ｃｈ，Ｃｓ 隙間
ＣＬ１ 回転軸線
ＣＬ２〜ＣＬ４ 羽根中心線
Ｌｈ，Ｌｍ，Ｌｓ 距離
ＡＭ ミッドスパン領域
ＡＨ ハブ側領域
ＡＳ シュラウド側領域
α，α１〜α３ 絶対流れ角
αｈｍａｘ，αｓｍａｘ 最大値
β 入口角

Claims (5)

1. インペラと、前記インペラに対する径方向外側に設けられた環状のディフューザと、を備えた遠心圧縮機であって、
   前記ディフューザは、
   シュラウド側壁部と、
   前記シュラウド側壁部に対して間隙をもって対向するハブ側壁部と、
   前記間隙において周方向に離隔して配設された複数のディフューザベーンと、
   前記シュラウド側壁部及び前記ハブ側壁部の少なくとも一方と前記ディフューザベーンとを連結支持する支柱と、
   を有し、
   前記ディフューザベーンは、前記シュラウド側壁部との間に第１の隙間を形成し、前記ハブ側壁部との間に第２の隙間を形成するように設けられていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記ディフューザベーンの入口側端部において、前記第１の隙間は、前記第２の隙間よりも広いことを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
3. 前記第１の隙間及び前記第２の隙間の少なくとも一方は、前記ディフューザベーンの入口側よりも出口側の方が狭いことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の遠心圧縮機。
4. 前記ディフューザベーンは、前記支柱により、出口側に偏った位置で連結支持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記ディフューザベーンは、入口角が、前記シュラウド側壁部の側よりも前記ハブ側壁部の側の方が小さくなるよう形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。

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