JP2016056741A - 遠心式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】段間で流体を注入する際の損失をより低減して性能を向上させることができる遠心式流体機械を提供する。【解決手段】遠心式流体機械としての一軸多段遠心圧縮機１００は、遠心羽根車４により昇圧されてリターンチャネル１５を介して導かれる気体に、遠心羽根車４と次段の遠心羽根車４ａとの間である段間で気体を注入する環状ノズル１１と、周方向に断面積が一定の流路を形成し、環状ノズル１１に流体を送るコレクタ１０と、を備える。環状ノズル１１は、円周上に所定間隔で配置される複数の案内羽根１２を有し、案内羽根１２の入口羽根角βｂは、コレクタ１０から環状ノズル１１に流入する気体の案内羽根１２の入口における流れ角αｂに等しくなるように設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、遠心式流体機械に関し、特に、一本の回転軸に複数の遠心羽根車が取り付けられ段間で流体の注入が行われる遠心流体機械に関する。

遠心流体機械の一例としての一軸多段遠心圧縮機は、一本の回転軸に複数の遠心羽根車が取り付けられ、複数の段により気体を高圧まで順次昇圧する。一軸多段遠心圧縮機の最終段を除く各段は、遠心羽根車の下流に配置されたディフューザおよびリターンチャネル（戻り流路）を備えており、このリターンチャネルは、リターンベンドと、リターンベーンを有するチャネル部とで構成されている。

一軸多段遠心圧縮機の中には、複数の遠心羽根車のうちの一の遠心羽根車と次段の遠心羽根車との間である段間で気体の注入を行うものがある。例えば特許文献１には、リターンベンド出口で気体が注入される多段遠心圧縮機が開示されている。段間で気体を注入するための流路は、一般に、管状の注入ノズル（導入ノズル）、コレクタ（もしくはスクロール）、および環状ノズルを有している（特許文献１の段落［０００２］参照）。

環状ノズルに案内羽根が設置されていない場合には、リターンチャネルを介して導かれる昇圧した気体（昇圧気体）の流れである主流と段間で注入される気体（注入気体）の流れである注入流との合流部において、主流と注入流の流速や流れ角が異なり、大きな混合・衝突による損失が発生して、圧縮機の性能が低下する。

これに対して、特許文献１に記載の多段遠心圧縮機は、環状ノズルに案内羽根を設けて、合流部における注入流の流れ角を主流の流れ角と合わせることによって、昇圧気体と注入気体との混合・衝突による損失を低減させている。

特開平９−７９１９２号公報

特許文献１には、周方向に断面積が一定のコレクタを有する注入流路を備えた多段遠心圧縮機が記載されている。この多段遠心圧縮機では、注入ノズル（導入ノズル）からコレクタに導入される気体の質量流量は一定である。しかし、周方向に断面積が一定のコレクタにおいては、導入した気体がコレクタを周方向に進みながら下流側の環状ノズルに流入するため、コレクタ内の質量流量が徐々に減っていき、それに伴い流速が小さくなっていく。そのため、コレクタから環状ノズルに流入する気体の案内羽根の入口における流れ角αｂは周方向位置で一様にならない。

したがって、案内羽根の入口における円周上の接線方向に対する羽根の角度、すなわち案内羽根の入口羽根角βｂを周方向位置で一定とした場合には、案内羽根の入口羽根角βｂと案内羽根の入口における流れ角αｂとの差で定義される入射角ib（＝βｂ−αｂ）が、周方向位置によって変化し、場所によってはその入射角がかなり大きくなる。このため、隣り合う案内羽根間で流れの剥離が発生し、損失が増大するおそれがある。また、所定の流れ角に転向させる案内羽根の機能を発揮できないおそれもある。

本発明は上記のような従来技術の事情を考慮してなされたものであり、段間で流体を注入する際の損失をより低減して性能を向上させることができる遠心式流体機械を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る遠心式流体機械は、一本の回転軸に取り付けられた複数の遠心羽根車と、前記複数の遠心羽根車のうちの一の遠心羽根車の下流側に順に設けられたディフューザおよびリターンチャネルと、前記一の遠心羽根車により昇圧されて前記リターンチャネルを介して導かれる流体に、前記一の遠心羽根車と次段の遠心羽根車との間である段間で流体を注入する環状ノズルと、周方向に断面積が一定の流路を形成し、前記環状ノズルに流体を送るコレクタと、前記コレクタに流体を導入する導入ノズルと、を備え、前記環状ノズルは、円周上に所定間隔で配置される複数の案内羽根を有し、前記案内羽根の入口羽根角は、前記コレクタから前記環状ノズルに流入する流体の前記案内羽根の入口における流れ角に等しくなるように設定され、前記案内羽根の出口羽根角は、前記環状ノズルから前記段間で注入する流体の流れと前記リターンチャネルを介して導かれる昇圧した流体の流れとの合流部における前記昇圧した流体の流れ角に等しくなるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、段間で流体を注入する際の損失をより低減して性能を向上させることができる遠心式流体機械を提供できる。

本発明の一実施形態に係る一軸多段遠心圧縮機の要部を示す縦断面図であり、回転軸の軸線の上半分のみを示す図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。 合流部における主流および注入流の流れ角の分布図である。 本実施形態に係る案内羽根の入口羽根角の分布図である。 案内羽根の入口における流速の分布図である。 段間で気体の注入が行われる圧縮機における動力低減の原理を説明するためのモデル図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下に示す図面において、同一の部材または相当する部材には同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜省略する。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜のため、変形または誇張して模式的に表す場合がある。

本発明の一実施形態に係る一軸多段遠心圧縮機１００を図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る一軸多段遠心圧縮機１００の要部を示す縦断面図であり、回転軸１の軸線の上半分のみを示す図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。ただし、図２において、図１の中央付近に相当する部分は図示を省略している。

図１に示すように、一軸多段遠心圧縮機（以下、単に「圧縮機」ともいう）１００は、一本の回転軸１に固定して取り付けられた複数の遠心羽根車４，４ａを備えている。回転軸１には、スリーブ３と遠心羽根車４、４ａとが固定されており、回転軸１の回転によって、吸込部２から吸い込まれた気体（流体）は、高速回転する遠心羽根車４によって圧縮され、すなわち、主流１７は遠心羽根車４により昇圧される。

遠心羽根車４の下流側である半径方向外方には、ディフューザ５が配置されている。ディフューザ５の下流には、ディフューザ５と次段の遠心羽根車４ａとをつなぐリターンチャネル１５が配置されている。リターンチャネル１５は、断面Ｕ字形状に湾曲したリターンベンド６と、リターンベンド６の下流側に配置され、リターンベーン１４を有するチャネル部７とで構成されている。

そして、リターンベンド６とチャネル部７との接続部には、遠心羽根車４により昇圧されてリターンチャネル１５を介して導かれる気体に、遠心羽根車４と次段の遠心羽根車４ａとの間である段間で気体を注入する環状ノズル１１が設けられている。

図１〜図２に示すように、気体の注入流路は、導入ノズル１６、コレクタ１０、および環状ノズル１１で構成されている。コレクタ１０は、周方向に断面積が一定の流路を形成しており、環状ノズル１１に気体を送るものである。導入ノズル１６は、コレクタ１０に気体を導入するものである。遠心羽根車４，４ａ、ディフューザ５、リターンチャネル１５、コレクタ１０、および環状ノズル１１は、図１に示すように、ケーシング８内に収容されている。

前記した注入流路の圧縮機１００内への注入口である環状ノズル１１の出口は、リターンベンド６の出口、つまり、チャネル部７の入口上流に設けられている。つまり、環状ノズル１１の出口とリターンベンド６の出口には、合流部１３が形成される。そして、この環状ノズル１１は、円周上に所定間隔で配置される複数の案内羽根１２を有している。

案内羽根１２の出口における円周１２ｂ上の接線方向に対する羽根の角度、すなわち案内羽根１２の出口羽根角βａは、環状ノズル１１から段間で注入する気体の流れ（注入流）とリターンチャネル１５を介して導かれる昇圧した気体の流れ（主流）との合流部１３における前記昇圧した気体の流れ角αａに等しくなるように設定されている。このように案内羽根１２の出口羽根角βａを、合流部１３、すなわち主流側のリターンベンド６の出口における昇圧した気体の流れ角αａと合わせることによって、合流部１３での混合・衝突損失を低減できる。

図３は、合流部１３における主流および注入流の流れ角の分布図である。図３において、横軸は周方向位置θを示し、縦軸は合流部１３における流れ角を示す。ここで、周方向位置θは、導入ノズル１６からコレクタ１０への気体の導入点を基準（０°）として下流側円周方向に測った角度位置である（図２参照）。また、図３において、破線は案内羽根１２が無い場合における注入流の流れ角の分布を示し、実線は本実施形態の案内羽根１２が有る場合における注入流の流れ角の分布を示し、一点鎖線は主流の流れ角αａの分布を示している。

図３に示す合流部１３における主流および注入流の流れ角の分布から、案内羽根１２が有る場合における注入流の流れ角の方が、案内羽根が無い場合における注入流の流れ角と較べて、主流の流れ角αａとの差が小さいことがわかる。

本実施形態に係る圧縮機１００は、安価で製作可能なコレクタタイプの注入流路形状を採用している。図２に示すように、コレクタ１０の流路内は周方向に断面積が一定であるため、導入ノズル１６からの導入流１８は、コレクタ１０の周方向に進むにつれて、１８ａ，１８ｂ，１８ｃとその流速は徐々に低下していく。そのため、コレクタ１０から環状ノズル１１に流入する気体の案内羽根１２の入口における流れ角αｂは周方向位置で一定とはならない。仮に、案内羽根１２の入口における円周１２ａ上の接線方向に対する羽根の角度、すなわち案内羽根１２の入口羽根角βｂを周方向位置で一定とすると、案内羽根１２の入口において、案内羽根１２の入口羽根角βｂと案内羽根１２の入口における流れ角αｂとの差で定義される入射角ib（＝βｂ−αｂ）がかなり大きくなる場所が生じ、入射損失や流れの剥離、二次流れが発生してしまう。

本実施形態では、これらの不具合を改善し、損失を低減するために、案内羽根１２の入口羽根角βｂは、コレクタ１０から環状ノズル１１に流入する気体の案内羽根１２の入口における流れ角αｂに等しくなるように設定されている。

図４は、本実施形態に係る案内羽根１２の入口羽根角βｂの分布図である。図４において、横軸は周方向位置θを示し、縦軸は案内羽根１２の入口羽根角βｂを示す。

図４に示すように、案内羽根１２の入口羽根角βｂは、周方向位置θが３００°近傍で最大値となるような周方向位置θに対する入口羽根角βｂの分布を持つように設定されている。図４に示す分布は、図３に破線で示す案内羽根１２が無い場合における注入流の流れ角の分布に基づいて設定することができる。ここで、３００°近傍とは、３００°に対して±１０％程度の範囲を表すものとする。つまり、かかる範囲において入口羽根角βｂが最大値となるように設定した場合に所定の効果を得ることが可能である。

また、案内羽根１２の入口羽根角βｂは、周方向位置θの３次関数で表され、βｂはθが大きくなるにつれて変曲点を経た後に前記最大値に相当する極大値を持つように設定されている。具体的には、図４に示す案内羽根１２の入口羽根角βｂの分布は、下記の式で規定される。

ここで、βb（°）は案内羽根の入口羽根角、θ（°）は周方向位置（４５≦θ≦４０５）、Zは注入流路の形状と導入ノズル１６への流入条件により決まるパラメータ（定数）である。

図５は、案内羽根１２の入口における流速の分布図である。図５において、横軸は周方向位置θを示し、縦軸は案内羽根１２の入口における流速を示す。また、図５において、破線は案内羽根１２が無い場合における流速の分布を示し、実線は本実施形態の案内羽根１２が有る場合における流速の分布を示している。

図５に示す流速の分布から、案内羽根１２を設置した方が、案内羽根１２が無い場合と較べて、流速の分布はより一様で、流速が小さくなっていることがわかる。このように環状ノズル１１の部分で流速を低減できると、注入流路全体の動圧を下げることができ、注入流路入口の全圧を低減することができる。

前記したように構成される本実施形態に係る圧縮機１００では、案内羽根１２の入口羽根角βｂを、コレクタ１０から環状ノズル１１に流入する気体の案内羽根１２の入口における流れ角αｂと合わせるようにしたので、気体が案内羽根１２の入口に入射する際の入射損失を低減し、隣り合う案内羽根１２間における流れの剥離を抑制できる。また、所定の流れ角に転向させる案内羽根１２の機能をより確実に発揮させることができる。

さらに、導入ノズル１６、コレクタ１０、および環状ノズル１１で構成される注入流路の入口の全圧は、注入流路の損失、動圧、および注入流路の出口の静圧で決まるため、注入流路内部の圧力損失を低減することによって、注入流路入口の全圧を低くすることができる。したがって、注入流路が設けられる段よりも上流側（注入流との合流前）における質量流量が増える前の段で圧力を上げることができるため、動力を圧縮機１００全体として低減することができる。
また、案内羽根１２の出口羽根角βａを、合流部１３における主流側の昇圧した気体の流れ角αａと合わせるようにしたので、合流部１３での混合・衝突損失を低減できる。

次に、図６を参照して、前記した動力低減の原理を詳細に説明する。
図６は、段間で気体の注入が行われる圧縮機１００における動力低減の原理を説明するためのモデル図である。

図６に示すように、圧縮機１００（図１参照）の内部を流れている気体の質量流量は、合流部１３（図１参照）よりも上流側ではｍ１であるが、注入流路を経て質量流量Δｍで気体が注入された後では、ｍ１＋Δｍとなる。つまり、気体の質量流量は、合流部１３よりも下流の方が、注入流路を経て質量流量Δｍで気体が注入された分だけ増える。圧縮機１００の吸込全圧Ｐ１、注入流路入口全圧Ｐｍｉ、および圧縮機１００の吐出全圧Ｐ２は、仕様によって規定されるため、注入流路損失ΔＰｍが小さい場合、注入流路入口全圧Ｐｍｉを満足するには、注入流路出口全圧Ｐｍｏを高くする必要がある。したがって、合流部１３よりも上流側のヘッド上昇Ｈ１を大きく設計することになり、圧縮機１００全体でのヘッド上昇Ｈｔｏｔａｌは変えないため、合流部１３よりも下流側のヘッド上昇Ｈ２は小さく設計することになる。

合流部１３よりも上流側の効率をη１、合流部１３よりも下流側の効率をη２とすると、合流部１３よりも上流側の動力Ｐｗ１、合流部１３よりも下流側の動力Ｐｗ２は、下記の式で算出される。
Ｐｗ１＝（ｍ１×Ｈ１）／η１
Ｐｗ２＝｛（ｍ１＋Δｍ）×Ｈ２｝／η２
ここで、η１とη２が同じとした場合、上記の式からわかるように、質量流量の少ない上流側のヘッド上昇Ｈ１を上げて、質量流量の多い下流側のヘッド上昇Ｈ２を下げることにより、全体の動力Ｐｗ（＝Ｐｗ１＋Ｐｗ２）を低減できる。

上述したように、本実施形態によれば、段間で気体を注入する際の損失をより低減して性能を向上させることができる圧縮機１００を提供できる。

また、本実施形態では、案内羽根１２の入口羽根角βｂを、周方向位置θが３００°近傍で最大値となるような周方向位置θに対する入口羽根角βｂの分布を持つように設定したので、仮に案内羽根１２の入口羽根角βｂを周方向位置で一定とした場合に入射角が特に大きくなる周方向位置θ＝３００°近傍において、気体が案内羽根１２の入口に入射する際の入射損失をより効果的に低減することができる。

また、本実施形態では、案内羽根１２の入口羽根角βｂを、周方向位置θの３次関数で表し、入口羽根角βｂは周方向位置θが大きくなるにつれて変曲点を経た後に前記最大値に相当する極大値を持つように設定したので、周方向位置θの全域において、気体が案内羽根１２の入口に入射する際の入射損失をより効果的に低減することができる。

以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、図１では遠心羽根車は２つ（２段）示されているが、３つ（３段）以上であってもよいことは勿論である。また、前記実施形態では、一軸多段遠心圧縮機１００について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の種類の遠心流体機械にも適用可能である。また、高速回転する遠心羽根車によって昇圧される流体は、気体に限定されるものではなく、液体であってもよい。

１ 回転軸
２ 吸込部
３ スリーブ
４，４ａ 遠心羽根車
５ ディフューザ
６ リターンベンド
７ チャネル部
８ ケーシング
１０ コレクタ
１１ 環状ノズル
１２ 案内羽根
１３ 合流部
１４ リターンベーン
１５ リターンチャネル
１６ 導入ノズル
１７ 主流
１８ 導入流
１００ 一軸多段遠心圧縮機（遠心式流体機械）
αａ 合流部における主流の流れ角
αｂ 環状ノズルに流入する気体の案内羽根の入口における流れ角
βａ 案内羽根の出口羽根角
βｂ 案内羽根の入口羽根角
θ 周方向位置

Claims (3)

1. 一本の回転軸に取り付けられた複数の遠心羽根車と、
   前記複数の遠心羽根車のうちの一の遠心羽根車の下流側に順に設けられたディフューザおよびリターンチャネルと、
   前記一の遠心羽根車により昇圧されて前記リターンチャネルを介して導かれる流体に、前記一の遠心羽根車と次段の遠心羽根車との間である段間で流体を注入する環状ノズルと、
   周方向に断面積が一定の流路を形成し、前記環状ノズルに流体を送るコレクタと、
   前記コレクタに流体を導入する導入ノズルと、を備え、
   前記環状ノズルは、円周上に所定間隔で配置される複数の案内羽根を有し、
   前記案内羽根の入口羽根角は、前記コレクタから前記環状ノズルに流入する流体の前記案内羽根の入口における流れ角に等しくなるように設定され、
   前記案内羽根の出口羽根角は、前記環状ノズルから前記段間で注入する流体の流れと前記リターンチャネルを介して導かれる昇圧した流体の流れとの合流部における前記昇圧した流体の流れ角に等しくなるように設定されていることを特徴とする遠心式流体機械。
2. 前記案内羽根の入口羽根角は、前記導入ノズルから前記コレクタへの流体の導入点を基準として下流側円周方向に測った角度位置である周方向位置が３００°近傍で最大値となるような周方向位置に対する前記入口羽根角の分布を持つことを特徴とする請求項１に記載の遠心式流体機械。
3. 前記案内羽根の入口羽根角をβｂ、前記周方向位置をθとしたとき、βｂはθの３次関数で表され、βｂはθが大きくなるにつれて変曲点を経た後に前記最大値に相当する極大値を持つことを特徴とする請求項２に記載の遠心式流体機械。

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