JP2016528438A - 前方掃引接線流圧縮機用拡散器 - Google Patents

Abstract

前方掃引接線流圧縮機用拡散器は、圧縮機羽根車（１４）を収容する実質的に円形の空間（２４）と、円形の空間（２４）に隣接し、円形の空間（２４）を囲繞する複数の微小渦巻き（４２）と、入口と出口とを有する複数の拡散器流路（３８）と、集合渦巻き（２８）とを含み、各拡散流路の入口（３８）は、円形の空間（２４）のは、関連する微小渦巻きから接線方向に延び、集合渦巻き（２８）は、拡散器流路（３８）の１つの出口から遷移し、他の拡散器流路は集合渦巻き（２８）に排出し、集合渦巻き（２８）は出口開口部（３０）を組み込んでいる。【選択図】図１

Description

本発明は、前方掃引接線流圧縮機用拡散器に関する。

輸送およびエネルギー産業で使用するために、高速で動作する遠心圧縮機を提供することが周知である。

遠心圧縮機は、はるかに高い電力密度を有し、オイルフリー圧縮、低部品数および定常流の配信を提供するという点では、往復運動圧縮機、スクリュー圧縮機、回転子羽根圧縮機等の容積式圧縮機を上回る利点を提供する。

容積式圧縮機と比較して遠心圧縮機の１つの欠点は、流量が減少するにつれ軸速度が増加しなければならないということである。軸速度が増大すると、軸受の摩耗増加をもたらし、圧縮機の寿命が短くなる。遠心圧縮機は、一般に、低流量で低い効率を示す。これらの理由から、容積式圧縮機は、低流量適用がこれまで管理されている主要な方法となっており、ノイズの多い動作と高いメンテナンスコストという欠点を有する。

いくつかの既存の遠心圧縮機は、必要な性能を提供するために、６０，０００〜２５０，０００ｒｐｍで動く。

遠心圧縮機は、前方掃引または後方掃引された回転子を有している。回転子が流れの方向に向かって湾曲しているブレードを有する前方掃引設計は、そうでない場合回転子の入口と出口との間の圧力勾配から生じ得る様々な問題を解決する回転子内の静圧を増加させる必要がないので、有益である。圧縮機の半径に対して２０−９０度の誇張された前方掃引を有する遠心圧縮機の回転子は、回転子の出口での流体の速度が比較的小さい圧縮機、すなわち小径回転子より大きな圧力上昇を提供し、ブレード速度よりも大きいため、特に有用である。このタイプの前方掃引接線方向（径方向と反対）遠心圧縮機は、ＷＯ２００５０２４２４２に開示されている。しかし、前方掃引圧縮機は本質的に不安定であることが知られている。

本発明は、過度の軸回転することなく低流量でより安定した動作を可能にする遠心圧縮機用の改良された拡散器を提供することを目的とする。

本発明の第一態様によれば、前方掃引接線流圧縮機用の拡散器であって、圧縮機羽根車を受信する実質的に円形の空間と、前記円形の空間に隣接し囲繞する複数の微小渦巻き（ｍｉｃｒｏ−ｖｏｌｕｔｅ）と、入口と出口とを有する複数の拡散器流路と、集合渦巻き（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｖｏｌｕｔｅ）とを含み、前記各拡散器流路の入口は前記円形空間の関連微小渦巻きから接線方向に延び、前記集合渦巻きは前記拡散流路の１つの前記出口から移行し、他の拡散器流路は前記集合渦巻き内に排出し、前記集合渦巻きは出口開口を組み込むことを特徴とする拡散器が提供される。微小渦巻きは完全な渦巻きに似ているが、実質的に３６０°の全方位角を包含しないが、一緒に加えられる多くの微小渦巻きが実質的にこの角度を包含する。実施例により、それぞれが６０°方位角を占める６つの微小渦巻きは３６０°の全方位角を包含する。

前記拡散器は、参照によりその説明が本明細書に組み込まれるＷＯ２００５０２４２４２に開示されたタイプの、例えば、高度前方掃引羽根車と共に用いることができる。特に、前記羽根車の前記前方掃引は、前記羽根車出口から排出された流体の流れを羽根車に対して実質的に接線方向である点まで増加させることができる。すなわち前記拡散器は、径方向よりもむしろ接線方向の圧縮機に用いられる。前記羽根車と前記拡散器との間の微小渦巻きの前記配列と一緒に、これは合理的な流量範囲にわたって安定である圧縮機を提供する。

拡散器は、接線流圧縮機で使用するために最適化される。前記微小渦巻きは、前記拡散器流路の前記入口と一体であり、潜在的に圧縮機失速を引き起こす閉塞を回避するために、前記羽根車の流れの方向に配列される。

前記集合渦巻きは、前記拡散器を実質的に囲繞し、前記拡散器流路の１つから遷移する。すなわち、前記集合渦巻きは、前記羽根車から、微小渦巻きを介して、拡散器流路を通じて、および集合渦巻きを通して、出口開口へ、実質的に連続的な流体通路を形成し、前記拡散器流路と一体に形成される。

複数の羽根を設けてもよく、各羽根は前方面と後方面とを有し、隣接する羽根の前記前方面及び後方面は、それぞれ、前記拡散流路のうちの１つを規定し、各前方面の一部は前記円形空間と前記羽根との間の前記微小渦巻きの１つを規定する。つまり、前記拡散流路は、前記羽根間の前記空間にある。

すなわち、各羽根の前記前方面の一部が前記微小渦巻きの一つの壁を形成してもよく、各羽根の前記前方面のさらなる部分は、隣接する翼の前記後方面と共に拡散器流路を形成してもよい。このようにして、前記微小渦巻きは、前記拡散器流路と一体であり、前記拡散器流路への前記入口を形成すると言うことができ、前記回転子出口から前記拡散器流路に実質的に接線方向の流れを案内する。流体が羽根車から排出されると、流体は前記羽根車と前記拡散器との間の微小渦巻きに流れ、その後前記拡散器流路に流れる。これにより、前記拡散器に排出された前記流体の最適な受け入れが提供される。

各微小渦巻きの幅は、各拡散器流路の最小幅とほぼ同じ幅にすることができる。すなわち、前記羽根車と前記拡散器の前記羽根の間に最小の羽根無し空間を形成するように、前記微小渦巻きを前記羽根車の前記出口に密接に接続してもよい。

通常は、流体が脱出する場所がどこにもないため、狭い羽根無し空間が遠心圧縮機に過度の詰まりの原因となる。しかし、接線流圧縮機の場合には、前記流体は最小の径方向成分を有しており、それらが微小渦巻きを形成する場合に容易に前記拡散器流路の前記入口に受け入れられる。

密接に結合した微小渦巻きは、さもなければ広い羽根無し空間を伴うデザインの失速につながる可能性のある流れの逆転を妨げるため、前記圧縮機を安定に保つ。密接に結合した微小渦巻きと正常に動作させるために、出口で実質的に接線方向の流体の流れを有する高度前方掃引羽根車が必要である。密接に結合した微小渦巻きを有する拡散器とともに用いられる適度に前方掃引のみされる羽根車は、前記拡散器において過度の閉塞につながる。

前記拡散器流路は接線−径面内で発散することができる。すなわち、前記拡散器流路が前記出口への前記入口から増加する断面積を有する。各拡散器流路は、その入口で微小渦巻きと、その出口で集合渦巻きと円滑に収束するように湾曲していてもよい。すなわち、前記拡散器流路は前記羽根車の回転の方向に湾曲してもよい。

前記拡散器流路は、接線−径面に発散されてもよく（「二次元拡散器」）、あるいは軸−径面にも発散されてもよい（「三次元拡散器」）。拡散は、三次元拡散器流路でより効率的である。

発散拡散器流路により、前記羽根車からの流体の拡散の効率向上が可能になり、前記拡散器における運動エネルギーの回収が改善され、したがって使用可能な静的な圧力上昇が改善される。各拡散器流路の端での前方掃引により、集合渦巻きへの円滑な流れの収束が確実になり、前記拡散器の閉塞を防止する。

前記拡散器は径−接線面について分割可能な２つの射出成形可能な半体に製造されてもよい。半体が個別に成形されると、発散流路が製造時に簡単に整形できる。これは、特に三次元拡散器の場合そうである。

前記拡散器流路は、矩形断面を有してもよく、又は流路の壁は、面取り又は丸み／切り取りされた内部縁を有していてもよい。このような縁は前記拡散器内の流体の流れを最適化し、性能を改善することが見出され、射出成形によって製造される圧縮機に特に適している。表面仕上げは、性能にとって重要であることが見出され、射出成形は、優れた仕上げで拡散器を製造するのに適した技術であり、上述の望ましい幾何学的特性を有する。

本発明の第二の態様によれば、羽根車と拡散器とを含む前方掃引接線流圧縮機であって、前記羽根車は複数の前方掃引回転子ブレードを有し、前記拡散器内の実質的に円形の空間に配置され、前記拡散器は、前記羽根車と隣接し前記羽根車を囲む複数の微小渦巻きと、入口及び出口をそれぞれ有する複数の拡散器流路と、集合渦巻きとを含み、各拡散器流路の前記入口は関連する微小渦巻きから前記羽根車の接線方向に延び、前記集合渦巻は前記拡散器流路のうちの１つの出口から遷移し、前記他の拡散器流路は前記集合渦巻き内に排出し、前記集合渦巻きは出口開口を組み込むことを特徴とする圧縮機を提供する。

本発明の第２の態様の好ましい及び／又は任意の特徴は、添付の特許請求の範囲１２〜２０に記載されている。

本発明のより良い理解のために、有効に実施することができる方法をより明確に示すために、図面のみを参照して、実施例によって説明される。
二次元の拡散板と羽根車とを含む、本発明による接線流圧縮機の第１実施例の斜視図である。 接線流圧縮機用の拡散器、この場合三次元の拡散板の第２の実施形態の斜視図である。 図２の拡散器と羽根車とを含む圧縮機の平面図である。 図３の圧縮機の一部の拡大斜視図である。 接線流圧縮機用の拡散器の第三の実施形態の斜視図である。

まず図１を参照すると、遠心圧縮機は一般的に１０で示される。圧縮機１０は、本体ケーシング１２、羽根車１４、カバープレート１６、モータ１８、二次カバープレート２０と出口アセンブリ２２とを含む。

メインケーシング１２は、圧縮機１０用の拡散器を提供し、そういうものとして羽根車１４を収容するための実質的に円形の空間２４と、円形の空間２４を囲繞する複数の拡散器羽根２６と、羽根２６を囲繞する集合渦巻き２８と、出口開口３０とを含む。外壁３２は集合渦巻きを取り囲み、カバープレート１６とともに、拡散器の上記の部分を包む。

使用時には、羽根車１４は円形の空間２４内に位置し、矢印Ａの方向に、モータ１８によって駆動される。

拡散器は全部で６個の羽根２６を含み、羽根の配置は、羽根車１４の回転軸の周りで回転対称である。つまり、各羽根２６は隣の羽根と同一であり、羽根は羽根車１４の回転軸の周りで互いに角度変換される。羽根２６はそれぞれ、前方に面する壁３４及び後方に面する壁３６を含む。羽根の壁３４、３６はいずれも、回転Ａの方向に湾曲し、不規則な三日月状の羽根を形成する。

羽根は拡散器通路３８を規定し、各拡散器流路３８は１つの羽根２６の前方に面する壁３４と隣接する羽根２６の後方向き壁３６によって境界づけられる。拡散器通路３８は回転方向に湾曲しており、外側に、すなわち羽根車から離れて移動するとより広くなる。

集合渦巻き２８は、羽根２６により及び内部壁４０により境界づけられる。集合渦巻き２８は拡散器通路３８ａと拡散器の周囲のあたりで集合渦巻き２８内に排出している残りの拡散器通路３８との１つから遷移する。拡散器通路３８の曲率は集合渦巻きへの円滑な排出を保証する。集合渦巻き２８は拡散器通路３８ａから他の拡散器を通り出口３０に、拡散器の周囲に延びるので、集合渦巻き２８はより広くなる。集合渦巻き２８の外側境界を画定する内壁４０は、実質的に螺旋状である。

羽根２６も羽根車１４に隣接する微小渦巻４２を規定する。微小渦巻き４２は拡散器流路３８への入口に遷移する。微小渦巻き４２は羽根車１４に密接に結合され、つまり狭い。すなわち、羽根車１４と羽根２６との間に最小の羽根無し空間がある。拡散器流路３８への入口は羽根車の略接線方向であり、微小渦巻き４２は拡散器流路３８領域への流れをガイドする。

羽根車１４は高度に前方掃引されたブレード４４を含む。各ブレードはその先端が実質的に接線方向に配向され、羽根車の流出は、実質的に接線方向である。密接に結合された微小渦巻き４２と前方掃引拡散器流路３８と一緒に、これにより低流量と低い軸速度で効率的かつ安定した動作が可能になる。例えば、本実施形態では、６０，０００−１００，０００ｒｐｍで動作する従来技術の圧縮機と同様の性能を得るために、１５，０００−２０，０００ｒｐｍで動作してもよい。

モータ１８または他の回転駆動体を円形の２４の中央で開口４６を介して本体ケーシング内に導入する。モータ１８は羽根車を駆動する。カバープレート１６は本体ケーシング１２に嵌合し、本体ケーシング１２内に羽根車１４を囲む。カバープレート１６はねじによってケーシング１２の外壁３２に固定される。

カバープレート１６はその中央に開口４８を含む。二次カバープレート２０も、その中央に開口５０を有し、カバープレート１６に嵌合し、入口組立体を形成する。使用時に、ガスは、開口部４８、５０を介し羽根車１４の中央部で圧縮機に吸入される。ガスは、羽根車を介して加速され、実質的に接線方向に拡散器に排出される。ガスは、拡散器流路３８及び集合渦巻き２８を通過し、ガスの速度が減少し静圧が増加する。静圧が増大したガスは出口３０から排出される。

図２を参照すると、圧縮機用拡散器の第２の実施形態は、一般に１００で示される。拡散器は多くの点で図１の拡散器と同様であり、羽根車を収容するための実質的に円形の空間１２４を有する二部ケーシング１１２、１１３、複数の拡散器羽根１２６、集合渦巻き１２８、出口１３０、および外壁１３２を有する。各羽根１２６は、前方に面する壁１３４と後方に面する壁１３６を有し、羽根１２６は、１つの羽根１２６の前方に面する壁１３４と隣接する羽根の後方に面する壁１３６の間の拡散器流路１３８を規定する。各前方に面する壁１３４の一部は羽根車に隣接する微小渦巻き１４２を境界づける。

本実施形態では、出口１３０は、集合渦巻き１２８の拡張である出口を通って、拡散器の接線方向にガスを排出する。

羽根１２６の壁１３４、１３６は端部を面取りしている。その結果、拡散器流路１３８は、径−接線面だけでなく軸−径面で発散している。すなわち、これは三次元拡散器である。

開口１４６は一方の側の拡散器の中央に設けられており、さらなる開口１４８は他の側の拡散器の中央部に設けられている。使用時には、モータまたは他の回転駆動体は、開口１４６を介して羽根車を駆動し、開口１４８は、圧縮機へのガスの入口を提供する。

図３は、羽根車１１４を装着した拡散器１００の半分の平面図である。上述したように、羽根車は、高度前方掃引ブレード１４４を有する。

拡散器の２つの半分は、図２に示すように、互いに嵌合し羽根車を包む。拡散器の２つの半分は、特定の用途および特定の拡散器の材料に応じて、接着剤、溶接、ボルト、または他の任意の適切な締結によって接合することができる。

図４は、羽根車１１４が装着されている拡散器１００の拡大斜視図を示す。羽根車１１４と羽根１２６との間のインターフェースが示されている。２つの拡散器通路１３８の部分が図に示されており、微小渦巻き１４２は、拡散器流路１３８ｂの一方への入口を形成しているように見える。微小渦巻きを形成する羽根無し領域は狭い。

図に見られるように、羽根車１１４の高度前方掃引ブレード１４４は、実質的に接線方向に羽根車からガスを排出する。排出されたガスは微小渦巻き１４２を介して拡散器流路１３８に入る。

図５は、圧縮機用三次元拡散器の第三の実施形態２００を示す。本実施形態では、その作業部分の点で第２の実施形態１００と実質的に同一であるが、ツーピースの射出成形ユニットとして生産に適するようにする設計上の特徴を含む。なお、図中、左半分の内部と右半分の外部とが視認できる。ボルト孔２４８が２つの半体を固定するために設けられる。拡散器通路２３８から漏れを最小限に抑え、良好な封止が各羽根上に形成されることを保証するために、ボルト孔は、各羽根２２６の実質的に中央に配置されている。

上述した実施形態は、実施例によってのみ提供され、種々の変更および改変は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく当業者には明らかであろう。特に、各実施形態に開示された羽根の具体的な数は一実施例としてのみ解釈されるべきである。

Claims (22)

1. 前方掃引接線流圧縮機用拡散器であって、
   圧縮機羽根車を収容する実質的に円形の空間と、
   前記円形の空間に隣接し前記円形の空間を囲繞する複数の微小渦巻きと、
   入口と出口とを有する複数の拡散器流路と、
   集合渦巻きと
   を含み、
   各拡散器流路の前記入口は前記円形の空間の関連微小渦巻きから接線方向に延び、前記集合渦巻きは前記拡散器流路のうちの１つの出口から遷移し、他の拡散器流路は前記集合渦巻き中に排出され、前記集合渦巻きは出口開口を組み込んでいることを特徴とする前方掃引接線流圧縮機用拡散器。
2. 複数の羽根が設けられ、各羽根は前方面と後方面とを有し、隣接する羽根の前方面及び後方面はそれぞれ前記拡散器流路の１つを規定し、各前方面の一部が前記円形空間と前記羽根の間の前記微小渦巻きの１つを規定することを特徴とする請求項１に記載の拡散器。
3. 前記各微小渦巻の幅は前記各拡散器流路の最小幅と実質的に同じ幅であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の拡散器。
4. 前記拡散器流路は接線−径面における発散であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の拡散器。
5. 各拡散流路は、その入口で前記微小渦巻きと、その出口で前記集合渦巻きと、円滑に収束するように湾曲していることを特徴とする請求項４に記載の拡散器。
6. 前記拡散器流路は軸−径面における発散でもあることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の拡散器。
7. 前記拡散器は２つの射出成形半体に製造されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の拡散器。
8. 前記拡散器は径−接線面の周りに２つの半体に分割されることを特徴とする請求項７に記載の拡散器。
9. 前記拡散器流路は矩形断面を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の拡散器。
10. 前記拡散器流路の前記壁は内部縁を面取りしていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の拡散器。
11. 羽根車及び拡散器を含む前方掃引接線流圧縮機であって、
    前記羽根車は、複数の前方掃引回転子ブレードを有し、前記拡散器内の実質的に円形の空間と隣接し、
    前記拡散器は、
    前記羽根車に隣接し、前記羽根車を囲繞する複数の微小渦巻きと、
    入口と出口とを有する複数の拡散器流路と、
    集合渦巻きと
    を有し、
    各拡散器流路の前記入口は前記羽根車の関連微小渦巻きから接線方向に延び、前記集合渦巻きは前記拡散器流路の１つの出口から遷移し、前記他の拡散流路は前記集合渦巻き内に排出し、前記集合渦巻きは出口開口を組み込むことを特徴とする前方掃引接線流圧縮機。
12. 前記拡散器は複数の羽根を含み、各羽根は前方面と後方面とを有し、隣接する羽根の前記前方面及び後方面はそれぞれ、前記拡散器流路の１つを規定し、各前方面の一部は前記羽根車と前記羽根との間の前記微小渦巻きのいずれかを規定することを特徴とする請求項１１に記載の圧縮機。
13. 前記各微小渦巻の幅は前記各拡散器流路の最小幅と略同じ幅であることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の圧縮機。
14. 前記拡散器流路は接線−径面の発散であることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の圧縮機。
15. 各拡散流路は、その入口で微小渦巻きと、その出口で集合渦巻と、円滑に収束するように湾曲していることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の圧縮機。
16. 前記拡散器流路は軸−径面内で発散されることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の圧縮機。
17. 前記拡散器は二つの射出成形の半体に製造されることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれかに記載の圧縮機。
18. 前記拡散器は径−接線面のまわりで２つの半体に分割されることを特徴とする請求項１７に記載の圧縮機。
19. 前記拡散器流路の前記壁は矩形の断面を有することを特徴とする請求項１１乃至１８のいずれかに記載の圧縮機。
20. 前記拡散器流路の前記壁は内部縁が面取りされていることを特徴とする請求項１１乃至１９のいずれかに記載の圧縮機。
21. 添付図面の図１乃至図５を参照して、及び図１乃至図５に示すように本明細書に実質的に記載された拡散器。
22. 添付図面の図１乃至図５を参照しておよび図１乃至図５に示すように、本明細書に実質的に記載された前方掃引接線流圧縮機。

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