JP2017129097A - 被動形流体機械の配管 - Google Patents

Abstract

【課題】入口配管の長さを短くして、省スペース化を実現する。
【解決手段】圧縮機３には、供給管１１１，ベンド１１２及び入口配管１１３を介して流体が供給される。ベンド１１２は、上流側部から曲がり部に至るに従い、入口配管１１３の管軸と供給管１１１の管軸を含む面である鉛直面内における管幅が漸減する形状にした。このため、曲がり部において発生する渦などの乱れが抑制され、入口配管１１３の長さを短くしても流体の乱れを整えることができる。入口配管１１３を短くできるため、省スペース化を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被動形流体機械の配管に関し、省スペース化を実現できるように工夫したものである。

石油化学、化学、空気分離などのプラントでは、多くの遠心圧縮機が使用されている。遠心圧縮機の一つのタイプとして、一軸多段遠心圧縮機がある。一軸多段遠心圧縮機は、一本の軸に複数のインペラを軸方向に沿って多段に備えており、流体を段階的に圧縮するものである。

ここで、一軸多段遠心圧縮機及びこれに流体を供給する配管を含めた、配置状態の一例を概略斜視図である図１２及び配置構成図である図１３を参照して説明する。
両図に示すように、基礎（地面）１に備えた架台２により、一軸多段遠心圧縮機３は支持されている。つまり、一軸多段遠心圧縮機３は基礎（地面）１からみて上方位置に設置されている。この一軸多段遠心圧縮機３には、基礎１に沿い水平配置された供給管１１と、ベンド（曲がり管）１２と、鉛直に配置された入口配管１３を通して、流体が供給される。これら供給管１１，ベンド１２及び入口配管１３は円管（管軸に対して直交した断面形状が円形の管材）である。なお、入口配管１３は、一軸多段遠心圧縮機３のケーシングに備えた吸込み口に接続されている管であり、ケーシングから見て鉛直方向の下方に向かって延びている。

供給管１１を通して供給された流体は、ベンド１２において進行方向が９０°曲がってから入口配管１３を流れる。流体はベンド１２内を曲がりながら流れるため、図１４に示すように、ベンド１２の内周側の流速ｖ１と外周側の流速ｖ２が異なり、これにより渦や剥離が発生して流体の流れが乱れる。このように渦などを含む流れが乱れた流体は、真っ直ぐに伸びた入口配管１３を流通する間に渦などが収まり、流速が略均一になった状態で、流体が一軸多段遠心圧縮機３の内部に吸い込まれる。つまり、圧縮機入口流れを均一化した状態で、流体が一軸多段遠心圧縮機３の内部に吸い込まれる。

入口配管１３は、上記のように、ベンド１２を流通することにより発生した渦などを納めるために設けたものである。このような効果を得るため、供給管１１の直径（内径）をＤ、入口配管１３の軸方向長さをＬとすると、通常（従来）では、Ｌ≧３Ｄとなるように、入口配管１３の軸方向長さを設定している。

なお入口配管１３の軸方向長さが不足すると、渦などを含む流れが乱れた流体が一軸多段遠心圧縮機３に吸引されるため、圧縮機の性能が低下すると共に作動範囲が減少するため、入口配管１３の軸方向長さが不足しないようにする必要がある。

特開２０１０−７１１４０号公報

上述したように、従来では、流速が略均等になった流体を一軸多段遠心圧縮機３に供給することを目的として、軸方向長さが長い入口配管１３を使用しているため、架台２が高くなり、一軸多段遠心圧縮機３の配置高さＨが高くなるという課題があった。また、付帯構造物も大きくなるというデメリットがあった。

上記の例は、一軸多段遠心圧縮機について説明したが、圧縮機、ポンプ、送風機などのように機械的仕事を流体力学的エネルギーに変換する被動形流体機械に対して、供給管，ベンド及び入口配管を介して流体を供給する場合においても、入口配管の軸方向長さが長くなるという問題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、被動形流体機械の配管の形状を工夫することにより、流体の乱れを確実に抑制しつつ入口配管の軸方向長さを短縮して省スペース化できるように工夫した、被動形流体機械の配管を提供することを特徴とする。

上記課題を解決する本発明は、
被動形流体機械のケーシングに備えた吸込み口に接続される入口配管と、流体を供給する供給管と、前記供給管と前記入口配管とを接続するベンドとからなる配管において、
前記ベンドは、上流側部から曲がり部に至るに従い、前記入口配管の管軸と前記供給管の管軸を含む面内における管幅が漸減する形状になっていることを特徴とする。

また本発明は、
前記ベンドは、上流側部から曲がり部に至るに従い、前記入口配管の管軸と前記供給管の管軸を含む面内における管幅が漸減し、且つ、前記入口配管の管軸と前記供給管の管軸を含む面に対して直交すると共に前記入口配管の管軸を含む面内における管幅が漸増する形状になっていることを特徴とする。

また本発明は、
前記ベンドは、上流側部分から曲がり部に至るまで管断面積が同一であることを特徴とする。

また本発明は、
前記ベンド内には、流体の流れ方向に沿い配置されて流体をガイドする板状の整流部材が配置されていることを特徴とする。

また本発明は、
前記被動形流体機械は一軸多段遠心圧縮機であり、
前記入口配管は鉛直方向に配置されており、
前記供給管は水平方向に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ベンド部において、上流側部から曲がり部に至るに従い、入口配管の管軸と供給管の管軸を含む面内における管幅が漸減する形状にしたため、曲がり部において発生する渦などの乱れが抑制される結果、入口配管の長さを短くすることができる。このため、省スペース化を実現することができる。

本発明の実施例１に係る配管の配置状態の一例を示す概略斜視図。 本発明の実施例１に係る配管の配置状態の一例を示す構成図。 実施例１に用いるベンドを示す断面図。 図３のIV−IV断面図。 図３のV−V断面図。 図３のVI−VI断面図。 図３のVII−VII断面図。 図２のVIII−VIII断面図。 本発明の実施例２としてのベンドの一例を示す断面図。 本発明の実施例２としてのベンドの他の例を示す断面図。 図１０のXI−XI断面を示す断面図。 従来技術に係る配管の配置状態の一例を示す概略斜視図。 従来技術に係る配管の配置状態の一例を示す構成図。 従来のベンドを示す断面図。

以下、本発明に係る被動形流体機械の配管を、実施例に基づき詳細に説明する。

〔実施例１〕
実施例１では、被動形流体機械として一軸多段遠心圧縮機を採用した例を示す。図１は、配置状態の一例を示す概略斜視図であり、図２は配置構成図である。
両図に示すように、基礎（地面）１に備えた架台２により、一軸多段遠心圧縮機３は支持されている。つまり、一軸多段遠心圧縮機３は基礎（地面）１からみて上方位置に設置されている。

一軸多段遠心圧縮機３には、基礎１に沿い水平配置された供給管１１１と、ベンド（曲がり管）１１２と、鉛直に配置された真っ直ぐな管である入口配管１１３を通して流体が供給される。
入口配管１１３は、一軸多段遠心圧縮機３のケーシング３ａに備えた吸込み口３ｂに接続されている管であり、ケーシング３ａから見て鉛直方向の下方に向かって延びている。供給管１１１と入口配管１１３は、ベンド１１２を介して接続されており、供給管１１１を介して供給される流体は、ベンド１１２において進行方向が９０°曲がってから入口配管１１３を流れ、一軸多段遠心圧縮機３に吸い込まれる。

供給管１１１の配管形状は従来のものと同様に円管（管軸に対して直交した断面形状が円形の管材）であるが、ベンド１１２及び入口配管１１３の配管形状は、従来ものとは異なっている。

まず、ベンド１１２及び入口配管１１３の形状を特定するために必要な面について説明する。
（１）鉛直断面は、本例では、鉛直配置された入口配管１１３の管軸と、水平配置された供給管１１１の管軸とを含む面になっている。
（２）水平断面は、本例では、鉛直配置された入口配管１１３の管軸と、水平配置された供給管１１１の管軸とを含む面（鉛直断面）に対して直交すると共に、供給管１１１の管軸を含む面である。

ベンド１１２の形状を、図１，図２のみならず、図３から図７も参照しつつ説明する。図３はベンド１１２を鉛直断面に沿い破断した断面図であり、図４は図３のIV−IV断面図であり、図５は図３のV−V断面図であり、図６は図３のVI−VI断面図であり、図７は図３のVII−VII断面図である。
図３に示すように、ベンド１１２のうち、供給管１１１と接続される部分が上流側部１１２ａであり、水平方向から９０°曲がって鉛直方向上方に向かう部分が曲がり部１１２ｂであり、入口配管１１３と接続される部分が下流側部１１２ｃである。

ベンド１１２は、上流側部１１２ａから曲がり部１１２ｂに至るに従い、
（１）鉛直断面における管幅が、Ｄからｄにまで漸減しており（図３参照）、
（２）水平断面における管幅が、Ｈ（＝Ｄ）からｈにまで漸増している（図４から図６参照）。
しかも、ベンド１１２は、上流側部１１２ａから曲がり部１１２ｂに至るまで、管断面積（図４、図５、図６に示す断面積）が等しくなっている。なお管断面積とは、鉛直断面及び水平断面に対して直交する面に沿う管断面積、即ち、ベンド１１２内を流れる流体の流れ方向に対して直交する面に沿う管断面積である。

下流側部１１２ｃの断面形状は図７のようになっており、図６に示す断面形状となっている曲がり部１１２ｂが９０°曲がって上方に立ち上がった形状になっている。

このようにベンド１１２の曲がり部１１２ｂにおいて、鉛直断面における管幅がｄと狭くなっているので、図３に示すように、ベンド１１２の内周側の流速ｖ１１と外周側の流速ｖ１２との差が小さくなり、発生する渦や剥離は少なくなる。
ちなみに従来では、図１４に示すように、ベンドの曲がり部の管幅はＤと大きく、内周側の流速ｖ１と外周側の流速ｖ２との差が大きく、渦や剥離が多く発生していた。

また、ベンド１１２は、上流側部１１２ａから曲がり部１１２ｂに至り更に下流側部１１２ｃに至るまで、管断面積が等しくなっている。このため、上流側部１１２ａから曲がり部１１２ｂを過ぎ下流側部１１２ｃに至り流れる流体の流速は、上流側部１１２ａから曲がり部１１２ｂを過ぎ下流側部１１２ｃに至るまで等速である。

入口配管１１３の断面形状（図２のVIII−VIII断面図である図８参照）は、ベンド１１２の下流側部１１２ｃの断面形状（図７参照）と同じになっている。また、入口配管１１３の軸方向長さＬ１は、Ｌ１≧３×ｄとしており従来に比べて短くなっている。
なお従来では、Ｌ≧３×Ｄとなっており、入口配管の軸方向長さは長くなっている。

このようにベンド１１２においては、等速の流体が流れ、しかも、渦や剥離の発生が少なくなる。ベンド１１２の下流側部１１２ｃで発生する渦などは、管幅ｄの大きさで決まる。したがって、入口配管１１３の軸方向長さＬ１を、Ｌ１≧３×ｄとしておけば、従来のＬ≧３×Ｄと同程度の整流効果を得ることができる。

このように、流体の整流効果を得つつ、入口配管１１３の軸方向長さＬ１を従来に比べて短くすることができるため、一軸多段遠心圧縮機３の配置高さＨ１（図１参照）が、従来の配置高さＨ（図１３参照）に比べて低くなり、省スペース化を実現できると共に付帯構造物を小さくすることができるという効果を奏することができる。また、流体の整流効果は従来と同等であるため、圧縮機性能が低下することもない。

なお上記の例では、上流側部１１２ａから曲がり部１１２ｂに至り更に下流側部１１２ｃに至るまで、管断面積が等しくしているが、上流側部１１２ａから曲がり部１１２ｂに至る管断面積を徐々に狭くしてもよい。このようにした場合には、ベンド１１２を流通する流体の流速は加速される。
また、入口配管１１３のｈ方向（図８参照）が、一軸多段遠心圧縮機３のケーシング３ａの半径方向幅Ｗ（図２参照）と同じ向きになる状態で、入口配管１１３をケーシング３ａに接続した場合には、ｈ≦Ｗとなる。つまり入口配管１１３の管幅ｈの最大値はＷである。

〔実施例２〕
次に、実施例１において採用したベンド１１２を更に改良したものを、実施例２として説明する。
図９に示すベンド１１２では、曲がり部１１２ｂの内部に、流体をガイドしつつ整流する２枚の曲げ板（整流部材）１１２αを備えている。曲げ板１１２αは、ベンド１１２内を流れる流体の流れ方向に沿い伸びた板である。なお曲げ板１１２αの配置枚数は２枚に限定するものではない。
図１０及び図１０のXI−XI断面である図１１に示すベンド１１２では、曲がり部１１２ｂの内部に、流体をガイドしつつ整流する曲げ板構造（整流部材）１１２βを備えている。この曲げ板構造１１２βは、ベンド１１２内を流れる流体の流れ方向に沿い伸びており、上流側部１１２ａから曲がり部１１２ｂに至り更に下流側部１１２ｃに至る流路を並列の複数流路（本例では８流路）に分けるものである。
このように、曲げ板１１２αや曲げ板構造１１２βをベンド１１２内に組み込むことにより、発生する渦や剥離をより低減することができる。このように渦などの発生をより低減できるので、入口配管１１３の軸方向長さを更に短くすることができる。

上記の各実施例では、供給管が水平配置されており、入口配管が鉛直配置されている例であるが、供給管も入口配管も水平配置されておりベンドにより供給管と入口配管を接続した配管にも本発明を適用することができる。
この場合には、
ベンドは、上流側部から曲がり部に至るに従い、
（１）水平断面における管幅が、漸減しており、
（２）鉛直断面における管幅が、漸増している、
形状にする。

また、本発明では、ベンドは、上流側部から曲がり部に至るに従い、入口配管の管軸と供給管の管軸を含む面内における管幅が漸減する形状になっていればよい。
また、本発明では、ベンドは、上流側部から曲がり部に至るに従い、入口配管の管軸と供給管の管軸を含む面内における管幅が漸減し、且つ、入口配管の管軸と供給管の管軸を含む面に対して直交すると共に入口配管の管軸を含む面内における管幅が漸増する形状になっていることが好ましい。
更には、本発明では、上流側部分から曲がり部に至るまで管断面積が同一であることが好ましい。

本発明は、圧縮機の他に、ポンプ、送風機などのように機械的仕事を流体力学的エネルギーに変換する被動形流体機械に流体を供給する配管に適用することができる。

１ 基礎（地面）
２ 架台
３ 一軸多段遠心圧縮機
３ａ ケーシング
３ｂ 吸込み口
１１，１１１ 供給管
１２，１１２ ベンド（曲がり管）
１１２ａ 上流側部
１１２ｂ 曲がり部
１１２ｃ 下流側部
１１２α 曲げ板
１１２β 曲げ板構造
１３，１１３ 入口配管

Claims (5)

1. 被動形流体機械のケーシングに備えた吸込み口に接続される入口配管と、流体を供給する供給管と、前記供給管と前記入口配管とを接続するベンドとからなる配管において、
   前記ベンドは、上流側部から曲がり部に至るに従い、前記入口配管の管軸と前記供給管の管軸を含む面内における管幅が漸減する形状になっている、
   ことを特徴とする被動形流体機械の配管。
2. 請求項１において、
   前記ベンドは、上流側部から曲がり部に至るに従い、前記入口配管の管軸と前記供給管の管軸を含む面内における管幅が漸減し、且つ、前記入口配管の管軸と前記供給管の管軸を含む面に対して直交すると共に前記入口配管の管軸を含む面内における管幅が漸増する形状になっている、
   ことを特徴とする被動形流体機械の配管。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記ベンドは、上流側部分から曲がり部に至るまで管断面積が同一である、
   ことを特徴とする被動形流体機械の配管。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項において、
   前記ベンド内には、流体の流れ方向に沿い配置されて流体をガイドする板状の整流部材が配置されている、
   ことを特徴とする被動形流体機械の配管。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項において、
   前記被動形流体機械は一軸多段遠心圧縮機であり、
   前記入口配管は鉛直方向に配置されており、
   前記供給管は水平方向に配置されている、
   ことを特徴とする被動形流体機械の配管。

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