JP2018172969A - 遠心圧縮機及びターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】構造の複雑化を回避しながら、種々の運転プロセスに対応し、かつ、低圧損を維持することができる。【解決手段】吸込兼吐出流路３０は、軸線Ｏの周方向に軸線Ｏを中心とした円弧状に延びて、周方向にわたって中間流路に連通する周方向流路４０と、該周方向流路４０の周方向の両端に接続されて外部と連通する外部連通路５０と、を備え、周方向流路４０は、流路断面積が周方向にわたって一様とされ、周方向流路４０の外周側壁面４２と外部連通路５０の第二内壁面５２との間に、軸線Ｏ方向から見て外部連通路５０の第二内壁面５２に連続する凸曲面状をなす凸曲面６４を有し、軸線Ｏ方向から見た凸曲面６４の曲率半径をＲとし、周方向流路４０の径方向の寸法をＷとした場合に、Ｗ≦Ｒ≦３Ｗの関係が成立する。【選択図】図４

Description

本発明は、遠心圧縮機及びターボ冷凍機に関する。

産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービンに用いられる遠心圧縮機として、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを備えた多段遠心圧縮機が知られている。この多段遠心圧縮機は、インペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。
ターボ冷凍機の冷凍サイクルでは、多段遠心圧縮機は作動流体としての冷媒を圧縮するために用いられている。（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−２５１５２８号公報

ターボ冷凍機に用いられる多段遠心圧縮機は、ターボ冷凍機の用途に応じて、中間流路から冷媒を外部に吐出する吐出流路を有するものや、中間流路へと冷媒を外部から吸い込む吸込流路を有するものがある。多段遠心圧縮機の効率の観点からは、吐出流路は冷媒を吐出する際に低圧損となるように設計されており、吸込流路は冷媒を吸い込む際に低圧損となるように設計されている。

ここで、ターボ冷凍機の冷凍プロセスによっては、運転の途中で冷媒の吐出、吸込を切り替える場合がある。そのため、多段遠心圧縮機のケーシングに吐出流路及び吸込流路を個別に設ける必要があり、構造の複雑化を招いてしまっていた。
また、上記問題はターボ冷凍機に限られず、多段遠心圧縮機を用いた他のシステムの運転プロセスでも同様に起こり得る。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、構造の複雑化を回避しながら、種々の運転プロセスに対応し、かつ、低圧損を維持することができる多段遠心圧縮機及びターボ冷凍機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明の第一態様に係る遠心圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に前記軸線方向に複数段が配列されて、前記軸線方向一方側の入り口から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、前記回転軸及び前記インペラを囲い、互いに隣り合う前記インペラのうち前段側の前記インペラから排出される流体を後段側の前記インペラに導入する中間流路と、該中間流路と外部とを接続する吸込兼吐出流路とを有するケーシングと、を備え、前記吸込兼吐出流路は、前記軸線の周方向に前記軸線を中心とした円弧状に延びて、前記周方向にわたって前記中間流路に連通する周方向流路と、該周方向流路の周方向の両端に接続されて外部と連通する外部連通路と、を備え、前記周方向流路は、流路断面積が周方向にわたって一様とされ、前記周方向流路の外周側壁面と前記外部連通路の内壁面との間に、前記軸線方向から見て前記外部連通路の内壁面に連続する凸曲面状をなす凸曲面を有し、前記軸線方向から見た前記凸曲面の曲率半径をＲとし、前記周方向流路の前記径方向の寸法をＷとした場合に、Ｗ≦Ｒ≦３Ｗの関係が成立する。

上記構成によって、前段側のインペラと後段側とのインペラとの間の中間流路から吸込兼吐出流路を介して作動流体を外部に吐出することができる。また、中間流路へと吸込兼吐出流路を介して作動流体を外部から吸い込むことができる。即ち、吸込兼吐出流路は、冷媒の吐出用、吸込用の両方に用いられる。そのため、吐出用と吸込用との流路を個別に設ける場合に比べて、簡易な構造とすることができる。

ここで、一般的な吐出流路は、中間流路の作動流体が周方向全域から導入されつつ、回転軸の回転方向前方側に向かうに従って流路断面積が増大し外部に連通する構成とされている。そのため、中間流路から作動流体を吐出する際には、回転方向前方側に向かうに従っての作動流体の流量増加に伴って流路断面積が増大するため、低圧損とすることができる。
しかしながら、当該吐出流路を介して外部からの作動流体の吸込みを試みた場合、当該作動流体が進行するに従って吐出流路内での流路断面積が小さくなることになる。そのため、外部からの作動流体が進行するにともなって圧損が大きくなるため、周方向全域から中間流路へと作動流体を吸い込むことができず、周方向位置での吸込量に偏りが生じる。その結果圧損がより大きくなってしまう。

これに対して本態様では、吸込兼吐出流路における中間流路に連通する周方向流路は、流路断面積が一様とされている。そのため、中間流路から作動流体を吐出する際に圧損が大きく増加してしまうことを抑制しながら、中間流路へと作動流体を吸い込む際の圧損を減少させることができる。
即ち、吸込兼吐出流路を吐出用として用いる場合には、例えば周方向流路の流路断面積が回転方向前方側に向かうにしたがって小さくなる場合に比べて圧損は小さい。よって、作動流体を吐出する際の圧損の増加を抑制することができる。
一方、吸込兼吐出流路を吸込み用として用いる場合には、外部からの作動流体の進行に伴って周方向流路の流路断面積が小さくなることはないため、周方向位置での吸込量の偏りを抑制することができる。

ここで、吸込兼吐出流路における外部連通路と周方向流路とが軸線方向から見て鋭角をなして接続されている場合には、外部から作動流体を吸い込む際に、外部連通路から周方向流路への作動流体の流入を接続箇所が妨げてしまう。その結果、圧損が増加してしまう。本実施形態では、外部連通部と周方向流路との接続箇所が、凸曲面とされているため、作動流体を吸い込む場合における圧損を低下させることができる。
また、特に本態様では、凸曲面の曲率半径Ｒと周方向流路の前記径方向の寸法Ｗとの間にＷ≦Ｒ≦３Ｗの関係が成立しており、即ち、凸曲面の曲率の値が抑えられている。これによって、外部連通路から周方向流路へと作動流体を滑らかに導入することができる。即ち、接続箇所が作動流体の妨げになることをより一層抑制することができ、吸込時の圧損を効果的に抑えることができる。

上記態様では、前記周方向流路の流路断面積をＡとし、前記吸込兼吐出流路における前記凸曲面が接する流路の最小の流路断面積であるスロート面積をＢとした場合に、２Ａ≦Ｂ≦５Ａの関係が成立することが好ましい。

ここで、凸曲面が存在する箇所は、外部連通路と周方向流路との合流部となる。吸込兼吐出流路を吸込用として用いる場合には、当該合流部での流路断面積を出来る限り大きくすることが好ましい。これにより、外部連通路を経た作動流体の動圧を低下させることができる結果、外部連通路の周方向両側に作動流体を導き易くなり、周方向での吸込量の偏りを抑制できる。
本態様では、凸曲面が接する合流部で最も流路断面積が小さいスロート面積Ｂと流方向流路の流路断面積Ａとの間に上記関係が成立している。これにより、合流部での流路断面積が大きく確保されている。そのため、外部から導入される作動流体の動圧を効果的に低下させることができる。

上記態様では、前記中間流路は、前段側の前記インペラから径方向外側に延びるディフューザ流路と、該ディフューザ流路の下流側に接続されて径方向内側に向かって湾曲するストレート流路と、該ストレート流路の下流側に接続されて径方向内側に向かって延びるストレート流路と、を有し、前記周方向流路の内周側壁面が、前記周方向にわたって前記ストレート流路に接続されていてもよい。

仮に周方向流路の内周側壁面がストレート流路に接続されている場合、外部から吸い込んだ作動流体がストレート流路に導入されることで、混合損失は大きなものとなる。即ち、ストレート流路内を流通する作動流体と周方向流路を流通する作動流体とは速度成分が大きく異なるため、これら作動流体が互いに衝突することによる混合損失が大きくなる。
本態様では、周方向流路の内周側壁面が、周方向流路を流通する作動流体との速度成分が比較的小さい作動流体が流通するストレート流路に接続されているため、混合損失を小さく抑えることができる。

上記態様では、前記外部連通路は、前記外部連通路は、前記周方向流路の両端の間から前記回転軸の回転方向前方側かつ前記周方向流路の接線に沿って延びており、前記凸曲面は、前記周方向流路の前記外周側壁面と、前記外部連通路における前記回転方向前方側の内壁面との間に形成されていてもよい。

このような態様の場合、吐出時と吸込時との双方の圧損を低下させながら、特に吐出時の圧損を大きく低下させることができる。

上記態様では、前記外部連通路は、前記周方向流路の両端の間から前記回転方向後方側かつ前記周方向流路の接線に沿って延びており、前記凸曲面は、前記周方向流路の前記外周側壁面と、前記外部連通路における前記回転方向後方側の内壁面との間に形成されていてもよい。

このような態様の場合、吐出時と吸込時との双方の圧損を低下させながら、特に吸込時の圧損を大きく低下させることができる。

上記態様では、前記外部連通路は、前記周方向流路の両端の間から径方向外側に向かって延びており、前記凸曲面は、前記周方向流路の前記外周側壁面と前記外部連通路における前記回転方向前方側の内壁面との間、及び、前記周方向流路の前記外周側壁面と前記外部連通路における前記回転方向後方側の内壁面との間に形成されていてもよい。

このような態様の場合、吐出時と吸込時との双方の圧損を効果的に低下させることができる。

本発明の第二態様に係るターボ冷凍機は、上記いずれかの遠心圧縮機を有する。
これにより、冷凍プロセスに応じて、中間流路からの作動流体の吐出及び中間流路への作動流体の吸い込みを可能としながら、吐出、吸込みの際の圧損を抑制することができる。

本発明の多段遠心圧縮機及びターボ冷凍機によれば、構造の複雑化を回避しながら、種々の運転プロセスに対応し、かつ、低圧損を維持することができる。

第一実施形態に係る遠心圧縮機の縦断面図である。 第一実施形態に係る遠心圧縮機を一部拡大した縦断面図である。 図２のIII‐III断面図である。 図３の一部拡大図である。 第二実施形態に係る遠心圧縮機の吸込兼吐出流路の軸線に直交する断面図である。 第三実施形態に係る遠心圧縮機の吸込兼吐出流路の軸線に直交する断面図である。

以下、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機について図面を参照して説明する。
図１に示すように、遠心圧縮機１００は、軸線回りに回転する回転軸１と、この回転軸１の周囲を覆うことで流路２を形成するケーシング３と、回転軸１に設けられた複数のインペラ４と、ケーシング３内に設けられたリターンベーン２８と、を備えている。本実施形態では、ケーシング３に吸込兼吐出流路３０が形成されている。

ケーシング３は、軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。回転軸１は、このケーシング３の内部を軸線Ｏに沿って貫通するように延びている。軸線Ｏ方向におけるケーシング３の両端部には、それぞれジャーナル軸受５及びスラスト軸受６が設けられている。回転軸１は、これらジャーナル軸受５とスラスト軸受６とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。

ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側には、外部から作動流体としての空気を取り入れるための吸気口７が設けられている。さらに、ケーシング３の軸線Ｏ方向他方側には、ケーシング３内部で圧縮された作動流体が排気される排気口８が設けられている。

ケーシング３の内側には、これら吸気口７と排気口８とを連通し、縮径と拡径を繰り返す内部空間が形成されている。この内部空間は、複数のインペラ４を収容するとともに、上記の流路２の一部をなしている。なお、以降の説明では、この流路２上における吸気口７が位置する側を上流側と呼び、排気口８が位置する側を下流側と呼ぶ。

回転軸１には、その外周面上で軸線Ｏ方向に間隔を空けて複数（６つ）のインペラ４が設けられている。各インペラ４は、図２に示すように、軸線Ｏ方向から見て略円形の断面を有するディスク４ａと、このディスク４ａの上流側の面に設けられた複数のブレード４ｂと、これら複数のブレード４ｂを上流側から覆うカバー４ｃと、を有している。

ディスク４ａは、軸線Ｏと交差する方向から見て、該軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に拡大するように形成されることで、概形円錐状をなしている。

ブレード４ｂは、上記のディスク４ａの軸線Ｏ方向における両面のうち、上流側を向く円錐面上で、軸線Ｏを中心として径方向外側に向かって放射状に複数配列されている。より詳しくは、これらブレードは、ディスク４ａの上流側の面から上流側に向かって立設された薄板によって形成されている。これら複数のブレード４ｂは、軸線Ｏ方向から見た場合、周方向の一方側から他方側に向かうように湾曲している。

ブレード４ｂの上流側の端縁には、カバー４ｃが設けられている。言い換えると、上記複数のブレード４ｂは、このカバー４ｃとディスク４ａとによって軸線Ｏ方向から挟持されている。これにより、カバー４ｃ、ディスク４ａ、及び互いに隣り合う一対のブレード４ｂ同士の間には空間が形成される。この空間は、流路２の一部（圧縮流路２２）をなしている。

流路２は、上記のように構成されたインペラ４と、ケーシング３の内部空間を連通する空間である。本実施形態では、１つのインペラ４ごと（１つの圧縮段ごと）に１つの流路２が形成されているものとして説明を行う。即ち、遠心圧縮機１００では、最後段のインペラ４を除く５つのインペラ４に対応して、上流側から下流側に向かって連続する５つの流路２が形成されている。

それぞれの流路２は、吸込流路２１と、圧縮流路２２と、中間流路２３とを有している。図２は、流路２及びインペラ４のうち、１段目から３段目のインペラ４を主として示している。

１段目のインペラ４では、吸込流路２１は上記の吸気口７と直接接続されている。この吸込流路２１によって、外部の空気が流路２上の各流路に作動流体として取り込まれる。より具体的には、この吸込流路２１は、上流側から下流側に向かうにしたがって、軸線Ｏ方向から径方向外側に向かって次第に湾曲している。

２段目以降のインペラ４における吸込流路２１は、前段（１段目）の流路２における中間流路２３の下流端と連通されている。即ち、中間流路２３を通過した作動流体は、上記と同様に、軸線Ｏに沿って下流側を向くように、その流れ方向が変更される。

圧縮流路２２は、ディスク４ａの上流側の面、カバー４ｃの下流側の面、及び周方向に隣り合う一対のブレード４ｂによって囲まれた流路である。より詳しくは、この圧縮流路２２は、径方向内側から外側に向かうに従って、その断面積が次第に減少している。これにより、インペラ４が回転している状態で圧縮流路２２中を流通する作動流体は、徐々に圧縮されて高圧流体となる。

中間流路２３は、ディフューザ流路２４と、リターン流路２５とを有している。ディフューザ流路２４は、軸線Ｏの径方向内側から外側に向かって延びる流路である。このディフューザ流路２４における径方向内側の端部は、上記圧縮流路２２の径方向外側の端部に連通されている。

リターン流路２５は、リターンベンド部２６とストレート流路２７とを有している。
リターンベンド部２６は、径方向外側に向かう作動流体を径方向内側に向かって転向させる湾曲形状をなしている。リターンベンド部２６は、ディフューザ流路２４を経て、径方向の内側から外側に向かって流通した作動流体の流れ方向を径方向内側に向かって反転させる。リターンベンド部２６の一端側（上流側）は、上記ディフューザ流路２４に連通され、他端側（下流側）は、ストレート流路２７に連通されている。リターンベンド部２６の中途において、径方向の最も外側に位置する部分は、頂部とされている。この頂部の近傍では、リターンベンド部２６の湾曲の内側の部分を形成する内側曲面２６ａと該リターンベンド部２６の湾曲の外側の部分を形成する外側曲面２６ｂとは、３次元曲面をなすことで、作動流体の流動を妨げないようになっている。

ストレート流路２７は、リターンベンド部２６の下流側の端部から径方向内側に向かって延びている。ストレート流路２７の径方向外側の端部は、上記のリターンベンド部２６と連通されている。ストレート流路２７の径方向内側の端部は、上述のように後段の流路２における吸込流路２１に連通されている。ストレート流路２７は、軸線Ｏ方向一方側の第一壁面２７ａと軸線方向Ｏ他方側の第二壁面２７ｂとによって区画形成されている。第一壁面２７ａは、軸線Ｏ方向一方側に向かうにしたがって徐々に縮径するテーパ状をなしている。第二壁面２７ｂは、軸線Ｏに直交する平面状をなしている。

リターンベーン２８は、ストレート流路２７に複数が設けられている。具体的には、複数のリターンベーン２８は、ストレート流路２７中で、軸線Ｏを中心として放射状に配列されている。言い換えると、これらリターンベーン２８は、軸線Ｏの周囲で周方向に間隔を空けて配列されている。リターンベーン２８は、軸線Ｏ方向の両端が、ストレート流路２７を形成するケーシング３、即ち、第一壁面２７ａ及び第二壁面２７ｂに接している。

次に吸込兼吐出流路３０について説明する。吸込兼吐出流路３０は、図３に示すように、周方向流路４０と、外部連通路５０と、接続流路６０と、を有している。

周方向流路４０は、図３及び図４に示すように、軸線Ｏを中心として該軸線Ｏの周方向に延びている。周方向流路４０は、周方向の所定角度（軸線Ｏを中心とした角度θ１の範囲）にわたって円弧状に延びている。本実施形態では、角度θ１は、２７０°〜３３０°とされており、より好ましくは２８５°〜３１５とされている。本実施形態では、角度θ１は例えば３００°に設定されている。

周方向流路４０は、第一内周側壁面４１、外周側壁面４２及び軸方向円弧壁面４３によって画成されている。
第一内周側壁面４１は、周方向流路４０の径方向内側の端部を画成している。外周側壁面４２は、周方向流路４０の径方向外側の端部を画成している。第一内周側壁面４１及び外周側壁面４２はそれぞれ軸線Ｏを中心とした円筒面状をなすように、上記角度θ１の範囲にわたって円弧状に延びている。第一内周側壁面４１の外径は、外周側壁面４２の内径よりも小さい。即ち、これら第一内周側壁面４１の外径と外周側壁面４２の内径との差によって周方向流路４０の径方向の寸法が定められている。

軸方向円弧壁面４３は、周方向流路４０の軸線Ｏ方向他方側の端部を画成している。軸方向円弧壁面４３は、軸線Ｏに直交する平面状をなしており、上記角度θ１の範囲にわたって軸線Ｏを中心とした周方向に延びている。軸方向円弧壁面４３の径方向内側の端部は第一内周側壁面４１の軸線Ｏ方向他方側の端部に接続されている。軸方向円弧壁面４３の径方向外側の端部は、外周側壁面４２の軸線Ｏ方向一方側の端部に接続されている。

周方向流路４０は、周方向の全域で中間流路２３に連通するように接続されている。本実施形態では、図２に示すように、周方向流路４０は、二段目のインペラ４と三段目のインペラ４との間の中間流路２３に接続されている。より具体的には、周方向流路４０は、軸線Ｏ方向一方側が中間流路２３におけるリターン流路２５に対して周方向流路４０の上記角度θ１にわたって開口している。当該開口箇所は、円弧状開口部４４とされている。

周方向流路４０の径方向内側の端部、即ち、内径部分を画成する第一内周側壁面４１は、軸線Ｏ方向一方側の端部が、ストレート流路２７の軸線Ｏ方向他方側を画成する第二壁面２７ｂに接続されている。本実施形態では、周方向流路４０の第一内周側壁面４１は、リターン流路２５に配置されたリターンベーン２８の上流側の端部よりも径方向内側に位置している。

周方向流路４０の径方向外側の端部、即ち、外径部分を画成する外周側壁面４２は、軸線Ｏ方向一方側の端部がリターンベンド部２６の湾曲の外側を画成する外側曲面２６ｂに接続されている。本実施形態では、周方向流路４０の外周側壁面４２は、リターン流路２５に配置されたリターンベーン２８の上流側の端部よりも径方向外側に位置している。したがって、周方向流路４０の径方向位置の範囲内にリターンベーン２８の上流側の端部が位置することになる。

外部連通路５０は、周方向流路４０の周方向の両端に接続されるとともに、ケーシング３の外部に連通している。本実施形態では、外部連通路５０は、接続流路６０を介して周方向流路４０の周方向の両端に接続されている。

外部連通路５０は、ケーシング３の一部として形成された外部連通管３ａ内の流路として形成されている。外部連通管３ａは、図３に示すように、ケーシング３の外周面から突出するように設けられている。外部連通管３ａ及び該外部連通管３ａ内に形成された外部連通路５０は、周方向流路４０の両端の間の部分、即ち、周方向流路４０が形成される角度θ１の領域以外の周方向位置から、回転軸１の回転方向Ｐ前方側、かつ、周方向流路４０の接線に沿って延びている。本実施形態では、軸線Ｏ方向一方側から見て、左下の部分に外部連通管３ａ及び外部連通路５０が設けられている。

外部連通路５０は、周方向流路４０側から外部に向かうにしたがって徐々に拡径している。本実施形態では、軸線Ｏ方向から見た際に、回転方向Ｐ後方側に位置する第一内壁面５１と回転方向Ｐ他方側に位置する第二内壁面５２とを有している。これら第一内壁面５１と第二内壁面５２とはそれぞれ平面状をなしている。第一内壁面５１と第二内壁面５２とは、外部連通路５０の周方向流路４０側から外部に向かうにしたがって互いに離間している。これによって、軸線Ｏ方向から見た際に、外部連通路５０は、周方向流路４０から外部に向かうに従って徐々に拡径している。なお、外部連通路５０の軸線Ｏ方向両側の壁面５３は、それぞれ第一内壁面５１及び第二内壁面５２に接続されている。これら壁面５３は互いに平行に配置されている。

接続流路６０は、詳しくは図３に示すように、周方向流路４０と外部連通路５０とを接続する流路であってケーシング３内に形成されている。接続流路６０は、周方向流路４０の両端に挟まれるように、該両端に接続されている。接続流路６０は、周方向の両側で周方向流路４０に連通している。接続流路６０は、周方向流路４０の形成範囲である角度θ１を除く角度θ２（θ２＝３６０°−θ）の範囲に形周方向にわたって成されている。接続流路６０は、外周側で外部連通路５０の周方向流路４０側の端部と互いに連通するように接続されている。

接続流路６０は、第二内周側壁面６１、第一接続面６２、第二接続面６３、凸曲面６４及び一対の軸方向壁面６５によって画成されている。
第二内周側壁面６１は、接続流路６０の径方向内側の端部を画成している。第二内周側壁面６１は、軸線Ｏを中心とした円筒面状をなすように、上記角度θ２の範囲にわたって円弧状に延びている。本実施形態では、第二内周側壁面６１は、第一内周側壁面４１と同一の外径、かつ、互いに連続している。即ち、第一内周側壁面４１と第二内周側壁面６１とによって、周方向全域にわたって延びることで円形をなす内周側壁面３１が形成されている。第一内周側壁面４１、第二内周側壁面６１は、内周側壁面３１の一部となる。

第一接続面６２は、周方向流路４０を画成する外周側壁面４２における一方側の端部（周方向流路４０の一対の端部のうちの角度θ２の領域を基準として回転方向Ｐ後方側の端部）に接続されている。該第一接続面６２は、軸線Ｏに平行な平面状をなしている。第一接続面６２は、外周側壁面４２の一方側の端部から該外周側壁面４２の接線に一致しながら、かつ、回転方向Ｐ前方側に向かって延びている。第一接続面６２は、外部連通路５０を画成する第一内壁面５１に面一に接続されている。即ち、第一接続面６２は、外周側壁面４２と第一内壁面５１とを、軸線Ｏ方向から見て直線状かつ連続するように接続している。

第二接続面６３は、周方向流路４０を画成する外周側壁面４２における他方側の端部（周方向流路４０の一対の端部のうちの角度θ２の領域を基準として回転方向Ｐ前方側の端部）に接続されている。該第二接続面６３は、軸線Ｏに平行な平面状をなしている。第二接続面６３は、外周側壁面４２の他方側の端部から該外周側壁面４２の接線に一致しながら、かつ、回転方向Ｐ後方側に向かって延びている。

凸曲面６４は、第二接続面６３と外部連通路５０を画成する第二壁面２７ｂとを接続する。凸曲面６４は、軸線Ｏ方向から見て第二接続面６３と第二壁面２７ｂとを滑らかに接続する凸曲面状をなしている。軸線Ｏ方向から見た際、凸曲面６４の曲率半径Ｒは、本実施形態では、第二接続面６３との接続箇所から第二壁面２７ｂとの接続箇所にわたって一定とされている。即ち、凸曲面６４は、軸線Ｏ方向から見て円弧状をなして、その両端が第二接続面６３及び外部連通路５０の第二壁面２７ｂに連続するように接続されている。

一対の軸方向壁面６５は、接続流路６０の軸線Ｏ方向の端部を画成する。一対の軸方向壁面６５のうちの軸線Ｏ方向一方側の軸方向壁面６５には、周方向流路４０のリターン流路２５への開口と同様の径方向寸法で円弧状に開口するスリット６６が形成されている。周方向流路４０の円弧状開口部４４と当該スリット６６によって、周方向全域にわたって環状をなす円形開口部３２が形成されている。

本実施形態では、周方向流路４０を画成する軸方向円弧壁面４３、接続流路６０を画成する軸線Ｏ方向他方側の軸方向壁面６５及び外部連通路５０の軸線Ｏ方向他方側の壁面５３は、それぞれ軸線Ｏに直交する平面状に位置しており、互いに面一とされている。また、接続流路６０を画成する軸線Ｏ方向一方側の軸方向壁面６５及び外部連通路５０の軸線Ｏ方向一方側の壁面５３は、それぞれ軸線Ｏに直交する平面状に位置しており、互いに面一とされている。これによって、吸込兼吐出流路３０における流路断面形状は、いずれの部分であっても矩形状をなしている。

本実施形態では、周方向流路４０の径方向の寸法をＷとした場合、接続流路６０の凸曲面６４の曲率半径Ｒとの間に下記（１）式が成立する。
Ｗ≦Ｒ≦３Ｗ …（１）
即ち、凸曲面６４の曲率半径Ｒは、周方向流路４０の径方向の寸法Ｗの１倍以上３倍以下とされている。

ここで、周方向流路４０の流路断面積、即ち、周方向流路４０の延在方向である周方向に直交する断面（径方向を含む断面）の流路断面積をＡとする。また、接続流路６０における凸曲面６４が接する最小の流路断面積であるスロート面積をＢとする。ここでスロート面積は、図４に示すように軸線Ｏ方向から見て、凸曲面６４に接し、かつ、流路内に収まる直径の円を描いた際に、最小となる直径を含む流路断面積を意味する。換言すれば、軸線Ｏに平行な仮想面であって当該円の直径を含む仮想面上の流路面積がスロート面積となる。
本実施形態では吸込兼吐出流路３０の流路断面は矩形であるため、当該円の直径と流路の軸線Ｏ方向の寸法との積がスロート面積となる。

本実施形態では、上記のような周方向流路４０の流路断面積Ａと凸曲面６４が接するスロート面積Ｂとの間には、下記（２）式が成立する。
２Ａ≦Ｂ≦５
即ち、スロート面積Ｂは、周方向流路４０の流路断面積Ａの２倍以上５倍以下とされている。

上記構成の遠心圧縮機１００は、ターボ冷凍機の圧縮機として使用される。ターボ冷凍機は、作動流体としての冷媒が流通する圧縮機、蒸発器、膨張弁、凝縮器が順次接続された冷凍サイクルを有する。
このようなターボ冷凍機の運転プロセスによっては、運転の途中で中間流路２３から作動流体を外部に吐出する状態と、中間流路２３へと外部から作動流体を吸い込む状態との切り替えが必要となる場合がある。

本実施形態の遠心圧縮機１００では、上記構成により、前段側のインペラ４と後段側とのインペラ４との間の中間流路２３か、ら吸込兼吐出流路３０を介して作動流体を外部に吐出することができる。
また、中間流路２３へと吸込兼吐出流路３０を介して作動流体を外部から吸い込むことができる。即ち、吸込兼吐出流路３０は、冷媒の吐出用、吸込用の両方に用いられる。そのため、吐出用と吸込用との流路を個別に設ける場合に比べて、簡易な構造とすることができる。

ここで、一般的な吐出流路は、中間流路２３の作動流体が周方向全域から導入されつつ、回転軸１の回転方向Ｐ前方側に向かうに従って流路断面積が増大し、その後、外部に連通する構成とされている。そのため、中間流路２３から作動流体を吐出する際には、回転方向Ｐ前方側に向かうに従っての作動流体の流量増加に伴って、流路断面積が増大するため、低圧損とすることができる。

しかしながら、当該吐出流路を吸込流路として転用することを試みた場合、即ち、吐出流路を介しての外部からの作動流体の吸い込みを試みた場合には、当該作動流体が進行するに従って吐出流路内での流路断面積が小さくなることになる。
そのため、外部からの作動流体が進行するにともなって圧損が大きくなるため、周方向全域から中間流路２３へと作動流体を吸い込むことができない。その結果、周方向位置での吸込量に偏りが生じ、圧損の増大を招いてしまう。

これに対して本実施形態では、吸込兼吐出流路３０における中間流路２３に連通する周方向流路４０は、流路断面積が一様とされている。そのため、中間流路２３から作動流体を吐出する際に、圧損が大きく増加してしまうことを抑制しながら、中間流路２３へと作動流体を吸い込む際の圧損を減少させることができる。

即ち、吸込兼吐出流路３０を吐出用として用いる場合には、例えば周方向流路４０の流路断面積が回転方向Ｐ前方側に向かうにしたがって小さくなる場合に比べて圧損は小さい。よって、作動流体を吐出する際の圧損の増加を抑制することができる。
一方、吸込兼吐出流路３０を吸込み用として用いる場合には、外部からの作動流体の進行に伴って周方向流路４０の流路断面積が小さくなることはないため、周方向位置での吸込量の偏りを抑制することができる。
したがって、吸込兼吐出流路３０を採用することによって、中間流路２３からの作動流体の吐出、中間流路２３への作動流体の吸い込みの双方の圧損を低く抑えることができる。

ここで、吸込兼吐出流路３０における外部連通路５０と周方向流路４０とが軸線Ｏ方向から見て鋭角をなして接続されている場合には、外部から作動流体を吸い込む際に、外部連通路５０から周方向流路４０への作動流体の流入を接続箇所が妨げてしまう。その結果、圧損が増加してしまう。本実施形態では、外部連通部と周方向流路４０との接続箇所が、凸曲面６４とされているため、作動流体を吸い込む場合における圧損を低下させることができる。

また、特に本態様では、凸曲面６４の曲率半径Ｒと周方向流路４０の径方向の寸法Ｗとの間にＷ≦Ｒ≦３Ｗの関係が成立しており、即ち、凸曲面６４の曲率の値が抑えられている。これによって、外部連通路５０から周方向流路４０へと作動流体を滑らかに導入することができる。
即ち、接続箇所が作動流体の妨げになることをより一層抑制することができ、吸込時の圧損を効果的に抑えることができる。

ここで、凸曲面６４が存在する箇所は、外部連通路５０と周方向流路４０との合流箇所となる。吸込兼吐出流路３０を吸込用として用いる場合には、当該合流部での流路断面積を出来る限り大きくすることが好ましい。これにより、外部連通路５０を経た作動流体の動圧を低下させることができる結果、外部連通路５０の周方向両側に作動流体を導き易くなり、周方向での吸込量の偏りを抑制できる。

本実施形態では、凸曲面６４が接する合流部で最も流路断面積が小さいスロート面積Ｂと流方向流路の流路断面積Ａとの間に上記関係が成立している。これにより、合流箇所での流路断面積が大きく確保されている。そのため、外部から導入される作動流体の動圧を当該合流箇所で効果的に低下させることができる。

ここで、仮に周方向流路４０の内周側壁面３１がストレート流路２７に接続されている場合、外部から吸い込んだ作動流体がストレート流路２７に導入されることで、混合損失は大きなものとなる。即ち、ストレート流路２７内を流通する作動流体と周方向流路４０を流通する作動流体とは速度成分が大きく異なるため、これら作動流体が互いに衝突することによる混合損失が大きくなる。
本実施形態では、周方向流路４０の内周側壁面３１が、周方向流路４０を流通する作動流体との速度成分が比較的小さい作動流体が流通するストレート流路２７に接続されているため、混合損失を小さく抑えることができる。

また、本実施形態では、外部連通路５０は周方向流路４０の両端の間から回転方向Ｐ前方側かつ前記周方向流路４０の接線に沿って延びている。そのため、特に中間流路２３から吐出されて周方向流路４０を回転方向Ｐに従って流通する作動流体を外部に排出し易い。即ち、本実施形態では、吐出及び吸込みのうち、特に作動流体を吐出する際の圧損を低下させることができる。したがって、作動流体の吸込みよりも吐出する頻度の高い運転プロセスに対して好適である。

次に、本発明第二実施形態について図５を参照して説明する。第二実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
第二実施形態の遠心圧縮機２００の吸込兼吐出流路３０では、軸線Ｏ方向一方側から見て左下に設けられていた外部連通路５０及び接続流路６０が、軸線Ｏ方向一方側から見て右下に設けられている。即ち、第二実施形態の吸込兼吐出流路３０は、第一実施形態の吸込兼吐出流路３０に対して、軸線Ｏに直交する断面視にて、軸線Ｏを通る鉛直線を対称線として線対称の構造をなしている。換言すれば、第一実施形態の吸込兼吐出流路３０と第二実施形態の吸込兼吐出流路３０は、互いに左右対称の構造とされている。

周方向流路４０が存在する周方向の角度θ１は、例えば２７０°〜３５０°とされており、好ましくは、３００°〜３４０°とされている。本実施形態では、角度θ１は、３３０°に設定されている。接続流路６０が存在する角度θ２は、３６０°から上記角度θ１を引いた値である。

これによって、第二実施形態の外部連通路５０は、周方向流路４０の両端の間から回転方向Ｐ後方側かつ周方向流路４０の接線方向に延びている。そのため、特に外部連通管３ａを介して外部から吸い込まれて周方向流路４０を回転方向Ｐに従って流通する作動流体を内部に取り込み易くなる。そのため、吐出及び吸込みのうち、特に作動流体を吸い込む際の圧損を低下させることができる。したがって、作動流体の吐出よりも吸込みを行う頻度の高い運転プロセスに対して好適である。

次に、本発明第三実施形態について図６を参照して説明する。第三実施形態では第一実施形態、第二実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
第三実施形態の遠心圧縮機１００の吸込兼吐出流路３０では外部連通路５０が軸線Ｏの下方に設けられている。即ち、軸線Ｏに直交する断面における外部連通路５０の中心軸線Ｏは、鉛直方向に一致し、かつ、軸線Ｏを通過する。また、外部連通路５０の一対の内壁面５２，５２の双方に凸曲面６４が連続するように接続されている。

そのため、第三実施形態では、外部連通路５０を介して吸い込まれる作動流体は、周方向両側の凸曲面６４にしたがって周方向両側に低圧損で導かれる。これによって、作動流体の吸込みを周方向にわたってより均一的に行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば実施形態では、周方向流路４０と外部連通路５０との間に接続流路６０を設けたが、このような接続流路６０を介することなく、周方向流路４０と外部連通路５０とが直接的に接続されていてもよい。この場合であっても、両者の接続箇所には凸曲面６４が設けられていることが好ましい。

実施形態では、吸込兼吐出流路３０の周方向流路４０を二段目のインペラ４と三段目のインペラ４との間の中間流路２３に接続したが、他の中管流路に接続してもよく、各中間流路２３に接続されていてもよい。

また、周方向流路４０は、少なくとも第一内周側壁面４１がストレート流路２７に接続されていればよい。実施形態では外周側壁面４２がリターンベンド部２６に接続されていたが、当該外周側壁面４２もストレート流路２７に接続されていてもよい。

１ 回転軸
２ 流路
３ ケーシング
３ａ 外部連通管
４ インペラ
５ ジャーナル軸受
６ スラスト軸受
７ 吸気口
８ 排気口
２１ 吸込流路
２２ 圧縮流路
２３ 中間流路
２４ ディフューザ流路
２５ リターン流路
２６ リターンベンド部
２６ａ 内側曲面
２６ｂ 外側曲面
２７ ストレート流路
２７ａ 第一壁面
２７ｂ 第二壁面
２８ リターンベーン
３０ 吸込兼吐出流路
３１ 内周側壁面
３２ 円形開口部
４０ 周方向流路
４１ 第一内周側壁面
４２ 外周側壁面
４３ 軸方向円弧壁面
４４ 円弧状開口部
５０ 外部連通路
５１ 第一内壁面（内壁面）
５２ 第二内壁面（内壁面）
５３ 壁面
６０ 接続流路
６１ 第二内周側壁面
６２ 第一接続面
６３ 第二接続面
６４ 凸曲面
６５ 軸方向壁面
６６ スリット
１００ 遠心圧縮機
２００ 遠心圧縮機
３００ 遠心圧縮機
Ｏ 軸線
Ｐ 回転方向
Ｇ 作動流体
Ａ 流路断面積

Claims (7)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸に前記軸線方向に複数段が配列されて、前記軸線方向一方側の入り口から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、
   前記回転軸及び前記インペラを囲い、互いに隣り合う前記インペラのうち前段側の前記インペラから排出される流体を後段側の前記インペラに導入する中間流路と、該中間流路と外部とを接続する吸込兼吐出流路とを有するケーシングと、
   を備え、
   前記吸込兼吐出流路は、
   前記軸線の周方向に前記軸線を中心とした円弧状に延びて、前記周方向にわたって前記中間流路に連通する周方向流路と、
   該周方向流路の周方向の両端に接続されて外部と連通する外部連通路と、
   を備え、
   前記周方向流路は、流路断面積が周方向にわたって一様とされ、
   前記周方向流路の外周側壁面と前記外部連通路の内壁面との間に、前記軸線方向から見て前記外部連通路の内壁面に連続する凸曲面状をなす凸曲面を有し、
   前記軸線方向から見た前記凸曲面の曲率半径をＲとし、前記周方向流路の前記径方向の寸法をＷとした場合に、Ｗ≦Ｒ≦３Ｗの関係が成立する遠心圧縮機。
2. 前記周方向流路の流路断面積をＡとし、
   前記吸込兼吐出流路における前記凸曲面が接する流路の最小の流路断面積であるスロート面積をＢとした場合に、２Ａ≦Ｂ≦５Ａの関係が成立する請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記中間流路は、
   前段側の前記インペラから径方向外側に延びるディフューザ流路と、
   該ディフューザ流路の下流側に接続されて径方向内側に向かって湾曲するストレート流路と、
   該ストレート流路の下流側に接続されて径方向内側に向かって延びるストレート流路と、を有し、
   前記周方向流路の内周側壁面が、前記周方向にわたって前記ストレート流路に接続されている請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記外部連通路は、前記周方向流路の両端の間から前記回転軸の回転方向前方側かつ前記周方向流路の接線に沿って延びており、
   前記凸曲面は、前記周方向流路の前記外周側壁面と、前記外部連通路における前記回転方向前方側の内壁面との間に形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記外部連通路は、前記周方向流路の両端の間から前記回転方向後方側かつ前記周方向流路の接線に沿って延びており、
   前記凸曲面は、前記周方向流路の前記外周側壁面と、前記外部連通路における前記回転方向後方側の内壁面との間に形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
6. 前記外部連通路は、前記周方向流路の両端の間から径方向外側に向かって延びており、
   前記凸曲面は、前記周方向流路の前記外周側壁面と前記外部連通路における前記回転方向前方側の内壁面との間、及び、前記周方向流路の前記外周側壁面と前記外部連通路における前記回転方向後方側の内壁面との間に形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
7. 請求項１から６のいずれか一項の遠心圧縮機を備えるターボ冷凍機。

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