JP2019143522A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機において、装置の小型化を図る一方で性能の低下を抑制する。【解決手段】ケーシング１１と、回転軸１２と、第１段インレットガイドベーン１３と、第１段インペラ１４と、ディフューザ１５と、戻り流路１６と、複数のリターンベーン２６と、第２段インレットガイドベーン１７と、第２段インペラ１８とを備え、リターンベーン２６を流体が導入される前縁２６ａから流体を排出する後縁２６ｂに向けた子午面距離にて、前縁２６ａから所定位置までの領域で羽根角度を変化させ、所定位置から後縁２６ｂまでの領域で羽根角度を一定とする。【選択図】図３

Description

本発明は、流体を昇圧して圧縮流体とする遠心圧縮機に関するものである。

ターボ冷凍機は、電気電子関連工場のようなクリーンルームを有する大型の工場空調、地域冷暖房などの用途に幅広く仕様されている大容量の熱源機器である。ターボ冷凍機は、羽根車を用いて冷媒ガスを圧縮する圧縮機、蒸発器、凝縮器、エコノマイザから構成されている。そして、圧縮機は、第１段インレットガイドベーン、第１段インペラ、ディフューザ、戻り流路、第２段インレットガイドベーン、第２段インペラ、ディフューザ、吐出スクロールから構成されている。

このような遠心圧縮機としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２００９−２６４３０５号公報

遠心圧縮機は、外径の大きさがディフューザの出口部における外径により設定されるものであり、戻り流路の圧力損失を小さくするためにディフューザの出口部における外径を可能な限り大きく設定している。一方で、材料コストの削減や搭載性の向上を図るため、遠心圧縮機の小型化が望まれている。遠心圧縮機を小型化する方法として、ディフューザの出口部における外径を小さくすることが考えられる。ところが、ディフューザの出口部における外径を小さくすると流路長が短くなり、ディフューザでの圧力回復が不十分となる。圧力回復が不十分な流体が戻り流路へ流入すると、その流体の流速が大きくなり、戻り流路に配置されているリターンベーンの圧力損失が大きくなってしまう。この対策として、リターンベーンにおける入口部の羽根高さ（流路幅）を大きくして流体の流入速度を小さくすることが考えられる。しかし、リターンベーンへ流入する流体の速度が小さくなると、圧縮機全体の効率が低下してしまい、圧縮機全体の性能改善効果は小さい。

本発明は上述した課題を解決するものであり、装置の小型化を図る一方で性能の低下を抑制する遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の遠心圧縮機は、回転軸と、前記回転軸を回転自在に支持すると共に前記回転軸における軸方向の一方に吸入口が設けられて他方に排出口が設けられる中空形状をなすケーシングと、前記吸入口に配置される第１段インレットガイドベーンと、前記ケーシング内で前記第１段インレットガイドベーンより下流側に配置される第１段インペラと、前記ケーシング内で前記第１段インペラより下流側に配置されるディフューザと、前記ディフューザを通過して前記回転軸の径方向内側から径方向外側に向かって流通する流体を径方向内側に反転させる戻り流路と、前記戻り流路に配置されるリターンベーンと、前記ケーシング内で前記リターンベーンより下流側に配置される第２段インレットガイドベーンと、前記ケーシング内で前記第２段インレットガイドベーンより下流側に配置される第２段インペラと、を備え、前記リターンベーンは、前記回転軸の周方向に所定間隔を空けて配置され、流体が導入される前縁から流体を排出する後縁に向けた子午面距離にて、前記前縁から所定位置までの領域で羽根角度が変化し、前記所定位置から前記後縁までの領域で前記羽根角度が一定である、ことを特徴とするものである。

従って、リターンベーンの前縁から所定位置までの領域で羽根角度を変化させ、所定位置から後縁までの領域で羽根角度を一定とする。そのため、第１段インレットガイドベーンの開度が１００％の近傍で、第１段インペラの大流量側の効率を向上することができると共に、逆旋回側で、第１段インペラの大流量側の効率を改善することができる。また、第１段インレットガイドベーンの逆旋回側で、第２段インペラの大流量側の効率を改善することができる。その結果、ディフューザの出口部における外径を小さくすることで装置の小型化を図ることができる一方で、効率の改善により圧縮機全体の性能の低下を抑制することができる。

本発明の遠心圧縮機では、前記所定位置は、前記前縁から５０％から７０％の領域に設定されることを特徴としている。

従って、羽根角度が一定となる領域を適正領域に設定することから、第１段インペラの大流量側の効率を改善することができる。

本発明の遠心圧縮機では、前記所定位置から前記後縁までの領域での前記羽根角度は、前記回転軸の径方向に沿った角度に設定されることを特徴としている。

従って、羽根角度が一定となる角度を回転軸の径方向に沿った角度に設定することから、第１段インペラの大流量側の効率を改善することができる。

本発明の遠心圧縮機では、前記リターンベーンの前記後縁における流体の流路面積は、前記リターンベーンの前記前縁における流体の流路面積より大きく設定されることを特徴としている。

従って、リターンベーンを流通する流体の圧力損失を低減することができる。

本発明の遠心圧縮機では、前記第２段インレットガイドベーンにおける前記回転軸の径方向の長さは、前記リターンベーンにおける前記回転軸の径方向の長さより短く設定されることを特徴としている。

従って、第２段インレットガイドベーンの径方向の長さをリターンベーンの径方向の長さより短く設定することから、第２段インペラの大流量側の効率を改善することができる。

本発明の遠心圧縮機では、前記リターンベーンの前記後縁と前記第２段インレットガイドベーンの前縁は、前記回転軸の周方向にずれて配置されることを特徴としている。

従って、リターンベーンの後縁と第２段インレットガイドベーンの前縁が周方向にずれていることから、リターンベーンの圧力面側の後縁の流れが第２段新レットベーンの前縁に衝突することが抑制され、損失を低減することができる。

本発明の遠心圧縮機によれば、装置の小型化を図ることができる一方で、性能の低下を抑制することができる。

図１は、第１実施形態の遠心圧縮機の概略断面図である。 図２は、遠心圧縮機における内部通路を表す概略図である。 図３は、リターンベーンを表す概略図である。 図４は、無次元子午面距離に対するリターンベーンの羽根角度を表すグラフである。 図５は、第１段ＩＧＶでの効率を表すグラフ図である。 図６は、圧縮機全体（第２段ＩＧＶ）での効率を表すグラフ図である。 図７は、第２実施形態の遠心圧縮機におけるリターンベーンを表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る遠心圧縮機の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の遠心圧縮機の概略断面図である。

第１実施形態において、遠心圧縮機１０は、ケーシング１１と、回転軸１２と、モータ（図示略）と、第１段インレットガイドベーン１３と、第１段インペラ１４と、ディフューザ１５と、戻り流路１６と、第２段インレットガイドベーン１７と、第２段インペラ１８と、ディフューザ１９と、吐出スクロール２０を有している。

回転軸１２は、中心軸心が中心線Ｏに沿って配置されるようにケーシング１１に回転自在に支持されている。モータは、出力軸が回転軸に駆動連結され、駆動軸を駆動回転することができる。第１段インペラ１４と第２段インペラ１８は、回転軸１２の外周部に軸方向に所定間隔を空けて固定されている。

ケーシング１１は、中心線Ｏにおける一方側に冷媒ガスを外部から流入させる吸込口２１が設けられ、吸込口２１に第１段インレットガイドベーン１３が配置されている。第１段インレットガイドベーン１３は、可動ベーンである。また、ケーシング１１は、中心線Ｏにおける他方側に冷媒ガスを排出する吐出スクロール（排出口）２０が設けられている。そして、ケーシング１１は、この吸込口２１と吐出スクロール２０とを連通させる内部通路２２が形成されている。

第１段インペラ１４と第２段インペラ１８は、この内部通路２２に配置されている。第１段インペラ１４は、第１圧縮段を形成し、第２段インペラ１８は、第２圧縮段を形成する。第１段インペラ１４と第２段インペラ１８は、それぞれ回転軸１２の外周部から径方向の外側に向かって延びる複数のブレード１４ａ，１８ａが設けられている。

この複数のブレード１４ａ，１８ａは、中心線Ｏに対する周方向に所定間隔（好ましくは、均等間隔）を空けて配列されている。周方向で互いに隣り合うブレード１４ａ，１８ａ同士の間に冷媒ガスが流通するための流路が形成されている。この流路は、中心線Ｏの一方側（冷媒ガスの流れ方向の上流側）から他方側に向かうに従って、径方向内側から外側（冷媒ガスの流れ方向の下流側）に向かって次第に湾曲している。

内部通路２２は、戻り流路１６と吸込流路２３が設けられている。戻り流路１６は、第１段インペラ１４の流路の下流側に接続され、吸込流路２３は、戻り流路１６の下流側と第２段インペラ１８の流路の上流側を接続する。

戻り流路１６は、第１段インペラ１４の径方向外側の流路出口から、第２段インペラ１８の径方向内側の流路入口に向かって冷媒ガスを流通させる。戻り流路１６は、ディフューザ１５と、リターンベンド部２４と、ストレート流路２５と、リターンベーン２６と、中間吸込口２７とを有している。ディフューザ１５は、第１段インペラ１４によって圧縮された冷媒ガスを径方向外側に案内する。

ディフューザ１５は、径方向内側から径方向外側に向かうに伴って径方向から見た流路面積が次第に拡大している。中心線Ｏを含む断面上では、ディフューザ１５における中心線Ｏ方向の両側の壁面は、径方向内側から外側に向かって互いに平行に延びている。ディフューザ１５は、径方向における外側の端部がリターンベンド部２４を介して径方向の内側に向かって反転された後、ストレート流路２５に連通されている。

リターンベンド部２４は、中心線Ｏを含む断面上で、その中央部が径方向外側に向かって湾曲している。即ち、リターンベンド部２４は、ディフューザ１５の出口と、ストレート流路２５の入口を結ぶ円弧状をなしている。ストレート流路２５は、リターンベンド部２４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２５は、複数のリターンベーン２６が中心線Ｏを中心として放射状に配列されている。このストレート流路２５により、流体が径方向内側に向かって導かれる。中間吸込口２７は、複数のリターンベーン２６の位置に設けられ、チャンパ２８が接続されている。

複数のリターンベーン２６が配置されたストレート流路２５の下流側に第２段インレットガイドベーン１７が配置されている。第２段インレットガイドベーン１７は、可動ベーンである。この第２段インレットガイドベーン１７は、下流側に吸込流路２３を介して第２段インペラ１８の流路の上流側に接続され、第２段インペラ１８の流路の下流側にディフューザ１９が配置されている。

このように構成された遠心圧縮機１０は、製造コストや搭載性を考慮して小型化が望まれている。本実施形態では、ディフューザ１５の出口部における外径を小さくすることで小型化を可能とし、リターンベーン２６の形状を変更することで性能の低下を抑制する。なお、以下の説明では、従来の大型の遠心圧縮機を符号０１で表し、小型化した従来の遠心圧縮機を符号０２で表す。

図２は、遠心圧縮機における内部通路を表す概略図、図３は、リターンベーンを表す概略図である。

本実施形態の遠心圧縮機１０は、図１及び図２に示すように、ケーシング１１と、回転軸１２と、第１段インレットガイドベーン１３と、第１段インペラ１４と、ディフューザ１５と、戻り流路１６と、リターンベーン２６と、第２段インレットガイドベーン１７と、第２段インペラ１８とを備えている。図２では、従来の遠心圧縮機におけるディフューザの出口部における外径、つまり、戻り流路０１６の位置に対して、本実施形態の遠心圧縮機１０におけるディフューザ１５の出口部における外径が小径であり、戻り流路１６の位置が中心線Ｏ側となり、全体として小型化されている。

そして、本実施形態の遠心圧縮機１０にて、リターンベーン２６は、回転軸１２の周方向に所定間隔を空けて複数配置され、流体が導入される前縁から流体を排出する後縁に向けた子午面距離にて、前縁から所定位置までの領域で羽根角度が変化し、所定位置から後縁までの領域で羽根角度が一定となっている。

即ち、図３に示すように、回転軸１２（図１参照）の径方向Ｄ及び周方向Ｃに対して、リターンベーン２６は、中心線２６Ａが前縁２６ａから後縁２６ｂに向けて湾曲した形状であり、後縁２６ｂの手前から後縁２６ｂに向けて径方向Ｄに沿って平行な形状である。そして、リターンベーン２６は、腹部２６ｃが凹状の湾曲断面形状をなし、背部２６ｄが凸状の湾曲断面形状をなしている。

図４は、無次元子午面距離に対するリターンベーンの羽根角度を表すグラフである。

図４にて、横軸は、リターンベーン２６の前縁２６ａからの無次元子午面距離であり、縦軸は、回転軸１２（図２参照）の径方向Ｄに対する羽根角度である。従来の遠心圧縮機０１，０２のリターンベーンは、この子午面距離にて、前縁から後縁までの領域で羽根角度が６０度から０度まで減少するように連続的に変化している。一方、本実施形態の遠心圧縮機１０のリターンベーン２６は、この子午面距離にて、前縁２６ａから所定位置となる６０％近傍までの領域で羽根角度が６０度から減少するように連続的に変化し、所定位置となる６０％近傍から後縁２６ｂまでの領域で羽根角度が一定である０度となっている。この所定の位置は、子午面距離にて、前縁２６ａから５０％〜７０％の領域に設定されることが好ましい。

また、図２に示すように、本実施形態にて、戻り流路１６は、リターンベーン２６の後縁２６ｂにおける流体の流路面積がリターンベーン２６の前縁２６ａにおける流体の流路面積より大きく設定されている。ここで、経験的に、後縁２６ｂにおける流体の流路面積と前縁２６ａにおける流体の流路面積との比率は２〜３倍であり、前縁流路高さに対するリターンベーン２６のコード長の比率が３〜１０倍に設定されている。

更に、第２段インレットガイドベーン１７における回転軸１２の径方向の長さは、リターンベーン２６における回転軸１２の径方向の長さより短く設定されている。ここで、経験的に、第２段インレットガイドベーン１７の径方向長さはリターンベーン２６の径方向長さの１/２未満であり、リターンベーン２６の直線区間の距離は回転軸からリターンベーン２６の後縁までの距離の２５％〜３５％としている。

図５は、第１段ＩＧＶでの効率を表すグラフ図、図６は、圧縮機全体（第２段ＩＧＶ）での効率を表すグラフ図である。

図５に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１０は、第１段インレットガイドベーン（ＩＧＶ）１３の開度が１００％の近傍で、第１段インペラ１４の大流量側の効率が従来の遠心圧縮機０１，０２に対して向上している。一方、第１段インレットガイドベーン（ＩＧＶ）１３の逆旋回側で、第１段インペラ１４の大流量側の効率が従来の遠心圧縮機０２に対して改善されている。

また、図６に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１０は、第１段インレットガイドベーン（ＩＧＶ）１３の開度が１００％の近傍で、第２段インペラ１８の大流量側の効率が従来の遠心圧縮機０２に対して改善されている。一方、第１段インレットガイドベーン（ＩＧＶ）１３の逆旋回側で、第２段インペラ１４の大流量側の効率が従来の遠心圧縮機０２に対して改善されている。

遠心圧縮機１０は、第１段インレットガイドベーン（ＩＧＶ）１３を正旋回側に調整して流量を減少させたり、逆旋回側に調整して流量を増加させたりすることができる。遠心圧縮機１０は、流体の吸い込み量が増加すると、効率が向上するものであり、流体の最大吸い込み量により性能が決まる。そのため、本実施形態の遠心圧縮機１０では、第１段インレットガイドベーン（ＩＧＶ）１３の逆旋回側で、各インペラ１４，１８の大流量側の効率が向上するため、遠心圧縮機１０の性能が向上することとなる。

このように第１実施形態の遠心圧縮機にあっては、ケーシング１１と、回転軸１２と、第１段インレットガイドベーン１３と、第１段インペラ１４と、ディフューザ１５と、戻り流路１６と、複数のリターンベーン２６と、第２段インレットガイドベーン１７と、第２段インペラ１８とを備え、リターンベーン２６を流体が導入される前縁２６ａから流体を排出する後縁２６ｂに向けた子午面距離にて、前縁２６ａから所定位置までの領域で羽根角度を変化させ、所定位置から後縁２６ｂまでの領域で羽根角度を一定としている。

従って、ディフューザ１５の出口部における外径を小さくすることで、遠心圧縮機１０の外径が小さくなり、装置の小型化を図ることができる。また、ディフューザ１５の出口部における外径が小さくなっても、効率の改善により圧縮機全体の性能の低下を抑制することができる。

第１実施形態の遠心圧縮機では、所定位置を前縁２６ａから５０％〜７０％の領域に設定している。従って、羽根角度が一定となる領域を適正領域に設定することから、第１段インペラ１４の大流量側の効率を改善することができる。

第１実施形態の遠心圧縮機では、所定位置から後縁２６ｂまでの領域での羽根角度を回転軸１２の径方向に沿った角度に設定している。従って、第１段インペラ１４の大流量側の効率を改善することができる。

第１実施形態の遠心圧縮機では、リターンベーン２６の後縁２６ｂにおける流体の流路面積を前縁２６ａにおける流体の流路面積より大きく設定している。従って、リターンベーン２６を流通する流体の圧力損失を低減することができる。

第１実施形態の遠心圧縮機では、第２段インレットガイドベーン１７における回転軸１２の径方向の長さをリターンベーン２６における回転軸１２の径方向の長さより短く設定している。従って、第２段インペラ１８の大流量側の効率を改善することができる。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態の遠心圧縮機におけるリターンベーンを表す概略図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態にて、図７に示すように、リターンベーン２６は、回転軸１２の周方向に所定間隔を空けて複数（図示は、２個）配置され、流体が導入される前縁から流体を排出する後縁に向けた子午面距離にて、前縁から所定位置までの領域で羽根角度が変化し、所定位置から後縁までの領域で羽根角度が一定となっている。即ち、リターンベーン２６は、中心線２６Ａが前縁２６ａから後縁２６ｂに向けて湾曲した形状であり、後縁２６ｂの手前から後縁２６ｂに向けて径方向Ｄに沿って平行な形状である。そして、リターンベーン２６は、腹部２６ｃが凹状の湾曲断面形状をなし、背腹部２６ｄが凸状の湾曲断面形状をなしている。

このリターンベーン２６は、子午面距離にて、前縁２６ａから所定位置（５０％〜７０％）までの領域で羽根角度が６０度から減少するように連続的に変化し、所定位置（５０％〜７０％）から後縁２６ｂまでの領域で羽根角度が一定である０度となっている。また、第２段インレットガイドベーン１７は、中心線１７Ａがリターンベーン２６の中心線２６Ａに対して、周方向におけるリターンベーン２６の背部２６ｄ側（負圧面側）にずれて配置されている。即ち、リターンベーン２６の後縁２６ｂと第２段インレットガイドベーン１７の前縁１７ａが周方向にずれている。このずれ量は、複数のリターンベーン２６間の周方向における間隔（中心線２６Ａの間隔）の１０％〜２０％の位置とすることが好ましい。なお、第２段インレットガイドベーン１７は、図示の位置から時計回り方向（矢印方向）に稼働することができる。

このように第２実施形態の遠心圧縮機にあっては、リターンベーン２６の後縁２６ｂと第２段インレットガイドベーン１７の前縁１７ａが周方向にずれて配置される。

従って、第２段インレットガイドベーン１７の開度１００％で、リターンベーン２６の背部２６ｃである圧力面側に沿って流れる流体が後縁２６ｂから第２段インレットガイドベーン１７側に流れるとき、この流れが第２段インレットガイドベーン１７の前縁１７ａに衝突することが抑制され、損失を低減することができる。

１０ 遠心圧縮機
１１ ケーシング
１２ 回転軸
１３ 第１段インレットガイドベーン
１４ 第１段インペラ
１５ ディフューザ
１６ 戻り流路
１７ 第２段インレットガイドベーン
１７ａ 前縁
１８ 第２段インペラ
１９ ディフューザ
２０ 吐出スクロール
２１ 吸込口
２２ 内部通路
２３ 吸込流路
２４ リターンベンド部
２５ ストレート流路
２６ リターンベーン
２６ａ 前縁
２６ｂ 後縁
２７ 中間吸込口
２８ チャンパ
Ｏ，１７Ａ，２６Ａ 中心線

Claims (6)

1. 回転軸と、
   前記回転軸を回転自在に支持すると共に前記回転軸における軸方向の一方に吸入口が設けられて他方に排出口が設けられる中空形状をなすケーシングと、
   前記吸入口に配置される第１段インレットガイドベーンと、
   前記ケーシング内で前記第１段インレットガイドベーンより下流側に配置される第１段インペラと、
   前記ケーシング内で前記第１段インペラより下流側に配置されるディフューザと、
   前記ディフューザを通過して前記回転軸の径方向内側から径方向外側に向かって流通する流体を径方向内側に反転させる戻り流路と、
   前記戻り流路に配置されるリターンベーンと、
   前記ケーシング内で前記リターンベーンより下流側に配置される第２段インレットガイドベーンと、
   前記ケーシング内で前記第２段インレットガイドベーンより下流側に配置される第２段インペラと、
   を備え、
   前記リターンベーンは、前記回転軸の周方向に所定間隔を空けて配置され、流体が導入される前縁から流体を排出する後縁に向けた子午面距離にて、前記前縁から所定位置までの領域で羽根角度が変化し、前記所定位置から前記後縁までの領域で前記羽根角度が一定である、
   ことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記所定位置は、前記前縁から５０％から７０％の領域に設定されることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記所定位置から前記後縁までの領域での前記羽根角度は、前記回転軸の径方向に沿った角度に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記リターンベーンの前記後縁における流体の流路面積は、前記リターンベーンの前記前縁における流体の流路面積より大きく設定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記第２段インレットガイドベーンにおける前記回転軸の径方向の長さは、前記リターンベーンにおける前記回転軸の径方向の長さより短く設定されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
6. 前記リターンベーンの前記後縁と前記第２段インレットガイドベーンの前縁は、前記回転軸の周方向にずれて配置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。

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