JP2022129710A - 多段遠心圧縮機 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明における多段遠心圧縮機の具体的な一例は、回転軸と、前記回転軸に取り付けられた複数の遠心羽根車を備え、前記複数の遠心羽根車の一つと、前記一つの遠心羽根車から流出した流体が前記回転軸から離れる遠心方向に流れるディフューザと、前記ディフューザの下流に設けられ、前記ディフューザから前記複数の遠心羽根車の後段の遠心羽根車に流入する前記流体が前記回転軸に向かう戻り方向に流れるリターン流路と、前記ディフューザを流れた前記流体の流れが前記遠心方向から前記回転軸の軸方向に転向し、更に、前記軸方向から前記戻り方向に転向する転向部を備えた遠心圧縮機段が、前記回転軸方向に複数連ねられた多段遠心圧縮機であって、前記リターン流路は、前記回転軸の中心線を中心とする円形翼列状に配設された複数のリターンベーンを備え、前記リターンベーンは、前記リターン流路における前記流体の流れの上流側から下流側に向かって、前置翼と後置翼として複数設置され、前記後置翼の負圧面に前記前置翼の圧力面側の流れを導くように、前記後置翼は前記前置翼の圧力面側に周方向にオフセットして設けられ、前記前置翼の最大キャンバー位置、前記前置翼の後縁と前記後置翼の前縁が前記回転軸の中心線を中心として円周方向になす周方向角度γ、前記後置翼の前縁と後縁が前記回転軸の中心線を中心として円周方向になす周方向角度θの少なくとも何れか一つを多段遠心圧縮機の遠心圧縮機段位置に応じて変更したものである。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
圧縮性を有する各種の気体を昇圧する多段遠心圧縮機では、上流側の遠心圧縮機段から下流側の遠心圧縮機段に向かい、気体の圧力が徐々に上昇していく。そのため、上流側の遠心圧縮機段から下流側の遠心圧縮機段に向かい、気体の圧縮性の影響により気体の密度は徐々に増大していき、逆に気体の体積流量は徐々に減少する。多段遠心圧縮機では、このように各段を通過する気体の体積流量が異なるため、段毎に内部流路中の気体の流動状態も異なる。本発明者等の検討によれば、多段遠心圧縮機の更なる小型化において、リターンベーンでの流れの剥離を回避するためには、ある一つの遠心圧縮機段のみのリターンベーンの形状を考慮するだけではなく、段毎の気体の流動状態の差までも考慮した形状の検討が必要となる。
そこで、本発明者等は種々検討した結果、リターンベーンとして二重に翼列(前置翼列と後置翼列)を備えた多段遠心圧縮機において、各段での体積流量の相違を考慮して、多段遠心圧縮機の遠心圧縮機段位置に応じて(言い換えれば段毎に)(a)前置翼の最大キャンバー位置、(b)前置翼の翼弦長に対する最大キャンバーの比、(c)前置翼の後縁と後置翼の前縁が回転軸中心線を中心として円周方向になす角(周方向角度γ)、(d)後置翼の前縁と後縁が回転軸中心線を中心として円周方向になす角(周方向角度θ)の何れかを変更(最適化)すれば良いことを見出した。
図1に示すように、多段遠心圧縮機100は、回転エネルギーを流体に付与する遠心羽根車1と、この遠心羽根車1が取り付けられる回転軸4と、遠心羽根車1の半径方向外側にあって遠心羽根車1から流出された流体の動圧を静圧へと変換するディフューザ5とから概略構成されている。また、ディフューザ5の下流には、後段の遠心羽根車1へ流体を導くためのリターン流路6が設けられている。
図4は、本発明の実施例の多段遠心圧縮機100における任意の段のリターンベーン8の周辺を回転軸4の軸方向の下流側から見た状態の半分を示す図であり、図5は、本発明の実施例の多段遠心圧縮機100におけるリターンベーン8の前置翼8Aと後置翼8Bの位置関係を示す模式図である。
多段遠心圧縮機100は、初段から最終段まで流体を徐々に昇圧する。従って、圧縮する流体の圧縮性により、初段から最終段にかけて流体の密度が徐々に増大する。このため、多段遠心圧縮機100の内部を流れる流体の体積流量は、初段が最も多く、それから最終段に向かうにつれて徐々に少なくなる。
理論ヘッドHth=U2×Cu2/g ・・・ 式(1)
ここで、U2は各段の羽根車の周速を、Cu2は各段の羽根車出口における流体の絶対速度の周方向成分を、gは重力加速度を、それぞれ表す。各段の理論ヘッドHthを同等に構成する場合には、各段ともU2およびCu2が同等になる。従って、前置翼8Aの入口付近における速度三角形中に示される、絶対速度の周方向成分Cuも、各段とも同等になるように構成されることになる。
即ち、後置翼8Bの前記負圧面8B1で生じる流れの剥離の抑制のためには、前置翼8Aの圧力面8A1の後半部と、後置翼8Bの負圧面8B1の前半部の翼間に構成される流路の幅をなるべく狭めるとともに、負圧面8B1上において最も翼面上の流速の減速が大きくなり剥離が生じやすい翼の前半付近に、前置翼8Aの圧力面8A1からの流れを向けることが最も有効である。一方この、前置翼8Aの圧力面8A1の後半部と、後置翼8Bの負圧面8B1の前半部の翼間に構成される流路の幅を狭め過ぎると、この部位を切削加工する際に小径の加工工具を用いて切削せざるを得なくなり、加工性が悪化する。特に、この部位の翼高さ(子午断面図におけるリターンベーン8の流路幅と同義)が高い場合には(初段で高くなる)、この部位を切削する際に、小径で工具長さの長く剛性の低い工具を用いなければならなくなる。工具の剛性が十分確保できない場合には、工具を加工対象物に押し当てる際に、剛性が足りずに工具が変形し、加工ができなくなる。従って、前置翼8Aの後半部と前記後置翼8Bの前半部付近における翼高さに応じて、前置翼8Aの圧力面8A1の後半部と、後置翼8Bの負圧面8B1の前半部の翼間に構成される流路の幅の加工可否が決定される。
例えば、(a)前置翼の最大キャンバー位置、(b)前置翼の翼弦長に対する最大キャンバーの比、(c)前置翼の後縁と後置翼の前縁が回転軸中心線を中心として円周方向になす角(周方向角度γ)、(d)後置翼の前縁と後縁が回転軸中心線を中心として円周方向になす角(周方向角度θ)については、(a)、(c)、(d)の少なくとも一つの前述した特徴を備えていれば良い。もちろん、(a)、(c)、(d)の何れか二つ、又は全ての特徴を備えるようにすることにより、より大きな効果が得られる。
Claims (15)
- 回転軸と、前記回転軸に取り付けられた複数の遠心羽根車を備え、
前記複数の遠心羽根車の一つと、前記一つの遠心羽根車から流出した流体が前記回転軸から離れる遠心方向に流れるディフューザと、前記ディフューザの下流に設けられ、前記ディフューザから前記複数の遠心羽根車の後段の遠心羽根車に流入する前記流体が前記回転軸に向かう戻り方向に流れるリターン流路と、前記ディフューザを流れた前記流体の流れが前記遠心方向から前記回転軸の軸方向に転向し、更に、前記軸方向から前記戻り方向に転向する転向部を備えた遠心圧縮機段が、前記回転軸の軸方向に複数連ねられた多段遠心圧縮機であって、
前記リターン流路は、前記回転軸の中心線を中心とする円形翼列状に配設された複数のリターンベーンを備え、
前記リターンベーンは、前記リターン流路における前記流体の流れの上流側から下流側に向かって、前置翼と後置翼として複数設置され、
前記後置翼の負圧面に前記前置翼の圧力面側の流れを導くように、前記後置翼は前記前置翼の圧力面側に周方向にオフセットして設けられ、
前記前置翼の最大キャンバー位置、前記前置翼の後縁と前記後置翼の前縁が前記回転軸の中心線を中心として円周方向になす周方向角度γ、前記後置翼の前縁と後縁が前記回転軸の中心線を中心として円周方向になす周方向角度θの少なくともの何れか一つを多段遠心圧縮機の遠心圧縮機段位置に応じて変更したことを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項1に記載の多段遠心圧縮機において、
前記リターンベーンのうちで最も上流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記前置翼の最大キャンバー位置が最も後縁側に位置するとともに、前記リターンベーンのうちで最も下流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記前置翼の最大キャンバー位置が最も前縁側に位置することを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項2に記載の多段遠心圧縮機において、
前記前置翼の最大キャンバー位置が下流側の遠心圧縮機段に行くにつれて徐々に前記前置翼の前縁方向に移動することを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項2に記載の多段遠心圧縮機において、
最も上流側の遠心圧縮機段と最も下流側の遠心圧縮機段の間において、前記前置翼の最大キャンバー位置が下流側の段とその直前の上流側の段とで同一位置にあることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項2乃至4の何れか一項に記載の多段遠心圧縮機において、
何れの遠心圧縮機段においても、前記前置翼の最大キャンバー位置が、前記前置翼の翼弦線の後半部にあることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項2乃至4の何れか一項に記載の多段遠心圧縮機において、
前記リターンベーンのうちで最も上流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記前置翼の翼弦長に対する最大キャンバーの比が最も小さく、前記リターンベーンのうちで最も下流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記前置翼の翼弦長に対する最大キャンバーの比が最も大きくなることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項2乃至4の何れか一項に記載の多段遠心圧縮機において、
何れの遠心圧縮機段においても、前記前置翼の最大キャンバー位置が、前記前置翼の翼弦線の後半部にあり、
前記リターンベーンのうちで最も上流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記前置翼の翼弦長に対する最大キャンバーの比が最も小さく、前記リターンベーンのうちで最も下流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記前置翼の翼弦長に対する最大キャンバーの比が最も大きくなることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項6に記載の多段遠心圧縮機において、
前記前置翼の翼弦長に対する最大キャンバーの比が下流側の遠心圧縮機段に行くにつれて徐々に大きくなることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項6に記載の多段遠心圧縮機において、
最も上流側の遠心圧縮機段と最も下流側の遠心圧縮機段の間において、前記前置翼の翼弦長に対する最大キャンバーの比が下流側の段とその直前の上流側の段とで同一であることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項1に記載の多段遠心圧縮機において、
前記前置翼の後縁と前記後置翼の前縁が前記回転軸の中心線を中心として円周方向になす周方向角度γが、前記リターンベーンのうちで最も上流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記リターンベーンで最も大きく、前記リターンベーンのうちで最も下流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記リターンベーンで最も小さいことを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項10に記載の多段遠心圧縮機において、
前記周方向角度γが下流側の遠心圧縮機段に行くにつれて徐々に小さくなることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項10に記載の多段遠心圧縮機において、
最も上流側の遠心圧縮機段と最も下流側の遠心圧縮機段の間において、前記周方向角度γが下流側の段とその直前の上流側の段とで同一であることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項1に記載の多段遠心圧縮機において、
前記後置翼の前縁と後縁が前記回転軸の中心線を中心として円周方向になす周方向角度θが、前記リターンベーンのうちで最も上流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記リターンベーンで最も大きく、前記リターンベーンのうちで最も下流側の遠心圧縮機段のリターン流路に設けられる前記リターンベーンで最も小さいことを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項13に記載の多段遠心圧縮機において、
前記周方向角度θが下流側の遠心圧縮機段に行くにつれて徐々に小さくなることを特徴とする多段遠心圧縮機。 - 請求項13に記載の多段遠心圧縮機において、
最も上流側の遠心圧縮機段と最も下流側の遠心圧縮機段の間において、前記周方向角度θが下流側の段とその直前の上流側の段とで同一であることを特徴とする多段遠心圧縮機。
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