JP2022186266A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失を抑えつつ、より一層動力を低減させることが可能な遠心圧縮機を提供する。【解決手段】遠心圧縮機は、軸線回りに回転するインペラと、インペラから圧送された流体が流通するリターン流路が形成されたケーシングと、リターン流路内に配置されたリターンベーンと、を備え、リターンベーンには、外部から供給された液体をリターン流路内に噴射する噴射口が形成されている。これにより、圧力損失を抑えつつ、より一層動力を低減させる。【選択図】図３

Description

本開示は、遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機の動力を削減するために、下記特許文献１に示されるように、中間冷却と呼ばれる方法が提唱されている。中間冷却は、多段の圧縮機において、圧縮段の中間流路で作動流体を冷却、圧縮工程を等温過程に近づけることで、同流量、圧力比に対して動力を低減する方法である。流入するガスの全温度が低下すれば必要な圧縮仕事も線形に減少するため、作動ガスの冷却によって動力を削減できる。

特許文献１に係る装置は、ケーシングの外側から、インペラ下流側の戻り流路に冷却液を噴射する構成を採っている。

特許第３８７３４８１号公報

しかしながら、上記のようにケーシング外部から流路に液体を噴射する場合、噴射された液滴の輸送に伴って作動流体に圧力損失が生じることの不経済性や、作動流体に対して液体を均一に噴射することの困難性が課題とされていた。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、圧力損失を抑えつつ、より一層動力を低減させることが可能な遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る遠心圧縮機は、軸線回りに回転するインペラと、該インペラから圧送された流体が流通するリターン流路が形成されたケーシングと、前記リターン流路内に配置されたリターンベーンと、を備え、前記リターンベーンには、外部から供給された液体を前記リターン流路内に噴射する噴射口が形成されている。

本開示によれば、圧力損失を抑えつつ、より一層動力を低減させることが可能な遠心圧縮機を提供することができる。

本開示の実施形態に係る遠心圧縮機の構成を示す断面図である。 本開示の実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大断面図である。 本開示の実施形態に係るリターンベーンの構成を示す斜視図である。 本開示の実施形態に係るリターンベーンの変形例を示す斜視図である。

（遠心圧縮機の構成）
以下、本開示の実施形態に係る遠心圧縮機１について、図１から図３を参照して説明する。図１に示すように、遠心圧縮機１は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸２と、この回転軸２を外側から覆うことで流体流路９を形成するケーシング１０と、回転軸２に設けられた複数のインペラ２０と、を備えている。

回転軸２は、軸線Ｏを中心とする柱状をなしている。回転軸２の軸線Ｏ方向一方側の軸端３には、ジャーナル軸受５、及びスラスト軸受６が取り付けられている。回転軸２の軸線Ｏ方向他方側の軸端４にはジャーナル軸受５のみが設けられている。ジャーナル軸受５は回転軸２の径方向の荷重を支持する。スラスト軸受６は回転軸２の軸線Ｏ方向の荷重を支持する。

ケーシング１０は、軸線Ｏを中心とする円筒状をなしている。上記の回転軸２はこのケーシング１０の内部を軸線Ｏに沿って貫通している。ケーシング１０の軸線Ｏ方向一方側には外部からインペラ２０に向かって流体を導くための案内流路１２が形成されている。さらに、ケーシング１０の軸線Ｏ方向他方側には、ケーシング１０の内部で圧縮された高圧の流体を外部に排出するための排気流路１７が形成されている。案内流路１２内には、案内羽根１２ａが設けられている。

ケーシング１０の内側には、これら案内流路１２と排気流路１７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２０を収容するとともに、上記の流体流路９の一部をなしている。なお、以降の説明では、この流体流路９上における案内流路１２が位置する側を上流側と呼び、排気流路１７が位置する側を下流側と呼ぶ。

流体流路９は、ディフューザ流路１４と、リターンベンド部１３と、リターン流路１５と、を有している。ディフューザ流路１４は、インペラ２０から径方向外側に向かって延びる部分である。リターンベンド部１３は、ディフューザ流路１４の径方向外側の端部から１８０°転向して径方向内側に向かう部分である。リターンベンド部１３の下流側にはリターン流路１５が接続されている。リターン流路１５は径方向に延びている。なお、このリターン流路１５にはリターンベーン１５ａが設けられている。リターンベーン１５ａは、周方向に間隔をあけて複数配列されている。

（リターンベーンの構成）
次に、図２と図３を参照してリターンベーン１５ａの構成について説明する。図２に示すように、リターンベーン１５ａの表面には、液体を噴射するための噴射口１５ｈが複数形成されている。この液体は、遠心圧縮機１の外部に設けられた供給源３０から圧送される。供給源３０から圧送された液体は、リターンベーン１５ａの内部に形成された流路（不図示）を通じて噴射口１５ｈから噴射される。

ここで、図３に示すように、リターンベーン１５ａは、リターン流路１５における上流側を向く端縁である前縁１５１と、下流側を向く端縁である後縁１５２と、リターン流路１５の内壁面に接続されている第一端面１５３、及び第二端面１５４と、を有している。本実施形態では、上記の噴射口１５ｈは、前縁１５１を含む領域Ｘに複数配列されている。なお、ここで言う前縁１５１を含む領域Ｘとは、翼型断面を有するリターンベーン１５ａの最大翼厚となる位置Ｄよりも上流側の領域を指す。つまり、この領域内であれば、厳密に前縁１５１上に噴射口１５ｈが配置されていなくてもよい。図３の例では、当該領域に３つずつの列が２列配列されることで、計６つの噴射口１５ｈが形成されている。

また、これら噴射口１５ｈは、リターンベーン１５ａの幅方向における中央部にのみ配列されている。具体的には、噴射口１５ｈは、第一端面１５３、及び第二端面１５４からリターンベーン１５ａの幅方向に離間した領域に形成されている。つまり、噴射口１５ｈは、リターン流路１５の内壁面からいずれも離間した位置に形成されている。

さらに、噴射口１５ｈの開口方向は、リターンベーン１５ａに流入する旋回成分を含む流体の流れ方向に直交する方向であることが望ましい。つまり、上述した２列の噴射口１５ｈでは、液体が互いに離間する方向に噴射されることが望ましい。なお、噴射口１５ｈの開口方向はこれに限定されず、作動流体の流れに逆行する方向でなければ、いかなる方向であってもよい。

（作用効果）
続いて、上述の遠心圧縮機１の動作について説明する。遠心圧縮機１を動作させるに当たってはまず電動機等の駆動源によって回転軸２を軸線Ｏ回りに回転させる。回転軸２の回転に伴って複数のインペラ２０も一体に回転する。インペラ２０が回転することによって案内流路１２から流体流路９に流体が取り込まれる。流体流路９を上流側から下流側に向かって流通する中途で流体はインペラ２０によって遠心力を与えられ、次第に高圧となる。所望の圧力となって流体は排気流路１７から外部に取り出される。

ここで、近年では、遠心圧縮機の動力を削減するために中間冷却と呼ばれる方法が提唱されている。中間冷却は、多段の圧縮機において、圧縮段の中間流路で作動流体を冷却して、圧縮工程を等温過程に近づけることで、同流量、圧力比に対して動力を低減する方法である。流入するガスの全温度が低下すれば必要な圧縮仕事も線形に減少するため、作動ガスの冷却によって動力を削減できる。

このような中間冷却を実現するため、本実施形態では上述のように、リターンベーン１５ａに、液体を噴射するための噴射口１５ｈが形成されている。外部の供給源３０から圧送された液体（例えば水）は、噴射口１５ｈから噴射される。噴射口１５ｈから噴き出した液体は、リターン流路１５を流通する作動流体の流れに乗って、リターンベーン１５ａの下流側に流れる。この中途で液体は気化する。つまり、作動流体の雰囲気中に溶け込む。この時、インペラ２０による圧縮を経て高温高圧となっていた作動流体は、液体の気化熱によって冷却され、温度が下がる。

これにより、下流側の他のインペラ２０による圧縮過程を等温圧縮に近づけることができる。その結果、遠心圧縮機１の駆動に要する動力を削減することができる。また、リターン流路１５では、ケーシング１０内の他の流路に比べて作動流体の流速が低いことから、液体（液滴）の輸送に要するエネルギーが相対的に低い。このため、当該リターン流路１５では、液体を噴射しても作動流体の圧力損失が生じにくい。これにより、より効率的に遠心圧縮機１を動作させることも可能となる。

さらに、上記構成によれば、噴射口１５ｈがリターンベーン１５ａの幅方向における中央部に形成されている。つまり、噴射口１５ｈは、リターン流路１５の内壁面から離間した位置に形成されている。これにより、当該壁面に液体が付着してしまう可能性を低減することができる。一方で、壁面に液体が付着すると、当該液体の気化が促進されず、作動流体に圧力損失が生じたり、当該壁面にエロージョンを生じたりする虞がある。また、気化しなかった液滴が下流側のインペラ等に衝突してエロージョンを生じる虞もある。上記構成によれば、このような事象が起きる可能性を低減し、より効率的かつ安定的に遠心圧縮機１を動作させることが可能となる。

また、上記構成によれば、噴射口１５ｈが前縁を含む領域に形成されていることから、液体が作動流体の流れに乗って当該噴射口１５ｈから後縁１５２に至るまでの間にさらに十分な距離を確保することができる。その結果、噴射口１５ｈから噴射された液体をより確実に気化させることが可能となる。したがって、作動流体中に液体が飛散してしまうことを防ぐことができ、作動流体の冷却を促進しつつ、エロージョンの発生を抑えることができる。

以上、本開示の実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、前縁１５１を含む領域にのみ噴射口１５ｈが形成されている例について説明した。しかしながら、噴射口１５ｈが形成される領域はこれに限定されず、気化に要する距離を確保できる限りにおいては、リターンベーン１５ａの他の領域に噴射口１５ｈを形成することが可能である。広義には、噴射口１５ｈは、後縁１５２よりも上流側の領域に形成されていることが望ましい。

また、図４に変形例として示すように、前縁１５１を含む領域に噴射口１５ｈを形成するとともに、前縁１５１から後縁１５２にかけての翼面１５５上に他の噴射口１５ｈ´を形成することも可能である。また、この場合でも、噴射口１５ｈ´はリターンベーン１５ａの幅方向の中央部に形成されることが望ましい。また、後縁１５２に近づくほど液体の気化に供される翼面１５５の距離が短くなることに鑑みて、前縁１５１側の噴射口１５ｈの方が、後縁１５２側の噴射口１５ｈ´よりも液体の噴射量を多くすることが望ましい。

上記構成によれば、前縁から後縁にかけて複数の噴射口１５ｈ，及び噴射口１５ｈ´が形成されていることから、より多くの液体をリターン流路１５内に供給することができる。また、前縁１５１側の噴射口１５ｈになるほど液体の噴射量が多い。言い換えれば、後縁１５２側の噴射口１５ｈ´からは最小限の液体しか噴射しないことから、全ての液体を十分に気化させた状態でリターン流路１５内に供給することができる。

＜付記＞
各実施形態に記載の遠心圧縮機１は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る遠心圧縮機１は、軸線Ｏ回りに回転するインペラ２０と、該インペラ２０から圧送された流体が流通するリターン流路１５が形成されたケーシング１０と、前記リターン流路１５内に配置されたリターンベーン１５ａと、を備え、前記リターンベーン１５ａには、外部から供給された液体を前記リターン流路１５内に噴射する噴射口１５ｈが形成されている。

上記構成によれば、リターンベーン１５ａに形成された噴射口１５ｈからリターン流路１５に液体が噴射される。これにより、当該リターン流路１５を流れる作動流体の温度を下げることができる。つまり、上流側のインペラ２０で圧縮されて温度が上がっていた作動流体の温度が下がる。これにより、下流側の他のインペラ２０による圧縮過程を等温圧縮に近づけることができる。その結果、遠心圧縮機１の駆動に要する動力を削減することができる。また、リターン流路１５では、ケーシング１０内の他の流路に比べて作動流体の流速が低いことから、液体（液滴）の輸送に伴う作動流体の圧力損失が生じにくい。これにより、より効率的に遠心圧縮機１を動作させることも可能となる。

（２）第２の態様に係る遠心圧縮機１では、前記噴射口１５ｈは、前記リターンベーン１５ａの幅方向における中央部に形成されている。

上記構成によれば、噴射口１５ｈがリターンベーン１５ａの幅方向における中央部に形成されている。つまり、噴射口１５ｈは、リターン流路１５の壁面から離間した位置に形成されている。これにより、当該壁面に液体が付着してしまう可能性を低減することができる。一方で、壁面に液体が付着すると、当該液体の気化が促進されず、作動流体に圧力損失が生じたり、当該壁面にエロージョンを生じたりする虞がある。上記構成によれば、このような事象が起きる可能性を低減し、より効率的かつ安定的に遠心圧縮機１を動作させることが可能となる。

（３）第３の態様に係る遠心圧縮機１では、前記噴射口１５ｈは、前記リターンベーン１５ａの下流側の端縁である後縁１５２よりも上流側の領域に形成されている。

上記構成によれば、噴射口１５ｈが後縁１５２よりも上流側の領域に形成されている。これにより、液体が作動流体の流れに乗って当該噴射口１５ｈから後縁１５２に至るまでの間に十分な距離を確保することができる。その結果、噴射口１５ｈから噴射された液体を十分に気化させることが可能となる。したがって、作動流体中に液体が飛散してしまうことを防ぐことができる。

（４）第４の態様に係る遠心圧縮機１では、前記噴射口１５ｈは、前記リターンベーン１５ａの上流側の端縁である前縁１５１を含む領域に形成されている。

上記構成によれば、噴射口１５ｈが前縁１５１を含む領域に形成されていることから、液体が作動流体の流れに乗って当該噴射口１５ｈから後縁１５２に至るまでの間にさらに十分な距離を確保することができる。その結果、噴射口１５ｈから噴射された液体をより確実に気化させることが可能となる。したがって、作動流体中に液体が飛散してしまうことを防ぐことができる。

（５）第５の態様に係る遠心圧縮機１では、前記リターンベーン１５ａの上流側の端縁である前縁１５１から下流側の端縁である後縁１５２にかけて複数の前記噴射口１５ｈ，１５ｈ´が形成され、前記前縁１５１側の前記噴射口１５ｈになるほど前記液体の噴射量が多い。

上記構成によれば、前縁１５１から後縁１５２にかけて複数の噴射口１５ｈ，１５ｈ´が形成されていることから、より多くの液体をリターン流路１５内に供給することができる。また、前縁１５１側の噴射口になるほど液体の噴射量が多いことから、液体を十分に気化させた状態でリターン流路１５内に供給することができる。

１ 遠心圧縮機
２ 回転軸
３，４ 軸端
５ ジャーナル軸受
６ スラスト軸受
９ 流体流路
１０ ケーシング
１２ 案内流路
１２ａ，１２ａ´ 案内羽根
１２Ａ ハブ側壁面
１２Ｂ シュラウド側壁面
１３ リターンベンド部
１４ ディフューザ流路
１５ リターン流路
１５ａ，１５ａ´ リターンベーン
１５ｈ，１５ｈ´ 噴射口
１７ 排気流路
２０ インペラ
３０ 供給源
１５１ 前縁
１５２ 後縁
１５３ 第一端面
１５４ 第二端面
１５５ 翼面
Ｄ 最大翼厚位置
Ｏ 軸線

Claims (5)

1. 軸線回りに回転するインペラと、
   該インペラから圧送された流体が流通するリターン流路が形成されたケーシングと、
   前記リターン流路内に配置されたリターンベーンと、
   を備え、
   前記リターンベーンには、外部から供給された液体を前記リターン流路内に噴射する噴射口が形成されている遠心圧縮機。
2. 前記噴射口は、前記リターンベーンの幅方向における中央部に形成されている請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記噴射口は、前記リターンベーンの下流側の端縁である後縁よりも上流側の領域に形成されている請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記噴射口は、前記リターンベーンの上流側の端縁である前縁を含む領域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. 前記リターンベーンの上流側の端縁である前縁から下流側の端縁である後縁にかけて複数の前記噴射口が形成され、前記前縁側の前記噴射口になるほど前記液体の噴射量が多い請求項１から４のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。

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