JP3187468U - 多段遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】リターンチャネル出口の残留旋回成分を小さくすると共に、流れ分布も一様化できるようにして、リターンチャネルでの損失を低減し、遠心羽根車での効率低下も抑制して性能向上を図る多段遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】多段遠心圧縮機は、１本の回転軸に固定された複数の遠心羽根車１と、該遠心羽根車の下流側に順に設けられたディフューザ２及びリターンチャネル３と、これら遠心羽根車、ディフューザ及びリターンチャネルを収容する圧縮機ケーシングとを備えている。前記リターンチャネルは、円周方向に間隔を置いて配置された複数のリターンベーン１２を有し、このリターンベーンの入口半径をｒ_５、該リターンベーンの出口半径をｒ_６としたとき、これらの比の値ｒ_５／ｒ_６が２．０〜２．３となるように構成している。
【選択図】図２

Description

本考案は、一本の軸に複数の羽根車が取り付けられた一軸多段型の多段遠心圧縮機に関する。

従来の多段遠心圧縮機としては、例えば特許文献１（特開２０１２−８７６４６号公報）に記載されているものがある。この特許文献１に記載の多段遠心圧縮機では、効率を犠牲にすることなく圧縮機全体として、従来より高効率で広い作動範囲が得られるように、リターンチャネルに設けられたリターンベーンの出口角を下流段に進むに連れ単調に増加させるようにしている。

また、従来の他の多段遠心圧縮機としては、特許文献２（特開平９−２０３３９４号公報）や特許文献３（特開２００８−２８６１９８号公報）に記載のものがある。これら特許文献２や３のものは、リターンチャネルにおける性能向上を図るようにしている。

即ち、特許文献２に記載の多段遠心圧縮機では、リターンチャネルのリターンベーンの出口付近において、流路高さ方向にその流出角を変えており、リターンチャネルから流出する流れの流れ角を流路高さ方向に一定にしようとしている。また、特許文献３に記載の多段遠心圧縮機では、リターンチャネルに、複数のフローベーンと、該フローベーン間に配設された複数のスプリッターベーンを備えるもので、リターンチャネルにおけるベーン数を多くすることにより、逆流や剥離流を少なくすることを狙っている。

特開２０１２−８７６４６号公報 特開平９−２０３３９４号公報 特開２００８−２８６１９８号公報

多段遠心圧縮機におけるリターンチャネルは、その流路内で大きく流れを転向させ、上流段の羽根車で与えられた流れの旋回成分を取り除いて次段に導くための流路である。このリターンチャネル（リターン流路）では、比較的短い区間で流れを大きく転向させるので、強い２次流れが生じ易く、複雑な流れとなり、このためリターンチャネル内の損失が増大する課題がある。

前記リターンチャネル出口において、その旋回流れ成分を十分に取り除けない場合、その残留予旋回のために、次段の遠心羽根車は十分な仕事ができず、所定のヘッド上昇が得られなくなる可能性もある。

更に、リターンチャネル内部の２次流れの影響や、このリターンチャネルに設けられているリターンベーンの後縁から次段遠心羽根車までの出口曲がり流路の曲率の影響により、リターンチャネル出口の流れ分布の一様性が悪くなると、次段遠心羽根車での効率が低下し、多段遠心圧縮機全体としての性能が低下する課題がある。

本考案の目的は、リターンチャネル出口の残留旋回成分を小さくすると共に、流れ分布も一様化できるようにして、リターンチャネルでの損失を低減し、遠心羽根車での効率低下も抑制して性能向上を図ることのできる多段遠心圧縮機を得ることにある。

上記目的を達成するため、本考案は、１本の回転軸に固定された複数の遠心羽根車と、該遠心羽根車の下流側に順に設けられたディフューザ及びリターンチャネルと、これら遠心羽根車、ディフューザ及びリターンチャネルを収容する圧縮機ケーシングとを備えた多段遠心圧縮機において、前記リターンチャネルは、円周方向に間隔を置いて配置された複数のリターンベーンを有し、このリターンベーンの入口半径をｒ_５、該リターンベーンの出口半径をｒ_６としたとき、これらの比の値ｒ_５／ｒ_６が２．０〜２．３となるように構成されていることを特徴とする。

本考案によれば、リターンチャネル出口の残留旋回成分を小さくできると共に、流れ分布も一様化できるので、リターンチャネルでの損失が低減され、遠心羽根車での効率低下も抑制されて性能向上を図ることのできる多段遠心圧縮機を得ることができる効果が得られる。

本考案の多段遠心圧縮機の実施例１を示す図で、多段遠心圧縮機の上半分のみを図示した縦断面図。 図１に示す１つのリターンチャネルの部分を示す要部の模式図。 図２におけるリターンベーンの部分を示す横断面図。 リターンベーン出入口径比の値とリターンチャネル出口流れ角の平均値との相関関係を示す線図。 リターンベーン開き角とリターンチャネル出口流れ角の平均値との相関関係を示す線図。

以下、本考案に係る多段遠心圧縮機の実施例を図面に基づき説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

本考案の多段遠心圧縮機の実施例１を図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本考案の多段遠心圧縮機の実施例１を示す縦断面図で、回転軸の軸線の上半分のみを図示した図、図２は図１に示す１つのリターンチャネルの部分を示す要部の模式図、図３は図２におけるリターンベーンの部分を示す横断面図である。なお、図２においては、遠心羽根車も一点鎖線で表示している。

図１に示すように、多段遠心圧縮機１０では、１本の回転軸８に複数の遠心羽根車１（１ａ〜１ｅ）が固定して取り付けられており、各遠心羽根車１ａ〜１ｅの下流側にはディフューザ２（２ａ〜２ｅ）が配置されている。最終段を除く各段のディフューザ２ａ〜２ｄの下流には、各ディフューザ２ａ〜２ｄと次段の遠心羽根車１ｂ〜１ｅをつなぐリターンチャネル３（３ａ〜３ｄ）が配置されている。

前記それぞれのリターンチャネル３ａ〜３ｄは、図２及び図３に示すように、前記ディフューザ２ａ〜２ｄの下流に設けられたリターンベンド１１と、このリターンベンド１１の下流でリターンベーン１２を有する流路１３と、この流路１３の下流側に設けられた出口曲がり流路１４で構成されている。

また、前記遠心羽根車１ａ〜１ｅ、ディフューザ２ａ〜２ｅ及びリターンチャネル３ａ〜３ｄは、図１に示すように、圧縮機ケーシング６内に収容されており、初段遠心羽根車１ａの上流側には吸込ケーシング４が、最終段ディフューザ２ｅの下流側には吐出ケーシング５が設けられている。

図１に示した多段遠心圧縮機１０は５段機の場合である。作動ガスは、多段遠心圧縮機１０の外部から、矢印９で示すように、前記吸込ケーシング４を通って、まず半径方向内側に流れ、機内へと導かれる。そして、この作動ガスは、まず初段遠心羽根車１ａに流入し、この羽根車１ａから半径方向に吐出され、下流側のディフューザ２ａ、リターンチャネル３ａと流れた後、次段の遠心羽根車１ｂに流入し、同様に、下流側のディフューザ２ｂ〜２ｄ、リターンチャネル３ｂ〜３ｄ、遠心羽根車１ｃ〜１ｅへと順次流れ、最終段の遠心羽根車１ｅから吐出されて最終段のディフューザ２ｅを経た後、吐出ケーシング５から機外へ吐き出される。前記作動ガスは各段の遠心羽根車１ａ〜１ｅ、ディフューザ２ａ〜２ｅ、リターンチャネル３ａ〜３ｄを通過する間に昇圧される。

前記多段遠心圧縮機１０が５段機の場合、前記リターンチャネルの数は３ａ〜３ｄの４個となる。これらのリターンチャネル３ａ〜３ｄは、前述したように、前記ディフューザ２ａ〜２ｄの下流に設けられた前記リターンベンド１１と、このリターンベンド１１の下流でリターンベーン１２を有する前記流路１３と、この流路１３の下流側に設けられた前記出口曲がり流路１４で構成されている。また、前記流路１３は、前記圧縮機ケーシング６の壁面（ハブ側壁面１３ａ，シュラウド側壁面１３ｂ）により構成される２つの対向する平面間に形成され、この流路１３における前記圧縮機ケーシング６の壁面には周方向に間隔を置いて複数の前記リターンベーン１２が配設されている。

次に、前述した図２及び図３に加え、図４及び図５を用いて多段遠心圧縮機１０に設けられている前記リターンチャネル３の構成を詳細に説明する。図４はリターンベーン出入口径比の値とリターンチャネル出口流れ角の平均値との相関関係を示す線図、図５はリターンベーン開き角とリターンチャネル出口流れ角の平均値との相関関係を示す線図である。

図２，図３において、Ｏは回転軸８（図１参照）の中心で、図２に示すｒ_５は流路１３に設けられたリターンベーン１２の入口半径、ｒ_６は前記リターンベーン１２の出口半径である。また、図２，図３に示すα_５は前記リターンベーン１２への作動ガスの流れ角である。更に、図３に示すΔγは、前記リターンベーン１２における前縁と後縁が前記回転軸８の中心Ｏに対して為す角度であるリターンベーンの開き角である。

なお、図２に示す１３ａは前記流路１３を形成するハブ側壁面、１３ｂは同じくシュラウド側壁面で、前記リターンベーン１２はこれらハブ側壁面１３ａとシュラウド側壁面１３ｂの両壁面に固定されて周方向に複数枚配設されている。また、図３に示す１２ａはリターンベーン１２の圧力面、１２ｂは同じく負圧面であり、該リターンベーン１２は、この図３に示すように翼型形状に構成されている。

次に、本実施例における前記リターンベーン１２の更に詳細な形状を図４及び図５により説明する。なお、図４及び図５は、多段遠心圧縮機におけるリターンベーンを有するリターンチャネルにおいて、前記リターンベーン１２の入口角度は作動ガスの流れ角α_５に合わせ、リターンベーン１２の出口角度は０度に固定したもので、流体解析により求めたデータである。

図４は、リターンベーン１２の入口半径ｒ_５と出口半径ｒ_６との比と、リターンチャネル３（３ａ〜３ｄ；図１参照）出口での出口流れ角の平均値との相関関係を示す線図である。即ち、横軸はリターンベーン出入口径比の値ｒ_５／ｒ_６で、縦軸はリターンベーン出口流れ角の平均値であり、リターンベーンの出入口径比の値を変えた場合のリターンチャネル出口流れ角の平均値を求めた線図である。

リターンチャネル出口流れ角の平均値を０にすることができれば、リターンチャネル出口の残留旋回成分を小さくできるので、次段遠心羽根車１（１ｂ〜１ｅ；図１参照）への作動ガスの入射角を理想的な０度に近づけることができ、遠心羽根車での効率低下を抑制して効率向上を図ることのできる多段遠心圧縮機を得ることが可能となる。

即ち、リターンチャネル３ａ〜３ｄの下流側の遠心羽根車１ｂ〜１ｅにとっては、該羽根車１ｂ〜１ｅに流入する作動ガスの流れに予旋回が残ると、前記遠心羽根車１ｂ〜１ｅの入口における周方向流速Ｃｕ_１が大きくなり、次の数１で表される理論ヘッドＨ_ｔｈが低下する要因となる。このため、所定のヘッドが得られなくなってしまう。前記遠心羽根車に流入する作動ガスの予旋回を取り除くことができれば、高いヘッドを得ることができる。

ここで、ｕ_２：羽根車出口周速、Ｃｕ_２：羽根車出口周方向流速、ｕ_１：羽根車入口周速、Ｃｕ_１：羽根車入口周方向流速、ｇ：重力加速度である。

リターンチャネル出口で、作動ガスに正の値の周方向流速がある場合には、数１で示した理論ヘッドの式のＣｕ_１が大きくなり、理論ヘッドが低下する。逆に、リターンチャネル出口で、作動ガスに負の値の周方向流速がある場合には数１で示した理論ヘッドは増大するが、羽根車の入射角が大きくなり、損失の増大や羽根車の失速に影響を与えるので、効率が低下する。

以上のことから、リターンチャネル出口流れ角が０に近い、即ち残留旋回を少なくできるようにすることが重要である。そこで、本実施例においては、図４から、リターンベーン出入口径比の値ｒ_５/ｒ_６が２．０〜２．３の範囲になるように構成している。このように構成することにより、リターンチャネル出口流れ角の平均値を小さくして０に近づけることができ、リターンチャネル出口での旋回流れを小さくすることができる。

更に詳しく説明する。
リターンベーンは流入してきた流れを約６０度程度転向させるため、リターンチャネル内では二次流れや剥離が発生し、複雑な流れとなっている。図４に示すように、リターンベーン出入口径比の値ｒ_５/ｒ_６が、２．１５より小さい場合、リターンチャネル出口流れ角の平均値が正の値となり、２．１５より小さすぎると流れを十分に転向させることができない。

また、リターンベーン出入口径比の値ｒ_５/ｒ_６が２．１５より大きいとリターンチャネル出口流れ角の平均値が負の値となり、２．１５を超えて大きすぎる場合は、流れは転向するものの、リターンベーン間で二次流れが発達し、損失が増大すると共に羽根車が失速し易くなる。

そこで、本実施例では、前述したように、リターンベーン出入口径比の値ｒ_５/ｒ_６が２．０〜２．３の範囲になるように構成している。この範囲にすると、リターンチャンネル出口流れ角の平均値が＋５度〜−５度となるが、この＋５°〜−５°の範囲であれば、リターンベーンでの流れ解析の結果、次段遠心羽根車への悪影響は小さいことがわかった。

なお、本実施例では、前記リターンベーン１２の後縁位置が、リターンチャネル下流の出口曲がり流路１４の曲がり開始位置よりも上流に位置するように構成されている。この理由を以下説明する。

リターンベーン１２の後縁が出口曲がり流路１４内にあると、リターンチャネル出口の流れ角の平均値が負の値となる。リターンチャネル出口の流れ角の平均値が負の値になると、次段の遠心羽根車１ｂ〜１ｅにとっては逆旋回成分の流れが流入することになる。遠心羽根車１ｂ〜１ｅに逆旋回成分の流れが流入すると、該遠心羽根車の入口での作動ガスの入射角が大きくなり、サージマージン減少の原因となって、失速し易くなる。

上述した図４において、リターンベーン出入口径比の値ｒ_５／ｒ_６が２．３以上の場合には、リターンベーン１２の後縁位置が、リターンチャネル下流の出口曲がり流路１４内まで延長されて存在しており、このためリターンチャネル出口流れ角の平均値が−５度より小さい負の値となってしまい、上述したように、損失が増大して失速もし易くなる。

本実施例のように、前記リターンベーン１２の後縁位置が、リターンチャネル下流の出口曲がり流路１４の曲がり開始位置よりも上流に位置するように構成することにより、損失を低減して遠心羽根車１ｂ〜１ｅの失速も防止することが可能となる。

図５は、リターンベーン開き角Δγとリターンチャネル出口流れ角の平均値との相関関係を示す線図である。
この図５に示すように、リターンチャネル出口の流れ角の平均値とリターンベーン開き角Δγとの相関では、リターンベーン開き角Δγを１５〜１７度にするとリターンチャネル出口の流れ角の平均値を０度付近の値にすることができる。

従って、本実施例では、リターンベーン開き角Δγが１５〜１７°となるように構成することにより、リターンチャネル３ａ〜３ｄの出口旋回流れを小さくでき、流れが一様となるリターンチャネル３ａ〜３ｄを得ることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、リターンチャネル３ａ〜３ｄにおけるリターンベーン１２の入口半径ｒ_５と出口半径ｒ_６の比の値ｒ_５/ｒ_６が２．０〜２．３の範囲内となるように構成し、また前記リターンベーン１２における前縁と後縁が前記回転軸８の中心Ｏに対して為す角度であるリターンベーンの開き角Δγが１５〜１７度の範囲内に構成しているので、従来のリターンチャネルに比べて、残留予旋回が少なく、損失も小さくでき、圧縮機全体としてヘッドが高く、効率の良い多段遠心圧縮機を得ることができる。

なお、本考案は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本考案で分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１（１ａ〜１ｅ）…遠心羽根車、２（２ａ〜２ｅ）…ディフューザ、
３（３ａ〜３ｈ）…リターンチャネル、
４…吸込ケーシング、５…吐出ケーシング、６…圧縮機ケーシング、
７…軸受、８…回転軸、
１０…多段遠心圧縮機、
１１…リターンベンド、１２…リターンベーン、
１３…リターンベーンを有する流路、１３ａ…ハブ側壁面、１３ｂ…シュラウド側壁面、
１４…出口曲がり流路
Ｏ…回転軸中心、ｒ_５…リターンベーン入口径、ｒ_６…リターンベーン出口径、
α_５…流れ角、Δγ…リターンベーン開き角。

Claims (5)

1. １本の回転軸に固定された複数の遠心羽根車と、該遠心羽根車の下流側に順に設けられたディフューザ及びリターンチャネルと、これら遠心羽根車、ディフューザ及びリターンチャネルを収容する圧縮機ケーシングとを備えた多段遠心圧縮機において、
   前記リターンチャネルは、円周方向に間隔を置いて配置された複数のリターンベーンを有し、
   このリターンベーンの入口半径をｒ_５、該リターンベーンの出口半径をｒ_６としたとき、これらの比の値ｒ_５／ｒ_６が２．０〜２．３となるように構成されている
   ことを特徴とする多段遠心圧縮機。
2. 請求項１に記載の多段遠心圧縮機において、前記リターンチャネルは、前記ディフューザ下流に設けられたリターンベンドと、このリターンベンドの下流で前記リターンベーンを有する流路と、この流路の下流側に設けられた出口曲がり流路を備えることを特徴とする多段遠心圧縮機。
3. 請求項２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後縁位置が、前記出口曲がり流路の曲がり開始位置よりも上流にあることを特徴とする多段遠心圧縮機。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の多段遠心圧縮機において、前記リターンベーンにおける前縁と後縁が前記回転軸の中心に対して為す角度であるリターンベーンの開き角Δγが、１５度〜１７度となるように構成していることを特徴とする多段遠心圧縮機。
5. 請求項４に記載の多段遠心圧縮機において、前記リターンベーンは翼型形状に構成されていることを特徴とする多段遠心圧縮機。

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