JP3557389B2

JP3557389B2 - 多段遠心圧縮機

Info

Publication number: JP3557389B2
Application number: JP2000303163A
Authority: JP
Inventors: 幸二中川; 裕一計見; 政敏寺崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2000-10-03
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2020-10-03
Also published as: JP2002106487A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量がきわめて少ない状態まで制御が可能な多段遠心圧縮機に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来１本の回転軸に取付けられた複数の羽根車によりガスなどの流体を多段に圧縮する、いわゆる１軸多段遠心圧縮機は、機器をコンパクトに構成することができるなどの利点があることから広く使用されており、この種の一軸多段遠心圧縮機としては、例えば社団法人日本冷凍協会発行冷凍空調便覧ＩＩ巻機器編７０頁図１．３．４、同７１頁図１．３．７に記載されているように、回転軸に外径が等しい羽根車を多段に取付けたものが公知である。
【０００３】
また従来の一軸多段遠心圧縮機では、前段に設けられた羽根車の吐出体積流量は、前段の羽根車の吸込体積流量と圧力比の両方の変化の影響を受けるため、後段の羽根車の吸込体積流量は前段の羽根車の吸込体積流量以上に変化が大きく、圧縮機全体としての作動範囲を確保するためには、いわゆる段マッチングと呼ばれる各段の設計点の設定に多大の実績と解析を必要とし、特に１軸多段遠心圧縮機は前段の羽根車も後段の羽根車も回転数が同一であるため、一層精緻な段マッチングが必要になる。
【０００４】
このため１軸多段遠心圧縮機の多くは、ディフューザ部分に流体をガイドするための羽を持たない羽根なしディフューザを採用しており、この羽根なしディフューザは段落の作動範囲が広くなるので、段マッチング設計の所要精度を軽減できるなどの利点が得られる。
【０００５】
一方機器の安定した運転状態を確保するため、回転軸系の固有振動数は回転周波数より高くするか、一致しないようにする必要があり、機器のコンパクト化が重要な１軸多段遠心圧縮機、例えばターボ冷凍機などの用途に使用される１軸多段遠心圧縮機には、回転軸の先端側に羽根車を取付けた片持ち構造が採用されることが多く、このため回転軸系の高い固有振動数を確保する上で、羽根車を取付ける回転軸の先端側の荷重を低減することが望ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし１軸多段遠心圧縮機の多くは、ディフィーザ部分には流れをガイドするための羽根を持たない羽根なしディフューザを採用しているため、流れをガイドするための羽根を持つ羽根付きディフューザを採用した場合に比較して、流体的な効率が数パーセント低下する問題がある。
【０００７】
また機器のコンパクト化が重要な１軸多段遠心圧縮機、例えばターボ冷凍機などの用途に使用される片持ち構造の１軸多段遠心圧縮機では、圧縮機の性能上望ましい回転速度を確保できない場合、回転軸系の所要固有振動数を確保するために、羽根車を取付ける回転軸の径や、これを支承する軸受けを大型にするか、望ましい回転速度より低い回転速度で使用するよう設計せざるを得ない場合があり、この点の対策として固有振動が減少しないように、羽根車、戻り流路の軸方向長さを減少させる方法がとられている。
【０００８】
しかし遠心羽根車では、基本的に羽根車の回転軸方向から流体を吸入し、回転軸に垂直ないし垂直に近い面内に流体を吐出することから、羽根車、戻り流路の軸方向長さを減少させることは、要素内の流路の曲率が大きくなって流体損失が増加するため、軸方向の長さを減少させることには限界があり、このため１軸多段遠心圧縮機をコンパクト化する上で障害となるなどの問題もある。
【０００９】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、後段羽根車の出口羽根角を前段羽根車の出口羽根角より小さくすると共に、前段羽根車に対して後段羽根車の外径を大きくすることにより、流量がきわめて少ない状態まで制御が可能で、かつコンパクト化も容易な多段遠心圧縮機を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の多段遠心圧縮機は、ケーシング内に回転自在に支承された１本の回転軸に、羽根車を多段に設けた多段遠心圧縮機であって、後段羽根車の出口羽根角を前段羽根車の出口羽根角より小さくすると共に、後段羽根車の外径を前段羽根車の外径より大きくしたものである。
【００１１】
前記構成により、前段羽根車の羽根出口角が後段羽根車の羽根出口角より大きいため、前段羽根車の圧力上昇の変化は、後段羽根車の圧力上昇の変化より小さくなると共に、吐出し体積流量と吸込み体積流量の比の変化も小さいため、前段の流出体積流量の変化も小さくなり、これによって後段吸込み体積流量の変化を前段羽根車と後段羽根車の外径及び羽根出口角を等しくした従来のものに比べて小さくできるため、後段羽根車と前段羽根車のマッチングが容易になる。
【００１２】
前記目的を達成するため本発明の多段遠心圧縮機は、ケーシング内に回転自在に支承された片持ち構造の回転軸の先端側に、羽根車を多段に設けたものである。
【００１３】
前記構成により、両持ち構造に比べて軸方向の長さを短縮することができるため、機器のコンパクト化が容易に行える。
【００１４】
前記目的を達成するため本発明の多段遠心圧縮機は、各羽根車の外周側に、円形翼列により構成された羽根付ディフューザを設けると共に、円形翼列の弦節比を１より小さくさたものである。
【００１５】
前記構成により、羽根付ディフューザを設けても、羽根なしディフューザ並みの性能が良好な流量範囲が得られると共に、羽根付ディフューザを設けることによって、流体の運動エネルギーを圧力に変換する流体効率を大幅に向上させることができる。
【００１６】
前記目的を達成するため本発明の多段遠心圧縮機は、後段羽根付ディフューザに設けられた羽根の枚数を、前段羽根付ディフューザに設けられた羽根の枚数より多くしたものである。
【００１７】
前記構成により、ディフューザを形成する羽根の弦長を過大にしない設計が可能となる。
【００１８】
前記目的を達成するため本発明の多段遠心圧縮機は、前段羽根車の吸込流路に、流量を制御する可動ベーンを設けたものである。
【００１９】
前記構成により、可動吸込ベーン上流側の流量がきわめて少ない状態までサージングに入ることがないため、流量がきわめて少ない状態まで制御が可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図面を参照して詳述する。
図１は１軸多段遠心圧縮機の縦断面、図２は羽根車の正面図を示す。
図１において１は前段羽根車、２は後段羽根車、３は前段羽根付ディフューザで、前段羽根車１の接線方向と角度を成して設けられた羽根３ａを有している。４は後段羽根付ディフューザで、後段羽根車２の接線方向と角度を成して設けられた羽根４ａを有しており、前段羽根車１及び後段羽根車２は、それぞれケーシング５内に前後して収容されていると共に、基端側がケーシング５の軸受け６に支承された回転軸７の先端側にそれぞれ固着されている。
【００２１】
また後段羽根車２の外径Ｄｂは、前段羽根車１の外径Ｄａより大きく構成されていおり、前段羽根付ディフューザ３の出口と後段羽根車２の入口は、羽根８ａを有する戻り流路８により接続されている。
【００２２】
次に前記構成された１軸多段遠心圧縮機の作用を説明すると、図示しない回転駆動源により回転軸７が回転されるのにともない、前段羽根車１を流出した流体の運動エネルギーの一部は前段羽根付ディフューザ３内で圧力に変換されるが、前段羽根付ディフューザ３を流出する流体は、なお前段羽根車１の回転方向の旋回速度成分を持ったまま戻り流路８に流入すると共に、戻り流路８では、羽根８ａの作用によって流体の前段羽根車１の回転方向の成分が相殺され、後段羽根車２に流入する。
【００２３】
後段段羽根車２を流入した流体は、後段羽根付ディフィーザ４によって流体の運動エネルギーの一部が、後段羽根付ディフィーザ４内の羽根８ａによって圧力に変換される。
後段羽根車２の外径Ｄｂは、前段羽根車１の外径Ｄａより予め大きく形成されているので、設計点流量で後段羽根車２の羽根出口角β（図２に示す）を前段羽根車１より小さくしても、後段羽根車２は前段羽根車１と同等のヘッドを発生できるように設計できる。
【００２４】
すなわち図３に示すように流量が設計点から変化した場合に、前段羽根車１の羽根出口角βが後段羽根車２の羽根出口角より大きいため、前段羽根車１の圧力上昇の変化は、後段羽根車２の圧力上昇の変化より小さい（このことは遠心羽根車における流量の変化と理論ヘッドの関係に対する羽根出口角の影響から明らかである）。
【００２５】
また段前後の圧力上昇の変化が小さい場合、吐出し体積流量と吸込み体積流量の比の変化も小さいため、前段の流出体積流量の変化も小さくなり、従って後段吸込み体積流量の変化を前段羽根車１と後段羽根車２の外径Ｄａ、Ｄｂ及び羽根出口角を等しくした場合より小さくでき、これによって後段羽根車２と前段羽根車１のマッチングが容易になる。
【００２６】
一方各羽根車についてのマッチングは容易になるが、圧縮機段は羽根車とディフィーザによって構成されていることから、ディフューザの性能が高い流量範囲が羽根車と同等以上に広くできると、前段羽根車１と後段羽根車２の外径Ｄａ，Ｄｂ及び出口羽根角を変えた効果が一層大きくなる。
【００２７】
またディフューザ流路内に羽根を備えない羽根なしディフューザは、性能が良好な流量範囲は広いが、最高性能はディフューザ流路内に羽根を備えた羽根付ディフューザより流体効率が低く、羽根付ディフューザは、性能が良好な流量範囲が狭い上、組み合わせる羽根車とのマッチングの問題が発生する。
【００２８】
そこで羽根付ディフューザ３，４を図２に示すように円形翼列により構成し、円形翼列を構成する羽根３ａ，４ａの弦長Ｃを、平均半径位置ピッチで割った値（円形翼列を構成する羽根３ａ，４ａの前縁位置半径Ｒｉと後縁位置半径Ｒｅの平均半径を持つ円周を円形翼列を構成する羽根枚数Ｚで割った値）を弦節比σと定義するとき、
【００２９】
【数１】

【００３０】
となり、σを１より小さく形成すると、羽根なしディフューザ並みの性能が良好な流量範囲を維持しながら羽根付ディフューザレベルの性能が得られる（妹尾ほか２名、小弦節比円形翼列ディフューザ、日本機械学会論文集Ｂ編、４５巻３９６号、１０９９頁（昭和５４年）、速水ほか４名、還音速遠心圧縮機の小弦節比円形翼列ディフューザ、日本機械学会論文集Ｂ編、５５巻５１１号、７５８頁（１９８９年３月）参照）。
【００３１】
Ｒｉ、Ｒｅは羽根車の外径に比例して設計するから、σの定義式から後段羽根車２の外径が前段羽根車１の外径より大きくなるよう形成すると、後段羽根付ディフューザ４を構成する羽根４ａの枚数が前段羽根付ディフューザ３を形成する羽根３ａの枚数以上であると、ディフューザを形成する羽根の弦長を過大にしない設計が可能となることが理解できる。
【００３２】
図４及び図５は本発明の第２の実施の形態になる１軸多段遠心圧縮機を示すもので、次にこれを説明する。
なお前記第１の実施の形態と同一の部分は同一符号を付して、その説明は省略する。
ケーシング５の前部に設けられた吸込み流路５ａ内には、流量を制御する可動吸込ベーン１０が開閉自在に設けられており、回転軸７には増速歯車１１を介して電動機よりなる回転駆動源１２が接続されていて、回転駆動源１２により増速歯車１１を介して回転軸７が増速回転されるようになっている。
【００３３】
また後段羽根車２の外径Ｄｂは前段羽根車１の外径Ｄａより予め大きくなるよう形成されているので、羽根車軸系の固有振動数は前段、後段とも同一の外径の羽根車を使用している場合に比べて、回転軸系の固有振動数を高くすることができ、圧縮機の性能上望ましい羽根車回転速度を採用することが可能となる。
【００３４】
一方流量制御すべく可動吸込ベーン１０の開度を減少させると、各部の圧力は図５に示すようになる。
すなわち可動吸込ベーン１０の発生する圧力損失と、可動吸込ベーン１０によって流体に旋回成分が与えられることにより流速が増加するため、前段羽根車１の入口の圧力は低くなり、従って可動吸込ベーン１０の開度を減少させて、流量を減少させた状態では、前段羽根車１の吸込体積流量は可動吸込ベーン１０の上流側程は減少せず、また後段羽根車２と後段羽根付ディフューザ４の吐出圧力は高いが、後段羽根車２の外径Ｄｂが前段羽根車１の外径Ｄａより大きく、かつ後段羽根車２の出口羽根角が前段羽根車１の出口羽根角より小さく形成されているので、前段、後段とも外径が同一の羽根車、同一の出口羽根角の場合に比較して、可動吸込ベーン１０上流側の流量がきわめて少ない状態までサージングに入ることがなく、これによって流量がきわめて少ない状態まで制御が可能になる。
【００３５】
なお前記実施の形態では、シュラウドを有する羽根車を用いた場合について説明したが、シュラウドのない羽根車を使用しても勿論よい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は以上詳述したように、前段羽根車の羽根出口角を後段羽根車の羽根出口角より大きくし、かつ後段羽根車の外径を前段羽根車の外径より大きくしたことから、前段羽根車の圧力上昇の変化は、後段羽根車の圧力上昇の変化より小さいと共に、吐出し体積流量と吸込み体積流量の比の変化も小さいため、前段の流出体積流量の変化も小さくなり、これによって後段吸込み体積流量の変化を、前段羽根車と後段羽根車の外径及び羽根出口角を等しくした従来のものより小さくできるため、後段羽根車と前段羽根車のマッチングが容易になる。
【００３７】
またケーシング内に回転自在に支承された片持ち構造の回転軸の先端側に、羽根車を多段に設けたことから、両持ち構造に比べて軸方向の長さを短縮することができるため、機器のコンパクト化が容易に行えると共に、各羽根車の外周側に、円形翼列により構成された羽根付ディフューザを設けたことから、羽根なしディフューザ並みの性能が良好な流量範囲が得られる上、羽根付ディフューザを設けることによって、流体の運動エネルギーを圧力に変換する流体効率を大幅に向上させることができる。
【００３８】
さらに前段羽根車の吸込流路に、可動ベーンを設けて流量制御することにより、可動吸込ベーン上流側の流量がきわめて少ない状態までサージングに入ることがないため、流量がきわめて少ない状態まで制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施の形態になる多段遠心圧縮機の断面図である。
【図２】
本発明の第１の実施の形態になる多段遠心圧縮機に使用する遠心羽根車の正面図である。
【図３】
流量が設計点から変化した場合の羽根出口角の大小による圧力上昇の変化を示す線図である。
【図４】
本発明の第２の実施の形態になる多段遠心圧縮機の断面図である。
【図５】
本発明の実施の形態になる多段遠心圧縮機の吸込流路に設けた可動吸込ベーンにより流量を制御した状態の圧縮機各部の圧力を示す線図である。
【符号の説明】
１前段羽根車
２後段羽根車
３前段羽根付ディフューザ
４後段羽根付ディフュー
５ケーシング
５ａ吸込流路
７回転軸
１０可動ベーン

Claims

ケーシング内に回転自在に支承された１本の回転軸に、羽根車を多段に設けた多段遠心圧縮機であって、後段羽根車の出口羽根角を前段羽根車の出口羽根角より小さくすると共に、後段羽根車の外径を前段羽根車の外径より大きくしたことを特徴とする多段遠心圧縮機。
ケーシング内に回転自在に支承された片持ち構造の回転軸の先端側に、羽根車を多段に設けてなる請求項１記載の多段遠心圧縮機。
各羽根車の外周側に、円形翼列により構成された羽根付ディフューザを設けると共に、円形翼列の弦節比を１より小さくしてなる請求項１または２に記載の多段遠心圧縮機。
後段羽根付ディフューザに設けられた羽根の枚数を、前段羽根付ディフューザに設けられた羽根の枚数より多くしてなる請求項１ないし３の何れか１項に記載の多段遠心圧縮機。
前段羽根車の吸込流路に、流量を制御する可動ベーンを設けてなる請求項１ないし４の何れか１項に記載の多段遠心圧縮機。