JP3578692B2

JP3578692B2 - ターボ圧縮機

Info

Publication number: JP3578692B2
Application number: JP2000061811A
Authority: JP
Inventors: 秀夫西田; 博美小林; 和夫武田
Original assignee: 株式会社日立インダストリイズ
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JP2001248597A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ圧縮機及びターボ送風機に係り、特に騒音を低減するターボ圧縮機及び送風機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のターボ圧縮機あるいは送風機では、羽根車の下流に、運動エネルギを圧力エネルギに変換する羽根なしディフューザや羽根付ディフューザ等のディフューザが設けられている。そして、これらのディフューザの下流には、ディフューザから吐出される流れを集めて需要元へ供給するためにスクロールケーシング、または、多段に形成された機械の場合にはディフューザからの流れを次段に導くための戻り流路が設けられる。
【０００３】
このディフューザの例が、特開平６−２８０７８４号公報、特開平１１−３０１９９号公報および特開平１１−８２３８９号公報に記載されている。この中で、特開平６−２８０７８４号公報には、遠心型羽根車または斜流型羽根車の下流側に、二重の円形翼列状に形成した多重列リブ付きディフューザが記載されている。そして、このリブ付きディフューザは、極めて低角度の流れを持つ領域内に延び、比較的低い高さを持つ低いリブの列と、このリブの後縁の後方に位置する高いリブの列とを備えている。
【０００４】
また、特開平１１−３０１９９号公報には、遠心圧縮機の効率向上を目的として、遠心圧縮機において、インペラを囲繞してディフューザを、このディフューザの外周にスクロールをそれぞれ設けることが記載されている。そして、ディフューザの通路幅と、スクロールの断面積とを独立に可変にしている。
【０００５】
さらに、特開平１１−８２３８９号公報には、遠心圧縮機の効率向上と作動範囲の拡大を目的として、側板側ディフューザ板と心板側ディフューザ板を有するディフューザの流路幅を下流に向けて大きくし、ディフューザのいずれか一方の流路壁面に、流路幅より羽根高さが低くかつ出口における羽根高さが出口流路幅の４０〜６０％である案内羽根を円形翼列状に設けている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のディフューザは、多くが対向する一対のディフューザ板を備えており、その流路幅は下流に向かって一定である。なお、この一対のディフューザ板間に案内羽根が設けられているものもあるが、例えば特開平１１−１１７８９８号公報に記載のように案内羽根の無い羽根無しディフューザも多用されている。羽根無しディフューザを用いた遠心圧縮機は、作動範囲は広いという長所を有するが、その反面効率が低いという短所がある。特に、比速度の高い羽根車段では、図３に示すように羽根車出口の流れの幅方向歪みが大きくなり、羽根無しディフューザを用いると、ターボ圧縮機またはターボ送風機（以下、ターボ圧縮機と呼ぶ）の性能は、案内羽根付きディフューザを用いたときに比較して低い。
これに対して、一対のディフューザ板の間に高さが流路幅とほぼ等しい案内羽根を円形翼列状に設けた、いわゆる羽根付ディフューザが例えば特開平９−１１９３９６号公報に記載されている。この羽根付ディフューザを用いたターボ圧縮機は、中比速度以下の領域では高い性能となる。しかし、高比速度の領域では、やはり羽根車出口流れの歪みが大きいので、案内羽根の羽根前縁における入射角が大きく、入射損失が大きくなり性能向上が困難である。
また、上述した特開平６−２８０７８４号公報、特開平１１−３０１９９号公報および特開平１１−８２３８９号公報には、ディフューザ入口直後のどちらか一方のディフューザ壁面に高さが流路幅より低い案内羽根が設けられている。この形式のディフューザは、高比速度の領域で羽根車出口の幅方向に歪んだ流れを一様化する作用がある。その結果、ディフューザ損失が低減され、ターボ圧縮機の性能は向上する。しかしながら、図４に示すように、ディフューザには周方向に歪んだ変動流れが流入する。この変動流れが大きいと、案内羽根と衝突したときに回転周波数と羽根車の羽根枚数との積である翼通過周波数成分が飛び抜けて大きい騒音を発生する場合があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、ターボ圧縮機の性能は保ったまま、ターボ圧縮機から発生する騒音を低減することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、少なくとも遠心羽根車あるいは斜流羽根車のいずれかの羽根車と、この羽根車の半径方向外方に配置したディフューザとを備え、ディフューザが対向する一対の側板側のディフューザ板と心板側のディフューザ板とを有しているターボ圧縮機において、一対のディフューザ板により形成されるディフューザ流路の軸方向幅を内周端でほぼ羽根車出口幅と等しくし、予め定めた距離ｒａまでは内径側から外径側に向かって円錐状に形成してその軸方向幅を減少させ、そのほぼ一定にし、側板側ディフューザ板の一定流路幅部に流路幅より高さの低い複数の案内羽根を円形翼列状に設けることにより達成される。
【０００９】
そして好ましくは、一定流路幅部が始まる位置を、羽根車出口の平均半径の1.05〜1.15倍にする；案内羽根の前縁位置を、側板から心板側に向けて次第に外径側にする；案内羽根は、側板側の前縁半径位置が一定流路幅部が始まる位置にほぼ等しい；案内羽根の羽根高さは、一対のディフューザ板が形成する一定流路幅部の流路幅の20〜50%とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面によって説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る遠心圧縮機の一実施例の縦断面図であり、図２は、図１のＡ―Ａ視の一部分を示す図である。遠心圧縮機３０は、回転軸２と、この回転軸２に取り付けられた羽根車１と、羽根車１の半径方向外方に配置したディフューザ７とを有している。ディフューザ７は、対向する一対の側板側ディフューザ板４、心板側ディフューザ板５と、側板側ディフューザ板４の流路側に、円形翼列状に形成または取り付けられた複数枚の案内羽根８を備えている。
【００１３】
側板側ディフューザ板４の入口部、すなわち羽根車１の出口側であって流路側の表面１１は、半径方向外方に行くにつれ流路幅を狭くしている。具体的には、側板側ディフューザ板４の入口端部から所定距離ｒａの範囲で側板側ディフューザ板４に円錐面１１を形成する。そして、所定距離ｒａ過ぎたところからは、回転軸２の軸心にほぼ直角な面に側板側ディフューザ板４を形成する。これにより、心板側ディフューザ板５との間で平行流路部１６を形成する。平行流路部１６が始まる半径ｒａを、羽根車出口半径の約１．１倍に設定する。また、平行流路部１６の流路幅を、入口流路幅ｂｉの８０％に設定した。
【００１４】
平行流路部１６に取り付けた案内羽根８の羽根高さ（流路幅方向の高さ）は、平行流路部１６の流路幅の約４０％である。案内羽根８の側板側ディフューザ４付け根部の前縁半径は、平行流路部１６が始まる半径ｒａとほぼ同じである。案内羽根８の前縁半径は、側板から心板側に向って次第に大きくなっている。
案内羽根８の前縁１２の傾き角は、ディフューザ７の入口部に形成された円錐面１１の傾きと同じである。そして、案内羽根８の入口羽根角度βｉおよび出口羽根角度βｏを、平行流路部１６の開始位置ｒａにおける設計流れ角とほぼ等しく設定している。ディフューザ７の下流には、このディフューザ７から吐出された流れを集めるために、スクロールケーシング９が設けられている。
【００１５】
このように構成した本発明によるターボ圧縮機の動作を、以下に説明する。ターボ圧縮機３０を運転すると、作動流体は吸込み管１０から羽根車１に吸込まれ、羽根車内でエネルギを与えられた後、羽根車１から吐き出される。羽根車１から吐き出された高速の流体は、ディフューザ７に流入する。ディフューザ７で減速された作動流体は、スクロールケーシング９に流入する。
【００１６】
ところで、作動流体は羽根車１でエネルギを付与される際に、羽根車出口において、幅方向（軸方向）やピッチ方向（羽根車の外周方向）に歪んだ流れとなる。このとき、羽根車１は回転しているので、静止したディフューザ７にとっては周方向に歪んだ流れが時間的に変動して流入することになる。このような流れが、従来多用されている羽根なしディフューザに流入すると、変動流れは羽根車出口半径の１．１倍程度の半径位置で消滅することは、本発明の発明者らのこれまでの研究で明らかである。そして、羽根なしディフューザ内では、半径方向外方に向かって正の圧力勾配が生じ、幅方向の歪みが増加してディフューザ性能が低下することも判明している。これにより、遠心圧縮機の性能も大幅に低下する。
また、ディフューザの流路幅より狭い高さの案内羽根をディフューザの入口直後から設けたディフューザに変動流れが流入すると、案内羽根により流れが案内され幅方向に流れは一様化される。したがって、ディフューザ性能、ひいては遠心圧縮機の性能が大幅に向上する。しかしながら、案内羽根がディフューザ入口直後から設けられているので、変動流れが案内羽根に衝突して騒音が高くなることがある。
【００１７】
本発明は、このような案内羽根付きのディフューザを有するものに対して有効ならしめるものである。つまり、ディフューザ７に幅方向に歪んだ変動流れが流入すると、ディフューザ７の入口部では流路幅が下流にいくにしたがい狭められているので、流れが増速される。この流れの増速作用により、幅方向に歪んだ流れがある程度一様化される。
【００１８】
また、時間的に変動して流入する流れについては、下流に向って急速に変動が低減する。そして、羽根車出口半径の１．１倍の半径である平行部開始位置ｒａ、すなわち案内羽根前縁位置では、この時間的な変動はほとんど無くなる。したがって、変動の無い流れが、案内羽根８が設けられた平行流路部１６に流入するので、翼通過周波数が飛び抜けて大きい騒音の発生を防止できる。その結果、低騒音のターボ圧縮機を実現できる。なお、案内羽根８により流れが一様化されるので、ディフューザ７の性能が向上し、圧縮機性能も向上する。
【００１９】
上記実施例では、案内羽根８の前縁半径を側板側から心板側に向けて次第に大きくしている。したがって、平行流路部１６が開始する位置ｒａで変動流れが残っていても、変動流れが案内羽根８に衝突する時間が異なり、衝突による騒音が同期せず、大騒音の発生を防止できる。さらに、案内羽根８の前縁１２位置で形成される直線の傾きは、ディフューザ８の入口部に形成した円錐面１１の傾きと同じになっているので、ディフューザの加工が容易である。
【００２０】
図５に、本発明に係るターボ圧縮機の他の実施例の縦断面図を示す。本実施例は、斜流圧縮機の場合である。本実施例が上記実施例と相違するのは、羽根車６が斜流羽根車であるので、心板側ディフューザ板５ａの羽根車出口部に曲面部５ｂを形成したことにある。図１に示した実施例と同様に、側板側ディフューザ板４の入口部には円錐面１１が形成されており、半径方向外方に向かうにつれて流路幅（軸方向距離）が狭くなっている。側板側ディフューザ板４および心板側ディフューザ板５ａにより形成されるディフューザ流路は、圧縮ガスの流れ方向が途中から半径方向に変わるように形成されている。この半径方向に向けられた流路は、平行流路部１６を形成する。平行流路部１６が始まる半径ｒｂは羽根車の平均出口半径ｒ０の約１．１倍である。また、平行流路部１６の流路幅は、羽根車５の外半径の投影線の方向に測った羽根出口幅ｂ０のほぼ８０％である。
【００２１】
心板側ディフューザ板５ａは、羽根車６の出口部で羽根車の心板の傾きにほぼ等しい傾きとなっている。その後、流れ方向が半径方向外向きになるように滑らかな曲面５ｂを形成している。この曲面５ｂは、平行流路部１６が始まる半径ｒｂか、これより内径側で平面部に接続している。
【００２２】
平行流路部１６に取り付けられた案内羽根８の羽根高さ（軸方向高さ）は、その案内羽根があるところの流路幅の約４０％である。そして、案内羽根８の側板側の前縁半径は、平行流路部の開始半径ｒｂとほぼ同じで、前縁半径は側板から心板側に向けて次第に大きくなっている。案内羽根８の入口羽根角度及び出口羽根角度を、平行流路部の開始半径ｒｂにおける設計流れ角にほぼ等しく設定する。
【００２３】
本実施例によれば、羽根車が斜流羽根車で比速度が大きいにもかかわらず、幅方向に歪んだ流れは増速作用により一様化が進み、大騒音の発生を防止できる。また、羽根車出口が回転軸の軸線方向に対して傾斜していても、羽根車の平均半径の１．１倍の位置から案内羽根を設けているので、変動流の影響をほとんどなくすることが可能になる。また、本実施例においても、羽根車から吐出される流れが案内羽根に衝突する時間が案内羽根の高さ方向に変化しているので、同期音による騒音の発生を防止できる。
【００２４】
以上、本発明を実施例により説明したが、心板側ディフューザ板の表面を傾けて円錐面または曲面とし、半径方向外方に向けて流路幅を狭めてもよい。このようにすれば、ディフューザにおける過度の減速を防止できる。また、案内羽根の前縁半径を一定にしてもよい。これは、同期音がそれほど大きくないときや、同期音を他の方法で対策できるときなどに有効である。また、前縁半径を一定にすれば、加工が容易になる。さらに、案内羽根の前縁半径を流路平行部の開始半径より大きくしてもよい。これは、変動流の消滅が遅いときや圧縮機を小型化するために案内羽根を通常設計よりも羽根車出口に近づけるときに有効である。
【００２５】
なお、上記いずれの実施例でも、流路平行部の開始位置を羽根車出口半径または羽根車出口の平均半径の１．１倍としたが、１．０５〜１．１５倍の範囲にすれば、本発明の効果が得られる。同様に、案内羽根の高さを流路幅の４０％および５０％としたが、２０％〜５０％の範囲であれば、本発明の効果が得られる。さらに、ディフューザにおけるの平行流路部の流路幅を羽根車出口幅またはディフューザの入口流路幅の８０％としたが、幅方向流れの歪みの度合いに応じて変更してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、ディフューザの流れが流路の幅方向に一様化されるので、ターボ圧縮機またはターボ送風機の性能が大幅に向上する。それとともに、変動のない流れが案内羽根流路に流入するので騒音が低くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る遠心圧縮機の一実施例の縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図であり、その一部分を示す図。
【図３】羽根車出口における流路幅方向の流れ分布を説明する図。
【図４】羽根車出口における周方向の流れ分布を説明する図。
【図５】本発明に係る遠心圧縮機の他の実施例の縦断面図。
【符号の説明】
１…遠心羽根車、１ａ…側板、１ｂ…羽根、１ｃ…心板、２…回転軸、３…ナット、４…側板側ディフューザ板、５、５ａ…心板側ディフューザ板、５ｂ…曲面または円錐面、６…斜流羽根車、７…ディフューザ、８…案内羽根、９…スクロールケーシング、１０…吸込管、１１…円錐面または曲面、１２…案内羽根前縁、１６…ディフューザ平行流路部、３０…遠心圧縮機。

Claims

少なくとも遠心羽根車あるいは斜流羽根車のいずれかの羽根車と、この羽根車の半径方向外方に配置したディフューザとを備え、前記ディフューザが対向する一対の側板側のディフューザ板と心板側のディフューザ板とを有しているターボ圧縮機において、前記一対のディフューザ板により形成されるディフューザ流路の軸方向幅を内周端でほぼ羽根車出口幅と等しくし、予め定めた距離ｒａまでは内径側から外径側に向かって円錐状に形成してその軸方向幅を減少させ、その後ほぼ一定にし、前記側板側ディフューザ板の一定流路幅部に流路幅より高さの低い複数の案内羽根を円形翼列状に設けたことを特徴とするターボ圧縮機。
前記一定流路幅部が始まる位置を、羽根車出口の平均半径の1.05〜1.15倍にしたことを特徴とする請求項１記載のターボ圧縮機。
前記案内羽根の前縁位置を、側板から心板側に向けて次第に外径側にすることを特徴とする請求項２記載のターボ圧縮機。
前記案内羽根は、側板側の前縁半径位置が前記一定流路幅部が始まる位置にほぼ等しいことを特徴とする請求項２記載のターボ圧縮機。
前記案内羽根の羽根高さは、前記一対のディフューザ板が形成する一定流路幅部の流路幅の20〜50%であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか1項に記載のターボ圧縮機。