JP3794543B2 - Centrifugal compressor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、分散型発電機あるいは自動車用エンジンまたは船舶の推進機などに用いる圧縮機であって、特に、比較的小型のガスタービンに適用できる遠心圧縮機の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の遠心圧縮機は、図6に示すように、円錐状のハブ1に多数の羽根2を止着した羽根車3が回転軸4の先端部に嵌着してあり、羽根2の始端部が回転軸4の軸線方向に沿って止着され、その後方部を回転方向後方に緩やかに湾曲させて後端部を遠心方向に向って止着してある。そして、羽根2の周部には羽根2の外周端に接近させてケーシング5が設けてあり、ケーシング5の前段部には先端部を拡開した吸込ケーシング6が連結してある。ケーシング5の後方部は羽根2の外周端に沿って末広がり状に形成してあり、ケーシング5の後端部をデイフューザー7に連結してある。デイフューザー7の内部には、圧縮された旋回流を直線流に案内するガイドベーン8が設けてあり、整流となった圧縮気体を渦巻室9に送り出す構造となっている。図7に示す従来の遠心圧縮機は、ポンプの吸込性能を向上させるために、羽根2の始端部を旋回方向に折り曲げてインデューサー2aとしてある。
【0003】
これらの圧縮機は羽根車を囲繞するケーシングの先端部の形状と、羽根車の入口部の面積が性能に重要な影響を与えている。そして、羽根間に流入した風量が圧縮されて限界値以下の流量に減少してくると、圧縮気体の流れが羽根から剥離して、圧力上昇量が不連続的に低下して激しい圧力変動と騒音が起こり、流れの脈動を伴う圧縮機全体の不安定現象であるサージングの原因となっていた。このサージング対策として、吸込ケーシングの前方に入口案内羽根を設け、入口案内羽根の角度と羽根車の回転数を制御して流れの剥離を防止する装置としては、例えば、特開平9−133093号公報に記載してあるように公知である。また、羽根の先端のインデューサーを回転方向に折り曲げてインデューサーに沿って気体流を羽根間に流入させる装置は、例えば、送風機の特開平8−193598号公報に記載してあるように公知である。
【0004】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、前段の入口案内羽根を設けた装置にあっては、羽根車の吸込口に流入する流体の過渡的な変動が軽減できるものであるが、圧力、温度、風量の変動要素が多く構造も複雑となっていた。また、後段の羽根車の先端にインデューサーを設けた装置にあっては、吸込性能がよくなるものであるが、軸心方向から流入した気体を遠心方向に急激に方向転換させるので気体の乱流が起こり、効率が低下するため圧縮機での適用が困難であった。この発明は、羽根車の形状を工夫することにより、吸込性能とバランス効率を向上させた圧縮機を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この発明の要旨とするところは、羽根車の周部に配設したケーシングと、ケーシングの前端に連結して気体を軸心方向から吸引する吸込ケーシングと、羽根車の回転により圧縮した気体を遠心方向外方に導くデイフューザーとからなる圧縮機において、円錐状のハブに巻き掛けた複数枚の羽根の始端部を回転軸心に沿って配設し、羽根の始端側の外周先端部を吸込ケーシングの方向に突設させて、羽根の吸込口の内周部を大きく拡開して羽根の先端部で気体の流入を案内させるもので、吸込性能と容積効率が向上しハブに巻き掛けた複数の羽根でバランス効率がよくなるもので、圧縮された気体の局部剥れが防止され、サージングに起因する振動と騒音がなくなるものである。そして、羽根の始端部を旋回方向にさらに折り曲げてインデューサーとし、このインデューサーの外周先端部を吸込ケーシングの方向に突設させれば、気体が案内されて吸込性能が高められるものである。また、上記ディフューザーに連設したリタンチャンネルを後部ケーシングに連結して、圧縮された気体を後部ケーシングの軸心に沿って導くと共に、後部ケーシングの内部に延設した回転軸にハブを嵌着し、このハブに巻き掛けた羽根の始端部を回転軸心に沿って配設し、その外周先端部を突設させれば、気体の高圧縮が可能となり流体エネルギーを圧力エネルギーに変換して、タービン等の高速回転が可能となるものである。
【0006】
【発明の実施の形態】
この発明に係る圧縮機は、回転軸心に沿って配設した羽根の始端側の外周先端部を吸込ケーシングの方向に突設したので、広い吸込口が形成されて口径も大きくなり、吸込風量が増加して吸込口近傍での吸引効率を高めることが出来るものである。そして、駆動軸に垂直な全ての面において軸対称に羽根がバランスよく配設されて気体にエネルギーを与えるので、体積効率とバランス効率がよいもので、口径を大きくした吸込口から吸引した気体が羽根面から剥れることもなく、吸込性能と吐出し量が増加され、サージングに基づく振動と騒音が防止できるものである。
【0007】
【実施例】
この発明の実施例を図面に基づき詳述すると、まず、図1において、円錐状のハブ1に複数枚の羽根10が等間隔に巻き掛けてあり、羽根10、10間の吸込側の開口が回転軸心に沿って配設され、その吐出側の開口が遠心方向外方に向って配設してある。ハブ1に巻き掛けた羽根10は、回転軸4に垂直な全ての面において軸対称に羽根10がバランスよく配設されて気体にエネルギーを与えるようにしてあり、体積効率とバランス効率が得られるようにしてある。羽根10の始端側の外周先端部10aが吸込ケーシング6の方向に突設させてあり、羽根10の外周先端部10aの内側に広い吸込口が形成されて吸込風量が増加されるようにしてあり、羽根10、10間に流入して圧縮された気体が不連続的に低下することもなく、圧縮された気体が羽根10からの局部剥れが防止され、激しい圧力変動と騒音が防止されるものである。そして、突設させた羽根10の外周先端部10aを設けることにより、回転軸心方向の気体の流れを効率よく羽根10、10間に導入し、終端部の放射状の羽根10が遠心力により流れを外周に送りだすもので、流れの脈動を伴う圧縮機全体の不安定現象であるサージングがなくなるものである。
【0008】
図2に示す遠心圧縮機は、円錐状のハブ1に巻き掛けた羽根10の始端部を旋回方向にさらに折り曲げてインデューサー11とし、その外周先端部11aを吸込ケーシング6の方向に突設してあり、広い吸込口と吸込性能をさらに向上させるようにしてある。図3に示す二段圧縮機は、図1に示す遠心圧縮機の後段に高圧用の遠心圧縮機を設けたものであって、図1に示すディフューザー7に連設したリタンチャンネル12を後部ケーシング13に連結して、圧縮された気体を回転軸4の軸心に沿って導くようにしてある。後部ケーシング13には、後方に延設した回転軸4に嵌着したハブ14に羽根15が巻き掛けて内設してあり、この羽根15の始端側の外周先端部15aが圧縮気体の流入方向に突設してあり、回転軸4の軸心方向から前段で圧縮された気体を高圧側の圧縮機に導くようにしたものである。そして、吸込方向に延設した前段の羽根10の外周先端部10aと後段の羽根15の外周先端部15aがその内側に広い吸込口を形成して吸込風量を増加させるようにしてあり、前段の羽根10、10と後段の羽根15、15間とに流入する気体が圧縮されて、不連続的に低下することがないように吸込性能を向上させて、サージングに基づく振動と騒音が防止できるようにしてある。
【0009】
また、図4に示す二段圧縮機は他の実施例の遠心圧縮機であって、羽根10の始端部にインデューサー11を設けた図2に示す遠心圧縮機と、図3に示す二段圧縮機の高圧側の遠心圧縮機を連結したものである。そして、吸込方向に延設した前段のインデューサー11の外周先端部11aと後段の羽根15の外周先端部15aがその内側に広い吸込口を形成してあり、前段の羽根10、10と後段の羽根15、15間に流入した気体が圧縮されて、不連続的に低下することがないように吸込風量を増加させるようにしてある。なお、符号16はリタンチャンネル12の内部に設けた整流用のガイドベーン、符号17は高圧側のデイフューザー、符号18はデイフューザー17の内部に設けたガイドベーン、符号19は圧縮気体を送り出す渦巻室である。
【0010】
図5は、この発明に係る遠心圧縮機と従来の遠心、斜流、軸流圧縮機との比速度(ns)と効率(η)の関係をあらわす図表であって、この発明は吸込性能向上に有効で、低比速度(ns)側すなわち高速回転側あるいは高圧縮比側の効率向上に効果が大きく、特に遠心圧縮機の場合にその効果が顕著となることを表している。遠心の適用範囲を広げることによって、軸流と遠心の大きな隔たりを狭めたとも見ることができる。即ち、この発明は、遠心圧縮機の大流量化の一助となるもので、分散型発電機あるいは自動車用エンジンとして開発が進められている遠心あるいは斜流圧縮機を用いた比較的小型のガスタービンの小型、軽量化に寄与できるものである。
【0011】
【発明の効果】
この発明に係る遠心圧縮機は上記のように構成してあり、失速の原因となる羽根面からの流れの剥れが吸込み端部と羽根の先端側から発生するものであるが、この発明にあっては、羽根の始端側の外周先端部を吸込ケーシングの方向に突設させて、羽根の吸込口の内周部を大きく拡開して羽根の先端部で気体の流入を案内させるので、吸込風量が増加して羽根間に流入した風量が圧縮されても限界値以下の流量に減少することがなく、羽根面からの気体の局部剥れが防止され、サージングに起因する振動と騒音がなくなるものである。また、羽根の始端部を旋回方向にさらに折り曲げたインデューサーを設ければ、吸込性能が向上するとともに、流れが整いスムーズな流れとなり、旋回失速が発生し難い状態となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明に係る羽根の始端側の先端部を突設させた遠心圧縮機の一部縦断側面図である。
【図2】 同じく、羽根の始端側にインデューサーを設けた他の実施例の一部縦断側面図である。
【図3】 同じく、遠心圧縮機を二段に連設した実施例の一部縦断側面図である。
【図4】 同じく、遠心圧縮機を二段に連設した他の実施例の一部縦断側面図である。
【図5】 この発明に係る遠心圧縮機と従来型の圧縮機の比速度と効率の関係を比較する図表である。
【図6】 従来の遠心圧縮機の一部縦断側面図である。
【図7】 羽根の先端にディフューザー部を設けた従来の遠心圧縮機の一部縦断側面図である。
【符号の説明】
1、14 ハブ
3 羽根車
4 回転軸
5 ケーシング
6 吸込ケーシング
7 デイフューザー
10、15 羽根
10a、15a 外周先端部
11 インデューサー
11a 外周先端部
12 リタンチャンネル
13 後部ケーシング[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compressor used in a distributed generator, an automobile engine, a marine vessel propulsion device, or the like, and more particularly to an improvement of a centrifugal compressor that can be applied to a relatively small gas turbine.
[0002]
[Prior art]
In the conventional centrifugal compressor, as shown in FIG. 6, an impeller 3 in which a large number of
[0003]
In these compressors, the shape of the front end portion of the casing surrounding the impeller and the area of the inlet portion of the impeller have an important influence on the performance. When the airflow flowing between the blades is compressed and decreases to a flow rate below the limit value, the flow of the compressed gas is separated from the blades, and the pressure increase is discontinuously reduced, resulting in severe pressure fluctuations. Noise occurred and caused surging, an unstable phenomenon of the entire compressor accompanied by flow pulsations. As a countermeasure against this surging, an apparatus for preventing the separation of the flow by providing an inlet guide vane in front of the suction casing and controlling the angle of the inlet guide vane and the rotation speed of the impeller is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-133093. As known in the art. Also, a device that bends the inducer at the tip of the blade in the rotation direction and causes a gas flow to flow between the blades along the inducer is known, for example, as described in Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 8-193598. is there.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the apparatus provided with the inlet guide vanes at the front stage, the transient fluctuation of the fluid flowing into the suction port of the impeller can be reduced, but there are many fluctuation elements of pressure, temperature and air volume, and the structure is also It had become complicated. Also, in the device provided with an inducer at the tip of the rear impeller, the suction performance is improved, but the gas flowing in from the axial direction is suddenly changed in the centrifugal direction, so the turbulent flow of gas And the efficiency is reduced, making it difficult to apply in a compressor. An object of this invention is to provide the compressor which improved the suction performance and balance efficiency by devising the shape of an impeller.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is that a casing disposed around the periphery of the impeller, a suction casing connected to the front end of the casing and sucking gas from the axial direction, and a gas compressed by the rotation of the impeller are centrifuged. In a compressor consisting of a diffuser that guides outward in the direction, the starting end of a plurality of blades wound around a conical hub is arranged along the axis of rotation, and the outer peripheral tip on the starting end side of the blade is sucked Projecting in the direction of the casing, widening the inner periphery of the blade suction port to guide the inflow of gas at the tip of the blade, improving the suction performance and volume efficiency, and wrapped around the hub The balance efficiency is improved by a plurality of blades, local peeling of the compressed gas is prevented, and vibration and noise due to surging are eliminated. If the leading end of the blade is further bent in the swivel direction to form an inducer, and the outer peripheral tip of the inducer protrudes in the direction of the suction casing, the gas is guided and the suction performance is enhanced. The retan channel connected to the diffuser is connected to the rear casing to guide the compressed gas along the axis of the rear casing, and the hub is fitted to the rotating shaft extending inside the rear casing. If the start end of the blade wound around this hub is arranged along the rotation axis and the outer peripheral tip protrudes, high compression of gas becomes possible, and fluid energy is converted into pressure energy. A turbine or the like can be rotated at a high speed.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the compressor according to the present invention, since the outer peripheral tip portion on the start end side of the blade disposed along the rotation axis projects in the direction of the suction casing , a wide suction port is formed, the diameter is increased, and the suction air volume is increased. Increases and the suction efficiency in the vicinity of the suction port can be increased. And since the blades are arranged in a well-balanced manner on all surfaces perpendicular to the drive shaft to give energy to the gas, the volume efficiency and the balance efficiency are good, and the gas sucked from the suction port with a large diameter is The suction performance and discharge amount are increased without peeling from the blade surface, and vibration and noise based on surging can be prevented.
[0007]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, in FIG. 1, a plurality of
[0008]
In the centrifugal compressor shown in FIG. 2, the start end of the
[0009]
Further, the two-stage compressor shown in FIG. 4 is a centrifugal compressor according to another embodiment, and the two-stage compressor shown in FIG. 3 and the centrifugal compressor shown in FIG. A centrifugal compressor on the high pressure side of the compressor is connected. And the outer periphery front-end | tip part 11a of the former-stage inducer 11 extended in the suction direction and the outer-periphery front-end | tip part 15a of the back | latter stage blade | wing 15 have formed the wide suction inlet in the inside, and the front | former blade |
[0010]
FIG. 5 is a chart showing the relationship between the specific speed (ns) and the efficiency (η) of the centrifugal compressor according to the present invention and the conventional centrifugal, mixed flow, and axial flow compressor, and the present invention improves the suction performance. It is effective in improving the efficiency on the low specific speed (ns) side, that is, on the high speed rotation side or on the high compression ratio side. By expanding the application range of the centrifuge, it can be seen that the large gap between the axial flow and the centrifuge has been reduced. That is, the present invention helps to increase the flow rate of a centrifugal compressor, and is a relatively small gas turbine using a centrifugal or mixed flow compressor that is being developed as a distributed generator or an automobile engine. Can contribute to the reduction of size and weight.
[0011]
【The invention's effect】
The centrifugal compressor according to the present invention is configured as described above, and the flow separation from the blade surface causing the stall occurs from the suction end and the tip end side of the blade. Then, the outer peripheral tip on the start end side of the blade is projected in the direction of the suction casing, and the inner peripheral portion of the suction port of the blade is greatly expanded to guide the inflow of gas at the tip of the blade. Even if the intake air volume increases and the air volume flowing between the blades is compressed, the flow rate does not decrease to a limit value or less, the gas is prevented from peeling off from the blade surface, and vibration and noise caused by surging are prevented. It will disappear. Further, if an inducer in which the starting end portion of the blade is further bent in the turning direction is provided, the suction performance is improved, the flow becomes smooth and the flow becomes smooth, and the turning stall hardly occurs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially longitudinal side view of a centrifugal compressor in which a leading end portion of a blade according to the present invention is protruded.
FIG. 2 is also a partially longitudinal side view of another embodiment in which an inducer is provided on the leading end side of a blade.
FIG. 3 is also a partially longitudinal side view of an embodiment in which centrifugal compressors are continuously arranged in two stages.
FIG. 4 is also a partially longitudinal side view of another embodiment in which centrifugal compressors are continuously arranged in two stages.
FIG. 5 is a chart comparing the relationship between the specific speed and efficiency of the centrifugal compressor according to the present invention and the conventional compressor.
FIG. 6 is a partially longitudinal side view of a conventional centrifugal compressor.
FIG. 7 is a partially longitudinal side view of a conventional centrifugal compressor in which a diffuser portion is provided at the tip of a blade.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 14 Hub 3 Impeller 4 Rotating shaft 5 Casing 6 Suction casing 7
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