JP3979033B2 - 多段ターボ圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮効率が高く、かつ低騒音の多段ターボ圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来ケーシング内に回転自在に支承された回転軸に、軸方向に複数段に亘って羽根車を設けた多段ターボ圧縮機においては、羽根車の下流に運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザが設けられる。
前記ディフューザは、互いに対向する一対のディフューザ壁で構成されていて、各ディフューザ壁間の流路幅は、下流に向かって一定となっていると共に、従来の多段ターボ圧縮機には、流路内に案内羽根のない羽根なしディフューザを採用したものと、各ディフューザ壁の間に、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羽根付ディフューザを採用したものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし羽根なしディフューザを採用した多段ターボ圧縮機は、作動範囲が広い反面、圧縮効率が低いという欠点があり、特に比速度の高い羽根車段では、羽根車出口側の流れの幅方向歪みが図８に示すように大きくなるため、羽根なしディフューザを採用した従来の多段ターボ圧縮機は、極端に性能が低いなどの問題があった。
【０００４】
一方羽根付ディフューザを採用した多段ターボ圧縮機は、中比速度以下の領域では高い性能を得られるが、高比速度段では、やはり羽根車出口側の流れの幅方向歪みが大きいため、案内羽根前縁における入射角が大きくなり、その結果入射損失が大きくなって性能が低下するなどの問題があった。
また特公昭６０−８３５９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を設けたディフューザも開示されおり、特に高比速度段では、このディフューザは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ことから、ディフューザ損失が低減されてターボ圧縮機性能は向上すると共に、案内羽根と流路幅の比は３０％〜５０％が良いと記載されているが、多段ターボ圧縮機への適用方法については何も記載されておらず不明であり、多段ターボ圧縮機の性能向上に関しては配慮されていなかった。
【０００５】
さらに各羽根車からは、図９に示すように周方向に歪んだ変動流れが流出するが、羽根付きディフューザは、ディフューザの入口直後に案内羽根が設けられているため、変動流れが案内羽根の前縁と衝突することにより、翼通過周波数（回転周波数×羽根車羽根枚数）の卓越した騒音が高くなるなどの問題もあった。
【０００６】
本発明はかかる従来の問題点を解消するためになされたもので、圧縮効率が高く、かつ低騒音の多段ターボ圧縮機を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため請求項１に記載の多段ターボ圧縮機は、ケーシング内に回転自在に支承された回転軸に、軸方向に複数段に亘って羽根車を設け、かつ各羽根車の出口側に、案内羽根を有するディフューザと、ディフューザにより圧力エネルギーに変換された流体を次段の羽根車へ流入させる戻り流路を設けた多段ターボ圧縮機であって、ディフューザの流路幅に対する案内羽根の高さの比を、羽根車の前段側から後段側へ順次小さくしたものである。
【０００８】
前記構成により、羽根車より吐出された羽根車出口の幅方向に歪んだ流れを、各案内羽根により効率的に一様化することができるためディフューザ損失を低減でき、これによって圧縮効率の向上が図れるようになる。
【０００９】
前記目的を達成するため請求項２に記載の多段ターボ圧縮機は、ケーシング内に回転自在に支承された回転軸に、軸方向に複数段に亘って羽根車を設け、かつ各羽根車の出口側に、案内羽根を有するディフューザと、ディフューザにより圧力エネルギーに変換された流体を次段の羽根車へ流入させる戻り流路を設けた多段ターボ圧縮機であって、ディフューザを、ディフューザの流路幅に対する前記案内羽根の高さの比が同一のグループにグループ分けし、かつ各グループのディフューザ流路幅に対する案内羽根の高さの比を、羽根車の前段側から後段側へ順次小さくしたものである。
【００１０】
前記構成により、羽根車より吐出された羽根車出口の幅方向に歪んだ流れを、各案内羽根により一様化することができるためディフューザ損失を低減でき、これによって圧縮効率の向上が図れると共に、複数の案内羽根をグループにして、グループ毎に案内羽根の高さを流路幅より順次小さくしたことにより、多段ターボ圧縮機の設計や製作が容易となる。
【００１１】
前記目的を達成するため請求項３に記載の多段ターボ圧縮機は、案内羽根の前縁の半径を、案内羽根が突設されたディフューザ壁より流路の中央部側へ向かって順次大きくしたものである。
【００１２】
前記構成により、羽根車より吐出された流体が案内羽根の前端へ達するまでの時間が分散されると同時に、前縁半径が大きい部分では流れの変動が小さくなることから、流体が案内羽根の前縁に衝突することにより発生する翼通過周波数の騒音を低減することができるようになる。
【００１３】
前記目的を達成するため請求項４に記載の多段ターボ圧縮機は案内羽根の前縁の半径を、羽根車の出口半径のほぼ１．１倍に設定したものである、。
【００１４】
前記構成により、羽根車より吐出される流体の流れの変動がほぼ消滅する位置まで案内羽根の前縁が後退されるため、変動流れが案内羽根の前縁と衝突することにより発生する翼通過周波数の騒音を低減することができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳述する。
図１は多段ターボ圧縮機の断面図、図２は多段ターボ圧縮機を構成する各羽根車とディフューザの拡大図、図３は羽根車出口における流路幅方向の流れの歪を示す線図である。
【００１６】
図１に示す多段ターボ圧縮機は、例えば流体を４段に圧縮するターボ圧縮機であって、吸込み口１ａと突出口１ｂを有するケーシング１内に、一対の軸受け２により回転自在に支承された回転軸３を有している。
回転軸３には軸方向に複数段、例えば４段に羽根車４が取付けられていて、これら羽根車４の下流側には、ディフューザ５と、ディフューザ５により圧力エネルギーに変換された流体を次段の羽根車４へ導く戻り流路６が形成されている。
【００１７】
また吸込口１ａよりケーシング１内に流入された流体は、前段から後段へ向って順次圧縮されて体積流量が減少するため、羽根車４の比速度に従って各段の羽根車４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの出口流路１ｃ幅は順次小さく形成されており、これに対応して出口流路１ｃに連通するディフューザ５の流路幅ｂも、図２に示すように前段から後段へ向って順次小さくなっている。
ディフューザ５は、流体の流れ方向に対して前後に対向する一対のディフューザ壁５ａ，５ｂと、上流側（側板側）のディフューザ壁５ａ内面に突設された円形翼列状の案内羽根５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆより構成されている。
【００１８】
ディフューザ５の各案内羽根５ｃないし５ｆは、ディフューザ５の入口付近から突設されていて、各案内羽根５ｃないし５ｆの前縁半径ｒ１は、図２の（イ）ないし（ニ）に示すように一定となっていると共に、各案内羽根５ｃないし５ｆの高さｈと流路幅ｂの比ｈ／ｂは、初段から最終段に向って例えば０．５、０．４、０．３、０．２と順次小さくなるよう設定されており、各案内羽根６ｃないし６ｆの入口羽根角度及び出口羽根角度は、ディフューザ５の入口部の設計流路角とほぼ等しくなっている。
【００１９】
次に前記構成された多段ターボ圧縮機の作用を説明する。
回転軸３に接続された図示しない駆動源により回転軸ｂ３を駆動して、多段ターボ圧縮機の運転を開始すると、吸込み口１ａよりケーシング１内へ吸込まれた流体は、初段の羽根車４ａ内で運動エネルギーが与えられて出口流路１ｃへ吐出される。
出口流路１ｃに吐出された流体は、高速で初段のディフューザ５へと流入され、ディフューザ壁５ａより突設された案内羽根５ｃにより減速されながら圧力エネルギーに変換されて、戻り流路６より２段目の羽根車４ｂへと流入される。
【００２０】
以下流体は、初段と同様な作用で２段目、３段目、４段目の羽根車４ｂ，４ｃ，４ｄにより順次圧縮されながら、ケーシング１の吐出口１ｂに達し、吐出口１ｂに接続された図示しないプラントなどへ供給されるが、各ディフューザ５に設けられた案内羽根５ｃないし５ｆは、高さｈを流路幅ｂより小さくしたことにより、羽根車４より吐出された羽根車出口の幅方向に歪んだ流れを一様化することができ、これによってディフューザ損失が低減されるため、圧縮効率の向上が図れるようになる。
【００２１】
また各ディフューザ５に設けられた案内羽根５ｂないし５ｆの高さｈと流路幅ｂの比ｈ/ｂを、例えば０．５、０．４、０．３、０．２に設定したことにより、次のような作用効果が得られる。
すなわち各段の羽根車４より吐出される流体の幅方向の流れの歪みは、図３の（イ）ないし（ハ）に示すように、比速度の高い前段側ほど大きく、流れの歪みが大きい高比速度段では、案内羽根５ｃの高さと流路幅ｂの比ｈ/ｂは、０．５程度がもっとも効率がよいが、比速度比が低下とともに最高となるｈ/ｂは、小さくなる傾向にあり、比較的流体の歪みが小さい場合に効率が最高になるｈ/ｂは０．２程度であり、ｈ/ｂを０．５にすると、返って効率が低下してしまう。
【００２２】
そこで本実施の形態では、比速度のもっとも高い初段のディフューザのｈ/ｂを０．５とし、以下後段へ向って０．４，０．３，０．２になるように設定しており、これによって全ての段で最高効率で流体の圧縮が行われるため、圧縮機全体の圧縮効率を向上させることができるようになる。
【００２３】
一方図４ないし図７は、ディフューザ５の変形例を示すもので、次にこの変形例を説明する。
なお前記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。
【００２４】
図４に示す変形例では、比速度の高い前段側２段のディフューザ５と、比速度の低い後段側２段のディフューザ５をグループ化して、前段側２段の案内羽根５ｃ，５ｄの高さｈと流路幅ｂの比ｈ/ｂを０．５に、そして後段側２段のｈ/ｂを０．２５に設定したもので、これによって全ての段でほぼ最高効率で圧縮が行われるため、圧縮機全体の圧縮効率を向上させることができると共に、この変形例のように複数の案内羽根５ｃないし５ｆをグループ化して、グループ毎にｈ/ｂを設定することにより、多段ターボ圧縮機の設計や製作が容易となるなどの効果も得られる。
【００２５】
図５に示す変形例は、図４に示す変形例で説明した案内羽根５ｃないし５ｆの前縁半径ｒ１が、ディフューザ壁５ａ側から流路中央側部に向って順次大径となるよう前縁を傾斜させたもので、これによって次のような作用効果が得られる。すなわち各段の羽根車４からは、出口流路１ｃの幅方向や、図８に示すようにピッチ（周）方向に歪んだ流体が吐出されるが、羽根車４が回転して流体を吐出するのに対し、ディフューザ５の各案内羽根５ｃないし５ｆは静止しているため、周方向に歪んだ流体の流れは、時間的な変動流れとなる。
【００２６】
このような流体の流れがディフューザ５へ流入すると、ディフューザ５の入口直後に設けられた案内羽根５ｃないし５ｆの前縁に変動流れが衝突して、翼通過周波数の騒音が発生する原因となる。
しかしこの変形例のように、各室内羽根５ｃないし５ｆの前縁半径ｒ１を、予めディフューザ壁５ａ側から流路中央部側に向って順次大径となるように傾斜させておくことにより、羽根車４より吐出された流体が室内羽根５ｃないし５ｆの前縁へ達するまでの時間が分散されると同時に、前縁半径ｒ１が大きい部分では流れの変動が小さくなることから、流体が案内羽根５ｃないし５ｆの前縁に衝突することにより発生する翼通過周波数の騒音を低減することができるようになる。
【００２７】
図６に示す変形例は、初段の案内羽根５ｃの羽根高さｈと流路幅ｂの比ｈ/ｂを０．５に、そして２段目の案内羽根５ｄのｈ/ｂを０．３に設定し、これら案内羽根５ｃ，５ｄの前縁を、図５に示す変形例と同様に、ディフューザ壁５ａ側から流路中央部へ向って半径ｒ１が大きくなるよう傾斜させている。
【００２８】
また３段目と４段目の案内羽根５ｅ，５ｆはディフューザ壁５ａ，５ｂ間に亘って設けられていて、高さｈと流路幅ｂは同一となっており、各案内羽根５ｅ，５ｆの前縁半径ｒ１は、羽根車４より吐出される流体の流れ変動がほぼ消滅する位置、すなわち羽根車４の出口側半径の約１．１倍に設定されている。
そして案内羽根５ｅ，５ｆの入口側角度は、ディフューザ５の入口部の設計流れ角とほぼ等しく、出口側角度はディフューザ５内で適切な減速がなされるように入口側の角度より大きく設定されている。
【００２９】
前記変形例によれば、幅方向流れの歪みが大きい初段と２段目では、案内羽根５ｃ，５ｄのｈ/ｂが最適に設定されているため最高効率で動作し、また各案内羽根５ｃ，５ｄの前縁の半径が流路幅方向に異なるため、羽根車４より吐出された流体が案内羽根５ｃ，５ｄの前縁に衝突する際に発生する騒音の低減が図れる。
さらに流体の比速度が小さく、流路幅方向の流れの比較的小さい３段目、４段目の案内羽根５ｅ，５ｆは、出口側の羽根角度が入口側より大きく、かつ羽根高さｈと流路幅ｂがほぼ等しく設定されていることから、図５に示す変形例に比べて３段目、４段目の効率が向上するため、圧縮機全体の圧縮効率の向上が図れると共に、変動流れがほぼ消滅する案内羽根５ｅ，５ｆ前縁の半径を羽根車４の出口側半径の約１．１倍としたことにより、羽根車４より吐出される流体の流れの変動がほぼ消滅する位置まで案内羽根５ｃ、５ｄの前縁が後退されるため、変動流れが案内羽根の前縁と衝突することにより発生する翼通過周波数の騒音を低減することができるようになる。
【００３０】
図７に示す変形例は、図４に示す変形例のディフューザ５の案内羽根５ｃないし５ｆの前縁半径ｒ１を、羽根車４の出口側半径ｒ２の約１．１倍としたもので、各案内羽根５ｃないし５ｆの入口側羽根車角度と出口側羽根角度は、ディフューザ５の入口部の設計流れ角度とほぼ等しく設定されている。
この変形例も図４に示す変形例と同様に、全ての段でほぼ最高効率で圧縮が行われるため、圧縮効率が向上すると共に、羽根車４より吐出される流体の流れ変動がほぼ消滅する位置まで各案内羽根５ｃないし５ｆの前縁が後退されるため、流体が案内羽根５ｃないし５ｆの前縁に衝突する際に発生する翼通過周波数の騒音を低減することができるようになる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、ケーシング内に回転自在に支承された回転軸に、軸方向に複数段に亘って羽根車を設け、かつ各羽根車の出口側に、案内羽根を有するディフューザと、ディフューザにより圧力エネルギーに変換された流体を次段の羽根車へ流入させる戻り流路を設けると共に、ディフューザの流路幅に対する前記案内羽根の高さの比を、羽根車の前段側から後段側へ順次小さくしたもので、羽根車より吐出された羽根車出口の幅方向に歪んだ流れを、各案内羽根により一様化することができるためディフューザ損失が低減され、これによって圧縮効率の向上が図れるようになる。
【００３２】
またディフューザを、ディフューザの流路幅に対する前記案内羽根の高さの比が同一のグループにグループ分けし、かつ各グループのディフューザの流路幅に対する前記案内羽根の高さの比を、羽根車の前段側から後段側へ順次小さくしたことから、多段ターボ圧縮機の設計や製作が容易となると共に、案内羽根の前縁の半径を、案内羽根が突設されたディフューザ壁より流路の中央部側へ向かって順次大きくしたことから、羽根車より吐出された流体が案内羽根の前端へ達するまでの時間が分散されると同時に、前縁半径が大きい部分では流れの変動が小さくなることから、流体が案内羽根の前縁に衝突することにより発生する翼通過周波数の卓越した騒音を低減することができるようになる。
【００３３】
さらに案内羽根の前縁の半径を、羽根車の出口半径のほぼ１．１倍に設定したことから、羽根車より吐出される流体の流れの変動がほぼ消滅する位置まで案内羽根の前縁が後退されるため、変動流れが案内羽根の前縁と衝突することにより発生する翼通過周波数の卓越した騒音を低減することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態になる多段ターボ圧縮機の断面図である。
【図２】（イ）ないし（ニ）は本発明の実施の形態になる多段ターボ圧縮機に設けられたディフューザの断面図である。
【図３】（イ）ないし（ハ）は本発明の実施の形態になる多段ターボ圧縮機の羽根車より吐出される流体の幅方向の流れの歪みを示す説明図である。
【図４】（イ）ないし（ニ）は本発明の実施の形態になる多段ターボ圧縮機に設けられたディフューザの変形例を示す断面図である。
【図５】（イ）ないし（ニ）は本発明の実施の形態になる多段ターボ圧縮機に設けられたディフューザの変形例を示す断面図である。
【図６】（イ）ないし（ニ）は本発明の実施の形態になる多段ターボ圧縮機に設けられたディフューザの変形例を示す断面図である。
【図７】（イ）ないし（ニ）は本発明の実施の形態になる多段ターボ圧縮機に設けられたディフューザの変形例を示す断面図である。
【図８】従来の多段ターボ圧縮機の羽根車より吐出される流体の幅方向の流れの歪みを示す説明図である。
【図９】従来の多段ターボ圧縮機の羽根車より吐出される流体の周方向の流れの歪みを示す説明図である。
【符号の説明】
１ ケーシング
３ 回転軸
４ 羽根車
５ ディフューザ
５ａ ディフューザ壁
５ｃ 案内羽根
５ｄ 案内羽根
５ｅ 案内羽根
５ｆ 案内羽根
６ 戻り流路
ｒ１ 案内羽根前縁の半径
ｒ２ 羽根車出口の半径

Claims (4)

1. ケーシング内に回転自在に支承された回転軸に、軸方向に複数段に亘って羽根車を設け、かつ前記各羽根車の出口側に、案内羽根を有するディフューザと、前記ディフューザにより圧力エネルギーに変換された流体を次段の羽根車へ流入させる戻り流路を設けた多段ターボ圧縮機であって、前記ディフューザの流路幅に対する前記案内羽根の高さの比を、前記羽根車の前段側から後段側へ順次小さくしたことを特徴とする多段ターボ圧縮機。
2. ケーシング内に回転自在に支承された回転軸に、軸方向に複数段に亘って羽根車を設け、かつ前記各羽根車の出口側に、案内羽根を有するディフューザと、前記ディフューザにより圧力エネルギーに変換された流体を次段の羽根車へ流入させる戻り流路を設けた多段ターボ圧縮機であって、前記ディフューザを、前記ディフューザの流路幅に対する前記案内羽根の高さの比が同一のグループにグループ分けし、かつ前記各グループの前記ディフューザ流路幅に対する案内羽根の高さの比を、前記羽根車の前段側から後段側へ順次小さくしたことを特徴とする多段ターボ圧縮機。
3. 前記案内羽根の前縁の半径を、前記案内羽根が突設されたディフューザ壁より前記流路の中央部側へ向かって順次大きくしてなる請求項１または２に記載の多段ターボ圧縮機。
4. 前記案内羽根の前縁の半径を、前記羽根車の出口半径のほぼ１．１倍に設定してなる請求項１ないし３の何れか１項に記載の多段ターボ圧縮機。

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