JP4492045B2 - Centrifugal compressor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクロール流路の断面形状を改良した遠心圧縮機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図4は、従来の遠心圧縮機の一例を示すものである。図4(a)は、従来の遠心圧縮機の断面図である。図4(b)は、従来の遠心圧縮機の部分断面図である。
【0003】
21は、遠心圧縮機である。遠心圧縮機21は、一側(図中の左側)に遠心圧縮機21の外部の空気を吸い込むための吸込口14が設けられたケーシング11と、このケーシング11の他側を塞ぐように取り付けられたケーシングカバー12と、ケーシング11の内部に回転可能に備えられた羽根車13とを備えている。
【0004】
図4(a)に示すように、ケーシング11の外周側の内側には、渦巻き状にスクロール流路22が設けられている。このスクロール流路22の断面積は、所定の割合で変化するように設けられている。スクロール流路22の所定箇所には、空気を遠心圧縮機21の外部へ吐き出すための吐出口18が設けられている。
【0005】
スクロール流路22より径方向の内側には、スクロール流路22に空気を送り込むためのディフューザ流路16が、スクロール流路22に連通して設けられている。このディフューザ流路16より径方向の内側には、流入通路15が設けられている。この流入通路15には、羽根車13が配置されている。この羽根車13は、吸込口14から吸い込んだ空気をディフューザ流路16に送り込む。
【0006】
図示しない駆動源によって羽根車13を回転させると、遠心圧縮機21の外部の空気が、流入通路15に送り込まれ、径方向の外方への速度エネルギが空気に与えられる。
【0007】
この速度エネルギが与えられた空気は、径方向の外方へディフューザ流路16を通って、スクロール流路22に至り、吐出口18より遠心圧縮機21の外部へ吐き出される。このとき、空気は、減速され、速度エネルギが圧力エネルギに変換されて、圧力が上昇する。
【0008】
ところで、遠心圧縮機21においては、スクロール流路22の断面形状は、円形形状で形成されている。また、フレームサイズ(ケーシング11の径方向の長さ)cに制限がある場合は、断面形状を長円形形状とすることもある。このような、遠心圧縮機は、特許文献1等にも記載されている。
【0009】
【特許文献1】
特開平11−287199号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4(b)に示すように、スクロール流路22の断面形状を円形形状とした場合、縦横の最大流路幅の比が大きくなるに従い、小流量域において二次流れ(剥離)n2が発生しやすくなる。この二次流れn2は、一次流れn1と対流するように発生し、一次流れn1と二次流れn2とは互いに緩衝するので、圧縮機性能が低下する。
【0011】
また、スクロール流路22の断面形状を円形形状とした場合には、図心径(回転中心から、断面の図心bまでの長さ)e2(図4(a)参照)が小さくなり、圧縮機性能が低下してしまうことが知られている。
【0012】
ところで、スクロール流路22の断面積を小さくするなどの処置により、小流量域の圧縮機性能を向上させる手法はあるが、大流量域の圧縮機性能が低下してしまう。
【0013】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、大流量域の圧縮機性能を犠牲にすることなく、小流量域での圧縮機性能を向上できる遠心圧縮機を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、渦巻き状に形成されたスクロール流路が設けられたケーシングを備えた遠心圧縮機であって、上記スクロール流路は、軸方向の流路幅が、径方向内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の流路幅の中間点よりも径方向外側で最大となるように形成され、上記スクロール流路の断面形状は、五つの円弧からなり、上記五つの円弧は、上記スクロール流路に空気を送り込むためのディフューザ流路と連通して形成された第一円弧r1と、第一円弧r1に繋げて形成され、上記スクロール流路の外周側を構成する第二円弧r2と、第二円弧r2に繋げて形成され、径方向の内方へと湾曲する第三円弧r3と、第三円弧r3に繋げて形成され、径方向の内方へ延びる第四円弧r4と、第四円弧r4に繋げて形成され、上記スクロール流路の内周側を構成する第五円弧r5とからなるものである。
【0015】
また、上記スクロール流路は、軸方向の最大流路幅d1と、径方向の最大流路幅d2とが同一となるように形成されてもよい。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0017】
図1は、本実施の形態の遠心圧縮機の断面図である。図2は、本実施の形態の遠心圧縮機の部分断面図である。図3は、遠心圧縮機の空気流量−圧力比線図である。
【0018】
図1及び図2において、10は、遠心圧縮機である。図4と同一部材には同一符号を付す。
【0019】
図1に示すように、遠心圧縮機10は、一側(図中の左側)に遠心圧縮機10の外部の空気を吸い込むための吸込口14が設けられたケーシング11と、このケーシング11の他側を塞ぐように取り付けられたケーシングカバー12と、ケーシング11の内部に回転可能に備えられた羽根車13とを備えている。
【0020】
ケーシング11の内部には、吸込口14により大気に開口して、軸方向に延びる流入通路15が設けられている。この流入通路15には、羽根車13が回転可能に備えられている。この羽根車13は、ケーシングカバー12より延出する回転軸19に取り付けられている。この回転軸19は、図示しない駆動源により駆動される。回転軸19とケーシングカバー12との隙間は、シール部材20によりシールされている。
【0021】
流入通路15の径方向の外方には、ディフューザ流路16が、羽根車13を囲むように設けられている。ケーシング11の外周側の内側には、ディフューザ流路16と連通してスクロール流路17が渦巻き状に設けられている。このスクロール流路17の断面積は、所定の割合で変化するように設けられている。スクロール流路17の断面積が最大となる出口部には、空気を遠心圧縮機10の外部へ吐き出すための吐出口18が設けられている。
【0022】
次に、本実施の形態の遠心圧縮機10のスクロール流路17の断面形状について説明する。
【0023】
図2に示すように、本実施の形態の遠心圧縮機10のスクロール流路17の断面形状は、五つの円弧からなる逆お結び形状により形成されている。スクロール流路17の軸方向(図中の横方向)の横流路幅は、径方向の内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の縦流路幅(図中の縦方向)の中間点よりも径方向に外側で最大となるように形成されている。また、スクロール流路17は、軸方向の最大横流路幅d1と、径方向の最大縦流路幅d2とが同一となるように形成されている。
【0024】
五つの円弧は、ディフューザ流路16と連通して形成された第一円弧r1と、その第一円弧r1に繋げて、スクロール流路17の外周側を形成する第二円弧r2と、その第二円弧r2に繋げて、径方向の内方へと湾曲して形成された第三円弧r3と、その第三円弧r3に繋げて、更に径方向の内方へ形成された第四円弧r4と、その第四円弧r4に繋げて形成された第五円弧r5とからなる。
【0025】
五つの円弧は、以下の関係になっている。
【0026】
第二円弧r2と第五円弧r5とは、外周側と内方側とで対向するように配置されている。第二円弧r2は、第五円弧r5より緩やかな円弧により形成されている。第一円弧r1と第三円弧r3とは、第二円弧r2を軸方向に挟んで対向するように配置されている。第一円弧r1は、第五円弧r5より緩やかな円弧で形成されている。第三円弧r3は、第五円弧r5より急な円弧で形成されている。第四円弧r4は、第二円弧r2と第五円弧r5とによって、径方向に挟まれるように配置されている。第四円弧r4は、第二円弧r2と同程度の緩やかな円弧で形成されている。
【0027】
具体的には、第一円弧r1の曲率半径は、羽根車13の直径Dの約5分の1程度とするのが望ましい。その他の円弧r2、3、4、5の曲率半径は、解析や実験等で決定するものとする。
【0028】
ここで、遠心圧縮機10と、図4の遠心圧縮機21とは、フレームサイズ(ケーシング11の径方向の長さ)c及びスクロール流路17、22の断面積は、同一であるものとする。また、遠心圧縮機10のスクロール流路17の断面の図心は、aであり、図心径(回転中心から、図心aまでの長さ)は、e1であるとする。
【0029】
次に、本実施の形態の遠心圧縮機10の動作について、図1を用いて説明する。
【0030】
羽根車13が回転されると、遠心圧縮機10の外部の空気が、吸込口14を介して、流入通路15へと送り込まれる。流入通路15に送り込まれた空気は、羽根車13へと至り、径方向の外方への速度エネルギが与えられる。この速度エネルギが与えられた空気は、ディフューザ流路16を通じて、スクロール流路17へと送り込まれる。
【0031】
このスクロール流路17へと送り込まれた空気は、スクロール流路17において、減速され、速度エネルギが圧力エネルギに変換される。この圧力エネルギを持った空気は、スクロール流路17を周方向へ流れることにより、更に圧力が増加されていく。この圧力が増加された空気は、吐出口18より遠心圧縮機10の外部へと吐き出される。
【0032】
次に、スクロール流路17の断面形状を逆お結び形状としたことの作用を述べる。
【0033】
スクロール流路17の縦横の最大流路幅d1、d2の比が大きくなるに従い、図3で示す、小流量域(サージラインsに近い流量域)mにおいて二次流れ(剥離)n2が発生しやすくなる(図4(b)参照)。本実施の形態の遠心圧縮機10は、スクロール流路17の軸方向の最大横流路幅d1と、径方向の最大縦流路幅d2とが同一となるように形成されているので、二次流れn2は、発生しにくくなる。
【0034】
小流量域において二次流れn2が発生しにくい他の理由として、スクロール流路17とディフューザ流路16との繋ぎ部を緩やかな円弧により形成したことが挙げられる。第一円弧r1を介して、五つの円弧の中で最も緩やかな第二円弧r2に沿って流れる空気は、剥離することなく、速度エネルギを失わずに第三円弧r3に至る。十分な速度エネルギを持った空気は、五つの円弧の中で最も急な第三円弧r3に至っても、剥離はしない。そのため、本実施の形態の遠心圧縮機10では、小流量域において、二次流れn2が発生しにくい。
【0035】
また、スクロール流路17の図心径e1が小さいと、圧縮機性能が低下してしまう。スクロール流路17の断面形状が、円形形状である場合と逆お結び形状である場合とを比較すると、両者とも断面積が同じであれば、空気流量は変わらない。逆お結び形状は、同一断面積の円形形状に比べて、図心径eが必然的に大きくなる。即ち、逆お結び形状を採用すると、フレームサイズcを変更することなく、図心径eを大きくすることが可能である。
【0036】
フレームサイズcが羽根車13の直径Dの3倍以下では、断面の図心径eを大きく取るほど圧縮機性能が向上することは、流れ解析により明らかである。スクロール流路17の断面形状を逆お結び形状とすると、図心径eが大きいので、フレームサイズcが同一のものと比較すると、空気に速度エネルギが十分に与えられるため、圧縮機性能が全ての流量域において向上する。
【0037】
なお、スクロール流路17の断面形状は、軸方向(図中の横方向)の横流路幅が、径方向の内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の縦流路幅(図中の縦方向)の中間点よりも径方向に外側で最大となるように形成されればよく、上述の実施の形態には限定されない。
【0038】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、小流量域において二次流れが発生しないばかりでなく、小流量域及び大流量域において圧縮機性能が向上するという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な実施の形態を示す遠心圧縮機の断面図である。
【図2】本実施の形態の遠心圧縮機の部分断面図である。
【図3】遠心圧縮機の空気流量−圧力比線図である。
【図4】(a)は、従来の遠心圧縮機の断面図である。(b)は、従来の遠心圧縮機の部分断面図である。
【符号の説明】
10 遠心圧縮機
11 ケーシング
12 ケーシングカバー
13 羽根車
17 スクロール流路
e1 図心径
d1 最大横流路幅
d2 最大縦流路幅
r1 第一円弧
r2 第二円弧
r3 第三円弧
r4 第四円弧
r5 第五円弧[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a centrifugal compressor having an improved cross-sectional shape of a scroll channel.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 shows an example of a conventional centrifugal compressor. FIG. 4A is a cross-sectional view of a conventional centrifugal compressor. FIG. 4B is a partial cross-sectional view of a conventional centrifugal compressor.
[0003]
21 is a centrifugal compressor. The centrifugal compressor 21 is attached so as to close the
[0004]
As shown in FIG. 4A, a scroll channel 22 is provided in a spiral shape on the inner side of the outer peripheral side of the
[0005]
A
[0006]
When the
[0007]
The air to which the velocity energy is applied passes through the
[0008]
By the way, in the centrifugal compressor 21, the cross-sectional shape of the scroll flow path 22 is formed in circular shape. When the frame size (the length in the radial direction of the casing 11) c is limited, the cross-sectional shape may be an oval shape. Such a centrifugal compressor is also described in
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-11-287199 [0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown in FIG. 4B, when the cross-sectional shape of the scroll flow path 22 is a circular shape, the secondary flow (separation) n2 in the small flow rate region increases as the ratio of the vertical and horizontal maximum flow path widths increases. Is likely to occur. The secondary flow n2 is generated so as to convect with the primary flow n1, and the primary flow n1 and the secondary flow n2 buffer each other, so that the compressor performance is deteriorated.
[0011]
In addition, when the cross-sectional shape of the scroll flow path 22 is a circular shape, the centroid diameter (the length from the center of rotation to the centroid b of the cross section) e2 (see FIG. 4A) is reduced and compressed. It is known that the performance will be reduced.
[0012]
By the way, there is a technique for improving the compressor performance in the small flow rate region by taking measures such as reducing the cross-sectional area of the scroll flow path 22, but the compressor performance in the large flow rate region is degraded.
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a centrifugal compressor capable of solving the above-described problems and improving the compressor performance in a small flow rate region without sacrificing the compressor performance in a large flow rate region.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is a centrifugal compressor including a casing provided with a scroll channel formed in a spiral shape, wherein the scroll channel has an axial channel width of a diameter. It is gradually enlarged from the inside in the direction to the outside, and is formed so as to become the maximum outside in the radial direction from the midpoint of the radial flow path width . The five arcs are formed by connecting to a first arc r1 formed in communication with a diffuser channel for sending air into the scroll channel, and to the first arc r1. A second arc r2 constituting the outer peripheral side of the first arc r2, a third arc r3 curved inward in the radial direction, and a third arc r3 formed in a radial direction. A fourth arc r4 extending inward and connected to the fourth arc r4 Formed Te, it is made of a fifth arc r5 Metropolitan constituting the inner peripheral side of the scroll passage.
[0015]
Further, the scroll passage is provided with a maximum channel width d1 in the axial direction, and the maximum channel width d2 in the radial direction may be formed to have the same.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0017]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the centrifugal compressor of the present embodiment. FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the centrifugal compressor of the present embodiment. FIG. 3 is an air flow rate-pressure ratio diagram of the centrifugal compressor.
[0018]
1 and 2,
[0019]
As shown in FIG. 1, the
[0020]
In the
[0021]
A
[0022]
Next, the cross-sectional shape of the scroll flow path 17 of the
[0023]
As shown in FIG. 2, the cross-sectional shape of the scroll flow path 17 of the
[0024]
The five arcs are a first arc r1 formed in communication with the
[0025]
The five arcs have the following relationship.
[0026]
The second arc r2 and the fifth arc r5 are arranged to face each other on the outer peripheral side and the inner side. The second arc r2 is formed by a gentler arc than the fifth arc r5. The first arc r1 and the third arc r3 are arranged so as to face each other with the second arc r2 sandwiched in the axial direction. The first arc r1 is formed with a gentler arc than the fifth arc r5. The third arc r3 is formed as an arc that is steeper than the fifth arc r5. The fourth arc r4 is arranged so as to be sandwiched in the radial direction by the second arc r2 and the fifth arc r5. The fourth arc r4 is formed as a gentle arc similar to the second arc r2.
[0027]
Specifically, it is desirable that the radius of curvature of the first arc r1 is about one fifth of the diameter D of the
[0028]
Here, the
[0029]
Next, operation | movement of the
[0030]
When the
[0031]
The air sent to the scroll flow path 17 is decelerated in the scroll flow path 17 and the velocity energy is converted into pressure energy. The air having the pressure energy further increases in pressure as it flows in the circumferential direction through the scroll flow path 17. The air whose pressure has been increased is discharged from the discharge port 18 to the outside of the
[0032]
Next, the operation of changing the cross-sectional shape of the scroll channel 17 to the reverse knot shape will be described.
[0033]
As the ratio of the vertical and horizontal maximum channel widths d1 and d2 of the scroll channel 17 increases, a secondary flow (separation) n2 occurs in a small flow rate region (a flow rate region close to the surge line s) m shown in FIG. This becomes easier (see FIG. 4B). The
[0034]
Another reason why the secondary flow n2 hardly occurs in the small flow rate region is that the connecting portion between the scroll channel 17 and the
[0035]
Moreover, if the centroid diameter e1 of the scroll flow path 17 is small, compressor performance will fall. Comparing the case where the cross-sectional shape of the scroll channel 17 is a circular shape and the case where the cross-sectional shape is the reverse knot shape, if the cross-sectional areas are the same, the air flow rate does not change. Compared to a circular shape having the same cross-sectional area, the centroid diameter e inevitably increases in the reverse knot shape. In other words, when the reverse knot shape is adopted, the centroid diameter e can be increased without changing the frame size c.
[0036]
It is clear from the flow analysis that when the frame size c is three times or less the diameter D of the
[0037]
The cross-sectional shape of the scroll channel 17 is such that the width of the horizontal channel in the axial direction (the horizontal direction in the figure) gradually increases from the inner side to the outer side in the radial direction. What is necessary is just to form so that it may become the outermost in the radial direction rather than the intermediate point of the width | variety (vertical direction in a figure), and it is not limited to the above-mentioned embodiment.
[0038]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, not only the secondary flow does not occur in the small flow rate region, but also an excellent effect that the compressor performance is improved in the small flow rate region and the large flow rate region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a centrifugal compressor showing a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the centrifugal compressor of the present embodiment.
FIG. 3 is an air flow rate-pressure ratio diagram of a centrifugal compressor.
FIG. 4A is a cross-sectional view of a conventional centrifugal compressor. (B) is a fragmentary sectional view of the conventional centrifugal compressor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
上記スクロール流路は、軸方向の流路幅が、径方向内方から外方へかけて徐々に拡大していき、径方向の流路幅の中間点よりも径方向外側で最大となるように形成され、
上記スクロール流路の断面形状は、五つの円弧からなり、
上記五つの円弧は、上記スクロール流路に空気を送り込むためのディフューザ流路と連通して形成された第一円弧r1と、第一円弧r1に繋げて形成され、上記スクロール流路の外周側を構成する第二円弧r2と、第二円弧r2に繋げて形成され、径方向の内方へと湾曲する第三円弧r3と、第三円弧r3に繋げて形成され、径方向の内方へ延びる第四円弧r4と、第四円弧r4に繋げて形成され、上記スクロール流路の内周側を構成する第五円弧r5とからなる
ことを特徴とする遠心圧縮機。A centrifugal compressor including a casing provided with a scroll channel formed in a spiral shape,
In the scroll flow path, the axial flow path width gradually increases from the inner side to the outer side in the radial direction, and is maximized on the outer side in the radial direction from the midpoint of the radial flow path width. It is formed on,
The cross-sectional shape of the scroll channel is composed of five arcs,
The five arcs are formed to be connected to a first arc r1 formed in communication with a diffuser channel for sending air into the scroll channel, and to the first arc r1. A second arc r2 to be formed, a third arc r3 that is connected to the second arc r2 and curved inward in the radial direction, and a third arc r3 that is connected to the third arc r3 and extend inward in the radial direction. A centrifugal compressor comprising a fourth arc r4 and a fifth arc r5 formed to be connected to the fourth arc r4 and constituting the inner peripheral side of the scroll flow path .
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