JP4910872B2

JP4910872B2 - 多段遠心圧縮機

Info

Publication number: JP4910872B2
Application number: JP2007125958A
Authority: JP
Inventors: 秀夫西田; 博美小林; 征将田中; 忠晴岸部; 学八木; 哲也桑野
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: US8287236B2; EP1990544A3; US20080279680A1; JP2008280924A; EP1990544B1; EP1990544A2

Description

本発明は、多段遠心圧縮機に係り、特に遠心羽根車の上流側に環状吸込流路を有する多段遠心圧縮機に好適なものである。

従来の多段遠心圧縮機としては、特開２００６−１５２９９４号公報（特許文献１）に示されたものがある。この多段遠心圧縮機においては、前段の戻り流路出口の流れを羽根入口部に導くための環状吸込流路と、遠心羽根車と、遠心羽根車の下流におかれたディフユーザと、ディフユーザ出口の流体を次段に導くための戻り流路とが設けられている。環状吸込流路では、心板側、側板側流路形状を滑らかな曲線で結ぶとともに、環状吸込流路の目玉部（側板側流路半径が最小になる部分）の流路断面積をこの目玉部から羽根入口部の間で流れが減速しないように羽根入口部の流路断面積より大きく設定している。

特開２００６−１５２９９４号公報

しかしながら、吸込流路を滑らかな形状にし、目玉部の流路断面積を羽根入口部の流路断面積より大きく設定するためには、吸込流路心板側最小半径を小さくする必要がある。そうすると、回転軸の直径も小さくせざるを得ず、回転軸系の危険速度が低下することになる。危険速度が低下すると、圧縮機の運転速度を上げることができないと言う問題があった。

そこで、危険速度の低下を防ぐために、心板側の最小径を大きくすることが考えられるが、吸込み流路を滑らかな形状にし且つ目玉部の面積を羽根入口部より大きく設定すると、羽根車入口の半径が大きくなる。羽根車の入口半径が大きくなると、入口相対速度も大きくなり、羽根車との摩擦損失や減速損失が大きくなり、圧縮機の効率が低くなると言う問題が生ずる。

本発明の目的は、圧縮機の効率を維持しつつ回転軸系の危険速度を低下させることなく、向上できる多段遠心圧縮機を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の態様は、回転軸と、心板、側板、及びそれらの間に円形翼列状に配置された羽根により構成され、前記回転軸に多段に取り付けられた遠心羽根車と、前記遠心羽根車の上流に設けられ、流体の流れを半径方向内向きから羽根入口部に導く環状吸込流路と、前記遠心羽根車の下流に設けられたディフユーザと、前記ディフユーザの下流に設けられたベンド部及び前記ベンド部の下流に設けられた案内羽根部により構成される戻り流路と、を有する多段遠心圧縮機において、前記環状吸込流路の心板側に軸平行部を設け、前記環状吸込流路の側板側半径が最小となる位置の流路断面積を前記羽根入口部の流路断面積より小さくし、前記環状吸込流路の側板側半径が最小となる位置の流路断面積が前記羽根入口部の流路断面積の７０％〜９５％にしたことにある。

係る本発明の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記環状吸込流路の心板側流路形状を前記軸平行部と曲線部とで形成したこと。
（２）前記環状吸込流路の側板側半径が最小となる位置の流路平均流速が前記羽根入口部の平均流速の１．４５倍〜１．０５倍にしたこと。

係る本発明の多段遠心圧縮機によれば、回転軸系の危険速度を低下させることなく、圧縮機の効率を向上できる。

以下、本発明の一実施例に係る多段遠心圧縮機を図１から図３を用いて説明する。図１は本実施例の多段遠心圧縮機の要部縦断面図、図２は従来の環状吸込流路形状を有する羽根車断面の流れ解析による速度ベクトル図、図３は図１の環状吸込流路形状を有する羽根車断面の流れ解析による速度ベクトル図である。

多段遠心圧縮機５０は、回転軸１と、心板４ｂ、側板３ｂ、及びそれらの間に円形翼列状に配置された羽根２ｂにより構成された遠心羽根車５ｂと、遠心羽根車５ｂの上流に設けられ、流体の流れを半径方向内向きから羽根入口部１４に導く環状吸込流路６ｂと、遠心羽根車５ｂの下流に設けられたディフユーザ９ｂと、ディフユーザ９ｂの下流に設けられたベンド部１０ｂ及びベンド部１０ｂの下流に設けられた案内羽根部１１ｂにより構成される戻り流路１３ａと、を備えている。

なお、図１では、多段遠心圧縮機５０における２段目の遠心羽根車５ｂを主体に示しており、各構成要素に付いているアルファベットａ、ｂ、ｃは１段目からの順番を示している。以下の説明では、２段目を代表して説明する。

回転軸１は、両側を軸受で支持され、駆動源に接続されて高速で回転される。回転軸１には遠心羽根車５ｂ、５ｃが多段に取り付けられている。遠心羽根車５ｂ、５ｃは流体を軸方向から吸込んで径方向に吐出する。

遠心羽根車５ｂの両側には、一対の仕切り板１２ｂ、１７ｂが設けられている。羽根車５ｂの半径方向外方には、向き合う一対の仕切り板１２ｂ、１７ｂにより構成されたディフユーザ９ｂが設けられている。ディフユーザ９ｂの出口側には、仕切り板１２ｂとケーシング８とにより構成されたベンド部１０ｂと、仕切り板１２ｂとケーシング８の仕切り部８ｂとにより構成された案内羽根部１１ｂとから戻り流路１３ｂが構成されている。案内羽根部１１ｂには、複数の案内羽根が設けられている。

前段の戻り流路１３ａの出口部１９ａと羽根入口部１４ｂとの間には、前段仕切り板１２ａ、仕切り部８ａ、心板側スリーブ７ｂ、心板４ｂ、及び側板３ｂで構成される環状吸込流路６ｂが設けられている。吸込流路６ｂの側板側流路表面は滑らかな曲線になっている。環状吸込流路６ｂの心板側流路表面は、入口側が滑らかな曲線部で構成され、その途中から軸平行部１５ｂで構成され、その軸平行部１５ｂから羽根入口部１４の間が滑らかな曲線部で構成されている。

また、環状吸込流路６ｂの目玉部１６ｂ（側板側半径が最小となる位置）の流路断面積は、羽根入口部１４ｂの流路断面積より小さく、具体的には羽根入口部１４ｂの流路断面積の７０％〜９５％程度としてある。この場合、環状吸込流路の目玉部１６ｂの平均流速は羽根入口部１４ｂの平均流速の１．４５倍〜１．０５倍（１／０．７〜１／０．９５）となる。

前段戻り流路１３ａの出口部１９ａの半径方向内向き流れは、環状吸込流路６ｂにより羽根入口部１４ｂに導かれ、羽根車５ｂの羽根２ｂに吸込まれる。羽根車５ｂの羽根２ｂで昇圧された流体は、ディフユーザ９ｂで減速されて運動エネルギが圧力エネルギに変換された後、戻り流路１３ｂにより半径方向外向き流れから半径方向内向きの流れに変更され、次段環状吸込流路６ｃに導かれる。次段環状吸込流路６ｃに導かれた流体は、次段遠心羽根車５ｃで昇圧されてディフユーザ９ｃに吐出される。

本実施例では、環状吸込流路６ｂの心板側流路表面に軸平行部１５ｂを設けたので、従来の心板側流路表面を滑らかにした場合よりも、心板側流路表面の最小半径を大きくすることができる。これによって、回転軸系の危険速度を上昇させることができ、圧縮機を高速運転して圧縮能力を高めることができる利点がある。また、軸径を大きくすることができるので多段圧縮機の段数を増やすことが可能となる。

さらに、本実施例において、従来の環状吸込流路の心板側流路表面を滑らかにした場合と同じ最小半径にした場合には、羽根入口部の半径を従来例よりも小さくできるので、羽根入口部の相対速度が低下して羽根車損失が減少し、羽根車効率、ひいては圧縮機効率を従来例よりも向上することができる。

本実施例では、環状吸込流路６ｂの心板側流路表面に軸平行部１５ｂを設けているので流体の流れが乱れること、環状吸込流路６ｂの目玉部１６ｂの流路断面積を羽根入口部１４ｂの流路断面積よりも小さくしているのでこの区間で流れが減速されることから損失が増加する心配がある。

そこで、実際に従来形状と本実施例の環状吸込流路形状で粘性流れ解析を実施した。図２には従来の環状吸込流路形状を有する場合、図３には本実施例の環状吸込流路形状を有する場合の、羽根車断面の速度ベクトル分布を示す。本実施例の環状吸込流路形状の速度ベクトルを見ると、従来の環状吸込流路形状の速度ベクトルと同様に大きな乱れは見られず、良好な速度ベクトル分布となっている。

また、本実施例の環状吸込流路形状と従来の環状吸込流路形状を有する遠心圧縮機の性能（粘性解析計算値）を比較した結果を図４に示す。図４から明らかなように、両者の効率、断熱ヘッドはほぼ同じになっている。

さらには、本実施例では、目玉部１６ｂの流路断面積を羽根入口部１４の流路断面積の７０％〜９５％と小さく設定しているので、従来の滑らかな形状の環状吸込流路の場合や、単に環状吸込流路の心板側流路面に軸平行部を設けた場合よりも、さらに心板側流路表面の最小半径を大きくすることができる。これによって、圧縮機を高速運転できる利点や圧縮機効率向上の利点が増加することになる。

なお、目玉部１６ｂの流路断面積を羽根入口部の流路断面積の７０％より小さくすると、環状吸込流路側板側流路壁面より流れが剥離して圧縮機性能が低下する。

以上、本発明の一実施例について説明したが、曲線部が軸方向平行部のどちらか一方であってもよい。

本発明の一実施例の多段遠心圧縮機の要部縦断面図である。従来の環状吸込流路形状を有する羽根車断面の流れ解析による速度ベクトル図である。図１の多段遠心圧縮機の環状吸込流路形状を有する羽根車断面の流れ解析による速度ベクトル図である。図１の多段遠心圧縮機の環状吸込流路形状を有する遠心圧縮機と従来形状の環状吸込流路を有する遠心圧縮機の性能予測結果比較図である。

符号の説明

１…回転軸、２ｂ…羽根、３ｂ…側板、４ｂ…心板、５ｂ…遠心羽根車、５ｃ…次段遠心羽根車、６ｂ…環状吸込流路、６ｃ…次段環状吸込流路、７ｂ…スリーブ、８…ケーシング、８ａ…前段仕切り部、８ｂ…仕切り部、９ｂ…ディフユーザ、１０ｂ…ベンド部、１１ｂ…案内羽根、１２ｂ…仕切り板、１３ａ…前段戻り流路、１３ｂ…戻り流路、１４ｂ…羽根入口部、１５ｂ…軸平行部、１６ｂ…目玉部、１７ｂ…仕切り板、１９ａ…出口部。

Claims

回転軸と、
心板、側板、及びそれらの間に円形翼列状に配置された羽根により構成され、前記回転軸に多段に取り付けられた遠心羽根車と、
前記遠心羽根車の上流に設けられ、流体の流れを半径方向内向きから羽根入口部に導く環状吸込流路と、
前記遠心羽根車の下流に設けられたディフユーザと、
前記ディフユーザの下流に設けられたベンド部及び前記ベンド部の下流に設けられた案内羽根部により構成される戻り流路と、を有する多段遠心圧縮機において、
前記環状吸込流路の心板側に軸平行部を設け、
前記環状吸込流路の側板側半径が最小となる位置の流路断面積を前記羽根入口部の流路断面積より小さくし、
前記環状吸込流路の側板側半径が最小となる位置の流路断面積が前記羽根入口部の流路断面積の７０％〜９５％にしたことを特徴とする多段遠心圧縮機。
請求項１において、前記環状吸込流路の心板側流路形状を前記軸平行部と曲線部とで形成したことを特徴とする多段遠心圧縮機。
請求項１または２において、前記環状吸込流路の側板側半径が最小となる位置の流路平均流速が前記羽根入口部の平均流速の１．４５倍〜１．０５倍にしたことを特徴とする多段遠心圧縮機。