JP4940755B2

JP4940755B2 - 一軸多段形遠心圧縮機

Info

Publication number: JP4940755B2
Application number: JP2006137214A
Authority: JP
Inventors: 博美小林; 日出人野際; 秀夫西田
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: JP2007309154A

Description

本発明は、同一の軸に多数の遠心羽根車が取り付けられた一軸多段形遠心圧縮機に関する。

従来の一軸多段形遠心圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、部分負荷時の効率を向上させるために、案内羽根付きディフューザを有する一軸多段形遠心圧縮機において、戻り羽根とディフューザの案内羽根とを同時に回動させて、戻り案内羽根に流入する流れの入射角の変化に対応させている。

従来の一軸形遠心圧縮機の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、遠心圧縮機を大型化することなく流体の吸込み流量を制御するために、２段の遠心圧縮機において、初段羽根車の上流側に通常使用される可変インレットベーンを配置している。それとともに、２段羽根車の上流側に、流体の流れ方向に対する設置角度を変えることができる可動ベーンを設けている。

また、多段遠心圧縮機の流量を制御する他の方法が特許文献３に記載されている。この公報に記載の多段遠心圧縮機では、この遠心圧縮機に吸込まれたガス流の一部を羽根車に流すことなくバイパスさせ、バイパスさせたガス流を吸込管に噴出して、羽根車への流入ガスに予旋回を与えて流量を制御している。

特公昭６０−２７８４０号公報特開２００３−３０７１９７号公報特開２００３−３２８９９６号公報

上記特許文献１に記載の一軸多段形遠心圧縮機では、各段ごとにディフユーザとリターンチャネルのベーンを同時に回動させているので、高い圧縮機効率を維持しながら、流量を制御できる。しかし各段ごとにベーンを回動させているので、各段のベーンを動かす駆動機構が複雑になる。そのため運転中に万一駆動系に不具合が発生すると、流量を制御できなくなる。プロセス用の多段遠心圧縮機はプラントの重要部分を占めており、きわめて高い信頼性が要求されているので、このような圧縮機を、プロセスガス圧縮機として使用することは困難である。

特許文献２に記載の遠心圧縮機は、冷凍機用の圧縮機であるから、プロセスガス圧縮機のような過酷な使用条件になることが少ない。そのため、遠心圧縮機の吸込み口から吐出口までの間に可動部を設けても、プロセスガス圧縮機ほどの使用条件ではないので、信頼性を確保できる。しかしながら、この圧縮機をプロセスガス圧縮機として使用するためには、温度条件やガス条件等の種々の条件を満足しなければならず、可動部を有するこの特許文献２に記載の圧縮機は、このような条件については十分に考慮されていない。

さらに上記特許文献３に記載の圧縮機では、従来のインレットガイドベーンに代わり、初段羽根車への吸込流れを軸方向流れと旋回流れとから構成し、各流れの流量比を変えて、旋回の強さを変え流量を制御している。しかしこの特許文献３に記載の予旋回の付与方法は、多段圧縮機の初段の流れを制御するものであり、中間段への応用は考慮されていない。したがって、このまま中間段に適用すれば機構構成が複雑になり、圧縮機の信頼性が低下するおそれがある。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、一軸多段形遠心圧縮機において、中間段においても可動機構がなく簡単な構成で流れを制御可能とすることにある。本発明の他の目的は、信頼性が高くしかも高効率で広い作動範囲を有する一軸多段形遠心圧縮機を実現することにある。本発明のさらに他の目的は、遠心圧縮機を大型化せずに、遠心圧縮機内部の流れを制御可能にすることにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、同一の回転軸に備えられた複数の羽根車を、吸込みノズルと吐出ノズルを有するケーシング内に収容した一軸多段形遠心圧縮機において、初段および初段を除く少なくともいずれかの中間段の羽根車の上流側に、この羽根車に流入する流れに予旋回を与える予旋回手段を設け、前記中間段の予旋回手段は外部からガスを導入する導入流路部と、前記導入流路部の下流側であってこの導入流路部に接続する、周方向に流路断面積が徐々に狭くなる２個の渦巻き状の流路部と、この２個の渦巻状の流路部の下流側であって周方向に間隔を置いて配置された複数の固定案内羽根を有する案内羽根流路部とを有し、前記導入流路部から案内羽根流路部を経た流れと前記吸込みノズルから吸込まれたガスの流れとをほぼ前記羽根車の入口で混合して前記羽根車の吸込み流れに予旋回を付与し、前記予旋回手段が有する導入流路部に、この導入流路部から導かれた流れが予旋回流を付与する羽根車とこの羽根車よりも下流段に配置した羽根車のいずれかから吐出される吐出ガスを導く配管を接続し、この配管にバルブを介在させたことにある。

そしてこの特徴において、外部からガスを導入する前記導入流路部は、多段に形成された羽根車の中で初段を除く羽根車のいずれかに、この圧縮機外から前記ケーシングにガスを注入する中間段吸込みノズルと、この中間段吸込みノズルから吸込まれたガスを中間段の羽根車下流に設けた戻り流路の入口側に注入する注気流路とを有するものであってもよく、前記初段の予旋回手段は、初段羽根車の上流側に設けられた可動式の入口案内羽根装置であることが望ましい。

本発明によれば、一軸多段形遠心圧縮機において、中間段の吸込み側に旋回流を付与する流路を形成し、この流路に旋回を付与する翼を設けたので、中間段においても簡単な構成で流れを制御できる。また、旋回流付与流路に設けた翼は固定翼であるから可動機構がなく、信頼性が高くしかも広い作動範囲が得られる。さらに、簡単な副流路と翼を付加するだけであるから、遠心圧縮機を大型化せずに、遠心圧縮機内部の流れを制御できる。

以下、本発明に係る一軸多段形遠心圧縮機のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１に、一軸多段形遠心圧縮機５０の一実施例を縦断面図で示す。一軸多段形遠心圧縮機５０は、長軸の回転軸２に多数の遠心羽根車、この図１では５枚の遠心羽根車４ａ〜４ｅが、軸方向に間隔を置いて固定されて配置されている。回転軸２の両端部には、この回転軸を半径方向に回転自在に支持するラジアル軸受３ａ，３ｂと、この回転軸２に軸方向から作用する荷重を支持するスラスト軸受３ｂが配置されている。

軸方向に最左端の羽根車４ａとラジアル軸受３ａとの間には、機内のガスが機外に漏洩するのを防止する軸封手段２１ａが設けられており、同様に最右端の羽根車４ｅとラジアル軸受３ｂとの軸方向中間部には、軸封手段２１ｂが設けられている。軸封手段２１ａ，２１ｂおよび軸受３ａ〜３ｃ、各段の羽根車４ａ〜４ｅは、ケーシング１内に収容されている。

各段の羽根車４ａ〜４ｅは圧縮段を形成し、それぞれ吸込み流路と吐出流路とを有している。ケーシング１の左端側であって外周部には、機外からこの多段形遠心圧縮機５０にガスを吸込むための吸込みノズル５が形成されている。吸込みノズル５から半径方向内向きに、初段圧縮段の吸込み流路が形成されている。初段圧縮段の吸込み流路の途中には、可動翼型の入口案内羽根装置が設けられている。

初段の吸込み流路は、吸込みノズル５から半径方向に延びる流路部と、初段羽根車４ａの前方に広がる円環状流路部とを有しており、この円環状流路部内には周方向に間隔を置いて複数の入口案内羽根１５が配置されている。各入口案内羽根１５には、反羽根車４ａ側端面に回動軸１６ａが設けられている。すべての回動軸１６ａは、歯車等を含む案内羽根駆動機構１７により、１個のモータ１７ｂの出力軸１７ａに接続されている。

ケーシング１の右端側であって外周部には、この多段形遠心圧縮機５０で発生した圧縮ガスを機外に導くための、吐出ノズル８が形成されている。吐出ノズル５は、最終段圧縮段の吐出流路に形成した渦巻状のスクロール８ａに連通し、半径方向内向きに延びる流路に連通する。なお、最終段の吐出流路では、周方向に間隔を置いて複数の翼が配置されており、羽根付きディフューザを形成している。

最終段を除く各圧縮段の吐出流路は、羽根無しディフューザ部と、この羽根無しディフューザ部の下流側であって、ガスの流れを半径方向外向きから半径方向内向きに変える断面Ｕ字状流路部と、このＵ字状流路部の下流であって周方向に間隔を置いて複数の翼が配置された戻り流路部とを有する。羽根無しディフューザ部は、平行壁面部を有している。各段の羽根車４ａ〜４ｄの背面側と次段羽根車４ｂ〜４ｅとの間には、前段羽根車４ａ〜４ｄの流れが次段羽根車４ｂ〜４ｅへ漏れるのを防止するシール手段が設けられている。

ここで、本発明の特徴である中間段の流れを制御する制御手段の詳細を、以下に説明する。第２段圧縮段の吐出流路２２では、断面Ｕ字状の流路部２２ａが接続される戻り流路部２２ｂの外径側に、このＵ字状流路２２ａとは別に外周側に延びる円環状流路６ｂが接続されている。円環状流路６ｂは、リング状集合部６ａに接続されており、このリング状集合部６ａには、中間段注入ノズル６が接続されている。

第２段圧縮段の戻り流路部２２ｂの内径側端部近傍であって、第３段圧縮段の吸込み側には、この圧縮機５０の吐出ガスをバルブ１１を介して第３段圧縮段に注入する配管１０と連通する流路が形成されている。すなわちケーシング１の外周には、中間段注入ノズル６に隣り合って、配管１０が接続された抽気ガス導入ノズル７が形成されており、抽気ガス導入ノズル７から半径方向内向きに上流側導入流路１２が形成されている。

上流側導入流路１２よりも内径側には、渦巻状に形成された内周側導入流路１３が設けられている。内周側導入流路１３よりも内径側には、周方向に間隔を置いて複数の固定案内羽根１４ａが配置された円環状の吹き出し流路１４が形成されている。吹き出し流路
１４の吹き出し口は、第３段羽根車４ｃの吸込み口の外周付近である。

このように構成した本実施例の一軸多段形遠心圧縮機５０の動作を、以下に説明する。吸込ノズル５から吸込まれた作動ガスは、半径方向内向きの流れ９となって圧縮機５０内を流れ、初段圧縮段の吸込み流路に設けた入口案内羽根１５を通過して、初段羽根車４ａに導かれる。初段羽根車４ａおよび２段羽根車４ｂで圧縮され昇圧した作動ガスは、２段圧縮段の下流に設けた断面Ｕ字状部２２ａを経たところで、中間段注入ノズル６から吸込まれた中間段注入流れ９ａと合流して、戻り流路部２２ｂを半径方向内向きに流れる。

中間段注入流れと合流した作動ガスは、半径方向内向きから軸方向に向かう流れ９ｂとなって、３段羽根車４ｃの吸込み側に導かれる。一方、吐出ノズル８から吐出された圧縮ガスの吐出流れ９ｃの一部は、抽気ガス導入ノズル７に導かれた後、吹き出し流路１４を経て、３段羽根車の吸込み流路に吹き出し流れ９ｆとして吹き出される。

ここで、抽気ガス導入ノズル７から流入した圧縮ガスは、導入流路１２を半径方向内向きに進む流れ９ｄとなり、渦巻状の内周側導入流路１３を旋回して旋回流れ９ｅとなった後、少しずつ半径方向内向きに流れて吹き出し流路１４に導かれる。この詳細を、図２を用いて説明する。図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。

吹き出し流路１４には固定案内羽根１４ａが設けられており、この案内羽根１４ａが吹き出し流れ９ｆに所定の旋回を付与する。旋回が付与された吹き出し流れ９ｆは、第２段圧縮段から流入する作動ガスの流れ９ｂと混合する。そして、第２段圧縮段から流入する作動ガスの流れ９ｂに、旋回成分を与える。この作動ガスの流れ９ｂに与える旋回流れの強さは、吹き出し流れ９ｆの旋回の大きさに依存し、吹き出し流れ９ｆの旋回の大きさは、抽気ガス導入ノズル７から流入する流れ９ｄの流量に依存する。この抽気ガス導入ノズル７に導かれる圧縮ガスの量は、配管１０中に介在させたバルブ１１を用いて容易に制御される。

抽気ガス導入ノズル７から圧縮機５０内に導かれた圧縮ガスおよび吸込みノズル５から圧縮機５０内に導かれた作動ガスは、３段羽根車４ｃの吸込み側で混合し、４段羽根車
４ｄおよび５段羽根車４ｅでさらに昇圧される。その後、吐出ノズル８から機外に流出する。そして上述したように、吐出ノズル８から吐出された圧縮ガスの一部は、抽気ガス導入ノズル７から機内に戻される。中間段、具体的には３段圧縮段の吸込み側の流れを制御する手段を３段圧縮段の上流側に設けているので、一軸多段形圧縮機５０は上流側の第１グループＧ₁と下流側の第２グループＧ₂とから形成されることになる。上流側は低圧段であり、下流側は高圧段である。

本実施例では、上流側である第１グループＧ₁ の圧縮段の流量を入口案内羽根１５を用いて制御し、下流側の第２グループＧ₂ の圧縮段の流量を旋回流れで制御している。このように、多段圧縮機５０を複数のグループに分け、各グループに１ないし複数の圧縮段を含めることにより、各グループごとに制御の方法や手段を適宜設定でき、以下の利点が得られる。

第１グループＧ₁ が有する入口案内羽根１５を初段圧縮段に設けているので、回転軸２の軸端側に近い位置にある。そのため、入口案内羽根１５を駆動する入口案内羽根駆動機１７をもちろん圧縮機５０の外部に配置することができるとともに、入口案内羽根駆動機１７と入口案内羽根１５とを接続する駆動機構１６をケーシング１の端部近傍に配置できるので、万一機械的な不具合が発生しても、容易に修理やメンテナンスできる。

また、機外にあるモータ１７ｂと機内にある入口案内羽根１５とを接続する駆動機構が、中間段に設ける場合に比べて簡素ですむ。さらに遠心圧縮機５０の起動時に、初段羽根車４ａの上流側に設けた入口案内羽根１５をほぼ全閉にして起動すれば、起動負荷を軽減できるという効果もある。

中間段である第２グループＧ₂に、上述した第１グループＧ₁に設けたような駆動機構を設けると、構造が複雑になるばかりでなく軸方向に大きなスペースが必要になる。その結果、遠心圧縮機５０のロータダイナミクスに悪影響を及ぼしかねず、高信頼性が要求される遠心圧縮機の設計が困難になる。

これに対して本実施例によれば、中間段に設ける旋回流れ付与装置は可動部が無く、簡単な構成で済み、信頼性が向上する。また、回転軸の軸方向長さがそれほど長くならないので、ロータダイナミクスに悪影響を及ぼさない。さらに、旋回流れの吹き出し流路に案内羽根を設け、周方向に均一な旋回流を吹き出せるので、初段圧縮段から吸込まれたガスの流れに一様な旋回流れを付与でき、効果的に流量を制御できる。

図３に、図２に示した実施例の変形例を示す。本実施例が図２に示した実施例と異なるのは、抽気ガス導入ノズル７から吸込まれた圧縮ガスの導入流路１２を、分岐壁１３ｃを用いて２個の旋回流路１３ａ，１３ｂに分けたことにある。分岐壁１３ｃで圧縮ガスの流れ９ｄを２個の旋回流れ９ｅに分岐したので、固定案内羽根１４ａが形成する流路に旋回流れ９ｅが周方向から流量を均一化されて流入する。最終的に吸込みノズル５から吸込まれたガスの流れ９ｂに吹き出す流れ９ｆを周方向に一様化し、羽根車４ｃの吸込み流れに均一化された予旋回が付与される。

図４および図５に、本発明に係る一軸多段形遠心圧縮機の参考例を示す。図４は、遠心圧縮機５０の縦断面図であり、図５はそのＢ−Ｂ矢視図である。本参考例が、上記実施例と異なる点は、導入流路１２の下流の内径側をコレクタ形状としたことおよび固定案内羽根１４ａを滑らかな曲線から曲がりの大きい形状にしたことにある。

すなわち、導入流路１２の下流側の内径部は、同一半径位置では軸方向深さが同じである断面台形状の円環流路１８である。導入流路１２から導入された注入ガスの流れ９ｄは、半径方向内向きの流れからこの円環流路１８で周方向に回り込み、固定案内羽根９ｅへ流入する。固定案内羽根１４ａを通過して旋回成分が付与され、旋回流れとして吸込みノズル５から吸込まれ初段および第２段羽根車４ａ，４ｂで圧縮されたガスの流れ９ｂに吹き出す。ここで、固定案内羽根１４ａは、外径側では半径方向を向いており、内径側では旋回を流れ９ｆに付与するように周方向に寝た形状となっており、途中は滑らかな曲線で結ばれている。

本参考例によれば、円環流路１８が同一半径位置で同一軸方向深さを有しているので、製作が容易であり、製作コストを低減できる。また円環流路１８の断面積を充分大きくすると、周方向に均一化された旋回流れが得られる。さらに、固定案内羽根１４ａの内径側形状を吸込みノズル５から吸込まれるガス量に基づいて設定すれば、第３段羽根車４ｃに好適な予旋回を有するガス流を供給できる。

本発明に係る一軸多段形遠心圧縮機のさらに他の実施例を、図６に縦断面図で示す。本実施例が図１に示した実施例と異なるのは、抽気ガス導入ノズル７から注入するガスが圧縮機５０の吐出ガスではなく、中間段注入ノズル６に注入するガスの一部を取り出して用いていることにある。

具体的には、中間段吸込配管１９の途中を分岐し、分岐後の中間段吸込配管１９にはバルブ１１ａを、分岐配管１０にはバルブ１１ｂを設けている。中間段吸込配管１９から吸込まれた流れの一部は、配管１０を通して旋回流れの導入流路１２へ導かれる。この場合、吹き出す旋回流れ９ｆの強さは配管１０を通る分岐流れの流量に依存する。この量は、バルブ１１ｂの開度で決定される。

本実施例によれば、吸込みノズル５から吸込まれたガスの流れである主流９ｂに与える予旋回量をバルブ１１ｂの開度で制御するので、圧縮機の流量およびヘッドを制御できる。また、中間段に流入する流れを利用するので、高圧段を形成する第２グループＧ₂ の吐出ガスから分岐する場合に比べて、流体損失を低減できる。

以上述べた本発明の各実施例および変形例によれば、（１）多段の遠心圧縮機の中間段において、ガスの流れに予旋回を付与し、この予旋回量を制御したので、多段遠心圧縮機を広い作動範囲で高効率に運転できる。（２）中間段に設けた予旋回装置は、構造が簡単で駆動部分がないので、予旋回装置に関わる不具合発生を回避でき、多段遠心圧縮機を極めて高信頼性で運転できる。（３）中間段に設けた予旋回装置は、ガス吹き込みのための装置が簡素であるので短い軸方向スペースしか必要でなく、ロータダイナミクスの点で優れている、等の効果がある。

なお中間段注入ノズルを設けて中間段からガスを注入するようにしているが、中間段注入ノズルは必ずしも必要ではなく、必要に応じて設ければよい。また、多段遠心圧縮機の段数を５段としているが、もちろん５段に限るものではない。さらに予旋回を付与する固定案内羽根を３段羽根車の前に設けているが、これも３段に限るものでなく、また特定の１段だけに設けることに限るものでもない。必要に応じて２段，３段とすることもできるし、連続する２段または間を置いた２段に設けることもできる。このように固定案内羽根の設置位置は、圧縮機の仕様等により適宜定めることができる。

上記実施例では多段圧縮機の吐出ガスを旋回流に用いているが、必ずしも最終段の吐出ガスを用いる必要は無く、予旋回を付与する羽根車の吸込み圧よりも高圧が得られるのであれば、途中段の吐出ガスを用いることもできる。

本発明に係る多段遠心圧縮機の一実施例の縦断面図。図１のＡ−Ａ矢視図。図２に示した多段遠心圧縮機の変形例の横断面図。本発明に係る多段遠心圧縮機の参考例の縦断面図。図４のＢ−Ｂ矢視図。本発明に係る多段遠心圧縮機の他の実施例の縦断面図。

符号の説明

１…ケーシング、２…回転軸、３…軸受、４ａ〜４ｅ…羽根車、５…吸込ノズル、６…中間段注入ズル、７…抽気ガス導入ノズル、８…吐出ノズル、１０…配管、１１…バルブ、１２…上流側導入流路、１３…内周側導入流路、１４…吹き出し流路、１４ａ…固定案内羽根、１５…入口案内羽根、１６…案内羽根駆動機構、１７…入口案内羽根駆動機、
１８…導入流路（円環流路）、１９…中間段吸込配管、５０…圧縮機。

Claims

同一の回転軸に備えられた複数の羽根車を、吸込みノズルと吐出ノズルを有するケーシング内に収容した一軸多段形遠心圧縮機において、初段および初段を除く少なくともいずれかの中間段の羽根車の上流側に、この羽根車に流入する流れに予旋回を与える予旋回手段を設け、前記中間段の予旋回手段は外部からガスを導入する導入流路部と、前記導入流路部の下流側であってこの導入流路部に接続する、周方向に流路断面積が徐々に狭くなる２個の渦巻き状の流路部と、この２個の渦巻状の流路部の下流側であって周方向に間隔を置いて配置された複数の固定案内羽根を有する案内羽根流路部とを有し、前記導入流路部から案内羽根流路部を経た流れと前記吸込みノズルから吸込まれたガスの流れとをほぼ前記羽根車の入口で混合して前記羽根車の吸込み流れに予旋回を付与し、前記予旋回手段が有する導入流路部に、この導入流路部から導かれた流れが予旋回流を付与する羽根車とこの羽根車よりも下流段に配置した羽根車のいずれかから吐出される吐出ガスを導く配管を接続し、この配管にバルブを介在させたことを特徴とする一軸多段形遠心圧縮機。
外部からガスを導入する前記導入流路部は、多段に形成された羽根車の中で初段を除く羽根車のいずれかに、この圧縮機外から前記ケーシングにガスを注入する中間段吸込みノズルと、この中間段吸込みノズルから吸込まれたガスを中間段の羽根車下流に設けた戻り流路の入口側に注入する注気流路とを有することを特徴とする請求項１に記載の一軸多段形遠心圧縮機。
前記初段の予旋回手段は、初段羽根車の上流側に設けられた可動式の入口案内羽根装置であることを特徴とする請求項１に記載の一軸多段形遠心圧縮機。