JP5082615B2 - 遠心圧縮機及び遠心圧縮機の運転制御方法。 - Google Patents

Description

本発明は、工場等に圧縮空気を供給する為の、或はガスタービン等の内燃機関に圧縮空気を供給する為の遠心圧縮機に関するものである。

遠心圧縮機は、羽根車を高速で回転させ、吸引した気体（例えば空気）に速度エネルギを与え、更に速度エネルギを圧力に変換することで気体を圧縮している。又、産業用圧縮機として、或はガスタービン用の圧縮機として使用される遠心圧縮機には、高圧縮比が要求される。

高圧縮比が要求される遠心圧縮機では圧縮比を高める為に、羽根車の周囲にはディフューザが設けられ、ディフューザの静止翼により前記羽根車から吐出される流体の速度エネルギを更に圧力エネルギに変換し、流体の圧力を高めている。

遠心圧縮機に設けられるディフューザの利点としては、静止翼によって流れを転向し、短い区間で高い昇圧作用が得られる。その一方で、ディフューザによって圧縮流体の流路が制限されることで、流量が増加するとチョーク現象が発生する。チョーク現象が発生すると流速の増大はなくなり、チョーク現象が発生するチョーク限界が遠心圧縮機の大流量側での運転限界となる。

又、小流量側では、羽根車からの吐出流量が減少した場合、ディフューザの静止翼に流入する圧縮流体の角度が変化し、剥離現象を生じる等、流れ状態が不安定となり、サージングを発生する。このサージングを発生する限界が小流量側での運転限界となる。

即ち、前記ディフューザを設けることのデメリットとして、大流量側でチョーク限界、小流量側でサージング発生限界による遠心圧縮機の運転範囲が制限されるという問題を有する。

特開平４−１１６２９９号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、ディフューザを有する遠心圧縮機に於いて、運転条件の緩和を図り、運転範囲を拡大するものである。

本発明は、コンプレッサ翼車と、該コンプレッサ翼車の周囲を囲む様に設けられたディフューザとを有し、前記コンプレッサ翼車の回転により圧縮流体を吐出し、前記ディフューザで昇圧する遠心圧縮機に於いて、前記ディフューザは円周方向所要ピッチで設けられた静止翼を具備し、該静止翼はスロートに臨接する部分を含む部分が切除された第１静止翼と、該切除部分を充足する第２静止翼とから構成され、該第２静止翼は前記第１静止翼に対して可動となっている遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記切除部分は前記第１静止翼の全幅より小さく、前記第２静止翼と前記第１静止翼が設けられている面とは間隙が形成される遠心圧縮機に係り、又前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方が、前記コンプレッサ翼車を収納するハウジングに固定され、前記第１静止翼、前記第２静止翼の他方は前記ハウジングに回転自在に設けられた摺動リングに固定された遠心圧縮機に係り、又前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方を移動させる駆動手段を具備し、該駆動手段はチョークが発生する吐出流量より所定量小さい時点で前記いずれか一方の静止翼を移動させる遠心圧縮機に係り、又前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方を移動させる駆動手段を具備し、該駆動手段はサージが発生する吐出流量より所定量大きい時点で前記いずれか一方の静止翼を移動させる遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、コンプレッサ翼車と、該コンプレッサ翼車の周囲を囲む様に設けられたディフューザとを有し、該ディフューザは円周方向所要ピッチで設けられた静止翼を具備し、該静止翼はスロートに臨接する部分を含む部分が切除された第１静止翼と、該切除部分を充足する第２静止翼とから構成され、該第２静止翼は前記第１静止翼に対して可動である遠心圧縮機に於いて、運転限界に到達する前に前記第２静止翼を前記第１静止翼に対して移動させる遠心圧縮機の運転制御方法に係るものである。

又本発明は、圧縮効率又は断熱効率が所定値となった時点で前記第２静止翼を前記第１静止翼に対して移動させる遠心圧縮機の運転制御方法に係り、又吐出圧力比が所定値となった時点で前記第２静止翼を前記第１静止翼に対して移動させる遠心圧縮機の運転制御方法に係るものである。

本発明によれば、コンプレッサ翼車と、該コンプレッサ翼車の周囲を囲む様に設けられたディフューザとを有し、前記コンプレッサ翼車の回転により圧縮流体を吐出し、前記ディフューザで昇圧する遠心圧縮機に於いて、前記ディフューザは円周方向所要ピッチで設けられた静止翼を具備し、該静止翼はスロートに臨接する部分を含む部分が切除された第１静止翼と、該切除部分を充足する第２静止翼とから構成され、該第２静止翼は前記第１静止翼に対して可動となっているので、前記第２静止翼の可動状態では、スロートがなくなり、チョーク、サージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の運転範囲が拡大される。

又本発明によれば、前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方が、前記コンプレッサ翼車を収納するハウジングに固定され、前記第１静止翼、前記第２静止翼の他方は前記ハウジングに回転自在に設けられた摺動リングに固定されたので、可動側の静止翼は一体に移動する構成であり、前記摺動リングのみを回転すればよく、機構が簡単である。

又本発明によれば、前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方を移動させる駆動手段を具備し、該駆動手段はチョークが発生する吐出流量より所定量小さい時点で前記いずれか一方の静止翼を移動させるので、ディフューザのスロートがなくなり、チョークの発生が抑止される。

又本発明によれば、前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方を移動させる駆動手段を具備し、該駆動手段はサージが発生する吐出流量より所定量大きい時点で前記いずれか一方の静止翼を移動させるので、ディフューザのスロートがなくなり、サージの発生が抑止される。

又本発明によれば、コンプレッサ翼車と、該コンプレッサ翼車の周囲を囲む様に設けられたディフューザとを有し、該ディフューザは円周方向所要ピッチで設けられた静止翼を具備し、該静止翼はスロートに臨接する部分を含む部分が切除された第１静止翼と、該切除部分を充足する第２静止翼とから構成され、該第２静止翼は前記第１静止翼に対して可動である遠心圧縮機に於いて、運転限界に到達する前に前記第２静止翼を前記第１静止翼に対して移動させるので、ディフューザのスロートがなくなり、運転限界が拡大する。

又本発明によれば、圧縮効率又は断熱効率が所定値となった時点で前記第２静止翼を前記第１静止翼に対して移動させるので、チョークの発生が抑止される。

更に又本発明によれば、吐出圧力比が所定値となった時点で前記第２静止翼を前記第１静止翼に対して移動させるので、サージの発生が抑止される等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１に於いて、遠心圧縮機が使用される一例である過給機について概略を説明する。

過給機は、内燃機関の排気ガスのエネルギを利用して遠心圧縮機の羽根車を回転し、空気を圧縮して内燃機関に給気するものである。

過給機は、排気ガスにより回転されるタービン部と、空気を吸入圧縮する遠心圧縮機から構成され、タービン部のタービン翼車と遠心圧縮機のコンプレッサ翼車とは同軸で連結されている。図１中に於いて、１はタービン部、２は軸受部、３は遠心圧縮機を示している。

前記軸受部２の一端側（図１中で左側）に前記タービン部１が設けられ、前記軸受部２の他端側（図１中で右側）に前記遠心圧縮機３が設けられる。

該遠心圧縮機３について略述する。

前記軸受部２に回転自在に支持された回転軸４に、コンプレッサ翼車５が嵌着される。該コンプレッサ翼車５は圧縮機ハウジング６に回転自在に収納され、該圧縮機ハウジング６は前記軸受部２に取付けられる。前記圧縮機ハウジング６は、前記軸受部２に固定される円盤部７と該円盤部７に取付けられるハウジング本体８とから主に構成され、該ハウジング本体８に前記コンプレッサ翼車５と同心に吸気口９が設けられ、又前記コンプレッサ翼車５を収納する空間の周囲には昇圧室１１が形成され、該昇圧室１１と前記コンプレッサ翼車５が収納されている空間とはディフューザ１２を介して連通している。

高温、高圧の排気ガスが前記タービン部１の排気ガス入口１４より流入し、タービン翼車（図示せず）を回転させて排気ガス出口１５より排気される。前記タービン翼車の回転により前記回転軸４を介して前記コンプレッサ翼車５が回転され、前記吸気口９より外気が吸入され、外気は前記コンプレッサ翼車５の回転で圧縮され、更に圧縮流体が前記ディフューザ１２を通過し、通過する過程で昇圧され、前記昇圧室１１に吐出される。圧縮流体は前記昇圧室１１を経て吐出口（図示せず）から吐出される（図２参照）。

次に、前記ディフューザ１２について図２、図３により説明する。

図２は、前記ハウジング本体８を取除き、前記コンプレッサ翼車５と前記ディフューザ１２とを露出させた状態であり、前記コンプレッサ翼車５と前記ディフューザ１２との関係を示している。

前記ディフューザ１２は前記コンプレッサ翼車５の周囲に設けられ、所要ピッチで静止翼１６が設けられ、該静止翼１６は前記コンプレッサ翼車５の回転翼１７とは逆方向に傾斜している。

前記ディフューザ１２に於けるチョーク現象はスロート１８で発生し、該スロート１８は隣接する前記静止翼１６，１６間の最も接近した部分、具体的には図３に見られる様に、１つの静止翼１６の内端から対向する静止翼１６に対して垂線を下した部分がスロート１８となる。該スロート１８が前記静止翼１６，１６間で形成する流路の最も狭小な部分となり、スロート部分で流体が音速に達するとチョーク現象となり、流量は増大しなくなる。即ち、流量増大側での限界となる。

次に、圧縮流体の流量が減少すると、圧縮流体の流れ方向が周方向に倒れていき、その結果、圧縮流体は前記静止翼１６に対して角度を持って前記静止翼１６，１６間に流入する為、圧縮流体の剥離現象が発生し、流体の流れ状態が不安定となり、サージ現象を引起す。

本発明では、前記ディフューザ１２の静止翼１６を原因として発生する上記チョーク現象、サージ現象の発生を抑止する方法として、静止翼の一部を可動として、前記静止翼１６，１６間に形成されるスロート部分の解消を図っている。

以下、図４、図５を参照して具体的に説明する。

前記静止翼１６を固定静止翼２１と可動静止翼２２の分割構造とし、前記固定静止翼２１を前記ハウジング本体８に固定し、前記可動静止翼２２を摺動リング２３に固定する。該摺動リング２３は前記回転軸４と同心の円環状の板であり、前記円盤部７に回転自在に設けられる（図１参照）。

前記固定静止翼２１は、前記静止翼１６の形状から先端部分を所要長さ、所要幅切除した形状であり、略Ｌ字形状となっている。又、切除長さは、前記静止翼１６の全長に対し３０％〜７０％程度、切除幅は前記静止翼１６の全幅に対して３０％〜７０％程度とする。又、前記可動静止翼２２の形状は、前記固定静止翼２１の切除部を充足し、前記静止翼１６の形状を復元する形状となっている。尚、前記固定静止翼２１の切除部分は、少なくとも前記スロート１８を含む様になっている。又、前記固定静止翼２１を可動とし、前記可動静止翼２２を固定としてもよい。

前記摺動リング２３には駆動ピン２４が立設され、該駆動ピン２４は前記円盤部７を貫通して外部に突出している。前記駆動ピン２４が前記円盤部７を貫通する部分は、前記回転軸４の軸心を中心とした円周方向に延びる長孔となっている。前記駆動ピン２４に連結部２５を介してエアシリンダ、ソレノイド等のアクチュエータ（図示せず）が連結され、該アクチュエータにより前記駆動ピン２４を周方向に往復移動させることで、前記摺動リング２３が所要角度で往復回転する様になっている。前記駆動ピン２４、前記アクチュエータ等は前記可動静止翼２２の駆動手段を構成する。

前記摺動リング２３は、前記駆動ピン２４の貫通部分を閉塞し、貫通部分のシールプレートとしても機能する。

図４に於いて、２点鎖線で示す可動静止翼２２の位置は、該可動静止翼２２を移動させた状態を示しており、前記固定静止翼２１と前記可動静止翼２２が一体である状態でチョーク限界、サージング発生限界に到達する前に前記アクチュエータにより、前記可動静止翼２２を移動させる。

該可動静止翼２２が移動した状態では、前記固定静止翼２１と前記円盤部７との間には前記可動静止翼２２の分だけ間隙が生じ、該可動静止翼２２について前記ハウジング本体８との間で前記固定静止翼２１の残置幅分だけ隙間を生ずる。

従って、前記固定静止翼２１，２１間、前記可動静止翼２２，２２間、前記固定静止翼２１と前記可動静止翼２２との間のいずれの場合も、閉塞した流路断面が形成されることはなくなり、前記ディフューザ１２にスロートがなくなる。

図４中、矢印Ａはチョーク限界時での圧縮流体の流れを示し、矢印Ｂはサージ限界時での圧縮流体の流れを示している。

チョーク限界時では、前記スロート１８を形成している前記可動静止翼２２が移動する為、前記スロート１８が解消し、圧縮流体は前記固定静止翼２１を越えて流出する。従って、流速は減速され、チョーク現象は発生しない。

又サージ限界時では、矢印Ｂで示す圧縮流体の逆流現象が発生するが、前記ディフューザ１２には前記静止翼１６による閉塞された流路断面が形成されないので、前記ディフューザ１２（前記静止翼１６）による昇圧作用はなく、該ディフューザ１２を通過することで圧力の伝播が解消され、サージの発生が抑制される。

次に、本発明に係る遠心圧縮機の運転の制御について説明する。

先ず、前記固定静止翼２１、前記可動静止翼２２とを一体とし、従来と同様の静止翼１６とした状態で、圧縮機の性能試験を行い図６、図７に示される様な所要のデータを取得する。

図６は、圧縮機効率を示すものであり、横軸は基準吐出流量Ｑref に対する吐出流量Ｑの比、縦軸は基準圧縮効率ηref に対する運転圧縮機効率ηの比、又は断熱効率を示している。又、図７は、圧力比特性を示しており、横軸は基準吐出流量Ｑref に対する吐出流量Ｑの比、縦軸は吐出流体の圧縮比を示している。又、図６、図７中で示すパラメータＭｕは羽根車の周速を圧縮機入口の全温から算出した音速で割った値であり、回転数に相当する。

チョーク現象の発生抑制についての運転制御、即ち大流量側の運転制御については、圧縮機効率、又は断熱効率に基づき前記可動静止翼２２の可動時期を制御する。図６に示される様に、圧縮機効率比は極大値（１近傍）を過ぎると急激に低下し、チョーク現象が発生したことを示している。従って、圧縮機効率比が急激に低下する直前の、圧縮機効率比、断熱効率を用いて、前記可動静止翼２２の可動時期を決定する。

例えば、圧縮機効率比０．９、断熱効率０．６となった時点でアクチュエータを駆動して前記可動静止翼２２を移動させる。図４に示される様に、前記可動静止翼２２が移動することで、スロートがなくなり、チョーク現象の発生が防止される。尚、前記固定静止翼２１、前記可動静止翼２２による昇圧効果が減少し、圧縮機効率は低下するが、吐出流量は増大し、大流量側での運転範囲が拡大する。

図６に於いて、Ｍｕ＝１．５１での前記可動静止翼２２を移動させた状態での圧縮機効率を破線Ｃで示している。又、図７中、Ｍｕ＝１．５１での前記可動静止翼２２を移動させた状態での圧縮比特性を破線Ｃで示している。

次に、サージ現象の発生抑制についての運転制御、即ち小流量側の運転制御については、圧力比特性に基づいて前記可動静止翼２２の可動時期を制御する。

図７中に於いて、各Ｍｕに於ける圧力比特性の極大値より左側部分の曲線は、サージ限界を示している。サージ限界の直前の圧力比を前記可動静止翼２２の可動時期に設定する。例えば、各Ｍｕに於いて、最大圧力比の９５％で前記可動静止翼２２を移動させる。

該可動静止翼２２を移動させることで、サージ現象の発生が抑制され、より小流量側での運転が可能となる。図７中、前記可動静止翼２２を移動させた場合のサージ限界を破線Ｄで示している。前記可動静止翼２２を移動さることで、サージ限界が小流量側に移動し、小流量側での運転範囲が拡大する。

尚、前記可動静止翼２２は、少なくとも前記スロート１８に臨接する部分を含んでいればよく、前記固定静止翼２１は両端部を残して中央部分が切除され、前記可動静止翼２２は該切除部分を充足する形状であってもよい。

本発明が実施される過給機を示す説明図である。 該過給機のコンプレッサ翼車、ディフューザを示す斜視図である。 ディフューザに於けるスロートの説明図である。 本発明に係る遠心圧縮機のディフューザを示す説明図である。 該ディフューザの静止翼を示す部分図である。 本発明に係る遠心圧縮機の圧縮機効率を示すグラフである。 本発明に係る遠心圧縮機の圧力比特性を示すグラフである。

符号の説明

１ タービン部
２ 軸受部
３ 遠心圧縮機
５ コンプレッサ翼車
７ 円盤部
８ ハウジング本体
１１ 昇圧室
１２ ディフューザ
１６ 静止翼
１７ 回転翼
１８ スロート
２１ 固定静止翼
２２ 可動静止翼
２３ 摺動リング
２４ 駆動ピン

Claims (5)

1. 円盤部とハウジング本体とから構成される圧縮機ハウジング内に収納されるコンプレッサ翼車と、該コンプレッサ翼車の周囲を囲む様に且つ前記円盤部と前記ハウジング本体との間に設けられたディフューザとを有し、前記コンプレッサ翼車の回転により圧縮流体を吐出し、前記ディフューザで昇圧する遠心圧縮機に於いて、
   前記ディフューザは、円周方向所要ピッチで設けられ、前記円盤部と前記ハウジング本体とに掛渡る幅を有する静止翼を具備し、該静止翼はスロートに臨接する部分を含み前記幅より小さい幅で切除された第１静止翼と、切除された部分を充足する第２静止翼とから構成され、該第２静止翼は前記第１静止翼に対して周方向に可動となっていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方が、前記ハウジングに固定され、前記第１静止翼、前記第２静止翼の他方は前記ハウジングに回転自在に設けられた摺動リングに固定された請求項１の遠心圧縮機。
3. 前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方を移動させる駆動手段を具備し、該駆動手段はチョークが発生する吐出流量より所定量小さい時点で前記いずれか一方の静止翼を移動させる請求項１又は請求項２の遠心圧縮機。
4. 前記第１静止翼、前記第２静止翼のいずれか一方を移動させる駆動手段を具備し、該駆動手段はサージが発生する吐出流量より所定量大きい時点で前記いずれか一方の静止翼を移動させる請求項１又は請求項２の遠心圧縮機。
5. コンプレッサ翼車と、該コンプレッサ翼車の周囲を囲む様に設けられたディフューザとを有し、該ディフューザは円周方向所要ピッチで設けられた静止翼を具備し、該静止翼はスロートに臨接する部分を含む部分が切除された第１静止翼と、該切除部分を充足する第２静止翼とから構成され、該第２静止翼は前記第１静止翼に対して可動である遠心圧縮機に於いて、
   圧縮効率又は断熱効率が所定値となった時点で前記第２静止翼を前記第１静止翼に対して移動させることを特徴とする遠心圧縮機の運転制御方法。

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