JP5098868B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本願発明は、遠心圧縮機において、インペラの外周に配設されたディフューザの構成に関するものである。

遠心圧縮機においては、低流量運転時から高流量運転時までの広い作動範囲を確保することが重要な課題の１つである。しかし、低流量運転時ではディフューザ入口のストールにより気体の逆流が発生し、安定した運転が困難であるという問題がある。このような問題の解決手段として、例えば特許文献１あるいは特許文献２に示される技術が知られている。

特許文献１に開示された遠心圧縮機は、ディフューザを形成する平行なディフューザ壁の内、一方のディフューザ壁を他方のディフューザ壁に向けて移動可能に構成したものである。具体的には、ディフューザを画成する一対の壁部のうち、一方の壁部に移動壁部を形成し、３個のボールを介して支持する。移動壁部は電気的に作動するアクチュエータによってインペラの支軸方向に移動可能である。また、移動壁部の背面と一方の壁部の間に弾性体からなるシール部材が介在され、インペラにより加速された空気がスクロール部にショートパスしないようにしている。従って、特許文献１では、遠心圧縮機は低流量運転時に移動壁部が移動してディフューザの通路幅を適切な状態に制御するため、ストールが抑制され、低流量運転時のディフューザ効果を得ることができると説明している。

特許文献２に開示された遠心圧縮機は、ボリュートに供給された気体の一部をディフューザに還流し、ディフューザ内の半径方向に向かう気体の速度成分を増加するように構成したものである。低流量運転時、ディフューザの気体の流れは半径方向の速度成分が周方向の速度成分に比較して大幅に小さくなる。半径方向に流れる一部の気体はディフューザ内の圧力勾配に対抗できなくなるため、前記したストールの発生により逆流する恐れがある。しかし、前記ディフューザと前記ボリュートとの間に設けた還流通路はボリュートの気体の一部を前記ディフューザへ還流する。ディフューザ内の半径方向に流れる気体は還流通路から供給される気体の速度成分が加算されるため、ディフューザの半径方向の圧力勾配に対抗できる運動エネルギーを得ることができる。従って、特許文献２では、遠心圧縮機は前記構成によりディフューザにおけるストールが抑制され、低流量運転時の運転が可能になると説明している。

特開平４−４７１９９号 特開２００６−１５２９７２

特許文献１は、ディフューザ壁に移動壁部を形成し、また移動壁部を駆動するアクチュエータを設ける必要がある。従って、ディフューザ効果を得るために外部エネルギーの供給によりディフューザ内の気体の圧力上昇を補う必要があるため、遠心圧縮機全体としてはエネルギー効率が低下するという問題がある。しかも、低流量運転時にディフューザの通路幅を適切な状態にするため、遠心圧縮機は極めてシビアな制御を必要とし、機械的な構造及び操作性において複雑な構成にならざるを得ないという問題がある。

特許文献２は、ボリュートの気体の一部をディフューザに戻す構成である。即ち、ディフューザ及びボリュートにおいて一度圧力を高めた気体という外部エネルギーをディフューザに戻す構成であるため、特許文献１と同様にエネルギーのロスが発生し、遠心圧縮機全体のエネルギー効率が低下するという問題がある。

本願発明は、遠心圧縮機において、簡単な構成により低流量運転時におけるストールの発生を遅らせ、低流量運転時から高流量運転時までの広い作動範囲を確保することを目的とする。

請求項１に記載の本願発明は、ケーシングに支持された回転軸にインペラが固定され、前記インペラの前記回転軸に対して半径方向周囲に配置されるディフューザが一対の対向するディフューザ壁により形成されている遠心圧縮機において、
前記ディフューザ壁の少なくとも一方に前記インペラの回転によって前記ディフューザへと供給される気体の流れによって回転する回転ローラを配設し、前記回転ローラの周面の一部を前記ディフューザに臨ませ、前記回転ローラの中心軸は前記インペラの半径方向に直交することを特徴とする。

請求項１記載の本願発明によれば、簡単な構成により低流量運転時のディフューザにおけるストール発生を抑制することができ、低流量運転時から高流量運転時までの広い範囲にわたって遠心圧縮機を作動することができる。また、外部エネルギーを必要とすることがないので、遠心圧縮機のエネルギー効率の低下を防止することができる。

請求項２に記載の本願発明は、前記回転ローラを前記ディフューザ壁に刻設された溝に収容し、前記インペラの半径方向において２箇所形成される前記ディフューザ壁と前記溝の上縁との接点のうち少なくとも一方の接点を前記回転ローラの周面上方位置に配設したことを特徴とするため、ディフューザ内の気体の流れが回転ローラを収容する溝によって阻害されることは無い。

請求項３に記載の本願発明は、前記ディフューザ壁に刻設された溝は前記回転ローラよりも大径の断面円形溝により構成したことを特徴とするため、最も簡単な構成で請求項２の効果を得ることができる。

請求項４に記載の本願発明は、前記ディフューザに臨む前記回転ローラの周面は前記ディフューザ壁の壁面の延長線上に一致させたことを特徴とするため、ディフューザ内の気体の流れを阻害することが無く、前記ディフューザ壁側の気体の流れを最も効果的に助勢することができる。

請求項５に記載の本願発明は、前記回転ローラは前記ディフューザの周方向の複数箇所に配設したことを特徴とするため、ディフューザの周方向の複数箇所で気体の流れを助勢することができ、半径方向の速度成分を効率良く増加することができる。

請求項６に記載の本願発明は、前記回転ローラは、前記一対のディフューザ壁にそれぞれ配設したことを特徴とするため、両ディフューザ壁側において気体の流れを助勢することができ、より低流量運転領域でのストール発生を抑制することができる。

本願発明は、簡単な構成により低流量運転時におけるストールの発生を遅らせることができ、低流量運転時から高流量運転時までの広い作動範囲を確保することができるとともに外部エネルギーを必要としないので、遠心圧縮機のエネルギー効率の低下を防止することができる。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
本願発明の遠心圧縮機のケーシングは、第１ケーシング１と第２ケーシング２を接合することによって構成されている。第１ケーシング１の半径方向に延びるケーシング壁３には、回転軸４がシール機能付軸受５を介して回転可能に支持され、図示しない適宜手段により駆動される。回転軸４にはインペラ６のディスク７が固定されている。インペラ６の外周囲には、ディフューザ８が配置され、ケーシング壁３の半径方向外周側の壁がディフューザ８を形成する一方のディフューザ壁９を形成している。なお、インペラ６は図２に示すように、ディスク７の外周面に８枚形成されており、回転軸４の駆動により矢印方向へ回転される。

第２ケーシング２は、内部にインペラ６を収容する漏斗状の空間１０と空間１０の上流側（図１の左側）に、同径の流路１１及び漏斗状に拡径する吸入口１２とを備えている。
第２ケーシング２の外周壁１３の内部に配置された環状の壁１４はディフューザ８を形成する他方のディフューザ壁を形成している。ディフューザ壁１４の背面は第２ケーシング２の外周壁１３との間にボリュート１５を形成する。また、ディフューザ壁１４の外周面と第２ケーシング２の外周壁１３内周面との間には、ディフューザ８とボリュート１５とを連通する環状空間１６が形成される。なお、ボリュート１５は図示しない吐出口に連続している。

従って、インペラ６の回転により吸入口１２から吸い込まれた気体はインペラ６によって加えられる遠心力によって圧縮されながら半径方向外周に配置されたディフューザ８へ供給される。ディフューザ８において圧縮された気体は環状空間１６からボリュート１５へ流れ、ボリュート１５内でさらに圧縮されながら図示しない吐出孔に達する。

一方、ディフューザ壁９のディフューザ８に隣接する壁面１７には、図１及び図３に示すように、ディフューザ８の入口側において断面円弧状の溝１８が刻設されている。溝１８は図２に示すように、ディフューザ８の周方向４箇所に設けられている。各溝１８はその長手方向がディフューザ８の半径方向に対して直交するように配設され、その内部に長軸状の回転ローラ１９がディフューザ８の半径方向に対して直交する配置で収容されている。

各回転ローラ１９の中心軸２０は溝１８の内壁面に回転可能に支持され、回転ローラ１９に加えられる小さな力でも自由に回転するように設計されている。回転ローラ１９はディフューザ８に臨む周面２１が、図１及び図３に示すように、ディフューザ壁９の壁面１７の延長線上に一致するように配設されている。従って、溝１８は上記のように配設された回転ローラ１９が自由回転可能となる深さの円弧で形成されている。また、壁面１７と溝１８の上縁との接点２２、２３はディフューザ８に臨む周面２１を除いた回転ローラ１９の他の周面上方位置まで延出し、溝１８を可能な限り覆うように構成されている。

回転ローラ１９の設置は、例えば次のような方法により行うことができる。図２に仮想線で示すように、壁面１７の一部を溝と同溝を覆うカバー２４により形成する。壁面１７の溝側には溝１８の半割部分を形成し、カバー２４側には溝１８の残りの半割部分を形成する。取り付け手順は、回転ローラ１９を壁面１７の溝に装着した後、回転ローラ１９を覆うようにカバー２４を装着し、カバー２４を接着あるいはねじ止め等の手段により壁面１７に固定する。回転ローラ１９の取り外しは上記と逆の手順で行えばよい。なお、回転ローラ１９の設置方法は、上記のカバー２４の構成を壁面１７と反対側のケーシング壁３の壁面において形成することもできる。このように、ディフューザ８に対して反対側から装着する方法を取れば、壁面１７にカバー２４との接続部を形成せずに済むので構成し易い。

以上のように構成した第１の実施形態の作用について以下に説明する。
遠心圧縮機の起動時や減速時等の低流量運転時、インペラ６から流出する気体の流れは図２に示したインペラ６の周方向の速度成分Ｂが主となり、半径方向の速度成分Ｃは小さい。このため、ディフューザ８に供給される気体、特にディフューザ壁９及び１４に沿って流れる気体は壁面の通路抵抗により図４に示した速度分布の符号Ｄのように低い流速となる。気体の流速が一定速度以下になるとディフューザ８における圧力勾配が逆転し、ストールが発生する。

しかし、第１の実施形態においては、ディフューザ８に流入したディフューザ壁９側の気体は、気体の持つ動圧（運動エネルギー）が回転ローラ１９の周面２１に作用し、回転ローラ１９を回転する。回転ローラ１９がディフューザ８の半径方向に回転するため、図２の速度成分Ｂを持つ周方向の気体の流れは回転ローラ１９に乗ることにより半径方向の速度成分Ｃを主とする流れに偏向される。このため、ディフューザ壁９の壁面１７に沿う半径方向の気体の流れが増加する。

また、回転ローラ１９の周面に乗った気体は、通路抵抗を受けることなくディフューザ８の半径方向に流れる。即ち、通路抵抗による気体の減速は固定された壁面との摩擦により気体がスリップしない状態と考えられるが、回転ローラ１９によって形成された壁面は気体がスリップした場合と同じ状態を作り出すことができる。このため、気体は減速することなく流れるとともに、さらに回転ローラ１９の回転による加速を受けた状態となる。

上記の作用により、ディフューザ壁９の壁面１７側の気体は図４の符号Ｅで示した速度分布のように、半径方向に高い速度で流れるため、低流量運転においてもストールを発生することが無く、ディフューザ効率を高めることができる。従って、回転ローラ１９はストールの発生をより低い流量域にまで遅らせることができるので、高流量域から低流量域に至る遠心圧縮機の運転範囲をより広げることができる。

なお、ディフューザ８に流入した気体は回転ローラ１９の周面２１に近接した接点２２の存在により周面２１上に円滑に移行することができる。また、回転ローラ１９の周面２１に乗って流れる気体は周面２１に近接した接点２３によって周面２１から分離され、壁面１７側に円滑に移行することができる。このため、回転ローラ１９の周囲に問題となるような随伴気流や渦流の発生は生じない。

高流量運転時では、インペラ６から流出する気体の流れはインペラ６の半径方向の速度成分が主となり、ディフューザ８には高い流速の気体が流入する。回転ローラ１９は気体の大きな動圧を受けて比較的早く回転し、気体の流れを円滑化するとともに流速を高めるため、ディフューザ効率をより向上させることができる。

前記した本願発明の第１の実施形態は、以下の作用効果が得られる。
（１）自由に回転可能な回転ローラ１９を設置するという極めて簡単な構成により、ディフューザ壁９に沿って流れる気体の半径方向の流速を高めることができ、低流量運転時におけるストールを抑制することができる。
（２）回転ローラ１９は低流量運転時ばかりでなく、高流量運転時においてもディフューザ８内の気体の流速を高め、ディフューザ効率を高めることができる。
（３）低流量域におけるストール発生を遅らせることができるので、遠心圧縮機の運転範囲を拡大することができる。
（４）ストールの抑制手段に外部エネルギーを必要としないので、遠心圧縮機全体のエネルギー効率を高めることができる。
（５）接点２２、２３を回転ローラ１９の周面２１に近接して配置しているため、壁面１７と周面２１との間における気体の流れの移行が円滑に行われる。

（第２の実施形態）
図５に示す第２の実施形態は、第１の実施形態における回転ローラ１９の配設方法を変更したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

第２の実施形態は、第１の実施形態に加えてディフューザ壁１４に回転ローラ２５を配設した構成である。即ち、ディフューザ壁１４のディフューザ８側の壁面２６に断面円弧状の溝２７を刻設し、溝２７内に回転ローラ２５を自由回転可能に収納する。ディフューザ壁１４の厚みは、設計上ディフューザ壁９に比して大きく取り難いため、回転ローラ２５及び溝２７は小径に構成されている点が回転ローラ１９及び溝１８の場合と異なるのみで、他の関連する構成は回転ローラ１９及び溝１８において説明したものと全く同一である。

遠心圧縮機の低流量運転時に、回転ローラ２５がディフューザ８の周方向の速度成分を持つ気体の流れをディフューザ８の半径方向に変更し、半径方向の気体の流れを増加する機能及び気体の通路抵抗を減少し、加速する機能を有する点は、第１の実施形態において説明した回転ローラ１９の場合と同じである。従って、第２の実施形態では、壁面１７側において低い速度分布Ｄが回転ローラ１９により高い速度分布Ｅに増速され、壁面２６側において低い速度分布Ｆが回転ローラ２５により高い速度分布Ｇに増速される。この結果、ディフューザ８全体として半径方向の気体の流れが増速されるため、第２の実施形態における構成は第１の実施形態の場合よりも低い流量域でのストール発生を抑制することが可能となる。

（第３の実施形態）
図６に示す第３の実施形態は、第１の実施形態における溝１８の形態を変更したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

第３の実施形態における溝２８は底辺側を断面コの字状に形成し、上縁側を断面弧状に形成して壁面１７に接続した構成である。溝２８の上縁と壁面１７との接点２９、３０は上縁の断面弧状の形態によって回転ローラ１９の周面２１以外の周面上方に配置される。従って、接点２９、３０を周面２１に可能な限り近接させることができ、気体を円滑に流動させることができる。なお、溝２８の上縁は断面弧状で無く、直線状に形成しても接点２９、３０を周面２１に可能な限り近接させることができる。上記のように構成した第３の実施形態は第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。

（１）回転ローラ１９、２５の周面２１は必ずしもディフューザ壁９の壁面１７、２６の延長線上に一致させる必要は無く、ディフューザ８にある程度突出した状態に配設してもよく、また、溝１８、２７、２８内にある程度没入した状態で配設してもよい。本願発明の作用効果はいずれの構成においても得ることができる。
（２）第１の実施形態における溝１８の上縁と壁面１７との接点２２、２３は、いずれか一方のみを回転ローラ１９の周面上方に配設するように構成してもよい。
（３）第１の実施形態における溝１８の上縁と壁面１７との接点２２、２３は双方とも回転ローラ１９の周面上方以外の位置に配設するように構成しても良い。
（４）溝１８、２７あるいは２８は断面円弧状あるいは断面コの字状の構成に限らず、断面多角形状で構成してもよい。
（５）回転ローラ１９、２５は第１の実施形態のように、ディフューザ８の周方向４箇所に配設する構成に限らず、１箇所あるいはインペラ６の数に合せた複数箇所又はインペラ６の数に合せない複数箇所に配設した構成でもよい。
（６）回転ローラ１９、２５はディフューザ８の半径方向に複数配設してもよい。
（７）回転ローラ１９、２５の周面は、気体との間の摩擦抵抗が小さくなるようにコーティングあるいは凹凸形成等の表面処理を施すことができる。

第１の実施形態を示した遠心圧縮機の概略断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示したディフューザの拡大断面図である。 第１の実施形態の作用説明図である。 第２の実施形態におけるディフューザの拡大断面図である。 第３の実施形態におけるディフューザの拡大断面図である。

符号の説明

１ 第１ケーシング
２ 第２ケーシング
４ 回転軸
６ インペラ
８ ディフューザ
９、１４ ディフューザ壁
１５ ボリュート
１７、２６ 壁面
１８、２７、２８ 溝
１９、２５ 回転ローラ
２１ 周面
２２、２３、２９、３０ 接点
２４ カバー

Claims (6)

1. ケーシングに支持された回転軸にインペラが固定され、前記インペラの前記回転軸に対して半径方向周囲に配置されるディフューザが一対の対向するディフューザ壁により形成されている遠心圧縮機において、
   前記ディフューザ壁の少なくとも一方に前記インペラの回転によって前記ディフューザへと供給される気体の流れによって回転する回転ローラを配設し、前記回転ローラの周面の一部を前記ディフューザに臨ませ、前記回転ローラの中心軸は前記インペラの半径方向に直交することを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記回転ローラを前記ディフューザ壁に刻設された溝に収容し、前記インペラの半径方向において２箇所形成される前記ディフューザ壁と前記溝の上縁との接点のうち少なくとも一方の接点を前記回転ローラの周面上方位置に配設したことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記ディフューザ壁に刻設された溝は前記回転ローラよりも大径の断面円形溝により構成したことを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記ディフューザに臨む前記回転ローラの周面は前記ディフューザ壁の壁面の延長線上に一致させたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記回転ローラは前記ディフューザの周方向の複数箇所に配設したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
6. 前記回転ローラは、前記一対のディフューザ壁にそれぞれ配設したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。

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