JP5104624B2 - 多段遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は遠心圧縮機に係り、特に同一軸に遠心羽根車を多数取付けた多段遠心圧縮機に関する。

従来の一軸多段遠心圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のように、一般の多段遠心圧縮機では、１本の回転軸に多数の遠心羽根車が取付けられている。そして、羽根車の下流にはディフューザが、さらにディフューザの下流には戻り流路が設置されている。羽根車とディフューザと戻り流路（最終段を除く）とで、圧縮機段が構成される。初段圧縮機段の上流側には、吸い込みノズルが設けられており、最終段圧縮機段の下流には、戻り流路の代わりにスクロールと吐出ノズルが設けられている。この公報に記載の多段遠心圧縮機では、ディフューザとして羽根付きディフューザを全圧縮機段に設けている。なお、全圧縮機段に羽根無しディフューザを用いることも従来から多用されている。

従来の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は、特許文献１に記載のものと異なり、圧縮機段が２段しかない。そして、前段の圧縮機段は羽根付きディフューザであり、後段の圧縮機段は羽根無しディフューザとなっている。

特開２００６−６３８９５号公報 特開平８−２８４８９２号公報

多段遠心圧縮機において、全圧縮機段に羽根無しディフューザを設けると、作動範囲を広くできるという長所がある反面、効率が低いという不利益がある。一方、特許文献１に記載のように、全段に羽根付きディフューザを設けた多段遠心圧縮機では、効率を高めることができるという長所を有するが、羽根無しディフューザを用いた多段遠心圧縮機に比べて、作動範囲が狭くなる場合があった。

特許文献２に記載の２段遠心圧縮機では、前段の羽根付きディフューザ部に中空室を形成し、中空室から加圧ガスを噴射してサージング点を小流量側に移動させるようにしている。これにより、前段の圧縮機段の性能が改善されるが、他の段の圧縮機性能とのマッチング等については十分に考慮されていないので、多段に形成される遠心圧縮機へ応用することが困難である。

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、多段圧縮機の性能の指標である作動範囲と効率という相反する性格の指標を改善する、または高効率と広作動範囲を両立させることにある。本発明の他の目的は、３段以上の圧縮機段を有する多段圧縮機にも適用可能なディフューザを有する圧縮機段を実現することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、同一軸に多数の羽根車を取付けた多段遠心圧縮機において、最終段圧縮機段または最終段圧縮機段と最終段の直前の圧縮機段とは羽根無しディフューザを有し、その他の圧縮機段は羽根付きディフューザを有することにある。

そしてこの特徴において、羽根無しディフューザを有する圧縮機段が備える羽根車の出口羽根角度を、この羽根無しディフューザを有する圧縮機段の直前に配置される羽根付きディフューザを有する圧縮機段の対応する羽根車の出口羽根角度よりも小さくしてもよく、最終段圧縮機段のディフューザの出口半径を、この最終段圧縮機段の直前の圧縮機段のディフューザの出口半径よりも大きくしてもよい。

また、最終段圧縮機段が有する羽根無しディフューザの軸方向流路幅を出口近傍で狭めてもよく、羽根付きディフューザを有する圧縮機段を、初段圧縮機段から連続して２段以上設けることが好ましい。なお、圧縮機段は３段以上とする。

本発明によれば、３段以上の圧縮機段を有する一軸多段遠心圧縮機において、初段から最終段の前または最終段前とその直前の圧縮機段までに用いるディフューザを羽根付きディフューザとしている。そして、最終段または最終段とその直前の段の圧縮機段のみ羽根無しディフューザとしたので、サージ流量とチョーク流量に影響が大である下流段の圧縮段で作動範囲を確保でき、多段遠心圧縮機の効率を低下させること無く、作動範囲を拡大できる。また、多段遠心圧縮機の作動範囲を従来と同程度にしたときには、効率を向上できる。

多段に構成された遠心圧縮機における、各圧縮段の性能曲線の例を、図５に示す。この図５から明らかなように、遠心圧縮機では、初段の体積流量が減少する方向に作動点が移動すると、初段のヘッド(圧力比)が増加する。その結果、初段の出口、したがって２段入口の圧力も高くなる。入口圧力が増加したので、２段圧縮機段では入口流体密度が高くなる。

つまり、２段圧縮機段の体積流量（＝質量流量／入口密度）の減少量は、初段より大きくなる。以下、順に、後段に進むにつれ、体積流量の減少量が大きくなり、最終段の減少量が最大になる。この理由から、全圧縮機段において小流量側の作動範囲（作動限界）が同じと仮定すると、多段遠心圧縮機では最終圧縮機段が最初にサージに突入する。

一方、初段圧縮機段の質量流量が増加すると、初段のヘッドが低下し、初段の出口、つまり２段入口の圧力は低くなる。これにより、２段の入口流体密度が低くなり、２段の体積流量（＝質量流量／入口密度）の増加量が初段より大きくなる。以下、後段に進むにつれ、順次体積流量の増加量が増大し、最終圧縮機段の増加量が最大になる。したがって、全圧縮機段の大流量側の作動範囲（作動限界）が同じと仮定すれば、多段遠心圧縮機では最終段が最初にチョークする。

このように、多段遠心圧縮機の作動範囲は、最終圧縮機段で決定される。羽根無しディフューザを用いた遠心圧縮機の作動範囲は、大抵の場合、羽根付きディフューザを用いた場合より広くなり、効率は羽根付きディフューザを用いた方が高い。上記事実からは、サージ流量やチョーク流量に及ぼす影響は、後段の圧縮機段ほど大きいことが分かる。

そこで、流量範囲（作動範囲）を確保するために、最終段から逆向きに連続して数段、羽根無しディフューザを用いることとし、初段から下流側に向けて連続して複数段を、効率確保のために、羽根付きディフューザとする。なお、遠心圧縮機の効率は各圧縮機段の効率の平均値となるから、羽根付きディフューザ段が少ないと、効率の低下が大きくなる。このため、羽根無しディフューザ付き圧縮機段数は、遠心圧縮機の作動範囲を考慮して、最終段または、最終段とその直前の圧縮機段にとどめる。

さらに、羽根車での圧力上昇とディフューザでの圧力回復の比である反動度が高く、作動範囲が広い出口羽根角度の小さい羽根車（周方向線から測った角度が小さい羽根車）と羽根無しディフューザとを、上記構成に適用すれば、効率向上も可能となる。最終段のディフューザの出口半径を大きくすれば、さらなる効率向上が可能になる。

このような知見に基づく本発明に係る多段遠心圧縮機の一実施例を、図面を用いて説明する。図１に、多段遠心圧縮機の一例として、５段の遠心圧縮機１００を、縦断面図で示す。図２に、最終圧縮機段２５におけるディフューザ出口部を、縦断面図で示す。図３に、羽根付きディフューザを有する圧縮機段と、羽根無しディフューザを有する圧縮機段の性能カーブの典型的な例を示す。図４に、羽根車２の羽根出口角β２を説明するために、羽根車の一部を、横断面図で示す。図５に、各圧縮機段２１、２２、２５における性能カーブの一例を示す。以下、これらの図を随時用いて、本発明を説明する。

図１に示すように、円板状に形成された心板１ａとリング状に形成された側板１ｂ及び心板１ａと側１ｂ板間に周方向に間隔をおいて配置された円形翼列状の羽根１cとで構成される羽根車１が、回転軸４に積層するように取付けられている。羽根車１の半径方向外方にはディフューザ２が設けられている。

ディフューザ２の出口部に接続し、ベンド部３ａを有する戻り流路３が、ディフューザの外方及び軸方向下流側に配置されている。戻り流路３において、ディフューザ２よりも軸方向下流側に位置する部分には、複数の案内羽根３ｂが周方向に間隔を置いて配置されている。

羽根車１、ディフューザ２、戻り流路３により構成される圧縮機段２１〜２５は、初段２１から順次軸方向に重ねられ、多段遠心圧縮機１００を構成する。初段圧縮機段２１の入口側には、ガスを導くための吸込ノズル１０が設けられている。最終段圧縮機段２５には、戻り流路の代わりにガスを集めて多段遠心圧縮機１００の外部に導く吐出スクロール１１が設けられている。

多数の羽根車２を取り付けた回転軸４を、この回転軸４の両端部近傍に設けた軸受９が回動自在に支持する。羽根車２を収容し、ディフューザ２や戻り流路３の壁面を形成する円柱状のケーシング８が、羽根車２の外方に配置されている。ケーシング８と回転軸１の間であってケーシング８側には、この多段遠心圧縮機１００の内部に配置した各構成部品間で作動ガスが漏れるのを防止するラビリンスシール１２や、多段遠心圧縮機１００の内部から機外に作動ガスが漏れるのを防止するラビリンスシール１３が、取付けられている。

初段圧縮機段２１から３段圧縮機段２３の羽根車３の出口には、案内羽根２aを有する羽根付きディフューザ２が設置されている。４段圧縮機段２４と最終圧縮機段２５には、案内羽根のない羽根無しディフューザ５が設置されている。初段圧縮機段２１から３段圧縮機段２３には、周方向線（接線）から測った角度で表した出口羽根角度β２が大きい羽根車１を使用している（図４参照）。４段圧縮機段２４と最終段圧縮機段２５には、出口羽根角度β２の小さい羽根車１を使用する。最終段圧縮機段２５のディフューザ５の出口半径ｒ５は、他の段の出口半径ｒ５より大きい。最終段圧縮段２５のディフューザ５の流路は、出口部１４で幅方向に絞った形状になっている（図２参照）。

このように構成した多段遠心圧縮機１００では、以下のように動作する。作動ガスは、吸込ノズル１０から吸い込まれ、初段圧縮機段２１の羽根車１により昇圧された後、ディフューザ２内で減速され、静圧が上昇する。ディフューザ２を通過したガスは、戻り流路３に導かれ、半径方向内向き流れになった後、軸方向流れとして次段羽根車１に流入する。以下、２段圧縮機段２２から４段圧縮機段２４まで、同様の経路を経て、圧縮され高圧になった作動ガスが、最終段圧縮機段２５の羽根車２に、軸方向から流入する。最終段圧縮機段２５の羽根車２でさらに圧縮され、ディフューザ５で圧力回復した後、作動ガスは吐出スクロール１１に集められ、図示しない配管を経て多段遠心圧縮機１００の外部に吐出される。

上記のように、多段遠心圧縮機１００の作動範囲は、最終段圧縮段を含む後段側の性能で決定される。本実施例では、最終段圧縮機段２５とその前段２４とに、羽根無しディフューザ５を設けているので、全圧縮機段２１〜２５が羽根付ディフューザを有する場合に比べて、多段遠心圧縮機１００は広い作動範囲を確保できる。この様子を、図６に示す。図６は、最終段に羽根無しディフューザを用いた場合と羽根付きディフューザを用いた場合の、全体効率および全体断熱ヘッドの吸い込み流量による変化を示す性能カーブである。

また、最終段圧縮機段２５とその前段２４に広い作動範囲を確保できる出口羽根角度の小さい羽根車１を使用しているので、さらに広い作動範囲とすること可能になる。最終段圧縮機段２５でディフューザの流路幅を出口側で小さく絞っているので、ディフューザ５での失速が抑制され、絞らない場合に比べてより広い作動範囲を達成できる。

図３に示すように、羽根無しディフューザを使用すると圧縮機効率が低下する。しかしながら、本実施例によれば、最終段圧縮機段２５とその前段２４には反動度の高い出口羽根角度の小さい羽根車を採用し、最終段圧縮機段２５のディフューザ５の出口径ｒ５を大きくしたので、羽根付きディフューザを設けた場合と同程度の効率を確保することが可能になる。すなわち、サージ流量やチョーク流量に重大な影響を及ぼす最終段とその前段に羽根無しディフューザを設け、それ以外の段に効率の高い羽根付きディフューザを設けたので、圧縮機の効率を維持しながら、広い作動範囲を確保できる。

なお、上記実施例では、最終段及びその前段の双方に羽根無しディフューザを採用しているが、さらに効率の向上を求められる場合等には、最終段のみを羽根無しディフューザにしても良いことはいうまでも無い。さらに上記実施例では、５段の圧縮機を例にとって説明したが、段数は５に限るものではなく、３段以上であれば良い。ただし、３段の場合には、最終段のみに羽根無しディフューザを用いるのが、効率の低下を引き起こさないので、実用的である。すなわち、初段から連続して２段以上は、羽根付きディフューザを用いることが、効率向上の観点から望ましい。また、最終段の羽根車だけ出口羽根角度を小さくして、作動範囲を確保するようにしても良い。

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Ｆ部拡大図で、最終段圧縮機段の吐出部を説明する図。 羽根無しディフューザを有する圧縮機段と羽根付きディフューザを有する圧縮機段の性能比較を説明する図。 羽根車出口における羽根角度を説明する図。 多段遠心圧縮機の各段の作動点を説明する図。 羽根付きディフューザと羽根無しディフューザが全体性能に及ぼす影響を説明する図である。

符号の説明

１…羽根車、１a…心板、１ｂ…側板、１ｃ…羽根、２…羽根付きディフューザ、２ａ…ディフューザ案内羽根、３…戻り流路、３ａ…ベンド、３ｂ…案内羽根、４…回転軸、５…羽根無しディフューザ、８…ケーシング、９…軸受、１０…吸込ノズル、１１…吐出スクロール、１２、１３…ラビリンスシール、１４…最終段ディフューザの出口部、２１〜２５…圧縮機段、１００…多段（５段）遠心圧縮機。

Claims (5)

1. 同一軸に羽根車を有する圧縮機段を３段以上を取付けた多段遠心圧縮機において、最終段圧縮機段または最終段圧縮機段と前記最終段圧縮機段の直前の圧縮機段には羽根無しディフューザを有し、その他の圧縮機段は羽根付きディフューザを有することを特徴とする多段遠心圧縮機。
2. 前記羽根無しディフューザを有する圧縮機段が備える羽根車の出口羽根角度を、この羽根無しディフューザを有する圧縮機段の直前に配置される羽根付きディフューザを有する圧縮機段の対応する羽根車の出口羽根角度よりも小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の多段遠心圧縮機。
3. 最終段圧縮機段のディフューザの出口半径を、この最終段圧縮機段の直前の圧縮機段のディフューザの出口半径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多段遠心圧縮機。
4. 最終段圧縮機段が有する羽根無しディフューザの軸方向流路幅を出口近傍で狭めたことを特徴とする請求項３に記載の多段遠心圧縮機。
5. 前記羽根付きディフューザを有する圧縮機段を、初段圧縮機段から連続して２段以上設けたことを特徴とする請求項１に記載の多段遠心圧縮機。

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