JP5263043B2 - 遠心圧縮機の吸込ケーシング及び遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は作動流体を圧縮する遠心圧縮機の吸込ケーシング及び遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法に関する。

作動流体を圧縮する遠心圧縮機として、例えば非特許文献の「EXPERIMENTAL AND COMPUTATIONAL STUDY OF A RADIAL COMPRESSOR INLET」(ASME Paper 95-GT-82、1995年、P.7)に遠心圧縮機の吸込ケーシングに関する技術が開示されている。

ところで、この遠心圧縮機の吸込ケーシングでは、遠心圧縮機の性能を損なわないようにするために、軸方向吸込型の遠心圧縮機のインペラに流入する気流を周方向に均一化する必要がある。

そのための手段として、特開平１０−３１８１９１号公報には、遠心圧縮機の吸込ケーシング内部に吸込口から吸い込まれる気流を分割するガイド板を該吸込ケーシング内部の入口部分に設けた技術が開示されている。

また、特開２００６−２００４８９号公報には、遠心圧縮機の吸込ケーシング内部に回転軸と同心状に円弧状のガイドフェンスを設けた技術が開示されている。

特開平１０−３１８１９１号公報 特開２００６−２００４８９号公報

「EXPERIMENTAL AND COMPUTATIONAL STUDY OF A RADIAL COMPRESSOR INLET」、（ASME Paper95-GT-82、1995年、P.7）

特許文献１に記載の遠心圧縮機の吸込ケーシングでは、吸込ケーシング内部の入口部分にガイド板を設けて吸込口から吸い込まれる気流を分割して吸込ケーシングの内部の羽根車に流入する流れを周方向に均一化させている。

しかしながら、吸込ケーシング内部の入口部分にガイド板を設けることによって吸込ケーシングでの圧力損失が増加し、遠心圧縮機の効率低下を招くことになる。また、ガイド板については、ガイド板の取付け位置や方向、長さなどの複数の設計パラメータを要するが、最適なガイド板形状を得るには長年に亘る経験や多数の実験が必要となる。

特許文献２に記載の遠心圧縮機の吸込ケーシングでは、吸込ケーシング内部に遠心圧縮機の回転軸と同心状に円弧状のガイドフェンスを設けて流れを周方向に均一化させて、羽根車への流入速度分布を均一化でき圧縮機の効率が向上する。

しかしながら、ガイドフェンスを設けたことによる吸込ケーシングの圧力損失増加によって遠心圧縮機の効率低下を招くことについては何等考慮されていない。また、ガイドフェンスについても、ガイドフェンスの取付け位置や方向、長さなどの複数の設計パラメータを要し、最適なガイドフェンス形状を得るには長年に亘る経験や多数の実験が必要となる。

また、非特許文献１に記載の遠心圧縮機の吸込ケーシングでは、吸込ケーシング内部に周方向に４５°間隔で半径方向に放射状に広がるガイドベーンを８枚設けて流れを周方向に均一化させている。しかしながら、ガイドベーンを設けることによって吸込ケーシングの圧力損失が増加し、遠心圧縮機の効率低下を招くことになる。

本発明の目的は、吸込ケーシング内部に気流の圧力損失を生じる整流部材を設置せずに、遠心圧縮機の吸込ケーシングに流入する気流の吸込流れの均一化を可能にして遠心圧縮機の効率低下を抑制した遠心圧縮機の吸込ケーシング、及び遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法を提供することにある。

本発明である遠心圧縮機の吸込ケーシングは、回転軸及びこの回転軸の外周に設置されて気流を圧縮する遠心羽根車を内部にそれぞれ収容する羽根車ケーシングと、前記羽根車ケーシングの上流側に設置されており、遠心羽根車の回転軸に対して直交する方向に開口した吸込口から回転軸に対して直交する内向き方向に気流を導く吸込ノズルを備え、この吸込ノズルから流入した回転軸に対して半径方向の流れを全周に広げる環状流路と、この環状流路で導かれた半径方向からの流れを回転軸中心方向に集約するとともに、半径方向から回転軸方向へ流れの向きを転向して気流を遠心羽根車へ導く軸方向流路をその内部に形成した吸込ケーシングから構成される遠心圧縮機の吸込ケーシングにおいて、前記吸込ケーシングの吸込ノズルと該吸込ケーシングの内部に形成された環状流路の合流部における流路断面積Ａ１と吸込ケーシングの内部に形成された軸方向流路と遠心羽根車の間における最小流路断面積Ａｓの比Ａ１／Ａｓが２．５以上になるように形成すると共に、前記吸込ケーシングの内部に形成された環状流路の環状流路半径と軸方向流路幅の積から求まる円筒表面積Ａ２と前記最小流路断面積Ａｓの比Ａ２／Ａｓが１２以上になるように前記吸込ケーシングの流路形状を形成したことを特徴とする。

また本発明である遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法は、回転軸及びこの回転軸の外周に設置されて気流を圧縮する遠心羽根車を内部にそれぞれ収容する羽根車ケーシングと、前記羽根車ケーシングの上流側に設置されており、遠心羽根車の回転軸に対して直交する方向に開口した吸込口から回転軸に対して直交する内向き方向に気流を導く吸込ノズルを備え、この吸込ノズルから流入した回転軸に対して半径方向の流れを全周に広げる環状流路と、この環状流路で導かれた半径方向からの流れを回転軸中心方向に集約するとともに、半径方向から回転軸方向へ流れの向きを転向して気流を遠心羽根車へ導く軸方向流路をその内部に形成した吸込ケーシングから構成される遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法において、前記吸込ケーシングの吸込ノズルと該吸込ケーシングの内部に形成された環状流路の合流部における流路断面積Ａ１と吸込ケーシングの内部に形成された軸方向流路と遠心羽根車の間における最小流路断面積Ａｓの比Ａ１／Ａｓの値と、このＡ１／Ａｓと相関が強い初段羽根車入口流速偏差ΔＣを参照して、前記Ａ１／Ａｓの値が、初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増加し始めることのない２．５以上の値になるように設定すると共に、前記吸込ケーシングの内部に形成された環状流路の環状流路半径と軸方向流路幅の積から求まる円筒表面積Ａ２と前記最小流路断面積Ａｓの比Ａ２／Ａｓの値と、このＡ２／Ａｓと相関が強い初段羽根車入口流速偏差ΔＣを参照して、前記Ａ２／Ａｓの値が、初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増加し始めることのない１２以上の値になるように設定して前記吸込ケーシングの吸込ノズルと前記環状流路の合流部における流路断面形状および前記環状流路の環状流路半径を決定することを特徴とする。

本発明によれば、吸込ケーシング内部に気流の圧力損失を生じる整流部材を設置せずに、遠心圧縮機の吸込ケーシングに流入する気流の吸込流れの均一化を可能にして遠心圧縮機の効率低下を抑制した遠心圧縮機の吸込ケーシング、及び遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法が実現できる。

本発明の第１実施例である吸込ケーシングを備えた多段遠心圧縮機の構造を示した断面図。 図１に示した第１実施例の吸込ケーシングを備えた多段遠心圧縮機におけるＡ−Ａ断面図。 本発明の各実施例の多段遠心圧縮機における吸込ノズルと環状流路の合流部における流路断面積Ａ１と、軸方向流路と遠心羽根車の間における最小流路断面積Ａｓの比Ａ１／Ａｓに対する初段羽根車入口流速偏差ΔＣを示すグラフ。 本発明の各実施例の多段遠心圧縮機における環状流路の環状流路半径と軸方向流路幅の積から求まる円筒表面積Ａ２と、軸方向流路と遠心羽根車の間における最小流路断面積Ａｓの比Ａ２／Ａｓに対する初段羽根車入口流速偏差ΔＣを示すグラフ。 本発明の第１実施例である多段遠心圧縮機における環状流路の環状流路半径の２倍と合流部の流路断面積の幅方向寸法との比Ａ２×ｒ２／ａ１に対する初段羽根車入口流速偏差ΔＣを示すグラフ。 本発明の第２実施例である多段遠心圧縮機に備えられた吸込ケーシングにおける、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面図。

次に本発明の実施例である遠心圧縮機の吸込ケーシング及び遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法について、図１〜図５を参照して以下に詳細に説明する。なお、本実施例の遠心圧縮機は多段遠心圧縮機の吸込ケーシングを例にとり説明するが、単段の場合や、類似構造を有するその他の遠心圧縮機にも本発明は適用可能である。

図１は、本発明の第１実施例に係る吸込ケーシングを備えた多段遠心圧縮機の構造を示した断面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、多段遠心圧縮機に備えられた吸込ケーシングの横断面の形状を示している。

図１及び図２に示すように、本発明の第１実施例の吸込ケーシングを備えた遠心圧縮機である多段遠心圧縮機１００では、１本の回転軸１と、この回転軸１の外周に取付けられ該回転軸１の軸方向に離間して配設された複数の遠心羽根車２が羽根車ケーシング４の内部に回転可能に設置され、更に羽根車ケーシング４の内部には前記遠心羽根車２を相互に連絡して該遠心羽根車２によって圧縮された作動流体１０を流下させる内部流路７が形成されている。

そして、回転軸１及び遠心羽根車２を内部に収容する前記羽根車ケーシング４は、その上流側を、吸い込んだ気流を作動流体１０として導く吸込ケーシング３に接続されており、この吸込ケーシング３から導入した作動流体１０を該羽根車ケーシング４の内部に設置した遠心羽根車２の回転によって圧縮し、昇圧した作動流体１０を外部に吐出する吐出スクロール５をその下流側に設けている。

なお、吸込ケーシング３は、図１および図２に示すように、吸込ケーシング３の入口側で作動流体１０となる気流を該吸込ケーシング３に導入する吸込口３１と、吸込口３１から導入した気流を遠心羽根車２側に導く流路断面積が上流側から下流側に行くほど暫減する吸込ノズル３２とを備えており、この吸込ケーシング３の吸込ノズル３２を通じて導入された作動流体１０となる気流は、吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３に流入した後に、この環状流路３３に連通した軸方向流路３４を流下して羽根車ケーシング４の内部に配設した複数の遠心羽根車２に導かれ、これらの複数の遠心羽根車２の回転によって順次、圧縮される。

遠心圧縮機の外部より吸込口３１から吸込ケーシング３の内側に吸入された作動流体１０は、図２に示したように、吸込ケーシング３の内側の吸込ノズル３２を遠心羽根車２の回転軸１に対して直交する内向き方向に流れて吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３に至る。

吸込ケーシング３の内側の吸込ノズル３２から流出する回転軸１に対して半径方向内向きの作動流体１０の流れは、この環状流路３３によって環状流路３３の全周に広げられ、この環状流路３３の全周から軸方向流路３４に半径方向内向きに流入する。

環状流路３３から半径方向内向きに軸方向流路３４に流入した作動流体１０は、回転軸１の中心方向に集約されるとともに、その流れ方向を半径方向から回転軸方向へ転向されて羽根車ケーシング４の内部に配設された多段の遠心羽根車２へ流入する。

本実施例の遠心圧縮機における羽根車ケーシング４の内部に配設された遠心羽根車２は、軸方向吸込を想定して設計されているので、作動流体１０が周方向に均一、かつ軸方向に並行して遠心羽根車２へ流入するほど遠心圧縮機１００の効率は向上する。

本実施例の遠心圧縮機の吸込ケーシング３は、作動流体１０を円周方向に均一、かつ軸方向に並行して遠心羽根車２へ流入させるために、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２と吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３の合流部における長方形の流路断面積Ａ１（＝ａ１×ｂ１）と、吸込ケーシング３の内部の軸方向流路３４と遠心羽根車２との間で形成される最小流路断面積Ａｓ（＝π×（ｒ_ｓｈ ^２−ｒ_ｈ ^２））との比Ａ１／Ａｓの値が、後述する図３に示すように、２．５以上となるように設定している。

ここで、環状流路３３の合流部における長方形の流路断面積Ａ１を形成する一方の一辺となるａ１は、図１及び図２に示すように、吸込ケーシング３の内部に形成した環状流路３３の半径ｒ２と吸込ケーシング３の吸込ノズル３２の流路が接する半径方向位置における流路断面積Ａ１の幅方向寸法であり、前記流路断面積Ａ１を形成する他方の一辺となるｂ１は、流路断面積Ａ１の軸方向寸法である。

また、図１及び図２に示すように、軸方向流路３４となる遠心羽根車２の初段の最小流路断面積Ａｓを形成するｒ_ｓｈ及びｒ_ｈは、それぞれ遠心羽根車２の初段における軸方向流路３４の最小流路断面積Ａｓを形成する外周側半径及び内周側半径である。

そして、本実施例の遠心圧縮機の吸込ケーシング３においては、吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３において、環状流路３３の半径ｒ２と軸方向寸法ｂ１の積から求まる円筒表面積Ａ２（＝２π×ｒ２×ｂ１）と、軸方向流路３４と遠心羽根車２の間における最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓの値が、後述する図４に示すように、１２〜２４となるように形成している。

なお、本実施例の遠心圧縮機の吸込ケーシング３から流入して羽根車ケーシング４の内部の遠心羽根車２に流れる作動流体１０の流れを、より均一化するために、図２に示すように吸込ケーシング３の内部に形成した環状流路３３の流路内に、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２の開口側と、この吸込ノズル３２の開口側の周方向反対側とに旋回防止板３５をそれぞれ設けても良い。

また、吸込ケーシング３によって生じる圧力損失がある程度許容できる場合は、特許文献１や特許文献２、および非特許文献１に記載されたように、吸込ケーシング３の内部に流れを導く板を設けることも可能である。

図３は、図１及び図２に示した第１実施例の遠心圧縮機における吸込ケーシング３の吸込ノズル３２と吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３の合流部における流路断面積Ａ１と、吸込ケーシング３の内部に形成された軸方向流路３４と遠心羽根車２との間で形成される最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓに対する初段羽根車入口流速偏差ΔＣを示すグラフである。

ここで、初段羽根車入口流速偏差ΔＣは、本実施例の遠心圧縮機の吸込ケーシング３の内部に形成された軸方向流路３４と遠心羽根車２との間に形成される最小流路断面積Ａｓにおける作動流体１０の最大流速Ｃｍａｘと最小流速Ｃｍｉｎとの差である。

なお、ここでは流れの周方向均一性を評価するために初段羽根車入口流速偏差ΔＣを用いたが、これに限らず流れ角度や圧力などの流れを表す物理量の同一断面における最大値と最小値の差を用いても構わない。

図３に示した初段羽根車入口流速偏差ΔＣのグラフから理解できるように、本実施例の遠心圧縮機の吸込ケーシング３においては、流路断面積Ａ１と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓは、初段羽根車入口流速偏差ΔＣと相関が強い形状パラメータであり、白抜きの矢印で示したように、前記Ａ１／Ａｓの値が２．５より小さいと羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増大することがわかる。

流路断面積Ａ１と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓの値が２．５よりも小さい場合は流路断面積Ａ１が狭すぎることを意味しており、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２から吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３へ作動流体１０が流入する際の流速が速すぎるために、流入した作動流体１０は吸込ノズル３２から環状流路３３の全周に広がること無く軸方向流路３４へ向かう流れが支配的になる。

この結果、吸込ケーシング３の環状流路３３では作動流体１０の流れが環状流路３３の全周に広がり難くなり、環状流路３３から軸方向流路３４に流下する作動流体１０の流れは吸込ノズル３２の開口側に偏った流れとなり、環状流路３３の周方向において吸込ノズル３２開口側の流速が速く、該開口部以外の側部部分の流速が遅い不均一な管路速度分布となるので遠心圧縮機の効率を低下させる原因となる。

そこで、本実施例の遠心圧縮機においては、吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３の合流部の形状を、環状流路３３の合流部における長方形の流路断面積Ａ１と、吸込ケーシング３の内部の軸方向流路３４と遠心羽根車２との間で形成される最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓの値が、図３に示すように、初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増加し始めることのない２．５以上になるように設定する。

この場合、遠心羽根車２に流入する作動流体１０の流量に対する遠心圧縮機の効率変化の特性において、環状流路３３から軸方向流路３４に流入する作動流体１０の流れが周方向に均一、かつ軸方向に並行して流下することが可能となり、よって作動流体１０が吸込ケーシング３の環状流路３３から軸方向流路３４の遠心羽根車２へ流入する場合に問題となるような遠心圧縮機の効率を低下させる現象は見られない。

図４は、図１及び図２に示した本実施例の遠心圧縮機における吸込ケーシング３の内部に形成した環状流路３３において、環状流路半径ｒ２と軸方向流路寸法ｂ１の積から求まる円筒表面積Ａ２と、軸方向流路３４と遠心羽根車２との間で形成される最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓに対する初段羽根車入口流速偏差ΔＣを示すグラフである。

なお、ここでは流れの周方向均一性を評価するために初段羽根車入口流速偏差ΔＣを用いたが、これに限らず流れ角度や圧力などの流れを表す物理量の同一断面における最大値と最小値の差を用いても構わない。

図４に示した初段羽根車入口流速偏差ΔＣのグラフから理解できるように、本実施例の遠心圧縮機の吸込ケーシング３においては、前述した流路断面積Ａ１と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓの場合と同様に、円筒表面積Ａ２と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓは、初段羽根車入口流速偏差ΔＣと相関が強い形状パラメータであり、円筒表面積Ａ２と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓの値が、１２よりも小さいと初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増大することがわかる。

円筒表面積Ａ２と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓの値が１２よりも小さい場合は、円筒表面積Ａ２が狭すぎることを意味しており、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２から吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３に流入した作動流体１０は環状流路３３の全周に広がり、吸込ノズル３２の開口側と反対側にまでまわり込むものの、作動流体１０の流速が速すぎるために軸方向流路３４の内周側壁面（すなわち、回転軸２の表面）にぶつかり、流速が遅い渦を形成する。

この結果、軸方向流路３４における作動流体１０の周方向の流速分布は、吸込ノズル３２の開口側と反対側部分の流速が遅いような不均一な管路速度分布となる。

そこで、本実施例の遠心圧縮機においては、吸込ケーシング３の形状を、円筒表面積Ａ２と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓの値が、白抜きの矢印で示したように、初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増加し始めることのない１２以上の範囲になるように設定する。

この場合、遠心羽根車２に流入する作動流体１０の流量に対する遠心圧縮機の効率変化の特性において、環状流路３３から軸方向流路３４に流入する作動流体１０の流れが周方向に均一、かつ軸方向に並行して流下することが可能となり、よって作動流体１０が吸込ケーシング３の環状流路３３から軸方向流路３４の遠心羽根車２へ流入する場合に対して問題となるような遠心圧縮機の効率を低下させる現象は見られない。

ところで、本実施例における多段遠心圧縮機の吸込ケーシング３では、吸込ケーシング３の環状流路３３から軸方向流路３４の遠心羽根車２へ流入する作動流体１０の周方向の流れ分布を均一化するためには、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２と吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３の合流部における幅方向流路寸法ａ１を、吸込ノズル３２と環状流路３３とが接合できる範囲で、前記環状流路３３の環状流路半径ｒ２の２倍と同等の寸法となるａ１≒２×ｒ２の寸法に設定して吸込ケーシング３を形成することが望ましい。

但し、多段遠心圧縮機の吸込ケーシング３の製作上の制約から、幅方向流路寸法ａ１が、ａ１≒２×ｒ２、となる形状に構成に製作することが困難な場合には、図５に示した初段羽根車入口流速偏差ΔＣのグラフから理解できるように、本実施例の遠心圧縮機の吸込ケーシング３における環状流路３３の合流部における幅方向流路寸法ａ１は、吸込ケーシング３の環状流路３３における環状流路半径ｒ２の２倍と、環状流路３３の合流部における幅方向流路寸法ａ１との比である２×ｒ２／ａ１の値が、図５中に白抜きの矢印で示したように、初段羽根車入口流速偏差ΔＣがそれほど急激に増加していない２〜４．５の範囲になるように設定しても良い。

この場合でも、遠心羽根車２に流入する作動流体１０の流量に対する遠心圧縮機の効率変化の特性において、環状流路３３から軸方向流路３４に流入する作動流体１０の流れが周方向にほぼ均一、かつ軸方向にほぼ並行して流下することが可能となり、よって作動流体１０が吸込ケーシング３の環状流路３３から軸方向流路３４の遠心羽根車２へ流入する場合に問題となるような遠心圧縮機の効率を低下させる現象は見られない。

したがって、第１実施例である多段遠心圧縮機では吸込ケーシング３の形状は、図３の流路断面積Ａ１と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓの値が、２．５以上で、かつ図４の円筒表面積Ａ２と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓの値が、１２以上の範囲になるように、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２と環状流路３３の合流部における断面形状を決める幅方向流路寸法ａ１及び軸方向流路寸法ｂ１と、環状流路３３の環状流路半径ｒ２を設定して吸込ケーシング３を製作すれば、吸込ケーシング内部に気流の圧力損失を生じる整流部材を設置することなく、遠心圧縮機の吸込ケーシングに流入する気流の吸込流れの均一化が可能となる。

この結果、本実施例では、遠心圧縮機の効率低下を抑制した遠心圧縮機の吸込ケーシング、及び遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法が実現できることになる。

以上の説明から明らかなように、本実施例によれば吸込ケーシング内部に気流の圧力損失を生じる整流部材を設置せずに、遠心圧縮機の吸込ケーシングに流入する気流の吸込流れの均一化を可能にして遠心圧縮機の効率低下を抑制した遠心圧縮機の吸込ケーシング、及び遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法が実現できる。

図６は本発明の第２実施例に係る多段遠心圧縮機に備えられた吸込ケーシングの構造を示した断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する位置での吸込ケーシングの断面図である。

本第２実施例の多段遠心圧縮機は図１及び図２を用いて説明した本発明の第１実施例の多段遠心圧縮機と基本的な構造は同じであるので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図６に示した第２実施例の多段遠心圧縮機における吸込ケーシング３は、吸い込んだ作動流体１０を周方向に均一かつ軸方向に並行して羽根車ケーシング４の内部の遠心羽根車２へ流入させるために、第１実施例の多段遠心圧縮機に備えられた吸込ケーシング３と同様に、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２と吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３の合流部における流路断面積Ａ１と、吸込ケーシング３の内部に形成された軸方向流路３４と遠心羽根車２との間で形成される最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓの値が、白抜きの矢印で示したように、２．５以上となるように設定されている。

また、これと同時に、吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３において、環状流路半径ｒ２と軸方向流路寸法ｂ１の積から求まる円筒表面積Ａ２と、軸方向流路３４と遠心羽根車２の間における最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓの値が、白抜きの矢印で示したように、１２以上となるように設定されている。

本実施例における多段遠心圧縮機の吸込ケーシング３は、吸込ケーシング３の環状流路３３から軸方向流路３４の遠心羽根車２へ流入する作動流体１０の周方向の流れ分布を、実施例１における多段遠心圧縮機の吸込ケーシング３の形状よりも更に均一化させるために、前記流路断面積Ａ１と最小流路断面積Ａｓとの比である断面積比Ａ１／Ａｓの値が、できるだけ大きくなるように形成している。

具体的には、図６に示すように、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２と吸込ケーシング３の内部に形成された環状流路３３の合流部における幅方向流路寸法ａ１を、吸込ノズル３２と環状流路３３とが接合できる範囲で、前記環状流路３３の環状流路半径ｒ２の２倍と同等の寸法となるａ１≒２×ｒ２の寸法に設定して吸込ケーシング３を形成することが望ましい。

図６に示した第２実施例の多段遠心圧縮機の吸込ケーシング３の形状に関しては、図１及び図２に示した第１実施例の遠心圧縮機における吸込ケーシング３の形状と同様に、図３に示す断面積比Ａ１／Ａｓと初段羽根車入口流速偏差ΔＣの相関関係を示すグラフと、図４に示す面積比Ａ２／Ａｓと初段羽根車入口流速偏差ΔＣの相関相関関係を示すグラフが当てはまる。

よって第２実施例の多段遠心圧縮機の吸込ケーシング３の形状についても、図３に示された流路断面積Ａ１と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓの値が初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増加し始める２．５以上となるように設定することによって、遠心羽根車２の流量に対する遠心圧縮機の効率変化の特性において、作動流体１０の流れが周方向に均一、かつ、軸方向に並行して遠心羽根車２へ流入する場合に対して問題となるような遠心圧縮機の効率を低下させる現象は見られない。

同様に、第２実施例の多段遠心圧縮機の吸込ケーシング３の形状を、図４に示された円筒表面積Ａ２と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓの値が、初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増加し始めることのない１２以上の範囲になるように設定することによって、遠心羽根車２の流量に対する遠心圧縮機の効率変化の特性において、作動流体１０の流れが周方向に均一かつ軸方向に並行して遠心羽根車２へ流入する場合に対して問題となるような遠心圧縮機の効率を低下させる現象は見られない。

したがって、第２実施例である多段遠心圧縮機では吸込ケーシング３の形状は、図３の流路断面積Ａ１と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ１／Ａｓの値が２．５以上で、かつ図４の円筒表面積Ａ２と最小流路断面積Ａｓとの比であるＡ２／Ａｓの値が１２以上の範囲になるように、吸込ケーシング３の吸込ノズル３２と環状流路３３の合流部における断面形状を決める幅方向流路寸法ａ１及び軸方向流路寸法ｂ１と、環状流路３３の環状流路半径ｒ２を決定すれば良い。

なお、ここでは流れの周方向均一性を評価するために初段羽根車入口流速偏差ΔＣを用いたが、これに限らず流れ角度や圧力などの流れを表す物理量の同一断面における最大値と最小値の差を用いても構わない。

本実施例によっても、前述した先の実施例と同様に、吸込ケーシング内部に気流の圧力損失を生じる整流部材を設置せずに、遠心圧縮機の吸込ケーシングに流入する気流の吸込流れの均一化を可能にして遠心圧縮機の効率低下を抑制した遠心圧縮機の吸込ケーシング、及び遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法が実現できる。

１：回転軸、２：遠心羽根車、３：吸込ケーシング、４：羽根車ケーシング、５：吐出スクロール、７：内部流路、１０：作動流体、３１：吸込口、３２：吸込ノズル、３３：環状流路、３４：軸方向流路、３５：旋回防止板、１００：多段遠心圧縮機。

Claims (4)

1. 回転軸及びこの回転軸の外周に設置されて気流を圧縮する遠心羽根車を内部にそれぞれ収容する羽根車ケーシングと、前記羽根車ケーシングの上流側に設置されており、遠心羽根車の回転軸に対して直交する方向に開口した吸込口から回転軸に対して直交する内向き方向に気流を導く吸込ノズルを備え、この吸込ノズルから流入した回転軸に対して半径方向の流れを全周に広げる環状流路と、この環状流路で導かれた半径方向からの流れを回転軸中心方向に集約するとともに、半径方向から回転軸方向へ流れの向きを転向して気流を遠心羽根車へ導く軸方向流路をその内部に形成した吸込ケーシングから構成される遠心圧縮機の吸込ケーシングにおいて、
   前記吸込ケーシングの吸込ノズルと該吸込ケーシングの内部に形成された環状流路の合流部における流路断面積Ａ１と吸込ケーシングの内部に形成された軸方向流路と遠心羽根車の間における最小流路断面積Ａｓの比Ａ１／Ａｓが２．５以上になるように形成すると共に、前記吸込ケーシングの内部に形成された環状流路の環状流路半径と軸方向流路幅の積から求まる円筒表面積Ａ２と前記最小流路断面積Ａｓの比Ａ２／Ａｓが１２以上になるように前記吸込ケーシングの流路形状を形成したことを特徴とする遠心圧縮機の吸込ケーシング。
2. 請求項１に記載された遠心圧縮機の吸込ケーシングにおいて、
   前記吸込ケーシングの吸込ノズルと該吸込ケーシングの内部に形成された前記環状流路の合流部における流路断面積を構成する幅方向流路寸法ａ１を、前記環状流路の環状流路半径ｒ２の２倍と同等の寸法に形成したことを特徴とする遠心圧縮機の吸込ケーシング。
3. 請求項１に記載された遠心圧縮機の吸込ケーシングにおいて、
   前記吸込ケーシングの吸込ノズルと該吸込ケーシングの内部に形成された前記環状流路の合流部における流路断面形状を構成する幅方向流路寸法ａ１を、前記環状流路の環状流路半径ｒ２の２倍と、幅方向流路寸法ａ１との比である２×ｒ２／ａ１の値が、２〜４．５となるように形成したことを特徴とする遠心圧縮機の吸込ケーシング。
4. 回転軸及びこの回転軸の外周に設置されて気流を圧縮する遠心羽根車を内部にそれぞれ収容する羽根車ケーシングと、前記羽根車ケーシングの上流側に設置されており、遠心羽根車の回転軸に対して直交する方向に開口した吸込口から回転軸に対して直交する内向き方向に気流を導く吸込ノズルを備え、この吸込ノズルから流入した回転軸に対して半径方向の流れを全周に広げる環状流路と、この環状流路で導かれた半径方向からの流れを回転軸中心方向に集約するとともに、半径方向から回転軸方向へ流れの向きを転向して気流を遠心羽根車へ導く軸方向流路をその内部に形成した吸込ケーシングから構成される遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法において、
   前記吸込ケーシングの吸込ノズルと該吸込ケーシングの内部に形成された環状流路の合流部における流路断面積Ａ１と吸込ケーシングの内部に形成された軸方向流路と遠心羽根車の間における最小流路断面積Ａｓの比Ａ１／Ａｓの値と、このＡ１／Ａｓと相関が強い初段羽根車入口流速偏差ΔＣを参照して、前記Ａ１／Ａｓの値が、初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増加し始めることのない２．５以上の値になるように設定すると共に、前記吸込ケーシングの内部に形成された環状流路の環状流路半径と軸方向流路幅の積から求まる円筒表面積Ａ２と前記最小流路断面積Ａｓの比Ａ２／Ａｓの値と、このＡ２／Ａｓと相関が強い初段羽根車入口流速偏差ΔＣを参照して、前記Ａ２／Ａｓの値が、初段羽根車入口流速偏差ΔＣが急激に増加し始めることのない１２以上の値になるように設定して前記吸込ケーシングの吸込ノズルと前記環状流路の合流部における流路断面形状および前記環状流路の環状流路半径を決定することを特徴とする遠心圧縮機の吸込ケーシングの設計方法。

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