JP5303562B2 - 遠心圧縮機のエアフォイルディフューザ - Google Patents

Description

本発明は、ディフューザ通路区域内に配置された複数のディフューザブレードを組み込み、ディフューザブレードが、それぞれ積層方向に捻れ構成を有する遠心圧縮機のエアフォイルディフューザに関する。より詳細には、本発明は、エアフォイルディフューザのブレードの前縁部で測定したソリディティ値が、圧縮機のハブ板における１．０未満の値から、ハブ板に対向して配置された圧縮機のシュラウドの外側部分で測定された１．０を超える値までの間で変動する上記エアフォイルディフューザに関する。

遠心圧縮機は、多くの産業用途で使用されている。遠心圧縮機の主要構成要素は、電源、典型的には電動機によって駆動されるインペラである。インペラは、ハブ板の内部環状領域内でシュラウドに隣接して回転する。インペラは、圧縮される流体をシュラウドに通して引っ張り、流れを高速で、したがってインペラの回転方向に対して全体的に半径方向である方向の運動エネルギーで再誘導するブレード付きの回転要素である。ディフューザは、インペラの下流で、ハブ板とシュラウドの外側部分の間に画定されたディフューザ通路区域内に配置され、圧縮される流体の速度を低下させることによって気体内の圧力を回復する。その結果として加圧された流体は、圧縮機の出口に向かって誘導される。

羽根無しディフューザでは、ハブ板とシュラウドの外側部分との間にあるディフューザ通路区域は、圧力を回復するために常に増加している。羽根式ディフューザでは、ディフューザ通路区域内でブレードがハブ板またはシュラウドの外側部分に接続される。ブレードは、ハブ板からシュラウドを見て、一定の横断面を有することができる。エアフォイルディフューザとして周知の羽根式ディフューザでは、羽根は一定の横断面ではなくエアフォイル部分を有する。

このような遠心圧縮機の駆動に必要な力は、遠心圧縮機を使用するプラントの運転コストの相当な部分になることがある。例えば空気分離プラントでは、プラントの運転に関係する費用の大部分は、空気の圧縮に使用される電力コストである。このような用途に空気分離として使用される圧縮機は、他の用途でも同様に、広い運転範囲を必要とする。例えば、空気分離プラントでは、生産量を低下させ、生産量を上昇させることが可能である必要がある。この可変運転は、時刻に応じて変動する需要または局所的電力コストによって引き起こされることがある。しかし電力の費用を考慮すれば、広い運転範囲は、その運転範囲にわたる圧縮機の効率を伴うことも必要である。

効率を保持しながら運転範囲を増加させようとして、インペラの設計およびディフューザの設計を変更することが可能である。しかし、インペラの設計に関して、使用される実際の設計は、圧縮機の機械的構成、およびその結果となる流れの条件、例えば比速度によって制約を受ける。これらの構成によって、インペラ特性の多く、例えば、インペラシュラウドおよびインデューサ構成の設計、軸方向の長さ、したがって子午面の輪郭および３次元空力構成の使用、すなわち空力スイープおよび傾き、およびスプリッタブレードの使用が予め決定される。しかし、通常、最も一般的に使用されるインペラ特性は、インペラ出口におけるブレードの後退角である。これは流量が低下する状態で圧力が上昇する特性を遠心ステージに与え、それはそのステージの安定性を向上させる。さらに、同じ回転速度と圧力の比率で設計された放射状ブレードがあるインペラと比較して、後退インペラは、放射状ブレードがあるインペラ設計と比較して低下したブレード圧力負荷、増大したインペラの反応、および損失がない流体への増大したエネルギー伝達（コリオリの加速度）を有する。

ディフューザの設計はインペラほど制約がない。ディフューザ設計の幾何学的制約は、オーバハング式ステージの渦巻およびコレクタのサイズ、またはビーム式ステージの場合は戻り流路である。羽根無しディフューザは、遠心圧縮機ステージに、中位の圧力回復レベルおよび中位の効率で大きい運転範囲を提供する。他方で、羽根式ディフューザの方が効率レベルは高いが、範囲が小さくなる。運転範囲を広げようとして、米国特許第２，３７２，８８０号は、エアフォイルの横断面はないが、スロート区域を変化させ、それにより圧縮機の運転範囲を増大させるためにブレードに捻りを組み込んだブレードを有する羽根式ディフューザを提供する。その結果となるディフューザは、ソリディティが高いディフューザである。言い換えると、ブレードの前縁部と後縁部との間で測定した距離を隣接するブレードの前縁部間の周方向の間隔で割ることにより計算して、１．０より大きい比率を幾何学的に組み込む。

１．００未満のソリディティ値を有するエアフォイルディフューザである低ソリディティのディフューザは、ディフューザの通路に幾何学的なスロートがないことを特徴とし、羽根無しディフューザと同様の大きい流量範囲を有するが、羽根無しディフューザより増大した圧力回復レベルを有することが証明されている。しかし、運転範囲の増大は、高ソリディティのディフューザと比較して効率を犠牲にすることがわかっている。他方の極端な状態では、高ソリディティのディフューザは、より効率的である一方、低ソリディティのディフューザの運転範囲を有さないように構成されている。

以下で検討するように、本発明は１つの態様では、ハブ板にて低いソリディティ値を、およびシュラウドにて高いソリディティ値を生成し、その結果、ディフューザが、先行技術と比較してこの遠心圧縮機の運転範囲を広くするばかりでなく、広い運転範囲にわたって高い効率も付与する、ディフューザブレードが捻れ構成で製作されるエアフォイルディフューザを提供する。

米国特許第２，３７２，８８０号

本発明は、ソリディティがハブ板における低いソリディティ値からシュラウドにおける高いソリディティ値まで変動する遠心圧縮機のエアフォイルディフューザを提供する。本発明によれば、エアフォイルディフューザは、ハブ板とハブ板に対向して配置されたシュラウドの外側部分との間に画定されたディフューザ通路区域を有する。ハブ板およびシュラウドは遠心圧縮機の一部を形成し、遠心圧縮機のインペラがその環状の内部領域内で回転できるように、それぞれがほぼ環状の構成を有する。複数のディフューザブレードが、ハブ板とシュラウドの外側部分の間のディフューザ通路区域内に円形の構成で配置され、ハブ板またはシュラウドの外側部分に接続される。

ディフューザブレードは、ハブ板とシュラウドの外側部分との間でとられた積層方向に捻れ構成を有し、したがってディフューザブレードは、それぞれ全体的に積層方向に延在して各エアフォイル部分の空力中心を通過する線の周囲で捻れ、ディフューザブレードは、それぞれハブ板からシュラウドの外側部分まで減少するブレード入口角、およびハブ板で測定し、インペラの回転方向で、前縁部で負の値、および後縁部で正の値を有する傾き角を有する。本明細書および請求の範囲で使用する「積層方向」という用語は、それに沿って無限の数のエアフォイル部分がハブ板からシュラウドの外側部分まで積層されるディフューザブレードそれぞれのスパン幅方向を意味することに留意されたい。「ブレード入口角」という用語は、前縁部に沿った測定点、例えばハブ板およびシュラウドの外側部分にてブレードを通過する円弧に対する接線と、その前縁部を通過するディフューザブレードのキャンバ線に対する接線との間で測定される角度を意味する。本明細書および請求の範囲で使用する「傾き角」という用語は、ディフューザブレードのそれぞれがスパン幅方向でハブ板に直角な線と成し、ハブ板にて測定される角度である。従来、このような角度はインペラの回転方向で正の値を有する。

以上に加えて、本発明のエアフォイルディフューザでは、ディフューザブレードの前縁部におけるソリディティの測定値は、１．０未満というハブ板にて測定した低い方のソリディティ値と、１．０以上というシュラウドの外側部分にて測定した高い方のソリディティ値との間で変動する。これに関して、「ソリディティ値」という用語は、翼弦長、または言い換えると各ディフューザブレードの前縁部と後縁部を隔置する距離をブレードの前縁部におけるブレードの周方向の間隔で割った比率を意味する。周方向の間隔および翼弦長は、ハブ板およびシュラウドの外側部分にて測定を実行する位置にて決定される。ブレードのスイープがなければ、周方向の距離は同じになる。

ソリディティの低い方の値は、約０．５と約０．９５の間の低い方の範囲にあり、ソリディティの高い方の値は、約１．０と約１．４の間の高い方の範囲にあることが好ましい。ソリディティの低い方の値は約０．８であり、ソリディティの高い方の値は約１．３であることが最も好ましい。ブレード入口角は、積層方向に対して線形関係で変動することができる。ディフューザブレードは、それぞれ全体的に積層方向に延在して各エアフォイル部分の空力中心を通過する線の周囲で捻れることが好ましい。

傾き角の絶対値は約７５°以内であることが好ましい。ブレード入口角は、ハブ板にて測定して１５．０°と約５０．０°の間であり、シュラウドの外側部分で測定して約５．０°と約２５．０°の間であることが好ましい。ディフューザブレードそれぞれのハブ板およびシュラウドの外側部分の両方におけるキャンバ角は、約０．０°と約３０°の間であり、約５°と約１０°の間であることが好ましい。これに関して、本明細書および請求の範囲で使用する「キャンバ角」という用語は、ディフューザブレードの前縁部を通過するディフューザブレードのキャンバ線に対する接線と、ブレードの後縁部を通過するディフューザブレードのキャンバ線に対する接線との間に成される角度を意味する。

ディフューザブレードは、それぞれＮＡＣＡ６５のエアフォイル部分を有することが好ましい。さらに、各ディフューザブレードは、それぞれシュラウドの外側部分とハブ板で測定して、約２％と約６％の間という最大厚さ対翼弦の比率を有する。これに関して、シュラウドの外側とハブ板で取られた測定値の間の平均として約０．０４５という最大厚さ対翼弦の比率が好ましい。

ディフューザブレードはその前縁部にて、ハブ板で測定して、エアフォイルディフューザに関連して使用されるインペラのインペラ半径の約５．０％と約２５．０％の間という、ハブ板の内径から一定のオフセットで偏ることが好ましい。好ましい一定のオフセットは、約１５．０％である。本明細書および請求の範囲で使用する「オフセット」という用語は、インペラ半径のパーセンテージを意味する。約７から１９個のディフューザブレード、好ましくは９個のディフューザブレードがあってよい。前縁部と後縁部の両方をスイープ無しで構成することができる。

本明細書の最後には、出願人がその発明と見なす主題を明確に指摘する請求の範囲があるが、本発明は添付図面の説明との関連で受け取るとより良く理解されると信ずる。

本発明によるエアフォイルディフューザの部分立面図である。 図１の立面図で部分的に図示された本発明によるエアフォイルディフューザのハブ板の平面図である。 図２に示すハブ板に組み込まれたディフューザブレードの拡大部分立面図である。 図２に図示されたハブ板の拡大部分平面図である。 ハブ板にてブレードそれぞれのブレード入口角およびキャンバ角を示すために、ハブ板にて取られた本発明によるエアフォイルディフューザのブレードの輪郭の拡大平面図である。 シュラウドの外側部分にてブレードそれぞれのブレード入口角およびキャンバ角を示すために、シュラウドの外側部分にて取られた本発明によるエアフォイルディフューザのブレードの輪郭の拡大平面図である。 本発明による図１から図５に示したディフューザのブレードに組み込まれた傾き角の絶対値対ディフューザブレードに沿った子午線距離のグラフ図である。 先行技術の低いソリディティおよび高いソリディティのエアフォイルディフューザと比較して、本発明によるエアフォイルディフューザの圧縮機ステージの効率対容積流量をインペラ回転速度で割った値のグラフ図である。 先行技術の低いソリディティおよび高いソリディティのエアフォイルディフューザと比較して、本発明によるエアフォイルディフューザの圧力回復率対容積流量を流速で割った値のグラフ図である。

図１および図２を参照すると、本発明によるエアフォイルディフューザ１が図示されている。エアフォイルディフューザ１は、ハブ板１０とそのシュラウド１２の間で遠心圧縮機に組み込まれる。ハブ板１０およびシュラウド１２は、両方ともほぼ環状の構成を有し、それによって遠心圧縮機のインペラはその内部環状領域内で回転することができる。したがって、ハブ板１０は、円形の外周１４および円形の内周１６を有する。シュラウド１２は、輪郭を描いた入口部分１８を有し、圧縮される気体はそれを通って、インペラに、および入口部分１８から半径方向に延在するハブ板１０に対向して配置された外側部分２０に引き込まれる。当技術分野で周知のように、シュラウド１２は圧縮機ケーシングの部分を形成し、ハブ板１０はそのような圧縮機ケーシングに接続される。エアフォイルディフューザ１は、ハブ板１０とシュラウド１２の外側部分２０とディフューザブレード２２の間に画定されたディフューザ通路区域２１によって形成される。図示されていないが、ディフューザ通路区域２１は圧縮機出口と連通し、そこから渦巻または戻り流路を介して圧縮された気体が放出される。ディフューザブレード２２はハブ板１０に接続され、したがってハブ板１０とシュラウド１２の外側部分２０の間に配置される。ディフューザブレード２２をシュラウド１２の外側部分２０に接続することが可能である。図２で最もよく見られるように、ディフューザブレード２２は円形の構成で位置決めされる。

図示されていないが、インペラはハブ板１０の円形内周１６内で回転するように、シュラウド１２の輪郭を描いた入口部分に近い関係で位置決めされる。本発明は任意のインペラ設計で使用することができるが、インペラ出口に後退角を組み込んだインペラが好ましい。本発明は、特定の製造業者に関係なく任意の遠心圧縮機に用途を有することにも留意されたい。

図２から明白なように、ディフューザブレードは、それぞれ積層方向に捻れ構成を有することが分かる。図３を追加的に参照すると、ディフューザブレード２２は、それぞれ前縁部２４と、後縁部２６とを有する。ディフューザブレード２２は、それぞれエアフォイル部分を組み込んでいるので、前縁部２４と後縁部２６の間に翼弦線も有する。翼弦長、または言い換えると、ディフューザブレード２２のそれぞれとハブ板との接合部でディフューザブレード２２それぞれの前縁部２４と後縁部２６を隔置する距離は、翼弦長「Ｄ１」によって与えられる。ディフューザブレード２２のそれぞれがシュラウド１２の外側部分２０と遭遇する場所で前縁部２４と後縁部２６を隔置する翼弦長は距離「Ｄ２」として図示される。図示されていないが、ディフューザブレード２２とハブ板１０の間のこのような接合部で、ブレードと板の間の滑らかな遷移のためにすみ肉材が提供される。

図４を追加的に参照すると、ディフューザブレード２２それぞれの前縁部２４にて、ブレード２２の間隔、すなわちディフューザブレード２２を隔置する周方向の距離を、ハブ板１０およびシュラウド１２の外側部分２０で測定することができる。半径「Ｒ」を有し、ディフューザブレード２２を隔置する弧に沿ったこの周方向の距離は、「Ｄ３」で与えられる。図示の実施形態の「Ｄ３」は、ディフューザブレード２２それぞれの前縁部２４が位置する円の円周２πＲを得て、このような値をブレード数で割ることによって決定することができる。図示の実施形態では、この距離はハブ板１０とシュラウド１２の外側部分２０との間で変動しない。何故なら、ブレードはその前縁部２４にスイープがないからである。

複数の図面、すなわち図１から図４では、ディフューザブレード２２それぞれの前縁部２４の角度はスイープ角ではなく、上記図面でディフューザブレード２２に与えられた捻りによって現れる角度であることに留意されたい。当技術分野で周知のように、エアフォイルディフューザのブレードの前縁部に関して使用する「スイープ」という用語は、ディフューザブレードの前縁部のそれぞれがハブ板１０と接触する点が、ディフューザブレードの前縁部のそれぞれがシュラウド１２の外側部分２０と接触する点とは異なる半径にあることを意味する。同じ定義が、同様にスイープを設けることができる後縁部に当てはまるが、図示の実施形態ではスイープがない。

図２で最もよく見られるように、前縁部２４は、ハブ板１０の内周１６から一定のオフセット距離「Ｄ_Ｏ」に配置される。このオフセットは、ハブ板１０の内周１６内で回転するインペラの半径のパーセンテージとして表すことができ、そのような半径の約５％と約２５％の間であることが好ましい。１５．０％という一定のオフセットが好ましい。オフセットの理由は、前縁部２４が内周１６に配置された場合は、インペラを去る流れから、流れに誘発された構造的振動がインペラブレードおよびディフューザブレード２２内に引き起こされることがあり、それがインペラブレードおよびディフューザブレード２２を弱めることがあるからである。しかしオフセット距離が遠すぎると、流れとディフューザブレード２２の間の相互作用は、効率および圧力回復能力の点でディフューザ１の性能が羽根無しディフューザの性能まで低下し得るほど減少してしまう。通常、ディフューザブレード２２は約７個と１９個の間でよいが、このようなディフューザブレード２２が９個あることが好ましい。

動作範囲ばかりでなく最大の効率も入手するために、ハブ板１０ではディフューザブレード２２それぞれの前縁部２４にて測定したソリディティ値が１．０未満であり、シュラウド１２の外側部分２０で測定したソリディティ値は１．０以上である。特に図３および図４を参照すると、ハブ板１０における低い方のソリディティ値は「Ｄ１」対「Ｄ３」の比率から計算され、シュラウド１２の外側部分２０で測定した高い方のソリディティ値は「Ｄ２」対「Ｄ３」の比率から計算される。低い方のソリディティ値は、約０．５と約０．９５の間の範囲にあることが好ましい。高い方のソリディティ値は、約１．０と約１．４の間の高い方の範囲にある。低い方のソリディティ値が０．８で、高い方のソリディティ値が１．３であることがさらに好ましい。

ブレードは捻れ構成であるので、ディフューザブレードのブレード入口角は、積層方向にハブ板１０からシュラウド１２の外側部分２０へと減少する。図５を参照すると、ハブ板１０に遭遇する場所でのディフューザブレード２２のブレード入口角「Ａ１」は、以前に検討した半径「Ｒ」によって与えられた円に対する接線「Ｔ」と、その前縁部２４を通過するブレード輪郭２２ａにおけるエアフォイル部分のキャンバ線「Ｃ_Ｌ ^ＨＰ」に対する接線「Ｔ_Ｌｅ ^ＨＰ」との間で測定される。ブレード輪郭２２ａにおけるエアフォイル部分のキャンバ角「Ａ２」は、接線「Ｔ_Ｌｅ ^ＨＰ」と、その後縁部２６を通過するキャンバ線「Ｃ_Ｌ ^ＨＰ」に対する接線「Ｔ_Ｔｅ ^ＨＰ」との間の角度であることに留意されたい。図６を参照すると、ハブ板１０に遭遇する場所でのディフューザブレード２２のブレード入口角「Ａ３」は、以前に検討した半径「Ｒ」によって与えられる円に対する接線「Ｔ」と、その前縁部２４を通過するブレード輪郭２２ｂにおけるエアフォイル部分のキャンバ線「Ｃ_Ｌ ^Ｓ」に対する接線「Ｔ_Ｌｅ ^Ｓ」との間で測定される。ここでも、ブレード輪郭２２ｂにおけるエアフォイル部分のキャンバ角「Ａ４」は、接線「Ｔ_Ｌｅ ^Ｓ」と、その後縁部２６を通過するキャンバ線「Ｃ_Ｌ ^Ｓ」に対する接線「Ｔ_Ｔｅ ^Ｓ」との間の角度であることにも留意されたい。図５および図６から明白なように、角度「Ａ１」は角度「Ａ３」より大きい。

ハブ板１０にて測定したブレード入口角「Ａ１」は、約１５．０°と約５０．０°の間であることが好ましく、シュラウド１２の外側部分２０にて測定したブレード入口角「Ａ３」は、約５．０°と約２５．０°の間であることが好ましい。また、ハブ板１０およびシュラウド１２の外側部分２０両方でのキャンバ角は、約０．０°と約３０°の間である。本発明の発明者らは、ブレード入口角がインペラに、およびエアフォイルディフューザへと誘導された入口流量に基づいて選択されることを発見した。キャンバ角「Ａ２」または「Ａ４」は、約５．０°と約１０．０°の間であることが好ましい。

ディフューザブレードの設計に使用される流れの角度、例えばブレード入口角およびキャンバ角の選択は、インペラ設計およびディフューザの拡散スケジュールによって決定される。通常、現代のエアフォイル設計は、計算流体力学を使用し、当業者に全て周知のコンピュータ支援パッケージを使用して遂行される。これらの角度の外側の範囲は、遠心インペラとの関連で使用されるインペラ設計の既知の変動を表し、インペラを去る流れがディフューザ内で圧力を回復して再誘導できる範囲を表す。概して、ブレード入口角対しては、シュラウドにおける流れの方が全体的により接線方向に働くので、許容される角度の変動は小さくなる。

再び図３を参照すると、各ディフューザブレード２２は、積層方向にあって、ディフューザブレードそれぞれの空力中心を通過する線である線「Ｌ_ａｃ」の周囲で捻れることが好ましい。空力中心とは、その周囲で空力的モーメントがブレードの迎角とともに変動しない点である。このことは好ましく、本発明の実施形態は、ディフューザブレード２２の他の何らかの位置の周囲で捻れた状態でも生成できることに留意されたい。

ブレードの捻れは、ディフューザブレード２２それぞれに傾き角を生成し、それはハブ板１０の法線からインペラの回転方向（図２では時計回り）に測定され、これは前縁部２４では負であり、後縁部では正である。絶対傾き角は約７５°以内であることが好ましい。これは、傾き角が大きくなると機械加工が困難になることが判明したという点で、製造目的のためである。図７を参照すると、図示の実施形態では傾き角は前縁部２４のそれぞれで約−３０°であり、低下して「Ｌ_ａｃ」でゼロになり、次に増加して後縁部２６のそれぞれで約６０°になる。「子午線距離」という用語は、エアフォイルの負圧面と正圧面との間に位置するディフューザブレード２２に組み込まれたエアフォイル部分のキャンバ線のパーセント距離であることに留意されたい。

ディフューザブレード２２は、それぞれＮＡＣＡ６５のエアフォイル部分を組み込むことが好ましい。このようなエアフォイルの最大厚さ対翼弦の比率の範囲は、シュラウド１２の外側部分２０で測定した約２％、およびハブ板１０で測定した約６％である。当技術分野で周知のように、このような比率は、正圧面と負圧面との間でブレードの最大厚さを得て、これを翼弦線距離で割ることによって決定される。例えば、ハブ板１０における厚さ対翼弦線の比率に関して、その値は、図５に示したブレード輪郭２２ａの最大厚さを図３に示す距離「Ｄ１」で割ったものとなる。図示のディフューザブレード２２では、この比率の変化は線形的であるが、非線形的であってもよい。認識されるように、ソリディティはハブ板１０からシュラウド１２の外側部分２０へと増加するので、ディフューザブレード２２それぞれの翼弦も増加し、したがって一定の最大厚さを維持し、ディフューザブレード２２それぞれからシュラウド１２の外側部分２０に向かう積層方向で流れの剥離を回避するために、この比率は減少する。シュラウドおよびハブ板における厚さ対翼弦の比率の平均は、０．０４５であることが好ましい。

下表Ｉは、様々な異なる設計のディフューザブレードの最大等エントロピー効率の実験結果を明示する。ブレードタイプ２は純粋な傾きの設計であり、ブレードタイプ８は捻りがなく、したがってブレード捻れの積層位置がない。「ブレード捻れの積層位置」とは、ブレードの前縁部からのキャンバ線距離のパーセンテージとして、特定のブレード捻れの中心線の位置を示す。いかなる場合も、「ブレード捻れの積層位置」は空力中心になかった。ブレード１、２および７は、ソリディティが１以上である点で、高いソリディティの設計である。ブレード３、５、６および８は、ソリディティが１未満である点で、低いソリディティのブレード設計である。ハブ板にて１．００未満のソリディティ値、シュラウドにて１．００より大きいソリディティ値を有するブレードタイプ５は、「ブレード捻れの積層位置」を空力中心に配置することが好ましいが、本発明の必須の特徴ではないという点で、本発明によるブレードである。予想されるように、ブレードタイプ４は、試験し、表Ｉに述べた全てのブレードのうち最高のピーク等エントロピーピーク効率を有していた。全てのエアフォイルはＮＡＣＡ６５タイプの部分であったことに留意されたい。

表ＩＩは、他の好ましい特徴ばかりでなく空力中心に好ましい「ブレード捻れの積層位置」も含んだ、全て本発明によるブレードを示す。これも、全てのブレードはＮＡＣＡ６５タイプの部分に基づく。ここでは、ピーク等エントロピー効率が表ＩＩより大きかったが、「ブレードタイプ」１１は、インペラ直径がタイプ９より約２０％小さかったことから効率が悪くなった。しかし、これは実際には、インペラが小さくなると必然的に効率が低下することから、重要な効率である。表Ｉと表ＩＩの比較で、効率の百分位数の差は数パーセンテージの点であるが、先行技術のブレード設計に伴う技術は既に十分に開発され、いかなる場合でも効率が上昇すれば全て、大幅な電力消費の節約になるので、これらの結果が重要であることにも留意されたい。この点で、遠心プロセス圧縮機に関して、中位のサイズの圧縮機ステージの等エントロピー効率が１．５パーセンテージ点だけ変化すると、ステージ当たり約２０キロワットの電力節約になる。

運転範囲および効率に関して、以下の例では、本発明によるエアフォイルディフューザ（「３Ｄディフューザ」）を低いソリディティのエアフォイルディフューザ（「ＬＳＡディフューザ」）および高いソリディティのエアフォイルディフューザ（「ＨＳＡディフューザ」）と比較した。下表ＩＩＩは、この比較で使用した前述のディフューザそれぞれの設計詳細を明示する。

追加的に図８を参照すると、正規化した合計対静止ステージ効率「η」が、表ＩＩＩで明示された３タイプのエアフォイルディフューザについて、「Ｑ／Ｎ」に対して表にされている。当技術分野で周知のように、ステージ合計対静止効率「η_ｔｓ」は、次の式によって与えられる。すなわち（ステージ出口静止圧／ステージ入口合計圧力）^{（γ／γ−１）−１}÷（（ステージ出口合計温度／ステージ入口合計温度））−１）で、ここで「γ」は流体の断熱指数であり、空気または窒素では１．４である。量「Ｑ／Ｎ」は、入口の容積流量をインペラの回転速度で割った値である。本発明によるディフューザ「３Ｄ」は、高いソリディティのエアフォイルディフューザ「ＨＳＡ」のピークステージ効率と同様のピークステージ効率を有する。ピーク効率は、より広範囲の流量にわたって維持される。低いソリディティのエアフォイルディフューザ「ＬＳＡ」は、本発明によるエアフォイルディフューザと同様の広い運転範囲を呈するが、ステージ効率はそれより低い。

追加的に図９を参照すると、表ＩＩＩに明示されたディフューザの圧力回復能力を比較している。図９に示すグラフの結果から分かるように、本発明によるディフューザ「３Ｄ」の運転範囲は、低いソリディティのディフューザ「ＬＳＡ」のそれと匹敵する。さらに、高いソリディティのエアフォイルディフューザ「ＨＳＡ」の圧力回復係数「ＣＰ」は、流量係数が設計点より上昇すると非常に急速に低下する。これは、ディフューザのスロートの閉塞による。しかし、０．０４というＱ／Ｎの設計流量条件で圧力回復係数が高いにもかかわらず、ディフューザの前縁部に流れの剥離があり、その結果、ディフューザのスロートで流れの妨害が増大するので、大きい減少範囲にわたってこれが維持されない。本発明によるディフューザ「３Ｄ」の圧力回復は、設計流量条件では高いソリディティのエアフォイルディフューザ「ＨＳＡ」のそれと匹敵する。さらに、この高い圧力回復は、低いソリディティのディフューザのそれと同様の、より広い範囲にわたって維持される。変動するソリディティが、ディフューザの通路に好ましい３次元の流れ構造を引き起こすブレードの捻れおよび傾きと組み合わされることにより、幾何学的なスロートがないので、本発明のディフューザが、高いソリディティのディフューザと同様の高い圧力回復で、低いソリディティのディフューザの運転範囲と一致することができる。そのために、当業者であれば周知のように「ＣＰ」という用語は、ディフューザ吐出圧力からディフューザの入口圧を引き、ディフューザ入口での動的水頭で割ることによって与えられる量である。ディフューザ入口での動的水頭は、０．０５×入口密度×入口流速の２乗に等しい。

本発明を、当業者に想起されるような好ましい実施形態について説明してきたが、現在出願中の請求の範囲に述べるような本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、多数の変更および追加を実行することができる。

Claims (14)

1. 遠心圧縮機のエアフォイルディフューザであって、
   ハブ板と前記ハブ板に対向して配置されたシュラウドの外側部分との間に画定されたディフューザ通路区域であって、前記ハブ板および前記シュラウドが前記遠心圧縮機の一部を形成し、それぞれがほぼ環状の構成を有して、それによって前記遠心圧縮機のインペラがその内部環状領域内で回転することができるディフューザ通路区域と、
   前記ディフューザ通路区域内で、前記ハブ板と前記シュラウドの前記外側部分との間に円形の構成で配置され、前記ハブ板または前記シュラウドの前記外側部分に接続された複数のディフューザブレードと、
   を備え、
   前記ディフューザブレードが、前記ハブ板と前記シュラウドの前記外側部分の間で積層方向に捻れ構成を有し、したがって前記ディフューザブレードが、それぞれ全体的に前記積層方向に延在して各エアフォイル部分の空力中心を通過する線の周囲で捻れ、前記ディフューザブレードが、それぞれ前記ハブ板から前記シュラウドの前記外側部分へと減少するブレード入口角と、前記ハブ板で測定して、インペラの回転方向で前縁部では負の値、後縁部では正の値を有する傾き角とを有し、前記ディフューザブレードの前縁部におけるソリディティの測定値が、約１．０未満という前記ハブ板で測定した低い方のソリディティ値と、１．０以上という前記シュラウドの前記外側部分で測定した高い方のソリディティ値との間で変動するエアフォイルディフューザ。
2. 前記低い方のソリディティ値が、約０．５と約０．９５の間の低い方の範囲にあり、
   前記高い方のソリディティ値が、約１と約１．４の間の高い方の範囲にある、請求項１に記載のエアフォイルディフューザ。
3. 前記低い方のソリディティ値が約０．８であり、前記高い方のソリディティ値が約１．３である、請求項１に記載のエアフォイルディフューザ。
4. 前記ブレード入口角が、前記積層方向に対して線形関係で変化する、請求項１に記載のエアフォイルディフューザ。
5. 前記傾き角の絶対値が、約７５°以内である、請求項１に記載のエアフォイルディフューザ。
6. 前記ハブ板にて測定した前記ブレード入口角が、約１５．０°と約５０．０°の間であり、前記シュラウドの前記外側部分で測定した前記ブレード入口角が、約５．０°と約２５．０°の間であり、前記ディフューザブレードのそれぞれについて前記ハブ板と前記シュラウドの前記外側部分の両方におけるキャンバ角が、約０．０°と約３０°の間である、請求項１に記載のエアフォイルディフューザ。
7. 前記キャンバ角が、約５°と約１０°の間である、請求項６に記載のエアフォイルディフューザ。
8. 前記ディフューザブレードが、それぞれＮＡＣＡ６５のエアフォイル部分を有する、請求項１に記載のエアフォイルディフューザ。
9. 前記ディフューザブレードが、それぞれ前記シュラウドの前記外側部分および前記ハブ板それぞれで測定した約２％と約６％の間の最大厚さ対翼弦比率を有する、請求項７に記載のエアフォイルディフューザ。
10. 前記ディフューザブレードが、それぞれ前記シュラウドの前記外側部分と前記ハブ板で取られた測定値間の平均として、約０．０４５という厚さ対翼弦比率を有する、請求項９に記載のエアフォイルディフューザ。
11. 前記ディフューザブレードが、その前記前縁部において、前記ハブ板で測定して、前記エアフォイルディフューザに関連して使用されるインペラのインペラ半径の約５．０％と約２５％の間の前記ハブ板の内径から一定のオフセットで偏る、請求項１に記載のエアフォイルディフューザ。
12. 前記一定のオフセットが、約１５．０％である、請求項１１に記載のエアフォイルディフューザ。
13. ７個と１９個の間の数のディフューザブレードがある、請求項１に記載のエアフォイルディフューザ。
14. 前記前縁部および前記後縁部にスイープがなく、
    前記絶対傾き角が、前記ハブ板で測定して約７５°以内であり、
    前記ブレード入口角が、前記ハブ板で測定して約１５．０°と約５０．０°の間であり、前記シュラウドの前記外側部分で測定して約５．０°と約２５．０°の間である、請求項３に記載のエアフォイルディフューザ。

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