JP5709898B2

JP5709898B2 - 回転機械

Info

Publication number: JP5709898B2
Application number: JP2012547348A
Authority: JP
Inventors: 穣枡谷; 吉田　悟; 悟吉田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: EP2947327A1; US20150056069A1; CN104105886B; CN104105886A; US9835161B2; US10119546B2; EP2821651A1; EP2821651B1; EP2821651B2; WO2013128539A1; JPWO2013128539A1; EP2947327B1; US20150184664A1; EP2821651A4

Description

本発明は、遠心圧縮機等の回転機械に関し、特にその吸入側の圧力損失低減に係る。

特許文献１には、遠心圧縮機のボリュートおいて、ノズルの反対側の範囲における流速を高めるために、当該ボリュートの範囲に部材を埋め込んで流路面積を狭くする技術が記載されている。

特開２０１０−２０３２５１号公報

その一方で、近年、遠心圧縮機等の回転機械においては、径方向寸法の小型化が要望されている。遠心圧縮機等の回転機械の径方向寸法を小型化すると、ノズルからボリュートに流入する部分において、ボリュートの流路面積を十分に確保できず、ボリュート全域で流速が高まる傾向がある。そのため、流体がボリュートからベーンに流入する際に剥離等が生じて圧力損失が増大し、性能が低下してしまうことが懸念されていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、径方向寸法の小型化を図るとともに、ボリュート全域で流速が高まるのを抑制して圧力損失等の発生を防止し、性能低下を抑制することができる回転機械を提供するものである。

本発明に係る回転機械の第一態様は、径方向外周側から内周側へ流体を導入するノズルと、該ノズルと外周側で連通する空間を有するとともに、前記ノズルと接続される接続部から中心軸を挟んで反対側に前記空間を周方向に隔てる仕切部を有するボリュートと、該ボリュートの内周側で該ボリュートと連通した第一流路、及び該第一の流路の内周側から中心軸に沿って下流側に延びる第二流路を有し、第一流路に設けられて第二流路に向かうように延びる内周ベーン及び該内周ベーンの外周側に接続された外周ベーンから構成されるベーンと、周方向で内周ベーンと異なる位置で、内周ベーンよりも外周側に設けられた他の外周ベーンのみから構成されるベーンとからなるようにして、周方向に複数のベーンが設けられ、ボリュートから流入する流体を案内する案内部と、該案内部に軸方向で接続さて該案内部により案内された流体が流入するインペラと、を備え、前記ボリュートは、該ボリュートの前記空間の内周側に、前記案内部へと連通する環状の開口部と、軸方向の幅寸法を拡げるように、前記開口部から軸方向インペラ側に軸方向に沿って延出するとともに、前記中心軸を挟んで前記接続部と反対側で前記軸方向の寸法が漸減されて前記仕切部に接続される内壁面と、を備える。

本発明に係る回転機械の第二態様では、上記第一態様の回転機械における前記他の外周ベーンが、周方向で内周ベーン同士の間の位置に配されていてもよい。

本発明に係る回転機械の第三態様では、上記第一態様又は第二態様の回転機械における前記内周ベーンが、径方向に延び、前記外周ベーンの内周側の部分、および、前記他の外周ベーンの内周側の部分は、径方向に延び、前記外周ベーンの外周側の部分、および、前記他の外周ベーンの外周側の部分は、前記ボリュートから前記案内部に流入する流体の流れに沿う方向に延びるようにしてもよい。

本発明に係る回転機械の第四態様では、上記第一態様又は第二態様の回転機械における中心軸を挟んで前記接続部から最も遠い反対側の位置に配されるベーンは、前記他の外周ベーンのみから構成されるベーンであってもよい。

本発明に係る回転機械によれば、径方向寸法の小型化を図るとともに、ボリュート全域で流速が高まるのを抑制して圧力損失等を防止し、性能低下を防止することができる。

本発明の実施形態における遠心圧縮機の全体構成図である。同実施形態における遠心圧縮機の吸込ボリュートの斜視図である。同実施形態における吸込ボリュートの横断面図である。同実施形態の変形例における図１に相当する全体構成図である。吸込ボリュートにおける各種条件の圧力損失のグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る回転機械について説明する。
図１は、本実施形態の回転機械である遠心圧縮機の概略構成を示す全体図である。
図１に示すように、この実施形態の遠心圧縮機１は、主として、軸線Ｏ回りに回転させられる回転軸５と、回転軸５に取り付けられて遠心力を利用して流体であるガスＧを圧縮するインペラ１０と、回転軸５を回転可能に支持するケーシング２０と、によって構成されている。

ケーシング２０は、略円柱状の外郭をなすように形成され、その中心を貫くように回転軸５が配置されている。ケーシング２０には、回転軸５の軸線Ｏ方向の一側部および他側部に、軸受２１が設けられている。即ち、回転軸５は、軸受２１を介してケーシング２０に回転可能に支持されている。ここで、上記軸受２１としては、回転軸５を径方向で支持するジャーナル軸受２２および軸方向で支持するスラスト軸受２３が設けられている。

回転軸５には、軸線Ｏ方向に複数のインペラ１０が取り付けられている。また、ケーシング２０の内部には、インペラ１０を収容する複数の収容室２４が形成されている。これら収容室２４は、インペラ１０の外面に沿ってインペラ１０よりも僅かに大きく形成され、下流側（紙面右側）に向かって漸次拡径された後に縮径される内部空間を形成している。なお、図１において、インペラ１０が複数設けられている場合の一例を示しているが、インペラ１０は、少なくとも１つ以上設けられていればよい。また、以下の説明においては、軸線Ｏ方向で紙面左側を上流側、紙面右側を下流側として説明する。

収容室２４間には、軸線Ｏ方向の上流側のインペラ１０から吐出されるガスＧを、軸線Ｏ方向の下流側のインペラ１０へ案内する吐出通路２５が形成されている。吐出通路２５は、軸線Ｏ回りに環状に形成されている。また、吐出通路２５は、軸線Ｏ方向の上流側に配置された収容室２４の出口開口部２６から吐出されたガスＧを、軸線Ｏ方向下流側の収容室２４の入口開口部２７に案内するために断面視略Ｕ字状に形成されている。

ケーシング２０の軸線Ｏ方向の下流側には、ガスＧを外部に流出させる排出ノズル２９が取り付けられている。排出ノズル２９は、ケーシング２０の軸線Ｏ方向の最下流側の収容室２４に連通する排出ボリュート３０に接続され、各段のインペラ１０によって圧縮されたガスＧをケーシング２０の外部に排出する。

ケーシング２０の軸線Ｏ方向の上流側には、ガスＧをケーシング２０の径方向外周側から内周側へと導入させる外周側ほど拡径された略円筒状の吸込ノズル２８が取り付けられている。さらに、ケーシング２０には、吸込ノズル２８の径方向内周側に配置されて吸込ノズル２８と連通する吸込ボリュート３１が形成されている。この吸込ボリュート３１の内周側には、吸込ボリュート３１と最上流側の収容室２４の入口開口部２７とを接続する案内部３２が形成されている。

案内部３２は、吸込ボリュート３１の内周側で吸込ボリュート３１の内部空間３５と連通して内周側に向かって延びる略円環状の第一流路３３と、第一流路３３の内周側から軸線Ｏに沿って下流側に延びる略筒状の第二流路３４とを形成している。第二流路３４は、軸線Ｏ方向の下流側で最上流側の収容室２４の入口開口部２７に連通されている。案内部３２は、第一流路３３の軸線Ｏ方向の幅寸法が吸込ボリュート３１の軸線Ｏ方向の幅寸法よりも狭く形成されている。

図２は、吸込ボリュート３１周辺の斜視図であり、図３は吸込ボリュート３１周辺の断面図である。
図２、図３に示すように、吸込ボリュート３１の内部空間３５は、案内部３２を周方向で囲む略環状（図３参照）に形成されている。そして、吸込ボリュート３１は、その内周側に、案内部３２へと連通する略環状の開口部３７を備えている。

また、吸込ボリュート３１は、吸込ノズル２８と接続される接続部３８から軸線Ｏを挟んで反対側（回転軸５を中心として周方向に略１８０度ずれた位置）に内部空間３５を周方向に隔てる仕切部３６を有している。そして、吸込ボリュート３１は、周方向で仕切部３６に近づくほど、内部空間３５の径方向寸法が漸減されている。

案内部３２の第一流路３３には、吸込ボリュート３１の周方向に流通されるガスＧを第二流路３４に向かって案内する複数のベーン３９が配設されている。これらベーン３９は、内周側で径方向に沿って第二流路３４に向かうように軸線Ｏ方向に立設された内周ベーン４０と、内周ベーン４０よりも外周側に立設されて吸込ノズル２８側に僅かに屈曲形成された外周ベーン４１とを備えている。外周ベーン４１は、周方向で内周ベーン４０の中間位置にも配設されている。なお、上述した仕切部３６は、その径方向内周側の端部が第一流路３３の外周ベーンを兼ねる形状となっている。

吸込ノズル２８と吸込ボリュート３１とには、吸込ノズル２８から径方向に導入されるガスＧを周方向に沿うように案内するノズル内仕切板４３が配設されている。ノズル内仕切板４３は、本実施形態では三つ設けられており、中央のノズル内仕切板４３Ａが吸込ノズル２８の中心軸Ｌ２８に沿って径方向に延設されている。また、ノズル内仕切板４３Ａ両側の２つのノズル内仕切板４３は、それぞれ吸込ノズル２８側から案内部３２に向かって次第に互いの間隔が拡幅するように延設されている。なお、ノズル内仕切板４３の形態としては、本実施形態のものに限られず、例えば、４枚以上配置しても良いし、また、吸込ノズル２８の内部まで延出されないようにしても良い。

吸込ボリュート３１は、軸線Ｏ方向の幅寸法を拡げるように、開口部３７から軸線Ｏ方向インペラ１０側に、軸線Ｏに沿って延出する内壁面４４を有している（図１、図２参照）。この内壁面４４は、開口部３７に沿って形成され、接続部３８から軸線Ｏを挟んだ反対側で仕切部３６に接続されている。内壁面４４は、軸線Ｏ方向の幅寸法が、全周に亘って略同寸法に形成されている。

一方で、軸線Ｏ方向における開口部３７を挟んだ内壁面４４の反対側には、径方向外側に向かって傾斜する傾斜面を備えるテーパ部４５が形成されている。テーパ部４５の径方向外周側の端縁と、上述した内壁面４４の軸方向下流側の端縁とには、径方向外側に延びる軸方向壁面４６，４７が繋がっている。つまり、吸込ボリュート３１は、開口部３７に対して軸方向両側に拡幅して形成されている。そして、上記テーパ部４５が形成されていることで、吸込ボリュート３１の軸線Ｏ方向の幅寸法が、開口部３７に向かって漸減されている。

軸方向壁面４６，４７は、仕切部３６側において、その幅寸法が周方向で仕切部３６に近づくにつれて漸減されている。同様に、内壁面４４も、仕切部３６の直前で軸線Ｏ方向の寸法が漸減されて仕切部３６に接続されている。そして、軸方向壁面４６，４７の径方向外側には、これら軸方向壁面４６，４７間を接続し、軸方向に延在する外周面４８が形成されている。

外周面４８は、接続部３８から軸線Ｏを挟んで反対側で仕切部３６に接続されている。具体的には、外周面４８は、周方向の仕切部３６側において該仕切部３６に連続するように径方向内周側に向かうように湾曲形成されている（図３参照）。この外周面４８によって、仕切部３６側における吸込ボリュート３１から案内部３２へのガスＧの流入をより滑らかに案内することが可能となっている。

次に、この実施形態における回転機械１の作用、特に吸込ノズル２８から流入したガスＧが入口開口部２７に入るまでの作用について説明する。
図１及び図２に示すように、この実施形態のケーシング２０では、吸込ノズル２８によって径方向外周側から内周側へと流通するガスＧは、接続部３８から吸込ボリュート３１に流入する。ここで、三つのノズル内仕切板４３が設けられていることによって、吸込ボリュート３１に流入したガスＧを周方向両側へと案内して好適に周方向に流通させることができる。そして、吸込ボリュート３１において周方向に流通するガスＧは、次第に内周側に位置する案内部３２に流入し、この案内部３２によって軸方向の流れに変化させられ、インペラ１０の入口開口部２７まで流通されることとなる。

したがって、上述した実施形態の遠心圧縮機１によれば、吸込ボリュート３１が、軸線Ｏ方向の幅寸法を拡げるように、開口部３７から軸線Ｏ方向インペラ１０側に、軸線Ｏに沿って延出する内壁面４４を有していることで、例えば、ケーシング２０の径方向寸法を小型化した場合に、吸込ボリュート３１の幅寸法を軸線Ｏ方向インペラ１０側に拡大することができる。そのため、吸込ノズル２８側から仕切部３６に至る吸込ボリュート３１全域で吸込ノズル２８から導入されたガスＧの流速が高まるのを抑制することができる。そのため、案内部３２に流入するガスＧに剥離等が生じて圧力損失が増大するのを防止することができる。その結果、性能低下を抑制することができる。

また、吸込ボリュート３１の軸線Ｏ方向の幅寸法を、開口部３７よりも軸線Ｏ方向両側に拡大することができるため、軸線Ｏ方向片側に拡大する場合よりも流路面積をより拡大することができる。その結果、吸込ボリュート３１に導入されたガスＧの流速が高まるのをより確実に防止することができる。

さらに、吸込ボリュート３１にテーパ部４５が形成されていることで、インペラ１０と軸線Ｏ方向反対側において吸込ボリュート３１から開口部３７へ流動するガスＧの流速を徐々に上げることができるため、ガスＧを案内部３２へ円滑に導くことが可能になる。

また、テーパ部４５を有することで、吸込ボリュート３１が軸線Ｏ方向の外側（インペラ１０とは反対側）へ突出するのを抑制することができる。つまり、遠心圧縮機の軸線Ｏ方向へ大型化するのを防止することができるため、吸込ボリュート３１の軸線Ｏ方向外側に配管等が配索されている場合等、軸線Ｏ方向にスペースが無い場合に有利となる。

なお、本発明は上述した実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した実施形態では、吸込ボリュート３１がテーパ部４５を有する場合について説明したが、吸込ボリュート３１の軸線Ｏ方向外側（インペラ１０と反対側）にスペース的に余裕がある場合例えば、図４に示すように、テーパ部４５に代えて軸線Ｏに沿ってインペラ１０とは反対側に延びる内壁面１４５を形成するようにしてもよい。
このように構成することで、吸込ボリュート３１の軸線Ｏ方向の寸法を、軸線Ｏ方向インペラ１０側と反対側にも拡大することができるため、更なる流路断面積の拡大を図ることができる。その結果、吸込ノズル２８から流入するガスＧの流速が高まるのを更に抑制して圧力損失を低減することが可能となる。

また、上述した実施形態において、吸込ボリュート３１の流路面積は、吸込ノズル２８の流路面積に対して９０％以上とするのが好ましい。このようにすることで、吸込ノズル２８から吸込ボリュート３１に流入したガスＧの流速が急激に上昇するのを防止できる。一方、吸込ボリュート３１の流路面積が９０％よりも小さい場合には、９０％以上の場合よりも吸込ボリュート３１内のガスＧの流速が速くなり過ぎて、案内部３２において剥離等により圧力損失が増大してしまう。

さらに、外周ベーン４１の径方向幅Ｌ３は、吸込ボリュート３１の上記径方向寸法Ｌ１に対して９０％〜１１０％の範囲に設定するのが好ましい。

ここで、外周ベーン４１の径方向幅Ｌ３は、従来、吸込ノズル２８の内径の１１０〜１８０％程度に設定されるが、例えば、ケーシング２０の直径を従来比で８０％に設定した場合、外周ベーン４１の幅Ｌ３は上記１１０〜１８０％程度に対して更に９０％程度に設定するのが好ましい。
さらに、外周ベーン４１の軸方向幅Ｌ５は、従来、吸込ノズル２８の内径の１５〜２５％程度に設定されるが、例えば、ケーシング２０の直径を従来比で８０％に設定した場合、外周ベーン４１の軸方向幅Ｌ５は上記１５〜２５％程度に対して更に７５％程度に設定するのが好ましい。

このように形成することで、吸込ボリュート３１の流路面積に対して、案内部３２の第一流路３３の流路面積を最適化することができる。その結果、外周ベーン４１の径方向幅Ｌ３や、ベーン３９の軸方向寸法Ｌ５を、上記の範囲に設定する場合と比較して、ガスＧが開口部３７から案内部３２に流入する際に流速が急上昇するのを防止することができるため、案内部３２における剥離等に起因する圧力損失を更に低減することができる。

図５は、従来の遠心圧縮機を基準にして、ケーシング２０の直径を８０％程度にした場合の圧力損失を示すグラフである。「Ａ」は、内壁面４４のみを設けた場合、「Ｂ」は、「Ａ」の条件に加えて外周ベーン４１の径方向幅Ｌ３を吸込ボリュート３１の径方向寸法Ｌ１に対して９０〜１１０％した場合である。なお、「Ｃ」は従来の遠心圧縮機（直径１００％）の場合の圧力損失である。

つまり、上述した吸込ボリュート３１の内壁面４４の構成のみでも、直径１００％の場合と同等の性能を得られるが、吸込ボリュート３１の形状、ベーン３９の形状、及び、ノズル内仕切板４３の配置等の条件を最適化することで、更なる圧力損失の低減を図ることが可能となる。

また、上述した実施形態においては、回転機械として遠心圧縮機１を一例に説明したが、半径流タービン等の回転機械にも適用可能である。

１０インペラ
２８吸込ノズル（ノズル）
３１吸込ボリュート（ボリュート）
３２案内部
３３第一流路（流路）
３７開口部
３９ベーン
４４内壁面
４５テーパ部
１４５内壁面（壁面）

Claims

径方向外周側から内周側へ流体を導入するノズルと、
該ノズルと外周側で連通する空間を有するとともに、前記ノズルと接続される接続部から中心軸を挟んで反対側に前記空間を周方向に隔てる仕切部を有するボリュートと、
該ボリュートの内周側で該ボリュートと連通した第一流路、及び該第一の流路の内周側から中心軸に沿って下流側に延びる第二流路を有し、第一流路に設けられて第二流路に向かうように延びる内周ベーン及び該内周ベーンの外周側に接続された外周ベーンから構成されるベーンと、周方向で内周ベーンと異なる位置で、内周ベーンよりも外周側に設けられた他の外周ベーンのみから構成されるベーンとからなるようにして、周方向に複数のベーンが設けられ、ボリュートから流入する流体を案内する案内部と、
該案内部に軸方向で接続さて該案内部により案内された流体が流入するインペラと、を備え、
前記ボリュートは、
該ボリュートの前記空間の内周側に、前記案内部へと連通する環状の開口部と、
軸方向の幅寸法を拡げるように、前記開口部から軸方向インペラ側に軸方向に沿って延出するとともに、前記中心軸を挟んで前記接続部と反対側で前記軸方向の寸法が漸減されて前記仕切部に接続される内壁面と、
を備える回転機械。
前記他の外周ベーンは、周方向で内周ベーン同士の間の位置に配されている請求項１に記載の回転機械。
前記内周ベーンは、径方向に延び、
前記外周ベーンの内周側の部分、および、前記他の外周ベーンの内周側の部分は、径方向に延び、
前記外周ベーンの外周側の部分、および、前記他の外周ベーンの外周側の部分は、前記ボリュートから前記案内部に流入する流体の流れに沿う方向に延びる請求項１又は２に記載の回転機械。
中心軸を挟んで前記接続部から最も遠い反対側の位置に配されるベーンは、前記他の外周ベーンのみから構成されるベーンである請求項１又は２に記載の回転機械。