JP5895343B2

JP5895343B2 - 遠心圧縮機及び遠心圧縮機の製造方法

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Publication number: JP5895343B2
Application number: JP2011011925A
Authority: JP
Inventors: 秀明玉木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: CN103328827A; WO2012102146A1; EP2669526A4; US9470233B2; CN103328827B; EP2669526A1; EP2669526B1; JP2012154200A; US20130302155A1

Description

本発明は、圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機及び遠心圧縮機の製造方法に関するものである。

圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機の作動域を制限するものとして、低流量時に於ける流体の逆流によるサージングの発生がある。サージングが発生すると遠心圧縮機の運転が不能になるので、サージングの発生を抑制することが遠心圧縮機の作動域拡大につながる。

サージングの発生を抑制する手段の１つとして特許文献１に示されるケーシングトリートメントがある。

遠心圧縮機は、高速で回転するインペラと、インペラを収納し、インペラの周囲にスクロール流路を形成するケーシングを有している。特許文献１に示すケーシングトリートメントでは、インペラの上流端に臨接するケーシングの壁面に全周に亘る溝を形成し、該溝をインペラより上流側の流路に連通させ、低流量時にインペラ内部に局部的に発生する高圧部からインペラの上流側に流体を逆流させ、部分的に再循環させることでサージングの発生を抑制している。

斯かるケーシングトリートメントにより、サージング抑制の効果は得られているが、一層のサージング抑制、サージング抑制による遠心圧縮機の作動域拡大が望まれている。

特開２００４−３３２７３４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、より効果的なケーシングトリートメントを行うことで、サージング抑制の効果の向上、遠心圧縮機の作動域拡大を図るものである。

本発明は、インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口を有し、前記吸入口の周囲に円筒状空間が形成され、該円筒状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記円筒状空間の上流端部が前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記下流溝は全周１サイクルで、前記吸入口の軸心方向に所定の振幅を有する曲線であり、前記下流溝の最上流点はインペラ羽根の上流端に位置する遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記ケーシングは前記吸入口と環洞流路の境界に形成される舌部を有し、前記下流溝の最下流点は、インペラ回転中心と前記舌部を結ぶ基準半径に対して下流に向って−３０゜〜１５０゜の範囲に位置する遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記下流溝の最下流点は、前記基準半径に対して±３０゜の範囲に位置する遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記吸入口の内壁部が前記ケーシングとは分離した内壁筒体により形成され、該内壁筒体と前記ケーシングとの間には前記円筒状空間が形成され、該円筒状空間の上流端は前記吸入口に連通し、前記内壁筒体に前記下流溝が刻設され、該内壁筒体は所定角度ピッチで取付け位置を変更して前記ケーシングに固定可能な遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口を有し、前記吸入口の周囲に円筒状空間が形成され、該円筒状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記円筒状空間の上流端部が前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記吸入口の内壁部が前記ケーシングとは分離した内壁筒体により形成され、該内壁筒体と前記ケーシングとの間には前記円筒状空間が形成され、前記内壁筒体に前記下流溝が形成され、該下流溝は全周１サイクルで、前記吸入口の軸心方向に所定の振幅を有する曲線であり、前記内壁筒体を回転させ、前記下流溝の前記ケーシングに対する最適位置を求め、得られた最適位置に基づき前記ケーシングを製作する遠心圧縮機の製造方法に係るものである。

本発明によれば、インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口を有し、前記吸入口の周囲に円筒状空間が形成され、該円筒状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記円筒状空間の上流端部が前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記下流溝は全周１サイクルで、前記吸入口の軸心方向に所定の振幅を有する曲線であり、前記下流溝の最上流点はインペラ羽根の上流端に位置するので、サージング抑制の効果の向上、遠心圧縮機の作動域拡大が図れる。

又本発明によれば、インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口を有し、前記吸入口の周囲に円筒状空間が形成され、該円筒状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記円筒状空間の上流端部が前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記吸入口の内壁部が前記ケーシングとは分離した内壁筒体により形成され、該内壁筒体と前記ケーシングとの間には前記円筒状空間が形成され、前記内壁筒体に前記下流溝が形成され、該下流溝は全周１サイクルで、前記吸入口の軸心方向に所定の振幅を有する曲線であり、前記内壁筒体を回転させ、前記下流溝の前記ケーシングに対する最適位置を求め、得られた最適位置に基づき前記ケーシングを製作するので、ケーシングの最適位置を簡単に、又簡便に求めることができるという優れた効果を発揮する。

本発明が実施される遠心圧縮機の一例を示す断面図である。本実施例のケーシングトリートメントの下流溝の形状を説明するグラフである。本実施例に係る上流溝と下流溝とインペラとの関係を示す説明図である。本実施例に於けるケーシングと下流溝の最下流点の位置関係を示す説明図である。ケーシングトリートメントと遠心圧縮機の性能曲線との関係を示すグラフである。（Ａ）は本発明が実施されるケーシングの断面図であり、（Ｂ）は該ケーシングに使用される内壁筒体の断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて本発明が実施される遠心圧縮機について概略を説明する。

図１中、１は遠心圧縮機、２はケーシング、３は該ケーシング２に収納されるインペラを示している。

軸受ハウジング（図示せず）に回転自在に支持された回転軸４の一端部に前記インペラ３が固着されている。尚、前記回転軸４の他端部には例えばタービン（図示せず）が連結されている。

前記ケーシング２は前記インペラ３の周囲に環洞流路５を形成し、該環洞流路５の所要位置には昇圧された圧縮性流体、例えば圧縮空気を吐出する吐出口９が連通されている。前記ケーシング２の中央には前記インペラ３に臨み該インペラ３と同心の吸入口６が形成されている。

前記インペラ３の周囲には前記環洞流路５に連通するディフューザ部７が形成されている。

該ディフューザ部７は前記ケーシング２の前記インペラ３を収納する部屋と前記環洞流路５とを連通するリング状の空間であり、前記環洞流路５と前記ディフューザ部７との間には境界壁部８が形成されている。

エンジン（図示せず）からの排気ガスによりタービンが回転され、前記回転軸４を介して前記インペラ３が回転され、タービンと同軸に設けられた、前記インペラ３が回転され、前記吸入口６より燃焼用空気が吸入され、吸入された燃焼用空気は前記インペラ３の回転及び前記ディフューザ部７を通過することで圧縮され、前記環洞流路５に流入する。圧縮された空気は該環洞流路５から前記吐出口９を経て吐出される。

次に、ケーシングトリートメントについて説明する。

前記ケーシング２の内部に、前記吸入口６と同心に円筒状空間１１が形成され、該円筒状空間１１は前記吸入口６の軸心と平行に延在し、上流端（図１中右端）は前記吸入口６の前記インペラ３上流端より更に上流側に位置し、下流端は前記インペラ３の上流端より更に下流側に位置している。

前記円筒状空間１１の上流部は、上流溝１２によって前記吸入口６と連通しており、前記円筒状空間１１の下流部は下流溝１３によって前記インペラ３の上端部に臨接する壁面に開口している。又、前記上流溝１２、前記下流溝１３は連続したリング状の溝で所定間隔でリブが設けられたものであってもよく、或は円周方向に長い長孔が所定間隔で穿設されたものでもよく、或は円孔が所定ピッチで穿設されたものであってもよい。

又、前記下流溝１３は、周方向に展開した場合、軸心方向に所定の振幅で１周、１周期で変位する曲線となっている。変位曲線は、例えばサインカーブであるが、サインカーブに限定されるものではない。

前記上流溝１２、前記円筒状空間１１、下流溝１３を介して、前記インペラ３の上端部と前記吸入口６とが連通しているので、低流量時にインペラ３内部に局部的に発生した高圧部から前記円筒状空間１１を通してインペラ３の上流側に流体が逆流し、上流溝１２より流出する部分的な再循環流が発生し、サージングの発生が抑制される。

次に、前記ケーシング２の特に、前記環洞流路５の形状は、非軸対称となっている。従って、前記環洞流路５の全周で圧力は一定ではなく、周方向に圧力分布を持っている。更に、前記インペラ３の周縁も同様に圧力分布を有し、前記環洞流路５の圧力分布は、前記ディフューザ部７を通して前記インペラ３の内部にも伝播している。この為、前記インペラ３内部で局部的に発生する高圧部も、軸心方向で同位置とは限らず、前記環洞流路５の圧力分布に対応して変位していると考えられる。

前記下流溝１３の変位曲線は、前記インペラ３内部で局部的に発生する高圧部の変位を反映させ、より効果的に前記インペラ３内部で局部的に発生した高圧部の流体を再循環させ、サージングの発生を抑制している。

更に、前記下流溝１３について詳述する。

図２は、該下流溝１３の展開図であり、以下に説明する実施例では、該下流溝１３の変位曲線をサインカーブとして説明する。又、図２では、上側を上流側、下側を下流側として示し、曲線は下流溝１３の中心を示している。本実施例では前記インペラ３の最大径がφＤｍｍ（ここではＤ＝１４４．２）、前記下流溝１３の溝幅ｄは３ｍｍ（ｄ／Ｄ＝０．０２）としている。又、図２中、点Ａは、下流溝１３の最上流点を示し、点Ｂは下流溝１３の最下流点、Ｗは振幅を示している。

図３は、インペラ３と下流溝１３との関係を示しており、尚、図３中、溝幅は３ｍｍと例示している。

図３中、ラインＡは、該ラインＡ上に下流溝１３の最上流点Ａが存在することを示し、ラインＢは、該ラインＢ上に下流溝１３の最下流点Ｂが存在することを示している。即ち、図３中、前記下流溝１３は全周１サイクルで且つ前記ラインＡとラインＢとの間で振幅する。

又、前記ラインＡは、前記インペラ３のインペラ羽根３ａの上流端を中心に上流下流方向に±ｄ／２（ここでｄは下流溝１３の溝幅：図示ではｄ／２＝１．５ｍｍ）に位置する。即ち、下流溝１３の最上流点が前記インペラ羽根３ａの上流端を通るラインを含む範囲で、上流、下流に変位した位置に設定される。尚、前記ラインＡの±ｄ／２の範囲での最適な位置は、前記ケーシング２の形状、前記インペラ３の特性等で変化するので、計算、実験等により設定する。

次に、ラインＢの位置は、図示の様にインペラ３が小羽根３ｂを有しているものは、該小羽根３ｂの上流端（ｈ）を下流下限とし、小羽根３ｂを有していないインペラ３ではインペラ羽根３ａの高さＨの１／２程度とする。尚、下流溝１３の最下流点Ｂの下流下限位置を、小羽根３ｂの上流端又はインペラ羽根３ａの高さＨの１／２程度としたのは、それ以上下流に設定しても、サージング抑制効果は改善されず、一方圧縮効率が低下し、実用上意味がないからである。

又、図４により、前記下流溝１３の円周方向の位置（即ち、最上流点の位置又は最下流点の位置）について説明する。尚、図４では、インペラ３の回転中心を座標中心とし、前記吐出口９の中心軸心と平行で前記インペラ３の回転中心を通過する軸をＸ軸とし、前記インペラ３の回転中心を通り、前記Ｘ軸に直交する軸をＹ軸とし、図４中右側に延出するＸ軸を０°としている。又、図４中、１５は吐出口９と前記環洞流路５の境界部を形成する舌部を示している。

図示の例では、該舌部１５は６０°の位置にあり、該舌部１５より３０°上流の位置から、上流側１８０°の範囲（図示では右半分の９０°〜−９０°の範囲）に前記下流溝１３の最下流点Ｂが位置すると、サージング抑制効果が得られる。尚、後述する様に、実験の結果では、最下流点Ｂが前記舌部１５の位置にある場合が、最もサージング抑制効果が得られた。尚、前記最下流点Ｂは、前記インペラ３の周縁の圧力分布に対応して決定されるものであり、圧力分布はインペラ３の形状、インペラ３の特性等に変化するものであり、必ずしも適正な最下流点Ｂが６０°の位置、或は舌部１５の位置とは限らない。

然し乍ら、前記舌部１５の近傍で、例えば舌部１５を中心として±３０゜の範囲内で、前記最下流点Ｂの最適な位置が得られる。従って、最下流点Ｂの位置は、前記舌部１５と前記インペラ３とを結ぶ直線（基準半径）を中心として、３０゜〜−１５０゜好ましくは、±３０゜の範囲で設定される。

図５は、ケーシングトリートメントと遠心圧縮機の作動特性の関係を示すグラフであり、横軸は流量比（Ｑ／Ｑｄ：Ｑは吐出流量、Ｑｄは設計流量）を示し、縦軸は圧力比（Ｐｏ／Ｐｉ：Ｐｏは流体出口圧力、Ｐｉは流体入口圧力）を示している。

図５に於いて、各曲線の左側がサージングを起して作動不能となることを示している。即ち、各曲線がサージング限界値を示している。又、図５中、○のプロットはケーシングトリートメントがされていないもの、即ち円筒状空間１１、上流溝１２、下流溝１３がないもの（図１参照）であり、□のプロットは従来の下流溝１３が曲線となってなく、上流溝１２がインペラ３の上流端より更に上流側に位置するもの、即ち展開すると直線となる溝であり、◆のプロットは本実施例の下流溝１３が実施されたもの、即ち展開するとサインカーブとなるもの（以下サインカーブトリートメントと称す）であり、且つ下流溝１３の最下流端Ｂが舌部１５に位置するもの（図２、図４参照）であり、△のプロットは本実施例の下流溝１３が実施されたもので、且つ下流溝１３の最下流端Ｂが−１２０゜に位置するもの（即ち、舌部１５の真反対、図２、図４参照）である。

図５より、ケーシングトリートメントを実施した、３例のいずれも、ケーシングトリートメントをしていない遠心圧縮機より、サージング抑制効果が得られている。

又、従来のケーシングトリートメントに対し、サインカーブトリートメントを施した場合、サージング抑制効果が増大する場合と、減少する場合とが現れ、下流溝１３の最下流端Ｂが舌部１５に位置する場合にサージング抑制効果が増大し、下流溝１３の最下流端Ｂが舌部１５の真反対に位置する場合にサージング抑制効果が減少している。而して、下流溝１３を１回転１周期で変位させた曲線とした場合、サージング抑制効果を増大させる下流溝１３の最下流端Ｂの最適な位置が存在することが分る。

従来のケーシングトリートメントに対し、サージング抑制効果を増大させる下流溝１３の最下流端Ｂの位置は、舌部１５の位置を中心として、３０゜〜−１５０゜であり、更に好ましくは、±３０゜の範囲である。

下流溝１３の最下流端Ｂの位置を、舌部１５の位置を中心として±３０゜の範囲に設定することで、従来のケーシングトリートメントに対し、サージング抑制効果の増大を得るが、前記±３０゜の範囲で更に最適な位置を設定するには、ケーシングの形状、前記インペラ３の特性、遠心圧縮機の容量等を考慮し、計算により求めるのが好ましい。

次に、図６に於いて、計算によらず、簡単に下流溝１３の最下流端Ｂの最適位置が得られる遠心圧縮機及びその製造方法について説明する。

図６（Ａ）は本実施例に使用されるケーシング２を示し、図６（Ｂ）は該ケーシング２に取付けられる内壁筒体１７を示している。

吸入口６の内壁部が内壁筒体１７により形成され、該内壁筒体１７と前記ケーシング２との間には円筒状空間１１が形成される。該円筒状空間１１の上流端は開口しており、該円筒状空間１１は、入口リング２９と前記内壁筒体１７の上流端によって形成される上流端開口１１ａを介して前記吸入口６と連通している。本実施例では、前記上流端開口１１ａが前記上流溝１２に相当する。

前記内壁筒体１７の下流端部は、インペラ収納部（図１参照）の上流端部を画成している。前記内壁筒体１７の下流端部には下流溝１３が刻設されており、該下流溝１３は前記内壁筒体１７を半径方向に貫通し、前記円筒状空間１１と前記インペラ収納部とを連通している。又、前記下流溝１３は円周方向所定間隔でリブ１８が設けられている。該下流溝１３は、上記した様に、周方向に展開した状態で全周１サイクルのサインカーブとなっている。

前記内壁筒体１７の下流端にはフランジ部１９が形成され、下流端面には嵌合凹部２１が凹設されている。又、前記ケーシング２の内縁部には内フランジ部２２が形成され、該内フランジ部２２の内縁部は上流側に突出する嵌合凸部２３となっており、該嵌合凸部２３の周囲にはリング状凹部２４が形成される。前記嵌合凸部２３は前記嵌合凹部２１と嵌合し、前記フランジ部１９は前記リング状凹部２４に遊嵌し、前記内壁筒体１７は前記ケーシング２にインロー方式で嵌脱可能となっている。

前記リング状凹部２４には円周所定等分（例えば１２等分）した位置に貫通していない螺子穴が穿設されている。一方、前記フランジ部１９には円周所定等分（例えば１２等分）した任意の位置、少なくとも３箇所に、ボルト用通孔２６を穿設する。尚、前記内壁筒体１７のバランスを考慮すると、円周３等分、又は円周４等分した位置に前記ボルト用通孔２６が穿設されるのが好ましい。

前記内壁筒体１７は前記嵌合凹部２１と前記嵌合凸部２３とが嵌合した状態で、前記ボルト用通孔２６と前記螺子穴とを位置合せし、ボルト２７を固着する。

前記リング状凹部２４には、１２等分、即ち３０゜ピッチで螺子穴が穿設され、前記ボルト用通孔２６は円周１２等分した任意の位置に設けられているので、前記内壁筒体１７は、前記ケーシング２に対して３０゜ピッチで回転方向に位置が変更可能である。

而して、前記内壁筒体１７を回転させることで、前記下流溝１３の最下流点Ｂの位置が３０°ピッチで変更可能であり、前記内壁筒体１７の取付け位置を変更し、取付け位置に対応して性能チェックを行うことで、前記下流溝１３の最下流点Ｂの最適な位置を探すことができる。尚、前記内壁筒体１７の基本位置は、前記下流溝１３の最下流点Ｂの位置が前記舌部１５に一致する点とする。

又、前記内壁筒体１７に前記ボルト用通孔２６とはピッチ角度の１／２角度（例えば１５゜）ずらせた位置に副ボルト用通孔２６′（図示せず）を穿設し、該副ボルト用通孔２６′を利用して前記内壁筒体１７を前記ケーシング２に取付けることで、１５゜ピッチで前記内壁筒体１７の位置を変更させることができる。

上記した様に、簡単な構成で、簡便に前記下流溝１３の最下流点Ｂの適正位置を求めることができる。

少量生産の場合は、前記内壁筒体１７の最適位置を求めて、該内壁筒体１７を前記ケーシング２に固定し、固定したものを製品としてもよく、或は量産する場合は、求められたデータに基づき前記ケーシング２と前記内壁筒体１７とを一体成形してもよい。

尚、前記下流溝１３が描く曲線は、サインカーブとして説明したが、全周を１サイクルとし、吸入口６の軸心方向に所定の振幅で変位するカーブであればよい。

１遠心圧縮機
２ケーシング
３インペラ
４回転軸
５環洞流路
６吸入口
１１円筒状空間
１２上流溝
１３下流溝
１５舌部
１７内壁筒体
２１嵌合凹部
２３嵌合凸部

Claims

インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口を有し、前記吸入口の周囲に円筒状空間が形成され、該円筒状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記円筒状空間の上流端部が前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記下流溝は全周１サイクルで、前記吸入口の軸心方向に所定の振幅を有する曲線であり、前記下流溝の最上流点はインペラ羽根の上流端に位置することを特徴とする遠心圧縮機。
前記ケーシングは前記吸入口と環洞流路の境界に形成される舌部を有し、前記下流溝の最下流点は、インペラ回転中心と前記舌部を結ぶ基準半径に対して下流に向って３０゜〜−１５０゜の範囲に位置する請求項１の遠心圧縮機。
前記下流溝の最下流点は、前記基準半径に対して±３０゜の範囲に位置する請求項１又は請求項２の遠心圧縮機。
前記吸入口の内壁部が前記ケーシングとは分離した内壁筒体により形成され、該内壁筒体と前記ケーシングとの間には前記円筒状空間が形成され、該円筒状空間の上流端は前記吸入口に連通し、前記内壁筒体に前記下流溝が刻設され、該内壁筒体は所定角度ピッチで取付け位置を変更して前記ケーシングに固定可能な請求項１又は請求項２の遠心圧縮機。
インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口を有し、前記吸入口の周囲に円筒状空間が形成され、該円筒状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記円筒状空間の上流端部が前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記吸入口の内壁部が前記ケーシングとは分離した内壁筒体により形成され、該内壁筒体と前記ケーシングとの間には前記円筒状空間が形成され、前記内壁筒体に前記下流溝が形成され、該下流溝は全周１サイクルで、前記吸入口の軸心方向に所定の振幅を有する曲線であり、前記内壁筒体を回転させ、前記下流溝の前記ケーシングに対する最適位置を求め、得られた最適位置に基づき前記ケーシングを製作することを特徴とする遠心圧縮機の製造方法。