JP5905268B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は遠心圧縮機、特に大流量の遠心圧縮機に関する。

過給機、ガスタービン、産業用圧縮機等の製品では、性能向上の上で、大流量化が重大な課題である。遠心圧縮機における大流量化とは、同一外殻サイズの圧縮機、さらに同一外径のインペラにおいて、吐出流量を大きくするという意味である。

この大流量化に伴う課題として効率低下が挙げられる。そのため、効率低下を抑制しながら大流量化する技術は工業上非常に有意義である。

従来の遠心圧縮機について図６を用いて説明する。従来の遠心圧縮機は、主に吸入口１、インペラ２、ハブ３、回転軸４、ディフューザ５及びスクロール６を備える。

インペラ２はハブ３を介して回転軸４に接続されており、また、ディフューザ５はインペラ２の下流に設けられ、流路が回転軸４から離れる方向を向き、且つ出口が子午面における半径方向を向いており、さらに、スクロール６はディフューザ５の下流に設けられ、ディフューザ５の出口と繋がっている。

吸入口１はガスをインペラ２へ案内する役割を持つ。インペラ２へ案内されたガスは、インペラ２が回転軸４により回転することで、ガスを遠心圧縮機内に吸入する仕組みとなっている。インペラ２を通過したガスは、ディフューザ５にて減速され、昇圧する。ディフューザ５を通過したガスは、スクロール６に流入後、図示しない吐出口へ流れるようになっている。このようにして、遠心圧縮機はガスの運動エネルギーを圧力に変換させている。

図７は従来の遠心圧縮機のディフューザ５及びインペラ２の断面図である。ガスの速度ベクトル（図中の矢印）が子午面における半径方向に向いているほどエネルギー損失は少なくなるが、大流量になると、インペラ入口２ａから吸入されたガスはインペラ出口２ｂの時点で速度分布がハブ３側に偏ってしまい、速度ベクトルが半径方向から軸方向に傾いてしまう。また、そのままガスがディフューザ５内を進んでいくとさらに速度分布が歪（ひず）み、それがせん断応力の発生要因となって、静圧回復量が減少し、圧縮機全体の効率低下に繋がる。

その解決策として、ディフューザ内に、案内羽根（特許文献１参照）や、インペラ入口への案内流路（特許文献２参照）等を設け、ガスの速度分布を一様な分布に近づける方法がある。

特許第２５６９１４３号公報 特許第２７０３０５５号公報

しかしながら上述のような装置では、ディフューザ内に新たな機構を設けなければならず、生産コストや作業時間の浪費となってしまう可能性がある。

そこで本発明では、新たな機構を設けるのではなく、ディフューザの形状を変化させることで、従来技術の問題点を解消し、大流量の遠心圧縮機における高効率化を図ることを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る遠心圧縮機は、
ハブを介して回転軸に接続されたインペラと、
当該インペラの下流に設けられ、流路が前記回転軸から離れる方向を向き、且つ出口が子午面における半径方向を向いたディフューザとを備える遠心圧縮機において、
前記ディフューザの入口における前記ハブ側のラインであるディフューザ入口ハブ側ラインの、最も前記インペラの出口に近い点における、前記ディフューザ入口ハブ側ラインが子午面における半径方向となす角度をθとし、前記インペラの前記ハブ側のラインであるインペラハブ側ラインの、最も前記ディフューザの入口に近い点における接線が、子午面における半径方向となす角度をαとしたとき、θ−α＞０°であり、
前記インペラの後縁が傾斜角を有し、前記ディフューザ入口ハブ側ラインが直線であり、前記ディフューザ入口ハブ側ラインと前記インペラの後縁とのなす角度が略９０°以上であることを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る遠心圧縮機は、
上記第１の発明に係る遠心圧縮機において、
前記θが、０°＜θ＜３４°であることを特徴とする。

上記第１の発明に係る遠心圧縮機によれば、θ−α＞０°であり、前記インペラの後縁が傾斜角を有し、前記ディフューザ入口ハブ側ラインが直線であり、前記ディフューザ入口ハブ側ラインと前記インペラの後縁とのなす角度が略９０°以上であることで、ガスの速度分布の歪みが解消され、それに伴い静圧回復量の減少が抑制され、圧縮機全体での高効率化が可能となる。

上記第２の発明に係る遠心圧縮機によれば、０°＜θ＜３４°とすることで、よりガスの速度分布の歪みを解消することができる。

本発明の実施例１に係る遠心圧縮機のディフューザ及びインペラの断面図である。 本発明の実施例１に係る遠心圧縮機のθと効率改善率の関係を示したグラフである。 本発明の実施例２に係る遠心圧縮機のディフューザ及びインペラの断面図である。 本発明の実施例１に係る遠心圧縮機と本発明の実施例２に係る遠心圧縮機との相違点を示した模式図である。 本発明の実施例１または２に係る遠心圧縮機のθとαの関係を示す概略図である。 従来の遠心圧縮機の断面図である。 従来の遠心圧縮機のディフューザ及びインペラの断面図である。

以下、本発明に係る遠心圧縮機を実施例にて図面を用いて説明する。

本発明の実施例１に係る装置について図１を用いて説明する。本装置は、従来の遠心圧縮機と同様、主に吸入口１、インペラ２、ハブ３、回転軸４、ディフューザ５及びスクロール６を備える。インペラ２はハブ３を介して回転軸４に接続されており、また、ディフューザ５はインペラ２の下流に設けられ、流路が回転軸４から離れる方向を向き、且つ出口が子午面における半径方向を向いており、さらに、スクロール６はディフューザ５の下流に設けられ、ディフューザ５の出口と繋がっている。尚、回転軸４やスクロール６は図１中にはないが、従来技術と同様とする。

さらに従来技術と同様、吸入口１はガスをインペラ２へ案内する役割を持つ。インペラ２へ案内されたガスは、インペラ２が回転軸４により回転することで、ガスを遠心圧縮機内に吸入する仕組みとなっている。インペラ２を通過したガスは、ディフューザ５にて減速され、昇圧する。ディフューザ５を通過したガスは、スクロール６に流入後、吐出口へ流れるようになっている。

ここで、ディフューザ５の入口におけるハブ３側のライン（以下、ディフューザ入口ハブ側ライン５ａと記載）を、子午面における半径方向から軸方向へ傾ける。このとき、ディフューザ入口ハブ側ライン５ａの最もインペラ出口２ｂに近い点Ｂにおける、ディフューザ入口ハブ側ライン５ａが半径方向となす角度をθとする。

次に、インペラ２のハブ３側のライン（以下、インペラハブ側ライン３ａと記載）の、最もディフューザ５の入口に近い点Ａにおける接線３ｂが、半径方向となす角度をαとする。

従来技術では、インペラハブ側ライン３ａとディフューザ入口ハブ側ライン５ａが滑らかに繋がるようにするため、θ＝αとなるようにしているが、本装置では、図５のようにθ−α＞０°とし、さらにθは０°＜θ＜３４°となるようにする。

また、インペラ後縁２ｃが軸方向となす角度をβとする。このときβは特に限定する必要はないが、一般的な遠心圧縮機に用いられる値である、０°≦β≦３５°となるようにする。

尚、シュラウド７のラインは従来形状のディフューザ幅比に合わせるため、θが傾いた分、シュラウド７のラインも傾けることになる。ディフューザ幅比とはｂ₃／ｂ₂（図１参照）のことで、インペラ毎に値が決まっており、通常はｂ₃／ｂ₂＝０．６〜１．０の値をとる。

上述のような構造とすることで、インペラ出口２ｂからディフューザ５へ流出した時点でのガスの速度ベクトルは従来と変わらずとも、速度分布の歪みを抑えることができる。

本装置の圧縮機効率を、α及びβをある一定の値とし、θのみを変数として、シミュレーションした結果を図２に示す。図２のグラフは、横軸がθ、縦軸が圧縮機効率改善率を表している。圧縮機効率改善率とは、本装置の圧縮機効率と従来技術の圧縮機効率との差をパーセンテージで表したもので、グラフの上に行くほど本装置の圧縮機効率が高くなっていることを示している。これを見ると、０°＜θ＜３４°のときに、圧縮機効率が改善されていることがわかる。

よって本装置では、従来発生していたディフューザ内でガスの速度分布の歪みが解消され、ディフューザ内での静圧回復量の減少を抑制して、圧縮機全体としての高効率化が可能となる。

本発明の実施例２に係る装置は、実施例１に係る装置を改良したものである。図４に実施例１に係る装置と本装置の相違点を示す。実施例１に係る装置では、ディフューザ入口ハブ側ライン５ａが直線であるため、ディフューザ５の出口が半径方向を向くようにすると、必ず何処かでディフューザ５の角度を変えなければならない。よって図４に表されるように、ガスの流れが停滞する淀み域１１ができてしまう。淀み域１１に溜まったガスと流れているガスとの間にはせん断応力が働き、エネルギー損失が起こる可能性がある。本装置は、この淀み域１１を削減するものである。

本装置は実施例１に係る装置及び従来技術と同様、図３のように、主に吸入口１、インペラ２、ハブ３、回転軸４、ディフューザ５及びスクロール６を備える。インペラ２はハブ３を介して回転軸４に接続されており、また、ディフューザ５はインペラ２の下流に設けられ、流路が回転軸４から離れる方向を向き、且つ出口が子午面における半径方向を向いており、さらに、スクロール６はディフューザ５の下流に設けられ、ディフューザ５の出口と繋がっている。尚、回転軸４やスクロール６は図３中にはないが、従来技術と同様とする。さらに、装置動作も実施例１に係る装置及び従来技術と同様であるため、省略する。

ここで本装置は、ディフューザ入口ハブ側ライン５ｂを凹状の曲線とし、ディフューザ入口ハブ側ライン５ｂの最もインペラ出口２ｂに近い点Ｂにおける、ディフューザ入口ハブ側ライン５ｂの接線５ｃが半径方向となす角度をθとし、シュラウド７のライン、α及びβは実施例１に係る装置と同様として、図５のようにθ−α＞０°とし、さらにθは０°＜θ＜３４°となるようにする。尚、ディフューザ入口ハブ側ライン５ｂは、曲線であれば、１つの円弧であってもよいし、複数の円弧や楕円などを滑らかに組み合わせてもよい。

上述のような構造とすることで、図４のように、実施例１に係る装置で存在していた淀み域１１を削減することができる。よって、本装置はせん断応力を低減でき、より高効率化が可能となる。

本発明は遠心圧縮機、特に大流量の遠心圧縮機として好適である。

１ 吸入口
２ インペラ
２ａ インペラ入口
２ｂ インペラ出口
２ｃ インペラ後縁
３ ハブ
３ａ インペラハブ側ライン
３ｂ 接線
４ 回転軸
５ ディフューザ
５ａ （本発明の実施例１に係る装置における）ディフューザ入口ハブ側ライン
５ｂ （本発明の実施例２に係る装置における）ディフューザ入口ハブ側ライン
５ｃ 接線
６ スクロール
７ シュラウド
１１ 淀み域

Claims (2)

1. ハブを介して回転軸に接続されたインペラと、当該インペラの下流に設けられ、流路が前記回転軸から離れる方向を向き、且つ出口が子午面における半径方向を向いたディフューザとを備える遠心圧縮機において、
   前記ディフューザの入口における前記ハブ側のラインであるディフューザ入口ハブ側ラインの、最も前記インペラの出口に近い点における、前記ディフューザ入口ハブ側ラインが子午面における半径方向となす角度をθとし、前記インペラの前記ハブ側のラインであるインペラハブ側ラインの、最も前記ディフューザの入口に近い点における接線が、子午面における半径方向となす角度をαとしたとき、θ−α＞０°であり、
   前記インペラの後縁が傾斜角を有し、前記ディフューザ入口ハブ側ラインが直線であり、前記ディフューザ入口ハブ側ラインと前記インペラの後縁とのなす角度が略９０°以上であることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記θが、０°＜θ＜３４°であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。

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