JP6133801B2 - ダイアフラム、および遠心回転機械 - Google Patents

ダイアフラム、および遠心回転機械 Download PDF

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Description

本発明はダイアフラム、および、これを備えた遠心回転機械に関する。
例えば遠心回転機械の一種として遠心圧縮機が知られている。遠心圧縮機では、回転するインペラの径方向に気体を流通させ、遠心力を利用してそれら気体を圧縮するものである。また、この種の遠心圧縮機には、インペラを軸方向に多段に備えて気体を段階的に圧縮する多段遠心圧縮機が知られている。
ところで、このような多段遠心圧縮機では、インペラ内を下流側から上流側へ向かうように気体が逆流することで、サージングという現象が発生することが知られている。そしてこのようなサージングが発生する流量、即ちサージ流量よりもシステム全体の流量が小さくなってしまう場合には、主流の流れの下流側から上流側へ主流の一部を戻すバイパスラインを形成することでサージングの発生を抑え、作動範囲の拡大を図る手法がある。
例えば、特許文献1にはこのようなバイパスラインの一例が示されている。このバイパスラインは、各段のインペラがサージングの状態に近づいたときに、各段のインペラの吐出側から吸込側に向かって流体の一部を還流させるようになっている。
特許第2637144号公報
しかしながら、特許文献1のバイパスラインの場合には、サージングの状態に近づいた場合にのみ、バイパスラインを開放して流体を還流させる構造となっている。このため、サージングが発生する流量よりもわずかにシステム流量が大きくなっている場合などには流体の還流は行われないことになる。従って、サージングは発生しない状態ではあるもののサージング発生に非常に近い状態にはなり得るため、流れが不安定となって軸振動の発生が懸念される。また、特許文献1のバイパスライン内には、バイパスラインを開放、閉塞するためのスプリング等の構造物が設けられているため、バイパスライン内へと流体が流入する際の圧損が大きくなり、圧縮効率の低下の問題がある。
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、圧縮効率を維持しつつ、運転状態がサージングの状態に近づくことを抑制し、作動範囲の拡大を図ったダイアフラム、および遠心圧縮機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明の一の態様としてのダイアフラムには、インペラを軸線を中心として回転可能に支持し、該インペラの入口に向かって流体を供給する入口側流路と、前記インペラから径方向外側に向かって排出された流体が流通する出口側流路と、これら入口側流路と出口側流路とを常時連通させる連通部と、が形成され、前記入口側流路内に配されて、前記流体を所望の方向へ案内する第一の羽根と、前記出口側流路内に配されて、前記流体を所望の方向へ案内する第二の羽根と、をさらに備え、前記連通部は、前記第一の羽根よりも上流側となる位置と、前記第二の羽根よりも下流側となる位置との間に配されている。
このようなダイアフラムによれば、連通部が形成されていることによって、インペラで圧縮又は圧送された流体を、出口側流路から入口側流路に常時還流させることができる。
従って、連通部を通じてインペラの上流側にインペラの下流側から円滑に流体を還流することができるとともに、遠心回転機械のシステム全体の流量がサージ流量に近づくことを抑制可能となる。
また、このような位置に連通部が配されていることで、インペラから離間した位置に連通部が配されていることになる。従って、連通部を通じて還流される流体はインペラの回転の影響を受けにくくなる。よって、円滑に流体を還流させることができる。
さらに、本発明の他の態様としての遠心回転機械は、上記のダイアフラムと、前記ダイアフラムに対して軸線回りに相対回転可能に該ダイアフラムに支持されるインペラと、を備えている。
このような遠心回転機械によれば、ダイアフラムを備えていることで、常時連通する連通部を通じてインペラの上流側にインペラの下流側から円滑に流体を還流することができるとともに、遠心回転機械のシステム全体の流量がサージ流量に近づくことを抑制可能となる。
また、上記の遠心回転機械は、前記軸線方向に配列されて、該軸線回りに回転する複数のインペラを備え、前記ダイアフラムは、前記複数のインペラのうちで最もサージ流量が大きくなるように設計された少なくとも一つのインペラを支持していてもよい。
このように、最もサージ流量が大きな設計がされたインペラに対して選択的に連通部を適用することで、還流が生じるインペラの段を限定できる。よって、遠心回転機械のシステム全体の流量を抑えて動力を低減できるため、効果的にサージングの発生を抑えることができる。
さらに、上記の遠心回転機械は、前記軸線方向に配列されて、該軸線回りに回転する複数のインペラを備え、前記ダイアフラムは、前記複数のインペラの各々を支持するように前記軸線の方向に複数が配列されて設けられ、これらダイアフラム毎で、前記連通部における前記流体の流路面積が異なっていてもよい。
このように連通部の流路面積がダイアフラム毎に異なっていることで、各段のインペラ毎に異なるサージ流量に合わせて、連通部を通じてインペラの下流側から上流側へと還流される流体の流量を調整することが可能となる。即ち、各段のスペックに応じて還流される流体の流量を調整することができ、より効果的にサージングの発生を抑制することが可能となる。
上記のダイアフラム、および遠心回転機械によると、常時連通する連通部を設けたことで、圧縮効率を維持しつつ運転状態がサージングの状態に近づくことを抑制可能となり、作動範囲の拡大が可能となる。
本発明の実施形態に係る多段遠心圧縮機の軸線を含む縦断面図である。 本発明の実施形態に係る多段遠心圧縮機と、仮に連通部が設けられない場合の多段遠心圧縮機とのサージラインの違いを示すグラフであって、横軸にはシステムで必要なガスの流量と、圧縮比との関係を示すものである。 本発明の実施形態の第一変形例に係る多段遠心圧縮機の軸線を含む縦断面図である。 本発明の実施形態の第二変形例に係る多段遠心圧縮機の軸線を含む縦断面図である。 本発明の実施形態の第三変形例に係る多段遠心圧縮機の軸線を含む縦断面図である。 本発明の実施形態の第四変形例に係る多段遠心圧縮機の軸線を含む縦断面図である。
以下、本発明に係る多段遠心圧縮機1(遠心回転機械)の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1に示すように、多段遠心圧縮機1は、軸線O回りに回転する回転軸2と、回転軸2に取り付けられた複数のインペラ3と、回転軸2を回転可能に支持するとともに空気等のガスG(流体)を流通させるケーシング流路FCが形成されたケーシング4とを備えている。
回転軸2は軸線Oに沿って延びる軸線Oを中心とした円柱状をなしており、図示しない電動機等の動力源によって軸線O回りにケーシング4に対して相対回転する。
インペラ3は、回転軸2の軸線O方向に間隔を空けて複数が配列されている。本実施形態の多段遠心圧縮機1では、五段のインペラ3が設けられている。
以下、各々のインペラ3は、ガスGの流通する上流側から下流側に(軸線O方向の一方側から他方側)に向かって、一段インペラ3a、二段インペラ3b、三段インペラ3c、四段インペラ3d、五段インペラ3eとする。
各々のインペラ3は、軸線O方向の下流側に向かって漸次拡径した円盤状のハブ11と、ハブ11に放射状に取り付けられ、周方向に互いに離間して並ぶ複数のブレード12と、これら複数のブレード12を軸線O方向の上流側から覆うように取り付けられたシュラウド13とを有している。
周方向に隣接するブレード12、ハブ11、及びシュラウド13によって囲まれた領域が、ガスGの流通するインペラ3流路となっている。
なおインペラ3は、本実施形態のようにシュラウド13が設けられたクローズドインペラであってもよいし、本実施形態とは異なり、シュラウド13が設けられていないオープンインペラであってもよい。
そして、各々のインペラ3間にはケーシング流路FCが配され、このケーシング流路FCを介して一段インペラ3aのインペラ3流路から五段インペラ3eのインペラ3流路へと段階的にガスGが流通することで、遠心力を利用してガスGが圧縮される。
ケーシング4は、回転軸2の軸線O方向の両端に設けられたジャーナル軸受7と、一方側の端部に設けられたスラスト軸受8を有している。ケーシング4は、これらジャーナル軸受7及びスラスト軸受8によってケーシング4に対して回転軸2を相対回転可能に支持している。
ケーシング4のケーシング流路FCは、ケーシング4に軸線Oを中心とした環状に形成されている。
このケーシング流路FCは、一段インペラ3aにおけるインペラ流路F0の入口と多段遠心圧縮機1の外部とを連通する吸込流路FC1(入口側流路)と、五段インペラ3eのインペラ流路FC0の出口と多段遠心圧縮機1の外部とを連通する吐出流路FC2(出口側流路)と、各段のインペラ3同士の間に形成された中間流路FC3とから構成されている。
吸込流路FC1は、一段インペラ3aよりも軸線O方向の上流側の位置でケーシング4に形成されている。具体的には、吐出流路FC2は、ケーシング4の周方向の一部で径方向外側に向かって開口するとともに径方向内側に向かって延びて、一段インペラ3aにおけるインペラ流路FC0の入口に向かってガスGを供給する。
またこの吸込流路FC1内には、多段遠心圧縮機1の外部から吸い込まれたガスGを所望の方向へ転向させてインペラ流路FC0に案内するインレットガイドベーン21(第一の羽根)が設けられている。インレットガイドベーン21は、不図示の動作機構によって、径方向に対する周方向への傾きを調整可能となっている。所望の方向とは、例えば、外部から吸い込まれたガスGに予旋回を加えるような、径方向に対してインペラ3の回転方向前方側に傾斜する方向を意味している。
吐出流路FC2は、五段インペラ3eにおけるインペラ流路FC0の出口から径方向外側に向かって延びるとともに、ケーシング4の周方向の一部で径方向外側に向かって開口するようにケーシング4に形成されている。そして吐出流路FC2は、五段インペラ3eにおけるインペラ流路FC0の出口から排出されたガスGを流通させて外部に吐出する。
また、この吐出流路FC2には、ケーシング4の開口の手前の位置に、周方向に環状に延びる空間である吐出スクロールSが形成されている。この吐出スクロールSは、五段インペラ3eのインペラ流路FC0の出口から排出されたガスGの圧力を増大させる。
ここで、本実施形態では、図1の破線に示すように、この吐出流路FC2内で吐出スクロールSとインペラ3との間に、インペラ流路FC0から排出されたガスGを所望の方向へ転向させて吐出スクロールSへ案内するディフューザベーン22(第二の羽根)が設けられていてもよい。このディフューザベーン22は、流通するガスGの動圧を静圧として回復するものであり、所望の方向とは、このように静圧回復がなされる方向、即ち、径方向に対して周方向に傾斜する方向を意味している。
中間流路FC3は、一段インペラ3aと二段インペラ3bとの間、二段インペラ3bと三段インペラ3cとの間、三段インペラ3cと四段インペラ3dとの間、及び四段インペラ3dと五段インペラ3eとの間の位置でケーシング4に形成されている。
各段間の中間流路FC3は、いずれも略同一構成であるため、代表して一段インペラ3aと二段インペラ3bとの間の中間流路FC3について説明する。
中間流路FC3は、ケーシング4の外部には連通せず、ケーシング4の内部に形成されている。そして中間流路FC3は、一段インペラ3aにおけるインペラ流路FC0の出口から径方向外側に向かって延びるディフューザ流路FC4(出口側流路)と、ディフューザ流路FC4に接続、連通して二段インペラ3bのインペラ流路FC0の入口に向かって延びるリターン流路FC5とから構成されている。
ディフューザ流路FC4は、一段インペラ3aのインペラ流路FC0から径方向外側に向かって排出されたガスGが流通する。また、ディフューザ流路FC4内には、上述したディフューザベーン22が設けられていてもよい。
リターン流路FC5は、一段インペラ3aから二段インペラ3bに向かって、ディフューザ流路FC4の径方向外側の端部に接続された第一曲り流路部FC6と、第一曲り流路部FC6の端部に接続された直線流路部FC7と、直線流路部FC7の端部に接続された第二曲り流路部FC8とから構成されている。
第一曲り流路部FC6は、ディフューザ流路FC4から径方向外側に延びた後に径方向内側に湾曲するように延びて、一段インペラ3aのインペラ3流路から径方向外側へ流通するガスGの流れを、径方向内側に向かう流れに転向する。
直線流路部FC7は、ディフューザ流路FC4と曲り流路部FC6との接続部分とは逆側における第一曲り流路部FC6の径方向内側の端部に接続されて、第一曲り流路部FC6から径方向内側に向かって延びている。
またこの直線流路部FC7内には、一段インペラ3aのインペラ流路FC0からのガスGを所望の方向へ転向させて二段インペラ3bのインペラ3流路に案内するリターンベーン23(第一の羽根)が設けられている。所望の方向とは、例えば、一段インペラ3aのインペラ流路FC0からのガスGの旋回成分を取り除くような方向、即ち、径方向に対してインペラ3の回転方向の後方側に傾斜する方向を意味している。
第二曲り流路部FC8は、直線流路部FC7の径方向内側の端部に接続されて、この端部から軸線Oの他方側(下流側)に沿うように湾曲して延び、直線流路部FC7からのガスGの流れを二段インペラ3bのインペラ流路FC0へ向かう流れに転向する。
ここで本実施形態では、ケーシング流路FCは、一段インペラ3aのインペラ流路FC0から径方向外側に延びるディフューザ流路FC4と、吸込流路FC1とを常時連通する連通部24をさらに含んで構成されている。
連通部24は、本実施形態では、周方向に互いに間隔をあけて複数形成された連通孔となっている。
なお、この連通孔の形状は特に限定されるものではなく、断面円形状であってもよいし断面多角形状であってもよい。また、連通孔でなくスリットのようなものであってもよい。即ち、ディフューザ流路FC4と吸込流路FC1とを常時連通するものであれば形状はどのようなものでもよいし、周方向の一箇所のみに形成されていてもよい。
さらに、ディフューザ流路FC4にディフューザベーン22が設けられる場合には、連通部24はディフューザベーン22よりも径方向外側、即ち、ガスGの流れの下流側と、インレットガイドベーン21よりも径方向外側、即ち、ガスGの流れの上流側とを連通しているとよい。
ここで、吸込流路FC1、及び、一段インペラ3aのインペラ流路FC0の出口側に設けられたディフューザ流路FC4が形成されたケーシング4の一部を一段目ダイアフラム4aとする。
また、一段インペラ3aと二段インペラ3bとの間のリターン流路FC5、及び、二段インペラ3bのインペラ流路FC0の出口側に設けられたディフューザ流路FC4が形成されたケーシング4の一部を二段目ダイアフラム4bとする。
二段目ダイアフラム4bと同様に、三段目ダイアフラム4c及び四段目ダイアフラム4dを定義する。
さらに、四段インペラ3dと五段インペラ3eとの間のリターン流路FC5、及び、吐出流路FC2が設けられたケーシング4の一部を五段目ダイアフラム4eとする。
本実施形態では、連通部24は一段目ダイアフラム4aに形成されていることになり、かつ、本実施形態ではサージングが発生するサージ流量が一段インペラ3aで最も大きい値となる設計になっている。
このような多段遠心圧縮機1によると、一段目ダイアフラム4aに連通部24が形成されている。このため、一段インペラ3aで圧縮されたガスGの一部をディフューザ流路FC4から吸込流路FC1に、即ち、高圧となる一段インペラ3aの下流側から低圧となる上流側に差圧によってガスGを常時還流させることができる。
ここで、仮に連通部24を設けずガスGの一部が還流されない場合に各段のインペラ3を流通するガスGの流量を100とすると、圧縮機のシステム全体でガスGを流通させるのに必要な動力は500となる。
また、仮に連通部24を設けずガスGの一部が還流されない場合には、サージラインL0は図2の破線に示す通りになると仮定し、ある運転点Aがサージラインよりも小流量側に位置するとする。
このような状況では、運転点Aで多段遠心圧縮機1の運転を行うとサージングが発生することとなり、安定した運転を行うことはできない。
そして本実施形態のように連通部24を設け、この連通部24を還流されるガスGの流量を10とした場合には、サージラインL0は、みかけ上で10%小流量側にシフトし、サージラインL(図2の実線)となる。これにより、図2に示す通り運転点Aの流量の方がサージラインLの流量よりも大きくなれば、安定した運転が可能となる。
さらに、還流分のガスGの流量10を加味すると、多段遠心圧縮機1のシステム全体のガスGの流量が510となるため、還流が行われない場合に比べてガスG流量10の分だけ動力が大きくなる。しかし、仮に五段インペラ3eの下流側から一段インペラ3aの上流側へと、システムの全段にわたってガスGを還流させるシステムでは、各段のインペラ3を流通するガスGの流量は110となる。よって多段遠心圧縮機1全体では、ガスGの流量550の分を流通させる動力が必要となってしまう。
従って、本実施形態のように、連通部24が最もサージ流量が大きな設計がされたインペラ3に対して選択的に適用されて、設計時にサージ流量が最も大きくなる段のインペラ3の下流側と上流側とを連通してガスGの一部を還流させることで、多段遠心圧縮機1のシステム全体のガスGの流量を抑えて動力を低減できるため、効果的にサージングの発生を抑えることができる。
また、仮にディフューザベーン22が設けられている場合であって、連通部24が、ディフューザベーン22よりも径方向外側と、インレットガイドベーン21よりも径方向外側とを連通している場合には、一段インペラ3aからより離間した位置に連通部24が配されていることになる。従って、連通部24を通じて還流されるガスGは一段インペラ3aの回転の影響を受けにくくなる。よって、円滑にガスGを還流させることができる。
また、このように仮にディフューザベーン22が設けられている場合には、一段インペラ3aを通過したガスGが、ディフューザベーン22によって静圧回復された後に、このガスGの一部を連通部24へと流入させることができる。従って、連通部24にガスGを流入させ易くなり、安定的に連通部24を通じてインペラ3の上流側に円滑に流体を還流することができる。
さらに、連通部24は単なる連通孔やスリットであるため、連通部24内にはガスGの流れを遮るような部材は無く、還流の際の圧損を小さく抑えることができ、円滑にガスGを還流させることができる。
本実施形態の多段遠心圧縮機1によると、常時連通する連通部24を設けたことで、多段遠心圧縮機1のシステム全体の動力増大を最小限に抑えつつ、ガスGの流量がサージ流量に近づくことを抑制できる。このため、圧縮効率を維持しつつサージングの発生を抑制するだけでなく、サージングが発生する状態に近づくことをも抑制可能となる。
なお、本実施形態のように連通部24は、必ずしもディフューザベーン22よりも径方向外側と、インレットガイドベーン21よりも径方向外側とを連通していなくともよい。即ち、少なくとも一段インペラ3aの下流側と上流側とを連通するように形成されていればよい。
ここで、仮にサージ流量が二段インペラ3bで最も大きくなるように設計されている場合には、図3に示すように、連通部24は二段目ダイアフラム4bに形成され、二段インペラ3bの下流側と上流側とを連通していることが好ましい。この場合にも多段遠心圧縮機1のシステム全体の動力増大を最小限に抑えつつ、ガスGの流量がサージ流量に近づくことを抑制できる。
同様に、仮にサージ流量が三段インペラ3cで最も大きくなるように設計されている場合には、連通部24は三段目ダイアフラム4cに形成されていればよく、サージ流量が四段インペラ3dで最も大きくなるように設計されている場合には、連通部24は四段目ダイアフラム4dに形成されていればよい。
さらに、仮にサージ流量が五段インペラ3eで最も大きくなるように設計されている場合には、図4に示すように、五段インペラ3eのインペラ3流量の出口側のディフューザベーン22よりも径方向外側と、五段インペラ3eのインペラ3流量の入口側のリターンベーン23よりも径方向外側とを連通するように形成されていることが好ましい。そして、図4に示すように、連通部24は、吐出スクロールSに連通していてもよい。
また、仮にサージ流量が四段インペラ3dと五段インペラ3eとで最も大きくなるように設計されている場合には、図5に示すように、連通部24は、五段インペラ3eのインペラ3流量の出口側のディフューザベーン22よりも径方向外側と、四段インペラ3dのインペラ3流量の入口側のリターンベーン23よりも径方向外側とを連通するように形成されていることが好ましい。即ち、この場合、四段目ダイアフラム4dと五段目ダイアフラム4eとが一段のダイアフラムを構成しているとも考えられる。
さらに、図6には本実施形態の他の変形例を示す。この変形例では、全ての段のダイアフラム4a〜4eに連通部24が形成されている。即ち、全ての段のインペラ3の下流側と上流側とを連通するように連通部24が形成されている。
また、これら連通部24は、各段のダイアフラム4a〜4e毎にガスGが流通する流路面積が異なっている。例えば、連通部24が連通孔である場合には孔径がダイアフラム4a〜4e毎に異なるか、連通孔の数量が異なっている。
そしてこのような多段遠心圧縮機1によると、連通部24の流路面積がダイアフラム4a〜4e毎に異なっていることで、各段のインペラ3毎に異なるサージ流量に合わせて、連通部24を通じてインペラ3の下流側から上流側へと還流されるガスGの流量を調整することが可能となる。
即ち、各段のスペックに応じて還流されるガスGの流量を調整することができ、全ての段でサージングが発生する状態に近づくことがなくなる。よって、より効果的にサージングの発生を抑制することが可能となる。
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、上述の実施形態では、遠心回転機械の一例として、多段遠心圧縮機1について説明を行ったが、ガスGに代えて液体を圧送する多段遠心ポンプ等の他の遠心回転機械に上述の実施形態のダイアフラムを適用可能である。
上記のダイアフラム、および遠心回転機械によれば、常時連通する連通部を設けることで、圧縮効率を維持しつつ運転状態がサージングの状態に近づくことを抑制可能となる。
1…多段遠心圧縮機(回転機械) 2…回転軸 3…インペラ G…ガス(流体) 3a…一段インペラ 3b…二段インペラ 3c…三段インペラ 3d…四段インペラ 3e…五段インペラ 4…ケーシング 4a…一段目ダイアフラム 4b…二段目ダイアフラム 4c…三段目ダイアフラム 4d…四段目ダイアフラム 4e…五段目ダイアフラム 7…ジャーナル軸受 8…スラスト軸受 11…ハブ 12…ブレード 13…シュラウド 21…インレットガイドベーン(第一の羽根) 22…ディフューザベーン 23…リターンベーン(第一の羽根) 24…連通部 FC…ケーシング流路 FC0…インペラ流路 FC1…吸込流路(入口側流路) FC2…吐出流路(出口側流路) FC3…中間流路 FC4…ディフューザ流路(出口側流路) FC5…リターン流路(入口側流路) FC6…第一曲り流路部 FC7…直線流路部 FC8…第二曲り流路部 S…吐出スクロール O…軸線

Claims (4)

  1. インペラを軸線を中心として回転可能に支持し、該インペラの入口に向かって流体を供給する入口側流路と、
    前記インペラから径方向外側に向かって排出された流体が流通する出口側流路と、
    これら入口側流路と出口側流路とを常時連通させる連通部と、
    が形成され
    前記入口側流路内に配されて、前記流体を所望の方向へ案内する第一の羽根と、
    前記出口側流路内に配されて、前記流体を所望の方向へ案内する第二の羽根と、
    をさらに備え、
    前記連通部は、前記第一の羽根よりも上流側となる位置と、前記第二の羽根よりも下流側となる位置との間に配されているダイアフラム。
  2. 請求項1に記載のダイアフラムと、
    前記ダイアフラムに対して軸線回りに相対回転可能に該ダイアフラムに支持されるインペラと、
    を備える遠心回転機械。
  3. 前記軸線方向に配列されて、該軸線回りに回転する複数のインペラを備え、
    前記ダイアフラムは、前記複数のインペラのうちで最もサージ流量が大きくなるように設計された少なくとも一つのインペラを支持する請求項2に記載の遠心回転機械。
  4. 前記軸線方向に配列されて、該軸線回りに回転する複数のインペラを備え、
    前記ダイアフラムは、前記複数のインペラの各々を支持するように前記軸線の方向に複数が配列されて設けられ、
    これらダイアフラム毎で、前記連通部における前記流体の流路面積が異なっている請求項2に記載の遠心回転機械。
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