JP6140736B2 - 遠心回転機械 - Google Patents

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Description

本発明は、遠心力を利用して気体を圧縮する遠心圧縮機などの遠心回転機械に関する。
本願は、2013年1月28日に出願された特願2013−013728号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
周知のように、遠心圧縮機は、回転するインペラの半径方向に気体を通り抜けさせ、その際に発生する遠心力を利用してそれら気体などの流体を圧縮するものである。この種の遠心圧縮機において、インペラを軸方向に多段に備え、気体を段階的に圧縮する多段式の遠心圧縮機が知られている(特許文献1参照)。この多段式の遠心圧縮機について、図面を参照して簡単に説明する。
図6に示すように、遠心圧縮機101は、図示しない吸入口及び排出口が形成されたケーシング5と、ケーシング5に対して図示しない軸受部を介して回転可能に支持された回転軸2と、回転軸2の軸方向に沿って所定の間隔を空けて取り付けられた複数のインペラ3と、各々のインペラ3間を繋いで段階的に圧縮される気体を流通させる流路4と、を備えている。ケーシング5は、シュラウドケーシング5aとハブケーシング5bとによって構成されている。
各々のインペラ3は、主として、軸方向の一方側(後段側)に向けて漸次拡径した円盤状のハブ13と、放射状にハブ13に取り付けられた複数の羽根14と、複数の羽根14の先端側を周方向に覆うように取り付けられたシュラウド15と、によって構成されている。
流路4は、圧縮流路17と、戻り流路118と、によって構成されている。圧縮流路17は、ハブ13の羽根取付面とこれに対向するシュラウド15の内壁面とによって画成される流路である。戻り流路118は、吸込部119と、ディフューザ部120と、リターンベンド部121と、によって構成されている。
吸込部119は、径方向外方から径方向内方に気体を流すためのストレート通路122と、ストレート通路122から流れてきた流体の流れ方向を回転軸2の軸方向に変換してインペラ3に向けて導く湾曲形状のコーナー通路123と、によって構成されている。ディフューザ部120は、径方向外方に向かって延びる通路であり、インペラ3によって圧縮された流体を径方向外方に流す。リターンベンド部121は、ディフューザ部120を通過した流体の流れ方向を径方向内方に変換して吸込部119に送り出す湾曲形状の通路である。
従って、流体Gは、第一段目の吸込部119、圧縮流路17、ディフューザ部120、リターンベンド部121を順番に流れた後、二段目の吸込部119、圧縮流路17…という順に流れることで、段階的に圧縮されるようになっている。吸込部119のストレート通路122には、放射状に配置されて、ストレート通路122を周方向に分割する複数のリターンベーン125が設けられている。複数のリターンベーン125は、ストレート通路122の全幅にわたって配設されている。
特開平9−4599号公報
ところで、上記従来の遠心圧縮機101においては、リターンベーン125の入口のハブケーシング5b側(径方向内側)において、流体Gの剥離が発生し、圧力損失が生じるという課題がある。即ち、リターンベンド部121の曲率によりハブケーシング5b側の圧力が低下して、符号βで示すように径方向内側の流体Gの流速が増加する。これにより、摩擦損失が大きくなるとともに流体Gの剥離が生じ、リターンベーン125の入口箇所における流れの均一性を阻害して下流部の圧力回復が不十分となり、遠心圧縮機の効率が損なわれる。
この発明は、遠心圧縮機などの遠心回転機械の戻り流路部における圧力損失を低減することができ、高効率化を図ることができる遠心回転機械を提供する。
本発明の第一の態様によれば、遠心回転機械は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸とともに回転することで流体を送り出す複数のインペラと、前記回転軸及び前記複数のインペラを囲むように設けられて、前段側の前記インペラから後段側の前記インペラに流体を導く戻り流路を画成するケーシングと、前記戻り流路に、前記軸線の周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーンと、を備え、前記戻り流路は、前段の前記インペラから径方向外側に送り出された前記流体を径方向内側へ向かって案内するリターンベンド部を有し、前記リターンベンド部は、第一湾曲部と、前記第一湾曲部の下流側に接続された第二湾曲部とからなり、前記第二湾曲部の前記径方向内側の壁面の曲率半径が、前記第一湾曲部の前記径方向内側の壁面の曲率半径よりも大きく形成され、前記リターンベーンの前縁が前記リターンベンド部における前記第二湾曲部内に位置しており、前記リターンベーンの前縁の前記径方向外側の端部が、前記第二湾曲部の前記径方向内側の壁面の前記リターンベーンの前縁の前記径方向内側の端部の位置における法線方向よりも下流側にあることを特徴とする。
上記構成によれば、第二湾曲部の径方向内側において流体の流速が低下し径方向の流速の均一性が図られるとともに、流体の剥離防止が促進されるため、遠心回転機械の戻り流路における圧力損失を低減することができる。
上記構成によれば、リターンベーン入口における動圧が低減され、流体の流速の均一性が向上するとともに流体の剥離防止が促進されるため、リターンベーンとの衝突損失が小さくなり、遠心回転機械の圧力損失を低減することができる。
また、リターンベーンをリターンベンド部が終わる前から開始させることで、リターンベンド部において平均流速が低下した流体をリターンベーンでの加速量を増加させることができるようになるため、流体の整流化を向上させることができる。
上記構成によれば、流体の流速が径方向に均一性を図ったにもかかわらず、依然として径方向内側の流速が高い場合においても、前縁の径方向内側をより上流側から干渉させることにより、第二湾曲部の径方向内側において流体の流速をより低下させることができる。また、流体の流速を低下させることにより、第二湾曲部の径方向内側における流体の剥離を防止することができる。
上記遠心回転機械において、前記リターンベーンの前縁は、前記第二湾曲部の前記径方向内側の壁面の法線方向よりも下流側に傾斜してよい。
上記遠心回転機械において、前記リターンベーンの前縁は、前記径方向内側の端部が前記径方向外側の端部よりも前記第二湾曲部内における上流側に突き出してよい。
上記遠心回転機械において、前記前縁は、前記軸線方向に対して略平行であってよい。
上記遠心回転機械において、前記リターンベンド部の下流側の端部における流路断面積は、前記リターンベンド部の上流側の端部における流路断面積よりも大き構成としてもよい。
上記構成によれば、リターンベンド部の出口における流体の流速がより均一化されることでリターンベーン入口での動圧が低減され、リターンベーンとの衝突損失が小さくなるため、遠心回転機械の圧力損失をより低減することができる。
上記遠心回転機械において、前記リターンベンド部は、上流側から下流側に向かうに従って流路断面積が次第に大きくなってよい。
上記遠心回転機械において、前記戻り流路は、前記リターンベンド部の下流側に接続されて、前記径方向外側から前記径方向内側に向かって延びるストレート流路を備え、前記ストレート流路のハブ側流路壁面は、前記径方向内側に向かうに従って前記前段側に傾斜してよい。
本発明によれば、遠心圧縮機などの遠心回転機械の戻り流路部における圧力損失を低減することができ、高効率化を図ることができる。
本発明の実施形態の遠心圧縮機の簡略構成図である。 本発明の実施形態の遠心圧縮機のインペラ周辺を拡大した図である。 本発明の実施形態の遠心圧縮機のリターンベンド部を拡大した図である。 本発明の実施形態の第一の変形例の遠心圧縮機のリターンベンド部を拡大した図である。 本発明の実施形態の第二の変形例の遠心圧縮機のリターンベンド部を拡大した図である。 従来の遠心圧縮機のインペラ周辺を拡大した図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、遠心圧縮機の一例として、インペラを複数備えた多段式の遠心圧縮機を例に挙げて説明する。
本実施形態の遠心圧縮機1は、図1に示すように、主として、軸線O回りに回転させられる回転軸2と、回転軸2に取り付けられて遠心力を利用して流体Gを圧縮するインペラ3と、回転軸2を回転可能に支持すると共に流体Gを上流側から下流側に流す流路4が形成されたケーシング5と、によって構成されている。
ケーシング5は、略円柱状の外郭をなすように形成され、中心を貫くように回転軸2が配置されている。ケーシング5のうち回転軸2の軸方向の両端には、ジャーナル軸受7が設けられ、一端には、スラスト軸受8が設けられている。これらジャーナル軸受7及びスラスト軸受8は回転軸2を回転可能に支持している。即ち、回転軸2は、ジャーナル軸受7及びスラスト軸受8を介してケーシング5に支持されている。
また、ケーシング5のうち軸方向の一端側には流体Gを外部から流入させる吸込口9が設けられ、他端側には流体Gが外部に流出する排出口10が設けられている。ケーシング5内には、これら吸込口9及び排出口10にそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間は、インペラ3を収容する空間として機能すると共に上記した流路4としても機能する。即ち、吸込口9と排出口10とは、インペラ3及び流路4を介して連通している。また、ケーシング5は、シュラウドケーシング5aとハブケーシング5bとによって構成されており、内部空間はシュラウドケーシング5aと、ハブケーシング5bとによって形成されている。
インペラ3は、回転軸2の軸方向に間隔を空けて複数配列されている。なお、図示例において、インペラ3は六つ設けられているが少なくとも一つ設けられていればよい。
図2に示すように、各々のインペラ3は、排出口10側に進むにつれて漸次拡径した略円盤状のハブ13と、ハブ13に放射状に取り付けられ、周方向に並んだ複数の羽根14と、これら複数の羽根14の先端側を周方向に覆うように取り付けられたシュラウド15と、によって構成されている。
流路4は、流体Gが複数のインペラ3によって段階的に圧縮されるように、回転軸2の径方向に蛇行しながら軸方向に進行して各々のインペラ3間を繋ぐように形成されている。詳細に説明すると、この流路4は、圧縮流路17と戻り流路18とによって構成されている。
戻り流路18は、回転軸2及び複数のインペラ3を囲むように設けられて、前段側のインペラ3から後段側のインペラ3に流体Gを導く流路であり、吸込部19と、ディフューザ部20と、リターンベンド部21と、によって構成されている。
吸込部19は、径方向外方から径方向内方に流体Gを流した後、この流体Gの向きをインペラ3の直前で回転軸2の軸方向に変換させる通路である。具体的には、径方向外方から径方向内方に向けて流体Gを流す直線状のストレート通路22と、ストレート通路22から流れてきた流体Gの流れ方向を径方向内方から軸方向に変換して流体Gをインペラ3に向かわせる湾曲形状のコーナー通路23と、によって構成されている。
ストレート通路22は、ハブケーシング5bのハブ側流路壁面22bと、シュラウドケーシング5aのシュラウド側流路壁面22aとによって囲まれることで画成されている。ここで、一段目のインペラ3に流体Gを向かわせる吸込部19のストレート通路22においては、その径方向外方側が吸込口9(図1参照)に連通されている。
さらに、二つのインペラ3間に位置するストレート通路22には、軸線Oを中心とした放射状に配置されてストレート通路22を回転軸2の周方向に分割する複数のリターンベーン25が設けられている。
圧縮流路17は、吸込部19から送られてきた流体Gをインペラ3内で圧縮させるための部位であり、ハブ13の羽根取付面とシュラウド15の内壁面とによって囲まれることで画成されている。
ディフューザ部20は、その径方向内方側が圧縮流路17に連通しており、インペラ3によって圧縮された流体Gを径方向外方に流す役割を果たす。なお、ディフューザ部20の径方向外方側は、リターンベンド部21に連通しているが、流路4のうち最も下流側に位置するインペラ3(図1においては六段目のインペラ3)の径方向外方に連なるディフューザ部20は、排出口10に連通している。
リターンベンド部21は、断面略U字状に形成され、シュラウドケーシング5aの内周壁面と、ハブケーシング5bの外周壁面とによって囲まれることで画成されている。即ち、シュラウドケーシング5aの内周壁面は、リターンベンド部21の外側湾曲面21aをなしており、ハブケーシング5bの外周壁面はリターンベンド部21の内周湾曲面21bをなしている。
そして、リターンベンド部21の上流端側はディフューザ部20に連通しており、下流端側が吸込部19のストレート通路22に連通している。
このリターンベンド部21は、インペラ3(上流側のインペラ3)によってディフューザ部20を通って径方向外方に流れてきた流体Gの流れ方向を径方向内方に反転させて、ストレート通路22に送り出している。
ここで、本実施形態のリターンベンド部21は、第一湾曲部27とこの第一湾曲部27の下流側に接続された第二湾曲部28とから構成されている。リターンベンド部21の内周湾曲面21bは、第一湾曲部27の第一内周湾曲面27aと第二湾曲部28の第二内周湾曲面28aとから構成されている。
また、図3に示すように、第二湾曲部28の第二内周湾曲面28aの曲率半径R2は、第一湾曲部27の第一内周湾曲面27aの曲率半径R1よりも大きく形成されている。換言すれば、第二湾曲部28の径方向内側の壁面の曲率半径R2は、第一湾曲部27の径方向内側の壁面の曲率半径R1よりも大きく形成されている。好ましくは、第二湾曲部28の第二内周湾曲面28aの曲率半径R2は、第一湾曲部27の第一内周湾曲面27aの曲率半径R1の約二倍とされている。
さらに、第二内周湾曲面28aの開始位置Sは、リターンベンド部21の内周湾曲面21bの最も径方向外側の最頂点位置、またはその近傍であることが好ましい。換言すれば、第二内周湾曲面28aの開始位置Sは、流体Gの流れ方向を180°折り返すリターンベンド部21の中間点近傍(90°折り返す位置)であることが好ましい。
そして、リターンベンド部21の出口における流路幅W2は、リターンベンド部の入口における流路幅W1よりも大きくなっている。流路幅は、図2に示すように、徐々に拡大してもよいし、階段状に拡大してもよい。
なお、必ずしも流路幅W2を流路幅W1よりも大きく形成する必要はなく、リターンベンド部21の入口から出口にかけて同じ流路幅としてもよい。
また、本実施形態のリターンベーン25は、その前縁25a(入口端)がリターンベンド部21の第二湾曲部28に配置されている。即ち、リターンベーン25は従来のものと比較して上流側に長く形成され、その入口端がシュラウド側流路壁面22a、及びハブ側流路壁面22bを越えて、リターンベンド部21に達するように形成されている。
そして、リターンベーン25の前縁25aは、第二湾曲部28の外側湾曲面21a(径方向外側の壁面)に向かうに従って下流側に傾斜している。換言すれば、前縁25aの径方向内側が、よりハブケーシング5b側(径方向内側)上流側に突き出すように形成されている。
また、本実施形態の戻り流路18のストレート通路22は、ハブ側流路壁面22b上流側に戻るような形状となっている。即ち、ストレート通路22のハブ側流路壁面22bは、径方向に平行に形成されておらず、径方向内側に向かうに従って、流体Gの上流方向に傾斜している。
次に、以上のように構成された遠心圧縮機1による流体Gの圧縮について説明する。
各々のインペラ3が回転軸2と共に回転すると、吸込口9から流路4内に流入した流体Gは、吸込口9から一段目のインペラ3の戻り流路18の吸込部19、圧縮流路17、ディフューザ部20、リターンベンド部21の順に流れた後、二段目のインペラ3の吸込部19、圧縮流路17…という順に流れていく。
そして、流路4の最も下流側に位置するインペラ3直後のディフューザ部20まで流れた流体Gは、排出口10から外部に流れる。
流体Gは、上述した順で流路4を流れる途中、各々のインペラ3によって圧縮される。即ち、この遠心圧縮機1においては、流体Gが複数のインペラ3によって段階的に圧縮され、これによって大きな圧縮比を容易に得ることができる。
上記実施形態によれば、第二湾曲部28の第二内周湾曲面28a(径方向内側の壁面)の曲率半径R2が、第一湾曲部27の第一内周湾曲面27a(径方向内側の壁面)の曲率半径R1よりも大きく形成されていることによって、第二湾曲部28における流体Gにかかる遠心力が低下する。これにより、第二湾曲部28の径方向内側において流体Gの流速が低下し、径方向の流速の均一性が図られる。さらに、流体Gの剥離防止が促進されるため、遠心圧縮機1の戻り流路18における圧力損失を低減することができる。また、内周湾曲面21bと同様に外周湾曲面21aの曲率半径も第一湾曲部27よりも第二湾曲部28の方が大きいほうが好ましい。
また、リターンベーン25の前縁25aがリターンベンド部21における第二湾曲部28内に位置していることによって、リターンベーン25入口における流体Gの流速が均一性を確保することができる。即ち、リターンベーン25入口における動圧が低減され、リターンベーン25との衝突損失が小さくなるため、遠心圧縮機1の圧力損失を低減することができる。
また、リターンベーン25の前縁25aが外側湾曲面21a(径方向外側の壁面)に向かうに従って第二湾曲部28の径方向内側の壁面、即ち第二内周湾曲面28aの法線方向よりも下流側に傾斜していることによって、径方向内側の流速が高い場合においても、前縁25aの径方向内側をより上流側から干渉させることができる。これにより、第二湾曲部28の径方向内側において流体Gの流速をより低下させることができる。また、流体Gの流速を低下させることにより、第二湾曲部28の径方向内側における流体Gの剥離を防止することができる。
さらに、リターンベーン25をリターンベンド部21が終わる前から開始させることで、リターンベンド部21において平均流速が低下した流体Gをリターンベーン25での加速量を増加させることができるようになるため、流体Gの整流化を向上させることができる。
また、リターンベンド部21の出口における流路幅W2を、リターンベンド部21の入口における流路幅W1よりも大きく形成したことによって、リターンベンド部21の出口における流体Gの流速がより均一化される。これにいり、リターンベーン25入口での動圧が低減され、リターンベーン25との衝突損失が小さくなるため、遠心圧縮機1の圧力損失をより低減することができる。
また、リターンベーン25がリターンベンド部21の出口より下流から設けられる場合に比較し、出口よりも上流側から設けられるため、その分だけリターンベーン25を長くすることができ、リターンベーンによる加速の効果を高めることができる。又は、一定のリターンベーンの長さを確保して、その効果を担保しながら、径方向、即ち、機械の高さ方向の長さを短くできる。
さらに、ストレート通路22がハブ側流路壁面22b側に戻るような曲がった形状となっていることによって、一定の流路長さを確保しつつ圧縮機流路の軸方向長さを短縮することができる。即ち、遠心圧縮機1のコンパクト化を図ることができる。
なお、上述した実施形態においては、多段式の遠心圧縮機1の全ての段のリターンベンド部21において、第二湾曲部28の曲率半径R2を第一湾曲部27の曲率半径R1よりも大きく形成するとともに、リターンベーン25の前縁25aを第二湾曲部28に配置したが、これに限ることはない。
例えば、5段のうち上流側のいくつかの段(例えば上流側2段)のリターンベンド部21において、第二湾曲部28の曲率半径R2を第一湾曲部27の曲率半径R1よりも大きく形成するとともに、リターンベーン25の前縁25aを第二湾曲部28に配置してもよい。
上流側の圧縮機段は流路高さが高く、流路の高さ方向の流れの分布がつきやすいため、上記構成を適用することが好ましい。
また、上述した実施形態においては、前縁25aが径方向外側の壁面に向かうに従って下流側に傾斜する構成を示したが、例えば、図4に示す第一の変形例のように、前縁25aが第二内周湾曲面28aの法線方向に沿うように形成してもよい。このような形状は、流体Gの速度の均一性が高い場合に有効である。また、前縁は、軸方向に対して略平行としてもよい。
また、上述した実施形態においては、リターンベーン25の前縁25aの形状を直線形状としたが、これに限ることはない。例えば、図5に示す第二の変形例のように、前縁25aが下流側に向かって凸の曲線形状としてもよい。即ち、前縁25aを、前縁25aの中央近傍が下流側に向かって凸となるような湾曲形状としてもよい。
流体は前縁25aに対して垂直方向に流れる傾向にあり、前縁25aを下流に向かって凸とする形状とすることによって、リターンベーン25に流入する流れの壁面近傍は壁面に向かう傾向を示す。壁面に向かう力は、流れが壁面から剥離することを抑制するため、流れの剥離による損失が低減される。これにより、遠心圧縮機1の圧力損失をより低減することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態においては、所謂クローズドインペラタイプのインペラを用いる構成としたが、所謂オープンインペラタイプのインペラを用いてもよい。
また、本発明の遠心回転機械は、上記実施形態の遠心圧縮機に限らず、適宜他の構成に適用することができる。
この本発明は、遠心力を利用して気体を圧縮する遠心圧縮機などの遠心回転機械に適用可能である。この発明によれば、遠心回転機械の戻り流路における圧力損失を低減することができる。
1 遠心圧縮機
2 回転軸
3 インペラ
4 流路
5 ケーシング
5a シュラウドケーシング
5b ハブケーシング
7 ジャーナル軸受
8 スラスト軸受
9 吸込口
10 排出口
13 ハブ
14 羽根
15 シュラウド
17 圧縮流路
18 流路
19 吸込部
20 ディフューザ部
21 リターンベンド部
21a 外側湾曲面
21b 内周湾曲面
22 ストレート通路
22a シュラウド側流路壁面
22b ハブ側流路壁面
23 コーナー通路
25 リターンベーン
25a 前縁
27 第一湾曲部
27a 第一内周湾曲面
28 第二湾曲部
28a 第二内周湾曲面
G 流体
O 軸線
R1 曲率半径
R2 曲率半径
W1 流路幅
W2 流路幅

Claims (7)

  1. 軸線回りに回転する回転軸と、
    前記回転軸とともに回転することで流体を送り出す複数のインペラと、
    前記回転軸及び前記複数のインペラを囲むように設けられて、前段側の前記インペラから後段側の前記インペラに流体を導く戻り流路を画成するケーシングと、
    前記戻り流路に、前記軸線の周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーンと、を備え、
    前記戻り流路は、
    前段の前記インペラから径方向外側に送り出された前記流体を径方向内側へ向かって案内するリターンベンド部を有し、
    前記リターンベンド部は、第一湾曲部と、前記第一湾曲部の下流側に接続された第二湾曲部とからなり、
    前記第二湾曲部の前記径方向内側の壁面の曲率半径が、前記第一湾曲部の前記径方向内側の壁面の曲率半径よりも大きく形成され、
    前記リターンベーンの前縁が前記リターンベンド部における前記第二湾曲部内に位置しており、
    前記リターンベーンの前縁の前記径方向外側の端部が、前記第二湾曲部の前記径方向内側の壁面の前記リターンベーンの前縁の前記径方向内側の端部の位置における法線方向よりも下流側にあることを特徴とする遠心回転機械。
  2. 前記リターンベーンの前縁は、前記第二湾曲部の前記径方向内側の壁面の法線方向よりも下流側に傾斜していることを特徴とする請求項に記載の遠心回転機械。
  3. 前記リターンベーンの前縁は、前記径方向内側の端部が前記径方向外側の端部よりも前記第二湾曲部内における上流側に突き出していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の遠心回転機械。
  4. 前記前縁は、前記軸線方向に対して略平行であることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の遠心回転機械。
  5. 前記リターンベンド部の下流側の端部における流路断面積は、前記リターンベンド部の上流側の端部における流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の遠心回転機械。
  6. 前記リターンベンド部は、上流側から下流側に向かうに従って流路断面積が次第に大きくなることを特徴とする請求項に記載の遠心回転機械。
  7. 前記戻り流路は、前記リターンベンド部の下流側に接続されて、前記径方向外側から前記径方向内側に向かって延びるストレート流路を備え、
    前記ストレート流路のハブ側流路壁面は、前記径方向内側に向かうに従って前記前段側に傾斜することを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の遠心回転機械。
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