JP6265000B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、遠心力を利用してガスの流体を圧縮する遠心圧縮機に関するものである。

１軸多段遠心圧縮機に用いられるインペラとして、ブレードとハウジング側に形成されるシュラウドとが非接触であるオープンインペラと、ブレードと一体にクラウンプレートが設けられ、ブレードとクラウンプレートとの間に閉鎖された流路が形成されるクローズドインペラとがある。作動流体として、空気以外の流体が用いられる場合には、安全性の観点から主にクローズドインペラが適用されていることが多い。

又、１軸多段遠心圧縮機の空力設計では、構造や強度の問題から、インペラの軸長が短く、且つ吸込み部の半径位置が高いという制約を課されることが多い。従って、インペラの軸長を可能な限り短くする為、子午面の曲率が大きい形状を選択せざるを得ず、遠心圧縮機の作動流域が狭くなり、作動流体が流路面に対して剥離を生じ易くなるという問題があった。

従来、インペラの下流側にある可動部の存在しない静止流路部又はインペラ出口から圧縮された作動流体の一部を抽出し、インペラ入口へと戻す循環流路を形成し、インペラ入口に作動流体を供給することで、遠心圧縮機の作動域を拡大させるものがある。

尚、特許文献１には、インペラのシュラウドに周方向に沿って板厚方向に貫通する一本のスリットが形成され、サージング時にはスリットを介してインペラ内の作動流体の一部が抽出されることにより小流量側でも安定した運転が可能となり、チョーク時にはスリットを介してインペラ内に作動流体が注入されることにより最大流量が増加し、作動範囲が拡大される遠心圧縮機用インペラが開示されている。

特開２００９−１５６１２２号公報

然し乍ら、静止流路部又はインペラ出口部とインペラの入口部とでは圧力差が大きい為、圧力損失が大きくなる、或は循環される作動流体の流量が多くなり、最適な循環流量を供給することができないという問題がある。そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、インペラに供給される作動流体の流量を増大させ、作動域の拡大を図る遠心圧縮機を提供するものである。

本発明は、回転軸に固着されたハブと、ハブに設けられた複数枚のブレードと、ブレードに設けられハブと全周に亘って対向するクラウンプレートとを有するインペラと、インペラを回転自在に収納するハウジングとを具備し、クラウンプレートは下流側に設けられた第２のクラウンプレート部と、上流側に設けられ第２のクラウンプレート部の上流端の外径より下流端の外径が大きい第１のクラウンプレート部とを有し、第１のクラウンプレート部と第２のクラウンプレート部との間にクラウンプレートを貫通する抽出流路が形成され、抽出流路に連通しハウジングと第１のクラウンプレート部との間に循環流路が形成され、抽出流路から抽出された作動流体の一部が循環流路を通ってインペラの吸入口に供給される遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、第１のクラウンプレート部に向って突出するフィンを設け、循環流路を流通する作動流体の一部に、インペラの回転方向と逆方向の旋回を与える遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、作動流体の一部が、吸入口に向って軸流方向の速度成分を持って偏向される様ハウジングの内壁面が傾斜している遠心圧縮機に係るものである。

更に又本発明は、第１のクラウンプレート部の肉厚が、上流側に向って漸次減少している遠心圧縮機に係るものである。

本発明によれば、回転軸に固着されたハブと、ハブに設けられた複数枚のブレードと、ブレードに設けられハブと全周に亘って対向するクラウンプレートとを有するインペラと、インペラを回転自在に収納するハウジングとを具備し、クラウンプレートは下流側に設けられた第２のクラウンプレート部と、上流側に設けられ第２のクラウンプレート部の上流端の外径より下流端の外径が大きい第１のクラウンプレート部とを有し、第１のクラウンプレート部と第２のクラウンプレート部との間にクラウンプレートを貫通する抽出流路が形成され、抽出流路に連通しハウジングと第１のクラウンプレート部との間に循環流路が形成され、抽出流路から抽出された作動流体の一部が循環流路を通ってインペラの吸入口に供給されるので、第１のクラウンプレート部の外径とハウジングの内径を大きくとることで作動流体の一部が通過する流路断面積が拡大し、減速した流れをインペラ主流へ戻すことでキャビティ内の圧損を低下させ、且つ衝突損失を減らすことが可能となる。更に、作動流体の一部を吸入口に供給することで見かけ上インペラの流量が増加し、圧縮機の作動範囲が拡大するという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係る遠心圧縮機の側断面図を示している。 抽出流路の有無による遠心圧縮機の作動域の比較を示すグラフである。 本発明の第１の実施例に係る遠心圧縮機の変形例であり、（Ａ）は第１の変形例に係る遠心圧縮機の側断面図を示し、（Ｂ）は第２の変形例に係る遠心圧縮機の変形例を示している。 本発明の第２の実施例に係る遠心圧縮機であり、（Ａ）は遠心圧縮機の側断面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図を示している。

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、本発明の第１の実施例に係る遠心圧縮機について説明する。

遠心圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２内に回転自在に収納されるインペラ３とを有している。ハウジング２内には流路４が形成され、流路４はインペラ３に向って作動流体５を流通させる作動流体流路６と、インペラ３により圧縮された後の作動流体５を流通させる圧縮作動流体流路７と、後述するインペラ内流路８とから構成される。

又、流路４の中途部、即ち作動流体流路６と圧縮作動流体流路７との間にインペラ３が設けられ、インペラ３内に作動流体流路６と圧縮作動流体流路７と連通するインペラ内流路８が形成される。又、インペラ３はモータ又はタービンホイール等の回転により回転される回転軸（図示せず）の軸心１０を中心に回転自在に設けられている。作動流体流路６の下流端部、即ちインペラ内流路８の入口部近傍は作動流体５の吸入口９となっており、吸入口９はインペラ３に向って漸次流路断面積が減少し、インペラ３に流入する作動流体５を縮流し、整流する様になっている。

圧縮作動流体流路７には、上流側からディフューザ１１、クロスオーバベント１２、リターンガイドベーン１３が設けられている。ディフューザ１１は、インペラ３の回転の遠心力により増速された作動流体５の速度を圧力に変換し、作動流体５の圧力を上昇させる。

又、クロスオーバベント１２は、圧縮作動流体流路７を１８０°屈曲し、作動流体５を反転させる様になっており、リターンガイドベーン１３はクロスオーバベント１２により反転された作動流体５に適切な流入角を付与して次段へと供給する様になっている。

インペラ３は、回転軸（図示せず）に固着されたハブ１４と、ハブ１４の外周面に周方向等間隔に設けられた複数枚のブレード１５と、ブレード１５に固着され、全周に亘ってハブ１４と対向するクラウンプレート１６とから構成される。又、ハブ１４とブレード１５とクラウンプレート１６とによりインペラ３内に閉鎖されたインペラ内流路８が形成される。

クラウンプレート１６は、上流側に設けられた第１のクラウンプレート部１７と、下流側に設けられた第２のクラウンプレート部１８とから構成されている。第１のクラウンプレート部１７の下流端の外径は、第２のクラウンプレート部１８の上流端の外径よりも大きくなっており、例えば、第１のクラウンプレート部１７は、インペラ外径を超えない程度の厚みを有している。

第１のクラウンプレート部１７と第２のクラウンプレート部１８との間には、全周に亘ってクラウンプレート１６を肉厚方向に貫通する溝である抽出流路１９が形成される。ここで、第１のクラウンプレート部１７の外周面の径とハウジング２の内周面の径であるキャビティ内外径が大きくなっているので、抽出流路１９の流路断面積が大きくなる。尚、抽出流路１９は、第１のクラウンプレート部１７と第２のクラウンプレート部１８とを一体とし、所定の角度ピッチで穿設した貫通孔、或は所定の角度ピッチで円弧状に穿設した貫通溝であってもよい。

抽出流路１９は、軸心１０に直交する方向に対して下流側へと傾斜し、又抽出流路１９は、インペラ内流路８に開口し、インペラ内流路８とキャビティ流路２１とを連通させている。キャビティ流路２１は、第１のクラウンプレート部１７の外周面とハウジング２の内周面との間に形成された、軸心１０と平行な流路となっている。尚、抽出流路１９は、軸心１０と直交する方向に延出する流路であってもよい。

キャビティ流路２１は、供給流路２２と連通している。供給流路２２は、第１のクラウンプレート部１７の上流側端面と、上流側端面と対向するハウジング２の内壁面との間に形成された、軸心１０と直交する方向に延出する流路となっており、供給流路２２は吸入口９に開口している。尚、キャビティ流路２１、供給流路２２により、ハウジング２と第１のクラウンプレート部１７との間に形成される、作動流体５の循環流路２３が構成される。

又、インペラ内流路８の出口部には、ハウジング２の内周面と第２のクラウンプレート部１８の下流側端面との間をシールするラビリンスシール２４が設けられ、インペラ内流路８の出口部から、循環流路２３内に作動流体５が流入するのを防止している。

又、ハウジング２とハブ１４の背面部との間にもラビリンスシール２５が設けられ、ディフューザ１１により昇圧され、リターンガイドベーン１３により整流された作動流体５が、ハウジング２とハブ１４との間から回込み、インペラ内流路８の出口部に流入するのを防止している。

次に、遠心圧縮機１の作用について説明する。

モータやタービンホイール等の回転により回転軸（図示せず）が回転されることで、インペラ３が一体に回転される。吸入口９はインペラ３に向って漸次流路断面積が減少しており、作動流体流路６を流通する作動流体５は、吸入口９を介してインペラ内流路８に流入する過程で縮流され、整流される。

インペラ内流路８に流入した作動流体５は、インペラ３の回転による遠心力により圧縮され、昇圧されて、インペラ内流路８より吐出される。

インペラ内流路８より吐出された作動流体５は、ディフューザ１１を通過する過程で減速されると共に昇圧され、クロスオーバベント１２にて反転された後、リターンガイドベーン１３により適切な流入角を付与されて、次段のインペラ（図示せず）へと流入する。

上記処理中、インペラ内流路８内の圧力が、吸入口９の圧力よりも高くなっている場合には、インペラ内流路８内の作動流体５の一部が、抽出流路１９を介して抽出される。

抽出された作動流体５は、循環流２６として抽出流路１９、循環流路２３を循環し、吸入口９へと供給され、作動流体流路６を吸入口９に向って流通する作動流体５と共にインペラ内流路８へと流入する。

従って、クラウンプレート１６に抽出流路１９を形成し、インペラ内流路８の中途部から圧縮された作動流体５の一部を抽出して循環させ、吸入口９へと供給することで、インペラ内流路８へと流入する作動流体５の総流量を、実際に供給された作動流体５の流量よりも見かけ上多くすることができ、低流量側でも安定して運転することができる。

又、図２中、２７はサージングが発生しない限界点を線で結んだサージ線を示しており、図２に示される様に、抽出流路１９から作動流体５の一部を抽出し、インペラ内流路８へ流入する作動流体５の総流量を実際の流量よりも見かけ上多くすることで、サージ線２７が低流量側へと移動し、インペラ３の回転数が高回転、中回転、低回転のいずれの場合も、遠心圧縮機１の作動域が低流量側へと拡大される。従って、低流量側でも安定して遠心圧縮機１を運転させることができ、作動範囲を拡大することができる。又、遠心圧縮機１の構造の簡易化及び小型化を図ることができる。

又、第１のクラウンプレート部１７が、第２のクラウンプレート部１８よりもキャビティの内外径が大きいので流路断面積が増大する。減速した流れをインペラ主流へ戻すことでキャビティ内の圧損を減らし、且つ衝突損失を減らすことが可能となる。

又、抽出流路１９がインペラ内流路８の中途部に開口する様形成されているので、圧力が高くなりすぎない状態の作動流体５を循環流２６とすることができ、インペラ内流路８の出口部を高圧な作動流体５が循環し、循環流２６の流量が増大するのを防止する。又、循環流路２３内の循環流２６によって圧損が生じ、効率低下を招くが、循環流量を制御することで効率と流量範囲に適切な関係を与えることができる。

更に、ハウジング２の内周面と第２のクラウンプレート部１８の下流側端面との間にラビリンスシール２４を設けているので、インペラ内流路８の出口部の高圧な作動流体５が循環流路２３内に流入するのを防止することができる。

尚、図３（Ａ）（Ｂ）は第１の実施例に係る遠心圧縮機１の第１の変形例及び第２の変形例を示している。

図３（Ａ）に示される第１の変形例では、第１のクラウンプレート部１７の基端側端面と対向するハウジング２の内壁面が、インペラ３に向って下流側に傾斜しており、循環流２６は傾斜したハウジング２の内壁面に沿って軸流方向の速度成分を持つ様偏向される。

従って、第１の変形例では、循環流２６が所定の流入角を持って吸入口９に供給され、インペラ内流路８へと流入することとなり、循環流２６が作動流体５に合流する際の乱れを抑止でき、合流時の圧力損失を低減させることができる。

又、図３（Ｂ）に示される第２の変形例では、第１のクラウンプレート部１７の外径が上流側に向って縮径し、肉厚が上流側に向って漸次減少しており、第１のクラウンプレート部１７の外周面と対向するハウジング２の内周面も、第１のクラウンプレート部１７の外周面と平行に傾斜している。

従って、第２の変形例では、インペラ内流路８の中途部から一部を抽出した作動流体５による、循環流２６の圧力及び流速の低下を維持しつつ、インペラ３の重量軽減を図ることができる。

尚、上記した第１の変形例と第２の変形例を組合わせ、第１のクラウンプレート部１７の肉厚を上流側に向って漸次減少させつつ、供給流路２２を形成するハウジング２の内壁面を下流側に向って傾斜させてもよいことは言う迄もない。

次に、図４（Ａ）（Ｂ）に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ矢視図であり、図４（Ａ）（Ｂ）中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施例に於いては、循環流路２３を構成する供給流路２２内に、ハウジング２の内壁面から第１のクラウンプレート部１７の上流側端面に向って突出するフィン２８を設けている。

フィン２８は、ハウジング２の内壁面に所定の角度ピッチ、例えば等角度ピッチで設けられており、半径に対して外周端が回転方向に離反する様に傾斜している。従って供給流路２２を流通する循環流２６は、フィン２８によってインペラ３の回転方向に逆らって流入される。

遠心圧縮機１の運転時には、インペラ内流路８の中途部から抽出流路１９を介して作動流体５の一部が抽出され、循環流２６としてキャビティ流路２１、供給流路２２からなる循環流路２３を流通し、吸入口９へと供給される。

この時、循環流２６には、供給流路２２を通過する過程で、フィン２８によりインペラ３の回転方向とは逆方向の旋回（カウンタースワール）が与えられ、インペラ３の回転方向と逆方向の循環流２６が吸入口９に供給される。

従って、インペラ３に向う作動流体５の流れに損失がなくなり、インペラ３の入口と出口の圧力比が大きくなるので、作動域を拡大させることができ、遠心圧縮機１及びインペラ３の効率を向上させることができる。

尚、第２の実施例に於いては、フィン２８を供給流路２２に設けているが、フィン２８はキャビティ流路２１に設けてもよく、キャビティ流路２１と供給流路２２の両方に設けてもよい。

又、フィン２８と対向する第１のクラウンプレート部１７の外周面、或は上流側端面にラビリンスシールを設けてもよい。第１のクラウンプレート部１７にラビリンスシールを設けることで、フィン２８と第１のクラウンプレート部１７との間の隙間をシールすることができ、フィン２８と第１のクラウンプレート部１７との間の隙間を通過した循環流２６により、逆旋回が与えられた循環流２６の流れが乱されるのを防止することができる。

更に、第２の実施例に於ける遠心圧縮機１に対し、第１の実施例の変形例を適用してもよいのは言う迄もない。

尚、第１のクラウンプレート部１７は中実であっても、軽量化を図る為に中空であってもよい。

１ 遠心圧縮機 ２ ハウジング
３ インペラ ５ 作動流体
８ インペラ内流路 ９ 吸入口
１４ ハブ １５ ブレード
１６ クラウンプレート １７ 第１のクラウンプレート部
１８ 第２のクラウンプレート部 １９ 抽出流路
２１ キャビティ流路 ２２ 供給流路
２３ 循環流路 ２６ 循環流
２８ フィン

Claims (4)

1. 回転軸に固着されたハブと、該ハブに設けられた複数枚のブレードと、該ブレードに設けられ前記ハブと全周に亘って対向するクラウンプレートとを有するインペラと、該インペラを回転自在に収納するハウジングとを具備し、前記クラウンプレートは下流側に設けられた第２のクラウンプレート部と、上流側に設けられ該第２のクラウンプレート部の上流端の外径より下流端の外径が大きい第１のクラウンプレート部とを有し、該第１のクラウンプレート部と前記第２のクラウンプレート部との間に前記クラウンプレートを貫通する抽出流路が形成され、該抽出流路に連通し前記ハウジングと前記第１のクラウンプレート部との間に循環流路が形成され、前記抽出流路から抽出された作動流体の一部が前記循環流路を通って前記インペラの吸入口に供給されることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記第１のクラウンプレート部に向って突出するフィンを設け、前記循環流路を流通する前記作動流体の一部に、前記インペラの回転方向と逆方向の旋回を与える請求項１の遠心圧縮機。
3. 前記作動流体の一部が、前記吸入口に向って軸流方向の速度成分を持って偏向される様前記ハウジングの内壁面が傾斜している請求項１又は請求項２の遠心圧縮機。
4. 前記第１のクラウンプレート部の肉厚が、上流側に向って漸次減少している請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の遠心圧縮機。

Images