JP6349645B2

JP6349645B2 - 遠心圧縮機及び多段圧縮装置

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Publication number: JP6349645B2
Application number: JP2013163086A
Authority: JP
Inventors: 和枝石川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: JP2015031236A

Description

本発明は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を圧縮する遠心圧縮機等に関する。

近年、多段圧縮装置、ガスタービン、過給機等に用いられる遠心圧縮機について種々の研究開発がなされており、遠心圧縮機の一般的な構成について簡単に説明すると、次のようになる（特許文献１から特許文献３等参照）。

遠心圧縮機は、ハウジングを具備しており、このハウジングは、内側に、シュラウドを有している。そして、ハウジング内には、インペラがその軸心周りに回転可能に設けられている。また、インペラは、ディスクを備えており、このディスクのハブ面は、インペラの軸方向一方側から径方向外側に向かって延びている。更に、ディスクのハブ面には、複数のブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられており、各ブレードの先端縁は、ハウジングのシュラウドに沿うように延びている。

ハウジング内におけるインペラの出口側には、圧縮した流体（圧縮流体）を減速させて昇圧する環状のディフューザ（ディフューザ流路）が形成されている。また、ディフューザ内には、圧縮した流体を整流する複数のディフューザベーンが円周方向に間隔を置いて配設されている。

特開２００９−２６４１３６号公報特開２００４−１５０４０４号公報特開２００１−１２３８８号公報

ところで、近年、遠心圧縮機の大容量化の要請が強まっており、それに伴い、インペラの最大流量（容量）だけでなく、ディフューザの最大流量を大きくする必要がある。また、ディフューザの最大流量を大きくするには、通常、ディフューザの流路幅を大きくしたり又はディフューザベーンのスロートの位置を径方向外側に変位（移動）させたりする手法が考えられる。一方、ディフューザの流路幅又はディフューザベーンのスロートの位置を前述のように変えると、遠心圧縮機の軸方向又は径方向の長さが長くなって、遠心圧縮機の小型化及び軽量化を促進することが困難になる。つまり、遠心圧縮機の小型化及び軽量化を促進しつつ、遠心圧縮機の大容量化を図ることは困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機等を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウドを有したハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びたディスク、及び前記ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて一体的に設けられかつ先端縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記ハウジング内における前記インペラの出口側に、圧縮した流体を減速させて昇圧する環状のディフューザ（ディフューザ流路）が形成され、前記ディフューザ内に圧縮した流体を整流する複数のディフューザベーンが円周方向に間隔を置いて配設され、前記ディフューザのシュラウド側壁面及びハブ側壁面のうち少なくともいずれかの壁面に環状の凹部が軸方向一方側又は軸方向他方側へ凹んで形成され、正断面において前記凹部の凹み量が前記凹部の内周縁及び外周縁から前記ディフューザベーンのスロートの中心位置を含む中心部に向かって漸次大きくなるように、前記凹部の断面形状が緩やかな曲面形状を呈し、各ディフューザベーンの軸方向一方側又は軸方向他方側の側面の形状は、前記凹部の断面形状に沿った形状になっていることである。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意であって、「配設され」とは、直接的に配設されたことの他に、別部材を介して間接的に配設されたことを含む意である。また、「軸方向」とは、インペラの軸方向のことをいい、「径方向」とは、インペラの径方向のことをいう。そして、「シュラウド側壁面」とは、ハウジングのシュラウドを径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいい、「ハブ側壁面」とは、ディスクのハブ面を径方向外側へ延長した面側に位置する壁面のことをいう。更に、「ディフューザベーンのスロート」とは、周方向に隣接するディフューザベーン間の距離が最小になる部位のことをいう。

第１の態様によると、前記インペラをその軸心周りに回転させることにより、前記インペラ側に流体を取り入れ、遠心力を利用して圧縮することができる。一方、圧縮した流体（圧縮流体）は、複数の前記ディフューザベーンによって整流されながら前記ディフューザによって昇圧されて、前記ハウジングの外側へ排出される。

前記ディフューザ流路の前記いずれかの壁面に環状の前記凹部が形成され、前記ディフューザベーンのスロートの中心部が最も凹んだ箇所になるように、前記凹部の断面形状が緩やかな曲面形状を呈しているため、前記ディフューザの流路幅を大きくしたり又は前記ディフューザベーンのスロートの位置を径方向外側へ変位（移動）させたりすることなく、前記凹部の凹み量に応じた分だけ前記ディフューザベーンのスロートの断面積を増やして、前記ディフューザの最大流量（容量）を大きくすることができる。

本発明の第２の態様は、遠心力を利用して流体（空気等のガスを含む）を段階的に圧縮する多段圧縮装置において、上流段側の遠心圧縮機に第１の態様からなる遠心圧縮機を用いたことである。

第２の態様によると、第１の態様による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記ディフューザの流路幅又は前記ディフューザベーンのスロートの位置を前述のように変えることなく、前記ディフューザの最大流量を大きくできるため、前記遠心圧縮機の小型化及び軽量化を促進しつつ、前記遠心圧縮機の大容量化を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る第１遠心圧縮機の正断面図である。図２（ａ）は、図１における矢視部IIの拡大図であって、凹部がディフューザのシュラウド側壁面に形成された状態を示しており、図２（ｂ）は、凹部がディフューザのハブ側壁面に形成された状態を示している図３は、図１におけるIII-III線に沿った図である。図４は、本発明の実施形態に係る多段圧縮装置の正断面図である。

本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｒ」は、右方向、「Ｌ」は、左方向、「Ｕ」は、上方向、「Ｄ」は、下方向である。

図４に示すように、本発明の実施形態に係る多段圧縮装置１は、遠心力を利用して空気を段階的に圧縮するものである。そして、多段圧縮装置１の具体的な構成は、以下のようになる。

多段圧縮装置１は、箱形のベースフレーム３を具備しており、このベースフレーム３の下部には、左右方向へ延びた下部ロータ軸５が複数のベアリング７を介して回転可能に設けられている。また、ベースフレーム３の上部には、左右方向へ延びた上部ロータ軸９が複数のベアリング１１を介して回転可能に設けられており、この上部ロータ軸９は、下部ロータ軸５に対して平行である。

ベースフレーム３における下部ロータ軸５と上部ロータ軸９との間には、左右方向へ延びた駆動軸１３がベアリング１５を介して回転可能に設けられており、この駆動軸１３は、下部ロータ軸５及び上部ロータ軸９に対して平行である。また、駆動軸１３は、増速歯車機構１７を介して下部ロータ軸５及び上部ロータ軸９に連動連結してある。そして、増速歯車機構１７は、駆動軸１３に一体的に設けられた主動歯車１９と、下部ロータ軸５に一体的に設けられかつ主動歯車１９に噛合した下部従動歯車２１と、上部ロータ軸９に一体的に設けられかつ主動歯車１９に噛合した上部従動歯車２３とからなっている。更に、ベースフレーム３の外側の適宜位置には、駆動軸１３を回転させる回転モータ２５が設けられており、この回転モータ２５の出力軸（図示省略）は、カップリング（図示省略）を介して駆動軸１３に連動連結してある。

ベースフレーム３の左側下部には、遠心力を利用して空気を圧縮する第１遠心圧縮機２７が配設されており、この第１遠心圧縮機２７の構成は、次のようになる。

図１及び図４に示すように、第１遠心圧縮機２７は、多段圧縮装置１における上流段側の遠心圧縮機であって、第１ハウジング２９を具備している。また、第１ハウジング２９は、内側にシュラウド３１ｓを有した第１ハウジング本体３１と、この第１ハウジング本体３１の右側に設けられかつベースフレーム３の左側下部に固定した環状の第１シールプレート３３とを備えている。

第１ハウジング２９内には、第１インペラ３５がその軸心周りに回転可能に設けられており、この第１インペラ３５は、下部ロータ軸５の左端部に一体的に連結されている。また、第１インペラ３５は、第１ディスク３７を備えており、この第１ディスク３７のハブ面３７ｈは、左方向（第１インペラ３５の軸方向一方側）からの径方向（第１インペラ３５の径方向）外側へ延びている。そして、第１ディスク３７のハブ面３７ｈには、複数の第１ブレード３９が周方向に間隔を置いて一体形成されており、各第１ブレード３９の先端縁３９ｔは、第１ハウジング本体３１のシュラウド３１ｓに沿うように延びている。

第１ハウジング２９における第１インペラ３５の入口側（主流の流れ方向から見て上流側）には、空気を第１インペラ３５側に取入れるための第１取入口４１が形成されている。また、第１ハウジング２９内における第１インペラ３５の出口側（主流の流れ方向から見て下流側）には、圧縮した空気を減速させて昇圧する環状の第１ディフューザ（第１ディフューザ流路）４３が形成されている。また、第１ディフューザ４３内には、圧縮した空気を整流する複数の第１ディフューザベーン４５が円周方向に間隔を置いて配設されている。

第１ハウジング２９内における第１ディフューザ４３の出口側には、渦巻き状の第１スクロール（第１スクロール流路）４７が形成されており、第１スクロール４７は、第１ディフューザ４３に連通してある。また、第１スクロール４７の断面積は、主流の流れ方向（巻き始め側から巻き終わり側）に沿って漸次大きくなるように構成されている。更に、第１ハウジング２９の適宜位置には、圧縮された空気を第１ハウジング２９の外側へ排出するための第１排出口（図示省略）が形成されている。

なお、第１シールプレート３３には、第１ハウジング２９から空気の漏れを防止する第１パッキン４９が設けられている。

図４に示すように、ベースフレーム３の右側下部には、遠心力を利用して第１遠心圧縮機２７からの空気（第１段階の圧縮空気）を圧縮する第２遠心圧縮機５１が配設されている。また、第２遠心圧縮機５１は、多段圧縮装置１における中流段側の遠心圧縮機であって、第１遠心圧縮機２７に比べて、容量が小さくなっている。そして、第２遠心圧縮機５１は、第１遠心圧縮機２７と同様に、第２ハウジング５３（第２ハウジング本体５５と第２シールプレート５７）、第２インペラ５９（第２ディスク６１と複数の第２ブレード６３）、第２取入口６５、第２ディフューザ６７、第２ディフューザベーン６９、第２スクロール７１、第２排出口（図示省略）、及び第２パッキン７３を構成要素としている。ここで、第２インペラ５９は、下部ロータ軸５の右端部に一体的に連結されており、第２取入口６５は、第１遠心圧縮機２７における第１排出口に配管（図示省略）を介して接続されている。

ベースフレーム３の左側上部には、遠心力を利用して第２遠心圧縮機５１からの空気（第２段階の圧縮空気）を圧縮する第３遠心圧縮機７５が配設されている。また、第３遠心圧縮機７５は、多段圧縮装置１における下流段側の遠心圧縮機であって、第１遠心圧縮機２７及び第２遠心圧縮機５１に比べて、容量が小さくなっている。そして、第３遠心圧縮機７５は、第１遠心圧縮機２７及び第２遠心圧縮機５１と同様に、第３ハウジング７７（第３ハウジング本体７９と第３シールプレート８１）、第３インペラ８３（第３ディスク８５と複数の第３ブレード８７）、第３取入口８９、第３ディフューザ９１、第３ディフューザベーン９３、第３スクロール９５、第３排出口（図示省略）、及び第３パッキン９７を構成要素としている。ここで、第３インペラ８３は、上部ロータ軸９の左端部に一体的に連結されている。また、第３取入口８９は、第２遠心圧縮機５１における第２排出口に配管（図示省略）を介して接続されている。

続いて、本発明の実施形態に係る第１遠心圧縮機２７の特徴部分について説明する。

図１及び図２（ａ）に示すように、第１ディフューザ４３のシュラウド側壁面４３ｓには、環状の凹部９９が左方向（第１インペラ３５の軸方向一方側）へ凹んで形成されている。また、凹部９９の断面形状は、第１ディフューザベーン４５のスロートＳ（図３参照）の中心位置Ｓｃを含む中心部Ｓｃ’（本発明の実施形態にあっては、中心位置Ｓｃ）が最も凹んだ箇所になるように緩やかな曲面形状を呈している。換言すれば、凹部９９の凹み量は、凹部９９の内周縁９９ｉ及び外周縁９９ｏから第１ディフューザベーン４５のスロートＳの中心部Ｓｃ’に向かって漸次大きくなっている。更に、凹部９９の内周縁９９ｉの径方向位置は、第１ディフューザベーン４５の前縁４５ａの径方向位置と一致してあるが、一致してなくても構わない。同様に、凹部９９の外周縁９９ｏの径方向位置は、第１ディフューザベーン４５の後縁４５ｂの径方向位置と一致してあるが、一致してなくても構わない。

ここで、第１ディフューザベーン４５のスロートＳとは、図３に示すように、周方向に隣接する第１ディフューザベーン４５の距離が最小になる部位のことをいい、第１ディフューザベーン４５のスロートＳの中心位置Ｓｃとは、その部位の中心位置のことをいう。また、第１ディフューザベーン４５のスロートＳの中心部Ｓｃ’とは、具体的には、第１ディフューザベーン４５のスロートＳの中心位置Ｓｃから第１ディフューザベーン４５の前縁４５ａの高さ（長さ）の１／１０以内のエリアのことをいう。

第１ディフューザ４３のシュラウド側壁面４３ｓに環状の凹部９９が左方向へ凹んで形成される代わりに、図２（ｂ）に示すように、第１ディフューザ４３のハブ側壁面４３ｈに環状の凹部１０１が右方向（第１インペラ３５の軸方向他方側）へ凹んで形成されても構わない。この場合には、凹部１０１の断面形状は、第１ディフューザベーン４５のスロートＳの中心部Ｓｃ’（本発明の実施形態にあっては、中心位置Ｓｃ）が最も凹んだ箇所になるように緩やかな曲面形状を呈している。換言すれば、凹部１０１の凹み量は、凹部１０１の内周縁１０１ｉ及び外周縁１０１ｏから第１ディフューザベーン４５のスロートＳの中心部Ｓｃ’に向かって漸次大きくなっている。更に、凹部１０１の内周縁１０１ｉの径方向位置は、第１ディフューザベーン４５の前縁４５ａの径方向位置と一致してあるが、一致してなくても構わない。同様に、凹部１０１の外周縁１０１ｏの径方向位置は、第１ディフューザベーン４５の後縁４５ｂの径方向位置と一致してあるが、一致してなくても構わない。

なお、図示は省略するが、第１ディフューザ４３のシュラウド側壁面４３ｓに環状の凹部９９が左方向へ凹んで形成され、かつ第１ディフューザ４３のハブ側壁面４３ｈに環状の凹部１０１が右方向へ凹んで形成されるようにしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

回転モータ２５の駆動により駆動軸１３を回転させることにより、増速歯車機構１７を介して下部ロータ軸５及び上部ロータ軸９を増速回転させる。これにより、第１遠心圧縮機２７における第１インペラ３５及び第２遠心圧縮機５１における第２インペラ５９を下部ロータ軸５と一体的に増幅回転させると共に、第３遠心圧縮機７５における第３インペラ８３を上部ロータ軸９と一体的に増幅回転させる。

その結果、第１遠心圧縮機２７における第１取入口４１から第１インペラ３５側に空気を取り入れて、遠心力を利用して圧縮することができる。一方、圧縮された空気は、第１遠心圧縮機２７における複数の第１ディフューザベーン４５によって整流されながら第１ディフューザ４３によって昇圧されて、第１スクロール４７を経由して第１排出口から第１ハウジング２９の外側へ第１段階の圧縮空気として排出され、第２遠心圧縮機５１における第２取入口６５側へ送られる。

続いて、第２遠心圧縮機５１における第２取入口６５から第２インペラ５９側に第１段階の圧縮空気を取り入れ、遠心力によって圧縮することができる。一方、圧縮された圧縮空気は、第２遠心圧縮機５１における複数の第２ディフューザベーン６９によって整流されながら第２ディフューザ６７によって昇圧されて、第２スクロール７１を経由して第２排出口から第２ハウジング５３の外側へ第２段階の圧縮空気として排出され、第３遠心圧縮機７５における第３取入口８９側へ送られる。

更に、第３遠心圧縮機７５における第３取入口８９から第３インペラ８３側へ第２段階の圧縮空気を取り入れ、遠心力を利用して圧縮することができる。一方、圧縮された圧縮空気（第３段階の圧縮空気）は、第３遠心圧縮機７５における複数の第３ディフューザベーン９３によって整流されながら第３ディフューザ９１によって昇圧されて、第３スクロール９５を経由して第３排出口から第３段階の圧縮空気として第３ハウジング７７の外側へ排出される（本発明の実施形態の通常の作用）。

第１ディフューザ４３のシュラウド側壁面４３ｓに環状の凹部９９が形成され、第１ディフューザベーン４５のスロートＳの中心部Ｓｃ’が最も凹んだ箇所になるように、凹部９９の断面形状が緩やかな曲面形状を呈しているため、第１ディフューザ４３の流路幅を大きくしたり又は第１ディフューザベーン４５のスロートＳの位置を径方向外側へ変位（移動）させたりすることなく、凹部９９の凹み量に応じた分だけ第１ディフューザベーン４５のスロートＳの断面積を増やして、第１ディフューザ４３の最大流量（容量）を大きくすることができる。同様に、第１ディフューザ４３のハブ側壁面４３ｈに環状の凹部１０１が形成され、第１ディフューザベーン４５のスロートＳの中心部Ｓｃ’が最も凹んだ箇所になるように、凹部１０１の断面形状が緩やかな曲面形状を呈している場合にも、凹部１０１の凹み量に応じた分だけ第１ディフューザベーン４５のスロートＳの断面積を増やして、第１ディフューザ４３の最大流量を大きくすることができる。

特に、環状の凹部９９が第１ディフューザ４３のシュラウド側壁面４３ｓに形成されている場合には、第１ディフューザ４３のシュラウド側壁面４３ｓ近傍の剥離した流れの一部が凹部９９に入り込んで、第１ディフューザ４３内の主流の流れを安定させることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、第１ディフューザ４３の流路幅又は第１ディフューザベーン４５のスロートＳの位置を前述のように変えることなく、第１ディフューザ４３の最大流量を大きくすることができるため、第１遠心圧縮機２７の小型化及び軽量化を促進しつつ、第１遠心圧縮機２７の大容量化を図ることができる。

環状の凹部９９が第１ディフューザ４３のシュラウド側壁面４３ｓに形成されている場合には、第１ディフューザ４３内の主流の流れを安定させることができるため、第１遠心圧縮機２７の圧縮機効率を高めることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、多段圧縮装置１の第１遠心圧縮機２７に適用した技術的思想をガスタービン又は過給機の遠心圧縮機（図示省略）に適用する等、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

Ｓ：スロート、Ｓｃ：中心位置、Ｓｃ’：中心部、１：多段圧縮装置、３：ベースフレーム、５：下部ロータ軸、９：上部ロータ軸、１３：駆動軸、１７：増速歯車機構、１９：主動歯車、２１：下部従動歯車、２３：上部従動歯車、２５：回転モータ、２７：第１遠心圧縮機、２９：第１ハウジング、３１：第１ハウジング本体、３１ｓ：シュラウド、３３：第１シールプレート、３５：第１インペラ、３７：第１ディスク、３７ｈ：ハブ面、３９：第１ブレード、３９ｔ：先端縁、４１：第１取入口、４３：第１ディフューザ、４３ｈ：ハブ側壁面、４３ｓ：シュラウド側壁面、４５：第１ディフューザベーン、４５ａ：前縁、４５ｂ：後縁、５１：第２遠心圧縮機、５３：第２ハウジング、５９：第２インペラ、７５：第３遠心圧縮機、７７：第３ハウジング、８３：第３インペラ、９９：凹部、９９ｉ：内周縁、９９ｏ：外周縁、１０１：凹部、１０１ｉ：内周縁、１０１ｏ：外周縁

Claims

遠心力を利用して流体を圧縮する遠心圧縮機において、
内側にシュラウドを有したハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びたディスク、及び前記ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように延びた複数のブレードを備えたインペラと、を具備し、
前記ハウジング内における前記インペラの出口側に、圧縮した流体を減速させて昇圧する環状のディフューザが形成され、前記ディフューザ内に圧縮した流体を整流する複数のディフューザベーンが円周方向に間隔を置いて配設され、
前記ディフューザのシュラウド側壁面及びハブ側壁面のうち少なくともいずれかの壁面に環状の凹部が軸方向一方側又は軸方向他方側へ凹んで形成され、正断面において前記凹部の凹み量が前記凹部の内周縁及び外周縁から前記ディフューザベーンのスロートの中心位置を含む中心部に向かって漸次大きくなるように、前記凹部の断面形状が緩やかな曲面形状を呈し、
各ディフューザベーンの軸方向一方側又は軸方向他方側の側面の形状は、前記凹部の断面形状に沿った形状になっている、遠心圧縮機。
前記凹部が前記ディフューザのシュラウド側壁面に形成されている、請求項１に記載の遠心圧縮機。
遠心力を利用して流体を段階的に圧縮する多段圧縮装置において、
上流段側の遠心圧縮機に請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機を用いた、多段圧縮装置。