JP6583789B2 - 遠心圧縮機試験装置 - Google Patents

Description

この発明は、遠心圧縮機試験装置に関する。

同一回転軸上にインペラを複数設けて流体を段階的に昇圧する一軸多段遠心圧縮機が知られている。この種の一軸多段遠心圧縮機では、作動流体がインペラに流入する流入口に、外部から取り込んだ流体や、後段のインペラにより昇圧された流体を抽気した作動流体を流入させる、いわゆる中間吸込みが行われる場合がある。

特許文献１には、二段遠心圧縮機において、ガスを追加供給するために、中間吸込み流路を設けることが記載されている。

特開２０１３−１９４６８７号公報

例えば、上述したような一軸多段遠心圧縮機においては、一般に、単段試験装置による検証試験の結果をベースに性能予測を行っている。そのため、中間吸込みを有していない単段試験装置による検証試験をベースにして性能予測を行ったとしても、その予測結果の信頼性が低いという課題がある。また、中間吸込みを有した多段遠心圧縮機は、中間吸込みが主に二段目以降のインペラの流入口に位置する。そのため、中間吸込みを設けた単段試験装置を作成したとしても、実機と同等の条件が得られない可能性が有る。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、中間吸込みを有している遠心圧縮機の性能予測をする際に、単段のインペラで信頼性の高い検証試験を行い、性能予測精度を向上できる遠心圧縮機試験装置を提供することを目的とする。

この発明の第一態様によれば、遠心圧縮機試験装置は、軸線方向に延びる回転軸と、前記回転軸を前記軸線回りに回転可能に支持する軸受と、前記回転軸を前記軸線回りに駆動する駆動源と、前記回転軸の外周面に固定されて、前記回転軸とともに回転することで、軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、前記インペラの前記軸線方向一方側を向く環状の開口部を有し、前記開口部から径方向内側に向かうように湾曲した後、径方向内側に向かって延びることで径方向外側から径方向内側に向かって流体を導く導入流路、前記導入流路に接続されて前記軸線方向一方側から前記流体を前記インペラに導く入口流路、前記導入流路の前記軸線方向他方側で前記径方向外側から内側に向かって延びて前記入口流路に接続される中間吸込み流路を形成する流路形成部と、前記導入流路の前記軸線方向一方側で、周方向の一部かつ径方向外側から流体が導入される導入開口部を有し、前記軸線を中心とした環状をなすとともに、前記流路形成部の前記開口部を介して前記インペラと連通されている入口空間形成部と、を備える。
このように構成することで、中間吸込み流路を備えた実機と同等の条件で、中間吸込み流路を備えた中間段を模擬して、単段試験装置による検証試験を行うことができる。その結果、性能予測精度を向上することができる。

この発明の第二態様によれば、遠心圧縮機試験装置は、第一態様において、前記導入流路へ流入する流体に対して圧損を与える圧損付与部を備えていてもよい。
このように構成することで、圧損付与部により導入流路へ流入する流体に対して圧損を与えることができるため、導入流路へ流入する流体の流量を周方向で均一化することができる。その結果、実機に近い環境を作り出すことができる。

この発明の第三態様によれば、遠心圧縮機試験装置は、第二態様において、前記圧損付与部は、前記軸線を中心とする周方向で、前記軸線よりも前記導入開口部に近い側にのみ設けられていてもよい。
例えば、導入流路のうち、周方向で導入口に近い箇所ほど流体の流量が増加して、周方向の流体の流量に偏りが生じてしまうが、この流量の偏りを圧損付与部によってより均一化することができる。その結果、より実機に近い環境を作り出すことができる。

この発明の第四態様によれば、遠心圧縮機試験装置は、第一から第三態様の何れか一つの態様において、前記インペラから径方向外側に向かって延びた後、径方向内側に向かって延びるリターン流路を形成するリターン流路形成部と、前記リターン流路の前記軸線方向他方側で、周方向の一部かつ径方向外側から流体が排出され、前記軸線を中心とした環状をなすとともに、前記リターン流路の後端が接続された出口空間形成部と、を備えていてもよい。
このように構成することで、インペラよりも軸線方向他方側においても、実機と近い環境を作り出すことができる。その結果、単段試験装置による検証試験の試験結果における信頼性を向上できる。

上記遠心圧縮機試験装置によれば、中間吸込みを有している遠心圧縮機の性能予測をする際に、単段のインペラで信頼性の高い検証試験を行い、性能予測精度を向上することが可能となる。

この発明の実施形態における遠心圧縮機試験装置の断面図である。 この発明の実施形態における圧損付与部の正面図である。 この発明の実施形態の変形例における圧損付与部の図２に相当する図である。 この発明の実施形態の圧損付与部の配列を示す拡大図である。 この発明の実施形態の圧損付与部の他の態様を示す図４に相当する拡大図である。

次に、この発明の実施形態における遠心圧縮機試験装置を図面に基づき説明する。
図１は、この発明の実施形態における遠心圧縮機試験装置の断面図である。
図１に示すように、この実施形態における遠心圧縮機試験装置１は、回転軸２と、軸受３Ａ，３Ｂと、ケーシング４と、インペラ５と、駆動源６と、圧損付与部７と、を備えている。

回転軸２は、軸受３Ａ，３Ｂにより軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。軸受３Ａ，３Ｂは、ケーシング４に取り付けられて、回転軸２を、その径方向、および、軸方向への変位を規制しつつ回転可能に支持する。ケーシング４は、回転軸２の軸線Ｏ方向における第一端部２ａと、第二端部２ｂとを軸受３Ａ，３Ｂを介して支持している。このケーシング４は、回転軸２、インペラ５などを収容する。

ケーシング４は、入口空間形成部１０と、流路形成部１１と、リターン流路形成部１２と、出口空間形成部１３と、を備えている。
入口空間形成部１０は、軸線Ｏを中心とした環状に形成されている。入口空間形成部１０は、その内部の回転軸２周りに環状の入口空間１４を形成している。この入口空間形成部１０は、その周方向の一部に導入開口部１５を有している。入口空間１４には、この導入開口部１５を介して径方向外側から流体が導入可能とされている。

この実施形態における入口空間１４は、軸線Ｏ方向の第一端部２ａ側（軸線方向一方側）の第一側面１４ａと、第二端部２ｂ側（軸線方向他方側）の第二側面１４ｂと、軸線Ｏを中心とした径方向外側の内周面１４ｃと、回転軸２の外周面２ｃとによって形成されている。第一側面１４ａは、回転軸２に近づくにつれて、段階的に軸線Ｏ方向の第二端部２ｂ側に配置されている。第二側面１４ｂは、主に軸線Ｏと直交する平面で形成されている。内周面１４ｃは、第一側面１４ａと第二側面１４ｂとの周縁同士を繋ぐ円筒状に形成されている。

流路形成部１１は、入口空間１４とインペラ５とを連通する。流路形成部１１は、導入流路１６と、入口流路１７と、中間吸込み流路１８と、を形成する。
導入流路１６は、インペラ５の軸線Ｏ方向の第一端部２ａ側で径方向外側から径方向内側に向かって流体を導く。この導入流路１６は、上述した第二側面１４ｂの外周縁１４ｄ近傍において、軸線Ｏ方向の第一端部２ａ側を向く環状の開口部１６ａ（前端）を有している。この導入流路１６は、軸線Ｏを中心とした径方向において、開口部１６ａから径方向内側に向かうように湾曲した後、径方向内側に向かって直線状に延びている。さらに、導入流路１６は、径方向内側に向かって直線状に伸びた後、軸線Ｏ方向の第二端部２ｂ側に向かうように湾曲している。

入口流路１７は、導入流路１６に接続されて軸線Ｏ方向における第一端部２ａ側からインペラ５に流体を導く。入口流路１７は、導入流路１６の軸線Ｏ方向における第二端部２ｂ側の端部から軸線Ｏに沿ってインペラ５に向かって延びている。この実施形態における入口流路１７は、導入流路１６よりも流路断面積が大きく形成されている。

中間吸込み流路１８は、導入流路１６の軸線Ｏ方向における第二端部２ｂ側で径方向外側から内側に向かって延びて入口流路１７に接続されている。この中間吸込み流路１８は、中間吸込み入口空間１９と連通している。この中間吸込み入口空間１９は、軸線Ｏ方向で、中間吸込み流路１８よりも幅広に形成されている。この実施形態における中間吸込み入口空間１９は、軸線Ｏを中心とした径方向の内周部に、径方向内側に向かうにつれて第一端部２ａ側に向かう傾斜面２０を有している。これにより、中間吸込み入口空間１９は、軸線Ｏに近づくにつれて軸線Ｏ方向における幅寸法が漸次減少している。

また、この実施形態における中間吸込み入口空間１９は、傾斜面２０よりも軸線Ｏを中心とした径方向の外周側の部分が、軸線Ｏ方向の幅寸法が一定とされている。この中間吸込み入口空間１９は、その外周部２１の周方向の一部に形成された中間導入開口部２２を介して径方向外側から流体が導入可能とされている。この実施形態における中間導入開口部２２は、上述した導入開口部１５とは、軸線Ｏを挟んで周方向で反対側に形成されている。この中間導入開口部２２を介して中間吸込み入口空間１９に、外部のコンプレッサ（図示せず）等を介して所定流量の流体が供給される。

リターン流路形成部１２は、インペラ５の径方向外側の流路出口２５から、出口空間形成部１３によって形成される出口空間３０を連通するリターン流路を形成する。リターン流路形成部１２は、ディフューザ部２６と、リターンベンド部２７と、ストレート流路２８と、リターンベーン２９と、を有している。

ディフューザ部２６は、インペラ５によって圧縮された流体を径方向外側に案内する。このディフューザ部２６では、径方向内側から径方向外側に向かうに従って、流路断面積が漸次拡大している。このディフューザ部２６の径方向外側の端部すなわち出口は、リターンベンド部２７に接続されている。

リターンベンド部２７は、ディフューザ部２６の出口と、ストレート流路２８の入口とを接続している。このリターンベンド部２７は、径方向外側に向かって凸となるＵ字状に湾曲している。つまり、リターンベンド部２７を流体が流れることによってディフューザ部２６を出た流体の流れの向きが、径方向外側から径方向内側へと変化する。

ストレート流路２８は、リターンベンド部２７の下流側の端部すなわち出口から、径方向内側に向かって延びている。このストレート流路２８の径方向内側の端部（後端）は、軸線Ｏ方向の第二端部２ｂ側に向かって湾曲して、出口空間３０に開口している。
リターンベーン２９は、ストレート流路２８に複数設けられている。これらリターンベーン２９は、軸線Ｏを中心に放射状に配列されている。これらリターンベーン２９によって、ストレート流路２８を流れる流体が整流される。

出口空間形成部１３は、軸線Ｏを中心とした環状に形成されている。出口空間形成部１３は、その内部の回転軸２周りに環状の出口空間３０を形成している。この出口空間形成部１３は、その周方向の一部に排出開口部３１を有している。ストレート流路２８から出口空間３０に流入した流体は、この開口部を介して径方向外側からケーシング４の外部へ排出可能とされている。この実施形態における排出開口部３１は、軸線Ｏを中心とした周方向において、上述した入口空間形成部１０の導入開口部１５と同じ位置に形成されている。

この実施形態における出口空間３０は、軸線Ｏ方向の第一端部２ａ側の第一側面３０ａと、第二端部２ｂ側の第二側面３０ｂと、軸線Ｏを中心とした径方向外側の内周面３０ｃと、回転軸２の外周面２ｃとによって形成されている。第一側面３０ａは、主に軸線Ｏと直交する平面で形成されている。第二側面３０ｂは、回転軸２に近づくにつれて、段階的に軸線Ｏ方向の第二端部２ｂ側に配置されている。内周面３０ｃは、第一側面３０ａと第二側面３０ｂとの周縁同士を繋ぐ円筒状に形成されている。

インペラ５は、上述した入口流路１７とディフューザ部２６との間のケーシング４内に一つだけ配置されている。インペラ５は、回転軸２の外周面２ｃに対して焼嵌め等により固定されている。このインペラ５は、入口流路１７から流入した流体を昇圧してディフューザ部２６へ送り出す。インペラ５は、ディスク５ａと、ブレード５ｂと、カバー５ｃと、を備えている。

ディスク５ａは、軸線Ｏを中心とした円盤状に形成されている。より具体的には、ディスク５ａは、軸線Ｏ方向における回転軸２の第一端部２ａ側から回転軸２の第二端部２ｂ側に向かうにつれて、軸線Ｏを中心とした径方向で漸次拡径するように形成されている。
ブレード５ｂは、ディスク５ａの軸線Ｏ方向の第一端部２ａ側を向く面に形成されるとともに、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて複数形成されている。これらブレード５ｂは、ディスク５ａから離間するように延びるとともに、軸線Ｏを中心に放射状に配置されている。

カバー５ｃは、上記複数のブレード５ｂを軸線Ｏ方向の第一端部２ａ側から覆う。言い換えれば、カバー５ｃは、ブレード５ｂを間に挟んでディスク５ａと対向するように設けられている。カバー５ｃの内周面５ｃａは、軸線Ｏ方向の第二端部２ｂ側から第一端部２ａ側に向かうに従って縮径するように形成されている。この内周面５ｃａから、上述したブレード５ｂがディスク５ａへ向かって延びている。

駆動源６は、回転軸２を回転させる。駆動源６は、回転エネルギーを発生する例えば、電動機や内燃機関等を備えている。さらに、駆動源６は、これら電動機や内燃機関の回転を回転軸２に伝達する減速機等の伝達機構等を備えている。この駆動源６により、回転軸２が所望の回転数で回転可能となっている。

図２は、この発明の実施形態における圧損付与部の正面図である。
図１、図２に示すように、導入流路１６の開口部１６ａには、圧損付与部７が取り付けられている。

圧損付与部７は、入口空間１４から導入流路１６へ流入する流体に対して圧損を与える。この実施形態における圧損付与部７は、パンチングメタルにより形成されている。この圧損付与部７は、開口部１６ａを塞ぐように環状に形成されている。圧損付与部７に形成されているパンチングメタルの貫通孔７ａは、それぞれ軸線Ｏを中心とした周方向で、圧損が均一となるように形成されている。

ここで、圧損付与部７がパンチングメタルにより形成される場合について説明したが、圧損を付与できる形状であればよく、パンチングメタルに限られない。例えば、メッシュ状やスリット状であっても良い。また、この実施形態における圧損付与部７は、開口部１６ａよりも僅かに幅広に形成されて、入口空間１４側から開口部１６ａの周縁部の第二側面１４ｂにビス等の締結部材Ｔ（図１参照）により周方向の複数箇所で固定されている。

したがって、上述した実施形態の遠心圧縮機試験装置によれば、中間吸込み流路を備えた実機と同等の条件で、中間吸込み流路を備えた中間段を模擬して、単段試験装置による検証試験を行うことができる。その結果、性能予測精度を向上することができる。

また、圧損付与部７により導入流路１６へ流入する流体に対して圧損を与えることができるため、導入流路１６へ流入する流体の流量を周方向で均一化することができる。その結果、単段試験装置を用いて実機の中間段に近い環境を作り出すことができる。

さらに、リターン流路形成部１２と、出口空間形成部１３と、を備えていることで、インペラ５よりも軸線Ｏ方向の第二端部２ｂ側においても、中間吸込み流路１８を備えた実機の中間段と近い環境を作り出すことができる。その結果、単段試験装置による検証試験の試験結果における信頼性を向上できる。

（その他変形例）
この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、インペラ５がカバー５ｃを備えるいわゆるクローズインペラを一例に説明した。しかし、インペラ５は、カバー５ｃを有さないいわゆるオープンインペラであっても良い。

また、上述した実施形態においては、圧損付与部７が、軸線Ｏを中心とした周方向の全周に設けられる場合について説明したが、導入流路１６の開口部１６ａへ流れ込む流体の流量が相対的に多くなる箇所にのみ設けても良い。すなわち、図３に示すように、軸線Ｏを中心とする周方向で、開口部１６ａに近い側にのみ設けても良い。図３の一例では、軸線Ｏを中心とする周方向で、半分よりも開口部１６ａに近い範囲の全域に圧損付与部７を設けているが、半分よりも開口部１６ａに近い範囲の一部にのみ圧損付与部７を設けても良い。

さらに、上述した実施形態においては、圧損付与部７のパンチングメタルの貫通孔７ａが軸線Ｏを中心とする周方向で均一に形成される場合について説明した。しかし、貫通孔７ａは、例えば、導入開口部１５に近いほど小さく形成しても良い。つまり、圧損付与部７は、導入開口部１５に近いほど圧損が大きくなるように形成されていても良い。また、圧損付与部７は、導入開口部１５に設けても良い。つまり、導入開口部１５を内周側から塞ぐようにして圧損付与部７を取り付けるようにしても良い。

さらに、上述した実施形態においては、図４に示す拡大図に示すように圧損付与部７の貫通孔７ａが周方向に等間隔で並べられたものが４列設けられ、径方向で隣り合う列の貫通孔７ａ同士が周方向で同一位置に配置されている場合を例示した。しかし、貫通孔７ａの配列は、この配列に限られない。例えば、図５に示す他の態様のように、千鳥配置としても良い。千鳥配置とは、隣り合う列の貫通孔７ａ間のピッチの半分の位置に、互いに貫通孔７ａが配置されることを指す。また、貫通孔７ａが径方向に４列設けられる場合を例示したが、５列以上や３列以下であっても良い。さらに、貫通孔７ａは、丸孔に限られない。例えば、多角形状や、その他形状、および、複数種類の形状を組み合わせた貫通孔７ａとしてもよい。

上述した実施形態においては、リターン流路形成部１２がディフューザ部２６やリターンベーン２９を備える場合について説明した。しかし、これらディフューザ部２６やリターンベーン２９は、必要に応じて設ければ良く省略するようにしても良い。さらにリターン流路形成部１２が必要ない場合には、リターン流路形成部１２自体を省略するようにしても良い。

さらに、上述した実施形態においては、出口空間形成部１３の排出開口部３１が、軸線Ｏを中心とした周方向において、入口空間形成部１０の導入開口部１５と同じ位置に形成されている場合について説明した。さらに、入口空間形成部１０の導入開口部１５と、中間吸込み入口空間１９へ流体を導入する中間導入開口部２２とは、互いに軸線Ｏを挟んで反対側に形成されている場合について説明した。しかし、導入開口部１５、中間導入開口部２２、排出開口部３１は、それぞれ軸線Ｏを中心とした周方向の一部に形成されていれば、これらの配置に限られるものではない。但し、上述した実施形態のように、中間吸込み入口空間１９へ流体を導入する中間導入開口部２２が、軸線Ｏを中心とした周方向で、導入開口部１５、および排出開口部３１と異なる位置に配置されることで、ケーシング４の軸線Ｏ方向の寸法を拡大することなく、中間導入開口部２２へ接続される配管等を固定するフランジ等の設置スペースを容易に確保することができる。

１…遠心圧縮機試験装置 ２…回転軸 ２ａ…第一端部 ２ｂ…第二端部 ２ｃ…外周面 ３Ａ，３Ｂ…軸受 ４…ケーシング ５…インペラ ５ａ…ディスク ５ｂ…ブレード ５ｃ…カバー ５ｃａ…内周面 ６…駆動源 ７…圧損付与部 ７ａ…貫通孔 １０…入口空間形成部 １１…流路形成部 １２…リターン流路形成部 １３…出口空間形成部 １４…入口空間 １４ａ…第一側面 １４ｂ…第二側面 １４ｃ…内周面 １４ｄ…外周縁 １５…導入開口部 １６…導入流路 １６ａ…開口部 １７…入口流路 １８…中間吸込み流路 １９…中間吸込み入口空間 ２０…傾斜面 ２１…外周部 ２２…中間導入開口部 ２５…流路出口 ２６…ディフューザ部 ２７…リターンベンド部 ２８…ストレート流路 ２９…リターンベーン ３０…出口空間 ３１…排出開口部

Claims (4)

1. 軸線方向に延びる回転軸と、
   前記回転軸を前記軸線回りに回転可能に支持する軸受と、
   前記回転軸を前記軸線回りに駆動する駆動源と、
   前記回転軸の外周面に固定されて、前記回転軸とともに回転することで、軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、
   前記インペラの前記軸線方向一方側を向く環状の開口部を有し、前記開口部から径方向内側に向かうように湾曲した後、径方向内側に向かって延びることで径方向外側から径方向内側に向かって流体を導く導入流路、前記導入流路に接続されて前記軸線方向一方側から前記流体を前記インペラに導く入口流路、前記導入流路の前記軸線方向他方側で前記径方向外側から内側に向かって延びて前記入口流路に接続される中間吸込み流路を形成する流路形成部と、
   前記導入流路の前記軸線方向一方側で、周方向の一部かつ径方向外側から流体が導入される導入開口部を有し、前記軸線を中心とした環状をなすとともに、前記流路形成部の前記開口部を介して前記インペラと連通されている入口空間形成部と、
   を備える遠心圧縮機試験装置。
2. 前記導入流路へ流入する流体に対して圧損を与える圧損付与部を備える請求項１に記載の遠心圧縮機試験装置。
3. 前記圧損付与部は、前記軸線を中心とする周方向で、前記軸線よりも前記導入開口部に近い側にのみ設けられている請求項２に記載の遠心圧縮機試験装置。
4. 前記インペラから径方向外側に向かって延びた後、径方向内側に向かって延びるリターン流路を形成するリターン流路形成部と、
   前記リターン流路の前記軸線方向他方側で、周方向の一部かつ径方向外側から流体が排出され、前記軸線を中心とした環状をなすとともに、前記リターン流路の後端が接続された出口空間形成部と、を備える請求項１から３の何れか一項に記載の遠心圧縮機試験装置。

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