JP6642189B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents
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Description
本発明は、遠心圧縮機に関する。
遠心回転機械の一種として、軸線方向に延びる回転軸に設けられた複数のインペラを用いてガスを圧縮する多段遠心圧縮機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この多段遠心圧縮機において、各々の圧縮段を構成するインペラには、径方向外側から径方向内側に向かって延在する導入流路、及び導入流路の径方向内側の端部に接続されて、下流側に曲がって延びる曲り流路を介して、ガスが流入する。
また、多段遠心圧縮機が冷凍機に用いられた場合、冷凍機における運転条件の制約から、二段目以降の圧縮段のインペラでは、ガスの流入口に、冷凍機の系外から取り込んだガスを流入させる中間吸込みが行なわれている。
また、多段遠心圧縮機が冷凍機に用いられた場合、冷凍機における運転条件の制約から、二段目以降の圧縮段のインペラでは、ガスの流入口に、冷凍機の系外から取り込んだガスを流入させる中間吸込みが行なわれている。
ところで、導入流路の軸線方向（回転軸の軸線方向）の幅（導入流路の上流側の側面と下流側の側面との距離、導入流路に設けられるリターンベーンの翼高さ）は、下流側に接続されるインペラの吸込み形状に合致するように決定される。下流側のインペラが大きな流量係数のインペラである場合、軸線方向における幅を大きくする必要が生じる。
この場合、導入流路は、その流路断面積が径方向内側に向かうに従って大きく拡大する形状となるが、導入流路においてガスの流速が低下し、剥離が生じやすくなるという課題がある。
この場合、導入流路は、その流路断面積が径方向内側に向かうに従って大きく拡大する形状となるが、導入流路においてガスの流速が低下し、剥離が生じやすくなるという課題がある。
また、遠心圧縮機の軸線方向の長さを短くするために、導入流路の軸線方向の上流側の側面を径方向内側に向かうに従って、上流側に傾斜させる場合は、剥離がより生じやすくなる。特に、中間吸込みを行う場合、遠心圧縮機の軸線方向の長さが長くなるため、傾斜をより大きくする必要があり、導入流路の下流側におけるガスの剥離が助長される傾向にある。
この発明は、中間吸込み流路を有する遠心圧縮機において、ガスを径方向内側に向けて案内する導入流路におけるガスの剥離を抑制することができる遠心圧縮機を提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、遠心圧縮機は、軸線方向に延びる回転軸と、 前記回転軸に設けられた第一のインペラと、前記回転軸に設けられ、前記第一のインペラの下流側に配置された第二のインペラと、前記第一のインペラから径方向外側に向けて流れる第一の流体を径方向内側へ案内するリターン流路と、前記リターン流路によって径方向内側へ案内された前記第一の流体を前記第二のインペラに導入する導入流路と、前記導入流路に設けられている複数のリターンベーンと、前記導入流路に隣接するとともに、前記第二のインペラに第二の流体を追加供給する中間吸込み流路と、前記中間吸込み流路に設けられている複数の整流ベーンと、前記導入流路及び前記中間吸込み流路の下流側に接続されるとともに、軸線方向の下流側に曲がるように延びて、前記第二のインペラに前記第一の流体及び前記第二の流体を案内する曲り流路と、を備え、前記導入流路の上流側の側面は、前記軸線方向において、前記リターン流路の折り返し位置よりも下流側に配置され、前記整流ベーンの径方向内側の端部の径方向位置と、前記リターンベーンの径方向内側の端部の径方向位置とが同一である。
このような構成によれば、中間吸込み流路を介して第二のインペラに第二の流体が導入される遠心圧縮機において、第一のインペラの下流側のリターン流路を通過して導入流路に案内された第一の流体の剥離を抑制することができる。これにより、遠視圧縮機の効率の向上を図ることができる。
上記遠心圧縮機において、前記導入流路の上流側の側面と、前記軸線と直交する面とのなす角をθとすると、前記導入流路の上流側の側面は０°≦θ≦１５°となるように形成されてよい。
このような構成によれば、導入流路の上流側の側面の傾斜角を規定して、剥離を確実に抑制することができる。
本発明によれば、中間吸込み流路を介して第二のインペラに第二の流体が導入される遠心圧縮機において、第一のインペラの下流側のリターン流路を通過して導入流路に案内された第一の流体の剥離を抑制することができる。これにより、遠視圧縮機の効率の向上を図ることができる。
以下、本発明の実施形態の遠心圧縮機について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態の遠心圧縮機は、所謂バレル形の一軸多段遠心圧縮機として構成されており、図示しない駆動装置によって回転軸を介してインペラを回転駆動することで、インペラに供給されたガスに遠心力を与えてこのガスを圧縮するものである。
本実施形態の遠心圧縮機は、所謂バレル形の一軸多段遠心圧縮機として構成されており、図示しない駆動装置によって回転軸を介してインペラを回転駆動することで、インペラに供給されたガスに遠心力を与えてこのガスを圧縮するものである。
図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸２と、回転軸２に設けられた複数のインペラ３（羽根車）と、遠心圧縮機１の外郭をなす筒状のケーシング４（車室）と、ケーシング４内に格納されて回転軸２の周囲を覆うことで各々のインペラ３の間を結ぶ流路６を形成するダイアフラム５と、を備えている。遠心圧縮機１は、五段の圧縮段２１，２２，２３，２４，２５を備えている。
また、遠心圧縮機１は、遠心圧縮機１に第一のガスＧ１を導入する吸込みノズル１５と、中間吸込み流路１０に第二のガスＧ２を導入する中間吸込みノズル１６と、圧縮されたガスＧ３を吐出する吐出ノズル１７と、を備えている。
本実施形態のケーシング４は、軸線Ｏを含むように二つに分割された水平分割型である。
また、遠心圧縮機１は、遠心圧縮機１に第一のガスＧ１を導入する吸込みノズル１５と、中間吸込み流路１０に第二のガスＧ２を導入する中間吸込みノズル１６と、圧縮されたガスＧ３を吐出する吐出ノズル１７と、を備えている。
本実施形態のケーシング４は、軸線Ｏを含むように二つに分割された水平分割型である。
以下の説明において、回転軸２の軸線Ｏが延びている方向を軸線方向Ｄとする。また、軸線Ｏに直交する方向を径方向とし、径方向で軸線Ｏから遠ざかる側を径方向外側と呼び、径方向で軸線Ｏに近づく側を径方向内側と呼ぶ。軸線方向Ｄであって、図１の左側を上流側Ｄ１、図１の右側を下流側Ｄ２と呼ぶ。
ダイアフラム５は、遠心圧縮機１の各々の圧縮段２１，２２，２３，２４，２５に対応して複数に分割されている。
ダイアフラム５の上流側Ｄ１の端部近傍には、吸込みノズル１５を介して第一のガスＧ１を流路６に取り込む吸込み流路９が形成されている。
ダイアフラム５の下流側Ｄ２の端部近傍には、吐出ノズル１７に連通する吐出流路１１が形成されている。
ダイアフラム５の上流側Ｄ１の端部近傍には、吸込みノズル１５を介して第一のガスＧ１を流路６に取り込む吸込み流路９が形成されている。
ダイアフラム５の下流側Ｄ２の端部近傍には、吐出ノズル１７に連通する吐出流路１１が形成されている。
回転軸２は、ケーシング４の内部を軸線Ｏに沿って貫通するように延びている。軸線方向Ｄにおけるケーシング４の両端部には、それぞれジャーナル軸受１２及びスラスト軸受１３が設けられている。回転軸２は、ジャーナル軸受１２とスラスト軸受１３とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。
本実施形態の遠心圧縮機１は、上流側Ｄ１から下流側Ｄ２に向けて、順に、第一圧縮段２１、第二圧縮段２２、第三圧縮段２３、第四圧縮段２４、及び第五圧縮段２５を有している。図２に示すように、それぞれの圧縮段は、ガスＧを軸線Ｏの径方向外側から径方向内側に向けて案内する導入流路２６と、導入流路２６の下流側である径方向内側に接続されるとともに導入流路２６と接続する位置から下流側Ｄ２に向かって曲がるように延びて、インペラ３にガスＧを案内する曲がり流路２７と、ガスＧを圧縮する圧縮流路２８（インペラ３）と、圧縮されたガスＧを径方向内側から径方向外側に案内するディフューザ流路２９と、径方向外側に向けて流れるガスＧを径方向内側へ案内するリターン流路３０（リターンベンド）と、を有している。
インペラ３は、軸線方向Ｄから見て略円形の断面を有するディスク３１と、ディスク３１の上流側Ｄ１の面に設けられた複数の羽根３２と、これら複数の羽根３２を上流側Ｄ１から覆うシュラウド３３と、を有している。
なお、各々のインペラ３は、シュラウドを有していないオープンインペラであってもよい。
なお、各々のインペラ３は、シュラウドを有していないオープンインペラであってもよい。
第一圧縮段２１では、導入流路２６の上流側である径方向外側は吸込み流路９と接続されている。
二段目以降の圧縮段２２，２３，２４，２５における導入流路２６は、前段のリターン流路３０の下流端と連通されている。即ち、リターン流路３０を通過したガスＧは、径方向内側へ案内された後、軸線Ｏに沿って下流側Ｄ２を向くように、その流れ方向が変更される。
二段目以降の圧縮段２２，２３，２４，２５における導入流路２６は、前段のリターン流路３０の下流端と連通されている。即ち、リターン流路３０を通過したガスＧは、径方向内側へ案内された後、軸線Ｏに沿って下流側Ｄ２を向くように、その流れ方向が変更される。
導入流路２６は、リターン流路３０を経て、径方向内側に向かうガスＧをインペラ３に案内する流路である。導入流路２６の径方向外側の端部は、リターン流路３０と連通されている。導入流路２６の径方向内側の端部は、曲がり流路２７を介してインペラ３（圧縮流路２８）に連通されている。
導入流路２６中には、複数のリターンベーン３５が設けられている。複数のリターンベーン３５は、導入流路２６中で、軸線Ｏを中心として放射状に配列されている。リターンベーン３５は、ガスＧを径方向内側向きの流れに整流する。
第一圧縮段２１の上流側には、図示しない機構によってベーンの傾きを変えることが可能なインレットガイドベーン３４（図１参照）が設けられている。
導入流路２６中には、複数のリターンベーン３５が設けられている。複数のリターンベーン３５は、導入流路２６中で、軸線Ｏを中心として放射状に配列されている。リターンベーン３５は、ガスＧを径方向内側向きの流れに整流する。
第一圧縮段２１の上流側には、図示しない機構によってベーンの傾きを変えることが可能なインレットガイドベーン３４（図１参照）が設けられている。
曲がり流路２７は、導入流路２６における下流側である径方向内側に接続されるとともに導入流路２６と接続する位置から下流側Ｄ２に向かって曲がるように延びる流路である。これにより、ガスＧの径方向内側に向かう流れが下流側Ｄ２に向かう流れに変わる。下流側Ｄ２への流れとなったガスＧはインペラ３に導かれ、圧縮される。
圧縮流路２８は、インペラ３のディスク３１の上流側Ｄ１の面、シュラウド３３の下流側Ｄ２の面、及び周方向に隣り合う一対の羽根３２によって囲まれた流路である。圧縮流路２８は、径方向内側から径方向外側に向かうに従って、その断面積が次第に減少している。これにより、インペラ３が回転している状態で圧縮流路２８中を流通するガスＧは、徐々に圧縮されて高圧となる。
ディフューザ流路２９は、径方向内側から外側に向かって延びる流路である。ディフューザ流路２９における径方向内側の端部は、圧縮流路２８の径方向外側の端部に連通されている。
リターン流路３０は、ディフューザ流路２９を経て、径方向内側から径方向外側に向かって流通したガスＧの流れ方向を反転させる。リターン流路３０の一端側（上流側Ｄ１）は、ディフューザ流路２９に連通され、他端側（下流側Ｄ２）は、導入流路２６に連通されている。
第五圧縮段２５のディフューザ流路２９の径方向外側の端部は、吐出ノズル１７に接続されている。
リターン流路３０は、ディフューザ流路２９を経て、径方向内側から径方向外側に向かって流通したガスＧの流れ方向を反転させる。リターン流路３０の一端側（上流側Ｄ１）は、ディフューザ流路２９に連通され、他端側（下流側Ｄ２）は、導入流路２６に連通されている。
第五圧縮段２５のディフューザ流路２９の径方向外側の端部は、吐出ノズル１７に接続されている。
第一圧縮段２１と第二圧縮段２２との間の流路６には、第二圧縮段２２の第二のインペラ３ｂに第二のガスＧ２を追加供給する中間吸込み流路１０が接続されている。中間吸込み流路１０は、第二圧縮段２２の導入流路２６の下流側である径方向内側（第二圧縮段２２の第二のインペラ３ｂの上流側）に接続されている。中間吸込み流路１０における径方向内側には、中間吸込み流路１０を流れる第二のガスＧ２を整流する複数の整流ベーン３６が設けられている。
中間吸込み流路１０は、上流側である径方向外側が中間吸込みノズル１６（図１参照）に接続されるとともに下流側である径方向内側が第二圧縮段２２の曲がり流路２７に接続するように形成されている。中間吸込み流路１０は導入流路２６に隣接して形成されている。中間吸込み流路１０と導入流路２６とは隔壁３７によって区画されている。
隔壁３７は、軸線方向Ｄにおいて導入流路２６と中間吸込み流路１０を区画することで、２つの流路に流れ込むガスＧの流れの向きを一致させる。
複数の整流ベーン３６は、中間吸込み流路１０に設けられることによって、中間吸込みノズル１６から吸込まれた第二のガスＧ２を径方向内側向きの流れとなるように整流する。整流ベーン３６の下流側である径方向内側の端部３６ａの径方向における位置はリターンベーン３５の下流側である径方向内側の端部３５ａの径方向における位置と同じである。
複数の整流ベーン３６は、中間吸込み流路１０に設けられることによって、中間吸込みノズル１６から吸込まれた第二のガスＧ２を径方向内側向きの流れとなるように整流する。整流ベーン３６の下流側である径方向内側の端部３６ａの径方向における位置はリターンベーン３５の下流側である径方向内側の端部３５ａの径方向における位置と同じである。
本実施形態の第二圧縮段２２の導入流路２６の上流側の側面２６ａは、軸線方向Ｄにおいて、導入流路２６の径方向外側に接続されている第一圧縮段２１のリターン流路３０の折り返し位置Ｒよりも下流側Ｄ２に形成されている。換言すれば、第二圧縮段２２の導入流路２６の上流側の側面２６ａは、第一圧縮段２１のリターン流路３０の内周側の周面３０ａの径方向における頂部Ｐ（最も径方向外側の頂部）よりも下流側Ｄ２に形成されている。
これにより、第一圧縮段２１の第一のインペラ３ａと第二圧縮段２２の第二のインペラ３ｂとを接続する流路６の軸線方向Ｄの屈曲が小さくなる。
導入流路２６の上流側の側面２６ａとは、導入流路２６を形成するダイアフラム５において、下流側Ｄ２を向く面である。
これにより、第一圧縮段２１の第一のインペラ３ａと第二圧縮段２２の第二のインペラ３ｂとを接続する流路６の軸線方向Ｄの屈曲が小さくなる。
導入流路２６の上流側の側面２６ａとは、導入流路２６を形成するダイアフラム５において、下流側Ｄ２を向く面である。
また、本実施形態の導入流路２６の上流側の側面２６ａと、軸線Ｏに直交する面とのなす角をθとすると、導入流路２６の上流側の側面２６ａは０°≦θ≦１５°となるように形成されている。
続いて、本実施形態の遠心圧縮機１の動作について説明する。
通常の運転状態にある遠心圧縮機１では、ガスＧは以下のような挙動を示す。
まず、吸込みノズル１５から流路６内に取り込まれた第一のガスＧ１は、第一圧縮段２１の導入流路２６を経て、第一のインペラ３ａ中の圧縮流路２８に流入する。インペラ３は回転軸２の回転に伴って軸線Ｏ回りに回転していることから、圧縮流路２８中の第一のガスＧ１には、軸線Ｏから径方向外側に向かう遠心力が付加される。加えて、圧縮流路２８の断面積は径方向外側から内側にかけて次第に減少していることから、第一のガスＧ１は徐々に圧縮される。これにより、高圧のガスＧが、圧縮流路２８から後続のディフューザ流路２９に送り出される。
通常の運転状態にある遠心圧縮機１では、ガスＧは以下のような挙動を示す。
まず、吸込みノズル１５から流路６内に取り込まれた第一のガスＧ１は、第一圧縮段２１の導入流路２６を経て、第一のインペラ３ａ中の圧縮流路２８に流入する。インペラ３は回転軸２の回転に伴って軸線Ｏ回りに回転していることから、圧縮流路２８中の第一のガスＧ１には、軸線Ｏから径方向外側に向かう遠心力が付加される。加えて、圧縮流路２８の断面積は径方向外側から内側にかけて次第に減少していることから、第一のガスＧ１は徐々に圧縮される。これにより、高圧のガスＧが、圧縮流路２８から後続のディフューザ流路２９に送り出される。
圧縮流路２８から流れ出た高圧のガスＧは、その後、ディフューザ流路２９、リターン流路３０、導入流路２６、曲がり流路２７を順に通過する。以後、第二圧縮段２２のインペラ３においても同様の圧縮が加えられる。また、中間吸込みノズル１６、中間吸込み流路１０を介して第二圧縮段２２の第二のインペラ３ｂに第二のガスＧ２が追加される。最終的には、ガスＧは、所望の圧力状態となって吐出ノズル１７から不図示の外部機器に供給される。
上記実施形態によれば、中間吸込み流路１０を介して第二圧縮段２２の導入流路２６の下流側である径方向内側に第二のガスＧ２が導入される遠心圧縮機１において、第一圧縮段２１のリターン流路３０を通過して、第二圧縮段２２の導入流路２６に案内された第一のガスＧ１の剥離が抑制される。
即ち、第二圧縮段２２の導入流路２６の上流側の側面２６ａが、軸線方向Ｄにおいて、導入流路２６の径方向外側に接続されている第一圧縮段２１のリターン流路３０の折り返し位置Ｒよりも下流側Ｄ２に形成されていることによって、側面２６ａの上流側Ｄ１に向かう傾斜が小さくなり、第一のガスＧ１が導入流路２６の上流側の側面２６ａから剥離することが抑制される。
これにより、遠視圧縮機の効率の向上を図ることができる。特に、第二圧縮段２２の曲がり流路２７に中間吸込み流路１０を介して第二のガスＧ２が導入される場合は、第二のガスＧ２によって流れの乱れが発生するため、曲がり流路２７の上流における剥離の抑制が重要である。
即ち、第二圧縮段２２の導入流路２６の上流側の側面２６ａが、軸線方向Ｄにおいて、導入流路２６の径方向外側に接続されている第一圧縮段２１のリターン流路３０の折り返し位置Ｒよりも下流側Ｄ２に形成されていることによって、側面２６ａの上流側Ｄ１に向かう傾斜が小さくなり、第一のガスＧ１が導入流路２６の上流側の側面２６ａから剥離することが抑制される。
これにより、遠視圧縮機の効率の向上を図ることができる。特に、第二圧縮段２２の曲がり流路２７に中間吸込み流路１０を介して第二のガスＧ２が導入される場合は、第二のガスＧ２によって流れの乱れが発生するため、曲がり流路２７の上流における剥離の抑制が重要である。
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、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態の中間吸込み流路１０は、第一圧縮段２１と第二圧縮段２２との間に形成されているが、これに限ることはなく、例えば、中間吸込み流路１０を、第二圧縮段２２と第三圧縮段２３との間に形成してもよい。
例えば、上記実施形態の中間吸込み流路１０は、第一圧縮段２１と第二圧縮段２２との間に形成されているが、これに限ることはなく、例えば、中間吸込み流路１０を、第二圧縮段２２と第三圧縮段２３との間に形成してもよい。
１ 遠心圧縮機
２ 回転軸
３ インペラ
４ ケーシング
５ ダイアフラム
６ 流路
９ 吸込み流路
１０ 中間吸込み流路
１１ 吐出流路
１５ 吸込みノズル
１６ 中間吸込みノズル
１７ 吐出ノズル
２１ 第一圧縮段
２２ 第二圧縮段
２３ 第三圧縮段
２４ 第四圧縮段
２５ 第五圧縮段
２６ 導入流路
２６ａ 側面
２７ 曲がり流路
２８ 圧縮流路
２９ ディフューザ流路
３０ リターン流路
３４ インレットガイドベーン
３５ リターンベーン
３６ 整流ベーン
３７ 隔壁
Ｄ 軸線方向
Ｄ１ 上流側
Ｄ２ 下流側
Ｇ ガス
Ｇ１ 第一のガス（第一の流体）
Ｇ２ 第二のガス（第二の流体）
Ｏ 軸線
Ｒ 折り返し位置
２ 回転軸
３ インペラ
４ ケーシング
５ ダイアフラム
６ 流路
９ 吸込み流路
１０ 中間吸込み流路
１１ 吐出流路
１５ 吸込みノズル
１６ 中間吸込みノズル
１７ 吐出ノズル
２１ 第一圧縮段
２２ 第二圧縮段
２３ 第三圧縮段
２４ 第四圧縮段
２５ 第五圧縮段
２６ 導入流路
２６ａ 側面
２７ 曲がり流路
２８ 圧縮流路
２９ ディフューザ流路
３０ リターン流路
３４ インレットガイドベーン
３５ リターンベーン
３６ 整流ベーン
３７ 隔壁
Ｄ 軸線方向
Ｄ１ 上流側
Ｄ２ 下流側
Ｇ ガス
Ｇ１ 第一のガス（第一の流体）
Ｇ２ 第二のガス（第二の流体）
Ｏ 軸線
Ｒ 折り返し位置
Claims (2)
- 軸線方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に設けられた第一のインペラと、
前記回転軸に設けられ、前記第一のインペラの下流側に配置された第二のインペラと、
前記第一のインペラから径方向外側に向けて流れる第一の流体を径方向内側へ案内するリターン流路と、
前記リターン流路によって径方向内側へ案内された前記第一の流体を前記第二のインペラに導入する導入流路と、
前記導入流路に設けられている複数のリターンベーンと、
前記導入流路に隣接するとともに、前記第二のインペラに第二の流体を追加供給する中間吸込み流路と、
前記中間吸込み流路に設けられている複数の整流ベーンと、
前記導入流路及び前記中間吸込み流路の下流側に接続されるとともに、軸線方向の下流側に曲がるように延びて、前記第二のインペラに前記第一の流体及び前記第二の流体を案内する曲り流路と、を備え、
前記導入流路の上流側の側面は、前記軸線方向において、前記リターン流路の折り返し位置よりも下流側に配置され、
前記整流ベーンの径方向内側の端部の径方向位置と、前記リターンベーンの径方向内側の端部の径方向位置とが同一である遠心圧縮機。 - 前記導入流路の上流側の側面と、前記軸線と直交する面とのなす角をθとすると、
前記導入流路の上流側の側面は０°≦θ≦１５°となるように形成されている請求項１に記載の遠心圧縮機。
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