JP6667323B2

JP6667323B2 - 遠心回転機械

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Publication number: JP6667323B2
Application number: JP2016038406A
Authority: JP
Inventors: 山下　修一; 修一山下
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP2017155631A; US10844863B2; WO2017150554A1; EP3406914A1; EP3406914B1; US20190055947A1; EP3406914A4

Description

本発明は、遠心回転機械に関する。

産業用に用いられる遠心圧縮機等の回転機械は、軸線回りに回転するインペラと、インペラの外周側を覆うことで当該インペラとの間に流体流路を形成するケーシングと、を主に備えている。流路は、インペラから軸線の径方向外側に延びるディフューザ流路と、ディフューザ流路の下流側に設けられて、径方向外側から内側に向かって流体の流れを案内するリターンベンド部と、リターンベンド部の下流側に設けられて、下流側のインペラに流体を導く案内流路と、を有している。さらに、上記案内流路上には、整流を目的としてリターンベーンが設けられる場合がある。

このようなリターンベーンを備える遠心圧縮機の具体例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特に、特許文献１に係る遠心圧縮機では、リターンベーンの上流側の端部（前縁）が、リターンベンド部側に突出している。このような構成（以下、突出しリターンベーンと呼ぶ。）を採ることで、遠心圧縮機の高効率化を図ることができるとされている。

特開平１０−３３１７９３号公報

上記のような突出しリターンベーンは、リターンベンド部における流体の流速が比較的に高く、当該リターンベンド部の周辺で流れの剥離が起きやすい場合には有効とされる。しかしながら、リターンベンド部における流体の流速が低く（機械マッハ数が小さく）、流れの剥離が起きにくい場合には、十分な効果を得られないばかりでなく、摩擦損失の増大によって流体の流れを妨げてしまうことがある。

ここで、複数の圧力段を有する遠心圧縮機においては、前段では機械マッハ数が高い一方で、後段になるほど機械マッハ数が低くなる。このため、全ての圧力段に上述のような突出しリターンベーンを設けることは適切ではない。このように、幅広い流速域で十分な高効率化が可能な遠心圧縮機に対する要請が高まっている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、幅広い流速域で十分な高効率化が可能な遠心回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様に係る遠心回転機械は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータを覆うとともに、流路を形成するケーシングと、前記ロータに設けられ、軸線方向に複数が配列されて、軸線回りに回転することで軸線方向一方側から吸気した流体を軸線の径方向外側に圧送するインペラと、軸線方向に隣り合うインペラの間にそれぞれ設けられて、上流側のインペラから排出される流体を下流側のインペラに導く複数の流路と、を備え、各前記流路は、軸線に対する径方向内側から外側に向かって延び、前記上流側のインペラから排出される流体を径方向外側に案内するディフューザ流路と、一端が前記ディフューザ流路に連通し、該ディフューザ流路によって案内された流体を径方向内側に向かって案内する湾曲流路としてのリターンベンド部と、前記リターンベンド部の他端に連通し、前記リターンベンド部によって案内された流体を径方向内側に向かって案内して軸線方向他方側のインペラに導入する案内流路と、前記流路における前記リターンベンド部と前記案内流路とにわたって延びて、前記軸線の周方向に複数が間隔をあけて設けられたリターンベーンを備え、前記流路における各前記リターンベーンの前縁の径方向における位置は、各前記リターンベンド部の径方向内側における内壁面の頂部の位置を基準として、前記軸線方向に対する径方向に次第に変化し、軸線方向他方側の前記リターンベーンになるほど、前記前縁の径方向における位置が径方向外側である。

この構成によれば、前縁の位置が相対的に径方向外側に位置するリターンベーンでは、流体がリターンベンド部を通過する際の流れの剥離を抑制することができる。一方で、前縁の位置が相対的に径方向内側に位置するリターンベーンでは、流体が流れる際の摩擦損
失の増大を抑えることができる。
すなわち、流体の機械マッハ数が大きい領域では、前縁の位置が相対的に径方向外側に位置するリターンベーンを設け、流体の機械マッハ数が小さい領域では、前縁の位置が相対的に径方向内側に位置するリターンベーンを設けることで、複数の異なる流速域を有する遠心回転機械において、流れの剥離の低減と、摩擦損失の抑制とをバランスよく実現することができる。
さらに、この構成によれば、例えば軸線方向他方側（下流側）になるほど機械マッハ数が大きい遠心回転機械において、下流側のリターンベーンほど、前縁の径方向における位置が径方向外側であることによって、上流側では摩擦損失を抑制できる一方で、下流側では流れの剥離を低減することができる。

本発明の第二の態様によれば、上記第一の態様に係る遠心回転機械において、前記前縁は、前記軸線と平行をなしていてもよい。

この構成によれば、リターンベンド部における流れの剥離を、十分に抑制することができるとともに、リターンベーンによって流体に摩擦損失が生じる可能性を低減することができる。

本発明の第三の態様に係る遠心回転機械は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータを覆うとともに、流路を形成するケーシングと、前記ロータに設けられ、軸線方向に複数が配列されて、軸線回りに回転することで軸線方向一方側から吸気した流体を軸線の径方向外側に圧送するインペラと、軸線方向に隣り合うインペラの間にそれぞれ設けられて、上流側のインペラから排出される流体を下流側のインペラに導く複数の流路と、を備え、各前記流路は、軸線に対する径方向内側から外側に向かって延び、前記上流側のインペラから排出される流体を径方向外側に案内するディフューザ流路と、一端が前記ディフューザ流路に連通し、該ディフューザ流路によって案内された流体を径方向内側に向かって案内する湾曲流路としてのリターンベンド部と、前記リターンベンド部の他端に連通し、前記リターンベンド部によって案内された流体を径方向内側に向かって案内して軸線方向他方側のインペラに導入する案内流路と、前記流路における前記リターンベンド部と前記案内流路とにわたって延びて、前記軸線の周方向に複数が間隔をあけて設けられたリターンベーンを備え、前記流路における各前記リターンベーンの前縁の径方向における位置は、各前記リターンベンド部の径方向内側における内壁面の頂部の位置を基準として、前記軸線方向に対する径方向に次第に変化し、軸線方向他方側の前記リターンベーンになるほど、前記前縁における軸線方向両側の端部のうち、前記リターンベンド部の内周側に位置する内周側端部が、前記案内流路側にあり、前記内周側端部の外周側に位置する外周側端部は、前記内周側端部よりも軸線に対する径方向内側にある。

この構成によれば、リターンベーンの前縁における内周側端部が案内流路側にあるとともに、外周側端部は、内周側端部よりも径方向内側にある。これにより、最も流れの剥離の生じやすいリターンベンド部の内周側では、より効果的に上記剥離を抑制することができるとともに、外周側では摩擦損失の増大を十分に抑制することができる。
加えて、軸線方向他方側のリターンベーンになるほど内周側端部が案内流路側にあることから、例えば上流側で機械マッハ数が大きくなる遠心回転機械において、上流側では流れの剥離を抑制できる一方で、下流側では摩擦損失を抑制することができる。

本発明の第四の態様に係る遠心回転機械は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータを覆うとともに、流路を形成するケーシングと、前記ロータに設けられ、軸線方向に複数が配列されて、軸線回りに回転することで軸線方向一方側から吸気した流体を軸線の径方向外側に圧送するインペラと、軸線方向に隣り合うインペラの間にそれぞれ設けられて、上流側のインペラから排出される流体を下流側のインペラに導く複数の流路と、を備え、各前記流路は、軸線に対する径方向内側から外側に向かって延び、前記上流側のインペラから排出される流体を径方向外側に案内するディフューザ流路と、一端が前記ディフューザ流路に連通し、該ディフューザ流路によって案内された流体を径方向内側に向かって案内する湾曲流路としてのリターンベンド部と、前記リターンベンド部の他端に連通し、前記リターンベンド部によって案内された流体を径方向内側に向かって案内して軸線方向他方側のインペラに導入する案内流路と、前記流路における前記リターンベンド部と前記案内流路とにわたって延びて、前記軸線の周方向に複数が間隔をあけて設けられたリターンベーンを備え、前記流路における各前記リターンベーンの前縁の径方向における位置は、各前記リターンベンド部の径方向内側における内壁面の頂部の位置を基準として、前記軸線方向に対する径方向に次第に変化し、軸線方向他方側の前記リターンベーンになるほど、前記前縁における軸線方向両側の端部のうち、前記リターンベンド部の内周側に位置する内周側端部が、前記リターンベンド部側にあり、前記内周側端部の外周側に位置する外周側端部は、前記内周側端部よりも軸線に対する径方向内側にある。

この構成によれば、リターンベーンの前縁における内周側端部が、軸線方向他方側のリターンベーンになるほど案内流路側にあるとともに、外周側端部は、内周側端部よりも径方向内側にある。これにより、最も流れの剥離の生じやすいリターンベンド部の内周側では、より効果的に上記剥離を抑制することができるとともに、外周側では摩擦損失の増大を十分に抑制することができる。
加えて、軸線方向他方側のリターンベーンになるほど内周側端部がリターンベンド部側にあることから、例えば下流側で機械マッハ数が大きくなる遠心回転機械において、上流側では摩擦損失を抑制できる一方で、下流側では流れの剥離を抑制することができる。

本発明の第五の態様によれば、上記第三又は第四の態様に係る遠心回転機械において、前記前縁は、前記内周側端部から前記外周側端部に向かうにしたがって、軸線に対する径方向外側から内側に向かって傾斜するように延びてもよい。

この構成によれば、リターンベーンの前縁が、内周側端部から前記外周側端部に向かうにしたがって、軸線に対する径方向外側から内側に向かって傾斜するように延びていることから、リターンベンド部の内周側で、流体の流れに対する整流効果を得ることができる。

本発明によれば、幅広い流速域で十分な高効率化が可能な遠心回転機械を提供することを目的とする。

本発明の各実施形態に係る遠心圧縮機の構成を示す模式図である。本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大断面図である。本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大断面図である。本発明の第三実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大断面図である。本発明の第四実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大断面図である。

［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機１００（遠心回転機械）について図１と図２を参照して説明する。図１に示すように、遠心圧縮機１００は、軸線Ｏ回りに回転するロータ１と、このロータ１の周囲を覆うことで流路２を形成するケーシング３と、ロータ１に設けられた複数のインペラ４と、を備えている。

ケーシング３は、おおむね軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。ロータ１は、このケーシング３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Ｏ方向におけるケーシング３の両端部には、それぞれジャーナル軸受５及びスラスト軸受６が設けられている。ロータ１は、これらジャーナル軸受５とスラスト軸受６とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。

ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側には、外部から作動流体Ｇとしての空気を取り入れるための吸気口７が設けられている。さらに、ケーシング３の軸線Ｏ方向他方側には、ケーシング３内部で圧縮された作動流体Ｇが排気される排気口８が設けられている。

ケーシング３の内側には、これら吸気口７と排気口８とを連通し、縮径と拡径を繰り返す内部空間が形成されている。この内部空間は、複数のインペラ４を収容するとともに、上記の流路２の一部をなしている。なお、以降の説明では、この流路２上における吸気口７が位置する側を上流側と呼び、排気口８が位置する側を下流側と呼ぶ。

ロータ１には、その外周面上で軸線Ｏ方向に間隔を空けて複数（６つ）のインペラ４が設けられている。図２に示すように、それぞれのインペラ４は、軸線Ｏ方向から見て略円形の断面を有するディスク４１と、このディスク４１の上流側の面に設けられた複数の羽根４２と、これら複数の羽根４２を上流側から覆うシュラウド４３と、を有している。

ディスク４１は、軸線Ｏと交差する方向から見て、該軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に拡大するように形成されることで、おおむね円錐状をなしている。

羽根４２は、上記のディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、上流側を向く円錐面上で、軸線Ｏを中心として径方向外側に向かって放射状に複数配列されている。より詳しくは、これら羽根４２は、ディスク４１の上流側の面から上流側に向かって立設された薄板によって形成されている。さらに、詳しくは図示しないが、これら複数の羽根４２は、軸線Ｏ方向から見た場合、周方向の一方側から他方側に向かうように湾曲している。

羽根４２の上流側の端縁には、シュラウド４３が設けられている。言い換えると、上記複数の羽根４２は、このシュラウド４３とディスク４１とによっておおむね軸線Ｏ方向から挟持されている。これにより、シュラウド４３、ディスク４１、及び互いに隣り合う一対の羽根４２同士の間には空間が形成される。この空間は、後述する流路２の一部（圧縮流路２２）をなしている。

流路２は、上記のように構成されたインペラ４と、ケーシング３の内部空間をそれぞれ連通する空間である。本実施形態では、１つのインペラ４ごと（１つの圧縮段ごと）に１つの流路２が形成されているものとして説明を行う。すなわち、遠心圧縮機１００では、最後段のインペラ４を除く５つのインペラ４に対応して、上流側から下流側に向かって連続する５つの流路２が形成されている。

それぞれの流路２は、吸込流路２１と、圧縮流路２２と、ディフューザ流路２３と、リターンベンド部２４と、案内流路２５と、を有している。なお、図２は、流路２及びインペラ４のうち、１段目から３段目のインペラ４を主として示している。

１段目のインペラ４では、吸込流路２１は上記の吸気口７と実質的に直接接続されている。この吸込流路２１によって、外部の空気が流路２上の各流路に作動流体Ｇとして取り込まれる。より具体的には、この吸込流路２１は、上流側から下流側に向かうにしたがって、軸線Ｏ方向から径方向外側に向かって次第に湾曲している。

２段目以降のインペラ４における吸込流路２１は、前段（１段目）の流路２における案内流路２５（後述）の下流端と連通されている。すなわち、案内流路２５を通過した作動流体Ｇは、上記と同様に、軸線Ｏに沿って下流側を向くように、その流れ方向が変更される。

圧縮流路２２は、ディスク４１の上流側の面、シュラウド４３の下流側の面、及び周方向に隣り合う一対の羽根４２によって囲まれた流路である。より詳しくは、この圧縮流路２２は、径方向内側から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４が回転している状態で圧縮流路２２中を流通する作動流体Ｇは、徐々に圧縮されて高圧流体となる。

ディフューザ流路２３は、ケーシング３の内周壁の一部であるディフューザ前壁２３Ａと、隔壁部材３１のディフューザ後壁２３Ｂとによって囲まれることで、軸線Ｏの径方向内側から外側に向かって延びる流路である。このディフューザ流路２３における径方向内側の端部は、上記圧縮流路２２の径方向外側の端部に連通されている。

なお、上記の隔壁部材３１は、ケーシング３の内周側に一体に設けられることで、軸線Ｏ方向に隣接する複数のインペラ４同士の間を隔てる部材である。さらに、この隔壁部材３１から見て、ディフューザ流路２３及びインペラ４を挟んで上流側には、同じくケーシング３と一体に設けられた延伸部３２が設けられている。延伸部３２は、ケーシング３の内周面（不図示）から径方向内側に向かって延びる壁部である。

リターンベンド部２４は、ケーシング３の反転壁３３と、隔壁部材３１の外周壁３１Ａとで囲まれた、湾曲する流路である。リターンベンド部２４の一端側（上流側）は、上記ディフューザ流路２３に連通され、他端側（下流側）は、案内流路２５に連通されている。なお、リターンベンド部２４と上記のディフューザ流路２３との境界位置は、流路２の上流側から見て、当該リターンベンド部２４が湾曲し始める位置Ｐ１とされている。

リターンベンド部２４は、ディフューザ流路２３を経て、径方向の内側から外側に向かって流通した作動流体Ｇの流れ方向を反転させる。リターンベンド部２４の中途において、径方向の最も外側に位置する部分は、頂部Ｔとされている。この頂部Ｔの近傍では、リターンベンド部２４の内壁面は、３次元曲面をなすことで、作動流体Ｇの流動を妨げないようになっている。

案内流路２５は、ケーシング３における上記の隔壁部材３１の下流側側壁３１Ｂと、延伸部３２の上流側側壁３２Ａとで囲まれた流路である。案内流路２５の径方向外側の端部は、上記のリターンベンド部２４と連通されている。リターンベンド部２４と案内流路２５との境界位置は、当該リターンベンド部２４の湾曲が終息する位置Ｐ２とされている。さらに、案内流路２５の径方向内側の端部は、上述のように後段の流路２における吸込流路２１に連通されている。

さらに、この案内流路２５中には、複数のリターンベーン５０が設けられている。複数のリターンベーン５０は、案内流路２５中で、軸線Ｏを中心として放射状に配列されている。言い換えると、これらリターンベーン５０は、軸線Ｏの周囲で周方向に間隔を空けて配列されている。具体的には、それぞれのリターンベーン５０は、隔壁部材３１の下流側側壁３１Ｂから、延伸部３２の上流側側壁３２Ａに向かって延びる板材によって形成されている。

加えて、図２に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１００では、流路２の上流側と下流側とで、リターンベーン５０の形状、寸法が異なっている。なお、以降の説明では、最も上流側に位置するリターンベーン５０を第一リターンベーン５１と呼び、第一リターンベーンの下流側に隣接して設けられる２つのリターンベーン５０を順に、第二リターンベーン５２、第三リターンベーン５３と呼ぶ。

さらに、本実施形態では、最も上流側から数えて３つの流路２のみにリターンベーン５０がそれぞれ設けられ、下流側における２つの流路２にはリターンベーン５０が設けられていない例について説明する。しかしながら、全ての流路２にリターンベーン５０をそれぞれ設けることも可能である。

各リターンベーン５０（第一リターンベーン５１、第二リターンベーン５２、第三リターンベーン５３）の前縁は、軸線Ｏに対していずれも平行をなしている。なお、ここで言う平行とは、必ずしも厳密な平行を意味するわけではなく、実質的に平行をなすことを志向している限りにおいては、わずかな製造誤差や公差等も許容される。

遠心圧縮機１００では、第一リターンベーン５１から第三リターンベーン５３に向かうにしたがって、それぞれの前縁（流路２上で上流側を向く端縁）の径方向における位置が互いに異なっている。より具体的には、第一リターンベーン５１の前縁５１Ｆは、軸線Ｏの径方向において、外周壁３１Ａにおける最外周部３１Ｔに対応する位置に設けられている。なお、ここで最外周部３１Ｔとは、隔壁部材３１の外周壁３１Ａのうち、軸線Ｏに対する径方向の最も外側に位置する周縁のことを指す。

第一リターンベーン５１の前縁５１Ｆは、最外周部３１Ｔと、当該最外周部３１Ｔの軸線Ｏ方向他方側に位置する上流側側壁３２Ａ上の一点との間を結ぶ直線状をなしている。この前縁５１Ｆから径方向内側の位置Ｐ２に対応する位置に向かうにしたがって、第一リターンベーン５１の軸線Ｏ方向における寸法は一旦縮小している。一方で、位置Ｐ２よりもさらに径方向内側では、第一リターンベーン５１の軸線Ｏ方向における寸法は、径方向外側から径方向内側に向かうにしたがって次第に拡大している。なお、以下の説明では、各リターンベーン５０において、位置Ｐ１と位置Ｐ２とを結ぶ直線よりも径方向外側の部分を、突出部５０Ｐと呼ぶことがある。つまり、突出部５０Ｐは、案内流路２５側から見て、リターンベンド部２４側に向かって突出するリターンベーン５０の一部分をなしている。

第二リターンベーン５２の前縁５２Ｆは、軸線Ｏの径方向において、最外周部３１Ｔと、上述の位置Ｐ２との間の領域に設けられている。本実施形態では、一例として、前縁５２Ｆは、最外周部３１Ｔと位置Ｐ２との間の等分線上に位置している。この第二リターンベーン５２も、上記第一リターンベーン５１と同様に、前縁５２Ｆから径方向内側の位置Ｐ２に向かうにしたがって軸線Ｏ方向における寸法が一旦縮小している。一方で、位置Ｐ２よりもさらに径方向内側では、第二リターンベーン５２の軸線Ｏ方向における寸法は、径方向外側から径方向内側に向かうにしたがって次第に拡大している。さらに、第二リターンベーン５２における上記突出部５０Ｐの寸法（軸線Ｏの径方向における寸法）は、第一リターンベーン５１における突出部５０Ｐの寸法よりも小さく設定されている。

第三リターンベーン５３の前縁５３Ｆは、軸線Ｏの径方向において、位置Ｐ２に対応する位置に設けられている。すなわち、この第三リターンベーン５３は、上記の突出部５０Ｐを有していない。また、第三リターンベーン５３は、案内流路２５の断面形状に対応するように、この前縁５３Ｆから径方向内側に向かうにしたがって、次第に軸線Ｏ方向における寸法が拡大するように形成されている。

続いて、本実施形態に係る遠心圧縮機１００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１００では、作動流体Ｇは以下のような挙動を示す。まず、吸込口から流路２内に取り込まれた作動流体Ｇは、１段目の吸込流路２１を経て、インペラ４中の圧縮流路２２に流入する。インペラ４はロータ１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２２中の作動流体Ｇ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、上記の通り、圧縮流路２２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、作動流体Ｇは徐々に圧縮される。これにより、高圧の作動流体Ｇが、圧縮流路２２から後続のディフューザ流路２３に送り出される。

圧縮流路２２から流れ出た高圧の作動流体Ｇは、その後、ディフューザ流路２３、リターンベンド部２４、案内流路２５を順に通過する。以後、２段目以降のインペラ４、及び流路２においても同様の圧縮が加えられる。最終的には、作動流体Ｇは、所望の圧力状態となって排気口８から不図示の外部機器に供給される。

ここで、上記のように複数の圧縮段を備える遠心圧縮機１００では、上流側の圧縮段になるほど、流路２中における流体の流速が高く（機械マッハ数が大きく）、下流側の圧縮段になるほど、流路２中における流体の流速が低い（機械マッハ数が小さい）。

このため、最も上流側の流路２におけるリターンベンド部２４の内周側では、相対的に高い流速に起因して、流れの剥離を生じる可能性がある。しかしながら、本実施形態に係る遠心圧縮機１００では、最も上流側の圧縮段（流路２）に設けられている第一リターンベーン５１の前縁５１Ｆが上記の突出部５０Ｐを有している。突出部５０Ｐは、案内流路２５側から見て、リターンベンド部２４側に突出している。これにより、リターンベンド部２４の内周側で流れの剥離が生じる可能性を低減することができる。

一方で、第一リターンベーン５１よりも下流側に位置する第二リターンベーン５２では、第一リターンベーン５１に比べて突出部５０Ｐの突出量が減少している。すなわち、第二リターンベーン５２では、その前縁５２Ｆは、軸線Ｏの径方向において、最外周部３１Ｔと、上述の位置Ｐ２との間の領域に設けられている。

さらに、第二リターンベーンの下流側に隣接して設けられる第三リターンベーン５３には、突出部５０Ｐが形成されていない。すなわち、第三リターンベーン５３の前縁５３Ｆは、軸線Ｏの径方向において、位置Ｐ２に対応する位置に設けられている。

このように、相対的に流速の低い下流側では、これら第二リターンベーン５２、第三リターンベーン５３が突出部５０Ｐを有していないことによって、流れに摩擦損失を生じる可能性を低減することができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る遠心圧縮機１００では、前縁５１Ｆの位置が相対的に径方向外側に位置するリターンベーン５０（第一リターンベーン５１）では、リターンベンド部２４を流通する際の流れの剥離を抑制することができる。一方で、前縁５２Ｆ、５３Ｆの位置が相対的に径方向内側に位置するリターンベーン５０（第二リターンベーン５２、第三リターンベーン５３）では、流体が流れる際の摩擦損失の増大を抑えることができる。

すなわち、流体の機械マッハ数が大きい上流側の領域では、前縁の位置が相対的に径方向外側に位置するリターンベーン５０を設け、流体の機械マッハ数が小さい領域では、前縁の位置が相対的に径方向内側に位置するリターンベーン５０を設けることで、複数の異なる流速域において、流れの剥離の低減と、摩擦損失の抑制とをバランスよく実現することができる。したがって、幅広い流速域で十分な高効率化が可能な遠心圧縮機１００を提供することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付した上で、詳細な説明を省略する。
同図に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機２００では、軸線Ｏの径方向におけるリターンベーン２５０（第一リターンベーン２５１、第二リターンベーン２５２、第三リターンベーン２５３）の前縁２５１Ｆ、２５２Ｆ、２５３Ｆが、下流側のリターンベーン２５０になるほど径方向外側に位置している。また、第一実施形態と同様に、いずれのリターンベーン２５０においても、前縁２５１Ｆ、２５２Ｆ、２５３Ｆは、軸線Ｏ方向に平行な方向に延びている。

第一リターンベーン２５１では、前縁２５１Ｆの径方向位置が、上述の第一実施形態における位置Ｐ２とされている。第二リターンベーン２５２では、前縁２５２Ｆの径方向位置が、位置Ｐ２と、最外周部３１Ｔとの間とされている。さらに、第三リターンベーン２５３では、前縁２５３Ｆの径方向位置が、最外周部３１Ｔと対応する位置とされている。

さらに、本実施形態に係る遠心圧縮機２００では、上記第一実施形態における遠心圧縮機１００とは異なり、上流側から下流側に向かうにしたがって、流路２中を流通する流体の流速が次第に高まっている（機械マッハ数が大きくなっている）。

以上のような構成によれば、軸線Ｏ方向他方側（下流側）になるほど機械マッハ数が大きい遠心圧縮機２００において、下流側のリターンベーン２５０ほど、前縁の径方向における位置が径方向外側であることによって、上流側のリターンベーン２５０では摩擦損失を抑制できる一方で、下流側のリターンベーン２５０では流れの剥離を低減することができる。

すなわち、流体の機械マッハ数が小さい上流側の領域では、前縁の位置が相対的に径方向内側に位置するリターンベーン２５０を設け、流体の機械マッハ数が大きい領域では、前縁の位置が相対的に径方向外側に位置するリターンベーン２５０を設けることで、複数の異なる流速域において、流れの剥離の低減と、摩擦損失の抑制とをバランスよく実現することができる。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態、第二実施形態と同様の構成については同一の符号を付した上で、詳細な説明を省略する。
同図に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機３００では、リターンベーン３５０（第一リターンベーン３５１、第二リターンベーン３５２、第三リターンベーン３５３）の前縁３５１Ｆ、３５２Ｆ、３５３Ｆが、軸線Ｏに対していずれも傾斜している。さらに、第一リターンベーン３５１から第三リターンベーン３５３に向かうにしたがって、前縁３５１Ｆ、３５２Ｆ、３５３Ｆの傾斜が次第に小さくなっている。

より詳細には、第一リターンベーン３５１では、前縁３５１Ｆにおける軸線Ｏ方向一方側（上流側）の端部が、上記の位置Ｐ２よりも径方向外側に位置している。一方で、前縁３５１Ｆにおける軸線Ｏ方向他方側（下流側）の端部は、上流側側壁３２Ａ上であって、位置Ｐ２と同一の径方向位置に位置している。

第二リターンベーン３５２では、前縁３５２Ｆにおける軸線Ｏ方向一方側の端部が、位置Ｐ２よりも径方向外側に位置している。また、前縁３５２Ｆにおける軸線Ｏ方向他方側の端部は、上流側側壁３２Ａ上で、位置Ｐ２と同一の径方向位置、かつ上記の軸線Ｏ方向一方側の端部よりもさらに径方向内側に位置している。さらに、この前縁３５２Ｆの軸線Ｏに対する傾斜は、第一リターンベーン３５１の前縁３５１Ｆの軸線Ｏに対する傾斜よりも小さい。言い換えると、第二リターンベーン３５２の前縁３５２Ｆでは、第一リターンベーン３５１の前縁３５１Ｆよりも軸線Ｏに沿う方向成分が大きい。

さらに、第三リターンベーン３５３では、前縁３５３Ｆにおける軸線Ｏ方向一方側の端部が、位置Ｐ２と同一の径方向位置に位置している。また、前縁３５３Ｆにおける軸線Ｏ方向他方側の端部も、上流側側壁３２Ａ上で、位置Ｐ２と同一の径方向位置に位置している。さらに、この前縁３５３Ｆの軸線Ｏに対する傾斜は、第一リターンベーン３５１の前縁３５１Ｆ、及び第二リターンベーン３５２の前縁３５２Ｆの軸線Ｏに対する傾斜よりも小さい。言い換えると、第三リターンベーン３５３の前縁３５３Ｆでは、前縁３５１Ｆ、３５２Ｆよりも軸線Ｏに沿う方向成分が大きい。

また、本実施形態に係る遠心圧縮機３００は、上記第一実施形態における遠心圧縮機１００と同様に、上流側の圧縮段になるほど、流路２中を流通する流体の流速が高く（機械マッハ数が大きく）、下流側の圧縮段になるほど、流速が低くなっている（機械マッハ数が小さくなっている）。

以上のような構成によれば、第一リターンベーン３５１の前縁における内周側端部がリターンベンド部２４側にあるとともに、外周側端部は、内周側端部よりも径方向内側にある。これにより、最も流れの剥離の生じやすいリターンベンド部２４の内周側では、より効果的に流れの剥離を抑制することができるとともに、外周側では摩擦損失の増大を十分に抑制することができる。
加えて、下流側のリターンベーン３５０になるほど内周側端部が案内流路２５側にあることから、上流側で機械マッハ数が大きくなる遠心圧縮機３００において、上流側では流れの剥離を抑制できる一方で、下流側では摩擦損失を抑制することができる。

さらに、上記の構成によれば、リターンベーン３５０の前縁が、内周側端部から外周側端部に向かうにしたがって、軸線Ｏに対する径方向外側から内側に向かって傾斜するように延びていることから、リターンベンド部２４の内周側で、流体の流れに対する整流効果をも得ることができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態、第二実施形態、第三実施形態と同様の構成については同一の符号を付した上で、詳細な説明を省略する。
同図に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機４００では、軸線Ｏの径方向におけるリターンベーン４５０（第一リターンベーン４５１、第二リターンベーン４５２、第三リターンベーン４５３）の前縁４５１Ｆ、４５２Ｆ、４５３Ｆが、軸線Ｏに対していずれも傾斜している。さらに、第一リターンベーン４５１から第三リターンベーン４５３に向かうにしたがって、前縁４５１Ｆ、４５２Ｆ、４５３Ｆの傾斜が次第に大きくなっている。

より詳細には、第一リターンベーン４５１では、前縁４５１Ｆにおける軸線Ｏ方向一方側の端部が、位置Ｐ２と同一の径方向位置に位置している。また、前縁４５１Ｆにおける軸線Ｏ方向他方側の端部も、上流側側壁３２Ａ上で、位置Ｐ２と同一の径方向位置に位置している。

第二リターンベーン４５２では、前縁４５２Ｆにおける軸線Ｏ方向一方側の端部が、位置Ｐ２よりも径方向外側に位置している。また、前縁４５２Ｆにおける軸線Ｏ方向他方側の端部は、上流側側壁３２Ａ上で、位置Ｐ２と同一の径方向位置に位置している。さらに、この前縁４５２Ｆの軸線Ｏに対する傾斜は、第一リターンベーン４５１の前縁４５１Ｆの軸線Ｏに対する傾斜よりも大きい。言い換えると、第二リターンベーン４５２の前縁４５２Ｆでは、第一リターンベーン４５１の前縁４５１Ｆよりも軸線Ｏに沿う方向成分が小さい。

さらに、第三リターンベーン４５３では、前縁４５３Ｆにおける軸線Ｏ方向一方側の端部が、位置Ｐ２よりも径方向外側に位置している。一方で、前縁４５３Ｆにおける軸線Ｏ方向他方側の端部は、上流側側壁３２Ａ上で、位置Ｐ２と同一の径方向位置に位置している。さらに、この前縁４５３Ｆの軸線Ｏに対する傾斜は、第一リターンベーン４５１の前縁４５１Ｆ、及び第二リターンベーン４５２の前縁４５２Ｆの軸線Ｏに対する傾斜よりも大きい。言い換えると、第三リターンベーン４５３の前縁４５３Ｆでは、前縁４５１Ｆ、４５２Ｆよりも軸線Ｏに沿う方向成分が小さい。

また、本実施形態に係る遠心圧縮機４００は、上流側から下流側に向かうにしたがって、流路２中を流通する流体の流速が次第に高くなっている（機械マッハ数が大きくなっている）。

以上のような構成によれば、リターンベーン４５０の前縁における内周側端部が、軸線Ｏ方向他方側のリターンベーン４５０になるほどリターンベンド部２４側にあるとともに、外周側端部は、内周側端部よりも径方向内側にある。これにより、最も流れの剥離の生じやすいリターンベンド部２４の内周側では、より効果的に上記剥離を抑制することができるとともに、外周側では摩擦損失の増大を十分に抑制することができる。
加えて、軸線Ｏ方向他方側のリターンベーン４５０になるほど内周側端部がリターンベンド部２４側にあることから、例えば下流側で機械マッハ数が小さくなる遠心回転機械において、上流側では摩擦損失を抑制できる一方で、下流側では流れの剥離を抑制することができる。

さらに、上記の構成によれば、リターンベーン４５０の前縁が、内周側端部から外周側端部に向かうにしたがって、軸線Ｏに対する径方向外側から内側に向かって傾斜するように延びていることから、リターンベンド部２４の内周側で、流体の流れに対する整流効果を得ることができる。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して説明した。しかしながら、上記の各実施形態はいずれも一例であって、これらの構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、遠心圧縮機１００、２００、３００、４００の圧縮段数（インペラ４、流路２の数）は、上記実施形態によっては限定されず、設計や仕様に応じて適宜に設定されてよい。

また、上記の第三実施形態、第四実施形態では、いずれもリターンベーン３５０、４５０の前縁が直線的に傾斜している例について説明した。しかしながら、リターンベーン３５０、４５０の前縁の形状は上記実施形態によっては限定されない。他の例として、リターンベーン３５０、４５０の前縁が、いずれも径方向内側に向かって湾曲する曲線状に形成されていていてもよい。このような構成によっても、上記の第三実施形態、第四実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

１…ロータ
２…流路
３…ケーシング
４…インペラ
５…ジャーナル軸受
６…スラスト軸受
７…吸気口
８…排気口
２１…吸込流路
２２…圧縮流路
２３…ディフューザ流路
２３Ａ…ディフューザ前壁
２３Ｂ…ディフューザ後壁
２４…リターンベンド部
２５…案内流路
３１…隔壁部材
３１Ａ…外周壁
３１Ｂ…下流側側壁
３１Ｔ…最外周部
３２…延伸部
３２Ａ…上流側側壁
３３…反転壁
４１…ディスク
４２…羽根
４３…シュラウド
５０、２５０、３５０、４５０…リターンベーン
５１、２５１、３５１、４５１…第一リターンベーン
５２、２５２、３５２、４５２…第二リターンベーン
５３、２５３、３５３、４５３…第三リターンベーン
５１Ｆ、５２Ｆ、５３Ｆ、２５１Ｆ、２５２Ｆ、２５３Ｆ、３５１Ｆ、３５２Ｆ、３５３Ｆ…前縁
５０Ｐ…突出部
１００、２００、３００、４００…遠心圧縮機
Ｇ…作動流体
Ｏ…軸線
Ｐ１…位置

Claims

軸線回りに回転するロータと、
前記ロータを覆うとともに、流路を形成するケーシングと、
前記ロータに設けられ、軸線方向に複数が配列されて、軸線回りに回転することで軸線方向一方側から吸気した流体を軸線の径方向外側に圧送するインペラと、
軸線方向に隣り合うインペラの間にそれぞれ設けられて、上流側のインペラから排出される流体を下流側のインペラに導く複数の流路と、
を備え、
各前記流路は、
軸線に対する径方向内側から外側に向かって延び、前記上流側のインペラから排出される流体を径方向外側に案内するディフューザ流路と、
一端が前記ディフューザ流路に連通し、該ディフューザ流路によって案内された流体を径方向内側に向かって案内する湾曲流路としてのリターンベンド部と、
前記リターンベンド部の他端に連通し、前記リターンベンド部によって案内された流体を径方向内側に向かって案内して軸線方向他方側のインペラに導入する案内流路と、
前記流路における前記リターンベンド部と前記案内流路とにわたって延びて、前記軸線の周方向に複数が間隔をあけて設けられたリターンベーンを備え、
前記流路における各前記リターンベーンの前縁の径方向における位置は、各前記リターンベンド部の径方向内側における内壁面の頂部の位置を基準として、前記軸線方向に対する径方向に次第に変化し、
軸線方向他方側の前記リターンベーンになるほど、前記前縁の径方向における位置が径方向外側である
遠心回転機械。
前記前縁は、軸線と平行をなしている請求項１に記載の遠心回転機械。
軸線回りに回転するロータと、
前記ロータを覆うとともに、流路を形成するケーシングと、
前記ロータに設けられ、軸線方向に複数が配列されて、軸線回りに回転することで軸線方向一方側から吸気した流体を軸線の径方向外側に圧送するインペラと、
軸線方向に隣り合うインペラの間にそれぞれ設けられて、上流側のインペラから排出される流体を下流側のインペラに導く複数の流路と、
を備え、
各前記流路は、
軸線に対する径方向内側から外側に向かって延び、前記上流側のインペラから排出される流体を径方向外側に案内するディフューザ流路と、
一端が前記ディフューザ流路に連通し、該ディフューザ流路によって案内された流体を径方向内側に向かって案内する湾曲流路としてのリターンベンド部と、
前記リターンベンド部の他端に連通し、前記リターンベンド部によって案内された流体を径方向内側に向かって案内して軸線方向他方側のインペラに導入する案内流路と、
前記流路における前記リターンベンド部と前記案内流路とにわたって延びて、前記軸線の周方向に複数が間隔をあけて設けられたリターンベーンを備え、
前記流路における各前記リターンベーンの前縁の径方向における位置は、各前記リターンベンド部の径方向内側における内壁面の頂部の位置を基準として、前記軸線方向に対する径方向に次第に変化し、
軸線方向他方側の前記リターンベーンになるほど、前記前縁における軸線方向両側の端部のうち、前記リターンベンド部の内周側に位置する内周側端部が、前記案内流路側にあり、
前記内周側端部の外周側に位置する外周側端部は、前記内周側端部よりも軸線に対する径方向内側にある遠心回転機械。
軸線回りに回転するロータと、
前記ロータを覆うとともに、流路を形成するケーシングと、
前記ロータに設けられ、軸線方向に複数が配列されて、軸線回りに回転することで軸線方向一方側から吸気した流体を軸線の径方向外側に圧送するインペラと、
軸線方向に隣り合うインペラの間にそれぞれ設けられて、上流側のインペラから排出される流体を下流側のインペラに導く複数の流路と、
を備え、
各前記流路は、
軸線に対する径方向内側から外側に向かって延び、前記上流側のインペラから排出される流体を径方向外側に案内するディフューザ流路と、
一端が前記ディフューザ流路に連通し、該ディフューザ流路によって案内された流体を径方向内側に向かって案内する湾曲流路としてのリターンベンド部と、
前記リターンベンド部の他端に連通し、前記リターンベンド部によって案内された流体を径方向内側に向かって案内して軸線方向他方側のインペラに導入する案内流路と、
前記流路における前記リターンベンド部と前記案内流路とにわたって延びて、前記軸線の周方向に複数が間隔をあけて設けられたリターンベーンを備え、
前記流路における各前記リターンベーンの前縁の径方向における位置は、各前記リターンベンド部の径方向内側における内壁面の頂部の位置を基準として、前記軸線方向に対する径方向に次第に変化し、
軸線方向他方側の前記リターンベーンになるほど、前記前縁における軸線方向両側の端部のうち、前記リターンベンド部の内周側に位置する内周側端部が、前記リターンベンド部側にあり、
前記内周側端部の外周側に位置する外周側端部は、前記内周側端部よりも軸線に対する径方向内側にある遠心回転機械。
前記前縁は、前記内周側端部から前記外周側端部に向かうにしたがって、軸線に対する径方向外側から内側に向かって傾斜するように延びる請求項３又は４に記載の遠心回転機械。