JP6763804B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機に関する。

産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービン、ポンプ等に用いられる遠心圧縮機として、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを備えた多段遠心圧縮機が知られている。この多段遠心圧縮機は、インペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。
例えば特許文献１には、後段側に向かうにつれてリターンベーンの出口角度を徐々に増加させた多段遠心圧縮機が記載開示されている。

特開２０１２−８７６４６号公報

ところで、上記特許文献１に記載の多段遠心圧縮機では、十分なサージマージン及びチョークマージンを確保することができず、運転範囲が小さくなってしまうおそれがある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、運転範囲を拡大することができる多段遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明の第一態様に係る遠心圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に前記軸線方向に複数段が配列されて、前記軸線方向一方側の入り口から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、前記回転軸及び前記インペラを囲うケーシングであって、互いに隣り合う前記インペラのうち前段側の前記インペラから排出される流体を径方向内側に向かって案内して後段側の前記インペラに導入するリターン流路を有するケーシングと、前記リターン流路内に周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーンと、を備え、前記リターンベーンは、出口角度が径方向を基準として、径方向内側に向かうに従って前記インペラの回転方向前方側に向かって傾斜しており、前記リターンベーンの前記出口角度は、後段側の前記リターンベーンになるに従って小さくなる。

ここで、リターンベーンの出口角度が大きい程、該リターンベーンに続くインペラにはより大きな予旋回が付与された流体が導入されることになる。流体の予旋回が大きい程、インペラのヘッドが低下し、性能特性が小流量側に変化する。逆に、流体の予旋回が小さければ、インペラのヘッドが相対的に増加する結果、性能特性は大流量側に変化する。

一般に遠心圧縮機は、後段側のインペラの方が前段側のインペラに比べて低流量となる。本発明では、後段側のリターンベーン程、出口角度が小さくなるため、後段側に向かうに従ってリターンベーンによる予旋回は小さくなる。そのため、後段側のインペラには、当該インペラの設計流量に応じた小さい体積流量の流体を供給することができる。
仮に、リターンベーンの出口角度を後段側に向かうに従って大きくした場合、後段側の低流量のインペラに体積流量の大きな流体を供給することになり、チョークマージンが小さくなり過ぎてしまう。本発明では、この弊害を避けることができ、チョークマージンを確保することができる。

また、多段遠心圧縮機では、基本的には前段側のインペラの方が後段側のインペラに比べてサージマージンが小さい。そのため、多段遠心圧縮機では、前段側のインペラが全体のサージマージンを決定することになる。
本発明では、前段側のリターンベーン程、インペラに導入される流体の予旋回が大きい。そのため、前段側のインペラ程、体積流量の大きい流体を供給することができる。仮にリターンベーンの出口角度を後段側に向かうに従って大きくした場合には、前段側のサージマージンの小さいインペラに体積流量の小さい流体を供給することになる。よってサージマージンが小さくなってしまう。本発明ではこの弊害を避け、サージマージンを拡大することができる。

上記遠心圧縮機では、前記インペラの入口の流路断面積が、後段側の前記インペラになるに従って小さくなる。

このような多段遠心圧縮機では、前段側から後段側に向かうに従って大流量から低流量のインペラに遷移する。そのため、リターンベーンの出口角度を後段側になるにつれて予旋回が大きくなるようにすることで、チョークマージン、サージマージンの両方を拡大することができる。

本発明の遠心圧縮機によれば、運転範囲を拡大することができる。

実施形態に係る遠心圧縮機の縦断面図である。 実施形態に係る遠心圧縮機を一部拡大した縦端面図である。 実施形態に係る遠心圧縮機のリターンベーンを軸線方向から見た図である。 各段のリターンベーンの出口角度を示すグラフである。

以下、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機について図面を参照して説明する。図１に示すように、遠心圧縮機１００は、軸線回りに回転する回転軸１と、この回転軸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、回転軸１に設けられた複数のインペラ４と、ケーシング３内に設けられたリターンベーン５０と、を備えている。

ケーシング３は、軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。回転軸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。回転軸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。

回転軸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。各インペラ４は、図２に示すように、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ブレード４２と、これら複数のブレード４２を上流側から覆うカバー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。

ブレード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、これらブレードは、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。これら複数のブレード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。

ブレード４２の上流側の端縁には、カバー４３が設けられている。言い換えると、上記複数のブレード４２は、このカバー４３とディスク４１とによって軸線Ｏ方向から挟持されている。これにより、カバー４３、ディスク４１、及び互いに隣り合う一対のブレード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、リターン流路３０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、カバー４３の下流側の面、及び周方向に隣り合う一対のブレード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、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。

リターン流路は、径方向外側に向かう作動流体Ｇを径方向内側に向かって転向させて、次段のインペラ４に流入させる流路である。リターン流路は、リターンベンド部２４と案内流路２５とから形成されている。

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の流れ方向を径方向内側に向かって反転させる。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。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、頂部とされている。この頂部の近傍では、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、リターンベンド部２４の下流側の端部から径方向内側に向かって延びている。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。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。

次に、リターンベーン５０について説明する。リターンベーン５０は、リターン流路３０における案内流路２５に複数が設けられている。詳しくは図３に示すように、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。リターンベーン５０は、軸線方向の両端が、案内流路２５を形成するケーシング３に接している。

リターンベーン５０は、軸線Ｏ方向から見た際に、径方向外側の端部を前縁５１とし、径方向内側の端部を後縁５２とした翼形状をなしている。リターンベーン５０は、前縁５１から後縁５２に向かうに従って回転軸１の回転方向Ｒ前方側に向かって延びている。リターンベーン５０は、回転方向Ｒ前方側に向かって凸となるように湾曲している。リターンベーン５０の回転方向Ｒ前方側を向く面は負圧面５３とされ、回転方向Ｒ後方側を向く面は圧力面５４とされている。軸線Ｏ方向から見て、圧力面５４と負圧面５３からの距離が等しい線が中心線Ｃとされている。

本実施形態では、リターンベーン５０の後縁５２は、回転方向Ｒ前方側を向いており、即ち、リターンベーン５０の出口角度αは、回転方向Ｒ前方側に向かって傾斜している。ここで、出口角度αとは、軸線Ｏ方向から見てリターンベーン５０の中心線Ｃにおける後縁５２での接線Ｔが、当該後縁５２と軸線Ｏを通る基準線Ｓに対してなす鋭角の角度を意味している。当該出口角度αは、同一の段のリターンベーン５０同士では互いに同一とされている。

本実施形態では、互いに軸線Ｏ方向に隣り合う段のリターンベーン５０のうち、後段側のリターンベーン５０（図３の破線）の出口角度αは、前段側のリターンベーン５０（図３の実線）の出口角度αよりも小さい。即ち、図４に示すように、後段側に向かうに従って、リターンベーン５０の出口角度αは単調減少するように、徐々に小さくなっている。
本実施形態では、後段側のリターンベーン５０であっても、該リターンベーン５０の後縁５２は回転方向Ｒ後方側には向かっていない。例えば図４に示すように、５段目のリターンベーン５０の出口角度αは０°とされている。即ち、リターンベーン５０の出口角度αは、基準線Ｓから回転方向Ｒ前方側に向かう方向を正として、０°以上とされている。なお、リターンベーン５０を有する段としては最終段となる５段目のリターンベーン５０の出口角度αが、０°よりも大きくてもよい。

ここで、本実施形態では、各インペラ４における入口での軸線Ｏ方向から見た流路断面積は、前段のインペラ４の方が大きく、後段のインペラ４になるに従って小さくなるように設定されている。これにより、前段側のインペラ４は、大流量のインペラ４とされ、後段側のインペラ４は小流量のインペラ４とされている。なお、ここでの流量とは体積流量を意味している。

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。
回転軸１及びインペラ４の回転に伴い吸込口から流路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は回転軸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。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、作動流体Ｇは、案内流路２５を通過する過程でリターンベーン５０によって旋回成分の一部が除去される。即ち、インペラ４によって圧縮された作動流体Ｇは、当該インペラ４の回転方向Ｒに旋回成分を持った状態でディフューザ流路２３及びリターンベンド部２４を通過して、案内流路２５に導入される。この案内流路２５では、リターンベーン５０が前縁５１側から後縁５２側に向かうに従って、周方向から径方向に向かって湾曲しているため、当該リターンベーン５０の圧力面５４によって作動流体Ｇが案内される過程で、旋回成分の一部が除去される。

本実施形態では、リターンベーン５０によって旋回成分の全てが除去されない。リターンベーン５０の後縁５２が径方向外側に向かって傾斜しており、回転方向Ｒ前方側に向かっての出口角度αを有しているため、作動流体Ｇで旋回成分が残った状態で次段のインペラ４に導入される。当該旋回成分の回転方向Ｒは、回転軸１及び回転方向Ｒと同様である。したがって、次段のインペラ４には予旋回が付与された作動流体Ｇが導入される。

ここで、リターンベーン５０の出口角度αが大きい程、該リターンベーン５０の後段側のインペラ４には、より大きな予旋回が付与された作動流体Ｇが導入されることになる。作動流体Ｇの予旋回が大きい程、インペラ４のヘッドが低下し、性能特性が小流量側に変化する。逆に、作動流体Ｇの予旋回が小さければ、インペラ４のヘッドが相対的に増加する結果、性能特性は大流量側に変化する。

本実施形態では、後段側に向かうに従ってインペラ４の入口における流路断面積が小さくなっている。即ち、後段側のインペラ４になる程、前段側のインペラ４に比べて低流量となる。これに対してリターンベーン５０は、後段側になる程、その出口角度αが小さくなるため、後段側に向かうに従ってリターンベーン５０による予旋回は小さくなる。そのため、後段側のインペラ４には、当該インペラ４の設計流量に応じた小さい体積流量の作動流体Ｇを供給することができる。

仮に、リターンベーン５０の出口角度αを後段側に向かうに従って大きくした場合、後段側の低流量のインペラ４に体積流量の大きな作動流体Ｇが供給されることになり、チョークマージンが小さくなり過ぎてしまう。本実施形態では、後段側では予旋回を小さくすることで、後段側のインペラ４には小流量の作動流体Ｇが供給されることになるため、当該インペラ４におけるチョークマージンを大きく確保することができる。

また、一般的に多段遠心圧縮機では、大流量となる前段側のインペラ４の方が小流量となる後段側のインペラ４に比べてサージマージンが小さい。そのため、多段遠心圧縮機では、前段側のインペラ４が全体の全体のサージマージンを決定することになる。
本実施形態では、前段側のリターンベーン５０程、インペラ４に導入される作動流体Ｇの予旋回が大きくなる。そのため、前段側のインペラ４程、体積流量の大きい流体が通過することになる。

仮にリターンベーン５０の出口角度αを後段側に向かうに従って大きくした場合には、前段側のサージマージンの小さいインペラ４に体積流量の小さい流体を供給することになる。よってサージマージンが小さくなるといった弊害が生じる。本実施形態では、前段側のインペラ４には、それに見合うだけの大きな体積流量の作動流体Ｇが供給されるため、サージマージンを大きく確保することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
実施形態では、後段側に向かうに従ってインペラ４の入口での流路断面積が小さくなり、かつ、後段側に向かうに従ってリターンベーン５０の出口角度αが小さくなるものと説明した。しかしながら、これに限定されることはなく、隣り合う一部のインペラ４同士で上記流路断面積が同一であってもよいし、隣り合う段のリターンベーン５０同士で出口角度αが同一であってよい。即ち、任意に選択された互いに隣り合うインペラ４同士で後段側の方が入口での流路断面積が大きければよく、これらインペラ４に対応して、互いに隣り合う段のリターンベーン５０の出口角度αが、後段側の方が小さければよい。
また、後段側に向かうに従って段階的にインペラ４の入口の流路断面積が小さくなるのに伴って、リターンベーン５０の出口角度αも段階的に小さくなってもよい。

１ 回転軸
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
２４ リターンベンド部
２５ 案内流路
３０ リターン流路
４１ ディスク
４２ ブレード
４３ カバー
５０ リターンベーン
５１ 前縁
５２ 後縁
５３ 負圧面
５４ 圧力面
１００ 遠心圧縮機
Ｃ 中心線
Ｔ 接線
Ｓ 基準線
Ｏ 軸線
Ｒ 回転方向
Ｇ 作動流体
α 出口角度

Claims (2)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸に前記軸線方向に複数段が配列されて、前記軸線方向一方側の入り口から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、
   前記回転軸及び前記インペラを囲うケーシングであって、互いに隣り合う前記インペラのうち前段側の前記インペラから排出される流体を径方向内側に向かって案内して後段側の前記インペラに導入するリターン流路を有するケーシングと、
   前記リターン流路内に周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーンと、
   を備え、
   前記リターンベーンは、出口角度が径方向を基準として、径方向内側に向かうに従って前記インペラの回転方向前方側に向かって傾斜しており、
   前記リターンベーンの前記出口角度は、後段側の前記リターンベーンになるに従って小さくなる遠心圧縮機。
2. 前記インペラの入口の流路断面積が、後段側の前記インペラになるに従って小さくなる請求項１に記載の遠心圧縮機。

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