JP7461715B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機に関する。

一般的に遠心圧縮機は、軸線回りに回転可能な回転軸と、この回転軸に一体に設けられた１つ又は複数のインペラと、これらインペラを外周側から覆うとともに作動流体が流通する流路を形成するケーシングと、を備えている。流路の上流側下流側の端部にはそれぞれ吸入ノズルと吐出ノズルとが設けられている。回転軸が回転することにより、吸入ノズルから流路内に作動流体が吸入され、流路を通過する中途でインペラによって高圧状態となる。高圧となった作動流体は吐出ノズルから外部に取り出される。

ここで、上記のような遠心圧縮機では、定格流量よりも少ない流量で運転する場合に、不安定な挙動を示すことがある。具体的には、流量が少ない場合、吐出ノズル側での圧力損失が不十分となるため、安定的に揚程を得られないことがある。このような運転条件下での安定運転を実現するための技術として、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に係る装置では、出口スクロールの内部に圧力損失を生じさせるための面積調整手段が設けられている。この面積調整手段によって出口スクロールの流路断面積を減少させることで、小流量であっても十分な圧力損失を得ることができるとされている。

特開２０１２－１８４７５８号公報

しかしながら、出口スクロールは複雑な形状を有しているため、内部の作動流体の流れが流路断面内で均一な分布とならない。このため、上記特許文献１のような面積調整手段を設けた場合であっても、所望の圧力損失を生じさせることが難しい場合がある。

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、より安定的に運転することが可能な圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る圧縮機は、主軸線回りに回転可能な回転軸と、該回転軸に一体に設けられたインペラと、該インペラを外周側から覆うとともに、作動流体が流通する流路を形成するケーシングと、前記流路の下流側の端部に設けられ、前記主軸線を中心として渦巻き状に延びる吐出スクロールと、該吐出スクロールの下流側に連通するとともに、該吐出スクロールに対して前記主軸線回りの接線方向に延びる吐出ノズルと、前記主軸線に直交する径方向に延びる前記吐出ノズルの軸線に直交する方向に延びる板状をなして、該吐出ノズルの流路断面の一部を閉塞可能な圧損体としての多孔板と、を備え、前記多孔板は、前記主軸線に対する径方向の外側における前記吐出ノズルの端部に設けられ、前記吐出ノズルの内周面に沿って延びるとともに前記軸線を中心とする環状をなしており、前記吐出ノズルは、上記主軸線の径方向内側から径方向外側に向かうに従って内径寸法が次第に拡大している。

上記構成によれば、圧損体が設けられていることによって、吐出ノズルの流路断面の一部を閉塞可能である。これにより、吐出ノズル内で作動流体の圧力損失を確保することができる。特に、吐出ノズル内では、流体は軸線に直交する流路断面内で均一な流速分布を形成することから、圧縮機の他の部分に圧損体を設けた場合に比べて、圧力損失の大きさを容易かつ正確に調整することができる。
また、圧損体が吐出ノズルの径方向外側の端部に設けられることから、外部からアクセスしやすく、より容易に圧損体を取り付けることができる。また、吐出ノズルの径方向外側の端部では、径方向内側の部分に比べて流路断面における流速分布がさらに均一となることから、圧力損失の大きさをさらに容易かつ正確に調整することができる。
さらに、圧損体が多孔板によって形成されていることから、例えば多孔板の開孔率を変えることによって、より容易かつ精密に吐出ノズルにおける圧力損失の大きさを調整することができる。
また、上記構成によれば、圧損体が軸線を中心とする環状をなしている。即ち、圧損体の形状が単純であるため、より容易かつ廉価に吐出ノズルにおける圧力損失の大きさを調整することができる。

本発明によれば、より安定的に運転することが可能な圧縮機を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る圧縮機の構成を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る吐出ノズルの拡大断面図である。 本発明の第二実施形態に係る吐出スクロール及び吐出ノズルを主軸線方向から見た断面図である。 本発明の第二実施形態に係る吐出ノズルを軸線方向から見た図である。 本発明の第三実施形態に係る吐出ノズルを軸線方向から見た図である。 本発明の第四実施形態に係る吐出ノズルを軸線方向から見た図である。 本発明の第五実施形態に係る吐出ノズルを軸線方向から見た図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図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１（圧縮機）は、主として、主軸線Ｏ回りに回転する回転軸２と、回転軸２に固定されて遠心力を利用して流体であるプロセスガスＧを圧縮するインペラ３と、回転軸２を回転可能に支持するケーシング１０とを備えている。

回転軸２は、主軸線Ｏを中心とした円柱状をなしている。インペラ３は、主軸線Ｏの方向に互いに離間して複数が配列されている。各々のインペラ３は、略円盤状をなしており、回転軸２に嵌め込まれることで回転軸２とともに主軸線Ｏを中心として回転可能となっている。また、それぞれのインペラ３には、内部にプロセスガスＧが流通可能な流路ＦＣが形成されている。

ケーシング１０は、各々のインペラ３を外周側から覆って、回転軸２及びインペラ３を回転可能に支持するスラスト軸受１３ａ及びラジアル軸受１３ｂが設けられたケーシング本体１１と、このケーシング本体１１を外周側から覆う外側ケーシング本体１２と、外側ケーシング本体１２に設けられた吸込ノズル１６及び吐出ノズル１５とを有している。

ケーシング本体１１は、本実施形態では、主軸線Ｏを中心とした円盤状をなす複数のダイヤフラム１１ａ、及びこれらダイヤフラムを主軸線Ｏの方向の両端で挟み込むヘッド１１ｂとを有している。

ケーシング本体１１には、一段目のインペラ３ａ（主軸線Ｏの方向の一方側端に配置されたインペラ３）の入口側となるインペラ３ａよりも主軸線Ｏの方向の一方側で、吸込スクロールＢ１が形成されている。また、ケーシング本体１１には、最終段のインペラ３ｂ（主軸線Ｏの方向の他方側のインペラ３）の出口側となるインペラ３ｂの径方向外側で、吐出ボリュートＢ２が形成されている。

吸込スクロールＢ１は、ケーシング本体１１の内部に形成されており、主軸線Ｏを中心とした渦巻き状をなし、ケーシング本体１１の径方向外側から流入するプロセスガスＧを、主軸線Ｏの方向に沿うように流通させて一段目のインペラ３ａの流路ＦＣに導入する。吐出スクロールＢ２は、ケーシング本体１１の内部に形成されており、主軸線Ｏを中心とした環状をなし、最終段のインペラ３ｂの流路ＦＣから径方向外側に流出するプロセスガスＧをケーシング本体１１から外部へ吐出する。

外側ケーシング本体１２は、主軸線Ｏを中心とした円筒状をなし、ケーシング本体１１を外周側から覆うとともにケーシング本体１１を固定している。吐出ノズル１５は、外側ケーシング本体１２に設けられ、吐出スクロールＢ２に連通し、吐出スクロールＢ２からのプロセスガスＧを吐出可能とする。即ち、吐出ノズル１５は、吐出スクロールＢ２が形成された位置に対応する主軸線Ｏの方向の位置で、外側ケーシング本体１２から径方向外側に延びている。この吐出ノズル１５は、外側ケーシング本体１２における周方向の一か所のみに設けられていてもよいし、周方向に互いに離間して複数設けられていてもよい。吐出ノズル１５の出口側端部には、後述する圧損体５が設けられている。

吸込ノズル１６は、吸込スクロールＢ１に連通し、吸込スクロールＢ１に外部からプロセスガスＧを吸い込み可能としている。即ち、吸込ノズル１６は、吸込スクロールＢ１が形成された位置に対応する主軸線Ｏの方向の位置で、外側ケーシング本体１２から径方向外側に延びている。

吸込スクロールＢ１は、回転軸２の外周側に形成された主軸線Ｏを中心とした渦巻き状をなすプロセスガスＧのガス流路である。吸込スクロールＢ１の内部で外側ケーシング本体１２には、回転軸２を取り囲むようにして、主軸線Ｏを中心として放射状に配置された複数の案内翼４１が設けられている。 案内翼４１は、上記の仮想線Ｌを中心として左右対称の形状をなすように配置されている。各々の案内翼４１では、主軸線Ｏに直交する断面形状が、回転軸２に近づくにつれて回転軸２の径方向に向かうように湾曲した形状をなしている。そして案内翼４１は、主吸込ノズル２１からのプロセスガスＧをインペラ３の流路ＦＣに向かって径方向外側及び主軸線Ｏの一方側から導入可能としている。

吸込スクロールＢ１の内部で、外側ケーシング本体１２に形成された主開口２５の近傍には、上記の仮想線Ｌ上に配置された入口整流板４２が一つ設けられている。入口整流板４２は、外側ケーシング本体１２と案内翼４１との間に配置され、主軸線Ｏに直交する断面形状が、径方向の中間部で膨らんだ翼形状をなしている。この入口整流板４２によって、主吸込ノズル２１から吸い込まれたプロセスガスＧが、周方向の両側に分流される。

次に、図２を参照して、吐出ノズル１５の構成について詳述する。同図に示すように、吐出ノズル１５は、上記の主軸線Ｏに直交する方向（即ち、主軸線Ｏに対する径方向）に延びる軸線Ａに沿って下方に延びる筒状をなしている。なお、以降の説明では、主軸線Ｏの径方向内側を軸線Ａ方向一方側と呼び、径方向外側を軸線Ａ方向他方側と呼ぶことがある。吐出ノズル１５は、吐出ノズル本体１５Ａと、フランジ部１５Ｂと、を有している。吐出ノズル本体１５Ａの内周面１５ａは、軸線Ａ方向一方側から他方側に向かうに従って内径寸法が次第に拡大している。フランジ部１５Ｂは、吐出ノズル本体１５Ａにおける軸線Ａ方向他方側の端部に設けられている。フランジ部１５Ｂは、軸線Ａを中心とする円環状をなしている。

フランジ部１５Ｂの内周側の面（フランジ内面１５ｂ）には、圧損体５が取り付けられている。圧損体５は、吐出ノズル１５における作動流体の圧力損失を調整するために設けられている。本実施形態に係る圧損体５は多孔板によって形成され、軸線Ａを中心とする円形板状をなしている。圧損体５は複数の開孔を有する多孔板で形成されている。つまり、この圧損体５は、吐出ノズル１５の流路断面積の一部を閉塞している。

続いて、本実施形態に係る遠心圧縮機１の動作について説明する。遠心圧縮機１を運転するに当たっては、例えば電動機等の駆動源によって回転軸２及びインペラ３を主軸線Ｏ回りに回転させる。これにより、吸込ノズル１６を通じて外部の作動流体がケーシング１０の内部に取り込まれる。作動流体は、ケーシング１０内の流路ＦＣを上流側から下流側に向かって流れる中途で徐々に圧縮されて高圧状態となる。高圧状態となった作動流体は、吐出スクロールＢ２、及び吐出ノズル１５を経て外部に取り出される。

ここで、上記のような遠心圧縮機１では、定格流量よりも少ない流量で運転する場合に、不安定な挙動を示すことがある。具体的には、流量が少ない場合、吐出ノズル１５側での圧力損失が不十分となるため、安定的に揚程を得られないことがある。そこで、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、吐出ノズル１５の出口に圧損体５が設けられている。

圧損体５が設けられていることによって、吐出ノズル１５の流路断面の一部を閉塞可能である。言い換えれば、作動流体は、多孔板によって形成された圧損体５の開孔のみを通過する。これにより、吐出ノズル１５内で作動流体の圧力損失を確保することができる。特に、吐出ノズル１５内では、作動流体は軸線Ａに直交する流路断面内で均一な流速分布を形成することから、遠心圧縮機１の他の部分に圧損体５を設けた場合に比べて、圧力損失の大きさを容易かつ正確に調整することができる。その結果、小流量の運転条件下でより安定的に遠心圧縮機１を運転することができる。

さらに、上記構成によれば、圧損体５が吐出ノズル１５の径方向外側の端部に設けられることから、外部からアクセスしやすく、より容易に圧損体５を取り付けることができる。また、吐出ノズル１５の径方向外側の端部では、径方向内側の部分に比べて流路断面における流速分布がさらに均一となることから、圧力損失の大きさをさらに容易かつ正確に調整することができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、圧損体５は、吐出ノズル１５の端部ではなく、軸線Ａ方向における吐出ノズル１５の中途位置に設けられていてもよい。この構成によれば、圧損体５の位置をより高い自由度のもとで設定することができるため、より精密に圧力損失の大きさを調整することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図３と図４を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図３に示すように、本実施形態では、圧損体５ｂが、吐出ノズル１５の出口端部１５ｔにおける半分を閉塞している。より具体的には図４に示すように、圧損体５ｂは、吐出ノズル１５の流路断面における軸線Ａの位置を通る分割線Ｌを基準として、吐出スクロールＢ２から離間する側の部分に設けられている。なお、この圧損体５ｂは、上記第一実施形態で説明した多孔板によって形成されていてもよいし、開孔が形成されていない平滑な板材によって形成されていてもよい。

ここで、作動流体は、吐出スクロールＢ２から吐出ノズル１５に向かって主軸線Ｏの接線方向に流れる。吐出スクロールＢ２を通過する際に、作動流体には主軸線Ｏを中心とする遠心力が働く。これにより、吐出ノズル１５の流路断面では、吐出スクロールＢ２から離間する側の部分において、吐出スクロールＢ２に近接する側（図３中の鎖線矢印）の流れよりも流速が高くなっている（図３中の実線矢印）。上記の構成によれば、このように流速が比較的に高い部分に圧損体５ｂが設けられていることから、より効果的に圧力損失を生じさせることができる。その結果、小流量の運転条件下でより安定的に遠心圧縮機１を運転することができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態では、圧損体５ｃが、吐出ノズル１５の内周面に沿って円環状に広がっている。つまり、この圧損体５ｃは、軸線Ａを中心とする円環状をなすとともに、フランジ部１５Ｂの内周面（フランジ内面１５ｂ）に沿って延びている。なお、この圧損体５ｃは、上記第一実施形態で説明した多孔板によって形成されていてもよいし、開孔が形成されていない平滑な板材によって形成されていてもよい。

上記構成によれば、圧損体５ｃが軸線Ａを中心とする環状をなしている。即ち、圧損体５ｃの形状が単純であるため、より容易かつ廉価に吐出ノズル１５における圧力損失の大きさを調整することができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図６を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図６に示すように、本実施形態では、圧損体５ｄが、吐出ノズル１５の出口における軸線Ａを含む中央部分のみに設けられている。つまり、圧損体５ｄは、フランジ内面１５ｂよりも小さな径寸法を有する円形板状をなしている。圧損体５ｄは、周方向に間隔を空けて配列された複数（４つ）の支持部材Ｓｐによって、フランジ内面１５ｂに固定されている。なお、この圧損体５ｄは、上記第一実施形態で説明した多孔板によって形成されていてもよいし、開孔が形成されていない平滑な板材によって形成されていてもよい。

上記構成によれば、圧損体５ｄが吐出ノズル１５の中央部分にのみ設けられている。即ち、圧損体５ｄの形状が単純であるため、より容易かつ廉価に吐出ノズル１５における圧力損失の大きさを調整することができる。

以上、本発明の第四実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

［第五実施形態］
続いて、本発明の第五実施形態について、図７を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７に示すように、本実施形態では、圧損体５ｅが、吐出ノズル１５の出口端部１５ｔで、回動軸Ｃ回りに回動可能とされている。圧損体５ｅは、出口端部１５ｔの全体を閉塞可能な径寸法を有する円形板状をなしている。回動軸Ｃは、軸線Ａに直交する方向に延びている。回動軸Ｃは、圧損体５ｅの中心を通っている。したがって、圧損体５ｅの回動量を変化させることで、吐出ノズル１５から吐出される作動流体の流量を自在に調整することが可能とされている。

上記構成によれば、圧損体５ｅを回動軸Ｃ回りに回動させることで、遠心圧縮機１の施行工事が完了した後であっても吐出ノズル１５の流路断面積を自在に調整することができる。その結果、吐出ノズル１５における圧力損失の大きさをより容易かつ正確に調整することができる。

以上、本発明の第五実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

１ 遠心圧縮機
２ 回転軸
３，３ａ，３ｂ インペラ
５，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ 圧損体
１０ ケーシング
１１ ケーシング本体
１１ａ ダイヤフラム
１１ｂ ヘッド
１２ 外側ケーシング本体
１３ａ スラスト軸受
１３ｂ ラジアル軸受
１５ 吐出ノズル
１５Ａ 吐出ノズル本体
１５ａ 内周面
１５Ｂ フランジ部
１５ｂ フランジ内面
１５ｔ 出口端部
１６ 吸込ノズル
２１ 主吸込ノズル
２２ 補助吸込ノズル
２５ 主開口
４１ 案内翼
４２ 入口整流板
Ａ 軸線
Ｂ１ 吸込スクロール
Ｂ２ 吐出スクロール
Ｃ 回動軸
Ｌ 分割線
Ｏ 主軸線
Ｓｐ 支持部材

Claims (1)

1. 主軸線回りに回転可能な回転軸と、該回転軸に一体に設けられたインペラと、
   該インペラを外周側から覆うとともに、作動流体が流通する流路を形成するケーシングと、
   前記流路の下流側の端部に設けられ、前記主軸線を中心として渦巻き状に延びる吐出スクロールと、
   該吐出スクロールの下流側に連通するとともに、該吐出スクロールに対して前記主軸線回りの接線方向に延びる吐出ノズルと、
   前記主軸線に直交する径方向に延びる前記吐出ノズルの軸線に直交する方向に延びる板状をなして、該吐出ノズルの流路断面の一部を閉塞可能な圧損体としての多孔板と、
   を備え、
   前記多孔板は、前記主軸線に対する径方向の外側における前記吐出ノズルの端部に設けられ、前記吐出ノズルの内周面に沿って延びるとともに前記軸線を中心とする環状をなしており、
   前記吐出ノズルは、上記主軸線の径方向内側から径方向外側に向かうに従って内径寸法が次第に拡大している圧縮機。

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