JPH02503815A - 渦流ターボ形機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「渦流ターボ形機械１ 本発明は、渦流ターボ形機械に関するものであり、特に渦流圧縮機および排気装 置に関する。

再生ポンプすなわち渦流ポンプは、ターボ形機械であり、幾つかの遠心段の揚程 に等しい揚程を同程度の先端速度を持つ単一ロータから得ることを可能とするも のである。インペラは。

−組の平板羽根が外周近くの各側面から軸方向に突出した円板の形態としてもよ い、この外周の廻りの大半以上において１羽根は、インペラ羽根の断面積よりも 大きな断面積を有する環状チャネル内に突き出る。吸込みと吐出しの間の限定さ れた範囲の扇形部分にわたり、環状チャネルは狭められ、インペラ周辺の狭いラ ンニング間隙を形成する。この扇形部分は、ストリッパーシールと呼ばれ、その 機能は、吸込みと吐出しを分離し。

それによって吐出し口から流体を押し出す、ストリッパーシールは２羽根の間の 流体だけに吸込みに通ることを許す。

この種のポンプの利点は、低流量で高い揚程を発生することにある。これらのポ ンプは比速度が非常に低い、効率は極めて高くはないが、この種のポンプは、低 流量で高い揚程を必要とする用途に対して容積形ポンプの代わりにターボ形ポン プを使用することが好まれる産業界において、多くの用途を見出している。ター ボ形ポンプの単純さ、低い騒音レベル、および減摩や損耗による問題が無いこと は、比較的に低効率であるにもかかわらず、容積形ポンプを上回る利点をもたら す。

平板羽根渦流ポンプは、気体の圧縮に利用されている。その利点は１機械サイズ を一定とした場合の、低比速度にあり、これは低流量とともに高圧力比をもたら す、さらに別の利点は。

無潤滑式運転、そして失速やサージの不安定性が無いことである。

このような圧縮機においては、気体は環状チャネルを通る螺旋形径路を流れ、さ らにその外周径路において吸込み口から吐出し口まで何度も羽根の間を通る０羽 根の間を一度通ることは、一つの圧縮段階を経ることと見なすことができるので 、幾つかの圧縮段階に相当するものを単一インペラから得ることが出来る。しか しながら、平板羽根によるこのポンプ輸送プロセスは、効率が良いとは考えられ ない９羽根と羽根の間の流体は。

投げ出されて環状チャネルを横切り、激しい混合が発生し９羽根と羽根の間の径 路で流体が得た角運動量は、環状チャネルにある流体に伝達される。混合プロセ スには大量の乱流の発生が伴い、これは動力の望ましくない浪費を意味する。

渦流ポンプの流体動力学的メカニズムについて、幾つかの初期の理論が発表され た。これらの理論は、　５ｅｎｏｏ　（＾、　Ｓ、　Ｍ、　Ｅ。

Ｔｒａｎｓ、Ｖｏｌ、　７８．１９５６．　Ｐｐ、　１０９１−１１０２）によ って検討され、比較された。なされた想定に相違が見られるが、原理的には各理 論は互いに相いれるものであると思われる。　５ｅｎｏｏおよびＩｎｖｅｒｓｅ ｎ　（Ａ、　Ｓ、　Ｍ、　Ｅ、　Ｔｒａｎｓ、　Ｖｏｌ、　７７＋　　１９５５ ＋　ＰＩＤ、　１９−２８）は、動くインペラと流体間の乱流摩擦がポンプ輸送 作用の原動力であると考えた。　Ｗｉｌｓｏｎ、　５ａｎｔａｌｏおよび０ｅｌ ｒｉｃｈ（Ａ、　Ｓ、　Ｍ、Ｅ１丁ｒａｎｓ、Ｖｏｌ、　７７、１９５５．１３ ０３−１３１６）は、このメカニズムがインペラとケーシング内流体の間の循環 流に基づくものであり、インペラを通る流体とケーシング内の流体の間の運動量 の交換が起きると考えた。

ずっと後に、効率がずっと優れた圧縮機がＳｉｘ５ｍ１ｔｈによって提藁され（ １９８１年５月にＴｈｅ　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉ ｏｎに提出された「渦流圧縮機の理論および設計Ｊ）、それらにおいては、従来 一般に使用された径向き羽根は、空力翼配列によって置き換えられた。環状チャ ネルは、流体を導く一部としてコアを備え、それによって流体が翼配列を通って 循環する際の損失は少なくなる。さらにコアは、翼端に近接して羽根を取り囲む 側板として機能し、翼端に起きる渦巻によって生じる損失を低減する。なかんず くこれらの特性を備えた改良商用圧縮機が我々のＥＰ−００１１，９８３に記載 されている。

ＥＰ−００１１９８３の圧縮機は、非常に満足のいく運転を行い、さらに商用渦 流圧縮機の分野における同時代の圧縮機よりも優れたものであるが、さらに改善 を加える余地がある。したがって。

本発明の全体的な目的は、性能がさらに優れ、同時に製作がもっと容易でかつ少 ない費用で済むこのクラスの圧縮機を提供することにある。

本発明が成される前には、これらの空力学的翼配列機械を設計する分野の研究者 は、下記の幾つかの先入観によって動かされていた。

；）運転中のノイズは常に問題であり、ルーツブロワは異常に騒々しい機械であ る。したがって、ノイズを低減するための設計改良をすればするほど、構造は次 第にルーツブロワから遠ざかるものとなろう。

１１）可動部品間の間隙は性能に対して極めて重要であり、高価な機械加工技術 によって、製造時に最小限に保持しなければならない。

１ｉｉ）小さな間隙は、運転時に発生する大量の熱による機械の固着を避けるた めに、材料の選択および製造時に特別な高価な予防措置を取ることを必要とする 。

ｔｖ）翼チャネルからの半径方向漏洩を防ぐためには、高精度の組立部品が必要 である。

本発明によって、我々はこれらの先入観を覆し、驚くほど安価に製作出来るとと もに、以前の機械よりも優れがっ信頼性の高い性能を有する機械を住み出した。

本発明にしたがって渦流ターボ形機械が提供され、前述の渦流ターボ形機械は、 協同してインペラ外周付近にフローチャネルを形成するステーターおよび回転イ ンペラから成り、前述のフローチャネルは周方向にインペラと同軸の環を形成し 、フローチャネルの断面は、フローチャネルに入りまたフローチャネルから出る 流体のための入口および出口を分けるフローチャネル中のストリッパーシールの 位置を除いては円形であり、さらに、フローチャネル内に収まりかつフローチャ ネルおよびインペラと同軸の固定環状コアリングから成り、コアリングは、スト リンパ−シール位置を除いては、フローチャネルの円形断面と同軸の実質的に円 形の断面を存し、さらに、インペラ上にあってコアリングに極めて近接するよう にフローチャネル内に突出した湾曲した空力翼のリングから成り、これら前述の 構成部品は、型鋳造部品として組み立てるのに適する。

本発明を実施した機械を１例として下記の添付図面を参照にしてここに説明する 。

第１図は２本発明による圧縮機の図であり、第２Ｆｇのｍｌ−１に沿った軸方向 断面図である。

第２図は、第１図の矢印２の方向に見た圧縮機の外部立面図である。

第３図は、第２図の綿３−３線に沿った部分断面図で、圧縮機のストリッパーシ ールを示す。

第４図は、この種の圧縮機のインペラの翼の速度線図を示す。

第５図は、入口領域の圧縮機の翼チャネルの線断面図である。

第６図は１第５図の線６−６線に沿った断面図である。

第７Ａ図は、出口ＳＪｉ域の翼チャネルの線図である。

第７Ｂ図は、出口領域における速度分布を示す線図である。

第８図は、断熱効率曲線を比較するグラフである。

第９図は、ｌＥ型の線図である。

第１０図は、フローチャネルおよびコアリングの断面形状寸法を決定するのに有 用な線図である。

第１図は、主にステーターすなわちケーシング１】内の回転インペラから成る本 発明による渦流ターボ形圧縮機を示す、ステーターは内部に円形インペラ室１２ を有し、このインペラ室はその一側面が、その外周マージンにおいて１円形断面 をした環状チャネル１３と連通し、この環状チャネルは、インペラ室１２に対し て軸方向に偏っている。チャネル１３が偏っている側では、インペラ室の側壁１ ２Ａは大きな中央孔１４を有し、この孔内には駆動軸１６の端部に回転フランジ １５が配置され、このフランジにインペラ１０はボルト１５Ａによってボルト締 めされる。駆動軸１６は、固定スリーブ１７内に納められた転がり軸受２１およ び玉軸受２２．２３によって支持され、固定スリーブは、側壁１２Ａから離れる ように軸方向に延び、かつ外周方向に間隔をおいて設けられた軸方向ウェブ１８ のスパイダーによってケーシング１１にしっかりと固定され、軸方向ウェブは、 側壁１２Ａからスリーブ１７のほとんど遠隔端部に至るまで外向き半径方向かつ 軸方向に延びる。

軸受２１．２２．２３の外側レースは、スリーブ１７内に取りつけたライナー１ ９内に位置する。さらに軸１６上に設けた内側レースは。

軸上の肩部１６Ａおよびスペーサー１６Ｂによって位置が定まり。

ナンド１６Ｃによって固定される。ライナー１９の端部のねじ込みアジャスタ１ ．６Ｄは、転がり軸受２１の外側レースを押さえる。駆動軸】６は、スリーブ１ ７およびライナー１９の端部よりも先まで延び、その先端には駆動モータ（図示 されていない）すと連結するためのシャフトキー２４を有する。

製作および組立のために、ケーシング１１は、２５に示す段つき半径方向平面で ２つの部分に分割する。したがって１つの部分１１Ａは、インペラ室の右側（第 １図において）の壁、および外周フランジから成り、外周フランジは、インペラ 室の外周壁を形成するとともに、２６において内側の形状を翼チャネル１３の右 側の壁の一部をもたらすようにする。もう一方の部分１１Ｂは。

インペラ室の左側の壁１２Ａ、　　！チャネル１３の左側半分、スパイダー１Ｂ 、スリーブ】７．および一体構造人口／出口ブロック２８から成る。これら双方 の部分は、型鋳造によって容易に製造できるように設計され、ポルト３１によっ て一体に固定される。

質チャネル１３の残り部分は、別の縦断面を存するインサートリング２７により て形成されるが、このインサートリングも型鋳造品である。このインサートリン グは９段つき平面２５によって部分１１Ｂ上に存在する段の廻りに嵌まり、かつ ２９に示すように、その外周は翼チャネル円形断面の一部を形成するような断面 形状とする。このリングは、ネジ３０によって所定位置に固定する。ｍチャネル 円形断面にはギャップがあり、そこでは翼チャネルはインペラ室Ｉ２と連通し、 このギャップを通ってインペラ１０の側面上にその外周マージンにある翼３２の リングが翼チャネル１３内に突き出る。

固定環状コアリング３３は翼チャネルと同心であり、インペラ翼３２と向き合う 平面部３４を除いて円形断面である。コアリングは１機械の軸に対して半径方向 に延びる平面３５上で、その最大直径で分割され、２つの型鋳造物として容易に 製造することを可能とし、さらに３３Ａに示すように、減量するために大部分が 中空であるが、２つの部分を一緒に固定するためのねじ３６を受けるブロック部 分３７を周方向に間隔をおいて設ける。コアリングの内周には、ブロック部分３ ７から半径方間内側に互いに間隔をおいて突き出るベグ３８を設け、それによっ てコアリングは所定位置に固定され、これらのペグは４合致する形状にしたイン サートリング２７によって締めつけられる。入口ないし出口の領域には、コアリ ング３３内にギャップがあり・　このギャップはケーシング（第３図〕の部分１ １Ｂの平らな壁形成部３９によって占められ・それによって翼チャネル１３は９ 局所的にその断面が半分にまで減る。この領域のコアリングのもう一方の部分は 、一体構造ストリンバーブロック４０をもたらすように形成され１図に示すよう に、ストリッパーブロックは、インペラ翼３２が動く特定区域を除いて、残りの 翼チャネルの半分を占めるよう形成される。ストリッパーブロック４０は、ブロ ックとコアリングの双方を固定するために、ねじ４０Ａによって壁３９に固定さ れる。

インペラ１０およびｊ！３２は、一体構造部品として型鋳造するように設計する 。インペラの反対側の面は、扇形バンド部４１が扇形へこみ部４２と互い違いに なるｒスカラップ仕上げＪとする。

これによって熱による歪みに対する高い耐性を保持しつつ、を量を低減する。こ のような方法による質量の低減は、別に設けた高起動トルク始動機モータ、ある いは一般にルーツタイプの容積式機械に用いられているような起動時の流体圧力 を低減する負荷除去装置のいずれも必要とせずに、＠械をその同期駆動モータに よって始動することが可能である点で、非常に有益である。

インペラの翼は、インペラの半径方向平面で湾曲し、翼前面および翼後面はそれ ぞれ凹面および凸面であり、さらに翼は空気力学的であり、！の厚みが翼弦に沿 って異なる翼形である。

さらに第１図に示すように、翼弦はその先端に近づくにつれて短くなり、ｙ先端 では、翼弦の寸法はコアリングの平らな部分３４の寸法に一致する。インペラ翼 の速度線図を第４図に示すが、ここに示す翼は様式化したものであり、実際の翼 形ではない、これらの線図において、流体が各々の翼において向きを変える角度 β１＋β２は、９０度と示されているが、この角度は少なくともこれだけ必要な ものであり、最適の角度は９０．２５度であるように考えられる。前述の翼は、 同期電動機によって公称速度３０００回転／分で駆動するよう意図されたもので ある。今までに、我々の知る限りでは、採用する翼数を決定する方法として発表 されたものは存在しないが、我々は、下記の経験式によって定められる翼あるい は羽根の最適数および限度数を発見した。

最適なものとしては。

式中。

Ｂ　＝　翼数 Ｒ＝　翼中央半径　（ｍ） Ｑ　＝　流量　　　　（ｆｆ′＋（７分）Ｎ　−回転速度　　（回転７分） さらに、いずれの場合にも、翼の数は下記を下回るものとする必要がある。

翼列に入る際の流体角度が変化することによる損失（すなわち、入射損失）を低 減するために、正確な丸みを帯びた翼形にする必要がある。型鋳造の段階で翼寸 法形状を正確に管理することによって、型鋳造後に機械仕上げによって正確な翼 形を得る必要を大幅に低減することが出来る。

第５図および６図は、入口の図である。そらせ板４４を設けて、入口４３に入る 流体をより効率的に機械の中に導き、これによって断熱効率が大幅に改善される 。このそらせ板は、コアリング３３０半径方向内側面から入口４３に延び、そこ で板は、入口の隣接する側面に接するように位置する。そらせ板は、コアリング と一体に鋳造することが可能である。

第７Ａ図は、出口４５の領域における翼チャネルの図である。この図において、 出口角度φは、出口通路４５Ａの軸と、出口ｉ！路軸と環状フローチャネルの中 実軸を決める円の交差点を通る機械回転軸から延びた半径線のあいだの角度であ る。我々は、５０度〜９０度、望ましくは７０度の出口角度φが１機械の両端に 高い圧力比を得るのに効果的であること、さらに出口の出口通路を適切な角度に 設定するのに加えて、ストリッパーシール４０の前方にそらせ板４６を設け、最 も効率的に流体を出口吐出させる正確な角度を与えることも出来ることに気付い た。ここでも、このそらせ板は、コアリングと一体に鋳造可能である。

出口における状態は、高い効率を達成するのに極めて重要であり、使用する正確 な出口角度は、＠械の他の設計パラメータによって異なる。特に、出口領域には 、矢印Ｆによって示した全体的な方向に逆向の空気流が発生する可能性があるこ とから、圧力比および回転速度によって異なる。第７Ｂ図は２回転速度の変化が フローチャネル内の速度分布におよぼす影響を示す。

図から明らかなように、低速度においては、ブローチ中ネルの半径方向内側領域 には、負の速度すなわち逆流が生じる可能性がある。

ここで再び第】図を参照する。ケーシング壁］２Ａの隣に位置する「スカラップ 仕上げｊしたインペラディスク１０の扇形面は、何らかの特別な追加的な機械加 工を行ったシール板を用いる必要なく１機械効率を維持するのに極めて適切な半 径方向シールをもたらす、インペラの反対側には、インペラ取付フランジ】５の 廻りにラビリンスシール４７を設けて、孔１４の内壁と協同して作用するように する。しかしながら、高価なガスや有毒ガスを取り扱う場合には、この位置に完 全な気密な形状のシールを設けることが出来る。

図に明らかなように９機械は、軸受スリーブ１７と機械ケーシングおよびインペ ラの間にエアスペース４日を設けることによって、玉軸軸受への熱伝達を最小限 にする設計がなされている。

必要な場合には、インペラ取付フランジ１５の背面に攪拌用翼を鋳造し、冷却空 気の循環を促進することも可能である。

ここに説明した機械は、性能の飛躍的な向上を示すだけではなく、主な部品がア ルミニウムの型鋳造によって製造されかつ最少銀の機械加工で済むので、生産に 要する費用は驚くほど低く、かつ軽量である。第８図は、異なる回転速度につい て、圧力に対してプロットした断熱効率の比較曲線を示す、実線の曲線は本発明 の機械において得られるものを図示し、これに対して、破線で示した曲線は先行 技術の最も性能の良い渦流ターボ形機械のものである。

先に述べたように、第４図に示す翼は、様式化してあり、使用される実際の翼形 を示すものではない。適切な翼形を第９図に示す。

ここで第１Ｏ図を参照する。コア３３の断面の半径ｒｔは、を通はフローチャネ ル１３の断面の半径ｒ、の少なくとも半分であり、さらに我々は、その関係が下 記の経験式によって有利に決定することが出来ることを見出した。

式中。

α　−翼角度　　　　（ラジアン） Ｒ−翼中央半径　　（ｍ） ｒｌ−開チャネル半径（ｍ） ｒ、−コア半径　　　（ｍ） Ｑ　−流ｉｔ　　　　　　（ボッ時間）Ｎ　−回転速度　　　（回転７分） Ｋは定数である。

理想的には、定数に一１／３５である。

図面を参照して記載した機械の変更は、当然ながら９本発明の範囲から離脱する ことなく可能である０例えば、小さなことであるが９機械設計によっては、第１ 図の第３の主軸軸受として示した転がり軸受を省くことが適当である。もっと重 要なことであるが、ここに記載した機械においては、翼は回転体周囲のマージン の一側面に位置するが１回転体の最外周に設けて。

回転体外周を取り囲む翼チャネル環に突き出すようにしてもよい、しかしながら 、もう一度第１０図を参照するが、翼３２は第１図のフローチャネル１３および 機械回転軸５０に対して同じ配向にあるように示されているが、最も適切な配向 を決定するための研究が現在も行われており、５１および５２で示されるような 代替側配向のなかで、５２に示された翼がインペラ周から回転軸５０に対して半 径方向に内側に突出するのが最も適切である可能性がある。

ｑｔ　　　ｑｑΔ　７Ａ 第２図 第７Ｂ図 第８図 圧力ｐｓｉｇ 第９図 第１０図 国際調査報告 国際調査報告 ｐｃ’ｓ；ｔＩＳＢｎ、ｔ口Ｏｏ】４

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．渦流ターボ形機械で，協同してインベラ外周付近にフローチャネルを形成す るステーターおよび回転インベラから成り，前述のフローチャネルは周方向にイ ンベラと同軸の環を形成し，フローチャネルの断面は，フローチャネルに入りま たフローチャネルから出る液体のための入口および出口を分けるフローチャネル 中のストリッパーシールの位置を除いては円形であり，さらに，フローチャネル 内に収まりかつフローチャネルおよびインベラと同軸の固定環状コアリングから 成り，コアリングは，ストリッパーシール位置を除いては，フローチャネルの円 形断面と同軸の実質的に円形の断面を有し，さらに，インベラ上にあってコアリ ングに極めて近接するようにフローチャネル内に突出した湾曲した空力翼のリン グから成り，これら前述の構成部品は，型鋳造部品として組み立てるのに適する もの。
2. ２．請求の範囲第１項の機械で，コアリング断面の直径が，少なくともフローチ ャネル断面直径の半分であるもの。
3. ３．請求の範囲第１項ないし第２項の機械で，コアリングおよびフローチャネル の断面の半径が下記の関係（α／２）（ｒ１２−ｒ２２）＝Ｋ√（Ｑ／Ｎ）によ って定義され， 式中， α＝ラジアンで表した翼角度（第１０図）Ｒ＝翼中央半径（ｍ） ｒ１＝フローチャネル半径（ｍ） ｒ２＝コアリング半径（ｍ） Ｑ＝流量（ｍ２／時間） Ｎ＝回転速度（回転／時間） Ｋは定数であり，望ましくは１／３５であるもの。
4. ４．請求の範囲第１項，第２項，あるいは第３項の機械で，コアリングに平面が 形成され、平面は翼リングと相対し，さらに翼先端が，この平面と平行且つ近接 する平面に位置するもの。
5. ５．請求の範囲のこれまでに述べたいずれかの項の機械で，翼リング内の翼数Ｂ が Ｂ＝５６．４（（Ｒ）３／２／√（Ｑ／Ｎ））を下回り，さらに好ましくは， Ｂ＝３３．７５（（Ｒ３／２）／√（Ｑ／Ｎ））によって与えられ， 式中，Ｒは翼中央半径（ｍ） Ｑは流量（ｍ２／分） Ｎは回転速度（回転／分）を示すもの。
6. ６．請求の範囲のこれまでに述べたいずれかの項の機械で，インペラおよび翼リ ングが一つの一体構造型鋳造品として製造され，さらにステーターは，主に二つ の型鋳造装置として製造され，全体に半径方向の分割面において一方が他方に固 定されるもの。
7. ７．請求の範囲第６項の機械で，ステーターの分割面は，フローチャネル領域に おいて軸方向に段があり，フローチャネルの周は，大きな部分が前述の２つの主 型鋳造ステータ一部品によって定まり，さらにそれ以外の部分は，別の断面形状 の型鋳造インサートリングによって定まり，このインサートリングは前述の２つ の主部品の間に取りつけられかつそれらのうちの一方に固定されるもの。
8. ８．請求の範囲のこれまでに述べたいずれかの項の機械で，コアリングは半径方 向平面上で２つのリングに分割され，その各々は実質的に半円形の断面であり， 別々に型鋳造されて共に固定され，さらにコアリングは，外周に間隔をおいてペ グすなわち差込みを有し，それによってフローチャネル内に設置されるもの。
9. ９．請求の範囲第７項および第８項の機械で，コアリングのペグは半径方向に内 向きに延び，前述のインサートリングと，リングが固定される主ステータ一部品 の間に締め付けられるもの。
10. １０．請求の範囲第９項の機械で，ストリッパーシールは，コアリングの型鋳造 部分であり，挿入リングが固定される主ステーター装置に固定されるもの。
11. １１．請求の範囲第７項，第９項，あるいは第１０項の機械で，インペラは軸方 向に延びるスリーブ内の軸受内に設置された主軸上に固定され，スリーブは挿入 リングが固定される主ステータ部品と一体に型鋳造されるもの。
12. １２．請求の範囲のこれまでに述べたいずれかの項の機械で，入口そらせ板を， コアリングから入口の中まで延びるように設けて，より効率的に液体を機械内に 誘導するもの。
13. １３．請求の範囲のこれまでに述べたいずれかの項の機械で，出口そらせ板をコ アリングから出口内まで延びるように設けて，より効率的に液体を機械外に誘導 するもの。
14. １４．請求の範囲のこれまでに述べた第１項から第６項までのいずれかの項の機 械で，翼はコアリングの半径方向外側にかつインペラ上に配置されて，そこから 内向きに機械の回転軸に向かって延びるもの。