JPH0315695A - 相反回転型ロータ・ホイールを有する遠心型流体機械ならびに該遠心型流体機械の使用法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、特許請求の範囲第１項の菊文に述べられてい
るような、遠心型流体機械に関するものである。更に本
発明は、そのような遠心型流体機械の使用法に関するも
のでもある。

発明の背策と在来技術の問題点 すでにこれまでに、例えばラデイアル・ロータ・ホィー
ルの前に一つのアキシアル・コンプレッサーを前置して
組み合わせたような、一つの遠心！８！流体機械がある
ことはよく知られている。特許出願第Ｗ０　　８６／０
５５５７号には、アキシ７ル・コンプレッサーの前に一
つの混合＠置を萌置した、この種の多相混合流体用ポン
プないしは］ンプレツナーが公ｍｌされている。この場
合、アキシアル・コンプレッサーの第１段の直後に、か
つ相反回転タる響列の直前に、一つの囚定案内翼列が配
資されている。このような設計では、比較的大きな設＋
ａ血積を必要とする上に、アキシアル・コンブレッサー
の比速度が比較的高くなり、ｖＩｉｎされるラデイアル
・コンプレッサーにとって都合のよいような広い回転数
領域において、ほんの僅かな比力上界しか得られないの
である。従って、充分な圧力上昇を得るためには、段数
を多くしな【ノればならないのである。

１９６１年、シ１プリンガー潟房（　Ｓｐｒｉｎｏｅｒ
−ＶｅｒｌａＯ）　ｎ行、カール・フライデラ−（Ｃａ
ｒｌＰｒｌｃｌｄｃｒｃｒ）著の教科内″′液休Ｊ３よ
び気休川遠心型ボンブ（Ｄｉｅκｒｅｌｓｅｌｐｕｕｅ
ｎ　ｒ″Ｕ『Ｆｌｉｉｓｓｉｇｋｅｌｌｅｎ　ｕｎｄ　
Ｇａｓｅ）　”の２３４ページの鼾１２９図に昧、・・
つの良くない設計例として、静止案内翼列をもった、ラ
デイアル型多段の単一口ータ・ポンプが示されている。

このような設劃は、Ｉｆ　ｌａｌｌ４失が大きいために
気体の圧縮には不向きであるし、また人［１速度が比較
的大きく、かつそのために、得られるべき最大吸込みヘ
ッドが小さくなるので、水《液休）の搬送にも不向きな
のである。

本発明の目的 本発明の目的は、ｌＩ３ｉ！ｔがコンパクトでありなが
ら、しかも充分な吸込みヘッドが得られるような、一・
つの遠心型流体機械を従供ジることにある。更に本発明
のもう一つの目的は、なかんずく特に、液体一気体の混
合物といったような、多相混合流体を搬送する場合にも
、良好な搬送性能を保証し得るような、一つの遠心型流
体機械を提供１ることにある。

目的達　のための　　と　　　の 上述のような遠心ウリ流体機械は、本発明の特許請求の
範Ｈ第１項に特徴として挙げられている開特性によつＩ
特徴づけられるものである。まｌここのような遠心型流
体機械の本発明による使用法は、特！Ｔ請求の範聞第１
７項の特性によって特徴づけられるものである。特許請
求の範囲のその他の従昶珀は、この遠心型流体機械の特
に優れた各種の実施例ならびに使用法に関するものであ
る。

本発明による、遠心型流体機械のラデイアル・コンプレ
ッサーとしての設計は、在来の専門的な考え方とは逆に
、決して思い設計ではなく、むしろ、例えば、液体一気
体混合物といったような、多相の搬送媒体の搬送および
圧縮に対して極めて好適なものなのである。そのような
混合物で、かなりな大きさの固体粒子を相当伴含んでい
るような場合でも、まず圧縮再能な気体部分を完全に混
合し、かつ圧縮１ることができるのである。アキシアル
・コンプレッサーの場合と異なって、途中段が互いに正
しく適合づるように作られてさえいれば、各相の分離が
生ずることはまずありＩＪない。

互いに反対向きに一転するロータ・ホィール（多段相反
ＬＬ１転型ダブル・０−タ・コンブレッサーないしはダ
ブル◆０−タ・ラデイアル・コンブレツリー）を採川す
ることによって、段毎に生ずるコリオリの力が大きく変
化するため、ならびに流れの過程が非定常となるために
、多段の単一〇ータ・ボンブに比べて、搬送媒体、特に
液体一気体混合物といったような、多相流体の混合状態
が当然のこととして改ｌ！されることとなる。非定常な
流れの過程は特に一方の回転システムからもう一方の回
転システムに移行する際に、多相媒体の均一化を促真す
る。実際の設計に際しては、胃の長さは、圧力勾配のあ
る場において浪合媒体の似々の相の特性が異なるために
生ずる、エネルギー・レベルの許容し得る差によって決
まるのである。

また個々の質の問の８ｌ路の最小断面杭、ないしは荊の
数は、それぞれの流れが超音速｛搬送媒体、ないしは多
相媒体に８３ける超音逢｝になることをできるだけ避け
るように、選定しなければならない。

本発明による優れた設計は、気体の体積が低減してゆく
のに応じて、比速度が段毎に逐次増大してゆくような、
一連の幾つかの段として具１３！１１ることができるの
である。

更に最終段を、回転１るディフユーザーとして構成する
ことによって、流れの方向における流れのＩｉｉ６１ｖ
４が半径方向外側に向けて逐次増大してゆく一方、搬送
媒体の絶対速度は逐次低減してゆくこととなる。

静止ｇ＋１ディフユーヂ一にお番プる勧失は、多相媒体
、特に液体一気体混合物の場合には比較的大きいのであ
る。目転型のディフユーザーの勧失は明らかにそれより
も少ない。遠心型流体機械における勧失を低く抑えるた
めには、圧力勾配の比較的大きい領域には静止部分を設
けないようにするのが基本である。このような領域に定
常的なエレメントが存イＥしないように１−ると、それ
によって相戚分相互問におけるエネルギーの交換損失が
低減されるので、効率が改善されるのである。

本発明による遠心型流体機械、すなわち例えば多相媒体
ボンブなど、の効率は、搬送流体の半径方向の流れが大
なり小なりあるような機械の場合、流れの転向エレメン
ト、いわゆる転向用案内格了を設けることによって、史
に高められ改善されるのである。出口部分における流路
の幅が一定の場合、流れが半径方向の流れのみになるこ
とによって、搬送流体の絶対速度は可能な限りの最小狛
になる。このような設計では、搬送流体の出口速度をで
きる限り低くするために、最終段における圧力上昇はほ
とんど放棄せざるを得ないのである。

本発明による遠心型流体機械では、液体一気体混合物の
気休戒分が容積パーセントで０から１００バーセントま
で変化しても、基本的には搬送可能であり、かつその際
、効率は遠心型流体機械の設計ならびに混合物の組或に
応じて、例えば７０％からｂ％の間で変化し嵜る。もち
ろん、このような遠心型流体機械では、運転状態の特殊
なｆＩ７４ｖＬ《例えば液体一気体混合物の液体成分が
少ないような運転領域〉においては、機械の個々の構成
部品の寿命がある程度損なわれることに注意しなければ
ならない。従って通常、機械の各構威部品に要求される
朋Ｖ１寿命によって、運転領域がｖ１約されることとな
る。気体成分が（第１段の吸込み管の入口において）容
積パーセントでほぼ２０％から６０％の間にあれば、液
体一気体混合物用遠心型流体機械を充分うまく使用する
ことができる。

多段の相反回転型ダブル・ロータ・コンプレッサーを採
用することによって、約５バールから５０バールまでの
、あるいはむしろそれ以上の領域にわたる昇圧が全く問
題なく達戒できるのである。

幾つかのユニットを連動させるようなボンブの場合、第
１段のユニットに多段相反回転型のダブル・ロータ◆コ
ンブレツザーを用い、これに続く各段には在来型のユニ
ットを用いる方法も、特にこれに眼らず、種々考えられ
るのである。

翼の配列をタンデム配列あるいは多単配列とする設計は
、多段相反目転型のダブル・０−タ・コンブレッサーの
最初の二つの段に対してのみならず、いずれの段に対し
ても興味深いものであり、これを採用することによって
、多相搬送媒体の各相の混合が一層改善されることとな
る。これらの段にはまた、いわゆる中間前列を、例えば
同様にタンデム配列あるいは多重配列として、設けてお
くこともできるのである。

大きさに関していえば、本発明による設計は、１］一タ
・ホイールの直径が約１００ｍから１５００ｍまでの範
囲、なかんずく３５０ｍから７００順の範囲に対して最
も適している。このような寸法の選定に当たっては、で
きることならロー夕の周速が約８０ｌＩｌ／Ｓから３５
０Ｒｌ／Ｓの範囲（納まるように、配ｆａｌへきである
。

図面による本発明の特徴と利点の説明 以下、概念的な図面を参照しながら、本発明の幾つかの
実施例ならびにその詳細について、史に詳しく説明しよ
う。

第１図に軸方間の断面概形図で示されていて、ポンプと
して計画されている、ハウジング１０を含む遠心型流体
機械１は、その内部に互いに反対向きにレ１転する二つ
のロータ・ホィール１１および１２を含んでいる。舅保
持ディスク１１０を含むロータ・ホィール〈１１》には
二つの翼列１１１および１１２が取付けられている。ま
た舅保持ディスク１２０を含む〇一タ・ボイール１２に
は翼列１２１および１２２が取付けられている。これら
二つの覧保持ディスク１１０および１２０に取付けられ
ている曳列は互い違いにｔよまり合った形に配列されて
いる。更に、ロータ・ホィール１２とｂｊｌじシャフト
１２３の吸込み側の端部には、インテーク・〇一タ／イ
ンデューサ１２４が取付けられている。一方、舅保持デ
ィスク１１０は中空シャフト１３と一緒になって一つの
内部ハウジングを形成している。この舅保持ディスクな
いしはロータ・ホィール保持ディスク１１０の半径方向
外周領域には、内部ハウジングとともに回転づるディフ
ューザー１１１３が設けられている，，搬送媒体Ｕ、案
内翼１４を備えた転向川案内格子がその内部に設けられ
ている環状室１４０に向けて、ほぼ半径方向外向きにデ
ィフューザー１１１３から流出してゆく。搬送媒体はこ
の案内舅によって、接線方向に、もしくは少なくとも接
線に対して約２０”ないし３０゜しか離れていない方向
に向けて転向させられるのである。

第２図に同じく概念的な断面図で示されている遠心型流
体機械ないしはボンブの場合、第１図のものと違って、
回転する内部ハウジングをもたない点で、在来型の構造
様式に類するものである。

ハウジング２０の内部には、シャフト２５ないしは２６
に取付けられている、互いに反対向きに回転ずるロータ
・ホィール２１および２２が納められている。ここに示
されている例では、翼保持ディスク２１０に回転型のデ
ィフューザー２３が一体に設けられている。史に、翼保
持ディスク２１０には翼列２１１および２１２が、また
相反回転ずるロータ・ホィール２２の翼保持ディスク２
２０には翼列２２２および２２３が取付けられている。

これら二つの買保持ディスク２１０および２２０の前列
は、この場合も同様に、互い通いにはまり合った形に配
列されている。本発明によるボンブのこの例の場合も、
デイフユーヂ−２３から流出する搬送流体の流れｔよ、
環状′ｉ￥２４０にほぼ半径方間外向きに流入でる。流
体を接線方向、ないしは接線に近い方向に旬けて転向さ
せるために、この例でも案内翼２４の凶列が設けられて
いる。

第３図には、転向川ないしは拡散川の舅３２を備えた一
つの転向用ないしは拡散用案内格子３１を、その内部に
擁している一つの環状室３０の実施例が、概略側面図の
形で示されている。転向の度合は接線方向に対して約２
０’ないし３０”の角ａ範囲になされている。

第４図は、順次に配置されている三つのユニット４１．
４２および４３を含む、一つの遠心型流体機械を軸方向
の概略断而図で示したものである。

流れの方向に沿って第１の、すなわち入口部のユニット
４１は多段の相反四転型ダブル・ロータ・ポンプとして
構成されているのに対して、後続の二つのユニット４２
および４３は通常の遠心型ポンプとして構成されている
。

第５図には、順次に配列されている三つのユ二ット５１
．５２および５３を含む一つの遠心型流体機械が、軸方
内の概略断面図の形で示されている。この場合、三つの
ユニット５１．５２Ｊ５よび５３はすべて多段相反回転
型ダブル・ロータ・ターボ機械となっている。この配列
は、恐らく石油、ないしは液体油一ガス混合物を搬送す
るためのバイブ・ライン用のボンブとして使用し得るも
のであるが、この場合、最終の多段相反回転型ダブル・
口−タ・ターボ・ユニット５３に、史にタービン資列５
４１および５４２を備えた一つのタービン段５４が付加
的に組込まれている。璃列５４３は求心力を高めるのに
役立つと同時に、響列５４２を備えた第２のタービン段
に対する案内口ータの機能を果たしている。三つのユニ
ットを組合わせたこの遠心型流体機械の設計には、回転
型の内部ハウジング５１１．５２１および５３１が含ま
れているが、これらは一つの回転ユニットとして互いに
結合ないしは連結されている。このような配列の場合に
は、第２段５２の還流路に、またもし必要とあれば第１
段５１の還流路にも、求心力増強川の段を設けておくこ
とができる。

第６図には、二つのユニット６１および６２が一つのハ
ウジングに一休型に纏められた、ダブル・゛ノロー型構
造の多段相反圓転型ダブル・〇一タ・ターボ機械が、軸
方向の概略断面図の形で示されでいる。駆動用原動機６
３は回転型内部ハウジング６５を駆動する一方、駆動川
原！［６４の方は、その両面に翼列を備えている内部ロ
ータ６６を駆１２１　ケるようになっている。回転型の
ディフューザー６０は両方のユニット６１および６２に
対して共通になっていて、回転型内部ハウジング６５の
一部をなしている。

第７図は、第１段の翼の流入側端縁７１が搬送媒体の流
れの方向に対して傾斜しているような、一つの多段相反
回転型ダブル・ロータ・ターボ機械７の、回転する内部
ハウジング７２ならびに反対向きに回転する内部ロータ
７３の、概略縦断面図を示している。ロータ・ホィール
の二つの菌は二重にカーブした形に作られている。双方
の設引を適切に行うことによって、多相混合物を搬送す
るに際して、相混合物、例えば気体／液体、の均質な混
合を一層促進し改善するのに役立っている。

ｂ１後に第８図には、タンデム舅配列ないしは多重翼配
列の場合に、翼を〇一タ・ホイール上にどのように配列
することができるか、が概念的に示されている。三つの
翼群８１．８２および８３の中間に、この翼群８１．８
２および８３ほどは半径方向内側へ延びていない、三つ
の中間翼群８１１．８２１および８３１が設けられてい
る。翼群８１．８２．８３および中間翼群８１１．８２
１．８３１にはすべてオーバーフＯ−流路２が設けられ
ている。個々の覧片は断面が一種のエアフォイル形状に
なっている。このような設計を採用することによって、
多相搬送媒体の均質化が−・層改善される可能性がある
ので、まずは第１段に対して、しかしそれだけに限らず
、場合によっては第２段に対しても、この設計を採用し
た方がよいのである。

以上の幾つかの例で、環状室に回転型のディフユーザー
ないしは転向用案内格子が描かれていない場合でも、こ
れらを採用し得ることは当然である。翼保持川のロータ
・ホィールには、ｍＩＡを一列だけ設けることもできる
し、数列設けることもできる。翼列の数は、もっぱらダ
ブル・ロータ・コンブレッサーの段数によってのみ決ま
るのである。全く同様に、順次に配社されるユニットの
数も、ここに掲げた実施例に示されているそれと異なっ
たものとすることもできるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、互いに反対向きに回転するロータ・ホィール
、ならびに回転する内部ハウジングおよび回転型ディフ
ューザーを有する、本発明による一つの遠心型流体機械
を示しており、 第２図は、互いに反対向きに回転するロータ・ホィール
、ならびに回転型ディフューザーを有する、本発明によ
る一つの遠心型流体機械を示しており、 第３図は、本発朗による遠心型流体機械に用いられる環
状室、ならびに拡散川ないしは転向用の案内格子を示し
ており、 第４図は、三つのユニットからなっていて、第１のユニ
ットが多段相反回転型ダブルロータ・コンプレッサーと
して構成されており、続く二つのユニットが在来型の構
造になっているような、一つの遠心型流体機械を示して
おり、 第５図は、三つのユニットからなっていて、これら三つ
のユニットがすべて多段相反回転型ダブル・ロータ・コ
ンプレッサーとして構成ざれており、かつその際、最終
段が一つのタービン段となっているような、一つの遠心
型流体機械を示しており、 第６図は、ダブル・フロー型構造の多段相反［ｉ＋ｌ転
型ダブル・ロータ・コンプレッサーとして構成された一
つの遠心型流体機械を示しており、第７図は、ロータ・
ホィールの翼が二這にカーブしていると向時に、ロータ
・ホィールの流入側の端縁が傾斜しているような、本発
明による一つの遠心型流体機械に用いるための、一つの
多段相反回転型ダブル・ロータ・コンブレッサーを示し
ており、 第８図は、ロータ・ホィールの流入部における段の部分
に設番プられる、バイパス流路を有する翼１０．２０・
・・ハウジング １１．１２．２１．２２・・・ロータ・ホィール１１１
，１１２，１２１，１２２，２１１．２１２，２２２，
２２３・・・Ｉ！１列 １１０，１２０，２１０．２２０・・・響保持アイスク ２４・・・案内翼 １４０，２４０．３０・・・環状室 ５１１，５２１，５３１，６５， ジング ５４・・・タービン段 ５４１．５４２・・・タービン彎列 ６３．６４・・・駆動用原動機 ７１・・・流入側端縁 ８１．８２．８３・・・翼群 ７２・・・内部ハウ ８１　１　， ８ ２１ ８３１・・・中間翼群。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）相反回転型ロータ・ホィールを有する一つの遠心
   型流体機械であつて、 −該遠心型流体機械がラデイアル型ターボ機械として構
   成されていること、および −該相反回転型ロータ・ホィール（１１、１２）の翼列
   （１１１、１１２、１２１、１２２）が互いにはまり合
   つた形に配置されていることを特徴とする相反回転型ロ
   ータ・ホィール（１１、１２）を有する遠心型流体機械
   （１）。 （２）該遠心型流体機械がラデイアル・コンプレッサー
   として構成されていることを特徴とする、特許請求の範
   囲第１項に記載の遠心型流体機械（１）。 （３）互いに反対向きに回転する、少なくとも二つの翼
   列（１１１、１２１）が、搬送流体の流れ（矢印）の方
   向に沿つて順次配置されていること、を特徴とする、特
   許請求の範囲１項または第２項に記載の遠心型流体機械
   （１）。 （４）該相反回転型ロータ・ホィール（１１、１２）の
   内の少なくとも一つが、一つよりも多い翼列（１１１、
   １１２、１２１、１２２）を有することを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれか一つの
   項に記載の遠心型流体機械（１）。（５）該ラデイアル
   ・コンプレツサーの最終段の出口部に一つのディフュー
   ザー（１１１３）が設けられていることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか一つの
   項に記載の遠心型流体機械（１）。 （６）該ラデイアル・コンプレッサーの出口段（１２２
   ）が回転型ディフューザー（１１１３）として構成され
   ていることを特徴とする、特許請求の範囲第５項に記載
   の遠心型流体機械（１）。 （７）該ディフューザー（１１１３）が回転する内部ハ
   ウジング（１１、１１０、１３）の一部分をなしている
   ことを特徴する、特許請求の範囲第６項に記載の遠心型
   流体機械（１）。 （８）翼車の内の一つ（２１、２１０）の一部分がディ
   フューザー（２３）として構成されていることを特徴と
   する、特許請求の範囲第５項または第６項に記載の遠心
   型流体機械（２）。 （９）環状室（１４０）が、搬送流体に対する転向用−
   ないしは拡散用案内格子（１４）を有することを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項から第８項までのいずれか
   一つの項に記載の遠心型流体機械（１）。 （１０）第１番目の翼列の翼の流入側端縁（７１）が流
   れの方向に対して直角になつていないことを特徴とする
   、特許請求の範囲第１項から第９項までのいずれか一つ
   の項に記載の遠心型流体機械（１、７）。 （１１）少なくとも一つの翼列の翼が二重にカーブした
   形に作られていることを特徴とする、特許請求の範囲第
   １項から第１０項までのいずれか一つの項に記載の遠心
   型流体機械（１）。 （１２）少なくとも一つの前列の翼が単純にカーブした
   、円筒の形に作られていることを特徴とする、特許請求
   の範囲１項から第１０項までのいずれか一つの項に記載
   の遠心型流体機械（１）。 （１３）少なくとも一つの前列の翼が放射状に配置され
   ていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項から第
   １０項までのいずれか一つの項に記載の遠心型流体機械
   。 （１４）少なくとも一つの翼列、なかんずく主として第
   一の翼列（８）の翼がロータ・ホィールの入口部におい
   てオーバーフロー流路（■）を有することを特徴とする
   、特許請求の範囲第１項から第１０項までのいずれか一
   つの項に記載の遠心型流体機械。 （１５）ロータ・ホィールの入口部に中間翼（８１１、
   ８２１、８３１）が存在することを特徴とする、特許請
   求の範囲１項から第１４項までのいずれか一つの項に記
   載の遠心型流体機械。 （１６）両吸込み遠心型流体機械（７）として構成され
   ている、特許請求の範囲１項から第１５項までのいずれ
   か一つの項に記載の遠心型流体機械（７）。 （１７）特許請求の範囲１項から第１６項までのいずれ
   か一つの項に記載の遠心型流体機械（１）を多相流体ポ
   ンプとして使用する使用法。 （１８）一つの液体−気体混合物を取り扱うための多相
   流体ポンプとして使用する、特許請求の範囲第１７項に
   記載の遠心型流体機械（１）の使用法。 （１９）少なくとも一つの静止翼列と、ただ一つのロー
   タ・ホィールとを有する遠心型流体機械（１）を、多相
   流体ポンプとして使用する使用法。 （２０）液体−気体混合物を取り扱うための多相流体ポ
   ンプとして使用する、特許請求の範囲第９項による遠心
   型流体機械（１）の使用法。