JPH057999U - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ディフューザ通路のインペラ出口部に可動の
スリーブリングを設けてディフューブ通路の形状を変化
させ、流体の流れ方向を変化させることによって遠心圧
縮機のサージ発生を防止し、安全な運転領域を拡大させ
ることである。 【構成】 ディフューザ通路のインペラの出口部に可動
のスリーブリング４１が設けられており、このスリーブ
リング４１は従来技術による可動壁部材に比べて小さい
ため、スリーブリングより下流側の固定ベーンが配置さ
れたディフューザ通路の部分に比べて充分短い通路部分
に配置することができ、従来技術の可変幅ディフューザ
を使用する圧縮機に比べて簡単な構造とすることができ
る。

Description

【考案の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】 本考案は、ターボ機械に係り、更に詳細にはターボ機械に使用されるディフュ ーザ構造体に係る。 【０００２】 【従来の技術】 ガス圧縮機の如き遠心ターボ機械に於ては、インペラより高速度にて流出する 流動媒体の運動エネルギが圧力エネルギに変換され、圧縮機の効率及び安定性は 運動エネルギを静圧に変換する手段に依存している。圧縮負荷が広範囲に亙り変 化する冷凍システムに於て一定の速度にて作動する遠心ガス圧縮機を使用する場 合に生じる主要な問題の一つは、圧縮機を流れる流体の流れの安定性の問題であ る。圧縮機の入口、インペラ、及びディフューザ通路は所望の最大体積流量を達 成し得るような大きさに設定されければならない。しかしディフューザののど面 積が一定に維持された状態で、ターボ機械に対する容量制御がターボ機械の入口 に配置された一連の調節可能なガイドベーンの位置を変化させることにより達成 される場合には、インペラへ供給される冷媒の質量流量がターボ機械に課せられ る変化する要求負荷に適合するよう変化される。 【０００３】 しかし最大流量に於ては、インペラより流出する冷媒は固定されたディフュー ザが処理し得る流量以上であり、従って冷媒の流れはディフューザののど部に於 てチョークされた状態になる。かかる圧縮機を流れる流体の体積流量が小さい場 合には、ディフューザは大きすぎて、流体の流れが不安定になる。流体の体積流 量が安定な範囲より低減されると、流体の流れは僅かに不安定な流れの範囲に進 入する。この僅かに不安定な範囲に於ては、インペラ及びディフューザ内の流体 の流れは流れ通路の全長に亙り流路壁より剥離した状態になり、ディフューザ通 路内に部分的な逆流が生じ、これにより騒音が発生し、また圧縮機の効率が低下 される。この僅かに不安定な範囲よりも流量が小さい範囲に於ては、圧縮機は所 謂サージの領域に進入し、ディフューザ通路内に流体全体の逆流が生じ、ターボ 機械の効率が大きく低下される。 【０００４】 多くの高性能の遠心圧縮段に於ては、運動エネルギの変換を達成するために固 定ベーン型ディフューザセクションが使用されている。何故ならば、固定ベーン 型ディフューザはベーンレスディフューザよりも設計入射角に於ける効率が高い からである。流量の下限値は、インペラよりの流体の流れが流量が減少するにつ れて接線方向成分がより大きくなるとき生じるサージ、即ち失速条件の開始に対 応している。かかる流れ態様により、固定されたディフューザベーンのリーディ ングエッジに対する流体の流れ角度が大きくなり、流体の流れが著しく不安定に なる。 【０００５】 流量の上限値は、流量が増大するにつれてインペラよりの流体の流れの半径方 向成分がより大きくなり、遂にはディフューザののど部がチョークされて運動エ ネルギの非常に大きい損失が生じることによって生じるチョーク条件に対応して いる。ベーンレスディフューザは入射損失を受けないためベーンディフューザよ りも良好な設計外性能を有しているので、ベーンレスディフューザは設計外作動 の範囲がかなり広い場合に選定されることが多い。 【０００６】 圧縮機のサージ限界とチョーク限界との間の範囲を増大させるために従来より 種々の方法が採用されている。流入するガスの流れ方向及び量を変化させるため に、圧縮機の入口には従来よりガイドベーンが使用されている。また流体の流量 の変化によって変化する流れ方向とベーンを整合させ得るよう、従来より可動の ディフューザベーンが使用されている。 【０００７】 流量を変化させ得るようインペラの速度を変化させるよう構成された可変速度 圧縮機が従来より使用されており、或る程度の成功を収めている。しかしかかる 可変速度圧縮機は非常に複雑であり、従って製造したり作動させたりすることが 高価である。従ってかかる可変速度圧縮機は当技術分野に於ては、特に冷凍の工 業界に於ては広くは受入れられていない。 【０００８】 遠心圧縮機の効率及び運転範囲を改善することに関するより一層有効な方法は 、可変幅ベーン式ディフューザを使用する方法である。この方法に於ては、ディ フューザは可動壁を含み、該可動壁はそれと固定壁との間に於ける冷媒の流れを 制御すべく固定壁に対し選択的に位置決めされ得るようになっている。可動壁の 制御に於ては、ディフューザの可動壁の位置を変化させてサージを防止しつつ圧 縮機を流れる質量流量を制御する従来の要領にて、圧縮機の入口ガイドベーンが 使用される。可動壁を有するベーン式ディフューザの外面は負荷条件に拘らず最 適の入射角を維持するために使用される。可動壁を内方へ移動させ、これにより ディフューザの幅を低減することによって流体の流れを絞ることにより、流体の 流れ方向がより一層半径方向になる。何故ならば、ディフューザ幅の低減によっ て半径方向の速度成分が増大される（質量の保存）が、接線方向の速度成分は影 響を受けない（角方向の運動量の保存）からである。 【０００９】 【考案が解決しようとする課題】 本考案が解決しようとする課題の一つは、固定ベーン式ディフューザを有する 遠心圧縮機に於て圧縮機を流れる流体流量が小さい時にもサージが起きることな く安定に運転されるように圧縮機の安定な作動範囲を拡げ、広範囲に亙って運転 を最適化し遠心圧縮機の効率を高めるための構造が簡単な手段を提供することで ある。 【００１０】 本考案が解決しようとする課題の他の一つは、可変幅ディフューザ構造体に於 ける問題即ち固定ベーンとかかる固定ベーンと係合する可動壁との間の間隙及び 可動壁と可動壁が配置された溝との間の間隙を経て流体が漏洩すること、また可 動壁が固定ベーンに接触し又は衝突すること、を回避するように構成された遠心 圧縮機を提供することである。 【００１１】 【課題を解決するための手段】 本考案によると、ディフューザ通路は固定ベーンが設けられている第一の部分 と該第一の部分より流れの方向上流側に配置され固定ベーンが設けられていない 第二の部分とを有し、第二の部分は第一の部分より通路方向長さが実質的に小さ く、かかる第二の部分に軸線方向に運動可能なスリーブリングが配置されている 。スリーブリングはディフューザ通路の固定ベーンより隔置され且インペラの出 口側に設けられており、従ってスリーブリングがその軸線方向に移動するとき、 スリーブリングが固定ベーン又はインペラ端部に接触又は衝突することがない。 かかるスリーブリングは、軸線方向に移動することによってインペラの出口側で あってディフューザ通路のうち固定ベーンが配置されていない第二の部分の通路 形状を変化させ、インペラの出口より流れ出た流体は、その質量流量と共に流れ 方向が変化する。流量が変化しても流体の流れ方向がディフューザベーン内の流 れ方向に整合せしめられるためサージ条件が回避される。 【００１２】 【実施例】 図１に於て、遠心式蒸気圧縮冷凍システム３１が図示されており、該システム はそれを作動させるための制御装置３３を有している。図１に示されている如く 、冷凍システム３１は圧縮機３２と、コンデンサ３４と、エバポレータ３５と、 膨張装置３６とを含んでいる。作動に於ては、圧縮されたガス状冷媒が圧縮機３ ２より吐出導管３７を経てコンデンサ３４へ吐出され、該コンデンサ内に於てガ ス状冷媒がコンデンサ３４内のチューブ３８を流れる比較的低温の凝縮用の水に より凝縮される。凝縮された液体冷媒はコンデンサより冷媒導管３９及び膨張装 置３６を経てエバポレータ３５へ流れる。エバポレータ３５内の液体冷媒は蒸発 されて、エバポレータ３５内のチューブ１０を流れる水の如き熱伝達流体を冷却 する。この冷却された熱伝達流体は建物を冷房するために使用され、或いはこれ と同様の他の目的で使用される。エバポレータ３５よりのガス状冷媒は、圧縮機 の入口ガイドベーン１２の制御下にて圧縮機の吸入導管１１を経て圧縮機３２へ 戻る。圧縮機３２へ流入したガス状冷媒は、圧縮機３２より出口渦巻き通路４７ を経て吐出され、圧縮機の吐出導管３７を経て圧縮機より流出することにより冷 凍サイクルを完了する。この冷凍サイクルは冷凍システム３１の通常の運転中に は連続的に繰返される。 【００１３】 また図１に示されている如く、冷凍システム１の遠心圧縮機３２は、制御装置 ３３の制御下にある電気モータ２５を含んでいる。また圧縮機の入口ガイドベー ン１２は制御装置３３により制御されるガイドベーンアクチュエータ１４により 開閉されるようになっている。更に制御弁５０、５１及びアクチュエータ５３に より制御される可動のスリーブリング４１及び４２が設けられている。制御装置 ３３は圧縮機モータスタータ２２と、システムインタフェースボード１６とプロ セッサボード１７とを含んでいる。またチューブ１０を経てエバポレータ３５よ り流出する熱伝達流体の温度を検出する温度センサ１３が、導線２０により直接 プロセッサボード１７に接続されている。温度センサ１３はエバポレータ３５よ り流出する熱伝達流体内に配置された検出部を有し、その抵抗値がプロセッサボ ード１７によりモニタされるサーミスタの如き温度応答抵抗器装置であることが 好ましい。勿論本考案が関連する技術分野の当業者には容易に理解され得る如く 、温度センサ１３はエバポレータ３５より流出する熱伝達流体の温度を示す信号 を発生し該信号をプロセッサボード１７へ出力するに適した種々の温度センサの 何れであってもよい。 【００１４】 プロセッサボード１７は、複数の入力信号を受け、受けた入力信号を予めプロ グラムされた手続に従って処理し、その処理された入力信号に応答して所望の出 力制御信号を発生する任意の装置又は装置の組合せであってよい。例えばプロセ ッサボード１７はアメリカ合衆国カリフォルニア州、サンタ・クララ所在のイン テル・コーポレイション（Intel Corporation ）より販売されているモデル８０ ３１マイクロコンピュータの如きマイクロコンピュータを含んでいてよい。 【００１５】 システムインタフェースボード１６は、電源（図示せず）よりシステムインタ フェースボード１６を経てガイドベーンアクチュエータ１４、制御弁アクチュエ ータ５３、圧縮機３２を駆動するモータ２５へ供給される電流を制御する複数個 のスイッチ装置を含んでいる。各スイッチ装置はアメリカ合衆国ニューヨーク州 、オーバーン所在のゼネラル・エレクトリック・カンパニー（General Electric Company）より販売されているモデルＳＣ−１４０トライアックであってよい。 当業者には容易に理解され得る如く、スイッチ装置としてトライアックスイッチ 以外の他のスイッチが使用されてもよい。 【００１６】 システムインタフェースボード１６上のスイッチ装置は、プロセッサボード１ ７よりスイッチ装置へ供給される制御信号に応答して制御される。かくしてガイ ドベーンアクチュエータ１４、制御弁５０及び５１を作動させる制御弁アクチュ エータ５３、圧縮機３２を駆動するモータ２５はプロセッサボード１７により制 御される。 【００１７】 ガイドベーンアクチュエータ１４及び制御弁アクチュエータ５３は、それぞれ 導線２１又は２３を経て供給される電気信号に応答して、ガイドベーン１２を全 開位置又は全閉位置へ向けて駆動し、又は制御弁５０及び５１を開閉するに適し た任意の装置であってよい。例えばガイドベーンアクチュエータ１４及び制御弁 アクチュエータ５３は、システムインタフェースボード１６上の二つのスイッチ 装置の何れがプロセッサボード１７よりスイッチ装置へ供給される制御信号に応 答して作動させるかに応じてガイドベーン１２及び制御弁５０、５１を全開位置 又は全閉位置へ駆動するアメリカ合衆国イリノイ州、ロックフォード所在のバー バー・コールマン・カンパニー（Barber-Coleman Company）より販売されている モデルＭＣ−３５１モータの如き電気モータであってよい。 【００１８】 ガイドベーンアクチュエータ１４及び制御弁アクチュエータ５３は、冷凍シス テム３１に課せられる負荷に適合するよう冷凍システムの容量を制御し、またデ ィフューザ入口のベーンに於ける流体の流れ角度をベーンの角度に適合させるよ う設計された種々の制御方法の任意の何れかに従って、ガイドベーン１２及び制 御弁５０、５１を全開位置又は全閉位置へ駆動するよう制御されてよい。弁５０ 及び５１は検出手段５５により検出されたガイドベーン１２の位置に応答して作 動される。検出手段５５は圧縮機３２を流れる流体が絞られたことを示す所定の 位置へガイドベーン１２が運動することに応答してガイドベーンにより駆動され るリミットスイッチや制御リンク機構であってよい。圧縮機モータスタータ２２ はモータ２５を始動して回転させるべく電源２３より圧縮機３２の電気モータ２ ５へ電力を供給する装置であってよい。例えば圧縮機モータスタータ２２は従来 のワイ−デルタ（Ｙ−Δ）コンタクタ型モータスタータであってよい。勿論当業 者には容易に理解され得る如く、圧縮機モータスタータ２２はモータ２５を始動 させて回転させるべく電源２３より電気モータ２５へ電力を供給する種々の装置 の任意の何れかであってよい。 【００１９】 制御弁５０、５１及びアクチュエータ５３は固定されたガイドベーン４８を収 容するディフューザ通路４６内にて可動のスリーブリング４１及び４２を軸線方 向に駆動するに適した任意の装置であってよい。 【００２０】 本考案によれば、図２に示されている如く、可動のスリーブリング４１はリセ ス２８及びディフューザ通路１６´内に於て開位置と最大絞り位置との間に運動 するよう支持されている。最大絞り位置に於ては、可動のスリーブリング４１は ディフューザ通路１６´を流れる蒸気の流れを絞り、開位置に於ては、スリーブ リングは蒸気が絞られることなくディフューザ通路を流れることを許す。スリー ブリング４１とピストン６３との間には、スリーブリング４１を全開位置へ向け て付勢する付勢手段１９が設けられている。付勢手段１９はリセス２８内に配置 されたばねの如き弾性手段を含んでいることが好ましい。ケーシング６７上に装 着された制御弁５１は、スリーブリング４１を最大絞り位置へ向けて駆動すべく 、付勢手段１９の付勢力とは反対方向にピストン６３に対し圧力を与える。より 詳細には、スリーブリング４１が図２で見て左方より右方へ前進移動する際には 、該スリーブリングはアクチュエータ５３により開閉される制御弁５１により制 御される導管６５内の流体圧によって制御される。スリーブリング４１は流れ損 失を低減し、また全負荷時に於ける圧縮機の効率を向上させるべく、固定ガイド ベーン４８に近接して配置されている。 【００２１】 【考案の効果】 スリーブリング４１が前進運動することによって、ディフューザ通路のうちス リーブリングが設けられた通路部分の形状が変化し、流体の質量流量と流れ方向 が変化する。流体の流れ方向が固定ベーンの流れ方向に整合するよう変化し、こ れによって流量減少によるサージ条件即ち固定ベーンに対する流れの入射方向が 大きく偏倚することが防止される。 【００２２】 本考案によるスリーブリング４１はインペラ１８の出口側であって、ディフュ ーザ通路の通路方向の小さな領域に配置され、従って従来の可変幅ディフューザ に比べて構造が簡単で且製造が容易であるという利点を有する。またリング４１ は、ディフューザ通路のうち固定ガイドベーン４８が配置されていない部分であ ってインペラの出口側に設けられるため、リング４１を軸線方向に移動させる時 、リング４１が固定ガイドベーン４８に衝突したりまたインペラ１８の先端部に 衝突するという危険が回避される。 【００２３】 以上に於ては本考案を特定の実施例について詳細に説明したが、本考案はかか る実施例に限定されるものではなく、本考案の範囲内にて他の種々の実施例が可 能であることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】 【図１】本考案による可動のリングが組込まれた遠心圧
縮機を含む冷凍システムを示す概略構成図である。 【図２】スリーブリングを開位置にて示す図１に示され
た遠心圧縮機の要部を示す拡大部分断面図である。 【符号の説明】 １０ チューブ １１ 吸入導管 １２ 入口ガイドベーン １３ 温度センサ １４ ガイドベーンアクチュエータ １６ システムインタフェースボード １６´ ディフューザ通路 １７ プロセッサボード １８ インペラ １９ 付勢手段 ２０ 導線 ２１ 導線 ２２ 圧縮機モータスタータ ２３ 電源 ２５ 電気モータ ２８ リセス ３１ 冷凍システム ３２ 圧縮機 ３３ 制御装置 ３４ コンデンサ ３５ エバポレータ ３６ 膨張装置 ３７ 吐出導管 ３８ チューブ ３９ 冷媒導管 ４１ スリーブリング ４２ スリーブリング ４６ ディフューザ通路 ４７ 出口渦巻き通路 ４８ 固定ガイドベーン ５０ 制御弁 ５１ 制御弁 ５３ 制御弁アクチュエータ ５５ 検出手段 ６３ ピストン ６５ 導管 ６７ ケーシング

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 作動流体を入口から環状のディフューザ通路を通って出
   口渦巻き通路へ移動させるためにケーシング内に回転可
   能に装着されたインペラを含む遠心圧縮機にして、 前記環状のディフューザ通路の第一の部分を郭定する固
   定壁と、 前記環状のディフューザ通路の第一の部分に配置され前
   記固定壁に取付けられた複数の固定ベーンと、 前記複数の固定ベーンの上流側であって前記環状のディ
   フューザ通路の第二の部分にて前記固定ベーンより隔置
   されて配置された可動リング装置と、 を含み、前記環状のディフューザ通路の第二の部分は前
   記環状のディフューザ通路の第一の部分よりその通路方
   向長さが実質的に小さく、前記可動リング装置は前記デ
   ィフューザ通路を流れる流体の流量及び流れ方向を変化
   させるために前記固定壁方向に運動することができるよ
   うに装着されており、これによって前記環状のディフュ
   ーザ通路を通って流れる流体を全開流れから全絞り流れ
   まで絞ることができるように構成されていることを特徴
   とする遠心圧縮機。