JPH0615878B2 - 高速遠心圧縮機のディフューザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は遠心圧縮機のディフューザに係り、特に単段で
高い圧力比を得る高速遠心圧縮機に好適なディフューザ
に関する。

〔従来の技術〕

高速遠心圧縮機は一般に第１０図及び第１１図に示すよ
うな構造で、羽根車１の回転によって矢印２で示す方向
の気流を発生させる。単段で高い圧力比を得るように作
られた高速遠心圧縮機においては、羽根車１から流出す
る気流２の速度が音速を超えるので、羽根車１の下流側
に当る羽根車外周部に静止翼を備えたディフューザ３を
設けて、羽根車１から吐出される流体の速度エネルギー
を圧力エネルギーに変換するように作られている。

ディフューザ３を構成する静止翼４は、第１１図に示す
ように羽根車１の外周部に複数個放射状に設けられてお
り、これらの静止翼４の翼間にはディフューザ流路５が
形成されている。矢印６はこれらのディフューザ流路５
内の流れ方向を示している。

このような圧縮機においては、比較的高速回転で小流量
の条件では静止翼４の負圧面に剥離流れ領域が発生し、
充分な圧力上昇が得られなくなるサージ現象が発生する
という問題があった。この問題を解決し、高速小流量状
態でもサージング現象を起こしにくい高速遠心圧縮機の
ディフューザとしては、本願出願人により先に提案され
特開昭５７−１５９９９８号公報によって開示されたよ
うに、ディフューザの入口部に回動可能な補助翼を設け
て、ディフューザを流れる流体を制御する提案が知られ
ている。また特開昭５３−１１９４１１号公報によって
開示されたように、羽根付ディフューザを二重円形翼列
で構成し、内側の円形翼列の羽根の長さを羽根間隔の
０．９倍以下とする提案も知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら前者は、補助翼の前縁（内周端）が静止翼
の前縁より外周側にある構造であることから、補助翼あ
るいは静止翼の前縁で発生した衝撃波が隣接する補助翼
あるいは静止翼面上に到達するため、流れの剥離の発生
により小流量側の運転範囲が狭まるという問題があっ
た。また、静止翼間に形成されるディフューザ流路が補
助翼の下流直後において急激に拡大されるため、圧力損
失が発生してチヨーク流量が減少し、ディフューザの性
能が低下する問題があった。また後者は、チヨーク流量
減少の問題はないが、内側の円形翼列を構成する羽根入
口の流れが音速を超える場合、内側の円形翼列の羽根下
流に生ずる強い剪断流による損失発生により、ディフュ
ーザ性能が低下するという問題があった。更に、補助翼
が、静止翼の内周端を通過する円とＸ状に交叉していな
いため、補助翼と同補助翼に対面する静止翼の間の通路
が短くなり、超音速流を充分に減速できない。このた
め、補助翼下流で衝撃波が発生し、小流量側の作動範囲
が狭い、且つ損失が大きいという問題があった。

本願第１の発明の目的は、上記の問題を解決し、補助翼
の一方の翼面のみが静止翼に対面する構造にして、補助
翼あるいは静止翼の前縁で発生した衝撃波が隣接する補
助翼あるいは静止翼の面に到達しないようにし、更に、
補助翼が静止翼の内周端を通過する円とＸ状に交叉する
構造にして、すなわち該補助翼とこれと対面する静止翼
との間に形成される通路の長さが充分に長くなるように
して、この通路部分で超音速流を充分に減速できるよう
にし、以上の構成により、作動範囲が広く性能が高い高
速遠心圧縮機のディフューザを提供することにある。

本願第２の発明の目的は、前記第１の発明を適用する
と、静止翼の外周に近い側の流路を大きく形成すること
になり、その結果生ずる性能低下を中間翼を設けること
によって防止することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、羽根車
の外周に複数の静止翼を配設し、羽根車から吐出される
流体の運動エネルギーを静止翼の作用によって圧力エネ
ルギーに変換する形式の遠心圧縮機のディフューザにお
いて、前記複数の静止翼間の内周に近い側に、該静止翼
よりも弦長の短かい補助翼を設け、該補助翼の一方の翼
面のみを前記静止翼に対向させるとともに、該補助翼を
前記羽根車の回転軸中心を中心とし前記静止翼の内周端
を通過する円とＸ状に交叉する位置に配設したものであ
る。

また本願第２の発明は、羽根車の外周に複数の静止翼を
配設し、羽根車から吐出される流体の運動エネルギーを
静止翼の作用によって圧力エネルギーに変換する形式の
遠心圧縮機のディフューザにおいて、前記複数の静止翼
間の内周に近い側に、該静止翼よりも弦長の短かい補助
翼を設け、該補助翼の一方の翼面のみを前記静止翼に対
向させるとともに、該補助翼を前記羽根車の回転軸中心
を中心とし前記静止翼の内周端を通過する円とＸ状に交
叉する位置に配設し、かつ前記複数の静止翼間の外周に
近い側に、該静止翼よりも弦長の短い中間翼を設け、該
中間翼は、前記静止翼の外周端より隣接する静止翼の内
周側への延長線に下した垂線の中点を通過し、該中間翼
の外周端は前記静止翼の外周端を通過する円に達し、か
つ前記垂線の中点より内周側にある前記中間翼の長さは
該中間翼全長の２０％以下とし、該中間翼全体の形状は
仮想的に該中間翼を前記羽根車の回転軸中心を中心とし
て回転移動した場合に前記静止翼の内部に含まれること
を特徴とするものである。

〔作用〕

本願第１の発明によれば、補助翼の一方の翼面のみが静
止翼に対面する構造にしたので、補助翼あるいは静止翼
の前縁で発生した衝撃波は、隣接する補助翼あるいは静
止翼の面に到達しない。よって流れの剥離の発生により
小流量側の運転範囲が狭くなるという問題の発生を防ぐ
ことができる。

更に、補助翼が静止翼の内周端を通過する円とＸ状に交
叉する構造にしたので、該補助翼とこれと対面する静止
翼との間に形成される通路の長さが充分に長くなる。よ
って、この通路部分で超音速流を充分に減速できるの
で、補助翼下流で衝撃波が発生し、小流量側の作動範囲
が狭くなり、また損失が大きいという問題の発生を防ぐ
ことができる。

また内周側の補助翼はできる限り薄くすることが望まし
いが、強度上一定の厚さが必要となる。このため静止翼
の枚数を十分な流路断面積が確保できる程度とする必要
があるが、このようにすると静止翼の外周に近い側の流
路は静止翼の間隔が過大となり性能が低下するが、本願
第２の発明で、静止翼間の外周に近い側には中間翼が、
静止翼の外周端から隣接する静止翼の翼面に下した垂線
の中点を通過するように延在しているので、静止翼の外
周端付近は実質的に静止翼の間隔が適正な値となり性能
低下を防ぐことができる。

〔実施例〕

以下、本発明に係る高速遠心圧縮機のディフューザの一
実施例を図面を参照して説明する。尚、本願第１の発明
と第２の発明との差異は、第１の発明が第２の発明が有
する中間翼を有していない点である。すなわち、第２の
発明の構成要素から中間翼に相当する構成部分を除いた
ものが第１の発明の構成である。そこで説明の重複を避
けるため、以下の実施例の説明では、第２の発明の実施
例を中心に説明する。以下の実施例から中間翼部分を除
いたものが第１の発明の実施例ということになる。

第１及び第２図に本願第２の発明の一実施例を示す。図
において、第１０図及び第１１図に示す従来例と同一ま
たは同等部分には同一符号を付して示し、説明を省略す
る。本実施例の特徴はディフューザ３内に設けられた補
助翼７及び中間翼１２にある。補助翼７は第２図に示す
ように、羽根車１の回転軸８の中心を中心とし静止翼４
の内周端（前縁）を通過する円９とＸ状に交叉するよう
に配設されている。また隣接する静止翼４ａ及び４ｂの
うち曲率半径の中心側の静止翼４ｂの前縁から他方の静
止翼４ａに下した垂線を１０とするとき、前記補助翼７
はこの垂線１０と交叉しないように配設されている。中
間翼１２は静止翼４ａの後縁（外周端）から隣接する静
止翼４ｂに下した垂線１３の中点を通過し、中間翼１２
の後縁が、静止翼４の後縁を通過する円１４に達するよ
うに配設されている。また垂線１３の中点より内周側に
延在する中間翼１２の長さは該中間翼１２全長の２０％
以内とし、中間翼１２全体の形状は、仮想的に中間翼１
２を回転軸８の中心を中心として回転移動した場合に静
止翼４の内部に含まれている。さらに静止翼４、補助翼
７及び中間翼１２はそれぞれディフューザ３の対向する
壁１１によって両端が限定され、これらによって形成さ
れる空間でディフューザ通路５が形成されている。

次に本実施例の作用を説明する。羽根車１から流出する
気流２はディフューザ３内を通過する際に運動エネルギ
ーが圧力エネルギーに変換され圧縮される。高速遠心圧
縮機ではディフューザ３に流入する気流２は、流速が音
速を超えるので衝撃波が発生し、流速が亜音速に減速さ
れる。

第３図は気流２のマッハ数が１に近い（例えば１．１以
下）の場合に発生する衝撃波のうち流れに大きく影響す
る各翼４，７の前縁近くに生ずる強いものを示してい
る。圧縮機が圧縮する気体の流量によって気流２と静止
翼４との間の角度θは変化するが、強い衝撃波は翼の前
縁で発生するので第３図に示す状況は変りない。静止翼
４の前縁付近に生ずる衝撃波１５は、静止翼４の近くに
発生するのみであり、他の補助翼７または静止翼４に衝
突することはない。以下その理由を詳説する。静止翼４
ａの前縁に生ずる衝撃波１５ａは気流２のマッハ数が１
に近い場合は、静止翼４ａにほぼ垂直に延在するから補
助翼７、隣接する静止翼４ｂに衝突することがない。補
助翼７と静止翼４ａの負圧面１６とに挾まれた部分と、
その下流の１点鎖線１８と負圧面１６との間に挾まれた
部分は亜音速流１７が流れる。衝撃波は超音速流が亜音
速流に減速されるときに生ずるものであるから、静止翼
４ａに対向する静止翼４ｂの前縁に生ずる衝撃波１５ｂ
は、１点鎖線１８に達するのみで静止翼４ａの負圧面１
６には達しない。上記のように補助翼７を設けることに
より衝撃波が負圧面１６に達することを防ぐことがで
き、サージング現象を起しにくくして作動範囲を拡大す
ることができる。この理由をさらに以下で説明する。

一般に羽根付ディフューザ内を流れる気流は、圧縮機の
流量を減少させてゆくと流れの方向に対向する圧力が上
昇し、ある限界を超えると逆流を生じて正常な圧縮作用
をなさなくなり、いわゆるサージング現象を起して圧縮
機の正常な運転ができなくなる。ディフューザが逆流を
起す限界は静止翼の形状などによって異るが、気流が静
止翼の表面または静止翼の両側を挾む壁面から剥離する
ことによって逆流が発生しやすくなり、通常静止翼の負
圧面からの剥離が主な原因である。このとき衝撃波が負
圧面に達していると、衝撃波前後の強い圧力上昇のため
負圧面に沿う境界層は急速に厚くなるか、部分剥離を生
ずるか、場合によっては大規模な剥離が発生することが
ある。従って衝撃波が負圧面に到達しないようにすれ
ば、負圧面における気流層の剥離をほぼ防止することが
でき、逆流を起す限界を小流量側に移すことができる。
すなわちディフューザに起因するサージング現象の発生
を抑制することができる。

気流の大流量側の限界はディフューザ内の流路の最小断
面積で決る。従って第３図についていえば静止翼４ｂの
前縁から静止翼４ｂの負圧面１６へ下した垂線１０の長
さによって決る。このとき補助翼７はこの垂線１０と交
叉しておらず、垂線１０を短くしていないので大流量側
の限界に影響を及ぼすことはない。上記のように補助翼
７により大流量側の限界を小さくすることなく、小流量
側の限界をより小流量側へ移動させることができる。

上述した補助翼７による流量範囲拡大効果は、補助翼７
が以下の条件を満たす場合に効果が大きく、かつディフ
ューザの性能低下をもたらさない。

第１の条件は補助翼７の後縁が垂線１０より上流に位置
していることである。補助翼７が垂線１０と交叉してい
ると、前述したように最大流量が減ずるのみでなく、流
路断面積の急拡大による圧力損失が発生する。すなわち
垂線１０より下流の流路は静止翼４ａ，４ｂにより両側
を挾まれており、補助翼７の後縁が垂線１０より下流に
あると後縁の厚さｈだけ流路幅が急拡大するからであ
る。一方補助翼７の後縁と垂線１０との間の距離ｐの間
においては、補助翼７と静止翼４ａに挾まれて亜音速に
減速された気流１７と、衝撃波１５ｂの上流側の超音速
流１９とが接触混合するため、大きな圧力損失が発生す
る。従って距離ｐは十分小さいことが必要で、例えば静
止翼４ａの前縁と垂線１０との間の距離ｍの５０％以下
にする必要がある。

第２の条件は補助翼７と静止翼４ａの出口側の距離ｒと
入口側の距離ｑの比ｒ／ｑが１に近い値、例えば１〜
１．１とすることである。ｒ／ｑが、この値の範囲をは
ずれると補助翼７の翼面から流れが剥離して補助翼７の
下流側への損失が増加するからである。

第３の条件は補助翼７と静止翼４ａとが対向して重なっ
ている部分の長さｎと、静止翼４ａの前縁と補助翼７の
表面の間の距離ｑとの比ｎ／ｑを、気流１７を確実に亜
音速流にするために１より大きくすることである。

本実施例によれば、対向する静止翼４ａ，４ｂ間で流れ
を強く拘束する領域には補助翼７は侵入していないの
で、補助翼７の下流直後における流路断面積の急拡大と
チヨーク流量の減少は生じない。また補助翼７の一方の
面のみが静止翼４ａに対向しているので、静止翼４ａ，
４ｂが対向している領域と補助翼７の後縁との間の距離
が短く、強い剪断流が発生する区間が短く、圧力損失の
発生が少ない。補助翼７の後縁は静止翼４ａの前縁と静
止翼４ｂの前縁との間に位置するので、衝撃波が静止翼
４ａの表面に到達することがなく、気流１７が静止翼４
ａの表面から剥離しにくくなり、ディフューザ３が正常
に作動して流量範囲を拡大することができる。

第４図はディフューザに流入する気流２のマッハ数が、
たとえば１．１を超える場合に好適な実施例で補助翼７
の前縁が静止翼４ａの前縁より上流側になるように配置
したものである。気流２のマッハ数が大きくなると衝撃
波１５，２０は湾曲する。このため衝撃波１５ａが補助
翼７の表面に衝突するのを防ぐため補助翼７の前縁に衝
撃波２０を発生させて補助翼７と静止翼４ａの間の通路
２１の流れを亜音速流としたものである。

補助翼７は空力的にはできる限り薄くするのが望ましい
が、強度・構造上必要な厚さにしなければならない。す
なわち厚みに見合った長さ（例えば厚みの５〜１０倍）
が必要となるが、このとき前記の静止翼４と補助翼７の
関係を満足するように静止翼の数を選ぶ必要があり通常
補助翼７を設けない場合に比べ２０％以上少くしなけれ
ばならない。このように静止翼４の枚数を少くすると外
周近くでは静止翼４の間隔が過大となり流れが静止翼４
の翼面に沿って流れなくなるため性能が低下する。

第５図および第６図は、第２の発明の必須構成要素であ
る中間翼１２の作用を説明する図である。第５図は中間
翼１２を持たない場合で静止翼４ａの後縁近くの負圧面
２１では流れが翼面に沿わず大規模な剥離域２２が生ず
る（この状態が第１の発明である）。大規模な剥離域の
発生は、流れの実質的な断面積が減少することによりデ
ィフューザの減速が減少するとともに剥離域内での運動
エネルギの拡散の発生によりディフューザ性能が低下す
る。この大規模な剥離は後縁近くの負圧面２１での負荷
（減速）を低減することにより防止できる。以下その様
子を第６図により説明する。

静止翼４ａの負圧面２１の後縁付近の減速量は、一次元
流理論を用いると静止翼４ａの後縁２３と静止翼４ｂの
後縁２４の間の円周距離ｈと静止翼の出口角βの正弦の
積と静止翼４ａの後縁２３から隣接する静止翼４ｂに下
した垂線の長さｆを用いてhsinβ／f-1で表わされる。
この値が大きい程減速負荷が大きいこととなる。hsinβ
／f-1の値は静止翼の形状、数によって定まり、翼数が
大きい程大きくなる。第１表に１例を示す。中間翼１２
を設けると同じ考え方から静止翼４ａの後縁負圧面近く
の減速量gsinβ／e-1で表わされる。第１表に中間翼を
設けた場合の減速負荷も合わせて示す。第１表に示すよ
うに中間翼１２により静止翼の枚数が１７の場合でも２
３％の減速が１９％の減速となり減速量が２０％低減で
き負圧面後縁付近の大規模な剥離を抑制することができ
る。

上記のような効果で中間翼１２は静止翼４ａの後縁近く
の大規模な剥離を防止するのであるから中間翼１２は静
止翼の後縁近くの流れを確実に拘束するため静止翼４ａ
の後縁２３から隣接する静止翼４ｂに下した垂線と交差
し、後縁２５は円１４に達するようにする。中間翼の翼
長が過大であると流れに接触する面積が増加するので前
記垂線より内周側の中間翼長さｉは中間翼全長の２０％
以内とする。同垂線より上流の流れは比較的に偏りが少
いので中間翼１２は垂線の中点を通過するようにして流
れを等分して、ディフューザ出口の流れの均一化を図
り、流れの不均一による付加的な損失の発生を防ぐ。ま
た中間翼１２の全体の形状は仮想的に中間翼１２を回転
軸８の中心を中心として回転移動した場合に静止翼４の
内部に含まれる形状であるので流れが滑らかに通過でき
るので損失の発生が少い。

第７図は静止翼４の弦長が短く静止翼４ａの後縁より隣
接する静止翼４ｂに垂線が下せない場合の実施例で、こ
の場合は静止翼４ｂの前縁における平均厚さ線の延長線
２６に下した垂線２７を用いる。延長線２６は直線でも
良いが静止翼４ｂの前縁を通り入口角ηを成す対数累線
でも同様の効果が得られる。

第８図に本願第１発明及び第２発明の他の実施例を示
す。本実施例は補助翼７を羽根車１の回転軸８に平行な
支軸２８によって角度δだけ回動可動に支承したもので
ある。そして大流量運転時には静止翼４ｂの前縁から補
助翼７に下した垂線２７の長さを長くし、小流量運転時
には垂線２７の長さを短くして、絞り効果によって流量
範囲をさらに拡大しようとするものである。本実施例に
おいて、補助翼７の支軸２８を人為的操作で回動できる
ようにしてもよく、または本実施例に係る遠心圧縮機を
装備した機器の制御装置と連動させて、支軸２８を自動
的に操するようにしてもよい。本実施例によれば、前記
操作によって流量範囲を拡大することができ、実用的効
果をさらに高めることができる。

第９図は本願第２発明の別の実施例を示す。本実施例で
は中間翼１２を羽根車１の回転軸８に平行な支軸３０に
よって角度γだけ回転可動に支承したものである。中間
翼１２の前縁から隣接する静止翼４ａに下した垂線２８
の長さと中間翼１２の後縁から隣接する静止翼４ｂに下
した垂線２９の長さの和を大量流時には長く、小流量時
には短くして第８図の実施例と同様に絞り効果によって
流量範囲の拡大を図ったもので、補助翼７の回転可動制
御と組合わせると一層効果的である。

〔発明の効果〕

上述したように本願第１発明によれば、高速遠心圧縮機
の羽根車から流出する空気流の速度エネルギーを圧力エ
ネルギーに変換する複数個の静止翼を備えたディフュー
ザに、一方の翼面のみが前記静止翼に対向し、静止翼前
縁を通過する円と交又する位置に補助翼を設けるので、
ディフューザの作動流量範囲を性能を低下させることな
く拡大することができ、高速遠心圧縮機の運転流量範囲
を大幅に拡大できる。

また、本願第２発明によれば、静止翼後縁から隣接した
静止翼へ下した垂線の中点を通り静止翼後縁を通過する
円に達する中間翼を設けたので、静止翼の外周に近い側
の流路を大きく形成することに起因する性能低下を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第２発明に係る高速遠心圧縮機のディフュ
ーザの一実施例を示す縦断面図であり、この実施例から
中間翼部分を除いたものが本願第１の発明の実施例であ
り、第２図は第１図のＡ−Ａ矢視図、第３図から第６図
はそれぞれ本実施例の作用を示す線図、第７図から第９
図は本発明の他の実施例を示す要部拡大図、第１０図は
従来の高速遠心圧縮機を示す縦断面図、第１１図は第１
０図のＢ−Ｂ矢視図である。 １……羽根車、３……ディフューザ、 ４……静止翼、７……補助翼、 ８……回転軸、９……円、 １２……中間翼、１６……垂線。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】羽根車の外周に複数の静止翼を配設し、羽
   根車から吐出される流体の運動エネルギーを静止翼の作
   用によって圧力エネルギーに変換する形式の遠心圧縮機
   のディフューザにおいて、前記複数個の静止翼間の内周
   に近い側に、該静止翼よりも弦長の短かい補助翼を設
   け、該補助翼の一方の翼面のみを前記静止翼に対向させ
   るとともに、該補助翼を前記羽根車の回転軸中心を中心
   とし前記静止翼の内周端を通過する円とＸ状に交叉する
   位置に配設したことを特徴とする高速遠心圧縮機のディ
   フューザ。
2. 【請求項２】前記補助翼を、該補助翼と対向する静止翼
   の内周端における該静止翼に対し直角方向の垂線と交叉
   する位置に配設したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の高速遠心圧縮機のディフューザ。
3. 【請求項３】前記補助翼を、羽根車の回転軸と平行な支
   軸により回動可能に支承したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の高速遠心圧縮機のディ
   フューザ。
4. 【請求項４】前記補助翼の内周端および外周端から該補
   助翼と対向する静止翼までの距離が異なっていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高速遠心圧縮機
   のディフューザ。
5. 【請求項５】羽根車の外周に複数の静止翼を配設し、羽
   根車から吐出される流体の運動エネルギーを静止翼の作
   用によって圧力エネルギーに変換する形式の遠心圧縮機
   のディフューザにおいて、前記複数個の静止翼間の内周
   に近い側に、該静止翼よりも弦長の短かい補助翼を設
   け、該補助翼の一方の翼面のみを前記静止翼に対向させ
   るとともに、該補助翼を前記羽根車の回転軸中心を中心
   とし前記静止翼の内周端を通過する円とＸ状に交叉する
   位置に配設し、かつ前記複数の静止翼間の外周に近い側
   に、該静止翼より弦長の短い中間翼を設け、該中間翼
   は、前記静止翼の外周端より隣接する静止翼の内周側へ
   の延長線に下した垂線の中点を通過し、該中間翼の外周
   端は前記静止翼の外周端を通過する円に達し、かつ前記
   垂線の中点より内側にある前記中間翼の長さは該中間翼
   全長の２０％以下とし、該中間翼全体の形状は仮想的に
   該中間翼を前記羽根車の回転軸中心を中心として回転移
   動した場合に前記静止翼の内部に含まれることを特徴と
   する高速遠心圧縮機のディフューザ。
6. 【請求項６】前記中間翼を、羽根車の回転軸と平行な支
   軸により回動可能に支承したことを特徴とする特許請求
   の範囲第５項記載の高速遠心圧縮機のディフューザ。
7. 【請求項７】前記中間翼の内周端および外周端から該中
   間翼と対向する静止翼まで距離が異なっていることを特
   徴とする特許請求の範囲第５項記載の高速遠心圧縮機の
   ディフューザ。