JPS58135400A - 蒸発可能液体噴射式遠心圧縮機 - 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】 （技術分野） 本発明は遠心式ガス圧縮樟の効力を高める装置に関し、
特に、水のよう々蒸発可能々液体を遠心式多段圧縮機の
ガス流内に直接噴射（１ｎｊｅｃｔｉｏｎ）するだめの
アセンブリに関ｆる。

（背景技術） 遠心式ガス圧縮機はジェットエンジンや熱ポンプのよう
な多種多様な用途に長年用いられてきた。　遠心式ガス
圧縮機に関する従来の諸開発は、乾式圧縮に対比される
湿式圧縮、す々わち、噴射されだ液体の蒸発を含む圧縮
を達成するために蒸発可能な液体を圧縮機のガス流中に
噴射することが特に有利であることを示している。　こ
れは、圧縮機内に噴射された液体の蒸発により液体噴射
点の１上流」の圧縮段の入口温度が下げられ、圧縮機に
供給する動力をほとんどあるいは１つたく増加しなくて
も、圧縮比すなわち流出ガス圧力対流入ガス圧力の比が
かなり高くなるからである。

まだ、水を直接噴射することによって圧縮機の作動温度
を効果的に下げることができ、従って、高価な外部中間
冷却器が必要でなくなる。

蒸発可能な液体を遠心圧縮機のカス流内に直接噴射する
ことによって得られる利益は広く認識されているが、湿
式圧縮をなすだめの装置および技術として当業者に知ら
れているものは幾つかの明白な欠点をもつ。　このよう
な従来技術の一例が米国特許第、２７とご乙２乙号に記
載されている。この特許には、蒸発可能な液体が圧縮機
入口内に噴射されかつまた初めの数圧縮段の各段の渡Ｉ
）（ｃｒｏｓｓ　−ｏｖｅｒ）流路内に噴射されるよう
な多段圧縮機におけるガスの圧縮方式を開示している。

　上記渡り流路内に噴射される液体は、圧縮機のガス流
の上流に向けられた液体噴射口を通って噴射される。　
なお液体噴射口は７段につき７個だけ設けられている。

上記特許の圧縮機では、圧縮機ガス流に噴射された液体
の蒸発の程度はかなシ限られている。

これは、液体が圧縮機の低速域内に噴射され、従って、
液体の微粒化または霧化が達成され々いからである。　
これは圧縮機入口に噴射される液体について特にそうで
ある。　高度の蒸発を達成するには非常に小さな液滴が
必要である。　なぜなら、このような液滴の表面積は液
滴の体積に対ｌ〜で大きく、従って、液滴はただちに熱
を吸収して蒸発しうるからである。　前記特許の圧縮機
における噴射液体の限られた蒸発の結果、その圧縮機に
供給される動力の低減も限られる。　ｉ！だ、限られた
蒸発の結果、大きな液滴が羽根車のよう々圧縮機内部部
品に衝突することにカリ、従って、比較的短い運転期間
後にこのような部品の重大な浸食と孔食が生ずる危険が
存在する。

前記特許では噴射口から液体を圧縮機ガス流内に、かな
シの霧化を達成するに適する距離だけ噴射することが望
ましい場合、前記特許の圧縮機は液体をガス流に高速で
噴射するための複雑な装置を要するであろう。　このよ
うな高速が必要と々るのは、前記特許の液体噴射口がガ
ス流の流れ方向に対抗する方向に向けられているからで
ある。

（発明の目的） 従って、本発明の目的は、遠心式多段圧縮機において蒸
発可能な液体を圧縮機のガス流内に直接噴射１〜で、噴
射液体の蒸発を増加させるだめのアセンブリを提供する
ことである。

本発明の他の目的は、遠心式多段圧縮機において蒸発可
能な液体を圧縮機のガス流内に直接噴射して、圧縮機に
供給される動力の減少を多くするだめのアセンブリを提
供することである。

本発明の他の目的は、遠心式多段圧縮機において蒸発可
能な液体を圧縮機のガス流内に直接噴射し、圧縮機内部
部品の孔食と浸食を減らすだめのアセンブリを提供する
ことである。

本発明の他の目的は、遠心式多段圧縮機において蒸発可
能な液体を圧縮機のガス流内に直接噴射するだめのアセ
ンブリであって、液体を高速でガス流に噴射するだめの
複雑な装置を要しないアセンブリを提供することである
。

本発明の他の目的と利点は以下の説明から明らかとなろ
う。

（発明の概要） 上記の諸口的に従い、本発明はハウジングと、このハウ
ジング内に軸支された回転軸と、この回転軸の縦軸線に
沿って配設された複数の相次ぐ圧縮段とを含む圧縮機を
提供する。　圧縮段の少なくとも７段は、回転軸と共に
回転する多翼形羽根車（インペラ）と、羽根車からガス
流を受入れるようになっているディフューザと、このデ
ィフューザからガス流を受入れるように々っている渡り
流路と、蒸発可能な液体をガス流内に噴射する液体噴射
手段とを含む。　液体噴射手段は渡り流路の実質的に上
流において液体をディフューザに噴射するようになって
いる。　蒸発可能な液体は強力に微粒化まだは霧化され
、かくて、ただちに蒸発する微細々液滴を生ずる。

（詳細な説明） 次に添付図面によって本発明を詳述する。

第１図には普通の遠心式り膜圧縮機を総体的に符号１０
で示しである。　ただし、本発明はそれより多数または
少数の段を有する圧縮機においても有効に用いうるもの
である。　圧縮機１０は簡略に図示してあり、静止部分
（例えば圧縮機ハウジング）には一方向の斜線をつけ、
回転部分には他方向の斜線をつけである。　圧縮すべき
ガスは入口１１から圧縮機１０に入り、通路１２を通流
した後、回転軸１５に取付けだ第１多翼形羽根車１４に
入る。　周知のように、羽根車１４の高い回転速度によ
り、羽根車１４からのガスは遠心的にディフューザ１７
に導入される。　　このディフューザは好ましくは無翼
形のものであり、これについては後に詳述する。　圧縮
されつつあるガス流は渡り流路１８を通り、さらに戻り
流路１９を通る。　この戻り流路には通例、符号２０で
示すよう力方向制御羽根が設けられ、グ段圧縮機１０の
第２段をなす別の多翼形羽根車２１にガス流を向ける。

　同様に、さらに別の多翼形羽根車２２．２３がそれぞ
れ圧縮機１０の第３段と第り段を構成するように設けら
れている。　圧縮機１０の第２段と第３段は、第１段と
ほぼ同様に本発明を有利に包含している。　従って、第
１乃至第３段のいずれかを理解すれば、それらをすべて
理解したことになる。　今、羽根車１４を含む第１圧縮
段だけについて考えると、本発明により複数の液体噴射
口２４が設けられており、これらの液体噴射口は水噴射
口からなることが奸才しく、供給管２５を介して液体供
給源に連結されている。各供給管２５は、例えば、分配
管２７に連結され、この分配管は液体送給手段（図示せ
ず）に連結される。　又液体噴射口２４は液体を渡り流
路１８の実質的に上流においてディフューザ１７内に噴
射するようになっている。　ここで用いる「実質的に上
流」という言葉は、ケイフユーザ１７の最大半径（後述
）と羽根車１４の最大半径との差の少なくとも約２０係
の距離を意味する。

液体を渡り流路１８の実質的に上流においてディフュー
ザ１７内に噴射することの重要性は第２図を考察すると
とによりさらに良く理解されうる。　第２図は第１図に
示しだ多段圧縮機１０の第１段の上部の詳細図である。

　当業者に周知のように、「ディフューザ」は動圧すな
わち運動エネルギーを静圧に変換する能力をもつように
形成されている。　ディフューザ１７の最大半径を表す
、ディフューザ１７と渡り流路１８との間の分割線は、
はぼ破線２８で示すような線である。ディフューザ１７
は半径方向ディフューザである。

す々わち、ディフューザ１７内の有用々空間は回転軸１
５の軸線からの半径方向距離の増加と共に増加する。　
矢印２９で示すように、圧縮機１０内で圧縮を受けつつ
あるガス流は左から右の方へ向けられて羽根車１４の羽
根１４を通過し、さらにディフューザ１７と渡り流路１
８とを通った後、戻り流路１９の方向制限羽根２０を通
過する。ディフューザ１７は半径方向ディフューザであ
り、かつ羽根車１４はガス流２９を高い回転速度でディ
フューザ１７内に放出するので、ガス流２９は実際には
ディフューザ１７内と戻り流路１９内においてらせん経
路をたどる。　ただし、これは第２図からだけではただ
ちに明らかにはなら々い。

ガス流２９は、羽根車１４を離れるとき最高速度に達し
、次いで、角運動量保存によりディフューザ１７内を半
径方向に進行中急速に減速する。液体噴射口２４をディ
フューザ内に、渡シ流路１８の実質的に上流において、
すなわち、ガス流２９が比較的高速の区域において半径
方向に隔設することにより、重要々利点が得られる。

例えば、複数の噴射口２４によってガス流２９内に噴射
される液体の流れは、強力に微粒化または霧化されて微
細力液滴になる。　上述のように、液滴は小さければ小
さい程容易に熱を吸収して蒸発しうる。　事実上、蒸発
率は、かなりの近似度まで、液滴の小ささくすなわち液
滴直径の逆数）に直接依存する。　液滴の小ささは液滴
とガス流２９間の相対速度と関係する。　すなわち、液
滴の小ささはこの相対速度の自乗に従う。　この相対速
度は、噴射液体の速度が比較的低いので、主としてガス
流２９の速度に依存し、そしてガス流２９の速度は液体
噴射口２４の半径方向間隔の逆数によって変わるので、
液滴の小ささ、従って、その蒸発率と、液体噴射口２４
の半径方向間隔との関係は、第３図に示すようにグラフ
化されうる。

本発明は蒸発率を高めるばかりで々く、蒸発の持続時間
もかなり長くし、こうして完全な蒸発をさらに保証する
。　蒸発の持続時間の増加は、ガス流２９（第一図）内
の液滴が噴射口２４における噴射点から圧縮機１０の次
の段まで移動し々ければならない長いらせん経路に基づ
く。　従って、本発明によって液体噴射口２４の低い半
径方向間隔における総合的な蒸発を著しく改善するよう
に２つの要因が協働する。　すなわち、（１）噴射液体
を霧化して微細液滴にすることにより、液滴の蒸発率を
著しく高めること（第３図参照）と、（２）ガス流２９
（第２図）内の液滴の持続時間すなわち「滞留時間」を
かなり長くすることである。

本発明によって達成される著しくすぐれた蒸発は、圧縮
機１０の性能と耐久性に重要な効果を及ぼす。　圧縮機
１０に供給される動力の減小をかなり促進するとともに
、ガス流２９の温度を望ましい程度低下させる。　さら
に、圧縮機１０の内部部品、例えば、多翼形羽根車２１
，２２．２３はそれらに衝突する高速の未蒸発液滴によ
る孔食と浸食のおそれが事実上無くなる。

液体噴射口２４を渡り流路１８の実質的に上流において
ディフューザ１７内に半径方向に隔設することの他の利
点は、高速で移動する液滴の熱抽出すなわち過熱低減と
関連する運動量変化によって圧縮段に生ずる圧力増分で
ある。　このような過熱低減は液体の蒸発率の増加およ
び速度の増加と共に増加し、液体の蒸発率と速度の増加
は両方とも液体噴射口２４の低い半径方向間隔で生ずる
。　こうして得られる圧力増分は過熱低減が無い場合の
圧縮段圧力増加の少なくとも２％または３％に達すると
信じられる。

本発明者の発見によれば、複数の液体噴射口２４０半径
方向間隔は羽根車１４の最大半径の約７０３倍以上とす
べきものである。さもないと、羽根車１４から出るガス
流２９が不安定になる。

再び第一図について説明すると、この図は本発明の他の
特徴を示す。　液体噴射口２４はガス流２９に垂直に向
けられている。　これによシ、噴射口２４に供給される
液体は低速、例えば、ｊ０フィート毎秒（／夕３　ｍ　
７秒）でガス流２９内に噴射されうる。　なぜなら、噴
射液体はガス流２９を直交方向に貫通するように向けら
れるからである。

従って、噴射液体はガス流２９を容易に貫通し得、最適
度の霧化を起こす。　しかし、噴射液体はディフューザ
１７の右側壁に衝突することを許されるべきではない。

　さもないと、液体の霧化が悪くなる。　液体噴射口２
４がガス流２９に垂直に方向づけられているとき噴射口
２４を通って噴射される液体の流れは低速でよいので、
液体噴射用の液体送給手段（図示せず）の構造を簡単に
しうる。　この利点は、噴射口２４の方向づけの公差が
ガス流２９に垂直な方向から約７０度であっても実現さ
れる。

第９図は本発明のさらに別の特徴を示す。第９図は第１
図の線４−４に沿って見た図であシ、部分的に破断して
供給管３２と液体噴射口３０を示し、また簡単のだめ戻
り流路２６の羽根を省略しである。　本発明の上記の別
の特徴は第７図において羽根車２２を含む圧縮機１０の
第３段について示されており、この特徴は、（第１圧縮
段の複数の噴射口２４に対応する）複数の液体噴射口３
００個数と位置を包含する。　噴射口３０は供給管３２
と分配管３１を介して液体送給手段（図示せず）に連結
されている。　噴射口３０の好ま１〜い個数は３個乃至
／−２個であり、と個が本発明の最善実施態様において
採用される。　噴射口３０は軸１５の縦軸線について軸
対称的に配設されることが好ましい。　複数の噴射口３
０の前述の個数と位置は、圧縮機１０内で液滴蒸発のだ
めに利用１〜うるガス流を十分に利用するものである。

上述の好適数の液滴噴射口よシ多数または少数の液体噴
射口も本発明において用いうる。　液体噴射口の数の上
限は数に応じて小さくするそれらの内孔の直径によって
定まる。　内孔の直径を小さくし過ぎるとそれらを通っ
て噴射される液体中の汚染物によって詰まりやすくなる
からである。

最小好適数（すなわち３個）より小さい数の噴射口を用
いると、圧縮機１０内で液滴蒸発のだめに利用しうるガ
ス流を十分利用しえないが、それでもやはり有利である
。

本発明の最善と考えられる実施態様では、圧縮機１０は
工業プロセス用熱ポンプからなり、この熱ポンプでは、
圧縮機内ガス流に噴射される蒸発可能液体は水であり、
そして液体噴射口２４の好適半径方向間隔は羽根車１４
の最大半径の約／θ夕倍乃至７７倍の範囲にあり、この
範囲の上限が特に好ましい。　この範囲は次のよう々圧
縮機、９θ０乃至／１０θフィート（、！７グオ乃至３
３６一〜／秒）の範囲にあるような圧縮機に基づく。　
しかし、本発明の有利な諸効果は、圧縮段が前述の羽根
車翼端速度よりかなり高い翼端速度で動作している場合
前述の１０才倍乃至７７倍の範囲以上の液体噴射口２４
の半径方向間隔においても得られる。

このような熱ポンプは比較的高い性能係数を有する。　
これは、熱ポンプ内の噴射水の良好な蒸発によるだけで
々く、熱ポンプ出力における水蒸気の質量流量が増加す
ることにもよる。

以上、本発明の幾つかの好適な特徴を例示したが、もち
ろん本発明の範囲内で幾多の変形および変更が可能であ
る。　例えば、遠心圧縮機１０に軸流圧縮機を組合わせ
てもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を包含する普通の遠心式多段圧縮機の一
部分の簡略断面図、第２図は第１図に示した多段圧縮機
の第１段の一部分の詳細図、第３図は第１図に示した圧
縮機の液体噴射口の半径方向間隔に対する液滴の蒸発率
を示すグラフ、第７図は第１図の圧縮機の第３段の詳細
を示す第１図の線４−４に沿って見た断面図で、その上
部を一部破断して示す。 １０・・・遠心圧縮機、１４．２１　、２２．２３・・
・羽根車、１５・・・軸、１７・・・ディフューザ、１
８・・・渡り流路、２４．３０・・・液体噴射口、２５
．３２・・・液体供給管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ハウジングと、このハウジング内に軸支された回
   転軸と、この回転軸の縦軸線に沿って配設された複数の
   相次ぐ圧縮段とを含み、前記圧縮段の少なくとも７段は
   、前記回転軸と共に回転しうる多翼形羽根車と、この羽
   根車からガス流を受入れるようになっているディフュー
   ザと、このディフューザから前記ガス流を受入れるよう
   になっている渡り流路と、蒸発可能な液体を前記ガス流
   に噴射する液体噴射手段とを含み、前記液体噴射手段は
   液体を前記渡り流路の実質的に上流において前記ディフ
   ューザ内に噴射するように配置されている圧縮機。 （２）前記液体噴射手段が複数の液体噴射口からなる、
   特許請求の範囲第（１）項記載の圧縮機。 （３）各液体噴射口は前記ディフューザ内の前記ガス流
   に垂直な方向から約７０度の公差内に方向づけられてい
   る、特許請求の範囲第（２）項記載の圧縮機。 （４）前記複数の液体噴射口は前記軸線についてほぼ軸
   対称に配設されている、特許請求の範囲第（２ｉ項記載
   の圧縮機。 （５）前記複数の液体噴射口は乙乃至／、、２個の液体
   噴射口からなる、特許請求の範囲第（２）項まだは第（
   ４）項記載の圧縮機。 （６）前記液体噴射口は、それらを通って前記ガス流に
   噴射される液体が実質的に完全に蒸発してから次の圧縮
   段の羽根車に達するように前記軸線に対して隔設されて
   いる、特許請求の範囲第（２）項記載の圧縮機。 （力　各液体噴射口は前記羽根車の最大半径の約１０ｊ
   〜／／倍の範囲内の半径の位置において前記軸線に対し
   て隔設されている、特許請求の範囲第（４）項記載の圧
   縮機。 （８）前記複数の液体噴射口はと個の液体噴射口からな
   る、特許請求の範囲第（４）項記載の圧縮機。 （９）前記液体噴射口は前記羽根車の最大半径の約７７
   倍の半径の位置において前記軸線に対して隔設されてい
   る、特許請求の範囲第（８）項記載の圧縮機。 （１０）前記液体噴射口は水を通すようになっている、
   特許請求の範囲第（２）項記載の圧縮機。