JPS5817358B2

JPS5817358B2 - 多段タ−ボ形圧縮機

Info

Publication number: JPS5817358B2
Application number: JP53026120A
Authority: JP
Inventors: 良和藤野; 嘉昭大道
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1978-03-07
Filing date: 1978-03-07
Publication date: 1983-04-06
Also published as: DE2908774A1; GB2018893A; DE7906133U1; US4219306B1; GB2018893B; CH639463A5; US4219306A; IT7948208A0; FR2419416A1; IT1163966B; BR7901359A; JPS54117916A; DE2908774C2; FR2419416B1

Description

【発明の詳細な説明】この発明は１つ以上回転軸のそれぞれに１つもしくは２
つの圧縮機を設定し、空気またはガスの様な気体を上記
各圧縮機により圧縮、昇圧する歯車増速式圧縮機のよう
な多段ターボ形圧縮機に関する。

一般に、空気またはガス等の気体は圧縮性をもっている
ため、昇圧を目的として圧縮するとその体積が減少する
。

いま、たとえば、４段形圧縮機装置が大気を吸込んで７
ｋｙｆ／ｉＧの吐出圧力を得るためには、各段の
圧力比（吐出絶対圧力と吸込絶対圧力の比）を１．７程
度にする必要があり、羽根車に吸込まれた気体は次段の
入口では約６０％の体積流量に減少する。

また、３段圧縮で７ｋｇｔ／＝Ｃ，の吐出圧力を得るた
めには各段の圧力比を約２とする必要があり、この場合
は次段羽根車の吸込体積流量は前段の約５０％に減少す
る。

このように段当りの圧力比が高くなるにしたがって次段
羽根車に吸込まれる気体の体積流量の減少度合は大きく
なる。

一方、各羽根車が良好な好率を発揮するためには次式で
表わされる比速度ＮＳがそれぞれ最適範囲にあることが
必要である。

ＮＢ＝Ｎ−Ｑ１／２／Ｈａｄ３／４−（１）こ
こに、Ｎは回転数（ｒｐｍ）、Ｑは空気またはガスの体積流量（ｍ’／ｍｍ）Ｈａｄは各段の断熱ヘッド（ｍ）である。

比速度Ｎｓはターボ形送風機、圧縮機の流体力学的相似
側から導かれたもので、性能に重要な関連をもつ数値で
あり、羽根車形式を選定する上でも重要な要素となる。

羽根車形式には遠心形、斜流形および軸流形があるが、
形式によって最適な比速度の値があり、等しい比速度の
ものはその大きさ、回転数の大小にかかわらず幾何学的
に相似な羽根車となる。

また比速度Ｎｓの最適値は遠心形では羽根中が狭いもの
から広いものへ、さらに斜流形となるにしたがって大き
くなる性質がある。

ところが、従来の多段ターボ形圧縮機において、多段の
羽根車は軸流形、遠心形あるいはそれらの組合せである
。

たとえば第４図にその要部を示すような遠心形で説明す
ると、同一の回転軸４１に設定される複数の圧縮機４２
Ｉ、４２１１の羽根車４３Ｉ、４３■はすべて遠心形で
ある。

こ＼で、Ｔ、Ｈの記号は圧縮機の段を表わし、記号Ｉは
第１段目、記号■は第２段目を意味する。

このよ・うに遠心形羽根車のみであると、各段の圧縮機
４２Ｉ、４２Ｈの羽根車４３Ｉ、４３１１の各比速度Ｎ
ｓを最適値とするためには、全羽根車４３Ｉ４３１１を
幾何学的に相似にする必要がある。

そのためには、さきに述べた如く、後段ではその吸込体
積流量Ｑが減少するから後段羽根車４３１１もそれに応
じて小形、すなわち羽根車４３Ｈの外径を小さくする必
要がある。

一方、断熱ヘッドＨａｄは羽根車外径周速の２乗に比例
するため、各段の断熱ヘッドＨａｄ、すなわち圧力比を
同一に保つには、羽根車外径に反比例して各段の回転数
を増加させる必要がある。

しかし、しれを実現するためには、各段の羽根車４３１
．４３１１を別個のそれぞれ独立した回転軸に取り付け
る必要があって、部品点数の増加および圧縮機構造の複
雑化を招来すると云う欠点がある。

そこで、従来は、同一回転軸４１に２個の圧縮機４２Ｉ
、４２１１を設定して、それらの羽根車４３１．４３１
１の回転数を同一にしながら、これら羽根車４３１，４
３１１をほぼ幾可学的に相似な形状として、後段側羽根
車４３■の外径をほぼＶ′Ω−に比例して小さくする設
計が行われている。

これは断熱ヘッドＨａｄと羽根車外径りおよび体積流量
Ｑとの関係が次のようだからである。

ＨａｄＣ（Ｄ２−（２）（１）式より、ＨａｄｏｃＱ２／” ＝・
（３）Ｆ２）、（３）式より］）ｏｃＱ’／” ・・・（４
）すなわち、第４図において、たとえば、第１段目の羽
根車４３１の外径をＤａとし、後段側の羽根車４３ｎの
外径をＤｂとした場合、次式の如く設計されている。

ここにＱａ、Ｑｂはそれぞれ第１段および第２段羽根車
４３１．４３ｎの吸込体積流量である。

したがって、たとえは前述の如く圧力比２の場合第２段
の吸込体積流量Ｑｂは５０％に減少するため、（５）式
より第２段の羽根車外径Ｄｂは第１段のＢすなわち７９
％となる。

したがって、第２段の断熱ヘッドは前段０．７９２すな
わち６３％まで低下する。

このため多段ターボ圧縮機さして要求される所定圧力を
得るためにはさらに回転軸４１の回転数を上昇させるか
、段数を増加させる必要があるが、前者ではもし第１段
羽根車４３Ｔの外径周速が材料の許容限度であった場合
は不可能であり、後者では段数が増えコスト高となるは
かりでなく構造上の困難さを伴なうことが多いのが普通
である。

また、もし幸いにも所要回転数が第１段羽根車４３Ｉの
材料強度上および流体力学的に性能上許容される限度内
であった場合においても、第２段の羽根車４３ＩＩに発
生する遠心応力は、外径周速の２乗に比例して低下する
ため、第１段の羽根車４３１の遠心応力の６３％となっ
て羽根車材料の強度上許容し得る応力より著しく低いも
のとなるため、材料利用効率面からしてぜい沢な設計と
なり、コスト高さなる欠点があった。

この発明は、以上のような欠点を解決するためになされ
たもので、効率が高く、かつ、小形で構造が簡単な多段
ターボ形圧縮機を提供することを目的とする。

一ト記目的を達成するために、この発明は、同一の回転
軸の両端に装着されて、相隣り合った圧縮段を構成する
２つの圧縮機について、その前段側圧縮機の羽根車の子
午面上における気体の流出方向と回転軸心方向とがなす
流出角度を、後段側圧縮機の羽根車の流出角度より小さ
く設定する構成、たとえば、前段側を斜流形とし、後段
側を遠心形とする構成により、各羽根車の比速度の最適
化を実現する一方で、各羽根車の外径をほぼ同一とする
構成により、羽根車材料の有する強度を有効に利用する
。

以下、この発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第１図および第２図はこの発明に係る多段ターボ形圧縮
機の一例として、２軸４段形の歯車増速式圧縮機を示す
ものである。

第１図において、１は圧縮機本体を形成する増速機ケー
シングで、これに４つの羽根車２Ｉ、２■、２Ｌ２ＴＶ
を内蔵する４個の圧縮機ケーシング３１，３１１．３Ｎ
。

３■が取付けられている。

こ＼で、Ｉ、ＩＩ、・・・■の記号は前述と同様に圧縮
機の段（以下［圧縮段−という。

）を表わし、記号Ｉは第１段目、記号Ｈないし■は第２
段目ないし第４段目を意味する。

上記各羽根車２１〜２■と圧縮機ケーシング３■〜３■
とが４個の圧縮機４Ｉ、４ＩＩ、４Ｎ、４１Ｖを構成す
る。

羽根車２■は斜流形、羽根車２■は遠心形で、両羽根車
２１．２ＴＩは軸受５で支えられた１つの回転軸６の両
端にオーババングして取り付けられ、回転軸６のほぼ中
央にはピニオン７があり、大歯車８とかみ合って、この
大歯車８から１駆動力を受けている。

また、羽根車２■は斜流形、羽根車２■は遠心形で、両
羽根車２］ＩＩ、２１Ｖは軸受９で支えられた他の回転
軸１０の両端にオーババングして取り付けられ、やはり
、回転軸１０のほぼ中央にはピニオン１１があり、上記
大歯車８とかみ合っている。

大歯車８は軸受１２で支えられた低速軸１３に取り付け
られ、その軸端にあるカップリング１４を介して電動機
のような駆動機１５に連結されている。

駆動機１５の回転は大歯車８とピニオン７．１１の歯数
比に相当して増速されるため、回転軸６，１０はそれに
取り付けられた羽根車２Ｔ、２ｎ、２Ｉ、２１Ｖの周速
が所要圧力比を満たすように高速回転される。

大歯車８が複数個のピニオン７．１１とかみ合っている
場合は、一般にはそれぞれの増速比が異なっていて回転
軸６，１０毎に回転数が異なるのが普通である。

ただし、ここでは同一回転軸６（１０）に装着されてい
る圧縮機４Ｉ、４１１（４Ｌ４１Ｖが、圧縮段中の相隣
り合った関係に設定されていることが前提条件である。

１６．１７．１８は各段間に設けられた中間冷却器で、
圧縮機装置本体とは別個で、各段の圧縮機４１〜４■の
各吐出口２１１，２１１１．２１１１１と各吸込口２０
１１，２０１［，２０■との間をそれぞれ連結する連結
管２２の中途に設定されている。

図示のように、第１段目と第２段目の圧縮機４■４■は
同一の回転軸６の両端に設定されて、両羽根車２Ｉ、２
Ｈの回転数は等しく、また、第３段目と第４段目の圧縮
機４Ｎ、４ＴＶも同様に、同一の回転軸１０の両端に
設定されて、両羽根車２１［［。

２■の回転数は等しい。

ところで、斜流形羽根車とは羽根車入口で軸方向に流入
した気体が羽根車出口では軸方向に傾斜して流出するも
のと一般に定義されている。

すなわち、第３図において、羽根車の入口３１から出口
３２（こかけての羽根車流路に子午面３３を仮定した場
合子午面内流線３４上において羽根車からの気体の流出
方向が遠心形のように半径方向成分ＣＲおよび接線方向
成分Ｃθのみでなく軸方向成分ＣＺをも持つものである
。

したがって羽根車出口３２における流出角度、すなイっ
ち、上記子午面内流線３４に沿った速度成分Ｃｍ（子午
面上における流れ方向と一致）が軸心方向Ｚとなす角度
αが００となれば軸流形に、９０°となれば遠心形とな
るため、実用上斜流形の特性を示すものとしては、流出
角度αが２０〜７０°の範囲であり、この場合、遠心形
と軸流形の中間的な特性たとえば中間的な比速度領域の
使用に適しており、流出角度αが小さい程、比速度Ｎｓ
が大きくなると共に、効率も良くなる性質がある。

このように、斜流形羽根車は同一外径の遠心形羽根車に
比べて理論的に最適な比速度ＮＳが大きくとれ、したが
って、（１）式から明らかなように、体積流量Ｑは比速
度ＮＳの２乗に比例するから、最適な比速度Ｎ８が大き
い斜流形羽根車は遠心形羽根車と比較して両羽根車の最
適比速度ＮＳの比の２乗に比例して大流量を処理するこ
とができる。

斜流形羽根車のこのような特性のため、この発明では、
第２図に明示するように、たとえば、同一回転軸６に固
定された２個の羽根車２１，２Ｕのうち前段側である１
段目の羽根車２■をその最適比速度ＮｓＩが後段側すな
わち２段目の羽根車２■の最適比速度Ｎｓ■に対して次
式で示すような関係となるよう、第１段目の羽根車２Ｉの
流出角度αＩを第２段目の羽根車２■の流出角度α■よ
り小さく設定することにより、同一回転数でありながら
両羽根車２Ｉ、２Ｈの外径をほぼ同一径りとしてその圧
力比をほぼ同一とじ、しかもそれぞれの羽根車２１．２
Ｈに最適なＮＳ値として最高効率を得るようにしている
。

さらに、両羽根車ＩＩ、２Ｈの外径がほぼ同一であるか
ら、上記羽根車２Ｉ、２１１の遠心応力を前段、後段共
に材料の許容限度まで同様に活用することが可能である
。

たとえば、各段の圧力比が２の場合、前述の如く後段側
の入口体積流量は前段の約５０％となるため、最適比速
度の比はとなる。

そこで、この実施例では、最適比速度比１．４を得るた
め、後段側羽根車２■を遠心形、すなわち流出角度α■
＝９０°とし、前段側羽根車２Ｉを流出角度α■＝４５
°の斜流形とした。

第１図に示した他の回転軸１０に固定された第３段目の
羽根車２■と第４段目の羽根車２■との関係も上記と全
く同様で、第３段目の羽根車２■は流出角度４５°の斜
流形で、第４段目の羽根車２■は遠心形である。

なお、第２段目の羽根車２■と第３段目の羽根車２■と
の間の最適比速度比の設定は、ピニオン７．１１の歯数
、す、なわち回転軸６，１０の回転速度の差と羽根車の
外径の差とによりなされる。

上記構成において、第１図に示すように、空気またはガ
スのような気体ａは、まず第１段目の圧縮機４Ｉにより
圧縮・昇圧され、中間冷却器１６を通ったのち、同一回
転軸６上の第２段目の圧縮機４■へ導かれて、この圧縮
機４■により、さらに圧縮・昇圧される。

このような同・−気体ａの圧縮・昇圧過程において、各
羽根車２Ｉ、２１１の比速度ＮＳＩ、Ｎ８１１はそれぞ
れ最適範囲内に入っているから、圧縮効率が高い。

また、第１段目の圧縮機４Ｉにより圧縮・昇圧された気
体ａは温度が上昇しているが、第２段目の圧縮機４■に
入るまでに、上記中間冷却器１６により冷却されるから
、圧縮過程が等温圧縮に近づいて圧縮効率が一層向上す
る。

第２段目の圧縮機４■を出た気体ａは、さらに第２の中
間冷却器１７で冷却された後、他の回転軸１０に設定さ
れた第３段目の圧縮機４■に入り、さらに、第３の中間
冷却器１８を経て同一回転軸１０に設定された第４段目
の圧縮、機４■に入って所要圧力まで圧縮・昇圧されて
吐出される。

所要圧力が低い場合には、第４段目の圧縮機４■が省略
されて３段形となることもある。

あるいは、−Ｆ記４段目以上の圧縮機（図示せず）が３
つ以上の回転軸に設定されることもある。

つまり、少くとも１つの回転軸には２つの圧縮機が装着
されており、他の回転軸には圧縮機が１つだけ装着され
ることもある。

また、第４図の従来例と同様に、回転軸が１つだけで、
その回転軸に２つの圧縮機が装着される場合もあること
はいうまでもない。

上述のように、この発明は、単一の大歯車から駆動力を
受ける１つ以上の回転軸と、上記各回転軸に１つもしく
は２つ装着され、かつ、少くとも１つの回転軸には２つ
装着されて、各圧縮段を構成する圧縮機と、順次前段側
圧縮機の吐出口と後段側圧縮機の吸込口とを連結する連
結管とを具備し、上記２つの圧縮機が装着された回転軸
は、その中央に上記大歯車とかみ合うピニオンを、両端
に１つずつの圧縮機をそれぞれ有し、これら２つの圧縮
機は圧縮段中の相隣り合った関係に設定されてなり、同
一気体を前段側圧縮機から後段側圧縮機へと送り込んで
圧縮する多段ターボ形圧縮機を前提とするものであり、
同一の回転軸に装着されて、相隣り合った圧縮段を構成
する２つの圧縮機のうち、前段側に位置する圧縮機の羽
根車の流出角度を、後段側に位置する圧縮機の羽根車の
流出角度より小さく設定したから、各羽根車の比速度Ｎ
ｓを最適化して圧縮効率を向上させることができる。

また、上記各羽根車の外径をほぼ同一にしたから、各羽
根車の持つ材料強度を有効に利用することが可能となる
。

このことは、圧縮機に要求される所要圧力に対して、回
転軸数あるいは圧縮、機数の減少を可能とし、圧縮機全
体の小形化、構造の簡略化が実現されることを意味する
。

さらに、圧縮機の外形寸法は、一般に、径が大きい上記
前段側羽根車の外径によって左右されるか、この発明で
は、前段側が斜流形となるから、同一流量を処理する従
来の遠心形に比べ、より小さい外径、たとえば、圧力比
２の場合は７９％の外径となり、この面からも圧縮機の
小形化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である歯車増速式圧縮機を
示す縦断面図、第２図は同要部を示す拡大縦断面図、第
３図は羽根車内の気体の流れの説明図、第４図は従来例
の第２図に対応する縦断面図である。２１．２Ｈ，２Ｎ、２’Ｖ・・・羽根車、４１，４１１
゜４１．４ＩＶ・・・圧縮機、６，１０・・・回転軸、
７゜１１・・・ピニオン、８・・・犬１歯車、２２・・
・連結管、ａ・・・気体、α、α■、α■・・・流出角
度、１．ＩＩ、Ｉ。 ■・・・段数。

Claims

【特許請求の範囲】

１単一の大歯車にかみ合ってこの大歯車から駆動力を
受ける１つ以上の回転軸と、上記各回転軸に１つもしく
は２つ装着され、かつ、少くとも１つの回転軸には２つ
装着されて、各圧縮段を構成する圧縮機と、順次前段側
圧縮機の吐出口と後段側圧縮機の吸込口とを連結する連
結管とを具備し、上記２つの圧縮機が装着された回転軸
は、その中央に上記大歯車とかみ合うピニオンを、両端
に１つずつの圧縮機をそれぞれ有し、これら２つの圧縮
機は圧縮段中の相隣り合った関係に設定されてなり、同
一気体を前段側圧縮機から後段側圧縮機へと送り込んで
圧縮する多段ターボ形圧縮機において、同一の回転軸に
装着されて相隣り合った圧縮段を構成する２つの圧縮機
については、その前段側圧縮機の羽根車の子午面上にお
ける気体の流出方向と回転軸心方向とがなす流出角度を
、後段側圧縮機の羽根車の流出角度より小さく設定し、
かつ、これら羽根車の外径をほぼ同一としたことを特徴
とする多段ターボ形圧縮機。