JPS59170491A - 遠心圧縮機の最適運転制御方法 - 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】 技術分野 本発明は遠心圧縮機の最適制御方法に関し、詳しくは、
羽根付ディフューザ部の羽根角を可変とし、その角度を
運転状況に応じて調整することによりすべての運転範囲
にて遠心圧縮機効率を向上させる最適制御方法に関する
。

従来例 周知の如く、遠心圧縮機においては、駆動動力エネルギ
ーのほとんどが熱エネルギーの形で失なわれる。したが
って、圧縮機効率を向上させるためには、圧縮機の熱損
失を最小限に押さえることが重要である。

従来、遠心圧縮機の熱損失を最小にするため、圧縮機の
入口に角度可変インレットガイド羽根を設け、該インレ
ットガイド羽根の角度調整を行うことにより、羽根車の
羽根に対するガスのインシデンスアングル（入射角）を
最適にする制御がなされている。

ところで、遠心圧縮機は、吹込空気の圧力を上昇させる
ために上記羽根車のみならず羽根付ディフューザ部を備
えており、圧縮機の熱損失を最小にするためには、羽根
付ディフューザ部の羽根角も可変とし、羽根車から送出
され羽根無ディフューザ部を通って羽根付ディフューザ
部の羽根に導びかれる圧縮ガスのディフューザ部羽根に
対するインシデンスアングルも最適に制御することが必
要である。

ところがそれにもかかわらず現実には、羽根付ディフュ
ーザ部のインシデンスアングルの制御はほとんどなされ
ていない。その理由としては、■構造がインレットガイ
ド羽根に比べて複雑であること、■制御するための情報
が明確でないこと、の２点と思われるが、■の点につい
ては、膨張タービン等でベーンを可変構造とする例があ
り、その羽根構造自体は遠心圧縮機の羽根付ディフュー
ザの羽根構造と極似しているのでそれらの可変構造を利
用すれば実用化可能で特に問題はない。

本発明の技術的課題 したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、遠心圧
縮機の羽根付ディフューザ部において、羽根車から送出
され羽根無ディフューザ部を通ってくる圧縮ガスのディ
フューザ羽根に対するインシデンスアングルを最適に制
御するための手法を得ることである。

本発明の構成 上記技術的課題を達成するために本発明は以下の如く構
成した。

すなわち、羽根車より羽根無ディフューザ部に向けて吐
出される圧縮ガスのフローアングルを下記の測定値■〜
■に基づいて算出し、この算出フローアングルを入口境
界条件とし下記の測定値■を用いて羽根無ディフューザ
部のガス流れを計算し、羽根付ディフューザ部出口すな
わち羽根付ディフューザ部入口のガスフローアングルを
算出する。このフローアングルを羽根付ディフューザ部
の羽根角（各制御時点で既知）を用いて羽根付ディフュ
ーザ部の羽根角を調整することにより、上記圧縮ガスの
ディフューザ羽根に対する適正インシデンスアングルを
得るようにした。

■遠心圧縮機内を流れる単位時間当りのガス重量流量 ■羽根卓出口部のシュラウド側静圧 ■遠心圧縮機人口金製 ■遠心圧縮機出口金製 ■羽根車回転数 ■羽根付ディフューザ部の径方向における静圧分布 実施例 以下に、添付図面に基づき本発明の実施例を具体的に説
明する。

先ず第１図について遠心圧縮機の大略構成を説明する。

図において、１は遠心圧縮機のボデー、２は羽根車、３
は羽根車２の回転軸、４は羽根無ディフューザ部、５は
羽根付ディフューザ部、６は羽根付ディフューザ部の羽
根、■は圧縮機入口、０は圧縮機出口であって、これら
の構成自体は公知のものである。

上記構成において、羽根付ディフューザ部５の羽根６は
羽根角可変とするために第３図に示す如き羽根角調整装
置を備えており、該装置は以下の構成となっている。

すなわち、各羽根６はボデー１内に突出した回転軸５ａ
を備えており、この回転軸５ａの外周にはピニオン１１
を固定している。一方、ボデー１には、回転軸３の軸心
を中心とするリング状の大歯車７をベヤリング１２を介
して回転可能に組み込んでおり、この大歯車７の外周歯
に上記各ピニオン１１を噛合せしめている。したがって
、大歯車７を回転させることにより各ピニオン１１を回
転させることができ、これらのピニオン１１の回転によ
って各羽根６の羽根角を調整し得る。

上記大歯車７を回転させるために、該歯車７の外周歯と
噛合する歯車部８ａを内端に備えた駆動軸８をボデー１
に外部より回転可能に挿入している。この駆動軸８の外
端外周には駆動歯車９を固定しており、この歯車をウオ
ーム１０により回転させるようにしている。ウオーム１
０は図示しない、回転角制御モータで回転させるように
している。

さて、羽根車２の回転・遠心力で圧送されるガスは、第
２図において、羽根車２の周囲に形成される羽根無ディ
フューザ４を経て羽根付ディフューザ５の羽根間に案内
され、これらの羽根でさらに圧力上昇せしめられて圧縮
機出口Ｏに吐出される。

第２図に３つの速度三角形Ａ、Ｂ、Ｃを図示している。

速度三角形Ａは羽根車出口部のガス流れを示しており、
羽根車２のチップにおける接線を八〇とするとき、ガス
は接線Ａ０に対して角度α□６のフローアングルで流れ
る。この流速ベクトルをＡ２で示している。

一方、速度三角形Ｃは羽根付ディフューザ部入口のガス
流れを示しており、羽根付ディフューザ部内径円接線を
Ｃ□とするときガスは接線Ｃ２に対シて角度α３のフロ
ーアングルで流しる。

速度三角形Ｂはディフューザ羽根入口にてインシデンス
アングルがＯの場合における羽根付ディフューザ部５の
羽根６の入口部流れ状況を示すものであって、インシデ
ンスアングルがＯであるから、この場合のフローアング
ルσ２は羽根付ディフューザの羽根角β２に等しい。

ところで、ここで重要なことは、羽根６の入口部に対す
る圧送空気のインシデンスアングル（入射角）を理想の
角度すなわち熱損失を最小にする角度に設定することで
ある。このインシデンスアングルは（α３−α２）又は
（ｃｔ３−β２）で表わされ、その理想角度は通常約＋
２〜３°である。

これは古（から経験的に知られている。また、各遠心圧
縮機でテストにより正確に求めえるものである。第５図
はこれを具体的に示している。

上記インシデンスアングルは、遠心圧縮機の運転条件に
より変化するが、各運転条件において理想のインシデン
スアングルを得るため、本実施例では以下のように制御
する。

すなわち、羽根車２より羽根無ディフューザ部４に向け
て吐出される圧縮ガスの平均流速ｃｏ２ｍ（司ｌ）　、
　Ｃ：２ｍ（−Ａ２）　、　Ｃｒ２ｍ（Ａ３）およびガ
スノ状態刊並びにプロッケージファクターＢおよびフロ
ーアングルα□を下記の測定値■〜■に基づいて適当な
コンピュータにより算出し、この算出値を入口境界条件
とし下記の測定値■を用いて羽根無ディフューザ部４の
ガス流れ状況を計算し、羽根付ディフューザ部出口すな
わち羽根付ディフューザ部５人口のフローアングルα３
を算出する。

このα３を基準として羽根付ディフューザ部５のディフ
ューザ羽根６の羽根角β２を第３図に示した羽根角調整
装置により調整することで上記圧縮ガスのディフューザ
羽根６に対する適市又は理想のインシデンスアングルを
得るようにした。遠心圧縮機吐出圧力を一定に制御する
場合は、例えば回転数制御と上記羽根付ディフューザ羽
根角制御を併用することにより容易に所定の目的を達す
ることができる（ディフューザ羽根角を変えると圧縮機
吐出圧が変化する）。

■遠心圧縮機内を流れる単位時間当りのガス重量流計０ ■羽根卓出口部のシュラウド側静圧（Ｐ　Ｓ　２　）■
遠心圧縮機人口金製−（１゛０□） ■遠心圧縮機吐出圧力（ＴＯ２） ■羽根車回転数 ■羽根無ディフューザ部の径方向における静圧分布（Ｐ
　５２　ｔ　、　Ｐ　Ｓ　２２・・・・・・・・・Ｐ　
５２ｎ　）上記■のガス重量流量ＣＧ）はオリフィスや
ベンチュリー菅笠公知の流量計を使用すればよい。

また、■の静圧（Ｐ　Ｓ　２　）や■の静圧測定には適
宜公知の圧力センサーを用いる。■、■の金製（Ｔｏ□
。

ＴＯ２）は熱電対等の温度センサーを用いる。■の羽根
車回転数は例えば回転数ピックアップで羽根車２の回転
数を計測しこれに基づいて算出する。

そしてこの羽根車回転数と羽根車直径とにより羽根車チ
ップ周速（Ｕ２）を算出する。さらに、圧縮機入口およ
び出口の各金製（Ｔｏ　ｒ　、Ｔｏ　２　）より、Ｔｏ
ｌとＴＯ２の平均値における比熱比（Ｃｐ　）を算出、
する。

尚、定数を次のように定める。

・羽根熱ディフューザ部入口流路断面積・・・・・・Ｓ
２・ガス定数　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・−
・・ｋ・重力加速　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・グ・単位変換係数　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・Ｊ・理想的インシデンスアングル　・・・・・・・
・・・・・・・・ム。

（以下　余　白） 上記計測項目■〜■より導びかれる各状態量をｐＡ１＝
１−Ｊ−Ｃｐ、Ｔｏ２／Ｕ：　　　−＝＝、１１）ＰＡ
２−１−Ｊ−ＣＰ−ＴＯ工／Ｕ；・・・・・・（２）Ｐ
Ａ　　＝Ｇ、Ｒ，Ｕ２／（２・１・Ｊ、ｃｐ、ｓ２・Ｉ
’ｓ２）・（３）− と置く。また、上記計測項目■〜■の結果より次式（４
）が与えられる。

以上の前提に基き以下の処理〔Ｉ〕〜び」に行う。

ＣＩ）先ず上記式（１）〜（４）に基つき以下の連立方
程式（５１（６）（７）を立て、ξ＝０．６０　、０．
６２　、０．６３・・・。

１８００を順次与え、ψ２ｘ、９Ｅｕ１ｅｒＸおよびψ
２　を未知数として解く。

（ＡＡ　（Ａ十汁％）−ＢＢ（パ耳■−Ａ−１）　）・
・・（５）（、υ、（Ｊｋ２＋Ｂ十に一ン￥曾）え）　
−ＢＢ　（、／　Ａ２＋Ｂ十日）　−ＢＢ（戸−Ａ＝１
）−）　　　・・・・・・（６）−Ａ−１））　　　　
　　　　　　　　　・・・・・・（７）・Ｃθ２ｐｌＣ
ｒ２ｐ　・・・・・・流速分布を表わすパラメータ Ｃ１１１次いで、各ξの値に対応するμ、μ×を次式％
式％ 匪〕次いで、μ−〆が極大となるときのξの値およびこ
れに対応するψ２Ｘ　Ｉ　ＱＥｕｌｅｒ７＋ψ２を解と
して求める。

賜次いで、次式（１０１〜（功により、プロツケージフ
ァクターＢ（圧縮ガスの平均流速を評価するに必要な係
数）と比重＠　ｆ　ｓｍ、静＠　Ｔｓｍを求める。

ｌｓ　　＝Ｇ／（Ｕ２°９’２７５ｍ−５２）　　　　
＝１１■、７ｓｍ　＝　ＰＳ２／　（ＲＴｓｍ）　　　
　　　　　−（１１１Ｔｓｍ　＝　ＴＯ２−Ｕ：　（ψ
２　＋Ｑ　２Ｅｕｌ　ｅｒ）／（２５’Ｊ　・９）−（
１２）次いで、羽根車出口の計測位置ＰＳ２から計測位
置ＰＳ２１まてのプロツケージファクターＢの分布関数
を羽根車出口のプロッケージファクターを満たす様に仮
定する。

ｙ〕次いで、羽根車出口から羽根無ディフューザ出口ま
での羽根無ディフューザ部の一次元流れを羽根熱ディフ
ューザ部流路断面積分布や静圧計測位置を用いて解析す
る。

ｃ！ｒ］計測位置Ｉ’Ｓ２１の静圧計算値が実測値に一
致するかどうかを調べる。

ｙ町上記ｔｙｒ＋において計測位置ＰＳ２１の静圧計算
値が実測値に一致しないときは、プロツケージファクタ
ーＢの分布関数を修正して再度α〕の処理を繰り返す。

ＩＭ上記ｒｙＩ　、■〕において、計測位置ＰＳ２１の
騨圧計算値が実測値に一致するようになれば、［！η〜
因の計算サイクルを計測位置ＰＳ２１〜ＰＳ２２゜ＰＳ
２２〜ＰＳ２３．−・−Ｐｓ（ｎ−リ、−，Ｐｓ２ｎ　
の各間にて順次計算する。

囲次いで、ｐの計算結果を外挿することにより羽根付デ
ィフューザ入口の状態を計算し、圧縮ガスのフローアン
グルα３を求める。

さ〕次いで、現在のディフューザ羽根角β２　と上記フ
ローアングルα３の差つまりインシデンスアングルΔα
を算出する。

皓次いで、（△α。−△α）×δだけディフューザ羽根
角を修正する。但し、δは緩和係数（Ｒｅｌａｘａｔｉ
ｏｎ　Ｃｏｎ５ｔａｎｔ）凹次いで、ディフューザ羽根
角を修正した後の圧縮機出口静圧を設定圧と比較し、そ
の誤差△Ｐを修正すべく回転数を制御する。但し、この
場合の緩和係数をδ′とする。

以上の処理〔Ｉ〕〜凹が１処理サイクルであって、この
サイクルを、（α０−Δα）＝０．になるまで繰り返す
。

以上の処理で何れの運転状況であってもディフューザ羽
根に対する圧縮ガスのインシデンスアングルを理想アン
グルに制御できる。

本発明の効果 上記実施例の具体的説明より明らかな如く、本発明に係
る制御方法においては、計測項目が前記■〜■であり、
この計測項目結果に基づいて圧縮ガスのディフューザ羽
根角に対するインシデンスアングルを制御する手法を採
っているので、周辺条件、例えば大気温、の変化と無関
係に適用可能であり、また圧縮機の経年変化や圧縮機入
口条件或いは羽根車の回転数等運転状況の変化に対して
も常に正確に上記インシデンスアングルを理想角に制御
することができ、すべての運転範囲における圧縮機効率
の向上を図ることができる。本発明に係る制御を従来用
いられていた圧縮機のインレットガイド羽根角制御およ
び羽根車回転数制御と併用すれば、インレットガイド羽
根角制御および羽根車回転数制御のみの従来例に比較し
て、部分負荷性能が飛躍的に向上することは、第４図の
比較実施例より明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る遠心圧縮機の要部半断面
図、第２図は第１図の圧縮機の要部説明図、第３図は第
１図の圧縮機に適用されるディフューザ羽根角調整装置
の要部断面図、第４図は、本発明制御を適用した場合の
圧縮機効率と従来制御における圧縮機効率とを比較する
グラフ、第５図はディフューザ羽根角をパラメータとし
て羽根付ディフューザ入口における圧縮ガスのフローア
ングルとディフューザ損失係数との関係を示すグラフで
ある。 １・・・ボデー、２・・・羽根車、３・・・回転軸、４
・・・羽根無ディフューザ部、５・・・羽根付ディフュ
ーザ一部 特許出願人−株式会社神戸製鋼所 代理人　弁理士　青　山　葆　ほか２名１．６−　・　
　　”１− 特開昭５９−１７０４９１（６） 叫増幅電費 凹　　　′１「団２゛ト判区者修 手続補正書（自発） 昭和５８年４月２６日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５８年特許願第０４６５５５号 ２、発明の名称 遠心圧縮機の最適運転制御方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　兵庫県神戸市中央区脇浜町１丁目３番１８号４、
代理人　〒５４１ 自発補正 ６、補正の対象： 明細書全文と委任状 ７、補正の内容 （１）明細書全文を別紙の如く訂正します。 （２）委任状を提出致します。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）羽根車より羽根無ディフューザ部に向けて吐出さ
   れる圧縮ガスのフローアングルを下記の測定値■〜■に
   基づいて算出し、この算出フローアングルを基準として
   下記の測定値■に基づく羽根無ディフューザ部のガス流
   れ状況を算出し、羽根熱ディフューザ部出口のガスフロ
   ーアングルを算出し、このフローアングルとそのときの
   羽根角の差異（インジデンスアングル）を信号として羽
   根付ディフューザの羽根角を調整することにより上記遠
   心圧縮機のディフューザ羽根に対する適正インシデンス
   アングルを得るようにしたことを特徴とする遠心圧縮機
   の最適制御方法。 ■遠心圧縮機内を流れる単位時間当りのガス重量流量 ■羽根卓出口部のシュラウド側静圧 ■遠心圧縮機人口全温 ■遠心圧縮機出口全温 ■羽根車回転数 ■羽根熱ディフューザ部の径方向における静圧分布