JPWO2011099416A1 - 非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

ケーシング１０の内周面に吸引リング溝１、リング案内路２、及び還流リング溝３を有し、自己循環流路を形成する非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機において、吸引リング溝１の位置又は幅が、周方向において円弧状に分布し、円弧の中心角αが０＜α≦３０°の範囲である。

Description

本発明は、非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機に関する。遠心圧縮機は、車両や船舶用過給機、産業用圧縮機、航空エンジンなど、各種用途のターボ機械に用いられる。

遠心圧縮機を用いたターボ式圧縮機は、往復動式圧縮機に対し、効率が高く、重量が軽く、運転が安定している等の長所があるが、その許容作動範囲（すなわち、遠心圧縮機の流量範囲）が限られている。
遠心圧縮機の小流量作動点（すなわち、圧縮機の流量が小さい場合）では、内部の流れ場において大幅な流体剥離などの不安定現象が生じて、失速ひいてはサージをもたらす。その結果、圧縮機の効率と圧力比の急速な低下を招き、寿命が短縮し、ひいては、短時間に損傷してしまう。そのため、様々な対策を採用することで、圧縮機の失速等の不安定現象を抑制して、その安定作動範囲を拡大させている。

例えば、安定作動範囲を拡大させるために、遠心圧縮機のケーシングトリートメントが用いられている。ケーシングトリートメントは、例えば、特許文献１〜５に開示されている。

ケーシングトリートメントでは、特許文献１〜５のように、遠心圧縮機のインペラを囲むケーシングの内周面において、インペラ前縁より下流の環状入口と、インペラ前縁より上流の環状出口を形成する。これにより、遠心圧縮機への流入流量が少ない場合、環状入口からケーシング内部を通って環状出口へ流体を戻すことで、インペラへの流入流量をみかけ上増加させている。その結果、失速等の不安定現象を抑制して、遠心圧縮機の安定作動範囲が拡大する。

特許第３００１９０２号 特開２００７−１２７１０９号公報 特許第４１０００３０号 特許第４１０７８２３号 米国特許第４９３０９７９号

上述したように、現在、ケーシングトリートメントは、遠心圧縮機の安定作動範囲を拡大する有効な手段であると考えられている。

従来のケーシングトリートメントは、インペラの回転軸に対して軸対称に構成されている。以下、回転軸に対して軸対称のケーシングトリートメントを「軸対称ケーシングトリートメント」、回転軸に対して非対称のケーシングトリートメントを「非対称ケーシングトリートメント」と呼ぶ。

軸対称ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機の場合、ケーシングのスクロール流路がインペラの回転軸に対して非対称に構成されているため、設計範囲を外れる小流量時に、スクロール流路の非対称性によってインペラ出口における流れに周方向のゆがみが生じ、上流側の流動パラメータに影響を及ぼして、圧縮機のインペラ及び羽根なしディフューザ内部の周方向流動パラメータが非対称性を呈することになる。

従来の軸対称ケーシングトリートメントの構成は、圧縮機内部における流れ場の非対称性の特徴を考慮していないので、ケーシングトリートメントによる安定作動範囲の拡大効果を周方向全周では達成することができない。そのため、周方向全周における最適な安定作動範囲の拡大効果を実現するために、非対称の自己循環ケーシングトリートメントを採用する必要がある。

図１Ａは、自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機の半断面図であり、図１Ｂは、自己循環ケーシングトリートメントの説明図である。
図１Ａにおいて、インペラ１３は、インペラ全羽根１１とインペラ半羽根１２とを有する。またＺ−Ｚはインペラ１３の回転軸中心である。図１Ａと図１Ｂに示すように、自己循環ケーシングトリートメントの構成は、一般的に、吸引リング溝１、リング案内路２、及び還流リング溝３からなる。自己循環ケーシングトリートメントの主な構成パラメータは、吸引リング溝１のインペラ全羽根前縁４に対する軸方向距離Ｓ_ｒと、吸引リング溝の幅ｂ_ｒと、還流リング溝３のインペラ全羽根前縁４に対する軸方向距離Ｓ_ｆと、還流リング溝３の幅ｂ_ｆと、還流リング溝３の深さｈ_ｂと、リング案内路２の幅ｂ_ｂ等である。

インペラ全羽根前縁４に対する吸引リング溝１の軸方向距離Ｓ_ｒや吸引リング溝１の幅ｂ_ｒが、還流圧力差と還流流量を直接決め、作動範囲の拡大効果に対する影響が大きいことが研究から明らかになった。このため、周方向における吸引リング溝の軸方向距離Ｓ_ｒ又は幅ｂ_ｒの分布を適正に設計することは、非対称自己循環ケーシングトリートメントにより遠心圧縮機の作動範囲を拡大するためのキーポイントである。

本発明は上述した要望を満たすために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、インペラ全羽根前縁に対する吸引リング溝の軸方向距離Ｓ_ｒ又は幅ｂ_ｒの周方向分布を最適化することによって、効率を維持したままで、安定作動範囲を低流量側に拡大することができる非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機を提供することにある。

本発明は、ケーシングの内周面に吸引リング溝（１）、リング案内路（２）、及び還流リング溝（３）を有し、自己循環流路を形成する非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機において、
前記吸引リング溝の位置又は幅が、周方向において円弧状に分布し、該円弧の中心角αが０＜α≦３０°の範囲である、ことを特徴とするものである。

本発明の一実施形態において、前記位置は、前記吸引リング溝の上流側端面のインペラ全羽根前縁（４）に対する軸方向距離Ｓ_ｒであり、前記円弧の半径Ｒとインペラ直径Ｄとの比率が、２≦｜Ｒ／Ｄ｜≦４０の範囲である。

また本発明の別の実施形態において、前記幅は、前記吸引リング溝の幅ｂ_ｒであり、前記円弧の半径Ｒとインペラ直径Ｄとの比率が、２≦｜Ｒ／Ｄ｜≦２０の範囲である。

前記ケーシングは、外殻（５）と中子（６）からなり、
前記吸引リング溝（１）は、中子（６）の壁面に設けられ、前記外殻の内壁面と中子の外壁面が前記リング案内路（２）と還流リング溝（３）を形成する。

従来の技術に比べ、本発明は、吸引リング溝の位置又は幅が、円弧状に分布する非対称自己循環ケーシングトリートメントを採用することで、軸対称自己循環ケーシングトリートメントよりも遠心圧縮機の安定作動範囲を大幅に拡大すると共に、効率が基本的に変わらないように維持することができる、ことが後述する実施例で確認された。

自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機の半断面図である。 自己循環ケーシングトリートメントの説明図である。 ケーシングの外殻の正面模式図である。 ケーシングの外殻の半断面模式図である。 圧縮機のケーシングの模式図である。 ケーシングの中子の構成模式図である。 中子における吸引リング溝の模式図である。 実施例における初期位相角θ_０の位置模式図である。 異なる初期位相角θ_０に対応する吸引リング溝の軸方向距離Ｓ_ｒの分布模式図である。 実施例１における軸方向距離Ｓ_ｒの分布模式図である。 実施例１における正規化質量流量と圧力比の関係図である。 実施例１における正規化質量流量と効率の関係図である。 圧縮機のケーシングの模式図である。 ケーシングの中子の構成模式図である。 中子における吸引リング溝の模式図である。 異なる初期位相角θ_０に対応する吸引リング溝の幅ｂ_ｒの分布模式図である。 実施例２における幅ｂ_ｒの分布模式図である。 実施例２における正規化質量流量と圧力比の関係図である。 実施例２における正規化質量流量と効率の関係図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

（第１実施形態）
図２Ａ、図２Ｂ、図３〜図５は、本発明の第１実施形態を示す模式図であり、図２Ａはケーシングの外殻５の正面模式図、図２Ｂは半断面模式図、図３はケーシングの模式図、図４はケーシングの中子６の構成模式図、図５は中子における吸引リング溝の模式図である。

本発明の遠心圧縮機は、図１に示したように、ケーシングの内周面に、吸引リング溝１、リング案内路２、及び還流リング溝３を有し自己循環流路を形成する非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する。
自己循環流路とは、吸引リング溝１、リング案内路２、及び還流リング溝３により、インペラ全羽根前縁より下流側位置からインペラ全羽根前縁より上流側位置へ流体を戻す還流路を意味する。

また、第１実施形態の遠心圧縮機のケーシング１０は、図３に示すように、外殻５と中子６からなり、吸引リング溝１は、中子６の壁面に設けられ、外殻５の内壁面と中子６の外壁面がリング案内路２と還流リング溝３を形成する。

第１実施形態の非対称自己循環ケーシングトリートメントは、吸引リング溝１の位置、すなわちインペラ全羽根前縁４に対する、吸引リング溝１の上流側端面１ａの軸方向距離Ｓ_ｒが、周方向において円弧状に分布している。

また図３に示すように、第１実施形態において、軸方向距離Ｓ_ｒの円弧の中心角α（図示せず）は、０＜α≦３０°の範囲であり、円弧の半径Ｒとインペラ直径Ｄとの比率は、２≦｜Ｒ／Ｄ｜≦４０の範囲である。

設計による円弧状分布に応じた吸引リング溝１の位置は、中子６の周方向円柱面において曲線であり、図５において一点鎖線で示されている。

図２Ａ、図２Ｂ、図３において、ケーシングの外殻５を固定し、かつ中子６をインペラ１３（図１参照）の回転軸中心Ｚ−Ｚのまわりに回転して、組み立て時の両者の対向位置を変更することで、異なる初期位相角θ_０に対応する吸引リング溝１の位置（軸方向距離Ｓ_ｒ）の円弧状分布が得られる。
すなわち、ケーシング１０の外殻５と中子６は、ネジ７によって連結される。ケーシング１０の外殻５には、周方向にｎ個（この例では４つ）のネジ孔が均等に配置されており、ｎ個の異なる初期位相角θ_０に対応する軸方向距離Ｓ_ｒの分布曲線が得られる。圧縮機の性能試験によって、ｎ個の異なる初期位相角θ_０から最適な初期位相角θ_０を確定する。

図６は、実施例における初期位相角θ_０の位置模式図であり、図７は、異なる初期位相角θ_０に対応する吸引リング溝のＳ_ｒ値の分布模式図である。
図２Ａと図２Ｂにおいて、ケーシング１０の外殻５に合計４つのネジ孔が設けられているので、図７に示される４種の異なる吸引リング溝１の軸方向距離Ｓ_ｒの円弧状分布が得られる。

図７は、異なる初期位相角θ_０に対応する吸引リング溝１の軸方向距離Ｓ_ｒの分布模式図である。
図７において、実線は、吸引リング溝１の軸方向距離Ｓ_ｒの周方向における円弧状分布であり、周方向の初期位相角θ_０の選定を変えることに基づき、多様な表現形式がある。そのうち、θ_０は初期位相角であり、ケーシング１０は０°≦θ_０≦３６０°の１周の円であり、図中、θ_０〜θ_０＋３６０°はケーシング１０の全周角度である。

本発明の遠心圧縮機の作動において、低流量モード時に、自己循環ケーシングトリートメントの流路内の空気は、吸引リング溝１から流入し、リング案内路２と還流リング溝３を経て流出する。
具体的な作動原理は、自己循環ケーシングトリートメントの吸引リング溝１がインペラ翼端領域の気体を吸引し、リング案内路２を経て、還流リング溝３から気体を放出することにある。

還流リング溝３から気体を放出することにより、（１）吸引リング溝１の溝位置（軸方向距離Ｓ_ｒ）におけるインペラ翼端領域の気体に対する吸引作用が、インペラ翼端の隙間の漏れ渦が吸引リング溝１に吸い取られることを引き起こして、漏れ流動流路が遮断され、（２）還流が圧縮機入口に放出され、還流リング溝３内の流動の連通により、圧縮機入口の流れの均等性を実現し、流路の衝撃波を取り除き、（３）還流が入口流量を増大させ、インペラ翼入口の正の迎角を小さくすると共に、吸引リング溝１の吸引作用が、圧縮機出口の背圧を低減し、逆圧勾配が小さくなって、インペラ翼表面の境界層の分離を効果的に抑制した。
周方向上の対応する位置で還流効果がより良くなるように、周方向において円弧状に分布した吸引リング溝１の溝位置（軸方向距離Ｓ_ｒ）を用いることで、還流の作用をより効果的に用いて、圧縮機の安定作動範囲を拡大する。

閉塞に近い作動モードにおいて、自己循環ケーシングトリートメントの流路内の空気は、還流リング溝３とリング案内路２を経て、吸引リング溝１より放出される。還流リング溝３は、入口の周方向における流動を連通させることで、圧縮機入口の流動の均等性を増加させて、入口の衝撃波を弱め、吸引リング溝１の放出流は、流通能力を強化することで、閉塞境界を拡大した。ただし、閉塞に近い作動モードの吸引動力の不足により、該ケーシングトリートメントの閉塞境界に対する拡大は、失速境界に対する拡大より著しくない。

以下は、あるサイズの遠心圧縮機に対し、溝位置が円弧状分布である遠心圧縮機の非対称自己循環ケーシングトリートメントを採用することで、安定作動範囲を拡大する例である。
図８は、実施例におけるＳ_ｒ値の分布模式図である。
遠心圧縮機の非対称ケーシングトリートメントのＳ_ｒ値の分布は、図８のように示される。初期位相角θ_０は図６において、θ_０＝９０°の位置である。

図９Ａは、実施例１における正規化質量流量と圧力比の関係図である。また、図９Ｂは、実施例１における正規化質量流量と効率の関係図である。
図９Ａと図９Ｂは、溝位置が円弧状分布である非対称自己循環ケーシングトリートメント（「非対称自己循環ＣＴ」）と、軸対称自己循環ケーシングトリートメント（「軸対称自己循環ＣＴ」）と、ケーシングトリートメントのない（「ＣＴなし」）の場合の圧縮機の性能比較図である。

図９Ａと図９Ｂの性能比較によって、本発明の溝位置が円弧状分布である遠心圧縮機の非対称自己循環ケーシングトリートメント（非対称自己循環ＣＴ）を採用することにより、ケーシングトリートメントのない場合（ＣＴなし）及び軸対称自己循環ケーシングトリートメント（軸対称自己循環ＣＴ）を採用する場合に対し、圧縮機の安定作動範囲を低流量側に拡大できると共に、効率が基本的に変わらないように維持することができることが確認された。

（第２実施形態）
図１０〜図１２は、本発明の第２実施形態を示す模式図であり、図１０は圧縮機のケーシング１０の模式図、図１１はケーシング１０の中子６の構成模式図、図１２は、中子６における吸引リング溝１の模式図である。
また、図２Ａと図２Ｂは第１実施形態と共通である。

本発明の遠心圧縮機は、図１に示したように、ケーシングの内周面に、吸引リング溝１、リング案内路２、及び還流リング溝３を有し、自己循環流路を形成する非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する。

また、第２実施形態の遠心圧縮機のケーシング１０は、図１０に示すように、外殻５と中子６からなり、吸引リング溝１は、中子６の壁面に設けられ、外殻５の内壁面と中子６の外壁面がリング案内路２と還流リング溝３を形成する。

第２実施形態の非対称自己循環ケーシングトリートメントは、吸引リング溝１の幅ｂ_ｒが、周方向において円弧状に分布している。

また図１０に示すように、第２実施形態において、吸引リング溝１の幅ｂ_ｒの円弧の中心角α（図示せず）は０＜α≦３０°の範囲であり、円弧の半径Ｒとインペラ直径Ｄとの比率は、２≦｜Ｒ／Ｄ｜≦２０の範囲である。

図１２において、設計による円弧状分布に応じた吸引リング溝１の下流端１ｂは、中子６の周方向円柱面において曲線である。

図２Ａ、図２Ｂ、図１０、図１１において、ケーシング１０の外殻５を固定し、かつ中子６をインペラ１３（図１参照）の回転軸中心Ｚ−Ｚのまわりに回転して、組み立て時の両者の対向位置を変更することで、異なる初期位相角θ_０に対応する吸引リング溝１の幅ｂ_ｒの円弧状分布が得られる。
すなわち、ケーシングの外殻５と中子６は、ネジ７によって連結され、ケーシング１０の外殻５には、周方向にｎ個（この例では４つ）のネジ孔が均等に配置されており、ｎ個の異なる初期位相角θ_０に対応する分布曲線が得られ、圧縮機の性能試験によって、最適な初期位相角θ_０を確定する。

図６は、第１実施形態と共通であり、実施例における初期位相角θ_０の位置模式図である。
例えば、図２Ａと図２Ｂにおいて、ケーシングの外殻５に合計４つのネジ孔が開けられているので、図１３に示される４種の異なる吸引リング溝１の幅ｂ_ｒの円弧状分布が得られる。

図１３は、異なる初期位相角θ_０に対応する吸引リング溝１の幅ｂ_ｒの分布模式図である。
図１３において、実線は、吸引リング溝１の幅ｂ_ｒの周方向における円弧状の分布であり、周方向の初期位相角θ_０の選定を変えることに基づき、多様な表現形式がある。そのうち、θ_０は初期位相角であり、ケーシング１０は０°≦θ_０≦３６０°の１周の円であり、図中、θ_０〜θ_０＋３６０°はケーシングの全周角度である。

本発明の遠心圧縮機の作動において、低流量モード時に、自己循環ケーシングトリートメントの流路内の空気は、吸引リング溝１から流入し、リング案内路２と還流リング溝３を経て流出する。
具体的な作動原理は、自己循環ケーシングトリートメントの吸引リング溝１がインペラ翼端領域の気体を吸引し、リング案内路２を経て、還流リング溝３から気体を放出することにある。

還流リング溝３から気体を放出することにより、（１）吸引リング溝１の溝幅ｂ_ｒにおけるインペラ翼端領域の気体に対する吸引作用が、インペラ翼端の隙間の漏れ渦が吸引リング溝１に吸い取られることを引き起こして、漏れ流動の流路が遮断され、（２）還流が圧縮機入口に放出され、還流リング溝３内の流動の連通により、圧縮機入口の流れの均等性を実現し、流路の衝撃波を取り除き、（３）還流が入口流量を増大させ、インペラ翼入口の正の迎角を小さくすると共に、吸引リング溝１の吸引作用が、圧縮機出口の背圧を低減し、逆圧勾配が小さくなって、インペラ翼表面の境界層の分離を効果的に抑制した。
周方向上の対応する溝幅で還流効果がより良くなるように、周方向において円弧状に分布した吸引リング溝１の溝幅ｂ_ｒを用いることで、還流の作用をより効果的に用いて、圧縮機の安定した作動範囲を拡大するようにする。

閉塞に近い作動モードにおいて、自己循環ケーシングトリートメントの流路内の空気は、還流リング溝３とリング案内路２を経て、吸引リング溝１より放出される。還流リング溝３は、入口の周方向における流動を連通させることで、圧縮機入口の流動の均等性を増加させて、入口の衝撃波を弱め、吸引リング溝１の放出流は、流通能力を強化することで、閉塞境界を拡大した。ただし、閉塞に近い作動モードの吸引動力の不足により、該ケーシングトリートメントの閉塞境界に対する拡大は、失速境界に対する拡大より著しくない。

以下は、あるサイズの遠心圧縮機に対し、吸引リング溝１の幅ｂ_ｒが円弧状分布である遠心圧縮機の非対称自己循環ケーシングトリートメントを採用することで、安定作動範囲を拡大する例である。

図１４は、実施例２における吸引リング溝１の幅ｂ_ｒの分布模式図である。
遠心圧縮機の非対称ケーシングトリートメントの幅ｂ_ｒの分布は、図１４のように示される。初期位相角θ_０は図６において、θ_０＝９０°の位置である。

図１５Ａは、実施例２における正規化質量流量と圧力比の関係図である。また、図１５Ｂは、実施例２における正規化質量流量と効率の関係図である。
図１５Ａと図１５Ｂは、溝幅が円弧状分布である非軸対称自己循環ケーシングトリートメント（「非対称自己循環ＣＴ」）と、軸対称自己循環ケーシングトリートメント「軸対称自己循環ＣＴ」）と、ケーシングトリートメントのない（「ＣＴなし」）の場合の圧縮機の性能比較図である。

図１５Ａと図１５Ｂの性能比較によって、本発明の溝幅が円弧状分布である遠心圧縮機の非対称自己循環ケーシングトリートメント（非対称自己循環ＣＴ）を採用することにより、ケーシングトリートメントのない場合（ＣＴなし）及び軸対称自己循環ケーシングトリートメント（軸対称自己循環ＣＴ）を採用する場合に対し、圧縮機の安定作動範囲を低流量側に拡大できると共に、効率が基本的に変わらないように維持することができることが確認された。

上述したように、従来の技術に比べ、本発明は、吸引リング溝１の位置（軸方向距離Ｓ_ｒ）又は幅（幅ｂ_ｒ）が、円弧状に分布する非対称自己循環ケーシングトリートメントを採用することで、軸対称自己循環ケーシングトリートメントよりも遠心圧縮機の安定作動範囲を大幅に拡大すると共に、効率が基本的に変わらないように維持することができる、ことが実施例１，２で確認された。

なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 吸引リング溝、
１ａ 上流側端面、１ｂ 下流側端面、
２ リング案内路、
３ 還流リング溝、４ インペラ全羽根前縁、
５ 外殻、６ 中子、７ ネジ、
１０ ケーシング、１１ インペラ全羽根、
１２ インペラ半羽根、１３ インペラ

Claims (4)

1. ケーシングの内周面に吸引リング溝（１）、リング案内路（２）、及び還流リング溝（３）を有し、自己循環流路を形成する非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機において、
   前記吸引リング溝の位置又は幅が、周方向において円弧状に分布し、該円弧の中心角αが０＜α≦３０°の範囲である、ことを特徴とする非対称自己循環ケーシングトリートメントを有する遠心圧縮機。
2. 前記位置は、前記吸引リング溝の上流側端面のインペラ全羽根前縁（４）に対する軸方向距離Ｓ_ｒであり、前記円弧の半径Ｒとインペラ直径Ｄとの比率が、２≦｜Ｒ／Ｄ｜≦４０の範囲である、ことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記幅は、前記吸引リング溝の幅ｂ_ｒであり、前記円弧の半径Ｒとインペラ直径Ｄとの比率が、２≦｜Ｒ／Ｄ｜≦２０の範囲である、ことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
4. 前記ケーシングは、外殻（５）と中子（６）からなり、
   前記吸引リング溝（１）は、中子（６）の壁面に設けられ、前記外殻の内壁面と中子の外壁面が前記リング案内路（２）と還流リング溝（３）を形成する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の遠心圧縮機。
   
   

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