WO2012102146A1 - 遠心圧縮機、及び、その製造方法 - Google Patents

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秀明 玉木
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株式会社Ihi
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Definitions

  • the present invention relates to a centrifugal compressor [centrifugal compressor] that pressurizes a compressible fluid [compressible fluid] and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 discloses a casing treatment as one of the techniques for suppressing surging.
  • the centrifugal compressor has an impeller that rotates at a high speed and a casing that houses the impeller while forming a scroll flow path around the impeller.
  • a groove is formed in the entire circumference of the casing wall surface near the upstream end of the impeller, and the groove is communicated with a flow path upstream of the impeller.
  • An object of the present invention is to provide a centrifugal compressor capable of expanding the operating range by improving the surging suppressing effect by a more effective casing treatment, and to provide a manufacturing method thereof.
  • a first feature of the present invention is a centrifugal compressor having an impeller and a casing, the impeller accommodating portion provided in the casing for accommodating the impeller, and the impeller accommodated in the impeller accommodating portion. And a suction port provided in the casing concentrically, a sinusoidal passage provided in the casing so as to surround the impeller accommodated in the impeller accommodating portion, and communicating with the annular sinus passage, A discharge port provided in the casing; an annular space provided around the suction port; a downstream groove communicating with the downstream end of the annular space and the impeller housing; the upstream end of the annular space; An upstream groove that communicates with the mouth, and the downstream groove draws a curve of one cycle that is displaced with a predetermined amplitude in the axial direction of the suction port, and is perpendicular to the direction of the rotation axis of the impeller. When viewed along the direction, the most upstream point of the center line of the downstream groove is disposed on an upstream end portion of the impeller blades
  • the operating range can be expanded by improving the surging suppression effect.
  • the casing has a tongue portion formed at a boundary between the discharge port and the annular channel, and the rotation is performed when viewed from the suction port along the direction of the rotation axis of the impeller.
  • the most downstream point on the center line of the downstream groove is rotated with the straight line passing through the shaft and the end of the tongue as a reference 0 ° and the direction opposite to the flow direction in the annular channel as a positive direction. It is preferably arranged within the range of ⁇ 30 ° to + 150 ° with the center as the center, and particularly preferably within the range of ⁇ 30 °.
  • an inner wall cylinder that is separable from the casing is provided inside the suction port, the annular space is formed between the inner wall cylinder and the casing, and an upstream end of the annular space is Opened to the inside of the suction port, the downstream groove is formed in the inner wall cylinder, and the inner wall cylinder can be fixed to the casing by changing the rotation position around the rotation axis at a predetermined pitch. It is preferable that it is comprised.
  • a second feature of the present invention is a method of manufacturing a centrifugal compressor having an impeller and a casing, wherein the centrifugal compressor stores the impeller, and the impeller storage portion provided in the casing;
  • An upstream groove that communicates the upstream end of the annular space with the suction port, and the downstream groove draws a curve of one cycle that is displaced with a predetermined amplitude in the axial direction of the suction port.
  • the most upstream point on the center line of the downstream groove is disposed at the upstream end portion of the impeller blade, and the casing is disposed inside the suction port.
  • the second feature it is possible to easily set the optimum position of the casing, and thus it is possible to manufacture a centrifugal compressor that can improve the surging suppression effect and expand the operating range. .
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows one Embodiment of a centrifugal compressor. It is a graph explaining the shape of the downstream groove
  • the centrifugal compressor 1 includes a casing 2 and an impeller 3 housed in the casing 2.
  • the rotating shaft 4 of the impeller 3 is rotatably supported by a bearing housing (not shown).
  • the impeller 3 is fixed to one end of the rotating shaft 4.
  • a turbine (not shown) is connected to the other end of the rotating shaft 4.
  • an annular flow passage 5 is formed around the impeller 3.
  • a discharge port [discharge port] 9 for discharging a pressurized compressive fluid (for example, compressed air) is communicated with a required position of the annular channel 5.
  • a pressurized compressive fluid for example, compressed air
  • an inlet 6 is opened concentrically with the impeller 3.
  • a diffuser 7 [diffuser] communicating with the annular channel 5 is formed around the impeller 3.
  • the diffuser 7 is an annular space that communicates the space in which the impeller 3 of the casing 2 is accommodated with the annular passage 5.
  • a boundary wall 8 is formed between the annular channel 5 and the diffuser 7.
  • the turbine is rotated by exhaust gas from the engine (not shown), and the impeller 3 provided coaxially with the turbine is rotated via the rotating shaft 4. Air for combustion is sucked from the suction port 6 by the rotation of the impeller 3. The sucked air is compressed by passing through the impeller 3 and the diffuser 7 and flows into the annular channel 5. The compressed air is discharged from the annular channel 5 via the discharge port 9.
  • annular space 11 is formed concentrically with the suction port 6.
  • the annular space 11 has a flat cross section in the axial direction of the suction port 6.
  • the upstream end (the right end in FIG. 1) of the annular space 1 is located further upstream than the upstream end (of the fin) of the impeller 3, and the downstream end is located downstream of the upstream end of the impeller 3.
  • the upstream portion of the annular space 11 communicates with the suction port 6 through the upstream groove 12.
  • the downstream portion of the annular space 11 communicates with the downstream groove 13, and the downstream groove 13 is opened on the wall surface near the upstream end of the impeller 3.
  • the upstream groove 12 and the downstream groove 13 may be formed as continuous annular grooves with ribs provided at predetermined intervals.
  • channel 13 may be formed by perforating the circumferential direction long hole at predetermined intervals.
  • the upstream groove 12 and the downstream groove 13 may be formed by forming circular holes at a predetermined pitch.
  • the downstream groove 13 When the downstream groove 13 extending in the circumferential direction is developed in a plane, the downstream groove 13 is represented as a curve of one cycle that is displaced with a predetermined amplitude (W / 2 [mm]) in the axial direction, as shown in FIG. Is done.
  • the curve is, for example, a sine curve, but is not limited to a sine curve.
  • the annular space 11 starts from the high-pressure portion that is locally generated inside the impeller 3 at a low flow rate.
  • the fluid flows backward to the upstream side of the impeller 3 and partially recirculates, and surging is suppressed.
  • the shape of the casing 2, particularly the shape of the annular channel 5, is not axially symmetric. Accordingly, the pressure distribution in the annular channel 5 is not constant along the circumferential direction but varies. Further, the pressure distribution around the impeller 3 changes in the same manner. The pressure distribution inside the annular passage 5 is also propagated through the diffuser 7 to the inside of the impeller 3. For this reason, the high pressure part locally generated inside the impeller 3 is not necessarily generated at the same position in the axial direction, and is considered to be displaced according to the pressure distribution in the annular channel 5.
  • the curve drawn by the downstream groove 13 reflects the displacement of the high pressure portion locally generated inside the impeller 3 and effectively recirculates the fluid in the high pressure portion. As a result, surging is effectively suppressed.
  • the downstream groove 13 has a sine curve as shown in FIG.
  • the curve shown in FIG. 2 shows the locus of the center line of the downstream groove 13.
  • the maximum diameter D of the impeller 3 is 144.2 [mm]
  • the groove width d of the downstream groove 13 is 3 [mm]
  • d / D 0.02.
  • a point A in FIG. 2 indicates the most upstream point of the downstream groove 13
  • a point B indicates the most downstream point of the downstream groove 13
  • the most upstream point A of the downstream groove 13 exists on the line C (center line of the downstream groove 13), and the most downstream side of the downstream groove 13 on the line D (center line of the downstream groove 13).
  • Point B exists. That is, the downstream groove 13 swings between the front C and the line D.
  • the downstream groove 13 that draws the periodic curve is drawn as a straight line.
  • the downstream lower limit position of the line D is the upstream end of the small blade 3b.
  • the upstream end of the small blade 3b is located at h [mm] downstream from the upstream end of the impeller blade 3a.
  • the downstream lower limit position of the line D is about 1 ⁇ 2 of the height H of the impeller blades 3a (substantially the center in the axial direction of the impeller blades 3a).
  • the downstream lower limit position of the line D (that is, the most downstream point B) is set to about 1/2 of the upstream end of the small blade 3b or the height H of the impeller blade 3a. ) Is set downstream of the downstream lower limit position, the surging suppression effect is not improved, and the compression efficiency is lowered, which is not practically meaningful.
  • the center of rotation of the impeller 3 coincides with the origin of the XY coordinates.
  • the axis parallel to the central axis of the discharge port 9 and passing through the rotation center (origin) of the impeller 3 is the X axis, and the axis passing through the rotation center (origin) of the impeller 3 and perpendicular to the X axis is Y. Is the axis.
  • FIG. 4 also shows a tongue 15 formed at the boundary between the discharge port 9 and the sinusoidal channel 5.
  • the end of the tongue 15 is at a position of + 60 °, and the most downstream point B of the downstream groove 13 is in the range of + 90 ° to ⁇ 90 ° including 0 ° (the range of the right half in FIG. If the position is within the end of 15 [+ 60 ° with respect to 0 ° X-axis] to + 30 ° to ⁇ 150 ° (range + 90 ° to ⁇ 90 ° with respect to 0 ° X-axis), a surging suppression effect can be obtained. As will be described later, according to the experimental results, the best surging suppression effect was obtained when the most downstream point B was at the end of the tongue 15.
  • the most downstream point B is determined in accordance with the pressure distribution at the periphery of the impeller 3 and the pressure distribution changes depending on the shape and characteristics of the impeller 3, so that the optimum position of the most downstream point B is not necessarily the tongue 15. It is not necessarily the position of the end.
  • the optimum position of the most downstream point B is obtained in the vicinity of the end of the tongue 15 (for example, within a range of ⁇ 30 ° from the end of the tongue 15 [within + 30 ° to + 90 ° with respect to the X axis 0 °)].
  • the position of the most downstream point B is in the range of + 30 ° to ⁇ 150 ° [ ⁇ 90 ° (including 0 °) with respect to 0 ° of the X axis]] from the end of the tongue 15, preferably ⁇ 30 ° [X It is set in the range of + 30 ° to + 90 ° with respect to the 0 ° axis.
  • FIG. 5 shows the operating characteristics for each casing treatment.
  • the horizontal axis represents the flow rate ratio (Q / Qd: Q is the discharge flow rate, Qd is the design flow rate), the vertical axis is the pressure ratio (Po / Pi: Po is the fluid outlet pressure, and Pi is the fluid. Inlet pressure).
  • each performance line indicates the surging limit value.
  • NoCT is a performance line of a centrifugal compressor without a casing treatment (that is, the annular space 11, the upstream groove 12 and the downstream groove 13 are not provided).
  • CT0 is a performance line of a conventional centrifugal compressor in which the downstream groove 13 is not curved (a straight line when deployed), and the upstream groove 12 is located upstream from the upstream end of the impeller 3.
  • CT1 is the centrifugal compressor of this embodiment (when the downstream groove 13 is unfolded, it draws a sine curve [hereinafter referred to as sine curve treatment], and the most downstream end B of the downstream groove 13 is the end of the tongue 15. Is a performance line.
  • CT2 is a sine curve treatment, but is a performance line of a centrifugal compressor in which the most downstream end B of the downstream groove 13 is located at ⁇ 120 ° (that is, a position opposite to the tongue 15) with respect to the X axis 0 °.
  • the centrifugal compressors (CT1, CT2) with a sine curve treatment sometimes increased or decreased with respect to the conventional centrifugal compressor (CT0) with a casing treatment.
  • CT1 the most downstream end B is the end position of the tongue portion 15
  • CT2 the most downstream end B is a position opposite to the end of the tongue 15
  • the surging suppression effect was reduced. Accordingly, it can be seen that there is an optimum position of the most downstream end B that increases the surging suppression effect when the downstream groove 13 is displaced in one cycle along the circumferential direction.
  • the position of the most downstream end B that increases the surging suppression effect is + 30 ° to -150 ° from the end position of the tongue 15 [X axis 0 ° reference ⁇ 90 ° (including 0 °)], preferably ⁇ 30 ° [+ 30 ° to + 90 ° on the X-axis 0 ° basis].
  • the surging suppression effect can be increased as compared with the conventional casing treatment.
  • the optimum position of the most downstream end B is calculated by considering the shape of the casing, the shape and characteristics of the impeller 3, the capacity of the centrifugal compressor, and the like. It is preferable to obtain it.
  • an inner wall cylinder [inner wall wall cylinder] 17 is provided inside the suction port 6.
  • An annular space 11 is formed between the inner wall cylinder 17 and the casing 2.
  • the upstream end of the annular space 11 is opened inside the suction port 6 as an annular upstream end opening [annular [upstream-end opening] 11a.
  • the annular space 11 communicates with the suction port 6 through an upstream end opening 11 a formed by the inlet ring 29 of the suction port 6 and the upstream end of the inner wall cylinder 17.
  • the upstream end opening 11 a corresponds to the upstream groove 12.
  • the downstream end of the inner wall cylinder 17 forms an upstream section [upstream section] of the impeller storage section 25 in which the impeller 3 is stored.
  • a downstream groove 13 is formed at the downstream end of the inner wall cylinder 17.
  • the downstream groove 13 penetrates the inner wall cylindrical body 17 in the radial direction, and communicates the annular space 11 with the impeller storage portion 25. Further, as shown in FIG. 7, the downstream groove 13 is provided with ribs 18 at predetermined intervals along the circumferential direction.
  • the downstream groove 13 is represented as a curve of one period (here, a sine curve) that is displaced with a predetermined amplitude in the axial direction as described above.
  • a flange 19 is formed on the outer peripheral surface of the downstream end of the inner wall cylinder 17.
  • a fitting recess [fitting female portion] 21 is formed on the inner peripheral surface of the downstream end of the inner wall cylinder 17.
  • An annular seat [annular seat] 22 is formed on the inner edge of the casing 2.
  • a fitting projection [fitting male portion] 23 protruding toward the upstream is formed on the inner peripheral edge of the annular seat portion 22.
  • An annular recess 24 [annular depressed portion] is formed around the fitting protrusion 23.
  • the fitting convex portion 23 is fitted with the fitting concave portion 21, and the flange 19 is accommodated in the annular concave portion 24.
  • the inner wall cylindrical body 17 and the casing 2 are fitted together in a substantially air-tight manner so as to be detachable [jointed airalmost-airtightly], and are bolted together to ensure airtightness.
  • an O-ring may be disposed between the inner wall cylinder 17 and the casing 2 (around the fitting convex portion 23) to ensure airtightness.
  • the annular recess 24 is formed with a screw hole 28 that does not penetrate through the circumferential direction at predetermined intervals (for example, equal to 12 parts).
  • bolt holes 26 are also passed through the flange 19 at predetermined intervals along the circumferential direction (for example, at least in three equal parts). In consideration of the position adjustment of the inner wall cylindrical body 17 and the balance of the fixing strength, it is preferable that the bolt hole 26 is penetrated at a position divided into three or four equal parts along the circumferential direction. In a state where the fitting recess 21 and the fitting projection 23 are fitted to each other, the bolt hole 26 and the screw hole 28 are aligned, the bolt 27 is screwed, and the inner wall cylinder 17 is fixed to the casing 2.
  • the ring-shaped recess 24 is formed with screw holes 28 in 12 equal parts (that is, 30 ° pitch), and the flange 19 is provided with bolt holes 26 in any number of 12 equal parts, The rotational position of the inner wall cylinder 17 can be changed every 30 ° with respect to the casing 2.
  • the position of the most downstream point B of the downstream groove 13 can be changed at a 30 ° pitch by changing the rotational position of the inner wall cylinder 17.
  • the optimal position of the most downstream point B of the downstream groove 13 can be found by changing the attachment position of the inner wall cylinder 17 to the casing 2 and performing the performance check.
  • the basic position of the inner wall cylinder 17 is a position where the position of the most downstream point B coincides with the end of the tongue portion 15.
  • the rotational position of the inner wall cylinder 17 relative to the casing 2, that is, the position of the most downstream point B can be changed at a 15 ° pitch.
  • the appropriate position of the most downstream point B of the downstream groove 13 can be easily obtained with a simple configuration.
  • the optimum position of the inner wall cylinder 17 may be obtained, and the product obtained by fixing the inner wall cylinder 17 at the optimum position on the casing 2 may be used as a product.
  • the casing 2 and the inner wall cylinder 17 may be integrally formed based on the obtained data.
  • the downstream groove 13 has a sine curve.
  • the downstream groove 13 may be a groove that draws a one-cycle curve that is displaced with a predetermined amplitude in the axial direction of the suction port 6.

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Abstract

　遠心圧縮機は、インペラと、ケーシングとインペラを収納するインペラ収納部と、インペラと同心状に設けられた吸入口と、インペラを囲むように設けられた環洞流路と、環洞流路に連通する吐出口と、吸入口の周囲に設けられた環状空間と、環状空間の下流端とインペラ収納部とを連通させる下流溝と、環状空間の上流端と吸入口とを連通させる上流溝と、を備えている。下流溝は、吸入口の軸心方向に所定振幅で変位する一周期の曲線を描く。インペラの回転軸の方向に直角な方向に沿って見た場合に、下流溝の中心線上の最上流点がインペラ羽根の上流端部分に配置されている。上記遠心圧縮機によれば、より効果的なケーシングトリートメントによって、サージング抑制効果を向上させて作動域を拡大させることができる。

Description

遠心圧縮機、及び、その製造方法
　本発明は、圧縮性流体[compressible fluid]を昇圧する遠心圧縮機[centrifugal compressor]と、その製造方法とに関する。
　低流量時の流体の逆流によるサージングは、圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機の作動域[operating range]を制限する。サージングは遠心圧縮機の運転を不能にするので、サージングを抑制することで遠心圧縮機の作動域を拡大できる。下記特許文献１は、サージングを抑制する手法の１つとしてケーシングトリートメントを開示している。
　遠心圧縮機は、高速で回転するインペラと、インペラの周囲にスクロール流路を形成しつつインペラを収納するケーシングとを有している。特許文献１に開示されたケーシングトリートメントでは、インペラの上流端近傍のケーシング壁面全周に溝[slot]を形成し、該溝をインペラより上流側の流路に連通させている。このようにすることで、低流量時にインペラの内部に局所的に生じる高圧部からインペラの上流側に流体が逆流して部分的に再循環し、サージングが抑制される。
日本国特開２００４－３３２７３４号公報
　上述したケーシングトリートメントによってサージング抑制の効果は得られているが、サージングをさらに抑制して遠心圧縮機の作動域を拡大することが望まれている。
　本発明の目的は、より効果的なケーシングトリートメントによるサージング抑制効果を向上させて作動域を拡大することのできる遠心圧縮機を提供することと、その製造方法を提供することにある。
　本発明の第１の特徴は、インペラと、ケーシングとを有する遠心圧縮機であって、前記インペラを収納する、前記ケーシングに設けられたインペラ収納部と、前記インペラ収納部に収納された前記インペラと同心状に前記ケーシングに設けられた吸入口と、前記インペラ収納部に収納された前記インペラを囲むように前記ケーシングに設けられた環洞流路と、前記環洞流路に連通する、前記ケーシングに設けられた吐出口と、前記吸入口の周囲に設けられた環状空間と、前記環状空間の下流端と前記インペラ収納部とを連通させる下流溝と、前記環状空間の上流端と前記吸入口とを連通させる上流溝と、を備えており、前記下流溝が、前記吸入口の軸心方向に所定振幅で変位する一周期の曲線を描き、前記インペラの回転軸の方向に直角な方向に沿って見た場合に、前記下流溝の中心線上の最上流点が前記インペラ羽根の上流端部分に配置されている、遠心圧縮機を提供する。
　上記第１の特徴によれば、サージング抑制効果を向上させて作動域を拡大することができる。
　ここで、前記ケーシングが、前記吐出口と前記環洞流路との境界に形成された舌部を有し、前記吸入口から前記インペラの回転軸の方向に沿って見た場合に、前記回転軸と前記舌部の端部とを通る直線を基準０°、かつ、前記環洞流路内の流れ方向に対して反対方向を正として、前記下流溝の中心線上の最下流点が前記回転中心を中心として－３０゜～＋１５０゜の範囲内に配置されていることが好ましく、±３０゜の範囲内に配置されていることが特に好ましい。
　また、前記吸入口の内部に前記ケーシングと分離可能な内壁筒体が設けられており、前記環状空間が、前記内壁筒体と前記ケーシングとの間に形成され、前記環状空間の上流端が、前記吸入口の内部に開放され、前記下流溝が、前記内壁筒体に形成され、前記内壁筒体が、前記回転軸を中心にした回転位置を所定ピッチで変更して前記ケーシングに固定可能に構成されている、ことが好ましい。
　本発明の第２の特徴は、インペラと、ケーシングとを有する遠心圧縮機の製造方法であって、前記遠心圧縮機が、前記インペラを収納する、前記ケーシングに設けられたインペラ収納部と、前記インペラ収納部に収納された前記インペラと同心状に前記ケーシングに設けられた吸入口と、前記インペラ収納部に収納された前記インペラを囲むように前記ケーシングに設けられた環洞流路と、前記環洞流路に連通する、前記ケーシングに設けられた吐出口と、前記吸入口の周囲に設けられた環状空間と、前記環状空間の下流端と前記インペラ収納部とを連通させる下流溝と、前記環状空間の上流端と前記吸入口とを連通させる上流溝と、を備えており、前記下流溝が、前記吸入口の軸心方向に所定振幅で変位する一周期の曲線を描き、前記インペラの回転軸の方向に直角な方向に沿って見た場合に、前記下流溝の中心線上の最上流点が前記インペラ羽根の上流端部分に配置されており、前記吸入口の内部に前記ケーシングと分離可能な内壁筒体が設けられており、前記環状空間が、前記内壁筒体と前記ケーシングとの間に形成され、前記環状空間の上流端が、前記吸入口に連通され、前記下流溝が、前記内壁筒体に形成され、前記内壁筒体が、前記回転軸を中心にした回転位置を所定ピッチで変更して前記ケーシングに固定可能に構成されており、前記製造方法が、前記内壁筒体の前記回転位置を変更しつつ前記下流溝の前記ケーシングに対する最適位置を求め、求められた前記最適位置に前記内壁筒体の固定位置を設定して前記ケーシングを製作する、ことを含む、遠心圧縮機の製造方法を提供する。
　上記第２の特徴によれば、ケーシングの最適位置を簡単に設定することことができ、それにより、サージング抑制効果を向上させて作動域を拡大することができる遠心圧縮機を製造することができる。
遠心圧縮機の一実施形態を示す断面図である。 前記実施形態におけるケーシングトリートメントの下流溝[downstream slot]の形状を説明するグラフである。 前記実施形態における上流溝、下流溝及びインペラの関係を示す側面図である。 前記実施形態におけるケーシングと下流溝の最下流点との位置関係を示す側面図である。 遠心圧縮機の性能線を示すグラフである。 ケーシングトリートメントの構成例を示す断面図である。 図６に示される内壁筒体の拡大部分断面図である。
　以下、図面を参照しつつ遠心圧縮機の一実施形態を説明する。
　図１に示されるように、遠心圧縮機１は、ケーシング２とケーシング２に収納されたインペラ３とを備えている。インペラ３の回転軸４は、軸受ハウジング（図示せず）に回転自在に支持されている。インペラ３は回転軸４の一端に固定されている。なお、回転軸４の他端には、例えば、タービン（図示せず）が連結されている。
　ケーシング２には、インペラ３の周囲に環洞流路[annular flow passage]５が形成されている。該環洞流路５の所要位置には、昇圧された圧縮性流体（例えば、圧縮空気）を吐出する吐出口[discharge port]９が連通されている。ケーシング２の中央には、インペラ３と同心状に吸入口[inlet port]６が開口されている。
　インペラ３の周囲には、環洞流路５と連通するディフューザ７[diffuser]が形成されている。ディフューザ７は、ケーシング２のインペラ３を収納する空間と環洞流路５とを連通する環状空間である。環洞流路５とディフューザ７との間には、境界壁[boundary wall]８が形成されている。
　エンジン（図示せず）からの排気ガスによってタービンが回転され、回転軸４を介して、タービンと同軸に設けられたインペラ３が回転される。インペラ３の回転によって吸入口６より燃焼のための空気が吸入される。吸入された空気は、インペラ３及びディフューザ７を通過することで圧縮され、環洞流路５に流入する。圧縮された空気は、環洞流路５から吐出口９を経て吐出される。
　次に、ケーシングトリートメントについて説明する。
　ケーシング２の内部には、吸入口６と同心状に環状空間[annular chamber]１１が形成されている。環状空間１１は、吸入口６の軸心方向に扁平な断面を有している。環状空間１の上流端（図１中右端）は、インペラ３の（フィンの）上流端より更に上流に位置しており、下流端はインペラ３の上流端より下流に位置している。
　環状空間１１の上流部は、上流溝１２によって吸入口６と連通している。一方、環状空間１１の下流部は、下流溝１３と連通しており、下流溝１３は、インペラ３の上流端近傍の壁面に開口されている。上流溝１２及び下流溝１３は、連続する環状溝で所定間隔毎にリブが設けられて形成されてもよい。または、上流溝１２及び下流溝１３は、円周方向の長孔が所定間隔毎に穿設されて形成されてもよい。あるいは、上流溝１２及び下流溝１３は、円孔が所定ピッチで穿設されて形成されてもよい。
　周方向に延びる下流溝１３を平面に展開した場合、下流溝１３は、図２に示されるように、軸心方向に所定振幅（Ｗ／２［ｍｍ］）で変位する一周期の曲線として表される。曲線は、例えば、サインカーブであるが、サインカーブに限定されるものではない。
　下流溝１３、環状空間１１及び上流溝１２を介して、インペラ３の上流端と吸入口６とが連通されているので、低流量時にインペラ３の内部に局所的に生じる高圧部から環状空間１１を通してインペラ３の上流側に流体が逆流して部分的に再循環し、サージングが抑制される。
　ケーシング２の形状、特に、環洞流路５の形状は、軸対称とはなっていない。従って、環洞流路５内部の圧力分布は、周方向に沿って一定ではなく、変動する。さらに、インペラ３の周縁の圧力分布も同様に変化する。環洞流路５内部の圧力分布は、ディフューザ７を通してインペラ３の内部にも伝播する。このため、インペラ３の内部に局所的に生じる高圧部も、軸心方向の同じ位置に生じるとは限らず、環洞流路５の圧力分布に応じて変位していると考えられる。下流溝１３の描く曲線は、インペラ３の内部で局所的に生じる高圧部の変位を反映させて効果的に高圧部の流体を再循環させる。その結果、サージングが効果的に抑制される。
　次に、下流溝１３について詳しく説明する。
　本実施形態においては、下流溝１３は、図２に示されるようなサインカーブを描いている。なお、図２に示される曲線は、下流溝１３の中心線の軌跡を示している。ここで、インペラ３の最大径Ｄ＝１４４．２［ｍｍ］、下流溝１３の溝幅ｄ＝３［ｍｍ］とされており、ｄ／Ｄ＝０．０２となる。図２中の点Ａは、下流溝１３の最上流点、点Ｂは下流溝１３の最下流点、Ｗ／２が振幅（Ｗ＝振幅×２）を示している。
　図３に示されるように、線Ｃ（下流溝１３の中心線）上に下流溝１３の最上流点Ａが存在し、線Ｄ（下流溝１３の中心線）上に下流溝１３の最下流点Ｂが存在する。即ち、下流溝１３は前Ｃと線Ｄとの間で振幅する。なお、図３では、便宜上、周期曲線を描く下流溝１３は直線として描かれている。線Ｃ（及び線Ｃ上の最上流点Ａ）は、インペラ３のインペラ羽根[impeller blades]３ａの上流端を中心に上流下流方向に±ｄ／２（ｄ／２＝１．５ｍｍ）の範囲内（＝上流端部）に位置する。なお、上述した±ｄ／２の範囲内での線Ｃ（最上流点Ａ）の最適位置は、ケーシング２の形状やインペラ３の特性等で変化するので、計算や実験を通して設定される。
　インペラ３が小羽根［small blades］３ｂを有している場合、線Ｄの下流下限位置は、小羽根３ｂの上流端となる。本実施形態では、小羽根３ｂの上流端は、インペラ羽根３ａの上流端から下流へｈ［ｍｍ］に位置している。インペラ３が小羽根３ｂを有していない場合、線Ｄのの下流下限位置は、インペラ羽根３ａの高さＨの１／２程度（インペラ羽根３ａの軸方向のほぼ中央）となる。なお、線Ｄ（即ち、最下流点Ｂ）の下流下限位置を小羽根３ｂの上流端又はインペラ羽根３ａの高さＨの１／２程度としたのは、線Ｄ（即ち、最下流点Ｂ）を上記下流下限位置よりも下流に設定しても、サージング抑制効果が改善されずに圧縮効率が低下して実用上意味がないからである。
　次に、下流溝１３の円周に沿った位置（即ち、最上流点Ａ又は最下流点Ｂの位置）を図４を参照しつつ説明する。なお、図４では、インペラ３の回転中心がＸ－Ｙ座標の原点と一致している。吐出口９の中心軸と平行で、かつ、インペラ３の回転中心（原点）を通過する軸がＸ軸であり、インペラ３の回転中心（原点）を通り、かつＸ軸に直交する軸がＹ軸である。下流溝１３の円周に沿った位置は、Ｘ軸を０°とした原点に対する角度（反時計方向［流れ上流方向］が＋）で表される。また、図４には、吐出口９と環洞流路５との境界に形成されている舌部[tongue]１５も示されている。
　舌部１５の端部は＋６０°の位置にあり、下流溝１３の最下流点Ｂが、０°を含む＋９０°～－９０°の範囲（図４中の右側半分の範囲であり、舌部１５の端部［Ｘ軸０°基準で＋６０°］から＋３０°～－１５０°［Ｘ軸０°基準で＋９０°～－９０°］の範囲）内に位置すると、サージング抑制効果が得られる。なお、後述するが、実験結果によれば、最下流点Ｂが舌部１５の端部の位置にある場合が、最も良好なサージング抑制効果が得られた。最下流点Ｂはインペラ３の周縁の圧力分布に対応して決定され、かつ、圧力分布はインペラ３の形状や特性等で変化するので、最下流点Ｂの最適な位置は必ずしも舌部１５の端部の位置とは限らない。
　しかし、舌部１５の端部近傍（例えば舌部１５の端部から±３０゜の範囲［Ｘ軸０°基準で＋３０°～＋９０°］内）で、最下流点Ｂの最適位置が得られる。従って、最下流点Ｂの位置は、舌部１５の端部から＋３０゜～－１５０゜［Ｘ軸０°基準で±９０°（０°含む）］の範囲、好ましくは、±３０゜［Ｘ軸０°基準で＋３０°～＋９０°］の範囲で設定される。
　図５は、ケーシングトリートメント毎の作動特性を示している。図５に示されるグラフでは、横軸が流量比（Ｑ／Ｑｄ：Ｑは吐出流量、Ｑｄは設計流量）を示し、縦軸が圧力比（Ｐｏ／Ｐｉ：Ｐｏは流体出口圧力、Ｐｉは流体入口圧力）を示している。
　各性能線の左側の領域では、サージングが発生して遠心圧縮機は作動不能となる。即ち、各性能線がサージング限界値を示している。図５中、ＮｏＣＴは、ケーシングトリートメントを伴わない（即ち、環状空間１１、上流溝１２及び下流溝１３が設けられていない）遠心圧縮機の性能線である。ＣＴ０は、下流溝１３が曲線でなく（展開されると直線となり）、かつ、上流溝１２がインペラ３の上流端より上流側に位置する従来の遠心圧縮機の性能線である。ＣＴ１は、本実施形態の遠心圧縮機（下流溝１３が展開されるとサインカーブを描き［以下、サインカーブトリートメントと言う］、かつ、下流溝１３の最下流端Ｂが舌部１５の端部に位置する）の性能線である。ＣＴ２は、サインカーブトリートメントであるが、下流溝１３の最下流端ＢがＸ軸０°基準で－１２０゜（即ち、舌部１５の正反対位置）に位置する遠心圧縮機の性能線である。
　図５から分かるように、ケーシングトリートメントを伴う３例（ＣＴ０～ＣＴ２）のいずれも、ケーシングトリートメントを伴わない遠心圧縮機（ＮｏＣＴ）より、サージング抑制効果が得られている。
　また、ケーシングトリートメントを伴う従来の遠心圧縮機（ＣＴ０）に対して、サインカーブトリートメントを伴う遠心圧縮機（ＣＴ１，ＣＴ２）は、サージング抑制効果が増大する場合と減少する場合とがあった。本実施形態の遠心圧縮機（ＣＴ１：最下流端Ｂが舌部１５の端部位置）の場合には、サージング抑制効果が増大した。遠心圧縮機（ＣＴ２：最下流端Ｂが舌部１５の端部に対して正反対位置）の場合には、サージング抑制効果が減少した。従って、下流溝１３を周方向に沿って一周期で変位させた場合に、サージング抑制効果を増大させる最下流端Ｂの最適位置が存在することが分かる。
　ケーシングトリートメントを伴う従来の遠心圧縮機（ＣＴ０）に対して、サージング抑制効果を増大させる最下流端Ｂの位置は、舌部１５の端部位置から＋３０゜～－１５０゜［Ｘ軸０°基準で±９０°（０°含む）］の範囲、好ましくは、±３０゜［Ｘ軸０°基準で＋３０°～＋９０°］の範囲である。
　最下流端Ｂの位置を舌部１５の端部位置から±３０゜の範囲内に設定することで、従来のケーシングトリートメントに対してサージング抑制効果を増大させることができるが、上述した±３０゜の範囲に最下流端Ｂの最適位置を設定するには、ケーシングの形状、インペラ３の形状及び特性、並びに、遠心圧縮機の容量等を考慮して、計算によって最下流端Ｂの最適位置が求めるのが好ましい。
　次に、図６及び図７を参照して、計算によらず、最下流端Ｂを簡単に最適位置に設定可能な遠心圧縮機と、その製造方法とについて説明する。
　図６に示されるように、吸入口６の内部に内壁筒体[inner wall cylinder dody]１７が設けられている。内壁筒体１７とケーシング２との間に、環状空間１１が形成されている。環状空間１１の上流端は、環状の上流端開口[annular upstream-end opening]１１ａとして吸入口６の内部に開放されている。環状空間１１は、吸入口６の入口リング[inlet ring]２９と内壁筒体１７の上流端によって形成された上流端開口１１ａを介して、吸入口６と連通している。ここでは、上流端開口１１ａが上流溝１２に相当する。
　内壁筒体１７の下流端は、インペラ３が収納されるインペラ収納部２５の上流部[upstream section]を形成している。内壁筒体１７の下流端に下流溝１３が形成されている。下流溝１３は、内壁筒体１７をその半径方向に貫通し、環状空間１１をインペラ収納部２５に連通させている。また、図７に示されるように、下流溝１３には、周方向に沿って所定間隔毎にリブ１８が設けられている。周方向に延びる下流溝１３を平面に展開した場合、下流溝１３は、上述したように、軸心方向に所定振幅で変位する一周期の曲線（ここでは、サインカーブ）として表される。
　内壁筒体１７の下流端外周面上には、フランジ１９が形成されている。内壁筒体１７の下流端内周面には、嵌合凹部[fitting female portion]２１が形成されている。また、ケーシング２の内縁には環状座部[annular seat]２２が形成されている。環状座部２２の内周縁には、上流に向けて突出された嵌合凸部[fitting male portion]２３が形成されている。嵌合凸部２３の周囲には、環状凹部２４[annular depressed portion]が形成されている。嵌合凸部２３は嵌合凹部２１と嵌合され、かつ、フランジ１９は環状凹部２４内に収納されている。内壁筒体１７とケーシング２（嵌合凸部２３）とは、ほぼ気密的に着脱可能に嵌め合わされ[jointed almost-airtightly]、互いにボルト締めされて気密性が確保される。なお、内壁筒体１７とケーシング２（嵌合凸部２３の周囲）との間にＯリングを配して気密性を確保してもよい。
　環状凹部２４には、周方向に沿って所定間隔毎（例えば、１２等分）に貫通していないネジ穴２８が形成されている。一方、フランジ１９にも、周方向に沿って所定間隔毎（例えば、少なくとも３等分）に、ボルト孔２６が貫通されている。なお、内壁筒体１７の位置調整や固定強度のバランスを考慮すると、周方向に沿って、３等分又は４等分する位置にボル孔２６が貫通されるのが好ましい。嵌合凹部２１と嵌合凸部２３とが互いに嵌合された状態でボルト孔２６とネジ穴２８とが位置合せされてボルト２７が螺合されて、内壁筒体１７がケーシング２に固定される。
　前記リング状凹部２４にはネジ穴２８が１２等分（即ち、３０゜ピッチ）で形成され、かつ、フランジ１９にはボルト孔２６が１２等分の任意の複数位置に設けられているので、内壁筒体１７の回転位置は、ケーシング２に対して３０゜ピッチ毎に変更可能である。
　従って、内壁筒体１７の回転位置を変更することで、下流溝１３の最下流点Ｂの位置を３０°ピッチで変更することができる。内壁筒体１７のケーシング２への取付位置を変更して性能チェックを行うことで、下流溝１３の最下流点Ｂの最適な位置を探すことができる。なお、内壁筒体１７の基本位置は、最下流点Ｂの位置が舌部１５の端部に一致する位置である。
　また、上述したボルト孔２６の形成ピッチを半分の１５゜とすれば、ケーシング２に対する内壁筒体１７の回転位置、即ち、最下流点Ｂの位置を１５゜ピッチで変更することができる。
　上術したように、簡単な構成で、下流溝１３の最下流点Ｂの適正位置を簡便に求めることができる。
　少量生産の場合、内壁筒体１７の最適位置を求め、内壁筒体１７をケーシング２上の最適位置に固定したものを製品としてもよい。あるいは、大量生産する場合は、求められたデータに基づいて、ケーシング２と内壁筒体１７とを一体成形してもよい。
　なお、上記実施形態では、下流溝１３はサインカーブを描いたが、吸入口６の軸心方向に所定振幅で変位する一周期の曲線を描く溝であればよい。

Claims (8)

  1. 　インペラと、ケーシングとを有する遠心圧縮機であって、
    　前記インペラを収納する、前記ケーシングに設けられたインペラ収納部と、
    　前記インペラ収納部に収納された前記インペラと同心状に前記ケーシングに設けられた吸入口と、
    　前記インペラ収納部に収納された前記インペラを囲むように前記ケーシングに設けられた環洞流路と、
    　前記環洞流路に連通する、前記ケーシングに設けられた吐出口と、
    　前記吸入口の周囲に設けられた環状空間と、
    　前記環状空間の下流端と前記インペラ収納部とを連通させる下流溝と、
    　前記環状空間の上流端と前記吸入口とを連通させる上流溝と、を備えており、
    　前記下流溝が、前記吸入口の軸心方向に所定振幅で変位する一周期の曲線を描き、
    　前記インペラの回転軸の方向に直角な方向に沿って見た場合に、前記下流溝の中心線上の最上流点が前記インペラ羽根の上流端部分に配置されている、遠心圧縮機。
  2. 　請求項１に記載の遠心圧縮機であって、
    　前記ケーシングが、前記吐出口と前記環洞流路との境界に形成された舌部を有し、
    　前記吸入口から前記インペラの回転軸の方向に沿って見た場合に、前記回転軸と前記舌部の端部とを通る直線を基準０°、かつ、前記環洞流路内の流れ方向に対して反対方向を正として、前記下流溝の中心線上の最下流点が前記回転中心を中心として－３０゜～＋１５０゜の範囲内に配置されている、遠心圧縮機。
  3. 　請求項２に記載の遠心圧縮機であって、
    　前記最下流点が、前記回転中心から±３０゜の範囲内に配置されている、遠心圧縮機。
  4. 　請求項１～３の何れか一項に記載の遠心圧縮機であって、
    　前記吸入口の内部に前記ケーシングと分離可能な内壁筒体が設けられており、
    　前記環状空間が、前記内壁筒体と前記ケーシングとの間に形成され、
    　前記環状空間の上流端が、前記吸入口の内部に開放され、
    　前記下流溝が、前記内壁筒体に形成され、
    　前記内壁筒体が、前記回転軸を中心にした回転位置を所定ピッチで変更して前記ケーシングに固定可能に構成されている、遠心圧縮機。
  5. 　請求項１に記載の遠心圧縮機であって、
    　前記最上流点が配置される前記上流端部分は、前記インペラ羽根の上流端から±１．５ｍｍの範囲である、遠心圧縮機。
  6. 　請求項２に記載の遠心圧縮機であって、
    　前記最下流点が、前記インペラ羽根の前記回転軸方向に沿った高さの１／２の位置よりも上流に配置されている、遠心圧縮機。
  7. 　請求項２に記載の遠心圧縮機であって、
    　前記インペラが前記インペラ羽根の前記高さよりも低い高さの小羽根をさらに有しており、
    　前記最下流点が、前記小羽根の上流端より上流に配置されている、遠心圧縮機。
  8. 　インペラと、ケーシングとを有する遠心圧縮機の製造方法であって、
    　前記遠心圧縮機が、
    　前記インペラを収納する、前記ケーシングに設けられたインペラ収納部と、
    　前記インペラ収納部に収納された前記インペラと同心状に前記ケーシングに設けられた吸入口と、
    　前記インペラ収納部に収納された前記インペラを囲むように前記ケーシングに設けられた環洞流路と、
    　前記環洞流路に連通する、前記ケーシングに設けられた吐出口と、
    　前記吸入口の周囲に設けられた環状空間と、
    　前記環状空間の下流端と前記インペラ収納部とを連通させる下流溝と、
    　前記環状空間の上流端と前記吸入口とを連通させる上流溝と、を備えており、
    　前記下流溝が、前記吸入口の軸心方向に所定振幅で変位する一周期の曲線を描き、
    　前記インペラの回転軸の方向に直角な方向に沿って見た場合に、前記下流溝の中心線上の最上流点が前記インペラ羽根の上流端部分に配置されており、
    　前記吸入口の内部に前記ケーシングと分離可能な内壁筒体が設けられており、
    　前記環状空間が、前記内壁筒体と前記ケーシングとの間に形成され、
    　前記環状空間の上流端が、前記吸入口に連通され、
    　前記下流溝が、前記内壁筒体に形成され、
    　前記内壁筒体が、前記回転軸を中心にした回転位置を所定ピッチで変更して前記ケーシングに固定可能に構成されており、
    　前記製造方法が、
    　前記内壁筒体の前記回転位置を変更しつつ前記下流溝の前記ケーシングに対する最適位置を求め、
    　求められた前記最適位置に前記内壁筒体の固定位置を設定して前記ケーシングを製作する、ことを含む、遠心圧縮機の製造方法。
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