WO2013111761A1 - 遠心圧縮機 - Google Patents

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秀明 玉木
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株式会社Ihi
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    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/10—Purpose of the control system to cope with, or avoid, compressor flow instabilities
    • F05D2270/101—Compressor surge or stall

Definitions

  • the present invention relates to a centrifugal compressor that pressurizes a compressible fluid.
  • a centrifugal compressor is used to increase the pressure of the compressive fluid.
  • the operating range of the centrifugal compressor may be limited by the occurrence of surging caused by fluid backflow or the like at a small flow rate (when the fluid flow rate is decreased for pressure increase). If surging occurs, the operation of the centrifugal compressor becomes unstable. Therefore, if the occurrence of surging is suppressed, the operating range of the centrifugal compressor can be expanded.
  • Patent Document 1 There is a casing treatment disclosed in Patent Document 1 as one of means for suppressing the occurrence of surging.
  • the centrifugal compressor has an impeller that rotates at high speed, and a casing that houses the impeller and forms a scroll passage around the impeller.
  • a groove over the entire circumference is formed in the wall surface of the casing adjacent to the upstream end of the impeller, and this groove is communicated with a flow path upstream of the impeller.
  • the fluid flows back from the high pressure portion locally generated in the impeller accommodating portion of the casing to the upstream side of the impeller through the groove, and the fluid is partially recirculated so that the fluid in the impeller accommodating portion is recirculated. Backflow is prevented and the occurrence of surging is suppressed.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is capable of suppressing a decrease in discharge pressure and discharge flow rate at a small flow rate even when a casing treatment for suppressing surging and expanding an operation range is performed.
  • the purpose is to provide a compressor.
  • the centrifugal compressor includes an impeller and a casing that accommodates the impeller.
  • the casing is formed around the suction port, the impeller accommodating portion in which the impeller is disposed, an annular channel formed around the impeller, a discharge port communicating with the annular channel, and the suction port An annular space, a downstream groove that communicates the downstream end portion of the annular space with the impeller accommodating portion, and an upstream groove that communicates the upstream end portion of the annular space with the suction port.
  • downstream groove is provided in a predetermined range in the circumferential direction of the impeller so as to communicate with a high pressure portion that is locally generated in the impeller accommodating portion, and the upstream groove extends over the entire circumference of the suction port. Is provided.
  • the casing has a tongue formed between the discharge port and the annular flow path. Further, the downstream groove ranges from a position 45 ° upstream from a reference radius connecting the rotation center of the impeller and the tongue portion to a position 75 ° downstream from the reference radius. It is formed to be included.
  • the centrifugal compressor includes an impeller and a casing that accommodates the impeller.
  • the casing is formed around the suction port, the impeller accommodating portion in which the impeller is disposed, an annular flow channel formed around the impeller, a discharge port communicating with the annular flow channel, and the suction port An annular space, a downstream groove that communicates the downstream end portion of the annular space with the impeller accommodating portion, and an upstream groove that communicates the upstream end portion of the annular space with the suction port.
  • the downstream groove is provided in a predetermined range in the circumferential direction of the impeller so as to communicate with a high pressure portion that is locally generated in the impeller accommodating portion, and the upstream groove extends over the entire circumference of the suction port. Is provided. For this reason, a recirculation flow is formed from the high-pressure portion that is locally generated in the impeller accommodating portion and is likely to cause a backflow of fluid, and the occurrence of surging is efficiently suppressed. Furthermore, the downstream groove is formed in a part of the casing in the circumferential direction (location facing the high pressure portion), and a recirculation flow is formed from such a downstream groove, so that the recirculation flow rate of the fluid is kept lower than before. It is done. Therefore, the outstanding effect that the fall of the discharge pressure and the maximum discharge flow rate resulting from recirculation can be suppressed is exhibited.
  • reference numeral 1 denotes a centrifugal compressor
  • reference numeral 2 denotes a casing
  • reference numeral 3 denotes an impeller accommodated in the casing 2. That is, the centrifugal compressor 1 includes an impeller 3 and a casing 2 that houses the impeller 3.
  • An impeller 3 is fixed to one end of a rotating shaft 4 rotatably supported by a bearing housing (not shown).
  • a turbine (not shown) that generates a driving force for rotating the impeller 3 is connected to the other end of the rotating shaft 4.
  • a structure for rotating the impeller 3 it is not restricted to a turbine, A motor etc. may be sufficient.
  • An annular channel 5 is formed around the impeller 3 in the casing 2, and a discharge port 9 for discharging a pressurized compressive fluid (for example, compressed air) is communicated with a predetermined position of the annular channel 5.
  • a suction port 6 is formed in the center of the casing 2 so as to face the impeller 3 and be arranged coaxially with the impeller 3. That is, the casing 2 includes a suction port 6 through which a compressive fluid is sucked, an impeller accommodating portion 14 in which the impeller 3 is disposed so as to communicate with the suction port 6, an annular flow path 5 formed around the impeller 3, and A discharge port 9 communicating with the annular flow path 5 is provided.
  • the right side in FIG. 1 is referred to as the upstream side in the axial direction and the left side is referred to as the downstream side in the axial direction. There is.
  • a diffuser portion 7 communicating with the annular flow path 5 is formed around the impeller 3.
  • the diffuser portion 7 is a ring-shaped space that communicates the impeller accommodating portion 14 that is a space for accommodating the impeller 3 and the annular flow path 5 in the casing 2.
  • a boundary wall portion 8 is formed between the annular flow path 5 and the diffuser portion 7.
  • the turbine is rotated by exhaust gas from the engine (not shown), and the impeller 3 is rotated by the rotational driving force transmitted through the rotating shaft 4.
  • the impeller 3 provided coaxially with the turbine is rotated, and air (compressible fluid, engine combustion air) is sucked from the suction port 6.
  • the sucked air is sent out radially outward by the rotation of the impeller 3, is compressed by passing through the diffuser portion 7, and then flows into the annular flow path 5.
  • the compressed air is discharged from the annular flow path 5 to the outside of the centrifugal compressor 1 through the discharge port 9.
  • the discharged compressed air is supplied to the engine.
  • the casing 2 is formed with an annular space 11 arranged coaxially with the suction port 6. That is, the casing 2 has an annular space 11 formed around the suction port 6.
  • the annular space 11 is a cylindrical space extending in the central axis direction of the suction port 6.
  • the upstream end (the upstream end in the axial direction, the right end in FIG. 1) of the annular space 11 is located further upstream (axially upstream) than the upstream end of the impeller 3, and the downstream end (axial direction) of the annular space 11
  • the downstream end portion in FIG. 1 (the left end in FIG. 1) is located further downstream (axially downstream) than the upstream end of the impeller 3.
  • the upstream end of the annular space 11 communicates with the suction port 6 through the upstream groove 12. That is, the casing 2 has an upstream groove 12 that communicates the upstream end of the annular space 11 with the suction port 6.
  • the upstream groove 12 is provided over the entire circumference of the suction port 6.
  • the upstream groove 12 may be a ring-shaped groove that is continuous in the circumferential direction or a groove in which a plurality of ribs (reinforcing materials) are provided at predetermined intervals inside a groove that is continuous in the circumferential direction. Further, the upstream groove 12 may be an opening in which a plurality of long holes extending in the circumferential direction are provided at a predetermined interval, or an opening in which a plurality of circular holes or square holes are provided at a predetermined interval.
  • the downstream end of the annular space 11 communicates with the impeller accommodating portion 14 via the downstream groove 13. That is, the casing 2 has a downstream groove 13 that allows the downstream end of the annular space 11 to communicate with the impeller accommodating portion 14.
  • the downstream groove 13 is formed in the wall surface of the casing 2 adjacent to the upstream end of the impeller 3. In other words, the downstream groove 13 is formed on the wall surface of the casing 2 facing the upstream end of the impeller 3.
  • the downstream groove 13 is provided in a predetermined range in the circumferential direction of the impeller 3.
  • the cross-sectional shape of the annular space 11 in a plane including the central axis of the rotating shaft 4 is a predetermined shape to which the upstream groove 12 and the downstream groove 13 are connected, and extends in the direction of the central axis as shown in FIG. Oval shape.
  • the shape of the annular flow path 5 in the casing 2 is non-axisymmetric.
  • the cross-sectional shape of the annular flow path 5 in a plane including the central axis of the rotating shaft 4 changes in the circumferential direction of the impeller 3.
  • the pressure in the annular flow path 5 in the circumferential direction is not constant and has a different pressure distribution in the circumferential direction.
  • the peripheral edge of the impeller 3 similarly has different pressure distributions in the circumferential direction, and the pressure distribution in the annular flow path 5 is also transmitted to the impeller accommodating portion 14 in which the impeller 3 is disposed through the diffuser portion 7.
  • the impeller accommodating portion 14 also has different pressure distributions in the circumferential direction, it is considered that the high pressure portion is locally generated in the impeller accommodating portion 14.
  • the downstream groove 13 is provided in a range where the pressure is locally high in the impeller accommodating portion 14. That is, the downstream groove 13 is provided in a predetermined range in the circumferential direction of the impeller 3 so as to communicate with a high pressure portion that is locally generated in the impeller accommodating portion 14.
  • downstream groove 13 will be described in detail.
  • FIG. 2 is a schematic view for explaining the formation range of the downstream groove 13 used in the casing treatment of the present embodiment, and is a view seen from the central axis direction of the impeller 3.
  • the formation range of the downstream groove 13 will be described with reference to the rotation center of the impeller 3. 2 flows in the clockwise direction of FIG. 2 due to the rotation of the impeller 3, so that the position shifted in the clockwise direction from the predetermined position is the downstream side in the circumferential direction, the predetermined direction.
  • the position deviated counterclockwise from this position may be referred to as the upstream side in the circumferential direction.
  • reference numeral 15 indicates a tongue formed between the discharge port 9 and the annular flow path 5.
  • the position of the tongue 15 is 0 °, and the opposite side of the tongue 15 across the rotation center of the impeller 3 is 180 ° (or ⁇ 180 °).
  • the angle on the downstream side in the circumferential direction from the tongue 15 is indicated by a positive value, and the angle on the upstream side in the circumferential direction from the tongue 15 is indicated by a negative value.
  • the position of the end portion on the upstream side in the circumferential direction of the tongue portion 15 is set to 0 °.
  • the range in which the downstream groove 13 is provided is determined based on the pressure distribution around the impeller 3 (position and range where a local high-pressure portion is generated). Since this pressure distribution changes depending on the shape and characteristics of the impeller 3, the upstream end in the circumferential direction of the downstream groove 13 may not be positioned 45 ° upstream from the tongue 15.
  • a local high-pressure portion is generated in the vicinity of the tongue portion 15, for example, within a range of ⁇ 45 ° around the tongue portion 15.
  • the downstream groove 13 is preferably provided within a range of ⁇ 45 ° to + 75 ° with respect to a straight line connecting the tongue portion 15 and the rotation center of the impeller 3 (reference radius: 0 ° radius in FIG. 2). . Further, it is more preferable that the downstream groove 13 is provided within a range of ⁇ 45 ° with respect to the reference radius.
  • FIG. 3 is a graph showing the pressure ratio between the outlet and the inlet of the impeller 3 when the casing treatment is not performed in the centrifugal compressor 1 of the present embodiment.
  • the angle of the horizontal axis in FIG. 3 is set based on the same reference as in FIG. 2, and the position of 0 ° corresponds to the position of the tongue portion 15.
  • the pressure ratio in FIG. 3 is Po /, where Po is the static pressure at the impeller 3 outlet (the diffuser part 7 side of the impeller 3), and Pi is the static pressure at the impeller 3 inlet (the inlet 6 side of the impeller 3). Represented by Pi.
  • the pressure ratio is minimized at a position downstream of the tongue 15 (for example, + 60 °), but the path through which the pressure is transmitted differs depending on the shape of the casing 2 and the like, and therefore downstream of the tongue 15 where the pressure ratio is minimized. It is difficult to specify the side position accurately. However, since there is a relationship between the position of the tongue 15 and the position where the pressure ratio is minimum, the position where the pressure ratio is minimum is in the range of 0 ° to + 75 ° downstream from the position of the tongue 15. Often exists.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the positional relationship between the upstream groove 12 and the downstream groove 13.
  • the upstream groove 12 is provided on the entire circumference of the suction port 6, and the downstream groove 13 is provided in a range from a position of ⁇ 30 ° to a position of + 60 ° (see FIG. 2).
  • the angle of the horizontal axis in FIG. 4 is also set based on the same reference as in FIG.
  • the downstream groove 13 is provided in a range in which the pressure ratio decreases.
  • the range in which the downstream groove 13 is preferably installed includes the range from 0 ° to + 75 ° including the position where the pressure ratio is minimum as described above, and the tongue 15 (0 °) to 45 based on FIG.
  • the range up to the upstream position ( ⁇ 45 ° in FIGS. 2 and 3) is added. That is, the downstream groove 13 is formed so as to be included in a range from a position of 45 ° upstream from the tongue 15 to a position of 75 ° downstream from the tongue 15.
  • channel 13 in this embodiment is 60 degrees or more and 90 degrees or less.
  • the pressure ratio in FIG. 3 decreases in the range of ⁇ 45 ° to + 90 °.
  • the downstream groove 13 may be formed so as to be included in a range from a position of 45 ° upstream from the tongue 15 to a position of 90 ° downstream from the tongue 15.
  • downstream groove 13 is limited to a predetermined range so as to communicate with the high pressure portion that is locally generated in the impeller accommodating portion 14, the impeller at a small flow rate with a small fluid recirculation flow rate is provided. The pressure reduction at the 3 outlets is suppressed.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the implementation of the casing treatment and the operational characteristics of the centrifugal compressor, the horizontal axis indicates the discharge flow rate (Q), the vertical axis indicates the pressure ratio (Po / Pi: Po is the fluid outlet pressure, Pi represents the fluid inlet pressure).
  • FIG. 5 three curves are drawn at five locations.
  • the triangular plot shows the operating characteristics of a centrifugal compressor that is not subjected to casing treatment (CT) (that is, a compressor that is not provided with the annular space 11, the upstream groove 12, and the downstream groove 13).
  • CT casing treatment
  • a square (diamond) plot shows the operating characteristics of a centrifugal compressor in which a conventional casing treatment is performed (that is, a compressor in which both the upstream groove 12 and the downstream groove 13 are provided over the entire circumference).
  • the circular plot shows the operating characteristics of the centrifugal compressor provided with the downstream groove 13 of this embodiment.
  • the above curve is drawn by connecting the plots.
  • the straight line connecting the square plots and the straight line connecting the circular plots are written at almost the same position. Therefore, in this embodiment, the surging suppression effect equivalent to the centrifugal compressor which performed the conventional casing treatment is acquired. Further, the curve connecting the circular plots is located on the upper side of FIG. 5 rather than the curve connecting the triangular and quadrangular plots. Therefore, in this embodiment, the discharge pressure at the outlet of the impeller 3 at a small flow rate is increased as compared with the compressor that performs the conventional casing treatment and the compressor that does not perform the casing treatment. That is, in this embodiment, operation at a higher pressure ratio is possible.
  • the discharge pressure and the discharge flow rate can be increased without reducing the surging suppression effect compared to the conventional casing treatment. Can be made.
  • the cross-sectional shape of the annular space 11 in the plane including the central axis of the rotating shaft 4 is formed in an oval shape extending in the central axis direction of the impeller 3, but is not limited thereto, and is rectangular. , Circular, oval, etc.
  • the present invention can be used for a centrifugal compressor that pressurizes a compressible fluid.

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Abstract

　この遠心圧縮機（１）は、インペラ（３）と、このインペラ（３）を収容するケーシング（２）とを具備する。このケーシング（２）が、吸入口（６）と、インペラ（３）が配置されるインペラ収容部（１４）と、吸入口（６）の周囲に形成される環状空間（１１）と、この環状空間（１１）の下流側端部をインペラ収容部（１４）に連通させる下流溝（１３）と、環状空間（１１）の上流側端部を吸入口（６）に連通させる上流溝（１２）とを有する。また、下流溝（１３）はインペラ収容部（１４）内に局部的に発生する高圧部に連通するようにインペラ（３）の周方向での所定の範囲で設けられ、上流溝（１２）は吸入口（６）の全周に亘って設けられている。

Description

遠心圧縮機
　本発明は、圧縮性流体を昇圧させる遠心圧縮機に関する。
　圧縮性流体を昇圧させるために、例えば遠心圧縮機が用いられている。遠心圧縮機の作動域は、小流量時（昇圧のために流体の流量を減少させた時）における流体の逆流等を原因とするサージングの発生により、制限される場合がある。サージングが発生すると遠心圧縮機の運転が不安定になるので、サージングの発生を抑制すれば遠心圧縮機の作動域を拡大できる。
　サージングの発生を抑制する手段の１つとして特許文献１に示されるケーシングトリートメントがある。
　遠心圧縮機は、高速で回転するインペラと、インペラを収容し、インペラの周囲にスクロール流路を形成するケーシングとを有している。特許文献１に示すケーシングトリートメントでは、インペラの上流端に隣接するケーシングの壁面に全周に亘る溝を形成し、この溝をインペラより上流側の流路に連通させている。小流量時には、ケーシングのインペラ収容部内に局部的に発生する高圧部から上記溝を介してインペラの上流側に流体を逆流させ、部分的に流体を再循環させることでインペラ収容部内での流体の逆流を防止し、サージングの発生を抑制している。
　このようなケーシングトリートメントにより、サージング抑制の効果が得られる。一方で、下流側の流体を上流側に再循環させることから、ケーシングトリートメントを行わない場合に比べれば小流量時での圧力比（圧縮機の吐出圧力に対する吸入圧力の比）が減少する。
日本国特開２００４－３３２７３４号公報
　本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、サージングを抑制し作動域を拡大するためのケーシングトリートメントを行った場合にも、小流量時での吐出圧力及び吐出流量の低下を抑制できる遠心圧縮機の提供を目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、遠心圧縮機は、インペラと、このインペラを収容するケーシングとを具備する。このケーシングが、吸入口と、前記インペラが配置されるインペラ収容部と、前記インペラの周囲に形成される環状流路と、この環状流路に連通する吐出口と、前記吸入口の周囲に形成される環状空間と、この環状空間の下流側端部を前記インペラ収容部に連通させる下流溝と、前記環状空間の上流側端部を前記吸入口に連通させる上流溝とを有する。また、前記下流溝は前記インペラ収容部内に局部的に発生する高圧部に連通するように前記インペラの周方向での所定の範囲で設けられ、前記上流溝は前記吸入口の全周に亘って設けられている。
　本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様において、前記ケーシングは、前記吐出口と前記環状流路との間に形成される舌部を有する。また、前記下流溝は、前記インペラの回転中心と前記舌部とを結ぶ基準半径に対して上流側に４５゜の位置から、前記基準半径に対して下流側に７５゜の位置までの範囲に含まれるように形成されている。
　本発明によれば、遠心圧縮機は、インペラと、このインペラを収容するケーシングとを具備する。このケーシングが、吸入口と、前記インペラが配置されるインペラ収容部と、前記インペラの周囲に形成される環状流路と、この環状流路に連通する吐出口と、前記吸入口の周囲に形成される環状空間と、この環状空間の下流側端部を前記インペラ収容部に連通させる下流溝と、前記環状空間の上流側端部を前記吸入口に連通させる上流溝とを有する。また、前記下流溝は前記インペラ収容部内に局部的に発生する高圧部に連通するように前記インペラの周方向での所定の範囲で設けられ、前記上流溝は前記吸入口の全周に亘って設けられている。
　このため、インペラ収容部に局部的に発生し流体の逆流が生じ易い高圧部から再循環流が形成され、サージングの発生が効率よく抑制される。さらに、下流溝はケーシングに周方向の一部（高圧部に対向する箇所）で形成され、このような下流溝から再循環流が形成されるので、流体の再循環流量は従来よりも低く抑えられる。従って、再循環に起因する吐出圧力及び最大吐出流量の低下を抑制できるという優れた効果を発揮する。
本発明の実施形態における遠心圧縮機の断面図である。 本実施形態のケーシングトリートメントで用いられる溝の形成範囲を説明するための模式図である。 ケーシングトリートメントが実施されない場合のインペラの出口と入口の圧力比を示すグラフである。 本実施形態における上流溝と下流溝との相互の位置関係を示す模式図である。 ケーシングトリートメントの実施と遠心圧縮機の作動特性との関係を示すグラフである。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
　まず、図１を参照して、本発明の一実施形態における遠心圧縮機の概略を説明する。
　図１中、符号１は遠心圧縮機、符号２はケーシング、符号３はケーシング２に収容されるインペラを示している。すなわち、遠心圧縮機１は、インペラ３と、インペラ３を収容するケーシング２とを具備している。
　軸受ハウジング（図示せず）に回転可能に支持された回転軸４の一端部にはインペラ３が固定されている。回転軸４の他端部にはインペラ３を回転させる駆動力を発生するタービン（図示せず）が連結されている。なお、インペラ３を回転させるための構成としてはタービンに限られず、モータ等であってもよい。
　ケーシング２におけるインペラ３の周囲には環状流路５が形成され、環状流路５の所定の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に対向しインペラ３と同軸に配置された吸入口６が形成されている。
　すなわち、ケーシング２は、圧縮性流体が吸引される吸入口６と、吸入口６に連通しインペラ３が配置されるインペラ収容部１４と、インペラ３の周囲に形成される環状流路５と、環状流路５に連通する吐出口９とを有している。なお、流体は吸入口６からインペラ収容部１４へ回転軸４の軸方向に略沿って流動するため、図１における右側を軸方向での上流側、左側を軸方向での下流側と称する場合がある。
　ケーシング２において、インペラ３の周囲には環状流路５に連通するディフューザ部７が形成されている。
　ディフューザ部７は、ケーシング２においてインペラ３を収容する空間であるインペラ収容部１４と環状流路５とを互いに連通するリング状の空間である。環状流路５とディフューザ部７との間には境界壁部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りタービンが回転され、回転軸４を介して伝達される回転駆動力によりインペラ３が回転される。タービンと同軸に設けられたインペラ３が回転され、吸入口６から空気（圧縮性流体、エンジンの燃焼用空気）が吸入される。吸入された空気はインペラ３の回転により径方向外側に送り出され、ディフューザ部７を通過することで圧縮された後に、環状流路５に流入する。圧縮された空気は環状流路５から吐出口９を経て遠心圧縮機１の外部に吐出される。吐出された圧縮空気はエンジンに供給される。
　次に、本実施形態の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には、吸入口６と同軸に配置された環状空間１１が形成されている。すなわち、ケーシング２は、吸入口６の周囲に形成される環状空間１１を有している。環状空間１１は吸入口６の中心軸方向に延びる筒状の空間である。環状空間１１の上流端（軸方向での上流側端部、図１では右端）はインペラ３の上流端よりさらに上流側（軸方向上流側）に位置し、環状空間１１の下流端（軸方向での下流側端部、図１では左端）はインペラ３の上流端よりさらに下流側（軸方向下流側）に位置している。
　環状空間１１の上流端は、上流溝１２を介して吸入口６と連通している。すなわち、ケーシング２は、環状空間１１の上流端を吸入口６に連通させる上流溝１２を有している。上流溝１２は吸入口６の全周に亘って設けられている。なお、上流溝１２は、周方向に連続したリング状の溝や、周方向に連続した溝の内部に所定間隔で複数のリブ（補強材）が設けられた溝でもよい。さらに、上流溝１２は、周方向に延びる複数の長孔が所定間隔で設けられた開口部や、複数の円孔または角孔が所定間隔で設けられた開口部であってもよい。
　環状空間１１の下流端は、下流溝１３を介してインペラ収容部１４と連通している。すなわち、ケーシング２は、環状空間１１の下流端をインペラ収容部１４に連通させる下流溝１３を有している。下流溝１３は、インペラ３の上流端に隣接するケーシング２の壁面に形成されている。言い換えれば、下流溝１３は、インペラ３の上流端に対向するケーシング２の壁面に形成されている。下流溝１３はインペラ３の周方向での所定の範囲で設けられている。
　回転軸４の中心軸を含む平面での環状空間１１の断面形状は、上流溝１２及び下流溝１３が接続される所定の形状であり、例えば図１に示されるような上記中心軸方向に延びる長円形状である。
　ケーシング２における環状流路５の形状は、非軸対称となっている。言い換えれば、回転軸４の中心軸を含む平面での環状流路５の断面形状は、インペラ３の周方向で変化している。このため、上記周方向での環状流路５内の圧力は一定ではなく、周方向に異なる圧力分布を有している。さらに、インペラ３の周縁も同様に周方向に異なる圧力分布を有し、環状流路５の圧力分布は、ディフューザ部７を通してインペラ３が配置されるインペラ収容部１４にも伝わっている。すなわち、インペラ収容部１４内も周方向に異なる圧力分布を有しているため、高圧部はインペラ収容部１４内で局部的に発生すると考えられる。
　下流溝１３は、インペラ収容部１４内で局部的に高圧となる範囲に設けられている。すなわち、下流溝１３は、インペラ収容部１４内で局部的に発生する高圧部に連通するように、インペラ３の周方向での所定の範囲に設けられている。
　さらに、下流溝１３について詳述する。
　図２、図３を参照して、下流溝１３が設けられる周方向の位置及び範囲について説明する。
　図２は、本実施形態のケーシングトリートメントで用いられる下流溝１３の形成範囲を説明するための模式図であり、インペラ３の中心軸方向から見た図である。
　図２では、インペラ３の回転中心を基準として下流溝１３の形成範囲を説明する。なお、図２における環状流路５内の流体は、インペラ３の回転により図２の時計回り方向で流動するため、所定の位置から時計回り方向にずれた位置を周方向での下流側、所定の位置から反時計回り方向にずれた位置を周方向での上流側と称する場合がある。
　図２中、符号１５は吐出口９と環状流路５との間に形成される舌部を示している。以下の説明では舌部１５の位置を０°とし、インペラ３の回転中心を挟んだ舌部１５の逆側を１８０°（または－１８０°）とする。舌部１５から周方向下流側の角度を正の値で示し、舌部１５から周方向上流側の角度を負の値で示す。なお、より詳細には、舌部１５における周方向上流側の端部の位置を０°としている。
　舌部１５より４５°上流側（反時計回り方向）の位置から、時計回り方向に１２０゜の範囲（図２では舌部１５を挟んだ－４５°～＋７５°の範囲）に含まれるように下流溝１３を形成し、この下流溝１３を介して環状空間１１をインペラ収容部１４に連通させると、サージング抑制効果が得られる。
　なお、下流溝１３が設けられる範囲は、インペラ３の周縁の圧力分布（局部的な高圧部が発生している位置及び範囲）に基づいて決定される。この圧力分布はインペラ３の形状や特性等で変化するため、下流溝１３の周方向での上流端が舌部１５より４５°上流側に位置しない場合もある。
　しかしながら、一般的には舌部１５の近傍で、例えば舌部１５を中心として±４５゜の範囲内で、局部的な高圧部が発生する。従って、下流溝１３は、舌部１５とインペラ３の回転中心とを結ぶ直線（基準半径：図２では０゜の半径）に対して－４５゜～＋７５゜の範囲内に設けられることが好ましい。さらに、下流溝１３が上記基準半径に対して±４５゜の範囲内に設けられることがより好ましい。
　図３は、本実施形態の遠心圧縮機１において、ケーシングトリートメントを実施しない場合のインペラ３の出口と入口の圧力比を示すグラフである。なお、図３における横軸の角度は図２と同様の基準で設定されており、０°の位置が舌部１５の位置に相当している。図３の圧力比は、インペラ３出口（インペラ３のディフューザ部７側）での静圧をＰｏとし、インペラ３入口（インペラ３の吸入口６側）での静圧をＰｉとすると、Ｐｏ／Ｐｉで表される。インペラ３の吸入口６側で高圧部が局部的に生じると、その部分でのＰｉは上昇するため、圧力比Ｐｏ／Ｐｉは減少する。言い換えれば、図３の圧力比が減少している範囲において、インペラ収容部１４の吸入口６側に高圧部が発生していると考えられる。
　図３では、舌部１５から下流側の６０゜の近傍で圧力比（インペラ３の流体出口圧力Ｐｏ／流体入口圧力Ｐｉ）が最小となっている。通常では、舌部１５の下流側の位置（例えば＋６０゜）において圧力比が最小となるが、ケーシング２の形状等によって圧力が伝わる経路が異なるので、圧力比が最小となる舌部１５の下流側位置を正確に特定することは難しい。しかしながら、舌部１５の位置と圧力比最小の位置との間には関連性があるので、圧力比最小の位置は、舌部１５の位置に対して０°から下流側に＋７５°の範囲に存在することが多い。
　次に、図４は、上流溝１２と下流溝１３との位置関係を示す模式図である。本実施形態では上流溝１２は吸入口６の全周に設けられ、下流溝１３は－３０°の位置から＋６０゜の位置までの範囲（図２参照）で設けられている。なお、図４における横軸の角度も図２と同様の基準で設定されている。図３の圧力比と図４の下流溝１３が設けられる範囲を対比させると、圧力比が低下する範囲に下流溝１３が設けられている。経験的にインペラ収容部１４内で局部的に発生する高圧部は、インペラ３の出口と入口の圧力比が低下する位置に相当して発生する傾向がある。そのため、下流溝１３を設置することが好ましい範囲は、上述したように圧力比が最小となる位置が含まれる０°から＋７５°の範囲と、図３に基づく舌部１５（０°）から４５°上流側の位置（図２、図３で－４５°）までの範囲とを、加えた範囲である。すなわち、下流溝１３は、舌部１５から上流側に４５°の位置から、舌部１５から下流側に７５°の位置までの範囲に含まれるように形成されている。また、本実施形態における下流溝１３の周方向幅は６０°以上９０°以下である。
　図３の圧力比は、－４５°から＋９０°の範囲で低下している。この結果に基づいて、下流溝１３が、舌部１５から上流側に４５°の位置から、舌部１５から下流側に９０°の位置までの範囲に含まれるように形成されてもよい。
　下流溝１３、環状空間１１、及び上流溝１２を介して、インペラ収容部１４においてインペラ３の上流端が配置されている領域と吸入口６とが互いに連通している。そのため、小流量時にインペラ収容部１４内で局部的に発生した高圧部から環状空間１１を通してインペラ３の上流側に向けて流体が逆流し、上流溝１２より吸入口６内に導入される部分的な再循環流が発生し、サージングの発生が抑制される。
　さらに、下流溝１３は、インペラ収容部１４内に局部的に発生する高圧部に連通するように所定の範囲に限定されて設けられるので、流体の再循環流量が少なく、小流量時でのインペラ３出口の圧力低減が抑えられる。
　図５は、ケーシングトリートメントの実施と遠心圧縮機の作動特性の関係を示すグラフであり、横軸は吐出流量（Ｑ）を示し、縦軸は圧力比（Ｐｏ／Ｐｉ：Ｐｏは流体出口圧力、Ｐｉは流体入口圧力）を示している。
　図５では、５つの箇所に３本ずつ曲線が描かれている。図５中、三角形のプロットはケーシングトリートメント（ＣＴ）が実施されていない遠心圧縮機（すなわち環状空間１１、上流溝１２、及び下流溝１３が設けられていない圧縮機）の作動特性を示している。四角形（菱形）のプロットは従来のケーシングトリートメントが実施された遠心圧縮機（すなわち上流溝１２及び下流溝１３が共に全周に亘って設けられている圧縮機）の作動特性を示している。円形のプロットは本実施形態の下流溝１３を備える遠心圧縮機の作動特性を示している。それぞれのプロットを結ぶことで上記曲線が描かれている。また、これらの曲線は、流体の流量を次第に減少させることで（図５の左に向かう側）流体の吐出圧力が上昇することを示し、５つの所定の流量から減少させ始めたことを示している。また、同種のプロットの曲線における最も左側の点をそれぞれ直線で結んでいる。各曲線における左側の点は圧縮機でサージングが発生することを示すため、図５の各直線の左側がサージングが発生して圧縮機が作動不能となることを示している。すなわち、各直線が遠心圧縮機のサージング限界値を示している。
　図５より、四角形のプロットを結んだ直線と円形のプロットを結んだ直線はほぼ同じ位置に記載されている。そのため、本実施形態では、従来のケーシングトリートメントを実施した遠心圧縮機と同等のサージング抑制効果が得られている。また、三角形及び四角形のプロットを結んだ曲線よりも、円形のプロットを結んだ曲線が図５の上側に位置している。そのため、本実施形態では、小流量時でのインペラ３出口の吐出圧力が、従来のケーシングトリートメントを実施する圧縮機、及びケーシングトリートメントを実施しない圧縮機に比べて増大している。すなわち、本実施形態ではより高圧力比での運転が可能となっている。
　以上より、本実施形態では、サージングを抑制し圧縮機の作動域を拡大するためのケーシングトリートメントを行った場合にも、小流量時での吐出圧力及び吐出流量の低下を抑制できる。
　また、下流溝１３の位置を、舌部１５の位置を中心として±４５゜の範囲に設定することで、従来のケーシングトリートメントに比べ、サージング抑制効果を低下させることなく吐出圧力、吐出流量を増大させることができる。なお、±４５゜の範囲でさらに最適な下流溝１３の位置を設定するには、ケーシング２の形状、インペラ３の特性、遠心圧縮機１の容量等を考慮し、計算により求めることが好ましい。
　上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
　例えば上記実施形態では、回転軸４の中心軸を含む平面での環状空間１１の断面形状は、インペラ３の中心軸方向に延びる長円形状に形成されていたが、これに限定されず、矩形、円形、楕円形等であってもよい。
　本発明は、圧縮性流体を昇圧させる遠心圧縮機に利用することができる。
１　　遠心圧縮機
２　　ケーシング
３　　インペラ
４　　回転軸
５　　環状流路
６　　吸入口
７　　ディフューザ部
８　　境界壁部
９　　吐出口
１１　　環状空間
１２　　上流溝
１３　　下流溝
１４　　インペラ収容部
１５　　舌部

Claims (2)

  1. 　インペラと、該インペラを収容するケーシングとを具備し、
    　前記ケーシングが、吸入口と、前記インペラが配置されるインペラ収容部と、前記インペラの周囲に形成される環状流路と、該環状流路に連通する吐出口と、前記吸入口の周囲に形成される環状空間と、該環状空間の下流側端部を前記インペラ収容部に連通させる下流溝と、前記環状空間の上流側端部を前記吸入口に連通させる上流溝とを有し、
    　前記下流溝は前記インペラ収容部内に局部的に発生する高圧部に連通するように前記インペラの周方向での所定の範囲で設けられ、前記上流溝は前記吸入口の全周に亘って設けられている遠心圧縮機。
  2. 　前記ケーシングは、前記吐出口と前記環状流路との間に形成される舌部を有し、
    　前記下流溝は、前記インペラの回転中心と前記舌部とを結ぶ基準半径に対して上流側に４５゜の位置から、前記基準半径に対して下流側に７５゜の位置までの範囲に含まれるように形成されている請求項１に記載の遠心圧縮機。 
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