WO2018155546A1 - 遠心圧縮機 - Google Patents

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WO2018155546A1
WO2018155546A1 PCT/JP2018/006423 JP2018006423W WO2018155546A1 WO 2018155546 A1 WO2018155546 A1 WO 2018155546A1 JP 2018006423 W JP2018006423 W JP 2018006423W WO 2018155546 A1 WO2018155546 A1 WO 2018155546A1
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impeller
return
flow path
vane
centrifugal compressor
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PCT/JP2018/006423
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English (en)
French (fr)
Inventor
山下　修一
Original Assignee
三菱重工コンプレッサ株式会社
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/444—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/122—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the trailing edge of a stator vane

Definitions

  • the present invention relates to a centrifugal compressor.
  • This application claims priority on Japanese Patent Application No. 2017-032022, filed in Japan on February 23, 2017, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • Patent Document 1 discloses and discloses a multistage centrifugal compressor in which the exit angle of the return vane is gradually increased toward the rear side.
  • the present invention provides a multistage centrifugal compressor capable of expanding the operating range.
  • the centrifugal compressor according to the first aspect of the present invention includes a rotating shaft that rotates about an axis, and a plurality of stages arranged in the axial direction on the rotating shaft, and a fluid flowing from an inlet on one side in the axial direction
  • a casing having a return flow path to be introduced into the impeller, and a plurality of return vanes provided in the return flow path at intervals in the circumferential direction, wherein the return vane has an outlet angle based on a radial direction.
  • the greater the exit angle of the return vane the more fluid with a greater pre-turn is introduced into the impeller following the return vane.
  • the larger the fluid pre-swivel the lower the impeller head, and the performance characteristics change to the smaller flow rate side.
  • the impeller head relatively increases, and as a result, the performance characteristics change to the large flow rate side.
  • the centrifugal compressor has a lower flow rate in the rear stage impeller than in the front stage impeller.
  • the exit angle becomes smaller as the return vane on the rear stage side, the pre-turn by the return vane becomes smaller toward the rear stage side. Therefore, a fluid with a small volume flow rate corresponding to the design flow rate of the impeller can be supplied to the rear impeller. If the exit angle of the return vane is increased toward the rear stage side, a fluid having a large volume flow rate is supplied to the low flow rate impeller on the rear stage side, and the choke margin becomes too small. In the present invention, this problem can be avoided and a choke margin can be secured.
  • the front stage impeller has a smaller surge margin than the rear stage impeller. Therefore, in a multistage centrifugal compressor, the front stage impeller determines the overall surge margin.
  • the pre-turn of the fluid introduced into the impeller is larger as the return vane on the front stage side. Therefore, a fluid having a larger volume flow rate can be supplied as the front impeller. If the return vane outlet angle is increased toward the rear side, a fluid with a small volume flow rate is supplied to the impeller with a small surge margin on the front side. Therefore, the surge margin becomes small. In the present invention, this problem can be avoided and the surge margin can be expanded.
  • the flow passage cross-sectional area at the inlet of the impeller becomes smaller as the impeller on the rear stage side becomes smaller.
  • both the choke margin and the surge margin can be expanded by increasing the pre-turn as the exit angle of the return vane becomes the rear stage side.
  • the operating range can be expanded.
  • a centrifugal compressor 100 is provided on a rotating shaft 1 that rotates around an axis, a casing 3 that forms a flow path 2 by covering the periphery of the rotating shaft 1, and the rotating shaft 1.
  • a plurality of impellers 4 and a return vane 50 provided in the casing 3 are provided.
  • the casing 3 has a cylindrical shape extending along the axis O.
  • the rotating shaft 1 extends so as to penetrate the inside of the casing 3 along the axis O.
  • Journal bearings 5 and thrust bearings 6 are provided at both ends of the casing 3 in the direction of the axis O, respectively.
  • the rotary shaft 1 is supported by the journal bearing 5 and the thrust bearing 6 so as to be rotatable around the axis O.
  • an air inlet 7 for taking in air as the working fluid G from the outside is provided on one side of the casing 3 in the direction of the axis O. Furthermore, an exhaust port 8 through which the working fluid G compressed inside the casing 3 is exhausted is provided on the other side of the casing 3 in the axis O direction.
  • an internal space is formed in which the intake port 7 and the exhaust port 8 communicate with each other and the diameter is repeatedly reduced and increased.
  • the internal space accommodates a plurality of impellers 4 and forms part of the flow path 2 described above.
  • the side on the flow path 2 where the intake port 7 is located is called the upstream side
  • the side where the exhaust port 8 is located is called the downstream side.
  • the rotary shaft 1 is provided with a plurality (six) of impellers 4 at intervals on the outer peripheral surface in the direction of the axis O.
  • each impeller 4 includes a disk 41 having a substantially circular cross section when viewed from the direction of the axis O, a plurality of blades 42 provided on the upstream surface of the disk 41, and the plurality of blades And a cover 43 that covers 42 from the upstream side.
  • the disk 41 is formed so that the radial dimension gradually increases from one side of the axis O direction to the other side when viewed from the direction intersecting the axis O, so that the disk 41 has a generally conical shape. Yes.
  • a plurality of blades 42 are radially arranged on the conical surface facing the upstream side out of both surfaces in the direction of the axis O of the disk 41 and radially outward with the axis O as the center. More specifically, these blades are formed by thin plates that are erected from the upstream surface of the disk 41 toward the upstream side. The plurality of blades 42 are curved so as to be directed from one side to the other side in the circumferential direction when viewed from the direction of the axis O.
  • a cover 43 is provided on the upstream edge of the blade 42.
  • the plurality of blades 42 are sandwiched by the cover 43 and the disk 41 from the direction of the axis O.
  • a space is formed between the cover 43, the disk 41, and a pair of blades 42 adjacent to each other. This space forms part of the flow path 2 (compression flow path 22) described later.
  • the flow path 2 is a space that communicates the impeller 4 configured as described above and the internal space of the casing 3.
  • description will be made assuming that one flow path 2 is formed for each impeller 4 (for each compression stage). That is, in the centrifugal compressor 100, five flow paths 2 continuous from the upstream side toward the downstream side are formed corresponding to the five impellers 4 excluding the last stage impeller 4.
  • Each flow path 2 has a suction flow path 21, a compression flow path 22, a diffuser flow path 23, and a return flow path 30.
  • FIG. 2 mainly shows the first to third stage impellers 4 of the flow path 2 and the impeller 4.
  • the suction flow path 21 is directly connected to the intake port 7. External air is taken into each flow path on the flow path 2 as the working fluid G by the suction flow path 21. More specifically, the suction passage 21 is gradually curved from the axis O direction toward the radial outer side as it goes from the upstream side to the downstream side.
  • the suction flow path 21 in the impeller 4 after the second stage communicates with the downstream end of the guide flow path 25 (described later) in the flow path 2 in the previous stage (first stage). That is, the flow direction of the working fluid G that has passed through the guide flow path 25 is changed so as to face the downstream side along the axis O in the same manner as described above.
  • the compression flow path 22 is a flow path surrounded by the upstream surface of the disk 41, the downstream surface of the cover 43, and a pair of blades 42 adjacent in the circumferential direction. More specifically, the cross-sectional area of the compression flow path 22 gradually decreases from the radially inner side toward the outer side. Thereby, the working fluid G which circulates in the compression flow path 22 in the state where the impeller 4 is rotating is gradually compressed to become a high-pressure fluid.
  • the diffuser flow path 23 is a flow path extending from the inside in the radial direction of the axis O toward the outside.
  • the radially inner end of the diffuser channel 23 communicates with the radially outer end of the compression channel 22.
  • the return flow path is a flow path that causes the working fluid G that is directed radially outward to be turned radially directed inward to flow into the next stage impeller 4.
  • the return flow path is formed by a return bend portion 24 and a guide flow path 25.
  • the return bend section 24 reverses the flow direction of the working fluid G flowing from the inside in the radial direction to the outside through the diffuser flow path 23 toward the inside in the radial direction.
  • One end side (upstream side) of the return bend portion 24 communicates with the diffuser flow path 23.
  • the other end side (downstream side) of the return bend portion 24 is communicated with the guide channel 25.
  • a portion located on the outermost side in the radial direction is a top portion. In the vicinity of the top portion, the inner wall surface of the return bend portion 24 forms a three-dimensional curved surface so that the flow of the working fluid G is not hindered.
  • the guide channel 25 extends radially inward from the downstream end of the return bend 24.
  • the radially outer end of the guide channel 25 communicates with the return bend 24 described above.
  • the radially inner end of the guide channel 25 is in communication with the suction channel 21 in the downstream channel 2 as described above.
  • a plurality of return vanes 50 are provided in the guide channel 25 in the return channel 30. Specifically, as shown in FIG. 3, the plurality of return vanes 50 are arranged radially in the guide channel 25 around the axis O. In other words, the return vanes 50 are arranged around the axis O at intervals in the circumferential direction. Both ends of the return vane 50 are in contact with the casing 3 that forms the guide channel 25.
  • the return vane 50 When viewed from the direction of the axis O, the return vane 50 has a blade shape with the radially outer end as a leading edge 51 and the radially inner end as a trailing edge 52.
  • the return vane 50 extends toward the front side in the rotational direction R of the rotary shaft 1 as it goes from the front edge 51 to the rear edge 52.
  • the return vane 50 is curved so as to be convex toward the front side in the rotational direction R.
  • the surface of the return vane 50 facing the front side in the rotation direction R is a negative pressure surface 53, and the surface facing the rotation direction R rear side is a pressure surface 54.
  • a line having an equal distance from the pressure surface 54 and the negative pressure surface 53 when viewed from the direction of the axis O is a center line C.
  • the trailing edge 52 of the return vane 50 faces the front side in the rotational direction R. That is, the exit angle ⁇ of the return vane 50 is inclined toward the front side in the rotation direction R.
  • the exit angle ⁇ is an acute angle formed by the tangent T at the rear edge 52 at the center line C of the return vane 50 with respect to the reference line S passing through the rear edge 52 and the axis O when viewed from the direction of the axis O. Means an angle.
  • the outlet angle ⁇ is the same among the return vanes 50 in the same stage.
  • the outlet angle ⁇ of the return vane 50 on the rear stage is the return vane 50 on the front stage (solid line in FIG. 3). Is smaller than the exit angle ⁇ . That is, as shown in FIG. 4, the outlet angle ⁇ of the return vane 50 gradually decreases so as to monotonously decrease toward the rear stage side. In the present embodiment, even if the return vane 50 is on the rear stage side, the trailing edge 52 of the return vane 50 does not face the rear side in the rotational direction R. For example, as shown in FIG. 4, the exit angle ⁇ of the fifth stage return vane 50 is set to 0 °.
  • the exit angle ⁇ of the return vane 50 is set to 0 ° or more with the direction from the reference line S toward the front side in the rotation direction R being positive.
  • the exit angle ⁇ of the fifth stage return vane 50 as the final stage may be larger than 0 °.
  • the flow path cross-sectional area viewed from the direction of the axis O at the inlet of each impeller 4 is set so that the front impeller 4 is larger and becomes smaller as the rear impeller 4 is reached. Yes.
  • the front impeller 4 is a large flow impeller 4 and the rear impeller 4 is a small flow impeller 4.
  • the flow rate means a volume flow rate.
  • the high-pressure working fluid G is sent out from the compression flow path 22 to the subsequent diffuser flow path 23.
  • the high-pressure working fluid G that has flowed out of the compression flow path 22 then passes through the diffuser flow path 23, the return bend section 24, and the guide flow path 25 in this order.
  • the same compression is applied to the impeller 4 and the flow path 2 after the second stage.
  • the working fluid G is in a desired pressure state and is supplied from an exhaust port 8 to an external device (not shown).
  • part of the swirling component of the working fluid G is removed by the return vane 50 in the process of passing through the guide channel 25. That is, the working fluid G compressed by the impeller 4 passes through the diffuser flow path 23 and the return bend portion 24 with a swirling component in the rotation direction R of the impeller 4 and is introduced into the guide flow path 25.
  • the return vane 50 is curved from the circumferential direction toward the radial direction as it goes from the front edge 51 side to the rear edge 52 side. Therefore, a part of the swirling component is removed in the process in which the working fluid G is guided by the pressure surface 54 of the return vane 50.
  • not all of the swirl components are removed by the return vane 50.
  • the rear edge 52 of the return vane 50 is inclined radially outward and has an exit angle ⁇ toward the front side in the rotational direction R. Therefore, the swirl component remains in the working fluid G and is introduced into the next stage impeller 4.
  • the rotation direction R of the swirl component is the same as the rotation shaft 1 and the rotation direction R. Therefore, the working fluid G to which the pre-swirl is given is introduced into the next stage impeller 4.
  • the outlet angle ⁇ of the return vane 50 is larger, the working fluid G to which a larger pre-turn is given is introduced into the impeller 4 on the rear stage side of the return vane 50.
  • the larger the pre-turning of the working fluid G the lower the head of the impeller 4 and the performance characteristics change to the smaller flow rate side.
  • the pre-turning of the working fluid G is small, the performance characteristics change to the large flow rate side as a result of the relative increase of the head of the impeller 4.
  • the cross-sectional area of the flow path at the inlet of the impeller 4 becomes smaller toward the rear side. That is, the lower the impeller 4 at the rear stage, the lower the flow rate compared with the impeller 4 at the front stage.
  • the return vane 50 has a smaller outlet angle ⁇ as it is on the rear side. Therefore, the pre-turn by the return vane 50 becomes smaller toward the rear stage side. Therefore, the working fluid G having a small volume flow rate corresponding to the design flow rate of the impeller 4 can be supplied to the rear impeller 4.
  • the outlet angle ⁇ of the return vane 50 is increased toward the rear stage side, the working fluid G having a large volume flow rate is supplied to the low-flow impeller 4 on the rear stage side, and the choke margin becomes too small. End up.
  • a small amount of the working fluid G is supplied to the rear-stage impeller 4 by reducing the pre-turn on the rear-stage side. Therefore, a large choke margin in the impeller 4 can be ensured.
  • the front stage impeller 4 having a large flow rate has a smaller surge margin than the rear stage impeller 4 having a small flow rate. Therefore, in the multistage centrifugal compressor, the impeller 4 on the front stage side determines the overall surge margin.
  • the pre-turning of the working fluid G introduced into the impeller 4 is increased by about the return vane 50 on the front stage side. Therefore, a fluid having a larger volume flow rate passes through the front impeller 4.
  • the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the present invention.
  • the flow path cross-sectional area at the inlet of the impeller 4 becomes smaller toward the rear stage side, and the outlet angle ⁇ of the return vane 50 becomes smaller toward the rear stage side.
  • the flow path cross-sectional areas may be the same between some adjacent impellers 4.
  • the exit angles ⁇ may be the same between adjacent return vanes 50. That is, it is only necessary that the flow path cross-sectional area at the inlet is larger in the rear stage side between the impellers 4 adjacent to each other selected arbitrarily.
  • the exit angle ⁇ of the return vanes 50 of the adjacent stages may be smaller on the rear stage side. Further, the outlet angle ⁇ of the return vane 50 may be reduced stepwise as the flow path cross-sectional area of the inlet of the impeller 4 is reduced stepwise toward the rear side.
  • the operating range can be expanded.

Abstract

回転軸及びインペラ（４）を囲うケーシングであって、互いに隣り合うインペラ（４）のうち前段側のインペラ（４）から排出される流体を径方向内側に向かって案内して後段側のインペラ（４）に導入するリターン流路と、リターン流路内に周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーン（５０）と、を備える。リターンベーン（５０）は、出口角度が径方向を基準としてインペラ（４）の回転方向前方側に向かって傾斜しており、リターンベーン（５０）の出口角度は、後段側のリターンベーン（５０）になるに従って小さくなる。

Description

遠心圧縮機
　本発明は、遠心圧縮機に関する。
　本願は、２０１７年２月２３日に日本に出願された特願２０１７－０３２０２２号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービン、ポンプ等に用いられる遠心圧縮機として、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを備えた多段遠心圧縮機が知られている。この多段遠心圧縮機は、インペラを回転させることで、ガスに圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。
　例えば特許文献１には、後段側に向かうにつれてリターンベーンの出口角度を徐々に増加させた多段遠心圧縮機が記載開示されている。
特開２０１２－８７６４６号公報
　ところで、上記特許文献１に記載の多段遠心圧縮機では、十分なサージマージン及びチョークマージンを確保することができず、運転範囲が小さくなってしまう可能性がある。
　本発明は、運転範囲を拡大することができる多段遠心圧縮機を提供する。
　本発明の第一態様に係る遠心圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に前記軸線方向に複数段が配列されて、前記軸線方向一方側の入り口から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、前記回転軸及び前記インペラを囲うケーシングであって、互いに隣り合う前記インペラのうち前段側の前記インペラから排出される流体を径方向内側に向かって案内して後段側の前記インペラに導入するリターン流路を有するケーシングと、前記リターン流路内に周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーンと、を備え、前記リターンベーンは、出口角度が径方向を基準として前記インペラの回転方向前方側に向かって傾斜しており、前記リターンベーンの前記出口角度は、後段側の前記リターンベーンになるに従って小さくなる。
　ここで、リターンベーンの出口角度が大きい程、該リターンベーンに続くインペラにはより大きな予旋回が付与された流体が導入されることになる。流体の予旋回が大きい程、インペラのヘッドが低下し、性能特性が小流量側に変化する。逆に、流体の予旋回が小さければ、インペラのヘッドが相対的に増加する結果、性能特性は大流量側に変化する。
　一般に遠心圧縮機は、後段側のインペラの方が前段側のインペラに比べて低流量となる。本発明では、後段側のリターンベーン程、出口角度が小さくなるため、後段側に向かうに従ってリターンベーンによる予旋回は小さくなる。そのため、後段側のインペラには、当該インペラの設計流量に応じた小さい体積流量の流体を供給することができる。
　仮に、リターンベーンの出口角度を後段側に向かうに従って大きくした場合、後段側の低流量のインペラに体積流量の大きな流体を供給することになり、チョークマージンが小さくなり過ぎてしまう。本発明では、この弊害を避けることができ、チョークマージンを確保することができる。
　また、多段遠心圧縮機では、基本的には前段側のインペラの方が後段側のインペラに比べてサージマージンが小さい。そのため、多段遠心圧縮機では、前段側のインペラが全体のサージマージンを決定することになる。
　本発明では、前段側のリターンベーン程、インペラに導入される流体の予旋回が大きい。そのため、前段側のインペラ程、体積流量の大きい流体を供給することができる。仮にリターンベーンの出口角度を後段側に向かうに従って大きくした場合には、前段側のサージマージンの小さいインペラに体積流量の小さい流体を供給することになる。よってサージマージンが小さくなってしまう。本発明ではこの弊害を避け、サージマージンを拡大することができる。
　上記遠心圧縮機では、前記インペラの入口の流路断面積が、後段側の前記インペラになるに従って小さくなる。
　このような多段遠心圧縮機では、前段側から後段側に向かうに従って大流量から低流量のインペラに遷移する。そのため、リターンベーンの出口角度を後段側になるにつれて予旋回が大きくなるようにすることで、チョークマージン、サージマージンの両方を拡大することができる。
　本発明の遠心圧縮機によれば、運転範囲を拡大することができる。
実施形態に係る遠心圧縮機の縦断面図である。 実施形態に係る遠心圧縮機を一部拡大した縦端面図である。 実施形態に係る遠心圧縮機のリターンベーンを軸線方向から見た図である。 各段のリターンベーンの出口角度を示すグラフである。
　以下、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機について図面を参照して説明する。図１に示すように、遠心圧縮機１００は、軸線回りに回転する回転軸１と、この回転軸１の周囲を覆うことで流路２を形成するケーシング３と、回転軸１に設けられた複数のインペラ４と、ケーシング３内に設けられたリターンベーン５０と、を備えている。
　ケーシング３は、軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。回転軸１は、このケーシング３の内部を軸線Ｏに沿って貫通するように延びている。軸線Ｏ方向におけるケーシング３の両端部には、それぞれジャーナル軸受５及びスラスト軸受６が設けられている。回転軸１は、これらジャーナル軸受５とスラスト軸受６とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。
　ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側には、外部から作動流体Ｇとしての空気を取り入れるための吸気口７が設けられている。さらに、ケーシング３の軸線Ｏ方向他方側には、ケーシング３内部で圧縮された作動流体Ｇが排気される排気口８が設けられている。
　ケーシング３の内側には、これら吸気口７と排気口８とを連通し、縮径と拡径を繰り返す内部空間が形成されている。この内部空間は、複数のインペラ４を収容するとともに、上記の流路２の一部をなしている。なお、以降の説明では、この流路２上における吸気口７が位置する側を上流側と呼び、排気口８が位置する側を下流側と呼ぶ。
　回転軸１には、その外周面上で軸線Ｏ方向に間隔を空けて複数（６つ）のインペラ４が設けられている。各インペラ４は、図２に示すように、軸線Ｏ方向から見て略円形の断面を有するディスク４１と、このディスク４１の上流側の面に設けられた複数のブレード４２と、これら複数のブレード４２を上流側から覆うカバー４３と、を有している。
　ディスク４１は、軸線Ｏと交差する方向から見て、該軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に拡大するように形成されることで、おおむね円錐状をなしている。
　ブレード４２は、上記のディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、上流側を向く円錐面上で、軸線Ｏを中心として径方向外側に向かって放射状に複数配列されている。より詳しくは、これらブレードは、ディスク４１の上流側の面から上流側に向かって立設された薄板によって形成されている。これら複数のブレード４２は、軸線Ｏ方向から見た場合、周方向の一方側から他方側に向かうように湾曲している。
　ブレード４２の上流側の端縁には、カバー４３が設けられている。言い換えると、上記複数のブレード４２は、このカバー４３とディスク４１とによって軸線Ｏ方向から挟持されている。これにより、カバー４３、ディスク４１、及び互いに隣り合う一対のブレード４２同士の間には空間が形成される。この空間は、後述する流路２の一部（圧縮流路２２）をなしている。
　流路２は、上記のように構成されたインペラ４と、ケーシング３の内部空間を連通する空間である。本実施形態では、１つのインペラ４ごと（１つの圧縮段ごと）に１つの流路２が形成されているものとして説明を行う。すなわち、遠心圧縮機１００では、最後段のインペラ４を除く５つのインペラ４に対応して、上流側から下流側に向かって連続する５つの流路２が形成されている。
　それぞれの流路２は、吸込流路２１と、圧縮流路２２と、ディフューザ流路２３と、リターン流路３０と、を有している。なお、図２は、流路２及びインペラ４のうち、１段目から３段目のインペラ４を主として示している。
　１段目のインペラ４では、吸込流路２１は上記の吸気口７と直接接続されている。この吸込流路２１によって、外部の空気が流路２上の各流路に作動流体Ｇとして取り込まれる。より具体的には、この吸込流路２１は、上流側から下流側に向かうにしたがって、軸線Ｏ方向から径方向外側に向かって次第に湾曲している。
　２段目以降のインペラ４における吸込流路２１は、前段（１段目）の流路２における案内流路２５（後述）の下流端と連通されている。すなわち、案内流路２５を通過した作動流体Ｇは、上記と同様に、軸線Ｏに沿って下流側を向くように、その流れ方向が変更される。
　圧縮流路２２は、ディスク４１の上流側の面、カバー４３の下流側の面、及び周方向に隣り合う一対のブレード４２によって囲まれた流路である。より詳しくは、この圧縮流路２２は、径方向内側から外側に向かうに従って、その断面積が次第に減少している。これにより、インペラ４が回転している状態で圧縮流路２２中を流通する作動流体Ｇは、徐々に圧縮されて高圧流体となる。
　ディフューザ流路２３は、軸線Ｏの径方向内側から外側に向かって延びる流路である。このディフューザ流路２３における径方向内側の端部は、上記圧縮流路２２の径方向外側の端部に連通されている。
　リターン流路は、径方向外側に向かう作動流体Ｇを径方向内側に向かって転向させて、次段のインペラ４に流入させる流路である。リターン流路は、リターンベンド部２４と案内流路２５とから形成されている。
　リターンベンド部２４は、ディフューザ流路２３を経て、径方向の内側から外側に向かって流通した作動流体Ｇの流れ方向を径方向内側に向かって反転させる。リターンベンド部２４の一端側（上流側）は、上記ディフューザ流路２３に連通されている。リターンベンド部２４の他端側（下流側）は、案内流路２５に連通されている。リターンベンド部２４の中途において、径方向の最も外側に位置する部分は、頂部とされている。この頂部の近傍では、リターンベンド部２４の内壁面は、３次元曲面をなすことで、作動流体Ｇの流動を妨げないようになっている。
　案内流路２５は、リターンベンド部２４の下流側の端部から径方向内側に向かって延びている。案内流路２５の径方向外側の端部は、上記のリターンベンド部２４と連通されている。案内流路２５の径方向内側の端部は、上述のように後段の流路２における吸込流路２１に連通されている。
　次に、リターンベーン５０について説明する。リターンベーン５０は、リターン流路３０における案内流路２５に複数が設けられている。詳しくは図３に示すように、複数のリターンベーン５０は、案内流路２５中で、軸線Ｏを中心として放射状に配列されている。言い換えると、これらリターンベーン５０は、軸線Ｏの周囲で周方向に間隔を空けて配列されている。リターンベーン５０は、軸線方向の両端が、案内流路２５を形成するケーシング３に接している。
　リターンベーン５０は、軸線Ｏ方向から見た際に、径方向外側の端部を前縁５１とし、径方向内側の端部を後縁５２とした翼形状をなしている。リターンベーン５０は、前縁５１から後縁５２に向かうに従って回転軸１の回転方向Ｒ前方側に向かって延びている。リターンベーン５０は、回転方向Ｒ前方側に向かって凸となるように湾曲している。リターンベーン５０の回転方向Ｒ前方側を向く面は負圧面５３とされ、回転方向Ｒ後方側を向く面は圧力面５４とされている。軸線Ｏ方向から見て、圧力面５４と負圧面５３からの距離が等しい線が中心線Ｃとされている。
　本実施形態では、リターンベーン５０の後縁５２は、回転方向Ｒ前方側を向いている。即ち、リターンベーン５０の出口角度αは、回転方向Ｒ前方側に向かって傾斜している。ここで、出口角度αとは、軸線Ｏ方向から見てリターンベーン５０の中心線Ｃにおける後縁５２での接線Ｔが、当該後縁５２と軸線Ｏを通る基準線Ｓに対してなす鋭角の角度を意味している。当該出口角度αは、同一の段のリターンベーン５０同士では互いに同一とされている。
　本実施形態では、互いに軸線Ｏ方向に隣り合う段のリターンベーン５０のうち、後段側のリターンベーン５０（図３の破線）の出口角度αは、前段側のリターンベーン５０（図３の実線）の出口角度αよりも小さい。即ち、図４に示すように、後段側に向かうに従って、リターンベーン５０の出口角度αは単調減少するように、徐々に小さくなっている。
　本実施形態では、後段側のリターンベーン５０であっても、該リターンベーン５０の後縁５２は回転方向Ｒ後方側には向かっていない。例えば図４に示すように、５段目のリターンベーン５０の出口角度αは０°とされている。即ち、リターンベーン５０の出口角度αは、基準線Ｓから回転方向Ｒ前方側に向かう方向を正として、０°以上とされている。なお、リターンベーン５０を有する段としては最終段となる５段目のリターンベーン５０の出口角度αが、０°よりも大きくてもよい。
　ここで、本実施形態では、各インペラ４における入口での軸線Ｏ方向から見た流路断面積は、前段のインペラ４の方が大きく、後段のインペラ４になるに従って小さくなるように設定されている。これにより、前段側のインペラ４は、大流量のインペラ４とされ、後段側のインペラ４は小流量のインペラ４とされている。なお、ここでの流量とは体積流量を意味している。
　続いて、本実施形態に係る遠心圧縮機１００の動作について説明する。
　回転軸１及びインペラ４の回転に伴い吸込口から流路２内に取り込まれた作動流体Ｇは、１段目の吸込流路２１を経て、インペラ４中の圧縮流路２２に流入する。インペラ４は回転軸１の回転に伴って軸線Ｏ回りに回転していることから、圧縮流路２２中の作動流体Ｇには、軸線Ｏから径方向外側に向かう遠心力が付加される。加えて、上記の通り、圧縮流路２２の断面積は径方向外側から内側にかけて次第に減少していることから、作動流体Ｇは徐々に圧縮される。これにより、高圧の作動流体Ｇが、圧縮流路２２から後続のディフューザ流路２３に送り出される。
　圧縮流路２２から流れ出た高圧の作動流体Ｇは、その後、ディフューザ流路２３、リターンベンド部２４、案内流路２５を順に通過する。２段目以降のインペラ４、及び流路２においても同様の圧縮が加えられる。最終的には、作動流体Ｇは、所望の圧力状態となって排気口８から不図示の外部機器に供給される。
　ここで、作動流体Ｇは、案内流路２５を通過する過程でリターンベーン５０によって旋回成分の一部が除去される。即ち、インペラ４によって圧縮された作動流体Ｇは、当該インペラ４の回転方向Ｒに旋回成分を持った状態でディフューザ流路２３及びリターンベンド部２４を通過して、案内流路２５に導入される。この案内流路２５では、リターンベーン５０が前縁５１側から後縁５２側に向かうに従って、周方向から径方向に向かって湾曲している。そのため、当該リターンベーン５０の圧力面５４によって作動流体Ｇが案内される過程で、旋回成分の一部が除去される。
　本実施形態では、リターンベーン５０によって旋回成分の全てが除去されない。リターンベーン５０の後縁５２が径方向外側に向かって傾斜しており、回転方向Ｒ前方側に向かっての出口角度αを有している。そのため、作動流体Ｇで旋回成分が残った状態で次段のインペラ４に導入される。当該旋回成分の回転方向Ｒは、回転軸１及び回転方向Ｒと同様である。したがって、次段のインペラ４には予旋回が付与された作動流体Ｇが導入される。
　ここで、リターンベーン５０の出口角度αが大きい程、該リターンベーン５０の後段側のインペラ４には、より大きな予旋回が付与された作動流体Ｇが導入されることになる。作動流体Ｇの予旋回が大きい程、インペラ４のヘッドが低下し、性能特性が小流量側に変化する。逆に、作動流体Ｇの予旋回が小さければ、インペラ４のヘッドが相対的に増加する結果、性能特性は大流量側に変化する。
　本実施形態では、後段側に向かうに従ってインペラ４の入口における流路断面積が小さくなっている。即ち、後段側のインペラ４になる程、前段側のインペラ４に比べて低流量となる。これに対してリターンベーン５０は、後段側になる程、その出口角度αが小さくなる。そのため、後段側に向かうに従ってリターンベーン５０による予旋回は小さくなる。そのため、後段側のインペラ４には、当該インペラ４の設計流量に応じた小さい体積流量の作動流体Ｇを供給することができる。
　仮に、リターンベーン５０の出口角度αを後段側に向かうに従って大きくした場合、後段側の低流量のインペラ４に体積流量の大きな作動流体Ｇが供給されることになり、チョークマージンが小さくなり過ぎてしまう。本実施形態では、後段側では予旋回を小さくすることで、後段側のインペラ４には小流量の作動流体Ｇが供給されることになる。そのため、当該インペラ４におけるチョークマージンを大きく確保することができる。
　また、一般的に多段遠心圧縮機では、大流量となる前段側のインペラ４の方が小流量となる後段側のインペラ４に比べてサージマージンが小さい。そのため、多段遠心圧縮機では、前段側のインペラ４が全体の全体のサージマージンを決定することになる。
　本実施形態では、前段側のリターンベーン５０程、インペラ４に導入される作動流体Ｇの予旋回が大きくなる。そのため、前段側のインペラ４程、体積流量の大きい流体が通過することになる。
　仮にリターンベーン５０の出口角度αを後段側に向かうに従って大きくした場合には、前段側のサージマージンの小さいインペラ４に体積流量の小さい流体を供給することになる。よってサージマージンが小さくなるといった弊害が生じる。本実施形態では、前段側のインペラ４には、それに見合うだけの大きな体積流量の作動流体Ｇが供給されるため、サージマージンを大きく確保することができる。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　実施形態では、後段側に向かうに従ってインペラ４の入口での流路断面積が小さくなり、かつ、後段側に向かうに従ってリターンベーン５０の出口角度αが小さくなるものと説明した。しかしながら、これに限定されることはない。隣り合う一部のインペラ４同士で上記流路断面積が同一であってもよい。隣り合う段のリターンベーン５０同士で出口角度αが同一であってよい。即ち、任意に選択された互いに隣り合うインペラ４同士で後段側の方が入口での流路断面積が大きければよい。これらインペラ４に対応して、互いに隣り合う段のリターンベーン５０の出口角度αが、後段側の方が小さければよい。
　また、後段側に向かうに従って段階的にインペラ４の入口の流路断面積が小さくなるのに伴って、リターンベーン５０の出口角度αも段階的に小さくなってもよい。
　本発明の遠心圧縮機によれば、運転範囲を拡大することができる。
１　　回転軸
２　　流路
３　　ケーシング
４　　インペラ
５　　ジャーナル軸受
６　　スラスト軸受
７　　吸気口
８　　排気口
２１　吸込流路
２２　圧縮流路
２３　ディフューザ流路
２４　リターンベンド部
２５　案内流路
３０　リターン流路
４１　ディスク
４２　ブレード
４３　カバー
５０　リターンベーン
５１　前縁
５２　後縁
５３　負圧面
５４　圧力面
１００　　　 遠心圧縮機
Ｃ　　中心線
Ｔ　　接線
Ｓ　　基準線
Ｏ　　軸線
Ｒ　　回転方向
Ｇ　　作動流体
α　　出口角度

Claims (2)

  1. 　軸線回りに回転する回転軸と、
    　前記回転軸に前記軸線方向に複数段が配列されて、前記軸線方向一方側の入り口から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、
    　前記回転軸及び前記インペラを囲うケーシングであって、互いに隣り合う前記インペラのうち前段側の前記インペラから排出される流体を径方向内側に向かって案内して後段側の前記インペラに導入するリターン流路を有するケーシングと、
    　前記リターン流路内に周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーンと、
    を備え、
    　前記リターンベーンは、出口角度が径方向を基準として前記インペラの回転方向前方側に向かって傾斜しており、
    　前記リターンベーンの前記出口角度は、後段側の前記リターンベーンになるに従って小さくなる遠心圧縮機。
  2. 　前記インペラの入口の流路断面積が、後段側の前記インペラになるに従って小さくなる請求項１に記載の遠心圧縮機。
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