JP2009041373A - ターボ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ圧縮機において、騒音を低減し、旋回失速を抑制できる羽根の形状を提供する。
【解決手段】回転軸９と、この回転軸９に軸支された円盤５と、この円盤５上に略放射状に立設された複数の羽根３と、を備え、羽根間３，３に流体の流路Ａが形成され、円盤５が回転軸９とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入し、この流体が流路Ａを通って昇圧しながら流れ方向を転向して送出されるターボ圧縮機であって、羽根３は、流路Ａの流体送出側の端部における羽根の幅が下流に向かうほど徐々に狭まるように形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ圧縮機に係り、詳しくはターボ圧縮機の羽根車の羽根形状に関する。

ターボ形流体機械には、遠心羽根車や斜流羽根車を備えるものがある。そして、ターボ形流体機械の一つであるターボ圧縮機は、作動流体を昇圧する装置として様々なプラントで活用されている。近年、エネルギ問題と環境問題のため圧縮機の駆動エネルギ削減が要求されていることから、圧縮機動力を低減するため、ターボ圧縮機の羽根車の効率を僅かであっても向上させることが要求されている。

ターボ圧縮機の一つである遠心流圧縮機は、軸流圧縮機のように動翼や静翼によって流体を圧力上昇させるのとは異なり、羽根車の回転によって生じる遠心力場を外向きに動かすことにより、流体を圧力上昇させている。すなわち、遠心流圧縮機の昇圧の原理は、ロータの遠心力場における流体のポテンシャルエネルギの変化による。このため、遠心流圧縮機は、逆勾配中での境界層の成長や剥離によって圧力を上昇する過程での制限を受けることが少ない。このことから、従来、遠心流圧縮機では、軸流圧縮機とは異なり、羽根形状、特に遠心方向に備えられた作動流体の送出口である後縁の断面形状が性能に与える影響は小さいと考えられていた。このため、後縁の断面形状は、旋盤などで全周加工して外径を仕上げた後に円弧形状などにするような追加工をせず、そのまま使用するのが一般的であった。

ターボ圧縮機の羽根車の効率は、羽根車の後流にディフューザを設置し、作動流体の流れを減速することによってさらに向上させることができる。このディフューザには、ベーンレスディフューザとベーン付ディフューザがあり、効率向上等のためにベーン付ディフューザが採用されている。

作動流体は回転する羽根車から送出されることから、その後流は周期的に変動する。そして、この変動流れがディフューザに流入することになる。この変動流れの周波数は遠心羽根車の翼通過周波数すなわち、羽根枚数に回転周波数を乗じたものに等しくなる。このため、ベーン付ディフューザでは、ベーンレスディフューザに比べ、翼通過周波数において過剰な騒音を発生させることが問題となっている。したがって、騒音低減のためには、羽根車の後流がディフューザベーン前縁において一様となるように半径位置以降に設定する必要があり、これを実現するためにはディフューザベーン前縁と羽根車出口の半径比は大きい方が好ましい。

一方、前記したディフューザベーンを備えることは、壁面近くの流体羽根車出口を境として半径方向の圧力勾配を急に高くさせ、壁面付近の流れを羽根車出口方向へ逆流させやすくする。逆流は、その流体加振力により作動範囲を制約する旋回失速を引き起こすと考えられており、旋回失速を抑制するためには、ディフューザベーン前縁と羽根車出口の半径比は小さい方が好ましい。

このように、ディフューザベーン前縁の半径位置に関し、騒音低減と旋回失速抑制とは相反する関係となり、同時にこれら二つの問題を解決することは困難であった。

本発明は、前記した問題点を解決するターボ圧縮機の羽根車に備えられた羽根の形状を提供することを目的とする。

本発明は、回転軸と、この回転軸に軸支された円盤と、この円盤上に略放射状に立設された複数の羽根と、を備え、羽根間に流体の流路が形成され、円盤が回転軸とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入し、この流体が流路を通って昇圧しながら流れ方向を転向して送出されるターボ圧縮機であって、羽根は、流路の流体送出側の端部における羽根の幅が下流に向かうほど徐々に狭まるように形成されていることを特徴としている。

前記構成によれば、後流の剥離領域を小さくすることができる。

このようなターボ圧縮機の羽根の形状によれば、前記した問題を解決し、騒音を低減し、旋回失速を抑制できる。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、ターボ圧縮機の基本構成を示した説明図であり、（ａ）は側面から見たものであり、（ｂ）は機軸方向から後記する羽根車の一部を拡大した拡大図である。第１実施形態のターボ圧縮機は、図１（ａ）に示すように、羽根車１とディフューザ２を備える。羽根車１は、回転軸９と、この回転軸９に軸支された円錐台形状の円盤５と、この円盤５上に略放射状に立設された複数の羽根３（図１（ｂ）参照）と、羽根３の外形側に設置される側板６と、を備える。そして図１（ｂ）に示すように、羽根３，３間に流体の流路Ａが形成され、円盤５が回転軸９とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入する。その後、流体は流路Ａを通って昇圧しながら流れ方向を転向して送出される。羽根車１から送出された流体は、ディフューザ２に導かれる。なお、側板６については設置しない場合もある。

以降の説明では、羽根３の板状の部分について、作動流体が流入する方の縁を前縁７（流体吸入側の端面）、流出する方の縁を後縁８（流体送出側の端面）とする。また、ディフューザ２は、ディフューザベーン４を具備するベーン付ディフューザと、ディフューザベーン４を設けないベーンレスディフューザとがあるが、ベーン付ディフューザのディフューザベーン４についても、ベーン４の作動流体が流入する方の縁を前縁、流出する方の縁を後縁として説明する。

流体は、羽根３の前縁７の付近において、まず局所的に急加速され、その後急減速される。
羽根３の後縁８には、その下流に流速の遅い領域である後流域が存在する。後流は、後縁８の形状や厚み、羽根車１の作動状態により剥離領域を伴うことがある。この剥離領域が大きいと、その下流での混同損失が大きくなり、流れが一様化するまでの距離を長くする。

図２は、第１実施形態に係る羽根車の後縁の断面形状を楕円とした一実施例を示した説明図であり、図１の後縁８のＢ−Ｂ断面において羽根３を軸方向前方から見たものである。羽根３は、流路Ａの流体送出側の端部における前記羽根の幅が下流に向かうほど徐々に狭まるように形成され、詳しくは、長軸を流路Ａの方向とし、短軸を羽根の幅方向とした半楕円柱の周面状に形成されている。

本実施形態における楕円の形状は、羽根の厚み方向の短軸と流れ方向の長軸の比が１対２程度が好ましい。なお、この単軸と長軸との比を１対４程度にしても効果は顕著に増加することはない。また、羽根車１の製造にあたっては側板６を羽根３に溶接や拡散接合で接合していることから、溶接の熱に起因する熱応力によって後縁８の円盤５あるいは側板６と羽根３との付け根付近の変形が大きくなる可能性があり、変形を防止するため後縁８の形状は極端に細いものは好ましくない。

図３は、本実施形態に係る一実施例と従来技術の比較例について流れ解析（流れ場の等マッハ数解析）を行った結果であり、（ａ）に比較例を、（ｂ）に実施例を示す。なお、図３では、羽根３の後縁８の付近のみを表しているが、実際の解析領域は羽根車１とディフューザ２の全体であり、図３は該当部分のみを拡大した図である。比較例、実施例とも、ディフューザベーン４の影響を排除して、羽根車１の後流が一様化する度合いを比較するため、ディフューザベーン４を設置しないベーンレスディフューザでの解析を行っている。

図３から分かるように（ｂ）実施例は、（ａ）比較例と比較して、後縁先端が黒い部分の厚みがより薄くなっており、これは解析結果の等マッハ線の間隔が狭く、周囲の流れに回復するための立ち上がりが早いことを示している。また、羽根車１の下流すなわちディフューザ２の領域において（ｂ）実施例は、（ａ）比較例と比較して、等マッハ線の間隔が一様になっている。このように、比較例と比べて実施例の後縁形状のほうが、後流の剥離領域が小さいこと、羽根車１の下流すなわちディフューザ２の領域での流れの一様化が進んでいることが分かる。

このように、後縁８の断面を楕円弧や円弧などの滑らかな形状にすることにより、後流の剥離領域を小さくさせることができる。これにより、混合損失が低減され羽根車１の効率が向上する。またこのことは羽根車１の下流に設置されるディフューザベーンとの干渉が低減され騒音が低下する。さらには、羽根車１の後流を早く一様化させるので、ディフューザベーン４の前縁と羽根車１の出口の半径比を小さくでき、旋回失速を抑制することができる。このように本実施形態は，騒音低減と旋回失速抑制を同時に実現する。

前記した楕円の断面形状の長軸と短軸の比は、厳密に要求されるものではなく、製造上の公差は許容される。なお、図１は単段の遠心流圧縮機の図であるが、複数の圧縮機を同軸に直列接続した多段圧縮機や斜流圧縮機でも前記したものと同様な作用を得ることができることは言うまでもない。

［第２実施形態］
次に、本発明に係るターボ圧縮機の第２実施形態について説明する。
図４は、第２実施形態に係る羽根車の後縁断面形状を示した説明図であり、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面の形状を示している。

第２実施形態は、第１実施形態と同様に羽根車１の後縁１８の断面形状を滑らかな曲率を有した形状にする例の一つであるが、第１実施形態と異なり、円弧形状（端部が略半円柱の周面状）を採用した実施形態である。後縁１８の断面形状を、曲率を有した形状として最も単純な円弧形状とすることで、第１実施形態の楕円形状とほぼ同等の効率向上、騒音低減、旋回失速抑制の効果がある。

［第３実施形態］
次に、本発明に係るターボ圧縮機の第３実施形態について説明する。
図５は、第３実施形態に係る羽根車の後縁断面形状を示した説明図であり、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面の形状を示している。

第３実施形態は、羽根車１の後縁２８の断面形状について、後縁２８部分の羽根３の厚みを徐々に減少させていくエッジ状の形状にする例であり、従来技術の羽根形状から直線的に切り落としている。このような形状とすることで、第１実施形態の楕円形状と同じく、効率向上、騒音低減、旋回失速抑制の効果がある。

なお、従来技術の羽根形状から直線的に切り落とす場合に、外径の全周加工の面が残っている場合や、図５に示すように羽根３の両面を直線的に切り落とさず、片面のみの場合であっても効率向上、騒音低減、旋回失速抑制の効果を得ることができる。さらに、羽根３、直線的に切り落とした後縁２８との角、外径の全周加工の面と直線的に切り落とした後縁２８との角にフィレットをつけ、滑らかな形状にすると効率向上、騒音低減、旋回失速抑制の効果をより高めることができる。

また、切り落とした後に残る後縁２８の断面形状は、第２実施形態の円弧から第３実施形態の直線的な形状までの任意な形状としてもよい。こうすることによって，程度に差はあるが、第１実施形態の楕円形状と同じく、効率向上、騒音低減、旋回失速抑制の効果がある。
以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明は、前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。

ターボ圧縮機の基本構成を示した説明図である。 第１実施形態に係る羽根車及び羽根車の後縁断面形状を示した説明図である。 ２種類の後縁断面形状に対する流れ解析結果を示した説明図である。 第２実施形態に係る羽根車の後縁断面形状を示した説明図である。 第３実施形態に係る羽根車の後縁断面形状を示した説明図である。

符号の説明

１ 羽根車
２ ディフューザ
３ 羽根
４ ディフューザベーン
５ 円盤
６ 側板
７ 前縁
８ 後縁（第１実施形態）
９ 回転軸
１８ 後縁（第２実施形態）
２８ 後縁（第３実施形態）
Ａ 流路

Claims (4)

1. 回転軸と、この回転軸に軸支された円盤と、この円盤上に略放射状に立設された複数の羽根と、を備え、前記羽根間に流体の流路が形成され、前記円盤が前記回転軸とともに回転することで流体を軸方向前方から吸入し、この流体が前記流路を通って昇圧しながら流れ方向を転向して送出されるターボ圧縮機であって、
   前記羽根は、前記流路の流体送出側の端部における前記羽根の幅が下流に向かうほど徐々に狭まるように形成されていることを特徴とするターボ圧縮機。
2. 前記端部は、長軸を前記流路の方向とし、短軸を前記羽根の幅方向とした略半楕円柱の周面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記端部は、略半円柱の周面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
4. 前記端部は、エッジ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。