JP2013148053A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】サージングを抑制し、小流量時での吐出圧力、吐出流量を低減させることのないケーシングトリートメントを行い、遠心圧縮機の作動域拡大を図る。
【解決手段】インペラ３と、該インペラを収納するケーシング２とを具備し、該ケーシングが、吸入口６と、インペラの周囲に形成される環洞流路５と、該環洞流路に連通する吐出口９とを有し、前記吸入口の周囲に環状空間１１が形成され、該環状空間の下流側端部が下流溝１３によってインペラ収納部に連通され、前記環状空間の上流端部が上流溝１２によって前記吸入口に連通する遠心圧縮機１であって、前記下流溝はインペラ内部に局部的に発生する高圧部に連通する様円周方向所定の範囲で設けられ、前記上流溝は前記吸入口全周に亘って設けられた。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機に関するものである。

圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機の作動域を制限するものとして、低流量時に於ける流体の逆流によるサージングの発生がある。サージングが発生すると遠心圧縮機の運転が不能になるので、サージングの発生を抑制することが遠心圧縮機の作動域拡大につながる。

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、インペラを収納し、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臨接するケーシングの壁面に全周に亘る溝を形成し、該溝をインペラより上流側の流路に連通させ、低流量時にインペラ内部に局部的に発生する高圧部からインペラの上流側に流体を逆流させ、部分的に再循環させることでサージングの発生を抑制している。

斯かる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は得られているが、一方で、下流側の流体を上流側に再循環させることから、小流量時での圧力比が減少するという現象も生じている。

特開２００４−３３２７３４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、サージングを抑制し、小流量時での吐出圧力、吐出流量を低減させることのないケーシングトリートメントを行い、遠心圧縮機の作動域拡大を図るものである。

本発明は、インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口とを有し、前記吸入口の周囲に環状空間が形成され、該環状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記環状空間の上流端部が上流溝によって前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記下流溝はインペラ内部に局部的に発生する高圧部に連通する様円周方向所定の範囲で設けられ、前記上流溝は前記吸入口全周に亘って設けられた遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記ケーシングは前記吐出口と環洞流路の境界に形成される舌部を有し、前記下流溝は、インペラ回転中心と前記舌部を結ぶ基準半径に対して上流に向って４５゜、下流に向って７５゜の範囲に含まれる様形成された遠心圧縮機に係るものである。

本発明によれば、インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口とを有し、前記吸入口の周囲に環状空間が形成され、該環状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記環状空間の上流端部が上流溝によって前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記下流溝はインペラ内部に局部的に発生する高圧部に連通する様円周方向所定の範囲で設けられ、前記上流溝は前記吸入口全周に亘って設けられたので、インペラ内部に局部的に発生する高圧部に対してのみ再循環流が形成され、サージングの発生が抑制され、更に周方向の一部に限って再循環流が形成されるので、再循環流量は低く抑えられ、再循環に起因する吐出圧力低下、最大吐出流量の低下が抑制できるという優れた効果を発揮する。

本発明が実施される遠心圧縮機の一例を示す断面図である。 本実施例のケーシングトリートメントの溝の形成状態を説明するグラフである。 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出口の静圧分布曲線である。 本実施例に係る下流溝が設けられる位置、範囲とケーシングとの関係を示す説明図である。 ケーシングトリートメント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例を説明する。

先ず、図１に於いて本発明が実施される遠心圧縮機について概略を説明する。

図１中、１は遠心圧縮機、２はケーシング、３は該ケーシング２に収納されるインペラを示している。

軸受ハウジング（図示せず）に回転自在に支持された回転軸４の一端部に前記インペラ３が固着されている。尚、前記回転軸４の他端部には例えばタービン（図示せず）が連結されている。

前記ケーシング２は前記インペラ３の周囲に環洞流路５を形成し、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９が連通されている。前記ケーシング２の中央には前記インペラ３に臨み該インペラ３と同心の吸入口６が形成されている。

前記インペラ３の周囲には前記環洞流路５に連通するディフューザ部７が形成されている。

該ディフューザ部７は前記ケーシング２の前記インペラ３を収納する部屋と前記環洞流路５とを連通するリング状の空間であり、前記環洞流路５と前記ディフューザ部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、前記回転軸４を介して前記インペラ３が回転され、タービンと同軸に設けられた、前記インペラ３が回転され、前記吸入口６より燃焼用空気が吸入され、吸入された燃焼用空気は前記インペラ３の回転及び前記ディフューザ部７を通過することで圧縮され、前記環洞流路５に流入する。圧縮された空気は該環洞流路５から前記吐出口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。

前記ケーシング２の内部に、前記吸入口６と同心に環状空間１１が形成される。該環状空間１１は前記吸入口６の軸心と平行に延在し、上流端（図１中右端）は前記吸入口６の前記インペラ３上流端より更に上流側に位置し、下流端は前記インペラ３の上流端より更に下流側に位置している。

前記環状空間１１の上流部は、上流溝１２によって前記吸入口６と連通している。前記上流溝１２は全周に亘って設けられ、該上流溝１２は連続したリング状の溝、或はリング状の溝で所定間隔でリブが設けられたものであってもよく、或は円周方向に長い長孔が所定間隔で穿設されたものでもよく、或は円孔が所定ピッチで穿設されたものであってもよい。

前記環状空間１１の下流部は、下流溝１３によって前記インペラ３の上流端部に臨接する壁面に連通している。前記下流溝１３は円周方向に所定の範囲で設けられている。

前記環状空間１１は前記上流溝１２、前記下流溝１３が連通する所要の断面形状を有し、例えば図示される様に軸心方向に長い長円断面とする。

前記ケーシング２の特に、前記環洞流路５の形状は、非軸対称となっている。従って、前記環洞流路５の全周で圧力は一定ではなく、周方向に圧力分布を持っている。更に、前記インペラ３の周縁も同様に圧力分布を有し、前記環洞流路５の圧力分布は、前記ディフューザ部７を通して前記インペラ３の内部にも伝播している。この為、前記インペラ３内部で局部的に発生する高圧部も、周方向で圧力分布を有していると考えられる。

前記下流溝１３が設けられる範囲は、前記インペラ３内部で局部的に高圧となる範囲である。

更に、前記下流溝１３について詳述する。

図２、図３により、前記下流溝１３の円周方向の位置（設けられる範囲）について説明する。

尚、図２では、インペラ３の回転中心を座標中心とし、前記吐出口９の中心軸心と平行で前記インペラ３の回転中心を通過する軸をＸ軸とし、前記インペラ３の回転中心を通り、前記Ｘ軸に直交する軸をＹ軸とし、図２中、右側に延出するＸ軸を０°としている。又、図２中、１５は前記吐出口９と前記環洞流路５の境界部を形成する舌部を示している。

図示の例では、該舌部１５は６０°の位置にあり、該舌部１５より４５°上流（図では反時計回り）の位置から、時計方向に１２０゜の範囲（図示では１０５°〜−１５°の範囲）に前記下流溝１３が開口（連通）すると、サージング抑制効果が得られる。

尚、該下流溝１３が設けられる範囲は、前記インペラ３の周縁の圧力分布（即ち、局部的な高圧部が発生する状態）に対応して決定されるものであり、圧力分布はインペラ３の形状、インペラ３の特性等で変化するものであり、必ずしも前記下流溝１３の一端が前記舌部１５より４５°に位置するとは限らない。

然し乍ら、一般的には前記舌部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、前記下流溝１３が設けられる範囲は、前記舌部１５と前記インペラ３とを結ぶ直線（基準半径：図２では６０゜の半径）を中心として、４５゜〜−７５゜好ましくは、±４５゜の範囲で設定される。

図３は本実施例の対象となる遠心圧縮機１に於いて、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出口の圧力分布を示している。尚、図３は０°の位置が舌部１５の位置、即ち図２の６０°の位置に相当している。この圧力分布では、舌部１５下流の６０゜（即ち図２の０°の位置）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の下流位置（図２では０゜）が圧力比最小となるが、ケーシング２の形状等によって圧力伝播の経路が異なるので、前記舌部１５下流位置を特定することはできない。但し、舌部１５の位置と圧力比最小とは関連性があるので、舌部１５の位置に対して圧力比最小の位置は＋０°から下流に＋７５°の範囲（図２では＋６０°〜−１５°）に存在することが多い。

次に、図４は、上流溝１２と下流溝１３との関係を示しており、本実施例では前記上流溝１２は全周に設けられ、前記下流溝１３については０°の位置から９０゜の範囲（図２参照）で設けられていることを示す。図３のインペラ３出口の圧力分布と前記下流溝１３が設けられる範囲を対比させると、出口の圧力分布が低下する範囲に前記下流溝１３が設けられる。経験的にインペラ３で局部的に発生する高圧部は、インペラ３出口の圧力分布が低下する位置の下流に存在する傾向が見られ、下流溝１３が必要とされる範囲は、その位置（図２では＋６０°〜−１５°）を含み、舌部１５より４５°上流（図２で１０５°）の範囲にある。即ち舌部１５上流に向って４５°、舌部１５下流に向って７５°の範囲である。又、下流溝１３の周方向幅は６０°以上９０°以下である。

前記上流溝１２、前記環状空間１１、前記下流溝１３を介して、前記インペラ３の上流端部と前記吸入口６とが連通しているので、低流量時にインペラ３内部に局部的に発生した高圧部から前記環状空間１１を通してインペラ３の上流側に流体が逆流し、上流溝１２より流出す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。

更に、前記下流溝１３が設けられる位置は、インペラ３内部に局部的に発生した高圧部に対応した範囲に限定されて設けられるので、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に於いて、各曲線の左側がサージングを起して作動不能となることを示している。即ち、各曲線がサージング限界値を示している。又、図５中、△のプロットはケーシングトリートメント（ＣＴ）がされていないもの、即ち環状空間１１、上流溝１２、下流溝１３がないもの（図１参照）であり、◇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もの、即ち上流溝１２、下流溝１３共に全周に亘って設けられているもの、○のプロットは本実施例の下流溝１３が実施されたものである。

図５より、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。又、小流量時でのインペラ３出口の圧力では、本実施例は従来のケーシングトリートメントをしたもの、ケーシングトリートメントしていないものに比べ、圧力比が増大している。即ち、本実施例はより高圧力比での運転が可能となっている。

而して、本実施例では、小流量側での吐出圧力、吐出流量を低減させることなく、サージング抑制効果を奏している。

尚、下流溝１３の中心の位置を、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対し、サージング抑制効果を低下させることなく吐出圧力、吐出流量の増大を得るが、前記±４５゜の範囲で更に最適な位置を設定するには、前記ケーシング２の形状、前記インペラ３の特性、遠心圧縮機１の容量等を考慮し、計算により求めるのが好ましい。

１ 遠心圧縮機
２ ケーシング
３ インペラ
４ 回転軸
５ 環洞流路
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
１５ 舌部

Claims (2)

1. インペラと、該インペラを収納するケーシングとを具備し、該ケーシングが、吸入口と、インペラの周囲に形成される環洞流路と、該環洞流路に連通する吐出口とを有し、前記吸入口の周囲に環状空間が形成され、該環状空間の下流側端部が下流溝によってインペラ収納部に連通され、前記環状空間の上流端部が上流溝によって前記吸入口に連通する遠心圧縮機であって、前記下流溝はインペラ内部に局部的に発生する高圧部に連通する様円周方向所定の範囲で設けられ、前記上流溝は前記吸入口全周に亘って設けられたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記ケーシングは前記吐出口と環洞流路の境界に形成される舌部を有し、前記下流溝は、インペラ回転中心と前記舌部を結ぶ基準半径に対して上流に向って４５゜、下流に向って７５゜の範囲に含まれる様形成された請求項１の遠心圧縮機。

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