JP2014109214A

JP2014109214A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2014109214A
Application number: JP2012263205A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Iwakiri; 健一郎岩切
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: JP6109548B2

Abstract

【課題】効率低下を抑えて、効果的に安定作動範囲を広げることが可能な圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】圧縮機は、インペラ１２と、インペラ１２を収容し、インペラ１２によって導かれる流体の主流路２１を形成するケーシング２０と、ケーシング２０の内面にて主流路２１を分岐して形成された溝２４とを備え、溝２４は、ケーシング２０の内面にて周方向に不均一に形成されている、又は周方向に非対称に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機に関するものである。

圧縮機では、ケーシング内部に設置された羽根車（インペラ）が回転することによって流体が吸引され、吸引された流体は、下流側へ導かれる。ケーシングの内周面のうちインペラの入口近傍に、ケーシングトリートメント、エアセパレータ又は抽気口等を形成することによって、旋回失速やサージングの発生を抑制して、作動範囲を拡大する技術が知られている。

図１４及び図１５に示すように、一般に、圧縮機の回転数を一定のもとで流量を減少させていくと、旋回失速と呼ばれる流れ場の自励振動が発生する。また、旋回失速とは、圧縮機内に発生した局所的な失速域が、羽根車とは異なる速度で周方向に伝播する現象である。旋回失速が生じると、圧縮機性能は大幅に低下すると共に、翼に断続的な振動応力が加わることで疲労破壊の発生にも繋がるおそれが生じる。

旋回失速が発生した後、更に流量を減少させていくと、強い音響を伴う流れの脈動（サージング）が発生し、運転限界に達する。
こうした旋回失速やサージングの発生によって、圧縮機の作動範囲が限定されてしまう。
特許文献１では、圧縮機内の空気流を制御する方法であって、周方向非対称パターンで高圧空気を抽出することによって、旋回失速のような周期性を持つ流れの擾乱を打ち消す技術が開示されている。

特開２００８−１１１４３５号公報

ケーシングトリートメントは、例えば、ケーシングのうち翼列が存在する位置と重なる場所に設けられた溝であり、溝内に再循環流れを形成する。翼列内で比較的圧力の高い領域にある流体が溝を通過することによって、低エネルギー流れ領域（翼列の入口の領域）に流体が噴出する。これにより、失速セルの発生が抑制される。

また、エアセパレータは、翼列の上流側に、ケーシングの周方向に沿ってリング状部材を設置することによって、ケーシングに設けられた溝内に再循環流れを形成するのではなく、主流路内に再循環流れを形成する。

ケーシングトリートメントやエアセパレータは、圧縮機の安定作動範囲を広げるために有効である。しかし、依然として周期性を持った流れの擾乱（旋回失速）が発生する場合があり、圧縮機の効率低下を招いていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、効率低下を抑えて、効果的に安定作動範囲を広げることが可能な圧縮機を提供することを目的とする。

発明者は、従来のケーシングトリートメントやエアセパレータが、ケーシングの内面全周に設けられていることに着目し、その結果、ケーシングトリートメントやエアセパレータによって、ある程度失速セルの発生を抑制できるものの、依然として失速セルが発生する場合があるという知見を得た。

本発明に係る圧縮機は、インペラと、前記インペラを収容し、前記インペラによって導かれる流体の主流路を形成するケーシングと、前記ケーシングの内面にて前記主流路を分岐して形成されたバイパス流路とを備え、前記バイパス流路は、前記ケーシングの内面にて周方向に不均一に形成されている、又は周方向に非対称に形成されている。

この構成によれば、圧縮機の主流路を流れる流量を減少させたとき、インペラの翼列内で比較的圧力の高い領域にある流体がパイパス流路を通過することによって、低エネルギー流れ領域（翼列の入口の領域）に流体が噴出する。これにより、失速セルの発生が抑制される。また、バイパス流路が内面にて周方向に非均一に形成されていたり、周方向に非対称に形成されていたりすることから、例えば、周方向にバイパス流路が形成されている領域と形成されていない領域が存在する。更に、バイパス流路は、例えば、幅、高さや長さ、バイパス流路間の間隔などが一定ではない。旋回失速は、周期性を持った流れの擾乱であるが、バイパス流路が不均一又は非対称に形成されることによって、旋回失速の発達や成長を抑制したり、擾乱波の発生周期が失速セルの旋回周期と一致又は近い状態になることを避け、旋回失速の成長を助長することを防いだりする。

上記発明において、周方向に複数本の前記バイパス流路が並列して設けられている領域と、前記パイバス流路が設けられていない領域とが、前記ケーシングの内面にて周方向に不均一に形成されている、又は周方向に非対称に形成されてもよい。

この構成によれば、周方向に複数本のバイパス流路が並列して設けられている領域で旋回失速の発生を抑制することができる。また、周方向にバイパス流路が形成されている領域と形成されていない領域が存在することによって、旋回失速の発達や成長を抑制したり、擾乱波の発生周期が失速セルの旋回周期と一致又は近い状態になることを避け、旋回失速の成長を助長することを防いだりする。

上記発明において、前記バイパス流路は、前記ケーシングの内面に形成された溝状の流路でもよい。

この構成によれば、翼列内で比較的圧力の高い領域にある流体が溝を通過することによって、低エネルギー流れ領域（翼列の入口の領域）に流体が噴出し、溝状の流路内に再循環流れが形成される。その結果、失速セルの発生を抑制できる。

上記発明において、前記バイパス流路は、前記主流路の上流側に形成された第１の開口と、前記主流路の下流側に形成された第２の開口とを有し、前記第１の開口又は前記第２の開口が、前記ケーシングの内面にて周方向に不均一に形成されている、又は周方向に非対称に形成されていてもよい。

この構成によれば、翼列内で比較的圧力の高い領域にある流体が第２の開口からバイパス流路内に流入し、バイパス流路を通過したのち、第１の開口から低エネルギー流れ領域（翼列の入口の領域）に流体が噴出することによって、バイパス流路内に再循環流れが形成される。その結果、失速セルの発生を抑制できる。また、第１の開口又は第２の開口が、ケーシングの内面にて周方向に不均一に形成されている、又は周方向に非対称に形成されていることによって、旋回失速の発達や成長を抑制したり、擾乱波の発生周期が失速セルの旋回周期と一致又は近い状態になることを避け、旋回失速の成長を助長することを防いだりする。

上記発明において、前記バイパス流路は、前記ケーシングのうち前記インペラの翼列が存在する位置と重なる場所であって前記ケーシングの内部に形成されている、又は、前記インペラよりも上流側にてリング状に形成されていてもよい。

この構成によれば、バイパス流路が、ケーシングのうちインペラの翼列が存在する位置と重なる場所であってケーシングの内部に形成されている場合、バイパス流路に形成される再循環流れは、ケーシングの内部を流れる。また、バイパス流路が、インペラよりも上流側にてリング状に形成されている場合、バイパス流路に形成される再循環流れは、主流路内に形成される。

本発明によれば、圧縮機において、効率低下を抑えて、効果的に安定作動範囲を広げることができる。

本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のインペラ及びケーシングを示す部分縦断面図である。本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のケーシングに設けられたケーシングトリートメントを示す部分拡大縦断面図である。本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のケーシング内面を示す展開図である。本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のケーシング内面を示す概略展開図である。本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機のケーシング内面を示す概略展開図である。本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のインペラ及びケーシングを示す正面図である。本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のインペラ及びケーシングを示す正面図である。本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のインペラ及びケーシングを示す正面図である。本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機のケーシング内面を示す展開図である。本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機のケーシングトリートメントを示す部分拡大縦断面図である。本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機のケーシングトリートメントを示す部分拡大縦断面図である。本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機のエアセパレータを示す部分拡大縦断面図である。本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機のエアセパレータを示す部分拡大縦断面図である。圧縮機の吐出圧力と流量の関係を示すグラフである。ケーシング面で計測された圧力変動波形を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機について説明する。
図１に示すように、遠心圧縮機は、図示しないモータまたはタービンなどの駆動装置により回転駆動される回転軸１１と、回転軸１１に固定され軸線回りに回転するインペラ１２と、回転軸１１及びインペラ１２を収容するとともに流体の主流路を形成するケーシング２０と、を具備している。

インペラ１２は、回転軸１１と一体に設けられたハブ１３と、ハブ１３の外周面に設けられた複数のブレード１４と、が備えられている。ハブ１３は、回転軸１１の一端側の端部１３ａから他端側の端部１３ｂに向けて、その外径が漸次拡大する湾曲面１３ｃが形成されている。複数のブレード１４は、ハブ１３の湾曲面１３ｃに、周方向に等間隔に配置されている。

ケーシング２０は、インペラ１２の上流側からインペラ１２に向けて、回転軸１１の軸線方向に沿って連続する主流路２１と、インペラ１２の外周側に円環状をなして形成されたディフューザ２３と、ディフューザ２３の外周（下流）側に周方向に連続して形成され、周方向に直交する断面における断面積が周方向に沿って漸次拡大する渦巻き状のボリュート（図示せず。）などを備えている。

次に、図１〜図３を参照して、本実施形態の圧縮機に形成されるケーシングトリートメントについて説明する。
ケーシングトリートメントは、例えば、ケーシング２０の内面２２にて形成される複数本の溝２４である。溝２４は、バイパス流路の一例である。溝２４は、図１及び図２に示すように、一端側がケーシングのうち翼列が存在する位置にあり、他端側がインペラ１２より上流側に位置する。圧縮機の主流路２１を流れる流量を減少させたとき、溝２４内には、図２に示すように、再循環流れが形成される。インペラ１２の翼列内で比較的圧力の高い領域にある流体が溝２４を通過することによって、インペラ１２の上流側の低エネルギー流れ領域（翼列の入口の領域）に流体が噴出する。

溝２４は、図３に示すように、複数本が互いに平行に並列して設けられる。これにより、旋回失速やサージングの発生を効果的に抑制できる。溝は、図９（Ａ）に示すように、軸方向に対して平行に形成されてもよいし、図９（Ｂ）に示すように、周方向に対して平行に（軸方向に対して垂直に）形成されてもよい。また、溝は、図９（Ｃ）に示すように、軸方向（又は周方向）に対して斜め方向に形成されてもよい。さらに、図９（Ｄ）に示すように、溝の代わりに複数のハニカム形状の開口を並べて配置してもよい。なお、ケーシングトリートメントは必ずしも図３又は図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のような複数の溝で形成されるものでなく、分割されない単一の溝として形成される場合もある。

また、ケーシングトリートメントは、図４に示すように、周方向に複数本の溝２４が並列して設けられている設置領域Ａと、溝２４が設けられていない非設置領域Ｂとが、ケーシング２０の内面２２にて周方向に不均一又は周方向に非対称に形成されている。
ここで、ケーシングトリートメントが周方向に不均一（又は非一様）に形成されているとは、例えば、周方向に１箇所以上、溝２４が設けられていない非設置領域Ｂが設けられていることをいう。

また、ケーシングトリートメントが周方向に非対称に形成されているとは、例えば、周方向に複数本の溝２４が並列して設けられている設置領域Ａ周方向に２箇所以上に分割して設ける場合において、複数の設置領域Ａの設置間隔、設置幅（例えば、図４のＷ_１、Ｗ_２、Ｗ_３）又は設置深さ等を異ならせることをいう。例えば、複数の設置領域Ａにおいて、少なくとも一つの設置領域Ａが残りの設置領域Ａに対して設置間隔、設置幅又は設置深さ等が異なればよい。
例えば、図６では、周方向に複数の設置領域Ａが設けられる場合において、各設置領域Ａの設置間隔θが異なり、ケーシングトリートメントが周方向に非対称である例を示している。また、図７では、周方向に複数の設置領域Ａが設けられる場合において、各設置領域Ａの設置幅Ｗが異なり、ケーシングトリートメントが周方向に非対称である例を示している。さらに、図８では、周方向に複数の設置領域Ａが設けられる場合において、各設置領域Ａの設置深さＤが異なり、ケーシングトリートメントが周方向に非対称である例を示している。

上述したとおり、ケーシングトリートメントにおいて、設置領域Ａと非設置領域Ｂとが、ケーシング２０の内面２２にて周方向に不均一又は周方向に非対称に形成されていることによって、単純に全周にケーシングトリートメントを施した場合（溝２４を全周に設けた場合）に比べて、圧縮機効率の低下を抑制できる。
すなわち、ケーシングトリートメントを周方向に不均一（又は非一様）に形成することによって、周期性を持った流れの擾乱（旋回失速）を打ち消す乱れパターンを生じさせ、旋回失速の発達や成長を効果的に抑制できる。

また、ケーシングトリートメントを周方向に非対称に形成することによって、単純に周方向に対称にケーシングトリートメントを形成する場合に比べて、周期性を持った流れの擾乱（旋回失速）を効果的に打ち消すことができる。擾乱波の発生周期（周波数）が、旋回失速セルの旋回周期（周波数）と一致した状態又は近い状態になることを避けることができ、旋回失速の成長を助長することを防げる。

なお、上述した例では、遠心圧縮機のケーシング２０の内面２２にケーシングトリートメントを設置する場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、ケーシングトリートメントは、軸流圧縮機のケーシングの内面に設けられてもよい。図９は、ケーシングの展開図であり、ケーシングトリートメントを構成する複数の溝又は開口部と軸流圧縮機の翼の関係を示している。そして、上述したとおり、複数の溝又は開口が設けられている設置領域Ａと、溝又は開口が設けられていない非設置領域Ｂとが、ケーシングの内面にて周方向に不均一又は周方向に非対称に形成されることによって、遠心圧縮機で説明した場合と同様の作用効果が得られる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機のケーシングトリートメントについて説明する。遠心圧縮機の回転軸１１、インペラ１２及びケーシング２０の構成のうち重複する説明は省略する。

ケーシング２０の内面には、周方向に凹状の溝３３又は段差部３４が形成される。そして、ケーシング２０から離隔して、ケーシング２０よりも内側に筒状の内筒部材３０が設置される。これにより、主流路２１の上流側に形成された第１の開口３１と、主流路２１の下流側に形成された第２の開口３２とを有するパイパス流路３５が形成される。ケーシングトリートメントは、複数のバイパス流路３５から構成される。

第２の開口３２は、図１０及び図１１に示すように、ケーシング２０のうち翼列が存在する位置にあり、第１の開口３１は、インペラ１２より上流側に位置する。圧縮機の主流路２１を流れる流量を減少させたとき、バイパス流路３５内には、図１０及び図１１に示すように、再循環流れが形成される。インペラ１２の翼列内で比較的圧力の高い領域にある流体が第２の開口３２からバイパス流路３５内に流入し、バイパス流路３５を通過したのち、第１の開口３１から低エネルギー流れ領域（翼列の入口の領域）に流体が噴出する。

バイパス流路３５は、複数本が周方向に沿って並列して設けられる。これにより、旋回失速やサージングの発生を効果的に抑制できる。

また、バイパス流路３５を有するケーシングトリートメントは、図５に示すように、ケーシング２０の内面２２にて、第１の開口３１及び第２の開口３２が周方向に不均一又は周方向に非対称に形成されている。なお、本発明では、第１の開口３１と第２の開口３２が共に非対称である場合に限定されず、第１の開口３１及び開口３２のいずれか一方が非対称である場合も、同様の効果が得られる。

ここで、ケーシングトリートメントが周方向に不均一（又は非一様）に形成されているとは、例えば、周方向に１箇所以上、第１の開口３１及び第２の開口３２が設けられていない非設置領域が設けられていることをいう。

また、ケーシングトリートメントが周方向に非対称に形成されているとは、例えば、周方向に複数のバイパス流路３５を設ける場合において、複数の第１の開口３１又は第２の開口３２の設置間隔又は設置幅（例えば、図５のＷ_１、Ｗ_２、Ｗ_３）を異ならせることをいう。

上述したとおり、ケーシングトリートメントがケーシング２０の内面２２にて周方向に不均一又は周方向に非対称に形成されていることによって、単純に全周にケーシングトリートメントを施した場合（バイパス流路を全周に設けた場合）に比べて、圧縮機効率の低下を抑制でき、かつ、加工コストを低減できる。

例えば、ケーシングトリートメントを周方向に不均一（又は非一様）に形成することによって、周期性を持った流れの擾乱（旋回失速）を打ち消す乱れパターンを生じさせ、旋回失速の発達や成長を効果的に抑制できる。

さらに、高圧領域にある流体がバイパス流路３５を通過して低圧力部（失速域）に噴出する再循環流れによって、失速セルが発生することを抑制でき、圧縮機の作動範囲が広くなる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機のエアセパレータについて説明する。遠心圧縮機の回転軸１１、インペラ１２及びケーシング２０の構成のうち重複する説明は省略する。

ケーシング２０の内面には、周方向に溝又は段差部等が形成されずに、ケーシング２０から離隔して、ケーシング２０よりも内側に筒状の内筒部材４０が設置される。これにより、主流路２１の上流側に形成された第１の開口４１と、主流路２１の下流側に形成された第２の開口４２とを有するパイパス流路４５が形成される。エアセパレータは、複数のバイパス流路４５から構成される。

第１の開口４１及び第２の開口４２は、図１２及び図１３に示すように、インペラ１２より上流側であって、ハウジング２０によって形成される主流路２１内に位置する。圧縮機の主流路２１を流れる流量を減少させたとき、バイパス流路４５内には、図１２及び図１３に示すように、再循環流れが形成される。インペラ１２の翼列の端部で比較的圧力の高い領域にある流体が第２の開口４２からバイパス流路４５内に流入し、バイパス流路４５を通過したのち、第１の開口４１から低エネルギー流れ領域（翼列の入口の領域）に流体が流れる。これにより、インペラ１２の上流側にて、流体の流れを順流部と再循環部に分離できる。

バイパス流路４５は、複数本が周方向に沿って並列して設けられる。これにより、旋回失速やサージングの発生を効果的に抑制できる。

また、バイパス流路４５を有するエアセパレータは、ケーシング２０の内面２２にて、第１の開口４１及び第２の開口４２が周方向に不均一又は周方向に非対称に形成されている。

ここで、エアセパレータが周方向に不均一（又は非一様）に形成されているとは、例えば、周方向に１箇所以上、第１の開口３１及び第２の開口３２が設けられていない非設置領域が設けられていることをいう。

また、エアセパレータが周方向に非対称に形成されているとは、例えば、周方向に複数のバイパス流路４５を設ける場合において、複数の第１の開口４１又は第２の開口４２の設置間隔、設置幅又は設置高さを異ならせることをいう。

上述したとおり、エアセパレータがケーシング２０の内面２２にて周方向に不均一又は周方向に非対称に形成されていることによって、単純に全周にエアセパレータを施した場合（バイパス流路を全周に設けた場合）に比べて、圧縮機効率の低下を抑制でき、かつ、加工コストを低減できる。

例えば、エアセパレータを周方向に不均一（又は非一様）に形成することによって、周期性を持った流れの擾乱（旋回失速）を打ち消す乱れパターンを生じさせ、旋回失速の発達や成長を効果的に抑制できる。

また、エアセパレータを周方向に非対称に形成することによって、単純に周方向に対称にエアセパレータを形成する場合に比べて、周期性を持った流れの擾乱（旋回失速）を効果的に打ち消すことができる。擾乱波の発生周期（周波数）が、旋回失速セルの旋回周期（周波数）と一致した状態又は近い状態になることを避けることができ、旋回失速の成長を助長することを防げる。

さらに、インペラ１２の上流側にて、流体の流れを順流部と再循環部に分離することによって、再循環流れがスパン方向に拡大して成長することを防止し、失速セルが発生することを抑制でき、圧縮機の作動範囲が広くなる。

図１５は、ケーシング面で計測された圧力変動波形を示したもので、細線は計測された圧力変動波形データそのものの波形を示しており、太線はローパスフィルタを通じて計測されたデータから翼通過周波数成分を除外したフィルタリング波形を示している。
失速初生後、旋回失速セルは、周方向に数を増やしながら徐々に成長し、最終的に周期性を持った周方向に複数個の失速セルとして安定する。本発明は、失速セルが、図１５に示すような周期性をもった安定状態に成長することを阻害する。この結果、失速セルは、周期性を持たない初生状態において抑制され、旋回失速成長に伴う大幅な性能低下が抑えられ、作動レンジの拡大が図られる。

なお、安定した旋回失速セルの旋回周期（周波数）は、圧縮機毎に固有の物である。すなわち、本発明で示すケーシングトリートメントやエアセパレータを含む再循環流路の非対称化は、非対称化によって生じる強制振動的な流れ場の変動周期が、安定した旋回失速セルの旋回周期の整数倍（高調波）となることで、旋回失速を助長することがないよう定める必要がある。

１１回転軸
１２インペラ
２０ケーシング
２１主流路
２４溝（バイパス流路）
３５，４５バイパス流路

Claims

インペラと、
前記インペラを収容し、前記インペラによって導かれる流体の主流路を形成するケーシングと、
前記ケーシングの内面にて前記主流路を分岐して形成されたバイパス流路と、
を備え、
前記バイパス流路は、前記ケーシングの内面にて周方向に不均一に形成されている、又は周方向に非対称に形成されている圧縮機。
周方向に複数本の前記バイパス流路が並列して設けられている領域と、前記パイバス流路が設けられていない領域とが、前記ケーシングの内面にて周方向に不均一に形成されている、又は周方向に非対称に形成されている請求項１に記載の圧縮機。
前記バイパス流路は、前記ケーシングの内面に形成された溝状の流路である請求項２に記載の圧縮機。
前記バイパス流路は、前記主流路の上流側に形成された第１の開口と、前記主流路の下流側に形成された第２の開口とを有し、
前記第１の開口又は前記第２の開口が、前記ケーシングの内面にて周方向に不均一に形成されている、又は周方向に非対称に形成されている請求項１に記載の圧縮機。
前記バイパス流路は、前記ケーシングのうち前記インペラの翼列が存在する位置と重なる場所であって前記ケーシングの内部に形成されている、又は、前記インペラよりも上流側にてリング状に形成されている請求項１に記載の圧縮機。