JP2016075184A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機内部における部分凝縮を抑制し、圧縮効率を向上し得る遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】気相又は超臨界相の流体を圧縮するための遠心圧縮機は、回転シャフトと、前記遠心圧縮機の軸方向に沿って延在する軸方向流路と、前記軸方向流路に連通するとともに、前記軸方向流路の下流側において前記遠心圧縮機の半径方向に沿って延在する半径方向流路と、少なくとも一部が前記半径方向流路に設けられ、前記回転シャフトとともに回転して前記半径方向流路を流れる前記流体を昇圧するように構成されたインペラと、前記軸方向流路において、前記インペラの前縁から上流側に離れた位置に設けられ、前記インペラの前記前縁に導入される前記流体を予め昇圧するように構成された予圧部と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本開示は、気相又は超臨界相の流体を圧縮するための遠心圧縮機に関する。

従来、インペラを回転させて流体を径方向へ通流させることで、主として遠心力によって流体を圧縮する遠心圧縮機が知られている。遠心圧縮機は、例えば、化学プラント、ガスタービンプラント、冷凍機等の各種プラントに広く用いられている。

例えば、特許文献１には、複数のインペラが主軸の周りに配置された遠心圧縮機が開示されている。また、特許文献２には、インペラ（遠心流ブレード）を有する遠心ロータを備えたガス圧縮機が開示されている。

特開２００２−２１７８４号公報 特表２００４−５１６４０１号公報

ところで、遠心圧縮機においては、圧縮効率を高く維持することが要求される。遠心圧縮機において高い効率を維持して流体の入口温度を下げることができれば、これにより圧縮機の必要動力を大幅に低減できる。しかし、流体の温度を下げると、圧縮機の内部において飽和圧力以下の部分が局所的に生じて部分凝縮が発生し、圧縮機の性能を著しく低下させる可能性がある。その場合、凝縮により発生した水滴は、遠心力によって広がって流路を閉塞し、圧縮機の性能を低下させることがある。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、圧縮機内部における部分凝縮を抑制し、圧縮効率を向上し得る遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明者らの鋭意検討の結果、遠心圧縮機の性能低下の一要因となる部分凝縮は、インペラの入口側の流路で発生し易いという知見が得られた。本発明者らは、ＣＦＤの結果、インペラの前縁近傍、特に前縁のうち負圧面近傍で、流速が高くなる傾向があることを見出した。この傾向から、遠心圧縮機が稼働している状態においてインペラ周囲の静圧は、インペラの前縁近傍（具体的には、インペラ負圧面の前縁近傍）で最も低くなっており、この部分における部分凝縮のリスクが高いことが分かった。
そこで、遠心圧縮機における圧縮効率の向上を図るためには、インペラの前縁部分における部分凝縮の発生を抑制することが重要である。

本発明の少なくとも一実施形態に係る遠心圧縮機は、本発明者らの上記知見に基づくものであり、
気相又は超臨界相の流体を圧縮するための遠心圧縮機が、
回転シャフトと、
前記遠心圧縮機の軸方向に沿って延在する軸方向流路と、
前記軸方向流路に連通するとともに、前記軸方向流路の下流側において前記遠心圧縮機の半径方向に沿って延在する半径方向流路と、
少なくとも一部が前記半径方向流路に設けられ、前記回転シャフトとともに回転して前記半径方向流路を流れる前記流体を昇圧するように構成されたインペラと、
前記軸方向流路において、前記インペラの前縁から上流側に離れた位置に設けられ、前記インペラの前記前縁に導入される前記流体を予め昇圧するように構成された予圧部と、を備えることを特徴とする。

上記遠心圧縮機によれば、インペラの前縁よりも上流側の軸方向流路に予圧部が設けられ、この予圧部によって流体を予圧するようにしたので、インペラの前縁近傍においても流体の圧力を飽和圧力以上に維持することが容易となり、部分凝縮の発生を抑制できる。これにより、圧縮性能の低下を抑制し、圧縮効率を高く維持することができる。
なお、軸方向流路に設けられた予圧部において部分凝縮が発生することも考えられるが、そういった場合でも、半径方向流路で部分凝縮が発生する場合よりも遠心圧縮機への影響は小さい。その理由として、軸方向流路は流体の流れ方向と遠心力の方向とが異なるので、軸方向流路で部分凝縮が発生しても遠心力によって液滴が軸方向流路の全体に広がることはないからである。これに対し、半径方向流路の入口側で部分凝縮により液滴が発生した場合、遠心力によって液滴が半径方向流路の全体に広がって流路が閉塞してしまう可能性がある。
このように、遠心圧縮機の入口温度が低い場合であっても、軸方向流路に設けた予圧部で流体を昇圧（予圧）することによって、インペラ前縁近傍における圧力を飽和圧力以上に維持可能となり、部分凝縮の発生を抑制できる。よって、遠心圧縮機の入口温度を下げた運転条件（すなわち従来は部分凝縮が起こりやすかった運転条件）での運転が可能になり、圧縮効率の向上が図れる。

幾つかの実施形態において、前記遠心圧縮機は、複数の前記インペラが前記流体の流れ方向に沿って多段に設けられたセクションを少なくとも一つ有する多段圧縮機であり、
前記予圧部は、各セクションの初段インペラの上流側の前記軸方向流路において、前記初段インペラの前縁から上流側に離れた位置に設けられている。
多段圧縮機の場合、初段インペラ近傍の流路は他のインペラ近傍の流路よりも圧力が低いため、最も部分凝縮のリスクが高いと考えられる。そのため、上記実施形態のように、初段インペラの上流側の軸方向流路に予圧部を設け、初段インペラの前縁近傍の半径方向流路に流入する前に流体を予圧することによって、最も凝縮し易い領域（初段インペラの前縁近傍）での部分凝縮を効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態において、前記予圧部は、前記回転シャフトとともに回転して前記流体を昇圧するように構成されている。一実施形態において、前記予圧部は、前記回転シャフトの外周側に設けられ、前記回転シャフトを取り巻くように前記軸方向に沿って螺旋状に延在する螺旋羽根を含む。
上記実施形態によれば、回転シャフトが回転すると、これに伴って予圧部（螺旋羽根）が回転することで、軸方向流路において流体を昇圧しながら半径方向流路側へ導く。このように、予圧部として螺旋羽根を用いれば、回転シャフトの動力によって流体を昇圧することができるので、機器構成の簡素化が図れる。

一実施形態において、前記予圧部は、前記螺旋羽根の外周側に設けられ、前記螺旋羽根を覆うシュラウドをさらに含む。
上記実施形態によれば、螺旋羽根の外周側に設けられたシュラウドによって、螺旋羽根と遠心圧縮機のケーシングとの間のクリアランスを介した流体の漏れ流れを抑制できる。よって、予圧部による流体の昇圧を確実に行うことができ、半径方向流路における部分凝縮の発生をより一層抑制できる。

一実施形態において、前記シュラウドの外周面と、該外周面に対向する前記遠心圧縮機のケーシングの壁面との間に設けられるシール部をさらに備える。
このようにシール部を設けることによって、螺旋羽根と遠心圧縮機のケーシングとの間のクリアランスを介した流体の漏れ流れをより一層抑制できる。

幾つかの実施形態において、前記インペラは、前記螺旋羽根及び前記シュラウドとは別体として形成されている。
これにより、インペラと、シュラウド付き螺旋羽根とを別々に作製することが可能になり、加工が容易になる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、予圧部によって、半径方向流路に流入する流体を予圧するようにしたので、インペラの前縁近傍においても流体の圧力を飽和圧力以上に維持することが容易となり、部分凝縮の発生を抑制できる。これにより、圧縮性能の低下を抑制し、圧縮効率を高く維持することができる。よって、遠心圧縮機の入口温度を下げた運転条件での運転が可能になり、圧縮効率のさらなる向上が図れる。

幾つかの実施形態における遠心圧縮機の概略構成を示す断面図である。 一実施形態における遠心圧縮機の要部拡大図である。 他の実施形態における遠心圧縮機の要部拡大図である。 一実施形態における圧縮システムの構成図である。 インペラの構成例を示す斜視図である。 Ｔ−Ｓ線図の一例である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

最初に、図１乃至図３を参照して、本実施形態に係る遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの概略構成について説明する。ここで、図１は、幾つかの実施形態における遠心圧縮機の概略構成を示す断面図である。図２は、一実施形態における遠心圧縮機の要部拡大図である。図３は、他の実施形態における遠心圧縮機の要部拡大図である。

なお、図１に示す遠心圧縮機１は、低圧セクション４の３段目（吐出側）のインペラ２０と、高圧セクション５の３段目（吐出側）のインペラ２０とが、互いに背中合わせに対向して配置されたバックツーバック（Ｂａｃｋ Ｔｏ Ｂａｃｋ）型の圧縮機である。但し、本実施形態に係る遠心圧縮機の構造はこの型に限定されるものではない。図１に示す低圧セクション４及び高圧セクション５は概ね同一の構成を有するため、図２及び図３には代表して低圧セクション４の初段インペラ２０Ａ，２０Ｂ及びその周辺構造を示している。これらの図において、同一の部位には同一の符号を付している。

以下の実施形態では、一例として多段式の遠心圧縮機（多段圧縮機）１，１Ａ，１Ｂについて説明する。
図１乃至図３に示すように、幾つかの実施形態における遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂは、気相又は超臨界相の流体を圧縮するように構成されており、主として、回転シャフト２と、回転シャフト２の周囲に配置された低圧セクション４及び高圧セクション５と、回転シャフト２を軸回りに回転可能に支持するケーシング６と、を備える。

回転シャフト２は、軸受９を介してケーシング６に回転可能に支持される。回転シャフト２は、モータ等の外部の動力によって回転するように構成されている。
ケーシング６は円柱状に形成され、その外周が円筒状のハウジング８で覆われている。また、ケーシング６には、該ケーシング６の中心を貫くように回転シャフト２が配置されており、回転シャフト２の外周側に、圧縮対象である流体のための流路１０が形成されている。

低圧セクション４及び高圧セクション５は、それぞれ、流路１０と、インペラ（羽根車）２０，２０Ａ，２０Ｂと、を備えている。なお、低圧セクション４及び高圧セクション５は、それぞれ、インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂよりも下流側に設けられたディフューザ２９を備えていてもよい。ディフューザ２９は、インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂによって流体に与えられた運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するように構成される。

流路１０は、ケーシング６及びハウジング８に形成された吸込口１１及び吐出口１７と、ケーシング６に形成された軸方向流路１３と、軸方向流路１３に連通した半径方向流路１４と、を含んでいる。
具体的な構成例として、流路１０は、上流側から下流側に向けて順に、吸込口１１と、ストレート流路１２と、軸方向流路１３と、半径方向流路１４と、リターン流路１５と、ストレート流路１６と、吐出口１７と、が互いに連通した状態で配置された構成となっている。

ストレート流路１２は、吸込口１１に連通しており、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの半径方向に直線状に延在している。吸込口１１から吸い込まれた流体は、ストレート流路１２を通って、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの径方向外方から内方へ向けて径方向に沿って流れる。
軸方向流路１３は、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの軸方向に沿って延在している。軸方向流路１３は、回転シャフト２の軸方向に沿って直線状に形成されていてもよい。軸方向流路１３の上流端側はコーナー領域を介してストレート流路１２に連通し、下流端側は半径方向流路１４に連通している。この軸方向流路１３は、ストレート流路１２にて径方向内方へ向かう流れから軸方向に沿った流れに変換された流体が流入し、該流体が軸方向に沿って所定の距離を流れるように構成されている。

半径方向流路１４は、軸方向流路１３に連通するとともに、軸方向流路１３の下流側において遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの半径方向に沿って延在している。半径方向流路１４には、上流側（内周側）にインペラ２０，２０Ａ，２０Ｂが配置され、下流側（外周側）にディフューザ２９が配置されている。この半径方向流路１４は、インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂが配置された上流側の圧縮領域において、軸方向流路１３にて軸方向に沿って流れる流体の方向を径方向外方へ向かう流れに変換し、インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂによって流体を圧縮させるように構成されている。
リターン流路１５は、断面略Ｕ字状に形成され、上流端側は半径方向流路１４に連通しており、下流端側はストレート流路１６に連通している。このリターン流路１５は、インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂを通過して半径方向流路１４を径方向外方に流れてきた流体の流れ方向を径方向内方に反転させて、流体をストレート流路１６に送り出すように構成されている。
ストレート流路１６は、上流端側がリターン流路１５に連通しており、下流端側が次段の軸方向流路１３に連通している。
全段のインペラ２０，２０Ａ，２０Ｂを通過した流体は、最終段のストレート流路１６を通って吐出口１７より吐出される。

インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂは、回転シャフト２の軸方向に少なくとも一段設けられている。なお、図１では例示的に、初段インペラを含む三段のインペラ２０，２０Ａ，２０Ｂが設けられた構成を示している。この構成において、インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂは、回転シャフト２の軸方向に間隔をあけて複数（ここでは三段）配列されている。
各段のインペラ２０，２０Ａ，２０Ｂは、少なくとも一部が半径方向流路１４に配置され、回転シャフト２とともに回転して半径方向流路１４を流れる流体を昇圧するように構成されている。具体的には、各段のインペラ２０，２０Ａ，２０Ｂは、回転シャフト２の外周に固定された円盤状のハブ２１と、ハブ２１に固定され、該ハブ２１に対して放射状に配列された複数の羽根（ベーン）２２と、を有している。上記した半径方向流路１４の圧縮領域は、ハブ２１と、隣り合う羽根２２とで画成される空間によって構成される。

図２に示す実施形態において、遠心圧縮機１Ａは、インペラ２０Ａを覆うシュラウドを有していない構成となっている。
一方、図３に示す実施形態において、遠心圧縮機１Ｂは、主に流路１０の密閉性向上を目的として、インペラ２０Ｂを覆うように設けられたシュラウド２７をさらに備えている。シュラウド２７は、インペラ２０Ｂの各羽根２２の先端に取り付けられており、回転シャフト２と同心円をなすように配置されている。この実施形態においては、半径方向流路１４の圧縮領域は、ハブ２１と、隣り合う羽根２２と、シュラウド２７とで画定される空間によって構成される。シュラウド２７とケーシング６との間の隙間には、流体が漏れ出ることを防止するために、シール部２８が設けられていてもよい。

図４は、一実施形態における圧縮システム１００の構成図である。
一実施形態における圧縮システム１００は、低圧圧縮機１０１Ａと、中圧圧縮機１０１Ｂと、高圧圧縮機１０１Ｃと、冷却器４１〜４４を含む冷却器群４０と、を備えている。低圧圧縮機１０１Ａ、中圧圧縮機１０１Ｂ及び高圧圧縮機１０１Ｃの少なくともいずれかは、上述した遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂと同一の構成を有している。

低圧圧縮機１０１Ａは、低圧側の第１セクション４Ａ及び高圧側の第２セクション５Ａを含んでいる。中圧圧縮機１０１Ｂは、低圧側の第３セクション４Ｂ及び高圧側の第４セクション５Ｂを含んでいる。高圧圧縮機１０１Ｃは、低圧側の第５セクション４Ｃ及び高圧側の第６セクション５Ｃを含んでいる。すなわち、図１に示す構成例と照らし合わせれば、第１セクション４Ａ、第３セクション４Ｂ又は第５セクション４Ｃが低圧セクション４に相当し、第２セクション５Ａ、第４セクション５Ｂ又は第６セクション５Ｃが高圧セクション５に相当する。

上記圧縮システム１００では、低圧圧縮機１０１Ａにおいて、第１セクション４Ａで圧縮された流体は、冷却器４１にて冷却された後、第２セクション５Ａでさらに圧縮されて、冷却器４２に送られる。次いで、中圧圧縮機１０１Ｂにおいて、冷却器４２で冷却された流体は第３セクション４Ｂに導入され、第３セクション４Ｂで圧縮された流体は、冷却器４３にて冷却された後、第４セクション５Ｂでさらに圧縮されて、冷却器４４に送られる。さらに、高圧圧縮機１０１Ｃにおいて、冷却器４４で冷却された流体は第５セクション４Ｃに導入され、第５セクション４Ｃで圧縮された後、第６セクション５Ｃでさらに圧縮されて排出される。

通常、圧縮システム１００では、上述したように、動力削減を目的として圧縮効率を高めるために冷却器群４０によって流体を冷却している。ところが、流体の圧縮機入口温度を下げ過ぎると、遠心圧縮機の内部において飽和圧力以下の部分が局所的に生じて部分凝縮が発生してしまう可能性がある。

本発明者らの鋭意検討の結果、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの性能低下の一要因となる部分凝縮は、図５に示すように、インペラ２０の入口側の領域５０で発生し易いという知見が得られた。なお、図５は、インペラ２０の構成例を示す斜視図である。具体的には、インペラ２０の羽根２２は、前縁２３と、後縁２４と、圧力面２５と、負圧面２６と、を有している。本発明者らは、ＣＦＤ（数値流体解析：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）を行った結果、インペラ２０（ここでは羽根２２）の前縁２３の近傍、特に前縁２３のうち負圧面２６の近傍の領域５０で、流速が高くなる傾向があることを見出した。この傾向から、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂが稼働している状態においてインペラ２０の周囲の静圧は、インペラ２０の前縁２３の近傍（具体的には、インペラ２０の負圧面２６の前縁２３の近傍）で最も低くなっており、この部分における静圧が低下することから部分凝縮のリスクが高いことが分かった。圧縮機入口温度を低く設定し、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂにおける圧縮効率の向上を図るためには、インペラ２０の前縁部分における部分凝縮の発生を抑制することが重要である。

そこで、本実施形態に係る遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂは、圧縮機内部における部分凝縮を抑制しながら圧縮効率を向上するために、さらに以下の構成を備えている。

図１乃至図３に示すように、幾つかの実施形態において、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂは、予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂをさらに備える。
予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂは、軸方向流路１３において、インペラ２０の前縁２３から上流側に離れた位置に設けられる。また、予圧部３０は、回転シャフト２とともに軸回りに回転して、軸方向流路１３を流れる流体を昇圧するように構成されている。さらに、予圧部３０は、インペラ２０とは別体で形成されている。

上記実施形態によれば、インペラ２０の前縁２３よりも上流側の軸方向流路１３に予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂが設けられ、この予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂによって流体を予圧するようにしたので、インペラ２０の前縁２３の近傍においても流体の圧力を飽和圧力以上に維持することが容易となり、部分凝縮の発生を抑制できる。これにより、圧縮性能の低下を抑制し、圧縮効率を高く維持することができる。
なお、軸方向流路１３に設けられた予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂにおいて部分凝縮が発生することも考えられるが、そういった場合でも、半径方向流路１４で部分凝縮が発生する場合よりも遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂへの影響は小さい。その理由として、軸方向流路１３は流体の流れ方向と遠心力の方向とが異なるので、軸方向流路１３で部分凝縮が発生しても遠心力によって液滴が軸方向流路１３の全体に広がることはないからである。これに対し、半径方向流路１４の入口側で部分凝縮により液滴が発生した場合、遠心力によって液滴が半径方向流路１４の全体に広がって流路１０が閉塞してしまう可能性がある。

一般的に、図４に示すような圧縮システム１００では、部分凝縮が発生する懸念があることから、従来は圧縮機入口温度を理論上の凝縮温度よりもかなり高い温度に設定していた。図６のＴ−Ｓ線図（温度エントロピー線図）に示すように、理論上は、臨界点を含む飽和液線５２よりも温度が高い領域であれば凝縮は発生しないと考えられる。しかし、部分凝縮が発生する可能性を考慮して、従来は飽和液線５２よりもかなり上方（高温側）に入口温度の運転ライン５３が設定されていた。

これに対して、上記実施形態に係る遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂによれば、部分凝縮の発生を抑制できるため、例えば第４セクション５Ｂ（図４参照）では、運転ライン５４まで入口温度の設定を下げることができる。これにより、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの動力を大幅に低減することができ、遠心圧縮機の圧縮効率の向上が図れる。
このように、上記実施形態によれば、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの入口温度が低い場合であっても、軸方向流路１３に設けた予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂで流体を昇圧（予圧）することによって、インペラ２０の前縁２３の近傍における圧力を飽和圧力以上に維持可能となり、部分凝縮の発生を抑制できる。よって、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの入口温度を下げた運転条件、すなわち従来は部分凝縮が起こりやすかった運転条件での運転が可能になり、圧縮効率の向上が図れる。

幾つかの実施形態において、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂは、複数のインペラ２０，２０Ａ，２０Ｂが流体の流れ方向に沿って多段に設けられたセクション４，５を少なくとも一つ有する多段圧縮機（図１参照）であり、予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂは、各セクション４，５の初段インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂの上流側の軸方向流路１３において、初段インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂの前縁２３から上流側に離れた位置に設けられている。
多段圧縮機の場合、初段インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂ近傍の流路は他のインペラの近傍の流路よりも圧力が低いため、最も部分凝縮のリスクが高いと考えられる。そのため、上記実施形態のように、初段インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂの上流側の軸方向流路に予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂを設け、初段インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂの前縁２３の近傍の半径方向流路１４に流入する前に流体を予圧することによって、最も凝縮し易い領域（初段インペラの前縁近傍）での部分凝縮を効果的に抑制することができる。

一実施形態において、軸方向流路１３は、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの軸方向に沿って直線状に延在しており、所定の距離を有するように構成される。ここで、軸方向流路１３の軸方向に沿った距離は、例えば、インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂの前縁２３の翼高さ以上とする。

図２及び図３に示すように、一実施形態において、予圧部３０Ａ，３０Ｂは、回転シャフト２の外周側に設けられ、回転シャフト２を取り巻くように軸方向に沿って螺旋状に延在する螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂを含む。
上記実施形態によれば、回転シャフト２が回転すると、これに伴って螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂが回転することで、軸方向流路１３において流体Ｇ_１が螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂに流入する。ここで、螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂは、流体Ｇ_１を昇圧しながら半径方向流路１４側へ導く。螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂを通過した流体Ｇ_２は、通過前の流体Ｇ_１よりも圧力が高くなる。このように、予圧部３０Ａ，３０Ｂとして螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂを用いれば、回転シャフト２の動力によって流体を昇圧することができるので、機器構成の簡素化が図れる。

また、予圧部３０Ａ，３０Ｂは、回転シャフト２の外周面を囲むように配置される円筒部（不図示）を有し、該円筒部の外周面に螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂが設けられた構成としてもよい。これにより、予圧部３０Ａ，３０Ｂの回転シャフト２への装着性を向上させることができる。
さらに、一構成例では、軸方向流路１３の少なくとも一部は、螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂ及びケーシング６により画定される。すなわち、軸方向流路１３のうち予圧部３０Ａ，３０Ｂが位置する領域において、回転シャフト２の外周にはケーシング６が存在せず、該回転シャフト２の外周面は軸方向流路１３に露出している。そして、軸方向流路１３に露出した回転シャフト２の外周面に予圧部３０Ａ，３０Ｂ（螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂ）が取り付けられる。この構成により、回転シャフト２と共に回転する予圧部３０Ａ，３０Ｂの取り付けが容易となる。

図３に示すように、他の実施形態における遠心圧縮機１Ｂにおいて、予圧部３０Ｂは、螺旋羽根３１Ｂの外周側に設けられ、螺旋羽根３１Ｂを覆うシュラウド３２をさらに含む。例えば、シュラウド３２は、回転シャフト２の軸Ｏを中心とした環状に形成される。また、シュラウド３２と螺旋羽根３１Ｂとが一体的に構成されてもよい。例えば、シュラウド３２は、螺旋羽根３１Ｂの外周面に取り付けられ、回転シャフト２に固定された螺旋羽根３１Ｂと共に回転するように構成される。この場合、シュラウド３２と螺旋羽根３１Ｂとを別部材で形成し、溶接等によってこれらの部材を接合して一体化してもよい。

上記実施形態によれば、螺旋羽根３１Ｂの外周側に設けられたシュラウド３２によって、螺旋羽根３１Ｂと遠心圧縮機１Ｂのケーシング６との間のクリアランスを介した流体の漏れ流れを抑制できる。よって、予圧部３０Ｂによる流体の昇圧を確実に行うことができ、半径方向流路１４における部分凝縮の発生をより一層抑制できる

また、シュラウド３２の外周面と、該外周面に対向する遠心圧縮機１Ｂのケーシング６の壁面との間に設けられるシール部３３をさらに備えてもよい。具体的には、シール部３３は、環状に形成されており、ケーシング６のうちシュラウド３２に対向する内壁と、シュラウド３２の外周面（背面）との間に配置される。シール部３３は、軸方向流路１３の上流側領域に設けられてもよい。例えば、シュラウド３２の外周面又はケーシング６の壁面の少なくとも一方に、回転シャフト２の軸Ｏを中心とした環状の溝部（不図示）を設けて、この溝部に、環状のシール部３３を収容してもよい。
このように、シール部３３を設けることによって、螺旋羽根３１Ｂと遠心圧縮機１Ｂのケーシング６との間のクリアランスを介した流体の漏れ流れをより一層抑制できる。

さらに、インペラ２０Ｂは、螺旋羽根３１Ｂ及びシュラウド３２とは別体として形成されていてもよい。これにより、インペラ２０Ｂと、シュラウド付き螺旋羽根３１Ｂとを別々に作製することが可能になり、加工が容易になる。

上述したように、本発明の実施形態によれば、予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂによって、半径方向流路１４に流入する流体を予圧するようにしたので、インペラ２０，２０Ａ，２０Ｂの前縁２３の近傍においても流体の圧力を飽和圧力以上に維持することが容易となり、部分凝縮の発生を抑制できる。これにより、圧縮性能の低下を抑制し、圧縮効率を高く維持することができる。よって、遠心圧縮機１，１Ａ，１Ｂの入口温度を下げた運転条件での運転が可能になり、圧縮効率のさらなる向上が図れる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
上記実施形態では一例として多段式の遠心圧縮機（多段圧縮機）１，１Ａ，１Ｂについて記載したが、本実施形態の一部の構成は単段式の圧縮機（１段圧縮機）にも適用可能である。
また、上記実施形態では、予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂとして、螺旋羽根３１Ａ，３１Ｂを含む構成について説明したが、予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂはこの構成に限定されるものではない。すなわち、予圧部３０，３０Ａ，３０Ｂは、軸方向流路１３に配置されて、流体を予圧可能な構成であれば、その具体的な構成は特に限定されない。

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１，１Ａ，１Ｂ 遠心圧縮機
２ 回転シャフト
４，４Ａ〜４Ｃ 低圧セクション
５，５Ａ〜５Ｃ 高圧セクション
６ ケーシング
１０ 流路
１１ 吸込口
１３ 軸方向流路
１４ 半径方向流路
１７ 吐出口
２０，２０Ａ，２０Ｂ インペラ
２１ ハブ
２２ 羽根
２７ シュラウド
２８ シール部
２９ ディフューザ
３０，３０Ａ，３０Ｂ 予圧部
３１，３１Ａ，３１Ｂ 螺旋羽根
３２ シュラウド
３３ シール部
５２ 飽和液線
５３ 運転ライン
１００ 圧縮システム
Ｏ 軸

Claims (7)

1. 気相又は超臨界相の流体を圧縮するための遠心圧縮機であり、
   回転シャフトと、
   前記遠心圧縮機の軸方向に沿って延在する軸方向流路と、
   前記軸方向流路に連通するとともに、前記軸方向流路の下流側において前記遠心圧縮機の半径方向に沿って延在する半径方向流路と、
   少なくとも一部が前記半径方向流路に設けられ、前記回転シャフトとともに回転して前記半径方向流路を流れる前記流体を昇圧するように構成されたインペラと、
   前記軸方向流路において、前記インペラの前縁から上流側に離れた位置に設けられ、前記インペラの前記前縁に導入される前記流体を予め昇圧するように構成された予圧部と、を備えることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記遠心圧縮機は、複数の前記インペラが前記流体の流れ方向に沿って多段に設けられたセクションを少なくとも一つ有する多段圧縮機であり、
   前記予圧部は、各セクションの初段インペラの上流側の前記軸方向流路において、前記初段インペラの前縁から上流側に離れた位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記予圧部は、前記回転シャフトとともに回転して前記流体を昇圧するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記予圧部は、前記回転シャフトの外周側に設けられ、前記回転シャフトを取り巻くように前記軸方向に沿って螺旋状に延在する螺旋羽根を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記予圧部は、前記螺旋羽根の外周側に設けられ、前記螺旋羽根を覆うシュラウドをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の遠心圧縮機。
6. 前記シュラウドの外周面と、該外周面に対向する前記遠心圧縮機のケーシングの壁面との間に設けられるシール部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の遠心圧縮機。
7. 前記インペラは、前記螺旋羽根及び前記シュラウドとは別体として形成されたことを特徴とする請求項６又は７に記載の遠心圧縮機。

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