JP2021148009A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音がより一層低減された圧縮機を提供する。【解決手段】圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、回転軸とともに回転することで、軸線方向一方側から径方向外側に向かって流体を圧送するインペラと、回転軸及びインペラを囲うとともに、インペラから圧送される流体を径方向外側に導くディフューザ流路が形成されたケーシングと、ディフューザ流路に、軸線の周方向に間隔をあけて複数設けられたディフューザベーンと、を備え、ディフューザベーンは、径方向外側に向かうに従って回転軸の回転方向に向かって延びるベーン本体と、ベーン本体の表面に形成された微小音響構造と、を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、圧縮機に関する。

圧縮機を含むターボ機械では、回転部品の回転に伴って騒音が発生する。このような騒音が静止部品に伝播すると、当該静止部品の構造破壊を引き起こす虞がある。そこで、騒音防止を目的として、圧縮機の出口流路中に音響ライナを設ける構成が提唱されている（下記特許文献１）。この音響ライナは、流路に向かって開口する導入孔と、この導入孔の下流側に接続された音響空間とを有している。

米国特許出願公開第２００２／００７９１５８号明細書

しかしながら、上記のような圧縮機では流路内の流速が高いため、音響ライナの導入孔から音響空間に音波を導くに当たって、音響抵抗が大きくなっている。その結果、十分な音響低減効果が得られない可能性がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、騒音がより一層低減された圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸とともに回転することで、軸線方向一方側から径方向外側に向かって流体を圧送するインペラと、前記回転軸及びインペラを囲うとともに、前記インペラから圧送される流体を径方向外側に導くディフューザ流路が形成されたケーシングと、前記ディフューザ流路に、前記軸線の周方向に間隔をあけて複数設けられたディフューザベーンと、を備え、前記ディフューザベーンは、径方向外側に向かうに従って前記回転軸の回転方向に向かって延びるベーン本体と、該ベーン本体の表面に形成された微小音響構造と、を有する。

本開示によれば、騒音がより一層低減された圧縮機を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る圧縮機の構成を示す断面図である。 本開示の第一実施形態に係る微小音響構造の構成を示す断面図である。 本開示の第二実施形態に係る微小音響構造の構成を示す断面図である。 本開示の第二実施形態に係る微小音響構造の挙動を示す説明図である。

＜第一実施形態＞

（圧縮機の構成）

以下、本開示の第一実施形態に係る圧縮機１００について、図１と図２を参照して説明する。図１に示すように、圧縮機１００は、回転軸１と、インペラ２と、ケーシング３と、ディフューザベーン４と、と、を備えている。

回転軸１は、軸線Ａｃに沿って延びるとともに、当該軸線Ａｃ回りに回転可能である。回転軸１の外周面には、インペラ２が固定されている。インペラ２は、ディスク２１と、複数のブレード２２と、を有している。ディスク２１は、軸線Ａｃを中心とする円盤状をなしている。ディスク２１の外周面（主面２１Ａ）は、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かうに従って径方向内側から外側に向かって湾曲する曲面状をなしている。

この主面２１Ａ上には、周方向に間隔をあけて複数のブレード２２が設けられている。詳しくは図示しないが、各ブレード２２は、径方向内側から外側に向かうに従って、回転軸１の回転方向前方側から後方側に向かって湾曲している。インペラ２は、回転軸１とともに回転することで、軸線Ａｃ方向一方側から導入された流体を径方向外側に向かって圧送する。

ケーシング３は、これら回転軸１、及びインペラ２を外周側から囲っている。ケーシング３の内部には、インペラ２を収容するとともに外部から導かれた流体を圧縮する圧縮流路Ｐと、圧縮流路Ｐの径方向外側に接続された出口流路Ｆと、が形成されている。圧縮流路Ｐは、インペラ２の外形に対応するように、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かうに従って次第に拡径している。圧縮流路Ｐの径方向外側の出口には出口流路Ｆが接続されている。

出口流路Ｆは、ディフューザ流路Ｆ１と、出口スクロールＦ２と、を有している。ディフューザ流路Ｆ１は、圧縮流路Ｐから導かれた流体の静圧を回復させるために設けられている。ディフューザ流路Ｆ１は、圧縮流路Ｐの出口から径方向外側に向かって延びる円環状をなしている。軸線Ａｃを含む断面視では、ディフューザ流路Ｆ１の流路幅は延在方向の全域にわたって一定である。ディフューザ流路Ｆ１中には複数のディフューザベーン４が設けられている。ディフューザベーン４の構成については後述する。

ディフューザ流路Ｆ１の径方向外側の出口には、出口スクロールＦ２が接続されている。出口スクロールＦ２は、軸線Ａｃの周方向に延びる渦巻き状をなしている。出口スクロールＦ２は、円形の流路断面を有している。出口スクロールＦ２の一部には、高圧流体を外部に導くための排気孔が形成されている（図示省略）。

（ディフューザベーンの構成）

ディフューザベーン４は、ディフューザ流路Ｆ１中で、周方向に間隔をあけて複数配列されている。各ディフューザベーン４は、径方向外側に向かうに従って回転軸１の回転方向に向かって延びるベーン本体４１と、ベーン本体４１の表面４１Ｓに形成された微小音響構造５と、を有する。

図２に示すように、本実施形態に係る微小音響構造５は、ベーン本体４１の表面４１Ｓ上で互いに間隔をあけて配列された複数の凹部５Ｒである。各凹部５Ｒは、表面４１Ｓからベーン本体４１の内部に向かって凹んでいる。凹部５Ｒの表面４１Ｓ側の部分（入口部Ｒａ）は、他の部分（底部Ｒｂ）に比べて断面積が大きい。また、入口部Ｒａと底部Ｒｂとの間には段差が形成されている。入口部Ｒａの断面積は延在長さの全域にわたって一定であり、底部Ｒｂの断面積も延在長さの全域にわたって一定である。

凹部５Ｒの表面４１Ｓからの深さＬ（つまり、入口部Ｒａと底部Ｒｂの長さの和）は、低減対象となる音の波長λの４分の１の長さである。つまり、Ｌ＝（１／４）×λとされている。

（作用効果）

次に、圧縮機１００の動作について説明する。圧縮機１００を運転するに当たっては、まず外部の駆動源によって回転軸１を軸線Ａｃ回りに回転させる。回転軸１の回転に伴ってインペラ２も回転し、これにより外部の流体が圧縮流路Ｐに導かれる。圧縮流路Ｐ中でインペラ２のブレード２２に案内された流体は遠心力によって圧縮されて高圧状態となる。この高圧状態の流路は、ディフューザ流路Ｆ１、及び出口スクロールＦ２を経て外部に取り出される。

ここで、上記のような圧縮機１００では、インペラ２の回転に伴う騒音が発生する。このような騒音のうち、特にＮＺ音と呼ばれる騒音は、圧縮機１００の各部と共振を起こしやすいことから、その低減・抑制が肝要である。ＮＺ音とは、インペラ２の羽根枚数（つまり、ブレード２２の数）Ｎと、回転軸１の回転数Ｚとを積算した値に基づく周波数の騒音（離散周波数音）である。

このようなＮＺ音の低減・抑制を目的として、本実施形態では出口流路Ｆ１に配置されたベーン本体４１に微小音響構造５が設けられている。これにより、ベーン本体４１の表面４１Ｓを流体が通過する際に、騒音を吸収・減衰させることができる。

さらに、上記構成によれば、微小音響構造５としての凹部５Ｒに音波が捕捉され、当該凹部５Ｒ内で減衰する。これにより、騒音が外部に漏れることを低減することができる。

また、上記構成によれば、凹部５Ｒの表面４１Ｓからの深さＬを、低減対象となる周波数の音の波長λの４分の１とすることで、凹部５Ｒの入口でＺｉ＝ρｃの無反射境界条件が実現される。なお、Ｚｉは音響インピーダンスであり、ρは密度、ｃは音速である。これにより、凹部５Ｒに捕捉された当該低減対象の周波数の音波を、外部に反射させずに減衰させることができる。

上記構成によれば、凹部５Ｒの表面４１Ｓ側の部分（入口部Ｒａ）は、他の部分（底部Ｒｂ）に比べて断面積が大きい。これにより、ベーン本体４１の表面４１Ｓのより広い領域で音波を捕捉することができる。

＜第二実施形態＞

続いて、本開示の第二実施形態について、図３と図４を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図３に示すように、本実施形態では微小音響構造５として、ベーン本体４１の表面４１Ｓに複数の管路５Ｐが形成されている。管路５Ｐは、両端が表面４１Ｓに開口している。つまり、管路５Ｐは、断面視でＵ字状をなしている。管路５Ｐの長さＬｐ（つまり、一端ｔ１から他端ｔ２までの長さ）は、低減対象となる音の波長λの２倍に設定されている（Ｌｐ＝（１／４）×λ）。

上記構成によれば、管路５Ｐの一端ｔ１から音波を導入することによって、当該管路５Ｐ内で音波の位相が変わった状態で、他端ｔ２から放射される。この他端ｔ２から放射される音波が、当該他端ｔ２に入射する音波と干渉することで、これを減衰させることができる。

特に、上記構成によれば、管路５Ｐの長さは、低減対象の音の波長の２倍とされている。これにより、一端ｔ１から管路５Ｐに入射する音（たとえば位相が＋の音：図４中の実線矢印）は、他端ｔ２から−の位相の音として放射されることになる。これにより、他端ｔ２に入ってくる＋の位相の音（図４中の破線矢印）を打ち消すことができる。その結果、圧縮機１００の騒音をより一層低減することができる。

（その他の実施形態）

以上、本開示の各実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、１つのベーン本体４１に、上記の各実施形態で説明した異なる複数種類の微小音響構造５（凹部５Ｒ、及び管路５Ｐ）を組み合わせて適用することも可能である。

＜付記＞

各実施形態に記載の圧縮機は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る圧縮機１００は、軸線Ａｃ回りに回転する回転軸１と、該回転軸１とともに回転することで、軸線Ａｃ方向一方側から径方向外側に向かって流体を圧送するインペラ２と、前記回転軸１及びインペラ２を囲うとともに、前記インペラ２から圧送される流体を径方向外側に導くディフューザ流路Ｆ１が形成されたケーシング３と、前記ディフューザ流路Ｆ１に、前記軸線Ａｃの周方向に間隔をあけて複数設けられたディフューザベーン４と、を備え、前記ディフューザベーン４は、径方向外側に向かうに従って前記回転軸１の回転方向に向かって延びるベーン本体４１と、該ベーン本体４１の表面４１Ｓに形成された微小音響構造５と、を有する。

上記構成によれば、ベーン本体４１の表面４１Ｓに微小音響構造５が形成されている。これにより、ベーン本体４１の表面４１Ｓを流体が通過する際に、騒音を吸収・減衰させることができる。

（２）第２の態様に係る圧縮機１００では、前記微小音響構造５は、前記ベーン本体４１の表面４１Ｓから凹む複数の凹部５Ｒから構成されている。

上記構成によれば、微小音響構造５としての凹部５Ｒに音波が捕捉され、当該凹部５Ｒ内で減衰する。これにより、騒音が外部に漏れることを低減することができる。

（３）第３の態様に係る圧縮機１００では、前記凹部５Ｒは、前記表面４１Ｓからの深さが、目標とする音の波長の４分の１の長さである。

上記構成によれば、凹部５Ｒの表面４１Ｓからの深さを、低減対象となる周波数の音の波長λの４分の１とすることで、凹部５Ｒの入口でＺｉ＝ρｃの無反射境界条件が実現される。これにより、凹部５Ｒに捕捉された当該低減対象の周波数の音波を、外部に反射させずに凹部５Ｒ内で減衰させることができる。

（４）第４の態様に係る圧縮機１００では、前記凹部５Ｒの前記表面４１Ｓ側の部分は、他の部分に比べて断面積が大きい。

上記構成によれば、凹部５Ｒの表面４１Ｓ側の部分は、他の部分に比べて断面積が大きい。言い換えれば、凹部５Ｒの入口の断面積は、底部の断面積に比べて大きくなっている。これにより、ベーン本体４１の表面４１Ｓのより広い領域で音波を捕捉することができる。

（５）第５の態様に係る圧縮機１００では、前記微小音響構造５は、前記ベーン本体４１の表面４１Ｓにそれぞれ両端が開口する複数の管路５Ｐから構成されている。

上記構成によれば、管路５Ｐの一端から音波を導入することによって、当該管路５Ｐ内で音波の位相が変わった状態で、他端から放射される。この他端から放射される音波が、当該他端に入射する音波と干渉することで、これを減衰させることができる。

（６）第６の態様に係る圧縮機１００では、前記管路５Ｐは、一端から他端までの長さが、目標とする音の波長の２倍の長さである。

上記構成によれば、管路５Ｐの長さは、低減対象の音の波長の２倍とされている。これにより、一端から管路に入射する音（位相が＋）は、他端から−の位相の音として放射されることになる。これにより、他端に入ってくる＋の位相の音を打ち消すことができる。

１００ 圧縮機
１ 回転軸
２ インペラ
３ ケーシング
４ ディフューザベーン
５ 微小音響構造
５Ｒ 凹部
５Ｐ 管路
２１ ディスク
２１Ａ 主面
２２ ブレード
４１ ベーン本体
４１Ｓ 表面
Ａｃ 軸線
Ｆ 出口流路
Ｆ１ ディフューザ流路
Ｆ２ 出口スクロール
Ｐ 圧縮流路
ｔ１ 一端
ｔ２ 他端

Claims (6)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸とともに回転することで、軸線方向一方側から径方向外側に向かって流体を圧送するインペラと、
   前記回転軸及びインペラを囲うとともに、前記インペラから圧送される流体を径方向外側に導くディフューザ流路が形成されたケーシングと、
   前記ディフューザ流路に、前記軸線の周方向に間隔をあけて複数設けられたディフューザベーンと、
   を備え、
   前記ディフューザベーンは、
   径方向外側に向かうに従って前記回転軸の回転方向に向かって延びるベーン本体と、
   該ベーン本体の表面に形成された微小音響構造と、
   を有する圧縮機。
2. 前記微小音響構造は、
   前記ベーン本体の表面から凹む複数の凹部から構成されている請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記凹部は、前記表面からの深さが、目標とする音の波長の４分の１の長さである請求項２に記載の圧縮機。
4. 前記凹部の前記表面側の部分は、他の部分に比べて断面積が大きい請求項２又は３に記載の圧縮機。
5. 前記微小音響構造は、
   前記ベーン本体の表面にそれぞれ両端が開口する複数の管路から構成されている請求項１に記載の圧縮機。
6. 前記管路は、一端から他端までの長さが、目標とする音の波長の２倍の長さである請求項５に記載の圧縮機。

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