JP3758050B2 - ディフューザつき遠心圧縮機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディフューザを備えた遠心圧縮機の改良に関し、ディフューザのスロート部等の壁面境界層剥離部と圧縮機吸込み側のインペラの低圧力部等とをバイパス流路で連通して流量特性の改善を図るようにしたものである。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンやターボチャージャなどに用いられる遠心圧縮機では、効率向上を図るためディフューザが用いられており、たとえば図6(a)に示すように、コンプレッサハウジング1内にインペラ2が回転可能に支持され、コンプレッサハウジング1の空気入口から吸引した空気にインペラ2で遠心力を与え、その運動エネルギをディフューザ3および図示しないスクロール部で圧力エネルギに変換して送り出すようになっている。
【0003】
このように運動エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザ3には、図6(b)に示すように、羽根4のあるものと羽根のないものがあり、羽根なしディフューザでは、比較的広い流量範囲での使用が可能であるが、その効率や圧縮比向上は羽根付きディフューザ(ベーンドディフューザ)に比べて小さい。
【0004】
そこで、羽根つきディフューザのベーンを可変構造とした可変ディフューザを用いてスロート面積を変化させて流量特性を改善することが行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、可変ディフューザを用いると、ベーンと固定側のハウジングとの間にベーンを動かすための隙間が必要であり、この隙間部分の二次流れによって損失が生じたり、迎え角の変化による流れの剥離(壁面境界層の剥離)などが発生し、設計点以外での効率低下を招くなどの問題がある。
【0006】
また、羽根なしディフューザにおいても流れの局所的な境界層の剥離が生じる問題がある。
【0007】
この発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたもので、羽根つきディフューザのベーンの形状や取付構造などを変えずに流量特性を改善することができるとともに、羽根なしディフューザの流量特性を改善することもできるディフューザつき遠心圧縮機を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためこの発明の請求項1記載のディフューザつき遠心圧縮機は、羽根つきディフューザを備えた遠心圧縮機の壁面境界層剥離部であるディフューザのスロート部にバイパス孔を形成し、このバイパス孔と圧縮機吸込み側の低圧力部とを連通するバイパス流路を設け、前記ディフューザのスロート部のバイパス孔の総断面積を表す数値をスロート部の総入り口幅を表す数値の20%以下としたことを特徴とするものである。
【0009】
この発明によれば、バイパス孔とバイパス流路によって圧縮機吸込み側のバイパスさせるとともに、バイパス孔の総断面積を表す数値をスロート部の総入り口幅を表す数値の20%以下に制限するようにしており、境界層の剥離を防止して性能改善を図り、サージングを防止するなどの流量特性を向上するとともに、バイパス孔やバイパス流路による性能低下を1%以内に抑え、性能を確保しつつ流量特性を改善するようにしている。
【0012】
また、この発明の請求項2記載のディフューザつき遠心圧縮機は、請求項1記載の構成に加え、前記圧縮機の吸込み側の低圧力部をインペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路としたことを特徴とするものである。
【0013】
この発明によれば、インペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路の吸込み負圧を利用して効果的にバイパスさせることができ、確実にサージングを防止するなどの流量特性を向上するようにしている。
【0014】
さらに、この発明の請求項3記載のディフューザつき遠心圧縮機は、請求項1または2記載の構成に加え、前記バイパス孔を複数の小径孔と、これら複数の小径孔の背部を連通する集合部とで構成したことを特徴とするものである。
【0015】
この発明によれば、バイパス孔を複数の孔とし、背部を集合部で連通するようにしており、バイパス孔による流れの乱れを極力防止して性能低下を防止するようにしている。
【0018】
さらに、この発明の請求項4記載のディフューザつき遠心圧縮機は、請求項1〜3のいずれかに記載の構成に加え、前記バイパス流路にバイパス流量を制御する流量制御手段を設けたことを特徴とするものである。
【0019】
この発明によれば、流量制御手段によってバイパス流量を変えることができるようになり、必要な吐出流量に応じた運転や運転回転数などに対応して効率的に運転できるようになる。
【0020】
また、この発明の請求項5記載のディフューザつき遠心圧縮機は、請求項1〜4のいずれかに記載の構成に加え、前記バイパス孔と前記圧縮機の吸込み側の低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比を変えて流量を制御するようにしたことを特徴とするものである。
【0021】
この発明によれば、開口比を適切に選ぶことで、バイパス流量を設定できるようになり、必要な流量特性を得ることができるようになる。
【0022】
ここで、遠心圧縮機の壁面境界層剥離部とは、遠心圧縮機の吸込み側で流れの剥離が生ずる部分をいい、例えばディフューザのスロート部をあげることができる。
【0023】
さらに、ディフューザのスロート部とは、隣接するベーンとの距離が最も小さい部分をいう。
【0024】
また、圧縮機吸込み側の低圧力部とは、圧縮機の流体の吸引側で吸込み負圧が生じて低圧力となっている部分をいい、例えばインペラの外周が対向する部分やインペラへの吸込み流路の上流側をあげることができる。
【0025】
さらに、ディフューザのスロート部のバイパス孔の総断面積をスロート部の総入り口幅の20%以下とは、バイパス孔の総断面積とスロート部の総入り口幅の比で無次元の値ではないが、そのままの数値で表わして20%以下にすることをいい、これ以上に大きくすると、本来の効率低下を招くことから限界値として定められる。
【0026】
また、流量制御手段とは、流量を調整制御できるものをいい、バルブ等を用いることができる。
【0027】
さらに、バイパス孔と前記インペラの低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比とは、バイパス孔の大きさとバイパス流路のインペラ側の取付部の面積の比をいい、これにより流量を制御することができるようにする。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図1はこの発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかり、(a)は主要部の断面図、(b)は羽根つきディフューザ部分を抽出した正面図である。
【0029】
このディフューザつき遠心圧縮機10では、コンプレッサハウジング11に回転可能に支持されたコンプレッサのインペラ12の出側のコンプレッサハウジング11に配置されるディフューザ13が羽根つきの可変ディフューザで構成されており、図示しない可変機構を備えて羽根(ベーン)13aを動かすことができるようになっている。
【0030】
この羽根つきの可変ディフューザ13のスロート部14、すなわち、隣接する羽根13aとの間の距離が最も小さい部分に遠心圧縮機の流体の主流の方向と垂直にバイパス孔15が形成してあり、主流の一部をバイパス孔15から分岐して流すことができるようになっている。そして、このバイパス孔15に一端部を連通させてバイパス流路16が接続され、他端部が圧縮機吸込み側の低圧力部であるインペラ12のコンプレッサハウジング11と対向する入り口部17に接続してある。
【0031】
したがって、インペラ12でエネルギが加えられた流体(例えば、空気など)の一部が可変ディフューザ13のスロート部14で抽気されてインペラ12の入り口部17に戻されて再循環されることになり、インペラ12を流れる流量に対してディフューザ13を経て吐出される流体流量はバイパス孔15からバイパス流路16を流れる抽気流量の分だけ少なくなる。これにより、インペラ12を流れる流量を確保しつつコンプレッサから吐出させる流量を減少させることができるとともに、ディフューザ13のスロート部14は遠心圧縮機の流量限界を決定する大きな要因であり、この部分からの抽気することにより、ディフューザ13で生じるサージング及びチョークの流量限界を改善することができる。
【0032】
このような流量特性の改善のため形成されるバイパス孔15は、流量特性の改善効果が最も著しい部分に形成することが有効であり、例えば図1(b)に示すように、ディフューザ13のスロート部14の3箇所のバイパス孔15-1,15-2,15-3の3か所のうち実験結果などに基づきいずれか1箇所を選択して形成するようにすれば良い。
【0033】
次に、ディフューザつき遠心圧縮機で一層の流量特性を改善使用とする場合について、図2により説明する。
【0034】
このディフューザつき遠心圧縮機10では、流量特性の改善のため形成されるバイパス孔15は、インペラ12からの主流を乱すことがないように形成することが望ましく1箇所の大きな孔で構成する場合に比べて、図2に示すように、複数のバイパス孔15(図示例では、5個)で構成するようにすれば、主流の乱れを少なくして効率低下を最少限にすることができる。
【0035】
そして、バイパス孔15を複数個で構成する場合には、バイパス孔15の背部となるコンプレッサハウジング11に凹部を形成して各バイパス孔15を連通する集合部15aとし、この集合部15aにバイパス流路16の一端を接続するようにすれば良い。
【0036】
また、一端をバイパス孔15を連通する集合部15aに接続したバイパス流路16の他端は、図1で説明したように、圧縮機のインペラ12の外周部と対向するコンプレッサハウジング11部分に連通する場合に替え、図2に示すように、インペラ12への吸込み流路20の上流側に接続するようにしても良く、この場合にも吸込み流路20の吸入負圧によって有効にバイパスさせることができる。
【0037】
さらに、このようにバイパス孔15を複数で構成する場合のバイパス孔15の個数および総断面積によって、サージング限界流量などの流量特性が変化するとともに、遠心圧縮機全体の効率も変化する。
【0038】
そこで、バイパス孔15として、図2(b)に示したように、円周方向等間隔の4か所のスロート部14に1か所当たり5個ずつ合計20個の孔をあけ、その総断面積がスロート部14の幅Bに対して15%,30%となるように変えて形成した性能特性の実験を行った。その結果を示したのが、図3および図4であり、図3は横軸が質量流量で縦軸が圧力比であり、圧縮機の回転数Nを設計回転数の40%,50%,70%,80%と変化させたものであり、図4は横軸が抽気面積比で縦軸が抽気面積比を0とした場合(抽気を行わない場合)を100とした場合の効率比である。
【0039】
これら実験から明らかなように、図3から抽気面積を増大することで、圧縮機のサージング限界流量を小さくすることができることが分かるが、一方で図4から抽気面積比の増大によって圧縮機の効率比の低下を招いてしまうことが分かる。
【0040】
したがって、圧縮機の効率の低下を1%以内に抑えるためには、バイパス孔15の総断面積をスロート部14の幅Bに対して20%以下にすれば良く、こうすることによってサージング限界などの流量特性を改善しつつ効率低下を許容できる範囲内に抑えることができる。
【0041】
さらに、この発明では、図2および図4に示すように、バイパス孔15とインペラ12の吸込み流路20の上流またはインペラ12の外周の入り口部17とを連通するバイパス流路16に流量制御手段としてのバルブ18と制御装置19とを介装し、バイパス孔15から抽気する流量を制御装置19によるバルブ18の開度調整により制御する。
【0042】
これにより、バイパス孔15の大きさによって抽気面積が一定であっても、抽気流量を変えることができ、例えば遠心圧縮機の回転数を変化させて運転する場合に低速側でバルブ18を開いておき、高速側で閉じるようにすることで、ガスタービンの起動時にもサージングなどを起こすこと無く運転することが可能となる。
【0043】
また、ディフューザ13のスロート部14のバイパス孔15の総断面積を吸込み流路20、あるいはインペラ12の入り口部17のバイパス流路16の断面積の半分とするようにしてこれらの面積比で開口比を1/2とするようにして抽気を円滑に行うようにするとともに、バイパス孔15による主流への影響を少なくする。
【0044】
なお、この開口比を適正化することで、遠心圧縮機の回転数が変化する場合などにサージングが生じ無いように運転するのに必要な抽気流量を得ることもできる。
【0045】
以上のように、これら発明によれば、羽根つきの可変ディフューザ13のスロート部14は遠心圧縮機の流量限界を決定する大きな要因であり、この部分に形成したバイパス孔15から抽気してインペラ12の入り口部17などの低圧力部に戻すようにしており、ディフューザで生じるサージングやチョークの流量特性を改善することができる。
【0046】
また、インペラ12で昇圧されたディフューザ13からの抽気した流れによりインペラ12の入り口部17の流れを変えることができ、これにより流量特性が改善され、サージング限界の向上などが行われる。
【0047】
さらに、ディフューザのベーンの形状や取付構造などを何等変更せずに、バイパス孔15とバイパス流路16を形成するだけで良く、構造も簡単である。
【0048】
なお、上記の実施の形態では、ディフューザつき遠心圧縮機として羽根つき可変ディフューザを備えた遠心圧縮機の場合を例に説明したが、固定羽根つきディフューザの場合や羽根なしディフューザの場合にも同様に適用でき、流れの境界層の剥離を防止してサージング発生を制御し、安定作動域の拡大を図ることができる。
【0049】
また、バイパス孔の形成位置もディフューザのスロート部に限らず、局所的な流れの剥離が生ずる部分に形成してこの発明を剥離の制御に適用したり、羽根なしディフューザ等(絞り形状等)にも適用することができる。
【0050】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の請求項1記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、バイパス孔とバイパス流路によって圧縮機吸込み側をバイパスさせるとともに、バイパス孔の総断面積を表す数値をスロート部の総入り口幅を表す数値の20%以下に制限するようにしたので、境界層の剥離を防止して性能改善を図ることができ、サージングを防止するなどの流量特性を向上することができるとともに、バイパス孔やバイパス流路による性能低下を1%以内に抑え、性能を確保しつつ流量特性を改善することができる。
【0051】
さらに、ディフューザのベーンの形状や取付構造などを何等変更せずに、バイパス孔とバイパス流路を形成するだけで良く、構造も簡単である。
【0053】
さらに、この発明の請求項2記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、圧縮機の吸込み側の低圧力部をインペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路としたので、インペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路の吸込み負圧を利用して効果的にバイパスさせることができ、確実にサージングを防止するなどの流量特性を向上することができる。
【0054】
また、この発明の請求項3記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、バイパス孔を複数の孔とし、背部を集合部で連通するようにしたので、バイパス孔による流れの乱れを極力防止して性能低下を防止することができる。
【0056】
また、この発明の請求項4記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、バイパス流路にバイパス流量を制御する流量制御手段を設けたので、流量制御手段によってバイパス流量を変えることができ、必要な吐出流量に応じた運転や運転回転数などに対応して効率的に運転することができる。
【0057】
さらに、この発明の請求項5記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、ディフューザのスロート部のバイパス孔と前記インペラの低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比を変えて流量を制御するようにしたので、開口比を適切に選ぶことで、バイパス流量を設定できるようになり、必要な流量特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかり、(a)は主要部の断面図、(b)は羽根つきディフューザ部分を抽出した正面図である。
【図2】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の他の一実施の形態にかかり、(a)は主要部の断面図、(b)は羽根つきディフューザ部分を抽出した正面図である。
【図3】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかる質量流量と圧力比の関係を、圧縮機の回転数Nを変化させて示すグラフである。
【図4】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかる抽気面積比と効率比の関係を示すグラフである。
【図5】この発明のディフューザつき遠心圧縮機のさらに他の実施の形態にかかる主要部の断面図である。
【図6】従来の羽根付きディフューザを備えた遠心圧縮機の取付構造の部分断面図および部分正面図である。
【符号の説明】
10 ディフューザつき遠心圧縮機
11 コンプレッサハウジング
12 インペラ
13 羽根つき可変ディフューザ
13a ベーン(羽根)
14 スロート部
15 バイパス孔
15a 集合部
16 バイパス流路
17 入り口部
18 バルブ
19 制御装置
20 吸込み流路
B スロート部の幅
Claims (5)
- 羽根つきディフューザを備えた遠心圧縮機の壁面境界層剥離部であるディフューザのスロート部にバイパス孔を形成し、このバイパス孔と圧縮機吸込み側の低圧力部とを連通するバイパス流路を設け、前記ディフューザのスロート部のバイパス孔の総断面積を表す数値をスロート部の総入り口幅を表す数値の20%以下としたことを特徴とするディフューザつき遠心圧縮機。
- 前記圧縮機の吸込み側の低圧力部をインペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路としたことを特徴とする請求項1記載のディフューザつき遠心圧縮機。
- 前記バイパス孔を複数の小径孔と、これら複数の小径孔の背部を連通する集合部とで構成したことを特徴とする請求項1または2記載のディフューザつき遠心圧縮機。
- 前記バイパス流路にバイパス流量を制御する流量制御手段を設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のディフューザつき遠心圧縮機。
- 前記バイパス孔と前記圧縮機の吸込み側の低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比を変えて流量を制御するようにしたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の遠心圧縮機。
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