JP5233436B2

JP5233436B2 - 羽根無しディフューザを備えた遠心圧縮機および羽根無しディフューザ

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Publication number: JP5233436B2
Application number: JP2008162882A
Authority: JP
Inventors: 征将田中; 秀夫西田; 博美小林; 哲也桑野; 俊雄伊藤
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: US8313290B2; US20090317248A1; EP2138724B1; EP2138724A3; EP2138724A2; JP2010001851A

Description

本発明は遠心圧縮機およびそれに使用されるディフューザに係り、特に比較的小流量のガスを取り扱う遠心圧縮機、遠心ブロワ、およびそれに使用されるディフューザに関する。

高圧のガスを扱う高圧遠心圧縮機では、騒音、羽根車の損傷、および、軸系の振動など、圧縮機の安定運転を妨げる現象が通常の遠心圧縮機と比較して発生しやすい。それらの現象の一つに旋回失速が挙げられる。

旋回失速は、主に低比速度羽根車段において発生する。その発生メカニズムは、ディフューザ内で生じる流れの逆流に起因すると考えられている。ディフューザ内の流れは、減速流れであり、逆圧力勾配により流れの壁面からのはく離が発生しやすい。この現象は、ディフューザの流路高さの羽根車出口半径に対する比が大きくなるに従い、より下流側で発生しやすくなる。この流れのはく離が次第に大きくなり、旋回失速へと発達すると考えられている。

旋回失速の発生が懸念される遠心圧縮機においては、国際公開番号ＷＯ９７／３３０９２に記載されたような羽根付きディフューザを使った技術がある。この技術は、羽根車の下流側に、流路高さが一定の小弦節比の羽根付ディフューザを備え、その下流側に、流れ方向に流路高さが減少する羽根無しディフューザを備えている。この構造によって、旋回失速を防止しつつ、圧縮機効率の向上が図られている。

国際公開第９７／３３０９２号

しかしながら、特許文献１に記載されたような羽根付きディフューザを使った技術は、高圧の遠心圧縮機で使用されることが考慮されていない。

即ち、高圧遠心圧縮機においては、くさび形の形状を有する厚翼を用いた低比速度（比速度２００程度以下）羽根車が採用される場合がある。これは、低比速度領域において、厚翼の羽根車の方が通常の薄翼の羽根車よりも性能に優れるためである。しかし、厚翼の羽根車は、同じ流量の薄翼の羽根車と比較して羽根高さが大きくなるので、羽根車出口における速度の半径方向成分が小さく、また、出口羽根角度が小さいため流れ角度が小さくなる。また、厚翼の羽根後縁からの後流により、羽根車出口の周方向速度分布に局所的に流れ角が小さい流れが発生する。このため、同じ流量の薄翼の羽根車段と比較して、ディフューザ部における流れの逆流が発生しやすい。このように従来の高圧の遠心圧縮機では旋回失速の防止については考慮されていない。

本発明の目的は、吸込流路、羽根車、羽根無しディフューザ、および戻り流路により構成される遠心圧縮機において、低比速度羽根車段において顕著に発生する旋回失速を防止し、高性能かつ信頼性の高い高圧遠心圧縮機を提供することである。

本発明による遠心圧縮機は、回転軸、この回転軸に取付けられた羽根車、この羽根車の下流側に配置された羽根無しディフューザ、吸込流路、および戻り流路により構成される遠心圧縮機において、前記羽根無しディフューザは、前記羽根車の下流側に配置され流路高さが一定の第１の羽根無しディフューザと、前記第１の羽根無しディフューザの下流側に配置され入口から出口まで流路高さが流れ方向に減少する第２の羽根無しディフューザからなることを特徴とする。

また、前記第２の羽根無しディフューザは、その入口流路高さb_mと羽根車出口半径r_impの比である流路高さ比b_m/r_impが小さいほど、前記第2の羽根無しディフューザの入口半径r_mと羽根車出口半径r_impの比である入口半径比r_m/r_impが小さく構成されたことを特徴とする。

また、前記第２の羽根無しディフューザの出口流路高さb_oを、前記第２の羽根無しディフューザの入口流路高さb_mの0．4〜0．6倍にしたことを特徴とする。また、前記第２の羽根無しディフューザの前記入口半径比r_m/r_impを、前記第２の羽根無しディフューザの前記流路高さ比b_m/r_impの関数（r_m/r_imp≦1.03＋3.0・b_m/r_imp）として与えたことを特徴とする。

また、前記第２の羽根無しディフューザの前記流路高さ比b_m/r_impが0.1以下であることを特徴とする。また、前記第１と第２の羽根無しディフューザの縦断面断面形状が直線からなることを特徴とする。また、前記第１と第２の羽根無しディフューザの縦断面断面形状に曲線を含むことを特徴とする。また、吸込流路、羽根車、羽根無しディフューザ、および戻り流路により構成される前記遠心圧縮機において、くさび形の形状を有する厚翼を用いた羽根車を備えたことを特徴とする。

また、本発明による羽根無しディフューザは、流路高さが一定の第1の羽根無しディフューザと、この第1の羽根無しディフューザの下流側に配置された入口から出口まで流路高さが流れ方向に減少する第2の羽根無しディフューザで構成されたことを特徴とする。

本発明の高圧遠心圧縮機によれば、羽根無しディフューザによって旋回失速の発生を防止できる。また、ディフューザの流路高さを、ディフューザ入口から下流方向に徐々に小さくした羽根無しディフューザと比較して、効率を高くすることができる。さらに、厚翼を用いた羽根車と組み合わせることによって、旋回失速の発生を防止しつつ、効率を高めることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

［実施例１］
図１は、本発明の第１の実施例を示すもので、一軸多段遠心圧縮機の縦断面形状を示した図である。複数の羽根車１A〜１E、ディフューザ2A〜2E、リターンベンド（戻り流路）3A〜3D、および案内羽根4A〜4Dにより構成された圧縮機段を軸方向に並べて、一軸多段遠心圧縮機100が形成されている。回転軸7には複数の羽根車1A〜1Eが軸方向に積み重ねて取付けられており、回転軸7の両端部は軸受9で回転可能に支持されている。

各羽根車1A〜1Eの下流側である半径方向外側にはディフューザ2A〜2Eが設けられている。最終段を除く各段のディフューザ2A〜2Dは、次段へ作動流体を導くリターンベンド3A〜3Dに接続されており、リターンベンド3A〜3Dの下流側には半径方向内向きに作動流体を導く案内羽根4A〜4Dが形成されている。最終段のディフューザ2Eの下流側には、最終段の羽根車から吐出される作動流体を集めて図示しない吐出配管から吐出するためのスクロール5が形成されている。

ディフューザ2A〜2E、リターンベンド3A〜3D、案内羽根4A〜4D、およびスクロール5は静止部材であり、圧縮機ケーシング6に形成されている。吸込口8から吸い込まれた作動流体は、1段目の羽根車1Aとディフューザ2Aで昇圧された後、リターンベンド3Aと案内羽根4Aにより流れ方向を半径方向外側から半径方向内側に変えられ、2段目の羽根車へ導かれる。以下、このような流れを各段で繰り返すことにより順次昇圧されて、最終段のディフューザを経た後、吐出スクロール5を通り吐出配管へ導かれる。

図2は、図1に示す一軸多段遠心圧縮機の、1つのディフューザの拡大断面形状を示している。このディフューザは、羽根車1の下流に構成された流路高さが一定の第1の羽根無しディフューザ21と、この第1の羽根無しディフューザ２１の下流に、流路高さが流れ方向に減少する第2の羽根無しディフューザ22によって構成されている。第2の羽根無しディフューザ22の下流には、作動流体を次段へと導くためのリターンベンド3が構成されている。

第1の羽根無しディフューザ21の入口流路高さb_iと出口流路高さb_mは同じである。第1の羽根無しディフューザ21の出口は第2の羽根無しディフューザ22の入口でもある。第2の羽根無しディフューザ22の出口流路高さb_oは、入口流路高さb_mよりも小さくなっており、第2の羽根無しディフューザ22の流路高さは、下流側ほど小さくなっている。このようなディフューザを用いることにより、特に低比速度段において顕著な旋回失速の発生を防止できる。これは、以下のような理由による。

図3は、図4に示す平行壁羽根無しディフューザにおける、流れの臨界流入角α_crtの特性を示している。流入角αは、ディフューザ入口（羽根車出口）における流れ方向が接線方向となす角度αと定義される。横軸はディフューザの流路高さbと羽根車の出口半径r_impとの比b/r_impを示しており、縦軸は旋回失速の発生限界のディフューザ臨界流入角α_crtを示している。この特性図は、ディフューザの流路高さ比b/r_impが大きいほど、ディフューザ臨界流入角α_crtが大きくなることを示しており、ある流路高さ比b/r_impのディフューザで、その流入角αが図中に示す臨界流入角α_crtよりも小さくなると、旋回失速が発生することを示している。

以上より、旋回失速を防止するためには、ディフューザへの流入角を大きくすればよいことがわかる。このためには、ディフューザの入口流路高さを小さくし、流れの縦断面速度を大きくするとよい。しかし、高圧の遠心圧縮機において、羽根車出口のすぐ下流側でディフューザ入口の流路高さを小さくすることは、ディフューザ部における摩擦損失を増加させ、圧縮機の効率を低下させる可能性がある。

本実施例では、羽根車の下流側に流路高さが一定の第1の羽根無しディフューザを備え、この第1の羽根無しディフューザの下流側に、入口から出口まで流路高さが流れ方向に徐々に減少する第2の羽根無しディフューザを備える。羽根車のすぐ下流側のディフューザ前半部を、流路高さが一定の第1の羽根無しディフューザで構成することにより、摩擦損失を増加させることがない。また、ディフューザ後半部を、入口から出口まで流路高さが流れ方向に徐々に減少する第2の羽根無しディフューザで構成することにより、流れ角を大きくすることができるので、壁面境界層の発達が抑えられて流れが安定して流れの逆流を防ぎ、旋回失速の発生を防止することができる。

［実施例2］
図５は、第2の実施例を示しており、一軸多段遠心圧縮機の縦断面形状を示した図である。この遠心圧縮機のディフューザは、流路高さが一定の第1の羽根無しディフューザ21A〜21Eと、この第1の羽根無しディフューザの下流に、流路高さが流れ方向に減少する第2の羽根無しディフューザ22A〜22Eによって構成されている。

この遠心圧縮機において、羽根車の出口高さは下流段ほど小さくなっている。これは、下流段ほど体積流量が小さくなるためである。よって、各段における入口から出口まで流路高さが流れ方向に徐々に減少する前記第2の羽根無しディフューザ22A〜22Eの入口流路高さb_mA〜b_mEは、下流段ほど小さくなっている。そして、この第2の羽根無しディフューザの入口の半径方向位置r_mA〜r_mEは、下流段ほど小さくなっている。つまり、第2の羽根無しディフューザの入口流路高さb_mと羽根車出口半径r_impの比である流路高さ比b_m/r_impが小さいほど、第2の羽根無しディフューザの入口半径r_mと羽根車出口半径r_impの比である入口半径比r_m/r_impが小さくなっている。

図６の関係図より、流路高さ比b/r_impが小さくなるに従い、旋回失速が発生する半径方向位置r/r_impが小さくなることがわかる。従って、流路高さ比b/r_impが小さいほど、入口半径比r/r_impが小さくなるように、例えば、流路高さ比b/r_impが小さいほど、流路高さが流れ方向に減少する第2の羽根無しディフューザの入口の半径方向位置r_mを小さくして流れ角を大きくし、流れが逆流しないようにすると、旋回失速の発生を防止できる。

また、図６は、図4に示す平行壁羽根無しディフューザにおける逆流発生限界をも示している。横軸はディフューザの流路高さ比b/r_impを示しており、縦軸はディフューザ内部で逆流が発生する半径方向位置rと羽根車出口半径r_impとの比r/r_impを示している。この図は、ディフューザの流路高さ比b/r_impが小さくなるほど、逆流が発生する最低の半径方向位置rが小さくなるを示している。羽根無しディフューザにおける旋回失速は、この逆流が発達することによって発生すると考えられている。

［実施例3］
第3の実施例は、平行壁羽根無しディフューザにおける流れ角の測定結果より理論的にディフューザの絞り比を算出し、実験による測定に基き、図2における第2の羽根無しディフューザの出口流路高さb_oを、前記第2の羽根無しディフューザの入口流路高さb_mの0.4〜0.6倍にすることである。これは、b_o/b_mの値が大きすぎると、流路高さを小さくする効果が小さくなり、また、b_o/b_mの値が小さすぎると、流速が大きくなりすぎて摩擦損失が大きくなるためである。

［実施例4］
第4の実施例は、図5において、第2の羽根無しディフューザの入口半径比r_m/r_impを、下記に示す（１）式によって、第2の羽根無しディフューザの流路高さ比b_m/r_impの関数として与えることである。
r_m/r_imp≦1.03＋3.0・b_m/r_imp （１）
この式(1)は、図6に示す旋回失速が発生する流路高さ比b/r_impと、流れの逆流が発生する位置の半径比r/r_impとの関係を、直線近似した式となっている。つまり、流路高さb_mが決定されると、流れの逆流が発生する位置がわかる。この式によって予測される逆流発生の半径位置よりも、第2の羽根無しディフューザの入口半径位置を小さくすると、流れの逆流が発生する位置よりも上流側で流れ角を大きくできるので、旋回失速の発生を防止できる。また、第2の羽根無しディフューザの入口半径比r_m/r_impが、(1)式によって決定される値よりも小さければ、流れの逆流が発生する位置よりも上流側で流れ角を大きくできるので、旋回失速を防止することができる。

［実施例6］
第6の実施例は、図6における第2の羽根無しディフューザの流路高さ比b_m/r_impが、0.1以下であることを特徴とする。これは、流路高さ比b_m/r_impが、0.1以上である低比速度羽根車段において、旋回失速の発生が顕著であるためである。

［実施例7］［実施例8］［実施例9］
第7の実施例から第9の実施例を図7〜図9に示す。これらの実施例においては、流路高さが流れ方向に減少する第2の羽根無しディフューザの縦断面形状が、直線によって構成されている。図7に示す第7の実施例では、第2の羽根無しディフューザ22のハブ側（図の右側）の壁面形状は、第1の羽根無しディフューザ21の延長線によって構成されている。そして、シュラウド側（図の左側）の壁面形状は、ハブ側に傾くようにして構成されている。

図8に示す第8の実施例では、図7の第7の実施例とは逆に、ハブ側（図の右側）の壁面形状がシュラウド側（図の左側）に傾くようにして構成されている。図9に示す第9の実施例では、第2の羽根無しディフューザのハブ側とシュラウド側の壁面形状が、お互いに傾くようにして構成されている。

［実施例10］［実施例11］［実施例12］［実施例13］［実施例14］［実施例15］
第10から第15の実施例を図10〜15に示す。これらの実施例においては、流路高さが流れ方向に減少する第2の羽根無しディフューザの縦断面形状に、曲線を含んでいる。図10に示す第10の実施例では、第2の羽根無しディフューザのハブ側（図の右側）の壁面形状は、第1の羽根無しディフューザの延長線によって構成されている。そして、シュラウド側の壁面形状は、ハブ側に傾くようにして構成されているが、その形状は曲線を含んでおり、第2の羽根無しディフューザの出口が、下流側のリターンベンド入口となめらかに接続するように構成されている。

図11に示す第11の実施例では、第2の羽根無しディフューザの入口が、第1の羽根無しディフューザの出口となめらかに接続するように構成されている。図12と13に示す第12と第13の実施例では、図10と11に示すの第10と第11の実施例とは逆に、ハブ側の壁面形状がシュラウド側に傾くようにして構成されている。図14と図15に示す第14と第15の実施例では、第2の羽根無しディフューザのハブ側とシュラウド側の壁面形状が、お互いに傾くようにして構成されている。

［実施例16］
第16の実施例は、図1に示す一軸多段遠心圧縮機において、各段における羽根車１（１A〜１E）は図16に示すくさび形の形状を有する厚翼を用いた羽根車であり、この羽根車の下流側に、流路高さが一定の第1の羽根無しディフューザと、この第1の羽根無しディフューザの下流に、流路高さが流れ方向に減少する第2の羽根無しディフューザを備える。くさび形の形状を有する厚翼を用いた羽根車は、低比速度領域においては、通常の薄翼を用いた羽根車と比較して性能に優れている。厚翼の羽根車は、同じ流量の薄翼の羽根車と比較して、出口流路高さが大きいため、比較的流れ角が大きい場合でも流れの逆流が発生しやすいので、羽根無しディフューザによる旋回失速防止の効果が大きい。

本発明の第1の実施例に係る多段遠心圧縮機の縦断面図である。第1図に示した多段遠心圧縮機のディフューザ部分の拡大断面図である。平行壁羽根無しディフューザにおける流れの臨界流入角の特性図である。平行壁羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第2の実施例に係る多段遠心圧縮機の縦断面図である。旋回失速が発生する流路高さ比と、流れの逆流が発生する位置の半径比との関係図である。本発明の第7の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第8の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第9の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第10の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第11の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第12の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第13の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第14の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第15の実施例に係る羽根無しディフューザの断面図である。本発明の第16の実施例に係るくさび形厚翼を用いた羽根車の正面図である。

符号の説明

1…羽根車、2…ディフューザ、21…第1の羽根無しディフューザ、22…第2の羽根無しディフューザ、3…リターンベンド、4…案内羽根、5…スクロール、6…圧縮機ケーシング、7…回転軸、8…吸込口、9…軸受、100…一軸多段遠心圧縮機、b…流路高さ、b_i…第1の羽根無しディフューザ入口における流路高さ、b_m…第2の羽根無しディフューザ入口（第1の羽根無しディフューザ出口）における流路高さ、b_o…第2の羽根無しディフューザ出口における流路高さ、r…半径、r_imp…羽根車出口半径、r_i…第1の羽根無しディフューザ入口半径、r_m…第2の羽根無しディフューザ入口（第1の羽根無しディフューザ出口）半径、r_o…第2の羽根無しディフューザ出口半径、α…流れ角、α_crt…臨界流れ角。

Claims

回転軸、この回転軸に取付けられた羽根車、この羽根車の下流側に配置された羽根無しディフューザ、吸込流路、および戻り流路により構成される遠心圧縮機において、
前記羽根無しディフューザは、前記羽根車の下流側に配置され流路高さが一定の第１の羽根無しディフューザと、前記第１の羽根無しディフューザの下流側に配置され入口から出口まで流路高さが流れ方向に減少する第２の羽根無しディフューザからなり、前記第２の羽根無しディフューザは、その入口流路高さb _m と羽根車出口半径r _imp の比である流路高さ比b _m /r _imp が小さいほど、前記第2の羽根無しディフューザの入口半径r _m と羽根車出口半径r _imp の比である入口半径比r _m /r _imp が小さく構成されたことを特徴とする遠心圧縮機。
前記第２の羽根無しディフューザの出口流路高さb _o を、前記第２の羽根無しディフューザの入口流路高さb _m の0．4〜0．6倍にしたことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記第２の羽根無しディフューザの前記入口半径比r _m /r _imp を、前記第２の羽根無しディフューザの前記流路高さ比b _m /r _imp の関数（r _m /r _imp ≦1.03＋3.0・b _m /r _imp ）として与えたことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記第２の羽根無しディフューザの前記流路高さ比b _m /r _imp が0.1以下であることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。
前記第１と第２の羽根無しディフューザの縦断面形状が直線からなることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の遠心圧縮機。
前記第１と第２の羽根無しディフューザの縦断面形状に曲線を含むことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の遠心圧縮機。
吸込流路、羽根車、羽根無しディフューザ、および戻り流路により構成される遠心圧縮機において、くさび形の形状を有する厚翼を用いた羽根車を備えたことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の遠心圧縮機。
請求項１〜７の何れかに記載の羽根無しディフューザを備えた遠心圧縮機を備えたことを特徴とする多段遠心圧縮機。
回転軸、この回転軸に取付けられた羽根車、この羽根車の下流側に配置されたディフューザ、吸込流路、および戻り流路により構成される遠心圧縮機に用いられる羽根無しディフューザであって、
前記羽根車の下流側に配置され流路高さが一定の第１の羽根無しディフューザと、前記第１の羽根無しディフューザの下流側に配置され入口から出口まで流路高さが流れ方向に減少する第２の羽根無しディフューザからなり、前記第２の羽根無しディフューザは、その入口流路高さb _m と羽根車出口半径r _imp の比である流路高さ比b _m /r _imp が小さいほど、前記第２の羽根無しディフューザの入口半径r _m と羽根車出口半径r _imp の比である入口半径比r _m /r _imp が小さく構成されたことを特徴とする羽根無しディフューザ。