JP6277793B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機、ガスタービン、産業用空気設備等に用いられ、遠心力を利用してガスの流体を圧縮する遠心圧縮機に関するものである。

１軸多段遠心圧縮機に用いられるインペラとして、ブレードとハウジング側に形成されるシュラウドとが非接触であるオープンインペラと、ブレードと一体にクラウンプレートが設けられ、ブレードとクラウンプレートとの間に閉鎖された流路が形成されるクローズドインペラとがある。作動流体として、空気以外の流体が用いられる際には、安全性の観点から主にクローズドインペラが適用される場合が多く見られる。

又、１軸多段遠心圧縮機の空力設計では、構造や強度の問題から、インペラの軸長が短く、且つ吸込み部の半径位置が高いという制約を課されることが多い。従って、インペラの軸長を可能な限り短くする為、子午面の曲率が大きい形状を選択せざるを得ず、遠心圧縮機の作動流域が狭くなるという問題があった。

従来、インペラの下流側にある可動部の存在しない静止流路部又はインペラ出口から圧縮された作動流体の一部を抽出して、インペラ入口へと戻す循環流路を形成し、静止流路部の入口に作動流体を供給することで、遠心圧縮機の作動域を拡大させている。

尚、特許文献１には、ホイールの背面から外周面の中央部又は先端面にかけて貫通穴が形成され、圧縮されたガスの一部をインペラの出口側からホイールの背面側を経由して貫通穴内に流入させ、貫通穴の先端側開口部から流出させる遠心圧縮機が開示されている。

特開２０１３−２２８０号公報

然し乍ら、従来技術では静止流路部とインペラ入口とでは圧力差が大きい為、圧力損失が大きくなる、或は循環する作動流体の流量が多くなる。その結果、実質的な作動流体量が少なくなり、最適な循環流量を供給することができずに効率が低下するという問題がある。

本発明は斯かる実情に鑑み、インペラに供給される作動流体の流量を増大させ、作動域の拡大を図る遠心圧縮機を提供するものである。

本発明は、回転軸に固着されたハブと、ハブに設けられた複数枚のブレードと、ブレードに設けられハブと全周に亘って対向するクラウンプレートとを有するインペラと、インペラを回転自在に収納するハウジングとを具備し、ハブとクラウンプレートとの間に閉鎖されたインペラ内流路が形成されると共に、ハブの背面とハウジングとの間にキャビティ流路が形成され、ハブにインペラ内流路とキャビティ流路とを連通させる複数の第１の貫通孔と、ブレードの上流側端よりも上流側に開口しキャビティ流路と連通する複数の第２の貫通孔が形成され、第１の貫通孔から抽出された作動流体の一部がキャビティ流路と第２の貫通孔を通ってブレードの上流側端よりも上流側に供給される遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、第２の貫通孔は、インペラの吸入口に開口し、作動流体の一部が吸入口に供給される遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、第２の貫通孔は、軸心から離反する様傾斜している遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、第２の貫通孔は、インペラの吸入口よりも上流側に開口し、作動流体の一部が吸入口よりも上流側に供給される遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、ハブは、吸入口よりも上流側に延伸する延伸部を有し、第２の貫通孔は延伸部に開口する遠心圧縮機に係るものである。

更に又本発明は、ハウジングは、ハブの上流側端面と対向する部位に形成された凹部を有し、第２の貫通孔は凹部に開口する遠心圧縮機に係るものである。

本発明によれば、回転軸に固着されたハブと、ハブに設けられた複数枚のブレードと、ブレードに設けられハブと全周に亘って対向するクラウンプレートとを有するインペラと、インペラを回転自在に収納するハウジングとを具備し、ハブとクラウンプレートとの間に閉鎖されたインペラ内流路が形成されると共に、ハブの背面とハウジングとの間にキャビティ流路が形成され、ハブにインペラ内流路とキャビティ流路とを連通させる複数の第１の貫通孔と、ブレードの上流側端よりも上流側に開口しキャビティ流路と連通する複数の第２の貫通孔が形成され、第１の貫通孔から抽出された作動流体の一部がキャビティ流路と第２の貫通孔を通ってブレードの上流側端よりも上流側に供給されるので、インペラ内流路へと流入する作動流体の総流量を、実際に供給された作動流体の流量よりも見かけ上多くすることができ、低流量側でも圧縮機を安定して運転できることによって、作動域を拡大させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係る遠心圧縮機の側断面図を示している。 抽出流路の有無による遠心圧縮機の作動域の比較を示すグラフである。 本発明の第２の実施例に係る遠心圧縮機の側断面図を示している。 本発明の第３の実施例に係る遠心圧縮機の側断面図を示している。 本発明の第４の実施例に係る遠心圧縮機の側断面図を示している。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の第１の実施例に係る遠心圧縮機について説明する。

遠心圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２内に回転自在に収納されるインペラ３とを有している。ハウジング２内には流路４が形成され、流路４はインペラ３に向って作動流体５を流通させる作動流体流路６と、インペラ３により圧縮された後の作動流体５を流通させる圧縮作動流体流路７と、後述するインペラ内流路８とから構成される。

流路４の中途部、即ち作動流体流路６と圧縮作動流体流路７との間にインペラ３が設けられ、インペラ３内に作動流体流路６と圧縮作動流体流路７と連通するインペラ内流路８が形成される。又、インペラ３はモータやタービンホイール等の回転により回転される回転軸（図示せず）の軸心１０を中心に回転自在に設けられている。作動流体流路６の下流端部、即ちインペラ内流路８の入口部近傍は作動流体５の吸入口９となっており、吸入口９はインペラ３に向って漸次流路断面積が減少し、インペラ３に流入する作動流体５を縮流し整流する様になっている。

圧縮作動流体流路７には、上流側からディフューザ１１、クロスオーバベント１２、リターンガイドベーン１３が設けられている。ディフューザ１１は、インペラ３の回転の遠心力により増速された作動流体５の速度を圧力に変換し、作動流体５の圧力を上昇させる。

又、クロスオーバベント１２は、圧縮作動流体流路７を１８０°屈曲し、作動流体５を反転させる様になっており、リターンガイドベーン１３はクロスオーバベント１２により反転された作動流体５に適切な流入角を付与して次段へと供給する様になっている。

インペラ３は、回転軸（図示せず）に固着されたハブ１４と、ハブ１４の外周面に周方向等間隔に設けられた複数枚のブレード１５と、ブレード１５に固着され、全周に亘ってハブ１４と対向するクラウンプレート１６とから構成される。又、ハブ１４とブレード１５とクラウンプレート１６とによりインペラ３内に閉鎖されたインペラ内流路８が形成される。

ハウジング２とハブ１４の背面との間にはキャビティ流路１７が形成され、ハブ１４の中途部（回転中心から所要距離離れた位置）には、ハブ１４を軸心方向に貫通する複数の第１の貫通孔１８が穿設されている。第１の貫通孔１８はインペラ内流路８に開口し、インペラ内流路８とキャビティ流路１７とを連通させる。尚、第１の貫通孔１８は、周方向に所定の角度ピッチで穿設された孔や所定の角度ピッチで形成された円弧状の溝であってもよく、全周に亘って形成された溝であってもよい。

又、ハブ１４には、ハブ１４の第１の貫通孔１８よりも中心側に位置し、軸心方向に貫通する複数の第２の貫通孔１９が穿設されている。第２の貫通孔１９は吸入口９に開口し、吸入口９とキャビティ流路１７とを連通させる。尚、第２の貫通孔１９は周方向に所定の角度ピッチで穿設された孔であってもよく、所定の角度ピッチで形成された円弧状の溝であってもよい。

ハウジング２には、ハブ１４の背面部とハウジング２との間をシールするラビリンスシール２１，２２が設けられている。ラビリンスシール２１は、キャビティ流路１７内の第１の貫通孔１８よりも上流側に設けられ、インペラ内流路８の出口部から、キャビティ流路１７内に作動流体５が流入するのを防止している。

ラビリンスシール２２はキャビティ流路１７内の第１の貫通孔１８よりも下流側に設けられ、ディフューザ１１により昇圧され、リターンガイドベーン１３により整流された作動流体５が、ハウジング２とハブ１４との間から回込み、キャビティ流路１７内に流入するのを防止している。

又、ハウジング２には、クラウンプレート１６とハウジング２との間をシールするラビリンスシール２３が設けられている。ラビリンスシール２３は、クラウンプレート１６外周面の上流側端部に設けられ、インペラ内流路８の出口部から回込み、ハウジング２とクラウンプレート１６との間から吸入口９へと作動流体５が流入するのを防止している。

次に、遠心圧縮機１の作用について説明する。

モータやタービンホイール等の回転により回転軸（図示せず）が回転されることで、インペラ３が一体に回転される。吸入口９は、インペラ３に向って漸次流路断面積が減少しており、作動流体流路６を流通する作動流体５は、吸入口９を介してインペラ内流路８に流入する過程で縮流され、整流される。

インペラ内流路８に流入した作動流体５は、インペラ３の回転による遠心力により圧縮され、昇圧されて、インペラ内流路８より吐出される。

インペラ内流路８より吐出された作動流体５は、ディフューザ１１を通過する過程で減速されると共に昇圧され、クロスオーバベント１２にて反転された後、リターンガイドベーン１３により適切な流入角を付与された作動流体５が次段のインペラ（図示せず）へと流入する。

上記処理中、インペラ内流路８内の圧力が、吸入口９の圧力よりも高くなっている場合には、インペラ内流路８内の作動流体５の一部が、第１の貫通孔１８を介して抽出される。

抽出された作動流体５の一部は、循環流２４としてキャビティ流路１７、第２の貫通孔１９を循環し、吸入口９へと供給され、作動流体流路６を吸入口９に向って流通する作動流体５と共にインペラ内流路８へと流入する。

従って、ハブ１４に第１の貫通孔１８及び第２の貫通孔１９を形成し、インペラ内流路８の中途部から圧縮された作動流体５の一部を抽出して循環させ、吸入口９へと供給することで、インペラ内流路８へと流入する作動流体５の総流量を、実際に供給された作動流体５の流量よりも見かけ上多くすることができ、低流量側でも安定して圧縮機を運転することができる。

又、図２中、２５はサージングが発生しない限界点を線で結んだサージ線を示しており、図２に示される様に、第１の貫通孔１８から作動流体５の一部を抽出し、インペラ内流路８へ流入する作動流体５の総流量を実際の流量よりも見かけ上多くすることで、サージ線２５が低流量側へと移動し、インペラ３の回転数が高回転、中回転、低回転のいずれの場合にも、遠心圧縮機１の作動域が低流量側へと拡大される。従って、低流量側でも安定して遠心圧縮機１を運転させることができ、作動範囲を拡大することができる。又、遠心圧縮機１の構造の簡易化及び小型化を図ることができる。

又、第１の貫通孔１８がインペラ内流路８の中途部に開口する様形成されているので、圧力が高くなりすぎない状態の作動流体５を循環流２４とすることができ、インペラ内流路８の出口部の高圧な作動流体５が循環し、循環流２４の流量が増大するのを防止する。又、キャビティ流路１７内の循環流２４によって圧損が生じ、効率低下を招く。循環流量を制御することで効率と流量範囲に適切な関係を与えることができる。

次に、図３に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図３中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施例では、第２の貫通孔１９の吸入口９側開口端が軸心１０から離反する様傾斜しており、循環流２４は傾斜した第２の貫通孔１９に沿って偏向され、吸入口９に供給される。

従って、第２の実施例では、循環流２４が所定の流入角を持って吸入口９に供給され、インペラ内流路８へと流入することとなり、循環流２４が作動流体５に合流する際の乱れを防止でき、合流時の圧力損失を低減させることができる。

次に、図４に於いて、本発明の第３の実施例について説明する。尚、図４中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第３の実施例に於いては、ハブ１４が回転軸（図示せず）に沿って吸入口９の上流側迄延伸された延伸部２６が形成されている。又、キャビティ流路１７が作動流体流路６よりも軸心１０側迄延伸されている。

キャビティ流路１７に連通する第２の貫通孔１９は、作動流体流路６よりも軸心１０側を軸心１０と平行に延伸部２６迄延伸され、第２の貫通孔１９の先端部は、軸心１０から離反する様傾斜し、吸入口９よりも上流側で作動流体流路６に開口している。

遠心圧縮機１の運転時には、インペラ内流路８の中途部から第１の貫通孔１８を介して作動流体５の一部が抽出され、循環流２４としてキャビティ流路１７、第２の貫通孔１９を流通し、吸入口９よりも上流側の作動流体流路６へと供給される。

従って、循環流２４が作動流体流路６を流通する作動流体５に合流した後に、吸入口９にて縮流され、整流されるので、作動流体５に循環流２４が合流する際の流れの乱れを考慮する必要がなく、圧力損失が低減され、遠心圧縮機１の効率を向上させることができる。

尚、第３の実施例に於いては、第２の貫通孔１９の先端部を軸心１０から離反する様傾斜させているが、第２の貫通孔１９の先端部は軸心１０と直交する方向、或は軸心１０と直交する方向から開口端を下流側に傾斜させた方向としてもよいのは言う迄もない。

次に、図５に於いて、本発明の第４の実施例について説明する。尚、図５中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第４の実施例に於いては、ハウジング２のハブ１４の上流側端面と対向する部位、即ち吸入口９よりも上流側に凹部２８が形成され、凹部２８は作動流体５の流れの上流側に向って漸次径が拡大する湾曲面を有している。

又、第３の実施例と同様、キャビティ流路１７が作動流体流路６よりも軸心１０側に延伸され、第２の貫通孔１９はハブ１４の作動流体流路６よりも軸心１０側を軸心１０と平行に貫通し、凹部２８に開口している。

遠心圧縮機１の運転時には、インペラ内流路８の中途部から第１の貫通孔１８を介して作動流体５の一部が抽出され、循環流２４としてキャビティ流路１７、第２の貫通孔１９を流通し、凹部２８へと供給される。

従って、循環流２４が作動流体流路６を流通する作動流体５に合流した後に、吸入口９にて縮流され、整流されるので、作動流体５に循環流２４が合流する際の流れの乱れを考慮する必要がなく、圧力損失が低減され、遠心圧縮機１の効率を向上させることができる。

１ 遠心圧縮機 ２ ハウジング
３ インペラ ５ 作動流体
８ インペラ内流路 ９ 吸入口
１４ ハブ １５ ブレード
１６ クラウンプレート １７ キャビティ流路
１８ 第１の貫通孔 １９ 第２の貫通孔
２４ 循環流 ２６ 延伸部
２８ 凹部

Claims (6)

1. 回転軸に固着されたハブと、該ハブに設けられた複数枚のブレードと、該ブレードに設けられ前記ハブと全周に亘って対向するクラウンプレートとを有するインペラと、該インペラを回転自在に収納するハウジングとを具備し、前記ハブと前記クラウンプレートとの間に閉鎖されたインペラ内流路が形成されると共に、前記ハブの背面と前記ハウジングとの間にキャビティ流路が形成され、前記ハブに前記インペラ内流路と前記キャビティ流路とを連通させる複数の第１の貫通孔と、前記ブレードの上流側端よりも上流側に開口し前記キャビティ流路と連通する複数の第２の貫通孔が形成され、前記第１の貫通孔から抽出された作動流体の一部が前記キャビティ流路と前記第２の貫通孔を通って前記ブレードの上流側端よりも上流側に供給されることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記第２の貫通孔は、前記インペラの吸入口に開口し、前記作動流体の一部が前記吸入口に供給される請求項１の遠心圧縮機。
3. 前記第２の貫通孔は、軸心から離反する様傾斜している請求項２の遠心圧縮機。
4. 前記第２の貫通孔は、前記インペラの吸入口よりも上流側に開口し、前記作動流体の一部が前記吸入口よりも上流側に供給される請求項１の遠心圧縮機。
5. 前記ハブは、前記吸入口よりも上流側に延伸する延伸部を有し、前記第２の貫通孔は前記延伸部に開口する請求項４の遠心圧縮機。
6. 前記ハウジングは、前記ハブの上流側端面と対向する部位に形成された凹部を有し、前記第２の貫通孔は前記凹部に開口する請求項４の遠心圧縮機。

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