JP6331518B2 - 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。

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場合には、安全性の観点から主にクローズドインペラが適用されている。

又、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り、作動流体が流路面に対して剥離を生じ易くなるという問題があった。

従来では、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から圧縮された作動流体の一部を抽出し、静止流路部の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るものもあるが、インペラのブレード表面で生じる作動流体の剥離を抑制することはできない。

又、剥離を防止する為、静止流路部から圧縮された作動流体の一部を抽出し、インペラの入口部に供給することも考えられるが、静止流路部とインペラの入口部とでは圧力差が大きい為、圧力損失が大きくなる、或は循環される作動流体の流量が多くなり、実質的な作動流体量が少なくなり、効率が低下するという問題がある。

尚、特許文献１には、インペラのシュラウドに周方向に沿って板厚方向に貫通する一本のスリットが形成され、サージング時にはスリットを介してインペラ内の作動流体の一部が抽出されることにより不安定な流量域が下がり、チョーク時にはスリットを介してインペラ内に作動流体が注入されることにより最大流量が増加し、作動範囲が拡大される遠心圧縮機用インペラが開示されている。

特開２００９−１５６１２２号公報

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インペラ内流路が形成され、クラウンプレートにインペラ内流路とインペラの吸入口とを連通させる貫通流路が形成され、インペラ内流路から抽出された作動流体の一部が循環流として貫通流路を循環し、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、貫通流路を循環する循環流は、目標作動流量に於いて作動流体がブレードの接線方向から流入する流量となる様作動流体の抽出位置と循環流路の流路断面積が設定される遠心圧縮機に係るものである。

更に又本発明は、貫通流路内に、周方向に複数のガイドベーンが設けられた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インペラ内流路が形成され、クラウンプレートにインペラ内流路とインペラの吸入口とを連通させる貫通流路が形成され、インペラ内流路から抽出された作動流体の一部が循環流として貫通流路を循環し、吸入口に供給されるので、インペラ内流路へ流入する作動流体の総流量を実際の流量よりも見かけ上多くすると共に、インペラの作動域が低流量側へ拡大され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。 （Ａ）は本発明の第１の実施例に係るインペラの斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 作動流体とブレードとの速度三角形を説明する説明図であり、（Ａ）は貫通流路を形成しない場合を示し、（Ｂ）は貫通流路を形成した場合を示している。 （Ａ）は、第１の実施例に於けるインペラの、作動流体の流量とインペラ内流路の入出口の圧力比との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は作動流体とブレードとの速度三角形を説明する説明図であり、（Ｃ）はクラウンプレートに形成される抽出口と供給口について説明する説明図である。 貫通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。

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、図２に於いて、本発明の第１の実施例に係る遠心圧縮機及びインペラについて説明する。

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。

又、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。

クラウンプレート１６の内周面には、全周に亘って抽出口１７が形成され、抽出口１７はインペラ内流路８のブレード１５前縁よりも下流側に開口している。又、クラウンプレート１６の上流側端（前縁）には、全周に亘って供給口１８が形成され、供給口１８は吸入口９に開口している。

抽出口１７は供給口１８と連通し、抽出口１７と供給口１８とで貫通流路１９が形成される。貫通流路１９により、インペラ内流路８と吸入口９とが連通し、インペラ内流路８より作動流体５の一部が循環流２１として抽出され、回転を維持した状態で貫通流路１９を流通する様になっている。

尚、抽出口１７は、周方向に所定の角度ピッチで形成された穴であってもよく、周方向に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。

又、吸入口９には、ハウジング２の内周面とクラウンプレート１６の外周面の上流側端部との間をシールするラビリンスシール２２が設けられ、インペラ内流路８の出口部から、ハウジング２とクラウンプレート１６との間に作動流体５が回込み、吸入口９に流入するのを防止している。

又、ハウジング２とハブ１４の背面部との間にもラビリンスシール２３が設けられ、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、インペラ内流路８の出口部に流入するのを防止している。

尚、図３（Ａ）は、貫通流路１９がない場合に於ける、作動流体５とブレード１５との速度三角形２５を示している。速度三角形２５は、作動流体５の絶対速度の速度ベクトル２６、ブレード１５の前縁の回転速度の速度ベクトル２７、速度ベクトル２６と速度ベクトル２７とを合成した合成速度ベクトル２８からなり、合成速度ベクトル２８はブレード１５に対する作動流体５の相対速度及び向きを示している。

又、図３（Ｂ）は、貫通流路１９が存在する場合に於ける、作動流体５とブレード１５と循環流２１との速度三角形２９を示している。速度三角形２９では、合成速度ベクトル２８が、速度ベクトル２６、速度ベクトル２７、及び循環流２１の絶対速度の速度ベクトル３１を合成したものとなっており、速度ベクトル３１の大きさは循環流２１の流量により決定される。

図３（Ａ）に示される様に、クラウンプレート１６に貫通流路１９が形成されていない場合、合成速度ベクトル２８、即ち吸入口９より吸入される作動流体５は、ブレード１５に対して迎え角αを生じることとなる。従って、速度ベクトル２６が小さくなると、即ち作動流体５の流量が少なくなると、ブレード１５に対する作動流体５の迎え角αが過大となり、作動流体５が失速を起こし、サージングが生じる。

一方、図３（Ｂ）に示される様に、クラウンプレート１６に貫通流路１９が形成されている場合、合成速度ベクトル２８、即ち吸入口９より流入する作動流体５は、速度ベクトル３１、即ち循環流２１が合成されることでブレード１５に対する迎え角αを減じることができる。従って、ブレード１５の翼面に沿って接線方向に近づけて流入させることができ、作動流体５の流量が少なくなった場合でも、ブレード１５に対する作動流体５の迎え角αが過大となるのを防止でき、作動流体５の失速を防止できる。

次に、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に於いて、貫通流路１９の詳細について説明する。尚、図４（Ａ）中、３０は圧力比と作動流体流量との関係を示す曲線を示している。又、点Ａは目標作動流量を示す点であり、貫通流路１９を形成しない場合の、サージングが起こらず正常に運転可能な作動流体５の流量の下限を示している。又、図４（Ｂ）中、Ｖｔは循環流２１の周方向成分を示し、Ｖａは循環流２１の軸心方向成分を示している。更に、図４（Ｃ）中、ｒ１は抽出口１７の開口部の半径位置を示し、ｍ１はクラウンプレート１６内周面の子午曲面座標ｍ上に於ける作動流体５の抽出位置、即ち抽出口１７の開口位置を示し、ｂ１及びｂ２は供給口１８及び抽出口１７の流路断面積を示している。

点Ａに於いて、ブレード１５の翼面に沿う合成速度ベクトル２８を得られる様に、速度ベクトル３１即ち循環流２１の流量を求め、速度ベクトル３１を基に、抽出口１７、供給口１８の位置や流路断面積の大きさが設計される。

図４（Ｂ）に示される様に、循環流２１の絶対速度を示す速度ベクトル３１は、周方向成分Ｖｔと軸心方向成分Ｖａとにより求められる。

周方向成分Ｖｔは、半径位置ｒ１及び半径位置ｒ１でのブレード１５の角度により決定されるものである。従って、所望の周方向成分Ｖｔが得られる様、半径位置ｒ１及び半径位置ｒ１でのブレード１５の角度が決定され、抽出位置ｍ１が設計される。尚、抽出位置ｍ１が形成される位置は、少なくともブレード１５の前縁よりも下流側となっている。

作動流体５の抽出位置ｍ１が決定されることで、抽出口１７の静圧が定まる。抽出口１７の静圧が定まることにより、軸心方向成分Ｖａは、抽出口１７の入口と供給口１８の出口の圧力差、及び供給口１８と抽出口１７の流路断面積ｂ１、ｂ２で変化する作動流体５の流量により決定される。従って、所望の軸心方向成分Ｖａが得られる様、開口面積ｂ１、ｂ２が設計される。尚、流路断面積ｂ１、ｂ２の大小関係は任意であり、構造上の制約がある場合には、制約に応じて適宜決定される。

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、増速されて、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、循環流２１として抽出口１７より抽出される。

抽出された作動流体５は、供給口１８より吸入口９へと供給される。即ち、循環流２１が貫通流路１９を循環して吸入口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、クラウンプレート１６に貫通流路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る。

又、作動流体５は、循環流２１と合流することで、ブレード１５に対する迎え角αを低減させ、作動流体５をブレード１５の接線方向に近づけて流入させることができ、作動流体５の剥離を抑制することができる。

又、図５中、３２はサージングが発生しない限界点（図４（Ａ）中の点Ａ）をインペラ３の回転数毎に線で結んだサージ線を示しており、図２に示される様に、抽出口１７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と共に、作動流体５をブレード１５の接線方向に近づけて流入させることで、サージ線３２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、抽出口１７をインペラ内流路８に開口する様クラウンプレート１６に形成しているので、クラウンプレート１６の内周面に発生する作動流体５の剥離を抽出口１７を介して抽出し、低減させることができ、遠心圧縮機１のサージングをより抑制することができる。

又、抽出口１７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２１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２１の流量が増大するのを防止し、作動流体５の供給量に対してインペラ３の回転数が高くなりすぎ、遠心圧縮機１の効率が低下するのを防止することができる。

又、ラビリンスシール２２が、ハウジング２とクラウンプレート１６との間の隙間をクラウンプレート１６の上流側端部でシールしているので、ラビリンスシール２２がシールする隙間の流路断面積が小さくなり、シール効果を向上させることができる。

更に、貫通流路１９はクラウンプレート１６内に形成されているので、インペラ３の外形を変更する必要がなく、又インペラ３を適用する為にハウジング２を加工する必要がなく、既存の遠心圧縮機に対しても本発明のインペラ３を容易に適用することができる。

次に、図６に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図６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の実施例に於いては、貫通流路１９の内部に、周方向に等角度ピッチで複数のガイドベーン３３が設けられている。

ガイドベーン３３は、貫通流路１９を流通する循環流２１に所望の速度ベクトル３１（図４（Ｂ）参照）が与えられる様傾斜されており、ガイドベーン３３に偏向されることにより、循環流２１と合流した作動流体５をブレード１５の接線方向により近づけた状態で流入させることができる。

又、ガイドベーン３３は、貫通流路１９の内部でクラウンプレート１６に固着されているので、ガイドベーン３３はクラウンプレート１６の補強部材として作用し、貫通流路１９を全周に亘って形成した場合にも、インペラ３を安定して回転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 抽出口
１８ 供給口 １９ 貫通流路
２１ 循環流

Claims (2)

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インペラ内流路が形成され、前記クラウンプレートに前記インペラ内流路と前記インペラの吸入口とを連通させる貫通流路が形成され、該貫通流路内に、周方向に複数のガイドベーンが設けられ、前記インペラ内流路から抽出された作動流体の一部が循環流として前記貫通流路を循環し、前記吸入口に供給されることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記貫通流路を循環する前記循環流は、目標作動流量に於いて前記作動流体が前記ブレードの接線方向から流入する流量となる様前記作動流体の抽出位置と前記循環流路の流路断面積が設定される請求項１の遠心圧縮機。

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