JPH03260399A - ハイブリッドディフューザ及び断面積過大拡散渦形室を有する遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 」見上皇剋貝公１ 本発明は、流体の圧力を増大するのに使用される遠心圧
縮機に関する。

え朱坐韮薯 遠心圧縮機は、流体の圧力を増大することが必要とされ
るいろいろな応用例に使用される。特に重要な１つの応
用例は、工業用ガス処理工程である。工業用ガス処理工
程においては、原料空気を極低温法により工業用ガスに
精留する前に原料空気を加圧するために、あるいは、工
業用ガスを液化する前に加圧するために遠心圧縮機が用
いられる。

遠心圧縮機は、回転自在の中心軸と、該軸に取付けられ
たインペラホイールと、該インペラホイールから渦形室
へ半径方向外方へ延長したディフューザと、該渦形室に
連通した出口とから成る。

ガスは、遠心圧縮機に流入し、インペラホイールに取付
けられた湾曲羽根の間を流れる。回転する軸とインペラ
ホイールの組立体は、流体に速度を与える。流体がディ
フューザ、渦形室及び前記出口を順次に通過する間にそ
の速度が圧力エネルギーに変換される。

遠心圧縮機は、電力等の多量の動力を消費する。原料空
気の圧力がそのプロセスへの投入エネルギーの実質的に
すべてである、極低温法による空気の精留などのある種
の応用例においては、遠心圧縮機が消費するエネルギー
が、運転コストの主要部を占め、遠心圧縮機の効率の僅
かな向上買えられるだけでも、そのプロセスの経済性に
大きな影響を及ぼす、遠心圧縮機の効率は、所定の流体
の圧力を一定量だけ高めるのに必要とされるエネルギー
の尺度として定義することができる。

ここで、第１図を参照して、本発明が対象とする代表的
な従来の遠心圧縮機の構造を説明する。

第１図の従来の遠心圧縮機２において、流れ矢印ｌで示
されている流体即ちガスは、入口３を通して遠心圧縮機
２内へ吸入される。インペラホイール（羽根車）４は、
回転自在の軸５に取付けられており、インペラホイール
には多数の湾曲羽根６が取付けられている。流体は、矢
印７で示されるように各羽根６の間の間隙を通って流れ
る。回転するインペラホイール組立体（軸５と、インペ
ラホイール４と、羽根６の組立体）は、該組立体を通る
流体の速度を増大させ、かつ、その流体に遠心力を付与
する働きをする。

インペラホイール組立体を通過した後、流体は、矢印８
で示されるようにディフューザ９を通る。第１図に示さ
れるディフューザ９は、平行な側壁１０．１０を有する
慣用のディフューザである。ディフューザ９は、インペ
ラホイール組立体から半径方向外方に延長しており、従
ってディフューザの円周が半径方向外方に行くにつれて
増大するので、流体が通るディフューザ９の流れ（流路
）断面積、即ち拡散流れ断面積は、インペラホイールか
らのディフューザの入口１１から渦形室１３へのディフ
ューザの出口１２のところまでディフューザの半径方向
の長手に沿って漸次増大する。このようにディフューザ
９の拡散流れ断面積は、ディフューザの入口１１から出
口１２までディフューザの半径方向の長手に沿って漸次
増大するので、流体８は、ディフューザ９を通る間漸次
減速される。従って、流体速度が拡散され、圧力に変換
される。

かくして加圧された流体は、ディフューザ出口１２を通
って渦形室１３内に流入する。渦形室の機能は、ディフ
ューザから出てきた流体を収集して単一の共通の出口開
口へ差向けることである。

渦形室内で流体の速度が変化するか否かは、渦形室の流
れ断面積の変化態様の如何による。渦形室の流れ断面積
は、円周方向に変化する。渦形室の出口の喉部における
流体の速度は、流体の質量流量要件を満たすように調節
しなければならない。

ディフューザの出口から渦形室の出口喉部までの間の流
体流のエネルギー損失を最少限にすることが望ましく、
従って、ディフューザの出口から渦形室の出口喉部への
移行において流体に速度変化が生じないことが望ましい
、従って、従来技術においては、渦形室の出口の喉部は
、その断面積と、流体の接線方向の速度との積が、ディ
フューザ出口の断面積と、流体の半径方向の速度との積
に等しくなるように設計するのが普通である。実用上は
、その結果として渦形室の喉部の断面積は、ディフュー
ザ出口の断面積の約５８％未満となる。

流体は、矢印１４で示されるように渦形室の出口１５を
通り渦形室の喉部を通った後、矢印１６で示されるよう
に遠心圧縮機２から流出する。この加圧された流体１６
は、適当な導管を通し、最終的に例えば、流体が空気で
ある場合極低温式空気分離プラントなどの使用部署へ送
られる。

第１図に示されるような従来の遠心圧縮機は、一般に、
７５〜８０％の範囲の効率を達成する。

これは多くの応用例にとって許容しつるものであるが、
従来の効率より高い効率で作動する遠心圧縮機を提供す
ることが望ましい。

が　　しよ　と　る 従って、本発明の課題は、従来の遠心圧縮機よりも高い
効率で流体の圧力を増大するための遠心圧縮機を提供す
ることである。

；題　　゛するための 上記課題を解決するために、本発明は、（Ａ）回転自在
軸と、 （Ｂ）該軸に取付けられたインペラホイールと、 （Ｃ）該インペラホイールのディフューザ入口から渦形
室のところのディフューザ出口にまで半径方向に延長し
たディフューザと、 ＣＤ）前記ディフューザ出口の流れ断面積の７０〜９０
％の範囲内の流れ断面積の喉部な有する渦形室とから成
り、 前記　ディフューザは、前記ディフューザ入口からディ
フューザの中間点にまで延長したテーパ部分と、該中間
点から前記ディフューザ出口に間で延長した真直な部分
を有し、該テーパ部分は、その半径方向の全長に亙って
一定の拡散流れ断面積を有し、該真直な部分は、そのそ
の半径方向の長手に沿って漸次増大する拡散流れ断面積
を有することを特徴とする遠心圧縮機を提供する。

ここでいう「ディフューザ」とは、流体の運動エネルギ
ーの一部分をその流体の圧力エネルギーに変換するため
の静止機械のことをいう。

ここでいう「渦形室」とは、ディフューザから流出した
流体を収集し、その流体を単一の出口開口へ導くための
静止手段のことをいう。

ここでいう「拡散流れ断面積」とは、流体をインペラか
ら渦形室へ半径方向並びに円周方向に拡散（デイフユー
ズ）させながら通すディフューザの流路の断面の面積の
ことをいう。

ここでいう「渦形室の喉部の流れ断面積」とは、流体の
全量を収集する渦形室の出口の喉部の流路の断面の面積
のことをいう。

Ｘ鳳舅 第２図は、本発明の一実施例による遠心圧縮機の部分断
面図である０本発明の遠心圧ｔａ機のディフューザ４１
は、インペラホイール４３の出口のところに位置するデ
ィフューザの入口４２から渦形室４５へ通じるディフュ
ーザ出口４４にまで半径方向に延長している。ディフュ
ーザ４１は、その人口４２から中間点４６まで延長した
第１部分即ちテーパ部分と、中間点４６から出口４４ま
で延長した第２部分即ち真直ぐな部分との、２つの部分
を有する。この意味で、本発明によるディフューザは、
ハイブリット（混成）ディフューザと称することができ
る。ディフューザの真直な部分は、平行な真直な側壁を
有し、拡散流れ断面積は、半径方向外方に行くにつれて
円周方向に増大する。これに対して、テーパ部分は、そ
の少なくとも一方の側壁を傾斜させ、該テーパ部分の拡
散流れ断面積がディフューザの入口４２かも中間点４６
まで実質的に一定になるように設計する。

このハイブリッドディフューザ４１は、通常、インペラ
ホイール４３の半径の０．８〜１．２倍の範囲の半径方
向の長さ（入口４２から出口４４までの長さ）を有し、
好ましくはインペラ４３の半径にほぼ等しい長さを有す
るものとする。ハイブリラドディフューザ４１の真直な
部分の半径方向の長さは、ディフューザの半径方向の全
長の２０〜５０％とし、ディフューザの残部をテーパ部
分とすることが好ましい。ディフューザの入口４２の開
口幅Ｂ２とディフューザの真直な部分の開口幅Ｂ４との
差の、入口開口幅Ｂ２に対する比として定義されるであ
る絞り比（Ｂ２　　Ｂ４）／Ｂ２は、０，３〜０５の範
囲内とすることが好ましく、約０．４とすることが最も
好ましい。

本発明のハイブリッドディフューザを有する遠心圧縮機
は、慣用のディフューザを有する同等の遠心圧縮機に比
べて著しく優れた効率でもって作動することが認められ
た。特定の理論に固執するわけではないが、このような
効率の向上が得られる理由は以下の通りであると考えら
れる。即ち、２部分から成るハイブリッドディフューザ
は、インペラから流出する必然的に乱れた流れが、ハイ
ブリッドディフューザのテーパ部分内で急速により均一
な流れとされ、より均一な流れがより効率的に拡散する
ので、流体流のエネルギー損失を減少させるからである
。更に、ディフューザのテーパ部分は、流量の長さを短
くし、それによって表面摩擦損失を減少させるからであ
る。ただし、このテーパ部分をディフューザの全長に亙
って延長させたとすると、流体の速度がそれほど減少さ
れず、その結果渦形室での流体流のエネルギー損失が増
大することになる。

本発明の遠心圧縮機のもう１つの特徴は、上記ハイブリ
ットディフューザと組み合わさって圧縮機の効率を更に
高める新規な渦形室の出口の喉部である。

第３図は、渦形室５０と、その、インペラホイール及び
ディフューザに対する関係を示す断面図である。インペ
ラホイールの外形４８は、ディフューザの外形４９の内
側にあり、渦形室５０は、ディフューザを囲繞し、第２
の出口ディフューザ５１に接続されている０図にみられ
るように、流体は、インペラホイールから流出し、矢印
５２で示されるように半径方向のディフューザを通る。

ディフューザから流出した流体は、ディフューザの円周
の周りで渦形室５０によって収集され、渦形室の出口喉
部を通り、出口ディフューザ５１を通って流出する。渦
形室の流れ断面積は、矢印５３で示される領域において
最も小さく、そこから出口の喉部にまで円周方向に漸次
増大している。

渦形室の喉部において流体の全量が収集され、矢印５５
で示されているように出口ディフューザ５】へ通される
。渦形室の出口の喉部の直径は、符号５４で示されてい
る。

先に述べたように、第１図に示される従来の遠心圧縮機
の設計では、ディフューザの入口から渦形室の出口喉部
までの間の流体流のエネルギー損失を最少限にするため
には、渦形室の喉部の断面積は、ディフューザ出口の断
面積と、流体の半径方向の速度の、接線方向の速度に対
する比との積に等しくなるようにしなければならない、
その結果、実際上は、渦形室の喉部の断面積対ディフュ
ーザ出口の断面積の比は約０．５８未満となる。ところ
が、驚くべきことに、本発明者は、渦形室の喉部の断面
積をディフューザ出口の断面積と、流体の半径方向の速
度対接線方向の速度の比との積より大きくすれば、流体
流のエネルギー損失を更に減少させることができること
、そしてそのようなエネルギー損失の更なる減少は、渦
形室の喉部の断面積対ディフューザ出口の断面積の比を
０．７０から０．９０の範囲、最も好ましくは０．７５
から０．８５とした場合に最もよく達成されことを見出
した。

渦形室の喉部の断面積を上記のように規定するが、それ
に対応して渦形室の円周に沿っての他の部位の流れ断面
積を増大させる。一般に、喉部を除く渦形室の円周に沿
っての他の部位の流れ断面積の変化は、喉部の断面積の
変更と同じ比率とすることができる。もちろん、渦形室
の喉部の断面積をどのように定めた場合でも、渦形室の
円周に沿っての他の部位の流れ断面積は、各部位におけ
る収集流体流の量に応じて定められるが、渦形室の喉部
の断面積よりは小さくされる０例えば、喉部の位置に対
して直径方向に反対側に位置する円周位置の流れ断面積
は、喉部の断面積の約二分の−にされる。

特定の理論に固執するわけではないが、このような改良
が得られる理由は以下の通りであると考えられる。即ち
、ディフューザを流出した後のディフューザ出口での流
体の半径方向の速度は、渦形室内で一部は渦巻き（円周
方向）速度成分に変換され、ディフューザを流出した流
体の接線方向の速度は、ディフューザ出口より大きい断
面積の渦形室の流路により減少せしめられるからである
。かくして、流体の速度は、より効率的に拡散され圧力
に変換される。

本発明の遠心圧縮機の性能の優秀性を例示するために以
下に比較例及び具体例を紹介するが、これは本発明の構
成を制限する意味で示されるものではない。

比較例 １４ｃｍ　（５，５３ｉ　ｎ）のインペラ半径を有し、
インペラの半径に等しいディフューザの長さを有する、
第１図に示されたのと同様の従来の遠心圧＄１！機を用
いて空気を０．９６３Ｋｇ／ｃｍ”から１．４４１Ｋｇ
／ｃｍ”　　（絶対圧）（１３，７から２０．５ｐｓｉ
ａ）にまで圧縮した。この圧縮機の渦形室喉部の断面積
対ディフューザ出口の断面積の比は、０．３５とし、２
部分ディフューザであるが、そのテーパ部分の長さをデ
ィフューザの全長の１７％とし、ディフューザの絞り比
を０．０５とした。この圧縮機は、８０．７％の効率で
作動した。圧縮機の効率は、流体の圧力を圧縮機の入口
での値から出口圧にまで増大させるのに必要とされる理
論上の所要エネルギ一対実際の所要エネルギーの比とし
て計算される。理想的な圧縮は、エントロピーの変化な
しに行われる。

民生旦ユ 上記比較例の遠心圧縮機と同等のものであるが、本発明
のハイブリッドディフューザを組入れた遠心圧縮機を用
いて、上記比較例の場合と同様の圧縮を行った。このハ
イブリッドディフューザは、ディフューザの全長の２４
１％の長さの真直な部分を有し、絞り比を０．４０とし
た。この圧縮機は、８３．９％の効率を示した。

且盗ヱしＬ【〃ユ 上記具体例１で使用されたのと同様の遠心圧縮機である
が、それぞれ絞り比を０．３０と、０．５０に変えてテ
ストした。絞り比を０．３０とした具体例２の圧縮機は
、８３．２％の効率で作動し、絞り比を０．５０とした
具体例３の圧縮機は、８３．０％の効率で作動した。

民生型差 上記具体例１で使用されたのと同様の遠心圧縮機である
が、渦形室喉部の断面積対ディフューザ出口の断面積の
比を０．８５とした遠心圧縮機を用いた。この圧縮機は
、８７．５％の効率で作動した。

上記各具体例から分るように、本発明の遠心圧縮機は、
本発明の構成を組入れない従来の遠心圧縮機に比べて大
きな効率の向上をもたらす、即ち、本発明の遠心圧縮機
を用いれば、従来の遠心圧縮機より著しく高い効率で流
体の圧縮を行うことができる。

以上、本発明を実施例に関連して説明したが、本発明は
、ここに例示した実施例の構造及び形態に限定されるも
のではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することな
く、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更
及び改変を加えることができることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術の遠心圧縮機の一部切除した一部断
面による透視図、第２図は、本発明の遠心圧縮機の一実
施例の部分断面図、第３図は、本発明の遠心圧縮機に関
連した渦形室の断面図、第４図は、第２図に示されたデ
ィフューザの解説図であり、ディフューザの半径方向の
長手の点４２から点４６まで、及び点４６から点４４ま
での拡散流れ断面の面積を示す。 ４１：ハイブリッドディフューザ ４２：ディフューザの入口 ４３：ディフューザの出口 ４５：渦形室 ４６：中間点 ５０：渦形室 ５４：渦形室の喉部の直径 ＩＧ Ｆ　／　Ｇ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（Ａ）回転自在軸と、 （Ｂ）該軸に取付けられたインペラホイールと、 （Ｃ）該インペラホイールのディフューザ入口から渦形
   室のところのディフューザ出口にまで半径方向に延長し
   たディフューザと、 （Ｄ）前記ディフューザ出口の流れ断面積の７０〜９０
   ％の範囲内の流れ断面積の喉部を有する渦形室とから成
   り、前記ディフューザは、前記ディフューザ入口からデ
   ィフューザの中間点にまで延長したテーパ部分と、該中
   間点から前記ディフューザ出口に間で延長した真直な部
   分を有し、該テーパ部分は、その半径方向の全長に亙っ
   て一定の拡散流れ断面積を有し、該真直な部分は、その
   その半径方向の長手に沿って漸次増大する拡散流れ断面
   積を有することを特徴とする遠心圧縮機。 ２、前記ディフューザの半径方向の全長は、前記インペ
   ラホイールの半径の０．８〜１．２倍の範囲であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の遠心圧縮機
   。 ３、前記ディフューザの真直な部分の半径方向の長さは
   、該ディフューザの半径方向の全長の２０〜５０％であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の遠心
   圧縮機。 ４、前記ディフューザは、０．３０〜０．５０の範囲内
   の絞り比を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の遠心圧縮機。 ５、前記ディフューザは、０．４０の絞り比を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の遠心圧縮
   機。 ６、前記渦形室は、前記ディフューザ出口の流れ断面積
   の７０〜９０％の範囲内の流れ断面積の喉部を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の遠心圧縮
   機。