WO2019107488A1 - 多段遠心圧縮機、ケーシング及びリターンベーン - Google Patents

多段遠心圧縮機、ケーシング及びリターンベーン Download PDF

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return
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山下　修一
中庭　彰宏
佳晃 昌子
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三菱重工コンプレッサ株式会社
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
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    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
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    • F04D29/444—Bladed diffusers
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape

Definitions

  • the present invention relates to a multistage centrifugal compressor, a casing and a return vane.
  • Priority is claimed on Japanese Patent Application No. 2017-229340, filed Nov. 29, 2017, the content of which is incorporated herein by reference.
  • a multistage centrifugal compressor including an impeller having a plurality of blades attached to a disk fixed to a rotating shaft is known.
  • a multistage centrifugal compressor imparts pressure energy and velocity energy to a working fluid by rotating an impeller.
  • a pair of impellers adjacent to each other in the axial direction of the rotation shaft are connected by a return flow path.
  • the return passage is provided with a return vane for removing the swirling flow component from the working fluid. Further, on the downstream side of the return flow passage, an introduction flow passage for leading the working fluid to the impeller of the latter stage is connected.
  • the introduction channel is curved radially inward from the radially outer side as it goes from the upstream side to the downstream side.
  • the trailing edge of the return vane is located outside the curved portion of the introduction flow passage in the radial direction with respect to the axis of the rotation axis.
  • the swirling flow component of the working fluid may not be sufficiently removed.
  • the introduction flow passage impeller inlet
  • the swirling flow component is increased based on the angular momentum conservation law.
  • the inflow angle (incident) of the working fluid to the impeller also increases. This may reduce the performance of the multistage centrifugal compressor.
  • the present invention provides a multistage centrifugal compressor, a casing and a return vane capable of further reducing the swirl flow component in the return flow passage.
  • the multistage centrifugal compressor has a rotating shaft that rotates about an axis, and a fluid flowing from the upstream side in the axial direction by being fixed to the rotating shaft and integrally rotating.
  • a casing having an introduction flow passage for diverting the fluid and introducing it, and a return vane provided at intervals in the circumferential direction in the return flow passage, the introduction flow passage forming the return flow passage
  • the wall surfaces an outer curved wall surface which is continuous with the wall surface on the downstream side in the axial direction and curves to the downstream side in the axial direction as it goes radially inward, and a wall surface forming the return flow path on the upstream side in the axial direction
  • An inner curved wall surface which is continuous with the surface and is curved toward the
  • the first end of the trailing edge of the return vane is located on the outer curved wall, and the second end is located within the range of the radial position of the outer curved wall on the inner curved wall.
  • the first end and the second end may be at the same position in the radial direction with respect to the axis.
  • the fluid can be rectified by the return vane over a wider area. Therefore, the size of the wake (low speed region) occurring downstream can be reduced. Thereby, the careless loss by wake is suppressed and the performance degradation of a multistage centrifugal compressor can be avoided.
  • the first end and the second end may be at the same position as the innermost radial edge of the outer curved wall in the radial direction with respect to the axis. .
  • the fluid can be rectified by the return vane over a wider area. Therefore, the size of the wake (low speed region) occurring downstream can be further reduced. Thereby, the careless loss by wake is suppressed and the performance degradation of a multistage centrifugal compressor can be avoided.
  • the first end portion is located at the innermost radial end edge of the outer curved wall surface
  • the second end portion is the outer curved wall surface of the inner curved wall surface. It may be located at a position corresponding to the innermost radial edge of.
  • the first end portion at the trailing edge of the return vane is located at the innermost radial edge of the outer curved wall surface.
  • the second end is located at a position corresponding to the innermost radial edge of the outer curved wall in the inner curved wall.
  • a casing according to a fifth aspect of the present invention is a casing of a multistage centrifugal compressor, comprising: a return flow passage for guiding a fluid pumped from an impeller rotating about an axis toward a radially inward direction; An introduction channel connected downstream and directing a fluid to a downstream impeller for introduction, and a return vane circumferentially spaced from the return channel, the introduction channel Among the wall surfaces forming the return flow channel, an outer curved wall surface that is continuous with the wall surface on the downstream side in the axial direction among the wall surfaces forming the return flow channel and curves to the axial direction downstream as it goes radially inward; An inner curved wall surface which is continuous with the wall surface on the upstream side and curved toward the downstream side in the radial direction toward the inner side; An axially downstream first end portion is located on the outer curved wall surface, and an axially upstream second end portion of the trailing edge of the return vane is a radial position of the outer curved wall
  • the casing according to the sixth aspect of the present invention is a lean vane circumferentially spaced from the return passage of a multistage centrifugal compressor having a plurality of impellers rotating about an axis, wherein the return passage is It is continuous with the wall surface of the axial direction downstream side of the multistage centrifugal compressor, and is continuous with the outer curved wall surface curving to the axial direction downstream side as it goes radially inward and the wall surface of the multistage centrifugal compressor axially upstream And an inner curved wall curved toward the axial direction downstream as it goes radially inward, and the first end on the axial downstream side of the rear edge is located on the outer curved wall and the axial direction at the rear edge
  • the upstream second end is located within the range of the radial position of the outer curved wall in the inner curved wall.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the structure of the multistage centrifugal compressor which concerns on embodiment of this invention. It is an expanded sectional view of a multistage centrifugal compressor concerning an embodiment of the present invention. It is an expanded sectional view showing the return channel circumference of a multistage centrifugal compressor concerning an embodiment of the present invention. It is an expanded sectional view showing a modification of a multistage centrifugal compressor concerning an embodiment of the present invention.
  • the centrifugal compressor 100 is provided on a rotary shaft 1 that rotates around an axis O, a casing 3 that forms a flow path 2 by covering the periphery of the rotary shaft 1, and a rotary shaft 1.
  • the multistage impeller 4 and the return vane 50 provided in the casing 3 are provided.
  • the casing 3 has a cylindrical shape extending along the axis O.
  • the rotation axis 1 extends to penetrate the inside of the casing 3 along an axis O.
  • Journal bearings 5 and thrust bearings 6 are provided at both ends of the casing 3 in the direction of the axis O, respectively.
  • the rotating shaft 1 is rotatably supported around the axis O by the journal bearing 5 and the thrust bearing 6.
  • An intake port 7 for taking in air as the working fluid G from the outside is provided on one side in the direction of the axis O of the casing 3. Further, on the other side of the casing 3 in the direction of the axis O, an exhaust port 8 is provided for exhausting the working fluid G compressed inside the casing 3. Inside the casing 3 are formed an internal space in which the intake port 7 and the exhaust port 8 communicate with each other to repeat the diameter reduction and the diameter expansion. The internal space accommodates the plurality of impellers 4 and forms a part of the flow path 2 described above.
  • the side on which the intake port 7 is located on the flow path 2 is referred to as the upstream side
  • the side on which the exhaust port 8 is located is referred to as the downstream side.
  • a plurality of (six) impellers 4 are provided on the outer peripheral surface of the rotation shaft 1 at intervals in the direction of the axis O.
  • Each impeller 4 is, as shown in FIG. 2, a disk 41 having a substantially circular cross section when viewed from the direction of the axis O, a plurality of blades 42 provided on the upstream surface of the disk 41, and a plurality of these blades And 42 a cover 43 covering from the upstream side.
  • the disc 41 is formed in a substantially conical shape by being formed so that the radial dimension gradually increases from one side to the other side in the direction of the axis O, as viewed from the direction intersecting with the axis O.
  • a plurality of blades 42 are radially arrayed radially outward around the axis O on the surface facing the upstream side of both surfaces in the direction of the axis O of the disk 41. More specifically, these blades are formed by thin plates erected from the upstream surface of the disk 41 toward the upstream.
  • the plurality of blades 42 are curved from one side to the other side in the circumferential direction when viewed from the direction of the axis O.
  • a cover 43 is provided at the upstream end edge of the blade 42.
  • the plurality of blades 42 are sandwiched by the cover 43 and the disc 41 in the direction of the axis O.
  • a space is formed between the cover 43, the disc 41, and the pair of blades 42 adjacent to each other. This space constitutes a part of the flow path 2 (compression flow path 22) described later.
  • the flow path 2 is a space that communicates the impeller 4 configured as described above with the internal space of the casing 3.
  • description will be made assuming that one flow passage 2 is formed for each impeller 4 (for each compression stage). That is, in the centrifugal compressor 100, corresponding to the five impellers 4 except the last stage impeller 4, five continuous flow paths 2 are formed from the upstream side to the downstream side.
  • Each flow passage 2 includes an introduction flow passage 21, a compression flow passage 22, a diffuser flow passage 23, and a return flow passage 30.
  • FIG. 2 mainly shows the impellers 4 of the first to third stages of the flow path 2 and the impeller 4.
  • the introduction flow path 21 is directly connected to the above-described air intake port 7. External air is taken into each flow path on the flow path 2 as the working fluid G by the introduction flow path 21. More specifically, the introduction flow channel 21 is gradually curved from the inner side to the outer side in the radial direction with respect to the axis O as it goes from the upstream side to the downstream side.
  • the introduction flow path 21 corresponding to the impeller 4 in the second and subsequent stages is in communication with the downstream end of the return flow path 25 (described later) in the flow path 2 in the front stage (first stage). That is, the flow direction of the working fluid G having passed through the return flow path 25 is changed so as to face the downstream side along the axis O in the same manner as described above.
  • the compression flow channel 22 is a flow channel surrounded by the upstream surface of the disk 41, the downstream surface of the cover 43, and a pair of blades 42 adjacent in the circumferential direction. More specifically, the cross-sectional area of the compression flow passage 22 gradually decreases as it goes from the radially inner side to the outer side. As a result, the working fluid G flowing in the compression flow channel 22 is gradually compressed to a high pressure state while the impeller 4 is rotating.
  • the diffuser flow path 23 is a flow path extending from the radially inner side to the outer side of the axis O.
  • the radially inner end of the diffuser flow passage 23 is in communication with the radially outer end of the compression flow passage 22.
  • a return bend portion 24 and a return flow passage 25 are formed downstream of the diffuser flow passage 23.
  • the return bend portion 24 reverses the flow direction of the working fluid G flowing from the inner side to the outer side in the radial direction toward the inner side in the radial direction through the diffuser flow path 23.
  • One end side (upstream side) of the return bend portion 24 is in communication with the diffuser flow path 23, and the other end side (downstream side) is in communication with the return flow path 25.
  • the radially outermost portion is taken as a top T.
  • the inner wall surface of the return bend portion 24 has a three-dimensional curved surface so that the flow of the working fluid G is not hindered.
  • the return flow passage 25 extends radially inward from the downstream end of the return bend portion 24.
  • the radially outer end of the return flow passage 25 is in communication with the return bend portion 24 described above.
  • the radially inner end portion of the return flow channel 25 is in communication with the introduction flow channel 21 in the flow channel 2 at the subsequent stage as described above.
  • the wall surface on one side (upstream side) in the direction of the axis O is the upstream side wall surface 3 a.
  • the wall surface on the other side (downstream side) in the direction of the axis O is the downstream side wall surface 3b.
  • the other end of the return flow path 25 in the direction of the axis O is connected to the above-described introduction flow path 21 that guides the working fluid G to the impeller 4.
  • the introduction flow path 21 corresponding to the impeller 4 in the second and subsequent stages is formed by the inner curved wall 21a located on the upstream side and the outer curved wall 21b located on the downstream side.
  • the inner curved wall surface 21a is continuous with the upstream side wall surface 3a described above.
  • the inner curved wall surface 21 a has a curved surface shape that curves from the upstream side toward the downstream side as it goes from the radially outer side to the inner side with respect to the axis O.
  • the outer curved wall surface 21b is continuous with the above-described downstream side wall surface 3b.
  • the outer curved wall surface 21b has a curved surface shape that curves from the upstream side toward the downstream side as it goes from the radially outer side to the inner side with respect to the axis O.
  • a plurality of return vanes 50 are provided so as to straddle the return flow path 25 and the introduction flow path 21.
  • the plurality of return vanes 50 are arranged radially about the axis O.
  • the return vanes 50 are arranged circumferentially spaced around the axis O. Both ends of the return vane 50 in the direction of the axis O are in contact with the casing 3 forming the return flow passage 25 and the introduction flow passage 21. That is, one side (upstream side) of the return vane 50 in the direction of the axis O is in contact with the upstream side wall surface 3 a and the inner curved wall 21 a over the entire radial direction. The other side (downstream side) of the return vane 50 in the axis O direction is in contact with the downstream side wall surface 3 b and the outer curved wall 21 b over the entire radial direction.
  • the return vane 50 has a wing shape having a radially outer end as a leading edge 51 and a radially inner end as a trailing edge 52 when viewed in the direction of the axis O.
  • the return vanes 50 extend from the front edge 51 toward the rear edge 52 toward the front side in the rotational direction of the rotation shaft 1.
  • the leading edge 51 refers to the radially outer end edge of the return vane 50.
  • the trailing edge 52 refers to the radially inner end edge of the return vane 50.
  • the return return vanes 50 are curved so as to be convex toward the forward side in the rotational direction.
  • the front edge 51 of the return vane 50 is provided at the radially outer end of the return flow passage 25. More specifically, the leading edge 51 is disposed on the boundary between the return bend portion 24 and the return flow passage 25.
  • the trailing edge 52 of the return vane 50 is located on the introduction channel 21.
  • the trailing edge 52 extends parallel to the axis O.
  • parallel used herein does not necessarily refer to strictly parallel, and unavoidable manufacturing errors, crossings and the like are tolerated. More specifically, the downstream end (first end 52 a) of the trailing edge 52 is located at the radially inner end of the outer curved wall 21 b of the introduction channel 21.
  • the radial position of the first end 52 a is the same as the innermost radial edge of the inner circumferential surface 43 a of the cover 43.
  • the term "identical” used herein does not necessarily refer to strictly the same, and manufacturing errors, crosses, and the like which inevitably occur are tolerated.
  • the upstream end (second end 52 b) of the rear edge 52 is located within the range of the radial position of the outer curved wall 21 b in the inner curved wall 21 a of the introduction channel 21. More specifically, it is desirable for the second end 52b to be located within the range indicated by the double arrow in FIG.
  • the trailing edge 52 is parallel to the axis O as described above, the second end 52b is at the same position in the radial direction as the innermost radial edge of the outer curved wall 21b. It is located in Furthermore, since the rear edge 52 is parallel to the axis O, the second end 52 b is located at the same position as the innermost radial edge of the inner circumferential surface 43 a of the cover 43. That is, the trailing edge 52 is provided at a position not overlapping the compression flow passage 22 of the impeller 4 in the radial direction with respect to the axis O.
  • centrifugal compressor 100 In driving the centrifugal compressor 100, a rotational force is applied to the rotating shaft 1 by an external driving source.
  • the working fluid G taken into the flow path 2 from the suction port with the rotation of the rotary shaft 1 and the impeller 4 flows into the compression flow path 22 in the impeller 4 through the first stage introduction flow path 21.
  • the impeller 4 rotates about the axis O with the rotation of the rotary shaft 1.
  • a centrifugal force is applied to the working fluid G in the compression flow passage 22 radially outward from the axis O.
  • the cross-sectional area of the compression flow passage 22 gradually decreases from the radially outer side to the inner side.
  • the working fluid G is gradually compressed. Thereby, the high pressure working fluid G is sent out from the compression flow passage 22 to the subsequent diffuser flow passage 23.
  • the high-pressure working fluid G pumped from the compression flow passage 22 sequentially passes through the diffuser flow passage 23, the return bend portion 24, and the return flow passage 25. Similar compression is applied to the impeller 4 in the second and subsequent stages and the flow path 2 as well. Finally, the working fluid G is supplied to the external device (not shown) from the exhaust port 8 at a desired pressure state.
  • the working fluid G flowing through the return flow path 25 includes a swirling flow component that swirls in the circumferential direction with respect to the axis O. More specifically, the swirling flow component swirls from the rear side in the rotational direction of the rotation shaft 1 toward the front side.
  • the swirling flow component is removed by the return vanes 50 provided from the return flow passage 25 to the introduction flow passage 21.
  • the swirling flow component can be further reduced.
  • the inflow angle (incident) of the working fluid G toward the impeller 4 (compression flow path 22) on the rear stage side can be optimized.
  • the careless loss at the time of the working fluid G flowing in into the compression flow path 22 is reduced, and the performance of the centrifugal compressor 100 can be improved.
  • the trailing edge 52 of the return vane 50 extends into the inlet channel 21.
  • the working fluid G can be rectified in a wider area from the leading edge 51 to the trailing edge 52. Therefore, it is also possible to reduce the wake (low speed region) generated at the trailing edge 52 side.
  • the first end 52a of the trailing edge 52 of the return vane 50 is located on the outer curved wall 21b.
  • the second end 52 b is located within the range of the radial position of the outer curved wall 21 b in the inner curved wall 21 a.
  • the first end 52a of the trailing edge 52 of the return vane 50 is located at the radially innermost end of the outer curved wall 21b.
  • the second end 52b is located at a position corresponding to the innermost radial edge of the outer curved wall 21b of the inner curved wall 21a.
  • the trailing edge 52 is provided at a position not overlapping the compression flow passage 22 of the impeller 4 in the radial direction with respect to the axis O. This can reduce the possibility that the working fluid G flowing into the compression flow channel 22 may be disturbed.
  • the trailing edge 52 of the return vane 50 according to the present embodiment extends to the innermost side in the radial direction as long as the working fluid G flowing into the compression flow passage 22 (impeller 4) is not disturbed.
  • the return vanes 50 are described as components independent of the casing 3 in the present embodiment, the return vanes 50 may be one component of the casing 3.
  • the casing 3 is configured by the casing main body (substantially the same as the casing 3 of the embodiment) and the return vanes 50.
  • the first end 52a of the trailing edge 52 of the return vane 50 is located at the innermost radial end of the outer curved wall 21b.
  • the second end 52 b is located at a position corresponding to the innermost radial inner end edge of the outer curved wall 21 b of the inner curved wall 21 a.
  • the position of the trailing edge 52 is not limited to the above.
  • the first end 52a and the second end 52b of the rear edge 52 are positioned slightly radially outward of the innermost radial edge of the outer curved wall 21b. It is also possible.
  • the first end 52a of the rear edge 52 is located on the outer curved wall 21b and the second end 52b is located within the range of the radial position of the outer curved wall 21b on the inner curved wall 21a,
  • the position of the trailing edge 52 can be changed as appropriate.
  • the swirling flow component in the return channel can be further reduced.

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Abstract

多段遠心圧縮機は、リターンベーン（５０）が設けられたリターン流路（２５）および後段側のインペラに流体（Ｇ）を導入する導入流路（２１）を有するケーシング（３）を備える。導入流路（２１）は、径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する外側湾曲壁面（２１ｂ）と、軸線方向下流側に湾曲する内側湾曲壁面（２１ａ）と、を有する。リターンベーン（５０）の軸線方向下流側の第一端部（５２ａ）が外側湾曲壁面（２１ｂ）に位置し、軸線方向上流側の第二端部（５２ｂ）が、内側湾曲壁面（２１ａ）における外側湾曲壁面（２１ｂ）の径方向位置の範囲内に位置する。

Description

多段遠心圧縮機、ケーシング及びリターンベーン
　本発明は、多段遠心圧縮機、ケーシング及びリターンベーンに関する。
　本願は、２０１７年１１月２９日に日本に出願された特願２０１７－２２９３４０号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　産業用圧縮機やターボ冷凍機、小型ガスタービン、ポンプ等に用いられる遠心圧縮機として、回転軸に固定されたディスクに複数のブレードを取り付けたインペラを備えた多段遠心圧縮機が知られている（例えば下記特許文献１参照）。多段遠心圧縮機は、インペラを回転させることで、作動流体に圧力エネルギー及び速度エネルギーを与えている。回転軸の軸線方向に隣り合う一対のインペラは、リターン流路で接続されている。リターン流路には、作動流体から旋回流成分を取り除くためのリターンベーンが設けられている。さらに、リターン流路の下流側には、後段のインペラに作動流体を導く導入流路が接続されている。導入流路は、上流側から下流側に向かうにしたがって、径方向外側から内側に向かって湾曲している。ここで、特許文献１に記載された装置では、リターンベーンの後縁は、回転軸の軸線に対する径方向において、導入流路の湾曲部よりも外側に位置している。
特開２００９－２８１１５５号公報
　しかしながら、上述のようにリターンベーンの後縁が湾曲部よりも外側に位置している場合、作動流体の旋回流成分を十分に除去できない可能性がある。その結果、リターンベーンよりも径方向内側に位置する導入流路（インペラ入口）では、角運動量保存則に基づいて、旋回流成分が増大してしまう。また、インペラに対する作動流体の流入角度（インシデンス）も大きくなってしまう。これにより、多段遠心圧縮機の性能が低下するおそれがある。
　本発明は、リターン流路における旋回流成分をさらに低減することが可能な多段遠心圧縮機、ケーシング及びリターンベーンを提供する。
　本発明の第一の態様によれば、多段遠心圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸に固定されて一体に回転することで、軸線方向上流側から流入する流体を径方向外側に圧送する複数段のインペラと、前段側の前記インペラから圧送された流体を径方向内側に向かって案内するリターン流路および該リターン流路の下流側に接続されて、後段側のインペラに流体を転向させて導入する導入流路を有するケーシングと、前記リターン流路に周方向に間隔をあけて設けられたリターンベーンと、を備え、前記導入流路は、前記リターン流路を形成する壁面のうち軸線方向下流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する外側湾曲壁面と、リターン流路を形成する壁面のうち軸線方向上流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する内側湾曲壁面と、を有し、前記リターンベーンの後縁における軸線方向下流側の第一端部が前記外側湾曲壁面に位置し、該リターンベーンの後縁における軸線方向上流側の第二端部が、前記内側湾曲壁面における前記外側湾曲壁面の径方向位置の範囲内に位置する。
　この構成によれば、リターンベーンの後縁における第一端部が外側湾曲壁面に位置し、第二端部が内側湾曲壁面における外側湾曲壁面の径方向位置の範囲内に位置している。これにより、後縁が外側湾曲壁面及び内側湾曲壁面よりも径方向外側にそれぞれ位置している場合に比べて、リターン流路を流通する流体の旋回流成分をより大きく除去することができる。したがって、後段側のインペラに対する流体の流入角度（インシデンス）を適正化することができる。これにより、多段遠心圧縮機の性能を向上させることができる。
　本発明の第二の態様によれば、前記第一端部と前記第二端部とが、軸線に対する径方向において同一の位置にあってもよい。
　この構成によれば、より広い領域にわたってリターンベーンによって流体を整流することができる。そのため、下流側で生じるウェーク（低速領域）の大きさを縮小することができる。これにより、ウェークによる不用意な損失が抑制され、多段遠心圧縮機の性能低下を回避することができる。
　本発明の第三の態様によれば、前記第一端部及び前記第二端部は、軸線に対する径方向において前記外側湾曲壁面の最も径方向内側の端縁と同一の位置にあってもよい。
　この構成によれば、さらに広い領域にわたってリターンベーンによって流体を整流することができる。そのため、下流側で生じるウェーク（低速領域）の大きさをさらに縮小することができる。これにより、ウェークによる不用意な損失が抑制され、多段遠心圧縮機の性能低下を回避することができる。
　本発明の第四の態様によれば、前記第一端部は、前記外側湾曲壁面における最も径方向内側の端縁に位置し、前記第二端部は、前記内側湾曲壁面における前記外側湾曲壁面の最も径方向内側の端縁に対応する位置に位置してもよい。
　この構成によれば、リターンベーンの後縁における第一端部が外側湾曲壁面における最も径方向内側の端縁に位置している。第二端部が内側湾曲壁面における外側湾曲壁面の最も径方向内側の端縁に対応する位置に位置している。これにより、後段側のインペラに対する流体の流入角度（インシデンス）を適正化することができる。したがって、多段遠心圧縮機の性能を向上させることができる。さらに、より広い領域にわたってリターンベーンによって流体を整流することができる。そのため、下流側で生じるウェーク（低速領域）の大きさをさらに縮小することができる。これにより、ウェークによる不用意な損失が抑制され、多段遠心圧縮機の性能低下を回避することができる。
　本発明の第五の態様のケーシングは、多段遠心圧縮機のケーシングであって、軸線回りに回転するインペラから圧送された流体を径方向内側に向かって案内するリターン流路および該リターン流路の下流側に接続されて、後段側のインペラに流体を転向させて導入する導入流路と、前記リターン流路に周方向に間隔をあけて設けられたリターンベーンと、を備え、前記導入流路は、前記リターン流路を形成する壁面のうち軸線方向下流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する外側湾曲壁面と、リターン流路を形成する壁面のうち軸線方向上流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する内側湾曲壁面と、を有し、前記リターンベーンの後縁における軸線方向下流側の第一端部が前記外側湾曲壁面に位置し、該リターンベーンの後縁における軸線方向上流側の第二端部が、前記内側湾曲壁面における前記外側湾曲壁面の径方向位置の範囲内に位置する。
　本発明の第六の態様のケーシングは、軸線回りに回転する複数のインペラを有する多段遠心圧縮機のリターン流路に周方向に間隔をあけて設けられるリーンベーンであって、前記リターン流路は、前記多段遠心圧縮機の軸線方向下流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する外側湾曲壁面と、前記多段遠心圧縮機の軸線方向上流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する内側湾曲壁面と、を有し、後縁の軸線方向下流側の第一端部が前記外側湾曲壁面に位置し該後縁における軸線方向上流側の第二端部は、前記内側湾曲壁面における前記外側湾曲壁面の径方向位置の範囲内に位置する。
　本発明によれば、リターン流路における旋回流成分をさらに低減することが可能な多段遠心圧縮機を提供することができる。
本発明の実施形態に係る多段遠心圧縮機の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る多段遠心圧縮機の拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る多段遠心圧縮機のリターン流路周辺を示す拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る多段遠心圧縮機の変形例を示す拡大断面図である。
　以下、本発明の第一実施形態に係るケーシング及びリターンベーンを含む遠心圧縮機（多段遠心圧縮機）について図面を参照して説明する。図１に示すように、遠心圧縮機１００は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸１と、この回転軸１の周囲を覆うことで流路２を形成するケーシング３と、回転軸１に設けられた複数段のインペラ４と、ケーシング３内に設けられたリターンベーン５０と、を備えている。
　ケーシング３は、軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。回転軸１は、このケーシング３の内部を軸線Ｏに沿って貫通するように延びている。軸線Ｏ方向におけるケーシング３の両端部には、それぞれジャーナル軸受５及びスラスト軸受６が設けられている。回転軸１は、これらジャーナル軸受５とスラスト軸受６とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。
　ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側には、外部から作動流体Ｇとしての空気を取り入れるための吸気口７が設けられている。さらに、ケーシング３の軸線Ｏ方向他方側には、ケーシング３内部で圧縮された作動流体Ｇが排気される排気口８が設けられている。
　ケーシング３の内側には、これら吸気口７と排気口８とを連通し、縮径と拡径を繰り返す内部空間が形成されている。この内部空間は、複数のインペラ４を収容するとともに、上記の流路２の一部をなしている。なお、以降の説明では、この流路２上における吸気口７が位置する側を上流側と呼び、排気口８が位置する側を下流側と呼ぶ。
　回転軸１には、その外周面上で軸線Ｏ方向に間隔を空けて複数（６つ）のインペラ４が設けられている。各インペラ４は、図２に示すように、軸線Ｏ方向から見て略円形の断面を有するディスク４１と、このディスク４１の上流側の面に設けられた複数のブレード４２と、これら複数のブレード４２を上流側から覆うカバー４３と、を有している。
　ディスク４１は、軸線Ｏと交差する方向から見て、該軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に拡大するように形成されることで、おおむね円錐状をなしている。ブレード４２は、ディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、上流側を向く面上で、軸線Ｏを中心として径方向外側に向かって放射状に複数配列されている。より詳しくは、これらブレードは、ディスク４１の上流側の面から上流側に向かって立設された薄板によって形成されている。これら複数のブレード４２は、軸線Ｏ方向から見た場合、周方向の一方側から他方側に向かうように湾曲している。
　ブレード４２の上流側の端縁には、カバー４３が設けられている。言い換えると、上記複数のブレード４２は、このカバー４３とディスク４１とによって軸線Ｏ方向から挟持されている。これにより、カバー４３、ディスク４１、及び互いに隣り合う一対のブレード４２同士の間には空間が形成される。この空間は、後述する流路２の一部（圧縮流路２２）をなしている。
　流路２は、上記のように構成されたインペラ４と、ケーシング３の内部空間を連通する空間である。本実施形態では、１つのインペラ４ごと（１つの圧縮段ごと）に１つの流路２が形成されているものとして説明を行う。すなわち、遠心圧縮機１００では、最後段のインペラ４を除く５つのインペラ４に対応して、上流側から下流側に向かって連続する５つの流路２が形成されている。
　それぞれの流路２は、導入流路２１と、圧縮流路２２と、ディフューザ流路２３と、リターン流路３０と、を有している。なお、図２は、流路２及びインペラ４のうち、１段目から３段目のインペラ４を主として示している。
　１段目のインペラ４では、導入流路２１は上記の吸気口７と直接接続されている。この導入流路２１によって、外部の空気が流路２上の各流路に作動流体Ｇとして取り込まれる。より具体的には、この導入流路２１は、上流側から下流側に向かうにしたがって、軸線Ｏに対する径方向内側から外側に向かって次第に湾曲している。
　２段目以降のインペラ４に対応する導入流路２１は、前段（１段目）の流路２におけるリターン流路２５（後述）の下流端と連通されている。すなわち、リターン流路２５を通過した作動流体Ｇは、上記と同様に、軸線Ｏに沿って下流側を向くように、その流れ方向が変更される。
　圧縮流路２２は、ディスク４１の上流側の面、カバー４３の下流側の面、及び周方向に隣り合う一対のブレード４２によって囲まれた流路である。より詳しくは、この圧縮流路２２は、径方向内側から外側に向かうに従って、その断面積が次第に減少している。これにより、インペラ４が回転している状態で圧縮流路２２中を流通する作動流体Ｇは、徐々に圧縮されて高圧状態となる。
　ディフューザ流路２３は、軸線Ｏの径方向内側から外側に向かって延びる流路である。このディフューザ流路２３における径方向内側の端部は、上記圧縮流路２２の径方向外側の端部に連通されている。
　ディフューザ流路２３の下流側には、リターンベンド部２４とリターン流路２５とが形成されている。リターンベンド部２４は、ディフューザ流路２３を経て、径方向の内側から外側に向かって流通した作動流体Ｇの流れ方向を径方向内側に向かって反転させる。リターンベンド部２４の一端側（上流側）は、上記ディフューザ流路２３に連通され、他端側（下流側）は、リターン流路２５に連通されている。リターンベンド部２４の中途において、径方向の最も外側に位置する部分は、頂部Ｔとされている。この頂部Ｔの近傍では、リターンベンド部２４の内壁面は、３次元曲面をなすことで、作動流体Ｇの流動を妨げないようになっている。
　リターン流路２５は、リターンベンド部２４の下流側の端部から径方向内側に向かって延びている。リターン流路２５の径方向外側の端部は、上記のリターンベンド部２４と連通されている。リターン流路２５の径方向内側の端部は、上述のように後段の流路２における導入流路２１に連通されている。ケーシング３におけるリターン流路２５を形成する壁面のうち、軸線Ｏ方向一方側（上流側）の壁面は、上流側壁面３ａとされている。ケーシング３におけるリターン流路２５を形成する壁面のうち、軸線Ｏ方向他方側（下流側）の壁面は、下流側壁面３ｂとされている。
　リターン流路２５の軸線Ｏ方向他方側の端部は、作動流体Ｇをインペラ４に導く上述の導入流路２１に接続されている。２段目以降のインペラ４に対応する導入流路２１は、上流側に位置する内側湾曲壁面２１ａと、下流側に位置する外側湾曲壁面２１ｂとによって形成されている。内側湾曲壁面２１ａは、上述の上流側壁面３ａと連続している。内側湾曲壁面２１ａは、軸線Ｏに対する径方向外側から内側に向かうにしたがって、上流側から下流側に向かって湾曲する曲面状をなしている。外側湾曲壁面２１ｂは、上述の下流側壁面３ｂと連続している。外側湾曲壁面２１ｂは、軸線Ｏに対する径方向外側から内側に向かうにしたがって、上流側から下流側に向かって湾曲する曲面状をなしている。
　次に、リターンベーン５０について図３を参照して説明する。リターンベーン５０は、リターン流路２５及び導入流路２１にまたがるようにして、複数が設けられている。複数のリターンベーン５０は、軸線Ｏを中心として放射状に配列されている。これらリターンベーン５０は、軸線Ｏの周囲で周方向に間隔を空けて配列されている。リターンベーン５０は、軸線Ｏ方向の両端が、リターン流路２５及び導入流路２１を形成するケーシング３に接している。即ち、リターンベーン５０の軸線Ｏ方向一方側（上流側）は上流側壁面３ａ及び内側湾曲壁面２１ａに径方向全域にわたって接している。リターンベーン５０の軸線Ｏ方向他方側（下流側）は、下流側壁面３ｂ及び外側湾曲壁面２１ｂに径方向全域にわたって接している。
　リターンベーン５０は、軸線Ｏ方向から見た際に、径方向外側の端部を前縁５１とし、径方向内側の端部を後縁５２とする翼形状をなしている。リターンベーン５０は、前縁５１から後縁５２に向かうに従って回転軸１の回転方向前方側に向かって延びている。なお、前縁５１とは、リターンベーン５０の径方向外側の端縁を指す。後縁５２とは、リターンベーン５０の径方向内側の端縁を指す。リターンリターンベーン５０は、回転方向前方側に向かって凸となるように湾曲している。
　リターンベーン５０の前縁５１は、リターン流路２５の径方向外側の端部に設けられている。より詳細には、前縁５１は、リターンベンド部２４とリターン流路２５との境界上に配置されている。一方で、リターンベーン５０の後縁５２は、導入流路２１上に位置している。後縁５２は、軸線Ｏに対して平行に延びている。なお、ここで言う平行とは、必ずしも厳密な平行を指すものではなく、やむを得ず生じる製造誤差や交差等は許容される。より詳細には、後縁５２における下流側の端部（第一端部５２ａ）は、導入流路２１の外側湾曲壁面２１ｂにおける最も径方向内側の端縁に位置している。第一端部５２ａの径方向における位置は、カバー４３の内周面４３ａにおける最も径方向内側の端縁と同一である。なお、ここで言う同一とは、必ずしも厳密な同一を指すものではなく、やむを得ず生じる製造誤差や交差等は許容される。
　後縁５２における上流側の端部（第二端部５２ｂ）は、導入流路２１の内側湾曲壁面２１ａにおける、外側湾曲壁面２１ｂの径方向位置の範囲内に位置している。より詳細には、第二端部５２ｂは、図３中における両矢印で示す範囲内に位置していることが望ましい。本実施形態では、上述のように後縁５２は軸線Ｏに対して平行であることから、第二端部５２ｂは、外側湾曲壁面２１ｂにおける最も径方向内側の端縁と径方向において同一の位置に位置している。さらに、後縁５２が軸線Ｏに対して平行であることから、第二端部５２ｂは、カバー４３の内周面４３ａにおける最も径方向内側の端縁と同一の位置に位置している。即ち、後縁５２は、軸線Ｏに対する径方向において、インペラ４の圧縮流路２２と重複しない位置に設けられている。
　続いて、本実施形態に係る遠心圧縮機１００の動作について説明する。遠心圧縮機１００を駆動するに当たっては、外部の駆動源によって回転軸１に回転力が付加される。回転軸１及びインペラ４の回転に伴い吸込口から流路２内に取り込まれた作動流体Ｇは、１段目の導入流路２１を経て、インペラ４中の圧縮流路２２に流入する。インペラ４は回転軸１の回転に伴って軸線Ｏ回りに回転している。その結果、圧縮流路２２中の作動流体Ｇには、軸線Ｏから径方向外側に向かう遠心力が付加される。加えて、上記の通り、圧縮流路２２の断面積は径方向外側から内側にかけて次第に減少している。その結果、作動流体Ｇは徐々に圧縮される。これにより、高圧の作動流体Ｇが、圧縮流路２２から後続のディフューザ流路２３に送り出される。
　圧縮流路２２から圧送された高圧の作動流体Ｇは、その後、ディフューザ流路２３、リターンベンド部２４、リターン流路２５を順に通過する。２段目以降のインペラ４、及び流路２においても同様の圧縮が加えられる。最終的には、作動流体Ｇは、所望の圧力状態となって排気口８から不図示の外部機器に供給される。
　ここで、リターン流路２５を流通する作動流体Ｇには、軸線Ｏに対する周方向に旋回する旋回流成分が含まれている。より具体的には、旋回流成分は、回転軸１の回転方向後方側から前方側に向かって旋回する。この旋回流成分は、リターン流路２５から導入流路２１にわたって設けられたリターンベーン５０によって取り除かれる。特に、本実施形態では、リターンベーン５０の後縁５２が、導入流路２１内に位置していることから、旋回流成分をより大きく低減することができる。さらに、旋回流成分が十分に低減されていることから、後段側のインペラ４（圧縮流路２２）に向かう作動流体Ｇの流入角度（インシデンス）を適正化することができる。これにより、圧縮流路２２に作動流体Ｇが流入する際の不用意な損失が低減され、遠心圧縮機１００の性能を向上させることができる。加えて、リターンベーン５０の後縁５２が導入流路２１内まで延びている。その結果、前縁５１から後縁５２にわたって、より広い領域で作動流体Ｇを整流することができる。そのため、後縁５２側で生じるウェーク（低速領域）を縮小することもできる。
　一方で、従来のように、リターンベーン５０の後縁５２が導入流路２１に位置せず、リターン流路２５内に位置している場合、上述の旋回流成分が十分に除去されない状態で、導入流路２１内に作動流体Ｇが流入する。このとき、作動流体Ｇにおける角運動量保存則に基づいて、旋回流成分が増大してしまう。また、インペラ４に対する作動流体の流入角度も大きくなってしまう。これにより、遠心圧縮機１００の性能が低下するおそれがある。しかしながら、上述の構成によれば、このような可能性を低減することができる。
　以上、説明したように、本実施形態に係る遠心圧縮機１００によれば、リターンベーン５０の後縁５２における第一端部５２ａが外側湾曲壁面２１ｂに位置している。第二端部５２ｂが内側湾曲壁面２１ａにおける外側湾曲壁面２１ｂの径方向位置の範囲内に位置している。これにより、後縁５２が内側湾曲壁面２１ａ及び外側湾曲壁面２１ｂよりも径方向外側にそれぞれ位置している場合に比べて、リターン流路２５を流通する作動流体Ｇの旋回流成分をより大きく除去することができる。したがって、後段側のインペラ４に対する作動流体Ｇの流入角度（インシデンス）を適正化することができる。これにより、遠心圧縮機１００の性能を向上させることができる。
　加えて、上述の構成によれば、リターンベーン５０の後縁５２における第一端部５２ａが外側湾曲壁面２１ｂにおける最も径方向内側の端縁に位置している。第二端部５２ｂが内側湾曲壁面２１ａにおける外側湾曲壁面２１ｂの最も径方向内側の端縁に対応する位置に位置している。これにより、後段側のインペラ４に対する作動流体Ｇの流入角度（インシデンス）をさらに適正化することができる。したがって、遠心圧縮機１００の性能をさらに向上させることができる。また、より広い領域にわたってリターンベーン５０によって作動流体Ｇを整流することができる。そのため、リターンベーン５０下流側で生じるウェーク（低速領域）の大きさをさらに縮小することができる。これにより、ウェークによる不用意な損失が抑制され、遠心圧縮機１００の性能低下を回避することができる。
　さらに、後縁５２は、軸線Ｏに対する径方向において、インペラ４の圧縮流路２２と重複しない位置に設けられている。これにより、圧縮流路２２に流入する作動流体Ｇに乱れが生じる可能性を低減することができる。言い換えると、本実施形態に係るリターンベーン５０の後縁５２は、圧縮流路２２（インペラ４）に流入する作動流体Ｇに乱れを生じさせない限りにおいて、最も径方向内側まで延びている。
　以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
　本実施形態では、リターンベーン５０をケーシング３から独立した構成要素として説明したが、リターンベーン５０をケーシング３の一構成要素としてもよい。この場合、ケーシング本体（実施形態のケーシング３と実質的に同一）とリターンベーン５０とによって、ケーシング３が構成されることになる。
　例えば、上記実施形態では、リターンベーン５０の後縁５２の第一端部５２ａが外側湾曲壁面２１ｂの最も径方向内側の端縁に位置している。さらに、第二端部５２ｂが内側湾曲壁面２１ａにおける外側湾曲壁面２１ｂの最も径方向内側の端縁に対応する位置に位置している。しかしながら、後縁５２の位置は上記に限定されない。例えば図４に示すように、後縁５２の第一端部５２ａ及び第二端部５２ｂが、外側湾曲壁面２１ｂの最も径方向内側の端縁よりもわずかに径方向外側に位置する構成を採ることも可能である。要するに、後縁５２における第一端部５２ａが外側湾曲壁面２１ｂに位置し、第二端部５２ｂが内側湾曲壁面２１ａにおける外側湾曲壁面２１ｂの径方向位置の範囲内に位置している限りにおいて、後縁５２の位置を適宜変更することが可能である。
　本発明によれば、リターン流路における旋回流成分をさらに低減することができる。
１　　 回転軸
２　　 流路
３　　 ケーシング
３ａ　 上流側壁面
３ｂ　 下流側壁面
４　　 インペラ
５　　 ジャーナル軸受
６　　 スラスト軸受
７　　 吸気口
８　　 排気口
２１　 導入流路
２１ａ 内側湾曲壁面
２１ｂ 外側湾曲壁面
２２　 圧縮流路
２３　 ディフューザ流路
２４　 リターンベンド部
２５　 リターン流路
４１　 ディスク
４２　 ブレード
４３　 カバー
４３ａ カバー内周面
５０　 リターンベーン
５１　 前縁
５２　 後縁
５２ａ 第一端部
５２ｂ 第二端部
１００ 遠心圧縮機
Ｏ　　 軸線
Ｇ　　 作動流体

Claims (6)

  1. 　軸線回りに回転する回転軸と、
    　該回転軸に固定されて一体に回転することで、軸線方向上流側から流入する流体を径方向外側に圧送する複数段のインペラと、
    　前段側の前記インペラから圧送された流体を径方向内側に向かって案内するリターン流路および該リターン流路の下流側に接続されて、後段側のインペラに流体を転向させて導入する導入流路を有するケーシングと、
    　前記リターン流路に周方向に間隔をあけて設けられたリターンベーンと、
    を備え、
    　前記導入流路は、
    　前記リターン流路を形成する壁面のうち軸線方向下流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する外側湾曲壁面と、
    　リターン流路を形成する壁面のうち軸線方向上流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する内側湾曲壁面と、
    を有し、
    　前記リターンベーンの後縁における軸線方向下流側の第一端部が前記外側湾曲壁面に位置し、該リターンベーンの後縁における軸線方向上流側の第二端部が、前記内側湾曲壁面における前記外側湾曲壁面の径方向位置の範囲内に位置する多段遠心圧縮機。
  2. 　前記第一端部と前記第二端部とが、軸線に対する径方向において同一の位置にある請求項１に記載の多段遠心圧縮機。
  3. 　前記第一端部及び前記第二端部は、軸線に対する径方向において前記外側湾曲壁面の最も径方向内側の端縁と同一の位置にある請求項１又は２に記載の多段遠心圧縮機。
  4. 　前記第一端部は、前記外側湾曲壁面における最も径方向内側の端縁に位置し、前記第二端部は、前記内側湾曲壁面における前記外側湾曲壁面の最も径方向内側の端縁に対応する位置にある請求項１から３のいずれか一項に記載の多段遠心圧縮機。
  5. 　多段遠心圧縮機のケーシングであって、
    　軸線回りに回転するインペラから圧送された流体を径方向内側に向かって案内するリターン流路と、
    　該リターン流路の下流側に接続されて後段側のインペラに流体を転向させて導入する導入流路と、
    　前記リターン流路に周方向に間隔をあけて設けられたリターンベーンと、
    を備え、
    　前記導入流路は、前記リターン流路を形成する壁面のうち軸線方向下流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する外側湾曲壁面と、
    　前記リターン流路を形成する壁面のうち軸線方向上流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する内側湾曲壁面と、
    を有し、
    　前記リターンベーンの後縁における軸線方向下流側の第一端部が前記外側湾曲壁面に位置し、該リターンベーンの後縁における軸線方向上流側の第二端部が、前記内側湾曲壁面における前記外側湾曲壁面の径方向位置の範囲内に位置するケーシング。
  6. 　軸線回りに回転する複数のインペラを有する多段遠心圧縮機のリターン流路に周方向に間隔をあけて設けられるリーンベーンであって、
    　前記リターン流路は、前記多段遠心圧縮機の軸線方向下流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する外側湾曲壁面と、
    　前記多段遠心圧縮機の軸線方向上流側の壁面に連続するとともに径方向内側に向かうにしたがって軸線方向下流側に湾曲する内側湾曲壁面と、
    を有し、
    　後縁の軸線方向下流側の第一端部が前記外側湾曲壁面に位置し該後縁における軸線方向上流側の第二端部は、前記内側湾曲壁面における前記外側湾曲壁面の径方向位置の範囲内に位置するリターンベーン。
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