JP2009174350A - 遠心圧縮機およびそれに用いるディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】
遠心圧縮機において、広い回転速度範囲で運転しても、強い共鳴の発生を防止する。
【解決手段】
遠心圧縮機用ディフューザ２は、遠心羽根車１の外周部に配置される。このディフューザは複数の羽根を有する静止円形翼列である。静止円形翼列は、内周側に配置され複数の第１の羽根２ａを有する第１の円形翼列と外周側に配置され複数の第２の羽根２ｂを有する第２の円形翼列とから構成されている。第１および第２の羽根は、シュラウド側に配置された高さがともにディフューザ流路高さの半分以下の羽根である。第１の羽根の枚数は第２の羽根の枚数より多い。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機およびそれに用いるディフューザに係り、特に高比速度の圧縮機に好適なディフューザに関する。

羽根付きディフューザを有する従来の遠心圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、遠心羽根車の下流側であって外径側に、ほぼ平行壁からなる羽根なしディフューザ部が配置されている。そして、羽根無しディフューザ部の最内周側を基点として、羽根高さがディフューザ流路幅の１／５〜１／２である多数枚の導流翼を、周方向に間隔をおいて、半径方向にわずかな距離だけ延ばして形成している。この導流翼は、羽根車の側板に対応する壁面（以下、側板側と称す）にだけ、または側板側と、この側板側に対向する側（以下、心板側と称す）の双方に設けられている。

羽根付きディフューザを有する従来の遠心圧縮機の他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、遠心羽根車の下流側であって外径側に形成されたほぼ平行壁からなる羽根無しディフューザ部に、ディフューザ流路幅の１／３〜１／５の案内羽根を周方向に間隔をおいて、多数枚設けている。その際、案内羽根を半径方向に２段に設け、内径側の案内羽根は側板側に位置し半径方向位置が羽根車外径の１．２〜１．３倍の位置までに、外径側の案内羽根は心板側に位置し、内径側の案内羽根が終了した半径位置を基点としている。

羽根付きディフューザを有する従来の遠心圧縮機のさらに他の例が、特許文献３に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、羽根車の下流側であって内径側に円環翼列からなる１列目案内羽根を、この１列目案内羽根の外径側に円環翼列からなる２列目の案内羽根を配置している。そして、１列目案内羽根の枚数を２列目の案内羽根枚数より多くしている。

特開昭５６−２９０９９号公報 特開昭６１−３８１９８号公報 特開平６−３０７３９２号公報

遠心圧縮機に用いる羽根付きディフューザは、羽根なしディフューザに比べて高効率を期待できるという長所を有する半面、作動範囲が狭くなったり、騒音がやや増大するという不具合を引き起こすことがある。上記特許文献１や特許文献２に記載の遠心圧縮機では、ディフューザの羽根高さが、流路幅よりも格段に低い羽根、すなわち部分高さの羽根を有しており、高比速度の羽根車と組合わせると、特に、効率が向上し作動範囲の低下を抑制可能である。

この理由は、高比速度の羽根車では、羽根車の出口幅にほぼ等しいディフューザの流路幅が相対的に広くなり、その結果羽根車における流路の曲率が増大するためである。羽根車内流路の曲率が増大すると、羽根車出口では羽根車内を通過した作動流体の流れが心板側に偏りやすく、ディフューザ入口での流れの歪が大きくなる。これにより、流路高さ方向に非一様な流れが生じる。

特許文献３で示したような流路幅とほぼ同じ羽根高さを有する羽根付きディフューザが、羽根で積極的に流れを転向および減速させるのに対して、部分高さの羽根を有する羽根付きディフューザでは、デイフューザの出入口の羽根角度を、ほぼ羽根車出口の平均流れ角に合わせ、流れの歪の程度に応じて羽根高さを変えている。これにより、ディフューザ効率を高効率に保つとともに、流路幅とほぼ同じ羽根高さを有する羽根付ディフューザよりも騒音を低減を図っている。

しかしながら、部分高さの羽根を有するディフューザを用いても、羽根車を出た高速の流れがディフューザに流入すると、動静翼干渉により作動流体が加振される。そして、流体の加振モードと周波数が圧縮機内部空間の固有振動数および固有モードに一致すると、共鳴により騒音が高くなる。回転速度を広い範囲で変化させる遠心圧縮機で特に問題となるのは、運転回転速度範囲内に翼通過周波数成分に相当する音響固有値が存在して、強い共鳴を発生させることである。

流体振動の１つの周方向モードに対して、複数の音響固有値があるので、広い回転速度範囲で運転される圧縮機では、運転範囲内に音響固有値が存在する可能性が高くなる。その結果、過渡的な回転速度変化は除いても、回転速度を変えた定常運転を継続すると、共鳴により騒音が大きくなるという不具合が発生する恐れがある。その上、遠心圧縮機の効率や作動範囲という流体性能のさらなる改善が、常に要求されている。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、広い回転速度範囲で運転される圧縮機においても、強い共鳴の発生を防止することにある。また本発明の他の目的は、部分高さの羽根付きディフューザを用いて、性能を向上させることにある。そして、これらを特に高比速度の羽根車を使用する遠心圧縮機で達成することを目的の一つとする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、遠心羽根車の外周部に配置され、複数の羽根を有する静止円形翼列である遠心圧縮機用ディフューザにおいて、静止円形翼列は内周側に配置され複数の第１の羽根を有する第１の円形翼列と外周側に配置され複数の第２の羽根を有する第２の円形翼列とから構成されており、第１および第２の羽根は、シュラウド側に固定された高さがともにディフューザ流路高さの半分以下の羽根であり、第１の羽根の枚数を第２の羽根の枚数より多くしたことにある。

そしてこの特徴において、第１の羽根の羽根枚数を、羽根車の羽根枚数よりも多くするのが好ましく、第１の羽根の羽根枚数が第２の羽根の羽根枚数の２倍以上であるのがさらに好ましい。また、第１の羽根の前縁位置を羽根高さ方向に変化させ、シュラウド側の半径方向位置を、羽根先端部の半径方向位置より内径側にしてもよく、第２の羽根が第１の羽根に連続して形成されていてもよい。第１の羽根の羽根枚数が羽根車の羽根枚数よりも１０枚以上多く構成されているのが、さらに望ましい。

本発明によれば、２段の部分高さ羽根付きディフューザ（リブ付きディフューザ）を用い、上段側の羽根枚数を下段側の羽根枚数よりも多くしたので、遠心圧縮機の広い運転回転速度範囲にわたり、共鳴を回避できる。また、遠心圧縮機の流体性能を向上できる。

以下、本発明に係る遠心圧縮機の一実施例を、図面を用いて説明する。図１は、遠心圧縮機１０の主要部の縦断面図である。遠心圧縮機１０では、高速で回転する回転軸３に、多数の羽根１ｂを有する遠心羽根車１が取り付けられている。遠心羽根車１の半径方向外方には、円環状に形成されたディフューザ２が取り付けられている。ディフューザ２の下流側には、らせん状に形成され周方向に断面積が変化するスクロールケーシング４が取り付けられている。羽根車１の軸方向吸込み側には、吸込みケーシング５が取り付けられている。ディフューザ２には、周方向に間隔をおいて、多数の羽根２ａ、２ｂが設けられている。羽根２ａ、２ｂの高さは、羽根車１の出口幅とほぼ同程度に形成されるディフューザ２の流路幅に比べて、高さが低い部分高さになっている。

このように構成した遠心圧縮機１０では、吸込みケーシング５から導かれた作動流体の流れが、軸方向流れから次第に半径方向へ傾いた流れ７へと変化して、羽根車１へ流入する。羽根車１に流入した流れは、羽根車１で回転速度成分の運動エネルギを与えられるとともに昇圧され、羽根車１の下流側に配置したディフューザ２へ導かれる。ディフューザ２に流入した流れは、ディフューザ２内で減速し、動圧成分の一部が静圧に変換される。すなわち、静圧が上昇して静圧回復し、スクロール４に流入する。スクロール２では、ディフューザ２の全周からの流れを順次集めて図示しない吐出配管へ導き、吐出配管から圧縮機１０の外部へ吐出する。

図１に示した圧縮機１０の羽根車１およびディフューザ２部について、羽根車１のシュラウド壁１ｂおよびディフューザ２のシュラウド壁２ｄを取り除いて、吸込み側から軸方向視した様子を、図２に示す。羽根車１は、右方向に回転６している。この図２では、羽根車１の羽根形状は、いわゆる３次元羽根である。３次元羽根は、設計点での流量係数が大きいまたは比速度が大きい羽根車に好適である。

羽根車１に流入した流れは、羽根１ａ、１ａ間に形成される流路１ｃを流通する際に、羽根車１から運動エネルギを付与されるとともに、その流出方向を定められる。本実施例の場合には、右回りの方向７に流出する。ここで、ディフューザ２は、部分羽根高さに形成された２種の羽根２ａ、２ｂを内外周側に有している。

内周側に配置されるディフューザ羽根２ａは、右方向に曲がった滑らかな曲線形状をしており、羽根車１の羽根１ａよりも枚数が多い。本実施例では、羽根車１の羽根枚数よりも１０枚多い。外周側に配置されるディフューザ羽根２ｂも右方向に曲がった滑らかな曲線形状をしており、内周側に配置されたディフューザ羽根２ａよりも枚数が少ない。本実施例では、内周側の羽根２ａの枚数の半分の羽根枚数となっている。

外周側のディフューザ羽根２ｂの内周端側は、内周側のディフューザ羽根２ａの外周端に、接続している。なお、ここで接続とは、少しの隙間を許容するものも含む。さらに、内周側のディフューザ羽根２ａの先端の半径位置と後端の半径位置の差は、外周側のディフューザ羽根２ｂの先端の半径位置と後端の半径位置の差に比べて短い。すなわち羽根２ａの長さは、羽根２ｂの長さよりも短い。

羽根車１の羽根１ａの羽根枚数および内外周側のディフューザ羽根２ａ、２ｂの羽根枚数を上記の関係とすることにより、騒音が低下しディフューザの性能も向上する。具体的には、以下の通り、騒音が低下する。

羽根車１を流出した高速の流れが、流出直後にその一部がディフューザ２の羽根２ａに衝突する。このとき、動翼である羽根車の羽根１ａと静翼であるディフューザ羽根２ａとに起因する動静翼干渉が生じ、流れに圧力変動が生じる。生じた流れの圧力変動は、加振源（音源）となり、ある条件では、圧縮機１０の内部で共鳴が生じる。動静翼干渉時の流体加振の周波数は、翼通過周波数であり、周方向モード次数、すなわち直径節の数は、動翼と静翼の羽根枚数差、すなわち羽根車１の羽根１ａの枚数と内周側のディフューザ羽根２ａの羽根枚数の差となる。共鳴が生じるときには、加振周波数およびモードが、圧縮機１０の内部空間の音響固有値とそのモードに一致していると推定される。

そこで、動静翼干渉を生じる部分のディフューザ、すなわち内周側のディフューザ２ａの羽根枚数を多くして、動静翼干渉による流体加振の周方向モード次数を大きくしている。空間の音響固有値は、モード次数が大きいほど高いので、羽根枚数差が大きくなれば、共鳴周波数が高くなる。共鳴の音源となる周波数は、圧縮機１０の運転回転速度で定まる翼通過周波数であるから、共鳴周波数が翼通過周波数に比べて大きければ、圧縮機１０の運転範囲外に音響固有値を位置させることができる。またモード次数が大きければ、主流の流れ等により音波の波面が乱されやすくなり、共鳴条件が成立しても強い共鳴にはなりにくいと推定される。

上記推定および実験的知見から、本実施例では羽根枚数の差を１０枚としている。なお、周方向モード次数が１０以上になると、一般的な産業用圧縮機では、運転回転速度範囲に音響固有値が存在しないか、あるいはその数が極めて少なくなる。したがって、そのような場合には、共鳴が生じる可能性は極めて小さい。また、万一共鳴条件が成立しても、モード次数が大きい共鳴固有値では、強い共鳴が生じない。

上記は、騒音低減の効果についてであるが、次に、内外周側の２種のディフューザ羽根（リブ）２ａ、２ｂを用いた圧縮機１０の性能向上について説明する。単一種類のディフューザ羽根（リブ）しか有していない従来のディフューザでは、羽根車を出た流れの半径方向速度成分は、シュラウド側で極端に小さく、半径方向速度成分が最大となる位置が、流路の軸方向でハブ側に偏った歪んだ速度分布となる。そして、シュラウド側壁面近傍を除けば、軸方向に対称分布に近づいた分布となっている。半径方向速度成分が最大となる位置がハブ側に偏る量、すなわち流れの非一様性は、羽根車の比速度が大きいほど顕著になる。

従来の部分高さの羽根（リブ）を有する圧縮機では、羽根車を出た直後の非一様な流れを、部分高さの羽根の作用により一様化している。部分高さの羽根を有することにより、シュラウド側に生じる半径方向速度成分の遅い流れ領域を徐々に低減し、ディフューザ羽根（リブ）の後端では、シュラウド壁面のごく近傍の一部を除いて、半径方向速度成分は流路の軸方向にほぼ均一な流れ分布となる。これが、ディフューザ羽根（リブ）の効果であり、これと反対に羽根無しディフューザにおいては、羽根車を出た軸方向に偏った流れは、下流にいくに従いその歪みが強調され、むしろディフューザ出口ではシュラウド近傍に逆流域を生じる。この逆流域の形成のため、羽根無しディフューザ内の流れは減速されず、圧縮機１０の性能が著しく低下する。

このように従来の部分高さの羽根を有するディフューザでも、ディフューザ入口から出口まで流れが流通する間に、歪んだ流れは一様化され、出口の速度分布をほぼ一様にすることが可能である。その結果、羽根のない羽根無しディフューザを用いた場合に比べて、ディフューザ出口の平均速度を低下させ、下流に配置するスクロールの損失を大幅に低減することができる。しかしながら、ディフューザ中間部における速度分布は、軸方向に充分には一様化されていないので、このディフューザ中間部での流れを改善すれば、ディフューザの全体の効率をさらに向上させることができるものと推測される。

そこで、本発明では上述したように、内外周側に２種の部分高さの羽根２ａ、２ｂを設けて、ディフューザの中間部における速度分布を改善している。この様子を図３に示す。内周側のディフューザ羽根２ａの枚数を羽根車１の羽根１ａの枚数より多くして、羽根車１を出た流れが、羽根２ａ間の流路に流入して羽根２ａに沿う流れとする。この羽根車１を出た流れの中で、羽根２ａに沿う流れが増えれば増えるほど、ディフューザ２の中間部における流れの一様化が促進される。すなわち、羽根車１出口で流れの半径方向速度分布が、分布８ａであったものが、ディフューザ２の中間部では分布８ｂに改善される。

ディフューザ２の中間部までで流れが改善されたので、ディフューザ２の中間部から出口部まではこの改善された流れを維持しながら、できるだけ流れの損失を減らすことが望まれる。部分高さとは言え、羽根があれば羽根表面と流れとの間に摩擦損失が生じる。そこで、流れの一様性が改善された後では、流れ状態を一様化したまま流れを下流側に導くために必要な最小量の羽根だけをディフューザに設ける。

本実施例では、中間部までの内周側羽根２ａの半分の枚数の羽根２ｂを、外周側に設けている。これにより、羽根２ｂ表面の流れの摩擦を低減している。なお、内周側羽根２ａと、外周側羽根２ｂとは、できるだけ滑らかに接続されるよう、羽根２ａの後端と羽根２ｂの前端とは、その周方向位置をそろえ、周方向位置の違いによる新たな流れの乱れの発生を抑制している。このようにディフューザ２の内部の流れを早い段階で一様化すると、ディフューザ２での減速や静圧回復が改善され、圧縮機１０の効率も向上する。

図４に、内周側のディフューザ２の羽根２ａの枚数を、図２に示した実施例よりもさらに多くし、羽根車１の羽根１ａの枚数との羽根枚数差を１２としたものの軸方向視を示す。共鳴音響固有値を、圧縮機１０の運転回転速度範囲から外すことを可能にしている。内周側の羽根２ａ枚数が増したので、流れをより早い段階で一様化でき、また一様化も向上するので、外周側に配置する羽根２ｂの羽根枚数を、内周側の羽根２ａの羽根枚数の１／３にしている。

なお、図４に示した実施例では内周側のディフューザの羽根２ａと外周側の羽根２ｂを別々に加工しているが、外周側の羽根２ｂの位置に対応する（接続する）内周側の羽根２ａを、一体で加工することもできる。

上記各実施例では、ディフューザ２の内周側羽根２ａの前縁部を、羽根車１の回転軸に対して斜めに傾いた形状としている。これは羽根車１から流出する高速の流れが、ディフューザ２に流入して羽根２ａに衝突する際の不具合を解消するためである。ディフューザ羽根２ａの前縁を傾けることにより、羽根２ａの高さ方向（流路の幅方向）に衝突のタイミングが変化し、動静翼干渉による圧力変動が緩和される。これにより、共鳴に関しては、音源の音量が小さくなり、共鳴騒音が小さくなる。

上記各実施例では、特に部分高さについては言及していないが、羽根２ａ，２ｂの羽根高さは、流路幅の１／５〜１／２が流体性能面から好ましく、羽根２ａと羽根２ｂとではその高さが同一であることが流れを乱さないので望ましい。また、羽根２ａと羽根２ｂとの接続位置は、ディフューザ２の羽根の内外径位置の中央位置よりも、内周側の方が羽根による摩擦損失の増大を防止できるので、好ましい。特に内周側の羽根２ａの羽根枚数が多くなればなるほど、内外径中央位置よりも内周側に接続点を近づけて、摩擦損失の低減を図るのが良い。また、本発明は流れの乱れを早期に是正するので、流れの乱れの大きい高比速度羽根車において、その効果が顕著となる。

上記実施例では、内周側の羽根と外周側の羽根を分割する構造としているが、内周側の羽と外周側の羽根とを連続した羽根とし、ない周側にこの連続した羽根よりも短い長さの羽根を配置するようにしても良い。その場合でも、羽根高さは部分高さとして、摩擦損失を低減する。

本発明に係る遠心圧縮機の一実施例の縦断面図である。 図１に示した遠心圧縮機の正面図であり、側板側面を取り除いた図。 図１に示した遠心圧縮機のディフューザ部の詳細縦断面図及びディフューザ部の流れ分布を説明する図である。 本発明に係る遠心圧縮機の他の実施例の正面図であり、図２と同旨の図である。

符号の説明

１…羽根車、１ａ…羽根車の羽根、２…ディフューザ、２ａ…内周側の羽根（第１の羽根）、２ｂ…外周側の羽根（第２の羽根）、２ｃ…羽根なしディフューザ、３…回転軸、４…スクロール、５…吸込ケーシング、６…回転方向、７…流れ（主流）の方向、８ａ…ディフューザ入口部の半径方向速度分布、８ｂ…ディフューザ中間部の半径方向速度分布、８ｃ…ディフューザ出口部の半径方向速度分布、１０…遠心圧縮機。

Claims (6)

1. 遠心羽根車の外周部に配置され、複数の羽根を有する静止円形翼列である遠心圧縮機用ディフューザにおいて、前記静止円形翼列は内周側に配置され複数の第１の羽根を有する第１の円形翼列と外周側に配置され複数の第２の羽根を有する第２の円形翼列とから構成されており、前記第１および第２の羽根は、シュラウド側に配置された高さがともにディフューザ流路高さの半分以下の羽根であり、前記第１の羽根の枚数を第２の羽根の枚数より多くしたことを特徴とする遠心圧縮機用ディフューザ。
2. 前記第１の羽根の羽根枚数を、羽根車の羽根枚数よりも多くしたことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機用ディフューザ。
3. 前記第１の羽根の羽根枚数が第２の羽根の羽根枚数の２倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機用ディフューザ。
4. 前記第１の羽根の前縁位置を羽根高さ方向に変化させ、シュラウド側の半径方向位置を、羽根先端部の半径方向位置より内径側としたことを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機用ディフューザ。
5. 前記第２の羽根が前記第１の羽根に連続して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機用ディフューザ。
6. 前記第１の羽根の羽根枚数が羽根車の羽根枚数よりも１０枚以上多く構成されていることを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機用ディフューザ。

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