JP2010144698A

JP2010144698A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2010144698A
Application number: JP2008326058A
Authority: JP
Inventors: Seiko Umino; 聖子海野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】産業用遠心圧縮機１の小型化を図りつつ、チョーク流量の減少を抑えて、作動域を大流量側に拡大すること。
【解決手段】ケーシング３の内部におけるインペラ５の出口側に空気を減速させて昇圧する環状のディフューザ流路１７が形成され、ディフューザ流路１７内に空気を整流する複数のガイドベーン１９が周方向に沿って間隔を置いて配設され、ディフューザ流路１７の流路高さＨがディフューザ流路１７の径方向の外側に向かって漸次高くなっていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心力を利用して空気等のガスを圧縮する例えば産業用遠心圧縮機等の遠心圧縮機に関する。

プラント等に用いられる産業用遠心圧縮機（遠心圧縮機の一例）については作動域を拡大するために種々の研究がなされており、図５を参照して従来の産業用遠心圧縮機の構成等について簡単に説明する。ここで、図５は、従来の産業用遠心圧縮機の模式的な側断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図５に示すように、従来の産業用遠心圧縮機１０１は、ケーシング１０３を備えており、このケーシング１０３は、内側に、シュラウド１０３ｆを有している。また、ケーシング１０５のシュラウド１０３ｆ内には、インペラ１０５が回転可能に設けられており、このインペラ１０５には、ロータ軸１０７の一端部（前端部）が一体的に連結されている。

ケーシング１０３の前側部には、空気（ガスの一例）をインペラ１０５側へ吸入する吸入口１０９が形成されており、ケーシング１０３の内部におけるインペラ１０５の出口側（下流側）には、空気を減速させて昇圧する環状のディフューザ流路１１１が形成されている。また、ディフューザ流路１１１内には、空気を整流する複数のガイドベーン（ディフューザベーン）１１３が周方向に間隔を置いて配設されている。更に、ケーシング１０３の内部におけるディフューザ流路１１１の周縁側には、渦巻き状のスクロール流路１１５が形成されており、ケーシング１０３の適宜位置には、空気を吐出する吐出口１１７が形成されてあって、この吐出口１１７は、スクロール流路１１５を介してディフューザ流路１１１に連通してある。

従って、ロータ軸１０７を回転させて、インペラ１０５を一体的に回転させることにより、吸入口１０９からインペラ１０５側に吸入した空気を遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮された空気は、複数のガイドベーン１１３によって整流されつつ、ディフューザ流路１１１内において減速して昇圧され、スクロール流路１１５を経由して吐出口１１７から吐出される。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
特開平１０−１７６６９７号公報特開平１１−２９４３９２号公報

ところで、近年、設置スペースの削減等の理由から産業用遠心圧縮機１０１の小型化の要請が強まってきている。一方、ディフューザ流路１１１の内径を小さくして、産業用遠心圧縮機１０１の小型化を図ろうとすると、ディフューザ流路１１１の有効流路面積が小さく、空気のチョーク流量が減少して、作動域を大流量側に拡大することが困難になるという問題がある。

なお、前述の問題は、産業用遠心圧縮機だけでなく、過給機等に用いられる遠心圧縮機についても同様に生じるものである。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウドを有したケーシングと、前記ケーシングの前記シュラウド内に回転可能に設けられたインペラとを備え、前記ケーシングに前記インペラ側へガスを吸入する吸入口が形成され、前記ケーシングの内部における前記インペラの出口側（下流側）にガスを減速させて昇圧する環状のディフューザ流路が形成され、前記ディフューザ流路内にガスを整流する複数のガイドベーンが周方向に沿って間隔を置いて配設され、前記ケーシングにガスを吐出する吐出口が形成され、前記吐出口が前記ディフューザ流路に連通してあって、前記ディフューザ流路の流路高さが前記ディフューザ流路の径方向（換言すれば、前記インペラの径方向）の外側に向かって漸次高くなってあって、各ガイドベーンが前記ディフューザ流路の流路高さの変化に対応してコード方向に沿って漸次高くなっていることを要旨とする。

本発明の特徴によると、前記インペラを回転させることにより、前記吸入口から前記インペラ側に吸入したガスを遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮されたガスは、複数の前記ガイドベーンによって整流されつつ、前記ディフューザ流路内において減速して昇圧され、前記吐出口から吐出される（本発明の特徴による一般的な作用）。

また、前記ディフューザ流路の流路高さが前記径方向の外側に向かって漸次高くなってあって、各ガイドベーンが前記ディフューザ流路の流路高さの変化に対応してコード方向に沿って漸次高くなっているため、前記ディフューザ流路の内径を小さくしても、周方向に隣接関係にある前記ガイドベーン間のスロート部の有効流路面積を大きくして、前記ディフューザ流路の有効流路面積を十分に確保することができる（本発明の特徴による特有の作用）。

本発明によれば、前記ディフューザ流路の径を小さくしても、周方向に隣接関係にある前記ガイドベーン間のスロート部の有効流路面積を大きくして、前記ディフューザ流路の有効流路面積を十分に確保できるため、前記遠心圧縮機の小型化を図りつつ、ガスのチョーク流量の減少を抑えて、作動域を大流量側に拡大することができる。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。ここで、図１は、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機の模式的な側断面図、図２は、隣接関係にあるガイドベーン間のスロート部を示す模式的な斜視図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図１に示すように、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機１は、プラント等に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）を圧縮するものである。そして、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機１の具体的な構成は、以下のようになる。

産業用遠心圧縮機１は、ケーシング３を備えており、このケーシング３は、内側に、シュラウド３ｆを有している。また、ケーシング３は、別のケーシング（図示省略）に一体的に取付られている。

ケーシング３のシュラウド３ｆ内には、インペラ５が回転可能に設けられている。具体的には、ケーシング３のシュラウド３ｆ内には、ハブ７が設けられており、このハブ７の外周面は、軸心方向（ハブ７の軸心方向、換言すれば、インペラ５の軸心方向）から徐々にハブ７の径方向（換言すれば、インペラ５の径方向）の外側に向かって延びている。また、ハブ７は、別のケーシングに回転可能に設けられたロータ軸９の一端部（前端部）に一体的に連結されてあって、ハブ７の軸心（換言すれば、インペラ５の軸心）周りに回転可能である。更に、ハブ７の外周面には、複数枚（１枚のみ図示）のフルブレード（長ブレード）１１及び複数枚（１枚のみ図示）のスプリッタブレード（短ブレード）１３が周方向に間隔を置いて交互に設けられている。ここで、フルブレード１１の前縁は、スプリッタブレード１３の前縁よりも上流側に位置してあって、フルブレード１１の外縁及びスプリッタブレード１３の外縁は、ケーシング３のシュラウド３ｆに沿うように延びている。なお、軸長の異なる２種類のブレード１１，１３を用いる代わりに、軸長の同じブレードを用いても構わない。

ケーシング３の前側部には、空気をインペラ５側へ吸入する吸入口１５が形成されており、ケーシング３の内部におけるインペラ５の出口側（下流側）には、空気を減速させて昇圧する環状のディフューザ流路１７が形成されている。また、ディフューザ流路１７内には、空気を整流する複数のガイドベーン（ディフューザベーン）１９が周方向に間隔を置いて配設されている。更に、ケーシング３の内部におけるディフューザ流路１７の周縁側には、渦巻き状のスクロール流路２１が形成されており、ケーシング３の適宜位置には、空気を吐出する吐出口２３が形成されてあって、この吐出口２３は、スクロール流路２１を介してディフューザ流路１７に連通してある。

次に、第１実施形態の要部について説明する。

ディフューザ流路１７の全領域のうち、複数のガイドベーン１９を配設したベーン配設領域１７ａのみの流路高さＨ（図１において左右方向の長さ）がディフューザ流路１７の径方向（換言すれば、インペラ５の径方向）の外側に向かって漸次高くなるように、ディフューザ流路１７のベーン配設領域１７ａのシュラウド側壁面は、ディフューザ流路１７の径方向に対して曲線状又は直線状に傾斜している。また、各ガイドベーン１９は、ディフューザ流路１７の流路高さＨの変化に対応してコード方向に沿って漸次高くなっている。ここで、シュラウド側壁面とは、ケーシング３のシュラウド３ｆに沿った壁面のことをいう。

ディフューザ流路１７の全領域のうち、ベーン配設領域１７ａとインペラ５との間のベーン入口領域１７ｂは、ディフューザ流路１７の径方向の外側に向かって絞られてあって、換言すれば、ディフューザ流路１７のベーン入口領域１７ｂの流路高さＨは、ディフューザ流路１７の径方向の外側に向かって漸次低くなっている。また、ディフューザ流路１７の全領域のうち、ベーン配設領域１７ａとスクロール流路２１との間のベーン出口領域１７ｃの流路高さＨは、一定になっている。なお、ディフューザ流路１７のベーン入口領域１７ｂの流路高さＨを一定にしたり、ディフューザ流路１７のベーン出口領域１７ｃの流路高さＨをディフューザ流路１７の径方向の外側に向かって漸次高くなるようにしても構わない。

続いて、第１実施形態の作用及び効果について説明する。

モータ（図示省略）等の駆動によってロータ軸９を回転させて、インペラ５を一体的に回転させることにより、吸入口１５からインペラ５側に吸入した空気を遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮された空気は、複数のガイドベーン１９によって整流されつつ、ディフューザ流路１７内において減速して昇圧され、スクロール流路２１を経由して吐出口２３から吐出される（第１実施形態の一般的な作用）。

ディフューザ流路１７のベーン配設領域１７ａのみの流路高さＨがディフューザ流路１７の径方向の外側に向かって漸次高くなってあって、各ガイドベーン１９がディフューザ流路１７の流路高さＨの変化に対応してコード方向に沿って漸次高くなっているため、ディフューザ流路１７の内径を小さくしても、図２に示すように、周方向に隣接関係にあるガイドベーン１９間のスロート部Ｓの有効流路面積を大きくして、ディフューザ流路１７の有効流路面積を十分に確保することができると共に、ディフューザ流路１７内における渦流の発生を抑制することができる。また、ディフューザ流路１７のベーン入口領域１７ｂがディフューザ流路１７の径方向の外側に向かって絞られているため、ディフューザ流路１７のシュラウド側壁面付近における低エネルギ流体の発達を抑制することができる（第１実施形態の特有の作用）。

従って、第１実施形態によれば、ディフューザ流路１７の内径を小さくしても、周方向に隣接関係にあるガイドベーン１９間のスロート部Ｓの有効流路面積を大きくして、ディフューザ流路１７の有効流路面積を十分に確保できるため、産業用遠心圧縮機１の小型化を図りつつ、空気のチョーク流量の減少を抑えて、作動域を大流量側に拡大することができる。

また、ディフューザ流路１７内における渦流の発生及びディフューザ流路１７のシュラウド側壁面付近における低エネルギ流体の発達をそれぞれ抑制できるため、ディフューザ流路１７内におけるエネルギ損失を低減して、産業用遠心圧縮機１の効率（圧縮機効率）を高めることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について図３を参照して説明する。ここで、図３は、第２実施形態に係る産業用遠心圧縮機の模式的な側断面図である。

図３に示すように、第２実施形態に係る産業用遠心圧縮機２５は、遠心力を利用して空気を圧縮するものであって、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機１と同様の構成を有しており、第２実施形態に係る産業用遠心圧縮機２５の具体的な構成のうち、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機１の具体的な構成と異なる部分について説明する。なお、第２実施形態に係る産業用遠心圧縮機２５における複数の構成要素のうち、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機１における構成要素と対応するものについては、図中に同一番号を付して、説明を省略する。

即ち、ディフューザ流路１７のベーン配設領域１７ａのみの流路高さＨがディフューザ流路１７の径方向の外側に向かって漸次高くなるように、ディフューザ流路１７のベーン配設領域１７ａのハブ側壁面は、ディフューザ流路１７の径方向に対して曲線状又は直線状に傾斜している。また、各ガイドベーン１９は、ディフューザ流路１７の流路高さＨの変化に対応してコード方向に沿って漸次高くなっている。ここで、ハブ側壁面とは、インペラ５のハブ７の背面に対向する壁面のことをいう。

そして、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の作用及び効果を奏するものである。

（第３実施形態）
第３実施形態について図４を参照して説明する。ここで、図４は、第３実施形態に係る産業用遠心圧縮機の模式的な側断面図である。

図４に示すように、第３実施形態に係る産業用遠心圧縮機２７は、遠心力を利用して空気を圧縮するものであって、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機１と同様の構成を有しており、第３実施形態に係る産業用遠心圧縮機２７の具体的な構成のうち、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機１の具体的な構成と異なる部分について説明する。なお、第３実施形態に係る産業用遠心圧縮機２７における複数の構成要素のうち、第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機１における構成要素と対応するものについては、図中に同一番号を付して、説明を省略する。

即ち、ディフューザ流路１７のベーン配設領域１７ａのみの流路高さＨがディフューザ流路１７の径方向の外側に向かって漸次高くなるように、ディフューザ流路１７のベーン配設領域１７ａのシュラウド側壁面及びハブ側壁面は、ディフューザ流路１７の径方向に対して曲線状又は直線状に傾斜している。また、各ガイドベーン１９は、ディフューザ流路１７の流路高さＨの変化に対応してコード方向に沿って漸次高くなっている。

そして、第３実施形態においても、第１実施形態と同様の作用及び効果を奏するものである。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

第１実施形態に係る産業用遠心圧縮機の模式的な側断面図である。隣接関係にあるガイドベーン間のスロート部を示す模式的な斜視図である。第２実施形態に係る産業用遠心圧縮機の模式的な側断面図である。第３実施形態に係る産業用遠心圧縮機の模式的な側断面図である。一般的な産業用遠心圧縮機の模式的な側断面図である。

符号の説明

１産業用遠心圧縮機
３ケーシング
３ｆシュラウド
５インペラ
７ハブ
１１フルブレード
１３スプリッタブレード
１５吸入口
１７ディフューザ流路
１７ａベーン配設領域
１７ｂベーン入口領域
１７ｃベーン出口領域
１９ガイドベーン
Ｓスロート部
２１スクロール流路
２３吐出口
２５産業用遠心圧縮機
２７産業用遠心圧縮機

Claims

遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、
内側にシュラウドを有したケーシングと、
前記ケーシングの前記シュラウド内に回転可能に設けられたインペラとを備え、
前記ケーシングに前記インペラ側へガスを吸入する吸入口が形成され、前記ケーシングの内部における前記インペラの出口側にガスを減速させて昇圧する環状のディフューザ流路が形成され、前記ディフューザ流路内にガスを整流する複数のガイドベーンが周方向に沿って間隔を置いて配設され、前記ケーシングにガスを吐出する吐出口が形成され、前記吐出口が前記ディフューザ流路に連通してあって、
前記ディフューザ流路の流路高さが前記ディフューザ流路の径方向の外側に向かって漸次高くなってあって、各ガイドベーンが前記ディフューザ流路の流路高さの変化に対応してコード方向に沿って漸次高くなっていることを特徴とする遠心圧縮機。
前記ディフューザ流路の全領域のうち、複数の前記ガイドベーンを配設したベーン配設領域の流路高さのみが前記径方向の外側に向かって漸次高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記ディフューザ流路の全領域のうち、複数の前記ガイドベーンを配設したベーン配設領域と前記インペラとの間のベーン入口領域は、前記径方向の外側に向かって絞られていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。
前記ディフューザ流路の流路高さが前記径方向の外側に向かって漸次高くなるように、前記ディフューザ流路のシュラウド側壁面は、前記径方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の遠心圧縮機。
前記ディフューザ流路の流路高さが前記径方向の外側に向かって漸次高くなるように、前記ディフューザ流路のハブ側壁面は、前記径方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載の遠心圧縮機。