JP2021011828A - 多段遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】多段遠心圧縮機における効率低下を抑制する。【解決手段】少なくとも一実施形態に係る多段遠心圧縮機は、軸方向に配列された複数段のインペラと、インペラを囲うケーシングと、インペラから排出される作動流体を径方向外側に向かって案内するためのディフューザ流路と、を備え、軸方向に沿った断面において、ディフューザ流路を挟んで軸方向にて対向する一対のディフューザ壁面のうちハブ側の第１ディフューザ壁面は、第１ディフューザ壁面の上流側に位置して第１ディフューザ壁面に連なる第１上流側壁面の下流端における該第１上流側壁面の接線方向を基準として、第１上流側壁面の下流端との接続位置から径方向外側に向かってハブ側に後退する後退面を有する。【選択図】図４

Description

本開示は、多段遠心圧縮機に関する。

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。この多段遠心圧縮機は、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（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８−１７３０２０号公報

このような多段遠心圧縮機では、リターン流路を挟んで軸方向にて対向する一対の壁面を有する。また、このような多段遠心圧縮機では、ディフューザ流路を挟んで軸方向にて対向する一対のディフューザ壁面を有する。一対のディフューザ壁面のうちハブ側の壁面を第１ディフューザ壁面とも呼ぶ。
多段遠心圧縮機では、リターン流路における一対の壁面のうち、上記第１ディフューザ壁面に連なる壁面において作動流体の剥離が生じることがある。
このような剥離は遠心圧縮機の効率低下を招くため、出来るだけ抑制することが望まれている。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも一実施形態は、多段遠心圧縮機における効率低下を抑制することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る多段遠心圧縮機は、
軸方向に配列された複数段のインペラと、
前記インペラを囲うケーシングと、
前記インペラから排出される作動流体を径方向外側に向かって案内するためのディフューザ流路と、を備え、
前記軸方向に沿った断面において、前記ディフューザ流路を挟んで前記軸方向にて対向する一対のディフューザ壁面のうちハブ側の第１ディフューザ壁面は、前記第１ディフューザ壁面の上流側に位置して前記第１ディフューザ壁面に連なる第１上流側壁面の下流端における該第１上流側壁面の接線方向を基準として、前記第１上流側壁面の前記下流端との接続位置から径方向外側に向かってハブ側に後退する後退面を有する。

上述したように、多段遠心圧縮機では、リターン流路における一対の壁面のうち、上記第１ディフューザ壁面に連なる壁面において作動流体の剥離が生じることがある。発明者らが鋭意検討した結果、この剥離は、インペラのチップ側にカバーが設けられていない、いわゆるオープンインペラを用いた場合に発生し易いことが判明した。
具体的には、遠心圧縮機のインペラとしてオープンインペラを用いた場合、インペラのチップ側の先端とケーシングとの間にチップクリアランスを設ける。そのため、このチップクリアランスが存在することで、インペラの出口側において作動流体の流速がハブ側よりもチップ側で低下する傾向が見られる。このインペラの出口側における作動流体の流速の差は、ディフューザ流路における作動流体の流速にも影響を及ぼし、ディフューザ流路の出口において上記第１ディフューザ壁面の近傍における流速よりも上記一対のディフューザ壁面のうちチップ側の壁面（以下第２ディフューザ壁面とも呼ぶ）の近傍における流速の方が低くなる傾向が見られる。

多段遠心圧縮機では、ディフューザ流路とリターン流路とは、リターンベンドで接続されている。第１ディフューザ壁面はリターンベンドにおける径方向内側の壁面に連なり、第２ディフューザ壁面はリターンベンドにおける径方向外側の壁面に連なっている。
ディフューザ流路から径方向外側に向かって流出した作動流体は、リターンベンドで径方向内側に向かうように流れの向きが変更されてリターン流路に流入する。その際、第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体の流速が、第２ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体の流速よりも早いと、第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体がリターンベンドで十分に流れの向きを変えることができなくなる。その結果、リターン流路における一対の壁面のうち、リターンベンドにおける径方向内側の壁面に連なる壁面、すなわち第１ディフューザ壁面に連なる壁面において作動流体が剥離し易くなる。

発明者らが鋭意検討した結果、第１ディフューザ壁面が上述したような後退面を備えることで、ディフューザ流路における入口側の領域において、ハブ側の流路断面積を増やすことができる。そのため、第１ディフューザ壁面が上述したような後退面を備えていない場合と比べて、ディフューザ流路における入口側の領域において第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体の流速を抑制できる。これにより、第１ディフューザ壁面の近傍における流速と第２ディフューザ壁面の近傍における流速との差を抑制できるので、第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体がリターンベンドで流れの向きを変え易くなる。したがって、リターン流路において、上記径方向内側の壁面に連なる壁面、すなわち第１ディフューザ壁面に連なる壁面における作動流体の剥離を抑制できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記第１ディフューザ壁面は、前記後退面よりも前記径方向外側に位置する第１外側壁面を有し、
前記第１外側壁面は、
前記軸方向に沿った断面において、前記第１外側壁面の下流端が前記第１外側壁面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分上、又は、該線分よりも前記ハブ側に後退した位置に配置され、
前記軸方向に沿った断面において、前記第１外側壁面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記第１外側壁面の下流端へ向かう線分とのなす角度が前記後退面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度よりも小さい。

上記（２）の構成によれば、後退面は径方向に対して軸方向に傾いているが、第１外側壁面は後退面よりも軸方向への傾きが抑制されることとなる。これにより、第１外側壁面の軸方向への傾きが抑制されていない場合と比べて、第１外側壁面の下流端を軸方向上流側の位置に配置できる。したがって、多段遠心圧縮機における回転軸の長さを抑制できるので、回転軸の振動発生を抑制できる。また、多段遠心圧縮機における回転軸の長さを抑制できるので、多段遠心圧縮機の軸方向寸法が大きくなってしまうことを抑制できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記第１ディフューザ壁面は、前記後退面よりも前記径方向外側に位置する第１外側壁面を有し、
前記第１外側壁面は、
前記軸方向に沿った断面において、前記第１外側壁面の下流端が前記第１外側壁面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分よりもチップ側に突出した位置に配置されている。

上記（３）の構成によれば、第１外側壁面の下流端を第１外側壁面の上流端を起点として径方向外側へ向かう線分よりも軸方向上流側の位置に配置できる。これにより、第１外側壁面の下流端が該線分よりも軸方向下流側の位置に配置されている場合と比べて、第１外側壁面の下流端を軸方向上流側の位置に配置できる。したがって、多段遠心圧縮機における回転軸の長さを抑制できるので、回転軸の振動発生を抑制できる。また、多段遠心圧縮機における回転軸の長さを抑制できるので、多段遠心圧縮機の軸方向寸法が大きくなってしまうことを抑制できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記一対のディフューザ壁面のうちチップ側の第２ディフューザ壁面は、前記第２ディフューザ壁面の上流側に位置して前記第２ディフューザ壁面に連なる第２上流側壁面の下流端における該第２上流側壁面の接線方向を基準として、前記第２上流側壁面の前記下流端との接続位置から径方向外側に向かってハブ側に突出する突出面を有する。

発明者らが鋭意検討した結果、第２ディフューザ壁面が上記突出面を有していない場合、ディフューザ流路の出口側の領域における流路断面積が比較的大きくなって作動流体の流速が第２ディフューザ壁面の近傍において低下してしまい、リターンベンドからの作動流体の逆流を招くおそれがある。
上記（３）の構成によれば、第２ディフューザ壁面が上記突出面を有していない場合と比べてディフューザ流路における流路断面積を抑制できるので、上述したようなリターンベンドからの作動流体の逆流を抑制できる。また、上記（３）の構成によれば、第２ディフューザ壁面近傍において第２ディフューザ壁面の影響を受けて流速が小さくなる境界層の厚さを薄くすることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記チップ側の第２ディフューザ壁面は、
前記軸方向に沿った断面において、前記突出面の下流端が前記突出面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分上、又は、該線分よりも前記ハブ側に突出した位置に配置され、
前記軸方向に沿った断面において、前記突出面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記突出面の下流端へ向かう線分とのなす角度が前記後退面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度よりも小さい。

上記（４）の構成によれば、突出面の上流端を起点として径方向外側へ向かう線分と突出面の下流端へ向かう線分とのなす角度が後退面の上流端を起点として径方向外側へ向かう線分と後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度よりも大きい場合と比べて、突出面の下流端の位置を軸方向上流側に配置できる。これにより、突出面の下流端が第１ディフューザ壁面に近づきすぎることを抑制でき、ディフューザ流路の流路断面積を確保できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記第２ディフューザ壁面は、前記突出面よりも前記径方向外側に位置する第２外側壁面を有し、
前記第２外側壁面は、
前記軸方向に沿った断面において、前記第２外側壁面の下流端が前記第２外側壁面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分よりも前記チップ側に後退した位置に配置されている。

上記（６）の構成によれば、第２外側壁面の下流端が第２外側壁面の上流端を起点として径方向外側へ向かう線分よりもハブ側に突出した位置に配置されている場合と比べて、第２外側壁面の下流端の位置を軸方向上流側に配置できる。これにより、第２外側壁面の下流端が第１ディフューザ壁面に近づきすぎることを抑制でき、ディフューザ流路の流路断面積を確保できる。また、上述したようにディフューザ流路の流路断面積を確保できることから、第１ディフューザ壁面において第２外側壁面の下流端と対向する領域の位置を必要以上に軸方向下流側に配置する必要がなくなるので、多段遠心圧縮機における回転軸の長さを抑制できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（６）の何れかの構成において、前記突出面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記突出面の下流端へ向かう線分とのなす角度は、前記後退面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度よりも小さい。

上記（７）の構成によれば、後退面の上流端から下流端に向かうにつれて、突出面との距離が大きくなるように構成されるので、ディフューザ流路における入口側の領域において第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体の流速を抑制できる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記径方向における前記後退面の長さは、前記径方向における第１ディフューザ壁面の長さの５％を超え２０％以下である。

発明者らが鋭意検討した結果、径方向における後退面の長さが径方向における第１ディフューザ壁面の長さの５％以下であると、ディフューザ流路における入口側の領域において第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体の流速を抑制する効果が低いことが判明した。したがって、上記（８）の構成によれば、ディフューザ流路における入口側の領域において第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体の流速を効果的に抑制できる。
また、径方向における後退面の長さが長くなるほど上述した作動流体の流速を抑制する効果が大きくなるが、後退面の下流端が軸方向下流側に位置することとなるため、回転軸の長さがより長くなってしまう。そのため、回転軸の振動が発生し易くなるおそれがある。
発明者らが鋭意検討した結果、径方向における後退面の長さが径方向における第１ディフューザ壁面の長さの２０％以下であれば、上述した作動流体の流速を抑制する効果をできるだけ大きくしつつ、回転軸の振動を抑制できることが判明した。したがって、上記（８）の構成によれば、上述した作動流体の流速を抑制する効果をできるだけ大きくしつつ、回転軸の振動を抑制できる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、前記後退面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度は、５度を超え、且つ、１０度未満である。

発明者らが鋭意検討した結果、上記角度が５度以下であると、ディフューザ流路における入口側の領域において第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体の流速を抑制する効果が低いことが判明した。したがって、上記（９）の構成によれば、ディフューザ流路における入口側の領域において第１ディフューザ壁面の近傍を流れる作動流体の流速を効果的に抑制できる。
また、上記角度が大きくなるほど上述した作動流体の流速を抑制する効果が大きくなるが、後退面の下流端が軸方向下流側に位置することとなるため、回転軸の長さがより長くなってしまうおそれがある。そのため、回転軸の振動が発生し易くなるおそれがある。
発明者らが鋭意検討した結果、上記角度が１０度未満であれば、上述した作動流体の流速を抑制する効果をできるだけ大きくしつつ、回転軸の振動を抑制できることが判明した。したがって、上記（９）の構成によれば、上述した作動流体の流速を抑制する効果をできるだけ大きくしつつ、回転軸の振動を抑制できる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの構成において、前記ハブ側の第１ディフューザ壁面と前記一対のディフューザ壁面のうちチップ側の第２ディフューザ壁面との距離は、前記ディフューザ流路における入口側端部での距離を１００％としたときに前記ディフューザ流路における出口側端部での距離が９０％以上１１０％以下である。

出口側端部での上記距離が９０％未満であるとディフューザ流路における流速が十分に低下せず、圧力損失が大きくなり、遠心圧縮機における効率が低下する。したがって、上記（１０）の構成によれば、遠心圧縮機における効率が低下を抑制できる。また、出口側端部での上記距離が１１０％を超えると、ディフューザ流路の出口側の領域における流路断面積が比較的大きくなって、上述したように、作動流体の流速が第２ディフューザ壁面の近傍において低下してしまい、リターンベンドからの作動流体の逆流を招くおそれがある。したがって、上記（１０）の構成によれば、リターンベンドからの作動流体の逆流を抑制できる。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、多段遠心圧縮機における効率低下を抑制できる。

幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機の断面を示す模式的な図である。 一実施形態に係る多段遠心圧縮機の断面の一部を拡大した模式的な図である。 他の実施形態に係る多段遠心圧縮機の断面の一部を拡大した模式的な図である。 図２の一部を拡大した模式的な図である。 図３の一部を拡大した模式的な図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

（多段遠心圧縮機１００の全体構成）
図１は、幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機１００について、回転軸１の軸線Ｏ方向に沿った断面を示す模式的な図である。図２は、一実施形態に係る多段遠心圧縮機１００の断面の一部を拡大した模式的な図である。図３は、他の実施形態に係る多段遠心圧縮機１００の断面の一部を拡大した模式的な図である。
なお、図の煩雑化を避けるため、図１においては、図２以降に記載した流路２の詳細な形状については省略している。
図１に示すように、幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機１００は、回転軸１と、回転軸１に対して回転軸１の軸方向に配列された複数段のインペラ４と、インペラ４を囲うケーシング３と、流路２とを備えている。なお、ケーシング３は、回転軸１の周囲を覆うことで流路２を形成している。

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が位置する側を単に上流側と呼び、排気口８が位置する側を単に下流側と呼ぶ。
また、以降の説明では、回転軸１の軸線Ｏ方向を単に軸方向とも呼ぶ。そして、回転軸１の軸線Ｏ方向に沿った方向については、吸気口７が位置する側を軸方向上流側と呼び、排気口８が位置する側を軸方向下流側と呼ぶ。
以降の説明では、回転軸１の軸線Ｏを中心とする径方向を単に径方向とも呼び、軸線Ｏを中心とする径方向内側を単に径方向内側とも呼び、軸線Ｏを中心とする径方向外側を単に径方向外側とも呼ぶ。また、以降の説明では、回転軸１の軸線Ｏを中心とする周方向を単に周方向とも呼ぶ。

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（例えば６つ）のインペラ４が設けられている。各インペラ４は、例えば図２に示すように、軸線方向から見て略円形の断面を有するディスク（ハブ）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、上記のディスク４１の軸線方向における両面のうち、上流側を向く円錐面上で、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４２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。

幾つかに実施形態に係るインペラ４では、ブレード４２の上流側の端縁には、カバー４３が設けられていない。すなわち、幾つかに実施形態に係るインペラ４は、いわゆるオープンインペラである。

流路２は、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、幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機１００では、最後段のインペラ４を除く例えば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、吸込流路２１と、ディフューザ流路２３と、リターンベンド２５と、リターン流路２７とを含んでいる。なお、図２は、流路２及びインペラ４のうち、１段目のインペラ４とその流路２を主として示している。

１段目のインペラ４では、吸込流路２１は上記の吸気口７と直接接続されている。この吸込流路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。

図２、３では図示していないが、２段目以降のインペラ４における吸込流路２１は、前段（１段目）の流路２におけるリターン流路２７の下流端と連通されている。

ディフューザ流路２３は、径方向内側から外側に向かって延びる流路である。ディフューザ流路２３は、インペラ４で圧縮されて排出される作動流体Ｇを径方向外側に向かって案内するための流路である。例えば、図２、３によく示すように、幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機１００は、軸方向に沿った断面において、ディフューザ流路２３を挟んで軸方向にて対向する一対のディフューザ壁面２１０、２２０を有する。一対のディフューザ壁面２１０、２２０のうちハブ側（軸方向下流側）のディフューザ壁面２１０を第１ディフューザ壁面２１０とも呼び、チップ側（軸方向上流側）のディフューザ壁面２２０を第２ディフューザ壁面２２０とも呼ぶ。

リターンベンド２５は、ディフューザ流路２３から径方向外側に向かって流出した作動流体Ｇを径方向内側に向かうように流れの向きを変更するための流路である。リターンベンド２５の上流端はディフューザ流路２３の下流端に接続されている。リターンベンド２５の下流端は、リターン流路２７の上流端に接続されている。
幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機１００は、第１ディフューザ壁面２１０に連なる壁面であって、リターンベンド２５の延在方向に沿った中心軸ＡＸｒｂよりも径方向内側の第１ベンド壁面２５ａを有する。幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機１００は、第２ディフューザ壁面２２０に連なる壁面であって、中心軸ＡＸｒｂよりも径方向外側の第２ベンド壁面２５ｂを有する。幾つかの実施形態に係るリターンベンド２５は、第１ベンド壁面２５ａと第２ベンド壁面２５ｂとによって挟まれている。

リターン流路２７は、リターンベンド２５で径方向内側に向かって転向された作動流体Ｇを次段のインペラ４に流入させる流路である。リターン流路２７には、リターンベーン２９が設けられている。
幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機１００は、第１ベンド壁面２５ａに連なる壁面であって、軸方向上流側に位置する第１リターン壁面２７ａを有する。幾つかの実施形態に係る多段遠心圧縮機１００は、第２ベンド壁面２５ｂに連なる壁面であって、軸方向下流側に位置する第２リターン壁面２７ｂを有する。幾つかの実施形態に係るリターン流路２７は、第１リターン壁面２７ａと第２リターン壁面２７ｂとによって挟まれている。
すなわち、第１リターン壁面２７ａは、第１ディフューザ壁面２１０に連なる壁面であり、第２リターン壁面２７ｂは、第２ディフューザ壁面２２０に連なる壁面である。

図４は、図２の一部を拡大した模式的な図である。図５は、図３の一部を拡大した模式的な図である。以下、図２〜図５を参照して、幾つかの実施形態に係る流路２の詳細について説明する。

（リターン流路２７における作動流体Ｇの剥離について）
多段遠心圧縮機１００では、リターン流路２７における一対の壁面（第１リターン壁面２７ａ及び第２リターン壁面２７ｂ）のうち、第１ディフューザ壁面２１０に連なる第１リターン壁面２７ａにおいて作動流体の剥離が生じることがある。発明者らが鋭意検討した結果、この剥離は、インペラ４のチップ側にカバーが設けられていない、いわゆるオープンインペラを用いた場合に発生し易いことが判明した。
具体的には、多段遠心圧縮機１００のインペラ４としてオープンインペラを用いた場合、インペラ４のチップ側の先端４２ａとケーシングとの間にチップクリアランス３１を設ける。そのため、このチップクリアランス３１が存在することで、インペラ４の出口側において作動流体Ｇの流速がハブ側よりもチップ側で低下する傾向が見られる。このインペラ４の出口側における作動流体Ｇの流速の差は、ディフューザ流路２３における作動流体Ｇの流速にも影響を及ぼし、ディフューザ流路２３の出口において第１ディフューザ壁面２１０の近傍における流速よりも第２ディフューザ壁面２２０の近傍における流速の方が低くなる傾向が見られる。

上述したように、多段遠心圧縮機１００では、ディフューザ流路２３とリターン流路２７とは、リターンベンド２５で接続されている。第１ディフューザ壁面２１０はリターンベンド２５における径方向内側の第１ベンド壁面２５ａに連なり、第２ディフューザ壁面２２０はリターンベンド２５における径方向外側の第２ベンド壁面２５ｂに連なっている。
ディフューザ流路２３から径方向外側に向かって流出した作動流体Ｇは、リターンベンド２５で径方向内側に向かうように流れの向きが変更されてリターン流路２７に流入する。その際、第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇの流速が、第２ディフューザ壁面２２０の近傍を流れる作動流体Ｇの流速よりも早いと、第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇがリターンベンド２５で十分に流れの向きを変えることができなくなる。その結果、リターン流路２７では、第１ディフューザ壁面２１０に連なる第１リターン壁面２７ａにおいて作動流体Ｇが剥離し易くなる。

発明者らが鋭意検討した結果、第１ディフューザ壁面２１０が以下で詳述する後退面２１１を備えることで、ディフューザ流路２３における入口側の領域において、ハブ側の流路断面積を増やすことができる。そのため、第１ディフューザ壁面２１０が後述する後退面２１１を備えていない場合と比べて、ディフューザ流路２３における入口側の領域において第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇの流速を抑制できる。これにより、第１ディフューザ壁面２１０の近傍における流速と第２ディフューザ壁面２２０の近傍における流速との差を抑制できるので、第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇがリターンベンド２５で流れの向きを変え易くなる。したがって、リターン流路２７において、第１ベンド壁面２５ａに連なる壁面、すなわち第１ディフューザ壁面２１０に連なる第１リターン壁面２７ａにおける作動流体Ｇの剥離を抑制できる。

（後退面２１１について）
以下、図２〜図５を参照して、後退面２１１について説明する。
図２〜図５に示すように、幾つかの実施形態に係る第１ディフューザ壁面２１０は、第１ディフューザ壁面２１０の上流側に位置して第１ディフューザ壁面２１０に連なる第１上流側壁面２０１の下流端２０１ｂにおける該第１上流側壁面２０１の接線Ｌｔ１方向を基準として、前記第１上流側壁面２０１の前記下流端２０１ｂとの接続位置Ｐ１から径方向外側に向かってハブ側に後退する後退面２１１を有する。

幾つかの実施形態では、上記後退面２１１が存在することで、ディフューザ流路２３の入口側において、ディフューザ流路２３の流路幅が下流側（ディフューザ流路２３の出口側）に向かうにつれて大きくなる。この後退面２１１は、第１ディフューザ壁面２１０に設けられているため、第１ディフューザ壁面２１０の近傍で第１ディフューザ壁面２１０に沿って流れる作動流体Ｇの流速を抑制できる。そのため、ディフューザ流路２３の出口側における第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇの流速を抑制できる。したがって、第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇがリターンベンド２５で流れの向きを変え易くなるので、第１リターン壁面２７ａにおける作動流体Ｇの剥離を抑制できる。

（第１ディフューザ壁面２１０における第１外側壁面について）
図２〜図５に示すように、幾つかの実施形態に係る第１ディフューザ壁面は、後退面２１１よりも径方向外側に位置する第１外側壁面２１３を有する。
この第１外側壁面２１３は、軸方向に沿った断面において、図４に示すように、第１外側壁面２１３の下流端２１３ｂが第１外側壁面２１３の上流端２１３ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ１上に配置されているとよい。但し、この第１外側壁面２１３は、軸方向に沿った断面において、第１外側壁面２１３の下流端２１３ｂが、該線分Ｌ１よりもハブ側に後退した位置に配置されていてもよい。
また、第１外側壁面２１３は、軸方向に沿った断面において、第１外側壁面２１３の上流端２１３ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ１と第１外側壁面２１３の下流端２１３ｂへ向かう線分Ｌ２とのなす角度θａが後退面２１１の上流端２１１ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ３と後退面２１１の下流端２１１ｂへ向かう線分Ｌ４とのなす角度θｂよりも小さい。
上記構成により、後退面２１１は径方向に対して軸方向に傾いているが、第１外側壁面２１３は後退面２１１よりも軸方向への傾きが抑制されることとなる。これにより、第１外側壁面２１３の軸方向への傾きが抑制されていない場合と比べて、第１外側壁面２１３の下流端２１３ｂを軸方向上流側の位置に配置できる。したがって、多段遠心圧縮機１００における回転軸１の長さを抑制できるので、回転軸１の振動発生を抑制できる。また、多段遠心圧縮機１００における回転軸１の長さを抑制できるので、多段遠心圧縮機１００の軸方向寸法が大きくなってしまうことを抑制できる。
なお、幾つかの実施形態では、第１外側壁面２１３の上流端２１３ａは、後退面２１１の下流端２１１ｂと接続されている。

例えば図５に示す実施形態では、第１外側壁面２１３は、軸方向に沿った断面において、第１外側壁面２１３の下流端２３１ｂが第１外側壁面２１３の上流端２１３ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ１よりもチップ側に突出した位置に配置されている。
上記構成により、第１外側壁面２１３の下流端２１３ｂを線分Ｌ１よりも軸方向上流側の位置に配置できる。これにより、第１外側壁面２１３の下流端２１３ｂが該線分Ｌ１よりも軸方向下流側の位置に配置されている場合と比べて、第１外側壁面２１３の下流端２１３ｂを軸方向上流側の位置に配置できる。したがって、多段遠心圧縮機１００における回転軸１の長さを抑制できるので、回転軸１の振動発生を抑制できる。また、多段遠心圧縮機１００における回転軸１の長さを抑制できるので、多段遠心圧縮機１００の軸方向寸法が大きくなってしまうことを抑制できる。

（第２ディフューザ壁面２２０について）
図２〜図５に示すように、幾つかの実施形態に係る第２ディフューザ壁面２２０は、第２ディフューザ壁面２２０の上流側に位置して第２ディフューザ壁面２２０に連なる第２上流側壁面２０３の下流端２０３ｂにおける該第２上流側壁面２０３の接線Ｌｔ２方向を基準として、前記第２上流側壁面２０３の下流端２０３ｂとの接続位置Ｐ２から径方向外側に向かってハブ側に突出する突出面２２１を有する。
発明者らが鋭意検討した結果、第２ディフューザ壁面２２０が上記突出面２２１を有していない場合、ディフューザ流路２３の出口側の領域における流路断面積が比較的大きくなって作動流体Ｇの流速が第２ディフューザ壁面２２０の近傍において低下してしまい、リターンベンド２５からの作動流体Ｇの逆流を招くおそれがある。
上記構成によれば、第２ディフューザ壁面２２０が上記突出面２２１を有していない場合と比べてディフューザ流路２３における流路断面積を抑制できるので、上述したようなリターンベンド２５からの作動流体Ｇの逆流を抑制できる。また、上記構成によれば、第２ディフューザ壁面２２０近傍において第２ディフューザ壁面２２０の影響を受けて流速が小さくなる境界層の厚さを薄くすることができる。

幾つかの実施形態では、第２ディフューザ壁面２２０は、軸方向に沿った断面において、例えば図５に示すように、突出面２２１の下流端２２１ｂが突出面２２１の上流端２２１ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ５よりもハブ側に突出した位置に配置されているとよい。但し、第２ディフューザ壁面２２０は、軸方向に沿った断面において、突出面２２１の下流端２２１ｂが線分Ｌ５上に配置されていてもよい。
また、第２ディフューザ壁面２２０は、軸方向に沿った断面において、突出面２２１の上流端２１１ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ５と突出面２２１の下流端２２１ｂへ向かう線分Ｌ６とのなす角度θｃが後退面２１１の上流端２１１ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ３と後退面２１１の下流端２１１ｂへ向かう線分Ｌ４とのなす角度θｂよりも小さいとよい。
上記構成によれば、線分Ｌ５と線分Ｌ６とのなす角度θｃが線分Ｌ３と線分Ｌ４とのなす角度θｂよりも大きい場合と比べて、突出面２２１の下流端２２１ｂの位置を軸方向上流側に配置できる。これにより、突出面２２１の下流端２２１ｂが第１ディフューザ壁面２１０に近づきすぎることを抑制でき、ディフューザ流路２３の流路断面積を確保できる。

例えば図５に示すように、第２ディフューザ壁面２２０は、突出面２２１よりも前記径方向外側に位置する第２外側壁面２２３を有していてもよい。
この第２外側壁面は、軸方向に沿った断面において、第２外側壁面２２３の下流端２２３ｂが第２外側壁面２２３の上流端２２３ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ７よりもチップ側に後退した位置に配置されていてもよい。
上記構成によれば、第２外側壁面２２３の下流端２２３ｂが第２外側壁面２２３の上流端２２３ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ７よりもハブ側に突出した位置に配置されている場合と比べて、第２外側壁面２２３の下流端２２３ｂの位置を軸方向上流側に配置できる。これにより、第２外側壁面２２３の下流端２２３ｂが第１ディフューザ壁面２１０に近づきすぎることを抑制でき、ディフューザ流路２３の流路断面積を確保できる。また、上述したようにディフューザ流路２３の流路断面積を確保できることから、第１ディフューザ壁面２１０において第２外側壁面２２３の下流端２２３ｂと対向する領域の位置を必要以上に軸方向下流側に配置する必要がなくなるので、多段遠心圧縮機１００における回転軸１の長さを抑制できる。
なお、図５に示す実施形態では、第２外側壁面２２３の上流端２２３ａは、突出面２２１の下流端２２１ｂと接続されている。

図２〜図５に示すように、幾つかの実施形態では、突出面２２１の上流端２２１ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ５と突出面２２１の下流端２２１ｂへ向かう線分Ｌ６とのなす角度θｃは、後退面２１１の上流端２１１ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ３と後退面２１１の下流端２１１ｂへ向かう線分Ｌ４とのなす角度θｂよりも小さいとよい。
上記構成によれば、後退面２１１の上流端２１１ａから下流端２１１ｂに向かうにつれて、突出面２２１との距離が大きくなるように構成されるので、ディフューザ流路２３における入口側の領域において第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体の流速を抑制できる。

上述した幾つかの実施形態では、径方向における後退面２１１の長さＬｅは、径方向における第１ディフューザ壁面の長さＬｄの５％を超え２０％以下であるとよい。
発明者らが鋭意検討した結果、径方向における後退面２１１の長さＬｅが径方向における第１ディフューザ壁面２１０の長さＬｄの５％以下であると、ディフューザ流路２３における入口側の領域において第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇの流速を抑制する効果が低いことが判明した。したがって、長さＬｅを長さＬｄの５％を超えるように設定することで、ディフューザ流路２３における入口側の領域において第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇの流速を効果的に抑制できる。
また、径方向における後退面２１１の長さＬｅが長くなるほど上述した作動流体Ｇの流速を抑制する効果が大きくなるが、後退面２１１の下流端２１１ｂが軸方向下流側に位置することとなるため、回転軸１の長さがより長くなってしまう。そのため、回転軸１の振動が発生し易くなるおそれがある。
発明者らが鋭意検討した結果、径方向における後退面２１１の長さＬｅが径方向における第１ディフューザ壁面２１０の長さＬｄの２０％以下であれば、上述した作動流体Ｇの流速を抑制する効果をできるだけ大きくしつつ、回転軸１の振動を抑制できることが判明した。したがって、上長さＬｅを長さＬｄの２０％以下にに設定することで、上述した作動流体Ｇの流速を抑制する効果をできるだけ大きくしつつ、回転軸１の振動を抑制できる。
なお、径方向における突出面２２１の長さＬｆは、径方向における後退面２１１の長さＬｅよりも短い。

図２〜図５に示す幾つかの実施形態では、後退面２１１の上流端２１１ａを起点として径方向外側へ向かう線分Ｌ３と後退面２１１の下流端２１１ｂへ向かう線分Ｌ４とのなす角度θｂは、５度を超え、且つ、１０度未満であるとよい。
発明者らが鋭意検討した結果、上記角度θｂが５度以下であると、ディフューザ流路２３における入口側の領域において第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇの流速を抑制する効果が低いことが判明した。したがって、上記角度θｂが５度を超えるように設定することで、ディフューザ流路２３における入口側の領域において第１ディフューザ壁面２１０の近傍を流れる作動流体Ｇの流速を効果的に抑制できる。
また、上記角度θｂが大きくなるほど上述した作動流体Ｇの流速を抑制する効果が大きくなるが、後退面２１１の下流端２１１ｂが軸方向下流側に位置することとなるため、回転軸１の長さがより長くなってしまうおそれがある。そのため、回転軸１の振動が発生し易くなるおそれがある。
発明者らが鋭意検討した結果、上記角度θｂが１０度未満であれば、上述した作動流体Ｇの流速を抑制する効果をできるだけ大きくしつつ、回転軸１の振動を抑制できることが判明した。したがって、上記角度θｂを１０度未満に設定することで、上述した作動流体Ｇの流速を抑制する効果をできるだけ大きくしつつ、回転軸１の振動を抑制できる。

図２〜図５に示す幾つかの実施形態では、第１ディフューザ壁面２１０と第２ディフューザ壁面２２０との距離は、ディフューザ流路２３における入口側端部２３ａでの距離を１００％としたときにディフューザ流路２３における出口側端部２３ｂでの距離が９０％以上１１０％以下である。
ディフューザ流路２３における入口側端部２３ａでの距離を１００％としたときに、出口側端部２３ｂでの上記距離が９０％未満であるとディフューザ流路２３における流速が十分に低下せず、圧力損失が大きくなり、多段遠心圧縮機１００における効率が低下する。したがって、出口側端部２３ｂでの上記距離を９０％以上に設定することで、遠心圧縮機における効率が低下を抑制できる。また、出口側端部２３ｂでの上記距離が１１０％を超えると、ディフューザ流路２３の出口側の領域における流路断面積が比較的大きくなって、上述したように、作動流体Ｇの流速が第２ディフューザ壁面２２０の近傍において低下してしまい、リターンベンド２５からの作動流体Ｇの逆流を招くおそれがある。したがって、出口側端部２３ｂでの上記距離を１１０％以下に設定することで、リターンベンド２５からの作動流体の逆流を抑制できる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、多段遠心圧縮機１００は、上述した図４に示した実施形態における第１ディフューザ壁面２１０が有する特徴と、図５に示した実施形態における第２ディフューザ壁面２２０が有する特徴とを有していてもよい。また、多段遠心圧縮機１００は、上述した図４に示した実施形態における第２ディフューザ壁面２２０が有する特徴と、図５に示した実施形態における第１ディフューザ壁面２１０が有する特徴とを有していてもよい。
また、例えば上述した図４に示した第１ディフューザ壁面２１０及び第２ディフューザ壁面２２０が有する特徴や、図５に示した第１ディフューザ壁面２１０及び第２ディフューザ壁面２２０が有する特徴は、２段目以降のインペラ４に係るディフューザ流路２３が有していてもよい。

１ 回転軸
２ 流路
３ ケーシング
４ インペラ
２３ ディフューザ流路
２５ リターンベンド
２７ リターン流路
２１０ ディフューザ壁面（第１ディフューザ壁面）
２１１ 後退面
２１３ 第１外側壁面
２２０ ディフューザ壁面（第２ディフューザ壁面）
２２１ 突出面
２１３ 第２外側壁面

Claims (10)

1. 軸方向に配列された複数段のインペラと、
   前記インペラを囲うケーシングと、
   前記インペラから排出される作動流体を径方向外側に向かって案内するためのディフューザ流路と、を備え、
   前記軸方向に沿った断面において、前記ディフューザ流路を挟んで前記軸方向にて対向する一対のディフューザ壁面のうちハブ側の第１ディフューザ壁面は、前記第１ディフューザ壁面の上流側に位置して前記第１ディフューザ壁面に連なる第１上流側壁面の下流端における該第１上流側壁面の接線方向を基準として、前記第１上流側壁面の前記下流端との接続位置から径方向外側に向かってハブ側に後退する後退面を有する
   多段遠心圧縮機。
2. 前記第１ディフューザ壁面は、前記後退面よりも前記径方向外側に位置する第１外側壁面を有し、
   前記第１外側壁面は、
   前記軸方向に沿った断面において、前記第１外側壁面の下流端が前記第１外側壁面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分上、又は、該線分よりも前記ハブ側に後退した位置に配置され、
   前記軸方向に沿った断面において、前記第１外側壁面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記第１外側壁面の下流端へ向かう線分とのなす角度が前記後退面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度よりも小さい
   請求項１に記載の多段遠心圧縮機。
3. 前記第１ディフューザ壁面は、前記後退面よりも前記径方向外側に位置する第１外側壁面を有し、
   前記第１外側壁面は、
   前記軸方向に沿った断面において、前記第１外側壁面の下流端が前記第１外側壁面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分よりもチップ側に突出した位置に配置されている
   請求項１に記載の多段遠心圧縮機。
4. 前記一対のディフューザ壁面のうちチップ側の第２ディフューザ壁面は、前記第２ディフューザ壁面の上流側に位置して前記第２ディフューザ壁面に連なる第２上流側壁面の下流端における該第２上流側壁面の接線方向を基準として、前記第２上流側壁面の前記下流端との接続位置から径方向外側に向かってハブ側に突出する突出面を有する
   請求項１乃至３の何れか一項に記載の多段遠心圧縮機。
5. 前記チップ側の第２ディフューザ壁面は、
   前記軸方向に沿った断面において、前記突出面の下流端が前記突出面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分上、又は、該線分よりも前記ハブ側に突出した位置に配置され、
   前記軸方向に沿った断面において、前記突出面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記突出面の下流端へ向かう線分とのなす角度が前記後退面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度よりも小さい
   請求項４に記載の多段遠心圧縮機。
6. 前記第２ディフューザ壁面は、前記突出面よりも前記径方向外側に位置する第２外側壁面を有し、
   前記第２外側壁面は、
   前記軸方向に沿った断面において、前記第２外側壁面の下流端が前記第２外側壁面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分よりも前記チップ側に後退した位置に配置されている
   請求項５に記載の多段遠心圧縮機。
7. 前記突出面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記突出面の下流端へ向かう線分とのなす角度は、前記後退面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度よりも小さい
   請求項４乃至６の何れか一項に記載の多段遠心圧縮機。
8. 前記径方向における前記後退面の長さは、前記径方向における第１ディフューザ壁面の長さの５％を超え２０％以下である
   請求項１乃至７の何れか一項に記載の多段遠心圧縮機。
9. 前記後退面の上流端を起点として前記径方向外側へ向かう線分と前記後退面の下流端へ向かう線分とのなす角度は、５度を超え、且つ、１０度未満である
   請求項１乃至８の何れか一項に記載の多段遠心圧縮機。
10. 前記ハブ側の第１ディフューザ壁面と前記一対のディフューザ壁面のうちチップ側の第２ディフューザ壁面との距離は、前記ディフューザ流路における入口側端部での距離を１００％としたときに前記ディフューザ流路における出口側端部での距離が９０％以上１１０％以下である
    請求項１乃至９の何れか一項に記載の多段遠心圧縮機。

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