JP2012102712A - ターボ型圧縮機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ型圧縮機械の戻り流路部分における圧力損失を低減して、高効率化を図ることができるターボ型圧縮機械を提供することを目的としている。
【解決手段】前段側のインペラからリターンベンド部３２を経て戻り流路３３に送り込まれた流体が、互いに隣接するリターンベーン４０Ａ、４０Ａ間を通って後段側のインペラへと送り込まれるに際し、リターベーン４０Ａの圧力面４０ｐに当たって反力を受ける。反力を受けた流体は、リターンベーン４０Ａのインペラ２３の回転方向後方への傾斜により、ハブ２５の戻り流路壁２５ｃ側に押し付けられる。これにより、流体は、リターンベンド部３２の下流側において、内周側のハブ２５のリターンベンド部材２５ｂ、戻り流路壁２５ｃから剥がれにくくなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、産業用遠心圧縮機、ガスタービン用遠心圧縮機、遠心ポンプ等に利用することができるターボ型圧縮機械に関するものである。

図６に示すものは、ターボ型圧縮機械の一例であり、一般産業に使用されている従来の５段型遠心圧縮機１である。５段型遠心圧縮機１は、ケーシング４に、インペラ回転軸２と、このインペラ回転軸２に同軸状に取り付けられた複数のインペラ（羽根車）３とからなる回転体（ロータ）が収容されている。ケーシング４には、吸込部５ａ及び吐出部５ｂが形成されている。上述のケーシング４内には、インペラ回転軸２に沿って互いに隣接するインペラ３間の領域に戻り流路６がそれぞれ設けられており、これら戻り流路６は、インペラ回転軸２の周囲を取り囲むように形成されている。

戻り流路６は、前段のインペラ３によって圧縮された流体を後段のインペラ３へ送る役目を果たすものである。図７に示すように、戻り流路６は、ディフューザ部材７、８の下流側に位置するリターンベンド部材１１、１２と、このリターンベンド部材１１、１２の下流側に位置する戻り流路壁９、１０とを有している。これら戻り流路壁９、１０との間には、複数のリターンベーン１３が設けられている。これらリターンベーン１３は、戻り流路壁９と戻り流路壁１０との間の全幅に亘って配設されたもので、図８に示すように、インペラ回転軸２の円周方向に沿って等間隔にかつインペラ回転軸２を中心として、放射状に配設されている。

ところで、上記従来の遠心圧縮機１にあっては、複数のリターンベーン１３は、ケーシング４内に設けられたハブ１８の表面１８ａに対し、直交した面に沿って形成されている。
また、複数のリターンベーン１３の外周端である入口端（リターンベーン入口）１４は、リターンベンド部材１１、１２にて構成された断面視Ｕ字状のリターンベンド部１５（戻り流路６のベンド部）よりも下流側の箇所、すなわち、リターンベンド部１５の下流側の一対の戻り流路壁９、１０間であってかつリターンベンド部材１１、１２の近傍の下流箇所に位置する構成とされている（図７及び図８参照）。

特開平１１−１７３２９９号公報

しかしながら、上述の如き従来の遠心圧縮機１の戻り流路構造では、次のような問題点があった。即ち、リターンベンド部材１１、１２にて構成された曲がり流路であるリターンベンド部１５では、図９に示すように、曲率により、流路内周側の圧力が流路中央部の流れに比べて低下して流れ速度Ｃｍが増加するので、摩擦損失が大きくなると共に、リターンベンド部材１１、１２の出口の曲率がなくなる部分にて下流部の圧力上昇に抗して流れる流体のエネルギーが不足して、流れがはく離したはく離域Ｈが生じてしまい、リターンベーン１３の入口端１４箇所における流れの均一性が阻害されて圧力損失を生じ、遠心圧縮機１の効率が損なわれてしまうという問題があった。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ターボ型圧縮機械の戻り流路部分における圧力損失を低減して、高効率化を図ることができるターボ型圧縮機械を提供することを目的としている。

かかる目的のもと、本発明のターボ型圧縮機械は、回転軸に設けられた複数段のインペラ間に、前段のインペラから送り出される流体を後段のインペラへ導く流路が設けられたターボ型圧縮機械であって、流路は、前段のインペラから送り出された流体を外周側に導くディフューザ部と、流体の流れ方向をディフューザ部から断面視Ｕ字状に屈曲させるリターンベンド部と、流体をリターンベンド部から内周側に導き、後段のインペラに送り込む戻り流路と、を備える。そして、戻り流路に、回転軸の周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーンが形成され、リターンベーンは、リターンベンド部の内周側に連続する第一の壁部と、リターンベンド部の外周側に連続する第二の壁部との間に形成され、リターンベンド部から流れ込む流体が吹き付けるリターンベーンの圧力面が、第一の壁部側に倒れるように形成されていることを特徴とする。これには、リターンベーンを、第一の壁部側から第二の壁部側に向けて、インペラの回転方向後方側に傾斜して形成することができる。
このようなターボ型圧縮機械においては、流体がリターンベンド部から戻り流路に流れ込むと、周方向に互いに隣接する二つのリターンベーン間の流体が、リターンベーンの圧力面からの反力により第一の壁部側に押しつけられる。

リターンベーンは、リターンベンド部側の端部が、リターンベンド部の内部に位置するよう設けることもできる。この場合、リターンベーンは、リターンベンド部側の端部が、リターンベンド部の屈曲中央位置より下流側に位置するよう形成するのが好ましい。

本発明によれば、流体がリターンベンド部から戻り流路に流れ込むと、周方向に互いに隣接する二つのリターンベーン間の流体が、リターンベーンの圧力面からの反力により第一の壁部側に押しつけられ、流体の剥離を抑えることができる。その結果、ターボ型圧縮機械の戻り流路部分における圧力損失を低減して、高効率化を図ることが可能となる。

本実施の形態における遠心圧縮機の断面図である。 前段側のインペラと後段側のインペラとの間に設けられた流路の断面図である。 ハブに形成されたリターンベーンを示す斜視図である。 （ａ）は図２のＷ−Ｗ断面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ断面図である。 第二の実施形態におけるリターンベーンを示す断面図である。 従来の遠心圧縮機の断面図である。 従来の前段側のインペラと後段側のインペラとの間に設けられた流路の断面図である。 従来のハブに形成されたリターンベーンを示す斜視図である。 流路における流体の流れの様子を示す図である。

［第一の実施形態］
以下、本発明のターボ型圧縮機械の第一の実施形態を図によって説明する。
図１に示す本実施形態のターボ型圧縮機械は、５段型遠心圧縮機（ターボ型圧縮機械）２０である。５段型遠心圧縮機２０は、ケーシング２１に、インペラ回転軸（回転軸）２２と、このインペラ回転軸２２に同軸状に取り付けられた複数のインペラ２３とからなる回転体が収容されている。ケーシング２１には、吸込部２１ｉ及び吐出部２１ｏが形成されている。

図２に示すように、このような５段型遠心圧縮機２０の各段においては、ケーシング２１とケーシング２１内に設けられたハブ２５との間に、前段側のインペラ２３から後段側のインペラ２３へと流体を送る流路３０が形成されている。

各段の流路３０は、インペラ２３の出口から、ディフューザ部材２１ａ、２５ａ間に形成されたディフューザ部３１と、リターンベンド部材２１ｂ、２５ｂ間に形成された断面視Ｕ字状のリターンベンド部３２と、戻り流路壁（第二の壁部）２１ｃと戻り流路壁（第一の壁部）２５ｃと間に形成された戻り流路３３とからなる断面視Ｕ字状とされている。ここで、ディフューザ部材２１ａ、２５ａ、リターンベンド部材２１ｂ、２５ｂ、戻り流路壁２１ｃ、２５ｃは、ケーシング２１、ハブ２５に形成されている。
このような流路３０においては、前段側のインペラ２３の出口から送り出された流体は、ディフューザ部３１を通してインペラ２３から外周側に流れ、リターンベンド部３２において流れ方向を１８０℃折り返してインペラ２３の中心側に変換し、戻り流路３３を通して後段側のインペラ２３に送り込まれる。

図２〜図４に示すように、戻り流路３３には、インペラ回転軸２２の周方向に等間隔を隔て、かつインペラ回転軸２２を中心とした放射状に配置された複数のリターンベーン４０Ａが設けられている。戻り流路３３に送り込まれた流体は、互いに隣接するリターンベーン４０Ａ、４０Ａ間を通り、後段のインペラ２３へ案内されて導かれるようになっている。

各リターンベーン４０Ａは、基端部４０ａがハブ２５の戻り流路壁２５ｃに一体に形成されている。
図４（ａ）に示すように、各リターンベーン４０Ａを、インペラ２３の軸線に直交する断面でみると、外周側端部４０ｃと内周側端部４０ｄに対し、それらの中間部４０ｅが、インペラ２３の回転方向側に膨らむよう湾曲して形成されている。本実施形態において、リターンベーン４０Ａの湾曲形状については、なんら限定するものではない。

また、図４（ｂ）に示すように、各リターンベーン４０Ａは、インペラ２３の周方向の断面（インペラ２３の中心から放射状に延びる方向に直交する断面）で見ると、ハブ２５の戻り流路壁２５ｃ側の基端部４０ａが、ケーシング２１の戻り流路壁２１ｃ側の先端部４０ｂよりも、インペラ２３の回転方向前方に位置するよう、その全体が傾斜して形成されている。言い換えると、各リターンベーン４０Ａは、ハブ２５の戻り流路壁２５ｃ側からケーシング２１の戻り流路壁２１ｃ側に向けて、インペラ２３の回転方向後方（圧力面４０ｐ側）に傾斜して形成されている。これにより、各リターンベーン４０Ａにおいてインペラ２３の回転方向後方側を向く圧力面４０ｐは、戻り流路壁２５ｃ側に倒れるように形成されている。圧力面４０ｐと、ハブ２５の戻り流路壁２５ｃとがなす角度θは、鋭角とされ、好ましくは、４５°＜θ＜９０°の範囲内がよい。

このような構成においては、前段側のインペラ２３からディフューザ部３１、リターンベンド部３２を経て戻り流路３３に送り込まれた流体は、互いに隣接するリターンベーン４０Ａ、４０Ａ間を通って後段側のインペラ２３へと送り込まれるに際し、外周側（インペラ２３の回転方向前方）に位置するリターベーン４０Ａの圧力面４０ｐにより反力を受ける。すると、このリターンベーン４０Ａの圧力面４０ｐから反力を受けた流体は、圧力面４０ｐが戻り流路壁２５ｃ側に傾斜していることで反力方向が戻り流路壁２５ｃ側に向くことにより、ハブ２５の戻り流路壁２５ｃ側に押し付けられる。つまり、これにより、流体は、リターンベンド部３２の下流側において、Ｕ字状の流路３０の内周側のハブ２５のリターンベンド部材２５ｂ、戻り流路壁２５ｃから剥がれにくくなる。
その結果、リターンベンド部３２の下流側における流体の流れを均一化し、リターンベーン４０Ａの前端側で生じる圧力損失を減少させることができ、５段型遠心圧縮機２０の効率を高めることができる。

［第二の実施形態］
次に、第二の実施形態を示す。以下に示す実施形態は、上記第一の実施形態に対し、リターンベーン４０Ｂの構成が異なるのみで、他の構成については共通である。そこで、以下においては上記第一の実施形態と異なるリターンベーン４０Ｂの構成を説明し、上記第一の実施形態と共通する他の構成については説明を省略する。
本実施形態におけるリターンベーン４０Ｂは、全体的な構成は、上記第一の実施形態に示したリターンベーン４０Ａと同様の構成を有している。すなわち、リターンベーン４０Ｂは、その圧力面４０ｐがインペラ２３の回転方向後方に傾斜している。
そして、図５に示すように、本実施形態において、リターンベーン４０Ｂは、外周側端部４０ｃが、リターンベンド部３２内に位置するよう設けられている。このようなリターンベーン４０Ｂの外周側端部４０ｃの位置は、リターンベンド部３２内の屈曲中央位置Ｃより下流側、より具体的には、リターンベンド部３２のディフューザ部３１側の端部３２ａを０°、戻り流路３３側の端部３２ｂを１８０°としたときに、リターンベンド部３２内の屈曲中央位置Ｃである９０°から１８０°の範囲に位置させるのが好ましい。

さらに、リターンベーン４０Ｂの外周側端部４０ｃは、ハブ２５の戻り流路壁２５ｃ側の基端部４０ａが、ケーシング２１の戻り流路壁２１ｃ側の先端部４０ｂよりも流路３０における流れ方向上流側に位置する、つまり、屈曲中央位置Ｃからの基端部４０ａの位置Ａにおける角度θ２−１を、先端部４０ｂの位置Ｂにおける角度θ２−２よりも小さくなるよう形成するのが好ましい。もちろん、ハブ２５の戻り流路壁２５ｃ側の基端部４０ａと、ケーシング２１の戻り流路壁２１ｃ側の先端部４０ｂを、同じ角度に形成することもできるが、上記のような構成とすることで、剥離の生じ易いリターンベンド部３２の内周側においては、リターンベーン４０Ｂがより流体の流れ方向上流側に形成されているので、流体の剥離をより確実に抑えることができる。

これにより、リターンベーン４０Ｂの入口端における流れの均一性を確保することができ、したがって、流路３０の圧力損失の低減を図ることができる。これにより、多段遠心圧縮機の性能を低コストにて大幅に向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、５段型遠心圧縮機２０の構成を示したが、リターンベーン４０Ａ、４０Ｂ以外の部分については、その構成を上記したものに限定することなく、適宜他の構成を採用することができる。
また本発明は、必ずしも多段遠心圧縮機の全ての段に適用する必要はなく、少なくとも１段以上の任意の段に適用すればよい。
また本発明は、ターボ型圧縮機械であれば、いかなるものにも適用することができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

２０…５段型遠心圧縮機（ターボ型圧縮機械）、２１…ケーシング、２１ｃ…戻り流路壁（第二の壁部）、２２…インペラ回転軸（回転軸）、２３…インペラ、２５…ハブ、２５ｃ…戻り流路壁（第一の壁部）、３０…流路、３１…ディフューザ部、３２…リターンベンド部、３３…戻り流路、４０Ａ、４０Ｂ…リターンベーン、４０ｃ…外周側端部、４０ｄ…内周側端部、４０ｐ…圧力面

Claims (4)

1. 回転軸に設けられた複数段のインペラ間に、前段の前記インペラから送り出される流体を後段の前記インペラへ導く流路が設けられたターボ型圧縮機械であって、
   前記流路は、
   前段の前記インペラから送り出された前記流体を外周側に導くディフューザ部と、
   前記流体の流れ方向を前記ディフューザ部から断面視Ｕ字状に屈曲させるリターンベンド部と、
   前記流体を前記リターンベンド部から内周側に導き、後段の前記インペラに送り込む戻り流路と、を備え、
   前記戻り流路に、前記回転軸の周方向に間隔をあけて複数設けられたリターンベーンが形成され、前記リターンベーンは、前記リターンベンド部の内周側に連続する第一の壁部と、前記リターンベンド部の外周側に連続する第二の壁部との間に形成され、前記リターンベンド部から流れ込む前記流体が吹き付ける前記リターンベーンの圧力面が、前記第一の壁部側に倒れるように形成されていることを特徴とするターボ型圧縮機械。
2. 前記リターンベンド部から前記戻り流路に流れ込み、周方向に互いに隣接する二つの前記リターンベーン間の前記流体が、前記リターンベーンの圧力面からの反力により前記第一の壁部側に押しつけられることを特徴とする請求項１に記載のターボ型圧縮機械。
3. 前記リターンベーンは、前記リターンベンド部側の端部が、前記リターンベンド部の内部に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ型圧縮機械。
4. 前記リターンベーンは、前記リターンベンド部側の前記端部が、前記リターンベンド部の屈曲中央位置より下流側に位置するよう形成されていることを特徴とする請求項３に記載のターボ型圧縮機械。

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