JP2012149619A

JP2012149619A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2012149619A
Application number: JP2011010500A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Tamaki; 秀明玉木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: JP5720267B2

Abstract

【課題】インペラ出口での圧力分布を小さくし、局部的にサージングが発生することを抑止することで、遠心圧縮機としてのサージングの発生を抑制し、遠心圧縮機の作動域拡大を図る。
【解決手段】インペラ６と、該インペラを回転自在に収納するケーシング２とを有し、該ケーシングにはインペラ周囲に環洞流路８が形成されると共に該環洞流路に連通する流体吐出口が形成され、又前記インペラを収納する収納部４に連通する吸入口５が形成され、該吸入口の下流端部の内壁面１１に該内壁面の母線に対して傾斜する入口ガイドベーン１２を所定範囲に設け、前記インペラの出口圧力比分布を均一化した。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機に関するものである。

圧縮性流体を昇圧する遠心圧縮機の作動域を制限するものとして、低流量時に於ける流体の逆流によるサージングの発生がある。サージングが発生すると遠心圧縮機の運転が不能になるので、サージングの発生を抑制することが遠心圧縮機の作動域拡大につながる。

遠心圧縮機は、高速で回転するインペラと、インペラを収納し、インペラの周囲にスクロール流路を形成するケーシングを有しており、該ケーシングは非軸対称の形状を有している。この非軸対称性の影響により、流体がインペラより流出するインペラの出口圧力は均一ではなく、インペラの周縁の周方向で圧力分布が生じる。

このインペラ出口の圧力分布は、インペラの入口迄伝播し、インペラの入口も周方向に圧力分布を有する。又、サージングの発生限界値が決定される要因の１つにインペラの出口の圧力があり、インペラの出口の圧力が所定値を超えるとサージングが発生する。従って、現状では、遠心圧縮機の流量を減少させた場合、インペラの出口の圧力が高い部分で最初にサージングが発生すると考えられる。

尚、サージングの発生を抑制する手段の１つとしてケーシングトリートメントがあり、特許文献１に示される遠心圧縮機はケーシングトリートメントにより、サージング抑制による遠心圧縮機の作動域拡大を図っている。

特開２００４−３３２７３４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、インペラ出口での圧力分布を小さくし、局部的にサージングが発生することを抑止することで、遠心圧縮機としてのサージングの発生を抑制し、遠心圧縮機の作動域拡大を図るものである。

本発明は、インペラと、該インペラを回転自在に収納するケーシングとを有し、該ケーシングにはインペラ周囲に環洞流路が形成されると共に該環洞流路に連通する流体吐出口が形成され、又前記インペラを収納する収納部に連通する吸入口が形成され、該吸入口の下流端部の内壁面に該内壁面の母線に対して傾斜する入口ガイドベーンを所定範囲に設け、前記インペラの出口圧力比分布を均一化した遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記出口圧力比分布が前記入口ガイドベーンが無い状態での前記出口圧力比分布の平均値より高い範囲に対応する範囲、又は前記平均値より低い範囲に対応する範囲の少なくとも一方に前記入口ガイドベーンが設けられ、前記高い範囲に対応する範囲に設けられる入口ガイドベーンは順方向傾斜であり、前記低い範囲に対応する範囲に設けられる入口ガイドベーンは逆方向傾斜である遠心圧縮機に係るものである。

又本発明は、前記流体吐出口と前記環洞流路との境界部に舌部が形成され、前記逆方向傾斜の入口ガイドベーンが設けられる範囲は、前記インペラの回転中心と前記舌部を結ぶ線に対して±７５゜の範囲であり、前記順方向傾斜の入口ガイドベーンが設けられる範囲は前記舌部と対向する部分１５０゜である遠心圧縮機に係るものである。

本発明によれば、インペラと、該インペラを回転自在に収納するケーシングとを有し、該ケーシングにはインペラ周囲に環洞流路が形成されると共に該環洞流路に連通する流体吐出口が形成され、又前記インペラを収納する収納部に連通する吸入口が形成され、該吸入口の下流端部の内壁面に該内壁面の母線に対して傾斜する入口ガイドベーンを所定範囲に設け、前記インペラの出口圧力比分布を均一化したので、局部的にサージングが発生することが抑止され、遠心圧縮機としてのサージングの発生を抑制し、遠心圧縮機の作動域拡大が図れるという優れた効果を発揮する。

本発明が実施される遠心圧縮機の半断面図である。遠心圧縮機のインペラの出口圧力比の分布を示し、（Ａ）はケーシングとインペラとの関係を示す説明図、（Ｂ）はインペラの出口周方向の圧力分布を示す曲線、（Ｃ）は圧力分布で平均値より低くなる部分、高くなる部分を示す説明図である。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、インペラの出口圧力分布とサージ点との関係を示す説明図である。入口ガイドベーンの傾斜と流体の流れ、インペラの回転方向の関係を示す説明図である。（Ａ）は入口ガイドベーンが設けられる第１の態様を示す説明図、（Ｂ）は入口ガイドベーンが設けられる第２の態様を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明が実施される遠心圧縮機１について説明する。

図１中、２はケーシング、３は該ケーシング２の中心線を示している。前記ケーシング２はインペラ収納室４と前記中心線３と同心上に設けられた吸入口５とを有し、前記インペラ収納室４にはインペラ６が収納され、該インペラ６は回転軸７を介して回転自在に支持されている。又、前記インペラ６の周囲には環洞流路８が形成され、該環洞流路８と前記インペラ収納室４とはディフューザ流路９によって連通されている。該ディフューザ流路９は断面積が下流側に向って漸次増大し、円周方向で断面積が異なる環洞流路８と接続されており、前記ケーシング２は非軸対称の形状となっている。

前記吸入口５の下流端部の内壁１１、即ち前記インペラ６より上流側（図１中左側）に、入口ガイドベーン１２が周方向に所定ピッチで、所要の範囲で設けられている。又、該入口ガイドベーン１２は、前記内壁１１を形成する円筒面の母線に対して傾斜しており、後述する様に、設けられる部位によって傾斜方向が異なっている。尚、前記吸入口５は軸心方向に断面が変化するテーパ状となっている場合もあるが、ここでは、テーパ形状等も含め内壁面を円筒面と総称する。

又、前記入口ガイドベーン１２を設ける方法としては、前記内壁１１と同じ曲率を有するリング、或はリングを分割したリング片１３に前記入口ガイドベーン１２を植設し、前記リング片１３を前記内壁１１に取付ける等がある。

上記した様に、前記ケーシング２は非軸対称であり、非軸対称に起因してインペラ出口で圧力分布を生じる。

図２（Ａ）（Ｂ）は、ケーシング２のインペラ出口の位置と、インペラ出口の周方向の圧力分布を示している。

尚、図２（Ａ）に於いて、前記インペラ６の回転中心を通り、流体吐出口１４の中心線と平行で前記流体吐出口１４側の半径を基準半径とし、該基準半径の角度を０゜としている。更に、該基準半径に対して時計方向（下流方向）を−、反時計方向（上流方向）を＋としている。又、前記ケーシング２の流体吐出口１４と前記環洞流路８との境界部に舌部１５が形成され、図２（Ａ）に示すケーシング２では、舌部１５の位置は６０゜となっている。

次に、図２（Ｂ）は、インペラ６出口の圧力分布を示しており、この圧力分布では、３０゜の位置で圧力比（インペラ６の出口圧力／入口圧力）が最小となっている。通常では、舌部１５の位置が圧力比最小となるが、ケーシングの形状等によって圧力伝播の経路が異なるので、舌部１５の位置が必ずしも圧力比最小の位置と一致しない。但し、舌部１５の位置と圧力比最小とは関連性があるので、舌部１５の位置に対して圧力比最小の位置は±３０°範囲に存在する。

図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、遠心圧縮機の作動特性を模式的に示すものであり、縦軸がインペラ６の出口圧力／入口圧力、横軸が流量を示している。

例えば、図３（Ａ）に示される曲線で、Ｈｐ点は出口圧力／入口圧力の最も大きい値、Ｌｐ点は出口圧力／入口圧力の最も小さい値であり、Ａｐ点は出口圧力／入口圧力の平均値である。図３（Ａ）の特性曲線と、図２（Ｂ）の圧力分布曲線を対比させると、図３（Ａ）のＬｐ点の位置は、図２（Ｂ）の３０゜の位置（圧力比極小値）となる。

次に、図３（Ｂ）は、出口流量が少なくなり、出口圧力が高くなって特性曲線のＨｐ点がサージ点に到達した状態を示し、同時に遠心圧縮機がサージングを起す限界値である。更に、出口圧力が高くなると、図３（Ｃ）の状態となり、インペラ６が失速し、遠心圧縮機が運転不能となる。

図３（Ｂ）状態、或はインペラ６が失速し、遠心圧縮機が運転不能となる図３（Ｃ）の状態でも、Ａｐ点、Ｌｐ点はサージ点に到達していない。従って、圧力比の最も高いＨｐ点を例えばＡｐ点迄下げる様、平均化すれば、Ａｐ点がサージ点に到達する迄作動範囲が拡大する。

本発明者は斯かる現象に着目し、本発明をなしたものである。

本実施例に係る遠心圧縮機では、上記した様に、前記インペラ６より上流側（図１中左側）に、入口ガイドベーン１２が周方向に所定ピッチで、所要の範囲で設けられている。又、該入口ガイドベーン１２の傾斜方向で、前記圧力比が高くなり、或は低くなることも分っている。而して、前記入口ガイドベーン１２を局部的に設けることで、前記圧力比の分布を平均化することが可能である。

図４は、前記入口ガイドベーン１２を展開して示したものであり、該入口ガイドベーン１２の傾斜方向とインペラ６の回転方向との関係を示しており、図４中、白抜き矢印は流体の流れ、黒矢印はインペラの回転方向を示している。

図４は、入口ガイドベーン１２が順方向に傾斜（順方向傾斜）している場合を示している。即ち、入口ガイドベーン１２の下流端がインペラ６の回転方向に変位する様に傾斜しており、この場合、流体が前記入口ガイドベーン１２を経てインペラ６に流入し、圧縮されると前記入口ガイドベーン１２がない場合に比べて圧縮圧が減少する。逆に、図示していないが前記入口ガイドベーン１２を前記インペラ６の回転方向に対して逆方向に傾斜（逆方向傾斜）させると圧縮流体の圧力は、前記入口ガイドベーン１２がない場合に比べて増大する。

従って、図２の圧力分布に於いて、圧力が高い範囲で前記入口ガイドベーン１２を順方向傾斜させて設け、圧力が低い範囲で前記入口ガイドベーン１２を逆方向に傾斜させて設けることで、インペラ６の出口の圧力分布を平均化できる。更に、平均化することで、図３に示す特性曲線に於いて、Ｈｐ点、Ｌｐ点がＡｐ点に接近し、Ｈｐ点が局部的にサージングを起すことが抑止され、結果的に遠心圧縮機のサージングの発生が抑制され、遠心圧縮機の作動域が拡大する。尚、圧力が高い範囲のみ、或は圧力が低い範囲のみにそれぞれ対応する入口ガイドベーン１２を設けてもよい。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、前記入口ガイドベーン１２が前記ケーシング２に設けられる態様を示している。尚、前記入口ガイドベーン１２は、前記内壁１１に軸心方向に沿って設けられるものであるが、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に於いては、前記入口ガイドベーン１２の設けられる範囲、設けられる姿勢の理解を容易にする為、前記入口ガイドベーン１２を前記インペラ６の周囲に、又半径方向に（放射状に）設けた状態で示している。

先ず、図２（Ｃ）、図５（Ａ）に於いて、入口ガイドベーン１２の第１の態様について説明する。

図２（Ｃ）及び図５（Ａ）はインペラ６の出口圧力比が平均圧力比より低くなる範囲Ｌと高くなる範囲Ｈを示している。

一般的には前記舌部１５の圧力比が最小となり、インペラ６の出口圧力分布で平均圧力比より小さくなる範囲は、前記舌部１５（図示では６０゜）を中心として±９０゜であり、一方インペラ６の出口圧力分布で平均圧力比より大きくなる範囲は、前記舌部１５の真反対（図示では−１２０゜）を中心として±９０゜である。

前記第１の態様では、出口圧力比が平均圧力比より小さくなる範囲Ｌの内、特に小さい範囲、前記舌部１５（図示では６０゜を中心として±７５°）に限定して逆傾斜した入口ガイドベーン１２ａを設けて圧力比を増大させ、更に出口圧力比が平均圧力比より大きくなる範囲Ｈの内、特に大きい範囲、前記舌部１５と対向する部分１５０°の範囲（図示では−１２０°を中心として±７５゜）に限定して順傾斜した入口ガイドベーン１２ｂを設けて圧力比を減少させたものである。

前記逆傾斜入口ガイドベーン１２ａ、前記順傾斜入口ガイドベーン１２ｂを設けることで、インペラ６出口圧力比が平均化され、図３（Ａ）に見られるＨｐ点をＡｐ点に近づけ、Ｌｐ点をＡｐ点に近づけることができ、結果的に遠心圧縮機の作動領域を拡大させることができる。

図５（Ｂ）は、前記入口ガイドベーン１２が前記ケーシング２に設けられる第２の態様を示している。

第２の態様では、インペラ６の出口圧力比が平均圧力比より低くなる範囲Ｌ全域（図示では１８０゜）に逆傾斜入口ガイドベーン１２ａを設け、高くなる範囲Ｈ全域に順傾斜入口ガイドベーン１２ｂを設けた場合を示している。第２の態様でも、範囲Ｌで出口圧力比が大きくなり、範囲Ｈで出口圧力比が小さくなり、出口圧力分布が平均化され、やはり遠心圧縮機の作動領域を拡大させることができる。

尚、前記入口ガイドベーン１２は、範囲Ｌ、範囲Ｈのいずれか一方に設けてもよく、いずれか一方に設ける場合は、範囲Ｈに順傾斜入口ガイドベーン１２ｂが設けられることが好ましい。

１遠心圧縮機
２ケーシング
３中心線
４インペラ収納室
５吸入口
６インペラ
７回転軸
８環洞流路
９ディフューザ流路
１１内壁
１２入口ガイドベーン
１３リング片
１４流体吐出口
１５舌部

Claims

インペラと、該インペラを回転自在に収納するケーシングとを有し、該ケーシングにはインペラ周囲に環洞流路が形成されると共に該環洞流路に連通する流体吐出口が形成され、又前記インペラを収納する収納部に連通する吸入口が形成され、該吸入口の下流端部の内壁面に該内壁面の母線に対して傾斜する入口ガイドベーンを所定範囲に設け、前記インペラの出口圧力比分布を均一化したことを特徴とする遠心圧縮機。
前記出口圧力比分布が前記入口ガイドベーンが無い状態での前記出口圧力比分布の平均値より高い範囲に対応する範囲、又は前記平均値より低い範囲に対応する範囲の少なくとも一方に前記入口ガイドベーンが設けられ、前記高い範囲に対応する範囲に設けられる入口ガイドベーンは順方向傾斜であり、前記低い範囲に対応する範囲に設けられる入口ガイドベーンは逆方向傾斜である請求項１の遠心圧縮機。
前記流体吐出口と前記環洞流路との境界部に舌部が形成され、前記逆方向傾斜の入口ガイドベーンが設けられる範囲は、前記インペラの回転中心と前記舌部を結ぶ線に対して±７５゜の範囲であり、前記順方向傾斜の入口ガイドベーンが設けられる範囲は前記舌部と対向する部分１５０゜である請求項２の遠心圧縮機。