JP2017180237A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】中間吸込み流路を有する遠心圧縮機において効率の向上を図りつつコストダウンを行う。【解決手段】第一のケーシング１９と、第一のケーシング１９の下流側に配置され、第一のケーシングの外径よりも大きい外径を有する第二のケーシング２０と、第一のケーシングの径方向内側に配置された第一のインペラ３ａと、第一のケーシングの径方向内側に配置された第一のリターン流路２９ａと、第二のケーシングの径方向内側に配置され、第一のリターン流路２９ａの下流側に接続された第二のインペラ３ｂと、第二のケーシングの径方向内側に配置され、第一のリターン流路２９ａと第二のインペラ３ｂとの間に流体を追加する中間吸込み流路１０と、第二のケーシング２０の径方向内側に配置された第二のリターン流路２９ｂと、を備え、中間吸込み流路１０の外径及び第二のリターン流路２９ｂの外径は、第一のケーシング１９の外径より大きい遠心圧縮機１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機に関する。

回転軸に設けられた複数のインペラと複数のインペラを覆うケーシングと、を有する遠心回転機械として、ケーシングが回転軸の軸線を含むように二つに分割された水平分割型の一軸多段遠心圧縮機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような遠心圧縮機のコストダウンの手法の一つとして、ケーシングの外径を小さくする方法がある。
また、多段遠心圧縮機が冷凍機に用いられた場合、冷凍機における運転条件の制約から、二段目以降の圧縮段のインペラでは、ガスの流入口に、冷凍機の系外から取り込んだガス、を流入させる中間吸込みが行なわれている。

特開２００８−１３８５７７号公報

しかしながら、中間吸込み流路を有する遠心圧縮機においては、ケーシングの外径を小さくすることによって、中間吸込み流路の流路断面積が小さくなる。これにより、ガスの流速が増加し、摩擦損失が大きくなるため、遠心圧縮機の効率が低下するという課題がある。
また、ガスの流量が増大する中間吸込み流路以降のディフューザの外径が小さくなることによって、ディフューザでの静圧回復が小さくなり、ディフューザ出口での動圧が大きくなる。これにより、ディフューザよりも下流部分（リターンベーンや吐出スクロール）における摩擦損失が大きくなるという課題がある。

この発明は、中間吸込み流路を有する遠心圧縮機において、遠心圧縮機の効率の向上を図りながら、コストダウンが可能となる遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、遠心圧縮機は、回転軸と、筒状をなす第一のケーシングと、筒状をなし、前記第一のケーシングの下流側に前記第一のケーシングと同軸状に配置され、前記第一のケーシングの外径よりも大きい外径を有する第二のケーシングと、前記回転軸に設けられ、前記第一のケーシングの径方向内側に配置された第一のインペラと、前記第一のケーシングの径方向内側に配置され、前記第一のインペラから径方向外側に向けて流れる流体を径方向内側へ案内する第一のリターン流路と、前記回転軸に設けられ、前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第一のリターン流路の下流側に接続された第二のインペラと、前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第一のリターン流路と前記第二のインペラとの間の流路に流体を追加供給する中間吸込み流路と、前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第二のインペラから径方向外側に向けて流れる流体を径方向内側へ案内する第二のリターン流路と、を備え、前記中間吸込み流路の外径、及び前記第二のリターン流路の外径は、前記第一のケーシングの外径より大きい。

このような構成によれば、遠心圧縮機の効率の向上を図りながら、コストダウンが可能となる。即ち、ガスの圧力が高圧、かつ、ガスの流量が増大する中間吸込み流路の流路断面積を大きくすることができるため、流速を低下させ、摩擦損失を低減することができる。一方、第一のケーシングの外径は、ガスの圧力及びガスの流量を考慮して第二のケーシングと比較して小径とすることによって、遠心圧縮機のコストダウンが可能となる。

上記遠心圧縮機において、前記回転軸に設けられ、前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第二のリターン流路の下流側に接続された第三のインペラと、前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第三のインペラから径方向外側に向けて流れる流体が導入される吐出スクロールと、を備え、前記吐出スクロールの外径は、前記第一のケーシングの外径より大きくてもよい。

このような構成によれば、吐出スクロールの曲率を大きくすることができ、吐出スクロールを流れるガスの剥離を抑制することができる。

本発明によれば、遠心圧縮機の効率の向上を図りながら、コストダウンが可能となる。即ち、ガスの圧力が高圧、かつ、ガスの流量が増大する中間吸込み流路の流路断面積を大きくすることができるため、流速を低下させ、摩擦損失を低減することができる。一方、第一のケーシングの外径は、ガスの圧力及びガスの流量を考慮して第二のケーシングと比較して小径とすることによって、遠心圧縮機のコストダウンが可能となる。

本発明の実施形態の遠心圧縮機の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態の遠心圧縮機について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態の遠心圧縮機は、所謂バレル形の一軸多段遠心圧縮機として構成されており、図示しない駆動装置によって回転軸を介してインペラを回転駆動することで、インペラに供給されたガスに遠心力を与えてこのガスを圧縮するものである。

図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸２と、回転軸２に設けられた複数のインペラ３（羽根車）と、遠心圧縮機１の外郭をなす筒状のケーシング４（車室）と、ケーシング４内に格納されて回転軸２の周囲を覆うことで各々のインペラ３の間を結ぶ流路６を形成するダイアフラム５と、を備えている。遠心圧縮機１は、三段の圧縮段２１，２２，２３を備えている。
また、遠心圧縮機１は、遠心圧縮機１にガスＧ１を導入する吸込みノズル１５と、中間吸込み流路１０にガスＧ２を導入する中間吸込みノズル１６と、圧縮されたガスＧ３を吐出する吐出ノズル１７と、を備えている。
本実施形態のケーシング４は、軸線Ｏを含むように二つに分割された水平分割型である。

以下の説明において、回転軸２の軸線Ｏが延びている方向を軸線方向Ｄとする。また、軸線Ｏに直交する方向を径方向とし、径方向で軸線Ｏから遠ざかる側を径方向外側と呼び、径方向で軸線Ｏに近づく側を径方向内側と呼ぶ。軸線方向Ｄであって、図１の左側を上流側Ｄ１、図１の右側を下流側Ｄ２と呼ぶ。

ダイアフラム５は、遠心圧縮機１の各々の圧縮段に対応して複数に分割されている。
ダイアフラム５の上流側Ｄ１には、間隔をあけて第一ケーシングヘッド７が配置されている。第一ケーシングヘッド７とダイアフラム５との間には、吸込みノズル１５を介して外部のガスＧ１を流路６に取り込む吸込み流路９が形成されている。
ダイアフラム５の下流側Ｄ２には、第二ケーシングヘッド８が配置されている。

本実施形態のケーシング４は、上流側Ｄ１に配置された第一のケーシング１９と、第一のケーシング１９の下流側Ｄ２に第一のケーシング１９と同軸状に配置された第二のケーシング２０と、を有している。第一のケーシング１９及び第二のケーシング２０は、おおむね軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。
第二のケーシング２０の外径は、第一のケーシング１９の外径より大きい。第二のケーシングの内周面２０ａは、第一のケーシングの外周面１９ａよりも径方向外側に配置されている。

回転軸２は、ケーシング４の内部を軸線Ｏに沿って貫通するように延びている。軸線方向Ｄにおけるケーシング４の両端部には、それぞれジャーナル軸受１２及びスラスト軸受１３が設けられている。回転軸２は、ジャーナル軸受１２とスラスト軸受１３とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。

本実施形態の遠心圧縮機１は、上流側Ｄ１から下流側Ｄ２に向けて、順に、第一圧縮段２１、第二圧縮段２２、及び第三圧縮段２３を有している。それぞれの圧縮段は、ガスＧを軸線Ｏの径方向外側から径方向内側に向けて案内する導入流路２５と、導入流路２５の下流側である径方向内側に接続されるとともに導入流路２５と接続する位置から下流側Ｄ２に向かって曲がるように延びて、インペラ３にガスＧを案内する曲がり流路２６と、ガスＧを圧縮する圧縮流路２７（インペラ３）と、圧縮されたガスＧを径方向内側から径方向外側に案内するディフューザ流路２８と、径方向外側に向けて流れるガスＧを径方向内側へ案内するリターン流路２９（リターンベンド）と、を有している。
インペラ３は、軸線方向Ｄから見て略円形の断面を有するディスク３１と、ディスク３１の上流側Ｄ１の面に設けられた複数の羽根３２と、これら複数の羽根３２を上流側Ｄ１から覆うシュラウド３３と、を有している。
なお、各々のインペラ３は、シュラウドを有していないオープンインペラであってもよい。

第一圧縮段２１では、導入流路２５の上流側である径方向外側は吸込み流路９と接続されている。
二段目以降の圧縮段２２，２３における導入流路２５は、前段のリターン流路２９の下流端と連通されている。即ち、リターン流路２９を通過したガスＧは、径方向内側へ案内された後、軸線Ｏに沿って下流側Ｄ２を向くように、その流れ方向が変更される。

導入流路２５は、リターン流路２９を経て、径方向内側に向かうガスＧをインペラ３に案内する流路である。導入流路２５の径方向外側の端部は、リターン流路２９と連通されている。導入流路２５の径方向内側の端部は、曲がり流路２６を介してインペラ３（圧縮流路２７）に連通されている。
導入流路２５中には、複数のリターンベーン３０が設けられている。複数のリターンベーン３０は、導入流路２５中で、軸線Ｏを中心として放射状に配列されている。リターンベーン３０は、ガスＧを径方向内側向きの流れに整流する。
第一圧縮段２１の上流側には、図示しない機構によってベーンの傾きを変えることが可能なインレットガイドベーン３４が設けられている。

曲がり流路２６は、導入流路２５の下流側である径方向内側に接続されるとともに導入流路２５と接続する位置から下流側Ｄ２に向かって曲がるように延びる流路である。これにより、ガスＧの径方向内側に向かう流れが下流側Ｄ２に向かう流れに変わる。下流側Ｄ２への流れとなったガスＧはインペラ３に導かれ、圧縮される。

圧縮流路２７は、インペラ３のディスク３１の上流側Ｄ１の面、シュラウド３３の下流側Ｄ２の面、及び周方向に隣り合う一対の羽根３２によって囲まれた流路である。圧縮流路２７は、径方向内側から径方向外側に向かうに従って、その断面積が次第に減少している。これにより、インペラ３が回転している状態で圧縮流路２７中を流通するガスＧは、徐々に圧縮されて高圧となる。

ディフューザ流路２８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２８における径方向内側の端部は、圧縮流路２７の径方向外側の端部に連通されている。
リターン流路２９は、ディフューザ流路２８を経て、径方向内側から径方向外側に向かって流通したガスＧの流れ方向を反転させる。リターン流路２９の一端側（上流側Ｄ１）は、ディフューザ流路２８に連通され、他端側（下流側Ｄ２）は、導入流路２５に連通されている。

第三圧縮段２３のディフューザ流路２８の径方向外側の端部は、吐出スクロール１４に接続されている。吐出スクロール１４は、断面積が周方向に向かって漸次拡大する渦巻状に形成されている。吐出スクロール１４の出口は、吐出ノズル１７に接続されている。

第一圧縮段２１と第二圧縮段２２との間の流路６には、第二圧縮段２２の第二のインペラ３ｂに第二のガスＧ２を追加供給する中間吸込み流路１０が接続されている。中間吸込み流路１０は、第二圧縮段２２の導入流路２５の径方向内側（第二圧縮段２２の第二のインペラ３ｂの上流側）に接続されている。中間吸込み流路１０における径方向内側には、中間吸込み流路１０を流れる第二のガスＧを整流する複数の整流ベーン３５が設けられている。

中間吸込み流路１０は、上流側である径方向外側が中間吸込みノズル１６に接続されるとともに下流側である径方向内側が第二圧縮段２２の曲がり流路２６に接続するように形成されている。中間吸込み流路１０は導入流路２５に隣接して形成されている。中間吸込み流路１０と導入流路２５とは隔壁３６によって区画されている。
本実施形態の中間吸込み流路１０は、吸込み流路９よりも大きな流量のガスＧを流入可能に形成されている。

本実施形態の第一圧縮段２１を構成する第一のインペラ３ａ、及び第一のリターン流路２９ａは、第一のケーシング１９の径方向内側に配置されている。即ち、第一のリターン流路２９ａの外径は、第一のケーシング１９の内径以下である。
本実施形態の中間吸込み流路１０、第二圧縮段２２、第三圧縮段２３、及び吐出スクロール１４は、第二のケーシング２０の径方向内側に配置されている。即ち、中間吸込み流路１０の外径、第二のリターン流路２９ｂの外径、及び吐出スクロール１４の外径は、第二のケーシング２０の内径以下である。

ここで、中間吸込み流路１０の外径は、第二のケーシングの内周面２０ａによって形成される。中間吸込み流路１０が、第一のケーシング１９の外径よりも大きな外径の第二のケーシング２０の径方向内側に配置されていることによって、中間吸込み流路１０の流路断面積を大きくすることができる。
吐出スクロール１４の外径とは、吐出スクロール１４における渦巻状の部位における外径であり、吐出ノズル１７に接続される、直線状の部位以外の部位の外径である。

続いて、本実施形態の遠心圧縮機１の動作について説明する。
通常の運転状態にある遠心圧縮機１では、ガスＧは以下のような挙動を示す。
まず、吸込みノズル１５から流路６内に取り込まれた第一のガスＧ１は、第一圧縮段２１の導入流路２５を経て、第一のインペラ３ａ中の圧縮流路２７に流入する。インペラ３は回転軸２の回転に伴って軸線Ｏ回りに回転していることから、圧縮流路２７中のガスＧには、軸線Ｏから径方向外側に向かう遠心力が付加される。加えて、上記の通り、圧縮流路２７の断面積は径方向外側から内側にかけて次第に減少していることから、ガスＧは徐々に圧縮される。これにより、高圧のガスＧが、圧縮流路２７から後続のディフューザ流路２８に送り出される。

圧縮流路２７から流れ出た高圧のガスＧは、その後、ディフューザ流路２８、リターン流路２９、導入流路２５を順に通過する。以後、第二圧縮段２２のインペラ３においても同様の圧縮が加えられる。また、中間吸込みノズル１６、中間吸込み流路１０を介して第二圧縮段２２の第二のインペラ３ｂに第二のガスＧ２が追加される。
最終的には、ガスＧは、所望の圧力状態となって吐出ノズル１７から不図示の外部機器に供給される。

上記実施形態によれば、遠心圧縮機１の効率の向上を図りながら、コストダウンが可能となる。即ち、ガスＧの圧力が高圧、かつ、ガスＧの流量が増大する中間吸込み流路１０の流路断面積を大きくすることができるため、流速を低下させ、摩擦損失を低減することができる。一方、第一のケーシング１９の外径は、ガスＧの圧力及びガスＧの流量を考慮して第二のケーシング２０と比較して小径とすることによって、遠心圧縮機１のコストダウンが可能となる。

また、中間吸込み流路１０の流路断面積を大きくすることによって、中間吸込み流路１０における、ガスＧの流量、流速の分布をより均一にすることができる。
また、吐出スクロール１４の曲率を大きくすることができ、吐出スクロール１４を流れるガスＧの剥離を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、吐出スクロール１４の曲率を大きくするために、吐出スクロール１４の径方向外側に配置されるケーシング４の外径を大きくしたが、これに限ることはない。例えば、吐出スクロール１４の外径を小さくしても剥離が生じることがなければ、吐出スクロール１４の径方向外側に配置されるケーシング４の外径を小さくしてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態の第一圧縮段２１と第二圧縮段２２との間に圧縮段を追加してもよい。
また、第三圧縮段２３から吐出されるガスＧの一部を更に圧縮する圧縮段及び吐出ノズル１７を追加してもよい。

１ 遠心圧縮機
２ 回転軸
３ インペラ
３ａ 第一のインペラ
３ｂ 第二のインペラ
３ｃ 第三のインペラ
４ ケーシング
５ ダイアフラム
６ 流路
７ 第一ケーシングヘッド
８ 第二ケーシングヘッド
９ 吸込み流路
１０ 中間吸込み流路
１４ 吐出スクロール
１５ 吸込みノズル
１６ 中間吸込みノズル
１７ 吐出ノズル
１９ 第一のケーシング
２０ 第二のケーシング
２１ 第一圧縮段
２２ 第二圧縮段
２３ 第三圧縮段
２５ 導入流路
２６ 曲がり流路
２７ 圧縮流路
２８ ディフューザ流路
２９ リターン流路
３０ リターンベーン
３４ インレットガイドベーン
３５ 整流ベーン
Ｄ 軸線方向
Ｄ１ 上流側
Ｄ２ 下流側
Ｇ ガス
Ｏ 軸線

Claims (2)

1. 回転軸と、
   筒状をなす第一のケーシングと、
   筒状をなし、前記第一のケーシングの下流側に前記第一のケーシングと同軸状に配置され、前記第一のケーシングの外径よりも大きい外径を有する第二のケーシングと、
   前記回転軸に設けられ、前記第一のケーシングの径方向内側に配置された第一のインペラと、
   前記第一のケーシングの径方向内側に配置され、前記第一のインペラから径方向外側に向けて流れる流体を径方向内側へ案内する第一のリターン流路と、
   前記回転軸に設けられ、前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第一のリターン流路の下流側に接続された第二のインペラと、
   前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第一のリターン流路と前記第二のインペラとの間の流路に流体を追加供給する中間吸込み流路と、
   前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第二のインペラから径方向外側に向けて流れる流体を径方向内側へ案内する第二のリターン流路と、を備え、
   前記中間吸込み流路の外径、及び前記第二のリターン流路の外径は、前記第一のケーシングの外径より大きい遠心圧縮機。
2. 前記回転軸に設けられ、前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第二のリターン流路の下流側に接続された第三のインペラと、
   前記第二のケーシングの径方向内側に配置され、前記第三のインペラから径方向外側に向けて流れる流体が導入される吐出スクロールと、を備え、
   前記吐出スクロールの外径は、前記第一のケーシングの外径より大きい請求項１に記載の遠心圧縮機。

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