JPH09119396A - ディフューザつき遠心圧縮機 - Google Patents

ディフューザつき遠心圧縮機

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JPH09119396A
JPH09119396A JP7344891A JP34489195A JPH09119396A JP H09119396 A JPH09119396 A JP H09119396A JP 7344891 A JP7344891 A JP 7344891A JP 34489195 A JP34489195 A JP 34489195A JP H09119396 A JPH09119396 A JP H09119396A
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bypass
compressor
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centrifugal compressor
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忠司 野角
Masayasu Saito
正泰 斎藤
Minoru Aoyanagi
稔 青柳
Akio Fujii
秋男 藤井
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 羽根つきディフューザのベーンの形状や取付
構造などを変えずに流量特性を改善することができるデ
ィフューザつき遠心圧縮機を提供すること。 【解決手段】 ディフューザ１３のスロート部１４にバ
イパス孔１５を形成し、このバイパス孔１５と圧縮機吸
込み側の低圧力部であるインペラ１２の外周と対向する
入り口部１７とを連通するバイパス流路１６を設ける。
これにより、圧縮機の吐出流量を小さくしてもバイパス
させた流体でディフューザ１３部分を流れる流量を確保
することができ、サージングを防止するなどの流量特性
を改善する。さらに、ディフューザ１３のベーンの形状
や可変機構への取付構造などを何等変更せずに、バイパ
ス孔１５とバイパス流路１６を形成するだけで良く、構
造も簡単である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ディフューザを
備えた遠心圧縮機の改良に関し、ディフューザのスロー
ト部等の壁面境界層剥離部と圧縮機吸込み側のインペラ
の低圧力部等とをバイパス流路で連通して流量特性の改
善を図るようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンやターボチャージャなどに
用いられる遠心圧縮機では、効率向上を図るためディフ
ューザが用いられており、たとえば図６（ａ）に示すよ
うに、コンプレッサハウジング１内にインペラ２が回転
可能に支持され、コンプレッサハウジング１の空気入口
から吸引した空気にインペラ２で遠心力を与え、その運
動エネルギをディフューザ３および図示しないスクロー
ル部で圧力エネルギに変換して送り出すようになってい
る。
【０００３】このように運動エネルギを圧力エネルギに
変換するディフューザ３には、図６（ｂ）に示すよう
に、羽根４のあるものと羽根のないものがあり、羽根な
しディフューザでは、比較的広い流量範囲での使用が可
能であるが、その効率や圧縮比向上は羽根付きディフュ
ーザ（ベーンドディフューザ）に比べて小さい。
【０００４】そこで、羽根つきディフューザのベーンを
可変構造とした可変ディフューザを用いてスロート面積
を変化させて流量特性を改善することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、可変ディフ
ューザを用いると、ベーンと固定側のハウジングとの間
にベーンを動かすための隙間が必要であり、この隙間部
分の二次流れによって損失が生じたり、迎え角の変化に
よる流れの剥離（壁面境界層の剥離）などが発生し、設
計点以外での効率低下を招くなどの問題がある。
【０００６】また、羽根なしディフューザにおいても流
れの局所的な境界層の剥離が生じる問題がある。
【０００７】この発明は、かかる従来技術の課題に鑑み
てなされたもので、羽根つきディフューザのベーンの形
状や取付構造などを変えずに流量特性を改善することが
できるとともに、羽根なしディフューザの流量特性を改
善することもできるディフューザつき遠心圧縮機を提供
しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
この発明の請求項１記載のディフューザつき遠心圧縮機
は、ディフューザを備えた遠心圧縮機の壁面境界層剥離
部にバイパス孔を形成し、このバイパス孔と圧縮機吸込
み側の低圧力部とを連通するバイパス流路を設けてなる
ことを特徴とするものである。
【０００９】この発明によれば、バイパス孔とバイパス
流路によって圧縮機吸込み側のバイパスさせるようにし
ており、境界層の剥離を防止して性能改善を図るように
し、サージングを防止するなどの流量特性を向上するよ
うにしている。
【００１０】また、この発明の請求項２記載のディフュ
ーザつき遠心圧縮機は、請求項１記載の構成に加え、前
記ディフューザを羽根つきディフューザで構成し、前記
壁面境界層剥離部をディフューザのスロート部とし、こ
のスロート部にバイパス孔を形成してなることを特徴と
するものである。
【００１１】この発明によれば、バイパス孔とバイパス
流路によって圧縮機の吐出流量を小さくしてもバイパス
させるようにしてディフューザ部分を流れる流量を確保
するようにしており、サージングを防止するなどの流量
特性を向上するようにしている。
【００１２】また、この発明の請求項３記載のディフュ
ーザつき遠心圧縮機は、請求項１または２記載の構成に
加え、前記圧縮機の吸込み側の低圧力部をインペラの低
圧力部またはインペラへの吸込み流路としたことを特徴
とするものである。
【００１３】この発明によれば、インペラの低圧力部ま
たはインペラへの吸込み流路の吸込み負圧を利用して効
果的にバイパスさせることができ、確実にサージングを
防止するなどの流量特性を向上するようにしている。
【００１４】さらに、この発明の請求項４記載のディフ
ューザつき遠心圧縮機は、請求項１〜３のいずれかに記
載の構成に加え、前記バイパス孔を複数の小径孔と、こ
れら複数の小径孔の背部を連通する集合部とで構成した
ことを特徴とするものである。
【００１５】この発明によれば、バイパス孔を複数の孔
とし、背部を集合部で連通するようにしており、バイパ
ス孔による流れの乱れを極力防止して性能低下を防止す
るようにしている。
【００１６】また、この発明の請求項５記載のディフュ
ーザつき遠心圧縮機は、請求項２〜４のいずれかに記載
の構成に加え、前記ディフューザのスロート部のバイパ
ス孔の総断面積をスロート部の総入り口幅の２０％以下
としたことを特徴とするものである。
【００１７】この発明によれば、バイパス孔の総断面積
をスロート部の総入り口幅の２０％以下に制限するよう
にしており、バイパス孔やバイパス流路による性能低下
を１％以内に抑え、性能を確保しつつ流量特性を改善す
るようにしている。
【００１８】さらに、この発明の請求項６記載のディフ
ューザつき遠心圧縮機は、請求項１〜５のいずれかに記
載の構成に加え、前記バイパス流路にバイパス流量を制
御する流量制御手段を設けたことを特徴とするものであ
る。
【００１９】この発明によれば、流量制御手段によって
バイパス流量を変えることができるようになり、必要な
吐出流量に応じた運転や運転回転数などに対応して効率
的に運転できるようになる。
【００２０】また、この発明の請求項７記載のディフュ
ーザつき遠心圧縮機は、請求項１〜６のいずれかに記載
の構成に加え、前記バイパス孔と前記圧縮機の吸込み側
の低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比を変えて流
量を制御するようにしたことを特徴とするものである。
【００２１】この発明によれば、開口比を適切に選ぶこ
とで、バイパス流量を設定できるようになり、必要な流
量特性を得ることができるようになる。
【００２２】ここで、遠心圧縮機の壁面境界層剥離部と
は、遠心圧縮機の吸込み側で流れの剥離が生ずる部分を
いい、例えばディフューザのスロート部をあげることが
できる。
【００２３】さらに、ディフューザのスロート部とは、
隣接するベーンとの距離が最も小さい部分をいう。
【００２４】また、圧縮機吸込み側の低圧力部とは、圧
縮機の流体の吸引側で吸込み負圧が生じて低圧力となっ
ている部分をいい、例えばインペラの外周が対向する部
分やインペラへの吸込み流路の上流側をあげることがで
きる。
【００２５】さらに、ディフューザのスロート部のバイ
パス孔の総断面積をスロート部の総入り口幅の２０％以
下とは、バイパス孔の総断面積とスロート部の総入り口
幅の比で無次元の値ではないが、そのままの数値で表わ
して２０％以下にすることをいい、これ以上に大きくす
ると、本来の効率低下を招くことから限界値として定め
られる。
【００２６】また、流量制御手段とは、流量を調整制御
できるものをいい、バルブ等を用いることができる。
【００２７】さらに、バイパス孔と前記インペラの低圧
力部へのバイパス流路接続部の開口比とは、バイパス孔
の大きさとバイパス流路のインペラ側の取付部の面積の
比をいい、これにより流量を制御することができるよう
にする。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づき詳細に説明する。図１はこの発明のディフュ
ーザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかり、（ａ）は
主要部の断面図、（ｂ）は羽根つきディフューザ部分を
抽出した正面図である。
【００２９】このディフューザつき遠心圧縮機１０で
は、コンプレッサハウジング１１に回転可能に支持され
たコンプレッサのインペラ１２の出側のコンプレッサハ
ウジング１１に配置されるディフューザ１３が羽根つき
の可変ディフューザで構成されており、図示しない可変
機構を備えて羽根（ベーン）１３ａを動かすことができ
るようになっている。
【００３０】この羽根つきの可変ディフューザ１３のス
ロート部１４、すなわち、隣接する羽根１３ａとの間の
距離が最も小さい部分に遠心圧縮機の流体の主流の方向
と垂直にバイパス孔１５が形成してあり、主流の一部を
バイパス孔１５から分岐して流すことができるようにな
っている。そして、このバイパス孔１５に一端部を連通
させてバイパス流路１６が接続され、他端部が圧縮機吸
込み側の低圧力部であるインペラ１２のコンプレッサハ
ウジング１１と対向する入り口部１７に接続してある。
【００３１】したがって、インペラ１２でエネルギが加
えられた流体（例えば、空気など）の一部が可変ディフ
ューザ１３のスロート部１４で抽気されてインペラ１２
の入り口部１７に戻されて再循環されることになり、イ
ンペラ１２を流れる流量に対してディフューザ１３を経
て吐出される流体流量はバイパス孔１５からバイパス流
路１６を流れる抽気流量の分だけ少なくなる。これによ
り、インペラ１２を流れる流量を確保しつつコンプレッ
サから吐出させる流量を減少させることができるととも
に、ディフューザ１３のスロート部１４は遠心圧縮機の
流量限界を決定する大きな要因であり、この部分からの
抽気することにより、ディフューザ１３で生じるサージ
ング及びチョークの流量限界を改善することができる。
【００３２】このような流量特性の改善のため形成され
るバイパス孔１５は、流量特性の改善効果が最も著しい
部分に形成することが有効であり、例えば図１（ｂ）に
示すように、ディフューザ１３のスロート部１４の３箇
所のバイパス孔１５-1，１５-2，１５-3の３か所のうち
実験結果などに基づきいずれか１箇所を選択して形成す
るようにすれば良い。
【００３３】次に、ディフューザつき遠心圧縮機で一層
の流量特性を改善使用とする場合について、図２により
説明する。
【００３４】このディフューザつき遠心圧縮機１０で
は、流量特性の改善のため形成されるバイパス孔１５
は、インペラ１２からの主流を乱すことがないように形
成することが望ましく１箇所の大きな孔で構成する場合
に比べて、図２に示すように、複数のバイパス孔１５
（図示例では、５個）で構成するようにすれば、主流の
乱れを少なくして効率低下を最少限にすることができ
る。
【００３５】そして、バイパス孔１５を複数個で構成す
る場合には、バイパス孔１５の背部となるコンプレッサ
ハウジング１１に凹部を形成して各バイパス孔１５を連
通する集合部１５ａとし、この集合部１５ａにバイパス
流路１６の一端を接続するようにすれば良い。
【００３６】また、一端をバイパス孔１５を連通する集
合部１５ａに接続したバイパス流路１６の他端は、図１
で説明したように、圧縮機のインペラ１２の外周部と対
向するコンプレッサハウジング１１部分に連通する場合
に替え、図２に示すように、インペラ１２への吸込み流
路２０の上流側に接続するようにしても良く、この場合
にも吸込み流路２０の吸入負圧によって有効にバイパス
させることができる。
【００３７】さらに、このようにバイパス孔１５を複数
で構成する場合のバイパス孔１５の個数および総断面積
によって、サージング限界流量などの流量特性が変化す
るとともに、遠心圧縮機全体の効率も変化する。
【００３８】そこで、バイパス孔１５として、図２
（ｂ）に示したように、円周方向等間隔の４か所のスロ
ート部１４に１か所当たり５個ずつ合計２０個の孔をあ
け、その総断面積がスロート部１４の幅Ｂに対して１５
％，３０％となるように変えて形成した性能特性の実験
を行った。その結果を示したのが、図３および図４であ
り、図３は横軸が質量流量で縦軸が圧力比であり、圧縮
機の回転数Ｎを設計回転数の４０％，５０％，７０％，
８０％と変化させたものであり、図４は横軸が抽気面積
比で縦軸が抽気面積比を０とした場合（抽気を行わない
場合）を１００とした場合の効率比である。
【００３９】これら実験から明らかなように、図３から
抽気面積を増大することで、圧縮機のサージング限界流
量を小さくすることができることが分かるが、一方で図
４から抽気面積比の増大によって圧縮機の効率比の低下
を招いてしまうことが分かる。
【００４０】したがって、圧縮機の効率の低下を１％以
内に抑えるためには、バイパス孔１５の総断面積をスロ
ート部１４の幅Ｂに対して２０％以下にすれば良く、こ
うすることによってサージング限界などの流量特性を改
善しつつ効率低下を許容できる範囲内に抑えることがで
きる。
【００４１】さらに、この発明では、図２および図４に
示すように、バイパス孔１５とインペラ１２の吸込み流
路２０の上流またはインペラ１２の外周の入り口部１７
とを連通するバイパス流路１６に流量制御手段としての
バルブ１８と制御装置１９とを介装し、バイパス孔１５
から抽気する流量を制御装置１９によるバルブ１８の開
度調整により制御する。
【００４２】これにより、バイパス孔１５の大きさによ
って抽気面積が一定であっても、抽気流量を変えること
ができ、例えば遠心圧縮機の回転数を変化させて運転す
る場合に低速側でバルブ１８を開いておき、高速側で閉
じるようにすることで、ガスタービンの起動時にもサー
ジングなどを起こすこと無く運転することが可能とな
る。
【００４３】また、ディフューザ１３のスロート部１４
のバイパス孔１５の総断面積を吸込み流路２０、あるい
はインペラ１２の入り口部１７のバイパス流路１６の断
面積の半分とするようにしてこれらの面積比で開口比を
１／２とするようにして抽気を円滑に行うようにすると
ともに、バイパス孔１５による主流への影響を少なくす
る。
【００４４】なお、この開口比を適正化することで、遠
心圧縮機の回転数が変化する場合などにサージングが生
じ無いように運転するのに必要な抽気流量を得ることも
できる。
【００４５】以上のように、これら発明によれば、羽根
つきの可変ディフューザ１３のスロート部１４は遠心圧
縮機の流量限界を決定する大きな要因であり、この部分
に形成したバイパス孔１５から抽気してインペラ１２の
入り口部１７などの低圧力部に戻すようにしており、デ
ィフューザで生じるサージングやチョークの流量特性を
改善することができる。
【００４６】また、インペラ１２で昇圧されたディフュ
ーザ１３からの抽気した流れによりインペラ１２の入り
口部１７の流れを変えることができ、これにより流量特
性が改善され、サージング限界の向上などが行われる。
【００４７】さらに、ディフューザのベーンの形状や取
付構造などを何等変更せずに、バイパス孔１５とバイパ
ス流路１６を形成するだけで良く、構造も簡単である。
【００４８】なお、上記の実施の形態では、ディフュー
ザつき遠心圧縮機として羽根つき可変ディフューザを備
えた遠心圧縮機の場合を例に説明したが、固定羽根つき
ディフューザの場合や羽根なしディフューザの場合にも
同様に適用でき、流れの境界層の剥離を防止してサージ
ング発生を制御し、安定作動域の拡大を図ることができ
る。
【００４９】また、バイパス孔の形成位置もディフュー
ザのスロート部に限らず、局所的な流れの剥離が生ずる
部分に形成してこの発明を剥離の制御に適用したり、羽
根なしディフューザ等（絞り形状等）にも適用すること
ができる。
【００５０】
【発明の効果】以上、実施の形態とともに具体的に説明
したようにこの発明の請求項１記載のディフューザつき
遠心圧縮機によれば、バイパス孔とバイパス流路によっ
て圧縮機吸込み側のバイパスさせるようにしたので、境
界層の剥離を防止して性能改善を図ることができ、サー
ジングを防止するなどの流量特性を向上することができ
る。
【００５１】さらに、ディフューザのベーンの形状や取
付構造などを何等変更せずに、バイパス孔とバイパス流
路を形成するだけで良く、構造も簡単である。
【００５２】また、この発明の請求項２記載のディフュ
ーザつき遠心圧縮機によれば、バイパス孔とバイパス流
路によって圧縮機の吐出流量を小さくしてもバイパスさ
せるようにしたので、ディフューザ部分を流れる流量を
確保することができ、サージングを防止するなどの流量
特性を向上することができる。
【００５３】さらに、この発明の請求項３記載のディフ
ューザつき遠心圧縮機によれば、圧縮機の吸込み側の低
圧力部をインペラの低圧力部またはインペラへの吸込み
流路としたので、インペラの低圧力部またはインペラへ
の吸込み流路の吸込み負圧を利用して効果的にバイパス
させることができ、確実にサージングを防止するなどの
流量特性を向上することができる。
【００５４】また、この発明の請求項４記載のディフュ
ーザつき遠心圧縮機によれば、バイパス孔を複数の孔と
し、背部を集合部で連通するようにしたので、バイパス
孔による流れの乱れを極力防止して性能低下を防止する
ことができる。
【００５５】さらに、この発明の請求項５記載のディフ
ューザつき遠心圧縮機によれば、バイパス孔の総断面積
を２０％以下に制限するようにしたので、バイパス孔や
バイパス流路による性能低下を１％以内に抑え、性能を
確保しつつ流量特性を改善することができる。
【００５６】また、この発明の請求項６記載のディフュ
ーザつき遠心圧縮機によれば、バイパス流路にバイパス
流量を制御する流量制御手段を設けたので、流量制御手
段によってバイパス流量を変えることができ、必要な吐
出流量に応じた運転や運転回転数などに対応して効率的
に運転することができる。
【００５７】さらに、この発明の請求項７記載のディフ
ューザつき遠心圧縮機によれば、ディフューザのスロー
ト部のバイパス孔と前記インペラの低圧力部へのバイパ
ス流路接続部の開口比を変えて流量を制御するようにし
たので、開口比を適切に選ぶことで、バイパス流量を設
定できるようになり、必要な流量特性を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実
施の形態にかかり、（ａ）は主要部の断面図、（ｂ）は
羽根つきディフューザ部分を抽出した正面図である。
【図２】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の他の
一実施の形態にかかり、（ａ）は主要部の断面図、
（ｂ）は羽根つきディフューザ部分を抽出した正面図で
ある。
【図３】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実
施の形態にかかる質量流量と圧力比の関係を、圧縮機の
回転数Ｎを変化させて示すグラフである。
【図４】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実
施の形態にかかる抽気面積比と効率比の関係を示すグラ
フである。
【図５】この発明のディフューザつき遠心圧縮機のさら
に他の実施の形態にかかる主要部の断面図である。
【図６】従来の羽根付きディフューザを備えた遠心圧縮
機の取付構造の部分断面図および部分正面図である。
【符号の説明】
１０ ディフューザつき遠心圧縮機 １１ コンプレッサハウジング １２ インペラ １３ 羽根つき可変ディフューザ １３ａ ベーン（羽根） １４ スロート部 １５ バイパス孔 １５ａ 集合部 １６ バイパス流路 １７ 入り口部 １８ バルブ １９ 制御装置 ２０ 吸込み流路 Ｂ スロート部の幅
フロントページの続き (72)発明者 藤井 秋男 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ディフューザを備えた遠心圧縮機の壁面
    境界層剥離部にバイパス孔を形成し、このバイパス孔と
    圧縮機吸込み側の低圧力部とを連通するバイパス流路を
    設けてなることを特徴とするディフューザつき遠心圧縮
    機。
  2. 【請求項２】 前記ディフューザを羽根つきディフュー
    ザで構成し、前記壁面境界層剥離部をディフューザのス
    ロート部とし、このスロート部にバイパス孔を形成して
    なることを特徴とする請求項１記載のディフューザつき
    遠心圧縮機。
  3. 【請求項３】 前記圧縮機の吸込み側の低圧力部をイン
    ペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路としたこ
    とを特徴とする請求項１または２記載のディフューザつ
    き遠心圧縮機。
  4. 【請求項４】 前記バイパス孔を複数の小径孔と、これ
    ら複数の小径孔の背部を連通する集合部とで構成したこ
    とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のディフ
    ューザつき遠心圧縮機。
  5. 【請求項５】 前記ディフューザのスロート部のバイパ
    ス孔の総断面積をスロート部の総入り口幅の２０％以下
    としたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載
    のディフューザつき遠心圧縮機。
  6. 【請求項６】 前記バイパス流路にバイパス流量を制御
    する流量制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜
    ５のいずれかに記載のディフューザつき遠心圧縮機。
  7. 【請求項７】 前記バイパス孔と前記圧縮機の吸込み側
    の低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比を変えて流
    量を制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜６
    のいずれかに記載のディフューザつき遠心圧縮機。
JP34489195A 1995-08-21 1995-12-06 ディフューザつき遠心圧縮機 Expired - Fee Related JP3758050B2 (ja)

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