JPS60184992A - 再生タ−ボマシン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は再生（＝再生産用）ターボマシンの改良に関す
る。

従来形の再生ポンプまたはコンプレッサにおいては、加
圧または圧縮される流体は入口ポートを経てブレード（
−羽根）付ロータを囲む環状のハウジングまたはシュラ
ウド内へと軸線方向にまたは斜行角度をもって通過する
。シュラウド内には、ロータブレードともシュラウド壁
体とも間隔を置いて位置するように支持された環状のコ
アもまた含まれている。ブレード付けの設計は、空気ま
たは他の作業流体（＝動作流体）がコアの周囲を主とし
てロータ回転方向にらせん状の運動をしながら環状シュ
ラウド内へと引込・まれこれに沿って通過してゆくよう
に成されている。コア周囲を循環するとき、流体はブレ
ードを主として軸線方向に繰返して通過し、従って通過
のたびに流体の圧力が増す。流体の出口ポートは加圧さ
れた流体がシュラウドを入口ボートの直前で離れること
ができるように位置させである。入口ボートと出口ポー
トの間には、シュラウドに沿う気体通路をブロックレ、
シュラウド回路を通過した加圧流体の入口ポートへのリ
ーク（＝漏れ）を極小とするようにブレード先端部に密
接して位置させた、ストリッパを設けである。

従来形の再生コンプレッサは圧力比２：１種度の再生産
ができるが、等温での効率は低く、流速およびマシン設
計により変ることがあっても、２５〜６５％程度でしか
ない。６０％に達する等扇動率が得られることがあると
しても、それは圧力比が非常に小さいたとえば１．２　
：　１種度の場合である。

このように従来形の再生コンプレッサは決して効率の良
いマシンではなく、その低効率の主な理由はストリッパ
部分圧おけるロス、特には（イ）　入口ポートと出口ボ
ートとの間の全圧力差を受けるストリッパを通過するこ
とによるリーク、および （ロ）　ブレードポケット内での出口圧力にある流体の
入口ポートへのキャリイオーバ である。

キャリイオーバを低下させる目的で非常に緊密化した設
計がこれまで成されてきたが、これは高粘度によるロス
を招き、結果として効率を高めることは殆んどまたは全
く無い。このことは従来形の再生ポンプについても同様
である。

本発明は、ストリッパを使う必要のない再生ターボマシ
ンを提供し、もってストリッパ使用に伴うロスをなくす
ことを目的とする。

すなわち本発明は、 （ａ）　ブレード付ロータと、 （ｂ）　ロータを囲み、作業流体の環状流路を形成する
環状ハウジングと、 （ｃ〕　流体をハウシン″グ内に導入する入口ボート：
、と、（ｄ）　ロータの周囲に入口ポートから間隔を置
いて位置させた、流体をハウジングから導出する出口ポ
ートと、 （、）　人口ポートから導入された流体を、主として軸
線方向にブレードを繰返し通過する流路である次の２種
の流路： （１）　口〜夕の周囲にロータ回転方向に沿って吹成に
間隔を置いて並んだ位置において、ロータブレードを繰
返し通過するスリップ流路、および（ＩＩ）　ロータの
周囲にロータ回転方向と逆方向に吹成に間隔を置いて並
んだ位置において、ロータブレードを繰返し通過するカ
ウンタ流路 へと案内する案内手段と、 を含んで成る、再生ターボマシンを提供する。

カウンタ流路において、作業流体が反ロータ回転方向へ
実際に流れる必要はない。カウンタ流路における案内手
段は、ロータ下流側の排出点からの流体を、ｆＪｌ出点
から反ロータ回転方向にロータ周囲に間隔を置いた、ロ
ータ上流側の再入点へと、巡るように導びく手段である
。すなわち、相対的な流れ方向、換言すれば圧力の伝達
方向が、反ロータ回転方向なのである。一方、作業流体
はロータ回転方向にも、ブレード間の間隔ごとに、運ば
れ、この方向の流れは、反ロータ回転方向案内手段によ
る流れをしのぐことがある。しかしそれにも拘らず、反
ロータ回転方向において入口がら出口への正の周囲方向
圧力勾配を生成することが可能であることに、変りはな
い。

通常はスリップ流路とカウンタ流路とは出口ポートの付
近で合流するが、各通路に各別の出口ボートを設けるこ
とも当然に可能である。

本発明はターボマシンとしてのフンプレツサについて特
に有用である。

好ましくは、少くとも何回かの繰返し通過の後の圧縮熱
を除去するための熱交換器を、流路に追加して設ける。

環状ハウジングはリークを極小にするようにブレード先
端に密接して位置させるのが好ましい。

ロータブレードと案内手段との間の間隔は、ロータ上流
側においてもロータ下流側へ、おいても、周囲方向圧力
勾配の影響下に流れ方向を変化させろことを容易にする
ために、変化させることができる。最適実施態様におい
ては、ロータブレードと案内手段との軸線方向の間隔は
、環状流路（スリップ流路およびカウンタ流路）の高圧
端部（ｕ４０ボート）において小さく低圧端部（入口ボ
ート）においてより大きくすることが普通である。軸方
向間隔における流体の偏向度が高圧部では大きく低圧部
では小さいためである。

案内手段に入口ポートに位置するフロースプリッタ羽根
をもたせて、流体をスリップ流路とカウンタ流路とに分
流する補助作用をさせることができる。

フロースプリッタ羽根は流体流れのスリップ流路への流
れとカウンタ流路への流れとを各各員なる角度に差向け
るようなものとすることができる。

各角度は設計者が適宜定めることができる。

以下本発明を添付図面に示した実施態様を参照しながら
ａ′Ｃ細に説明する。

第１図および第２図に示したように、本発明による再生
ターボマシンはロータまたはインペラ１を含んで成り、
このロータ１はその外周面のまわりにブレード２を備え
ている。環状ハウジング３がロータ１を囲みそして作業
気体のための環状流路を形成している。ハウジング３に
は流体のための人口ボート４およびＩｉ！をロポ〜ト５
を設けである。

入口ボート４にはフロースプリッタ羽根６を設けてあり
、これが導入された流体をスリップ流路１　とカウンタ
流路１工。とに分流する案内部片工Ｓ として働く。流体は人口ボート４から、インペラ１の平
面に対して成る角度をもって、そしてなるべくはブレー
ド運動方向と逆の速度成分をもって、入る。流体がブレ
ードを通過することにより、各流路において仕串が威さ
れる。流体はブレードを軸線方向に通過し一連の案内羽
根７によって形成された一連のディフューザ１　．１　
．２Ｄ３ＤＳ　ＤＯ 他により受取られ案内される。ディフューザＩＤＳによ
って回収された流体は通路２工、を通り、人口ボート４
からスリップ流路方向に周囲に間隔を置いた位置へと案
内されそこでブレードを再通過する。このような通過を
繰返して流体は最後に出口ボート５を経て＃１．出され
る。

カウンタ流路の流体はブレード２を主として軸線方向に
通過した後にディツユ−ずＩ　ＤＣにより＠収される。

回収された流体は通路２工。により入口ポート４から反
回転方向に間隔を置いた位置へと案内され、そこでもう
１度ブレードを通過する。通過した流体はディフューザ
２ＤＯにより回収され、通路３工。他を通ってブレード
再通過を繰返す。反回転方向に吹成に間隔を置いた点で
グレード河通過を繰返した後、流体は最後に出口ポート
５を経て排出される。

スリップ流路およびカウンタ流路の出口ポート５におけ
る流体圧力は各各等しく、流体はこれら２つの流路を自
己平衡して流れる。２つの流路６各において流体が同数
の回路を通過することは必ずしも必要でない。人口ポー
トと出口ポートとをブロックするストリッパの設置の必
要性はなくなり、従ってその設置に伴う不利益もなくな
った。

各回の通過において、ある特定の導入案内部片によって
通過した流体がすべである特定の排出ディフューザによ
って排出される必要はなく、多少のリークおよびキャリ
イオーパが許される。

実際、カウンタ流路において、ブレード間をキャリイオ
ーパされる気体の質量流速が案内手段を経る反回転方向
の流れをしのぐことがあってもよい。すなわち、カウン
タ流路側においても、絶対的流れ方向はスリッ流路側と
同じく回転方向であることができる。しかしロータ運動
方向に相対的な相対的流れ方向は反回転方向となる。案
内手段の物理的形状により、この結果が生じるようにし
であるためである。圧力分布を決定するのはこの相対的
流れであり、これによって絶対的流れ方向は回転方向で
あっても反回転方向に正の圧力勾配が得られる。

第６図圧、第１図及び第２図に関連して記載した原理を
具体化する再生圧縮機の一部を取り去った透視図を示す
。第６図に示すように、この再生圧縮機はケーシング１
０を備え、このケーシング内においてロータ１１が軸受
１２により支持されている。このロータは、矢印Ａによ
り示されるように反時計回りに回転させられる。このロ
ータは、その周辺のまわりに複数の羽根１３を備えてお
り、ケーシング１０は、これ等の羽根の先端を囲みこれ
等の先端にぴったりと一致する環状ハウジングを形成す
る。ロータの羽根と案内手段との間の上流及び下流の両
側の軸線方向のすきまは、環状の流路（すべり流及び逆
流）の高圧（出口）端部において、低圧端部におけるよ
り小さくなっている。

このために高圧段において生じる一層大きい偏向に対す
る補償ができる。たとえば、再生ターボマシンの１つの
設計に対して、入口において１簡の軸線方向すきまを横
切る流体は、１．４ｍ／ｓだけの周辺圧力こう配の影響
下において周速度成分を引き出すであろうことは計算上
明らかである。再生ターボマシンの高圧端部（出口）に
おいて、同じ動作条件のもとにおいて、１簡の軸線方向
すきまを横切る流体は、９．５ｍ／８の周速度上昇を引
き起す。１つが示されているガスシール１４は、環状ハ
ウジングがらロータ１１とケーシング１ｏとの間を半径
方向内向きに流れるガスの漏れを防止するために設けら
れる。ガスシール１４は、これ等が再生ターボマシンの
高圧ポートがら低圧ポートへの周辺方向の漏れを抑制す
るように設計されなければならない。ガスを、人口マニ
ホルド１５を通って環状ハウジングへ入れることができ
る。入口マニホルド１５はガスの流れを９０’回転させ
、入口１６へ通じさせる。入口１６は、羽根１３を入れ
ている環状ハウジングと連通している。案内羽根１７（
第４図）は、入口マニホルド１５に流入する流れを、ス
リップ流路とカウンタ流路へと分流する。第４図は、入
口の位置において羽根の平均半径で展開した環状部分の
線図であり、この領域如おけるスリップ流路及びカウン
タ流路を示している。６流れに対する速度三角形は、そ
れぞれ第５図及び第６図に示されている。第５図及び第
６図において、Ｕは平均羽根速度ベクトルを表わし、■
土は入口ガス速度ベクトルを表わし、■。

は出口ガス速度ベクトルを表わす。図示するように、速
度三角形は、ロータの回転方向と反対のプレスワール（
ｐｒθ５ｗ１ｒｌ　）　を必要とする。必らずしもこの
ようにする必要はないが、入口案内羽根は、スリップ方
向及びカウンタ方向の両方向にプレスワールを提供でき
るのが有利である。

この場合案内羽根１１は、流入流れをカウンタ方向に差
し向けるのに役立つ。それゆえ分割された流れは、羽根
１３の配列を通過し、この羽根の配列において仕事が行
なわれその圧力を増加し、この例においては、実質的に
入口と軸線方向に反対の位置において羽根の配列を通過
する。流体は、スリップ流１　及びカウンタ流Ｉ　ＤＣ
内に集めらＳ れ、これ等の流れ内で流れはまっすぐにされ、この流れ
から最大運動エネルギが圧力エネルギの形に再生させら
れる。２つのディフューザ通路ＩＤＳ’ＩＤＣは、フロ
ースプリッタ１８によって互いに隔離される。スリップ
流及びカウンタ流は、ディフューザ羽根１９及び入口案
内羽根２０によって案内され、ロータの羽根の配列を、
第１図及び第２図に説明したように実質的に軸線方向に
繰り返し通過する。ロータの羽根の配列によって行なわ
れる仕事の結果として、この通過のたびにガス圧が増加
される。

このようにしてスリップ流は、たとえば入口１６に入り
、その圧力は、羽根１３の配列を通過することによって
増加させられ、スリップ方向に環状ハウジングを通過す
る。ディフューザ通路ＩＤＳ　内の流体は、ディフユー
ザ羽根１９及入口案内羽根２０によって案内され、第２
のスリツノ流入口２□、を通って羽根の配列に再びはい
る。第２のスリップ流入口は、若干の漏れ及びキャリオ
ーバは実際上は生ずるけれども、入口１６からスリップ
方向に周辺に変位させられる。それゆえスリップ流は、
羽根１３の配列を通過し、この羽根の配列において、ス
リップ流の圧力はさらに増加させられ、出Ｄ’（図示し
てない）に達するまで複数回の通過ごとに増加させられ
る。カウンタ方向の流れも同様に生ずる。第１のカウン
タ方向ディフューザＩＤＣは、ディフューザ羽根１９及
び入口案内羽根２０によって、したがって羽根の配列を
通過して、第２０カウンタ流入口案内２ＩＯへ周囲を案
内される。第２０カウンタ流デイフユーザ２ＤＯからの
流体は、第６のカウンタ流入口案内３工。へ周囲を案内
される。さらにロータの羽根の配列を通過する吹成の通
過が、同じ出口に達するまで逆流方向に生ずる。繰返す
カウンタ方向に絶対的な流れは生じなくてよい。

したがってスリップ流及びカウンタ流は、混合され、出
口マニホルド２１から排出される。

区画部分２２は、１つの代表的な完全な通過に対する案
内流路を示す。この場合カウンタ流は、入口からディフ
ューザ２ＤＯへ流れディツユ−ず区画においてまずまっ
すぐにされ、湾曲区画２３において１８０°にわたって
油滑に回転させられ、次いで熱交換器２４を通ってもど
される。熱交換器２４は、圧縮熱を除去するのに役立つ
。本発明による圧縮機の特に有用な特徴は、圧縮熱のわ
ずかな各増分を除去することができ、等温効率を有益に
増加させることにある。又熱交換器２４は、Ｉｉ４接す
るカウンタ流の通過の流れから物理的に流れを隔離する
のに役立つ。次いで流れは、円滑なＵベンド２５におい
てさらに１８０°にわたって回転させられ、次の続いて
のカウンタ流人口３工。

を通って羽根１３の配列に再び入る。次いで羽根１３の
配列を離れる流れは、次の続いての通過のディフューザ
３Ｄｏによって集められる。中間冷却は、通常は、全部
の通過でなく若干の通過の際に行なわれる。

第７図に、第６図ないし第６図に関して説明した再生圧
縮機に、最も重要な点におし、１て類似の再生圧縮機を
示す。第７図において、第６図ないし第６図と同一の参
照数字は同一の部品を示す。主要な相違は、簡単な熱交
換器２４０代りに一層複雑な熱交換器２６を使用するこ
とである。熱交換器２６は、冷却管２８の配列を入れで
ある環状の室２７と、そらせ板２９の配列とを備えてい
る。

そらせ板２９の配列によって、熱交換管を通る曲がりく
ねった流路を、ガスが強制的に通過させられる。室２７
は、半径方向のスプリッタ３０によって分割され、スプ
リッタ３０は、流れを各段階すなわち各通過毎に分ける
。半径方向の各スプリッタは、最終段階においてさえ、
比較的低い圧力差だけを維持するのに必要である。第１
０番目のすべりディフューザ１０Ｄｓ及び入口案内１０
工。

とを断面で示す。

本発明による再生ターボマシンの前記動作は、動作条件
に依存し、一般に最適設計動作は、ロータが設計速度で
回転し、入口及び出口圧力が設計値にあるときだけ、行
なわれることは明らかである。しかし満足できる性能は
、設計条件に近い条件のもとで得られ、設計パラメータ
の１つの変化を他の変化に対して相殺することもできる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ターボマシンの原理を説明する線図的説
明図であり、第２図は第１図に示したマシンのインペラ
を中間表面において部分的に展開して示す線図的説明図
であり、第６図は本発明による再生用コンプレッサの一
部切断斜視図であり、第４図は第６図に示したコンプレ
ッサのインペラを中間表面において部分的に展開して示
す線図的説明図であり、第５図および第６図は第６図に
示したコンプレッサのスリップ流路およびカウンタ流路
へのインペラを経て流れる流体の速度三角形を示す速度
線図であり、第７図は本発明による再生コンプレッサの
利の実施態様を示す縦断面図である。 １・・・ロータ（インペラ）、２・・・ブレード、３・
・・環状ハウジング、４・・・入口ポート、５・・・出
口ボート。 Ｆｉｇ、６゜ 手　続　補　正　書　（方式） ％式％ １、事件の表示　昭１０５９年特許願第１７１６９３号
３　補正をする者　事件との関係　特許出願人イ　ギ　
リ　ス　国 （ほか１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　羽根を備えたロータと、 このロータを囲み、動作流体のための環状流路を形成す
   る環状ハウジングと、 動作流体をこの環状ハウジングへ入れるための入口と、 この人口から前記ロータの周辺方向に間隔を置いて設け
   られ、前記環状ハウジングを出る動作流体が通過する出
   口と、 を備えた再生ターボマシンにおいて、 前記入口に流入する動作流体を、主として軸線方向に羽
   根の配列を繰返し通過する次の２種の流路： （ｉ）　前記ロータの意図された回転方向に吹成に間隔
   を置いて並んだ周辺位置において前記ロータの羽根に動
   作流体を繰返し通過させるスリップ流路、および （１１）前記ロータの意図された回転方向とは反対の方
   向に吹成に間隔を置いて並んだ周辺位置において前記ロ
   ータの羽根に動作流体を繰返し通過させるカウンタ流路 へど案内する案内手段を設けたことを特徴とする再生タ
   ーボマシン。 （２）前記再生ターボマシンが圧縮機であることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の再生ターボマシ
   ン。 （３）少くとも何回かの繰返し通過の後の圧縮熱を除去
   するように、前記流路内に熱交換器を設けたことを特徴
   とする特許請求の範囲第（２）項記載の再生ターボマシ
   ン。 （４）　前記環状ハウジングが、羽根先端を通過する漏
   れを最小にするように、前記羽根先端に密接して位置す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第
   （３）項のいずれかに記載の再生ターボマシン。 （５）前記ロータの羽根と、前記案内手段との間の軸線
   方向のすきまが、前記ロータの周辺のまわりに前記入口
   から前記出口の方へ減少することを特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項ないし第（４）項のいずれかに記載の
   再生ターボマシン。 （６）　前記ロータに、半径方向及び周辺方向の流体の
   漏れを制御する１つ又は１つ以上のボスシールを設けた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第（
   ５）項のいずれかに記載の再生ターボマシン。 （７）前記案内手段が、前記スリップ流路と前記カウン
   タ流路との間の流体の配分を助けるように、前記入口に
   設けた１つ又は１つ以上のフロースプリッタ羽根を備え
   たことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第
   （６）項のいずれかに記載の再生ターボマシン。 （８）前記フロースプリッタ羽根が、動作流体の前記カ
   ウンタ流路部分の角度方向とは異なる角度方向に動作流
   体の前記スリップ流路部分を差し向けるのに役立つ特許
   請求の範囲第（６）項記載の再生ターボマシン。