JP4867656B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

この発明はディフューザを備えた遠心圧縮機に関する。

特許文献１で開示された従来技術では、コンプレッサロータ１０の周辺に環状のディフューザ列１４が配置され、環状のディフューザ列１４を囲んでハウジング１６が設けられている。環状のディフューザ列１４は、一連の翼型ベーン１２より構成され、ベーン１２は別途設けられた傾動制御手段により傾動可能に取り付けられている。
また、各ベーン１２と対向する位置にあるハウジング壁面３０には、ディフューザ列１４の出口領域より上流側へ通じる還流通路３４が形成されており、この還流通路３４は出口領域に開口するポート３２を備えている。そして、ベーン１２の傾動によりポート３２の開度を調整可能となっており、ポート３２の開度を調整することにより還流通路３４を通って還流される流量が制御される。

コンプレッサに吸入される流量が減少すると、ベーン１２の傾動によりポート３２の開度が開かれて、ポート３２より高圧の流体が流入され、還流通路３４を通って上流側へと還流される。よって、低流量時における流れの不安定領域が解消され、ストール発生を抑制できるとしている。
特開２００５−１６３６９１号公報（第３〜５頁、図１〜図２）

しかし特許文献１で開示された技術においては、ポート３２の開口面積をベーン１２で調整する形態なので、バイパス流の流量調整範囲が狭く、最小流量と最大流量の中間状態のバイパス流量を細かく調整することができない。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、低流量時におけるディフューザでのストールの発生を抑制することができ、低流量域から高流量域に至る全流量域に渡って安定した運転を可能とする遠心圧縮機の提供にある。

上記課題を達成するため、請求項１記載の発明は、ケーシング内に回転可能に軸支されたインペラと、該インペラの周囲にディフューザを備えた遠心圧縮機において、前記ディフューザを挟んで配設された一対のディフューザ壁の少なくとも一方を、前記ディフューザの外周側から内周側に向かって延びる溝が形成された溝形成部材と、前記溝形成部材の前記ディフューザ側に重ねて配置され前記ディフューザの外周側から内周側に向かって延びる長孔又は切り欠き孔が形成された有孔プレートとにより構成し、前記溝形成部材と前記有孔プレートを相対回転可能とし、前記溝と前記長孔又は切り欠き孔が重なることによって開口が形成され、前記開口の前記ディフューザにおける位置は、前記溝形成部材と前記有孔プレートの相対回転によって径方向に調整可能であることを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、ディフューザ壁の少なくとも一方が溝形成部材と有孔プレートで構成され、溝形成部材にはディフューザの外周側から内周側に向かって延びる溝が形成され、有孔プレートにはディフューザの外周側から内周側に向かって延びる長孔又は切り欠き孔が形成されているので、溝形成部材と有孔プレートとが相対回転し、溝と長孔又は切り欠き孔が重なることにより開口が形成され、溝を通ってディフューザの内周側に連通するバイパス通路が形成される。
また、この開口位置は、流体圧力の高いディフューザの外周側から流体圧力の低い内周側に至る任意の位置に調整可能なので、例えば、低流量時においては、開口位置をディフューザの外周側とすることにより、高圧の流体の一部をバイパス通路を通って循環させることができ、高流量時においては、開口位置をディフューザの内周側とすることにより、低圧の流体の一部をバイパス通路を通って循環させることができる。従って、低流量時におけるストールの発生を抑制することができると共に、低流量域から高流量域に至る全流量域に渡って安定した運転が可能となる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の遠心圧縮機において、前記有孔プレートと前記インペラとの間に隙間が存在し、前記開口と前記隙間は前記溝によって繋がることを特徴とする。
請求項２記載の発明によれば、有孔プレートとインペラとの間の隙間および開口は溝によって繋がるバイパス通路を形成することができる。
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の遠心圧縮機において、前記有孔プレートには円弧状の孔が設けられ、前記開口と前記円弧状の孔は前記溝によって繋がることを特徴とする。
請求項３記載の発明によれば、有孔プレートに設けた円弧状の孔および開口は溝によって繋がるバイパス通路を形成することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機において、前記長孔又は切り欠き孔の孔幅を前記ディフューザの外周側ほど大きく設定したことを特徴とする。
請求項４記載の発明によれば、孔又は切り欠きの孔幅をディフューザの外周側ほど大きく設定されているので、孔幅の大きい外周側の孔又は切り欠きと溝とが重なった時には、開口面積が大きくなり、大きな開口面積を通って高圧の流体を循環させることが可能となる。また、孔幅の小さい内周側の孔又は切り欠きと溝とが重なった時には、開口面積が小さくなり、小さな開口面積を通って低圧の流体を循環させることが可能となる。従って、循環する流体の圧力に加えて、開口面積も調節可能なので、循環する流量の設定を更にきめ細かくできる。
請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機において、前記溝形成部材を溝付プレートで形成し、該溝付プレートを前記有孔プレートに対して回転させることを特徴とする。
請求項５記載の発明によれば、溝形成部材が溝付プレートで形成され、溝付プレートを有孔プレートに対して回転させるので、プレートへの溝加工を容易にでき、溝付プレートの上に有孔プレートを重ねて配置すれば良い。

請求項６記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機において、前記溝形成部材を直接溝が形成された前記ケーシングとし、前記有孔プレートを前記ケーシングに対して回転させることを特徴とする。
請求項６記載の発明によれば、溝を直接ケーシングに形成し、その上に有孔プレートを重ねて配置し回転させればよいので、溝形成部材を別部品として設定する必要が無く、部品点数の削減が可能である。

本発明によれば、ディフューザ壁を溝と孔が形成された複数の部材で構成し、相対回転により開口位置の調整を行うことにより、バイパス通路を通って循環する流量の調整を行うことができ、低流量時におけるストールの発生を抑制することができると共に、低流量域から高流量域に至る全流量域に渡って安定した運転が可能となる。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る遠心圧縮機について、図１〜図５に基づいて説明する。
図１に示されるように、この実施形態の遠心圧縮機１０（以下、略して圧縮機と称する）は、第１ケーシング１１と第２ケーシング１２とを接合することによってケーシングが形成され、ケーシング１１、１２内にはハブ１４を介して回転中心ｍを中心として回転する回転軸１６に取り付けられたインペラ１５（羽根車）が収容されている。回転軸１６は第１ケーシング１１のケーシング壁１３に形成されている貫通孔１７に、シール機能付軸受１８を介して回転可能に支持されている。回転軸１６は図示しないタービン羽根車およびプーリ等と連結され、タービン羽根車およびプーリ等の作動に伴い回転駆動される。

第２ケーシング１２はインペラ１５を収容する漏斗状の空間１９の前方（図１の左側）に、平行な流路２０及び漏斗状に拡径する吸入口２１を備えている。尚、図１において左側を前方とし、右側を後方とする。また、インペラ１５の外周にディフューザ２２が配置され、ディフューザ２２の通路を形成する固定ディフューザ壁２３は第２ケーシング１２の一部で形成されている。そして、ディフューザ２２の外周にボリュート２４が形成されている。尚、ボリュート２４は図示しない吐出口に連結されている。従って、インペラ１５の回転により吸入口２１から吸い込まれた流体は、インペラ１５により加速されてディフューザ２２に供給され、ディフューザ２２にて減速、昇圧された後、ボリュート２４に送り込まれる。

一方、第１ケーシング１１内には、ドーナツ状の空間２５が形成されている。空間２５には、溝形成部材としての環状の溝付プレート２６が配置され、溝付プレート２６はシール機能付軸受２９を介してケーシング壁１３に回転可能に支持されている。空間２５における溝付プレート２６の前方に、有孔プレート２７が重ねて配置されており、有孔プレート２７は、空間２５の外周側の内壁面２５ａに嵌め込み固定されている。有孔プレート２７は、ディフューザ２２を挟んで固定ディフューザ壁２３と対向するように設けられたもう一方のディフューザ壁に相当する。

また、ケーシング壁１３には、空間２５に連通する段付孔３２が形成されており、この段付孔３２にシール機能付軸受３３を介して軸３４が回転可能に取り付けられ、軸３４の先端側（図１で前方）には、溝付プレート２６のギヤ２８と噛合する駆動ギヤ３５が取り付けられている。軸３４の後端側（図１で後方）に取り付けられた図示しない駆動源により回転駆動することにより、溝付プレート２６を所定角度回転可能となっている。尚、ギヤ２８、３５、軸３４及び駆動源等が回転手段に相当する。従って、溝付プレート２６と有孔プレート２７を相対回転可能としている。

図２は、図１のＡ−Ａ線矢視図を示している。溝付プレート２６には、ディフューザ外周側から内周側に向かって延びる溝２６ａが形成されている。有孔プレート２７には、外周側から内周側に向かって延びる長孔２７ａが形成されている。長孔２７ａと溝２６ａとが重なることにより開口３０が形成され、溝２６ａを通って隙間３６からディフューザ２２の入口側に連通するバイパス通路３１が形成される。従って、ディフューザ２２内の流体の一部をバイパス通路３１を通って循環させることができる。
また、溝付プレート２６を回転駆動することにより、開口３０の形成位置が変化し、ディフューザ２２の外周端より内周側の任意の位置に開口３０の形成位置を調整可能となっている。

図３は、溝付プレート２６の分解図を示す。溝付プレート２６に形成された溝２６ａは、所定の幅と深さを有し、中心Ｏを通る放射方向の線分に対し平行に、外周側より内周側に向かって形成されており、円周方向に６０°間隔で複数個（この場合６個）形成されている。溝付プレート２６の中心部には、丸穴２６ｂ（貫通孔）が形成されおり、この丸穴２６ｂにシール機能付軸受２９の外周側が嵌合固定される。溝付プレート２６の後側には、外周側にギヤ歯の形成されたギヤ２８が設けられ、ギヤ２８は溝付プレート２６に一体固定されている。

図４は、有孔プレート２７の分解図を示す。有孔プレート２７に形成された長孔２７ａは、等しい孔幅を有する貫通孔であり、長孔２７ａの中心Ｑと有孔プレート２７の中心Ｐとを結ぶ放射方向の線分を考えた時に、長孔２７ａは放射方向の線分に対し一定の傾きαを有し、円周方向に６０°間隔で複数個（この場合６個）形成されている。
有孔プレート２７の中心部には、丸穴２７ｂ（貫通孔）が形成されている。後述するように、丸穴２７ｂの内壁面とハブ１４の外周とで形成される環状の隙間３６は、ディフューザ２２の入口側に連通するバイパス通路３１の一部を構成している。（図１参照）

次に上記のように構成された遠心圧縮機１０の作用について説明する。
図５（ａ）に示されるように、最小流量運転時においては、有孔プレート２７の長孔２７ａの外周側と溝付プレート２６の溝２６ａとが重なるように溝付プレート２６が回転調整されることにより、開口３０はディフューザ２２の外周側に形成される。また、溝２６ａは、有孔プレート２７の丸穴２７ｂの内壁面とハブ１４の外周とで形成される環状の隙間３６を介してディフューザ２２の内周側にある入口側と繋がっている。
従って、溝２６ａを介した開口３０と隙間３６とにより、ディフューザ２２の外周側と入口側とを繋ぐバイパス通路３１が形成される。

ところで、ディフューザ２２内の圧力は、内周側より外周側に向かって（すなわち入口側より出口側に向かって）上昇している。従って、図５（ａ）に矢印で示されるように、この圧力差のために高圧の流体の一部が開口３０より流れ込み、溝２６ａを通って隙間３６からディフューザ２２の入口側へと循環される。この循環される流量は、開口３０の開口面積と、開口３０と隙間３６間の圧力差に比例するが、開口面積は一定なので圧力差に比例することになる。この場合には、圧力差が最大となっており、循環流量も最大となっている。
このためディフューザ２２内を流れる流体の流量が増加し、最小流量運転時における流体の流量の減少に起因するストールの発生を防止できる。

次に図５（ｂ）に示されるように、低流量〜中流量時においては、長孔２７ａの外周側と内周側の中間領域と溝２６ａとが重なるように溝付プレート２６が回転調整されることにより、開口３０はディフューザ２２の外周側と内周側の中間領域に形成される。従って、この場合には、ディフューザ２２の中間領域と入口側とを繋ぐバイパス通路３１が形成されることになる。ディフューザ２２の中間領域においては、流体の圧力は外周側より低く内周側より高い、いわゆる外周側と内周側の中間圧力となっている。従って、図５（ｂ）に矢印で示されるように、中間圧力の流体の一部が開口３０より流れ込み、溝２６ａを通って隙間３６からディフューザ２２の入口側へと循環される。この循環される流量は、圧力差が中間圧となっていることにより、最小流量運転時における循環流量より少なく中間レベルとなっている。
このためディフューザ２２内を流れる流体の流量は、中間レベルの循環流量が加わって、適正な流量レベルに確保されている。

図示されてないが、中流量〜高流量時においては、長孔２７ａの内周側と溝２６ａとが重なるように溝付プレート２６が回転調整されることにより、開口３０はディフューザ２２の内周側に形成される。従って、ディフューザ２２の内周側と入口側とを繋ぐバイパス通路３１が形成され、このバイパス通路３１を通って低圧の流体が循環される。この循環される流量は、圧力差が小さいことにより、非常に少なくなっている。
このためディフューザ２２内を流れる流体の流量は、もともとかなり多く、それに少ない循環流量が加わって、適正な流量レベルに確保されている。

次に図５（ｃ）に示されるように、最大流量運転時においては、長孔２７ａと溝２６ａとの重なりが解消されるように溝付プレート２６が回転調整されることにより、開口３０は塞がった状態となりバイパス通路３１は形成されない。この場合には、循環流量はゼロとなっているが、ディフューザ２２内を流通する流量は非常に多く、適正な流量レベルに確保されていることにより安定した運転が行われる。
このように、圧縮機内を流れる流量に応じて、開口３０の位置の調整が行われることにより、バイパス通路３１を通って循環する流量の調整を行うことができる。従って、低流量時におけるストールの発生を抑制することができると共に、低流量域から高流量域に至る全流量域に渡って安定した運転が可能となる。

この実施形態に係る遠心圧縮機１０によれば以下の効果を奏する。
（１）ディフューザ壁の少なくとも一方が溝付プレート２６と有孔プレート２７で構成され、溝付プレート２６にはディフューザ２２の外周側から内周側に向かって延びる溝２６ａが形成され、有孔プレート２７には外周側から内周側に向かって延び、溝２６ａ形成方向に対して傾斜する長孔２７ａが形成されているので、溝２６ａと長孔２７ａが重なることにより開口３０が形成され、溝２６ａを通ってディフューザ２２の入口側に連通するバイパス通路３１が形成される。この開口３０の位置は、溝付プレート２６を回転させることにより、流体圧力の高いディフューザ外周側から流体圧力の低い内周側に至る任意の位置に調整可能なので、例えば、低流量時においては、開口位置をディフューザ外周側とすることにより、高圧の流体の一部をバイパス通路３１を通って循環させることができ、高流量時においては、開口位置をディフューザ内周側とすることにより、低圧の流体の一部をバイパス通路３１を通って循環させることができる。従って、低流量時におけるストールの発生を抑制することができると共に、低流量域から高流量域に至る全流量域に渡って安定した運転が可能となる。
（２）第１ケーシング１１に形成された空間２５に溝付プレート２６を回転可能に配置し、その前方に有孔プレート２７が重ねて配置固定され、溝付プレート２６を回転させることにより、開口３０の位置調整が行われるので、構成が簡単であり装置の簡略化を図ることができる。
（３）溝２６ａが形成された溝付プレート２６と、長孔２７ａが形成された有孔プレート２７を重ねて配置することにより、バイパス通路３１を形成することができるので、ケーシングに直接バイパス通路を加工する場合と比較して、加工が容易であり、加工工数の削減が可能である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る圧縮機を図６、７に基づいて説明する。
この実施形態は、第１の実施形態における溝形成部材の構造を変更したものであり、その他の構成は共通である。
従って、ここでは説明の便宜上、先の説明で用いた符号を一部共通して用い、共通する構成についてはその説明を省略し、変更した個所のみ説明を行う。

図６に示されるように、この実施形態の遠心圧縮機５０では、第１ケーシング５１に直接溝５４が形成されており、溝形成部材を第１ケーシング５１としたものである。
ケーシング壁５２には、ディフューザ２２の外周側から内周側に向かって延びる溝５４が形成されている。溝５４は、第１の実施形態における溝２６ａと同様に、所定の幅と深さを有し、中心Ｏを通る放射方向の線分に対し平行に、外周側より内周側に向かって形成されており、円周方向に６０°間隔で複数個（この場合６個）形成されている。（図７参照）

溝５４の前側には、環状の有孔プレート５５が配置され、有孔プレート５５はシール機能付軸受５７を介してケーシング壁５２に回転可能に支持されている。有孔プレート５５は、ケーシング壁５２の外周側の内壁面５２ａに若干の隙間をもってはめ込まれており、この隙間にはシールが装着されている。
図７に示されるように、有孔プレート５５には、外周側から内周側に向かって延びる長孔５５ａが形成されている。長孔５５ａは、第１の実施形態における長孔２７ａと同様に、等しい孔幅を有する貫通孔であり、放射方向の線分に対し一定の傾きαを有し、円周方向に６０°間隔で複数個（この場合６個）形成されている。

また、有孔プレート５５には、長孔５５ａの形成位置より若干内周側に円弧状の孔５５ｂが形成されている。孔５５ｂは、円周方向に６０°間隔で複数個（この場合６個）形成されている。後述するように、この孔５５ｂは、ディフューザ２２の入口側に連通するバイパス通路５９の一部を構成している。
有孔プレート５５の中心部には、丸穴５５ｃ（貫通孔）が形成されおり、この丸穴５５ｃにシール機能付軸受５７の外周側が嵌合固定される。有孔プレート５５の後側には、外周側にギヤ歯の形成されたギヤ５６が設けられ、ギヤ５６は有孔プレート５５に一体固定されている。

また、ケーシング壁５２には、段付孔６０が形成されている。この段付孔６０にシール機能付軸受６１を介して軸６２が回転可能に取り付けられ、軸６２の先端側（図６で前方）には、有孔プレート５５のギヤ５６と噛合する駆動ギヤ６３が取り付けられている。軸６２の後端側（図６で右方）に取り付けられた図示しない駆動源により回転駆動することにより、有孔プレート５５を所定角度回転可能となっている。

長孔５５ａと溝５４とが重なることにより開口５８が形成され、溝５４を通って孔５５ｂからディフューザ２２の入口側に連通するバイパス通路５９が形成される。従って、ディフューザ２２内の流体の一部をバイパス通路５９を通って循環させることができる。
また、有孔プレート５５を回転駆動することにより、開口５８の形成位置が変化し、ディフューザ２２の外周側より内周側の任意の位置に開口５８の形成位置を調整可能となっている。

以上の構成を持つ遠心圧縮機５０の作用については、第１の実施形態における溝付プレート２６の回転駆動に代えて、第２の実施形態における有孔プレート５５の回転駆動に置き換えて考えればよく、同等なので説明を省略する。

この実施形態に係る遠心圧縮機５０によれば以下の効果を奏する。
尚、第１の実施形態における（１）の効果は同じであり、それ以外の効果を記載する。
（１）溝５４を直接第１ケーシング５１に形成し、その上に有孔プレート５５を重ねて配置し回転させればよいので、溝形成部材を別部品として設定する必要が無く、部品点数の削減が可能である。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
○ 第１、第２の実施形態では、有孔プレートに形成される孔を長孔として説明したが、図８に示されるように、切り欠き孔７１の形成された有孔プレート７０としても良い。切り欠き孔７１は、有孔プレート７０の外周側の端面より切り込みを入れた形状をしており、切り欠き孔７１は外周部が外部と繋がっている。その他の形状は第１、第２の実施形態と同等である。この場合には、長孔に比べて加工面で容易である。
○ 有孔プレートに形成される長孔又は切り欠き孔の孔幅は等しいとして説明したが、図９に示されるように、外周側ほど孔幅を大きくした長孔８１の形成された有孔プレート８０としても良い。この場合には、長孔８１の外周側と溝とが重なった時には、開口面積が大きくなり、大きな開口面積を通って高圧の流体を循環させることが可能となる。また、長孔８１の内周側と溝とが重なった時には、開口面積が小さくなり、小さな開口面積を通って低圧の流体を循環させることが可能となる。従って、循環する流体の圧力に加えて、開口面積も調節可能なので、循環する流量の設定を更にきめ細かくできる。
〇 溝と長孔又は、溝と切り欠き孔の形成個数は、上記実施形態においては円周方向に等間隔にそれぞれ６個として説明したが、６個に限定されるものではなく、任意の個数に設定可能である。
〇 第１、第２の実施形態では、ディフューザを挟んで配設された一対のディフューザ壁の一方の第１ケーシング側を溝形成部材と有孔プレートで構成するとして説明したが、他方の第２ケーシング側のディフューザ壁を溝形成部材と有孔プレートで構成しても構わない。また、ディフューザ壁の両方を溝形成部材と有孔プレートで構成しても良い。

第１の実施形態に係る遠心圧縮機の全体構成を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視図である。 第１の実施形態に係る遠心圧縮機の溝付プレートの分解図である。（ａ）分解平面図である。（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 第１の実施形態に係る遠心圧縮機の有孔プレートの分解図である。（ａ）分解平面図である。（ｂ）（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 第１の実施形態に係る遠心圧縮機の作用説明用の模式図である。（ａ）最小流量運転時の状態を示す。（ｂ）低流量〜中流量運転時の状態を示す。（ｂ）最大流量運転時の状態を示す。 第２の実施形態に係る遠心圧縮機の全体構成を示す断面図である。 図６のＤ−Ｄ線矢視図である。 その他の実施形態に係る遠心圧縮機の有孔プレートの分解図である。 その他の実施形態に係る遠心圧縮機の有孔プレートの分解図である。

符号の説明

１０ 遠心圧縮機
１１ 第１ケーシング
１２ 第２ケーシング
１５ インペラ
１６ 回転軸
２２ ディフューザ
２５ 空間
２６ 溝付プレート
２６ａ 溝
２７ 有孔プレート
２７ａ 長孔
３０ 開口
３１ バイパス通路

Claims (6)

1. ケーシング内に回転可能に軸支されたインペラと、該インペラの周囲にディフューザを備えた遠心圧縮機において、
   前記ディフューザを挟んで配設された一対のディフューザ壁の少なくとも一方を、
   前記ディフューザの外周側から内周側に向かって延びる溝が形成された溝形成部材と、
   前記溝形成部材の前記ディフューザ側に重ねて配置され前記ディフューザの外周側から内周側に向かって延びる長孔又は切り欠き孔が形成された有孔プレートとにより構成し、
   前記溝形成部材と前記有孔プレートを相対回転可能とし、
   前記溝と前記長孔又は切り欠き孔が重なることによって開口が形成され、
   前記開口の前記ディフューザにおける位置は、前記溝形成部材と前記有孔プレートの相対回転によって径方向に調整可能であることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記有孔プレートと前記インペラとの間に隙間が存在し、前記開口と前記隙間は前記溝によって繋がることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記有孔プレートには円弧状の孔が設けられ、前記開口と前記円弧状の孔は前記溝によって繋がることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
4. 前記長孔又は切り欠き孔の孔幅を前記ディフューザの外周側ほど大きく設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記溝形成部材を溝付プレートで形成し、該溝付プレートを前記有孔プレートに対して回転させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
6. 前記溝形成部材を直接溝が形成された前記ケーシングとし、前記有孔プレートを前記ケーシングに対して回転させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。

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