JP6065509B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機に関するものである。

遠心圧縮機では、ラジアルインペラによって空気等の流体に速度エネルギを付与し、速度エネルギが付与された流体をディフューザにて減速させて昇圧させることによって流体を圧縮している。

このような遠心圧縮機では、ディフューザに流体を案内する案内翼が設置されている。この案内翼は、ラジアルインペラから送り出された流体が、ディフューザの外側に設けられたスクロール流路にスムーズに流れ込むように、ラジアルインペラの半径方向に送り出された流体をスクロール流路の流れ方向に向けて案内する。

ところで、例えば特許文献１には、ディフューザの流路高さをラジアルインペラの半径方向の外側に向かうにつれて拡張することにより圧力回復率を高め、ディフューザの流路長が短くても所望の圧力まで流体を圧縮可能とする遠心圧縮機が開示されている。このような遠心圧縮機によれば、ディフューザの流路長が短くなることによって遠心圧縮機の外形サイズを小さくすることができ、遠心圧縮機の小型軽量化が可能となる。

このような特許文献１に開示された遠心圧縮機では、ディフューザの流路壁面がテーパ面となることから、ディフューザに設置される案内翼の流路壁面との突合面もテーパ面とされている。

特開昭５８−１８３８９９号公報

しかしながら、案内翼の突合面をテーパ面とすると、案内翼の形状が複雑となることから加工精度を維持することが難しく、案内翼の歩留まりが悪化し、遠心圧縮機の製造コストの増加に繋がる。また、案内翼の突合面をテーパ面とすると、案内翼の組付精度も悪化することになり、流体の案内機能が低下することにも繋がる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、遠心圧縮機において、ディフューザにおける圧力回復率を高めることができ、かつ、案内翼の加工精度の悪化及び組付精度の悪化を防止することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、流体に速度エネルギを付与して半径方向に送り出すラジアルインペラと、上記ラジアルインペラから送り出された上記流体を減速させて昇圧するディフューザとを備える遠心圧縮機であって、上記ディフューザが、上記ラジアルインペラを囲んで設けられると共に、平行に対峙する一対の平面状の流路壁面間に形成される第１環状流路と、上記第１環状流路の外側に設けられると共に、上記第１環状流路を形成する流路壁面よりも広い間隔で平行に対峙する一対の平面状の流路壁面間に形成される第２環状流路と、上記第１環状流路に設置される第１案内翼と、上記第２環状流路に設置されると共に上記第１案内翼よりも翼高さが大きい第２案内翼とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記ディフューザが、上記第１環状流路と上記第２環状流路との間に設けられ、上記第１環状流路を形成する流路壁面と上記第２環状流路を形成する流路壁面とを繋ぐ傾斜面を有する中間流路を備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１案内翼による上記流体の案内方向の延長線上に上記第２案内翼が設置されているという構成を採用する。

本発明では、ディフューザが、ラジアルインペラ側の第１環状流路と、その外側の第２環状流路とに分割され、第１環状流路と第２環状流路とは、平行に対峙する一対の流路壁面間に形成されている。ここで、第２環状流路を形成する流路壁面同士は、第１環状流路を形成する流路壁面同士よりも広い間隔で離間されている。すなわち、第２環状流路の流路高さは、第１環状流路の流路高さよりも大きく設定されている。このため、ディフューザでは、第１環状流路から第２環状流路に向かうと、第２環状流路において急激に空間容積が拡大し、流体の速度が急激に低下して昇圧される。よって、ディフューザの圧力回復率を高めることができる。

さらに、本発明では、第１環状流路に設置される第１案内翼と、第２環状流路に設置される第２案内翼とを備えている。このため、ディフューザを流れる流体は、第１案内翼と第２案内翼とによって案内される。すなわち、本発明では、ラジアルインペラから送り出された流体は、ディフューザの入口から出口までのほぼ全域において案内される。したがって、本発明では、流体を所望の流れ方向（例えばスクロール流路での流れ方向）に向けて確実に案内することができ、圧力損失を低減させることができる。

また、本発明では、上述のような第１案内翼が、平行に流路壁面が対峙された第１環状流路に設置されている。また、第２案内翼が、同じく平行に流路壁面が対峙された第２環状流路に設置されている。このため、第１案内翼及び第２案内翼の流路壁面との突合面は、両方共にテーパ面でなく平面となる。したがって、本発明によれば、案内翼の加工精度の悪化及び組付精度の悪化を防止することが可能となる。

（ａ）が、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の概略構成を示す縦断面図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機が備えるディフューザを含む要部拡大図である。 本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機が備える第１案内翼と、第２案内翼と、ハウジングの一部を示した図であり、図１（ａ）の右側から見た図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る遠心圧縮機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明では、本発明に係る遠心圧縮機として、圧縮空気を生成する遠心圧縮機に適用した例について説明する。

図１（ａ）は、本実施形態の遠心圧縮機１の概略構成を示す縦断面図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の遠心圧縮機１が備えるディフューザ７を含む要部拡大図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、ラジアルインペラ２と、シャフト３と、シールプレート４、ハウジング５と、ボルト６と、ディフューザ７とを備えている。

ラジアルインペラ２は、基部２ａに対して固定される羽根２ｂを複数備えている。このラジアルインペラ２は、回転駆動されることにより、軸方向から吸引した空気Ｘ（流体）に速度エネルギを付与して半径方向に送り出す。シャフト３は、ラジアルインペラ２の空気Ｘの吸入方向から見て、ラジアルインペラ２の中央に固定されており、不図示の駆動源（モータやタービン等）で生成された回転動力をラジアルインペラ２に伝達する。

シールプレート４は、ラジアルインペラ２の背面に対向配置されており、中央部にシャフト３を挿通するための貫通孔が設けられている。ハウジング５は、ボルト６でシールプレート４と締結されることによって、空気Ｘの吸入側からラジアルインペラ２を覆うケーシングである。このハウジング５は、図１（ａ）に示すように、空気Ｘを吸入するための吸入口５ａと、空気Ｘを吐出する吐出口５ｂと、ラジアルインペラ２から送り出された空気Ｘを吐出口５ｂに導くスクロール流路５ｃとを備えている。このスクロール流路５ｃは、空気Ｘの吸入方向から見て、ラジアルインペラ２を囲うようにしてラジアルインペラ２の外側に形成されており、同方向から見た場合に、ラジアルインペラ２を中央とする周方向に空気Ｘを導く。すなわち、スクロール流路５ｃにおける空気Ｘの流れ方向は、ラジアルインペラ２の回転軸を中心とする周方向に設定されている。ボルト６は、シールプレート４とハウジング５とを締結しており、ラジアルインペラ２の回転軸を中心とする周方向に離散的に複数設けられている。

ディフューザ７は、ラジアルインペラ２とスクロール流路５ｃとの間に設けられており、図１（ｂ）に示すように、第１環状流路７ａと、第２環状流路７ｂと、中間流路７ｃと、第１案内翼７ｄと、第２案内翼７ｅとを備えている。

第１環状流路７ａは、第２環状流路７ｂよりもラジアルインペラ２寄りに設けられており、ラジアルインペラ２を囲う環状の流路である。この第１環状流路７ａは、図１（ｂ）に示すように、平行に対峙する一対の流路壁面７ａ１と流路壁面７ａ２との間に形成されている。なお、流路壁面７ａ１は、シールプレート４の表面の一部からなる平面状の壁面である。また、流路壁面７ａ２は、ハウジング５の表面の一部からなる平面状の壁面である。

第２環状流路７ｂは、第１環状流路７ａの外側に設けられており、中間流路７ｃを介して第１環状流路７ａを囲う環状の流路である。この第２環状流路７ｂは、図１（ｂ）に示すように、平行に対峙する一対の流路壁面７ｂ１と流路壁面７ｂ２との間に形成されている。なお、流路壁面７ｂ１は、シールプレート４の表面の一部からなる平面状の壁面である。また、流路壁面７ｂ２は、ハウジング５の表面の一部からなる平面状の壁面である。

図１（ｂ）に示すように、第２環状流路７ｂを形成する流路壁面７ｂ１と流路壁面７ｂ２とは、第１環状流路７ａを形成する流路壁面７ａ１と流路壁面７ａ２よりも広い間隔で平行に対峙されている。このため、第２環状流路７ｂの流路高さＨ２（ラジアルインペラ２の軸方向の大きさ）は、第１環状流路７ａの流路高さＨ１よりも大きくなっている。

中間流路７ｃは、第１環状流路７ａと、第２環状流路７ｂとを接続する流路である。この中間流路７ｃは、図１（ｂ）に示すように、シールプレート４の表面の一部からなり、平面状の壁面である流路壁面７ｃ１と、ハウジング５の表面の一部からなるテーパ面状の壁面である流路壁面７ｃ２との間に形成されている。テーパ面状の流路壁面７ｃ２は、第１環状流路７ａを形成する流路壁面７ａ１や第２環状流路７ｂを形成する流路壁面７ｂ１に対する傾斜面とされており、流路壁面７ａ１と流路壁面７ｂ１とを繋いでいる。

第１案内翼７ｄは、第１環状流路７ａに設けられている。この第１案内翼７ｄは、翼高さＨ３が、第１環状流路７ａの流路高さＨ１と同一の大きさとされており、両端面が第１環状流路７ａを形成する流路壁面（流路壁面７ａ１及び流路壁面７ａ２）との突合面となっている。なお、例えば第１案内翼７ｄは、両端面から突出する不図示のピンを備えており、このピンが流路壁（本実施形態ではシールプレート４及びハウジング５）に形成された嵌合穴に差し込まれることによって位置決め及び支持されている。

図２は、第１案内翼７ｄと、第２案内翼７ｅと、ハウジング５の一部を示した図であり、図１（ａ）の右側から見た図である。この図に示すように、第１案内翼７ｄは、前縁をラジアルインペラ２側に向け、後縁をスクロール流路５ｃの流れ方向の下流側に向けるように配置されており、ラジアルインペラ２から送り出された空気Ｘをスクロール流路５ｃの流れ方向に向けて案内する。このような第１案内翼７ｄは、図２に示すように、第１環状流路７ａに複数設置されており、ラジアルインペラ２を中央として環状に配列されている。

第２案内翼７ｅは、図１（ｂ）に示すように、第２環状流路７ｂに設けられている。この第２案内翼７ｅは、翼高さＨ４が、第２環状流路７ｂの流路高さＨ２と同一の大きさとされており、両端面が第２環状流路７ｂを形成する流路壁面（流路壁面７ｂ１及び流路壁面７ｂ２）との突合面となっている。このような第２案内翼７ｅは、第１案内翼７ｄよりも翼高さが大きなものとなっている。なお、例えば第２案内翼は、両端面から突出する不図示のピンを備えており、このピンが流路壁（本実施形態ではシールプレート４及びハウジング５）に形成された嵌合穴に差し込まれることによって位置決め及び支持されている。

図２に示すように、第２案内翼７ｅは、前縁を第１案内翼７ｄ側に向け、後縁をスクロール流路５ｃの流れ方向の下流側に向けるように配置されており、第１案内翼７ｄで案内された空気Ｘを、続けてスクロール流路５ｃの流れ方向に案内する。このような第２案内翼７ｅは、図２に示すように、第２環状流路７ｂに複数設置されており、ラジアルインペラ２を中央として環状に配列されている。また、第２案内翼７ｅは、第１案内翼７ｄと同数設置されており、第１案内翼７ｄの前縁側から後縁側に向かう方向の延長線上に配置されている。すなわち、第２案内翼７ｅは、第１案内翼７ｄの空気Ｘの案内方向の延長線上に設置されており、第１案内翼７ｄによって整えられた流れを乱すことなく空気Ｘを案内できる。

このように構成された本実施形態の遠心圧縮機１では、シャフト３を介してラジアルインペラ２に回転動力が伝達され、ラジアルインペラ２が回転駆動されると、吸入口５ａからハウジング５内に空気Ｘが流れ込む。吸入口５ａから流れ込んだ空気Ｘは、ラジアルインペラ２にて速度エネルギが付与され、ラジアルインペラ２の半径方向に送り出される。このようにしてラジアルインペラ２から送り出された空気Ｘは、ディフューザ７にて減速されることで昇圧され、スクロール流路５ｃを介して吐出口５ｂから圧縮空気として吐出される。

ここで、本実施形態の遠心圧縮機１では、ディフューザ７において第２環状流路７ｂの流路高さＨ４が第１環状流路７ａの流路高さＨ３よりも大きい。このため、第２環状流路７ｂの流路高さが第１環状流路７ａと同じ場合と比較して、第２環状流路７ｂにて空間容積が急激に増大し、空気Ｘは急激に昇圧される。さらに、ディフューザ７において、空気Ｘは、第１案内翼７ｄと第２案内翼７ｅとによって、スクロール流路５ｃの流れ方向に向けて案内される。

以上のような本実施形態の遠心圧縮機１の作用及び効果について説明する。本実施形態の遠心圧縮機１では、ディフューザ７が、ラジアルインペラ２側の第１環状流路７ａと、その外側の第２環状流路７ｂとに分割され、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとは、平行に対峙する一対の流路壁面間に形成されている。ここで、第２環状流路７ｂを形成する流路壁面（流路壁面７ｂ１及び流路壁面７ｂ２）同士は、第１環状流路７ａを形成する流路壁面（流路壁面７ａ１及び流路壁面７ａ２）同士よりも広い間隔で離間されている。すなわち、第２環状流路７ｂの流路高さＨ４は、第１環状流路７ａの流路高さＨ３よりも大きく設定されている。このため、ディフューザ７では、第１環状流路７ａから第２環状流路７ｂに向かうと、第２環状流路７ｂにおいて急激に空間容積が拡大し、空気Ｘの速度が急激に低下して昇圧される。よって、ディフューザ７の圧力回復率を高めることができる。

さらに、本実施形態の遠心圧縮機１では、第１環状流路７ａに設置される第１案内翼７ｄと、第２環状流路７ｂに設置される第２案内翼７ｅとを備えている。このため、ディフューザ７を流れる空気Ｘは、第１案内翼７ｄと第２案内翼７ｅとによって案内される。すなわち、本実施形態の遠心圧縮機１では、ラジアルインペラ２から送り出された空気Ｘは、ディフューザ７の入口から出口までのほぼ全域において案内される。したがって、本実施形態の遠心圧縮機１では、空気Ｘを所望の流れ方向（スクロール流路５ｃでの流れ方向）に向けて確実に案内することができ、圧力損失を低減させることができる。

また、本実施形態の遠心圧縮機１では、上述のような第１案内翼７ｄが、平面状の流路壁面７ａ１及び流路壁面７ａ２が対峙された第１環状流路７ａに設置されている。また、第２案内翼７ｅが、同じく平面状の流路壁面７ｂ１及び流路壁面７ｂ２が対峙された第２環状流路７ｂに設置されている。このため、第１案内翼７ｄ及び第２案内翼７ｅの流路壁面との突合面は、両方共にテーパ面でなく平面となる。したがって、本実施形態の遠心圧縮機１では、第１案内翼７ｄ及び第２案内翼７ｅの突合面の形状が単純な平面となり、案内翼の加工精度の悪化及び組付精度の悪化を防止することが可能となる。

また、本実施形態の遠心圧縮機１では、ディフューザ７が、第１環状流路７ａと第２環状流路７ｂとの間に設けられ、第１環状流路７ａを形成する流路壁面７ａ２と第２環状流路７ｂを形成する流路壁面７ｂ２とを繋ぐ傾斜面（流路壁面７ｃ２）を有する中間流路７ｃを備える。このため、第１環状流路７ａを形成する流路壁面７ａ２と第２環状流路７ｂを形成する流路壁面７ｂ２との境界に大きな段差が生じることを防ぐことができる。したがって、空気Ｘの流路壁面からの剥離を防止し、圧力損失が増大することを防止できる。

また、本実施形態の遠心圧縮機１では、第１案内翼７ｄによる空気Ｘの案内方向の延長線上に第２案内翼７ｅが設置されている。このため、第２案内翼７ｅにおいて、第１案内翼７ｄで案内された方向と同一方向に空気Ｘを案内することができ、局所的に空気Ｘの流れ方向が大きく変化することがない。よって、本実施形態の遠心圧縮機１によれば、第１案内翼７ｄによって整えられた流れを乱すことなく空気Ｘを案内できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、圧縮空気を生成する遠心圧縮機について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の流体を圧縮する遠心圧縮機に適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、第１案内翼７ｄと第２案内翼７ｅとを同数設置する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第１案内翼７ｄと第２案内翼７ｅとの設置数を異ならせても良い。例えば、第１案内翼７ｄを第２案内翼７ｅよりも少なくし、第１環状流路７ａにおける圧力損失を低減させるようにしても良い。

また、上記実施形態においては、流路壁面７ａ１、流路壁面７ｂ１及び流路壁面７ｃ１がシールプレート４の表面の一部からなり、流路壁面７ａ２、流路壁面７ｂ２及び流路壁面７ｃ２がハウジング５の表面の一部からなる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１案内翼７ｄや第２案内翼７ｅをベーンプレートに固定し、このベーンプレートをシールプレート４やハウジング５に固定する場合には、流路壁面７ａ１、流路壁面７ｂ１、流路壁面７ｃ１、流路壁面７ａ２、流路壁面７ｂ２及び流路壁面７ｃ２がベーンプレートの表面の一部からなる構成を採用することもできる。また、ハウジング５側にラジアルインペラ２との隙間を調節するためのシュラウドを設ける場合がある。このような場合には、流路壁面７ａ２、流路壁面７ｂ２及び流路壁面７ｃ２がシュラウドの表面の一部からなる構成を採用することもできる。

１……遠心圧縮機、２……ラジアルインペラ、２ａ……基部、２ｂ……羽根、３……シャフト、４……シールプレート、５……ハウジング、５ａ……吸入口、５ｂ……吐出口、５ｃ……スクロール流路、６……ボルト、７……ディフューザ、７ａ……第１環状流路、７ａ１……流路壁面、７ａ２……流路壁面、７ｂ……第２環状流路、７ｂ１……流路壁面、７ｂ２……流路壁面（傾斜面）、７ｃ……中間流路、７ｃ１……流路壁面、７ｃ２……流路壁面、７ｄ……第１案内翼、７ｅ……第２案内翼、Ｘ……空気（流体）

Claims (6)

1. ラジアルインペラと、
   前記ラジアルインペラの外側に形成されたスクロール流路と、
   前記ラジアルインペラと前記スクロール流路との間に設けられたディフューザと、
   を備える遠心圧縮機であって、
   前記ディフューザは、
   前記ラジアルインペラを囲んで設けられると共に、平行に対峙する一対の平面状の流路壁面間に形成される第１環状流路と、
   前記第１環状流路の外側に設けられると共に、前記第１環状流路を形成する流路壁面よりも広い間隔で平行に対峙する一対の平面状の流路壁面間に形成される第２環状流路と、
   前記第１環状流路に設置される第１案内翼と、
   前記第２環状流路に設置されると共に前記第１案内翼よりも翼高さが大きい第２案内翼と
   を備え、
   前記第２案内翼の前縁は前記第１案内翼側に向けられている、遠心圧縮機。
2. 前記第１環状流路を形成する流路壁面と前記第２環状流路を形成する流路壁面とを繋ぐ傾斜面を有する中間流路を備える、請求項１記載の遠心圧縮機。
3. 前記中間流路は、平面状の流路壁面と、テーパ面状の流路壁面との間に形成されている、請求項２記載の遠心圧縮機。
4. 前記ラジアルインペラの背面に配置されたシールプレートをさらに有し、
   前記中間流路の前記平面状の前記流路壁面は前記シールプレートの表面の一部からなる、請求項３記載の遠心圧縮機。
5. 前記スクロール流路を備えるハウジングを更に有し、
   前記中間流路の前記テーパ状の前記流路壁面は前記ハウジングの表面の一部からなる、請求項３に記載の遠心圧縮機。
6. 前記第２案内翼の後縁は前記スクロール流路の流れ方向下流側に向けられている、請求項１に記載の遠心圧縮機。

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