JP6237077B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心力を利用して空気等のガスを圧縮する産業用遠心圧縮機、ガスタービン用遠心圧縮機等の遠心圧縮機に関する。

近年、遠心圧縮機の高圧力比化の要請に伴い、遠心圧縮機の開発が活発化しており、本願の出願人も高圧力比化を図ることができる遠心圧縮機を出願し、その内容は公開さている（特許文献１参照）。そして、その先行技術に係る遠心圧縮機の構成等は、次のようになる。

先行技術に係る遠心圧縮機は、ハウジングを具備しており、このハウジングは、内側に、シュラウド（収容壁）を有している。また、ハウジングのシュラウド内には、インペラが回転可能に設けられており、このインペラは、ハブ面（外周面）がインペラの軸方向一方側から径方向外側に向かって延びたディスクを備えている。更に、ディスクのハブ面には、インペラの構成部材である複数のブレードが周方向に間隔を置いて一体的に設けられており、各ブレードの先端縁は、ハウジングのシュラウドに沿うように延びている。ここで、各ブレードは、後縁の羽根厚中心線がインペラの径方向に対してインペラの回転方向側へ傾斜するように構成されている。

ハウジングの内部には、環状のトリートメント空洞部が形成されており、ハウジングのシュラウドにおけるブレードの前縁よりも下流側には、空気を抽気するための抽気開口部がトリートメント空洞部に連通して形成されている。また、ハウジングのシュラウドにおけるブレードの前縁よりも上流側には、ガスをインペラの入口側へ流出させるための流出開口部がトリートメント空洞部に連通して形成されている。そして、ハウジングの流出開口部内には、複数のフィンが周方向に沿って間隔を置いて設けられており、各フィンは、前記径方向に対して前記回転方向の反対側へ傾斜するように構成されている。

前述の構成により、遠心圧縮機の運転を開始して、インペラを回転させることにより、ハウジング内に吸入したガスを遠心力を利用して圧縮する。なお、圧縮されたガスは、ハウジングの外側へ排出される。

遠心圧縮機の運転中に、ハウジング内に吸入されるガスの流量（実際の流量）が少なくなると、インペラ側へ流入したガスの一部が抽気開口部によって抽気され、トリートメント空洞部内に流入する。そして、トリートメント空洞部内に流入したガスは、抽気開口部側から流出開口部側へ流れて、流出開口部からインペラの入口側へ流出する。これにより、インペラ側へ流入したガスの一部を流出開口部と抽気開口部との間で循環させて、インペラ側へ流入するガスの見かけの流量を実際の流量よりも多くすることができる。

更に、後縁の羽根厚中心線が前記径方向に対して前記回転方向側へ傾斜するように各ブレードが構成されているため、インペラの外径を縮小して、インペラの高周速化を抑えつつ、設計点付近（設計点を含む）における断熱ヘッド（インペラの仕事量に相当）を十分に確保することができる。これにより、ハウジングのシュラウド又はインペラの背面とガスとの摩擦損失の増大、ガスとの摩擦によるインペラの温度上昇を抑えつつ、遠心圧縮機の高圧力比化を図ることができる。

各フィンが前記径方向に対して前記回転方向の反対側へ傾斜するように構成されているため、インペラの入口側の流れに前記回転方向と反対方向の旋回（旋回流）を与えて、サージ近傍における断熱ヘッドの低下を十分に抑えることができる。これにより、遠心圧縮機の低流量側の作動範囲を十分に確保することができる。

特開２０１３−４０５８７号公報

ところで、前述のように、遠心圧縮機の低流量側の作動範囲を十分に確保した上で、ハウジングのシュラウド等とガスとの摩擦損失の増大等を抑えつつ、遠心圧縮機の高圧力比化を図るには、インペラの入口側の流れに前記回転方向と反対方向の旋回を与える複数のフィンが必要になる。そのため、遠心圧縮機の部品点数が増えて、遠心圧縮機の構成の複雑化及び製造コストの増大を招くことになる。

つまり、遠心圧縮機の低流量側の作動範囲を十分に確保した上で、ハウジングのシュラウド等とガスとの摩擦損失の増大等を抑えつつ、遠心圧縮機の高圧力比、構成の簡略化、及び製造コストの低減を図ることは容易でないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の態様は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド（収容壁）を有したハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面（外周面）が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びたディスク、及び前記ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように軸方向の一方側から径方向外側に向かって延びた複数のブレードを備えたインペラと、を具備し、各ブレードの後縁におけるハブ側の羽根厚中心線とシュラウド側（チップ側）の羽根厚中心線が前記インペラの径方向に対して互いに反対方向へ傾斜するように構成され、換言すれば、各ブレードの後縁におけるハブ側の羽根厚中心線とシュラウド側の羽根厚中心線のうちの一方の羽根厚中心線が前記径方向に対して前記回転方向側へ傾斜し、かつ各ブレードの後縁におけるハブ側の羽根厚中心線とシュラウド側の羽根厚中心線のうちの他方の羽根厚中心線が前記径方向に対して前記回転方向の反対側へ傾斜するように構成されていることである。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲の記載において、「ガス」とは、空気、窒素ガス、水素ガス等を含む意である。また、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であって、「一体的に設けられ」とは、一体形成されたことを含む意である。

本発明の態様によると、前記遠心圧縮機の運転を開始して、前記インペラを回転させることにより、前記ハウジング内に吸入したガスを遠心力を利用して圧縮する。なお、圧縮されたガスは、前記ハウジングの外側へ排出される。

前述の作用の他に、各ブレードの後縁における前記一方の羽根厚中心線が前記径方向に対して前記回転方向側へ傾斜するように構成されているため、前記インペラの外径を縮小して、前記インペラの高周速化を抑えつつ、各ブレードのハブ側又はシュラウド側のいずれかにおいて、設計点付近（設計点を含む）における断熱ヘッド（前記インペラの仕事量に相当）を十分に確保することができる。

各ブレードの後縁における前記他方の羽根厚中心線が前記径方向に対して前記回転方向の反対側へ傾斜するように構成されているため、前記インペラの入口側の流れに前記回転方向と反対方向の旋回を与える複数のフィンを用いなくても、各ブレードのシュラウド側又はハブ側のいずれかにおいて、サージ近傍における断熱ヘッドを十分に確保することができる。

本発明によれば、前記インペラの外径を縮小して、前記インペラの高周速化を抑えつつ、各ブレードのハブ側又はシュラウド側のいずれかにおいて、設計点付近における断熱ヘッドを十分に確保できるため、前記ハウジングの前記シュラウド又は前記インペラの背面とガスとの摩擦損失の増大、ガスとの摩擦による前記インペラの温度上昇を抑えつつ、前記遠心圧縮機の高圧力比化を図ることができる。また、複数の前記フィンを用いなくても、各ブレードのシュラウド側又はハブ側のいずれかにおいて、サージ近傍における断熱ヘッドを十分に確保できるため、前記遠心圧縮機の低流量側の作動範囲を十分に確保しつつ、前記遠心圧縮機の部品点数を削減して、前記遠心圧縮機の構成の簡略化及び製造コストの低減を図ることができる。

つまり、本発明によれば、前記遠心圧縮機の低流量側の作動範囲を十分に確保した上で、前記ハウジングの前記シュラウド等とガスとの摩擦損失等の増大を抑えつつ、前記遠心圧縮機の高圧力比化、構成の簡略化、及び製造コストの低減を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラの正面図である。 図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラの斜視図である。 図３は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の模式的な側断面図である。 図４（ａ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるハブ側のブレード出口の速度三角形を示す図、図４（ｂ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるシュラウド側のブレード出口の速度三角形を示す図である。

本発明の実施形態について図１から図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。なお、図面中において、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図１から図３に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ガスタービン又は産業用空気設備等に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）Ａを圧縮するものである。そして、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成は、以下のようになる。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ハウジング３を具備しており、このハウジング３は、内側にシュラウド（収容壁）５ｓを有したハウジング本体５と、このハウジング本体５の後側に設けられたシールプレート７とを備えている。なお、シールプレート７は、ガスタービン又は産業用空気設備等における別のハウジング（図示省略）に一体的に連結されている。

ハウジング本体５内には、インペラ９がその軸心９ｃ周りに回転可能に設けられており、このインペラ９は、別のハウジングに回転可能に設けられたロータ軸１１に固定ナット１３を介して一体的に連結されている。また、インペラ９は、ディスク１５を備えており、このディスク１５のハブ面１５ｈは、軸方向（インペラ９の軸方向）ＡＤ一方側（前側）から径方向（インペラ９の径方向）ＲＤ外側に向かって延び、かつディスク１５の背面１５ｂは、シールプレート７に対向してある。更に、ディスク１５のハブ面１５ｈには、インペラ９の構成部材である複数のブレード（羽根）１７が周方向に間隔を置いて設けられており、各ブレード１７の先端縁１７ｔは、ハウジング本体５のシュラウド５ｓに沿うように延びている。ここで、各ブレード１７の軸長、具体的には、各ブレード１７の前縁１７ｆのシュラウド側端（チップ側端）１７ｆｓから後縁１７ｒのハブ側端１７ｒｈまでのインペラ９の軸方向ＡＤの長さは、同じ長さに設定されている。なお、軸長の同じブレード１７を用いる代わりに、軸長の異なる複数種のブレード（図示省略）を用いても構わない。

ハウジング本体５におけるインペラ９の入口側（空気Ａの主流の流れ方向から見て上流側）には、ハウジング３内に空気Ａを吸入するための吸入口１９が形成されている。また、ハウジング本体５内におけるインペラ９の出口側（空気Ａの主流の流れ方向から見て下流側）には、圧縮した空気Ａを減速させて昇圧する環状のディフューザ流路２１が形成されている。更に、ハウジング本体５の適宜位置には、ハウジング３内から圧縮した空気Ａを排出するための排出口（図示省略）が形成されており、この排出口は、ディフューザ流路２１に連通してある。

続いて、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の要部について説明する。

図１及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、各ブレード１７は、後縁１７ｒにおけるハブ側（基端側）の羽根厚中心線１７ｃとシュラウド側（チップ側）の羽根厚中心線１７ｃが径方向ＲＤに対して互いに反対方向へ傾斜するように構成されている。ここで、後縁１７ｒにおけるハブ側とは、後縁１７ｒのうちディスク１５のハブ面１５ｈ側に位置する部分のことをいい、後縁１７ｒにおけるシュラウド側とは、後縁１７ｒのうちハウジング本体５（ハウジング３）のシュラウド５ｓ側に位置する部分のことをいう。

具体的には、各ブレード１７は、後縁１７ｒにおけるハブ側の羽根厚中心線１７ｃが径方向ＲＤに対して回転方向（インペラ９の回転方向）ＳＤ側へ傾斜するように構成されており、各ブレード１７におけるハブ側の出口羽根角βｈの符号は、正になっている。また、各ブレード１７は、後縁１７ｒにおけるシュラウド側の羽根厚中心線１７ｃが径方向ＲＤに対して回転方向ＳＤの反対方向側へ傾斜するように構成されており、各ブレード１７におけるシュラウド側の出口羽根角βｓの符号は、負になっている。ここで、ブレード１７におけるハブ側の出口羽根角βｈとは、径方向ＲＤとブレード１７の後縁１７ｒにおけるハブ側の羽根厚中心線１７ｃとのなす角のことをいう。ブレード１７におけるシュラウド側の出口羽根角βｓとは、径方向ＲＤとブレード１７の後縁１７ｒにおけるシュラウド側の羽根厚中心線１７ｃとのなす角のことをいう。

なお、各ブレード１７が前述のように構成される代わりに、後縁１７ｒにおけるハブ側の羽根厚中心線１７ｃが径方向ＲＤに対して回転方向ＳＤの反対方向側へ傾斜しかつ後縁１７ｒにおけるシュラウド側の羽根厚中心線１７ｃが径方向ＲＤに対して回転方向ＳＤ側へ傾斜するように構成されても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

(i) 通常の作用
遠心圧縮機１の運転を開始して、ロータ軸１１の回転によってインペラ９を一体的に回転させることにより、吸入口１９を経由してハウジング３内に吸入した空気Ａを遠心力を利用して圧縮する。なお、圧縮された空気Ａは、ディフューザ流路２１によって昇圧され、排出口を経由してハウジング３の外側へ排出される。

(ii) 特有の作用
遠心圧縮機１の圧力比に相関するものとして断熱ヘッドＨがあり、断熱ヘッドＨが大きくなると遠心圧縮機１の圧力比が大きくなるようになっている。そして、断熱ヘッドＨは、次式によって示される。

Ｈ＝η（Ｕ₂Ｃｕ₂−Ｕ₁Ｃｕ₁）Ｇ ‥‥式(1)
η：圧縮機効率
Ｕ₂：ブレード出口周速（インペラ出口周速）
Ｃｕ₂：ブレード出口絶対速度（インペラ出口絶対速度）の周方向成分
Ｕ₁：ブレード入口周速（インペラ出口周速）
Ｃｕ₁：ブレード入口絶対速度（インペラ入口絶対速度）の周方向成分
Ｇ：空気の流量
インペラ９の入口で旋回流がない場合には、ブレード入口絶対速度の周方向成分Ｃｕ₁を無視することができ、式(1)を次式に置き換えることができる。

Ｈ＝ηＵ₂Ｃｕ₂Ｇ ‥‥式(2)
ここで、図４（ａ）（ｂ）において、実線矢印で示すＵ₂は、大流量側（設計点付近）におけるブレード出口周速（インペラ出口周速）、点線矢印で示すＵ₂は、小流量側（サージ付近）におけるブレード出口周速である。また、実線矢印で示すＶ₂は、大流量側におけるブレード出口相対速度（インペラ出口相対速度）、点線矢印で示すＶ₂は、小流量側におけるブレード出口相対速度である。更に、実線矢印で示すＣ₂は、大流量側におけるブレード出口絶対速度（インペラ出口絶対速度）、点線矢印で示すＣ₂は、小流量側におけるブレード出口絶対速度、実線矢印で示すＣｕ₂は、大流量側におけるブレード出口絶対速度の周方向成分、点線矢印で示すＣｕ₂は、小流量側におけるブレード出口絶対速度の周方向成分である。

各ブレード１７の後縁１７ｒにおけるハブ側の羽根厚中心線１７ｃが径方向ＲＤに対して回転方向ＳＤ側へ傾斜するように構成されているため、前述の断熱ヘッドＨの式(2)を適用すると、インペラ９の外径を縮小して、インペラ９の高周速化を抑えつつ、各ブレード１７のハブ側において、大流量側におけるブレード出口絶対速度の周方向成分Ｃｕ₂を大きくして、設計点付近（設計点を含む）における断熱ヘッド（インペラ９の仕事量に相当）を十分に確保することができる。

各ブレード１７の後縁１７ｒにおけるシュラウド側の羽根厚中心線１７ｃが径方向ＲＤに対して回転方向ＳＤの反対側へ傾斜するように構成されているため、インペラ９の入口側の流れに回転方向ＳＤと反対方向の旋回を与える複数のフィンを用いなくても、前述の断熱ヘッドＨの式(2)を適用すると、各ブレード１７のシュラウド側において、小流量側におけるブレード出口絶対速度の周方向成分Ｃｕ₂を大きくして、サージ近傍における断熱ヘッドを十分に確保することができる。また、同様に、前述の断熱ヘッドＨの式(2)を適用すると、各ブレード１７の後縁１７ｒにおけるシュラウド側の羽根厚中心線１７ｃが径方向ＲＤに対して回転方向ＳＤ側へ傾斜している場合に比べて、各ブレード１７のシュラウド側の断熱ヘッドＨを小さくして、各ブレード１７のシュラウド側における正圧面と負圧面の圧力差を小さくすることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、インペラ９の外径を縮小して、インペラ９の高周速化を抑えつつ、各ブレード１７のハブ側において設計点付近における断熱ヘッドを十分に確保できるため、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ又はインペラ９の背面と空気との摩擦損失の増大、空気との摩擦によるインペラ９の温度上昇を抑えつつ、遠心圧縮機１の高圧力比化を図ることができる。また、複数のフィンを用いなくても、各ブレード１７のシュラウド側においてサージ近傍における断熱ヘッドを十分に確保できるため、遠心圧縮機１の低流量側の作動範囲を十分に確保しつつ、遠心圧縮機１の部品点数を削減して、遠心圧縮機１の構成の簡略化及び製造コストの低減を図ることができる。更に、各ブレード１７のシュラウド側の断熱ヘッドＨを小さくして、各ブレード１７のシュラウド側における正圧面と負圧面の圧力差を小さくできるため、ブレード１７の正圧面側から負圧面側へ流れるクリアランスフローを低減して、遠心圧縮機１の圧縮機効率の向上を図ることできる。

つまり、本発明の実施形態によれば、遠心圧縮機１の低流量側の作動範囲を十分に確保した上で、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ等と空気との摩擦損失等の増大を抑えつつ、遠心圧縮機１の高圧力比化、構成の簡略化、製造コストの低減、及び圧縮機効率の向上を図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

１：遠心圧縮機、３：ハウジング、５：ハウジング本体、５ｓ：シュラウド、７：シールプレート、９：インペラ、９ｃ：軸心、１１：ロータ軸、１３：固定ナット、１５：ディスク、１５ｂ：背面、１５ｈ：ハブ面、１７：ブレード、１７ｃ：羽根厚中心線、１７ｆ：前縁、１７ｆｓ：前縁のシュラウド側端、１７ｒ：後縁、１７ｒｈ：後縁のハブ側端、１７ｔ：先端縁、１９：吸入口、２１：ディフューザ流路、βｓ：ブレードにおけるシュラウド側の出口羽根角、βｈ：ブレードにおけるハブ側の出口羽根角

Claims (2)

1. 遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、
   内側にシュラウドを有したハウジングと、
   前記ハウジング内に回転可能に設けられ、ハブ面が軸方向一方側から径方向外側に向かって延びたディスク、及び前記ディスクのハブ面に周方向に間隔を置いて設けられかつ先端縁が前記ハウジングの前記シュラウドに沿うように軸方向の一方側から径方向外側に向かって延びた複数のブレードを備えたインペラと、を具備し、
   各ブレードの後縁におけるハブ側の羽根厚中心線とシュラウド側の羽根厚中心線が前記インペラの径方向に対して互いに反対方向へ傾斜するように構成されている、遠心圧縮機。
2. 各ブレードの後縁におけるハブ側の羽根厚中心線が前記径方向に対して前記インペラの回転方向側へ傾斜しかつシュラウド側の羽根厚中心線が前記径方向に対して前記回転方向の反対方向側へ傾斜するように構成されている、請求項１に記載の遠心圧縮機。

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