(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献1、2に示される多段式遠心圧縮機は、いずれもその構造が複雑であり、製造コストが増大する問題があった。また、多段に構成される複数のコンプレッサインペラの間には、流路を形成するためのハウジングが存在するので、複数のコンプレッサインペラを別々に組み込まなくてはならず、十分な剛性を得られなかったり、回転軸に対するバランスを十分にとることができない等の問題もあった。
【0006】
ここで、多段式遠心圧縮機のうち、上流側のコンプレッサインペラの径方向外側に下流側のコンプレッサインペラを設けることで、両者の間にハウジングを含めることなく組み込みを容易にすることは可能であるが、遠心圧縮機に許容される径方向の外形寸法を単に二分するだけでは、単段式遠心圧縮機と機能が変わらず、やはり、比速度が小さくなるといった問題が残ることになる。
【0007】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、コンプレッサインペラの組み込みを簡易化しつつ比速度を高め、圧縮効率の向上を図ることが可能な遠心圧縮機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明の遠心圧縮機は、回転軸と、回転軸に固定された上流側インペラ本体と、上流側インペラ本体の周方向に間隔を空けて配された複数の上流側翼と、を
有する上流側コンプレッサインペラと、
回転軸の軸方向に上流側コンプレッサインペラと一体形成され、または、上流側コンプレッサインペラと別体に形成されて上流側コンプレッサインペラと回転軸の軸方向に連結されており、回転軸に固定された下流側インペラ本体と、下流側インペラ本体の周方向に間隔を空けて配された複数の下流側翼と、を
有する下流側コンプレッサインペラと
、を備え、上流側コンプレッサインペラの出力側最外径は、下流側コンプレッサインペラの入力側最外径以下であり、複数の下流側翼の入力側最内径は、複数の上流側翼の出力側最外径より小さ
い。
【0009】
上流側コンプレッサインペラの出力側と下流側コンプレッサインペラの入力側とを連通する連通路と、連通路に設けられ、上流側コンプレッサインペラの出力側の径方向外側に位
置するディフューザ
と、をさらに備えてもよい。
【0010】
上流側コンプレッサインペラの出力側と下流側コンプレッサインペラの入力側とを連通する連通路と、下流側コンプレッサインペラの入力側の径方向外側に位
置するリターンガイドベーン
と、をさらに備えてもよい。
【0011】
上流側コンプレッサインペラおよび下流側コンプレッサインペラが収容されるコンプレッサハウジングと、上流側インペラ本体とコンプレッサハウジングとの境に設けられたラビリンスシールと、をさらに備えてもよい。
上記課題を解決するために、本発明の他の遠心圧縮機は、シャフトと、シャフトに設けられた上流側コンプレッサインペラと、シャフトに設けられると共に、シャフトの軸方向に上流側コンプレッサインペラと一体形成され、または、上流側コンプレッサインペラと別体に形成されて上流側コンプレッサインペラとシャフトの軸方向に連結された下流側コンプレッサインペラと、を備え、
上流側コンプレッサインペラは本体の周方向に間隔を空けて配された複数の上流側翼を含み、下流側コンプレッサインペラは本体の周方向に間隔を空けて配された複数の下流側翼を含み、上流側コンプレッサインペラの出力側最外径は、下流側コンプレッサインペラの入力側最外径以下である。
複数の下流側翼の入力側最内径は、複数の上流側翼の出力側最外径より小さくてもよい。
上流側コンプレッサインペラの出力側と下流側コンプレッサインペラの入力側とを連通する連通路と、連通路に設けられ、上流側コンプレッサインペラの出力側の径方向外側に位置するディフューザと、をさらに備えてもよい。
上流側コンプレッサインペラの出力側と下流側コンプレッサインペラの入力側とを連通する連通路と、下流側コンプレッサインペラの入力側の径方向外側に位置するリターンガイドベーンと、をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、コンプレッサインペラの組み込みを簡易化しつつ比速度を高め、圧縮効率の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下に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詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0015】
(遠心圧縮機1)
図1は、遠心圧縮機1の概略断面図である。以下では、Fで示す矢印の方向を遠心圧縮機1の前側とし、Rで示す矢印の方向を遠心圧縮機1の後側として説明する。また、後述するコンプレッサインペラの説明において、入力側はコンプレッサインペラにおける気体の流れの最上流側を、出力側はコンプレッサインペラにおける気体の流れの最下流側を示す。
図1(a)に示すように、遠心圧縮機1は、コンプレッサハウジング2と、コンプレッサハウジング2の後側に連結されるケーシング3とを備えている。遠心圧縮機1は、産業用圧縮機、ガスタービン(燃焼用空気圧縮)、過給機、送風機、冷却装置等、様々な用途に用いることができる。また、遠心圧縮機1は、軸流式の圧縮機より小型軽量化できるといった利点も有する。
【0016】
ケーシング3の後側には、例えば、遠心圧縮機1の前後方向に軸受孔を有する図示しないベアリングハウジングが設けられ、この軸受孔に、回転軸としてのシャフト4がベアリングを介して回転自在に支持されている。シャフト4の前端部には、上流側コンプレッサインペラ5と下流側コンプレッサインペラ6とが同心で一体形成されており(別体として形成し一体的に連結されていてもよい)、この上流側コンプレッサインペラ5と下流側コンプレッサインペラ6がコンプレッサハウジング2内に回転自在に収容されている(上流側コンプレッサインペラ5と下流側コンプレッサインペラ6とのいずれも指す場合は単にコンプレッサインペラという)。また、シャフト4の後端部には図示しない駆動源が連結され、上流側コンプレッサインペラ5および下流側コンプレッサインペラ6は、かかる駆動源により強制的に回転される。
【0017】
上流側コンプレッサインペラ5は、シャフト4に固定された上流側インペラ本体5aと、上流側インペラ本体5aの周方向に間隔を空けて配された複数の上流側翼5bとを含んで構成される。同様に、下流側コンプレッサインペラ6は、シャフト4に固定された下流側インペラ本体6aと、下流側インペラ本体6aの周方向に間隔を空けて配された複数の下流側翼6bとを含んで構成される。
図1(a)では、上流側インペラ本体5aおよび下流側インペラ本体6aにのみハッチングを施したが、上流側インペラ本体5aと上流側翼5bとは、また、下流側インペラ本体6aと下流側翼6bとは一体形成されている。ただし、別体に形成されるのを排除するものではない。
【0018】
コンプレッサハウジング2には、上流側コンプレッサインペラ5に臨み、上流側コンプレッサインペラ5と同心かつ遠心圧縮機1の前側に開口する吸気口7が形成されている。ここでは、駆動源により上流側コンプレッサインペラ5および下流側コンプレッサインペラ6が回転し、上流側コンプレッサインペラ5の入力側が負圧になり、吸気口7から気体が吸引される。
【0019】
上流側コンプレッサインペラ5の出力側と下流側コンプレッサインペラ6の入力側とは、連通路8を通じて連通している。連通路8は、上流側コンプレッサインペラ5の出力側と下流側コンプレッサインペラ6の入力側とを周方向に亘って連通するので、シャフト4を中心に環状に空間が形成されることとなる。また、下流側コンプレッサインペラ6の出力側には周方向に亘って連通する流路9が形成される。流路9は、さらに、下流側コンプレッサインペラ6よりシャフト4の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路10と連通する。コンプレッサスクロール流路10は、圧縮された空気を吐出する不図示の吐出口と連通する。
【0020】
したがって、シャフト4を介して上流側コンプレッサインペラ5が回転すると、吸気口7からコンプレッサハウジング2内に気体が吸引されるとともに、当該吸引された気体は、上流側コンプレッサインペラ5の上流側インペラ本体5aとコンプレッサハウジング2のシュラウド面2aとの間を通過し、遠心力の作用で圧縮されて連通路8に抜ける。そして、再び、下流側コンプレッサインペラ6の下流側インペラ本体6aとコンプレッサハウジング2のシュラウド面2bとの間を通過し、遠心力の作用で流路9に抜け、最終的にコンプレッサスクロール流路10で昇圧されて吐出口に導かれることとなる。
【0021】
このように、本実施形態では、コンプレッサインペラを少なくとも2段で構成し、1段目の上流側コンプレッサインペラ5で圧縮された気体を、さらに2段目の下流側コンプレッサインペラ6で加圧することとしている。
【0022】
仮に、コンプレッサインペラを単段で形成した場合、遠心圧縮機に取り込む気体の流量が少ないと翼の高さを低くしなければならない。また、強度制限等の理由で回転数(回転速度)を十分高くできないことがある。そうすると、比速度が小さくなって圧縮効率が悪くなる。そこで、上記のように、コンプレッサインペラを複数段(ここでは2段)で構成することで、1段あたりの仕事を減らすことができ、比速度を大きくすることが可能となる。すると、回転数が低くとも高い効率で気体を圧縮することができる。
【0023】
図2は、単段式遠心圧縮機および多段式遠心圧縮機の比速度Nsと圧縮効率ηとの関係を説明するための説明図である。比速度Nsは、以下の数式1で表すことができる。
【数1】
…(数式1)
ここで、Nは回転数(rpm)、Qは体積流量(m
3/min)、Cpは定圧比熱(J/kg・K)、Tは温度(K)、Πは圧力比、γは比熱比である。
【0024】
例えば、単段式遠心圧縮機では、想定される体積流量Q、温度T、圧力比Πが決まると、比速度Nsも決まる。比速度Nsが最適値(0.12)となるような回転数Nを採用することができればよいが、上述のように強度などの制約から回転数Nが、例えば最適値の半分程度にしか設定することができない場合には、比速度Nsは0.06に低下し、圧縮効率ηも
図2において矢印で示した黒丸の如く低下する。
【0025】
一方、本実施形態の多段式遠心圧縮機では、仕事を複数段に分散しているので、比速度Nsも、例えば、
図2において白丸で示すように、0.08および0.10と分散でき、各段の圧力効率は単段の場合の圧力効率よりも高くなり、総合的な圧縮効率を維持することができる。
【0026】
また、1段あたりの仕事を減少することで、コンプレッサインペラの出力側から出力される気体の径方向速度成分を維持しつつ、周方向速度成分を小さくすることができるので、後述するディフューザでの圧力損失も低減することが可能となる。
【0027】
さらに、単段式と比較して、個々のコンプレッサインペラの外径を小さくでき、インペラ背面の表面積(気体との接触面積)の低減を図ることができるので、背面の摩擦損失と、軸方向の荷重低減、すなわち、軸受の損失を低減することが可能となる。
【0028】
ここで、上流側コンプレッサインペラ5および下流側コンプレッサインペラ6の構造について触れる。
図1(a)から上流側コンプレッサインペラ5および下流側コンプレッサインペラ6を抜き出した
図1(b)を参照すると、下記のような特徴を有する。まず、上流側コンプレッサインペラ5の出力側最外径、すなわち、上流側インペラ本体5aの出力側最外径L
1は、下流側コンプレッサインペラ6の入力側最外径、すなわち、下流側翼6bの入力側最外径L
2(または、シュラウド面2bの最内径)以下となるように構成する。
【0029】
こうすることで、上流側コンプレッサインペラ5と下流側コンプレッサインペラ6とを解体することなく、両者をシャフト4に固定した状態のままで、コンプレッサハウジング2後方からコンプレッサハウジング2内にスムーズに組み込むことができる。このような簡易な構成によって、製造コストの増大を回避しつつ、コンプレッサインペラを多段に組むことが可能となる。また、コンプレッサインペラを最初から一体的に構成することで、十分な剛性を得られ、シャフト4に対するバランスも十分にとることができる。
【0030】
また、本実施形態では、複数の下流側翼6bの入力側最内径L
3は、複数の上流側翼5bの出力側最外径L
4よりも小さくなるように構成する。こうすることで、上流側翼5bと下流側翼6bとの径方向の長さの和を、単段式より長くできるので圧縮効果を高めることが可能となる。すると、流量が少ない場合であっても比速度を大きくすることができ、圧縮効率の向上を図ることが可能となる。
【0031】
また、本実施形態においては、圧縮効率の向上のため、連通路8や流路9にはディフューザ11a、11bが設けられている。ここでは、連通路8に設けられたディフューザ11aを挙げて説明する。
【0032】
図3は、上流側コンプレッサインペラ5とディフューザ11aとの関係を説明するための前面側から見た説明図である。ここでは、理解を容易にするために、上流側翼5bとディフューザ11aにハッチングを施している。ディフューザ11aは、
図1(a)および
図3に示すように、上流側コンプレッサインペラ5の出力側の径方向外側に位置し、上流側コンプレッサインペラ5で加えられた気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する。
【0033】
具体的に、上流側コンプレッサインペラ5がシャフト4を中心に白抜き矢印のように回転すると、遠心圧縮機1の前後方向に吸気された気体は、遠心力の作用で、シャフト4に垂直な平面方向(連通路8方向)に向きを変えて流れる。連通路8において、気体は、
図3中、実線矢印の方向に速度vで流れる。隣接するディフューザ11aはシャフト4から径方向に離隔するほど、その間隔が広がっている。気体は、流路断面が広くなる分、速度vが低下するが、その運動エネルギーに代えて圧力エネルギーが高くなる。
【0034】
また、本実施形態においては、圧縮効率の向上のため、連通路8にリターンガイドベーン12が設けられている(
図1(a)参照)。
【0035】
図4は、下流側コンプレッサインペラ6とリターンガイドベーン12との関係を説明するための前面側から見た説明図である。ここでは、理解を容易にするために、下流側翼6bとリターンガイドベーン12にハッチングを施している。リターンガイドベーン12は、
図1(a)および
図4に示すように、下流側コンプレッサインペラ6の気体の入力側の径方向外側に位置し、上流側コンプレッサインペラ5で昇圧された気体の方向を徐々に径方向に変化させることで周方向速度成分を抑制する。
【0036】
具体的に、下流側コンプレッサインペラ6がシャフト4を中心に白抜き矢印のように回転すると、上流側コンプレッサインペラ5で昇圧された気体が、連通路8中のディフューザ11aを通過して、下流側コンプレッサインペラ6の入力側に吸引される。このとき、連通路8において、気体は、
図4中、実線矢印の方向に速度v
1で流れる。かかる気体の速度v
1は、径方向速度成分vrと周方向速度成分vθとに分解することができる。隣接するリターンガイドベーン12は、その翼がシャフト4に近づくに連れ、径方向との角度が小さくなるように形成されているので、シャフト4に近づくに連れ、流体の向きと径方向との角度が小さくなって、例えば、絶対値が速度v
2と等しい(|v
1|=|v
2|)速度v
2になる。すなわち、速度v
1の絶対値を維持したまま、径方向速度成分vrを高め、周方向速度成分vθを低減することができる。
【0037】
このように、気体の流れを径方向に戻すことで、下流側コンプレッサインペラ6の入力側に吸引される気体が、上流側コンプレッサインペラ5同様、径方向に流れるため、下流側コンプレッサインペラ6の入口で旋回流を抑制し、圧力比を高めることができる。
【0038】
また、上流側コンプレッサインペラ5とコンプレッサハウジング2は相対回転するので、両者の接触を回避すべく両者の境には、クリアランスが設けられる。しかし、単に、クリアランスを大きくしてしまうと、上流側インペラ本体5aの上流側翼5bが設けられた面(翼面)から、連通路8を介して、上流側インペラ本体5aの裏面に流れる本来の流れと異なる、上流側インペラ本体5aの翼面と裏面との直接的な流れが生じてしまう。
【0039】
図5は、
図1(a)のA部分の拡大図である。このような上流側インペラ本体5aの翼面と裏面との気体の直接的な流通を回避すべく、
図5に示すように、上流側インペラ本体5aとコンプレッサハウジング2との境において、上流側インペラ本体5aの翼面と裏面との気体の流通を抑制するラビリンスシール13を設けている。ラビリンスシール13は、回転側(上流側コンプレッサインペラ5)と、固定側(コンプレッサハウジング2)との間に凹凸の隙間を複数段重ね、差圧を段階的に変化させることでシール性を持たせたものである。かかる構成により、上流側コンプレッサインペラ5の回転を確保しつつ、上流側インペラ本体5aの翼面から、連通路8を介して、上流側インペラ本体5aの裏面に流れる本来の流れを維持することが可能となる。
【0040】
(変形例)
図6は、遠心圧縮機の他の例(遠心圧縮機21)を示す概略断面図である。
図1(a)を用いて既に述べた構成要素は、実質的に機能が同一なので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違する部分に関してのみ説明する。
【0041】
まず、
図6の変形例では、
図1(a)と異なり、連通路8においてディフューザ11aとリターンガイドベーン12とを個別に設けず、一体化したディフューザ11cを用いている。このような構成により、ディフューザ11aとリターンガイドベーン12とを個別に設けた場合より、製造工数や部品点数を削減することができ、製造コストの低減を図ることができる。また、両者を連続させることでディフューザ11cの剛性を高めることが可能となる。
【0042】
また、
図6の構造について、下流側コンプレッサインペラ6の下流側インペラ本体6aの出力側の径方向最外径を、下流側翼6bの径方向最外径より小さくすることで、上流側コンプレッサインペラ5および下流側コンプレッサインペラ6を全て下流側翼6bの径方向最外径以下とすることができ、見た目の外観寸法を小さくし、
図1の遠心圧縮機1同様、コンプレッサインペラの組み込みが容易になる。
【0043】
以上、説明したように、本実施形態の遠心圧縮機1、21では、コンプレッサインペラの組み込みを簡易化しつつ比速度を高め、圧縮効率の向上を図ることが可能となる。
【0044】
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、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0045】
例えば、上述した実施形態では、遠心圧縮機1、21の複数段を遠心圧縮機+遠心圧縮機で構成したが、かかる場合に限らず、上流側を軸流式または斜流式の圧縮機、すなわち、軸流式圧縮機+遠心圧縮機や斜流式圧縮機+遠心圧縮機で構成することもできる。