特開 2022-173889 遠心圧縮機のケーシング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022173889

(43)【公開日】2022-11-22

(54)【発明の名称】遠心圧縮機のケーシング装置

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/44 20060101AFI20221115BHJP

   F04D 29/66 20060101ALI20221115BHJP

【ＦＩ】

F04D29/44 X

F04D29/44 P

F04D29/66 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021079933

(22)【出願日】2021-05-10

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 由博

(72)【発明者】

【氏名】岩切 雄二

(72)【発明者】

【氏名】岩田 大武

(72)【発明者】

【氏名】田中 祥太

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA12

3H130AB27

3H130AB47

3H130AC30

3H130BA03A

3H130BA66A

3H130CA02

3H130CA05

3H130DG02X

3H130DG04X

(57)【要約】

【課題】アクチュエータを用いることなく、サージの抑制と圧縮効率の確保を両立させる。
【解決手段】遠心圧縮機のケーシング装置１０は、インペラ２６を収容し、インペラ２６の回転により吸い込まれる気体を圧縮するケーシング１２と、ケーシング１２のうち、気体の吸込口３２を形成するシュラウド壁１４と、シュラウド壁１４内に設けられ、インペラ２６の軸方向周りに円環状に形成されたトリートメント空洞部１６と、トリートメント空洞部１６の流入部１８と、トリートメント空洞部１６の流出部２０と、トリートメント空洞部１６に設けられ、流入部１８を開閉可能なシャッタ２２と、シャッタ２２を閉方向Ｃに付勢し、サージから離れた運転状態では流入部１８を閉塞し、サージに近い運転状態では流入部１８での気体の圧力により弾性変形してシャッタ２２の開方向Ｏへの変位を許容する圧縮ばね２４（付勢部材）と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インペラを収容し、前記インペラの回転により吸い込まれる気体を圧縮するケーシングと、
前記ケーシングのうち、前記気体の吸込口を形成するシュラウド壁と、
前記シュラウド壁内に設けられ、前記インペラの軸方向周りに円環状に形成されたトリートメント空洞部と、
前記トリートメント空洞部と前記吸込口のインペラ設置位置側とを連通させる流入部と、
前記トリートメント空洞部と前記吸込口の前記流入部より上流側とを連通させる流出部と、
前記トリートメント空洞部に設けられ、前記インペラの軸方向周りに円環状に形成され、前記流入部を開閉可能なシャッタと、
前記シャッタを閉方向に付勢し、サージから離れた運転状態では前記流入部を閉塞し、サージに近い運転状態では前記流入部での気体の圧力により弾性変形して前記シャッタの開方向への変位を許容する付勢部材と、
を有する遠心圧縮機のケーシング装置。

【請求項2】

前記シャッタには、前記流入部での気体の圧力を前記シャッタの開方向に受ける圧力作用部が設けられている請求項１に記載の遠心圧縮機のケーシング装置。

【請求項3】

前記シャッタの外周部には、前記シャッタが開くことで前記トリートメント空洞部に流入した気体の圧力を前記シャッタの開方向に受けるフィンが設けられている請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機のケーシング装置。

【請求項4】

前記シャッタの周方向における前記フィンの両側には、それぞれ前記フィンの開閉方向に延びる第１仕切り部及び第２仕切り部が設けられている請求項３に記載の遠心圧縮機のケーシング装置。

【請求項5】

前記第１仕切り部は、前記トリートメント空洞部の周方向における気体の流れの上流側に位置し、
前記第２仕切り部は、該流れの下流側に位置し、
前記第１仕切り部の前記シャッタの閉方向側の端縁と、前記トリートメント空洞部のうち前記シャッタの閉方向側の内壁との間隙は、前記第２仕切り部の前記シャッタの閉方向側の端縁と前記内壁との間隙よりも大きい請求項４に記載の遠心圧縮機のケーシング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、遠心圧縮機のケーシング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

遠心圧縮機においては、圧縮する気体の流量が低下するとインペラが失速して過回転（サージ現象）が発生するため、作動流量（作動領域）に下限がある。このサージを抑制して作動領域を拡大するために、ケーシングにトリートメント空洞部を設け、インペラの下流側から上流側に気体を循環させる技術が開示されている（特許文献１参照）。

【0003】

一方、サージから遠い作動領域においては、気体がトリートメント空洞部を通じて循環すると圧縮効率が低下するので、これを抑制するため、トリートメント空洞部の上流補助通路の開口部を運転状態に応じて開閉する技術が開示されている（特許文献２参照）。具体的には、遠心圧縮機の作動点がサージ近傍域にあるときに上流補助通路の開口部を開き、かつ遠心圧縮機の作動点が設計点近傍域（ピーク圧力比近傍域）にあるときに上流補助通路の開口部を閉じるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１－２８９１９７号公報

【特許文献2】特開２００９－２０９８５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記した特許文献２に記載の従来例では、上流補助通路の開口部を能動的に開閉するために、アクチュエータやセンサを備えたシャッター移動装置が用いられている。しかしながら、アクチュエータやセンサを用いると装置が複雑になり、製造コストが増加する。

【0006】

本発明は、アクチュエータを用いることなく、サージの抑制と圧縮効率の確保を両立させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の態様に係る遠心圧縮機のケーシング装置は、インペラを収容し、前記インペラの回転により吸い込まれる気体を圧縮するケーシングと、前記ケーシングのうち、前記気体の吸込口を形成するシュラウド壁と、前記シュラウド壁内に設けられ、前記インペラの軸方向周りに円環状に形成されたトリートメント空洞部と、前記トリートメント空洞部と前記吸込口のインペラ設置位置側とを連通させる流入部と、前記トリートメント空洞部と前記吸込口の前記流入部より上流側とを連通させる流出部と、前記トリートメント空洞部に設けられ、前記インペラの軸方向周りに円環状に形成され、前記流入部を開閉可能なシャッタと、前記シャッタを閉方向に付勢し、サージから離れた運転状態では前記流入部を閉塞し、サージに近い運転状態では前記流入部での気体の圧力により弾性変形して前記シャッタの開方向への変位を許容する付勢部材と、を有する。

【0008】

この遠心圧縮機のケーシング装置では、トリートメント空洞部と吸込口とが流入部と流出部とにより連通しており、トリートメント空洞部における流入部には、流入部を開閉可能なシャッタが設けられている。このシャッタは付勢部材により閉方向に付勢されており、サージから離れた運転状態、換言すれば圧縮効率が高い領域では、流入部を閉塞している。この状態ではトリートメント空洞部を通じた気体の還流が生じないため、圧縮効率の低下が抑制される。

【0009】

一方、サージに近い運転状態では流入部での気体の圧力の増大に伴い付勢部材が弾性変形してシャッタの開方向への変位を許容する。シャッタが開くことで流入部からトリートメント空洞部に気体が流入し、流出部から流出して吸込口に還流する。これにより、サージが抑制される。

【0010】

第２の態様は、第１の態様に係る遠心圧縮機のケーシング装置において、前記シャッタには、前記流入部での気体の圧力を前記シャッタの開方向に受ける圧力作用部が設けられている。

【0011】

この遠心圧縮機のケーシング装置では、流入部での気体の圧力をシャッタの圧力作用部で受ける。圧力作用部に作用する力が付勢部材の付勢力を上回ったとき、付勢部材が弾性変形してシャッタが開き、気体が流入部からトリートメント空洞部に流入する。

【0012】

第３の態様は、第１の態様又は第２の態様に係る遠心圧縮機のケーシング装置において、前記シャッタの外周部には、前記シャッタが開くことで前記トリートメント空洞部に流入した気体の圧力を前記シャッタの開方向に受けるフィンが設けられている。

【0013】

この遠心圧縮機のケーシング装置では、流入部での気体の圧力によりシャッタが開いたとき、トリートメント空洞部に流入した気体の圧力を、シャッタの外周部のフィンで受けることができる。このときフィンに作用する力により、シャッタの開方向への変位が促進される。

【0014】

第４の態様は、第３の態様に係る遠心圧縮機のケーシング装置において、前記シャッタの周方向における前記フィンの両側には、それぞれ前記フィンの開閉方向に延びる第１仕切り部及び第２仕切り部が設けられている。

【0015】

遠心圧縮機では、インペラの回転により気体が圧縮されることから、トリートメント空洞部に流入した気体はシャッタの周方向に流れる。この遠心圧縮機のケーシング装置では、シャッタの周方向におけるフィンの両側に第１仕切り部と第２仕切り部とが設けられているので、トリートメント空洞部に流入した気体の一部は、第１仕切り部と第２仕切り部の間へ流入する。したがって、この気体の圧力を、シャッタの外周部のフィンでより効率的に受けることができる。このときフィンに作用する力により、シャッタの開方向への変位が更に促進される。

【0016】

第５の態様は、第４の態様に係る遠心圧縮機のケーシング装置において、前記第１仕切り部が、前記トリートメント空洞部の周方向における気体の流れの上流側に位置し、前記第２仕切り部が、該流れの下流側に位置し、前記第１仕切り部の前記シャッタの閉方向側の端縁と、前記トリートメント空洞部のうち前記シャッタの閉方向側の内壁との間隙が、前記第２仕切り部の前記シャッタの閉方向側の端縁と前記内壁との間隙よりも大きい。

【0017】

この遠心圧縮機のケーシング装置では、第１仕切り部のシャッタの閉方向側の端縁とトリートメント空洞部の内壁との間隙が、第２仕切り部のシャッタの閉方向側の端縁と上記内壁との間隙よりも大きい。第１仕切り部は、トリートメント空洞部の周方向における気体の流れの上流側に位置し、第２仕切り部は、上記流れの下流側に位置する。したがって、トリートメント空洞部に流入した気体の一部は、シャッタの径方向からだけでなく、シャッタの周方向からも第１仕切り部と第２仕切り部の間へ流入する。フィンに作用する気体の力が増大するので、シャッタの開方向への変位がより一層促進される。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、アクチュエータを用いることなく、サージの抑制と圧縮効率の確保を両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本実施形態に係る遠心圧縮機のケーシング装置の概略構成を示す断面図である。

【図2】本実施形態に係る遠心圧縮機のケーシング装置の概略構成を示す拡大断面図である。

【図3】シャッタのフィンとその周囲の構成を示す拡大平面図である。

【図4】（Ａ）は、シャッタを示す斜視図である。（Ｂ）は、シャッタの要部を示す部分破断斜視図である。

【図5】ケーシングの本体部の要部を示す部分破断斜視図である。

【図6】ケーシングの前部の要部を示す部分破断斜視図である。

【図7】シャッタにより流入部が閉塞されている状態を示す、図３における７－７矢視断面図である。

【図8】図７において、シャッタが開き始めた状態を示す断面図である。

【図9】気体の圧力がフィンに作用した状態を示す、図３における９－９矢視断面図である。

【図10】シャッタにより流入部が閉塞されている状態を示す拡大斜視図である。

【図11】図１０において、シャッタが開き始めた状態を示す拡大斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。各図面において同一の符号を用いて示される構成要素は、同一の構成要素であることを意味する。なお、以下に説明する実施形態において重複する説明及び符号については、省略する場合がある。

【0021】

図１、図２において、本実施形態に係る遠心圧縮機１のケーシング装置１０は、ケーシング１２と、シュラウド壁１４と、トリートメント空洞部１６と、流入部１８と、流出部２０と、シャッタ２２と、付勢部材の一例としての圧縮ばね２４と、を有する。

【0022】

ケーシング１２は、インペラ２６を収容し、インペラ２６の回転により吸い込まれる気体（例えば空気）を圧縮する部材である。このケーシング１２は、インペラ２６の外周部にデュフューザ部２８を介してスクロール状の圧縮流路３０を有している。シュラウド壁１４は、ケーシング１２のうち、気体の吸込口３２を形成する部位であり、デュフューザ部２８から前方へ延びている。ここで「前方」とは、気体の流入方向（矢印Ａ方向）と逆方向である。トリートメント空洞部１６は、シュラウド壁１４内に設けられ、インペラ２６の軸方向周りに円環状に形成されている。ケーシング１２は、トリートメント空洞部１６の位置でインペラ２６側と吸込口３２側とに二分割されている。以下、インペラ２６側を本体部３４と呼び、吸込口３２側を前部３６と呼ぶこととする。

【0023】

本体部３４におけるトリートメント空洞部１６とインペラ２６との間には、インペラ２６と同心の円筒状の壁部３８が形成されている。壁部３８は、シュラウド壁１４の一部である。壁部３８の外周面は、トリートメント空洞部１６の径方向内側面を構成している。

【0024】

流入部１８は、トリートメント空洞部１６と吸込口３２のインペラ２６設置位置側とを連通させる部位である。この流入部１８は、壁部３８と、シュラウド壁１４のうち壁部３８よりデュフューザ部２８側の部分との間に形成されている。また、流入部１８は、ケーシング１２の周方向に断続的に形成されている。換言すれば、壁部３８は、流入部１８のない部分で、デュフューザ部２８側のシュラウド壁１４に支持されている。

【0025】

流出部２０は、トリートメント空洞部１６と吸込口３２の流入部１８より上流側とを連通させる部位である。ケーシング１２の前部３６におけるシュラウド壁１４は、気体の流入方向（矢印Ａ方向）において、本体部３４の壁部３８に対し、ケーシング１２の周方向の全体にわたって離れている。この間隙が流出部２０となっている。

【0026】

シャッタ２２は、トリートメント空洞部１６に設けられ、インペラ２６の軸方向周りに円環状に形成され、流入部１８を開閉可能な弁である。シャッタ２２には、流入部１８での気体の圧力をシャッタ２２の開方向Ｏに受ける圧力作用部としての段差２２Ａが設けられている。図１から図４、図９から図１１において、シャッタ２２の外周部には、シャッタ２２が開くことでトリートメント空洞部１６に流入した気体の圧力をシャッタ２２の開方向Ｏに受けるフィン２２Ｂが設けられている。

【0027】

図４（Ｂ）、図７に示されるように、シャッタ２２におけるフィン２２Ｂのない部分の断面形状は、厚肉部２２Ｃと薄肉部２２Ｄにより、略Ｌ字形とされている。厚肉部２２Ｃは、壁部３８に近接している。シャッタ２２により流入部１８が閉塞された状態において、薄肉部２２Ｄは、流入部１８よりシャッタ２２の開方向Ｏの前方まで延び、薄肉部２２Ｄと壁部３８との間に間隙４２が形成されている。段差２２Ａは、シャッタ２２の内面側における厚肉部２２Ｃと薄肉部２２Ｄの境界に形成されている。

【0028】

ここで、インペラ２６の回転に起因するトリートメント空洞部１６の周方向における気体の流れをＦとする。そうすると、薄肉部２２Ｄにおけるフィン２２Ｂの気体の流れＦの下流側近傍には、切欠き２２Ｅが形成されている。この切欠き２２Ｅは、シャッタ２２と後述する第２仕切り部５２との干渉を避けるために設けられている。

【0029】

図４（Ａ）に示されるように、フィン２２Ｂは、シャッタ２２の周方向の例えば３箇所に形成され、シャッタ２２の径方向に対し、気体の流れＦの下流側に傾斜して延びている。また、フィン２２Ｂは、例えばシャッタ２２の開方向Ｏの前方側端部に設けられている。フィン２２Ｂの先端は、トリートメント空洞部１６の径方向外側面に近接している。

【0030】

図３、図５、図１０、図１１において、シャッタ２２の周方向におけるフィン２２Ｂの両側には、それぞれフィン２２Ｂの開閉方向に延びる第１仕切り部５１及び第２仕切り部５２が、フィン２２Ｂに近接して設けられている。第１仕切り部５１及び第２仕切り部５２は、ケーシング１２の本体部３４側と前部３６側にそれぞれ板状に設けられ（図５、図６）、前部３６が本体部３４に組み付けられたときに端面同士が接して、例えば板状の第１仕切り部５１及び第２仕切り部５２を構成するようになっている。第１仕切り部５１は、トリートメント空洞部１６の周方向における気体の流れＦの上流側に位置している。第２仕切り部５２は、該流れＦの下流側に位置している。

【0031】

図１０、図１１に示されるように、第１仕切り部５１のシャッタ２２の閉方向Ｃ側の端縁５１Ａと、トリートメント空洞部１６のうちシャッタ２２の閉方向Ｃ側の内壁４４との間隙は、第２仕切り部５２のシャッタ２２の閉方向Ｃ側の端縁５２Ａと内壁４４との間隙よりも大きい。なお、本実施形態では、第２仕切り部５２のシャッタ２２の端縁５２Ａが内壁４４に接近又は結合されており、端縁５２Ａと内壁４４との間隙がほとんど存在しない。一方、第１仕切り部５１の端縁５１Ａと内壁４４との間に、間隙が明確に形成されている。したがって、トリートメント空洞部１６に入った気体が、第１仕切り部５１の端縁５１Ａと内壁４４との間隙を通じて、第１仕切り部５１、第２仕切り部５２、フィン２２Ｂの間に流入するようになっている。

【0032】

図１、図７から図９において、圧縮ばね２４は、シャッタ２２を閉方向Ｃに付勢する部材であり、サージから離れた運転状態では流入部１８を閉塞し、サージに近い運転状態では流入部１８での気体の圧力により弾性変形してシャッタ２２の開方向Ｏへの変位を許容するようになっている。この圧縮ばね２４は、シャッタ２２と、ケーシング１２の前部３６に設けられた柱状の台座４６（図６も参照）との間で伸縮するように取り付けられている。また、シャッタ２２と台座４６の間には、圧縮ばね２４と並列にダンパ４０が取り付けられている。このダンパ４０は、シャッタ２２の振動を抑制するための部材である。なお、図１０、図１１では、圧縮ばね２４及びダンパ４０の図示を省略している。また、ダンパ４０を省略した構成であってもよい。

【0033】

（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図１、図２において、本実施形態に係る遠心圧縮機のケーシング装置１０では、トリートメント空洞部１６と吸込口３２とが流入部１８と流出部２０とにより連通している。トリートメント空洞部１６における流入部１８には、流入部１８を開閉可能なシャッタ２２が設けられている。図７にも示されるように、シャッタ２２は圧縮ばね２４により閉方向Ｃに付勢されており、サージから離れた運転状態では流入部１８を閉塞している。この状態ではトリートメント空洞部１６を通じた気体の還流が生じないため、圧縮効率の低下が抑制される。

【0034】

一方、図８に示されるように、サージに近い運転状態では流入部１８での気体の圧力の増大に伴い圧縮ばね２４が弾性変形してシャッタ２２の開方向Ｏへの変位を許容する。具体的には、流入部１８での気体の圧力をシャッタ２２の段差２２Ａで受ける。段差２２Ａに作用する力が圧縮ばね２４の付勢力を上回ったとき、圧縮ばね２４が弾性変形してシャッタ２２が開き、気体が流入部１８からトリートメント空洞部１６に流入する（矢印Ｂ方向）。この気体は、流出部２０から流出して吸込口３２に還流する。これにより、サージが抑制される。

【0035】

更に、図９、図１１に示されるように、流入部１８での気体の圧力によりシャッタ２２が開いたとき、トリートメント空洞部１６に流入した気体の圧力を、シャッタ２２の外周部のフィン２２Ｂで受けることができる。ここで、シャッタ２２の周方向におけるフィン２２Ｂの両側に第１仕切り部５１と第２仕切り部５２とが設けられているので、トリートメント空洞部１６に流入した気体の一部は、第１仕切り部５１と第２仕切り部５２の間へ矢印Ｂ方向に流入する。

【0036】

また、遠心圧縮機１では、インペラ２６の回転により気体が圧縮されることから、トリートメント空洞部１６に流入した気体はシャッタ２２の周方向に流れる（気体の流れＦ）。第１仕切り部５１のシャッタ２２の閉方向Ｃ側の端縁５１Ａとトリートメント空洞部１６の内壁４４との間隙が、第２仕切り部５２のシャッタ２２の閉方向Ｃ側の端縁５２Ａと上記内壁４４との間隙よりも大きい。第１仕切り部５１は、トリートメント空洞部１６の周方向における気体の流れＦの上流側に位置し、第２仕切り部５２は、上記流れＦの下流側に位置する。

【0037】

したがって、トリートメント空洞部１６に流入した気体の一部は、シャッタ２２の径方向から（矢印Ｂ方向）だけでなく、シャッタ２２の周方向からも第１仕切り部５１と第２仕切り部５２の間へ流入する（気体の流れＦ）。これにより、気体の圧力を、シャッタ２２の外周部のフィン２２Ｂで効率的に受けることができる。またこれによって、フィン２２Ｂに作用する気体の力（揚力）が増大するので、シャッタ２２の開方向Ｏへの変位が促進される。また、第１仕切り部５１と第２仕切り部５２を設けることで小さなフィン２２Ｂで大きな揚力を発生させることができる。

【0038】

このように、本実施形態によれば、アクチュエータを用いることなく、サージの抑制と圧縮効率の確保を両立させることができる。

【0039】

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

【0040】

圧力作用部の例として段差２２Ａを挙げたが、圧力作用部はこれに限られず、流入部１８での気体の圧力をシャッタ２２の開方向に受けることができる構造であれば、他の構成であってもよい。

【0041】

シャッタ２２がフィン２２Ｂを有するものとしたが、フィン２２Ｂを有しない構成であってもよい。また、第１仕切り部５１の端縁５１Ａと内壁４４との間隙が、第２仕切り部５２の端縁５２Ａと内壁４４との間隙と同等以下であってもよい。更に、第２仕切り部５２を設け、第１仕切り部５１を設けない構成でもよい。また、第１仕切り部５１及び第２仕切り部５２の双方を設けない構成でもよい。

【符号の説明】

【0042】

１０ 遠心圧縮機のケーシング装置
１２ ケーシング
１６ トリートメント空洞部
１８ 流入部
２０ 流出部
２２ シャッタ
２２Ａ 段差（圧力作用部）
２２Ｂ フィン
２４ 圧縮ばね（付勢部材）
２６ インペラ
３２ 吸込口
４４ 内壁
５１ 第１仕切り部
５２ 第２仕切り部
Ｃ 閉方向
Ｆ 気体の流れ
Ｏ 開方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】