特開 2024-166627 一軸多段遠心形流体機械

(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】P2024166627

(43)【公開日】2024-11-29

(54)【発明の名称】一軸多段遠心形流体機械

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/44 20060101AFI20241122BHJP

   F04D 29/46 20060101ALI20241122BHJP

【ＦＩ】

F04D29/44 P

F04D29/46 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023082834

(22)【出願日】2023-05-19

(71)【出願人】

【識別番号】319007240

【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】平舘 澄賢

(72)【発明者】

【氏名】橋本 竜一

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA12

3H130AB27

3H130AB46

3H130AB62

3H130AB65

3H130AB69

3H130AC01

3H130BA66A

3H130CA02

3H130CA03

3H130DA02Z

3H130DB01Z

3H130DB13Z

3H130DG09Z

3H130EA06A

3H130EA07A

3H130EB03A

(57)【要約】

【課題】信頼性の高い構成で定格流量運転と小流量運転とを切り替え可能で、圧縮機効率も改善する。
【解決手段】一軸多段遠心形流体機械は、回転軸と、複数の遠心羽根車と、ケーシングと、ケーシングに設けられ初段の遠心羽根車に流体を導入する導入ノズルと、最終段の遠心羽根車から吐出された流体を吐出する吐出ノズルとを備える。前記導入ノズルは、定格流量運転時に使用される第１導入ノズルと、小流量運転時に使用される第２導入ノズルを備え、第１導入ノズルから初段の前記遠心羽根車に流入する第１吸込流路と、第２導入ノズルから初段の前記遠心羽根車に流入する第２吸込流路を有し、第２吸込流路は初段の遠心羽根車に流入させる流れに旋回成分を与える構成として、前記導入ノズルに導入する流体を、第１吸込流路と第２吸込流路の何れに流入させるかを切り替える切替え装置を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸と、この回転軸に取付けられた複数の遠心羽根車と、これら複数の遠心羽根車を収容するケーシングと、このケーシングに設けられ複数の前記遠心羽根車のうちの初段の遠心羽根車に流体を導入するための導入ノズルと、前記ケーシングに設けられ複数の前記遠心羽根車のうちの最終段の遠心羽根車から吐出された流体を吐出するための吐出ノズルとを備えた一軸多段遠心形流体機械であって、
前記導入ノズルは、定格流量運転時に使用される第１導入ノズルと、定格流量より少ない小流量運転時に使用される第２導入ノズルを備え、
前記第１導入ノズルから初段の前記遠心羽根車に流入する第１吸込流路と、前記第２導入ノズルから初段の前記遠心羽根車に流入する第２吸込流路を有し、
前記第２吸込流路は、前記初段の遠心羽根車に流入させる流れに旋回成分を与える構成とし、
前記導入ノズルに導入する流体を、前記第１吸込流路と前記第２吸込流路の何れに流入させるかを切り替える切替え装置を備えていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項2】

請求項１に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第１吸込流路は、前記第２吸込流路よりも少ない旋回成分の流れとして初段の前記遠心羽根車に流入させる構成としていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項3】

請求項２に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第１吸込流路は旋回成分を与えない流れとして初段の前記遠心羽根車に流入させることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項4】

請求項１に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第１吸込流路及び前記第２吸込流路は、それぞれ前記回転軸の周囲に環状に設けられ前記流体を周方向に回り込ませるための環状流路部と、前記環状流路部の内周側に設けられ前記環状流路部を通過した流れを半径方向内向きから前記回転軸の下流側方向へ転向させて初段の前記遠心羽根車に導くＬ字状ベンド流路部を備えている構成としている一軸多段遠心形流体機械。

【請求項5】

請求項４に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第２吸込流路のＬ字状ベンド流路部には、周方向に間隔をあけて環状に複数配置され、流れに旋回成分を与える固定流体ガイドを設けていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項6】

請求項１に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記切替え装置は、前記第１導入ノズルに流体を導く主配管と、この配管に設けられた第１の弁と、前記主配管における前記第１の弁の上流側から分岐して前記第２導入ノズルに流体を導く副配管と、この副配管に設けられた第２の弁を備えることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項7】

請求項１に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第１導入ノズルは前記回転軸の方向に向かって配置され、前記第２導入ノズルは、前記回転軸の方向からずれた方向に配置されると共に、前記第１導入ノズルに対し前記回転軸の回転方向に先行する方向の位置に配置されていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項8】

請求項４に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第１吸込流路における前記環状流路部の断面形状は、前記回転軸の円周方向に沿って略一定の形状に構成されていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項9】

請求項４に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第２吸込流路における前記環状流路部の断面形状は、この環状流路と前記第２導入ノズルとの合流部から前記回転軸の円周方向に沿って徐々に流路断面積が狭くなる渦巻形の形状に構成されていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項10】

請求項４に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第２吸込流路における前記環状流路部の断面形状は、前記回転軸の円周方向に沿って略一定の形状に構成されていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項11】

請求項４に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第１導入ノズルと前記第２導入ノズルは共に前記回転軸の方向に向かって配置され、前記第２導入ノズルからの流れは環状流路部の接線方向に向かうように構成されていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項12】

請求項１１に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第１吸込流路及び前記第２吸込流路は、それぞれ前記回転軸の周囲に環状に設けられ前記流体を周方向に回り込ませるための環状流路部と、前記環状流路部の内周側に設けられ前記環状流路部を通過した流れを半径方向内向きから前記回転軸の下流側方向へ転向させて初段の前記遠心羽根車に導くＬ字状ベンド流路部を備え、
前記第２吸込流路のＬ字状ベンド流路部には、周方向に間隔をあけて環状に複数配置され、流れに旋回成分を与える固定流体ガイドを設け、
前記第２吸込流路における前記第２導入ノズルと前記環状流路部の合流部から反回転方向に設けられている前記固定流体ガイドの形状は、外径側でほぼ半径方向を向き、内径側では周方向に寝ており、それらの中間部を滑らかな曲線で結んだ形状であることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項13】

請求項１に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第１吸込流路が前記第２吸込流路より、軸方向の上流側に配置されていることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項14】

請求項１に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
前記第２導入ノズルは前記第１導入ノズルよりもノズルサイズが小さいことを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【請求項15】

請求項１に記載の一軸多段遠心形流体機械であって、
一軸多段遠心形流体機械は、アンモニアまたはメタノールを合成する合成用の一軸多段遠心圧縮機であることを特徴とする一軸多段遠心形流体機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、同一の軸に多数の遠心羽根車が取り付けられた一軸多段遠心形流体機械に関し、特にそれらの吸込流路形状に関するものである。また、本発明は、特に一軸多段遠心圧縮機に好適なものである。

【背景技術】

【0002】

各種プラントでは、プロセスガスを昇圧するため、一つの回転軸に複数枚の遠心羽根車を多段に設けた一軸多段遠心圧縮機が用いられている。この一軸多段遠心圧縮機は、吸込流路を形成する吸込ノズルからプロセスガスを吸入して環状流路部に導入した後、回転軸に多段に設けた遠心羽根車により順次圧縮、昇圧し、その後吐出ノズルから排出するように構成されている。

【0003】

このような一軸多段遠心圧縮機としては、特開２００７－３０９１５４号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この特許文献１記載の一軸多段遠心圧縮機では、初段羽根車の上流に、取り付け角が可変の可動式入口案内羽根を設置しており、一軸多段遠心圧縮機における上流側の第１グループの圧縮段の流量を、前記可動式入口案内羽根を制御することにより調整している。また、前記一軸多段遠心圧縮機の下流側の第２グループの圧縮段においては、羽根車に流入する流れに予旋回を与える予旋回手段を羽根車の上流側に設けている。この予旋回手段は、外部からガスを導入ノズルに導入する導入流路部と、この導入流路部の下流側であって周方向に間隔を置いて配置された複数の固定案内羽根を有する案内羽根流路部とにより構成され、導入流路部から案内羽根流路部を経た流れと、吸込みノズルから吸込まれたガスの流れとを混合して、前記第２グループの羽根車の吸込み流れに予旋回を付与して流量を調整している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７－３０９１５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

設置する一軸多段遠心圧縮機に対し、プラントの種類によっては、定格吐出圧力を維持しつつ、定格流量運転と、定格流量よりも小さい流量での小流量運転とを、例えば毎日繰り返して切り替えることが要求される場合がある。この場合、定格流量運転時には圧縮機には予旋回なしの状態で作動流体を導入する一方、小流量での運転が要求される小流量運転時には圧縮機に予旋回を付与した状態で作動流体を導入する。この予旋回なしの状態での運転と予旋回ありの状態での運転とを日々切り替える必要がある。

【0006】

上述した特許文献１に記載の一軸多段遠心圧縮機では、初段羽根車の上流に、取り付け角が可変の可動式入口案内羽根を設置し、これを駆動させることで初段羽根車に予旋回を付与して、初段を含む上流側圧縮段の流量制御を可能としている。しかし、流量制御行うには入口案内羽根を繰り返し駆動させる必要があり、入口案内羽根を毎日繰り返し駆動させることにより、予旋回なしと予旋回ありの状態を切り替えている。このように可動式入口案内羽根の駆動頻度の高い運転を求められる場合でも、高い信頼性を確保することについて十分に考慮されていない。

【0007】

また、特許文献１に記載の一軸多段遠心圧縮機では、外部からガスを導入する導入流路部と、この導入流路部の下流側であって周方向に間隔を置いて配置された複数の固定案内羽根を有する案内羽根流路部により構成された予旋回手段を任意の中間段の羽根車の上流側に設置している。一方、吸込ノズルから吸い込まれて初段羽根車を含む上流側圧縮段を通過した流れは、前記中間段の羽根車のすぐ上流側の戻り流路において、周方向に間隔を置いて配置された複数のリターンベーン（翼）を通過させて旋回成分が除去された作動流体の流れとしている。この旋回成分を除去した作動流体に、前記予旋回手段で予旋回を付与した流れを、前記中間段の羽根車の入口側で混合させることにより、可動式の案内羽根なしに中間段羽根車への流入流れの予旋回量を調整し、流量制御を行うようにしている。

【0008】

しかし、中間段の羽根車上流に予旋回手段を設けているので、流量制御はこの中間段羽根車より下流側の圧縮段でしか行えず、圧縮機全体での小流量運転ができない。また、前記リターンベーンで旋回成分が除去された流れと、予旋回手段により旋回成分が付与された流れとが、前記中間段の羽根車の入口において合流するので、この合流する際の混合損失が大きくなり、圧縮機効率が低下する課題もある。

【0009】

本発明の目的は、信頼性の高い構成で定格流量運転と定格流量よりも少ない小流量運転とを切り替えることが可能で、予旋回を付与する時でも圧縮機効率を改善することのできる一軸多段遠心形流体機械を得ることにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するため、本発明は、回転軸と、この回転軸に取付けられた複数の遠心羽根車と、これら複数の遠心羽根車を収容するケーシングと、このケーシングに設けられ複数の前記遠心羽根車のうちの初段の遠心羽根車に流体を導入するための導入ノズルと、前記ケーシングに設けられ複数の前記遠心羽根車のうちの最終段の遠心羽根車から吐出された流体を吐出するための吐出ノズルとを備えた一軸多段遠心形流体機械であって、前記導入ノズルは、定格流量運転時に使用される第１導入ノズルと、定格流量より少ない小流量運転時に使用される第２導入ノズルを備え、前記第１導入ノズルから初段の前記遠心羽根車に流入する第１吸込流路と、前記第２導入ノズルから初段の前記遠心羽根車に流入する第２吸込流路を有し、前記第２吸込流路は、前記初段の遠心羽根車に流入させる流れに旋回成分を与える構成とし、前記導入ノズルに導入する流体を、前記第１吸込流路と前記第２吸込流路の何れに流入させるかを切り替える切替え装置を備えていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、信頼性の高い構成で定格流量運転と定格流量よりも少ない小流量運転とを切り替えることが可能で、予旋回を付与する時でも圧縮機効率を改善することのできる一軸多段遠心形流体機械を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一軸多段遠心形流体機械の実施例１を示す縦断面図。

【図2】図１のII－II線矢視図。

【図3】図１のIII－III線矢視断面図。

【図4】図１のIV－IV線矢視断面図。

【図5】本発明の実施例１の変形例を示す図で、図１に相当する図。

【図6】図５のVI－VI線矢視断面図。

【図7】本発明の一軸多段遠心形流体機械の実施例２を示す図で、図２に相当する図。

【図8】図７の実施例２における第２吸込流路の流路形状を示す断面図で、図４に相当する図。

【図9】本発明の実施例２の変形例を示す図で、図８に相当する図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の一軸多段遠心形流体機械の具体的実施例を図面に基づいて説明する。各図において同一符号を付した部分は同一或いは相当する分部を示している。また、以下説明する実施例では、一軸多段遠心形流体機械として一軸多段遠心圧縮機を例に説明するが、本発明は一軸多段遠心ポンプなどにも同様に適用可能である。

【実施例0014】

本発明の一軸多段遠心形流体機械の具体的実施例１を図１～図４を用いて説明する。図１は本実施例１の一軸多段遠心形流体機械としての一軸多段遠心圧縮機を示す縦断面図、図２は図１のII－II線矢視図、図３は図１のIII－III線矢視断面図、図４は図１のIV－IV線矢視断面図である。

【0015】

図１に示すように、一軸多段遠心形流体機械としての本実施例の一軸多段遠心圧縮機１００は、１本の回転軸２に複数の遠心羽根車（以下、単に羽根車ともいう）１が多段に取り付けられている。前記回転軸２の両端部は、軸受ケース３ａ内に設けられている軸受３ｂで回転自在に支承されている。４は複数の前記遠心羽根車１を収容する円筒状のケーシングで、このケーシング４には、複数の前記遠心羽根車１のうちの初段の遠心羽根車に流体（以下、作動流体や作動ガスともいう）を導入するための導入ノズル５と、前記ケーシング４に設けられ複数の前記遠心羽根車１のうちの最終段の遠心羽根車から吐出された流体を吐出するための吐出ノズル６とを備えている。

【0016】

前記導入ノズル５は、定格流量運転時に使用される第１導入ノズル５ａと、定格流量より少ない小流量運転時に使用される第２導入ノズル５ｂにより構成されている。また、５ａａは第１導入ノズル５ａの入口フランジ部、５ｂａは第２導入ノズル５ｂの入口フランジ部である。７は前記第１導入ノズル５ａから吸い込まれた流体を初段の前記遠心羽根車１に流入させる第１吸込流路、８は前記第２導入ノズル５ｂから吸い込まれた流体を初段の前記遠心羽根車１に流入させる第２吸込流路である。

【0017】

前記第１吸込流路７は、前記第１導入ノズル５ａ内に形成された流路であるノズル流路部７ａ、前記回転軸２の周囲に環状に設けられ作動流体を周方向に回り込ませるための環状流路部７ｂ及び前記環状流路部７ｂの内周側に設けられ前記環状流路部７ｂを通過した流れを半径方向内向きから回転軸２の下流側方向へ転向させて初段の遠心羽根車１に導くＬ字状ベンド流路部７ｃを備えている。

【0018】

前記第２吸込流路８も同様に、前記第２導入ノズル５ｂ内に形成された流路であるノズル流路部８ａ、前記回転軸２の周囲に環状に設けられ作動流体を周方向に回り込ませるための環状流路部８ｂ及び前記環状流路部８ｂの内周側に設けられ前記環状流路部８ｂを通過した流れを半径方向内向きから回転軸２の下流側方向へ転向させて初段の遠心羽根車１に導くＬ字状ベンド流路部８ｃを備えている。

【0019】

前記第２吸込流路８は、前記初段の遠心羽根車１に流入させる流れに旋回成分を与える構成としている。また、前記第１吸込流路７は、前記第２吸込流路８よりも少ない旋回成分の流れとして初段の前記遠心羽根車１に流入させる、或いは旋回成分を与えない流れとして初段の前記遠心羽根車１に流入させる構成としている。

【0020】

各段の遠心羽根車１の半径方向外径側には、各段羽根車から吐出された作動ガスの流路となるディフューザ部９がほぼ径方向に形成されている。本実施例では、前記ディフューザ部９は、周方向に間隔を置いて配置された複数の翼９ａを有する羽根付ディフューザとして構成されている。なお、ディフューザ部９に翼を全く備えていない羽根なしディフューザが用いられることもある。

【0021】

ディフューザ部９の下流側は、次段の遠心羽根車１への吸込流路を形成するために、作動ガスの流れを半径方向外向き流れから半径方向内向き流れにするリターンチャンネル１０が設けられている。このリターンチャンネル１０には、作動ガスの流れを整流するためにリターンベーン１０ａが周方向に間隔をおいて配置されている。前記ディフューザ部９及び前記リターンチャンネル１０は静止流路１１を形成している。

【0022】

最終段の遠心羽根車１の下流側であって半径方向外側には、スクロール１２が形成されており、最終段の遠心羽根車１から流出する高圧の作動ガスを集めて吐出ノズル６から機外へと吐出するように構成されている。

【0023】

ディフューザ部９とリターンチャンネル１０との間の回転軸２とケーシング４との間の隙間をシールする軸封部１３が設けられている。この軸封部１３は、本実施例ではラビリンスシールで構成されており、ラビリンスシールはケーシング４の軸貫通部内周面に取り付けられて、回転軸２と間に僅かな隙間をもって配置されている。この軸封部１３により、前段の遠心羽根車１から吐出された作動ガスが前記隙間を通って後段の遠心羽根車１に流入するのを防止している。

【0024】

また、初段の遠心羽根車１と軸受３ｂとの間の軸貫通部と、最終段の遠心羽根車１と軸受３ｂとの間の軸貫通部にもラビリンスシールで構成された軸封部１４，１５が設けられている。前記軸封部１４は、機外の空気などが初段の遠心羽根車１に流入するのを防止し、前記軸封部１５は、最終段の遠心羽根車１から吐出された作動ガスが、スクロール１２に流入することなく直接機外に漏洩するのを防止するために設けられている。
なお、前記軸受ケース３ａはケーシング４と一体に設けられるか、或いは取付台を別に設けて前記軸受ケース３ａを取り付けている。

【0025】

複数の遠心羽根車１及び回転軸２を収容する円筒状のケーシング４における初段の遠心羽根車１側の端部に吸込流路が形成されており、本実施例では前記吸込流路は、前述した第１吸込流路７と、第１吸込流路７よりも初段の遠心羽根車１の側に設置された第２吸込流路８で構成されている。これら第１吸込流路７及び第２吸込流路８は、一軸多段遠心圧縮機１００の外部から作動ガスを圧縮機内部へと導入するための流路となっており、径方向から初段の遠心羽根車１に流入する流れを軸方向吸込み流れにするように構成されている。

【0026】

前記ケーシング４における吸込側の円筒外周面には前記第１導入ノズル５ａと前記第２導入ノズル５ｂが設けられ、それらの入口部は入口フランジ部５ａａ，５ｂａとなっている。これらの入口フランジ部５ａａ，５ｂａの断面形状は円形となっており、各導入ノズル５ａ，５ｂは内径側に行くにしたがって断面形状が、図１に示す圧縮機中心断面に対して面対称となるオーバル形（より扁平が大きくなる形状）に構成されている。

【0027】

第１導入ノズル５ａまたは第２導入ノズル５ｂから吸い込まれた作動ガスは、前記第１吸込流路または前記第２吸込流路を介して半径方向内側に導かれ、初段の遠心羽根車１の吸込口１ａに流入する。ここで、第１導入ノズル５ａの入口フランジ部５ａａから、初段の遠心羽根車１の吸込口１ａまでの間の流路が前記第１吸込流路であり、第２導入ノズル５ｂの入口フランジ部５ｂａから、初段の遠心羽根車１の吸込口１ａまでの間の流路が前記第２吸込流路である。

【0028】

各吸込流路７，８は、上述したように、ノズル流路部７ａ，８ａ、環状流路部７ｂ，８ｂ及びＬ字状ベンド流路部７ｃ，８ｃから構成されており、前記環状流路部７ｂ，８ｂはノズル流路部７ａ，８ａの内径側に接続され、各導入ノズル５ａ，５ｂから導入された流れを円周方向へと回り込ませる。前記Ｌ字状ベンド流路部７ｃ，８ｃは前記環状流路部７ｂ，８ｂの内径側７ｂａ，８ｂａに接続され、作動ガスを半径方向内向きから回転軸２の軸線Ｘの下流側方向へと転向させる。

【0029】

前記第２吸込流路８のＬ字状ベンド流路部８ｃには、周方向に間隔を置いて環状に配置した複数の固定流体ガイド１７が設置されている。この固定流体ガイド１７は第２吸込流路８を流れる流体に安定した均一な旋回流を与えるためのものである。

【0030】

また、前記第１吸込流路７と前記第２吸込流路８は、ケーシング４の一部を構成する隔壁１８により隔てられており、隔壁１８の内径側先端部１８ａの下流側で、Ｌ字状ベンド流路部７ｃとＬ字状ベンド流路部８ｃは合流し、初段の遠心羽根車１の吸込口１ａへ繋がるように構成されている。

【0031】

本実施例では、前記導入ノズル５に導入する流体を、前記第１吸込流路７と前記第２吸込流路８の何れに流入させるかを切り替える切替え装置（流入制御装置）を備えている。この切替え装置について以下説明する。

【0032】

図１に示すように本実施例においては、作動流体を一軸多段遠心圧縮機１００の第１吸込流路７を構成する第１導入ノズル５ａに導くための主配管２１と、この主配管２１に設けられた開閉弁２１ａと、前記主配管２１における前記開閉弁２１ａの上流側から分岐して前記第２吸込流路８を構成する第２導入ノズル５ｂに作動流体を導くための副配管２２と、この副配管２２に設けられた開閉弁２２ａを備えている。前記切替え装置は、前記開閉弁２１ａ，２２ａの開閉を制御することにより、前記主配管２１からの作動流体の流れを第１吸込流路７に導くか、或いは第２吸込流路８に導くかを制御する。

【0033】

前記切替え装置として、本実施例では、作動流体の流入を開閉する開閉弁２１ａ，２２ａで構成する例を説明したが、前記開閉弁２１ａ，２２ａの代わりに、流入量を調整可能な流量調整弁で構成しても良い。流量調整弁とすれば、作動流体の第１吸込流路７と第２吸込流路８の切替え時に、遠心羽根車１へ流入する流入量の変化を滑らかに制御でき、急激な流量変化となるのを回避できるので、切替える際にも安定した運転が可能となる。

【0034】

次に、本実施例の一軸多段遠心圧縮機１００における初段の遠心羽根車１に作動ガスを導入するための導入ノズル５（第１導入ノズル５ａ，第２導入ノズル５ｂ）及び吸込流路（第１吸込流路７，第２吸込流路８）の構成と、前記吸込流路を通過する作動ガスの流動状態について、図２～図４も用いて説明する。

【0035】

図２は図１のII－II線矢視図で、回転軸２の軸線Ｘの方向の上流側から一軸多段遠心圧縮機１００を見た図であり、この図２により第１導入ノズル５ａと第２導入ノズル５ｂの配置位置を説明する。図２に示すように、本実施例における第１吸込流路７を構成する第１導入ノズル５ａは、回転軸２の方向に向かって配置されている。一方、第２吸込流路８を構成する第２導入ノズル５ｂは、回転軸２の方向からずれた方向に向かって配置されている。また、第２吸込流路８を構成する第２導入ノズル５ｂは、第１吸込流路７を構成する第１導入ノズル５ａに対し、回転軸２の上流方向から見て、遠心羽根車１及び回転軸２の回転方向Ａに先行する方向の位置に設置されている。

【0036】

図３は図１のIII－III線矢視断面図で、実施例１における第１吸込流路７の流路形状と作動ガスの流動方向を示す図である。図４は図１のIV－IV線矢視断面図で、第２吸込流路８の流路形状と作動ガスの流動方向を示す図である。

【0037】

図３に示すように本実施例においては、第１吸込流路７における環状流路部７ｂは、その流路断面形状が前記回転軸２の円周方向に沿って略一定の形状となるように構成されている。図３は、第１吸込流路７の流路形状に加え、図１，図２に示す開閉弁２１ａのみを開き、開閉弁２２ａは閉じている場合の作動ガスの流れも示している。

【0038】

前記第１導入ノズル５ａの入口フランジ部５ａａから第１吸込流路７に導入される作動ガスの流れ（流動方向）は矢印Ｂとして示されている。第１導入ノズル５ａの入口フランジ部５ａａから第１吸込流路７に導入された作動ガスは、ノズル流路部７ａを通過して環状流路部７ｂ内に流入する。この作動ガスは、全周にわたって存在する環状流路部７ｂを左右に回り込みながら、矢印Ｂで示すように、各周方向位置において流動方向を回転軸２の軸線Ｘに向かう方向、即ち旋回成分を有さない流動方向へと流れ込みつつ、左右対称な流れ場を形成してＬ字状ベンド流路部７ｃに流入する。Ｌ字状ベンド流路部７ｃに流入した作動ガスは、流動方向を軸線Ｘの下流側方向へと転向させ、初段の遠心羽根車１の吸込口１ａへ流れる。

【0039】

なお本実施例では図３に示すように、導入ノズル５ａが設置されている位置の反対側の第１吸込流路７には、環状流路部７ｂからＬ字状ベンド流路部７ｃの部分にかけての流路内部に、作動ガスの流れの旋回除去と流れの左右対称性の確保を狙い、旋回防止板２３が設けられている。
このように、第１吸込流路７は、旋回成分なしに初段の遠心羽根車１の吸込口１ａへと作動ガスを導入する吸込流路となっている。

【0040】

一方、図４に示すように、第２吸込流路８における環状流路部８ｂは、その流路断面形状が、第２導入ノズル５ｂのノズル流路部８ａと環状流路部８ｂとの合流部Ｃから、回転軸２の円周方向に沿って、徐々に流路断面積が狭くなる渦巻状の形状となるように構成されている。図４は、第２吸込流路８の流路形状に加え、図１，図２に示す開閉弁２２ａのみを開き、開閉弁２１ａは閉じている場合の作動ガスの流れも示している。

【0041】

前記第２導入ノズル５ｂの入口フランジ部５ｂａから第２吸込流路８に導入される作動ガスの流れ（流動方向）は、この図でも矢印Ｂとして示されている。第２導入ノズル５ｂの入口フランジ部５ａａから第１吸込流路７に導入された作動ガスは、ノズル流路部７ａを通過して環状流路部８ｂ内に流入する。

【0042】

第２導入ノズル５ｂの入口フランジ部５ｂａから第２吸込流路８に導入された作動ガスは、矢印Ｂで示すように、ノズル流路部８ａを通過後、環状流路部８ｂ内に流入する。本実施例では、第２導入ノズル５ｂは、回転軸２の軸心Ｘの方向からずれた方向で、且つ第１導入ノズル５ａに対して回転軸２の回転方向Ａに先行する方向に設置されている。

【0043】

従って、環状流路部８ｂ内に流入した作動ガスは、一定の方向、即ち図４では回転軸２や遠心羽根車１の回転方向Ａと同一方向に、旋回しながら前記環状流路部８ｂを内周側に向かって徐々に流動していき、Ｌ字状ベンド流路部８ｃに流入する。

【0044】

前記環状流路部８ｂ内を流れる作動ガスの体積流量は、第２導入ノズル５ｂと環状流路部８ｂの合流部Ｃ付近の周方向位置において最も大きく、そこから羽根車の回転方向Ａの方向に向かうにつれて徐々に流量が小さくなっていく。本実施例における環状流路部８ｂは、その流路断面形状が、第２導入ノズル５ｂと環状流路部８ｂの合流部Ｃから、周方向に沿って徐々に流路断面積が狭くなる渦巻状の形状に構成されている。従って、環状流路部８ｂを流れる作動ガスが、周方向の体積流量分布を有していても、作動ガスの旋回流速を周方向位置によらず一定とすることができ、Ｌ字状ベンド流路部８ｃに流入する際の流れの一様性を高めることができる。

【0045】

また、Ｌ字状ベンド流路部８ｃには、軸線Ｘを回転中心とした周方向に、一定の間隔を置いて、複数の前記固定流体ガイド１７が環状に設置されている。従って、作動ガスは前記固定流体ガイド１７により所望の旋回角度となるよう整流される。この固定流体ガイド１７は、図４では翼厚みが一定の直線翼として構成しているが、翼厚み分布を有する反りのある断面形状を有する翼形に構成することもできる。

【0046】

Ｌ字状ベンド流路部８ｃに流入した作動ガスは、旋回しながら流動方向を軸線Ｘの下流側方向へと転向させ、初段の遠心羽根車１の吸込口１ａへ流れる。このように第２吸込流路８は、固定流体ガイド１７により、作動ガスの流れに、所望の旋回角度となるように整流された旋回流を付与して初段の遠心羽根車１の吸込口１ａへと作動ガスを導入することができる。

【0047】

次に、本実施例の効果を説明する。
本実施例の一軸多段遠心圧縮機１００は、上述した構成としたことにより、主配管２１に設けた開閉弁２１ａ及び副配管２２に設けた開閉弁２２ａの開閉を切り替えるだけの比較的簡単な構成で、予旋回なしで初段の前記遠心羽根車１に作動流体を流入させる状態と、予旋回を付与して初段の前記遠心羽根車１に作動流体を流入させる状態とを切替えることができる。従って、一軸多段遠心圧縮機１００内部に、従来のように可動式入口案内羽根のような何らの流量制御用駆動機構を設置する必要がなくなる。これにより、本実施例によれば、圧縮機の定格流量運転モードと小流量運転モードとを高頻度で切り替えることが求められる場合においても、高い製品信頼性を維持することが可能となる。

【0048】

また、予旋回なしで初段の遠心羽根車１の吸込口１ａへ作動ガスを導入する第１吸込流路７については、固定流体ガイドを設けていないため、固定流体ガイド設置に伴う圧力損失の発生を抑制することができる。

【0049】

更に、流量制御のために、予旋回を付与した作動ガスを初段の遠心羽根車１に導入する構成を有するため、一軸多段遠心圧縮機１００全体での流量制御ができるという効果もある。また、初段の遠心羽根車１の吸込口１ａに予旋回を付与した作動ガスを導入する前記第２吸込流路８は、予旋回なしの作動流体を導入させる前記第１吸込流路７とは別系統の流路としている。このため、予旋回を付与して初段の遠心羽根車１に作動流体を流入させる第２吸込流路８のみから作動ガスを導入する際に、旋回なしの流れと旋回流とが合流することがなくなる。このため混合損失の発生を抑制することができ、予旋回付与時の圧縮機効率を向上することが可能となる。

【0050】

また本実施例では、第１導入ノズル５ａは回転軸２の方向に配置され、第２導入ノズル５ｂは回転軸２の方向からずれた方向で且つ第１導入ノズル５ａに対して回転軸２の回転方向Ａに先行する方向の位置に設置されている。これにより、第１導入ノズル５ａと第２導入ノズル５ｂは、ケーシング４における設置位置が周方向に互いにずれるため、これら２つの導入ノズル５ａ，５ｂを干渉なく設置できる。従って、前記隔壁１８の軸方向厚さを大きくして導入ノズル５ａと５ｂの干渉を防止する必要がなくなり、第１吸込流路７と第２吸込流路８の間の軸方向の距離を最小化できる。これにより、回転軸２の両端部に設置した２つの軸受３ｂの間の軸受間距離を短く保つこともできるので、回転軸２の回転数（圧縮機の回転速度）をより高くすることも可能になる。

【0051】

次に、図５及び図６により本発明の実施例１の変形例を説明する。図５及び図６はそれぞれ図１及び図４に相当する図で、図５は本変形例の一軸多段遠心圧縮機の縦断面図、図６は図５のVI－VI線矢視断面図で、本変形例における第２吸込流路の流路形状と作動ガスの流動方向を示す図である。

【0052】

図５及び図６に示す変形例では、第２吸込流路８における環状流路部８ｂを、その流路断面形状が回転軸２の円周方向に沿って略一定の形状となるように構成したものである。他の構成は上述した図１～図４に示す実施例１と同様である。
本変形例の構成とすることにより、環状流路部８ｂの形状が簡略化されるので、環状流路部８ｂを製作するコストを低減できる効果がある。

【0053】

なお、上述した実施例１及び変形例では、図１及び図５に示すように、第１吸込流路７が第２吸込流路８よりも、回転軸２の長手方向上流側に配置されている。前記固定流体ガイド１７を、Ｌ字状ベンド流路部８ｃにおける相対する２つの流路壁面が何れも鉛直方向（軸線Xに対し直角方向）に直線的な平面になっている半径方向領域に形成すれば、最も簡単に固定流体ガイド１７を設置することができる。本実施例では、第２吸込流路８を回転軸２の長手方向下流側に配置しているので、上述した簡単に固定流体ガイド１７を設置できる領域の半径方向長さを長くすることができる。従って、固定流体ガイド１７の半径方向長さを長くすることもできるため、遠心羽根車１への作動ガスの流れが所望の旋回角度を有するようにして、作動ガスの流れを整流することが容易に可能となる。

【0054】

また、上述した実施例１及び変形例における一軸多段遠心圧縮機１００では、ガス流量を多くする定格流量運転モードでは第１導入ノズル５ａを、ガス流量を少なくする小風量運転モードでは第２導入ノズル５ｂを、それぞれ作動ガスが通過することになる。従って、第２導入ノズル５ｂのノズルサイズは、第１導入ノズル５ａのノズルサイズよりも小さくすることが好ましい。

【0055】

上述した本実施例に記載の一軸多段遠心圧縮機１００は、様々なプラントに適用できるが、特に、定格吐出圧力を維持しつつ、定格流量から小風量側までの幅広い流量範囲において安定した動作が要求される一軸多段の遠心圧縮機に適用すると効果が大きい。このような一軸多段遠心圧縮機としては、アンモニアやメタノール等の合成プラント用のものが挙げられる。これらの合成プラントに用いられる合成ガス圧縮機では、アンモニアやメタノールの合成に必要なガス圧力を維持しながら、所望のガス合成量に合わせ、定格流量から小流量側までの幅広い流量範囲において安定動作することが求められる。特に、合成ガス圧縮機の駆動用電力として太陽光発電由来の電力が利用されるプラントにおいては、昼夜で発電量が大幅に変化するため、それに合わせてガス合成量も、定格流量（昼間）と小風量（夜間）とで切り替える必要がある。

【0056】

従って、このようなプラントで用いる合成ガス圧縮機に本実施例を適用することで、初段の遠心羽根車１に流入させる作動ガスに対し、昼間は第１吸込流路７から予旋回を付与せずに作動ガス（作動流体）を流入させて運転し、夜間には第２吸込流路から予旋回を付与した作動ガスを流入させて運転するように切り替えて運転することができる。これにより、定格流量から小流量側までの幅広い流量範囲において一軸多段遠心圧縮機を安定して運転することができる。

【実施例0057】

本発明の一軸多段遠心形流体機械の実施例２を、図７及び図８を用いて説明する。図７は本発明の一軸多段遠心形流体機械としての一軸多段遠心圧縮機を説明する図で、図２に相当する図、図８は図７の実施例２における第２吸込流路の流路形状を示す断面図で、図４に相当する図である。この実施例２の説明においては、上述した実施例１と同様の部分についての説明は省略し、実施例１と異なる部分を中心に説明する。

【0058】

図７は一軸多段遠心圧縮機を回転軸上流方向から見た図で、第１吸込流路と第２吸込流路の配置位置と姿勢を示している。上述した実施例１では、図２に示すように、第１導入ノズル５ａは回転軸２の方向に向かって配置され、第２導入ノズル５ｂは回転軸２の方向からずれた方向に配置される構成としている。これに対し図７に示す実施例２では、第１吸込流路７を構成する導入ノズル５ａと、第２吸込流路８を構成する導入ノズル５ｂは、何れも回転軸２の方向に向かって配置されている構成が実施例１とは異なっている。

【0059】

また、第２導入ノズル５ｂは第１導入ノズル５ａに対し、回転軸２の上流方向から見て、遠心羽根車１や回転軸２の回転方向Ａに先行する方向の位置に設置されている点では上記実施例１と同じである。しかし、本実施例２においては第２吸込流路８の構成を図８に示すような構成としているので、第１導入ノズル５ａと第２導入ノズル５ｂの位置関係は図７に示したものに限定されるものではない。即ち、第２導入ノズル５ｂを第１導入ノズル５ａに対し、回転方向Ａに関して同一位置に配置しても、或いは第２導入ノズル５ｂを第１導入ノズル５ａに対し、回転方向Ａに関して遅れる側の位置に配置しても良い。従って、本実施例２によれば、第２導入ノズル５ｂの設置位置に関する制約が減り、ケーシング４への第２導入ノズル５ｂの配置に関する自由度を増すことができる。

【0060】

図８により、本実施例２における第２吸込流路８の流路形状を説明する。また、図８には、図７に示す開閉弁２１ａを閉じ、開閉弁２２ａのみを開いて、作動ガスが第２導入ノズル５ｂの入口フランジ部５ｂａから第２吸込流路８に導入される際の作動ガスの流動方向Ｂも示している。なお、図８は図７に示す入口フランジ部５ｂａの側が鉛直上方を向くように描画方向を調整して図示している。

【0061】

本実施例では、図４で説明した実施例１の第２吸込流路の流路形状とは異なり、第２導入ノズル５ｂは回転軸２の軸線Ｘの方向に向かって配置されている。このように第２導入ノズル５ｂを配置しても、第２導入ノズル５ｂから流入した作動ガスが、羽根車回転方向Ａと同一方向に旋回しながら環状流路部８ｂを流動させるために、本実施例では以下の構成としている。即ち、第２導入ノズル５ｂのノズル流路部８ａと環状流路部８ｂの合流部Ｃ付近において、作動ガスを環状流路部８ｂの接線方向に向けて流出するように、ノズル流路部８ａが環状流路部８ｂの接線方向に向かうように、前記ノズル流路部８ａの出口側を曲げて構成している。

【0062】

また、本実施例においても、図４に示す実施例１と同様に、環状流路部８ｂは、その流路断面形状が、第２導入ノズル５ｂのノズル流路部８ａと環状流路部８ｂの合流部Ｃから、周方向に沿って、徐々に流路断面積が狭くなる渦巻状の形状となるよう構成されている。従って、Ｌ字状ベンド流路部８ｃに流入する際の流れの一様性を高めることも可能に構成されている。

【0063】

次に、本実施例２の変形例を図９により説明する。図９は図８に相当する図であり、本変形例における第２吸込流路の流路形状と作動ガスの流動方向を示す図である。この図９に示す変形例は、第２吸込流路８の形状を簡略化してコスト低減を図ることができるようにしたものである。即ち、ノズル流路部８ａを、合流部Ｃ付近で、図８に示すように環状流路部８ｂの接線方向には曲げずに、環状流路部８ｂに合流させている。また、環状流路部８ｂを、その流路断面形状が回転軸２の円周方向に沿って略一定の形状となるように構成している。

【0064】

このように構成した場合、第２吸込流路８の形状は簡略化されるものの、作動ガスが、羽根車回転方向Ａと同一の一定方向に旋回して流れなくなり、周方向に間隔を置いて環状に配置している複数の固定流体ガイド１７に沿って作動ガスが流入できなくなる。このため、流れが固定流体ガイド１７から剥離するので圧縮機効率が低下する。また、固定流体ガイド１７に対する作動ガスの流入方向のずれは、図９における環状流路部８ｂの右側の領域の方が大きくなる。

【0065】

そこで、本変形例では図９に示すように、ノズル流路部８ａの中心から右側に設置されている固定流体ガイド１７ｂの形状を、外径側でほぼ半径方向を向き、内径側では周方向に寝た形状とし、それらの中間部を滑らかな曲線で接続した形状に構成している。他の構成は上述した図７，図８に示す実施例２と同様である。

【0066】

このように構成することにより、固定流体ガイド１７（１７ａ，１７ｂ）に対し、矢印Ｂで示す作動ガスの流入方向のずれが小さくなり、固定流体ガイド１７（１７ａ，１７ｂ）における流れの剥離を抑制し、圧縮機効率の低下を抑制することが可能となる。

【0067】

なお実施例２においても、上述実施例１と同様に、第１吸込流路７が第２吸込流路８よりも、回転軸２の長手方向上流側に配置されている。また、第２導入ノズル５ｂのノズルサイズは、第１導入ノズル５ａのノズルサイズよりも小さくすることが好ましい。

【0068】

以上説明した本発明の各実施例によれば、圧縮機内に駆動装置を有さない簡単な構成で、予旋回なしで初段の遠心羽根車に作動流体を流入させる状態と、予旋回を付与して初段の遠心羽根車に作動流体を流入させる状態とを切替可能としているので、高信頼性で圧縮機の定格流量運転と小流量運転とを切り替えることができる。また、予旋回付与時の圧縮機効率を改善することもできる一軸多段の遠心圧縮機を得ることができる。

【0069】

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例では一軸多段遠心圧縮機に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、一軸多段遠心圧縮機に限られるものではなく、一軸多段遠心ポンプなどの一軸多段遠心形流体機械であっても、作動流体を回転軸の径方向から導入して遠心羽根車に流入させる吸込流路を備えるものであれば同様に適用できるものである。また、本発明はアンモニアやメタノール等の合成プラントに用いられる合成ガス圧縮機に限られず、その他の各種プラントの圧縮機として適用可能である。
また、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。更に、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。