(57)【要約】【課題】遠心形の流体機械において、極めて簡単に構造を改良するだけで、効率が高くかつ広い作動流量範囲の特性を有する。【解決手段】遠心形流体機械２０は、回転軸６とこの回転軸に取り付けた遠心羽根車４とこれら回転軸と遠心羽根車とを収容するケーシング５と、前記ケーシングと一体または別体で設けられる吸込流路手段を有する。吸込流路手段は、回転軸に対して直交する方向から前記羽根車に流れを導く流路が形成された吸込ノズル１と、この吸込ノズルの流路に接続する環状流路が形成された環状流路手段８と、この環状流路手段の下流側に配置され円形翼列を構成する可動インレットガイドベーン３と、吸込ノズルと環状流路手段との接続部に配置された回動可能な案内羽根２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸とこの回転軸に取り付けた遠心羽根車とこれら回転軸と遠心羽根車とを収容するケーシングと、前記ケーシングと一体または別体で設けられる吸込流路手段を有する遠心形流体機械において、
前記吸込流路手段は、回転軸に対して直交する方向から前記羽根車に流れを導く流路が形成された吸込ノズルと、この吸込ノズルの流路に接続する環状流路が形成された環状流路手段と、この環状流路手段の下流側に配置され円形翼列を構成する可動インレットガイドベーンと、前記吸込ノズルと前記環状流路手段との接続部に配置された回動可能な案内羽根とを有することを特徴とする遠心形流体機械。
【請求項２】
前記案内羽根と前記インレットガイドベーンとを駆動する駆動手段と、この駆動手段を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の遠心形流体機械。
【請求項３】
前記案内羽根を複数有し、前記制御手段は各案内羽根角度を独立に制御可能であることを特徴とする請求項２に記載の遠心形流体機械。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記案内羽根と前記インレットガイドベーンを連動して駆動することを特徴とする請求項２または３に記載の遠心形流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心形流体機械に係り、特に回転軸に対してほぼ直交する方向である半径方向から作動流体が流入する吸込流路を有する場合に好適な遠心形流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のいわゆる半径方向吸込型の遠心形流体機械の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、半径方向吸込み流路を形成する吸込みケーシングを羽根車の上流側に備えている。そして羽根車への気体流れを均一にするために、羽根車の上流側であって周方向に複数個所配置した周方向位置その形状が異なるケーシング案内羽根を、ケーシングへの取付け部分を中心に回動可能にしている。これにより、案内羽根出口の気体流れに旋回力を与え、羽根車の仕事を変化させて、圧縮機を容量制御している。
【０００３】
半径方向吸込み型のターボ圧縮機の例が、特許文献２に記載されている。このターボ圧縮機では、低流量側運転時に発生する振動や騒音を防止し、作動範囲を拡大するために、吸込みケーシングの底部近傍に設けた仕切り板と、羽根車上流の吸込みケーシングに周方向に間隔を置いて配置した複数の羽根からなる円形翼列の取付け角度を可動にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平２−１９８９９号公報
【特許文献２】特開平６−１９３５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
遠心形流体機械では、羽根車の上流にインレットガイドベーン（案内羽根、案内翼）を配置し、このインレットガイドベーンの取り付け角度を変えて流れに予旋回を与え、流量を制御をする場合がある。そして、インレットガイドベーンで流量制御する遠心形流体機械において、遠心羽根車の上流の吸込み方向がいわゆる半径方向吸込みの場合、すなわち軸方向に略垂直な方向からノズルを介して吸込む場合には、吸込ケーシングに何らかの手段を設けなけいと、インレットガイドベーンに流入する流れが、周方向に非一様となる。その結果、羽根車入口部での損失が大きくなり流体機械の効率低下を招く、あるいは騒音振動の発生原因になるなどの不具合を発生する恐れがあった。
【０００６】
このような不具合を解消するために、特許文献１に記載の遠心圧縮機では、羽根車の上流側の吸込み流路に、羽根角度や形状の異なるインレットガイドベーンを円形翼列状に配置し、インレットガイドベーンへの流入損失の低減を図っている。この公報に記載の遠心圧縮機では、インレットガイドベーンを全開、すなわち予旋回を０°にする場合には、流れをスムーズにインレットガイドベーンに導くので確かに損失の低減が図られる。
【０００７】
しかしながら、予旋回を０°以外の角度にしようとするとき、すなわち部分流量で運転しようとするときには、インレットガイドベーンの周方向に配置した複数の羽根周りの流れが一様ではなくる。上方に位置する羽根では、比較的流れに応じた羽根角度を設定できるが、下方に位置する羽根では大きな迎え角を生じるようになる。その結果、部分的に大きな損失が発生して効率の低下となる。また複数のインレットガイドベーンのそれぞれの出口角度が変化し、流れ角度が周方向に一定にならず、羽根車の上流に与えるべき旋回流れが周方向に一様になりにくい。
【０００８】
上記特許文献２に記載のターボ圧縮機では、半径方向内向き流路を形成する吸込ノズルから流入した流れを周方向流れに変換する環状流路部分に、回動可能な仕切り板を設けて、回り込み流れを制御している。そして、周方向に複数配置したインレットガイドベーンにより、流れに旋回成分が効果的に付与されるようにしている。この公報に記載の圧縮機では、可動翼により損失を低減しながら旋回を付与できるが、環状流路に流入した後に流れを制御するので、付与される旋回流れの量が制限される。
【０００９】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、遠心形の流体機械において、極めて簡単な構造の改良で、効率が高くかつ広い作動流量範囲の特性を有することにある。本発明の他の目的は、半径方向吸込型の遠心流体機械において、簡単な吸込流路構造で高い流体性能を有することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する本発明の特徴は、回転軸とこの回転軸に取り付けた遠心羽根車とこれら回転軸と遠心羽根車とを収容するケーシングと、前記ケーシングと一体または別体で設けられる吸込流路手段を有する遠心形流体機械において、吸込流路手段は、回転軸に対して直交する方向から前記羽根車に流れを導く流路が形成された吸込ノズルと、この吸込ノズルの流路に接続する環状流路が形成された環状流路手段と、この環状流路手段の下流側に配置され円形翼列を構成する可動インレットガイドベーンと、吸込ノズルと環状流路手段との接続部に配置された回動可能な案内羽根とを有することにある。
【００１１】
そしてこの特徴において、案内羽根とインレットガイドベーンとを駆動する駆動手段と、この駆動手段を制御する制御手段とを設けるのがよく、案内羽根を複数有し、制御手段は各案内羽根角度を独立に制御可能であることがさらに望ましい。また、駆動手段は、案内羽根とインレットガイドベーンを連動して駆動するものでもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半径方向流れ流路から環状流路へ流入する部分に、流れを所定方向に導く可動案内手段を設けたので、極めて簡単な構造の改良で、効率が高くかつ広い流量範囲の特性を有する流体機械が得られる。また、半径方向吸込型の遠心流体機械、特に遠心圧縮機において、簡単な吸込流路構造で高い流体性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る圧縮機の一実施例の吸込部の横断面図（（ａ）図）および縦断面図（（ｂ）図）。
【図２】従来の圧縮機の吸込流路の横断面図。
【図３】本発明に係る縮機の他の実施例の吸込部の横断面図。
【図４】遠心形流体機械の特性カーブを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る遠心形流体機械の実施例を、図面を用いて説明する。本実施例では、遠心形流体機械として遠心圧縮機を取り上げるが、遠心形流体機械は遠心圧縮機に限るものではなく、遠心ポンプ等でもよい。ただし、吸込み流れの形式は、半径方向内向き流れから軸方向流れに変化するものが好適である。
【００１５】
図１に、遠心圧縮機の吸込流路部を、図１（ａ）は横断面図すなわち同図（ｂ）のＸ−Ｘ矢視断面図で、図１（ｂ）は縦断面図すなわち同図（ａ）のＹ−Ｙ矢視断面図で示す。比較のために、従来の同種遠心圧縮機の一例の横断面図を、図２に示す。
【００１６】
遠心圧縮機２０では、図示しない原動機に駆動される回転軸６に、１枚（単段）または複数枚（多段）の遠心羽根車４が取付けられている。回転軸６の吸込み側端部は、ケーシング５に保持した軸受１４により回動可能に支持されている。遠心羽根車４の下流には羽根付ディフューザまたは羽根なしディフューザが配置されており、羽根車４で流体に付与された運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する。デイフューザ部の下流には、半径方向外向き流れを半径方向内向き流れに変えて次段の羽根車に導くリターンチャネル部が設けられている。図１では、リターンチャネル部より下流部の図示を、省略している。同様の構造を羽根車の数だけ繰り返した後、圧縮された気体は吐出ノズルを介して機外に送られる。
【００１７】
初段羽根車４の上流側には、吸込流路が形成されている。機外から遠心圧縮機２０に送られる作動ガスは、まず配管１１に接続され遠心圧縮機２０のケーシング５から半径方向に突き出た吸込ノズル１に導かれる。吸込ノズル１は、縦断面（図１（ｂ））では半径方向内側に向かうにしたがい窄まった形状であり、横断面（図１（ａ））では半径方向内側に向かうにしたがい幅方向に広がった形状をしている。
【００１８】
吸込ノズル１の下流側には、この吸込ノズル１に接続して、ケーシング５を円環状に切り抜いた形の環状流路８が形成されている。環状流路８よりも半径方向内側で、環状流路８よりも軸方向長さが短い環状のインレットガイドベーン流路３ｄが、環状流路８に接続している。インレットガイドベーン流路３ｄと羽根車４内の流路を、羽根車吸込み流路４ｄが接続している。この羽根車吸込流路４ｄは、半径方向内向き流れを軸方向流れに転換する。
【００１９】
インレットガイドベーン流路３ｄには、翼形の羽根３ａを有するインレットガイドベーン（以下、ＩＧＶとも称す）３が、周方向にほぼ等間隔に配置されている。ＩＧＶ３の羽根３ａの形状は翼形が望ましいが、板状でもよい。ＩＧＶ３は、その中間部にケーシング５への取付け用の軸が設けられている。ＩＧＶ３は、この軸を中心に回転可能であり、運転条件に応じてその取り付け角度を変えることも可能である。
【００２０】
ここで本発明の特徴として、ＩＧＶ３よりも上流側であって吸込ノズル１と環状流路８との接続部のほぼ中央に、１枚の可動案内羽根２が配置されている。可動案内羽根２には、遠心圧縮機２０の軸方向に延びる回動軸２ｄがその中間部に設けられている。回動軸２ｄは、環状流路８の外周端部においてケーシング５に保持されている。回動軸２ｄの先端は、図示しない駆動手段に接続されている。
【００２１】
次にこのように構成した本実施例の遠心圧縮機２０の動作を説明する前に、従来型の遠心圧縮機２０ｂの動作を比較のために説明する。図２に従来の遠心圧縮機２０ｂの吸込部を横断面図で示す。ここで示した従来の遠心圧縮機では、吸込みノズル１と環状流路８の接続部に配置した案内羽根２ａが、その向きを変えることのできない固定案内羽根となっている。図２（ａ）は、ＩＧＶ３の羽根３ａの向きを半径方向に向けた場合であり、羽根車４の吸込側に予旋回の無い流れを導く例である。図２（ｂ）は、図２（ａ）と同一の遠心圧縮機でＩＧＶ３の羽根３ａを回動させた場合であり、羽根車４の吸込側に予旋回を有する流れを導く場合である。
【００２２】
図４に、この従来の吸込み形状を有する遠心圧縮機２０ｂを運転したときの性能曲線を、破線で示す。図２（ａ）は、ＩＧＶ３で予旋回を与えない場合、つまり最大流量で運転する場合であるから、図４のＡ点で運転する場合に相当する。ＩＧＶ３の羽根３ａは半径方向に向けられている。
【００２３】
この図２（ａ）において、吸込ノズル１から流入した主流7は、固定案内羽根２ａで流量をほぼ２等分され、左側および右側の環状流路８に流入する。流れ７がこの環状流路８を流下する際に、その一部ずつがＩＧＶ３の羽根３ａ間に形成される流路を通過する流れ７ａとなる。羽根３ａ間を通過した流れは、最後に予旋回のない軸方向流として羽根車４に流入する。
【００２４】
このとき、吸込みノズルと反対側、すなわち図２（ａ）の下側から羽根３ａ間に流入する流れ７ａとなって羽根車４に流入する流れは、上側から羽根３ａ間に流入する流れ７ａに比べて流れにくい。しかし、環状流路８の断面積をある程度の大きさに設定すれば、大きな損失にはならない。また周方向の流れ分布の一様性も、それほど損なわれることは無い。
【００２５】
一方、図４でＣ点で表される小流量の運転点で遠心圧縮機２０ｂを動かすために、ＩＧＶ３を用いて強い予旋回を与える場合には、図２（ｂ）に示すように、ＩＧＶ３の羽根３ａを半径方向線から傾ける。この場合、羽根３ａ間の流れ７ａは、図２（ｂ）の左半側では、比較的スムーズに羽根車４に導かれる。これに対して図の右半側では、流れ７がＩＧＶ３の羽根３ａ間に流入する際に大きな迎え角をもつ流れ７ａとなる。
【００２６】
この右半のような流れは、羽根３ａへの流入時に大きな剥離を伴い、損失が大きい。また羽根車４へ流入する流れの速度分布は、周方向に極めて非一様な流れとなり、羽根車４の性能が低下し、ひいては圧縮機２０ｂの性能低下を引き起こす。さらに環状流路８では、下流に配置したＩＧＶ３で剥離が生じるため、左右の回り込み流れが衝突する場所で流れが不安定になる。その結果、圧縮機２０ｂの特性を不安定化させる恐れがある。圧縮機２０ｂの特性が不安定化すると、その不安定特性に起因して騒音・振動が発生する。
【００２７】
これに対して図１に示した実施例の圧縮機２０では、ＩＧＶ３を用いて強い旋回を与える場合、吸込ノズル１と環状流路８の接続部分に可動案内羽根２を設けているのでこの可動案内羽根２を回動して、主流７の左右への分配率を変えることができる。これにより、吸込ノズル１から流出する主流７は、環状流路８の接線方向に近い角度で環状流路８に流入し、環状流路８内を一方向に旋回する流れとなる。この一方向の流れに対しては、ＩＧＶ３の各羽根３ａを適正な迎え角の範囲内に設定できるので、流れ７ａは各羽根３ａ間に形成される流路へスムーズに流入する。
【００２８】
このように吸込ノズル１と環状流路８の接続部に可動案内羽根２を設け、強い旋回を羽根車４に与えるときに可動案内羽根２を中立位置から傾けているので、流れの損失を小さくできる。また、周方向の流れ分布の一様性も保たれるので、圧縮機２０の性能は低下しない。さらに、環状流路８では作動流体が一方向に流れるので、環状流路８内で左右の流れが衝突することを回避でき、環状流路８内で流れが不安定になることはない。
【００２９】
図４に、本実施例における圧縮機の特性を、実線で示す。上述したように、従来の圧縮機の典型的な例の特性を、併せて破線で示す。横軸は流量Ｑで、縦軸はヘッドＨおよび効率ηである。ＩＧＶ３の角度が０°の場合に、本実施例の圧縮機と同じ性能曲線を描くものを、従来の圧縮機として選定している。ＩＧＶ３の角度を増加させると、本実施例の圧縮機は従来のものに比べて、ヘッドＨや効率ηのカーブが小流量側にシフトする特性となり、小流量側での運転が可能になる。
【００３０】
また本実施例の圧縮機において、可動案内羽根２を回動制御すると、従来に比べて効率が高くなる。図４で示した抵抗曲線を負荷側が有する場合には、本実施例の圧縮機を用いると、Ａ点からＢ点までの流量範囲で運転することができる。これに対し、従来の固定案内羽根を用い負荷側が同じ抵抗曲線であるときに、ＩＧＶ３を用いて流量制御する場合には、運転範囲はＡ点からＣ点までであり、制御可能な流量範囲が本実施例よりも狭い。つまり、本実施例によれば、従来に比べて圧縮機の効率を向上させ、かつ流量範囲を拡大できる。
【００３１】
本発明に係る吸込流路の他の実施例を、図３に示す。本実施例が図１に示した実施例と相違するのは、吸込ノズル１と環状流路８の接続部に設ける可動案内羽根の数を複数個、この実施例では３個としたことにある。図３（ａ）は、ＩＧＶ３で予旋回を付与しない場合であり、ＩＧＶ３の上流に配置した可動案内羽根２ｂ１〜２ｂ３の中で中央の案内羽根２ｂ２をほぼ垂直に、左側の案内羽根２ｂ１を右に傾け、右側の案内羽根２ｂ３を左に傾ける。これにより、主流７を４個の大きな流れに分岐して環状流路８に導き、環状流路８内で主流７が周方向へ回り込むのを促進する。その結果、羽根車４へ流入する流れの周方向一様性が、より高められる。
【００３２】
図３（ｂ）に、ＩＧＶ３で予旋回を付与する場合を示す。３個の可動案内羽根２ｂ１〜２ｂ３をすべて同一方向、図では右方向に傾ける。主流７はほぼ３個のの流れに分岐し、一番右側の可動案内羽根２ｂ３よりも右側には、主流７はほとんど流れ込まない。これにより、環状流路８には一方向の旋回流れが形成される。
【００３３】
本実施例における環状流路８内の流れは、図１に示した実施例の場合とほとんど同じである。しかし、可動案内羽根を３枚２ｂ１〜２ｂ３配置したので、可動案内羽根２ｂ１〜２ｂ３の流れ方向の長さを図１に示した実施例の可動案内羽根２よりも短くできる。これにより、平板２ｃあるいは駆動軸２ｄに作用する応力を低減できる。特に、高圧のガスを扱う圧縮機２０では、本実施例のように可動案内羽根２ｂを複数設けると、可動案内羽根２ｂの強度不足または応力過多の問題を回避することができる。
【００３４】
なお上記いずれの実施例においても、可動案内羽根２、２ｂ１〜２ｂ３とインレットガイドベーン３の羽根３ａとを、同一の図示しない駆動手段で駆動する。または、異なる駆動手段で駆動するときには、各駆動手段を図示しない同一の制御手段に接続し、この制御手段がそれぞれの駆動手段を同期して駆動することが好ましい。さらに、複数の可動案内羽根２ｂ１〜２ｂ３を設けた場合には、各可動案内羽根の角度を独立で変えることができることが望ましい。
【符号の説明】
【００３５】
１…吸込ノズル、２…可動案内羽根、２ａ…固定案内羽根、２ｂ１〜２ｂ３…可動案内羽根、３…インレットガイドベーン（ＩＧＶ）、３ａ…インレットガイドベーンの羽根、４…羽根車、５…ケーシング、６…回転軸、７…流れ(主流)の方向、７ａ…ＩＧＶを通過する流れの方向、８…環状流路（手段）、２０…遠心圧縮機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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