(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯板と側板の２つの円板とその間に狭設された複数の羽根からなる遠心羽根車と、該遠心羽根車の外周側下流に複数の静止ベーンを内設するベーン付きディフューザを備えた遠心圧縮機において、
該遠心羽根車の羽根出口外周径よりも該芯板および該側板の円板外径を大きくし、該静止ベーンをその前縁内周径が該遠心羽根車の該芯板および該側板の円板外周に近接するよう設置し、
前記遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止ベーンの前縁内周径Ｒ３の比Ｒ３／Ｒ１を１．１以下にしたことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
芯板と側板の２つの円板とその間に狭設された複数の羽根からなる遠心羽根車と、該遠心羽根車の外周側下流に複数の静止ベーンを内設するベーン付きディフューザを備えた遠心圧縮機において、
該遠心羽根車の羽根出口外周径よりも該芯板および該側板の円板外径を大きくし、該静止ベーンをその前縁内周径が該遠心羽根車の該芯板および該側板の円板外周に近接するよう設置し、
前記遠心羽根車の前記芯板と前記側板の２つの円板のいずれか一方の円板外径を他方よりも小さくし、前記静止ベーンをその前縁内周径が該芯板および該側板の両円板外周に近接するよう前縁を傾斜させて設置したことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項３】
請求項２記載の遠心圧縮機において、前記遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止ベーンの平均前縁内周径Ｒ３ｍの比Ｒ３ｍ／Ｒ１を１．１以下にしたことを特徴とする遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的高圧で小容量のガスを取り扱うにあたっての流体性能および信頼性を向上させた羽根車およびディフューザを備える遠心圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
遠心圧縮機用ディフューザは大きく分けるとベーンレスディフューザとベーン付きディフューザに分類され、それぞれ機能的にメリット・デメリットを有するものとなっている。
【０００３】
まず、回転する羽根車から吐出される流れの方向は流量と共に変化するので、運転状態および流量が広い範囲に変化する遠心圧縮機にはベーンレスディフューザがよく用いられる。
【０００４】
しかし、取扱い流量の小さい、いわゆる低比速度の圧縮機に適用した場合には、羽根車は設計上その流出角、すなわちディフューザ入口流れ角が小さくなり、また流路の高さは低くなるため、ディフューザにベーンレスディフューザを用いると、摩擦損失が大きくなり、効率が低下するという問題がある。
【０００５】
またベーンレスディフューザの場合、低比速度の圧縮機においては、多くの場合ベーンレスディフューザで旋回失速が発生し、高圧の流体を取り扱う圧縮機では旋回失速による流体加振により作動範囲が制約されるという問題があった。
【０００６】
一方、ベーン付きディフューザにおいては、羽根車を流出した流れがある程度減速し、羽根出口の後流を一様化するためのベーンレスディフューザ区間を設けるために、羽根出口外周半径Ｒ１とディフューザベーン前縁径Ｒ３の間に一定の距離δを取った構成が多く見られる。
【０００７】
例として米国特許No.3,771,925および米国特許No.3,824,029にはこの距離δを十分に取ると同等にベーンレスディフューザ区間を形成した構成にある遠心圧縮機が見られる。
【０００８】
まず米国特許No.3,771,925に開示されている遠心圧縮機においては、羽根車が側板を持たないオープン形のものであって芯板外径を羽根出口外周径よりも大きくし、羽根出口外周とディフューザのベーン前縁の間を広くして、この間の減速により衝撃波を緩和することを狙っている。
【０００９】
次に米国特許No.3,824,029に開示されている遠心圧縮機においては、羽根車の芯板および側板の外径を羽根出口外周径よりもかなり大きくし、この回転流路部分で減速させ、その出口直後に流体を導入するためのスクロールを配置している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記の距離δを大きく取りすぎた場合には、前記のベーンレスディフューザに近い構成となるため、旋回失速が問題となるような低比速度段での使用においてディフューザ入口流れ角が小さくなり、特に壁面近くの流体は羽根車出口を境として半径方向の圧力勾配が急に高くなることによって壁面付近の流れは羽根車出口へ逆流しやすくなる。この逆流はまた旋回失速の引き金になると考えられており、このようなディフューザ、つまり距離δを大きく取りすぎた構成では旋回失速の抑制が十分でないものとなる。
【００１１】
そこで上記の壁面付近の逆流を防止する意味で、ディフューザベーン前縁半径Ｒ３と羽根車外周半径Ｒ２との比、すなわちディフューザベーン前縁半径比Ｒ３／Ｒ２を小さくすることによって、羽根車出口直後の主流をディフューザベーンで拘束させ、逆流が発生する部分をなくす方法が考えられる。
【００１２】
しかしこの方法は旋回失速を防止するには有効であるが、一方で従来の一般的な構成にある羽根車においては羽根出口外周半径Ｒ１と羽根車外周半径Ｒ２が等しいためディフューザベーンの前縁半径比Ｒ３／Ｒ２が小さくなると、その間の羽根出口外周半径Ｒ１とディフューザベーン前縁径Ｒ３の間の距離δも小さくなり、羽根車を出た直後の高速の気流がディフューザベーンに衝突し、騒音が大きくなったりあるいは振動の原因になる可能性がある。
【００１３】
逆に言えば、距離δを小さくすることなく、ディフューザベーンの前縁半径比Ｒ３／Ｒ２を小さくして旋回失速を防止することができれば、より低騒音で信頼性の高い遠心圧縮機を提供することができる。
【００１４】
ここで距離δを十分に取ると同等にベーンレスディフューザ区間を形成した遠心圧縮機の例にある上記従来技術について検討する。
【００１５】
まず米国特許No.3,771,925については旋回失速に対して全く考慮しておらず、衝撃波対策のため芯板のみ円板の径を大きくはしているが、そのためディフューザベーン前縁との距離も長く、そして側板のないオープン形の羽根車であるため側板側での逆流が旋回失速の原因となる可能性が高く、この公知例では旋回失速防止には効果的でない。
【００１６】
次に米国特許No.3,824,029については芯板、側板の両方の円板外径を大きくすることで、回転流路部分での効果的な減速を狙ってはいるが、しかしベーン付きディフューザに比べるとその減速は小さく、効率は高くない。またディフューザの機能をすべて回転流路で構成するには、芯板、側板の両方の円板外径を羽根出口外周径に比べてかなり大きくする必要があるが、大きくしすぎると遠心応力による強度上の制約が生じるため、実用的でないという問題がある。
【００１７】
以上のように特に低比速度の遠心圧縮機においては、効率などの性能のほかにディフューザで発生する旋回失速の防止、および低騒音・低振動の高い信頼性が要求されるが、上記従来の技術ではこれらを同時に全て満足するには至っていないという問題があった。
【００１８】
したがって上記問題点に鑑み本発明の課題は、特に比較的低比速度・高圧の範囲での作動を前提とし、ディフューザで発生する旋回失速を防止し、高効率で、低騒音・低振動の信頼性の高い遠心圧縮機を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明による遠心圧縮機は次の構成を採用する。
【００２０】
（１）芯板と側板の２つの円板とその間に狭設された複数の羽根からなる遠心羽根車と、該遠心羽根車の外周側下流に複数の静止ベーンを内設するベーン付きディフューザを備えた遠心圧縮機において、該遠心羽根車の羽根出口外周径よりも該芯板および該側板の円板外径を大きくし、該静止ベーンをその前縁内周径が該遠心羽根車の該芯板および該側板の円板外周に近接するよう設置し、前記遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止ベーンの前縁内周径Ｒ３の比Ｒ３／Ｒ１を１．１以下にした構成とする。
【００２１】
このように構成することにより本発明は、羽根車の羽根出口とディフューザのベーン前縁の間に所定の半径方向距離をとり、羽根車とディフューザベーンの干渉作用を弱くすることとなり、羽根車出口流れがディフューザに流入する際の騒音や振動を低く抑えることができる。
【００２２】
さらに羽根出口直後を羽根車の芯板および側板からなる回転流路（回転ディフューザ）で構成することにより、回転壁面付近の流体には遠心力が作用し、この部分が静止壁において発生しやすい回転壁面への逆流・剥離を抑制する、すなわち旋回失速の発生を抑える作用をする。
【００２３】
そしてこの回転流路部分を通過した流れは、その直後にディフューザベーンに流入するため、ここではベーンにより流れは転向・減速する。つまり旋回失速の引き金となる壁面近傍の逆流を抑制しつつ、効果的に流れを減速・圧縮することができる。
【００２４】
また、前記遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止ベーンの前縁内周径Ｒ３の比Ｒ３／Ｒ１を１．１以下にすることで、芯板・側板の遠心応力による強度的制約を問題とせずに、旋回失速を抑制することが可能となる。
【００２５】
（２）また、本発明は、芯板と側板の２つの円板とその間に狭設された複数の羽根からなる遠心羽根車と、該遠心羽根車の外周側下流に複数の静止ベーンを内設するベーン付きディフューザを備えた遠心圧縮機において、該遠心羽根車の羽根出口外周径よりも該芯板および該側板の円板外径を大きくし、該静止ベーンをその前縁内周径が該遠心羽根車の該芯板および該側板の円板外周に近接するよう設置し、前記遠心羽根車の前記芯板と前記側板の２つの円板のいずれか一方の円板外径を他方よりも小さくし、前記静止ベーンをその前縁内周径が該芯板および該側板の両円板外周に近接するよう前縁を傾斜させて設置した構成とする。
このように構成することにより、上記（１）の基本作用が得られるとともに、羽根車出口流れがディフューザベーン前縁に達するまでのタイミングがベーン高さ方向によって変わるため発生する衝撃が分散されることとなり、全体の騒音・振動を低減させることが可能となる。
【００２６】
このように構成することにより、羽根車出口流れがディフューザベーン前縁に達するまでのタイミングがベーン高さ方向によって変わるため発生する衝撃が分散されることとなり、全体の騒音・振動を低減させることが可能となる。
【００２７】
（３）また、上記（２）においても好ましくは、前記遠心羽根車の羽根出口外周径Ｒ１と前記静止ベーンの平均前縁内周径Ｒ３ｍの比Ｒ３ｍ／Ｒ１を１．１以下にすることで芯板・側板の遠心応力による強度的制約を問題とせずに、旋回失速を抑制することが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を説明する。
【００２９】
まず図１は本発明を適用した遠心圧縮機のうち多段圧縮機の形態にある場合の軸方向断面図である。この図において、段階的に出口高さの異なる５つの遠心圧縮機が１本の回転軸４に連通して軸設しており、各段の遠心圧縮機間の流体流路にはリターンチャンネル１０が設けられ、また各段圧縮機の回転軸４周りにはラビリンスシール１２、１３により気密シールされた上でケーシング８で覆われている構成となっている。
【００３０】
以降、このうちの１段の遠心圧縮機のみに着目して説明する。
【００３１】
図２は本実施形態の遠心圧縮機の断面形状を示したもので、回転軸４に羽根車１が取り付けられ、羽根車１は芯板１ｂ、側板１ｃ、複数の羽根１ａからなっている。羽根車１の外周には、その羽根車１の芯板１ｂ、側板１ｃの外縁に近接して複数のベーン２ａを備えたベーン付きディフューザ２が設置されている。
【００３２】
この図２の羽根車出口付近の詳細を図３に示す。また図３のＡ−Ａ方向視図を図４に示す。主流３は羽根車１を流出してディフューザ２へ導かれるが、羽根車の羽根１ａ間を流出した後、ディフューザ２に流入する前に、羽根車１の芯板１ｂと側板１ｃで構成される回転流路７内を流れる。
【００３３】
この回転流路７では、壁面付近を流れる流体３ａには、羽根車１の芯板１ｂと側板１ｃとの粘性効果による遠心力が作用し、これにより壁面付近の剥離が抑制される。そして本発明ではこの回転流路７の出口直後にディフューザのベーン２ａが配置されているので、羽根車１を出た流れは逆流することなくディフューザベーン２ａに導かれて拘束されることで旋回失速の発生が抑制される。
【００３４】
また本実施形態では、羽根車１の羽根１ａ外周とディフューザベーン２ａの前縁との間に所定の距離δ１をとることができるので、羽根車１とディフューザベーン２ａの干渉作用を弱くし、羽根車出口流れがディフューザ２に流入する際に発生する騒音や振動を低く抑えることができる。
【００３５】
なお図３の実施形態において、半径方向隙間距離δ２は物理的に可能な範囲で小さくすることが望ましい。文献(Senoo Y. , Ishida M. :Behavior of Severly Asymmetric Flow In a Vaneless Diffuser,: ASME J. of Engineering for Power, Vol.99(1977-3)によれば、羽根車の後流の影響は羽根出口外周径の１．１倍の位置でほぼ周方向に一様化するといわれている。したがって流れが一様化すればディフューザベーン２ａの干渉作用は弱くなるので、ベーン前縁半径比Ｒ３／Ｒ１は１．１以上にする必要はなくなる。これらより、ディフューザベーンによる流れの減速効果を発揮し、効率を高くするために、羽根車１の羽根１ａの外周径Ｒ１とベーン２ａ前縁の半径Ｒ３との比、Ｒ３／Ｒ１は１．１以下にすることが望ましい。
【００３６】
このようにＲ１、Ｒ３を選ぶと、羽根車外周半径Ｒ２の範囲はＲ２／Ｒ１が１．１以下となり、この範囲であれば、芯板・側板の遠心応力による強度的制約もそれほど問題にならない。
【００３７】
図５に示す第２の実施形態では、羽根車１の芯板１ｅと側板１ｄのそれぞれの半径Ｒ２ｈ、Ｒ２ｓを異なるように設定している。ただし各々の円板の外周とディフューザの前縁までの距離δ２は図２の場合と同程度に小さくし、それに合わせてディフューザのベーン２ｄの前縁が回転軸方向に対して斜めの形状となっている。その結果すなわちベーン２ｄの前縁の芯板側の半径Ｒ３ｈと側板側の半径Ｒ３ｓも異なるものとなっている。
【００３８】
本発明がおよそ適用を前提としている低比速度・低流量の遠心圧縮機の場合には、羽根車出口直後における流速・流量の分布が壁面表面のごく一部を除いて出口高さ方向に一様であるため、図２または図３に示すようにベーンの前縁が壁面に対して垂直（出口高さ方向・回転軸方向に対して平行）な形状にある場合には、羽根車から流出した流れがベーン前縁の高さ方向に対して同時に衝突することになり、この結果、集中的に最も大きな衝撃が発生することになる。
【００３９】
これに対し、図５に示す本実施形態では、図２または図３の実施形態による効果の他に、ディフューザのベーン２ｄの前縁を回転軸方向に対して斜めにしたことにより、羽根車１を流出した流れがディフューザのベーン２ｄの前縁に達するまでの距離が、ベーン高さ方向に異なる。これにより流れがベーン２ｄ前縁に衝突するタイミングがベーン高さ方向に変わるため発生する衝撃が（時系列で）分散されることになり、その結果翼通過周波数騒音（羽根車の羽根数×回転周波数の成分の騒音）の発生をも抑制可能となって、ひいては全体の騒音あるいは振動を低くする効果がある。
【００４０】
また図５に示している本実施形態では羽根車の芯板１ｅを側板１ｄよりも大きな外径で形成し、それに合わせてベーン２ｄ前縁の側板側の内周を芯板側の内周よりも小さく形成した構成としているが、本発明はこれに限定することなく、それら大小関係を全て逆にして構成することも可能であり、同様に騒音・振動を抑制する効果が発揮されるものである。
【００４１】
なお図５の本実施形態においても、上記同様の理由により、ディフューザベーンによる流れの減速効果を発揮し、効率を高くするために、羽根車の羽根１ａの外周径Ｒ１とベーン２ｄ前縁の平均半径Ｒ３ｍとの比、Ｒ３ｍ／Ｒ１は１．１以下にすることが望ましい。ここでＲ３ｍはＲ３ｍ＝（Ｒ３ｓ＋Ｒ３ｈ）／２である。
【００４２】
また上記の半径比Ｒ３／Ｒ１及びＲ３ｍ／Ｒ１の値についてより詳しく述べると、芯板・側板の遠心応力による強度適制約を考慮した場合にはできるだけ１．０に近い低い値に設定したい反面、羽根車からの流れを一様化してディフューザベーンへの干渉作用を弱くしたい場合にはできるだけ高い値に設定したいといった矛盾が生じることになる。
【００４３】
実際の設計においてはこれら２つの要素の兼ね合いを計って半径比が設定されるものであり、現在のところ通常の場合には１．０５の値が実機の数値として最も望ましく、さらに羽根車の材質に高強度のものを選定した場合などには１．０７程度の値が最も望ましいことが解っている。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、ディフューザとしてベーン付きディフューザを用いている低比速度の遠心圧縮機において、高効率で、かつ羽根車の羽根外周とディフューザのベーンとの間に所定の距離をとることにより、羽根車とディフューザの干渉を抑え、低騒音・低振動を実現するとともに、ディフューザ部で旋回失速を防止する効果があるので、作動範囲が広く信頼性の高い圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した多段圧縮機の軸方向断面図である。
【図２】本発明の実施形態を表す遠心圧縮機の部分断面図である。
【図３】図２の羽根車出口とディフュー部分の詳細部分断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ方向視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を表す遠心圧縮機の部分断面である。
【符号の説明】
１  羽根車
１ａ  羽根車の羽根
１ｂ、１ｅ  羽根車の芯板
１ｃ、１ｄ  羽根車の側板
２  ディフューザ
２ａ、２ｄ  ディフューザのベーン
３  主流の方向
３ａ  壁面近傍を流れる流体の流れ方向
４  回転軸
５  ベーンレスディフューザ
６  回転方向
７  回転流路（回転ディフューザ）部
８  ケーシング
９  軸受け
１０  リターンチャンネル
１１  吐出スクロール
１２、１３  ラビリンスシール
Ｒ１  羽根出口外周半径
Ｒ２  羽根車外周半径
Ｒ３  ディフューザベーン前縁半径
δ１  羽根出口とディフューザベーン前縁との隙間距離
δ２  羽根車外周とディフューザベーン前縁との隙間距離
【図１】
0003720217.tif 000002
【図２】
0003720217.tif 000003
【図３】
0003720217.tif 000004
【図４】
0003720217.tif 000005
【図５】
0003720217.tif 000006