(57)【要約】  【課題】本発明の目的は、気体の流量が低流量であっても、ディフューザストールを防止したり抑制することができる遠心圧縮機の提供にある。  【解決手段】ハウジング１２に軸支したインペラ２１と、前記インペラ２１の下流に配置されたディフューザ１８と、前記ディフューザ１８の出口と連通するボリュート１７とを備え、前記インペラ２１の回転により前記ハウジングへ吸引した気体を少なくとも遠心力により圧縮する遠心圧縮機であって、前記ディフューザ１８と前記ボリュート１７を連通し、かつ、前記ボリュート１７の気体の一部を前記ディフューザ１８へ還流する還流通路を備えた。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに軸支したインペラと、前記インペラの下流に配置されたディフューザと、前記ディフューザの出口と連通するボリュートとを備え、前記インペラの回転により前記ハウジングへ吸引した気体を少なくとも遠心力により圧縮する遠心圧縮機であって、前記ディフューザと前記ボリュートを連通し、かつ、前記ボリュートの気体の一部を前記ディフューザへ還流する還流通路を備えたことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記還流通路の出口を前記ディフューザの入口付近に設けたことを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記還流通路を直線状とすることを特徴とする請求項１又は２記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記還流通路に開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記開閉弁は低流量運転時に開弁されることを特徴とする請求項４記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はインペラ（羽根車）を備えた遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体を圧縮するための圧縮機の一つとして遠心圧縮機が知られている。
従来の遠心圧縮機は、例えば、図６に示すように、インペラ２１（羽根車）が取り付けられた回転軸１２とハウジング１３とを備える。
ハウジング１３は、回転軸１２を軸支するハウジング本体１４とシュラウドハウジング１５を有する。
インペラ２１はハウジング本体１４とシュラウドハウジング１５の間に配置される。
図７に示すように、インペラ２１は放射状に取り付けられた２種類の回転翼（長形翼２３、短形翼２５）を備えている。
ハウジング本体１４は、回転軸１２に接続された駆動手段（図示せず）を収容する。
シュラウドハウジング１５は、インペラ２１に通じる吸込み口１６と、ボリュート１７（渦形室）を形成する。
ハウジング本体１４とシュラウドハウジング１５はインペラ２１の外周にディフューザ１８を形成している。
ディフューザ１８は、具体的には、ハウジング本体１４のハウジング壁部１４ａとシュラウドハウジング１５のシュラウド壁部１５ｄにより主に形成される。
ディフューザ１８の入口はインペラ２１の外周を臨み、出口は吐出口（図示せず）に通じるボリュート１７と連通されている。
【０００３】
この遠心圧縮機は、インペラ２１の回転により気体をハウジング１３へ吸い込む。
吸い込まれた気体はインペラ２１を通じてディフューザ１８に送られ、少なくとも遠心力により圧縮される。
図７に示すように、インペラ２１により圧縮された気体は、半径方向と周方向の速度成分Ｘ、Ｙを含む旋回流である。
ディフューザ１８の気体はボリュート１７へ圧送される。
図８は、図６におけるＡ−Ａ線の矢視図であり、ハウジング壁部１４ａとシュラウド壁部１５ｄの間における半径方向の流れの速度勾配ｖｇを示す。
圧縮される気体が粘性流体であることから、気体の流れの速度分布ＶＧは、中央付近が最も大きく、両壁部１４ａ、１５ｄに接近するにつれて小さくなる。
【０００４】
インペラ２１から送り出される気体の流れの速度成分Ｖは、インペラ２１の半径方向の速度成分Ｘと周方向Ｙの速度成分に分けることができる。
吸い込む気体の量が少ない場合（低流量運転時）、半径方向の速度成分Ｘは周方向の速度成分Ｙと比較して小さくなる。
低流量運転時には、流れの一部が圧力勾配に対抗できず、気体の一部が壁部１４ａ、１５ｄに沿って逆流する（図８における白抜矢印は主な気体の流れを示し、実線矢印は速度分布に対応する流れを示す。）現象を生じ、この現象は「ディフューザストール」と呼ばれる。
【０００５】
関連する技術として、特許文献１には、ディフューザ入口のディフューザ壁に羽根車（インペラ）と同心円状に設けられた第１のスリットとディフューザ途中のディフューザ壁に第１のスリットと同心円状に設けられた第２のスリットがバイパス流路により連通された遠心圧縮機が開示されている。
【特許文献１】実開平６−７６６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の遠心圧縮機では、低流量運転時にディフューザストールが生じるという問題がある。こうしたディフューザストールが生じると、遠心圧縮機の安定した運転が行なえなくなる。
特許文献１の技術は、翼を有するベーンドディフューザを備えた遠心圧縮機を適用の対象としている。
つまり、この技術はベーンドディフューザの翼におけるサージングを解消するための技術であり、上記のディフューザストールを解決することはできない。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、気体の流量が低流量であっても、ディフューザストールを防止したり抑制することができる遠心圧縮機の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、本発明は、ハウジングに軸支したインペラと、前記インペラの下流に配置されたディフューザと、前記ディフューザの出口と連通するボリュートとを備え、前記インペラの回転により前記ハウジングへ吸引した気体を少なくとも遠心力により圧縮する遠心圧縮機であって、前記ディフューザと前記ボリュートを連通し、かつ、前記ボリュートの気体の一部を前記ディフューザへ還流する還流通路を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、低流量運転時には、ディフューザにおける気体は、インペラからの気体が持つ半径方向の速度成分に加えて、還流通路からの気体の速度成分が加算される。
加算された速度成分により、半径方向の圧力勾配に対抗しうる運動量が付与される。
【０００８】
また、本発明では、前記還流通路の出口を前記ディフューザの入口付近に設けてよい。
またさらに、前記還流通路を直線状としてもよい。
さらに、本発明では、前記還流通路に開閉弁を設けてもよく、前記開閉弁は好ましくは遠心圧縮機の低流量運転時に開弁されるとよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、気体の流量が低流量であっても、ディフューザストールを防止したり抑制することができる遠心圧縮機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る遠心圧縮機の実施形態について、図１〜図４に基いて説明する。
なお、従来技術と共通又は類似する要素については同一の符号を用いるほか、従来技術の説明の一部を援用する。
この実施形態の遠心圧縮機は、インペラ２１（羽根車）が取り付けられた回転軸１２とハウジング１３を備えている。
図１は遠心圧縮機の概要を破断して示す側面図である。図２はインペラ２１の吸込み口１６側とディフューザ１８の概要を示す正面図である。図３は、還流通路周辺を破断して示す拡大側面である。図４は図２におけるＢ−Ｂ線の矢視図であり、ディフューザ１８の入口付近における速度分布を示す図である。
【００１１】
この実施形態に係る遠心圧縮機と従来の遠心圧縮機は、シュラウドハウジング１５の構造が異なる点を除き、残りの要素は従来技術の遠心圧縮機と同一である。
図１及び図２に示すインペラ２１は、回転軸１２用の軸孔２２ａを有するディスク２２と、ディスク２２に放射状に形成された２種類の回転翼２３、２５を有する。
インペラ２１は、ハウジング本体１４とシュラウドハウジング１５の間に配置され、ハウジング１３に対して回転自在である。
インペラ２１は、回転により気体を吸込み口１６から吸込み、少なくとも遠心力により気体を圧縮してディフューザ１８に送り込む機能を有する。
【００１２】
〔インペラについて〕
インペラ２１のディスク２２は公知のものを採用することができる。
ディスク２２には、図１に示すように長形翼２３と短形翼２５という２種類の回転翼が形成されている。
長形翼２３と短形翼２５は、図２に示されるように夫々６枚であり、両者２３、２５はいずれも薄板である。
長形翼２３と短形翼２５はディスク２２において交互に配置されるとともに、互いに同角度を保つ関係にある。
このため、長形翼２３の隣は短形翼２５が位置し、短形翼２５の隣は長形翼２３が位置する。
長形翼２３はインデューサ部２３ａとブレード部２３ｂを備え、短形翼２５は実質的に長形翼２３のブレード部２３ｂにほぼ相当する部分のみを備える。
長形翼２３は、軸孔２２ａの縁を始点としてディスク２２の回転方向と反対方向へ後退しつつディスク２２の外周縁２２ｂに達している。
短形翼は、ディスク２２において軸孔２２ａよりも離れた点を始点（図示せず）として後退しつつディスク２２の外周縁２２ｂに達している。
【００１３】
長形翼２３の軸孔２２ａ側（上流側）はインデューサ部２３ａであり、残りの部分（インデューサ部２３ａより下流側）はブレード部２３ｂとして形成されている。
インデューサ部２３ａの翼幅は、ブレード部２３ｂと比較して広く設定されている。
ブレード部２３ｂの翼幅は、インデューサ部２３ａの翼幅よりも狭く、かつ、ディスク２２の外周縁２２ｂへ至るにまでさらに狭くなる。
つまり、長形翼２３の翼幅は上流側（始点）から下流側（終点）へ向かうにつれて狭くなりディスク２２の外周縁２２ｂでは殆ど収束される。
インデューサ部２３ａは、インペラ２１が吸込む気体の向きを変えてブレード部２３ｂの方へ案内する機能を有する。
この実施形態では、インデューサ部２３ａ及びブレード部２３ｂを有する長形翼２３と、短形翼２５とを備えたインペラ２１としたが、長形翼２３のみ設けたインペラ２１としてもよい。
あるいは、ブレード部２３ｂと独立して設けたインデューサ部２３ａを有するインペラとしてもよいし、明確なインデューサ部２３ａを備えないインペラであってもよい。
また、インペラを構成する回転翼の数や種類は限定されず、遠心圧縮機に要求される条件等に応じた回転翼の数や種類を適宜設定することができる。
【００１４】
〔シュラウドハウジングについて〕
図１に示すシュラウドハウジング１５は、吸込み口１６を形成する吸込み口壁部１５ａと、インペラ２１に倣うように形成されたシュラウド部１５ｂと、ボリュート１７の外殻を形成するボリュート壁部１５ｃと、ディフューザ１８とボリュート１７と隔絶するシュラウド壁部１５ｄとを備えている。
吸込み口壁部１５ａはインペラ２１の前方において筒状の吸込み口１６を形成している。
シュラウド部１５ｂは、インペラ２１の吸込み口１６側からディフューザ１８の入口付近までインペラ２１に倣っている。
ボリュート壁部１５ｃは断面円形状のボリュート１７を形成し、その端面はハウジング壁部１４ａに当接している。
シュラウド壁部１５ｄはディフューザ１８とボリュート１７とを隔絶するほか、対向するハウジング壁部１４ａによりディフューザ１８を形成する。
従って、ここでは、ボリュート１７は、シュラウド部１５ｂと、ボリュート壁部１５ｃと、シュラウド壁部１５ｄとにより形成されていると言える。
【００１５】
ディフューザ１８は、インペラ２１の外周縁２２ｂ側を入口とし、ボリュート１７側を出口としている。
ディフューザ１８はインペラ２１から送り込まれた気体の速度エネルギを圧力エネルギに変換する機能を有する。
ディフューザ１８の出口はボリュート１７と連通し、シュラウド壁部１５ｄの端部は出口を臨む。
このように、ディフューザ１８はインペラ２１の下流に配置され、インペラ２１の周方向にわたって設けられている。
【００１６】
シュラウド壁部１５ｄは、ボリュート１７とディフューザ１８とを連通する還流通路２６を有する。
還流通路２６は、ボリュート１７内の高圧の気体の一部をディフューザ１８へ還流させるための通路である。
ここでは、ボリュート１７から還流通路２６を通ってディフューザ１８へ流れる気体のことを説明の便宜上還流気体と呼ぶ。
還流通路２６は、少なくとも、ディフューザ１８における気体の半径方向の速度成分Ｘを還流気体により増大させるための通路である。
還流通路２６の出口はディフューザ１８の入口付近に接続され、入口は還流通路２６ができるだけ短くなるような位置に設けられている。
このため、還流通路２６はシュラウド部１５ｂとシュラウド壁部１５ｄのほぼ間に設けられていると言える。
還流通路２６を短縮化する目的は、還流気体が還流通路２６を通過することに伴う圧損を抑制することにある。
短縮化された還流通路２６は、ディフューザ１８おける気体の半径方向の速度成分Ｘを増大させるために必要な流量を送ることができる。
【００１７】
ここでは、還流通路２６は４つの円弧溝状の組み合わせから形成されている。
このため、ディフューザ１８のほぼ周方向にわたって還流通路２６が形成される。
還流通路２６は溝に限らず、例えば、多数の円孔を円状に配列することにより実現することもできる。
還流通路２６は、少なくとも、還流気体を通す通路として成立する構成であれば形状、数、位置等は適宜設定できる。
この実施形態では、ボリュート１７とディフューザ１８がシュラウド壁部１５ｄに隔絶されることから、ボリュート１７とディフューザ１８が回転軸１２の軸芯方向において並ぶように設けられたが、還流通路２６はボリュート１７とディフューザ１８の配置に関係なく設けることができる。
例えば、ディフューザ１８の外周側にボリュート１７を設けた遠心圧縮機でもよく、この場合、還流通路は、例えばパイプ等の通路形成部材により形成することが好ましい。
【００１８】
図３は遠心圧縮機の低流量運転時の状態を示している。
遠心圧縮機が低流量運転をするとき、インペラ２１がディフューザ１８へ送り出した気体（図３における白抜矢印）は、ディフューザ１８を通過し、ディフューザ１８の出口を通じてボリュート１７に達する。
ボリュート１７の圧力はディフューザ１８の圧力よりも高くなっている。
このため、ボリュート１７の一部の気体は還流気体（図３における実線矢印）として還流通路２６を通過してディフューザ１８へ向かう。
還流気体は、ディフューザ１８の入口付近においてインペラ２１からの気体と合流する。
還流気体は、インペラ２１からの気体との合流により、図２における半径方向の速度成分Ｘを増大させることになる。
つまり、ディフューザ１８における気体は、インペラ２１からの気体が持つ半径方向の速度成分と、少なくとも還流気体により加算された半径方向の速度成分を含む。
【００１９】
図４は、図２におけるＢ−Ｂ線の矢視図であって、低流量運転時におけるハウジング壁部１４ａとシュラウド壁部１５ｄの間の流れの速度分布ＶＧを示す。
また、図４において、白抜矢印は主な気体の流れを示し、実線矢印は速度に対応する気体の流れを示す。
さらに、図４では、説明の便宜上、還流通路２６を備えない遠心圧縮機の場合の速度分布ｖｇを鎖線にて示す。
この実施形態では、還流通路２６がない場合に発達する一部の低速領域Ｌ（図４における破線ハッチング）は解消されている。
このため、両壁部１４ａ、１５ｄに沿う気体の逆流は防止されたり抑制される。
これは、還流気体とインペラ２１からの気体との合流が、半径方向における速度成分Ｘを増大させ、少なくとも逆流を招く壁面近くの一部の低速領域Ｌが埋められるためである。
ここでは、還流気体は図４に示す一部の低圧領域Ｌを解消する。
つまり、ディフューザ１８入口への還流による相対的な流量増加により、気体の半径方向成分の速度（運動量）を増大させ、壁面境界層の低速領域Ｌを縮小させて逆流が防止される。
【００２０】
この遠心圧縮機が高流量運転される場合、還流通路２６は気体がディフューザ１８へ向けて通過する。
高流量運転時にもボリュート１７の気体が還流通路２６を介してディフューザ１８へ流れる。
還流気体がディフューザ１８に流れることは、遠心圧縮機の性能に大きな影響を与えるものではない。
多少の影響を受ける場合があるとしても、還流気体がディフューザ１８に流れることを考慮して、遠心圧縮機を設計すればよい。
【００２１】
この実施形態に係る遠心圧縮機は以上の構成を備え、上記のように作動するから以下の作用効果を奏する。
（１）上記の遠心圧縮機は、ディフューザ１８とボリュート１７を連通し、かつ、ボリュート１７の気体の一部をディフューザ１８へ還流する還流通路２６を備えた構成であるから、ディフューザ１８における気体は、インペラ２１からの気体が持つ半径方向の速度成分に加えて、還流通路２６からの気体（還流気体）の速度成分が加算される。加算された速度成分は壁面近くの低速領域を小さくし、逆流の発生を遅らせる。従って、気体の流量が低流量であっても、ディフューザストールを防止したり抑制することができる。
（２）上記の遠心圧縮機は、還流通路２６の出口をディフューザ１８の入口付近に設けた構成であるから、ディフューザ１８の気体は、還流通路２６からの気体（還流気体）の速度成分（半径方向）の加算を早い時期に受けられる。従って、ディフューザストールはディフューザ１８の入口付近から出口付近に至る範囲が生じにくくなる。
（３）上記の遠心圧縮機は、還流通路２６を直線状とした構成であるから、還流通路２６における気体（還流気体）の圧損を抑制し易い。従って、還流通路２６における気体は圧損による無駄を抑えて半径方向の速度成分Ｘの加算ができる
（４）ディフューザ１８に還流通路２６を設けるだけで、ディフューザストールを防止したり抑制することができる。このため、従来の遠心圧縮機のディフューザ１８に還流通路２６を設けることで、ディフューザストールを防止したり抑制することができる遠心圧縮機に改造できる。
【００２２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る遠心圧縮機について図５に基き説明する。
図５は、還流通路２６の周辺を破断して示す要部拡大図である。
ここでは、説明の便宜上、先に説明した第１の実施形態で用いた符号を一部共通して用い、共通又は類似する構成についてはその説明を省略し、第１の実施形態の説明を援用するほか、第１の実施形態と異なる構成について説明する。
図５に示す還流通路２６は開閉弁２７を備えている。
開閉弁２７は、還流通路２６による気体の通過又は遮断を行う弁である。
この実施形態における開閉弁２７は、高流量運転時に還流通路２６を閉じ、低流量運転時に還流通路２６を開く弁である。
つまり、遠心圧縮機の運転状況に応じて、還流通路２６の開閉を行う弁であると言える。
開閉弁２７は、その種類や形式は特に問われないが、遠心圧縮機の運転状態に応じて自動的に開閉される弁が好ましい。
開閉弁自体の開閉の手段や制御は適宜公知のものを選択すればよい。
さらに言うと、開閉弁２７はボリュート１７とディフューザ１８の差圧により開閉される弁がより好ましい。
具体的には、例えば、撓み可能なリード式の開閉弁等を用いることができる。
【００２３】
高流量運転時に閉じた開閉弁２７は、還流気体がディフューザ１８に流れることによる、遠心圧縮機の性能への影響を確実に解消する。
このため、還流気体がディフューザ１８に流れることを考慮することなく、遠心圧縮機を設計することができる。
低流量時では開閉弁２７は開弁されるから、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
上記の遠心圧縮機は、還流通路２６に開閉弁２７を設けた構成であるから、還流気体は遠心圧縮機の運転状態に応じてディフューザ１８へ流れたり、遮断されたりする。従って、遠心圧縮機は、ディフューザ１８に対する還流気体による影響を受けないように、運転状態を設定することができる。
上記の遠心圧縮機における開閉弁２７は遠心圧縮機の低流量運転時に開弁されるから、低流量運転時にディフューザ１８へ還流気体が流れ、他方、低流量運転以外の運転状態ではディフューザ１８に還流気体が流れない。
従って、遠心圧縮機は低流量運転時にディフューザストールを防止したり抑制することができる。
また、遠心圧縮機は低流量運転以外の運転時には還流気体の影響を受けることはない。
【００２４】
なお、上記の実施形態に係る遠心圧縮機は本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
また、シュラウドハウジング１５を除く構成要素は、公知の構成要素や手段を適宜採用することことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施形態に係る遠心圧縮機の概要を破断して示す側面図である。
【図２】第１の実施形態に係る遠心圧縮機のインペラとディフューザを示す正面図である。
【図３】第１の実施形態に係る遠心圧縮機の還流通路周辺を破断して示す拡大側面である。
【図４】図２におけるＢ−Ｂ線の矢視図であり、ディフューザ入口付近における半径方向の速度分布を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る遠心圧縮機の還流通路周辺を破断して示す拡大側面図である。
【図６】従来技術に係る遠心圧縮機の概要を破断して示す側面図である。
【図７】従来技術にに係る遠心圧縮機のインペラとディフューザを示す正面図である。
【図８】図７におけるＡ−Ａ線の矢視図であり、ディフューザ入口付近における半径方向の速度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
２１  インペラ
１２  回転軸
１３  ハウジング
１４  ハウジング本体
１４ａ  ハウジング壁部
１５  シュラウドハウジング
１５ｄ  シュラウド壁部
１６  吸込み口
１７  ボリュート
１８  ディフューザ
２２  ディスク
２２ａ  軸孔
２２ｂ  外周縁
２３  長形翼
２３ａ  インデューサ部
２３ｂ  ブレード部
２５  短形翼
２６  還流通路
２７  開閉弁
【図１】
2006152972.tif 000003
【図２】
2006152972.tif 000004
【図３】
2006152972.tif 000005
【図４】
2006152972.tif 000006
【図５】
2006152972.tif 000007
【図６】
2006152972.tif 000008
【図７】
2006152972.tif 000009
【図８】
2006152972.tif 000010