(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（１２）に対して相対的に回転するロータ側に複数のインペラブレード（１１）を具備するインペラ（１０）と、前記インペラ（１０）の下流に向かう流れ方向に位置するステータ側に複数の案内ブレード（２０）を具備するディフューザ（１９）とを備えている遠心圧縮機段であって、インペラ側間隙（２８）が、前記インペラ（１０）と前記ステータ（１２）との間に形成されている、前記遠心圧縮機段において、
前記ステータ側の前記案内ブレード（２０）の流体入口縁部（２２）が、第１の円状輪郭（２９）の上に位置しており、すなわち、前記ステータ側のすべての前記案内ブレード（２０）の前記流体入口縁部（２２）が、隣り合っている前記案内ブレード（２０）それぞれの前記流体入口縁部（２２）に対して同一の間隔を有しており、
前記ステータ側の前記案内ブレード（２０）の流体出口縁部（２３）が、第２の円状輪郭（３０）の上に位置しており、すなわち、少なくとも１つの第１の周方向位置において、前記ステータ側の前記案内ブレード（２０）それぞれの前記流体出口縁部（２３）が、少なくとも１つの隣り合っている前記案内ブレード（２０）の前記流体出口縁部（２３）に対して異なる間隔を有し、前記第１の周方向位置と異なる第２の周方向位置において、前記ステータ側の前記案内ブレード（２０）それぞれの前記流体出口縁部（２３）が、少なくとも１つの隣り合っている前記案内ブレード（２０）の前記流体出口縁部（２３）に対して同一の間隔を有していることを特徴とする遠心圧縮機段。
【請求項２】
ステータ（１２）に対して相対的に回転するロータ側に複数のインペラブレード（１１）を具備するインペラ（１０）と、前記インペラ（１０）の下流に向かう流れ方向に位置する前記ステータ側に複数の案内ブレード（２０）を具備するディフューザ（１９）とを備えている遠心圧縮機段であって、インペラ側間隙（２８）が、前記インペラ（１０）と前記ステータ（１２）との間に形成されている、前記遠心圧縮機段において、
前記ステータ側の少なくとも１つの前記案内ブレード（２０）が、前記ステータ側の他の前記案内ブレード（２０）から逸れている曲面を有し、
前記複数の案内ブレード（２０）の流体入口縁部（２２）が、第１の円状輪郭（２９）の上に位置し、前記複数の案内ブレード（２０）のそれぞれの流体出口縁部（２３）が、第２の円状輪郭（３０）の上に位置していることを特徴とする遠心圧縮機段。
【請求項３】
ステータ（１２）に対して相対的に回転するロータ側に複数のインペラブレード（１１）を具備するインペラ（１０）と、前記インペラ（１０）の下流に向かう方向に位置する前記ステータ側に複数の案内ブレード（２０）を具備するディフューザ（１９）とを備えている遠心圧縮機段であって、インペラ側間隙（２８）が、前記インペラ（１０）と前記ステータ（１２）との間に形成されている、前記遠心圧縮機段において、
少なくとも１つの第１の周方向位置において、前記ステータ側において隣り合う前記案内ブレード（２０）同士の間に形成されているディフューザ流路セクション（３３）が、第２の周方向位置に形成されているディフューザ流路セクションから逸れている流路断面を有しており、
第１の周方向位置又は前記第１の周方向位置それぞれにおいて、第２の周方向位置に対して相対的に、前記ステータ側の隣り合う前記案内ブレード（２０）同士の間に、流路断面が小さくなっているディフューザ流路セクション（３３）の境界を形成している少なくとも１つの側壁（３１，３２）が、前記ディフューザ流路セクション（３３）の内部に向かって内側に湾曲していることを特徴とする遠心圧縮機段。
【請求項４】
第１の周方向位置又は前記第１の周方向位置それぞれにおいて、第２の周方向位置に対して相対的に、前記ステータ側の隣り合う前記案内ブレード（２０）同士の間に、ディフューザ流路セクション（３３）の境界を形成している少なくとも１つの側壁（３１，３２）が、前記ステータ（１２）の内部に向かって外側に拡大されている流路断面を有していることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１及び３それぞれのおいて書きに基づく遠心圧縮機の遠心圧縮機段に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、少なくとも１つの遠心圧縮機段を有している遠心圧縮機の基本的な構造を開示している。従って、当該特許文献は、遠心圧縮機の遠心圧縮機段又は遠心圧縮機段それぞれがステータに対して回転するインペラを備えており、インペラがロータ側にハブと複数のインペラブレードとを備えていることを開示している。インペラのインペラブレードそれぞれが、流体入口縁部と流体出口縁部とを備えており、インペラブレードそれぞれの流体入口縁部と流体出口縁部との間には、負圧側面と正圧側面とステータに面している外面とが延在しており、インペラブレードそれぞれの外面が、ステータに隣接しており、ステータを密閉するように機能している。インペラブレードの外面がステータに直接接している遠心圧縮機のこのようなインペラは、シュラウドを備えておらず、開放型インペラとも呼称されている。インペラブレードは、インペラのハブ及びステータが隣接しているインペラ流路に位置決めされている。
【０００３】
特許文献１は、複数の案内ブレードをステータ側に具備するインペラの下流に位置決めされているディフューザを備えている遠心圧縮機段を開示している。ディフューザの案内ブレードそれぞれが、流体入口縁部と流体出口縁部とを有しており、案内ブレードそれぞれの流体入口縁部と流体出口縁部との間には、負圧側面と正圧側面とが延在している。案内ブレードは、ステータが隣接しているディフューザ流体チャネルに位置決めされている。
【０００４】
特許文献１から明らかなように、図示の遠心圧縮機段のインペラとステータとの間には、すなわちインペラの裏側とステータとの間には、いわゆるインペラ側間隙が形成されている。当該インペラ側間隙が、インペラ流体チャネルとディフューザ流体チャネルとの間に延在している中間流体チャネルに接続している。
【０００５】
特許文献２は、このようなインペラ側間隙を具備するさらなる遠心圧縮機段を開示している。
【０００６】
特許文献３は、ディフューザを具備する遠心圧縮機段を開示している。当該遠心圧縮機段では、互いに隣り合って配置されている２つの案内要素の流体入口縁部同士の角度的間隔が、互いに隣り合って配置されている２つの他の案内要素の流体入口縁部同士の角度的間隔と相違する。
【０００７】
遠心圧縮機の動作の際に、遠心圧縮機段が、機械的励振及び振動を受けるので、これにより、遠心圧縮機段は、特に遠心圧縮機段のインペラのインペラブレードが損傷する場合がある。このような機械的励振は、同期励振構造及び非同期励振構造に基づいている。
【０００８】
特に、三次元非定常流れ現象が、回転式部品と固定式部品との相互作用によって発生する。特定の条件下において、回転方向又は回転方向の逆方向に回転することを特徴とする圧力変動が大きくなる。これら圧力変動の数量及び回転速度は任意である。
【０００９】
このような現象は、遠心圧縮機の開放型インペラの非同期励振に基づいている。現在に至るまで、特にインペラのインペラブレードの臨界振動の励起を回避するために、このような非同期励振を顕著に相殺可能とすることに貢献する方法は知られていない。
【００１０】
従って、特に当該非同期励振を通じてインペラのインペラブレードに生じる振動が小さい、遠心圧縮機の遠心圧縮機段に対するニーズが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許発明第１９５０２８０８号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００７０１９２６４号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２０１４９２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
この点から開始して、本発明の目的は、上述の要求を満たす、ひいては特に当該非同期励振を通じて励起される振動が小さい、遠心圧縮機のための遠心圧縮機段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の実施態様では、当該目的は、請求項１に記載の遠心圧縮機段によって解決される。ステータ側の案内ブレードの流体入口縁部が、第１の円状輪郭の上に位置しており、すなわち、ステータ側のすべての案内ブレードの流体入口縁部が、隣り合っている案内ブレードそれぞれの流体入口縁部に対して同一の間隔を有している。ステータ側の案内ブレードの流体出口縁部が、第２の円状輪郭の上に位置しており、すなわち、少なくとも１つの第１の周方向位置において、ステータ側の案内ブレードそれぞれの流体出口縁部が、第２の周方向位置以外において、少なくとも１つの隣り合っている案内ブレードの流体出口縁部に対して所定の間隔を有している。
【００１４】
本発明の第２の実施態様では、当該目的は、請求項４に記載の遠心圧縮機段によって解決される。従って、ステータ側の少なくとも１つの案内ブレードが、ステータ側の他の案内ブレードから逸れている曲面を有している。
【００１５】
本発明の第３の実施態様では、当該目的は、請求項５に記載の遠心圧縮機段によって解決される。従って、少なくとも１つの第１の周方向位置において、ステータ側において隣り合う案内ブレード同士の間に形成されているディフューザ流路セクションの断面が、第２の周方向位置に形成されているディフューザ流路セクションから逸れている。
【００１６】
本発明の上述の実施態様それぞれは、遠心圧縮機の開放型インペラの非同期励振を容易に且つ確実に相殺することができる。その結果として、特に遠心圧縮機段のインペラのインペラブレードについての励振が低減される。
【００１７】
そのため、本発明の上述の実施態様が、遠心圧縮機段として、単独で又は好ましくは複数の本発明の当該実施態様と組み合わせて利用可能とされる。
【００１８】
本発明の上述の実施態様は共に、ディフューザの設計上の構成についての評価に関連する。
【００１９】
本発明の好ましいさらなる実施態様は、従属請求項及び以下の説明から明らかとなる。本発明の典型的な実施例については、添付図面を参照することによって、添付図面に限定されることなく詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施態様における本発明の遠心圧縮機段の経線に沿った断面図である。
【図２】図１に表わす遠心圧縮機段のアキシアル方向における断面図である。
【図３】本発明の第２の実施態様における遠心圧縮機段のアキシアル方向における断面図である。
【図４】本発明の第３の実施態様における遠心圧縮機段の経線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、少なくとも１つの遠心圧縮機段を具備する遠心圧縮機に関する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態における経線に沿った、本発明における遠心圧縮機段の断面の詳細図である。図２は、図１に表わす遠心圧縮機段のアキシアル方向断面である。
【００２３】
図１に表わす遠心圧縮機段は、複数のインペラブレード１１が根元側に設けられたインペラ１０を備えている。インペラ１０は、ステータ１２に対して相対的に回転する。ステータ１２は、ハウジング、ステータリング、又はこれらに類するものとされる。インペラブレード１１は、ロータ側のハブ輪郭１４とステータ輪郭１５とによって境界が形成されているインペラ流路１３の内部に位置決めされている。インペラブレード１１それぞれが、流体入口縁部１６と流体出口縁部１７とを備えている。インペラブレード１１それぞれの流体入口縁部１６と流体出口縁部１７との間に、インペラブレード１１の正圧側面、負圧側面、及びラジアル方向外面が、並びに、ステータ１２に面しているインペラブレード１１それぞれの外面１８が延在している。インペラブレード１１の外面１８は、ステータ１２に接しており、ステータ１２に対して密封するように機能する。このようなインペラ１０は、インペラブレード１１の外面１８がステータ１２に間接的に接している場合にシュラウドを有していないので、開放型インペラとも呼称される。
【００２４】
図１では、ステータ側のディフューザ１９が、インペラ１０の下流に位置決めされている。ディフューザ１９は、複数の案内ブレード２０をステータ側に備えている。ステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０は、ステータ１２によって境界が形成されているディフューザ流路２１の内部に位置決めされており、ステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０それぞれが、流体入口縁部２２と流体出口縁部２３とを備えている。ステータ側の案内ブレード２０それぞれの流体入口縁部２２と流体出口縁部２３との間に、案内ブレード２０それぞれの負圧側面２４及び正圧側面２５が延在している。
【００２５】
ロータ側のインペラ１０のインペラブレード１１が位置決めされているインペラ流路１３と、ステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０が位置決めされているディフューザ流路２１との間に、中間流路２６が延在している。遠心圧縮機段の内部で圧縮された媒体が、中間流路２６を介してインペラ１０から流出開始し、ディフューザ１６に向かって流れる。図１では、インペラ側間隙２８が、インペラ１０の後面２７とステータ１２との間に形成されている。図１に表わすインペラ側間隙２８は、間隙３４を介して中間流路２６に結合されている。
【００２６】
図１に表わす上述の遠心圧縮機段の詳細は、従来技術に属するものである。
【００２７】
本発明は、開放型インペラの非同期励振の原因となる非定常流れ現象の危険性を低減させることに貢献する遠心圧縮機段の詳細に関連する。
【００２８】
図１及び図２を参照しつつ以下に説明する本発明の第１の実施態様では、ステータ側のディフューザ１９のすべての案内ブレード２０のすべての流体入口縁部２２が、第１の円状輪郭２９に配置されている。
【００２９】
当該実施例では、ステータ側のすべての案内ブレード２０の流体入口縁部２２が隣り合う案内ブレード２０それぞれの流体入口縁部２２から同一の間隔で離隔しているように、ステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０の流体入口縁部２２は第１の円状輪郭２９に配置されている。従って、ディフューザ流路２１の周方向において互いに隣接して配置されているディフューザ１９の案内ブレード２０の流体入口縁部２２は、周方向において等間隔で配置されているので、第１の円状輪郭２９に配置されているすべての流体入口縁部２２が、隣り合う流体入口縁部２２に対して同一の周方向間隔で離隔している。
【００３０】
本発明の第１の実施形態及び／又は第２の実施形態の第１の優位なさらなる発展形態では、さらに、ステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０の流体出口縁部２３が、第２の円状輪郭３０に配置されている。
【００３１】
当該実施例では、ディフューザ流路２１の第２の周方向位置ではなく、ディフューザ流路２１の少なくとも１つの周方向位置において、第２の円状輪郭３０に配置されているステータ側の案内ブレード２０それぞれの流体出口縁部２３が、少なくとも１つの隣り合う案内ブレード２０の流体出口縁部２３から離隔しているように、ステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０の流体出口縁部２３は、第２の円状輪郭３０に配置されている。
【００３２】
従って、流体出口縁部２３の領域において、流体出口縁部２３は、ディフューザ流路２１の周方向において等間隔で配置されていない。逆に、優位には、第２の円状輪郭３０に配置されているすべての流体出口縁部２３は、第１の周方向位置において等間隔で配置されていないので、開放型インペラの非同期励振の原因となる非定常流れ現象の危険性を低減させることができる。
【００３３】
本発明の第１の実施態様及び／又は第２の実施態様の第１の優位なさらなる発展形態では、第１の実施例において、ディフューザ流路２１の単一の周方向位置において、対応する流体出口縁部２３が隣り合う流体出口縁部２３それぞれから所定の間隔で離隔しているが、対照的に、他の周方向位置においては、流体出口縁部２３が等間隔で配置されている。
【００３４】
同様に、本発明の第１の実施態様及び／又は第２の実施態様の第１の優位なさらなる発展形態では、第２の実施例において、ディフューザ流路２１のすべての周方向位置において、流体出口縁部２３それぞれが隣り合う流体出口縁部２３それぞれから異なる距離で離隔している。
【００３５】
優位には、ディフューザ流路２１の第２の周方向位置では、ステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０それぞれが、同一の第２のステップ角で配置されている。
【００３６】
優位には、対照的に、第１の周方向位置又は第１の周方向位置それぞれに位置決めされているステータ側の案内ブレード２０は、特に±１０°の範囲で、好ましくは±７°の範囲で、特に好ましくは±５°の範囲で、最も好ましくは±３°の範囲で第２のステップ角から逸れている第１のステップ角で配置されている。
【００３７】
従って、本発明の第１の実施形態及び／又は第２の実施形態の第１の優位なさらなる発展形態では、開放型インペラの非同期励振の原因となる非定常流れ現象を低減させるために、ステータ側のディフューザ１９の選択された案内ブレード２０の流体出口縁部２３を周方向において再位置決めすることによって、優位には、異なるディフューザ流路２１の周方向において等間隔で配置されている流体出口縁部２３が無効化又は阻害されている。
【００３８】
特定の実施例では、ステータ側のディフューザ１９のすべての案内ブレード２０の流体出口縁部２３は、隣り合う流体出口縁部２３それぞれから異なる間隔で離隔している。
【００３９】
図２から明らかなように、周方向において、流体出口縁部２３″（図２右側のガイドブレードについての破線を参照）が、隣り合う案内ブレード２０それぞれの正圧側面２５に向かって再配置されるか、又は流体出口縁部２３′（図２左側の案内ブレードについての破線を参照）が、隣り合う案内ブレード２０それぞれの負圧側面２４に向かって再配置される。すなわち、すべての流体出口縁部２３が元通りに第２の円状輪郭に配置される。
【００４０】
このことは、選択された周方向位置においてステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０のステップ角を変更することに対応する。ディフューザ１９の選択された第２の周方向位置では、ステータ側の案内ブレード２０それぞれが、逸れているステップ角を有している。
【００４１】
当該選択された案内ブレード２０は、ステータ側の維持されている案内ブレード２０と比較して異なるステップ角を有しており、そのステップ角は、ディフューザ１９の維持されている案内ブレード２０のステップ角から±１０°の範囲で、特に好ましくは±５°の範囲で逸れていることを特徴とする。
【００４２】
本発明の第１の実施態様及び／又は第２の実施態様の第１の優位なさらなる発展形態における上述の手段を通じて、僅かに高い負荷又は僅かに低い負荷が、所定の周方向位置において不均等な周方向間隔で配置されているディフューザ１９の案内ブレード２０に作用する。これにより、開放型インペラの非同期励振の原因となる非定常流れ現象の危険性がさらに低減される。
【００４３】
本発明の第２の実施態様（図３参照）では、開放型インペラの非同期励振の原因となる非定常流れ現象の危険性を低減させるために、第１の円状輪郭２９に配置されているステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０の流体入口縁部２２と、第２の円状輪郭３０に配置されているステータ側のディフューザ１９の案内ブレード２０の流体出口縁部２３との両方が、周方向において等間隔で配置されている。すなわち、流体入口縁部２２及び流体出口縁部２３それぞれが、同一の周方向間隔で配置されている。
【００４４】
しかしながら、本発明の第２の実施態様では、ステータ側のディフューザ１９の少なくとも１つの案内ブレード２０が、流体入口縁部２２と流体出口縁部２３との間に、すなわち他の案内ブレード２０に対して逸れている曲面を有する負圧側面２４′と正圧側面２５′との間に逸れている曲面を有している。このことは、中央の案内ブレード２０についての破線によって、図３に表わされている。
【００４５】
本発明の第２の実施態様では、第１の実施例において、ステータ側のディフューザ１９の単一の案内ブレード２０は、逸れている湾曲を有しており、対照的に、ステータ側のディフューザ１９のすべての他の案内ブレード２０は同一の湾曲を有している。
【００４６】
同様に、本発明の第２の実施態様における第２の実施例では、ステータ側のディフューザ１９のすべての案内ブレード２０が、互いから逸れている湾曲を有している。
【００４７】
好ましくは、開放型インペラの非同期励振の原因となる非定常流れ現象の危険性を低減させるために、本発明の第１の実施態様と本発明の第２の実施態様とを組み合わせることによって、遠心圧縮機段で利用することができる。
【００４８】
本発明の第３の実施態様について、図４を参照しつつ説明する。
【００４９】
本発明の第３の実施態様では、開放型インペラの非同期励振の原因となる非定常流れ現象の危険性を低減させるために、ディフューザ流れセクション３３が第２の周方向位置において形成されたディフューザ流路と比較して逸れている流路断面を有しているように、ディフューザ流路２１の少なくとも１つの第１の周方向位置において、ステータ側のディフューザ１９の隣り合う案内ブレード２０同士の間に形成されたディフューザ流路セクション３３を変更する。
【００５０】
従って、図４から明らかなように、ステータ側の隣り合う案内ブレード２０同士の間に形成されたディフューザ１９の第１の周方向位置において、ディフューザ流路セクション３３それぞれは、より小さくされた流路断面を有している。すなわち、ディフューザ流路セクション３３それぞれの境界を形成しているステータ側の側壁３１，３２が、ディフューザ流路セクション３３それぞれの流路断面を低減させるように内側に向かって湾曲している。ディフューザ流路セクション３３それぞれの境界を形成しているこれら側壁３１，３２のうち一の側壁が、ディフューザ流路セクション３３それぞれの内部に向かって湾曲しているにすぎないことに留意すべきである。同様に、選択された周方向位置では、ディフューザ流路セクション３３それぞれをその流路断面と比較して大きくするために、側壁３１，３２のうち少なくとも１つの側壁がステータ１２の内部において外側に向かって湾曲していることに留意すべきである。
【００５１】
第３の実施態様では、対応するディフューザ流路セクション３３がディフューザ流路２１の単一の周方向位置で逸れている流路断面を有している第１の実施例において、対照的に、すべての他のディフューザ流路セクション３３が同一の流路断面を有している。
【００５２】
同様に、本発明の第３の実施態様では、第２の実施例において、ディフューザ流路２１のすべての周方向位置において、ディフューザ流路セクション３３それぞれが相違する流路断面を有している。
【００５３】
第３の実施態様の手段は、第１の実施態様の手段及び／又は第２の実施態様の手段と組み合わせて利用可能とされる。好ましくは、第３の実施態様の手段は、第１の実施態様の手段及び第２の実施態様の手段と組み合わせて、遠心圧縮機段で利用可能とされる。
【符号の説明】
【００５４】
１０    インペラ
１１    インペラブレード
１２    ステータ
１３    インペラ流路
１４    ハブ輪郭
１５    ステータ輪郭
１６    （インペラブレード１１の）流体入口縁部
１７    （インペラブレード１１の）流体出口縁部
１８    （インペラブレード１１の）外面
１９    ディフューザ
２０    案内ブレード
２１    ディフューザ流路
２２    （案内ブレード２０の）流体入口縁部
２３    （案内ブレード２０の）流体出口縁部
２３′  （案内ブレード２０の）流体出口縁部
２３″  （案内ブレード２０の）流体出口縁部
２４    （案内ブレード２０の）負圧側面
２５    （案内ブレード２０の）正圧側面
２６    中間流路
２７    （インペラ１０の）後面
２８    インペラ側間隙
２９    第１の円状輪郭
３０    第２の円状輪郭
３１    側壁
３２    側壁
３３    ディフューザ流路セクション
３４    間隙
【図１】
0006716220.tif 000002
【図２】
0006716220.tif 000003
【図３】
0006716220.tif 000004
【図４】
0006716220.tif 000005