(57)【要約】【課題】流量が小さい場合においても、圧力損失の増大を抑え、流れの不安定領域を狭めることのできる遠心型圧縮機械を提供することを目的とする。【解決手段】流体の流量が、予め定めた流量Ｑ０よりも小さい状態になったときに、駆動部４２により、可動部材４１を連通部３０からスクロール流路２７の外部に退避させて連通部３０の流路断面積を増大させる。すると、最終段のインペラ２３Ｌから外周側のスクロール流路２７に流れ込み、吐出口２１ｏに向けて送り出される流体の一部が、連通部３０から位置Ａ近傍のスクロール流路２７に流れ込むようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に設けられたインペラを回転させ、前記インペラを経ることで流体が圧縮される遠心型圧縮機械であって、
前記インペラの下流側に、前記インペラから送り込まれた前記流体を外部に吐出させる吐出スクロールが設けられ、
前記吐出スクロールは、前記インペラの外周側の特定位置から、前記インペラの外周部に位置するディフューザの全周を囲うよう形成されて吐出口に繋がるスクロール流路と、
前記流体の流量が低いときに、前記スクロール流路の前記吐出口側の前記流体を、前記スクロール流路の前記特定位置の近傍に送り込み、前記スクロール流路における前記流体の流量を増大させる流量増大手段と、を備えることを特徴とする遠心型圧縮機械。
【請求項２】
前記流量増大手段は、前記スクロール流路における前記吐出口側と前記特定の位置近傍とを連通する連通部の内部空間に出没可能とされた可動部材と、
前記可動部材を前記連通部の内部空間に出没させる駆動部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の遠心型圧縮機械。
【請求項３】
前記流量増大手段は、前記スクロール流路における前記吐出口側と前記スクロール流路における前記特定の位置近傍とを連通するバイパス管と、
前記バイパス管の流路を開閉するバルブと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の遠心型圧縮機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機や遠心ポンプ等の遠心型圧縮機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示すものは、一般産業に使用されている従来の遠心圧縮機１である。遠心圧縮機１は、ケーシング４に、インペラ回転軸２と、このインペラ回転軸２に同軸状に取り付けられた複数のインペラ（羽根車）３とからなる回転体（ロータ）が収容されている（例えば特許文献１参照。）。ケーシング４には、吸込口５ａ及び吐出口５ｂが形成されており、吸込口５ａからケーシング４内に吸い込まれた流体は、複数段に設けられたインペラ３を経ることで圧縮され、吐出口５ｂから吐出される。
ここで、ケーシング４内には、吸込口５ａから流体を吸い込む吸込ケーシング７、吐出口５ｂから流体を吐出するための吐出スクロール８が設けられている。
【０００３】
このうち、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、吐出スクロール８は、最終段のインペラ３の外周部に位置するディフューザ６の出口６ａの全周を囲うように形成されたスクロール流路８ｂと、一端がスクロール流路８ｂに連続し、他端が吐出口５ｂとされた吐出ノズル８ｃとから形成される。
スクロール流路８ｂは、最終段のインペラ３の外周部に位置するディフューザ６の出口６ａの全周を囲うように形成され、インペラ３の回転方向に沿って、その断面積が漸次連続的に拡大するように形成されている。このような吐出スクロール８では、最終段のインペラ３側からディフューザ６を経て送り込まれた流体は、インペラ３の回転によって外周側のスクロール流路８ｂに流れ込む。スクロール流路８ｂにおいては、流れ込んだ流体が周方向において順次合流することにより、断面積の小さい小径部８ｂ-Ａから断面積の大きな大径部８ｂ−Ｂへと流量が徐々に大きくなりながら流れる。そして、流体は、スクロール流路８ｂに連続してディフューザ６の外周部の接線方向に延びる吐出ノズル８ｃを通し、吐出口５ｂから外部に吐出される。
【０００４】
ここで、図６（ｃ）に示すように、スクロール流路８ｂは、予め設計段階で設定された設計点流量にて、スクロール流路８ｂの全体で、流速および静圧が均一になるよう、小径部８ｂ-Ａから大径部８ｂ−Ｂへの断面積が設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１７３２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記したような従来の吐出スクロール８においては、設計点流量においては、スクロール流路８ｂ内における流速および静圧が均一となるものの、流量が設計点から外れると、スクロール流路８ｂ内の断面積と、流速および静圧とがマッチしないことがある。
例えば、設計点よりも流量が小さい場合、小径部８ｂ−Ａから大径部８ｂ−Ｂに向かって流体が流れるにしたがい流速が減速し、静圧が大きくなる。その結果、全周で静圧が不均一になる。また、設計点よりも流量が大きい場合、小径部８ｂ−Ａから大径部８ｂ−Ｂに向かって流体が流れるにしたがい流速が増速して静圧が小さくなり、全周で静圧が不均一になり、流れパターンも不均一になる。この静圧の不均一による流れの不均一は、上流側のディフューザ６やインペラ３にも影響を及ぼす。
この結果、例えば、設計点よりも流量が小さい場合、圧力損失は、設計点流量において最小となり、設計点流量から離れるにしたがい大きくなる。この圧力損失の増大は小流量側で圧縮機ヘッド曲線を頭打ちにさせ、設計点流量に近い側に圧縮機ヘッド極大点を作りやすくなり、不安定領域が増大する（圧縮機のヘッド極大点は、圧縮機を含め管路系全体の不安定性を引き起こす必要条件である。）。通常、圧縮機は、安定的な運転を行うため不安定領域を外し、圧縮機ヘッドが極大となる流量よりも大きな流量の範囲で運転を行う。その結果、安定して運転を行える流量範囲が狭くなることになり、流量の変化・変動に対する運転安定性に改善の余地がある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、流量が小さい場合においても、圧力損失の増大を抑え、流れの不安定領域を狭めることのできる遠心型圧縮機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的のもと、本発明は、回転軸に設けられたインペラを回転させ、インペラを経ることで流体が圧縮される遠心型圧縮機械であって、インペラの下流側に、インペラから送り込まれた流体を外部に吐出させる吐出スクロールが設けられ、吐出スクロールは、インペラの外周側の特定位置から、インペラの外周部に位置するディフューザの全周を囲うよう形成されて吐出口に繋がるスクロール流路と、流体の流量が低いときに、スクロール流路の吐出口側の流体を、スクロール流路の特定位置の近傍に送り込み、スクロール流路における流体の流量を増大させる流量増大手段と、を備えることを特徴とする。
ここで、流量増大手段は、スクロール流路における吐出口側と、特定の位置近傍とを連通する連通部の内部空間に出没可能とされた可動部材と、可動部材を連通部の内部空間に出没させる駆動部と、を備えることができる。
また、流量増大手段は、スクロール流路における吐出口側とスクロール流路における特定の位置近傍とを連通するバイパス管と、バイパス管の流路を開閉するバルブと、を備えることもできる。流体の流量が低いときは、吐出側へ行くほど静圧が高くなるので、その高い静圧が駆動力となって自然に流体が連通部あるいはバイパス管を通ってスクロール内に戻る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、流体の流量が低いときに、スクロール流路の吐出口側の流体を、スクロール流路の特定位置の近傍に送り込み、スクロール流路における流体の流量を増大させることができる。これにより、スクロール面積が減少したのと同じことになるので、圧力損失のボトムが、より小流量側に移り、小流量側での圧力損失の増大が抑制される。その結果、ヘッド極大点が小流量側へ移動して不安定領域も小流量側に移動する。このようにして、圧力損失の増大を抑えて流れの不安定領域を狭め、流量の変化や変動に対する運転の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態における遠心圧縮機の断面図である。
【図２】第一の実施形態における吐出スクロールを示す図であり、（ａ）は遠心圧縮機のインペラ回転軸方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）を上方から見た図である。
【図３】流量と圧力損失、圧縮機ヘッドとの関係を示す図である。
【図４】第二の実施形態における吐出スクロールを示す図であり、（ａ）は遠心圧縮機のインペラ回転軸方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）を上方から見た図である。
【図５】従来の遠心圧縮機の断面積である。
【図６】従来の吐出スクロールを示す図であり、（ａ）は遠心圧縮機のインペラ回転軸方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）を上方から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第一の実施形態］
以下、添付図面に示す第一の実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における５段型遠心圧縮機の全体構成を説明するための図である。
図１に示すように、５段型遠心圧縮機（遠心型圧縮機械）２０は、ケーシング２１に、インペラ回転軸２２と、このインペラ回転軸２２に同軸状に取り付けられた複数段のインペラ２３とからなる回転体が収容されている。さらに、複数のインペラ２３が設けられたインペラ回転軸２２の一端側には吸込ケーシング２４が設けられ、他端側には吐出スクロール２５が設けられている。ケーシング２１には、吸込ケーシング２４により外部から流体をケーシング２１内に吸い込む吸込口２１ｉと、吐出スクロール２５によりケーシング２１内の流体を外部に吐出する吐出口２１ｏとが形成されている。
【００１１】
５段型遠心圧縮機２０の各段においては、前段側のインペラ２３から後段側のインペラ２３へと流体を送る流路Ｌが形成されている。
【００１２】
５段型遠心圧縮機２０においては、吸込ケーシング２４により流体を外部から吸込口２１ｉを通してケーシング２１内に吸い込むと、複数段のインペラ２３により前段側から後段側へと流体が送られつつ、流体が順次圧縮される。そして、最終段のインペラ２３Ｌを経た流体は、吐出スクロール２５により吐出口２１ｏから外部に吐出される。
【００１３】
このような５段型遠心圧縮機２０において、図２に示すように、吐出スクロール２５は、最終段のインペラ２３Ｌの外周部に位置するディフューザ２６の出口２６ａの全周を囲うように形成されたスクロール流路２７と、スクロール流路２７に連続して形成され、終端に吐出口２１ｏが形成された吐出ノズル２８と、を備える。
スクロール流路２７には、最終段のインペラ２３Ｌの回転により、流体が外周側に押し込まれる。スクロール流路２７は、最終段のインペラ２３Ｌの外周部に位置するディフューザ２６の出口２６ａの外周部の特定の位置Ａから、インペラ２３Ｌの周方向に沿って連続して形成され、その終端位置Ｂは、ディフューザ２６の出口２６ａの接線方向に延びる吐出ノズル２８に繋がっている。
【００１４】
スクロール流路２７は、位置Ａから終端位置Ｂに向けて、その流路断面積が漸次連続的に増大するよう形成されている。具体的には、インペラ２３Ｌの外周部に位置するディフューザ２６の径方向におけるスクロール流路２７の拡径寸法Ｒと、インペラ２３Ｌの回転軸方向における幅寸法Ｈが、それぞれ位置Ａから終端位置Ｂに向けて漸次連続的に増大するよう形成されている。
【００１５】
また、スクロール流路２７は、流路断面積が小さい位置Ａの小径部２７ａと、吐出口２１ｏに繋がる終端位置Ｂの大径部２７ｂとが、連通部３０により互いに連通している。
そして、この連通部３０には、連通部３０の流路断面積を可変とする可変機構（流量増大手段）４０が設けられている。この可変機構４０は、スクロール流路２７の外部から連通部３０内に進退可能に設けられた可動部材４１を有している。この可動部材４１は、油圧シリンダ機構、モータを駆動源としたリンク機構等の駆動部４２により、連通部３０内に対して前進・後退するよう設けられている。本実施形態では、駆動部４２により、可動部材４１は、インペラ２３Ｌの軸方向に沿って移動することで、連通部３０から退避したスクロール流路２７の外部の位置と、連通部３０の内部に突出した位置との間で往復動できるようになっている。
ここで、可動部材４１は、連通部３０の内部に突出した位置において、連通部３０から退避した場合に比較して、連通部３０の流路断面を縮小させるようになっている。可動部材４１は、位置Ａ近傍のスクロール流路２７の内周面に連続する湾曲面４１ａと、吐出口２１ｏに連続する平面４１ｂとを有している。
【００１６】
図３に示すように、このような可変機構４０によれば、流体の流量が、予め定めた流量Ｑ０よりも大きい状態では、可動部材４１を、連通部３０内に突出させておく。この状態におけるスクロール流路２７における流路面積の周方向における変化は、従来の吐出スクロール８（図６参照）と同様である。
一方、流体の流量が、予め定めた流量Ｑ０よりも小さい状態になったときには、駆動部４２により、可動部材４１を連通部３０からスクロール流路２７の外部に退避させ、連通部３０の流路断面積を増大させる。すると、インペラ２３Ｌから外周側のスクロール流路２７に流れ込み、吐出ノズル２８に向けて送り出された流体の一部が、連通部３０から位置Ａ近傍のスクロール流路２７に流れ込む。
【００１７】
このような可動部材４１の進退駆動は、流量センサで検出する流体の流量や、インペラ回転軸２２の回転数等に応じて、自動的に行うことが好ましい。このため、前記の流量や回転数を検出するためのセンサと、センサの検出結果に基づいて可動部材４１を進退駆動させる駆動部４２を制御するコントローラとを備えることができる。
【００１８】
このようにして連通部３０から流体が引き込まれる結果、スクロール流路２７における流体の内部循環量が増大する。これにより、インペラ２３Ｌから外周側のスクロール流路２７に送り出される流体の流量が少ない状態であっても、スクロール流路２７における流体の内部循環量を多い状態とすることができる。その結果、図３（ａ）に示すように、流体の流量が少ない状態において、圧力損失状態が抑えられる。そして、図３（ｂ）に示すように、圧縮機ヘッドの極大点を、より低流量側に移動させることができ、圧縮機ヘッドの極大点となる流量よりも小流量の不安定領域を小さくすることができる。その結果、流量が小さい場合においても、不安定領域を狭め、安定して流体を吐出させることが可能となる。
【００１９】
［第二の実施形態］
ところで、上記第一の実施形態では、可変機構４０として、可動部材４１を連通部３０に出没させる構成としたが、これに限るものではない。
例えば、図４に示すように、可変機構４０として、吐出口２１ｏと、位置Ａの近傍におけるスクロール流路２７とを接続するバイパス管５０を備えることもできる。このバイパス管５０には、バイパス管５０内の流路を開閉できるバルブ５１と、バルブ５１を開閉させるモータ等の駆動部５２を備える。
【００２０】
このようなバルブ５１の開閉駆動は、流量センサで検出する流体の流量や、インペラ回転軸２２の回転数等に応じて、自動的に行うことが好ましい。このため、前記の流量や回転数を検出するためのセンサと、センサの検出結果に基づいてバルブ５１を開閉させる駆動部５２を制御するコントローラとを備えることができる。
【００２１】
このような構成においては、流体の流量が、予め定めた流量Ｑ０よりも大きい状態では、バルブ５１を閉じておく。この状態におけるスクロール流路２７における流路面積の周方向における変化は、従来の吐出スクロール８（図６参照）と同様である。
一方、流体の流量が、予め定めた流量Ｑ０よりも小さい状態になったときには、駆動部５２により、バルブ５１を開く。すると、バイパス管５０を通してスクロール流路２７に流れ込み、吐出口２１ｏに向けて送り出された流体の一部が位置Ａ近傍のスクロール流路２７に流れ込む。
なお、バイパス管５０からスクロール流路２７に流れ込む流体との混合損失の影響を考慮すると、なるべくスクロール流路２７の接線方向に近い角度でバイパス管５０を接続させることが好ましい。また、バイパス管５０は１つに限定することなく複数設けてもよい。  
【００２２】
このようにしてバイパス管５０から流体が引き込まれる結果、スクロール流路２７における流体の内部循環量が増大する。これにより、インペラ２３Ｌから外周側のスクロール流路２７に送り出される流体の流量が少ない状態であっても、スクロール流路２７における流体の内部循環量を多い状態とすることができる。その結果、図３（ａ）に示すように、流体の流量が少ない状態において、圧力損失状態が抑えられる。そして、図３（ｂ）に示すように、圧縮機ヘッドの極大点を、より低流量側に移動させることができ、不安定領域を小さくすることができる。その結果、流量が小さい場合においても、安定して流体を吐出させることが可能となる。
【００２３】
なお、上記実施の形態では、５段型遠心圧縮機２０の構成を示したが、吐出スクロール２５以外の部分については、その構成を上記したものに限定することなく、適宜他の構成を採用することができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００２４】
２０…５段型遠心圧縮機（遠心型圧縮機械）、２１…ケーシング、２１ｉ…吸込口、２１ｏ…吐出口、２２…インペラ回転軸、２３…インペラ、２４…吸込ケーシング、２５…吐出スクロール、２６…ディフューザ、２７…スクロール流路、３０…連通部、４０…可変機構（流量増大手段）、４１…可動部材、４２…駆動部、５０…バイパス管、５１…バルブ、５２…駆動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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