(57)【要約】【課題】インペラのブレードの構造を変更することなく、ブレードよりも内周側の構造を変更することにより、必要とされる性能を満たしつつ回転軸の共振が生じない遠心回転機を低コストで設計する。【解決手段】本発明に係る遠心圧縮機の設計方法は、予め取得した重量流量及び出入口圧力比を満たすように、各段のインペラの構造仕様及び遠心圧縮機の回転数を決定するステップＳ３と、決定された構造仕様における軸固有振動数を演算するステップＳ７と、軸固有振動数と回転数に基づいて、共振するか否か判定するステップＳ８と、共振すると判定された場合に、ボス比設定範囲の中でボス比を初期値よりも高い値に設定するステップＳ３と、を含み、ボス比を設定した場合には、インペラを構成するブレードの構造を変更することなく、それより内周側の構造を変更して当該ボス比となるように構造変更することを特徴とする。【選択図】図４
2013087722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、該回転軸に設けられ軸方向に沿って複数段のインペラとを備えた遠心回転機の設計方法であって、
予め取得した重量流量及び出入口圧力比を満たすように、遠心回転機における各段のインペラの型式を含む構造仕様及び遠心回転機回転数を決定する構造仕様決定ステップと、
前記構造仕様決定ステップで決定された構造仕様における前記遠心回転機の軸固有振動数を演算する軸固有振動数演算ステップと、
前記軸固有振動数演算ステップで演算された前記遠心回転機の軸固有振動数と、前記構造仕様決定ステップで決定した前記遠心回転機回転数に基づいて、共振するか否か判定する共振判定ステップと、
前記共振判定ステップで共振すると判定された場合に、少なくとも１段のインペラに対して、当該インペラを構成するディスクの最小径をディスクの最大径で除算した値であるボス比を、前記インペラの型式と対応して予め得られているボス比設定範囲の中で、初期値よりも高い値に設定するボス比変更ステップと、
を含み、
前記ボス比変更ステップでボス比を設定した場合には、前記構造仕様決定ステップで前記ボス比を設定したインペラについて、該インペラを構成するブレードの構造を変更することなく、該ブレードよりも内周側の構造を変更して当該ボス比となるように構造変更して、再度構造仕様及び遠心回転機回転数を決定し、固有振動数演算ステップ及び共振判定ステップを実行することを特徴とする遠心回転機の設計方法。
【請求項２】
前記構造仕様決定ステップで決定する前記構造仕様が、インペラの段数と各段のインペラの外径とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の遠心回転機の設計方法。
【請求項３】
前記ボス比変更ステップは、前記共振判定ステップが予め定めた所定回数だけ繰り返されて共振すると判定された場合に実行されることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心回転機の設計方法。
【請求項４】
前記構造仕様決定ステップでは、前記ボス比の初期値が最低ボス比に設定され、前記ボス比変更ステップにおける前記ボス比設定範囲は、前記最低ボス比から予め定められた最高ボス比までの範囲として規定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の遠心回転機の設計方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の遠心回転機の設計方法で、遠心回転機の構造を設計する設計工程と、
該設計工程で設計された前記構造仕様で、前記遠心回転機における回転軸、該回転軸に取付けられるインペラ及び該インペラを収容しつつ前記回転軸を回転可能に支持するケーシングを含む各遠心回転機部材を製造する部材製造工程と、
部材製造工程で製造された前記遠心回転機部材を組み立てる部材組立工程とを備えることを特徴とする遠心回転機の製造方法。
【請求項６】
予め取得した重量流量及び出入口圧力比を満たすように、遠心回転機における各段のインペラの型式を含む構造仕様及び遠心回転機回転数を決定する構造仕様決定手段と、
前記構造仕様決定手段で決定された構造仕様から演算される前記遠心回転機の軸固有振動数と、前記構造仕様決定手段で決定した前記遠心回転機回転数に基づいて、共振するか否か判定する共振判定手段と、
前記共振判定手段で共振すると判定された場合に、少なくとも１段のインペラに対して、当該インペラの型式と対応して予め得られているボス比設定範囲の中で、ボス比を初期値よりも高い値に設定し、構造仕様決定手段に出力するボス比変更手段と、
を備え、
前記構造仕様決定手段は、前記ボス比変更手段から前記ボス比が出力されると、前記ボス比を設定したインペラについて、該インペラを構成するブレードの構造を変更することなく、該ブレードよりも内周側の構造を変更して当該ボス比となるように構造変更して、再度構造仕様及び遠心回転機回転数を決定し、前記共振判定手段は、再度共振するか否か判定することを特徴とする遠心回転機の設計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、必要な性能を満たしつつ回転軸の共振の発生も防止し得る遠心回転機の設計方法、遠心回転機の製造方法、及び遠心回転機の設計システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機や遠心ポンプなどの遠心回転機では、回転軸に、該回転軸の軸方向に沿って複数段のインペラが設けられる。インペラは、回転軸に取付けられる略円盤状のディスクと、ディスクの前面に周方向に沿って複数設けられ、内周側から外周側へ向かって延びるブレードとを備える（例えば、特許文献１を参照）。また、ディスク前面と対向して略円盤状のシュラウドがブレードのディスクに取付けられる縁端と反対側の縁端に取付けられている場合もあり、一般に、このようなシュラウドを備えるインペラをクローズドインペラといい、また、シュラウドを備えていないインペラをオープンインペラという。ディスクの前面は、内周側では軸方向に沿うように形成されるとともに、外周側に向かうに従って径方向に沿うように湾曲形成されている。そして、このような前面と隣り合うインペラ同士によって形成された複数の空間を流体の流路とし、例えば遠心圧縮機では、回転軸とともに回転するインペラに対して内周側で軸方向に沿って前記流路に流入する流体を、インペラの回転によって作用する遠心力によって圧縮させつつ外周側へと流出させる。ここで、インペラの段数やインペラの形状は必要とされる性能の違いによって遠心回転機ごとに異なる。特に圧縮機の場合、ガスの流れ方向で下流側へ行くに従ってガス密度が高くなり、それにより体積流量が減少するため、インペラは各段に形状の異なるものが配置される。
【０００３】
ところで、このような複数段のインペラを有する遠心回転機の設計に際しては、回転軸の共振が問題となる。すなわち、インペラの段数が多い場合、それに伴って回転軸の軸長が長くなることにより、回転軸の固有振動数が低くなる。そして、この回転軸の固有振動数が遠心回転機の回転数に近い大きさになった場合、回転軸では共振が発生する。
【０００４】
このような回転軸の共振を抑制するためには、回転軸の固有振動数を高くして遠心回転機の回転数から遠ざける必要があり、そのためには回転軸の軸長を短くするか或いは軸径を太くする必要がある。そして、回転軸の軸長を短く或いは軸径を太くする手段としては、インペラの上流側や下流側のスペースを狭くすることによって回転軸の軸長を短くする方法や、インペラを形状の異なる他のタイプのものに変更する方法がある。しかし、これらの方法によっても回転軸の共振を十分に抑制できない場合も多い。従ってそのような場合には、回転軸及びそれを収容するケーシングをそれぞれ分割することにより、回転軸それぞれの軸長を短くする方法が従来用いられてきた。また、ブレードも含めて新たな形状のインペラを開発することにより、回転軸の軸長を短く或いは軸径を太くする方法も従来用いられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１５９８５８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、回転軸及びケーシングを分割する従来の遠心回転機の設計方法では、遠心回転機の台数が増すことにより、製造コストや設置スペースが増大するという問題がある。また、ブレードも含めて新たな形状のインペラを開発する従来の遠心回転機の設計方法では、ブレードの空力設計が難しくなり、また体積流量の異なるインペラを多数開発する必要があるため、開発コストがかさむという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ブレードの構造を変更することなく、ブレードよりも内周側の構造を変更することにより、必要とされる性能を満たしつつ回転軸の共振が生じない遠心回転機を低コストで設計する方法及び設計するシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係る遠心回転機の設計方法は、回転軸と、該回転軸に設けられ軸方向に沿って複数段のインペラとを備えた遠心回転機の設計方法であって、予め取得した重量流量及び出入口圧力比を満たすように、遠心回転機における各段のインペラの型式を含む構造仕様及び遠心回転機回転数を決定する構造仕様決定ステップと、前記構造仕様決定ステップで決定された構造仕様における前記遠心回転機の軸固有振動数を演算する軸固有振動数演算ステップと、前記軸固有振動数演算ステップで演算された前記遠心回転機の軸固有振動数と、前記構造仕様決定ステップで決定した前記遠心回転機回転数に基づいて、共振するか否か判定する共振判定ステップと、前記共振判定ステップで共振すると判定された場合に、少なくとも１段のインペラに対して、当該インペラを構成するディスクの最小径をディスクの最大径で除算した値であるボス比を、前記インペラの型式と対応して予め得られているボス比設定範囲の中で、初期値よりも高い値に設定するボス比変更ステップと、を含み、前記ボス比変更ステップでボス比を設定した場合には、前記構造仕様決定ステップで前記ボス比を設定したインペラについて、該インペラを構成するブレードの構造を変更することなく、該ブレードよりも内周側の構造を変更して当該ボス比となるように構造変更して、再度構造仕様及び遠心回転機回転数を決定し、固有振動数演算ステップ及び共振判定ステップを実行することを特徴とする。
【０００９】
このような方法によれば、開発に時間やコストを要するブレードについては構造を変更することがないため、遠心回転機の設計に要する時間やコストを低減することができる。また、ボス比を変更した後に構造仕様を決定するので、ボス比変更後の遠心回転機は、予め取得した重量流量及び出入口圧力比を満たしている。更にその後、固有振動数演算ステップ及び共振判定ステップを実行するので、共振が発生しないことが確認される。
【００１０】
また、本発明に係る遠心回転機の設計方法は、前記構造仕様決定ステップで決定する前記構造仕様が、インペラの段数と各段のインペラの外径とを更に含むことを特徴とする。
【００１１】
このような方法によれば、インペラの段数及び、各段のインペラの外径を含めて適切な構造仕様の遠心回転機を設計することができる。
【００１２】
また、本発明に係る遠心回転機の設計方法は、前記ボス比変更ステップは、前記共振判定ステップが予め定めた所定回数だけ繰り返されて共振すると判定された場合に実行されることを特徴とする。
【００１３】
このような方法によれば、構造仕様の変更だけによって必要な性能を満たしつつ共振が発生しない遠心回転機を設計できる場合にはボス比を変更しないので、遠心回転機の設計に要する時間と手間を最小限に抑えることができる。
【００１４】
また、本発明に係る遠心回転機の設計方法は、前記構造仕様決定ステップでは、前記ボス比の初期値が最低ボス比に設定され、前記ボス比変更ステップにおける前記ボス比設定範囲は、前記最低ボス比から予め定められた最高ボス比までの範囲として規定されることを特徴とする。
【００１５】
このような方法によれば、最初の設計時においてはボス比を最小として、より高性能の遠心回転機を設計可能とするとともに、最初の設計時において共振が発生しないようにすることができない場合に、ボス比の変更幅を十分大きく確保することができるので、性能を満たす範囲で共振が発生しないような条件を容易に選択することが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る遠心回転機の製造方法は、上記の遠心回転機の設計方法で、遠心回転機の構造を設計する設計工程と、該設計工程で設計された前記構造仕様で、前記遠心回転機における回転軸、該回転軸に取付けられるインペラ及び該インペラを収容しつつ前記回転軸を回転可能に支持するケーシングを含む各遠心回転機部材を製造する部材製造工程と、部材製造工程で製造された前記遠心回転機部材を組み立てる部材組立工程とを備えることを特徴とする。
【００１７】
このような製造方法によれば、遠心回転機を構成する遠心回転機部材を製造し、それらを組み立てることによって遠心回転機を製造することができる。
【００１８】
また、本発明に係る遠心回転機の設計システムは、予め取得した重量流量及び出入口圧力比を満たすように、遠心回転機における各段のインペラの型式を含む構造仕様及び遠心回転機回転数を決定する構造仕様決定手段と、前記構造仕様決定手段で決定された構造仕様から演算される前記遠心回転機の軸固有振動数と、前記構造仕様決定手段で決定した前記遠心回転機回転数に基づいて、共振するか否か判定する共振判定手段と、前記共振判定手段で共振すると判定された場合に、少なくとも１段のインペラに対して、当該インペラの型式と対応して予め得られているボス比設定範囲の中で、ボス比を初期値よりも高い値に設定し、構造仕様決定手段に出力するボス比変更手段と、を備え、前記構造仕様決定手段は、前記ボス比変更手段から前記ボス比が出力されると、前記ボス比を設定したインペラについて、該インペラを構成するブレードの構造を変更することなく、該ブレードよりも内周側の構造を変更して当該ボス比となるように構造変更して、再度構造仕様及び遠心回転機回転数を決定し、前記共振判定手段は、再度共振するか否か判定することを特徴とする。
【００１９】
このような構成によれば、開発に時間やコストを要するブレードについては構造を変更することがないため、遠心回転機の設計に要する時間やコストを低減することができる。また、ボス比変更手段がボス比を変更した後に、構造仕様決定手段が構造仕様を決定するので、ボス比変更後の遠心回転機は、予め取得した重量流量及び出入口圧力比を満たしている。更にその後、共振判定手段が固有振動数の演算と共振するか否かの判定を実行するので、共振の発生しないことが確認される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る遠心回転機の設計方法及び遠心回転機の設計システムによれば、ブレードの構造を変更することなく、ブレードよりも内周側の構造を変更することにより、必要とされる性能を満たしつつ回転軸の共振が生じない遠心回転機を低コストで設計することができる。
また、本発明に係る遠心回転機の製造方法によれば、低コストで所望の性能を満たす遠心回転機を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の設計システムの機能構成を示すブロック図である。
【図３】記憶部が格納するテーブルの一例を示す図である。
【図４】制御部での処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】インペラのボス比が遠心圧縮機の性能に及ぼす影響を示したグラフであって、（ａ）はボス比が効率ηｉに及ぼす影響を、（ｂ）はボス比が圧力係数μｉに及ぼす影響をそれぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［遠心圧縮機の構成］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の実施形態に係る遠心回転機の設計方法及び遠心回転機の設計システムによって設計する遠心回転機の構成について説明する。本実施形態では、本発明に係る遠心回転機の一例として遠心圧縮機を例に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１を示す概略断面図である。遠心圧縮機１は、軸線Ｌに沿って配されたロータ２と、このロータ２を収容するケーシング３と、を備えている。
【００２３】
（ロータ）
ロータ２は、図１に示すように、不図示のモータ等によって駆動側端部が回転駆動される回転軸２１と、この回転軸２１の軸方向中央部に所定間隔で固定された複数のインペラ２２と、を有している。
【００２４】
インペラ２２は、遠心力を利用してガスを圧縮する役割を果たすものである。このインペラ２２は、図１に示すように、円盤状のディスク２２１と、このディスク２２１の表面に突出して設けられた複数枚のブレード２２２と、を有している。このうち、ディスク２２１は、軸方向視で略円形に形成され、その中心部が軸方向一方側へ突出してなるボス部２２１ａが設けられている。これにより、ディスク２２１の軸方向一方側の面は、外周側から内周側に向かうに従って径方向から軸方向へ向かうように湾曲形成されている。本発明では、ディスク２２１の最大径を「インペラ外径Ｄ２」と定義し、ディスク２２１の最小径すなわちボス部２２１ａの先端部における径を「ボス径Ｄｂ」と定義する。そして、ボス径Ｄｂ／インペラ外径Ｄ２を「ボス比」として定義する。
【００２５】
このように構成されるインペラ２２は、ケーシング３の内部に収容され、そのディスク２２１の中心部に回転軸２１が挿通されて固定されている。これにより、インペラ２２は、回転軸２１の回転に伴ってこれと一体的に回転するようになっている。そして、インペラ２２を構成する複数枚のブレード２２２同士の間の隙間が、ガスが流通する流路４として構成されている。尚、本実施形態では、回転軸２１の軸方向に沿って６段のインペラ２２を所定間隔で設けているが、インペラ２２の段数はこれに限られず、適宜設計変更が可能である。
【００２６】
（ケーシング）
ケーシング３は、図１に示すように、略円筒形状を有し両端が開口されたケーシング本体３１と、このケーシング本体３１の軸方向一端部に固定されたスラスト軸受３２と、ケーシング本体３１の軸方向両端部に固定された一対のジャーナル軸受３３と、を有している。
【００２７】
スラスト軸受３２は、回転軸２１を軸方向に受ける役割を果たすものである。このスラスト軸受３２は、図１に示すように、ケーシング本体３１の一端側に取り付けられた軸受ケース３４の内部に収容され、回転軸２１の軸方向一端部を、軸回りには回転可能に且つ軸方向へは僅かに移動可能な状態で支持している。
【００２８】
ジャーナル軸受３３は、回転軸２１を径方向に受ける役割を果たすものである。一対のジャーナル軸受３３は、図１に示すように、その一方がケーシング本体３１の一端側における軸挿通孔に嵌合して設けられ、その他方がケーシング本体３１の他端側に取り付けられた軸受ケース３５の内部に収容されている。そして、これら一対のジャーナル軸受３３が、回転軸２１の軸方向両端部を軸回りに回転可能にそれぞれ支持している。
【００２９】
［遠心圧縮機の設計システム］
次に、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の設計方法を使用する遠心圧縮機１の設計システムについて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の設計システムの機能構成を示すブロック図である。遠心圧縮機１の設計システムは、ＲＯＭやＲＡＭ等からなる記憶部１１と、キーボードやマウス等からなる入力部１２と、液晶画面等からなる表示部１３と、ＭＰＵ等からなる制御部１４と、を備えている。
【００３０】
記憶部１１は、過去に化学プラント等で使用された遠心圧縮機１のタイプに関する実績情報を、テーブル形式で複数格納している。図３は、記憶部１１が格納するテーブルＴの一例を示す図である。テーブルＴには、遠心圧縮機１のタイプ名、ガス組成（Ｃｏｍｐ）、入口温度（Ｔ１）、入口圧力（Ｐ１）、ガスの重量流量（Ｇ）、出入口圧力比（Ｐｒ）、インペラ段数（Ｚ）、各段のインペラ２２の型式、回転数（Ｎ）、各段のインペラ２２の外径（Ｄ２ｉ）・・・等の仕様データが、互いに関連付けられた形で格納されている。尚、記憶部１１がタイプデータを格納する形式としては、テーブル形式に限定されず、関連付けて格納可能な任意の形式を用いることができる。
【００３１】
入力部１２は、遠心圧縮機１に必要とされる性能に関する情報をユーザが入力可能に構成されている。ここで、ユーザが入力可能なデータとしては、ガス組成（Ｃｏｍｐ）、入口温度（Ｔ１）、入口圧力（Ｐ１）、ガスの重量流量（Ｇ）、出入口圧力比（Ｐｒ）等が挙げられる。
【００３２】
制御部１４は、図２に示すように、圧縮機タイプ決定手段１４１と、構造仕様決定手段１４２と、出入口圧力比算出手段１４３と、性能判定手段１４４と、ＣＡＤ作図手段１４５と、軸固有振動数算出手段１４６と、共振判定手段１４７と、共振判定回数カウント手段１４８と、ボス比変更回数カウント手段１４９と、ボス比変更手段１５０と、軸ケーシング分割手段１５１と、新インペラ開発手段１５２とを有している。尚、本明細書において「ＣＡＤ」とは、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ（コンピュータ支援設計）を意味している。
【００３３】
圧縮機タイプ決定手段１４１は、図２に示すように、入力部１２から、遠心圧縮機１に必要とされる性能情報が入力される。また、圧縮機タイプ決定手段１４１は、記憶部１１から、遠心圧縮機１のタイプに関するテーブルＴが入力される。そして、圧縮機タイプ決定手段１４１は、必要とされる性能を満たすような圧縮機タイプをテーブルＴから選定し、構造仕様決定手段１４２に対して出力する。
【００３４】
構造仕様決定手段１４２は、図２に示すように、圧縮機タイプ決定手段１４１から、前述のように選定した圧縮機タイプが入力される。また、構造仕様決定手段１４２は、性能判定手段１４４から、出入口圧力比（Ｐｒ）が必要とされる性能条件を満たさない旨が入力される。更に、構造仕様決定手段１４２は、共振判定回数カウント手段１４８から、共振判定を行った回数が予め定めたｎ回に達していない旨が入力される。また、構造仕様決定手段１４２は、軸ケーシング分割手段１５１から、回転軸２１及びケーシング３を分割した旨が入力される。また、構造仕様決定手段１４２は、新インペラ開発手段１５２から、新しい形状のインペラ２２を開発する旨が入力される。
【００３５】
そして、構造仕様決定手段１４２は、図２に示すように、圧縮機タイプ決定手段１４１から入力された圧縮機タイプに基づいて、インペラ２２の段数（Ｚ）、各段のインペラ２２の型式、回転数（Ｎ）、各段のインペラ２２の外径（Ｄ２ｉ）を構造仕様として決定し、出入口圧力比算出手段１４３に対してそれぞれ出力する。また、構造仕様決定手段１４２は、ＣＡＤ作図手段１４５に対し、各段のインペラ２２についての構造仕様をそれぞれ出力する。更に、構造仕様決定手段１４２は、決定した遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）を共振判定手段１４７に対して出力する。
【００３６】
出入口圧力比算出手段１４３は、図２に示すように、構造仕様決定手段１４２から、前述のようにインペラ２２の段数（Ｚ）、各段のインペラ２２の型式、回転数（Ｎ）、各段のインペラ２２の外径（Ｄ２ｉ）が入力される。そして、出入口圧力比算出手段１４３は、性能判定手段１４４に対し、算出した出入口圧力比（Ｐｒ）を出力する。
【００３７】
性能判定手段１４４は、図２に示すように、出入口圧力比算出手段１４３から、前述のように出入口圧力比（Ｐｒ）が入力される。そして、性能判定手段１４４は、出入口圧力比算出手段１４３から入力された出入口圧力比（Ｐｒ）が、遠心圧縮機１に必要とされる性能を満たしているか否かを判定する。そして、性能判定手段１４４は、ＣＡＤ作図手段１４５に対し、遠心圧縮機１が必要とされる性能を満たしている旨を出力する。また、性能判定手段１４４は、構造仕様決定手段１４２に対し、遠心圧縮機１が必要とされる性能を満たしていない旨を出力する。
【００３８】
ＣＡＤ作図手段１４５は、図２に示すように、構造仕様決定手段１４２から、前述のように各段のインペラ２２についての構造仕様がそれぞれ入力される。また、ＣＡＤ作図手段１４５は、性能判定手段１４４から、前述のように遠心圧縮機１が必要とされる性能を満たしている旨が入力される。更に、ＣＡＤ作図手段１４５は、共振判定手段１４７から、共振が生じない旨が入力される。また、ＣＡＤ作図手段１４５は、ボス比変更手段１５０から、変更後の新たなボス比が入力される。
【００３９】
そして、ＣＡＤ作図手段１４５は、図２に示すように、軸固有振動数算出手段１４６に対し、作図したＣＡＤ図面データを出力する。また、ＣＡＤ作図手段１４５は、表示部１３に対し、作図したＣＡＤ図面データを出力する。
【００４０】
軸固有振動数算出手段１４６は、図２に示すように、ＣＡＤ作図手段１４５から、作成されたＣＡＤ図面データが入力される。そして、軸固有振動数算出手段１４６は、このＣＡＤ図面から各部の寸法を採寸し、これに基づいて回転軸２１の軸固有振動数を算出する。そして、軸固有振動算出手段１４６は、算出した軸固有振動数を共振判定手段１４７に対して出力する。
【００４１】
共振判定手段１４７は、図２に示すように、軸固有振動算出手段１４６から、回転軸２１の軸固有振動数が入力される。また、共振判定手段１４７は、構造仕様決定手段１４２から、遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）が入力される。そして、共振判定手段１４７は、入力された両者に基づいて、回転軸２１に共振が発生するか否かを判定する。また、共振判定手段１４７は、ＣＡＤ作図手段１４５に対し、共振が発生しない旨を出力する。また、共振判定手段１４７は、共振判定回数カウント手段１４８に対し、共振発生について判定を行った旨を出力する。
【００４２】
共振判定回数カウント手段１４８は、図２に示すように、共振判定手段１４７から、共振発生について判定を行った旨が入力される。そして、共振判定回数カウント手段１４８は、判定回数を１だけ増加させた上で、共振判定を行った回数が予め定めたｎ回に達したか否かを判定する。その結果、共振判定回数カウント手段１４８は、構造仕様決定手段１４２に対して、共振判定を行った回数がｎ回に達していない旨を出力する。一方、共振判定回数カウント手段１４８は、ボス比変更回数カウント手段１４９に対し、共振判定を行った回数がｎ回に達した旨を出力する。
【００４３】
ボス比変更回数カウント手段１４９は、図２に示すように、共振判定回数カウント手段１４８から、共振判定を行った回数がｎ回に達した旨が入力される。そして、ボス比変更回数カウント手段１４９は、ボス比を変更した回数が予め定めたｍ回に達したか否かを判定する。その結果、ボス比変更回数カウント手段１４９は、ボス比変更手段１５０に対し、ボス比を変更した回数がまだｍ回に達していないことを出力する。一方、ボス比変更回数カウント手段１４９は、軸ケーシング分割手段１５１に対し、ボス比を変更した回数がｍ回に達した旨を出力する。
【００４４】
ボス比変更手段１５０は、図２に示すように、ボス比変更回数カウント手段１４９から、ボス比を変更した回数がｍ回に達していない旨が入力される。また、ボス比変更手段１５０は、記憶部１１から、インペラ２２の流量係数（φｉ）と遠心圧縮機１の効率（ηｉ）との関係について型式ごとに保持しているグラフが入力される。そしてボス比変更手段１５０は、ＣＡＤ作図手段１４５に対し、変更後の新しいボス比を出力する。
【００４５】
軸ケーシング分割手段１５１は、図２に示すように、ボス比変更回数カウント手段１４９から、ボス比を変更した回数がｍ回に達した旨が入力される。また、軸ケーシング分割手段１５１は、構造仕様決定手段１４２に対し、回転軸２１及びケーシング３を分割した旨を出力する。
【００４６】
新インペラ開発手段１５２は、図２に示すように、ボス比変更回数カウント手段１４９から、ボス比を変更した回数がｍ回に達した旨が入力される。また、新インペラ開発手段１５２は、構造仕様決定手段１４２に対し、新しい形状のインペラ２２を開発する旨を出力する。
【００４７】
尚、本実施形態のＣＡＤ作図手段１４５及び軸固有振動数算出手段１４６に代えて、ユーザが手作業にて、インペラ２２の構造仕様に基づいてＣＡＤ図面を作図し、ＣＡＤ図面の各部を採寸した結果から軸固有振動数を算出するようにしてもよい。
【００４８】
また、本実施形態の圧縮機タイプ決定手段１４１に代えて、ユーザが手作業にて、記憶部１１からテーブルＴの情報を入力部１２から性能情報をそれぞれ取得し、それに基づいて遠心圧縮機１のタイプを決定して構造仕様決定手段１４２に入力するようにしてもよい。
【００４９】
次に、本発明の実施形態に係る制御部１４において実行される処理の流れについて説明する。図４は、制御部１４での処理の流れを示すフローチャートである。遠心圧縮機１の設計の処理が開始されると、図２に示す制御部１４では、まず構造仕様決定ステップが実行される。この構造仕様決定ステップとは、遠心圧縮機１に必要とされる性能を満たすように、遠心圧縮機１を構成する各段のインペラ２２の構造仕様をそれぞれ決定するとともに、遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）を決定するステップである。
【００５０】
構造仕様決定ステップについて詳細に説明すると、まず図２に示す圧縮機タイプ決定手段１４１が、遠心圧縮機１に必要とされる性能として、ガスの重量流量（Ｇ）、出入口圧力比（Ｐｒ）、ガス組成（Ｃｏｍｐ）、入口温度（Ｔ１）、及び入口圧力（Ｐ１）に関する情報をそれぞれ取得する（Ｓ１）。ここで、出入口圧力比（Ｐｒ）とは、流路４における出口部と入口部との圧力比を意味している。そして、圧縮機タイプ決定手段１４１は、取得した情報に応じて、図２に示す記憶部１１が保持するテーブルＴを参照することにより、遠心圧縮機１のタイプを決定する（Ｓ２）。このテーブルＴとは、過去の同種の化学プラント等で使用された遠心圧縮機１において、インペラ２２の形状に関する実績を蓄積したものである。
【００５１】
次に、図２に示す構造仕様決定手段１４２が、入力された遠心圧縮機１のタイプに基づいて、必要とされる性能であるガスの重量流量（Ｇ）及び出入口圧力比（Ｐｒ）を満たすようにして、各段のインペラ２２の構造仕様を仮決めするとともに、遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）を決定する（Ｓ３）。ここで、本実施形態におけるインペラ２２の構造仕様とは、インペラ２２の段数（Ｚ）、各段のインペラ２２の型式、及び各段のインペラ２２の外径（Ｄ２ｉ）を意味している。
【００５２】
次に、図２に示す出入口圧力比算出手段１４３が、仮決めした各段のインペラ２２の構造仕様に基づいて、遠心圧縮機１の出入口圧力比（Ｐｒ）を算出する（Ｓ４）。より詳細に説明すると、まず出入口圧力比算出手段１４３は、以下の式（１）に基づき、１段目のインペラ２２の入口密度（ρ１）を、次の式（１）により算出する。尚、この式（１）におけるｆρとは、所定の関数を意味している。
ρ１＝ｆρ（ｃｏｍｐ,Ｐ１,Ｔ１）・・・・・式（１）
【００５３】
次に、出入口圧力比算出手段１４３は、算出した入口密度（ρ１）を次の式（２）に代入することにより、１段目のインペラ２２の入口体積流量（Ｑ１）を算出する。
Ｑ１＝Ｇ／ρ１・・・・・式（２）
【００５４】
また、出入口圧力比算出手段１４３は、遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）と１段目のインペラ２２の外径（Ｄ２１）とを次の式（３）に代入することにより、１段目のインペラ２２の周速（Ｕ２１）を算出する。
Ｕ２１＝Ｎ／６０・π・Ｄ２１・・・・・式（３）
【００５５】
そして、出入口圧力比算出手段１４３は、式（２）で求めた入口体積流量（Ｑ１）、式（３）で求めた周速（Ｕ２１）、及び外径（Ｄ２１）をそれぞれ次の式（４）に代入することにより、１段目のインペラ２２の流量係数（φ１）を算出する。尚、式（４）において「Ｄ２１＾２」とは、Ｄ２１の二乗を意味している。
φ１＝Ｑ１／（π／４×Ｄ２１＾２×Ｕ２１）・・・・・式（４）
【００５６】
次に出入口圧力比算出手段１４３は、図２に示す記憶部１１がインペラ２２の流量係数（φｉ）と遠心圧縮機１の効率（ηｉ）との関係について型式ごとに保持している複数のグラフから、１段目のインペラ２２の型式に該当するグラフを選択する。ここで、図５は、インペラ２２のボス比が遠心圧縮機１の性能に及ぼす影響を示したグラフであって、（ａ）はボス比が効率ηｉに及ぼす影響を、（ｂ）はボス比が圧力係数μｉに及ぼす影響をそれぞれ示している。尚、図における実線はボス比が最低ボス比に設定される場合を、破線はボス比が最高ボス比に設定される場合をそれぞれ示している。本実施形態では、構造仕様決定ステップにおいては、ボス比は最低ボス比に設定されている。出入口圧力比算出手段１４３は、図５（ａ）に示すグラフに対し、式（４）で算出した流量係数（φ１）を当てはめることにより、遠心圧縮機１の効率（η１）を決定する。
【００５７】
同様に出入口圧力比算出手段１４３は、図２に示す記憶部１１がインペラ２２の流量係数（φｉ）と遠心圧縮機１の圧力係数（μｉ）との関係について型式ごとに保持している複数のグラフから、１段目のインペラ２２の型式に該当するグラフを選択する。ここで、図５（ｂ）は、１段目のインペラ２２の型式に該当するものとして選択した流量係数（φｉ）と圧力係数（μｉ）との関係を示すグラフである。尚、図における実線はボス比が最低ボス比に設定されている場合を、破線はボス比が最高ボス比に設定されている場合をそれぞれ示しており、構造仕様決定ステップにおいては、ボス比は最低ボス比に設定されている。出入口圧力比算出手段１４３は、この選択したグラフに対し、式（４）で算出した流量係数（φ１）を当てはめることにより、遠心圧縮機１の圧力係数（μ１）を決定する。
【００５８】
次に、出入口圧力比算出手段１４３は、式（３）で求めた周速（Ｕ２１）、及び図５（ｂ）のグラフから決定した圧力係数（μ１）をそれぞれ次の式（５）に代入することにより、１段目のインペラ２２のヘッド（Ｈ１）を算出する。尚、式（５）において「Ｕ２１＾２」とは、Ｕ２１の二乗を意味している。
Ｈ１＝Ｕ２１＾２／ｇ×μ１・・・・・式（５）
【００５９】
次に、出入口圧力比算出手段１４３は、式（５）で求めたヘッド（Ｈ１）、及び図５（ａ）のグラフから決定した効率（η１）をそれぞれ次の式（６）に代入することにより、１段目のインペラ２２の圧力比（Ｐｒ１）を算出する。尚、この式（６）におけるｆρとは、所定の関数を意味している。
Ｐｒ１＝ｆρ（ｃｏｍｐ,Ｐ１,Ｔ１,Ｈ１,η１）・・・・・式（６）
【００６０】
また、出入口圧力比算出手段１４３は、式（５）で求めたヘッド（Ｈ１）、及び図２（ａ）のグラフから決定した効率（η１）をそれぞれ次の式（７）に代入することにより、１段目のインペラ２２の温度比（Ｔｒ１）を算出する。尚、この式（７）におけるｆｔとは、ｆρとは異なる所定の関数を意味している。
Ｔｒ１＝ｆｔ（ｃｏｍｐ,Ｐ１,Ｔ１,Ｈ１,η１）・・・・・式（７）
【００６１】
そして、出入口圧力比算出手段１４３は、１段目のインペラ２２での圧力（Ｐ１）、及び式（６）で求めた１段目のインペラ２２の圧力比（Ｐｒ１）をそれぞれ次の式（８）に代入することにより、２段目のインペラ２２での圧力（Ｐ２）を算出する。また、出入口圧力比算出手段１４３は、１段目のインペラ２２での温度（Ｔ１）、及び式（７）で求めた１段目のインペラ２２の温度比（Ｔｒ１）をそれぞれ次の式（９）に代入することにより、２段目のインペラ２２での温度（Ｔ２）を算出する。
Ｐ２＝Ｐ１×Ｐｒ１・・・・・式（８）
Ｔ２＝Ｔ１×Ｔｒ１・・・・・式（９）
【００６２】
その後、出入口圧力比算出手段１４３は、式（１）から式（９）までの計算を各段のインペラ２２について実行する。そして、出入口圧力比算出手段１４３は、各段のインペラ２２について求められた圧力比Ｐｒ１,Ｐｒ２,Ｐｒ３,・・・Ｐｒｚを次の式（１０）にそれぞれ代入することにより、遠心圧縮機１についての出入口圧力比（Ｐｒ）を算出する。
Ｐｒ＝Ｐｒ１×Ｐｒ２×Ｐｒ３・・・×Ｐｒｚ・・・・・式（１０）
【００６３】
次に、図３に示すように、図２に示す性能判定手段１４４が、算出された出入口圧力比（Ｐｒ）は必要とされる性能を満たしているか否かを判定する（Ｓ５）。その結果、遠心圧縮機１は必要とされる性能を満たしていないと判断した場合（Ｓ５：Ｎｏ）、Ｓ３へ戻ってインペラ２２の構造仕様及び遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）を再度決定し、出入口圧力比（Ｐｒ）を算出して必要とされる性能を満たしているか否かを判定する処理を繰り返す。一方、Ｓ５の判定において遠心圧縮機１は必要とされる性能を満たしていると判断した場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）、Ｓ６の処理へと進む。
【００６４】
ここで、Ｓ５からＳ３へ戻ってインペラ２２の構造仕様及び遠心圧縮機の１の回転数（Ｎ）を再度決定する場合、その優先順位としては高い方から、各段のインペラ２２の型式、各段のインペラ２２の外径（Ｄ２ｉ）、遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）、インペラ２２の段数（Ｚ）の順番とする。
【００６５】
続いて、図２に示す制御部１４では、軸固有振動数演算ステップが実行される。この軸固有振動演算ステップとは、作図されたＣＡＤ図面から回転軸２１の固有振動数を算出するステップである。
【００６６】
軸固有振動数演算ステップについて詳細に説明すると、まず図２に示すＣＡＤ作図手段１４５が、上述のように構造仕様を決定した各段のインペラ２２を回転軸２１に沿って配置することにより、ＣＡＤ図面を作図する（Ｓ６）。
【００６７】
次に、図２に示す軸固有振動数算出手段１４６が、作図されたＣＡＤ図面に基づいて各部の寸法を採寸する。そして、その採寸結果に基づいて、軸固有振動数算出手段１４６が回転軸２１の軸固有振動数を算出する（Ｓ７）。
【００６８】
尚、本実施形態では、ＣＡＤ図面の作図（Ｓ６）をＣＡＤ作図手段１４５が実行し、軸固有振動数の算出（Ｓ７）を軸固有振動数算出手段１４６が実行している。しかし、これらＳ６とＳ７の処理に関しては、このような自動的な実行に代えて、性能判定手段１４４で性能を満たしていると判定された構造仕様に基づいてユーザが手作業にて行い、算出した軸固有振動数を入力するようにしてもよい。
【００６９】
続いて、図２に示す制御部１４では、共振判定ステップが実行される。この共振判定ステップとは、回転軸２１の軸固有振動数及び遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）に基づいて、回転軸２１が共振するか否かを判定するステップである。
【００７０】
共振判定ステップについて詳細に説明すると、図２に示す共振判定手段１４７は、軸固有振動数算出手段１４６が算出した軸固有振動数、及び構造仕様決定手段１４２が決定した遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）が、次の式（１１）を満たしているか否かを判定することにより、回転軸２１が共振するか否かを判定する（Ｓ８）。ここで、αとは、ＡＰＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）６１７規格２．６．２中に規定されたＳＭ（Ｓｅｐｅｒａｔｉｏｎ  Ｍａｒｇｉｎ）を意味している。
｜軸固有振動数／回転数−１｜＞α・・・・・式（１１）
【００７１】
そして、Ｓ８における判定において、回転軸２１が共振しないと判断した場合（Ｓ８：Ｎｏ）、図２に示すＣＡＤ作図手段１４５がＣＡＤ図面データを表示部１３に出力した後、そのまま処理が終了する。
【００７２】
一方、Ｓ８における判定において、回転軸２１が共振すると判断した場合（Ｓ８：Ｙｅｓ）、図２に示す共振判定回数カウント手段１４８が、共振判定を行った回数がｎ回目に達しているか否かを判定する（Ｓ９）。その結果、共振判定を行った回数がｎ回目に達していないと判断した場合（Ｓ９：Ｎｏ）、Ｓ３へ戻ってインペラ２２の構造仕様及び遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）を再度決定した後、その後の処理を繰り返す。
【００７３】
他方、Ｓ９における判定において共振判定を行った回数がｎ回目に達したと判断した場合（Ｓ９：Ｙｅｓ）、図２に示すボス比変更回数カウント手段１４９が、ボス比の変更を行った回数がｍ回目に達しているか否かを判定する（Ｓ１０）。
【００７４】
そして、Ｓ１０における判定の結果、ボス比変更回数カウント手段１４９が、ボス比の変更を行った回数がｍ回目に達していない（Ｓ１０：Ｎｏ）と判断した場合、図２に示すボス比変更手段１５０がボス比を初期値から変更する（Ｓ１１）。より詳細には、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ボス比の初期値は最低ボス比（実線で図示）に設定されている。ボス比変更手段１５０は、最低ボス比から最高ボス比（破線で図示）までの間として予め定められたボス比設定範囲において、図５に二点鎖線で示すように、ボス比を最低ボス比よりも若干高い値に設定する。
【００７５】
尚、ボス比の初期値は本実施形態のように最低ボス比に限られず、ボス比設定範囲内で任意の値に設定することができる。しかし、本実施形態のように初期値を最低ボス比に設定すれば、最初の設計時においてはボス比を最低として、より高性能の遠心圧縮機１を設計可能とするとともに、最初の設計時において共振が発生しないようにすることができない場合に、ボス比の変更幅を十分大きく確保することができるので、性能を満たす範囲で共振が発生しないような条件を容易に選択することが可能となる。
【００７６】
その後、図４においてＳ３へ戻り、ボス比を変更したインペラ２２について、ブレード２２２の構造を変更することなく、ブレード２２２より内周側のボス径Ｄｂ（図１を参照）を含んだ構造仕様を変更することにより、インペラ２２を変更後のボス比とする。これにより、開発に時間やコストを要するブレード２２２については変更することがないため、必要とされる性能を満たしつつ、回転軸２１の共振が生じない遠心圧縮機１を短時間且つ低コストで設計することができる。
【００７７】
そして、その後はＳ４以降の処理を繰り返す。この時、Ｓ４にて出入口圧力比（Ｐｒ）を算出するために、図５を使用して変更後のボス比に対応する遠心圧縮機１の効率（ηｉ）や圧力係数（μｉ）を決定する際には、最低ボス比の曲線と最高ボス比の曲線を用いて補間すればよい。
【００７８】
一方、Ｓ１０における判定の結果、ボス比変更回数カウント手段１４９が、ボス比の変更を行った回数がｍ回目に達している（Ｓ１０：Ｙｅｓ）と判断した場合、図２に示す軸ケーシング分割手段１５１が回転軸２１及びケーシング３をそれぞれ複数に分割する（Ｓ１２）。その後、図４においてＳ３に戻り、インペラ２２の構造仕様及び遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）を決め直した後、Ｓ８において回転軸２１が共振しないと判断されるまで、Ｓ４以降の処理を繰り返す。
【００７９】
或いは、Ｓ１０における判定の結果、ボス比変更回数カウント手段１４９が、ボス比の変更を行った回数がｍ回目に達している（Ｓ１０：Ｙｅｓ）と判断した場合、図２に示す新インペラ開発手段１５２が、新たな形状のインペラ２２を新規に開発する。より詳細には、図５に示される最高ボス比のグラフより更に大きいボス比が必要な場合、新インペラ開発手段１５２は、ブレード２２２の形状を修正することにより新たなインペラ２２を開発する（Ｓ１２）。その後、図４においてＳ３に戻り、新たなインペラ２２の構造仕様及び遠心圧縮機１の回転数（Ｎ）を決め直した後、Ｓ８において回転軸２１が共振しないと判断されるまで、Ｓ４以降の処理を繰り返す。
【００８０】
以上の設計方法によって設計工程を実施した後に、当該設計工程で設計された構造仕様の遠心圧縮機１を製造していく。具体的には、上記構造仕様を満たす遠心圧縮機１の各部材を製造する部材製造工程と、該部材製造工程で製造された部材を組み立てる部材組立工程とを備える。
【００８１】
部材製造工程で製造される各部材とは、図１に示す各部材であり、例えば、回転軸２１、インペラ２２、ケーシング３、軸受などである。回転軸２１は、例えば、所定の材質で形成された鋼材を切削加工することなどにより製造される。また、インペラ２２は、ディスク２２１、ブレード２２２、及びシュラウドの各部分を、それぞれ別体として製造して組み付ける場合や、一体的に製造する場合がある。
【００８２】
インペラ２２の上記各部分を別体として製造する場合には、それぞれの形状と対応する母型を鍛造、鋳造などで製造した後に、細部については切削加工等で仕上げることにより製造される。この際、例えばディスク２２１、ブレード２２２、及びシュラウドの全てが別体として製造されるのではなく、ディスク２２１とブレード２２２、またはブレード２２２とシュラウドとが一体的に製造される場合もある。そして、製造された各部分を、溶接、ろう付け等により接合することによりインペラ２２として製造される。また、一体的に製造する場合には、インペラ２２の形状と対応する母型を鍛造、鋳造などで製造した後に、流路４となる部分を機械切削や放電加工により切削加工することにより形成する。
【００８３】
また、ケーシング３は、鋳造などにより形成される。組立上、半割れとなるように二つに分けて製造され、以下の部材組立工程において一体的に組み立てられる。
【００８４】
部材組立工程では、例えばまず回転軸２１に対してインペラ２２を焼き嵌めなどにより一体となるように組み付ける。さらに、回転軸２１の両端に軸受けを組み付ける。次に、ケーシング３の半割れの一方において、一体となった回転軸２１、インペラ２２及び軸受けを組み付ける。最後に、ケーシング３の他方を一方に組み付けることで完成する。
【００８５】
以上説明したように、本実施形態に係る遠心圧縮機１の設計システムによれば、ボス比を変更したインペラ２２について、ブレード２２２の構造を変更することなく、ブレード２２２より内周側のボス径Ｄｂ（図１を参照）を含んだ構造仕様を変更することにより、インペラ２２を変更後のボス比とする。これにより、開発に時間やコストを要するブレード２２２については変更することがないため、必要とされる性能を満たしつつ、回転軸２１の共振が生じない遠心圧縮機１を短時間且つ低コストで設計することができる。
【００８６】
なお、上記部材製造工程及び部材組立工程は、一般的な圧縮機の製造工程を示すものであり、その他、シール構造や吸気構造等、様々な構造を構成する部材が部材製造工程で製造され、部材組立工程で組み付けられる。
【００８７】
尚、本発明に係る遠心回転機としては、本実施形態で説明した遠心圧縮機１に限定されず、遠心ポンプ等であってもよい。
【００８８】
また、以上説明した全ての処理を設計システムが実行することに代えて、ユーザが手作業にて行うようにしてもよい。
【００８９】
尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１  遠心圧縮機
２  ロータ
３  ケーシング
４  流路
１１  記憶部
１２  入力部
１３  表示部
１４  制御部
１４１  圧縮機タイプ決定手段
１４２  構造仕様決定手段
１４３  出入口圧力比算出手段
１４４  性能判定手段
１４５  ＣＡＤ作図手段
１４６  軸固有振動数算出手段
１４７  共振判定手段
１４８  共振判定回数カウント手段
１４９  ボス比変更回数カウント手段
１５０  ボス比変更手段
１５１  軸ケーシング分割手段
１５２  新インペラ開発手段
２１  回転軸
２２  インペラ
２２１  ディスク
２２２  ブレード
２２１ａ  ボス部
３１  ケーシング本体
３２  スラスト軸受
３３  ジャーナル軸受
３４  軸受ケース
３５  軸受ケース
Ｄｂ  ボス径
Ｄ２  インペラ外径
Ｌ  軸線
Ｔ  テーブル
【図１】
2013087722.tif 000003
【図２】
2013087722.tif 000004
【図３】
2013087722.tif 000005
【図４】
2013087722.tif 000006
【図５】
2013087722.tif 000007