(57)【要約】【課題】遠心圧縮機１の作動の安定性を十分に確保した上で、遠心圧縮機１の圧縮機効率及び耐久性を向上させること。【解決手段】各ブレード１５の後縁１５ｒ側の羽根厚中心線１５ｃがインペラ９の径方向Ｄ２に対してインペラ９の回転方向Ｄ３側へ傾斜してあって、流出開口部２５内、トリートメント空洞部２１内、又は抽気開口部２３内に複数枚のフィン２７が周方向に沿って間隔を置いて設けられ、各フィン２７がインペラ９の径方向Ｄ２に対してインペラ９の回転方向Ｄ３の反対方向側へ傾斜していること。【選択図】図１
2013040587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、
内側にシュラウドを有したハウジングと、
前記ハウジングの前記シュラウド内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能かつ外周面が軸方向から径方向外側に向かって延びたディスク、及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
前記ハウジングにおける前記インペラの入口側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングにおける前記インペラの出口側に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、
各ブレードの後縁側の羽根厚中心線が前記インペラの径方向に対して前記インペラの回転方向側へ傾斜してあって、
前記ハウジングの内部に環状のトリートメント空洞部が形成され、前記ハウジングの前記シュラウドにおける前記ブレードの前縁よりも下流側にガスを抽気可能な抽気開口部が前記トリートメント空洞部に連通して形成され、前記ハウジングの前記シュラウドにおける前記ブレードの前縁よりも上流側にガスを前記インペラの入口側へ流出可能な流出開口部が前記トリートメント空洞部に連通して形成され、
前記流出開口部内、前記トリートメント空洞部内、又は前記抽気開口部内に複数枚のフィンが周方向に沿って間隔を置いて設けられ、各フィンが前記インペラの径方向に対して前記インペラの回転方向の反対方向側へ傾斜していることを特徴とする遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心力を利用して空気等のガスを圧縮する産業用遠心圧縮機、ガスタービン用遠心圧縮機等の遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な産業用遠心圧縮機等の遠心圧縮機の構成について図３（ｂ）、図５、及び図６を参照して説明する。なお、図中、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指している。
【０００３】
図５及び図６に示すように、一般的な遠心圧縮機１０１は、ハウジング１０３を具備しており、このハウジング１０３は、内側に、シュラウド（内壁）１０３ｓを有している。また、ハウジング１０３のシュラウド１０３ｓ内には、インペラ１０５が回転可能に設けられており、このインペラ１０５は、その軸心１０５ｃ周りに回転可能かつ外周面（ハブ面）１０７ｈがインペラ１０５の軸方向Ｄ１から径方向Ｄ２外側へ延びたディスク（ホイール）１０７、及びこのディスク１０７の外周面１０７ｈに間隔を置いて設けられた複数枚のブレード（羽根）１０９を備えている。なお、各ブレード１０９の軸長、具体的には、各ブレード１０９の前縁１０９ｆのチップ端１０９ｆｅから後縁１０９ｒのハブ端１０９ｒｅまでのインペラ１０５の軸方向Ｄ１の長さは、同じ長さに設定されている。
【０００４】
ここで、図３（ｂ）に示すように、各ブレード１０９の後縁１０９ｒ側の羽根厚中心線１０９ｃは、インペラ１０５の径方向Ｄ２に対してインペラ１０５の回転方向Ｄ３の反対側へ傾斜しており、換言すれば、インペラ１０５は、所謂バックワードインペラとして構成されている。また、ブレード１０９の出口羽根角βの符号は負になっている。
【０００５】
図６に示すように、ハウジング１０３におけるインペラ１０５の入口側には、空気（ガスの一例）Ａを吸入する吸入口１１１が形成されている。また、ハウジング１０３におけるインペラ１０５の出口側には、圧縮した空気Ａを昇圧して排気するディフューザ流路（排気流路の一例）１１３が形成されている。
【０００６】
従って、遠心圧縮機１０１を運転する場合には、インペラ１０５を回転させることにより、吸入口１１１からインペラ１０５側に吸入した空気Ａを遠心力を利用して圧縮すると共に、圧縮した空気Ａを排気流路１１３から排気することができる。
【０００７】
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２０９６９４号公報
【特許文献２】特開２００４−２７９３１号公報
【特許文献３】特開２００１−２８９１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、近年、遠心圧縮機１０１の高圧力比の要請が強くなっており、それに伴い、インペラ１０５の周速（回転速度）は高くなる傾向にある。一方、インペラ１０５の周速が高くなると、ディスク１０７の背面１０７ｄの外縁付近と空気Ａとの摩擦損失、及びハウジング１０３のシュラウド１０３ｓとインペラ１０５の出口の手前側を流れる空気Ａとの摩擦損失が増大して、遠心圧縮機１０１の圧縮機効率が低下すると共に、空気Ａとの摩擦によるインペラ１０５の一部に大きな温度上昇が生じて、遠心圧縮機１０１の耐久性が低下するという問題がある。
【００１０】
つまり、遠心圧縮機１０１の圧力比を高めつつ、遠心圧縮機１０１の圧縮機効率及び耐久性を向上させることを困難であるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機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】
【００１２】
本発明の特徴は、遠心力を利用してガスを圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド（内壁）を有したハウジングと、前記ハウジングの前記シュラウド内に回転可能に設けられ、軸心（インペラの軸心）周りに回転可能かつ外周面（ハブ面）が軸方向から径方向外側に向かって延びたディスク（ホイール）、及び前記ディスクの外周面に周方向に間隔を置いて設けられた複数枚のブレード（羽根）を備えたインペラと、を具備し、前記ハウジングにおける前記インペラの入口側にガスを吸入する吸入口が形成され、前記ハウジングにおける前記インペラの出口側に圧縮したガスを排気する排気流路が形成され、各ブレードの後縁側の羽根厚中心線が前記インペラの径方向に対して前記インペラの回転方向側へ傾斜してあって、前記ハウジングの内部に環状のトリートメント空洞部が形成され、前記ハウジングの前記シュラウドにおける前記ブレードの前縁よりも下流側に空気を抽気可能な抽気開口部（抽気穴）が前記トリートメント空洞部に連通して形成され、前記ハウジングの前記シュラウドにおける前記ブレードの前縁よりも上流側にガスを前記インペラの入口側へ流出可能な流出開口部（流出穴）が前記トリートメント空洞部に連通して形成され、前記流出開口部内、前記トリートメント空洞部内、又は前記抽気開口部内に複数枚のフィンが周方向に沿って間隔を置いて設けられ、各フィンが前記インペラの径方向に対して前記インペラの回転方向の反対側へ傾斜していることを要旨とする。
【００１３】
なお、本願の明細書及び特許請求の範囲の記載において、「ガス」とは、空気、窒素ガス、水素ガス等を含む意であって、「上流」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流のことであって、「下流」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流のことである。また、「複数枚のブレード」は、軸長の同じ複数枚のブレードの他に、軸長の異なる複数枚のブレードを含む意であって、「複数枚のブレード」が軸長の異なる複数枚のブレードである場合には、「前記ブレードの前縁よりも上流側」とは、軸長の最も長いブレードの前縁よりも上流側のことである。
【００１４】
本発明の特徴によると、前記遠心圧縮機を運転する場合には、前記インペラを回転させることにより、前記吸入口から前記インペラ側に吸入したガスを遠心力を利用して圧縮すると共に、圧縮したガスを前記排気流路から排気することができる。
【００１５】
前記遠心圧縮機の運転中に、前記吸入口から吸入されるガスの流量（実際の流量）が少なくなると、前記インペラ側へ吸入したガスの一部が前記抽気開口部内に抽気され、前記トリートメント空洞部内に流入する。そして、前記トリートメント空洞部内に流入したガスは、前記抽気開口部側から前記流出開口部側へ流れて、前記流出開口部から前記インペラの入口側へ流出する。これにより、前記インペラ側へ吸入したガスの一部を前記流出開口部と前記抽気開口部との間で循環させて、前記インペラ側へ吸入されるガスの見かけの流量を実際の流量よりも多くすることができる。
【００１６】
前述の作用の他に、各ブレードの後縁側の羽根厚中心線が前記インペラの径方向に対して前記インペラの回転方向側へ傾斜してあるため、前記インペラの半径を縮小して、前記インペラの周速を下げても、前記インペラの径方向に対して前記インペラの回転方向の反対側へ傾斜している場合に比べて、設計点付近（設計点を含む）における断熱ヘッド（後述の段落［００３５］［００３６］参照）を十分に確保することができる。
【００１７】
各ブレードの後縁側の羽根厚中心線が前記インペラの径方向に対して前記インペラの回転方向側へ傾斜してあるため、サージ近傍における断熱ヘッドが低下する傾向にあるものの、各フィンが前記インペラの径方向に対して前記インペラの回転方向の反対側へ傾斜しているため、前記流出開口部から流出するガスに前記インペラの回転方向と反対方向の旋回（旋回流）を与えることができ、結果的にサージ近傍における断熱ヘッドの低下を十分に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明よれば、サージ近傍における断熱ヘッドの低下を十分に抑えると共に、前記インペラの半径を縮小して、前記インペラの周速を下げても、設計点付近における断熱ヘッドを十分に確保できるため、前記遠心圧縮機の作動の安定性を十分に確保した上で、前記遠心圧縮機の圧力比を高めつつ、前記インペラ等とガスとの摩擦損失を低減して、前記遠心圧縮機の圧縮機効率を向上させると共に、ガスとの摩擦による前記インペラの一部の温度上昇を抑えて、前記遠心圧縮機の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるインペラの部分正面図、図１（ｂ）は、図２におけるIB-IB線に沿った断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の模式的な側断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるブレード出口の速度三角形を示す図、図３（ｂ）は、一般的な遠心圧縮機におけるブレード出口の速度三角形を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機におけるブレード入口の速度三角形を示す図、図４（ｂ）は、一般的な遠心圧縮機におけるブレード入口の速度三角形を示す図である。
【図５】図５は、一般的な遠心圧縮機におけるインペラの部分正面図である。
【図６】図６は、一般的な遠心圧縮機の模式的な側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について図１（ａ）（ｂ）から図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。なお、図面中において、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向をそれぞれ指してある。
【００２１】
図１（ａ）及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ガスタービン又は産業用空気設備等に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）Ａを圧縮するものである。そして、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成は、以下のようになる。
【００２２】
本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、ハウジング３を具備しており、このハウジング３は、内側にシュラウド（内壁）５ｓを有したハウジング本体５と、このハウジング本体５の後側に設けられたシールプレート７とを備えている。なお、シールプレート７は、ガスタービン又は産業用空気設備等における別のハウジング（図示省略）に一体的に連結又は一体形成されている。
【００２３】
ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、インペラ９が回転可能に設けられている。
【００２４】
具体的には、ハウジング本体５のシュラウド５ｓ内には、ディスク（ホイール）１１が設けられており、このディスク１１は、インペラ９の軸心９ｃ周りに回転可能であって、別のハウジングに回転可能に設けられたロータ軸１３に一体的に連結されている。また、ディスク１１の外周面（ハブ面）１１ｈは、インペラ９の軸方向（前後方向）Ｄ１から径方向Ｄ２外側に向かって延びてあって、ディスク１１の背面１１ｄは、シールプレート７に対向してある。
【００２５】
ディスク１１の外周面１１ｈには、同じ軸長の複数枚のブレード（羽根）１５が周方向に間隔を置いて設けられており、各ブレード１５のチップ端（先端）１５ｔは、ハウジング本体５のシュラウド５ｓに沿うように延びている。また、各ブレード１５の軸長、具体的には、各ブレード１５の前縁１５ｆのチップ端１５ｆｅから後縁１５ｒのハブ端１５ｒｅまでのインペラ９の軸方向Ｄ１の長さは、同じ長さに設定されている。なお、軸長の同じブレード１５を用いる代わりに、軸長の異なる複数種のブレード（図示省略）を用いても構わない。
【００２６】
ハウジング本体５におけるインペラ９の入口側（ハウジング本体５の前側部）には、空気をインペラ９側へ吸入する吸入口１７が形成されている。また、ハウジング本体５におけるインペラ９の出口側には、圧縮した空気Ａを減速させて排気する環状のディフューザ流路１９（排気流路の一例）が形成されている。更に、ハウジング本体５の適宜位置には、空気Ａを吐出する吐出口（図示省略）が形成されており、この吐出口は、ディフューザ流路１９に連通してある。
【００２７】
続いて、本発明の実施形態の要部について説明する。
【００２８】
図１（ａ）及び図３（ａ）に示すように、各ブレード１５の後縁１５ｒ側の羽根厚中心線１５ｃは、インペラ９の径方向Ｄ２に対してインペラ９の回転方向Ｄ３側へ傾斜しており、換言すれば、インペラ９は、所謂フォワードインペラとして構成されており、ブレード１５の出口羽根角βの符号は、正になっている。なお、ブレード１５の出口羽根角βとは、インペラ９の径方向Ｄ２とブレード１５の後縁１５ｒ側の羽根厚中心線１５ｃとのなす角のことをいう。
【００２９】
図１（ｂ）及び図２に示すように、ハウジング本体５の内部には、環状のトリートメント空洞部２１が形成されている。また、ハウジング本体５のシュラウド５ｓにおけるブレード１５の前縁１５ｆよりも下流側（後側）には、空気Ａを抽気可能な環状の抽気開口部（抽気穴）２３が形成されており、この抽気開口部２３は、トリートメント空洞部２１に連通してある。更に、ハウジング本体５のシュラウド５ｓにおけるブレード１５の前縁１５ｆよりも上流側（前側）には、空気Ａをインペラ９の入口側へ流出可能な環状の流出開口部（流出穴）２５が形成されており、この流出開口部２５は、トリートメント空洞部２１に連通してある。
【００３０】
流出開口部２５内には、複数枚のフィン２７が周方向に沿って間隔を置いて設けられており、各フィン２７は、インペラ９の径方向Ｄ２に対してインペラ９の回転方向Ｄ３の反対側へ傾斜している。なお、複数のフィン２７が流出開口部２５内に設けられる代わりに、トリートメント空洞部２１内又は抽気開口部２３内に設けられるようにしても構わない。
【００３１】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００３２】
(i)  通常の作用
遠心圧縮機１を運転する場合には、ロータ軸１３の回転によってインペラ９を一体的に回転させることにより、吸入口１７からインペラ９側に吸入した空気Ａを遠心力を利用して圧縮すると共に、圧縮した空気Ａをディフューザ流路１９から昇圧して排気することができる。
【００３３】
遠心圧縮機１の運転中に、吸入口１７から吸入される空気Ａの流量（実際の流量）が少なくなると、インペラ９側へ吸入した空気Ａの一部が抽気開口部２３内に抽気され、トリートメント空洞部２１内に流入する。そして、トリートメント空洞部２１内に流入した空気Ａは、抽気開口部２３側から流出開口部２５側へ流れて、流出開口部２５からインペラ９の入口側へ流出する。これにより、インペラ９側へ吸入した空気Ａの一部を流出開口部２５と抽気開口部２３との間で循環させて、インペラ９側へ吸入される空気Ａの見かけの流量を実際の流量よりも多くすることができる。
【００３４】
(ii)  特有の作用
遠心圧縮機１の圧力比に相関するものとして断熱ヘッドＨがあり、断熱ヘッドＨが大きくなると遠心圧縮機１の圧力比が大きくなるようになっている。そして、断熱ヘッドＨは、次式によって示される。
【００３５】
Ｈ＝η（Ｕ2Ｃｕ2−Ｕ1Ｃｕ1）Ｇ      ‥‥式(1)
η：圧縮機効率
Ｕ2：ブレード出口周速（インペラ出口周速）
Ｃｕ2：ブレード出口絶対速度（インペラ出口絶対速度）の周方向成分
Ｕ1：ブレード入口周速（インペラ出口周速）
Ｃｕ1：ブレード入口絶対速度（インペラ入口絶対速度）の周方向成分
Ｇ：空気の流量
インペラ９の入口で旋回流がない場合には、ブレード入口絶対速度の周方向成分Ｃｕ1を無視することができ、式(1)を次式に置き換えることができる。
【００３６】
Ｈ＝ηＵ2Ｃｕ2Ｇ                      ‥‥式(2)
各ブレード１５の後縁１５ｒ側の羽根厚中心線１５ｃがインペラ９の径方向Ｄ２に対してインペラ９の回転方向Ｄ３側へ傾斜してあるため、前述の式(2)を考慮すると、インペラ９の半径を縮小して、インペラ９の周速を下げても、一般的な遠心圧縮機（１０１）のようにインペラ（１０５）の径方向Ｄ２に対してインペラ（１０５）の回転方向Ｄ３の反対側へ傾斜している場合に比べて（図３（ｂ）参照）、図３（ａ）に示すように、ブレード出口絶対速度の周方向成分Ｃｕ2を高めて、設計点付近における断熱ヘッドＨを十分に確保することができる。
【００３７】
ここで、図３（ａ）（ｂ）において、Ｃ2は、ブレード出口絶対速度（インペラ出口絶対速度）であって、Ｖ2は、ブレード出口相対速度（インペラ出口相対速度）である。
【００３８】
各ブレード１５の後縁１５ｒ側の羽根厚中心線１５ｃがインペラ９の径方向Ｄ２に対してインペラ９の回転方向Ｄ３側へ傾斜してあるため、前述の式(1)を考慮すると、サージ近傍において、ブレード出口絶対速度の周方向成分Ｃｕ2が小さくなって、サージ近傍における断熱ヘッドＨが低下する傾向にある（図３（ａ）参照）。一方、各フィン２７がインペラ９の径方向に対してインペラ９の回転方向の反対側へ傾斜しているため、流出開口部２５から流出する空気Ａにインペラ９の回転方向Ｄ３の反対方向の旋回（旋回流）を与えることができ、図４（ａ）に示すように、ブレード入口絶対速度の周方向成分Ｃｕ1の負の値が大きくすることができる。これにより、結果的にサージ近傍における断熱ヘッドＨの低下を十分に抑えて、サージ近傍における断熱ヘッドＨを設計点における断熱ヘッドＨよりも高くすることができる。
【００３９】
なお、一般的な遠心圧縮機（１０１）のように各ブレード（１０９）の後縁側の羽根厚中心線（１０９ｃ）がインペラ（１０５）の径方向Ｄ２に対してインペラ（１０５）の回転方向Ｄ３の反対側へ傾斜している場合には、サージ近傍において、ブレード入口絶対速度の周方向成分Ｃｕ1が生じないものの（図４（ｂ）参照）、前述の式(2)を考慮すると、ブレード出口絶対速度の周方向成分Ｃｕ2が大きくなって（図３（ｂ）参照）、サージ近傍における断熱ヘッド十分に確保することができる。
【００４０】
ここで、図４（ａ）（ｂ）において、Ｃ１は、ブレード入口絶対速度（インペラ入口絶対速度）であって、Ｖ１は、ブレード入口相対速度（インペラ入口相対速度）である。
【００４１】
(iii)  実施形態の効果
本発明の実施形態によれば、サージ近傍における断熱ヘッドＨの低下を十分に抑えつつ、インペラの半径を縮小して、インペラの周速を下げても、設計点付近における断熱ヘッドＨを十分に確保できるため、遠心圧縮機１の作動の安定性を十分に確保した上で、遠心圧縮機１の圧力比を高めつつ、インペラ９等と空気Ａとの摩擦損失を低減して、遠心圧縮機１の圧縮機効率を向上させると共に、空気Ａとの摩擦によるインペラ９の一部の温度上昇を抑えて、遠心圧縮機１の耐久性を向上させることができる。
【００４２】
また、インペラの半径を縮小しても、設計点付近における断熱ヘッドＨを十分に確保できるため、遠心圧縮機１の小型化及び軽量化を十分に促進することができる。
【００４３】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
【符号の説明】
【００４４】
１      遠心圧縮機
３      ハウジング
５      ハウジング本体
５ｓ    シュラウド
７      シールプレート
９      インペラ
９ｃ    軸心
１１      ディスク
１５      ブレード
１５ｃ    羽根厚中心線
１５ｆ    ブレードの前縁
１５ｒ    ブレードの後縁
１７      吸入口
１９      ディフューザ流路（排気流路）
２１      トリートメント空洞部
２３      抽気開口部
２５      流出開口部
２７      フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013040587.tif 000005
【図４】
2013040587.tif 000006
【図５】
2013040587.tif 000007
【図６】
2013040587.tif 000008