(57)【要約】【課題】  周囲流体の圧力変動を抑制することにより羽根車の振動を低減し、安全な運転が可能な遠心圧縮機を提供する。【解決手段】  ケーシング１と、該ケーシング内に回転可能に設けられ、少なくとも１段の羽根車３を有するロータと、前記ケーシングの前記羽根車の下流にディフューザ７とを備え、前記ロータの回転により気体を圧縮する遠心圧縮機において、羽根車主板に対向するケーシング面９，側板に対向するケーシング面１０の少なくとも一方に、消音手段を設ける。好ましくは、前記消音手段の卓越する周波数を、羽根車羽根枚数とロータ回転周波数との積で決まる羽根通過周波数、若しくは、その整数倍の周波数に基づいて設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられ、少なくとも１段の羽根車を有するロータと、前記ケーシングの前記羽根車の下流にディフューザとを備え、前記ロータの回転により気体を圧縮する遠心圧縮機において、
前記羽根車の主板又は側板に対向する前記ケーシングの面の少なくとも何れか一方の面に、消音手段を設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の遠心圧縮機であって、
前記消音手段は、前記面上に形成された複数の孔と、前記複数の孔の下面に形成された空洞とで構成されたことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項３】
請求項１に記載の遠心圧縮機であって、
前記消音手段は、前記面上に形成されたスリットと、前記スリットの下面に形成された空洞とで構成されたことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の遠心圧縮機であって、
前記空洞の内部に吸音部材を設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項５】
請求項１に記載の遠心圧縮機であって、
前記消音手段の卓越する周波数は、羽根車羽根枚数とロータ回転周波数との積で決まる羽根通過周波数、又は前記羽根通過周波数の整数倍の周波数に基づいて設定した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、遠心圧縮機に係わり、特に、羽根車周囲の流体の圧力変動を抑制することにより、羽根車の共振を防止して、安全に運転可能な遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、一軸多段遠心圧縮機は、ケーシングと、このケーシング内に回転可能に設けられた回転軸及びこの回転軸に装着された複数段の羽根車を有するロータとを備え、ロータの回転により気体を圧縮する。ケーシングには羽根車の下流にディフューザが設けられ、ディフューザには圧縮機の効率向上のために案内羽根が設けられることが多い。羽根車の羽根がディフューザの案内羽根の近傍を通過する際に、羽根枚数とロータ回転周波数との積で決まる羽根通過周波数の圧力変動が発生する。この圧力変動の周波数が羽根車の固有振動数に一致すると、共振により羽根車が破損する可能性がある。共振による羽根車の破損を防止するために、加振周波数と固有振動数を離調する避共振設計が行われている。
【０００３】
また、構造物の振動を低減する技術として、固有振動数を加振周波数にチューニングした２次振動系を取り付ける動吸振器が一般に知られている。流体の脈動を低減する技術としては、消音器が一般に知られている。消音器の出入り口を結ぶ管路の急膨張と急縮によって音の干渉を引き起こし減音効果を得る膨張形消音器と、空洞における共鳴を利用して、単一の、若しくは集中して設けられた孔において音を打ち消す共鳴形消音器がある。膨張形および共鳴形消音器は、どちらもその形状およびサイズによって周波数に依存した減音特性を示すが、膨張形消音器は比較的広い周波数範囲を減音することが可能である。一方、共鳴形消音器では減音効果のある周波数範囲が狭いが、下記数１で表される共鳴周波数において高い減音効果を発揮する。
【０００４】
【数１】
2009264205.tif 000003
【０００５】
但し、ｆを共鳴周波数、ｃを作動流体の音速、Ｓを孔部断面積、ｌを孔部長さ（開口端補正分を含む）、Ｖを空洞部容積とする。
【０００６】
一方、羽根車主板に対向するケーシング面およびに側板に対向するケーシング面に吸音材を設けることで、隙間での共鳴現象を抑制し騒音を低減しようとするものに特開２００２−１６１８９７号公報がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１６１８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧縮ガスが、例えば１０ＭＰａ以上の高圧になると、流体加振力が大きくなる傾向にある。さらに、流体と羽根車の連成効果により羽根車の固有振動数が変化するため、避共振設計が難しくなる。遠心圧縮機において、羽根車は高速で回転しているため、羽根車への動吸振器の取り付けは困難である。
【０００９】
また、吸音材を設けることは、羽根車と周囲流体の連成振動に対して、減衰を付加する効果はあるものの、共振を防止し羽根車の振動を低減する効果は十分とは言えない。
【００１０】
本発明の目的は、周囲流体の圧力変動を抑制し羽根車の振動を低減することにより、安全な運転が可能な遠心圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられ、少なくとも１段の羽根車を有するロータと、前記ケーシングの前記羽根車の下流にディフューザとを備え、前記ロータの回転により気体を圧縮する遠心圧縮機において、前記羽根車の主板又は側板に対向する前記ケーシングの面の少なくとも何れか一方の面に、消音手段を設けた。
【００１２】
上記（１）において、好ましくは、前記消音手段の卓越する周波数を、羽根車羽根枚数とロータ回転周波数との積で決まる羽根通過周波数、若しくは、その整数倍の周波数に基づいて設定する。
【００１３】
上記（２）において、好ましくは、前記消音手段は、複数の孔、若しくは、スリットと、それらを連通する空洞からなる、膨張形の消音手段である。
【００１４】
上記（２）において、好ましくは、前記消音手段は、孔と独立した空洞からなる、共鳴形の消音手段である。
【００１５】
上記（３）、若しくは、上記（４）において、好ましくは、空洞の内部に吸音部材を内貼する、若しくは、充填する。
【００１６】
上記（３）、若しくは、上記（４）において、好ましくは、前記孔、若しくは、前記スリットを、前記ロータの回転中心を中心とする同一円周上に設け、該円周は、羽根車の主板と主板に対向するケーシングとの隙間（以降、主板側間隙と称す）、あるいは、羽根車の側板と側板に対向するケーシングとの隙間（以降、側板側間隙と称す）の内部に存在する流体と前記羽根車とからなる連成振動系の固有振動モードのうち、運転時に励振される振動モードの圧力変動の腹と同一半径とする。
【００１７】
上記（６）において、好ましくは、孔の数を、前記励振される振動モードの節直径数の４倍以上とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、主板、若しくは、側板に対向するケーシング面の少なくとも一方に消音手段を設けることで、羽根車と連成振動する周囲流体の圧力変動を抑制し、結果として、羽根車の振動を低減できるため、流体加振力が大きくなる高圧条件下でも、安全な運転が可能である。
【００１９】
また、消音手段の卓越する周波数を羽根通過周波数、若しくは、その整数倍の周波数に基づいて設定することにより、羽根車と周囲流体の連成振動系に対して動吸振器を設置するのと同様の効果が得られ、羽根車の共振を防止し、安全な運転が可能である。
【００２０】
また、複数の孔、若しくは、スリットとそれらを連通する空洞とによって、消音器を形成することにより、幅広い周波数範囲での振動低減効果が得られる。
【００２１】
また、孔と、独立した空洞とによって消音器を形成することによって、共振周波数において、より大きな振動低減効果が得られる。
【００２２】
さらに、上記空洞の内部に吸音部材を内貼する、もしくは、充填することにより、圧力変動のエネルギーを吸音部材で消費するとともに、消音器内の流体に減衰を付加することができるので、振動低減効果が増加する。
【００２３】
さらにまた、上記孔、若しくは、上記スリットを圧力変動の腹に配置することにより、振動低減の効果が増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の各実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、第２実施例以降の実施例においては第１実施例と重複する説明を省略する。
【００２５】
図１は、本発明の遠心圧縮機の第１実施形態における一羽根車段の羽根車周囲の詳細構造を表す断面図であり、図２には、全体構造を表す断面図を示す。
【００２６】
図２において、遠心圧縮機は、ケーシング１（静止体）と、このケーシング１内に回転可能に設けられた回転軸２及びこの回転軸２に装着された例えば複数段（図２では７段）の羽根車３を有するロータ１５（回転体）とを備えている。ケーシング１には、１段目の羽根車３に気体を導入する吸込流路１６と、各段の羽根車３から出た気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ７と、このディフューザ７からの圧縮気体を次段の羽根車３に導入する戻り流路１７と、最終段の羽根車３から出た気体を吐出する吐出流路１８とが形成されている。
【００２７】
ロータ１５の回転軸２は、吸込側（図２中左側）端部及び吐出側（図２中右側）端部に設けられたラジアル軸受１９を介し回転可能に支持されている。また、回転軸２の吸込側端部にはスラスト荷重を受けるスラスト軸受２０が設けられ、吐出側端部にはスラスト荷重を相殺するバランスピストン２１が設けられている。また、回転軸２の吐出側端部にはモータ等の駆動機（図示せず）が連結されており、この駆動機の駆動によってロータ１５が回転するようになっている。そして、ロータ１５の回転により、気体が吸込流路１６から吸い込まれ、複数段の羽根車３で順次圧縮され、最終的に吐出流路１８から吐出されるようになっている。
【００２８】
図１において、羽根車３は回転軸２に装着されており、円周方向に複数の羽根６が設置されている。羽根車の下流の外周方向には全周にわたりディフューザ７が設けられ、案内羽根８が設置されている。案内羽根８は、円形翼列形状に複数枚設置されている。
【００２９】
羽根車３の周囲には、羽根車の主板４，側板５と、それぞれに対向する主板側ケーシング面９，側板側ケーシング面１０とで囲まれる主板側間隙１１，側板側間隙１２が存在する。本発明では、間隙１１，１２に生じる圧力変動を抑制するため、それぞれ主板側消音器１３，側板側消音器１４を設けた。
【００３０】
図３は、第１の実施例における主板側消音器１３の詳細構造を表す断面斜視図である。なお、側板側消音器１４も同様の構造である。
【００３１】
主板側消音器１３は主板側ケーシング面９に導通する複数の孔２２と、孔２２を円周方向に連通する消音器空洞２３とからなり、膨張形の消音器として、幅広い周波数範囲での消音効果が得られる。このとき、特に消音効果の高い周波数が羽根通過周波数、若しくは、その整数倍の周波数となるように、孔２２と消音器空洞２３の形状およびサイズを調整する。
【００３２】
運転時に励振される振動モードが、例えば２節直径の振動モードであるとする。図４は、有限要素法による流体と羽根車の連成振動解析により求めた、２節直径モードにおける主板側ケーシング面９の圧力分布の等高線図の例である。黒色で塗りつぶした部分が圧力変動の振幅が最も大きい部分（圧力変動の腹２９）であり、圧力変動の腹２９は圧力変動の最大点を含む基準円（円周）２４上となる。本振動モードには図４の腹２９と節３０が入れ替わった重根モードも存在する。
【００３３】
図５は、本実施例における主板側ケーシング面９を示す平面図である。複数の孔２２を基準円２４上に設ける。このような構造では、圧力変動の腹と同じ円周上に消音器の入口である孔２２を配置できるので、主板側間隙１１に生じる圧力変動を効果的に抑制することができる。また、孔２２の個数を節直径数２の４倍の８個とすることにより、図４の重根モードに対しても、圧力変動の腹に孔２２を配置でき、主板側間隙１１に生じる圧力変動を確実に抑制することができる。結果として、羽根車の振動を低減することができ、高圧条件下でも遠心圧縮機を安全に運転することが可能である。
【００３４】
なお、上記の実施例においては、消音器空洞２３を全周連通しているとして説明したが、例えば途中に仕切りを設けて複数の空洞に分けてもよい。また、上記の実施例においては、消音器を１円周上のみに配置した例を用いて説明したが、例えば半径の異なる２円周上に消音器を設けてもよい。また、半径の異なる２円周上の消音器の空洞部をお互いに一部、若しくは全部連通させてもよい。このような構造の消音器の例を、図６に示す断面斜視図により説明する。主板側消音器１３の入口となる複数の孔２２は第２の外周側基準円２４ａおよび第２の内周側基準円２４ｂの２円周上に設けられ、消音器空洞２３によって連通されている。また、消音器空洞２３は仕切り２５により複数の空間に分けられている。このように仕切りを設ける構造では、空洞部の容積をある程度制御できるので、消音器の卓越する周波数を羽根通過周波数、若しくは、その整数倍の周波数に設定できる。また、径方向に複数の消音器群を配置することにより、例えば、第２の内周側基準円２４ｂ上に圧力変動の腹が位置する振動モードにも対応することができる。
【００３５】
また、消音器空洞２３の内部に吸音部材を内貼する、若しくは、充填することによって、振動減衰効果が増大する。
【００３６】
また、節直径を有する振動モードの振動を低減するためには、消音器を周方向に分布させればよく、必ずしも同心円周上に配置しなくてもよい。
【００３７】
さらにまた、側板の無いオープン羽根車の場合でも、主板側に消音器を設けることにより同様の効果が得られる。
【００３８】
図７は、本発明の第２実施形態における消音器空洞２３の詳細構造を表す断面斜視図である。主板側消音器１３は主板側ケーシング面９に導通する円形のスリット２６と、スリット２６に連通する消音器空洞２７とからなり、膨張形の消音器として、幅広い周波数範囲での消音効果が得られる。このとき、特に消音効果の高い周波数が羽根通過周波数、若しくは、その整数倍の周波数となるように、スリット２６と消音器空洞２７の形状およびサイズを調整する。
【００３９】
図８は、本実施例における主板側ケーシング面９を示す平面図である。スリット２６の基準円が圧力変動の最大点を含む基準円（円周）２４と一致するようにする。
【００４０】
このような構造では、圧力変動の腹の位置に、常に消音器の入口であるスリット２６を配置できるので、効果的かつ確実に振動を低減可能である。
【００４１】
なお、実施例１と同様に、消音器空洞２７の一部に仕切りを設けても良いし、径方向に複数の消音器群を設けても良い。
【００４２】
図９は、本発明の第３実施形態における主板側消音器１３の詳細構造を表す断面斜視図である。
【００４３】
主板側消音器１３は、主板側ケーシング面９に導通する孔２２と、消音器空洞２８とからなり、１つの空洞には１つの孔を設ける。このとき主板側消音器１３は共鳴形の消音器として働き、特定の共鳴周波数前後において、大きな消音効果が得られる。
【００４４】
本実施例では、消音器の共鳴周波数を、羽根車羽根枚数とロータ回転数との積で決まる羽根通過周波数、若しくは、その整数倍の周波数と合致するように設定する。
【００４５】
なお、実施例１と同様に、径方向に複数の消音器群を設けてよい。また、消音器空洞２８の形状は円柱形状を例にとって説明したが、例えば、径方向に伸びる楕円柱形状でもよいし、角柱形状でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の遠心圧縮機の実施形態における羽根車付近の詳細構造を表す断面図である。
【図２】本発明の遠心圧縮機の実施形態の全体構造を表す断面図である。
【図３】本発明の遠心圧縮機の第１実施形態における主板側消音器１３の詳細構造を表す断面斜視図である。
【図４】有限要素法による流体と羽根車の連成振動解析により求めた、２節直径モードにおける主板側ケーシング面９の圧力分布の等高線図の例である。
【図５】本発明の遠心圧縮機の第１実施形態における主板側ケーシング面９を示す平面図である。
【図６】本発明の遠心圧縮機の第１実施形態の別の例による主板側消音器１３の詳細構造を表す断面斜視図である。
【図７】本発明の遠心圧縮機の第２実施形態における主板側消音器１３の詳細構造を表す断面斜視図である。
【図８】本発明の遠心圧縮機の第２実施形態におけるケーシング面９を示す平面図である。
【図９】本発明の遠心圧縮機の第３実施形態における主板側消音器１３の詳細構造を表す断面斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ケーシング
２  回転軸
３  羽根車
４  羽根車主板
５  羽根車側板
６  羽根車羽根
７  ディフューザ
８  ディフューザ案内羽根
９  羽根車主板に対向するケーシング面
１０  羽根車側板に対向するケーシング面
１１  羽根車の主板と主板に対向するケーシングとの隙間（主板側間隙）
１２  羽根車の側板と側板に対向するケーシングとの隙間（側板側間隙）
１３  主板側消音器
１４  側板側消音器
１５  ロータ
１６  吸込流路
１７  戻り流路
１８  吐出流路
１９  軸受
２０  スラスト軸受
２１  バランスピストン
２２  孔
２３，２７，２８  消音器空洞
２４  基準円
２４ａ  第２の外周側基準円
２４ｂ  第２の内周側基準円
２５  仕切り
２６  スリット
２９  圧力変動の腹
３０  圧力変動の節
【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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【図７】
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【図８】
2009264205.tif 000011
【図９】
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