(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラ（１２）とこの出口側のディフューザ（１４）とを有するターボ型圧縮機（７）の不安定作動領域感知装置において、
感知機体（２２）と、
該感知機体（２２）内に貫設された第１の圧力管（２５）と第２の圧力管（２６）と、
両圧力管（２５，２６）の同じ側の端部に形成され所定の間隔を置いて該感知機体（２２）の一平端面で開口する第１の圧力取出し孔（２５ａ）と第２の圧力取出し孔（２６ａ）と、
該感知機体（２２）の該平端面に両取出し孔（２５ａ，２６ａ）間を横切って設けられた分割膜（２８）と
を有する不安定作動領域感知機（２０）より成り、
該感知機（２０）を、該分割膜（２８）の長手方向が該インペラ（１２）の回転軸に平行になるように該ターボ型圧縮機（７）内の該インペラ（１２）の入口側に、又は該分割膜（２８）の長手方向が該インペラ（１２）から流出する流体の流れ方向と平行になるように該インペラ（１２）の出口側のディフューザ（１４）に設け、該第１及び第２の圧力取出し孔（２５ａ，２６ａ）間の圧力差が該ターボ型圧縮機（７）が該不安定作動領域（１０）で作動しているか否かを検出することを特徴とするターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の圧力取出し孔（２５ａ，２６ａ）間の圧力をモニタして前記ターボ型圧縮機の安定性及び非安定性を検出するモニタを前記圧力感知機（２０）に接続したことを特徴とする請求項１に記載のターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の圧力取出し孔（２５ａ，２６ａ）間の圧力差が前記ターボ型圧縮機（７）が不安定作動領域で作動していることを示す場合は、それを運転者に直ちに警告する警告手段を前記圧力感知機（２０）に接続することを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ型圧縮機の作動中に頻発する旋回失速及びサージ(surge)を迅速且つ簡単に感知するための感知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ターボ型圧縮機において、その作動流体の作動流量が次第に減少し、所定の流量以下になると旋回失速及びサージが発生する。これらの発生は圧縮機システムの性能を悪化させ、最悪の場合は圧縮機システムに致命的な機械的損傷を生じる恐れがある。そこで、かかる旋回失速及びサージの発生を迅速且つ正確に感知し、これらを解消することが何よりも重要である。
【０００３】
旋回失速及びサージ領域を感知するために、従来は、高周波用圧力センサ又は振動センサ及び信号分析システムなどから成る感知装置を用いるが、これらのセンサは高価であるため感知装置の製造コストが高くなること、信号分析システムの操作には高度の技法を必要とすること、このシステムの維持・保守に高額の費用がかかることなどの問題があった。これらの問題を克服するために、構造、操作、維持・保守が簡単で、信頼性が高く、且つ、経済的で新規なターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置及び感知方法が要求されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高価な高周波用圧力センサ又は振動センサ及び複雑な分析システムを用いる従来の感知装置に代えて、構成・操作が簡単で、製造コスト・維持・管理費が少なく、信頼性の高い新規なターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本発明に基づくターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置は、感知機体と、この感知機体内に貫設された第１の圧力管と第２の圧力管と、両圧力管の同じ側の端部に形成され所定の間隔を置いて感知機体の一平端面で開口する第１の圧力取出し孔と第２の圧力取出し孔と、感知機体の該平端面に両取出し孔間を横切って設けられた分割膜とを有する不安定作動領域感知機より成り、この不安定作動領域感知機を、分割膜の長手方向がインペラの回転軸に平行になるようにターボ型圧縮機内のインペラの入口側に、又は分割膜の長手方向がインペラから流出する流体の流れ方向と平行になるようにインペラの出口側のディフューザに設け、該第１及び第２の圧力取出し孔間の圧力差で該ターボ型圧縮機が不安定作動領域で操作しているか否かを検出するように構成される。
【０００６】
第１及び第２の圧力取出し孔間の圧力をモニタしてターボ型圧縮機の安定性及び非安定性を検出するモニタを圧力感知機に接続することが望ましい。
【０００７】
また、第１及び第２の圧力取出し孔間の圧力差が前記ターボ型圧縮機が不安定作動領域で作動していることを示す場合は、それを運転者に直ちに警告する警告手段を前記圧力感知機に接続することが望ましい。
【０００８】
感知機２０は、インペラの入口側かインペラの出口側のディフューザに設けられる。何れの場合も、ターボ型圧縮機が安定作動領域で作動している時には、インペラの入口側に入ってくる作動流体の流れ方向が分割膜の長手方向と実質的に一致するので、第１及び第２の圧力取出し孔間に圧力差が生じない。これに対して、旋回失速やサージが発生してターボ型圧縮機が不安定作動領域で作動している時は、作動流体の流れ方向が分割膜の長手方向に一致しないので、第１及び第２の圧力取出し孔間に圧力差が生じる。この圧力差をＵ管に直接連結するか電気信号化してモニタに表示すると、この圧力差が生じてターボ型圧縮機が不安定作動領域で作動していることを認識することができ、例えば、モニタ、ディスプレー、ランプ又はブザーによって運転者に警告することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に基づくターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置の一実施形態について詳述する。
【００１０】
図１と２は、それぞれ、本発明のターボ型圧縮機用不安定作動領域感知装置の一実施形態の正面図と側面図である。
【００１１】
このターボ型圧縮機用不安定作動領域感知機２０（以下、単に感知機２０という）は、図３の縦断面図及び図４の横断面図に示すように、ターボ型圧縮機７に設けられる。ターボ型圧縮機７（以下、単に圧縮機７という）は、インペラ１２とこの出口側のディフューザ１４と、圧縮機７の入口の吸入管８と、出口３０を備えたボリュート３１とを有する。ディフューザ１４はインペラ１２の出口側に位置し、出口３０に連なっている。そして、感知機２０は吸入管８内のインペラ１２の入口部に配設されている。作動流体は吸入管８から圧縮機７に導入され、ディフューザ１４に入ってインペラ１２を回転させ、ボリュート３１の出口３０から排出される。この際感知機２０が作動流体の流れ方向に応じて圧力差を検出する。
【００１２】
感知機２０は、図１及び２に示すように、感知機体２２と、この感知機体２２の軸方向に貫設された第１の圧力管２５と第２の圧力管２６と、感知気体２２の先端の平面（平端面）で所定の間隔を置いて開口する、第１及び第２の圧力管２５，２６の一端部を成す第１の圧力取出し孔２５ａと第２の圧力取出し孔２６ａと、これらの両圧力取出し孔２５ａ，２６ａ間を横切る分割膜２８とを有する。
【００１３】
第１及び第２の圧力管２５，２６の他端は、図示しない圧力センサ又はＵ字型圧力管に接続され、両圧力取出し孔２５ａ，２６ａ内に発生する圧力を電気的信号や視覚的信号として表示できるようになっている。
【００１４】
感知機２０を、図３，４に示すように、その分割膜２８の長手方向がインペラ１２の軸方向に平行になるように、圧縮機７の吸入管８内のインペラ１２の、作動流体の入口側に配設する。
【００１５】
圧縮機７の出口３０における作動流体の流速（出力速度）を種々に設定して感知機２０を図４で矢印Ａで示す方向に回転させて、感知機回転角−標準圧力差特性曲線を作成した。この特性曲線が図５に示されている。出力速度は１３ｍ／ｓ、２９ｍ／ｓ、４８ｍ／ｓ、８１ｍ／ｓの４種、矢印Ａの方向への感知機２０の回転角は−１８０°から１８０°である。又、標準圧力差は（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐｔ−Ｐｓ）  （ただし、Ｐ１は第１の圧力取出し孔２５ａの圧力、Ｐ２は第２の圧力取出し孔２６ａの圧力、Ｐｔは総圧力、Ｐｓは静圧力である）として定義され、無次元の値である。
【００１６】
図５から明らかなように、各出力速度の特性曲線は同形であり、同一回転角度において標準圧力差はほぼ等しい。即ち、感知機回転角−標準圧力差特性は、出力速度に関わりなく感知機回転角に従属した特性を示している。従って、圧縮機の容量・大きさ及びインペラの回転数に実質的に関係なく、この感知機２０を圧縮機７に用いることができる。
【００１７】
図６は、圧縮機７の流量係数−静圧上昇係数特性曲線であり、流量係数が１．３以下の場合は、圧縮機７は不安定作動領域１０で操作し、１．３を超える場合は圧縮機７は安定作動領域９で操作する。なお、ここで、流量係数は流量／（πｘインペラ直径ｘインペラ出力幅ｘインペラ速度）と、また、静圧上昇係数は圧力差／｛流体密度ｘ（インペラ速度）２  ／２｝として定義される。図中Ａ，Ｂ，Ｃは圧縮機７の安定作動領域９における作動点の例を、Ｄ，Ｅは圧縮機７の不安定作動領域１０における作動点の例を示す。
【００１８】
図７（Ａ）は、圧縮機７が安定作動領域９内の作動点Ａ，Ｂ，Ｃで作動する場合の感知機回転角度−標準圧力差特性を示す。この特性図においても、作動点が安定作動領域９内にある限り、作動点に実質的に関わりなく、感知機２０の回転角に対応してサイン曲線状に変化する。即ち、図７（Ａ）から明らかなように、感知機２０の回転角が０°の場合、標準圧力差は実質的に０になる。このことは、感知機２０の回転角が０°の場合、第１及び第２の圧力取出し孔２５ａ，２５ｂ間の圧力差が実質的に０であることを意味する。これは、図７（Ｂ）に示すように、作動流体が、インペラ１２の回転軸と平行に設定された分割膜２８に平行に流入するため、第１及び第２の圧力取出し孔２５ａ，２５ｂ間に圧力差が発生しないからである。これから明らかなように、感知機２０の回転角が０°の場合、標準圧力差が０であれば、圧縮機７は安定作動領域９内で正常に作動していることになる。
【００１９】
図８（Ａ）は、圧縮機７が不安定作動領域１０内の作動点Ｄ，Ｅで作動する場合の感知機回転角度−標準圧力差特性を示す。この特性図においても、作動点が不安定作動領域１０内にあると、作動点に実質的に関わりなく、感知機２０の回転角に対応してコサイン曲線状に変化する。即ち、図８（Ａ）から明らかなように、感知機２０の回転角が０°の場合、標準圧力差が最大になる。このことは第１及び第２の圧力取出し孔２５ａ，２５ｂ間の圧力差が感知機２０の回転角が０°の場合、実質的に最大になることを意味する。これは、図８（Ｂ）に示すように、作動流体が、インペラ１２の回転軸と平行に設定された分割膜２８に実質的に直角に流入するため、第１及び第２の圧力取出し孔２５ａ，２５ｂ間に最大の圧力差が発生するからである。これから明らかなように、感知機２０の回転角が０°の場合、標準圧力差が最大になると、圧縮機７は不安定作動領域１０内で操作していることになるから、圧縮機７が旋回失速又はサージが発生する状態にあることが示される。
【００２０】
感知機２０をその回転角度が０°になるように設定し、感知機２０の第１及び第２の圧力管２５，２６に圧力測定用のＵ字管や他の適切な圧力測定装置を接続し、第１及び第２の圧力取出し孔２５ａ，２６ａにおける圧力を電子的に又は理論回路的に処理してこれらの圧力差をモニタ又はディスプレーに電子的に又は視覚的に表示する。標準圧力差が図８（Ａ）の最大値又はその近傍になると、圧縮機７は不安定状になっていることを示すので、圧縮機７を正常状態へ復帰させるようにする。このようにして、旋回失速やサージの発生を回避することができる。
【００２１】
第１及び第２の圧力取出し孔２５ａ，２６ａ間の圧力差をモニタに又はディスプレーに表示したり、圧縮機７の作動状態が不安定作動領域１０になったときには警告手段であるランプが点灯したりブザーが鳴ったりするようにすることができる。かくして、現在の圧縮機の運転状態が安定作動領域で作動しているか不安定作動領域で作動しているかを検出することができる。
【００２２】
図９及び１０は、それぞれ、感知機２０をインペラ１２の出口側のディフューザ１４に設けた実施形態の縦断面図及び横断面図を示す。感知機２０は、その分割膜２８の長手方向がインペラ１２から流出する作動流体の流れ方向と平行になるように配置されており、この状態にある感知機２０の回転角を０°とする。この実施形態も、図５，７（Ａ），８（Ａ）の特性図と同等の特性図を示し、図３、４の実施形態と同様の作用が達成される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に基づくターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置は、構成が極めて簡単であり製造が安価かつ容易であるという効果がある。また、この感知装置は複雑で高価な電気装置及び電子装置ではないので、保守・点検・取扱いが容易でそのために大きな費用も必要でなく信頼性も高いという効果もある。更に、圧縮機の容量や大きさ、インペラの回転数に関わりなく、本発明の感知装置をいずれの圧縮機にも用いることができ、同一の特性で圧縮機が安定作動領域にあるか不安定作動領域にあるかを検出することができるという効果もある。加えて、モニタやディスプレーを用いて、又はランプやブザーの警報手段を用いて、圧縮機が不安定状態になったとき、そのことを迅速に検出して圧縮機を安定状態にセットし直すことが可能で、圧縮機の性能低下を防止し、圧縮機システムを致命的な機械的損傷から防止できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくターボ型圧縮機の不安定作動領域感知装置に一実施形態の正面図である。
【図２】図１の感知装置の側面図である。
【図３】図１の感知装置を作動流体の入口側に装着したターボ型圧縮機の縦断面図である。
【図４】図３の圧縮機の横断面図である。
【図５】作動流体の流体速度毎の感知装置の感知機回転角度−標準圧力差特性曲線図である。
【図６】圧縮機の安定作動領域と不安定作動領域を流量係数−静圧上昇係数特性図で示す図である。
【図７】（Ａ）は、圧縮機の安定作動領域における感知装置の感知機回転角度−標準圧力差特性曲線図であり、（Ｂ）は、圧縮機の安定作動領域において感知機の回転角を０°とした時の感知機のインペラに対する配置関係を示す図である。
【図８】（Ａ）は、圧縮機の不安定作動領域における感知装置の感知機回転角度−標準圧力差特性曲線図であり、（Ｂ）は、圧縮機の不安定作動領域において感知機の回転角を０°とした時の感知機のインペラに対する配置関係を示す図である。
【図９】図１の感知装置を作動流体の出口側に装着したターボ型圧縮機の実施形態の縦断面図である。
【図１０】図９の圧縮機の横断面図である。
【符号の説明】
７         ターボ型圧縮機
８         吸入管
９         安定作動領域
１０         不安定作動領域
１２         インペラ
１４         ディフューザ
２０         感知機
２２         感知機体
２５         第１の圧力管
２５ａ       第１の圧力取出し孔
２６         第２の圧力管
２６ａ       第２の圧力取出し孔
２８         分割膜
３０         出口
３１         ボリュート
【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】
0003787078.tif 000008
【図８】
0003787078.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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