(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根つきディフューザを備えた遠心圧縮機の壁面境界層剥離部であるディフューザのスロート部にバイパス孔を形成し、このバイパス孔と圧縮機吸込み側の低圧力部とを連通するバイパス流路を設け、前記ディフューザのスロート部のバイパス孔の総断面積を表す数値をスロート部の総入り口幅を表す数値の２０％以下としたことを特徴とするディフューザつき遠心圧縮機。
【請求項２】
前記圧縮機の吸込み側の低圧力部をインペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路としたことを特徴とする請求項１記載のディフューザつき遠心圧縮機。
【請求項３】
前記バイパス孔を複数の小径孔と、これら複数の小径孔の背部を連通する集合部とで構成したことを特徴とする請求項１または２記載のディフューザつき遠心圧縮機。
【請求項４】
前記バイパス流路にバイパス流量を制御する流量制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のディフューザつき遠心圧縮機。
【請求項５】
前記バイパス孔と前記圧縮機の吸込み側の低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比を変えて流量を制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディフューザを備えた遠心圧縮機の改良に関し、ディフューザのスロート部等の壁面境界層剥離部と圧縮機吸込み側のインペラの低圧力部等とをバイパス流路で連通して流量特性の改善を図るようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンやターボチャージャなどに用いられる遠心圧縮機では、効率向上を図るためディフューザが用いられており、たとえば図６（ａ）に示すように、コンプレッサハウジング１内にインペラ２が回転可能に支持され、コンプレッサハウジング１の空気入口から吸引した空気にインペラ２で遠心力を与え、その運動エネルギをディフューザ３および図示しないスクロール部で圧力エネルギに変換して送り出すようになっている。
【０００３】
このように運動エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザ３には、図６（ｂ）に示すように、羽根４のあるものと羽根のないものがあり、羽根なしディフューザでは、比較的広い流量範囲での使用が可能であるが、その効率や圧縮比向上は羽根付きディフューザ（ベーンドディフューザ）に比べて小さい。
【０００４】
そこで、羽根つきディフューザのベーンを可変構造とした可変ディフューザを用いてスロート面積を変化させて流量特性を改善することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、可変ディフューザを用いると、ベーンと固定側のハウジングとの間にベーンを動かすための隙間が必要であり、この隙間部分の二次流れによって損失が生じたり、迎え角の変化による流れの剥離（壁面境界層の剥離）などが発生し、設計点以外での効率低下を招くなどの問題がある。
【０００６】
また、羽根なしディフューザにおいても流れの局所的な境界層の剥離が生じる問題がある。
【０００７】
この発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたもので、羽根つきディフューザのベーンの形状や取付構造などを変えずに流量特性を改善することができるとともに、羽根なしディフューザの流量特性を改善することもできるディフューザつき遠心圧縮機を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためこの発明の請求項１記載のディフューザつき遠心圧縮機は、羽根つきディフューザを備えた遠心圧縮機の壁面境界層剥離部であるディフューザのスロート部にバイパス孔を形成し、このバイパス孔と圧縮機吸込み側の低圧力部とを連通するバイパス流路を設け、前記ディフューザのスロート部のバイパス孔の総断面積を表す数値をスロート部の総入り口幅を表す数値の２０％以下としたことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明によれば、バイパス孔とバイパス流路によって圧縮機吸込み側のバイパスさせるとともに、バイパス孔の総断面積を表す数値をスロート部の総入り口幅を表す数値の２０％以下に制限するようにしており、境界層の剥離を防止して性能改善を図り、サージングを防止するなどの流量特性を向上するとともに、バイパス孔やバイパス流路による性能低下を１％以内に抑え、性能を確保しつつ流量特性を改善するようにしている。
【００１２】
また、この発明の請求項２記載のディフューザつき遠心圧縮機は、請求項１記載の構成に加え、前記圧縮機の吸込み側の低圧力部をインペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路としたことを特徴とするものである。
【００１３】
この発明によれば、インペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路の吸込み負圧を利用して効果的にバイパスさせることができ、確実にサージングを防止するなどの流量特性を向上するようにしている。
【００１４】
さらに、この発明の請求項３記載のディフューザつき遠心圧縮機は、請求項１または２記載の構成に加え、前記バイパス孔を複数の小径孔と、これら複数の小径孔の背部を連通する集合部とで構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
この発明によれば、バイパス孔を複数の孔とし、背部を集合部で連通するようにしており、バイパス孔による流れの乱れを極力防止して性能低下を防止するようにしている。
【００１８】
さらに、この発明の請求項４記載のディフューザつき遠心圧縮機は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加え、前記バイパス流路にバイパス流量を制御する流量制御手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１９】
この発明によれば、流量制御手段によってバイパス流量を変えることができるようになり、必要な吐出流量に応じた運転や運転回転数などに対応して効率的に運転できるようになる。
【００２０】
また、この発明の請求項５記載のディフューザつき遠心圧縮機は、請求項１〜４のいずれかに記載の構成に加え、前記バイパス孔と前記圧縮機の吸込み側の低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比を変えて流量を制御するようにしたことを特徴とするものである。
【００２１】
この発明によれば、開口比を適切に選ぶことで、バイパス流量を設定できるようになり、必要な流量特性を得ることができるようになる。
【００２２】
ここで、遠心圧縮機の壁面境界層剥離部とは、遠心圧縮機の吸込み側で流れの剥離が生ずる部分をいい、例えばディフューザのスロート部をあげることができる。
【００２３】
さらに、ディフューザのスロート部とは、隣接するベーンとの距離が最も小さい部分をいう。
【００２４】
また、圧縮機吸込み側の低圧力部とは、圧縮機の流体の吸引側で吸込み負圧が生じて低圧力となっている部分をいい、例えばインペラの外周が対向する部分やインペラへの吸込み流路の上流側をあげることができる。
【００２５】
さらに、ディフューザのスロート部のバイパス孔の総断面積をスロート部の総入り口幅の２０％以下とは、バイパス孔の総断面積とスロート部の総入り口幅の比で無次元の値ではないが、そのままの数値で表わして２０％以下にすることをいい、これ以上に大きくすると、本来の効率低下を招くことから限界値として定められる。
【００２６】
また、流量制御手段とは、流量を調整制御できるものをいい、バルブ等を用いることができる。
【００２７】
さらに、バイパス孔と前記インペラの低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比とは、バイパス孔の大きさとバイパス流路のインペラ側の取付部の面積の比をいい、これにより流量を制御することができるようにする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１はこの発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかり、（ａ）は主要部の断面図、（ｂ）は羽根つきディフューザ部分を抽出した正面図である。
【００２９】
このディフューザつき遠心圧縮機１０では、コンプレッサハウジング１１に回転可能に支持されたコンプレッサのインペラ１２の出側のコンプレッサハウジング１１に配置されるディフューザ１３が羽根つきの可変ディフューザで構成されており、図示しない可変機構を備えて羽根（ベーン）１３ａを動かすことができるようになっている。
【００３０】
この羽根つきの可変ディフューザ１３のスロート部１４、すなわち、隣接する羽根１３ａとの間の距離が最も小さい部分に遠心圧縮機の流体の主流の方向と垂直にバイパス孔１５が形成してあり、主流の一部をバイパス孔１５から分岐して流すことができるようになっている。そして、このバイパス孔１５に一端部を連通させてバイパス流路１６が接続され、他端部が圧縮機吸込み側の低圧力部であるインペラ１２のコンプレッサハウジング１１と対向する入り口部１７に接続してある。
【００３１】
したがって、インペラ１２でエネルギが加えられた流体（例えば、空気など）の一部が可変ディフューザ１３のスロート部１４で抽気されてインペラ１２の入り口部１７に戻されて再循環されることになり、インペラ１２を流れる流量に対してディフューザ１３を経て吐出される流体流量はバイパス孔１５からバイパス流路１６を流れる抽気流量の分だけ少なくなる。これにより、インペラ１２を流れる流量を確保しつつコンプレッサから吐出させる流量を減少させることができるとともに、ディフューザ１３のスロート部１４は遠心圧縮機の流量限界を決定する大きな要因であり、この部分からの抽気することにより、ディフューザ１３で生じるサージング及びチョークの流量限界を改善することができる。
【００３２】
このような流量特性の改善のため形成されるバイパス孔１５は、流量特性の改善効果が最も著しい部分に形成することが有効であり、例えば図１（ｂ）に示すように、ディフューザ１３のスロート部１４の３箇所のバイパス孔１５-1，１５-2，１５-3の３か所のうち実験結果などに基づきいずれか１箇所を選択して形成するようにすれば良い。
【００３３】
次に、ディフューザつき遠心圧縮機で一層の流量特性を改善使用とする場合について、図２により説明する。
【００３４】
このディフューザつき遠心圧縮機１０では、流量特性の改善のため形成されるバイパス孔１５は、インペラ１２からの主流を乱すことがないように形成することが望ましく１箇所の大きな孔で構成する場合に比べて、図２に示すように、複数のバイパス孔１５（図示例では、５個）で構成するようにすれば、主流の乱れを少なくして効率低下を最少限にすることができる。
【００３５】
そして、バイパス孔１５を複数個で構成する場合には、バイパス孔１５の背部となるコンプレッサハウジング１１に凹部を形成して各バイパス孔１５を連通する集合部１５ａとし、この集合部１５ａにバイパス流路１６の一端を接続するようにすれば良い。
【００３６】
また、一端をバイパス孔１５を連通する集合部１５ａに接続したバイパス流路１６の他端は、図１で説明したように、圧縮機のインペラ１２の外周部と対向するコンプレッサハウジング１１部分に連通する場合に替え、図２に示すように、インペラ１２への吸込み流路２０の上流側に接続するようにしても良く、この場合にも吸込み流路２０の吸入負圧によって有効にバイパスさせることができる。
【００３７】
さらに、このようにバイパス孔１５を複数で構成する場合のバイパス孔１５の個数および総断面積によって、サージング限界流量などの流量特性が変化するとともに、遠心圧縮機全体の効率も変化する。
【００３８】
そこで、バイパス孔１５として、図２（ｂ）に示したように、円周方向等間隔の４か所のスロート部１４に１か所当たり５個ずつ合計２０個の孔をあけ、その総断面積がスロート部１４の幅Ｂに対して１５％，３０％となるように変えて形成した性能特性の実験を行った。その結果を示したのが、図３および図４であり、図３は横軸が質量流量で縦軸が圧力比であり、圧縮機の回転数Ｎを設計回転数の４０％，５０％，７０％，８０％と変化させたものであり、図４は横軸が抽気面積比で縦軸が抽気面積比を０とした場合（抽気を行わない場合）を１００とした場合の効率比である。
【００３９】
これら実験から明らかなように、図３から抽気面積を増大することで、圧縮機のサージング限界流量を小さくすることができることが分かるが、一方で図４から抽気面積比の増大によって圧縮機の効率比の低下を招いてしまうことが分かる。
【００４０】
したがって、圧縮機の効率の低下を１％以内に抑えるためには、バイパス孔１５の総断面積をスロート部１４の幅Ｂに対して２０％以下にすれば良く、こうすることによってサージング限界などの流量特性を改善しつつ効率低下を許容できる範囲内に抑えることができる。
【００４１】
さらに、この発明では、図２および図４に示すように、バイパス孔１５とインペラ１２の吸込み流路２０の上流またはインペラ１２の外周の入り口部１７とを連通するバイパス流路１６に流量制御手段としてのバルブ１８と制御装置１９とを介装し、バイパス孔１５から抽気する流量を制御装置１９によるバルブ１８の開度調整により制御する。
【００４２】
これにより、バイパス孔１５の大きさによって抽気面積が一定であっても、抽気流量を変えることができ、例えば遠心圧縮機の回転数を変化させて運転する場合に低速側でバルブ１８を開いておき、高速側で閉じるようにすることで、ガスタービンの起動時にもサージングなどを起こすこと無く運転することが可能となる。
【００４３】
また、ディフューザ１３のスロート部１４のバイパス孔１５の総断面積を吸込み流路２０、あるいはインペラ１２の入り口部１７のバイパス流路１６の断面積の半分とするようにしてこれらの面積比で開口比を１／２とするようにして抽気を円滑に行うようにするとともに、バイパス孔１５による主流への影響を少なくする。
【００４４】
なお、この開口比を適正化することで、遠心圧縮機の回転数が変化する場合などにサージングが生じ無いように運転するのに必要な抽気流量を得ることもできる。
【００４５】
以上のように、これら発明によれば、羽根つきの可変ディフューザ１３のスロート部１４は遠心圧縮機の流量限界を決定する大きな要因であり、この部分に形成したバイパス孔１５から抽気してインペラ１２の入り口部１７などの低圧力部に戻すようにしており、ディフューザで生じるサージングやチョークの流量特性を改善することができる。
【００４６】
また、インペラ１２で昇圧されたディフューザ１３からの抽気した流れによりインペラ１２の入り口部１７の流れを変えることができ、これにより流量特性が改善され、サージング限界の向上などが行われる。
【００４７】
さらに、ディフューザのベーンの形状や取付構造などを何等変更せずに、バイパス孔１５とバイパス流路１６を形成するだけで良く、構造も簡単である。
【００４８】
なお、上記の実施の形態では、ディフューザつき遠心圧縮機として羽根つき可変ディフューザを備えた遠心圧縮機の場合を例に説明したが、固定羽根つきディフューザの場合や羽根なしディフューザの場合にも同様に適用でき、流れの境界層の剥離を防止してサージング発生を制御し、安定作動域の拡大を図ることができる。
【００４９】
また、バイパス孔の形成位置もディフューザのスロート部に限らず、局所的な流れの剥離が生ずる部分に形成してこの発明を剥離の制御に適用したり、羽根なしディフューザ等（絞り形状等）にも適用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の請求項１記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、バイパス孔とバイパス流路によって圧縮機吸込み側をバイパスさせるとともに、バイパス孔の総断面積を表す数値をスロート部の総入り口幅を表す数値の２０％以下に制限するようにしたので、境界層の剥離を防止して性能改善を図ることができ、サージングを防止するなどの流量特性を向上することができるとともに、バイパス孔やバイパス流路による性能低下を１％以内に抑え、性能を確保しつつ流量特性を改善することができる。
【００５１】
さらに、ディフューザのベーンの形状や取付構造などを何等変更せずに、バイパス孔とバイパス流路を形成するだけで良く、構造も簡単である。
【００５３】
さらに、この発明の請求項２記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、圧縮機の吸込み側の低圧力部をインペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路としたので、インペラの低圧力部またはインペラへの吸込み流路の吸込み負圧を利用して効果的にバイパスさせることができ、確実にサージングを防止するなどの流量特性を向上することができる。
【００５４】
また、この発明の請求項３記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、バイパス孔を複数の孔とし、背部を集合部で連通するようにしたので、バイパス孔による流れの乱れを極力防止して性能低下を防止することができる。
【００５６】
また、この発明の請求項４記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、バイパス流路にバイパス流量を制御する流量制御手段を設けたので、流量制御手段によってバイパス流量を変えることができ、必要な吐出流量に応じた運転や運転回転数などに対応して効率的に運転することができる。
【００５７】
さらに、この発明の請求項５記載のディフューザつき遠心圧縮機によれば、ディフューザのスロート部のバイパス孔と前記インペラの低圧力部へのバイパス流路接続部の開口比を変えて流量を制御するようにしたので、開口比を適切に選ぶことで、バイパス流量を設定できるようになり、必要な流量特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかり、（ａ）は主要部の断面図、（ｂ）は羽根つきディフューザ部分を抽出した正面図である。
【図２】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の他の一実施の形態にかかり、（ａ）は主要部の断面図、（ｂ）は羽根つきディフューザ部分を抽出した正面図である。
【図３】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかる質量流量と圧力比の関係を、圧縮機の回転数Ｎを変化させて示すグラフである。
【図４】この発明のディフューザつき遠心圧縮機の一実施の形態にかかる抽気面積比と効率比の関係を示すグラフである。
【図５】この発明のディフューザつき遠心圧縮機のさらに他の実施の形態にかかる主要部の断面図である。
【図６】従来の羽根付きディフューザを備えた遠心圧縮機の取付構造の部分断面図および部分正面図である。
【符号の説明】
１０  ディフューザつき遠心圧縮機
１１  コンプレッサハウジング
１２  インペラ
１３  羽根つき可変ディフューザ
１３ａ  ベーン（羽根）
１４  スロート部
１５  バイパス孔
１５ａ  集合部
１６  バイパス流路
１７  入り口部
１８  バルブ
１９  制御装置
２０  吸込み流路
Ｂ  スロート部の幅
【図１】
0003758050.tif 000002
【図２】
0003758050.tif 000003
【図３】
0003758050.tif 000004
【図４】
0003758050.tif 000005
【図５】
0003758050.tif 000006
【図６】
0003758050.tif 000007