JP4969433B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機、小型ガスタービン等に用いられる遠心圧縮機に係り、一層詳細には、高圧力比の遠心圧縮機において、効率低下を抑制しながら大流量化が図れる遠心圧縮機に関するものである。

過給機、ガスタービン、産業用圧縮機等の製品では性能向上の上で、「大流量化」が重要な課題である。遠心圧縮機の大流量化（大容量化）とは、同一外殻サイズの圧縮機において吐出流量を大きくするという意味であり、基準となる寸法としてインペラの外径を基準にすることが一般的であり、言い換えれば、同一外径のインペラにおいて吐出流量を大きくするという意味である。

この「大流量化」における背反事象として「効率低下」が課題であり、「効率低下を抑制しながら大流量化を行うことを可能にする技術」は工業上非常に有意義である。

また、一方で「高圧力比化」が重要な技術要求である。これは、遠心圧縮機が適用される過給機（ターボチャージャ）では往復動エンジンの小型エンジンで高出力化、高効率化を可能にすることができる、また、ガスタービンでも小型エンジンにて高出力化、高効率化が可能になるからである。特に、過給機においては、要求されている圧力比が４〜５に上昇すると同時に大流量化の要請が強くなっている。このような高圧力比の遠心圧縮機では、大流量化に伴う効率低下が著しく、「高圧力比（４〜５）の遠心圧縮機において、効率低下を抑制しながら大流量化を行うことを可能にする技術」は工業上非常に有意義である。

Transactions of the ASME 126/Vol.110 JANUARY 1988

ところで、大流量化に伴う効率低下の原因は、一般に、以下のように認識されている。
図６に従来の遠心圧縮機の構成とインペラの形状を示す。ハブ100ａの外周に薄板からなる複数枚の翼100ｂが周方向へ所定間隔離間して溶接等により固設されてなるインペラ(羽根車)100は、ケーシング101内に回転自在に軸支され、該インペラ100が回転することにより、インペラ入口から軸方向に流れを吸い込み(インペラ入口の軸方向運動量を示す白抜き矢印参照)、流れに旋回のエネルギーを与え、インペラ出口では静圧が上昇し、大きな旋回流速を持って流出する。この旋回のエネルギーはディフューザ102により減速され圧力上昇に変換される。ディフューザ出口の流れは渦巻状のスクロール103にて全周の流れが集められ、接線方向を向いたダクトの流れとして流出するようになっている。

過給機や小型ガスタービンでは、空気を圧縮する圧力比が２以上で、インペラ出口の旋回速度の最大値が４００ｍ／ｓ以上に設計される。また、インペラ入口は遠心力による高応力に耐えるため、翼100ｂの前縁がほぼ半径方向を向いて構成される。さらに、インペラ出口は流れを半径方向に向けるためにハブ100ａの背板面が半径方向を向いた円盤状に構成され、翼100ｂの後縁は回転軸にほぼ平行、傾斜がある場合でもハブ100ａ側と翼100ｂ先端側とで平均直径の５％以内に構成される。

このような構成からなる遠心圧縮機において、中・小流量のインペラ100の流れを図７ａに示す。ここで、大流量インペラと中・小流量インペラとの区別は、インペラ100の入口出口半径比Ｒ１１／Ｒ２１＝０．７を目安とし、本発明では、Ｒ１１／Ｒ２１≧０．７を大流量圧縮機と定義し、この範囲のインペラを対象とする。

中・小流量のインペラ100ではインペラ出口の流れはほぼ半径方向を向いており（図７ａ中に矢印で示す流速分布参照）、ディフューザを適切に設計すればこの流れを少ない損失で圧力に変換することができる。ところが、大流量のインペラ100では、上記入口出口半径比は多くのものはＲ１１／Ｒ２１＝0．７〜０．８、場合によって０．８５程度まで構成されるが、０．８を超えると効率低下が著しく一般に実用されない。

その理由は、入口出口半径比が０．７を超えると、インペラ入口の軸方向運動量がインペラ出口までに失われて０になることがなくインペラ出口にて軸方向の速度が残るためである。このインペラ入口の軸方向運動量を０にするためには、インペラ入口面積の２倍以上の面積が必要であることが理論的に示されており、インペラ100の出口半径Ｒ２１と入口半径Ｒ１１の比は√２＝１．４１４、逆数を取ればＲ１１／Ｒ２１≒０．７である。

要するに、入口出口半径比Ｒ１１／Ｒ２１≧０．７の大流量インペラでは、図７ｂに示すように、インペラ出口の流れがハブ100ａの背板部側へ偏流する（図７ｂ中に矢印で示す流速分布参照）という課題が発生する。この偏流が発生すると、インペラ出口までの静圧上昇が低下し、インペラ効率が低下するという工業的な欠点が生じ、さらに、下流のディフューザにおいて、ディフューザ形状の工夫を行ってもディフューザの損失を低減できないという課題が発生し、遠心圧縮機全体の損失が増加し、効率が低下するという問題点があるのである。

そこで、本発明の目的は、高圧力比の遠心圧縮機において、効率低下を抑制しながら大流量化が図れる遠心圧縮機を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明に係る遠心圧縮機は、
ケーシングに軸支されたインペラの回転により吸い込んだ気体を主として遠心力によって圧縮・排出する遠心圧縮機において、
前記インペラの入口出口半径比（Ｒ１／Ｒ２）を０．７≦Ｒ１／Ｒ２≦０．８５に設定すると共に、
前記インペラのハブにおける背板部の傾斜角（θ）を５°≦θ≦１５°に設定することを特徴とする。

また、
最適傾斜角として、（Ｒ１／Ｒ２）−θの関係図を描くとき、
Ｒ１／Ｒ２＝０．７のとき、θ＝５°、とＲ１／Ｒ２＝０．８５のとき、θ＝１５°を結ぶ直線を最適傾斜角とし、その直線から±５°の範囲で、前記インペラの入口出口半径比（Ｒ１／Ｒ２）と前記ハブにおける背板部の傾斜角（θ）を設定することを特徴とする。

また、
前記背板部の傾斜角（θ）は、インペラ出口周速が４００ｍ／ｓ以上のインペラに適用され、好ましくは効果が顕著になるインペラ出口周速が４５０ｍ／ｓ以上のインペラに適用されることを特徴とする。

また、
前記インペラの下流に接続されるディフューザの入口側壁面を、所定の範囲に亙って、インペラの出口壁面傾斜に連続する曲線又は連結された直線で構成したことを特徴とする。

本発明に係る遠心圧縮機によれば、インペラの入口出口半径比を可及的に大きくして大流量化を図る一方で、インペラのハブにおける背板部の傾斜角を最適に設定してコンプレッサ効率の低下を防止することができる。

以下、本発明に係る遠心圧縮機を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１を示す遠心圧縮機の要部断面図、図２は作用説明図、図３は背板傾斜角と効率改善比の関係を示すグラフ、図４はインペラの入口出口半径比と背板傾斜角との関係を示すグラフである。

図１に示すように、遠心圧縮機においては、ハブ１０ａの外周に薄板からなる複数枚の翼１０ｂが周方向へ所定間隔離間して溶接等により固設されてなるインペラ(羽根車)１０は、ケーシング１１内に回転自在に軸支され、該インペラ１０が回転することにより、インペラ入口から軸方向に流れを吸い込み、流れに旋回のエネルギーを与え、インペラ出口では静圧が上昇し、大きな旋回流速を持って流出する。この旋回のエネルギーはディフューザ１２により減速され圧力上昇に変換される。ディフューザ出口の流れは渦巻状のスクロール１３にて全周の流れが集められ、接線方向を向いたダクトの流れとして流出するようになっている。

過給機や小型ガスタービンに用いられる場合、インペラ出口の旋回速度（周速）は４００ｍ／ｓ以上に設計され、遠心圧縮機は空気を圧縮する圧力比が４〜５以上では、インペラ出口の旋回速度（周速）の最大値が４５０ｍ／ｓ以上に設計される。また、インペラ入口は遠心力による高応力に耐えるため、翼１０ｂの前縁がほぼ半径方向を向いて構成される。さらに、翼１０ｂの後縁は回転軸にほぼ平行、傾斜がある場合でもハブ１０ａ側と翼１０ｂ先端側とで平均直径の５％以内に構成される。

そして、本実施例では、図４に示すように、前記インペラ１０の入口出口半径比（Ｒ１／Ｒ２）を０．７≦Ｒ１／Ｒ２≦０．８５に設定すると共に、前記インペラ１０のハブ１０ａにおける背板部の傾斜角（背板傾斜角θ）を５°≦θ≦１５°に設定している（図４中Ａの領域参照）。

好ましくは、図４にも示すように、最適な背板傾斜角θとして、（Ｒ１／Ｒ２）−θの関係図を描くとき、Ｒ１／Ｒ２＝０．７のとき、θ＝５°、とＲ１／Ｒ２＝０．８５のとき、θ＝１５°を結ぶ直線（一点鎖線）を最適傾斜角とし、その直線から±５°の範囲（図４中Ｂの領域参照）で、前記インペラ１０の入口出口半径比（Ｒ１／Ｒ２）と前記ハブ１０ａにおける背板傾斜角θを設定する。

また、図７ｂの大流量インペラの中間領域１００ｃ（流れの向きが軸方向から半径方向へ転向する領域）では、インペラ出口周速が高くなると遠心力の効果により流れがシュラウド側に偏る傾向（中間領域１００ｃの破線で示した流線参照）が大きくなるため、インペラ出口の流れの傾斜角が大きくなる。この傾向はインペラ出口周速が４５０ｍ／ｓを超えると顕著となり、大流量化による効率低下が著しくなるので、前記背板傾斜角θを適用すると好適である。

このようにして本実施例では、インペラ１０の入口出口半径比を可及的に大きくして大流量化を図る一方で、インペラ１０のハブ１０ａにおける背板傾斜角θを最適に設定したので、コンプレッサ効率の低下を防止することができる。

即ち、図２に示すように、インペラ１０の出口において流れの傾斜角は背板傾斜角程度に残るものの、図２中に矢印で示す流速分布がインペラ出口幅を中心に左右にほぼ相似な流速分布に近づくため、インペラ１０の出口までの静圧上昇が改善し、インペラ効率が向上するのである。

ところで、非特許文献１等に知られているように、背板傾斜角θを大きくしすぎると、図３に示すある代表半径比における、背板傾斜角θとコンプレッサ効率の関係に示すように、著しく効率が低下するという問題が生じる。従って、図４に領域Ａ又はＢで示したように、インペラ１０の入口出口半径比に対して最適値があるのである。尚、図４の領域Ｃは通常の遠心圧縮機におけるインペラの場合を示し、領域Ｄは効率低下領域を示す。また、図４中の等高線はインペラの一定の入口出口半径比において背板傾斜角θがθ＝０°の場合に対する効率向上量を示す。

図５は本発明の実施例２を示す遠心圧縮機の要部断面図である。

これは、実施例１におけるディフューザ１２の入口側壁面１２ａを、半径比（Ｒ３／Ｒ２）でＲ３／Ｒ２＜１．１５の領域において、インペラ１０の出口壁面傾斜に連続する曲線又は連結された直線で構成した例である。

実施例１では、図２に示すように、インペラ１０の出口の流速分布の対称性が改善されるが、インペラ１０の出口の流れの傾斜が残ったままになるという課題がある。この様な流れがディフューザ１２に流入した場合、下流のディフューザ１２に子午面形状において半径方向の線を持つ円盤状のディフューザ１２に接続する場合、ディフューザ内部で流れの傾斜をディフューザ壁とほぼ平行にする必要がある。

そのため、このディフューザ１２に従来の円盤状のディフューザを設置した場合、流れの角度の急変でディフューザの入口での損失が増加するという課題が発生するが、本実施例のようなディフューザ１２に構成することで、それが解決されるのである。

本発明の実施例１を示す遠心圧縮機の要部断面図である。 作用説明図である。 背板傾斜角と効率改善比の関係を示すグラフである。 インペラの入口出口半径比と背板傾斜角との関係を示すグラフである。 本発明の実施例２を示す遠心圧縮機の要部断面図である。 従来の遠心圧縮機の要部断面図である。 中・小流量インペラの気体流れの説明図である。 大流量インペラの気体流れの説明図である。

符号の説明

１０ インペラ
１０ａ ハブ
１０ｂ 翼
１１ ケーシング
１２ ディフューザ
１２ａ ディフューザの入口側壁面
１３ スクロール

Claims (4)

1. ケーシングに軸支されたインペラの回転により吸い込んだ気体を主として遠心力によって圧縮・排出する遠心圧縮機において、
   前記インペラの入口出口半径比（Ｒ１／Ｒ２）を０．７≦Ｒ１／Ｒ２≦０．８５に設定すると共に、
   前記インペラのハブにおける背板部の傾斜角（θ）を５°≦θ≦１５°に設定することを特徴とする遠心圧縮機。
2. 最適傾斜角として、（Ｒ１／Ｒ２）−θの関係図を描くとき、
   Ｒ１／Ｒ２＝０．７のとき、θ＝５°、とＲ１／Ｒ２＝０．８５のとき、θ＝１５°を結ぶ直線を最適傾斜角とし、その直線から±５°の範囲で、前記インペラの入口出口半径比（Ｒ１／Ｒ２）と前記ハブにおける背板部の傾斜角（θ）を設定することを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記背板部の傾斜角（θ）は、インペラ出口周速が４００ｍ／ｓ以上のインペラに適用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記インペラの下流に接続されるディフューザの入口側壁面を、所定の範囲に亙って、インペラの出口壁面傾斜に連続する曲線又は連結された直線で構成したことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の遠心圧縮機。

Images