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ターボ圧縮機は、回転翼で連続流の気体圧力を増加させるターボ機器です。ブレードは回転するとき、気体に運動エネルギーを伝え、その後、位置エネルギーに変換されます。圧送される気体の運動エネルギーと位置エネルギーの増加は、次のように行われます。気体は羽根車の網（１つの羽根車は回転し、もう１つは静止する状態）に入り、脈動なしの適切な一定の圧力を作成します。これは、一種の特徴です。羽根車を出て、気体がダイバータに流されます。圧縮機内の気体流れのエネルギーを増加すると、熱力学的状態を変えることなく、気体が圧縮されます。
ターボ圧縮機は下記の種類があります。
圧縮機の流れ部分のすべての要素が動作に影響が与えます。例えば、羽根車は、良好な空力性能を有しても、それは必ずしも機器の必要な効率を確保することではありません。
このタイプの圧縮機の段が下記の要素を含みます。
遠心圧縮機の一例で、中間段階の作動方法を説明します。送り込む装置として、ステージ入口に必要な乱流を作る逆ステータとステータが使われます。羽根車（閉鎖型）は軸に固定されます。羽根車から出ると、気体はベーンなしのリングディフューザーに入り、その後、次のステージに送り込むステータ内に流されます。
回転羽根車と固定ステータシステム間のガスのオーバーフローを最小限にするために、ステージの間にラビリンスシールが使用されます。これは、ステージの効率を高め、エネルギー特性に貢献します。
ステージの構成要素は、線で概ね分けられ、それらのガスダイナミックパラメータが圧縮機段の流路における気体の流れを表します。羽根車の入口漏斗はインペラに流れるときのフローパラメータを決める半径方向断面を有します。ブレード上の気体流も、ブレードの前縁に平行に位置する特定の断面によって特徴付けられます。排出部の入口および出口は、ローター軸に平行に配置された断面が選択されます。遠心圧縮機の排出部は、ボリュート円状ベーンレスディフューザまたはベーン付き排出部として構成されます。シャフトと圧縮機ケーシング接合部に端部シールが搭載されます。
ターボ圧縮機は容積圧縮機とともに、吸入のため内燃機関に広く使用されます。
ターボ圧縮機は、気体がブレードの連続的な流れの影響で低圧空間から高圧空間に移動され、圧縮が引き起こされ、気体の運動エネルギーを増大させる装置です。得られた気体の運動エネルギーは羽根車の後に位置するディフューザ内の圧力に変換されます。
ターボ圧縮機は、低圧または中圧で高性能の産業で使用されます。圧縮機の羽根車が通すのは、液体ではなく気体です。圧力により気体密度が変わるため、圧縮工程が複雑になります。羽根車内の圧力差が小さいので、すべての計算は、気体の比重に基づいて行われます。気体が羽根車から吐出する周速度が高いほど、圧縮機の圧力が高くなるため、インペラ材料は強化する必要があります。合金鋼の羽根車は、圧縮比ξ= 1,25〜1.5を確保できます。
より高圧の気体が必要な場合は、複数の羽根車で連続圧縮します。羽根車出口の気体速度は非常に高く、毎秒160〜170メートルに達することがあり、気体の高い運動エネルギーを示します。
羽根車内の気体が半径方向に遠心力により移動される圧縮機は翼型（半径）遠心圧縮機です。気体の流れがインペラの軸に沿って又は平行に行われる機器は軸流圧縮機です。これらの両方のタイプは、同様のポンプの原理に似ていますが、圧縮機は、気体の容積の強い減少、温度の上昇という構造的特徴を持っています。
1）遠心圧縮機。この圧縮機の主要部は、複雑な形状を有し、ディスクの周縁に定間隔に取り付けられたベーンの列です。ベーン（下の図を参照）は、入ってくる空気を吸い込み、出口管までそれを加速移動します。遠心力の影響で空気が圧縮されます。空気は排出される前に、圧力損失を低減するように搭載する拡散器を介して移動されます。
圧縮機の能力は、気体圧縮にすべて消費されるわけではなく、他の一般的な機構と同様に、圧縮機は動力損失を有します。気体が流路で移動すると、ガスダイナミック損失により気体の圧力が減少されます。これは、圧縮機の実際の圧力は常に計算値より少ないことを意味します。これらの損失を防ぐために、圧縮機の容量の一部が消費されます。同様に、インペラの効率は計算値より常に小さいです。
動作時には、圧縮機の回転部品（インペラ、シャフト）が圧送気体と擦れ、少し磨耗します。また、圧縮機の端部シールとベアリングも摩擦されます。この摩擦を防ぐために、追加容量がかかるため、効率を計算するためには、使う容量損失を防ぐための容量消費を減算する必要があります。圧縮機の流路の複雑な構造は、損失の計算を困難にしますが、コンピュータを使うと、かなり正確に圧縮機における摩擦による損失を計算することができます。圧縮機段のすべての損失が加算されます。
圧縮機段に起こる損失は下記の通りです。
a）流路の流速度および方向の変化に関連するガスダイナミック損失。
b）気体流れの剥離や渦の形成と、ブレード上の衝撃フローに関連する追加損失
c）羽根車の損失
d）容積損失（気体漏れ）
e）機械的損失：圧送気体と回転部の内部機械摩擦損失とベアリング内と端部シール内の摩擦による外部機械損失
遠心圧縮機には、次の式を使用します。
WS = U2CΘ2 - U2CΘ2
WS – 軸入力圧力、
U – 翼端の速度、
Cθ – ブレード、それぞれ入口と出口で跳ね返る流速の接線
遠心機圧縮機は下記の駆動を使用します。
遠心圧縮機を主な欠点は、羽根車が非常に高い回転速度で動作しなければならないことです。圧縮機が作成する圧力は、羽根車の速度の2乗に等しく、したがって、圧縮機の基本速度は少なくとも40 000回転/分で、20万回転/分に達することがあります。これはベルト駆動機構の回転が超高速につながり、稼働中の高騒音が発生され、圧縮機の部品の急速な摩耗につながります。例外として、圧縮機の効率の一部を失って、追加の乗算器を設置することにより、騒音の問題を解決することもあります。
低速の場合、この圧縮機の効率は非常に小さいが、回転数を増やすことにより、能力が急激に増加します。そのため、遠心圧縮機は、ハイパワーと高速度が必須で、低加速でも使用されます。
遠心圧縮機の利点は、低価格、設置の容易さです。そのため遠心圧縮機は、自動車業界で普及されました。
遠心圧縮機は容量の減少と羽根サイズ減少がある場合、圧縮機の効率があまり減少しないため、遠心圧縮機の用途の主要な分野は、気体の低費用と圧縮比のパラメータを持つガスタービンだとされます。この用途では、遠心圧縮機が重量と効率で軸流圧縮機を圧倒します。
遠心圧縮機の明らかな利点は、簡単な構造で、構成部品数の少なさ、圧縮の最高の特性、動作条件に対して制限が少ないことです。
この種の欠点は、多段圧縮の複雑さのため、軸流圧縮機に比べ効率が低いところです。遠心圧縮機は単純な構造なのに、その寸法は、それを通過する空気流に直接比例して増加します。欠点は低性能も含まれます。
遠心圧縮機の主な利点は、軸流圧縮機と比較して、一つの圧縮段階でより高い5〜6を超える圧縮比を達成する能力、高度な航空機用圧縮機の場合12まで達成できます。遠心圧縮機の１ステージの効率は0.85に到達することがあり、すなわち、軸流圧縮機よりも低いです。上記の効率値に近いパラメータは、比較的高い生産性を有する航空機用ガスタービンエンジン圧縮機の場合、普通です。
2）ロータリー圧縮機またはロータリーベーン圧縮機。この圧縮機では、圧縮過程が特別な円形のハウジング内に偏心回転する巨大な円形ローターによって行われます。ローターは、矩形状の羽根が取り付けられるスロットまたはスリットを有します。羽根は回転時に遠心力により、ハウジング側に押し付けられます。
2、3枚羽根のローター搭載の圧縮機が稼働する時、気体が膨張室に吸引され、ブレードとハウジングの間に入り、その後、すべて吐出パイプを通して排出されます。ブレードの構造は、通常、この圧縮機の利点の一つである気体の連続流を提供するように、スクリュー状で作られます。これらの圧縮機は、通常、コンパクトですが、このタイプの欠点は運動学的システムの複雑さで、それらの多様な使用を制限し、全体の構造も複雑になっていることです。そのため、実用上の機能を拡大する必要があります。この問題は、ロータリーベーン圧縮機のハウジング内に、2つの回転ブレードが回転軸に取り付けられ、遊星歯車クラウンに接続された中央歯車を介して運動学的に連動されることより解決できます。遊星は、固定中央の歯車とキャリアを搭載した追加の遊星歯車を含む、太陽歯車が装備されています。太陽歯車は固定のストッパーがあるため、ブレーキを能力にし、遊星自体はギアで太陽歯車と連動されます。遊星クラウンおよび太陽歯車のクラウンは、円形ではなく、例えば、楕円形にされるという特徴があります。
遊星クラウンおよび太陽歯車のクラウンは非円形にする理由は、ハウジングの軸方向の影響を除外し、従って、複数の軸受、入口と出口バルブとシールの使用を止めて、非接触シールを可能にするということです。これにより、ロータリーベーン圧縮機の用途は、例えば、冷凍機における使用できる機能が広がります。
ロータリーベーン圧縮機の動作はレシプロ圧縮機と同様なので、レシプロ圧縮機に使用される理論的な計算値に基づいての計算ができます。しかし、ロータリーベーン型の構造的な特性があります。特にその性能に影響を与えるのは、圧縮機内の気体のオーバーフローに起因する損失です。損失は、可動羽根で区切られた密集する膨張室の間に発生する圧力差によって引き起こされます。
この圧縮機の利点について言えば、下記のことを強調できます。
強力な圧縮機は、低コスト、非常に高い信頼性により広く使用されます。低いコストは簡単な製造、高い信頼性は構造の特徴に起因します。ローターが互いに接触せず、それらの同期は変速比が1の同期歯車で実施されるためです。それは、効率を与えて負荷を低くし、ギア寿命が圧縮機の動作寿命を決めます。これらの圧縮機は、高容量と低圧力の産業で使用され、長寿命および非常に安全な動作を確保しながら、膨張室内に摩擦する部品がある圧縮機と違い、吸入空気中のほこりにほとんど反応しません。ロータリーベーン圧縮機は、かなり広い範囲のパフォーマンスを持ち、油戻しシステムを介して（オイル圧縮機の場合）、オイルの損失を防ぎます。排出気体は、出力フィルタによってろ過され、入口に逆止弁を搭載することにより、システムに戻る油を防止します。
このタイプの圧縮機は様々な用途分野で使われます。水処理施設や貯水池の曝気、食品業界、真空パッケージの製造、繊維産業、自動車業界、セントラルヒーティングシステム、化学、レーザー医薬品製造、冶金および機械工学、研究に使用されます。
3）軸流圧縮機。ターボ圧縮機の一種です。軸流圧縮機の動作原理は、軸流ポンプに似て、気体が回転軸に沿って移動し、他のターボ圧縮機と違い、空気の圧縮が移動と同様にシャフト軸に沿って行われます。気体粒子は、円筒形または円錐形に近い流路を有します。
構造的には、軸流式圧縮機が単段および多段に細分化されます。
軸流圧縮機は、羽根車というシャフトに取り付けられた可動翼を搭載するローターと、静翼という固定された羽根を搭載するステータから構成されます。回転軸は、タービン軸に接続され、ローラーやボールベアリング上に載ります。円筒形ハウジングは、ボルト接続を介して軸方向に接合された円筒状の複数のセクションから作られます。ハウジングは、軸方向にボルトで接続された2つの要素で構成することがあります。この構造は、圧縮機ハウジングをローターの周りに位置させます。
圧縮機のガスダイナミック特性としては、やや遅く速度増加することに起因する過剰な不活性があります。ターボ圧縮機は、通常、タービンを動かします。タービン自体は、減速が遅く、ターボ圧縮機も別の動作モードに切り替えるために多くの時間が必要となります。この問題は、圧縮機を下記の機器に分割することにより解決しました。
a）低圧圧縮機。軸上に設置される独自のタービンを搭載
b）高圧圧縮機。独立したタービンを搭載
このような機器は2軸式と呼ばれます。この解決方法は、モード切り替え時に圧縮機の動作を改善し、また、それらのガスダイナミック特性を増加し、その安定性を高めました。
軸流圧縮機は、ブレードのタイプにより異なり、航空機、非常に高い性能と低圧力を必要とする工業、組み合わせた圧縮機の初段として広く使用されます。
軸流圧縮機は、通常、多段で設計されます。空気流量を制御する多段構造は軸流圧縮機の効率が増加し損失を低減するため、燃料消費量を減少させます。これらの条件を達成することがほとんど不可能な遠心圧縮機に比べて、軸流圧縮機の利点です。
軸流圧縮機のステージは、遠心圧縮機のステージと違い、構造がそれほど複雑ではありません。ブレードは羽根車に固定に取り付けることができ、また、圧縮機が停止している場合のみ、特定の角度に位置を変えることもできます。ステータの羽根は、固定式、または停止および可動する圧縮機で位置を変えるように搭載することができます。
以下の軸流圧縮機のブレード図を参照してください。
軸流圧縮機の利点：
軸流圧縮機の欠点は、多数のブレード制作、ブレートの汚れやすさ、懸濁粒子、水、および他の異物が流動部内に入ることによるブレードの故障を含みます。
軸流圧縮機は、通常、飛行機やヘリコプター用のエアジェットエンジンで使用されます。
軸流圧縮機メーカーは、シーメンス、エリオットなどがあります。
4）軸流遠心圧縮機。特定の場合には、圧縮機の効率を向上させるために、気体消費量がそれほど大きくないタービン機械で、軸流遠心多段圧縮機が使用されます。これらは、軸流式と遠心式ステージの組み合わせです。遠心段は、常に最終段になります。これは、非常に低い高度のブレードを持つ複数の軸流ステージの代わりに設置されます。これらのブレードは、ラジアルクリアランスと二次流れの影響に非常に反応しやすいです。同じ圧縮比率を有する軸流圧縮機と比較して、効率のわずかな損失にもかかわらず、組み合わせのこの種の圧縮機は、はるかに小さいサイズと軽重を有します。
現在、この種類は開発段階です。
5）対角圧縮機（型方向）。対角圧縮機は、動作原理と構造パラメータで、遠心圧縮機とほとんど同様でそれとの中間型です。排出気体の排出方向は、径方向の一定の角度です。
ターボ圧縮機は、ローター数で分類されます。
ターボ圧縮機は、ケーシング数で分類されます。
ターボ圧縮機は、流れ式で分類されます。
加えて、改めて大量の気体を圧縮される時に発生するターボ圧縮機の利点を強調します。
a）圧縮機のシャフトは、中間速度変換装置なしで直接モーター軸に接続されます。
b）気体が均一で連続的に供給されるため、吐出側に大型タンクを設置する必要がありません。
c）慣性力が最小であるため、軽い基盤を使用することができます。
d） 吸引吐出弁がないことによる機器の安全性が向上させられます。
e）供給気体は、作動要素からの潤滑剤で汚染されません。
圧縮機の選択の際、最も重要なのはその性能です。十分な出力特性を有する場合、その測定単位はリットル/分またはm３/分です。圧機機のすべての技術的パラメータを考慮に入れ、性能が計算されます。
下記の表は、ターボ圧縮機の特性別の計算式を含みます。
ターボ圧縮機特性変換
| 特性 | 性能, P | 圧力増加度, λ | 効率, N |
|---|---|---|---|
| 変速 | P2/P1 ≈ n2/n1 | λ2 ≈ [1 + (n2/n1)²·(λ1[(k-1)/k]-1)][k/(k-1)] | N1/N2 ≈ [ρ12/ρ11]·[n2/n1]3 |
| ガス特性の変化 | P1 ≈ P2 | λ2 ≈ [1 + (T11/T12)(λ1[(k-1)/k]-1)][k/(k-1)] | N1/N2 ≈ ρ1/ρ2 |
| 計算式は、速度比の範囲0.5〜2の寸法比の範囲0.5〜2の場合に適用 | |||
圧縮機を選択する際に非常に重要なのは、電源の手配です。一般的に、単相を使用しますが、大規模な生産は3相が必要です。遠隔操作、すなわち、機器が電力網からはるかに遠く配置される場合、独立のガソリンまたはディーゼルエンジンを搭載した圧縮機が必要です。
圧縮機を選択する際に考慮するポイントは下記の通りです。
1）流入気体の流量
2）必要な最終的な圧力
3）吸入温度、圧力および流入気体の相対湿度
4）圧送気体のモル組成、汚染、その有害性、重合能力
5）駆動（タイプ、要件）
6）特別な要件のリスト（気体流路にオイルがないこと、限られた重量、寸法、振動、騒音、シールの要件）
圧縮機の主なパラメータは、最終的な圧力（Pk）および流入気体流量（Vh）です。これらにより、圧縮機の種類やブランドが決められます。
下記の表はターボ圧縮機の平均特性について背景情報が含まれます。
ターボ圧縮機の平均特性
| 特性 | 圧縮機型 | |
|---|---|---|
| 遠心 | 軸流 | |
| １段における圧力増加度, λ1 | 1,4以下 | 1,1〜1,3 |
| 断熱効率, ηад | 0,8〜0,9 | 0,85〜0,95 |
| 機械効率ηмех | 0,96〜0,98 | 0,98〜0,99 |
圧縮機型の選択は適切かどうかによって、その寿命が異なります 。圧縮機を購入する際、性能および動作強度の余裕をとらないといけません。
圧縮機の寿命が下記の因子により変わります。
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