JP2013174230A - 回転機械及び遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングカバーに対向して歯車箱や軸部ケーシングが配置された回転機械においても、汎用性の高いボルトを用いて環状流路の流路幅を調節可能とする。
【解決手段】環状流路１５の内側から挿入されるボルト１４により固定される共に環状流路１５の流路幅を調節する流路幅調節手段１３を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転機械及び遠心圧縮機に関するものである。

コンプレッサインペラやタービンインペラ等のラジアルインペラを備える回転機械では、ラジアルインペラの径方向の外側に環状流路が設けられている。例えば、遠心圧縮機においては、コンプレッサインペラの周囲に環状流路が設けられている。また、タービンにおいては、タービンインペラの周囲に環状流路としてノズルが設けられている。

このような環状流路の流路幅は、回転機械の性能を変化させる。例えば、特許文献１及び特許文献２では、流路幅方向に変位可能な環状のディスクプレートを備え、ディスクプレートの位置を変位させることで流路幅を変更する遠心圧縮機が開示されている。

特許文献１では、ラジアルインペラの背面に対向して配置されるケーシングカバー（固定部材）とディスクプレートとの間にシムを介在させ、このシムの厚みによってディスクプレートの位置を調節している。この特許文献１では、ケーシングカバーの外側から挿入されるボルトによって、ディスクプレート及びシムを固定している。

特許文献２では、ディスクプレートの周面にネジ溝を形成し、ケーシングカバーに対するディスクプレートの螺合量を調節することでディスクプレートの位置を調節している。

特開昭５０−５４９０９号公報 実開昭６１−８４１９９号公報

ところで、製造コスト等を考慮すると、ディスクプレートに対してネジ溝を形成するよりも、汎用性の高いボルトによってディスクプレートを固定する構造を採用することが好ましい。一方で、複数の遠心圧縮機を備える圧縮機ユニットや、遠心圧縮機とタービンとが一体化された過給機では、ケーシングカバーに対向して歯車箱や軸部ケーシング等の部材が配置されている。このため、特許文献１のように、ディスクプレートやシムを固定するボルトをケーシングカバーの外側から挿入することができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ケーシングカバーに対向して歯車箱や軸部ケーシングが配置された回転機械においても、汎用性の高いボルトを用いて環状流路の流路幅を調節可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、回転機械に係る第１の解決手段として、ラジアルインペラと、上記ラジアルインペラの径方向外側に配置されると共に上記ラジアルインペラを囲って形成される環状流路とを備える回転機械であって、上記環状流路の内側から挿入されるボルトにより固定される共に上記環状流路の流路幅を調節する流路幅調節手段を備えるという手段を採用する。

回転機械に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、上記流路幅調節手段は、上記環状流路の内壁を形成するディスクプレートと、上記ラジアルインペラの背面に対向配置されるケーシングカバーと上記ディスクプレートとの間に介在されるシムとを備えるという手段を採用する。

回転機械に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、上記ボルトは、上記ラジアルインペラの径方向にて、上記ディスクプレートの中心よりも外側に配置されているという手段を採用する。

回転機械に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、上記ケーシングカバーが上記ディスクプレートを収容する溝部を備え、上記ボルトの位置は、上記ディスクプレートの線膨張係数及び稼働時の想定温度と、上記ディスクプレートの縁から溝部の内側壁面までの許容クリアランスとに基づいて設定されているという手段を採用する。

遠心圧縮機に係る解決手段として、上記第１〜第４いずれかの解決手段を採用する回転機械からなるという手段を採用する。

本発明によれば、環状流路の流路幅を調節する流路幅調節手段が、環状流路の内側から挿入されるボルトによって固定されている。このため、環状流路の流路壁を構成する部材の外側に他の部材（歯車箱や軸部ケーシング）が配置されている場合であっても、流路幅調節手段を取り付けることができる。したがって、本発明によれば、ケーシングカバーに対向して歯車箱や軸部ケーシングが配置された回転機械においても、汎用性の高いボルトを用いて環状流路の流路幅を調節することができる。

本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機を備える圧縮機ユニットの概略構成を示す断面図である。 図１の領域Ｒの拡大図である。 本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機が備える流路幅調節部及びボルトの拡大正面図である。 図２のさらなる拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る回転機械及び遠心圧縮機の一実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、３つの遠心圧縮機を備える圧縮機ユニットについて説明する。

図１は、圧縮機ユニット１の概略構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態の圧縮機ユニット１は、歯車装置２と、本実施形態の遠心圧縮機３とを備えている。

歯車装置２は、歯車箱２ａと、入力軸２ｂと、歯車機構２ｃと、出力軸２ｄとを備えている。歯車箱２ａは、歯車機構２ｃを収容すると共に入力軸２ｂ及び出力軸２ｄを回転可能に支持する筐体である。この歯車箱２ａは、遠心圧縮機３が備えるスクロールカバー１２（ケーシングカバー）に対向されており、ボルト２ｅによって当該スクロールカバー１２と締結されている。入力軸２ｂは、歯車箱２ａの内部に収容された歯車機構２ｃと接続されており、一端側が歯車箱２ａの外部に突出されている。歯車機構２ｃは、複数の歯車から構成されており、入力軸２ｂから入力される回転動力の回転数を調節して出力軸２ｄに伝達するものである。出力軸２ｄは、歯車機構２ｃに連結されており、本実施形態においては２本設けられている。これらの出力軸２ｄは、一端側が歯車箱２ａの外部に露出するように設けられている。

遠心圧縮機３は、歯車装置２の出力軸２ｄと接続されている。図１に示すように、圧縮機ユニット１には、３つの遠心圧縮機３が設けられている。つまり、歯車装置２が備える２つの出力軸２ｄの４つの端部のうち、３つに遠心圧縮機３が設けられている。３つの遠心圧縮機３は、それぞれ容量が異なる。具体的には、圧縮機ユニット１には、最も容量が大きな第１遠心圧縮機３Ａと、中間の容量とされた第２遠心圧縮機３Ｂと、最も容量が小さな第３遠心圧縮機３Ｃとが設けられている。

これらの第１遠心圧縮機３Ａと、第２遠心圧縮機３Ｂと、第３遠心圧縮機３Ｃとは、歯車装置２に対する取り付け位置と、容量を除き、基本的に同一の構成を有している。このため、以下の説明では、第２遠心圧縮機３Ｂを用いて遠心圧縮機３の具体的な装置構成について説明する。なお、第２遠心圧縮機３Ｂについては、図１と、図１における領域Ｒを拡大した拡大断面図である図２とを主として参照しながら説明を行う。

第２遠心圧縮機３Ｂは、図１に示すように、ラジアルインペラ１０と、ケーシング１１と、スクロールカバー１２と、流路幅調節部１３（流路幅調節手段）と、ボルト１４とを備えている。

ラジアルインペラ１０は、歯車装置２の出力軸２ｄと連結されており、出力軸２ｄから回転動力が伝達されることによって回転される。ケーシング１１は、ラジアルインペラ１０を当該ラジアルインペラ１０の径方向外側から囲っており、ラジアルインペラ１０に空気を供給するための吸入口１１ａと、ラジアルインペラ１０を通過した空気を案内するためのスクロール流路１１ｂを内部に有している。ケーシング１１は、スクロールカバー１２を介して歯車箱２ａに固定されている。

スクロールカバー１２は、ラジアルインペラ１０の背面に対向配置されており、ケーシング１１の開口部分を塞ぐ。このスクロールカバー１２は、上述のようにボルト２ｅによって歯車箱２ａに固定されている。つまり、スクロールカバー１２の外側には歯車箱２ａが配置されている。また、図２に示すように、スクロールカバー１２の内壁には、流路幅調節部１３を収容するための環状の溝部１２ａが設けられている。

流路幅調節部１３は、ディスクプレート１３ａと、シム１３ｂとによって構成されている。ディスクプレート１３ａは、ケーシング１１と共に、環状流路１５を形成している。
この環状流路１５は、ラジアルインペラ１０の径方向外側に配置されると共にラジアルインペラ１０を囲って形成され、ラジアルインペラ１０を通過して加速された空気を減速させて昇圧するためのものである。つまり、ディスクプレート１３ａは、環状流路１５の内壁を形成している。

シム１３ｂは、スクロールカバー１２とディスクプレート１３ａとの間に介在され、ディスクプレート１３ａの位置を調節するためのものである。このシム１３ｂの厚みによって、環状流路１５の流路幅方向におけるディスクプレート１３ａの位置に調節される。つまり、厚みの異なるシム１３ｂを用意し、シム１３ｂの厚みを選択することによって、ディスクプレート１３ａの位置、すなわち環状流路１５の流路幅が調節することができる。

このような流路幅調節部１３は、図２に示すように、環状流路１５の内側から挿入されるボルト１４によって固定されている。図３は、流路幅調節部１３を含んだ正面図である。この図に示すように、流路幅調節部１３は、周方向に均等に配置された５本のボルト１４によって固定されている。

各ボルト１４は、図２及び図３に示すように、ラジアルインペラ１０の径方向にて、ディスクプレート１３ａの中心よりも外側に配置されている。つまり、各ボルト１４は、ディスクプレート１３ａの外縁に近づけて配置されている。このように各ボルト１４がディスクプレート１３ａの中心よりも外側に配置されることによって、ボルト１４の挿入位置よりも内側寄りの部位が長くなる。このようなディスクプレート１３ａは、ボルト１４によって中心よりも外側が固定されているため、第２遠心圧縮機３Ｂが稼働して昇温したときに、内側壁面１２ｂ（内側壁面）側により大きく延びる。このため、第２遠心圧縮機３Ｂが稼働したときには、ディスクプレート１３ａの縁がより溝部１２ａの内径側壁面１２ｂの縁に近づき、これらの距離Ｓを近づけられる。なお、内径側壁面１２ｂとは、溝部１２ａの内壁面であって、ラジアルインペラ１０の径方向にて内側寄りの壁面を意味する。

図４は、図２のさらなる拡大図である。第２遠心圧縮機３Ｂが停止しているときには、ディスクプレート１３ａは、常温となり、図４にて実線で示すように縮んでいる。また、第２遠心圧縮機３Ｂが稼働しているときには、ディスクプレート１３ａは、高温となり、図４にて仮想線で示すように延びている。常温のときにおけるディスクプレート１３ａの縁と内側壁面１２ｂとの距離Ｓを距離Ｓ１とし、高温のときにおけるディスクプレート１３ａの縁と内側壁面１２ｂとの距離Ｓを距離Ｓ２とすると、距離Ｓ２は、距離Ｓ１よりも短くなる。つまり、第２遠心圧縮機３Ｂが稼働すると、ディスクプレート１３ａの縁が内側壁面１２ｂに近づき、ディスクプレート１３ａの縁と内側壁面１２ｂとの間の隙間が小さくなる。

第２遠心圧縮機３Ｂの稼働時に、ディスクプレート１３ａの縁と内側壁面１２ｂとの間の隙間が大きいと、コンプレッサインペラ１０から吐出された空気が上記隙間に流れ込むことで乱流が発生し、環状流路１５の圧力損失が高まる。このため、稼働時におけるディスクプレート１３ａの縁と内径側壁面１２ｂとの間の隙間（すなわち図４に示す距離Ｓ２）は、できる限り小さいことが好ましい。常温時のボルト１４からディスクプレート１３ａの縁までの距離Ｌ１に依存して距離Ｓ２が変化するため、本実施形態においては、距離Ｓ２が、実験等によって予め求められた許容クリアランスＣ以下となるように、ボルト１４の位置が設定されている。なお、ここで言う許容クリアランスＣとは、第２遠心圧縮機３Ｂに要求される性能を満足するか否かの指標となる値である。例えば、許容クリアランスＣよりも、ディスクプレート１３ａの縁と内径側壁面１２ｂとの距離Ｓが大きいときには、環状流路１５の圧力損失が大きくなり、第２遠心圧縮機３Ｂが好ましい性能を満足できなくなる。また、許容クリアランスＣよりも、ディスクプレート１３ａの縁と内径側壁面１２ｂとの距離が小さいときには、環状流路１５の圧力損失が小さくなり、第２遠心圧縮機３Ｂが好ましい性能を満足できるようになる。

なお、距離Ｓ２は、常温時のボルト１４からディスクプレート１３ａの縁までの距離Ｌ１のみに依存するのではなく、ディスクプレート１３ａの線膨張係数及び稼働時の想定温度にも依存して変化する。したがって、本実施形態では、ボルト１４の位置（常温時のボルト１４からディスクプレート１３ａの縁までの距離Ｌ１）は、ディスクプレート１３ａの線膨張係数及び稼働時の想定温度と、許容クリアランスＣとに基づいて設定されている。より詳細には、ディスクプレート１３ａの線膨張係数及び圧縮機ユニット１の稼働時の想定温度に基づいて算出されるディスクプレート１３ａの縁から内径側壁面１２ｂまでの稼働時における距離Ｓ２が、予め設定された許容クリアランスＣよりも短くなるようにボルト１４の位置が設定されている。

また、図２に示すように、各ボルト１４は、頭部がディスクプレート１３ａの表面から環状流路１５側に突出されないように、ディスクプレート１３ａに形成されたボルト孔に収容されている。これによって、ボルト１４が環状流路１５における流れを乱すことがなく、環状流路１５においてボルト１４が原因となって圧力損失が高まることを防止することができる。

図１に戻り、第１遠心圧縮機３Ａと第２遠心圧縮機３Ｂとが不図示の流路によって接続されており、第２遠心圧縮機３Ｂと第３遠心圧縮機３Ｃとが不図示の流路によって接続されている。このような圧縮機ユニット１では、第１遠心圧縮機３Ａで圧縮された空気が第２遠心圧縮機３Ｂでさらに圧縮され、第２遠心圧縮機３Ｂで圧縮された空気が第３遠心圧縮機３Ｃでさらに圧縮される。

このような圧縮機ユニット１に搭載される本実施形態の遠心圧縮機３（第１遠心圧縮機３Ａ，第２遠心圧縮機３Ｂ及び第３遠心圧縮機３Ｃ）によれば、環状流路１５の流路幅を調節する流路幅調節部１３が、環状流路１５の内側から挿入されるボルト１４によって固定されている。遠心圧縮機３を組立てるときには、最後にケーシング１１を取り付けるが、取り付け前であれば、ディスクプレート１３ａの環状流路１５は、露出されている。このため、本実施形態の遠心圧縮機３によれば、環状流路１５の流路壁を構成するスクロールカバー１２の外側に歯車箱２ａが配置されている場合であっても、流路幅調節部１３を取り付けることができる。したがって、本実施形態の遠心圧縮機３によれば、スクロールカバー１２に対向して歯車箱２ａが配置されていても、汎用性の高いボルト１４を用いて環状流路１５の流路幅を調節することができる。

また、本実施形態の遠心圧縮機３によれば、流路幅調節部１３は、環状流路１５の内壁を形成するディスクプレート１３ａと、ラジアルインペラ１０の背面に対向配置されるスクロールカバー１２とディスクプレート１３ａとの間に介在されるシム１３ｂとを備える。このため、シム１３ｂの厚みを変更することによって、環状流路１５の流路幅の変更を容易に行うことができる。

また、本実施形態の遠心圧縮機３においては、各ボルト１４が、ラジアルインペラ１０の径方向にて、ディスクプレート１３ａの中心よりも外側に配置されている。このため、ディスクプレート１３ａのボルト１４の挿入位置よりも径方向における内側寄りの部位が長くなり、第２遠心圧縮機３Ｂが稼働して昇温したときに、ディスクプレート１３ａの縁がよりスクロールカバー１２に設けられた環状の溝部１２ａの内径側壁面１２ｂに近づく。このため、ディスクプレート１３ａの縁とスクロールカバー１２に設けられた環状の溝部１２ａの内径側壁面１２ｂとの間に必要以上の隙間が生じることを防ぎ、圧力損失が増大することを抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）例えば、上記実施形態においては、本発明の回転機械を遠心圧縮機に適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の回転機械をタービンに適用することもある。この場合には、環状流路は、タービンインペラに燃焼ガスを供給するためのノズルとなる。つまり、本発明をタービンに適用した場合には、ノズルの流路幅を容易に調節することが可能となる。また、本発明はターボ機械のみではなく、他の回転機械に応用することも可能である。

（２）また、上記実施形態においては、本発明の遠心圧縮機を圧縮機ユニットに搭載する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の遠心圧縮機を過給機に搭載することも可能である。

（３）また上記実施形態においては、シム１３ｂの厚みを調節することによってディスクプレート１３ａの位置を調節する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。

（４）さらに、上記実施形態においては、３つの遠心圧縮機３を備える圧縮機ユニット１について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機ユニットが備える遠心圧縮機の数は、１つでも良いし、２つあるいは４つ以上の複数であっても良い。

１…圧縮機ユニット、２…歯車装置、２ａ…歯車箱、２ｂ…入力軸、２ｃ…歯車機構、２ｄ…出力軸、２ｅ…ボルト、３…遠心圧縮機（回転機械）、３Ａ…第１遠心圧縮機、３Ｂ…第２遠心圧縮機、３Ｃ…第３遠心圧縮機、１０…ラジアルインペラ、１１…ケーシング、１２…スクロールカバー（ケーシングカバー）、１２ａ……溝部、１２ｂ……内径側壁面（内側壁面）、１３…流路幅調節部（流路幅調節手段）、１３ａ…ディスクプレート、１３ｂ…シム、１４…ボルト

Claims (5)

1. ラジアルインペラと、前記ラジアルインペラの径方向外側に配置されると共に前記ラジアルインペラを囲って形成される環状流路とを備える回転機械であって、
   前記環状流路の内側から挿入されるボルトにより固定される共に前記環状流路の流路幅を調節する流路幅調節手段を備えることを特徴とする回転機械。
2. 前記流路幅調節手段は、
   前記環状流路の内壁を形成するディスクプレートと、
   前記ラジアルインペラの背面に対向配置されるケーシングカバーと前記ディスクプレートとの間に介在されるシムと
   を備えることを特徴とする請求項１記載の回転機械。
3. 前記ボルトは、前記ラジアルインペラの径方向にて、前記ディスクプレートの中心よりも外側に配置されていることを特徴とする請求項２記載の回転機械。
4. 前記ケーシングカバーが前記ディスクプレートを収容する溝部を備え、前記ボルトの位置は、前記ディスクプレートの線膨張係数及び稼働時の想定温度と、前記ディスクプレートの縁から溝部の内側壁面までの許容クリアランスとに基づいて設定されていることを特徴とする請求項３記載の回転機械。
5. 請求項１〜４いずれかの回転機械からなることを特徴とする遠心圧縮機。

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