JP2016003626A - 圧縮機及び圧縮機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングの腐食による圧縮機の性能低下を抑制する。【解決手段】圧縮機は、圧縮部ケーシング４と、圧縮部ケーシング４内に回転自在に設けられたインペラ８と、圧縮部ケーシング４内に配置され、インペラ８により圧縮されたガスの流速を低下させるディフューザ１０とを備え、インペラ８は、圧縮部ケーシング４の内周面２２ｃへ向かって延びるブレード２８を有し、ディフューザ１０は、ブレード２８の外端縁２８ａに対向するシュラウド面３８の一部を形成するディスク部３２を有し、ディスク部３２は、圧縮部ケーシング４の素材よりも耐腐食性の高い素材からなる。【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機及び圧縮機の製造方法に関する。

従来、羽根車の回転によりガスを圧縮する圧縮機が知られている。下記特許文献１には、そのような圧縮機の一例が開示されている。

特許文献１に開示された遠心圧縮機は、ケーシングと、ケーシングの内部空間に回転自在に設けられた羽根車とを備える。

ケーシングは、羽根車の軸方向の一端から他端側へ向かうにつれて拡径するテーパー状の内周面を有する。羽根車は、ケーシングの内周面へ向かって延びる複数の羽根を備える。各羽根は、ケーシングの内周面に対向する外端縁を有する。ケーシングの内周面と各羽根の外端縁との間には、微小な隙間が形成される。

ケーシングの外周部には、渦巻室が設けられ、羽根車の収容空間と渦巻室との間にディフューザが配置された流路が設けられている。羽根車の回転により圧縮されたガスは、ディフューザが配置された流路を経て渦巻室へ流れ、圧縮機から吐出される。

実開平５−１２６９３号公報

圧縮機のケーシングは一般的に鋳鉄や鋳鋼などの鋳物によって形成されるため、圧縮対象のガスに含まれる湿気等によって内周面に腐食が生じやすい。上記従来の圧縮機において、ケーシングの内周面に腐食が生じると、ケーシングの内周面と各羽根の外端縁との間の隙間であるシュラウド隙間が拡大し、圧縮機の性能が低下する。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ケーシングの腐食による圧縮機の性能低下を抑制することである。

上記目的を達成するために、本発明による圧縮機は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転自在に設けられた羽根車と、前記ケーシング内に配置され、前記羽根車により圧縮されたガスの流速を低下させるディフューザとを備え、前記羽根車は、前記ケーシングの内周面へ向かって延びるブレードを有し、前記ディフューザは、前記ブレードに対向するシュラウド面の少なくとも一部を形成するシュラウド形成部を有し、前記シュラウド形成部は、前記ケーシングの素材よりも耐腐食性の高い素材からなる。

この構成では、ケーシングの素材よりも耐腐食性の高い素材からなるシュラウド形成部がシュラウド面の少なくとも一部を形成するため、ケーシングの腐食によるシュラウド面とブレードとの間のシュラウド隙間の拡大を抑制できる。このため、圧縮機の性能低下を抑制できる。また、ディフューザのシュラウド形成部を利用して耐腐食性を高めることができるため、例えばケーシング全体を耐腐食性の高い素材で形成するような場合に比べて、製造コストの増大を抑制できる。

前記圧縮機において、前記シュラウド形成部の内周面は、前記ケーシングの内周面とともに連続した前記シュラウド面を形成することが好ましい。

この構成によれば、ケーシングとディフューザのシュラウド形成部とにより、滑らかに連続したシュラウド面を形成できる。

前記圧縮機において、前記ケーシングは、前記羽根車を収容する内部空間を有し、前記シュラウド形成部は、圧縮後の前記ガスが排出される前記内部空間の出口において前記シュラウド面を形成することが好ましい。

ケーシングの腐食により拡大したシュラウド隙間は修復困難であるが、ケーシングの歪により拡大したシュラウド隙間は調整により修復できる。このため、本構成によれば、内部空間の出口におけるシュラウド面が耐腐食性の高いシュラウド形成部で形成されることにより、内部空間の出口において、修復困難な腐食によるシュラウド隙間の拡大をシュラウド形成部によって防止し、シュラウド隙間の拡大の原因を容易に調整可能な歪によるものに限定できる。

前記圧縮機は、歯車及び前記歯車が配置される増速機ケーシングを有し、モータの回転力を増速して前記インペラに伝達する増速機と、前記内部空間の前記増速機ケーシング側の端部を覆うケーシングカバーと、前記増速機ケーシングと前記ケーシングカバーとの間に挟み込まれるシムと、を備えることが好ましい。

この構成によれば、経年変化による圧縮部ケーシング、ケーシングカバー及び増速機ケーシングのいずれか１つの歪によりシュラウド隙間が拡大する場合があっても、シムの厚みを調整することにより修復できる。

前記圧縮機において、前記シュラウド形成部の素材は、ステンレス鋼であることが好ましい。

圧縮機のケーシングは、一般的に鋳鉄や鋳鋼などの鋳物によって形成されるため、シュラウド形成部の素材がステンレス鋼であることにより、ケーシングよりも耐腐食性の高いシュラウド形成部を形成できる。

本発明による圧縮機の製造方法は、前記圧縮機を製造するための方法であって、前記ケーシングに前記シュラウド形成部を結合した状態で前記ケーシングの内周面と前記シュラウド形成部の内周面を同時に削り出す削出工程を備える。

この製造方法によれば、ケーシングの内周面とシュラウド形成部の内周面との間に段差のない、滑らかなシュラウド面を容易に形成できる。

本発明によれば、ケーシングの腐食による圧縮機の性能低下を抑制できる。

本発明の一実施形態によるターボ圧縮機の部分的な断面図である。 図１中のＡ部の拡大図である。 圧縮部ケーシングの断面図である。 圧縮部ケーシングをケーシングカバー側から見た平面図である。 ディフューザの平面図である。 ディフューザの軸方向に沿った断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態によるターボ圧縮機の部分的な断面図である。本実施形態による圧縮機は、図略のモータと、増速機２と、圧縮部ケーシング４と、ケーシングカバー６と、インペラ８と、ディフューザ１０と、シム１１とを備える。

増速機２は、図略のモータの回転力を増速してインペラ８へ伝達するものである。増速機２は、図略の低速軸と、低速歯車１２と、高速歯車１４と、高速軸１６と、増速機ケーシング１８とを備える。低速歯車１２は、図略の低速軸に外嵌され、増速機ケーシング１８内に配置される。高速歯車１４は、高速軸１６に設けられ、低速歯車１２と噛み合う。図１における高速軸１６の左端は、増速機ケーシング１８から突出し、インペラ８に結合される。

圧縮部ケーシング４は、図１に示すように、ケーシングカバー６及びシム１１を介して増速機ケーシング１８に締結される。本実施形態では、圧縮部ケーシング４が本発明のケーシングに相当する。圧縮部ケーシング４は、鋳鉄や鋳鋼などの鋳物によって形成される。圧縮部ケーシング４は、インペラ８を収容する収容部２２と、収容部２２の外周に配置されて収容部２２と一体的に形成されたスクロール部２４とを有する。

収容部２２内には、インペラ８が配置される内部空間２２ａが設けられる。高速軸１６の軸方向における内部空間２２ａの両端は、開放されている。以下、単に「軸方向」というときは、高速軸１６の軸方向を意味する。また、高速軸１６を中心とする径方向を単に「径方向」という。ケーシングカバー６は、内部空間２２ａの増速機ケーシング１８側の端部を覆う。内部空間２２ａのケーシングカバー６と反対側の端部によって、ガスの導入口２２ｂが構成される。

図２は、図１中のＡ部の拡大図である。内部空間２２ａを形成する収容部２２の内周面２２ｃは、図２に示すように、入口側テーパー面２２ｄ、中間面２２ｅ及び出口側テーパー面２２ｆを有する。

入口側テーパー面２２ｄ、中間面２２ｅ及び出口側テーパー面２２ｆは、導入口２２ｂからケーシングカバー６側へ順番に配置される。入口側テーパー面２２ｄから中間面２２ｅにかけての内周面２２ｃは、ケーシングカバー６側へ向かうにつれて縮径するテーパー状を成す。出口側テーパー面２２ｆは、ケーシングカバー６側へ向かうにつれて拡径するテーパー状を成す。出口側テーパー面２２ｆのケーシングカバー６側の端縁部２２ｇが、内周面２２ｃのケーシングカバー６側の端縁部に相当する。

図３は、圧縮部ケーシング４単体の軸方向に沿った断面図である。圧縮部ケーシング４は、出口側テーパー面２２ｆの端縁部２２ｇの外周に形成された嵌合凹部２５を有する。嵌合凹部２５は、軸方向に見て内周面２２ｃと同軸に形成された円形の凹部である。

スクロール部２４は、嵌合凹部２５の径方向外側に配置される。スクロール部２４には、圧縮後のガスが排出される渦巻室２４ａが設けられる。スクロール部２４は、嵌合凹部２５の外縁から径方向外側に延びる端面２４ｂを有する。端面２４ｂは、軸方向に対して垂直であり、図２に示すようにケーシングカバー６との間に隙間をあけて配置される。

図４は、圧縮部ケーシング４をケーシングカバー６側から見た平面図である。スクロール部２４の外周部は、ケーシングカバー６（図２参照）に当接する外周端面２４ｄを有する。外周端面２４ｄは、軸方向に対して垂直に配置される。外周端面２４ｄには、シール用のＯリング５０（図２参照）を嵌め込む円形のリング溝２４ｅが形成される。リング溝２４ｅは、図４に示すように収容部２２の軸心Ｏ１から偏心した位置に中心Ｏ２を有するように配置される。リング溝２４ｅが偏心配置されることによってスクロール部２４の外周部にあいた領域に、径方向内側へ窪む切欠部２４ｇが設けられる。切欠部２４ｇにより、圧縮機に接続される図略の直結ポンプ（本実施形態では、図１におけるスクロール部２４の直ぐ上側に位置する。）と圧縮部ケーシング４との干渉が回避される。

インペラ８は、図１に示すように、収容部２２の内部空間２２ａに収容されて、軸回りに回転自在に設けられる。インペラ８は、本発明の羽根車の一例である。インペラ８は、ハブ２６と、複数のブレード２８とを有する。

ハブ２６は、図１に示すように、高速軸１６と同軸に配置された状態で高速軸１６に結合する。ハブ２６は、頂部２６ａからケーシングカバー６へ向かうにつれて径方向外側に広がる外周面２６ｂを有する。

複数のブレード２８は、ハブ２６の外周面２６ｂから収容部２２の内周面２２ｃ及び後述するディスク部３２の内周面３２ａへ向かって突出する。複数のブレード２８は、ハブ２６の周方向において間隔をあけて配置される。複数のブレード２８とハブ２６は、金属材料により一体的に形成される。各ブレード２８は、図２に示すように、ケーシングカバー６側へ向かうにつれて径方向外側へ向かうように延びる外端縁２８ａを有する。

図５は、ディフューザ１０の平面図であり、図６は、ディフューザ１０の軸方向に沿った断面図である。図５及び図６に示すように、ディフューザ１０は、平板で円環状のディスク部３２と、ディスク部３２と一体的に形成された複数のベーン３４とを有する。

ディスク部３２は、本発明によるシュラウド形成部の一例である。ディスク部３２は、図２に示すように、嵌合凹部２５に嵌合され、複数のボルト３６により圧縮部ケーシング４に締結される。ディスク部３２は、圧縮部ケーシング４の素材よりも耐腐食性の高い素材からなる。具体的には、ディスク部３２の素材は、ステンレス鋼である。ディスク部３２は、圧縮部ケーシング４に結合された状態でインペラ８のブレード２８と径方向において重複するように配置される。

図２に示すように、ディスク部３２は、圧縮部ケーシング４の出口側テーパー面２２ｆからケーシングカバー６側へ向かうにつれて軸方向に対して垂直に近づくように拡径するＲ形状の内周面３２ａを有する。内周面３２ａは、圧縮部ケーシング４の内周面２２ｃとともにブレード２８の外端縁２８ａに対向する連続したシュラウド面３８を形成する。シュラウド面３８は、ケーシングカバー６側へ向かうにつれて径方向外側へ広がる滑らかな曲面である。ブレード２８の外端縁２８ａは、シュラウド面３８に沿う形状を有し、シュラウド面３８とブレード２８の外端縁２８ａとの間に微小なシュラウド隙間が形成される。

ディスク部３２は、ケーシングカバー６側を向く端面３２ｂを有する。端面３２ｂは、軸方向に対して垂直であり、ケーシングカバー６との間に隙間をあけて配置される。端面３２ｂは、スクロール部２４の端面２４ｂと連続するように配置される。ディスク部３２の端面３２ｂ及びスクロール部２４の端面２４ｂとケーシングカバー６との間の隙間により、収容部２２の内部空間２２ａと渦巻室２４ａとを繋ぐ通路４０が形成される。

各ベーン３４は、ディスク部３２と同じ素材からなる板体であり、ディスク部３２と一体的に形成される。各ベーン３４は、図２に示すようにディスク部３２の端面３２ｂからケーシングカバー６側へ突出する。複数のベーン３４は、図５に示すようにディスク部３２の周方向に間隔をあけて配置され、ディスク部３２の径方向に対して斜めに配置される。ベーン３４は、通路４０（図２参照）を通る圧縮後のガスをインペラ８の回転方向に分散させて流速を低下させるものである。

シム１１は、図１及び図２に示すように、ケーシングカバー６と増速機ケーシング１８との間に挟み込まれる薄い平板状の部材であり、通常厚みが異なる複数枚が挿入される。なお、図２では図示の都合上、複数枚のシム１１を１つの矩形にて示している。シム１１に要求される調整範囲は大きくなく、厚みの（複数枚挿入する場合はその厚みの合計値の）計画値（初期値）は１ｍｍ以下程度である。シム１１が設けられることにより、ケーシングカバー６と圧縮部ケーシング４とを一体とした状態でこれらの部材の軸方向の位置を調整することができる。

以上のように構成された圧縮機において、ガスの圧縮が行われるときには、図略のモータからの動力により図略の低速軸が回転し、低速軸の回転運動は、低速歯車１２（図１参照）から高速歯車１４へ増速されて伝達される。高速歯車１４の回転運動は、高速軸１６からインペラ８に伝達され、インペラ８が高速軸１６と一体的に回転する。これにより、導入口２２ｂから収容部２２の内部空間２２ａに吸い込まれたガスがインペラ８によって圧縮される。圧縮後のガスは、通路４０を通じて渦巻室２４ａへ流れるときにディフューザ１０のベーン３４によってインペラ８の回転方向に拡散されて流速が低下される。流速の低下に伴い、ガスは昇圧され、渦巻室２４ａを通って圧縮機から排出される。

次に、本実施形態による圧縮機の製造方法について説明する。

まず、圧縮部ケーシング４の筒状の素材を鋳物によって形成し、嵌合凹部２５や内周面２２ｃ（図３参照）など加工精度が要求される部分のみを機械加工により形成する。そして、ステンレス鋼からなるディフューザ１０のディスク部３２の素材を嵌合凹部２５に嵌め込み、ボルト３６（図１参照）で圧縮部ケーシング４の素材に締結する。

その後、工作機械により、圧縮部ケーシング４の素材とディスク部３２の素材を軸回りに一体的に回転させながら、収容部２２の内周面２２ｃとディスク部３２の内周面３２ａ（図２参照）を同時に削り出す。すなわち、収容部２２の内周面２２ｃとディスク部３２の内周面３２ａとを共加工する。これにより、出口側テーパー面２２ｆの端縁部２２ｇとディスク部３２の内周面３２ａとの間で段差がなく、滑らかに連続した曲面を形成する収容部２２の内周面２２ｃ及びディスク部３２の内周面３２ａが形成される。

以上のような工程で、圧縮部ケーシング４及びディフューザ１０が形成される。

増速機２（図１参照）は、別途組み立てておく。そして、高速軸１６の端部にインペラ８を取り付けるとともに、上記のように形成した圧縮部ケーシング４を増速機ケーシング１８にケーシングカバー６及びシム１１を介して締結する。以上のようにして、本実施形態による圧縮機が製造される。

以上説明した本実施形態の圧縮機では、圧縮部ケーシング４の素材である鋳鉄や鋳鋼よりも耐腐食性の高いステンレス鋼からなるディスク部３２の内周面３２ａがシュラウド面３８の一部を形成する。このため、ディスク部３２により形成されたシュラウド面においては、腐食によるシュラウド隙間の拡大を防止できる。このため、圧縮機の性能低下を抑制できる。

なお、腐食によるシュラウド隙間の拡大を防止するために圧縮部ケーシング４全体をステンレス鋼で形成することも可能であるが、製造コストが著しく増大する。これに対し、本実施形態では、ステンレス鋼で形成されたディフューザ１０のディスク部３２を利用してシュラウド面３８の耐腐食性を向上できるので、製造コストの増大を抑制できる。

また、経年変化による圧縮部ケーシング４、ケーシングカバー６及び増速機ケーシング１８の歪によりシュラウド隙間が拡大する場合がある。腐食により拡大したシュラウド隙間は修復困難であるが、歪により拡大したシュラウド隙間は、ケーシングカバー６と増速機ケーシング１８との間に挟み込むシム１１の厚みを調整することにより修復できる。このため、内部空間２２ａの出口付近に位置するシュラウド面３８が耐腐食性の高いディスク部３２で形成されることにより、内部空間２２ａの出口付近において、シュラウド隙間の拡大の原因を容易に調整可能な歪によるものに限定できる。

また、本実施形態では、圧縮部ケーシング４の素材にディスク部３２の素材を結合した状態で収容部２２の内周面２２ｃとディスク部３２の内周面３２ａを同時に削り出すため、内周面２２ｃ，３２ａからなる滑らかなシュラウド面３８を容易に形成できる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。

例えば、ディフューザの素材は、必ずしもステンレス鋼に限定されない。圧縮部ケーシングの素材よりも耐腐食性の高い素材であれば、ディフューザの素材として適用可能である。シム１１の数は１であってもよい。

４ 圧縮部ケーシング（ケーシング）
８ インペラ（羽根車）
１０ ディフューザ
２２ａ 内部空間
２２ｃ 内周面
２８ ブレード
２８ａ 外端縁
３２ ディスク部（シュラウド形成部）
３２ａ 内周面
３８ シュラウド面
４０ 通路

Claims (6)

1. ケーシングと、
   前記ケーシング内に回転自在に設けられた羽根車と、
   前記ケーシング内に配置され、前記羽根車により圧縮されたガスの流速を低下させるディフューザとを備え、
   前記羽根車は、前記ケーシングの内周面へ向かって延びるブレードを有し、
   前記ディフューザは、前記ブレードに対向するシュラウド面の少なくとも一部を形成するシュラウド形成部を有し、
   前記シュラウド形成部は、前記ケーシングの素材よりも耐腐食性の高い素材からなる、圧縮機。
2. 前記シュラウド形成部の内周面は、前記ケーシングの内周面とともに連続した前記シュラウド面を形成する、請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記ケーシングは、前記羽根車を収容する内部空間を有し、
   前記シュラウド形成部は、圧縮後の前記ガスが排出される前記内部空間の出口において前記シュラウド面を形成する、請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 歯車及び前記歯車が配置される増速機ケーシングを有し、モータの回転力を増速して前記インペラに伝達する増速機と、
   前記内部空間の前記増速機ケーシング側の端部を覆うケーシングカバーと、
   前記増速機ケーシングと前記ケーシングカバーとの間に挟み込まれるシムと、
   を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮機。
5. 前記シュラウド形成部の素材は、ステンレス鋼である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧縮機を製造するための方法であって、
   前記ケーシングに前記シュラウド形成部を結合した状態で前記ケーシングの内周面と前記シュラウド形成部の内周面を同時に削り出す削出工程を備える、圧縮機の製造方法。

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