JP2016148308A - 遠心圧縮機、及びギアード遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な耐久性と圧縮効率とを備える遠心圧縮機、及びギアード遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】軸線Ｏに沿って延びる回転軸２と、回転軸２に固定されて径方向外側に張り出すディスク７、該ディスク７の軸線Ｏ方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて複数設けられたブレード８、及び、該ブレード８を軸線Ｏ方向一方側から覆うカバー９を有するインペラ５と、インペラ５におけるカバー９の外周面に対向する対向内周面６Ａを有し、インペラ５を覆うケーシング６と、を備え、対向内周面６Ａは、軸線Ｏに沿って延びる円筒内周面６１Ａと、該円筒内周面６１Ａの軸線Ｏ方向他方側に接続されて該他方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる拡径内周面６２Ａと、を備え、拡径内周面６２Ａとカバー９の外周面との間をシールするシール部１０をさらに備える遠心圧縮機１。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心圧縮機、特にギアード遠心圧縮機の遠心インペラに関する。

一般的に遠心圧縮機は、回転軸に設けられたインペラと、このインペラを外側から覆うことでインペラとの間で流路を画成するケーシングと、を備えている。この流路は、インペラの回転によってケーシング内に外部の流体を吸引するとともに、流路中を流通する間に流体に圧力を加えてケーシング出口から高圧状態で吐出する。

このような技術の一例として、下記特許文献１に記載された遠心圧縮機が知られている。特許文献１に記載された遠心圧縮機では、いわゆるクローズドインペラが採用されている。すなわち、この装置は、軸線回りに回転する回転軸と、この回転軸に取り付けられたディスクと、ディスクの一方側の面上に配列された複数のブレード、及びこれら複数のブレードにおける軸線方向一方側の端縁に設けられたシュラウドを有するクローズドインペラ（羽根車）と、このクローズドインペラを外側から覆うケーシングと、を備えている。以上のような構成により、軸線方向の一方側から流入した低圧の流体が、インペラの回転に伴って圧縮され、高圧の流体として径方向外側の吐出部から外部に導かれる。

ところで、上記のような装置では、ケーシングとシュラウド、及びケーシングとディスクの間の空間に、高圧の流体が逆流することを防ぐため、ラビリンスシールが設けられることが一般的である。特許文献１に係る装置では、クローズドインペラの入口近傍におけるシュラウドとケーシングとの間にマウスラビリンスが設けられている。

特開平４−２０３５６５号公報

しかしながら、上記特許文献１のような構成であっても、吐出部からこのシール部までの空間（ケーシングとシュラウドとの間の空間）には高圧の流体が逆流する可能性がある。このような場合、軸線方向両側からクローズドインペラに対して高圧の流体による圧力が付加される。これにより、シュラウドとディスクとによる圧縮力がブレードに付加されてしまう。大気圧下で運用される場合や、圧力差が比較的に小さな装置を用いる場合にはこのような圧縮力は無視できるほどに小さい。しかしながら、圧力差が高い装置では、上記の圧縮力も必然的に高まるため、ブレードの耐久性に影響を与える可能性がある。

このような圧縮力に対抗するための手段として、例えばブレードの厚みを増加させたり、ブレードの枚数を増加させたりすることが考えられる。しかし、このような技術を用いた場合、インペラの構造強度が補填される一方で、インペラを流れる流体の圧力損失が大きくなる。すなわち、遠心圧縮機の圧縮効率が低下する可能性がある。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、十分な耐久性と圧縮効率とを備える遠心圧縮機、特にギアード遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
本発明の一態様に係る遠心圧縮機は、軸線に沿って延びる回転軸と、前記回転軸に固定されて径方向外側に張り出すディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて複数設けられたブレード、及び、該ブレードを軸線方向一方側から覆うカバーを有するインペラと、前記インペラにおける前記カバーの外周面に対向する対向内周面を有し、前記インペラを外側から覆うケーシングと、を備え、前記対向内周面は、前記軸線に沿って延びる円筒内周面と、該円筒内周面の軸線方向他方側に接続されて該他方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる拡径内周面と、を備え、前記拡径内周面と前記カバーの前記外周面との間をシールするシール部をさらに備える。

上述のような構成によれば、シール部が拡径内周面とカバーの外周面との間をシールすることから、高圧の流体がケーシング内部に逆流した場合であっても、拡径内周面を超えて円筒内周面にまでこの高圧の流体が到達する可能性を低減することができる。すなわち、カバーの外周面において高圧の流体の圧力が作用する領域の面積を減少させることができる。これにより、インペラの構造強度を高めることなく、所期の圧縮効率を維持することができる。

本発明の一態様に係る遠心圧縮機では、前記シール部は、前記拡径内周面に設けられて、該拡径内周面から前記インペラにおける前記カバーに向かう方向に延びる複数のシールフィンを有してもよい。

上述のような構成によれば、カバーの外周面と拡径内周面との間における高圧の流体の逆流を、複数のシールフィンによって抑制することができる。

本発明の一態様に係る遠心圧縮機では、前記シール部は、前記拡径内周面に設けられて、該拡径内周面から軸線の径方向内側に向かって延びるとともに、軸線方向に配列された複数のシールフィンを有し、前記カバーの外周面における前記シール部と対応する位置には、該外周面から突出するとともに、軸線と平行に延びるシール面を有する突出部が形成され、前記シール面は、前記複数のシールフィンと対向するように構成されてもよい。

上述のような構成によれば、軸線方向に配列された複数のシールフィンと、これらに対向するシール面とによって、カバーの外周面と拡径内周面との間における高圧の流体の逆流を抑制することができる。加えて、軸線方向における回転軸の変位が生じた場合であっても、シールフィンとシール面との間の離間寸法を維持することができる。

本発明の一態様に係る遠心圧縮機では、前記シール部は、前記カバーにおける前記拡径内周面と対向する対向カバー面に設けられて、前記対向カバー面から前記拡径内周面に向かう方向に延びる複数のインペラ側フィンを有してもよい。

上述のような構成によれば、対向カバー面と拡径内周面との間における高圧の流体の逆流を、複数のインペラ側フィンによって十分に抑制することができる。

本発明の一態様に係る遠心圧縮機は、前記拡径内周面に設けられて、前記インペラ側フィンの先端部と当接した場合に被削可能な材質で形成されたアブレイダブル部をさらに備えてもよい。

上述のような構成によれば、インペラの回転に伴う振動によって生じる変位や、インペラの加工誤差やインペラの軸方向への移動等によって、インペラ側フィンの先端部が拡径内周面に当接した場合であっても、被削性を有するアブレイダブル部が切削されることで、インペラ側フィンに摩耗を生じる可能性を低減することができる。これにより、インペラ側フィンによるシール性を維持することができる。

本発明の一態様に係る遠心圧縮機では、前記シール部は、前記軸線を基準として前記ディスクの径寸法の９０％以下の領域に配置されてもよい。

上述のように、軸線を基準としてディスクの径寸法の９０％以下の領域にシール部を設けた場合、カバーの外周面と対向内周面との間の空間は、シール部を挟んで径方向外側の領域と、径方向内側の領域とに分割される。径方向外側の領域では高圧の流体が流通する一方で、径方向内側の領域では低圧の流体が流通する。これにより、高圧の流体によってカバーの外周面に加えられる圧力分布を適正化することができる。

本発明の一態様に係る遠心圧縮機は、前記ディスクの軸線方向他方側を向く面と、前記ケーシングとの間をシールする背面シール部をさらに備えてもよい。

上述のような構成によれば、背面シール部が設けられることにより、ケーシングとディスクの軸線方向他方側を向く面との間を通じて高圧の流体が逆流する可能性を低減することができる。これにより、インペラに対して軸線方向の両側から加わる圧縮力をさらに低減することができるとともに、回転軸に対して軸線方向に加わるスラスト力も低減することができる。

本発明の一態様に係るギアード遠心圧縮機は、上記のいずれか一つの態様に記載された前記遠心圧縮機と、外部の駆動源によって回転駆動される回転駆動軸と、該回転駆動軸を収容するとともに前記ケーシングの内部と連通された収容部と、を有し、前記回転駆動軸の回転を前記遠心圧縮機の前記回転軸に伝達する増速伝達部と、を備える。

上述のような構成によれば、ケーシングの内部で高圧の流体が逆流する可能性が低減された遠心圧縮機を備えるギアード遠心圧縮機を得ることができる。特に、遠心圧縮機のケーシング内部からインペラ吸込口や増速伝達部の収容部に向かう高圧流体の逆流を十分に抑制し、インペラの両側からの圧縮力を低減することができる。

本発明の一態様に係るギアード遠心圧縮機は、前記増速伝達部を挟んで、前記遠心圧縮機の前記回転軸における反対側に配置され、前記軸線と直交する基準面を対象として面対称をなす他の遠心圧縮機を備えてもよい。

上述のような構成によれば、基準面を挟んで互いに面対称の形状を有する一対の遠心圧縮機が回転することにより、一方側の遠心圧縮機において、その回転軸の軸線方向一方側に向かってスラスト力が生じた場合であっても、他方側の遠心圧縮機において、軸線方向他方側に向かって、同等のスラスト力が生じる。これにより、これら２つのスラスト力同士が減殺し合うことになり、回転軸の軸線方向におけるスラスト力を低減することができる。

本発明によれば、十分な耐久性と圧縮効率とを備える遠心圧縮機、及びギアード遠心圧縮機を提供することができる。

本発明の実施形態に係るギアード遠心圧縮機の構成を示す概略図である。 本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大図である。 本発明の第一実施形態に係るシール部の拡大図である。 本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大図である。 本発明の第三実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大図である。 本発明の第三実施形態に係る遠心圧縮機の変形例を示す要部拡大図である。 本発明の第四実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大図である。 本発明の第五実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大図である。

［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るギアード遠心圧縮機１００は、外部の駆動源によって駆動される回転駆動軸１０２を有する増速伝達部２００と、この増速伝達部２００を挟んで両側に配置される一対の遠心圧縮機１と、を備えている。すなわち、このギアード遠心圧縮機１００は、１軸２段の圧縮機として構成されている。これにより、一方の遠心圧縮機１（１段目の遠心圧縮機１）によって圧縮された流体は、続いて他方の遠心圧縮機１（２段目の遠心圧縮機１）に流入する。この２段目の遠心圧縮機を流通する過程でこの流体はさらに圧縮されて、高圧の流体となる。
なお、以下の説明では、１軸２段のギアード遠心圧縮機１００を例に説明するが、ギアード遠心圧縮機１００の態様はこれに限定されず、さらに多くの圧縮段数、及び軸数を備える圧縮機を適用してもよい。

より詳細には、増速伝達部２００を挟んで一対の遠心圧縮機１が同一の回転軸２によって駆動される構成を採っている。さらに、これら一対の遠心圧縮機１は、回転軸２の軸線Ｏと直交する仮想平面である基準面ＣＰを基準として、互いにおおむね面対称をなして構成されている。言い換えると、一方の遠心圧縮機１は、他方の遠心圧縮機１に対して鏡像対象をなしている。
ただし、これら一対の遠心圧縮機１の各部における寸法は互いに異なっていてもよい。

増速伝達部２００は、大径ギア１０３を有するとともに、外部の駆動源によって回転駆動される回転駆動軸１０２と、この回転駆動軸１０２及び回転軸２の一部を収容する収容部１０４と、を有している。回転駆動軸１０２の大径ギア１０３は、回転駆動軸１０２の軸線Ｏに直交する面内に延びる円盤状の歯車である。

高出力、高トルクを志向する場合には、このような歯車として、はすば歯車が好適に用いられる。この大径ギア１０３では、後述する遠心圧縮機１の回転軸２に設けられたピニオンギア３と噛み合うように歯のピッチ等が適宜に設定される。

さらに、このピニオンギア３の径寸法は、大径ギア１０３よりも小さく設定されている。したがって、ピニオンギア３を有する回転軸２の回転数は、大径ギア１０３を有する回転駆動軸１０２の回転数よりも大きくなる。

増速伝達部２００の外殻をなす収容部１０４の内部には、これら回転駆動軸１０２、及び回転軸２を回転可能に支持するための軸受装置４が設けられている。軸受装置４に潤滑油を供給するための装置を別途設けてもよい。

以上のような構成により、回転駆動軸１０２の回転運動は、大径ギア１０３及びピニオンギア３を介して遠心圧縮機１の回転軸２に伝達される。これにより、一対の遠心圧縮機１が動作する。

続いて、本実施形態に係る遠心圧縮機１の構成について、図２を参照して説明する。なお、上述したように、互いに面対称をなすことを除いて、本実施形態のギアード遠心圧縮機１００における一対の遠心圧縮機１はともに同等の構成を有していることから、以下の説明では代表的に一つの遠心圧縮機１についてのみ説明する。

図２は遠心圧縮機１の要部を拡大して示す図である。同図に示すように、遠心圧縮機１は、軸線Ｏに沿って延びる回転軸２と、この回転軸２に設けられたインペラ５と、インペラ５を外側から覆うケーシング６と、を備えている。

回転軸２は、軸線Ｏを中心として円柱状に形成された回転体であり、上述の増速伝達部２００によって回転力を付与されて軸線Ｏ回りに回転する。

インペラ５は、この回転軸２の軸線Ｏ方向における延在中途に設けられた羽根車である。より詳細には、このインペラ５は、回転軸２の外周面から径方向外側に張り出す略円盤状のディスク７と、このディスク７における軸線Ｏ方向一方側の面に設けられた複数のブレード８と、これら複数のブレード８を軸線Ｏ方向一方側から覆うカバー９と、を備えている。

ディスク７は、回転軸２の外周面に形成された嵌合溝２１に嵌合されるディスク支持部７１と、このディスク支持部７１から径方向外側に向かって板状に延びる円環状のディスク本体部７２と、を有している。

ディスク支持部７１は、軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って次第に径方向の内側から外側に向かって拡径している。ディスク本体部７２は、このディスク支持部７１の軸線Ｏ方向他方側における外周面から径方向外側に向かって張り出している。すなわち、ディスク本体部７２は外形視で円環板状に形成されている。

さらに、これらディスク支持部７１とディスク本体部７２との接続部７３は滑らかな曲面状に形成されている。このように構成されたディスク７の軸線Ｏ方向一方側の面はディスク表面７Ａとされている。一方で、このディスク表面７Ａとは反対側を向く面はおおむね平滑に形成されることでディスク背面７Ｂとされている。このディスク背面７Ｂは、軸線Ｏとおおむね直交する面上に延びている。

個々のブレード８は、上記のディスク表面７Ａから延びる薄板状の翼部材である。詳しくは図示しないが、このブレード８は、軸線Ｏ方向から見てディスク７の径方向内側から外側に向かうに従って一方側に湾曲している。

さらに、ブレード８の高さ寸法、すなわちディスク表面７Ａからの突出寸法は、ディスク支持部７１からディスク本体部７２に向かうに従って次第に減少している。換言すると、ブレード８における軸線Ｏ方向一方側を向く端縁、すなわちディスク７とは反対の側の端縁は、ディスク支持部７１とディスク本体部７２の湾曲形状におおむね対応するように湾曲している。

このように構成されたブレード８が、ディスク表面７Ａ上で、軸線Ｏを中心として径方向外側に向かって放射状に複数配列されている。すなわち、隣接する一対のブレード８同士の間には周方向にわたって間隔が形成されている。

さらに、複数のブレード８のそれぞれの端縁（ディスク７とは反対の側の端縁）には、その延在寸法の全体にわたってカバー９が設けられている。言い換えると、複数のブレード８はこのカバー９によって軸線Ｏ方向の一方側から覆われている。上述のようにブレード８の端縁はディスク表面７Ａの形状に対応するように湾曲していることから、カバー９は外形視でおおむね漏斗状をなしている。

さらに、軸線Ｏの径方向から見た場合、カバー９の内周面とディスク表面７Ａとの間の離間寸法は、径方向内側から径方向外側に向かうに従って次第に減少している。なお、好ましくはこのカバー９は一の部材によって一体に形成される。このカバー９の外周面、すなわち軸線Ｏ方向一方側を向く面は、対向カバー面９Ａとされている。

以上のように構成されたインペラ５では、カバー９の内周面とディスク表面７Ａとによって囲まれるインペラ流路５Ｆが画成される。インペラ流路５Ｆは、その周方向の両側を、互いに隣り合う一対のブレード８によって仕切られている。インペラ流路５Ｆの軸線Ｏ方向一方側は、該軸線Ｏ方向一方側に向かって開口することで、インペラ吸気口５１とされている。一方で、インペラ流路５Ｆにおけるインペラ吸気口５１とは反対側の端部も同様に開口することでインペラ吐出口５２とされている。

ケーシング６は、遠心圧縮機１の外殻の一部をなすとともに、上記のインペラ５にその内周面を対向させるようにしてこれを外側から覆っている。このケーシング６には、外部と連通することで作動流体としての空気を内部に取り込むための吸気流路８０（吸気管８０）が設けられている。吸気管８０は、図１に示すように、軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って次第に縮径するコーン状の部材である。この吸気流路８０を通じて流入した空気は、ケーシング６内部で上述のインペラ吸気口５１を介してインペラ流路５Ｆに導かれる。

さらに、このケーシング６の内周面のうち、インペラ５における上述の対向カバー面９Ａと間隔を空けて対向する面は、対向内周面６Ａとされている。軸線Ｏ方向にインペラ５を挟んでこの対向内周面６Ａと反対の側に位置する面は、ディスク背面７Ｂと間隔を空けて対向することで第二対向内周面６Ｂとされている。

これら対向内周面６Ａと第二対向内周面６Ｂとによって囲まれた領域には、その径方向外側の端部から外部に向かって開口するディフューザ６Ｅが形成されている。このディフューザ６Ｅは排気流路９０（排気流路９０）と連通されている。図１に示すように、排気流路９０は上述の吸気管８０を外周側から囲みながら渦巻状に延びる管体である。この排気流路９０を通じて、不図示の外部機器に高圧の空気が供給され、種々の利用に供される。

さらに、上記の対向内周面６Ａは、おおむね軸線Ｏに沿って延びることで円筒状をなす円筒内周面６１Ａと、この円筒内周面６１Ａの軸線Ｏ方向他方側の端部に接続されるとともに、同じく他方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる拡径内周面６２Ａと、を有している。

加えて、このケーシング６の内周面のうち、上述の第二対向内周面６Ｂは、回転軸２の外周面とおおむね平行をなして平面状に延びている。この第二対向内周面６Ｂと回転軸２の外周面との間には、径方向に間隔が形成されている。この間隔は、上述の増速伝達部２００における収容部１０４の内部と、軸シール部２Ｓを経て、連通されている。

軸シール部２Ｓは、ケーシング６の内周面のうち、回転軸２と直接的に対向する領域に設けられたシール部材である。この軸シール部２Ｓは、増速伝達部２００の収容部１０４への空気の漏洩を低減するために設けられる。

以上のように構成されたケーシング６とインペラ５との間には、シール部１０が設けられている。より詳細には、本実施形態に係るシール部１０は、ケーシング６における対向内周面６Ａのうち、拡径内周面６２Ａ上に設けられている。特に、この拡径内周面６２Ａ上にシール部１０を設けるに当たっては、図２中の寸法線に示すように、軸線Ｏからシール部１０に至るまでの径方向における離間寸法Ｄ２が、ディスクの径寸法Ｄ１の９０％以下であることが望ましい。

続いて、シール部１０の詳細な構成を、図３に基づいて説明する。同図に示すように、シール部１０は、ケーシング６内部における拡径内周面６２Ａに沿って延びる略板状の基部１１と、この基部１１からインペラ５のカバー９に向かう方向に延びる複数のシールフィン１２と、を有している。

シールフィン１２は、基部１１に接する側から先端部に向かうにしたがって次第に先細りするように形成されることで、断面視くさび型をなしている。さらに、本実施形態では、これら複数のシールフィン１２は、基部１１の表面上で互いに間隔を空けて配列されている。しかしながら、シールフィン１２の態様はこれに限定されず、例えばシールフィン１２同士が間隔をあけずに密接した状態で配列されてもよい。

このように構成されたシールフィン１２の先端部は、対向するインペラ５の対向カバー面９Ａとの間でわずかな間隙を形成している。この間隙が形成されることにより、回転状態のインペラ５がシールフィン１２に当接する可能性を低減するとともに、十分なシール性能を発揮することができる。

以上のように構成された遠心圧縮機１、及びギアード遠心圧縮機１００の動作について説明する。
まず、外部の駆動源によって、増速伝達部２００の回転駆動軸１０２を回転駆動する。なお、このような駆動源としては、例えば電動機や蒸気タービン等が設計・仕様定格に応じて適宜に選択される。すなわち、これら電動機や蒸気タービンの出力軸を、回転駆動軸１０２に接続することにより、その回転運動を回転駆動軸１０２に伝達することができる。

回転駆動軸１０２が回転すると、この回転駆動軸１０２上に設けられた上述の大径ギア１０３も回転する。大径ギア１０３は遠心圧縮機１の回転軸２上に設けられたピニオンギア３と噛み合っている。これにより、回転駆動軸１０２の回転運動は、遠心圧縮機１の回転軸２に伝達され、回転駆動軸１０２の回転方向とは反対の方向に向かって回転軸２が回転を始める。

回転軸２が回転することにより、増速伝達部２００に隣接して設けられた一対の遠心圧縮機１は駆動される。まず、回転軸２の回転に伴って、インペラ５がケーシング６の内部で回転する。上述のようにインペラ５における軸線Ｏ方向一方側には、空気を作動流体として取り入れるためのインペラ吸気口５１が形成されている。インペラ５の回転数の上昇に伴って、空気がインペラ吸気口５１を通じてインペラ流路５Ｆの内部に取り込まれる。

インペラ流路５Ｆの内部に取り込まれた空気は、インペラ５の回転運動によってインペラ流路５Ｆ内部を上述のインペラ吐出口５２に向かって流れる間に、トルクが与えられるとともに、インペラ流路５Ｆによって圧縮されて高圧空気となる。この高圧空気は、インペラ流路５Ｆのインペラ吐出口５２を経て、ディフューザ６Ｅに向かって流通する。ディフューザ６Ｅに流入した高圧空気は、同じくケーシング６に設けられた上述の排気流路９０を通じて外部に導かれる。

ここで、上記のようにインペラ吐出口５２、及びディフューザ６Ｅの近傍では、高圧空気が存在する一方で、ケーシング６の対向内周面６Ａとカバー９の外周面（対向カバー面９Ａ）とによって形成される間隙には、圧縮されていない空気が流通している。したがって、上記の高圧空気が、圧力差によってこの間隙の内部に流れ込む場合がある。

しかしながら、上述のように本実施形態に係る遠心圧縮機１では、対向内周面６Ａにシール部１０としての複数のシールフィン１２が設けられていることから、高圧空気の流れをシールすることができる。すなわち、高圧空気が低圧側の領域に向かって逆流する可能性を低減することができる。

特に、本実施形態では、このシール部１０は対向内周面６Ａにおける拡径内周面６２Ａ上に設けられている。これにより、高圧空気がこのシール部１０を超えて円筒内周面６１Ａ側に流入する可能性を低減することができる。

ここで、本実施形態と構成を違えて、シール部１０を円筒内周面６１Ａ側に設けた場合、上記の高圧空気は、円筒内周面６１Ａを含む領域にまで到達してしまう。この場合、インペラ５に対してはカバー９の外周面を介して、高圧空気による圧力が働く。さらに、この高圧の空気は、ディスク背面７Ｂと、ケーシング６における第二対向内周面６Ｂとの間の間隙にも流入し得ることから、インペラ５に対しては軸線Ｏ方向の両側から高圧空気による圧縮力Ｆ１が加わる。

しかしながら、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、上記のように対向内周面６Ａ上において、特に拡径内周面６２Ａにシール部１０が設けられている。これにより、間隙の全域のうち、高圧空気が流入し得る領域の大きさを減少させることができる。すなわち、カバー９の外周面のうち、高圧空気による圧力を受ける領域の面積を小さくすることができる。これにより、インペラ５自体の構造強度を高めることなく、所期の圧縮効率を維持することができる。

一方で、インペラ５自身の構造強度を高めるべく、例えばブレード８の厚さを増加させたり、インペラ５ひとつ当たりのブレード８の数を増やしたりした場合、インペラ５内を流れる作動流体の圧力損失が大きくなる。すなわち、遠心圧縮機１としての圧縮効率が低下してしまう。しかしながら、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、インペラ５自体の構造強度を維持したままで、上記のような作用と効果を得ることができる。したがって、遠心圧縮機１の圧縮効率を十分に確保することができる。

さらに、上述のように、軸線Ｏを基準としてディスクの径寸法Ｄ１の９０％以下の領域にシール部１０を設けた場合、カバー９の外周面と対向内周面６Ａとの間の空間は、シール部１０を挟んで径方向外側の領域と、径方向内側の領域とに分割される。径方向外側の領域では高圧の流体が流通する一方で、径方向内側の領域では低圧の流体が流通する。これにより、高圧の流体によってカバー９の外周面に加えられる圧力分布を適正化することができる。

ところで、上記のように拡径内周面６２Ａ上にシール部１０を設けた場合、カバー９の外周面に作用する圧力が減少する一方で、第二対向内周面６Ｂとディスク背面７Ｂとの間における圧力は高いままの状態となる。この圧力差によって、回転軸２及びインペラ５には、軸線Ｏ方向他方側から一方側に向かう方向（すなわち軸線Ｏに沿ってディスク７からカバー９に向かう方向）に、スラスト力Ｆ２が生じる。

しかしながら、上記したように、本実施形態に係るギアード遠心圧縮機１００は、増速伝達部２００（基準面ＣＰ）を挟んで互いに面対称をなす一対の遠心圧縮機１を有している。したがって、一対の遠心圧縮機１に同一のシール部１０を設けた場合、個々の遠心圧縮機１における上記のスラスト力Ｆ２は、それぞれ軸線Ｏに沿って互いに離間する方向に向かって働く。これにより、スラスト力Ｆ２同士が相殺され、軸受装置４にかかるスラスト荷重を抑制することができる。

以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明した。しかしながら、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲は特に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上述の第一実施形態では、ギアード遠心圧縮機１００の態様として、いわゆる１軸２段の構成を例に説明を行った。しかしながら、ギアード遠心圧縮機１００の態様はこれに限定されず、設計や仕様に応じて２軸４段や、それ以上の軸数、段数を備えていてもよい。いずれの構成であっても、各段の遠心圧縮機１では、上記の実施形態における記載と同等の作用効果を得ることができる。

さらに、上述の実施形態では、シール部１０として複数のシールフィン１２を用いた例について説明した。しかしながら、シール部１０の態様はこれに限定されず、流路中における流体のシールを志向したものである限りにおいて、いかなる構成を採用してもよい。

加えて、複数のシールフィン１２を設ける場合であっても、これらシールフィン１２の形状と寸法が互いに異なるように形成してもよい。具体的には、複数のシールフィン１２のうち、一方側から他方側に向かうにしたがって、シールフィン１２の寸法が減少、又は増減するように形成してもよい。

［第二実施形態］
続いて、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上述の第一実施形態と同様の構成、部材については同一の符号を付した上で、詳細な説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、シール部１０の態様が第一実施形態とは異なっている。すなわち、本実施形態におけるシール部１０は、インペラ５におけるカバー９の外周面に設けられた複数のインペラ側フィン１２１によって構成されている。これらインペラ側フィン１２１はそれぞれ、カバー９の外周面から、間隔を空けて対向する対向内周面６Ａ（拡径内周面６２Ａ）に向かって延びる薄板状をなしている。ここで、図４の例では、第一実施形態にて説明した基部１１を介さずにインペラ側フィン１２１が形成されている。さらに、好ましくはインペラ側フィン１２１は、カバー９に対して一体に形成される。

これらインペラ側フィン１２１が設けられる位置は、上述の第一実施形態と同様に、軸線Ｏからインペラ側フィン１２１に至るまでの径方向における離間寸法Ｄ２が、ディスクの径寸法Ｄ１の９０％以下であることが望ましい。

以上のような構成であっても、カバー９の外周面と拡径内周面６２Ａとの間における高圧流体の逆流を、複数のインペラ側フィン１２１によって十分に抑制することができる。これにより、遠心圧縮機１の構造強度を特別に補填することなく、十分な圧縮効率を確保することができる。

［第三実施形態］
次いで、本発明の第三実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上述の第一実施形態と同様の構成、部材については同一の符号を付した上で、詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、第一実施形態と同様のシール部１０に加えて、ケーシング６の内周面における第二対向内周面６Ｂと、ディスク背面７Ｂとの間の間隙に、背面シール部１０１が設けられている。この背面シール部１０１は、第二対向内周面６Ｂに設けられた基部１１と、基部１１に設けられた複数のシールフィン１２と、を有している。

上述したように、このように第二対向内周面６Ｂとディスク背面７Ｂとによって形成される間隙にも、ディフューザ６Ｅの近傍から高圧空気が逆流する可能性がある。特に、上述したギアード遠心圧縮機１００では、増速伝達部２００の収容部１０４が、ケーシング６の内部と連通された構成を採っている。この場合、比較的に低圧状態にある収容部１０４に向かって、上記の高圧空気が逆流する可能性がさらに高まる。

しかしながら、本実施形態のように、背面シール部１０１を設けることによって、逆流する高圧空気の流れをシールすることができる。これにより、高圧の空気によってディスク背面７Ｂ側からインペラ５に対して加えられる圧力を低減することができる。

したがって、インペラ５自身の構造強度を維持したままで、上記の各実施形態と同様の作用と効果を得ることができ、圧縮機の圧縮効率を十分に確保することができる。

なお、本実施形態では、背面シール部１０１として、第二対向内周面６Ｂに設けられた基部１１と、基部１１に設けられた複数のシールフィン１２とによって構成した例について説明した。しかしながら、背面シール部１０１の態様はこれに限定されず、例えば図６に示すように、インペラ５のディスク背面７Ｂ上に複数のシールフィン１２を一体に設けることで、背面シール部１０１としてもよい。

このような構成によれば、高圧の流体の逆流を、複数のシールフィン１２によって十分に抑制することができる。これにより、遠心圧縮機１の構造強度を特別に補填することなく、十分な圧縮効率を確保することができる。

さらに、上記のようにフィンをインペラ５（ディスク背面７Ｂ）に対して一体に形成した場合には、インペラ５、及びケーシング６の製作に要する工数、及びコストを低減することができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図７を参照して説明する。なお、上述の第一実施形態と同様の構成、部材については同一の符号を付した上で、詳細な説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、シール部１０の態様が上述の各実施形態とは異なっている。すなわち、本実施形態における遠心圧縮機１では、上述の第二実施形態と同様のシール部１０、言い換えるとカバー９の外周面上に設けられた複数のインペラ側フィン１２１に加えて、このインペラ側フィン１２１と対向する対向内周面６Ａ上に、アブレイダブル部７０が設けられている。

アブレイダブル部７０は、例えばアルミニウムの微粉末を押し固めて成形することによって得られる、良好な被削性を有する材料である。すなわち、アブレイダブル部７０は、他の部材と当接した場合に、容易に切削される性質を有すると共に、当接した部材に対しては摩耗等の影響を与えない性質を有している。

このような構成によれば、回転に伴う振動によって生じるインペラ５の変位や、インペラ５の加工誤差、インペラの軸線Ｏ方向への移動等によって、インペラ側フィン１２１の先端部が拡径内周面６２Ａに当接した場合であっても、被削性を有するアブレイダブル部７０が切削されることで、インペラ側フィン１２１に摩耗を生じる可能性を低減することができる。これにより、インペラ側フィン１２１によるシール性を維持することができる。

なお、本実施形態では、アブレイダブル部７０としてアルミニウムの微粉末を押し固めた素材を用いる例について説明した。しかしながら、アブレイダブル部７０の素材、態様はこれに限定されず、良好な被削性を有する限りにおいて如何なる素材を用いてもよい。すなわち、インペラ５（カバー９）の素材よりも低い硬度を呈し、かつ被削性を有するものであれば、その態様は一意に限定されない。

［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について、図８を参照して説明する。なお、上述の第一実施形態と同様の構成、部材については同一の符号を付した上で、詳細な説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、主としてシール部１０におけるシールフィン１２の延びる方向が、上述の各実施形態とは異なっている。すなわち、本実施形態では、シール部１０は、収容溝６２Ｂ内に設けられており、シールフィン１２はいずれも軸線Ｏの径方向内側に向かって延びている。

さらに、本実施形態ではインペラ５の対向カバー面９Ａ上における、上記のシール部１０と対応する位置に、突出部９Ｂが形成されている。この突出部９Ｂは、図８に示すように、対向カバー面９Ａから、おおむね軸線Ｏ方向の一方側に向かって突出している。突出部９Ｂは、対向カバー面９Ａの一部を底辺として、この底辺の法線方向に延びる、おおむね三角形の断面を有している。

この断面をなす２つの面のうち、特に軸線Ｏの径方向外側を向く面であるシール面９Ｃは、シール部１０におけるシールフィン１２の配列される方向とおおむね平行となるように形成されている。言い換えると、このシール面９Ｃは、軸線Ｏとおおむね平行に延びる面をなしている。さらに、このシール面９Ｃを含めて突出部９Ｂの一部は、上記の収容溝６２Ｂ内にまで延びている。これにより、上記複数のシールフィン１２の先端部は、このシール面９Ｃに対向することで、対向カバー面９Ａと対向内周面６Ａとの間をシールする。

上記のような構成によれば、シール部１０のシールフィン１２は、軸線Ｏ方向に配列されることから、回転軸２が軸線Ｏ方向に変位した場合であっても、シールフィン１２の先端部と、これに対向するシール面９Ｃとの離間寸法を維持することができる。したがって、遠心圧縮機１の運転状況を問わず、対向内周面６Ａと対向カバー面９Ａとの間をシールすることができる。

１…遠心圧縮機 ２…回転軸 ２Ｓ…軸シール部 ３…ピニオンギア ４…軸受装置 ５…インペラ ６…ケーシング ７…ディスク ８…ブレード ９…カバー １０…シール部 １１…基部 １２…シールフィン ２１…嵌合溝 ５１…インペラ吸気口 ５２…インペラ吐出口 ５Ｆ…インペラ流路 ６Ａ…対向内周面 ６Ｂ…第二対向内周面 ６Ｅ…ディフューザ ７Ａ…ディスク表面 ７Ｂ…ディスク背面 ９Ａ…対向カバー面 ９Ｂ…突出部 ９Ｃ…シール面 ６１Ａ…円筒内周面 ６２Ａ…拡径内周面 ６２Ｂ…収容溝 ７０…アブレイダブル部 ７１…ディスク支持部 ７２…ディスク本体部 ７３…接続部 ８０…吸気流路 ８０…吸気管 ９０…排気流路 １００…ギアード遠心圧縮機 １０１…増速伝達部２００…背面シール部 １０２…回転駆動軸 １０３…大径ギア １０４…収容部 １２１…インペラ側フィン ＣＰ…基準面 Ｄ１…ディスクの径寸法 Ｄ２…径方向における離間寸法 Ｆ１…圧縮力 Ｆ２…スラスト力 Ｏ…軸線

Claims (9)

1. 軸線に沿って延びる回転軸と、
   前記回転軸に固定されて径方向外側に張り出すディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて複数設けられたブレード、及び、該ブレードを軸線方向一方側から覆うカバーを有するインペラと、
   前記インペラにおける前記カバーの外周面に対向する対向内周面を有し、前記インペラを外側から覆うケーシングと、
   を備え、
   前記対向内周面は、
   前記軸線に沿って延びる円筒内周面と、
   該円筒内周面の軸線方向他方側に接続されて該他方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる拡径内周面と、を備え、
   前記拡径内周面と前記カバーの前記外周面との間をシールするシール部をさらに備える遠心圧縮機。
2. 前記シール部は、前記拡径内周面に設けられて、該拡径内周面から前記インペラにおける前記カバーの外周面に向かう方向に延びる複数のシールフィンを有する請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記シール部は、前記拡径内周面に設けられて、該拡径内周面から軸線の径方向内側に向かって延びるとともに、軸線方向に配列された複数のシールフィンを有し、
   前記カバーの外周面における前記シール部と対応する位置には、該外周面から突出するとともに、軸線と平行に延びるシール面を有する突出部が形成され、
   前記シール面は、前記複数のシールフィンと対向する請求項１に記載の遠心圧縮機。
4. 前記シール部は、前記カバーにおける前記拡径内周面と対向する対向カバー面に設けられて、前記対向カバー面から前記拡径内周面に向かう方向に延びる複数のインペラ側フィンを有する請求項１に記載の遠心圧縮機。
5. 前記拡径内周面に設けられて、前記インペラ側フィンの先端部と当接した場合に被削可能な材質で形成されたアブレイダブル部をさらに備える請求項４に記載の遠心圧縮機。
6. 前記シール部は、前記軸線を基準として前記ディスクの径寸法の９０％以下の領域に配置される請求項１から５のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
7. 前記ディスクの軸線方向他方側を向く面と、前記ケーシングとの間をシールする背面シール部をさらに備える請求項１から６のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載された前記遠心圧縮機と、
   外部の駆動源によって回転駆動される回転駆動軸と、該回転駆動軸を収容するとともに前記ケーシングの内部と連通された収容部と、を有し、前記回転駆動軸の回転を前記遠心圧縮機の前記回転軸に伝達する増速伝達部と、
   を備えるギアード遠心圧縮機。
9. 前記増速伝達部を挟んで、前記遠心圧縮機の前記回転軸における反対側に配置され、前記軸線と直交する基準面を対象として面対称をなす他の遠心圧縮機を備える請求項８に記載のギアード遠心圧縮機。

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