JP2016205175A - 回転機械、回転機械の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械の効率を向上させる。
【解決手段】回転機械１は、軸線Ｏ回りに回転する円盤状のディスク７、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設けられることで互いの間に軸線Ｏ方向一方側から径方向外側に向かう流路５Ｆを区画形成するブレード８、及び、ブレード８を径方向外側から覆うカバー９を備えるインペラ５と、インペラ５を径方向外側から覆うとともに、カバー９の外面との間に隙間を形成するケーシング６と、隙間に設けられたシール部１０と、カバー９の軸線Ｏ方向一方側の端面と、この端面に軸線Ｏ方向に対向する対向面６１Ｂとの間である前記隙間に連通する空間に、対向面６１Ｂから端面に向かって突出するように設けられてカバー９よりも被削性の高い材料から形成された蓋部材Ｓと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転機械、及び回転機械の製造方法に関する。

一般的に遠心圧縮機に代表される回転機械は、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カバー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ことで流路を形成するケーシングと、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、上記のような回転機械では、回転体であるインペラと、これに接する静止状態のケーシングとの間に、一定の間隙を設けることが一般的である。すなわち、この間隙を挟むことで、インペラとケーシングとの干渉が回避される。

特開平４−２０３５６５号公報

しかしながら、インペラとケーシングとの間に間隙を形成した場合、該間隙に流路中の流体が流れ込む可能性がある。特に、この間隙に流体が流れ込むと、シュラウドカバー端の角Ｒ部（湾曲している部分）に該流体が衝突し、その下流側で境界層が発達し、流れの剥離や、これに起因する渦が発生してしまう。流体の流れに対するこのような擾乱が一旦発生すると、インペラ内部の減速流によってその擾乱がさらに拡大・肥大化し、インペラの効率が低下する。この現象が圧縮機の圧縮効率の向上を図る上での妨げとなることが懸念される。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、十分な効率を備える回転機械、及び回転機械の製造方法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回転機械は、軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、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設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、該インペラを径方向外側から覆うとともに、前記カバーの外面との間に隙間を形成するケーシングと、前記隙間に設けられたシール部と、前記カバーの軸線方向一方側の端面と、前記ケーシングにおける前記端面に軸線方向に対向する対向面との間である前記隙間に連通する空間に、前記対向面から前記端面に向かって突出するように設けられて前記カバーよりも被削性の高い材料から形成された蓋部材と、を備える。

上述のような構成によれば、カバーの軸線方向一方側の端面と、ケーシングの対向面との間の空間が、蓋部材によって径方向内側から覆われる。これにより、流体が該空間の内部に流入する可能性を低減することができる。
加えて、蓋部材は被削性の高い材料で形成されていることから、回転機械の運転中にカバーの端面と蓋部材とが接触した場合には蓋部材が切削される。このため、カバーには、蓋部材との接触による摩耗や損傷が生じにくい。

本発明の一態様に係る回転機械では、前記カバーにおける前記端面は、前記軸線の径方向外側から径方向内側に向かうにしたがって、該軸線方向一方側から他方側に向かって湾曲するカバー湾曲面を含み、前記カバーは、前記カバー湾曲面における径方向内側の端縁から軸線方向他方側に連続するとともに、該軸線と平行に延びるカバー平行面をさらに有し、前記蓋部材における前記軸線方向他方側の面は、前記軸線の径方向外側から径方向内側に向かうにしたがって、該軸線方向一方側から他方側に向かって湾曲する湾曲対向面とされ、該蓋部材における前記軸線の径方向内側の面は、該軸線に平行に延びる平行内周面とされ、前記湾曲対向面、及び前記平行内周面は前記軸線方向他方側でフィン部を形成し、該フィン部と前記蓋部材における前記カバー湾曲面とは、前記軸線の径方向から見て少なくとも一部が互いに重なっていてもよい。

上述のような構成によれば、蓋部材が設けられることにより、流体が該空間の内部に流入する可能性を低減することができる。さらに、蓋部材のフィン部と、カバー湾曲面の少なくとも一部は、軸線の径方向から見て重なっていることから、上記の空間の内部に向かって流体が流入する可能性をさらに低減することができる。
加えて、カバーの端面は湾曲することでカバー湾曲面をなし、蓋部材の外周側の面も湾曲することで湾曲対向面をなしている。これにより、例えば回転中のインペラが軸線の径方向にずれを生じ、カバー湾曲面と湾曲対向面とが接触した場合であっても、両者の接触面積を比較的に広く確保することができる。
一方で、カバーと上記端面とが角部を有している場合、接触面積を限定することができるので、蓋部材の損傷や摩耗を最小化することができる。

本発明の一態様に係る回転機械では、前記平行内周面と前記カバー平行面とは、前記軸線方向から見て該軸線の径方向における位置が同一であってもよい。

上述のような構成によれば、平行内周面とカバー平行面とが、軸線の径方向において同一の位置に延びることで、互いに面一となっている。したがって、平行内周面からカバー平行面に向かって流体が流通するに際に、剥離や渦等を形成する可能性をさらに低減することができる。

本発明の一態様に係る回転機械では、前記フィン部と前記カバーの前記端面とが当接していてもよい。

上述のような構成によれば、回転機械の駆動に伴ってフィン部が切削されることで、該フィン部と端面との間に、インペラが回転可能な限りにおいて最小限の間隙を形成することができる。

本発明の他の態様に係る回転機械の製造方法は、軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、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設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、該インペラを径方向外側から覆うとともに、前記カバーの外面との間に隙間を形成するとともに、軸線方向に複数に分割されたケーシングと、前記カバーの軸線方向一方側の端面と、前記ケーシングにおける前記端面に軸線方向に対向する対向面との間である前記隙間に連通する空間に、前記対向面から前記端面に向かって突出するように設けられて前記カバーよりも被削性の高い材料から形成された蓋部材と、を備える回転機械の製造方法であって、前記インペラを準備する工程と、前記対向面に前記蓋部材を取り付ける工程と、前記蓋部材と前記カバーの前記端面とが当接した状態で、軸線方向両側から前記分割された前記ケーシングをそれぞれ取り付ける工程と、前記インペラを軸線回りに回転駆動することで、前記蓋部材を前記カバーの前記端面との接触によって切削する工程と、を含む。

上述のような方法によれば、軸線方向に複数に分割されたケーシングが、蓋部材とカバーの端面とが当接した状態で、インペラの軸線方向両側から取り付けられる。続いて、この状態でインペラを回転駆動することで、被削性の高い材料で形成された蓋部材は、カバーの端面との接触によって切削される。これにより、蓋部材とカバーの端面との間に、インペラが回動可能な限りにおいて、最小限の間隙を形成することができる。すなわち、蓋部材によるシール性をさらに向上することができる。なお、組立時に上記蓋部材とカバーの端面とを当接させず、両者の間にわずかな隙間をあけて組立てることも可能である。

本発明によれば、十分な効率を備える回転機械、及び回転機械の製造方法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（回転機械）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回転機械の要部拡大図である。 本発明の第一実施形態に係るインペラ周辺の拡大図である。 本発明の第一実施形態に係るインペラ周辺の拡大図である。 本発明の第二実施形態に係るインペラ周辺の拡大図である。 本発明の第三実施形態に係る回転機械の要部拡大図である。 遠心圧縮機インペラ流路断面上における圧力損失分布の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るインペラ流路断面上における圧力損失分布の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転機械の製造方法を示す工程図である。 従来型のインペラにおける要部拡大図である。

［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（回転機械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１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、カバー９の軸線Ｏ方向における一方側の端面９Ｂは、カバー垂直面９Ｃと、カバー湾曲面９Ｄとを有している。カバー垂直面９Ｃは、端面９Ｂにおける径方向外側の端縁から径方向内側に向かって、軸線Ｏの径方向に延びている。なお、カバー垂直面９Ｃは、厳密に軸線Ｏの径方向に沿っている必要はなく、実質的に径方向と平行をなすことを志向している限りにおいては、加工誤差等による多少の歪み等は許容される。

カバー湾曲面９Ｄは、図３に示すように、軸線Ｏの径方向外側から内側に向かうにしたがって、該軸線Ｏの一方側から他方側に向かって湾曲している。このカバー湾曲面９Ｄにおける径方向内側の端縁（すなわち、軸線Ｏ方向他方側の端縁）から軸線Ｏ方向他方側の領域は、該軸線Ｏとおおむね平行をなすことでカバー平行面９Ｅとされている。なお、これらカバー湾曲面９Ｄとカバー平行面９Ｅとは互いに連続することで一様な面をなしている。言い換えれば、カバー湾曲面９Ｄとカバー平行面９Ｅとの間には段差等が形成されていない。

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が区画形成される。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。なお、本実施形態では、ケーシング６は軸線Ｏ方向に複数に分割されている。より詳細には、図１に示すように、ケーシング６は、軸線Ｏとおおむね直交する分割面で分割されることで、軸線Ｏ方向一方側の半体をなす第一ケーシングＨ１と、及び他方側の半体をなす第二ケーシングＨ２と、を有している。

加えて、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と隙間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が形成されている。このディフューザは排気流路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。

上記の円筒内周面６１Ａの軸線Ｏ方向一方側の端部は、径方向内側に向かって縮径することで、上記の吸込流路の内周面と接続されている。この縮径部のうち、軸線Ｏ方向他方側を向く面は、対向面６１Ｂとされている。この対向面６１Ｂは、本実施形態では、おおむね軸線Ｏの径方向に広がる円環状をなしている。なお、この対向面６１Ｂは、必ずしも軸線Ｏの径方向に厳密に沿っている必要はなく、実質的に径方向と平行をなすことを志向している限りにおいては、加工誤差等による多少の歪みは許容される。

上記の対向面６１Ｂ、及びカバー９の端面９Ｂによって形成される空間は、上述したカバー９対向面６１Ｂと対向内周面６Ａとによって形成される隙間に連通されている。この空間には、蓋部材Ｓが設けられている。蓋部材Ｓは、軸線Ｏ方向から見ておおむね円環状をなすとともに、比較的に高い被削性を有する材料で形成されている。この蓋部材Ｓを形成するに当たっては、例えば樹脂により一体成形してもよいし、又は、アルミニウムの微粉末を、バインド材等と混練した後、押し固めることで成形してもよい。

さらに、本実施形態に係る蓋部材Ｓのうち、軸線Ｏ方向の他方側を向く面は、湾曲対向面Ｓ１とされている。この湾曲対向面Ｓ１は、径方向外側から径方向内側に向かうにしたがって、軸線Ｏの一方側から他方側に向かって湾曲している。一方で、蓋部材Ｓの内周面、すなわち径方向内側の面は、軸線Ｏとおおむね平行に延びる平行内周面Ｓ２とされている。なお、この平行内周面Ｓ２は必ずしも軸線Ｏと完全な平行をなしている必要はなく、加工誤差等による多少の歪みは許容される。

以上のように構成された湾曲対向面Ｓ１、及び平行内周面Ｓ２Ｓ２とは、軸線Ｏ方向の他方側で鋭角をなして互いに接続されることで、図３に示すように、薄板状のフィン部Ｆを形成する。すなわち、本実施形態に係る蓋部材Ｓは、このフィン部Ｆを有することで、全体として対向面６１Ｂから軸線Ｏ方向の他方側に向かって突出している。
上記のフィン部Ｆは、カバー９に対して軸線Ｏ方向の一方側から対向している。より具体的には、フィン部Ｆはカバー９の端面９Ｂに対して軸線Ｏ方向の一方側から対向している。

より詳細には、図３又は図４に示すように、蓋部材Ｓのフィン部Ｆはカバー湾曲面９Ｄに追従するように、軸線Ｏ方向の他方側に向かって突出している。なお、特に図３に示すように、フィン部Ｆの径方向外側の面（すなわち、湾曲外周面）の曲率半径と、カバー湾曲面９Ｄの曲率半径とは互いに異なる値に設定される。言い換えれば、湾曲外周面とカバー９の端面９Ｂにおける径方向外側の領域は、軸線Ｏ方向に互いに離間している。

さらに、蓋部材Ｓの平行内周面Ｓ２と、カバー９のカバー平行面９Ｅとは、互いに面一とされている。より詳細には、平行内周面Ｓ２とカバー平行面９Ｅとは、軸線Ｏの径方向においておおむね同一の位置に延びている。さらに言い換えれば、カバー９の内径寸法と、蓋部材Ｓの内径寸法は互いにおおむね同一に設定されている。

なお、詳しくは後述するが、遠心圧縮機１が実際に稼働している状態においては、図３に示すように、フィン部Ｆの先端部（軸線Ｏ方向他方側の端部）と、カバー９のカバー湾曲面９Ｄとの間には、わずかな間隙（微小間隙ｄ）が形成されている。一方で、この遠心圧縮機１を製造するに当たって、各部材の組み立てが完了した直後の状態においては、図４に示すように、これらフィン部Ｆの先端部とカバー湾曲面９Ｄとは互いに軸線Ｏ方向の両側から当接している。すなわち、図３に示す微小間隙ｄは、図４に示す組み立て直後の状態で、インペラ５を回転駆動することによって、被削性の高い蓋部材Ｓがカバー９との接触を経て切削されることで自然に形成されるものである。

さらに、本実施形態では、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の内部と連通されている。

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、円筒内周面６１Ａ上に設けられている。

図３に示すように、シール部１０は、円筒内周面６１Ａに沿って延びるアブレイダブルシール部１１と、インペラ５のカバー９からこのアブレイダブルシール部１１に向かって（すなわち、軸線Ｏの径方向内側から外側に向かって）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、径方向内側から外側（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、カバー９の外周面上で軸線Ｏ方向に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。

［製造方法］
次に、本実施形態に係る回転機械１００としての遠心圧縮機１（回転機械１００）の製造方法について、図９を参照して説明する。同図に示すように、遠心圧縮機１を製造するに当たっては、まず上述のように構成されたインペラ５を準備する。インペラ５を構成するに当たっては、例えばアルミニウムや鉄を主成分とする金属材料を用いて一体に成形する工程等が実施される。
続いて、上述のような構成を有するケーシング６を、例えば鋳造等によって成形する。上述のように、本実施形態ではケーシング６は、遠心圧縮機１が組立てられた状態における軸線Ｏ方向に、２つに分割されている。このうち軸線Ｏ方向の一方側の半体に対して、上述の蓋部材Ｓを取り付ける。より具体的には、ケーシング６の半体の内周面（対向面６１Ｂ）に、別工程によって予め成形された蓋部材Ｓを取り付ける。

さらに、ケーシング６をなす２つの半体を、インペラ５に対して軸線Ｏ方向の両側から該軸線Ｏ方向に移動させながら取り付ける。このとき、それぞれ上記の蓋部材Ｓ（フィン部Ｆの先端）と、インペラ５におけるカバー９の端面９Ｂとが当接した状態となる。この状態で、２つの半体同士を固定することで、ケーシング６の内部にインペラ５が収容される。

次に、上記の状態で、外部の動力源によって、インペラ５を軸線Ｏ回りに回転駆動する。これにより、当初接触していた蓋部材Ｓ（フィン部Ｆの先端）と、カバー９の端面９Ｂとが、インペラ５の回転に伴って軸線Ｏの周方向に摺接する。ここで、蓋部材Ｓは上記のように被削性の高い材料で形成されていることから、カバー９との連続的な摺接を経て次第に切削される。蓋部材Ｓが切削されることにより、この蓋部材Ｓ（特に、フィン部Ｆ）とカバー９の端面９Ｂとの間には、図３に示すような微小間隙ｄが自然に形成される。以上により、遠心圧縮機１の製造方法に係る主要な工程が完了する。

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、ディフューザに向かって流通する。ディフューザ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。遠心圧縮機１の運転の継続に伴って、以上のサイクルが連続的に繰り返される。

上記のようなサイクルの中途で、インペラ流路５Ｆに流入する流体が、カバー９の端面９Ｂと、ケーシング６の対向面６１Ｂとの間の間隙（空間）に流入・漏出する可能性が懸念される。このような間隙に流体が流れ込んだ場合、インペラ流路５Ｆの中途で流れの剥離や境界層の発達が生じる可能性がある（図１０参照）。これにより、遠心圧縮機１の圧縮効率が低下する可能性がある。

しかしながら、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、上記のようにカバー９の端面９Ｂと、ケーシング６の対向面６１Ｂとの間の間隙に蓋部材Ｓが設けられている。この蓋部材Ｓの平行内周面Ｓ２が、径方向内側から上記の間隙を覆うことでシール性が確保される。すなわち、上記のような流体の漏出が生じる可能性が低減される。これにより、遠心圧縮機１の圧縮効率の低下を抑制することができる。言い換えると、十分に高い圧縮効率を有する遠心圧縮機１を提供することができる。
特に、蓋部材Ｓは被削性の高い材料で形成されていることから、回転機械１００の運転中にカバー９の端面９Ｂと蓋部材Ｓとが接触した場合には蓋部材Ｓが切削される。このため、カバー９には、蓋部材Ｓとの接触による摩耗や損傷が生じにくい。

加えて、蓋部材Ｓのフィン部Ｆと、カバー湾曲面９Ｄの少なくとも一部は、軸線Ｏの径方向から見て重なっていることから、上記の空間の内部に向かって流体が流入する可能性をさらに低減することができる。
加えて、カバー９の端面９Ｂは湾曲することでカバー湾曲面９Ｄをなし、蓋部材Ｓの外周側の面も湾曲することで湾曲対向面Ｓ１をなしている。これにより、例えば回転中のインペラ５が軸線Ｏの径方向にずれを生じ、カバー湾曲面９Ｄと湾曲対向面Ｓ１とが接触した場合であっても、両者の接触面積を限定することができるので、蓋部材Ｓの損傷や摩耗を最小化することができる。

さらに、上記の遠心圧縮機１では、平行内周面Ｓ２とカバー平行面９Ｅとは、軸線Ｏ方向から見て該軸線Ｏの径方向における位置が同一とされている。すなわち、平行内周面Ｓ２とカバー平行面９Ｅとが、軸線Ｏの径方向において同一の位置に延びることで、互いに面一となっている。したがって、平行内周面Ｓ２からカバー平行面９Ｅに向かって流体が流通するに際に、剥離や渦等を形成する可能性をさらに低減することができる。

また、上記のような遠心圧縮機１の製造方法によれば、軸線Ｏ方向に複数に分割されたケーシング６が、蓋部材Ｓとカバー９の端面９Ｂとが当接した状態で、インペラ５の軸線Ｏ方向両側から取り付けられる。続いて、この状態でインペラ５を回転駆動することで、被削性の高い材料で形成された蓋部材Ｓは、カバー９の端面９Ｂとの接触によって自然に切削される。これにより、蓋部材Ｓとカバー９の端面９Ｂとの間に、インペラ５が回動可能な限りにおいて、最小限の寸法を有する微小間隙ｄを形成することができる。すなわち、蓋部材Ｓによるシール性をさらに向上することができる。
なお、組立時に上記蓋部材Ｓとカバー９の端面９Ｂとを当接させず、両者の間にわずかな隙間をあけた状態で組立てることも可能である。

ここで、本実施形態に係る遠心圧縮機１における圧縮効率の向上について、図７と図８とを参照してさらに具体的に説明する。図７は、上記説明した蓋部材Ｓを設けない構成を採った場合の遠心圧縮機１におけるインペラ５の翼間流路（上記のインペラ流路５Ｆに相当）の断面上における圧力損失分布図である。一方で、図８は、上記の蓋部材Ｓを設けた場合のインペラ流路５Ｆの断面上における圧力損失分布図を示している。

なお、図７（ａ）、及び図８（ａ）は、いずれも比較的に低マッハ数の流体が適用されるインペラ５を用いた場合の圧力損失分布図を示している。図７（ｂ）、及び図８（ｂ）は、上記の低マッハ数インペラの改良型（圧縮効率を１〜２％向上した型）における圧力損失分布図を示している。さらに、図７（ｃ）、及び図８（ｃ）は、亜音速流体が適用されるインペラを用いた場合の圧力損失分布図を示している。図７（ｄ）、及び図８（ｄ）は、これら亜音速型インペラの改良型における圧力損失分布図を示す。

ここで、図８（ａ）〜（ｄ）の各例では、図７（ａ）〜（ｄ）の各例に比して、圧力損失領域の面積が減少していることが分かる。すなわち、図８の各例では、インペラ入口からわずかに下流側のシュラウド面上における圧力損失領域の幅（すなわち、図中のハブ面からシュラウド面にかけての圧力損失領域の寸法）が小さくなっている。これに伴って、インペラ出口付近のシュラウド面上でも圧力損失領域の面積が小さくなっている。特に、上記改良型のインペラは、改良前のインペラに比べて圧力損失が小さいことから、改良型インペラでは、上記出口での圧力損失の低減効果がさらに顕著に得られる。より具体的には、改良型インペラでは高圧力損失領域（図中の網掛け部）の面積が改良前のインペラに比べて小さくなっている。また、このような圧力損失の低減効果は、上記の低マッハ数流入型、亜音速流入型のいずれにおいても、同程度に得ることができる。以上により、上記実施形態に係る遠心圧縮機１では、蓋部材Ｓを設けたことによって圧力損失が十分に低減されることが確認された。

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、遠心圧縮機１における上記各部材の製造に当たっては、部材ごとの製造誤差が生じる可能性に加えて、組み立てに伴う組み立て誤差が生じる可能性も懸念される。このような誤差に起因して、例えば図５に示すように、フィン部Ｆの先端部が、カバー平行面９Ｅよりもわずかに径方向内側に変位した状態となる場合がある。このような場合であっても、蓋部材Ｓによる上述のシール性能を妨げるものではない。言い換えると、図５に示す例も本実施形態の要旨を逸脱するものではない。

［第二実施形態］
続いて、本発明の第二実施形態について、図６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。

同図に示すように、本実施形態では蓋部材Ｓｂはケーシング６の対向面６１Ｂにおける一部の領域にのみ設けられている。より具体的には、この蓋部材Ｓｂは、軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かっておおむね一様な径寸法を有する直管状の円筒部材によって形成されている。さらに、蓋部材Ｓｂにおける軸線Ｏ方向他方側の端面９Ｂは、後述するカバー９の端面９Ｂに対向している。

蓋部材Ｓｂに対向するカバー９の端面９Ｂには、軸線Ｏの一方側から他方側に向かって凹没する逃げ溝９Ｒが形成されている。この逃げ溝９Ｒの径方向における寸法は、上記蓋部材Ｓｂの径方向における寸法（すなわち、外形寸法と内径寸法との差分）とおおむね等しい値に設定されている。この逃げ溝９Ｒの軸線Ｏ方向における端面９Ｂは、上記のように蓋部材Ｓｂとの間に、微小間隙ｄ２を形成する。さらに、このような逃げ溝９Ｒを形成することで、蓋部材Ｓｂの外周面の一部と、逃げ溝９Ｒの内周面（径方向内側の面）は、軸線Ｏの径方向において互いに対向している。

上記のような構成によっても、上記第一実施形態と同様のシール性能、及び良好な圧縮効率を得ることができる。加えて、本実施形態における蓋部材Ｓｂは、単純な直管状をなしていることから容易に量産することが可能である。これにより、製造コストを低減することができる。
さらには、上記のように、蓋部材Ｓｂとカバー９の端面９Ｂとは、逃げ溝９Ｒを介して互いに重なり合っている。これにより、仮に微小間隙ｄ２を経て流体が径方向外側に漏出した場合であっても、逃げ溝９Ｒの内周面によってこの流体のさらなる漏出と浸潤を抑制することができる。

１…遠心圧縮機 ２…回転軸 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…アブレイダブルシール部 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 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 ９０…排気管 １００…回転機械（ギアード遠心圧縮機） １０１…背面シール部 １０２…回転駆動軸 １０３…大径ギア １０４…収容部 ２００…増速伝達部 ５Ｆ…インペラ流路 ６１Ａ…円筒内周面 ６１Ｂ…対向面 ６２Ａ…拡径内周面 ６Ａ…対向内周面 ６Ｂ…第二対向内周面 ６Ｅ…ケーシング吐出口 ７Ａ…ディスク表面 ７Ｂ…ディスク背面 ９Ａ…対向カバー面 ９Ｂ…端面 ９Ｃ…カバー垂直面 ９Ｄ…カバー湾曲面 ９Ｅ…カバー平行面 ９Ｒ…逃げ溝 ＣＰ…基準面 ｄ…微小間隙 ｄ２…微小間隙 Ｆ…フィン部 Ｈ１…第一ケーシング Ｈ２…第二ケーシング Ｏ…軸線 Ｓ…蓋部材 Ｓ１…湾曲対向面 Ｓ２…平行内周面 Ｓｂ…蓋部材

Claims (5)

1. 軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、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設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、
   該インペラを径方向外側から覆うとともに、前記カバーの外面との間に隙間を形成するケーシングと、
   前記隙間に設けられたシール部と、
   前記カバーの軸線方向一方側の端面と、前記端面に軸線方向に対向する対向面との間である前記隙間に連通する空間に、前記ケーシングの前記対向面から前記端面に向かって突出するように設けられて前記カバーよりも被削性の高い材料から形成された蓋部材と、
   を備える回転機械。
2. 前記カバーにおける前記端面は、
   前記軸線の径方向外側から径方向内側に向かうにしたがって、該軸線方向一方側から他方側に向かって湾曲するカバー湾曲面を含み、
   前記カバーは、前記カバー湾曲面における径方向内側の端縁から軸線方向他方側に連続するとともに、該軸線と平行に延びるカバー平行面をさらに有し、
   前記蓋部材における前記軸線方向他方側の面は、前記軸線の径方向外側から径方向内側に向かうにしたがって、該軸線方向一方側から他方側に向かって湾曲する湾曲対向面とされ、
   該蓋部材における前記軸線の径方向内側の面は、該軸線に平行に延びる平行内周面とされ、
   前記湾曲対向面、及び前記平行内周面は前記軸線方向他方側でフィン部を形成し、
   前記フィン部と前記カバーにおける前記カバー湾曲面とは、前記軸線の径方向から見て少なくとも一部が互いに重なっている請求項１に記載の回転機械。
3. 前記平行内周面と前記カバー平行面とは、前記軸線方向から見て該軸線の径方向における位置が同一である請求項２に記載の回転機械。
4. 前記フィン部と前記カバーの前記端面とが当接している請求項２又は３に記載の回転機械。
5. 軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、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設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、該インペラを径方向外側から覆うとともに、前記カバーの外面との間に隙間を形成するとともに、軸線方向に複数に分割されたケーシングと、前記カバーの軸線方向一方側の端面と、前記ケーシングにおける前記端面に軸線方向に対向する対向面との間である前記隙間に連通する空間に、前記対向面から前記端面に向かって突出するように設けられて前記カバーよりも被削性の高い材料から形成された蓋部材と、を備える回転機械の製造方法であって、
   前記インペラを準備する工程と、
   前記対向面に前記蓋部材を取り付ける工程と、
   前記蓋部材と前記カバーの前記端面とが当接した状態で、軸線方向両側から前記分割された前記ケーシングをそれぞれ取り付ける工程と、
   前記インペラを軸線回りに回転駆動することで、前記蓋部材を前記カバーの前記端面との接触によって切削する工程と、
   を含む回転機械の製造方法。