JP2017110634A - ターボ機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】高い信頼性を有するターボ機械を提供する。
【解決手段】本開示のターボ機械は、回転軸と、翼車と、軸受と、ケーシング７０と、を備えている。ケーシングは、回転軸の周方向において翼車の周囲に配置されている。翼車の回転によって圧縮又は膨張された作動流体の流路としてボリュートがケーシングの内部に規定されている。ケーシングは、少なくとも１つのリブ７７を含む。（ｉ）前記少なくとも１つのリブは、対角領域にのみ配置されている、又は（ii）前記少なくとも１つのリブは、複数のリブであり、前記対角領域が前記複数のリブによって補強される程度は、前記舌部領域が前記複数のリブによって補強される程度よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本開示は、ターボ機械に関する。
従来、翼車が固定されている回転軸を回転可能に支持する軸受が、作動流体の流路が形成されている翼車の前面側に配置されているターボ機械が知られている。
例えば、図５Ａに示すように、特許文献１には、圧縮機４３４をターボ機械として備えたヒートポンプシステム４００が記載されている。ヒートポンプシステム４００において、作動流体として、水又は水蒸気が使用されている。図５Ｂに示すように、圧縮機４３４において、インペラ４８１（翼車）が接続されているロータ軸４８０が軸受４５１によって支持されている。給水系統４５３から供給された潤滑水は、軸受４５１付近で潤滑剤としての機能を果たしながら摩擦熱を吸収し、排水系統４５４を通って回収される。
図６に示すように、特許文献２には、ターボ機械として、電動圧縮機５０１が開示されている。電動圧縮機５０１は、圧縮機５０１Ａと電動機５０１Ｂとが一体化されて構成されており、図６に示す矢印のように冷媒が流れる。冷媒としては、水が用いられている。圧縮機５０１Ａは、回転軸５１３を有するインペラ５１１（翼車）と、ハウジング５１２とを備えている。回転軸５１３は、軸受５２６、軸受５２７、及び軸受５２８によって回転可能に支持されている。ハウジング５１２は、インペラ５１１を囲み、冷媒の流路を形成している。例えば、ハウジング５１２の内部には、インペラ５１１の外周に空間５１４が形成されている。冷媒配管５３１から冷媒吸入部５１２ａに流入した冷媒は、インペラ５１１の電動機側の側部、中間冷却器５２９、インペラ５１１の電動機とは反対側の側部を流れ、その後、空間５１４及び冷媒排出口５１２ｂを通って、冷媒配管５３２へ流れ込む。
特開２００７−２２４８６８号公報 特開２０１１−１３３１４２号公報
特許文献１及び特許文献２に記載の技術は信頼性を向上させる余地を有する。そこで、本開示は、高い信頼性を有するターボ機械を提供する。
本開示は、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸の軸線の周りに回転することによって作動流体を圧縮又は膨張させる翼車と、
前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記回転軸の周方向において前記翼車の周囲に配置されたケーシングであって、前記翼車の回転によって圧縮又は膨張された前記作動流体の流路であり、前記作動流体の流れ方向に沿って拡大する断面を有するボリュートを内部に含むケーシングと、を備え、
前記ケーシングは、前記ボリュートを規定する外壁を有し、
前記ケーシングは、前記外壁の外周面上に配置された第１のリブを含む少なくとも１つのリブを備え、
前記ケーシングの前記外壁の外周面上には、対角領域と舌部領域が含まれ、
前記第１のリブは対角領域に配置され、
前記舌部領域は、前記回転軸の軸線方向から見て、前記ボリュートの最上流部と下流部とに接触している舌部を含む領域であり、
前記ボリュートの中心は、前記回転軸の軸線方向から見て、前記対角領域及び前記舌部領域の間に位置し、
（ｉ）前記少なくとも１つのリブは、前記対角領域にのみ配置されている、又は（ii）前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、前記対角領域が前記複数のリブによって補強される程度は、前記舌部領域が前記複数のリブによって補強される程度よりも大きい、
ターボ機械を提供する。
上記のターボ機械は、高い信頼性を有する。
本開示の実施形態に係るターボ機械を示す断面図 図１の矢印Ａの方向からターボ機械のケーシングを見た矢視図 図２のIII-III線に沿って見たターボ機械のケーシングの断面図 矢印Ａが示す方向と反対方向からターボ機械のケーシングを見た図 従来のターボ機械を備えたヒートポンプシステムの構成図 従来のターボ機械の軸受周辺を拡大した図 別の従来のターボ機械を示す断面図
特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、翼車の周囲に配置されたケーシングの変形が回転軸を回転可能に支持する軸受の信頼性に及ぼす影響について何ら検討されていない。特許文献２において空間５１４の詳細な形状は不明であるが、ターボ機械のケーシングの内部には、翼車の外周に翼車から流出した作動流体の流路としてボリュートが形成されることがある。ボリュートは、回転軸の周方向に連続的に変化する流路断面積を有する渦巻き状の空間である。ボリュートの巻き始めの部分は、舌部と呼ばれる。
ターボ機械において、回転軸を回転可能に支持する軸受を、ケーシングに対して位置決めすることが考えられる。ケーシングは、ケーシングの内部を流れる作動流体の圧力とケーシングが置かれた環境における圧力との差に起因して変形する。この場合、本発明者らの検討によれば、舌部を含む舌部領域におけるケーシングの回転軸の軸線方向の変形量は比較的小さく、回転軸から見て回転軸の半径方向に舌部領域と反対側に位置する対角領域におけるケーシングの回転軸の軸線方向の変形量は比較的大きくなりやすいことが分かった。軸受がケーシングに対して位置決めされている場合にケーシングにおいて回転軸の軸線方向の変形量にばらつきがあると、軸受が回転軸に対して大きく傾き、軸受の信頼性が損なわれる可能性がある。本開示のターボ機械は、本発明者らのこのような検討を踏まえて案出されたものである。なお、本明細書において「変形量」は、長さの次元を有する。
本開示の第１態様は、
回転軸と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸の軸線の周りに回転することによって作動流体を圧縮又は膨張させる翼車と、
前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記回転軸の周方向において前記翼車の周囲に配置されたケーシングであって、前記翼車の回転によって圧縮又は膨張された前記作動流体の流路であり、前記作動流体の流れ方向に沿って拡大する断面を有するボリュートを内部に含むケーシングと、を備え、
前記ケーシングは、前記ボリュートを規定する外壁を有し、
前記ケーシングは、前記外壁の外周面上に配置された第１のリブを含む少なくとも１つのリブを備え、
前記ケーシングの前記外壁の外周面上には、対角領域と舌部領域が含まれ、
前記第１のリブは対角領域に配置され、
前記舌部領域は、前記回転軸の軸線方向から見て、前記ボリュートの最上流部と下流部とに接触している舌部を含む領域であり、
前記ボリュートの中心は、前記回転軸の軸線方向から見て、前記対角領域及び前記舌部領域の間に位置し、
（ｉ）前記少なくとも１つのリブは、前記対角領域にのみ配置されている、又は（ii）前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、前記対角領域が前記複数のリブによって補強される程度は、前記舌部領域が前記複数のリブによって補強される程度よりも大きい、
ターボ機械を提供する。
第１態様によれば、少なくとも１つのリブにより、（ｉ）対角領域のみが補強されている、又は、（ii）対角領域が複数のリブによって補強される程度は、舌部領域が複数のリブによって補強される程度よりも大きい。これにより、ケーシングの内部を流れる作動流体の圧力とケーシングが置かれた環境における圧力との差に起因してケーシングが変形する場合に、ケーシングの回転軸の軸線方向の変形量が回転軸の周方向においてばらつきにくい。このため、ケーシングに対して位置決めされている軸受がケーシングの変形に伴って回転軸に対して大きく傾くことを防止できる。その結果、軸受の信頼性、ひいてはターボ機械の信頼性を高めることができる。また、ケーシングの外壁全体の厚みを大きくすることなく少なくとも１つのリブによりケーシングの回転軸の軸線方向の変形量の回転軸の周方向におけるばらつきを抑制できる。このため、ターボ機械の重量増加を抑制しつつ信頼性を高めることができる。
ここで、「（ii）前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、前記対角領域が前記複数のリブによって補強される程度は、前記舌部領域が前記複数のリブによって補強される程度よりも大きい」とは、
（ａ）前記第１のリブの高さが前記ボリュートの巻き方向において前記舌部の最も近くに配置された前記リブの高さよりも高いこと、
（ｂ）前記第１のリブの前記ボリュートの巻き方向の寸法が前記ボリュートの巻き方向において前記舌部の最も近くに配置された前記リブの前記ボリュートの巻き方向の寸法よりも大きいこと、
（ｃ）前記対角領域において前記ボリュートの巻き方向に隣り合う２つの前記複数のリブの前記回転軸の半径方向内側の端同士の間隔が前記舌部領域において前記ボリュートの巻き方向に隣り合う２つの前記複数のリブの前記回転軸の半径方向内側の端同士の間隔よりも小さいこと、又は
（ｄ）前記対角領域において前記舌部領域よりも密に前記複数のリブが配置されていること、を含む。
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記軸受は、前記回転軸の外周面と当該軸受の軸受面との間に潤滑液が介在した状態で前記回転軸を回転可能に支持する流体軸受である、ターボ機械を提供する。第２態様によれば、回転軸の外周面と軸受面との間には潤滑液によって液膜を形成するためのクリアランスが必要であり、回転軸の外周面と軸受面との間のクリアランスが比較的大きい。このため、軸受の許容される回転軸に対する傾きが比較的大きく、ケーシングの変形に伴って軸受が回転軸に対して傾いたときに軸受と回転軸とが接触する可能性を低減できる。その結果、軸受の信頼性をより高めることができる。
本開示の第３態様は、第２態様に加えて、前記潤滑液は、液相の前記作動流体である、ターボ機械を提供する。第３態様によれば、潤滑液として作動流体と異なる種類の液体を使用する場合と比べてターボ機械の使用コストを抑制できる。また、作動流体と異なる種類の物質である潤滑液が作動流体に混ざってターボ機械の外部に流出することがないので、ターボ機械が使用されているシステムに対して潤滑液が悪い影響を及ぼす可能性が小さい。また、ターボ機械から流出した作動流体と異なる種類の潤滑液が、ターボ機械が使用されているシステムの特定の箇所で淀むことによってターボ機械の内部で潤滑液が不足し、軸受の信頼性が損なわれることがない。これにより、軸受の信頼性をより高めることができる。
本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記作動流体は、水である、ターボ機械を提供する。第４態様によれば、水の粘度はオイルの粘度に比べて低いので、潤滑液にオイルを使用する場合と同等の軸受負荷がかかる場合には、潤滑液にオイルを使用する場合と比べて回転軸の外周面と軸受面とのクリアランスを小さくする必要がある。このように、第４態様によれば、回転軸の外周面と軸受面とのクリアランスが小さくなりやすいので、第１態様の特徴による軸受の傾きを抑制する作用が効果的に発揮され、軸受と回転軸との接触が発生しにくい。
本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
前記第１のリブの高さが前記ボリュートの巻き方向において前記舌部の最も近くに配置された前記リブの高さよりも高い、ターボ機械を提供する。第５態様によれば、複数のリブの高さを調整することにより、ケーシングの回転軸の軸線方向の変形量のばらつきを比較的容易に抑制できる。
本開示の第６態様は、第１態様〜第５態様のいずれか１つの態様に加えて、前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
前記第１のリブの前記ボリュートの巻き方向の寸法が前記ボリュートの巻き方向において前記舌部の最も近くに配置された前記リブの前記ボリュートの巻き方向の寸法よりも大きい、ターボ機械を提供する。第６態様によれば、複数のリブのボリュートの巻き方向の寸法を調整することにより、ケーシングの回転軸の軸線方向の変形量のばらつきを比較的容易に抑制できる。
本開示の第７態様は、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
前記対角領域において前記ボリュートの巻き方向に隣り合う前記複数のリブの前記回転軸の半径方向内側の端同士の間隔が前記舌部領域において前記ボリュートの巻き方向に隣り合う前記複数のリブの前記回転軸の半径方向内側の端同士の間隔よりも小さい、ターボ機械を提供する。第７態様によれば、複数のリブにおいて、隣り合うリブの回転軸の半径方向内側の端同士の間隔を調整することにより、ケーシングの回転軸の軸線方向の変形量のばらつきを比較的容易に抑制できる。
本開示の第８態様は、第１態様〜第７態様のいずれか１つの態様に加えて、前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
前記対角領域において前記舌部領域よりも密に前記複数のリブが配置されている、ターボ機械を提供する。第８態様によれば、複数のリブの疎密を調整することにより、ケーシングの回転軸の軸線方向の変形量のばらつきを比較的容易に抑制できる。
本開示の第９態様は、第１態様〜第８態様のいずれか１つの態様に加えて、
前記回転軸の軸線方向から見たときに、
前記ボリュートの中心を点Ｏと定義し、
前記点Ｏを基点に、前記舌部を通る半直線を半直線Ｌと定義し、
前記点Ｏを中心として、前記半直線Ｌを、前記ボリュートの断面積が拡大する方向を正として角度θ回転させるとき、前記舌部領域と前記半直線Ｌとが重なる際の角度をθ２と定義し、前記対角領域と前記半直線Ｌとが重なる際の角度をθ１と定義するときに、
−４５°≦θ２≦４５°、及び
１３５°≦θ１≦２２５°、である、
ターボ機械を提供する。
本開示の第１０態様は、第１態様〜第９態様のいずれか１つの態様に加えて、
前記第１のリブは、前記回転軸の軸線方向から見て、前記ボリュートの中心及び前記舌部を通る仮想線と重なる、
ターボ機械を提供する。
本開示の第１１態様は、第１態様〜第１０態様のいずれか１つの態様に加えて、
前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
前記第１のリブの高さは、前記複数のリブの中で最も高い、又は前記第１のリブの前記ボリュートの巻き方向の寸法は、前記複数のリブの中で最も大きい、
ターボ機械を提供する。
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
本開示のターボ機械１００は、図１に示すように、回転軸４０と、翼車３０と、軸受１０と、ケーシング７０とを備えている。翼車３０は、回転軸４０に固定され、回転軸４０とともに回転軸４０の軸線の周りに回転することによって作動流体を圧縮又は膨張させる。軸受１０は、回転軸４０を回転可能に支持する。ケーシング７０は、回転軸４０の周方向において翼車３０の周囲に配置されている。また、ケーシング７０の内部には、翼車３０の回転によって圧縮又は膨張された作動流体の流路としてボリュート７３が内部に形成されている。ボリュート７３は、作動流体の流れ方向に沿って拡大する流路断面を有する。図２及び図４に示すように、ケーシング７０は、外壁７４と、少なくとも１つのリブ７７とを有する。外壁７４はボリュート７３を形成する。少なくとも１つのリブ７７は、第１のリブ７７ｇを含み、対角領域７９における外壁７４の外周面上に配置されている。舌部７８は、回転軸４０の軸線方向から見て、前記ボリュートの最上流部と下流部とに接触している領域である。換言すると、舌部７８は、ボリュート７３の巻き始めの部分である。さらに換言すると、舌部７８は、ボリュート７３の最上流部に位置する。舌部領域７８ａは、回転軸４０の軸線方向から見て、舌部７８を含む領域である。ボリュートの中心Ｏは、回転軸４０の軸線方向から見て、対角領域７９と舌部領域７８ａとの間に位置する。第１のリブ７７ｇは対角領域７９に配置されている。軸受１０は、回転軸４０の軸線方向においてケーシング７０に対して位置決めされている。換言すると、軸受１０は、ケーシング７０と間接的に接触している。対角領域７９が少なくとも１つのリブ７７によって補強される程度は、舌部領域７８ａが少なくとも１つのリブ７７によって補強される程度よりも大きい。
ターボ機械１００は、例えば、遠心式のターボ圧縮機である。ターボ機械１００は、例えば、電動機５０と、電動機ケーシング５５と、軸受ケーシング６０と、第一連結部材８１ａと、第二連結部材８１ｂとをさらに備えている。電動機５０は、電動機ケーシング５５に固定されている固定子５０ａと、回転軸４０に固定されている回転子５０ｂとを含む。ターボ機械１００は、例えば、軸受１０として、第一軸受１０ａ及び第二軸受１０ｂを備えている。回転軸４０は、回転軸４０の軸線方向の両端部に第一軸受１０ａ又は第二軸受１０ｂによって回転可能に支持される円柱状部４２を有する。ターボ機械１００が動作するときに、翼車３０の前方から翼車３０に向かって作動流体が流れる。第二軸受１０ｂは、翼車３０から見て回転軸４０の軸線方向に第一軸受１０ａと反対側に配置されている。
ターボ機械１００は、例えば、翼車３０として、第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂを備えている。第一翼車３０ａは、回転軸４０の軸線方向において第一軸受１０ａと電動機５０との間で回転軸４０に固定されている。第二翼車３０ｂは、回転軸４０の軸線方向において第二軸受１０ｂと電動機５０との間で回転軸４０に固定されている。第一翼車３０ａは、第一翼車３０ａの前方を向く前面部３１ａを有し、第二翼車３０ｂは、第二翼車３０ｂの前方を向く前面部３１ｂを有する。前面部３１ａと前面部３１ｂとが回転軸４０の軸線方向において反対を向くように、第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂが回転軸４０に固定されている。すなわち、第一翼車３０ａにとっての前方と第二翼車３０ｂにとっての前方とが逆向きである。
ターボ機械１００は、例えば、ケーシング７０として、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂを備えている。第一ケーシング７０ａは、第一連結部材８１ａを介して電動機ケーシング５５に固定され、第二ケーシング７０ｂは、第二連結部材８１ｂを介して電動機ケーシング５５に固定されている。第一ケーシング７０ａは、第一翼車３０ａの前面部３１ａを第一翼車３０ａの半径方向外側で取り囲むように形成された内周面７１ａを有する。また、第二ケーシング７０ｂは、第二翼車３０ｂの前面部３１ｂを第二翼車３０ｂの半径方向外側で取り囲むように形成された内周面７１ｂを有する。第一ケーシング７０ａには、第一翼車３０ａの半径方向外側に吐出流路７２ａが形成されている。また、第二ケーシング７０ｂには、第二翼車３０ｂの半径方向外側に吐出流路７２ｂが形成されている。第一ケーシング７０ａの内部には、外壁７４によって、吐出経路７２ａに連通するボリュート７３が形成されている。また、第二ケーシング７０ｂには、外壁７４によって、吐出経路７２ｂに連通するボリュート７３が形成されている。
ケーシング７０の材料は、特に制限されないが、ケーシング７０は、典型的には、鋳鉄及びステンレス鋼などの鉄鋼又はアルミニウム及びチタンなどの非鉄金属でできている。例えば、ケーシング７０がステンレス鋼でできている場合、ターボ機械１００の作動流体が水であってもケーシング７０が耐腐食性に優れる。その結果、ターボ機械１００が高い信頼性を有する。また、ケーシング７０がアルミニウムでできている場合、ケーシング７０が鉄鋼材料でできている場合に比べて、ケーシング７０の重量を大幅に低減することができる。ターボ機械１００においてケーシング７０は比較的大きい部品であるので、ケーシング７０がアルミニウムでできている場合、ターボ機械１００を有利に軽量化することができる。
ターボ機械１００は、例えば、軸受ケーシング６０として、第一軸受ケーシング６０ａ及び第二軸受ケーシング６０ｂを備えている。第一軸受ケーシング６０ａは、第一ケーシング７０ａに固定されており、第一軸受ケーシング６０ａの内部に第一軸受１０ａが収容されている。これにより、第一軸受１０ａが第一ケーシング７０ａに対して位置決めされている。また、第二軸受ケーシング６０ｂは、第二ケーシング７０ｂに固定されており、第二軸受ケーシング６０ｂの内部に第二軸受１０ｂが収容されている。これにより、第二軸受１０ｂが第二ケーシング７０ｂに対して位置決めされている。
電動機５０の働きにより、第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂが回転軸４０とともに高速で回転する。これにより、第一翼車３０ａの前方の作動流体が第一翼車３０ａを通過して圧縮される。第一翼車３０ａを通過して圧縮された作動流体は、吐出経路７２ａ及び第一ケーシング７０ａの内部に形成されたボリュート７３を通過して第一ケーシング７０ａの外部に吐出された後、第二翼車３０ｂの前方の空間に導かれる。第二翼車３０ｂの前方の作動流体は、第二翼車３０ｂを通過してさらに圧縮される。第二翼車３０ｂを通過して圧縮された作動流体は、吐出経路７２ｂ及び第二ケーシング７０ｂの内部に形成されたボリュート７３を通過してターボ機械１００の外部に吐出される。このように、ターボ機械１００によれば、第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂによって作動流体が二段圧縮されるので、ターボ機械１００が高い圧縮効率を有し、高い圧力比を達成できる。
図２及び図３に示すように、ケーシング７０の外壁７４は、第一軸受ケーシング６０を固定するための平面７６を有する。図４に示すように、第三象限Ｑ３の角度的な中心に舌部７８が位置するように、ケーシング７０を回転軸４０の周方向に角度的に４等分することを考える。この場合、例えば、第三象限Ｑ３に属するケーシング７０の部分をケーシング７０の舌部領域７８ａと定義し、第一象限Ｑ１に属するケーシング７０の部分をケーシング７０の対角領域７９と定義する。
ターボ機械１００が動作するとき、ケーシング７０の内部の圧力は作動流体の圧力であり、ケーシング７０の外部の圧力はケーシング７０が置かれた環境の圧力（典型的には大気圧）である。これらの圧力の差に起因してケーシング７０が変形する。特に、ケーシング７０の外壁７４のボリュート７３を形成する部分の厚みは比較的薄く、変形しやすい。例えば、ケーシング７０の外壁７４のリブが形成されていない部分の厚みは、５〜３０ｍｍである。
ケーシング７０がリブ７７を有しない場合又はケーシング７０に一様にリブが形成されている場合を考える。この場合、ケーシング７０の外部の圧力とケーシング７０の内部の圧力との差に起因してケーシング７０が変形する場合、舌部領域７８ａにおけるケーシング７０の回転軸４０の軸線方向の変形量は比較的小さい。なぜなら、ケーシング７０の内周面７１ａから外側に延びる部分と外壁７４とが舌部７８においてつながっており、舌部領域７８ａにおけるケーシング７０が変形しにくい構造を有するからである。これに対し、対角領域７９は舌部領域７８ａから最も離れた位置にあるので、対角領域７９におけるケーシング７０の回転軸４０の軸線方向の変形量は比較的大きい。これにより、回転軸４０の軸線方向における平面７６の変位量が回転軸４０の周方向にばらつく。軸受ケーシング６０は、ケーシング７０の平面７６に固定されるので、回転軸４０の軸線方向における軸受ケーシング６０の変位量も回転軸４０の周方向にばらつく。これにより、ケーシング７０に固定された軸受ケーシング６０の内部に収容されている軸受１０が回転軸４０に対して傾く。この場合、軸受１０の回転軸４０に対する傾きが大きすぎると、軸受１０と回転軸４０との部分的な接触（片当り）が発生したり、局所的に過大な軸受荷重が発生したりして、軸受１０の信頼性が損なわれる可能性がある。ケーシング７０の外壁７４の厚みを大きくしてケーシング７０の全体の剛性を高めることによって回転軸４０の軸線方向の変形量を低減して、軸受１０の傾きを抑制することも考えられる。しかし、この場合には、ターボ機械１００の全体の重量の増加及びターボ機械１００の大型化を招き、ターボ機械１００の製造コストも高くなってしまう。
これに対し、本開示のターボ機械１００においては、対角領域７９が少なくとも１つのリブ７７によって補強される程度は、舌部領域７８ａが少なくとも１つのリブ７７によって補強される程度よりも大きい。このため、舌部領域７８ａにおけるケーシング７０の回転軸４０の軸線方向の変形量と対角領域７９におけるケーシング７０の回転軸４０の軸線方向の変形量との差が小さく、軸受１０が回転軸４０に対して傾きにくい。その結果、軸受１０が高い信頼性を有する。
軸受１０は、例えば、流体軸受であり、回転軸４０の外周面と軸受１０の軸受面との間に潤滑液が介在した状態で回転軸４０を回転可能に支持する。この場合、回転軸４０の外周面と軸受１０の軸受面との間には潤滑液によって液膜を形成するためのクリアランスが必要であり、回転軸４０の外周面と軸受１０の軸受面との間のクリアランスが比較的大きい。このため、軸受１０の許容される回転軸４０に対する傾きが比較的大きく、ケーシング７０の変形に伴って軸受１０が回転軸４０に対して傾いたときに軸受１０と回転軸４０とが接触する可能性を低減できる。その結果、軸受１０の信頼性をより高めることができる。
軸受１０が流体軸受である場合、潤滑液は、例えば、液相の作動流体である。この場合、潤滑液として作動流体と異なる種類の液体を使用する場合と比べて、ターボ機械１００の使用コストを抑制できる。また、作動流体と異なる種類の潤滑液が作動流体に混ざってターボ機械１００の外部に流出することがないので、ターボ機械１００が使用されているシステムに対して潤滑液が悪い影響を及ぼす可能性が小さい。また、ターボ機械１００から流出した作動流体と異なる種類の潤滑液が、ターボ機械１００が使用されているシステムの特定の箇所で淀むことによってターボ機械１００の内部で潤滑液が不足し、軸受１０の信頼性が損なわれることがない。これにより、軸受１０の信頼性をより高めることができる。
ターボ機械１００の作動流体は特に制限されないが、例えば、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／ＪＩＳ Ｚ ８７０３）における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い流体である。このような流体としては、水、アルコール、又はエーテルを主成分として含む流体を挙げることができる。ターボ機械１００の作動流体は、例えば、水である。水の粘度はオイルの粘度に比べて低いので、潤滑液にオイルを使用する場合と同等の軸受負荷がかかる場合には、潤滑液にオイルを使用する場合と比べて回転軸４０の外周面と軸受面とのクリアランスを小さくする必要がある。このように、ターボ機械１００の作動流体が水である場合、回転軸４０の外周面と軸受１０の軸受面とのクリアランスが小さくなりやすい。このため、ターボ機械１００の上記の特徴により軸受１０の傾きを抑制する作用が効果的に発揮され、軸受１０と回転軸４０との接触が発生しにくい。加えて、ターボ機械１００は、大気圧より低い圧力で動作可能であり、翼車３０が高速で回転しても発生するスラスト荷重が非常に小さい。このため、スラスト荷重を受けるべき軸受にかかる軸受荷重が小さく、スラスト荷重を受けるべき軸受を小型化できる。その結果、ターボ機械１００の製造コストを低減できる。
図２及び図４に示すように、ケーシング７０は、例えば、ボリュート７３の巻き方向（ボリュートの内部を流れる作動流体の流れ方向）に離れて配置された複数のリブ７７を有する。複数のリブ７７のそれぞれは、ボリュート７３を跨いで延びている。例えば、複数のリブ７７として、ボリュート７３の巻き始めからボリュート７３の巻き終わりにかけてボリュート７３の巻き方向に沿って、リブ７７ａ、リブ７７ｂ、リブ７７ｃ、リブ７７ｄ、リブ７７ｅ、リブ７７ｆ、リブ７７ｇ（第１のリブ）、リブ７７ｈ、リブ７７ｉ、リブ７７ｊ、リブ７７ｋ、及びリブ７７ｍがこの順番で形成されている。
図４に示すように、対角領域７９に配置された少なくとも１つのリブ７７ｇの高さＨｇがボリュート７３の巻き方向において舌部７８の最も近くに配置されたリブ７７ａの高さＨａよりも高い。これにより、対角領域７９が補強される程度は、舌部領域７８ａが補強される程度よりも大きくなる。このように、複数のリブ７７の高さを調整することにより、ケーシング７０の回転軸４０の軸線方向の変形量のばらつきを比較的容易に抑制できる。その結果、ケーシング７０の変形に伴う軸受１０の傾きが抑制され、軸受１０が高い信頼性を有する。加えて、ケーシング７０を鋳造する場合、鋳型に簡単な工夫を施すことによって複数のリブ７７の高さを調整できるので、ケーシング７０の製造コストを抑制できる。
ボリュート７３の巻き方向において舌部７８の最も近くに配置されたリブ７７の高さをＨ１と定義し、対角領域７９に配置された少なくとも１つのリブ７７の高さをＨ２と定義する。この場合、Ｈ２／Ｈ１は、Ｈ２＞Ｈ１である限り特に制限されないが、例えば１．１〜５である。これにより、軸受１０の傾きを有利に抑制できる。
図４に示すように、対角領域７９に配置された少なくとも１つのリブ７７ｇのボリュート７３の巻き方向の寸法Ｗｇがリブ７７ａのボリュート７３の巻き方向の寸法Ｗａよりも大きい。リブ７７ａは、複数のリブ７７のうち、ボリュート７３の巻き方向において舌部７８の最も近くに配置されている。これにより、対角領域７９が補強される程度は、舌部領域７８ａが補強される程度よりも大きくなる。このように、複数のリブ７７のボリュート７３の巻き方向の寸法を調整することにより、ケーシング７０の回転軸４０の軸線方向の変形量のばらつきを比較的容易に抑制できる。その結果、ケーシング７０の変形に伴う軸受１０の傾きが抑制され、軸受１０が高い信頼性を有する。加えて、ケーシング７０を鋳造する場合、鋳型に簡単な工夫を施すことによって複数のリブ７７のボリュート７３の巻き方向の寸法を調整できるので、ケーシング７０の製造コストを抑制できる。
ボリュート７３の巻き方向において舌部７８の最も近くに配置されているリブのボリュート７３の巻き方向の寸法をＷ１と定義し、対角領域７９に配置された少なくとも１つのリブ７７のボリュート７３の巻き方向の寸法をＷ２と定義する。この場合、Ｗ２／Ｗ１は、Ｗ２＞Ｗ１である限り特に制限されないが、例えば１．１〜５である。これにより、軸受１０の傾きを有利に抑制できる。
図４に示すように、リブ７７ｇとリブ７７ｈとは、対角領域７９においてボリュート７３の巻き方向に隣り合っている。また、リブ７７ａとリブ７７ｂとは、舌部領域７８ａにおいてボリュート７３の巻き方向に隣り合っている。リブ７７ｇ及びリブ７７ｈの回転軸４０の半径方向内側の端同士の間隔Ｄ２はリブ７７ａ及びリブ７７ｂの回転軸４０の半径方向内側の端同士の間隔Ｄ１よりも小さい。これにより、対角領域７９が補強される程度は、舌部領域７８ａが補強される程度よりも大きくなる。このように、隣り合うリブ７７の回転軸４０の半径方向内側の端同士の間隔を調整することにより、ケーシング７０の回転軸４０の軸線方向の変形量のばらつきを比較的容易に抑制できる。その結果、ケーシング７０の変形に伴う軸受１０の傾きが抑制され、軸受１０が高い信頼性を有する。
Ｄ２／Ｄ１は、Ｄ１＞Ｄ２である限り特に制限されないが、例えば０．２〜０．９である。
図４に示すように、対角領域７９において舌部領域７８ａよりも密にリブ７７が配置されている。例えば、対角領域７９には、リブ７７ｅ、リブ７７ｆ、リブ７７ｇ、リブ７７ｈ、及びリブ７７ｉ（５つのリブ７７）が配置されている。一方、舌部領域７８ａには、リブ７７ａ、リブ７７ｂ、及びリブ７７ｍ（３つのリブ７７）が配置されている。これにより、対角領域７９が補強される程度は、舌部領域７８ａが補強される程度よりも大きくなる。このように、複数のリブ７７の疎密を調整することにより、ケーシング７０の回転軸４０の軸線方向の変形量のばらつきを比較的容易に抑制できる。その結果、ケーシング７０の変形に伴う軸受１０の傾きが抑制され、軸受１０が高い信頼性を有する。
上記の説明では、ケーシング７０のうち、第一ケーシング７０ａに着目しているが、第二ケーシング７０ｂも、ボリュート７３の巻き方向が逆方向であること以外は、第一ケーシング７０ａと同様に構成できる。これにより、軸受１０の傾きが抑制され、軸受１０が高い信頼性を有する。
ターボ機械１００は、様々な観点から変更が可能である。例えば、ターボ機械１００は、作動流体を膨張させることによって動力を生成する膨張機に変更されてもよい。この場合でも、上記で説明したのと同様の効果を得ることができる。また、ターボ機械１００は、圧縮機と膨張機とが組み合わせられた流体機械に変更されてもよい。この場合でも、上記で説明したのと同様の効果を得ることができる。
ターボ機械１００において、ケーシング７０が有するリブ７７の数は、特に制限されない。例えば、ケーシング７０が対角領域７９における外壁７４の外周面上のみに１つのリブを有するようにターボ機械１００は変更されてもよい。望ましくは、ケーシング７０は、複数のリブ７７を有する。また、少なくとも１つのリブ７７は、対角領域７９にのみ配置されていてもよい。
ターボ機械１００は、軸受１０がケーシング７０に直接固定されていることによって回転軸４０の軸線方向においてケーシング７０に対して軸受１０が位置決めされているように変更されてもよい。また、回転軸４０の軸線方向においてケーシング７０に対して軸受１０が位置決めされている限り、ターボ機械１００は、軸受１０とケーシング７０との間に軸受ケーシング６０とともに軸受ケーシング６０とは異なる部材が配置されるように変更されてもよい。また、ターボ機械１００は、軸受１０とケーシング７０との間に軸受ケーシング６０に代えて軸受ケーシング６０とは異なる部材が配置されるように変更されてもよい。
本開示のターボ機械は、ターボ冷凍機又は業務用空調等の空調機器に利用される冷凍サイクル装置の圧縮機として特に有利に使用できる。また、本開示のターボ機械は、ターボチャージャー、ガスタービン、及び蒸気タービン等の用途でも使用できる。
１０ 軸受
３０ 翼車
４０ 回転軸
７０ ケーシング
７３ ボリュート
７４ 外壁
７７ リブ
７８ 舌部
７８ａ 舌部領域
７９ 対角領域
１００ ターボ機械

Claims (11)

  1. 回転軸と、
    前記回転軸に固定され、前記回転軸の軸線の周りに回転することによって作動流体を圧縮又は膨張させる翼車と、
    前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
    前記回転軸の周方向において前記翼車の周囲に配置されたケーシングであって、前記翼車の回転によって圧縮又は膨張された前記作動流体の流路であり、前記作動流体の流れ方向に沿って拡大する断面を有するボリュートを内部に含むケーシングと、を備え、
    前記ケーシングは、前記ボリュートを規定する外壁を有し、
    前記ケーシングは、前記外壁の外周面上に配置された第１のリブを含む少なくとも１つのリブを備え、
    前記ケーシングの前記外壁の外周面上には、対角領域と舌部領域が含まれ、
    前記第１のリブは対角領域に配置され、
    前記舌部領域は、前記回転軸の軸線方向から見て、前記ボリュートの最上流部と下流部とに接触している舌部を含む領域であり、
    前記ボリュートの中心は、前記回転軸の軸線方向から見て、前記対角領域及び前記舌部領域の間に位置し、
    （ｉ）前記少なくとも１つのリブは、前記対角領域にのみ配置されている、又は（ii）前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、前記対角領域が前記複数のリブによって補強される程度は、前記舌部領域が前記複数のリブによって補強される程度よりも大きい、
    ターボ機械。
  2. 前記軸受は、前記回転軸の外周面と当該軸受の軸受面との間に潤滑液が介在した状態で前記回転軸を回転可能に支持する流体軸受である、請求項１に記載のターボ機械。
  3. 前記潤滑液は、液相の前記作動流体である、請求項２に記載のターボ機械。
  4. 前記作動流体は、水である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ機械。
  5. 前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
    前記第１のリブの高さが前記ボリュートの巻き方向において前記舌部の最も近くに配置された前記リブの高さよりも高い、請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械。
  6. 前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
    前記第１のリブの前記ボリュートの巻き方向の寸法が前記ボリュートの巻き方向において前記舌部の最も近くに配置された前記リブの前記ボリュートの巻き方向の寸法よりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ機械。
  7. 前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
    前記対角領域において前記ボリュートの巻き方向に隣り合う前記複数のリブの前記回転軸の半径方向内側の端同士の間隔が前記舌部領域において前記ボリュートの巻き方向に隣り合う前記複数のリブの前記回転軸の半径方向内側の端同士の間隔よりも小さい、請求項１〜６のいずれか１項に記載のターボ機械。
  8. 前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
    前記対角領域において前記舌部領域よりも密に前記複数のリブが配置されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のターボ機械。
  9. 前記回転軸の軸線方向から見たときに、
    前記ボリュートの中心を点Ｏと定義し、
    前記点Ｏを基点に、前記舌部を通る半直線を半直線Ｌと定義し、
    前記点Ｏを中心として、前記半直線Ｌを、前記ボリュートの断面積が拡大する方向を正として角度θ回転させるとき、前記舌部領域と前記半直線Ｌとが重なる際の角度をθ２と定義し、前記対角領域と前記半直線Ｌとが重なる際の角度をθ１と定義するときに、
    −４５°≦θ２≦４５°、及び
    １３５°≦θ１≦２２５°、である、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載のターボ機械。
  10. 前記第１のリブは、前記回転軸の軸線方向から見て、前記ボリュートの中心及び前記舌部を通る仮想線と重なる、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載のターボ機械。
  11. 前記少なくとも１つのリブは、前記ボリュートの巻き方向に離れて配置され、それぞれ前記ボリュートを跨いで延びている複数のリブであり、
    前記第１のリブの高さは、前記複数のリブの中で最も高い、又は前記第１のリブの前記ボリュートの巻き方向の寸法は、前記複数のリブの中で最も大きい、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載のターボ機械。
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