JP2017141684A - 遠心回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心回転機械のインペラ部分まで流入した異物粒子によるシール装置の摩耗や破損を防ぐことができる遠心回転機械を提供すること。【解決手段】ディスク３ａ、ブレード３ｃ、及びカバー３ｂを備えるインペラ３と、インペラ３を径方向内側に収容するとともに、前記カバー３ｂの外周面３ｂ２との間に隙間を形成するケーシング６と、前記隙間をシールするシール装置７と、を備え、前記ケーシング６は、前記カバー３ｂの軸線方向一方側を向くカバー端面３ｂ１及び前記シール装置７の軸線方向一方側に間隔をあけて配置され、カバー端面３ｂ１及びシール装置７との間で径方向に延びる径方向流路を画成する端壁面６ｆを有し、前記シール装置７と前記径方向流路８との間に、前記シール装置７よりも硬度の大きい材料から形成されて前記シール装置７の軸線方向一方側を向く面を覆う防護部６ｉをさらに備える。【選択図】図２

Description

本発明は、遠心回転機械に関する。

一般的に、遠心回転機械は、回転軸に設けられたインペラと、このインペラを覆うケーシングとを有している。遠心回転機械のインペラがケーシング内で回転する際にインペラとケーシングとの間に埃や砂などの異物粒子が進入すると、インペラやケーシングを痛めることがある。
たとえば特許文献１には、回転機械の一種であるガスタービンエンジンの圧縮機に入る異物粒子の量を減らす分粒装置が開示されている。

特開平５−１５６９６６号公報

遠心回転機械の内部に異物粒子が流入してしまった場合に、回転中のインペラに異物粒子が接触すると、異物粒子はインペラの径方向外側へとはじき出されてインペラとケーシングとの間に滞留してしまう。インペラとケーシングとの間に滞留した異物粒子は、遠心回転機械の内部の摩耗を進行させたり、遠心回転機械の内部を破損させたりする虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、遠心回転機械のインペラ部分まで流入した異物粒子によるシール装置の摩耗や破損を防ぐことができる遠心回転機械を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、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内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、前記隙間をシールするシール装置と、を備え、前記ケーシングは、前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面及び前記シール装置の軸線方向一方側に間隔をあけて配置され、カバー端面及びシール装置との間で径方向に延びる径方向流路を画成する端壁面を有し、前記シール装置と前記径方向流路との間に、前記シール装置よりも硬度の大きい材料から形成されて前記シール装置の軸線方向一方側を向く面を覆う防護部材をさらに備える遠心回転機械である。

上記態様の遠心回転機械において、回転中のインペラのカバーに異物粒子が衝突すると、異物粒子はインペラの径方向外側に移動される。ここで、異物粒子はシール装置には衝突せず防護部材に衝突するので、シール装置への異物粒子の衝突によるシール装置の摩耗や破損が起こりにくくなるようにシール装置を保護できる。

また、前記防護部材は、前記ケーシングと一体成型され、前記ケーシングから前記ディスクの軸線へ向かって径方向内側に突出する環状をなしていてもよい。

また、前記防護部材は、前記シール装置に固定されていてもよい。

また、前記防護部材は、前記シール装置における前記軸線方向一方側を向く面に溶射により一体化されていてもよい。

また、前記ケーシングは、前記端壁面の径方向内側に接続されて、前記軸線方向一方側に延びて前記インペラへの流体の導入流路を画成する入口側内周面と、前記ケーシング内に形成されて、前記端壁面の径方向外側の端部と前記入口側内周面とに開口することで、前記径方向流路と前記導入流路とを連通させる還流路と、を有していてもよい。

本発明によれば、遠心回転機械のインペラ部分まで流入した異物粒子によるシール装置の摩耗や破損を防ぐことができる。

本発明の第１実施形態に係る遠心回転機械の概略構成を示す断面図である。 図１の拡大図である。 図２の拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る遠心回転機械の拡大断面図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の遠心回転機械、及びシール装置の寸法関係とは異なる場合がある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る遠心回転機械の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の拡大図である。図３は、図２の拡大図である。図１では、遠心回転機械１を回転軸２の延在方向に対して平行な仮想平面で、回転軸２を２分割するように、遠心回転機械１を切断した場合の断面を図示している。
図１において、Ａは流体（例えば、プロセスガス）の移動方向、Ｏは回転軸２の軸線をそれぞれ示している。

図１及び図２を参照するに、本実施形態の遠心回転機械１は、回転軸２と、インペラ３と、一対の軸受５Ａ，５Ｂと、ケーシング６と、シール装置７と、を備える。
回転軸２は、軸線Ｏの延在方向と同じ方向に延在する柱状の部材である。回転軸２は、軸線Ｏの方向に位置する両端部が軸受５Ａ，５Ｂによって回転可能に支持されている。回転軸２は、一方向に回転する。回転軸２は、曲面とされた外周面２ａを有する。

インペラ３は、軸受５Ａと軸受５Ｂとの間に位置する回転軸２の外周面２ａに設けられている。インペラ３は、ディスク３ａと、カバー３ｂと、複数のブレード３ｃと、を有する。
ディスク３ａは、回転軸２の端部から中心位置Ｃに向かうにつれて、回転軸２の径方向の外側に漸次拡径するように設けられている。ディスク３ａの形状は、例えば、略円盤状とすることができる。ディスク３ａの軸線は、回転軸２の軸線Ｏと同軸である。以下、ディスク３ａの軸線についても「軸線Ｏ」と表記する。
カバー３ｂは、ディスク３ａと対向するように設けられている。カバー３ｂは、複数のブレード３ｃを覆っている。
複数のブレード３ｃは、ディスク３ａの外側に、ディスク３ａから離間するように、放射状に設けられている。ブレード３ｃは、ディスク３ａの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。

本実施形態では、回転軸２の軸線Ｏの延在方向に同軸状に並べられた複数のインペラ３によって多段式インペラ群３Ａが構成されている。

軸受５Ａは、回転軸２の一方の端部に設けられている。軸受５Ｂは、回転軸２の他方の端部に設けられている。

ケーシング６は、筒状とされており、軸受５Ａ，５Ｂを外側から支持している。ケーシング６は、回転軸２、インペラ３、及びシール装置７を径方向内側に収容している。
ケーシング６は、ケーシング６に対して回転軸２及びインペラ３を、回転可能な構成とされている。
ケーシング６は、ケーシング流路６ａと、吸込口６ｂと、接続流路６ｃ，６ｄと、排出口６ｅとを有する。ケーシング流路６ａ、吸込口６ｂ、接続流路６ｃ，６ｄ、及び排出口６ｅは、ケーシング６のうち、多段式インペラ群３Ａの配設領域に対応する部分に設けられている。
さらに、ケーシング６は、端壁面６ｆと、入口側内周面６ｇと、還流路６ｈとを有している。端壁面６ｆ、入口側内周面６ｇ、及び還流路６ｈは、ケーシング６のうち、多段式インペラ群３Ａを構成する各インペラ３に対して、インペラ３毎に設けられている。
また、ケーシング６は、シール装置７においてディスク３ａの軸方向一方側に向く面７ａを保護する防護部６ｉ（防護部材）を有している。

ケーシング流路６ａは、各インペラ３を構成するブレード３ｃ間の流路同士を接続するように、ケーシング６の内部に設けられている。ケーシング流路６ａは、回転軸２の外側に位置するケーシング６において、環状となるように構成されている。
吸込口６ｂは、軸受５Ａ側に位置するケーシング６に設けられている。吸込口６ｂは、流体を吸い込み、接続流路６ｃを介して、吸い込んだ流体をケーシング流路６ａに導く。

接続流路６ｃは、ケーシング６に内設されており、ケーシング流路６ａと吸込口６ｂとを接続している。接続流路６ｄは、ケーシング６に内設されており、排出口６ｅとケーシング流路６ａとを接続している。
排出口６ｅは、接続流路６ｄを経由した流体をケーシング６の外部に排出する。

端壁面６ｆは、カバー３ｂの軸線方向一方側を向くカバー端面３ｂ１の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びている。さらに、端壁面６ｆは、カバー端面３ｂ１との間に径方向流路８を画成する。

径方向流路８は、遠心回転機械１の動作時に流入する流体に含まれる異物粒子Ｐが進入可能な流路である。径方向流路８に進入した異物粒子Ｐは、回転するインペラ３のカバー３ｂに接触することでインペラ３の径方向外側へと移動する。

入口側内周面６ｇは、端壁面６ｆの径方向内側に接続されている。入口側内周面６ｇは、端壁面６ｆの径方向内側の端部から軸線方向一方側へ延びている。入口側内周面６ｇは、インペラ３への流体の導入流路９を画成する。

図２及び図３に示すように、還流路６ｈは、端壁面６ｆの径方向外側の端部と入口側内周面６ｇとに開口することで、径方向流路８と導入流路９とを連通させる。還流路６ｈの形状は、たとえば、ディスク３ａの軸線Ｏを中心とする一続きの環状や、ディスク３ａの軸線Ｏを中心とする周方向に離間する複数の通路状などであってよい。
還流路６ｈがディスク３ａの軸線Ｏを中心とする周方向に一続きの環状をなしていると、異物粒子Ｐが還流路６ｈに入りやすいので、異物除去性能において有利である。
還流路６ｈがディスク３ａの軸線Ｏを中心とする周方向に離間して複数設けられていると、遠心回転機械１の空力性能において有利である。

防護部６ｉは、ケーシング６においてシール装置７の径方向外側から径方向内側へ向かって突出する板状をなしている。また、ディスク３ａの軸線Ｏ方向から見たときに、防護部６ｉは、軸線Ｏを中心とする環状をなしてシール装置７を覆っている。防護部６ｉとシール装置７との間の隙間は、遠心回転機械１内に混入することが想定される異物粒子Ｐの大きさを考慮して、異物粒子Ｐが防護部６ｉとシール装置７との間の隙間に入り込まない程度の大きさに設定される。

図３に示すように、径方向内側へ向かって突出している防護部６ｉの突出端６ｊは、インペラ３のカバー３ｂの外周面３ｂ２に向けられている。防護部６ｉとインペラ３のカバー３ｂとの間の隙間は、遠心回転機械１内に混入することが想定される異物粒子Ｐの大きさを考慮して、異物粒子Ｐが防護部６ｉとインペラ３との間の隙間に入り込まない程度の大きさに設定される。また、防護部６ｉとインペラ３のカバー３ｂとの間の隙間の大きさは、本実施形態の遠心回転機械１の通常の動作時におけるシール装置７の摩耗を考慮したときに防護部６ｉがカバー３ｂに接触しない大きさであることが好ましい。

本実施形態では、インペラ３より上流側が低圧でありインペラ３より下流側が高圧であるので、シール装置７とカバー３ｂとの間では、ディスク３ａの軸線Ｏ方向一方側へ向かって流体が流れる。このため、防護部６ｉとシール装置７との間の隙間よりも小さな異物粒子Ｐであっても防護部６ｉとシール装置７との間の隙間からの噴流に押し返される。

防護部６ｉは、シール装置７よりも硬度の大きな材料からなることが好ましい。本実施形態では、ケーシング６の材料がシール装置７の材料よりも高い高度を有しているので、ケーシング６の一部として防護部６ｉを一体成型可能である。

なお、ケーシング６に防護部６ｉが形成されていることに代えて、ケーシング６とは別体の防護部材（不図示）がケーシング６に固定されていてもよい。この場合、不図示の防護部材の材質は、ケーシング６の材質とは独立して選択可能である。

図２に示すように、シール装置７は、インペラ３とケーシング６との隙間に配されている。本実施形態のシール装置７は、所謂ラビリンスシールである。シール装置７は、インペラ３のカバー３ｂに対して所定のクリアランスを有した状態で、インペラ３とケーシング６との隙間をシールする。

本実施形態の遠心回転機械１の作用について説明する。
本実施形態の遠心回転機械１の動作時には、流体中の異物粒子Ｐがカバー３ｂに接触するとインペラ３によって異物粒子Ｐがインペラ３の径方向外側に移動する。防護部６ｉとシール装置７との間の隙間の近傍まで異物粒子Ｐが近付くが、本実施形態では、異物粒子Ｐは防護部６ｉに衝突し得るがシール装置７には衝突しない。また、本実施形態では、異物粒子Ｐは、防護部６ｉとシール装置７との間の隙間を通過せずに、端壁面６ｆの径方向外側まで移動する。端壁面６ｆの径方向外側まで異物粒子Ｐが移動すると、異物粒子Ｐは還流路６ｈへ進入して入口側内周面６ｇまで移動する。入口側内周面６ｇに到達した異物粒子Ｐは、導入流路９を流れる流体によってインペラ３へと移動する。

このように、本実施形態の遠心回転機械１によれば、異物粒子Ｐがシール装置７に衝突するのを防護部６ｉが防いでいるので、シール装置７に異物粒子Ｐが衝突することによるシール装置７の摩耗や破損からシール装置７を保護できる。

また、本実施形態では、端壁面６ｆの径方向外側の端部近傍に異物粒子Ｐが滞留せずに還流路６ｈを通じて導入流路９へ異物粒子Ｐを戻すことができる。このため、端壁面６ｆの径方向外側の端部近傍に達した異物粒子Ｐをインペラ３とケーシング６との隙間から速やかに除去できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係る遠心回転機械の拡大断面図である。
本実施形態の遠心回転機械１０（図１参照）は、第１実施形態に開示された防護部６ｉと同様にシール装置７を保護するための部材が、図４に示すように、シール装置７に固定されている。
すなわち、本実施形態の遠心回転機械１０は、防護部６ｉに代えて、シール装置７に固定された防護部材１１を有している。

図４に示す防護部材１１は、シール装置７において、ディスク３ａの軸線Ｏ方向一方側を向く面７ａに固定された板状部材である。ディスク３ａの軸線Ｏ方向から見たときに、防護部材１１は、第１実施形態に開示された防護部６ｉと同様にシール装置７を覆う環状をなしている。
防護部材１１とシール装置７との固定方法は特に限定されない。たとえば、防護部材１１は、シール装置７にボルト止めされる。また、シール装置７において、ディスク３ａの軸線Ｏ方向一方側を向く面に防護部材１１が溶射により一体化されてもよい。

本実施形態では、防護部材１１とシール装置７とが固定されているので、シール装置７の動きに防護部材１１が追従するので、防護部材１１とカバー３ｂとの間の隙間の大きさの変動が少ない。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、防護部（防護部材）はシール装置よりも硬度の大きい材料からなる例が開示されているが、防護部（防護部材）の硬度がシール装置の硬度よりも小さい場合であってもシール装置に対する異物粒子の衝突からシール装置を保護することができる。

また、本実施形態において、シール装置とカバーとの隙間と通じて防護部（防護部材）とカバーとの隙間から流れ出す流体を還流路へ流すための噴流通路が端壁面に開口されていてもよい。

１，１０ 遠心回転機械
２ 回転軸
２ａ 外周面
３ インペラ
３ａ ディスク
３Ａ 多段式インペラ群
３ｂ カバー
３ｂ１ カバー端面
３ｂ２ 外周面
３ｃ ブレード
５Ａ 軸受
５Ｂ 軸受
６ ケーシング
６ａ ケーシング流路
６ｂ 吸込口
６ｃ 接続流路
６ｄ 接続流路
６ｅ 排出口
６ｆ 端壁面
６ｇ 入口側内周面
６ｈ 還流路
６ｉ 防護部
６ｊ 防護部の突出端
７ シール装置
８ 径方向流路
９ 導入流路
１０ 遠心回転機械
１１ 防護部材

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内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、
   前記隙間をシールするシール装置と、を備え、
   前記ケーシングは、前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面及び前記シール装置の軸線方向一方側に間隔をあけて配置され、カバー端面及びシール装置との間で径方向に延びる径方向流路を画成する端壁面を有し、
   前記シール装置と前記径方向流路との間に、前記シール装置よりも硬度の大きい材料から形成されて前記シール装置の軸線方向一方側を向く面を覆う防護部材をさらに備える
   遠心回転機械。
2. 前記防護部材は、前記ケーシングと一体成型され、前記ケーシングから前記ディスクの軸線へ向かって径方向内側に突出する環状をなしている
   請求項１に記載の遠心回転機械。
3. 前記防護部材は、前記シール装置に固定されている
   請求項１に記載の遠心回転機械。
4. 前記防護部材は、前記シール装置における前記軸線方向一方側を向く面に溶射により一体化されている
   請求項３に記載の遠心回転機械。
5. 前記ケーシングは、
   前記端壁面の径方向内側に接続されて、前記軸線方向一方側に延びて前記インペラへの流体の導入流路を画成する入口側内周面と、
   前記ケーシング内に形成されて、前記端壁面の径方向外側の端部と前記入口側内周面とに開口することで、前記径方向流路と前記導入流路とを連通させる還流路と、
   を有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の遠心回転機械。

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