JP2018091258A - ケーシングおよびターボ機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成で、整流板に発生する応力を低減させて耐圧性能を向上させることが可能なケーシングおよびターボ機械を提供する。【解決手段】ターボ機械のケーシングは、内部に空間を有するケーシング本体2と、ケーシング本体2に設けられ該ケーシング本体2内に流体を取り込む吸込ノズル106と、吸込ノズル106の内部に設けられた整流板113と、を備えている。そして、吸込ノズル106の径方向における整流板113の両方の端部のうち、一方の端部のみが吸込ノズル106の内面に接合されている。【選択図】図2

Description

本発明は、ケーシングおよびターボ機械に関し、特に、吸込ノズルの内部に整流板が設けられたケーシングおよびターボ機械に関する。
ターボ機械の筐体の役割を担うケーシングには、ケーシング内に流体を取り込む吸込ノズルと、ケーシング外に流体を送り出す吐出ノズルとが設けられている。ケーシングの外部の配管から流れてくる流体を整流するために、一般的に、吸込ノズルの内部には整流板が設けられている。
吸込ノズルに整流板を設けた構造に関する公知例として後記の特許文献1,2がある。
特許文献1には、「吸込水槽16上部のポンプ設置床14に設置され、該ポンプ設置床14でポンプ荷重が支持された立軸ポンプ10を具備する立軸ポンプ装置において、立軸ポンプ10の吸込ベルマウス12の先端下方の吸込水槽16底面に吸込ベルマウス12に流入する水を整流する整流板を具備する整流板装置25を設け、該整流板装置25に吸込ベルマウス12を固定する。」と記載されている(要約参照)。
また、特許文献2には、「ポンプ装置5は、水中モータ7の外殻を構成するモータケーシング22を金属部材で構成し、ポンプケーシング30、整流板ハブ17及び整流板11をポンプ部の構成要素として備え、ポンプケーシング30と整流板ハブ17と整流板11とを一体に形成にした樹脂部材で構成している。」と記載されている(要約参照)。
特開2002−147383号公報 特開2007−32277号公報
石油、ガス産業の発展に伴い、ターボ機械の高圧化や大型化が求められている。かかる高圧化や大型化によって、ケーシングに対する負荷が増大する。このため、ケーシングが損傷したり、ケーシング内部から流体が漏洩したりする可能性が高くなる。ケーシングの耐圧性能を向上させるためには、一般的に、ケーシングに発生する応力を低減させること、ケーシングに高強度の材料を適用すること、ケーシングの気密性を向上させることなどの対策が必要となる。とりわけ、ケーシングに発生する応力の低減が求められる。
ターボ機械では、ケーシングの内部で流体が圧縮されることによって、ケーシングに内圧が負荷され、吸込ノズルや整流板に応力が発生する。特に、吸込ノズルの内面に接合された整流板の応力が高くなり易く、ケーシングの耐圧性能を向上させるためには、整流板の接合部に発生する応力を低減させる必要がある。
前記した特許文献1,2は、整流板が設けられているターボ機械に関する公知例であるが、整流板に発生する応力を低減させる技術に関する記載は特に無い。
本発明は上記のような従来技術の事情を考慮してなされたものであり、簡易な構成で、整流板に発生する応力を低減させて耐圧性能を向上させることが可能なケーシングおよびターボ機械を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の一側面を反映するケーシングは、内部に空間を有するケーシング本体と、前記ケーシング本体に設けられ該ケーシング本体内に流体を取り込む吸込ノズルと、前記吸込ノズルの内部に設けられた整流板と、を備え、前記吸込ノズルの径方向における前記整流板の両方の端部のうち、一方の端部のみが前記吸込ノズルの内面に接合されていることを特徴とする。
また、本発明の一側面を反映するケーシングは、内部に空間を有するケーシング本体と、前記ケーシング本体に設けられ該ケーシング本体内に流体を取り込む吸込ノズルと、前記吸込ノズルの外周に設けられた補強リブと、前記吸込ノズルの内部に設けられた整流板と、を備え、前記吸込ノズルの径方向における前記整流板の両方の端部が、前記吸込ノズルの内面にそれぞれ接合されており、前記整流板には、前記ケーシング本体の内部側から前記吸込ノズルの入口側に向けてスリット部が設けられており、前記スリット部における前記吸込ノズルの入口側の先端が、前記吸込ノズルの入口と前記補強リブとの間に位置していることを特徴とする。
また、本発明の一側面を反映するケーシングは、内部に空間を有するケーシング本体と、前記ケーシング本体に設けられ該ケーシング本体内に流体を取り込む吸込ノズルと、前記吸込ノズルの外周に設けられた補強リブと、前記吸込ノズルの内部に設けられた整流板と、を備え、前記吸込ノズルの径方向における前記整流板の両方の端部のうち、少なくとも一方の端部が、前記吸込ノズルの内面に接合されており、前記整流板は、前記吸込ノズルの入口と前記補強リブとの間に配置されていることを特徴とする。
また、本発明に係るターボ機械は、前記ケーシングを備えて構成されている。
本発明によれば、簡易な構成で、整流板に発生する応力を低減させて耐圧性能を向上させることが可能なケーシングおよびターボ機械を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係るケーシングの外観図である。 図2(a)は、本発明の第1実施形態に係る吸込ノズル構造周辺の断面図であって、図1のA−A断面図であり、図2(b)は、図2(a)の斜視図である。 図3(a)は、比較例に係る従来の吸込ノズル構造周辺の断面図であり、図3(b)は、図3(a)の斜視図である。 図4(a)は、本発明の第2実施形態に係る吸込ノズル構造周辺の断面図であり、図4(b)は、図4(a)の斜視図である。 図5(a)は、本発明の第3実施形態に係る吸込ノズル構造周辺の断面図であり、図5(b)は、図5(a)の斜視図である。 図6(a)は、本発明の第4実施形態に係る吸込ノズル構造周辺の断面図であり、図6(b)は、図6(a)の斜視図である。
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
(第1実施形態)
まず、図1〜図3を参照しながら本発明の第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るケーシング1の外観図である。図2(a)は、本発明の第1実施形態に係る吸込ノズル構造100周辺の断面図であって、図1のA−A断面図であり、図2(b)は、図2(a)の斜視図である。また、図3(a)は、比較例に係る従来の吸込ノズル構造200周辺の断面図であり、図3(b)は、図3(a)の斜視図である。
図1には、遠心圧縮機のケーシングを例として、水平分割型のケーシング1の構成を示している。ケーシング1は、内部に空間を有するケーシング本体2を備えている。ケーシング本体2は、水平面によって上下方向に二分割された上ケーシング101と下ケーシング102とを有している。
上ケーシング101と下ケーシング102との間には、インペラやシャフト等のロータ系(図示せず)が設置される。上ケーシング101の周囲には上フランジ104が設けられており、また、下ケーシング102の周囲には下フランジ105が設けられている。上下のケーシング101,102の各フランジ104,105をボルト部材103により締結することによって、上ケーシング101と下ケーシング102とが接合されて、ケーシング1の内部が密閉される。これにより、ケーシング1内部の高圧ガスを封止している。
下ケーシング102には、吸込ノズル106と吐出ノズル107とが設けられている。吸込ノズル106によって、ケーシング1のケーシング本体2内に作動流体としてのガスを取り込む。そして、ケーシング1内のインペラによってガスを昇圧した後、吐出ノズル107によって、ケーシング1外にガスを送り出す。
ここでは、下ケーシング102に吸込ノズル106と吐出ノズル107とが設けられている例を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、上ケーシング101に吸込ノズル106と吐出ノズル107とが設けられていてもよい。あるいは、上ケーシング101および下ケーシング102の一方に吸込ノズル106が設けられ、他方に吐出ノズル107が設けられていてもよい。
図2は、本発明の第1実施形態に係る吸込ノズル構造100の構成図を示している。
図2に示すように、吸込ノズル構造100は、吸込ノズル106と、補強リブ112と、整流板113とを備えている。
図1〜図2に示すように、吸込ノズル106は、ケーシング1の外部での配管の取り合い上、ケーシング本体2との接続部である上部が、ケーシング本体2の軸方向に少し潰れた扁平形状とされている。そして、内圧負荷に対して吸込ノズル106を補強するために、その外周に補強リブ112が設けられている。補強リブ112は、吸込ノズル106の外周から径方向外側に突出するように形成されたリング状の板部材である。ただし、本発明の第1実施形態は、補強リブ112が設けられていない場合にも適用可能である。
また、吸込ノズル106の内部には、ケーシング1の外部の配管から流れてくる流体としてのガスを整流するための整流板113が設けられている。整流板113は、溶接接合や鋳造によって、吸込ノズル106と一体化されている。ここで、整流板113は、吸込ノズル106の径方向に沿って延伸している。整流板113は、ここではケーシング本体2の軸方向と平行に設けられているが、これに限定されるものではなく、例えばケーシング本体2の軸方向と垂直に設けられていてもよい。
第1実施形態に係る吸込ノズル構造100では、吸込ノズル106の径方向(ここでは、図2(a)における左右方向)における整流板113の両方の端部のうち、一方の端部のみが吸込ノズル106の内面に接合されている。
なお、以下、図2(a)における左、右を、単に左、右と称することにする(図3(a)、図4(a)、図5(a)、図6(a)においても同様)。
つまり、吸込ノズル106の左側内面と整流板113との境界部114(図2(a)における破線部)において、吸込ノズル106と整流板113とが接合されている。一方、その反対側(図2(a)における吸込ノズル106の右側内面)においては、スリット部115が形成されており、吸込ノズル106と整流板113とは接合されていない。
図3は、比較例に係る吸込ノズル構造200の構成図を示している。
図3に示すように、吸込ノズル構造200は、吸込ノズル106と、補強リブ112と、整流板213とを備えている。
図2に示す第1実施形態に係る吸込ノズル構造100と、図3に示す比較例に係る吸込ノズル構造200との差異は、以下の通りである。すなわち、吸込ノズル構造100では、吸込ノズル106の右側内面において、スリット部115が設けられており、吸込ノズル106と整流板113とが接合されていない。一方、吸込ノズル構造200では、吸込ノズル106の右側内面と整流板213との境界部215(図3(a)における右側の破線部)において、吸込ノズル106と整流板213とが接合されている。
つまり、図3に示す比較例に係る吸込ノズル構造200では、整流板213の左右両方の端部が、境界部214,215において、どちらも吸込ノズル106に接合されている。このため、ケーシング1とともに吸込ノズル106に内圧が負荷されると、吸込ノズル106が該吸込ノズル106の径方向に膨張し、整流板213が左右に引っ張られる。したがって、整流板213が吸込ノズル106の内面に接合されている左右の境界部214,215の近傍において、高い応力が発生する可能性がある。
これに対して、図2に示す第1実施形態に係る吸込ノズル構造100では、整流板113の左側の端部のみが、境界部114において吸込ノズル106の内面に接合されており、整流板113の右側の端部は、吸込ノズル106の内面に接合されていない。このため、ケーシング1の内圧によって吸込ノズル106が膨張しても、整流板113は、吸込ノズル106の変形に追従して移動するのみである。すなわち、比較例に係る吸込ノズル構造200においては、ケーシング1の内圧によって、吸込ノズル106、補強リブ112、整流板213の全ての部材が変形するが、第1実施形態に係る吸込ノズル構造100においては、吸込ノズル106と補強リブ112のみが変形し、整流板113はほとんど変形しない。よって、第1実施形態に係る吸込ノズル構造100を採用することで、整流板113に発生する応力を低減することができる。
また、第1実施形態に係る吸込ノズル構造100における整流板113の形状は、比較例に係る吸込ノズル構造200における整流板213の形状とほとんど変わらない。このため、吸込ノズル構造100においても、ガスの整流効果を十分に保持することができる。
なお、図2に示す吸込ノズル構造100では、整流板113の左側の端部のみが境界部114において吸込ノズル106の内面に接合されているが、整流板113の右側の端部のみが吸込ノズル106の内面に接合されていてもよい。また、図2では、スリット部115は吸込ノズル106の内面の傾きに沿って平行に直線状に形成されているが、スリット部115の形状、傾きは任意である。
前記したように、第1実施形態に係る吸込ノズル構造100は、内圧による変形(ひずみ)の大部分を補強リブ112、吸込ノズル106のような整流板113とは別の部材に負担させることによって、整流板113に発生する変形、応力を小さくするという技術的特徴を有している。
したがって、第1実施形態によれば、吸込ノズル106に流れてくる流体の整流効果を保持しつつ、簡易な構成で、整流板113に発生する応力を低減させて耐圧性能を向上させることが可能なケーシング1および遠心圧縮機を提供することができる。
(第2実施形態)
次に、図4を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。
図4(a)は、本発明の第2実施形態に係る吸込ノズル構造300周辺の断面図であり、図4(b)は、図4(a)の斜視図である。
図4は、本発明の第2実施形態に係る吸込ノズル構造300の構成図を示している。
吸込ノズル構造300のうち、既に説明した図2の吸込ノズル構造100と同一の構成、機能を有する部分に関しては、説明を省略する。
図4に示す第2実施形態に係る吸込ノズル構造300が図2に示す第1実施形態に係る吸込ノズル構造100と相違する点は、以下の通りである。すなわち、吸込ノズル構造300では、吸込ノズル106の径方向(ここでは、図4(a)における左右方向)における整流板313の両方の端部が、境界部314,315において、吸込ノズル106の内面にそれぞれ接合されており、整流板313には、ケーシング本体2の内部側から吸込ノズル106の入口106a側に向けてスリット部316が設けられている。そして、スリット部316における吸込ノズル106の入口106a側の先端317が、吸込ノズル106の入口106aと補強リブ112との間に位置している。
つまり、吸込ノズル構造300では、整流板313の右側にスリット部316が一部形成されている。また、境界部315において、整流板313と吸込ノズル106が接合されている。スリット部316の先端317は、補強リブ112よりも下方(吸込ノズル106の入口106a側)に位置している。ケーシング1の内圧によって、スリット部316はスリット幅が大きくなる方向に変形しようとするが、この変形は補強リブ112および吸込ノズル106が負担することによって結果的に抑制される。
このように、図4に示す第2実施形態に係る吸込ノズル構造300は、図2に示す第1実施形態に係る吸込ノズル構造100と同様に、内圧による変形の大部分を補強リブ112、吸込ノズル106のような整流板313とは別の部材に負担させることによって、整流板313に発生する変形、応力を小さくするという技術的特徴を有している。
したがって、第2実施形態によっても、第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、第1実施形態に係る吸込ノズル構造100では、整流板113の右側の全域にスリット部115が設けられて、整流板113が片持ち状態となっているため、吸込ノズル106内に流れ込む流体の負荷によって、整流板113が多少振動する可能性がある。また、整流板113の一方の面側(表面側)を流れる流体と、他方の面側(裏面側)を流れる流体とが、スリット部115を通じて干渉し、流体の整流効果が多少低下する可能性がある。一方、第2実施形態に係る吸込ノズル構造300では、境界部315において、整流板313と吸込ノズル106とが接合されているため、流体負荷による整流板313の振動を抑制するとともに、整流板313の表裏に流れる流体同士の干渉を低減することができる。
なお、吸込ノズル構造300では、スリット部316は整流板313の右側に形成されているが、整流板313の左側に形成されていてもよい。また、図4では、スリット部316は吸込ノズル106の内面の傾きに沿って平行に直線状に形成されているが、スリット部316の形状、傾きは任意である。
(第3実施形態)
次に、図5を参照して、本発明の第3実施形態について説明する。
図5(a)は、本発明の第3実施形態に係る吸込ノズル構造400周辺の断面図であり、図5(b)は、図5(a)の斜視図である。
図5は、本発明の第3実施形態に係る吸込ノズル構造400の構成図を示している。
吸込ノズル構造400のうち、既に説明した図4の吸込ノズル構造300と同一の構成、機能を有する部分に関しては、説明を省略する。
図5に示す第3実施形態に係る吸込ノズル構造400が図4に示す第2実施形態に係る吸込ノズル構造300と相違する点は、以下の通りである。すなわち、吸込ノズル構造400では、吸込ノズル106の径方向(ここでは、図5(a)における左右方向)における整流板413の両方の端部が、吸込ノズル106の内面に接合されていて、この整流板413は、吸込ノズル106の入口106aと補強リブ112との間に配置されている。
つまり、吸込ノズル構造400では、整流板413が補強リブ112よりも下方(吸込ノズル106の入口106a側)にのみ設けられている。そして、整流板413の左右両方の端部が、境界部414,415において、ともに吸込ノズル106の内面に接合されている。
このように、図5に示す第3実施形態に係る吸込ノズル構造400は、図4に示す第2実施形態に係る吸込ノズル構造300と同様に、内圧による変形の大部分を補強リブ112、吸込ノズル106のような整流板413とは別の部材に負担させることによって、整流板413に発生する変形、応力を小さくするという技術的特徴を有している。
したがって、第3実施形態によっても、第2実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、前記した吸込ノズル構造100,300では、境界部114において、整流板113,313と吸込ノズル106が広範囲で接合されており、加工コストが多少増加する可能性がある。一方、第3実施形態に係る吸込ノズル構造400では、補強リブ112よりも下方(吸込ノズル106の入口106a側)にのみ設けた整流板413によって十分な整流効果が得られる場合には、整流板413の面積や接合範囲を縮小できる。これにより、材料コストや加工コストを低減できる。
なお、第3実施形態に係る吸込ノズル構造400では、第1実施形態に係る吸込ノズル構造100よりも接合範囲が縮小する。このため、流体負荷による整流板413の振動を考慮して、整流板413の左右両方の端部が境界部414,415において吸込ノズル106の内面に接合されている。ただし、流体負荷による振動の影響が小さい場合には、整流板413の左右両方の端部のうち、どちらか一方の端部のみが吸込ノズル106の内面に接合される構造としてもよい。
(第4実施形態)
次に、図6を参照して、本発明の第4実施形態について説明する。
図6(a)は、本発明の第4実施形態に係る吸込ノズル構造500周辺の断面図であり、図6(b)は、図6(a)の斜視図である。
図6は、本発明の第4実施形態に係る吸込ノズル構造500の構成図を示している。
吸込ノズル構造500のうち、既に説明した図5の吸込ノズル構造400と同一の構成、機能を有する部分に関しては、説明を省略する。
図6に示す第4実施形態に係る吸込ノズル構造500が図5に示す第3実施形態に係る吸込ノズル構造400と相違する点は、以下の通りである。すなわち、補強リブ112よりもケーシング本体2の内部側に設けられた別の整流板517を備えている。そして、吸込ノズル106の径方向(ここでは、図6(a)における左右方向)における別の整流板517の両方の端部のうち、一方の端部のみが吸込ノズル106の内面に接合されている。
つまり、吸込ノズル構造500では、図5に示す第3実施形態に係る吸込ノズル構造400と同様に、整流板413が、補強リブ112よりも下方(吸込ノズル106の入口106a側)に設けられている。さらに、整流板413の上部に水平方向に延びるスリット部516を介して、別の整流板517が設けられている。整流板413は、左右両方の端部が、境界部414,415において、ともに吸込ノズル106の内面に接合されている。一方、別の整流板517は、左側の端部のみが、境界部518において吸込ノズル106の内面に接合され、その反対側である右側の端部は、吸込ノズル106の内面に接合されていない。
このように、図6に示す第4実施形態に係る吸込ノズル構造500は、図5に示す第3実施形態に係る吸込ノズル構造400と同様に、内圧による変形の大部分を補強リブ112、吸込ノズル106のような整流板113,517とは別の部材に負担させることによって、整流板413,517に発生する変形、応力を小さくするという技術的特徴を有している。
したがって、第4実施形態によっても、第3実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、仮に第3実施形態に係る吸込ノズル構造400において整流板413のみでは十分な整流効果を得ることが難しい場合でも、第4実施形態に係る吸込ノズル構造500では、別の整流板517を設けることで、整流板の総面積が増加し、整流効果を向上させることができる。
なお、第4実施形態に係る吸込ノズル構造500では、整流板413の左右の端部が境界部414,415においてともに吸込ノズル106の内面に接合されている。ただし、整流板413の左右両方の端部のうち、どちらか一方の端部のみが吸込ノズル106の内面に接合される構造としてもよい。
また、吸込ノズル構造500では、別の整流板517の左側の端部のみが境界部518において吸込ノズル106の内面に接合しているが、別の整流板517の右側の端部のみが吸込ノズル106の内面に接合されていてもよい。また、別の整流板517は、複数設けられていてもよい。
以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
例えば、前記した実施形態のケーシング1は、遠心圧縮機に適用されているが、これに限定されるものではなく、内圧が負荷されるケーシングを有する各種の圧縮機、ポンプ等のターボ機械に適用され得る。
1 ケーシング
2 ケーシング本体
100 吸込ノズル構造
101 上ケーシング
102 下ケーシング
103 ボルト部材
104 上フランジ
105 下フランジ
106 吸込ノズル
106a 入口
107 吐出ノズル
112 補強リブ
113 整流板
114 境界部
115 スリット部
300 吸込ノズル構造
313 整流板
314,315 境界部
316 スリット部
317 先端
400 吸込ノズル構造
413 整流板
414,415 境界部
500 吸込ノズル構造
516 スリット部
517 別の整流板
518 境界部

Claims (5)

  1. 内部に空間を有するケーシング本体と、
    前記ケーシング本体に設けられ該ケーシング本体内に流体を取り込む吸込ノズルと、
    前記吸込ノズルの内部に設けられた整流板と、を備え、
    前記吸込ノズルの径方向における前記整流板の両方の端部のうち、一方の端部のみが前記吸込ノズルの内面に接合されている
    ことを特徴とするケーシング。
  2. 内部に空間を有するケーシング本体と、
    前記ケーシング本体に設けられ該ケーシング本体内に流体を取り込む吸込ノズルと、
    前記吸込ノズルの外周に設けられた補強リブと、
    前記吸込ノズルの内部に設けられた整流板と、を備え、
    前記吸込ノズルの径方向における前記整流板の両方の端部が、前記吸込ノズルの内面にそれぞれ接合されており、
    前記整流板には、前記ケーシング本体の内部側から前記吸込ノズルの入口側に向けてスリット部が設けられており、
    前記スリット部における前記吸込ノズルの入口側の先端が、前記吸込ノズルの入口と前記補強リブとの間に位置している
    ことを特徴とするケーシング。
  3. 内部に空間を有するケーシング本体と、
    前記ケーシング本体に設けられ該ケーシング本体内に流体を取り込む吸込ノズルと、
    前記吸込ノズルの外周に設けられた補強リブと、
    前記吸込ノズルの内部に設けられた整流板と、を備え、
    前記吸込ノズルの径方向における前記整流板の両方の端部のうち、少なくとも一方の端部が、前記吸込ノズルの内面に接合されており、
    前記整流板は、前記吸込ノズルの入口と前記補強リブとの間に配置されている
    ことを特徴とするケーシング。
  4. 前記補強リブよりも前記ケーシング本体の内部側に設けられた別の整流板を備え、
    前記吸込ノズルの径方向における前記別の整流板の両方の端部のうち、一方の端部のみが前記吸込ノズルの内面に接合されている
    ことを特徴とする請求項3に記載のケーシング。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のケーシングを備えることを特徴とするターボ機械。
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