JP2021134671A - 遠心回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】振動がより一層低減された遠心回転機械を提供する。【解決手段】遠心回転機械は、軸線回りに回転可能な回転軸と、軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラであって、回転軸に固定されたディスク、ディスクに複数が設けられたブレード、及び、複数のブレードを覆うとともに軸線方向他方側に向かうに従って径方向外側に延びる外周面を有するカバーを備えたインペラと、カバーの外周面に対向しカバーの外周面とともに外側流路を形成する内周面を有するケーシングと、内周面上で周方向に間隔をあけて配置され、カバーの外周面との間にクリアランスを形成するとともに、内周面からカバーの外周面に向かう移動方向に移動可能な複数の突出壁と、突出壁を移動方向に進退動させる駆動部と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、遠心回転機械に関する。

一般的に遠心圧縮機は、軸線に沿って延びる回転軸と、回転軸に設けられたインペラと、インペラを外側から覆うケーシングと、を有している。これらのうち、インペラには、クローズドインペラと呼ばれる形式のものが用いられる場合がある（例えば下記特許文献１参照）。クローズドインペラは、軸線を中心とする円盤状のディスクと、当該ディスクの一方側の面上に設けられた複数のブレードと、これら複数のブレードを一方側から覆う円錐状のカバーと、を有している。カバーの外周面とケーシングの内周面との間にはクリアランス（外側流路）が設けられている。

遠心圧縮機を運転すると、上記のブレード同士が画成する流路内を流体が流れる。流路を入口側から出口側に向かって流れる中途で流体は圧縮されて高圧状態となる。ここで、流路の出口側では、入口側よりも高圧の流体が流通することから、上述の外側流路にも流体が流れ込む。

国際公開第２０１６／０４３０９０号

上記の外側流路に流体が漏れ出ると、漏れた流体の圧力によってインペラが半径方向に変位する。インペラの変位によって流路断面積（クリアランス）が小さくなった領域では圧力が上昇する。一方で、変位によって流路断面積（クリアランス）が大きくなった領域では圧力が低下する。これにより、今度は当初の変位方向とは反対の方向に向かう力がインペラに作用する。このようなサイクルが連続的に繰り返されることで、インペラに振れ回り振動を生じる虞がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、振動がより一層低減された遠心回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る遠心回転機械は、軸線回りに回転可能な回転軸と、軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラであって、前記回転軸に固定されたディスク、該ディスクに複数が設けられたブレード、及び、前記複数のブレードを覆うとともに前記軸線方向他方側に向かうに従って径方向外側に延びる外周面を有するカバーを備えたインペラと、前記カバーの外周面に対向し前記カバーの外周面とともに外側流路を形成する内周面を有するケーシングと、前記内周面上で周方向に間隔をあけて配置され、該内周面から前記カバーの外周面に向かう移動方向に移動可能な複数の突出壁と、該突出壁を前記移動方向に移動させる駆動部と、を備える。

本開示によれば、振動がより一層低減された遠心回転機械を提供することができる。

本開示の実施形態に係る遠心圧縮機の構成を示す断面図である。 本開示の実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大断面図である。 本開示の実施形態に係るクリアランス調整部の構成を示す断面図である。 本開示の実施形態に係るクリアランス調整部の動作の一例を示す説明図である。 本開示の実施形態に係るクリアランス調整部の変形例を示す断面図である。

（遠心圧縮機の構成）

以下、本開示の実施形態に係る遠心圧縮機１００（遠心回転機械）について、図１から図５を参照して説明する。図１又は図２に示すように、遠心圧縮機１００は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸１と、この回転軸１の周囲を覆うとともに作動流体が流通する流路２を形成するケーシング３と、回転軸１に設けられた複数段のインペラ４と、クリアランス調整部７０（図２参照）と、変位センサ８０（図２参照）と、制御部９０（図２参照）と、を備えている。

（ケーシングの構成）

ケーシング３は、軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。回転軸１は、このケーシング３の内部を軸線Ｏに沿って貫通するように延びている。軸線Ｏ方向におけるケーシング３の両端部には、それぞれジャーナル軸受５及びスラスト軸受６が設けられている。回転軸１は、これらジャーナル軸受５とスラスト軸受６とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。

ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側には、外部から作動流体Ｇとしての空気を取り入れるための吸気口７が設けられている。さらに、ケーシング３の軸線Ｏ方向他方側には、ケーシング３内部で圧縮された作動流体Ｇが排気される排気口８が設けられている。

ケーシング３の内部には、これら吸気口７と排気口８とを連通し、縮径と拡径を繰り返す内部空間が形成されている。この内部空間は、複数のインペラ４を収容するとともに、上記の流路２の一部をなしている。なお、以降の説明では、この流路２上における吸気口７が位置する側を上流側と呼び、排気口８が位置する側を下流側と呼ぶ。流路２上における各インペラ４の下流側にはリターンベーン５０がそれぞれ設けられている。

（インペラの構成）

回転軸１には、その外周面上で軸線Ｏ方向に間隔を空けて複数（６つ）のインペラ４が設けられている。各インペラ４は、図２に示すように、軸線Ｏを中心とする円盤状のディスク４１と、このディスク４１の上流側の面に設けられた複数のブレード４２と、これら複数のブレード４２を上流側から覆うカバー４３と、を有している。

ディスク４１は、軸線Ｏと交差する方向から見て、該軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に拡大するように形成されることで、円錐状をなしている。ブレード４２は、ディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、上流側を向く面（ディスク上流面４１Ａ）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。より詳しくは、これらブレードは、ディスク上流面４１Ａから上流側に向かって立設された薄板によって形成されている。これら複数のブレード４２は、軸線Ｏ方向から見た場合、軸線Ｏに対する周方向の一方側から他方側に向かうように湾曲している。

ディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、下流側を向く面（ディスク背面４１Ｂ）は、軸線Ｏに対する径方向に広がっている。ディスク背面４１Ｂとケーシング３（ケーシング対向面３Ｂ）との間には軸線Ｏ方向に広がる隙間が形成されている。

ブレード４２の上流側の端縁は、カバー４３によって覆われている。つまり、上記複数のブレード４２は、このカバー４３とディスク４１とによって軸線Ｏ方向から挟持されている。これにより、カバー４３、ディスク４１、及び互いに隣り合う一対のブレード４２同士の間には空間が形成される。この空間は、上述の流路２の一部としてのインペラ流路２１をなしている。なお、以降の説明では、このインペラ流路２１の径方向内側の端部を入口２１Ａと称し、径方向外側の端部を出口２１Ｂと称する。

カバー４３の外周面（カバー外周面４３Ａ）は、軸線Ｏ方向の他方側に向かうに従って径方向外側に延びることで円錐状をなしている。カバー外周面４３Ａは、ケーシング３の内周面（ケーシング内周面３Ａ）と隙間をあけて対向している。ケーシング内周面３Ａは、カバー外周面４３Ａの形状に倣って、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びている。ケーシング内周面３Ａとカバー外周面４３Ａとの間には、外側流路Ｆが形成されている。外側流路Ｆには、インペラ流路２１の出口２１Ｂ側（つまり、外側流路Ｆの径方向外側の端部）から径方向内側に向かって漏れ流れが流通することがある。

ケーシング内周面３Ａの径方向内側には、軸線Ｏを中心とする円環状の空間が形成されている。この空間はキャビティＣとされている。キャビティＣは、ケーシング内周面３Ａから径方向外側に向かって凹んでいる。キャビティＣは、軸線Ｏを中心とする円筒面３Ｓと、当該円筒面３Ｓに直交する面内に広がるキャビティ上流面３Ｕと、によって画成されている。なお、これら円筒面３Ｓとキャビティ上流面３Ｕは、ケーシング内周面３Ａの一部をなしている。

キャビティＣの軸線Ｏ方向一方側（上流側）には、シール部Ｓが設けられている。シール部Ｓは、ケーシング３とカバー外周面４３Ａとの間における流体の漏れをシールするために設けられている。つまり、このシール部Ｓによって、上流側から外側流路Ｆに流れ込む漏れ流れの大部分が阻止される。シール部Ｓは、複数のシールフィンｆｓと、これらシールフィンｆｓを支持する基部Ｈｓと、を有している。

（クリアランス調整部の構成）

図２又は図４に示すように、ケーシング内周面３Ａには、周方向に等間隔をあけて複数（４つ）のクリアランス調整部７０が設けられている。クリアランス調整部７０は、外側流路Ｆ内で、ケーシング内周面３Ａからカバー外周面４３Ａに向かう方向に移動可能に支持されている突出壁７１と、この突出壁７１を進退動させる駆動部７２と、を有している。

突出壁７１は、ケーシング内周面３Ａから径方向内側に向かって突出する板状の部材である。突出壁７１の径方向内側の端縁は、ケーシング内周面３Ａに沿って、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って、径方向内側から外側に向かって延びている。突出壁７１の厚さ方向における両面は、軸線Ｏに対する周方向を向いている。また、軸線Ｏ方向から見て、突出壁７１は径方向に延びている。さらに、突出壁７１は、外側流路Ｆにおける径方向内側の端部から径方向外側の端部にかけて延びている。より具体的には、突出壁７１の径方向内側の端部は、上述のクリアランスＣに隣接しており、径方向外側の端部は、インペラ流路２１の出口２１Ｂよりも径方向外側に位置している。

駆動部７２は、ケーシング内周面３Ａからカバー外周面４３Ａに向かう方向（移動方向）に進退動させるためのアクチュエータである。駆動部７２は、突出壁７１の径方向外側の端縁に接続されている。駆動部７２として具体的には、ケーシング内周面３Ａに埋設された磁歪素子が好適に用いられる。磁歪素子は、外部からの電流供給量に基づいて伸縮することが可能な素子である。駆動部７２は、後述する制御部９０に電気的に接続されており、当該制御部９０からの信号に基づいて伸縮する。つまり、この伸縮に伴って突出壁７１を上記の移動方向に進退動させることが可能である。これにより、突出壁７１の径方向内側の端縁とカバー外周面４３Ａとの間のクリアランスδが変化する。

（制御部の構成）

詳しくは図示しないが、遠心圧縮機１００には、回転軸１及びインペラ４を含む軸系の変位を検出する変位センサ８０が設けられている。変位センサ８０は、これら軸系の軸線Ｏ方向に直交する面内での変位量、及び変位方向を検出し、電気信号として制御部９０に送出する。

制御部９０は、この変位センサ８０から受け取った変位方向、又は変位方向及び変位量に基づいて、上記のクリアランス調整部７０を動作させる。この動作について、図４を参照して説明する。なお、同図中では、４つのクリアランス調整部７０を、インペラ４の回転方向前方側から後方側に向かって順に第一調整部７０Ａ，第二調整部７０Ｂ，第三調整部７０Ｃ，第四調整部７０Ｄと呼んで区別する。

例えば軸系（インペラ４）が変位方向Ｘに変位した場合、当該変位によってインペラ４と近接した側に位置する第一調整部７０Ａでは、突出壁７１とインペラ４（カバー外周面４３Ａ）との間のクリアランスδが小さくなる方向に変化する。このとき、制御部９０は、入力された変位方向Ｘに基づいて、当該第一調整部７０Ａの突出壁７１を径方向外側に移動させて、クリアランスδを大きくなる方向に変化させる。

一方で、上記の変位によってインペラ４から離間した側に位置する第三調整部７０Ｃでは、突出壁７１とインペラ４（カバー外周面４３Ａ）との間のクリアランスδが大きくなる方向に変化する。このとき、制御部９０は、入力された変位方向Ｘに基づいて、当該第三調整部７０Ｃの突出壁７１を径方向内側に移動させて、クリアランスδを小さくなる方向に変化させる。

なお、図４の例では、変位方向Ｘ上に第一調整部７０Ａ、及び第三調整部７０Ｃが位置している場合、つまり軸系が＋４５°方向に変位した場合について示した。この場合、第一調整部７０Ａ、及び第三調整部７０Ｃのみが動作する。しかしながら、例えば各クリアランス調整部７０同士の間の位置に向かって軸系が変位した場合には、４つのクリアランス調整部７０が連動して動作することで、当該変位によるクリアランスの変化を是正する。

（作用効果）

次に、本実施形態に係る遠心圧縮機１００の動作について説明する。遠心圧縮機１００を運転するに当たっては、まず回転軸１を電動機等の駆動源によって回転駆動する。回転軸１の回転に伴ってインペラ４がそれぞれ回転し、吸気口７から流路２内に作動流体Ｇが導入される。流路２内に導入された作動流体Ｇは、各インペラ４におけるインペラ流路２１を通過する中途で順次圧縮される。圧縮されて高圧状態となった作動流体Ｇは排気口８を経て外部に圧送される。

ところで、図２中の破線矢印で示すように、上記の外側流路Ｆでは、インペラ流路２１の出口２１Ｂ側から高圧の作動流体Ｇが流れ込むことがある。外側流路Ｆに流体が漏れ出ると、漏れた流体の圧力によってインペラ４が半径方向に変位する。インペラ４の変位によって流路断面積（クリアランス）が小さくなった領域では圧力が上昇する。一方で、変位によって流路断面積（クリアランス）が大きくなった領域では圧力が低下する。これにより、今度は当初の変位方向とは反対の方向に向かう力がインペラに作用する。このようなサイクルが連続的に繰り返されることで、インペラ４に振れ回り振動を生じる虞がある。

しかしながら、上記構成によれば、駆動部７２を駆動することで、外側流路Ｆ内に突出壁７１を突出させることができる。例えば、インペラ４の変位によって流路断面積が小さくなった領域では、突出壁７１を径方向外側に移動させることで流体が流れやすくなり、当該領域の圧力を低下させることができる。反対に、インペラ４の変位によって流路断面積が大きくなった領域では、突出壁７１を径方向内側に移動させることで流体の流れが阻害され、当該領域の圧力を上昇させることができる。その結果、インペラ４の周方向における圧力分布の不均衡が是正され、振れ回り振動を生じる可能性を低減することができる。

さらに、上記構成によれば、突出壁７１がケーシング３の内周面３Ａの径方向内側から外側にかけて全域にわたって延びているため、より効果的に圧力分布の不均衡を解消することができる。

また、上記構成によれば、突出壁７１が径方向に延びていることから、外側流路Ｆ内を流通する流れに含まれるスワール成分を当該突出壁７１によって打ち消すことができる。その結果、スワール成分に起因してインペラ４に付加される励振力も低減することができる。

加えて、上記構成によれば、変位センサ８０によって検出したインペラ４の変位方向Ｘに基づいて、特定の突出壁７１を選択的かつ自律的に進退動させることができる。具体的には、インペラ４の変位によって流路断面積（クリアランス）が小さくなった領域では、突出壁７１を径方向外側に移動させることで流体が流れやすくなり、当該領域の圧力を低下させることができる。反対に、インペラ４の変位によって流路断面積（クリアランス）が大きくなった領域では、突出壁７１を径方向内側に移動させることで流体の流れが阻害され、当該領域の圧力を上昇させることができる。その結果、インペラ４の周方向における圧力分布の不均衡が是正され、振れ回り振動を生じる可能性を低減することができる。

以上、本開示の実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、図５に示すように、駆動部７２ｂとして電磁石を用いる構成を採ることも可能である。また、この場合、突出壁７１はケーシング３に対してバネＫによって支持されている。電磁石に通電することで、バネＫの弾性力に抗して突出壁７１を進退動させることができる。上述の磁歪素子を用いた場合には部品点数が抑えられる一方で、電磁石を用いた場合には磁歪素子よりも大きく突出壁７１を移動させることが可能である。

また、上記実施形態では、周方向に等間隔をあけて４つのクリアランス調整部７０が設けられている例について説明した。しかしながら、クリアランス調整部７０の個数は上記に限定されず、３つ以下や５つ以上であってもよい。

＜付記＞

各実施形態に記載の遠心圧縮機１００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る遠心圧縮機１００は、軸線Ｏ回りに回転可能な回転軸１と、軸線Ｏ方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラ４であって、前記回転軸１に固定されたディスク４１、該ディスク４１に複数が設けられたブレード４２、及び、前記複数のブレード４２を覆うとともに前記軸線Ｏ方向他方側に向かうに従って径方向外側に延びる外周面４３Ａを有するカバー４３を備えたインペラ４と、前記カバー４３の外周面４３Ａに対向し前記カバー４３の外周面４３Ａとともに外側流路Ｆを形成する内周面３Ａを有するケーシング３と、前記内周面３Ａ上で周方向に間隔をあけて配置され、前記カバー４３の外周面４３Ａとの間にクリアランスδを形成するとともに、前記内周面３Ａから前記カバー４３の外周面４３Ａに向かう移動方向に移動可能な複数の突出壁７１と、該突出壁７１を前記移動方向に進退動させる駆動部７２と、を備える。

ここで、外側流路Ｆに流体が漏れ出ると、漏れた流体の圧力によってインペラ４が半径方向に変位する。インペラ４の変位によって流路断面積（クリアランス）が小さくなった領域では圧力が上昇する。一方で、変位によって流路断面積（クリアランス）が大きくなった領域では圧力が低下する。これにより、今度は当初の変位方向とは反対の方向に向かう力がインペラ４に作用する。このようなサイクルが連続的に繰り返されることで、インペラ４に振れ回り振動を生じる虞がある。しかしながら、上記構成によれば、駆動部７２を駆動することで、外側流路Ｆ内に突出壁７１を突出させることができる。例えば、インペラ４の変位によって流路断面積が小さくなった領域では、突出壁７１を径方向外側に移動させることで流体が流れやすくなり、当該領域の圧力を低下させることができる。反対に、インペラ４の変位によって流路断面積が大きくなった領域では、突出壁７１を径方向内側に移動させることで流体の流れが阻害され、当該領域の圧力を上昇させることができる。その結果、インペラ４の周方向における圧力分布の不均衡が是正され、振れ回り振動を抑制することができる。

（２）第２の態様に係る遠心圧縮機１００では、前記突出壁７１は、前記外側流路Ｆの径方向内側の端部から径方向外側の端部まで延びている。

上記構成によれば、突出壁が外側流路Ｆの径方向内側から外側にかけて全域にわたって延びているため、より効果的に圧力分布の不均衡を解消することができる。

（３）第３の態様に係る遠心圧縮機１００では、前記突出壁７１は、前記軸線Ｏ方向から見て径方向に延びている。

上記構成によれば、突出壁７１が径方向に延びていることから、外側流路Ｆ内を流通する流れに含まれるスワール成分を当該突出壁７１によって打ち消すことができる。その結果、スワール成分に起因してインペラ４に付加される励振力も低減することができる。

（４）第４の態様に係る遠心圧縮機１００は、前記軸線Ｏに直交する面内における前記回転軸１の変位方向を検出する変位センサ８０と、該変位センサ８０の検出結果に基づいて前記駆動部７２を制御する制御部９０と、をさらに備え、前記制御部９０は、前記回転軸１が近接した側に位置する前記突出壁７１を径方向外側に移動させるとともに、前記回転軸１が離間した側に位置する前記突出壁７１を径方向内側に移動させる。

上記構成によれば、変位センサ８０によって検出した回転軸１（インペラ４）の変位方向に基づいて、特定の突出壁７１を選択的かつ自律的に進退動させることができる。具体的には、インペラ４の変位によって流路断面積（クリアランス）が小さくなった領域では、突出壁７１を径方向外側に移動させることで流体が流れやすくなり、当該領域の圧力を低下させることができる。反対に、インペラ４の変位によって流路断面積（クリアランス）が大きくなった領域では、突出壁７１を径方向内側に移動させることで流体の流れが阻害され、当該領域の圧力を上昇させることができる。その結果、インペラ４の周方向における圧力分布の不均衡が是正され、振れ回り振動を生じる可能性を低減することができる。

１ 回転軸
２ 流路
３ ケーシング
３Ａ ケーシング内周面
３Ｂ ケーシング対向面
４ インペラ
５ ジャーナル軸受
６ スラスト軸受
７ 吸気口
８ 排気口
２１ インペラ流路
２１Ａ 入口
２１Ｂ 出口
４１ ディスク
４１Ａ ディスク上流面
４２ ブレード
４３ カバー
４３Ａ カバー外周面
５０ リターンベーン
７０ クリアランス調整部
７０Ａ 第一調整部
７０Ｂ 第二調整部
７０Ｃ 第三調整部
７０Ｄ 第四調整部
７１ 突出壁
７２ 駆動部
８０ 変位センサ
９０ 制御部
１００ 遠心圧縮機
Ｆ 外側流路
ｆｓ シールフィン
Ｇ 作動流体
Ｈｓ 基部
Ｏ 軸線
Ｓ シール部
Ｘ 変位方向
δ クリアランス

Claims (4)

1. 軸線回りに回転可能な回転軸と、
   軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラであって、前記回転軸に固定されたディスク、該ディスクに設けられた複数のブレード、及び、前記複数のブレードを覆うとともに前記軸線方向他方側に向かうに従って径方向外側に延びる外周面を有するカバーを備えたインペラと、
   前記カバーの外周面に対向し前記カバーの外周面とともに外側流路を形成する内周面を有するケーシングと、
   前記内周面上で周方向に間隔をあけて配置され、前記カバーの外周面との間にクリアランスを形成するとともに、前記内周面から前記カバーの外周面に向かう移動方向に移動可能な複数の突出壁と、
   該突出壁を前記移動方向に進退動させる駆動部と、
   を備える遠心回転機械。
2. 前記突出壁は、前記外側流路の径方向内側の端部から径方向外側の端部まで延びている請求項１に記載の遠心回転機械。
3. 前記突出壁は、前記軸線方向から見て径方向に延びている請求項１又は２に記載の遠心回転機械。
4. 前記軸線に直交する面内における前記回転軸の変位方向を検出する変位センサと、
   該変位センサの検出結果に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記回転軸が近接した側に位置する前記突出壁を径方向外側に移動させるとともに、前記回転軸が離間した側に位置する前記突出壁を径方向内側に移動させる請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心回転機械。

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