JP2022052314A

JP2022052314A - Turbo compressor

Info

Publication number: JP2022052314A
Application number: JP2020158621A
Authority: JP
Inventors: 勘飯田; Tsutomu Iida; 誠一郎吉永; Seiichiro Yoshinaga; 雅祐中島; Masasuke Nakajima; 薫哉角舘; Yukiya Kakudate
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-04-04
Anticipated expiration: 2040-09-23
Also published as: JP7435382B2

Abstract

To provide a turbo compressor capable of facilitating adjustment of thrust force of an impeller.SOLUTION: A compressor 1 includes an impeller housing 11, and an impeller 3 stored in an internal space R of the impeller housing 11. A first labyrinth seal 31 is provided for sealing a gap between the impeller 3 and an inner wall surface 11a of the impeller housing 11 on a back surface side of the impeller 3 and partitioning a space R20 on the back surface side of the impeller of the internal space R into a third region R3 on an impeller outlet 3b side and a fourth region R4 on a rotating shaft 15 side, and a communication passage 29 passing through a hub 23 of the impeller 3 is provided for communicating the fourth region R4 with a first region R1 on an impeller inlet 3a side. The fourth region R4 is communicated with the outside only through the first labyrinth seal 31 and the communication passage 29.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、ターボ圧縮機に関するものである。 The present invention relates to a turbo compressor.

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のターボ圧縮機が知られている。このターボ圧縮機は、インペラの正面側から吸入されたガスが外周側に吐出されて圧縮される。この種のターボ圧縮機の運転中には、インペラの正面側と背面側との圧力差によって、インペラにスラスト力が作用する。 Conventionally, as a technique in such a field, the turbo compressor described in Patent Document 1 below is known. In this turbo compressor, the gas sucked from the front side of the impeller is discharged to the outer peripheral side and compressed. During operation of this type of turbo compressor, thrust force acts on the impeller due to the pressure difference between the front side and the back side of the impeller.

特開2011-202641号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-202641

上記のようなスラスト力に起因するインペラの軸受等への負荷を軽減するために、スラスト力を調整することが好ましい。本発明は、インペラのスラスト力の調整を容易にするターボ圧縮機を提供することを目的とする。 It is preferable to adjust the thrust force in order to reduce the load on the bearing or the like of the impeller caused by the thrust force as described above. It is an object of the present invention to provide a turbo compressor that facilitates adjustment of the thrust force of an impeller.

本発明のターボ圧縮機は、ハウジングと、ハウジングの内部空間に収容されたインペラと、を備えるターボ圧縮機であって、インペラの背面側でインペラとハウジングの内壁面との間隙をシールし、内部空間のうちインペラの背面側の空間をインペラの出口側の領域とインペラの回転軸側の領域とに仕切るラビリンスシール部と、インペラのハブを貫通して設けられ、回転軸側の領域をインペラの入口側に連通させる連通路と、を備え、回転軸側の領域は、内部空間のインペラの正面側の領域を経由せずにハウジングの外部と連通する経路を備えない、ターボ圧縮機である。 The turbo compressor of the present invention is a turbo compressor including a housing and an impeller housed in an internal space of the housing, and the gap between the impeller and the inner wall surface of the housing is sealed on the back side of the impeller to seal the inside. A labyrinth seal that divides the space on the back side of the impeller into the area on the exit side of the impeller and the area on the rotation axis side of the impeller, and the area on the rotation axis side of the impeller are provided through the hub of the impeller. It is a turbo compressor that includes a communication passage that communicates with the inlet side, and the region on the rotation axis side does not have a path that communicates with the outside of the housing without passing through the region on the front side of the impeller in the internal space.

インペラは、クラウンプレートを有するクローズドインペラであり、クラウンプレートの外周面とハウジングの内壁面との間隙をシールする他のラビリンスシール部を更に備える、こととしてもよい。 The impeller is a closed impeller having a crown plate, and may further include another labyrinth seal portion that seals the gap between the outer peripheral surface of the crown plate and the inner wall surface of the housing.

ラビリンスシール部と、他のラビリンスシール部と、は、インペラの回転径方向における位置が互いに異なっている、こととしてもよい。 The labyrinth seal portion and the other labyrinth seal portions may be different from each other in the positions of the impellers in the radial direction of rotation.

連通路は、インペラの回転軸線に沿って延びる主通路と、主通路から放射状に分岐し回転軸側の領域に開口した複数の分岐通路と、を有する、こととしてもよい。 The communication passage may have a main passage extending along the rotation axis of the impeller, and a plurality of branch passages radially branching from the main passage and opening to a region on the rotation axis side.

また、前記回転軸側の領域は、前記ラビリンスシール部及び前記連通路のみを介して外部に連通されている、こととしてもよい。 Further, the region on the rotation shaft side may be communicated to the outside only through the labyrinth seal portion and the communication passage.

本発明によれば、インペラのスラスト力の調整を容易にするターボ圧縮機を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a turbo compressor that facilitates adjustment of the thrust force of the impeller.

本実施形態のターボ圧縮機を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the turbo compressor of this embodiment. 図１のターボ圧縮機のインペラ近傍を拡大して示す断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing the vicinity of the impeller of the turbo compressor of FIG. 1. 図１のターボ圧縮機のインペラをモータ側から見た底面図である。It is the bottom view which looked at the impeller of the turbo compressor of FIG. 1 from the motor side.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るターボ圧縮機１について説明する。圧縮機１は電動の遠心圧縮機であり、例えば冷媒のガスを圧縮するために使用される。以下の説明で単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」と言うときには、後述のインペラ３の回転の軸方向、径方向、周方向を意味するものとする。 Hereinafter, the turbo compressor 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The compressor 1 is an electric centrifugal compressor, and is used, for example, for compressing a gas as a refrigerant. In the following description, the terms "axial direction", "diameter direction", and "circumferential direction" mean the axial direction, radial direction, and circumferential direction of the rotation of the impeller 3 described later.

圧縮機１は、回転軸線Ｘ周りに回転するインペラ３と、インペラ３の回転の動力源であるモータ５と、インペラ３及びモータ５を収容するハウジング７と、を備えている。ハウジング７は、インペラ３を収容するインペラハウジング１１と、モータ５を収容するモータハウジング１３と、を備えている。なお、インペラハウジング１１及びモータハウジング１３は、各々が複数の部品で構成されていてもよく、各ハウジングを構成する部品や組み合わせ方は自由に設計可能である。 The compressor 1 includes an impeller 3 that rotates around a rotation axis X, a motor 5 that is a power source for the rotation of the impeller 3, and a housing 7 that houses the impeller 3 and the motor 5. The housing 7 includes an impeller housing 11 that houses the impeller 3 and a motor housing 13 that houses the motor 5. The impeller housing 11 and the motor housing 13 may each be composed of a plurality of parts, and the parts constituting each housing and the combination method can be freely designed.

インペラハウジング１１とモータハウジング１３とは、回転軸線Ｘ方向に連結されており、インペラハウジング１１内からモータハウジング１３内に亘って延在する回転軸１５が回転軸線Ｘ上に存在している。この回転軸１５の先端にインペラ３が設けられており、回転軸１５はモータ５の駆動力によって回転する。モータ５は、モータハウジング１３に設けられたステータ５ａと、回転軸１５に設けられたロータ５ｂとで構成されている。 The impeller housing 11 and the motor housing 13 are connected in the rotation axis X direction, and a rotation shaft 15 extending from the inside of the impeller housing 11 to the inside of the motor housing 13 exists on the rotation axis X. An impeller 3 is provided at the tip of the rotating shaft 15, and the rotating shaft 15 is rotated by the driving force of the motor 5. The motor 5 is composed of a stator 5a provided in the motor housing 13 and a rotor 5b provided in the rotating shaft 15.

インペラハウジング１１は、インペラ３の出口３ｂの外周側に対面して設けられたディフューザ１７を有している。また、インペラハウジング１１は、ディフューザ１７の外周側に設けられたスクロール１９を有している。また、インペラハウジング１１は、インペラ３の入口３ａに軸方向に対面する位置で外部に向けて開口する吸気口２１と、スクロール１９の出口である吐出口２２とを有している。 The impeller housing 11 has a diffuser 17 provided facing the outer peripheral side of the outlet 3b of the impeller 3. Further, the impeller housing 11 has a scroll 19 provided on the outer peripheral side of the diffuser 17. Further, the impeller housing 11 has an intake port 21 that opens outward at a position facing the inlet 3a of the impeller 3 in the axial direction, and a discharge port 22 that is an outlet of the scroll 19.

モータ５に電力が供給されると、回転軸１５を介してインペラ３がインペラハウジング１１内で回転する。これにより、外部のガスが吸気口２１を通じて軸方向にインペラ入口３ａからインペラ３に吸引され、インペラ出口３ｂから径方向外側に排出される。インペラ出口３ｂからのガスは、ディフューザ１７に流れ込み、当該ディフューザ１７及びスクロール１９を通じて圧縮され、吐出口２２を通じて、圧縮ガスとして外部に排出される。 When electric power is supplied to the motor 5, the impeller 3 rotates in the impeller housing 11 via the rotating shaft 15. As a result, the external gas is axially sucked into the impeller 3 from the impeller inlet 3a through the intake port 21 and discharged radially outward from the impeller outlet 3b. The gas from the impeller outlet 3b flows into the diffuser 17, is compressed through the diffuser 17 and the scroll 19, and is discharged to the outside as compressed gas through the discharge port 22.

なお、ハウジング７（インペラハウジング１１及びモータハウジング１３）は、ガスを外部に漏洩させないように気密に設けられている。すなわち、本実施形態のハウジング７の内部空間は吸気口２１又は吐出口２２のみを通じて圧縮機１の外部と連通しており、圧縮機１で処理されるガスがハウジング７の筐体壁を通じて圧縮機１の外部に漏洩しないように、ハウジング７が設けられている。つまり、後述の第４領域Ｒ４には、後述の第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、及び第３領域Ｒ３のいずれも介在せずにハウジング７の外部まで連通する流路は形成されていない。例えば、モータハウジング１３におけるガスの出入口は軸受部１６のみであり、モータハウジング１３の筐体壁はガスを通過させない。従って例えば、インペラ３の背面側に漏れ込んだガスが、回転軸１５の軸受部１６を通じてモータハウジング１３の内部（モータ５の収容空間）に入り込んだとしても、このガスがモータハウジング１３の筐体壁の隙間を通じて圧縮機１の外部に漏洩するといったことは防止される。 The housing 7 (impeller housing 11 and motor housing 13) is airtightly provided so as not to leak gas to the outside. That is, the internal space of the housing 7 of the present embodiment communicates with the outside of the compressor 1 only through the intake port 21 or the discharge port 22, and the gas processed by the compressor 1 passes through the housing wall of the housing 7 to the compressor. A housing 7 is provided so as not to leak to the outside of 1. That is, in the fourth region R4 described later, a flow path communicating to the outside of the housing 7 is not formed without any of the first region R1, the second region R2, and the third region R3 described later intervening. For example, the gas inlet / outlet in the motor housing 13 is only the bearing portion 16, and the housing wall of the motor housing 13 does not allow gas to pass through. Therefore, for example, even if the gas leaking to the back surface side of the impeller 3 enters the inside of the motor housing 13 (accommodation space of the motor 5) through the bearing portion 16 of the rotating shaft 15, this gas enters the housing of the motor housing 13. Leakage to the outside of the compressor 1 through the gap in the wall is prevented.

このようなハウジング７の気密構造により、圧縮機１は、有毒ガス、危険なガス、又は高価なガス等といったような、外部への漏洩が好ましくないガスを取扱うことができる。このようなガスとしては、例えば、水素ガス、ヘリウムガス、窒素ガス等が挙げられる。 Due to such an airtight structure of the housing 7, the compressor 1 can handle a gas that does not preferably leak to the outside, such as a toxic gas, a dangerous gas, or an expensive gas. Examples of such a gas include hydrogen gas, helium gas, nitrogen gas and the like.

インペラ３は、回転軸１５の先端にボルト締結等により取り付けられている。インペラ３は、ハブ２３と、ハブ２３の正面側（吸気口２１側）の面２３ａに設けられた複数のブレード２５と、を備えている。また、インペラ３は、ブレード２５の周囲に設けられたクラウンプレート２７を備えている。このようなクラウンプレート２７を備えるタイプのインペラ３は、一般にクローズドインペラと呼ばれる。ハブ２３の正面側の面２３ａとクラウンプレート２７とで囲まれた空間内に上記の複数のブレード２５が存在している。 The impeller 3 is attached to the tip of the rotating shaft 15 by bolting or the like. The impeller 3 includes a hub 23 and a plurality of blades 25 provided on a surface 23a on the front side (intake port 21 side) of the hub 23. Further, the impeller 3 includes a crown plate 27 provided around the blade 25. The type of impeller 3 provided with such a crown plate 27 is generally called a closed impeller. The plurality of blades 25 are present in the space surrounded by the front surface 23a of the hub 23 and the crown plate 27.

図２及び図３に示されるように、インペラ３は連通路２９を備えている。連通路２９は、インペラ３の正面側（吸気口２１側）と背面側（モータ５側）とを連通するように、ハブ２３を貫通している。連通路２９は、１本の主通路２９ａと複数（例えばここでは４本とする）の分岐通路２９ｂとを有している。主通路２９ａは、回転軸線Ｘに沿って直線状に延びており、回転軸１５の周囲で断面円環状をなす通路である。具体的な構造としては、インペラ３のハブ２３には回転軸１５を締結するための締結用穴２８が回転軸線Ｘ上に形成されており、この締結用穴２８の中心に回転軸１５の先端が挿通されている。そして、回転軸１５の外周面と締結用穴２８の内壁面との間の断面円環状の空間が主通路２９ａである。 As shown in FIGS. 2 and 3, the impeller 3 includes a communication passage 29. The communication passage 29 penetrates the hub 23 so as to communicate the front side (intake port 21 side) and the back side (motor 5 side) of the impeller 3. The continuous passage 29 has one main passage 29a and a plurality of (for example, four here) branch passages 29b. The main passage 29a is a passage that extends linearly along the rotation axis X and forms an annular cross section around the rotation axis 15. As a specific structure, a fastening hole 28 for fastening the rotary shaft 15 is formed on the rotary axis X in the hub 23 of the impeller 3, and the tip of the rotary shaft 15 is formed at the center of the fastening hole 28. Is inserted. The main passage 29a is a space having an annular cross section between the outer peripheral surface of the rotating shaft 15 and the inner wall surface of the fastening hole 28.

４本の分岐通路２９ｂは、主通路２９ａ分岐通路から等間隔で放射状に分岐しており、主通路２９ａのうちモータ５側に近い方の部位から、モータ５側且つ外周側の斜め方向に向けて延びている。 The four branch passages 29b are radially branched from the main passage 29a branch passage at equal intervals, and are directed diagonally from the portion of the main passage 29a closer to the motor 5 side to the motor 5 side and the outer peripheral side. Is extending.

また、連通路２９は、インペラ３の正面側の複数の開口２９ｈと、インペラ３の背面側の複数の開口２９ｔと、を有している。開口２９ｈは、主通路２９ａの吸気口２１側の端部の開口であり、ハブ２３の正面側の面２３ａ上で周方向に等間隔に位置している。開口２９ｈは、例えば、ブレード２５のリーディングエッジ２５ａよりも上流側且つインペラ入口３ａよりも下流側に位置している。４つの開口２９ｔは、各々の分岐通路２９ｂのモータ５側の端部の開口であり、インペラ背面３ｔ上で周方向に等間隔に位置している。 Further, the continuous passage 29 has a plurality of openings 29h on the front side of the impeller 3 and a plurality of openings 29t on the back side of the impeller 3. The openings 29h are openings at the ends of the main passage 29a on the intake port 21 side, and are located at equal intervals in the circumferential direction on the front surface 23a of the hub 23. The opening 29h is located, for example, on the upstream side of the leading edge 25a of the blade 25 and on the downstream side of the impeller inlet 3a. The four openings 29t are openings at the ends of the respective branch passages 29b on the motor 5 side, and are located at equal intervals in the circumferential direction on the back surface 3t of the impeller.

インペラ３の背面側には回転軸線Ｘを中心とする円柱形状をなしモータ５側に向けて軸方向に突出する円柱状部位３３が形成されている。そして、圧縮機１は、上記の円柱状部位３３の円柱面３３ｓと、インペラハウジング１１の内壁面１１ａと、の間隙をシールする第１ラビリンスシール部３１を備えている。本実施形態では、インペラハウジング１１の一部を構成するリング状部材３５の内縁が円柱面３３ｓに近接するように内周側に延び出している。そして、リング状部材３５の内縁面３５ｓと、インペラ背面３ｔの一部でもある円柱面３３ｓと、の間の隙間に第１ラビリンスシール部３１が設けられている。第１ラビリンスシール部３１は、内縁面３５ｓに形成された凹凸部を有している。インペラ背面３ｔは、第１ラビリンスシール部３１を境界として外周側部分４３と内周側部分４４とに径方向に二分される。 On the back surface side of the impeller 3, a cylindrical portion 33 having a cylindrical shape centered on the rotation axis X and protruding in the axial direction toward the motor 5 side is formed. The compressor 1 includes a first labyrinth seal portion 31 that seals a gap between the columnar surface 33s of the columnar portion 33 and the inner wall surface 11a of the impeller housing 11. In the present embodiment, the inner edge of the ring-shaped member 35 constituting a part of the impeller housing 11 extends toward the inner peripheral side so as to be close to the cylindrical surface 33s. The first labyrinth seal portion 31 is provided in the gap between the inner edge surface 35s of the ring-shaped member 35 and the cylindrical surface 33s which is also a part of the impeller back surface 3t. The first labyrinth seal portion 31 has an uneven portion formed on the inner edge surface 35s. The impeller back surface 3t is radially divided into an outer peripheral side portion 43 and an inner peripheral side portion 44 with the first labyrinth seal portion 31 as a boundary.

また、インペラ３の最上流部においては、クラウンプレート２７の外周面２７ａとインペラハウジング１１の内壁面１１ａとが僅かに隙間をあけて径方向に対面している。そして、圧縮機１は、上記の外周面２７ａと内壁面１１ａとの間隙をシールする第２ラビリンスシール部３２を備えている。第２ラビリンスシール部３２は、内壁面１１ａに形成された凹凸部を有している。 Further, in the uppermost stream portion of the impeller 3, the outer peripheral surface 27a of the crown plate 27 and the inner wall surface 11a of the impeller housing 11 face each other in the radial direction with a slight gap. The compressor 1 is provided with a second labyrinth seal portion 32 that seals the gap between the outer peripheral surface 27a and the inner wall surface 11a. The second labyrinth seal portion 32 has an uneven portion formed on the inner wall surface 11a.

なお、第１ラビリンスシール部３１は、インペラハウジング１１の内壁面１１ａに凹凸が設けられることで構成されているが、インペラ３側に凹凸が設けられて第１ラビリンスシール部３１が構成されてもよい。同様に、第２ラビリンスシール部３２も、インペラハウジング１１のリング状部材３５の内縁面３５ｓに凹凸が設けられることで構成されているが、インペラ３側に凹凸が設けられて第２ラビリンスシール部３２が構成されてもよい。また、第１ラビリンスシール部３１及び第２ラビリンスシール部３２には、壁面の凹凸形状を利用した構造に限らず、ラビリンス流路を構成するための他の構造が採用されてもよい。 The first labyrinth seal portion 31 is configured by providing unevenness on the inner wall surface 11a of the impeller housing 11, but even if the unevenness is provided on the impeller 3 side to form the first labyrinth seal portion 31. good. Similarly, the second labyrinth seal portion 32 is also configured by providing unevenness on the inner edge surface 35s of the ring-shaped member 35 of the impeller housing 11, but the second labyrinth seal portion 32 is also provided with unevenness on the impeller 3 side. 32 may be configured. Further, the first labyrinth seal portion 31 and the second labyrinth seal portion 32 are not limited to the structure utilizing the uneven shape of the wall surface, and other structures for forming the labyrinth flow path may be adopted.

ここで、インペラ３が収容されたインペラハウジング１１の内部空間Ｒを、第１領域Ｒ１（インペラの入口側）、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３（インペラの出口側の領域）、及び第４領域Ｒ４（インペラの回転軸側の領域）の４つの領域に分けて考える。第１領域Ｒ１は、吸気口２１及びインペラ入口３ａを含む領域である。第２領域Ｒ２は、クラウンプレート２７の外周面２７ａとインペラハウジング１１の内壁面１１ａとで挟まれた領域であり、第２ラビリンスシール部３２とインペラ出口３ｂとの間の領域である。第３領域Ｒ３は、インペラ３の背面側の空間のうちインペラ出口３ｂと第１ラビリンスシール部３１との間の領域である。第４領域Ｒ４は、インペラ３の背面側の空間のうち第１ラビリンスシール部３１と回転軸１５の軸受部１６との間の領域である。なお、第４領域Ｒ４は、回転軸１５の軸受部１６を通じてモータハウジング１３の内部空間（モータ５の収容空間）に連通している。また、以下では、インペラハウジング１１の内部空間Ｒのうちインペラ３の背面側の空間（すなわち、第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４とを合わせた空間）を背面側空間Ｒ２０と呼ぶ。 Here, the internal space R of the impeller housing 11 in which the impeller 3 is housed is the first region R1 (impeller inlet side), the second region R2, the third region R3 (impeller outlet side region), and the fourth. Consider the area R4 (the area on the rotation axis side of the impeller) divided into four areas. The first region R1 is a region including the intake port 21 and the impeller inlet 3a. The second region R2 is a region sandwiched between the outer peripheral surface 27a of the crown plate 27 and the inner wall surface 11a of the impeller housing 11, and is a region between the second labyrinth seal portion 32 and the impeller outlet 3b. The third region R3 is a region between the impeller outlet 3b and the first labyrinth seal portion 31 in the space on the back surface side of the impeller 3. The fourth region R4 is a region in the space on the back surface side of the impeller 3 between the first labyrinth seal portion 31 and the bearing portion 16 of the rotating shaft 15. The fourth region R4 communicates with the internal space of the motor housing 13 (accommodation space of the motor 5) through the bearing portion 16 of the rotating shaft 15. Further, in the following, of the internal space R of the impeller housing 11, the space on the back side of the impeller 3 (that is, the space in which the third region R3 and the fourth region R4 are combined) is referred to as the back side space R20.

第１ラビリンスシール部３１は、インペラ背面３ｔを、第３領域Ｒ３に接する外周側部分４３と、第４領域Ｒ４に接する内周側部分４４と、に径方向に二分して仕切っている。また、第１ラビリンスシール部３１は、背面側空間Ｒ２０を、インペラ出口３ｂ側の第３領域Ｒ３と回転軸１５側の第４領域Ｒ４とに二分して仕切っている。第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間のガスの移動は、第１ラビリンスシール部３１によって抑えられる。第２ラビリンスシール部３２は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを仕切り、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間のガスの移動を抑える。連通路２９は、第１領域Ｒ１と第４領域Ｒ４とを連通し、第１領域Ｒ１と第４領域Ｒ４との間でガスを移動させることができる。すなわち連通路２９は、インペラ３のハブ２３を貫通して設けられ第４領域Ｒ４をインペラ３の入口３ａ側（第１領域Ｒ１）に連通させている。連通路２９の開口２９ｔは、インペラ背面３ｔのうちの第４領域Ｒ４に属する部位に位置している。 The first labyrinth seal portion 31 divides the back surface 3t of the impeller into two in the radial direction, an outer peripheral side portion 43 in contact with the third region R3 and an inner peripheral side portion 44 in contact with the fourth region R4. Further, the first labyrinth seal portion 31 divides the back surface side space R20 into a third region R3 on the impeller outlet 3b side and a fourth region R4 on the rotation shaft 15 side. The movement of gas between the third region R3 and the fourth region R4 is suppressed by the first labyrinth seal portion 31. The second labyrinth seal portion 32 partitions the first region R1 and the second region R2, and suppresses the movement of gas between the first region R1 and the second region R2. The communication passage 29 communicates the first region R1 and the fourth region R4, and can move the gas between the first region R1 and the fourth region R4. That is, the communication passage 29 is provided so as to penetrate the hub 23 of the impeller 3 and communicates the fourth region R4 with the inlet 3a side (first region R1) of the impeller 3. The opening 29t of the communication passage 29 is located at a portion of the back surface 3t of the impeller that belongs to the fourth region R4.

なお、前述の通り、インペラハウジング１１及びモータハウジング１３は、ガスを外部に漏洩させないように気密に設けられている。従って、第４領域Ｒ４は、第１ラビリンスシール部３１を通るルート及び連通路２９を通るルートのみを介して圧縮機１の外部に連通されていることになる。すなわち、例えば、第４領域Ｒ４は、第１ラビリンスシール部３１、第３領域Ｒ３、第２領域Ｒ２、第２ラビリンスシール部３２、第１領域Ｒ１、及び吸気口２１を通じて圧縮機１の外部に連通されている。また、例えば、第４領域Ｒ４は、第１ラビリンスシール部３１、第３領域Ｒ３、ディフューザ１７、スクロール１９及び吐出口２２（図１参照）を通じて圧縮機１の外部に連通されている。また、例えば、第４領域Ｒ４は、連通路２９、第１領域Ｒ１、及び吸気口２１を通じて圧縮機１の外部に連通されている。そして、第１ラビリンスシール部３１と連通路２９との何れも通らず、且つ第４領域Ｒ４と圧縮機１の外部とを連通するルートは存在しない。 As described above, the impeller housing 11 and the motor housing 13 are airtightly provided so as not to leak gas to the outside. Therefore, the fourth region R4 is communicated to the outside of the compressor 1 only through the route passing through the first labyrinth seal portion 31 and the route passing through the communication passage 29. That is, for example, the fourth region R4 is connected to the outside of the compressor 1 through the first labyrinth seal portion 31, the third region R3, the second region R2, the second labyrinth seal portion 32, the first region R1, and the intake port 21. It is communicated. Further, for example, the fourth region R4 is communicated with the outside of the compressor 1 through the first labyrinth seal portion 31, the third region R3, the diffuser 17, the scroll 19, and the discharge port 22 (see FIG. 1). Further, for example, the fourth region R4 is communicated to the outside of the compressor 1 through the communication passage 29, the first region R1, and the intake port 21. There is no route that communicates neither the first labyrinth seal portion 31 nor the communication passage 29, and the fourth region R4 and the outside of the compressor 1.

また、インペラハウジング１１及びモータハウジング１３が気密に設けられていることから、第４領域Ｒ４は、ハウジング７の内部空間内で且つインペラ３の正面側の領域を経由せずにハウジング７の外部と連通する経路を備えていない、と言える。換言すれば、第４領域Ｒ４とハウジング７の外部とを連通させるすべてのルートは、ハウジング７の内部空間内で且つインペラ３の正面側の領域の少なくとも何れかを経由すると言える。ハウジング７の内部空間内で且つインペラ３の正面側の領域とは、例えば、第1領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２である。 Further, since the impeller housing 11 and the motor housing 13 are airtightly provided, the fourth region R4 is connected to the outside of the housing 7 within the internal space of the housing 7 and without passing through the region on the front side of the impeller 3. It can be said that it does not have a communication route. In other words, it can be said that all routes communicating the fourth region R4 with the outside of the housing 7 pass through at least one of the regions inside the housing 7 and on the front side of the impeller 3. The regions in the internal space of the housing 7 and on the front side of the impeller 3 are, for example, the first region R1 and the second region R2.

続いて、上記の構成の圧縮機１による作用効果について説明する。 Subsequently, the action and effect of the compressor 1 having the above configuration will be described.

圧縮機１の運転中においては、インペラ出口３ｂからディフューザ１７に送り出されるガスの一部が、インペラ３とインペラハウジング１１の内壁面１１ａとの隙間を通じて第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３とに漏れ流れる。そして第２領域Ｒ２のガスは、第２ラビリンスシール部３２を通じて第１領域Ｒ１に漏れ流れる。このとき、第２ラビリンスシール部３２による圧力損失によって、第２領域Ｒ２の圧力が第１領域Ｒ１の圧力よりも高くなる。 During the operation of the compressor 1, a part of the gas sent from the impeller outlet 3b to the diffuser 17 leaks to the second region R2 and the third region R3 through the gap between the impeller 3 and the inner wall surface 11a of the impeller housing 11. It flows. Then, the gas in the second region R2 leaks to the first region R1 through the second labyrinth seal portion 32. At this time, the pressure in the second region R2 becomes higher than the pressure in the first region R1 due to the pressure loss caused by the second labyrinth seal portion 32.

一方、第３領域Ｒ３に漏れ流れたガスは、第１ラビリンスシール部３１を通じて第４領域Ｒ４に漏れ流れる。そして第４領域Ｒ４のガスは、連通路２９を通じて第１領域Ｒ１に漏れ流れる。このとき、第１ラビリンスシール部３１による圧力損失によって、第３領域Ｒ３の圧力が第４領域Ｒ４の圧力よりも高くなる。更に、連通路２９による圧力損失によって、第４領域Ｒ４の圧力が第１領域Ｒ１の圧力よりも高くなる。 On the other hand, the gas leaked to the third region R3 leaks to the fourth region R4 through the first labyrinth seal portion 31. Then, the gas in the fourth region R4 leaks to the first region R1 through the communication passage 29. At this time, the pressure in the third region R3 becomes higher than the pressure in the fourth region R4 due to the pressure loss caused by the first labyrinth seal portion 31. Further, due to the pressure loss due to the communication passage 29, the pressure in the fourth region R4 becomes higher than the pressure in the first region R1.

仮に、連通路２９が存在しないとすれば、第４領域Ｒ４が気密であるために、圧縮機の運転中には第３領域Ｒ３の圧力と第４領域Ｒ４の圧力とが平衡に達して等しくなる。また仮に、第１ラビリンスシール部３１が存在しないとすれば、背面側空間Ｒ２０（第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４とを合わせた空間）はほぼ一様の圧力になる。これに対して、連通路２９及び第１ラビリンスシール部３１を備える圧縮機１によれば、背面側空間Ｒ２０は、運転中に圧力差をもつ２つの領域（第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４）で構成されることになる。すなわち、第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間には圧力差が存在し、この圧力差は、第１ラビリンスシール部３１による圧力損失と、連通路２９による圧力損失と、に依存する。 If the communication passage 29 does not exist, the pressure in the third region R3 and the pressure in the fourth region R4 reach equilibrium and become equal during the operation of the compressor because the fourth region R4 is airtight. Become. Further, if the first labyrinth seal portion 31 does not exist, the back side space R20 (the space where the third region R3 and the fourth region R4 are combined) has a substantially uniform pressure. On the other hand, according to the compressor 1 provided with the communication passage 29 and the first labyrinth seal portion 31, the back side space R20 has two regions (third region R3 and fourth region R4) having a pressure difference during operation. ). That is, there is a pressure difference between the third region R3 and the fourth region R4, and this pressure difference depends on the pressure loss due to the first labyrinth seal portion 31 and the pressure loss due to the communication passage 29.

ここで、圧縮機１の運転中にインペラ３に作用するスラスト力Ｆは、下式(1)で表される。なおここでは、図１における左向きの力をプラス符号とする。
Ｆ＝Ｐ３・Ｓ３＋Ｐ４・Ｓ４－Ｐ１・Ｓ１－Ｐ２・Ｓ２ …（１）
但し、
Ｐｎ: 圧縮機１の運転中における第ｎ領域Ｒｎの圧力（ｎ＝１～４）
Ｓｎ: インペラ３と第ｎ領域Ｒｎとが接する面の軸方向の投影面積（ｎ＝１～４）
である。 Here, the thrust force F acting on the impeller 3 during the operation of the compressor 1 is expressed by the following equation (1). Here, the leftward force in FIG. 1 is a plus sign.
F = P3, S3 + P4, S4-P1, S1-P2, S2 ... (1)
However,
Pn: Pressure in the nth region Rn during operation of the compressor 1 (n = 1 to 4)
Sn: Axial projected area of the surface where the impeller 3 and the nth region Rn are in contact (n = 1 to 4)
Is.

従って、上式(1)から理解されるように、パラメータＰ１～Ｐ４及びＳ１～Ｓ４を適切に設定することにより、圧縮機１の運転中にインペラ３に作用するスラスト力Ｆを設定することができる。すなわち、例えば、スラスト力Ｆをゼロに近づけるような圧縮機１の設計によって、圧縮機１の運転中におけるスラスト力Ｆの低減を図ることができる。 Therefore, as understood from the above equation (1), by appropriately setting the parameters P1 to P4 and S1 to S4, it is possible to set the thrust force F acting on the impeller 3 during the operation of the compressor 1. can. That is, for example, by designing the compressor 1 so that the thrust force F approaches zero, the thrust force F during operation of the compressor 1 can be reduced.

例えば、第１ラビリンスシール部３１及び第２ラビリンスシール部３２の径方向の配置を適切に設計すれば、Ｓ１～Ｓ４を適切な値に設定することができる。すなわち、第１ラビリンスシール部３１と第２ラビリンスシール部３２との位置を、径方向における位置が互いに異なるように設計すれば、その位置関係によってＳ１～Ｓ４を所望の値に設定することができる。 For example, if the radial arrangement of the first labyrinth seal portion 31 and the second labyrinth seal portion 32 is appropriately designed, S1 to S4 can be set to appropriate values. That is, if the positions of the first labyrinth seal portion 31 and the second labyrinth seal portion 32 are designed so that the positions in the radial direction are different from each other, S1 to S4 can be set to desired values depending on the positional relationship. ..

また例えば、第１ラビリンスシール部３１、第２ラビリンスシール部３２、及び連通路２９の通気特性を適切に設計すれば、これらの各部位における圧力損失が適切に調整され、Ｐ１～Ｐ４を所望のバランスに設定することができる。 Further, for example, if the ventilation characteristics of the first labyrinth seal portion 31, the second labyrinth seal portion 32, and the communication passage 29 are appropriately designed, the pressure loss in each of these portions can be appropriately adjusted, and P1 to P4 are desired. Can be set to balance.

また、連通路２９は複数の放射状に分岐した分岐通路２９ｂをもって第４領域Ｒ４に接続されている。この構成によれば、周方向に間欠的に配置された分岐通路２９ｂがインペラ３に伴って回転することにより、第４領域Ｒ４からのガスの流入抵抗を生じさせる。すなわち、インペラ３の回転に依存する分岐通路２９ｂの圧力損失を発生させることができる。従って、インペラ３の回転速度に依存するように連通路２９の圧力損失を設定することも可能になる。 Further, the continuous passage 29 is connected to the fourth region R4 with a plurality of radially branched branch passages 29b. According to this configuration, the branch passage 29b intermittently arranged in the circumferential direction rotates with the impeller 3 to generate an inflow resistance of gas from the fourth region R4. That is, it is possible to generate a pressure loss in the branch passage 29b that depends on the rotation of the impeller 3. Therefore, it is possible to set the pressure loss of the communication passage 29 so as to depend on the rotation speed of the impeller 3.

また、圧縮機１のインペラ３はクラウンプレート２７を備えるクローズドインペラであるので、第２領域Ｒ２のガスがインペラ３に及ぼす力がシンプルである。従って、式(1)に示されるスラスト力Ｆのうち第２領域Ｒ２に起因する成分がシンプルに表され、上記のような圧縮機１の設計が容易になる。 Further, since the impeller 3 of the compressor 1 is a closed impeller provided with the crown plate 27, the force exerted by the gas in the second region R2 on the impeller 3 is simple. Therefore, the component of the thrust force F represented by the equation (1) due to the second region R2 is simply expressed, and the design of the compressor 1 as described above becomes easy.

また、インペラ３のスラスト力Ｆを低減するための他の構造としてバランスピストンがあるが、圧縮機１によれば、バランスピストンよりも構造が単純化され圧縮機１のコストダウンが容易になる。また、圧縮機１によれば、バランスピストンで発生するようなスラスト方向の不安定振動のリスクが低減される。また、圧縮機１によれば、スラスト力Ｆの低減によって回転軸１５の軸受部１６に作用する負荷を低減することができるので、軸受部１６の油循環や冷却装置等の補機を強化する必要性も低減され、圧縮機１を小型化することができる。 Further, there is a balance piston as another structure for reducing the thrust force F of the impeller 3, but according to the compressor 1, the structure is simplified as compared with the balance piston, and the cost of the compressor 1 can be easily reduced. Further, according to the compressor 1, the risk of unstable vibration in the thrust direction that occurs in the balance piston is reduced. Further, according to the compressor 1, the load acting on the bearing portion 16 of the rotating shaft 15 can be reduced by reducing the thrust force F, so that the auxiliary equipment such as the oil circulation of the bearing portion 16 and the cooling device is strengthened. The necessity is also reduced, and the compressor 1 can be miniaturized.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。
各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and may be modified without changing the gist described in each claim.
The configurations of the respective embodiments may be combined and used as appropriate.

例えば、圧縮機１における第２ラビリンスシール部３２は省略されてもよい。また、インペラ３に代えて、クラウンプレート２７を備えないタイプのインペラ（オープンインペラ）であってもよい。これらの場合、例えば、第１ラビリンスシール部３１の径方向の配置を適切に設計し、第１ラビリンスシール部３１及び連通路２９の通気特性を適切に設計することで、運転中におけるスラスト力Ｆが調整される。また、第４領域Ｒ４と第１領域Ｒ１と連通する流路が、連通路２９の他に存在してもよい。 For example, the second labyrinth seal portion 32 in the compressor 1 may be omitted. Further, instead of the impeller 3, an impeller (open impeller) of a type that does not have a crown plate 27 may be used. In these cases, for example, the thrust force F during operation is appropriately designed by appropriately designing the radial arrangement of the first labyrinth seal portion 31 and appropriately designing the ventilation characteristics of the first labyrinth seal portion 31 and the communication passage 29. Is adjusted. Further, a flow path communicating with the fourth region R4 and the first region R1 may exist in addition to the communication passage 29.

また、本発明は、スラスト力Ｆをゼロに近づけるような圧縮機１の設計のみならず、スラスト力Ｆを所望の値に近づけるような圧縮機の設計にも適用可能である。例えばこの場合、圧縮機１に代えて、過給機のコンプレッサに本発明が適用されてもよい。過給機においては、コンプレッサインペラの反対側で回転軸に設けられたタービンインペラが存在するので、当該タービンインペラで発生するスラスト力を相殺するように、コンプレッサインペラで発生するスラスト力を調整してもよい。 Further, the present invention can be applied not only to the design of the compressor 1 that brings the thrust force F closer to zero, but also to the design of the compressor that brings the thrust force F closer to a desired value. For example, in this case, the present invention may be applied to the compressor of the turbocharger instead of the compressor 1. In the turbocharger, there is a turbine impeller provided on the rotating shaft on the opposite side of the compressor impeller, so adjust the thrust force generated by the compressor impeller so as to offset the thrust force generated by the turbine impeller. May be good.

１ターボ圧縮機
３インペラ
３ａインペラ入口
３ｂインペラ出口
７ハウジング
１１インペラハウジング
１１ａ内壁面
２３ハブ
２７クラウンプレート
２９連通路
２９ａ主通路
２９ｂ分岐通路
３１第１ラビリンスシール部（ラビリンスシール部）
３２第２ラビリンスシール部（他のラビリンスシール部）
Ｒ内部空間
Ｒ１第１領域（インペラの入口側）
Ｒ２第２領域
Ｒ３第３領域（インペラの出口側の領域）
Ｒ４第４領域（インペラの回転軸側の領域）
Ｒ２０インペラの背面側の空間 1 Turbo compressor 3 Impeller 3a Impeller inlet 3b Impeller outlet 7 Housing 11 Impeller housing 11a Inner wall surface 23 Hub 27 Crown plate 29 Continuous passage 29a Main passage 29b Branch passage 31 First labyrinth seal part (labyrinth seal part)
32 Second labyrinth seal part (other labyrinth seal part)
R Internal space R1 1st area (impeller entrance side)
R2 2nd area R3 3rd area (area on the exit side of the impeller)
R4 4th region (region on the rotation axis side of the impeller)
Space on the back side of the R20 impeller

Claims

A turbo compressor comprising a housing and an impeller housed in the interior space of the housing.
The gap between the impeller and the inner wall surface of the housing is sealed on the back side of the impeller, and the space on the back side of the impeller in the internal space is the area on the exit side of the impeller and the area on the rotation axis side of the impeller. The labyrinth seal part that divides into and
It is provided with a communication passage that is provided so as to penetrate the hub of the impeller and communicates the region on the rotation axis side with the inlet side of the impeller.
A turbo compressor in which the region on the rotation axis side does not have a path communicating with the outside of the housing without passing through the region on the front side of the impeller in the internal space.

The impeller is a closed impeller with a crown plate.
The turbo compressor according to claim 1, further comprising another labyrinth seal portion that seals a gap between the outer peripheral surface of the crown plate and the inner wall surface of the housing.

The turbo compressor according to claim 2, wherein the labyrinth seal portion and the other labyrinth seal portion have different positions of the impeller in the radial direction of rotation.

The communication passage has a main passage extending along the rotation axis of the impeller, and a plurality of branch passages radially branching from the main passage and opening to a region on the rotation axis side, according to claims 1 to 3. The turbo compressor according to any one item.