JP3829415B2

JP3829415B2 - ターボ機械

Info

Publication number: JP3829415B2
Application number: JP17049597A
Authority: JP
Inventors: 剛福永
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: JPH1113697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ圧縮機等のターボ機械の改良に関し、特に回転軸の冷却対策に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、例えばターボ機械としてのターボ圧縮機では、気体を昇圧するための羽根車は、軸受に回転自在に支持された回転軸に連結され、回転軸の回転力が伝達されることにより高速回転するものであり、回転軸の大半はモータ室に配置されている（特開平８−３１２５８２号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の如きターボ圧縮機等のターボ機械では、回転軸の温度が軸受摩擦損失や高温高圧の気体の漏れによる加熱等により上昇し、このため、回転軸が熱膨張して軸受部やシール部でクリアランス変化が増大し、焼付きが生じて信頼性が低下するおそれがある。
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回転軸の熱膨張に起因する焼付きをなくして信頼性を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、回転軸を強制的に冷却するようにしたことを特徴とする。
【０００６】
具体的には、本発明は、図１に示すように、一端に羽根車（１５）が設けられ、他端側がモータ室（１１）に配置された回転軸（１３）を回転させ、上記羽根車（１５）の回転により吸入気体を昇圧して吐出するターボ機械を対象とし、次のような解決手段を講じた。
【０００７】
すなわち、本発明の第１の解決手段は、羽根車（１５）によって昇圧される吸入気体の全量が、回転軸（１３）におけるモータ室（１１）と羽根車（１５）との間の部位に直接吹き付けられてから、モータ室（１１）内に導入され、その後に羽根車（１５）入口に送られることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成により、本発明の第１の解決手段では、モータ室（１１）に導入された低温低圧の気体によってモータ室（１１）が低温低圧ドーム構造となり、回転する回転軸（１３）はその熱が上記低温低圧の気体に奪われて冷却されることから、軸受摩擦損失や高温高圧の気体の漏れによる加熱等により回転軸（１３）の温度が上昇するのが抑制されて回転軸（１３）の熱膨張が抑制され、軸受部（動圧型ジャーナル気体軸受（３７））やシール部（ラビリンスシール部（４５））でクリアランスが大きく変化せず、焼付きの発生がなく信頼性が向上する。
【０００９】
また、上記の構成により、回転軸（１３）に対する低温低圧の気体の伝熱が促進され、冷却効果が高まる。
【００１０】
本発明の第２の解決手段は、第１の解決手段において、気体の吹付け方向を回転軸（１３）の回転軸心に対して鋭角にしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の解決手段は、第１の解決手段において、気体の吹付け方向を回転軸（１３）に対してほぼ接線方向にしたことを特徴とする。
【００１２】
上記の構成により、本発明の第２又は第３の解決手段では、回転軸（１３）に対する低温低圧の気体の伝熱が一層促進され、冷却効果がさらに高まる。
【００１３】
本発明の第４の解決手段は、第１〜３の解決手段のいずれか１の解決手段において、回転軸（１３）に放熱用の溝（５３）を形成し、該放熱用の溝（５３）を螺旋形状としたことを特徴とする。
【００１４】
上記の構成により、本発明の第４の解決手段では、溝（５３）を形成することによって伝熱面積が増大し、冷却効果が一段と高まる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係るターボ機械としてのターボ圧縮機を示す。同図において、（１）はドーム形のケーシングであって、該ケーシング（１）は一端（図１左端）が開口した有底筒状のケーシング本体（３）と、該ケーシング本体（３）の開口を覆う閉塞部材（５）とで密閉構造に形成されている。上記ケーシング（１）の内部には静止側スラスト軸受（７）が上記閉塞部材（５）に接近して配置され、この閉塞部材（５）と静止側スラスト軸受（７）との間には、複数枚の羽根（１５ａ）を有する略円錐台形状の羽根車（インペラ）（１５）が配置されている。また、羽根車（１５）外周（インペラ出口）にはディフューザ空間（９）及びスクロール空間（１７）が形成されている。
【００１７】
上記ケーシング（１）の央部には回転軸（１３）が回転自在に配置され、該回転軸（１３）の一端（図１左端）には上記羽根車（１５）が回転一体に取り付けられ、羽根車（１５）と閉塞部材（５）との間に僅かなクリアランスが設けられている。また、上記閉塞部材（５）の央部には、気体を吸入するための吸入管（１９）が上記羽根車（１５）に対応して接続されているとともに、ケーシング本体（３）の開口側には、昇圧気体を吐出するための吐出管（２１）が上記スクロール空間（１７）に連通するように接続されている。
【００１８】
上記回転軸（１３）の他端側（図１右端）はモータ室（１１）に配置され、該モータ室（１１）には、ロータ（２３）とステータ（２５）とからなるモータ（２７）が配置され、該モータ（２７）のロータ（２３）は上記回転軸（１３）の中途部に固定され、一方、ステータ（２５）はケーシング本体（３）内周に装着された周壁部材（２９）に上記ロータ（２３）と向かい合うように固定されている。
【００１９】
上記静止側スラスト軸受（７）のモータ室（１１）側には、第１静止側ジャーナル軸受（３１）が、反対側には第２静止側ジャーナル軸受（３３）がそれぞれ固定され、これら第１及び第２静止側ジャーナル軸受（３１），（３３）と上記周壁部材（２９）とによってハウジングが構成され、このハウジング内部をモータ室（１１）としている。一方、上記回転軸（１３）の第１及び第２静止側ジャーナル軸受（３１），（３３）側の周面には、複数のヘリングボーングルーブ（３５）が上記第１及び第２静止側ジャーナル軸受（３１），（３３）に向かい合うようにそれぞれ形成され、両者間の僅かなクリアランスに生成された気体圧力による気体膜により回転軸（１３）を非接触状態で回転自在に支持する動圧型ジャーナル気体軸受（３７）を構成している。
【００２０】
上記静止側スラスト軸受（７）と第１静止側ジャーナル軸受（３１）との間にはプレート室（３９）が形成され、該プレート室（３９）にはスラスト円板からなる回転側スラスト軸受（４１）が上記回転軸（１３）に外側方に張り出すように嵌着されて配置されている。静止側スラスト軸受（７）は回転側スラスト軸受（４１）よりも羽根車（１５）寄りに配置され、回転側スラスト軸受（４１）と対峙している。また、該回転側スラスト軸受（４１）の静止側スラスト軸受（７）側の面にはスパイラルグルーブ（図示せず）が形成され、静止側スラスト軸受（７）との間の僅かなクリアランスに生成された気体圧力による気体膜により回転軸（１３）のスラスト荷重を非接触状態で回転自在にする動圧型スラスト気体軸受（４３）を構成し、この動圧型スラスト気体軸受（４３）は、動圧型ジャーナル気体軸受（３７）よりも羽根車（１５）寄りに配置されている。そして、上記回転軸（１３）を動圧型スラスト気体軸受（４３）及び動圧型ジャーナル気体軸受（３７）によって回転自在に支持している。
【００２１】
上記回転側スラスト軸受（４１）と動圧型ジャーナル気体軸受（３７）との間における回転軸（１３）周りには、上記羽根車（１５）による昇圧気体のラビリンスシール部（４５）が設けられている。
【００２２】
本発明の特徴の１つとして、上記ケーシング本体（３）の周壁中程には導入管（４７）がモータ室（１１）に連通するように接続され、昇圧前の低温低圧の気体を導入管（４７）を経てモータ室（１１）に導入して内部を低温低圧雰囲気の低圧ドーム構造としている。また、上記ケーシング本体（３）の底壁には導出管（４９）が接続されているとともに、上記第２静止側ジャーナル軸受（３３）には導出孔（３３ａ）が形成され、上記導出管（４９）が導出孔（３３ａ）を介してモータ室（１１）に連通するようになっている。この導出管（４９）は上記吸入管（１９）に配管（４８）によって接続され、モータ室（１１）から導出される低温低圧の気体を羽根車（１５）入口に導いて吸入使用するようになっている。
【００２３】
図２（ａ）にも示すように、上記第１静止側ジャーナル軸受（３１）のモータ室（１１）側には、厚手の円形プレート（５０）を２枚の薄手の円形プレート（５２）で挟んでなるドーナツ形状の環状部材（５１）が配置され、該環状部材（５１）の中心には挿入孔（５１ａ）が、外周には環状通路（５１ｂ）がそれぞれ形成されている。この環状部材（５１）の挿入孔（５１ａ）には、上記回転軸（１３）が内周面と接触しないように隙間をあけて挿入配置されている。また、この環状部材（５１）の中央の円形プレート（５０）には、半径方向に貫通する４つの吹付通路（５０ａ）が放射状に形成され、挿入孔（５１ａ）と環状通路（５１ｂ）とを各吹付通路（５０ａ）によって連絡し、モータ室（１１）に導入される昇圧前の低温低圧の気体を上記導入管（４７）、環状通路（５１ｂ）及び各吹付通路（５０ａ）を経て回転軸（１３）に直接に吹き付けるようになっている。
【００２４】
上記回転軸（１３）周りの環状部材（５１）付近には、放熱用の環状の溝（５３）が複数条平行に形成され、これにより、伝熱面積を増大して冷却効果を一段と高めるようにしている。
【００２５】
そして、上述の如く構成されたターボ圧縮機は、例えば空調機の冷媒回路等に使用される。つまり、冷媒ガス等の気体を羽根車（１５）の回転により吸入管（１９）から吸入して昇圧し、昇圧気体をディフューザ空間（９）及びスクロール空間（１７）を経て吐出管（２１）から吐出するようになっている。この間、昇圧前の低温低圧の気体が導入管（４７）からモータ室（１１）に導入され、導入管（４７）から環状部材（５１）の各吹付通路（５０ａ）を経て回転軸（１３）に吹き付けられ、導出管（４９）及び配管（４８）を経て吸入管（１９）に還流される。
【００２６】
このように、モータ室（１１）に導入された昇圧前の低温低圧の気体によってモータ室（１１）を低温低圧ドーム構造にすることにより、回転する回転軸（１３）の熱を上記低温低圧の気体で奪って冷却することができ、軸受摩擦損失や高温高圧の気体の漏れによる加熱等により回転軸（１３）の温度が上昇するのを抑制して回転軸（１３）の熱膨張を抑制でき、動圧型ジャーナル気体軸受（３７）やラビリンスシール部（４５）におけるクリアランス変化を減少させ、焼付きのない信頼性の高いターボ圧縮機とすることができる。
【００２７】
また、昇圧前の低温低圧の気体を環状部材（５１）の各吹付通路（５０ａ）から回転軸（１３）に直接に吹き付けるので、回転軸（１３）に対する低温低圧の気体の伝熱を促進して冷却効果を高めることができる。
【００２８】
さらに、気体の吹付け位置である各吹付通路（５０ａ）を、回転軸（１３）の過熱し易い部分である動圧型ジャーナル気体軸受（３７）やラビリンスシール部（４５）に近くに配置しているので、回転軸（１３）に対する低温低圧の気体の伝熱を促進して冷却効果を高めることができる。
【００２９】
また、上記回転軸（１３）の環状部材（５１）付近に形成した放熱用の環状の溝（５３）により、伝熱面積を増大させて冷却効果を一段と高めることができる。
【００３０】
なお、環状部材（５１）としては、上記のものに限らず、例えば図２（ｂ）のように２つの吹付通路（５０ａ）を対向位置に配置したものでもよく、図２（ｃ）のように６つの吹付通路（５０ａ）を放射状に配置したものであってもよい。さらには、図２（ｄ）のように４つの吹付通路（５０ａ）を回転軸（１３）に対してほぼ接線方向になるように配置してもよく、これによれば、気体がスムーズに流れて回転軸（１３）に対する低温低圧の気体の伝熱を一層促進して、冷却効果をさらに高めることができる。また、図３に示すように、各吹付通路（５０ａ）の吹出口を下方に下げて傾斜させ、気体の吹付け方向を回転軸（１３）の回転軸心に対して鋭角にすれば、回転軸（１３）に対する低温低圧の気体の伝熱を一層促進して、冷却効果をさらに高めることができる。さらには、上記の各例の如き吹付通路（５０ａ）を有する環状部材（５１）を用いる代わりに、吹付通路（５０ａ）自体をパイプ材で形成してもよい。さらにまた、図４に示すように、回転軸（１３）周り形成した放熱用の溝（５３）を螺旋形状にし、気体をこの螺旋状の溝（５３）によって回転軸（１３）周りにスムーズに導くことで冷却効果をさらに高めるようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回転軸（１３）を回転させるモータ（２７）が配置されたモータ室（１１）に昇圧前の低温低圧の気体を導入して上記モータ室（１１）を低温低圧雰囲気にしたので、回転軸（１３）の熱膨張を抑制して軸受部（動圧型ジャーナル気体軸受（３７））やシール部（ラビリンスシール部（４５）でのクリアランス変化を減少させ、焼付きのない信頼性の高いターボ機械とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機全体の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は環状部材の吹付通路の各種態様を示す図である。
【図３】ターボ圧縮機の環状部材設置部分の変形例を示す断面図である。
【図４】回転軸の放熱用の溝形状の変形例を示す図である。
【符号の説明】
（１１）モータ室
（１３）回転軸
（１５）羽根車
（５３）溝

Claims

一端に羽根車（１５）が設けられ、他端側がモータ室（１１）に配置された回転軸（１３）を回転させ、上記羽根車（１５）の回転により吸入気体を昇圧して吐出するターボ機械であって、上記羽根車（１５）によって昇圧される吸入気体は、その全量が回転軸（１３）におけるモータ室（１１）と羽根車（１５）との間の部位に直接吹き付けられてから、モータ室（１１）内に導入され、その後に羽根車（１５）入口に送られることを特徴とするターボ機械。
請求項１記載のターボ機械において、気体の吹付け方向は、回転軸（１３）の回転軸心に対して鋭角になっていることを特徴とするターボ機械。
請求項１記載のターボ機械において、気体の吹付け方向は、回転軸（１３）に対してほぼ接線方向になっていることを特徴とするターボ機械。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ機械において、回転軸（１３）には、放熱用の溝（５３）が形成されており、
上記放熱用の溝（５３）は、螺旋形状であることを特徴とするターボ機械。