JP6175211B1

JP6175211B1 - 回転機械

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Publication number: JP6175211B1
Application number: JP2017527832A
Authority: JP
Inventors: 英樹永尾; 小林　雅博; 雅博小林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2037-02-23
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Abstract

回転軸（１２）を回転可能に支持するスラスト軸受（１８）及びラジアル軸受（１９，２０）と、回転軸（１２）を回転させる回転駆動部（１５）と、回転軸（１２）の軸線（Ｏ１）を中心に回転する１段目インペラ（２６）と、ケーシング（１１）と、１段目インペラ（２６）の途中から圧縮途中の作動流体をケーシング（１１）の外部に抽気する作動流体抽気部（３４）と、作動流体抽気部（３４）が抽気する圧縮途中の作動流体を回転駆動部（１５）に供給する作動流体供給ライン（Ｌ４）と、を備える。

Description

本発明は、回転機械に関する。

回転機械のうちの１つとして、遠心圧縮機がある。遠心圧縮機は、回転軸と、インペラと、回転軸を回転させる回転駆動部と、回転軸、回インペラ、及び回転駆動部を収容するケーシングと、を有する。インペラは、回転軸に設けられており、回転軸とともに回転する。インペラは、流入口に導入された流体を圧縮し、圧縮した流体を流出口から吐出する。

特許文献１には、インペラにより圧縮が完了した作動流体を冷却用作動流体として用いることで、電気モータ（回転駆動部）を冷却する遠心圧縮機が開示されている。

特表２００４−５２７６９３号公報

ところで、インペラにより圧縮が完了した作動流体（インペラの流出口から吐出された作動流体）は、圧縮されることで圧力が高くなるとともに、温度が高くなる。このため、インペラにより圧縮が完了した作動流体（以下、「圧縮完了作動流体」という）を冷却用作動流体として用いると、電気モータを冷却するために多くの量の圧縮完了作動流体が必要となる。したがって、電気モータ（回転駆動部）を効率良く冷却することが困難となる可能性があった。

そこで、本発明は、回転駆動部を効率良く冷却することの可能な回転機械を提供する。

本発明の第１の態様に係る回転機械は、回転軸を回転可能に支持する軸受と、前記回転軸を回転させる回転駆動部と、前記回転軸に設けられ、該回転軸の軸線を中心に回転し、内部を流通する作動流体を圧縮するインペラと、前記回転軸、前記軸受、前記回転駆動部、及び前記インペラを収容するケーシングと、前記インペラの途中から圧縮途中の前記作動流体を前記ケーシングの外部に抽気する作動流体抽気部と、前記作動流体抽気部が抽気した前記圧縮途中の作動流体を前記回転駆動部に供給する作動流体供給ラインと、を備え、前記インペラは、前記回転軸に固定されたディスク部と、該ディスク部の周方向に配置され、該ディスク部に対して立設された複数のブレード部と、該複数のブレード部を覆い、かつ前記ケーシングの内面と対向するシュラウド部と、を備えており、前記シュラウド部と前記ケーシングの内面との間には、前記インペラの流入口から流出口に向う方向に対して離間して配置された複数のシール部が設けられており、前記作動流体抽気部は、前記シュラウド部を貫通し、かつ互いに隣り合う２つの前記シール部の間に形成された隙間に到達する第１の貫通部と、前記ケーシングを貫通し、前記隙間に到達するとともに、前記作動流体供給ラインと接続された第２の貫通部と、を含む。

このように、インペラの途中から圧縮途中の作動流体をケーシングの外部に抽気する作動流体抽気部と、抽気した圧縮途中の作動流体を回転駆動部に供給する作動流体供給ラインと、を有することで、インペラを通過した圧縮作動流体を用いる場合と比較して、作動流体の温度を低くすることが可能となる。これにより、回転駆動部の冷却に必要な作動流体の量を少なくして、効率良く回転駆動部を冷却することができる。
また、シュラウド部を貫通し、かつ互いに隣り合う２つのシール部間に形成された隙間に到達する第１の貫通部を有することで、圧縮途中の作動流体を隙間に抽気することが可能となる。また、ケーシングを貫通し、隙間に到達するとともに、作動流体供給ラインと接続された第２の貫通部を有することで、第１の貫通部が抽気した圧縮途中の作動流体をケーシングの外部に導出させることが可能となる。これにより、圧縮途中の作動流体を作動流体供給ライン内に導くことができる。

また、本発明の第２の態様に係る回転機械において、前記隙間の形状は、前記回転軸を囲むリング形状とされており、前記複数のブレード部は、前記シュラウド部と前記ディスク部との間の空間を前記回転軸の周方向に区画して複数の流路を形成し、前記第１の貫通部は、前記複数の流路に対してそれぞれ設けられていてもよい。

このように、隙間の形状をリング形状とし、複数の流路に対してそれぞれ１つの第１の貫通部を設けることで、各流路から圧縮途中の作動流体を均等に抽気することができ、インペラ内部での各流路での流れのばらつきを防止し性能の低下を抑制することができる。

また、本発明の第３の態様に係る回転機械において、回転軸を回転可能に支持する軸受と、前記回転軸を回転させる回転駆動部と、前記回転軸に設けられ、該回転軸の軸線を中心に回転し、内部を流通する作動流体を圧縮するインペラと、前記回転軸、前記軸受、前記回転駆動部、及び前記インペラを収容するケーシングと、前記インペラの途中から圧縮途中の前記作動流体を前記ケーシングの外部に抽気する作動流体抽気部と、前記作動流体抽気部が抽気した前記圧縮途中の作動流体を前記回転駆動部に供給する作動流体供給ラインと、を備え、前記インペラは、前記回転軸に固定されたディスク部と、該ディスク部の周方向に配置され、該ディスク部の第１の面に対して立設された複数のブレード部と、該複数のブレード部を覆い、かつ前記ケーシングの内面と対向するシュラウド部と、を備えており、前記インペラに対して、前記回転軸の軸線方向のディスク側に配置され、前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられた軸シール部材と、前記ディスク部と前記ケーシングとの間に設けられ、前記軸シール部材との間に空間を形成するシール部と、を有し、前記作動流体抽気部は、前記ディスク部を貫通し、かつ前記空間に到達する第１の貫通部と、前記ケーシングを貫通し、前記空間に到達するとともに、前記作動流体供給ラインと接続された第２の貫通部と、を含んでもよい。

このように、インペラの途中から圧縮途中の作動流体をケーシングの外部に抽気する作動流体抽気部と、抽気した圧縮途中の作動流体を回転駆動部に供給する作動流体供給ラインと、を有することで、インペラを通過した圧縮作動流体を用いる場合と比較して、作動流体の温度を低くすることが可能となる。これにより、回転駆動部の冷却に必要な作動流体の量を少なくして、効率良く回転駆動部を冷却することができる。
このように、ディスク部を貫通し、かつ軸シール部材とシール部との間に形成された空間に到達する第１の貫通部を有することで、圧縮途中の作動流体を隙間に抽気することが可能となる。また、ケーシングを貫通し、空間に到達するとともに、作動流体供給ラインと接続された第２の貫通部を有することで、第１の貫通部が抽気した圧縮途中の作動流体をケーシングの外部に導出させることが可能となる。これにより、圧縮途中の作動流体を作動流体供給ライン内に導くことができる。

また、本発明の第４の態様に係る回転機械において、前記空間の形状は、前記回転軸を囲むリング形状とされており、前記複数のブレード部は、前記回転軸の周方向に配置された複数の流路を区画しており、前記第１の貫通部は、前記複数の流路に対してそれぞれ設けられていてもよい。

このように、空間の形状をリング形状とし、複数の流路に対してそれぞれ１つの第１の貫通部を設けることで、各流路から圧縮途中の作動流体を均等に抽気することができ、インペラ内部での各流路での流れのばらつきを防止し性能の低下を抑制することができる。

また、本発明の第５の態様に係る回転機械において、前記インペラの流入口に前記作動流体を供給するインペラ用作動流体供給ラインと、前記インペラ用作動流体供給ラインと接続され、前記作動流体供給ラインが供給した前記圧縮途中の作動流体を回収し、前記インペラ用作動流体供給ラインを通じて、前記回転駆動部に供給された前記圧縮途中の作動流体を前記インペラの流入口に供給する作動流体回収ラインと、を有してもよい。

インペラの途中から抽気した圧縮途中の作動流体は、インペラにより圧縮が完了した圧縮作動流体と比較して、作動流体の温度が低くなるため、回転駆動部の冷却に必要な作動流体の量を少なくすることが可能となる。これにより、作動流体回収ラインが回収すべき作動流体の量は少なくなる。したがって、インペラが圧縮する作動流体の量を少なくすることが可能となるため、インペラの動力を小さくすることができる。
ところで、インペラの途中から圧縮途中の作動流体をケーシングの外部に抽気することで、使用された後の圧縮途中の作動流体の圧力が低下する。しかし、圧力が低下した状態の圧縮途中の作動流体の圧力は、インペラ用作動流体供給ラインにより供給される圧縮されていない作動流体の圧力よりも高い。よって、別途、昇圧装置を用いることなく、インペラ用作動流体供給ラインを介して、回収した圧縮途中の作動流体をインペラの流入口に供給することができる。
なお、圧縮途中の作動流体に替えて、圧縮されていない作動流体を用いることも考えられるが、この場合、使用後の圧縮されていない作動流体の圧力は、インペラ用作動流体供給ラインを流れる圧縮されていない作動流体の圧力よりも小さくなるため、別途、昇圧装置を設ける必要があり、コストが増加するため好ましくない。

また、本発明の第６の態様に係る回転機械において、前記インペラは、前記回転軸の軸線方向に複数設けられており、前記作動流体抽気部は、複数の前記インペラのうち、最初に作動流体を圧縮する１段目のインペラから圧縮途中の作動流体を抽気してもよい。

このように、回転軸の軸線方向に複数設けられたインペラのうち、最初に作動流体を圧縮する１段目のインペラから圧縮途中の作動流体を抽気することで、１段目以外のインペラから圧縮途中の作動流体を抽気する場合よりも作動流体の温度を低くすることが可能となる。これにより、回転駆動部の冷却に必要な作動流体の量を少なくして、効率良く回転駆動部を冷却することができる。

また、本発明の第７の態様に係る回転機械において、前記軸受は、作動流体軸受であり、前記作動流体供給ラインは、前記作動流体軸受に前記圧縮途中の作動流体を供給してもよい。

このように、作動流体軸受に圧縮途中の作動流体を供給する作動流体供給ラインを有することで、圧縮途中の作動流体を作動流体軸受の作動流体として利用することができる。

また、本発明の第８の態様に係る回転機械において、前記軸受は、磁気軸受であり、
前記作動流体供給ラインは、前記磁気軸受に前記圧縮途中の作動流体を供給してもよい。

このように、磁気軸受に圧縮途中の作動流体を供給する作動流体供給ラインを有することで、磁気軸受を冷却することができる。

本発明によれば、回転駆動部を効率良く冷却することの可能な回転機械を提供する。

本発明の第１の実施形態に係る回転機械の概略構成を模式的に示す断面図である。図１に示す回転機械のうち、領域Ａで囲んだ部分を拡大した断面図である。図１に示す１段目インペラをディスク部側から平面視した図である。本発明の第２の実施形態に係る回転機械の主要部を拡大した断面図である。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転機械の概略構成を模式的に示す断面図である。図１において、Ｘ_１は１段目インペラ２６から２段目インペラ３２に向かう方向、Ｘ_２は２段目インペラ３２から１段目インペラ２６に向かう方向、Ｘ方向はスラスト方向（回転軸本体１３の延在方向）、Ｏ_１はＸ方向に延在する回転軸１２の軸線（以下、「軸線Ｏ_１」という）、Ｇ１は圧縮されていない作動流体、Ｇ２は２段圧縮作動流体をそれぞれ示している。

図２は、図１に示す回転機械のうち、領域Ａで囲んだ部分を拡大した断面図である。図２において、図１に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。図３は、図１に示す１段目インペラをディスク部側から平面視した図である。図３において、図２に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。

図１〜図３を参照して、第１の実施形態の回転機械１０について説明する。回転機械１０は、ケーシング１１と、回転軸１２と、回転駆動部１５と、軸受支持部材１６，１７と、スラスト軸受１８と、ラジアル軸受１９，２１と、軸シール部材２３，２４と、１段目インペラ２６と、シール部２７，２８と、位置規制部材３１，３３と、２段目インペラ３２と、作動流体抽気部３４と、インペラ用作動流体供給ラインＬ１と、１段圧縮作動流体供給ラインＬ２と、２段圧縮作動流体供給ラインＬ３と、作動流体供給ラインＬ４と、作動流体回収ラインＬ５と、を有する。

ケーシング１１は、回転軸１２、回転駆動部１５、軸受支持部材１６，１７、スラスト軸受１８、ラジアル軸受１９，２１、軸シール部材２３，２４、１段目インペラ２６、シール部２７，２８、位置規制部材３１，３３、及び２段目インペラ３２を収容している。

ケーシング１１は、第１のケーシング部３６と、第２のケーシング部３７，３８と、第３のケーシング部４１，４２と、流路４３，４４と、を有する。

第１のケーシング部３６は、両端が開放端とされた筒状の部材である。第１のケーシング部３６は、Ｘ方向に延在している。第１のケーシング部３６の一方の端には、第１のフランジ部３６Ａが設けられている。第１のケーシング部３６の他方の端には、第２のフランジ部３６Ｂが設けられている。

第２のケーシング部３７は、第１のフランジ部３６Ａに固定されている。第２のケーシング部３７の中央部には、回転軸本体１３の一方の端部１３Ａ側が挿入される開口部３７Ａが設けられている。第２のケーシング部３８は、第２のフランジ部３６Ｂに固定されている。第２のケーシング部３８の中央部には、回転軸本体１３の他方の端部１３Ｂ側が挿入される開口部３８Ａが設けられている。

第３のケーシング部４１は、第１の作動流体導入部４５と、支持部４６と、を有する。第１の作動流体導入部４５は、筒状とされた部材であり、Ｘ方向に延在している。第１の作動流体導入部４５は、その内側に円柱形状とされた空間４５Ａを有する。

空間４５Ａには、インペラ用作動流体供給ラインＬ１を介して、圧縮されていない作動流体、作動流体回収ラインＬ５により回収された圧縮途中の作動流体、及びこれらの混合作動流体が供給される。第３のケーシング部４１は、回転軸本体１３の一方の端部１３Ａを第１の作動流体導入部４５が収容可能な位置に設けられている。

支持部４６は、第１の作動流体導入部４５の他端に設けられている。支持部４６の形状は、第１の作動流体導入部４５の外側に広がるような形状とされている。支持部４６の一部は、第２のケーシング部３７と接触している。支持部４６は、ボルト等により第２のケーシング部３７に固定されている。

第３のケーシング部４２は、第２の作動流体導入部４８と、支持部４９と、を有する。第２の作動流体導入部４８は、筒状とされた部材であり、Ｘ方向に延在している。第２の作動流体導入部４８は、その内側に円柱形状とされた空間４８Ａを有する。空間４８Ａには、１段目インペラ２６で圧縮が完了した圧縮作動流体（以下「１段圧縮作動流体」という）が導入される。第３のケーシング部４２は、回転軸本体１３の他方の端部１３Ｂを第２の作動流体導入部４８が収容可能な位置に設けられている。

支持部４９は、第２の作動流体導入部４８の他端に設けられている。支持部４９の形状は、第２の作動流体導入部４８の外側に広がるような形状とされている。支持部４９の一部は、第２のケーシング部３８と接触している。支持部４９は、ボルト等により第２のケーシング部３８に固定されている。

流路４３は、第２のケーシング部３７と第３のケーシング部４１との間に形成されている。流路４３には、１段目インペラ２６により圧縮が完了した１段圧縮作動流体が吐出される。流路４３に吐出された１段圧縮作動流体は、１段圧縮作動流体供給ラインＬ２を介することで、空間４８Ａに供給される。

回転軸１２は、回転軸本体１３と、スラストカラー１４と、を備える。回転軸本体１３は、Ｘ方向に延在した状態でケーシング１１内に収容されている。回転軸本体１３の形状は、例えば、円柱形状とすることが可能である。回転軸本体１３は、ラジアル軸受１９，２１により回転可能な状態で支持されている。回転軸本体１３は、一方の端部１３Ａと、他方の端部１３Ｂと、を有する。

一方の端部１３Ａは、１段目インペラ２６が挿入される部分である。一方の端部１３Ａは、他方の端部１３Ｂを除く回転軸本体１３の他の部分よりも縮径されている。これにより、１段目インペラ２６のＸ_１方向の位置を規制することが可能となる。

他方の端部１３Ｂは、２段目インペラ３２が挿入される部分である。他方の端部１３Ｂは、一方の端部１３Ａを除く回転軸本体１３の他の部分よりも縮径されている。これにより、２段目インペラ３２のＸ_２方向の位置を規制することが可能となる。

スラストカラー１４は、回転軸本体１３のうち、一方の端部１３Ａ側に位置する部分の外周面１３ａに設けられている。スラストカラー１４は、外周面１３ａに対して立設したリング形状とされた部材である。スラストカラー１４は、回転軸本体１３に対して一体に形成されている。

回転駆動部１５は、ロータ５１と、ステータ５２と、を有する。ロータ５１は、回転軸本体１３の中央部の外周面１３ａに固定されている。ステータ５２は、ロータ５１と対向する第１のケーシング部３６の内周面３６ａに設けられている。回転駆動部１５は、ロータ５１を回転させることで、ロータ５１とともに回転軸本体１３を回転させる。

軸受支持部材１６は、回転軸本体１３を囲むリング形状の部材であり、第１のケーシング部３６内に収容されている。軸受支持部材１６は、１段目インペラ２６と回転駆動部１５との間に配置されている。軸受支持部材１６は、第１のケーシング部３６の内側に固定されている。

軸受支持部材１６は、リング状収容部１６Ａと、リング状切欠き部１６Ｂと、を有する。リング状収容部１６Ａは、回転軸本体１３の外周面１３ａ側に設けられている。リング状収容部１６Ａは、スラストカラー１４及びスラスト軸受１８を収容している。

リング状切欠き部１６Ｂは、回転軸本体１３の外周面１３ａ側に設けられている。リング状切欠き部１６Ｂは、リング状収容部１６Ａと回転駆動部１５との間に配置されている。リング状切欠き部１６Ｂには、ラジアル軸受１９が配置されている。

軸受支持部材１７は、回転軸本体１３を囲むリング状の部材であり、第１のケーシング部３６内に収容されている。軸受支持部材１７は、２段目インペラ３２と回転駆動部１５との間に配置されている。軸受支持部材１７は、第１のケーシング部３６の内側に固定されている。

スラスト軸受１８は、スラストカラー１４の両面（Ｘ方向に配置された２つの面）をＸ方向から挟み込むように配置されている。スラスト軸受１８は、スラストカラー１４を支持することで、Ｘ方向への回転軸１２の位置の変位を抑制する。スラスト軸受１８としては、例えば、磁気軸受、オイル軸受、作動流体軸受等を用いることが可能である。

ラジアル軸受１９は、リング状切欠き部１６Ｂに配置されている。ラジアル軸受２１は、軸受支持部材１７の内周面１７ａに設けられている。ラジアル軸受１９は、回転軸本体１３を回転可能に支持している。ラジアル軸受１９，２１としては、例えば、磁気軸受、オイル軸受、作動流体軸受等を用いることが可能である。

軸シール部材２３は、第２のケーシング部３７のうち、開口部３７Ａを区画する部分に設けられている。軸シール部材２４は、第２のケーシング部３８のうち、開口部３８Ａを区画する部分に設けられている。軸シール部材２３，２４は、回転軸本体１３と第２のケーシング部３７，３８との間をシールするシャフトシールである。

１段目インペラ２６は、ディスク部５５と、複数のブレード部５８と、シュラウド部５７と、流路５９と、を有する。

ディスク部５５は、中央に貫通穴５５Ａが形成されている。貫通穴５５Ａには、回転軸本体１３の一方の端部１３Ａが挿入されている。１段目インペラ２６は、回転軸本体１３の一方の端部１３Ａに配置されている。これにより、１段目インペラ２６は、回転軸１２が回転した際、回転軸１２の軸線Ｏ_１を中心に回転する。

ディスク部５５は、湾曲面とされた第１の面５５ａと、第２の面５５ｂと、を有する。第１の面５５ａは、複数のブレード部５８が形成される面である。第２の面５５ｂは、第１の面５５ａの反対側に配置された面である。第２の面５５ｂの一部は、軸シール部材２３と対向している。

複数のブレード部５８は、ディスク部５５の周方向に所定の間隔を空けた状態で、ディスク部５５の第１の面５５ａに立設されている。複数のブレード部５８は、回転軸１２の周方向に配置された複数の流路５９を区画している。

シュラウド部５７は、ディスク部５５との間に複数のブレード部５８を挟み込むように、複数のブレード部５８に設けられている。これにより、シュラウド部５７は、複数のブレード部５８を覆っている。Ｘ方向において、シュラウド部５７と第３のケーシング部４１との間には、回転する１段目インペラ２６と第３のケーシング部４１との接触を抑制するためのリング形状の隙間６０が形成されている。

流路５９は、ディスク部５５、シュラウド部５７、及び互いに隣り合う２つのブレード部５８により区画されている。流路５９は、ディスク部５５の周方向に複数形成されている。流路５９は、空間４５Ａ及び流路４３と接続されている。

流路５９の流入口には、圧縮されていない作動流体、作動流体回収ラインＬ５により回収された圧縮途中の作動流体、或いは、これらの混合作動流体が導入される。これらの作動流体は、回転する１段目インペラ２６の流路５９を通過することで圧縮される。圧縮された１段圧縮作動流体は、流路５９の流出口を介して、流路４３に吐出される。

シール部２７は、シュラウド部５７と第３のケーシング部４１との間に形成された隙間６０のうち、流路５９の流入口側に位置する部分をシール可能な位置に設けられている。シール部２７は、流路５９の流入口側に存在する作動流体よりも圧力の高い１段圧縮作動流体が隙間６０を通じて流路５９の流入口側に流れることを抑制する。

シール部２８は、隙間６０のうち、流路５９の流出口側に位置する部分をシール可能な位置に設けられている。シール部２８は、シール部２７との間に、リング形状の隙間６２（隙間６０の一部を構成する隙間）を区画している。シール部２７，２８は、１段目インペラ２６の流入口から流出口に向う方向に対して離間した状態で設けられている。シール部２７，２８は、互いに隣り合う２つのシール部である。なお、シール部２７，２８としては、例えば、ラビリンスシール、ホールパターンシール、リーフシール、アブレイダブルシール等を用いることが可能である。

位置規制部材３１は、１段目インペラ２６から突出した回転軸本体１３の一端に設けられている。位置規制部材３１は、１段目インペラ２６のＸ_２方向への移動を規制する。

２段目インペラ３２は、先に説明した１段目インペラ２６と同様な構成とされている。つまり、２段目インペラ３２は、ディスク部５５と、シュラウド部５７と、複数のブレード部５８と、流路５９と、を有する。

２段目インペラ３２は、貫通穴５５Ａに回転軸本体１３の他方の端部１３Ｂが挿入された状態で、回転軸本体１３の他方の端部１３Ｂに設けられている。これにより、２段目インペラ３２は、回転軸１２が回転した際、回転軸１２の軸線Ｏ_１を中心に回転する。

２段目インペラ３２を構成する流路５９の流入口には、ラインＬ２により１段圧縮作動流体が供給される。２段目インペラ３２では、１段圧縮作動流体を圧縮することで、１段圧縮作動流体よりも温度が高く、かつ高圧な２段圧縮作動流体が生成される。２段圧縮作動流体は、２段目インペラ３２を構成する流路５９の流出口から流路４４に吐出される。

位置規制部材３３は、２段目インペラ３２から突出した回転軸本体１３の他端に設けられている。位置規制部材３３は、２段目インペラ３２のＸ_１方向への移動を規制する。

作動流体抽気部３４は、第１の貫通部６５と、第２の貫通部６６と、を有する。第１の貫通部６５は、互いに隣り合う位置に設けられた２つのブレード部５８の間に位置するシュラウド部５７を貫通している。第１の貫通部６５は、一端が流路５９の途中位置に連通し、他端が隙間６２に到達している。これにより、第１の貫通部６５は、流路５９と隙間６２とを連通させている。

第１の貫通部６５は、１段目インペラ２６が圧縮途中の作動流体を１段目インペラ２６から抽気し、抽気した圧縮途中の作動流体を隙間６２へと導く。これにより、隙間６２の圧力（以下、「第３の圧力」という）は、シール部２７の外側に形成された空間４５Ａの圧力（以下、「第１の圧力」という）と、シール部２８の外側に形成された流路４３の圧力（以下、「第２の圧力」という）と、の間の圧力となる。シール部２８の外側に形成された隙間６０及び流路４３には、１段目インペラ２６により圧縮が完了した作動流体が流れる。このため、第２の圧力は、第１の圧力よりも高くなる。

このように、リング形状とされた隙間６２を区画する２つのシール部２７，２８と、１段目インペラ２６から圧縮途中の作動流体を隙間６２に抽気する第１の貫通部６５と、を有することで、第１の圧力（低圧）とされた空間４５Ａと第２の圧力（高圧）とされた流路４３との間に配置された隙間６２の第３の圧力を第１の圧力と第２の圧力との間の圧力（中間圧）にすることが可能となる。

これにより、シール部２７を挟んで第１の圧力（高圧）の領域と第３の圧力（中間圧）の領域とが配置され、シール部２８を挟んで第２の圧力（高圧）の領域と第３の圧力（中間圧）の領域とが配置される。

したがって、シール部２７のみで第１の圧力とされた領域と第２の圧力とされた領域との間をシールした場合と比較して、シール部２７，２８の両側の圧力差を小さくすることが可能となる。よって、シール部２７，２８のシール性能を高めることができる。

第１の貫通部６５は、例えば、作動流体の流れ方向におけるブレード部５８の中間位置に対応する部分に配置することが可能である。第１の貫通部６５は、例えば、複数の流路５９に対してそれぞれ設けるとよい。

このように、リング形状とされた隙間６２に連通するように、複数の流路５９に対してそれぞれ第１の貫通部６５を設けることで、各流路５９から圧縮途中の作動流体を抽気することができる。

流路５９の流入口に供給された作動流体は、シュラウド部５７の内面に近い側に多く流れ、圧縮される傾向がある。したがって、第１の貫通部６５をシュラウド部５７に設けることで、圧縮途中の作動流体を効率良く抽気することができる。

上述した第１の貫通部６５としては、例えば、貫通孔を用いることが可能である。第１の貫通部６５として所定方向に延在する貫通孔を用いる場合、貫通孔は、軸線Ｏ_１に対して平行な方向に延在させてもよいし、軸線Ｏ_１方向に対して傾斜する方向（交差する方向）に延在させてもよい。

第２の貫通部６６は、第３のケーシング部４１を貫通するように設けられている。第２の貫通部６６は、一端が隙間６２に到達しており、他端が作動流体供給ラインＬ４と接続されている。第２の貫通部６６は、第１の貫通部６５が抽気した圧縮途中の作動流体を作動流体供給ラインＬ４に導入させる。

第２の貫通部６６としては、例えば、貫通孔を用いることが可能である。第２の貫通部６６として貫通孔を用いる場合、貫通孔の延在方向は、適宜設定することが可能である。第２の貫通部６６の数は、目的に応じて適宜選択することが可能であるが、例えば、１つでもよい。

インペラ用作動流体供給ラインＬ１は、一端が圧縮されていない作動流体を供給する作動流体供給源（図示せず）と接続されており、他端が第１の作動流体導入部４５と接続されている。インペラ用作動流体供給ラインＬ１は、作動流体供給源（図示せず）から供給された圧縮されていない作動流体（低温低圧の作動流体）を空間４５Ａに供給する。空間４５Ａに供給された作動流体は、１段目インペラ２６により圧縮される。

１段圧縮作動流体供給ラインＬ２は、一端が流路４３と接続されており、他端が第２の作動流体導入部４８と接続されている。１段圧縮作動流体供給ラインＬ２は、流路４３に吐出された１段圧縮作動流体を空間４８Ａ内に供給する。空間４８Ａに供給された１段圧縮作動流体は、２段目インペラ３２によりさらに圧縮されて、高温高圧の２段圧縮作動流体となり、流路４４に吐出される。

２段圧縮作動流体供給ラインＬ３は、一端が流路４４と接続されており、他端が２段圧縮作動流体の使用先（図示せず）と接続されている。２段圧縮作動流体供給ラインＬ３は、流路４４に吐出された２段圧縮作動流体を使用先に供給する。

作動流体供給ラインＬ４は、一端が第２の貫通部６６と接続されており、他端側が複数に分岐されている。作動流体供給ラインＬ４は、スラスト軸受１８、ラジアル軸受１９，２１、及び回転駆動部１５に圧縮途中の作動流体を供給する。これにより、回転駆動部１５は、圧縮途中の作動流体により冷却される。圧縮途中の作動流体は、１段圧縮作動流体よりも低圧で、かつ温度が低い作動流体である。

上述した作動流体抽気部３４、及び作動流体供給ラインＬ４を有することで、１段目インペラ２６による圧縮が完了した１段圧縮作動流体よりも低圧で、かつ温度の低い圧縮途中の作動流体を回転駆動部１５の冷却用作動流体として利用することが可能となる。これにより、１段圧縮作動流体を用いた場合よりも回転駆動部１５の冷却に必要な作動流体（圧縮途中の作動流体）の量を少なくすることが可能となるので、回転駆動部１５を効率良く冷却することができる。

スラスト軸受１８及びラジアル軸受１９，２１として、例えば、作動流体軸受を用いる場合、スラスト軸受１８及びラジアル軸受１９，２１に圧縮途中の作動流体を供給することで、圧縮途中の作動流体を作動流体として用いることができる。

一方、スラスト軸受１８及びラジアル軸受１９，２１として、例えば、磁気軸受やオイル軸受を用いる場合、圧縮途中の作動流体を用いて、スラスト軸受１８及びラジアル軸受１９，２１を冷却することができる。

作動流体回収ラインＬ５は、一端側が複数に分岐されており、スラスト軸受１８、ラジアル軸受１９，２１、及び回転駆動部１５から冷却、或いは冷却及び作動流体として使用された圧縮途中の作動流体を回収する。

スラスト軸受１８、ラジアル軸受１９，２１、及び回転駆動部１５に供給された圧縮途中の作動流体は、冷却や作動流体として機能することで、僅かに圧力が低下する。しかし、圧力の低下が僅かであるため、圧力が低下した状態での圧縮途中の作動流体の圧力は、作動流体供給源（図示せず）から供給される作動流体（圧縮されていない作動流体）の圧力よりも高い。

作動流体回収ラインＬ５は、他端がインペラ用作動流体供給ラインＬ１と接続されている。作動流体回収ラインＬ５は、インペラ用作動流体供給ラインＬ１を介して、冷却や作動流体として機能することで、僅かに圧力が低下した圧縮途中の作動流体を空間４５Ａに供給する。上述したように、圧力が低下した状態での圧縮途中の作動流体の圧力は、作動流体供給源（図示せず）から供給される作動流体（圧縮されていない作動流体）の圧力よりも高くなる。

したがって、回収した圧縮途中の作動流体の圧力を作動流体供給源（図示せず）から供給される圧縮されていない作動流体の圧力よりも高くすることなく、インペラ用作動流体供給ラインＬ１に作動流体回収ラインＬ５を接続させだけで、回収した圧縮途中の作動流体を空間４５Ａに供給することが可能となる。これにより、別途、作動流体回収ラインＬ５に、回収した作動流体の圧力を高めるための昇圧装置を設ける必要がない。したがって、コストの増加を抑制した上で、回収した圧縮途中の作動流体を再利用することができる。

また、１段目インペラ２６の途中から抽気した圧縮途中の作動流体は、１段目インペラ２６により圧縮が完了した圧縮作動流体と比較して、作動流体の温度が低くなるため、回転駆動部１５の冷却に必要な作動流体の量を少なくすることが可能となる。これにより、作動流体回収ラインＬ５が回収すべき作動流体の量は少なくなる。したがって、１段目インペラ２６及び２段目インペラ３２が圧縮する作動流体の量を少なくすることが可能となるため、１段目インペラ２６及び２段目インペラ３２の動力を小さくすることができる。

なお、圧縮途中の作動流体に替えて、圧縮されていない作動流体を用いて回転駆動部１５を冷却することも考えられるが、この場合、回収後の圧縮されていない作動流体の圧力は、１段目インペラ２６に供給された圧力よりも低くなる。

このため、作動流体供給ラインＬ５をインペラ用作動流体供給ラインＬ１と接続する場合、作動流体供給ラインＬ５に回収した作動流体の圧力を高める昇圧装置を別途設ける必要がある。したがって、圧縮されていない作動流体を回転駆動部１５の冷却に使用することは、コストの増加に繋がるため、好ましくない。

第１の実施形態の回転機械によれば、リング形状の隙間６２を区画するシール部２７，２８、及び作動流体供給ラインＬ４と、を備えることで、作動流体抽気部３４が抽気した圧縮途中の作動流体（１段目インペラ２６による圧縮が完了した１段圧縮作動流体よりも低圧で、かつ温度の低い作動流体）を、作動流体供給ラインＬ４を介して、回転駆動部１５に供給して、冷却用作動流体として利用することが可能となる。これにより、１段圧縮作動流体を用いた場合よりも回転駆動部１５の冷却に必要な作動流体の量を少なくすることが可能となるので、回転駆動部１５を効率良く冷却することができる。

なお、第１の実施形態では、一例として、回転軸１２の両端部にインペラを配置させた場合を例に挙げて説明したが、回転軸１２の軸線Ｏ_１方向に複数のインペラを配置させた回転機械にも適用可能である。この場合、複数のインペラのうち、最初に作動流体を圧縮する１段目インペラ側に作動流体抽気部３４を設ければよい。

また、第１の実施形態では、一例として、隙間６０に２つのシール部２７，２８を配置させて隙間６２を区画する場合を例に挙げて説明したが、例えば、隙間６０に離間させた状態で、３つ以上のシール部を配置し、互いに隣り合うシール部の間に区画された各隙間から圧縮途中の作動流体を抽気可能なように、第１の貫通部を設けてもよい。

このような構成とすることで、１段圧縮作動流体の圧力よりも低く、かつ圧力の異なる複数の圧縮途中の作動流体を取得することが可能となるので、圧力の異なる複数の圧縮途中の作動流体を使用したい場合に有効である。

〔第２の実施形態〕
図４は、本発明の第２の実施形態に係る回転機械の主要部を拡大した断面図である。図４において、図１〜図３に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図４を参照して、第２の実施形態の回転機械７０について説明する。第２の実施形態の回転機械７０は、シール部２８を設ける位置を変更し、作動流体抽気部３４に替えて、作動流体抽気部７４を有すること以外は、第１の実施形態の回転機械１０と同様に構成されている。

シール部２８は、ディスク部５５のうち、第２の面５５ｂ側に位置する部分と第２のケーシング部３７との間に設けられている。シール部２８は、軸シール部材２３との間にリング形状とされた空間７２を区画している。

作動流体抽気部７４は、第１の貫通部７５と、第２の貫通部７６と、を有する。第１の貫通部７５は、ディスク部５５のうち、圧縮途中の作動流体を抽気可能な位置を貫通するように設けられている。第１の貫通部７５は、一端が流路５９に連通しており、他端が空間７２に連通している。

第１の貫通部７５は、例えば、作動流体の流れ方向におけるブレード部５８の中間位置に対応する部分に配置することが可能である。第１の貫通部７５は、例えば、複数の流路５９に対してそれぞれ設けるとよい。第１の貫通部７５は、１段目インペラ２６から圧縮途中の作動流体を抽気し、抽気した圧縮途中の作動流体を空間７２へと導く。

第１の貫通部７５としては、例えば、貫通孔を用いることが可能である。第１の貫通部７５として所定方向に延在する貫通孔を用いる場合、貫通孔の延在方向は、軸線Ｏ_１に対して平行な方向でもよいし、軸線Ｏ_１に対して傾斜した方向（交差する方向）であってもよい。

第２の貫通部７６は、第２のケーシング部３７を貫通するように設けられている。第２の貫通部７６は、一端が空間７２と連通しており、他端が作動流体供給ラインＬ４と接続されている。第２の貫通部７６は、空間７２に抽気された圧縮途中の作動流体を作動流体供給ラインＬ４に供給する。第２の貫通部７６としては、例えば、貫通経路（貫通流路）を用いることが可能である。

第２の実施形態の回転機械７０によれば、リング形状の空間を区画するシール部２８及び軸シール部材２３と、第１及び第２の貫通部７５，７６を有する作動流体抽気部７４と、第２の貫通部７６と接続された作動流体供給ラインＬ４と、を備えることで、作動流体抽気部７４が抽気した圧縮途中の作動流体（１段目インペラ２６による圧縮が完了した１段圧縮作動流体よりも低圧で、かつ温度の低い作動流体）を、作動流体供給ラインＬ４を介して、回転駆動部１５に供給して、冷却用作動流体として利用することが可能となる。これにより、１段圧縮作動流体を用いた場合よりも回転駆動部１５の冷却に必要な作動流体の量を少なくすることが可能となるので、回転駆動部１５を効率良く冷却することができる。

つまり、圧縮途中の作動流体は、第１の実施形態で説明したように、１段目インペラ２６のシュラウド部５７側から抽気してもよいし、第２の実施形態で節マイしたように、シュラウド部５７の反対側に位置するディスク部５５側から抽気してもよい。

なお、図４に示す第１及び第２の貫通部７５，７６の形状及び形成位置は、一例であって、図４に示す形状及び形成位置に限定されない。

また、第２の実施形態では、一例として、回転軸１２の両端部にインペラを配置させた場合を例に挙げて説明したが、回転軸１２の軸線Ｏ_１方向に複数のインペラを配置させた回転機械にも適用可能である。この場合、複数のインペラのうち、１段目インペラに作動流体抽気部７４を設ければよい。

また、例えば、ディスク部５５の第２の面５５ｂ側と第２のケーシング部３７との間に、複数のシール部２８を設け、互いに隣り合うシール部２８の間に区画された各隙間に圧縮途中の作動流体を抽気可能なように第１の貫通部を設けてもよい。このような構成とすることで、１段圧縮作動流体の圧力よりも低く、かつ圧力の異なる複数の圧縮途中の作動流体を取得することが可能となるので、異なる複数の圧縮途中の作動流体を使用したい場合に有効である。

本発明の回転機械は、圧縮機やタービン等に適用可能である。

１０，７０回転機械
１１ケーシング
１２回転軸
１３回転軸本体
１３ａ外周面
１４スラストカラー
１８スラスト軸受
１３Ａ一方の端部
１３Ｂ他方の端部
１５回転駆動部
１６，１７軸受支持部材
１６Ａリング状収容部
１６Ｂリング状切欠き部
１７ａ，３６ａ内周面
１８スラスト軸受
１９，２１ラジアル軸受
２３，２４軸シール部材
２６１段目インペラ
２７，２８シール部
３１，３３位置規制部材
３２２段目インペラ
３４，７４作動流体抽気部
３６第１のケーシング部
３６Ａ第１のフランジ部
３６Ｂ第２のフランジ部
３７，３８第２のケーシング部
３７Ａ，３８Ａ開口部
４１，４２第３のケーシング部
４３，４４，５９流路
４５第１の作動流体導入部
４５Ａ，４８Ａ，７２空間
４６，４９支持部
４８第２の作動流体導入部
５１ロータ
５２ステータ
５５ディスク部
５５ａ第１の面
５５ｂ第２の面
５５Ａ貫通穴
５７シュラウド部
５８ブレード部
６０，６２隙間
６５，７５第１の貫通部
６６，７６第２の貫通部
Ａ領域
Ｌ１インペラ用作動流体供給ライン
Ｌ２１段圧縮作動流体供給ライン
Ｌ３２段圧縮作動流体供給ライン
Ｌ４作動流体供給ライン
Ｌ５作動流体回収ライン
Ｏ_１軸線
Ｘ，Ｘ_１，Ｘ_２方向

Claims

回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記回転軸を回転させる回転駆動部と、
前記回転軸に設けられ、該回転軸の軸線を中心に回転し、内部を流通する作動流体を圧縮するインペラと、
前記回転軸、前記軸受、前記回転駆動部、及び前記インペラを収容するケーシングと、
前記インペラの途中から圧縮途中の前記作動流体を前記ケーシングの外部に抽気する作動流体抽気部と、
前記作動流体抽気部が抽気した前記圧縮途中の作動流体を前記回転駆動部に供給する作動流体供給ラインと、
を備え、
前記インペラは、前記回転軸に固定されたディスク部と、該ディスク部の周方向に配置され、該ディスク部に対して立設された複数のブレード部と、該複数のブレード部を覆い、かつ前記ケーシングの内面と対向するシュラウド部と、を備えており、
前記シュラウド部と前記ケーシングの内面との間には、前記インペラの流入口から流出口に向う方向に対して離間して配置された複数のシール部が設けられており、
前記作動流体抽気部は、前記シュラウド部を貫通し、かつ互いに隣り合う２つの前記シール部の間に形成された隙間に到達する第１の貫通部と、
前記ケーシングを貫通し、前記隙間に到達するとともに、前記作動流体供給ラインと接続された第２の貫通部と、
を含む回転機械。
前記隙間の形状は、前記回転軸を囲むリング形状とされており、
前記複数のブレード部は、前記シュラウド部と前記ディスク部との間の空間を前記回転軸の周方向に区画して複数の流路を形成し、
前記第１の貫通部は、前記複数の流路に対してそれぞれ設けられている請求項１記載の回転機械。
回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記回転軸を回転させる回転駆動部と、
前記回転軸に設けられ、該回転軸の軸線を中心に回転し、内部を流通する作動流体を圧縮するインペラと、
前記回転軸、前記軸受、前記回転駆動部、及び前記インペラを収容するケーシングと、
前記インペラの途中から圧縮途中の前記作動流体を前記ケーシングの外部に抽気する作動流体抽気部と、
前記作動流体抽気部が抽気した前記圧縮途中の作動流体を前記回転駆動部に供給する作動流体供給ラインと、
を備え、
前記インペラは、前記回転軸に固定されたディスク部と、該ディスク部の周方向に配置され、該ディスク部の第１の面に対して立設された複数のブレード部と、該複数のブレード部を覆い、かつ前記ケーシングの内面と対向するシュラウド部と、を備えており、
前記インペラに対して、前記回転軸の軸線方向のディスク側に配置され、前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられた軸シール部材と、
前記ディスク部と前記ケーシングとの間に設けられ、前記軸シール部材との間に空間を形成するシール部と、
を有し、
前記作動流体抽気部は、前記ディスク部を貫通し、かつ前記空間に到達する第１の貫通部と、
前記ケーシングを貫通し、前記空間に到達するとともに、前記作動流体供給ラインと接続された第２の貫通部と、
を含む回転機械。
前記空間の形状は、前記回転軸を囲むリング形状とされており、
前記複数のブレード部は、前記回転軸の周方向に配置された複数の流路を区画しており、
前記第１の貫通部は、前記複数の流路に対してそれぞれ設けられている請求項３記載の回転機械。
前記インペラの流入口に前記作動流体を供給するインペラ用作動流体供給ラインと、
前記インペラ用作動流体供給ラインと接続され、前記作動流体供給ラインが供給した前記圧縮途中の作動流体を回収し、前記インペラ用作動流体供給ラインを通じて、前記回転駆動部に供給された前記圧縮途中の作動流体を前記インペラの流入口に供給する作動流体回収ラインと、
を有する請求項１ないし４のいずれか一項記載の回転機械。
前記インペラは、前記回転軸の軸線方向に複数設けられており、
前記作動流体抽気部は、複数の前記インペラのうち、最初に作動流体を圧縮する１段目のインペラから圧縮途中の作動流体を抽気する請求項１ないし５のいずれか一項記載の回転機械。
前記軸受は、作動流体軸受であり、
前記作動流体供給ラインは、前記作動流体軸受に前記圧縮途中の作動流体を供給する請求項１から６のいずれか一項記載の回転機械。
前記軸受は、磁気軸受であり、
前記作動流体供給ラインは、前記磁気軸受に前記圧縮途中の作動流体を供給する請求項１から６のいずれか一項記載の回転機械。