JP6512553B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本開示は、ターボ機械に関する。

従来、ターボ機械は、翼車の両面に生じる差圧に伴う軸方向荷重（スラスト荷重）を支持するスラスト軸受と、半径方向荷重（ラジアル荷重）を支持するラジアル軸受とをそれぞれ個別に備えている。また、ターボ機械は、スラスト荷重及びラジアル荷重を支持するアンギュラ玉軸受を備えていることもある。また、回転軸の軸受として、テーパー状の軸受が知られている。

特許文献１には、図１１に示すように、回転軸５０１、軸受部材５０３、軸受部材５０４、空気軸受５０６、空気軸受５０７、流路５０８、及び流路５０９を備えた空気軸受装置５００が記載されている。空気軸受５０６は、回転軸５０１と軸受部材５０３との間に形成されている。空気軸受５０７は、回転軸５０１と軸受部材５０４との間に形成されている。軸受部材５０３に流路５０８が設けられており、軸受部材５０４に流路５０９が設けられている。流路５０８から空気軸受５０６に加圧空気が供給される。また、流路５０９から空気軸受５０７に加圧空気が供給される。空気軸受５０６及び空気軸受５０７は、テーパー状に形成され、空気軸受５０６の大径側及び空気軸受５０７の大径側が互いに向かい合っている。

軸受部材５０３の軸受面には圧力センサ５１５が設けられている。圧力センサ５１５は、空気軸受５０６内の圧力Ｐを検知し、圧力センサ５１５からの出力信号ｐが演算部５１６に伝達される。演算部５１６は、圧力Ｐを軸受隙間Ｃに換算して又はそのまま制御用の信号として使用する。出力信号ｐが予め定めた値になるように、送りモータ５１４にて軸受部材５０３を図５において右方向又は左方向に移動させ、軸受隙間Ｃの値を変化させる。これにより、軸受隙間Ｃが最適な値に保たれる。

特開昭５８−１９６３１９号公報

特許文献１に記載の空気軸受装置が使用されたターボ機械は、ターボ機械の効率を高める観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、高い効率を有するターボ機械を提供する。

本開示は、
回転軸と、インペラと、前記回転軸を支持する第一軸受と、前記回転軸と前記第一軸受との間に潤滑液を供給するための第一供給経路と、を備え、
前記インペラは、当該インペラの作動流体の吸込み側の面が前記第一軸受に向けられて前記回転軸に固定されており、
前記回転軸は、当該回転軸の軸線方向に前記インペラに向かって拡大する直径を有する第一テーパー部と、前記第一テーパー部の大径端に隣接している第一円柱状部と、を含み、
前記第一軸受は、当該第一軸受の軸線方向に、当該第一軸受の特定の位置から前記第一テーパー部の小径端に向かって延びるテーパー穴を形成する第一テーパー穴形成面を含み、前記潤滑液を介して前記第一テーパー部を回転可能に支持する第一テーパー支持面と、前記潤滑液を介して前記第一円柱状部を回転可能に支持する第一円柱状部支持面と、を有し、
前記第一供給経路は、前記第一円柱状部と前記第一円柱状部支持面との間に形成された隙間に開口しており、
前記第一テーパー穴形成面の前記第一軸受の軸線に対する傾斜角度は、前記第一テーパー部の外周面の前記回転軸の軸線に対する傾斜角度よりも大きい、
ターボ機械を提供する。

上記のターボ機械は、高い効率を有する。

第１実施形態に係るターボ機械を示す断面図 図１に示すターボ機械の一部を拡大して示す断面図 図２に示すターボ機械の軸受内部における潤滑液の圧力分布を示す図 図２に示すターボ機械の軸受におけるスラスト支持力の大きさと隙間の幅ｔ１との関係を示す図 変形例に係るターボ機械の一部を拡大して示す断面図 図５に示すターボ機械の軸受内部における潤滑液の圧力分布を示す図 図５に示すターボ機械の軸受におけるスラスト支持力の大きさと隙間の幅ｔ１との関係を示す図 別の変形例に係るターボ機械の一部を拡大して示す断面図 第２実施形態に係るターボ機械を示す図 図９に示すターボ機械の一部を拡大して示す断面図 従来の空気軸受装置を示す断面図

特許文献１に記載の空気軸受装置５００において、テーパー状に形成された空気軸受５０６及び空気軸受５０７によって、回転軸５０１のスラスト荷重が支持される。空気軸受５０６及び空気軸受５０７において生じるスラスト支持力によって回転軸５０１のスラスト荷重が支持される。スラスト支持力の最大値を増加させるために、回転軸５０１のテーパー部の大径端の直径を増加させ、回転軸５０１の軸線方向における回転軸５０１のテーパー部の投影面積を増加させることが考えられる。しかし、この場合、軸受損失が増加してターボ機械の効率が低下する可能性がある。

本開示の第１態様は、
回転軸と、インペラと、前記回転軸を支持する第一軸受と、前記回転軸と前記第一軸受との間に潤滑液を供給するための第一供給経路と、を備え、
前記インペラは、当該インペラの作動流体の吸込み側の面が前記第一軸受に向けられて前記回転軸に固定されており、
前記回転軸は、当該回転軸の軸線方向に前記インペラに向かって拡大する直径を有する第一テーパー部と、前記第一テーパー部の大径端に隣接している第一円柱状部と、を含み、
前記第一軸受は、当該第一軸受の軸線方向に、当該第一軸受の特定の位置から前記第一テーパー部の小径端に向かって延びるテーパー穴を形成する第一テーパー穴形成面を含み、前記潤滑液を介して前記第一テーパー部を回転可能に支持する第一テーパー支持面と、前記潤滑液を介して前記第一円柱状部を回転可能に支持する第一円柱状部支持面と、を有し、
前記第一供給経路は、前記第一円柱状部と前記第一円柱状部支持面との間に形成された隙間に開口しており、
前記第一テーパー穴形成面の前記第一軸受の軸線に対する傾斜角度は、前記第一テーパー部の外周面の前記回転軸の軸線に対する傾斜角度よりも大きい、
ターボ機械を提供する。

第１態様によれば、第一テーパー部の小径端近傍における第一テーパー部の外周面と第一テーパー支持面との間の隙間の幅が、第一テーパー部の大径端近傍における第一テーパー部の外周面と第一テーパー支持面との間の隙間の幅よりも小さい。これにより、第一テーパー部の小径端近傍において、第一軸受の内部の潤滑液の流れに対する抵抗が増加するので、第一テーパー部の小径端近傍において潤滑液の圧力の変化量が増加する。一方、第一軸受の内部の、潤滑液が供給される位置から潤滑液が排出される位置までの区間における潤滑液の圧力の変化量は一定であるので、第一テーパー部の大径端近傍において、潤滑液の圧力の変化量が小さい。このため、第一テーパー部と第一テーパー支持面との間の隙間における潤滑液の平均圧力が高く、第一軸受によるスラスト支持力の最大値が高い。しかも、第一テーパー部の大径端の直径を増加させることなく、第一軸受によるスラスト支持力の最大値を高めることができる。このため、軸受損失が抑制されるので、ターボ機械が高い効率を有する。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記回転軸の外周面及び前記第一軸受の内周面は、前記第一軸受の半径方向に、前記第一円柱状部の外周面と前記第一円柱状部支持面との間の隙間の幅よりも大きい幅を有する拡張空間を、前記第一テーパー部の大径端に隣接する位置に形成している、ターボ機械を提供する。第２態様によれば、第一テーパー部の大径端に隣接する位置に拡張空間が形成されることにより、第一軸受によるスラスト支持力の最大値がより高い。また、第一テーパー部の小径端と第一テーパー支持面との間の隙間の幅が比較的大きい場合でも、第一軸受によるスラスト支持力が高まりやすい。

本開示の第３態様は、第２態様に加えて、前記拡張空間は、前記回転軸の軸線方向における前記第一円柱状部支持面と前記第一テーパー穴形成面との間で、前記第一テーパー穴形成面から前記第一軸受の半径方向外側に延びている前記第一軸受の内周面と、前記第一テーパー部の外周面とによって形成されている、ターボ機械を提供する。第３態様によれば、回転軸に特別な加工を施さなくても拡張空間を形成できる。

本開示の第４態様は、第２態様に加えて、前記拡張空間は、前記第一テーパー穴形成面と、前記第一円柱状部から前記回転軸の半径方向内側に延びている前記回転軸の外周面とによって形成されている、ターボ機械を提供する。第４態様によれば、第一軸受に特別な加工を施さなくても拡張空間を形成できる。

本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、
前記回転軸を支持する第二軸受と、前記回転軸と前記第二軸受との間に潤滑液を供給するための第二供給経路と、をさらに備え、
前記回転軸は、当該回転軸の軸線方向に前記インペラから見て前記第一テーパー部の反対側で前記インペラに向かって拡大する直径を有する第二テーパー部と、前記第二テーパー部の大径端に隣接している第二円柱状部と、をさらに含み、
前記第二軸受は、当該第二軸受の軸線方向に、当該第二軸受の特定の位置から前記第二テーパー部の小径端に向かって延びるテーパー穴を形成する第二テーパー穴形成面を含み、前記潤滑液を介して前記第二テーパー部を回転可能に支持する第二テーパー支持面と、前記潤滑液を介して前記第二円柱状部を回転可能に支持する第二円柱状部支持面と、を有し、
前記第二供給経路は、前記第二円柱状部と前記第二円柱状部支持面との間に形成された隙間に開口しており、
前記第二テーパー穴形成面の前記第二軸受の軸線に対する傾斜角度は、前記第二テーパー部の外周面の前記回転軸の軸線に対する傾斜角度よりも大きい、
ターボ機械を提供する。

第５態様によれば、第一軸受と同様の理由により、第二軸受によるスラスト支持力の最大値が高い。しかも、第二テーパー部の大径端の直径を増加させることなく、第二軸受によるスラスト支持力の最大値を高めることができる。このため、軸受損失が抑制されるので、ターボ機械が高い効率を有する。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
図１及び図２に示すように、ターボ機械１００ａは、回転軸１と、インペラ８と、第一軸受２ａと、第一供給経路１５ａとを備えている。インペラ８は、インペラ８の作動流体の吸込み側の面が第一軸受２ａに向けられて回転軸１に固定されている。インペラ８は、作動流体を圧縮又は膨張させるための部品である。回転軸１は、第一テーパー部１１ａと、第一円柱状部１２ａとを含む。第一テーパー部１１ａは、回転軸１の軸線方向にインペラ８に向かって拡大する直径を有する。第一円柱状部１２ａは、第一テーパー部１１ａの大径端ｂ１に隣接している。例えば、第一円柱状部１２ａは、回転軸１の軸線方向に一定の直径を有する。第一軸受２ａは、第一テーパー支持面２１ａと、第一円柱状部支持面２２ａとを有する。第一テーパー支持面２１ａは、第一テーパー穴形成面２５ａを含み、潤滑液を介して第一テーパー部１１ａを回転可能に支持する。第一テーパー穴形成面２５ａは、第一軸受２ａの特定の位置から第一テーパー部１１ａの小径端ａ１に向かって延びるテーパー穴を形成する。例えば、図２に示すように、第一軸受２ａの特定の位置が第一テーパー部１１ａの大径端ｂ１に隣接しており、第一テーパー支持面２１ａの全体が第一テーパー穴形成面２５ａを形成していてもよい。第一供給経路１５ａは、第一円柱状部１２ａと第一円柱状部支持面２２ａとの間に形成された隙間（第一円柱状部隙間７３ａ）に開口している。第一テーパー穴形成面２５ａの第一軸受２ａの軸線に対する傾斜角度は、第一テーパー部１１ａの外周面の回転軸１の軸線に対する傾斜角度よりも大きい。このため、図２に示すように、第一テーパー部１１ａの小径端ａ１における第一テーパー部１１ａの外周面と第一テーパー支持面２１ａとの間の隙間の幅ｔ１が、第一テーパー部１１ａの大径端ｂ１における第一テーパー部１１ａの外周面と第一テーパー支持面２１ａとの間の隙間の幅ｔ２よりも小さい。なお、本明細書において、第一テーパー部１１ａの外周面と第一テーパー支持面２１ａとの間の隙間の幅とは、第一テーパー部１１ａの外周面に垂直な方向における幅を意味する。

ターボ機械１００ａは、例えばターボ圧縮機である。ターボ機械１００ａは、例えば、第二軸受３、ステータ４、ロータ５、ケーシング６０、ケーシング６２、ケーシング６４、支柱６１、及び潤滑液ケース９０ａをさらに備えている。第二軸受３は、回転軸１の軸線方向に、インペラ８から見て第一軸受２ａの反対側に配置されている。第二軸受３は、潤滑液を介して回転軸１を半径方向に回転可能に支持する。第二軸受３は、ケーシング６４の内部に収容されている。例えば、第二軸受３は、ケーシング６４の内周面に取り付けられている。ロータ５は、回転軸１の軸線方向において、インペラ８と第二軸受３との間で回転軸１に固定されている。第二軸受３は、潤滑液を介して、回転軸１の半径方向に回転軸１を回転可能に支持している。ステータ４は、ロータ５を取り囲むように配置されている。例えば、ステータ４は、ケーシング６２の内周面に取り付けられている。ステータ４及びロータ５によって電動機が形成されている。ステータ４に電力が供給されることによって、ステータ４において回転磁界が発生する。これにより、ロータ５、回転軸１、及びインペラ８によって形成された回転体が高速回転する。

インペラ８は、ケーシング６０の内部に収容されている。ケーシング６０の内周面によって作動流体の流路が形成されている。インペラ８は、前方を向いた前面８１を有する。第一軸受２ａは、インペラ８の前方において、複数の支柱６１によって支持され、複数の支柱６１はケーシング６０の内周面に固定されている。複数の支柱６１は、第一軸受２ａの周方向に互いに離間して配置されており、隣り合う支柱６１同士の間に作動流体の流路が形成されている。ケーシング６０の内部には、インペラ８の半径方向外側に吐出流路７１が形成されている。

インペラ８が回転すると、インペラ８の前方から前面８１に向かって作動流体が流れ、インペラ８に作動流体が吸い込まれる。このため、インペラ８の前面８１は、インペラ８の作動流体の吸込み側の面に相当する。作動流体は、回転しているインペラ８によって加速され、かつ、加圧され、吐出流路７１を通ってターボ機械１００ａの外部に吐出される。インペラ８の前面８１は、作動流体の吸込圧力を受け、インペラ８の前面８１と反対側の面は作動流体の吐出圧力とほぼ等しい圧力を受ける。このため、回転軸１の軸線方向において、インペラ８の両面で圧力差が生じ、この圧力差により、ロータ５、回転軸１、及びインペラ８を含む回転体において、図１における左方向に、スラスト荷重が発生する。また、回転体の重量及び回転体の不釣合い力によって回転体にラジアル荷重が発生する。

図２に示すように、潤滑液ケース９０ａは、回転軸１の軸線方向において第一軸受２ａから見てインペラ８と反対側で、第一軸受２ａに隣接して配置されている。潤滑液ケース９０ａによって貯留空間９１ａが形成される。貯留空間９１ａには、第一軸受２ａに供給されるべき潤滑液が貯留される。第一供給経路１５ａは、例えば、回転軸１の内部に形成され、回転軸１の半径方向に第一円柱状部１２ａの外周面まで延びている。この場合、回転軸１の内部には、例えば潤滑液供給穴１３ａが形成されている。潤滑液供給穴１３ａは、回転軸１の端から回転軸１の軸線方向に延びている。第一供給経路１５ａは、潤滑液供給穴１３ａから回転軸１の半径方向に延びている。潤滑液供給穴１３ａの内部の空間は貯留空間９１ａに連通している。このため、潤滑液供給穴１３ａによって、貯留空間９１ａと第一供給経路１５ａとが連通している。

回転軸１が回転するとき、回転軸１の回転に伴う遠心ポンプ効果によって、貯留空間９１ａに貯留された潤滑液が、潤滑液供給穴１３ａ及び第一供給経路１５ａを通過して、第一軸受２ａと回転軸１との間の空間に供給される。これにより、第一軸受２ａと回転軸１との間の空間に十分な量の潤滑液を供給できる。図２における矢印は、潤滑液の流れを模式的に示している。なお、第一供給経路１５ａは、第一軸受２ａに形成されていてもよい。この場合、第一供給経路１５ａは、望ましくは、第一軸受２ａの外部で加圧された比較的高い圧力を有する潤滑液を流すための経路につながっている。

第一供給経路１５ａを通って第一円柱状部隙間７３ａに導かれた潤滑液は、回転軸１の回転に伴う遠心ポンプ効果により、第一円柱状部１２ａの外周面における第一供給経路１５ａの開口付近で、比較的高い圧力ＰＨを有する。潤滑液の一部は、第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部１１ａと第一テーパー支持面２１ａとの間に形成された隙間（第一テーパー部隙間７２ａ）を流れて、貯留空間９１ａに流出する。貯留空間９１ａにおける潤滑液は比較的低い圧力ＰＬを有する。潤滑液の圧力は、潤滑液が第一供給経路１５ａから第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部隙間７２ａを通って貯留空間９１ａに流出するまでの期間において、第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部隙間７２ａの流路抵抗によって、ＰＨからＰＬに低下する。このとき、第一テーパー部隙間７２ａにおける潤滑液が有する圧力により、図２の右向きにスラスト支持力が発生する。これにより、ロータ５、回転軸１、及びインペラ８を含む回転体のスラスト荷重を支持できる。また、第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部隙間７２ａにおける潤滑液が有する圧力によってラジアル支持力が発生することにより、第一軸受２ａは、回転体に働くラジアル荷重を支持できる。

回転体に働くスラスト荷重によって回転軸１が図１における左方向へ移動して、第一テーパー部隙間７２ａが狭くなると、第一テーパー部隙間７２ａの流路抵抗が増加する。一方、第一円柱状部隙間７３ａの幅はほとんど変化せず、第一円柱状部隙間７３ａの流路抵抗もほとんど変換しない。潤滑液が第一供給経路１５ａの開口から第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部隙間７２ａを通って貯留空間９１ａに流出するまでの期間における、潤滑液の圧力の変化量ＰＨ−ＰＬは一定である。また、第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部隙間７２ａのそれぞれにおける潤滑液の圧力低下量は、第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部隙間７２ａのそれぞれの流路抵抗の大きさに比例する。このため、回転体に働くスラスト荷重によって回転軸１が図１における左方向へ移動すると、第一円柱状部隙間７３ａにおける潤滑液の圧力低下量は減少し、第一テーパー部隙間７２ａにおける潤滑液の圧力低下量は増加する。このため、第一テーパー部隙間７２ａにおける潤滑液が有する圧力によって発生するスラスト支持力が増加する。ただし、第一テーパー部１１ａ及び第一テーパー支持面２１ａが接触するほどに近づくと、第一テーパー部１１ａと第一テーパー支持面２１ａとの摩擦力によって軸受損失が急増し、ターボ機械１００ａの効率が低下してしまう。このため、第一テーパー部１１ａと第一テーパー支持面２１ａとが接触する直前に第一軸受２ａにおいて発生するスラスト支持力が、第一軸受２ａによって発生可能なスラスト支持力の最大値と定義される。

図２に示すように、回転軸１の軸線方向（Ｘ軸方向）において回転軸１の次の位置を以下のように定義する。
Ｘ１：第一テーパー部１１ａの小径端（ａ１）
Ｘ２：回転軸１の軸線方向における第一テーパー部１１ａの中央（ｃ１）
Ｘ３：第一テーパー部１１ａの大径端（ｂ１）
Ｘ４：第一供給経路１５ａの開口

第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部隙間７２ａにおける回転軸１の軸線方向の潤滑液の圧力分布は、図３に示す通りとなる。図３において、ターボ機械１００ａにおける潤滑液の圧力分布が実線で示されている。また、第一テーパー部隙間７２ａの幅が第一テーパー部隙間７２ａの全体においてｔ１で一定であると仮定したときの潤滑液の圧力分布が一点鎖線で示されている。ターボ機械１００ａにおいて、ｔ１＜ｔ２であるので、第一テーパー部隙間７２ａの幅が第一テーパー部隙間７２ａの全体においてｔ１で一定である場合と比較して、次の特徴を有する。すなわち、第一テーパー部隙間７２ａの大径端側の区間（Ｘ２からＸ３までの区間）における流路断面積が第一テーパー部隙間７２ａの小径端側の区間（Ｘ１からＸ２までの区間）における流路断面積よりも十分に大きい。このため、第一テーパー部隙間７２ａの大径端側の区間の流路抵抗は小さい。潤滑液が第一供給経路１５ａの開口から第一円柱状部隙間７３ａ及び第一テーパー部隙間７２ａを通って貯留空間９１ａに流出するまでの期間における、潤滑液の圧力の変化量ＰＨ−ＰＬは一定である。また、第一テーパー部隙間７２ａの大径端側の区間及び第一テーパー部隙間７２ａの小径端側の区間のそれぞれにおける潤滑液の圧力低下量は、それぞれの区間における流路抵抗の大きさに比例して定まる。このため、ターボ機械１００ａのＸ２における潤滑液の圧力は、図３に示すように、第一テーパー部隙間７２ａの幅が第一テーパー部隙間７２ａの全体においてｔ１で一定である場合の圧力Ｐ１から、Ｐ２に増加する。その結果、第一テーパー部隙間７２ａの全体における潤滑液の平均圧力が高まり、第一テーパー部隙間７２ａの幅が第一テーパー部隙間７２ａの全体においてｔ１で一定である場合よりも大きいスラスト支持力を発生させることができる。この効果はｔ１が小さくなることによって第一テーパー部隙間７２ａの小径端側の区間の流路抵抗が増大することを利用しており、ｔ１が小さい場合にこの効果が得られる。

図４に示すように、隙間の幅ｔ１が小さくなると、第一軸受２ａによるスラスト支持力は、隙間の幅ｔ１がかなり小さくなるまで連続的に増加する。図４において、ターボ機械１００ａにおける、第一軸受２ａによるスラスト支持力と隙間の幅ｔ１との関係が実線によって示されている。一方、図４において、第一テーパー部隙間７２ａの幅が第一テーパー部隙間７２ａの全体においてｔ１で一定であると仮定したときの第一軸受２ａによるスラスト支持力と隙間の幅ｔ１との関係が一点鎖線によって示されている。図４に示すように、第一テーパー部隙間７２ａの幅が第一テーパー部隙間７２ａの全体においてｔ１で一定である場合、隙間の幅ｔ１が所定の値より小さくなっても、スラスト支持力はほとんど増加しなくなる。これは、第一テーパー部隙間７２ａの幅が第一テーパー部隙間７２ａの全体においてｔ１で一定である場合には、隙間の幅ｔ１が所定の値よりも小さくなることによって、第一テーパー部隙間７２ａの大径端側の区間の流路抵抗が大きくなるためである。これに対し、ターボ機械１００ａにおける第一軸受２ａによれば、隙間の幅ｔ１が所定の値より小さくても、第一テーパー部隙間７２ａの大径端側の区間の流路抵抗が大きくなりすぎることが抑制される。このため、図４に示すように、隙間の幅ｔ１が所定の値より小さくても、スラスト支持力を増加させることができる。このようにして、第一テーパー部１１ａの大径端ｂ１の直径を増加させることなく、第一軸受２ａにおけるスラスト支持力の最大値を高めることができる。これにより、第一テーパー部隙間７２ａにおいて発生する潤滑液の粘性による損失が低減され、ターボ機械１００ａが高い効率を有する。

（変形例）
ターボ機械１００ａは様々な観点から変更可能である。例えば、ターボ機械１００ａにおいて、インペラ８は作動流体を膨張させる部品であってもよい。この場合、インペラ８によって、作動流体の運動エネルギーを利用して回転動力が得られる。また、この場合、回転軸１は、望ましくは発電機に連結されている。これにより、インペラ８によって得られた回転動力を電気エネルギーに変換できる。

図５に示すように、例えば、ターボ機械１００ａにおいて、回転軸１の外周面及び第一軸受２ａの内周面は、拡張空間Ｅを、第一テーパー部１１ａの大径端ｂ１に隣接する位置に形成していてもよい。拡張空間Ｅは、第一軸受２ａの半径方向に、第一円柱状部１２ａの外周面と第一円柱状部支持面２２ａとの間の隙間の幅よりも大きい幅を有する。

図５に示すように、拡張空間Ｅは、例えば、回転軸１の軸線方向における第一円柱状部支持面２２ａと第一テーパー穴形成面２５ａとの間で、第一テーパー穴形成面２５ａから第一軸受２ａの半径方向外側に延びている第一軸受２ａの内周面２４ａと、第一テーパー部１１ａの外周面とによって形成されている。これにより、回転軸１に特別な加工を施さなくても拡張空間Ｅを形成できる。なお、この場合、第一テーパー支持面２１ａは、第一テーパー穴形成面２５ａに加えて、内周面２４ａをさらに含んでいる。

拡張空間Ｅは、例えば回転軸１の周方向に環状に形成されている。場合によっては、拡張空間Ｅは、回転軸１の周方向に環状に形成されていなくてもよい。

図５に示すように、回転軸１の軸線方向（Ｘ軸方向）において回転軸１の次の位置を以下のように定義する。
Ｘ１：第一テーパー部１１ａの小径端（ａ１）
Ｘｍ：拡張空間Ｅを形成する第一軸受２ａの内周面２４ａと第一テーパー穴形成面２５ａとの境界
Ｘ３：第一テーパー部１１ａの大径端（ｂ１）
Ｘ４：第一供給経路１５ａの開口

図６において、図５に示すように拡張空間Ｅが形成されている場合の、第一テーパー部隙間７２ａにおける潤滑液の圧力分布が実線で示されている。また、図６において、図２に示すように第一テーパー部隙間７２ａに拡張空間Ｅが形成されていない場合の、第一テーパー部隙間７２ａにおける潤滑液の圧力分布が一点鎖線で示されている。図６に示すように、拡張空間Ｅにおいて潤滑液が淀むので、拡張空間Ｅにおける潤滑液の圧力はＰＨとなる。これにより、第一テーパー部隙間７２ａに拡張空間Ｅが形成されていない場合と比べて、第一テーパー部隙間７２ａの全体における潤滑液の平均圧力がより高まる。このため、第一軸受２ａにおいて発生するスラスト支持力が増加する。

拡張空間Ｅにおける流路抵抗は、第一テーパー部隙間７２ａに拡張空間Ｅが形成されていない場合の第一テーパー部隙間７２ａにおける流路抵抗よりも小さいので、隙間の幅ｔ１が所定値よりも大きい場合でも、拡張空間Ｅにおいて潤滑液が圧力ＰＨで淀む。このため、図７に示すように、拡張空間Ｅが形成されていると、隙間の幅ｔ１が比較的大きい場合でも、スラスト支持力を増加させることができる。このため、ロータ５、回転軸１、及びインペラ８を含む回転体に働くスラスト荷重が比較的小さい場合でも、第一軸受２ａにおいて発生するスラスト支持力が高い。その結果、第一テーパー部隙間７２ａにおける第一テーパー部１１ａの外周面と第一テーパー支持面２１ａとの隙間の幅が比較的大きくなるので、第一テーパー部隙間７２ａにおいて潤滑液の粘性によって生じる損失が低減され、ターボ機械１００ａが高い効率を有する。なお、図７において、図５に示すように拡張空間Ｅが形成されている場合の、第一軸受２ａによるスラスト支持力と隙間の幅ｔ１との関係が実線によって示されている。また、図７において、第一テーパー部隙間７２ａの幅が第一テーパー部隙間７２ａの全体においてｔ１で一定であると仮定したときの第一軸受２ａによるスラスト支持力と隙間の幅ｔ１との関係が一点鎖線によって示されている。

図８に示すように、拡張空間Ｅは、例えば、第一テーパー穴形成面２５ａと、第一円柱状部１１ａから回転軸１の半径方向内側に延びている回転軸１の外周面２６ａとによって形成されていてもよい。この場合でも、第一テーパー部隙間７２ａに拡張空間Ｅが形成されていない場合と比べて、第一テーパー部隙間７２ａの全体における潤滑液の平均圧力を高めることができる。また、第一軸受２ａに特別な加工を施さなくても拡張空間Ｅを形成できる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るターボ機械１００ｂについて説明する。ターボ機械１００ｂは、特に説明する場合を除き、ターボ機械１００ａと同一の構成を有する。ターボ１００ａの構成要素と同一又は対応するターボ１００ｂの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、第２実施形態にもあてはまる。

図９及び図１０に示すように、ターボ機械１００ｂは、回転軸１と、インペラ８と、第一軸受２ａと、第一供給経路１５ａとに加えて、第二軸受２ｂと、第二供給経路１５ｂとをさらに備える。第二軸受２ｂは、回転軸１を支持する。第二供給経路１５ｂは、回転軸１と第二軸受２ｂとの間に潤滑液を供給するための経路である。回転軸１は、第二テーパー部１１ｂと、第二円柱状部１２ｂとをさらに含む。第二テーパー部１１ｂは、回転軸１の軸線方向にインペラ８から見て第一テーパー部１１ａの反対側でインペラ８に向かって拡大する直径を有する。第二円柱状部１２ｂは、第二テーパー部１１ｂの大径端ｂ２に隣接している。例えば、第二円柱状部１２ｂは、回転軸１の軸線方向に一定の直径を有する。第二軸受２ｂは、第二テーパー支持面２１ｂと、第二円柱状部支持面２２ｂとを有する。第二テーパー支持面２１ｂは、第二テーパー穴形成面２５ｂを含み、潤滑液を介して第二テーパー部１１ｂを回転可能に支持する。第二テーパー穴形成面２５ｂは、第二軸受２ｂの特定の位置から第二テーパー部１１ｂの小径端ａ２に向かって延びるテーパー穴を形成する。例えば、図１０に示すように、第二軸受２ｂの特定の位置が第二テーパー部１１ｂの大径端ｂ２に隣接しており、第二テーパー支持面２１ｂの全体が第一テーパー穴形成面２５ｂを形成していてもよい。第二供給経路１５ｂは、第二円柱状部１２ｂと第二円柱状部支持面２２ｂとの間に形成された隙間（第二円柱状部隙間７３ｂ）に開口している。第二テーパー穴形成面２５ｂの第二軸受２ｂの軸線に対する傾斜角度は、第二テーパー部１１ｂの外周面の回転軸１の軸線に対する傾斜角度よりも大きい。このため、図１０に示すように、第二テーパー部１１ｂの小径端ａ２における第二テーパー部１１ｂの外周面と第二テーパー支持面２１ｂとの間の隙間の幅ｔ３が、第二テーパー部１１ｂの大径端ｂ２における第二テーパー部１１ｂの外周面と第二テーパー支持面２１ｂとの間の隙間の幅ｔ４よりも小さい。なお、第二テーパー部１１ｂの外周面と第二テーパー支持面２１ｂとの間の隙間の幅とは、第二テーパー部１１ｂの外周面に垂直な方向における幅を意味する。

ターボ機械１００ｂが通常運転されている場合、ターボ機械１００ａと同様に、回転軸１、ロータ５、及びインペラ８を含む回転体には、図９の左方向にスラスト荷重が発生する。しかし、ターボ機械１００ｂの運転条件によっては、図９の右方向に回転体にスラスト荷重が発生する可能性がある。この場合に、ターボ機械１００ｂによれば、第二テーパー部１１ｂと第二テーパー支持面２１ｂとの間に形成された隙間（第二テーパー部隙間７２ｂ）における潤滑液が有する圧力によって、スラスト支持力が発生する。これにより、図９の右方向に回転体に働くスラスト荷重が第二軸受２ｂによって支持される。また、第一軸受２ａについて述べたのと同様の理由で、第二テーパー部隙間７２ｂの全体における潤滑液の平均圧力が高まる。その結果、第二テーパー部隙間７２ｂの幅が第二テーパー部隙間７２ｂの全体においてｔ３で一定である場合よりも大きいスラスト支持力を発生させることができる。

ターボ機械１００ｂは、例えば、潤滑液ケース９０ｂを備える。潤滑液ケース９０ｂは、回転軸１の軸線方向において第二軸受２ｂから見てインペラ８と反対側で、第二軸受２ｂに隣接して配置されている。潤滑液ケース９０ｂによって貯留空間９１ｂが形成される。貯留空間９１ｂには、第二軸受２ｂに供給されるべき潤滑液が貯留される。第二供給経路１５ｂは、例えば、回転軸１の内部に形成され、回転軸１の半径方向に第二円柱状部１２ｂの外周面まで延びている。この場合、回転軸１の内部には、例えば潤滑液供給穴１３ｂが形成されている。潤滑液供給穴１３ｂは、回転軸１の端から回転軸１の軸線方向に延びている。第二供給経路１５ｂは、潤滑液供給穴１３ｂから回転軸１の半径方向に延びている。潤滑液供給穴１３ｂの内部の空間は貯留空間９１ｂに連通している。このため、潤滑液供給穴１３ｂによって、貯留空間９１ｂと第二供給経路１５ｂとが連通している。

回転軸１が回転するとき、回転軸１の回転に伴う遠心ポンプ効果によって、貯留空間９１ｂに貯留された潤滑液が、潤滑液供給穴１３ｂ及び第二供給経路１５ｂを通過して、第二軸受２ｂと回転軸１との間の空間に供給される。これにより、第二軸受２ｂと回転軸１との間の空間に十分な量の潤滑液を供給できる。図１０における矢印は、潤滑液の流れを模式的に示している。なお、第二供給経路１５ｂは、第二軸受２ｂに形成されていてもよい。この場合、第二供給経路１５ｂは、望ましくは、第二軸受２ｂの外部で加圧された比較的高い圧力を有する潤滑液を流すための経路につながっている。

本開示のターボ機械は、ターボ冷凍機及び業務用空調などの空調のための空調製品に利用される冷凍サイクル装置の圧縮機に有用である。

１ 回転軸
２ａ 第一軸受
２ｂ 第二軸受
８ インペラ
１１ａ 第一テーパー部
１１ｂ 第二テーパー部
１２ａ 第一円柱状部
１２ｂ 第二円柱状部
１５ａ 第一供給経路
１５ｂ 第二供給経路
２１ａ 第一テーパー支持面
２１ｂ 第二テーパー支持面
２２ａ 第一円柱状部支持面
２２ｂ 第二円柱状部支持面
２５ａ 第一テーパー穴形成面
２５ｂ 第二テーパー穴形成面
１００ａ、１００ｂ ターボ機械
Ｅ 拡張空間

Claims (5)

1. 回転軸と、インペラと、前記回転軸を支持する第一軸受と、前記回転軸と前記第一軸受との間に潤滑液を供給するための第一供給経路と、を備え、
   前記インペラは、当該インペラの作動流体の吸込み側の面が前記第一軸受に向けられて前記回転軸に固定されており、
   前記回転軸は、当該回転軸の軸線方向に前記インペラに向かって拡大する直径を有する第一テーパー部と、前記第一テーパー部の大径端に隣接している第一円柱状部と、を含み、
   前記第一軸受は、当該第一軸受の軸線方向に、当該第一軸受の特定の位置から前記第一テーパー部の小径端に向かって延びるテーパー穴を形成する第一テーパー穴形成面を含み、前記潤滑液を介して前記第一テーパー部を回転可能に支持する第一テーパー支持面と、前記潤滑液を介して前記第一円柱状部を回転可能に支持する第一円柱状部支持面と、を有し、
   前記第一供給経路は、前記第一円柱状部と前記第一円柱状部支持面との間に形成された隙間に開口しており、
   前記第一テーパー穴形成面の前記第一軸受の軸線に対する傾斜角度は、前記第一テーパー部の外周面の前記回転軸の軸線に対する傾斜角度よりも大きい、
   ターボ機械。
2. 前記回転軸の外周面及び前記第一軸受の内周面は、前記第一軸受の半径方向に、前記第一円柱状部の外周面と前記第一円柱状部支持面との間の隙間の幅よりも大きい幅を有する拡張空間を、前記第一テーパー部の大径端に隣接する位置に形成している、請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記拡張空間は、前記回転軸の軸線方向における前記第一円柱状部支持面と前記第一テーパー穴形成面との間で、前記第一テーパー穴形成面から前記第一軸受の半径方向外側に延びている前記第一軸受の内周面と、前記第一テーパー部の外周面とによって形成されている、請求項２に記載のターボ機械。
4. 前記拡張空間は、前記第一テーパー穴形成面と、前記第一円柱状部から前記回転軸の半径方向内側に延びている前記回転軸の外周面とによって形成されている、請求項２に記載のターボ機械。
5. 前記回転軸を支持する第二軸受と、前記回転軸と前記第二軸受との間に潤滑液を供給するための第二供給経路と、をさらに備え、
   前記回転軸は、当該回転軸の軸線方向に前記インペラから見て前記第一テーパー部の反対側で前記インペラに向かって拡大する直径を有する第二テーパー部と、前記第二テーパー部の大径端に隣接している第二円柱状部と、をさらに含み、
   前記第二軸受は、当該第二軸受の軸線方向に、当該第二軸受の特定の位置から前記第二テーパー部の小径端に向かって延びるテーパー穴を形成する第二テーパー穴形成面を含み、前記潤滑液を介して前記第二テーパー部を回転可能に支持する第二テーパー支持面と、前記潤滑液を介して前記第二円柱状部を回転可能に支持する第二円柱状部支持面と、を有し、
   前記第二供給経路は、前記第二円柱状部と前記第二円柱状部支持面との間に形成された隙間に開口しており、
   前記第二テーパー穴形成面の前記第二軸受の軸線に対する傾斜角度は、前記第二テーパー部の外周面の前記回転軸の軸線に対する傾斜角度よりも大きい、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械。

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