JP6737845B2 - 半径方向回転機の軸方向スラストの全体を平衡化するように動的な軸方向スラストを発生させるための装置 - Google Patents

Description

本発明は、半径方向回転機（ｒａｄｉａｌ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）（遠心圧縮機または単段流体膨張機など）に関する。

一般的に言えば、半径方向回転機は、流体の流れが少なくとも流路の一部に沿って半径方向に流される、流体の流れを処理するための回転機であり得る。

半径方向回転機は、流体の流れが少なくとも流路の一部に沿って半径方向に発生する、流体の流れを処理するための回転機である。半径方向回転機は、例えば、遠心圧縮機であってもよい。

遠心圧縮機または単段膨張機は、半径方向回転機であり、これらは、羽根付きの羽根車（ｂｌａｄｅｄ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｈｅｅｌ）を備え、羽根付きの羽根車は、回転機の軸線から半径方向に離れる流体の流れを発生させるように設計される。

これらの羽根車は、以下の２種類の軸方向力、すなわち、
羽根車の上流側と下流側との間の流体圧力の差によって発生するいわゆる静的な軸方向力、および
羽根車に軸方向に流れ込み、羽根車から半径方向に流れ出る流体に与えられる運動量の変化の結果であるいわゆる動的な軸方向力であり得る軸方向力を受ける。

これらの軸方向力は、通常、バランスドラムシステムによって部分的に平衡化され、軸方向スラスト軸受によって（例えば、油軸受によって）部分的に平衡化される。

前記バランスドラムシステムでは、少なくともバランスドラム部が、羽根車と同じシャフトの周囲に組み付けられる。バランスドラム部は、異なる流体圧力を受ける、互いに反対の軸方向を向いた２つの半径方向に延在する面を備える。

これらのバランスドラムシステムは、通常、静的な軸方向力を相殺するように調整される。

これらの設計に従って、バランスドラムシステムは、場合により、動的な軸方向力の一部をさらに相殺してもよい。この場合、残りの軸方向力は、軸方向スラスト軸受によって相殺する必要がある。軸方向スラスト軸受には、様々な種類があり得る。油軸受は、高荷重に耐えることができるが、これらには、潤滑油を差さなければならない。このことは、システムの接近可能性の欠如に起因して海中用途において、または油による汚染を許容することができない医療用途において妨げとなり得る。

スラスト軸受が耐えることができる最大軸方向力に応じて、およびバランスドラムによって相殺されない軸方向力の割合に応じて、回転機の流体処理量を、半径方向回転機の他のパラメータによって与えられる最大処理量を概ね下回る値まで制限する必要がある。

米国特許出願公開第２０１１／２６２２８４号明細書

本発明は、より良好な軸方向力補償を確保し、これにより、磁気式のみの軸受の使用を可能にする羽根車システムを提案することを目的とする。本発明の別の目的は、システムの全長および質量を低減することである。

この目的のために、半径方向回転機用の、本発明に係る羽根車アセンブリは、軸方向の流体の流れを半径方向の遠心流に転向させるように設計される湾曲プロファイルを有する第１の半径方向外向きの流体転向面（ｆｌｕｉｄ ｄｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）を有する、羽根車の羽根付きのハブ部を備える。羽根車アセンブリは、第２の半径方向外向きの流体転向面を有する転向部（ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ ｐｏｒｔｉｏｎ）を備える。第２の半径方向外向き面は、半径方向の求心流体流を軸方向の流体の流れに転向させるように設計される湾曲プロファイルを有し、第１の半径方向外向き面の軸方向下流に（軸方向の流体の流れの方向を踏まえて）配置される。第１の半径方向外向き面は、羽根付きのハブ部の複数の羽根を支持する。

本発明によれば、流体を処理するための半径方向回転機は、同じシャフトに取り付けられる１つ以上の羽根車であって、それぞれが、羽根付きのハブ部を有し、羽根付きのハブ部のそれぞれが、第１の半径方向外向きの流体転向面を備え、該第１の半径方向外向きの流体転向面が、軸方向の流体の流れを半径方向の遠心流に転向させるように設計される湾曲プロファイルを有する１つ以上の羽根車を備える。また、半径方向回転機は、羽根付きのハブ部に到達する軸方向の流体の流れを取り込むために、および第１の外向き面に沿って流体の流れを送り込むためにハブ部のそれぞれの周囲に組み付けられたシュラウドと、シュラウドと第１の外向き面との間から来る流体のための案内通路を含むステータであって、通路が、羽根車のそれぞれの後に遠心ディフューザ部を備え、この後に湾曲部を備え、次いでこの後に求心方向の戻り通路部を備えるステータとを備える。

半径方向回転機は、第２の半径方向外向きの流体転向面を有する転向部を少なくとも備え、第２の半径方向外向きの流体転向面は、流体流路に挿入され、シャフトと共に回転し、半径方向の求心流体流を軸方向の流体の流れに転向させるように設計される湾曲プロファイルを有する。半径方向回転機は、シャフトに取り付けられる羽根車の総数と同じ数の、流体流路に挿入される転向部を備える。

転向部は、羽根付きのハブ部の上流に配置されてもよい。

また、転向部は、羽根付きのハブ部の下流に配置されてもよい。

転向部および羽根付きのハブ部は、同じ羽根車部に属してもよい。

羽根車アセンブリは、ロータシャフトを備えてもよく、また、第１の外向き面の少なくとも一部を形成するハブ部および第２の外向き面の少なくとも一部を形成する転向部を備えてもよく、ハブ部および転向部のどちらとも、軸方向力および回転力の両方をシャフトに伝達するようにシャフトに組み付けられる。

シャフトは、該シャフトの表面が第１の外向き面または第２の外向き面の一部を形成するように変断面を有してもよい。

第１の外向き面および第２の外向き面はそれぞれ、全体的に凹状の面によって形成されてもよく、この場合、２つの面のそれぞれの凹部は、互いに反対の軸方向を向く。

羽根車アセンブリは、羽根付きのハブ部と転向部との間に軸方向に配置される第１のシール部面を備え、第２の外向き面は、全体的に半径方向に向けられるか、または半径方向外側を向く表面部によって第２の外向き面の最下流側から第１のシール部面まで延在する。

第２の外向き面は、軸方向表面部を備える中央表面部または軸方向に接する中央表面部を備えてもよい。

第２の外向き面は、半径方向表面部を備える半径方向外側表面部によって、または半径方向平面に接する半径方向外側表面部によって限られてもよく、この場合、外向き面の全体は、半径方向平面の軸方向下流に延在する。

転向部が、ハブ部の上流に配置されるとき、結果として得られる羽根車アセンブリは、軸方向に突き出るようにシャフトに組み付けられてもよい。このとき、羽根付きのハブ部は、シャフトに隣接し、転向部は、シャフトとは反対の軸方向側にある。

実施形態において、戻り通路の少なくとも一部は、第２の外向き面によって形成される。

半径方向回転機は、ステータと羽根車アセンブリとの間の隙間を埋める第１のシールであって、第１の外向き面と第２の外向き面との間の軸方向位置にある第１のシールを備えてもよく、シュラウドとステータ部との間の隙間を埋める、シュラウドの周囲の第２のシールを備えてもよい。

一部の実施形態において、第１のシールは、羽根車アセンブリの周方向の外縁に沿って、第１の外向き面の外側に半径方向に配置される。

他の実施形態において、第１のシールおよび第２のシールは、シャフトの軸線からおおよそ同じ半径方向距離において延在する。第１のシールおよび第２のシールは、インペラおよびシュラウドに属する２つのシール面の平均半径の差が１０％以下、好ましくは５％以下の場合にほぼ同じ半径方向距離において延在すると考えられてもよい。

半径方向回転機において、半径方向平面において見た場合に、第１の外向き面から離れる遠心方向の流体の流れと第２の外向き面に沿う流体の流れとの間の角度は、１８０°未満である。これを達成するために、第１の外向き面および第２の外向き面は、半径方向平面において見た場合に第１の外向き面の出口接線方向と第２の外向き面の入口接線方向との間の角度が、１８０°以下になるように構成される。入口接線方向および出口接線方向は、流体の流れ方向に関して規定される。すなわち、これらの方向は、外向き面に接する半径方向平面内の方向であり、角度測定に使用される方向の向きは、流体の流れ方向によって与えられる。

半径方向の求心流または半径方向の遠心流を形成するために、流体の速度ベクトルが、羽根車の軸線に対して、６０°〜９０°、好ましくは８０°〜９０°の角度をなしてもよいことが考えられ得る。軸方向の流体の流れを形成するために、流体の速度ベクトルが、羽根車の軸線に対して、０°〜２０°、好ましくは０°〜２０°の角度をなしてもよいことが考えられ得る。

好ましい実施形態において、本発明に係る羽根車アセンブリは、第１のシール部を備え、第１のシール部は、羽根車アセンブリの周囲に周方向に伸び、第１の外向き面と第２の外向き面との間に軸方向に配置される。好ましくは、第１のシール部は、第２の外向き面の外側に半径方向に配置される（すなわち、第１のシール部は、第２の外向き面の最大半径以上の最小半径を有する）。シール部は、シール要素（例えば、ステータの要素に組み付けられる金属シール要素）に面するように適合された、表面のプロファイルおよび硬度を有する表面部である。

好ましい実施形態において、第１のシール部は、少なくとも第２の半径方向外向き面に隣接する。より具体的な実施形態において、第１のシール部は、第１の半径方向外向き面および第２の半径方向外向き面の両方に隣接する。一部の実施形態において、羽根車アセンブリは、第１の外向き面と第１のシール部との間に延在する少なくとも１つの半径方向に延在する面を備えてもよいし、あるいは、第２の外向き面と第１のシール部との間に延在する少なくとも１つの半径方向に延在する面を備えてもよい。好ましい実施形態において、第２の外向き面は、その最下流側から第１のシール部面まで、全体的に半径方向に向けられるか、または半径方向外側を向く表面部によって形成される。半径方向に延在する面によって、半径方向面または軸方向および半径方向の両方に延在する面の両方が意味されている。好ましい実施形態において、半径方向に延在する面は、半径方向面である。

第１の外向き面および第２の外向き面はそれぞれ、全体的に凹状の面によって形成され、２つの面のそれぞれの凹部が、互いに反対の軸方向を向くことが好ましい。好ましい実施形態において、第１の外向き面および第２の外向き面のそれぞれは、それぞれ第１の半径方向断面曲線および第２の半径方向断面曲線によって規定される面である。半径方向断面曲線は、一定の曲率半径または連続的に変化する曲率半径を有する凹形状である。好ましい実施形態において、第１の外向き面の凹部は、上流方向を向き、第２の外向き面の凹部は、下流方向を向く。別の実施形態において、第１の外向き面の凹部は、下流方向を向き、第２の外向き面の凹部は、上流方向を向く。

好適な実施形態において、第２の外向き面は、半径方向表面部を備える半径方向外側表面部を備えるか、または幾何学的な半径方向平面に接する半径方向外側表面部を備える。第２の外向き面に対して垂直な方向が、軸方向に対して、第２の外向き面に沿ってその半径方向外側部に向かって移動するにつれて減少する角度をなし、最終的に第２の外向き面の外周部において軸方向に対して２０°以下、好ましくは１０°以下の角度をなす場合に、第２の外向き面は、半径方向平面に接すると考えられてもよい。

好ましい実施形態において、羽根付きのハブ部および転向部は、同じ単一部品に属する。

好ましい実施形態において、第２の外向き面は、軸方向表面部を備える中央表面部または軸方向に接する中央表面部を備える。中央面部は、軸方向に対して２０°以下、好ましくは１０°以下の角度をなす方向に接する場合、軸方向に接すると考えられてもよい。

一部の実施形態において、羽根車アセンブリは、ロータシャフトを備えてもよく、第１の外向き面の少なくとも一部を形成するハブ前方部を備えてもよく、また、第２の外向き面の少なくとも一部を形成する後方転向部を備えてもよく、ハブ前方部および後方転向部のどちらとも、軸方向力および回転力の両方をシャフトに伝達するようにシャフトに組み付けられる。好ましい実施形態において、ハブ前方部および後方転向部は、単一部品である。別の実施形態において、ハブ前方部および後方転向部は、２つの異なる部分である。２つの異なる部分は、並置されてもよいし、第３の部分によって（例えば、第１のシール部を備える第３の部分によって）分離されてもよい。

特定の実施形態において、シャフトは、該シャフトの表面が第１の外向き面または第２の外向き面の一部を形成するように変断面を有する。あるいはまたはこれに加えて、アセンブリは、シャフトに組み付けられる少なくとも付加的なリングを備えてもよく、この場合、リングの外面が、第１の外向き面または第２の外向き面のいずれかの部分であって、ハブ前方部、後方転向部、またはシャフトによってまだ形成されていない部分を形成する。

好ましい実施形態において、回転機は、ディフューザ通路内に流体案内羽根を備え、この羽根は、少なくとも部分的に軸方向に延在し、戻り通路の一方の面を形成する第１のステータ壁と、ディフューザ通路の他方の面の一部を形成するダイヤフラム部とを接続する。また、ダイヤフラム部は、ディフューザ部の面および湾曲部の内面を形成する。第２の外向き面は、ダイヤフラム壁の一方に位置合わせして、またはダイヤフラム壁の一方に接するように配置されることが好ましい。

半径方向回転機は、羽根車（第１の外向き面および第２の外向き面を有する少なくともｎ−１個の羽根車アセンブリ）を有するｎ個の段を備えてもよく、また、第１の羽根車の上流でシャフトに組み付けられる上流転向部を備えてもよい。上流転向部は、半径方向の求心流を、第１の羽根車の入口に向けられた軸方向の流体の流れに転向させるように設計される湾曲プロファイルを有する第３の種類の半径方向外向きの流体転向面を有してもよい。第３の種類の半径方向外向き面は、第２の外向き面と同様の形状および役割を有するが、羽根車の下流側でない部分によって支持される。第１の羽根車によって、最上流の羽根車が意味されている。好ましい実施形態において、ｎ個の羽根車のすべてが、第１の外向き面を有し、最下流の羽根車を除いたすべての羽根車である少なくともｎ−１個の羽根車が、第２の外向き面を有する。最下流の羽根車は、第２の外向き面を有しても、有さなくてもよく、また、第２の外向き面は、流体流路に含まれても、含まれなくてもよい。この好ましい実施形態において、第３の転向面の寸法および形状、ｎ個の第１の外向き面およびｎ−１個の第２の外向き面の寸法および形状は、例えば、動的な軸方向力の全体が、ｎ個の第１の外向き面に加わる動的な軸方向力の全体の２０％未満、好ましくは、ｎ個の第１の外向き面に加わる動的な軸方向力の全体の１０％未満になるように、流体によってｎ個の羽根車および上流転向部に加わる動的な軸方向力の全体を平衡化するよう構成される。一実施形態において、流体によって上流転向部に加わる軸方向力は、上流転向部の直ぐ下流の第１の外向き面に加わる力を主に相殺する。別の実施形態において、流体によって上流転向部に加わる軸方向力は、最下流の第１の外向き面に加わる力を主に相殺する。さらに別の実施形態において、流体によって上流転向部に加わる軸方向力は、流体によってｎ個の第１の外向き面に加わる軸方向下流への動的な作用力と、流体によってｎ−１個の第２の外向き面に加わる軸方向上流への動的な作用力との差を相殺する。

実施形態において、最上流転向部は、第１の羽根付きのハブ部の上流に配置され、戻り通路の一部を形成しない。このとき、転向部の第２の半径方向外向き面は、半径方向平面に到達するか、またはこれに接するように、ハブ部から離れた、転向部の第１の軸方向端部に対して発散する面であってもよい。転向部の第２の半径方向外向き面はまた、ハブ部に隣接する第２の軸方向端部に接し、ハブ部の第１の半径方向外向き面に接するように収束する面であることが好ましい。

転向部は、転向部の軸方向長さの少なくとも半分に沿ってハブ部から離れる方向に向かって連続的に半径方向に発散する半径方向内向き面を備えてもよい。内向き面は、転向部の軸方向中央に中空領域を形成する。

この場合、転向部の半径方向厚さは、ハブ部の隣で最大になることが好ましい。厚さは、ここでは、中空領域の半径方向サイズを除いて、部分の材料厚さを意味する。転向部の最大厚さは、転向部の最小半径方向厚さの少なくとも３倍であってもよい。

ロータアセンブリは、羽根車アセンブリとは別個の部分である、シャフトに組み付けられるバランスドラムを備えてもよい。

ロータアセンブリは、羽根付きのハブに一体化されたバランスドラムを備えてもよい。羽根付きのハブ部は、例えば、転向部とは反対の、羽根車の側においてハブ部から軸方向に延在する環状シール突起を備えてもよく、この場合、環状シール突起は、ステータ部に組み付けられるシールに面する。

転向部は、ハブ部から離れる軸方向に向かって半径方向に発散する半径方向内向き面を備えてもよく、半径方向内向き面は、ロータアセンブが使用されているときに第１の外向き面に加わるガス圧と同じガス圧を受けるように配置される。

別の実施形態において、転向部は、半径方向内向き面を含む領域から第１の外向き面を含む領域を分離する線に沿ってシールシステムに面してもよい。このとき、内向き面は、ロータが使用されているときに外向き面に加わるガス圧とは異なるガス圧を受ける。

転向部およびハブ部はそれぞれ、それぞれ第１の軸方向スラスト軸受の第１の半分および第２の軸方向スラスト軸受の第２の半分を向いた第１の半径方向面および第２の半径方向面をそれぞれ備えてもよい。

転向部は、第１の外向き面に加わるガス圧とは異なるガス圧を受けるように配置される、半径方向に延在する面の一部を備えてもよい。

好ましい実施形態において、半径方向回転機は、第１の軸方向スラスト軸受および第２の軸方向スラスト軸受以外に他の軸方向スラスト軸受を備えない。

回転機内の動的な軸方向力の自己平衡化のおかげで、シャフトは、軸方向スラスト磁気軸受によって、さらなる種類の軸方向軸受を使用することなくステータ内で軸方向に維持され得る。

本発明のいくつかのさらなる目的、利点、および他の特徴が、以下の説明において述べられる。

次に、非限定的な好ましい形態の実施形態が、添付図面を参照しながら説明される。

本発明に係る回転機の部分の簡略化した断面図である。 本発明に係る回転機の別の実施形態の部分の簡略化した断面図である。

図１は、本発明に係る遠心圧縮機の部分１を示している。圧縮機は、軸線Ｘ−Ｘ’を中心に回転するシャフト９を備える。羽根車２は、シャフト９と共に軸線Ｘ−Ｘ’を中心に回転するように、および流体によってインペラ２に加わる軸方向力をシャフトに伝達するようにシャフト９の周囲に組み付けられている。本説明において、「流体」または「複数形の流体」は、半径方向回転機によって処理される流体を意味する。

本説明では、「半径方向面」により、一連の半径方向の直線によって形成される面、すなわち、回転機１の軸線Ｘ−Ｘ’に対して垂直な面が意味される。

「軸方向面」により、一連の軸方向の直線によって形成される面、すなわち、軸線Ｘ−Ｘ’と平行な軸線を有する円筒面の部分が意味される。

羽根車２は、羽根付きのハブ部４および転向部３（羽根付きのハブ部４の下流に配置されている）を備える。

下流により、回転機１内を流通する流体の流体流路に沿って下流が意味される。羽根付きのハブ部４および転向部３の両方が、流体の流れと接触し、流体の流れの案内に寄与する。

羽根付きのハブ部は、第１の半径方向外向き面１１を備え、第１の半径方向外向き面１１上には、複数のインペラの羽根（図面では見えない）が、内側の線２１ａと外側の線２１ｂとの間に配されて組み付けられている。

羽根付きのハブ部の半径方向外側は、シュラウド８によって覆われている。このようにして、流体通路が、羽根付きのハブ部とシュラウドとの間に形成されている。流体通路は、流入する軸方向の流体の流れ２５を流出する半径方向の遠心流２７に転向させるように設計されている。

転向部３は、羽根付きのハブ部４よりも下流に配置されており、第２の半径方向外向き面１２を備える。第１の外向き面１１および第２の外向き面１２の両方は、少なくとも部分的に半径方向に、および少なくとも部分的に軸方向に延在する。第１の外向き面１１および第２の外向き面１２は、互いに反対の軸方向を向いている。図１に示されている実施形態において、羽根車は、第１の外向き面１１の軸方向端部にある第１の半径方向面３７および第２の外向き面１２の軸方向端部にある第２の半径方向面３８を備える。

羽根車は、第１の半径方向面３７と第２の半径方向面３８との間に軸方向に延在する。一部の実施形態において、面３７および／または面３８は、それぞれ円形の線に縮小されてもよい。

羽根付きのハブ部４および転向部３は、２つの別個の部分によって形成されてもよい。これらは、好適な実施形態において、同じ単一部分によって形成されてもよい。この場合、２つの部分の間の任意の軸方向の境界は、半径方向平面３９によって規定されてもよく、このとき、半径方向平面３９は、第１の外向き面１１と第２の外向き面１２との間に、これらの２つの面のいずれとも交差することなく広がる。また、このような半径方向の幾何学的平面３９は、第１の外向き面および第２の外向き面が２つの異なる部分に属する場合にも規定され得る。

一部の実施形態において、第１の外向き面および第２の外向き面は、羽根車の断面線（図１または図２において羽根車２の輪郭を形成する断面線など）の一部を軸線Ｘ−Ｘ’を中心に回転させることによって全体的に得ることができる。

他の実施形態において、第１の外向き面および第２の外向き面は、厳密に回転面でなくてもよい。第１の外向き面および第２の外向き面は、例えば、一組の初期形成表面部（ｉｎｉｔｉａｌ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｏｒｔｉｏｎ）の、軸線ＸＸ’を中心とした周期的回転によって得られてもよい。

羽根車２、シャフト９、およびシュラウド８は、入口カバー５、ディフューザ壁７、ダイヤフラム６、および戻り通路壁１０などのステータ部（ｓｔａｔｏｒ ｐａｒｔ）によって囲まれている。入口カバー５は、流入する軸方向の流体の流れ２５の案内に寄与する。流入する軸方向の流体の流れ２５は、シュラウド８とインペラ２との間の半径方向開口によって形成された羽根車入口（ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｅｙｅ）に到達する。一部の実施形態（図２のものなど）において、入口カバー５は、ステータの（ｓｔａｔｏｒｉｃ）上流入口壁１８と共に、求心流（ｃｅｎｔｒｉｐｅｔａｌ ｆｌｏｗ）２９を羽根車入口へ案内し、流体の流れが羽根車入口に流入する前に流体の流れを軸方向の流れに転向させる入口通路１５を少なくとも部分的に形成してもよい。

図１に戻ると、半径方向の遠心流２７は、インペラ２から流出し、次に、ディフューザ壁７とダイヤフラム部６との間に形成されたディフューザ通路１６によって案内される。次に、半径方向の遠心流２７は、通路湾曲部４０に到達する。通路湾曲部４０は、ディフューザ壁７の一部、戻り通路壁１０の一部、およびダイヤフラム部６の間に形成されている。また、通路湾曲部４０は、戻り通路壁とダイヤフラム部との間にしか形成されなくてもよい。湾曲部４０を過ぎると、流体は、求心流れ方向（ｃｅｎｔｒｉｐｅｔａｌ ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に沿って戻り通路１７を通り、羽根車２の後部（すなわち、下流側）に配置された第２の転向面１２へ案内される。戻り通路１７の上流部は、ダイヤフラム部６と戻り通路壁１０との間の軸方向空間として形成されている。ダイヤフラム部６は、ダイヤフラム部６と戻り通路壁部１０との間の軸方向隙間に架けられた戻り通路羽根２２によって保持されてもよい。戻り通路１７の下流部は、戻り通路壁部１０と第２の外向き面１２との間に形成されている。戻り通路のこの下流部は、求心方向の流体の流れ２８を軸方向の流体の流れ２６に転向させるために湾曲されている。次に、軸方向の流体の流れ２６は、図２に描写されているように、第１のインペラ２の下流に配置されている第２のインペラ４２の第２の羽根車入口に流入してもよい。インペラ２およびインペラ４２は、同じ多段機（例えば、図２に描かれている実施形態のような２段機）に属する。多段機は、２つより多くの段を備えてもよく、この場合、多段機の羽根車のすべては、最下流のインペラを除いて、先に説明したように、第１の外向き面および当該の羽根車に関連する戻り通路の第２の外向き面の両方を備えてもよい。一部の実施形態において、最下流の羽根車は、下流転向面、すなわち、第２の外向き面を備えなくてよい。他の実施形態において、最下流の羽根車は、上流のインペラと同じ形状を有してもよく、この場合、単に第２の外向き面が、回転機の流体流路に挿入されない。

図１に戻ると、羽根車入口シール１９が、ディフューザ壁７に組み付けられている。シール１９は、流入する流体の流れ２５の漏れを回避するために、および流入する流体の流れ２５がディフューザ通路１６に直接漏れることを回避するために、シュラウド８と羽根付きのハブ部４との間に形成された流体通路を横切ることなくシュラウド８に接触している。

第２の外向き面１２は、転向部３内で半径方向の求心流２８を、戻り通路１７から流出する軸方向の流れ２６に転換するために十分な半径方向範囲および軸方向範囲ならびに十分な曲率を有する転向面を備える。

このようにして、流体によって第２の外向き面１２に加わる動的な軸方向力の全体は、流体によって第１の外向き面１１に加わる動的な軸方向力の全体に対して方向において反対となり、大きさにおいて対抗するようになる。

回転機は、単段機または多段機であってもよい。

軸方向の流体の流れを半径方向の流体の流れに転向させるために、第１の外向き面１１は、図１のように、シャフト９に属する転向表面部２４によって補完されてもよいし、あるいは、第１の外向き面１１は、シャフトに組み付けられたリング（図面には示されていない）に属する転向表面部によって補完されてもよいし、あるいは、第１の外向き面１１は、図２に示されているように、羽根車２の上流に組み付けられた別の転向部１４に属する転向表面部によって補完されてもよい。この場合、第１の外向き面１１は、羽根車２の上流境界を軸方向に形成する半径方向面３７に隣接してもよい。

第２の外向き面１２は、回転機の軸線Ｘ−Ｘ’から半径方向に十分遠くに延在する。第２の外向き面１２は、シュラウド８の内半径（内半径は、軸線Ｘ−Ｘ’とシュラウド８の内面との間の最小距離として計算される）に比べて半径方向に遠くに延在することが好ましい。好ましい実施形態において、少なくとも第２の外向き面１２の最大直径とそれより下の第１の外向き面１１の最小直径との間の差は、第１の外向き面を覆っているシュラウドの内径と第１の外向き面１１の最小直径との間の半径方向距離の１５０％よりも大きい。

このようにして、十分な軸方向の転向力が、戻り通路１７の流体によって供給され、羽根車２の下流側は、羽根車の上流側に加わる転向力を平衡化するために十分な軸方向の転向力を受ける。

第２の外向き面１２は、半径方向表面部を備える半径方向外側表面部３４を備えるか、または幾何学的な半径方向平面に接する半径方向外側表面部を備えることが好ましい。

一部の実施形態において、第２の外向き面１２は、正確に半径方向平面に接しなくてもよいが、半径方向平面に対して１０°以下、好ましくは５°以下の限界角度αをなす周方向の半径方向外側表面部３４を備える。限界角度αは、例えば、軸方向と第２の外向き面１２に対して垂直な方向との間の角度として測定されてもよい。図１および図２の両方において、限界角度αの大きさは、対応する面の角度が、極めてゼロに近いため、誇張されている。

図２から読み取られ得るように、羽根車２の上流側から流出する半径方向の遠心方向の流体の流れ２７と戻り通路１７の上流部における求心方向の流体の流れとの間の、流体の流れの転向が、１８０°を上回る転向角度に達し得ることが考えられてもよい。さらに、好ましい実施形態において、この転向角度は、動的な軸方向力の平衡化効果を改善するために１８０°以下にされる。同じ目的のために、第２の外向き面の全体は、軸方向前方に湾曲される。すなわち、この面に沿いつつ軸線ＸＸ’に向かって半径方向に移動するとき、この面との接触点の軸方向座標は、（下流方向に向かって）増加するのみであるか、または少しの間一定であり続け、決して減少し得ない。

結論として、面１２のすべての部分が、半径方向外側を向く。表面部が半径方向内側を向くことを回避することによって、羽根車２に加わる流体力のより良好な平衡化効果が得られる。

半径方向の流体の流れを軸方向の流体の流れに転向させるために、第２の外向き面１２は、シャフト９に属する（図２に示されているように）か、またはシャフトに組み付けられたリング２３に属する（図１に示されているように）か、または下流の羽根車（図示せず）に属する転向表面部３０によって補完されてもよい。この場合、第２の外向き面１２は、羽根車２の下流境界を軸方向に形成する半径方向面３８に隣接してもよい。

第２の外向き面１２は、軸方向表面部を備える中央表面部３３を備えるか、または軸方向円筒面に接する中央表面部３３を備えることが好ましい。

一部の実施形態において、第２の外向き面１２は、正確に軸方向円筒面に接しなくてもよいが、第２の外向き面１２は、流体によって加わる動的な力の効果的な軸方向の平衡を達成しようとするのと同じ理由で、軸方向に対して１０°以下、好ましくは５°以下の角度βをなす中央表面部３３を備えるべきである。角度βは、半径方向平面に含まれる表面に対する接線と軸線ＸＸ’の軸方向との間で測定されてもよい。

図１から分かるように、回転機１は、下流圧力シール２０を備えてもよく、下流圧力シール２０は、例えばラビリンスシールであってもよく、また、ダイヤフラム部６と羽根車２の第１のシール部３１との間に配置される。シール部３１は、羽根車２の周囲に周方向に伸びる段差面または好ましくは非段差面であってもよい。

図１に示されている実施形態において、第１のシール部は、半径方向において羽根車の外縁よりも軸線ＸＸ’の近くに配置されている。第１のシール部３１は、おおよそ半径方向の表面部によって外縁から分離され、第２の外向き面１２によってシャフト９から分離されている。

回転機１は、シュラウド８の周囲に伸び、かつ羽根車入口のシール１９に面する第２のシール表面部３２を備えてもよい。この第２のシール表面部３２は、段差面であることが好ましい。軸線ＸＸ’からこの表面までの距離は、例えば、シール１９に接触し、かつ軸線ＸＸ’に最も近い軸方向表面部と、シール１９に接触し、かつ軸線ＸＸ’から最大の距離に配置された軸方向表面部との間の平均値として測定されてもよい。

図１に描かれている実施形態において、軸線ＸＸ’から第１のシール部３１までの半径方向距離は、第２のシール表面部３２を分ける平均距離とほぼ同じ（すなわち、ここでは、これと比較して２０％以下、好ましくは１０％以下の違い）である。この実施形態の利点は、静圧差が、図２に描かれている実施形態よりも良好に平衡化されることである。

実施形態（図２に示されている）において、第１のシール部は、羽根車２の半径方向外縁３５に沿って伸びており、これにより、回転機の全長が低減されている。

第１のシール部３１および第２のシール部３２は、シール１９または２０の平坦面または段差面に面する軸方向平坦面、軸方向段差面、または歯付き面であってもよい。

第２の外向き面１２は、戻り通路を形成するダイヤフラム壁３６（実施形態によっては場合により、シール２０）と面一になるように配置される。

第２の外向き面１２は、ダイヤフラム壁３６と共に、最初に流体を求心方向２８に案内し、次にこれを軸方向２６に転向させるように設計されたほぼ連続的な面を形成する。第２の外向き面１２は、ダイヤフラム壁３６（場合により、シール２０に属するおおよそ半径方向の面の一部）と共に、転向面であって、その半径方向の断面線が連続的に変化する曲率半径を有する転向面を形成する。壁３６は、主に半径方向のものであってもよいし、あるいは、わずかに円錐台形になっていて、シャフト９に向かって次第に幅が広くなっていてもよい。

既に上で暗示したように、図２は、本発明に係る半径方向回転機の別の実施形態を示している。

図２には、図１と同様の要素を見出すことができ、これらには、同じ参照符号が付与されている。

図２の実施形態において、半径方向回転機は、多段機（図示の事例では、２段機）である。半径方向回転機は、先に説明したような第１の外向き面および第２の外向き面を有する第１の羽根車２を備える。また、半径方向回転機は、第１の外向き面１１のみを有する下流羽根車４２を備える。羽根車２の第１の外向き面１１に加わる動的な軸方向力は、羽根車２の第２の外向き面１２に加わる動的な軸方向力によって補償される。ディフューザ１６には、ディフューザ壁７と最終ディフューザ壁４１との間に形成された出口通路４４が後続するため、第２の（最後の）羽根車４２には、戻り通路が後続しない。羽根車４２の第１の外向き面１１に加わる動的な軸方向力は、第１の羽根車２の上流に配置された上流転向部１４に属する第３の外向面１３に加わる動的な軸方向力によって補償される。第３の外向面１３は、第２の外向き面の形状と同様の形状を有し、上流入口壁部１８に属する半径方向壁面部と面一に配置されている。シール（例えば、ラビリンスシール）が、入口壁部１８と転向部１４の半径方向外縁との間に存在してもよい。他の実施形態では、隙間が、入口壁部１８と転向部１４の半径方向外縁との間に存在してもよい。

好ましい実施形態において、転向部１４は、半径方向内向き面４３を備え、半径方向内向き面４３は、上流転向部１４とシャフトとの間に自由空間４５を形成し、転向部の上流端部でシャフトの周囲に開けている。このようにして、ロータの全重量が低減される。図２に示されている実施形態において、半径方向回転機は、入口通路１５と中空空間４５との間のガス漏れを回避するために配置された上流バランスドラムシール５０を備える。図２の半径方向回転機は、最下流の羽根付きのハブ部４２の軸方向突起４８に属する軸方向延在面５１に接触するように最終ディフューザ壁４１に組み付けられた下流バランスドラムシール４９を備える。

突起４８は、半径方向においてディフューザ壁７の近くに軸方向延在面５１を形成するように軸方向に延在するおおよそ環状の突起（羽根付きのハブ部４２の下流側に向かって軸方向に延在する）である。

シール４９は、突起４８によって囲まれている、インペラ部の少なくとも部分的に半径方向の面における圧力とは異なる、最下流のインペラ４２に沿ったガス通路内のガス圧を得ることを可能にする。この圧力差は、シャフト９に組み付けられたインペラおよびデフレクタに加わる静的な軸方向荷重の少なくとも一部を補償するように調整され得る軸方向力を発生させる。また、シール５０によって、同様の調整効果が達成される。

図示の実施形態において、転向部１４は、中空領域４５内に、軸方向半割スラスト軸受（ｈａｌｆ ａｘｉａｌ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ）４６（例えば、半割磁気軸受（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌ ｈａｌｆ ｂｅａｒｉｎｇ））に面する半径方向表面部を備える。他の実施形態において、転向部１４はまた、中空領域４５を形成することなく半径方向表面部を備えてもよく、半径方向表面部は、軸方向半割スラスト軸受に面してもよい。半割軸受が、中空領域４５に配置される場合、回転機の全長が低減される。第２の軸方向半割軸受４７（半割磁気軸受など）は、下流羽根車に属する下流半径方向面に面してもよい。外向き面による、動的な軸方向力の自己平衡化のおかげで、回転機は、２つの半割磁気軸受４６および４７しか備えなくてもよく、さらなるスラスト軸受を必要としない。

図１または図２のいずれかのいくつかの特徴を有する、本発明に係る回転機は、２つより多くの段（例えば、ｎ個の段（ｎは、３以上である））を有してもよい。このような回転機は、軸線ＸＸ’に沿って上流側から下流側にかけて、上流転向部１４と、第１の外向き面および第２の外向き面を有するｎ−１個の羽根車２と、第２の外向き面１２を有さないか、または戻り通路に関連しない第２の外向き面を有する下流羽根車とを備える。

本発明に係る回転機（特に、単段機）は、羽根車の下流の第２の外向面を持たず、流体によって第１の外向面１１に加わる軸方向力を平衡化するように構成された上流の「第３の」外向面１３に関連付けられた、羽根車の第１の外向面１１のみを備えてもよい。

本発明は、上で説明して示した実施形態に限定されず、これは、より広範囲の実施形態の単なる例と見なされるべきである。

第１の外向面および第２の外向面、第１の外向面および第３の外向面は、同じ部分に属してもよいし、属さなくてもよい。平衡化効果は、２つの隣接する面において達成されるように計算されなくてもよく、すべての軸方向上流の転向回転面とすべての軸方向下流の転向回転面との間で達成されるように計算されてもよい。

第１の外向面および第２の外向面が、羽根車２である同じ部分に属するとき、戻り通路１７の一部は、羽根車２によって形成されると言うことができる。一部の実施形態（図２のものなど）において、ステータの戻り通路羽根２２は、少なくとも部分的に、第２の外向き面１２によって形成された戻り通路の部分に延在する。

回転機は、ガスを処理することが好ましいが、他の種類の流体（ガス入り液体粒子の懸濁液（ｇａｓｅｏｕｓ ｌｉｑｕｉｄ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）など）を処理してもよい。

第２の外向き面１２の一部は、羽根車２の上流側をも形成する同じ部分に属してもよく、第２の外向き面１２の別の部分または複数の他の部分は、シャフト自体に属してもよいし、あるいはシャフトに組み付けられた別個の部分によって形成されてもよい。

本発明に係る羽根車アセンブリによって、軸方向スラスト軸受によって相殺されるべき残りの軸方向力が低減される。その結果、軸方向スラスト軸受のサイズが低減されてもよいし、あるいは、油軸受に、スラスト磁気軸受が置き換えられてもよい。図２の実施形態において、半径方向回転機の全長は、羽根車通路と戻り通路との間の軸方向距離が最小限に低減されるという事実に起因して従来技術の回転機よりも短くなり得る。

図１の実施形態において、回転機の軸方向全長はより大きくなるが、動圧の自己平衡化に加えて、静圧が自己平衡化される。

羽根車アセンブリの軸方向力の自己平衡化能力のおかげで、回転機によって、より高い流体処理量が可となり得る。このような高い処理量は、以前はかなり嵩張るスラスト軸受の設計を含意していた一時的な状況においてときどき発生する。

本発明に係る羽根車アセンブリは、特に流体処理量が関係するときに、より幅の広い機能範囲を有するより小型の半径方向回転機を構成することを可能にする。

１ 遠心圧縮機の部分、回転機
２ 羽根車、インペラ
３、１４ 転向部
４ 羽根付きのハブ部
５ 入口カバー
６ ダイヤフラム、ダイヤフラム部
７ ディフューザ壁
８ シュラウド
９ シャフト
１０ 戻り通路壁、戻り通路壁部
１１ 第１の外向き面、第１の外向面
１２ 第２の外向き面、第２の転向面
１３ 第３の外向面
１５ 入口通路
１６ ディフューザ、ディフューザ通路
１７ 戻り通路
１８ 入口壁部、入口壁
１９、２０ シール
２１ａ 内側の線
２１ｂ 外側の線
２２ 戻り通路羽根
２３ リング
２４ シャフトに属する転向表面部
２５、２６ 流入する軸方向の流体の流れ
２７ 半径方向の遠心流
２８ 半径方向の求心流、求心方向
２９ 半径方向の求心流
３０ 下流の羽根車に属する転向表面部
３１ 第１のシール部
３２ 第２のシール表面部、第２のシール部
３３ 中央表面部
３４ 半径方向外側表面部
３５ 半径方向外縁
３６ ダイヤフラム壁
３７ 第１の半径方向面
３８ 第２の半径方向面
３９ 半径方向平面
４０ 通路湾曲部
４１ 最終ディフューザ壁
４２ 第２の羽根車、第２のインペラ、羽根付きのハブ部
４３ 半径方向内向き面
４４ 出口通路
４５ 自由空間、中空領域、中空空間
４６ 軸方向半割スラスト軸受
４７ 第２の軸方向半割軸受
４８ 軸方向突起
４９ 下流バランスドラムシール
５０ 上流バランスドラムシール
５１ 軸方向延在面

Claims (16)

1. 流体を処理するための半径方向回転機であって、
   同じシャフト（９）に取り付けられた１つ以上の羽根車（２）であって、それぞれが、羽根付きのハブ部（４）を有し、前記羽根付きのハブ部（４）のそれぞれが、半径方向に外向きの第１の外向き面（１１）を備え、該第１の外向き面（１１）が、軸方向の流体の流れを半径方向の遠心流に転向させるように設計された湾曲プロファイルを有する１つ以上の羽根車（２）と、
   前記羽根付きのハブ部（４）に到達する軸方向の流体の流れを取り込むために、および前記第１の外向き面（１１）に沿って前記流体の流れを送り込むために前記ハブ部（４）のそれぞれの周囲に組み付けられたシュラウド（８）と、
   前記シュラウド（８）と前記第１の外向き面（１１）との間から来る流体のための案内通路を備えるステータであって、前記案内通路が、前記１つ以上の羽根車（２）のそれぞれの後に遠心ディフューザ部（１６）を備え、この後に湾曲部（４０）を備え、次いでこの後に求心方向の戻り通路部（１７）を備えるステータと、
   前記１つ以上の羽根車（２）の総数と同数であり、半径方向に外向きの第２の外向き面（１２、１３）を有する転向部（３、１４）であって、前記第２の外向き面（１２、１３）が、流体流路に挿入され、前記シャフト（９）と共に回転し、半径方向の求心流体流（２８、２９）を軸方向の流体の流れ（２６、２５）に転向させるように設計された湾曲プロファイルを有する少なくとも一つの転向部（３、１４）、と、を備え、
   前記シャフト（９）が、変形形状を有する断面を有し、該変形形状が前記第２の外向き面（１２）の下流に前記第２の外向き面（１２）に連続するような流体流路の表面の一部を形成するものであり、
   前記第２の外向き面（１２）が、前記断面に隣接し、前記シャフト（９）の軸線に対する角度が１０度以下の中央表面部（３３）を備える、
   半径方向回転機。
2. 前記少なくとも１つの転向部（１４、３）の各々が、対応する前記羽根付きのハブ部（４）の上流に配置されている、請求項１に記載の半径方向回転機。
3. 最下流の前記羽根付きのハブ部（４）を除く前記羽根付きのハブ部（４）のそれぞれの一部と、該羽根付きのハブ部（４）の下流に配置されている前記少なくとも１つの転向部（１４、３）の一部が、前記少なくとも一つの羽根車（２）の部分を形成する、請求項１または２に記載の半径方向回転機。
4. 前記シャフト（９）が、変形形状を有する断面を有し、該変形形状が前記第１の外向き面（１１）の上流に前記第１の外向き面（１１）に連続するような流体流路の表面の一部を形成するものである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半径方向回転機。
5. 前記少なくとも１つの転向部（３）が、最上流の前記羽根車（２）の入口において前記シャフト（９）に組み付けられた上流転向部（１４）を備え、前記上流転向部（１４）が、半径方向内向き面（４３）を備え、該半径方向内向き面（４３）が、前記上流転向部（１４）と前記シャフト（９）との間に自由空間（４５）を形成しており、前記自由空間が、少なくとも部分的に当該上流転向部（１４）の前記第２の外向き面（１３）に軸方向に重なっており、前記上流転向部（１４）の上流端部で前記シャフト（９）の周囲に開けている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半径方向回転機。
6. 前記少なくとも１つの前記羽根車（２）の前記部分が、その前記羽根付きのハブ部（４）とその前記転向部（１４）との間に軸方向に配置された第１のシール部面（３１）を備え、
   前記第２の外向き面（１２）が、前記第２の外向き面（１２）の最下流側（３３）から前記第１のシール部面（３１）までのその範囲に関して、全体的に半径方向に向けられているか、または半径方向外側を向いている表面部によって形成されている、請求項３に記載の半径方向回転機。
7. 前記第２の外向き面（１２、１３）は、半径方向平面の下流方向に延びる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半径方向回転機。
8. 前記ステータと前記羽根車（２）との間の隙間を埋める第１のシール（２０）であって、前記羽根車（２）の前記第１の外向き面（１１）と前記第２の外向き面（１２）との間の軸方向位置にある第１のシール（２０）と、
   前記シュラウド（８）と前記ステータの部分との間の隙間を埋める、前記シュラウド（８）の周囲の第２のシール（１９）とをさらに備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半径方向回転機。
9. 前記第１のシール（２０）が、羽根車アセンブリの周方向の外縁（３５）に沿って、前記第１の外向き面（１１）の外側に半径方向に配置されている、請求項８に記載の半径方向回転機。
10. 前記第１のシール（２０）および前記第２のシール（１９）が、前記シャフト（９）の軸線からほぼ同じ半径方向距離において延在する、請求項９に記載の半径方向回転機。
11. 半径方向平面において見た場合に、前記第１の外向き面（１１）の出口接線方向と前記第１の外向き面（１１）の下流側に隣接する前記第２の外向き面（１２）の入口接線方向との間の角度が、１８０°以下であり、前記入口接線方向および前記出口接線方向が、前記流体の流れ方向に関して規定される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の半径方向回転機。
12. 前記シャフト（９）に加わる軸方向力を平衡化する唯一の種類の軸受として軸方向スラスト磁気軸受を備える、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の半径方向回転機。
13. 前記第２の外向き面（１２）が、半径方向平面に対して１０度以下の角度（α）をなす半径方向外側表面部（３４）を備える、請求項１乃至１２いずれか１項記載の半径方向回転機。
14. 前記半径方向外側表面部（３４）が、前記半径方向平面に対して５度以下の角度（α）をなす、請求項１３記載の半径方向回転機。
15. 前記半径方向外側表面部（３４）が、半径方向平面に接する、請求項１４記載の半径方向回転機。
16. 前記中央表面部（３３）が、前記シャフト（９）の軸線に対して５度以下の前記角度をなす、請求項１乃至１５いずれか１項記載の半径方向回転機。
    
    

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