JP6809793B2 - 遠心回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、遠心回転機械に関する。

一般的に、遠心回転機械は、回転軸に設けられたインペラと、このインペラを覆うケーシングとを有している。遠心回転機械のインペラがケーシング内で回転する際にインペラとケーシングとの間に埃や砂などの異物粒子が進入すると、機械の内部を痛めることがある。
たとえば特許文献１には、回転機械の一種であるガスタービンエンジンの圧縮機に入る異物粒子の量を減らす分粒装置が開示されている。

特開平５−１５６９６６号公報

遠心回転機械の内部に異物粒子が流入してしまった場合に、回転中のインペラに異物粒子が接触すると、異物粒子は、インペラの径方向外側へとはじき出されてインペラとケーシングとの間に滞留してしまう。インペラとケーシングとの間に滞留した異物粒子は、遠心回転機械の内部の摩耗を進行させたり、遠心回転機械の内部を破損させたりする虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、遠心回転機械のインペラ部分まで流入した異物粒子を除去できる遠心回転機械を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、該インペラを径方向内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、前記隙間をシールするシール装置と、を備え、前記ケーシングは、前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びるとともに、前記カバー端面との間に径方向流路を画成する端壁面と、前記ケーシング内に形成されているとともに、前記径方向流路と同一の前記軸線方向位置で前記径方向流路の径方向外側に連通する異物導入路と、を有し、前記ディスクの軸線方向から見たときに、前記異物導入路は、前記ディスクの径方向外側に向かうに従って前記ディスクの回転方向に向かうように傾斜して延びている。

上記態様の遠心回転機械は、インペラ部分まで異物粒子が流入した場合に、異物粒子がインペラによって径方向外側へとはじき出され、さらに異物粒子が異物導入路へ進入するので、インペラとケーシングとの隙間から異物粒子を除去することができる。

また、前記ディスクの軸線方向における前記異物導入路の内寸は、前記ディスクの軸線方向における前記径方向流路の内寸以上である。
この場合、遠心回転機械の動作時における径方向流路内の流速と比較して異物導入路内の流速が低いので、異物導入路内に異物粒子を捕捉することができる。

また、本発明の一態様は、軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、該インペラを径方向内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、前記隙間をシールするシール装置と、を備え、前記ケーシングは、前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びるとともに、前記カバー端面との間に径方向流路を画成する端壁面と、前記ケーシング内に形成され、前記径方向流路の径方向外側に連通する異物導入路と、を有し、前記ディスクの軸線方向から見たときに、前記異物導入路は、前記ディスクの径方向外側に向かうに従って前記ディスクの回転方向に向かうように傾斜して延びている遠心回転機械であってもよい。
この場合、インペラの回転により異物粒子が移動する方向に沿った向きに異物導入路が延びているので、異物導入路の内部に異物粒子をスムーズに進入させることができる。

また、前記ケーシングは、前記異物導入路の径方向外側に連通し前記ディスクの軸線を中心とした環状の空間を画成する異物収容部をさらに有していてもよい。
さらに、本発明の一態様は、軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、該インペラを径方向内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、前記隙間をシールするシール装置と、を備え、前記ケーシングは、前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びるとともに、前記カバー端面との間に径方向流路を画成する端壁面と、前記ケーシング内に形成され、前記径方向流路の径方向外側に連通する異物導入路と、を有し、前記ケーシングは、前記異物導入路の径方向外側に連通し前記ディスクの軸線を中心とした環状の空間を画成する異物収容部をさらに有する遠心回転機械であってもよい。
この場合、異物粒子が異物収容部内に収容されることで、異物導入路に一旦進入した異
物粒子の戻りを少なくすることができる。

また、前記シール装置は、前記ケーシングに連結されているとともに前記カバーに対して所定のクリアランスを有して前記隙間に配されていてもよく、前記ディスクの軸線方向から見たときにおける前記異物収容部の面積は、前記ディスクの軸線方向から見たときの前記シール装置と前記カバーとの間のクリアランスによって規定される環状空間の面積の１０倍以上であってもよい。
この場合、遠心回転機械の動作時における異物収容部内の流速と比較してシール装置近傍の流速が低いので、シール装置近傍に異物粒子が滞留しにくく、異物収容部内に異物粒子を捕捉することができる。

また、前記ケーシングは、前記異物収容部の径方向外側に連通する異物排出路と、前記異物排出路の開閉を切り替える弁と、をさらに有していてもよい。
この場合、異物収容部内の異物粒子を容易に外部に排出することができる。また、この場合、遠心回転機械の動作中に弁を開くことで異物収容部内に生じる気流によって異物粒子を容易に排出することができる。

また、前記ディスクの軸線方向から見たときに、前記異物排出路は、前記ディスクの径方向外側に向かうに従って前記ディスクの回転方向に向かうように傾斜して延びていてもよい。
この場合、インペラの回転により異物粒子が移動する方向に沿った向きに異物排出路が延びているので、異物排出路の内部に異物粒子をスムーズに進入させることができる。

本発明によれば、遠心回転機械のインペラ部分まで流入した異物粒子を除去できる。

本発明の第１実施形態に係る遠心回転機械の概略構成を示す断面図である。 図１の拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る遠心回転機械の拡大断面図である。 同遠心回転機械をディスクの軸線方向から見た概略構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る遠心回転機械をディスクの軸線方向から見た概略構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の遠心回転機械、及びシール装置の寸法関係とは異なる場合がある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る遠心回転機械の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の拡大図である。図１では、遠心回転機械１を回転軸２の延在方向に対して平行な仮想平面で、回転軸２を２分割するように、遠心回転機械１を切断した場合の断面を図示している。
図１において、Ａは流体（例えば、プロセスガス）の移動方向、Ｏは回転軸２の軸線をそれぞれ示している。

図１及び図２を参照するに、本実施形態の遠心回転機械１は、回転軸２と、インペラ３と、一対の軸受５Ａ，５Ｂと、ケーシング６と、シール装置７と、を備える。
回転軸２は、軸線Ｏの延在方向と同じ方向に延在する柱状の部材である。回転軸２は、軸線Ｏの方向に位置する両端部が軸受５Ａ，５Ｂによって回転可能に支持されている。回転軸２は、一方向に回転する。回転軸２は、曲面とされた外周面２ａを有する。

インペラ３は、軸受５Ａと軸受５Ｂとの間に位置する回転軸２の外周面２ａに設けられている。インペラ３は、ディスク３ａと、カバー３ｂと、複数のブレード３ｃと、を有する。
ディスク３ａは、回転軸２の端部から中心位置Ｃに向かうにつれて、回転軸２の径方向の外側に漸次拡径するように設けられている。ディスク３ａの形状は、例えば、略円盤状とすることができる。ディスク３ａの軸線は、回転軸２の軸線Ｏと同軸である。以下、ディスク３ａの軸線についても「軸線Ｏ」と表記する。
カバー３ｂは、ディスク３ａと対向するように設けられている。カバー３ｂは、複数のブレード３ｃを覆っている。
複数のブレード３ｃは、ディスク３ａの外側に、ディスク３ａから離間するように、放射状に設けられている。ブレード３ｃは、ディスク３ａの軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成する。

本実施形態では、回転軸２の軸線Ｏの延在方向に同軸状に並べられた複数のインペラ３によって多段式インペラ群３Ａが構成されている。

軸受５Ａは、回転軸２の一方の端部に設けられている。軸受５Ｂは、回転軸２の他方の端部に設けられている。

ケーシング６は、筒状とされており、軸受５Ａ，５Ｂを外側から支持している。ケーシング６は、回転軸２、インペラ３、及びシール装置７を径方向内側に収容している。
ケーシング６は、ケーシング６に対して回転軸２及びインペラ３を、回転可能な構成とされている。
ケーシング６は、ケーシング流路６ａと、吸込口６ｂと、接続流路６ｃ，６ｄと、排出口６ｅとを有する。ケーシング流路６ａ、吸込口６ｂ、接続流路６ｃ，６ｄ、及び排出口６ｅは、ケーシング６のうち、多段式インペラ群３Ａの配設領域に対応する部分に設けられている。
さらに、ケーシング６は、端壁面６ｆと、異物導入路６ｇとを有している。端壁面６ｆ及び異物導入路６ｇは、ケーシング６のうち、多段式インペラ群３Ａを構成する各インペラ３に対して、インペラ３毎に設けられている。

ケーシング流路６ａは、各インペラ３を構成するブレード３ｃ間の流路同士を接続するように、ケーシング６の内部に設けられている。ケーシング流路６ａは、回転軸２の外側に位置するケーシング６において、環状となるように構成されている。
吸込口６ｂは、軸受５Ａ側に位置するケーシング６に設けられている。吸込口６ｂは、流体を吸い込み、接続流路６ｃを介して、吸い込んだ流体をケーシング流路６ａに導く。

接続流路６ｃは、ケーシング６に内設されており、ケーシング流路６ａと吸込口６ｂとを接続している。接続流路６ｄは、ケーシング６に内設されており、排出口６ｅとケーシング流路６ａとを接続している。
排出口６ｅは、接続流路６ｄを経由した流体をケーシング６の外部に排出する。

端壁面６ｆは、カバー３ｂの軸線方向一方側を向くカバー端面３ｂ１の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びている。さらに、端壁面６ｆは、カバー端面３ｂ１との間に径方向流路８を画成する。

径方向流路８は、遠心回転機械１の動作時に流入する流体に含まれる異物粒子Ｐが進入可能な流路である。径方向流路８に進入した異物粒子Ｐは、回転するインペラ３のカバー３ｂに接触することでインペラ３の径方向外側へと移動する。

異物導入路６ｇは、ケーシング６内に形成されて、径方向流路８の径方向外側に連通する。異物導入路６ｇは、シール装置７よりも径方向外側に異物粒子Ｐを移動させる通路である。本実施形態の異物導入路６ｇは、径方向流路８を通じてシール装置７の近傍に移動した異物粒子Ｐがシール装置７よりもさらに径方向外側へ移動するのを許容することで、シール装置７の近傍に異物粒子Ｐが滞留するのを防ぐことができる。すなわち、本実施形態の異物導入路６ｇがケーシング６に設けられていることにより、インペラ３とケーシング６との隙間から異物粒子Ｐを除去することができる。
本実施形態では、異物導入路６ｇは、ディスク３ａの周方向において少なくとも１か所に設けられている。また、本実施形態における異物導入路６ｇは、回転軸２が水平となるように遠心回転機械１が設置されている状態においてインペラ３の下方に位置するようになっていてもよい。この場合、異物導入路６ｇ内の異物粒子Ｐが重力により異物導入路６ｇ内に滞留するので、異物粒子Ｐがインペラ３側に戻りにくい。

ディスク３ａの軸線Ｏ方向における異物導入路６ｇの内寸は、ディスク３ａの軸線Ｏ方向における径方向流路８の内寸以上である。このため、径方向流路８から異物導入路６ｇへと流入する流体の流速は、異物導入路６ｇにおいて低下する。これにより、異物導入路６ｇ内に進入した異物粒子Ｐは異物導入路６ｇ内で滞留する。その結果、インペラ３とケーシング６との隙間から異物粒子Ｐを速やかに除去し、異物導入路６ｇからシール装置７側へ異物粒子Ｐを戻りにくくすることができる。

ディスク３ａの軸線Ｏ方向から見たときに、異物導入路６ｇは、ディスク３ａの径方向外側に向かうに従ってディスク３ａの回転方向に向かうように傾斜して延びている。このため、インペラ３が回転動作している際に回転中のカバー３ｂに異物粒子Ｐが衝突したときに、異物粒子Ｐがスムーズに異物導入路６ｇに進入する。

図２に示すように、シール装置７は、インペラ３とケーシング６との隙間に配されている。本実施形態のシール装置７は、所謂ラビリンスシールである。シール装置７は、インペラ３のカバー３ｂに対して所定のクリアランスを有した状態で、インペラ３とケーシング６との隙間をシールする。

本実施形態の遠心回転機械１の作用について説明する。
本実施形態の遠心回転機械１の動作時には、流体中の異物粒子Ｐが異物導入路６ｇへと移動することによって、シール装置７の近傍における異物粒子Ｐの滞留を少なくすることができる。このため、シール装置７とカバー３ｂとの間に異物粒子Ｐが入り込んでシール装置７を破損させたりカバー３ｂを摩耗させたりするのを防止できる。さらに、本実施形態の遠心回転機械１によれば、インペラ３とケーシング６との隙間から異物粒子Ｐを除去できるので、ケーシング６やインペラ３等に異物粒子Ｐが衝突し続けることによる損耗が起こりにくい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態に係る遠心回転機械の拡大断面図である。図４は、同遠心回転機械をディスクの軸線方向から見た概略構成を示す断面図である。

図３及び図４に示す本実施形態の遠心回転機械１０は、ケーシング６が、異物収容部６ｈと、異物排出路６ｉと、弁１１とを有している点で、上記第１実施形態と異なっている。

異物収容部６ｈは、異物導入路６ｇの径方向外側に連通している。異物収容部６ｈは、ディスク３ａの軸線Ｏを中心とした環状の空間なすようにケーシング６により画成されている。
ディスク３ａの軸線Ｏ方向から見たときにおける異物収容部６ｈの面積は、ディスク３ａの軸線Ｏ方向から見たときのシール装置７とカバー３ｂとの間のクリアランスによって規定される環状空間の面積の１０倍以上である。このため、異物収容部６ｈ内の流速は、シール装置７近傍の流速よりも十分に遅くなるので、異物収容部６ｈ内に異物粒子Ｐを捕捉することができる。

異物排出路６ｉは、異物収容部６ｈの径方向外側に連通する。異物排出路６ｉは、異物収容部６ｈにおける外周側の内面に沿って移動する異物粒子Ｐが進入可能な通路である。
ディスク３ａの軸線Ｏ方向から見たときに、異物排出路６ｉは、ディスク３ａの径方向外側に向かうに従ってディスク３ａの回転方向に向かうように傾斜して延びている。

また、本実施形態における異物排出路６ｉは、回転軸２が水平となるように遠心回転機械１が設置されている状態において異物収容部６ｈの下方に位置するようになっていてもよい。この場合、異物収容部６ｈ内の異物粒子Ｐが重力により異物排出路６ｉ内に滞留するので、異物粒子Ｐがインペラ３側に戻りにくい。

また、本実施形態では、異物導入路６ｇは、回転軸２が水平となるように遠心回転機械１が設置されている状態においてインペラ３の上方に位置するようになっていてもよい。この場合、異物導入路６ｇを通じて異物収容部６ｈに捕捉された異物粒子Ｐが重力により落下して異物導入路６ｇから離間するこので、異物粒子Ｐが異物導入路６ｇを逆流してインペラ３側に戻るのを防ぐことができる。

弁１１は、手動又は電気的に開閉動作可能である。弁１１が開いている状態では、異物収容部６ｈから異物排出路６ｉへ移動した異物粒子Ｐを遠心回転機械１０の外部へ排出することができる。弁１１を通じた異物粒子Ｐの排出は、遠心回転機械１０の動作中であっても可能である。この場合、インペラ３の回転により異物導入路６ｇを通じて流入する流体の流れに異物粒子Ｐをのせて異物粒子Ｐを異物排出路６ｉへと能動的に送り込むことによって、速やかに異物粒子Ｐの排出をすることができる。

本実施形態の遠心回転機械１０の作用について説明する。
本実施形態では、異物導入路６ｇ内に進入した異物粒子Ｐは異物収容部６ｈ内に捕捉されることにより、シール装置７側へ戻りにくくなっている。また、異物収容部６ｈ内に捕捉された異物粒子Ｐは、異物排出路６ｉを通じて遠心回転機械１０の外部へ排出可能である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図５は、本実施形態に係る遠心回転機械をディスクの軸線方向から見た概略構成を示す断面図である。

図５に示す本実施形態の遠心回転機械２０は、ケーシング６が、異物収容部６ｈ内で異物粒子Ｐをせき止めて異物排出路ｉへ誘導する第一隔壁２１を有している。さらに、本実施形態の遠心回転機械２０は、ケーシング６が、異物導入路６ｇから異物排出路６ｉまでの異物粒子Ｐの移動経路を制限するために異物収容部６ｈ内に配された第二隔壁２２を有している。

第一隔壁２１が設けられていることにより、異物収容部６ｈ内に進入した異物粒子Ｐが回転中のインペラ３の回転方向に移動し続けるのが防止され、異物収容部６ｈ内に進入した異物粒子Ｐは第一隔壁２１に衝突して異物排出路６ｉへ進入する。

第二隔壁２２が設けられていることにより、異物収容部６ｈ内に進入した異物粒子Ｐが回転中のインペラ３の回転方向と逆に移動するのが防止され、ディスク３ａの軸線Ｏ方向から見たときに第一隔壁２１を間に挟んで異物排出路６ｉと反対側の位置に異物粒子Ｐが滞留するのを防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
たとえば、上記第１実施形態において、異物導入路６ｇは、ディスク３ａの周方向において２ヶ所以上に設けられていてもよい。また、異物導入路６ｇは、ディスク３ａの周方向に亘って一続きに延びるスリット状であってもよい。

１、１０、２０ 遠心回転機械
２ 回転軸
２ａ 外周面
３ インペラ
３ａ ディスク
３Ａ 多段式インペラ群
３ｂ カバー
３ｂ１ カバー端面
３ｃ ブレード
５Ａ 軸受
５Ｂ 軸受
６ ケーシング
６ａ ケーシング流路
６ｂ 吸込口
６ｃ 接続流路
６ｄ 接続流路
６ｅ 排出口
６ｆ 端壁面
６ｇ 異物導入路
６ｈ 異物収容部
６ｉ 異物排出路
７ シール装置
８ 径方向流路
１０ 遠心回転機械
１１ 弁
２０ 遠心回転機械
２１ 第一隔壁
２２ 第二隔壁
Ｐ 異物粒子

Claims (8)

1. 軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、
   該インペラを径方向内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、
   前記隙間をシールするシール装置と、を備え、
   前記ケーシングは、
   前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びるとともに、前記カバー端面との間に径方向流路を画成する端壁面と、
   前記ケーシング内に形成されているとともに、前記径方向流路と同一の前記軸線方向位置で前記径方向流路の径方向外側に連通する異物導入路と、
   を有し、
   前記ディスクの軸線方向から見たときに、前記異物導入路は、前記ディスクの径方向外側に向かうに従って前記ディスクの回転方向に向かうように傾斜して延びている遠心回転機械。
2. 軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、
   該インペラを径方向内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、
   前記隙間をシールするシール装置と、を備え、
   前記ケーシングは、
   前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びるとともに、前記カバー端面との間に径方向流路を画成する端壁面と、
   前記ケーシング内に形成され、前記径方向流路の径方向外側に連通する異物導入路と、
   を有し、
   前記ディスクの軸線方向から見たときに、前記異物導入路は、前記ディスクの径方向外側に向かうに従って前記ディスクの回転方向に向かうように傾斜して延びている遠心回転機械。
3. 前記ケーシングは、前記異物導入路の径方向外側に連通し前記ディスクの軸線を中心とした環状の空間を画成する異物収容部をさらに有する
   請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の遠心回転機械。
4. 軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、
   該インペラを径方向内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、
   前記隙間をシールするシール装置と、を備え、
   前記ケーシングは、
   前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びるとともに、前記カバー端面との間に径方向流路を画成する端壁面と、
   前記ケーシング内に形成され、前記径方向流路の径方向外側に連通する異物導入路と、
   を有し、
   前記ケーシングは、前記異物導入路の径方向外側に連通し前記ディスクの軸線を中心とした環状の空間を画成する異物収容部をさらに有する遠心回転機械。
5. 前記シール装置は、前記ケーシングに連結されているとともに前記カバーに対して所定のクリアランスを有して前記隙間に配され、
   前記ディスクの軸線方向から見たときにおける前記異物収容部の面積は、前記ディスクの軸線方向から見たときの前記シール装置と前記カバーとの間のクリアランスによって規定される環状空間の面積の１０倍以上である
   請求項３又は４に記載の遠心回転機械。
6. 前記ケーシングは、
   前記異物収容部の径方向外側に連通する異物排出路と、
   前記異物排出路の開閉を切り替える弁と、をさらに有する
   請求項３又は４に記載の遠心回転機械。
7. 前記ディスクの軸線方向から見たときに、前記異物排出路は、前記ディスクの径方向外側に向かうに従って前記ディスクの回転方向に向かうように傾斜して延びている
   請求項６に記載の遠心回転機械。
8. 前記ディスクの軸線方向における前記異物導入路の内寸は、前記ディスクの軸線方向における前記径方向流路の内寸以上である
   請求項１から７のいずれか一項に記載の遠心回転機械。

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