JP7351784B2 - 遠心回転機械 - Google Patents

Description

本開示は、遠心回転機械に関する。

一般的に遠心圧縮機は、軸線に沿って延びる回転軸と、回転軸に設けられたインペラと、インペラを外側から覆うケーシングと、を有している。これらのうち、インペラには、クローズドインペラと呼ばれる形式のものが用いられる場合がある。クローズドインペラは、軸線を中心とする円盤状のディスクと、当該ディスクの一方側の面上に設けられた複数のブレードと、これら複数のブレードを一方側から覆う円錐状のカバーと、を有している。カバーの外周面とケーシングの内周面との間にはクリアランス（外側流路）が設けられている。

遠心圧縮機を運転すると、上記のブレード同士が画成する流路内を流体が流れる。流路を入口側から出口側に向かって流れる中途で流体は圧縮されて高圧状態となる。ここで、流路の出口側では、入口側よりも高圧の流体が流通することから、上述の外側流路にも流体が流れ込む。このように、外側流路に多くの流体が流れ込んだ場合、遠心圧縮機の圧縮効率が低下してしまう。そこで、ケーシングの内周面に、流体の流通を防ぐシール部を設ける技術が知られている。例えば下記特許文献１には、シール部の具体例として、ケーシングの内周面におけるインペラの入口側にシールフィンが設けられた構成が開示されている。このようなシールフィンを設けることによって外側流路に流れ込む流体が低減される。

国際公開第２０１６／０４３０９０号

上記の構成を備えた遠心圧縮機では、シールフィンとカバーの外周面との間に流体が漏れ出る状態でインペラを含むロータが半径方向に変位すると、ロータ表面に周方向の圧力分布が発生する。ここで、上記の外側流路を流通する流体には、インペラの回転に伴うスワール成分（旋回流成分）が付加されている。このスワール成分による影響から、インペラには変位方向と直交する方向に向かう励振力（シール励振力）が働く。このシール励振力が継続的に付加されることで、ロータに振れ回り振動が生じてしまう。即ち、上記特許文献１に記載された遠心圧縮機には依然として改良の余地がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、振動がより一層低減された遠心回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る遠心回転機械は、軸線に沿って延びる回転軸と、軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラであって、前記回転軸に固定されたディスク、該ディスクに複数が設けられたブレード、及び、前記複数のブレードを覆うとともに前記軸線方向他方側に向かうに従って径方向外側に延びる外周面を有するカバーを備えたインペラと、前記カバーの外周面に対向し前記カバーの外周面とともに外側流路を形成する内周面を有するケーシングと、前記内周面に設けられ、前記外周面に前記軸線方向一方側から対向してクリアランスを形成するシールフィンを有する第一シール部と、前記内周面に設けられ、前記外周面に径方向外側から対向してクリアランスを形成するシールフィンを有する第二シール部と、を備える。

本開示によれば、振動がより一層低減された遠心回転機械を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る遠心回転機械の構成を示す断面図である。 本開示の第一実施形態に係る遠心回転機械の要部拡大断面図である。 本開示の第二実施形態に係る遠心回転機械の要部拡大断面図である。 本開示の第三実施形態に係る遠心回転機械の要部拡大断面図である。

＜第一実施形態＞
（遠心圧縮機の構成）
本開示の第一実施形態に係る遠心圧縮機１００（遠心回転機械）について図面を参照して説明する。図１又は図２に示すように、遠心圧縮機１００は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸１と、この回転軸１の周囲を覆うことで流路２を形成するケーシング３と、回転軸１に設けられた複数段のインペラ４と、第一シール部Ｓ１（図２参照）と、第二シール部Ｓ２（図２参照）と、を備えている。

（ケーシングの構成）
ケーシング３は、軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしている。回転軸１は、このケーシング３の内部を軸線Ｏに沿って貫通するように延びている。軸線Ｏ方向におけるケーシング３の両端部には、それぞれジャーナル軸受５及びスラスト軸受６が設けられている。回転軸１は、これらジャーナル軸受５とスラスト軸受６とによって軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。

ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側には、外部から作動流体Ｇとしての空気を取り入れるための吸気口７が設けられている。さらに、ケーシング３の軸線Ｏ方向他方側には、ケーシング３内部で圧縮された作動流体Ｇが排気される排気口８が設けられている。

ケーシング３の内側には、これら吸気口７と排気口８とを連通し、縮径と拡径を繰り返す内部空間が形成されている。この内部空間は、複数のインペラ４を収容するとともに、上記の流路２の一部をなしている。なお、以降の説明では、この流路２上における吸気口７が位置する側を上流側と呼び、排気口８が位置する側を下流側と呼ぶ。流路２上における各インペラ４の下流側にはリターンベーン５０がそれぞれ設けられている。

（インペラの構成）
回転軸１には、その外周面上で軸線Ｏ方向に間隔を空けて複数（一例として６つ）のインペラ４が設けられている。各インペラ４は、図２に示すように、軸線Ｏを中心とする円盤状のディスク４１と、このディスク４１の上流側の面に設けられた複数のブレード４２と、これら複数のブレード４２を上流側から覆うカバー４３と、を有している。

ディスク４１は、軸線Ｏと交差する方向から見て、該軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に拡大するように形成されることで、おおむね円錐状をなしている。ブレード４２は、ディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、上流側を向く面（ディスク上流面４１Ａ）上で、軸線Ｏを中心として径方向外側に向かって放射状に複数配列されている。より詳しくは、これらブレードは、ディスク上流面４１Ａから上流側に向かって立設された薄板によって形成されている。これら複数のブレード４２は、軸線Ｏ方向から見た場合、軸線Ｏに対する周方向の一方側から他方側に向かうように湾曲している。

ディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、下流側を向く面（ディスク背面４１Ｂ）は、軸線Ｏに対する径方向に広がっている。ディスク背面４１Ｂとケーシング３（ケーシング対向面３Ｂ）との間には軸線Ｏ方向に広がる隙間が形成されている。

ブレード４２の上流側の端縁は、カバー４３によって覆われている。つまり、上記複数のブレード４２は、このカバー４３とディスク４１とによって軸線Ｏ方向から挟持されている。これにより、カバー４３、ディスク４１、及び互いに隣り合う一対のブレード４２同士の間には空間が形成される。この空間は、上述の流路２の一部としてのインペラ流路２１をなしている。なお、以降の説明では、このインペラ流路２１の径方向内側の端部を入口２１Ａと称し、径方向外側の端部を出口２１Ｂと称する。カバー４３の外周面（カバー外周面４３Ａ）は、軸線Ｏ方向の他方側に向かうに従って径方向外側に延びることで略円錐状をなしている。

カバー外周面４３Ａは、ケーシング３の内周面（ケーシング内周面３Ａ）と隙間をあけて対向している。ケーシング内周面３Ａは、カバー外周面４３Ａの形状に倣って、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って径方向外側に向かって延びている。ケーシング内周面３Ａとカバー外周面４３Ａとの間には、外側流路Ｆが区画形成されている。以降の説明では、この外側流路Ｆの延びる方向において、上述のインペラ流路２１の出口２１Ｂ側に相当する端部側を単に「出口側」と呼び、入口２１Ａ側に相当する端部側を単に「入口側」と呼ぶことがある。

（第一シール部、第二シール部の構成）
ケーシング内周面３Ａの径方向内側には、軸線Ｏを中心とする円環状の空間が形成されている。この空間はキャビティＣとされている。キャビティＣの軸線Ｏ方向一方側（上流側）には、第一シール部Ｓ１が設けられている。より具体的には、第一シール部Ｓ１は、外側流路Ｆにおける入口側の端部を含む部分に設けられている。第一シール部Ｓ１は、複数のシールフィンＦ１と、これらシールフィンＦ１を支持する基部Ｈ１と、を有している。第一シール部Ｓ１のシールフィンＦ１は、カバー外周面４３Ａに対して軸線Ｏに対する径方向外側から対向している。また、シールフィンＦ１とカバー外周面４３Ａとの間には径方向に広がるクリアランスが形成されている。

一方で、外側流路Ｆにおける出口側の端部を含む部分には、第二シール部Ｓ２が設けられている。第二シール部Ｓ２は、複数のシールフィンＦ２と、これらシールフィンＦ２を支持する基部Ｈ２と、を有している。第二シール部Ｓ２のシールフィンＦ２は、カバー外周面４３Ａに対して軸線Ｏ方向一方側から対向している。また、シールフィンＦ２とカバー外周面４３Ａとの間には軸線Ｏ方向に広がるクリアランスが形成されている。なお、第二シール部Ｓ２におけるクリアランスの大きさ（つまり、シールフィンＦ２の先端とカバー外周面４３Ａとの間の離間距離）は、第一シール部Ｓ１におけるクリアランスの大きさ（つまり、シールフィンＦ１の先端とカバー外周面４３Ａとの間の離間距離）よりも大きく設定されている。

（作用効果）
次に、本実施形態に係る遠心圧縮機１００の動作について説明する。遠心圧縮機１００を運転するに当たっては、まず回転軸１を電動機等の駆動源によって回転駆動する。回転軸１の回転に伴ってインペラ４がそれぞれ回転し、吸気口７から流路２内に作動流体Ｇが導入される。流路２内に導入された作動流体Ｇは、各インペラ４におけるインペラ流路２１を通過する中途で順次圧縮される。圧縮されて高圧状態となった作動流体Ｇは排気口８を経て外部に圧送される。

ところで、図２中の破線矢印で示すように、上記の外側流路Ｆでは、インペラ流路２１の出口２１Ｂ側から高圧の作動流体Ｇが流れ込むことがある。外側流路Ｆを流通する流体には、インペラ４の回転に伴うスワール成分（旋回流成分）が付加されている。スワール成分は、インペラ４の回転方向と同一の方向に向かって旋回する。このスワール成分による影響から、インペラ４には変位方向と直交する方向に向かう励振力が働く。この励振力が継続的に付加されることで、回転軸１及びインペラ４に振れ回り振動が生じてしまう可能性がある。

しかしながら、上記構成によれば、第一シール部Ｓ１と第二シール部Ｓ２とが設けられていることによって、外側流路Ｆに流入する流体の流量、及び圧力を、これらシール部が設けられていない場合に比べて低減することができる。その結果、当該外側流路Ｆに多くの流体が流入した場合に生じるカバー４３に対する励振力の発生を抑制することができる。その結果、回転軸１及びインペラ４に振れ回り振動が生じる可能性を低減することができる。

また、第二シール部Ｓ２は、カバー外周面４３Ａに対して軸線Ｏ方向一方側から対向していることから、径方向への励振力を低減することができる。つまり、径方向におけるインペラ４の振動を抑制することができる。これにより、遠心圧縮機１００をより安定的に運転することができる。

さらに、上記構成によれば、第二シール部Ｓ２のクリアランスが、第一シール部Ｓ１のクリアランスよりも大きい。これにより、軸線Ｏ方向一方側にインペラ４が変位した場合であっても、インペラ４（カバー４３）と第二シール部Ｓ２とが接触してしまう可能性を低減することができる。

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、第二シール部Ｓ２ｂの構成が上記第一実施形態とは異なっている。第二シール部Ｓ２ｂの基部Ｈ２は、ケーシング内周面３Ａに形成された収容空間Ｖ内に収容されている。収容空間Ｖは、ケーシング内周面３Ａから当該ケーシング内周面３Ａに対して直交する方向に凹んでいる。さらに、収容空間Ｖの底面と基部Ｈ２の背面（収容空間Ｖの内側を向く面）との間には、弾性部６０が設けられている。弾性部６０は、基部Ｈ２を収容空間Ｖ内で、軸線Ｏ方向の成分を含む方向に変位可能な状態で支持している。弾性部６０として具体的には、板バネやコイルバネが好適に用いられる。

上記構成によれば、シールフィンＦ２は、軸線Ｏ方向に変位可能な状態で支持された基部Ｈ２によって支持されている。これにより、例えばインペラ４が軸線Ｏ方向一方側に変位して、シールフィンＦ２とカバー外周面４３Ａとの間のクリアランスが小さくなった場合には、外側流路Ｆ内に流れ込む流体の流量が減少することから、外側流路Ｆ内の圧力が低下する。圧力低下に伴って、基部Ｈ２及びシールフィンＦ２は軸線Ｏ方向一方側に変位する。これにより、クリアランスが大きくなる。一方で、インペラ４が軸線Ｏ方向他方側に変位してクリアランスが大きくなった場合には、外側流路Ｆ内の圧力が上昇する。圧力上昇に伴って、基部Ｈ２及びシールフィンＦ２は軸線Ｏ方向他方側に変位する。これにより、クリアランスが小さくなる。このように、上記の構成によれば、インペラ４の変位によらず、クリアランスの大きさを一定に維持することができる。その結果、より安定的に遠心圧縮機１００を運転することができる。

＜第三実施形態＞
続いて、本開示の第三実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、ケーシング３の内部に、第二シール部Ｓ２ｂ（基部Ｈ２）が収容される収容空間Ｖと、外側流路Ｆとを連通する連通流路Ｐが形成されている。連通流路Ｐの一端は、収容空間Ｖにおける基部Ｈ２の背面側の領域に開口している。連通流路Ｐの他端は、外側流路Ｆにおける第一シール部Ｓ１と第二シール部Ｓ２ｂとの間の領域に開口している。つまり、当該連通流路Ｐを通じて、外側流路Ｆの圧力は収容空間Ｖ内に伝播する。なお、図４の例では、上述した弾性部６０は設けられていないが、連通流路Ｐと弾性部６０とをともに備える構成を採ることも可能である。

上記構成によれば、例えばインペラ４が軸線Ｏ方向一方側に変位して、シールフィンＦ２とカバー外周面４３Ａとの間のクリアランスが小さくなった場合には、外側流路Ｆに流入する流体の流量が減少することから、外側流路Ｆ内の圧力が低下する。この圧力低下は連通流路Ｐを通じて収容空間Ｖ内に伝播する。その結果、基部Ｈ２が収容空間Ｖ内で軸線Ｏ方向一方側に引き寄せられ、クリアランスは大きくなる。一方で、インペラ４が軸線Ｏ方向他方側に変位して、シールフィンＦ２とカバー外周面４３Ａとの間のクリアランスが大きくなった場合には、外側流路Ｆ内の圧力が上昇する。この圧力上昇は連通流路Ｐを通じて収容空間Ｖ内に伝播する。その結果、基部Ｈ２が収容空間Ｖ内で軸線Ｏ方向他方側に押され、クリアランスは小さくなる。このように、上記の構成によれば、インペラ４の変位によらず、クリアランスの大きさを一定に維持することができる。その結果、より安定的に遠心圧縮機１００を運転することができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば上記実施形態では、第二シール部Ｓ２，Ｓ２ｂが、外側流路Ｆにおける径方向外側の端部に設けられている例について説明した。しかしながら、第二シール部Ｓ２，Ｓ２ｂの位置は上記に限定されず、外側流路Ｆにおける径方向の中途位置に設けられていてもよい。また、上記の各実施形態の構成に加えて、ディスク背面４１Ｂとケーシング対向面３Ｂとの間にさらに別のシール装置を設けることも可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載の遠心回転機械は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る遠心回転機械１００は、軸線Ｏに沿って延びる回転軸１と、軸線Ｏ方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラ４であって、前記回転軸１に固定されたディスク４１、該ディスク４１に複数が設けられたブレード４２、及び、前記複数のブレード４２を覆うとともに前記軸線Ｏ方向他方側に向かうに従って径方向外側に延びる外周面４３Ａを有するカバー４３を備えたインペラ４と、前記カバー４３の外周面４３Ａに対向し前記カバー４３の外周面４３Ａとともに外側流路Ｆを形成する内周面３Ａを有するケーシング３と、前記内周面３Ａに設けられ、前記外周面４３Ａに径方向外側から対向してクリアランスを形成するシールフィンＦ１を有する第一シール部Ｓ１と、前記内周面３Ａに設けられ、前記外周面４３Ａに前記軸線Ｏ方向一方側から対向してクリアランスを形成するシールフィンＦ２を有する第二シール部Ｓ２と、を備える。

上記構成によれば、第一シール部Ｓ１と第二シール部Ｓ２とが設けられていることによって、外側流路Ｆに流入する流体の流量、及び圧力を、これらシール部が設けられていない場合に比べて低減することができる。その結果、当該外側流路Ｆに多くの流体が流入した場合に生じるカバー４３に対する励振力の発生を抑制することができる。また、第二シール部Ｓ２は、カバー４３の外周面４３Ａに対して軸線Ｏ方向一方側から対向していることから、径方向への励振力を低減することができる。つまり、径方向におけるインペラ４の振動を抑制することができる。

（２）第２の態様に係る遠心回転機械１００では、前記第一シール部Ｓ１は、前記外側流路Ｆの径方向内側の端部に設けられ、前記第二シール部は、前記外側流路の径方向外側の端部に設けられている。

上記構成によれば、外側流路Ｆの径方向内側の端部に第一シール部Ｓ１が設けられ、径方向外側の端部に第二シール部Ｓ２が設けられていることによって、外側流路Ｆに流入する流体の流量、及び圧力を、これらシール部が設けられていない場合に比べて低減することができる。その結果、当該外側流路Ｆに多くの流体が流入した場合に生じるカバー４３に対する励振力の発生を抑制することができる。

（３）第３の態様に係る遠心回転機械１００では、前記第二シール部Ｓ２の前記クリアランスは、前記第一シール部Ｓ１の前記クリアランスよりも大きい。

上記構成によれば、第二シール部Ｓ２のクリアランスが、第一シール部Ｓ１のクリアランスよりも大きい。これにより、軸線Ｏ方向一方側にインペラ４が変位した場合であっても、インペラ４と第二シール部Ｓ２とが接触してしまう可能性を低減することができる。

（４）第４の態様に係る遠心回転機械１００では、前記第二シール部Ｓ２は、前記シールフィンＦ２を支持する基部Ｈ２と、該基部Ｈ２を前記軸線Ｏ方向に変位可能な状態で支持する弾性部６０と、をさらに有する。

上記構成によれば、シールフィンＦ２は、軸線Ｏ方向に変位可能な状態で支持された基部Ｈ２によって支持されている。これにより、例えばインペラ４が軸線Ｏ方向一方側に変位して、シールフィンＦ２とカバー４３の外周面４３Ａとの間のクリアランスが小さくなった場合には、外側流路Ｆ内に流れ込む流体の流量が減少することから、外側流路Ｆ内の圧力が低下する。圧力低下に伴って、基部Ｈ２及びシールフィンＦ２は軸線Ｏ方向一方側に変位する。これにより、クリアランスが大きくなる。一方で、インペラ４が軸線Ｏ方向他方側に変位してクリアランスが大きくなった場合には、外側流路Ｆ内の圧力が上昇する。圧力上昇に伴って、基部Ｈ２及びシールフィンＦ２は軸線Ｏ方向他方側に変位する。これにより、クリアランスが小さくなる。このように、上記の構成によれば、インペラ４の変位によらず、クリアランスの大きさを一定に維持することができる。

（５）第５の態様に係る遠心回転機械１００では、前記ケーシング３には、前記基部Ｈ２を収容する収容空間Ｖと、該収容空間Ｖにおける前記基部Ｈ２の背面側と前記外側流路Ｆとを連通する連通流路Ｐと、が形成されている。

上記構成によれば、収容空間Ｖにおける基部Ｈ２の背面側と外側流路Ｆとが連通流路Ｐによって連通している。これにより、例えばインペラ４が軸線Ｏ方向一方側に変位して、シールフィンＦ２とカバー４３の外周面４３Ａとの間のクリアランスが小さくなった場合には、外側流路Ｆ内の圧力が低下する。この圧力低下は連通流路Ｐを通じて収容空間Ｖ内に伝播する。その結果、基部Ｈ２が収容空間Ｖ内で軸線Ｏ方向一方側に引き寄せられ、クリアランスは大きくなる。一方で、インペラ４が軸線Ｏ方向他方側に変位して、シールフィンＦ２とカバー４３の外周面４３Ａとの間のクリアランスが大きくなった場合には、外側流路Ｆ内の圧力が上昇する。この圧力上昇は連通流路Ｐを通じて収容空間Ｖ内に伝播する。その結果、基部Ｈ２が収容空間Ｖ内で軸線Ｏ方向他方側に押され、クリアランスは小さくなる。このように、上記の構成によれば、インペラ４の変位によらず、クリアランスの大きさを一定に維持することができる。

１ 回転軸
２ 流路
３ ケーシング
３Ａ ケーシング内周面
３Ｂ ケーシング対向面
４ インペラ
５ ジャーナル軸受
６ スラスト軸受
７ 吸気口
８ 排気口
２１ インペラ流路
２１Ａ 入口
２１Ｂ 出口
４１ ディスク
４１Ａ ディスク上流面
４２ ブレード
４３ カバー
４３Ａ カバー外周面
５０ リターンベーン
６０ 弾性部
１００ 遠心圧縮機
Ｆ 外側流路
Ｆ１ シールフィン
Ｆ２ シールフィン
Ｇ 作動流体
Ｈ１ 基部
Ｈ２ 基部
Ｏ 軸線
Ｐ 連通流路
Ｓ１ 第一シール部
Ｓ２ 第二シール部
Ｖ 収容空間

Claims (5)

1. 軸線に沿って延びる回転軸と、
   軸線方向一方側から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラであって、前記回転軸に固定されたディスク、該ディスクに複数が設けられたブレード、及び、前記複数のブレードを覆うとともに前記軸線方向他方側に向かうに従って径方向外側に延びる外周面を有するカバーを備えたインペラと、
   前記カバーの外周面に対向し前記カバーの外周面とともに外側流路を形成する内周面を有するケーシングと、
   前記内周面に設けられ、前記外周面に径方向外側から対向してクリアランスを形成するシールフィンを有する第一シール部と、
   前記内周面に設けられ、前記外周面に前記軸線方向一方側から対向してクリアランスを形成するシールフィンを有する第二シール部と、
   を備える遠心回転機械。
2. 前記第一シール部は、前記外側流路の径方向内側の出口側に設けられ、
   前記第二シール部は、前記外側流路の径方向外側の入口側に設けられている
   請求項１に記載の遠心回転機械。
3. 前記第二シール部の前記クリアランスは、前記第一シール部の前記クリアランスよりも大きい請求項１又は２に記載の遠心回転機械。
4. 前記第二シール部は、
   前記シールフィンを支持する基部と、
   該基部を前記軸線方向に変位可能な状態で支持する弾性部と、
   をさらに有する請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心回転機械。
5. 前記ケーシングには、
   前記基部を収容する収容空間と、
   該収容空間における前記基部の背面側と前記外側流路とを連通する連通流路と、
   が形成されている請求項４に記載の遠心回転機械。

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