JP7435382B2 - ターボ圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ圧縮機に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のターボ圧縮機が知られている。このターボ圧縮機は、インペラの正面側から吸入されたガスが外周側に吐出されて圧縮される。この種のターボ圧縮機の運転中には、インペラの正面側と背面側との圧力差によって、インペラにスラスト力が作用する。

特開2011-202641号公報

上記のようなスラスト力に起因するインペラの軸受等への負荷を軽減するために、スラスト力を調整することが好ましい。本発明は、インペラのスラスト力の調整を容易にするターボ圧縮機を提供することを目的とする。

本発明のターボ圧縮機は、ハウジングと、ハウジングの内部空間に収容されたインペラと、を備えるターボ圧縮機であって、インペラの背面側でインペラとハウジングの内壁面との間隙をシールし、内部空間のうちインペラの背面側の空間をインペラの出口側の領域とインペラの回転軸側の領域とに仕切るラビリンスシール部と、インペラのハブを貫通して設けられ、回転軸側の領域をインペラの入口側に連通させる連通路と、を備え、回転軸側の領域は、内部空間のインペラの正面側の領域を経由せずにハウジングの外部と連通する経路を備えない、ターボ圧縮機である。

インペラは、クラウンプレートを有するクローズドインペラであり、クラウンプレートの外周面とハウジングの内壁面との間隙をシールする他のラビリンスシール部を更に備える、こととしてもよい。

ラビリンスシール部と、他のラビリンスシール部と、は、インペラの回転径方向における位置が互いに異なっている、こととしてもよい。

連通路は、インペラの回転軸線に沿って延びる主通路と、主通路から放射状に分岐し回転軸側の領域に開口した複数の分岐通路と、を有する、こととしてもよい。

また、前記回転軸側の領域は、前記ラビリンスシール部及び前記連通路のみを介して外部に連通されている、こととしてもよい。

本発明によれば、インペラのスラスト力の調整を容易にするターボ圧縮機を提供することができる。

本実施形態のターボ圧縮機を示す断面図である。 図１のターボ圧縮機のインペラ近傍を拡大して示す断面図である。 図１のターボ圧縮機のインペラをモータ側から見た底面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るターボ圧縮機１について説明する。圧縮機１は電動の遠心圧縮機であり、例えば冷媒のガスを圧縮するために使用される。以下の説明で単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」と言うときには、後述のインペラ３の回転の軸方向、径方向、周方向を意味するものとする。

圧縮機１は、回転軸線Ｘ周りに回転するインペラ３と、インペラ３の回転の動力源であるモータ５と、インペラ３及びモータ５を収容するハウジング７と、を備えている。ハウジング７は、インペラ３を収容するインペラハウジング１１と、モータ５を収容するモータハウジング１３と、を備えている。なお、インペラハウジング１１及びモータハウジング１３は、各々が複数の部品で構成されていてもよく、各ハウジングを構成する部品や組み合わせ方は自由に設計可能である。

インペラハウジング１１とモータハウジング１３とは、回転軸線Ｘ方向に連結されており、インペラハウジング１１内からモータハウジング１３内に亘って延在する回転軸１５が回転軸線Ｘ上に存在している。この回転軸１５の先端にインペラ３が設けられており、回転軸１５はモータ５の駆動力によって回転する。モータ５は、モータハウジング１３に設けられたステータ５ａと、回転軸１５に設けられたロータ５ｂとで構成されている。

インペラハウジング１１は、インペラ３の出口３ｂの外周側に対面して設けられたディフューザ１７を有している。また、インペラハウジング１１は、ディフューザ１７の外周側に設けられたスクロール１９を有している。また、インペラハウジング１１は、インペラ３の入口３ａに軸方向に対面する位置で外部に向けて開口する吸気口２１と、スクロール１９の出口である吐出口２２とを有している。

モータ５に電力が供給されると、回転軸１５を介してインペラ３がインペラハウジング１１内で回転する。これにより、外部のガスが吸気口２１を通じて軸方向にインペラ入口３ａからインペラ３に吸引され、インペラ出口３ｂから径方向外側に排出される。インペラ出口３ｂからのガスは、ディフューザ１７に流れ込み、当該ディフューザ１７及びスクロール１９を通じて圧縮され、吐出口２２を通じて、圧縮ガスとして外部に排出される。

なお、ハウジング７（インペラハウジング１１及びモータハウジング１３）は、ガスを外部に漏洩させないように気密に設けられている。すなわち、本実施形態のハウジング７の内部空間は吸気口２１又は吐出口２２のみを通じて圧縮機１の外部と連通しており、圧縮機１で処理されるガスがハウジング７の筐体壁を通じて圧縮機１の外部に漏洩しないように、ハウジング７が設けられている。つまり、後述の第４領域Ｒ４には、後述の第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、及び第３領域Ｒ３のいずれも介在せずにハウジング７の外部まで連通する流路は形成されていない。例えば、モータハウジング１３におけるガスの出入口は軸受部１６のみであり、モータハウジング１３の筐体壁はガスを通過させない。従って例えば、インペラ３の背面側に漏れ込んだガスが、回転軸１５の軸受部１６を通じてモータハウジング１３の内部（モータ５の収容空間）に入り込んだとしても、このガスがモータハウジング１３の筐体壁の隙間を通じて圧縮機１の外部に漏洩するといったことは防止される。

このようなハウジング７の気密構造により、圧縮機１は、有毒ガス、危険なガス、又は高価なガス等といったような、外部への漏洩が好ましくないガスを取扱うことができる。このようなガスとしては、例えば、水素ガス、ヘリウムガス、窒素ガス等が挙げられる。

インペラ３は、回転軸１５の先端にボルト締結等により取り付けられている。インペラ３は、ハブ２３と、ハブ２３の正面側（吸気口２１側）の面２３ａに設けられた複数のブレード２５と、を備えている。また、インペラ３は、ブレード２５の周囲に設けられたクラウンプレート２７を備えている。このようなクラウンプレート２７を備えるタイプのインペラ３は、一般にクローズドインペラと呼ばれる。ハブ２３の正面側の面２３ａとクラウンプレート２７とで囲まれた空間内に上記の複数のブレード２５が存在している。

図２及び図３に示されるように、インペラ３は連通路２９を備えている。連通路２９は、インペラ３の正面側（吸気口２１側）と背面側（モータ５側）とを連通するように、ハブ２３を貫通している。連通路２９は、１本の主通路２９ａと複数（例えばここでは４本とする）の分岐通路２９ｂとを有している。主通路２９ａは、回転軸線Ｘに沿って直線状に延びており、回転軸１５の周囲で断面円環状をなす通路である。具体的な構造としては、インペラ３のハブ２３には回転軸１５を締結するための締結用穴２８が回転軸線Ｘ上に形成されており、この締結用穴２８の中心に回転軸１５の先端が挿通されている。そして、回転軸１５の外周面と締結用穴２８の内壁面との間の断面円環状の空間が主通路２９ａである。

４本の分岐通路２９ｂは、主通路２９ａ分岐通路から等間隔で放射状に分岐しており、主通路２９ａのうちモータ５側に近い方の部位から、モータ５側且つ外周側の斜め方向に向けて延びている。

また、連通路２９は、インペラ３の正面側の複数の開口２９ｈと、インペラ３の背面側の複数の開口２９ｔと、を有している。開口２９ｈは、主通路２９ａの吸気口２１側の端部の開口であり、ハブ２３の正面側の面２３ａ上で周方向に等間隔に位置している。開口２９ｈは、例えば、ブレード２５のリーディングエッジ２５ａよりも上流側且つインペラ入口３ａよりも下流側に位置している。４つの開口２９ｔは、各々の分岐通路２９ｂのモータ５側の端部の開口であり、インペラ背面３ｔ上で周方向に等間隔に位置している。

インペラ３の背面側には回転軸線Ｘを中心とする円柱形状をなしモータ５側に向けて軸方向に突出する円柱状部位３３が形成されている。そして、圧縮機１は、上記の円柱状部位３３の円柱面３３ｓと、インペラハウジング１１の内壁面１１ａと、の間隙をシールする第１ラビリンスシール部３１を備えている。本実施形態では、インペラハウジング１１の一部を構成するリング状部材３５の内縁が円柱面３３ｓに近接するように内周側に延び出している。そして、リング状部材３５の内縁面３５ｓと、インペラ背面３ｔの一部でもある円柱面３３ｓと、の間の隙間に第１ラビリンスシール部３１が設けられている。第１ラビリンスシール部３１は、内縁面３５ｓに形成された凹凸部を有している。インペラ背面３ｔは、第１ラビリンスシール部３１を境界として外周側部分４３と内周側部分４４とに径方向に二分される。

また、インペラ３の最上流部においては、クラウンプレート２７の外周面２７ａとインペラハウジング１１の内壁面１１ａとが僅かに隙間をあけて径方向に対面している。そして、圧縮機１は、上記の外周面２７ａと内壁面１１ａとの間隙をシールする第２ラビリンスシール部３２を備えている。第２ラビリンスシール部３２は、内壁面１１ａに形成された凹凸部を有している。

なお、第１ラビリンスシール部３１は、インペラハウジング１１の内壁面１１ａに凹凸が設けられることで構成されているが、インペラ３側に凹凸が設けられて第１ラビリンスシール部３１が構成されてもよい。同様に、第２ラビリンスシール部３２も、インペラハウジング１１のリング状部材３５の内縁面３５ｓに凹凸が設けられることで構成されているが、インペラ３側に凹凸が設けられて第２ラビリンスシール部３２が構成されてもよい。また、第１ラビリンスシール部３１及び第２ラビリンスシール部３２には、壁面の凹凸形状を利用した構造に限らず、ラビリンス流路を構成するための他の構造が採用されてもよい。

ここで、インペラ３が収容されたインペラハウジング１１の内部空間Ｒを、第１領域Ｒ１（インペラの入口側）、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３（インペラの出口側の領域）、及び第４領域Ｒ４（インペラの回転軸側の領域）の４つの領域に分けて考える。第１領域Ｒ１は、吸気口２１及びインペラ入口３ａを含む領域である。第２領域Ｒ２は、クラウンプレート２７の外周面２７ａとインペラハウジング１１の内壁面１１ａとで挟まれた領域であり、第２ラビリンスシール部３２とインペラ出口３ｂとの間の領域である。第３領域Ｒ３は、インペラ３の背面側の空間のうちインペラ出口３ｂと第１ラビリンスシール部３１との間の領域である。第４領域Ｒ４は、インペラ３の背面側の空間のうち第１ラビリンスシール部３１と回転軸１５の軸受部１６との間の領域である。なお、第４領域Ｒ４は、回転軸１５の軸受部１６を通じてモータハウジング１３の内部空間（モータ５の収容空間）に連通している。また、以下では、インペラハウジング１１の内部空間Ｒのうちインペラ３の背面側の空間（すなわち、第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４とを合わせた空間）を背面側空間Ｒ２０と呼ぶ。

第１ラビリンスシール部３１は、インペラ背面３ｔを、第３領域Ｒ３に接する外周側部分４３と、第４領域Ｒ４に接する内周側部分４４と、に径方向に二分して仕切っている。また、第１ラビリンスシール部３１は、背面側空間Ｒ２０を、インペラ出口３ｂ側の第３領域Ｒ３と回転軸１５側の第４領域Ｒ４とに二分して仕切っている。第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間のガスの移動は、第１ラビリンスシール部３１によって抑えられる。第２ラビリンスシール部３２は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを仕切り、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間のガスの移動を抑える。連通路２９は、第１領域Ｒ１と第４領域Ｒ４とを連通し、第１領域Ｒ１と第４領域Ｒ４との間でガスを移動させることができる。すなわち連通路２９は、インペラ３のハブ２３を貫通して設けられ第４領域Ｒ４をインペラ３の入口３ａ側（第１領域Ｒ１）に連通させている。連通路２９の開口２９ｔは、インペラ背面３ｔのうちの第４領域Ｒ４に属する部位に位置している。

なお、前述の通り、インペラハウジング１１及びモータハウジング１３は、ガスを外部に漏洩させないように気密に設けられている。従って、第４領域Ｒ４は、第１ラビリンスシール部３１を通るルート及び連通路２９を通るルートのみを介して圧縮機１の外部に連通されていることになる。すなわち、例えば、第４領域Ｒ４は、第１ラビリンスシール部３１、第３領域Ｒ３、第２領域Ｒ２、第２ラビリンスシール部３２、第１領域Ｒ１、及び吸気口２１を通じて圧縮機１の外部に連通されている。また、例えば、第４領域Ｒ４は、第１ラビリンスシール部３１、第３領域Ｒ３、ディフューザ１７、スクロール１９及び吐出口２２（図１参照）を通じて圧縮機１の外部に連通されている。また、例えば、第４領域Ｒ４は、連通路２９、第１領域Ｒ１、及び吸気口２１を通じて圧縮機１の外部に連通されている。そして、第１ラビリンスシール部３１と連通路２９との何れも通らず、且つ第４領域Ｒ４と圧縮機１の外部とを連通するルートは存在しない。

また、インペラハウジング１１及びモータハウジング１３が気密に設けられていることから、第４領域Ｒ４は、ハウジング７の内部空間内で且つインペラ３の正面側の領域を経由せずにハウジング７の外部と連通する経路を備えていない、と言える。換言すれば、第４領域Ｒ４とハウジング７の外部とを連通させるすべてのルートは、ハウジング７の内部空間内で且つインペラ３の正面側の領域の少なくとも何れかを経由すると言える。ハウジング７の内部空間内で且つインペラ３の正面側の領域とは、例えば、第1領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２である。

続いて、上記の構成の圧縮機１による作用効果について説明する。

圧縮機１の運転中においては、インペラ出口３ｂからディフューザ１７に送り出されるガスの一部が、インペラ３とインペラハウジング１１の内壁面１１ａとの隙間を通じて第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３とに漏れ流れる。そして第２領域Ｒ２のガスは、第２ラビリンスシール部３２を通じて第１領域Ｒ１に漏れ流れる。このとき、第２ラビリンスシール部３２による圧力損失によって、第２領域Ｒ２の圧力が第１領域Ｒ１の圧力よりも高くなる。

一方、第３領域Ｒ３に漏れ流れたガスは、第１ラビリンスシール部３１を通じて第４領域Ｒ４に漏れ流れる。そして第４領域Ｒ４のガスは、連通路２９を通じて第１領域Ｒ１に漏れ流れる。このとき、第１ラビリンスシール部３１による圧力損失によって、第３領域Ｒ３の圧力が第４領域Ｒ４の圧力よりも高くなる。更に、連通路２９による圧力損失によって、第４領域Ｒ４の圧力が第１領域Ｒ１の圧力よりも高くなる。

仮に、連通路２９が存在しないとすれば、第４領域Ｒ４が気密であるために、圧縮機の運転中には第３領域Ｒ３の圧力と第４領域Ｒ４の圧力とが平衡に達して等しくなる。また仮に、第１ラビリンスシール部３１が存在しないとすれば、背面側空間Ｒ２０（第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４とを合わせた空間）はほぼ一様の圧力になる。これに対して、連通路２９及び第１ラビリンスシール部３１を備える圧縮機１によれば、背面側空間Ｒ２０は、運転中に圧力差をもつ２つの領域（第３領域Ｒ３及び第４領域Ｒ４）で構成されることになる。すなわち、第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間には圧力差が存在し、この圧力差は、第１ラビリンスシール部３１による圧力損失と、連通路２９による圧力損失と、に依存する。

ここで、圧縮機１の運転中にインペラ３に作用するスラスト力Ｆは、下式(1)で表される。なおここでは、図１における左向きの力をプラス符号とする。
Ｆ＝Ｐ３・Ｓ３＋Ｐ４・Ｓ４－Ｐ１・Ｓ１－Ｐ２・Ｓ２ …（１）
但し、
Ｐｎ: 圧縮機１の運転中における第ｎ領域Ｒｎの圧力（ｎ＝１～４）
Ｓｎ: インペラ３と第ｎ領域Ｒｎとが接する面の軸方向の投影面積（ｎ＝１～４）
である。

従って、上式(1)から理解されるように、パラメータＰ１～Ｐ４及びＳ１～Ｓ４を適切に設定することにより、圧縮機１の運転中にインペラ３に作用するスラスト力Ｆを設定することができる。すなわち、例えば、スラスト力Ｆをゼロに近づけるような圧縮機１の設計によって、圧縮機１の運転中におけるスラスト力Ｆの低減を図ることができる。

例えば、第１ラビリンスシール部３１及び第２ラビリンスシール部３２の径方向の配置を適切に設計すれば、Ｓ１～Ｓ４を適切な値に設定することができる。すなわち、第１ラビリンスシール部３１と第２ラビリンスシール部３２との位置を、径方向における位置が互いに異なるように設計すれば、その位置関係によってＳ１～Ｓ４を所望の値に設定することができる。

また例えば、第１ラビリンスシール部３１、第２ラビリンスシール部３２、及び連通路２９の通気特性を適切に設計すれば、これらの各部位における圧力損失が適切に調整され、Ｐ１～Ｐ４を所望のバランスに設定することができる。

また、連通路２９は複数の放射状に分岐した分岐通路２９ｂをもって第４領域Ｒ４に接続されている。この構成によれば、周方向に間欠的に配置された分岐通路２９ｂがインペラ３に伴って回転することにより、第４領域Ｒ４からのガスの流入抵抗を生じさせる。すなわち、インペラ３の回転に依存する分岐通路２９ｂの圧力損失を発生させることができる。従って、インペラ３の回転速度に依存するように連通路２９の圧力損失を設定することも可能になる。

また、圧縮機１のインペラ３はクラウンプレート２７を備えるクローズドインペラであるので、第２領域Ｒ２のガスがインペラ３に及ぼす力がシンプルである。従って、式(1)に示されるスラスト力Ｆのうち第２領域Ｒ２に起因する成分がシンプルに表され、上記のような圧縮機１の設計が容易になる。

また、インペラ３のスラスト力Ｆを低減するための他の構造としてバランスピストンがあるが、圧縮機１によれば、バランスピストンよりも構造が単純化され圧縮機１のコストダウンが容易になる。また、圧縮機１によれば、バランスピストンで発生するようなスラスト方向の不安定振動のリスクが低減される。また、圧縮機１によれば、スラスト力Ｆの低減によって回転軸１５の軸受部１６に作用する負荷を低減することができるので、軸受部１６の油循環や冷却装置等の補機を強化する必要性も低減され、圧縮機１を小型化することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。
各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、圧縮機１における第２ラビリンスシール部３２は省略されてもよい。また、インペラ３に代えて、クラウンプレート２７を備えないタイプのインペラ（オープンインペラ）であってもよい。これらの場合、例えば、第１ラビリンスシール部３１の径方向の配置を適切に設計し、第１ラビリンスシール部３１及び連通路２９の通気特性を適切に設計することで、運転中におけるスラスト力Ｆが調整される。また、第４領域Ｒ４と第１領域Ｒ１と連通する流路が、連通路２９の他に存在してもよい。

また、本発明は、スラスト力Ｆをゼロに近づけるような圧縮機１の設計のみならず、スラスト力Ｆを所望の値に近づけるような圧縮機の設計にも適用可能である。例えばこの場合、圧縮機１に代えて、過給機のコンプレッサに本発明が適用されてもよい。過給機においては、コンプレッサインペラの反対側で回転軸に設けられたタービンインペラが存在するので、当該タービンインペラで発生するスラスト力を相殺するように、コンプレッサインペラで発生するスラスト力を調整してもよい。

１ ターボ圧縮機
３ インペラ
３ａ インペラ入口
３ｂ インペラ出口
７ ハウジング
１１ インペラハウジング
１１ａ 内壁面
２３ ハブ
２７ クラウンプレート
２９ 連通路
２９ａ 主通路
２９ｂ 分岐通路
３１ 第１ラビリンスシール部（ラビリンスシール部）
３２ 第２ラビリンスシール部（他のラビリンスシール部）
Ｒ 内部空間
Ｒ１ 第１領域（インペラの入口側）
Ｒ２ 第２領域
Ｒ３ 第３領域（インペラの出口側の領域）
Ｒ４ 第４領域（インペラの回転軸側の領域）
Ｒ２０ インペラの背面側の空間

Claims (3)

1. ハウジングと、前記ハウジングの内部空間に収容されたインペラと、を備えるターボ圧縮機であって、
   前記インペラの背面側で前記インペラと前記ハウジングの内壁面との間隙をシールし、前記内部空間のうち前記インペラの背面側の空間を前記インペラの出口側の領域と前記インペラの回転軸側の領域とに仕切るラビリンスシール部と、
   前記インペラのハブを貫通して設けられ、前記回転軸側の領域を前記インペラの入口側に連通させる連通路と、を備え、
   前記回転軸側の領域は、前記内部空間の前記インペラの正面側の領域を経由せずに前記ハウジングの外部と連通する経路を備えず、
   前記連通路は、前記インペラの回転軸線に沿って延びる主通路と、前記主通路から放射状に分岐し前記回転軸側の領域に開口した複数の分岐通路と、を有する、ターボ圧縮機。
2. 前記インペラは、クラウンプレートを有するクローズドインペラであり、
   前記クラウンプレートの外周面と前記ハウジングの内壁面との間隙をシールする他のラビリンスシール部を更に備える、請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記ラビリンスシール部と、前記他のラビリンスシール部と、は、前記インペラの回転径方向における位置が互いに異なっている、請求項２に記載のターボ圧縮機。

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