JPWO2017094159A1 - 遠心圧縮機のロータ、遠心圧縮機、及び遠心圧縮機のロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

遠心圧縮機（１００）のロータ（１）は、軸線（Ａ）方向に延びるとともに、外周面（９Ａ）に凹部（１１）が形成されたロータ本体（９）と、軸線（Ａ）を中心として延びる円筒状をなし、ロータ本体（９）の外周面（９Ａ）にしまり嵌めされた嵌合領域（１６）を有する内周面（１２Ａ）が形成された円筒部（１２）、円筒部（１２）から軸線（Ａ）の径方向外側に張り出す環状円盤（１３）、環状円盤（１３）の軸線（Ａ）方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて複数が設けられたブレード（１４）と、複数のブレード（１４）を軸線（Ａ）方向一方側から覆うカバー（１５）を有するインペラ（２）と、凹部（１１）内に嵌め込まれており、一部が外周面（９Ａ）よりも径方向外側に突出して円筒部（１２）に対して軸線（Ａ）方向から当接する当接部材（１０）と、を備える。

Description

本発明は、遠心圧縮機のロータ、遠心圧縮機、及び遠心圧縮機のロータの製造方法に関する。

一般的に、遠心圧縮機等の回転機械は、回転駆動されるロータと、ロータを外周側から覆うことで内部に流路を形成するケーシングと、を備えている。ロータは、回転軸線に沿って延びる回転軸と、回転軸の外周面に取り付けられたインペラと、を有している。
インペラを回転軸に取り付けるに当たっては、例えば下記特許文献１に記載されているように、焼き嵌めや冷やし嵌めによる締り嵌めを行うことが一般的である。

実開昭６３−２６７０１号公報

ところで、圧縮率が比較的に高い圧縮機では、ロータを特に高速で回転させる必要がある。ロータを高速で回転させた場合、インペラには回転軸に対する径方向内側から外側に向かう遠心力が付加される。このような遠心力によって、インペラが回転軸の外周面から径方向外側に浮き上がってしまう場合がある。
さらに、インペラに対しては、回転軸に沿って高圧側から低圧側に向かうスラスト力も付加される。このようなスラスト力も、圧縮率の増大に比例して大きくなる。
インペラの浮き上がりを抑制しつつ、スラスト力にも抗するために、上記のような締り嵌めを行うに当たって締め代を大きくすることも考えられる。しかしながら、締め代が大きい場合、高い締付力によってロータにわずかな湾曲が生じ、運転中の振動を誘発する可能性がある。また、インペラの取付け、取外しにも大きな手間を要するため、製造コスト、メンテナンスコストの増大を招く可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、容易な組み立てが可能な遠心圧縮機のロータとその製造方法、及び比較的に高い圧縮率のもとで安定的に運転可能な遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様に係る遠心圧縮機のロータは、軸線方向に延びるとともに、外周面に凹部が形成されたロータ本体と、前記軸線を中心として延びる円筒状をなし、前記ロータ本体の外周面にしまり嵌めされた嵌合領域を有する内周面が形成された円筒部、該円筒部から前記軸線の径方向外側に張り出す環状円盤、前記環状円盤の軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて複数が設けられたブレードと、複数の前記ブレードを前記軸線方向一方側から覆うカバーを有するインペラと、前記凹部内に嵌め込まれており、一部が前記外周面よりも径方向外側に突出して前記円筒部に対して前記軸線方向から当接する当接部材と、を備える。

この構成によれば、当接部材のうち、ロータ本体の外周面よりも径方向外側に突出する部分が、インペラの円筒部に対して軸線方向から当接する。すなわち、インペラに付加されるスラスト力を、当接部材によって受け止めることができる。さらに、当接部材を設けない場合に比べて、嵌合領域の大きさと、締め代の大きさとを小さく抑えることができる。これにより、遠心圧縮機に振動を生じる可能性を低減することができる。

また、本発明の第二の態様によれば、上記第一の態様に係る遠心圧縮機のロータでは、前記円筒部は、前記軸線方向一方側に配置されている第一筒部と、前記第一筒部の前記軸線方向他方側に、該第一筒部に対して前記軸線方向に間隙をあけて配置されている第二筒部と、を有し、前記第一筒部の前記内周面のうち、前記軸線方向他方側の端部を含む領域には、前記径方向外側に凹む段差部が形成され、該段差部の前記軸線方向一方側の端面が、前記当接部材に前記軸線方向一方側から当接するとともに、前記第二筒部の軸線方向一方側の端面が、前記当接部材に前記軸線方向他方側から当接し、前記間隙の前記径方向内側の端部は、前記段差部の径方向内側の領域と連通されていてもよい。

この構成によれば、当接部材によってインペラに付加されるスラスト力を受け止めることができる。さらに、円筒部が第一筒部と第二筒部とに分割され、両者の間に間隙が形成されていることから、インペラの固有振動数を低く抑えることができる。
一方で、上記の間隙を設けない場合、インペラとしての固有振動数は、スプリットリングの固有振動数の影響を受けて大きくなる。これにより、ロータに振れ回り振動等を生じてしまう可能性がある。
しかしながら、上記の構成によれば、間隙を設けることで固有振動数の上昇を抑えられることから、振れ回り等が生じる可能性を低減することができる。

本発明の第三の態様によれば、上記第一の態様に係る遠心圧縮機のロータでは、前記当接部材は、前記円筒部の前記軸線方向一方側の端面に該軸線方向一方側から当接してもよい。

この構成によれば、当接部材が円筒部に対して軸線方向一方側から当接する。これにより、円筒部に対して軸線方向他方側から一方側に向かってスラスト力が付加された場合であっても、十分に対抗することができる。さらに、当接部材を設けない場合に比べて、嵌合領域の大きさと、締め代の大きさとを小さく抑えることができる。これにより、遠心圧縮機に振動を生じる可能性を低減することができる。

本発明の第四の態様によれば、上記第一から第三のいずれか一態様に係る遠心圧縮機のロータでは、前記円筒部の前記内周面は、前記嵌合領域に前記軸線方向で隣接するとともに、前記ロータ本体よりも内径が大きい非嵌合領域を有してもよい。

この構成によれば、円筒部の内周面には、嵌合領域、及び非嵌合領域が形成される。これにより、内周面全体に嵌合領域を設けた場合に比べて、締付力を小さくすることができる。したがって、インペラをロータ本体に対して容易に取り付け、取り外すことができる。

本発明の第五の態様によれば、上記第一から第四のいずれか一態様に係る遠心圧縮機のロータでは、前記当接部材は、前記軸線に対する周方向に配列される複数の分割体を有してもよい。

この構成によれば、ロータ本体の凹溝に、複数の分割体を外周側から順次取り付けることで、容易に当接部材を構成することができる。

本発明の第六の態様によれば、遠心圧縮機は、上記第一から第五のいずれか一態様に係る遠心圧縮機のロータと、前記ロータを外周側から覆うことで、内部に流路を形成するケーシングと、を備える。

この構成によれば、高い圧縮率と容易な組立性とを備える遠心圧縮機を得ることができる。

本発明の第七の態様によれば、遠心圧縮機のロータの製造方法は、上記第一から第五のいずれか一態様に係る遠心圧縮機のロータの製造方法であって、前記インペラの前記円筒部を前記軸線方向から前記ロータ本体に取り付けるとともに、前記嵌合領域を形成する工程と、前記当接部材を前記ロータ本体の前記凹部に取り付ける工程と、を含む。

この構成によれば、高い圧縮率のもとで安定的に運転可能な遠心圧縮機のロータを容易に得ることができる。

上述の構成によれば、容易な組み立てが可能な遠心圧縮機のロータとその製造方法、及び高い圧縮率のもとで安定的に運転可能な遠心圧縮機を提供することができる。

本発明の第一実施形態、及び第二実施形態に係る遠心圧縮機の構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るロータの構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る当接部材（スプリットリング）の構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るロータの製造方法を示す工程図である。 本発明の第二実施形態に係るロータの構成を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る遠心圧縮機の構成を示す図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る遠心圧縮機１００（回転機械）は、複数（６つ）のインペラ２を有するロータ１と、このロータ１を外周側から覆うことで流路３を形成するケーシング４と、を備えている。

ケーシング４は、おおむね軸線Ａに沿って延びる円筒状をなしている。ロータ１は、このケーシング４の内部を軸線Ａに沿って貫通するように延びている。軸線Ａ方向におけるケーシング４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。ロータ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Ａ回りに回転可能に支持されている。

ケーシング４の軸線Ａ方向一方側には、外部から流体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４の軸線Ａ方向他方側には、ケーシング４内部で圧縮された流体が吐出される吐出口８が設けられている。すなわち、この遠心圧縮機１００は、軸線Ａ方向一方側から他方側に向かって流体が流通する方式（ストレート型）を採っている。

ケーシング４の内側には、これら吸気口７と吐出口８とを連通し、縮径と拡径と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２を収容するとともに、上記の流路３の一部をなしている。

図２に示すように、ロータ１は、軸線Ａ方向に延びる略棒状のロータ本体９と、ロータ本体９の外周面９Ａ上で軸線Ａ方向に間隔をあけて設けられた複数のインペラ２と、ロータ本体９及びインペラ２に当接するスプリットリング１０（当接部材）と、を備えている。なお、本実施形態では、ロータ本体９に設けられる複数のインペラ２はいずれも同等の構成を有していることから、代表的に１つのインペラ２のみについて図示、説明をする。

ロータ本体９の外周面９Ａには、軸線Ａに対する径方向外側から内側に向かって凹む角溝状の凹部１１が形成されている。凹部１１の径方向内側の面は、凹部底面１１１とされている。凹部１１における軸線Ａ方向一方側の面は、凹部底面１１１に対して略直交する方向（すなわち、軸線Ａの径方向）に延びる凹部第一端面１１２とされている。凹部１１における軸線Ａ方向他方側の面は、凹部第一端面１１２と略平行に延びる凹部第二端面１１３とされている。

この凹部１１には、後述するスプリットリング１０が取り付けられる。凹部１１を挟んで軸線Ａ方向両側では、ロータ本体９の外径は互いに略同一とされている。さらに、凹部１１の径方向における寸法（深さ）は、スプリットリング１０の径方向における寸法よりも小さい。これにより、スプリットリング１０の径方向外側の部分は、凹部１１から径方向外側に向かって突出している。

インペラ２は、軸線Ａを中心として延びる筒状の円筒部１２と、円筒部１２に一体に設けられて円筒部１２から軸線Ａの径方向外側に張り出す環状円盤１３と、環状円盤１３の軸線Ａ方向一方側の面に設けられた複数のブレード１４と、これらブレード１４を軸線Ａ方向一方側から覆うカバー１５と、を備えている。

円筒部１２は、軸線Ａ方向一方側に配置される第一筒部１２１と、この第一筒部１２１の軸線Ａ方向他方側に間隔をあけて配置されている第二筒部１２２と、を有している。

第一筒部１２１の内周面１２Ａは、軸線Ａ方向から見て軸線Ａを中心とする円形の断面を有している。さらに、内周面１２Ａのうち、軸線Ａ方向一方側の端部を含む一部のみの領域は、ロータ本体９の外周面９Ａに対して径方向外側から締り嵌めによって固定される嵌合領域１６（第一嵌合領域１６１）とされている。すなわち、インペラ２がロータ本体９に取り付けられた状態では、第一嵌合領域１６１においてロータ本体９の外周面９Ａと第一筒部１２１の内周面１２Ａとが隙間なく当接する。

一例として、嵌合領域１６は焼き嵌めによって形成される。すなわち、焼き嵌めを施す前の段階では、ロータ本体９の外径は、円筒部１２の内径よりも大きく設定されている。このロータ本体９の外径と、円筒部１２の内径との差分が焼き嵌めを施す際の締め代となる。本実施形態では、締め率は、０．５／１０００以上、８．０／１０００以下とされる。

さらに望ましくは、締め率は、１．０／１０００以上、５．０／１０００以下とされる。最も望ましくは、締め率は、１．５／１０００以上、３．０以下とされる。

なお、ここで言う締め率とは、ロータ本体９の設計基準寸法に対する締め代の相対的な大きさを示す指標を表す。具体的には、ロータ本体９の外形の基準寸法を１０００として、締め代の大きさをＸとした場合、締め率は、Ｘ／１０００と表現される。

このような構成のもとで、インペラ２（円筒部１２）を加熱して熱膨張させることで、円筒部１２の内径が拡大して、ロータ本体９の外径よりも大きくなる。円筒部１２の内径が拡大した状態で、ロータ本体９が円筒部１２の内側に挿通される。その後、インペラ２に加えた熱を除去することでインペラ２は収縮して、初期の寸法に戻る。すなわち、上記の嵌合領域１６では、円筒部１２がロータ本体９に対して締り嵌めされている。

第一筒部１２１の内周面１２Ａであって、嵌合領域１６に隣接する軸線Ａ方向他方側の領域は、上記のような締り嵌めが施されない非嵌合領域１７（第一非嵌合領域１７１）とされている。すなわち、第一非嵌合領域１７１では、円筒部１２の内径は、ロータ本体９の外径よりもわずかに大きい。これにより、インペラ２がロータ本体９に取り付けられた状態において、第一非嵌合領域１７１では、第一筒部１２１はロータ本体９に対して隙間嵌めされている。

軸線Ａを含む断面上で、第一筒部１２１の外周側の面は、軸線Ａ方向一方側から他方側に向かうに従って次第に軸線Ａの径方向内側から外側に向かって湾曲している。言い換えれば、第一筒部１２１の外周側の面は、おおむね円錐状に形成されている。この面は、上記の流路３の一部をなす流路形成面１８とされている。

第一筒部１２１の内周面１２Ａのうち、軸線Ａ方向他方側の端部を含む領域には、軸線Ａに対する径方向内側から外側に向かって凹む段差部１９が形成されている。より具体的には、この段差部１９は、軸線Ａ方向一方側の壁面をなす第一端面１９１と、第一端面１９１に略直交するとともに、軸線Ａの周方向の延びる環状の底面１９２と、によって形成されている。軸線Ａを含む断面視で、第一端面１９１、及び第二端面は、軸線Ａに対する径方向に延びている。底面１９２は、軸線Ａに沿って延びている。

第二筒部１２２は、上記の第一筒部１２１に対して軸線Ａ方向他方側に間隔（クリアランスＣ）をあけて設けられている。この第二筒部１２２は、後述する環状円盤１３と一体に形成されている。第二筒部１２２の内周面１２Ｂは、上述したロータ本体９上の凹部１１よりも軸線Ａ方向他方側の領域で当該ロータ本体９の外周面９Ａに径方向外側から当接している。第二筒部１２２の軸線Ａ方向一方側の端面（第二筒部端面１２３）は、段差部１９の内側に軸線Ａ方向他方側から臨んでいる。

第一筒部１２１の軸線Ａ方向他方側の端面は、上述したクリアランスＣを介して、環状円盤１３に臨んでいる。すなわち、クリアランスＣを介して、円筒部１２の外周側と、段差部１９の径方向内側の領域とが互いに連通されている。

第二筒部１２２の内周面１２Ｂは、軸線Ａ方向から見て軸線Ａを中心とする円形の断面を有している。さらに、第二筒部１２２の内周面１２Ｂ上にも、上述の第一嵌合領域１６１、第一非嵌合領域１７１と同様に、ロータ本体９の外周面９Ａに対してしまり嵌めされる第二嵌合領域１６２と、これに隣接する第二非嵌合領域１７２とが形成されている。具体的には、第二筒部１２２の内周面１２Ｂのうち、軸線Ａ方向他方側の端部を含む領域に、第二嵌合領域１６２が形成される。第二非嵌合領域１７２は、この第二嵌合領域１６２よりも軸線Ａ方向一方側の領域とされている。第二非嵌合領域１７２も、第一非嵌合領域１７１と同様に、ロータ本体９の外周面９Ａに対して隙間嵌めされている。

環状円盤１３は、上記の第二筒部１２２から軸線Ａに対する径方向外側に向かって広がる円環状をなしている。環状円盤１３の軸線Ａ方向一方側を向く面（第一対向面１３Ａ）には、軸線Ａに対する周方向に間隔をあけて、複数のブレード１４が配列されている。ブレード１４は、第一対向面１３Ａ上から軸線Ａ方向一方側に向かって延びる翼状の部材である。

詳しくは図示しないが、軸線Ａ方向から見てブレード１４は、径方向内側から外側に向かうにしたがって周方向の一方側から他方側に湾曲している。周方向で隣り合う一対のブレード１４同士の間の空間は、流路３（インペラ流路２１）の一部をなしている。

これらブレード１４の軸線Ａ方向一方側の端縁には、カバー１５が取り付けられている。カバー１５は複数のブレード１４を軸線Ａ方向一方側から覆っている。具体的には、カバー１５は軸線Ａを中心とした円環状をなしている。カバー１５の軸線Ａ方向両面のうち、軸線Ａ方向他方側を向く面（すなわち、ブレード１４の軸線Ａ方向一方側の端縁が接続される面）は、ブレード１４同士の間の空間を挟んで上記の第一対向面１３Ａと軸線Ａ方向に対向する第二対向面１５Ａとされている。

カバー１５の径方向内側には、軸線Ａ方向一方側に向かって突出する突出部２０が一体に設けられている。この突出部２０の径方向内側の面は、第一筒部１２１の流路形成面１８と軸線Ａに対する径方向外側から対向するカバー対向面２０Ａとされている。

上記の流路形成面１８とカバー対向面２０Ａ、及び第一対向面１３Ａと第二対向面１５Ａにより、インペラ２の内側には流体が流通する空間が形成される。この空間は上述の流路３の一部であるインペラ流路２１を形成している。

インペラ２の軸線Ａ方向一方側には、軸線Ａを中心とする円筒状に形成されたスリーブ２２が取り付けられている。このスリーブ２２は、第一筒部１２１に対して軸線Ａ方向一方側から当接している。本実施形態では、スリーブ２２の内径、及び外径は、軸線Ａ方向の全体にわたっておおむね一様とされている。さらに、スリーブ２２の外周面と第一筒部１２１の外周面とは、軸線Ａ方向に連続している。

スプリットリング１０は、ロータ本体９の外周面９Ａに形成された凹部１１、第一筒部１２１の内周面１２Ａに形成された段差部１９、及び第二筒部１２２の軸線Ａ方向一方側の端面によって囲まれる空間に配置される円環状の部材である。軸線Ａを含む断面視で、スプリットリング１０の断面形状は、略矩形状である。本実施形態に係るスプリットリング１０は、図３に示すように、軸線Ａに対する周方向に複数（３つ）に分割されている。すなわち、スプリットリング１０は、周方向に配列される３つの分割体によって形成される。

より詳細には、分割体は周方向で互いに隣接する一対の第一分割体１０１と、これら一対の第一分割体１０１によって周方向両側から挟まれる第二分割体１０２と、を有している。第一分割体１０１と第二分割体１０２は、弾性変形可能な略円弧状の部材によって形成されている。さらに、第一分割体１０１、第二分割体１０２は、ロータ本体９に取り付ける前の状態では、いずれもロータ本体９の外周面９Ａよりも大きな曲率を有している。

第一分割体１０１の周方向一方側の端面１０１Ｂは、自身の中心軸に対する径方向に略平行に延びている。一方で、第一分割体１０１の周方向他方側の端面（第一傾斜面１０１Ａ）は、自身の中心軸に対する径方向に対して傾斜して延びている。より具体的には、この第一傾斜面１０１Ａは、径方向内側を臨むように斜めに切り欠かれている。すなわち、第一分割体１０１は、自身の中心軸に対する径方向を基準として周方向で非対称な形状を有している。

第二分割体１０２は、第一分割体１０１とは異なり、周方向で対称な形状を有している。第二分割体１０２の周方向両側の端面（第二傾斜面１０２Ａ）は、いずれも自身の中心軸に対する径方向に対して傾斜して延びている。より具体的には、これら第二傾斜面１０２Ａは、径方向外側を臨むように斜めに切り欠かれている。第二傾斜面１０２Ａは、上記の第一傾斜面１０１Ａとおおむね同一の角度をもって径方向に対して傾斜している。言い換えれば、第一分割体１０１と第二分割体１０２とが組立てられた状態では、第一傾斜面１０１Ａと第二傾斜面１０２Ａとは互いに略平行をなして当接する。

以上のような２つの第一分割体１０１と、１つの第二分割体１０２とが、ロータ本体９の凹部１１に対して径方向外側から嵌め込まれる。凹部１１に嵌め込まれた状態において、第一分割体１０１、第二分割体１０２は、いずれも曲率が小さくなる方向に弾性変形している。さらに、この状態においては、第一分割体１０１の第一傾斜面１０１Ａと、第二分割体１０２の第二傾斜面１０２Ａとが互いに隙間なく当接している。すなわち、おおむね径方向外側を向く第一傾斜面１０１Ａに対して、おおむね径方向内側を向く第二傾斜面１０２Ａが当接している。

ここで、第二分割体１０２は、上記のように曲率が小さくなる方向に弾性変形しているため、第二分割体１０２には、自身の弾性復元力によって、曲率が大きくなる方向に戻ろうとする力が働いている。すなわち、スプリットリング１０が組立てられた状態において、第二分割体１０２の第二傾斜面１０２Ａは、第一分割体１０１の第一傾斜面１０１Ａに対して、径方向外側から力を及ぼしている。この力により、２つの第一分割体１０１は曲率がそれぞれ小さくなる方向に弾性変形しながら、凹部１１内に脱落不能に収容されている。

上記のスプリットリング１０が、ロータ本体９の凹部１１と、インペラ２の段差部１９とによって径方向両側から挟まれる。具体的には図２に示すように、凹部１１の凹部第一端面１１２、及び段差部１９の第一端面１９１が、スプリットリング１０の軸線Ａ方向一方側の面に当接している。凹部１１の凹部底面１１１は、スプリットリング１０の径方向内側の面に当接している。段差部１９の底面１９２は、スプリットリング１０の径方向外側の面に当接している。凹部１１の凹部第二端面１１３、及び第二筒部１２２の第二筒部端面１２３は、スプリットリング１０の軸線Ａ方向他方側の面に当接している。

続いて、遠心圧縮機１００のロータ１の製造方法について、図４を参照して説明する。まず、上述のように構成されたインペラ２と、ロータ本体９と、を準備する（Ｓ１工程）。これら部材は、例えばステンレス等の比較的に硬度の高い金属材料によってそれぞれ一体に形成されることが望ましい。

次いで、インペラ２をロータ本体９に取り付ける。インペラ２をロータ本体９に取り付けるに当たっては、一例としてはじめに第一筒部１２１を焼き嵌めによって取り付けることが望ましい。この工程により、上述の第一嵌合領域１６１と第一非嵌合領域１７１とが形成される（Ｓ２工程）。

次いで、ロータ本体９の凹部１１に、スプリットリング１０（第一分割体１０１、第二分割体１０２）を取り付ける（Ｓ３工程）。スプリットリング１０を取り付けた後、第二筒部１２２をロータ１の外周面９Ａに取り付ける（Ｓ４工程）。この工程により、第二筒部１２２と、当該第二筒部１２２と一体に形成された環状円盤１３とが、ロータ本体９に取り付けられる。具体的には、第二筒部１２２の軸線Ａ方向一方側の面（すなわち、段差部１９の第二端面）が、スプリットリング１０の軸線Ａ方向他方側の面に当接する。

さらに、このとき、第一筒部１２１と第二筒部１２２との間には、軸線Ａ方向にわたって上記のクリアランスＣが形成される。また、この工程により、上述の第二嵌合領域１６２と第二非嵌合領域１７２とが形成される。次に、ロータ本体９にスリーブ２２を取り付ける（Ｓ５工程）。以上により、本実施形態に係る遠心圧縮機１００のロータ１の製造方法の各工程が完了する。

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を稼働させるに当たっては、まず駆動源（不図示）によってロータ１を回転させる。ロータ１が不図示の駆動源によって軸線Ａ回りに回転駆動されることで、ロータ１上に設けられた複数のインペラ２がロータ１と一体に回転する。インペラ２の回転に伴って、吸気口７から外部の流体がケーシング４内の流路３に取り込まれる。

上記の流路３を通じて軸線Ａ方向一方側から流入した流体は、インペラ流路２１を経て圧縮される。より詳細には、流体はカバー対向面２０Ａと流路形成面１８とによって形成される空間を通じて、軸線Ａ方向一方側から他方側に向かって流れる。次いで、流体は、流路形成面１８の湾曲形状に沿って向きを変えた後、第一対向面１３Ａ及び第二対向面１５Ａによって形成される空間内を径方向内側から外側に向かって流れる。同様に複数のインペラ流路２１を経て流体は順次圧縮される。圧縮されて高圧状態となった流体は、吐出口８を通じて種々の外部装置（不図示）に供給される。

ここで、遠心圧縮機１００の運転中には、流路３内における軸線Ａ方向一方側（吸気口７側）では比較的に低圧の流体が流通している一方で、軸線Ａ方向他方側（吐出口８側）では比較的に高圧の流体が流通している。この圧力差により、インペラ２に対しては、軸線Ａ方向他方側から一方側に向かう力（スラスト力）が付加される。

加えて、圧縮率が高い圧縮機では、ロータ１を特に高速で回転させる必要があることから、インペラ２には回転軸に対する径方向内側から外側に向かう遠心力が付加される。このような遠心力によって、インペラ２がロータ本体９の外周面９Ａから径方向外側に浮き上がってしまう場合がある。

インペラ２の浮き上がりを抑制しつつ、スラスト力にも抗するために、上記のような締り嵌めを行うに当たって締め代を大きくすることも考えられる。しかしながら、締め代が大きい場合、高い締付力によってロータ１にわずかな湾曲が生じ、運転中の振動を誘発する可能性がある。また、インペラ２の取付け、取外しにも大きな手間を要するため、製造コスト、メンテナンスコストの増大を招く可能性がある。

そこで、本実施形態に係る遠心圧縮機１００では、スプリットリング１０によってスラスト力の一部を受け止めることで、嵌合領域１６の大きさと、締め代の大きさとを比較的小さく抑えている。より詳細には、スプリットリング１０のうち、ロータ本体９の外周面９Ａよりも径方向外側に突出する部分が、インペラ２の円筒部１２に対して軸線Ａ方向から当接している。具体的には、凹部１１の凹部第一端面１１２、及び段差部１９の第一端面１９１が、スプリットリング１０の軸線Ａ方向一方側の面に当接している。凹部１１の凹部底面１１１は、スプリットリング１０の径方向内側の面に当接している。段差部１９の底面１９２は、スプリットリング１０の径方向外側の面に当接している。凹部１１の凹部第二端面１１３、及び第二筒部１２２の第二筒部端面１２３は、スプリットリング１０の軸線Ａ方向他方側の面に当接している。

このように、スプリットリング１０をロータ本体９の外周面９Ａに設けて、インペラ２に当接させることによって、インペラ２に付加されるスラスト力を受け止めることができる。すなわち、スプリットリング１０によって受け止められるスラスト力の分だけ嵌合領域１６に付加される力を減少させることができる。これにより、スプリットリング１０を設けない場合に比べて、嵌合領域１６の大きさを小さく抑えることができる。言い換えると、ロータ本体９の外周面９Ａ上に非嵌合領域１７を形成することができる。さらに、嵌合領域１６における締め代の大きさを小さく抑えることもできる。これにより、ロータ本体９の外周面９Ａの全体にわたって締り嵌めを施した場合に比べて、遠心圧縮機１００に振動を生じる可能性を低減することができるとともに、インペラ２をロータ本体９に対して容易に取り付けたり、取り外したりすることができる。

さらに、円筒部１２が第一筒部１２１と第二筒部１２２とに分割され、両者の間にクリアランスＣが形成されていることから、インペラ２の固有振動数を低く抑えることができる。
一方で、上記の間隙を設けない場合、インペラ２としての固有振動数は、スプリットリング１０の固有振動数の影響を受けて大きくなる。これにより、ロータ１に振れ回り振動等を生じてしまう可能性がある。
しかしながら、上記の構成によれば、間隙を設けることで固有振動数の上昇を抑えられることから、振れ回り等が生じる可能性を低減することができる。

加えて、上述の構成によれば、ロータ本体９の凹部１１に、複数の分割体（第一分割体１０１、第二分割体１０２）を外周側から順次取り付けることで、容易にスプリットリング１０を構成することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図５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、インペラ２０２の円筒部２１２が一の部材によって一体に形成されている点で上記第一実施形態とは異なっている。すなわち、本実施形態では、円筒部２１２に上記のクリアランスＣが形成されていない。

さらに、この円筒部２１２の内周面２１２Ａにおける軸線Ａ方向一方側の端部を含む領域には、上記と同様の嵌合領域１６がされている。嵌合領域１６の軸線Ａ方向他方側には、非嵌合領域１７が形成されている。

スプリットリング１０は、上記のように形成された円筒部２１２の軸線Ａ方向一方側の端面に当接している。スプリットリング１０の径方向外側の部分は、第一実施形態と同様に、ロータ本体９の外周面９Ａから径方向外側に突出している。スプリットリング１０の外周面と、円筒部２１２の外周面（流路形成面２１８）との間には、径方向に段差が形成されている。

スプリットリング１０の軸線Ａ方向一方側には、軸線Ａを中心とする円筒状に形成されたスリーブ２２２が取り付けられている。スリーブ２２２の外周面は軸線Ａ方向全域にわたっておおむね一様の外径を有している。一方で、スリーブ２２２の内周面のうち、軸線Ａ方向他方側の端縁には、スプリットリング１０を径方向外側から覆う拡径部２２３が形成されている。拡径部２２３は、スプリットリング１０の外周面と流路形成面２１８との間の段差を埋めている。すなわち、スリーブ２２２、及びインペラ２０２がロータ本体９に取り付けられた状態において、スリーブ２２２の外周面と流路形成面２１８とは軸線Ａ方向に連続している。

この構成によれば、スプリットリング１０が円筒部２１２の軸線Ａ方向一方側の端面に対して軸線Ａ方向一方側から当接する。これにより、円筒部２１２に対して軸線Ａ方向他方側から一方側に向かってスラスト力が付加された場合であっても、十分に対抗することができる。さらに、スプリットリング１０を設けない場合に比べて、嵌合領域１６の大きさと、締め代の大きさとを小さく抑えることができる。これにより、遠心圧縮機１００に振動を生じる可能性を低減することができる。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について図６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、本実施形態に係る遠心圧縮機３００は、上記の各実施形態におけるストレート型の遠心圧縮機１００とは異なり、いわゆるバックトゥバック型とされている。

遠心圧縮機３００は、軸線Ａ２を中心として延びるロータ３０１と、ロータ３０１を軸線Ａ２回りに回転可能に支持する一対の軸受部３０２と、これらを外周側から覆うケーシング３０３と、ケーシング３０３に取り付けられたバランスピストン３０４と、を備えている。

ロータ３０１は、略棒状のロータ本体３０５と、このロータ本体３０５上で軸線Ａ２方向に間隔をあけて設けられた複数のインペラ３０６と、ロータ本体３０５とインペラ３０６との間に介在するスプリットリング１０（当接部材）と、を有している。

本実施形態では、ロータ本体３０５には、６つのインペラ３０６が取り付けられている。これらインペラ３０６のうち、軸線Ａ２方向一方側に位置する３つのインペラ３０６（第一インペラ群Ｇ１）では、ブレード３０７が軸線Ａ２方向一方側に向かって延びている。一方で、軸線Ａ２方向他方側に位置する３つのインペラ３０６（第二インペラ群Ｇ２）では、ブレード３０７が軸線Ａ２方向他方側に向かって延びている。

インペラ３０６はいずれもロータ本体３０５に対してしまり嵌めによって固定されている。すなわち、ロータ本体３０５の外周面３０５Ａとインペラ３０６の円筒部３１２の内周面３１２Ａとの間には、上記各実施形態と同様の嵌合領域３１６と非嵌合領域３１７とが形成されている。さらに、これらインペラ３０６とロータ本体３０５との間には、上記の各実施形態と同様のスプリットリング１０がそれぞれ取り付けられている。

ケーシング３０３には、流体をケーシング３０３の内部に取り込むための第一吸気口３０８、及び第二吸気口３０９が設けられている。さらに、ケーシング３０３には、圧縮された流体を吐出するための第一吐出口３１０、及び第二吐出口３１１が設けられている。

第一吸気口３０８を通じてケーシング３０３内に取り込まれた流体は、回転する第一インペラ群Ｇ１によって圧縮されて高圧（中間圧力）となる。第一インペラ群Ｇ１によって圧縮された流体は、第一吐出口３１０から不図示の配管を経て、第二吸気口３０９によって再びケーシング３０３内に取り込まれる。第二吸気口３０９から取り込まれた中間圧力の流体は、第二インペラ群Ｇ２によって再び圧縮されてさらに高圧（目標圧力）となる。第二インペラ群Ｇ２によって圧縮された流体は、第二吐出口３１１を通じて外部に吐出される。

ここで、第二インペラ群Ｇ２側では、第一インペラ群Ｇ１側よりも高い圧力の流体が流通している。これにより、第二インペラ群Ｇ２側から第一インペラ群Ｇ１側に向かって流体が漏出する可能性がある。バランスピストン３０４は、これら第一インペラ群Ｇ１と第二インペラ群Ｇ２との間における流体の往来をシールするために設けられる。

以上のように構成された遠心圧縮機３００では、上記の第一、第二実施形態における遠心圧縮機１００と同様に、それぞれのインペラ３０６に対してスラスト力が付加される。より具体的には、第一インペラ群Ｇ１における３つのインペラ３０６には、軸線Ａ２方向他方側から一方側に向かうスラスト力が付加される。第二インペラ群Ｇ２における３つのインペラ３０６には、軸線Ａ２方向一方側から他方側に向かうスラスト力が付加される。しかしながら、上述のスプリットリング１０を設けることによって、このようなスラスト力にも十分に対抗することができる。すなわち、遠心圧縮機３００のようなバックトゥバック型の装置であっても、スプリットリング１０を用いることで、嵌合領域３１６の大きさと、締め代の大きさとを抑えることができる。これにより、ロータ本体３０５の外周面３０５Ａの全体にわたって締り嵌めを施した場合に比べて、遠心圧縮機３００に振動を生じる可能性を低減することができるとともに、インペラ３０６をロータ本体３０５に対して容易に取り付け、取り外すことができる。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して説明した。なお、上記の各構成はいずれも一例であって、これらに種々の改修や変更を加えることが可能である。
例えば、上記の各実施形態で示した遠心圧縮機１００、及び遠心圧縮機３００におけるインペラ２（インペラ３０６）の設けられる数は上記に限定されず、設計や仕様に応じて任意に決定されてよい。

さらに、上記の各実施形態では、インペラ２として、カバー１５を備える形式（クローズドインペラ）を採用した例について説明した。しかしながら、インペラ２の形式はこれに限定されず、カバー１５を備えない形式（オープンインペラ）を採用することも可能である。

加えて、上記の各実施形態では、１つのインペラ２に対応して、１つのスプリットリング１０が設けられている例について説明した。しかしながら、１つのインペラ２に対して複数（２つ、または３つ以上）のスプリットリング１０を設けることも可能である。このような構成によれば、インペラ２に付加されるスラスト力に対して、さらに十分に抗することができる。

さらに加えて、上記の各実施形態では、当接部材として円環状のスプリットリング１０を用いた例について説明した。しかしながら、当接部材の態様はスプリットリング１０に限定されない。一例として、ロータ本体９の外周面９Ａ上で、径方向外側に向かって突出する複数のピン状部材を周方向に間隔をあけて配列することで当接部材としてもよい。このような構成によっても、インペラ２に付加されるスラスト力に対して十分に抗することができる。

上述の構成によれば、容易な組み立てが可能な遠心圧縮機のロータとその製造方法、及び高い圧縮率のもとで安定的に運転可能な遠心圧縮機を提供することができる。

１…ロータ ２…インペラ ３…流路 ４…ケーシング ５…ジャーナル軸受 ６…スラスト軸受 ７…吸気口 ８…吐出口 ９…ロータ本体 １０…スプリットリング １１…凹部 １２…円筒部 １３…環状円盤 １４…ブレード １５…カバー １６、３１６…嵌合領域 １７、３１７…非嵌合領域 １８…流路形成面 １９…段差部 ２０…突出部 ２１…インペラ流路 ２２…スリーブ １００…遠心圧縮機 １０１…第一分割体 １０２…第二分割体 １１１…凹部底面 １１２…凹部第一端面 １１３…凹部第二端面 １２１…第一筒部 １２２…第二筒部 １２３…第二筒部端面 １６１…第一嵌合領域 １６２…第二嵌合領域 １７１…第一非嵌合領域 １７２…第二非嵌合領域 １９１…第一端面 １９２…底面 ２０２…インペラ ２１２…円筒部 ２１２Ａ…内周面 ２１８…流路形成面 ２２２…スリーブ ２２３…拡径部 ３００…遠心圧縮機 ３０１…ロータ ３０２…軸受部 ３０３…ケーシング ３０４…バランスピストン ３０５…ロータ本体 ３０６…インペラ ３０７…ブレード ３０８…第一吸気口 ３０９…第二吸気口 ３１０…第一吐出口 ３１１…第二吐出口 ９Ａ…外周面 １２Ａ、１２Ｂ…内周面 １３Ａ…第一対向面 １５Ａ…第二対向面 ２０Ａ…カバー対向面 １０１Ａ…第一傾斜面 １０２Ａ…第二傾斜面 Ａ、Ａ２…軸線 Ｃ…クリアランス Ｇ１…第一インペラ群 Ｇ２…第二インペラ群

Claims (7)

1. 軸線方向に延びるとともに、外周面に凹部が形成されたロータ本体と、
   前記軸線を中心として延びる円筒状をなし、前記ロータ本体の外周面にしまり嵌めされた嵌合領域を有する内周面が形成された円筒部、該円筒部から前記軸線の径方向外側に張り出す環状円盤、前記環状円盤の軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて複数が設けられたブレードと、複数の前記ブレードを前記軸線方向一方側から覆うカバーを有するインペラと、
   前記凹部内に嵌め込まれており、一部が前記外周面よりも径方向外側に突出して前記円筒部に対して前記軸線方向から当接する当接部材と、
   を備える遠心圧縮機のロータ。
2. 前記円筒部は、
   前記軸線方向一方側に配置されている第一筒部と、
   前記第一筒部の前記軸線方向他方側に、該第一筒部に対して前記軸線方向に間隙をあけて配置されている第二筒部と、
   を有し、
   前記第一筒部の前記内周面のうち、前記軸線方向他方側の端部を含む領域には、前記径方向外側に凹む段差部が形成され、該段差部の前記軸線方向一方側の端面が、前記当接部材に前記軸線方向一方側から当接するとともに、前記第二筒部の軸線方向一方側の端面が、前記当接部材に前記軸線方向他方側から当接し、
   前記間隙の前記径方向内側の端部は、前記段差部の径方向内側の領域と連通されている請求項１に記載の遠心圧縮機のロータ。
3. 前記当接部材は、
   前記円筒部の前記軸線方向一方側の端面に該軸線方向一方側から当接する請求項１に記載の遠心圧縮機のロータ。
4. 前記円筒部の前記内周面は、前記嵌合領域に前記軸線方向で隣接するとともに、前記ロータ本体よりも内径が大きい非嵌合領域を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機のロータ。
5. 前記当接部材は、前記軸線に対する周方向に配列される複数の分割体を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の遠心圧縮機のロータ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の遠心圧縮機のロータと、
   前記ロータを外周側から覆うことで、内部に流路を形成するケーシングと、
   を備える遠心圧縮機。
7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の遠心圧縮機のロータの製造方法であって、
   前記インペラの前記円筒部を前記軸線方向から前記ロータ本体に取り付けるとともに、前記嵌合領域を形成する工程と、
   前記当接部材を前記ロータ本体の前記凹部に取り付ける工程と、
   を含む遠心圧縮機のロータの製造方法。

Images