WO2025100012A1 - 遠心式ターボ機械 - Google Patents

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WO2025100012A1
WO2025100012A1 PCT/JP2024/027693 JP2024027693W WO2025100012A1 WO 2025100012 A1 WO2025100012 A1 WO 2025100012A1 JP 2024027693 W JP2024027693 W JP 2024027693W WO 2025100012 A1 WO2025100012 A1 WO 2025100012A1
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shroud
seal
impeller
vanes
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PCT/JP2024/027693
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English (en)
French (fr)
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聡允 三浦
達哉 宇野
亮人 佐用
祐司 森田
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Motors Ltd
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Jukogyo KK
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers

Definitions

  • This disclosure relates to centrifugal turbomachinery.
  • Centrifugal turbomachines such as centrifugal compressors, centrifugal pumps, and radial turbines, are known from the past. Centrifugal compressors and centrifugal pumps apply work to a fluid to increase its pressure, while radial turbines recover power from the high-pressure fluid.
  • a centrifugal turbomachine includes an impeller, a hub disposed on the rear side of the impeller, and a shroud that is positioned around the impeller and forms a radial flow passage between the hub and the impeller.
  • the hub or the shroud is provided with a plurality of vanes disposed within the radial flow passage.
  • the vanes are, for example, diffuser vanes in centrifugal compressors and centrifugal pumps, and nozzle vanes in radial turbines.
  • Patent Document 1 discloses a centrifugal compressor in which a recess is formed in the hub or shroud on which the vanes are not provided, into which the tip of the vane fits. Note that the recess is called a "recess" in Patent Document 1. In this type of centrifugal compressor, leakage flow through the gap between the hub or shroud on which the vanes are not provided and the vanes is reduced.
  • the present disclosure therefore aims to provide a centrifugal turbomachine that can achieve performance improvement effects regardless of operating conditions such as the design rated point or partial load.
  • the present disclosure provides a centrifugal turbomachine comprising an impeller, a hub disposed on the rear side of the impeller, a shroud positioned around the impeller and forming a radial flow passage between the hub and the shroud, and a plurality of vanes disposed in the radial flow passage provided on one of the hub and the shroud, wherein a plurality of recesses are formed on the other of the hub and the shroud into which the tips of the vanes respectively fit, and within each recess is disposed a seal that seals between the bottom of the recess and the tip of the corresponding vane and that deforms in response to dimensional changes between the bottom of the recess and the tip of the vane.
  • This disclosure provides a centrifugal turbomachine that can achieve improved performance regardless of the operating state, such as the design rated point or partial load.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a centrifugal turbomachine according to an embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of one vane
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a centrifugal turbomachine 1 according to one embodiment.
  • the fluid used in the centrifugal turbomachine 1 may be either a gas or a liquid.
  • the centrifugal turbomachine 1 is a single-stage type, but the centrifugal turbomachine 1 may also be a multi-stage type.
  • the centrifugal turbomachine 1 includes an impeller 3, a hub 5 disposed on the rear side of the impeller 3, and a shroud 6 positioned around the impeller 3 and forming a radial flow passage 11 between the impeller 3 and the hub 5.
  • the centrifugal turbomachine 1 includes a volute casing 7 forming a volute chamber communicating with the radial flow passage 11, but the volute chamber may be omitted.
  • the impeller 3 includes a hub 31 that expands in diameter from the front to the back, and a number of blades 32 provided on the outer circumferential surface of the hub 31.
  • the impeller 3 is fixed to the rotating shaft 2, and a bearing 4 that rotatably supports the rotating shaft 2 is held by the hub 5.
  • vanes 8 are arranged in the radial flow passage 11.
  • the vanes 8 are diffuser vanes when the centrifugal turbomachine 1 is a centrifugal compressor and a centrifugal pump, and are nozzle vanes when the centrifugal turbomachine 1 is a radial turbine.
  • the vanes 8 are integrally provided with the shroud 6.
  • the hub 5 is also formed with a number of recesses 51 into which the tips of the vanes 8 fit. Furthermore, a seal 9 is disposed within each recess 51 to provide a seal between the bottom of the recess 51 and the tip of the corresponding vane 8.
  • the contour of the recess 51 is slightly larger than the contour of the vane 8.
  • the vane 8 has a shape that widens from one end on the impeller 3 side to the other end opposite the impeller 3.
  • the seal 9 has a constant width and is disposed along the center line 81 of the corresponding vane 8.
  • the center line 81 is a straight line, but the center line 81 may also be a curved line.
  • the seal 9 deforms in response to dimensional changes between the bottom of the recess 51 and the corresponding tip of the vane 8.
  • the seal 9 is a brush seal including a base 91 and brush bristle material 92 embedded in the base 91, as shown in FIG. 3.
  • the base 91 is fixed to the bottom of the recess 51 with an adhesive or the like, and the brush bristle material 92 is pressed against the tip surface of the vane 8 in an elastically deformed state.
  • the brush bristle material 92 may be a metal wire or carbon fiber.
  • the seal 9 may be a gap seal made of elastically deformable resin, in other words a strip made of resin.
  • the resin may be nylon.
  • the seals 9 arranged in each recess 51 deform in response to the dimensional change between the bottom of the recess 51 and the tip of the vane 8, so that when thermal deformation occurs in the hub 5 and shroud 6, a gap is prevented from being formed between the hub 5 and the vane 8 where the vane 8 is not provided. Therefore, the performance improvement effect of the centrifugal turbomachine 1 can be achieved regardless of the operating state, such as the design rated point or partial load.
  • the vane 8 may be integrally provided on the hub 5, and a recess 51 may be formed in the shroud 6.
  • a recess 51 may be formed in the shroud 6.
  • the seals arranged in each recess deform in response to dimensional changes between the bottom of the recess and the tip of the vane, preventing the formation of gaps between the vanes and the hub or shroud on which the vanes are not provided when thermal deformation occurs in the hub and shroud.
  • the seal may be positioned along the centerline of the corresponding vane.
  • the seal may be a brush seal or an elastically deformable resin gap seal.

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Abstract

遠心式ターボ機械（１）は、羽根車（３）と、羽根車（３）の背面側に配置されるハブ（５）と、羽根車（３）の周囲に位置し、ハブ（５）との間に径方向流路（１１）を形成するシュラウド（６）を含む。ハブ（５）とシュラウド（６）の一方には、径方向流路（１１）内に配置される複数のベーン（８）が設けられ、ハブ（５）とシュラウド（６）の他方には、ベーン（８）の先端がそれぞれ嵌まり込む複数の窪み（５１）が形成されている。各窪み（５１）内には、当該窪み（５１）の底と対応するベーン（８）の先端との間をシールする、窪み（５１）の底とベーン（８）の先端との間の寸法変化に追従して変形するシール（９）が配置されている。

Description

遠心式ターボ機械
　本開示は、遠心式ターボ機械に関する。
　従来から、遠心圧縮機、遠心ポンプ、ラジアルタービンなどの遠心式ターボ機械が知られている。遠心圧縮機および遠心ポンプは流体に仕事を与えて昇圧し、ラジアルタービンは高圧の流体から動力を回収する。
　遠心式ターボ機械は、羽根車と、前記羽根車の背面側に配置されるハブと、前記羽根車の周囲に位置し、前記ハブとの間に径方向流路を形成するシュラウドを含む。ハブまたはシュラウドには、前記径方向流路内に配置される複数のベーンが設けられる。ベーンは、例えば、遠心圧縮機および遠心ポンプではディフューザーベーンであり、ラジアルタービンではノズルベーンである。
　一般的に、ハブとシュラウドのうちのベーンが設けられていない方とベーンとの間には、熱変形によるそれらの接触を防止するためにある程度の隙間が形成される。しかし、前記隙間は、ターボ機械の性能を劣化させる漏洩流れを生じさせる。
　例えば、特許文献１には、ハブとシュラウドのうちのベーンが設けられていない方に、ベーンの先端が嵌まり込む窪みが形成された遠心圧縮機が開示されている。なお、窪みは、特許文献１では「凹部」と呼ばれている。このような遠心圧縮機では、ハブとシュラウドのうちのベーンが設けられていない方とベーンとの間の隙間を通じた漏洩流れが低減される。
特開２０１０－１９６７０５号公報
　特許文献１の遠心圧縮機の構造を、ある程度の高温や低温で運転するターボ機械に対して適用する場合、上述した窪みが、設計定格点辺りでベーンの先端と当該窪みの間のクリアランスが最小となるようなサイズに設定される。一方、ターボ機械は、設計定格点よりも低い回転数や低い圧力比といった条件下での部分負荷で運転されることも多い。しかし、このような部分負荷では、設計定格点に対して熱バランスや温度分布が大きく変わるため、ベーンの先端と窪みの間のクリアランスが増大する。このため、漏洩流れの低減による性能向上効果が限定的である。
　そこで、本開示は、設計定格点や部分負荷といった運転状態に拘わらずに性能向上効果を発揮できる遠心式ターボ機械を提供することを目的とする。
　本開示は、羽根車と、前記羽根車の背面側に配置されるハブと、前記羽根車の周囲に位置し、前記ハブとの間に径方向流路を形成するシュラウドと、前記ハブと前記シュラウドの一方に設けられた、前記径方向流路内に配置される複数のベーンと、を備え、前記ハブと前記シュラウドの他方には、前記複数のベーンの先端がそれぞれ嵌まり込む複数の窪みが形成されており、各窪み内には、当該窪みの底と対応するベーンの先端との間をシールする、前記窪みの底と前記ベーンの先端との間の寸法変化に追従して変形するシールが配置されている、遠心式ターボ機械を提供する。
　本開示によれば、設計定格点や部分負荷といった運転状態に拘わらずに性能向上効果を発揮できる遠心式ターボ機械が提供される。
一実施形態に係る遠心式ターボ機械の断面図である。 一つのベーンの断面図である。 図２のIII－III線に沿った断面図である。
　図１に、一実施形態に係る遠心式ターボ機械１を示す。遠心式ターボ機械１に用いられる流体は気体と液体のどちらであってもよい。本実施形態では遠心式ターボ機械１が単段式であるが、遠心式ターボ機械１は多段式であってもよい。
　遠心式ターボ機械１は、羽根車３と、羽根車３の背面側に配置されるハブ５と、羽根車３の周囲に位置し、ハブ５との間に径方向流路１１を形成するシュラウド６を含む。本実施形態では、遠心式ターボ機械１が径方向流路１１と連通する渦巻室を形成する渦巻ケーシング７を含むが、渦巻室はなくてもよい。
　羽根車３は、正面から背面に向かって拡径するハブ３１と、ハブ３１の外周面に設けられた複数のブレード３２を含む。羽根車３は回転軸２に固定されており、回転軸２を回転可能に支持するベアリング４がハブ５に保持されている。
　径方向流路１１には複数のベーン８が配置されている。ベーン８は、遠心式ターボ機械１が遠心圧縮機および遠心ポンプである場合はディフューザーベーンであり、遠心式ターボ機械１がラジアルタービンである場合はノズルベーンである。
　本実施形態では、ベーン８がシュラウド６に一体的に設けられている。また、ハブ５には、ベーン８の先端がそれぞれ嵌まり込む複数の窪み５１が形成されている。さらに、各窪み５１内には、当該窪み５１の底と対応するベーン８の先端との間をシールするシール９が配置されている。
　図２に示すように、窪み５１の輪郭はベーン８の輪郭よりも僅かに大きい。ベーン８は、羽根車３側の一端から羽根車３とは反対側の他端に向かって幅が広くなる形状を有する。一方、シール９は、一定の幅を有し、対応するベーン８の中心線８１に沿って配置されている。図２では、中心線８１が直線であるが、中心線８１は曲線であってもよい。
　シール９は、窪み５１の底と対応するベーン８の先端との間の寸法変化に追従して変形するものである。本実施形態では、シール９が、図３に示すように、ベース９１と、ベース９１に植え込まれたブラシ毛材９２を含むブラシシールである。ベース９１が窪み５１の底に接着剤などで固定されており、ブラシ毛材９２が弾性変形した状態でベーン８の先端面に押し付けられている。例えば、ブラシ毛材９２は、金属ワイヤであってもよいし、カーボンファイバーであってもよい。
　ただし、シール９は、弾性変形可能な樹脂製の隙間シール、換言すれば樹脂からなる帯状体であってもよい。例えば、樹脂としてはナイロンなどが挙げられる。
　以上説明したように、本実施形態の遠心式ターボ機械１では、各窪み５１内に配置されたシール９が窪み５１の底とベーン８の先端との間の寸法変化に追従して変形するので、ハブ５およびシュラウド６に熱変形が生じたときにベーン８が設けられていないハブ５とベーン８との間に隙間が形成されることが防止される。従って、設計定格点や部分負荷といった運転状態に拘わらずに遠心式ターボ機械１の性能向上効果を発揮することができる。
　＜変形例＞
　本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
　例えば、前記実施形態とは逆に、ベーン８がハブ５に一体的に設けられ、シュラウド６に窪み５１が形成されてもよい。この構成であれば、ハブ５およびシュラウド６に熱変形が生じたときにベーン８が設けられていないシュラウド６とベーン８との間に隙間が形成されることが防止される。
　＜まとめ＞
　第１の態様として、本開示は、羽根車と、前記羽根車の背面側に配置されるハブと、前記羽根車の周囲に位置し、前記ハブとの間に径方向流路を形成するシュラウドと、前記ハブと前記シュラウドの一方に設けられた、前記径方向流路内に配置される複数のベーンと、を備え、前記ハブと前記シュラウドの他方には、前記複数のベーンの先端がそれぞれ嵌まり込む複数の窪みが形成されており、各窪み内には、当該窪みの底と対応するベーンの先端との間をシールする、前記窪みの底と前記ベーンの先端との間の寸法変化に追従して変形するシールが配置されている、遠心式ターボ機械を提供する。
　上記の構成によれば、各窪み内に配置されたシールが窪みの底とベーンの先端との間の寸法変化に追従して変形するので、ハブおよびシュラウドに熱変形が生じたときにハブとシュラウドのうちのベーンが設けられていない方とベーンとの間に隙間が形成されることが防止される。従って、設計定格点や部分負荷といった運転状態に拘わらずに遠心式ターボ機械の性能向上効果を発揮することができる。
　第２の態様として、第１の態様において、例えば、前記シールは、対応するベーンの中心線に沿って配置されてもよい。
　第３の態様として、第１または第２の態様において、例えば、前記シールは、ブラシシールまたは弾性変形可能な樹脂製の隙間シールであってもよい。
 

Claims (3)

  1. 　羽根車と、
    　前記羽根車の背面側に配置されるハブと、
    　前記羽根車の周囲に位置し、前記ハブとの間に径方向流路を形成するシュラウドと、
    　前記ハブと前記シュラウドの一方に設けられた、前記径方向流路内に配置される複数のベーンと、を備え、
    　前記ハブと前記シュラウドの他方には、前記複数のベーンの先端がそれぞれ嵌まり込む複数の窪みが形成されており、
    　各窪み内には、当該窪みの底と対応するベーンの先端との間をシールする、前記窪みの底と前記ベーンの先端との間の寸法変化に追従して変形するシールが配置されている、遠心式ターボ機械。
  2. 　前記シールは、対応するベーンの中心線に沿って配置されている、請求項１に記載の遠心式ターボ機械。
  3. 　前記シールは、ブラシシールまたは弾性変形可能な樹脂製の隙間シールである、請求項１または２に記載の遠心式ターボ機械。
     
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5082708U (ja) * 1973-12-03 1975-07-16
JP2010196705A (ja) * 2009-02-24 2010-09-09 Dyson Technology Ltd 遠心圧縮機

Patent Citations (2)

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