JP2016500422A - 軸方向分割形ターボ機械の密閉構造 - Google Patents

Abstract

軸方向分割形ターボ機械は、第１のケーシング部（５）と第２のケーシング部（７）とからなり、内部で回転するよう配置されたロータのハウジングを形成するケーシングを備える。ロータ（１５）は、軸（１７）と、軸に取り付けられた少なくとも１つの羽根車（１９）とを備える。ケーシングは、ケーシングの内部からケーシングの外部へ向かって軸が通される少なくとも１つの軸通路（２３）を備える。密閉構造は、第１および第２のケーシング部の間に延伸する線状密閉部材（３５）を備える。密閉構造は、少なくとも１つの軸通路（２３）を囲む少なくとも１つの密閉リング部（３９）をさらに備える。密閉リング部と線状密閉部材とで一続きの密閉体を形成する。【選択図】図２

Description

本開示はターボ機械に関し、より詳しくは軸方向分割形ターボ機械に関する。本開示の実施形態は特に、多段遠心ポンプなどの軸方向分割形ターボ機械の密閉構造に関する。

一般に、ターボ機械は、ロータが内部に配置されるハウジングを形成する外側ケーシングを備える。ロータは、軸と、軸とともに回転するように軸に固定された１つ以上の羽根車とを備える。ケーシングは、ターボ機械の設計に応じて、垂直または水平に分割することができる。水平分割形ターボ機械は、軸方向分割形ターボ機械とも呼ばれ、ケーシングがロータの回転軸を含む平面に沿って２つのケーシング部に分割されたものである。２つのケーシング部は、対向する接触面を有する。密閉構造は、向かい合う接触面の間に設けられる。２つのケーシング部は、ボルト‐ナット構造によってともにボルト留めされる。閉じる際の力によって、接触面と密閉構造との間に接触圧が生じる。

水平分割形すなわち軸方向分割形ターボ機械のケーシングに現在使用されている密閉構造は、２つのケーシング部の接触面の間に位置する、例えばプラスチック材でできた、シートを備える。２つのケーシング部を連結するボルトがシートにあらかじめ荷重をかけることで、シートの表面と対向するケーシング部の２つの接触面のそれぞれとの間に接触圧が生じる。ケーシング部の間からの漏れを防ぐため、接触圧は十分に高くなければならない。多数のボルトが必要となり、当該ボルトを、比較的広範にわたる接触面の間に十分高い接触圧が生じるよう、設計および位置決めする必要がある。

独国特許出願公開第１０２００９０５３１０２号明細書

ターボ機械が扱う流体の高圧によって、密閉シートは変形させられる。プラスチックシートの内側の端、つまりロータハウジングに対向する端には、シートが位置する平面において圧縮応力がかかる。さらに、接触圧の分散は不明確であり、多くの要因に左右される。圧力がかかる領域は、ボルトのひずみおよびプラスチックシートの緩和に左右されるため、密閉構造の効率は予測できず、設計工程はきわめて複雑になる。

したがって、軸方向分割形ターボ機械の密閉構造のさらなる効率化が求められている。

本開示は、実質的に線状に展開する一続きのシールを形成して、ターボ機械の回転部品を全体的に囲む密閉構造を提供する。密閉構造は、ターボ機械の内部を、ターボ機械内の圧力がかかる領域を全体的に囲む環境から分離する。ターボ機械の軸方向に分割されたハウジングを連結するボルトまたはタイロッドは、密閉構造で囲まれた領域の外側に位置するので、「ぬれた部品」とならない。

いくつかの実施形態では、軸方向分割形ターボ機械は、例えばボルトまたはタイロッドによって互いに連結された第１および第２のケーシング部からなるケーシングを備える。第１および第２のケーシング部はそれぞれ、第１の接触面および第２の接触面からなり、両接触面の間に密閉構造が配置される。第１および第２のケーシング部は、ロータが回転可能に配置されるハウジングを取り囲む。通常、ロータは、軸と、軸に取り付けられて軸とともに一体的に回転する少なくとも１つの羽根車とを備える。さらに、ケーシングを貫く少なくとも１つの軸通路が設けられる。軸は、通路に通され、電動モータやタービンエンジンなどの原動機に接続される。密閉構造は、第１および第２のケーシング部の対向する第１の接触面と第２の接触面との間に延伸する線状密閉部材を備える。密閉構造はさらに、軸通路を囲む少なくとも１つの密閉リング部を備えることが好ましい。密閉リング部と線状密閉部材とで一続きの密閉体を形成する。例えば、密閉リング部および線状密閉部材は、一体化した部品として、例えば単一の金型で単一の要素として成形された部品として形成することができる。他の実施形態では、密閉リング部および線状密閉部材は、別々に製造され、その後、例えば溶接、接着等の適切な方法で互いに接続された複数の部品からなることができる。

密閉構造は、ターボ機械の内部、つまりターボ機械内の圧力がかかる領域全体を囲む。ターボ機械が例えばポンプの場合、密閉構造は、渦巻室およびポンプの１つ以上の羽根車が配置される羽根車室に加えて、軸を内部に通してケーシングから出す貫通通路の周辺の軸を囲む。

自体公知の方法で、２つのケーシング部は、複数のボルトによって互いに締めることができる。線状密閉部材は、ロータとボルトとの間に好適に配置されるので、ボルト全体がぬれている領域の外側に位置する。

公知のターボ機械で一般的に設けられるように、シールスリーブ機構は少なくとも１つの軸通路に配置することができる。軸はシールスリーブ機構を通される。この場合、密閉リング部は、シールスリーブ機構と２つのケーシング部との間であって、シールスリーブ機構の周りに配置されることが好ましい。シールスリーブ機構は、部分的に密閉リング部に収容される外面環状溝を備えることができる。

いくつかの実施形態では、ターボ機械は、ターボ機械のケーシング内に通され、ケーシングの両端に配置される２つの軸通路を備えることができる。軸の２つの両端部は、２つの軸通路に通される。好ましい実施形態では、シールスリーブ機構はそれぞれ、軸通路内の、ケーシングと軸との間に配置することができる。好ましくは、密閉構造は２つの密閉リング部を備え、それぞれ、２つのシールスリーブ機構のうち対応する一方の周りに配置される。２つの密閉リング部は、線状密閉部材に接続され、線状密閉部材とともに一続きの密閉構造を形成し、一続きの密閉構造は、ロータおよび２つのシールスリーブ機構を囲む。２つの密閉リング部および線状密閉部材は、一体化した部品とする、または、例えば接着や溶接によって２つ以上の部品を組み立てて形成することができる。線状密閉部材は、２つの密閉リング部が間に位置する２つの部品からなる。線状密閉部材を形成する２つの部品をＴ形の接合部で２つの密閉リング部と好適に接続して、一続きの密閉部材を得る。

特徴および実施形態が、本明細書の以下で開示され、さらに、本記述と一体の一部分を形成する添付の特許請求の範囲に記載される。上記の簡単な説明は本発明の種々の実施形態の特徴を記述しており、これは、以下の詳細な説明がより良く理解されるようにすること、および、当技術分野に対するその貢献がより良く認識され得るようにすることを目的とする。もちろん、本明細書の以下で説明される本発明の別の特徴および添付の特許請求の範囲に記載される別の特徴も存在する。この点に関して、本発明の複数の実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の実施形態が、その用途において、以下の説明に記載されるかまたは図面に示される構造の詳細および構成要素の構成のみに限定されないことを理解されたい。本発明は別の実施形態も可能であり、種々の方式で実施および実行され得る。また、本明細書で採用される用語および専門用語が説明を目的としており、限定するものとしてみなされるべきではないことを理解されたい。

本開示の基本となる概念が、本発明の複数の目的を実行するために別の構造、方法、および／またはシステムを設計する際の基本として容易に利用され得ることが当業者には理解されるであろう。したがって、特許請求の範囲が、本発明の精神および範囲から逸脱しない限りにおいてこのような等価の構造を含むものとしてみなされることが重要である。

本発明の開示される実施形態およびその付随する利点の多くは、添付図面と併せて考察しながら以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解される際に、より完全に、容易に認識されるであろう。

遠心ポンプの正面概略図である。 図１のＩＩ−ＩＩにおける、一部を省略した断面図である。 図１および図２のポンプのケーシングに設けられた軸通路の１つを拡大した図である。 シールスリーブ機構を省略した、軸通路の拡大斜視図である。 本開示の一実施形態における密閉構造の一部の斜視図である。 ケーシング部の２つの接触面の間に配置された線状密閉部材の拡大概略断面図である。

以下の例示的な実施形態の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面の同じ参照符号は、同一または類似の構成要素を示す。さらに、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定しない。代わりに、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書を通して、「一実施形態」、「ある実施形態」、または「いくつかの実施形態」と言及することは、実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造、または性質が、開示されている本主題の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、本明細書の様々な箇所で見られる「一実施形態では」、「ある実施形態では」、または「いくつかの実施形態では」という表現は、必ずしも同一の実施形態について言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または性質は、１つまたは複数の実施形態において、任意の適切な方式で組み合わせられてもよい。

本開示に係る主題の実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるように、軸方向分割形ターボ機械は、第１のケーシング部と第２のケーシング部とからなり、内部で回転するよう配置されたロータのハウジングを形成するケーシングを備える。ロータは、軸と、軸に取り付けられた少なくとも１つの羽根車とを備える。ケーシングは、ケーシングの内部からケーシングの外部へ向かって軸が通される少なくとも１つの軸通路を備える。密閉構造は、第１および第２のケーシング部の間に延伸する線状密閉部材を備える。密閉構造は、少なくとも１つの軸通路を囲む少なくとも１つの密閉リング部をさらに備える。密閉リング部と線状密閉部材とで一続きの密閉体を形成する。

図１は遠心ポンプ１の正面概略図である。遠心ポンプは、第１のケーシング部５および第２のケーシング部７を有するケーシング３を備える。２つのケーシング部５、７は、ポンプ１のロータの回転軸Ａ−Ａを含む軸平面Ｐ−Ｐに沿って組み合わせられる。

ケーシング部５、７はそれぞれ接触面を備える。参照番号５Ａは第１のケーシング部５の接触面を示し、参照番号７Ａは第２のケーシング部７の接触面を示す。

２つのケーシング部５、７は、複数のボルト９およびナットによって互いに連結されている。ボルト９にあらかじめ荷重をかけることで、２つの接触面５Ａ、７Ａとそれらの間に設けられた密閉構造との間に接触圧が生じる。密閉構造の詳細は後述する。

ボルト９は、２つのケーシング部５、７に設けられた孔１１（図２参照）に通される。ボルト９および各孔１１は、２つのケーシング部５、７によって形成されるロータハウジング１３の両側に配置される。ロータハウジング１３はロータ１５を収容する。いくつかの実施形態では、ロータ１５は、軸１７と、軸１７に固定され、軸とともに回転する複数の羽根車１９とを備える。

いくつかの実施形態によれば、軸１７の両端部はそれぞれ、ケーシング内に形成された第１および第２の通路２１、２３に通される。

シールスリーブ機構２５、２７は２つの通路２１、２３内に配置される。軸の端部はそれぞれ、シールスリーブ機構に通され、ケーシング３の両端部に配置された軸受２９、３１によって好適に支持される。

密閉構造は参照符号３３で示され、その全体は、２つのケーシング部７、５の２つの対向する接触面７Ａ、５Ａの間に配置される。密閉構造３３は、第１の線状密閉部材３５と２つの密閉リング部３７、３９とからなり得る。

いくつかの実施形態では、線状密閉部材３５の断面は円形である。他の実施形態では、線状密閉部材の断面は楕円形でもよい。さらに別の実施形態では、線状密閉部材の断面は多角形でもよい。

密閉リング部３７、３９の断面は、線状密閉部材３５と同様または同一でもよい。

線状密閉部材３５は、ロータハウジング１３の両側に設けられた２つの線状密閉部分からなり得る。各線状密閉部分は、ロータハウジング１３とボルト９および各孔１１との間に延伸する。２つの密閉リング部は、線状密閉部材の２つの線状密閉部分の間に配置され、線状密閉部材とともに一続きの密閉構造を形成する。

線状密閉部材３５によって、ボルト９は、ロータハウジング１３から液体が流れ出ないよう隔てられ、ポンプ内部からボルトへ向かっての漏れを防ぐ。

いくつかの実施形態では、２つの接触面５Ａ、７Ａは平坦でもよく、２つの向かう合う平坦な面５Ａ、７Ａの間に線状密閉部材３５を単純に配置することができる。他の実施形態では、２つの対向する接触面５Ａ、７Ａの少なくとも一方に、少なくとも部分的に線状密閉部材３５を収容する線状の溝を設けることができる。図４に詳細に示すように、本実施形態では、第２のケーシング部７に形成された接触面７Ａに、ロータハウジング１３とボルト９が通される孔１１との間に延伸する溝４１が設けられる。線状密閉部材３５は部分的に溝４１に収容される。

対向する接触面５Ａに同様の溝を設けてもよい。

図６の拡大図は、平坦な接触面５Ａ、７Ａに直行する平面における局所的な断面を示す。図６に、接触面７Ａに設けられた溝４１および接触面５Ａに設けられた対向する溝４３を示す。図６から分かるように、本実施形態では、線状密閉部材３５の断面は実質的に円形である。ケーシング部を互いに重ねたときに、ボルト９が締まり、２つのケーシング部５、７が接触面５Ａ、７Ａに沿って互いに接触し、および／または線状密閉部材３５が両ケーシング部の間で圧縮されるように、線状密閉部材３５の直径および２つの溝４１、４３の深さの寸法が決められる。ボルトが締まることで、線状密閉部材３５は、溝４１、４３によって形成される座部の中で圧縮され、弾性変形する。線状密閉部材３５と溝４１、４３との間に高い接触圧が生じる。密閉部材３５とケーシング部５、７とが接触する面は小さいので、ボルト９に沿ってわずかに引張り応力をかけることで密閉部材３５とケーシング部との間に高い接触圧を得ることができる。

他の実施形態では、溝は、２つの対向する接触面５Ａ、７Ａのいずれか一方、または２つの平坦面の他方のみに設けることができる。さらに別の実施形態では、接触面５Ａ、７Ａの両方を平坦とすることができ、線状密閉部材３５は両接触面の間に位置することができる。溝４１、４３のいずれかまたは両方を使用することで、密閉構造の位置決めおよびターボ機械のケーシングの組み立てが容易になる。

図２でよく分かるように、線状密閉部材３５は、シールスリーブ機構２５、２７を囲む２つの密閉リング部３７、３９とともに一体に形成されている。

図５の拡大図は、２つの密閉リング部３７、３９の一方、および当該一方の密閉リング部と線状密閉部材３５の隣接する部分との接続を示す。上記部材３５、３７／３９はそれぞれ、参照符号４７で示すＴ形の接合部で接合される。

密閉リング部３７、３９はそれぞれ、シールスリーブ機構２５、２７を囲み、対応するシールスリーブ機構と、２つのケーシング部５、７によって形成される、対応する通路２１、２３の内面との間に配置される。

いくつかの実施形態では、シールスリーブ機構２５、２７の外面に環状溝４９（図３参照）を設けることができる。対応するシールスリーブ機構２５、２７の環状溝４９に密閉リング部３７／３９が部分的に収容される。

いくつかの実施形態では、溝４９を省略することができる。この場合、密閉リング部３７、３９は、対応するシールスリーブ機構の円筒状の外面に単純に取り付けられる。

いくつかの実施形態では、通路２１、２３を形成する２つのケーシング部５、７の内面にそれぞれ半環状溝５１（図４参照）を設けることができる。この場合、２つのケーシング部５、７を互いに重ねて取り付ける際に２つの半環状溝５１によって形成される環状溝に、密閉リング部３７、３９が部分的に収容される。他の実施形態では、通路２１、２３の内面を平坦にする、つまり、半環状溝５１がない状態とすることができる。この場合、密閉リング部３７、３９は、通路の円筒状の表面に単純に接触して取り付けられる。

環状溝４９および半環状溝５１のいずれかまたは両方が設けられる場合、ボルト９を締め付ける際に密閉リング部３７、３９が押しつぶされ、圧縮されるような溝の深さおよび密閉リング部３７、３９の断面寸法を選択することで、シールスリーブ機構２５、２７の周りに密閉効果をもたらす。２つの密閉リング部３７、３９とそれらに接触する機械部品との間、すなわちシールスリーブ機構２５、２７の外面と通路２１、２３の内面との間の限られた接触面に集中的に接触圧が生じる。

図４からよく分かるように、半環状溝５１が設けられる場合、半環状溝５１は接触面７Ａ、５Ａにそれぞれ設けられた溝４１、４３と位置合わせされる。線状密閉部材３５が密閉リング部３７、３９と接続される接合領域における密閉構造の破損を防ぐため、溝４１、４３および通路の半環状溝５１を湾曲した縁５５に沿って互いに接合することで、ケーシングの組み立て時に密閉部材が破損したり、削りくずが発生することを防ぐ。

いくつかの実施形態では、線状密閉部材３５の２つの部分と２つの密閉リング部３７、３９とを別々に製造することができる。当該４つの部品、すなわち線状密閉部材３５の２つの部分および２つの密閉リング部３７、３９は、後の工程において、例えば接着、溶接等の適切な方法で互いに接続させることができる。これにより、製造工程が大きく簡略化され、一体化した１つの部品として密閉構造３５、３７、３９の製造に欠かせない複雑な金型が必要なくなる。しかしながら、この選択肢は除外されない。

密閉構造３５、３７、３９は、遠心ポンプ内部のハウジング１３の周囲全体を途切れず密閉する。線状密閉部材３５は、ボルト９が通される孔１１とケーシング３内に形成される渦巻室との間に展開されて、ボルト９とロータ１５が配置される内部のハウジング１３との間を径方向に密閉する。２つの密閉リング部３７、３９は、軸１７の両端であって、シールスリーブ機構２５、２７の周りに軸方向の密閉効果をもたらす。

密閉構造とターボ機械の機械部品との間の接触面が小さいので、予荷重は限られたものとなり、よって十分かつ確実に密閉することができる。

本明細書で説明される主題の開示される実施形態を、複数の例示的な実施形態に関連して具体的且つ詳細に図示し、以上に十分に説明したが、当業者であれば自明のように、本明細書に記載した新規な教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に列挙した主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略が可能である。したがって、開示した新規事項の適切な範囲は、添付の特許請求の範囲の最も広義的な解釈によって定義され、こうした修正、変更、および省略を全て包含することになる。加えて、あらゆるプロセスまたは方法ステップの順序またはシーケンスを、代替実施形態にしたがって改変することまたはその順序を変更することができる。

１ 遠心ポンプ
３ ケーシング
５ 第１のケーシング部
５Ａ 接触面
７ 第２のケーシング部
７Ａ 接触面
９ ボルト
１１ 孔
１３ ロータハウジング
１５ ロータ
１７ 軸
１９ 羽根車
２１ 第１の軸通路
２３ 第２の軸通路
２５ シールスリーブ機構
２７ シールスリーブ機構
２９ 軸受
３１ 軸受
３３ 密閉構造
３５ 線状密閉部材
３７ 密閉リング部
３９ 密閉リング部
４１ 溝
４３ 溝
４７ 接合部
４９ 環状溝
５１ 半環状溝
５５ 湾曲した縁

Claims (12)

1. 第１の接触面（５Ａ）を有する第１のケーシング部（５）と第２の接触面（７Ａ）を有する第２のケーシング部（７）とからなるケーシング（３）と、
   前記第１のケーシング部（５）と前記第２のケーシング部（７）との間に位置する密閉構造（３３）と、
   前記ケーシング（３）内で回転するように配置され、軸（１７）と、前記軸（１７）に取り付けられた少なくとも１つの羽根車（１９）とを備えるロータ（１５）と、
   前記ケーシング（３）を貫く、内部に前記軸（１７）が通される少なくとも１つの軸通路（２３）と、
   を備える軸方向分割形ターボ機械であって、
   前記密閉構造（３３）は、第１の接触面（５Ａ）と第２の接触面（７Ａ）との間に延伸する線状密閉部材（３５）と、前記少なくとも１つの軸通路（２３）を囲む少なくとも１つの密閉リング部（３９）とを備え、前記少なくとも１つの密閉リング部（３９）と前記線状密閉部材（３５）とで一続きの密閉体を形成する、軸方向分割形ターボ機械。
2. 前記第１のケーシング部（５）および前記第２のケーシング部（７）を互いに連結する複数のボルト（９）をさらに備え、前記線状密閉部材（３５）は前記ロータ（１５）と前記ボルト（９）との間に配置される、請求項１に記載の軸方向分割形ターボ機械。
3. 前記少なくとも１つの軸通路（２３）に配置され、内部に前記軸（１７）が通される少なくとも１つのシールスリーブ機構（２７）をさらに備え、前記密閉リング部（３９）は前記シールスリーブ機構（２７）の周りに配置される、請求項１または２に記載の軸方向分割形ターボ機械。
4. 前記シールスリーブ機構（２７）は前記密閉リング部（３９）を部分的に収容する外面環状溝（４９）を備える、請求項３に記載の軸方向分割形ターボ機械。
5. 前記ケーシング（３）は、前記ケーシング（３）の両端に配置され、内部に前記軸（１７）の２つの端部が通される２つの軸通路（２１、２３）を備え、
   シールスリーブ機構（２５、２７）は、前記ケーシング（３）と前記軸（１７）との間であって、前記軸通路（２１、２３）のそれぞれの内部に配置され、
   前記密閉構造（３３）は、２つの密閉リング部（３７、３９）を備え、前記２つの密閉リング部（３７、３９）はそれぞれ、対応する前記シールスリーブ機構（２５、２７）の１つの周りに配置され、
   前記密閉リング部（３７、３９）は、前記密閉リング部（３７、３９）とともに一続きの密閉構造を形成する前記線状密閉部材（３５）に接続され、前記一続きの密閉構造は、前記ロータ（１５）および前記２つのシールスリーブ機構（２５、２７）を囲む、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸方向分割形ターボ機械。
6. 前記線状密閉部材（３５）は、前記密閉リング部（３７、３９）によって互いに接続される２つの線状密閉部分を備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軸方向分割形ターボ機械。
7. 前記密閉リング部（３７、３９）はそれぞれ、Ｔ形の接合部（４７）で前記線状密閉部材（３５）に接続する、請求項５または６に記載の軸方向分割形ターボ機械。
8. 前記シールスリーブ機構（２５、２７）はそれぞれ、対応する前記密閉リング部（３７、３９）を部分的に収容する外面環状溝（４９）を備える、請求項５、６または７に記載の軸方向分割形ターボ機械。
9. 前記第１の接触面（５Ａ）および前記第２の接触面（７Ａ）のうち少なくとも１つに溝（４１）を備え、前記線状密閉部材（３５）は前記溝（４１）に部分的に収容される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の軸方向分割形ターボ機械。
10. 前記第１の接触面（５Ａ）および前記第２の接触面（７Ａ）の両方に溝（４１、４３）が設けられ、前記線状密閉部材（３５）は前記溝（４１、４３）に部分的に収容される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の軸方向分割形ターボ機械。
11. 前記少なくとも１つの軸通路（２３）は環状溝を備え、前記少なくとも１つの密閉リング部（３９）は前記環状溝に少なくとも部分的に収容される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の軸方向分割形ターボ機械。
12. 前記軸通路（２１、２３）はそれぞれ環状溝を備え、前記密閉リング部（３７、３９）は対応する前記環状溝に少なくとも部分的に収容される、請求項５乃至８のいずれか１項に記載の軸方向分割形ターボ機械。