JP2017141691A - 遠心回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心回転機械のインペラ部分まで流入した異物粒子を除去できる遠心回転機械を提供すること。
【解決手段】軸線回りに回転するディスク３ａ、該ディスク３ａの軸線方向一方側を向く面に設けられたブレード３ｃ、及び、該ブレード３ｃを径方向外側から覆うカバー３ｂを備えるインペラ３と、前記カバー３ｂの外周面との間に隙間を形成するケーシング６と、前記隙間をシールするシール装置７と、を備え、前記ケーシング６は、前記カバー端面３ｂ１との間に径方向流路を画成する端壁面６ｆと、前記端壁面６ｆの径方向内側に接続されて、前記軸線方向一方側に延びて前記インペラ３への流体の導入流路９を画成する入口側内周面６ｇと、前記ケーシング６内に形成されて、前記端壁面６ｆの径方向外側の端部と前記入口側内周面６ｇとに開口することで、前記径方向流路８と前記導入流路９とを連通させる還流路６ｈと、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心回転機械に関する。

一般的に、遠心回転機械は、回転軸に設けられたインペラと、このインペラを覆うケーシングとを有している。遠心回転機械のインペラがケーシング内で回転する際にインペラとケーシングとの間に埃や砂などの異物粒子が進入すると、インペラやケーシングを痛めることがある。
たとえば特許文献１には、回転機械の一種であるガスタービンエンジンの圧縮機に入る異物粒子の量を減らす分粒装置が開示されている。

特開平５−１５６９６６号公報

遠心回転機械の内部に異物粒子が流入してしまった場合に、回転中のインペラに異物粒子が接触すると、異物粒子はインペラの径方向外側へとはじき出されてインペラとケーシングとの間に滞留してしまう。インペラとケーシングとの間に滞留した異物粒子は、遠心回転機械の内部の摩耗を進行させたり、遠心回転機械の内部を破損させたりする虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、遠心回転機械のインペラ部分まで流入した異物粒子を除去できる遠心回転機械を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、該インペラを径方向内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、前記隙間をシールするシール装置と、を備え、前記ケーシングは、前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びるとともに、前記カバー端面との間に径方向流路を画成する端壁面と、前記端壁面の径方向内側に接続されて、前記軸線方向一方側に延びて前記インペラへの流体の導入流路を画成する入口側内周面と、前記ケーシング内に形成されて、前記端壁面の径方向外側の端部と前記入口側内周面とに開口することで、前記径方向流路と前記導入流路とを連通させる還流路と、を有する遠心回転機械である。

上記態様の遠心回転機械によれば、カバー端面に接触した異物粒子がインペラの径方向外側へ移動した後に還流路を通じて入口側内周面へ移動するので、インペラとケーシングとの間に入り込んだ異物粒子を除去できる。

また、前記ケーシングは、前記端壁面のうち前記隙間と対向する位置に開口するとともに前記還流路と連通する噴流通路をさらに有していてもよい。

前記噴流通路は、前記端壁面から軸線方向一方側へ向かうに従って径方向内側へ向かうように延びていてもよい。

前記還流路は、前記ディスクの軸線方向から見たときに前記ディスクの軸線を中心とする一続きの環状をなしていてもよい。

前記還流路は、前記ディスクの軸線方向から見たときに前記ディスクの軸線を中心とする周方向に互いに離間する複数個所に形成されていてもよい。

前記還流路は、前記ディスクの軸線に近づく方向へ向かうに従って前記ディスクの軸線方向他方側へ向かうように傾斜する合流部を有していてもよい。

本発明によれば、遠心回転機械のインペラ部分まで流入した異物粒子を除去できる。

本発明の第１実施形態に係る遠心回転機械の概略構成を示す断面図である。 図１の拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る遠心回転機械の拡大断面図である。 同遠心回転機械の変形例を示す拡大断面図である。 同遠心回転機械の他の変形例を示す拡大断面図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の遠心回転機械、及びシール装置の寸法関係とは異なる場合がある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る遠心回転機械の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の拡大図である。図１では、遠心回転機械１を回転軸２の延在方向に対して平行な仮想平面で、回転軸２を２分割するように、遠心回転機械１を切断した場合の断面を図示している。
図１において、Ａは流体（例えば、プロセスガス）の移動方向、Ｏは回転軸２の軸線をそれぞれ示している。

図１及び図２を参照するに、本実施形態の遠心回転機械１は、回転軸２と、インペラ３と、一対の軸受５Ａ，５Ｂと、ケーシング６と、シール装置７と、を備える。
回転軸２は、軸線Ｏの延在方向と同じ方向に延在する柱状の部材である。回転軸２は、軸線Ｏの方向に位置する両端部が軸受５Ａ，５Ｂによって回転可能に支持されている。回転軸２は、一方向に回転する。回転軸２は、曲面とされた外周面２ａを有する。

インペラ３は、軸受５Ａと軸受５Ｂとの間に位置する回転軸２の外周面２ａに設けられている。インペラ３は、ディスク３ａと、カバー３ｂと、複数のブレード３ｃと、を有する。
ディスク３ａは、回転軸２の端部から中心位置Ｃに向かうにつれて、回転軸２の径方向の外側に漸次拡径するように設けられている。ディスク３ａの形状は、例えば、略円盤状とすることができる。ディスク３ａの軸線は、回転軸２の軸線Ｏと同軸である。以下、ディスク３ａの軸線についても「軸線Ｏ」と表記する。
カバー３ｂは、ディスク３ａと対向するように設けられている。カバー３ｂは、複数のブレード３ｃを覆っている。
複数のブレード３ｃは、ディスク３ａの外側に、ディスク３ａから離間するように、放射状に設けられている。ブレード３ｃは、ディスク３ａの軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成する。

本実施形態では、回転軸２の軸線Ｏの延在方向に同軸状に並べられた複数のインペラ３によって多段式インペラ群３Ａが構成されている。

軸受５Ａは、回転軸２の一方の端部に設けられている。軸受５Ｂは、回転軸２の他方の端部に設けられている。

ケーシング６は、筒状とされており、軸受５Ａ，５Ｂを外側から支持している。ケーシング６は、回転軸２、インペラ３、及びシール装置７を径方向内側に収容している。
ケーシング６は、ケーシング６に対して回転軸２及びインペラ３を、回転可能な構成とされている。
ケーシング６は、ケーシング流路６ａと、吸込口６ｂと、接続流路６ｃ，６ｄと、排出口６ｅとを有する。ケーシング流路６ａ、吸込口６ｂ、接続流路６ｃ，６ｄ、及び排出口６ｅは、ケーシング６のうち、多段式インペラ群３Ａの配設領域に対応する部分に設けられている。
さらに、ケーシング６は、端壁面６ｆと、入口側内周面６ｇと、還流路６ｈとを有している。端壁面６ｆ、入口側内周面６ｇ、及び還流路６ｈは、ケーシング６のうち、多段式インペラ群３Ａを構成する各インペラ３に対して、インペラ３毎に設けられている。

ケーシング流路６ａは、各インペラ３を構成するブレード３ｃ間の流路同士を接続するように、ケーシング６の内部に設けられている。ケーシング流路６ａは、回転軸２の外側に位置するケーシング６において、環状となるように構成されている。
吸込口６ｂは、軸受５Ａ側に位置するケーシング６に設けられている。吸込口６ｂは、流体を吸い込み、接続流路６ｃを介して、吸い込んだ流体をケーシング流路６ａに導く。

接続流路６ｃは、ケーシング６に内設されており、ケーシング流路６ａと吸込口６ｂとを接続している。接続流路６ｄは、ケーシング６に内設されており、排出口６ｅとケーシング流路６ａとを接続している。
排出口６ｅは、接続流路６ｄを経由した流体をケーシング６の外部に排出する。

端壁面６ｆは、カバー３ｂの軸線方向一方側を向くカバー端面３ｂ１の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びている。さらに、端壁面６ｆは、カバー端面３ｂ１との間に径方向流路８を画成する。

径方向流路８は、遠心回転機械１の動作時に流入する流体に含まれる異物粒子Ｐが進入可能な流路である。径方向流路８に進入した異物粒子Ｐは、回転するインペラ３のカバー３ｂに接触することでインペラ３の径方向外側へと移動する。

入口側内周面６ｇは、端壁面６ｆの径方向内側に接続されている。入口側内周面６ｇは、端壁面６ｆの径方向内側の端部から軸線方向一方側へ延びている。入口側内周面６ｇは、インペラ３への流体の導入流路９を画成する。

還流路６ｈは、端壁面６ｆの径方向外側の端部と入口側内周面６ｇとに開口することで、径方向流路８と導入流路９とを連通させる。還流路６ｈの形状は、たとえば、ディスク３ａの軸線Ｏを中心とする一続きの環状や、ディスク３ａの軸線Ｏを中心とする周方向に離間する複数の通路状などであってよい。
還流路６ｈがディスク３ａの軸線Ｏを中心とする周方向に一続きの環状をなしていると、異物粒子Ｐが還流路６ｈに入りやすいので、異物除去性能において有利である。
還流路６ｈがディスク３ａの軸線Ｏを中心とする周方向に離間して複数設けられていると、遠心回転機械１の空力性能において有利である。

図２に示すように、シール装置７は、インペラ３とケーシング６との隙間に配されている。本実施形態のシール装置７は、所謂ラビリンスシールである。シール装置７は、インペラ３のカバー３ｂに対して所定のクリアランスを有した状態で、インペラ３とケーシング６との隙間をシールする。

本実施形態の遠心回転機械１の作用について説明する。
本実施形態の遠心回転機械１の動作時には、流体中の異物粒子Ｐがカバー３ｂに接触するとインペラ３によって異物粒子Ｐがインペラ３の径方向外側に移動する。端壁面６ｆの径方向外側まで異物粒子Ｐが移動すると、異物粒子Ｐは還流路６ｈへ進入して入口側内周面６ｇまで移動する。入口側内周面６ｇに到達した異物粒子Ｐは、導入流路９を流れる流体によってインペラ３へと移動する。

このように、本実施形態の遠心回転機械１によれば、端壁面６ｆの径方向外側の端部近傍に異物粒子Ｐが滞留せずに還流路６ｈを通じて導入流路９へ異物粒子Ｐを戻すことができる。このため、端壁面６ｆの径方向外側の端部近傍に達した異物粒子Ｐをインペラ３とケーシング６との隙間から速やかに除去できるので、ケーシング６やインペラ３等に異物粒子Ｐが衝突し続けることによる損耗が起こりにくい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態に係る遠心回転機械の拡大断面図である。
図３に示す本実施形態の遠心回転機械１０は、シール装置７とカバー３ｂとの間のクリアランス部分を通じて流通する流体（図３に符号Ｂで流通方向を示す）の通路となる噴流通路１１を有している。

噴流通路１１は、端壁面６ｆのうち、シール装置７とカバー３ｂとの隙間と対向する位置に開口している。また、噴流通路１１は、還流路６ｈと連通している。
本実施形態では、インペラ３より上流側が低圧でありインペラ３より下流側が高圧であるので、シール装置７とカバー３ｂとの間では、ディスク３ａの軸線Ｏ方向一方側へ向かって流体が流れる。ここで、シール装置７とカバー３ｂとの間から流れる流体は、噴流通路１１に入り込んで還流路６ｈへ向かって流れる。このため、本実施形態では、端壁面６ｆにおける径方向外側の端部に集まった異物粒子Ｐを、シール装置７とカバー３ｂとの間から流れる流体にのせて還流路６ｈを通じて導入流路９へ戻すことができる。

（変形例）
上記第２実施形態の変形例について説明する。図４は、本変形例の遠心回転機械を示す拡大断面図である。
図４に示すように、本変形例では、噴流通路１１が、端壁面６ｆから軸線方向一方側へ向かうに従って径方向内側へ向かうように延びている。この場合、還流路６ｈにおいて、噴流通路１１と還流路６ｈとの合流部よりも上流側（径方向外側の部分）において流体のよどみを生じさせることができる。その結果、本変形例では、噴流通路１１から還流路６ｈを通じて端壁面６ｆの径方向外側部分へ流体が逆流するのを防ぐことができ、異物粒子Ｐを導入流路９へ効率よく戻すことができる。

（変形例）
上記第２実施形態の他の変形例について説明する。図５は、本変形例の遠心回転機械を示す拡大断面図である。
図５に示すように、本変形例では、還流路６ｈが、ディスク３ａの軸線Ｏに近づく方向へ向かうに従ってディスク３ａの軸線方向他方側へ向かうように傾斜する合流部６ｉを有している。すなわち、本変形例では、導入流路９内を流れる流体の流れに沿って異物粒子Ｐを排出することができるように、入口側内周面６ｇ近傍において還流路６ｈが傾斜している。
本変形例では、還流路６ｈと導入流路９との合流損失を低減し、遠心回転機械１０の効率を高めることができる。
なお、合流部６ｉの形状は、ディスク３ａの軸線Ｏに近づく方向へ向かうに従ってディスク３ａの軸線方向他方側へ向かうように傾斜する直線状（図５参照）であってもよいし、導入流路９内を流れる流体の流れに沿う方向へ徐々に湾曲する曲線状（不図示）であってもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明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、上記第２実施形態に開示された還流路６ｈ及び噴流通路１１は、端壁面における開口を共有していてもよい。また、上記第２実施形態に開示された噴流通路１１は、還流路６ｈと合流せずに導入流路９に連通されていてもよい。
また、上述の各実施形態及び各変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

１、１０ 遠心回転機械
２ 回転軸
２ａ 外周面
３ インペラ
３ａ ディスク
３Ａ 多段式インペラ群
３ｂ カバー
３ｂ１ カバー端面
３ｃ ブレード
５Ａ 軸受
５Ｂ 軸受
６ ケーシング
６ａ ケーシング流路
６ｂ 吸込口
６ｃ 接続流路
６ｄ 接続流路
６ｅ 排出口
６ｆ 端壁面
６ｇ 入口側内周面
６ｈ 還流路
６ｉ 合流部
７ シール装置
８ 径方向流路
９ 導入流路
１０ 遠心回転機械
１１ 噴流通路
Ｐ 異物粒子

Claims (6)

1. 軸線回りに回転する円盤状をなすディスク、該ディスクの軸線方向一方側を向く面に周方向に間隔をあけて設けられることで互いの間に軸線方向一方側から径方向外側に向かう流路を区画形成するブレード、及び、該ブレードを径方向外側から覆うカバーを備えるインペラと、
   該インペラを径方向内側に収容するとともに、前記カバーの外周面との間に隙間を形成するケーシングと、
   前記隙間をシールするシール装置と、を備え、
   前記ケーシングは、
   前記カバーの軸線方向一方側を向くカバー端面の軸線方向一方側に対向配置されて径方向に延びるとともに、前記カバー端面との間に径方向流路を画成する端壁面と、
   前記端壁面の径方向内側に接続されて、前記軸線方向一方側に延びて前記インペラへの流体の導入流路を画成する入口側内周面と、
   前記ケーシング内に形成されて、前記端壁面の径方向外側の端部と前記入口側内周面とに開口することで、前記径方向流路と前記導入流路とを連通させる還流路と、
   を有する遠心回転機械。
2. 前記ケーシングは、前記端壁面のうち前記隙間と対向する位置に開口するとともに前記還流路と連通する噴流通路をさらに有する
   請求項１に記載の遠心回転機械。
3. 前記噴流通路は、前記端壁面から軸線方向一方側へ向かうに従って径方向内側へ向かうように延びている
   請求項２に記載の遠心回転機械。
4. 前記還流路は、前記ディスクの軸線方向から見たときに前記ディスクの軸線を中心とする一続きの環状をなしている
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の遠心回転機械。
5. 前記還流路は、前記ディスクの軸線方向から見たときに前記ディスクの軸線を中心とする周方向に互いに離間する複数個所に形成されている
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の遠心回転機械。
6. 前記還流路は、前記ディスクの軸線に近づく方向へ向かうに従って前記ディスクの軸線方向他方側へ向かうように傾斜する合流部を有する
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の遠心回転機械。

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