(57)【要約】【課題】使用環境に左右されずに、フィンの摩耗を抑制可能な回転機械を提供する。【解決手段】軸線を中心として回転する回転軸に軸線の径方向に対向して、回転軸に対して軸線回りに相対回転可能に設けられたケーシング３と、回転軸に設けられてケーシング３のラビリンス部２１に向かって延び、該ラビリンス部２１との間で間隙を形成するクロム鋼を材料とするフィン２０と、フィン２０の表面を被覆するセラミックを材料とするコーティング層２３と、を備えることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線を中心として回転する回転体と、
前記回転体に前記軸線の径方向に対向して、前記回転体に対して前記軸線回りに相対回転可能に設けられた静止体と、
前記回転体及び前記静止体のうちの少なくとも一方に設けられて他方に向かって延び、該他方との間で間隙を形成するクロム鋼を材料とするフィンと、
前記フィンの表面を被覆するセラミックを材料とするコーティング層と、
を備えることを特徴とする回転機械。
【請求項２】
前記コーティング層は、窒化物のセラミックを材料とすることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
前記フィンとの間に間隙を形成するように、前記回転体及び前記静止体のうちの前記他方に設けられ、前記フィンに前記軸線の径方向に対向する位置で該軸線の周方向にわたって環状の溝が形成されているとともにアルミニウム合金を材料とするラビリンス部をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機械。
【請求項４】
前記コーティング層は、ＰＶＤコーティングによって形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械。
【請求項５】
前記回転体は、前記軸線の方向に延在する回転軸と、
前記回転軸に外嵌されて、該回転軸とともに回転する複数のインペラと、
各々の前記インペラ同士の間で前記回転軸に外嵌されて該回転軸とともに回転し、前記インペラ同士の相互間隔を規定するスペーサとを有し、
前記フィンは前記スペーサに設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械における回転体と静止体との間に設けられるシール部に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば圧縮機等の回転機械では、回転軸等の回転体とケーシング等の静止体との間に、これらのいずれか一方から他方に向かって延びるフィンを有するシール部が設けられて、回転体と静止体との間をシールしている。
【０００３】
このようなフィンは、シール性を確保するため、回転体あるいは静止体との間隙が非常に小さく設定されているため、運転状況によっては異物の噛み込みや接触が生じて発熱することがある。さらに、圧縮機等の回転機械では回転体にクロム含有量の多いステンレス鋼等の材料を用いているため、上述した発熱によりクロムカーバイドが生成されて、これが静止体側に堆積することがある。このクロムカーバイドは、フィンを摩耗させてしまい、いわゆるワイヤウーリングと言われる現象を生じ、シール性の低下に起因する回転機械の効率低下を招くことがある。
【０００４】
ところで、特許文献１には、ニッケル、クロム、モリブデン、バナジウム、炭素等よりなる合金を、部材表面に溶接や溶射によって被覆施工することで、部材の耐摩耗性向上を図る手法が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、蒸気タービン用ロータの摺動面に対し、高速フレーム溶射法によって低クロム合金鋼の被覆層を形成し、ロータの摺動特性を改善する手法が開示されている。
【０００６】
そしてこれら特許文献１及び２の手法を用いて上記シール部のフィン表面を被覆することで、クロムカーバイドの堆積を抑制することが可能とも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３４８３１号
【特許文献２】特開２００５−１２０４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の手法では、被覆施工される部材の材質が限定されることや、またその組成上、被覆層にバナジウムカーバイド等が生成されることが予想される。さらに圧縮機等の回転機械では様々な流体が用いられるため、シール部が過酷な環境に曝されることがあり、特許文献１の手法では十分な耐食性を得ることができないおそれがある。
また、特許文献２の手法では、皮膜層が酸化物有することや気孔が形成されたものとなっているため耐食性が十分でないことや、また、被覆層の成形性がよくない。このためシール部のような間隔の狭い部分で、部材表面に特許文献２の被覆層を形成することは難しい。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、使用環境に左右されずに、フィンの摩耗を抑制可能な回転機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る回転機械は、軸線を中心として回転する回転体と、前記回転体に前記軸線の径方向に対向して、前記回転体に対して前記軸線回りに相対回転可能に設けられた静止体と、前記回転体及び前記静止体のうちの少なくとも一方に設けられて他方に向かって延び、該他方との間で間隙を形成するクロム鋼を材料とするフィンと、前記フィンの表面を被覆するセラミックを材料とするコーティング層と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このような回転機械によると、セラミックのコーティング層によって、フィンに含有されたクロムに起因するクロムカーバイドが回転体及び静止体のうちのいずれかに堆積してしまうことを防止できる。さらにコーティング層はセラミックを材料としているため、回転機械を流通する様々な流体に対して十分な耐食性を得ることができ、また耐熱性にも優れているため、持続的にクロムカーバイドの堆積を防止可能である。
また、セラミックを用いることでコーティング層を薄く形成できるため、フィンが設けられた位置で回転体と静止体との間の間隙が狭くなっている部分であっても、フィンの形状を維持したまま、容易にコーティング層を施工することができる。
【００１２】
また、前記コーティング層は、窒化物のセラミックを材料としてもよい。
【００１３】
このようにコーティング層に窒化物のセラミックを適用することで、さらにコーティング層の耐食性を向上でき、また、耐焼付性、耐高温酸化性にも優れるため、使用環境に左右されずに、フィンの摩耗を抑制可能である。
【００１４】
また、本発明に係る回転機械は、前記フィンとの間に間隙を形成するように、前記回転体及び前記静止体のうちの前記他方に設けられ、前記フィンに前記軸線の径方向に対向する位置で該軸線の周方向にわたって環状の溝が形成されているとともにアルミニウム合金を材料とするラビリンス部をさらに備えていてもよい。
【００１５】
このようなアルミニウム合金よりなるラビリンス部によって、シール効果を向上できるとともに、仮にフィンの先端が回転体及び静止体のうちのいずれかに接触した際であっても、ラビリンス部がフィンの先端によって削られるため、フィンが摩耗することがなく、シール効果を維持することが可能となる。
【００１６】
さらに、前記コーティング層は、ＰＶＤコーティングによって形成されていてもよい。
【００１７】
コーティング層の施工にＰＶＤコーティングを用いることで、コーティング層の密着強度を向上し、フィンの摩耗の抑制効果をさらに向上できる。
【００１８】
また、前記回転体は、前記軸線の方向に延在する回転軸と、前記回転軸に外嵌されて、該回転軸とともに回転する複数段のインペラと、各々の前記インペラ同士の間で前記回転軸に外嵌されて該回転軸とともに回転し、前記インペラ同士の相互間隔を規定するスペーサとを有し、前記フィンは前記スペーサに設けられていてもよい。
【００１９】
このように、セラミックのコーティング層がスペーサのフィン表面に設けられていることによって、スペーサの使用環境に係らず、フィンの摩耗を防止してシール効果を発揮することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の回転機械によると、フィンをセラミックのコーティング層によって被覆することで、使用環境に左右されずにフィンの摩耗を抑制可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機を示す全体断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機に関し、スペーサ、インペラを拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機に関し、スペーサにおけるフィン周辺を拡大して示す図であって、図１の要部Ａである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機（回転機械）１００について説明する。
図１に示すように、遠心圧縮機１は、ケーシング（静止体）１０２と、ケーシング３の内部にジャーナル軸受４及びスラスト軸受５を介して、軸線Ｏ回りに回転可能に支持された回転軸（回転体）１０１とを備えている。
【００２３】
さらに、遠心圧縮機１は、回転軸２に軸線Ｏ方向に並んで外嵌された複数段のインペラ１１と、隣接するインペラ１１同士の間に設けられたスペーサ１６とを備えている。
【００２４】
回転軸２は、軸線Ｏを中心として軸線Ｏ方向に延びる円柱状をなす部材である。
【００２５】
ケーシング３は、インペラ１１及び回転軸２の外周を覆うようにして、これらを軸線Ｏを中心として回転可能に支持している。
【００２６】
ケーシング３には、最前段（図１の紙面に向かって左側）のインペラ１１に流入させるように、流体Ｆを内部に取り込む吸込口６と、最後段のインペラ１１から流出した流体を外部に吐出する吐出口７とが形成されている。
【００２７】
またこのケーシング３には、隣接するインペラ１１同士の間に流路ＦＣ０が形成されており、この流路FC０を介して最前段のインペラ１１から最後段のインペラ１１へと下流に向かって流体Ｆを流通させることで、流体Ｆを段階的に昇圧している。
インペラ１１は、回転軸２に一体に固定されており、軸線Ｏを中心として回転する。なお、本実施形態ではインペラ１１が複数（六つ）設けられており、多段遠心圧縮機を構成している。
【００２８】
また、各インペラ１１は、軸線Ｏ方向視で略円盤状をなすディスク１３と、ディスク１３に設けられて、軸線Ｏを中心に径方向に沿って放射状に延びる複数のブレード１４と、これらブレード１４を軸線Ｏ方向の上流側から覆うカバー１５とを備えている。そして、周方向に隣接するブレード１４、カバー１５、ディスク１３によって囲まれる領域がインペラ流路ＦＣとなっており、流路ＦＣ０からインペラ流路ＦＣに流体Ｆが流入する。
【００２９】
次に、スペーサ１６について説明する。
図２に示すように、スペーサ１６は、インペラ１１同士の間において、インペラ１１の軸線Ｏ方向に相互間隔を規定する環状の部材であり、回転軸２に一体に固定されて軸線Ｏを中心として回転する。
【００３０】
さらに、このスペーサ１６には、径方向外側に向かってケーシング３に接触しない位置まで延び、ケーシング３との間に間隙を形成するフィン２０が軸線Ｏを中心として環状に設けられている。本実施形態では、このフィン２０はクロム鋼を材料としており、スペーサ１６から離間するに従って軸線Ｏ方向の上流側に傾斜して延びており、また軸線Ｏ方向に間隔をあけて六つが設けられている。
【００３１】
ここで、遠心圧縮機１は、ケーシング３に対して径方向にフィン２０に対向する位置で、軸線Ｏを中心として環状に形成されたラビリンス部２１を備えている。このラビリンス部２１はアルミニウム合金よりなり、軸線Ｏの周方向にわたって環状に溝２１ａが形成されており、フィン２０と接触しないように軸線Ｏの径方向に間隙をあけて設けられている。
そして、フィン２０は、溝２１ａ内まで延出するものと、軸線Ｏ方向に隣接する溝２１ａ間の凸部２１ｂに対向するように延出するものとが軸線Ｏ方向に交互に配置されている。
【００３２】
また、遠心圧縮機１は、フィン２０の表面を被覆するコーティング層２３をさらに備えている。
【００３３】
コーティング層２３は、例えば、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）等の窒化物のセラミックよりなり、また、ＰＶＤコーティングによって形成されている。
【００３４】
ここで、ＰＶＤコーティングとは、物理気相成長法のことであって、固体材料を熱やプラズマのエネルギーによって気化し、被施工部材（本実施形態では、フィン２０）に堆積させることで成膜を行う手法であり、例えば蒸着法、イオンプレーティング法等が挙げられる。
【００３５】
このような遠心圧縮機１においては、フィン２０の材質がクロムを含有するクロム鋼よりなっていることで、仮にフィン２０にコーティング層２３が設けられていない場合には、このフィン２０に含有されたクロムに起因するクロムカーバイドが生成され、ケーシング３側、即ちラビリンス部２１に堆積しまう
【００３６】
ここで、フィン２０自体の材質を低クロム合金に変更することで、上述したクロムカーバイドの堆積を抑制することも可能ではあるが、流体Ｆの種類よっては、このような低クロム合金では耐食性が十分でないことがある。よって、このような手法を様々な遠心圧縮機に広く適用することは難しい。
【００３７】
この点、本実施形態ではフィン２０自体の材質を変更することなく、フィン２０にコーティング層２３を設けたため、このようなフィン２０からのクロムカーバイドの堆積を防止できる。
【００３８】
また、コーティング層２３はセラミックよりなるため、インペラ１１を流通する流体Ｆが、例えば硫化水素等の腐食性が大きな流体であったとしても十分な耐食性を得ることができる。さらに、耐熱性にも優れているため、持続的にフィン２０表面を保護して、クロムカーバイドの堆積を防止できる。
【００３９】
さらに、セラミックを用いることでコーティング層２３を薄く形成できるため、フィン２０とラビリンス部２１が対向し、回転軸２とケーシング３との間の間隙が狭くなっている部分においても、フィン２０の形状を維持したまま、容易にコーティング層２３を施工することができる。
【００４０】
また、コーティング層２３に窒化物のセラミックを適用することで、さらにコーティング層２３の耐食性を向上でき、また、耐焼付性、耐高温酸化性にも優れる。このため、フィン２０の使用環境に左右されずに、フィン２０の摩耗を抑制可能である。
【００４１】
そして、フィン２０に対向する位置にラビリンス部２１が設けられていることで、インペラ流路ＦＣを流通せずに漏れ流れとなる流体Ｆの流量を、さらに低減することができる。また、このラビリンス部２１はアルミニウム合金よりなっているので、仮にフィン２０の先端がラビリンス部２１に接触したとしても、ラビリンス部２１側が削られることになり、フィン２０が摩耗することがない。
【００４２】
本実施形態の遠心圧縮機１によると、フィン２０がコーティング層２３によって被覆されていることで、使用環境に左右されずにフィンの摩耗を抑制可能となり、シール効果を維持して漏れ流れを低減することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
上述の実施形態では、コーティング層２３のセラミックに、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ等の窒化物を用いるとして説明を行ったが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの他のセラミックを適用してもよい。また、フィン２０の表面全体にコーティング層２３を設ける必要は必ずしもなく、フィン２０の先端の表面のみにコーティング層２３を設けてもよい。
【００４４】
また、ラビリンス部２１は必ずしも設けられなくともよい。
【００４５】
また、コーティング層２３は、必ずしもＰＶＤコーティングによって形成されなくともよく、例えばエアロゾルデポジション法等の他の方法を適用してもよい。
【００４６】
さらに、上述の実施形態では、フィン２０はスペーサ１６に設けられているが、例えばケーシング３側から径方向内側に向かって突出するように設けられて、回転軸２との間に間隙を形成するようにしてもよい。即ち、回転側、静止側のいずれにフィン２０が設けられていてもよく、さらに回転側、静止側の両方に設けられていてもよい。
【００４７】
また、上述の実施形態では回転機械の一例として遠心圧縮機１について説明を行ったが、例えば、タービン等の他の回転機械のシール部のフィンに対して、コーティング層２３を適用することもできる。
【符号の説明】
【００４８】
１…遠心圧縮機  ２…回転軸  ３…ケーシング  ４…ジャーナル軸受  ５…スラスト軸受  ６…吸込口  ７…吐出口  １１…インペラ  １３…ディスク  １４…ブレード  １５…カバー  １６…スペーサ  ２０…フィン  ２１…ラビリンス部  ２１ａ…溝  ２１ｂ…凸部  ２３…コーティング層  Ｏ…軸線  Ｆ…流体  ＦＣ…インペラ流路  ＦＣ０…流路  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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