(57)【要約】【課題】本発明の回転機械は、インペラの振動を容易かつ低コストで確実に抑える。【解決手段】回転機械は、第一流体が流通する流路を画成するケーシングと、ケーシングに中心軸周りに回転自在に設けられた回転軸３０と、ケーシング内に設けられて、回転軸３０と一体に回転することで前記第一流体を前記流路で圧送するインペラ４０と、前記流路内に設けられ、前記第一流体とは異なる体積弾性係数を有する固有振動数調整部６０と、を備える。【選択図】図３
2014238067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一流体が流通する流路を画成するケーシングと、
前記ケーシングに中心軸周りに回転自在に設けられた回転軸と、
前記ケーシング内に設けられて、前記回転軸と一体に回転することで前記第一流体を前記流路で圧送するインペラと、
前記流路内に設けられ、前記第一流体とは異なる体積弾性係数を有する固有振動数調整部と、
を備えることを特徴とする回転機械。
【請求項２】
前記固有振動数調整部は、
弾性体を有する中空部材と、
前記中空部材内に充填され、前記第一流体とは異なる体積弾性係数を有する第二流体と、を備え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】
前記固有振動数調整部は、前記流路において前記第一流体と前記インペラとが連成する範囲内に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機械。
【請求項４】
前記固有振動数調整部は、前記ケーシングに形成されたインペラ収容部内に配置されていることを特徴とする請求項３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、遠心圧縮機等の回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機などの回転機械では、インペラの固有振動数と、回転機械内を流れる流体によって作用する加振力の振動数とが一致し、共振が発生することがある。特に近年、流体の高圧化、高密度化により、流体によってインペラに作用する加振力が増加する傾向にある。したがって、共振によって振動が増大してインペラが破損することを防ぐため、加振力の振動数に対して、インペラの固有振動数が離調されるようにインペラの形状を設計段階で調整している。
【０００３】
ところで、流体が高密度になるほど、インペラと流体との連成度合いが増し、固有値の数は流体が低密度である場合より増加する。これら連成系の固有値の数が増加する事により共振回避は困難となるが、従来はインペラの構造を変更する事で共振回避を行い、インペラの振動を抑えている。
【０００４】
他の共振回避の手法として、例えば特許文献１には、インペラとケーシングの少なくとも一方に、消音手段を設けた構成が開示されている。この構成によれば、消音手段を設けることで、インペラと連成振動する周囲流体の圧力変動を抑制することによって、インペラの振動を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のように、インペラ近傍の高密度流体及びインペラが連成してなる回転系の固有振動数と加振力の振動数とが離調されるように予めインペラの形状や消音手段を設定していたとしても、回転機械の運転条件等に応じて、上記連成してなる回転系の固有振動数が様々に変化する。運転条件等に応じて変化する回転系の固有振動数を流体による加振力の振動数と離調させようとすると、インペラの形状や消音手段としての孔や開口を設計変更しなければならず、それには手間とコストがかかる。
【０００７】
そこでなされた本発明の目的は、インペラの振動を容易かつ低コストで確実に抑えることのできる回転機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様に係る回転機械は、第一流体が流通する流路を画成するケーシングと、前記ケーシングに中心軸周りに回転自在に設けられた回転軸と、前記ケーシング内に設けられて、前記回転軸と一体に回転することで前記第一流体を前記流路で圧送するインペラと、前記流路内に設けられ、前記第一流体とは異なる体積弾性係数を有する固有振動数調整部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このような回転機械によれば、流路内に設けられた固有振動数調整部の体積弾性係数が第一流体とは異なることで、流路内を流れる第一流体と固有振動数調整部とからなる流体全体としての系の固有振動数は、第一流体単独での固有振動数からシフトする。これにより、第一流体とインペラとが連成してなる回転系の固有振動数と、第一流体による加振力の振動数とを離調させることができる。その結果、固有振動数調整部を含んだ第一流体とインペラとが連成してなる回転系が共振することを防ぎ、インペラの振動を抑えることができる。
回転機械の運転条件等に応じて第一流体とインペラとが連成してなる回転系の固有振動数が変わっても、それに応じて固有振動数調整部によって第一流体とインペラとが連成してなる回転系の固有振動数を調整してインペラの振動を確実に抑えることができる。これにより、インペラの形状等を設計変更する従来の手法と比較し、インペラの振動を容易かつ低コストで抑えることができる。
【００１０】
また、本発明の他の態様に係る回転機械は、前記固有振動数調整部は、弾性体を有する中空部材と、前記中空部材内に充填され、前記第一流体とは異なる体積弾性係数を有する第二流体と、を備えるようにしてもよい。
【００１１】
このような回転機械によれば、第一流体とは体積弾性係数が異なる第二流体を中空部材中に充填することで、第一流体と体積弾性係数が異なる第二流体の種類を変えることで、固有振動数調整部６０の体積弾性係数を容易に変更することができる。したがって、第二流体の種類を変えることで、第一流体中に固有振動数調整部が存在する系内の固有振動数を容易にシフトさせることができる。これにより、第一流体とインペラとが連成してなる回転系の固有振動数を第一流体による加振力の振動数から離調するよう調整して、インペラの振動を確実に抑えることがより容易にできる。
【００１２】
さらに、本発明の他の態様に係る回転機械は、前記固有振動数調整部は、前記流路において前記第一流体と前記インペラとが連成する範囲内に設けられているようにしてもよい。
さらに、上記固有振動数調整部は、前記ケーシングに形成されたインペラ収容部内に配置されているようにしてもよい。
このような回転機械によれば、固有振動数調整部の体積弾性係数の影響を第一流体に効率的に伝搬させて、インペラにおける振動を有効に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第二流体によって第一流体の体積弾性率を変化させて、インペラと流体とが連成してなる回転系において固有振動数が変化しても、インペラの振動を容易かつ低コストで確実に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態における回転機械の一例としての遠心圧縮機の構成を示す断面図である。
【図２】遠心圧縮機の要部を示す拡大断面図である。
【図３】固有振動数調整部の設置位置の一例を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明による回転機械を実施するための形態を説明する。
図１は、本実施形態における回転機械の一例としての遠心圧縮機の構成を示す断面図である。図２は、遠心圧縮機の要部を示す拡大断面図である。図３は、固有振動数調整部の設置位置の一例を示す拡大断面図である。
図１に示すように、本実施形態の回転機械である遠心圧縮機１０は、主として、ケーシング２０と、ケーシング２０内で中心軸Ｏ周りに回転自在に支持されて設けられた回転軸３０と、回転軸３０に取り付けられて遠心力を利用して第一流体である高密度ガスＧを圧縮するインペラ４０と、を備えている。
【００１６】
ケーシング２０は、複数のリング部材２２を回転軸３０の中心軸Ｏ方向に配列した構成をなしている。ケーシング２０の一端部２０ａ側と他端部２０ｂ側とには、それぞれ回転軸３０の両端部を支持する支持孔２５，２６が形成されている。回転軸３０は、これら支持孔２５，２６に、ジャーナル軸受２７を介して中心軸Ｏ周りに回転自在に支持されている。また、ケーシング２０の一端部２０ａには、さらにスラスト軸受２８が設けられ、回転軸３０は、その一端側３０ａがスラスト軸受２８を介して中心軸Ｏ周りに回転自在に支持されている。
【００１７】
また、このケーシング２０には、縮径及び拡径を繰り返す内部空間２１が設けられている。ケーシング２０の内部空間２１には、インペラ４０を流通する高密度ガスＧを上流側から下流側に流通させる流路であるケーシング側流路５０が画成されている。
【００１８】
ケーシング側流路５０は、インペラ４０が収容されるインペラ収容部２９と、インペラ４０の外周側のインペラ収容部２９から外周側に向けて延びるディフューザ部５１とが形成されている。さらに、ケーシング側流路５０は、ディフューザ部５１の外周部に連続して形成されて断面視Ｕ字状に回り込むリターンベンド部５２と、リターンベンド部５２から内周側に向けて延びて次の段のインペラ４０の中央部のインペラ収容部２９に向けて湾曲した戻り流路５３とが形成されている。
【００１９】
ケーシング側流路５０の一端部２０ａ側には、高密度ガスＧを外部からケーシング側流路５０に流入させる吸込口２３が設けられている。また、ケーシング側流路５０の他端部２０ｂ側には、ケーシング側流路５０に連続して、高密度ガスＧを外部に流出させる排出口２４が設けられている。
【００２０】
インペラ収容部２９は、ケーシング２０の一端部２０ａに対向する側（図２、図３において左側）と、ケーシング２０の他端部２０ｂに対向する側（図２、図３において右側）に、インペラ４０を収容するための凹部２９ａ，２９ｂが形成されている。インペラ収容部２９は、ケーシング２０に形成されている凹部２９ａ，２９ｂにより、中心軸Ｏに直交する断面形状が円形のインペラ４０を収容する空間として形成されている。
【００２１】
また、インペラ収容部２９には、インペラ４０との間において、インペラ収容部２９の凹部２９ｂと後述するインペラ４０のディスク部４１の平面４１ｅ及びインペラ収容部２９の凹部２９ａと後述するインペラ４０のカバー部４３の湾曲面４３ｂとによって、所定の間隔が隔てられることで空間が形成されている。
【００２２】
複数のインペラ４０は、ケーシング２０における各々のリング部材２２の内部に、回転軸３０の中心軸Ｏ方向に間隔を空けて収容されている。そして、回転軸３０と一体に回転することで第一流体である高密度ガスＧをケーシング側流路５０で圧送している。なお、図１において、インペラ４０が６つ設けられている場合の一例を示しているが、インペラ４０は、少なくとも１つ以上設けられていればよい。
【００２３】
図２、図３に示すように、本実施形態において、遠心圧縮機１０のインペラ４０は、ディスク部４１とブレード部４２とカバー部４３とを備えた、いわゆるクローズドインペラである。
【００２４】
ディスク部４１は、その中央部が、中心軸Ｏ方向に一定長を有した略円筒状の筒状部４１ａとされている。この筒状部４１ａの貫通孔４１ｂに回転軸３０が挿通されて固定されている。筒状部４１ａの外周側に、円盤状のディスク本体部４１ｃが一体的に形成されている。このディスク本体部４１ｃは、その外周面が、ケーシング２０の一端部２０ａ側から他端部２０ｂ側に向けて、外径が漸次拡大する凹状湾曲面４１ｄとされている。ディスク本体部４１ｃは、ケーシング２０の他端部２０ｂ側に対向する側が、上記凹部２９ｂと所定の間隔を隔てた平面４１ｅにより形成されている。
【００２５】
凹状湾曲面４１ｄには、中心軸Ｏを中心に周方向に間隔を隔てて、複数のブレード部４２が、ケーシング２０の一端部２０ａ側に突出するようにして一体的に形成されている。
【００２６】
カバー部４３は、複数のブレード部４２を覆うように形成されている。このカバー部４３は、円盤状で、凹状湾曲面４１ｄに対向する側が、凹状湾曲面４１ｄと一定の間隔を隔てて対向するよう凸状湾曲面４３ａにより形成されている。また、カバー部４３においてケーシング２０の一端部２０ａ側に対向する側は、上記凹部２９ａと所定の間隔を隔てた湾曲面４３ｂにより形成されている。
【００２７】
そして、図２、図３に示すように、各インペラ４０においては、ディスク部４１の凹状湾曲面４１ｄとカバー部４３の凸状湾曲面４３ａとの間に、インペラ側流路５５が形成されている。各インペラ４０において、このインペラ側流路５５は、ケーシング２０の一端部２０ａ側を向く端部５５ａがケーシング側流路５０のリターンベンド部５２に対向するよう形成されている。そして、このインペラ側流路５５は、反対側の端部５５ｂが外周側を向き、ケーシング側流路５０のディフューザ部５１に対向するよう形成されている。
【００２８】
図３に示すように、遠心圧縮機１０には、ケーシング側流路５０における高密度ガスＧとインペラ４０とが連成する範囲内であるインペラ収容部２９内に固有振動数調整部６０が設けられている。より詳しくは、固有振動数調整部６０は、ケーシング側流路５０内においてインペラ収容部２９とインペラ４０との間の空間に、インペラ４０の外周部に沿って環状に連続して設けられている。
【００２９】
なお、固有振動数調整部６０は、第一流体である高密度ガスＧが流通するケーシング側流路５０に設けられていればよく、ケーシング側流路５０における高密度ガスＧとインペラ４０とが連成する範囲内に設けられていることがより好ましい。さらに、インペラ収容部２９内に設けられることが特に好ましい。
【００３０】
ここで、高密度ガスＧとインペラ４０とが連成する範囲内とは、第一流体である高密度ガスＧとインペラ４０とが相互に作用することで連成してなる回転系に影響を及ぼす範囲内を指す。高密度ガスＧとインペラ４０とが連成する範囲内としては、例えば、インペラ側流路５５に第一流体である高密度ガスＧが流入する部分であるケーシング側流路５０のリターンベンド部５２のインペラ側流路５５の端部５５ａ付近や、インペラ側流路５５から第一流体である高密度ガスＧが流出する部分であるケーシング側流路５０のデュフィーザ部のインペラ側流路５５の端部５５ｂ付近や、インペラ収容部２９内が挙げられる。特に、インペラ収容部２９内としては、例えば、インペラ収容部２９とインペラ４０との間の空間であるインペラ４０の湾曲面４３ｂと凹部２９ａとの隙間において、インペラ４０で圧縮された高密度ガスＧの出口となるインペラ側流路５５の端部５５ｂの近傍に配置されていることが特に好ましい。
【００３１】
固有振動数調整部６０は、第一流体である高密度ガスＧとは異なる体積弾性係数を有している。固有振動数調整部６０は、インペラ４０の外周部に沿って周方向に連続する中空筒状の弾性体を有するチューブ６１と、チューブ６１に充填されて高密度ガスＧとは体積弾性係数が異なる第二流体６２とを備えている。
【００３２】
チューブ６１は、内部に第二流体６２が流通可能な中空部材であり、例えば超軟質ゴム材料等、柔軟性と弾力性の高い材料で構成されていることが好ましい。このチューブ６１は、インペラ４０の外周部に沿って連続する無端の環状としてもよいが、ケーシング２０を介して外部に導出される導出管６３を備えてもよい。
【００３３】
チューブ６１内の第二流体６２は、固有振動数調整部６０の体積弾性係数が高密度ガスＧとは異なる流体を用いる。例えば、高密度ガスＧが高温高圧によって超臨界流体とされた二酸化炭素である場合、第二流体６２には、高密度ガスＧとは体積弾性係数が異なる空気、ヘリウム、アルゴン等を用いることができる。
導出管６３を備える場合、この導出管６３にガスボンベ等、第二流体６２の不図示の供給源を接続し、導出管６３を介してチューブ６１内に第二流体６２を送り込むことができる。
【００３４】
このような遠心圧縮機１０においては、吸込口２３からケーシング側流路５０に導入された高密度ガスＧは、回転軸３０とともに中心軸Ｏ周りに回転するインペラ４０のそれぞれにおいて、ブレード部４２の径方向内側に近接する端部５５ａからインペラ側流路５５に流入し、ブレード部４２の径方向外側に近接する端部５５ｂから外周側に向かって流出する。インペラ側流路５５を画成する周方向において互いに隣接するブレード部４２間は、径方向に高密度ガスＧが流通する圧縮流路とされており、インペラ側流路５５を通過することで高密度ガスＧは圧縮される。
各段のインペラ４０から流出した高密度ガスＧは、ケーシング側流路５０のディフューザ部５１を通して外周側に流れ、リターンベンド部５２において流れ方向を折り返し、戻り流路５３を通して後段側のインペラ４０に送り込まれる。このようにして、ケーシング２０の一端部２０ａ側から他端部２０ｂ側に向けて多段に設けられたインペラ４０のインペラ側流路５５とケーシング側流路５０を通過することで、高密度ガスＧが多段に圧縮されて排出口２４から送り出される。
【００３５】
また、高密度ガスＧは、端部５５ａからインペラ側流路５５に流入する際に、インペラ収容部２９内にも一部が流入する。インペラ収容部２９内に第一流体である高密度ガスＧが流入すると、インペラ収容部２９とインペラ４０との間の空間に高密度ガスＧが満たされる。この状態でインペラ４０が回転することで、インペラ４０とインペラ収容部２９内の第一流体である高密度ガスＧとが連成してなる回転系が生じる。
【００３６】
上述したように、固有振動数調整部６０を備えると、ケーシング２０内において、第一流体である高密度ガスＧ単独の状態での体積弾性係数に対し、高密度ガスＧ中に固有振動数調整部６０が存在した流体全体としての系の体積弾性係数がシフト（変動）する。そして、第一流体である高密度ガスＧの体積弾性係数を変動させることで、高密度ガスＧ中に固有振動数調整部６０が存在する流体全体としての系内の固有振動数も変動させることができる。その結果、固有振動数調整部６０が存在するインペラ収容部２９内の第一流体である高密度ガスＧとインペラ４０とが連成してなる回転系の固有振動数もシフトする。
すると、固有振動数調整部６０を含んだ高密度ガスＧとインペラ４０とが連成してなる回転系の固有振動数が、高密度ガスＧによる加振力の振動数から離調する。これにより、固有振動数調整部６０を含んだ高密度ガスＧとインペラ４０とが連成してなる回転系が共振することを防ぎ、インペラ４０の振動を防ぐことができる。その結果、運転中におけるインペラ４０の損傷を防ぎ、遠心圧縮機１０の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
固有振動数調整部６０においては、第二流体６２の種類やチューブ６１の材質等を適宜変更することで、固有振動数調整部６０を高密度ガスＧ中に存在させることによる高密度ガスＧの固有振動数のシフト量を容易に調整することが可能である。したがって、インペラ４０単体での固有振動数や振動モード、遠心圧縮機１０で圧縮する高密度ガスＧの種類、圧力等の遠心圧縮機１０の運転条件に応じて、高密度ガスＧとインペラ４０とが連成してなる回転系の固有振動数が変わる場合においても、高密度ガスＧとインペラ４０とが連成してなる回転系の固有振動数を高密度ガスＧによる加振力の振動数から離調するよう固有振動数調整部６０によって容易に調整してインペラ４０の振動を確実に抑えることができる。これにより、インペラ４０の形状等を設計変更する従来の手法と比較し、インペラ４０の振動を容易かつ低コストで抑えることができる。
【００３８】
さらに、固有振動数調整部６０が中空筒状の弾性体を有する中空部材であるチューブ６１とチューブ６１内に充填される第二流体６２とを有することで、第一流体である高密度ガスＧと体積弾性係数が異なる第二流体６２の種類を変えて、固有振動数調整部６０の体積弾性係数を容易に変更することができる。したがって、第二流体６２の種類を変えることで、高密度ガスＧ中に固有振動数調整部６０が存在する系内の固有振動数を容易にシフトさせることができる。これにより、高密度ガスＧとインペラ４０とが連成してなる回転系の固有振動数を高密度ガスＧによる加振力の振動数から離調するよう調整して、インペラ４０の振動を確実に抑えることがより容易にできる。
【００３９】
また、固有振動数調整部６０が、第一流体である高密度ガスＧとインペラ４０とが連成する範囲内に設けられていることで、固有振動数調整部６０の体積弾性係数の影響を第一流体である高密度ガスＧに効率的に伝搬させることができる。これにより、固有振動数調整部６０を設けることによって、インペラにおける振動を有効に抑えることができる。
【００４０】
さらに、固有振動数調整部６０が、インペラ収容部２９内に配置されていることで、固有振動数調整部６０の体積弾性係数の影響を第一流体である高密度ガスＧにより効率的に伝搬させることができる。これにより、固有振動数調整部６０を設けることによって、インペラにおける振動をより有効に抑えることができる。
【００４１】
（変形例）
なお、上記実施形態では、事前に固有振動数調整部６０における第二流体６２の種類や圧力を設定するものとしているが、これに限るものではなく、遠心圧縮機１０の運転状況等に応じて高密度ガスＧの固有振動数のシフト量を自動的に調整することも可能である。
これには、遠心圧縮機１０に、回転軸３０の回転数を検出する回転センサ、高密度ガスＧの圧力センサ、高密度ガスＧの温度センサ等（いずれも不図示）を備える。
そして、回転センサで検出した回転軸３０の回転数、圧力センサで検出した高密度ガスＧの圧力、温度センサで検出した高密度ガスＧの温度等に基づき、固有振動数調整部６０のチューブ６１に送り込む第二流体６２の量（圧力）を自動的に調整する。
【００４２】
（その他の実施形態）
なお、本発明の回転機械は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、固有振動数調整部６０のチューブ６１は、インペラ４０の外周側に配置するようにしたが、これ以外の位置に設けてもよい。ただし、インペラ４０の共振を抑えるという観点からして、高密度ガスＧとインペラ４０とが連成する範囲、すなわちインペラ４０の近傍に配置するのが好ましい。例えば、インペラ側流路５５の端部５５ａや端部５５ｂの近傍にチューブ６１を配置してもよい。
また、チューブ６１を、インペラ４０の外周側に環状に配置するようにしたが、これに限るものではなく、周方向の一部のみに設ける等、他の配置としてもよい。さらに、筒状のチューブ６１に限らず、適宜形状の中空のバッグをチューブ６１と同様の材料から形成し、このバッグ内に第二流体６２を充填することでも、上記実施形態と同様の作用効果が発揮できる。
加えて、高密度ガスＧと体積弾性係数が異なるのであれば、中空のチューブ６１内に第二流体６２を充填させた固有振動数調整部６０に限らず、高密度ガスＧと体積弾性係数が異なるゴム系材料等からなる中実の固有振動数調整部を用いることも可能である。
【００４３】
さらに、上述した実施形態の遠心圧縮機１０のように、インペラ４０が中心軸Ｏ方向に多段に配置されている場合、高密度ガスＧがより高圧となる後段のインペラ４０にのみ固有振動数調整部６０を設けるようにしても良い。さらに、多段にインペラ４０が設けられている場合、各インペラ４０のうち、インペラ４０の形状やノズル枚数の調整だけでは共振回避が困難な段にのみ、上述した固有振動数調整部６０を設けるようにしても良い。
【００４４】
そして、上述した実施形態においては、カバー部４３を備えるクローズ型のインペラ４０について説明したが、カバー部４３を備えないオープン型のインペラにも本発明は適用可能である。
また、上述した実施形態においては、回転機械として遠心圧縮機１０を一例に説明したが、半径流タービン等の回転機械にも適用可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  遠心圧縮機（回転機械）
２０  ケーシング
２１  内部空間
２２  リング部材
２９  インペラ収容部
２９ａ，２９ｂ  凹部
３０  回転軸
４０  インペラ
４１  ディスク部
４２  ブレード部
４３  カバー部
５０  ケーシング側流路（流路）
５５  インペラ側流路
６０  固有振動数調整部
６１  チューブ
６２  第二流体
６３  導出管
Ｇ  高密度ガス（第一流体）
【図１】
2014238067.tif 000003
【図２】
2014238067.tif 000004
【図３】
2014238067.tif 000005