(57)【要約】  軸流式遠心ターボ機械（１）であって、少なくとも一つの軸流段（１１）を持つ軸流部（１０）、少なくとも一つの遠心段（２１）を持つ遠心部（２０）、内部空間を持つハウジング（３０）であって、該内部空間は、径方向に延びる隔壁（４０′）により、前記軸流部が収容されている第１部分室（３１）、及び、前記遠心部が収容されている第２部分室（３２）に軸線方向において分割されているハウジング（３０）、及び、前記内部空間及びその隔壁を貫いて軸線方向に延びていて、前記軸流部及び前記遠心部の羽根車（１２、２２）を収容しているシャフト（５０）を有している、軸流式遠心ターボ機械（１）において、前記隔壁と、前記隔壁に隣接して前記ハウジングに軸線方向に固定された、前記遠心部の流体ガイド要素（２３）との間に、径方向ギャップ（ＲＳ）が形成されており、また、前記径方向ギャップ内には、周方向に分配された複数の固定ユニット（６０）が配置され、これら固定ユニット（６０）がそれぞれ、前記隔壁を前記流体ガイド要素に軸線方向に固定している。
2013505386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの軸流段（１１）を備えている軸流部（１０）と、
少なくとも一つの遠心段（２１）を備えている遠心部（２０）と、
内部空間を備えているハウジング（３０）であって、前記内部空間が、前記ハウジング（３０）の径方向（ＲＲ）に延在している隔壁（４０′）によって、前記ハウジング（３０）の軸線方向（ＡＲ）において、前記軸流部（１０）を収容している第１部分室（３１）と前記遠心部（２０）を収容している第２部分室（３２）とに分割されている、ハウジング（３０）と、
前記ハウジング（３０）の前記内部空間及びその隔壁（４０′）を貫通して軸線方向（ＡＲ）に延在しており、前記軸流部（１０）及び前記遠心部（２０）の羽根車（１２、２２）を担持しているシャフト（５０）と、
を有している軸流式遠心ターボ機械（１）において、
前記隔壁（４０′）と、前記隔壁（４０′）に隣接している状態で前記軸線方向において前記ハウジング（３０）に固定されている前記遠心部（２０）の流体ガイド要素（２３）との間に、径方向ギャップ（ＲＳ）が形成されていること、及び、
前記径方向ギャップ（ＲＳ）内には、前記ハウジング（３０）の周方向（ＵＲ）に分配された複数の固定ユニット（６０）が配置され、前記固定ユニット（６０）それぞれによって、前記隔壁（４０′）が、前記軸線方向において前記流体ガイド要素（２３）に固定されていることを特徴とする、軸流式遠心ターボ機械。
【請求項２】
前記固定ユニット（６０）それぞれが、前記隔壁（４０′）及び／又は前記流体ガイド要素（２３）において、前記径方向ギャップ（ＲＳ）を前記ハウジング（３０）の軸線方向（ＡＲ）に橋絡する突出部を有していることを特徴とする、請求項１に記載の軸流式遠心ターボ機械（１）。
【請求項３】
前記固定ユニット（６０）それぞれが、一のスタッドボルト（６１）を有しており、
前記スタッドボルト（６１）が、前記ハウジング（３０）の軸線方向（ＡＲ）において前記隔壁（４０′）及び前記流体ガイド要素（２３）を貫通して延在していること、及び、前記スタッドボルト（６１）が、前記隔壁（４０′）及び前記流体ガイド要素（２３）のうち少なくとも一方と螺合していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の軸流式遠心ターボ機械（１）。
【請求項４】
前記固定ユニット（６０）それぞれが、一のスペーサースリーブ（６２）を有しており、
前記スペーサースリーブ（６２）が、前記径方向ギャップ（ＲＳ）内において前記スタッドボルト（６１）を覆っており、前記径方向ギャップ（ＲＳ）を前記ハウジング（３０）の軸線方向（ＡＲ）に橋絡することを特徴とする、請求項３に記載の軸流式遠心ターボ機械（１）。
【請求項５】
前記スタッドボルト（６１）が、雄ネジを備えている軸部（６１ａ）と前記軸部（６１ａ）の反対側に拡大されて構成された頭部（６１ｂ）とを有している、ネジから構成されていること、及び、前記スタッドボルト（６１）が、前記頭部（６１ｂ）が前記第１部分室（３１）側において前記隔壁（４０′）に支持されていることによって、及び、前記軸部（６１ａ）の雄ネジが流体ガイド要素（２３）内の雌ネジに噛み合っていることによって、前記第１部分室（３１）から前記隔壁（４０′）内の貫通路を貫通して取り付けられていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の軸流式遠心ターボ機械（１）。
【請求項６】
前記軸流式遠心ターボ機械（１）が、一の軸流・遠心圧縮機から形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸流式遠心ターボ機械（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの軸流段を備えている軸流部と少なくとも一つの遠心段を備えている遠心部とを有している軸流式遠心ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に図示されたような軸流式遠心ターボ機械１は、複数の軸流段１１を持つ軸流部１０、複数の遠心段２１を持つ遠心部２０、内部空間を持つハウジング３０を有しており、該ハウジング３０はハウジング３０の径方向ＲＲに延びる隔壁４０により、ハウジング３０の軸線方向ＡＲにおいて、軸流部１０を収容する第１の部分室３１と、遠心部２０を収容する第２の部分室３２とに分割されており、また、軸流式遠心ターボ機械１はさらに、シャフト５０を有しており、該シャフト５０は軸線方向ＡＲにおいてハウジング３０の内部空間及びその隔壁４０を貫いて延びていて、該シャフト５０には軸流部１０及び遠心部２０の羽根車１２、２２が収容されている。
【０００３】
シャフト５０は隔壁４０を貫いて延びているため、隔壁４０の強度構造は弱く、そのため隔壁４０は例えばハウジング３０の軸線方向ＡＲにおける変形を受けやすくなっている。この理由から、従来技術では隔壁４０の壁厚Ｓは、隔壁４０の変形が許容量にまで低減される厚みになるよう構成されている（図２参照）。
【０００４】
壁厚Ｓがそのように重厚又は大きい例は、図１の領域Ａの拡大部分図である図２に図示されている。例えば、工業用の大型ターボ機械の径方向ＲＲの外寸は約４０００ｍｍとなることもあり、また、（隔壁４０の軸線方向ＡＲにおける）壁厚Ｓは約５００ｍｍとなることもある。
【０００５】
すぐに分かるように、そのように壁厚を大きくすると、軸流式遠心ターボ機械１の材料コストは非常に高くなり重量も非常に重くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、隔壁がハウジングの軸線方向において過度に変形することを確実に防止し、これにより壁厚が従来技術に基づく壁厚より薄くなっている、軸流式遠心ターボ機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は請求項１に記載の軸流式遠心ターボ機械により解決される。本発明の発展形は従属請求項によりそれぞれ定義される。
【０００８】
本発明の軸流式遠心ターボ機械は、少なくとも一つの軸流段を持つ軸流部、少なくとも一つの遠心段を持つ遠心部、内部空間を持つハウジングであって、該ハウジングはハウジングの径方向に延びる隔壁により、ハウジングの軸線方向において、軸流部が収容されている第１部分室、及び、遠心部が収容されている第２部分室に分割されているハウジング、及び、ハウジングの内部空間及びその隔壁を貫いて軸線方向に延び、軸流部及び遠心部の羽根車が収容されているシャフト、を有しており、このとき、隔壁と、隔壁に隣接してハウジングに軸線方向に固定された、遠心部の流体ガイド要素との間に径方向ギャップが形成されており、また、この径方向ギャップ内にはハウジングの周方向に分配された複数の固定ユニットが配置されており、また、これら固定ユニットによりそれぞれ隔壁が流体ガイド要素に軸線方向に固定されている。
【０００９】
本発明において径方向ギャップ内に、ハウジングの周方向に分配された複数の固定ユニットが配置されていて、これらがそれぞれ、隔壁を流体ガイド要素に対して軸線方向に固定していることにより、隔壁は、ハウジングの軸線方向における過度な変形に対して確実に保護され、それにより隔壁は従来技術に比較して薄い壁厚で構成できる。
【００１０】
例として、径方向の寸法が例えば約４０００ｍｍにもなる工業用の大型ターボ機械において、隔壁の（軸線方向の）壁厚は、本発明により５００ｍｍから約２５０ｍｍにまで低減させることができる。隔壁の壁厚がここまで低減されることにより軸流式遠心ターボ機械の重量を数トン、この例においては約２５トン低減させることができる。
【００１１】
さらに、隔壁の壁厚低減により、羽根車を支持しているシャフト（これらが一緒に軸流式遠心ターボ機械のロータを形成している）用の回転ベアリングの軸線方向の軸受間距離をより小さく実施することができ、それにより軸流式遠心ターボ機械全体をよりコンパクトに、特に軸線方向により短く実施することができる。
【００１２】
流体ガイド要素は例えば遠心部の再循環又はディフューザインサートにより形成することができる。
【００１３】
本発明の一つの実施形態において固定ユニットはそれぞれ、隔壁及び／又は流体ガイド要素において、径方向ギャップをハウジングの軸線方向に橋絡する突出部を有している。
【００１４】
本発明のこの構成により、隔壁を流体ガイド要素に軸線方向に支持する及び／又は軸線方向に保持するという形で、隔壁が軸線方向に簡単に固定され、それにより軸線方向に軸流部から遠心部の方向に向かって、及び／又は遠心部から軸流部に向かって、隔壁上にはたらく力を確実に受け止めることができる。
【００１５】
本発明の複数の実施形態において突出部は一体で又は隔壁及び／又は流体ガイド要素に統合されて（例えばスプルーとして）構成することができるか、又は、別個の部品としてこれ（ら）に取り付けることができる。
【００１６】
本発明のさらなる一つの実施形態において固定ユニットはそれぞれ一つのスタッドボルトを有しており、このスタッドボルトはハウジングの軸線方向に隔壁及び流体ガイド要素を通って延びており、このスタッドボルトは隔壁及び流体ガイド要素のうちの少なくとも一方にねじ結合している。
【００１７】
この場合、ここでも隔壁が流体ガイド要素に軸線方向に支持される形で隔壁が軸線方向に固定されるよう、スタッドボルトは望ましくはそれぞれこのスタッドボルトとねじ結合していない部分（隔壁又は流体ガイド要素）に軸線方向に支持され、それにより軸流部から遠心部へ向かう方向において軸線方向に隔壁に作用する力を確実に受け止めることができる。
【００１８】
本発明のさらなる一つの実施形態においてスタッドボルトは、隔壁及び流体ガイド要素にねじ結合することができ、それにより、隔壁が軸線方向両側で固定される。
【００１９】
本発明のさらなる一つの実施形態において固定ユニットはさらにそれぞれ一つのスペーサースリーブを有しており、このスペーサースリーブは径方向ギャップ内でスタッドボルトを覆っていて、径方向ギャップをハウジングの軸線方向に橋絡している。
【００２０】
この場合所望であれば、スタッドボルトは、スペーサースリーブを径方向に固定するためだけに使用することができ、それは、スペーサースリーブが軸線方向に隔壁及び流体ガイド要素に接していて、そのため隔壁を流体ガイド要素に軸線方向に支持するという形で隔壁を軸線方向に固定でき、それにより軸流部から遠心部に向かう方向において隔壁に軸線方向に作用する力を確実に受け止められるからである。
【００２１】
本発明のさらに一つの実施形態においてスタッドボルトは、雄ネジがつけられた軸部、及び、軸部の反対側で肥大させて構成された頭部を持つネジで形成されており、スタッドボルトは第１部分室から隔壁内の貫通路を通ってセットされているため、頭部は第１部分室の側において隔壁に支持され、軸部の雄ネジは流体ガイド要素内の雌ネジに噛み合う。
【００２２】
本発明のこの構成により、隔壁の軸線方向両側の固定が実現され、軸線方向に遠心部から軸流部へ、及び、軸流部から遠心部へ向かう方向において隔壁に作用する力を確実に受け止めることができる。
【００２３】
詳しく言うとこの場合、スペーサースリーブは一方では、径方向ギャップの軸線方向のギャップ寸法のためのディスタンスピースとして、もう一方では軸流部から遠心部へ向かう方向において隔壁に軸線方向に作用する力に対して隔壁を支持するものとして機能する。スタッドボルトは軸線方向に遠心部から軸流部に向かう方向において隔壁に作用する力に対して、隔壁を流体ガイド要素に軸線方向に保持するものとして機能する。
【００２４】
本発明の一つの実施形態において軸流式遠心ターボ機械は軸流・遠心圧縮機で形成されている。
【００２５】
本発明のこの実施形態において、例えば遠心部の最終段が隔壁に隣接していることにより軸流部と遠心部との間に大きな圧力差が生じる可能性がある。この場合、軸流部の最終段も同様に隔壁に隣接して配置されていても、圧力差に基づく力が、遠心部から軸流部に向かう方向において軸線方向に隔壁に作用する可能性があり、それは、遠心部は、軸流部より高い圧力を生成可能であるからである。
【００２６】
本発明による、隔壁の軸線方向の固定、特にネジとして実施された（頭部及び軸部を有する）スタッドボルトを用いて隔壁を軸線方向に固定することにより、隔壁のこの負荷状況も確実に受け止められる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】軸流式遠心ターボ機械の側断面図を図式的に表した図である。
【図２】図１の従来技術による軸流式遠心ターボ機械の領域Ａの部分を図式的に表した図である。
【図３】図１の本発明の実施形態による軸流式遠心ターボ機械の領域Ａ′の、第１の断面から見た部分を図式的に表した図である。
【図４】図１の軸流式遠心ターボ機械の本発明の実施形態による領域Ａ′の、第２の断面から見た部分を図式的に表した図である。
【図５】図３及び図４の軸流式遠心ターボ機械の隔壁の領域を径方向に切断して図式的に示した斜視図である。
【図６】図１の本発明の実施形態による軸流式遠心ターボ機械の領域Ａ′の部分を図式的に表した図であり、隔壁の変形状況が表されている。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
望ましい実施形態及び添付図面を用いて、本発明について以下に詳述する。
【００２９】
図１及び図３〜図６を参照して、本発明の一の実施形態における軸流式遠心ターボ機械１について説明する。本発明に基づく当該実施形態において、軸流式遠心ターボ機械１は、一つの軸流・遠心圧縮機（軸流圧縮機及び遠心圧縮機が一のユニットになっている圧縮機）から構成されている。
【００３０】
本発明の軸流式遠心ターボ機械１は、複数の軸流段１１を備えている軸流部１０と、複数の遠心段２１を備えている遠心部２０と、ハウジング３０の径方向ＲＲにおいて延在している隔壁４０′によって、ハウジング３０の軸線方向ＡＲにおいて、軸流部１０を収容している第１の部分室３１と遠心部２０を収容している第２部分室３２とに分割されている、内部空間を備えているハウジング３０と、軸線方向ＡＲにおいてハウジング３０の内部空間及びその隔壁４０′を貫通して延在していると共に、軸流部１０及び遠心部２０の羽根車１２、２２を担持しているシャフト５０と、を有している。
【００３１】
本発明の軸流式遠心ターボ機械１の遠心部２０は、軸線方向にハウジング３０に固定されている流体ガイド要素２３、当該実施例では遠心部２０の遠心段２１それぞれのための再循環インサート又はディフューザインサートを有している。隔壁４０′と遠心部２０の流体ガイド要素２３の隔壁４０′に隣接する部分との間には、遠心部２０のディフューザ管２４内に開口している径方向ギャップＲＳが形成されている。
【００３２】
この径方向ギャップＲＳ内には、ハウジング３０の周方向ＵＲ（図５参照）に分配された複数の固定ユニット６０が配置されており、これら固定ユニット６０によって、隔壁４０′それぞれが、軸線方向において流体ガイド要素２３に固定されている。
【００３３】
例えば図３に表わすように、固定ユニット６０それぞれが、ハウジング３０の軸線方向ＡＲにおいて径方向ギャップＲＳを橋絡する突出部を形成している。当該実施形態において以下にさらに詳述するように、当該突出部は、隔壁４０′及び流体ガイド要素２３の両方に取り付けられている。
【００３４】
固定ユニット６０それぞれが、当該実施例ではネジとして構成されているスタッドボルト６１を有しており、スタッドボルト６１は、ハウジング３０の軸線方向ＡＲにおいて隔壁４０′及び流体ガイド要素２３を貫通して延在している。また、固定ユニット６０は、スペーサースリーブ６２を有しており、スペーサースリーブ６２は、径方向ギャップＲＳにおいてスタッドボルト６１を覆っており、ハウジング３０の軸線方向ＡＲにおいて径方向ギャップＲＳを橋絡しているので、スペーサースリーブ６２は、隔壁４０′及び流体ガイド要素２３の両方に当接している。
【００３５】
スタッドボルト６１の一方の端には、雄ネジが形成されている軸部６１ａが設けられており、軸部６１ａの反対側には、拡大されている頭部６１ｂが設けられている。
【００３６】
スタッドボルト６１は、第１部分室３１から（又は軸流部１０から）隔壁４０′内の貫通路（符号なし）を貫通しており、頭部６１ｂが第１部分室３１側において隔壁４０′の凹所又は凹部（符号なし）で支持されるように、及び、軸部６１ａの雄ネジが流体ガイド要素２３内において雌ネジ（符号なし）に噛み合うように取り付けられている。
【００３７】
このようにして、スタッドボルト６１は、軸線方向において遠心部２０から軸流部１０に向かう方向に隔壁４０′に対して作用する力に関連するタイロッドを形成しており、この力が当該タイロッドによって確実に受け止められるので、隔壁４０′が軸線方向において軸流部１０に向かう方向に過度に変形することを防止することができる。
【００３８】
また、スペーサースリーブ６２は、径方向ギャップＲＳにおける軸線方向のギャップ寸法を確保するためのスペーサとして機能する一方、当該実施例では例えばスタッドボルト６１を締め付けることによって、スタッドボルト６１の頭部６１ｂを介して隔壁４０′に作用させる力のような、軸線方向において軸流部１０から遠心部２０に向かう方向に隔壁４０′に作用する力に対して、軸線方向において隔壁４０′を確実に支持するように機能する。
【００３９】
本発明の一の典型的な実施形態では、図５に表わすように、典型的には１２個の固定ユニット６０が設けられており、典型的にはスタッドボルトそれぞれがＭ４８のネジとして構成されている。
【００４０】
本発明の一の典型的な実施形態において軸流・遠心圧縮機として構成されている軸流式遠心ターボ機械１は、工業用大型ターボ機械とされ、典型的には、径方向ＲＲの外寸は約４０００ｍｍであり、隔壁４０′の壁厚Ｓ′は約２５０ｍｍである。これによって、本発明の軸流式遠心ターボ機械１では、図２に関連する上述の従来技術に基づく典型的な軸流式遠心ターボ機械と比較して、約２５トンの重量低減が実現された。
【００４１】
本発明の一の実施形態において軸流・遠心圧縮機として構成されている軸流式遠心ターボ機械１では、軸流式遠心ターボ機械１の運転中において、典型的には、軸流部１０と遠心部２０との間の圧力差が約１４ｂａｒとなる場合があり、典型的には、遠心部２０における圧力の方が高い。
【００４２】
この圧力差は軸流部１０に向かう方向における隔壁４０′の変形につながる。しかしながら、発明者が行った調査では、隔壁４０′のこの変形は、固定ユニット６０により許容可能な範囲内に保つことができ、また、同じ運転条件であれば、図２を参照して先述された、従来技術の軸流式遠心ターボ機械の隔壁４０の変形より低減させることができた。
【００４３】
具体的には（外寸約４０００ｍｍの軸流式遠心ターボ機械において遠心部２０の圧力が軸流部１０の圧力より約１４ｂａｒ高い場合には）、本発明の軸流式遠心ターボ機械１の隔壁４０′（壁厚２５０ｍｍ）では、シャフト５０に隣接している隔壁４０′の端において軸流部１０に向かう隔壁４０′の最大変形量は約１．３ｍｍであり、スタッドボルト６１内の最大抗張力は約７００Ｎ／ｍｍ２である。
【００４４】
一方（外寸約４０００ｍｍの軸流式遠心ターボ機械において遠心部２０の圧力が軸流部１０の圧力より約１４ｂａｒ高い場合には）、図２に関連する上述の従来技術に基づく軸流式遠心ターボ機械の隔壁４０（壁厚５００ｍｍ）では、シャフト５０に隣接する隔壁４０の端において軸流部１０に向かう隔壁４０の最大変形量は約１．７ｍｍである。
【００４５】
従って、本発明の軸流式遠心ターボ機械１の隔壁４０′の最大変形量は、図２に関連する上述の従来技術に基づく軸流式遠心ターボ機械の隔壁４０の最大変形量の僅か約８０％である。
【００４６】
発明者による調査の枠内においてさらに認識されたことは、結果として生じた変形（例えば変形軌跡）が、遠心部２０の流体ガイド要素２３の構造に大きく依存することである。つまり、流体ガイド要素２３はできるだけ硬い構成とするべきであり、また、図６に図示された変形状況により示されるように、かけられる力をできるだけ良好にハウジング３０の外側領域に導けるようにするべきである。
【００４７】
調査の枠内において発明者によりさらに認識されたことは、固定ユニット６０、特にそのスペーサースリーブ６２により遮断されるのは、径方向ギャップＲＳにより形成される、遠心部２０内で圧縮すべき作動流体用の流路のせいぜい約１０％だけであり、固定ユニット６０による遠心部２０の効率低下は１０分の１％の数倍にとどまるということである。
【符号の説明】
【００４８】
１    軸流式遠心ターボ機械
１０    軸流部
１１    軸流段径方向
１２    羽根車
２０    遠心部
２１    遠心段
２２    羽根車
２３    流体ガイド要素
２４    ディフューザ管
３０    ハウジング
３１    第１部分室
３２    第２部分室
４０    隔壁
４０′  隔壁
５０    シャフト
６０    固定ユニット
６１    スタッドボルト
６１ａ  軸部
６１ｂ  頭部
６２    スペーサースリーブ
ＡＲ    軸線方向
ＲＲ    径方向
ＲＳ    径方向ギャップ
Ｓ      壁厚
Ｓ′    壁厚
ＵＲ    周方向
【図１】
2013505386.tif 000003
【図２】
2013505386.tif 000004
【図３】
2013505386.tif 000005
【図４】
2013505386.tif 000006
【図５】
2013505386.tif 000007
【図６】
2013505386.tif 000008
【国際調査報告】
2013505386.tif 000009
2013505386.tif 000010
2013505386.tif 000011
2013505386.tif 000012
2013505386.tif 000013
2013505386.tif 000014