特開 2024-106510 多段遠心圧縮機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024106510

(43)【公開日】2024-08-08

(54)【発明の名称】多段遠心圧縮機

(51)【国際特許分類】

   F04D 17/12 20060101AFI20240801BHJP

   F04D 29/051 20060101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

F04D17/12

F04D29/051

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023010796

(22)【出願日】2023-01-27

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２１年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「グリーンイノベーション基金事業／大規模水素サプライチェーンの構築／革新的な液化、水素化、脱水素技術の開発／水素液化機向け大型高効率機器の開発」の委託研究成果について、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山下 英明

(72)【発明者】

【氏名】山田 典功

(72)【発明者】

【氏名】武内 遼太

(72)【発明者】

【氏名】加藤 祐也

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA12

3H130AB27

3H130AB46

3H130AB47

3H130AB69

3H130AC30

3H130BA53C

3H130BA53D

3H130BA74C

3H130BA74D

3H130DA02X

3H130DC01X

3H130DC11X

3H130EA01C

3H130EA01D

3H130EB01C

3H130EB01D

(57)【要約】

【課題】多段ロータを備えた多段遠心圧縮機であって、多段ロータのインペラとロータ軸との間に圧縮された流体が通る内部通路が設けられ、内部通路に露出するシールで隣り合うインペラの間が封止されたものにおいて、シールに作用する負荷を低減する。
【解決手段】多段遠心圧縮機は、圧縮される流体が流れる圧縮通路と、インペラスタックと軸体との半径方向の間で軸線方向に延びる第１内部通路及び第２内部通路を備える。第１内部通路は、圧縮通路の第１戻し位置と接続された第１戻し通路、及び、圧縮通路の第１戻し位置よりも下流の第１抜出位置と接続された第１抜出通路によって圧縮通路と連通されている。第２内部通路は、圧縮通路の第１抜出位置よりも下流の第２戻し位置と接続された第２戻し通路、及び、第２戻し位置より下流の第２抜出位置と接続された第２抜出通路によって圧縮通路と連通されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線方向に積層された複数のインペラ、前記複数のインペラの間に挿入されたバランスピストン、及び、前記軸線方向に隣り合うインペラの間を封止するシールとを含むインペラスタックと、前記インペラスタックを貫通する軸体とを有する多段ロータと、
吸入口から初段インペラ及び最終段インペラを含む前記複数のインペラを順に通って吐出口まで、圧縮される流体が流れる圧縮通路と、
前記インペラスタックと前記軸体との半径方向の間で前記軸線方向に延びる互いに独立した第１内部通路及び第２内部通路と、を備え、
前記第１内部通路は、前記圧縮通路の第１戻し位置と接続された第１戻し通路、及び、前記圧縮通路の前記第１戻し位置よりも下流の第１抜出位置と接続された第１抜出通路によって前記圧縮通路と連通されており、前記第１抜出位置を通過する前記流体の一部が前記第１抜出通路、前記第１内部通路、及び前記第１戻し通路を経て前記第１戻し位置へ流れ、
前記第２内部通路は、前記圧縮通路の前記第１抜出位置よりも下流の第２戻し位置と接続された第２戻し通路、及び、前記第２戻し位置より下流の第２抜出位置と接続された第２抜出通路によって前記圧縮通路と連通されており、前記第２抜出位置を通過する前記流体の一部が前記第２抜出通路、前記第２内部通路、及び前記第２戻し通路を経て前記第２戻し位置へ流れる、
多段遠心圧縮機。

【請求項2】

前記バランスピストンと前記軸体の前記半径方向の間が封止されることによって、前記インペラスタックと前記軸体との前記半径方向の間が前記第１内部通路と前記第２内部通路とに分けられている、
請求項１に記載の多段遠心圧縮機。

【請求項3】

前記第１抜出位置は前記バランスピストンと隣り合う第１中間段インペラの下流に配置されており、前記第１抜出通路は前記バランスピストンを貫通している又は前記バランスピストンと前記第１中間段インペラの間を通っている、
請求項２に記載の多段遠心圧縮機。

【請求項4】

前記第２抜出位置が前記バランスピストンと隣り合う前記最終段インペラの出口と前記吐出口の間に配置されており、前記第２抜出通路は前記バランスピストンを貫通している又は前記バランスピストンと前記最終段インペラの間を通っている、
請求項２に記載の多段遠心圧縮機。

【請求項5】

前記第２戻し位置が前記バランスピストンと隣り合う第２中間段インペラの下流に配置されており、前記第２戻し通路は前記バランスピストンを貫通している又は前記バランスピストンと前記第２中間段インペラの間を通っている、
請求項２に記載の多段遠心圧縮機。

【請求項6】

前記第１戻し位置が前記圧縮通路の前記吸入口と前記初段インペラの入口の間に配置されており、前記第１戻し通路が前記軸体を貫通している、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多段遠心圧縮機。

【請求項7】

前記第１戻し位置が前記圧縮通路の前記吸入口と前記初段インペラの入口の間に配置されており、
前記軸体は前記軸線方向と直交する平面状の座面を有し、前記インペラスタックは平面状の当接面を有し、前記軸体の前記座面と前記インペラスタックの前記当接面とが前記軸線方向に接触しており、前記第１戻し通路が前記座面と前記当接面のうち少なくとも一方に配置された溝を通っている、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多段遠心圧縮機。

【請求項8】

前記第１内部通路及び前記第２内部通路の少なくとも一方に、通過する前記流体を減圧させる減圧材が配置されている、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多段遠心圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、多段ロータを備えた多段遠心圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

多段遠心圧縮機は、軸線方向に積層された複数のインペラを有するロータを備え、圧縮される流体が回転するインペラを半径方向に通り抜ける際に発生する遠心力によって流体を圧縮するものである。特許文献１では、この種の多段遠心圧縮機が開示されている。

【0003】

特許文献１に記載の多段遠心圧縮機は、積層された複数のインペラを有するロータと、ロータを収容するハウジングとを備える。ハウジングと複数のインペラとによって、ハウジングの吸入口から、初段インペラから最終段インペラまで複数のインペラを通って、吐出口までの圧縮通路が形成されている。複数のインペラは、インペラを軸線方向に貫通して延びるタイロッドによりまとめて保持されている。インペラとタイロッドの間には半径方向の隙間が設けられており、この間隙によって、圧縮通路を通るガスの一部を下流側の位置から上流側の位置へ還流する還流通路が形成されている。圧縮されたガスが還流通路を流れることによって、ガスの圧縮によって生じた熱がタイロッドに伝達され、タイロッドが加熱されてインペラとタイロッドの温度勾配が小さくなる。また、圧縮されたガスが還流通路を流れることによって、圧縮されたガスによってロータにかかるスラスト荷重が緩和される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０１６－５００４２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

多段遠心圧縮機では、初段インペラに流入する前の流体と、最終段インペラを通過した流体との圧力差が大きい。特許文献１では、圧縮通路の最終段インペラを通過した流体の一部が還流通路を通って圧縮通路の初段インペラの入口へ戻されるため、還流通路の圧力は最終段インペラを通過した高温高圧の流体と対応したものとなる。隣り合うインペラの軸線方向の間は通気を防止するためにシールで封止されているが、圧縮通路の上流へ向かうほどシールによって隔てられた圧縮通路と還流通路との圧力差が大きくなる。このような圧力差に耐えうるシールは高価であり、また、設計上の制約となる。

【0006】

本開示は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、多段ロータを備えた多段遠心圧縮機であって、多段ロータの複数のインペラとロータ軸との間に圧縮された流体が通る内部通路が設けられ、隣り合うインペラの間がシールで封止されたものにおいて、シールに作用する負荷を軽減することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る多段遠心圧縮機は、
軸線方向に積層された複数のインペラ、前記複数のインペラの間に挿入されたバランスピストン、及び、前記軸線方向に隣り合うインペラの間を封止するシールとを含むインペラスタックと、前記インペラスタックを貫通する軸体とを有する多段ロータと、
吸入口から初段インペラ及び最終段インペラを含む前記複数のインペラを順に通って吐出口まで、圧縮される流体が流れる圧縮通路と、
前記インペラスタックと前記軸体との半径方向の間で前記軸線方向に延びる互いに独立した第１内部通路及び第２内部通路と、を備え、
前記第１内部通路は、前記圧縮通路の第１戻し位置と接続された第１戻し通路、及び、前記圧縮通路の前記第１戻し位置よりも下流の第１抜出位置と接続された第１抜出通路によって前記圧縮通路と連通されており、前記第１抜出位置を通過する前記流体の一部が前記第１抜出通路、前記第１内部通路、及び前記第１戻し通路を経て前記第１戻し位置へ流れ、
前記第２内部通路は、前記圧縮通路の前記第１抜出位置よりも下流の第２戻し位置と接続された第２戻し通路、及び、前記第２戻し位置より下流の第２抜出位置と接続された第２抜出通路によって前記圧縮通路と連通されており、前記第２抜出位置を通過する前記流体の一部が前記第２抜出通路、前記第２内部通路、及び前記第２戻し通路を経て前記第２戻し位置へ流れるものである。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、多段ロータを備えた多段遠心圧縮機であって、多段ロータの複数のインペラとロータ軸との間に圧縮された流体が通る内部通路が設けられ、隣り合うインペラの間がシールで封止されたものにおいて、シールに作用する負荷を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本開示の一態様に係る多段遠心圧縮機の概略断面図である。

【図2】図２は、多段ロータの概略断面図である。

【図3】図３は、内部流路を説明する多段遠心圧縮機の一部断面図である。

【図4】図４は、第１戻し通路の変形例を示す多段遠心圧縮機の一部断面図である。

【図5】図５は、第１戻し通路の変形例を示す多段遠心圧縮機の一部断面図である。

【図6】図６は、第１抜出通路及び第２戻し通路の変形例を示す多段遠心圧縮機の一部断面図である。

【図7】図７は、変形例１に係る多段遠心圧縮機の概略断面図である

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、本開示の一態様に係る多段遠心圧縮機１０の概略断面図であり、同図では多段遠心圧縮機１０のロータ軸線Ａより上半分が示されている。図１に示す多段遠心圧縮機１０は、ケーシング１２と、ケーシング１２に収容された多段ロータ２と、多段ロータ２を回転駆動する駆動装置とを備える。

【0011】

図２は、多段ロータ２の概略断面図である。図１及び２に示すように、多段ロータ２は、ロータ軸線Ａを中心とする回転体である。多段ロータ２は、ロータ軸線Ａを中心として軸線方向Ｘと平行に延びる軸体３と、軸体３の軸線方向Ｘの略中央部において軸線方向Ｘに沿って並んだ複数のインペラ４とを備える。軸線方向Ｘに積み重ねられた複数のインペラ４はインペラスタック４０とも称され、多段ロータ２はスタックドロータとも称される。

【0012】

軸体３は、段差面３６を有する段付き軸である。軸体３は、軸線方向Ｘの中央部に配置された第１セクション３１と、第１セクション３１に隣接して配置された第２セクション３２と、第１セクション３１及び第２セクション３２を軸線方向Ｘの両側から挟み込む一対の第３セクション３３と、軸線方向Ｘの両端部に配置された一対のエンドセクション３４とを有する。軸体３は一部材からなる剛体であって、軸体３に繋ぎ目はない。

【0013】

軸体３の第１セクション３１はインペラ４の内径より小さい第１軸径を有し、第２セクション３２は第１軸径及びインペラ４の内径より大きい第２軸径を有する。このような軸径の差によって、第２セクション３２と第１セクション３１との境界には軸線方向Ｘを向いた段差面３６が存在する。軸体３のエンドセクション３４の軸径は第１軸径よりも小さい。軸体３の第３セクション３３の軸径は、エンドセクション３４の軸径よりも大きく、インペラ４の内径よりも小さい。第３セクション３３の軸径は、インペラ４の内径よりも小さければ第１軸径よりも大きくてもよい。このように、軸体３では、インペラ４をエンドセクション３４から第３セクション３３を通って第１セクション３１へ移動させることが可能である。

【0014】

軸体３の第１セクション３１はインペラスタック４０に挿通されている。各インペラ４は、既知の構造を有し、例えば、軸体３が挿通されるボスと、ボスを中心とする円盤と、円盤上に設けられた複数の羽根と、羽根の先端に取り付けられたシュラウドとを有する。インペラ４には、円盤と羽根とシュラウドとによって、圧縮する流体が通過する流路が形成されている。このインペラ４はクローズド型であるが、シュラウドが省略されたオープン型であってもよい。インペラ４のボスの軸線方向Ｘの両端面は周方向の歯が形成された歯付きフランジとなっている。軸線方向Ｘに隣り合うインペラ４は、歯付きフランジ同士が噛合する機械的カップリングによって動力を伝達可能に結合されている。機械的カップリングは、カービックカップリング又はハースカップリングであってよい。隣り合うインペラ４の噛合部を通じた流体の流通を阻止するために、隣り合うインペラ４の噛合部はシール４７で封止されている。

【0015】

インペラスタック４０は、インペラ４とインペラ４の間に挟まれた少なくとも１つのバランスピストン５７を含む。バランスピストン５７は、回転中の多段ロータ２の軸スラストを自律調整させる。本実施形態に係るインペラスタック４０は、軸線方向Ｘの中途部に配置されたバランスピストン５７を有し、バランスピストン５７を介して反負荷側に配置されたインペラ４と負荷側に配置されたインペラ４で向きが異なる、いわゆる、Ｂａｃｋ－ｔｏ－Ｂａｃｋ型配置を有する。バランスピストン５７は、インペラ４と同様に軸体３に外嵌されている。バランスピストン５７の軸線方向Ｘの両端面は周方向の歯が形成された歯付きフランジとなっており、軸線方向Ｘに隣り合うインペラ４とバランスピストン５７は歯付きフランジ同士が噛合する機械的カップリングによって動力を伝達可能に結合されている。

【0016】

インペラスタック４０のうち、最も第２セクション３２の近くに配置されたインペラ４を「先頭インペラ４Ｌ」と便宜的に称する。本実施形態において先頭インペラ４Ｌは複数のインペラ４のうち最初に流体を圧縮する初段インペラ４Ａであるが、先頭インペラ４Ｌは初段インペラ４Ａに限定されない。先頭インペラ４Ｌは軸体３の段差面３６と当接している。先頭インペラ４Ｌの段差面３６と対峙している面は歯が形成されずに平面となっており、先頭インペラ４Ｌと段差面３６とが平面で接触している。先頭インペラ４Ｌと段差面３６は摩擦によって結合されており、軸体３から先頭インペラ４Ｌへ動力を伝達可能である。軸体３から先頭インペラ４Ｌへの動力伝達に冗長性を持たせ、且つ、軸体３と先頭インペラ４Ｌの芯出しのために、先頭インペラ４Ｌはしまり嵌め、スプライン嵌合、又は噛合によって軸体３に対する相対的な回転と半径方向への移動が制限されていてもよい。

【0017】

インペラスタック４０のうち、最も第２セクション３２から離れて配置されたインペラ４を「後尾インペラ４Ｔ」と便宜的に称する。本実施形態において後尾インペラ４Ｔは複数のインペラ４のうち最後に流体を圧縮する最終段インペラ４Ｅではなく、第４段インペラである。後尾インペラ４Ｔは、軸体３に嵌められたバランスピストン５６と接触している。バランスピストン５６は、軸体３のうち第３セクション３３に嵌められていてもよいし第１セクション３１に嵌められていてもよい。後尾インペラ４Ｔとバランスピストン５６とは、噛合による機械的カップリングによって結合されている。

【0018】

軸体３の第３セクション３３にロックナット６が螺嵌されている。ロックナット６はバランスピストン５６と接触している。軸体３の段差面３６とロックナット６との軸線方向Ｘの間に、インペラスタック４０及びバランスピストン５６が配置されている。軸体３の軸力によって、インペラスタック４０及びバランスピストン５６は段差面３６とロックナット６との間で軸方向に加圧された状態で挟み込まれている。これにより、段差面３６と先頭インペラ４Ｌ、隣接するインペラ４同士、及び、後尾インペラ４Ｔとバランスピストン５６は、軸線方向Ｘに緊密接触状態に保持されている。また、ロックナット６によって、軸体３のロータ軸線Ａとインペラスタック４０の軸心とが一致するように、軸体３とインペラスタック４０の芯出しがなされている。

【0019】

軸体３の第３セクション３３の周囲には、ケーシング１２と軸体３の間を封止するドライガスシール５４，５５が配置されている。ドライガスシール５４，５５は、多段ロータ２で圧縮されて高圧となった作動流体の外部への漏洩を阻止する。ドライガスシール５４，５５には、外部からシールガスが供給される。軸体３のエンドセクション３４は、ジャーナル軸受５１，５２を介してケーシング１２に回動可能に支持されている。また、軸体３のエンドセクション３４は、スラスト軸受５３を介してケーシング１２に支持されている。

【0020】

図１ではケーシング１２の一部分が示されている。ケーシング１２には、或る段のインペラ４とその次の段のインペラ４との間を繋ぐ接続通路２１が形成されている。接続通路２１は、インペラ４の流路と接続されている。或る段のインペラ４で圧縮された流体は接続通路２１へ排出され、当該接続通路２１を通って次の段のインペラ４の流路へ流入する。ケーシング１２には、圧縮する流体を初段インペラ４Ａへ導入する吸入口２２と、最終段インペラ４Ｅで圧縮された流体を外部へ送出する吐出口２３とが設けられている。更に、ケーシング１２には、中間段インペラまで圧縮された流体を一旦機外へ取り出すための中間吐出口２７と、機内へ戻すための中間吸込口２８とが設けられている。このように、多段遠心圧縮機１０には、吸入口２２から吸い込まれた流体が、複数段のインペラ４を経て段階的に圧縮され、中間吐出口２７から一旦機外へ取り出されたのち中間吸込口２８から機内へ戻され、複数のインペラ４を経て更に段階的に圧縮されたのち吐出口２３から外部へ吐出される一連の圧縮通路Ｗが、ケーシング１２とインペラ４とによって形成されている。但し、多段遠心圧縮機１０の圧縮通路Ｗの態様やインペラ４の段数は例示に過ぎない。また、本実施形態に係る軸体３は、軸受５１，５２，５３によって支持されるエンドセクション３４と、インペラスタック４０を支持する第１セクション３１とが、連続する一部材によって構成されたものであるが、軸体３は一対のスタブ軸の間がタイロッド又はタイボルトで結合された所謂タイロッド式の軸であってもよい。

【0021】

インペラ４の内周面と軸体３の外周面との間には僅かな間隙が設けられており、この間隙が流体が通る内部通路７ａ，７ｂに利用される。インペラ４の内周面には、内部通路７ａ，７ｂを通過する流体から内部通路７ａ，７ｂへの伝熱を抑制するために遮熱コーティングが施されていてもよい。図３は、内部通路７ａ，７ｂを説明する多段ロータ２の断面図である。図３に示すように、インペラスタック４０と軸体３との間に、流体が軸線方向Ｘに流れる内部通路７ａ，７ｂが設けられている。

【0022】

バランスピストン５７と軸体３との間には、両者の半径方向の間隙を封止するシール７０が設けられている。シール７０は、バランスピストン５７と軸体３の半径方向の間に配置された環状の弾性シール、或いは、バランスピストン５７と軸体３の対峙面に形成されたラビリンスシールであってよい。また、バランスピストン５７が軸体３にしまり嵌めされることによって、バランスピストン５７の内周面と軸体３の外周面との半径方向の間隙が封止されていてもよい。このようにバランスピストン５７と軸体３との半径方向の間隙が封止されることによって、間隙が軸線方向Ｘに分断されて、軸線方向Ｘに並ぶ互いに独立した内部通路７ａ，７ｂが形成されている。本実施形態に係る内部通路７ａ，７ｂは、バランスピストン５７を介して反負荷側に配置された第１内部通路７ａと、負荷側に配置された第２内部通路７ｂとに分かれている。

【0023】

圧縮通路Ｗには、圧縮される流体の流れの上流から下流へ向かって順に第１戻し位置Ｒ１、第１抜出位置Ｅ１、第２戻し位置Ｒ２、第２抜出位置Ｅ２が規定されている。第１内部通路７ａは、圧縮通路Ｗの第１戻し位置Ｒ１と接続された第１戻し通路７３と、圧縮通路Ｗの第１抜出位置Ｅ１と接続された第１抜出通路７１とによって、圧縮通路Ｗと連通されている。第１抜出位置Ｅ１は第１戻し位置Ｒ１よりも下流にあることから、第１抜出位置Ｅ１の流体の圧力は第１戻し位置Ｒ１の流体の圧力よりも高い。この圧力差によって、第１抜出位置Ｅ１を流れる流体の一部が、第１抜出通路７１を通じて第１内部通路７ａへ流入し、第１内部通路７ａを軸線方向Ｘに流れて第１戻し通路７３を通じて第１戻し位置Ｒ１へ戻される。第１内部通路７ａの圧力は、第１抜出位置Ｅ１の流体の圧力とほぼ等しい。

【0024】

第２内部通路７ｂは、第２戻し位置Ｒ２と接続された第２戻し通路７４、及び、第２抜出位置Ｅ２と接続された第２抜出通路７２とによって、圧縮通路Ｗと連通されている。第２抜出位置Ｅ２は第２戻し位置Ｒ２よりも下流にあることから、第２抜出位置Ｅ２の流体の圧力は第２戻し位置Ｒ２の流体の圧力よりも高い。この圧力差によって、第２抜出位置Ｅ２を流れる流体の一部が、第２抜出通路７２を通じて第２内部通路７ｂへ流入し、第２内部通路７ｂを軸線方向Ｘに流れて第２戻し通路７４を通じて第２戻し位置Ｒ２へ戻される。第２内部通路７ｂの圧力は第２抜出位置Ｅ２の流体の圧力とほぼ等しい。

【0025】

上記のように第１内部通路７ａと第２内部通路７ｂに圧縮通路Ｗから抜き出された流体が流れることによって、軸体３とインペラスタック４０の半径方向の間隙の圧力が安定し、当該間隙への不純物の堆積が阻止され、インペラスタック４０と軸体３の温度差が緩和する。

【0026】

本実施形態において、第１戻し位置Ｒ１は圧縮通路Ｗにおいて接続通路２１と初段インペラ４Ａの入口との間に配置されている。第１戻し位置Ｒ１は、主流への影響を抑えるために、初段インペラ４Ａの入口から上流側へ離れていることが望ましい。このような観点から、第１戻し通路７３は軸体３の内部を通されている。具体的には、先頭インペラ４Ｌが当接している軸体３の第２セクション３２の内部に第１内部通路７ａと圧縮通路Ｗの第１戻し位置Ｒ１とを接続する通路が形成されており、この通路が第１戻し通路７３として利用されている。このように第１戻し通路７３が軸体３の内部を通されることによって、第１戻し通路７３の出口である第１戻し位置Ｒ１の位置の自由度が高まり、先頭インペラ４Ｌである初段インペラ４Ａの入口から上流側へ離れた位置に第１戻し位置Ｒ１を配置できる。

【0027】

第１戻し通路７３の構成は上記に限定されない。例えば、図４に示すように、第１戻し通路７３は、インペラスタック４０と軸体３との接触面を通っていてもよい。この場合、例えば、インペラスタック４０と軸体３の接触面においてインペラスタック４０と軸体３のうち少なくとも一方に溝が設けられ、この溝が第１戻し通路７３に利用される。より詳細には、軸体３は軸線方向Ｘと直交する平面状の座面を有し、インペラスタック４０は平面状の当接面を有し、軸体３の座面（即ち、段差面３６）とインペラスタック４０の当接面とが軸線方向Ｘに接触しており、第１戻し通路７３が座面と当接面のうち少なくとも一方に配置された溝を通っている。図４に示す例では、インペラスタック４０のうち先頭インペラ４Ｌが、軸体３と軸線方向Ｘに当接する面と半径方向に接触する面を有している。そして、これらの先頭インペラ４Ｌと軸体３との接触面において、先頭インペラ４Ｌと軸体３の少なくとも一方に第１戻し通路７３となる溝が形成されている。但し、インペラスタック４０は、軸体３の段差面３６と先頭インペラ４Ｌとの軸線方向Ｘの間に介挿された円筒体を更に有していてもよく、この場合、インペラスタック４０のうち円筒体が、軸体３と軸線方向Ｘに接触する面と半径方向に接触する面を有する。これらの円筒体と軸体３との接触面において、円筒体と軸体３の少なくとも一方に第１戻し通路７３となる溝が形成される。

【0028】

或いは、図５に示すように、第１戻し通路７３は、初段インペラ４Ａを通っていてもよい。この場合、初段インペラ４Ａを内外に貫く通路が形成され、この通路が第１戻し通路７３に利用される。また、初段インペラ４Ａの入口よりも下流に配置されていてもよく、この場合、初段インペラ４Ａと隣り合うインペラ４との噛合面の隙間が第１戻し通路７３に利用されてもよい。

【0029】

本実施形態において、第１抜出位置Ｅ１は圧縮通路Ｗにおいてバランスピストン５７と隣り合う第１中間段インペラ４Ｃの出口又はその近傍に配置されている。第１抜出通路７１は、第１中間段インペラ４Ｃの背面側を通り、バランスピストン５７を貫通して、第１内部通路７ａへ至る。但し、図６に示すように、第１抜出通路７１は、バランスピストン５７を貫通する代わりに、バランスピストン５７と第１中間段インペラ４Ｃの噛合面の隙間を通っていてもよい。

【0030】

本実施形態において、第２抜出位置Ｅ２は圧縮通路Ｗにおいて最終段エンペラと吐出口２３との間に配置されている。第２抜出通路７２は、最終段エンペラの背面側を通り、バランスピストン５７を貫通して第２内部通路７ｂへ至る。第２抜出通路７２は、バランスピストン５７を貫通する代わりに、バランスピストン５７と最終段インペラ４Ｅの噛合面の隙間を通っていてもよい。

【0031】

本実施形態において、第２戻し位置Ｒ２は圧縮通路Ｗにおいて第１中間段インペラ４Ｃの出口と第２中間段インペラ４Ｄの入口との間に配置されている。第２中間段インペラ４Ｄは、第１中間段インペラ４Ｃの次段のインペラ４であって、後尾インペラ４Ｔである。第２戻し通路７４は、第２中間段インペラ４Ｄとバランスピストン５６との噛合面の隙間を通っている。但し、第２戻し通路７４は、軸体３を通ったあと、バランスピストン５６を半径方向に貫通していてもよい。

【0032】

上記構成において、第１内部通路７ａの圧力は、第１抜出位置Ｅ１の流体の圧力、即ち、第１中間段インペラ４Ｃの出口の流体の圧力とほぼ等しい。よって、圧縮通路Ｗの吸入口２２から第１抜出位置Ｅ１までの間から第１内部通路７ａへの流体の漏れを塞いでいるシール４７に掛かる圧力差は、圧縮通路Ｗの吸入口２２と吐出口２３の圧力差よりも十分に小さい。

【0033】

また、第２内部通路７ｂの圧力は、第２抜出位置Ｅ２の流体の圧力、即ち、最終段インペラ４Ｅの出口の流体の圧力とほぼ等しい。よって、圧縮通路Ｗの第１抜出位置Ｅ１から吐出口２３までの間から第２内部通路７ｂへの流体の漏れを塞いでいるシール４７に掛かる圧力差は、圧縮通路Ｗの吸入口２２と吐出口２３の圧力差よりも十分に小さい。本実施形態のように第２戻し位置Ｒ２から第２抜出位置Ｅ２までのインペラ４の段数が多い場合には、第２内部通路７ｂの下流部分に配置されたシール４７に掛かる圧力差を更に小さくするために、第２内部通路７ｂの軸線方向Ｘの途中に減圧材４８が配置されてもよい。減圧材４８は、例えば、軸体３とインペラスタック４０の半径方向の間に配置されたリング状の通気可能なシールである。

【0034】

上記のように本開示に係る多段遠心圧縮機１０では、隣り合うインペラ４の間を封止しているシール４７には圧縮通路Ｗと内部通路７ａ，７ｂの圧力差が掛かるが、この圧力差は、吸入口２２と吐出口２３の圧力差、即ち、初段インペラ４Ａの入口と最終段インペラ４Ｅの出口の圧力差よりも十分に小さい。このようにシール４７に掛かる圧縮通路Ｗと内部通路７ａ，７ｂとの圧力差が抑えられ、シール４７に掛かる負荷を軽減できるので、シール４７に係るコストを抑えることができ、シール４７の設計上の制約が少なくなってシール４７の選択の自由度が高まる。

【0035】

＜変形例＞
次に、上記実施形態の変形例を説明する。図７は、変形例１に係る多段遠心圧縮機１０の概略断面図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

【0036】

上記実施形態に係る多段遠心圧縮機１０の多段ロータ２は、Ｂａｃｋ ｔｏ Ｂａｃｋ型配置のインペラスタック４０を有するが、これに代えてストレート型配置のインペラスタック４０を有していてもよい。ストレート型配置のインペラスタック４０は、複数のインペラ４の全てが同じ向きに並んだものである。

【0037】

図７に示す変形例１に係る多段遠心圧縮機１０の多段ロータ２は、同じ向きに並んだ複数のインペラ４からなるストレート型配置のインペラスタック４０を備える。インペラスタック４０は、インペラ４とインペラ４に挟まれたバランスピストン５７とを含む。図７において、圧縮通路Ｗが鎖線で示されており、内部通路７ａ，７ｂが二点鎖線で示されている。圧縮通路Ｗでは、反負荷側から負荷側へ軸線方向Ｘの一方向へ流体が流れる。軸体３とインペラスタック４０の半径方向の間隙は、軸体３とバランスピストン５７の間を封止するシール７０によって第１内部通路７ａと第２内部通路７ｂとに分かれている。第１内部通路７ａ及び第２内部通路７ｂにおいて、負荷側から反負荷側へ軸線方向Ｘの一方向へ流体が流れる。

【0038】

圧縮通路Ｗには、圧縮される流体の流れの上流から下流へ向かって順に第１戻し位置Ｒ１、第１抜出位置Ｅ１、第２戻し位置Ｒ２、第２抜出位置Ｅ２が規定されている。第１内部通路７ａは、圧縮通路Ｗの第１戻し位置Ｒ１と接続された第１戻し通路７３と、圧縮通路Ｗの第１抜出位置Ｅ１と接続された第１抜出通路７１とによって、圧縮通路Ｗと連通されている。第１抜出位置Ｅ１は第１戻し位置Ｒ１よりも下流にあることから、第１抜出位置Ｅ１の流体の圧力は第１戻し位置Ｒ１の流体の圧力よりも高い。この圧力差によって、第１抜出位置Ｅ１を流れる流体の一部が、第１抜出通路７１を通じて第１内部通路７ａへ流入し、第１内部通路７ａを軸線方向Ｘに流れて第１戻し通路７３を通じて第１戻し位置Ｒ１へ戻される。第１内部通路７ａの圧力は、第１抜出位置Ｅ１の流体の圧力とほぼ等しい。

【0039】

第２内部通路７ｂは、第２戻し位置Ｒ２と接続された第２戻し通路７４、及び、第２抜出位置Ｅ２と接続された第２抜出通路７２とによって、圧縮通路Ｗと連通されている。第２抜出位置Ｅ２は第２戻し位置Ｒ２よりも下流にあることから、第２抜出位置Ｅ２の流体の圧力は第２戻し位置Ｒ２の流体の圧力よりも高い。この圧力差によって、第２抜出位置Ｅ２を流れる流体の一部が、第２抜出通路７２を通じて第２内部通路７ｂへ流入し、第２内部通路７ｂを軸線方向Ｘに流れて第２戻し通路７４を通じて第２戻し位置Ｒ２へ戻される。第２内部通路７ｂの圧力は第２抜出位置Ｅ２の流体の圧力とほぼ等しい。

【0040】

本変形例では、第１戻し位置Ｒ１は圧縮通路Ｗにおいて接続通路２１と初段インペラ４Ａの入口との間に配置されており、第１抜出位置Ｅ１は圧縮通路Ｗにおいてバランスピストン５７と隣り合う第１中間段インペラ４Ｃの出口又はその近傍に配置されている。

【0041】

第２抜出位置Ｅ２は圧縮通路Ｗにおいて最終段エンペラと吐出口２３との間に配置されており、第２戻し位置Ｒ２は圧縮通路Ｗにおいて第１中間段インペラ４Ｃの出口と第２中間段インペラ４Ｄの入口との間に配置されている。第２中間段インペラ４Ｄは、第１中間段インペラ４Ｃの次の段のインペラ４であって、バランスピストン５７と隣り合うインペラ４である。第２戻し通路７４は、第２中間段インペラ４Ｄを通り、バランスピストン５７を貫通して第２内部通路７ｂへ至る。第２戻し通路７４は、バランスピストン５７を貫通する代わりに、バランスピストン５７と最終段インペラ４Ｅの噛合面の隙間を通っていてもよい。最終段エンペラは、後尾インペラ４Ｔであって、第２抜出通路７２は、後尾インペラ４Ｔとバランスピストン５６との噛合面の隙間を通っている。但し、第２抜出通路７２は、バランスピストン５６を半径方向に貫通していてもよい。

【0042】

上記構成において、第１内部通路７ａの圧力は、第１抜出位置Ｅ１の流体の圧力、即ち、第１中間段インペラ４Ｃの出口の流体の圧力とほぼ等しい。よって、圧縮通路Ｗの吸入口２２から第１抜出位置Ｅ１までの間から第１内部通路７ａへの流体の漏れを塞いでいるシール４７に掛かる圧力差は、圧縮通路Ｗの吸入口２２と吐出口２３の圧力差よりも十分に小さい。また、第２内部通路７ｂの圧力は、第２抜出位置Ｅ２の流体の圧力、即ち、最終段インペラ４Ｅの出口の流体の圧力とほぼ等しい。よって、圧縮通路Ｗの第１抜出位置Ｅ１から吐出口２３までの間から第２内部通路７ｂへの流体の漏れを塞いでいるシール４７に掛かる圧力差は、圧縮通路Ｗの吸入口２２と吐出口２３の圧力差よりも十分に小さい。このように、ストレート型配置のインペラスタック４０を有する多段ロータ２を備える多段遠心圧縮機１０においても、互いに独立した複数の内部通路７ａ，７ｂを有することによって、隣り合うインペラ４の間を封止しているシール４７に掛かる圧縮通路Ｗと内部通路７ａ，７ｂとの圧力差を抑えることができる。

【0043】

〔総括〕
本開示の第１の項目に係る多段遠心圧縮機１０は、
軸線方向Ｘに積層された複数のインペラ４、複数のインペラ４の間に挿入されたバランスピストン５７、及び、軸線方向Ｘに隣り合うインペラ４の間を封止するシール４７とを含むインペラスタック４０と、インペラスタック４０を貫通する軸体３とを有する多段ロータ２と、
吸入口２２から初段インペラ４Ａ及び最終段インペラ４Ｅを含む複数のインペラ４を順に通って吐出口２３まで、圧縮される流体が流れる圧縮通路Ｗと、
インペラスタック４０と軸体３との半径方向の間で軸線方向Ｘに延びる互いに独立した第１内部通路７ａ及び第２内部通路７ｂと、を備え、
第１内部通路７ａは、圧縮通路Ｗの第１戻し位置Ｒ１と接続された第１戻し通路７３、及び、圧縮通路Ｗの第１戻し位置Ｒ１よりも下流の第１抜出位置Ｅ１と接続された第１抜出通路７１によって圧縮通路Ｗと連通されており、第１抜出位置Ｅ１を通過する流体の一部が第１抜出通路７１、第１内部通路７ａ、及び第１戻し通路７３を経て第１戻し位置Ｒ１へ流れ、
第２内部通路７ｂは、圧縮通路Ｗの第１抜出位置Ｅ１よりも下流の第２戻し位置Ｒ２と接続された第２戻し通路７４、及び、第２戻し位置Ｒ２より下流の第２抜出位置Ｅ２と接続された第２抜出通路７２によって圧縮通路Ｗと連通されており、第２抜出位置Ｅ２を通過する流体の一部が第２抜出通路７２、第２内部通路７ｂ、及び第２戻し通路７４を経て第２戻し位置Ｒ２へ流れるものである。

【0044】

上記構成の多段遠心圧縮機１０では、隣り合うインペラ４の間を封止しているシール４７に圧縮通路Ｗと内部通路７ａ，７ｂの圧力差が掛かるが、この圧力差は、吸入口２２と吐出口２３の圧力差、即ち、初段インペラ４Ａの入口と最終段インペラ４Ｅの出口の圧力差よりも十分に小さい。このようにシール４７に掛かる圧縮通路Ｗと内部通路７ａ，７ｂとの圧力差が抑えられ、シール４７に掛かる負荷を軽減できるので、シール４７に係るコストを抑えることができ、シール４７の設計上の制約が少なくなってシール４７の選択の自由度が高まる。

【0045】

第２の項目に係る多段遠心圧縮機１０は、第１の項目に係る多段遠心圧縮機１０において、バランスピストン５７と軸体３の半径方向の間が封止されることによって、インペラスタック４０と軸体３との半径方向の間が第１内部通路７ａと第２内部通路７ｂとに分けられているものである。

【0046】

これにより、第１内部通路７ａ及び第２内部通路７ｂの上流端又は下流端がバランスピストン５７の近傍に配置され、インペラ４と比較して加工の容易なバランスピストン５７に抜出通路又は戻し通路を設けることができる。

【0047】

第３の項目に係る多段遠心圧縮機１０は、第２の項目に係る多段遠心圧縮機１０において、第１抜出位置Ｅ１はバランスピストン５７と隣り合う第１中間段インペラ４Ｃの下流に配置されており、第１抜出通路７１はバランスピストン５７を貫通している又はバランスピストン５７と第１中間段インペラ４Ｃの間を通っているものである。

【0048】

このような構成によりバランスピストン５７を通って圧縮通路Ｗから流体が抜き出されるので、インペラ４のボスを通って圧縮通路Ｗから流体が抜き出される場合と比較して、流体の抜出圧力がより安定しており各段インペラ４の均圧が比較的容易となる。

【0049】

第４の項目に係る多段遠心圧縮機１０は、第２又は３の項目に係る多段遠心圧縮機１０において、第２抜出位置Ｅ２がバランスピストン５７と隣り合う最終段インペラ４Ｅの出口と吐出口２３の間に配置されており、第２抜出通路７２はバランスピストン５７を貫通している又はバランスピストン５７と最終段インペラ４Ｅの間を通っているものである。

【0050】

第５の項目に係る多段遠心圧縮機１０は、第２又は３の項目に係る多段遠心圧縮機１０において、第２戻し位置Ｒ２がバランスピストン５７と隣り合う第２中間段インペラ４Ｄの下流に配置されており、第２戻し通路７４はバランスピストン５７を貫通している又はバランスピストン５７と第２中間段インペラ４Ｄの間を通っているものである。

【0051】

第４及び５の項目に係る多段遠心圧縮機１０では、バランスピストン５７に第２抜出通路７２を設けることで、バランスピストン５７内の圧力が抑制されて、ロータ２全体の特性に影響する不安定化力を低減できる可能性がある。

【0052】

第６の項目に係る多段遠心圧縮機１０は、第１乃至５のいずれかの項目に係る多段遠心圧縮機１０において、第１戻し位置Ｒ１が圧縮通路Ｗの吸入口２２と初段インペラ４Ａの入口の間に配置されており、第１戻し通路７３が軸体３を貫通しているものである。

【0053】

このように第１戻し通路７３が軸体３を利用して形成されているので、第１戻し通路７３を形成するための機械加工が容易であり、且つ、軸体３のインペラスタック４０を支持している部分の剛性が第１抜出通路７１によって影響を受けない。また、第１戻し通路７３が軸体３を通っていることで、第１戻し位置Ｒ１を初段インペラ４Ａの入口よりも更に上流に配置することが可能となり、第１戻し位置Ｒ１に戻された流体による圧縮通路Ｗの本流の流れへの影響を抑えることができる。

【0054】

第７の項目に係る多段遠心圧縮機１０は、第１乃至５のいずれかの項目に係る多段遠心圧縮機１０において、第１戻し位置Ｒ１が圧縮通路Ｗの吸入口２２と初段インペラ４Ａの入口の間に配置されており、軸体３は軸線方向Ｘと直交する平面状の座面を有し、インペラスタック４０は平面状の当接面を有し、軸体３の座面とインペラスタック４０の当接面とが軸線方向Ｘに接触しており、第１戻し通路７３が座面と当接面のうち少なくとも一方に配置された溝を通っているものである。

【0055】

このように第１戻し通路７３が軸体３を利用して形成されているので、第１戻し通路７３を形成するための機械加工が容易であり、且つ、軸体３のインペラスタック４０を支持している部分の剛性が第１抜出通路７１によって影響を受けない。

【0056】

第８の項目に係る多段遠心圧縮機１０は、第１乃至７のいずれかの項目に係る多段遠心圧縮機１０において、第１内部通路７ａ及び第２内部通路７ｂの少なくとも一方に、通過する流体を減圧させる減圧材４８が配置されているものである。

【0057】

減圧材４８が配置された内部通路７ａ，７ｂでは、減圧材４８より下流側の圧力が低下してシール４７に作用する圧力差をより低減できる。

【0058】

以上の本開示の議論は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、本開示を本明細書に開示される形態に限定することを意図するものではない。例えば、前述の詳細な説明では、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で１つの実施形態に纏められているが、複数の特徴のうち幾つかが組み合わされてもよい。また、本開示に含まれる複数の特徴は、上記で論じたもの以外の代替の実施形態、構成、又は態様に組み合わされてもよい。

【符号の説明】

【0059】

２ ：多段ロータ
３ ：軸体
４ ：インペラ
４Ａ ：初段インペラ
４Ｃ ：第１中間段インペラ
４Ｄ ：第２中間段インペラ
４Ｅ ：最終段インペラ
７ａ ：第１内部通路
７ｂ ：第２内部通路
１０ ：多段遠心圧縮機
２２ ：吸入口
２３ ：吐出口
４０ ：インペラスタック
４７ ：シール
４８ ：減圧材
５７ ：バランスピストン
７０ ：シール
７１ ：第１抜出通路
７２ ：第２抜出通路
７３ ：第１戻し通路
７４ ：第２戻し通路
Ｅ１ ：第１抜出位置
Ｅ２ ：第２抜出位置
Ｒ１ ：第１戻し位置
Ｒ２ ：第２戻し位置
Ｗ ：圧縮通路
Ｘ ：軸線方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】