JP2002257080A - 遠心圧縮機の軸位置自動調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 遠心圧縮機の運転状態にかかわらず、オープ
ンインペラのチップクリアランスを最適に維持する。 【解決手段】 遠心圧縮機１の最終段インペラ２７ｃ背
面にバランスピストン５０を設け、バランスチャンバ５
７内の圧力を作用させるとともに、バランスチャンバと
圧縮機吸込み口とを接続するバランスコネクタ通路５７
上に設けたバランス弁５９開度を調節してバランスチャ
ンバ内の圧力を制御する。圧縮機インペラ回転軸２５軸
端に回転軸の変位を検出する軸位置センサ４５を設け、
検出した軸位置が予め定めた目標値になるようにバラン
ス弁開度をフィードバック制御する。これにより、運転
状態の変化により、各インペラに作用するガススラスト
力とが変化した場合にもインペラ回転軸は常にオープン
インペラのチップクリアランスが最適になる目標位置に
維持される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠心圧縮機に関
し、詳細にはオープンインペラを有する遠心圧縮機のイ
ンペラ回転軸の軸線方向位置を制御する、遠心圧縮機の
軸位置自動調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】遠心圧縮機の各インペラでは、圧縮され
るガスはインペラの一方の側面中央に設けられた吸込み
口からインペラ内に吸入され、インペラの回転により昇
圧された後インペラ外周に設けた吐出口からケーシング
内の吐出通路に吐出される。このため、通常、インペラ
の吸込み口側の面（インペラ前面）には吸入圧力が、吸
込み口と反対側の面（インペラ背面）には吐出圧が作用
しており、各インペラは、このインペラの両面に作用す
る圧力の差により背面側から前面側に向うスラスト力を
受けている。上記各インペラに作用するスラスト力は、
インペラの回転軸に伝達され、回転軸のスラスト軸受に
より受承される。

【０００３】このスラスト力は、圧縮機の吐出圧と吸入
圧との差が大きくなるほど増大するため、高圧の圧縮機
等ではスラスト軸受に作用するスラスト荷重も非常に大
きくなり、スラスト軸受が大型化する問題がある。この
ため、通常、遠心圧縮機ではスラスト軸受の荷重を軽減
するためにバランスピストンが設けられている。バラン
スピストンは、通常、最も高圧段のインペラの背面に固
定された、インペラ外径より小さな径を有する円盤から
成っている。また、バランスピストン頂面に対向する部
分のケーシング内にはバランスチャンバが形成されてい
る。バランスピストン外周部とケーシングとの間にはラ
ビリンスシールが設けられており、インペラ吐出側から
バランスピストン頂面側に形成されたバランスチャンバ
に流入するガス量を制限している。

【０００４】また、バランスチャンバはバランスコネク
タ通路により圧縮機の吸込み口と接続されており、バラ
ンスピストン外周部とケーシングとの間のラビリンスシ
ールからバランスチャンバに洩れるガスはバランスコネ
クタ通路を通って圧縮機吸込み口に戻るようにされてい
る。このため、バランスチャンバ内圧力は、バランスコ
ネクタ通路のサイズとラビリンスシールを通過してバラ
ンスチャンバに流入するガス量とにより定る、圧縮機吐
出圧と吸込み圧との中間の圧力に維持される。この圧力
は最終段インペラの吸入圧より低いため、バランスピス
トンを設けたことにより、最終段インペラにはインペラ
前面から背面に向う逆方向のスラスト荷重が発生する。
これにより、各インペラの吐出圧と吸入圧との差により
発生するスラスト荷重が軽減され、スラスト軸受が受承
する荷重が軽減されるようになる。

【０００５】この種のバランスピストンを備えた遠心圧
縮機の例としては、例えば特開平８−２９６５８４号公
報に記載されたものがある。同公報の遠心圧縮機はスラ
ストガス軸受を備えており、バランスピストンとバラン
スコネクタ通路とを設けてスラスト軸受の荷重を軽減す
るようにしている。また、同公報の遠心圧縮機では、ス
ラスト軸受にスラスト荷重を検出するセンサを設け、検
出したスラスト荷重に応じてバランスコネクタ通路に設
けた流量制御弁開度を制御することにより、スラスト軸
受面圧が常に許容値以下になるようにバランスチャンバ
内の圧力を制御している。前述したように、ガス圧によ
り各インペラに生じるスラスト力は圧縮機の吸入圧力と
吐出圧力とに応じて変化する。

【０００６】このため、圧縮機が設計条件で運転されて
いる場合には問題ないものの、圧縮機運転条件が設計条
件から離れた場合には、許容荷重以上のスラスト荷重が
軸受に作用する場合がある。このため、特に許容スラス
ト荷重の低いガス軸受をスラスト軸受として使用した場
合には、圧縮機が設計条件から離れた条件で短時間運転
されただけで、スラスト軸受が損傷を受ける場合があ
る。

【０００７】上記公報の遠心圧縮機では、スラスト軸受
荷重に応じてバランスチャンバ内の圧力を調整すること
により、圧縮機運転条件の変動時等にもスラストガス軸
受のスラスト荷重が常に許容値以内に制御される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
８−２９６５８４号公報に記載された遠心圧縮機では、
スラスト軸受荷重のみによりバランスチャンバー内圧力
を制御しているため、特にオープンインペラを用いる遠
心圧縮機では問題が生じる場合がある。クローズドタイ
プインペラは、ディスクとインペラカバーとの間に羽根
が形成されており、ディスクとインペラカバーと羽根と
によりインペラ内のガス流路が形成されている。このた
め、ガス流路断面は周囲を囲まれた管状流路となってい
る。これに対して、オープンインペラはインペラカバー
がなく、インペラ内のガス流路は、ディスクと羽根とに
より三方のみを囲まれたオープンチャネルとなってい
る。運転中は、オープンインペラはケーシングのダイア
フラムに近接して回転するため、オープンチャネルの開
放側はダイアフラムにより閉鎖され、クローズドインペ
ラに近い管状流路が形成される。

【０００９】このため、オープンインペラではケーシン
グのダイアフラムとインペラとの軸方向クリアランス
（チップクリアランス）はクローズドインペラに較べて
小さく設定されている。通常、オープンインペラを有す
る圧縮機にバランスチャンバを用いる場合には、バラン
スチャンバ内の圧力が圧縮機吸入圧力に等しくなったと
きに、インペラ回転軸全体が圧縮機吸込み口側に押圧さ
れ、一方のスラスト軸受パッドに押圧された状態になる
ようにバランスピストンの寸法が設定されており、この
状態でチップクリアランスが設計値になるようにされて
いる。ところが、圧縮機が設計点以外で運転されると吐
出圧力の変化によりスラスト力のバランスが崩れ、イン
ペラ回転軸全体が圧縮機吐出口側に押圧され、スラスト
軸受のクリアランス内で軸方向位置が変動するようにな
る場合がある。

【００１０】オープンインペラを有する圧縮機では、こ
のようにインペラ回転軸の軸線方向位置が変化すると、
それに応じてインペラのチップクリアランスが変化して
しまい、インペラ内で昇圧されたガスがチップクリアラ
ンスの増大により吸入側に洩れるようになり、圧縮効率
が低下する問題がある。上記特開平８−２９６５８４号
公報の圧縮機のように、スラスト軸受の軸受荷重を許容
値以下に維持する制御を行っていると、運転条件変化時
にはスラスト荷重が低下して、インペラ回転軸の軸線方
向位置を一定に維持できなくなる場合が生じ、設計点以
外の運転条件で圧縮効率が大きく低下する場合が生じ
る。

【００１１】本発明は上記問題に鑑み、運転条件の変化
などによりオープンインペラのチップクリアランスの変
化が生じ、圧縮効率が低下することを防止することを目
的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、オープ
ンインペラを有する遠心圧縮機の軸位置自動調整装置で
あって、インペラ回転軸の圧縮機ケーシングに対する軸
線方向位置を検出する軸位置検出手段と、インペラ背面
に設けられたバランスピストンと前記バランスピストン
と圧縮機ケーシングとの間に形成されたバランスチャン
バと、前記バランスチャンバと圧縮機吸込み口とを連通
し、インペラ吐出側からバランスチャンバに流入する気
体を圧縮機吸込み口に戻すバランスコネクタ通路と、前
記バランスコネクタ通路に設けられ、前記バランスチャ
ンバから圧縮機吸込み口に流れる気体の流量を調整する
ことにより、バランスチャンバ内の圧力を制御するバラ
ンス弁と、前記軸位置検出手段により検出された軸位置
に応じて前記バランス弁開度を調整しバランスピストン
に作用する前記バランスチャンバ内の圧力を制御するこ
とにより、インペラ回転軸の軸線方向位置を予め定めた
目標値に保持する軸位置制御手段と、を備えた遠心圧縮
機の軸位置自動調整装置が提供される。

【００１３】すなわち、本発明の軸位置自動調整装置で
は、インペラ回転軸の軸位置を直接検出して、この軸位
置が予め定めた目標値になるようにバランスチャンバ内
の圧力が制御される。このため、圧縮機の運転条件が変
動してインペラに加わるスラスト荷重が変動するような
場合でも、バランスチャンバ内の圧力はそれに応じて調
整され、インペラ回転軸の軸線方向位置は常に目標値に
維持される。このため、運転条件の変動によりオープン
インペラのチップクリアランスが変化して圧縮機の効率
低下が生じることが防止される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図１は本実施形態の軸位置
自動調整装置の一実施形態を模式的に示す図である。図
１において、１は遠心圧縮機全体を示す。遠心圧縮機１
は、吸込み口１１と吐出口（図示せず）を有するケーシ
ング１０内に収納された圧縮機ロータ２０を備えてい
る。

【００１５】圧縮機ロータ２０は、ジャーナル軸受２
１、２３でケーシング１０内に支承されるとともに、図
示しない電動機等の駆動機により回転駆動されるインペ
ラ回転軸２５を備えている。インペラ回転軸には、吸込
み口１１側から、オープンタイプインペラ２７ａ、２７
ｂ、２７ｃがこの順に固定されており、回転軸２５とと
もに回転する。各インペラ間では、回転軸２５周囲とケ
ーシングとの間にはラビリンスシール２９ａ、２９ｂ、
２９ｃが設けられており、インペラ間のガスの洩れが防
止される。

【００１６】ケーシング１０の吸込み口１１から吸入さ
れたガスは、図１に示すように第１段インペラ２７ａ前
面の中心部にある吸入口２７１ａからインペラ内に流入
し、インペラ羽根により昇圧されて外周部２７３ａから
吐出される。第１段インペラから吐出されたガスは、ケ
ーシングダイアフラム内に形成された吐出通路２７５ａ
を通って、第２段インペラ２７ｂの吸入口２７１ｂに入
り、昇圧されて第２段インペラの外周部２７３ｂから吐
出通路２７５ｂに吐出される。同様に、第３段（最終
段）インペラ２７ｃでは、ガスは吐出通路２７５ｂから
第３段インペラ２７ｃの吸入口２７１ｃに流入し、イン
ペラ内で圧縮され外周部２７３ｃから吐出通路２７５ｃ
に吐出される。最終段吐出通路２７５ｃは、ケーシング
１０の図示しない吐出口に接続されており、最終段イン
ペラ２７ｃで昇圧されたガスは、ケーシングの吐出口か
ら外部接続配管に吐出される。

【００１７】図１から判るように、各インペラの前面
（吸込み口１１側の面）には各インペラの吸入圧力が作
用しており、背面（吸込み口１１と反対側の面）には各
インペラの吐出圧が作用している。このため、各インペ
ラには吐出圧力と吸入圧力との差圧に相当するスラスト
力が吸込み口１１方向に向けて作用している。各インペ
ラ２７ａ、２７ｂ、２７ｃに作用する上記ガス圧による
スラスト力は回転軸２５に伝えられ、回転軸２５そのも
のを吸込み口１１方向に押圧する。

【００１８】図１に３１で示すのは、回転軸２５に作用
する上記スラスト力を支承するスラスト軸受である。ス
ラスト軸受３１は、回転軸２５に形成されたスラストデ
ィスク２５１の両側に配置されたスラストパッド３１
１、３１３とから構成される。スラストパッド３１１
は、上述の各インペラに作用するガス圧により生じる、
回転軸２５を吸込み口１１方向に押圧するスラスト荷重
を受承する軸受（スラスト側軸受パッド）であり、スラ
ストパッド３１３は上記と反対方向のスラスト荷重を受
ける軸受（反スラスト側軸受パッド）である。各インペ
ラに作用するガス圧力により発生するスラスト荷重は、
圧縮機の吸入圧力と吐出圧力との差が大きいほど大きく
なり、高圧圧縮機等では回転軸２５に作用するスラスト
荷重は非常に大きくなる。

【００１９】このため、本実施形態ではこのスラスト荷
重を軽減し、スラスト側軸受パッドの寸法増大を防止す
るためにバランスピストン５０が設けられている。本実
施形態では、バランスピストン５０は最終段インペラ２
７ｃの背面に固定された円盤の形とされ、バランスピス
トン５０外周部と周囲のケーシングダイアフラムとの間
にはラビリンスシール５１が設けられている。また、バ
ランスピストン５０のインペラ２７ｃと反対側には軸２
５とケーシングダイアフラムとの間に配置された別のラ
ビリンスシール５３により区切られた空間からなるバラ
ンスチャンバ５５が形成されている。

【００２０】バランスチャンバ５５は、バランスコネク
タ通路５７により圧縮機吸込み口１１に接続されてい
る。このため、最終段インペラ２７ｃの背面側からラビ
リンスシール５１を通ってバランスチャンバ５５に流入
するガスは、バランスコネクタ通路５７を通って圧縮機
の吸込み口１１に流入するようになり、バランスチャン
バ５５内の圧力は常に最終段インペラ吐出圧力と圧縮機
吸込み口圧力との間に維持されるようになる。これによ
り、バランスピストン５０には各インペラに作用するス
ラスト力とは逆方向のスラスト力が作用するようにな
り、全体として回転軸２５に作用するスラスト荷重が軽
減されるようになる。

【００２１】本実施形態の遠心圧縮機ではオープンイン
ペラ２７ａ、２７ｂ、２７ｃが用いられているため、各
インペラとケーシングダイアフラム間の軸線方向クリア
ランス（チップクリアランス）は常に小さな値に維持す
る必要がある。このため、通常、バランスピストン５０
の直径はバランスチャンバ５５内圧力が圧縮機の吸込み
口１１内圧力と等しくなった状態でも、回転軸２５がス
ラスト軸受３１のスラスト側軸受パッド３１１に比較的
小さな荷重で押圧されるように設計されており、回転軸
２５の軸線方向位置が変動してチップクリアランスが増
大することによる圧縮効率の低下を防止している。

【００２２】ところが、実際には圧縮機が設計運転条件
（吸入圧力、吐出圧力、回転数）で運転されている場合
には、上述のように回転軸２５はスラストディスク２５
１がスラスト側軸受パッド３１１に押圧される位置に保
持され、各インペラのチップクリアランスは最小に保持
されるものの、運転条件が変化するとこの状態を維持で
きなくなる場合がある。例えば、圧縮機の吸入圧が一定
に維持されたまま吐出圧が大幅に低くなったような場合
には、バランスピストン５０に作用する圧力はほとんど
変化しないのに各インペラの吐出圧が低下するため、回
転軸２５を吸込み口１１方向に押圧するスラスト力が小
さくなる。このため、スラスト軸受のパッド３１１と３
１３との間で回転軸が軸線方向に移動しやすくなり、軸
位置が安定しなくなる。

【００２３】このように軸位置が変動すると、それに応
じて各インペラのチップクリアランスが変化するため、
チップクリアランスを常に最小値に維持することができ
なくなり、各インペラでは吐出側のガスがチップクリア
ランスを通じて吸入側に洩れ出すようになり、インペラ
の圧縮効率が低下する問題がある。本実施形態では、バ
ランスコネクタ通路５７にバランス弁５９を設けるとと
もに、インペラ回転軸２５の軸位置を検出する軸位置セ
ンサ４５を回転軸２５に配置し、センサ４５で検出した
軸位置が予め定めた目標値（例えば、バランスディスク
２５１がスラスト側軸受パッド３１１に当接する位置）
になるようにバランス弁５９開度を調節することによ
り、上記問題を解決している。

【００２４】軸位置センサ４５は、例えば非接触式の変
位センサが用いられ、ケーシング１０に取付けられてお
り、回転軸２５の軸端部の変位を検出するようにされて
いる。バランス弁５９は、例えばステップモータ、負圧
アクチュエータなどの適宜なアクチュエータを備えてい
る。軸位置センサ４５からの回転軸２５の変位に対応す
る信号は、制御回路４７に供給される。制御回路４７
は、例えばマイクロコンピュータからなり、センサ４５
から入力した軸変位が予め定めた軸変位に一致するよう
に、バイパス弁４９のアクチュエータ駆動信号を出力
し、バイパス弁４９の開度をフィードバック制御する。
この制御は、例えば軸目標位置（目標変位）とセンサ４
５で検出した実際の軸変位との偏差に基づくＰＩＤ（比
例積分微分）制御とされる。

【００２５】このように、インペラ回転軸２５の軸位置
を軸位置センサ４５を用いて直接検出し、検出された軸
位置が予め定めた目標値に一致するようにバイパス弁４
９の開度を制御することにより、例えば、吐出圧が低下
してスラスト荷重が減少し、回転軸２５が吸込み口１１
から離れる方向に移動したような場合には、検出された
軸位置と目標値との偏差に応じてバイパス弁４９開度が
絞られるようになり、バランスチャンバ内の圧力は、回
転軸２５が目標位置に復帰するまで上昇する。このた
め、本実施形態によれば遠心圧縮機の運転状態にかかわ
らず、オープンインペラのチップクリアランスを目標値
に維持することが可能となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、遠心圧縮機のバランス
チャンバ内圧力がインペラ回転軸の軸方向変位に基づい
て調節されるため、圧縮機の運転条件の変化にかかわら
ず常にインペラ回転軸はオープンインペラのチップクリ
アランスが最適になる目標値に維持されるので、チップ
クリアランスの増大による圧縮効率の低下が生じること
が防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を説明する遠心圧縮機断面模
式図である。

【符号の説明】

１…遠心圧縮機 １０…ケーシング １１…吸込み口 ２５…インペラ回転軸 ２７ａ、２７ｂ、２７ｃ…オープンインペラ ３１…スラスト軸受 ４５…軸位置センサ ５０…バランスピストン ５５…バランスチャンバ ５７…バランスコネクタ通路 ５９…バランス弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オープンインペラを有する遠心圧縮機の
   軸位置自動調整装置であって、 インペラ回転軸の圧縮機ケーシングに対する軸線方向位
   置を検出する軸位置検出手段と、 インペラ背面に設けられたバランスピストンと、 前記バランスピストンと圧縮機ケーシングとの間に形成
   されたバランスチャンバと、 前記バランスチャンバと圧縮機吸入口とを連通し、イン
   ペラ吐出側からバランスチャンバに流入する気体を圧縮
   機吸込み口に戻すバランスコネクタ通路と、 前記バランスコネクタ通路に設けられ、前記バランスチ
   ャンバから圧縮機吸込み口に流れる気体の流量を調整す
   ることにより、バランスチャンバ内の圧力を制御するバ
   ランス弁と、 前記軸位置検出手段により検出された軸位置に応じて前
   記バランス弁開度を調整しバランスピストンに作用する
   前記バランスチャンバ内の圧力を制御することにより、
   インペラ回転軸の軸線方向位置を予め定めた目標値に保
   持する軸位置制御手段と、を備えた遠心圧縮機の軸位置
   自動調整装置。