JP2003293987A - 流体機械及びこれに備わるロータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インペラを多数に備えた長尺なロータであっ
ても超高速域にて回転が可能とされ、高い圧縮率を得て
気体を効率よく圧縮する小型化された流体機械及びこれ
に備わるロータを提供すること。 【解決手段】 ケーシング２内に、多段に配置された複
数のインペラ４の回転により気体を略半径方向に移送す
るロータ１１と、該ロータ１１を回転可能に支持する軸
受５０とを備えた流体機械において、軸受５０がロータ
１１の両端側にそれぞれ配置されるとともに、これら前
記両軸受５０間に予想される振動の腹部に第２の軸受５
１が１つまたは複数配置される構成した。また、ロータ
１１の各端側に備わる軸受５０と第２の軸受５１との
間、または、隣り合う第２の軸受５１どうしの間に予想
される振動の腹部に第３の軸受５２が１つまたは複数配
置される構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠心力により気体
を段階的に圧縮する流体機械及びこれに備わるロータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】流体機械の一例として、複数のインペラ
を多段に備えた遠心圧縮機について説明する。遠心圧縮
機は、回転するインペラの半径方向に気体あるいは蒸気
を通り抜けさせ、その際に発生する遠心力にてそれら気
体を圧縮するものである。図５は従来より用いられてい
る遠心圧縮機１の全体構成を説明する断面図である。図
において、符号１は遠心圧縮機、２はケーシング、３は
シャフト、４はインペラ、５は軸受、１０はロータを示
している。

【０００３】ケーシング２は、遠心圧縮機１の外観形状
をなすとともに、この内部に、シャフト３と、該シャフ
ト３の軸線方向に沿って所定の間隔を有して取り付けら
れた複数のインペラ４と、各インペラ４間を繋いで段階
的に圧縮された気体を流通させる流路２ｃと、シャフト
３の両端部を回転可能に支持する各軸受５とが少なくと
も備えられている。また、ケーシング２の壁面には、圧
縮する気体を導き入れる吸入口２ａと、圧縮された気体
を送出する吐出口２ｂとが備えられている。

【０００４】個々のインペラ４は、円盤上に複数の羽根
（図示せず）が立設され、該羽根の先端にシュラウドが
取り付けられて構成されている。上記円盤とシュラウド
との間に形成される空間は、圧縮する気体の通り道とし
て機能する流路とされ、先に説明したケーシング２内の
流路２ｃと繋げられている。また羽根先端にシュラウド
を取り付けない構成もある。このように、複数のインペ
ラ４がシャフト３に多段に取り付けられたものは、符号
１０に示される遠心圧縮機１のロータをいうものであ
る。

【０００５】上記のような遠心圧縮機１において、ロー
タ１０をケーシング２内にて回転可能に支持する各軸受
５の配置について説明する。各軸受５はケーシング２の
両側にそれぞれ嵌め込まれて具備されており、通常はジ
ャーナル軸受が用いられている。そして、ケーシング２
の両側にそれぞれ設けられた上記各軸受５にシャフト３
の両端側がそれぞれ挿入されて、ロータ１０は回転可能
に支持されている。また、ロータ１０には、自らの回転
によって１次振動と２次振動との間の固有振動数が生じ
ている。この振動はロータ１０の破損を招く可能性があ
るため、ロータ１０の回転動作の限界値である危険速度
が規定され、連続的に回転可能な最大回転数が制限され
ている。

【０００６】ロータ１０には、各インペラ４での圧縮作
用により軸線方向に沿ったスラスト力が生じている。こ
のため、ロータ１０にはジャーナル軸受の他に、少なく
とも一方側（図において右側など）にスラスト軸受が備
えられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】さて、ロータ１０を回
転可能に支持するための各軸受５の間隔は、ロータダイ
ナミックスの観点からシャフト３の外径を考慮した上で
図５に示すような数個程度のインペラ４を備えて構成す
るように制限されている。このため、インペラ４をさら
に多段に備えて構成することが困難とされていた。これ
を解決しようとすると、例えば、回転数を下げてシャフ
トの外径を増大させ、さらに、ケーシング数を増やすこ
とで対応することも考えられるが、遠心圧縮機の大型化
になるため、有効な解決策ではない。

【０００８】また、圧縮しにくい水素を圧縮する遠心圧
縮機の要求性能の観点から考察すると、分子量の小さな
水素を圧縮するには総合的に高い圧縮率が必要である。
つまり、遠心圧縮機であるならば、各インペラ４毎での
圧縮率の増大と、このようなインペラ４をより多く連ね
ることが必要である。

【０００９】水素を圧縮するために必要となるインペラ
４の数は、他の条件（インペラ４の大きさ・回転速度
等）を除いた場合で空気の圧縮に必要とされるインペラ
４の数の１０倍以上が要求される。このため、ロータの
回転をさらに高めてインペラ４の周速を増大させつつ、
インペラ４の段数を増やすことになるが、インペラ４の
段数を増やすことはこれを取り付けるシャフト３の長さ
がさらに必要となり、ロータ１０を長く形成する必要が
ある。

【００１０】このことは、ロータダイナミックスの観点
から不可能であるので、図６に示すように分割した各ロ
ータ１０を有する複数のケーシング２を直列にて配置し
た遠心圧縮機を構成することになる。しかし、複数のケ
ーシング２を備える構成によって、遠心圧縮機が大型化
となってしまうことは言うまでもない。

【００１１】また、ケーシング２の台数をできる限り抑
えようとすると、１つのロータに対して多くのインペラ
４を備えることになるが、ロータ１０に振動が発生しや
すくなるため、ロータ１０の回転がさらに制限されてし
まうことになりかねない。

【００１２】本発明は上記事情に鑑みて成されたもので
あり、インペラを多数に備えた長尺なロータであっても
超高速域にて回転が可能とされ、高い圧縮率を得て気体
を効率よく圧縮する小型化された流体機械及びこれに備
わるロータを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】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こととした。請求項
１に記載の発明は、ケーシング内に、多段に配置された
複数のインペラの回転により気体を略半径方向に移送す
るロータと、該ロータを回転可能に支持する軸受とを備
えた流体機械において、前記軸受が前記ロータの両端側
にそれぞれ配置されるとともに、これら前記両軸受間に
予想される振動の腹部に第２の軸受が１つまたは複数配
置されていることを特徴としている。

【００１４】両側に備えられた軸受にて回転可能に支持
されたロータは、この両軸受間にて回転振れ等による振
動が発生する。そして、この間に発生する振動の腹部に
位置するように第２の軸受が配置され、ロータは両端側
の軸受とともに第２の軸受によって回転可能に支持され
る。

【００１５】第２の軸受は、ロータに発生する振動の腹
部に設けられるため、例えば、該ロータが１次振動を起
こす場合であれば、１つの腹部に設けられることにな
り、また、２次振動を起こす場合であれば、２つの腹部
にそれぞれ設けられることになる。このように、両軸受
間に発生する振動の次元に合わせて、第２の軸受が振動
の腹部に配置されることになる。

【００１６】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
流体機械において、前記第２の軸受が、前記ロータにお
ける１次振動の腹部に配置されていることを特徴として
いる。

【００１７】ロータの両端側に設けられた両軸受間に弓
状の１次の振動が発生することが予想されると、この振
動における腹部に位置するように第２の軸受が配置され
る。つまり、両端側にある両軸受間にてロータの振れ幅
が最も大きくなる位置に第２の軸受が配置され、振動を
抑えることになる。従って、ロータの振動が最も効果的
に抑制されることになる。

【００１８】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２記載の流体機械において、前記ロータの各端側
に備わる前記軸受と前記第２の軸受との間、または、隣
り合う前記第２の軸受どうしの間に予想される振動の腹
部に第３の軸受が１つまたは複数配置されていることを
特徴としている。

【００１９】ロータの両端側に備わる少なくとも一方の
軸受と第２の軸受との間、あるいは、第２の軸受が複数
配置された場合での隣り合う第２の軸受どうしの間にお
いて発生するロータの振動は、これらの間に配置される
第３の軸受によって除去されることになる。なお、第３
の軸受が配置される腹部は１つとは限らず、例えば、ロ
ータの各端側に備わる一方の軸受と第２の軸受との間で
２次振動が発生すれば、この２次振動による２つの腹部
に合わせて２つの第３の軸受がそれぞれ配置されること
になる。また、隣り合う第２の軸受どうしの間に第３の
軸受が配置される場合であっても、振動の次元に応じて
同様に配置されるものである。

【００２０】第２の軸受は、ロータの両端側での拘束か
ら推測される振動の腹部に設けられているため、一旦ロ
ータに配置されてしまうと、各軸受が配置された間にて
新たな振動の発生が予想される。従って、第２の軸受に
て抑えられない振動を抑えるため、第３の軸受がさらに
設けられることとなる。このことは、ロータの各端側の
軸受と第２の軸受との間隔や、第２の軸受が複数ある場
合の隣り合う第２の軸受どうしの間隔が長い場合など、
全体としてロータの長さが長い場合において特に有効と
される。

【００２１】請求項４に記載の発明は、請求項３記載の
流体機械において、前記ロータの各端側に備わる前記軸
受と前記第３の軸受との間、または、前記第２の軸受と
前記第３の軸受との間、または、隣り合う前記第３の軸
受どうしの間に予想される振動の腹部に第４の軸受が１
つまたは複数配置されていることを特徴としている。

【００２２】ロータには、両端側に備わる各軸受と、こ
の両軸受間に配置された第２の軸受及び第３の軸受とが
備えられており、これら各軸受間におけるロータの振動
は、第４の軸受によって除去されることになる。なお、
第４の軸受が配置される腹部は１つとは限らず、各軸受
間にて発生する振動の次元に応じて適宜配置されるもの
である。

【００２３】第２の軸受及び第３の軸受が、一旦ロータ
に配置されてしまうと、各軸受が配置された間にて新た
な振動の発生が予想される。従って、第２の軸受及び第
３の軸受にて抑えられない振動を抑えるため、第４の軸
受がさらに設けられることとなる。このことは、ロータ
の両端側の備わる両軸受の間に配置された各軸受の間隔
が長い場合など、全体としてロータの長さがさらに長い
場合において特に有効とされる。

【００２４】請求項５に記載の発明は、請求項１から請
求項４のいずれか１項記載の流体機械において、複数の
前記インペラが、前記ロータの略中央部を挟んで各々の
背面が向き合うように備えられてなり、前記第２の軸受
が、前記略中央部に配置されていることを特徴としてい
る。

【００２５】このような流体機械は、例えば、圧縮する
気体を略中央部までに備えられた各インペラで圧縮した
後、今度は上記の各インペラに対して背面が向き合うよ
うに備えられた別の各インペラにて気体を導入して再び
圧縮し、略中央部付近まで導いて吐出するものである。
ここにいう全てのインペラは、同一なロータに備わるも
のであり、ロータに働くスラスト力を打ち消す作用を導
いている。このような構成は、一般にBack to Backと呼
ばれている。

【００２６】特に、略中央部は、一方側にて圧縮された
気体と、他方側でさらに圧縮された気体とが集中するた
め、気体の圧力差が発生しやすい場所である。そして、
圧力差が発生した場合には、圧縮された気体の流れが不
安定となり、ロータに対して振動を引き起こす可能性が
多大にある。また、略中央部は、両端側に備わる両軸受
間の中心と一致しやすく、振動の振幅が多大となりやす
い位置である。このように構成された流体機械の各イン
ペラの背面が対向する位置、つまり、略中央部に第２の
軸受が配置されることで、ロータから生じる振動の要所
にて的確に抑えられることになる。

【００２７】請求項６に記載の発明は、請求項１から請
求項５のいずれか１項記載の流体機械において、前記第
２の軸受の少なくとも１つが、磁気軸受とされているこ
とを特徴としている。

【００２８】磁気軸受は、ロータを非接触で浮上させて
荷重を支持する軸受であり、支持する際の拘束力を任意
に変化させることが可能である。そして、第２の軸受が
配置されるロータの位置は、ロータの振動を抑えるため
の最も効果的な位置である。従って、第２の軸受として
磁気軸受が配置されることで、振動するロータ全体に対
して磁気軸受の作用が影響することになり、ロータの回
転の安定化が磁気軸受の制御によってより的確になされ
ることになる。

【００２９】請求項７に記載の発明は、請求項１から請
求項６のいずれか１項記載の流体機械において、前記気
体は水素とされていることを特徴としている。

【００３０】水素は、分子量が小さいために圧縮しにく
い気体であるが、流体機械内に配置された第２の軸受等
にて拘束されたロータは超高速域での回転を可能として
いるため、水素は高い圧縮率にて的確に圧縮されること
になる。つまり、水素の圧縮に必要とされる仕事量は、
例えば、長尺とされたロータに多段で備わるインペラ
と、それを超高速域で回転させることで得られるもので
ある。

【００３１】請求項８に記載の発明は、請求項１から請
求項７のいずれか１項記載の流体機械に備わる前記ロー
タおいて、該ロータのシャフトの外径をＤ（ｍ）、前記
ロータの長さをＬ（ｍ）とし、これらから求められるロ
ータ剛性Ｓを下記式（４）で表した場合、 Ｓ＝（Ｄ／Ｌ²）×１０⁵ …（４） 前記ロータのロータ剛性Ｓ（ｍ^-1）は下記式（５）にて
示される ０＜Ｓ＜２ …（５） に規定され、なお且つ、前記ロータの最大連続回転数Ｒ
が、下記式（６） １万回転／ｍｉｎ＜Ｒ …（６） に規定されることを特徴としている。

【００３２】このように、ロータは、全長Ｌに対してシ
ャフトの外径Ｄがわずかでしかない長尺な形状、つま
り、ロータ剛性Ｓが少ないロータでありながら、超高速
域での回転を可能とされたロータとして規定されること
になる。従って、インペラの超高速回転によって得られ
る高い圧縮率、さらに、このインペラが多数設けられる
ことで加算される総合的な高い圧縮率の確保によって、
気体は高い圧力状態によって確実に圧縮されることにな
る。

【００３３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。 ［第１の実施形態］図１は第１の実施形態における遠心
圧縮機１００（流体機械）の全体構成を説明する断面図
である。図１において、符号１１はロータを示し、イン
ペラ４とシャフト１１ａとにより構成されている。符号
５０はロータ１１の両端側に配置されたジャーナル軸受
（軸受）、５１は磁気軸受（第２の軸受）、５２，５３
はそれぞれガス軸受（第３の軸受、及び第４の軸受）を
示している。なお、上記ジャーナル軸受５１や、磁気軸
受５１、ガス軸受５２，５３は、遠心圧縮機の用途に応
じて適宜決定されるものであり、これら各軸受が図に示
される位置に必ずしも配置されるものではない。また、
その他の構成については、従来の遠心圧縮機１（図５参
照）と同様な構成であるため、同一符号を付してその説
明を一部省略する。

【００３４】個々のインペラ４は、円盤４ａ上に複数の
羽根４ｃが立設され、該羽根４ｃの先端（図において左
方側の端面）にシュラウド４ｂが取り付けられて構成さ
れている。上記円盤４ａとシュラウド４ｂとの間に形成
される空間は、圧縮する水素等の気体の通り道として機
能する流路であり、ケーシング２内の流路２ｃと連通し
ている。また、羽根先端にシュラウドのないオープンイ
ンペラーを用いた構成もある。

【００３５】このように形成されたインペラ４は、長尺
な長さにて形成された１本のシャフト１１ａに複数設け
られることになり、その個数は従来に比較して数倍以上
にも及んでいる。シャフト１１ａの長さ、換言すると、
ロータ１１の長さＬは、上記インペラ４を多数備えられ
るように形成され、その一方でシャフト１１ａの外径Ｄ
は従来とほとんど変わらない程度の寸法で形成されてい
る。

【００３６】ロータ１１の両端側には、ケーシング２に
嵌め込まれて固定された従来より備わるジャーナル軸受
５０がそれぞれ備わり、ロータ１１を回転可能に支持し
ている。さらに、両ジャーナル軸受５０の間には、後述
する複数の各軸受５１，５２，５３が配置され、ロータ
１１の支持を担っている。

【００３７】ロータ１１のほぼ中央部に備わる磁気軸受
５１は、両ジャーナル軸受間にて発生するロータ１１の
１次振動の腹部に設けられている。つまり、両端側に備
わるジャーナル軸受５０のみでロータ１１が支持された
場合に予想される振動が、弓状の１次振動であることに
よって配置されるものである。また、この略中央部は、
仮に３次振動が発生した場合での１つの腹部に当たるも
のでもある。なお、１次振動ではなく、ｎ次振動である
ならば、その振動の腹部に合わせて磁気軸受やその他軸
受をｎ個設けることとしてもよい。

【００３８】１次振動における腹部は、両ジャーナル軸
受５０間にてロータ１１の振れ幅が最も大きくなる位置
であり、この位置に磁気軸受５１が配置されることで、
ロータ１１が的確に拘束されて最も効果的に振動が抑え
られることになる。

【００３９】さらに、磁気軸受５１は、ロータ１１を非
接触で浮上させてラジアル荷重を支持する軸受であり、
支持する際の拘束力を任意に変化させることが可能とさ
れている。そして、この磁気軸受５１が配置されるロー
タ１１の位置が、先に説明したようにロータ１１の振動
を抑えるための最も効果的な位置であるので、磁気軸受
５１が制御されることによって、振動しようとするロー
タ１１に対して大きな作用が与えられることになる。従
って、ロータ１１の回転の安定化が磁気軸受５１の制御
によってなされ、振動の変化にも適宜対応して振動の除
去を促すことになる。

【００４０】この結果、ロータ振動を模式的に表した図
２に示すように、磁気軸受５１の配置によってロータ１
１の振動はＳｔｅｐ０での振れ幅が大きい状態からＳｔ
ｅｐ１での振れ幅が低下した状態になり、長尺なロータ
１１とされている場合であっても振動を抑えた回転が可
能となる。

【００４１】また、両側のジャーナル軸受５０と磁気軸
受５１との間には、高速回転に対応でき、且つ潤滑油を
必要としないティルティングパッド軸受などのガス軸受
５２，５３がそれぞれ設けられる。一方側のジャーナル
軸受５０と磁気軸受５１とのほぼ中間に配置されたガス
軸受５２は、この間にて発生する１次振動に合わせてこ
の腹部にそれぞれ１カ所ずつ配置されたものである。ま
た、一方側のジャーナル軸受５０と磁気軸受５１との間
に予想される振動が２次振動であったならば、このガス
軸受５２は磁気軸受５１を挟んで左右に２カ所ずつ設け
られることになる。

【００４２】従って、ロータ振動を模式的に表した図２
に示すように、ガス軸受５２と磁気軸受５１との配置に
よってロータ１１の振動はＳｔｅｐ３に示される状態と
なり、長尺なロータ１１とされている場合であっても、
振動がほとんど除去された回転が可能となる。

【００４３】さらに、本実施形態に示すロータ１１は、
より確実な振動の除去を必要とするため、既に配置した
各軸受５０，５１，５２のそれぞれで隣り合う間での振
動発生に合わせて該振動の腹部にガス軸受５３をさらに
配置している。これにより、各軸受間が長い場合であっ
ても、振動の除去がより確実になされることになる。

【００４４】このようにロータ１１を回転可能に支持す
る各軸受５０，５１，５２，５３が、ロータ１１のそれ
ぞれの位置で発生する振動の腹部に合わせて配置される
ことにより、ロータ１１には振動がほとんど発生しなく
なり、振動の除去によって長尺でありながら超高速域で
の回転が可能となっている。

【００４５】次に、圧縮しにくい気体である水素を例に
とって、上記説明したロータ１１を水素圧縮用として用
いる場合の形状及びその作用について説明する。水素の
分子量は、空気の分子量に比較して約１／３０と小さい
ことが知られている。従って、水素を圧縮するには多く
の仕事量を発生する遠心圧縮機が必要である。

【００４６】通常、遠心圧縮機の能力は、インペラ４の
外径と、インペラ４の段数（インペラ４の個数）と、イ
ンペラ４の周速と、ロータ１１の回転数と、駆動源の出
力との相互関係によって決定される。そして、上記のう
ちインペラ４の段数と、インペラ４の周速と、ロータ１
１の回転数とが、本実施形態の遠心圧縮機１００に備わ
るロータ１１によって増大することになる。

【００４７】本実施形態のロータ１１は、先に説明した
構造上の構成にて、例えば、ロータ１１の長さＬをＬ＝
１０ｍ程度とし、なお且つ、ロータ１１のシャフト１１
ａの外径ＤをＤ＝０．２ｍ程度として、超高速域での回
転を可能としている。ここから導き出されるロータ剛性
Ｓを下記式（７）で表した場合、 Ｓ＝（Ｄ／Ｌ²）×１０⁵ …（７） 本実施形態のロータ１１のロータ剛性Ｓ（ｍ^-1）は、下
記式（８）の範囲内に入る。 ０＜Ｓ＜２ …（８） そして、このようなロータ剛性Ｓが小さなロータ１１で
あっても、最大連続回転数Ｒは、下記式（９）の範囲内
に入る運転を可能としている。 １万回転／ｍｉｎ＜Ｒ …（９）

【００４８】上記の関係を図４に示すと、従来の遠心圧
縮機１では、回転数が１万回転以上とされた場合にロー
タ剛性が４（ｍ^-1）以上とされた領域Ｔ１内に位置させ
る必要があった。しかし、本実施形態の遠心圧縮機１０
０では、ロータ１１の回転が１万回転／ｍｉｎ以上と高
回転でありながら、ロータ剛性Ｓが２以下と低い値でも
運転が可能とされている。従って、多段で圧縮してなお
且つそれぞれの段階で高い圧縮率が得られるので、水素
等の圧縮しにくい気体であっても圧縮が可能とされてい
る。

【００４９】以上説明した本実施形態の遠心圧縮機１０
０及びこれに備わるロータ１１によれば、１つのロータ
１１により多段のインペラ４を設けつつ、各軸受５０，
５１，５２，５３の配置によってロータ１１を回転可能
に支持する構成とされるので、長尺なロータ１１に発生
する振動が的確に抑えられる。その結果、ロータ１１の
危険速度が向上するので、該ロータ１１を超高速域で回
転させることができる。従って、総合的に高い圧縮率を
得ることで圧縮しにくい水素等の気体であっても確実に
圧縮する高性能な遠心圧縮機を提供することができる。

【００５０】また、１つのケーシング２にてインペラ４
を多段に備えた遠心圧縮機１００を構成することがで
き、遠心圧縮機１００の小型化を図ることができる。ま
た、多段にインペラ４を備える長尺なロータ１１であっ
ても、的確に振動の除去がなされるので、運転時の静音
性を図ることができる

【００５１】なお、以上説明した各軸受５１，５２，５
３の配置については、これに限定解釈されるものではな
く、予想される振動の次元に合わせて発生する腹部に適
宜配置されるものである。つまり、ロータ１１の長さＬ
とシャフト１１ａの外径Ｄ、さらには、インペラ４の形
状や配置間隔や設置個数等によってロータ１１に発生す
る振動は変化するので、その状況に応じて磁気軸受５１
やガス軸受５２は配置されるものである。

【００５２】［第２の実施形態］次に、第２の実施形態
における遠心圧縮機について説明する。図３は本実施形
態における背面対向型の遠心圧縮機１０１の全体構成を
説明する断面図である。なお、本実施形態に示される遠
心圧縮機１０１は、インペラ４の配置等が第１の実施形
態の遠心圧縮機１００に比較して異なるので、異なる点
について説明を行い、その他の構成については、第１の
実施形態の遠心圧縮機１００（図１参照）と同様な構成
であるため、同一符号を付してその説明を一部省略す
る。

【００５３】複数のインペラ４は、ロータ１１のほぼ真
ん中部分である略中央部Ｍを挟んで円盤４ａの背面を向
き合うように設けられている。このため、圧縮する気体
は、図において左側から流入した後、略中央部Ｍまで設
置された各インペラ４を通過することによって段階的に
圧縮される。そして、略中央部Ｍまで到達した気体は、
今度は図において右側から再び各インペラ４を通過する
ことになり、左側に流動するに従い漸次圧縮される。

【００５４】このような気体の圧縮行程を辿ることによ
り、各インペラ４に作用するスラスト力は、背面で対向
するインペラ４どうしで打ち消し合うことになり、ロー
タ１１に作用する応力の緩和が図られている。このよう
な構成は、一般にBack to Backと呼ばれている。

【００５５】特に、略中央部Ｍは、ここを挟んで左方側
にて圧縮された気体と、右方側でさらに圧縮された気体
とが集中する場所であるため、気体の圧力差が発生しや
すい場所である。そして、圧力差が発生した場合には、
圧縮された気体の流れが不安定となり、ロータ１１に対
して振動を引き起こす可能性が多大にある。また、略中
央部Ｍは、両端側に備わる両ジャーナル軸受５０間の中
心と一致しやすく、振動の振幅が多大となりやすい位置
である。

【００５６】そのため、両ジャーナル軸受５０間に予想
される１次または３次等の奇数振動に基づいて、磁気軸
受５１は各インペラ４の背面が対向する位置であり、且
つ、ロータ１１のほぼ中央部である、略中央部Ｍに配置
されることになる。これにより、先に説明した振動の要
所とされやすい位置にてロータ１１が拘束されるので、
ロータ１１に予想される振動は的確に抑えられることに
なる。

【００５７】そして、略中央部Ｍに磁気軸受５１が配置
されることで、さらにガス軸受５２等がロータ１１の適
所に設けられ、ロータの振動が的確に抑えられることに
なる。なお、インペラ４の背面どうしが対向する略中央
部Ｍが、例えば、左右でのインペラ４の設置個数の違い
により、ロータ１１の中央部から外れる場合、この対向
する部分に磁気軸受５１等を配置することを含んでいう
ものである。

【００５８】以上説明した本実施形態の遠心圧縮機１０
１及びこれに備わるロータ１１によれば、第１の実施形
態と同様な効果が得られるとともに、インペラ４が対向
して配置された構造に基づく的確な磁気軸受５１の配置
が得られ、且つ、それに伴う的確な振動の除去を行うこ
とができる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明した本発明の遠心圧縮機におい
ては以下の効果を奏する。請求項１記載の発明によれ
ば、軸受がロータの両端側にそれぞれ配置されるととも
に、これら両軸受間に予想される振動の腹部に第２の軸
受が１つまたは複数配置されているので、ロータを両端
側で支持する両軸受間における振動が抑制され、ロータ
をより高回転で回転させることができる。また、振動が
抑制されることにより、該ロータの長さを長く形成して
さらに多くのインペラを設けることができる。従って、
流体機械としての圧縮能力が高く、振動の少ない流体機
械を実現することができる。また、圧縮率を確保するの
にインペラを多段に設置する場合、従来はロータの強度
を確保するためにロータを分割し、その分割数分のケー
シングを用いてロータを支持する構成であったが、長尺
な１本のロータを用いて構成できるため、ケーシングの
個数を削減して小型な流体機械を実現することが可能と
なる。

【００６０】請求項２記載の発明によれば、ロータにお
ける１次振動の腹部に第２の軸受が配置されているの
で、１次振動を有するロータにおける振れ幅が最も大き
な位置が回転可能に拘束されることになり、流体機械の
ロータの回転を高めて運転を行うことが可能となる。こ
れによって、流体機械の圧縮能力が高められた高性能な
流体機械を実現することができる。

【００６１】請求項３に記載の発明によれば、ロータの
各端側に備わる軸受と第２の軸受との間、または、第２
の軸受どうしの間に予想される振動の腹部に第３の軸受
が１つまたは複数配置されるので、より長尺なロータに
おいても振動の除去を確実に行うことができ、これによ
って、ロータの高速回転を維持しつつ、ロータを長く形
成して圧縮率を高めた高性能な流体機械を実現すること
ができる。

【００６２】請求項４記載の発明によれば、ロータの各
端側に備わる軸受と第３の軸受との間、または、第２の
軸受と第３の軸受との間、または、隣り合う第３の軸受
どうしの間に予想される振動の腹部に第４の軸受が１つ
または複数配置されるので、さらに長尺なロータにおい
ても振動の除去を確実に行うことができ、これによっ
て、ロータの高速回転を維持するとともに、ロータをよ
り長く形成して高い圧縮率を得ることができる。従っ
て、圧縮能力が高い高性能な流体機械を実現することが
できる。

【００６３】請求項５記載の発明によれば、第２の軸受
が、各インペラの背面が向き合う位置であるロータの略
中央部に配置されているので、振動の発生源となりやす
く、また、振幅が大きくなりやすい要所にてロータの振
動を的確に抑えて超高速域でロータを回転させることが
でき、高い圧縮率を得ることができる。そして、圧縮し
にくい気体であっても圧縮でき、且つロータに係る応力
を緩和した高性能な流体機械を実現することができる。

【００６４】請求項６に記載の発明によれば、第２の軸
受の少なくとも１つが磁気軸受とされているので、あら
ゆる振動に対してロータ回転の安定性を制御することが
でき、振動をあらゆる状況下で確実に除去して超高速域
にてロータを回転させることができる。これによって、
より高い圧縮率にて運転が可能な流体機械を実現するこ
とができる。

【００６５】請求項７記載の発明によれば、圧縮しにく
い水素を確実に圧縮して供給する圧縮能力が高い流体機
械を実現することができる。

【００６６】請求項８記載の発明によれば、長尺である
ためにロータ剛性Ｓが少ないロータであっても、各軸受
の配置によって超高速域で回転できるロータを実現する
ことができ、圧縮が困難な気体でも確実に圧縮すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態における遠心圧縮機
の全体構成を説明する概略断面図である。

【図２】 本発明の第１の実施形態における軸受の配置
による作用を説明する概略図である。

【図３】 本発明の第２の実施形態における遠心圧縮機
の全体構成を説明する概略断面図である。

【図４】 ロータの最大連続回転数とロータ剛性との関
係を示した図である。

【図５】 従来より用いられている遠心圧縮機の全体構
成を説明する断面図である。

【図６】 複数のケーシングを直列に配置した遠心圧縮
機の構成を説明する概略断面図である。

【符号の説明】

２ ケーシング ４ インペラ １１ ロータ １１ａ シャフト ５０ ジャーナル軸受（軸受） ５１ 磁気軸受（第２の軸受） ５２ ガス軸受（第３の軸受） ５３ ガス軸受（第４の軸受） １００，１０１ 遠心圧縮機（流体機械） Ｄ インペラの外径 Ｌ ロータの長さ Ｍ 略中央部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｄ 29/28 Ｆ０４Ｄ 29/28 Ｎ 29/66 29/66 Ｇ Ｆターム(参考） 3H022 AA02 BA04 BA06 CA01 CA11 CA16 CA19 CA20 CA56 DA11 DA15 3H033 AA01 AA11 AA12 BB03 BB06 BB17 CC01 CC06 DD01 DD27 DD29 DD30 EE06 EE09 EE10 EE11 EE19

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内に、多段に配置された複数
   のインペラの回転により気体を略半径方向に移送するロ
   ータと、 該ロータを回転可能に支持する軸受とを備えた流体機械
   において、 前記軸受が前記ロータの両端側にそれぞれ配置されると
   ともに、これら前記両軸受間に予想される振動の腹部に
   第２の軸受が１つまたは複数配置されていることを特徴
   とする流体機械。
2. 【請求項２】 請求項１記載の流体機械において、 前記第２の軸受は、前記ロータにおける１次振動の腹部
   に配置されていることを特徴とする流体機械。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の流体機械
   において、 前記ロータの各端側に備わる前記軸受と前記第２の軸受
   との間、または、隣り合う前記第２の軸受どうしの間に
   予想される振動の腹部に第３の軸受が１つまたは複数配
   置されていることを特徴とする流体機械。
4. 【請求項４】 請求項３記載の流体機械において、 前記ロータの各端側に備わる前記軸受と前記第３の軸受
   との間、または、前記第２の軸受と前記第３の軸受との
   間、または、隣り合う前記第３の軸受どうしの間に予想
   される振動の腹部に第４の軸受が１つまたは複数配置さ
   れていることを特徴とする流体機械。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれか１項記
   載の流体機械において、 複数の前記インペラは、前記ロータの略中央部を挟んで
   各々の背面が向き合うように備えられてなり、 前記第２の軸受が、前記略中央部に配置されていること
   を特徴とする流体機械。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５のいずれか１項記
   載の流体機械において、 前記第２の軸受の少なくとも１つは、磁気軸受とされて
   いることを特徴とする流体機械。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項６のいずれか１項記
   載の流体機械において、 前記気体は水素とされていることを特徴とする流体機
   械。
8. 【請求項８】 請求項１から請求項７のいずれか１項記
   載の流体機械に備わる前記ロータおいて、 該ロータのシャフトの外径をＤ（ｍ）、前記ロータの長
   さをＬ（ｍ）とし、これらから求められるロータ剛性Ｓ
   を下記式（１）で表した場合、 Ｓ＝（Ｄ／Ｌ²）×１０⁵ …（１） 前記ロータのロータ剛性Ｓ（ｍ^-1）は、下記式（２）に
   て示される ０＜Ｓ＜２ …（２） に規定され、なお且つ、前記ロータの最大連続回転数Ｒ
   が、下記式（３） １万回転／ｍｉｎ＜Ｒ …（３） に規定されることを特徴とするロータ。