JP2006183465A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 低圧セクションと高圧セクションとがいかなる圧力条件になったとしても、安定してスラスト力のバランスを取りえる遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】 スラスト軸受に支持された回転軸３に、少なくとも１段の羽根車１３を有する低圧セクション５と、少なくとも１段の羽根車３１を有する高圧セクション７とが固定された遠心圧縮機１において、回転軸３に固定され、低圧セクション５の昇圧方向に面する側面５９で低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯと略同等の圧力を受け、側面６１で低圧セクション５の低圧吸入圧ＰＬＩと略同等の圧力を受ける低圧バランスピストン５７と、回転軸３に固定され、高圧セクション７の昇圧方向に面する側面５１で高圧セクション７の高圧吐出圧ＰＨＯと略同等の圧力を受け、側面５３で高圧セクション７の高圧吸入圧ＰＨＩと略同等の圧力を受ける高圧バランスピストン４９と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遠心力によってガスを多段的に圧縮する遠心圧縮機に関するものである。

従来、この種遠心圧縮機では、吸入側に比べて吐出側のガス圧力が高くなるが、この圧力差により、回転軸に対して昇圧方向とは逆の方向にスラスト力が作用する。そして、このスラスト力を受けるため、大きなスラスト軸受を必要としていた。
このスラスト力を低減させるものとして、特許文献１に示すようなバランスピストンが採用されている。
このバランスピストンは、昇圧方向に面した一側面に突出側圧力を導入し、他方の面に吸入側圧力を導入して、この圧力差により、回転軸へ昇圧方向のスラスト力を作用させる。このスラスト力により、前記した昇圧過程で発生する昇圧方向とは逆方向に作用するスラスト力を打ち消し、スラスト軸受にかかる負担を低減するものである。

特開平１０−３１８１８４号公報（段落［００１３］〜［００２０］，及び図１）

ところで、近年、ガスインジェクション用等で、ガスの高圧圧縮が求められている。このような遠心圧縮機では、通常低圧セクションと高圧セクションというそれぞれ吸入と吐出までの過程を有する２セクションを備えている。しかし、このような遠心圧縮機において、バランスピストンは採用されているが、定常運転時にスラスト力が最適になるように設計されている。そのため、起動時あるいは停止時等で、低圧セクションと高圧セクションでの圧力状態が、予め想定した設計条件の範囲から外れるような場合、回転軸に作用するスラスト力のバランスをとることができなかった。
このように、スラスト力のバランスをとることができずにスラスト軸受で受けるスラスト力が大きくなると、スラスト軸受の面圧が上昇して温度が上がるため、遠心圧縮機の回転数を制限する事態となる。また、甚だしい場合には、スラスト軸受が破壊されるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、低圧セクションと高圧セクションとがいかなる圧力条件になったとしても、安定してスラスト力のバランスを取りえる遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる遠心圧縮機は、スラスト軸受に支持された回転軸に、少なくとも１段の羽根車を有する低圧セクションと、少なくとも１段の羽根車を有する高圧セクションとが固定された遠心圧縮機において、前記回転軸に固定され、前記低圧セクションの昇圧方向に面する一側面で前記低圧セクションの吐出側圧力と略同等の圧力を受け、他方の側面で前記低圧セクションの吸入側圧力と略同等の圧力を受ける第一のバランスピストンと、前記回転軸に固定され、前記高圧セクションの昇圧方向に面する一側面で前記高圧セクションの吐出側圧力と略同等の圧力を受け、他方の側面で前記高圧セクションの吸入側圧力と略同等の圧力を受ける第二のバランスピストンと、を備えていることを特徴とする。

このように、回転軸に固定された第一のバランスピストンは、低圧セクションの昇圧方向に面する一側面で低圧セクションの吐出側圧力と略同等の圧力を受け、他方の側面で低圧セクションの吸入側圧力と略同等の圧力を受けるので、一側面側に低圧セクションの吐出側圧力と吸入側圧力の差圧に相当する力を受け、回転軸に対して一側面から他方の側面に向けた、すなわち、低圧セクションの昇圧方向に向けたスラスト力を発生する。このスラスト力は、低圧セクションにおいて同じ吐出側圧力と吸入側圧力の差圧により昇圧方向と逆方向に発生するスラスト力と略同等の大きさであるので、低圧セクションでの圧力差により回転軸に作用するスラスト力は、第一のバランスピストンで発生する逆向きのスラスト力により打ち消される。
同様に、高圧セクションでの圧力差により回転軸に作用するスラスト力は、第二のバランスピストンで発生する逆向きのスラスト力により打ち消される。
このように、低圧セクションと高圧セクションとで、それぞれの圧力差により回転軸に作用するスラスト力は、第一のバランスピストンと第二のバランスピストンとで発生する回転軸に対し逆向きに作用するスラスト力により打ち消されるので、回転軸を支持するスラスト軸受は、小型化できる。
また、第一のバランスピストンは、低圧セクションで発生するスラスト力を、第二のバランスピストンは、高圧セクションで発生するスラスト力をと、それぞれ別個に打ち消すので、起動・停止時あるいは低圧セクションと高圧セクションとの負荷バランスが設計条件から変わった場合でも、安定してスラスト力を低減することができる。

また、本発明にかかる遠心圧縮機は、前記低圧セクションの吐出側と、前記高圧セクションの吐出側とが対向するように配置され、前記第二のバランスピストンは、前記低圧セクションと前記高圧セクションとの間に配置されていることを特徴とする。

このように、低圧セクションの吐出側と、高圧セクションの吐出側とが対向するように配置され、第二のバランスピストンは、低圧セクションと高圧セクションとの間に配置されているので、第二のバランスピストンは、高圧セクションの吐出側と低圧セクションの吐出側に隣接して配置されていることになる。そのため、第二のバランスピストンの一側面に高圧セクションの吐出側圧力が作用し、他の側面に高圧セクションの吸入側圧力と略同等の低圧セクションの吐出側圧力が作用する。
したがって、第二のバランスピストンの側面に圧力を供給するための配管やスペースが不要となるので、構造が簡略化でき、回転軸方向長さを短縮できる。

さらに、本発明にかかる遠心圧縮機は、前記低圧セクションの吐出側と、前記高圧セクションの吸入側とが対向するように配置され、前記第一のバランスピストンは、前記低圧セクションと前記高圧セクションとの間に配置され、前記第二のバランスピストンは、前記高圧セクションの吐出側に隣接して配置されていることを特徴とする。

このように、低圧セクションの吐出側と、高圧セクションの吸入側とが対向するように配置され、第一のバランスピストンは、低圧セクションと前記高圧セクションとの間に配置されているので、第一のバランスピストンは低圧セクションの吐出側に隣接されていることになる。そして、第二のバランスピストンは、高圧セクションの吐出側に隣接して配置されているので、第一のバランスピストンと第二のバランスピストンとの一側面に、それぞれ低圧セクションの吐出側圧力と高圧セクションの吐出側圧力が作用する。
そして、第一のバランスピストンと第二のバランスピストンとの他の側面にそれぞれ低圧セクションの吸入側圧力と高圧セクションの吸入側圧力とを導入することで、低圧セクションと高圧セクションとで発生する回転軸へのスラスト力を略完全に打ち消すことができる。

また、本発明にかかる遠心圧縮機は、前記第一のバランスピストンは、前記第二のバランスピストンの前記高圧セクションの吐出側に対して反対側に配置されていることを特徴とする。

このように、第一のバランスピストンは、第二のバランスピストンの高圧セクションの吐出側に対して反対側に配置されているので、第一のバランスピストンの一側面へ導入する低圧セクションの吐出側圧力に、第二のバランスピストンの他の側面に導入された高圧セクションの吸入側圧力を利用できる。したがって、第一のバランスピストンと第二のバランスピストンとの間で、低圧セクションと高圧セクションとを区切る必要がないので、遠心圧縮機の回転軸に沿う長さを短縮できる。

請求項１に記載の発明によれば、回転軸に固定された第一のバランスピストンは、低圧セクションの昇圧方向に面する一側面で低圧セクションの吐出側圧力と略同等の圧力を受け、他方の側面で低圧セクションの吸入側圧力と略同等の圧力を受けるので、回転軸を支持するスラスト軸受は、小型化できる。
また、第一のバランスピストンは、低圧セクションで発生するスラスト力を、第二のバランスピストンは、高圧セクションで発生するスラスト力をと、それぞれ別個に打ち消すので、起動・停止時あるいは低圧セクションと高圧セクションとの負荷バランスが設計条件から変わった場合でも、安定してスラスト力を低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、低圧セクションの吐出側と、高圧セクションの吐出側とが対向するように配置され、第二のバランスピストンは、低圧セクションと高圧セクションとの間に配置されているので、構造が簡略化でき、回転軸方向長さを短縮できる。

請求項３に記載の発明によれば、低圧セクションの吐出側と、高圧セクションの吸入側とが対向するように配置され、第一のバランスピストンは、低圧セクションと前記高圧セクションとの間に配置されているので、低圧セクションと高圧セクションとで発生する回転軸へのスラスト力を略完全に打ち消すことができる。

請求項４に記載の発明によれば、第一のバランスピストンは、第二のバランスピストンの高圧セクションの吐出側に対して反対側に配置されているので、遠心圧縮機の回転軸に沿う長さを短縮できる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１を用いて説明する。
図１は、本実施形態にかかる遠心圧縮機１の一部を示す縦断面図である。
遠心圧縮機１には、回転軸３と、低圧セクション５と、高圧セクション７と、ケーシング９と、ハウジング１１と、が備えられている。

回転軸３は、ハウジング１１に、その一端がラジアル軸受（図示略）により支持され、他端がラジアル軸受（図示略）およびスラスト軸受（図示略）により支持されている。

低圧セクション５は、３段の羽根車１３と、ハウジング１１およびケーシング９に掘設されたガス流路とから構成されている。
羽根車１３は、回転軸３に固定されたハブ１５と、ハブ１５の表面に円周方向に等間隔で多数固定された羽根１７と、羽根１７の先端に取り付けられたシュラウド１９とから形成されている。

羽根車１３には、ハブ１５と、羽根１７と、シュラウド１９とでガス通路が画成されている。このガス通路の回転軸３側がガス入口２１となり、回転軸３から離隔した側がガス出口２３となる。
羽根車１３は、ガス入口２３を一端側（図１中左側）に向けた形で、略中央部に向かって順次３段配置されている。

ガス流路には、図示しないガス源と１段目の羽根車１３のガス入口２１とを結ぶ低圧吸入路２５と、各段の羽根車１３のガス出口２３と次段の羽根車１３のガス入口を連絡する低圧中間通路２７と、３段目（最終段）のガス出口２３から系外へ連通する低圧吐出路２９とが備えられている。

高圧セクション７は、３段の羽根車３１と、ハウジング１１およびケーシング９に掘設されたガス流路とから構成されている。
羽根車３１は、回転軸３に固定されたハブ３３と、ハブ３３の表面に円周方向に等間隔で多数固定された羽根３５と、羽根３５の先端に取り付けられたシュラウド３７とから形成されている。

羽根車３１には、ハブ３３と、羽根３５と、シュラウド３７とでガス通路が画成されている。このガス通路の回転軸３側がガス入口３９となり、回転軸３から離隔した側がガス出口４１となる。
羽根車３１は、ガス入口４１を他端側（図１中右側）に向けた形で、略中央部に向かって順次３段配置されている。
したがって、低圧セクション５の３段目（吐出側）の羽根車１３と、高圧セクション７の３段目（吐出側）の羽根車３１とは、背中合わせに対向して配置されている。このように配置された遠心圧縮機は、バックツーバック（Ｂａｃｋ Ｔｏ Ｂａｃｋ）型の遠心圧縮機と称されている。

ガス流路には、低圧吐出路２９から系外の、例えばインタークーラ等の機器を経由して導入されたガスを、１段目の羽根車３１のガス入口３９へ連通する高圧吸入路４３と、各段の羽根車３１のガス出口４１と次段の羽根車３１のガス入口３９とを連絡する高圧中間通路４５と、３段目（最終段）のガス出口４１から系外へ連通する高圧吐出路４７とが備えられている。

低圧セクション５と高圧セクション７との間には、高圧バランスピストン（第二のバランスピストン）４９が備えられている。高圧バランスピストン４９は、外端に肉厚部を有する略ドーナツ形状をしており、内側端部にて回転軸３に固定されている。
高圧バランスピストン４９の外端部は、ハウジング１１に取り付けられたラビリンスシール５５により低圧セクション５と高圧セクション７との間をシールされている。

高圧バランスピストン４９の高圧セクション７に面する、すなわち高圧セクション７の昇圧方向に面する側面（一側面）５１は、高圧セクション７の最終段のガス出口４１と連通し、高圧セクション７の高圧吐出圧ＰＨＯを受けている。
高圧バランスピストン４９の低圧セクション５に面する側面（他方の側面）５３は、低圧セクション５の最終段のガス出口２３と連通し、低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯを受けている。
低圧セクション５の吐出ガスは、高圧セクション７の高圧吸入路４３へ供給されるので、低圧吐出圧ＰＬＯは、高圧吸入圧ＰＨＩと略同等の圧力となる。

高圧セクション７の他端側には、低圧バランスピストン（第一のバランスピストン）５７が備えられている。低圧バランスピストン５７は、外端に肉厚部を有する略ドーナツ形状をしており、内側端部にて回転軸３に固定されている。
低圧バランスピストン５７の外端部は、ハウジング１１に取り付けられたラビリンスシール６３により高圧セクション７との間をシールされている。

低圧バランスピストン５７の高圧セクション７に面する、すなわち低圧セクション５の昇圧方向に面する側面（一側面）５９は、高圧セクション７の高圧吸入路４３と連通し、高圧セクション７の高圧吸入圧ＰＨＩを受けている。上述したように、高圧吸入圧ＰＨＩは、低圧吐出圧ＰＬＯと略同等の圧力であるので、低圧バランスピストン５７の側面５９は、低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯを受けていることになる。
低圧バランスピストン５７の他端側の側面（他方の側面）６１は、均圧管６７を介して低圧吸入圧ＰＬＩを導入された導入管６５と連通し、低圧セクション５の低圧吸入圧ＰＬＩを受けている。

以上説明した本実施形態にかかる遠心圧縮機の動作を説明する。
回転軸３を回転させると、低圧セクション５の羽根車１３、高圧セクション７の羽根車３１、高圧バランスピストン４９および低圧バランスピストン５７が回転する。

低圧セクション５の羽根車１３が回転すると、低圧吸入圧ＰＬＩのガスは、低圧吸入路２５を通って低圧セクション５内へ吸い込まれる。吸い込まれたガスは、３段の羽根車１３の回転に伴う遠心力により、１段目から３段目の方向（昇圧方向）へ送られつつ、順次圧縮される。そして、ガスは低圧吐出圧力ＰＬＯまで昇圧されて、３段目の羽根車１３の出口２３から低圧吐出路２９を通って吐出される。
このとき低圧セクション５において、低圧吐出圧ＰＬＯと低圧吸入圧ＰＬＩとの差圧により、回転軸３に対して低圧セクションの昇圧方向と逆方向（他端側から一端側）へ作用するスラスト力ＴＬが発生する。

低圧セクション５から吐出される低圧吐出圧ＰＬＯのガスは、例えばインタークーラ（図示略）により中間冷却された後、高圧吸入圧ＰＨＩのガスとして高圧吸入路４３を通って高圧セクション７へ吸い込まれる。吸い込まれたガスは、３段の羽根車３１の回転に伴う遠心力により、１段目から３段目の方向（昇圧方向）へ送られつつ、順次圧縮される。そして、ガスは高圧吐出圧力ＰＨＯまで昇圧されて、３段目の羽根車３１の出口４１から高圧吐出路４７を通って吐出される。
このとき高圧セクション７において、高圧吐出圧ＰＨＯと高圧吸入圧ＰＨＩとの差圧により、回転軸３に対して高圧セクション７の昇圧方向と逆方向（一端側から他端側）へ作用するスラスト力ＴＨが発生する。

一方、低圧バランスピストン５７の一端側の、すなわち低圧セクションの昇圧方向に面する側面５９は、低圧吐出圧ＰＬＯに略同等の高圧吸入圧ＰＨＩを受けている。そして、低圧バランスピストン５７の他端側の側面６１は、均圧管６７と導入管６５を介して導入された低圧吸入圧ＰＬＩを受けている。そのため、回転軸３に固定された低圧バランスピストン５７において、高圧吸入圧ＰＨＩと低圧吸入圧ＰＬＩとの差圧により、回転軸３に対して一端側から他端側へ、すなわち低圧セクション５の昇圧方向へ作用するスラスト力ＴＬＢが発生する。
このスラスト力ＴＬＢは、上述した低圧セクション５で発生するスラスト力ＴＬと略同等の差圧により生じるので、略同等の大きさである。そして、スラスト力ＴＬＢとスラスト力ＴＬとは、作用する方向が逆方向であるので、相互に打ち消されることになる。

高圧バランスピストン４９の他端側の、すなわち高圧セクション７の昇圧方向に面する側面５１は、高圧吐出圧ＰＨＯを受けている。そして、高圧バランスピストン４９の一端側の側面５３は、高圧吸入圧ＰＨＩに略同等の低圧吐出圧ＰＬＯを受けている。このため、回転軸３に固定された高圧バランスピストン４９において、高圧吐出圧ＰＨＯと低圧吐出圧ＰＬＯとの差圧により、回転軸３に対して他端側から一端側へ、すなわち高圧セクション７の昇圧方向へ作用するスラスト力ＴＨＢが発生する。
このスラスト力ＴＨＢは、上述した高圧セクション７で発生するスラスト力ＴＨと略同等の差圧により生じるので、略同等の大きさである。そして、スラスト力ＴＨＢとスラスト力ＴＨとは、作用する方向が逆方向であるので、相互に打ち消されることになる。

このように、高圧バランスピストン４９の側面５１は、高圧吐出路４７に連通されて高圧吐出圧ＰＨＯを受け、側面５３は低圧吐出路２９に連通されて低圧吐出圧ＰＬＯを受けているので、これらの側面５１，５３に圧力を供給するために配管やそのためのスペースを設ける必要がない。このため、高圧バランスピストン４９の周辺構造が簡略化できるし、不要なスペース分だけ回転軸方向長さを短縮できる。

このように、低圧セクション５により発生されるスラスト力ＴＬと、高圧セクション７により発生されるスラスト力ＴＨとは、それぞれ低圧バランスピストン５７により発生されるスラスト力ＴＬＢと高圧バランスピストン４９により発生されるスラスト力ＴＨＢとによって、打ち消されるので、回転軸３に作用するスラスト力は大幅に低減される。したがって、回転軸３に作用するスラスト力が大幅に低減されるので、回転軸３を支持するスラスト軸受を小型化できる。

また、上述のように低圧セクション５により発生されるスラスト力ＴＬは、低圧バランスピストン５７で、高圧セクション７により発生されるスラスト力ＴＬは高圧バランスピストン４９によりそれぞれ別個に打ち消されるものである。
このため、起動時や停止時（特に緊急停止時）に、低圧セクション５内と高圧セクション７内とにおける各負荷条件、すなわち圧力差の大小が、設計条件と変わったような場合でも、安定してスラスト力を低減できる。
したがって、過大なスラスト力がスラスト軸受に作用して、スラスト軸受が過熱するため運転速度を低減させるような事態を防止できる。また、スラスト力が著しく増大してスラスト軸受が破壊されるのを防止できる。

以下、本実施形態の作用・効果について説明する。
本実施形態によれば、回転軸３に固定された低圧バランスピストン５７は、低圧セクション５の昇圧方向に面する側面５９で低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯと略同等の高圧吸入圧ＰＨＩを受け、他方の側面６１で低圧セクション５の低圧吸入圧ＰＬＩを受けるので、一端側の側面５９に低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯと低圧吸入圧ＰＬＩの差圧に相当する力を受け、回転軸３に対して一端側から他端側に向けた、すなわち、低圧セクション５の昇圧方向に向けたスラスト力ＴＬＢを発生する。このスラスト力ＴＬＢは、低圧セクション５において同じ低圧吐出圧ＰＬＯと低圧吸入圧ＰＬＩの差圧により昇圧方向と逆方向に発生するスラスト力ＴＬと略同等の大きさであるので、低圧セクション７での圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＬは、低圧バランスピストン５７で発生する逆向きのスラスト力ＴＬＢにより打ち消される。
同様に、高圧セクション７での圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＨは、高圧バランスピストン４９で発生するスラスト力ＴＨと逆向きのスラスト力ＴＨＢにより打ち消される。
このように、低圧セクション５と高圧セクション７とで、それぞれの圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＬ，ＴＨは、低圧バランスピストン５７と高圧バランスピストン４９とで発生する回転軸３に対し逆向きに作用するスラスト力ＴＬＢ，ＴＨＢにより打ち消されるので、回転軸３を支持するスラスト軸受は、小型化できる。
また、低圧バランスピストン５７は、低圧セクション５で発生するスラスト力ＴＬを、高圧バランスピストン４９は、高圧セクション７で発生するスラスト力ＴＨをと、それぞれ別個に打ち消すので、起動・停止時あるいは低圧セクション５と高圧セクション７との負荷バランスが設計条件から変わった場合でも、安定してスラスト力を低減することができる。

また、本実施形態によれば、低圧セクション５の吐出側と、高圧セクション７の吐出側とが対向するように配置され、高圧バランスピストン４９は、低圧セクション５と高圧セクション７との間に配置されているので、高圧バランスピストン４９は、高圧セクション７の吐出側と低圧セクション５の吐出側に隣接して配置されていることになる。そのため、高圧バランスピストン４９の側面５１に高圧セクション７の高圧吐出圧ＰＨＯが作用し、他の側面５３に高圧セクション７の高圧吸入圧ＰＨＩと略同等の低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯが作用する。
したがって、高圧バランスピストン４９の側面５１，５３に圧力を供給するための配管やスペースが不要となるので、構造が簡略化でき、回転軸方向長さを短縮できる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図２を用いて説明する。
本実施形態は、低圧セクション５と高圧セクション７とが、直列に、すなわち昇圧方向が同一になるよう配置されたストレート型の遠心圧縮機１に、本発明を適用したものである。

低圧セクション５、回転軸３、ケーシング９およびハウジング１１の構成は、第一実施形態と同じであるので、同じ部材には同じ符号を付し説明を省略する。
また、高圧セクション７についても、第一実施形態と比べて昇圧方向が反対方向になっただけで、基本的構成は同じなので、同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。すなわち、本実施形態では、低圧セクション５と高圧セクション７とは、同じ方向の昇圧方向７０を有するように配置されている。

低圧セクション５と高圧セクションの間には、両者を仕切る仕切部６９が設けられている。仕切部６９の内端部には、回転軸３に接するラビリンスシール部設けられており、低圧セクション５と高圧セクション７との間をシールしている。

低圧セクション５の吐出側に隣接して低圧バランスピストン（第一のバランスピストン）７１が備えられている。低圧バランスピストン７１は、外端に昇圧方向７０側に突出した突出部を有する略ドーナツ形状をしており、内側端部にて回転軸３に固定されている。
低圧バランスピストン７１の外端部は、ハウジング１１に取り付けられたラビリンスシール７３によりシールされている。

低圧バランスピストン７１の昇圧方向７０に面する側面（一側面）７５は、低圧セクション５の低圧吐出路２９と連通し、低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯを受けている。
低圧バランスピストン７１の他方の側面（他方の側面）７７は、均圧管７９を介して低圧吸入圧ＰＬＩを導入された導入室８０と連通し、低圧セクション５の低圧吸入圧ＰＬＩを受けている。

高圧セクション７の吐出側に隣接して高圧バランスピストン（第二のバランスピストン）８１が備えられている。高圧バランスピストン８１は、外端に昇圧方向７０側に突出した突出部を有する略ドーナツ形状をしており、内側端部にて回転軸３に固定されている。
高圧バランスピストン８１の外端部は、ハウジング１１に取り付けられたラビリンスシール８３によりシールされている。

高圧バランスピストン８１の高圧セクション７に面する、すなわち昇圧方向７０に面する側面（一側面）８５は、高圧セクション７の最終段羽根車３１のガス出口４１と連通し、高圧セクション７の高圧吐出圧ＰＨＯを受けている。
高圧バランスピストン８１の他方の側面（他方の側面）８７は、均圧管８９を介して高圧吸入圧ＰＨＩを導入された導入室９０と連通し、高圧セクション７の高圧吸入圧ＰＨＩを受けている。

以上説明した本実施形態にかかる遠心圧縮機の動作を説明する。
回転軸３を回転させると、低圧セクション５の羽根車１３、高圧セクション７の羽根車３１、低圧バランスピストン７１および高圧バランスピストン８１が回転する。

低圧セクション５の羽根車１３が回転すると、低圧吸入圧ＰＬＩのガスは、低圧吸入路２５を通って低圧セクション５内へ吸い込まれる。吸い込まれたガスは、３段の羽根車１３の回転に伴う遠心力により、昇圧方向７０へ送られつつ、順次圧縮される。そして、ガスは低圧吐出圧力ＰＬＯまで昇圧されて、３段目の羽根車１３の出口２３から低圧吐出路２９を通って吐出される。
このとき低圧セクション５において、低圧吐出圧ＰＬＯと低圧吸入圧ＰＬＩとの差圧により、回転軸３に対して低圧セクションの昇圧方向７０と逆方向へ作用するスラスト力ＴＬが発生する。

低圧セクション５から吐出される低圧吐出圧ＰＬＯのガスは、図示を省略しているが、例えばインタークーラにより中間冷却された後、高圧吸入圧ＰＨＩのガスとして高圧吸入路４３を通って高圧セクション７へ吸い込まれる。吸い込まれたガスは、３段の羽根車３１の回転に伴う遠心力により、昇圧方向７０へ送られつつ、順次圧縮される。そして、ガスは高圧吐出圧力ＰＨＯまで昇圧されて、３段目の羽根車３１の出口４１から高圧吐出路４７を通って吐出される。
このとき高圧セクション７において、高圧吐出圧ＰＨＯと高圧吸入圧ＰＨＩとの差圧により、回転軸３に対して高圧セクション７の昇圧方向７０と逆方向へ作用するスラスト力ＴＨが発生する。

一方、低圧バランスピストン７１の昇圧方向７０に面する側面７５は、低圧吐出圧ＰＬＯを受けている。そして、低圧バランスピストン７１の他方の側面７７は、均圧管７９により導入室８０に導入された低圧吸入圧ＰＬＩを受けている。そのため、回転軸３に固定された低圧バランスピストン７１において、高圧吸入圧ＰＨＩと低圧吸入圧ＰＬＩとの差圧により、回転軸３に対して昇圧方向７０へ作用するスラスト力ＴＬＢが発生する。
このスラスト力ＴＬＢは、上述した低圧セクション５で発生するスラスト力ＴＬと同じ差圧により生じるので、略同等の大きさである。そして、スラスト力ＴＬＢとスラスト力ＴＬとは、作用する方向が逆方向であるので、相互に打ち消されることになる。

高圧バランスピストン８１の昇圧方向７０に面する側面８５は、高圧吐出圧ＰＨＯを受けている。そして、高圧バランスピストン８１の他方の側面８７は、均圧管８９を介して導入室９０に導入された高圧吸入圧ＰＨＩを受けている。このため、回転軸３に固定された高圧バランスピストン８１において、高圧吐出圧ＰＨＯと高圧吸入圧ＰＨＩとの差圧により、回転軸３に対して昇圧方向７０へ作用するスラスト力ＴＨＢが発生する。
このスラスト力ＴＨＢは、上述した高圧セクション７で発生するスラスト力ＴＨと同じ差圧により生じるので、略同等の大きさである。そして、スラスト力ＴＨＢとスラスト力ＴＨとは、作用する方向が逆方向であるので、相互に打ち消されることになる。

このように、低圧セクション５により発生されるスラスト力ＴＬと、高圧セクション７により発生されるスラスト力ＴＨとは、それぞれ低圧バランスピストン７１により発生されるスラスト力ＴＬＢと高圧バランスピストン８１により発生されるスラスト力ＴＨＢとによって、打ち消されるので、回転軸３に作用するスラスト力は大幅に低減される。したがって、回転軸３に作用するスラスト力が大幅に低減されるので、回転軸３を支持するスラスト軸受を小型化できる。
しかも、スラスト力ＴＬ、スラスト力ＴＬＢ、スラスト力ＴＨおよびスラスト力ＴＨＢが、この順序で回転軸３に作用する、すなわち打ち消す力が昇圧方向７０に沿って直後に作用するので、回転軸３に作用するスラスト力のバランスが良く、無理な力の集中を防止できる。

また、上述のように低圧セクション５により発生されるスラスト力ＴＬは、低圧バランスピストン７１で、高圧セクション７により発生されるスラスト力ＴＬは高圧バランスピストン８１によりそれぞれ別個に打ち消されるものである。
このため、起動時や停止時（特に緊急停止時）に、低圧セクション５内と高圧セクション７内とにおける各負荷条件、すなわち圧力差の大小が、設計条件と変わったような場合でも、安定してスラスト力を低減できる。
したがって、過大なスラスト力がスラスト軸受に作用して、スラスト軸受が過熱するため運転速度を低減させるような事態を防止できる。また、スラスト力が著しく増大してスラスト軸受が破壊されるのを防止できる。

以下、本実施形態の作用・効果について説明する。
本実施形態によれば、回転軸３に固定された低圧バランスピストン７１は、低圧セクション５の昇圧方向７０に面する側面７５で低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯを受け、他方の側面７７で低圧セクション５の低圧吸入圧ＰＬＩを受けるので、一端側の側面７５に低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯと低圧吸入圧ＰＬＩの差圧に相当する力を受け、回転軸３に対して昇圧方向に向けたスラスト力ＴＬＢを発生する。このスラスト力ＴＬＢは、低圧セクション５において同じ低圧吐出圧ＰＬＯと低圧吸入圧ＰＬＩの差圧により昇圧方向７０と逆方向に発生するスラスト力ＴＬと略同等の大きさであるので、低圧セクション５での圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＬは、低圧バランスピストン７１で発生する逆向きのスラスト力ＴＬＢにより略完全に打ち消される。
同様に、高圧セクション７での圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＨは、高圧バランスピストン８１で発生するスラスト力ＴＨと逆向きのスラスト力ＴＨＢにより略完全に打ち消される。
このように、低圧セクション５と高圧セクション７とで、それぞれの圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＬ，ＴＨは、低圧バランスピストン７１と高圧バランスピストン８１とで発生する回転軸３に対し逆向きに作用するスラスト力ＴＬＢ，ＴＨＢにより打ち消されるので、回転軸３を支持するスラスト軸受は、小型化できる。
また、低圧バランスピストン７１は、低圧セクション５で発生するスラスト力ＴＬを、高圧バランスピストン８１は、高圧セクション７で発生するスラスト力ＴＨをと、それぞれ別個に打ち消すので、起動・停止時あるいは低圧セクション５と高圧セクション７との負荷バランスが設計条件から変わった場合でも、安定してスラスト力を低減することができる。

また、本実施形態によれば、低圧セクション５の吐出側と、高圧セクション７の吸入側とが対向するように配置され、低圧バランスピストン７１は、低圧セクション５と高圧セクション７との間に配置されているので、低圧バランスピストン７１は低圧セクション５の吐出側に隣接されていることになる。そして、高圧バランスピストン８１は、高圧セクション７の吐出側に隣接して配置されているので、低圧バランスピストン７１と高圧バランスピストン８１との昇圧方向７０に面する側面７５，８５に、それぞれ低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯと高圧セクション７の高圧吐出圧ＰＨＯが作用する。
そして、低圧バランスピストン７１と高圧バランスピストン８１との他の側面７７，８７にそれぞれ低圧セクション５の低圧吸入圧ＰＬＩと高圧セクション７の高圧吸入圧ＰＨＩとを導入することで、低圧セクション５と高圧セクション７とで発生する回転軸３へのスラスト力を略完全に打ち消すことができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態は、第二実施形態と同様にストレート型の遠心圧縮機１に、本発明を適用したものである。

低圧セクション５、回転軸３、ケーシング９およびハウジング１１の構成は、第一実施形態と同じであるので、同じ部材には同じ符号を付し説明を省略する。
また、高圧セクション７についても、第一実施形態と比べて昇圧方向が反対方向になっただけで、基本的構成は同じなので、同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。すなわち、本実施形態では、低圧セクション５と高圧セクション７とは、同じ方向の昇圧方向７０を有するように配置されている。

高圧セクション７の吐出側に隣接して高圧バランスピストン（第二のバランスピストン）１１１が備えられている。高圧バランスピストン１１１は、外端に昇圧方向７０側に突出した突出部を有する略ドーナツ形状をしており、内側端部にて回転軸３に固定されている。
高圧バランスピストン１１１の外端部は、ハウジング１１に取り付けられたラビリンスシール１１３によりシールされている。

高圧バランスピストン１１１の高圧セクション７に面する、すなわち昇圧方向７０に面する側面（一側面）１１５は、高圧セクション７の最終段羽根車３１のガス出口４１と連通し、高圧セクション７の高圧吐出圧ＰＨＯを受けている。
高圧バランスピストン１１１の他方の側面（他方の側面）１１７は、均圧管１１９を介して高圧吸入圧ＰＨＩを導入された導入室１２０と連通し、高圧セクション７の高圧吸入圧ＰＨＩを受けている。

高圧バランスピストン１１１の昇圧方向７０側に隣接して低圧バランスピストン（第一のバランスピストン）１０１が備えられている。低圧バランスピストン１０１は、外端に昇圧方向７０側に突出した突出部を有する略ドーナツ形状をしており、内側端部にて回転軸３に固定されている。
低圧バランスピストン１０１の外端部は、ハウジング１１に取り付けられたラビリンスシール１０３によりシールされている。

低圧バランスピストン１０１の昇圧方向７０に面する側面（一側面）１０５は、導入室１２０と連通し、低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯと略同等の高圧吸入圧ＰＨＩを受けている。
低圧バランスピストン１０１の他方の側面（他方の側面）１０７は、均圧管１０９を介して低圧吸入圧ＰＬＩを導入された導入室１１０と連通し、低圧セクション５の低圧吸入圧ＰＬＩを受けている。

以上説明した本実施形態にかかる遠心圧縮機の動作を説明する。
回転軸３を回転させると、低圧セクション５の羽根車１３、高圧セクション７の羽根車３１、低圧バランスピストン１０１および高圧バランスピストン１１１が回転する。

低圧セクション５の羽根車１３が回転すると、低圧吸入圧ＰＬＩのガスは、低圧吸入路２５を通って低圧セクション５内へ吸い込まれる。吸い込まれたガスは、３段の羽根車１３の回転に伴う遠心力により、昇圧方向７０へ送られつつ、順次圧縮される。そして、ガスは低圧吐出圧力ＰＬＯまで昇圧されて、３段目の羽根車１３の出口２３から低圧吐出路２９を通って吐出される。
このとき低圧セクション５において、低圧吐出圧ＰＬＯと低圧吸入圧ＰＬＩとの差圧により、回転軸３に対して低圧セクションの昇圧方向７０と逆方向へ作用するスラスト力ＴＬが発生する。

低圧セクション５から吐出される低圧吐出圧ＰＬＯのガスは、図示を省略しているが、例えばインタークーラにより中間冷却された後、高圧吸入圧ＰＨＩのガスとして高圧吸入路４３を通って高圧セクション７へ吸い込まれる。吸い込まれたガスは、３段の羽根車３１の回転に伴う遠心力により、昇圧方向７０へ送られつつ、順次圧縮される。そして、ガスは高圧吐出圧力ＰＨＯまで昇圧されて、３段目の羽根車３１の出口４１から高圧吐出路４７を通って吐出される。
このとき高圧セクション７において、高圧吐出圧ＰＨＯと高圧吸入圧ＰＨＩとの差圧により、回転軸３に対して高圧セクション７の昇圧方向７０と逆方向へ作用するスラスト力ＴＨが発生する。

一方、低圧バランスピストン１０１の昇圧方向７０に面する側面１０５は、低圧吐出圧ＰＬＯに略等しい東圧吸入圧ＰＨＩを受けている。そして、低圧バランスピストン１０１の他方の側面１０７は、均圧管１０９により導入室１１０に導入された低圧吸入圧ＰＬＩを受けている。そのため、回転軸３に固定された低圧バランスピストン１０１において、高圧吸入圧ＰＨＩと低圧吸入圧ＰＬＩとの差圧により、回転軸３に対して昇圧方向７０へ作用するスラスト力ＴＬＢが発生する。
このスラスト力ＴＬＢは、上述した低圧セクション５で発生するスラスト力ＴＬと略同じ差圧により生じるので、略同等の大きさである。そして、スラスト力ＴＬＢとスラスト力ＴＬとは、作用する方向が逆方向であるので、相互に打ち消されることになる。

高圧バランスピストン１１１の昇圧方向７０に面する側面１１５は、高圧吐出圧ＰＨＯを受けている。そして、高圧バランスピストン１１１の他方の側面１１７は、均圧管１１９を介して導入室１２０に導入された高圧吸入圧ＰＨＩを受けている。このため、回転軸３に固定された高圧バランスピストン１１１において、高圧吐出圧ＰＨＯと高圧吸入圧ＰＨＩとの差圧により、回転軸３に対して昇圧方向７０へ作用するスラスト力ＴＨＢが発生する。
このスラスト力ＴＨＢは、上述した高圧セクション７で発生するスラスト力ＴＨと同じ差圧により生じるので、略同等の大きさである。そして、スラスト力ＴＨＢとスラスト力ＴＨとは、作用する方向が逆方向であるので、相互に打ち消されることになる。

このように、低圧セクション５により発生されるスラスト力ＴＬと、高圧セクション７により発生されるスラスト力ＴＨとは、それぞれ低圧バランスピストン１０１により発生されるスラスト力ＴＬＢと高圧バランスピストン１１１により発生されるスラスト力ＴＨＢとによって、打ち消されるので、回転軸３に作用するスラスト力は大幅に低減される。したがって、回転軸３に作用するスラスト力が大幅に低減されるので、回転軸３を支持するスラスト軸受を小型化できる。
しかも、低圧バランスピストン１０１の側面１０５に導入される低圧吐出圧ＰＬＯとして、高圧バランスピストン１１１に導入される高圧吸入圧ＰＨＩを利用しているので、低圧バランスピストン１０１と高圧バランスピストン１１１との間で区切る必要がない。したがって、その分遠心圧縮機の回転軸方向の長さを短縮できる。

また、上述のように低圧セクション５により発生されるスラスト力ＴＬは、低圧バランスピストン１０１で、高圧セクション７により発生されるスラスト力ＴＬは高圧バランスピストン１１１によりそれぞれ別個に打ち消されるものである。
このため、起動時や停止時（特に緊急停止時）に、低圧セクション５内と高圧セクション７内とにおける各負荷条件、すなわち圧力差の大小が、設計条件と変わったような場合でも、安定してスラスト力を低減できる。
したがって、過大なスラスト力がスラスト軸受に作用して、スラスト軸受が過熱するため運転速度を低減させるような事態を防止できる。また、スラスト力が著しく増大してスラスト軸受が破壊されるのを防止できる。

以下、本実施形態の作用・効果について説明する。
本実施形態によれば、回転軸３に固定された低圧バランスピストン１０１は、低圧セクション５の昇圧方向７０に面する側面１０５で低圧セクション５の低圧吐出圧ＰＬＯと略同等の高圧吸入圧ＰＨＩを受け、他方の側面１０７で低圧セクション５の低圧吸入圧ＰＬＩを受けるので、一端側の側面１０５に低圧セクション５の高圧吸入圧ＰＨＯと低圧吸入圧ＰＬＩの差圧に相当する力を受け、回転軸３に対して昇圧方向に向けたスラスト力ＴＬＢを発生する。このスラスト力ＴＬＢは、低圧セクション５において低圧吐出圧ＰＬＯと低圧吸入圧ＰＬＩの差圧により昇圧方向７０と逆方向に発生するスラスト力ＴＬと略同等の大きさであるので、低圧セクション５での圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＬは、低圧バランスピストン１０１で発生する逆向きのスラスト力ＴＬＢにより略完全に打ち消される。
同様に、高圧セクション７での圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＨは、高圧バランスピストン１１１で発生するスラスト力ＴＨと逆向きのスラスト力ＴＨＢにより略完全に打ち消される。
このように、低圧セクション５と高圧セクション７とで、それぞれの圧力差により回転軸３に作用するスラスト力ＴＬ，ＴＨは、低圧バランスピストン１０１と高圧バランスピストン１１１とで発生する回転軸３に対し逆向きに作用するスラスト力ＴＬＢ，ＴＨＢにより打ち消されるので、回転軸３を支持するスラスト軸受は、小型化できる。
また、低圧バランスピストン１０１は、低圧セクション５で発生するスラスト力ＴＬを、高圧バランスピストン１１１は、高圧セクション７で発生するスラスト力ＴＨをと、それぞれ別個に打ち消すので、起動・停止時あるいは低圧セクション５と高圧セクション７との負荷バランスが設計条件から変わった場合でも、安定してスラスト力を低減することができる。

また、本実施形態によれば、低圧バランスピストン１０１は、高圧バランスピストン１１１の高圧セクション７の吐出側に対して反対側に配置されているので、低圧バランスピストン１０１の昇圧方向に面する側面１０５へ導入する低圧セクション５の吐出側圧力に、高圧バランスピストン１１１の他の側面１１７に導入された高圧セクション７の高圧吸入圧ＰＨＩを利用できる。したがって、低圧バランスピストン１０１と高圧バランスピストン１１１との間で、低圧セクション５と高圧セクション７とを区切る必要がないので、遠心圧縮機の回転軸３に沿う長さを短縮できる。

本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の一部を示す部分断面図である。 本発明の第二実施形態の遠心圧縮機の一部を示す部分断面図である。 本発明の第三実施形態の遠心圧縮機の一部を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 遠心圧縮機
３ 回転軸
５ 低圧セクション
７ 高圧セクション
１３ 羽根車
３１ 羽根車
４９ 高圧バランスピストン
５１ 側面
５３ 側面
５７ 低圧バランスピストン
５９ 側面
６１ 側面
７１ 低圧バランスピストン
７５ 側面
７７ 側面
８１ 高圧バランスピストン
８５ 側面
８７ 側面
１０１ 低圧バランスピストン
１０５ 側面
１０７ 側面
１１１ 高圧バランスピストン
１１５ 側面
１１７ 側面
ＰＬＩ 低圧吸入圧
ＰＬＯ 低圧吐出圧
ＰＨＩ 高圧吸入圧
ＰＨＯ 高圧吐出圧

Claims (4)

1. スラスト軸受に支持された回転軸に、少なくとも１段の羽根車を有する低圧セクションと、少なくとも１段の羽根車を有する高圧セクションとが固定された遠心圧縮機において、
   前記回転軸に固定され、前記低圧セクションの昇圧方向に面する一側面で前記低圧セクションの吐出側圧力と略同等の圧力を受け、他方の側面で前記低圧セクションの吸入側圧力と略同等の圧力を受ける第一のバランスピストンと、
   前記回転軸に固定され、前記高圧セクションの昇圧方向に面する一側面で前記高圧セクションの吐出側圧力と略同等の圧力を受け、他方の側面で前記高圧セクションの吸入側圧力と略同等の圧力を受ける第二のバランスピストンと、を備えていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記低圧セクションの吐出側と、前記高圧セクションの吐出側とが対向するように配置され、
   前記第二のバランスピストンは、前記低圧セクションと前記高圧セクションとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記低圧セクションの吐出側と、前記高圧セクションの吸入側とが対向するように配置され、
   前記第一のバランスピストンは、前記低圧セクションと前記高圧セクションとの間に配置され、
   前記第二のバランスピストンは、前記高圧セクションの吐出側に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
4. 前記第一のバランスピストンは、前記第二のバランスピストンの前記高圧セクションの吐出側に対して反対側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。

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