JP2010216318A

JP2010216318A - 遠心圧縮機及び回転機械

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Publication number: JP2010216318A
Application number: JP2009062218A
Authority: JP
Inventors: Makoto Henmi; 真辺見; Tetsuya Kuwano; 哲也桑野; Haruo Miura; 治雄三浦; Kenta Suzuki; 健太鈴木
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: JP5067391B2

Abstract

【課題】ホットオイルキャリーオーバーの影響を排除した遠心圧縮機及び回転機械を提供することを目的とする。
【解決手段】回転軸と、回転軸を支える軸受と、回転軸に取り付けられた羽根車と、回転軸の回転により気体を吸入する吸入口と、回転軸の回転により圧縮された気体を吐出する吐出口とを備えた遠心圧縮機であって、軸受は、複数個のパッドから成り、複数個のパッドのうち少なくとも１個は、回転軸と接触する面に設けられた第１の開口部と、第１の開口部が設けられた面とは異なる面に設けられた第２の開口部と、第１の開口部と第２の開口部とを連通する通油孔とが設けられ、通油孔の断面積は、第１の開口部から第２の開口部に向かうにつれて大きくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジャーナル軸受にティルティングパッド式を用いた遠心圧縮機及び回転機械に関する。

高速で運転される回転機械の軸受には、非特許文献１に示されたティルティングパッド式の軸受が使用される。この軸受は、危険速度を超える高速回転時に生じるオイルウィップや、オイルホワールといった振動を生じにくいとされている。

このようなティルティングパッド式の軸受においては、パッド円周方向前縁でしゅう動面に流れ込む潤滑油の温度は、回転数が増加するにつれて高くなる。これは、ひとつのパッドのしゅう動面の後縁から流出する高温の潤滑油が、次のパッドのしゅう動面の前縁に流入するためであり、ホットオイルキャリーオーバーと呼ばれている。このように、パッドのしゅう動面の前縁での温度が高くなると、しゅう動面における潤滑油の最高温度も高くなり、軸受が焼損しやすくなり、信頼性が低下するという課題があった。

このような課題を解決する方法として、特開２００８−１５１２３９号公報には、油膜の高温油をしゅう動面外へ導くバイパス流路を備えた構成が開示されている。

特開２００８−１５１２３９号公報

（社）日本トライボロジー学会編、トライボロジーハンドブック、養賢堂（２００１）、ｐ５３−５７

しかしながら、バイパス通路を設けてもホットオイルキャリーオーバーの影響を排除する効果は小さい。これは、バイパス通路を通りしゅう動面外へ排出される潤滑油量は、油膜を流れる潤滑油量と比較してあまり多くないためである。油膜を流れるほとんどの潤滑油は、そのまま次のパッドまで流れてしまう。このため、次のパッドの入口温度は、バイパス流路があるか否かによる変化は殆どない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ホットオイルキャリーオーバーの影響を排除した遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、回転軸と、前記回転軸を支える軸受と、前記回転軸に取り付けられた羽根車と、前記回転軸の回転により気体を吸入する吸入口と、前記回転軸の回転により圧縮された前記気体を吐出する吐出口とを備えた遠心圧縮機であって、前記軸受は、複数個のパッドから成り、前記複数個のパッドのうち少なくとも１個は、前記回転軸と接触する面に設けられた第１の開口部と、前記第１の開口部が設けられた面とは異なる面に設けられた第２の開口部と、前記第１の開口部と前記第２の開口部とを連通する通油孔とが設けられ、前記通油孔の断面積は、前記第１の開口部から前記第２の開口部に向かうにつれて大きくなることを特徴とする。

さらに、前記異なる面は、前記パッドの側面であることを特徴とする。

さらに、前記通油孔の前端部と前記通油孔の後端部とがなす角度は、３０°〜４５°の何れかである。

さらに、前記通油孔の前端部と前記第２の開口部とが成す第１の縁が、前記通油孔の後端部と前記第２の開口部とが成す第２の縁よりも前記回転軸の回転方向の逆側に設けられたことを特徴とする。

さらに、前記第１及び第２の縁の近傍に設けられた給油口を備えたことを特徴とする。

また、回転軸と、前記回転軸を支える軸受と、前記回転軸に取り付けられた羽根車と、前記回転軸の回転により気体を吸入する吸入口と、前記回転軸の回転により圧縮された前記気体を吐出する吐出口とを備えた遠心圧縮機であって、前記軸受は、複数個のパッドから成り、前記複数個のパッドのうち少なくとも１個は、前記回転軸と接触する面に設けられた第１の開口部と、前記第１の開口部が設けられた面とは異なる面に設けられた第２の開口部と、前記第１の開口部と前記第２の開口部とを連通する通油孔とを備え、前記回転軸から荷重を受ける少なくとも１個のパッドから、前記回転軸の回転方向と逆方向に位置する場所に設けられ、前記通油孔の断面積は、前記第１の開口部から前記第２の開口部に向かうにつれて大きくなることを特徴とする。

本発明により、ホットオイルキャリーオーバーの影響を排除した遠心圧縮機を提供することが可能となる。

実施例１のパッドの断面図である。実施例１のパッドの斜視図である。実施例１のパッドの他の例の斜視図である。実施例１のパッドのさらに他の例の斜視図である。従来の軸受と実施例１の軸受との油膜温度を示す図である。 θが０の場合と、ある角度を持つ場合との通油孔内の流れの比較を示す図である。通油孔の前端側壁面と後端側壁面とがなす角度θとＣ点油膜温度の関係を示すグラフである。実施例１のパッド配置例を示す断面図である。実施例１の他のパッド配置例を示す断面図である。実施例２の断面図である。実施例２のパッドの斜視図である。実施例３の遠心圧縮機の断面図である。実施例３の遠心圧縮機の運転回転数と吐出圧力について従来との比較を示すグラフである。

実施例１を、図１〜図９を用いて説明する。

図１は、実施例１のティルティングパッド式の軸受の断面図である。図２は、図１のパッドの斜視図である。図３は、図１のパッドの他の例の斜視図である。図４は、図１のパッドのさらに他の例の斜視図である。図５は、従来の軸受と実施例１の軸受の油膜温度を示すグラフである。図６は、θが０の場合と、ある角度を持つ場合との比較を示す図である。図７は、通油孔１３の前端部１４の側壁と通油孔１３の後端部１５の側壁とがなす角度θと、Ｃ点油膜温度の関係を示すグラフである。ここで、通油孔１３の前端部１４は、側面開口部１２において、ハウジング２に最も近い側から回転軸１に向かう方向に設けられた部分とする。また、通油孔１３の後端部１５は、側面開口部１２において、回転軸１に最も近い側から回転軸１に向かう方向に設けられた部分とする。

図８は、実施例１のパッド配置例を示す断面図である。図９は、実施例１の他のパッド配置例を示す断面図である。

図１を用いて、実施例１のティルティングパッド式の軸受のパッド３について説明する。パッド３と回転軸１とのしゅう動面の円周方向後端部近傍にしゅう動面開口部（第１の開口部）１１を設け、しゅう動面開口部１１とパッドの側面に設けられた側面開口部（第２の開口部）１２とを連通する通油孔１３を設けてある。この通油孔１３の断面積は、しゅう動面開口部１１から側面開口部１２に向かうにつれて大きくなっている。

図２は、図１のパッド３の斜視図を示す。しゅう動面開口部１１，側面開口部１２および通油孔１３は、それぞれ１つずつ設けられている。

図３は、図１のパッドの他の例の斜視図を示す。しゅう動面開口部１１，１１′，１１″，側面開口部１２，１２′，１２″および通油孔１３，１３′，１３″は、各々３個ずつ設けられており、軸受幅方向に並んでいる。このように、しゅう動面開口部１１を複数箇所に設けてもよい。

図４は、図１のパッドの他の例の斜視図を示す。側面開口部１２の幅は、しゅう動面開口部１１の幅よりも広くなっている。このように、側面開口部１２としゅう動面開口部１１の幅は必ずしも同じ面積でなくてもよい。

次に、実施例１の動作および効果を説明する。

回転軸の回転と共に、パッド３のしゅう動面には、潤滑油が流れ込み、油膜が形成される。この油膜の温度は、パッドの円周方向後縁に進むにつれ、次第に高くなる。従来のパッドの場合、油膜の温度は、図５に点線で示す分布となる。なお、図５の横軸におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、図１に示した各点の位置であることを示し、従来のパッドは点Ｂがパッドの後端とする。このときの外部給油装置からの給油温度Ｔ₀を図５中に示す。油膜の円周方向前縁（点Ａ）での温度は、従来のパッドの方が高い。これは、前縁において油膜に流れ込む潤滑油は、軸受ハウジング内に満たされたほぼ給油温度の潤滑油と、前縁側のパッドの油膜から流出する高温の潤滑油とが混合されるためである。

実施例１によるパッドにおいては、点Ｂと点Ｃの間のしゅう動面開口部１１においてパッド周囲の低温の潤滑油と混合されることにより、油膜温度が低下するため、実線で示したような分布となる。点Ｃと点Ｄの間では、油膜が薄くなるために再度温度は若干上昇する。しかし、点Ｃにおいて油膜の一部が掻き出されるため、点Ｂでの温度ほどにはならない。点Ｄを通過した後では油膜温度は再び低下する。

点Ｂと点Ｃとの間のしゅう動面開口部１１における潤滑油の流れについて、図６を用いて説明する。図６（Ａ）は、通油孔１３の前端面１４と後端面１５とがなす角度θが０°の場合を示す。また、図６（Ｂ）は、θがある角度を持つ場合の通油孔１３内の流れを示す。図６（Ａ）に示すように、θが０°の場合は、しゅう動面から側面へ流れ出す流れしか起きない。また、この流量は大きくないため、油膜温度を低減する効果は小さい。これに対して、図６（Ｂ）に示すように、θが０°よりも大きい場合は、側面側からしゅう動面側へ流れ込む流れも生じるため、しゅう動面開口部１１で油膜温度を大きく低減することができる。

しゅう動面開口部１１での温度低減の効果は、図７に示すように、θの角度により変化する。θが、３０°程度で十分な効果が得られるようになり、４５°以上でもθが大きいほど効果はあるが、その変化は次第に小さくなる。したがって、θを３０°〜４５°の何れかに設定したほうがよい。

なお、実施例１の構造をパッド３に設けることは、先に示したように、通油孔１３内で旋回する流れを誘起するため、潤滑油の損失を増加させる懸念がある。これを避けるためには、軸受のすべてのパッドではなく、一部のパッドにのみ実施例１の構造を適用すればよい。図８，図９を用いて、この構造を用いた例について詳細に説明する。

図８は、ロードビトイーンパッド式の軸受を示す図である。ロードビトイーンパッド式とは、図８の荷重方向にはパッドが設けられておらず、図８に示すように回転軸１からの負荷が主に２つのパッド（１０３が１個，２０３が１個）にかかる方式である。図８において、実施例１の構造のパッド２０３は、荷重方向から回転軸１の回転方向と逆方向に位置する場所に設けてられている。

図９は、ロードオンパッド式の軸受を示す図である。ロードオンパッド式とは、図９の荷重方向にパッドが設けられており、図９に示すように回転軸１からの負荷が主に３個のパッド（１０３が２個，２０３が１個）にかかる方式である。図９において、実施例１の構造のパッド２０３は、荷重方向から荷重を主に受けるパッド１０３から、回転軸１の回転方向と逆方向に位置する場所に設けてられている。

即ち、図８，図９において、上記した構造のパッドは、回転軸１から荷重を受ける少なくとも１個のパッドから、回転軸１の回転方向と逆方向に位置する場所に設けられる。

次に、実施例２について、図１０，図１１を用いて説明する。

図１０は、実施例２のティルティングパッド式の軸受のパッド３の外観図である。図１１は、実施例２のパッド３の斜視図である。

実施例２においては、図１０，図１１に示すように、通油孔１３の前端面１４の壁面と側面開口部１２との第１の縁１６が、通油孔１３の後端面１５の壁面と側面開口部１２との第２の縁１７よりも回転軸１の回転方向の逆側に設けられている。すなわち、第１の縁１６から回転軸１の中心に向かって引いた直線と、第２の縁１７から回転軸１の中心に向かって引いた直線とが異なる直線となる。また、パッド３の形状は、第２の縁１７から第１の縁１６に向かうにつれて、回転軸１の回転方向と逆方向に凹む形状となる。この構造により、パッド３の周囲の潤滑油が通油孔１３に流れ込みやすくなっている。

また、図１０に示すように、側面開口部１２の近傍に給油孔２２を設けている。この構造により、より低い温度の潤滑油が通油孔１３に流れ込むことになるため、しゅう動面開口部１１での温度の低減による効果がより大きいものとなる。

また、実施例１のように、軸受の全てのパッドに実施例２の構造のパッドを用いるのではなく、一部のパッドのみに実施例２の構造とを適用すればよいことは言うまでもない。
また、適用の方法も実施例１と同じでよいことは言うまでもない。

次に、実施例３について、図１２，図１３を用いて説明する。

図１２は、遠心圧縮機の断面図である。図１３は、実施例３の遠心圧縮機の運転回転数と吐出圧力について従来との比較を示すグラフである。

実施例３において、遠心圧縮機のジャーナル軸受（軸受）に、実施例１又は２に示したティルティングパッド式を用いたものである。

まず、図１２を用いて、遠心圧縮機について説明する。ケーシング３０１の中には、ジャーナル軸受３０４ａおよび３０４ｂにより支えられた回転軸３０３が収められている。
回転軸３０３に取り付けられた羽根車３０２は、回転軸３０３の回転により吸入口３０５から吸い込まれた気体を圧縮し、吐出口３０６から吐出する。

図１３に示すように、回転機械に、実施例１又は２のティルティングパッド式を用いることにより、油膜の温度を低減し限界油膜温度に到達する回転数が高くなるため、運転回転数を従来のＮ１からＮ２へと増加させ、回転機械の作動範囲を広げることが可能となる。特に、遠心圧縮機のジャーナル軸受として、実施例１又は２のティルティングパッド式を用いることにより、遠心圧縮機の吐出圧力もＰ１からＰ２へと増加させることが可能となる。したがって、ティルティングパッド式のパッドの大きさを変えることなく、より高圧の遠心圧縮機を実現することが可能となる。

以上、実施例１〜３により、パッドのしゅう動面の後縁において、しゅう動面を通過した高温の潤滑油をパッド側面の低温の潤滑油と混合することにより温度を低減させることが可能となる。さらに、潤滑油の一部をしゅう動面の外に排出することにより、次のパッドの前縁における潤滑油の温度を下げることができるため、信頼性の高い遠心圧縮機を提供することが可能となる。

１，３０３回転軸
２ハウジング
３，３′，２０３パッド
４ピボット
５，３０５吸入口
１１，１１′，１１″ しゅう動面開口部（第１の開口部）
１２，１２′，１２″ 側面開口部（第２の開口部）
１３，１３′，１３″ 通油孔
１４前端面
１５後端面
１６通油孔１３の前端面１４の壁面と側面開口部１２との縁（第１の縁）
１７通油孔１３の後端面１５の壁面と側面開口部１２との縁（第２の縁）
２２給油孔
１０３通常のパッド
３０１ケーシング
３０２羽根車
３０４ジャーナル軸受
３０６吐出口

Claims

回転軸と、前記回転軸を支える軸受と、前記回転軸に取り付けられた羽根車と、前記回転軸の回転により気体を吸入する吸入口と、前記回転軸の回転により圧縮された前記気体を吐出する吐出口とを備えた遠心圧縮機であって、
前記軸受は、複数個のパッドから成り、
前記複数個のパッドのうち少なくとも１個は、
前記回転軸と接触する面に設けられた第１の開口部と、
前記第１の開口部が設けられた面とは異なる面に設けられた第２の開口部と、
前記第１の開口部と前記第２の開口部とを連通する通油孔とが設けられ、
前記通油孔の断面積は、前記第１の開口部から前記第２の開口部に向かうにつれて大きくなることを特徴とする遠心圧縮機。
請求項１に記載の遠心圧縮機において、
前記異なる面は、前記パッドの側面であることを特徴とする遠心圧縮機。
請求項１に記載の遠心圧縮機において、
前記通油孔の前端部と前記通油孔の後端部とがなす角度は、３０°〜４５°の何れかであることを特徴とする遠心圧縮機。
請求項１に記載の遠心圧縮機において、
前記通油孔の前端部と前記第２の開口部とが成す第１の縁が、前記通油孔の後端部と前記第２の開口部とが成す第２の縁よりも前記回転軸の回転方向の逆側に設けられたことを特徴とする遠心圧縮機。
請求項４に記載の遠心圧縮機において、
前記第１及び第２の縁の近傍に設けられた給油口を備えたことを特徴とする遠心圧縮機。
回転軸と、前記回転軸を支える軸受と、前記回転軸に取り付けられた羽根車と、前記回転軸の回転により気体を吸入する吸入口と、前記回転軸の回転により圧縮された前記気体を吐出する吐出口とを備えた遠心圧縮機であって、
前記軸受は、複数個のパッドから成り、
前記複数個のパッドのうち少なくとも１個は、
前記回転軸と接触する面に設けられた第１の開口部と、
前記第１の開口部が設けられた面とは異なる面に設けられた第２の開口部と、
前記第１の開口部と前記第２の開口部とを連通する通油孔とを備え、
前記回転軸から荷重を受ける少なくとも１個のパッドから、前記回転軸の回転方向と逆方向に位置する場所に設けられ、
前記通油孔の断面積は、前記第１の開口部から前記第２の開口部に向かうにつれて大きくなることを特徴とする遠心圧縮機。
回転軸と、前記回転軸を支える軸受とを備えた回転機械であって、
前記軸受は、複数個のパッドから成り、
前記複数個のパッドのうち少なくとも１個は、
前記回転軸と接触する面に設けられた第１の開口部と、
前記第１の開口部が設けられた面とは異なる面に設けられた第２の開口部と、
前記第１の開口部と前記第２の開口部とを連通する通油孔とが設けられ、
前記通油孔の断面積は、前記第１の開口部から前記第２の開口部に向かうにつれて大きくなることを特徴とする回転機械。