JP2016176349A - 圧縮機システム - Google Patents

Abstract

【課題】モータを効率的に冷却することが可能な圧縮機システムを提供する。
【解決手段】軸線Ｏ回りに回転するロータ３１と、ロータ３１と冷却用流体ＲＦが流通可能な隙間を空けてロータ３１の外周側に配置されたステータ３２とを有するモータ３と、ロータ３１とともに回転することで圧縮流体ＣＦを生成する圧縮機２と、ロータ３１とステータ３２との間の隙間３３を流通する冷却用流体ＲＦにロータ３１の回転方向の前方側へ向かう旋回成分を付与する凹部６ｂが内面６ａに形成された仕切り部材６と、を備える圧縮機システム１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機システムに関する。

モータと圧縮機とが一体となっている圧縮機システムは、空気やガス等の気体を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動させるモータとを有している。圧縮機システムでは、圧縮機のケーシングから延在する回転軸と、モータのケーシングから同様に延在するモータの回転軸とが接続され、モータの回転が圧縮機に伝達される。このモータ及び圧縮機の回転軸は、複数の軸受により支持されることで安定して回転する。

このような圧縮機システムは、例えば、非特許文献１のような海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）や、非特許文献２のような浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用される。海底生産システムに使用される際には、圧縮機システムは、海底に設置され、海底から数千ｍの深さまで掘削した生産井から原油や天然ガス等が混在した生産流体を海上に送り出している。また、浮体式海洋石油貯蔵設備に使用される際には、圧縮機システムは、船舶等の海上設備に設置されている。

三菱重工技報 Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．５ Ｐ３１０−Ｐ３１３ Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ／Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４ Ｐ１８−Ｐ２４

ところで、圧縮機システムのモータでは、ロータが高速で回転することで、ロータとステータとの間で発熱し、ロータが高温となってしまう。ロータが高温となると、モータの効率が低下してしまう可能性や、モータの寿命が短くなってしまう可能性があり、ロータを冷却する必要がある。

しかしながら、ロータの軸線方向の一方から他方に向かって単にステータとロータとの間の隙間に冷却媒体を流通させてロータを冷却する場合には、流通している途中で冷却媒体が温まってしまい、効率的にロータを冷却することが難しい。

本発明は、上記要望を解決するためになされたものであって、モータを効率的に冷却することが可能な圧縮機システムを提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様に係る圧縮機システムは、軸線回りに回転するロータと、冷却用流体が前記軸線に沿って流通可能な隙間を前記ロータとの間に空けて該ロータの外周側に配置されたステータとを有するモータと、前記ロータとともに回転することで圧縮流体を生成する圧縮機と、前記ロータと前記ステータとの間に形成された前記隙間を流通する前記冷却用流体に前記ロータの回転方向の前方へ向かう旋回成分を付与する旋回付与部と、を備えている。

このような圧縮機システムによれば、ロータとステータとの間の隙間を流通する冷却用流体に対して、回転方向の前方に向かう旋回成分を旋回付与部によって付与することで、回転するロータの外面の進む方向に冷却用流体の流通方向を沿わせることができる。よって、冷却用流体がロータの外面と接触することで冷却用流体が急加速されて生じるせん断による発熱量を抑えることができ、ロータの冷却効率を向上できる。

また、上記の圧縮機システムでは、前記旋回付与部は、前記ロータと前記ステータとの間の前記隙間に配置されて該隙間を径方向に仕切り、前記ロータとの間で前記冷却用流体を前記軸線に沿って流通可能とし、かつ、前記冷却用流体の流通方向の下流側に向かうに従って、前記ロータの回転方向の前方に向かって延びる凸部又は凹部が前記ロータ側を向く表面に形成された仕切り部材であってもよい。

このような仕切り部材を設けることで、仕切り部材とロータとの間を流通する冷却用流体が凸部又は凹部によって案内される。この結果、冷却用流体には、下流側に向かうに従って回転方向の前方に向かう旋回成分が付与される。従って、ロータの外面の進む方向に冷却用流体の流通方向を沿わせることができ、せん断による発熱量を抑えることができ、ロータの冷却効率を向上できる。

また、上記の圧縮機システムでは、前記仕切り部材には前記凹部が形成され、前記凹部における前記軸線の方向の幅寸法は、前記冷却用流体の流通方向の上流側に比べて下流側で小さくなっていてもよい。

このように凹部の幅寸法を下流側で小さくすることで、下流側での回転方向（周方向）の速度成分を増大させることができる。従って、下流側で回転方向に冷却用流体を加速することができ、下流側での熱伝達を向上することができるため、上流側でロータとの間で熱交換を行って昇温した冷却用空気によっても、下流側でも十分にロータを冷却することができ、ロータの冷却効率をさらに向上できる。

また、上記の圧縮機システムでは、前記旋回付与部は、前記ロータと前記ステータとの間の前記隙間における前記冷却用流体の流入口よりも前記流通方向の上流側に配置されて、前記ステータに対して相対回転不能に設けられた案内部材であり、前記案内部材は、前記冷却用流体の流通方向の上流側を向き、かつ、下流側に向かうに従って前記軸線に対して前記ロータの回転方向の前方に向かって傾斜する案内面を有していてもよい。

このような案内面を有する案内部材を設けることで、案内面によって冷却用流体を案内することができる。この結果、冷却用流体には、下流側に向かうに従って回転方向の前方に向かう旋回成分が付与される。従って、ロータの外面の進む方向に冷却用流体の流通方向を沿わせることができ、せん断による発熱量を抑えることができ、ロータの冷却効率を向上できる。

また、上記の圧縮機システムでは、前記案内部材は、前記ロータの回転方向に隙間をあけて複数設けられ、前記回転方向に隣接する前記案内部材における前縁同士の前記回転方向の隙間寸法よりも、前記案内部材における後縁同士の前記回転方向の隙間寸法の方が小さくなっていてもよい。

このように、案内部材における上流側の端部となる前縁同士の隙間寸法よりも、下流側の端部となる後縁同士の隙間寸法の方が小さくなっている。このため、案内面によって案内された冷却用流体が案内部材の後縁同士の間からロータとステータとの間に形成された隙間に向って流出する際には、案内部材の前縁同士の間に流入する際よりも流速が増大する。即ち、後縁側で冷却用流体の流路面積を小さくすることができる。従って、回転方向（周方向）の前方に冷却用流体を加速することができ、ロータの外面の進む方向に冷却用流体の流通方向を沿わせることができ、せん断による発熱量を抑えることができ、ロータの冷却効率を向上できる。

上記の圧縮機システムによれば、冷却用流体に旋回成分を付与することで、モータを効率的に冷却することができる。

本発明の第一実施形態における圧縮機システムを説明する模式図である。 本発明の第一実施形態における圧縮機システムにおける仕切り部材を拡大して示す軸線を含む断面図である。 本発明の第一実施形態の変形例における圧縮機システムの要部を示す模式図である。 本発明の第二実施形態における圧縮機システムを説明する模式図である。 本発明の第二実施形態における圧縮機システムを説明する模式図であって、図４のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第二実施形態における圧縮機システムにおける案内部材を拡大して示す展開図である。

＜第一実施形態＞
以下、本発明に係る第一実施形態について図１を参照して説明する。
圧縮機システム１は、海洋油ガス田開発方式の一つである海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）に使用されて海底に設けられたり、浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用されて海上に設けられたりする。圧縮機システム１は、海底数百から数千ｍに存在する油ガス田の生産井から採取された油・ガス等の生産流体（以下、単に流体Ｆとする）を圧送する。

圧縮機システム１は、軸線Ｏの方向（図１の左右方向）に延在するシャフト２１を有する圧縮機２と、シャフト２１に直接的に接続されるロータ３１を有するモータ３と、シャフト２１を支持する軸受部４と、モータ３と圧縮機２とを収容するケーシング５と、ロータ３１の外周側に配置された仕切り部材（旋回付与部）６とを備えている。

圧縮機２は、ケーシング５内に収容され、ロータ３１とともにシャフト２１が軸線Ｏ回りに回転することで流体Ｆを圧縮して圧縮流体ＣＦを生成する。本実施形態の圧縮機２は、軸線Ｏの方向に延在するシャフト２１と、シャフト２１に固定されたインペラ２２と、インペラ２２を収容するハウジング２３とを有している。

シャフト２１は、軸線Ｏ方向に延在する回転軸であり、軸線Ｏ回りに回転可能にケーシング５に支持されている。シャフト２１は、ハウジング２３を貫通しており、両端がハウジング２３から延出している。シャフト２１は、後述するケーシング５内において軸線Ｏ方向に延在している。

インペラ２２は、シャフト２１とともに回転し、インペラ２２内部を通過する流体Ｆを圧縮して圧縮流体ＣＦを生成する。
ハウジング２３は、圧縮機２の外装部品であり、インペラ２２を内部に収容している。ハウジング２３は、ケーシング５内に収容されている。

モータ３は、圧縮機２に対して軸線Ｏの方向に間隔を空けてケーシング５内に収容されている。モータ３は、シャフト２１と一体をなすように固定されたロータ３１と、ロータ３１の外周側に配置されるステータ３２とを有している。

ロータ３１は、シャフト２１と一体となって軸線Ｏ回りに回転可能とされている。ロータ３１は、圧縮機２のシャフト２１に対してギア等を介さずに一体となって回転するように、シャフト２１の外周側に直接固定されている。ロータ３１は、ステータ３２が回転磁界を生成することによって誘導電流が流れる回転子鉄心（不図示）を有している。

ステータ３２は、ロータ３１を外周側から覆うように、ロータ３１に対して軸線Ｏを中心とした環状の隙間３３を径方向に空けて設けられている。ステータ３２は、ロータ３１の周方向に沿って複数配置された固定子鉄心（不図示）と、固定子鉄心に巻回された固定子巻線（不図示）とを有している。ステータ３２は、外部から電流が流れることで回転磁場を生成してロータ３１を回転させる。ステータ３２は、ケーシング５内でケーシング５に固定されている。

軸受部４は、ケーシング５に収容され、シャフト２１を回転可能に支持する。本実施形態の軸受部４は、複数のジャーナル軸受４１及びスラスト軸受４２を備えている。

ジャーナル軸受４１は、シャフト２１に対して径方向に作用する荷重を支持する。ジャーナル軸受４１は、軸線Ｏの方向からモータ３及び圧縮機２を挟み込むようにシャフト２１における軸線Ｏの方向の両端に配置されている。ジャーナル軸受４１は、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間であって、後述するシール部材５１よりもモータ３側にも配置されている。

スラスト軸受４２は、シャフト２１に形成されたスラストカラー２１ａを介して、シャフト２１に対して軸線Ｏの方向に作用する荷重を支持する。スラスト軸受４２は、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間であって、後述するシール部材５１よりも圧縮機２側に配置されている。

ケーシング５は、圧縮機２とモータ３とを内部に収容している。ケーシング５は、軸線Ｏに沿った円筒形状をなしている。ケーシング５の内面は、軸線Ｏ方向の圧縮機２とモータ３との間でシャフト２１に向かって突出している。この突出した部分には、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間をシールするシール部材５１が設けられている。

仕切り部材６は、ロータ３１とステータ３２との間の環状の隙間３３に配置されて、ロータ３１とステータ３２とに非接触の状態で設けられている。具体的には、仕切り部材６は軸線Ｏを中心とした円筒形状をなしている。

仕切り部材６には、例えば金属、セラミックス、樹脂等の有機材料等、様々な材料を用いることができる。

仕切り部材６は、ステータ３２に対して相対回転不能となるように、ケーシング５に固定されている。例えば、ケーシング５にはステータ３２の軸線Ｏの方向を向く両端面に軸線Ｏの方向に対向するように径方向内側に突出する支持部材１０が設けられ、この支持部材１０に仕切り部材６が固定されている。
支持部材１０は、軸線Ｏを中心とした環状をなしてもよいし、周方向の一部で径方向内側に突出する柱状をなしてもよく、形状は限定されない。

また、仕切り部材６とロータ３１との間の隙間３３ａには、冷却用流体ＲＦが流通可能となっている。冷却用流体ＲＦは、例えば、圧縮機２からの圧縮流体ＣＦのうちの一部がシール部材５１から漏れ出た漏れ流れや、ケーシング５の外部から導入された冷却媒体や圧縮機２からの抽気等を用いることができる。冷却用流体ＲＦは、ケーシング５に設けられた不図示の流路や案内板等によって、軸線Ｏの方向の一方側となる圧縮機２側から隙間３３ａに流入する。

また、図２に示すように、仕切り部材６には、ロータ３１側を向く内面（表面）６ａに径方向外側に凹むとともに、冷却用流体ＲＦの流通方向の下流側に向かうに従って、ロータ３１の回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に向かって延びる螺旋溝状をなす凹部６ｂが形成されている。

以上説明した本実施形態の圧縮機システム１によると、ロータ３１とステータ３２との間を流通する冷却用流体ＲＦに対して回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に向かう旋回成分を仕切り部材によって付与することで、回転するロータ３１の外面の進む方向に冷却用流体ＲＦの流通方向を沿わせることができる。この結果、冷却用流体ＲＦがロータ３１の外面と接触することで冷却用流体ＲＦが急加速されて生じるせん断による発熱量を抑えることができ、ロータ３１の冷却効率を向上でき、モータを効率的に冷却することができる。

ここで、本実施形態では、図３に示すように凹部６ｂにおける軸線Ｏの方向の幅Ｗの寸法が、上流側に比べて下流側で小さくなっていてもよい。このように凹部６ｂの幅Ｗの寸法を下流側で狭くすることで、下流側での回転方向ＲＤ（周方向）の速度成分を増大させることができる。従って、下流側で冷却用流体ＲＦを加速することができ、下流側での熱伝達を向上することができる。このため、上流側でロータ３１との間で熱交換を行って昇温した冷却用空気ＲＦによっても、下流側でも十分にロータ３１を冷却することができる。

本実施形態では、凹部６ｂの軸線Ｏの方向の形成間隔を上流側に比べて下流側で狭くしてもよい。即ち、下流側で、凹部６ｂがより回転方向ＲＤに沿うように延びていてもよい。このように凹部６ｂの軸線Ｏの方向の形成間隔が下流側で狭くなっていることで、下流側で回転方向ＲＤ（周方向）に冷却用流体ＲＦをより大きく加速することができ、下流側での熱伝達をさらに向上することができる。

また、仕切り部材６に凹部６ｂを形成したが、凹部６ｂに代えて内面６ａから径方向内側に突出する螺旋状をなす凸部を形成してもよい。

また、仕切り部材６は円筒形状である場合に限定されず、周方向に複数に分割された部材であってもよい。即ち仕切り部材６は、ロータ３１の外面に沿って湾曲する内面６ａを有する部材であればよい。

また、凹部６ｂは、軸線Ｏの方向に連続せず、不連続に形成されていてもよい。

＜第二実施形態＞
次に、図４から図６を参照して第二実施形態の圧縮機システム６１について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態の圧縮機システム６１は、第一実施形態の仕切り部材６に代えて、案内部材（旋回付与部）６６を備えている点で異なっている。

図４に示すように、案内部材６６は、ロータ３１とステータ３２との間の隙間３３における冷却用流体ＲＦの流入口ＩＮよりも冷却用流体ＲＦの流通方向の上流側（軸線Ｏの方向の一方側）に配置されている。ここで流入口ＩＮとは、隙間３３の上流側の開口（入口）よりも上流側の領域を示す。

また、この案内部材６６は、図５及び図６に示すように、回転方向ＲＤに互いに間隔をあけて複数が、支持部材１０から径方向内側に突出するように支持部材１０に固定されることで、ステータ３２に対して相対回転不能に設けられている。

各々の案内部材６６は、図６に示すように軸線Ｏの方向の他方側となる冷却用流体ＲＦの流通方向の下流側に向かうに従って、回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に向かって湾曲するように形成されている。これにより、案内部材６６は、上流側を向き、かつ、下流側に向かうに従って軸線Ｏに対して回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に湾曲して傾斜する案内面６６ａと、下流側を向き、かつ、下流側に向かうに従って軸線Ｏに対して回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に湾曲して傾斜する背面６６ｂとを有している。回転方向ＲＤに隣接する案内部材６６のうち、一方の案内部材６６における案内面６６ａと、他方の案内部材６６における背面６６ｂとは回転方向ＲＤ（周方向）に対向している。

また、本実施形態では案内部材６６は、これら案内面６６ａと背面６６ｂとによって、径方向に直交する断面の形状が翼形状をなしている。
ここで、案内部材６６における上流側の端部を前縁６６ｃとし、下流側の端部を後縁６６ｄとする。本実施形態では、回転方向ＲＤに隣接する案内部材６６における前縁６６ｃ同士の回転方向ＲＤ（周方向）の隙間Ｓ１の寸法よりも、案内部材６６における後縁６６ｄ同士の回転方向ＲＤ（周方向）の隙間Ｓ２の寸法の方が小さくなっている。

以上説明した本実施形態の圧縮機システム６１によると、案内面６６ａを有する案内部材６６を設けることで、案内面６６ａによって冷却用流体ＲＦを案内することができる。この結果、冷却用流体ＲＦには、下流側に向かうに従って回転方向ＲＤの前方ＲＤ１に向かう旋回成分が付与される。

回転するロータ３１の外面の進む方向に冷却用流体ＲＦの流通方向を沿わせることができる。よって、冷却用流体ＲＦがロータ３１の外面と接触することで冷却用流体ＲＦが急加速されて生じるせん断による発熱量を抑えることができ、ロータ３１の冷却効率を向上でき、モータ３を効率的に冷却することができる。

また、案内部材６６における前縁６６ｃ同士の隙間よりも、後縁６６ｄ同士の隙間の方が小さくなっている。このため、案内面６６ａによって案内された冷却用流体ＲＦが案内部材６６の後縁６６ｄ同士の間からロータ３１とステータ３２との間に形成された隙間３３に向かって流出する際には、案内部材６６の前縁６６ｃ同士の間に流冷却用流体ＲＦが流入する際よりも流速を増大させることができる。

即ち、後縁６６ｄ側で冷却用流体ＲＦの流路面積を小さくすることができる。従って、回転方向ＲＤに冷却用流体ＲＦを加速することができ、下流側で回転方向ＲＤに冷却用流体ＲＦを加速することができ、下流側での熱伝達を向上することができる。このため、上流側でロータ３１との間で熱交換を行って昇温した冷却用空気ＲＦによっても、下流側でも十分にロータ３１を冷却することができ、ロータ３１の冷却効率をさらに向上できる。

ここで、本実施形態では、案内部材６６として、断面翼形状をなす部材を設けたがこれに限定されることはない。即ち、案内部材６６は、断面矩形状をなす単なる平板状をなしていてもよい。そして、案内面６６ａは、湾曲して形成される場合に限定されず、上流側を向き、かつ、下流側に向かうに従って軸線Ｏに対して回転方向ＲＤの前方側に傾斜する平面状をなしていてもよい。背面６６ｂも同様である。

また、前縁６６ｃ同士の隙間Ｓ１と後縁６６ｄ同士の隙間Ｓ２とは同じ寸法であってもよい。

また、案内部材６６は、流入口ＩＮに設ける場合に限定されず、例えば、ロータ３１とステータ３２との間の隙間３３に配置してもよい。この場合、例えば第一実施形態の仕切り部材６と同様の円筒部材を設け、この円筒部材におけるロータ３１側を向く内面に案内部材６６を設けてもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば、第一実施形態の仕切り部材６と第二実施形態の案内部材６６とを併用してもよい。

また、ステータ３２と仕切り部材６との間にも冷却用流体ＲＦを流通させてもよい。

１…圧縮機システム
２…圧縮機
３…モータ
４…軸受部
５…ケーシング
６…仕切り部材（旋回付与部）
６ａ…内面（表面）
６ｂ…凹部
１０…支持部材
２１…シャフト
２２…インペラ
２３…ハウジング
３１…ロータ
３２…ステータ
３３…隙間
３３ａ…隙間
４１…ジャーナル軸受
４２…スラスト軸受
５１…シール部材
Ｆ…流体
ＣＦ…圧縮流体
ＲＦ…冷却用流体
Ｏ…軸線
ＲＤ…回転方向
ＲＤ１…前方
Ｗ…幅
６１…圧縮機システム
６６…案内部材（旋回付与部）
ＩＮ…流入口
６６ａ…案内面
６６ｂ…背面
６６ｃ…前縁
６６ｄ…後縁
Ｓ１、Ｓ２…隙間

Claims (5)

1. 軸線回りに回転するロータと、冷却用流体が前記軸線に沿って流通可能な隙間を前記ロータとの間に空けて該ロータの外周側に配置されたステータとを有するモータと、
   前記ロータとともに回転することで圧縮流体を生成する圧縮機と、
   前記ロータと前記ステータとの間に形成された前記隙間を流通する前記冷却用流体に前記ロータの回転方向の前方へ向かう旋回成分を付与する旋回付与部と、
   を備える圧縮機システム。
2. 前記旋回付与部は、前記ロータと前記ステータとの間の前記隙間に配置されて該隙間を径方向に仕切り、前記ロータとの間で前記冷却用流体を前記軸線に沿って流通可能とし、かつ、前記冷却用流体の流通方向の下流側に向かうに従って、前記ロータの回転方向の前方に向かって延びる凸部又は凹部が前記ロータ側を向く表面に形成された仕切り部材である請求項１に記載の圧縮機システム。
3. 前記仕切り部材には前記凹部が形成され、
   前記凹部における前記軸線の方向の幅寸法は、前記冷却用流体の流通方向の上流側に比べて下流側で小さくなっている請求項２に記載の圧縮機システム。
4. 前記旋回付与部は、前記ロータと前記ステータとの間の前記隙間における前記冷却用流体の流入口よりも前記流通方向の上流側に配置されて、前記ステータに対して相対回転不能に設けられた案内部材であり、
   前記案内部材は、前記冷却用流体の流通方向の上流側を向き、かつ、下流側に向かうに従って前記軸線に対して前記ロータの回転方向の前方に向かって傾斜する案内面を有する請求項１に記載の圧縮機システム。
5. 前記案内部材は、前記ロータの回転方向に隙間をあけて複数設けられ、
   前記回転方向に隣接する前記案内部材における前縁同士の前記回転方向の隙間寸法よりも、前記案内部材における後縁同士の前記回転方向の隙間寸法の方が小さくなっている請求項４に記載の圧縮機システム。

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