JP2023077695A - 多段圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡易な構造でスラスト力の低減を図る多段圧縮機を提供することを目的とする。【解決手段】多段圧縮機１は、低段インペラ３と、低段インペラ３とは反対の向きで低段インペラ３と共通のシャフト６に設けられ低段インペラ３で圧縮されたガスを更に圧縮する高段インペラ５と、を備え、低段インペラ３の入口側のハブ径Ｄ３が、高段インペラ５の入口側のハブ径Ｄ５よりも大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、多段圧縮機に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の多段圧縮機が知られている。この多段圧縮機は、低段インペラと高段インペラとで二段階でガスを圧縮するものであり、これらのインペラによるスラスト力を低減するために、バランスピストンが採用されている。

特開平5-263789号公報

しかしながら、バランスピストンを用いた方式では、バランスピストンにラビリンスシールを設け、バランスピストンに圧力を付与する圧力室にガスを送り込む仕組みを設ける必要があるといったように、圧縮機の構造が複雑化する傾向にある。この種の多段圧縮機では、更に簡易にスラスト力の低減を図る仕組みが望まれる。本発明は、簡易な構造でスラスト力の低減を図る多段圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の多段圧縮機は、低段インペラと、低段インペラとは反対の向きで低段インペラと共通のシャフトに設けられ低段インペラで圧縮されたガスを更に圧縮する高段インペラと、を備える多段圧縮機であって、低段インペラの入口側のハブ径が、高段インペラの入口側のハブ径よりも大きい。

低段インペラのハブの入口側から延び出したシャフトの部位が、高段インペラのハブの入口側から延び出したシャフトの部位よりも大径である、こととしてもよい。また、低段インペラのハブの入口側から延び出したシャフトの部位の径が、低段インペラの入口側のハブ径と略等しい、こととしてもよい。また、低段インペラは、シャフトの回転駆動源と高段インペラとの間に位置している、こととしてもよい。

また、低段インペラは、回転駆動源側を入口側とする向きで配置されており、シャフトは、低段インペラのハブの入口側から延び出し回転駆動源まで延びる大径部と、低段インペラと高段インペラとが挿入されて取付けられ高段インペラのハブの入口側から延び出す小径部と、を有し、低段インペラのハブが、大径部と小径部との境界の段差部に突当てられている、こととしてもよい。

本発明によれば、簡易な構造でスラスト力の低減を図る多段圧縮機を提供することができる。

本実施形態の多段圧縮機を示す断面図である。 多段圧縮機の低段インペラ及び高段インペラ近傍を拡大して示す断面図である。 （ａ）は、高段インペラで発生するスラスト力を模式的に示すグラフであり、（ｂ）は、低段インペラで発生するスラスト力を模式的に示すグラフである。 変形例に係る低段インペラ及び高段インペラ近傍を拡大して示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る圧縮機の実施形態について詳細に説明する。

図１に示される多段圧縮機１は、２つの遠心コンプレッサ部を備える直列式の２段圧縮機である。多段圧縮機１は、ガスを圧縮する低段コンプレッサ部２と、低段コンプレッサ部２で圧縮されたガスを更に圧縮する高段コンプレッサ部４と、を備えている。低段コンプレッサ部２の低段インペラ３と高段コンプレッサ部４の高段インペラ５とが共通のシャフト６に取付けられている。後述のモータ部１３を回転駆動源としてシャフト６が回転することで、低段インペラ３、高段インペラ５及びシャフト６が一体となって多段圧縮機１のハウジング７内で回転軸線Ａ周りに回転する。

以下の説明において、単に「軸方向」、「周方向」、「径方向」というときは、それぞれ、シャフト６の回転軸方向、シャフト６の回転周方向、シャフト６の回転径方向を意味するものとする。また、以下の説明において「右方向」、「左方向」などの語を用いる場合には、図１の右左に対応させて、モータ部１３側を右側、高段インペラ５側を左側とする。

低段インペラ３は、モータ部１３と高段インペラ５との間に位置しており、低段インペラ３と高段インペラ５とは互いにハブ背面を対向させるように反対向きでシャフト６に取付けられている。すなわち、低段インペラ３はモータ部１３側を入口側とする向きで配置されており、高段インペラ５はモータ部１３側とは反対側を入口側とする向きで配置されている。低段インペラ３と高段インペラ５との間を仕切る壁と、シャフト６と、の隙間は、ラビリンスシール１１によってシールされている。

ハウジング７には、低段コンプレッサ部２の低段インペラ３にガスを導入するための吸気口２ａと、低段インペラ３からのガスを排出するためのディフューザ２ｂとが形成されている。同様に、ハウジング７には、高段コンプレッサ部４の高段インペラ５にガスを導入するための吸気口４ａと、高段インペラ５からのガスを排出するためのディフューザ４ｂとが形成されている。また、ハウジング７外にはディフューザ２ｂと吸気口４ａとを接続する接続配管８が設けられている。

また、ハウジング７の内部にはモータ部１３が当該シャフト６の周囲に設けられている。モータ部１３は、シャフト６に固定されたロータ１３ｒと、ハウジング７に固定されたステータ１３ｓとを備えている。ステータ１３ｓのモータコイルに電流が供給されることにより、ロータ１３ｒ及びシャフト６が回転し、低段インペラ３及び高段インペラ５が回転する。このように、多段圧縮機１は、モータ部１３の回転力が低段インペラ３及び高段インペラ５に直接伝達されるダイレクトドライブ方式の圧縮機である。ハウジング７の内部には、モータ部１３を間に挟んでシャフト６を径方向に支持する２つのラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂと、シャフト６を軸方向に支持する１つのスラスト磁気軸受部２１と、が設けられている。なお、本実施形態において軸受は磁気軸受(１９ａ，１９ｂと、スラスト磁気軸受部２１)を用いているが、磁気軸受以外の軸受を用いてもよい。

ハウジング７の吸気口２ａから低段コンプレッサ部２に流入したガスは、回転する低段インペラ３で径方向に加速された後、ディフューザ２ｂにより減速され昇圧される。ディフューザ２ｂから送出されたガスは、接続配管８を経由して吸気口４ａから高段コンプレッサ部４に導入される。上記接続配管８の途中にはガスを冷却するクーラが設けられてもよい。吸気口４ａから導入されたガスは、回転する高段インペラ５で径方向に加速された後、ディフューザ４ｂで減速され昇圧され、外部に圧縮ガスとして供給される。このように、多段圧縮機１は、低段インペラ３を含む低段コンプレッサ部２と、高段インペラ５を含む高段コンプレッサ部４と、によって２段階でガスを圧縮する。

図２は、低段インペラ３及び高段インペラ５の近傍を拡大して示す断面図である。低段インペラ３は、ハブ３ａとハブ３ａの前面側に設けられた羽根３ｂとを有しており、同様に高段インペラ５は、ハブ５ａとハブ５ａの前面側に設けられた羽根５ｂとを有している。これらの低段インペラ３と高段インペラ５とをシャフト６に取付ける構造は次の通りである。シャフト６の左端部はそのモータ部１３側に比較して小径に形成されている。すなわち、シャフト６は、大径部６ａと小径部６ｂとを有している。また、小径部６ｂの左端部には雄ネジが切られている。この小径部６ｂに対し低段インペラ３がモータ部１３側（図２の右側）を入口側とする向きで挿入され、大径部６ａと小径部６ｂとの境界の段差部６ｃにハブ３ａの前面側の端面３ｃが突当てられる。

この低段インペラ３に更に重ねて、高段インペラ５がモータ部１３側とは反対側を入口側とする向きで小径部６ｂに挿入される。ハブ５ａの背面側の端面が低段インペラ３の背面側の端面に突き合わされる。そして、高段インペラ５のハブ５ａの入口側から左方に突出する小径部６ｂに対してボルト２３が螺着され締付けられることで、段差部６ｃとボルト２３との間に低段インペラ３と高段インペラ５とが挟み込まれ固定される。

低段インペラ３の入口ハブ径Ｄ３は、高段インペラの入口ハブ径Ｄ５よりも大きい。また、低段インペラ３のハブ３ａの入口側から右方に延び出しモータ部１３まで延在する大径部６ａの径Ｄ６３は、高段インペラ５のハブ５ａの入口側から左方に延び出したシャフト６の小径部６ｂの径Ｄ６５よりも大きい。また、本実施形態では上記大径部６ａの径Ｄ６３が、低段インペラ３の入口ハブ径Ｄ３と略等しい。

続いて、多段圧縮機１による作用効果について説明する。

図３（ａ）は、高段インペラ５で発生するスラスト力を模式的に示すグラフである。グラフ中の符号５は高段インペラ５の断面(すなわち、回転軸線を含む平面による断面)の輪郭の半分を模式的に示しており、図１の左右に対応して左側が高段インペラ５の前面側で右側が高段インペラ５の背面側である。グラフの縦軸はこの高段インペラ５の回転軸線を基準とした径方向位置を示している。グラフ中の符号５ａが高段インペラ５の前面側から見たハブ５ａの領域であり、符号５ｂは高段インペラ５の前面側から見た羽根５ｂの領域である。そして、グラフＳ１は高段インペラ５の正面側の圧力分布を示し、グラフＳ２は高段インペラ５の背面側の圧力分布を示している。高段インペラ５には、グラフＳ１の圧力に基づく右向きの力Ｆ１と、グラフＳ２の圧力に基づく左向きの力Ｆ２とが作用する。

同様に、図３（ｂ）は、低段インペラ３で発生するスラスト力を模式的に示すグラフである。グラフ中の符号３は低段インペラ３の断面の輪郭の半分を模式的に示しており、図１の左右に対応して右側が低段インペラ３の前面側で左側が低段インペラ３の背面側である。グラフの縦軸はこの低段インペラ３の回転軸線を基準とした径方向位置を示している。グラフ中の符号３ａが低段インペラ３の前面側から見たハブ３ａの領域であり、符号３ｂは低段インペラ３の前面側から見た羽根３ｂの領域である。そして、グラフＴ１は低段インペラ３の正面側の圧力分布を示し、グラフＴ２は低段インペラ３の背面側の圧力分布を示している。低段インペラ３には、グラフＴ１の圧力に基づく左向きの力Ｇ１と、グラフＳ２の圧力に基づく右向きの力Ｇ２とが作用する。

力Ｆ１と力Ｆ２との差によって高段インペラ５には左向きのスラスト力が発生する。同様に、力Ｇ１と力Ｇ２との差により、低段インペラ３には右向きのスラスト力が発生する。そして、高段インペラ５で発生する左向きのスラスト力が、低段インペラ３で発生する右向きのスラスト力よりも大きいので、結局のところ、シャフト６には左向きのスラスト力が発生する。力Ｆ１，Ｇ２はシャフト６に対して右向きのスラスト力を増加させる要素であり、力Ｆ２，Ｇ１はシャフト６に対して左向きのスラスト力を増加させる要素である。なお、高段インペラ５の背面側のスペースと低段インペラ３の背面側のスペースの間は前述のラビリンスシール１１（図１）によって仕切られ圧力差が生じるので、力Ｆ２と力Ｇ２とは互いにほぼ影響を受けることなく独立して発生する。

ここで、図３（ｂ）のグラフには、比較例として従来の低段インペラ３’の断面を破線で示している。低段インペラ３’の前面側から見たハブ３ａの領域が符号３ａ’であり、低段インペラ３’の前面側から見た羽根３ｂの領域が符号３ｂ’である。比較例の低段インペラ３’では、正面側から見たハブ３ａ’の領域幅が、高段インペラ５の正面側から見たハブ５ａの領域幅と等しい。すなわち、比較例の低段インペラ３’においては、入口ハブ径Ｄ３（図２参照）が、高段インペラ５の入口ハブ径Ｄ５（図２参照）と略等しい。２段圧縮機において、低段インペラと高段インペラとが共通のシャフトに取付けられる構造においては、上記のように低段インペラの入口ハブ径と高段インペラの入口ハブ径とを略等しくするのが一般的な設計である。

この低段インペラ３’を、入口ハブ径Ｄ３（図２参照）が拡大された低段インペラ３に変更した場合を考える。遠心圧縮機インペラでは、ハブの領域（符号３ａ，３ａ’）における圧力は一定であり最も小さく、羽根の領域（符号３ｂ，３ｂ’）では外周側に行くに従って圧力が大きくなる。そこで、低段インペラ３’を低段インペラ３に変更すれば、圧力が低いハブの領域が３ａ’から３ａに拡大し、低段インペラの正面側の圧力分布がグラフＴ１’からグラフＴ１のように変化する。その結果、低段インペラの正面側の圧力は全体として低減し力Ｇ１が減少する。このように、左向きのスラスト力を増加させる要素である力Ｇ１が減少するので、その結果、シャフト６に作用する左向きのスラスト力が低減する。以上の理由により、本実施形態の多段圧縮機１によれば、シャフト６に作用するスラスト力が低減される。すなわち、本実施形態の多段圧縮機１では、低段インペラ３の入口ハブ径Ｄ３を高段インペラ５の入口ハブ径Ｄ５よりも大きくするといった簡易な構成により、シャフト６に作用するスラスト力が低減され、その結果、スラスト磁気軸受部２１（図１）の負担を軽減することができる。

また図２に示されるように、多段圧縮機１においては、低段インペラ３のハブ３ａの入口側から延び出すシャフト６の部位（大径部６ａ）の径Ｄ６３が、低段インペラ３の入口ハブ径Ｄ３と略等しい。この構成によれば、シャフト６の外周面とハブ３ａの外周面とがほぼ面一となる。そうすると、吸気口２ａ（図１）から導入されるガスは、ほぼ段差がないシャフト６の外周面とハブ３ａの外周面とに接触しながら円滑に低段インペラ３の羽根３ｂに流入する。このように低段コンプレッサ部２におけるガスの流れが円滑になり、圧縮の効率も向上する。

また前述の通り、多段圧縮機１においては、モータ部１３、低段インペラ３、高段インペラ５の順に並ぶインペラ配置が採用されている。このように、入口ハブ径が大きい（すなわち、比較的大型の）低段インペラ３を、高段インペラ５よりもモータ部１３に近い位置に配置することで、シャフト６の回転の安定性がより確保される。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態等の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、実施形態では、低段インペラ３のハブ３ａの入口側から延び出すシャフト６の部位（大径部６ａ）の径Ｄ６３が、低段インペラ３の入口ハブ径Ｄ３と略等しいが、この構成は必須ではない。すなわち、図４に示されるように、低段インペラ３が小径部６ｂに挿入され段差部６ｃにハブ３ａの前面側の端面３ｃが突当てられる構造において、大径部６ａの径Ｄ６３’が低段インペラ３の入口ハブ径Ｄ３よりも小さくてもよい。

１ 多段圧縮機
３ 低段インペラ
５ 高段インペラ
６ シャフト
６ａ 大径部
６ｂ 小径部
６ｃ 段差部
１３ モータ部（回転駆動源）
Ｄ３ 入口ハブ径
Ｄ５ 入口ハブ径
Ｄ６３ 大径部の径
Ｄ６５ 小径部の径

Claims (5)

1. 低段インペラと、前記低段インペラとは反対の向きで前記低段インペラと共通のシャフトに設けられ前記低段インペラで圧縮されたガスを更に圧縮する高段インペラと、を備える多段圧縮機であって、
   前記低段インペラの入口側のハブ径が、前記高段インペラの入口側のハブ径よりも大きい、多段圧縮機。
2. 前記低段インペラのハブの入口側から延び出した前記シャフトの部位が、前記高段インペラのハブの入口側から延び出した前記シャフトの部位よりも大径である、請求項１に記載の多段圧縮機。
3. 前記低段インペラのハブの入口側から延び出した前記シャフトの部位の径が、前記低段インペラの入口側のハブ径と略等しい、請求項２に記載の多段圧縮機。
4. 前記低段インペラは、前記シャフトの回転駆動源と前記高段インペラとの間に位置している、請求項１～３の何れか１項に記載の多段圧縮機。
5. 前記低段インペラは、前記回転駆動源側を前記入口側とする向きで配置されており、
   前記シャフトは、
   前記低段インペラのハブの入口側から延び出し前記回転駆動源まで延びる大径部と、前記低段インペラと前記高段インペラとが挿入されて取付けられ前記高段インペラのハブの入口側から延び出す小径部と、を有し、
   前記低段インペラのハブが、前記大径部と前記小径部との境界の段差部に突当てられている、請求項４に記載の多段圧縮機。

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