JP3735334B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心力によってガスを多段的に圧縮していく多段遠心圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧縮機としては、ガスを第１圧力から第２圧力まで昇圧する複数の羽根車を有する低圧セクションと、この低圧セクションからのガスを第３圧力まで昇圧する複数の羽根車を有する高圧セクションとが、低圧セクションの第２圧力側に高圧セクションの第３圧力側が対向するようにして、一端がラジアル軸受に支持されるとともに他端がラジアル軸受及びスラスト軸受で支持される回転軸に固定された、いわゆる Back To Back タイプのものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、この圧縮機においては、低圧セクションと高圧セクションとの間に配置されるようにして、低圧セクションにおけるガスの吐出圧力（第２圧力）を一方の側面で受けるとともに高圧セクションにおけるガスの吐出圧力（第３圧力）を他方の側面で受けるバランスピストンが回転軸に固定されており、このようなバランスピストンにより、低圧セクションの圧力差によって回転軸に作用するスラスト力と、高圧セクションの圧力差によって回転軸に作用するスラスト力との安定したスラストバランスを得るようにしているのである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３０３３８１号公報（第３図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では、上述したような圧縮機は小型高速化が進行しており、これにともない、それに設けられる回転軸の一端を支持するスラスト軸受も小型化してきているのであるが、その一方で、ガスインジェクション用途などガスの高圧圧縮の要求も増大している。
そのため、起動時や緊急停止時の脱ガス時など、低圧セクションでの圧力差が大きすぎたり小さすぎる状態に陥ったり、高圧セクションでの圧力差が大きすぎたり小さすぎる状態に陥ったりすると、その圧力状態が予め想定していた設計条件の範囲から外れることとなり、低圧セクションと高圧セクションとの間に配置されたバランスピストンだけでは、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くなってしまう。
このように、安定したスラストバランスをとることができなくなると、回転軸を支持するスラスト軸受の面圧が上昇するとともに、そのメタル温度が上昇し、圧縮機の運転状態が制限されてしまうという事態が生じるのであった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、低圧セクションと高圧セクションとが、いかなる圧力条件をとったとしても、安定したスラストバランスを得ることができる圧縮機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、ガスを第１圧力から第２圧力まで昇圧する一または複数の羽根車を有する低圧セクションと、この低圧セクションからのガスを第３圧力まで昇圧する一または複数の羽根車を有する高圧セクションとが、前記低圧セクションの前記第２圧力側に前記高圧セクションの前記第３圧力側が対向するようにして回転軸に固定された圧縮機であって、前記回転軸に固定され、一方の側面で前記第２圧力を受けるとともに他方の側面で前記第３圧力を受ける第１バランスピストンと、前記回転軸に固定され、一方の側面で前記第２圧力を受けるとともに他方の側面で前記第１圧力を受ける第２バランスピストンとを有していることを特徴とするものである。
このような構成とされた本発明によれば、高圧セクションの圧力差によって回転軸に作用するスラスト力を、第１バランスピストンによってキャンセルし、かつ、低圧セクションの圧力差によって回転軸に作用するスラスト力を、第２バランスピストンによってキャンセルするようになっている。
すなわち、第１バランスピストン及び第２バランスピストンのそれぞれが、高圧セクション及び低圧セクションで生じるスラスト力をそれぞれ個別にキャンセルするようになっているため、これら高圧セクションと低圧セクションとがいかなる圧力条件になったとしても、安定したスラストバランスを得ることができる。
【０００８】
また、本発明では、前記第１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が好ましく、このような構成とすると、従来から用いられている Back To Back タイプの圧縮機に対して第２バランスピストンを追加するだけで、本発明の圧縮機を容易に構成することができる。
【０００９】
また、本発明では、前記第２バランスピストンの前記一方の側面が受ける前記第２圧力は、前記低圧セクションで昇圧されて昇温された直後の前記ガスの第２圧力であることが好ましく、このような構成とすると、第２圧力まで昇圧されると同時に昇温された状態のガスが、第２バランスピストンから漏れたとしても、これが第２圧力から大気圧まで減圧される過程で凝縮あるいは凝固してしまうことを防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態による圧縮機は、図１に示すように、ケーシング（図示略）内に、回転軸１０が、その一端をラジアル軸受（図示略）で支持されるとともに他端をラジアル軸受（図示略）及びスラスト軸受（図示略）で支持されるように設けられている。
【００１１】
回転軸１０には、低圧セクションを構成する複数の羽根車１１Ａが、それぞれの気体入口を一端側（図中左側）に向けるようにして、この一端側から略中央部に向かって順次配列されて固定され、かつ、高圧セクションを構成する複数の羽根車１１Ｂが、それぞれの気体入口を他端側（図中右側）に向けるようにして、この他端側から略中央部に向かって順次配列されて固定されている。
【００１２】
低圧セクションは、低圧セクション側吸込口から吸い込まれた第１圧力Ｐ１のガスを、複数の羽根車１１Ａによって第２圧力Ｐ２まで昇圧した後に低圧セクション側吐出口から吐出するものであり、高圧セクションは、低圧セクション側吐出口から吐出された第２圧力Ｐ２のガスを、高圧セクション側吸込口から吸い込んでから、複数の羽根車１１Ｂによって第３圧力Ｐ３まで昇圧した後に高圧セクション側吐出口から吐出するものである（Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３）。
【００１３】
ここで、低圧セクションの複数の羽根車１１Ａにおける各気体入口は一端側（図中左側）に向けられ、高圧セクションの複数の羽根車１１Ｂにおける各気体入口は他端側（図中右側）に向けられているため、低圧セクションの第２圧力Ｐ２側と高圧セクションの第３圧力Ｐ３側とが回転軸１０の略中央部を挟んで互いに対向するように配置される（低圧セクションの羽根車１１Ａの背面側と高圧セクションの羽根車１１Ｂの背面側とが互いに対向するように配置される）のであり、いわゆる Back To Back タイプとされている。
【００１４】
また、低圧セクションと高圧セクションとの間には、仕切板１４が配置されており、この仕切板１４は、回転軸１０の周囲との間に空間を形成するようになっている。
そして、仕切板１４と回転軸１０の周囲との間に位置する空間には、この空間内に介在するようにして、第１バランスピストン１２が回転軸１０に固定されており、この第１バランスピストン１２は、低圧セクション側（一端側）に向けられた一方の側面１２Ａで第２圧力Ｐ２を受けるとともに、高圧セクション側（他端側）に向けられた他方の側面１２Ｂで第３圧力Ｐ３を受けるようになっている。
【００１５】
さらに、高圧セクションよりも外方側、つまり、高圧セクションよりも他端側（図中右側）には、仕切板１５，１６，１７が他端側に向かって順次配置されており、これら仕切板１５，１６，１７のうちの仕切板１６は、回転軸１０の周囲との間に空間を形成するようになっている。
そして、仕切板１６と回転軸１０の周囲との間に位置する空間には、この空間内に介在するようにして、第２バランスピストン１３が回転軸１０に固定されている。
【００１６】
ここで、本実施形態においては、第２バランスピストン１３における両側面１３Ａ，１３Ｂのうち、一端側（図中左側）を向いて仕切板１５に対向する一方の側面１３Ａとこの仕切板１５との間の空間内に、低圧セクションで第１圧力Ｐ１から第２圧力Ｐ２まで昇圧された直後のガスの一部を導入する流路が接続され、かつ、他端側（図中右側）を向いて仕切板１７に対向する他方の側面１３Ｂとこの仕切板１７との間の空間内に、低圧セクション側吸込口から吸い込まれた第１圧力Ｐ１のガスを導入する流路が接続されている。
したがって、第２バランスピストン１３は、一端側（図中左側）に向けられた一方の側面１３Ａで第２圧力Ｐ２を受けるとともに、他端側（図中右側）に向けられた他方の側面１３Ｂで第１圧力Ｐ１を受けるようになっている。
【００１７】
上述したような圧縮機を用いてガスを圧縮する工程では、図１に示すように、まず、回転軸１０を回転させることにより、第１圧力Ｐ１のガスが、低圧セクション側吸込口から低圧セクション内に吸い込まれる。
低圧セクション内に吸い込まれた第１圧力Ｐ１のガスは、この低圧セクション内に設けられた複数の羽根車１１Ａを一端側から略中央部側に向かって順次通過していく過程で、遠心力によって多段的に圧縮されてゆき、第２圧力Ｐ２まで昇圧される。
【００１８】
低圧セクションで第２圧力Ｐ２まで昇圧されたガスは、低圧セクション側吐出口から吐出され、例えばインタークーラ（図示略）によって中間冷却された後に、高圧セクション側吸込口から高圧セクション内に吸い込まれる。
高圧セクション内に吸い込まれた第２圧力Ｐ２のガスは、この高圧セクション内に設けられた複数の羽根車１１Ｂを他端側から略中央部側に向かって順次通過していく過程で、遠心力によって多段的に圧縮されてゆき、第３圧力Ｐ３まで昇圧された後に、高圧セクション側吐出口から吐出されるのである。
【００１９】
ところで、このようなガスの圧縮工程では、低圧セクション内でガスを第１圧力Ｐ１から第２圧力Ｐ２まで昇圧させるため、図中白抜き矢印で示すように、第２圧力Ｐ２と第１圧力Ｐ１との圧力差（Ｐ２−Ｐ１）に起因するスラスト力ＴＬ（Ｐ２−Ｐ１）が、回転軸１０に対して、一端側に向かって作用する。
また、高圧セクション内でガスを第２圧力Ｐ２から第３圧力Ｐ３まで昇圧させるため、図中白抜き矢印で示すように、第３圧力Ｐ３と第２圧力Ｐ２との圧力差（Ｐ３−Ｐ２）に起因するスラスト力ＴＨ（Ｐ３−Ｐ２）が、回転軸１０に対して、他端側に向かって作用する。
【００２０】
ここで、本実施形態においては、回転軸１０に固定された第１バランスピストン１２が、一端側を向く一方の側面１２Ａで第２圧力Ｐ２を受け、他端側を向く他方の側面１２Ｂで第３圧力Ｐ３を受けていることから、図中太線矢印で示すように、この圧力差（Ｐ３−Ｐ２）に起因するスラスト力ＴｃＨ（Ｐ３−Ｐ２）が、回転軸１０に対して、一端側に向かって作用する。
また、回転軸１０に固定された第２バランスピストン１３が、一端側を向く一方の側面１３Ａで第２圧力Ｐ２を受け、他端側を向く他方の側面１３Ｂで第１圧力Ｐ１を受けていることから、図中太線矢印で示すように、この圧力差（Ｐ２−Ｐ１）に起因するスラスト力ＴｃＬ（Ｐ２−Ｐ１）が、回転軸１０に対して、他端側に向かって作用する。
【００２１】
これにより、高圧セクションにおける圧力差（Ｐ３−Ｐ２）によって生じる他端側へのスラスト力ＴＨ（Ｐ３−Ｐ２）を、第１バランスピストン１２における圧力差（Ｐ３−Ｐ２）よって生じる一端側へのスラスト力ＴｃＨ（Ｐ３−Ｐ２）でキャンセルすることができ、かつ、低圧セクションにおける圧力差（Ｐ２−Ｐ１）によって生じる一端側へのスラスト力ＴＬ（Ｐ２−Ｐ１）を、第２バランスピストン１３における圧力差（Ｐ２−Ｐ１）によって生じる他端側へのスラスト力ＴｃＬ（Ｐ２−Ｐ１）でキャンセルすることができる。
【００２２】
すなわち、第１バランスピストン１２及び第２バランスピストン１３のそれぞれが、高圧セクション及び低圧セクションで生じるスラスト力をそれぞれ個別にキャンセルする働きを呈するのである。
このため、圧縮機の起動時や緊急停止時の脱ガス時など、低圧セクションでの圧力差が大きすぎたり小さすぎる状態に陥ったり、高圧セクションでの圧力差が大きすぎたり小さすぎる状態に陥ったりするような、いかなる圧力条件であったとしても、安定したスラストバランスを得ることができ、圧縮機の運転状態が制限されてしまうという事態が生じることがない。
【００２３】
また、本実施形態において、第１バランスピストン１２が、低圧セクションと高圧セクションとの間に位置する略中央部に設けられているため、従来の Back To Back タイプの圧縮機に対して、第２バランスピストン１３を追加するような構成を採用するだけで、本実施形態の圧縮機を容易に得ることが可能となっている。
【００２４】
さらに、本実施形態においては、低圧セクションで第２圧力Ｐ２まで昇圧された直後のガスの一部を、中間冷却する前に第２バランスピストン１３の一方の側面１３Ａ側の空間に導入することにより、この第２バランスピストン１３の一方の側面１３Ａに対して第２圧力Ｐ２を作用させている。
この低圧セクションで第２圧力Ｐ２まで昇圧された直後のガスは、昇圧と同時に昇温されているので、第２バランスピストン１３から漏れたとしても、第２圧力Ｐ２から大気圧まで減圧される過程で凝縮あるいは凝固してしまうのを防止することが可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１バランスピストン及び第２バランスピストンのそれぞれで、高圧セクション及び低圧セクションで生じるスラスト力のそれぞれを個別にキャンセルするようにしたため、これら高圧セクションと低圧セクションとがいかなる圧力条件になったとしても、安定したスラストバランスを得ることができ、圧縮機の運転状態が制限されてしまうことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態による圧縮機の構成を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１０ 回転軸
１１Ａ，１１Ｂ 羽根車
１２ 第１バランスピストン
１２Ａ 一方の側面
１２Ｂ 他方の側面
１３ 第２バランスピストン
１３Ａ 一方の側面
１３Ｂ 他方の側面
１４，１５，１６，１７ 仕切板

Claims (2)

1. ガスを第１圧力から第２圧力まで昇圧する一または複数の羽根車を有する低圧セクションと、この低圧セクションからのガスを第３圧力まで昇圧する一または複数の羽根車を有する高圧セクションとが、前記低圧セクションの前記第２圧力側に前記高圧セクションの前記第３圧力側が対向するようにして回転軸に固定された圧縮機であって、
   前記回転軸に固定され、一方の側面で前記第２圧力を受けるとともに他方の側面で前記第３圧力を受ける第１バランスピストンと、
   前記回転軸に固定され、一方の側面で前記第２圧力を受けるとともに他方の側面で前記第１圧力を受ける第２バランスピストンとを有し、
   前記第１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圧縮機。
2. ガスを第１圧力から第２圧力まで昇圧する一または複数の羽根車を有する低圧セクションと、この低圧セクションからのガスを第３圧力まで昇圧する一または複数の羽根車を有する高圧セクションとが、前記低圧セクションの前記第２圧力側に前記高圧セクションの前記第３圧力側が対向するようにして回転軸に固定された圧縮機であって、
   前記回転軸に固定され、一方の側面で前記第２圧力を受けるとともに他方の側面で前記第３圧力を受ける第１バランスピストンと、
   前記回転軸に固定され、一方の側面で前記第２圧力を受けるとともに他方の側面で前記第１圧力を受ける第２バランスピストンとを有し、
   前記第２バランスピストンの前記一方の側面が受ける前記第２圧力は、前記低圧セクションで昇圧されて昇温された直後の前記ガスの第２圧力であることを特徴とする圧縮機。

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