JP3887415B2 - 異なる圧力レベルを使用する摩擦つり合い手段を備えた回転式スクリュー圧縮機及び操作方法 - Google Patents

Description

本発明は請求の範囲１の前文に記載された型の回転式スクリュー圧縮機に関するものである。
この型の圧縮機において、摩擦つり合い手段は、軸方向ガス力をつりあわせて軸受けにかかる摩擦負荷を減少させるロータに力を加える機能を有している。このような装置は従来技術として一般に知られている。しかしながら、出口圧力が変化する場合、そして特に入口圧力が変化する場合に問題が起こる。この場合、ある一定の作動状況においてガス力は、ロータのつり合いが不足か過剰かの結果によって変化する。つまり軸受け上の負荷が、十分な軸受け走行寿命が得られる範囲を脱することがあるということである。また、ガス力は一般に、圧縮機が通常の作動状態にある場合よりも始動時の方が低い。従って、変化する軸方向ガス力を適宜つり合わせるために摩擦つり合い力も可変にする必要がある。
この問題点はたとえば、米国特許明細書第3,932,073号、第4,964,790号、第5,207,568号、国際公開番号WO91/12432号および国際出願番号PCT/SE94/00947号において開示されている。
米国特許明細書第3,932,073号には、つり合いピストンの高圧側を圧縮機の閉鎖作動チャンバと接続する拡張弁を備えた装置が開示されている。弁の開閉は自動的に行われ、詳細には示されていないが、弁が開く際に、油分離器とつり合いピストンとの間の絞り装置に圧力降下が生じる。米国特許明細書第4,964,790号には、吸引圧力、吐出し圧力、容量率のなどのパラメータに応じてロータに加えるつり合い圧力を計算するつり合い圧力の自動規制が示されている。米国特許明細書第5,207,568号には、圧縮機の閉作動チャンバに接続された圧力により作用される空気圧つり合いピストンが開示されている。
作動チャンバ内の圧力は吸引圧力に従って変化し、ピストンに可変つり合い力を働かせる。国際公開番号WO91/12432号には、作動圧力面と後部圧力面とを備えたつり合いピストンが開示されており、作動圧力面は弁の手段によって出口圧力、未絞り入口圧力または絞り入口圧力、のいずれかに晒される。後部圧力面は、通常大気圧程度の未絞り入口圧力に晒される。得られたつり合い力は３レベルのいずれかであり、また方向を変更するため、異なる走行状況に適応する柔軟性が増加するのである。国際出願番号PCT/SE94/00947号には、つり合いピストンに作用する圧力を連続的に変化させる手段が開示されている。この手段は油分離器から油噴射口へと続くリターン管内に第１、第２絞りを設けている。絞り同士の間では、つり合いピストンが格納されているシリンダまでのびる枝管へ接続している。そのためピストンに作用するつり合い圧力は、２つの絞りの間の絞り度合の関係によって確立された方法に従い、吸引圧力と送出し圧力の変化に合わせて変化する。
従来の装置はいずれも、つり合い力を変化させる付随装置か、限られた場合にのみに、予め設定を要する有効な装置が必要であるという欠点を有している。そのためこの分野についての更なる改良が必要となる。
従って、本発明の目的は、構造が単純で信頼性があり、従来の装置では十分に網羅できなかった部分にも使用できる、回転式スクリュー圧縮機の摩擦つり合い装置を得ることである。
この目的は、本発明の請求の範囲１の前文に示されている特徴を含む型式の回転式スクリュー圧縮機において達成されている。
本発明のつり合い装置は、作動つり合い力用に高圧力を利用し、また、逆方向の力用にレベルの異なる２種のより低い圧力のいずれかを利用するため、正味のつりあい力を異なる程度に減少させる。これによって、圧縮機の始動時のように軸方向ガス力が比較的低い場合にもより低いつり合い力を許容し、また、その他の作動状態において比較的大きなつり合い力を許容する。
高、低、中圧力源の種類は原則として決められてはいないが、圧縮中に発生するレベルの異なる圧力を使用すると便利である。圧縮機の入口圧力は通常は大気圧と同圧であるが、場合によっては周囲圧力よりも高い場合がある。これは例えば深井戸から天然ガスをポンプアップする際、または多段圧縮機プラントにおいて、圧縮機が最終段階にある際などである。このような場合では出口圧力を高圧力源に、周囲圧力を低圧力源に、入口圧力を中圧力源に使用できるという利点がある。この利点については、本発明の有利な実施例として請求の範囲２に記載されている。
摩擦つり合い手段は、請求の範囲３に記載されるように、２種の異なるユニットに分割することができるという利点がある。
本発明の有利な実施例は従属の請求の範囲に記載されている。
本発明はさらに圧縮機の操作方法に関するものであり、この操作方法は装置の請求の範囲と一致する特徴を相当有している。
本発明は、以下に示す添付図面を参照して好ましい実施例によって更に詳しく説明される。
第１図は本発明の好ましい実施例に従った圧縮機のロータの略縦断面図であり、第２図は第１図の一部分を詳細に図示した略拡大断面図である。第３図は第１図の別の一部分を詳細に図示した略拡大断面図である。なお図面を明確にするため、本発明を理解する上で重要でない部分は省略している。
第１図は回転スクリュー圧縮機に設けられた複数のロータ１のうち１つの略縦断面図である。ロータ１より延びる２本のシャフトジャーナル２、３には各々摩擦つり合い装置６、７が設けられており、作動中のロータに作用する軸方向ガス力Ｆ_Gに反作用する。この場合、摩擦つり合い装置６、７は第１図中に単に符号として示されている。ロータ１の作動スペースはその左端において入口４と連通し、右端において出口５と連通している圧縮機は、深井戸から大気圧を越える圧力を有する天然ガスをポンプアップするために使用される。そのための圧力は大気圧を10〜30barsの範囲内で超過し、圧縮機の入口圧力もこれと同値である。出口圧力は60〜90barsの範囲内である。
軸方向ガス力Ｆ_Gは圧縮機の出口端から入口端の方向へと向かうが、図中では左方向へと向かい、請求の範囲においてはこれを「第１軸方向」としている。つり合い装置６はシャフトジャーナル２の周辺の低圧力端に取り付けられ、もう一方のつり合い装置７は他方のシャフトジャーナル３に取り付けられている。ロータ１に対して作用するつり合いＦ_B1は、入口端のシャフトジャーナル２の周辺に取り付けられたつり合い装置６を介して発生し、また、第２つり合い力Ｆ _B2は、出口端のシャフトジャーナル３周辺に取り付けられたつり合い装置７を介して発生する。つり合い力Ｆ_B1、Ｆ_B2は、装置の作動中において軸方向ガス力Ｆ_Gに対して反作用する。
第２つり合い力Ｆ_B2が作用しない場合については後に示す。圧縮機を始動する間、または他の作動状態にある間、ガス力Ｆ_Gが通常の作動状態よりも低い場合、第１つり合い力Ｆ_B1のみが軸方向ガス力Ｆ_gに対して反作用する。全作動においても第２つり合い力Ｆ _B2 が作用し、総つり合い力を増加させる。
第２図は、従来の装置における入口端のシャフトジャーナル２に取り付けられたつり合い装置を示した拡大断面図である。シャフトジャーナル２に取り付けられたつり合いピストン８がシャフトジャーナル２と共に回転し、圧縮機ケーシング中のシリンダ１１内で小さなクリアランスを保って作動する。導管１２はシリンダ１１まで延び、圧縮機出口圧力の油、例えば圧縮機出口チャネル５内の油分離器と接続する。
このように出口圧力Ｐ_Dの油がシリンダ１１に供給され、つり合いピストン８の左側の圧力面９に作用する。油はシャフトクリアランス１３を通過して、つり合いピストン８の右側より圧縮機の入口端へ排出される。圧縮機の入口端には、ピストン８の右側の後部面１０に作用する圧力である吸引圧力Ｐ_Sが充満している。この装置によって第１つり合い力Ｆ_B1が生じる。
第３図は出口端のシャフトジャーナル３周辺に取り付けられたつり合い装置７を示した断面図である。圧縮機ケーシングの円筒空洞内に設けられたつり合いピストン１４は、シャフトジャーナル３の軸方向外端に位置する円部１７及び、円部１７より軸方向内側に延びる円筒部１８及び、円筒部１８の他方より半径方向内側に延びるフランジ１９から成る。つり合いピストン１４は静止されており、ケーシングに対して密閉する。シャフトジャーナル３上には主摩擦軸受け２１と、摩擦つり合い軸受け２２と、予圧軸受け２３とが設けられている。予圧軸受け２３が、シャフトジャーナル３と外側の静止リング２４と共に回転する内側リングを有する。主摩擦軸受け２１は圧縮機ケーシングにより支持され、摩擦つり合い軸受けはつり合いピストン１４のフランジ１９により支持されている。
予圧軸受け２３の外輪と、つり合いピストンの円部１７の軸方向内側面１５ａとの間には、第１機械的圧力バネ２６が設けられており、バネ力Ｆ _S1はつり合いピストン１４に右方向に作用して、フランジ１９に支持された摩擦つり合い軸受け２２を予圧する。つり合いピストン１４の軸方向外側には、圧縮機ケーシングに堅固に接続した閉鎖部材２０が設けられている。閉鎖部材２０とつり合いピストン１４の円部１７の外面１６との間には、バネ力Ｆ _s2を有する第２機械的圧力バネ２７が設けられている。バネ力Ｆ _s2はＦ _s1よりも弱く、0.5×Ｆ _s1であることが好ましい。
閉鎖部材２０とつり合いピストン１４の円部１７との間に形成された円筒スペースは、閉鎖部材２０に設けられた、導管２９に連通する口部２８に通じている。導管２９は、周囲大気に通じる導管３０、または圧縮機入口チャネルまで延びる導管３１と接続した三方弁３２に連通している。つり合いピストンの左側の空洞は圧縮機入口チャネルと絶えず接続し、この空洞内で圧力Ｐ_Sを発生させる。
本装置は以下の方法で操作される。
圧縮機の始動中は導管２９が圧縮機入口チャネルと連通する導管３１と接続する。つり合いピストン１４の両側は入口圧力Ｐ_Sに晒され、静止されたつり合いピストンを介して得られたつり合い力がほぼ０になる。しかしながら、第１機械的圧力バネ２６、第２機械的圧力バネ２７による予圧力Ｆ_sは左方向に作用して摩擦軸受け２１、２２への最低の負荷を確保する。第２機械的圧力バネ２７のバネ力Ｆ_S2が第一機械的圧力バネ２６のバネ力Ｆ_S1の約半分であるため、主摩擦軸受け２１と摩擦つり合い軸受け２２はＦ _S2 とほぼ同等の力によって予圧される。
圧縮機が全負荷作動状態にある時、三方弁３２の位置が切替わり、導管２９が周囲大気と接続した導管３０と連通する。三方弁３２の切り替えは、圧縮機Ｐ_D−Ｐ_Sの圧力差に反応する調節装置３３から発信される信号によって自動的に行われる。この圧力差が所定のレベルを越えると、三方弁３２は導管２９と３０を接続する。導管２９が周囲大気圧に接続すると、つり合いピストン１４の外側の圧力面１６が大気圧Ｐ_Aに晒される。つり合いピストン１４の両端に加わるＰ _S −Ｐ _Aの圧力差の結果、つり合いピストン１４が右方向の力Ｆ_B2に影響される。この力は摩擦つり合い軸受け２２を介してシャフトジャーナル３へと伝達される。
上記の作動状態のいずれにおいても、ロータの一方のシャフトジャーナル２周辺に取り付けられたつり合い装置６はピストン両端に加わる圧力差Ｐ_D−Ｐ_Sにより影響され、常に第１つり合い力Ｆ_B1を保持する。
本装置を介して得られた主摩擦軸受け２１にかかる負荷を制限するつり合い力は、上記の異なる作動状態で必要に応じて、大体２つのレベルのうちのいずれかに相当する。このつり合い力は、圧縮機始動時にはＦ_B1−Ｆ_Sであり、全負荷運転時にはＦ_B1＋Ｆ_B2−Ｆ_Sとなる。
上記の例は本発明の好ましい実施例を示したものであるが、請求の範囲内にて様々に改良することが可能である。従って本発明は一面を高圧力に、他面を低圧力または中圧力のいずれかに晒された単一のつり合いピストンとして理解することができる。また、２つのつり合いピストンは両方とも静止型または両方とも回転型とすることが可能であり、両方を同シャフトジャーナル上に配置することができる。

Claims (8)

1. 作動スペースにおいて噛み合うように、対を成す前記ロータ（１）を有した回転式スクリュー圧縮機であり、作動中にロータがガス力（Ｆ_G）により第１軸方向に影響を受け、ロータ（１）の少なくとも１つが主摩擦軸受け（２１）を有しており、前記第１軸方向と反対方向に向かう力を発生させる第１圧力面手段（９，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）と、前記第１軸方向の力を発生させる第２圧力面手段（１０，１６）とを有する摩擦つり合いピストン手段（８，１４）を設け、前記第１圧力面手段（９，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）が少なくとも１つの第１圧力面（９）を備え、第１圧力面（９）が第１導管手段（１２）を介して高圧力源と接続する回転式スクリュー圧縮機において、
   前記第２圧力面手段（１０，１６）が少なくとも１つの第２圧力面（１６）を有しており、第２圧力面（１６）が第２導管手段（２９，３０，３１）を介して低圧力源または中圧力源のいずれかと選択的に接続するように、前記第２導管手段（２９，３０，３１）が、いずれかの前記圧力源との接続を確定する弁手段（３２）を備えることを特徴とする回転式スクリュー圧縮機。
2. 入口チャネル手段（４）と出口チャネル手段（５）とを有し、前記高圧力源が前記圧縮機出口チャネル手段（５）と圧力つり合い接続をし、前記低圧力源が圧縮機の周囲大気と圧力つり合い接続をし、また、前記中圧力源が前記圧縮機入口チャネル手段（４）と圧力つり合い接続をすることを特徴とする請求の範囲１に記載の回転式スクリュー圧縮機。
3. 前記摩擦つり合いピストン手段（８，１４）が、前記ロータ（１）のシャフトジャーナル（２）に取り付けられた回転つり合いピストン（８）と、前記ロータ（１）のシャフトジャーナル（３）に設けられた摩擦つり合い軸受け（２２）の静止リング（２４）に作用する静止つり合いピストン（１４）とを有しており、前記回転つり合いピストン（８）が前記第１圧力面（９）を有し、さらに前記静止つり合いピストン（１４）が前記第２圧力面（１６）を有し、前記第１圧力面手段（９，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）が前記静止つり合いピストン（１４）の静止後部圧力面（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）を備え、前記第２圧力面手段（１０，１６）が前記回転つり合いピストン（８）の回転後部圧力面（１０）を備え、また、前記後部圧力面（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１０）が前記中圧力源と接続していることを特徴とする請求の範囲２に記載の回転式スクリュー圧縮機。
4. 前記静止つり合いピストン（１４）が、前記主摩擦軸受け（２１）と前記摩擦つり合い軸受け（２２）とを予圧する第一及び第二機械的圧力バネ（２６，２７）を設けていることを特徴とする請求の範囲３に記載の回転式スクリュー圧縮機。
5. 前記回転つり合いピストン（８）に作用する圧力流体が液体であり、前記静止つり合いピストン（１４）に作用する圧力流体が気体であることを特徴とする請求の範囲３に記載の回転式スクリュー圧縮機。
6. 前記弁手段（３２）が圧縮機出口圧力と圧縮機入口圧力との間の圧力差に反応する調節手段（３３）を備えており、前記圧力差が所定のレベル以下である場合には前記弁手段（３２）が前記中圧力源との接続を画定し、また、前記圧力差が前記所定レベル以上である場合には前記低圧力源との接続を画定することを特徴とする請求の範囲１に記載の回転式スクリュー圧縮機。
7. 作動スペースにおいて噛み合うように、対を成す前記ロータ（１）を有した回転式スクリュー圧縮機であり、作動中にロータがガス力（Ｆ _G ）により第１軸方向に影響を受け、ロータ（１）の少なくとも１つが主摩擦軸受け（２１）を有しており、前記第１軸方向と反対方向に向かう力を発生させる第１圧力面手段（９，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）と、前記第１軸方向の力を発生させる第２圧力面手段（１０，１６）とを有する摩擦つり合いピストン手段（８，１４）を設け、前記第１圧力面手段（９，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）が第１圧力面（９）を少なくとも１つ備えており、第１圧力面（９）が第１導管手段（１２）を介して高圧力源と接続し、前記第２圧力面手段（１０，１６）が少なくとも１つの第２圧力面（１６）を有する、作動中のロータがガス（ＦＧ）により第１軸方向に影響を受ける作動スペースにおいて噛み合う、対を成す前記ロータ（１）を有する回転式スクリュー圧縮機操作方法において、第２導管手段（２９，３０，３１）を介して、前記第２圧力面（１６）が低圧力源または中圧力源のいずれかと選択的に接続し、前記第２導管手段（２９，３０，３１）が弁手段（３２）を有しており、前記接続のいずれかを画定することを特徴とする回転式スクリュー圧縮機操作方法。
8. 前記高圧力源が前記圧縮機出口チャンネル手段（５）と圧力つり合い接続し、前記低圧力源が圧縮機の周囲大気と圧力つり合い接続し、また、前記中圧力源が前記圧縮機入口チャンネル手段（４）と圧力つり合い接続することを特徴とする請求の範囲７に記載の回転式スクリュー圧縮機操作方法。

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