JP4534142B2 - 流体圧縮機のスラスト軸受構造 - Google Patents

Description

本発明は、流体圧縮機、例えば、メタンリッチな天然ガスを圧送するのに用いられるパイプラインコンプレッサの回転軸に生じるスラスト力を支持するスラスト軸受構造に関するものである。

流体圧縮機の回転軸に生じるスラスト荷重を支持するスラスト軸受構造としては、スラスト軸受の内径側に設けたバランス室の圧力を調整弁によりその都度調整するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２５９８５５号公報

上述した特許文献１に開示されている発明のものは、全スラスト力の絶対値が最小となるように予め演算機により演算された制御信号が調整弁に出力され、この制御信号に基づいて調整弁が制御されることによりスラスト力の低減化が図られている。
しかし、上述した特許文献１に開示されている発明のものでは、演算機やこの演算機からの信号により制御される調整弁等の特別の装置が必要となり、製造コストが高騰してしまうといった問題点があった。
また、演算機や調整弁等にトラブル（故障）が生じた場合には、スラスト力を低減させることができなくなり、最悪の場合、装置自体を壊してしまうおそれもある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、特別な装置等を必要とすることなくスラスト力をキャンセルすることができ、かつ信頼性の向上を図ることができる流体圧縮機のスラスト軸受構造を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による流体圧縮機のスラスト軸受構造は、回転軸および羽根車を備えてなる回転体を収容するハウジング内に形成されたバランス室と、前記回転軸に取り付けられるとともに、前記バランス室内に納められる円盤状のバランスピストンとを備えた流体圧縮機のスラスト軸受構造であって、前記バランスピストンの外周面と前記バランス室の内周面との間に第１のラビリンスシールが設けられ、前記回転軸の外周面と前記ハウジングとの間に第２のラビリンスシールが設けられているとともに、前記ハウジングから前記回転軸の端面に向かって延びる舌部の先端と前記回転軸の端面との間に絞り部が形成されており、前記第１のラビリンスシールの上流側に第１の空間が形成され、前記第１のラビリンスシールと前記第２のラビリンスシールとの間に第２の空間が形成されるとともに、前記第２のラビリンスシールと前記絞り部との間に第３の空間が形成されていることを特徴とする。
このような流体圧縮機のスラスト軸受構造によれば、バランスピストンの高圧側面の側に形成された空間内には、例えば、羽根車により圧縮された流体の一部が導かれるようになっている。この空間内に導かれた流体は、バランスピストンの高圧側面に沿って半径方向内側から半径方向外側に流れた後、第１のラビリンスシールの上流側（高圧側）に達し、第１のラビリンスシールとバランスピストンの外周面との間を通過する際にその圧力が減圧され、バランスピストンの低圧側面の側に形成された空間内に導かれる。
第１のラビリンスシールにより減圧された流体は、絞り部の方へと流れ、この絞り部を通過する際にさらに減圧されながらバランス室から出ていくことになる。
回転体の移動によりこの絞り部の隙間（クリアランス）が狭くなっている場合には、バランス室からのリーク量が減少し、バランスピストンの低圧側面の側に形成された空間内の圧力が上がり、絞り部の隙間（クリアランス）が広がる方向に回転体が押し戻される。
逆に、回転体の移動によりこの絞り部の隙間（クリアランス）が広くなっている場合には、バランス室からのリーク量が増加し、バランスピストンの低圧側面の側に形成された空間内の圧力が下がり、絞り部の隙間（クリアランス）が狭まる方向に回転体が押し戻される。
すなわち、特別な装置等を必要とすることなくスラスト力をキャンセルすることができるようになっている。
また、このような流体圧縮機のスラスト軸受構造によれば、第１のラビリンスシールを通過した流体の圧力が、第２のラビリンスシールを通過する際にさらに減圧されるとともに、第２のラビリンスシールにより、この第２のラビリンスシールの上流側の圧力と下流側の圧力との間に時間遅れを生じさせることができ、圧力ハンチングを防止することができる。

本発明による流体圧縮機のスラスト軸受構造は、前記ハウジング内の、前記バランスピストンの高圧側面および低圧側面と対向する位置にそれぞれ軸受パッドが設けられている。
このような流体圧縮機のスラスト軸受構造によれば、起動時や天然ガスの圧力が大きく変動して回転体が軸方向に大きく移動してしまった場合に、軸受パッドを座として使用することができるので、他の部分が接触する前にバランスピストンの高圧側面または低圧側面と、軸受パッドの軸受面とを接触させることができて、他の部分の損傷を防止することができる。

本発明による流体圧縮機は、前述した特徴を有するスラスト軸受構造を具備してなる。
このような流体圧縮機によれば、この流体圧縮機に供給される流体の圧力が変動し、回転体に作用するスラスト力が変動して、回転体が軸方向に移動したとしても、特別な装置等を必要とすることなく回転体を元の位置に自動的に復帰させる（戻す）ことができ、さらにスラスト力を支持させることができる。

本発明による流体圧縮機は、前記自成絞りを通過した流体を大気中に逃がすための大気放出管およびバルブが設けられている。
このような流体圧縮機によれば、起動時にバルブを開状態とすることにより、ハウジング内に充填された起動用の高圧ガスの一部が、前述のスラスト軸受構造を通過した後に大気中に放出することになる。これにより、バランスピストンの高圧側面と低圧側面との間に差圧を生じさせることができて、ガスシールの背面にかかる貫通スラスト力をキャンセルすることができるとともに、流体圧縮機を安全に起動させることができる。

本発明による流体圧縮機のスラスト軸受構造によれば、特別な装置等を必要とすることなくスラスト力をキャンセルすることができ、かつ信頼性の向上を図ることができるという効果を奏する。

以下、本発明による流体圧縮機のスラスト軸受構造の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明によるスラスト軸受構造１を具備した流体圧縮機、例えば、メタンリッチな天然ガス（流体）を圧送するのに用いられるパイプラインコンプレッサ２を示すものであって、図中の符号３はタービン等の駆動機に連結された回転軸、符号４はこの回転軸３に同軸状に取付けられた複数（本実施形態では２つ）の羽根車、符号５は回転軸３および複数の羽根車４からなる回転体（ロータ）を収容するハウジング、符号６，７は回転軸３をハウジング５内に回転自在の状態で支持するガスジャーナル軸受、符号８は回転軸３とハウジング５との間をシールするガスシールである。
また、ハウジング５には、複数の羽根車４をそれぞれ収容する室９、および隣接する室９を連通する連通路１０が設けられているとともに、羽根車４に天然ガス（圧力Ｐｓ）を供給する吸込部１１および圧縮された天然ガス（圧力Ｐｄ）を吐出する吐出部１２がそれぞれ設けられている。

図２は、図１の円Ａで囲まれた部分を拡大するとともに、その構成を模式化した図である。図２に示すように、スラスト軸受構造１は、バランスピストン２１と、第１のラビリンスシール２２と、第２のラビリンスシール２３とを主たる要素として構成されたものであり、回転軸３の一端部（高圧側の端部）に設けられている。
バランスピストン２１は、その直径Ｄ２が回転軸３の直径Ｄ１よりも大きくなるよう、回転軸３の中心線Ｃから半径方向外側に向かって設けられた円盤状の部材であり、ハウジング５内に形成されたバランス室２４内に収められている。
第１のラビリンスシール２２は、軸受の剛性を確保するためのものであり、バランス室２４内で、かつバランスピストン２１の外周面２１ａと対向する位置に設けられている。
第２のラビリンスシール２３は、バランス室２４内で、かつその直径Ｄ３が回転軸３の直径Ｄ１よりも小さくなるように形成された回転軸３の末端部外周面３ａと対向する位置に設けられている。

また、空間Ｓ３を形成するハウジング５の一部は、回転軸３の端面３ｂに向かって延びる舌部５ａを構成し、舌部５ａの先端と回転軸３の端面３ｂとの間に絞り部２５が形成されるようになっている。この絞り部２５は、自らの動きによって絞りの大きさが変化するもの、すなわち、回転軸３（あるいは回転体）とハウジング５（あるいは舌部５ａ）との相対変位によって流路面積が変化する、いわゆる「自成絞り」と呼ばれるものである（以下、「絞り部」は「自成絞り」と称することにする）。この舌部５ａの外周面５ｂの直径Ｄ４は、回転軸３の末端部外周面３ａの直径Ｄ３よりも小さくなるように形成されている。舌部５ｂの先端面は、図２に示すように、半径方向外側から半径方向内側にかけてその直径が漸次小さくなるような（半径方向外側から半径方向内側にかけて回転軸３の末端部外周面３ａから徐々に遠ざかるような）傾斜面とされている。

バランスピストン２１の高圧側面２１ｂの側に形成された空間Ｓ１内には、吐出部１２に設けられた抽気ポート１３（図４参照）、この抽気ポート１３に接続された抽気管１４（図４参照）、および枝管１４ａ（図４参照）を介して羽根車４により圧縮された天然ガスＧ１（圧力Ｐｄ）の一部が導かれるようになっている。空間Ｓ１内に導かれた天然ガスＧ１は、バランスピストン２１の高圧側面２１ｂに沿って半径方向内側から半径方向外側に流れた後、第１のラビリンスシール２２の上流側（高圧側）に達し、第１のラビリンスシール２２とバランスピストン２１の外周面２１ａとの間を通過する際に圧力Ｐ１まで減圧されながら、バランスピストン２１の低圧側面２１ｃの側に形成された空間Ｓ２内に導かれる。

空間Ｓ２内に導かれた圧力Ｐ１を有する天然ガスＧ２は、バランスピストン２１の低圧側面２１ｃに沿って半径方向外側から半径方向内側に流れた後、第２のラビリンスシール２３の上流側（高圧側）に達し、第２のラビリンスシール２３と回転軸３の末端部外周面３ａとの間を通過する際に圧力Ｐ２まで減圧されながら、回転軸３の端面３ｂの側に形成された空間Ｓ３に導かれる。
そして、空間Ｓ３内に導かれた天然ガスＧ３は、舌部５ａの先端と回転軸３の端面３ｂとの間に形成された自成絞り２５を通過する際に圧力Ｐｓまで減圧されながら回転軸３の中心線Ｃ側に導かれる。

圧力Ｐｓに減圧された天然ガスは、図４に示すように、戻り管１５を介して吸込部１１に戻され、羽根車４により再び圧縮される。戻り管１５には大気放出管１６が接続されているとともに、この大気放出管１６には起動用大気放出バルブ１７が設けられている。これら大気放出管１６および起動用大気開放バルブ１７は、パイプラインコンプレッサ２を起動する際に使用されるものであり、起動時、起動用大気開放バルブ１７は、開状態とされる。
また、抽気ポート１３、抽気管１４、および枝管１４ａを介して空間Ｓ１に導かれる天然ガスＧ１の一部は、空間Ｓ２の上流側で分岐した後、ガスジャーナル軸受７に供給されるようになっている。一方、ガスジャーナル軸受６には、抽気ポート１３、抽気管１４、および枝管１４ｂを介して羽根車４により圧縮された天然ガスＧ１（圧力Ｐｄ）の一部が供給されるようになっている。
なお、図４において符号１８は圧力調整弁、符号１９はフィルタである。

本実施形態によるスラスト軸受構造１によれば、バランスピストン２１、第１のラビリンスシール２２、およびバランス室２４により静圧型のガススラスト軸受が構成されているとともに、例えば、回転体が舌部５ｂの側（図２において左側）に移動した場合には、自成絞り２５のクリアランスが減少し、空間Ｓ３からのリーク量が減少し、空間Ｓ３および空間Ｓ２内の天然ガスの圧力が上がり、回転体が舌部５ｂから遠ざかる側（図２において右側）に押し戻されるようになっている。
逆に、回転体が舌部５ｂから遠ざかる側（図２において右側）に移動した場合には、自成絞り２４のクリアランスが増加し、空間Ｓ３からのリーク量が増加するとともに、空間Ｓ３および空間Ｓ２内の天然ガスの圧力が下がり、回転体が舌部５ｂの側（図２において左側）に押し戻されるようになっている。
すなわち、吸込部１１に供給される天然ガスの圧力が変動し、回転体に作用するスラスト力が変動して、回転体が軸方向に移動したとしても、特別な装置等を必要とすることなく回転体を元の位置に自動的に復帰させる（戻す）ことができ、さらにスラスト力を支持させることができる。また、信頼性の向上を図ることもできる。
このようなスラスト軸受構造１は、吸込部１１に供給される流体の圧力が変動し易く、巾広い運転範囲が要求される、例えば、天然ガスを圧送するパイプラインコンプレッサ２に特に適している。

また、第２のラビリンスシール２３により、この第２のラビリンスシール２３の上流側の圧力Ｐ１と下流側の圧力Ｐ２との間に時間遅れを生じさせることができるので、圧力ハンチングを防止することができ、回転体を元の位置に迅速に復帰させる（戻す）ことができる。
なお、この時間遅れは、第１のラビリンスシール２２におけるリーク量と圧力の関係を表す微分方程式、第２のラビリンスシール２３におけるリーク量と圧力の関係を表す微分方程式、および自成絞り２５におけるリーク量と圧力の関係を表す微分方程式（簡単な絞りのリークの式）を連立方程式として解くことによって得ることができる。

さらに、パイプラインコンプレッサ２の起動時に起動用大気開放バルブ１７を開状態とすることにより、ハウジング５内に充填された起動用の高圧ガス（例えば、５ＭＰａ〜６ＭＰａに昇圧された天然ガス）の一部を、スラスト軸受構造１を通過させた後に大気中に放出させることができる。これにより、バランスピストン２１の高圧側面２１ｂと低圧側面２１ｃとの間に差圧を生じさせることができて、ガスシール８の背面にかかる貫通スラスト力をキャンセルすることができるとともに、パイプラインコンプレッサ２を安全に起動させることができる。
なお、大気放出管１６および起動用大気開放バルブ１７が設けられていない場合には、バランスピストン２１の高圧側面２１ｂと低圧側面２１ｃとの間に差圧を生じさせることができず、ガスシール８の背面に過大な貫通スラスト力がかかってしまい、パイプラインコンプレッサ２を損傷させてしまうおそれがある。

さらにまた、スラスト軸受構造１には、プロセスガスと同じガスが軸受ガスとして用いられているので、軸受ガスが仮にプロセス側に浸入したとしてもプロセスガスを汚染するおそれがなく、また軸受損失も小さく、動力の低減化を図ることができる。
また、油軸受に比べて給油装置等が不要となり、システムを簡略化することができる。 さらに、磁気軸受に比べて制御装置等が不要となり、システムを簡略化することができるとともに、潜在的な信頼性の向上を図ることができる。

本発明による流体圧縮機のスラスト軸受構造の他の実施形態を、図３を用いて説明する。
本実施形態による流体圧縮機のスラスト軸受構造３１は、ハウジング５内の、バランスピストン２１の高圧側面２１ｂおよび低圧側面２１ｃと対向する位置にそれぞれ軸受パッド３２が設けられているという点で前述した実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

本実施形態によるスラスト軸受構造３１によれば、バランスピストン２１、第１のラビリンスシール２２、バランス室２４、および軸受パッド３２により動圧型のガススラスト軸受が構成されていることになる。
したがって、起動時や天然ガスの圧力が大きく変動して回転体が軸方向に大きく移動してしまった場合に、軸受パッド３２を座として使用することができるので、他の部分が接触する前にバランスピストン２１の高圧側面２１ｂまたは低圧側面２１ｃと、軸受パッド３２の軸受面とを接触させることができて、他の部分の損傷を防止することができる。
その他の作用効果は、前述した実施形態のものと同じであるのでここではその説明を省略する。

本発明によるスラスト軸受構造を具備した流体圧縮機の断面図である。 図１の円Ａで囲まれた部分を拡大するとともに、その構成を模式化した図である。 本発明によるスラスト軸受構造の他の実施形態を示す断面図である。 本発明によるスラスト軸受構造を具備した流体圧縮機の概略構成図である。

符号の説明

１ スラスト軸受構造
２ 流体圧縮機
３ 回転軸
３ｂ 一端面
４ 羽根車
５ ハウジング
１６ 大気放出管
１７ 起動用大気開放バルブ
２１ バランスピストン
２１ａ 外周面
２１ｂ 高圧側面
２１ｃ 低圧側面
２２ 第１のラビリンスシール
２３ 第２のラビリンスシール
２４ バランス室
２５ 自成絞り（絞り部）
３１ スラスト軸受構造
３２ 軸受パッド

Claims (4)

1. 回転軸および羽根車を備えてなる回転体を収容するハウジング内に形成されたバランス室と、
   前記回転軸に取り付けられるとともに、前記バランス室内に納められる円盤状のバランスピストンとを備えた流体圧縮機のスラスト軸受構造であって、
   前記バランスピストンの外周面と前記バランス室の内周面との間に第１のラビリンスシールが設けられ、
   前記回転軸の外周面と前記ハウジングとの間に第２のラビリンスシールが設けられているとともに、
   前記ハウジングから前記回転軸の端面に向かって延びる舌部の先端と前記回転軸の端面との間に絞り部が形成されており、
   前記第１のラビリンスシールの上流側に第１の空間が形成され、
   前記第１のラビリンスシールと前記第２のラビリンスシールとの間に第２の空間が形成されるとともに、
   前記第２のラビリンスシールと前記絞り部との間に第３の空間が形成されていることを特徴とする流体圧縮機のスラスト軸受構造。
2. 前記ハウジング内の、前記バランスピストンの高圧側面および低圧側面と対向する位置にそれぞれ軸受パッドが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体圧縮機のスラスト軸受構造。
3. 請求項１または２に記載のスラスト軸受構造を具備してなることを特徴とする流体圧縮機。
4. 前記絞り部を通過した流体を大気中に逃がすための大気放出管およびバルブが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の流体圧縮機。

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