JP4900261B2

JP4900261B2 - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP4900261B2
Application number: JP2008015271A
Authority: JP
Inventors: 光裕成田; 哲也桑野; 治雄三浦; 洋一村井; 耕作大野; 雅彦小野
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: JP2009174458A

Description

本発明は遠心圧縮機に係り、特に遠心圧縮機の吸込み側に配置するのに好適な流量調節装置に関する。

流量調整装置を備えた従来の遠心圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この公報では、遠心圧縮機を大型化することなく耐久性を向上させるために、バレル型の一軸多段遠心機において、吸い込み側に設ける流量調整装置が有するギアの配置を従来とは異ならせている。すなわち、ケーシング内に、主軸と主軸に取り付けられた羽根車と主軸の周囲を取り囲んで圧縮対象の気体を主軸の径方向外側から羽根車に案内する流入路と、流入路内で主軸の周囲を取り囲むように複数配置されてそれぞれ主軸の軸線と平行な揺動軸線回りに揺動可能な吸込ベーン（インレットガイドベーン）と、各吸込ベーンを揺動させるベーン駆動装置とを設けている。そしてベーン駆動装置は、各吸込ベーンに設けられた従動ギア（第１ギア）と、これら従動ギアの揺動軸線方向に隣接配置される駆動ギア（第２ギア）と、駆動ギアを駆動するギア駆動装置と、各従動ギアと噛み合う第１歯車部と駆動ギアと噛み合う第２歯車部とが揺動軸線方向に隣接配置されたリングギアとを有している。

特開２００６−２３３９０１号公報

上記特許文献１に記載の流量調整装置では、インレットガイドベーンと第１ギアが、主軸に平行配置される取り付け軸に取り付けられている。そして各第１ギアは、環状に形成されたリングギアに噛み合っている。第１ギアと軸方向に隣り合って、リングギアと噛み合うように第２ギアが配置されている。したがって、この公報に記載の流量調節装置では、第２ギア、リングギア、第１ギアの順に駆動部から動力が伝達され、第１ギアに取り付けられたインレットガイドベーンの向きが変えられる。

ところで、各インレットガイドベーンには、流路内を作動流体が流れることにより反力が負荷される。この負荷は、取り付け軸と第１ギアを介してリングギアに伝達される。リングギアは全ての第１ギアと噛み合っているので、リングギアにはインレットガイドベーンの総数分の負荷が加わる。それとともに、リングギアでは、１個の第２ギアが第１のギアが噛み合う位置と軸方向に異なる位置で噛み合っている。このリングギアと第２ギアの噛み合う位置では、大きな接線荷重が加わる。その結果、第１ギアやリングギアに比べて、小径に構成する第２ギアには高強度が要求される。

上記公報に記載の従来の流量調整装置では、遠心圧縮機を大型化することなく流量調整装置の耐久性の向上を図っている。しかしながら、遠心圧縮機をさらに小型化するためには、より流量調整装置に用いる第２ギアの高強度化または低負荷化が必要となっている。

本発明は上記従来の技術に鑑みなされたものであり、従来の遠心圧縮機を更に改良して、遠心圧縮機の流量調節装置の耐久性を向上しながら、遠心圧縮機が大型化するのを回避することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、回転軸と、この回転軸に取り付けられた少なくとも１枚の遠心羽根車と、遠心羽根車の上流の流路を規定する１対のダイアフラムと、これら回転軸と遠心羽根車とダイアフラムとを収容するケーシングとを有し、回転軸を駆動装置で回転駆動して、吸込まれた気体を圧縮する遠心圧縮機において、遠心羽根車の吸込み側上流に形成される円環状の流路内であって同一ピッチ円上に配置されたそれぞれが揺動可能な複数個のインレットガイドベーンと、このインレットガイドベーンを一端側に取り付け他端側に第１ギアを取り付けた取り付け軸と、第１ギアのすべてと噛み合い回転軸と同軸に配置されたリングギアと、第１ギアが噛み合う噛み合い面とは異なるリングギアの噛み合い面で噛み合う第２ギアとを備える流量調節装置を設け、第１のギアの軸方向位置を隣り合う第１のギアで異ならせたことにある。

そしてこの特徴において、取り付け軸は長短２種類あり、この２種類の取り付け軸を互いに隣り合わせて配置して、第１のギアの配置面を軸方向に２箇所とするのがよく、第１のギアは円周の一部にだけ歯が形成されており、この第１のギアの形状がほぼ扇形であってもよい。また、リングギアは内周面で第１ギアと噛み合い、外周面で第２ギアと噛み合うのがよく、リングギアは外周面の一部にだけ歯が形成されていてもよい。

本発明によれば、遠心圧縮機の流量調節機構は、従動ギアである第１ギアを交互に軸方向異なる位置に配列したので、第１ギアからリングギアへ伝わる負荷が低減される。これにより、駆動ギアである第２のギアの応力を低減でき、遠心圧縮機の流量調節装置の耐久性を向上しながら、遠心圧縮機が大型化するのを回避できる。

以下、本発明に係る遠心圧縮機の一実施例及びいくつかの変形例を、図面を参照して説明する。図１は、遠心圧縮機の一実施例の主要部の縦断面図である。図２は、図１に示した遠心圧縮機が備える流量調節機構を取り出して示した斜視図である。

図１に示すように、遠心圧縮機１０は、主軸１１と、この主軸に取り付けた遠心羽根車１２とを有している。主軸１１には、図示しない羽根車が遠心羽根車１２の下流側に複数個取り付けられる場合もある。遠心圧縮機１０では、吸込み側端部に配置されるダイアフラム１３ａと、羽根車１２のシュラウド側に配置されるダイアフラム１３ｂをケーシング１４内部に収容している。ダイアフラム１３ａ、１３ｂおよびケーシング１４は、羽根車１２へ導かれる気体が通過する流路３１を形成する。

主軸１１を回転させる図示しない駆動装置により、主軸１１とともに羽根車１２は回転する。羽根車１２が回転すると、流路３１を経た気体は、羽根車１２内で遠心力により圧縮される。圧縮された気体は、図示しない後段の羽根車に導かれてさらに圧縮され、図示しない吐出口を通過した後に、遠心圧縮機１０の外部に吐出される。

吸込み端側のダイアフラム１３ａとシュラウド側のダイアフラム１３ｂが形成する流路３１の途中に、主軸１１の周囲を取り囲むように、主軸１１と直交する面内を揺動する複数のインレットガイドベーン１５が、円周上ほぼ等間隔に配置されている。本実施例では、インレットガイドベーンの個数は１８個であるが、個数はこれに限らない。インレットガイドベーン１５は、後述する流量調節装置が有する第１ギア１７ａ、１７ｂにより、その角度が変えられ、羽根車１２へ流入する気体に予旋回を与える。作動気体に予旋回を与えることで、低流量域側の作動範囲が拡大される。

インレットガイドベーン１５を含む流量調節装置３０の詳細を、以下に説明する。流量調節装置３０は、偶数個数のインレットガイドベーン１５を有している。各インレットガイドベーンは１５は、主軸１１に平行に配置される取り付け軸１６ａ、１６ｂの一端側に取り付けられている。ここで、基準位置から数えて偶数番の取り付け軸１６ａは、奇数番の取り付け軸１６ｂよりも軸長が長く形成されている。偶数番の取り付け軸１６ａの他端側には、第１ギア１７ａが、奇数番の取り付け軸１６ｂの他端側には、第１ギア１７ｂが取り付けられている。

図２に示すように、取り付け軸１６ａと取り付け軸１６ｂの軸方向長さが違うので、取り付け軸の一端側に配置されたインレットガイドベーン１５で位置決めされた各取り付け軸１６ａ、１６ｂの他端側の軸方向位置は、異なっている。すなわち、奇数番の取り付け軸１６ｂに取り付けられた第１ギア１７ｂは、偶数番の取り付け軸１６ａに取り付けた第１ギア１７ａよりも奥側、軸方向で羽根車１２側に位置する。

取り付け軸１６ａ、１６ｂは、同一ピッチ円上に中心軸を有している。そして、内周面に内歯１８ａが形成されたリングギア１８に対し、各第１ギア１７ａ、１７ｂが軸方向位置を変えて噛み合っている。リングギア１８は、主軸１１と同軸に配置されている。リングギア１８の外周面の一部分にだけ外歯１８ｂが形成されており、この外歯１８ｂに第２ギア１９が噛み合っている。

第２ギア１９は、リングギア１８の周囲に１個もしくはせいぜい数個だけ配置されている。したがって、リングギア１８の外周側では全周歯切りをせずに、第２ギア１９と噛み合う部分だけ歯切りして、歯切りに要する工数を低減している。第２ギア１９は、主軸に平行に配置される駆動軸２０の一端部に取り付けられる。

ダイアフラム１３ａ、１３ｂを収容するケーシング１４は、吸込み側の側部にヘッドフランジ１４ｂを有しており、ケーシング１４とヘッドフランジ１４ｂとは、袋ナット２５で締結されている。ダイアフラム１３ａの背面側に位置するヘッドフランジ１４ｂのダイアフラム１３ａと対向する部分には、第１ギア１７ａ、１７ｂおよび第２ギア１９、リングギア１８を収容するためのリング状の空間１４ｃが形成されている。したがって、取り付け軸１６ａ、１６ｂは流路３１からダイアフラム１３ａを貫通して、空間１４ｃまで延びており、ダイアフラム部に設けた軸受１３ｄで回転自在に支持されている。

ヘッドフランジ１４ｂには、第２ギア１９の位置に対応する位置に、貫通孔が形成されており、この貫通孔には、第２ギア１９を一端側に取り付けた駆動軸２０を保持する保持部材１４ｄが嵌合している。駆動軸２０は、保持部材１４ｄに設けた軸受により、回転自在に支持されている。駆動軸２０の他端側は、保持部材１４ｄから軸方向に延在しており、延在した端部は、ギア駆動部２１を介して図示しない駆動源に接続されている。

このように構成した流量調節装置３０では、ギア駆動部２１から動力が付与される。付与された動力は、第２ギア１９、リングギア１８、第１ギア１７ａ、１７ｂの順に伝達されて、インレットガイドベーン１５の角度が変えられる。

ここで、本実施例の遠心圧縮機１０の流量調節装置３０では、上述したように第１ギア１７ａ、１７ｂを、主軸１１に直交する２つの異なる配列面に配置している。つまり、軸方向に異なる２つの面に第１ギア１７ａ、１７ｂを配列しているので、単列配列時には隣り合っていた第１ギア１７ａと第１ギア１７ｂは、同一配列面で互いに隣り合わない。第１ギア１７ａは第１ギア１７ａと、第１ギア１７ｂは第１ギア１７ｂと隣り合う。

この結果、隣り合うギア１７ａ、１７ａ；１７ｂ、１７ｂ間の距離（隙間）を従来よりも大きくすることができる。または、距離が広がった分だけ、第１ギア１７ａ、１７ｂを大径化することが可能となる。第１ギア１７ａ、１７ｂを大径化すると、各第１ギア１７ａ、１７ｂからリングギア１８に伝達される負荷が低減される。この結果、リングギア１８と第２ギア１９との噛み合い部の負荷が低減し、第２ギア１９の耐久性が著しく向上する。

なお、インレットガイドベーン１５が流体力により変動荷重を受けるときは、第１ギア１７ａ、１７ｂが微動して、リングギア１８との噛み合い部にフレッティング摩耗が発生する場合がある。このように、流体力によりインレットガイドベーン１５が変動加重を受ける場合であっても、本実施例に示した流量調節装置を用いると、第１ギア１７ａ、１７ｂが大径化されているので慣性モーメントが増大し、フレッティング摩耗を抑制できる。

ところで、本実施例の流量調節装置３０では、従来よりも大径化した第１ギア１７ａ、１７ｂを用いているので、第１ギア１７ａ、１７ｂのモジュールを大きくすることができる。第１ギア１７ａ、１７ｂのモジュールを大きくすると、ギアの強度が増加する。その分第１ギア１７ａ、１７ｂの歯幅を小さくでき、軽量化が可能になる。

従来よりも第１ギア１７ａ、１７ｂを大径化したので、第１ギア１７ａ、１７ｂと主軸１１間に形成される空間が減少し、遠心圧縮機の種類によっては、第１ギア１７ａ、１７ｂを大径化することが困難な場合も生じる。インレットガイドベーン１５の揺動に伴い第１ギア１７ａ、１７ｂはリングギア１８と噛み合う位置を変えるが、その噛み合い範囲は、周方向全周には及ばない。つまり、内径側の歯はリングギア１８と全く噛み合うことがない。

そこで、第１ギア１７ａ、１７ｂの全周を歯切りするのではなく、図３に示すように、リングギア１８に噛み合う部分だけまたはそれに少しの余裕を考慮して歯切りした扇形状の第１ギア１７ｃ、１７ｄを用いることも可能である。このような扇形の第１ギア１７ｃ、１７ｄを用いると、第１ギア１７ｃ、１７ｄの内径側に空間を確保できる。ここで、第１ギア１７ｃは長軸の取り付け軸１６ａに取り付けるギアであり、第１ギア１７ｂは短軸の取り付け軸１６ｂに取り付けるギアである。

扇形の第１ギア１７ｃ、１７ｄを用いると、隣り合うギアと１７ｃ、１７ｃ；１７ｄ、１７ｄ間の空間がより広くなるから、さらに第１ギア１７ｃ、１７ｄを大径化することができる。上記実施例では、第１ギア１７ａ〜１７ｄを、軸方向に２列配列しているが、第１ギアの取り付け軸の軸長を３種類以上として、第１ギアを軸方向に３列以上配列しても良い。この場合、構造は少し複雑になるが、流量調節装置３０の小型化が期待できる。

上記各実施例では、長短２種類の軸１６ａ、１６ｂに第１ギア１７ａ〜１７ｄを取り付けているが、第１ギア１７ａ〜１７ｄを取り付ける軸の長さは同じであっても良い。ただし、この場合でも、第１ギア１７ａ〜１７ｄは交互にまたはある規則に従って、その軸方向取り付け位置を変えておく必要がある。第１ギア１７ａ〜１７ｄの取り付け軸を同一長さにすると、加工が簡単になる利点もある。

本発明に係る遠心圧縮機の主要部の縦断面図である。図１に示した遠心圧縮機が備える流量調節装置の斜視図である。本発明に係る流量調節装置の変形例の斜視図である。

符号の説明

１０…遠心圧縮機、１１…主軸（回転軸）、１２…羽根車、１３…ダイアフラム、１４…ケーシング、１５…インレットガイドベーン、１６…取り付け軸、１７…第１ギア、１８…リングギア、１９…第２ギア、２０…駆動軸、２１…ギア駆動部、３０…流量調節装置。

Claims

回転軸と、この回転軸に取り付けられた少なくとも１枚の遠心羽根車と、遠心羽根車の上流の流路を規定する１対のダイアフラムと、これら回転軸と遠心羽根車とダイアフラムとを収容するケーシングとを有し、前記回転軸を駆動装置で回転駆動して、吸込まれた気体を圧縮する遠心圧縮機において、前記遠心羽根車の吸込み側上流に形成される円環状の前記流路内であって同一ピッチ円上に配置されたそれぞれが揺動可能な複数個のインレットガイドベーンと、このインレットガイドベーンを一端側に取り付け他端側に第１ギアを取り付けた取り付け軸と、前記第１ギアのすべてと噛み合い前記回転軸と同軸に配置されたリングギアと、前記第１ギアが噛み合う噛み合い面とは異なるリングギアの噛み合い面で噛み合う第２ギアとを備える流量調節装置を設け、前記第１のギアの軸方向位置を隣り合う第１のギアで異ならせたことを特徴とする遠心圧縮機。
前記取り付け軸は長短２種類あり、この２種類の取り付け軸を互いに隣り合わせて配置して、第１のギアの配置面を軸方向に２箇所としたことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記第１のギアは円周の一部にだけ歯が形成されており、この第１のギアの形状がほぼ扇形であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記リングギアは内周面で前記第１ギアと噛み合い、外周面で第２ギアと噛み合うことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記リングギアは外周面の一部にだけ歯が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の遠心圧縮機。