JP5023903B2

JP5023903B2 - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP5023903B2
Application number: JP2007233972A
Authority: JP
Inventors: 治雄三浦; 哲也桑野; 洋一村井; 雅彦小野; 耕作大野
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: JP2009062965A

Description

本発明は、遠心圧縮機に関し、特に炭化水素系ガスや炭酸ガスをはじめ各種ガスを取り扱う取り扱い流量（吸い込み流量）が変動する用途に用いて好適な遠心圧縮機に関する。

従来、このような分野の遠心圧縮機として特許文献１に示されたようなバーレル型ケーシングを有する遠心圧縮機がある。また、このような遠心圧縮機に取り付けた容量調整装置としては、特許文献２、非特許文献１等に記載されているものが知られている。

そして、一軸に複数枚の羽根車を装着した遠心圧縮機は吸い込み流路が半径方向に形成される。そのような遠心圧縮機の容量調節としては、一般にロータを取り囲む円周方向に複数枚のインレットガイドベーンを配置し、その軸に取り付けたギアを一つのリングギアに噛み合わせ、該リングギアを一本の駆動軸に設けられたギアで回動する構造となっている。

このリングギアは、ロータの円周方向に配置されたインレットガイドベーンのベーン軸を均等に円滑に回動するために、ロータの軸心に対してある程度の同軸度精度を保持する必要がある。

そこで、特許文献１、２、非特許文献１には詳細構造が記載されていないが、一般にはリングギアとベーンギアとの間に潤滑油を塗布することにより、リングギアとベーンギアとの間で生じる摺動磨耗を低減し、リングギアがロータの軸心と同軸度を保ちながら回動させるようにしている。

特開昭５５−７９１４号公報特開２００３−２６９３９４号公報マンネスマンデマグデラバル社（Mannesmann Demag Delaval社）の製品カタログ、１９９８年版、ｐ．２０

上述したような半径方向吸い込み流路に設けられたインレットガイドベーン駆動装置において、複数枚のインレットガイドベーンを回動するリングギアは、ロータの軸心との同軸度を保つ必要がある。リングギアは一方では（例えば内周側）インレットガイドベーンのベーンギアと噛み合い、片方では（例えば外周側）リングギアを回動するための駆動ギアと噛み合う。リングギアは両ギアの間に浮遊している構成になっている。

このため、リングギアはリングギアの自重や駆動軸ギアからの外力を受けて、ロータの軸心から偏心しようとする。もし、同軸度を保つ部材がなければ、偏心し、インレットガイドベーンのベーンギアとリングギアとの噛み合い部は一部では深くなり、その反対方向では浅くなる。噛み合いが深くなるとピッチ円での噛み合いでなくなるので、双方の歯先、歯元あるいは歯底が接触し、滑らかな噛み合いが損なわれる。そうなると異常な力がかかり、異常磨耗や破損の要因にもなりかねない。

従って、リングギアを円滑に周方向に回動するためには、ロータの軸心に対してリングギアの軸心を同一に保つ必要がある。そこで、従来ではリングギアとベーンギアとの間に摺動抵抗の小さな潤滑油を塗布していた。しかし、遠心圧縮機の取り扱いガスの要求（例えば、−１００℃以下の低温状態）から潤滑油の使用ができない場合があるという問題がある。

そこで本発明では、リングギアとインレットガイドベーンのベーンギアとの噛み合いをロータの円周方向に亘って均一化できると共に、両者の間で生じる摺動抵抗、摺動磨耗を低減できる遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明はケーシングに設けたノズルから吸い込まれたガスを静止流路である半径方向吸い込み流路から羽根車に吸い込むものであって、ロータに取り付けた前記羽根車の入口流れ角を、前記吸い込み流路に設けたインレットガイドベーン装置により変化させて吸い込み流量を調整する遠心圧縮機において、前記インレットガイドベーン装置は、前記静止流路に前記ロータを取り囲むように前記ロータの円周方向に間隔を置いて配置されると共に、前記ロータの軸心と平行に配置されたベーン軸を有する複数のインレットガイドベーンと、前記複数のインレットガイドベーンの各々のベーン軸に設けられたベーンギアと、内周側に前記各ベーンギアに噛み合う内歯が、外周面の一部に外歯がそれぞれ形成され、前記ロータの軸心周りに回動可能なリングギアと、前記リングギアの前記外歯と噛み合い、該リングギアを回動させる駆動軸ギアと、を備え、前記リングギアの内周側であって前記内歯に軸方向に隣り合ってその周方向に全周に亘って前記リングギアのピッチ円と同一径のローラ転がり接触面を設け、前記複数のインレットガイドベーンのベーン軸にはインレットガイドベーンの前記ベーンギアのピッチ円と同一径を有するローラを設け、前記ローラと前記ローラ転がり接触面とを互いに転がり接触させたことを特徴としている。

このように構成することにより、リングギアが駆動軸ギアによって回動されると、リングギアの内周に噛み合うように装着されたインレットガイドベーンのベーン軸に設けられたベーンギアが回動し、インレットガイドベーンが回動する。

このとき、インレットガイドベーンのベーン軸に取り付けたローラの外周面とリングギアの内周側に設けられたローラ転がり接触面とが接触し、リングギアの回動中心がロータの軸心と同軸になるように制御される。また、ローラとローラ転がり接触面とが転がり接触することにより、リングギアとベーンギアとの摩擦抵抗を低減することができる。さらに、ローラは転がり接触であるので、ローラの材質も例えば金属材を使用することができる。このようにすれば材料の熱膨張係数の違いもなくなり、構造設計上好都合にもなる。

本発明によれば、リングギアに形成したローラ転がり接触面とローラとを転がり接触させることができるため、静止流路に設けたインレットガイドベーン装置において、インレットガイドベーンのベーン軸を回動するリングギアを、摺動摩擦を伴うことなくロータの軸心と同軸で回動することができるので、磨耗寿命の虞れがなく、信頼性の高い遠心圧縮機を提供することができる。

本発明の遠心圧縮機の第１の実施の形態を図１乃至図４を用いて説明する。

図１は遠心圧縮機の吸い込み部付近の縦断面図である。図１において羽根車２が取り付けられたロータ１は、ケーシング３、ヘッドフランジ４内に軸受６で支持されて回転し、これによりガスを圧縮する。軸受６の内側（機内側）には軸封装置５が取り付けられている。ケーシング３にはノズル７が取り付けられており、ノズル７から吸い込まれたガスは静止流路部である半径方向吸い込み流路部８を通り、羽根車２へと吸い込まれる。複数枚の羽根車で圧縮されたガスは吐出ノズル（図示せず）から吐出される。

インレットガイドベーン装置３３は、インレットガイドベーン１１ａ、ベーン軸１１ｂ、ベーンギア１２、リングギア１３、ギア１４、駆動軸１５およびアーム１６、１７等によって構成される。

ここで、インレットガイドベーン１１ａは、半径方向吸い込み流路部８の内部に設けられている。また、このインレットガイドベーン１１ａには取り付け軸であるベーン軸１１ｂが取り付けられている。インレットガイドベーン１１ａは、ロータ１を取り囲むようにロータ１の円周方向に複数枚配置されている。インレットガイドベーン１１ａのベーン軸１１ｂにはベーンギア１２が取り付けられ、このベーン軸１１ｂはインレットガイド軸受１８によって回動可能に軸支されている。

一方、インレットガイドベーン１１ａのベーン軸１１ｂの半径方向外側には、全てのインレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２と噛み合う内歯を有するリングギア１３が設けられ、該リングギア１３の外周面の一部には外歯が設けられている。

さらに、リングギア１３の半径方向外側には、該リングギア１３の外歯と噛み合うギア１４があり、該ギア１４は駆動軸１５に取り付けられている。駆動軸１５は、ヘッドフランジ４をロータ１の軸心方向に貫通して取り付けられている。また、遠心圧縮機の外側端部にはアーム１６、１７が取り付けられ、クランク機構を構成している。このクランク機構はサーボモータ等の適当な駆動機により、揺動される。即ち、クランク機構によって、駆動軸１５が回動されると駆動ギア１４が回動してリングギア１３が回動し、これに伴ってベーンギア１２が回動し、インレットガイドベーン１１が回動する。

インレットガイドベーン１１が回動することにより、吸い込みノズル７から吸い込まれたガスは、ロータ１の軸心に対して直角断面から見たときに、ロータ１の周方向の流れ成分をもつことになる。即ち、遠心圧縮機の下流プラントのガスの需要量が減少したとき、羽根車２の入口の軸方向流速の減少に応じてロータ１の周方向の流れ成分を変更し、羽根車２の羽根の入口流れ角度を羽根角度に合わせて調節することにより、羽根入口衝突損失を最小にできる。言い換えると、遠心圧縮機の容量が変化したときに、羽根車が失速を発生する吸い込み流量を小さくできるので、インレットガイドベーン装置がない場合に比べて、小流量域への作動範囲を拡大できる。

図２は図１中の駆動軸１５、リングギア１３およびインレットガイドベーン１１ａ等を示す部分拡大図を示す。インレットガイドベーン１１ａのベーン軸１１ｂにはベーンギア１２に平行して、ローラ２１を併設する。そして、ローラ２１の外径はインレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２のピッチ円直径と同一に形成される。なお、ローラ２１は全てのインレットガイドベーン１１ａのベーン軸１１ｂに取り付けてもよいが、経済性を考慮して円周方向に等間隔に数箇所取り付けるようにしてもよい。

ここで、リングギア１３側には、該リングギア１３の側面の径方向中間部に突設されて当該側面の周方向に全周に亘って延びるリング状突起部３１の内周面とリングギア１３の側面との間に形成された断面略Ｌ字状の切欠部３２内にリング部材２２が嵌着される。このリング部材２２は、インレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２と噛み合うリングギア１３のピッチ円直径と内径を同じとする断面略四角形の環状体として形成されている。そして、リング部材２２の内周面は、ローラ２１が転がり接触する転がり接触面２２ａとなっている。

なお、リング部材２２はリングギア１３のリング状突起部３１と一体でもよいが、リングギア１３の内歯の加工の容易さを考慮すると別部材にした方が好都合である。

図３は本実施の形態の遠心圧縮機をロータ軸の直角方向からみた図である。リングギア１３の外側には、駆動軸１５が配置されると共に駆動軸１５のギア１４とリングギア１３の外歯との間には噛み合い部１９が形成される。駆動軸１５はアーム１６、１７等から構成されるリンク機構によって回動される。

さらに、図４は本発明のリングギア１３とベーンギア１２の噛み合い部１９、およびリングギア１３の内歯ピッチ円を内周とする面と上述のローラ２１との接触部をロータ１の軸の直角方向から見たものである。

リングギア１３が駆動軸１５のギア１４によって回動されると、図４に示すように、リングギア１３の内周に噛み合うように装着されたインレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２が回動し、インレットガイドベーン１１ａが回動する。このとき、一方では、インレットガイドベーンのベーン軸１１ｂにインレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２と共にキー３７によって廻り止め状態で取り付けられたローラ２１の外周面とリングギア１３側のリング部材２２内周面とが接触し、リングギア１３の回動中心がロータ１の軸心と同軸になるように調整される。

このように構成することにより、リングギア１３が駆動軸１５のギア１４によって回動されると、リングギア１３の内周に噛み合うように装着されたインレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２が回動するとき、同時にベーン軸１１ｂに取り付けたローラ２１の外周面リングギア１３に取り付けたリング部材２２の内周面であるローラ転がり接触面２２ａが接触し、リングギア１３は中心がロータ１の軸心と同軸度を保ちながら回動する。このときのローラ２１の外周面とリング部材２２との接触面がインレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２とリングギア１３との噛み合いピッチ円と同一にしてあるので、転がり接触になる。

従って、このように転がり接触にできるのでベーンギア１２とリングギア１３との摩擦抵抗を小さくできると共に、摺動摩擦を伴わないので、磨耗を防ぐことができる。さらに、転がり接触であるので、ローラ２１の材質も例えば金属材を使用することができる。このようにすれば材料の熱膨張係数の違いもなくなり、構造設計上好都合にもなる。

しかも、本実施の形態では遠心圧縮機を大気圧で少なくとも−１００℃以下の過酷な環境で使用する場合でも、ローラ２１とリング部材２２とを転がり接触させて、ベーンギア１２とリングギア１３との摺動摩擦をなくすことができるため、ベーンギア１２とリングギア１３との噛み合い部等に潤滑油を塗布して潤滑油が凍るような不具合を解消することができる。

次に、図５および図６は本発明の第２の実施の形態を示している。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略するものとする。

図５および図６では、リングギア２３とインレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２との噛み合い部付近の構造のみを示す。本実施の形態では、図５に示すように、リングギア２３の内歯を一体（リングギア２３を二つ割れにして、両者のフランジ面で締め付けるようにして一体化したものも一体として含む）のリングギア２３から削り出している。

また、このリングギア２３の側面にはリング状突起部４０が形成され、その内周側はローラ転がり接触面４０ａとなっている。そして、ローラ２１とリング状突起部４０とが転がり接触するように、リング状突起部４０は、ベーンギア１２とリングギア１３との噛み合いピッチ円を内周とする円筒面になるように加工したものである。

また、図６は図４と同様に、リングギア２３とインレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２の噛み合い部、およびリングギア２３の内歯のピッチ円を内周とする面とローラ２１との接触部をロータ軸の直角方向から見たものである。
インレットガイドベーン１１ａのベーン軸１１ｂに取り付けたローラ２１が転がり接触するリングギア２３の内周面は歯底部分が残っているため、凹凸が存在するが、インレットガイドベーン１１ａのベーン軸１１ｂが複数枚存在することにより、リングギア１３をほぼロータ１の軸心と同軸を保って回動することができる。

なお、インレットガイドベーン１１ａのベーンギア１２を歯切り加工後、幅方向一部をピッチ円を外周とする円筒面に加工し、一方、リングギア１３側には内歯のピッチ円を内周とする部材（図２のリング部材２２）を取り付け、両者が転がり接触するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態による遠心圧縮機を示す縦断面図である。図１中の駆動軸、リングギアおよびインレットガイドベーン等を示す部分拡大図である。図１中の遠心圧縮機をロータ軸の直角方向から見た正面図である。図４中のリングギア、インレットガイドベーンおよびローラ等を示す部分拡大図である。本発明の第２の実施の形態による遠心圧縮機の駆動軸、リングギアおよびインレットガイドベーン等を示す部分拡大図である。本発明の第２の実施の形態による遠心圧縮機のリングギア、インレットガイドベーンおよびローラ等を示す部分拡大図である。

符号の説明

１…ロータ、２…羽根車、３…ケーシング、４…ヘッドフランジ、５…軸封装置、６…軸受、７…吸い込みノズル、８…半径方向吸い込み通路、１１ａ…インレットガイドベーン、１１ｂ…ベーン軸、１２…ベーンギア、１３…リングギア、１４…ギア、１５…駆動軸、１６，１７…アーム、１８…インレットガイド軸受、１９…噛み合い部、２１…ローラ、２２…リング部材、２３…リングギア、３１…リング状突起部、３２…Ｌ字状の切欠部、３３…インレットガイドベーン装置、３７…キー、４０…リング状突起部、４０ａ…ローラ転がり接触面。

Claims

ケーシングに設けたノズルから吸い込まれたガスを静止流路である半径方向吸い込み流路から羽根車に吸い込むものであって、ロータに取り付けた前記羽根車の入口流れ角を、前記吸い込み流路に設けたインレットガイドベーン装置により変化させて吸い込み流量を調整する遠心圧縮機において、
前記インレットガイドベーン装置は、
前記静止流路に前記ロータを取り囲むように前記ロータの円周方向に間隔を置いて配置されると共に、前記ロータの軸心と平行に配置されたベーン軸を有する複数のインレットガイドベーンと、
前記複数のインレットガイドベーンの各々のベーン軸に設けられたベーンギアと、
内周側に前記各ベーンギアに噛み合う内歯が、外周面の一部に外歯がそれぞれ形成され、前記ロータの軸心周りに回動可能なリングギアと、
前記リングギアの前記外歯と噛み合い、該リングギアを回動させる駆動軸ギアと、を備え、
前記リングギアの内周側であって前記内歯に軸方向に隣り合ってその周方向に全周に亘って前記リングギアのピッチ円と同一径のローラ転がり接触面を設け、
前記複数のインレットガイドベーンのベーン軸にはインレットガイドベーンの前記ベーンギアのピッチ円と同一径を有するローラを設け、
前記ローラと前記ローラ転がり接触面とを互いに転がり接触させたことを特徴とする遠心圧縮機。
前記リングギアの側面には該側面の周方向に全周に亘って延びるリング状突起部を設け、該リング状突起部と前記側面との間にはリング部材を嵌合して取り付け、該リング部材の内周面を前記ローラ転がり接触面としたことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
使用環境が大気圧で少なくとも−１００℃以下の低温で使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。