JP5163932B2 - 歯車駆動ターボ圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、羽根車とケーシングとの過大接触を回避する歯車駆動ターボ圧縮機に関する。

歯車駆動ターボ圧縮機とは、電動機、エンジン、タービン等の回転を歯車増速機で増速してターボ圧縮機を高速で回転駆動する装置をいう。

図３は、従来の歯車駆動ターボ圧縮機を示す模式図である。この図において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）はそのＣ部拡大図である。
この例において、歯車駆動ターボ圧縮機５０は４段圧縮機であり、４つのコンプレッサインペラ５１（以下、羽根車と呼ぶ）で対象ガスを順次圧縮し高圧を得るようになっている。なお図３Ｂにおいて、羽根車を囲むケーシング（コンプレッサハウジング）とガス流路は図示を省略している。

図３Ａにおいて、５２は大歯車、５３は小歯車であり、大歯車５２を図示しない駆動装置（電動機、エンジン、タービン等）で回転駆動し、この回転により小歯車５３を増速し、その両端に取り付けられた羽根車５１を高速回転する。大歯車５２と小歯車５３とからなる歯車増速機の増速比は通常１０倍程度であり、各羽根車は、毎分約１万回転〜毎分数万回転で高速回転する。
大歯車５２と小歯車５３が収容される歯車箱５４の下部には水平に延びる防風板５５が取り付けられており、各歯車の高速回転により歯車箱５４内に生じる高速の空気流により下方に位置する潤滑油５６の流れを乱さないようになっている。

図３Ｂにおいて、５７は小歯車軸に小歯車を挟んで固定されたスラストカラーであり、５８は大歯車軸のスラストを支持するスラスト軸受である。各羽根車に作用するスラスト力と大歯車と小歯車の噛み合いによるスラスト力は、スラストカラー５７及びその間で摺動可能に支持された大歯車５２を介してスラスト軸受５８に伝達され支持される。
スラスト軸受５８は、高負荷であるため一般的に滑り軸受が用いられる。

なお、本発明の歯車駆動ターボ圧縮機と関連する技術が、例えば特許文献１、２に開示されている。

特許文献１の「遠心圧縮機」は、圧縮機の起動時から定常運転状態に至る間は意図的にオープン型羽根車の羽根先端とシュラウド部との隙間を大きくして１次危険回転数を通過する際の共振による接触を避け、定常運転状態となった時点で隙間を小さくすることを目的とする。
図４に示すように、この遠心圧縮機は、羽根車６１の軸方向位置をピニオン軸６２のスラストカラー６８とギヤ軸のギヤスラスト受け面を介してギヤ軸６３のスラスト軸受６５で規制し、かつスラスト軸受６５を軸方向に移動させる油圧または空気圧作動機構を設け、スラスト軸受の軸方向移動により起動時と定常運転時とで羽根車の軸方向位置を変え、オープン型羽根車の羽根先端とケーシングのシュラウド部との隙間を調節できるようにしたものである。

特許文献２の「タービン膨張機のスラスト軸受」は、スラスト板を必要としないタービン膨張機のスラスト軸受を提供することを目的とする。
図５に示すように、この発明は、極低温発生用などに使用されるタービン膨張機において、タービン翼車７１とコンプレッサ翼車７４の一方又は両方の前面又は背面に対向する位置に前記面との間に微小隙間を介して螺旋状の溝をつけた軸受体７２，７３を設置したものである。

特開平０１−２６７３９７号公報、「遠心圧縮機」 特開平０４−３１２２１０号公報、「タービン膨張機のスラスト軸受」

歯車駆動ターボ圧縮機では、羽根車で発生する高圧ガスにより、小歯車軸に軸方向のスラスト力が発生する。羽根車は、毎分約１万回転〜毎分数万回転で高速回転するため、小歯車軸に直接スラスト軸受を設けると、摺動ロスが大きくなる。
そのため、上述したように、従来の歯車駆動ターボ圧縮機では、小歯車軸のガススラスト力を、スラストカラーを介して大歯車軸に伝達し、大歯車軸に設置されたスラスト軸受で支持するようになっている。
また、このような歯車駆動ターボ圧縮機では、図３Ｂに示すように、大歯車軸の軸移動を計測する非接触距離センサ５９を設け、大歯車軸の軸移動を常時監視し、過大な軸移動が発生した場合、圧縮機を停止するようになっている。

すなわち図３Ｃに示すように、羽根車５１とケーシング６０との軸方向隙間は、数ｍｍ（例えば２〜３ｍｍ）にすぎないため、スラスト軸受５８の摩耗等により大歯車軸の軸移動が過大となった場合には、羽根車５１とケーシング６０とが直接接触しないように圧縮機を停止するようになっている。過大接触とは、羽根車５１とケーシング６０の直接接触、そして、羽根車５１とケーシング６０との間に接触を許容できる材質がライニングされている場合は、このライニングの厚みを超えて羽根車５１とケーシング６０が接触することをいう。

しかし、羽根車５１の回転速度は毎分数万回転に達する高速であり、大歯車軸の慣性モーメントも大きいため、圧縮機を停止しても完全に停止するには数秒〜数分の時間を必要とする。そのため、圧縮機の停止が間に合わない場合は、羽根車とケーシングの過大接触を引き起こし、羽根車やケーシングの損傷、過熱等を生じる可能性があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、大歯車軸に過大な軸移動が発生した場合、またはスラストカラーの不具合（抜けなど）が発生した場合でも、羽根車とケーシングとの過大接触を本質的に回避することができる歯車駆動ターボ圧縮機を提供することにある。

本発明によれば、外部駆動装置により大歯車軸の軸心を中心に回転駆動される大歯車と、
該大歯車と歯合し小歯車軸の軸心を中心に高速回転する小歯車と、
前記小歯車軸に固定されその軸心を中心に高速回転する羽根車と、
前記小歯車軸に固定され前記大歯車の側面を摺動可能に支持し小歯車軸のスラスト力を大歯車に伝達するスラストカラーと、
前記大歯車軸に作用するスラスト力を支持するスラスト軸受とを備えた歯車駆動ターボ圧縮機であって、
前記スラスト軸受で支持された小歯車軸が所定の閾値を超えて軸方向に移動するときにその移動量を制限するスラスト方向移動量制限器を備えた、ことを特徴とする歯車駆動ターボ圧縮機が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記スラスト方向移動量制限器は、前記大歯車と小歯車が収容された歯車箱内側に取り付けられ、前記スラストカラーの外面から前記所定の閾値を隔てて位置する摺動面を有する。

また、前記スラスト方向移動量制限器は、前記小歯車軸の半径方向力を支持するラジアル軸受を収容する円形貫通穴に取り付けられ、上下に分割可能な中空リング部材であり、その下方にラジアル軸受から排出される潤滑油を通す貫通穴を有する。

上記本発明の構成によれば、大歯車軸のスラスト軸受で支持された小歯車軸が所定の閾値を超えて軸方向に移動するときにその移動量を制限するスラスト方向移動量制限器を備えるので、正常な運転時には、大歯車軸のスラスト軸受により小歯車軸の軸移動量は所定の閾値以下であり、スラスト方向移動量制限器は機能せず、所定の閾値を超える過大な軸移動が発生した場合だけ機能してその移動量を制限する。
従って、羽根車とケーシングとの過大接触を本質的に回避するように所定の閾値を設定することで、大歯車軸に過大な軸移動が発生した場合に、羽根車とケーシングとの過大接触を本質的に回避することができる。

スラスト方向移動量制限器が、大歯車と小歯車が収容された歯車箱内側に取り付けられ、スラストカラーの外面から所定の閾値を隔てて位置する摺動面を有する構成により、正常な運転時には、大歯車軸のスラスト軸受によりスラストカラーの外面とスラスト方向移動量制限器の摺動面の間に常時隙間があるので、スラスト方向移動量制限器は機能せず、所定の閾値を超える過大な軸移動が発生した場合には、スラストカラーの外面にスラスト方向移動量制限器の摺動面が接触してそれ以上の軸移動を制限することができる。

またスラスト方向移動量制限器が、小歯車軸の半径方向力を支持するラジアル軸受を収容する円形貫通穴に固定され、上下に分割可能な中空リング部材である構成により、歯車箱を上下に分割した状態で、スラスト方向移動量制限器を歯車箱から容易に脱着可能であり、スラスト方向移動量制限器の取付面の軸方向位置を微調整するためにスラスト方向移動量制限器を調整加工することができる。
さらに、スラスト方向移動量制限器の下方にラジアル軸受から排出される潤滑油を通す貫通穴を有する。スラスト制限器は、ラジアル軸受からの排油が歯車箱内部に飛散するのを防止することができ、スラスト制限器の貫通穴より排油を適切に歯車箱下方へ排出することができる。これにより高速で回転する部品(歯車など)に飛散した排油がかかる可能性が少なくなり、油の攪拌損失を防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、図３（Ｂ）に対応する本発明による歯車駆動ターボ圧縮機の部分断面図である。この図において、本発明の歯車駆動ターボ圧縮機１０は、大歯車１２、小歯車１４、羽根車１６、スラストカラー１８、及びスラスト軸受２０を備える。
この図において、本発明の歯車駆動ターボ圧縮機１０は、４段圧縮機であるが、本発明はこれに限定されず、１段圧縮機でも、２、３段、又は５段以上の圧縮機であってもよい。

大歯車１２は、図示しない外部駆動装置（電動機やエンジンやタービン）により大歯車軸１１の軸心を中心に回転駆動される。大歯車１２は、小歯車１４を増速するように小歯車１４より１０倍程度歯数の多い平歯車、ハスバ歯車、またはヤマバ歯車であるのが好ましいが、本発明はこれらに限定されず、増速機能を有する限りで他の歯車であってもよい。

小歯車１４は、大歯車１２と歯合し、小歯車軸１３の軸心を中心に高速回転する。小歯車１４は、この図の左側に１つのみを示しているが、４段圧縮機の場合には図の右側に別の小歯車を設けるのがよい。

羽根車１６は、小歯車軸１３に固定されその軸心を中心に高速回転する。羽根車１６は、この例では、小歯車軸１３の両端に設けているが、一方のみでもよい。また、この図において、羽根車を囲むケーシング（コンプレッサハウジング）とガス流路は図示を省略している。

スラストカラー１８は、小歯車軸１３のまわりに固定され、大歯車１２の側面を摺動可能に支持し、小歯車軸１３のスラスト力を大歯車１２に伝達する。この例で、２つスラストカラー１８が、大歯車１２の歯部を軸方向に挟持しているが、羽根車１６が小歯車軸１３の一端のみに設けられる場合には、そのスラスト力を受けるように、スラストカラー１８を１つにしてもよい。
スラストカラー１８と大歯車１２の歯部との隙間は、油潤滑により低抵抗で摺動可能な限りで十分小さい隙間（例えば、０．１〜０．２ｍｍ）に設定する。

スラスト軸受２０は、大歯車軸１１に作用するスラスト力を支持する。この例では、スラスト軸受２０は、大歯車軸１１に作用するラジアル力も支持できるようになっているが、本発明はこれに限定されない。

図１において、２２は、小歯車軸１６の半径方向力を支持するラジアル軸受である。このラジアル軸受２２は、好ましくは滑り軸受であり、図示しない流路を介して潤滑油が供給されている。
また、２３は、ガスシールであり、羽根車１６で加圧されたガスが、ラジアル軸受２２に流入しないようになっている。ガスシール２３は、ラビリンスシール、ドライガスシール、オイルフィルムシール、メカニカルシール等を用いることができる。

図１において、本発明の歯車駆動ターボ圧縮機１０は、さらにスラスト方向移動量制限器３０を備える。スラスト方向移動量制限器３０は、スラスト軸受２０で支持された小歯車軸１３が所定の閾値ａを超えて軸方向に移動するときにその移動量を制限するようになっている。スラスト軸受２０が過剰に摩耗した場合、またはスラストカラーの不具合（抜けなど）が発生した場合などに、このような状態となりうる。

この図において、スラスト方向移動量制限器３０は、大歯車１２と小歯車１４が収容された歯車箱１５の内側に取り付けられ、スラストカラー１８の外面（この例では、補助スラストカラー１７の外面）から所定の閾値ａ（図示せず）を隔てて位置する摺動面（後述する３１）を有する。
なお、補助スラストカラー１７は不可欠ではなく、スラストカラー１８と一体に形成してもよい。

上記所定の閾値ａは、羽根車１６とケーシング（図示せず）との過大接触を本質的に回避するように設定するのがよい。
本発明の歯車駆動ターボ圧縮機１０は、さらに大歯車軸１１（この例では大歯車１２）の軸移動を計測する非接触距離センサ２４を備える。非接触距離センサ２４は、大歯車軸１１又は大歯車１２の軸移動を非接触で検出できる磁気センサ、過流センサ、静電容量センサ、光学センサ等である。
この非接触距離センサ２４の出力は、図示しない制御ラインを介して制御装置に入力され、この制御装置で大歯車軸１１の軸移動を常時監視し、過大な軸移動が発生した場合、圧縮機を停止するようになっている。

上述した本発明の構成によれば、大歯車軸１１のスラスト軸受２０で支持された小歯車軸１３が所定の閾値ａを超えて軸移動するときにその軸移動を制限するスラスト方向移動量制限器３０を備えるので、正常な運転時には、大歯車軸１１のスラスト軸受２０により小歯車軸１３の軸移動は所定の閾値ａ以下であり、スラスト方向移動量制限器３０は機能せず、所定の閾値ａを超える過大な軸移動が発生した場合だけ機能してその軸移動を制限する。

従って、大歯車軸１１に過大な軸移動が発生した場合に、羽根車１６とケーシングとの過大接触を本質的に回避することができる。

図２は、本発明のスラスト方向移動量制限器３０の具体例を示す図であり、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。
この図に示すように、スラスト方向移動量制限器３０は、上下に２分割可能な中空リング部材であり、小歯車軸１３の半径方向力を支持するラジアル軸受２２を収容する円形貫通穴に取り付けられている。
また、スラスト方向移動量制限器３０は、その下方にラジアル軸受２２から排出される潤滑油を通す貫通穴３２を有する。

スラスト方向移動量制限器３０の摺動面３１には、ホワイトメタルが鋳込まれ、摺動時の抵抗を小さくしている。なお、摺動面３１はなじみのよい滑り軸受等で使用される軸受材やコーティング材であれば、別の材質でもよい。または摺動面３1にはスラスト制限器３０の母材を表面硬化処理したり、母材そのままでも良い。
スラスト方向移動量制限器３０は、歯車箱の小歯車軸１３（直接的には補助スラストカラー１７）を支持できる位置に設置されている。
またスラスト方向移動量制限器３０の摺動面３１の軸方向位置を微調整するためにスラスト方向移動量制限器３０を調整加工する都合から、歯車箱１５から容易に脱着可能な構造となっている。すなわち、スラスト方向移動量制限器３０の取り付けは、歯車箱側の溝にスラスト方向移動量制限器３０を嵌めこむ構造となっている。この場合、スラスト方向移動量制限器３０の上半分を上側の歯車箱側の溝に嵌め、スリット部３３を上側歯車箱に固定するのがよい。
また、スラスト方向移動量制限器３０は軸受からの排油が歯車箱内部に飛散するのを防止する役割も兼ねている。

なお、スラスト方向移動量制限器３０の取り付けは、溝への嵌め込みでなく、ボルト締めでもよい。また、スラスト方向移動量制限器３０を大歯車軸１１に設置してもよい。

上述した構成により、通常運転時は、スラスト方向移動量制限器３０とスラストカラー１８（又は補助スラストカラー１７）との軸方向隙間は確保されているが、小歯車軸１３に軸方向移動が生じればこの隙間は減少する。従って軸移動量が過大な値に達すると、隙間がゼロになり、スラストカラー１８（又は補助スラストカラー１７）の外面にスラスト方向移動量制限器３０の摺動面３１が接触してそれ以上の軸移動を制限することができる

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による歯車駆動ターボ圧縮機の部分断面図である。 本発明のスラスト方向移動量制限器３０の具体例を示す図である。 従来の歯車駆動ターボ圧縮機を示す模式図である。 特許文献１の「遠心圧縮機」の模式図である。 特許文献２の「タービン膨張機のスラスト軸受」の模式図である。

符号の説明

１０ 歯車駆動ターボ圧縮機、１１ 大歯車軸、１２ 大歯車、
１３ 小歯車軸、１４ 小歯車、１６ 羽根車、
１７ 補助スラストカラー、１８ スラストカラー、
２０ スラスト軸受、２２ ラジアル軸受、
２３ ガスシール、２４ 非接触距離センサ、
３０ スラスト方向移動量制限器、３１ 摺動面、
３２ 貫通穴、３３ スリット部

Claims (3)

1. 外部駆動装置により大歯車軸の軸心を中心に回転駆動される大歯車と、
   該大歯車と歯合し小歯車軸の軸心を中心に高速回転する小歯車と、
   前記小歯車軸に固定されその軸心を中心に高速回転する羽根車と、
   前記小歯車軸に固定され前記大歯車の側面を摺動可能に支持し小歯車軸のスラスト力を大歯車に伝達するスラストカラーと、
   前記大歯車軸に作用するスラスト力を支持するスラスト軸受とを備えた歯車駆動ターボ圧縮機であって、
   正常な運転時には、大歯車軸の前記スラスト軸受により前記小歯車軸の軸方向の移動量は所定の閾値以下であり、
   前記スラスト軸受で支持された小歯車軸が前記所定の閾値を超えて軸方向に移動するときにその移動量を制限するスラスト方向移動量制限器を備えた、ことを特徴とする歯車駆動ターボ圧縮機。
2. 前記スラスト方向移動量制限器は、前記大歯車と小歯車が収容された歯車箱内側に取り付けられ、前記スラストカラーの外面から前記所定の閾値を隔てて位置する摺動面を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の歯車駆動ターボ圧縮機。
3. 前記スラスト方向移動量制限器は、前記小歯車軸の半径方向力を支持するラジアル軸受を収容する円形貫通穴に取り付けられ、上下に分割可能な中空リング部材であり、その下方にラジアル軸受から排出される潤滑油を通す貫通穴を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の歯車駆動ターボ圧縮機。
   

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