JP5410928B2 - 多段遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも３段の圧縮段を備えた多段遠心圧縮機であって、各圧縮段が、気体流入領域を形成するそれぞれ１つのケーシング部分と、気体流出領域を形成するそれぞれ１つのケーシング部分とを備え、各圧縮段それぞれの羽根車が、それぞれの軸形成部材と共に、ラジアル軸受及びアキシャル軸受で案内されるロータを形成している前記多段遠心圧縮機に関するものである。

遠心圧縮機においては、気体は、軸方向へ、圧縮段の羽根車に対して流入し、ブレードによって方向変換され、かつ、加速される。また、この気体は、羽根車の外周部において、羽根車中間室から大きな速度で放出され、長手方向に沿って径が拡大するディフューザへ流入する。そして、このディフューザにおいて、この気体の速度が急激に減少する。すなわち、運動エネルギーが圧力エネルギーに変換され、最終的には、圧縮され、かつ、加熱された気体がらせん状の収集室ケーシング内で流出側接続ピースへ案内される。

ところで、駆動軸上に複数の羽根車を並設することで高い圧力を得ることができ、これら羽根車は、同回転数で駆動され、軸形成部材と共に、共通の軸受と駆動部を有する共通のロータを形成するようになっている。このような一軸の遠心圧縮機のラジアル軸受は、その多くが軸端部に配置されている。また、アキシャル軸受も、ロータが長さ方向にのみ変位するよう軸端部に配置されている。

このような遠心圧縮機のケーシングは、水平方向に分割されているか、又は外部において一体のケーシングジャケットを備えている。ここで、ケーシングが水平方向に分割されている場合、ロータは、ケーシング下半部とケーシング上半部によって包囲されている。そして、ロータへ手が届くようにするためには、ケーシング上半部全体を取り外す必要がある。なお、ケーシング下半部及びケーシング上半部は、一つの部材として鋳造されているか、又は溶接されている。

一方、ケーシングがその外部においてケーシングジャケットを備えている場合には、このケーシングは、一つの部材で形成された、シリンダ状の外部ケーシングジャケットで形成されている。なお、このケーシングジャケットも鋳造又は溶接されて形成されている。例えば、各圧縮段用の流入側及び流出側のケーシング要素から成る要素をそれぞれ水平方向に分割することによって、これら要素を羽根車同士の間に設けることが可能である。

第１段目の圧縮段で圧縮された気体は、中間冷却部を通過した後、収集管を介して第２段目の圧縮段へ案内され、そこから他の中間冷却部を通過し、次の羽根車へ至る。このとき、多段の気体圧縮を、できるかぎり理想かつ等温の圧縮プロセスにすることが望ましい。

多段のターボ圧縮機においては、高温用及び低温用のケーシング要素が固定して並設されている。この高温用及び低温用のケーシング要素は、互いに、力が作用するか、溶接されているか又は鋳造されているため、熱膨張に基づき、ケーシング内に残留応力が発生することになる。また、このとき、各要素における温度のばらつきにより、異なる大きさの熱膨張が生じる。さらに、ケーシング要素には応力変形も生じてしまう。

軸端部に軸受を配置すること、及び互いに固着されたケーシング要素又は共通のケーシングジャケットにおいて力が作用するケーシング内部部材を有するケーシングを水平方向に分割することにより、動作中において、隣り合う羽根車同士の間隔及び隣り合うケーシング要素同士の間隔の減少を招く可能性がある。また、これに伴い、ケーシングにおいて羽根車同士が接触し、ターボ圧縮機の損傷を招く可能性もある。

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、圧縮機の動作中に、隣り合う羽根車同士の間隔及び隣接するケーシング要素同士の間隔の減少を防止することが可能な多段遠心圧縮機を提供することにある。

上記目的は、互いに隣り合いつつ互いの高圧側を対向させて配置されたいずれか２つの圧縮段における各羽根車の間に前記アキシャル軸受を設けることにより達成される。ここで、高圧側を対向させて配置された２つの圧縮段は、中間ケーシングを介して互いに結合されている。なお、このように、高圧側を対向させた配置を「背合せ（back-to-back）」とも表記する。

背合せで配置された２つの羽根車の間の中心にアキシャル軸受を配置することで、熱膨張及び応力変形によってケーシング要素内で生じる長さ方向の変位により隣り合う羽根車同士の間隔を大きくし、羽根車同士が接触するのを防止することができる。

３段の圧縮段を備えたターボ圧縮機においては、第２段目と第３段目の間の好ましくは中心位置にアキシャル軸受が配置され、このとき、これら第２段目と第３段目の圧縮段は互いに背合せに配置されている。第２段目の圧縮段の羽根車又は（圧縮段の配置に応じて）第３段目の圧縮段の羽根車は、第１段目の圧縮段の羽根車と直列に配置されている。また、３つの羽根車、両端の軸形成部材及び中央の軸形成部材は、のこ歯状結合部を介して互いに心合せされているとともに、中心部のプルロッドによって、固定されたロータ複合部材に対して相互に力を作用し合うようになっている。

なお、４段の圧縮段を有するターボ圧縮機においては、ロータが、４つの羽根車、両端の軸形成部材及び３つの中央の軸形成部材によって構成される。このとき、追加的な羽根車は、その流入側ケーシング及び流出側ケーシングと共に、好ましくは第１段目の圧縮段の羽根車と背合せに配置されて圧縮段を形成している。

本発明の一実施形態は、ラジアル軸受を、互いに隣り合う圧縮段それぞれの羽根車の間における軸形成部材に各々設けたことを特徴としている。そして、連結部近傍のラジアル軸受を連結部側の羽根車と該羽根車と隣り合う他の羽根車との間に設けて、連結部側の羽根車及び連結部側の軸形成部材を自由に懸設するのが好ましい。

３段の圧縮段を有するターボ圧縮機においては、これにより、第３段目の圧縮段の羽根車又は（圧縮段の配置に応じて）第２段目の圧縮段の羽根車及び連結部側の軸端部が自由に懸設されることになる。一方、４段の圧縮段を有する遠心圧縮機においては、連結部側のラジアル軸受が第３段目の圧縮段と第４段目の圧縮段との間に配置されている。このとき、第４段目の圧縮段の羽根車又は（圧縮段の配置に応じて）第３段目の圧縮段の羽根車及び連結部側の軸端部は、自由に懸設されることになる。

また、本発明の他の実施形態は、連結部から離れた側のラジアル軸受が第１段目の圧縮段の羽根車と第２の圧縮段の羽根車との間の軸形成部材に配置されている。すなわち、このラジアル軸受は第１段目の圧縮段の羽根車の後方における軸形成部材に配置されており、連結部から離れた側における自由端部は設けられていない。このようにすることで、第１段目の圧縮段の流入側ケーシングを、簡易な、直線式かつ同軸式のインテークエアダクトとして形成することができる。

また、ラジアル軸受及びアキシャル軸受を一部材の磁気軸受として形成するのが望ましい。磁気軸受の剛性及び減衰特性のアクティブな制御により、多大な技術的利点を得ることが可能である。さらに、磁気軸受は、摩擦損失の低減においても優れている。

また、本発明の一実施形態は、ケーシングを、低温側ケーシングと高温側ケーシングに分割するとともに、気体流入領域を形成するケーシング部分及び気体流出領域を形成するケーシング部分を、それぞれ独立かつ一体のケーシングとして形成したことを特徴としている。ここで、このケーシングは、ロータをリング状に、水平方向に分割することなく包囲するものである。

また、本発明においては、第１段目の圧縮段の流入側ケーシングが、簡易な、直線式かつ同軸式のインテークエアダクトとして形成されている。なお、第２段目以降の圧縮段の流入側ケーシングは、径方向のインテークエアダクトとして形成されている。また、各圧縮段の流出側ケーシングはらせん状の収集室として形成されており、この高温の流出側ケーシングの接線方向の流出側接続ピースは、配管を介して中間冷却器に接続されている。そして、中間冷却器の流出側接続ピースは、広く採寸されつつ、損失の少ない流路を介して次の圧縮段の径方向の流入側接続ピースに接続されている。

また、本発明の一実施形態は、隣り合うケーシング部分を、垂直方向のフランジ接合部で互いに結合したことを特徴としている。ここで、接合箇所において、隣り合うケーシング壁面部は、軸に対して垂直に、かつ、互いに平行に延在している。また、ケーシング壁面部が垂直方向に互いに延在する接触領域は、ロータの回りにリング状に形成されており、ケーシング壁面部は、周囲のリング状部の複数の箇所において、固定部材（例えばボルト）で互いに結合されている。

そして、垂直方向のフランジ接合部を介して互いに結合されたセグメントにケーシングを分割することで、熱膨張及び応力変形によるケーシングでの残留応力の発生を防止することができる。

さらに、隣り合うケーシング部分をその結合箇所で互いに係合させるとともに、該結合箇所における隣り合うケーシング部分それぞれのサイズを、互いにとまりばめ部を介して結合されるよう設定するのが望ましい。

本発明によれば、隣り合う羽根車同士の間隔及び隣接するケーシング要素同士の間隔の減少を防ぎ、これに伴い、ケーシングにおいて羽根車同士が接触してターボ圧縮機が損傷するのを防止することが可能である。

３段の圧縮段を備えた遠心圧縮機を示す断面図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

羽根車１，２，３は、軸形成部材１４，１５，１６と共に圧縮機のロータを形成している。そして、この羽根車１，２，３は、両端の軸形成部材１４，１５及び中央の軸形成部材１６と共にのこ歯状結合部３０〜３４を介して互いに心合せされているとともに、中心部のプルロッド１７によって、固定されたロータ複合部材に対して相互に力を作用し合うようになっている。

図示のロータは３つの圧縮段で構成されており、各圧縮段は、羽根車１，２又は３、低温側流入部ケーシング４，５又は６及び高温側流出部ケーシング７，８又は９を含んで構成されている。

しかして、圧縮される気体は、まず、低温流入部ケーシング４を通って羽根車１へと流入する。この第１段目における低温流入部ケーシング４は直線式かつ同軸式のインテークエアダクトとして形成されており、インテークエアは、羽根車１から第１段目における高温流出部ケーシング７へと圧送される。ここで、この高温流出部ケーシング７は、らせん状の収集室として形成されている。

また、この高温流出部ケーシング７の接線方向の流出側接続ピースは配管を介して中間冷却器に接続されており、気体は、中間冷却器を通過した後、低温流入部ケーシング５における流入側接続ピースを介して圧縮機の第２段目に圧送される。ここで、中間冷却器と流入側接続ピースの間の接続は、広く採寸され、損失の少ない流路を介してなされている。

第２段目の圧縮段においては、気体が羽根車２によって加速され、第２段目の高温流出部ケーシング８へ圧送される。そして、気体は、中間冷却器を通過した後、第３段目の圧縮段における低温流入部ケーシング６の流入側接続ピースへ流入するとともに、羽根車３によって第３段目の圧縮段の高温流出部ケーシング９へ圧送される。

また、羽根車２，３は羽根車の高圧側をそれぞれ対向させて配置されており、この羽根車２と羽根車３の間には、軸形成部材１６が延設されている。さらに、第２段目の圧縮段と第３段目の圧縮段それぞれの高温流出部ケーシング８，９は、中間ケーシング１３によって互いに接続されている。そして、本発明においては、互いに背合せに配置された羽根車２，３の間にアキシャル軸受１２が設けられている。また、連結部（第３段目の圧縮段の後端部）近傍にラジアル軸受１１が設けられているため、羽根車３及び連結部側の軸形成部材１４が自由に懸設されることとなる。

また、連結部から離れた側のラジアル軸受１０が羽根車１の後方における軸形成部材１５に配置されており、この軸形成部材１５は、連結部とは反対側の軸端部を形成している。そして、ラジアル軸受１０の上記のような配置により、羽根車１が自由に懸設されることとなる。

上記のような軸受システムによれば、熱膨張及び各ケーシング４〜９における応力変形に伴って生じる、各羽根車１，２及び３とこれにそれぞれ対応する低温流入部ケーシング４，５及び６との間の隙間３５，３６及び３７の長さ変化量ΔＬ_t,p（１．＋２．）及びΔＬ_t,p（３．）が大きくなり、各羽根車１，２，３がこれらにそれぞれ対応する低温流出部ケーシング４，５，６と接触するのを防止することが可能である。

ところで、第１段目の圧縮段の低温流入部ケーシング４は高温流出部ケーシング７側へわずかに突出しており、この突出箇所（結合箇所）において、低温流入部ケーシング４及び高温流出部ケーシング７は、これらの間にとまりばめ部２４が形成されるよう互いに嵌合するように形成されている。すなわち、低温流入部ケーシング４及び高温流出部ケーシング７は共に接触面を有しており、低温流入部ケーシング４の垂直方向壁面部は、高温流出部ケーシング７の壁面に対するストッパの役割を果たすようになっている。また、低温流入部ケーシング４は、垂直方向のフランジ接合部１８を介して高温流出部ケーシング７に結合されている。

また、第１段目の圧縮段と第２段目の圧縮段の間の接続箇所では、第２段目の圧縮段の低温流入部ケーシング５が高温流出部ケーシング７側へわずかに突出しており、この突出箇所（結合箇所）において、低温流入部ケーシング５及び高温流出部ケーシング７は、これらの間にとまりばめ部２５が形成されるよう互いに嵌合するように形成されている。すなわち、低温流入部ケーシング５及び高温流出部ケーシング７は共に接触面を有しており、低温流入部ケーシング５の垂直方向壁面部は、高温流出部ケーシング７の壁面に対するストッパの役割を果たすようになっている。また、互いに平行な上記接触面により、低温流入部ケーシング５は、垂直方向のフランジ接合部１９を介して高温流出部ケーシング７に結合されている。

また、第２段目の圧縮段の低温流入部ケーシング５と高温流出部ケーシング８の間の移行部では、低温流入部ケーシング５が高温流出部ケーシング８側へわずかに突出しており、この突出箇所（結合箇所）に、とまりばめ部２６が形成されている。そして、低温流入部ケーシング５と高温流出部ケーシング８の結合は垂直方向のフランジ接合部２０によりなされており、このフランジ接合部２０では、低温流入部ケーシング５の壁面と高温流出部ケーシング８の壁面が互いに平行となっている。

また、第２段目及び第３段目の圧縮段それぞれの高温流出部ケーシング８，９は中間ケーシング１３によって互いに結合されており、この中間ケーシング１３は高温流出部ケーシング８側へ突出し、そこで高温流出部ケーシング８と中間ケーシング１３のとまりばめ部２７及び垂直方向の接触面が形成されている。ここで、中間ケーシング１３の垂直方向壁面部は、高温流出部ケーシング８の壁面に対するストッパの役割を果たすようになっている。さらに、互いに平行な上記接触面により、高温流出部ケーシング８と中間ケーシング１３は、垂直方向のフランジ接合部２１を介して互いに結合されている。

同様に、中間ケーシング１３は第３段目の高温流出部ケーシング９側へわずかに突出しており、この箇所にとまりばめ部２８が形成されている。また、これら中間ケーシング１３及び高温流出部ケーシング９は垂直方向の接触面を有しており、中間ケーシング１３の垂直方向壁面部は、高温流出部ケーシング９の壁面に対するストッパの役割を果たすようになっている。そして、垂直方向のフランジ接合部２２を介して、中間ケーシング１３と高温流出部ケーシング９の結合がなされている。

第３段目の圧縮段においては、低温流入部ケーシング６が高温流出部ケーシング９側へ突出しており、ここにとまりばめ部２９が形成されている。また、低温流入部ケーシング６の垂直方向壁面部は、高温流出部ケーシング９の壁面に対するストッパの役割を果たすようになっている。そして、低温流入部ケーシング６及び高温流出部ケーシング９は、垂直方向に延在する互いの接触箇所において、垂直方向のフランジ接合部２３を介して互いに結合されている。

したがって、すべての低温流入部ケーシング４，５，６及び中間ケーシング１３は、垂直方向のフランジ接合部１８〜２３及びとまりばめ部２４〜２９を介して、高温流出部ケーシング７，８，９に一体のケーシング構成部材として結合されている。そのため、動作中のケーシング結合部に生じる熱応力を大きく軽減することができ、これに伴い、ケーシング結合部の応力変形も最小化することが可能である。

なお、本実施の形態においては、ラジアル軸受１０，１１及びアキシャル軸受１２を磁気軸受として形成している。

１，２，３ 羽根車
４，５，６ 低温流入部ケーシング
７，８，９ 高温流出部ケーシング
１０，１１ ラジアル軸受
１２ アキシャル軸受
１３ 中間ケーシング
１４，１５，１６ 軸形成部材
１７ プルロッド
１８，１９，２０，２１，２２，２３ フランジ接合部
２４，２５，２６，２７，２８，２９ とまりばめ部
３０，３１，３２，３３，３４ のこ歯状結合部
３５，３６，３７ 隙間

Claims (8)

1. 少なくとも３段の圧縮段を備えた多段遠心圧縮機であって、
   各圧縮段が、気体流入領域を形成するそれぞれ１つのケーシング部分（４，５，６）と、気体流出領域を形成するそれぞれ１つのケーシング部分（７，８，９）とを備え、
   各圧縮段それぞれの羽根車（１，２，３）が、それぞれの軸形成部材（１４，１５，１６）と共に、ラジアル軸受（１０，１１）及びアキシャル軸受（１２）で案内されるロータを形成している前記多段遠心圧縮機において、
   互いに隣り合いつつ互いの高圧側を対向させて配置されたいずれか２つの圧縮段における各羽根車（２，３）の間に前記アキシャル軸受（１２）を設け、前記ラジアル軸受（１０，１１）を、互いに隣り合う圧縮段それぞれの前記羽根車（１，２又は２，３）の間における前記軸形成部材（１５，１６）に設けたことを特徴とする多段遠心圧縮機。
2. 互いに隣り合いつつ互いの高圧側を対向させて配置されたいずれか２つの圧縮段における各羽根車（２，３）の間の前記軸形成部材（１６）に前記ラジアル軸受（１１）を設けたことを特徴とする請求項１記載の多段遠心圧縮機。
3. 前記ラジアル軸受（１１）を前記羽根車（３）と該羽根車（３）と隣り合う他の羽根車との間に設けて、前記羽根車（３）及び前記軸形成部材（１４）を自由に懸設したことを特徴とする請求項１記載の多段遠心圧縮機。
4. 前記ラジアル軸受（１０）を、第１段目の圧縮段における前記羽根車（１）と第２段目の圧縮段における前記羽根車（２）の間における前記軸形成部材（１５）に設けたことを特徴とする請求項１記載の多段遠心圧縮機。
5. 前記ラジアル軸受（１０，１１）及び前記アキシャル軸受（１２）を磁気軸受として形成したことを特徴とする請求項１記載の多段遠心圧縮機。
6. 前記ケーシングを低温側ケーシングと高温側ケーシングに垂直方向に分割するとともに、前記気体流入領域を形成するケーシング部分（４，５，６）及び前記気体流出領域を形成するケーシング部分（７，８，９）を、それぞれ独立かつ一体のケーシングとして形成したことを特徴とする請求項１記載の多段遠心圧縮機。
7. 隣り合う前記ケーシング部分を、垂直方向のフランジ接合部（１８〜２３）で互いに結合したことを特徴とする請求項１記載の多段遠心圧縮機。
8. 隣り合う前記ケーシング部分をその結合箇所で互いに係合させるとともに、該結合箇所における隣り合う前記ケーシング部分それぞれのサイズを、互いにとまりばめ部（２４〜２９）を介して結合されるよう設定したことを特徴とする請求項１記載の多段遠心圧縮機。

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