JP5492045B2

JP5492045B2 - 多段遠心圧縮機

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Publication number: JP5492045B2
Application number: JP2010227599A
Authority: JP
Inventors: 征将田中; 徹植木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-10-07
Also published as: KR20120036278A; CN102444619A; JP2012082715A; CN102444619B; KR101316975B1

Description

本発明は多段遠心圧縮機に係り、特に各段の圧縮機羽根車の下流側に、圧縮された作動流体を冷却する冷却器を備えた多段遠心圧縮機に関する。

従来の多段遠心圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の多段遠心圧縮機では、原動機の動力を増速機の２本の出力軸に伝達している。増速機は原動機軸に連結され、ブルギヤが取り付けられた入力軸と、このブルギヤにかみ合うピニオンが設けられ、入力軸と平行に配置された２本の出力軸とを有している。一方の出力軸の端部には、多段遠心圧縮機の初段を形成する遠心羽根車が取り付けられており、他方の出力軸の両端部には、多段遠心圧縮機の２段及び３段を形成する遠心羽根車が取り付けられている。

そしてこの多段遠心圧縮機では、初段羽根車で圧縮された高温のガスは、初段羽根車の下方に配置された第１のインタークーラで冷却されて２段羽根車に供給されている。また、２段羽根車で圧縮された高温のガスは、これも２段羽根車の下方に配置された第２のインタークーラで冷却されて第３段羽根車に供給されている。

従来の多段遠心圧縮機の他の例が、特許文献２、３に記載されている。この公報に記載の多段遠心圧縮機では、上記特許文献１に記載の多段遠心圧縮機と同様に、増速機として平行軸歯車装置を用い、２本の出力軸の軸端に各段の羽根車を取り付けて３段からなる遠心圧縮機を構成している。ただし、初段羽根車が取り付けられた増速機の一方の出力軸の反対端には２段羽根車が取り付けられており、３段羽根車が取り付けられた他方の出力軸では、３段羽根車の反対端には何も取り付けられていない点で、上記特許文献１とは相違している。さらに特許文献２では、増速機の入力軸が、原動機接続端とは反対端側で主オイルポンプに接続されている。

米国特許明細書第６４８８４６７号特開２００３−９７４８９号公報特開２００４−３０８４７７号公報

上記特許文献１に記載の多段遠心圧縮機では、製作及び組み立ての費用を低減するために主としてケーシングに使用される鋳物部品の改良を図っている。この公報に記載の鋳物ケーシングでは、作動流体の流路を形成するボリュートと羽根車のハウジングとが鋳物で一体化されており、さらに段間冷却器も鋳物で一体化されている。

しかしながら、この特許文献１に記載の多段遠心圧縮機では、高温のガスが流通するアフタークーラや圧縮機の各潤滑部を潤滑して高温になった潤滑油を冷却するオイルクーラへの配管をも一体化ケーシングとともに鋳物で製作することについては、考慮されていない。これは、圧縮機の段配置において初段圧縮機用羽根車を一方の出力軸に配置し、２、３段圧縮機用羽根車を他方の出力軸に配置したため、吐出配管構成が複雑になるためと考えられる。

一方、特許文献２、３ではこの不具合を解消するために、初段圧縮機用羽根車と２段圧縮機用羽根車を同一の出力軸の両端部に配置し、３段圧縮機用羽根車のみ他の出力軸に配置しているので、吐出配管の取り回しの尤度ができ、アフタークーラまで鋳物で一体化したケーシング構造となっている。しかしながら、これら特許文献２、３に記載の多段圧縮機においても、同一の冷却源から導かれる冷却水が流通するオイルクーラへの配管をも一体化ケーシングに含めることについては、考慮されていない。オイルクーラーへの配管をも一体化すれば、多段遠心圧縮機が配置される場所からは通常離れた位置に配置される冷却源からの主配管を１個に集約することが可能となり、多段遠心圧縮機の設置が容易になる。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、冷却水配管を集約した多段遠心圧縮機を実現することにある。本発明の他の目的は、鋳物一体化構造を採用することにより、多段遠心圧縮機のレイアウトの尤度を増大させることにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、原動機と、この原動機で駆動されるブルギアおよびそのブルギアに噛み合うピニオンを２個収納する平行歯車増速機部と、これら各ピニオンが備えられる回転軸の端部の少なくとも３個の軸端に取り付けられた遠心羽根車と、前記遠心羽根車で圧縮された高温の作動ガスを冷却するクーラ部とが一体化された一体ケーシングと、を備えた多段遠心圧縮機において、前記一体ケーシングの下部は、初段圧縮機で圧縮されたガスを冷却する第１のインタークーラと、２段圧縮機で圧縮されたガスを冷却する第２のインタークーラと、３段圧縮機で圧縮されたガスを冷却するアフタークーラのケーシングが並んで鋳物一体で構成された一体クーラであり、前記第１のインタークーラの側部に前記一体クーラと鋳物一体で、前記ピニオンと前記ブルギアを潤滑する潤滑油を冷却するオイルクーラへ冷却水を供給するオイルクーラ冷却水供給流路および前記オイルクーラからのオイルクーラ冷却水戻り流路が形成されたオイルクーラ用一体化冷却水流路を設け、このオイルクーラ冷却水供給流路と前記各クーラへの冷却水供給流路を同一の冷却水供給流路に接続し、前記オイルクーラ冷却水戻り流路と前記各クーラへの冷却水戻り路を同一の冷却水戻り流路に接続して、冷却水系統を集約したことにある。

そしてこの特徴において、ブルギヤの回転軸に主潤滑油ポンプを接続し、この潤滑油ポンプに潤滑油を供給する流路の一部を前記アフタークーラのケーシングに並んで鋳物一体に設けるとともに、前記潤滑油ポンプから吐出される潤滑油を前記オイルクーラに導く流路の一部を、前記オイルクーラ冷却水供給流路と前記オイルクーラ冷却水戻り流路の上方であってこれら流路および前記一体クーラと鋳物一体に設けるのがよく、オイルクーラを前記オイルクーラ冷却水流路の背面であって原動機の側部に配置し、このオイルクーラの潤滑油出口のほぼ上方に、潤滑油出口配管を介して温度調整弁を接続するのがさらに望ましい。

また、温度調整弁に前記潤滑油ポンプから吐出される潤滑油を導き、温度調整された潤滑油を前記平行歯車増速機部に供給するようにしてもよく、前記一体ケーシングは、前記ピニオンおよび前記ブルギヤの回転軸の軸心を含む水平面で分割された水平分割構造であることが望ましい。

本発明によれば、多段遠心圧縮機において、冷却水が流通する各クーラ及びオイルクーラへの配管を鋳物で一体化したので、冷却水配管を集約した多段遠心圧縮機を実現できる。また、鋳物一体化構造を採用したので、多段遠心圧縮機のレイアウトの尤度を増大できる。

本発明に係る多段遠心圧縮機の一実施例の斜視図である。図１に示した多段遠心圧縮機の冷却水流路を説明する平面図である。図１に示した段遠心圧縮機の潤滑油流路の系統図である。

以下、本発明に係る多段遠心圧縮機の実施例を、図面を用いて説明する。図１は多段遠心圧縮機１００の斜視図であり、流体（空気）配管及び冷却水配管を主として説明する図である。図２は図１に示した多段遠心圧縮機１００の平面図である。これら図１および図２では、潤滑油配管の一部を省略している。図３は、潤滑油配管を説明するための系統図であり、水配管や空気配管等を省略した多段遠心圧縮機１００の平面図である。

多段遠心圧縮機１００は、原動機であるモータ３により駆動され、図示しない制御盤に格納された制御部で制御される。モータ３の出力軸には、カップリングを介して増速機部２の入力軸６が接続されている。入力軸６には、ブルギヤ２０が取り付けられている。ブルギヤ２０には、２個のピニオン２１、２２が噛み合っている（図３参照）。各ピニオン２１、２２は、出力軸と一体に形成されている。入力軸６と２本の出力軸はそれぞれ平行軸となっている。なお、各ピニオン２１、２２を出力軸と別体に作成し、それらを出力軸に固定するようにしてもよい。

入力軸６および出力軸、ブルギヤ２０、ピニオン２１、２２は、一体ケーシング１０の増速機部２に収容されている。一体ケーシング１０の増速機部２は、水平面分割構造であり、入力軸６および出力軸の中心軸を含む水平面にほぼ等しい面で、上ケーシングと下ケーシングとに分かれる。上ケーシングと下ケーシングとは、ボルト結合される。

入力軸６およびブルギヤ２０は、一体ケーシング１０の増速機部２に保持されたラジアル加重およびスラスト加重を支持する複合軸受により、回転可能に支持される。一方、各出力軸およびピニオン２１、２２は、一体ケーシング１０の増速機部２に保持されたラジアル軸受で、回転可能に支持されている。なお、各出力軸で発生したスラスト力は、スラストカラーで支持されている。

これら各軸受およびブルギヤ２０、ピニオン２１、２２を潤滑するために、詳細を後述する主潤滑油ポンプ２４系統から潤滑油が供給される。各軸受やブルギヤ２０、ピニオン２１、２２等を潤滑した潤滑油は、モータ３の下部に形成されたオイルタンク３６に戻された後、モータ３の近傍に配置したオイルクーラ３５で冷却される。なお、この潤滑油の系統については、詳細を後述する。

一方の出力軸の両軸端には、遠心羽根車１ａ、１ｂが取り付けられており、それぞれ多段遠心圧縮機１００の初段及び２段目を構成する。他方の出力軸の一方端にも遠心羽根車１ｃが取り付けられており、多段遠心圧縮機１００の３段目を構成する。初段羽根車１aの吸込み側には、吸込みガス配管１４ａが設けられており、図示しない吸込みフィルタを経た外気を多段遠心圧縮機１００内に導いている。

一体ケーシング１０の下部は下ケーシングを構成しており、主としてクーラ部１５となっている。クーラ部１５の上面には、増速機部２を挟んで、一方側に初段羽根車１ａ及び３段目羽根車１ｃのケーシング１６ａ、１６ｃが、他方側に２段目羽根車１ｂのケーシング１６ｂが配置されている。

クーラ部１５は、直方体状の３個のケーシングが一体化された直方体状のケーシングであり、各ケーシング内の流れが入力軸６に平行になるよう配置されている。直方体状のケーシングの各々には、フィンチューブ型の熱交換器ネストが収容されており、それぞれインタークーラ１３ａ、１３ｂ及びアフタークーラ１３ｃを構成している。

各段の羽根車１ａ〜１ｃと各クーラ１３ａ〜１３ｃとを接続する接続配管は、下ケーシング１２の上面に接続部を有している。この結果、吸込みガス配管１４ａから導かれた外部空気は、初段羽根車１ａで圧縮されて温度上昇し、インタークーラ１３ａに導かれる。インタークーラ１３ａで冷却された加圧空気は、２段目羽根車１ｂに導かれ、さらに圧力を増すとともに温度上昇する。温度上昇した加圧空気は、第２のインタークーラ１３ｂに導かれて冷却され、３段目羽根車１ｃに導かれる。３段目羽根車１ｃで圧縮され高温になった加圧空気は、アフタークーラ１３ｃで冷却されて、吐出配管１４ｂより需要元に送られる。

各クーラ１３ａ〜１３ｃの反モータ側面（前面）には、これらクーラ１３ａ〜１３ｃに冷却水を供給する際にヘッダとして作用する冷却水供給配管３０と、クーラ１３ａ〜１３ｃ内で圧縮空気と熱交換して高温になった冷却水を戻す冷却水戻り配管３１が配置されている。

すなわち、各クーラ１３ａ〜１３ｃへは、冷却水供給配管３０から分岐したインタークーラ冷却水供給配管３０ａ、３０ｂおよびアフタークーラ冷却水供給配管３０ｃから工業用水またはクーリングタワー等で冷却された冷水が供給される。一方、各段羽根車１ａ〜１ｃで圧縮されて高温となった流体（空気）は、各クーラの冷却水供給配管３０ａ〜３０ｃから導かれた冷却水と各クーラ１３ａ〜１３ｃ内で熱交換して、４０℃程度の低温のガスになる。この高温のガスと熱交換して温度上昇した冷却水は、インタークーラ冷却水戻り配管３１ａ、３１ｂおよびアフタークーラ冷却水戻り配管３１ｃから冷却水戻り配管３１へ導かれる。

ここで、一体ケーシング１０のインタークーラ１３ａに隣り合うとともにインタークーラ１３ａに沿って、一体ケーシング１０と鋳物で一体化されたオイルクーラ用一体化冷却水流路３２が形成されている。このオイルクーラ用一体化冷却水流路３２はその一端側で、オイルクーラ冷却水供給配管３０ｄにより冷却水供給配管３０に、オイルクーラ冷却水戻り配管３１ｄで冷却水戻り配管３１に接続されている。オイルクーラ用一体化冷却水流路３２の反対端側では、オイルクーラ用冷却水供給配管３５ａ、オイルクーラ用冷却水戻り配管３５ｂでオイルクーラ３５に接続されている。

これにより、本実施例に示した多段遠心圧縮機１００に必要な冷却水は、すべて冷却水供給配管３０および冷却水戻り配管３１に集約される。したがって、多段遠心圧縮機１００が設置される工場等が備える工業用水またはクーリングタワー等で冷却された冷水等を冷却水供給配管に接続するだけで冷却系を実現でき、従来は工数の多かった冷却配管系の組み立てを簡略化できる。

次に、主として図を用いて、潤滑油系の集約について説明する。一体化ケーシング１０の両側、すなわちインタークーラ１３ａおよびアフタークーラ１３ｃの側部には、それらクーラ１３ａ、１３ｃに沿って一体化潤滑油配管３３、３４が、一体化ケーシング１０と鋳物一体で形成されている。なお、インタークーラ１３ａの側面にはすでにオイルクーラ用一体化冷却水流路３２が形成されているので、一体化潤滑油配管３４をオイルクーラ用一体化冷却水流路３２の上方に形成する。

アフタークーラ１３ｃ側に設けた一体化潤滑油配管３３は、冷却水配管３０、３１に接続される側の上面に潤滑油の出口部３３ｂが、モータ３側の端面に潤滑油の入口部３３ａが形成されている。潤滑油の入口部３３ａは、分岐部４２を有するオイルタンク取付け配管４１に接続されている。オイルタンク取付け配管４１の他方は、オイルタンク３６に取り付けた補助潤滑油ポンプ４０に接続されている。潤滑油の出口部３３ｂには、主潤滑油ポンプ供給配管４４を介して、主潤滑油ポンプ２４の入口部２４ａに接続されている。主潤滑油ポンプ２４の出口部２４ｂは主潤滑油ポンプ吐出配管４５を介して、一体化潤滑油配管３４の入口部３４ａに接続されている。

インタークーラ１３ａ側に設けた一体化潤滑油配管３４では、冷却水配管３０、３１側の上面に入口部３４ａが形成されており、モータ３側端部には、出口部３４ｂが形成されている。この出口部３４ｂは、オイルクーラ用潤滑油供給配管４９を介してオイルクーラ３５の入口部５０に接続されている。

オイルクーラ用潤滑油供給配管４９は、途中の２箇所に分岐部を有しており、一方には補助潤滑油ポンプ４０とを接続する補助潤滑油ポンプ用配管４３が接続されている。他方の分岐部では、下方に分岐管が延びており、それに温度調整弁４８が取り付けられている。温度調整弁４８は２入力、１出力となっており、オイルクーラ用潤滑供給配管４９からは高温の潤滑油が、この温度調整弁４８の下方に配置され、オイルクーラ３５の出口部５１に接続される配管からは低温の潤滑油が入力される。そして、途中にオイルフィルタ４７を備えた増速機潤滑用配管４６ａ、４６ｂに温度調整された潤滑油を出力する。

増速機潤滑用配管４６ｂを経た温度調整された潤滑油は、一体ケーシング１０の増速機部２に導かれ、軸受やピニオン２１、２２、ブルギヤ２０を潤滑する。増速機部２内の各潤滑部位を潤滑した潤滑油は、増速機部２の下部に形成されるギヤケース油溜り２ａから排油配管３７を介してオイルタンク３６に戻される。その他、モータ３の潤滑部にも潤滑油が潤滑油供給管から供給され、排油管を介してオイルタンク３６に戻されるが、図示を省略する。

ここで、一般の運転時には主潤滑油ポンプ２４が、オイルタンク３６から潤滑油を汲み取り、オイルクーラ３５へと潤滑油を導いて、冷却された潤滑油を潤滑部位に供給する。ただし、本多段遠心圧縮機１００では、主潤滑油ポンプ２４をモータ３の回転軸に連結された増速機の入力軸６に接続しているので、多段遠心圧縮機１００の起動時や何らかの原因でモータ３が停止すると、主潤滑油ポンプ２４も停止し、潤滑油の供給も停止する。そこで、起動時やモータの停止時等には、補助潤滑油ポンプ４０を駆動する。補助潤滑油ポンプ４０は、図示しないバッテリー等で駆動される。

このように構成した本実施例の多段遠心圧縮機１００では、潤滑油配管の一部を鋳物一体ケーシングと一体化しているので、配管支持用の部材が不要となり、配管の振動（共振）等を防止できる。本実施例に示した多段遠心圧縮機では、配管類の固有振動数が５０Ｈｚ程度になり、電動機と共振を起こすおそれがある。そこで、配管の一部をケーシングと一体化することにより、共振を回避できる。また、鋼管製の配管に比べ鋳物製の流路構造となるので、騒音が鋳物で吸収され、低騒音化される。さらに、本実施例ではオイルクーラと温度調整弁とを支持体兼用の配管で接続する構造としたので、温度調整弁周りの構成が簡素化される。

１ａ〜１ｃ…羽根車、２…(平行歯車)増速機部、２ａ…ギヤケース油溜り、３…原動機（モータ）、６…入力軸、１０…一体ケーシング、１２…下ケーシング、１３ａ、１３ｂ…インタークーラ、１３ｃ…アフタークーラ、１４a…吸込みガス配管、１４ｂ…吐出ガス配管、１５…クーラ部、１６ａ…初段ケーシング、１６ｂ…２段ケーシング、１６ｃ…３段ケーシング、２０…ブルギヤ、２１、２２…ピニオン、２４…主潤滑油ポンプ、２４ａ…入口部、２４ｂ…出口部、３０…冷却水供給配管、３０ａ、３０ｂ…インタークーラ冷却水供給配管、３０ｃ…アフタークーラ冷却水供給配管、３０ｄ…オイルクーラ冷却水供給配管、３１…冷却水戻り配管、３１ａ、３１ｂ…インタークーラ冷却水戻り配管、３１ｃ…アフタークーラ冷却水戻り配管、３１ｄ…オイルクーラ冷却水戻り配管、３２…オイルクーラ用一体化冷却水流路、３３…一体化潤滑油配管、３３ａ…入口部、３３ｂ…出口部、３４…一体化潤滑油配管、３４ａ…入口部、３４ｂ…出口部、３５…オイルクーラ、３５ａ…オイルクーラ用冷却水供給配管、３５ｂ…オイルクーラ用冷却水戻り配管、３６…オイルタンク、３７…排油配管、４０…補助潤滑油ポンプ、４１…オイルタンク取付け配管、４２…分岐部、４３…補助潤滑油ポンプ用配管、４４…主潤滑油ポンプ供給配管、４５…主潤滑油ポンプ吐出配管、４６ａ、４６ｂ…増速機潤滑用配管、４７…オイルフィルタ、４８…温度調整弁、４９…オイルクーラ用潤滑油供給配管、５０…入口部、５１…出口部、１００…多段遠心圧縮機。

Claims

原動機と、この原動機で駆動されるブルギアおよびそのブルギアに噛み合うピニオンを２個収納する平行歯車増速機部と、これら各ピニオンが備えられる回転軸の端部の少なくとも３個の軸端に取り付けられた遠心羽根車と、前記遠心羽根車で圧縮された高温の作動ガスを冷却するクーラ部とが一体化された一体ケーシングと、を備えた多段遠心圧縮機において、前記一体ケーシングの下部は、初段圧縮機で圧縮されたガスを冷却する第１のインタークーラと、２段圧縮機で圧縮されたガスを冷却する第２のインタークーラと、３段圧縮機で圧縮されたガスを冷却するアフタークーラのケーシングが並んで鋳物一体で構成された一体クーラであり、前記第１のインタークーラの側部に前記一体クーラと鋳物一体で、前記ピニオンと前記ブルギアを潤滑する潤滑油を冷却するオイルクーラへ冷却水を供給するオイルクーラ冷却水供給流路および前記オイルクーラからのオイルクーラ冷却水戻り流路が形成されたオイルクーラ用一体化冷却水流路を設け、前記オイルクーラ冷却水供給流路と前記各クーラへの冷却水供給流路を同一の冷却水供給流路に接続し、前記オイルクーラ冷却水戻り流路と前記各クーラへの冷却水戻り路を同一の冷却水戻り流路に接続して、冷却水系統を集約したことを特徴とする多段遠心圧縮機。
前記ブルギヤの回転軸に主潤滑油ポンプを接続し、この潤滑油ポンプに潤滑油を供給する流路の一部を前記アフタークーラのケーシングに並んで鋳物一体に設けるとともに、前記潤滑油ポンプから吐出される潤滑油を前記オイルクーラに導く流路の一部を、前記オイルクーラ冷却水供給流路と前記オイルクーラ冷却水戻り流路の上方であってこれら流路および前記一体クーラと鋳物一体に設けたことを特徴とする請求項１に記載の多段遠心圧縮機。
前記オイルクーラを前記オイルクーラ冷却水流路の背面であって原動機の側部に配置し、このオイルクーラの潤滑油出口のほぼ上方に、潤滑油出口配管を介して温度調整弁を接続したことを特徴とする請求項２に記載の多段遠心圧縮機。
前記温度調整弁に前記潤滑油ポンプから吐出される潤滑油を導き、温度調整された潤滑油を前記平行歯車増速機部に供給することを特徴とする請求項３に記載の多段遠心圧縮機。
前記一体ケーシングは、前記ピニオンおよび前記ブルギヤの回転軸の軸心を含む水平面で分割された水平分割構造であることを特徴とする請求項４に記載の多段遠心圧縮機。