JP5611929B2

JP5611929B2 - 流体回転機械

Info

Publication number: JP5611929B2
Application number: JP2011268167A
Authority: JP
Inventors: 山本　祐介; 祐介山本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: JP2013119807A; CN103148333B; KR101422943B1; KR20130064025A; CN103148333A

Description

本発明は、回転力によって流体を送出または圧縮する回転ポンプ、或いは、流体の圧力によって回転力を生じる流体圧モータのような流体回転機械、より詳しくは、蒸気または水を含む流体の圧力または運動エネルギーと回転軸の回転力との間でエネルギー変換する流体回転機械に関する。

例えば、特許文献１には、蒸気によって膨張機（蒸気モータ）を駆動し、膨張機の回転力によって圧縮機を駆動して蒸気を圧縮する機構（蒸気駆動圧縮装置）を備えるシステムが記載されている。

蒸気用流体回転機械では、一般的に、蒸気の膨張または圧縮を行う空間を密閉し、蒸気の漏れを防止するために、回転軸をシールする軸封装置が必要である。特に、回転軸を支持する軸受に蒸気または蒸気が凝縮したドレンが侵入すると、軸受の寿命を大きく縮める結果となる。軸封装置としては、回転軸とケーシングとの間に形成したシール空間に圧縮空気を供給するものが広く利用されている。このような圧縮空気を用いる軸封装置では、圧縮空気の供給が途絶えると、蒸気がシール空間を通過してしまう。

また、駆動側の機器と被駆動側の機器との間で回転力を伝達する装置では、駆動側の機器と被駆動側の機器の回転軸の間の相対位置を正確に保持することが必要であるので、駆動側の機器と被駆動側の機器のケーシングを一体化することが多く、駆動側の機器と被駆動側の機器の回転軸を一体化することもある。また、駆動側の機器の回転軸と被駆動側の機器の回転軸との間で回転を伝達する歯車列のような伝達機構が存在する場合には、その伝達機構を含めて、ケーシングを一体化することが多い。

そのように駆動側と被駆動側とを一体化した装置の駆動側の機器および被駆動側の機器の少なくともいずれか一方が流体回転機械であり、その軸封が不完全であると、漏出した水が他方の機器や伝達機構の内部にまで侵入する。特に、蒸気用流体回転機械の場合には、その軸封の難しさから、蒸気やドレンが軸を伝って漏出しやすい。

多くの流体回転機械では、軸受等を潤滑する潤滑油を、ポンプを用いて循環させるシステムを備えることが少なくない。このような装置では、一旦、潤滑油を循環させるシステムのうちの１箇所から、例えば１つの軸受から、潤滑油に蒸気やドレン等の水分が混入すると、水分が混入した潤滑油が他の軸受等の全ての潤滑部分に供給され、各部の機能低下や損傷を招くことになる。

しかしながら、従来の流体回転機械では、軸封の完全性を保証することは難しい。例えば、上述のとおり、回転軸とケーシングとの間に形成したシール空間に圧縮空気を供給する形式の軸封装置を用いた蒸気用流体回転機械において、圧縮空気の供給を完全に保証することはできない。あるいは、例えば、スクリュロータの潤滑およびシールのために水を使用する水噴射式スクリュ圧縮機においても、圧縮空気を用いたシール装置や、リップシールによって、水が軸受に浸入することを防止しているが、同様に、潤滑油に水が混入する危険性がある。

非特許文献１には、水分の許容量について、０．２体積％の水分混入が潤滑油の交換限度であるとの記載がある。しかしながら、従来の流体回転機械では、潤滑油に蒸気やドレンが混入しても、実際に不具合が発生するまでは水分の混入に気付くことができず、大きな損害を生じるという問題があった。

特開２０１０−２６５７４９号公報

「ベアリングの健康管理」、ＮＴＮ株式会社、ＣＡＴ．ＮＯ．３０１７／Ｊ、Ｐ６

前記問題点に鑑みて、本発明は、潤滑油に水分が混入したときに、安全に停止できる流体回転機械を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による流体回転機械は、蒸気または水を含む流体の圧力又は運動エネルギーと回転軸の回転力との間でエネルギー変換され、当該流体が前記回転軸において軸封され、前記回転軸が軸受けにより支持され、前記軸受けが潤滑油により潤滑される流体回転機械において、潤滑油を貯留し、底壁が傾斜し、前記底壁の最も低い位置にさらに下方に突出するトラップ部を備え、底部の前記トラップ部から離れた位置に排出口を備える油槽と、前記排出口から前記潤滑油を引き抜いて、所定の部位に前記潤滑油を供給する循環ポンプと、前記トラップ部に、前記油槽に貯留する前記潤滑油中の沈降分離して蓄積された水分を検出する水分検出器と、前記水分検出器が水分を検出したときに運転を停止する制御手段とを有するものとする。

この構成によれば、水分が沈降分離しやすい油槽において水分を検出するので、比較的容易に水分を検出でき、水分を検出したときには運転を停止するので、装置が損傷に至らない。

また、油槽は、底壁が傾斜し、最も低い位置にさらに下方に突出するトラップ部を備えるため、沈降した水分を小さいトラップ部に集めることで、水分の層の厚みが大きくなるので、検出が容易である。
さらに、油槽は、底部のトラップ部から離れた位置に排出口を備え、排出口から潤滑油を引き抜いて、所定の部位に前記潤滑油を供給する循環ポンプを有するので、トラップ部に溜まった水をポンプに引き込まないで、油のみを循環させられる。

本発明の流体回転機械において、前記トラップ部の容積は、前記潤滑油の全量の０．２％から３．０％の間であることが好ましい。

この構成によれば、潤滑油に混入が許容される水分の割合の上限値に相当する量の水が溜まったことを検知するのに都合がよい。

また、本発明の流体回転機械において、前記水分検出器は、静電容量式センサであってもよい。

この構成によれば、小型のセンサが提供されており、検出精度が高く、メンテナンスも容易である。

以上のように、本発明によれば、油槽において水分を検出して、運転を停止するので、軸受等が損傷を受ける前に、水の排出および油の交換を促すことができ、装置の寿命が長くなる。

本発明の流体回転機械の１つの実施形態のである蒸気駆動式２段圧縮装置の構成図である。図１の蒸気駆動圧縮機の油槽を構成するケーシング部の斜視図である。図２のケーシング部の断面図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の流体回転機械の１つの実施形態である蒸気駆動式２段圧縮装置１の構成を示す。本実施形態の圧縮装置１は、スクリュ膨張機からなる蒸気モータ２によって、スクリュ圧縮機からなる第１段圧縮機３および第２段圧縮機４を駆動するように構成されている。蒸気モータ２、第１段圧縮機３および第２段圧縮機４の回転軸は、ギアボックス５の歯車機構によって回転可能に接続されている。また、蒸気モータ２、第１段圧縮機３および第２段圧縮機４のケーシングは、ギアボックス５のケーシングと一体に接続されている。

蒸気モータ２には、容量制御弁６を介して蒸気が供給される。蒸気モータ２は、ケーシング内に収容した雌雄一対のスクリュロータによって、蒸気の膨張力をロータ軸の回転力に変換する。蒸気モータ２の中で膨張して圧力が低下した蒸気は、蒸気モータ２から排出され、廃棄または他の設備により２次利用される。

第１段圧縮機３および第２段圧縮機４は、それぞれ、ケーシング内に収容した雌雄一対のスクリュロータのロータ軸がギアボックス５の歯車機構を介して蒸気モータ２によって回転駆動され、スクリュロータによって空気を吸い込んで圧縮するように構成されている。第１段圧縮機３は、吸込フィルタ７を介して外気を吸引し、圧縮した空気を吐出する。第２段圧縮機４は、第１段圧縮機３が圧縮した空気をインタークーラ８を介して吸入して圧縮する。第２段圧縮機４が吐出した圧縮空気は、アフタークーラ９、逆止弁１０およびドレンセパレータ１１を介して需要設備に供給される。また、アフタークーラ９と逆止弁１０との間には、吐出圧力の過剰な上昇を防止するために、放風弁１２および補助放風弁１３を備え、末端に設けたサイレンサ１４を介して圧縮空気を大気に放出する流路が接続されている。

ギアボックス５は、ケーシングの内部に蒸気モータ２の回転軸と、第１段圧縮機３の回転軸および第２段圧縮機４の回転軸とを接続する歯車を収容している。また、ケーシングの下部には、歯車を潤滑する潤滑油を貯留する油槽５ａが形成されている。圧縮装置１において、油槽５ａに貯留された潤滑油は、循環ポンプ１５によって吸い出され、油クーラ１６および油フィルタ１７を介して、蒸気モータ２、第１段圧縮機３および第２段圧縮機４の軸受等の必要な箇所に供給されるようになっている。油クーラ１６、アフタークーラ９およびインタークーラ８には、冷却水調整弁１８を介して冷却水が供給されるようになっている。

また、ギアボックス５の油槽５ａの下部には、油増５ａの下端に沈降分離して蓄積された水分を検出する水分検出器１９が設けられている。水分検出器１９の検出信号は、容量制御弁６、循環ポンプ１５および冷却水調整弁１８を制御するコントローラ（制御手段）２０に入力される。コントローラ２０は、水分検出器１９が水分を検出したならば、容量制御弁６を閉鎖し、循環ポンプ１５を停止し、冷却水調整弁１８を閉鎖する。これにより、圧縮装置１は、その運転を停止する。

図２および３に、本実施形態の圧縮装置１のギアボックス５のケーシングの下側部分を構成し、油槽５ａを確定するケーシング部２１を示す。ケーシング部２１は、概略箱型に形成され、上部が開放している。ケーシング部２１の底壁２２は、中央片側が低くなるように緩やかに傾斜した３つの面を備え、その最も低い位置に、さらに下方に突出して小さい箱型を形成するトラップ部２３が形成されている。

トラップ部２３は、圧縮装置１の潤滑油の全量の体積の０．２％から３％の容積を有する。また、ケーシング部２１は、トラップ部２３に開口するセンサ穴２４と、トラップ部２３から離れた位置において、底壁ぎりぎりの高さで側壁に開口する排出口２５とが設けられている。センサ穴２４には、水分検出器１９が取り付けられている。排出穴２５には、循環ポンプ１８によってケーシング部２１（油槽５ａ）に貯留されている潤滑油を引き抜いて、蒸気モータ２、第１段圧縮機３および第２段圧縮機４の軸受等の所定の部位に潤滑油を再供給するための配管が接続される。

水分検出器１９は、トラップ部２３の内部に挿入された棒状の部分の先端部と根元部との間の静電容量を検出する静電容量式センサであり、先端部と根元部とが水分によって短絡されることによって見かけ上の静電容量が大きくなることで、水分の存在を検出する。

ギアボックス５内へ水分の混入は、例えば、蒸気モータ２の軸封装置の機能不全によって生じる。蒸気モータ２では、スクリュロータを収容する空間と軸受を収容する空間との間に形成した軸封空間に圧縮空気を供給することによって、蒸気が軸受室、ひいてはギアボックス５に漏出することを防止するように構成されている。何らかの原因で圧縮空気の供給が停止すると、スクリュロータを駆動する蒸気が、ギアボックス５に漏出する。

一般に、軸受用の潤滑油への水分の混入は、０．２体積％程度が限度とされる。したがって、水分検出器１９が、トラップ部２３に潤滑油全量の０．２体積％を超えない所定の体積の水が溜まったことを検出できるように、水分検出器１９の大きさ等を考慮して、トラップ部２３の容積を定める。具体的には、トラップ部２３は、潤滑油全量の体積の０．２％から３．０％の容積を有することが好ましい。

このようにして、本実施形態の圧縮装置１は、軸受等が破損する前に、潤滑油への水分の混入を検出して、その運転を停止する。これにより、ユーザに潤滑油の交換を促して、ベアリングの破損やスクリュロータのかじり等の装置の損傷を防止し、装置の寿命を伸ばすことができる。また、圧縮装置１は、ユーザに水分混入による停止であることを知らせる警報装置を備えることが好ましい。

本願発明は、蒸気モータのような蒸気膨張機だけでなく、蒸気圧縮機、水噴射式気体圧縮機等、水または水分を含む流体を取り扱う回転機械全般に適用できる。

１…蒸気駆動式２段圧縮装置（流体回転機械）
２…蒸気モータ
３…第１段圧縮機
４…第２段圧縮機
５…ギアボックス
５ａ…油槽
６…容量制御弁
１５…循環ポンプ
１８…冷却水調節弁
１９…水分検出器
２０…コントローラ（制御手段）
２１…ケーシング部
２２…底壁
２３…トラップ部
２４…センサ穴
２５…排出口

Claims

蒸気または水を含む流体の圧力又は運動エネルギーと回転軸の回転力との間でエネルギー変換され、当該流体が前記回転軸において軸封され、前記回転軸が軸受けにより支持され、前記軸受けが潤滑油により潤滑される流体回転機械において、
潤滑油を貯留し、底壁が傾斜し、前記底壁の最も低い位置にさらに下方に突出するトラップ部を備え、底部の前記トラップ部から離れた位置に排出口を備える油槽と、
前記排出口から前記潤滑油を引き抜いて、所定の部位に前記潤滑油を供給する循環ポンプと、
前記トラップ部に、前記油槽に貯留する前記潤滑油中の沈降分離して蓄積された水分を検出する水分検出器と、
前記水分検出器が水分を検出したときに運転を停止する制御手段とを有することを特徴とする流体回転機械。
前記トラップ部の容積は、前記潤滑油の全量の０．２％から３．０％の間であることを特徴とする請求項１に記載の流体回転機械。
前記水分検出器は、静電容量式センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の流体回転機械。