JP7429541B2 - 圧縮機システム - Google Patents

圧縮機システム Download PDF

Info

Publication number
JP7429541B2
JP7429541B2 JP2020000331A JP2020000331A JP7429541B2 JP 7429541 B2 JP7429541 B2 JP 7429541B2 JP 2020000331 A JP2020000331 A JP 2020000331A JP 2020000331 A JP2020000331 A JP 2020000331A JP 7429541 B2 JP7429541 B2 JP 7429541B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
compressor
axial direction
impeller
rotating shaft
motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020000331A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2021110241A (ja
Inventor
英樹 永尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority to JP2020000331A priority Critical patent/JP7429541B2/ja
Priority to EP20217396.9A priority patent/EP3845765B1/en
Priority to US17/135,042 priority patent/US11572881B2/en
Publication of JP2021110241A publication Critical patent/JP2021110241A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7429541B2 publication Critical patent/JP7429541B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08Centrifugal pumps
    • F04D17/10Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12Multi-stage pumps
    • F04D17/122Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00Pumping installations or systems
    • F04D25/02Units comprising pumps and their driving means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00Pumping installations or systems
    • F04D25/02Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/053Shafts
    • F04D29/054Arrangements for joining or assembling shafts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056Bearings
    • F04D29/057Bearings hydrostatic; hydrodynamic
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/02Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive adapted to specific functions
    • F16D3/06Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive adapted to specific functions specially adapted to allow axial displacement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/02Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive adapted to specific functions
    • F16D3/10Couplings with means for varying the angular relationship of two coaxial shafts during motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/50Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members
    • F16D3/56Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members comprising elastic metal lamellae, elastic rods, or the like, e.g. arranged radially or parallel to the axis, the members being shear-loaded collectively by the total load
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056Bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/44Centrifugal pumps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

本開示は、圧縮機システムに関する。
一般的に遠心圧縮機は、回転軸と、回転軸に設けられたインペラと、このインペラを外側から覆うケーシングと、を備えている。例えば、特許文献1には、遠心圧縮機(圧縮装置)と、遠心圧縮機を駆動するモータ(モータ装置)と、を備えた構成が開示されている。この構成において、モータの第一のロータ(回転軸)と遠心圧縮機の第二のロータとは、同軸上で機械的に結合されている。モータの第二のロータと遠心圧縮機の第一のロータとは、機械的カップリングによって結合されている。
特許第5986351号公報
ところで、特許文献1に開示された構成では、回転軸同士を結合する機械的カップリングが、遠心圧縮機で第二のロータを支持する軸受よりも、軸線方向の外側に張り出した位置に配置されている。機械式カップリングのような重量物が軸受よりも外側に設けられていると、回転軸のロータダイナミクスに悪影響があり、回転軸の高速化の妨げとなる。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、回転軸のロータダイナミクスを向上させ、回転軸の高回転化を図ることが可能な圧縮機システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る圧縮機システムは、軸線を中心として回転可能な回転軸、前記回転軸とともに回転するインペラ、及び前記回転軸と前記インペラとを覆うケーシング、を備えた圧縮機と、前記回転軸と同軸上に配置されたモータロータ、及び前記モータロータの径方向の外側に配置されたステータを備え、前記回転軸を回転駆動するモータと、前記モータロータの回転を前記回転軸に伝達可能なように前記モータロータと前記回転軸とを連結する連結軸と、を備え、前記圧縮機は、前記回転軸を前記軸線周りに回転自在に支持する圧縮機軸受と、前記圧縮機軸受に対して前記軸線が延びる軸線方向において重なる位置かつ前記径方向の内側の位置で前記回転軸に固定され、前記連結軸が着脱可能に接続される圧縮機接続ハブと、を備え、前記連結軸は、前記圧縮機接続ハブとのミスアライメントを緩和可能とされ、前記圧縮機軸受は、前記圧縮機接続ハブの外周面を回転可能に支持し、前記連結軸は、前記軸線方向に延びる中空の筒状部と、前記軸線方向における前記圧縮機に近い前記筒状部の端部に接続され、前記圧縮機接続ハブに着脱可能に接続される第一フランジと、を備え、前記第一フランジは、前記筒状部よりも剛性が低い
本開示の圧縮機システムによれば、回転軸のロータダイナミクスを向上させ、回転軸の高速化を図ることが可能となる。
本実施形態に係る圧縮機システムの構成を示す模式図である。 上記圧縮機システムを構成する圧縮機の回転軸と、モータロータとの接続部分の構成を示す断面図である。 上記圧縮機に備えられたスラスト力調整部の構成を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して、本開示による圧縮機システムを実施するための形態を説明する。しかし、本開示はこの実施形態のみに限定されるものではない。
(圧縮機システム)
以下、本実施形態に係る圧縮機システムについて、図1~図3を参照して説明する。
図1に示すように、圧縮機システム100は、圧縮機1と、モータ5と、連結軸9と、を備えている。本実施形態において、圧縮機1は、モータ5を挟んでその両側にそれぞれ配置されている。圧縮機1は、モータ5を挟んで後述する軸線方向Daの第一側(図1においてモータ5に対して左側)に配置された低圧側の第一圧縮機1Aと、モータ5を挟んで軸線方向Daの第二側(図2においてモータ5に対して右側)に配置された高圧側の第二圧縮機1Bと、を備えている。低圧側の第一圧縮機1Aは、外部から取り込んだ作動流体(プロセスガス)を圧縮し、高圧側の第二圧縮機1Bの入口側に送給する。高圧側の第二圧縮機1Bで圧縮した作動流体は、作動流体を使用するプロセス側へと供給される。
ここで、第一圧縮機1Aと、第二圧縮機1Bとは、モータ5を挟んで線対称の配置となる他は、同様の構成を有している。そこで、以下の説明において、圧縮機1の構成を説明するために第一圧縮機1Aを例に用い、第二圧縮機1Bについての説明は省略する。
(圧縮機の構成)
図1及び図2に示すように圧縮機1は、ケーシング2と、ダイヤフラム21と、圧縮機軸受3と、回転軸4と、インペラ6と、スラスト力調整部7と、を備えている。圧縮機1は、一対の圧縮部10を備えている。一対の圧縮部10は、低圧側の第一圧縮部11と、高圧側の第二圧縮部12とである。低圧側の第一圧縮部11、高圧の第二圧縮部12は、それぞれ3つのインペラ6を備えている。すなわち、この圧縮機1は、1軸6段の圧縮機として構成されている。
このような圧縮機1においては、低圧側の第一圧縮部11で圧縮された作動流体は、高圧側の第二圧縮部12に流入する。この第二圧縮部12を流通する過程で、作動流体はさらに圧縮されて、高圧の作動流体となる。
(ケーシングの構成)
ケーシング2は、圧縮機1の外殻を形成している。ケーシング2は、回転軸4の軸線Oを中心として軸線方向Daに延びる筒状をなしている。ケーシング2には、ケーシング2内に作動流体を導く吸込口(不図示)やケーシング2内から作動流体を外部に排出する排出口(不図示)が形成されている。ケーシング2は、ダイヤフラム21ともに、圧縮機軸受3、回転軸4、及びインペラ6を覆っている。
(ダイヤフラムの構成)
ダイヤフラム21は、ケーシング2内に収容されている。ダイヤフラム21は、各インペラ6に対応するように軸線方向Daに複数並んで配置されている。ダイヤフラム21は、軸線Oを中心とする環状に形成されている。
(圧縮機軸受の構成)
圧縮機軸受3は、回転軸4を軸線O周りに回転可能に支持している。圧縮機軸受3は、ケーシング2内において、軸線Oの延びる軸線方向Daに間隔をあけて一対が配置されている。本実施形態において、圧縮機軸受3は、軸線方向Daの第一側の第一軸受3Aと、軸線方向Daの第二側の第二軸受3Bと、を備えている。本実施形態において、軸線方向Daの第一側は、モータ5から遠い側、軸線方向Daの第二側は、モータ5に近い側を示している。
圧縮機軸受3(第一軸受3A及び第二軸受3B)は、ケーシング2に保持されている。本実施形態の圧縮機軸受3は、ガスが供給されるガス軸受である。つまり、圧縮機軸受3には、潤滑油は使用されていない。圧縮機軸受3には、第一圧縮部11により昇圧された作動流体からの抽気や、外部の窒素等のガスが供給される。圧縮機軸受3は、回転する回転軸4との間に巻き込まれるガスに動圧が発生することにより、非接触の状態で回転軸4を支持することができる。
(回転軸の構成)
回転軸4は、軸線Oを中心として回転可能とされている。回転軸4は、水平方向に延びている。この回転軸4の両端部は、一対の圧縮機軸受3に支持されている。つまり、回転軸4は、一対の圧縮機軸受3よりも、軸線方向Daの両側(外側)に突出していない。
本実施形態において、回転軸4は、軸線方向Daの第一側の第一回転軸4Aと、軸線方向Daの第二側の第二回転軸4Bと、を備えている。第一回転軸4Aと、第二回転軸4Bとは、軸線方向Daの中央部に設けられた中間軸41を介して互いに連結されている。中間軸41は、軸線方向Daに延びる円筒状で、その内側に、第一回転軸4Aの軸線方向Daの第二側の端部と、第二回転軸4Bの軸線方向Daの第一側の端部とが、それぞれ連結されている。
図1に示すように、第一回転軸4Aの軸線方向Daの第一側の端部には、端部スリーブ42が配置されている。端部スリーブ42は、軸線方向Daに延びる円筒状に形成されている。端部スリーブ42の内側に、第一回転軸4Aの軸線方向Daの第一側の端部が連結されている。この端部スリーブ42は、軸線方向Daの第一側に配置された第一軸受3Aに対して、軸線Oを中心とする径方向Drの内側に配置されている。
(接続ハブの構成)
図1及び図2に示すように、第二回転軸4Bにおいて、軸線方向Daの第二側、つまりモータ5に近い端部には、圧縮機接続ハブ45が配置されている。圧縮機接続ハブ45は、第二軸受3Bに対して軸線方向Daにおいて重なる位置に配置されている。圧縮機接続ハブ45は、軸線方向Daの第二側に配置された第二軸受3Bに対して、径方向Drの内側で回転軸4に固定されている。つまり、第二軸受3Bは、圧縮機接続ハブ45の外周面を回転可能に支持している。したがって、第二回転軸4Bは、圧縮機接続ハブ45を介して間接的に第二軸受3Bに支持されている。圧縮機接続ハブ45には、後述する連結軸9が着脱可能に接続される。図2に示すように、圧縮機接続ハブ45は、軸線方向Daに延びる円筒状に形成されている。圧縮機接続ハブ45の内側に、第二回転軸4Bの軸線方向Daの第二側の端部が連結されている。
第二軸受3Bで支持される箇所に相当する圧縮機接続ハブ45の表面は、表面粗さを1μm以下の低摩擦表面とするために、例えば硬質クロムメッキ表面処理451を備えている。
(インペラの構成)
インペラ6は、回転軸4に固定されている。インペラ6は、回転軸4と一体に回転する。本実施形態の圧縮機1は、第一圧縮部11に配置された第一インペラ群60Aと、第二圧縮部12に配置された第二インペラ群60Bと、が備えている。第一インペラ群60A、第二インペラ群60Bは、それぞれ、例えば三枚ずつのインペラ6を備えている。インペラ6は、第一インペラ群60Aに配置された第一インペラ6Aと、第二インペラ群60Bに配置された第二インペラ6Bと、を備えている。各第一インペラ6Aは、第一回転軸4Aに固定されている。各第二インペラ6Bは、第二回転軸4Bに固定されている。各第一インペラ6Aと、各第二インペラ6Bとは、軸線方向Daで互いに反対側を向いて配置されている。
図3に示すように、各インペラ6は、本実施形態において、ディスク部61とブレード部62とカバー部63とを備えた、いわゆるクローズドインペラである。
ディスク部61は、円盤状をなしている。例えば、各第一インペラ6Aのディスク部61は、軸線方向Daの一方側(第二側)を向く背面612から軸線方向Daの他方側(第一側)を向く前面611に向かって、外径が漸次縮径している。つまり、ディスク部61は、全体として略傘形状をなしている。
ここで、インペラ6において、軸線方向Daの一方側は、軸線方向Daにおいて、カバー部63に対してディスク部61が配置されている側である。したがって、本実施形態の第一インペラ6Aでは、軸線方向Daの一方側は、図1において、軸線方向Daにおいて、第二圧縮部12が配置されている側である。逆に、本実施形態の第二インペラ6Bでは、軸線方向Daの一方側は、軸線方向Daにおいて、第一圧縮部11が配置されている側である。
また、軸線方向Daの他方側は、軸線方向Daにおいて、ディスク部61に対してカバー部63が配置されている側である。したがって、本実施形態の第一インペラ6Aでは、軸線方向Daの他方側は、軸線方向Daの第一圧縮部11が配置されている側である。逆に、本実施形態の第二インペラ6Bでは、軸線方向Daの他方側は、軸線方向Daの第二圧縮部12が配置されている側である。
即ち、第一インペラ6Aのディスク部61では、背面612は、軸線方向Daの第二圧縮部12側を向いている。これに対し、第二インペラ6Bのディスク部61では、背面612は、軸線方向Daの第一圧縮部11側を向いている。つまり、第一インペラ6Aのディスク部61の背面612と、第二インペラ6Bのディスク部61の背面612とは、軸線方向Daにおいて互いに対向している。
また、ディスク部61は、軸線方向Daから見た際に、略円盤状をなしている。ディスク部61の前面611から周方向に間隔を隔てて、軸線方向Daに複数のブレード部62が延びている。図2に示すように、ディスク部61には、軸線Oを中心とする径方向Drの内側にディスク部61を軸線方向Daに貫く貫通孔613が形成されている。この貫通孔613には、回転軸4が挿入される。
カバー部63は、複数のブレード部62を覆うように形成されている。このカバー部63は、円盤状をなしている。カバー部63は、ディスク部61に対向する側が、ディスク部61と一定の間隔を隔てて対向する凸状面として形成されている。
各インペラ6においては、ディスク部61とカバー部63との間に、インペラ流路64が形成されている。インペラ流路64は、ディスク部61の前面611側の径方向Drの内側で軸線方向Daに沿って開口する流入口6iと、インペラ6の径方向Drの外側に向かって開口する流出口6oと、を有している。
(スラスト力調整部の構成)
スラスト力調整部7は、第一インペラ群60Aの第一インペラ6A、及び第二インペラ群60Bの第二インペラ6Bのそれぞれに配置されている。本実施形態において、スラスト力調整部7は、第一インペラ群60Aの第一インペラ6Aのうち、軸線方向Daで最も第二側(最も複数の第二インペラ6Bに近い位置)に位置する最終段第一インペラ6Aeに配置されている。本実施形態において、スラスト力調整部7は、第二インペラ群60Bの第二インペラ6Bのうち、軸線方向Daで最も第一側(最も最終段第一インペラ6Aeに近い位置)に位置する最終段第二インペラ6Beに配置されている。
最終段第一インペラ6Ae及び最終段第二インペラ6Beには、背面612から突出してディスク部61と一体的に形成されている凸部65が形成されている。本実施形態では、凸部65として、外側凸部66と、内側凸部67とを有している。外側凸部66は、背面612から軸線方向Daに突出している。本実施形態の外側凸部66は、ディスク部61の貫通孔613を囲むように、ディスク部61の背面612から環状に突出している。外側凸部66は、外側シール面661と、外側受圧面662と、を有する。
外側シール面661は、回転軸4の外表面と平行に形成されている。外側シール面661は、外側凸部66の径方向Drの外側を向く平滑な面である。本実施形態では、背面612からの外側凸部66の突出量は、外側シール面661の軸線方向Daの幅によって定められている。外側シール面661は、回転軸4の外表面から所定の距離だけ離れた位置に形成されている。具体的には、本実施形態の所定の距離は、圧縮機1ごとに予め設定される値である。所定の距離は、回転軸4に働くスラスト力のバランスをとるために、外側受圧面662が受ける力の大きさに応じて定められる。
外側受圧面662は、外側凸部66の軸線方向Daを含む方向を向く面である。つまり、外側受圧面662は、軸線方向Daに働く力を受ける面である。ここで、軸線方向Daを含む方向とは、軸線方向Daに対して直交する方向を除く軸線Oに対して交差する方向であって、軸線Oに対して傾斜した方向や平行な方向も含んでいる。外側受圧面662は、可能な限り面積が大きくなるように形成されることが好ましい。外側受圧面662は、外側傾斜受圧面662aと、外側垂直受圧面662bとを有している。
外側傾斜受圧面662aは、軸線Oに対して傾斜した傾斜面である。本実施形態の外側傾斜受圧面662aは、軸線方向Daの一方側、かつ、径方向Drの内側を向いている。つまり、外側傾斜受圧面662aは、軸線方向Daの第二圧縮部12側、かつ、回転軸4の外表面側を向くように傾斜している。外側傾斜受圧面662aは、外側シール面661の軸線方向Daの端部から外側垂直受圧面662bに向かって延びている。
外側垂直受圧面662bは、外側傾斜受圧面662aの径方向Drの内側の端部から径方向Drの内側に向かって垂直に延びる面である。外側垂直受圧面662bは、回転軸4の外表面と直交する面であって、軸線方向Daの一方側を向いている。本実施形態の外側垂直受圧面662bは、背面612と同様に、軸線方向Daの第二圧縮部12側を向いている。
内側凸部67は、背面612から軸線方向Daに突出している。内側凸部67は、外側凸部66よりも径方向Drの内側に設けられている。本実施形態の内側凸部67は、ディスク部61の貫通孔613を囲むように、ディスク部61の背面612から環状に突出している。内側凸部67は、内側シール面671と、内側受圧面672と、を有する。
内側シール面671は、回転軸4の外表面と平行に形成されている。内側シール面671は、内側凸部67の径方向Dr外側を向く平滑な面である。内側シール面671は、外側シール面661よりも径方向Drの内側に形成されている。本実施形態の内側シール面671は、外側垂直受圧面662bの径方向Drの内側の端部と繋がっている。本実施形態では、外側垂直受圧面662bからの内側凸部67の突出量は、内側シール面671の軸線方向Daの幅によって定められている。内側シール面671は、回転軸4の外表面から所定の距離だけ離れた位置に形成されている。具体的には、本実施形態の所定の距離は、圧縮機1ごとに予め設定される値である。所定の距離は、回転軸4に働くスラスト力のバランスをとるために、内側受圧面672が受ける力の大きさに応じて定められる。
内側受圧面672は、内側凸部67の軸線方向Daを含む方向を向く面である。つまり、内側受圧面672は、軸線方向Daに働く力を受ける面である。内側受圧面672は、可能な限り面積が大きくなるように形成されることが好ましい。内側受圧面672は、内側傾斜受圧面672aと、内側垂直受圧面672bとを有している。
内側傾斜受圧面672aは、軸線Oに対して傾斜した傾斜面である。本実施形態の内側傾斜受圧面672aは、軸線方向Daの一方側、かつ、径方向Drの内側を向いている。つまり、内側傾斜受圧面672aは、軸線方向Daの第二圧縮部12側、かつ、回転軸4の外表面側を向くように傾斜している。内側傾斜受圧面672aは、内側シール面671の軸線方向Daの端部から内側垂直受圧面672bに向かって延びている。
内側垂直受圧面672bは、内側傾斜受圧面672aの径方向Drの内側の端部から径方向Drの内側に向かって貫通孔613の端部まで垂直に延びる面である。即ち、内側垂直受圧面672bは、回転軸4の外表面と直交する面であって、軸線方向Daの一方側を向いている。内側垂直受圧面672bは、軸延方向の位置が外側垂直受圧面662bと同じ位置に形成されている。本実施形態の内側垂直受圧面672bは、背面612と同様に、軸線方向Daの第二圧縮部12側を向いている。
スラスト力調整部7は、ディスク部61の背面612とケーシング2の内部に配置されたダイヤフラム21との間で軸線方向Daのスラスト力を調整する。スラスト力調整部7は、外側シール部71と、内側シール部72と、絞り形成部73とを有している。
外側シール部71は、背面612とダイヤフラム21との間を封止している。本実施形態の外側シール部71は、外側シール面661と、ダイヤフラム21との間の径方向Drの隙間を封止している。外側シール部71は、ダイヤフラム21に固定されている。外側シール部71は、外側シール面661との間に微小な隙間が形成されたラビリンスシールである。
内側シール部72は、外側シール部71から径方向Drの内側に離れた位置に配置されている。内側シール部72は、背面612とダイヤフラム21との間を封止している。本実施形態の内側シール部72は、内側シール面671と、ダイヤフラム21との間の径方向Drの隙間を封止している。内側シール部72は、ダイヤフラム21に固定されている。内側シール部72は、内側シール面671との間に微小な隙間が形成されたラビリンスシールである。
絞り形成部73は、軸線方向Daにおける背面612とダイヤフラム21との間隔が狭められた絞り部S3を形成する。絞り形成部73は、背面612と対向するようにダイヤフラム21に一体に設けられている。絞り形成部73は、背面612に向かって突出する突出部731を有している。突出部731は、背面612に近づくにしたがって、回転軸4の外表面に使づくように傾斜する突出部傾斜面731aを有している。突出部731の先端と背面612との間に絞り部S3が形成されている。絞り部S3は、内側シール部72から径方向Drの内側に離れた位置に形成されている。絞り部S3の軸線方向Daの幅は、後述する外側空間S1及び内側空間S2の軸線方向Daの幅よりも狭くされている。つまり、背面612とダイヤフラム21との間隔は、絞り部S3において最も狭く形成されている。具体的には、絞り部S3は、内側垂直受圧面672bと突出部731の先端との間に形成されている。この絞り部S3は、第一インペラ6Aが移動することで背面612に対する間隔が変化する、いわゆる「自成絞り」と呼ばれるものである。
外側シール部71と内側シール部72とによって、背面612とダイヤフラム21との間には外側空間S1が形成されている。外側空間S1は、外側シール部71と内側シール部72とで挟まれて、径方向Drに延びる空間である。外側空間S1は、背面612とダイヤフラム21とが接触しない範囲で、可能な限り軸線方向Daの幅が小さく形成されることが好ましい。本実施形態の外側空間S1は、外側傾斜受圧面662a及び外側垂直受圧面662bに面して形成されている。外側空間S1には、第一圧縮部11のインペラ6の流出口6o付近から外側シール部71を経てわずかに漏れ出た作動流体や後述する外部ガス導入部83から供給されたガス等の気体が流入する。
内側シール部72と突出部731とによって、背面612とダイヤフラム21との間には内側空間S2が形成されている。内側空間S2は、内側シール部72と絞り部S3とで挟まれて、径方向Drに延びる空間である。つまり、内側空間S2は、外側空間S1よりも径方向Drの内側に形成されている。内側空間S2は、絞り部S3と連続する空間である。内側空間S2は、背面612とダイヤフラム21とが接触しない範囲で、可能な限り軸線方向Daの幅が小さく形成されることが好ましい。内側空間S2は、外側空間S1と対応する容積で形成されることが好ましい。ここで、対応する容積とは、実質的に同一とみなせる容積である。本実施形態の内側空間S2は、内側傾斜受圧面672a及び内側垂直受圧面672bに面して形成されている。内側空間S2には、外側空間S1内の気体が内側シール部72からわずかに漏れ出て流入する。
外部ガス導入部83は、外側空間S1内の圧力を高めるガスを外部から外側空間S1に導入する。外部ガス導入部83は、外部のガス供給源と外側空間S1とを連通させるガス供給ラインである。外部に設けられたブースターポンプをガス供給源として、外部ガス導入部83によって圧縮されたガスが外側空間S1に供給される。外部ガス導入部83は、外側シール部71と内側シール部72との間で外側空間S1に面するダイヤフラム21に開口している。外部ガス導入部83は、定常運転時に圧縮された作動流体に近い圧力のガスを供給する。
このようなスラスト力調整部7では、第一インペラ6Aで圧縮された作動流体の一部は、流出口6o付近から外側シール部71に向かって流れる。外側シール部71まで流れてきた作動流体は、外側シール面661に沿って外側空間S1内にわずかに漏れ出る。外側空間S1内に漏れ出た作動流体は、外側空間S1内を内側シール部72に向かって流れる。内側シール部72まで流れてきた作動流体は、内側シール面671に沿って内側空間S2内にわずかに漏れ出る。内側空間S2内に漏れ出た作動流体は、内側空間S2を絞り部S3に向かって流れる。絞り部S3の軸線方向Daの幅が内側空間S2の軸線方向Daの幅よりも狭いことで、作動流体は絞り部S3を通過する際に減圧されながら内側空間S2から流出していく。絞り部S3を経てダイヤフラム21内に流出した作動流体は、不図示の排出口からケーシング2の外部に排出される。
圧縮機1において、第一圧縮部11及び第二圧縮部12で作動流体が圧縮されていくことで、ディスク部61を介してインペラ6が固定されている回転軸4に、軸線方向Daに作用するスラスト力が生じる。このスラスト力によって、例えば、軸線方向Daの第一圧縮部11側から第二圧縮部12側に向かうスラスト力が回転軸4に生じると、このスラスト力を受けて、回転軸4とともに第一インペラ6Aが軸線方向Daの第二圧縮部12側に移動する。その結果、第一インペラ6Aが軸線方向Daの第二圧縮部12側に移動して絞り部S3の間隔が狭くなる。絞り部S3の間隔が狭くなることで、内側空間S2からの作動流体のリーク量が減少し、外側空間S1及び内側空間S2内の圧力が上がる。これにより、外側空間S1を画成する外側傾斜受圧面662a及び外側垂直受圧面662bと、内側空間S2を画成する内側傾斜受圧面672a及び内側垂直受圧面672bの一部とが軸線方向Daの第一圧縮部11側に押される。その結果、絞り部S3の間隔が広がる方向に第一インペラ6Aが押し戻される。
逆に、例えば、軸線方向Daの第二圧縮部12側から第一圧縮部11側に向かうスラスト力が回転軸4に生じると、このスラスト力を受けて、回転軸4とともに第一インペラ6Aが軸線方向Daの第一圧縮部11側に移動する。その結果、第一インペラ6Aが軸線方向Daの第一圧縮部11側に移動して絞り部S3の間隔が広くなる。絞り部S3の間隔が広くなることで、内側空間S2からの作動流体のリーク量が増加し、外側空間S1及び内側空間S2内の圧力が下がる。これにより、外側空間S1を画成する外側傾斜受圧面662a及び外側垂直受圧面662bと、内側空間S2を画成する内側傾斜受圧面672a及び内側垂直受圧面672bの一部とが軸線方向Daの第二圧縮部12側に引かれる。その結果、絞り部S3の間隔が狭まる方向に第一インペラ6Aが押し戻される。したがって、回転軸4に作用するスラスト力が変動して、回転軸4が軸線方向Daに移動したとしても、第一インペラ6Aを移動させることで、回転軸4を元の位置に自動的に復帰させる(戻す)ことができる。
(モータの構成)
図1に示すように、モータ5は、軸線方向Daにおいて、第一圧縮機1Aと第二圧縮機1Bとの間に配置されている。モータ5は、モータケーシング53と、モータロータ51と、モータ軸受3Gと、ステータ52と、を有している。
モータケーシング53は、モータ5の外殻を形成している。モータケーシング53は、軸線方向Daに延びる筒状に形成されている。モータケーシング53の軸線方向Daの端部は、圧縮機1のケーシング2に連結されている。モータケーシング53は、モータロータ51、及びステータ52を覆っている。
モータロータ51は、回転軸4と同軸上に設けられている。モータロータ51は、モータケーシング53に設けられた一対のモータ軸受3Gにより、軸線O回りに回転可能とされている。モータロータ51の両端部が、一対のモータ軸受3Gに支持されている。つまり、モータロータ51は、一対のモータ軸受3Gよりも、軸線方向Daの両側に突出していない。モータロータ51は、後述する連結軸9を介して回転軸4に連結されている。モータロータ51は、連結軸9とともに回転軸4と一体的に回転する。
モータ軸受3Gは、モータロータ51を軸線O周りに回転可能に支持している。モータ軸受3Gは、モータケーシング53内において、軸線方向Daに間隔をあけて一対が配置されている。本実施形態において、モータ軸受3Gは、軸線方向Daの第一側の第三軸受3Hと、軸線方向Daの第二側の第四軸受3Iと、を備えている。モータ5において、軸線方向Daの第一側は、第一圧縮機1Aに近い側、軸線方向Daの第二側は、第二圧縮機1Bに近い側である。
モータ軸受3G(第三軸受3H及び第四軸受3I)は、モータケーシング53に保持されている。モータ軸受3Gは、圧縮機軸受3と同様、ガス軸受である。つまり、モータ軸受3Gには、潤滑油は使用されていない。
ステータ52は、モータロータ51に対して径方向Drの外側に配置されている。ステータ52は、モータケーシング53に固定されている。このようなモータ5では、ステータ52に備えられたコイルに通電すると、ステータ52に対してモータロータ51が回転する。これによりモータ5は、回転軸4に回転駆動力を伝達し、第一圧縮機1A及び第二圧縮機1Bの回転軸4を回転させる。
モータロータ51の両端部には、モータ接続ハブ55が配置されている。図2に示すように、モータ接続ハブ55は、モータ軸受3Gに対して軸線方向Daにおいて重なる位置に配置されている。モータ接続ハブ55は、モータ軸受3Gに対して、径方向Drの内側で回転軸4に固定されている。つまり、モータ軸受3Gは、モータ接続ハブ55の外周面を回転可能に支持している。したがって、モータロータ51は、モータ接続ハブ55を介して間接的にモータ軸受3Gに支持されている。モータ接続ハブ55は、後述する連結軸9が着脱可能に接続される。モータ接続ハブ55は、軸線方向Daに延びる円筒状に形成されている。モータ接続ハブ55の内側に、モータロータ51の端部が連結されている。
モータ軸受3Gで支持される箇所に相当するモータ接続ハブ55の表面は、表面粗さを1μm以下の低摩擦表面とするために、例えば硬質クロムメッキ表面処理551を備えている。
(連結軸の構成)
連結軸9は、モータロータ51の回転を回転軸4に伝達可能なように、モータロータ51と回転軸4とを連結する。連結軸9は、モータロータ51及び回転軸4と同軸上に設けられている。連結軸9は、モータロータ51が回転することで、回転軸4とともに回転する。連結軸9は、圧縮機接続ハブ45とモータ接続ハブ55とに接続されている。つまり、連結軸9は、圧縮機接続ハブ45及びモータ接続ハブ55を介して、回転軸4とモータロータ51とを間接的に接続されている。
連結軸9は、第二回転軸4Bとモータロータ51とのミスアライメントを緩和可能としている。つまり、連結軸9は、第二回転軸4Bとモータロータ51との間で回転トルクを伝達しつつ、その一部が変形することで軸線方向Daの変位や軸ずれ、角変位などのミスアライメントを吸収可能とされている。
なお、連結軸9、圧縮機接続ハブ45、及びモータ接続ハブ55としては、例えば、フレキシブルカップリング、ダイヤフラムカップリングを用いることができる。
具体的には、連結軸9は、筒状部454と、低剛性部材である第一フランジ452と、同様に低剛性部材である第二フランジ453と、を一体に備えている。
筒状部454は、軸線方向Daに延びている。筒状部454は、軸線Oを中心とする円筒状をなしている。第一フランジ452は、筒状部454の軸線方向Daの第一側(圧縮機1に近い側)の端部に接続されている。第一フランジ452は、筒状部454から径方向Drの外側に向かって広がっている。具体的には、第一フランジ452は、軸線O回りに連続する円環状に形成されている。第一フランジ452は、圧縮機接続ハブ45に対し、ボルト等によって着脱可能に接続される。第二フランジ453は、筒状部454の軸線方向Daの第二側(モータ5に近い側)の端部に接続されている。第二フランジ453は、筒状部454から径方向Drの外側に向かって広がっている。第二フランジ453は、第一フランジ452と同形状となるように、軸線O回りに連続する円環状に形成されている。第二フランジ453は、モータ接続ハブ55に対し、ボルト等によって着脱可能に接続される。第一フランジ452と第二フランジ453とは、圧縮機接続ハブ45及び筒状部454よりも剛性が低くなるように形成されている。
(作用効果)
上記構成の圧縮機システム100では、圧縮機軸受3に対して軸線方向Daにおいて重なる位置かつ径方向Drの内側の位置に圧縮機接続ハブ45が配置され、連結軸9と接続されている。これにより、連結軸9は、回転軸4が固定される圧縮機接続ハブ45との間で、回転軸4やモータロータ51の熱伸び等によって相対変位が生じた場合に、この相対変位に応じて第一フランジ452及び第二フランジ453が弾性変形する。このようにして、連結軸9により、圧縮機接続ハブ45とのミスアライメントが緩和される。つまり、連結軸9により、回転軸4とのミスアライメントが圧縮機接続ハブ45を介して間接的に緩和される。さらに、圧縮機1の圧縮機軸受3よりも軸線方向Daの外側に、圧縮機接続ハブ45のような重量物が配置されることが抑えられる。したがって、回転軸4のロータダイナミクスを向上させ、回転軸4の高回転化を図ることが可能となる。
また、モータロータ51の端部にモータ接続ハブ55を備えている。モータ接続ハブ55は、モータ軸受3Gに対して軸線方向Daにおいて重なる位置かつ径方向Drの内側の位置に配置されている。これにより、連結軸9は、モータロータ51が固定されるモータ接続ハブ55との間で、回転軸4やモータロータ51の熱伸び等によって相対変位が生じた場合に、この相対変位に応じて第一フランジ452及び第二フランジ453が弾性変形する。このようにして、連結軸9により、モータ接続ハブ55とのミスアライメントが緩和される。つまり、連結軸9により、モータロータ51とのミスアライメントがモータ接続ハブ55を介して間接的に緩和される。さらに、モータ軸受3Gよりも軸線方向Daの外側に、モータ接続ハブ55のような重量物が配置されることが抑えられる。したがって、モータロータ51のロータダイナミクスを向上させ、モータロータ51の高回転化を図ることが可能となる。その結果、モータロータ51と一体に回転する回転軸4のロータダイナミクスをさらに向上させ、回転軸4のさらなる高回転化を図ることが可能となる。
また、連結軸9は、中空の筒状部454と、筒状部454と一体に形成された第一フランジ452及び第二フランジ453と、を備えている。筒状部454によって、連結軸9の剛性を、圧縮機1の回転軸4やモータロータ51よりも低くすることができる。これにより、圧縮機1の回転軸4とモータ5のモータロータ51とが剛結合されず、回転軸4とモータロータ51との間に配置された連結軸9が、主に径方向Drに弾性変形可能となる。これにより、回転軸4とモータロータ51とのミスアライメントが連結軸9によって緩和される。その結果、圧縮機1の回転軸4と、モータ5のモータロータ51とを、振動特性的にそれぞれ独立して取り扱うことが可能となる。したがって、回転軸4のロータダイナミクスをさらに向上させ、回転軸4の高回転化を図ることが可能となる。
また、ディスク部61の軸線方向Daの一方側を向く背面612とケーシング2との間で軸線方向Daのスラスト力を調整するスラスト力調整部7が配置されている。これにより、外側空間S1には、インペラ6で圧縮された作動流体の一部が外側シール部71を経て流入する。外側空間S1に流入した作動流体は内側シール部72を経て内側空間S2に流入する。さらに、内側空間S2の流入した作動流体は絞り部S3へと流れていく。絞り部S3の軸線方向Daの幅が内側空間S2の軸線方向Daの幅よりも狭いことで、作動流体は絞り部S3を通過する際に減圧されながら内側空間S2から流出していく。この状態で、回転軸4とともにインペラ6がスラスト力を受けて軸線方向Daに移動して絞り部S3の間隔が狭くなると、内側空間S2からのリーク量が減少し、外側空間S1及び内側空間S2内の圧力が上がる。その結果、絞り部S3の間隔が広がる方向にインペラ6が押し戻される。逆に、インペラ6の移動により絞り部S3の間隔が広くなると、内側空間S2からのリーク量が増加し、外側空間S1及び内側空間S2内の圧力が下がる。その結果、絞り部S3の間隔が狭まる方向にインペラ6が押し戻される。このように、インペラ6を移動させることで、回転軸4に作用するスラスト力が変動して、回転軸4が軸線方向Daに移動したとしても、回転軸4を元の位置に自動的に復帰させる(戻す)ことができる。さらに、スラスト力を支持するためのスラスト軸受や、バランスピストンを設置する必要がないため、軸線方向Daにおける回転軸4の長さを抑えることができる。その結果、回転軸4のロータダイナミクスをより向上させることが可能となる。
また、軸線方向Daの第一側に設けられ、背面612を軸線方向Daの第二側に向けた第一インペラ6Aと、軸線方向Daの第二側に設けられ、背面612を軸線方向Daの第一側に向けた第二インペラ6Bとに対して、スラスト力調整部7がそれぞれ設けられている。これにより、軸線方向Daの両側から回転軸4の位置が調整される。したがって、回転軸4に作用するスラスト力が変動して、回転軸4が軸線方向Daに移動したとしても、回転軸4を元の位置に自動的かつ迅速に復帰させることができる。
また、軸線方向Daにおいて、互いに反対側を向く複数の第一インペラ6A及び第二インペラ6Bに対して、スラスト力調整部7は、最も軸線方向Daの第二側(最下流)に位置する最終段第一インペラ6Aeと、最も軸線方向Daの第一側(最下流)に位置する最終段第二インペラ6Beとに配置されている。そのため、二つのスラスト力調整部7は、軸線方向Daにおいて、最も近接した位置に配置される。これにより、回転軸4に生じる軸線方向Daへの熱伸びの影響を受けづらくなる。その結果、回転軸4に生じる熱伸びの影響によって、絞り部S3の間隔が狭くなることを抑えることができる。
また、圧縮機軸受3やモータ軸受3Gとしてガス軸受が用いられている。つまり、回転軸4及びモータロータ51を支持する軸受が全てガス軸受で構成されている。これにより、潤滑油を用いる軸受と比較し、回転軸4の回転時に生じる摩擦抵抗を抑え、回転軸4の高回転化に有効に寄与することができる。また、圧縮機接続ハブ45、モータ接続ハブ55の表面に硬質クロムメッキの表面処理をすることで、さらに摩擦抵抗を抑えることができる。加えて、軸受と回転軸が接触し回転軸側が損傷を受けた場合には、損傷を受けた圧縮機接続ハブ45又はモータ接続ハブ55を交換するだけで良く、圧縮機接続ハブ45又はモータ接続ハブ55の予備品を持っていれば、低コストで、かつ、早期に回転軸の復旧が可能となる。また、スラスト力調整部7とガス軸受との双方を備えることで、回転軸4を支持する軸受に潤滑油を用いる必要が無くない、潤滑油の使用量を抑えた圧縮機システム100を得ることができる。
(その他の実施形態)
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、第一圧縮機1A及び第二圧縮機1Bのそれぞれにおいて、6段のインペラ6を備えるようにしたが、その段数は何ら限定するものではない。また、第一圧縮機1A及び第二圧縮機1Bのそれぞれにおいて、第一インペラ群60Aと第二インペラ群60Bとで、第一インペラ6Aと第二インペラ6Bとの向きを異ならせるようにしたが、これに限らない。第一インペラ群60Aと第二インペラ群60Bとで、インペラ6の向きを揃えるようにしてもよい。
また、上記実施形態ではモータ5の両側に、第一圧縮機1Aと第二圧縮機1Bとを備えるようにしたが、これに限るものではなく、例えば、モータ5の片側にのみ圧縮機1を備えるようにしてもよい。
なお、上記実施形態では、第二軸受3Bで支持される箇所に相当する圧縮機接続ハブ45の表面、及びモータ軸受3Gで支持される箇所に相当するモータ接続ハブ55の表面は、表面粗さを1μm以下の低摩擦表面とするために、硬質クロムメッキ表面処理451を備えるようにした。しかしながら、圧縮機接続ハブ45の表面及びモータ接続ハブ55の表面に施される表面処理は、これに限るものではない。圧縮機接続ハブ45の表面やモータ接続ハブ55の表面には、例えば、ダイヤモンドライクコーティングなどの硬質表面処理であれば、何でもよい。
<付記>
実施形態に記載の圧縮機システム100は、例えば以下のように把握される。
(1)第1の態様に係る圧縮機システム100は、軸線Oを中心として回転可能な回転軸4、前記回転軸4とともに回転するインペラ6、及び前記回転軸4と前記インペラ6とを覆うケーシング2、を備えた圧縮機1と、前記回転軸4と同軸上に配置されたモータロータ51、及び前記モータロータ51の径方向Drの外側に配置されたステータ52を備え、前記回転軸4を回転駆動するモータ5と、前記モータロータ51の回転を前記回転軸4に伝達可能なように前記モータロータ51と前記回転軸4とを連結する連結軸9と、を備え、前記圧縮機1は、前記回転軸4を前記軸線O周りに回転自在に支持する圧縮機軸受3と、前記圧縮機軸受3に対して前記軸線Oが延びる軸線方向Daにおいて重なる位置かつ前記径方向Drの内側の位置で前記回転軸4に固定され、前記連結軸9が着脱可能に接続される圧縮機接続ハブ45と、を備え、前記連結軸9は、前記圧縮機接続ハブ45とのミスアライメントを緩和可能とされ、前記圧縮機軸受3は、前記圧縮機接続ハブ45の外周面を回転可能に支持している。
圧縮機接続ハブ45、連結軸9の例としては、フレキシブルカップリング、ダイヤフラムカップリングが挙げられる。
この圧縮機システム100では、連結軸9は、回転軸4が固定される圧縮機接続ハブ45との間で、回転軸4やモータロータ51の熱伸び等によって相対変位が生じた場合に、圧縮機接続ハブ45とのミスアライメントが緩和する。つまり、連結軸9により、回転軸4とのミスアライメントが圧縮機接続ハブ45を介して間接的に緩和される。さらに、圧縮機1の圧縮機軸受3よりも軸線方向Daの外側に、圧縮機接続ハブ45のような重量物が配置されることが抑えられる。したがって、回転軸4のロータダイナミクスを向上させ、回転軸4の高回転化を図ることが可能となる。
(2)第2の態様に係る圧縮機システム100は、(1)の圧縮機システム100であって、前記圧縮機接続ハブ45の前記圧縮機軸受3で支持される箇所に相当する表面に硬質表面処理を備える。
圧縮機接続ハブ45の表面に硬質表面処理を有することで、さらに摩擦抵抗を抑えることができる。
(3)第3の態様に係る圧縮機システム100は、(1)又は(2)の圧縮機システム100であって、前記モータ5は、前記モータロータ51を前記軸線O周りに回転自在に支持するモータ軸受3Gと、前記モータ軸受3Gに対して前記軸線方向Daにおいて重なる位置かつ前記径方向Drの内側の位置で前記モータロータ51に固定され、前記連結軸9が着脱可能に接続されるモータ接続ハブ55と、を備え、前記連結軸9は、前記モータ接続ハブ55とのミスアライメントを緩和可能とされ、前記モータ軸受3Gは、前記モータ接続ハブ55の外周面を回転可能に支持していてもよい。
連結軸9は、モータロータ51が固定されるモータ接続ハブ55との間で、回転軸4やモータロータ51の熱伸び等によって相対変位が生じた場合に、モータ接続ハブ55とのミスアライメントを緩和する。つまり、連結軸9により、モータロータ51とのミスアライメントがモータ接続ハブ55を介して間接的に緩和される。さらに、モータ軸受3Gよりも軸線方向Daの外側に、モータ接続ハブ55のような重量物が配置されることが抑えられる。したがって、モータロータ51のロータダイナミクスを向上させ、モータロータ51の高回転化を図ることが可能となる。その結果、モータロータ51と一体に回転する回転軸4のロータダイナミクスをさらに向上させ、回転軸4のさらなる高回転化を図ることが可能となる。
(4)第4の態様に係る圧縮機システム100は、(3)の圧縮機システム100であって、前記モータ接続ハブ55の前記モータ軸受3Gで支持される箇所に相当する表面に硬質表面処理を備える。
モータ接続ハブ55の表面に硬質表面処理を有することで、さらに摩擦抵抗を抑えることができる。
(5)第5の態様に係る圧縮機システム100は、(1)から(4)の何れか一つの圧縮機システム100であって、前記連結軸9は、前記軸線方向Daに延びる中空の筒状部454と、前記軸線方向Daにおける前記圧縮機1に近い前記筒状部454の端部に接続され、前記圧縮機接続ハブ45に着脱可能に接続される第一フランジ452と、を備え、前記第一フランジ452は、前記筒状部454よりも剛性が低くてもよい。
筒状部454及び第一フランジ452によって、連結軸9の剛性を、回転軸4やモータロータ51よりも低くすることができる。これにより、回転軸4とモータロータ51とが剛結合されず、回転軸4とモータロータ51との間に配置された連結軸9が、主に径方向Drに弾性変形可能となる。これにより、回転軸4とモータロータ51とのミスアライメントが連結軸9によって緩和される。その結果、回転軸4と、モータロータ51とを、振動特性的にそれぞれ独立して取り扱うことが可能となる。したがって、回転軸4のロータダイナミクスをさらに向上させ、回転軸4の高回転化を図ることが可能となる。
(6)第6の態様に係る圧縮機システム100は、(1)から(5)の何れか一つの圧縮機システム100であって、前記インペラ6のディスク部61の前記軸線方向Daの一方側を向く背面612と前記ケーシング2との間で前記軸線方向Daのスラスト力を調整するスラスト力調整部7、をさらに備え、前記スラスト力調整部7は、前記背面612と前記ケーシング2との間を封止する外側シール部71と、前記外側シール部71から前記径方向Drの内側に離れた位置に配置され、前記背面612と前記ケーシング2との間を封止する内側シール部72と、前記内側シール部72から前記径方向Drの内側に離れた位置で、前記軸線方向Daにおける前記背面612と前記ケーシング2との間隔が狭められた絞り部S3を形成する絞り形成部73とを有し、前記背面612と前記ケーシング2との間には、前記外側シール部71と前記内側シール部72とで挟まれた外側空間S1と、前記内側シール部72と前記絞り部S3とで挟まれた内側空間S2が形成され、前記絞り部S3の前記軸線方向Daの幅は、前記内側空間S2の前記軸線方向Daの幅よりも狭くされていてもよい。
これにより、外側空間S1には、インペラ6で圧縮された作動流体の一部が外側シール部71を経て流入する。外側空間S1に流入した作動流体は内側シール部72を経て内側空間S2に流入する。さらに、内側空間S2の流入した作動流体は絞り部S3へと流れていく。絞り部S3の軸線方向Daの幅が内側空間S2の軸線方向Daの幅よりも狭いことで、作動流体は絞り部S3を通過する際に減圧されながら内側空間S2から流出していく。この状態で、回転軸4とともにインペラ6がスラスト力を受けて軸線方向Daに移動して絞り部S3の間隔が狭くなると、内側空間S2からのリーク量が減少し、外側空間S1及び内側空間S2内の圧力が上がる。その結果、絞り部S3の間隔が広がる方向にインペラ6が押し戻される。逆に、インペラ6の移動により絞り部S3の間隔が広くなると、内側空間S2からのリーク量が増加し、外側空間S1及び内側空間S2内の圧力が下がる。その結果、絞り部S3の間隔が狭まる方向にインペラ6が押し戻される。このように、インペラ6を移動させることで、回転軸4に作用するスラスト力が変動して、回転軸4が軸線方向Daに移動したとしても、回転軸4を元の位置に自動的に復帰させる(戻す)ことができる。らに、スラスト力を支持するためのスラスト軸受や、バランスピストンを設置する必要がないため、軸線方向Daにおける回転軸4の長さを抑えることができる。その結果、回転軸4のロータダイナミクスをより向上させることが可能となる。
(7)第7の態様に係る圧縮機システム100は、(6)の圧縮機システム100であって、前記インペラ6として、第一インペラ6Aと、前記第一インペラ6Aと前記軸線方向Daの反対側を向いて配置されて前記第一インペラ6Aで圧縮された作動流体を圧縮する第二インペラ6Bとを有し、前記スラスト力調整部7は、前記第一インペラ6A及び前記第二インペラ6Bの両方に設けられていてもよい。
これにより、軸線方向Daの両側から回転軸4の位置が調整される。したがって、回転軸4に作用するスラスト力が変動して、回転軸4が軸線方向Daに移動したとしても、回転軸4を元の位置に自動的かつ迅速に復帰させることができる。
(8)第8の態様に係る圧縮機システム100は、(7)の圧縮機システム100であって、前記第一インペラ6A及び前記第二インペラ6Bは、それぞれ前記軸線方向Daに複数が配置され、前記スラスト力調整部7は、複数の前記第一インペラ6Aの中で前記軸線方向Daにおいて最も複数の前記第二インペラ6Bに近い位置に配置された最終段第一インペラ6Aeと、複数の前記第二インペラ6Bの中で前記軸線方向Daにおいて最も前記最終段第一インペラに6Ae近い位置に配置された最終段第二インペラ6Beとにそれぞれ配置されていてもよい。
これにより、最終段第一インペラ6Aeに配置されたスラスト力調整部7と、最終段第二インペラ6Beに配置されたスラスト力調整部7とが、軸線方向Daで互いに接近して配置される。そのため、二つのスラスト力調整部7は、軸線方向Daにおいて、最も近接した位置に配置される。これにより、回転軸4に生じる軸線方向Daへの熱伸びの影響を受けづらくなる。その結果、回転軸4に生じる熱伸びの影響によって、絞り部S3の間隔が狭くなることを抑えることができる。
(9)第9の態様に係る圧縮機システム100は、(1)から(8)の何れか一つの圧縮機システム100であって、前記回転軸4及び前記モータロータ51を支持する軸受が全てガス軸受であってもよい。
これにより、軸受としてガス軸受を用いることで、潤滑油を用いる軸受と比較し、回転軸4の回転時に生じる摩擦抵抗を抑え、回転軸4の高回転化に有効に寄与することができる。また、スラスト力調整部7とガス軸受との双方を備えることで、回転軸4の潤滑に用いる潤滑油の量を抑えることができる。
1…圧縮機
1A…第一圧縮機
1B…第二圧縮機
2…ケーシング
3…圧縮機軸受
3A…第一軸受
3B…第二軸受
3G…モータ軸受
4…回転軸
4A…第一回転軸
4B…第二回転軸
5…モータ
6…インペラ
6A…第一インペラ
6Ae…最終段第一インペラ
6B…第二インペラ
6Be…最終段第二インペラ
6i…流入口
6o…流出口
7…スラスト力調整部
9…連結軸
10…圧縮部
11…第一圧縮部
12…第二圧縮部
21…ダイヤフラム
41…中間軸
42…端部スリーブ
45…圧縮機接続ハブ
51…モータロータ
52…ステータ
53…モータケーシング
55…モータ接続ハブ
60A…第一インペラ群
60B…第二インペラ群
61…ディスク部
62…ブレード部
63…カバー部
64…インペラ流路
65…凸部
66…外側凸部
67…内側凸部
71…外側シール部
72…内側シール部
73…絞り形成部
83…外部ガス導入部
100…圧縮機システム
451、551…硬質クロムメッキ表面処理
452…第一フランジ
453…第二フランジ
454…筒状部
611…前面
612…背面
613…貫通孔
661…外側シール面
662…外側受圧面
662a…外側傾斜受圧面
662b…外側垂直受圧面
671…内側シール面
672…内側受圧面
672a…内側傾斜受圧面
672b…内側垂直受圧面
731…突出部
731a…突出部傾斜面
Da…軸線方向
Dr…径方向
O…軸線
S1…外側空間
S2…内側空間
S3…絞り部

Claims (8)

  1. 軸線を中心として回転可能な回転軸、前記回転軸とともに回転するインペラ、及び前記回転軸と前記インペラとを覆うケーシング、を備えた圧縮機と、
    前記回転軸と同軸上に配置されたモータロータ、及び前記モータロータの径方向の外側に配置されたステータを備え、前記回転軸を回転駆動するモータと、
    前記モータロータの回転を前記回転軸に伝達可能なように前記モータロータと前記回転軸とを連結する連結軸と、を備え、
    前記圧縮機は、
    前記回転軸を前記軸線周りに回転自在に支持する圧縮機軸受と、
    前記圧縮機軸受に対して前記軸線が延びる軸線方向において重なる位置かつ前記径方向の内側の位置で前記回転軸に固定され、前記連結軸が着脱可能に接続される圧縮機接続ハブと、を備え、
    前記連結軸は、前記圧縮機接続ハブとのミスアライメントを緩和可能とされ、
    前記圧縮機軸受は、前記圧縮機接続ハブの外周面を回転可能に支持し
    前記連結軸は、
    前記軸線方向に延びる中空の筒状部と、
    前記軸線方向における前記圧縮機に近い前記筒状部の端部に接続され、前記圧縮機接続ハブに着脱可能に接続される第一フランジと、を備え、
    前記第一フランジは、前記筒状部よりも剛性が低い圧縮機システム。
  2. 前記圧縮機接続ハブの前記圧縮機軸受で支持される箇所に相当する表面に硬質表面処理を備える請求項1に記載の圧縮機システム。
  3. 前記モータは、
    前記モータロータを前記軸線周りに回転自在に支持するモータ軸受と、
    前記モータ軸受に対して前記軸線方向において重なる位置かつ前記径方向の内側の位置で前記モータロータに固定され、前記連結軸が着脱可能に接続されるモータ接続ハブと、を備え、
    前記連結軸は、前記モータ接続ハブとのミスアライメントを緩和可能とされ、
    前記モータ軸受は、前記モータ接続ハブの外周面を回転可能に支持している請求項1又は2に記載の圧縮機システム。
  4. 前記モータ接続ハブの前記モータ軸受で支持される箇所に相当する表面に硬質表面処理を備える請求項3に記載の圧縮機システム。
  5. 前記インペラのディスク部の前記軸線方向の一方側を向く背面と前記ケーシングとの間で前記軸線方向のスラスト力を調整するスラスト力調整部、をさらに備え、
    前記スラスト力調整部は、
    前記背面と前記ケーシングとの間を封止する外側シール部と、
    前記外側シール部から前記径方向の内側に離れた位置に配置され、前記背面と前記ケーシングとの間を封止する内側シール部と、
    前記内側シール部から前記径方向の内側に離れた位置で、前記軸線方向における前記背面と前記ケーシングとの間隔が狭められた絞り部を形成する絞り形成部とを有し、
    前記背面と前記ケーシングとの間には、前記外側シール部と前記内側シール部とで挟まれた外側空間と、前記内側シール部と前記絞り部とで挟まれた内側空間が形成され、前記絞り部の前記軸線方向の幅は、前記内側空間の前記軸線方向の幅よりも狭くされている請求項1からの何れか一項に記載の圧縮機システム。
  6. 前記インペラとして、第一インペラと、前記第一インペラと前記軸線方向の反対側を向いて配置されて前記第一インペラで圧縮された作動流体を圧縮する第二インペラとを有し、
    前記スラスト力調整部は、前記第一インペラ及び前記第二インペラの両方に設けられている請求項に記載の圧縮機システム。
  7. 前記第一インペラ及び前記第二インペラは、それぞれ前記軸線方向に複数が配置され、
    前記スラスト力調整部は、複数の前記第一インペラの中で前記軸線方向において最も複数の前記第二インペラに近い位置に配置された最終段第一インペラと、複数の前記第二インペラの中で前記軸線方向において最も前記最終段第一インペラに近い位置に配置された最終段第二インペラとにそれぞれ配置されている請求項に記載の圧縮機システム。
  8. 前記回転軸及び前記モータロータを支持する軸受が全てガス軸受である請求項1からの何れか一項に記載の圧縮機システム。
JP2020000331A 2020-01-06 2020-01-06 圧縮機システム Active JP7429541B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020000331A JP7429541B2 (ja) 2020-01-06 2020-01-06 圧縮機システム
EP20217396.9A EP3845765B1 (en) 2020-01-06 2020-12-28 Compressor system
US17/135,042 US11572881B2 (en) 2020-01-06 2020-12-28 Compressor system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020000331A JP7429541B2 (ja) 2020-01-06 2020-01-06 圧縮機システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021110241A JP2021110241A (ja) 2021-08-02
JP7429541B2 true JP7429541B2 (ja) 2024-02-08

Family

ID=73943259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020000331A Active JP7429541B2 (ja) 2020-01-06 2020-01-06 圧縮機システム

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11572881B2 (ja)
EP (1) EP3845765B1 (ja)
JP (1) JP7429541B2 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115507043A (zh) * 2022-11-03 2022-12-23 精效悬浮(苏州)科技有限公司 电机直驱的离心式四级空气压缩机
CN116163968A (zh) * 2023-03-15 2023-05-26 上海优社动力科技有限公司 一种直驱式双吸离心压缩机

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001041191A (ja) 1999-07-16 2001-02-13 Sulzer Turbo Ag ターボ圧縮機
JP2016503145A (ja) 2013-01-14 2016-02-01 サーモダイン・エスエイエス 可変の空気力学的プロファイルを有する圧縮機ユニット
JP2016532805A (ja) 2013-10-02 2016-10-20 サーモダイン・エスエイエス 少なくとも1つの駆動軸または従動軸に一体化されたねじりカップリングを有するターボエンジン
CN106122076A (zh) 2016-08-24 2016-11-16 上海电气凯士比核电泵阀有限公司 一种特殊球顶结构端面齿型挠性联轴器
WO2017125344A1 (en) 2016-01-18 2017-07-27 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Rotary machine with improved shaft
JP2017141782A (ja) 2016-02-12 2017-08-17 三菱日立パワーシステムズ株式会社 送風機およびその運転方法
JP2019052600A (ja) 2017-09-15 2019-04-04 三菱重工コンプレッサ株式会社 圧縮機

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH579724A5 (ja) * 1973-09-21 1976-09-15 Thielenhaus Ernst Maschinenfab
JPS58109599U (ja) * 1982-01-21 1983-07-26 豊興工業株式会社 流体ポンプ装置
JPS61116192U (ja) * 1984-12-29 1986-07-22
US5795138A (en) * 1992-09-10 1998-08-18 Gozdawa; Richard Compressor
JPH09317681A (ja) * 1996-05-23 1997-12-09 Nikkiso Co Ltd キャンドモータポンプの結合方式
DE19819500C1 (de) 1998-04-30 2000-03-09 Walterscheid Gmbh Gkn Welle, Wellen-Naben-Verbindung und Scheibenmähwerk
US7252474B2 (en) * 2003-09-12 2007-08-07 Mes International, Inc. Sealing arrangement in a compressor
US7559845B2 (en) * 2005-10-07 2009-07-14 Rexnord Industries, Llc Nested disc pack coupling
IT1399171B1 (it) 2009-07-10 2013-04-11 Nuovo Pignone Spa Unita' di compressione ad alta pressione per fluidi di processo di impianti industriali e relativo metodo di funzionamento
EP3121449B1 (en) * 2015-07-22 2022-10-05 Thermodyn Subsea centrifugal compressor with horizontal shaft and with only one axial thrust bearing

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001041191A (ja) 1999-07-16 2001-02-13 Sulzer Turbo Ag ターボ圧縮機
JP2016503145A (ja) 2013-01-14 2016-02-01 サーモダイン・エスエイエス 可変の空気力学的プロファイルを有する圧縮機ユニット
JP2016532805A (ja) 2013-10-02 2016-10-20 サーモダイン・エスエイエス 少なくとも1つの駆動軸または従動軸に一体化されたねじりカップリングを有するターボエンジン
WO2017125344A1 (en) 2016-01-18 2017-07-27 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Rotary machine with improved shaft
JP2017141782A (ja) 2016-02-12 2017-08-17 三菱日立パワーシステムズ株式会社 送風機およびその運転方法
CN106122076A (zh) 2016-08-24 2016-11-16 上海电气凯士比核电泵阀有限公司 一种特殊球顶结构端面齿型挠性联轴器
JP2019052600A (ja) 2017-09-15 2019-04-04 三菱重工コンプレッサ株式会社 圧縮機

Also Published As

Publication number Publication date
EP3845765B1 (en) 2023-08-30
EP3845765A1 (en) 2021-07-07
US11572881B2 (en) 2023-02-07
JP2021110241A (ja) 2021-08-02
US20210207607A1 (en) 2021-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3220891B2 (ja) ラビリンス・シール・アセンブリ、ガス・シール及び自由浮動ラビリンス・ガス・シール
EP1717449B1 (en) A centrifugal pump and an impeller thereof
JP7429541B2 (ja) 圧縮機システム
JP5135361B2 (ja) ポンプ若しくはモータ
JP7074442B2 (ja) 圧縮機
JP5314256B2 (ja) 回転流体機械のシール装置および回転流体機械
US7731476B2 (en) Method and device for reducing axial thrust and radial oscillations and rotary machines using same
JP6763034B2 (ja) 回転機械
JPH07501605A (ja) フローティングリングシール
EP2252804B1 (en) Bearing system for rotor in rotating machines
WO2016024409A1 (ja) 遠心回転機械
JP2020511615A (ja) ターボマシンの駆動軸のためのベアリング装置、およびこのようなベアリング装置を備えたターボマシン
US20080217861A1 (en) Coaxial Multi-Shaft Assemblies
JP2006183702A (ja) スラスト軸受
WO2016043090A1 (ja) 回転機械
JP7161341B2 (ja) 片吸込ポンプ
KR102240987B1 (ko) 베어링 장치 및 회전기계
JP7558083B2 (ja) 圧縮機
JP7093219B2 (ja) 回転電機および軸受構造体
WO2021149244A1 (ja) ターボチャージャ
WO2021075155A1 (ja) 多円弧軸受、および、過給機
JP7402134B2 (ja) 流体機械
WO1992019869A1 (en) Co-planar seal arrangement
JPH05248548A (ja) ラビリンスシール
JP2024000122A (ja) 回転機械

Legal Events

Date Code Title Description
A625 Written request for application examination (by other person)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A625

Effective date: 20221206

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230614

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230801

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231002

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240116

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240129

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7429541

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150