JP7675813B2 - 多段遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、多段遠心圧縮機に関する。

このような圧縮機では、圧縮機の異なる段を形成する複数のブレードがシャフトに取り付けられていることが知られており、このシャフトはハウジングにおいて軸受で支えられている。

通常、これらの機械には、一般的な回転速度５０Ｈｚ又は６０Ｈｚがそれほど高くないため、ころ軸受（ｒｏｌｌｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ）が使用される。

シャフト上のブレードの最大数、すなわち最大段数、及びブレードが回転できる最大速度は、ロータ動特性によって決まる。より具体的には、第１の臨界横速度は、回転速度の絶対的な上限である。

質量が大きすぎる場合又はシャフトが長すぎる場合には共振の問題が生じ、発生する振動が固有振動数に近づく可能性があり、これを超えることはできない。この問題は、主に転がり軸受（ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ）で発生し、滑り軸受又は流体軸受ではあまり発生しない。十分な減衰がないことで臨界速度を超えることが、この制限の主な理由である。

従って、これらに起因する動的な問題又は共振の問題によって、速度及び可能性のあるブレード数、すなわち段数には制限がある。

公知の多段遠心圧縮機の最大段数は、出力の相違（ｐｏｗｅｒ ｖａｒｉａｎｔ）に応じて、所定の変数に制限される。

共振の問題を解決するために、薄膜ダンパ又はいわゆる「スクイズフィルムダンパ」（ｓｑｕｅｅｚｅ ｆｉｌｍ ｄａｍｐｅｒｓ）が既に知られている。

これは、薄い隙間にある液体（通常はオイル）の減衰効果を利用したものである。

このような薄膜ダンパは、例えば国際公開第２０１９／００２９５９号から知られている。

このような公知のダンパには、薄膜ダンパへのオイル供給を行う必要があるという欠点がある。

つまり、このオイル供給を実現するために、オイル回路、オイルリザーバ、及びオイルポンプを設ける必要がある。

ころ軸受の公知の多段遠心圧縮機は、ほとんどの場合、オイルポンプなどを有しておらず、結局のところ、一般的に軸受はグリース潤滑又は「スプラッシュオイル潤滑」の原理で潤滑されるので、このようなダンパの使用は、追加のコスト及び、より嵩張り、より複雑な機械を意味する。

従って、このようなダンパは、公知の多段遠心圧縮機では使用されず、結果として、これらは、速度及び段数の点で制限されている

国際公開第２０１９／００２９５９号

本発明は、上記及び他の欠点の少なくとも１つに対する解決策を提供することを目的とする。

この目的のために、本発明は、複数のブレードをその上に有するシャフトを備える多段遠心圧縮機であって、シャフトは、軸受によってハウジングに取り付けられており、少なくとも１つの軸受は、シャフト又はハウジングと軸受との間に配置されたリングで構成される軸受ダンパ要素を備え、リングは、軸方向にリングの厚さを貫通し、リングの半径方向の内面及び外面から距離を置いて配置されるスロットを備え、スロットは少なくとも部分的に重なり合っており、
（Ａ）スロットは、液体で満たされており、リングの軸方向環状面が保護キャップによって閉鎖されている、
又は、
（Ｂ）リングの両方の軸方向環状面のうちの少なくとも一方が、２つの同心ディスクの間に挟まれた粘弾性材料又はヒステリシス減衰材料を備え、ディスクはリングに取り付けられている、
又は
（Ｃ）スロットは粘弾性材料で満たされている、
ことを特徴とする、

このスロットの構成は、半径方向ばね機構を形成する。この機構のバネ定数は、臨界速度（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｐｅｅｄ）の領域を決定する。これは、機械の回転速度範囲のどこかで選択される。動的増幅、すなわち振動を制限した状態で臨界速度を超えるために、上記の選択肢（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれかによって、この弾性要素に減衰が加えられる。

「重なり合う」とは、リングの中点又は中心から出発してリングを横切る線が、それぞれのスロットと交差することを意味する。

「スロット」とは、スロット、スリット、カットなどを意味し、これらのスロットが軸方向においてリングの厚さ全体を貫通して延びることが重要である。

この利点は、スロットに液体を注入する必要がなく、従って関連する液体回路、液体ポンプ又は液体リザーバを必要としない軸受ダンパ要素が作り出されることである。

従って、軸受ダンパ要素は、多段遠心圧縮機に容易に適用することができる。

軸受ダンパ要素を適用することにより、共振の問題を回避することができ、機械をより高速で回転させること及び／又はシャフトに追加のブレードを配置することにより追加の段を提供することができる。

選択肢（Ａ）では、スロットに液体が存在するが、保護キャップがスロットに液体を保持するため、この液体を継続的に補充する必要はない。

ここで、保護キャップとリングの軸方向環状面との間に、液体で満たされた空間が存在することは排除されない。

保護キャップは、様々な方法で設計することができ、好ましくは、例えば、ゴムのようなエラストマーから作られる。

例えば、保護キャップは、ある程度の可撓性を有する３Ｄプリント構造体とすること、又はハーモニカ構造を備えた薄肉の保護キャップとすることができる。

しかしながら、多くの異なる変形例が可能であることは明らかであろう。

選択肢（Ｂ）では、例えばゴムなどの粘弾性材料、又は例えば金網（ｍｅｔａｌ ｇａｕｚｅ）などのヒステリシス減衰材料が、２つの同心ディスクなどによってリングと並列に配置される。

また、この場合、同心ディスクは、様々な方法で具体化することができるが、最も単純な実施形態では、例えば、ネジ又はボルトによってリングに固定することができる２つの平坦な平面ディスクである。

これによって、リングの片側又は両側の軸方向環状面に、粘弾性材料又はヒステリシス減衰材料を間に挟んだ同心ディスクを設けることが可能である。

粘弾性材料は、例えば、Ｏリングとすることができ、ヒステリック減衰マテリアルは、例えば、金網（ワイヤメタルメッシュ）とすることができる。

この場合、通常、減衰が十分であれば液体は必要ないが、それでも減衰を大きくするために小さな隙間に液体を存在させることと組み合わせることができることに留意することが重要である。このように、オイル減衰がゴムシールと組み合わされる。

また、選択肢（Ｃ）では、液体が存在しない。スロットに設けられる粘弾性材料は、好ましくは、加硫によってスロットに取り付けられるゴムである。

好ましくは、スロットは、完全に粘弾性材料で満たされる。

本発明の特徴をよりよく説明する目的で、以下、非限定的な例として、本発明による多段遠心圧縮機のいくつかの好ましい実施形態は、添付図面を参照して説明される、

本発明による多段遠心圧縮機を概略的に示す。 図１においてＦ２で示される部分の実用的な実施形態を示す。 図２の軸受ダンパ要素のリングの実用的な実施形態を示す。 図２の軸受ダンパ要素をより詳細に示す。 図４の変形例を示す。 図４の変形例を示す。

図１には、本発明による多段遠心圧縮機１が概略的に示されている。

これは、基本的に、複数のブレード３をその上に有するシャフト２を備え、シャフト２は、ハウジング４内に回転可能に取り付けられている。

この場合、８枚のブレード３が存在するが、８枚より多い、あるいは１０枚より多いブレード３が存在することも排除されない。

周知のように、ハウジング２は、入口開口５及び出口開口６を備える。

シャフト２は、軸受７によって両側で支持される。

この場合、軸受７は転がり軸受７であり、詳細には複列深溝ボール軸受である。

シャフト２の一端８は、駆動端８である、すなわち、シャフト２を回転させることができるように、例えばモータの形態の駆動装置が結合されている。駆動装置は図に示されていない。

シャフト２の他端９は、非駆動端８である。

本発明によれば、少なくとも１つの軸受７は、軸受ダンパ要素１０を備える。

この場合、本発明では必須ではないが、軸受７は、シャフト２の一方の端部９にのみ軸受ダンパ要素１０を備えている。

この場合、これはシャフト２の非駆動端９に関する。

これは、軸受ダンパ要素１０のメンテナンスがより簡単であるという利点を有する。

もちろん、軸受７がシャフト２の両端８、９に軸受ダンパ要素１０を備えることは排除されない。

図２には、シャフトの非駆動端９の軸受ダンパ要素１０を備えたそれぞれの軸受７が示されている。

本発明によれば、軸受ダンパ要素１０は、ハウジング４とそれぞれの軸受７との間に配置されるリング１１で構成される。もちろん、軸受ダンパ要素１０がシャフト２と軸受７との間に配置されることも排除されない。

このリング１１は、図３に詳細に示されている。

リング１１は、軸方向Ｘ－Ｘ’にリング１１の厚さを貫通し、リング１１の半径方向の内面及び外面１３ａ，１３ｂから間隔を置いて配置される複数のスロット１２を備える。

好ましくは少なくとも３つのスロット１２があり、スロット１２の少なくとも半分は、最大幅が０．５ミリメートル、好ましくは最大０．２ミリメートル、より好ましくは最大１．１５ミリメートルの１又は２以上の減衰部分１４ａを有する。

減衰部分１４ａは、好ましくは、同心円状でありかつ重なり合わない。

これらの減衰部分１４ａは、好ましくはリングの中心又は中点１５の８０％以上、より好ましくは９０％以上を囲む。

減衰部分１４ａに加えて、好ましくは少なくとも１つのスロット１２は、好ましくは少なくとも０．５ミリメートルの幅よりも大きい最小幅を有する１又は２以上のバネ部分１４ｂを有する。

バネ部分１４ｂは、好ましくは、減衰部分１４ａの幅の少なくとも２倍、より好ましくは少なくとも３倍の幅を有する。

本発明によれば、スロット１２は、少なくとも部分的に重なり合っている。

上述のように、「スロットが重なり合う」とは、リング１１の中点又は中心から出発してリング１１を横切る線が、各スロット８と交差することを意味する。

「少なくとも部分的に」とは、スロット１２がその長さの少なくとも一部について重なり合うことを意味するが、必ずしもその全長について重なり合う必要はない。

好ましくは、スロット１２のバネ部分１４ｂは、減衰部分１４ａと少なくとも部分的に重なり合う。

また、好ましくは、減衰部分１４ａは、バネ部分１４ｂよりもリング１１の中心又は中点１５から離れている。

リング１１の別の実施形態は、減衰部分１４ａのみを有するスロット１２、又はバネ部分１４ｂのみを有するスロット１２を備えることもできる。減衰部分１４ａのみを有する実施形態は、好ましくは、以下に説明するように、上記選択肢（Ａ）で適用され、それによって「スクイズフィルム」効果を生じさせることになる。上記選択肢（Ｂ）及び（Ｃ）の場合、減衰がスロット１２に平行に実現されるので、そのような薄い減衰部分１４ａは、ほとんど役に立たない。この場合、好ましくは、スロット１２が主に弾性効果を有するバネ部分１４ｂのみを有する実施形態が用いられることになる。

狭い又は薄い減衰部分１４ａは、好ましくは「ＥＤＭ」又は「放電加工」のようなワイヤ放電プロセスを用いて作製される。

より広いバネ部分１４ｂは、ウォータージェット又はフライスプロセスを使用して作製することができる。

軸受ダンパ要素１０のさらなる実施のために、本発明によるいくつかの選択肢があり、それらは図４から図６に示されている。

図４に示すように、本発明による第１の選択肢（Ａ）は、スロット１２が液体で満たされる実施形態に関する。この液体は粘性を有し、例えば、必須ではないが、オイルである。

リング１１の軸方向環状面１６は、保護キャップ１７によって閉鎖されている。

図示の例では、保護キャップ１７は、エラストマー、例えばゴムから作られている。

保護キャップ１７は、ボルト又はネジ１８によってリング１１の軸方向環状面１６に固定される。

もちろん、弾性作用、従って減衰を妨げない限り、他の固定方法も可能である。

保護キャップ１７と、液体で満たされたリングの軸方向環状面１６との間には、空間１９が存在する。

あるいは、保護キャップ１７は、ある程度の可撓性を有する３Ｄプリント構造体とすることができる。

これは、保護キャップ１７が、その構造により、可撓性である又は変形可能であることを意味する。

３Ｄプリンティングによって、複雑な構造及び形状が可能であることが知られており、必要な可撓性を有する構造体を作ることができる。

例えば、保護キャップ１７は、ハーモニカ構造を有する薄肉の保護キャップ１７とすることができる。このようなハーモニカ構造は、周知のように、可撓性がありかつ変形可能である。

本発明による第２の選択肢（Ｂ）は、図５及び図６に示すように、リング１１の２つの軸方向環状面１６のうちの少なくとも１つが、２つの同心ディスク２１などの間に挟まれた粘弾性材料２０又はヒステリシス減衰材料２０を備え、ディスク２１がリング１１に取り付けられる実施形態に関する。

ディスク２１は、保護キャップ１７と同様に、ボルト又はネジ１８又は他の方法で固定することができる。

ディスク２１は、多くの異なる形態で具現化することができる。

図５及び図６では、粘弾性材料２０又はヒステリシス減衰材料２０を収容することができるように、半径方向の内面又は外面２２がわずかに輪郭形成されている。

選択肢（Ｂ）の場合、スロット１２内に液体が存在する必要はない。

粘弾性材料２０は、図５に示すように、Ｏリング２３とすることができるが、ヒステリシス減衰材料２０は、図６に示すように、金網２４（又は「ワイヤメタルメッシュ」）とすることができる。

図５及び図６では、粘弾性材料２０又はヒステリシス減衰材料２０を備えた同心ディスク２１は、リング１１の片側にのみ取り付けられているが、リング１１の両方の軸方向環状面１６に粘弾性材料２０又はヒステリシス減衰材料２０を備えることは排除されない。

図示されていない第３の選択肢（Ｃ）は、スロット１２が粘弾性材料で満たされる実施形態に関する。

この粘弾性材料は、例えば、ゴムであり、加硫によりスロット１２に取り付けられる。

スロット１２は、バネ部分１４ｂのみを有する。

このような実施形態の利点は、保護キャップ１７又は同心ディスク２１をリング１１に取り付ける必要がないことである。

多段遠心圧縮機１の動作は、非常に単純であり、以下の通りである。

遠心圧縮機１の動作中、駆動によりシャフト２が回転し、その結果、ブレード３が入口開口５を介して空気を吸い込み、空気は一連の段で圧縮され、その後、出口開口６を通って遠心圧縮機１から出る。

動作中、振動が発生することになるが、これは共振の問題が生じないように減衰させる必要がある。

軸受ダンパ要素１０は、これらの振動を減衰させることになる。

図４の状況では、スロット１２内の液体が薄膜ダンパを生じさせ、これが減衰をもたらすことになる。

保護キャップ１７は、液体が流出できないようにスロット１２内の液体を保持し、これはエラストマーで作られているので、振動作用の下でリング１１が変形する際に一緒に動くことになる。

選択肢（Ｂ）の場合、図５と図６に示すように、粘弾性材料２０又はヒステリシス減衰材料２０が変形して振動を減衰させ、リング１１は、上述のように、ある程度の可撓性を提供することになる。

選択肢（Ｃ）の場合、より厚いばね部分１４ｂは加硫され、スロット１２内の粘弾性材料は、図４の実施形態のスロット１２内の液体と同じ機能を有することになる。

軸受ダンパ要素１０による振動の減衰に起因して、共振の問題は回避されることになる。これは、遠心圧縮機１は、より高速で回転すること及び／又はより多くの段数を追加することを可能にする。

本発明は、例示的に説明されかつ図面に示された実施形態に限定されるものではなく、本発明による多段遠心圧縮機は、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な形態及び寸法で実現することができる。

Claims (10)

1. 複数のブレード（３）をその上に有するシャフト（２）を備える多段遠心圧縮機であって、前記シャフト（２）は、軸受（７）によってハウジング（４）に取り付けられており、
   少なくとも１つの前記軸受（７）は、前記シャフト（２）又は前記ハウジング（４）と前記軸受（７）の間に配置されたリング（１１）で構成される軸受ダンパ要素（１０）を備え、前記リング（１１）は、軸方向（Ｘ－Ｘ’）に前記リング（１１）の厚さを貫通し、前記リング（１１）の半径方向の内面及び外面（１３ａ、１３ｂ）から距離を置いて配置されるスロット（１２）を備え、前記スロット（１２）は少なくとも部分的に重なり合っており、
   （Ａ）前記リング（１１）の両方の軸方向環状面（１６）が、２つの同心ディスク（２１）の間に挟まれたＯリングを備える粘弾性材料（２０）又は金網（２４）を備えるヒステリシス減衰材料（２０）を備え、前記２つの同心ディスク（２１）は前記リング（１１）に取り付けられ、
   及び
   （Ｂ）前記スロット（１２）は粘弾性材料で満たされている、
   ことを特徴とする、多段遠心圧縮機。
2. 前記スロット（１２）は液体で満たされている、請求項１に記載の多段遠心圧縮機。
3. 前記粘弾性材料は、加硫によって前記スロット（１２）の中に取り付けられるゴムである、請求項１に記載の多段遠心圧縮機。
4. 前記軸受（７）は、転がり軸受（７）である、請求項１から３のいずれか１項に記載の多段遠心圧縮機。
5. １又は複数の前記軸受（７）は、前記軸受ダンパ要素（１０）を有する前記シャフト（２）の一端（８、９）のみに設けられている、請求項１から４のいずれか１項に記載の多段遠心圧縮機。
6. 前記軸受ダンパ要素（１０）は、前記シャフト（２）の非駆動端（９）に配置されている、請求項５に記載の多段遠心圧縮機。
7. 前記リング（１１）は、少なくとも３つのスロット（１２）を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の多段遠心圧縮機。
8. 前記スロット（１２）は、最大幅０．５ミリメートル、好ましくは最大０．２ミリメートル、より好ましくは最大１．１５ミリメートルの減衰部分（１４ａ）を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の多段遠心圧縮機。
9. 前記スロット（１２）は、最小幅０．５ミリメートルのばね部分（１４ｂ）を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の多段遠心圧縮機。
10. 前記シャフト（２）上に１０を超えるブレード（３）がある、請求項１から９のいずれか１項に記載の多段遠心圧縮機。

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