JPH01294994A - 圧縮機スラスト釣合わせ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般に圧縮機に関し、特に、圧縮機の運転速
度が低速である期間中に圧縮機スラスト軸受に過大なス
ラストがかかるのを防止する装置および方法に関する。

発明の背景 プロセスガス用の片持形ロータを備える単段圧縮機は、
圧縮機ロータの一端に大気圧がかかり、他端に吸込み圧
力がかかるので、大気圧と吸込み圧力との間の差圧の結
果として、ロータのスラスト区域に極めて大きな不釣合
な負荷がかかることがある。始動や停止時のように運転
速度が低速であるとき、この不釣合な負荷はスラスト軸
受に対して選定した負荷率を越えることが知られている
。

そのため、このような過大なスラスト負荷が生じても低
速運転ができるようにする改良が必要とされている。

上記問題を解決するための従来の方法では、スラスト軸
受の負荷容量をこの軸受が受ける負荷レベルに耐える十
分な値まで増加する。この方法は、より大型の軸受を用
いるので、より大量のオイル流れが必要となり、また設
計速度での動力損が大きくなるという欠点がある。別の
解決法では、プロセスガスを圧縮機から抜き出して全体
的に内部の圧力を許容レベルまで下げることにより、差
圧を小さくしている。この方法も、圧縮機の運転中に多
量のプロセスガスが無駄になる点で、やはり満足できる
ものではない。さらに別の方法は、プロセスガスより著
しく高い圧力の適当な向きの高圧オイルを用いて大きな
差圧を打ち消そうとするものである。この方法では、従
来、シールオイル系が複雑かつ大型になりがちであった
。

本発明の目的は、ロータが低速である期間中に過大なス
ラスト負荷を回避するのに有効な圧縮機用のスラスト釣
合わせ装置を提供することにある。

この発明の別の目的は、スラスト軸受の寸法を大きくし
たり、スラスト軸受の設計を複雑にしたりすることなく
、上記目的を達成することにある。

この発明の他の目的は、オイル圧力を増加したり、プロ
セスガスを抜き出したりするのを回避することにある。

この発明のさらに他の目的は、低速運転時に高圧シール
流体を利用するとともに、圧縮機の平常運転時はスラス
ト軸受ハウジング内に低圧の潤滑流体を利用することに
ある。

発明の開示 この発明は、好ましくは片持形ロータを有する単段圧縮
機に適用される。インペラを取り付けた側の片持形ロー
タロータの端部はジャーナル軸受より外側にあって、プ
ロセスガスにさらされ、また圧縮機ロータの他方の端部
は大気圧にさらされる。圧縮機ケーシング内にスラスト
軸受ハウジングが収容されている。スラスト軸受ハウジ
ングは、圧縮機ロータと共に回転するスラストカラー、
および該スラストカラーに軸線方向に隣接して共通の中
心軸線を存する静止スラスト軸受リングを包囲している
。軸線方向に摺動自在なシールリングが、スラストカラ
ーより駆動側でスラスト軸受ハウジングの内周面とスラ
スト軸受リングの外周面との間に配置される。パイロッ
トオイル供給空所が、上記軸線方向に摺動自在なシール
リングをスラストカラーに向けて移動させて、それと封
止係合するように接続される。主オイル圧がスラストカ
ラーより駆動側で導入され、圧縮機が低速状態にある期
間中、圧縮機の入口側のプロセス圧に起因するスラスト
の不釣合を、スラストカラーの駆動側にかかる主オイル
圧によって解消する。

この発明の別の観点によれば、摺動自在なシールリング
の軸受接触面に流体力学的ポケットを形成し、これによ
りスラストカラーの速度が増加するにつれて、シールリ
ングとスラストカラーとの軸線方向距離を増加して、ス
ラスト軸受の冷却をはかると同時に、スラストカラー区
域にシールを維持する。運転速度が十分高くなって、ス
ラスト軸受リングのスラスト容量がスラストを支えるの
に適正になったら、シールリングの後側のパイロットオ
イル圧を解除するとともに、スラストカラーの駆動側の
主オイル圧も解除する。こうすれば、シールリングがス
ラストカラーからさらに離れることができる。停止のた
めに圧縮機の速度が再び遅くなったら、パイロットオイ
ル圧を用いて上述した機構をもう一度作動させる。低速
運転中は、高圧シールオイルをスラスト軸受ハウジング
内に導入し、他方、平常運転中は潤滑油をスラスト軸受
に送る。

図面を参照した発明の詳細な説明 第１図は片持形ロータを有する単段圧縮機の断面図であ
る。この圧縮機１０は、プロセス流体の進入する円錐台
形の内腔２３を有するヘッド２２を囲む圧縮機ケーシン
グ２０を備える。第１図に示すように、プロセス流体は
図面の左から右へ、すなわち圧縮機の入口（吸込み）端
からインペラ２４へ流れる。インペラ２４はロータ２６
に取付けられていてロータ２６と共に回転する。ロータ
２６は、一つだけを主ジャーナル軸受２８として示す段
数のジャーナル軸受により圧縮機ケーシング２０内に支
持されている。第１図において、同じ部品が２つある場
合、図面の左側のものを「反駆動側」部品、図面の右側
のものを「駆動側」部品と呼ぶことにする。この呼び方
に従えば、圧縮機ケーシング２０は左側では反駆動側端
部カバー３２で閉止され、右側では駆動側端部カバー３
４で閉止されている。これらのカバーはそれぞれボルト
３５により圧縮機ケーシング２０に締付けられている。

圧縮機ロータ２６は、後述する軸受ハウジング３６の一
部である軸受により支持されている。

」二連した圧縮機の動作は次の通りである。ロータ２６
はタービンまたは電動機などの原動機（図示せず）によ
り駆動されて回転する。圧縮機の入口（吸込み）側たと
えばヘッド２２の内腔側には高圧Ｐ１のプロセス流体が
作用する。ロータ２６はそれに取り付けたインペラ２４
も回転させたので、プロセス流体の圧力は、流体が遠心
力により圧縮されて圧縮機ケーシング２０の外側環状部
３８に向うにつれて高くなる。外側環状部３８に到達す
ると流体は圧縮機ケーシング２０から、図示していない
が、当業者に周知の吐出し口を通って吐出される。圧縮
機ケーシングの入口側の反駆動側ロータ端とは反対側の
駆動側ロータ端には大気圧ＰＡが作用している。大気圧
ＰＡはプロセス流体圧Ｐ１より著しく低いので、ロータ
には静止状態および低速状態で駆動側の方向に正味の力
Ｆがかかる。この力Ｆは、プロセス流体圧と大気圧との
差に主シヤフトシール４０における面積Ａ１を掛けた値
にほぼ等しい。これは静圧差であり、この静圧差は、プ
ロセス流体の差圧がインペラの不釣合いな面積に作用す
るので、圧縮機が力Ｆに対抗する反力を生じるほどの十
分な速度に達するまでは相殺されない。軸受ハウジング
３６内では、ロータに働く力Ｆはこれから説明するスラ
スト軸受を介して圧縮機ケーシングに伝達される。

第２図に示すように、軸受ハウジング３６は外側軸受ハ
ウジング４６と内側軸受ハウジング４８とを含むが、こ
れら全体を軸受ハウジング３６と総称している。軸受ハ
ウジング３６は半径方向内側のボルト５０および半径方
向外側のボルト５２により圧縮機ケーシング２０に締付
けられている。

ロータ２６はこの軸受ハウジング内で主ジャーナル軸受
２８および駆動側ジャーナル軸受５４により支持されて
いる。スラスト軸受構造は、内側軸受ハウジング４８内
に上記２つのジャーナル軸受間に装着され、ロータ２６
に取付けられるがロータ２６と共に形成された回転自在
なスラストカラーまたはランナ６０を含む。スラスト軸
受の静止部分は１対のスラスト軸受リングである。当業
者によく知られているように、スラスト軸受リングは、
半径方向内側の支持リングと半径方向外側の支持リング
とを半径方向に延在する部材で連結した環状ケージであ
り、１個の流体力学的パイ形のセグメントまたは軸受パ
ッドを支持している。

この実施例では、反駆動側軸受リング６２および駆動側
軸受リング６４で示すように、２つのスラスト軸受リン
グが設けられている。ロータの両端に等しくない力がか
かると、駆動側および反駆動側軸受パッドは等しくない
力を（等しくない力の方向に応じて）それぞれの軸受リ
ングに伝え、その力は次にスラスト軸受ハウジングおよ
び圧縮機ハウジングに伝えられる。

第３図は、内側軸受ハウジング４８を含めた軸受ハウジ
ング３６の拡大図である。スラストカラーまたはスラス
トランナ６０は軸線方向で反駆動側軸受リング６２と駆
動側軸受バッド６５との間に配置されている。図示の軸
受パッド６５は軸受ケージまたはリング６４内に含まれ
る複数の軸受パッド（図示せず）のうちの一つにすぎな
い。外側支持リング６１は、駆動側スラスト軸受リング
６４を内側軸受ハウジング４８に対して位置決めする。

軸線方向に摺動可能な環状のシールリング７０が、スラ
ストカラー６０の駆動側表面７２に封止係合したシール
位置で図示されている。シールリング７０は支持リング
６１の半径方向外周面と内側軸受ハウジング４８の半径
方向内周面との間に位置する。シールリング７０はパイ
ロットオイル圧により軸線方向にスラストカラー６０に
向かって移動させられる。パイロットオイルがボート８
１から環状パイロット空所８０に導入されて、シールリ
ング７０の駆動側圧力を加え、シールリングをスラスト
カラー６０の駆動側表面７２に封止係合する。空所８０
にパイロット流体圧を導入する手段は第４図に関連して
説明する。

主オイル供給部８４からオイルを主オイルマニホールド
８６に送り、ここからさらに半径方向通路９０（１つだ
け図示）を通ってスラスト軸受ハウジングの内部８８に
オイルを供給する。スラスト軸受ハウジングのオイルシ
ール９２は、シールリング７０と共に、加圧オイルを軸
受ハウジングの内部に閉じ込め、このオイルによりスラ
ストカラーの駆動側表面７２に対して作用する対抗力を
付与して、プロセス流体圧によりロータに作用する不釣
合いな軸線方向の力に対抗させる。

軸線方向に可動のシールリング７０は不釣合いになって
いるので、軸受区域８８および空所８０の油圧が等しく
なった後でも、シールリング７０の駆動側にはこのシー
ルリングを押してスラストカラー６０に接触させる正味
の力が存在する。これは、静的条件下では、シール表面
９４に本質的に漏れがないことを意味する。シール表面
９４の位置でのシールリング７０の反駆動側表面は、始
動条件下では、シールリングの不釣合いな荷重を適切に
支える二次スラスト軸受として作用しなければならない
。シールリング７０の反駆動側表面をスラスト軸受形状
に機械加工して、加圧下で流体力学的ポケット９６を形
成する。このポケットはテーパー付きランドまたは段形
軸受の形態とするのがよい。ロータの回転速度が増加す
るにつれて、流体力学的ポケット９６の領域の油膜が増
加し、これがシールリングとスラストカラーとの間の軸
線方向隙間を増加する作用をなし、これによりオイル流
れが増加する。流体力学的ポケットの面積を駆動側の面
積に対して適正に釣り合わせることによって、シールリ
ングは低速回転期間中スラスト軸受を適正に冷却するオ
イル流れを保証し、同時にスラストカラーのシールを維
持し、こうしてスラストカラーの駆動側の軸受ハウジン
グ内の主オイル圧を静的スラストに対抗させる。ロータ
の回転速度が十分高くなって、スラスト軸受のスラスト
支持能力がスラストを支えるのに適正になったら、空所
８０のパイロットオイル供給圧を解除し、その直後にオ
イルマニホールド８６へ、したがってスラストカラーに
対して駆動側の空所８８への主高圧オイル供給部を閉じ
る。この結果、シールリング７０にかかる不釣合いな力
が逆になり、シールリング７０がスラストカラーから離
れる。スラスト軸受圧が平常運転レベルにあるとき、ス
ラストカラー自体のポンプ作用によりシールリング区域
の圧力はパイロットオイル入口圧より高く維持される。

環状の空所８０は、これを主オイルマニホールド８６に
連結する通路９８により入口圧に維持される。

停止の際には同様な過程が生じる。ロータの速度が所定
のレベル以下に落ちたとき、加圧シールオイルを主オイ
ルマニホールド８６に供給するより数分の１秒前に、環
状パイロット空所８０に加圧シールオイルを供給する。

その結果、軸線方向に摺動自在な環状シールリング７０
がスラストカラーに封止係合し、その後ロータ速度がさ
らに低下するにつれて、スラスト軸受／１ウジングの空
所８８を加圧してロータのスラストに対抗させる。

この状態をロータが止まるまで保持する。

スラストカラーの駆動側には、通例プロセス流体シール
下の面積の２〜３倍の面積が得られる。

したがって、スラスト補償をシーリング圧より低い圧力
のオイルで達成することができ、第４図に示すようにシ
ールオイルを用いることができる。

この発明の別の観点によれば、低い圧縮機速度でのスラ
スト釣合わせを行なうとともにあらゆる圧縮機速度で適
切な潤滑を行なうオイル供給系が提供される。第４図に
示すように、オイル供給系１００は、この発明に関連し
て説明した駆動側スラスト軸受以外のすべての圧縮機軸
受にオイルを供給する潤滑油供給部１０２を備える。圧
縮機潤滑油の一部を多重ポンプ１０４に通し、通常の圧
縮機シーリング法に従って圧縮機内のオイルシールを加
圧するためのライン１０６に高圧で吐出する。この発明
によれば、シールオイルを用いて、軸線方向に摺動自在
なシールリング７０を移動させて内部スラスト軸受ハウ
ジングをシールするパイロット流体を得るとともに、ロ
ータ速度が低い期間中スラスト釣合わせ機能をなす主オ
イル圧を得る。

調節弁１０８は、シーリングガス基準圧に対して調節さ
れた圧力の高圧オイルを高圧オイル供給ライン１２４に
送給する。高圧オイルの給油をパイロットオイル弁１１
０と主オイル弁１１２とに分割する。パイロットオイル
弁１１０は、前に第３図で説明したようにポート８１を
通ってパイロットオイル空所８０に入る流体流れを制御
し、−力士オイル弁１１２は前に第３図で説明したよう
に主オイル供給部８４を通って主オイルマニホールド８
６に入る流体流れを制御する。実際にはそして本発明に
よれば、これらの弁を順次作動させて、パイロット弁１
１０を最初に作動させ、次いで主オイル弁１１２を開く
。

アキュムレータ１１４を圧力調節弁１０８と組合せて用
いて、前述したようなスラスト釣合機構の要求に見合う
適切な圧力をライン１２４に確保する。さらに、ライン
１１６により潤滑油ライン１０２を主オイル供給ライン
１２６に接続して、高圧シールオイルを必要としない平
常運転期間中駆動側スラスト軸受の潤滑を行なう。逆止
弁１１８を用いて、スラスト不釣合がスラスト軸受の平
常運転能力の範囲内にある平常運転速度の期間の間、ま
たはプロセス流体圧力が低く、したがってスラスト不釣
合がそれほどひどくない条件の期間の間、自動的にライ
ン１０２から流体を流す。

前述したこの発明の圧縮機は下記の方法により運転され
る。低速ロータ運転期間の間、高圧シールオイルを環状
パイロットオイル空所に導入することにより軸線方向に
摺動自在な環状シールリングを移動させてスラストカラ
ーと封止係合させ、また高圧シールオイルを主オイルマ
ニホールドに導入することによりシールオイル圧を閉止
されたスラスト軸受ハウジング室内のスラストカラーに
加える。ロータの速度が上がるにつれて、流体力学的な
力によりシールリングとスラストカラーが軸線方向に離
れ、これによりスラスト軸受の潤滑が行われる。平常運
転速度では、高圧シールオイルを遮断して低圧潤滑油に
換え、これによりスラスト軸受を平常運転油圧下で動作
させる。前述したように、ロータ速度が設定限度より下
ったら、シールオイル圧を軸受ハウジングに再導入する
。

前述した構成と運転方法に従って、本発明により下記の
効果が得られることが明らかである。

この発明のスラスト釣合わせ機構は、ロータ速度が低い
期間の開動作し、２つの複合した目的のために、高圧シ
ールオイルをスラスト軸受ハウジングに導入する。第一
の目的は、スラストカラーの駆動側に閉止された室を形
成するためであり、第二の目的は、高圧シールオイルを
導入することにより、スラストカラーに対抗釣合い圧力
を与えて低ロータ速度期間中のプロセス流体圧力を相殺
するためである。

さらに、ロータが速度を上げてゆくにつれて、軸線方向
に摺動自在なシールリングの反駆動側表面に設けた独特
の流体力学的ポケットの働きで、シールリングがスラス
トカラーから遠去かり、スラスト軸受の潤滑を増大する
。

ロータ速度が平常値に到達した後、高圧シールオイルを
遮断するとともに、潤滑油をスラスト軸受に導入すると
、軸受は通常のスラスト軸受として作動する。

以上この発明の好適な実施態様を説明したが、当業者で
あれば他の変更が想起できるであろう。

このような変更例も本発明の範囲内に入るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は片持形ロータを有する単段圧縮機の断面図、 第２図は圧縮機ケーシングの軸受ハウジング部分の断面
図、 第３図は圧縮機ケーシングのスラスト軸受ハウジング部
分の拡大断面図、そして 第４図はオイル供給系の系統図である。 １０：圧縮機、２０：ケーシング、 ２４：インベラ、２６二〇−夕、 ２８：主ジャーナル軸受、 ３６：軸受ハウジング、 ４６：外側軸受ハウジング、 ４８：内側軸受ハウジング、 ６０ニスラストカラー、 ６２．６４：軸受リング、 ７０：シールリング、 ８０：パイロットオイル空所、 ８６：主オイルマニホールド、 ９６：流体力学的ポケット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）内部にロータを支持した圧縮機ケーシングと、上記
   ロータの一端に装着されて該ロータと共に回転するイン
   ペラと、上記ロータに装着されて該ロータと共に回転す
   るスラストカラーと、上記スラストカラーに軸線方向に
   隣接し、上記ロータの軸線方向の移動を制限する少なく
   とも１つの静止スラスト軸受リングとを備える圧縮機の
   スラストを釣合わせる装置において、 上記スラストカラーおよび上記スラスト軸受リングを包
   囲する軸受ハウジングと、 上記軸受ハウジングの片側内部に且つ上記スラスト軸受
   リングの外周面のまわりに配置された軸線方向に摺動自
   在なシールリングと、 圧縮機ロータ速度が低速である期間中、上記軸線方向に
   摺動自在なシールリングを上記スラストカラーと封止接
   触するように移動させる手段と、上記軸線方向に摺動自
   在なシールリングを含む側の上記軸受ハウジング内部を
   加圧する手段と、を備えるスラスト釣合わせ装置。 ２）上記軸線方向に摺動自在なシールリングのうちのス
   ラストカラーに対面する表面に流体力学的ポケットが設
   けられている請求項１に記載のスラスト釣合わせ装置。 ３）上記スラスト軸受リングの外周面と上記軸受ハウジ
   ングの内側表面との間に環状パイロットオイル空所が形
   成されていて、上記軸線方向に摺動自在なシールリング
   がこのパイロットオイル空所と上記スラストカラーとの
   間に配置されている請求項１に記載のスラスト釣合わせ
   装置。 ４）上記スラスト軸受リングの外周面と上記軸受ハウジ
   ングの内面表面との間に環状パイロットオイル空所が形
   成され、また上記スラスト軸受リングの外周面より半径
   方向内方に吐出口を有する主オイルマニホルドが設けら
   れている請求項１に記載のスラスト釣合わせ装置。 ５）上記パイロットオイル空所に接続された第１ライン
   と、上記主オイルマニホールドに接続された第２ライン
   と、該第２ラインに接続された逆止弁を有する第３ライ
   ンを含むオイル配給系を備え、上記第１および第２ライ
   ンが高圧オイルに接続され、上記第３ラインが低圧オイ
   ルに接続されていて、これにより上記第２ラインの圧力
   が上記第３ラインの圧力より下がったときにはいつでも
   低圧オイルを上記主オイルマニホールドに送るようにし
   た請求項４に記載のスラスト釣合わせ装置。 ６）上記第１ラインにパイロットオイル弁が接続され、
   上記第２ラインに主オイル弁が接続され、これらのパイ
   ロットオイル弁および主オイル弁が共通の高圧オイルヘ
   ッダに接続され、これによりパイロットオイル弁および
   主オイル弁を順次作動させてパイロットオイルを上記シ
   ールリングへ送給した後に主オイルを上記スラストカラ
   ーへ送給するようにした請求項５に記載のスラスト釣合
   わせ装置。 ７）内部にロータを支持した圧縮機ケーシングと、上記
   ロータの一端に装着されて該ロータと共に回転するイン
   ペラと、上記ロータに装着されて該ロータと共に回転す
   るスラストカラーと、軸受ハウジング内に装着され、負
   荷時の上記ロータの軸線方向の移動を制限する少なくと
   も１つの静止スラスト軸受リングとを備える圧縮機にお
   いて、上記スラストカラーの駆動側で上記軸受ハウジン
   グの内周面と上記スラスト軸受リングの外周面との間に
   配置された軸線方向に摺動自在なシールリングと、 圧縮機速度が低速である状態の間、上記軸線方向に摺動
   自在なシールリングを上記スラストカラーに向けて移動
   させるよう接続されたパイロットオイル供給ラインと、 上記軸線方向に摺動自在なシールリングを上記スラスト
   カラーに向けて移動させた後に上記スラストカラーの駆
   動側を加圧する主オイル供給ラインと、 を備える圧縮機。 ８）上記軸線方向に摺動自在なシールリングには流体力
   学的ポケットが設けられていて、これによりロータ速度
   が増加するにつれて、上記シールリングと上記スラスト
   カラーとの軸線方向隙間が増加するようにした請求項７
   に記載の圧縮機。 ９）ロータに装着したスラストカラーおよびスラスト軸
   受リングを囲む軸受ハウジングを有している圧縮機を運
   転する方法において、 上記ロータが低速である期間中、高圧パイロットオイル
   を上記軸受ハウジング内に導入して軸線方向に摺動自在
   なシールリングを上記スラストカラーと係合させ、 上記シールリングが上記スラストカラーと係合した後、
   高圧主オイルを上記軸受ハウジング内に導入して上記ス
   ラストカラーに対抗する釣合力を生成させ、 上記ロータが平常運転速度に達した後では、上記の高圧
   主オイルおよびパイロットオイルを解除して、低圧潤滑
   油を上記軸受ハウジング内に導入する各工程を含む圧縮
   機の運転方法。 １０）上記ロータの低速期間が始動時および停止時を含
   み、平常運転速度が有効な圧縮機性能での連続運転速度
   を含む請求項９に記載の方法。 １１）内部にロータを支持した外側ケーシングと、上記
   ロータに装着されたスラストカラーと、上記スラストカ
   ラーの駆動側で上記スラストカラーに軸線方向に隣接し
   て配置されて、上記ロータの軸線方向移動を制限する少
   なくとも１つの静止スラスト軸受リングとを備える回転
   軸機械のスラストを釣り合わせる装置において、 上記スラストカラーおよび上記スラスト軸受リングを包
   囲する軸受ハウジングと、 上記スラストカラーの駆動側で上記スラスト軸受リング
   の外周面と上記軸受ハウジングの内側表面との間に配置
   された軸線方向に摺動自在なシールリングと、 上記スラスト軸受リングの外周面と上記軸受ハウジング
   の内側表面との間に形成された環状パイロットオイル空
   所と、 上記スラスト軸受リングの外周面より半径方向内方に吐
   出口を有する主オイルマニホールドと、上記パイロット
   オイル空所を加圧して上記シールリングを上記スライス
   カラーと接触させる手段と、 上記スラスト軸受リングの上記シールリングを含む側で
   上記主オイルマニホールドを加圧する手段と、 を備えるスラスト釣合わせ装置。 １２）上記軸線方向に摺動自在なシールリングの上記ス
   ラスト軸受カラーに対面する表面に流体力学的ポケット
   が設けられている請求項１１に記載のスラスト釣合わせ
   装置。