JPH0612118B2 - 二段一軸タ−ボ圧縮機の気体潤滑軸受配列 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は二段一軸のターボ圧縮機における気体潤滑軸受
の新規な配列に関し、殊にターボ圧縮機の比速度を高め
得ると共に、軸受部にかかる荷重を均等にして局所的な
損耗を抑制し、更には回転に伴う振動を抑えて動力ロス
や軸受部にかかる過負荷を少なくすることのできる気体
潤滑軸受配列に関するものである。

［従来の技術］ 周知の通りターボ圧縮機とは、コンプレッサーの回転翼
車とタービンの回転翼車を同心的に連続し、高圧ガスに
よって生じるタービンの回転エネルギーを再び圧力エネ
ルギーに変換して各種気体の圧縮、航空機等の推力ある
いは自動車等の動力として活用しようとするものであ
り、中でも気体潤滑軸受を採用したターボ圧縮機は、液
体潤滑油受を採用したものに比べて軸部の機械的あるい
は化学的損耗が少なく、且つ潤滑専用の付属機器が不要
で機械の小型化が可能になるといった多くの特徴をもっ
ているとことから、高圧ガス炉分野、ヘリウム液化分
野、宇宙開発分野（ロケットエンジン等）、航空機分野
や自動車分野等を含めた広範な分野における動力機械の
動力源として盛んに研究が進められている。

本発明者らもかねてよりターボ圧縮機の性能向上と応用
分野の開拓を期して研究を進めているが、今回燃料電池
から排出されてくる高温・高圧排ガスの有するエネルギ
ーを、該燃料電池に原料ガスとして供給される水素や酸
素（又は空気）の圧縮に有効利用することはできないか
と考え研究を開始した。

燃料電池は使用する電解質の種類により酸型、アルカリ
型、溶融炭酸塩型、固体電界質型に分類されるが、発電
の原理をりん酸型燃料電池を例にとつて説明すると第８
図に略示する通りである。当該燃料電池は正極、負極の
２つの電極と電解質（りん酸）から構成され、正極側及
び負極側からは夫々高圧の酸素（又は空気）及び水素が
供給される。負荷を介して両電極を連結すると、水素と
酸素では水素の方が還元力が強いので、負極側では水素
から電極への電子の授与が起こり（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ
⁻）、この電子は負荷を通つて正極に達し、ここで正極
側へ供給されてくる酸素を還元する（１／２Ｏ_２＋２Ｈ
^＋＋２ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ）。また電解液中では負極から正
極方向へＨ^＋が移動する。負荷を流れる電流の方向は電
子の流れとは逆であるから、外部回路では正極から負極
方向へ電流が流れ、かくして電池が構成される。この燃
料電池は従来の火力発電に比べて発電効率が高い、
騒音が少ない、大気汚染物質の放出が少ない、小規
模でも高い効率が得られる、部分負荷でも発電効率が
高い、等々多くの利点を有しているところから、将来重
要な電力源になるものと期待されている。

ところで図示した様な燃料電池の作動に当たつては、燃
料（水素等）と酸素を高圧にして供給しなければなら
ず、そのためコンプレッサーを必要とするが、コンプレ
ッサーを外部動力によつて作動させるには多大なエネル
ギーが消費される。一方燃料電圧の作動時には前述の如
く電解質槽から高温、高圧の排出ガスが放出され、この
排ガスは暖房等に利用する方法が提案されてはいるもの
の、必ずしも満足の行くエネルギー回収が行なわれてい
るとは言えない。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明者らは上記の様な事情に着目し、燃料電池から排
出される高温・高圧排ガスのエネルギーを、ターボ圧縮
機を介して原料ガス（水素、酸素等）の昇圧に活用する
ことはできないかと考え、その線に沿つて更に研究を進
めた。即ち上記高温・高圧の排ガスによってタービンを
回転せしめ、その回転力を原料ガスの昇圧に利用しよう
とするものである。

この様な発想を実現すべく、まずターボ圧縮機の最適機
種について検討したところ、第１り、比較的簡単な構成
で且つ原料ガスを所定の高圧力にまで高めることのでき
るものとしては二段一軸ターボ圧縮機が最適であるこ
と、第２に、ターボ圧縮機の軸受部における摩擦抵抗を
少なくして比速度を高め、且つ軸受部の摩耗等を抑えて
保守・管理を容易にするうえでは、気体潤滑軸受機構を
採用するのが最適であることを知った。

そこで気体潤滑軸受を持つた二段一軸ターボ圧縮機に焦
点を絞り、該圧縮機の性能向上を期して更に研究を重ね
たところ、気体潤滑受の配列如何によってはターボ圧縮
機の性能がかなり変わってくるという事実をつきとめ
た。

本発明はこの様な経緯をたどり到達したものであつて、
その目的は、二段一軸ターボ圧縮機における最も好まし
い気体潤滑軸受配列を明確にし、それにより該ターボ圧
縮機の性能を最大限有効に発揮せしめようとするもので
ある。

［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成することのできた本発明の構成は、二
段一軸ターボ圧縮機の気体潤滑軸受配列であって、軸体
の両端に第１段コンプレッサー及びタービンの各回転翼
車が夫々配置されると共に、該軸体の軸心方向にみて前
記各回転翼車より内側に夫々ジャーナル軸受が対設さ
れ、更に各ジャーナル軸受より内側にスラスト軸受及び
第２段コンプレッサーの回転翼車が配設されたものであ
るところに要旨を有するものである。尚本発明では前述
の経緯からも明らかな様に燃料電池の排ガスエネルギー
回収に主眼を置いてターボ圧縮機の機種及び軸受潤滑の
種類を特定したが、本発明によって得られる気体潤滑軸
受配列の特徴は二段一軸構造のターボ圧縮機であるかぎ
りすべて有効に発揮し得るのであって、該ターボ圧縮機
の用途自体には全く影響を受けるものではない。従って
本発明の軸受配列が適用される二段一軸ターボ圧縮機の
用途は、燃料電池の排ガスエネルギー回収に限定され
ず、高温ガス化炉設備、ヘリウム液化装置、自動車等の
各種動力機械の動力源として広く活用することができ
る。

［作用及び実施例］ 気体軸受を採用した二段一軸ターボ圧縮機の性能向上を
図るうえで特に重視すべき改善項目は下記の通りであ
る。

高比速度を得るためには、インデューサ・ハブ径及び
エキスデューサ・ハブ径を小さくなし得ること。

気体軸受支持で高速回転する際の自動振動を回避する
ためには、軸の有する曲げ剛性を最大限有効に生かし得
る様、左右のジャーナル軸受における軸荷重が均等にな
る様に調整し得ること。

気体軸受の点検、組込みが容易であり、且つ軸と回転
翼車はケーシング組込み前に一体的に組立てて、動的不
釣合いの修正が容易に行なえること。

軸部の物理的・化学的損耗を抑制するためには、軸受
環境、殊に軸受気体膜内に、りん酸等の酸成分や水分ダ
スト等を含み且つ高温で有害なタービン排ガスが侵入し
難いこと。

ところで二段一軸ターボ圧縮機における最も一般的な気
体潤滑軸受配列は第３図に略示する通りである。即ち第
３図においてＪ_１，Ｊ_２はジャーナル軸受、Ｔｈはスラ
スト軸受、Ｃ_１は第１段コンプレッサーの回転翼車、Ｃ
_２は第２段コンプレッサーの回転翼車、Ｔはタービンの
回転翼車、Ｓは軸体を夫々示している。この図からも明
らかな様に二段一軸ターボ圧縮機の一般的な気体潤滑軸
受配列では軸体Ｓの両端にジャーナル軸受Ｊ_１，Ｊ_２が
対設され、該ジャーナル軸受Ｊ_１，Ｊ_２より内側に第１
段コンデンサーの回転翼車Ｃ_１及びタービンの回転翼車
Ｔが配置され、更に該回転翼車Ｃ_１及びＴよりも内側に
スラスト軸受Ｔｈ，Ｔｈ及び第２段コンプレッサーの回
転翼車Ｃ_２が配置されている。

この様な軸受配列では、高速回転に耐える十分な軸曲げ
力を確保するため比較的太径の軸体Ｓが使用されてお
り、軸受部全体の組立て及び点検が容易であり、殊に軸
体Ｓと各回転翼車Ｃ_１，Ｃ_２，Ｔの現場組付けが容易で
あるといった特徴を有している反面、軸体Ｓが太径であ
るため各回転翼車Ｃ_１，Ｃ_２，Ｔのハブ径を大きめに設
計しなければ駆動源たるガスの流量を十分に大きくする
ことができず、その結果各回転翼車Ｃ_１，Ｃ_２，Ｔの比
速度は低目とならざるを得なくなり、作動効率を満足の
いく程度まで高めることができない。しかも第３図の軸
受配列では、軸受環境、殊に軸受気体膜内に、りん酸等
の酸成分や水分、ダスト等を含む高温且つ有害なタービ
ン排ガスが侵入し易いという難点があり、物理的・化学
的損耗が比較的進行し易いという欠点も指摘されてい
る。

本発明者らは上記の様な難点に鑑み、軸受配列を変更す
ることによって前述の様な難点を解消することはできな
いと考え、二段一軸型について考えられるあらゆる気体
潤滑軸受配列について夫々の利害得失を比較検討した。
その結果先に示した本発明の軸受配列を採用すれば、従
来の軸受配例に指摘される難点が著しく改善されること
を知り、茲に本発明を完成した。

即ち本発明に係る軸受配列の一例は第１図に略示する通
りであり、タービン圧縮機を構成する個個の部材自体は
第３図の従来例と同一であるので、同一の部材には同一
の符号を付している。本発明が従来技術と異なっている
のはそれら部材の配列構造にあり、具体的には、軸体Ｓ
の両端に第１段コンプレッサーの回転翼車Ｃ_１及びター
ビンの回転翼車Ｔが夫々配置されるとは共に、該軸体Ｓ
の軸心方向に見て前記各回転翼車Ｃ_１及びＴより内側に
夫々ジャーナル軸受Ｊ_１，Ｊ_２が対設され、更に各ジャ
ーナル軸受Ｊ_１，Ｊ_２より内側にスラスト軸受Ｔｈ，Ｔ
ｈ及び第２段コンプレッサーの回転翼車Ｃ_２が配設され
ている。この様な軸受配例とすれば、圧縮機全体のラジ
アル方向及びスラスト方向の微振動が非常に少なくな
り、軸受気体膜内へのタービン排ガスの侵入を著しく抑
制することができ、軸部及び軸受部の物理的・化学的損
耗を最小限に抑えることができる。しかもこの軸受配列
であれば各回転翼車Ｃ_１，Ｃ_２，Ｔのハブ径を小さめに
設計することが可能となり、ひいては各回転翼車自体を
若干小さくしても十分なガス流量を確保することができ
るので比速度が向上し、タービン圧縮機の高性能化が達
成される。

尚本発明で採用される軸受配列の一例は上記の通りであ
るが、この他第２図に示す如くスラスト軸受Ｔｈ，Ｔｈ
と第２段コンプレッサーの回転翼車Ｃ_２の位置関係を図
面の左右に入れ変えた場合も第１図とほぼ同様の効果を
得ることができ、従って本発明の満たす軸受配列は第１
図及び第２図として示した例に特定される。そしてこの
様な要件を満たす軸受配列の二段一軸ターボ圧縮機は、
先に改善項目として列挙した〜の要求のすべてを満
たすものとなり、気体潤滑軸受を採用したことによる技
術的特徴を最大限有効に発揮し得るものとなる。

ところで、二段一軸タービン圧縮機で考えられる他の気
体潤滑軸受配列としては、上記以外にも第４図、第５
図、第６図、第７図等が考えられるが、これらの軸受配
列ではいずれも本発明と同程度の性能向上を果たすこと
はできない。この様に軸受配列のわずかな変更でターボ
圧縮機の性能に顕著な差が生じる理由は未解明である
が、軸体Ｓの軸心方向に見た各部材の配列バランスの否
がラジアル方向及びスラスト方向の微振動に微妙な影響
を及ぼし、且つ各回転翼車Ｃ_１，_２，Ｔの比速度や軸体
Ｓにかかる曲げ力、軸受気体膜内へのターボ圧縮機排ガ
スの侵入等に少なからず影響を及ぼしたものと考えられ
る。

但し上記第４〜７図に示したものの中で第４図の軸受配
列は、高比速度が得られ難いという性能上の欠点は有し
ているものの、一体型円筒軸受の組立及び点検が容易で
あり、且つ軸体Ｓに対するスラストカラーや各回転翼車
Ｃ_１，Ｃ_２，Ｔ等の現場組付けが非常に容易であるとい
った、他の軸受配列では得ることのできない利点を有し
ているので、それほど高レベルの性能が要求されないタ
ービン圧縮機に適用する場合は、コストやメンテナンス
性等を含めて実用性の高いものと言える。

本発明は以上の様に構成されるが、その特徴はあくまで
も気体潤滑軸受の配列に存在するものであるから、気体
潤滑の具体的な手段あるいは各回転翼車Ｃ_１，Ｃ_２，Ｔ
更には軸体Ｓの形状や構造、ジャーナル軸受Ｊ_１，Ｊ_２
やスラスト軸受Ｔｈ，Ｔｈの形状や構造等は従来の二段
一軸タービン圧縮機で採用される機構、形状、構造等に
準じて理解すればよく、且つ前述の軸受配列を乱さない
範囲で任意に設計変更することが可能であり、それらは
すべての本発明の技術的範囲に含まれる。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており気体潤滑軸受配列を
厳密に規定することによって、気体潤滑の特徴が有効に
発揮され、二段一軸ターボ圧縮機の比速度を最大限に高
めて性能向上を振動を図り、また軸部にかかるラジアル
方向及びスラスト方向の荷重を均等にすると共に抑えて
局部的な損耗を抑制し、更には軸受気体膜内へのタービ
ン排ガス侵入抑制効果とも相まって軸受全体の寿命を相
当延長することができ、更には組付、点検等が比較的簡
単でメンテナンス性も向上し得る等、実用に即した多く
の利益を享受することができる。また、最も高圧源とな
る第２コンプレッサーの回転翼車を回転軸中央に配置す
ることによって、各ジャーナル軸受に対して均等な高圧
雰囲気が作用することになり、気体軸受の剛性並びに負
荷能力を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】 第１、２図は本発明に係る軸受配列の実施例を示す概略
説明図、第３図は従来の軸受配列を示す概略説明図、第
４〜７図は二段一軸タービン圧縮機において考え得る他
の軸受配列を示す概略説明図、第８図は燃料電池の原理
を示す説明図である。 Ｊ_１，Ｊ_２：ジャーナル軸受 Ｔｈ：スラスト軸受 Ｃ_１：第１段コンプレッサーの回転翼車 Ｃ_２：第２段コンプレッサーの回転翼車 Ｔ：タービンの回転翼車 Ｓ：軸体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二段一軸ターボ圧縮機の気体潤滑軸受配列
   であって、軸体の両端に第１段コンプレッサー及びター
   ビンの各回転翼車が夫々配置されると共に、該軸体の軸
   心方向にみて前記各回転翼車より内側に夫々ジャーナル
   軸受が対設され、更に各ジャーナル軸受より内側にスラ
   スト軸受及び第２段コンプレッサーの回転翼車が配設さ
   れたものであることを特徴とする二段一軸ターボ圧縮機
   の気体潤滑軸受配列。