JPH075231Y2

JPH075231Y2 - ターボコンプレッサ

Info

Publication number: JPH075231Y2
Application number: JP1986088198U
Authority: JP
Inventors: 文質加納; 吉照深尾
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1986-06-10
Filing date: 1986-06-10
Publication date: 1995-02-08
Anticipated expiration: 2001-06-10
Also published as: JPS62200135U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、小型でしかも効率及び耐久性が高められるよ
うに構成されたターボコンプレッサに関するものであ
る。

〔従来技術〕

従来よりターボコンプレッサは、比較的圧縮効率の高い
コンプレッサとして良く知られており、例えば、燃料電
池発電システムの高圧空気供給用コンプレッサ、或いは
排熱回収システムの動力リカバリタービンとして利用さ
れている。このようなシステムでは、ターボコンプレッ
サの効率の向上がシステム全体の効率の向上に大きく寄
与するので、システムの採算性を高めるために、ターボ
コンプレッサの効率アップが強く要請されている。

ところで、一般にターボコンプレッサの圧縮率を高める
ためには、ターボコンプレッサを多段に設けるのが通例
である。燃料電池発電システムの場合を例にとって説明
すれば、例えば第２図に示すように、吸入サイレンサ31
に低圧段ターボコンプレッサ32の圧縮機32a、インター
クーラ33、高圧段ターボコンプレッサ34の圧縮機34aが
順に接続され、低圧段ターボコンプレッサ32で圧縮され
た空気を更に高圧段ターボコンプレッサ34で一層高圧に
圧縮して燃料電池本体35に供給するように構成される。
上記低圧段及び高圧段の各ターボコンプレッサ32・34
は、それぞれ燃料電池本体35から排出されるガスによっ
て駆動されるタービン32b・34bを有し、それぞれのター
ビン32b・34bによって連結軸32c・34cを介して圧縮機32
a・34aを駆動するように構成されている。又、これらの
ターボコンプレッサ32・34は、それぞれ独立の図示しな
いケーシング内に組み込まれている。

このように、従来ではターボコンプレッサ32・34を段階
的に接続することによって効率を高めているので、各段
のターボコンプレッサ32・34において軸受の転がり摩擦
による機械損失、駆動用タービン32b・34bから連結軸32
c・34cを介して圧縮機32a・34aに至る動力伝達上の機械
損失等の機械損失があるので、効率の向上を図るうえで
不利になる。また、各段のターボコンプレッサ32・34が
それぞれ独立したケーシング内に組み込まれているの
で、設置スペースが大きくなる点でも不利である。

従来の圧縮機のなかには、一つのケーシングの中に多段
の圧縮羽根車を設けた、いわゆる１軸多段圧縮機があ
る。例えば、１軸２段圧縮機では、共通のバックケーシ
ングの一側に低圧段圧縮羽根車を、その他側に高圧段圧
縮羽根車をそれぞれ配置し、両羽根車を共通軸を介して
外部のモータ等の駆動装置に連結するように構成され
る。この場合、上記共通軸はバックケーシングの両側の
端部に設けた軸受を介してバックケーシングに回転自在
に支持され、ギヤカップリング、チェーンカップリング
等のカップリング装置や歯車を介して外部の駆動装置に
連結されるのが通例である。

このように１軸多段圧縮機では、一つのケーシングに複
数段の圧縮羽根車が配置されるので、全体としてある程
度の小型化を図ることができる。しかし、圧縮機が外部
の駆動装置とカップリング装置や歯車を介して連動連結
されるので、小型化を図る上で全体としては尚不充分で
あり、また、動力伝達損失の減少を図る上でも不充分で
ある。

このような不都合に対して、実開昭52−96106号公報に
は、従来の２段圧縮機の共通軸にタービン駆動装置のタ
ービン羽根車を組み付けた軸を連結して、上記の三つの
羽根車、共通軸及びタービン用の軸を一つのケーシング
内に収納したものが開示されている。また、実開昭55−
142602号公報には、複数の圧縮羽根車とタービン用羽根
車とを１本の軸に取り付けて、これらを一つのケーシン
グ内に収容したものが提案されている。

このように構成されたターボコンプレッサでは、１軸２
段圧縮機とタービン駆動装置とをカップリングや歯車を
介して結合したものに比べて、動力伝達損失が少なく、
また、回転時の転がり摩擦抵抗による機械損失も少な
く、高効率で且つ小型になるが、新たに次のような問題
が生じた。

すなわち、上記のターボコンプレッサでは、低圧段の圧
縮機と高圧段の圧縮機とが曲がりダクトにより接続され
て分離されていないため、両圧縮機間にインタークーラ
を接続して、前述の２軸式の圧縮機と同様冷却による効
率向上を図ることができなかった。また、低圧段と高圧
段の両羽根車同士の間隔が広く軸方向の寸法が大きくな
りがちであった。

〔考案の目的〕

本考案は、上記の実情を考慮してなされたものであっ
て、高効率で、小型化をなし得るターボコンプレッサの
提供を目的とするものである。

〔考案の構成〕

本考案に係るターボコンプレッサは、上記の目的を達成
するために、ケーシング内の一側部に低圧段圧縮機室と
高圧段圧縮機室とを同軸心状に分離して形成するととも
にインタークーラを介して接続し、ケーシング内の他側
部に駆動タービン室を、上記低圧段、高圧段両圧縮機室
と同軸心状に形成し、低圧段圧縮機室に収納した低圧段
圧縮羽根車、高圧段圧縮機室に収納した高圧段圧縮羽根
車、及び駆動タービン室に収納した駆動タービン羽根車
を共通軸で連結するとともに、低圧段圧縮羽根車と高圧
段圧縮羽根車とを背面側同士で対向させて配置し、上記
共通軸をケーシングに回転自在に枢支させたことを特徴
とするものである。

〔作用〕

このような構成とすることによって、駆動タービン羽根
車の駆動力は共通軸を介して直接、低圧段圧縮羽根車と
高圧段圧縮羽根車に伝達されるので、駆動タービン羽根
車から両圧縮羽根車への動力伝達効率はこれらの間にカ
ップリング装置や歯車を有するものに比べて高くなる。
また、低圧段圧縮羽根車と高圧段圧縮羽根車とが共通軸
を介して駆動タービン羽根車に連結されているので、低
圧段圧縮羽根車と高圧段圧縮羽根車とがそれぞれ別個の
軸を介して別個の駆動タービン羽根車に連結されている
ものに比べると、回転時の機械損失が半減する。

また、低圧段圧縮羽根車、高圧段圧縮羽根車、駆動ター
ビン羽根車及び共通軸が一つのケーシング内に収納され
ているので、小型化できる。しかも、低圧段圧縮羽根車
と高圧段圧縮羽根車とを背面側同士で合わせて配置する
ことで、両羽根車間の間隔を小さくすることができる。
これにより、各羽根車や共通軸からなるロータの共通軸
方向の寸法を短くすることができる。加えて、両羽根車
間の間隔を小さくすることにより、ロータの軽量化を図
ってロータの最高回転数を高めることができる。これに
より、羽根車を小さくすることができ、ロータを小さく
して全体を小型化することができる。

さらに、低圧段圧縮機室と高圧段圧縮機室とを分離して
形成し、低圧段圧縮機室と高圧段圧縮機室との間でイン
タークーラによる冷却を行うようになっているので、１
軸多段のターボコンプレッサでも、冷却により効率を向
上させることができる。この場合に、低圧段圧縮機室と
高圧段圧縮機室との各圧縮羽根車が背中合わせに配置さ
れているので、低圧段と高圧段との両圧縮機室の各出口
側が近接する一方、各吸入口側は互いに離れた配置とな
る。したがって、インタークーラで冷却され高圧段圧縮
機室の吸入側に導かれるガスは、低圧段圧縮機室で圧縮
されて比較的高温となってこの圧縮機室から吐出される
ガスの流路からは離れ、このため、インタークーラでの
冷却ガスは、低圧段圧縮機室から吐出されるガスからの
伝熱を殆ど受けることなく、冷たい温度状態のまま、高
圧段圧縮機室内に吸引される。この結果、インタークー
ラでの冷却効果が損なわれることがなく、高圧段圧縮機
室内での高い圧縮効率が維持される。しかも、上記のよ
うに、両羽根車間の間隔を極力小さくして全体を小型化
でき、この結果、最高回転数を高めることができるの
で、これによっても、圧縮効率をより向上することがで
きる。

〔実施例〕

本考案の一実施例を第１図に基づいて説明すれば、以下
の通りである。

ケーシング１の一側部には、低圧段圧縮機室２と高圧段
圧縮機室３とが同軸心状に分離して形成されている。低
圧段圧縮機室２の吸入口４はケーシング１の一側端面に
開放されており、この吸入口４は吸入サイレンサ５を介
して大気に連通される。低圧段圧縮機室２内には低圧段
圧縮羽根車６が配置され、その周囲には渦流室７が全周
にわたって連通状に形成される。この渦流室７から導出
された低圧段吐出路８はインタークーラ９を介して高圧
段吸入路10に接続される。この高圧段吸入路10は吸入渦
流室11を介して高圧段圧縮機室３の中央部に連通してい
る。この高圧段圧縮機室３には高圧段圧縮羽根車12が配
置される。この高圧段圧縮羽根車12と低圧段圧縮羽根車
６とは、背面側同士で対向した状態で近接して配置され
ている。また、高圧段圧縮機室３の周囲には高圧段吐出
渦流室13が全周にわたって連通状に形成されている。こ
の高圧段吐出渦流室13は高圧段吐出路14を介して、供給
先としての燃料電池本体15に接続される。

一方、ケーシング１の他側部には、駆動タービン室16が
低圧段圧縮機室２及び高圧段圧縮機室３と同軸心状に形
成されている。この駆動タービン室16内にはラジアルタ
ービンからなる駆動タービン羽根車17が収納され、その
周囲には吸入渦流室18が全周にわたって連通状に形成さ
れ、この吸入渦流室18は高圧ガス吸入路19を介して、高
圧ガス源としての燃料電池本体15に接続される。駆動タ
ービン室16の吐出路20は、駆動タービン室16の中央部か
らケーシング１の他側の端面に開放され、吐出サイレン
サ21を介して大気中に連通されている。

上記低圧段圧縮羽根車６、高圧段圧縮羽根車12及び駆動
タービン羽根車17は、１本の共通軸22により互いに連結
されている。低圧段圧縮羽根車６及び高圧段圧縮羽根車
12は、例えばFRM等の軽合金複合材料やチタン等の比較
的質量の小さい材料で構成し、これらの複合静止慣性及
び回転運動慣性が駆動タービン羽根車17のそれらと同じ
になるように構成されている。

上記ケーシング１の内部で、高圧段圧縮機室３と駆動タ
ービン室16との間には、上記共通軸22を回転自在に周囲
から支持する空気軸受からなるラジアル軸受23が設けら
れる。又、上記共通軸22の高圧段圧縮機室３と駆動ター
ビン室16との中間には円板状に拡径されたフランジ24が
設けられ、その両端面に対向して一対の空気軸受からな
るスラスト軸受25が設けられる。これらの軸受23・25に
は、高圧段吐出路14から図示しない高圧空気供給路を介
して高圧空気が供給され、その高圧空気を共通軸22ある
いはフランジ24に向かって吐出することにより、共通軸
22及びフランジ24を非接触状態に支持するように構成さ
れる。上記ラジアル軸受23は、その負荷荷重が等しくな
るような位置に配置されている。尚、図示しないが、起
動時にこれら軸受23・25へ高圧空気を供給するために、
スタートアップ用高圧空気タンクが設けられる。また、
低圧段圧縮機室２の低圧段圧縮羽根車６の周囲と、高圧
段圧縮機室３の高圧段圧縮羽根車12の周囲にはディフュ
ーザ26・27が設けられ、駆動タービン室16の駆動タービ
ン羽根車17の周囲にはノズル28が設けられる。

上記の構成において、高圧ガス源としての燃料電池本体
15から供給される高圧ガスが駆動タービン室16に供給さ
れると、そのガスの圧力によって駆動タービン羽根車17
が回転し、共通軸22を介して低圧段圧縮羽根車６及び高
圧段圧縮羽根車12が駆動される。その結果、従来の２段
圧縮機と同様の高圧縮空気を得ることができる。しか
も、駆動タービン羽根車17から低圧段圧縮羽根車６への
動力伝達効率、及び駆動タービン羽根車17から高圧段圧
縮羽根車12への動力伝達効率は、少なくとも従来の１軸
１段圧縮１段膨張のターボコンプレッサと同程度の高圧
縮率が得られる。

また、１本の共通軸22により、これら低圧段圧縮羽根車
６、高圧段圧縮羽根車12及び駆動タービン羽根車17が結
合されているので、その回転時の回転抵抗による機械的
損失は従来の２軸２段圧縮２段膨張のターボコンプレッ
サに比べると半減し、効率を大幅に向上させることがで
きる。そのうえ、上記共通軸22を支持するラジアル軸受
23が低圧段圧縮羽根車６及び高圧段圧縮羽根車12と駆動
タービン羽根車17との間に配置されているので、駆動タ
ービン羽根車17の重量により共通軸22に生じる曲げモー
メントを最小限に抑えて回転時の撓み振動を小さく抑制
することができるから、共通軸22の疲労を軽減して耐久
性を高めることが可能となる。

更に、低圧段圧縮機室２と高圧段圧縮機室３とが分離し
て形成されることにより、低圧段圧縮機室２と高圧段圧
縮機室３との間にインタークーラ９を設けて空気を冷却
することができ、効率を向上させることができる。加え
て、低圧段圧縮羽根車６及び高圧段圧縮羽根車12とが、
背面側同士で対向して配置されいるので、両羽根車６・
12間の間隔を短くすることができ、回転部分となるロー
タの共通軸22方向の寸法を短くすることができる。これ
により、単に同方向への小型化を図ることができるだけ
でなく、ロータの重量を軽減してロータの最高回転数を
高めることにより両羽根車６・12を小さくすることがで
き、両羽根車６・12の径方向の小型化を図ることが可能
になる。

一方、本実施例では、軸受23・25が空気軸受で構成され
ているので、ケーシング１ないし軸受23・25と共通軸22
及びフランジ24が高圧空気層によって機械的に接触しな
いようになっており、回転抵抗による機械損失は一層減
少し、効率を一層向上させることができる。また、ラジ
アル軸受23やスラスト軸受25を空気軸受で構成する場合
には、これらから潤滑油が漏れて燃料電池本体15に浸入
する虞れがなくなるといった利点もある。さらに、一対
のラジアル軸受23の負荷荷重が等しくなるように配置さ
れているので、共通軸22の回転時の首振り振動を減少な
いし消滅させて、回転の安定性を高めることができる。
また、共通軸22に結合される低圧段圧縮羽根車６及び高
圧段圧縮羽根車12の複合静止慣性及び回転運動慣性が、
駆動タービン羽根車17のそれらと同じようになるように
構成されているので、共通軸22のねじれ振動が小さく、
共通軸22のねじれ振動による疲労を少なくでき、共通軸
22の耐久性を一層高めることができる。

尚、上記の実施例では、ラジアル軸受22及びスラスト軸
受25が別個に設けられているが、これらに代えてラジア
ル荷重とスラスト荷重をともに負担する一対の空気軸受
を設けてもよい。また、ラジアル軸受22及びスラスト軸
受25を空気軸受に代えて磁気軸受で構成してもよい。

〔考案の効果〕

本考案に係るターボコンプレッサは、以上のように、ケ
ーシング内の一側部に低圧段圧縮機室と高圧段圧縮機室
とを同軸心状に分離して形成するとともにインタークー
ラを介して接続し、ケーシング内の他側部に駆動タービ
ン室を、上記低圧段、高圧段圧縮機室と同軸心状に形成
し、低圧段圧縮機室に収納した低圧段圧縮羽根車、高圧
段圧縮機室に収納した高圧段圧縮羽根車、及び駆動ター
ビン室に収納した駆動タービン羽根車を共通軸で連結す
るとともに、低圧段圧縮羽根車と高圧段圧縮羽根車とを
背面側同士で対向させて配置し、上記共通軸をケーシン
グに回転自在に枢支させた構成である。

これにより、低圧段圧縮羽根車と、高圧段圧縮羽根車と
を１本の共通軸で駆動タービン羽根車に共通に結合して
あるので、駆動タービン羽根車によって低圧段圧縮羽根
車と高圧段圧縮羽根車とを駆動して、従来の２軸２段タ
ーボコンプレッサ以上の高圧縮率を得ることができる。
また、上記のような共通軸で各羽根車を連結することに
より、回転時の回転抵抗による機械損失を従来の２軸２
段圧縮２段膨張型のターボコンプレッサに比べてほぼ半
減することができ、機械効率を高めることができる。ま
た、１軸多段圧縮機のように外部の駆動装置とカップリ
ング装置や歯車を介して結合されるものに比べると、動
力伝達効率が高いので、機械効率を高めることができ
る。

更に、これら低圧段圧縮羽根車と、高圧段圧縮羽根車
と、駆動タービン羽根車と、共通軸とを一つのケーシン
グに収納するので、全体として小型にできる。そのう
え、低圧段、高圧段両羽根車を背面側で対向させること
により、両羽根車同士の間隔を狭めることができ、共通
軸方向の寸法を短くすることができる。また、これによ
り回転部分のロータの重量を軽減して、両羽根車を小さ
くすることができ、より小型化を図ることができる。

そして、低圧段圧縮機室と高圧段圧縮機室とを分離し、
この間でインタークーラによる冷却を行うようになって
いるので、効率を向上させることができる。しかも、両
圧縮機室内の圧縮羽根車を互いに背中合わせに配置する
ことによって、インタークーラでの冷却ガスは、低圧段
圧縮機室から吐出される比較的高温のガスからの伝熱を
受けずに、冷たい温度状態のまま、高圧段圧縮機室内に
吸引される。この結果、インタークーラでの冷却効果が
極力損なわれず、これにより、全体の圧縮効率をより向
上し得ると共に、両羽根車間の間隔を極力小さくし得る
ことで、前記のように最高回転数を高めることができる
ので、これによっても、圧縮効率を向上することができ
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す断面図、第２図は従来
の２軸２段圧縮２段膨張型のターボコンプレッサを概略
的に示す構成図である。図中、１はケーシング、２は低圧段圧縮機室、３は高圧
段圧縮機室、６は低圧段圧縮羽根車、９はインタークー
ラ、12は高圧段圧縮羽根車、16は駆動タービン室、17は
駆動タービン羽根車、22は共通軸、23はラジシル軸受、
25はスラスト軸受である。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ケーシング内の一側部に低圧段圧縮機室と
高圧段圧縮機室とを同軸心状に分離して形成するととも
にインタークーラを介して接続し、ケーシング内の他側
部に駆動タービン室を、上記低圧段、高圧段両圧縮機室
と同軸心状に形成し、低圧段圧縮機室に収納した低圧段
圧縮羽根車、高圧段圧縮機室に収納した高圧段圧縮羽根
車、及び駆動タービン室に収納した駆動タービン羽根車
を共通軸で連結するとともに、低圧段圧縮羽根車と高圧
段圧縮羽根車とを背面側同士で対向させて配置し、上記
共通軸をケーシングに回転自在に枢支させたことを特徴
とするターボコンプレッサ。
【請求項２】上記共通軸を一対のラジアル軸受及び一対
のスラスト軸受を介して枢支すると共に、前記一対のラ
ジアル軸受は、これらの荷重が等しくなるように配置さ
れている実用新案登録請求の範囲第１項記載のターボコ
ンプレッサ。
【請求項３】上記一対のラジアル軸受及び上記一対のス
ラスト軸受は、空気軸受である実用新案登録請求の範囲
第１項または第２項に記載のターボコンプレッサ。
【請求項４】上記一対のラジアル軸受及び上記一対のス
ラスト軸受は、磁気軸受である実用新案登録請求の範囲
第１項または第２項に記載のターボコンプレッサ。