JPWO2015125246A1

JPWO2015125246A1 - 回転機械システム

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Publication number: JPWO2015125246A1
Application number: JP2015542883A
Authority: JP
Inventors: 利行岸; 智博益田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: JP6101816B2; EP2990693A1; CN105247248A; CN105247248B; EP2990693B1; US20160123149A1; US10113446B2; WO2015125246A1; EP2990693A4

Abstract

軸線回りに駆動可能な駆動軸（５）を有する第一回転機械（４）と、軸線回りに回転可能な従動軸（３）、及び、従動軸（３）を軸端部側でパッド面（３７）によって摺動可能に支持してパッド面（３７）に潤滑油が供給される軸受装置（１１）を有する第二回転機械（２）と、駆動軸（５）と従動軸（３）とを連結して、駆動軸（５）の回転を従動軸（３）に伝達するカップリング部（６）と、軸受装置（１１）とカップリング部（６）との間に設けられて、軸受装置（１１）側の空間とカップリング部（６）側の空間を隔てるバッフルプレート（７）と、を備える回転機械システム（１）。

Description

本発明は、複数の回転機械が互いに連結されてなる回転機械システムに関する。

プラント設備などに適用される圧縮機は、例えば、蒸気タービンなどの駆動源によって駆動される。駆動軸となる蒸気タービンの回転軸と、従動軸となる圧縮機の回転軸とは、例えば、フランジ形たわみ軸継手などのカップリングを介して接続されており、蒸気タービンのトルクを伝達している（例えば、特許文献１参照）。フランジ形たわみ軸継手を用いることによって、両軸の中心線が正しく一致しにくい場合においても、不一致を許容する構造とすることができる。
また、例えば、一軸多段遠心圧縮機などの大型回転機械においては、回転軸の端部に設けられる軸受装置として、油浴潤滑（強制潤滑）により潤滑を行う軸受装置を用いることが一般的である。

２０１２−２１１６２３号公報

しかしながら、油浴潤滑により潤滑を行う軸受装置を採用した圧縮機においては、運転中に軸受装置から噴き出す潤滑油がカップリングにかかることがある。カップリングは高速で回転しているため、潤滑油がカップリングにかかると、摩擦により潤滑油の温度が上昇する。潤滑油の温度が上昇すると、潤滑油の劣化が早くなるため、潤滑油を回収して再利用する場合は好ましくない。

本発明は、潤滑油が供給される軸受装置を有する回転機械システムにおいて、潤滑油の温度上昇を抑制することができる回転機械システムを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、回転機械システムは、軸線回りに駆動可能な駆動軸を有する第一回転機械と、前記軸線回りに回転可能な従動軸、及び、前記従動軸を軸端部側でパッド面によって摺動可能に支持して前記パッド面に潤滑油が供給される軸受装置を有する第二回転機械と、前記駆動軸と前記従動軸とを連結して、駆動軸の回転を従動軸に伝達するカップリング部と、前記第二回転機械の前記軸受装置と前記カップリング部との間に設けられて、前記軸受装置側の空間と前記カップリング部側の空間を隔てるバッフルプレートと、を備える。

このような構成によれば、バッフルプレートによって、軸受装置から噴き出す潤滑油が、回転するカップリング部に接触しなくなり、カップリング部に摩擦熱が発生しなくなるため、潤滑油の温度上昇を抑制することができる。

上記回転機械システムにおいて、前記カップリング部は、前記駆動軸及び前記従動軸の径方向に突出する円盤状の円盤部を有する構成としてもよい。
このような構成によれば、より高い駆動力を従動軸に伝達することができる。

上記回転機械システムにおいて、前記バッフルプレートは周方向に間隔を開けて設けられた複数の支持部を有し、前記バッフルプレートは、前記前記第一回転機械又は前記第二回転機械のケーシングの内周面に、前記支持部を介して支持されている構成としてもよい。

このような構成によれば、バッフルプレートとケーシングとの間に隙間を設けることができる。これにより、バッフルプレートとケーシングとの間の空間の圧力が過度に上昇することを防止することができる。また、上方の隙間から圧力を逃がすとともに、下方の隙間から潤滑油を排出することができる。

本発明によれば、バッフルプレートによって、軸受装置から噴き出す潤滑油が、回転するカップリング部に接触しなくなり、カップリング部に摩擦熱が発生しなくなるため、潤滑油の温度上昇を抑制することができる。

本発明の実施形態の回転機械システムの概略構成図である。本発明の実施形態の回転機械システムのカップリング部、カップリング部近傍の圧縮機、及びカップリング部近傍の蒸気タービンの詳細断面図である。本発明の実施形態の第一カップリングの詳細断面図である。本発明の実施形態の圧縮機に設けられたジャーナル軸受の概略を説明する断面図である。図２のＡ−Ａ断面図であって、バッフルプレートの軸方向から見た形状を説明する図である。

以下、本発明の実施形態の回転機械システム１について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の回転機械システム１は、プラント設備などにおいて空気などの気体を圧縮するためのシステムであり、駆動源である蒸気タービン４（第一回転機械）と、蒸気タービン４によって駆動される圧縮機２（第二回転機械）とを有している。圧縮機２は、従動軸である圧縮機回転軸３を有しており、蒸気タービン４は、駆動軸であるタービン回転軸５を有している。圧縮機回転軸３とタービン回転軸５とは、カップリング部６を介して連結されている。

蒸気タービン４は、蒸気のもつエネルギーと、タービン（羽根車）と軸を介して回転運動へと変換する回転機械である。
本実施形態の蒸気タービン４は、タービンケーシング８（図２参照）と、タービンケーシング８の内方に回転自在に設けられ、動力を圧縮機２に伝達するタービン回転軸５と、タービンケーシング８に保持された静翼（図示せず）と、タービン回転軸５に設けられた動翼（図示せず）と、タービン回転軸５を軸回りに回転可能に支持する軸受部とを備えて大略構成されている。

圧縮機２は、例えば、空気などの気体を圧縮する一軸多段遠心圧縮機である。
圧縮機２は、圧縮機ケーシング９（図２参照）と、圧縮機ケーシング９の内方に回転自在に設けられ、タービンの駆動力によって回転する圧縮機回転軸３と、圧縮機回転軸３に圧縮機回転軸３とともに回転するように一体に取り付けられた複数のインペラ（羽根車、図示せず）と、圧縮機回転軸３を軸回りに回転可能に支持する軸受部とを備えて大略構成されている。

図２は、本実施形態の回転機械システム１のカップリング部６、カップリング部６近傍の圧縮機２、及びカップリング部６近傍の蒸気タービン４の詳細断面図である。
図２に示すように、圧縮機２の圧縮機回転軸３は、ジャーナル軸受１１によって径方向の荷重を回転支持されている。ジャーナル軸受１１は、油浴潤滑（強制潤滑）により潤滑され、パッド面３７によって圧縮機回転軸３を摺動可能に支持する軸受である。図示しないが、圧縮機回転軸３の図示されていない方の端部は、ジャーナル軸受１３、及びスラスト軸受１２によって支持されている。

蒸気タービン４のタービン回転軸５は、スラスト軸受１２によって軸方向の荷重を支持されているとともに、ジャーナル軸受１３によって径方向の荷重を回転支持されている。なお、以下の説明において、圧縮機回転軸３及びタービン回転軸５の軸方向を単に軸方向と呼ぶ。

カップリング部６は、中間軸１５と、中間軸１５と圧縮機回転軸３とを連結する第一カップリング１６と、中間軸１５とタービン回転軸５とを連結する第二カップリング１７と、を有している。
中間軸１５は、円筒状をなし、中間軸１５の軸方向両端部には、径方向に突出する中間軸フランジ部１８が形成されている。なお、中間軸１５は円筒状に限らず、中実構造としてもよい。

次に、第一カップリング１６の構成について説明する。なお、第一カップリング１６と第二カップリング１７とは同一の構成であるため、第二カップリング１７の説明は省略する。図３は、第一カップリング１６の拡大図である。なお、図３においては、第一カップリング１６以外の構成要素は一部省略している。
第一カップリング１６は、フランジ形たわみ軸継手として知られる継手である。図３に示すように、第一カップリング１６は、圧縮機回転軸３に取り付けられる第一継手部材１９と、第一継手部材１９と複数のボルト２２・ナット２３を介して接続される第二継手部材２０とを有している。
ボルト２２の軸部には、円筒状のブッシュ２４が取り付けられている。ブッシュ２４は、例えば、防振ゴムのような弾性を有する材料によって形成されている。

第一継手部材１９は、円筒形状の第一ハブ部２５と、第一ハブ部２５の外周面から径方向に突出するように設けられた円盤状の第一円盤部２６とを有している。第一ハブ部２５の内径は、圧縮機回転軸３とはめあいにより嵌め合わされるように形成されている。換言すれば、第一ハブ部２５と連結される圧縮機回転軸３の端部は、第一ハブ部２５の内径とはめあいにより嵌め合わされるように形成されている。具体的には、圧縮機回転軸３の端部は、第一ハブ部２５と油圧嵌めによって嵌め合わされている。
第一円盤部２６は、第一継手部材１９を圧縮機回転軸３に取り付けた際に、圧縮機回転軸３の軸方向の中心部側にオフセットして配置されている。換言すれば、第一円盤部２６は、圧縮機回転軸３の重心により近い位置に配置されている。

第一円盤部２６には、軸方向に貫通する複数の第一貫通孔２７が形成されている。第一貫通孔２７は、周方向に等間隔をあけて形成されている。第一貫通孔２７は、ボルト２２を挿通するための孔である。第一貫通孔２７の内径は、ボルト２２の軸部よりもやや大きくなるように形成されている。

第二継手部材２０は、第一継手部材１９の第一ハブ部２５を覆うように形成された円筒形状の第二ハブ部２９と、第二ハブ部２９の外周面から径方向に突出するように設けられた円盤状の第二円盤部３０とを有している。第二円盤部３０は、第二ハブ部２９の一方の端部に設けられている。具体的には、第二円盤部３０は、圧縮機回転軸３の重心により近い端部に配置されている。

第二ハブ部２９の内径は、第一継手部材１９と第二継手部材２０とを連結した際に、第二ハブ部２９の内周面が第一ハブ部２５の外周面に接するように形成されている。第二円盤部３０の外径は、第一円盤部２６の外径と略同一となるように形成されている。第二円盤部３０は、第一継手部材１９と第二継手部材２０とを連結した際に、軸方向において第一円盤部２６と所定間隔Ｇ２をおいて配置されるように形成されている。

第一円盤部２６には、軸方向に貫通する複数の第二貫通孔３１が形成されている。第二貫通孔３１は、周方向に等間隔をあけて形成されている。第二貫通孔３１は、ボルト２２及びブッシュ２４が挿通する孔である。第二貫通孔３１の内径は、ボルト２２に取り付けられているブッシュ２４の外径と略同一となるように形成されている。
第二ハブ部２９の第二円盤部３０が設けられている一方の端部とは反対側の端部には、径方向に突出する継手フランジ部３２が形成されている。

また、第一継手部材１９の第一円盤部２６と、第二継手部材２０の第二円盤部３０との間には、スペーサ３３が挟まれている。換言すれば、第一継手部材１９の第一円盤部２６と、第二継手部材２０の第二円盤部３０とはスペーサ３３を介して接続されており、直接接触していない。スペーサ３３は、中心部にボルト２２を挿通するための貫通孔を有する円板状をなしている。

第一カップリング１６は、第一継手部材１９と第二継手部材２０とがブッシュ２４を介して締め付けられるため、圧縮機回転軸３の中心軸と中間軸１５の中心軸とが一致しない場合においても、その狂いを許容することができる。
中間軸１５と第一カップリング１６とは、中間軸１５の中間軸フランジ部１８と第一カップリング１６の継手フランジ部３２とがボルト・ナットなどの締結部材を用いて締結されることにより連結されている。

図４に示すように、第一ジャーナル軸受１１は、環状の軸受ケーシング３４と、軸受ケーシング３４の内周面に等角度間隔で設けられたピボット３５と、各々のピボット３５に揺動可能に支持された軸受パッド３６と、を有している。
ピボット３５は、軸受パッド３６と軸受ケーシング３４との間に介在している。軸受パッド３６は、周方向に分割されている。本実施形態では、軸受パッド３６は四個に分割されており、各々の軸受パッド３６がそれぞれピボット３５によって支持されている。

各々の軸受パッド３６は、圧縮機回転軸３の軸線に平行な視線で見た場合に円弧状をなし、かつ、幅広な湾曲板形状をなしている。軸受パッド３６のパッド面３７の曲率半径は、圧縮機回転軸３の外周面の曲率半径よりやや大きく形成されている。即ち、軸受パッド３６のパッド面３７全面が圧縮機回転軸３と接触することはない。また、軸受パッド３６のパッド面３７は、ホワイトメタル（バビットメタル）などの軟質金属によって形成されている。

ピボット３５は、軸受ケーシング３４より圧縮機回転軸３の径方向に突出して形成され、軸受パッド３６の背面中央において軸受パッド３６を支持している。
上述した構成により、軸受パッド３６は、任意の方向に揺動可能とされている。即ち、ピボット３５と軸受パッド３６とは、点接触による接触状態であり、圧縮機回転軸３と軸受装置との間にミスアライメント（圧縮機回転軸３の外周面と軸受パッド３６のパッド面３７との軸方向隙間が不均一になる）が発生した場合には、軸受パッド３６が回転軸に追従することができる。

また、各々の軸受パッド３６間には、潤滑油供給部である給油ノズル３８が圧縮機回転軸３に向けて設けられており、これら給油ノズル３８には、潤滑油供給用ポンプ３９が接続されている。従って、潤滑油供給用ポンプ３９を駆動することにより、給油ノズル３８から、給油ノズル３８における圧縮機回転軸３の回転方向Ｒにおける下流側に隣接する軸受パッド３６のパッド面３７に向けて、潤滑油が供給されることになる。

図２に戻って、圧縮機ケーシング９及びタービンケーシング８には、ガード部材４１が取り付けられている。ガード部材４１は、円筒状をなし、圧縮機ケーシング９とタービンケーシング８との間の間隔をカバーするように、取り付けられている。一対のガード部材４１の間には所定の隙間Ｇ１が設けられている。

ガード部材４１間の隙間Ｇ１は、二つの機能を有している。一つの機能は、ケーシング８，９及びガード部材４１により形成される空間の圧力が過度に上昇することを抑制する機能である。即ち、上方の隙間Ｇ１は、排気口（換気口、ベント）として機能する。なお、排気口としての機能は、隙間Ｇ１によるものに限ることはない。例えば、ケーシング８，９に排気口を形成してもよい。
ガード部材４１間の隙間Ｇ１のもう一つの機能は、ジャーナル軸受１１，１３から排出される潤滑油の排出である。即ち、下方の隙間Ｇ１は、潤滑油の排出口として機能する。なお、排出口としての機能は、隙間Ｇ１によるものに限ることはない。例えば、ケーシング８，９に排出口を形成してもよい。

本実施形態の回転機械システム１の圧縮機２には、ジャーナル軸受１１とカップリング部６との間に設けられて、ジャーナル軸受１１側の空間とカップリング部６側の空間を隔てるバッフルプレート７（遮蔽板）が取り付けられている。図５に示すように、バッフルプレート７は、中心に円形の孔４２を有する円板状の部材である。図２に示すように、バッフルプレート７は、軸方向において、圧縮機２の第一ジャーナル軸受１１と第一カップリング１６との間に配置されている。
バッフルプレート７は、複数の支持部材４３を介して圧縮機ケーシング９の内周面に取り付けられている。支持部材４３は、例えば、ボルトのような締結部材によって、圧縮機ケーシング９の内周面に取り付けられている。

バッフルプレート７の外径は、第一カップリング１６の第一円盤部２６の外径よりもやや大きくなるように形成されている。
また、バッフルプレート７の外径は、圧縮機ケーシング９の内周面との間に隙間Ｇ３（図５参照）を形成するような寸法とされている。圧縮機ケーシング９の内周面との間に隙間Ｇ３が形成されていることによって、第一ジャーナル軸受１１から噴き出た潤滑油は、バッフルプレート７に当たった後、圧縮機ケーシング９の内周面上を流れ、下方の隙間Ｇ３、ガード部材４１間の隙間Ｇ１を介して排出される。排出された潤滑油は、軸受装置の潤滑に再利用される。なお、回収された潤滑油は再利用する必要はなく、廃棄してもよい。

また、バッフルプレート７と圧縮機ケーシング９の内周面との間に隙間Ｇ３が形成されていることによって、上方の隙間Ｇ３から空気を排出することができ、圧縮機ケーシング９とバッフルプレート７とによって形成される空間の圧力が過度に上昇することを抑制することができる。

また、支持部材４３は、バッフルプレート７と一体に形成されている。具体的には、バッフルプレート７と支持部材４３とは板金加工によって、一体に形成されている。支持部材４３は、周方向に間隔を開けて形成されている。本実施形態の支持部材４３は、周方向に間隔（約９０°）を開けて四つ形成されている。
バッフルプレート７の孔４２の内径は、圧縮機回転軸３の外径よりも僅かに大きな寸法とされている。圧縮機回転軸３とバッフルプレート７との間には、微小隙間Ｇ４が形成されている。微小隙間Ｇ４は、バッフルプレート７と圧縮機回転軸３との接触を回避できれば、可能な限り小さくすることが好ましい。

上記実施形態によれば、バッフルプレート７によって、第一ジャーナル軸受１１から噴き出す潤滑油が、回転するカップリング部６の第一カップリング１６に接触しなくなる。これにより、圧縮機回転軸３が高速で回転した際に、第一カップリング１６に付着した潤滑油による摩擦熱が発生しなくなるため、潤滑油の温度上昇を抑制することができる。これにより、再利用される潤滑油の劣化が抑制される。

また、第一カップリング１６が円盤部２６，３０を有することによって、より高い駆動力を従動軸に伝達することができる。
また、バッフルプレート７と圧縮機ケーシング９との間に隙間Ｇ３が設けられていることによって、バッフルプレート７と圧縮機ケーシング９との間の空間の圧力が過度に上昇することを防止することができる。また、上方の隙間Ｇ３から圧力を逃がすとともに、下方の隙間Ｇ３から潤滑油を排出することができる。

また、第一円盤部２６が圧縮機回転軸３の重心に近い位置に配置されていることによって、支持部である第一ジャーナル軸受１１より軸端部側の重量配分を改善することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、駆動源として蒸気タービン４を採用しているがこれに限らず、電動モーターなどの電動機の採用も可能である。

また、上記実施形態では、カップリング部６が中間軸１５を有する構成となっているが、中間軸１５を設けることなく、第一カップリング１６の第二継手部材２０と、第二カップリング１７の第二継手部材２０とを一体としてもよい。また、蒸気タービン４のタービン回転軸５と、圧縮機２の圧縮機回転軸３とをカップリングで直接連結する構成としてもよい。

また、バッフルプレート７は、蒸気タービン４側に設置してもよいし、圧縮機２側と蒸気タービン４側の両方に設置してもよい。

１回転機械システム
２圧縮機（第二回転機械）
３圧縮機回転軸（従動軸）
４蒸気タービン（第一回転機械）
５タービン回転軸（駆動軸）
６カップリング部
７バッフルプレート
８タービンケーシング
９圧縮機ケーシング（ケーシング）
１１第一ジャーナル軸受
１２スラスト軸受
１３第二ジャーナル軸受
１５中間軸
１６第一カップリング
１７第二カップリング
１８中間軸フランジ部
１９第一継手部材
２０第二継手部材
２２ボルト
２３ナット
２４ブッシュ
２５第一ハブ部
２６第一円盤部
２７第一貫通孔
２９第二ハブ部
３０第二円盤部
３１第二貫通孔
３２継手フランジ部
３３スペーサ
３４軸受ケーシング
３５ピボット
３６軸受パッド
３７パッド面
３８給油ノズル
３９潤滑油供給用ポンプ
４１ガード部材
４２孔
４３支持部材

本発明の第一の態様によれば、回転機械システムは、軸線回りに駆動可能な駆動軸を有する第一回転機械と、前記軸線回りに回転可能な従動軸、及び、前記従動軸を軸端部側でパッド面によって摺動可能に支持して前記パッド面に潤滑油が供給される軸受装置を有する第二回転機械と、前記駆動軸と前記従動軸とを連結して、駆動軸の回転を従動軸に伝達するカップリング部と、前記軸受装置と前記カップリング部との間に設けられて、前記軸受装置側の空間と前記カップリング部側の空間を隔てるバッフルプレートと、を備え、前記第二回転機械は、筒形状をなし、前記バッフルプレートとの間に径方向に隙間を有する筒状部が設けられたケーシングを有し、前記バッフルプレートは周方向に間隔を開けて設けられた複数の支持部を有し、前記バッフルプレートは、前記ケーシングの内周面に前記支持部を介して支持され、前記筒状部は、前記潤滑油を排出可能な排出部を備える。

このような構成によれば、バッフルプレートによって、軸受装置から噴き出す潤滑油が、回転するカップリング部に接触しなくなり、カップリング部に摩擦熱が発生しなくなるため、潤滑油の温度上昇を抑制することができる。
また、バッフルプレートとケーシングとの間に隙間を設けることができる。これにより、バッフルプレートとケーシングとの間の空間の圧力が過度に上昇することを防止することができる。また、上方の隙間から圧力を逃がすとともに、下方の隙間から潤滑油を排出することができる。

Claims

軸線回りに駆動可能な駆動軸を有する第一回転機械と、
前記軸線回りに回転可能な従動軸、及び、前記従動軸を軸端部側でパッド面によって摺動可能に支持して前記パッド面に潤滑油が供給される軸受装置を有する第二回転機械と、
前記駆動軸と前記従動軸とを連結して、駆動軸の回転を従動軸に伝達するカップリング部と、
前記軸受装置と前記カップリング部との間に設けられて、前記軸受装置側の空間と前記カップリング部側の空間を隔てるバッフルプレートと、を備える回転機械システム。
前記カップリング部は、前記駆動軸及び前記従動軸の径方向に突出する円盤状の円盤部を有する請求項１に記載の回転機械システム。
前記バッフルプレートは周方向に間隔を開けて設けられた複数の支持部を有し、
前記バッフルプレートは、前記前記第一回転機械又は前記第二回転機械のケーシングの内周面に、前記支持部を介して支持されている請求項１又は請求項２に記載の回転機械システム。