KR20150015498A - 원심 압축기 - Google Patents

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KR20150015498A
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

자기 베어링(6)에 지지된 샤프트(2)가 기준 위치로부터 변위하였을 때에 샤프트(2)를 지지하는 보조 베어링(7)을 구비하는 원심 압축기(1)에 있어서, 제1 보조 베어링(7a) 및 제2 보조 베어링(7b) 중에서 제1 보조 베어링(7a)에 대해서만 마련되고, 샤프트(2)에 고정됨과 아울러 제1 보조 베어링(7a)과 접촉함으로써 샤프트(2)의 축방향 양측으로의 이동을 규제하는 스토퍼(8)를 구비한다.

Description

원심 압축기{Centrifugal compressor}
본 발명은 원심 압축기에 관한 것이다.
본원은 2012년 8월 28일에 출원된 일본특허출원 2012-187743호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
최근 고속 회전을 실현하기 위해 원심 압축기의 샤프트를 자기(磁氣) 베어링에 의해 회전 가능하게 지지하는 경우가 있다. 이와 같이 자기 베어링에 의해 샤프트를 지지함으로써, 마찰열은 샤프트와 베어링의 사이에서 발생하지 않는다. 이 때문에, 마찰열에 의한 샤프트와 베어링의 눌어붙음을 방지할 수 있고 샤프트를 고속 회전시키는 것이 가능하게 된다.
이러한 자기 베어링은 샤프트에 직접 접촉하는 것이 아니기 때문에, 샤프트의 중량을 지지할 것 같은 높은 강도를 가지지 않는다. 따라서, 예를 들어 정전이나 지진에 의해 샤프트가 기준 위치로부터 의도하지 않게 변위하여 자기 베어링에 접촉한 경우에는, 자기 베어링이 손상될 가능성이 있다.
이 때문에, 자기 베어링에 의해 샤프트가 지지되는 원심 압축기는, 샤프트가 기준 위치로부터 변위하였을 때에 샤프트에 접촉하여 더 이상의 샤프트의 변위를 억제하는 보조 베어링을 구비한다. 이러한 보조 베어링을 구비함으로써, 샤프트가 어떠한 원인에 의해 기준 위치로부터 변위한 경우에도 샤프트와 자기 베어링의 접촉이 방지되어 자기 베어링은 손상되지 않는다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2002-218708호 공보
그런데, 상술한 바와 같은 원심 압축기는, 예를 들어 전력 공급이 정지하여 자기 베어링에 의한 규제가 작동하지 않는 경우에도 샤프트가 축방향으로도 이동하지 않게 할 필요가 있다. 보조 베어링으로는, 샤프트의 래디얼 방향으로의 이동은 규제할 수 있지만 샤프트의 축방향 이동은 규제할 수 없다. 그래서, 샤프트에 대해 스토퍼를 고정하고, 샤프트가 축방향으로 이동하고자 하였을 때에 이 스토퍼가 보조 베어링에 접촉하도록 구성하여 샤프트의 축방향으로의 이동을 규제하는 것을 생각할 수 있다. 보조 베어링은, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이 샤프트의 끝 근방에 각각 마련되어 있다. 이 때문에, 예를 들어 각 보조 베어링의 외측 혹은 각 보조 베어링의 내측에 스토퍼를 설치함으로써, 샤프트가 축방향의 어느 방향으로 이동하고자 한 경우에도 샤프트의 이동을 규제할 수 있다.
한편, 원심 압축기에서는 매우 고속으로 샤프트가 회전되기 때문에, 모터에 의한 발열이나 임펠러와 기체간의 마찰열 등에 의해 샤프트 등이 고온으로 가열된다. 이 때문에, 회전시에 샤프트는 축방향으로 신장한다. 보조 베어링으로 샤프트를 지지하고 있는 경우에서의 샤프트의 축방향 이동을 최대한 줄이기 위해서는, 샤프트에 고정되는 스토퍼부터 보조 베어링까지의 거리를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 열에 의해 신장하였을 때에 스토퍼와 보조 베어링의 거리가 매우 작아지도록 스토퍼 및 보조 베어링의 위치를 설정하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 샤프트의 회전수는 예를 들어 원심 압축기의 토출압에 의해 변동한다. 또한, 발열량은 샤프트의 회전수에 의존하여 변화한다. 이 때문에, 샤프트의 신장량은 샤프트의 회전수에 의해 변동한다. 즉, 샤프트의 회전수가 높은 경우에는 발열량이 많아 샤프트의 신장량이 크고, 샤프트의 회전수가 낮은 경우에는 발열량이 적어 샤프트의 신장량이 작다. 이 때문에, 각 보조 베어링의 외측 혹은 각 보조 베어링의 내측에 스토퍼를 설치한 경우에는, 샤프트의 신장량이 큰 경우와 작은 경우에서, 스토퍼부터 보조 베어링까지의 거리가 변동되어 버린다. 예를 들어 각 보조 베어링의 외측에 스토퍼를 설치한 경우에는, 샤프트의 신장량이 크면 스토퍼부터 보조 베어링까지의 거리는 커지고, 샤프트의 신장량이 작으면 스토퍼부터 보조 베어링까지의 거리는 작아진다. 또한, 각 보조 베어링의 내측에 스토퍼를 배치한 경우에는, 샤프트의 신장량이 크면 스토퍼부터 보조 베어링까지의 거리는 작아지고, 샤프트의 신장량이 크면 스토퍼부터 보조 베어링까지의 거리는 커진다.
이와 같이, 각 보조 베어링의 외측 혹은 각 보조 베어링의 내측에 스토퍼를 설치한 경우에는, 열에 의해 신장하였을 때에 스토퍼와 보조 베어링의 거리가 매우 작아지도록 스토퍼 및 보조 베어링의 위치를 일의적으로 설정할 수 없다. 따라서, 샤프트의 회전수에 따라서는 스토퍼부터 보조 베어링까지의 거리가 커져 보조 베어링에 지지되어 있을 때의 샤프트의 축방향 이동을 충분히 규제할 수 없는 경우가 생길 수 있다. 또한, 저온시에서의 스토퍼부터 보조 베어링까지의 거리를 작게 하고자 하면, 자기 베어링이 정상적으로 작동하고 있음에도 불구하고 샤프트의 신장량이 증가하였을 때에 스토퍼가 보조 베어링에 접촉하고, 그 결과 샤프트의 회전 저항이 증대함과 아울러 보조 베어링의 수명이 저하되는 경우가 생길 수 있다.
본 발명은 상술하는 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 자기 베어링에 지지되는 샤프트가 기준 위치로부터 변위하였을 때에 샤프트를 지지하는 보조 베어링을 구비하는 원심 압축기에 있어서, 보조 베어링으로 샤프트를 지지할 때의 샤프트의 축방향 이동을 확실히 규제함과 아울러, 자기 베어링이 정상적으로 작동하고 있을 때의 스토퍼와 보조 베어링의 접촉을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 이하의 구성을 채용한다.
본 발명에 관한 제1 태양은, 자기(磁氣) 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되는 샤프트와, 이 샤프트에 고정되는 임펠러와, 상기 샤프트가 기준 위치로부터 변위하였을 때에 상기 샤프트를 지지하는 보조 베어링을 구비하는 원심 압축기로서, 상기 샤프트의 제1단 측에 배치되는 상기 보조 베어링인 제1 보조 베어링과, 상기 샤프트의 제2단 측에 배치되는 상기 보조 베어링인 제2 보조 베어링과, 상기 제1 보조 베어링 및 상기 제2 보조 베어링 중에서 상기 제1 보조 베어링에 대해서만 마련되고, 상기 샤프트에 고정됨과 아울러 상기 제1 보조 베어링과 접촉함으로써 상기 샤프트의 축방향 양측으로의 이동을 규제하는 스토퍼를 구비한다.
본 발명에 관한 제2 태양은, 제1 태양에 있어서, 상기 자기 베어링이 상기 샤프트의 축방향 이동을 규제하는 축방향 자기 베어링을 구비하고, 이 축방향 자기 베어링은 상기 샤프트의 축방향에 있어서 상기 제2 보조 베어링보다 상기 제1 보조 베어링에 가까운 위치에 배치되어 있다.
본 발명에 관한 제3 태양은, 상기 제1 또는 제2 태양에 있어서, 상기 임펠러로서 저압 임펠러와, 이 저압 임펠러에 의해 압축된 기체를 더 압축하는 고압 임펠러를 구비하고, 상기 샤프트의 상기 스토퍼가 배치되는 측의 끝인 상기 제1단에 상기 고압 임펠러가 고정되어 있다.
본 발명에 관한 제4 태양은, 상기 제1 내지 제3 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 제1 보조 베어링 및 제2 보조 베어링이 깊은 홈 볼 베어링이다.
본 발명에 관한 제5 태양은, 상기 제1 내지 제3 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 제1 보조 베어링이, 2개의 앵귤러 볼 베어링이 이들의 배면 또는 정면끼리 대향하도록 설치된 복열식 앵귤러 볼 베어링이며, 상기 제2 보조 베어링이 롤러 베어링이다.
본 발명에 관한 제6 태양은, 상기 제1 내지 제5 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 스토퍼가, 상기 제1 보조 베어링의 상기 제2단 측의 측면에 대향하도록 배치되는 제1 돌출 설치부를 가짐과 아울러 상기 샤프트에 끼워맞춤되는 제1 링 부재와, 상기 제1 보조 베어링의 상기 제1단 측의 측면에 대향하도록 배치되는 제2 돌출 설치부를 가짐과 아울러 상기 샤프트에 끼워맞춤되는 제2 링 부재를 구비한다.
본 발명에 의하면, 제1 보조 베어링과 접촉함으로써 샤프트의 축방향 양측으로의 이동을 규제하는 스토퍼가 샤프트에 마련되고, 이 스토퍼가 제1 보조 베어링 및 제2 보조 베어링 중에서 제1 보조 베어링에 대해서만 마련되어 있다. 즉, 본 발명에서는 제2 보조 베어링에 접촉하는 스토퍼는 마련되지 않았다. 이 때문에, 열에 의한 샤프트 신축의 기점을 제1 보조 베어링의 설치 개소로 함으로써, 스토퍼와 보조 베어링의 거리가 샤프트의 신장량에 의존하지 않게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 자기 베어링에 지지되는 샤프트가 기준 위치로부터 변위하였을 때에 샤프트를 지지하는 보조 베어링을 구비하는 원심 압축기에 있어서, 보조 베어링으로 샤프트를 지지할 때의 샤프트의 축방향 이동을 확실히 규제함과 아울러 스토퍼와 보조 베어링의 접촉을 방지하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에서의 원심 압축기의 개략 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에서의 원심 압축기가 구비하는 스토퍼를 포함하는 부분 확대도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시형태에서의 원심 압축기가 구비하는 샤프트 및 스토퍼를 나타내는 분해도이다.
도 3a는 롤러 베어링으로 이루어지는 제2 보조 베어링을 가지는 본 발명의 일 실시형태에서의 원심 압축기의 변형예를 나타내는 부분 확대도이다.
도 3b는 복열식 앵귤러 볼 베어링으로 이루어지는 제1 보조 베어링과 롤러 베어링으로 이루어지는 제2 보조 베어링을 가지는 본 발명의 일 실시형태에서의 원심 압축기의 변형예를 나타내는 부분 확대도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 원심 압축기의 일 실시형태에 대해 설명한다. 또, 이하의 도면에서 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하고 있다. 또, 이하에 설명하는 원심 압축기는 직렬식 2단 압축기이다. 그러나, 본 발명의 원심 압축기는 직렬식 2단 압축기에 한정되는 것은 아니고, 1단식 압축기나 원심 압축기의 구조를 가지는 터보차저 등도 포함한다.
도 1은, 본 실시형태의 원심 압축기(1)의 개략 구성을 나타내는 종단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 원심 압축기(1)는 샤프트(2), 임펠러(3), 하우징(4), 모터(5), 자기 베어링(6), 보조 베어링(7), 스토퍼(8), 센서(9), 제어 장치(10)를 구비하고 있다.
샤프트(2)는 원기둥 형상의 금속재로 이루어지는 막대형상 부재로서, 도 1에 도시된 바와 같이 축방향을 수평으로 향하여 배치되어 있다. 또, 본 실시형태에서는 샤프트(2)의 축방향은 수평방향이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 샤프트(2)의 제1단(2a)(도 1에서의 좌측 끝)은 후술하는 고압 임펠러(3b)가 고정되어 있다. 또한, 샤프트(2)의 제2단(2b)(도 1에서의 우측 끝)은 후술하는 저압 임펠러(3a)가 고정되어 있다.
이러한 샤프트(2)는, 모터(5)에서 생성된 회전 동력을 저압 임펠러(3a)와 고압 임펠러(3b)에 전달한다. 또, 샤프트(2)는 원심 압축기(1)가 정상적으로 가동하고 있을 때는 자기 베어링(6)에 의해 그 축방향으로 회전 가능하게 지지된다. 또한, 샤프트(2)는 원심 압축기(1)가 정지되어 있을 때 혹은 정전이나 지진 등의 비상시에는 보조 베어링(7)에 의해 지지된다.
임펠러(3)는, 샤프트(2) 끝에 고정되어 샤프트(2)와 함께 회전됨으로써 축방향으로부터 도입되는 공기(X)(기체)에 속도 에너지를 부여하는 래디얼 임펠러이다. 본 실시형태에서는, 임펠러(3)로서 저압 임펠러(3a)와 고압 임펠러(3b)가 설치되어 있다. 저압 임펠러(3a)는 상술한 바와 같이 샤프트(2)의 제2단(2b)에 고정되어 있다. 이 저압 임펠러(3a)는 외부로부터 도입되는 공기(X)에 속도 에너지를 부여한다. 고압 임펠러(3b)는 상술한 바와 같이 샤프트(2)의 제1단(2a)에 고정되어 있다. 이 고압 임펠러(3b)는 저압 임펠러(3a)에 의해 속도 에너지가 부여된 후, 감속됨과 아울러 승압된 공기(X)에 속도 에너지를 더 부여한다. 즉, 고압 임펠러(3b)는 저압 임펠러(3a)를 이용하여 압축된 공기(X)를 더 압축하기 위해 이용된다. 또, 본 실시형태에서는, 본 발명에 있어서 압축의 대상이 되는 기체가 공기(X)라고 하여 설명하고 있지만, 본 발명에서는 이에 한정되는 것은 아니다.
하우징(4)은 샤프트(2) 및 임펠러(3)를 수용하는 용기이다. 이 하우징(4)은 내부에 샤프트(2)와 더불어, 모터(5), 자기 베어링(6), 보조 베어링(7), 스토퍼(8), 센서(9)를 수용하는 샤프트 하우징(4a), 저압 임펠러(3a)를 수용하는 저압 임펠러 하우징(4b), 고압 임펠러(3b)를 수용하는 고압 임펠러 하우징(4c)으로 구성되어 있다. 이러한 저압 임펠러 하우징(4b) 및 고압 임펠러 하우징(4c)의 내부에는 공기(X)가 흐르는 유로가 형성되어 있다. 또, 도 1에서는 생략되어 있지만, 저압 임펠러 하우징(4b)의 유로와 고압 임펠러 하우징(4c)의 유로를 접속하는 접속 배관이 마련되어 있다. 저압 임펠러(3a)를 이용하여 압축된 공기(X)는 이러한 접속 배관을 통해 고압 임펠러(3b)로 안내된다.
또한, 저압 임펠러 하우징(4b)의 내부에는 저압 임펠러(3a)의 팁과의 간극을 조절하기 위한 슈라우드(4d)가 설치되어 있다. 또한, 고압 임펠러 하우징(4c)의 내부에는 고압 임펠러(3b)의 팁과의 간극을 조절하기 위한 슈라우드(4e)가 설치되어 있다.
모터(5)는, 도 1에 도시된 바와 같이 샤프트 하우징(4a)의 중앙에 배치되어 있다. 모터(5)의 로터(5a)는 샤프트(2)에 고정되어 있다. 또한, 모터(5)의 스테이터(5b)는 샤프트 하우징(4a)에 고정되어 있다. 이들 로터(5a)와 스테이터(5b)는 소정의 간극을 두고 비접촉으로 배치되어 있다. 이러한 모터(5)는, 제어 장치(10)의 제어 하에, 도시하지 않은 전원 장치로부터 전력이 공급됨으로써 샤프트(2)를 회전시키기 위한 회전 동력을 생성한다.
자기 베어링(6)은 샤프트 하우징(4a)의 내부에 수용되어 있고, 자력에 의해 샤프트(2)를 비접촉으로 회전 가능하게 지지한다. 본 실시형태에서는, 이 자기 베어링(6)으로서 제1 반경 방향 자기 베어링(6a)과 제2 반경 방향 자기 베어링(6b)과 축방향 자기 베어링(6c)이 설치되어 있다. 제1 반경 방향 자기 베어링(6a)은, 샤프트(2)의 축방향에 있어서 샤프트(2)의 중앙보다 샤프트(2)의 제1단(2a) 측에 배치되어 있다. 또한, 제2 반경 방향 자기 베어링(6b)은, 샤프트(2)의 축방향에 있어서 샤프트(2)의 중앙보다 샤프트(2)의 제2단(2b) 측에 배치되어 있다. 이들 제1 반경 방향 자기 베어링(6a)과 제2 반경 방향 자기 베어링(6b)은, 제어 장치(10)의 제어 하에, 도시하지 않은 전원 장치로부터 전력이 공급됨으로써 샤프트(2)의 반경 방향의 위치를 규제하는 자력을 발생시킨다. 축방향 자기 베어링(6c)은, 샤프트(2)의 축방향에 있어서 모터(5)와 제1 반경 방향 자기 베어링(6a)의 사이에 마련되어 있다. 이러한 축방향 자기 베어링(6c)은, 샤프트(2)의 축방향에 있어서 후술하는 제1 보조 베어링(7a) 측에 배치되어 있다. 이 축방향 자기 베어링(6c)은, 제어 장치(10)의 제어 하에, 도시하지 않은 전원 장치로부터 전력이 공급됨으로써 샤프트(2)의 축방향 위치를 규제하는 자력을 발생시킨다.
보조 베어링(7)은 샤프트 하우징(4a)의 내부에 수용되어 있고, 정전이나 지진 등에 의해, 샤프트(2)가 본래 자기 베어링(6)에 의해 지지되는 위치(기준 위치)로부터 변위하였을 때에 샤프트(2)를 지지한다. 본 실시형태에서는, 이 보조 베어링(7)으로서 제1 보조 베어링(7a) 및 제2 보조 베어링(7b)이 설치되어 있다.
제1 보조 베어링(7a)은, 샤프트(2)의 축방향에 있어서 제1 반경 방향 자기 베어링(6a)보다 제1단(2a) 측에 배치되어 있다. 본 실시형태에서는, 이 제1 보조 베어링(7a)으로서 깊은 홈 볼 베어링이 이용되고 있다. 이러한 제1 보조 베어링(7a)은, 외륜이 샤프트 하우징(4a)에 고정되어 있고 내륜이 샤프트(2)에 끼워맞춤된 스토퍼(8)에 대해 약간 간극을 두고 대향하도록 배치되어 있다. 제2 보조 베어링(7b)은, 샤프트(2)의 축방향에 있어서 제2 반경 방향 자기 베어링(6b)보다 제2단(2b) 측에 배치되어 있다. 본 실시형태에서는, 이 제2 보조 베어링(7b)으로서 제1 보조 베어링(7a)과 마찬가지로 깊은 홈 볼 베어링이 이용되고 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 제1 보조 베어링(7a) 및 제2 보조 베어링(7b)이 모두 깊은 홈 볼 베어링이다. 이러한 제2 보조 베어링(7b)은, 외륜이 샤프트 하우징(4a)에 고정되어 있고 내륜이 샤프트(2)의 둘레면에 대해 약간 간극을 두고 대향하도록 배치되어 있다.
이어서, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 스토퍼(8)에 대해 설명한다. 또, 도 2a는 스토퍼(8)를 포함하는 부분 확대 단면도로서, 하우징(4)이 생략된 도면이다. 도 2b는 샤프트(2) 및 스토퍼(8)를 나타내는 분해도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 스토퍼(8)는 제1 링 부재(8a)와 제2 링 부재(8b)로 이루어진다. 제1 링 부재(8a)는 샤프트(2)가 삽입 통과되는 관통공을 중앙에 가지는 링 부재로서, 예를 들어 샤프트(2)에 가열수축 끼워맞춤(shrink fitting)에 의해 샤프트(2)에 끼워맞춤되어 있다. 이 제1 링 부재(8a)는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 제1 돌출 설치부(8a1)를 가지고 있다. 이 제1 돌출 설치부(8a1)는 제1단(2a) 측(도 2a 및 도 2b에서의 좌측)에서 보아 제1 링 부재(8a)의 뒤쪽 단부에 마련되어 있고, 제1 보조 베어링(7a)의 측면에 약간의 간극을 두고 대향하도록 배치되어 있다. 제2 링 부재(8b)는 샤프트(2)가 삽입 통과되는 관통공을 중앙에 가지는 링 부재로서, 제1 링 부재(8a)와 마찬가지로 예를 들어 가열수축 끼워맞춤에 의해 샤프트(2)에 끼워맞춤되어 있다. 이 제2 링 부재(8b)는, 제1 링 부재(8a)보다 제1단(2a) 측에 배치되어 제1 링 부재(8a)에 접촉되어 있다. 이 제2 링 부재(8b)는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 제2 돌출 설치부(8b1)를 가지고 있다. 이 제2 돌출 설치부(8b1)는 제1단(2a) 측에서 보아 제2 링 부재(8b)의 뒤쪽 단부에 마련되어 있고, 제1 돌출 설치부(8a1)가 대향하는 제1 보조 베어링(7a)의 측면과 반대측 측면에 약간의 간극을 두고 대향하도록 배치되어 있다. 즉, 제1 링 부재(8a)와 제2 링 부재(8b)가 접촉하여 배치됨으로써, 도 2a에 도시된 바와 같이 제1 돌출 설치부(8a1)와 제2 돌출 설치부(8b1)의 사이에 샤프트(2) 및 스토퍼(8)의 둘레방향으로 연장되는 홈부가 형성되고, 이 홈부에 들어가도록 하여 제1 보조 베어링(7a)이 배치되어 있다.
이러한 스토퍼(8)는, 샤프트(2)의 축방향에 있어서 제1 보조 베어링(7a)을 약간의 간극을 두고 사이에 두도록 배치되는 제1 돌출 설치부(8a1)와 제2 돌출 설치부(8b1)에 의해, 정전이나 지진 등의 비상시에서의 샤프트(2)의 축방향 이동을 규제한다. 예를 들어 샤프트(2)가 보조 베어링(7)에 의해 지지되어 있을 때에, 샤프트(2)가 제1단(2a) 측에서 제2단(2b) 측으로 이동하고자 한 경우에는, 제2 돌출 설치부(8b1)가 제1 보조 베어링(7a)과 접촉함으로써 샤프트(2)의 이동이 규제된다. 또한, 샤프트(2)가 보조 베어링(7)에 의해 지지되어 있을 때에, 샤프트(2)가 제2단(2b) 측에서 제1단(2a) 측으로 이동하고자 한 경우에는, 제1 돌출 설치부(8a1)가 제1 보조 베어링(7a)과 접촉함으로써 샤프트(2)의 이동이 규제된다.
도 1로 되돌아가, 센서(9)는 제1 보조 베어링(7a)과 고압 임펠러 하우징(4c)의 사이에 배치되어 있고, 샤프트 하우징(4a)에 고정되어 있다. 이 센서(9)는 샤프트(2)의 축방향 위치를 검출한다. 이 센서(9)로서는 여러 가지 것을 이용할 수 있다. 예를 들어, 내열형 와전류 센서나 내열형 파이버 센서 등을 이용할 수 있다. 이 센서(9)는, 자기 베어링(6)으로 샤프트(2)가 지지되어 있는 통상 가동시에 샤프트(2)의 축방향 위치를 조절하기 위해 이용된다. 이 센서(9)는 제어 장치(10)와 전기적으로 접속되어 있고, 샤프트(2)의 축방향 위치를 나타내는 신호를 제어 장치(10)로 향하여 출력한다.
또, 본 실시형태에서는, 샤프트(2)의 열 신축에서의 기점(열 신축에 의해 이동되지 않는 위치)이 제1 보조 베어링(7a)이 배치되는 위치가 되어 있다. 센서(9)는 샤프트(2)의 열 신축에서의 기점의 가능한 한 근방에 설치되어 있다.
제어 장치(10)는 본 실시형태의 원심 압축기(1) 전체를 통괄적으로 제어한다. 또, 본 실시형태에 있어서, 제어 장치(10)는 센서(9)로부터 입력되는 신호에 기초하여 샤프트(2)가 열에 의해 신축할 때의 기점이, 제1 보조 베어링(7a)이 배치되는 개소가 되도록, 축방향 자기 베어링(6c)을 제어하여 샤프트(2)의 축방향 위치를 조절한다. 즉, 제어 장치(10)는, 제1 보조 베어링(7a)이 배치되는 위치(제1 돌출 설치부(8a1)와 제2 돌출 설치부(8b1)의 사이의 영역)가 수평방향으로 이동하지 않도록 축방향 자기 베어링(6c)을 제어하여 샤프트(2)의 축방향 위치를 조절한다. 이에 따라, 샤프트(2)는 외관상 제1 보조 베어링(7a)이 배치되는 위치(제1 돌출 설치부(8a1)와 제2 돌출 설치부(8b1)의 사이의 영역)를 기점으로서 열 신축한다.
이러한 구성을 가지는 본 실시형태의 원심 압축기(1)에서는, 제어 장치(10)의 제어 하에, 자기 베어링(6)에 의해 샤프트(2)가 기준 위치에서 비접촉으로 지지되고, 모터(5)에 의해 샤프트(2)가 회전된다. 이와 같이 샤프트(2)가 회전되면, 저압 임펠러(3a)와 고압 임펠러(3b)가 회전된다.
외부로부터 저압 임펠러 하우징(4b)에 도입된 공기(X)는 저압 임펠러(3a)에 의해 속도 에너지가 부여되고, 그 후 저압 임펠러 하우징(4b) 내에서 감속됨으로써 승압된다. 저압 임펠러 하우징(4b) 내에서 승압된 공기(X)는 고압 임펠러 하우징(4c)에 도입된다. 고압 임펠러 하우징(4c)에 도입된 공기(X)는 고압 임펠러(3b)에 의해 속도 에너지가 부여되고, 그 후 고압 임펠러 하우징(4c) 내에서 감속됨으로써 승압된다. 이와 같이, 공기(X)는 저압 임펠러(3a)와 고압 임펠러(3b)를 이용하여 2단계로 압축된다.
또한, 정전에 의해 자기 베어링(6)이 작동하지 않게 된 경우나 지진에 의해 외부 진동이 부여되었을 때에는, 샤프트(2)가 본래 위치인 기준 위치로부터 변위한다. 이 때, 본 실시형태의 원심 압축기(1)에서는, 샤프트(2)가 보조 베어링(7)에 접촉함으로써 지지되어 보조 베어링(7) 이외의 부재에의 샤프트(2)의 접촉이 방지된다.
이어서, 상술한 바와 같은 본 실시형태의 원심 압축기(1)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
본 실시형태의 원심 압축기(1)는, 제1 보조 베어링(7a) 및 제2 보조 베어링(7b) 중에서 제1 보조 베어링(7a)에 대해서만 마련되고, 샤프트(2)에 고정됨과 아울러 제1 보조 베어링(7a)과 접촉함으로써 샤프트(2)의 축방향 양측으로의 이동을 규제하는 스토퍼(8)를 구비한다. 즉, 본 실시형태의 원심 압축기(1)에서는, 제2 보조 베어링(7b)에 접촉하는 스토퍼는 마련되지 않았다. 이 때문에, 축방향 자기 베어링(6c)에 의해 샤프트(2)의 축방향 위치를 조절하여 열에 의한 샤프트(2) 신축의 기점을 제1 보조 베어링(7a)의 설치 개소로 함으로써, 샤프트(2)가 열 신축한 경우에도 스토퍼(8)부터 제1 보조 베어링(7a)까지의 거리를 일정하게 하고, 또한 스토퍼(8)와 제1 보조 베어링(7a) 및 제2 보조 베어링(7b)의 접촉을 방지할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 원심 압축기(1)에 의하면, 보조 베어링(7)으로 샤프트(2)를 지지할 때의 샤프트(2)의 축방향 이동을 확실히 규제함과 아울러, 자기 베어링(6)이 정상적으로 작동하고 있을 때의 스토퍼(8)와 보조 베어링(7)의 접촉을 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시형태의 원심 압축기(1)에서는, 축방향 자기 베어링(6c)은 샤프트(2)의 축방향에 있어서 제2 보조 베어링(7b)보다 제1 보조 베어링(7a)에 가까운 위치에 배치되어 있다. 축방향 자기 베어링(6c)은 샤프트(2)의 축방향 위치의 조절을 행한다. 즉, 본 실시형태의 원심 압축기(1)에서는, 열에 의한 샤프트(2) 신축의 기점 근처에 축방향 자기 베어링(6c)이 배치되어 있다. 이 때문에, 열에 의한 샤프트(2) 신축의 기점에 대해 먼 곳에 축방향 자기 베어링(6c)을 설치하는 경우보다 축방향 자기 베어링(6c)의 설치 개소에서의 열 신축에 의한 샤프트(2)의 이동량이 작아져 용이하게 위치 조절을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시형태의 원심 압축기(1)에서는, 샤프트(2)의 스토퍼(8)가 배치되는 측의 끝인 제1단(2a)에 고압 임펠러(3b)가 고정되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 샤프트(2)의 축방향에 있어서 고압 임펠러(3b) 측에 스토퍼(8) 및 제1 보조 베어링(7a)이 설치되어 있다. 이에 따라, 열 신축에서의 기점부터 고압 임펠러(3b)까지의 거리를 짧게 할 수 있어, 샤프트(2)의 열 신축에 의한 고압 임펠러(3b)의 변위량을 작게 억제할 수 있다. 원심 압축기(1)의 성능상, 고압 임펠러(3b)와 슈라우드(4e)의 간극 간격에는 저압 임펠러(3a)와 슈라우드(4d)의 간극 간격보다 높은 정밀도가 요구된다. 이와 같이 고압 임펠러(3b)의 변위량을 작게 억제함으로써, 정밀도에 관한 상기 요구를 쉽게 만족시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시형태의 원심 압축기(1)에서는, 제1 보조 베어링(7a)이 깊은 홈 볼 베어링으로 되어 있다. 깊은 홈 볼 베어링은 축방향의 하중도 지지할 수 있기 때문에, 샤프트(2)가 축방향으로 이동하고자 하였을 때에 확실히 샤프트(2)의 이동을 규제할 수 있다. 또한, 제2 보조 베어링(7b)을 제1 보조 베어링(7a)과 동일한 깊은 홈 볼 베어링으로 함으로써, 제1 보조 베어링(7a)과 제2 보조 베어링(7b)을 동일한 부품으로 하여 부품의 공통화를 도모하고 제조비용을 저감시키는 것이 가능하게 된다.
단, 본 발명에서는, 제1 보조 베어링(7a)과 제2 보조 베어링(7b)을 반드시 동일한 깊은 홈 볼 베어링으로 할 필요는 없다. 예를 들어, 본 발명에서는 제2 보조 베어링(7b)은 축방향의 하중을 받지 않는다. 이 때문에, 도 3a에 도시된 바와 같이, 롤러 베어링으로 이루어지는 제2 보조 베어링(7c)(보조 베어링(7))을 설치해도 된다. 롤러 베어링으로 이루어지는 제2 보조 베어링(7c)을 설치함으로써, 깊은 홈 볼 베어링의 경우보다 큰 래디얼 방향의 하중을 지지하는 것이 가능하게 된다. 또, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 보조 베어링(7a) 대신에 2개의 앵귤러 볼 베어링(7d1) 및 앵귤러 볼 베어링(7d2)이, 이들의 배면끼리 대향하도록 설치된 복열식 앵귤러 볼 베어링으로 이루어지는 제1 보조 베어링(7d)(보조 베어링(7))을 설치해도 된다. 이러한 제1 보조 베어링(7d)은, 샤프트(2)의 축방향의 하중을 지지할 수 있음과 아울러 큰 래디얼 방향의 하중을 지지하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 복열식 앵귤러 볼 베어링으로 이루어지는 제1 보조 베어링(7d)과 롤러 베어링으로 이루어지는 제2 보조 베어링(7c)을 구비함으로써, 보조 베어링(7)의 부하 용량을 증대시키는 것이 가능하게 된다. 또, 2개의 앵귤러 볼 베어링(7d1) 및 앵귤러 볼 베어링(7d2)은 이들의 정면끼리 대향하도록 설치되어 있어도 된다.
또한, 본 실시형태의 원심 압축기(1)에서는, 스토퍼(8)는 제1 보조 베어링(7a)의 제2단(2b) 측의 측면에 대향하도록 배치되는 제1 돌출 설치부(8a1)를 가짐과 아울러 샤프트(2)에 끼워맞춤되는 제1 링 부재(8a)와, 제1 보조 베어링(7a)의 제1단(2a) 측의 측면에 대향하도록 배치되는 제2 돌출 설치부(8b1)를 가짐과 아울러 샤프트(2)에 끼워맞춤되는 제2 링 부재(8b)로 이루어진다. 이 때문에, 가열수축 끼워맞춤 등에 의해 제1 링 부재(8a) 및 제2 링 부재(8b)를 샤프트(2)에 대해 고정함으로써, 제1 보조 베어링(7a)의 양측에 대해 제1 돌출 설치부(8a1)와 제2 돌출 설치부(8b1)를 배치하는 것이 가능하게 된다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않는 것은 물론이다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 취지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 다양하게 변경 가능하다.
예를 들어, 상기 실시형태에서의 제1 링 부재(8a) 및 제2 링 부재(8b)에 대해 풀러를 걸어멈춤하기 위한 홈 등을 형성해도 된다. 이에 따라, 유지보수시에 샤프트(2)를 하우징(4)으로부터 뽑아낼 필요가 있는 경우에도 제1 링 부재(8a) 및 제2 링 부재(8b)를 쉽게 샤프트(2)로부터 분리하는 것이 가능하게 되어 샤프트(2)의 뽑아내기 작업이 쉬워진다.
자기 베어링으로 지지하는 샤프트가 기준 위치로부터 변위하였을 때에 샤프트를 지지하는 보조 베어링을 구비하는 원심 압축기에 있어서, 보조 베어링으로 샤프트를 지지할 때의 샤프트의 축방향 이동을 확실히 규제함과 아울러, 자기 베어링이 정상적으로 작동하고 있을 때의 스토퍼와 보조 베어링의 접촉을 방지하는 것이 가능하게 된다.
1 원심 압축기 2 샤프트
2a 제1단 2b 제2단
3 임펠러 3a 저압 임펠러
3b 고압 임펠러 4 하우징
4a 샤프트 하우징 4b 저압 임펠러 하우징
4c 고압 임펠러 하우징 4d, 4e 슈라우드
5 모터 5a 로터
5b 스테이터 6 자기 베어링
6a 제1 반경 방향 자기 베어링 6b 제2 반경 방향 자기 베어링
6c 축방향 자기 베어링 7 보조 베어링
7a, 7d 제1 보조 베어링 7b, 7c 제2 보조 베어링
7d1, 7d2 앵귤러 볼 베어링 8 스토퍼
8a 제1 링 부재 8a1 제1 돌출 설치부
8b 제2 링 부재 8b1 제2 돌출 설치부
9 센서 10 제어 장치
X 공기(기체)

Claims (6)

  1. 자기 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되는 샤프트와, 이 샤프트에 고정되는 임펠러와, 상기 샤프트가 기준 위치로부터 변위하였을 때에 상기 샤프트를 지지하는 보조 베어링을 구비하는 원심 압축기로서,
    상기 샤프트의 제1단 측에 배치되는 상기 보조 베어링인 제1 보조 베어링;
    상기 샤프트의 제2단 측에 배치되는 상기 보조 베어링인 제2 보조 베어링;
    상기 제1 보조 베어링 및 상기 제2 보조 베어링 중에서 상기 제1 보조 베어링에 대해서만 마련되고, 상기 샤프트에 고정됨과 아울러 상기 제1 보조 베어링과 접촉함으로써 상기 샤프트의 축방향 양측으로의 이동을 규제하는 스토퍼;를 구비하는 원심 압축기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자기(磁氣) 베어링이 상기 샤프트의 축방향 이동을 규제하는 축방향 자기 베어링을 구비하고, 이 축방향 자기 베어링은 상기 샤프트의 축방향에 있어서 상기 제2 보조 베어링보다 상기 제1 보조 베어링에 가까운 위치에 배치되어 있는 원심 압축기.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 임펠러로서, 저압 임펠러와, 이 저압 임펠러에 의해 압축된 기체를 더 압축하는 고압 임펠러를 구비하고,
    상기 샤프트의 상기 스토퍼가 배치되는 측의 끝인 상기 제1단에 상기 고압 임펠러가 고정되어 있는 원심 압축기.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 보조 베어링 및 제2 보조 베어링이 깊은 홈 볼 베어링인 원심 압축기.
  5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 보조 베어링은 2개의 앵귤러 볼 베어링이 이들의 배면 또는 정면끼리 대향하도록 설치된 복열식 앵귤러 볼 베어링이며, 상기 제2 보조 베어링이 롤러 베어링인 원심 압축기.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스토퍼는,
    상기 제1 보조 베어링의 상기 제2단 측의 측면에 대향 배치되는 제1 돌출 설치부를 가짐과 아울러 상기 샤프트에 끼워맞춤되는 제1 링 부재;
    상기 제1 보조 베어링의 상기 제1단 측의 측면에 대향 배치되는 제2 돌출 설치부를 가짐과 아울러 상기 샤프트에 끼워맞춤되는 제2 링 부재;를 구비하는 원심 압축기.
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