JP3870612B2 - 減衰軸受およびそれを用いた多段遠心圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多段遠心圧縮機およびそれに用いられる減衰軸受に係り、特に高速小型化を図った多段遠心圧縮機およびそれに用いられる減衰軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転機械を高速化して小型化することは、大型の回転機械では常に求められる課題である。回転機械を高速化すると、回転機械のロータの危険速度を超えて運転しなければならなくなる。現在では、１次の危険速度を超えて運転することは普通に行われており、２次以上の高次の危険速度を超えて運転する必要まで生じている。このような高速回転を実現するのに好適な軸受として、ロータを支持する軸受自体をハウジングに対して弾性支持できる、流体膜ダンパを形成する減衰軸受が知られている。このような減衰軸受の例が、実開昭55−68719号公報や、特公昭62−15774号公報に記載されている。
【０００３】
そして、実開昭55-68719号公報に記載の減衰軸受は、回転軸を支持する軸受の外周側に可動部材を設け、この可動部材の内周面と軸受の外周面間に流体膜を形成し、可動部材を外形側からばねで押す構造になっている。一方、特公昭62-15774号公報には、ロータを回転支持する軸受の外周側にかご型のばね部材を設け、このばね部材のさらに外周側であって、半径方向2個所以上に流体膜を形成可能なダンパ部材を配置している。
【０００４】
また、特開平8-121472号公報には、軸受メタルの外周を覆う軸受ハウジングの内周面に凹所を設け、この凹所に心保持部材を設けてこの心保持材の伸縮により、軸受ハウジングの内周と軸受メタルの外周との隙間を所定値にするダンパ軸受が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
回転機械の小型化のためには高速化が必須であるが、高速化すると危険速度での運転という問題が生じる。危険速度は、ロータの質量、ロータを支持する系のばねとダンピングから決定される。そして、速度の低い方から順に１次、２次、………と呼ばれている。従来は、１次を超えて運転することはあるものの、２次以上の高次の危険速度を超えて運転することはまれであった。危険速度は、質量、ばね、ダンピングで決まるから、ばねやダンピングを制御して危険速度を乗り越えることが古くから提案されており、この一方法として ばねとダンピングを２重に構成した減衰軸受がある。減衰軸受は理論上ばねとダンピングを制御できるので、理論通りに軸受を構成すれば、危険速度を超えた運転に好適である。
【０００６】
上記実開昭55−68719号公報に記載の減衰軸受では、回転力学に基づいて危険速度を超えた運転をするために、ばね部材として円筒状のかご形バネ部材を採用している。しかしながら、かご形バネ部材の端部で、内径側に設けた第１の軸受部材を支持しているので、減衰軸受全体の軸方向長さが長くなるという不具合がある。また、理論的に求めた軸受構成に実際の軸受がなっているかを、把握するのが困難である。
【０００７】
特公昭62−15774号公報に記載の減衰軸受は、上記従来技術の不具合を解消するために、減衰軸受全体の軸方向長さを短く、流体膜ダンパの長さを長くしている。そして、流体膜ダンパ面積を確保するために、流体膜ダンパを多層に形成している。この公報に記載のものは、確かに流体膜ダンパの総長が長く、流体膜ダンパの隙間を大きくすることが可能であるという利点を有する。しかしながら、流体膜ダンパを多層にしているので、流体膜ダンパの径が増大するとともに、構造が複雑になる。その結果、実際の流体膜ダンパ部の隙間の把握が困難になる。さらに、特開平8-121472号公報に記載のものは、心保持部材により軸受の位置を自動的に保持できるが、この位置が設計値に相当するかの把握が困難であり、軸受の性能を運転前に把握することが困難である。
【０００８】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は多段遠心圧縮機に用いられる減衰軸受を簡単、かつコンパクト化して、遠心圧縮機の構造を簡単化することにある。本発明の他の目的は、多段遠心圧縮機に用いられる減衰軸受の分解および組立を容易にして、多段遠心圧縮機を安価にすることにある。本発明のさらに他の目的は、多段遠心圧縮機に用いられる減衰軸受のダンパ部隙間管理を容易にして、多段遠心圧縮機の信頼性を向上させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、回転軸（１０）と、この回転軸に取付けられた複数枚の遠心羽根車（２４）と、前記回転軸を支承する軸受（１２）と、これら回転軸と遠心羽根車と軸受とを収容するケーシング（２８）とを備えた多段遠心圧縮機において、前記軸受は、回転軸に対向して設けられ回転軸との間に第１の潤滑部を形成するティルティングパッド型軸受（８）と、このティルティングパッド型軸受の外周側に配置されティルティングパッド型軸受との間に第２の潤滑部（３３）を形成する減衰軸受とを備え、前記ティルティングパッド型軸受は外周側にパッド（８ａ）部を保持するリング状のインナーホルダー（５）を有し、前記減衰軸受は、籠型ばね（３）とこの籠型ばねの内径側に位置する円筒状のホルダー（４）とこの籠型ばねの外径側に配置され籠型ばねを保持するインナーハウジング（２）とを有し、この籠型ばねの軸方向両端部にフランジ（３ｂ、３ｃ）を形成し、機外側のフランジに前記インナーハウジングおよび前記ホルダーとを固定し、機内側のフランジに前記インナーホルダーを固定し、前記機外側のフランジに着脱可能なサイドプレート（７）を設けて前記第２の潤滑部を側面から覆い、このサイドプレートを脱着することにより前記ティルティングパッド型軸受の外周面と前記ホルダーの内周面間に形成される隙間を機外側から調整可能にしたものである。
【００１０】
そして好ましくは、前記ホルダーの内周側または前記インナーホルダーの外周側を楕円状に形成し、前記ホルダーの周方向取付け位置を変化させれば前記第２の潤滑部の隙間が調整されるようにしたものである。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の第２の特徴は、１本の軸に多数の羽根車が配置された多段遠心圧縮機のロータを回転支持するものであって、回転軸に対向して設けられ回転軸との間に第１の潤滑部を形成するティルティングパッド型軸受の外周側に配置されティルティングパッド型軸受との間に第２の潤滑部を形成する減衰軸受において、籠型ばね（３）と、この籠型ばねの内径側に位置する円筒状のホルダー（４）と、この籠型ばねの外径側に配置され籠型ばねを保持するインナーハウジング（２）とを設け、この籠型ばねの軸方向両端部にフランジ（３ｂ、３ｃ）を形成し、機外側のフランジに前記インナーハウジングおよび前記ホルダーとを固定する固定手段を取り付け、機内側のフランジにティルティングパッド型軸受を固定する固定手段を取り付け、前記機外側のフランジに着脱可能なサイドプレート（７）を設けて前記第２の潤滑部を側面から覆い、このサイドプレートを脱着することにより前記ティルティングパッド型軸受の外周面と前記ホルダーの内周面間に形成される隙間を機外側から調整可能であり、前記ティルティングパッド型軸受の外周面と前記ホルダーの内周面とで形成される第２の潤滑部の軸方向の中間部分に、周方向に連通する油ダムを設けたものである。
【００１２】
そして好ましくは、前記油ダムに連通し、半径方向外方に延びた複数の給油孔を設けたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を、図面を用いて説明する。 図１は、減衰軸受の詳細断面図であり、図３は図１のＡ−Ａ断面図、図４はこの減衰軸受の構成要素である籠形ばね部材の鳥瞰図である。また、図２は、この減衰軸受を備えた一軸多段遠心圧縮機の縦断面図である。
【００１６】
図２に示したように、多段遠心圧縮機の一つである一軸多段遠心圧縮機では、回転軸１０に複数枚の遠心または斜流羽根車２４が取付けられている。各羽根車の下流側には、各羽根車を出た流れを整流するとともに、圧力回復させる羽根付きディフューザ２３が形成されている。ディフューザを出た作動ガスは、リターンベンドを有するリターン流路２５で整流され、次段羽根車の吸込み側へ流入する。これにより、初段羽根車の上流側に設けられた吸込み口２１から吸込まれた作動ガスは、各羽根車２４で運動エネルギーを与えられ、ディフューザ２３で圧力エネルギーに変換されて昇圧し、最終段の羽根車の下流側に設けられた吐出口２から需要元へと送られる。
【００１７】
羽根車２４と回転軸１０を含むロータは、その端部近傍２個所でラジアル軸受１２により回転支持される。また、ロータに形成されたスラストカラー２６に対向して設けられたスラスト軸受１３により、作動ガスの流動に伴い発生するスラスト力を支持している。各ラジアル軸受１２より機内側には、作動ガスの機外への漏出及び大気の機内側への流入を防止するために、シール装置１１が配置されている。ラジアル軸受１２とスラスト軸受１３の静止部、ディフューザを形成するインナーケーシング２７等は、ケーシング２８内に収容されている。
【００１８】
代表的な一軸多段遠心圧縮機では、回転軸１０の直径が８０〜１４０ｍｍであり、この回転軸１０を定格回転速度１５００ｒｐｍで運転する。圧縮される作動ガスは、エチレンガス、二酸化炭素ガス等であり、主として化学プラントで使用される。そのため、作動ガスの中には有毒のものや可燃性のもの等、圧縮機からの漏れを防止する必要がある場合が多い。また、軸受等の潤滑部に供給される潤滑油へ圧縮機から作動ガスが漏れるのをも防止する必要がある。この理由からシール装置１１にはドライガスシール等が用いられる。
【００１９】
ところで、一軸多段遠心圧縮機は、１本の回転軸に多数の羽根車を取付けているので、コンパクトに構成できる利点を有しているが、羽根車の数が増えれば増えるだけ、回転軸の軸方向長さが増大する。また、コンパクトにするために、回転軸を高速で回転させることが望ましい。回転軸の軸方向長さが長くなるとロータの危険速度は低下する。一方、高速で回転させれば、危険速度の近傍もしくは危険速度を超えた回転速度でロータを運転させる必要が生じる。そこで、ロータとこれを支持する軸受とを質量、ばね、減衰系と考えて、ばね定数及び減衰係数を制御して、危険速度を回避または危険速度での運転を速やかに終えるようにする方法が提案されている。その一例が、減衰軸受である。
【００２０】
減衰軸受では、ロータを通常の軸受で支持し、その通常の軸受をさらに油膜を介して支持している。この詳細を図１および図３により説明する。図１は、軸受部の詳細縦断面図であり、図３は図１のＡ−Ａ断面矢視図である。回転軸１０は、その外径側を複数枚、ここでは５枚のティルティングパッド型軸受８で支持されている。ティルティングパッド型軸受８のパッド８ａの内周側と回転軸１０間には、潤滑油が供給されている。ティルティングパッド型軸受８の外周側には、このティルティングパッド型軸受のパッド８ａを回転軸との間に適正な隙間をもって保持するための円筒形のインナーホルダー５が配置されている。
【００２１】
インナーホルダー５のさらに外周側には、ホルダー４が配置されている。このホルダー４とインナーホルダー５間にはわずかに隙間３３が形成されており、流体膜ダンパを形成する。この隙間（潤滑面）３３には、ホルダー４の外方から潤滑油が供給される。そのため、ホルダー４の軸方向中間部には潤滑油供給用の貫通穴９ｄ及び周方向に連続する溝９ｇが形成されている。ホルダー４の一端側には、図４に詳細を示す籠型ばね３がボルト３５で固定されている。
【００２２】
籠型ばね３は、図４で上面（図１の左側）のフランジ部３ｂと、図４で下面（図１の右側）のフランジ部３ｃと、これらを接続する柱状部３ａとを有しており、これらを一体に形成している。柱状部３ａの断面積および本数を増減することにより、籠型ばね３のばね定数を所定値に設定し、減衰軸受として作用させることを可能にする。たとえば、柱状部の本数を１６本から３２本に変えると、ばね定数を２５ｋＮ／ｍｍから１００ｋＮ／ｍｍに変化させることが可能である。
【００２３】
籠型ばね３のさらに外周側にはインナーハウジング２が、このインナーハウジング２のさらに外周側にはハウジング１が配置されている。そして、ハウジング１は、ケーシング２８に取付けられている。籠型ばね３の両フランジ側には、サイドプレート６がボルト３６でインナーハウジング２に、サイドプレート７が籠型ばね３のフランジ３ｃ及びホルダー４を介在させてボルト３４でインナーハウジング２に取付けられている。
【００２４】
インナーハウジング２とハウジング１間には潤滑油を保持する潤滑油溜り９ｂが周方向に形成されており、この潤滑油溜り９ｂに溜まった潤滑油を潤滑面３３に導くために、インナーハウジングの軸方向中間部複数箇所に、径方向に貫通する穴９ｃが形成されている。ハウジング１に形成した潤滑油路９aから導かれた潤滑油は、潤滑油溜り９ｂに溜まった後、貫通穴９ｃを経て籠型ばね３の柱状部３a間の隙間からホルダー４に形成された貫通穴９ｄに導かれ、潤滑面３３に供給される。潤滑面を潤滑した潤滑油は、さらにティルティングパッド型軸受８部に導かれ、サイドプレートの周方向複数箇所に設けられた排油路９ｆから排油される。なお、サイドプレートの内周側には周方向に連続する溝９eが形成されており、ティルティングパッド型軸受８を潤滑した潤滑油を一旦この溝９eに集めている。潤滑油は、この溝９eに連通した排油路９ｆから機外へ排油される。
【００２５】
このように構成した本実施例による減衰軸受では、潤滑面３３の隙間調整を以下のように行う。サイドプレート７を除くすべての軸受部品を組み立てた後、潤滑面３３の隙間を直接測定する。測定方法としては隙間ケージを使う方法、潤滑面３３の一部に変位センサーを埋め込む方法、光学センサーで隙間を測る方法等がある。
【００２６】
これらはいずれの方法を用いてもよい。周方向の数箇所の隙間を測定し、それらが許容値内であれば、サイドプレート７をボルト３４で止める。もし、測定結果が所定範囲内にないときは、たとえばホルダー４の周方向位置を変化させる。ホルダー４の内周側は真円からわずかに楕円状にしているので、適度な隙間になる周方向位置が求められる。なお、ホルダーを真円にして、インナーホルダー４の外周側を楕円状にしてもよい。また、双方を楕円状にしてもよい。潤滑面の隙間が所定値にならないときは当然、インナーホルダーやホルダーを追加工等し、この隙間を確保するようにする。
【００２７】
本実施例によれば、組立てた状態の軸受面の隙間を軸端側から測定することができるので、減衰軸受の潤滑面の隙間調整が容易になり、減衰軸受の性能把握が容易になる。また、構造が極めて簡単でコンパクトであるから、製造工数が低減し、信頼性も向上する。さらに、籠型ばねと潤滑面３３を構成する部品だけを単独に分解または組立るだけで、減衰軸受のダンパ隙間の調整が可能となる。したがって、軸受部だけを予め調整できるので、作業性が向上する。
【００２８】
上記実施例においては、回転軸１０を支持する軸受をティルティングパッド型軸受としたが、本発明はこれに限るものではなく、真円軸受や１円弧軸受、２円弧軸受、転がり軸受等であってもよい。いずれの軸受を用いても、上記実施例同様に、軸受を保持するインナーホルダー５の外周面とホルダー４の内周面間に形成される潤滑面３３の隙間を軸方向の一端側から測定できるようにすればよい。
【００２９】
減衰軸受を使用することにより、従来は不可能であった高速の領域においても圧縮機を運転することができる。その結果、圧縮機を高速化および小型化することができる。この様子を図５に示す。従来の軸受では一次の危険速度で５０μｍ、二次の危険速度で１５０μｍ程度のロータの振動振幅が、それぞれ１０μｍ、２０μｍ以下に低下し、高速回転を容易に実現できた。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、遠心圧縮機及びそれに用いる減衰軸受において、第1の軸受部材と第2の軸受部材の隙間を調整可能または測定可能にしたので、軸受の性能把握が容易になる。また、本発明によれば、減衰軸受の構造が簡単でコンパクトであり、安価になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る減衰軸受の一実施例の縦断面図。
【図２】本発明に係る流体機械の一実施例の縦断面図。
【図３】図１のＡ−Ａ断面矢視図。
【図４】籠型ばねの斜視図。
【図５】本発明の効果を説明する図。
【符号の説明】
１…ハウジング、２…インナーハウジング、３…籠型ばね、４…ホルダー、５…インナーホルダー、６…サイドプレート、７…サイドプレート、８…ティルティングパッド型軸受、９ａ〜９ｇ…潤滑油経路、１０…回転軸、１１…多段形遠心圧縮機シール部、１２…多段形遠心圧縮機（ラジアル）軸受部、１３…多段形遠心圧縮機スラスト軸受部、３３…潤滑面（隙間）、３１、３４、３５、３６…ボルト（固定手段）。

Claims (4)

1. 回転軸（１０）と、この回転軸に取付けられた複数枚の遠心羽根車（２４）と、前記回転軸を支承する軸受（１２）と、これら回転軸と遠心羽根車と軸受とを収容するケーシング（２８）とを備えた多段遠心圧縮機において、
   前記軸受は、回転軸に対向して設けられ回転軸との間に第１の潤滑部を形成するティルティングパッド型軸受（８）と、このティルティングパッド型軸受の外周側に配置されティルティングパッド型軸受との間に第２の潤滑部（３３）を形成する減衰軸受とを備え、前記ティルティングパッド型軸受は外周側にパッド（８ａ）部を保持するリング状のインナーホルダー（５）を有し、前記減衰軸受は、籠型ばね（３）とこの籠型ばねの内径側に位置する円筒状のホルダー（４）とこの籠型ばねの外径側に配置され籠型ばねを保持するインナーハウジング（２）とを有し、この籠型ばねの軸方向両端部にフランジ（３ｂ、
   ３ｃ）を形成し、機外側のフランジに前記インナーハウジングおよび前記ホルダーとを固定し、機内側のフランジに前記インナーホルダーを固定し、前記機外側のフランジに着脱可能なサイドプレート（７）を設けて前記第２の潤滑部を側面から覆い、このサイドプレートを脱着することにより前記ティルティングパッド型軸受の外周面と前記ホルダの内周面間に形成される隙間を機外側から測定または調整可能にしたことを特徴とする減衰軸受を用いた多段遠心圧縮機。
2. １本の軸に多数の羽根車が配置された多段遠心圧縮機のロータを回転支持するものであって、回転軸に対向して設けられ回転軸との間に第１の潤滑部を形成するティルティングパッド型軸受の外周側に配置されティルティングパッド型軸受との間に第２の潤滑部を形成する減衰軸受において、
   籠型ばね（３）と、この籠型ばねの内径側に位置する円筒状のホルダー（４）と、この籠型ばねの外径側に配置され籠型ばねを保持するインナーハウジング（２）とを設け、この籠型ばねの軸方向両端部にフランジ（３ｂ、３ｃ）を形成し、機外側のフランジに前記インナーハウジングおよび前記ホルダーとを固定する固定手段（３５）を取り付け、機内側のフランジにティルティングパッド型軸受を固定する固定手段（３１）を取り付け、前記機外側のフランジに着脱可能なサイドプレート（７）を設けて前記第２の潤滑部を側面から覆い、このサイドプレートを脱着することにより前記ティルティングパッド型軸受の外周面と前記ホルダの内周面間に形成される隙間を機外側から調整可能であり、前記ティルティングパッド型軸受の外周面と前記ホルダの内周面とで形成される第２の潤滑部の軸方向の中間部分に、周方向に連通する油ダムを設けたことを特徴とする多段遠心圧縮機に用いる減衰軸受。
3. 前記油ダムに連通し、半径方向外方に延びた複数の給油孔を設けたことを特徴とする請求項２に記載の減衰軸受。
4. 前記ホルダーの内周側または前記インナーホルダーの外周側を楕円状に形成し、前記ホルダーの周方向取付け位置を変化させれば前記第２の潤滑部の隙間が調整されることを特徴とする請求項１に記載の減衰軸受を用いた多段遠心圧縮機。

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