WO2017163293A1

WO2017163293A1 - 回転機械

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Publication number: WO2017163293A1
Application number: PCT/JP2016/005109
Authority: WO
Inventors: 成人原田; 英樹戸中; 直之長井; 直人米村
Original assignee: 三菱重工コンプレッサ株式会社; 三菱重工業株式会社
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-09-28
Also published as: JP2017172418A

Abstract

本発明は、オーバーハング構造を有する回転機械において、軸受から減衰を効率よく得ることができる回転機械を提供する。本発明の回転機械は、ロータ軸１１と、ロータ軸１１の両端部にそれぞれが固定される一対のインペラ１４Ａ，１４Ｂと、を備えるロータ１０と、ロータ１０を収容するケーシング３０と、ロータ軸１１のインペラ１４Ａ，１４Ｂが固定される位置よりも、ロータ軸１１の軸線方向の中央よりの位置において、ロータ軸１１をケーシング３０に回転可能に支持する一対の軸受１５Ａ，１５Ｂと、ロータ１０の軸線方向の両端部において、軸線の回りに磁気を放射状に付与する振動抑制機構と、を備える、ことを特徴とする。

Description

回転機械

　本発明は、オーバーハング構造のロータの回転を安定できる回転機械に関する。

　石油化学、化学、空気分離などのプラントでは、回転機械として、遠心圧縮機が使用されている。遠心圧縮機は、構造的には大きく二つのタイプがある。
　一つは一軸多段型圧縮機で、ガスを圧縮する複数のインペラ（羽根車）を一本のロータ軸に取り付けてロータを構成するものであり、このロータ軸はその両端の近傍が一対の軸受に支持される。一軸多段圧縮機の場合、駆動源の回転数が圧縮機の回転数よりも低い場合は、駆動源とロータ軸の間に増速機を設ける。もう一つのタイプが増速機構内臓型の圧縮機（ギアド圧縮機：Integrally Geared Compressor）である。

　一般的に、ギアド圧縮機は、ケーシング内にロータ軸が回転可能に支持されている。このロータ軸には、駆動源により回転駆動される駆動軸の動力が増速歯車機構を介して伝達される。

　このようなギアド圧縮機については、近年、様々な改良がされており、例えば特許文献１には、インペラの径を最小限に抑えつつ、大容量化を図ることができるギアド圧縮機が記載されている。

特開２０１５－１５８２０８号公報

　ギアド圧縮機は、ロータ軸がオーバーハング構造をなしている例が多い。つまり、一対のインペラがロータ軸の両端の近傍に設けられるのに対して、ロータ軸を回転可能に支持する一対の軸受がそれぞれのインペラよりもロータ軸の中心に近い位置に配置される。本来、この軸受が備える潤滑油が、ロータの回転に伴うロータ軸の振動を減衰する機能を担う。
　ところが、オーバーハング構造をなしているギアド圧縮機は、その運転回転数の範囲内に複数の振動モードが存在し、振動モードによっては、ロータ軸の軸受で支持している部位の振幅が軸端の振幅よりも小さくなる。この振動モードにおいては、軸受による振動減衰機能が十分に発揮されないので、ギアド圧縮機の安定した運転を確保することができない。
　以上より、本発明は、オーバーハング構造を有する回転機械において、軸受から減衰を効率よく得ることを目的とする。

　本発明の回転機械は、ロータ軸と、ロータ軸の両端部にそれぞれが固定される一対のインペラと、を備えるロータと、ロータを収容するケーシングと、ロータ軸のインペラが固定される位置よりも、ロータ軸の軸線の方向の中央よりの位置において、ロータ軸をケーシングに回転可能に支持する一対の軸受と、ロータの軸線の方向の両端部において、軸線の回りに磁気を放射状に付与する振動抑制機構と、を備えることを特徴とする。

　本発明の回転機械において、振動抑制機構は、磁気反発力、又は、磁気吸引力を軸線の回りに放射状に付与することが好ましい。

　本発明の回転機械において、振動抑制機構は、ロータの側に設けられ、ロータと一体となって回転する回転子と、ケーシングの側に設けられる固定子と、を備え、回転子と固定子の一方がオス型要素をなし、回転子と固定子の他方が、オス型要素が挿入されるメス型要素をなすことが好ましい。

　本発明の回転機械において、振動抑制機構は、オス型要素とメス型要素の両方が永久磁石からなり、オス型要素とメス型要素の間の磁気反発力により、振動抑制機能を果たすことが好ましい。

　本発明の回転機械において、振動抑制機構は、オス型要素が電磁石からなるとともに、メス型要素からなり、オス型要素とメス型要素の磁気吸引力により、振動抑制機能を果たすことが好ましい。

　本発明の回転機械において、圧縮対象であるガスが吸い込まれる入口流路に、ガスを整流する入口案内翼が備えられ、入口流路に対応する振動抑制機構の固定子は、入口案内翼に取り付けられることが好ましい。

　本発明の回転機械において、振動抑制機構の固定子は、弾性要素と減衰要素を介して、ケーシングに支持されることが好ましい。

　本発明によれば、回転軸の軸端に支持剛性を与えることで軸端の振幅を抑制し、相対的に軸受の振幅を大きくする事ができるため、軸受から減衰を効率よく得る事ができる。

本発明の実施形態に係るギアド圧縮機の回転軸の概略構成を示す縦断面図である。（ａ）は図１の振動抑制機構を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。ギアド圧縮機の運転時における支持剛性と危険速度の関係を示すグラフである。図３における振動モードＸ，Ｙ，Ｚのそれぞれにおけるロータ軸の振幅を位置に対応付けて示す図である。（ａ）は図２（ａ）に対応する他の実施形態の断面図、（ｂ）は図２（ａ）に対応するさらに他の実施形態の断面図、（ｃ）は図２（ｂ）に対応する他の実施形態の断面図である。本発明の他の実施形態を示すモデル図である。図６に示す実施例の振動抑制機構を示す縦断面図である。図６に示す実施例の振動抑制機構の他の実施形態を示す図である。

　以下、添付図面を参照しながら、ギアド圧縮機を例にして本発明の実施形態を説明する。
〔第一実施形態〕
　本実施形態に係るギアド圧縮機１は、図１に示すように、ケーシング３０の内部に回転可能に支持されるロータ軸１１を所望の回転数で回転させることで、ケーシング３０の上流側の入口流路３１から吸い込んだ圧縮対象であるガスを所望の圧力まで昇圧させてから、出口流路から吐出するものである。
　なお、本実施形態において、上流側及び下流側は、相対的な位置関係を示している。

　図１に示すように、ギアド圧縮機１は、ケーシング３０と、ケーシング３０の内部に回転可能に支持されるロータ１０と、を備えている。
　ロータ１０は、ロータ軸１１と、ロータ軸１１の両端に固定される一対のインペラ１４Ａ，１４Ｂと、を備えている。
　ロータ軸１１は、軸本体１２と、軸本体１２の軸線方向の中央に固定されるピニオン１３と、を有している。ロータ軸１１は、一対の軸受１５Ａ，１５Ｂを介して、ケーシング３０内に回転可能に支持されている。軸受１５Ａ，１５Ｂは、ピニオン１３の軸線方向の両側に配置されており、ロータ１０はオーバーハング構造をなしている。

　ピニオン１３は、図示を省略する増速歯車機構の末端の歯車と噛み合い、駆動源により増速歯車機構が回転駆動されることにより、この回転駆動力を軸本体１２に伝える。

　インペラ１４Ａ，１４Ｂは、半径方向の外側へ延びたディスクと、このディスクのハブ面に周方向に等間隔に一体成形された複数のブレードと、を備えている。インペラ１４Ａ，１４Ｂは、ロータ軸１１に同軸状に固定されている。

　軸受１５は、ロータ軸１１のラジアル方向の荷重を支持するものであり、減衰機能を有する潤滑油を備えている。一対の軸受１５，１５は、所定の間隔を隔ててケーシング３０に固定されており、軸本体１２をケーシング３０に対して回転可能に支持している。

　ケーシング３０は、ロータ１０を内部に収容する空間を備えるとともに、圧縮対象であるガスを吸い込む入口流路３１と、所望する圧力まで昇圧されたガスが吐出される出口流路と、を備えている。また、ケーシング３０は、入口流路３１と出口流路を繋ぐ圧縮流路３３を備えており、上流側のインペラ１４Ａで圧縮されたガスは、この圧縮流路３３を通って下流側のインペラ１４Ｂに対応する領域まで流れ、インペラ１４Ｂによりさらに圧縮される。

　入口流路３１には、圧縮対象ガスを整流し、また、ガスの吸込み量を調整する入口案内翼３４が設けられている。入口案内翼３４は、複数の翼形状の翼本体を開閉可能に構成したものであり、インレットガイドベーンと称される装置を用いることができる。

　入口案内翼３４は、複数枚の翼本体を支持する支持軸３６を備えており、支持軸３６は、ロータ軸１１と同軸状であって、かつ、その先端側が上流側のインペラ１４Ａと対向するように配置されている。入口案内翼３４の少なくとも先端側は、中空となっている。

　ギアド圧縮機１のロータ１０は、一対の軸受１５Ａ，１５Ｂがロータ軸１１の中央寄りに配置され、かつ、両端部にインペラ１４Ａ，１４Ｂが配置されることで、オーバーハング構造をなしている。そのために、図３及び図４を参照して以下説明するように、軸受１５Ａ，１５Ｂが有する減衰機能では賄えない振動が生ずる。
　オーバーハング構造をなすロータ１０は、例えば、図３に実線で示すＸ，Ｙ，Ｚの三つの振動モードを有する。この振動モードは、ロータ１０に三つの固有振動数が存在することを意味する。
　振動モードＸ，Ｙ，Ｚに対応するロータ軸１１の振動形態を図４に示す。これによると、振動モードＹと振動モードＺは、軸受１５Ａ，１５Ｂにおける振動の振幅が小さく、逆に、ロータ軸１１の両端部の振幅が大きいことがわかる。ここで、軸受１５Ａ，１５Ｂが支持している部分のロータ軸１１の振動の振幅が大きいほど、軸受１５Ａ，１５Ｂの減衰機能は発揮される。したがって、振動モードＹと振動モードＺについては、軸受１５Ａ，１５Ｂの減衰機能は十分に確保されないので、ロータ１０に作用する流体の励振力、例えば、インペラ１４Ａ，１４Ｂへの流体励振力や、ケーシング３０とのシールで発生するシール励振力により、ロータ１０の振動が不安定になる。そこで、ギアド圧縮機１は、以下説明するように、ロータ１０の両端部とケーシング３０の間に、磁気的な反発力を利用して軸受１５Ａ，１５Ｂの磁気的作用力を利用して減衰機能を補填する振動抑制機構２０を設ける。
　なお、図４のグラフにおいて、横軸がロータ軸１１の軸線方向の位置を示し、縦軸が振動の振幅を示す。

　振動抑制機構２０は、ロータ１０の両端部、すなわちロータ１０の軸方向の端の側に設けられる回転子２１と、ケーシング３０の側に設けられる固定子２５と、を備えている。
　回転子２１は、図１に示すように、ロータ１０の両端に設けられるインペラ１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの先端に、ロータ軸１１と同軸上に固定されており、ロータ１０と一体になって回転する。
　回転子２１は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、円柱状の第一永久磁石２２から構成されており、本実施形態では、半径方向の外側がＮ極をなし、半径方向の内側がＳ極をなすように着磁されている。それにより、振動抑制機構２０は、ロータ１０の軸線の回りに磁気を放射状に付与する。

　固定子２５は、図１に示すように、支持軸３６の先端、すなわち支持軸３６の先端の側の中空内に設けられる。
　固定子２５は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、円筒状の第二永久磁石２６から構成されており、半径方向の内側がＮ極をなし、半径方向の外側がＳ極をなしている。
　図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、メス型要素の固定子２５の中空部分には、オス型要素の回転子２１が挿入されており、回転子２１と固定子２５が対向する面がともにＮ極であるから、回転子２１と固定子２５は、互いに磁気的に反発する。つまり、回転子２１が固定されているインペラ１４Ａ，１４Ｂが振動しようとすると、振動抑制機構２０は、固定子２５との間の磁気反発力により、振動を抑えるように働く。なお、回転子２１と固定子２５が対向する面をともにＳ極としてもよい。

　次に、以上の構成を備えるギアド圧縮機１は、以下のように動作する。
　駆動源の駆動力が増速歯車機構及びピニオン１３を介して伝達されるとロータ１０が回転し、圧縮対象であるガスが入口流路３１から吸い込まれる。このガスは上流側のインペラ１４Ａ、圧縮流路３３、下流側のインペラ１４Ｂを順に通ることで、所望の圧力まで昇圧されてから、出口流路からさらに下流側のラインに向けて吐出される。

　以下、本実施形態が奏する効果を説明する。
　ギアド圧縮機１は、それよりも上流側のプロセスの変動により、運転条件、つまり、ロータ１０が定常運転とは異なる回転数に変動することがある。その際に、図３及び図４を参照して説明したように、振動モードＹと振動モードＺについては、軸受１５Ａ，１５Ｂの減衰機能は十分に確保されないので、ロータ１０に作用する流体の励振力、例えば、インペラ１４Ａ，１４Ｂへの流体励振力や、ケーシング３０とのシールで発生するシール励振力により、ロータ１０の振動が不安定になる事がある。
　ところが、本実施形態は、ロータ１０とケーシング３０の間に、振動抑制機構２０を備えており、この振動抑制機構２０は、第一永久磁石２２を有する回転子２１の周囲に、第一永久磁石２２と互いに反発する第二永久磁石２６を有する固定子２５を配置している。したがって、ロータ１０の両端部においてその振動が抑制され、回転子２１と固定子２５が非接触でありながら、支持剛性を向上できる。その結果、図３に示すように、振動モードＸ、振動モードＹ及び振動モードＺのいずれにおいても、固有振動数を高くすることができる。そして、これに対応して、図４に示すように、振動モードＹについては、軸受１５Ａ，１５Ｂにおける振動の振幅をＹ’で示すように大きくできるので、軸受１５Ａ，１５Ｂにおける減衰機能を向上できる。したがって、ギアド圧縮機１は、運転条件に関わらず、安定した運転ができるので、運転効率を向上できる。

　また、本実施形態の振動抑制機構２０は、回転子２１をインペラ１４Ａ，１４Ｂに取り付け、固定子２５を入口案内翼３４の支持軸３６に取り付ければ構成できるので、ギアド圧縮機１の基本的な構成を大きく変更する必要がない。したがって、ギアド圧縮機１の製造コストの上昇を抑えることができる。特に、上流側の振動抑制機構２０は、入口案内翼３４の支持軸３６に内蔵されていると言えるので、吸い込まれる流体の流れを乱して損失を生じさせることもない。

　振動抑制機構２０において、図２（ａ）に示すように、回転子２１と固定子２５の間には間隙Ｇが設けられる。この間隙Ｇの寸法は、ギアド圧縮機１の仕様により設定されるべきであるが、一例として、０．２～３．０ｍｍであることが好ましく、０．５～２．０ｍｍであることがより好ましい。間隙Ｇが狭すぎると回転子２１と固定子２５の干渉が懸念され、間隙Ｇが広すぎると振動抑制機能が弱くなる。
　また、第一永久磁石２２、第二永久磁石２６は、ロータ１０との関係で、所望の振動抑制効果が得られるように、その磁気特性、寸法などの仕様が設定される。適用する永久磁石としては、例えば、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系、Ｓｍ－Ｃｏ系に代表される希土類永久磁石が、高い磁気特性の観点から好ましい。なお、第一永久磁石２２と第二永久磁石２６は、同じ材質のものを用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。

［第二実施形態］
　次に、本発明の第二実施形態について説明する。
　なお、第二実施形態において第一実施形態と同様の構成要素には、第一実施形態と同じ符号を付し、説明を省略する。

　振動抑制機構２０は、図５（ａ）に示すように、回転子２１を磁性体２３から構成し、固定子２５を電磁石２７から構成することもできる。この振動抑制機構２０は、電磁石２７が磁性体２３を周囲から吸引することにより、振動に対して回転子２１の位置を維持しようと働く。
　磁性体２３としては、例えば電磁鋼板と絶縁層を交互に積層した積層鋼板４１を用いるのが好ましい。電磁石２７から印加される磁力によって磁性体２３に生じる渦電流を抑えることで、磁性体２３の発熱を抑えるためである。

　振動抑制機構２０として、電磁石２７を用いても、第一実施形態と同様の効果が得られる。これに加えて、ロータ軸１１の振動に対して位相を遅らせて電磁石２７への通電を制御することにより、軸端への減衰機能を増加できる。すなわち、ロータ軸１１の振動変位に対して、位相を遅らせて電磁石２７の吸引力を与える事で、振動変位と逆相の吸引力は第一実施形態と同様の効果として働き、振動変位に対して９０°遅れた吸引力は減衰力としてロータ１０に作用するため、軸端への減衰機能を増加できる。

［第三実施形態］
　次に、本発明の第三実施形態に図６～図８を用いてついて説明する。図６は、第三実施形態を示すモデル図である。
　なお、第三実施形態において第一実施形態と同様の構成要素には、第一実施形態と同じ符号を付し、説明を省略する。

　第三実施形態は、図６に示すように、第一実施形態と同様に、ロータ軸１１が、弾性要素と減衰要素を有する一対の軸受１５Ａ，１５Ｂを介して、ケーシング３０内に回転可能に支持されており、ロータ１０の軸方向の端の側に設けられる回転子２１と、ケーシング３０の側に設けられる固定子２５とを有する振動抑制機構２０を備えている。そして、第一実施形態と同様に、回転子２１と固定子２５の間に間隙が設けられており、磁気的な反発力を利用して、振動抑制機能が果たされている。
　しかし、第一実施形態とは異なり、固定子２５が弾性要素６０と減衰要素６２を介して、ケーシング３０の支持軸３６に支持されている。具体的には、図７に示すように、固定子２５と第二永久磁石２６の間に、弾性要素６０として、弾性材料からなるＯリング６１が軸方向に２つ装着され、Ｏリング６１同士の間に、減衰要素６２として、粘性流体６３が注入されている。粘性流体６３として、例えば潤滑油が挙げられる。

　本実施形態では、上記構成により、ロータ軸１１の振動に応じて固定子２５が振動する際に、Ｏリング６１同士の間に充填した粘性流体６３により固定子２５に対して減衰効果が働く。そのため、振動抑制機構２０は、ロータ軸１１に対して、第一実施形態の振動抑制機能に加え減衰機能を追加で与える事ができる。

　上記例では、弾性要素６０減衰要素６２として別の部材が用いられていたが、弾性要素６０や減衰要素６２として一つの部材を用いてもよい。例えば、図８に示すように、第二永久磁石２６が金たわしのような金属メッシュ７０を介して固定子２５に支持されていてもよい。金属メッシュ７０を用いた場合でも、第一実施形態の振動抑制機能に加え減衰機能を追加で与える事ができる。

　上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択することや、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

　本発明における振動抑制機構２０としては、第１実施形態で示した磁気反発力を利用する形態と、第２実施形態で示した磁気吸引力を利用する形態と、磁気反発力と磁気吸引力の両方を利用する形態に区分できる。
　磁気反発力を利用する形態は、一対の永久磁石を用い、互いに対向する面は同じ極性を有する。例えば、本実施形態と同様に、Ｎ極とＮ極が対峙するか、Ｓ極とＳ極が対峙する。
　ただし、本実施形態のように、周方向の全域にわたってＳ極またはＮ極が連なっていなくてもよい。例えば、円弧状の永久磁石を円周方向に並べて固定子２５を構成する場合に、隣接する永久磁石の間に、非磁性の領域を介在させることもできるし、また、磁性を有する金属材料を介在させることもできる。もっとも、この場合には、固定子２５の内部空間に向けて印加される磁力が、周方向に均等であることが好ましい。
　また、永久磁石以外の部分を設ける観点から回転子２１について言及すれば、また、回転子２１を構成する第一永久磁石２２は、その中心部に磁性体金属からなる鉄心を設けてもよい。

　磁気吸引力を利用する形態は、第２実施形態で用いる磁性体２３に変えて永久磁石を用いることによっても実現できる。

　次に、回転子２１の第一永久磁石２２と固定子２５の第二永久磁石２６は、それぞれ一体をなしているが、複数の磁石片を組み合わせることもできる。例えば、図５（ｃ）に示すように、円弧状の永久磁石を円弧状の配列した第二永久磁石２６とすることができる。また、図５（ｂ）に示すように、複数の磁石片を軸線方向に積層することもできる。

　次に、上述した実施形態は、回転子２１をオス型要素とし、固定子２５をメス型要素としているが、この逆、つまり、回転子２１をメス型要素とし、固定子２５をオス型要素にしてもよい。要は、本発明は、回転子２１と固定子２５の一方がオス型要素をなし、回転子２１と固定子２５の他方が、オス型要素が挿入されるメス型要素をなすことができる。

　また、本発明における回転機械としてギアド圧縮機を例にして説明したが、オーバーハング構造を有する他の回転機械、例えば、ターボチャージャ、ファン、ブロワなどにも適用できる。

１　　　ギアド圧縮機
１０　　ロータ
１１　　ロータ軸
１２　　軸本体
１３　　ピニオン
１４Ａ，１４Ｂ　　インペラ
１５Ａ，１５Ｂ　　軸受
２０　　振動抑制機構
２１　　回転子
２２　　第一永久磁石
２３　　磁性体
２５　　固定子
２６　　第二永久磁石
２７　　電磁石
３０　　ケーシング
３１　　入口流路
３３　　圧縮流路
３４　　入口案内翼
３６　　支持軸
４１　　積層鋼板
５２　　制御機構
６０　　弾性要素
６１　　Ｏリング
６２　　減衰要素
６３　　粘性流体
７０　　金属メッシュ
Ｇ　　　間隙

Claims

　ロータ軸と、前記ロータ軸の両端部にそれぞれが固定される一対のインペラと、を備えるロータと、
　前記ロータを収容するケーシングと、
　前記ロータ軸の前記インペラが固定される位置よりも、前記ロータ軸の軸線の方向の中央よりの位置において、前記ロータ軸を前記ケーシングに回転可能に支持する一対の軸受と、
　前記ロータの前記軸線の方向の両端部において、前記軸線の回りに磁気を放射状に付与する振動抑制機構と、を備える、
ことを特徴とする回転機械。
　前記振動抑制機構は、
　磁気反発力、又は、磁気吸引力を前記軸線の回りに放射状に付与する、
請求項１に記載の回転機械。
　前記振動抑制機構は、
　前記ロータの側に設けられ、前記ロータと一体となって回転する回転子と、
　前記ケーシングの側に設けられる固定子と、を備え、
　前記回転子と前記固定子の一方がオス型要素をなし、
　前記回転子と前記固定子の他方が、前記オス型要素が挿入されるメス型要素をなす、
請求項２に記載の回転機械。
　前記振動抑制機構は、
　前記オス型要素と前記メス型要素の両方が永久磁石からなり、
　前記オス型要素と前記メス型要素の間の前記磁気反発力により、振動抑制機能を果たす、
請求項３に記載の回転機械。
　前記振動抑制機構は、
　前記オス型要素が電磁石からなるとともに、前記メス型要素からなり、
　前記オス型要素と前記メス型要素の前記磁気吸引力により、振動抑制機能を果たす、
請求項３に記載の回転機械。
　圧縮対象であるガスが吸い込まれる入口流路に、前記ガスを整流する入口案内翼を備え、
　前記入口流路に対応する前記振動抑制機構の前記固定子は、前記入口案内翼に取り付けられる、
請求項３～請求項５のいずれか一項に記載の回転機械。
　前記振動抑制機構の前記固定子は、
　弾性要素と減衰要素を介して、前記ケーシングに支持される、
請求項３～請求項６のいずれか一項に記載の回転機械。