JP6137983B2 - 多段遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、多段遠心圧縮機に関し、特に、原動機により駆動されブルギヤが設けられる入力軸と、ブルギヤに噛み合うピニオンが設けられる一つ以上の出力軸と、を備える多段型の遠心圧縮機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００８−２３１９３３号公報（特許文献１）がある。この公報には、「外部駆動装置（原動機）により回転駆動される大歯車（ブルギヤ）１２と、大歯車と歯合し高速回転する小歯車（ピニオン）１４と、小歯車軸（出力軸）１３に固定されその軸心を中心に高速回転する羽根車１６と、小歯車軸に固定され大歯車の側面を摺動可能に支持し小歯車軸のスラスト力を大歯車に伝達するスラストカラー１８と、大歯車軸（入力軸）に作用するスラスト力を支持するスラスト軸受２０と、スラスト軸受２０で支持された小歯車軸１３が所定の閾値を超えて軸移動するときにその軸移動を制限するスラスト方向移動量制限器３０とを備える」歯車駆動ターボ圧縮機が開示されている（要約参照）。

また、前記公報には、「大歯車軸１１のスラスト軸受２０で支持された小歯車軸１３が所定の閾値ａを超えて軸移動するときにその軸移動を制限するスラスト方向移動量制限器３０を備えるので、正常な運転時には、大歯車軸１１のスラスト軸受２０により小歯車軸１３の軸移動は所定の閾値ａ以下であり、スラスト方向移動量制限器３０は機能せず、所定の閾値ａを超える過大な軸移動が発生した場合だけ機能してその軸移動を制限する。従って、大歯車軸１１に過大な軸移動が発生した場合に、羽根車１６とケーシングとの過大接触を本質的に回避することができる。」と記載されている（段落［００３１］、［００３２］参照）。

特開２００８−２３１９３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の多段遠心圧縮機は、出力軸である小歯車軸のスラスト方向（軸方向）への移動量を制限することに着目しており、出力軸に発生するスラスト荷重（スラスト方向の荷重）を減少させることについては考慮していない。

このため、特許文献１に記載の多段遠心圧縮機は、出力軸に発生するスラスト荷重によって、摺動部における摩擦損失による圧縮機の効率の低下や、圧縮機の機械的信頼性の低下を招くおそれがある。

本発明は前記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力軸に発生するスラスト荷重を低減して、高効率で機械的信頼性の高い多段遠心圧縮機を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係る多段遠心圧縮機は、原動機により駆動される入力軸と、前記入力軸に設けられるブルギヤと、前記ブルギヤに噛み合うピニオンと、前記ピニオンが設けられる出力軸と、前記出力軸の一端に設けられる第１の遠心羽根車と、前記出力軸の他端に設けられ、前記第１の遠心羽根車よりも流体の流れの下流段側に位置する第２の遠心羽根車と、前記ブルギヤに噛み合う第２のピニオンと、前記第２のピニオンが設けられる第２の出力軸と、前記第２の出力軸に設けられ、前記第２の遠心羽根車の流体の流れの最下流段側に位置する第３の遠心羽根車と、を備え、前記第１の遠心羽根車の外径は、前記第２の遠心羽根車の外径よりも大きく設定されており、前記第３の遠心羽根車は、前記第２の出力軸の軸方向において前記第２の遠心羽根車とは反対側の端部に設けられており、前記ブルギヤ、前記ピニオン、および前記第２のピニオンは、はすば歯車であり、前記ピニオンに軸方向に作用するギヤ荷重が、前記第２の遠心羽根車に軸方向に作用する流体荷重と同じ方向となり、かつ、前記第２のピニオンに軸方向に作用するギヤ荷重が、前記第３の遠心羽根車に軸方向に作用する流体荷重と反対方向となるように、前記はすば歯車のねじれ方向が設定されており、前記第３の遠心羽根車に軸方向に作用する流体荷重が、前記第２の遠心羽根車に軸方向に作用する流体荷重と反対方向とされていることを特徴とする。

本発明によれば、出力軸に発生するスラスト荷重を低減して、高効率で機械的信頼性の高い多段遠心圧縮機を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る多段遠心圧縮機の概略構成を示す水平断面図である。 １段目の遠心羽根車にスラスト方向に作用する流体荷重を説明するための模式図である。 １段目の遠心羽根車および２段目の遠心羽根車により出力軸に発生するスラスト方向の流体荷重を説明するための模式図である。 ブルギヤとピニオンとの噛み合いによってスラスト方向に作用するギヤ荷重を説明するための模式図である。 第１実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。 １段目の遠心羽根車の外径に対する２段目の遠心羽根車の外径の割合と１段目の遠心羽根車の出口部における羽根根元に発生する応力との関係を示す図である。 第２実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。 第３実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。 第４実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。 第５実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。 第６実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下に示す図面において、同一の部材または相当する部材には同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜省略する。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜のため、変形または誇張して模式的に表す場合がある。

〔第１実施形態〕
まず、図１〜図６を参照しながら本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る多段遠心圧縮機の概略構成を示す水平断面図である。

図１に示す多段遠心圧縮機は、原動機（図示せず）と、該原動機の回転駆動力を伝達する増速機部１００と、流体（ガス）を段階的に圧縮する１段目から３段目の圧縮機部１〜３と、圧縮され高温になった流体（ガス）を冷却する冷却装置（図示せず）と、統括的な制御を行う制御部（図示せず）とを有している。

原動機の回転軸（図示せず）には、カップリング（図示せず）を介して増速機部１００の入力軸４が接続される。入力軸４には、大歯車であるブルギヤ２０が取り付けられている。ブルギヤ２０には、２個の小歯車であるピニオン２１とピニオン２２（第２のピニオン）とが噛み合っている。ブルギヤ２０とピニオン２１，２２は、ここでは、振動や騒音の低減の観点から、平歯車よりも噛み合い率の大きいはすば歯車が使用されている。

ピニオン２１は出力軸５と、ピニオン２２は出力軸６（第２の出力軸）と、それぞれ一体に形成されている。入力軸４と２本の出力軸５，６とは、それぞれ互いに平行に配置されている。なお、各ピニオン２１，２２を出力軸５，６と別体に作成し、それらを出力軸５，６にそれぞれ固定するようにして設けてもよい。２本の出力軸５，６には、略円筒形状のスラストカラー６６〜６９が焼嵌されて固定されている。

入力軸４、２本の出力軸５，６、ブルギヤ２０、ピニオン２１、２２、およびスラストカラー６６〜６９は、増速機部１００の構成要素であり、ケーシング１０１に収容されている。ケーシング１０１は、水平面分割構造であり、入力軸４および出力軸５、６の中心軸を含む水平面にほぼ等しい面で、上ケーシングと下ケーシングとに分かれる。上ケーシングと下ケーシングとは、ボルト（図示せず）を用いて結合される。

入力軸４およびブルギヤ２０は、ケーシング１０１に保持された複合軸受６０，６１により回転可能に支持されている。複合軸受６０，６１は、ラジアル方向（半径方向）の荷重（ラジアル荷重）およびスラスト方向（軸方向）の荷重（スラスト荷重）を受けて支持する軸受である。

一方、ピニオン２１，２２がそれぞれ設けられた２本の出力軸５，６は、ケーシング１０１に保持されたラジアル軸受６２〜６５により回転可能に支持されている。なお、出力軸５，６で発生するスラスト荷重は、ブルギヤ２０をギャップ７１，７２（図５参照）を介して挟むように構成されたスラストカラー６６〜６９により受けられて支持される。

複合軸受６０，６１、ラジアル軸受６２〜６５、スラストカラー６６〜６９、ブルギヤ２０、およびピニオン２１，２２等を潤滑するために、潤滑油系統（図示せず）から潤滑油が供給される。複合軸受６０，６１、ラジアル軸受６２〜６５、スラストカラー６６〜６９、ブルギヤ２０、およびピニオン２１，２２等を潤滑するために使用された潤滑油は、原動機の下部に設けられたオイルタンク（図示せず）に戻される。

入力軸４およびブルギヤ２０と複合軸受６０，６１とのスラスト方向の摺動面におけるギャップ７０（図５参照）は、例えば０.２ｍｍ程度である。多段遠心圧縮機の定常運転時は、複合軸受６０または複合軸受６１のいずれか一方がブルギヤ２０の摺動面と接触しており、他方の複合軸受とブルギヤ２０の摺動面とはギャップを保っている。ただし、多段遠心圧縮機の起動・停止時や、多段遠心圧縮機がサージングと呼ばれる小流量域での運転限界範囲を超えて運転される場合には、ブルギヤ２０と接触摺動する複合軸受は、その時の運転状態により異なる。

出力軸５，６およびピニオン２１，２２は、ラジアル軸受６２〜６５によってラジアル方向に支持されている。一方、出力軸５，６およびピニオン２１，２２のスラスト方向の支持は、ブルギヤ２０をギャップ７１，７２（図５参照）を介して挟むように構成されたスラストカラー６６〜６９によって行われる。

スラストカラー６６と６７は、ギャップ７１（図５参照）を介してブルギヤ２０を挟むように出力軸５に焼嵌めされており、それぞれの軸方向内側に位置する摺動面でブルギヤ２０と接触する構造となっている。スラストカラー６６の摺動面とスラストカラー６７の摺動面との間の面間距離は、ブルギヤ２０の両摺動面の間の面間距離よりも例えば０.２ｍｍ程度大きい。すなわち、ブルギヤ２０とスラストカラー６６，６７とのスラスト方向の摺動面におけるギャップ７１（図５参照）は、例えば０.２ｍｍ程度である。多段遠心圧縮機の定常運転時は、スラストカラー６６またはスラストカラー６７のいずれか一方がブルギヤ２０の摺動面と接触しており、他方のスラストカラーの摺動面とブルギヤ２０の摺動面とはギャップを保っている。また、スラストカラー６６，６７は、ケーシング１０１とは、２〜３ｍｍ程度のギャップを保っており接触することはない。なお、出力軸６に固定されたスラストカラー６８，６９については、出力軸５に固定されたスラストカラー６６，６７と同様の構造であるため、説明を省略する。

前記したように、本実施形態に係る多段遠心圧縮機は、原動機により駆動される入力軸４と、入力軸４に設けられるブルギヤ２０と、ブルギヤ２０に噛み合うピニオン２１，２２と、ピニオン２１，２２がそれぞれ設けられる出力軸５，６とを備えている。そして、 出力軸５の一端には、１段目の遠心羽根車（第１の遠心羽根車）１１が設けられ、出力軸５の他端には、１段目の遠心羽根車１１よりも流体の流れの下流段側に位置する２段目の遠心羽根車（第２の遠心羽根車）１２が設けられている。また、出力軸６の一端には、流体の流れの最下流段側に位置する３段目の遠心羽根車１３が設けられている。

図２は、１段目の遠心羽根車１１にスラスト方向に作用する流体荷重（流体力）を説明するための模式図である。

図２に示すように、１段目の遠心羽根車１１が出力軸５の先端に備えられている。シュラウドケーシング１１１が遠心羽根車１１の外側を覆っており、ケーシング１０１が遠心羽根車１１の背面１６を覆っている。また、ケーシング１０１と出力軸５との間には、圧縮流体が圧縮機外に漏れることを防止する軸封装置１５が設置されている。

圧縮機内の流体の圧力は、遠心羽根車１１により昇圧されるため、遠心羽根車１１の上流側よりも下流側の方が高い。また、遠心羽根車１１の背面１６に作用する流体の圧力Ｐ１は、遠心羽根車１１の下流側の圧力とほぼ同じである。そのため、遠心羽根車１１にスラスト方向に作用する流体荷重は、遠心羽根車１１の背面１６に作用する圧縮流体の圧力Ｐ１が支配的な要因となって生じる。したがって、遠心羽根車１１が備えられた出力軸５には、遠心羽根車１１の上流側の流体の流れ方向Ａとは逆方向に、遠心羽根車１１によるスラスト方向の流体荷重Ｆｉが発生する。図２中の符号Ｂは、遠心羽根車１１の下流側の流体の流れ方向を示す。なお、２段目の遠心羽根車１２および３段目の遠心羽根車１３のそれぞれにスラスト方向に作用する流体荷重については、１段目の遠心羽根車１１と同様の原理により生じるため、説明を省略する。

図３は、１段目の遠心羽根車１１および２段目の遠心羽根車１２により出力軸５に発生するスラスト方向の流体荷重を説明するための模式図である。なお、図３において、ピニオン２１等の図示は省略してある。

図３に示すように、出力軸５の一端に１段目の遠心羽根車１１が備えられており、出力軸５の他端に２段目の遠心羽根車１２が備えられている。この場合、遠心羽根車１１の背面１６に圧縮流体の圧力Ｐ１が作用し、遠心羽根車１２の背面１７に圧縮流体の圧力Ｐ２が作用する。ここで、上流段側の遠心羽根車１１の背面１６に作用する圧縮流体の圧力Ｐ１よりも、下流段側の遠心羽根車１２の背面１７に作用する圧縮流体の圧力Ｐ２の方が高い。これは、上流段側の遠心羽根車１１で圧縮された流体が、下流段側の遠心羽根車１２でさらに昇圧されるためである。ただし、上流段側の遠心羽根車１１で圧縮された流体が、図示しない別の遠心羽根車で昇圧され、さらに下流段側の遠心羽根車１２で昇圧されるように構成されることも可能である。これにより、出力軸５全体に発生するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１は、上流段側の遠心羽根車１１から下流段側の遠心羽根車１２への方向に発生する。

図４は、ブルギヤ２０とピニオン２１との噛み合いによってスラスト方向に作用するギヤ荷重（ギヤ力）を説明するための模式図である。

図４は、入力軸４に設けられるブルギヤ２０と出力軸５に設けられるピニオン２１とが、図中の太線で示す部分４０で噛み合っている様子を上から見た図となっている。ブルギヤ２０は、ここでは、図中の矢印で示すように反原動機側から見て時計回りに回転する。また、図４に示すように、後記する理由から、ブルギヤ２０は回転中心となる軸を天地方向に向けて側方から見た場合に歯が左上がりに傾斜している左ねじれのはすば歯車であり、ピニオン２１は回転中心となる軸を天地方向に向けて側方から見た場合に歯が右上がりに傾斜している右ねじれのはすば歯車である。したがって、ピニオン２１は、ブルギヤ２０から右方向へのスラスト方向のギヤ荷重Ｆｐ１を受ける。その反作用として、ブルギヤ２０は、ピニオン２１から左方向へのスラスト方向のギヤ荷重Ｆｂを受ける。なお、ブルギヤ２０とピニオン２２との噛み合いによってスラスト方向に作用するギヤ荷重については、ブルギヤ２０とピニオン２１との噛み合いによるギヤ荷重と同様の原理により生じるため、説明を省略する。

図５は、第１実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。

図５においては、増速機部１００におけるケーシング１０１、入力軸４、ブルギヤ２０、複合軸受６０，６１、出力軸５，６、ピニオン２１，２２、スラストカラー６６〜６９、および遠心羽根車１１〜１３のみを図示しており、説明の便宜上、ラジアル軸受６２〜６５や軸封装置１５等は図示を省略している。また、複合軸受６０，６１は、スラスト方向の荷重を受ける部分のみを図示しており、ラジアル方向の荷重を受ける部分は図示を省略している。

本実施形態では、２本の出力軸５，６のうちの一方の出力軸５の両端に、それぞれ１段目と２段目の遠心羽根車１１，１２が備えられている。そして、出力軸５、ピニオン２１、スラストカラー６６，６７、および遠心羽根車１１，１２は、低圧段ピニオン軸８０を形成している。他方の出力軸６の一端に、３段目の遠心羽根車１３が備えられている。そして、出力軸６、ピニオン２２、スラストカラー６８，６９、および遠心羽根車１３は、高圧段ピニオン軸８１を形成している。なお、図５では、多段遠心圧縮機の作動状態を理解しやすくするため、入力軸４およびブルギヤ２０と複合軸受６０，６１との間のスラスト方向のギャップ７０、ブルギヤ２０とスラストカラー６６，６７との間のスラスト方向のギャップ７１、およびブルギヤ２０とスラストカラー６８，６９との間のスラスト方向のギャップ７２は、誇張して拡大して示している。

高圧段ピニオン軸８１に発生するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２の方が、低圧段ピニオン軸８０に発生するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１よりも大きい。これは、低圧段ピニオン軸８０に発生するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１は、１段目の遠心羽根車１１の背面１６に作用する圧力Ｐ１（図３参照）と２段目の遠心羽根車１２の背面１７に作用する圧力Ｐ２（図３参照）の向きが反対方向であり、互いに相殺するためである。また、３段目の遠心羽根車１３の背面に作用する圧力が、１段目と２段目の遠心羽根車１１，１２の背面１６，１７に作用する圧力Ｐ１，Ｐ２よりも高いためである。そのため、多段遠心圧縮機のブルギヤ２０とピニオン２１，２２のはすば歯車のねじれ方向は、高圧段ピニオン軸８１に発生するスラスト荷重を小さくすることを第一に考えて設定されている。

本実施形態では、高圧段ピニオン軸８１に発生するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２は、原動機側から反原動機側への方向に発生する。したがって、この流体荷重Ｆｉ２を相殺するために、ギヤ荷重Ｆｐ２が反原動機側から原動機側への方向へ発生するようにブルギヤ２０とピニオン２２のはすば歯車のねじれ方向が決定される。本実施形態では、入力軸４およびブルギヤ２０は、反原動機側から見て時計回りに回転する。そのため、ブルギヤ２０は左ねじれのはすば歯車であり、高圧段ピニオン軸８１のピニオン２２は右ねじれのはすば歯車でなければならない。一方、低圧段ピニオン軸８０のピニオン２１は一意的に右ねじれのはすば歯車となり、ギヤ荷重Ｆｐ１は反原動機側から原動機側への方向へ発生する。また、低圧段ピニオン軸８０に発生するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１の方向は、前記したように、反原動機側から原動機側への方向である（図３参照）。

低圧段ピニオン軸８０に発生するスラスト荷重は、低圧段ピニオン軸８０のピニオン２１がブルギヤ２０から受けるスラスト方向のギヤ荷重Ｆｐ１と、低圧段ピニオン軸８０に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１の合力である。したがって、低圧段ピニオン軸８０に作用するスラスト荷重は、反原動機側から原動機側への方向となり、スラストカラー６６により支持される。

一方、高圧段ピニオン軸８１に発生するスラスト荷重は、高圧段ピニオン軸８１のピニオン２２がブルギヤ２０から受けるスラスト方向のギヤ荷重Ｆｐ２と、高圧段ピニオン軸８１に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２の合力である。流体荷重Ｆｉ２の方がギヤ荷重Ｆｐ２よりも通常かなり大きいため、高圧段ピニオン軸８１に作用するスラスト荷重は、原動機側から反原動機側への方向となり、スラストカラー６９により支持される。

ブルギヤ２０に作用するスラスト荷重は、低圧段ピニオン軸８０のスラストカラー６６から受けるスラスト荷重と、高圧段ピニオン軸８１のスラストカラー６９から受けるスラスト荷重との合成荷重Ｆである。ここで、高圧段ピニオン軸８１に作用するスラスト荷重の方が、低圧段ピニオン軸８０に作用するスラスト荷重よりも大きい。したがって、低圧段ピニオン軸８０、高圧段ピニオン軸８１およびブルギヤ２０で構成されるギヤ系全体は、原動機側から反原動機側への方向へスラスト荷重（合成荷重Ｆ）を受ける。

このようにして、本実施形態に係る多段遠心圧縮機のギヤ系全体は、図５の左方向へのスラスト荷重を受ける。その結果、図５に示すような作動状態となる。つまり、反原動機側の複合軸受６１で、ギヤ系全体のスラスト荷重が支持される。そして、低圧段ピニオン軸８０に作用するスラスト荷重は、１段目の遠心羽根車１１側のスラストカラー６６とブルギヤ２０とが接触・摺動することで支持される。また、高圧段ピニオン軸８１に作用するスラスト荷重は、３段目の遠心羽根車１３と反対側のスラストカラー６９とブルギヤ２０とが接触・摺動することで支持される。

ここで、低圧段ピニオン軸８０に発生するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１を低減することができれば、低圧段ピニオン軸８０のスラストカラー６６とブルギヤ２０との接触・摺動面における接触面圧が低減し、摩擦損失が低減して、多段遠心圧縮機全体の効率が向上することになる。

本実施形態では、低圧段ピニオン軸８０に発生するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１を低減させるために、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１（図２および図３も参照）は、２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２（図３も参照）よりも大きく設定されている。そして、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１に対する２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２の割合、すなわち外径比（Ｄ２／Ｄ１）は、０.８以上１.０未満に設定されていることが好ましい。

次に、前記のように構成された多段遠心圧縮機の作用効果について説明する。
本実施形態は、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１を２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２よりも大きくしている。したがって、１段目の遠心羽根車１１の背面１６に作用する流体の圧力Ｐ１の受圧面積が大きくなり、これにより、１段目の遠心羽根車１１に原動機側から反原動機側へのスラスト方向に作用する流体荷重が大きくなる。また、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１を大きくすると、１段目の圧縮機部１での圧力上昇が大きくなるため、２段目の圧縮機部２での圧力上昇を小さくすることができる。つまり、２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２を小さくすることができる。その結果、２段目の遠心羽根車１２の背面１７に作用する圧力Ｐ２の受圧面積が小さくなり、これにより、２段目の遠心羽根車１２に反原動機側から原動機側へのスラスト方向に作用する流体荷重が小さくなる。

したがって、１段目の遠心羽根車１１および２段目の遠心羽根車１２により低圧段ピニオン軸８０に作用する反原動機側から原動機側へのスラスト方向の流体荷重は相対的に小さくなる。すなわち、出力軸５に発生するスラスト荷重が低減される。
これにより、スラストカラー６６とブルギヤ２０との接触・摺動部における摩擦損失が小さくなり、多段遠心圧縮機の効率が向上する。また、出力軸５に焼嵌めされたスラストカラー６６の機械的信頼性が向上し、さらに、スラストカラー６６とブルギヤ２０の摺動面の摩耗量が低減されることから、圧縮機全体の機械的信頼性も向上する。
すなわち、本実施形態によれば、出力軸５に発生するスラスト荷重を低減して、高効率で機械的信頼性の高い多段遠心圧縮機を提供することができる。

また、本実施形態では、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１に対する２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２の割合は、好ましくは０.８以上１.０未満に設定されている。

図６は、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１に対する２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２の割合、すなわち外径比（Ｄ２／Ｄ１）と１段目の遠心羽根車１１の出口部における羽根根元Ｃ（図２参照）に発生する応力σとの関係を示す図である。ここで、遠心力により遠心羽根車１１に生じる応力は、羽根根元Ｃにおいて最大となる。

低圧段ピニオン軸８０に作用するスラスト方向の流体荷重を低減するという観点からは、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１はできる限り大きく、また、２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２はできる限り小さいほうが好ましい。つまり、出力軸５に作用するスラスト荷重を低減するという観点からは、外径比（Ｄ２／Ｄ１）はできる限り小さい方が好ましい。しかし、図６に示すように、外径比（Ｄ２／Ｄ１）が小さくなるにしたがって、１段目の遠心羽根車１１の出口部における羽根根元Ｃに発生する遠心力による応力σが大きくなり、外径比（Ｄ２／Ｄ１）が０．８未満になると、材料の許容値（許容応力）を超える。遠心羽根車の材料としては、例えばステンレス鋼が使用される。図６中に示す従来値は、外径比（Ｄ２／Ｄ１）＝１の場合に発生する応力値である。

図６から、材料等の強度に関する条件を変更しない限りにおいては、応力σが材料の許容値を超えない範囲で、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１を２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２よりも大きくするためには、外径比（Ｄ２／Ｄ１）を０.８以上１.０未満とすればよいことがわかる。このように構成すれば、遠心羽根車１１に発生する応力の増大を抑えつつ、出力軸５に発生するスラスト荷重を低減して、高効率で機械的信頼性の高い多段遠心圧縮機を提供することができる。

また、本実施形態では、ブルギヤ２０およびピニオン２１，２２は、はすば歯車である。そして、ピニオン２２に軸方向に作用するギヤ荷重Ｆｐ２が、最下流段側に位置する３段目の遠心羽根車１３にスラスト方向に作用する流体荷重Ｆｉ２と反対方向となるように、ブルギヤ２０およびピニオン２１，２２のはすば歯車のねじれ方向が設定されている。

このように構成すれば、はすば歯車の使用により振動や騒音の低減を図ることができるとともに、流体荷重Ｆｉ２とギヤ荷重Ｆｐ２とが互いに相殺し合い、最下流段の遠心羽根車１３を備える出力軸６に発生するスラスト荷重を小さくすることができる。これにより、スラストカラー６９とブルギヤ２０との接触・摺動部における摩擦損失が小さくなり、多段遠心圧縮機の効率が向上する。また、出力軸６に焼嵌めされたスラストカラー６９とブルギヤ２０の機械的信頼性が向上し、さらに、スラストカラー６９とブルギヤ２０の摺動面の摩耗量が低減される。また、ギヤ系全体に生じるスラスト荷重（合成荷重Ｆ）が低減されるため、ブルギヤ２０と複合軸受６１との接触・摺動部における摩擦損失も小さくなる。したがって、多段遠心圧縮機の機械的信頼性をさらに高めることができる。

〔第２実施形態〕
次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を適宜省略する。
図７は、第２実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。

図７に示すように、第２実施形態に係る多段遠心圧縮機は４段圧縮機である点で、３段圧縮機である第１実施形態と相違している。すなわち、出力軸６の一端には、３段目の遠心羽根車１３が設けられており、出力軸６の他端には、流体の流れの最下流段側に位置する４段目の遠心羽根車１４が設けられている。

第２実施形態では、第１実施形態と同様に、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１は、２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２よりも大きく設定されている。また、３段目の遠心羽根車１３の外径Ｄ３は、４段目の遠心羽根車１４の外径Ｄ４よりも大きく設定されている。したがって、１段目の遠心羽根車１１および２段目の遠心羽根車１２により出力軸５に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１が相対的に小さくなり、出力軸５に発生するスラスト荷重が低減される。また、３段目の遠心羽根車１３および４段目の遠心羽根車１４により出力軸６に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２が相対的に小さくなり、出力軸６に発生するスラスト荷重が低減される。

また、第２実施形態では、ピニオン２２に軸方向に作用するギヤ荷重Ｆｐ２が、最下流段側に位置する４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重と同じ方向となるように、ブルギヤ２０およびピニオン２１，２２のはすば歯車のねじれ方向が設定されている。これは、第1実施形態と同じブルギヤとピニオンを使用することを前提としている。ここで、４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重は、３段目の遠心羽根車１３にスラスト方向に作用する流体荷重よりも大きい。このため、全体として出力軸６に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２の方向は、４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重の方向と同じであり、反原動機側から原動機側への方向である。

このように第２実施形態によれば、本発明を４段圧縮機にも適用することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

〔第３実施形態〕
次に、図８を参照して、本発明の第３実施形態について、前記した第２実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を適宜省略する。
図８は、第３実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。

図８に示すように、第３実施形態に係る多段遠心圧縮機は、ブルギヤとピニオンのねじれ方向が逆である点で、第２実施形態と相違している。すなわち、ブルギヤは右ねじれのはすば歯車であり、ピニオンは左ねじれのはすば歯車である。

第３実施形態では、第２実施形態と同様に、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１は、２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２よりも大きく設定されている。また、３段目の遠心羽根車１３の外径Ｄ３は、４段目の遠心羽根車１４の外径Ｄ４よりも大きく設定されている。したがって、１段目の遠心羽根車１１および２段目の遠心羽根車１２により出力軸５に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１が相対的に小さくなり、出力軸５に発生するスラスト荷重が低減される。また、３段目の遠心羽根車１３および４段目の遠心羽根車１４により出力軸６に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２が相対的に小さくなり、出力軸６に発生するスラスト荷重が低減される。

また、第３実施形態では、ピニオン２２に軸方向に作用するギヤ荷重Ｆｐ２が、最下流段側に位置する４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重と反対方向となるように、ブルギヤ２０およびピニオン２１，２２のはすば歯車のねじれ方向が設定されている。ここで、４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重は、３段目の遠心羽根車１３にスラスト方向に作用する流体荷重よりも大きい。このため、全体として出力軸６に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２の方向は、４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重の方向と同じであり、反原動機側から原動機側への方向である。したがって、第３実施形態では、ブルギヤ２０は右ねじれのはすば歯車とされ、ピニオン２１，２２は左ねじれのはすば歯車とされている。これにより、流体荷重Ｆｉ２とギヤ荷重Ｆｐ２とが互いに相殺し合い、最下流段の遠心羽根車１４を備える出力軸６に発生するスラスト荷重を小さくすることができる。また、第３実施形態では、ピニオン２１に軸方向に作用するギヤ荷重Ｆｐ１が、２段目の遠心羽根車１２にスラスト方向に作用する流体荷重と反対方向とされている。これにより、流体荷重Ｆｉ１とギヤ荷重Ｆｐ１とが互いに相殺し合い、２段目の遠心羽根車１２を備える出力軸５に発生するスラスト荷重を小さくすることができる。

〔第４実施形態〕
次に、図９を参照して、本発明の第４実施形態について、前記した第２実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を適宜省略する。
図９は、第４実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。

図９に示すように、第４実施形態に係る多段遠心圧縮機は、３段目の羽根車１３と４段目の羽根車１４が備えられる位置が逆である点で、第２実施形態と相違している。

第４実施形態では、第２実施形態と同様に、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１は、２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２よりも大きく設定されている。また、３段目の遠心羽根車１３の外径Ｄ３は、４段目の遠心羽根車１４の外径Ｄ４よりも大きく設定されている。したがって、１段目の遠心羽根車１１および２段目の遠心羽根車１２により出力軸５に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１が相対的に小さくなり、出力軸５に発生するスラスト荷重が低減される。また、３段目の遠心羽根車１３および４段目の遠心羽根車１４により出力軸６に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２が相対的に小さくなり、出力軸６に発生するスラスト荷重が低減される。

また、第４実施形態では、ピニオン２２に軸方向に作用するギヤ荷重Ｆｐ２が、最下流段側に位置する４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重と反対方向となるように、ブルギヤ２０およびピニオン２１，２２のはすば歯車のねじれ方向が設定されている。ここで、４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重は、３段目の遠心羽根車１３にスラスト方向に作用する流体荷重よりも大きい。このため、全体として出力軸６に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ２の方向は、４段目の遠心羽根車１４にスラスト方向に作用する流体荷重の方向と同じであり、原動機側から反原動機側への方向である。したがって、第４実施形態では、ブルギヤ２０は右ねじれのはすば歯車とされ、ピニオン２１，２２は左ねじれのはすば歯車とされている。これにより、流体荷重Ｆｉ２とギヤ荷重Ｆｐ２とが互いに相殺し合い、最下流段の遠心羽根車１４を備える出力軸６に発生するスラスト荷重を小さくすることができる。
また、第４実施形態では、最下流段側に位置する４段目の遠心羽根車１４に軸方向に作用する流体荷重が、２段目の遠心羽根車１２に軸方向に作用する流体荷重と反対方向とされている。これにより、第１実施形態と同様に、流体荷重Ｆｉ１と流体荷重Ｆｉ２とが互いに相殺し合い、入力軸４に発生するスラスト荷重を小さくすることができる。

〔第５実施形態〕
次に、図１０を参照して、本発明の第５実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を適宜省略する。
図１０は、第５実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。

図１０に示すように、第５実施形態に係る多段遠心圧縮機は２段圧縮機である点で、３段圧縮機である第１実施形態と相違している。すなわち、第１実施形態は２本の出力軸５，６を備えているのに対して、第５実施形態は１本の出力軸５を備えている。

第５実施形態では、第１実施形態と同様に、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１は、２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２よりも大きく設定されている。したがって、１段目の遠心羽根車１１および２段目の遠心羽根車１２により出力軸５に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１が相対的に小さくなり、出力軸５に発生するスラスト荷重が低減される。

また、第５実施形態では、ピニオン２１に軸方向に作用するギヤ荷重Ｆｐ１が、最下流段側に位置する２段目の遠心羽根車１２にスラスト方向に作用する流体荷重と同じ方向となるように、ブルギヤ２０およびピニオン２１のはすば歯車のねじれ方向が設定されている。これは、第1実施形態と同じブルギヤとピニオンを使用することを前提としている。ここで、２段目の遠心羽根車１２にスラスト方向に作用する流体荷重は、１段目の遠心羽根車１１にスラスト方向に作用する流体荷重よりも大きい。このため、全体として出力軸５に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１の方向は、２段目の遠心羽根車１２にスラスト方向に作用する流体荷重の方向と同じであり、反原動機側から原動機側への方向である。

このように第５実施形態によれば、本発明を２段圧縮機にも適用することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

〔第６実施形態〕
次に、図１１を参照して、本発明の第６実施形態について、前記した第５実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を適宜省略する。
図１１は、第６実施形態に係る多段遠心圧縮機を模式的に示す水平断面図である。

図１１に示すように、第６実施形態に係る多段遠心圧縮機は、ブルギヤとピニオンのねじれ方向が逆である点で、第５実施形態と相違している。すなわち、ブルギヤは右ねじれのはすば歯車であり、ピニオンは左ねじれのはすば歯車である。

第６実施形態では、第５実施形態と同様に、１段目の遠心羽根車１１の外径Ｄ１は、２段目の遠心羽根車１２の外径Ｄ２よりも大きく設定されている。したがって、１段目の遠心羽根車１１および２段目の遠心羽根車１２により出力軸５に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１が相対的に小さくなり、出力軸５に発生するスラスト荷重が低減される。

また、第６実施形態では、ピニオン２１に軸方向に作用するギヤ荷重Ｆｐ１が、最下流段側に位置する２段目の遠心羽根車１２にスラスト方向に作用する流体荷重と反対方向となるように、ブルギヤ２０およびピニオン２１のはすば歯車のねじれ方向が設定されている。ここで、２段目の遠心羽根車１２にスラスト方向に作用する流体荷重は、１段目の遠心羽根車１１にスラスト方向に作用する流体荷重よりも大きい。このため、全体として出力軸５に作用するスラスト方向の流体荷重Ｆｉ１の方向は、２段目の遠心羽根車１２にスラスト方向に作用する流体荷重の方向と同じであり、反原動機側から原動機側への方向である。したがって、第６実施形態では、ブルギヤ２０は右ねじれのはすば歯車とされ、ピニオン２１は左ねじれのはすば歯車とされている。これにより、流体荷重Ｆｉ１とギヤ荷重Ｆｐ１とが互いに相殺し合い、最下流段の遠心羽根車１２を備える出力軸５に発生するスラスト荷重を小さくすることができる。

以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、前記した実施形態では、多段遠心圧縮機が２〜４段圧縮機である場合について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。すなわち、本発明は、原動機により駆動されブルギヤが設けられる入力軸と、ブルギヤに噛み合うピニオンが設けられる一つ以上の出力軸と、を備える多段型の遠心圧縮機に適用でき、例えば５段以上の多段遠心圧縮機にも適用可能である。

４ 入力軸
５ 出力軸
６ 出力軸（第２の出力軸）
１１ １段目の遠心羽根車
１２ ２段目の遠心羽根車
１３ ３段目の遠心羽根車
１４ ４段目の遠心羽根車
２０ ブルギヤ
２１ ピニオン
２２ ピニオン（第２のピニオン）
６０，６１ 複合軸受
６６〜６９ スラストカラー
Ｄ１〜Ｄ４ 外径
Ｆｉ１，Ｆｉ２ 流体荷重
Ｆｐ１，Ｆｐ２ ギヤ荷重

Claims (2)

1. 原動機により駆動される入力軸と、
   前記入力軸に設けられるブルギヤと、
   前記ブルギヤに噛み合うピニオンと、
   前記ピニオンが設けられる出力軸と、
   前記出力軸の一端に設けられる第１の遠心羽根車と、
   前記出力軸の他端に設けられ、前記第１の遠心羽根車よりも流体の流れの下流段側に位置する第２の遠心羽根車と、
   前記ブルギヤに噛み合う第２のピニオンと、
   前記第２のピニオンが設けられる第２の出力軸と、
   前記第２の出力軸に設けられ、前記第２の遠心羽根車の流体の流れの最下流段側に位置する第３の遠心羽根車と、を備え、
   前記第１の遠心羽根車の外径は、前記第２の遠心羽根車の外径よりも大きく設定されており、
   前記第３の遠心羽根車は、前記第２の出力軸の軸方向において前記第２の遠心羽根車とは反対側の端部に設けられており、
   前記ブルギヤ、前記ピニオン、および前記第２のピニオンは、はすば歯車であり、
   前記ピニオンに軸方向に作用するギヤ荷重が、前記第２の遠心羽根車に軸方向に作用する流体荷重と同じ方向となり、かつ、前記第２のピニオンに軸方向に作用するギヤ荷重が、前記第３の遠心羽根車に軸方向に作用する流体荷重と反対方向となるように、前記はすば歯車のねじれ方向が設定されており、
   前記第３の遠心羽根車に軸方向に作用する流体荷重が、前記第２の遠心羽根車に軸方向に作用する流体荷重と反対方向とされていることを特徴とする多段遠心圧縮機。
2. 前記第１の遠心羽根車の外径に対する前記第２遠心羽根車の外径の割合は、０.８以上１.０未満に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の多段遠心圧縮機。

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