KR20090040837A

KR20090040837A - 스크류 유체 기계

Info

Publication number: KR20090040837A
Application number: KR1020080092978A
Authority: KR
Inventors: 마사끼 마쯔꾸마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2008-09-23
Publication date: 2009-04-27
Also published as: CN101418796B; CN101418796A; JP5017052B2; WO2009054285A1; EP2204584B1; US8459969B2; EP2204584A4; EP2204584A1; US20100209279A1; JP2009103012A; EP2204584B8; KR101218917B1

Abstract

본 발명의 스크류 압축기는 케이싱 내에 서로 맞물려 회전 가능하게 수용되고, 유체를 흡입하고 압축하여 토출하는 암수 한 쌍의 스크류 로터와, 스크류 로터의 적어도 한쪽의 회전축이 되는 로터축에 내환이 고정되고, 케이싱에 외환이 고정되어 로터축의 스러스트력을 받는 메인 스러스트 베어링과, 로터축에 내환이 고정되고, 외환이 케이싱에 대해 이동 가능한 밸런스 베어링과, 밸런스 베어링의 외환을 유지하는 베어링 유지 부재와, 유체압에 의해 베어링 유지 부재를 토출측으로 압박하는 유체압 인가 수단을 구비한다. 이와 같은 구성에 의해, 로터축의 스러스트 하중을 저감시킬 수 있어, 밸런스 피스톤에 의한 회전 부하의 증가와, 밸런스 피스톤의 시일 누설의 위험성이 배제된다.

스크류 유체 기계, 스크류 압축기, 스크류 로터, 스러스트 베어링, 밸런스 베어링

Description

스크류 유체 기계{SCREW FLUID MACHINE}

본 발명은 스크류 유체 기계에 관한 것이다.

암수 맞물리는 스크류 로터에 의해 유체를 압축이나 팽창하는 스크류 유체 기계, 예를 들어 스크류 로터에 의해 유체를 압축하는 스크류 압축기에서는 압축된 유체의 압력이 스크류 로터를 흡입측에 축방향으로 압박하는 스러스트 하중을 발생시킨다. 종래의 스크류 압축기에서는, 토출압을 높게 한 경우에, 이 스러스트 하중을 받는 스러스트 베어링의 수명이 짧아진다는 문제가 있었다.

로터축에 복수의 스러스트 베어링을 설치해도, 실제로는 어느 하나의 스러스트 베어링에 하중이 집중되므로, 스러스트 베어링의 수명을 늘릴 수 없다.

일본 특허 공개 제2002-317782호, 일본 특허 공개 제2004-339994호, 일본 특허 제3766725호에는 스크류 압축기의 스러스트 베어링의 부하를 경감시키기 위해, 로터축의 흡입측의 단부에 실린더에 끼워 맞추어지는 피스톤을 설치하여, 실린더 내로 도입하는 유체의 압력에 의해 로터축을 스러스트 하중에 대향하는 방향으로 압박하는 발명이 기재되어 있다.

그러나, 이들 스크류 압축기의 피스톤은 실린더의 내부에서 로터축과 함께 회전하므로, 피스톤과 실린더 사이의 마찰이나 실린더 내의 유체의 점성 저항이 로터축의 회전 부하를 증대시켜 에너지 효율을 저하시킨다는 문제가 있다. 또한, 피스톤과 실린더 사이의 시일이 마모되어 실린더 내의 압력 유체가 누출된다는 문제가 발생할 가능성이 있다.

상기 문제점을 감안하여, 본 발명은 로터축의 스러스트 하중을 저감시킬 수 있고, 밸런스 피스톤에 의한 회전 부하의 증가와, 밸런스 피스톤의 시일 누설의 위험성을 배제한 스크류 유체 기계를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의한 스크류 유체 기계는, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 서로 맞물려 회전 가능하게 수용되고, 유체를 흡입하여 압축 또는 팽창시켜 토출하는 암수 한 쌍의 스크류 로터와, 상기 스크류 로터의 적어도 한쪽의 회전축이 되는 로터축에 내환(內環)이 고정되고, 상기 케이싱에 외환(外環)이 고정되어 상기 로터축의 스러스트력을 받는 메인 스러스트 베어링과, 상기 로터축에 내환이 고정되고, 외환이 상기 케이싱에 대해 이동 가능한 밸런스 베어링과, 상기 밸런스 베어링의 외환을 유지하는 베어링 유지 부재 및 유체압에 의해 상기 베어링 유지 부재를 상기 로터축의 축방향을 따라서 압박하는 유체압 인가 수단으로 이루어진다.

본 구성에 따르면, 케이싱에 고정하지 않고 유체압에 의해 로터축을 압박하는 밸런스 베어링을 설치함으로써, 케이싱이나 로터축의 치수 변위가 있어도, 메인 스러스트 베어링과 밸런스 베어링으로 스러스트 하중을 분산하여 작용시킬 수 있어, 베어링의 수명이 길다. 또한, 로터축과 함께 회전하는 피스톤을 필요로 하지 않으므로, 피스톤의 회전 저항이 없어, 스러스트 하중을 상쇄하는 유체압의 시일 누설의 위험성도 낮다.

또한, 본 발명의 스크류 유체 기계에 있어서, 상기 밸런스 베어링은, 스크류 압축기에 있어서는 상기 로터축의 흡입측, 스크류 팽창기에 있어서는 상기 로터축의 토출측에 설치하면 좋다.

본 구성에 따르면, 밸런스 베어링이나 유체압 인가 수단이 스크류 로터에서 볼 때, 스크류 압축기에 있어서는 모터나 터빈 등의 원동기, 스크류 팽창기에 있어서는 발전기 등의 부하 기기와는 반대측에 배치되므로, 유체압 인가 수단 등을 배치하는 공간의 확보가 용이해서, 스크류 유체 기계가 대형화되지 않는다.

또한, 본 발명의 스크류 유체 기계에 있어서, 상기 유체압은 스크류 압축기에 있어서는 상기 스크류 로터가 토출한 유체의 압력, 스크류 팽창기에 있어서는 상기 스크류 로터에 흡입되는 유체의 압력이라도 좋다.

본 구성에 따르면, 흡입측 또는 토출측의 고압측의 유체 압력이 높아지면 밸런스 베어링이 분담하는 스러스트 하중이 증가하므로, 메인 스러스트 베어링의 부하를 안정시킬 수 있어, 메인 스러스트 베어링의 수명이 길어진다.

또한, 본 발명의 스크류 유체 기계에 있어서, 상기 유체압 인가 수단은, 스크류 압축기에 있어서는 상기 로터축의 흡입측의 연장선 상에, 스크류 팽창기에 있어서는 상기 로터축의 토출측의 연장선 상에 배치한 밸런스 실린더에 끼워 맞추어지는 밸런스 피스톤과, 상기 밸런스 피스톤과 상기 베어링 유지 부재를 접속하는 압력 전달 부재를 포함해도 된다.

본 구성에 따르면, 로터축과 동축에 밸런스 피스톤을 설치하므로, 밸런스 피 스톤에 대해 정확하게 축방향으로 유체압을 작용시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 스크류 유체 기계에 있어서, 상기 밸런스 실린더는 상기 밸런스 피스톤의 상기 스크류 로터의 흡입측 및 토출측에 각각 폐색 공간을 형성하고, 상기 밸런스 피스톤의 흡입측과 토출측에 각각 상이한 유체압을 작용시켜도 된다.

본 구성에 따르면, 스크류 로터의 흡입측의 유체 압력과 토출측의 유체 압력을 밸런스 피스톤의 양측에 각각 작용시키는 등으로 하여, 스크류 로터에 실제로 작용하는 스러스트 하중에 따라서 밸런스 베어링에 적절한 하중을 배분할 수 있다.

본 발명에 따르면, 케이싱에 고정하지 않고 유체압에 의해 압박하는 밸런스 베어링을 설치함으로써, 메인 스러스트 베어링과 밸런스 베어링에 스러스트 하중을 분산하여 작용시킬 수 있고, 베어링의 수명이 길며, 유체압의 시일 누설의 위험성도 낮다.

본 발명에 따르면, 로터축의 스러스트 하중을 저감시킬 수 있고, 밸런스 피스톤에 의한 회전 부하의 증가와, 밸런스 피스톤의 시일 누설의 위험성을 배제한 스크류 유체 기계를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도1은 본 발명의 스크류 유체 기계의 하나의 실시 형태인 스크류 압축기(1)의 단면을 도시한다. 스크류 압축기(1)는 케이싱(2)의 내부에 서로 맞물리는 암수 한 쌍의 스크류 로터(3)(수형 로터만 도시)를 회전 가능하게 수용하고, 흡입구(4)로부터 유체를 흡입하여 스크류 로터(3)의 회전에 의해 압축하고, 압축된 유체를 토출구(5)로부터 토출한다.

스크류 로터(3)의 회전축인 로터축(6)은 스크류 로터(3)의 양측에 케이싱(2)과의 간극을 밀봉하는 시일 부재(7, 8)와, 래디얼 하중을 받는 래디얼 베어링(9, 10)이 각각 설치되고, 스러스트 하중을 받기 위해, 토출측에 메인 스러스트 베어링(11)과, 흡입측에 밸런스 베어링(12)이 설치되어 있다. 로터축(6)은 토출측의 단부에 도시하지 않은 커플링을 개재하여 도시하지 않은 모터가 접속되어 회전 구동된다.

메인 스러스트 베어링(11)은 내환이 로터축(6)에 고정되고, 외환이 케이싱(2)에 고정되어 있다. 한편, 밸런스 베어링(12)은, 내환은 로터축(6)에 고정되어 있으나, 외환은 케이싱(2)에 고정되지 않은 베어링 유지 부재(13)에 유지되어 있고, 케이싱(2)에 대해 축방향으로 이동 가능하다.

베어링 유지 부재(13)에는 로터축(6)의 축 단부를 씌우는 우산 형상의 압력 전달 부재(14)가 끼워 맞추어져 있다. 또한, 베어링 유지 부재(13)와 케이싱(2) 사이에는 물결 스프링(15)이 설치되어 있다. 압력 전달 부재(14)는 선단부가 로터축(6)의 흡입측의 연장선 상의 케이싱(2)에 형성한 개구(16)에 삽입되고, 개구(16)의 외측을 밀봉하는 다이어프램(17)에 접촉한다. 개구(16)의 외측에는 밸런스 실린더(18)가 설치되고, 밸런스 실린더(18)에 끼워 맞추어지는 밸런스 피스톤(19)이 다이어프램(17)을 개재하여 압력 전달 부재(14)에 접촉 가능하다.

밸런스 실린더(18)는 밸런스 피스톤(19)에 의해 그 내부 공간이 스크류 로터(3)의 흡입측[밸런스 피스톤(19)에서 볼 때, 스크류 로터(3)와 반대측]의 고압 유체실(20)과, 토출측[밸런스 피스톤(19)에서 볼 때, 스크류 로터(3)와 동일한 측]의 저압 유체실(21)로 격리되어 있다. 고압 유체실(20)에는 토출구(5)와 연통하는 도압관(22)이 접속되고, 마찬가지로 저압 유체실(21)에는 스크류 로터(3)의 흡입측의 유체가 도입되도록 되어 있다. 이에 의해, 밸런스 피스톤(18)은 스크류 로터(3)의 토출 압력과 흡입 압력의 차압에 의해, 로터축(6)의 축방향을 따라서 토출측으로 밀어내어, 다이어프램(17)을 개재하여 압력 전달 부재(14)를 압박하고, 이에 의해 베어링 유지 부재(13)를 토출측[밸런스 피스톤(19)으로부터 스크류 로터(3)를 향하는 방향]으로 압박할 수 있다(유체압 인가 수단).

물결 스프링(15)은 밸런스 피스톤(19)에 유체압이 작용하고 있지 않은 상태에서도 밸런스 베어링(12)의 외환이 덜걱거려 베어링이 손상되는 일이 없도록, 베어링 유지 부재(13)를 흡입측[스크류 로터(3)로부터 밸런스 피스톤(19)을 향하는 방향]으로 압박하지만, 그 압력은 매우 작아, 로터축(6)에 작용하는 스러스트 하중의 고찰에 있어서는 무시할 수 있을 정도의 것이다.

스크류 압축기(1)에 있어서, 토출압과 흡입압의 차가 커지면, 스크류 로터(3)를 흡입측으로 밀어내고자 하는 스러스트력이 커지지만, 밸런스 피스톤(19)을 밀어내는 유체압도 커진다. 밸런스 피스톤(19)은 압력 전달 부재(14)를 개재하여 베어링 유지 부재(13)를 흡입측으로 압박하여, 밸런스 베어링(12)을 개재하여 로터축(6)을 토출측으로 압박한다. 즉, 밸런스 피스톤(19)에 작용하는 유체압은 스크 류 로터(3)의 유체 압축에 의해 발생하는 스러스트력을 감쇄하는 방향으로 로터축(6)을 압박하여, 메인 스러스트 베어링(11)의 부하를 경감하여 메인 스러스트 베어링(11)을 장수명화한다.

스크류 압축기(1)에서는 밸런스 베어링(12)의 외환을, 압력 전달 부재(14) 및 밸런스 피스톤(19)과 함께 케이싱(2)에 대해 축방향으로 이동 가능한 베어링 유지 부재(13)에 의해 유지함으로써, 로터축(6)이나 케이싱(2)의 치수 오차나 열팽창이 있었다고 해도, 밸런스 피스톤(19)이 밸런스 실린더(18) 내에서 이동함으로써, 메인 스러스트 베어링(11)과 밸런스 베어링(12) 중 어느 하나에 스러스트력이 집중되는 것을 방지하여, 메인 스러스트 베어링(11)과 밸런스 베어링(12)에 스러스트력을 분산하여 작용시킬 수 있다.

스크류 압축기(1)에서는 스크류 로터(3)에 발생하는 스러스트력을 감쇄하기 위해 유체압을 작용시키는 밸런스 피스톤(19)이, 로터축(6)으로부터 분리되어 있어, 회전할 필요가 없다. 이로 인해, 밸런스 피스톤(19)이 회전 저항이 되어, 스크류 압축기(1)의 효율을 저하시키는 경우가 없다. 또한, 스크류 압축기(1)에서는 밸런스 실린더(18)와의 사이의 시일 열화에 의해, 압축 가스나 시일용 오일이 누출되거나, 유체압이 작용하지 않게 되어 메인 스러스트 베어링(11)에 과대한 부하가 걸리는 경우가 없다.

또한, 본 실시 형태와 같이 밸런스 피스톤(19)의 흡입측의 고압 유체실(20)에 스크류 로터의 토출압, 토출측의 저압 유체실(21)에 흡입압을 작용시킴으로써, 흡입압이 높은 경우에도 스러스트력을 메인 스러스트 베어링(11)과 밸런스 베어 링(12)에 적절하게 배분하여, 베어링의 파손을 효과적으로 방지할 수 있다. 저압 유체실(21)에는 스크류 로터(3)의 냉각ㆍ윤활ㆍ축밀봉용 오일의 주입 압력 등, 다른 기준 압력을 나타내는 유체압을 작용시켜도 좋다.

본 발명의 유체압 인가 수단[밸런스 피스톤(19) 및 압력 전달 부재(14)]은 로터축(6)의 회전으로부터 완전히 분리되어 있으므로, 예를 들어 스크류 로터(3)의 토출측에 밸런스 베어링(12)을 설치하고, 로터축(6)의 주변에 배치한 복수의 유체 실린더에 의해 밸런스 베어링(12)을 토출측으로 압박하도록 구성해도 된다.

또한, 상술한 본 발명의 실시 형태에서는 본 발명의 스크류 유체 기계에 대해 스크류 압축기에 적용한 것을 나타냈다. 그러나, 본 발명의 스크류 유체 기계는 스크류 압축기로 한정되지 않고, 스크류 팽창기(스크류 익스팬더)에 적용해도 된다.

본 발명을 스크류 팽창기에 적용하는 경우에도, 상술한 스크류 압축기와 거의 동일한 구성으로 해도 좋으나, 스크류 로터(3)의 회전 방향 및 유체의 흐름이 반대가 된다. 따라서, 상술한 실시 형태에 있어서의 흡입구(4)는 스크류 팽창기의 토출구(배기구)가 되고, 토출구(5)는 스크류 팽창기의 흡입구(흡기구)가 된다. 스크류 팽창기에서는, 유체는 압축되는 것이 아니라, 팽창함으로써 스크류 로터(3)를 회전시킨다. 따라서, 토출측의 유체의 압력은 흡입측의 유체의 압력보다 낮아진다. 또한, 상술한 스크류 압축기(1)에서는 로터축(6)에 모터 등의 원동기가 접속되지만, 스크류 팽창기의 경우에는 동일한 위치에 발전기 등의 부하 기기가 접속되게 된다.

도1은 본 발명의 하나의 실시 형태의 스크류 압축기의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 스크류 압축기

2 : 케이싱

3 : 스크류 로터

4 : 흡입구

5 : 토출구

6 : 로터축

7, 8 : 시일 부재

9, 10 : 베어링

11 : 메인 스러스트 베어링

12 : 밸런스 베어링

13 : 베어링 유지 부재

18 : 밸런스 실린더

19 : 밸런스 피스톤

Claims

케이싱과,

상기 케이싱 내에 서로 맞물려 회전 가능하게 수용되고, 유체를 흡입하여 압축 또는 팽창시켜 토출하는 암수 한 쌍의 스크류 로터와,

상기 스크류 로터의 적어도 한쪽의 회전축이 되는 로터축에 내환이 고정되고, 상기 케이싱에 외환이 고정되어 상기 로터축의 스러스트력을 받는 메인 스러스트 베어링과,

상기 로터축에 내환이 고정되고, 외환이 상기 케이싱에 대해 이동 가능한 밸런스 베어링과,

상기 밸런스 베어링의 외환을 유지하는 베어링 유지 부재 및

유체압에 의해 상기 베어링 유지 부재를 상기 로터축의 축방향을 따라서 압박하는 유체압 인가 수단으로 이루어지는 스크류 유체 기계.
제1항에 있어서, 상기 스크류 유체 기계는 스크류 압축기이고,

상기 밸런스 베어링은 상기 로터축의 흡입측에 설치되어 있는 스크류 유체 기계.
제1항에 있어서, 상기 스크류 유체 기계는 스크류 압축기이고,

상기 유체압은 상기 스크류 로터가 토출한 유체의 압력인 스크류 유체 기계.
제1항에 있어서, 상기 스크류 유체 기계는 스크류 압축기이고,

상기 유체압 인가 수단은 상기 로터축의 흡입측의 연장선 상에 배치한 밸런스 실린더에 끼워 맞추어지는 밸런스 피스톤과, 상기 밸런스 피스톤과 상기 베어링 유지 부재를 접속하는 압력 전달 부재를 포함하는 스크류 유체 기계.
제4항에 있어서, 상기 밸런스 실린더는 상기 밸런스 피스톤의 상기 스크류 로터의 흡입측 및 토출측에 각각 폐색 공간을 형성하여, 상기 밸런스 피스톤의 흡입측과 토출측에 각각 상이한 유체압을 작용시키는 스크류 유체 기계.
제1항에 있어서, 상기 스크류 유체 기계는 스크류 팽창기이고,

상기 밸런스 베어링은 상기 로터축의 토출측에 설치되어 있는 스크류 유체 기계.
제1항에 있어서, 상기 스크류 유체 기계는 스크류 팽창기이고,

상기 유체압은 상기 스크류 로터가 흡입하는 유체의 압력인 스크류 유체 기계.
제1항에 있어서, 상기 스크류 유체 기계는 스크류 팽창기이고,

상기 유체압 인가 수단은 상기 로터축의 토출측의 연장선 상에 배치한 밸런 스 실린더에 끼워 맞추어지는 밸런스 피스톤과, 상기 밸런스 피스톤과 상기 베어링 유지 부재를 접속하는 압력 전달 부재를 포함하는 스크류 유체 기계.
제8항에 있어서, 상기 밸런스 실린더는 상기 밸런스 피스톤의 상기 스크류 로터의 흡입측 및 토출측에 각각 폐색 공간을 형성하고, 상기 밸런스 피스톤의 흡입측과 토출측에 각각 상이한 유체압을 작용시키는 스크류 유체 기계.