JP2009103012A - スクリュ流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ軸のスラスト荷重を低減でき、バランスピストンによる回転負荷の増加と、バランスピストンのシール漏れの危険性とを排除したスクリュ流体機械を提供する。
【解決手段】スクリュ圧縮機１は、ケーシング２内に互いに咬合して回転可能に収容され、流体を吸込んで圧縮して吐出する雌雄一対のスクリュロータ３と、スクリュロータ３の少なくとも一方の回転軸となるロータ軸６に内環が固定され、ケーシング２に外環が固定されてロータ軸６のスラスト力を受ける主スラスト軸受１１と、ロータ軸６に内環が固定され、外環がケーシング２に対して移動可能なバランス軸受１２と、バランス軸受１２の外環を保持する、軸受保持部材１３と、流体圧によって軸受保持部材１３を吐出側に押圧する流体圧印加手段１４，１９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、スクリュ流体機械に関する。

雌雄咬合するスクリュロータで流体を圧縮や膨張するスクリュ流体機械、例えば、スクリュロータで流体を圧縮するスクリュ圧縮機では、圧縮した流体の圧力がスクリュロータを吸込側に軸方向に押圧するスラスト荷重を発生させる。従来のスクリュ圧縮機では、吐出圧を高くした場合に、このスラスト荷重を受けるスラスト軸受の寿命が短くなるという問題があった。

ロータ軸に複数のスラスト軸受を設けても、実際には、いずれか１つのスラスト軸受に荷重が集中するため、スラスト軸受の寿命を伸ばすことができない。

特許文献１から３には、スクリュ圧縮機のスラスト軸受の付加を軽減するために、ロータ軸の吸込側の端部にシリンダに嵌合するピストンを設け、シリンダ内に導入する流体の圧力によってロータ軸をスラスト荷重に対向する方向に押圧する発明が記載されている。

しかしながら、これらのスクリュ圧縮機のピストンは、シリンダの内部でロータ軸とともに回転するため、ピストンとシリンダとの間の摩擦やシリンダ内の流体の粘性抵抗がロータ軸の回転負荷を増大させてエネルギー効率を低下させるという問題がある。また、ピストンとシリンダとの間のシールが摩耗し、シリンダ内の圧力流体が漏出するという不具合が発生する可能性がある。
特開２００２−３１７７８２号公報 特開２００４−３３９９９４号公報 特許第３７６６７２５号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、ロータ軸のスラスト荷重を低減でき、バランスピストンによる回転負荷の増加と、バランスピストンのシール漏れの危険性とを排除したスクリュ流体機械を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によるスクリュ流体機械は、ケーシング内に互いに咬合して回転可能に収容され、流体を吸い込んで圧縮または膨張して吐出する雌雄一対のスクリュロータと、前記スクリュロータの少なくとも一方の回転軸となるロータ軸に内環が固定され、前記ケーシングに外環が固定されて前記ロータ軸のスラスト力を受ける主スラスト軸受と、前記ロータ軸に内環が固定され、外環が前記ケーシングに対して移動可能なバランス軸受と、前記バランス軸受の外環を保持する、軸受保持部材と、流体圧によって前記軸受保持部材を前記ロータ軸の軸方向に沿って押圧する流体圧印加手段とを備えるものとする。

この構成によれば、ケーシングに固定せずに流体圧によってロータ軸を押圧するバランス軸受を設けたことで、ケーシングやロータ軸の寸法変位があっても、主スラスト軸受とバランス軸受とにスラスト荷重を分散して作用させることができ、軸受の寿命が長い。また、ロータ軸とともに回転するピストンを必要としないので、ピストンの回転抵抗がなく、スラスト荷重を相殺する流体圧のシール漏れの危険性も低い。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記バランス軸受は、スクリュ圧縮機においては前記ロータ軸の吸込側、スクリュ膨張機においては前記ロータ軸の吐出側に設けるとよい。

この構成によれば、バランス軸受や流体圧印加手段がスクリュロータから見て、スクリュ圧縮機においてはモータやタービンなどの原動機、スクリュ膨張機においては発電機などの負荷機器とは反対側に配置されるので、流体圧印加手段等を配置するスペースの確保が容易であり、スクリュ流体機械が大型化しない。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記流体圧は、スクリュ圧縮機においては前記スクリュロータが吐出した流体の圧力、スクリュ膨張機においては前記スクリュロータに吸い込む流体の圧力であってもよい。

この構成によれば、吸込側または吐出側の高圧側の流体圧力が高くなるとバランス軸受が分担するスラスト荷重が増加するので、主スラスト軸受の負荷を安定させることができ、主スラスト軸受の寿命が長くなる。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記流体圧印加手段は、スクリュ圧縮機においては前記ロータ軸の吸込側の延長線上に、スクリュ膨張機においては前記ロータ軸の吐出側の延長線上に配設したバランスシリンダに嵌合するバランスピストンと、前記バランスピストンと前記軸受保持部材とを接続する圧力伝達部材とを含んでもよい。

この構成によれば、ロータ軸と同軸にバランスピストンを設けるので、バランスピストンに対して正確に軸方向に流体圧を作用させることができる。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記バランスシリンダは、前記バランスピストンの前記スクリュロータの吸込側および吐出側にそれぞれ閉塞空間を形成し、前記バランスピストンの吸込側と吐出側とにそれぞれ異なる流体圧を作用させてもよい。

この構成によれば、スクリュロータの吸込側の流体圧力と吐出側の流体圧力をバランスピストンの両側にそれぞれ作用させるなどして、スクリュロータに実際に作用するスラスト荷重に応じて、バランス軸受に適切な荷重を配分できる。

本発明によれば、ケーシングに固定せずに流体圧によって押圧するバランス軸受を設けたことで、主スラスト軸受とバランス軸受とにスラスト荷重を分散して作用させることができ、軸受の寿命が長く、流体圧のシール漏れの危険性も低い。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のスクリュ流体機械の１つの実施形態であるスクリュ圧縮機１の断面を示す。スクリュ圧縮機１は、ケーシング２の内部に、互いに咬合する雌雄一対のスクリュロータ３（雄ロータのみ図示）を回転可能に収容し、吸込口４から流体を吸い込んでスクリュロータ３の回転によって圧縮し、圧縮した流体を吐出口５から吐出する。

スクリュロータ３の回転軸であるロータ軸６は、スクリュロータ３の両側に、ケーシング２との隙間を封止するシール部材７，８と、ラジアル荷重を受けるラジアル軸受９，１０とがそれぞれ設けられ、スラスト荷重を受けるために、吐出側に主スラスト軸受１１と、吸込側にバランス軸受１２とが設けられている。ロータ軸６は、吐出側の端部に不図示のカップリングを介して図示しないモータが接続され、回転駆動される。

主スラスト軸受１１は、内環がロータ軸６に固定され、外環がケーシング２に固定されている。一方、バランス軸受１２は、内環はロータ軸６に固定されているものの、外環はケーシング２に固定されない軸受保持部材１３に保持されており、ケーシング２に対して軸方向に移動可能である。

軸受保持部材１３には、ロータ軸６の軸端部を被う傘状の圧力伝達部材１４が嵌合している。また、軸受保持部材１３とケーシング２との間には、波ばね１５が設けられている。圧力伝達部材１４は、先端が、ロータ軸６の吸込側の延長線上のケーシング２に設けた開口１６に挿入され、開口１６の外側を封止するダイアフラム１７に当接する。開口１６の外側には、バランスシリンダ１８が設けられ、バランスシリンダ１８に嵌合するバランスピストン１９がダイアフラム１７を介して圧力伝達部材１４に当接可能である。

バランスシリンダ１８は、バランスピストン１９によってその内部空間がスクリュロータ３の吸込側（バランスピストン１９から見て、スクリュロータ３と反対側）の高圧流体室２０と、吐出側（バランスピストン１９から見て、スクリュロータ３と同じ側）の低圧流体室２１とに隔離されている。高圧流体室２０には、吐出口５と連通する導圧管２２が接続され、同様に、定圧流体室２１には、スクリュロータ３の吸込側の流体が導入されるようになっている。これにより、バランスピストン１８は、スクリュロータ３の吐出圧力と吸込圧力との差圧によって、ロータ軸６の軸方向に沿って吐出側に押し出され、ダイアフラム１７を介して圧力伝達部材１４を押圧し、これにより、軸受保持部材１３を吐出側（バランスピストン１９からスクリュロータ３に向かう方向）に押圧することができる（流体圧印加手段）。

波ばね１５は、バランスピストン１９に流体圧が作用していない状態でも、バランス軸受１２の外環がガタついてベアリングが損傷することのないように、軸受保持部材１３を吸込側（スクリュロータ３からバランスピストン１９に向かう方向）に押圧するが、その圧力は非常に小さく、ロータ軸６に作用するスラスト荷重の考察においては無視できる程度のものである。

スクリュ圧縮機１において、吐出圧と吸込圧との差が大きくなると、スクリュロータ３を吸込側に押し出そうとするスラスト力が大きくなるが、バランスピストン１９を押し出す流体圧も大きくなる。バランスピストン１９は、圧力伝達部材１４を介して軸受保持部材１３を吸込側に押圧し、バランス軸受１２を介してロータ軸６を吐出側に押圧する。つまり、バランスピストン１９に作用する流体圧は、スクリュロータ３の流体圧縮により生じるスラスト力を減殺する方向にロータ軸６を押圧し、主スラスト軸受１１の負荷を軽減して、主スラスト軸受１１を長寿命化する。

スクリュ圧縮機１では、バランス軸受１２の外環を、圧力伝達部材１４およびバランスピストン１９とともにケーシング２に対して軸方向に移動可能な軸受保持部材１３で保持したことで、ロータ軸６やケーシング２の寸法誤差や熱膨張があったとしても、バランスピストン１９がバランスシリンダ１８内で移動することで、主スラスト軸受１１とバランス軸受１２とのいずれかにスラスト力が集中することを防ぎ、主スラスト軸受１１とバランス軸受１２とにスラスト力を分散して作用させることができる。

スクリュ圧縮機１では、スクリュロータ３に発生するスラスト力を減殺するために流体圧を作用させるバランスピストン１９が、ロータ軸６から切り離されており、回転する必要がない。このため、バランスピストン１９が回転抵抗となり、スクリュ圧縮機１の効率を低下させることがない。また、スクリュ圧縮機１では、バランスシリンダ１８との間のシール劣化によって、圧縮ガスやシール用油が漏出したり、流体圧が作用しなくなって主スラスト軸受１１に過大な負荷がかかることがない。

また、本実施形態のように、バランスピストン１９の吸込側の高圧流体室２０にスクリュロータの吐出圧、吐出側の低圧流体室２１に吸込圧を作用させることで、吸込圧が高い場合にも、スラスト力を主スラスト軸受１１とバランス軸受１２とに適切に配分して、軸受の破損を効果的に防止できる。低圧流体室２１には、スクリュロータ３の冷却・潤滑・軸封用油の注入圧力など、他の基準圧力を示す流体圧を作用させてもよい。

本発明の流体圧印加手段（バランスピストン１９および圧力伝達部材１４）は、ロータ軸６の回転から完全に切り離されているので、例えば、スクリュロータ３の吐出側にバランス軸受１２を設け、ロータ軸６の周りに配置した複数の流体シリンダでバランス軸受１２を吐出側に押圧するように構成してもよい。

なお、上述の本発明の実施形態では、本発明のスクリュ流体機械について、スクリュ圧縮機に適用したものを示した。しかしながら、本発明のスクリュ流体機械は、スクリュ圧縮機に限定されず、スクリュ膨張機（スクリュエキスパンダ）に適用してもよい。

本発明をスクリュ膨張機に適用する場合にも、上述のスクリュ圧縮機と略同じ構成でよいが、スクリュロータ３の回転方向および流体の流れが逆になる。したがって、上述の実施形態における吸込口４はスクリュ膨張機の吐出口（排気口）となり、吐出口５はスクリュ膨張機の吸込口（吸気口）となる。スクリュ膨張機では、流体は圧縮されるのではなく、膨張することによってスクリュロータ３を回転させる。よって、吐出側の流体の圧力は、吸込側の流体の圧力より低くなる。また、上述のスクリュ圧縮機１では、ロータ軸６に、モータ等の原動機が接続されるが、スクリュ膨張機の場合には、同様の位置に、発電機等の負荷機器が接続されることになる。

本発明の１つの実施形態のスクリュ圧縮機の断面図。

符号の説明

１ スクリュ圧縮機（スクリュ流体機械）
２ ケーシング
３ スクリュロータ
４ 吸込口
５ 吐出口
６ ロータ軸
１１ 主スラスト軸受
１２ バランス軸受
１３ 軸受保持部材
１４ 圧力伝達部材
１８ バランスシリンダ
１９ バランスピストン
２０ 高圧流体室
２１ 低圧流体室

Claims (9)

1. ケーシング内に互いに咬合して回転可能に収容され、流体を吸い込んで圧縮または膨張して吐出する雌雄一対のスクリュロータと、
   前記スクリュロータの少なくとも一方の回転軸となるロータ軸に内環が固定され、前記ケーシングに外環が固定されて前記ロータ軸のスラスト力を受ける主スラスト軸受と、
   前記ロータ軸に内環が固定され、外環が前記ケーシングに対して移動可能なバランス軸受と、
   前記バランス軸受の外環を保持する、軸受保持部材と、
   流体圧によって前記軸受保持部材を前記ロータ軸の軸方向に沿って押圧する流体圧印加手段とを備えることを特徴とするスクリュ流体機械。
2. 前記スクリュ流体機械は、スクリュ圧縮機であって、
   前記バランス軸受は、前記ロータ軸の吸込側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ流体機械。
3. 前記スクリュ流体機械は、スクリュ圧縮機であって、
   前記流体圧は、前記スクリュロータが吐出した流体の圧力であることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュ流体機械。
4. 前記スクリュ流体機械は、スクリュ圧縮機であって、
   前記流体圧印加手段は、前記ロータ軸の吸込側の延長線上に配設したバランスシリンダに嵌合するバランスピストンと、前記バランスピストンと前記軸受保持部材とを接続する圧力伝達部材とを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスクリュ流体機械。
5. 前記スクリュ流体機械は、スクリュ圧縮機であって、
   前記バランスシリンダは、前記バランスピストンの前記スクリュロータの吸込側および吐出側にそれぞれ閉塞空間を形成し、前記バランスピストンの吸込側と吐出側とにそれぞれ異なる流体圧を作用させることを特徴とする請求項４に記載のスクリュ流体機械。
6. 前記スクリュ流体機械は、スクリュ膨張機であって、
   前記バランス軸受は、前記ロータ軸の吐出側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ流体機械。
7. 前記スクリュ流体機械は、スクリュ膨張機であって、
   前記流体圧は、前記スクリュロータが吸い込む流体の圧力であることを特徴とする請求項の１または６に記載のスクリュ流体機械。
8. 前記スクリュ流体機械は、スクリュ膨張機であって、
   前記流体圧印加手段は、前記ロータ軸の吐出側の延長線上に配設したバランスシリンダに嵌合するバランスピストンと、前記バランスピストンと前記軸受保持部材とを接続する圧力伝達部材とを含むことを特徴とする請求項１，６，７のいずれかに記載のスクリュ流体機械。
9. 前記スクリュ流体機械は、スクリュ膨張機であって、
   前記バランスシリンダは、前記バランスピストンの前記スクリュロータの吸込側および吐出側にそれぞれ閉塞空間を形成し、前記バランスピストンの吸込側と吐出側とにそれぞれ異なる流体圧を作用させることを特徴とする請求項８に記載のスクリュ流体機械。

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