JP2003097487A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高圧下で作動する遠心圧縮機を信頼性高く運転
する。 【解決手段】一軸多段型の遠心圧縮機１では、回転軸２
１に複数の遠心羽根車２、２、・・・が取付けられてい
る。複数の羽根車を流通する作動ガスが機外へ漏洩する
のを防止するためにシール装置２８をいずれの羽根車よ
りも機外側に設ける。このシール装置に溜まるドレーン
を、ドレーン排出装置１２、１３、１５を用いて排出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は遠心圧縮機に係り、
特に炭化水素を含むガスや水素ガスを取扱うのに好適な
高圧仕様の遠心圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】高圧環境下で作動する一軸多段型の遠心
圧縮機では、シール部にドライガスを吹き込み、非接触
でシールする方法が多用される。このドライガスシール
を用いたときには、細かいゴミや水滴が機内に混入する
とトラブルの原因となるために、フィルターを用いて塵
埃や水滴の機内への混入を防止していた。また、シール
ガスが液化すると、遠心圧縮機内部の各部でシール部材
の劣化や腐食を発生する恐れがあり、シールガスが流通
するラインをスチーム等で加熱している。このような圧
縮機の例が、特開平５-２８８１９１号公報に記載され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】圧縮機の設計において
は、運転条件下で理論的にはガスが液化することがない
ように設計される。しかし、作動ガス中に分子量の大き
なガスが予期せずに含まれている場合は、この混入した
ガスが液化する恐れを生ずる。また、シールガスを供給
する過程において冷やされる場合があり、その結果シー
ルガスが液化してフィルターの下流まで運ばれるという
不具合を生じる恐れがあった。上記特開平５-２８８９
１号公報では、スラストバランスラインにスチームトレ
ースまたは電気ヒータを施してシールガスの液化を防止
しているが、圧縮機の高圧化に伴い作動ガス中の成分が
液化することや作動ガスに含まれる不純物の液状成分が
漏洩することについては十分には考慮されていなかっ
た。

【０００４】しかも、圧縮機のドライガスシール部で
は、数μmという小さなギャップを保ちながら２つの部
材が相対運動をしている。その速度は高速であり、液状
の物体が微量混入しても、大きな事故につながる恐れが
ある。

【０００５】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、その目的は高圧下で作動する遠心圧縮
機を信頼性高く運転することにある。

【０００６】

【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、回転軸と、この回転軸に取付
けた複数の遠心羽根車とを有する一軸多段型の遠心圧縮
機において、複数の羽根車を流通する作動ガスの機外へ
の漏洩を防止するシール装置を複数の羽根車のいずれよ
りも回転軸端側の両側に設け、このシール手段に溜まる
ドレーンを排出するドレーン排出装置を設けたことにあ
る。

【０００７】そしてこの特徴において、ドレーン排出装
置は、シール装置に溜まったドレーンを予め設定した時
間間隔で排出するためのタイマーを有していてもよい。
また、複数の羽根車を流通するガスが炭化水素を含むガ
スであってもよい。

【０００８】さらに、シール装置はドライガスシールを
有し、ドレーン排出装置はこのドライガスシール装置が
配設されたシール部に連通する配管と、この配管中に設
けたドレーンポットとドレーン排出用バルブと、このド
レーンポット内のドレーンの液面を測定する液面計とを
含み、液面計が検出したドレーン液面が予め定めた液面
より高いときにはドレーン排出用バルブを開くよう制御
する制御手段をドレーン排出装置に設けるようにしても
よい。

【０００９】上記目的を達成するための本発明の他の特
徴は、回転軸端部にシール装置を備え、水素ガスまたは
炭化水素ガスを作動流体とする遠心圧縮機であって、シ
ール装置はタンデム型に配置された１次ガスシールと２
次ガスシールとを有し、この１次ガスシールの上流側に
はシールガスの吹き込み部が形成されており、１次ガス
シールと吹き込み部との間からドレンを排出するドレー
ン排出装置を設けたものである。

【００１０】そして好ましくは、１次ガスシールと２次
ガスシールは、回転軸側に取付けられ弧状の溝が形成さ
れた回転シールリングとこの回転シールリングに対向す
るカーボン製の静止シールリングとを有するものであ
る。

【００１１】上記目的を達成するための本発明のさらに
他の特徴は、回転軸と、この回転軸に取付けた複数の遠
心羽根車と、回転軸を支承しこの回転軸の両端部に設け
た軸受と、これら回転軸、羽根車及び軸受けを収容する
ケーシングとを備えた遠心圧縮機において、軸受と羽根
車との間に軸方向に複数のシール装置を設け、羽根車と
この羽根車に最も近い位置のシール装置との間に溜まっ
たドレーンを機外に排出するドレーン排出装置を設けた
ものである。

【００１２】この特徴において、ドレーン排出装置は、
羽根車と羽根車に最も近い位置のシール装置との間に形
成される空間に連通する配管と、この配管に介在させた
ドレーンポットと、このドレーンポットの液面を検出す
る液面計と、この配管を閉止可能な弁とを有するもので
もよく、またドレーン排出装置は、羽根車と羽根車に最
も近い位置のシール装置との間に形成される空間に連通
する配管と、この配管に介在させたこの配管を閉止可能
な弁と、この弁を予め定めた時間で開閉するためのタイ
マーとを有するものでもよい。

【００１３】そして、羽根車とこの羽根車に最も近い位
置のシール装置との間にシール用のドライガスを吹込む
ことが可能なドライガス吹込み手段を設けることが好ま
しい。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明に係る遠心圧縮機の一実施
例を、図面を用いて説明する。図１は、一軸多段型遠心
圧縮機の縦断面図である。遠心圧縮機１では、複数の遠
心羽根車２、２、…が同一の回転軸２１に取り付けられ
ている。この回転軸２１は、図示しないガスタービンや
電動機のような駆動機にカップリング２４で接続されて
いる。

【００１５】各段の遠心羽根車２、２、…の下流側、す
なわち外径側には遠心羽根車２が作動ガスに与えた速度
エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ２
２が設けられている。各段のディフューザ２１と次段の
羽根車２とを結ぶ流路として、ディフューザ２２の下流
側にリターンガイド２３が設けられている。回転軸２1
の両端部は、ラジアル軸受２５、２６で半径方向荷重が
支持されるとともに、回転軸に設けたスラストカラー２
７aの両側に保持したスラスト軸受２７で軸方向荷重が
支持されている。

【００１６】ラジアル軸受２５、２６と各段の羽根車
２、２との間には、圧縮機内部を流通する作動ガスが機
外に漏洩するのを防ぐために詳細を後述するシール装置
２８が設けられている。回転軸２1、羽根車２、ディフ
ューザ２２、リターンガイド２３、軸受２５〜２７、お
よびシール装置２８は、ケーシング２９に収容されてい
る。ケーシング２９には、作動ガスを圧縮機１内部に導
くための吸込みノズル３と、圧縮機１内部で圧縮され高
圧になった作動ガスを需要元に導くための吐出ノズル４
が形成されている。また、リターンガイド２３及びディ
フューザ２２の一部は、ケーシング２９に保持されたダ
イヤフラム２９ａにより形成されている。

【００１７】このように構成した本実施例の一軸多段型
遠心圧縮機では、圧縮機が回転駆動されると、吸込みノ
ズル３から炭化水素系の作動ガスが吸込まれ、吸込まれ
た作動ガスは遠心羽根車２で速度エネルギーを付与され
る。その後、ディフューザ２２で圧力回復し、吐出ノズ
ル４から２０ＭＰａ(ゲージ圧)以上もの高圧で排出され
る。ここで、炭化水素系のガスは、主要成分が水素で、
窒素と硫化水素と炭化水素をそれぞれ１ないし３％含
み、水蒸気を僅かに含むものである。

【００１８】この作動ガスは、水素を多量に含むので、
圧縮機の機外に漏れると燃焼や爆発等を引き起こす恐れ
がある。機外へ作動ガスが漏れるのを防止するためのシ
ール装置２８の詳細を図３に示す。図３は、ドライガス
シールを用いたシール装置の縦断面図であり、下半部を
示す。図で右側が機外側であり、左側が機内側である。

【００１９】回転軸２１には、回転スリーブ５１が保持
されている。この回転スリーブ５１には、炭化珪素等の
セラミック製の回転シールリング５３ａ、５３ｂが保持
されている。この回転シールリング５３ａ、５３ｂに対
向してカーボン製の静止シールリング６４ａ、６４ｂが
設けられている。回転シールリング５３ａ、５３ｂの静
止シールリング６４ａ，６４ｂに対向する面には、弧状
の溝が多数形成されている。回転シールリング５３ａと
静止シールリング６４ａとは１次シールを構成してお
り、回転シールリング５３ｂと静止シールリング６４ｂ
とは２次シールを構成している。

【００２０】静止シールリング６４ａ、６４ｂの背面
側、すなわち、回転シールリング５３ａ、５３ｂと対向
する面の反対側にはリテーナ６２ａ、６２ｂが設けられ
ており、ばね部材６３ａ、６３ｂが直接カーボン製の静
止シールリング６４ａ、６４ｂに当接するのを防止して
いる。ばね部材６３ａ、６３ｂの反対端側は、シールハ
ウジング６１a、６１ｂに保持されている。シールハウ
ジング６１ａ、６１ｂとハウジング６０ａ、６０ｂ、６
０ｃとは、シール装置２８の外壁を形成する。回転シー
ルリング５３ａ、５３ｂと回転スリーブ５１との間、静
止シールリング６４ａ、６４ｂとリテーナ６２a、６２
ｂとの間、リテーナ６２a、６２ｂとシールハウジング
６１ａ、６１ｂとの間のシール部材５０を保持する溝に
シール部材が保持されている。これらのシール部材５０
は、圧縮機１内を流通する作動ガス及び後述するシール
ガスがが機外側へ漏出するのを各段階で防止する。

【００２１】図１に示したように、本実施例の一軸多段
圧縮機１では作動ガスの機外側への流出を防止するの
に、回転シールリング５３ａ、５３ｂに形成した溝で発
生した動圧により、静止シールリング６４ａ、６４ｂと
回転シールリング５３ａ、５３ｂ間をシールしている。
そしてこのシール部にシールガスを外部から配管５を用
いて供給し、シール面へのゴミ等の付着を防止してい
る。シールガスは、圧縮機１の第１段羽根車２とシール
装置２８との間、及び最終段羽根車２よりも軸端部側に
設けたラビリンスシール装置２８ｂとシール装置２８と
の間に導かれる。

【００２２】シールガスとしては、回転シールリング５
３ａ、５３ｂと静止シールリング６４ａ、６４ｂとの間
に形成される数μｍのファインギャップを通過できるよ
うに、５〜１０μｍのフィルタを通過した清浄な窒素や
天然ガス、水素等が用いられる。シール装置２８に供給
されたシールガスは、シール上流側チャンバ８の作動ガ
スとともにその一部だけが１次シール部５３ａ、６４ａ
に流入する。

【００２３】１次シール部５３ａ、６４ａのファインギ
ャップを通り抜けたシールガスは、シール中間チャンバ
９に流れ込み、大部分はシールハウジング６０ｂの下側
部分に形成した孔から配管４１を経て図示しない排気ガ
ス処理部へ送られる。残りの一部のシールガス及び漏れ
ガスは、２次シール部５３ｂ、６４のファインギャップ
を通過してシール下流側チャンバ１０に流れ込み、シー
ルハウジング６０ｃの下側部分に形成した孔から配管４
１を経て図示しない排気部に送られる。

【００２４】このように構成した一軸多段圧縮機１を運
転していると、作動ガスに分子量の大きなガスが僅か含
まれていてそのガスが液化したり、あるいはシールガス
中の微小量の水分が冷やされて液化したりしてドレーン
が発生し、このドレーンがシール装置２８に流入する場
合がある。ところで、一軸多段圧縮機１の吐出圧力は２
０ＭＰａにもなり、また吐出ガス温度も高温になってい
るので、シール装置２８に流入したドレーンが、シール
装置２８の各所に設けたシール部材５０を膨潤させる。

【００２５】この原因としては、回転軸２１の回転に伴
い回転軸２１とともに回転する回転シールリング５３
a、５３ｂが、シール装置の下部に溜まったドレーンを
かき回し、シール部材５０が温度上昇することが原因と
考えられる。特にシール部材５０が樹脂材料とばね部材
からなる場合には、シール部材の設置個所の温度上昇に
より樹脂材料が膨らんだりばね部材のシール力が作動ガ
スの圧力に耐えられず、シール部に隙間を生じたり、シ
ール溝からはみ出すといういう不具合を発生する恐れが
あった。

【００２６】そこで、本発明ではシール装置２８に流入
したドレーンを速やかに圧縮機１外に排出するようにし
ている。図１に、その詳細を示す。吸込み側のシール装
置２８に流入したドレーンは配管４２により、また吐出
側のシール装置２８に流入したドレーンは配管４３によ
り、機外に排出される。これらの配管４２、４３は、配
管４４に合流する。配管４４には、ドレーン排出用の制
御弁１２が設けられている。この制御弁１２の開閉を、
タイマ１５を用いて制御する。つまり、制御弁１２が閉
じられてから所定時間経過すると、タイマ１５は制御弁
１２に接続されたソレノイドバルブ１３を作動させる。
ソレノイドバルブ１２が作動すると、制御弁１２に操作
空気１４が供給され、制御弁１２が予め定めた時間だけ
開き、シールガスとともにドレーンを速やかに機外に排
出する。

【００２７】図２に、ドレーンを機外に導く他の実施例
を示す。本実施例が図１に示した実施例と異なるのは、
タイマーを用いて定期的にドレーンを排出する代わりに
ドレーンタンクを設けてドレーンが所定量タンクに溜ま
ったら、機外に排出するようにしたことにある。合流配
管４４の下流に、ドレーンタンク１６を設けている。そ
して、ドレーンタンク１６にはドレーンの液面を検出す
るレベルスイッチ１７が取り付けられている。ドレーン
タンク１６内のドレーンの高さが所定の高さになったこ
とをレベルスイッチ１７が検出すると、ドレーンタンク
１７の下流に設けた制御弁１２にソレノイドバルブ１３
を介して操作空気１４が供給される。これにより、圧縮
機１のシール装置２８に過大なドレーンが溜まるのを防
止できる。

【００２８】なお、上記いずれの実施例にいても、制御
弁１２をソレノイドバルブ１３で制御していたが、その
他の電気的手段であってもよいことは言うまでも無い。
ただし、この配管４２〜４４４には、作動ガスの吐出圧
力に近い圧力が加わる恐れがあるので、耐圧性を考慮し
た構造とする必要がある。そのため上記実施例では耐圧
構造が比較的容易に得られるドレーンタンクや制御弁を
採用している。

【００２９】また、上記実施例ではタイマでドレンの排
出時期を制御しているが、ドレーン排出配管４２、４３
の圧力を検出して制御するようにしてもよいし、制御弁
の開時間をドレーン排出量に応じて変化させるようにし
てもよい。

【００３０】また、上記実施例では多段の遠心圧縮機を
取り上げたが、単段の遠心圧縮機で高圧仕様の場合にも
同様に扱える。つまり、化学プラントなどで用いる水素
圧縮機のような圧縮機では、羽根車を１段しか有しない
にもかかわらず、吸込み圧力が高圧であるので、吐出圧
力も高圧となる。軸受部は大気雰囲気であるから、シー
ル部前後の差圧は上記実施例と同程度になる。このよう
な遠心圧縮機では、水素ガスに僅かに含まれる不純物の
高分子量のガスが液化し、ドレーンを発生する場合があ
る。そこで、シールガスに水素等を用い、上記のように
ドレーン排出装置を設ければり、ドレーン発生時の不具
合を解消できる。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、分子
量の大きいガスが含まれるプロセスガスを圧縮する遠心
圧縮機において、シール部に溜まるドレーンを自動的に
排出するようにしたので、ドライガスシールでのトラブ
ルを未然に防止でき、遠心圧縮機を信頼性高く運転でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一軸多段遠心圧縮機の一実施例の
縦断面図。

【図２】本発明に係る一軸多段遠心圧縮機の他の実施例
の縦断面図。

【図３】図１または図２に示した圧縮機に用いるシール
装置の詳細縦断面図である

【符号の説明】

１…遠心圧縮機本体、２…羽根車、３…吸込ノズル、４
…吐出ノズル、５…シールガス供給配管、８…シール上
流側チャンバ、９…シール中間チャンバ、１０…シール
下流側チャンバ、１２…制御弁、１３…ソレノイドバル
ブ、１５…タイマ、１６…ドレーンタンク、１７…レベ
ルスイッチ、２８…シール装置、４１…排気配管、４
２、４３、４４…ドレーン配管、５０…シール部材、５
１…回転スリーブ、５３ａ、５３ｂ…回転シールリン
グ、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ…シールハウジング、６３
ａ、６３ｂ…ばね部材、６４ａ、６４ｂ…静止シールリ
ング。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H022 AA02 BA06 CA32 DA05 DA09 3H045 AA06 AA08 AA25 BA41 CA14 DA00

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸と、この回転軸に取付けた複数の遠
   心羽根車とを有する一軸多段型の遠心圧縮機において、
   前記複数の羽根車を流通する作動ガスの機外への漏洩を
   防止するシール装置を前記複数の羽根車のいずれよりも
   回転軸端側の両側に設け、このシール装置に溜まるドレ
   ーンを排出するドレーン排出装置を設けたことを特徴と
   する遠心圧縮機。
2. 【請求項２】前記ドレーン排出装置は、シール装置に溜
   まったドレーンを予め設定した時間間隔で排出するため
   のタイマーを有することを特徴とする請求項１に記載の
   遠心圧縮機。
3. 【請求項３】前記複数の羽根車を流通するガスが炭化水
   素を含むガスであることを特徴とする請求項１に記載の
   遠心圧縮機。
4. 【請求項４】前記シール装置はドライガスシールを有
   し、前記ドレーン排出装置はこのドライガスシール装置
   が配設されたシール部に連通する配管と、この配管中に
   設けたドレーンポットとドレーン排出用バルブと、この
   ドレーンポット内のドレーンの液面を測定する液面計と
   を含み、前記液面計が検出したドレーン液面が予め定め
   た液面より高いときには前記ドレーン排出用バルブを開
   くよう制御する制御手段をドレーン排出装置が有するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
5. 【請求項５】回転軸端部にシール装置を備え、水素ガス
   または炭化水素ガスを作動流体とする遠心圧縮機であっ
   て、前記シール装置はタンデム型に配置された１次ガス
   シールと２次ガスシールとを有し、この１次ガスシール
   の上流側にはシールガスの吹き込み部が形成されてお
   り、前記１次ガスシールと前記吹き込み部との間からド
   レンを排出するドレーン排出装置を設けたことを特徴と
   する遠心圧縮機。
6. 【請求項６】前記１次ガスシールと２次ガスシールは、
   回転軸側に取付けられ弧状の溝が形成された回転シール
   リングとこの回転シールリングに対向するカーボン製の
   静止シールリングとを有することを特徴とする請求項５
   に記載の型遠心圧縮機。
7. 【請求項７】回転軸と、この回転軸に取付けた複数の遠
   心羽根車と、回転軸を支承しこの回転軸の両端部に設け
   た軸受と、これら回転軸、羽根車及び軸受けを収容する
   ケーシングとを備えた一軸多段型遠心圧縮機において、
   前記軸受と前記羽根車との間に軸方向に複数のシール装
   置を設け、前記羽根車とこの羽根車に最も近い位置のシ
   ール装置との間に溜まったドレーンを機外に排出するド
   レーン排出装置を設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
8. 【請求項８】前記ドレーン排出装置は、羽根車と羽根車
   に最も近い位置のシール装置との間に形成される空間に
   連通する配管と、この配管に介在させたドレーンポット
   と、このドレーンポットの液面を検出する液面計と、こ
   の配管を閉止可能な弁とを有することを特徴とする請求
   項７に記載の遠心圧縮機。
9. 【請求項９】前記ドレーン排出装置は、羽根車と羽根車
   に最も近い位置のシール装置との間に形成される空間に
   連通する配管と、この配管に介在させたこの配管を閉止
   可能な弁と、この弁を予め定めた時間で開閉するための
   タイマーとを有することを特徴とする請求項７に記載の
   遠心圧縮機。
10. 【請求項１０】羽根車とこの羽根車に最も近い位置のシ
    ール装置との間にシール用のドライガスを吹込むことが
    可能なドライガス吹込み手段を設けたことを特徴とする
    請求項７に記載の遠心圧縮機。