JP2009052434A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】歯の強度を十分に確保しつつ、ラビリンスシールにおける不安定流体力の発生低減の効果を向上させることができる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】ケーシング１と、ケーシング１内に回転可能に設けられ羽根車３を有するロータ４と、ケーシング１とロータ４との隙間に設けられ、その隙間における高圧側から低圧側への流体の漏れを抑制するラビリンスシール１２，１３，１４とを備え、ロータ４の回転により気体を圧縮する遠心圧縮機において、例えばバランスピストンラビリンスシール１４は、歯１５ａ〜１５ｌと、歯１５ａ〜１５ｌの間に形成された歯溝１６ｂ，１６ｄ，１６ｆ，１６ｈ，１６ｊと、歯１５ａ〜１５ｌの間に形成され、歯溝１６ｂ等の各々の両隣に位置しかつ互いに隣り合わないように配置された歯溝１６ａ，１６ｃ，１６ｅ，１６ｇ，１６ｉ，１６ｋとを有し、歯溝１６ａ等の深さ寸法Ｈｂは歯溝１６ｂ等の深さ寸法Ｈａより長くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心圧縮機に係わり、特に、ケーシングとロータとの隙間にラビリンスシールを設けた遠心圧縮機に関する。

例えば一軸多段遠心圧縮機は、ケーシングと、このケーシング内に回転可能に設けられた回転軸及びこの回転軸に装着された複数段の羽根車を有するロータとを備え、ロータの回転により気体を圧縮する。また、ケーシングとロータとの隙間には、高圧側から低圧側への流体の漏れを抑制するラビリンスシール（詳細には、例えば羽根車口金ラビリンスシール、中間段ラビリンスシール、及びバランスピストンラビリンスシール等）が設けられている。

このラビリンスシールにおいて、流体の漏れ流速が周方向成分を持つと、周方向圧力分布に不平衡が生じ、ロータの不安定振動を引き起こす流体力（以降、不安定流体力と称す）が発生することが知られている。特に、例えばロータが高速回転してラビリンスシールの出入口の差圧が大きくなると、不安定流体力はより大きくなる。そこで、従来、不安定流体力の発生を低減するため、ラビリンスシールの歯（フィン）の高さ寸法（言い換えれば、歯溝の深さ寸法）を長くすることが提唱されている（例えば、非特許文献１参照）。

Iwatsubo, T "STATIC AND DYNAMIC DATA OF LABYRINTH SEAL FOR DESIGN"， ISCORMA-3, 19-23 September 2005 （Fig.1）

しかしながら、上記従来技術には以下のような改善の余地があった。
上記非特許文献１に記載のラビリンスシールでは、全ての歯の高さ寸法（言い換えれば、全ての歯溝の深さ寸法）を同じにしている。このような従来構造では、歯の強度を十分に確保するための歯の高さ寸法に限界があるため、不安定流体力の発生低減の効果にも限界が生じていた。

本発明の目的は、歯の強度を十分に確保しつつ、ラビリンスシールにおける不安定流体力の発生低減の効果を向上させることができる遠心圧縮機を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられ、少なくとも１段の羽根車を有するロータと、前記ケーシングと前記ロータとの隙間に設けられ、前記隙間における高圧側から低圧側への流体の漏れを抑制するラビリンスシールとを備え、前記ロータの回転により気体を圧縮する遠心圧縮機において、前記ラビリンスシールは、複数段の歯と、前記複数段の歯の間に形成された少なくとも１つの第１の歯溝と、前記複数段の歯の間に形成され、前記第１の歯溝の各々の両隣に位置しかつ互いに隣り合わないように配置された複数の第２の歯溝とを有し、前記第２の歯溝の深さ寸法は前記第１の歯溝の深さ寸法より長くする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記第２の歯溝の幅寸法は、前記第１の歯溝の幅寸法より長くする。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記ラビリンスシールは、高圧側から数えて１段目の歯と２段目の歯との間に形成された前記第２の歯溝を有する。

（４）上記（１）において、好ましくは、高圧側に位置する前記第２の歯溝の深さ寸法は、低圧側に位置する前記第２の歯溝の深さ寸法より長くする。

（５）上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられ、少なくとも１段の羽根車を有するロータと、前記ケーシングと前記ロータとの隙間に設けられ、前記隙間における高圧側から低圧側への流体の漏れを抑制するラビリンスシールとを備え、前記ロータの回転により気体を圧縮する遠心圧縮機において、前記ラビリンスシールは、複数段の歯と、前記複数段の歯の間に形成された第１の歯溝と、前記複数段の歯の間に形成され、互いに隣り合う複数の前記第１の歯溝の両外側に位置しかつ互いに隣り合わないように配置された複数の第２の歯溝とを有し、前記第２の歯溝の深さ寸法は前記第１の歯溝の深さ寸法より長くする。

本発明によれば、歯の強度を十分に確保しつつ、ラビリンスシールにおける不安定流体力の発生低減の効果を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の遠心圧縮機の一実施形態の全体構造を表す断面図である。

この図１において、遠心圧縮機は、ケーシング１（静止体）と、このケーシング１内に回転可能に設けられた回転軸２及びこの回転軸２に装着された例えば複数段（図１では７段）の羽根車３を有するロータ４（回転体）とを備えている。ケーシング１には、１段目の羽根車３に気体を導入する吸込流路５と、各段の羽根車３から出た気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ６と、このディフューザ６からの圧縮気体を次段の羽根車３に導入する戻り流路７と、最終段の羽根車３から出た気体を吐出する吐出流路８とが形成されている。

ロータ４の回転軸２は、吸込側（図１中左側）端部及び吐出側（図１中右側）端部に設けられたラジアル軸受９を介し回転可能に支持されている。また、回転軸２の吸込側端部にはスラスト荷重を受けるスラスト軸受１０が設けられ、吐出側端部にはスラスト荷重を相殺するバランスピストン１１が設けられている。また、回転軸２の吐出側端部には回転機等（図示せず）が連結されており、この回転機の駆動によってロータ４が回転するようになっている。そして、ロータ４の回転により、気体が吸込流路５から吸い込まれ、複数段の羽根車３で順次圧縮され、最終的に吐出流路８から吐出されるようになっている。

各段の羽根車３の口金とケーシング１との隙間には、羽根車口金ラビリンスシール１２が設けられており、羽根車３から出た気体がその隙間を通って羽根車３の入口側に戻るのを抑制するようになっている。また、前段の羽根車３と後段の羽根車３との間におけるロータ４の中間段部分とケーシング１との隙間には、中間段ラビリンスシール１３が設けられており、戻り流路７の圧縮気体がその隙間を通って前段の羽根車３の出口側に戻るのを抑制するようになっている。また、ロータ４のバランスピストン１１とケーシング１との隙間には、バランスピストンラビリンスシール１４が設けられており、最終段の羽根車３から出た圧縮気体が低圧部に漏れるのを抑制するようになっている。

次に、本発明の特徴が適用されたバランスピストンラビリンスシール１４の詳細構造及びその作用効果を説明する。図２は、バランスピストンラビリンスシール１４の詳細構造を表す断面図である。なお、この図２において、歯溝の深さ寸法は、便宜上、ロータ４のバランスピストン１１を基準として示している。

図２において、バランスピストンラビリンスシール１４は、バランスピストン１１に対向するケーシング１の一部に軸方向（図２中左右方向）に配設された複数段（図２では１２段）の歯１５ａ〜１５ｌを有し、これら歯１５ａ〜１５ｌの間に歯溝１６ａ〜１６ｋが形成されている。そして、高圧側（図２中左側）から数えて２段目、４段目、６段目、８段目、及び１０段目の歯溝１６ｂ，１６ｄ，１６ｆ，１６ｈ，１６ｊ（以降、適宜、「１６ｂ等」と称す）の深さ寸法をＨａ（例えば全ての歯溝１６ａ〜１６ｊの深さ寸法を同じとした場合に歯１５ａ〜１５ｌの強度を確保するための限界値）とし、１段目、３段目、５段目、７段目、９段目、及び１１段目の歯溝１６ａ，１６ｃ，１６ｅ，１６ｇ，１６ｉ，１６ｋ（以降、適宜、「１６ａ等」と称す）の深さ寸法をＨｂ（但し、Ｈｂ＞Ｈａ）としている。言い換えれば、バランスピストンラビリンスシール１４は、全体にわたって、深い歯溝１６ａ等と浅い歯溝１６ｂ等とを交互に配置している。

このような構造では、１段目の歯溝１６ａ及び３段目の歯溝１６ｃが深くなるものの、２段目の歯溝１６ｂの底部分により２段目及び３段目の歯１５ｂ，１５ｃの根本強度を補うことができ、２段目及び３段目の歯１５ｂ，１５ｃの強度を十分に確保することができる。同様の理由により、４〜１１段目の歯１５ｄ〜１５ｋの強度も十分に確保することができる。

一方で、歯溝１６ａ等の深さ寸法Ｈｂを歯溝１６ｂ等の深さ寸法Ｈａより長くするので、例えば全ての歯溝１６ａ〜１６ｊの深さ寸法をＨａとする場合に比べ、流体の周方向圧力分布に不平衡が生じにくくなり、不安定流体力の発生低減の効果を向上させることができる。また、一般に高圧側に位置する歯溝ほど大きな不安定流体力が生じやすいが、本実施形態では、２段目の歯溝１６ｂではなく１段目の歯溝１６ａを深くするので、例えば１段目の歯溝１６ａではなく２段目の歯溝１６ｂを深くする場合と比べ、不安定流体力の発生低減の効果を向上させることができる。また、本実施形態では、歯溝１６ｂ等の幅寸法（言い換えれば、漏れ流れ方向の寸法）をＷａとし、歯溝１６ａ等の幅寸法をＷｂ（但し、Ｗｂ＞Ｗａ）としている。これにより、ラビリンスシールにおける深い歯溝１６ａ等の占める割合が大きくなり、不安定流体抵抗力の発生低減の効果をさらに向上させることができる。

次に、本発明の特徴が適用された羽根車口金ラビリンスシール１２の詳細構造及びその作用効果を説明する。図３は、羽根車口金ラビリンスシール１２の詳細構造を表す断面図である。なお、この図３において、歯溝の深さ寸法は、便宜上、ロータ４の羽根車３の口金を基準として示している。

図３において、羽根車口金ラビリンスシール１２は、羽根車３の口金の段差部に対向するケーシング４の段差部に軸方向（図３中左右方向）に配設された複数段（図３では４段）の歯１７ａ〜１７ｄを有し、これら歯１７ａ〜１７ｄの間に歯溝１８ａ〜１８ｃが形成されている。そして、高圧側（図２中右側）から数えて２段目の歯溝１８ｂの深さ寸法をＨｃ（例えば全ての歯溝１８ａ〜１８ｃの深さ寸法を同じとした場合に歯１７ａ〜１７ｄの強度を確保するための限界値）とし、１段目及び３段目の歯溝１８ａ，１８ｃの深さ寸法をＨｄ（但し、Ｈｄ＞Ｈｃ）としている。

このような構造では、１段目の歯溝１８ａ及び３段目の歯溝１８ｃが深くなるものの、２段目の歯溝１８ｂの底部分により２段目及び３段目の歯１７ｂ，１７ｃの根本強度を補うことができ、２段目及び３段目の歯１７ｂ，１７ｃの強度を十分に確保することができる。

一方で、歯溝１８ａ，１８ｃの深さ寸法Ｈｄを歯溝１８ｂの深さ寸法Ｈｃより長くするので、例えば全ての歯溝１８ａ〜１８ｃの深さ寸法をＨｃとする場合に比べ、流体の周方向圧力分布に不平衡が生じにくくなり、不安定流体力の発生低減の効果を向上させることができる。また、一般に高圧側に位置する歯溝ほど大きな不安定流体力が生じやすいが、本実施形態では、２段目の歯溝１８ｂではなく１段目の歯溝１８ａを深くするので、例えば１段目の歯溝１８ａではなく２段目の歯溝１８ｂを深くする場合と比べ、不安定流体力の発生低減の効果を向上させることができる。

以上のように本実施形態では、歯の強度を十分に確保しつつ、羽根車口金ラビリンスシール１２及びバランスピストンラビリンスシール１４における不安定流体の発生低減の効果を向上させることができる。その結果、ロータ４の不安定振動を防止し、高速回転や高圧条件下でも遠心圧縮機の運転を安定させることができる。

なお、上記一実施形態においては、バランスピストンラビリンスシール１４は、全体にわたって、深さ寸法Ｈａを有する歯溝と深さ寸法Ｈｂを有する歯溝とを１つずつ交互に配置した構造を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば高圧側の一部にて、深さ寸法の異なる歯溝を１つずつ交互に配置した構造としてもよい。また、例えば歯溝の深さ寸法を３通り以上としてもよい。このような変形例を図４により説明する。

図４は、本変形例によるバランスピストンラビリンスシールの詳細構造を表す断面図である。なお、この図４において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

この変形例において、バランスピストンラビリンスシール１４Ａは、ロータ４のバランスピストン１１に対向するケーシング１に軸方向（図４中左右方向）に配設された複数段（図４では１１段）の歯１５ａ〜１５ｋを有し、これら歯１５ａ〜１５ｋの間に歯溝１９ａ〜１９ｊが形成されている。そして、高圧側（図４中左側）から数えて２段目、４段目、及び６段目〜１０段目の歯溝１９ｂ，１９ｄ，１９ｆ〜１９ｊの深さ寸法をＨａとし、１段目の歯溝１９ａの深さ寸法をＨｅ（但し、Ｈｅ＞Ｈｂ）とし、３段目の歯溝１９ｃの深さ寸法をＨｆ（但し、Ｈｅ＞Ｈｆ＞Ｈｂ）とし、５段目の歯溝１９ｅの深さ寸法をＨｇ（但し、Ｈｆ＞Ｈｇ＞Ｈｂ）としている。言い換えれば、バランスピストンラビリンスシール１４Ａは、高圧側の一部にて、深い歯溝１９ａ，１９ｃ，１９ｅと浅い歯溝１９ｂ，１９ｄとを交互に配置している。また、本変形例では、歯溝１９ａ，１９ｃ，１９ｅの幅寸法をＷａとし、歯溝１９ｂ，１９ｄの幅寸法をＷｂ（但し、Ｗｂ＜Ｗａ）とし、歯溝１９ｆ〜１９ｊの幅寸法をＷａとしている。

このような変形例においても、上記一実施形態と同様、歯の強度を十分に確保しつつ、ラビリンスシールにおける不安定流体の発生低減の効果を向上させることができる。また、本変形例では、上記一実施形態に比べ、比較的深い歯溝の数が少ないため、加工コストを低減することができる。

なお、上記一実施形態及び一変形例においては、バランスピストンラビリンスシール１４，１４Ａは、歯溝の幅寸法を２通りとする場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば３通り以上としてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態及び一変形例においては、バランスピストンラビリンスシール１４，１４Ａは、比較的深い歯溝と比較的浅い歯溝とを１つずつ交互に配置する場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば互いに隣り合う２つ以上の比較的浅い歯溝と１つの比較的深い歯溝とを交互に配置するようにしてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、羽根車口金ラビリンスシール１２は、４段の歯を有する構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば５段以上の歯を有する構成としてもよい。このような構成においては、例えば全体にわたって深さ寸法の異なる歯溝を１つずつ交互に配置してもよいし、また例えば高圧側の一部にて深さ寸法の異なる歯溝を１つずつ交互に配置してもよい。また、例えば互いに隣り合う２つ以上の比較的浅い歯溝の両外側に位置するように比較的深い歯溝を形成してもよい（但し、複数の比較的深い歯溝は、互いに隣り合わないように形成する）。また、例えば歯溝の深さ寸法や幅寸法を３通り以上としてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、羽根車口金ラビリンスシール１２及びバランスピストンラビリンスシール１４は、ケーシング側に歯を設けた場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えばロータ側に歯を設けてもよい。また、歯溝の断面を直線状に形成した場合を図示したが、これに限られず、例えば歯溝の断面を曲線状に形成してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、本発明の特徴を羽根車口金ラビリンスシール１２及びバランスピストンラビリンスシール１４に適用した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば羽根車口金ラビリンスシール１２及びバランスピストンラビリンスシール１４のうちのいずれか一方のみに適用してもよい。また、例えば中間段ラビリンスシール１３に適用してもよい。

本発明の遠心圧縮機の一実施形態の全体構造を表す断面図である。 本発明の遠心圧縮機の一実施形態におけるバランスピストンラビリンスシールの詳細構造を表す断面図である。 本発明の遠心圧縮機の一実施形態における羽根車口金ラビリンスシールの詳細構造を表す断面図である。 本発明の遠心圧縮機の一変形例におけるバランスピストンラビリンスシールの詳細構造を表す断面図である。

符号の説明

１ ケーシング
３ 羽根車
４ ロータ
１２ 羽根車口金ラビリンスシール
１３ 中間段ラビリンスシール
１４ バランスピストンラビリンスシール
１４Ａ バランスピストンラビリンスシール
１５ａ〜１５ｌ 歯
１６ａ，１６ｃ，１６ｅ，１６ｇ，１６ｉ，１６ｋ 歯溝（第２の歯溝）
１６ｂ，１６ｄ，１６ｆ，１６ｈ，１６ｊ 歯溝（第１の歯溝）
１７ａ〜１７ｄ 歯
１８ａ，１８ｃ 歯溝（第２の歯溝）
１８ｂ 歯溝（第１の歯溝）
１９ａ，１９ｃ，１９ｅ 歯溝（第２の歯溝）
１９ｂ，１９ｄ 歯溝（第１の歯溝）

Claims (5)

1. ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられ、少なくとも１段の羽根車を有するロータと、前記ケーシングと前記ロータとの隙間に設けられ、前記隙間における高圧側から低圧側への流体の漏れを抑制するラビリンスシールとを備え、前記ロータの回転により気体を圧縮する遠心圧縮機において、
   前記ラビリンスシールは、複数段の歯と、前記複数段の歯の間に形成された少なくとも１つの第１の歯溝と、前記複数段の歯の間に形成され、前記第１の歯溝の各々の両隣に位置しかつ互いに隣り合わないように配置された複数の第２の歯溝とを有し、
   前記第２の歯溝の深さ寸法は前記第１の歯溝の深さ寸法より長くしたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 請求項１記載の遠心圧縮機において、前記第２の歯溝の幅寸法は、前記第１の歯溝の幅寸法より長くしたことを特徴とする遠心圧縮機。
3. 請求項１記載の遠心圧縮機において、前記ラビリンスシールは、高圧側から数えて１段目の歯と２段目の歯との間に形成された前記第２の歯溝を有することを特徴とする遠心圧縮機。
4. 請求項１記載の遠心圧縮機において、高圧側に位置する前記第２の歯溝の深さ寸法は、低圧側に位置する前記第２の歯溝の深さ寸法より長くしたことを特徴とする遠心圧縮機。
5. ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられ、少なくとも１段の羽根車を有するロータと、前記ケーシングと前記ロータとの隙間に設けられ、前記隙間における高圧側から低圧側への流体の漏れを抑制するラビリンスシールとを備え、前記ロータの回転により気体を圧縮する遠心圧縮機において、
   前記ラビリンスシールは、複数段の歯と、前記複数段の歯の間に形成された第１の歯溝と、前記複数段の歯の間に形成され、互いに隣り合う複数の前記第１の歯溝の両外側に位置しかつ互いに隣り合わないように配置された複数の第２の歯溝とを有し、
   前記第２の歯溝の深さ寸法は前記第１の歯溝の深さ寸法より長くしたことを特徴とする遠心圧縮機。

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