JP2010014051A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心圧縮機の軸封部におけるラビリンスシ−ルにおいて、作動ガス漏れ量の低減、組み付け信頼性向上によるラビリンスフィンの異常摩耗低減、遠心圧縮機の軸振動低減、及びラビリンスシ−ルの製作コストを低減して、高温・高圧条件下でも安定した運転が可能な遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】ケーシング１ａ、１ｂ、１ｃと、ケーシング１ａ、１ｂ、１ｃ内に回転可能に設けられ羽根車３を有するロータ４を備え、ロータ４の回転によりガスを圧縮する遠心圧縮機において、一体リング型構造の軸封部ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂの、ケ−シング取付け部のラビリンスシ−ル外周部に熱膨張吸収用の隙間を設け、波バネ４１を持たせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機の軸封部に設置するラビリンスシール構造に関し、特に、高温・高圧運転時におけるラビリンスシ−ルの作動ガス漏れ量を増やすことなく、組立精度の向上により、ラビリンスシールフィンの摩耗や遠心圧縮機軸振動増加を回避し、製作コストの低減に寄与することが可能である。

遠心圧縮機は、ケーシング内部に、羽根車を装着した回転軸が軸受により回転自由に支持され、吸込口から吸い込まれたガスを、羽根車の回転による遠心力を利用して圧縮し、吐出口から吐出する。羽根車で圧縮されたガスは羽根車口金部の口金シール、羽根車段間の中間段シール、およびガススラスト力調整用に設けられたバランスピストン部シールによって、内部の作動ガス漏れ量は制御されている。回転軸を保持するための軸受が設けられ、この軸受はすべり軸受もしくは磁気軸受であり、軸受の周囲は大気圧である。

これに対してガス圧縮部は高圧（大気圧以上）であるため、ガス圧縮部と軸受部の間には、作動ガス漏れ量を制御する軸封装置が必要となる。プロセス用遠心圧縮機の作動ガスは、一般に空気、二酸化炭素、窒素などもあるが、可燃性、毒性であることが多いため、軸封部からの漏れ量は厳しく制御され、ラビリンスシ−ル単独、またはラビリンスシ−ルとその下流側に別途軸封装置（オイルフィルムシ−ル、メカニカルシ−ル、ドライガスシ−ル）などが圧縮機の用途、サイズ、使用条件によって選択され組み合わされて使用される。

近年は環境面とメンテナンスコストの面から、ラビリンスシ−ルとドライガスシ−ルの組合せで用いられることが殆どであり、このドライガスシ−ルの場合、ドライガスシ−ルの機能を保持するために、ラビリンスシ−ルとドライガスシ−ルの間に遠心圧縮機の吐出ガスを異物や湿分を取り除いた上で、圧力と流量を制御した状態で吹き込まれる。このため、軸封部のラビリンスシ−ル部の温度は、遠心圧縮機の吸込み温度ではなく、吐出温度に近い温度に曝されることになる。

一方、ラビリンスシ−ルのフィン先端は、回転軸と非接触になるように隙間を形成して設計されるが、過度に安全側となる過大な隙間は漏れ量の増大を意味し、遠心圧縮機の効率低下をもたらす。このため、万が一、ラビリンスシ−ルのフィン先端が遠心圧縮機の回転軸と瞬間的に接触しても大丈夫なように、ラビリンスシ−ルの材質は遠心圧縮機回転軸よりも強度の低いアルミニウム材や、樹脂等で製作されることが多いが、これらの材料は一般的に圧縮機の回転軸材料やケ−シング材の線膨張係数よりも大きいため、熱膨張に対して特別な配慮が必要となる。

従来のこの種のラビリンスシールでは、熱膨張差を吸収するために、ラビリンスシ−ルのフィン先端と遠心圧縮機の回転軸の隙間を広げるか、または、例えば特開平４−２０３５６５号公報（特許文献１）の第１図に示されるように、ラビリンスシ−ルの径方向取付部であるラビリンスシ−ル外周部とケ−シング間の隙間を部分的に広げている。また特許第２５１３７９７号公報（特許文献２）に示されるように、ラビリンスシールそのものを周方向２分割構造として、その半割れ面に隙間を設けることにより、熱膨張を吸収させようとしている。

特開平４−２０３５６５号公報 特許第２５１３７９７号公報

ラビリンスシールは漏れ防止特性に優れるが、遠心圧縮機が高温・高圧になると、熱膨張量が大きくなるので、回転軸、ケ−シングおよびラビリンスシ−ルの線膨張係数の差により干渉しないように熱膨張の逃げが必要となる。熱膨張の逃げをつくるために従来は、前記のようにラビリンスシ−ルのフィン先端と遠心圧縮機の回転軸との隙間を広げるか、またはラビリンスシ−ル外周部とケ−シング間の隙間を広げる（特許文献１）。更に、ラビリンスシ−ルを周方向2分割して半割れ部隙間を設けて、熱膨張差を吸収させる手段（特許文献２）がある。

しかし、ラビリンスシ−ルのフィン先端の隙間の増大は、前述のように作動ガス漏れ量の増大を招く。また、ラビリンスシ−ル外周部とケ−シング間の隙間の部分的拡大は、径方向の拘束箇所が端部のみとなるためラビリンスシ−ルに傾きが生じやすく、組立て時のラビリンスシ−ルと回転軸の同軸度組付け精度の低下や、特に運転中の作動ガスが高温、高圧によるラビリンスシ−ルの変形も生じ、回転軸との異常摩耗によるラビリンスシ−ル寿命の低下、接触による遠心圧縮機軸振動の増大を招く。またラビリンスシ−ルの周方向2分割構造はラビリンスシ−ル加工そのもののコスト増大につながる。

本発明の目的は、高温・高圧条件下でも軸封部ラビリンスシールのガス漏れ量、変形、組付誤差を抑制して、ラビリンスシールの長寿命化及び安定した運転が可能な遠心圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングと、該ケーシングに回転可能に設置された回転軸と、該回転軸に装着された羽根車を有するロータと、前記ケーシングと前記回転軸の間に設置されラビリンスシールを有する軸封部を備え、前記羽根車が回転すること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の外周面と前記ケ−シングの内周面の間に熱膨張吸収用の隙間を形成すると共に、前記ラビリンスシールの外周面に波バネを設置したことを特徴とする。

また、前記ラビリンスシールの外周面に前記波バネに並べて更にシ−ル部材（Ｏ−リング）を設置したことを特徴とする。また、前記ラビリンスシール外周面に軸方向に沿って波バネとシ−ル部材（Ｏ−リング）を複数組設置したことを特徴とする。また、前記ラビリンスシール外周部の波バネの個数に応じて、前記ケ−シングの内周面と前記ラビリンスシ−ルの外周面の径方向取合い部に、段差が形成されたことを特徴とする。また、前記ラビリンスシール外周部の前記段差による各取合い部にシ−ル部材（Ｏ−リング）を設置したことを特徴とする。

さらに本発明は、前記ケ−シングの内周面と前記ラビリンスシ−ルの外周面の径方向取合い部は、前記ラビリンスシールの前記ケーシングへの挿入方向に向って半径が小さくなる段差を有していることを特徴とする。

本発明によれば、軸封部のラビリンスシールとケーシングの間に熱膨張吸収用の隙間と波バネを組み合わせて設けることにより熱膨張を吸収するので、ラビリンスフィンと回転軸隙間を広げる必要は無く、ガス漏れ量を低減することが可能となる。さらに、波バネがラビリンスシ−ルをケ−シングに挿入して組み付ける際のガイドの役目を果たし、回転軸とラビリンスシ−ルの同芯度を確保することが可能となり、ラビリンスフィンと回転軸隙間の周方向隙間分布が均一になり、遠心圧縮機運転中における回転軸とラビリンスフィンの接触・摩耗を回避することが可能となる。

この結果、ラビランスシ−ルの長寿命化が図れ、遠心圧縮機回転軸の軸振動上昇を回避することが出来る。さらに熱膨張を吸収するためにラビリンスシ−ルを周方向に２分割する必要がなくなり、ラビリンスシ−ル製作コストの低減に寄与することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の遠心圧縮機２０の実施例１における軸封部ラビリンスシールの詳細構造を表す断面図であり、図２には、滑り軸受を適用した本発明の遠心圧縮機２０の全体構造を示す。

図２において、遠心圧縮機２０は炭素鋼からなるケーシング１ａ、１ｂ、１ｃ（静止体）と、このケーシング１ａ、１ｂ、１ｃ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２では５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１ａ、１ｂ、１ｃ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からの圧縮された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２中左側）端部及び吐出側（図２中右側）端部に設けられたラジアル軸受９ａ、９ｂ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の吐出側端部にはモータ等の駆動機（図示せず）がカップリング１２により連結されており、この駆動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。

ダイアフラム２２は各羽根車段間ガス流路を形成し、ロータ４のバランスピストン１１と吐出ダイアフラム２４との隙間には、バランスピストン部シール１４が設けられており、バランスピストンチャンバ−１５には、ガス圧力が遠心圧縮機吸込み圧力と均一になるように吸込流路５とパイパスされている。バランスピストン部シール１４は最終段の羽根車３から出た高圧のガスを減圧し、吸込流路５の圧力と均一になるように漏れ量を制御するようになっている。

ラジアル軸受９ａ、９ｂ、スラスト軸受１０と作動ガス流路部間には軸封部が存在し、ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂ及びドライガスシ−ル３２ａ、３２ｂ、シ−ルガス封入部３３ａ、３３ｂから成る。ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂは作動ガス流路からの漏れ量を制御する機能があり、シ−ルガスには吐出流路８の作動ガスを異物、湿分を取り除いた上で圧力、流量を制御して吹き込まれ、ドライガスシ−ル３２ａ、３２ｂに異物、湿分が混入するのを防ぐ機能を持つ。3４ａ、３４ｂは油切ラビリンスで、ラジアル軸受９ａ、９ｂ、スラスト軸受１０の潤滑油がドライガスシ−ル３２ａ、３２ｂへ混入するのを防止する。

図１において、アルミ製の軸封部ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂは一体リング型構造である。ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂの外周部とケーシング１ｂ、１ｃの内周面との対向部分のほぼ全体にわたって、熱膨張を吸収するためのリング状の隙間３５を設けている。そして、この隙間３５のほぼ中央部分のラビリンスシ−ル外周部にリング状の溝３１ｃを設け、この溝３１ｃにリング状の波バネ４１を配置し、組み付け状態において上記隙間３５の周方向の分布が均一になるようにしている。波バネ４１は、ステンレス製であり回転軸２の半径方向の力を軸方向の変形で吸収し、組み付け時に回転軸２とケーシング１ｂ、１ｃの間にラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂを矢印Ａ方向に挿入する際のガイドとして作用する。

ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂの内周側には、回転軸２の外周に対向するフィン３１ｄ、３１ｅが設けられている。また、回転軸２の上記フィンと対向する外周は、異なる半径（ｒ１＜ｒ２）で段違いに形成されており、半径ｒ１の外周に対向するフィン３１ｄは半径ｒ２の外周に対向するフィン３１ｅより長めに段違いに形成されている。そして、各フィンと回転軸２の外周面は、ラジアル軸受の隙間の２〜３倍程度の隙間を保って対向するように形成され、ガスの漏れを抑制する。

図１において、製品の組み付け時には最後のステップで、部品の中で最も重量の軽い上記ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂが矢印Ａ方向に挿入される。上記のように矢印Ａ方向に沿って回転軸２の半径がｒ１からｒ２と大きくなっているので、回転軸２とケーシング１ｂ、１ｃの間のリング状の挿入穴が入口が広く、奥が狭くなっているので、挿入が容易となる。そして挿入に際しては、挿入初期にフィン３１ｅと半径ｒ１が対向するので、両者の間隔が大きく接触の可能性が少ない。挿入中期で波バネ４１がケーシング１ｂ、１ｃの内周に接触すると、その後は波バネ４１が挿入を案内するので、フィン３１ｅと半径ｒ２の外周との接触はない。このように、組み付け時の重量の軽いラビリンスシ−ルの挿入作業は極めて効率的で、回転軸２とラビリンスシ−ルの同芯度を精度良く確保することができ、回転軸２とラビリンスシ−ルのフィンとの周方向隙間分布が均一となる。

運転により遠心圧縮機が高温・高圧になると、回転軸、ケ−シングおよびラビリンスシ−ルが共に熱膨張し、ケーシング（鉄製）より線膨張係数の大きいラビリンスシ−ル（アルミ製）が回転軸の半径方向に膨張する。この膨張は隙間３５に配置されている波バネ４１により、ラビリンスシ−ルの全外周で均等に支えられて、局部的な力の作用はなく効率よく吸収され、隙間３５の周方向分布は均一に維持される。このことは、ラビリンスシ−ルの内周と回転軸２の外周の隙間の周方向分布も均一であることを意味し、両者の接触はなく異常摩耗によるラビリンスシ−ル寿命の低下、遠心圧縮機軸振動がない。

図３に実施例２における軸封部ラビリンスシールの詳細構造を表す断面図を示す。アルミ製の軸封部ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂは一体リング型構造である。ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂの外周部とケーシング１ｂ、１ｃとの内周部には全体にわたって熱膨張を吸収するためのリング状の隙間３５を設けている。そして、この隙間３５のほぼ中央部分のラビリンスシ−ル外周部にリング状の溝３１ｃと、この溝３１ｃに接近させてリング状の溝３１ｆを設けている。溝３１ｃにはリング状の波バネ４１を配置し、溝３１ｆにはＯリング４２を配置している。このＯリング４２は、ラビリンスシ−ルの外周部からの作動ガス漏れ量の低減に効果がある。

図４に実施例３における軸封部ラビリンスシールの詳細構造を表す断面図を示す。この実施例３では、ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂの外周部に実施例２における波バネ４１と、Ｏリング４２を複数個（図は２組）備えていることを特徴としている。波バネ４１が軸方向に複数個あるために、ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂは回転軸４に対してより平行度が出せて精度が向上し、軸方向に同芯度を確保することが可能となり、また、複数個のＯリング４２により、外周部からの作動ガス漏れ量の低減に一層の効果がある。

一方、本実施例では軸封部ラビリンスシ−ルが一体リング型構造の場合、製品の組み付け時には効率の上で最後のステップで、部品の中で最も重量の軽いラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂが矢印Ａ方向に挿入される。ケ−シング１ｂ、１ｃの内周とラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂの外周の径方向取合い部が直線であると、所定位置までにラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂを押し込む時に、Ｏリング４２と波バネ４１とはそれぞれ、ケ−シング１ｂ、１ｃの内周と接触して移動する距離が、図４のように軸方向距離Ｌ１、Ｌ２が必要であり、この移動中にラビリンスシ−ルが傾くと、カジリ、ネジリ等が発生し、波バネ４１とＯリング４２そのものも破損する恐れもあり、ケ−シング１ｂ、１ｃ、ラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂにも傷等が発生して所定の機能を満たすことが出来なくなる恐れがある。

図５は、図４の実施例３に対し、径方向取合い部に段差を設けた実施例４の軸封部ラビリンスシールの詳細構造を表す断面図である。ラビリンスシール３１ａ、３１ｂのケーシング１ｂ、１ｃと対向する外周の径がｒ３とｒ４（ｒ３＞ｒ４）の２種類の対向面（取合い部）をつくる段差を形成するように構成され、波バネ４１とＯリング４２の各組を、径ｒ３とｒ４をもつ２種類の外周（各取り合い部）に配置している。そしてラビリンスシールの外周の上記段差に合わせて、ケーシングの内周も段差をもたせて形成される。従って、ケーシングの内周面とラビリンスシールの外周面の径方向の取合い部は、ラビリンスシールのケーシングへの挿入方向（Ａ方向）に向って半径が小さくなる段差を有している。言い換えれば取合い部がＡ方向に向って先細り状に構成されている。

この構成により、実施例３と比較してラビリンスシ−ル３１ａ、３１ｂのＡ方向への挿入に際し、ケーシングの内周に接触して移動する軸方向距離が、Ｏリング４２についてはＬ１からＬ３（Ｌ１＞Ｌ３）に短くでき、また、波バネ４１についてはＬ２からＬ４（Ｌ２＞Ｌ４）に短くすることができる。従って、波バネ４１とＯリング４２を備えたラビリンスシールの組付け作業は、接触しながらの移動距離が短くなるので極めて容易となり、また組付けの信頼性が大幅に向上する。その他の構成、例えば図１に示す実施例１での回転軸２とラビリンスシ−ルのフィンの構成は同一である。

なお、波バネとＯリングの軸方向の左右の位置関係はどちらでも良い。又、Ｏリングは漏れ量低減に効果があるが、ラビリンスシ−ルの回転軸との同芯度確保には、波バネのみあれば良く、波バネとＯリングの数は必ずしも一致する必要はない。径方向取合い部の段差数はラビリンスシ−ルの軸方向長さによって、調整することができる。

本発明の実施例１の軸封部ラビリンスシールの詳細構造を表す断面図である。 同じく遠心圧縮機の全体構造を表す断面図である。 本発明の実施例２の軸封部ラビリンスシールの詳細構造を表す断面図である。 本発明の実施例３の軸封部ラビリンスシールの詳細構造を表す断面図である。 本発明の実施例４の軸封部ラビリンスシールにケ−シングとの径方向取合い部に段差を複数個設けた詳細構造を表す断面図である。

符号の説明

１ａ…ケーシング（胴板）、１ｂ…ケーシング（反駆動機側側板）、１ｃ…ケーシング（駆動機側側板）、２…回転軸、３…羽根車、４…ロータ、５…吸込流路、６…ディフューザ、７…戻り流路、８…吐出流路、９ａ…ラジアル軸受（反駆動機側側板）、９ｂ…ラジアル軸受（駆動機側側板）、１０…スラスト軸受、１１…バランスピストン、１２…カップリング、１４…バランスピストン部シール、１５…バランスピストンチャンバ−、２０…遠心圧縮機、２２…ダイアフラム、２４…吐出ダイアフラム、３１ａ…軸封部ラビリンスシ−ル（反駆動機側側板）、３１ｂ…軸封部ラビリンスシ−ル（駆動機側側板）、３２ａ…ドライガスシ−ル（反駆動機側側板）、３２ｂ…ドライガスシ−ル（駆動機側側板）
３３ａ…シ−ルガス封入部（反駆動機側側板）、３３ｂ…シ−ルガス封入部（駆動機側側板）、３４ａ…油切ラビリンス（反駆動機側側板）、３４ｂ…油切ラビリンス（駆動機側側板）、４１…波バネ、４２…Ｏリング、Ｌ１…Ｏリング軸方向組み付け距離、Ｌ２…波バネ軸方向組み付け距離、Ｌ３…Ｏリング軸方向組み付け距離（改良後）、Ｌ４…波バネ軸方向組み付け距離（改良後）。

Claims (6)

1. ケーシングと、該ケーシングに回転可能に設置された回転軸と、該回転軸に装着された羽根車を有するロータと、前記ケーシングと前記回転軸の間に設置されラビリンスシールを有する軸封部を備え、前記羽根車が回転すること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の外周面と前記ケ−シングの内周面の間に熱膨張吸収用の隙間を形成すると共に、前記ラビリンスシールの外周面に波バネを設置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、前記ラビリンスシールの外周面に前記波バネに並べて更にシ−ル部材（Ｏ−リング）を設置したことを特徴とする遠心圧縮機。
3. 請求項２に記載の遠心圧縮機において、前記ラビリンスシール外周面に軸方向に沿って波バネとシ−ル部材（Ｏ−リング）を複数組設置したことを特徴とする遠心圧縮機。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の遠心圧縮機において、前記ラビリンスシール外周部の波バネの個数に応じて、前記ケ−シングの内周面と前記ラビリンスシ−ルの外周面の径方向取合い部に、段差が形成されたことを特徴とする遠心圧縮機。
5. 請求項４記載の遠心圧縮機において、前記ラビリンスシール外周部の前記段差による各取合い部にシ−ル部材（Ｏ−リング）を設置したことを特徴とする遠心圧縮機。
6. 請求項４または５に記載の遠心圧縮機において、前記ケ−シングの内周面と前記ラビリンスシ−ルの外周面の径方向取合い部は、前記ラビリンスシールの前記ケーシングへの挿入方向に向って半径が小さくなる段差を有していることを特徴とする遠心圧縮機。

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