JP2010159634A

JP2010159634A - ターボ機械のシール構造

Info

Publication number: JP2010159634A
Application number: JP2009000484A
Authority: JP
Inventors: Masami Noda; 雅美野田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2010-07-22

Abstract

【課題】水蒸気等の常温・常圧場において凝縮液化する作動流体を使用する流体機械にドライガスシールを採用する場合、種々の問題が発生する可能性がある。本発明の目的は、上記の事情に鑑みて為されたものであり、ドライガスシール周りでの水滴の発生を抑制し、信頼性の高いターボ機械を提供することにある。
【解決手段】上記目的を達成するために、本発明のターボ機械は、常温、或いは、常圧で凝縮液化する媒体を作動流体とする、回転体と静止部材とからなるターボ機械において、回転体と静止部材間の少なくとも一部を通る第１のシール空気流路と、前記第１のシール空気流路に設置されたドライガスシールと、前記第１のシール空気流路の前記ドライガスシールの下流側流路に設けられた狭隘部とを有し、前記第１のシール空気流路の前記ドライガスシールと前記狭隘部の間に、第２のシール空気流路が接続されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、常温、或いは、常圧で凝縮液化する媒体を作動流体とする蒸気圧縮機等のターボ機械に関するものである。

流体機械においては、回転体と静止部材の間に必然的に間隙が生じる。一般的には、この間隙から発生するリークに対して、ラビリンスシールを用いてリーク流量の抑制を図り、性能向上に努めている。ラビリンスシールは、ラビリンスフィンを対向面に接触させないことを前提にしており、通常、０.１mm程度以上の間隙が与えられる。一方、昨今、回転体シール装置として、ドライガスシールの実効性が認められている。ドライガスシールもラビリンスシールと同様に、非接触のシール装置であるが、０.００５mm程度の間隙量であり、間隙値の比較だけで１／２０以下となり、相当以上のリーク流量の低減が予想できる。

この種の装置を採用した流体機械のリークに対する優位性が、特許文献１に開示されている。特許文献１においては、主として圧縮機の軸封に用い、組立性の改良に言及したものであるが、この種のシール装置は正圧を対象とすると共に、作動流体が常時、気体として考慮されたものであり、負圧（真空圧）域、また、水蒸気等の常温・常圧場において凝縮液化する作動流体を使用する流体機械への適用は示されていない。

特開平１１−３０４００７号公報

水蒸気等の常温・常圧場において凝縮液化する作動流体を使用する流体機械にドライガスシールを採用する場合、種々の問題が発生する可能性がある。本発明の目的は、上記の事情に鑑みて為されたものであり、ドライガスシール周りでの水滴の発生を抑制し、信頼性の高いターボ機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のターボ機械は、常温、或いは、常圧で凝縮液化する媒体を作動流体とする、回転体と静止部材とからなるターボ機械において、回転体と静止部材間の少なくとも一部を通る第１のシール空気流路と、前記第１のシール空気流路に設置されたドライガスシールと、前記第１のシール空気流路の前記ドライガスシールの下流側流路に設けられた狭隘部とを有し、前記第１のシール空気流路の前記ドライガスシールと前記狭隘部の間に、第２のシール空気流路が接続されたことを特徴とする。

本発明によれば、ドライガスシール周りでの水滴の発生を抑制し、信頼性の高いターボ機械を提供できる。

実施例１のヒートポンプ圧縮機の基本構成を示す概念図を示す。実施例１の水蒸気圧縮機の断面図。実施例１の第１のシール構造と構成を示す概念図。本発明の第１の実施例における第１のバルブの制御方法を示すフローチャートを示す。本発明の別のシール構成を示す概念図。

以下、本発明の第１の実施例を図１，図２，図３及び図４により説明する。図１は実施例１のヒートポンプ圧縮機の基本構成を示す概念図、図２は、実施例１の水蒸気圧縮機の断面図、図３は、実施例１の第１のシール構造と構成を示す概念図、図４は、本発明の第１の実施例におけるバルブの制御方法を示すフローチャートを示す。尚、各図において、同一番号は、同一の部材を表す。

図１を用いて、実施例１であるヒートポンプシステムの全体構成を説明する。水蒸気圧縮機１は、主として回転体であるインペラ，ロータ７、このロータ７を支承する第１の軸受９ａと第２の軸受９ｂから構成され、カップリング８を介して電動機６に連結されている。この第１の軸受９ａと第２の軸受９ｂには、潤滑油装置１６に接続された潤滑油供給配管１７によって潤滑油が供給され、その排油は、潤滑油排油配管１８を介して潤滑油装置１６に戻される。この潤滑油装置１６は、図示しない排煙ファンを付属している。

純水タンク２から供給される純水は、配管によって膨張器３に導入され減圧される。常温・常圧において飽和温度を満たさない低温の熱源５と、減圧された純水との熱交換によって、蒸発器４では蒸気が生成される。蒸発器４で生成された蒸気は、主流蒸気供給配管４２に沿って水蒸気圧縮機１に供給される。供給された蒸気は、このターボ圧縮機１内を通過することによって昇圧され、蒸気供給配管４３を経由して、図示しない次の課程である蒸気利用設備に進むことになる。尚、純水を低温場で蒸発させるためには、負圧にすることが前提となるため、系内に真空ポンプ１０を接続して、内部の空気を真空排気している。また、ロータ７には、ドライガスシール１２が設置されており、空気圧縮機１１から供給されるシール空気が、第１のシール空気流路１３，第１のシール空気流路１３から分岐した第２のシール空気流路１４として水蒸気圧縮機１に接続されている。第２のシール空気流路１４は、第１のバルブである電磁弁２５を有している。

次に、図２に示した水蒸気圧縮機１の断面図を用いて、主流水蒸気とシール空気の関係を説明する。主流蒸気供給配管４２によって水蒸気圧縮機１内に導かれた水蒸気は、インペラ入口４４ａからインペラ２０，インペラ出口４４ｂ、及びディフューザ２１を経由して、蒸気供給配管４３に導かれる。一方、空気圧縮機１１を最上流とする第１のシール空気流路１３は、水蒸気圧縮機１のケーシングに設けた空気導入孔，ドライガスシール１２を経由して圧縮機１の主流であるインペラ出口４４ｂに連通している。また、第２のシール空気流路１４は、第１のシール空気流路１３のシール空気の流れ方向に対するドライガスシール１２の下流側流路５０に合流している。従って、図中に矢印で示す方向の水蒸気とシール空気の流れが生じることになる。

更に、図３を用いて、ドライガスシール１２廻りの詳細を説明する。第１のシール空気流路１３は、第２の軸受９ｂのシール空気供給用としても用いられており、シール空気は、油きり４０，第２の軸受９ｂを通して潤滑油装置１６に付属する排煙ファンによって吸引排気される。ドライガスシール１２は、主として、回転側のスリーブ３０，メイティングリング３１，静止側のプライマリーリング３２，リテーナリング３３、及びスプリング３４から成る。回転側のメイティングリング３１と静止側のプライマリーリング３２の外直径は、約１００mmであり、互いの接触面がシール面３５となる。このメイティングリング３１のシール面３５には動圧発生のためのスパイラル溝が設けられている（図示省略）。第１のシール空気流路１３のシール空気の流れ方向に対して、ドライガスシール１２を構成する各部材の最下流側に位置するリテーナリング３３の下流側には下流側流路５０がある。この下流側流路５０には、狭隘部３８となるラビリンスシール３７が備えられている。このシールはブラシシール等、産業用回転シール装置であれば他のものでも同様な効果を得ることができる。第２のシール空気流路１４は、リテーナリング３３とラビリンスシール３７の間に設けられたキャビティ５１に導入されて、第１のシール空気流路１３と合流して、インペラ出口４４ｂと連通している。

第２のシール空気流路１４に設置した第一のバルブである電磁弁２５は、ロータ７の回転を検出する回転検出器２２，演算器２３、及び制御器２４による制御システムにより開閉状態が決定する。この電磁弁２５の制御方法を図４により、詳しく説明しておく。ロータの回転数は、回転検出器２２により電圧信号として検出され、演算器２３で回転数Ｎ（rpm）に演算された後、制御器２４に送られる。制御器２４には、予め電磁弁２５の開閉を決める基準となる設定回転数Ｎｓ＝５０００（rpm）が与えられており、送られてきた演算値Ｎとの大小判定を実施して、Ｎ＜Ｎｓの場合は電磁弁２５に開信号を、Ｎ＞＝Ｎｓの場合は電磁弁２５に閉信号を発信することになる。従って、ロータ７が停止している状態（Ｎ＝０rpm）では、電磁弁２５は全開である。

このように構成された本実施例のヒートポンプシステムにおいては、真空ポンプ１０によって、水蒸気圧縮機１の系内圧力が０.０２ＭＰａ程度になるまで空気吸引する。それとともに、空気圧縮機１１を起動し、水蒸気圧縮機１のケーシング４５端で、約０.１５ＭＰａまで減圧したシール空気を第１のシール空気流路１３に供給する。潤滑油装置１６を起動して第１の軸受９ａと第２の軸受９ｂに潤滑油を給油した後、電動機６によってロータ７、及びインペラ２０を、５０,０００rpm程度まで回転させる。純水タンク２からの純水は、膨張器３に送水され減圧され、更に、蒸発器４によって８０℃程度の外部熱源５と熱交換し、６０℃程度の水蒸気として、ターボ圧縮機１のインペラ入口４０に送り込まれる。この蒸気は、回転するインペラ２０と、静止したディフューザ２１内を通過する中で、０.０４ＭＰａ程度まで昇圧される。この昇圧された蒸気は、次の課程に進むことになる。

供給されたシール空気は、システム停止時においてはドライガスシール１２を経由する第１のシール空気流路１３には殆ど流れない。メイティングリング３１と静止側のプライマリーリング３２のシール面３５が接触しているからである。一方、電磁弁２５が全開状態であるため、第２のシール空気流路１４にはシール空気が流れ、キャビティ５１を経由した後、狭隘部３８でシール空気流量が絞られ、インペラ出口４４ｂから主流水蒸気と合流、即ち、水蒸気をシールすることになる。ロータ７の回転数Ｎの上昇とともに、メイティングリング３１に施したスパイラル溝とスプリング３４の作用により、接触していたメイティングリング３１と静止側のプライマリーリング３２のシール面３５には僅かな間隙が生じ始める。そうすると、第１のシール空気流路１３にもシール空気が流れることになる。ロータ７の回転数が所望の回転数、例えば５０００rpmに達したところで、制御器２４からの指令で電磁弁２５は全閉動作に移り、第２のシール空気流路１４は遮断される。
この状態では、第１のシール空気流路１３のシール空気が、キャビティ５１，狭隘部３８を流れ、インペラ出口４４ｂから排出される。ロータ７の定格回転数でシール面３５の間隙は最大となる。

以降、水蒸気圧縮機１は、定常運転をすることになる。次に、停止動作について説明する。ここで、本実施例のヒートポンプシステムの特徴を明確にするため、比較例の事象について説明する。ここで説明する比較例は、第２のシール空気流路１４を有しない例とする。

比較例のヒートポンプシステムでは、ロータ７の回転数の低下とともに、シール面３５の間隙は狭まり、第１のシール空気流路１３を通過してインペラ出口４４ｂから排出されるシール空気流量は、次第に低減しシール効果も激減することになる。ロータ７の回転が停止する時点では、シール面３５の間隙は零となり接触することになる。そうなると第１のシール空気流路１３が遮断されるため、下流側流路５０の圧力は、インペラ出口４４ｂと同等の０.０２ＭＰａ程度になり、シール空気の流れ方向逆向きに、インペラ出口４４ｂか
ら下流側流路５０に主流水蒸気が流れこむ。すなわち、第１のシール空気流路１３のシール空気の流れ方向に対してシール面３５の下流側を、水蒸気が満たすことになる。この時点では水蒸気であるが、機器の完全停止とともに、水蒸気圧縮機１の内部は常温・常圧の大気に回復するため、６０℃の水蒸気は、凝縮，液化する。大気条件に対する飽和温度以下の温度条件でだからである。この液滴、或いは凝縮水は下流側流路５０に停滞する。停滞した凝縮水は、その次の水蒸気圧縮機１の運転時にロータ７に連れ回り、ロータ７のアンバランス振動の要因になり得る。

これに対し、第２のシール空気流路１４を有する実施例１のヒートポンプシステムでは、以下のような停止動作が可能となる。ロータ７の回転数の低下とともに、第１のシール空気流路１３を通過するシール空気流量は低下する。一方で、回転数Ｎが設定回転数の５０００rpmを下回った時点で、制御器２４からの指令で電磁弁２５は全開動作に移り、第２のシール空気流路１４にシール空気が流れ始める。少なくとも圧縮機１の回転が停止する前に制御器が２４開閉信号を送信するよう構成されていれば、インペラ出口４４ｂでのシール性は保持されたままにできる。尚、シール面３５には、５０００rpm未満の回転数域で、シール空気が流れない（ドライガスシール１２前後の圧力が同等）ことになるが、風損による温度上昇は１００℃程度以下であり、ドライガスシール１２の信頼性を損なうものではない。

以上、実施例１として説明したヒートポンプシステムは、常温、或いは常圧で凝縮液化する媒体である水を作動媒体とし、回転体と静止部材とからなり、回転軸であるロータ７を軸受９ａ，９ｂで支持されたターボ機械である水蒸気圧縮機１を有している。この水蒸気圧縮機１は、シール空気を空気圧縮機１１から導入する空気導入孔と、圧縮機１の主流経路であるインペラ出口４４ｂと軸受９ｂとの連通部の少なくとも一部を通り、空気導入孔と圧縮機主流とを連通する第１のシール空気流路１３と、第１のシール空気流路１３に設けられたドライガスシール１２と、圧縮機の主流であるインペラ出口４４ｂとドライガスシール１２の間に設けられた狭隘部３８とを有し、第１のシール空気流路１３と狭隘部３８との間に第２のシール空気流路１４を有している。これにより、水蒸気圧縮機１の停止を含めたいかなる運転状態においても、連通した第１のシール空気流路１３と主流水蒸気流路の間で、水蒸気を第１のシール空気流路中に充満することを抑制できるので、ドライガスシール周りでの水滴の発生を抑制し、信頼性の高いターボ機械を提供できる。シール空気の流れ方向を逆流してドライガスシール１２廻りに満たされる主流水蒸気が、機器の停止時において凝縮液化後、液滴、或いは凝縮水として停滞し、次の運転時にロータ７と連れ回り、アンバランス振動を発生させることを未然に防止することができる。更に、停滞した水滴がドライガスシール面に付着することを防止でき、高回転運転におけるドライガスシール装置シール面のヒートスポット現象の排除にも効果がある。

なお、本実施例では、発明を明確にするため、第一のバルブである制御弁を電磁弁２５として全開／全閉（ＯＮ／ＯＦＦ）制御として説明したが、弁の種類に拘束されるものではない。例えば、電動弁として回転数によりバルブの開度調節を実施しても、同様の効果が得られるとともに、設定回転数以下の回転数でも、適度のシール空気をドライガスシールのシール面に与えることができるので、風損に起因する熱応力の抑制効果が期待できる。また、検出電圧を、直接処理して第１のバルブの開閉指令を発信、或いは、例えば、運転信号等をトリガーにして開閉指令を発信しても、本効果に、何等、不具合が生じないのは自明である。更に、第１のシール空気流路と第２のシール空気流路の供給圧力は同等としたが、第２のシール空気流路の水蒸気圧縮機のケーシング端に供給する前に、減圧弁を設けて供給圧力を減圧すれば、運転時の真空ポンプの負荷を軽減できるという効果も得られる。

本発明の第２の実施例を、図５を用いて説明する。図５は、本発明の別のシール構成を示す概念図である。図５において、或いは、以下の説明において、図１，図２，図３及び図４と同一記号であれば、各図と同一構成，同一機能を有することとする。

第一のシール空気流路１３は、空気源を空気圧縮機１１とする空気チャンバー５５を有する。第１のシール空気流路１３から分岐した電磁弁２５を備えた第２のシール空気流路１４がキャビティ５１に連通している。更に、電磁弁２５の上流側から分岐されたバイパス流路１９は、第２のバルブである手動弁２６を全閉状態で備えており、第２のシール空気流路１４の電磁弁２５の下流側に位置する下流側接続点５４に接続されている。電磁弁２５には、構造的なバルブ開度を検知するバルブ開度検出器５２が取付けられ、その開度信号は、開度表示器５３に送信されバルブ開度が表示される。また、第２のシール空気流路１４の下流側接続点５４の下流には、第３のバルブである手動弁３６が全開状態で設置されている。

このように構成された本実施例のヒートポンプシステムにおいて、運転前、開度表示器５３には全開を示す１００％が表示されている。水蒸気圧縮機１の運転とともに、ロータ７の回転数が５０００rpmに達したところで、制御器２４からの開閉指令によって、電磁弁２５は全閉動作に移る。この時、正常であれば、開度表示器５３は、全閉を表す０％へと数値を下げていくことになる。しかし、５０００rpmを超えて開閉指令が発信されたにも関わらず、或いは、制御器２４の故障により発信されなかった等、異常時においては、開度表示器５３は、１００％開度のまま、或いは、中間開度を示したままとなる。このとき、人為的に手動弁３６を閉じる。一方、水蒸気圧縮機１の運転停止時は、運転開始時に発生したままの場合と、停止時に同様の事象が起こった場合とでは、手動弁３６の開閉状態が異なるが、いずれにしても、手動弁２６と手動弁３６を全開に操作することになる。
また、同じ異常でも停電の場合、空気圧縮機１１の停止により空気源からのシール空気が遮断されることになるが、少なくともロータ７の回転停止以上の時間を空気チャンバーに貯えられた空気が供給され、その間に、水蒸気圧縮機１の系内を空気置換すればパージ主流水蒸気の逆流を防止することができる。

以上に説明した本実施例の水蒸気圧縮機１のシール構造は、電磁弁２５を有する第２のシール空気流路１４に設けられた第１のバルブである電磁弁２５の上流側から分岐し、第１のバルブの下流側に接続されるバイパス流路１９と、バイパス流路１９に設けられた第２のバルブである手動弁２６と、第２のシール空気流路１４とバイパス流路１９との下流側接続点５４の下流側に設けられた第３のバルブである手動弁３６とを有している。これにより、バルブ制御系の異常に対応できるとともに、停電等シール空気供給の不具合に対しても連通した第１のシール空気流路と主流水蒸気流路の間で、水蒸気を第１のシール空気流路中に充満することを防止できるので、水滴の発生を抑制し、更に、信頼性の高いターボ機械を提供できる。

本第２実施例では、バルブの開度異常を運転者が判断して対応をとったが、少なくとも、異常判断を制御系の中に組み込み、警報発信すれば対応の迅速化が図れるのは明白である。

１圧縮機
１２ドライガスシール
１３第１のシール空気流路
１４第２のシール空気流路
１９バイパス流路
２２検出器
２３演算器
２４制御器
２５電磁弁
２６，３６，４６手動弁
５２バルブ開閉検出器
５３表示器

Claims

常温、或いは、常圧で凝縮液化する媒体を作動流体とする、回転体と静止部材とからなるターボ機械において、
回転体と静止部材間の少なくとも一部を通る第１のシール空気流路と、
前記第１のシール空気流路に設置されたドライガスシールと、
前記第１のシール空気流路の前記ドライガスシールの下流側流路に設けられた狭隘部とを有し、
前記第１のシール空気流路の前記ドライガスシールと前記狭隘部の間に、第２のシール空気流路が接続されたこと特徴とするターボ機械。
水を作動媒体とし、回転軸であるロータを軸受で支持された圧縮機において、
シール空気を導入する空気導入孔と、
軸受と圧縮機主流経路との連通部の少なくとも一部を通り、前記空気導入孔と前記圧縮機の主流とを連通する第１のシール空気流路と、
第１のシール空気流路に設けられたドライガスシールと、
前記圧縮機の主流と前記ドライガスシールとの間に設けられた狭隘部と、
前記ドライガスシールと前記狭隘部の間で前記第１のシール空気流路に接続された第２のシール空気流路と
を有することを特徴とする圧縮機。
請求項２に記載の圧縮機において、前記第２のシール空気流路を前記第１のシール空気流路から分岐して形成したことを特徴とする圧縮機。
請求項２に記載の圧縮機において、前記狭隘部が産業用回転シール装置で構成されていることを特徴とする圧縮機。
請求項２に記載の圧縮機において、
前記第２のシール空気流路に設けられた第１のバルブと、
圧縮機の回転信号を取出す回転検出器と、
回転信号を基に、前記第１のバルブに信号を送信する制御器を備えたことを特徴とする圧縮機。
請求項５に記載の圧縮機において、
前記第１のバルブは制御弁であり、
前記演算器の演算結果を基に、予め与えられた設定回転数と比較して、前記制御弁に開閉信号を送信する制御器を備えたことを特徴とする圧縮機。
請求項６に記載の圧縮機において、
前記制御器が、前記制御弁を開閉させる発信タイミングとして、
少なくとも前記回転信号が圧縮機の停止を示す前に、前記開閉信号を送信するように、前記設定回転数を設定したことを特徴とする圧縮機。
請求項５に記載の圧縮機において、
前記第１のバルブの構造的な開度を検出する開度検出器と、
検出された開度を基に、前記第１のバルブの開閉状態を示す表示器を備えたことを特徴とする圧縮機。
請求項５に記載の圧縮機において、
前記第２のシール空気流路に設けられた前記第１のバルブの上流側から分岐し、前記第１のバルブの下流側に接続されるバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられた第２のバルブと、
前記第２のシール空気流路と前記バイパス流路との下流側接続点の下流側に設けられた第３のバルブと
を有することを特徴とする圧縮機。
請求項２に記載の圧縮機において、
前記第２のシール空気流路に空気チャンバーを設置したことを特徴とする圧縮機。
水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、
前記蒸発器で生成された蒸気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された蒸気を蒸気利用設備に供給する供給配管と
を有するヒートポンプシステムであって、
シール空気を導入する空気導入孔と、
軸受と圧縮機主流経路との連通部の少なくとも一部を通る、空気導入孔と前記圧縮機の主流とを連通する第１のシール空気流路と
第１のシール空気流路に設けられたドライガスシールと、
前記圧縮機の主流と前記ドライガスシールとの間に設けられた狭隘部と、
前記ドライガスシールと前記狭隘部の間で前記第１のシール空気流路に接続された第２のシール空気流路と
を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
請求項２に記載の圧縮機の制御方法であって、
圧縮機の回転数に基づいて前記第２のシール空気流路への吸気の調整量を調整することを特徴とする圧縮機の制御方法。
回転軸であるロータを軸受で支持され、
シール空気を導入する空気導入孔と、
前記軸受と主流経路との連通部の少なくとも一部を通り、前記空気導入孔と前記圧縮機の主流とを連通する第１のシール空気流路と、
第１のシール空気流路に設けられたドライガスシールと、
前記圧縮機の主流と前記ドライガスシールとの間に設けられた狭隘部と、
前記ドライガスシールと前記狭隘部の間で前記第１のシール空気流路に接続された第２のシール空気流路と、
前記第２のシール空気流路を流れるシール空気流量を調節する第１のバルブとを有し、水を作動媒体とする圧縮機に設けられた制御器であって、
前記圧縮機の回転数に応じて前記第１のバルブの開度を調節させることを特徴とする制御器。