JP2012140944A - スワールブレーキをテーパ付きにするシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入口スワールを減少させるスワールブレーキ付きシールを提供するシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】スワールブレーキは、それぞれが歯形を有するように構成されシールの前縁に配置され複数のスワールブレーキと回転部分の外面との間に間隙を有するように構成される複数のスワールブレーキを備える。各歯は、第１の所定長さの第１の表面、第１の表面に連結され第１の表面に対して所定角度を有する第２の表面、および第２の表面の端部からシールセクションの始まりまで延在し第２の所定長さを有する第３の表面を有し、第３の表面がテーパを有する。
【選択図】なし

Description

本明細書で開示する主題の実施形態は、一般的に圧縮機に関し、より具体的にはスワールブレーキ（ｓｗｉｒｌ ｂｒａｋｅ）付きシールに関する。

圧縮機は、機械的エネルギを使用することにより、例えばガスである圧縮性流体の粒子を加速し、最終的にその圧縮性流体の圧力を増大させる機械である。圧縮機は、ガスタービンエンジンの初期段階としての動作を含む、多数の異なる用途に使用されている。様々なタイプの圧縮機の中には、遠心圧縮機と呼ばれるものがある。遠心圧縮機では、機械的エネルギは、例えばガスが通過する遠心インペラを回転させることによるなど、ガス粒子を加速する遠心加速によって、圧縮機に入れられたガスに作用を及ぼす。さらに一般的には、遠心圧縮機は、「ターボ機械」または「ターボ回転機械」として知られる機械類の一部であると考えることができる。

遠心圧縮機は、単一のインペラで占められるすなわち単段構成であってよく、または直列の複数のインペラで占められてもよく、その場合、それらはしばしば多段圧縮機と呼ばれる。遠心圧縮機の段のそれぞれは、一般的に、加速されるべきガスの入口コンジット、入力ガスに運動エネルギを与えることができるインペラ、およびインペラを出るガスの運動エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザを含む。

遠心圧縮機には、回転要素および静止要素がある。シールは、いくつかの回転要素と静止要素の間に使用され、遠心圧縮機内の望ましくない漏れを防止することができる。例えば、ラビリンスシールまたはハニカムシールは、例えばバランスピストンおよびインペラアイ（または多段遠心圧縮機では各インペラアイ）において内部シールとして使用することができる。

一般的に、ラビリンスシールは、溝とランドを使用して流体に難しい流路をもたらし、一方ハニカムシールは、六角形セルを使用して流体の流れを阻止する。両方のタイプのシールとも、回転面と静止面との間に小さな間隙（または等価な特徴）があるままになる。様々なシールデザインが、ターボ機械の当初より実施されてきた。これらのシールは、漏れおよびガススワールに影響を及ぼし得る。圧縮機で使用するシールの１つの例は、図１に示されるように、Ｄｒｅｓｓｅｒ−Ｒａｎｄにより製造されるスワールブレーキ４付きのラビリンスシール２である。これについては、ｗｗｗ．ｄｒｅｓｓｅｒ−ｒａｎｄ．ｃｏｍ／ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ／ｓｅｒｖｉｃｅｓ／２０３５−ＳｗｉｒｌＢｒａｋｅ．ｐｄｆで見ることができる。この特定のデザインのスワールブレーキ４付きラビリンスシール２は、ラビリンスシールに入るスワールを減少させ逆方向にするのに使用するとされている。

しかし、遠心圧縮機のスワールブレーキに関連する対象となる他の領域は、様々な動作条件下でロータ動力学的（ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃ）に安定である。例えば、ある部分がシール領域で回転すると、望ましくない円周方向の流れがシールのチャンバ内で引き起こされる恐れがある。侵入スワール（ｅｎｔｒｙ ｓｗｉｒｌ）がシール内の流れに対して望ましくない円周方向要素を引き起こす恐れもあり、したがって、遠心圧縮機のロータ動力学的安定性を向上するためには、侵入スワールとシール内の回転の影響の両方を減少させることが望ましい。

したがって、ロータ動力学的安定性を向上させるスワールブレーキ付きシールの他のシステムおよび方法が望まれている。

例示的な一実施形態によれば、遠心圧縮機が提供される。遠心圧縮機は、プロセスガスを受けるように構成される第１のダクト、第１のダクトに連結されプロセスガスを圧縮するように構成され外面を有するインペラ、および第１のシールを備える。第１のシールは、第１のシールの入口においてプロセスガスの流れの入口シールスワール（ｉｎｌｅｔ ｓｅａｌ ｓｗｉｒｌ）を減少させる歯形を有するように構成される第１の複数のスワールブレーキを含む。各スワールブレーキは、第１のシールの前縁に配置され、第１の複数のスワールブレーキとインペラの外面との間に間隙を有するように構成される。各スワールブレーキは、第１の所定長さの第１の表面、第１の表面に連結され第１の表面に対して所定角度を有する第２の表面、および第２の表面の端部からシールセクションの始まりまで延在し第２の所定長さを有する第３の表面を有し、第３の表面は第１のテーパを有する。

他の実施形態によれば、入口スワールを減少させるスワールブレーキが提供される。スワールブレーキは、それぞれが歯形を有するように構成されシールの前縁に配置され複数のスワールブレーキと回転部分の外面との間に間隙を有するように構成される複数のスワールブレーキを含む。各歯は、第１の所定長さの第１の表面、第１の表面に連結され第１の表面に対して所定角度を有する第２の表面、および第２の表面の端部からシールセクションの始まりまで延在し第２の所定長さを有する第３の表面を含み、第３の表面がテーパを有する。

他の例示的な実施形態によれば、遠心圧縮機の入口シールスワールを減少させるのに使用する複数のスワールブレーキを含むシールの製造方法が提供される。方法は、対象のシールを入手すること、シール前縁に歯形をそれぞれ有するように複数のスワールブレーキを機械加工すること、各スワールブレーキについてそのスワールブレーキの第１の表面を第１の所定長さに機械加工すること、各歯についてその歯の、第１の表面に連結され第１の表面に対して所定角度を有する第２の表面を機械加工すること、および各歯についてその歯の、第２の表面の端部からシールセクションの始まりまで延在し第２の所定長さを有する第３の表面であって、入口シールスワールを減少させるように構成される第１のテーパを有する、第３の表面を機械加工することを含む。

添付の図面には例示的な実施形態が示されている。

スワールブレーキ付きラビリンスシールの図である。 例示的な実施形態による、多段遠心圧縮機の図である。 例示的な実施形態による、多段遠心圧縮機内の最終インペラ段およびバランスピストンの図である。 例示的な実施形態による、最終形状にする前の複数のスワールブレーキ付きラビリンスシールの図である。 例示的な実施形態による、最終形状にする前の複数の歯形のスワールブレーキの図である。 例示的な実施形態による、ステータ部分とロータ部分の間の間隙の概略図である。 例示的な実施形態による、第１の向きにあるシールとスワールブレーキの図である。 例示的な実施形態による、第２の向きにあるシールとスワールブレーキの図である。 例示的な実施形態による、スワールブレーキの形状の図である。 例示的な実施形態による、遠心圧縮機の入口シールスワールを減少させるのに使用する複数のスワールブレーキを含むシールの製造方法の流れ図である。

添付の図面を参照して、例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。異なる図面において同様の参照番号は同様または類似の要素を識別する。さらに、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書の全体にわたって、「１つの実施形態」または「一実施形態」という言及は、実施形態に関連して記載される特定の機能、構造または特徴が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体にわたって様々なところに「１つの実施形態」または「一実施形態」という語句が出てくるが、必ずしも同様の実施形態を示すものではない。さらに、特定の機能、構造または特徴は、１つまたは複数の実施形態においてあらゆる適当なやり方で組み合わせることができる。

例示的な実施形態によれば、入口シールの侵入スワールを実質的にゼロにするスワールブレーキによってロータ動力学的安定性を向上させるスワールブレーキ付きシールが製造され装着され得る。これによって、遠心圧縮機の動作中、シール内における望ましくない円周方向の力の量が減少され得る。

これらの例示的な実施形態によるスワールブレーキ付きシールに関する以下の議論のためにいくつかの背景を提示するために、図２には、そうしたスワールブレーキ付きシールが用いられ得る多段遠心圧縮機６が示されている。そこにおいて、遠心圧縮機６は、回転する圧縮機シャフト１０が内部に取り付けられるハウジング８を含む。圧縮機シャフト１０は、複数の遠心インペラ１２を備える。遠心圧縮機６は、ダクト入口１４から入力プロセスガスを取り入れ、インペラ１２の動作によってプロセスガスの粒子を加速し、続いてそのプロセスガスを入力圧力よりも高い出力圧力で出口ダクト１６を通って送り出すように動作する。例えば、プロセスガスは、二酸化炭素、硫化水素、ブタン、メタン、エタン、プロパン、液化天然ガスまたはその組み合わせのうちの任意の１つであってよい。図には、インペラ１２によって生成される軸方向のスラストを補正するのに使用される（バランスドラムとしても知られる）バランスピストン１８も示されている。例えばラビリンスシールおよび／またはハニカムシールであるシール２０、２１は、漏れを防ぎ圧力を維持するのに使用される。さらに、図には、バランスピストン１８の機外側の圧力を、プロセスガスがダクト１４を通って入るときの圧力と同じレベルに維持するバランスライン２２が示されている。

図３は、バランスピストン１８と接触する最終インペラ１２の分解図である。矢印は、遠心圧縮機６内で使用されるプロセスガスの主な流れ方向を示している。シール２０、２１によって、プロセスガスが高圧側から低圧側に漏れなくなる（またはその量が大幅に減少する）。さらに、例示的な実施形態によれば、シール２０、２１は、（以下により詳細に説明する）スワールブレーキを含むことができる。スワールブレーキは、流れのスワールを減少させる、例えばスワールの値をゼロにすることができ、かつ圧縮機６のロータ動力学を向上させることができる。

例示的な実施形態によれば、シール２０（およびシール２１）は、図４、５に示されるようなスワールブレーキ２４を含むことができる。図４、５に示されるスワールブレーキ２４は、歯形であり、シール２０のベースのストック材料から機械加工され得る。図５は、図４からの分解セクションＡを示す。図５に示される複数のスワールブレーキ２４は、例示的な実施形態に従って、以下により詳細に述べられる所望の最終寸法に機械加工される前の基本の歯形で示されている。矢印２６は、シール２０の長手方向軸を示している。領域３２は、シール２０の、ラビリンスシール、ハニカムシールまたはポケットダンパシール（ｐｏｃｋｅｔ ｄａｍｐｅｒ ｓｅａｌ）のセクションであり得る部分を示している。参考のために、図５には、スワールブレーキ２４のピッチ、長さ、厚さおよび高さがラベル表示されている。プロセスガスの流れの方向を考慮すると、主流は表面２８に概ね平行に発生する。最低限に抑えられるべき例えば高圧域と低圧域の間でブロックされるべきガスの流れは、表面３０に概ね平行に発生する。

例示的な実施形態によれば、歯形のスワールブレーキ２４は、図６に示されるようにテーパ付きにされ得る。図６には、例えばシール２０であるステータ部分、例えばインペラ１２またはバランスピストン１８であるロータ部分３４、プロセスガスの主流方向３６、シールを通ろうとする流路３８、ならびにステータ部分とロータ部分の間の前縁クリアランス４０および後縁クリアランス４２が示されている。前縁クリアランス４０は、後縁クリアランス４２よりも大きい。さらに、前縁クリアランス４０は、上流クリアランス４０の増大がスワールの制御を悪化させると一般的に考えられている従来のスワールブレーキに見られるクリアランスよりも比較的大きい。例示的な実施形態によれば、前縁クリアランス４０は、後縁クリアランス４２の約２倍であってよい。しかし、他の値のクリアランスも使用可能である。ロータ部分３４は、インペラ１２またはバランスピストン１８のどちらかであり得るが、図６ではインペラ１２である。ロータ部分３４がバランスピストン１８である場合、図３のシール２０、２１から見られるように、向きが図６に示されるものと反対になる。

例示的な実施形態によれば、スワールブレーキ２４は、スワールを減少させロータ動力学的効率を向上させるように機械加工され得る。図７、８には、スワールブレーキ２４を含むシール２０、２１に取り付けられるダイヤフラム４６が示されている。図７、８に示される２つの異なる向きは、図３のシール２０、２１の向きに対応する。図７のセクションＢとして示されるスワールブレーキ２４の拡大図は図９に示され、それについて次に説明する。

例示的な実施形態によれば、スワールブレーキ２４は図９に示されるような形状を有するように機械加工され得る。各スワールブレーキ２４は、第１の機械加工表面４８、第２の機械加工表面５０および第３の機械加工表面５２を有することができる。第１の表面４８は、図５に示される表面２８の一部である。第３の表面５２は、図５に示される表面３０の一部である。第３の表面は、その所定長さｂにわたって、所定高さ変化ｃの所定テーパを有することができる。例示的な実施形態によれば、テーパの所定高さ変化ｃは、０〜０．１ｍｍの範囲内であってよいが、他の高さ変化範囲も使用可能である。テーパの角度はα₁として示されている。第２の表面５０は、第１の表面４８を第３の表面５２と連結する。第２の表面の角度はα₂である。例示的な実施形態によれば、歯構造は、遠心圧縮機の全動作条件範囲において、ロータ動力学的効率の向上を実現することができる。

他の例示的な実施形態によれば、図９に示し上述したものと類似する歯形スワールブレーキ２４を様々な遠心圧縮機に使用することができる。例えば表面４８、５０、５２である表面の寸法ならびに角度α₁、α₂の値は、やはり入口スワール量などを最低限に抑えるまたはゼロにするために、遠心圧縮機の特性および動作条件に応じて変えることができる。

図１０の流れ図には、例示的な実施形態による上述の例示的なシステムを使用して遠心圧縮機の入口シールスワールを減少させるのに使用する複数のスワールブレーキを含むシールの製造方法が示されている。方法は、対象のシールを入手するステップ１００２、シール前縁に歯形をそれぞれ有するように複数のスワールブレーキを機械加工するステップ１００４、各スワールブレーキについてその第１の表面を第１の所定長さに機械加工するステップ１００６、各歯についてその第１の表面に連結され第１の表面に対して所定角度を有する歯の第２の表面を機械加工するステップ１００８、および各歯についてその第２の表面の端部からシールセクションの始まりまで延在し第２の所定の長さを有する歯の第３の表面であって、入口シールスワールを減少させるように構成される第１のテーパを有する第３の表面を機械加工するステップ１０１０を含む。

上述の例示的な実施形態は、あらゆる点で本発明を制限するのでなく例示するものである。したがって、本発明は、当業者によって、本明細書にある説明から導き出され得る詳細な実装形態の様々な変形形態が可能である。全てのそうした変形形態および修正形態は、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲および精神の範囲内にあると考えられる。例えば、遠心圧縮機は、単段圧縮機または多段圧縮機であってよい。本出願の説明に使用される要素、行為または指示は、そのように明確に説明がない限り、本発明にとって重大または必要不可欠なものはないと解釈すべきである。さらに本明細書で使用される冠詞「ａ」は、１つまたは複数のアイテムを含むものである。

上述の説明は、開示した主題の実施例を用いて、あらゆる当業者が、あらゆる装置またはシステムを作成かつ使用し、あらゆる包含の方法を実施することを含む、本発明を実施することができるようにする。主題の特許保護される範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の実施例も含むことができる。そうした他の実施例は特許請求の範囲内に入るものである。

６ 遠心圧縮機
８ ハウジング
１０ シャフト
１２ インペラ
１４ ダクト入口
１６ 出口ダクト
１８ バランスピストン
２０ シール
２１ シール
２２ バランスライン
２４ スワールブレーキ
２６ 長手方向軸
２８ 表面
３０ 表面
３２ 領域
３４ ロータ部分
３６ 主流方向
３８ 流路
４０ 前縁クリアランス
４２ 後縁クリアランス
４６ ダイヤフラム
４８ 第１の機械加工表面
５０ 第２の機械加工表面
５２ 第３の機械加工表面
Ａ 分解セクション
Ｂ セクション
ｂ 所定長さ
ｃ 高さ変化
α₁ テーパの角度
α₂ 第２の表面の角度

Claims (10)

1. 遠心圧縮機であって、
   プロセスガスを受けるように構成される第１のダクトと、
   前記第１のダクトに連結され、前記プロセスガスを圧縮するように構成され、外面を有する、インペラと、
   第１のシールと
   を備え、
   前記第１のシールが、前記第１のシールの入口において前記プロセスガスの流れの入口シールスワールを減少させる歯形を有するように構成される第１の複数のスワールブレーキを備え、
   各スワールブレーキが、前記第１のシールの前縁に配置され、前記第１の複数のスワールブレーキと前記インペラの前記外面との間に間隙を有するように構成され、各スワールブレーキが、第１の所定長さの第１の表面、前記第１の表面に連結され前記第１の表面に対して所定角度を有する第２の表面、および前記第２の表面の端部からシールセクションの始まりまで延在し第２の所定長さを有する第３の表面を有し、前記第３の表面が第１のテーパを有する、
   遠心圧縮機。
2. 前記遠心圧縮機における軸方向のスラストを減少させるように構成されるバランスピストンと、
   第２のシールと
   をさらに備え、
   前記第２のシールが、前記第２のシールの入口において前記プロセスガスの流れのスワールを減少させる歯形を有するように構成される第２の複数のスワールブレーキを備え、
   各歯が、前記第２のシールの前縁に配置され前記第２の複数のスワールブレーキと前記バランスピストンとの間に間隙を有するように構成され、各歯が、第１の所定長さの第１の表面、前記第１の表面に連結され前記第１の表面に対して所定角度を有する第２の表面、および前記第２の表面の端部から前記シールセクションの始まりまで延在し第２の所定長さを有する第３の表面を有し、前記第３の表面が第２のテーパを有する、
   請求項１記載の遠心圧縮機。
3. 前記テーパが、前記第２の所定長さにわたって０〜０．１ｍｍの範囲内の高さ変化を有し、前縁クリアランスと後縁クリアランスの比が実質的に２である、請求項１または２記載の遠心圧縮機。
4. 入口スワールを減少させる複数のスワールブレーキを含むシールであって、
   前記スワールブレーキが、それぞれが歯形を有するように構成されシールの前縁に配置され前記複数のスワールブレーキと回転部分の外面との間に間隙を有するように構成される前記複数のスワールブレーキを備え、
   各歯が、第１の所定長さの第１の表面と、前記第１の表面に連結され前記第１の表面に対して所定角度を有する第２の表面と、前記第２の表面の端部からシールセクションの始まりまで延在し第２の所定長さを有する第３の表面とを有し、前記第３の表面がテーパを有する、
   シール。
5. 前記テーパが、前記第２の所定長さにわたって０〜０．１ｍｍの範囲内の高さ変化を有し、前縁クリアランスと後縁クリアランスの比が実質的に２である、請求項４記載のスワールブレーキ。
6. 前記第２のシールが、ラビリンスシール、ハニカムシールまたはポケットダンパシールのうちの１つである、請求項４記載のスワールブレーキ。
7. 前記シールがインペラアイに配置される、請求項４記載のスワールブレーキ。
8. 前記シールがバランスピストンに配置される、請求項４記載のスワールブレーキ。
9. 遠心圧縮機の入口シールスワールを減少させるのに使用する複数のスワールブレーキを含むシールの製造方法であって、
   対象の前記シールを入手するステップと、
   シール前縁に歯形をそれぞれ有する前記複数のスワールブレーキを機械加工するステップと、
   各スワールブレーキについて、前記スワールブレーキの第１の表面を第１の所定長さに機械加工するステップと、
   各歯について、前記歯の、前記第１の表面に連結され前記第１の表面に対して所定角度を有する第２の表面を機械加工するステップと、
   各歯について、前記歯の、前記第２の表面の端部からシールセクションの始まりまで延在し第２の所定長さを有する第３の表面であって、入口シールスワールを減少させるように構成される第１のテーパを有する、第３の表面を機械加工するステップと
   を含む、シールの製造方法。
10. 前記スワールブレーキが圧縮機に組み付けられるように構成されるように表面に第２のテーパを機械加工するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。

Images