JP2014062504A - 遠心型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心型流体機械において、シール内に噴射した高圧流体がシール内の旋回流れを抑制し、かつ、シール上流における旋回流れの流入を効果的に防止できる遠心型流体機械を提供する。
【解決手段】遠心型流体機械は、流体を昇圧する遠心羽根車と、この遠心羽根車を駆動する回転軸と、遠心羽根車によって昇圧された流体が回転体と静止部との隙間を通ることを抑制する環状シールとを備える。環状シールを通過する漏れ流れの上流側における隣接したシールフィン間に高圧流体を噴出する噴出出口１１を設けると共に、噴出口から噴射された高圧流体の一部を上流側の環状シール端部から排出する排出羽根を、環状シール端部に位置させて前記回転体に設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、遠心型流体機械に係り、特に、炭化水素ガスや炭酸ガスをはじめ各種ガスを取扱う多段遠心圧縮機、例えば油田や天然ガス、石油化学のプラントに用いられている高圧用途の多段遠心圧縮機などに好適なものである。

油田や天然ガス、石油化学のプラントに使用される多段遠心圧縮機は、回転による遠心力で流体を昇圧する流体機械である。このような遠心圧縮機には、流体をシールするために環状のシールが用いられるが、環状シール部において漏れ流れによる不安定化力が発生し、軸系の安定性に影響する。この不安定化力が軸受による安定化力を上まわるようになると、いわゆるシールホワールと呼ばれる自励振動が発生する。このため、軸系の設計では、シール部における不安定化力に対し、十分な安定性を発揮するように考慮される。

しかしながら、実際の運転においては、予想外の条件が重なるなどして、所望の安定性が得られないが場合がある。軸系が不安定になると、異常振動により機械が損傷することもあるので、シール部における不安定化力を積極的に抑制することが重要である。シール部の不安定化力抑制として、実公昭６３−１６９３８号実用新案公報（特許文献１）には、高圧部から導かれた流体をシール室内に噴出するノズル孔を設け、さらにノズル孔の噴出方向が回転軸の回転方向と逆向きに形成する手法が示されている。

実公昭６３−１６９３８号公報

遠心圧縮機に特許文献１に示される方法を適用するとき、その効果を得るために最も重要なのは、遠心羽根車出口からの旋回成分を持った漏れ流れが環状シール部に流れ込まないようにブロックすることである。特許文献１のノズル孔から噴射される高圧ガスは、通常、羽根車出口を出たガスがディフューザを通って圧力回復した場所、すなわち、吐出スクロールやコレクタなどの部分から導入される。

通常であれば、吐出スクロールやコレクタでの圧力は、羽根車出口の圧力より高いので、ノズル孔に導入されるガスも羽根車出口より高圧となり、ノズル孔から高圧ガスを噴射することができる。

しかしながら、圧縮機の運転点が設計点より大風量側になると、ディフューザにおける圧力回復が不十分となり、ノズル孔でのガス噴射が弱くなってしまうケースがでてくる。ノズル孔でのガス噴射が弱いと、羽根車出口での漏れ流れが強い旋回成分を持ったまま、シールに流れ込んでくるため、軸振動の不安定化を引き起こしてしまう恐れがある。

本発明の目的は、ノズル孔での圧力が低下した場合でも、羽根車出口からの漏れ流れが、シールに流れ込まないようなシール部の構造により、安定度の高い遠心型流体機械を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、流体を昇圧する遠心羽根車と、前記遠心羽根車を駆動する回転体と、前記遠心羽根車によって昇圧された流体が前記回転体とこれに対向する静止部とのシール隙間を通ることを抑制するため、前記回転体に対向させて複数条のシールフィンを前記静止部に設けた環状シールを備えた遠心型流体機械において、
前記環状シールの隣接するシールフィン間に高圧流体を噴出する噴出口を設け、さらに前記噴出口から噴射された流体の一部を前記環状シールの上流側に排出する排出羽根を回転体の上流側の端部に設けたことを特徴とする。

また、上記に記載の遠心型流体機械において、前記回転体は前記遠心羽根車の背面部に設けられたバランスドラムであり、前記排出羽根は前記バランスドラムの前記噴射口より上流側の外周に沿わせて設けられたことを特徴とする。

また、上記に記載の遠心型流体機械において、前記排出羽根は前記バランスドラムの回転により、前記噴出口から噴射された流体の一部を前記環状シールの上流側に排出する軸流形式の排出羽根で構成されたことを特徴とする。

また、上記に記載の遠心型流体機械において、前記噴射口は前記遠心羽根車の吐出スクロールに連通し、前記環状シールに周方向に複数箇所均等に、かつバランスドラム３に向き合うように設けられたことを特徴とする。

また、上記に記載の遠心型流体機械において、前記遠心羽根車は回転体に複数装着された多段の遠心羽根車の最終段の遠心羽根車であり、前記噴出口は最終段の遠心羽根車で昇圧された流体を噴出し、前記排出羽根は前記回転体の最終段の遠心羽根車側の端部に設けられたことを特徴とする。

また、上記に記載の遠心型流体機械において、遠心型流体機械はストレートスルー方式であることを特徴とする。

また、上記に記載の遠心型流体機械において、遠心型流体機械は低圧グループの多段の遠心羽根車と、高圧グループの多段の遠心羽根車からなるバックツーバック方式であり、前記最終段の遠心羽根車は前記高圧グループの遠心羽根車の最終段の遠心羽根車であることを特徴とする。

前述の目的を達成するために、本発明は、ガスを昇圧する遠心羽根車と、前記遠心羽根車を駆動する回転軸と、前記遠心羽根車によって昇圧されたガスが漏れ流れとして回転体と静止部との隙間を通ることを抑制する環状シールと、環状シールに高圧のガスを噴射する噴射口と、を備え、前記環状シールの回転体品において、噴射口よりも環状シールの上流部分に軸流型の排出羽根を配置し、軸流型の排出羽根車はその回転によって、噴射口から出たガスの一部を前記環状シール上流側へ排出することを特徴とする。

本発明によれば、環状シールに設けられた噴射口から噴出されるガスの一部が、環状シール上流に確実に流れ出ることにより、環状シール上流に存在する旋回漏れ流れが環状シールに入り込むのを防止できると共に、回転軸の振動不安定化力を低減できる。

ストレートスルー方式の多段遠心圧縮機の断面図である。 バックトゥーバック方式の多段遠心圧縮機の断面図である。 本発明の一実施例の多段遠心圧縮機の最終段遠心羽根車まわりの断面図である。 同じく最終段遠心羽根車まわりの要部を拡大して示す部分断面図である。

（実施例）
まず、本実施形態として遠心型流体機械５０について説明する。本実施例の多段遠心圧縮機５０は、油田や天然ガス、石油化学のプラントに用いられる高圧用途の多段遠心圧縮機である。図１あるいは図２に示すように構成される多段遠心圧縮機５０は、被圧縮流体であるガスを回転軸１に複数装着された多段の遠心羽根車によって連続的に圧縮する装置である。

図１は、ストレートスルー方式と呼ばれる構造であり、吸込みノズル３１から初段遠心羽根車４１に吸い込まれたガスは、段ごとに昇圧されて最終段遠心羽根車２ｂから吐出スクロール１２を経由して吐出口３２から出ていく。

図２は、バックトゥーバック方式と呼ばれる構造で、複数の遠心羽根車を低圧グループと高圧グループの二つに分けて一つの回転軸に配置するものである。バックトゥーバック方式では、低圧グループの吸込みノズル３３から初段遠心羽根車４３に吸い込まれたガスは、段ごとに昇圧され、低圧グループの最終段羽根車４４から吐出口３４へ出ていく。一旦圧縮機の外に出たガスは、冷却されたり、あるいは、一部抽出されたり、あるいは、他のガスと混合されたりした後に、再び、圧縮機５０に戻り、高圧グループの吸込みノズル３５から初段遠心羽根車４５に吸い込まれ、段ごとに昇圧されて、高圧グループの最終段遠心羽根車２ｂから吐出スクロール１２を経由して吐出口３６から出ていく。

次に、本発明実施例を遠心型流体機械としての多段遠心圧縮機について、図３と図４を用いて説明する。図１、図２に示される符号と同一符号は同一物または相当物を示す。

図３は、本実施形態の多段遠心圧縮機５０の最終段遠心羽根車まわりの断面図であり、図４は、図３の要部を拡大して示す断面図である。ここで最終段遠心羽根車まわりとは、図１のストレートスルー方式の多段遠心圧縮機では、最終段遠心羽根車２ｂまわりのことであり、また、図２バックトゥーバック方式の多段遠心圧縮機では、高圧グループの最終段遠心羽根車２ｂまわりのことである。

図３、図４の多段遠心圧縮機５０において、回転軸（回転体）１は外部から入力される駆動力（図示せず）によって回転される。回転軸１が回転すると、それに固定された遠心羽根車２（２ａ、２ｂ）が連続的にガスを昇圧する。遠心羽根車２は、回転軸１に多段に複数装着されて回転軸１と共に回転され、各段毎にガスを中心部側面から吸込み昇圧して外周から吐出する。

最終段の遠心羽根車２ｂで昇圧されたガスは圧力が高く、その遠心羽根車２ｂの入口側に逆流（図３で逆向き矢印Ａで示す）しようとするので、それを制限するため静止部であるケーシング８側に環状のマウスシール２０（２０ｂ）が設けられている。マウスシール２０ｂには、軸方向に複数条のシールフィン２０ｃが形成されたラビリンスシールが用いられている。

また、多段遠心圧縮機では、段間でガス圧力が増加するので、圧力上昇したガスが前段に逆流する量を制限するために、ケーシング８側に環状のステージシール２１が設けられている。ステージシール２１には、軸方向に複数条のシールフィン２１ａが形成されたラビリンスシールが用いられている。

最終段の遠心羽根車２ｂの背面部５には、軸方向推力をバランスさせるために、バランスドラム（回転体）３が回転軸１に固定されている。バランスドラム３の低圧側は、図１のストレートスルー方式の場合には、初段遠心羽根車の吸い込み部側に接続されており、最終段遠心羽根車の出口圧力と初段遠心羽根車の入口（吸い込み部）圧力との差圧がバランスドラム３に加わる。図２のバックトゥーバック方式の場合は、高圧グループの最終段羽根車２ｂの背面と低圧グループの最終段遠心羽根車４４の背面との間にバランスドラム３が配置されており、高圧グループの最終段の出口圧力と低圧グループの最終段の出口圧力の差圧がバランスドラム３に加わる。

上記した差圧により、最終段の遠心羽根車２ｂで昇圧されたガスが、遠心羽根車２ｂの背面部５を通じて、回転側のバランスドラム３の外周表面と静止部のケーシング８の隙間６（シール隙間）を通じて低圧側へ流れ出ようとする。本実施例では、このシール隙間６を通じた流体の流出を制限するために、バランスドラム３の外周に対向させて環状のバランスドラムシール２２がケーシング８に設けられている。バランスドラムシール２２には、軸方向に複数条のシールフィン２２ａがバランスドラム３の外周表面に非常に小さい隙間を持ってラビリンスシールが形成されている。

また、バランスドラム３のシールフィン２２ａの隣接するフィンの間に、噴出口１１が形成される。噴射口１１は、バランスドラムシール２２を内蔵するケーシング８の環状孔の、内周方向の複数箇所に均等に、かつバランスドラム３に対して向き合うように設けられている。噴出口１１は、静止部であるケーシング８を貫通して設けられたシャントガス流路１０を通じて吐出スクロール１２に連通し、前記シールフィン２２ａの複数条の間に開口して、高圧シャントガスをシール隙間６に吹き込む。噴射されるシャントガスは、遠心羽根車の最終段に設けられたスクロール１２からシャントガス流路１０を通じて内周方向の複数箇所の設けられた噴射口１１から均等に噴射される。従って、噴射口１１からシール隙間６に噴射されるガスは、旋回成分をもっていないので、クロスカップリング剛性のような不安定力を低減することができる。

吹き込まれたシャントガスは、シール隙間６の低圧側と高圧側に分かれて流れる。噴射口１１での高圧シャントガスの圧力は遠心羽根車２ｂの出口よりも高いため、遠心羽根車２ｂから出て背面部５を通じる漏れ流れの、シール隙間６への流入が阻止される。

シール隙間６を流れるガスがロータ（回転軸）の回転方向と同じ方向の旋回成分を有すると、ロータが振れたときに、その振れの方向だけではなく、それとは直交する方向にも流体力が発生する。これは、クロスカップリング剛性と呼ばれ、ロータが前回りに振れ回るとき、それを助長するような作用をする。従って、シール隙間６を流れるガスは旋回成分を持たないことが理想である。通常、遠心羽根車の出口からの漏れ流れは、遠心羽根車の回転によって旋回成分を持っており、そのままシールに流れ込むと、このクロスカップリング剛性によりロータ振れ回りの不安定化が起こる。

噴射されるシャントガスは、遠心羽根車の最終段に設けられたスクロール１２からシャントガス流路１０を通じて内周方向の複数箇所の設けられた噴射口１１から均等に噴射される。従って、噴射口１１からシール隙間６に噴射されるガスは、旋回成分をもっていないので、クロスカップリング剛性のような不安定力を低減することができる。

なお、噴射口１１から噴射されるガスの大部分は、シール隙間６の下流側に流れ、残りが上流側に流れる。ここで、バランスドラムシール２２の遠心羽根車２ｂ側が上流側（高圧側）であり、その反対側が下流側（低圧側）である。

本発明実施例では、さらに、最終段の遠心羽根車２ｂの背面部５側のバランスドラム３の上流側端部に、その外周に沿わせて軸流形式の排出羽根４を設けている。すなわち、排出羽根４は、前記噴射口１１より背面部５側の上流側端部に設けられている。排出羽根４の各羽根４ａは、バランスドラム３の矢印Ｃ方向の回転に伴ってシール隙間６内の流体を遠心羽根車２ｂの背面部５へ流す（図４に矢印Ｂで示す）ように、傾斜した状態でバランスドラム３の外周に取付けられている。

上記構成において、バランスドラム３が回転すると、排出羽根４によりシール隙間６内の流体が遠心羽根車２ｂの背面部５へ流れるため、シャントガス流路１０を通じて噴出口１１から吹き込んだシャントガスのうち、シール隙間６で高圧側に分かれたガスが、遠心羽根車２ｂの背面部５へ流される。すなわち、図１のストレートスルー方式の場合では、シール隙間６内のシャントガスの一部を最終段の遠心羽根車２ｂの背面部５である上流側に効率良く排出する。バックトゥーバック方式の場合では、シール隙間６内のシャントガスの一部を高圧グループの最終段の遠心羽根車２ｂの背面部５となっている上流側に効率良く排出する。

排出羽根４は、噴射口１１から噴出されるガスを増圧し、積極的にシール隙間６外に吐き出し、羽根車２ｂから出た漏れ流れが背面部５を通じてシール隙間６内に入ってくることを抑制する。これにより、シール隙間６内は、旋回流の流入から隔離され、振動安定性の向上に寄与する。

通常、前記噴射口１１でのシャントガスの圧力は、遠心羽根車２ｂの出口よりも高いため、遠心羽根車２ｂから出て背面部５を通じる漏れ流れはシール隙間６内に入り込めない。しかし、遠心型流体機械の運転条件によっては、噴射口１１での圧力が不十分となり、羽根車２ｂ側からの流れがこれに打ち勝ち、シール隙間６内に入ってしまうことがある。そして、羽根車側からの流れは旋回成分を持っているので、クロスカップリング剛性が増大する可能性が生じる。

排出羽根４は、上記のようにシール隙間６内の流体を遠心羽根車２ｂの背面部５の上流側に強制的に排出するので、上記したように、噴出口１１から吹き出されるシャントガスの噴射圧力が弱くなった場合でも、遠心羽根車２ｂの背面部５からシール隙間６内へのガスの流れ込みを防止でき、旋回流の流入も防止できる。

以上説明したように、本発明実施例では、第一に、シャントガスによって、遠心羽根車２ｂの出口から背面部５を通じて流れる旋回流のシール隙間６への流入を抑制してクロスカップリング剛性を低減する。第二に、バランスドラムに設けられた排出羽根４によってシール隙間６内のガスを上流側に流すことにより、シャントガスが弱い場合でも、遠心羽根車２ｂの出口から背面部５を通じて漏れ出る旋回流のガスのシール隙間６への流入を抑制してクロスカップリング剛性を低減する。

１…回転体（回転軸）、２ａ…遠心羽根車、２ｂ…最終段の遠心羽根車、３…バランスドラム（回転体）、４…排出羽根、軸流型ファン、５…遠心羽根車の背面部、６…シール隙間、８…静止部（ケーシング）、１０…シャントガス流路、１１…噴出口、シャントガス噴出口、２０ａ…マウスシール、２０ｂ…最終段マウスシール、２１…ステージシール、２２…環状シール、バランスドラムシール、２２ａ…シールフィン、４０…低圧グループ、４１…高圧グループ、５０…遠心型流体機械。

Claims (7)

1. 流体を昇圧する遠心羽根車と、前記遠心羽根車を駆動する回転体と、前記遠心羽根車によって昇圧された流体が前記回転体とこれに対向する静止部とのシール隙間を通ることを抑制するため、前記回転体に対向させて複数条のシールフィンを前記静止部に設けた環状シールを備えた遠心型流体機械において、
   前記環状シールの隣接するシールフィン間に高圧流体を噴出する噴出口を設け、さらに前記噴出口から噴射された流体の一部を前記環状シールの上流側に排出する排出羽根を回転体の上流側の端部に設けたことを特徴とする遠心型流体機械。
2. 請求項１に記載の遠心型流体機械において、
   前記回転体は前記遠心羽根車の背面部に設けられたバランスドラムであり、前記排出羽根は前記バランスドラムの前記噴射口より上流側の外周に沿わせて設けられたことを特徴とする遠心型流体機械。
3. 請求項１または２に記載の遠心型流体機械において、
   前記排出羽根は前記バランスドラムの回転により、前記噴出口から噴射された流体の一部を前記環状シールの上流側に排出する軸流形式の排出羽根で構成されたことを特徴とする遠心型流体機械。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の遠心型流体機械において、
   前記噴射口は前記遠心羽根車の吐出スクロールに連通し、前記環状シールに周方向に複数箇所均等に、かつバランスドラムに対して向き合うように設けられけられたことを特徴とする遠心型流体機械。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の遠心型流体機械において、
   前記遠心羽根車は回転体に複数装着された多段の遠心羽根車の最終段の遠心羽根車であり、前記噴出口は最終段の遠心羽根車で昇圧された流体を噴出し、前記排出羽根は前記回転体の最終段の遠心羽根車側の端部に設けられたことを特徴とする遠心型流体機械。
6. 請求項５に記載の遠心型流体機械において、
   遠心型流体機械はストレートスルー方式であることを特徴とする遠心型流体機械。
7. 請求項５に記載の遠心型流体機械において、
   遠心型流体機械は低圧グループの多段の遠心羽根車と、高圧グループの多段の遠心羽根車からなるバックツーバック方式であり、前記最終段の遠心羽根車は前記高圧グループの最終段の遠心羽根車であることを特徴とする遠心型流体機械。

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