JP2016040461A - 遠心回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラムの変位に伴う静止体と回転体の相対位置の変形や変化を抑制し、静止体と回転体との接触を防止する。【解決手段】軸線Ｐ回りに回転する回転軸４及び回転軸４とともに回転するインペラ３を有するロータ２と、ロータ２を外周側から囲むケーシング７と、ロータ２とケーシング７との間に軸線Ｐ方向に複数が積層されるように設けられて、インペラ３によって圧送する流体Ｇの流路を画成するダイヤフラム６と、ダイヤフラム６を外周側から拘束する拘束部材２０と、を備える遠心回転機械。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の羽根車を有する遠心回転機械に関する。

遠心圧縮機などの遠心回転機械は、一般に、回転軸・インペラ（羽根車）などの回転体と、その周囲のダイヤフラム等の静止体との間に隙間がある。そのため、回転体と静止体との間の隙間には、作動流体が流入することを抑制するシール装置が設けられている場合が多い。遠心圧縮機の場合、シール装置は、インペラの入口の口金部、多段インペラの各段間、および、多段インペラの最終段に設けられたバランスピストン部などに設けられている。そして、このようなシール装置には、例えば、ダンパーシールやラビリンスシール等が用いられている。

シール装置においては、漏れ量を抑制するため、シールフィン等のシール部材と回転体との間の隙間は、僅かな寸法（例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ）に設定されている。遠心圧縮機の運転時においては、遠心圧縮機のダイヤフラム等の内部品やインペラ等には、熱や応力、遠心力によって変形が生じるため、シール装置の隙間の寸法によっては回転体と静止体とで接触が生じ、回転軸の不安定振動の要因となる。

近年、例えばガス田向けの遠心圧縮機では、吐出圧力の高圧化が顕著となってきている。例えば、吐出圧力が２０ＭＰａ以上である高圧圧縮機が要求されている。このため、静止体・回転体の変形が大きくなる傾向にある。
また、遠心圧縮機の高圧化に伴い、例えば、ダイヤフラム等の内部品の周囲に発生する圧力分布の差圧の絶対値も大きくなり、内部品を変位させる可能性がある。このような変形・変位を考慮してシール装置の隙間を大きくして接触を防止すると、遠心圧縮機の性能の低下に繋がるため、シール装置の隙間の設定が難しくなっている。

特許文献１には、シール装置の変形を抑制するために、シール装置の変形に抗するリングを備える遠心圧縮機が記載されている。

特開２０１１−３２９０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、ダイヤフラムの変形や変位を抑制することができず、ダイヤフラムの変形や変位によってシール装置の隙間が不均一になるなどして、回転軸の不安定振動が発生することがあった。

この発明は、ダイヤフラムの変形や変位を抑制して、遠心回転機械の回転軸の不安定振動を防止することのできる遠心回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、遠心回転機械は、軸線回りに回転する回転軸及び前記回転軸とともに回転するインペラを有するロータと、前記ロータを外周側から囲むケーシングと、前記ロータと前記ケーシングとの間に軸線方向に複数が積層されるように設けられて、前記インペラによって圧送する流体の流路を画成するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを外周側から拘束する拘束部材と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、拘束部材が、ダイヤフラムの変形や変位を抑制する機能を発揮することによって、ダイヤフラムの変形や変位に伴う静止体と回転体の相対位置の変化を抑制し、静止体と回転体との接触を防止することができる。

上記遠心回転機械において、前記拘束部材は、前記ダイヤフラムの外周面に嵌め合わされる環状のリングであって、前記リングの外周面は、前記ケーシングの内周面に当接するように形成されている構成としてもよい。

このような構成によれば、ダイヤフラムとケーシングとの間の隙間の一定に保つことができる。換言すれば、ダイヤフラムが径方向に変位することを抑制することができる。また、ダイヤフラムの変形も抑制することができる。これにより、ダイヤフラムにシール装置を設けた場合には、シール装置の隙間での接触を防止することができる。

上記遠心回転機械において、前記拘束部材は、樹脂によって形成されている構成としてもよい。
このような構成によれば、ケーシングと拘束部材との間の摺動性を向上させることができる。

上記遠心回転機械において、前記拘束部材の外周面には周方向に等間隔に形成された凹溝が形成されている構成としてもよい。
このような構成によれば、ケーシングと拘束部材との間の摺動性を向上させることができる。

上記遠心回転機械において、前記拘束部材は、隣り合う前記ダイヤフラムに連続して形成されているキー溝と、前記キー溝に嵌合するキー部材であってよい。

このような構成によれば、軸方向に連なるダイヤフラムの結合をキー部材を用いて強固にすることができる。これにより、ダイヤフラムが変位することを抑制することができ、ダイヤフラムにシール装置を設けた場合には、シール装置の隙間での接触を防止することができる。

上記遠心回転機械において、前記インペラは、軸線方向の第一の側に配置されて前記流体を前記回転軸の軸線方向の中央位置に向かって流通させる第一インペラ群と、軸線方向の前記第一の側とは反対の第二側に配置されて前記流体を前記回転軸の軸線方向の中央位置に向かって流通させる第二インペラ群と、から構成されており、前記回転軸の両端部に設けられ、前記回転軸を回転可能に支持する軸受を有し、前記拘束部材は、前記ダイヤフラムの前記中央位置近傍に設けられている構成としてもよい。

このような構成によれば、回転軸の支持部である軸受から最も離間する中央位置近傍に位置するダイヤフラムの変形や変位を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、拘束部材が、ダイヤフラムの変形や変位を抑制する機能を発揮することによって、ダイヤフラムの変位に伴う静止体と回転体の相対位置の変形や変化を抑制し、静止体と回転体との接触を防止することができる。

本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の概略断面図である。 本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の一部拡大図である。 本発明の第一実施形態の変形例の変形拘束リングの軸線方向から見た図である。 本発明の第一実施形態の変形例のスペーサの軸線方向から見た図である。 本発明の第二実施形態の遠心圧縮機の一部拡大図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態に係る遠心回転機械である遠心圧縮機について説明する。
図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、複数のインペラ３（羽根車）を備える一軸多段式の遠心圧縮機である。

遠心圧縮機１は、軸線Ｐを中心として回転するロータ２と、ロータ２を外周側から囲む円筒形状のケーシング７と、ロータ２とケーシング７との間に軸線方向に複数が積層されるように設けられて、インペラ３によって圧送するプロセスガスＧ（流体）の流路を画成する複数のダイヤフラム６と、を有している。

ロータ２は、回転軸４と、回転軸４とともに回転する複数のインペラ３と、を有している。インペラ３は、回転軸４に取り付けられて遠心力を利用してプロセスガスＧを圧縮する羽根車である。
また、回転軸４には、モータ等の駆動機（図示せず）が連結されており、この駆動機によってロータ２が回転駆動されている。

回転軸４は、柱状をなして軸線Ｐの方向に延在し、軸線Ｐの方向の両端で軸受１６によって回転可能に支持されている。また、回転体を構成する回転軸４及び複数のインペラ３と、ダイヤフラム６との間には、適宜シール装置５が設けられている。

複数のインペラ３は、回転軸４の軸線Ｐの方向の両端に設けられた軸受１６同士の間に配されている。また、複数のインペラ３は、回転軸４の軸線Ｐの方向において羽根の向きが互いに反対側を向く二組の三段式インペラ群３Ａ，３Ｂを構成しており、第一のインペラ群３Ａ、第二のインペラ群３Ｂとは互いに背面側を軸線Ｐの方向の中央位置Ｃに向けた状態で回転軸４に取り付けられている。

第一のインペラ群３Ａは、軸線方向の第一の側（図１の左側）に配置されている。第二のインペラ群３Ｂは、軸線方向の第一の側とは反対の第二の側（図１の右側）に配置されている。各々のインペラ群３Ａ，３Ｂは、軸線方向に配列された各々のインペラ３に対応するように、三段の圧縮機段を備えている。

インペラ３は、それぞれ回転軸４における軸線Ｐの方向の中央位置Ｃに向かうに従って、軸線Ｐの径方向外側に漸次拡径する略円盤状のディスク８と、このディスク８に軸線Ｐの周方向に間隔をあけて放射状に設けられた複数のブレード９と、ディスク８に対向して設けられて複数のブレード９を覆うシュラウド１０とを備えている。
プロセスガスＧは、第一インペラ群３Ａ、第二インペラ群３Ｂ各々を軸線Ｐの方向の中央位置Ｃに向かって流通することで、圧縮されるようになっている。

軸受１６は、回転軸４の両端部に一つずつ設けられ、回転軸４を回転可能に支持している。軸受１６としては、例えば、複数の軸受パッドを有するジャーナル軸受を採用することができる。

ケーシング７は、円筒状に形成されたもので、その中心軸は軸線Ｐに一致している。ケーシング７は、内部に複数のダイヤフラム６を収容している。複数のダイヤフラム６は、軸線方向に複数が積層されるように設けられている。

複数のダイヤフラム６は、遠心圧縮機１の各々の圧縮機段に対応して設けられている。具体的には、複数のダイヤフラム６は、第一インペラ群３Ａに対応する複数のダイヤフラム６Ａと、第二インペラ群３Ｂに対応する複数のダイヤフラム６Ｂとから構成されている。第一インペラ群３Ａに対応する複数のダイヤフラム６Ａは、段差部と介して接続されている。第二インペラ群３Ｂに対応する複数のダイヤフラム６Ｂもまた、段差部を介して接続されている。なお、中央位置Ｃ近傍で隣り合う、ダイヤフラム６Ａとダイヤフラム６Ｂとは接触はしているが、段差部を介して接続されてはいない。

円筒形状のケーシング７と複数のダイヤフラム６との間には、所定の隙間Ｓが形成されている。即ち、ケーシング７の内周面と、複数のダイヤフラム６の外周面とは所定の隙間Ｓを介して離間している。隙間Ｓは軸線方向及び周方向に一様に設けられている。

積層されたダイヤフラム６の内部には、軸線方向の第一の側の端部の径方向外側となる位置で環状をなす吸込口１１Ａが形成されている。またこの吸込口１１Ａと、三段式インペラ群３Ａのうちの一方側に位置するインペラ３の流路との間には接続流路１２Ａが形成されて、このインペラ３の流路と吸込口１１Ａとを接続している。これによって、プロセスガスＧを外部から三段式インペラ群３Ａへ導入可能としている。

また、ダイヤフラム６の内部には、三段式インペラ群３Ａのうちの第二の側に位置するインペラ３の流路に接続されて、径方向の外側に延びる接続流路１４Ａが形成されている。さらに、ダイヤフラム６の内部には、接続流路１４Ａに接続されるとともに、軸線方向の中央位置Ｃにおける径方向外側となる位置で、環状をなす排出口１５Ａが形成されている。

三段式インペラ群３Ｂが取り付けられた位置においても、ダイヤフラム６の内部にはケーシング流路１３Ｂ、吸込口１１Ｂ、接続流路１２Ｂ、１４Ｂ、排出口１５Ｂが形成されている。そしてこれらは、軸線方向の中央位置Ｃを境に、ケーシング流路１３Ａ、吸込口１１Ａ、接続流路１２Ａ、１４Ａ、排出口１５Ａに対して、軸線方向に対称となる位置に配置されている。

また、回転軸４の外周面であって三段式インペラ群３Ａと三段式インペラ群３Ｂの間には、インペラ３のスラストを調整するためのバランスピストン１７が設けられている。本実施形態の遠心圧縮機１では、回転軸４、複数のインペラ３、及びバランスピストン１７でロータ２を構成している。

三段式インペラ群３Ａにおいて圧縮されて回転軸４の中央位置Ｃ付近に到達したプロセスガスＧは、その後、三段式インペラ群３Ｂに導入されてさらに圧縮が行われ、再度中央位置Ｃ付近に到達するようになっている（図１の点線を参照）。従って、回転軸４の中央位置Ｃである三段式インペラ群３Ａと三段式インペラ群３Ｂとの間には圧力差が生じている。

本実施形態の遠心圧縮機１には、三種類のシール装置５が設けられている。
第一のシール装置５は、バランスピストン１７の外周面とダイヤフラム６との間隙をシールする第一シール装置５ａである。第二のシール装置５は、インペラ３のシュラウド１０の外周面とダイヤフラム６との間隙をシールする第二シール装置４ｂである。第三のシール装置５は、インペラ３の断間において、回転軸４の外周面とダイヤフラム６との間隙をシールする第三シール装置５ｃである。

ここで、本実施形態のシール装置５を第一シール装置５ａを用いて説明する。第一シール装置５ａは、三段式インペラ群３Ａと三段式インペラ群３Ｂとの間の圧力差によって、プロセスガスＧが中央位置Ｃにおいて三段式インペラ群３Ｂから三段式インペラ群３Ａへ、軸線Ｐに沿って流通することを防止するように設けられている。

シール装置５は、ダイヤフラム６に取り付けられるシール装置本体と、シール装置本体からロータ２に向かって延びる複数のシールフィンと、を有している。複数のシールフィンは、それぞれロータ２に向けて、シール装置本体から内周側に延出しており、周方向に延びている。これらシールフィンは、ロータ２と微小隙間を径方向に形成している。

シール装置５は、複数のシールフィンによって、所謂ラビリンスシールを構成している。なお、シール装置５に用いられるシール構造は、ラビリンスシールに限ることはなく、ダンパーシール（ホールパターンシール、ハニカムシール）の採用も可能である。

本実施形態の遠心圧縮機１は、ダイヤフラム６を外周側から拘束する環状の変形拘束リング２０を備えている。換言すれば、変形拘束リング２０は、径方向に所定の厚さを有する円筒形状をなしている拘束部材である。変形拘束リング２０は、変形拘束リング２０の内径がダイヤフラム６の直径と略同じか、やや小さくなるように形成されている。即ち、変形拘束リング２０は、ダイヤフラム６の外周面に嵌め合わされるような内径とされている。

図２に示すように、変形拘束リング２０は、変形拘束リング２０の外周面がケーシング７の内周面に当接するように形成されている。即ち、変形拘束リング２０は、内周側がダイヤフラム６の外周面に固定され、外周側がケーシング７の内周面に接触している。
また、変形拘束リング２０は、ダイヤフラム６の外周面に周方向に亘って形成されたリング用溝２１に沿うように配置されている。リング用溝２１の溝幅は、変形拘束リング２０の幅に対応している。

変形拘束リング２０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene, PTFE）のような摺動性の高い樹脂によって形成されている。変形拘束リング２０を形成する材料としてはこれに限ることはなく、摺動性が高く、ケーシング７を形成する材料よりも低い剛性であればよい。例えば、ポリアセタール樹脂等の採用も可能である。

本実施形態の変形拘束リング２０は、複数のダイヤフラム６のうち、回転軸４の支持点である軸受１６から最も離間する二つのダイヤフラム６に取り付けられている。即ち、変形拘束リング２０は、排出口１５Ａ，１５Ｂ近傍のダイヤフラム６に取り付けられている。換言すれば、変形拘束リング２０は、第一インペラ群３Ａに対応する複数のダイヤフラム６Ａのうち最も中央位置Ｃ側のダイヤフラムＡと、第二インペラ群３Ｂに対応する複数のダイヤフラム６Ｂのうち最も中央位置Ｃ側のダイヤフラム６Ｂとに取り付けられている。

上記実施形態によれば、隙間Ｓに配置された拘束部材である変形拘束リング２０が、ダイヤフラム６の変形や変位を抑制する機能を発揮することによって、ダイヤフラム６の変位に伴う静止体とロータ２等の回転体の相対位置の変化を抑制し、静止体と回転体との接触を防止することができる。

また、拘束部材をダイヤフラム６の外周面に嵌め合わされる環状の変形拘束リング２０とし、変形拘束リング２０の外周面をケーシング７の内周面に当接するように形成した。これにより、ダイヤフラム６とケーシング７との間の隙間Ｓの一定に保つことができる。また、ダイヤフラム６の変形も抑制することができる。換言すれば、ダイヤフラム６が径方向に変位することを抑制することができる。これにより、シール装置５の隙間での接触を防止することができる。

また、変形拘束リング２０を樹脂によって形成したことによって、ケーシング７と変形拘束リング２０との間の摺動性を向上させることができる。
また、変形拘束リング２０を中央位置Ｃ近傍に配置したことによって、回転軸４の支持部である軸受１６から最も離間する中央位置Ｃ近傍に位置するダイヤフラム６の変位を効果的に抑制することができる。
また、変形拘束リング２０をダイヤフラム６の外周面に形成されたリング用溝２１に沿って配置することによって、変形拘束リング２０が軸方向にずれるのを防止することができる。

なお、上記実施形態の変形拘束リング２０は、周方向に亘って同じ断面形状を有するものとしたが、これに限ることはない。例えば、図３に示す変形例のように、変形拘束リング２０Ｂの外周面に、周方向に等間隔に形成された凹溝２４を形成してもよい。
また、図４に示す変形例のように、周方向に断続的に複数のスペーサ２０Ｃを配置する構成としてもよい。スペーサ２０Ｃは、例えばダイヤフラム６に接着することによって、ダイヤフラム６とケーシング７との間の隙間に配置することができる。
上記変形例によれば、ケーシング７と拘束部材２０Ｂ，２０Ｃとの間の摺動性を向上させることができる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の拘束部材を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態の拘束部材は、最も中央位置Ｃ寄りに配置された隣り合うダイヤフラム６Ａ，６Ｂに連続して形成されているキー溝２２と、キー溝２２に嵌合するキー部材２０Ｄである。本実施形態のキー溝２２とキー部材２０Ｄとは、ダイヤフラム６の両側部の二ヶ所に設けられている。

キー溝２２は、軸方向に延在する断面形状が矩形状をなす溝である。
キー部材２０Ｄは、ダイヤフラム６Ａ，６Ｂに連続して形成されているキー溝２２に嵌め込むものである。キー部材２０Ｄをネジなどの締結部材を用いてダイヤフラム６に固定してもよい。また、キー部材２０Ｄは、図５に示すような、両端が角型のもののみならず、両端のうち少なくとも一方が丸型のものを採用してもよい。キー溝２２に関しても、キー部材２０Ｄと形状が一致している必要はなく、長手方向の長さがキー部材２０Ｄより長くてもよい。
また、上記キー溝２２及びキー部材２０Ｄはダイヤフラム６の両側部の二ヶ所に設けられているが、これに限らず、更に上方に設けてもよい。また、キー溝２２及びキー部材２０Ｄを一ヶ所のみに設ける構成としてもよい。

上記実施形態によれば、軸方向に連なるダイヤフラム６の結合をキー部材２０Ｄを用いて強固にすることができる。これにより、ダイヤフラム６が変位することを抑制することができ、ダイヤフラム６にシール装置５を設けた場合には、シール装置５の隙間での接触を防止することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態では、拘束部材を遠心圧縮機に適用したが、インペラを有するロータと、ロータを外周側から囲むケーシングと、インペラによって圧送する流体の流路を画成するダイヤフラムと、を有する遠心回転機械であればよい。例えば、上記各実施形態の拘束部材を遠心ポンプに適用してもよい。

１ 遠心圧縮機
２ ロータ
３ インペラ
４ 回転軸
５ シール装置
６，６Ａ，６Ｂ ダイヤフラム
７ ケーシング
８ ディスク
９ ブレード
１０ シュラウド
１１Ａ，１１Ｂ 吸込口
１２Ａ，１２Ｂ，１４Ａ，１４Ｂ 接続流路（流路）
１３Ａ，１３Ｂ ケーシング流路（流路）
１５Ａ，１５Ｂ 排出口
１６ 軸受
１７ バランスピストン
２０，２０Ｂ 変形拘束リング（拘束部材）
２０Ｃ スペーサ（拘束部材）
２０Ｄ キー部材
２１ リング用溝
２２ キー溝
２４ 凹溝
Ｇ プロセスガス（流体）
Ｐ 軸線
Ｓ 隙間

Claims (6)

1. 軸線回りに回転する回転軸及び前記回転軸とともに回転するインペラを有するロータと、
   前記ロータを外周側から囲むケーシングと、
   前記ロータと前記ケーシングとの間に軸線方向に複数が積層されるように設けられて、前記インペラによって圧送する流体の流路を画成するダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムを外周側から拘束する拘束部材と、を備える遠心回転機械。
2. 前記拘束部材は、前記ダイヤフラムの外周面に嵌め合わされる環状のリングであって、前記リングの外周面は、前記ケーシングの内周面に当接するように形成されている請求項１に記載の遠心回転機械。
3. 前記拘束部材は、樹脂によって形成されている請求項２に記載の遠心回転機械。
4. 前記拘束部材の外周面には周方向に等間隔に形成された凹溝が形成されている請求項２又は請求項３に記載の遠心回転機械。
5. 前記拘束部材は、隣り合う前記ダイヤフラムに連続して形成されているキー溝と、前記キー溝に嵌合するキー部材である請求項１に記載の遠心回転機械。
6. 前記インペラは、
   軸線方向の第一の側に配置されて前記流体を前記回転軸の軸線方向の中央位置に向かって流通させる第一インペラ群と、
   軸線方向の前記第一の側とは反対の第二側に配置されて前記流体を前記回転軸の軸線方向の中央位置に向かって流通させる第二インペラ群と、から構成されており、
   前記回転軸の両端部に設けられ、前記回転軸を回転可能に支持する軸受を有し、
   前記拘束部材は、前記ダイヤフラムの前記中央位置近傍に設けられている請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の遠心回転機械。

Images