JP2016089856A - シール装置及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】孔部が不純物等により塞がれるのを抑制したシール装置を提供する。
【解決手段】シール装置５は、軸線Ｐ周りに回転するロータ２に対向する対向面５ｂに対向面５ｂから凹むように配列された複数の孔部５ｃと、孔部５ｃにおける底部５ｃＣに流体を導き、流体を底部５ｃＣから噴出する噴出流路５ｄと、が形成されたシール本体５ａを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、シール装置、及びこのシール装置を備える回転機械に関する。

従来、流体を圧縮する場合等に、遠心圧縮機等の回転機械が用いられている。この種の回転機械としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。

遠心圧縮機は、ケーシング内部に羽根車を有し、吸込口から吸い込まれた気体（流体）を羽根車の回転により圧縮し、吐出口から吐出する。羽根車で圧縮された気体は、羽根車の口金部の口金シール、羽根車の段間の中間段シール、及び最終段に設けられたバランスピストン部シールによってシールされている。

従来のシール構造としてラビリンスシール、ダンパシール等のシール装置が知られている。ダンパシールは、シール静止部表面に複数の孔部を設けたシール構造であり、気体の漏れ低減効果とともに、減衰付与効果が大きい。ダンパシールには、ホールパターンシール、ハニカムシール等がある。

特開２００９−７４４２３号公報

圧縮機の軸系において、通常は、ロータは両端に設置された軸受で保持されているが、軸の振れ回りの不安定振動は、周方向に作用する流体不安定化力により励振される。従来は、バランスピストン部シールにダンパシールを用いることにより、軸系に減衰を付与し、軸の振動を低減している。
ダンパシールには、複数の孔部が形成されている。このダンパシールを有する遠心圧縮機（回転機械）を長期間運転した場合、流体に含まれる不純物やスケール、金属粉、重化合物等（以下、不純物等と称する）がダンパシールの孔部内に堆積し、孔部を塞いでしまうという問題がある。
孔部が塞がれたダンパシールは環状シールとしてしか働かず、減衰性能は大きく低下する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、孔部が不純物等により塞がれるのを抑制したシール装置、及びこのシール装置を備える回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の一態様に係るシール装置は、軸線周りに回転するロータに対向する対向面に前記対向面から凹むように配列された複数の孔部と、前記孔部における底部に流体を導き、前記流体を前記底部から噴出する噴出流路と、が形成されたシール本体を有することを特徴とする。
この構成によれば、噴出流路から流体を供給し孔部の底部から流体を噴出することで、孔部が不純物等で塞がれていても、噴出される流体の勢いで不純物等が除去される。

また、上記のシール装置は、前記噴出流路は、複数の前記孔部にそれぞれ連通する分配流路と、前記分配流路に連通する供給流路と、を有し、前記軸線を含む平面による断面において、前記分配流路の前記軸線側の第一の内面は前記軸線に平行であり、前記分配流路の前記第一の内面に対して前記軸線とは反対側の第二の内面は、前記軸線に沿う一方側から他方側に向かうにしたがって前記第一の内面から離間するように傾斜していてもよい。
この構成によれば、分配流路の内部空間は一方側よりも他方側の方が広くなる。分配流路を流れる流体の圧力損失により、噴出流路から供給された流体は分配流路の一方側よりも他方側の方に流れやすい。
ロータとシール本体との間に配される流体に、軸線に沿う方向に圧力差が有る場合でも、流体の圧力が高い側が分配流路の他方側となるようにロータに対してシール本体を配置する。これにより、流体の圧力が高い側に配された孔部からも流体がロータに向かって噴出しやすくなる。

また、上記のシール装置は、複数の前記孔部における前記噴出流路に連通する部分の内径は、前記軸線に沿う一方側から他方側に向かうにしたがって大きくなってもよい。
この構成によれば、分配流路による圧力損失の影響を低減させ、孔部の底部から噴出する流体の量を軸線方向の位置によらず均一化させることができる。

また、本発明の一態様に係る回転機械は、上記に記載のシール装置を備えることを特徴とする。
この構成によれば、回転機械が備えるシール装置の孔部が塞がれるのを抑制することができる。

また、上記の回転機械は、前記噴出流路を前記流体が流れる開状態と前記噴出流路を前記流体が流れない閉状態とを切り替える開閉弁を有してもよい。
この構成によれば、開閉弁により、孔部から流体が噴出させる状態と噴出させない状態とを容易に切り替えることができる。

また、上記の回転機械は、前記噴出流路に洗浄液を供給するための洗浄液流路が形成された本体部を有してもよい。
この構成によれば、孔部内を洗浄液で洗浄することで、孔部内から不純物等を効果的に除去することができる。

本発明のシール装置及び回転機械によれば、孔部が不純物等により塞がれるのを抑制することができる。

本発明の第一実施形態における回転機械を示す断面図である。 同回転機械のシール装置を示す斜視図である。 同シール装置及び同回転機械のロータの断面図である。 同シール装置の要部の断面図である。 本発明の第一実施形態の変形例における同シール装置の要部の断面図である。 本発明の第一実施形態の変形例における同回転機械の要部の断面図である。 本発明の第二実施形態における回転機械を示す断面図である。 本発明の第三実施形態における回転機械を示す断面図である。

《第一実施形態》
以下、本発明に係る第一実施形態のシール装置５を備えた回転機械１について図１から図６を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態における回転機械１は、複数のインペラ４を備えた多段式遠心圧縮機である。

回転機械１は、軸線Ｐを中心としたロータ２と、ロータ２を軸線Ｐ周りに回転可能に支持する軸受３と、ロータ２に取り付けられて遠心力を利用してプロセスガス（流体）Ｇを圧縮するインペラ４と、インペラ４同士の間に配されてロータ２の外周面２ａに沿って設けられたシール装置５と、これらを外周側から覆うケーシング（本体部）６とを備えている。
なお、プロセスガスＧとしては、公知の液体や気体を用いることができる。

ロータ２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３によって回転可能に支持されている。
軸受３は、ロータ２の両端部に一つずつ設けられ、ロータ２を回転可能に支持している。これらの軸受３は、それぞれケーシング６に取り付けられている。

インペラ４は、回転による遠心力を利用してプロセスガスＧを圧縮する。インペラ４は、ディスク４ａと、ブレード４ｃと、カバー４ｂとを備えた、いわゆるクローズ型のインペラ４である。
ディスク４ａは、それぞれロータ２における軸線Ｐ方向の中央位置Ｃに向かって、軸線Ｐの径方向外側に漸次拡径する円盤状に形成されている。
ブレード４ｃは、ディスク４ａから軸線Ｐ方向における中央位置Ｃとは反対側の端部側に突出するように形成されている。ブレード４ｃは、軸線Ｐの周方向に所定間隔をあけて複数形成されている。
カバー４ｂは、軸線Ｐ方向における端部側から複数のブレード４ｃを覆う。カバー４ｂは、ディスク４ａに対向する円盤状に形成されている。

インペラ４は、軸線Ｐ方向両側に配された各軸受３の間のロータ２に複数取り付けられている。これらインペラ４は、軸線Ｐ方向においてブレード４ｃの向きが互いに反対側を向く二組の三段式インペラ群４Ａ、４Ｂを構成している。これら三段式インペラ群４Ａ、三段式インペラ群４Ｂにおいては、それぞれ軸線Ｐ方向の中央位置Ｃ側のプロセスガスＧの圧力が最も高くなる。つまり、プロセスガスＧは、三段式インペラ群４Ａ、三段式インペラ群４Ｂ各々を軸線Ｐの方向の中央位置Ｃに向かって段階的に圧縮されながら流れる。

ケーシング６は、軸受３を支持するとともに、ロータ２、インペラ４、シール装置５をそれぞれ外周側から覆う。ケーシング６は、筒状に形成されている。

ケーシング６は、軸線Ｐ方向の一方側Ｄ１（図１中、三段式インペラ群４Ｂに対する三段式インペラ群４Ａ側）に、吸込口６ｂＡを備えている。吸込口６ｂＡは、環状に形成された吸込流路６ｃＡに接続されている。吸込流路６ｃＡは、三段式インペラ群４Ａの最も一方側Ｄ１に配されるインペラ４の流路と接続されている。つまり、吸込口６ｂＡから流入するプロセスガスＧは、吸込流路６ｃＡを介して三段式インペラ群４Ａへと導入される。

ケーシング６は、各インペラ４のブレード４ｃ間に形成された流路同士を接続するケーシング流路６ａＡ、６ａＢを備えている。

ケーシング６は、軸線Ｐ方向の中央位置Ｃ側に、排出口６ｅＡを備えている。この排出口６ｅＡは、環状に形成された排出流路６ｄＡに接続されている。排出流路６ｄＡは、三段式インペラ群４Ａの最も他方側Ｄ２（図１中、三段式インペラ群４Ａに対する三段式インペラ群４Ｂ側）に配されるインペラ４の流路に接続されている。つまり、三段式インペラ群４Ａの最も他方側Ｄ２に配されるインペラ４で圧縮されたプロセスガスＧは、排出流路６ｄＡを介して排出口６ｅＡからケーシング６の外部に排出される。

ケーシング６は、中央位置Ｃを境にして、軸線Ｐ方向の一方側Ｄ１と他方側Ｄ２とが対称に形成されている。ケーシング６の他方側Ｄ２には、ケーシング流路６ａＢ、吸込口６ｂＢ、吸込流路６ｃＢ、排出流路６ｄＢ、排出口６ｅＢが形成されている。このケーシング６の他方側Ｄ２に配された三段式インペラ群４Ｂは、一方側Ｄ１の三段式インペラ群４Ａで圧縮したプロセスガスＧを更に圧縮する。

つまり、ケーシング６の他方側Ｄ２においては、排出口６ｅＡから排出されたプロセスガスＧが吸込口６ｂＢに送り込まれる。その後、吸込口６ｂＢから流入したプロセスガスＧは、吸込流路６ｃＢを介して三段式インペラ群４Ｂに供給されて段階的に圧縮される。
三段式インペラ群４Ｂによって圧縮されたプロセスガスＧは、排出流路６ｄＢを介して排出口６ｅＢからケーシング６の外部に排出される。
ケーシング６には、三段式インペラ群４Ｂのうち軸線Ｐ方向の一方側Ｄ１の排出流路６ｄＢに一端部が連通する案内流路６ｆが形成されている。

上述したように三段式インペラ群４Ａにおいて圧縮されたプロセスガスＧは、三段式インペラ群４Ｂに導入されて更なる圧縮が行われて中央位置Ｃ付近に到達する。そのため、三段式インペラ群４Ａと三段式インペラ群４Ｂとの間には圧力差が生じている。具体的には、三段式インペラ群４Ｂの方が三段式インペラ群４Ａよりも高い圧力となっている。さらに、中央位置Ｃ付近においては、ロータ２の外周面２ａとケーシング６の内周面との間に、隙間Ｓが形成されている。そのため、プロセスガスＧは、隙間Ｓを通じて三段式インペラ群４Ｂが配置されている軸線Ｐ方向の他方側Ｄ２を上流側として、三段式インペラ群４Ａが配置されている軸線Ｐ方向の一方側Ｄ１の下流側に向かって流れようとしてしまう。
そこで、この実施形態におけるシール装置５は、上流側である三段式インペラ群４Ｂから下流側である三段式インペラ群４ＡへのプロセスガスＧの流れを抑制するために、中央位置Ｃ付近に設けられている。

シール装置５は、ロータ２の外周側に設けられて、三段式インペラ群４Ａと三段式インペラ群４Ｂとの間でのプロセスガスＧの流通を封止する。シール装置５は、ロータ２の外周面２ａを覆って配置される図２に示すシール本体５ａを有している。

シール本体５ａは、図２及び図３に示すように、ロータ２の外周面２ａとの間にロータ２を回転させるための所定の隙間Ｓを有して対向配置される環状部材である。シール本体５ａには、ロータ２の外周面２ａと対向する面である内周面（対向面）５ｂに、ロータ２の外周面２ａに対向するように開口する複数の孔部５ｃが形成されている。
なお、図３から図８では、シール本体５ａに形成される孔部５ｃの数を減らして模式的に示している。

孔部５ｃは、図４に示すように、内周面５ｂに形成された円筒状の孔部本体５ｃＡと、孔部本体５ｃＡに対するおける内周面５ｂとは反対側に形成された円錐状の縮径部５ｃＢとを有している。
縮径部５ｃＢは、孔部本体５ｃＡから離間するにしたがって、内径が小さくなるように形成されている。孔部本体５ｃＡは縮径部５ｃＢと連通している。縮径部５ｃＢにおける孔部本体５ｃＡから最も遠い部分が、孔部５ｃの底部５ｃＣとなっている。
複数の孔部５ｃは、内周面５ｂから凹むように配列されている。

図３及び図４に示すように、シール本体５ａには、ケーシング６の案内流路６ｆ及び複数の孔部５ｃにそれぞれ連通する噴出流路５ｄが形成されている。噴出流路５ｄは、複数の孔部５ｃにそれぞれ連通する分配流路５ｄＡと、分配流路５ｄＡ及びケーシング６の案内流路６ｆにそれぞれ連通する供給流路５ｄＢとを有している。すなわち、ケーシング６の案内流路６ｆは噴出流路５ｄの供給流路５ｄＢに連なり、供給流路５ｄＢは分配流路５ｄＡに連なる。供給流路５ｄＢは、分配流路５ｄＡの軸線Ｐ方向の中央部に連通している。
図４に示す軸線Ｐを含む平面Ｔによる断面において、分配流路５ｄＡの軸線Ｐ側の第一の内面５ｄＣ及び分配流路５ｄＡの第一の内面５ｄＣに対して軸線Ｐとは反対側の第二の内面５ｄＤは、それぞれ軸線Ｐに平行である。

噴出流路５ｄの分配流路５ｄＡと孔部５ｃの底部５ｃＣとは、円柱状の接続流路（孔部５ｃにおける噴出流路５ｄに連通する部分）５ｅを介して連通している。この例では、接続流路５ｅの内径は軸線Ｐ方向の位置によらず一定である。

次に、上記構成のシール装置５の作用について説明する。
上記のような回転機械１では、プロセスガスＧを圧縮することでロータ２の外周面２ａとシール本体５ａの内周面５ｂとの間の隙間ＳにプロセスガスＧの一部が流れる。このとき、三段式インペラ群４Ａ側よりも三段式インペラ群４Ｂ側の方がプロセスガスＧの圧力が高いため、図３に示すように、プロセスガスＧは隙間Ｓを軸線Ｐ方向の他方側Ｄ２から一方側Ｄ１に向かって、矢印Ａ１に示すように流れる。このとき、プロセスガスＧに含まれる不純物等の一部が孔部５ｃ内に流れ込もうとする。

三段式インペラ群４Ａ側よりも三段式インペラ群４Ｂ側の方がプロセスガスＧの圧力が高いため、ケーシング６の案内流路６ｆ内をプロセスガスＧが矢印Ａ２に示すように噴出流路５ｄに向かって流れる。
プロセスガスＧは、噴出流路５ｄの供給流路５ｄＢ、分配流路５ｄＡに導かれて流れる。分配流路５ｄＡに流れ込んだプロセスガスＧは、供給流路５ｄＢが分配流路５ｄＡに連なる連結部分５ｄＥから軸線Ｐ方向の一方側Ｄ１、他方側Ｄ２に向かってそれぞれ流れる。プロセスガスＧは接続流路５ｅを通り各孔部５ｃの底部５ｃＣから図３及び図４に矢印Ａ３に示すように噴出する。
プロセスガスＧは、供給流路５ｄＢ、分配流路５ｄＡ、接続流路５ｅ、及び孔部５ｃ内を流れるのにしたがって圧力損失より圧力が低くなる。

各孔部５ｃの底部５ｃＣから噴出するプロセスガスＧにより、隙間Ｓを流れるプロセスガスＧに含まれる不純物等が孔部５ｃ内に流れ込みにくくなる。孔部５ｃが不純物等で塞がれていても、底部５ｃＣから噴出されるプロセスガスＧの勢いで孔部５ｃ内の不純物等が除去される。
各孔部５ｃの底部５ｃＣから噴出したプロセスガスＧは、隙間Ｓを流れるプロセスガスＧに合流し、三段式インペラ群４Ａ側に流れる。

したがって、実施形態のシール装置５及び回転機械１によれば、噴出流路５ｄを流れるプロセスガスＧが孔部５ｃの底部５ｃＣから噴出する。孔部５ｃの底部５ｃＣからプロセスガスＧを噴出することで、孔部５ｃが不純物等で塞がれていても、噴出されるプロセスガスＧの勢いで不純物等が除去される。したがって、シール装置５の孔部５ｃが不純物等により塞がれるのを抑制することができる。

なお、本実施形態では、図５に示すように、例えば、供給流路５ｄＢが分配流路５ｄＡに連なる連結部分５ｄＥよりも他方側Ｄ２において、複数の接続流路５ｅの内径は、軸線Ｐに沿う一方側Ｄ１から他方側Ｄ２に向かうにしたがって大きくなってもよい。この連結部分５ｄＥよりも他方側Ｄ２にむかうにしたがって、分配流路５ｄＡの圧力損失よりプロセスガスＧの圧力が低くなり、孔部５ｃの底部５ｃＣからプロセスガスＧを噴出しにくくなる。複数の接続流路５ｅの内径を前述のように変えることで、分配流路５ｄＡによる圧力損失の影響を低減させ、孔部５ｃの底部５ｃＣから噴出するプロセスガスＧの量を軸線Ｐ方向の位置によらず均一化させることができる。
同様に、連結部分５ｄＥよりも一方側Ｄ１において、複数の接続流路５ｅの内径が、軸線Ｐに沿う他方側Ｄ２から一方側Ｄ１に向かうにしたがって大きくなってもよい。

図６に示すように、軸線Ｐを含む平面Ｔによる断面において、分配流路５ｄＡの第二の内面５ｄＤは、軸線Ｐに沿う一方側Ｄ１から他方側Ｄ２に向かうにしたがって第一の内面５ｄＣから離間するように傾斜していてもよい。このように構成することで、分配流路５ｄＡの内部空間は一方側Ｄ１よりも他方側Ｄ２の方が広くなる。分配流路５ｄＡ内を流れるプロセスガスＧの圧力損失により、供給流路５ｄＢから供給されたプロセスガスＧは分配流路５ｄＡの一方側Ｄ１よりも他方側Ｄ２の方に流れやすい。また、ロータ２の外周面２ａとシール本体５ａの内周面５ｂとの間の隙間Ｓを流れるプロセスガスＧは、圧力損失より軸線Ｐ方向の一方側Ｄ１よりも他方側Ｄ２の方が圧力が高い。
これにより、隙間ＳにおいてプロセスガスＧの圧力が高い他方側Ｄ２に配された孔部５ｃからもプロセスガスＧがロータ２に向かって噴出しやすくなる。

《第二実施形態》
次に、図７を参照して第二実施形態の回転機械１１について説明する。第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第二実施形態の回転機械１１は、第一実施形態の回転機械１の各構成に加えて、案内流路６ｆに設けられた開閉弁１２を備えている。開閉弁１２は、公知の構成のものを用いることができ、図示はしないが開閉弁１２に内蔵される弁本体を弁駆動モータにより移動させることができる。これにより、開閉弁１２は、噴出流路５ｄをプロセスガスＧが流れる開状態と噴出流路５ｄをプロセスガスＧが流れない閉状態とに切り替わる。
噴出流路５ｄをプロセスガスＧが流れる開状態ではプロセスガスＧは各孔部５ｃの底部５ｃＣから噴出し、噴出流路５ｄをプロセスガスＧが流れない閉状態ではプロセスガスＧは各孔部５ｃから噴出しない。

したがって、実施形態の回転機械１１によれば、回転機械１１の孔部５ｃが不純物等により塞がれるのを抑制することができる。さらに、開閉弁１２により、孔部５ｃからプロセスガスＧを噴出させる状態と噴出させない状態とを容易に切り替えることができる。各孔部５ｃの底部５ｃＣからプロセスガスＧを噴出するタイミングをコントロールすることができる。

《第三実施形態》
次に、図８を参照して第三実施形態の回転機械１６について説明する。第三実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第三実施形態の回転機械１６は、第一実施形態の回転機械１の各構成に加えて、ケーシング６に噴出流路５ｄに洗浄液Ｈを供給するための洗浄液流路６ｇが形成されている。洗浄液流路６ｇの一端部は、案内流路６ｆに連通している。洗浄液流路６ｇの他端部には、図示しない流体供給ポンプが設けられている。
洗浄液Ｈとしては、炭化水素系、フッ素系等の公知のものを適宜選択して用いることができる。

洗浄液流路６ｇから供給された洗浄液Ｈは、案内流路６ｆと洗浄液流路６ｇとの接続部分でプロセスガスＧに混合されて混合流体となり、各孔部５ｃに供給される。孔部５ｃの底部５ｃＣから噴出した混合流体中の洗浄液Ｈは、孔部５ｃ内を洗浄する。孔部５ｃの底部５ｃＣからプロセスガスＧだけでなく洗浄液Ｈを噴出させることで、孔部５ｃ内に堆積した不純物等が除去される。

したがって、実施形態の回転機械１６によれば、回転機械１６の孔部５ｃが不純物等により塞がれるのを抑制することができる。さらに、孔部５ｃ内を洗浄液Ｈで洗浄することで、孔部５ｃ内から不純物等を効果的に除去することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記第１実施形態から第３実施形態では、各孔部５ｃの底部５ｃＣから三段式インペラ群４Ｂで圧縮されたプロセスガスＧを噴出させた。しかし、他の圧縮装置で圧縮したプロセスガスＧを各孔部５ｃの底部５ｃＣから噴出させてもよい。
各孔部５ｃの底部５ｃＣから噴出させる流体は、プロセスガスＧ以外でもよい。

１、１１、１６…回転機械 ２…ロータ ５…シール装置 ５ａ…シール本体 ５ｂ…内周面（対向面） ５ｃ…孔部 ５ｃＣ…底部 ５ｄ…噴出流路 ５ｄＡ…分配流路 ５ｄＢ…供給流路 ５ｄＣ…第一の内面 ５ｄＤ…第二の内面 ６…ケーシング（本体部） ６ｇ…洗浄液流路 １２…開閉弁 Ｄ１…一方側 Ｄ２…他方側 Ｈ…洗浄液 Ｐ…軸線

Claims (6)

1. 軸線周りに回転するロータに対向する対向面に前記対向面から凹むように配列された複数の孔部と、
   前記孔部における底部に流体を導き、前記流体を前記底部から噴出する噴出流路と、
   が形成されたシール本体を有するシール装置。
2. 前記噴出流路は、
   複数の前記孔部にそれぞれ連通する分配流路と、
   前記分配流路に連通する供給流路と、
   を有し、
   前記軸線を含む平面による断面において、
   前記分配流路の前記軸線側の第一の内面は前記軸線に平行であり、
   前記分配流路の前記第一の内面に対して前記軸線とは反対側の第二の内面は、前記軸線に沿う一方側から他方側に向かうにしたがって前記第一の内面から離間するように傾斜している請求項１に記載のシール装置。
3. 複数の前記孔部における前記噴出流路に連通する部分の内径は、前記軸線に沿う一方側から他方側に向かうにしたがって大きくなる請求項１に記載のシール装置。
4. 請求項１に記載のシール装置を備える回転機械。
5. 前記噴出流路を前記流体が流れる開状態と前記噴出流路を前記流体が流れない閉状態とを切り替える開閉弁を有する請求項４に記載の回転機械。
6. 前記噴出流路に洗浄液を供給するための洗浄液流路が形成された本体部を有する請求項４又は５に記載の回転機械。
   

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