JP2019157712A - 回転機械、回転機械の組立方法 - Google Patents

回転機械、回転機械の組立方法 Download PDF

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俊雄 水ノ上
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Abstract

【課題】シール性能が向上した回転機械を提供する。【解決手段】当接面612を介して互いに当接する2つのケーシング半体、及びそれぞれのケーシング半体に設けられ、当接面612に沿って広がるフランジ61,62を有するケーシングと、フランジ61,62に形成された貫通孔610,611に、貫通孔610,611の延びる方向における一方側から挿通されるボルト70Aと、他方側のフランジ62における当接面612とは反対側のフランジ外面62Aに固定され、ボルト70Aの先端部が挿通される袋ナット71と、を備え、袋ナット71は全周にわたって形成された溶接部Wによってフランジ外面62Aに対して固定されている。【選択図】図3

Description

本発明は、回転機械、回転機械の組立方法に関する。
回転機械の一種である圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、回転軸に取り付けられた複数のインペラと、インペラを外周側から覆うとともに、作動流体が流通する流路を形成するケーシングと、を備えている。外部から与えられた駆動力によって回転軸、及びインペラが回転する。インペラの回転に伴って、作動流体は流路上を上流側から下流側に向かって流通し、その中途で順次圧縮されて高圧流体となる。
ケーシングは、例えば上下方向に2つに分割された構成を採ることが一般的である。即ち、圧縮機を組み立てるに当たっては、下側のケーシング半体に回転軸、及びインペラを収容した後、上側のケーシング半体をかぶせる。ケーシング半体同士は、水平面上に広がるフランジを介してボルトによって締結される場合が多い。
ここで、回転機械(圧縮機)の締結構造について、一部の規格(例えばAPI規格:American Petroleum Institute Standard)は、その形態を規格化している。具体的には、API規格は、圧縮機のケーシング半体同士を結合するに際しては、作動流体のシール性を確保するために、袋ナットではなく植え込みボルトを用いるべきであることを規定している。なお、植え込みボルトによる締結構造とは、一方側のフランジに形成された雌ねじにねじ込まれたボルトの頭部によって、他方側のフランジを挟む構造を指す。
一方で、植え込みボルトは、締結力の伝達範囲が限定的である。特に、ボルトとナットとによってフランジ同士を結合する、通しボルト構造に比較して植え込みボルトは締結力の電圧範囲が狭いことが知られている。このため、圧縮機のように内圧が高い機械では、ボルトの軸力(締付力)の観点から、通しボルト構造を用いた方が有利な場合がある。
このような通しボルトに類する締結構造の一例として、下記特許文献1に記載された技術が知られている。特許文献1の記載された締結構造では、カバーとフランジとが、両者に形成された通孔を介してボルトと袋ナットで結合される。袋ナットは、カバーに対して複数個所にわたって溶接されている。
特許第4576817号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載された構造では、袋ナットがカバーに対して複数個所の溶接のみによって固定されている。このため、袋ナットとカバーとの間のシール性能が十分に確保できない虞がある。
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、シール性能が向上した回転機械、回転機械の組立方法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、回転機械は、当接面を介して互いに当接する2つのケーシング半体、及びそれぞれの前記ケーシング半体に設けられ、前記当接面に沿って広がるフランジを有するケーシングと、前記フランジに形成された貫通孔に、該貫通孔の延びる方向における一方側から挿通されるボルトと、他方側の前記フランジにおける前記当接面とは反対側のフランジ外面に固定され、前記ボルトの先端部が挿通される袋ナットと、を備え、前記袋ナットは、該袋ナットの全周にわたって形成された溶接部によって前記フランジ外面に対して固定されている。
この構成によれば、ボルトと袋ナットとによって、植え込みボルトよりも広い締結力の伝達をもって、フランジ同士を締結することができる。さらに、袋ナットとフランジ外面との間で、全周にわたって溶接部が形成されていることからシール性を確保することができ、袋ナット周囲からの作動流体の漏洩を抑止することができる。
本発明の第二の態様によれば、回転機械の組立方法は、当接面を介して互いに当接する2つのケーシング半体、及びそれぞれの前記ケーシング半体に設けられ、前記当接面に沿って広がるフランジを有するケーシングと、前記フランジに形成された貫通孔に、該貫通孔の延びる方向における一方側から挿通されるボルトと、他方側の前記フランジにおける前記当接面とは反対側のフランジ外面に固定され、前記ボルトの先端部が挿通される袋ナットと、を備える回転機械の組立方法であって、前記フランジ外面における前記貫通孔に対応する位置に前記袋ナットを全周にわたって溶接する工程と、前記ボルトを前記貫通孔に挿通し、かつ前記袋ナットに螺合させる工程と、を含む。
この方法によれば、ボルトを貫通孔に挿通するに先立って袋ナットをフランジ外面に固定することから、ボルトの頭部側から締付作業を行うのみでボルトを締結することができる。一方で、袋ナットとボルトとを締結した後に溶接を行った場合、ボルトの軸側(即ち、袋ナット側)でも締付作業を行う必要があるため、特に作業スペースが狭隘な部分では作業性が損なわれる可能性がある。しかしながら、上記の方法によれば、このような可能性を低減することができる。
本発明の第三の態様によれば、前記袋ナットを溶接する工程では、隅肉溶接を用いてもよい。
この方法によれば、隅肉溶接を行うことのみによって袋ナットを強固かつ容易に固定することができる。
本発明によれば、シール性能が向上した回転機械、回転機械の組立方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る圧縮機の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る圧縮機の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る圧縮機の要部拡大断面図である。 本発明の実施形態に係るボルト周辺の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る組立方法の手順を示すフローチャートである。
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1に示すように、遠心圧縮機1(回転機械)は、多段式の圧縮機であって、複数のインペラ2を有している。遠心圧縮機1は、プラント設備等に組み込まれており、導入されるプロセスガスを圧縮して吐出する。遠心圧縮機1は、複数のインペラ2を有するロータ3と、ダイアフラム群4と、シール装置5と、上半車室20(ケーシング半体)および下半車室30(ケーシング半体)から構成される車室6(ケーシング)と、を備えている。
ロータ3は、水平方向に沿って延びている回転軸3Aと、回転軸3Aの外周部に結合された複数のインペラ2と、を有している。回転軸3Aの軸線をAで示し、軸線Aに沿った方向を軸線方向D1と称する。回転軸3Aの両端部は、図示しない軸受により車室6の外側で支持されている。
回転軸3Aに接続されたモータ等の駆動源により回転軸3Aが回転するのに伴い、複数のインペラ2が回転駆動される。回転に伴う遠心力によって、各インペラ2はプロセスガス(作動流体)を圧縮する。
ダイアフラム群4は、複数段のインペラ2のそれぞれに対応して軸線方向D1に沿って配列された複数のダイアフラム40から構成されている。ダイアフラム40は、リターンベーン40Rを介して連結された部材40A、40Bからなる。ダイアフラム群4は、インペラ2を外周側から覆っている。ダイアフラム40および車室6の内壁は、インペラ2の流路に連通してプロセスガスを通過させる流路を区画している。
ロータ3の回転により吸込口11から車室6内に吸い込まれたプロセスガスは、吸込流路12を通じて最初の段のインペラ2に流入し、インペラ2の流路の出口からディフューザ流路13により径方向外側に向けて流れ、さらに、曲がり流路14、およびリターン流路15を通り次段のインペラ2の内周側に位置する流路の入口へと流入する。そして、インペラ2の流路、ディフューザ流路13、曲がり流路14、およびリターン流路15を経て次段のインペラ2へと流入することを繰り返し、最終段のインペラ2からディフューザ流路13および吐出ボリュート16を経て吐出口17を通り、車室6の外へと吐出される。
吐出ボリュート16は、車室6の周方向全体にわたって環状に形成されている。この吐出ボリュート16は、最終段のインペラ2から流出した高圧ガスが流れるディフューザ流路13の延長上の位置に対して、軸線方向D1の内側(上流側)に向けて広がるように形成されている。
吐出ボリュート16の拡がる向きを軸線方向D1の内側に定めていることにより、車室6の後端部が軸線方向D1の下流側に向けて膨らむことが抑制される。車室6の上半車室20の後端部は、上半車室20の第1フランジ61(図2参照)よりも背が高い台座24を有しており、下半車室30の後端部は、下半車室30の第2フランジ62(図2参照)よりも背が高い台座34を有している。
シール装置5は、回転軸3Aの外周部と車室6との間を全周にわたり封止することにより、車室6の外部へとプロセスガスが漏れることを防止する。シール装置5としては、ラビリンスシールが好適である。シール装置5は、回転軸3Aの両端側にそれぞれ配置されており、シールハウジングホルダ51に保持される。シールハウジングホルダ51の外周部と車室6との間はシール部材52により封止される。
車室6は、略円筒状に形成されており、ロータ3およびダイアフラム群4を内部に収容するとともに、シールハウジングホルダ51の外周部を包囲する。車室6は、接触するプロセスガスに関する耐食性を備えた金属材料によって形成されることが望ましい。本実施形態の車室6は、一例としてステンレス鋼によって形成されている。
図1又は図2に示すように、車室6は、軸線Aを含む水平面に沿って分割されている上半車室20と、下半車室30と、を備えている。上半車室20と下半車室30とは、それぞれのフランジ61、62(第1フランジ61,第2フランジ62)同士が締結されることで、一体化されている。
上半車室20は、図1および図3に示すように、ロータ3およびダイアフラム群4を収容する収容部21と、シールハウジングホルダ51を包囲する包囲部22と、収容部21および包囲部22の下端から水平方向の外側に突出した第1フランジ61と、を有している。
収容部21は、半円筒状の周壁210と、周壁210の前端を塞ぐ前側壁211と、周壁210の後端を塞ぐ後側壁212とを有している。包囲部22は、収容部21よりも径が小さい半円筒状に形成され、収容部21よりも前側(上流側)と、収容部21よりも後側(下流側)とにそれぞれ配置されている。
第1フランジ61は、収容部21および包囲部22の下端部の全体にわたって配置されている。第1フランジ61には、ボルトがそれぞれ挿通される複数の挿通孔610(図3参照)が形成されている。挿通孔610は、第1フランジ61の全周にわたって分散して配置されている。これらの挿通孔610には、それぞれ上半車室20と下半車室30との締結に用いられるボルト70が挿通される。
図2又は図3に示すように、第1フランジ61の上面側であって、ボルト70と第1フランジ61との間には、座金78が介在している。座金78は、ボルト70による締付力を第1フランジ61の全体にわたって均一に分散させるために設けられている。具体的には、座金78は、第1フランジ61に対応した平面形状を有する板状をなしている。なお、座金78を用いない構成を採ることも可能である。
吐出口17が位置する車室6の後端部6B付近(具体的には、軸線方向D1の最も内側(上流側)であって、軸線Aに対する径方向においても最も回転軸3Aに近い位置)では、最終段により圧縮されたガスの圧力に抵抗する必要がある。このため、当該部分では通しボルト70A(図1参照)による締結構造が用いられている。通しボルト70Aは、植込みボルト70B(図1参照)と比べて、締付力の強化と、軸周りのより広範な範囲への応力分散とを実現する。その他の挿通孔610には、植込みボルト70Bを使用してもよいし、通しボルト70Aを使用してもよい。
下半車室30(図1参照)も、上半車室20と同様に、収容部31、シールハウジングホルダ51を包囲する包囲部32と、収容部31および包囲部32の下端から水平方向の外側に突出した第2フランジ62(他方のフランジ)と、を備えている。下半車室30の第2フランジ62には、通しボルト70Aが挿通される貫通孔611、又は植え込みボルト70Bがねじ込まれる雌ねじが形成されている。
下半車室30の第2フランジ62の上面と、上半車室20の第1フランジ61の下面とは、上下方向から互いに当接している。以下では、第2フランジ62の上面と第1フランジ61の下面との接触面を、第1フランジ61と第2フランジ62との当接面612(図2、図3参照)と称する。当接面612は、水平方向に沿って平坦に広がっている。
図3に示すように、通しボルト70Aは、頭部73および軸部74を有する。第1フランジ61の下面と第2フランジ62の上面とが突き合わされた状態で、通しボルト70Aの軸部は、上半車室20の第1フランジ61の挿通孔610と、下半車室30の第2フランジ62の挿通孔610とを貫通する。第2フランジ62よりも下方に突出した通しボルト70Aの先端部はナット71(袋ナット)に螺合する。
ナット71は、有底筒状をなすとともに、平面視で六角形状をなしている。ナット71の内周面71Aには、通しボルト70Aと螺合する雌ねじが形成されている。ナット71は、第2フランジ62における当接面612とは反対側の面であるフランジ外面62Aに対して、溶接部Wによって固定されている。
具体的には図4に示すように、溶接部Wは、ナット71の外周部71Bの全周にわたって隙間なく形成されている。即ち、外周部71Bとフランジ外面62Aとの間では気密性、液密性が確保されている。溶接部Wは、隅肉溶接によって形成されることが望ましい。即ち、溶接部Wは、ナット71の外周部71Bとフランジ外面62Aとが形成する隅部を埋めるようにして形成されている。なお、ここで言う溶接部Wとは、溶接作業によって生じた溶融池が冷却硬化した部分を指す。
一方で、図1又は図2に示すように、植込みボルト70Bは、第1フランジ61の挿通孔610と、下半車室30の第2フランジ62の雄ねじとに挿入される。植込みボルト70Bの上端部は、ボルト頭部として機能するナット72にねじ込まれる。
続いて、本実施形態に係る遠心圧縮機1の組立方法(回転機械の組立方法)について説明する。特に、上述の通しボルト70Aによる上半車室20と下半車室30との締結について説明する。図5に示すように、この組立方法は、ナット71をフランジ外面62Aにおける貫通孔611に対応する位置に溶接する工程S1(袋ナットをフランジ外面62Aに溶接する工程)と、通しボルト70Aを貫通孔610,貫通孔611に挿通し、かつナット71に螺合させる工程S2と、を含む。
ナット71をフランジ外面62Aに溶接する工程S1では、ナット71の外周部71Bとフランジ外面62Aとの間に、上述した溶接部Wを形成する。この時、第2フランジ62に形成された貫通孔611とナット71の内周面71Aとが同心となるように、ナット71が位置決めされる。溶接部Wを形成するに当たっては隅肉溶接が好適に用いられる。続いて、通しボルト70Aを、貫通孔610,貫通孔611の延びる方向における一方側から貫通孔610,貫通孔611に挿通し、ナット71に螺合させる(工程S2)。以上の各工程を、必要となる通しボルト70Aの全てに繰り返し実行する。以上により、遠心圧縮機1の組立方法の全工程が完了する。
次に、遠心圧縮機1の動作について説明する。回転軸3Aに接続されたモータ等の駆動源により回転軸3Aが回転するのに伴い、複数のインペラ2が回転駆動される。回転に伴う遠心力によって、各インペラ2はプロセスガス(作動流体)を圧縮する。
ここで、上記のように遠心圧縮機1の内部では高圧の作動流体が流通している。上半車室20と下半車室30との間にわずかであっても隙間が形成されていると、当該隙間を通じて作動流体が外部に漏洩し、遠心圧縮機1の効率が損なわれてしまう。特に、軸線A方向において吐出口17に近い下流側の部分ほど、作動流体の圧力が高い。このため、当該部分では、上半車室20と下半車室30とを大きな締付力で締め付け、かつボルト70やナット71の周囲を十分にシールする必要がある。
そこで、本実施形態では、上述のようにナット71とフランジ外面62Aとの間に全周にわたって溶接部Wが形成される。この構成によれば、通しボルト70Aとナット71(袋ナット)とによって、植え込みボルトよりも大きな締付力をもって、第1フランジ61と第2フランジ62とを強固に締結することができる。さらに、ナット71とフランジ外面62Aとの間で、全周にわたって溶接部Wが形成されていることから、シール性を確保することができ、ナット71周囲からの作動流体の漏洩を抑止することができる。即ち、本実施形態に係る構成によれば、植え込みボルトを用いた場合と同等のシール性能を確保しつつ、植え込みボルトよりも大きいな締付力を実現することができる。
さらに、上述の組立方法によれば、通しボルト70Aを貫通孔610,611に挿通するに先立って、ナット71をフランジ外面62Aに固定することから、通しボルト70Aの頭部側から締付作業を行うのみで第1フランジ61と第2フランジ62とを締結することができる。一方で、ナット71と通しボルト70Aとを締結した後に溶接を行った場合、通しボルト70Aの軸部側(即ち、ナット71側)でも同時に締付作業を行う必要があるため、特に作業スペースが狭隘な部分では作業性が損なわれる可能性がある。しかしながら、上記の方法によれば、このような可能性を低減することができる。また、この方法によれば、隅肉溶接を行うことのみによって溶接部Wを形成し、ナット71とフランジ外面62Aとを強固かつ容易に固定することができる。
以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成や方法に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では第2フランジ62側にナット71を固定した例について説明した。しかしながら、ナット71は第1フランジ61側に固定されてもよい。さらに、上記実施形態では、回転機械の一例として遠心圧縮機1を用いた例を説明した。しかしながら、遠心圧縮機1のように2つの半体を有する限りにおいて、いかなる機械装置も回転機械として上記構成及び方法を適用することが可能である。回転機械の他の例として、具体的にはガスタービンや蒸気タービンが挙げられる。
1 遠心圧縮機(回転機械)
6 車室(ケーシング)
6B 後端部
20 上半車室(ケーシング半体)
30 下半車室(ケーシング半体)
61 第1フランジ(一方のフランジ)
62 第2フランジ(他方のフランジ)
62A フランジ外面
70 ボルト
70A 通しボルト
70B 植込みボルト
71 ナット(袋ナット)
71A 内周面
71B 外周部
72 ナット
78 座金
610,611 貫通孔
612 当接面

Claims (3)

  1. 当接面を介して互いに当接する2つのケーシング半体、及びそれぞれの前記ケーシング半体に設けられ、前記当接面に沿って広がるフランジを有するケーシングと、
    前記フランジに形成された貫通孔に、該貫通孔の延びる方向における一方側から挿通されるボルトと、
    他方側の前記フランジにおける前記当接面とは反対側のフランジ外面に固定され、前記ボルトの先端部が挿通される袋ナットと、
    を備え、
    前記袋ナットは、該袋ナットの全周にわたって形成された溶接部によって前記フランジ外面に対して固定されている回転機械。
  2. 当接面を介して互いに当接する2つのケーシング半体、及びそれぞれの前記ケーシング半体に設けられ、前記当接面に沿って広がるフランジを有するケーシングと、
    前記フランジに形成された貫通孔に、該貫通孔の延びる方向における一方側から挿通されるボルトと、
    他方側の前記フランジにおける前記当接面とは反対側のフランジ外面に固定され、前記ボルトの先端部が挿通される袋ナットと、
    を備える回転機械の組立方法であって、
    前記フランジ外面における前記貫通孔に対応する位置に前記袋ナットを全周にわたって溶接する工程と、
    前記ボルトを前記貫通孔に貫通させ、かつ前記袋ナットに螺合させる工程と、
    を含む回転機械の組立方法。
  3. 前記袋ナットを溶接する工程では、隅肉溶接を用いる請求項2に記載の回転機械の組立方法。
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