JP2020020269A

JP2020020269A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2020020269A
Application number: JP2018142366A
Authority: JP
Inventors: 前田　淳; Atsushi Maeda; 淳前田; 成瀬　友博; Tomohiro Naruse; 友博成瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2020-02-06
Also published as: WO2020026584A1

Abstract

【課題】本発明は、腐食環境下においても強度の低下を抑制するバランスシール（ラビリンスシール装置）を設置した圧縮機を提供する。例えば、ＣＯ２用の遠心多段圧縮機に適用した場合であっても、ＣＯ２中の液滴による浸食による劣化や損傷を抑制したバランスシールを設置した圧縮機を提供する。【解決手段】本発明の圧縮機は、複数の羽根車が設置された回転軸と、初段の羽根車と最終段の羽根車との間で、流体を、一度、機外へ排出する吐出流路と、初段の羽根車と最終段の羽根車との間で、排出された流体を、再度、機内へ注入する吸込流路と、最終段の羽根車の後段であって、回転軸側に設置されるバランスドラムと静止側であるケーシングに設置されたホルダーとの間に設置される複数のラビリンスフィンを有するバランスシールと、を具備し、バランスシールは、高圧側にアブレーダブルなラビリンスシールを、低圧側に非接触なラビリンスシールを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平１１−１３６８８号公報（特許文献１）がある。この公報には、遠心形流体機械におけるラビリンスシール装置において、非接触シールにラビリンスシールを用い、回転軸側または内側ケーシングを含む静止側のいずれかにラビリンスフィンを複数段設け、この中の低圧側のラビリンスフィンに対向する内側ケーシング部分に造隙被削コーティングを施すことが記載されている。

特開平１１−１３６８８号公報

前記特許文献１には、複数段のラビリンスフィンを用いた遠心形流体機械が記載され、
その低圧側のラビリンスフィンに対向する内側ケーシング部分に造隙被削コーティングを設置することが記載されている。しかし、特許文献１に記載されるラビリンスシール装置は、腐食環境下におけるラビリンスシール装置の強度の低下が懸念される。

このようなラビリンスシール装置を、例えば、二酸化炭素（以下、ＣＯ２と記載する）用の遠心多段圧縮機に適用する場合には、ＣＯ２中の液滴による浸食（erosion）による影響を検討し、ラビリンスシール装置に対する劣化や損傷の発生によるラビリンスシール装置の強度の低下を検討する必要がある。

そこで、本発明は、腐食環境下においても強度の低下を抑制するバランスシール（ラビリンスシール装置）を設置した圧縮機を提供する。例えば、ＣＯ２用の遠心多段圧縮機に適用した場合であっても、ＣＯ２中の液滴による浸食による劣化や損傷を抑制したバランスシールを設置した圧縮機を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の圧縮機は、複数の羽根車が設置された回転軸と、初段の羽根車と最終段の羽根車との間で、流体を、一度、機外へ排出する吐出流路と、初段の羽根車と最終段の羽根車との間で、排出された流体を、再度、機内へ注入する吸込流路と、最終段の羽根車の後段であって、回転軸側に設置されるバランスドラムと静止側であるケーシングに設置されたホルダーとの間に設置される複数のラビリンスフィンを有するバランスシールと、を具備し、バランスシールは、高圧側にアブレーダブルなラビリンスシールを、低圧側に非接触なラビリンスシールを有する。

本発明によれば、腐食環境下においても強度の低下を抑制するバランスシールを設置した圧縮機を提供することができる。例えば、ＣＯ２用の遠心多段圧縮機に適用した場合であっても、ＣＯ２中の液滴による浸食による劣化や損傷を抑制したバランスシールを設置した圧縮機を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、効果及び構成は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本実施例に係る遠心多段圧縮機の全体構成を説明する説明図である。本実施例に係るバランスシールを説明する説明図である。

以下、実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、本実施例に係る遠心多段圧縮機の全体構成を説明する説明図である。

本実施例に記載する圧縮機１００は、ＣＯ２用の遠心多段圧縮機である。この遠心多段圧縮機は、回転軸３に複数の羽根車４が設置される。

本実施例に記載する圧縮機１００は、羽根車４（羽根車４１、羽根車４２、羽根車４３、羽根車４４、羽根車４５）が５段に設置される。

初段の羽根車４１と最終段の羽根車４５との間には、流体（ＣＯ２）を、一度、機外へ排出する吐出流路５ｂと、初段の羽根車４１と最終段の羽根車４５との間には、排出された流体（ＣＯ２）を、再度、機内へ注入する吸込流路５ｃとが設置される。本実施例に記載する圧縮機１００では、羽根車４３と羽根車４４との間に、吐出流路５ｂ及び吸込流路５ｃが設置される。

羽根車４３と羽根車４４との間、つまり、吐出流路５ｂと吸込流路５ｃとの間には、流路を形成する中間ダイアフラム６が設置される。

そして、最終段の羽根車４５の後段であって、回転軸３側に設置されるバランスドラム（図２参照）と静止側であるケーシング１に設置されたホルダー（図２参照）との間に設置される複数のラビリンスフィン（図２参照）を有するバランスシール７が設置される。

なお、ケーシング１は、圧縮機１００の外郭を形成する静止体である。複数段（本実施例では５段）の羽根車４は、回転軸３に設置され、その回転によってＣＯ２を圧縮するものである。

また、羽根車４１、羽根車４２、羽根車４３によって昇圧され、温度が上昇したＣＯ２は、圧縮の効率を上げるために、吐出流路５ｂを介して、一度、圧縮機１００外へ排出され、ガスクーラ（図示なし）を通して冷却された後、吸込流路５ｃを介して、再度、圧縮機１００内へ注入され、羽根車４４、羽根車４５によって昇圧される。

中間ダイアフラム６には、中間ステージラビリンス８が設置される。中間ステージラビリンス８は、回転体である羽根車４３と静止体である中間ダイアフラム６との間に生じる隙間に流れる漏れ流量を低減する目的で設置される。

図２は、本実施例に係るバランスシールを説明する説明図である。

すなわち、図２は、バランスシール７の近傍を拡大したものである。

バランスシール７は、最終段の羽根車４５の後段に設置され、回転軸３側（回転体側）に設置されるバランスドラム２１（回転軸３のスラスト力を低減させるもの）と静止体側であるケーシング（内側ケーシング）１に設置されたホルダー２２（バランスシール７を支持するもの）との間に設置される複数のラビリンスフィン７３を有する。

そして、高圧側にアブレーダブルなラビリンスシール（高圧側バランスシール７１）を、低圧側に非接触なラビリンスシール（低圧側バランスシール７２）を有する。

アブレーダブルなラビリンスシールとは、被切削用のシール部材を使用したラビリンスシールであり、バランスシール７に使用されるラビリンスフィン７３の回転よって、被切削用のシール部材が削られることにより、最適な距離を確保するものである。

一方、非接触なラビリンスシールとは、アブレーダブルなラビリンスシールのような被切削用のシール部材を使用しないものである。

なお、ラビリンスフィン７３は、耐食性の高い金属であることが好ましく、本実施例では、ステンレス鋼を使用する。

また、高圧側バランスシール７１に設置されるラビリンスフィン７３がバランスドラム２１に、低圧側バランスシール７２に設置されるラビリンスフィン７３がホルダー２２に、設置されていることが好ましい。これは、将来のメンテナンス性を考慮したものであり、高圧側のラビリンスフィン７３の損傷より、低圧側のラビリンスフィン７３の損傷のほうが大きいと予想されるためである。

また、高圧側バランスシール７１に設置されるラビリンスフィン７３が対向するホルダー２２には、被削コーティング７４が設置される。被削コーティング７４は、被切削用のシール部材であり、被削コーティング７４が削られることにより、バランスドラム２１とホルダー２２との間が、最適な距離に確保され、シール性が向上する。

なお、被削コーティング７４は、樹脂であることが好ましく、本実施例では、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）を主成分とした樹脂を使用する。

なお、高圧側のラビリンスシール（高圧側バランスシール７１）と低圧側のラビリンスシール（低圧側バランスシール７２）との長さの比は、シール性を考慮して、高圧側に対する低圧側は、３分の１〜５分の１程度であることが好ましい。

なお、シャフト３１は回転軸３の一部分であり、貫通孔８１は、高圧側バランスシール７１の圧力を低減させる目的で形成され、シャントホール８２は、高圧側バランスシール７１にガスを供給する目的で形成される。

取り扱い流体であるＣＯ２は、流体中に水蒸気を含むウエットガスであることが多い。

また、比較的重い気体であるＣＯ２は、昇圧されると流体の温度が上昇しやすい。このため、圧縮の効率を上げるために、昇圧され、温度が上昇したＣＯ２を、一度、圧縮機１００外へ排出し、ガスクーラ（図示せず）を通してＣＯ２を冷却し、冷却されたＣＯ２を、再度、圧縮機１００内へ注入し、昇圧するといったプロセスを採用することが多い。

ガスクーラにて冷却され、再度、圧縮機１００内へ注入されるＣＯ２は、高圧、低温の条件となり、湿度が１００％となる。

このＣＯ２は、湿度１００％の流体であるため、静温低下に伴い、ＣＯ２に含まれる水分（水蒸気）が液化し、その液分にＣＯ２が溶解することで炭酸となる。炭酸と金属との接触は、バランスシール７の炭酸腐食を引き起こす。

特に、バランスシール７に炭酸腐食が発生した場合は、回転体と静止体との隙間が拡大し、漏れ流量の増大につながる。漏れ流量が増大すると、圧縮機１００の内部で循環する流量が増大し、圧縮機１００の性能低下を招く。

また、炭酸腐食が継続すると、羽根車４５に損傷が発生し、圧縮機１００の振動過大となる場合がある。

本実施例によれば、こうした課題を解決することができる。

また、本実施例によれば、被切削用のシール部材に樹脂（ポリマー）を使用した場合であっても、高圧側にアブレーダブルなラビリンスシールを設置することにより、腐食環境下におけるバランスシール７の強度の低下や、ＣＯ２中の液滴による浸食によるバランスシール７の劣化や損傷の発生を抑制することができる。

本実施例によれば、
(1)漏れに対する影響が比較的大きい高圧側に、アブレーダブルなラビリンスシールを用いることにより、大きな漏れ低減効果が実現できる
(2)漏れに対する影響が比較的小さく、腐食環境となる低圧側に、非接触な耐食性の高い金属からなるラビリンスシールを用いることにより、漏れ低減作用をさほど減ずることなく、腐食に強い構造が実現できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。

１ケーシング
３回転軸
４羽根車
５ｂ吐出流路
５ｃ吸込流路
６中間ダイアフラム
７バランスシール
８中間ステージラビリンス
２１バランスドラム
２２ホルダー
３１シャフト
４５最終段の羽根車
７１高圧側バランスシール
７２低圧側バランスシール
７３ラビリンスフィン
８１貫通孔
８２シャントホール
１００圧縮機

Claims

複数の羽根車が設置された回転軸と、
初段の前記羽根車と最終段の前記羽根車との間で、流体を、一度、機外へ排出する吐出流路と、
初段の前記羽根車と最終段の前記羽根車との間で、排出された流体を、再度、機内へ注入する吸込流路と、
最終段の前記羽根車の後段であって、回転軸側に設置されるバランスドラムと静止側であるケーシングに設置されたホルダーとの間に設置される複数のラビリンスフィンを有するバランスシールと、を具備し、
前記バランスシールは、高圧側にアブレーダブルなラビリンスシールを、低圧側に非接触なラビリンスシールを有することを特徴とする圧縮機。
前記ラビリンスフィンは、金属であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
高圧側のラビリンスフィンが、前記バランスドラムに、低圧側のラビリンスフィンが、前記ホルダーに、設置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
前記高圧側のラビリンスフィンが対向する前記ホルダーには、被削コーティングが設置されていることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
前記被削コーティングは、樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の圧縮機。