JP4314654B2

JP4314654B2 - 軸力釣合い装置

Info

Publication number: JP4314654B2
Application number: JP32065698A
Authority: JP
Inventors: 一二三田畠; 直行橋本; 隆夫舘沢
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2018-11-11
Also published as: JP2000145688A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス圧縮機等回転機械の流体圧による軸力を軽減させる軸力釣合い装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に、回転機械の例として多段ガス圧縮機の概略構成を示す。この圧縮機１においては、ケーシング２内に支承された回転軸３に複数の羽根車４，４・・・が設けられ、所定の被圧縮流体（ガス）を多段圧縮できるようになっている。すなわち、被圧縮流体は、図示しない吸込スクロールを通じて初段の羽根車４により圧縮された後、リターンガイドベーン５を通じて次段の羽根車４に送られて圧縮され、以後、同様に各段の羽根車４で圧縮され、最終段の羽根車４で圧縮された後は吐出スクロール６を通じて排出される。ところで、上記各段の羽根車４には、吸込側と吐出側との流体圧差に応じた力がかかり、回転軸３には、各段で発生する力の総和にあたる軸力Ｆ₁ が吸込側（図の右方）に作用することとなる。このため、上述のごとき圧縮機１等においては、回転軸３に作用する軸力Ｆ₁を軽減させるための軸力釣合い装置７が設けられる。
【０００３】
軸力釣合い装置７は、従来、図６に示すように、回転軸３の外周にバランスピストン８を同軸的に形成し、このバランスピストン８の羽根車４側の端面８ａを吐出スクロール６に連通させ逆側の端面８ｂを吸込管につながるバランス室（図示せず）に連通させて構成されている。このため、バランスピストン８には、その両端面に作用する圧力の差と両端面の面積の差とに起因するスラスト力Ｆ₂が作用し、これにより上記軸力Ｆ₁ を軽減させることができる。つまり、バランスピストン８の両端面８ａ、８ｂ作用する圧力を変えて上記軸力Ｆ₁ とバランスする力Ｆ₂ を作り出すことで、回転軸３のスラスト方向の荷重を軽減できる。
【０００４】
ところで、上記従来の軸力釣合い装置７にあっては、バランスピストン８の高圧側（羽根車４側）から低圧側（バランス室側）への流体の漏れを防止するために、バランスピストン８の外周とケーシング２との間にはラビリンスシール９が設けてある。しかし、回転軸３の振動や熱膨張等を考慮すると、ラビリンスシール９の隙間を小さくすることには限界があり、そのため、漏れ量の低減ひいては動力損失の低減にも自ずと限界を生じていた。
【０００５】
とくに、低容量型あるいは高圧型の圧縮機にあっては、トータル処理量に対するラビリンスシール９からの漏れ量の割合が大きくなるために、極端に効率を低下させることとなり問題であった。
【０００６】
かかる問題を解決するため本願出願人は、バランスピストンの高圧側から低圧側への流体の漏れを低減できる軸力釣合い装置の発明を完成し、先に特許出願を行った（特願平５−８４６６７号）。図３ないし図５は、上記出願に開示された軸力釣合い装置の図面であり、図３は断面図、図４はメーティングリングの摺動面を示す部分拡大図、図５はメーティングリングの近傍の部分拡大断面図である。
【０００７】
図３において、２は多段ガス圧縮機のケーシングであり、このケーシング２内には、回転軸３が回転自在に支承されている。回転軸３の外周には、従来と同様に複数の羽根車４，４・・・（図７参照）が間隔をおいて取付けられ、所定のガス（被圧縮流体）を多段圧縮できるようになっている。このため、回転軸３には、すでに説明したように所定の軸力Ｆ₁が吸込側（図の右方）に向かって作用することとなる。また、回転軸３の外周には、最終段の羽根車４の背面側にバランスピストン８が設けられている。バランスピストン８は、軸力Ｆ₁を軽減させるためのもので、その羽根車４側には、吐出スクロール６と連通する高圧室１０が形成されている。高圧室１０は、バランスピストン８の一端面８ａを囲繞して形成され、その端面８ａに圧縮機１の吐出圧を作用させる。一方、バランスピストン８の高圧室１０と逆側（低圧側）には、後述する端面形非接触シール１２を収容するための収容空間１１が形成されている。この収容空間１１は、バランスピストン８の他端面８ｂを囲繞して形成されるとともに、隙間１７を通じて図示しないバランス室に連通されている。バランス室は、吸込管を介して圧縮機１の吸込側に接続されており、常時、吸込圧（ほぼ大気圧）に維持されている。
【０００８】
端面形非接触シール１２は、高圧室１０からラビリンスシール９を通って空間１１内に漏出したガスを塞き止めるためのもので、回転軸３の外周に同軸的に取付けられ回転軸３と一緒に回転するメーティングリング１３と、静止系のケーシング２に設けられ、メーティングリング１３の端面１３ａに接面するシールリング１４とを有してなる。
【０００９】
メーティングリング１３は、回転軸３上に保持金具１５を介して取付けられている。保持金具１５は、バランスピストン８の端面８ｂに隣接して取付けられ、この保持金具１５の上記ピストン８と逆側に形成した環状溝１５ａ内にメーティングリング１３が装着されている。メーティングリング１３の摺動面１３ａ（シールリング１４と接する面）には、図４に示すように、スパイラルグループ１６が形成されている。スパイラルグループ１６は、摺動面１３ａの外周縁から内周縁側に向かって回転方向後方に傾斜し、かつ、所定長さで形成され、回転軸３の回転の際には後述する圧力室２２内のガスを取り込むことができるようになっている。
【００１０】
一方、シールリング１４は、上記ケーシング２のメーティングリング１３前方位置に形成した環状溝２ａ内にメーティングリング１３と同軸にかつ軸方向移動自在に嵌合されている。ここに、シールリング１４の外径はメーティングリング１３の外径とほぼ同一に、シールリング１４の内径はメーティングリング１３の内径より大きく形成され、これによりメーティングリング１３の端面内周側が上記バランス室に隙間１７を通じて臨んでいる。また、シールリング１４の背面側には、付勢手段としての圧縮コイルばね１８が設けられ、シールリング１４はコイルバネ１８の付勢力によってメーティングリング１３と面接触する。シールリング１４の外周側には、廻り止め部材１９が環状溝２ａの内底部より立設され、この廻り止め部材１９によりシールリング１４の回転は拘束される。なお、２０はシールリング１４の背面に取付けたばね１８の受け座であり、この受け座２０にはシールリング１４の内周をシールするためのＯリング２１が設けられている。
【００１１】
この軸力釣合い装置にあっては、上記環状溝２ａの内周側にシールリング１４が嵌合され、両リング１３、１４の周りにそれらの外周側を囲繞する圧力室２２を区画形成している。圧力室２２は、上記保持金具１５の背面側を通じてラビリンスシール９の低圧側の端部と連通しており、そのラビリンスシール９の端部より漏出してくるガスにより所定の圧力に保たれる。
【００１２】
次に、上記メーティングリング１３の回転軸３への取付けについて説明する。メーティングリング１３を保持する保持金具１５は、図５に示すように、回転軸３に嵌合されるボス部２３ａおよびボス部２３ａの一端に形成された円板状の支持部２３ｂからなり、支持部２３ｂの内側（図の左側）に回転軸３と同軸に環状溝１５ａが形成されている。メーティングリング１３は、環状溝１５ａに嵌合された状態で、図上で左側からスリーブ２５およびボルト２６により押しつけられる。また、保持金具１５の回転軸３への取付けは、保持金具１５を回転軸３に嵌合させた後、その外側からさらにスリーブ２７を嵌合させることでなされる。ここで、上記回転軸３、リング１３およびボス部２３ａ相互間の隙間を均等にするために、ボス部２３ａの内・外周には適所に凹部が形成され、その凹部内にリング状の板ばね２８が介装されている。
【００１３】
次に、軸力釣合い装置の作用について説明する。
回転軸３の回転によりメーティングリング１３が回転すると、メーティングリング１３の摺動面１３ａに形成したスパイラルグループ１６（図３）に圧力室２２内のガスが取り込まれて昇圧される。これにより、メーティングリング１３およびシールリング１４の摺動面１３ａ、１４ａ間には、いわゆるガス軸受が形成されて両リング１３、１４は非接触状態で相対回転するものの、その隙間は極めて小さく（μｍオーダ）、これよりガスの漏れが大幅に少なくなる。
【００１４】
一方、上述のように各段の羽根車４で多段ガス圧縮を行うと、回転軸３には吸込側に向かって大きな軸力Ｆ₁ が発生するが、この軸力Ｆ₁ はバランスピストン８に作用する力Ｆ₂ によって打ち消される。すなわち、バランスピストン８の羽根車４側の端面８ａには、高圧室１０内の圧力（圧縮機１の吐出圧）が作用し、逆に、バランス室側の端面８ｂには、端面形非接触シール１２のバランス径Ｄに相当する吸込圧が当該シール１２を介して作用する。このため、バランスピストン８には、従来と同様に、端面８ａに吐出圧が作用することによる軸推力と、逆に端面８ｂに吸込圧が作用することによる軸推力とが作用し、これにより上記軸力Ｆ₁ に相対する力Ｆ₂ が得られる。
【００１５】
メーティングリング１３とシールリング１４とは、互いに非接触で相対回転するものの、それらの間の隙間はラビリンスシール９に比して極めて小さくできるために、圧損が増大し、シール性の向上が図れる。実際、従来のラビリンスシール９を使用しただけの構造にあっては、低容量型のもので動力損失が十数％程度はあったが、このシール１２を使用した構造では、動力損失を従来の５〜６％低減することができる。
【００１６】
なお、上記図面においては、バランスピストン８とケーシング２との間にラビリンスシール９を設けたが、これは必ずしも必要でない。ただし、ラビリンスシールを設けておけば端面形非接触シール１２が故障してもバックアップとして有効である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した、端面形非接触シール１２を有する軸力釣合い装置において、メーティングリング１３は断面形状が外側に凸な円弧状なる環状の板ばね２８を介して保持金具１５に外嵌されている。板ばね２８による弾性支持にしたのは、メンテナンスのためメーティングリング１３を取り外すことがあることや、メーティングリング１３は、シールリング１４との接触面１３ａが高い精度を要求されるため、焼ばめなどができないためである。ところが、高速回転による遠心力の増大や外力によりメーティングリング１３が振動を起すと、板ばね２８に過剰な荷重がかかり、板ばね２８は叩かれてフラットにつぶれてしまう。板ばね２８がつぶれるとメーティングリング１３は、偏心して回転するので過大な不釣合い力が生じて、回転機械の異常振動につながり、ガスシールの損傷や回転機械全体のトラブルの原因になってしまう。
【００１８】
本発明は、以上説明した先行発明の改良に係るものであり、メーティングリングの支持方法の改良により板ばねのつぶれを防止し、回転機械運転中に異常振動を起さないようにした軸力釣合い装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の軸力釣合い装置は、ケーシング内に支承された回転軸の外周にバランスピストンを形成し、該バランスピストンの端面に流体圧を作用させる軸力釣合い装置において、上記バランスピストンの低圧側に、その端面を囲繞する空間を形成するとともに、その空間内に、上記回転軸上に設けたメーティングリングおよび静止系に設けられ当該リングの一端面に接面するシールリングからなる端面形非接触シールを設けてなる軸力釣合い装置において、上記メーティングリングは上記回転軸に外嵌された保持金具に板ばねを介して外嵌されているとともに、該板ばねの片側または両側でメーティングリング内周と保持金具外周とが隙間ばめになっている。
【００２０】
上記隙間ばめの隙間は、上記メーティングリング内径の１／３０００〜１／１００００であるのが好ましい。
【００２１】
上記板ばねの断面形状は、外側に凸な円弧状であるのが好ましい。
【００２２】
次に、本発明の作用を説明する。
メーティングリングを支持する板ばねの片側または両側で、メーティングリング内周と保持金具外周とが隙間ばめになっているので、メーティングリングに外力がかかって板ばねが変形してもその変形量は、隙間ばめの隙間がなくなる状態まであり、それ以上に変形することはない。したがって、隙間が十分小さければ板ばねは弾性変形の範囲内であり、外力がなくなったときには元の状態に復元し、永久変形を起すことがなく、従来技術のように板ばねが叩かれて、フラットにつぶれてしまうことがない。それゆえ、回転機械に異常振動を起したり、ガスシールの損傷や機械全体のトラブルを起すことはない。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は保持金具に板ばねを介して外嵌されたメーティングリングの部分拡大断面図である。本図において、従来技術として、図３ないし図７において説明したものと共通する部分については同一の符号を付してある。図中、３は回転軸、８はバランスピストン、１１は収容空間、１２は端面形非接触シール、１３はメーティングリング、１４はシールリング、１５は保持金具、１６はスパイラルグルーブ、２１はＯリング、２５はスリーブである。保持金具１５のバランスピストン８寄りの外周面に１５ｃには、環状の溝１５ｂが設けられており、外溝１５ｂ内に断面形状が外側に凸な円弧状である板ばね２８をリング状になるように巻き付けてある。板ばね２８は、たとえば巻き付けたときの直径が１６０ｍｍ程度のものについて、厚さは１ｍｍ、隙間δ1 は０．３５ｍｍ程度とする。上記溝１５ｂはバランスピストン８と反対側は斜めに隆起して外周面１５ｃに至っている。外周面１５ｃの溝１５ｂ側の端部とメーティングリング１３の内周面とは隙間δ₂ を有する隙間ばめになっている。隙間ばめの基準は、たとえばＨ₇ ／ｇ₆ 程度であり、隙間δ₂ は、たとえば１６０ｍｍ程度の径のものについて０．０１６〜０．０５３ｍｍとする。
【００２４】
次に、本実施形態の作用を説明する。
メーティングリング１３を支持する板ばね２８の片側でメーティングリング１３の内周と保持金具１５の外周面１５ｃとが隙間ばめになっているので、メーティングリング１３に外力がかかって板ばね２８が変形してもその変形量は隙間ばめの隙間δ1 がなくなる状態まであり、それ以上に変形することはないので、隙間δ₁ が十分小さければ、板ばね２８は弾性変形の範囲内であり、外力が無くなったときは、元の状態に復元し、永久変形を起すことがない。したがって、従来技術のように板ばね２８が叩かれてフラットにつぶれてしまうことがなく、回転機械に異常振動を起したり、ガスシールの損傷や機械全体のトラブルを起すことがない。
【００２５】
図２は、本発明の他の実施形態を示す部分拡大断面図である。図２において図１と異るのは、メーティングリング１３の内周面に環状の溝１３ａが設けてあり、その内部に断面形状が内側に凸な円弧状である板ばね２８ａがリング状になるように収容されていることであり、板ばね２８ａの両側でメーティングリング内周面と保持金具１３の外周面１５ｃとが隙間δ2 を有する隙間ばめになっている点であり、他は同じなので説明を省略する。
【００２６】
本発明は、以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、板ばねの断面形状は外側または内側に凸な円弧状に限らず台形であってもよい。
【００２７】
【発明の効果】
【００２８】
以上述べたように、本発明の軸力釣合い装置は、メーティングリングを支持する板ばねの片側または両側でメーティングリング内周と保持金具外周とが隙間ばめになっているので、メーティングリングに外力がかかっても板ばねの変形量は、隙間ばめの隙間に限定されるので、板ばねが永久変形することがなく、したがって、メーティングリングが異常振動を起すことがないなどの優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軸力釣合い装置の部分拡大断面図である。
【図２】本発明の軸力釣合い装置の変形例の部分拡大断面図である。
【図３】従来の軸力釣合い装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】端面形非接触シールにおけるメーティングリングの摺動面を示す部分拡大図である。
【図５】端面形非接触シールにおけるメーティングリングの取付構造を説明するための図である。
【図６】従来の軸力釣合い装置の概略構成を示す断面図である。
【図７】多段ガス圧縮機の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１多段ガス圧縮機
２ケーシング
３回転軸
８バランスピストン
１１収容空間
１２端面形非接触シール
１３メーティングリング
１４シールリング
２８板ばね

Claims

ケーシング内に支承された回転軸の外周にバランスピストンを形成し、該バランスピストンの端面に流体圧を作用させる軸力釣合い装置において、上記バランスピストンの低圧側に、その端面を囲繞する空間を形成するとともに、その空間内に、上記回転軸上に設けたメーティングリングおよび静止系に設けられ当該リングの一端面に接面するシールリングからなる端面形非接触シールを設けてなる軸力釣合い装置において、上記メーティングリングは上記回転軸に外嵌された保持金具に板ばねを介して外嵌されているとともに、該板ばねの片側または両側でメーティングリング内周と保持金具外周とが隙間ばめになっていることを特徴とする軸力釣合い装置。
上記隙間ばめの隙間は、上記メーティングリング内径の１／３０００〜１／１００００である請求項１記載の軸力釣合い装置。
上記板ばねの断面形状は外側に凸な円弧状である請求項１または請求項２記載の軸力釣合い装置。