JP4520723B2 - 安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステム - Google Patents

Description

本発明は、安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムに関する。

一般的に、遠心圧縮機は、直列に配列された１つ以上のインペラ又はロータによって、圧縮性流体に取り入れ圧力より大きい圧力を加え、この圧力増加に必要とされるエネルギーを流体自体へ伝達する機械である。インペラ又はロータは半径方向ブレードを有し、結合部材によって圧縮機軸に結合されたモータにより高速で駆動される。

通常、遠心圧縮機は、例えば、冷凍システム、エチレンクラッキングプラント及び触媒クラッキングプラントなどの石油化学業界、尿素プラントのＣＯ2圧縮ユニット、電力業界、液体プロパンガスプラント及び酸素プラント、並びにガスパイプラインを加圧し、それらを動作状態に戻すための装置などの、中程度の圧力から低圧の範囲で高い流量が要求される多種多様な用途で使用されている。設定パワーは一般に高い。

遠心圧縮機では、様々な段階の間で軸方向に圧力差が発生し、従って、適切なレベルの圧縮効率を維持するためには、各段のロータとステータとの間で圧縮機のロータ軸にシールのシステムを嵌合し、それにより、圧縮流体が先行する段へ逆流する現象を最小限に抑えることが必要である。

下流方向への圧力の増加は、システム全体に必然的に一時的な異常を引き起こすことによりロータ本体に半径方向及び軸方向の力を発生させるので、それらの力を静的及び動的につりあわせなければならない。

遠心圧縮機、及び高圧の流体を使用して、高速で動作するあらゆる回転機械のロータにおいて最も一般的に要求される特性の１つは、圧縮されるべき実際のガスの上流又は下流への流れ、あるいは密度又は圧力の一時的な不規則性に起因する動作の変動が存在した場合でも、寸法の安定性を保つことである。

圧縮機の様々な要素段により流体に徐々に圧力増加が加えられるため、相当に大きな軸方向力が発生し、機械の軸に作用する。それらの力の合力は通常は非常に大きいので、単純な軸方向スラスト軸受では（その種類に関わらず）つりあいを保つことは不可能である。

それらの軸方向力を制限するために、一般には最終段の下流側につりあいピストン（ドラム）を装着している。つりあいピストン（ドラム）の下流側の領域はつりあいラインを介して機械取り入れ口に接続されているため、つりあいピストン（ドラム）は機械全体が発生する圧力差とほぼ等しい圧力差にさらされる。従って、つりあいピストン（ドラム）に作用する対応する力は吐出し口から取り入れ口に向かって導かれ（簡単にするため、ここではインライン段を有する機械について説明している）、そのため、個々のインペラに作用する力に対抗する。

適切なつりあいピストン（ドラム）直径を指定することにより、つりあいのとれないスラスト（軸方向軸受によりつりあわされなければならない）を所望の値まで減少させることができる。通常、この残留力の値は、どのような条件においても荷重の反転と、その結果としてのロータの軸方向変位が起こらないようにするために、荷重があらゆる動作条件の下で常に同じ方向に加えられるように指定される。

つりあいピストン（ドラム）の２つの面に作用する圧力差もガスを高圧の側から低圧の側へ移動させる。

この流れを最小にするために、一般にはつりあいピストン（ドラム）の位置にシールを装着するのが普通である。シールの形態は適用用途の種類によって異なるであろう。

これを実行すると、圧縮機の両端部は機械の取り入れ圧力に等しい共通圧力になる。

通常、シールは、ガスが圧縮機の端部から通常は大気圧の外部環境へ流れるのを阻止するために装着される。

近年に至るまで、それらのシールは大半のケースでオイル型のシールであった。

この１０年間にわたり、メカニカルガスシールの開発がかなり進み、現在の規格はいくつかの稀なケースを除いてこの種のシールの使用を指定している。

メカニカルガスシールの密封効率は非常に高く、漏れは非常に少ないことが知られている。

ガスシールの密封効率が従来のラビリンスシール又はハニカムシールの密封効率より相当に高いという知識は、つりあいピストン（補償ドラム）のつりあいラインにより形成される漏れ経路を排除し、従って、必要な密封を行うために端部シールのみに依存するという考えを生み出した。

従って、この解決方法が当該技術分野で採用されており、その結果、圧縮機の吐出し端部のガスシールに軸方向をつりあわせるという追加機能が与えられることになった。

しかし、つりあいピストン（補償ドラム）を排除してしまうことにより、いくつかの困難な問題が起こる。

最も重大なのは安全性に関連する面である。ガス密封システムに破壊が起こると、軸方向スラストをつりあわせる要素は存在しなくなり、これは圧縮機にとって重大な結果を招くであろう。

従って、本発明の目的は、上述の問題、特に、安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムを提供するという問題を克服することである。

本発明の別の目的は、常に効率を最適化するために、遠心圧縮機の様々な用途の要件に適合するような融通性を有する、安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムを提供することである。

本発明の更に別の目的は、特に信頼性が高く、単純で機能的であり、且つ相対的に安価である、安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムを提供することである。

本発明の最後の目的は、完全な可逆性を有するシステム、言い換えれば、単純な変形によって、従来の圧縮機構成（スラストのつりあいを保つために吐出し端部ガスシールが使用されない構成）に急速に戻すことを可能にするシステムを提供することである。この概念を別の言い方で表現すると、この融通性の特徴は、従来の構成で既に製造された機械の性能を改善するためにそれらの機械に本発明の解決方法を容易に適用できるようにしなければならないということになる。

本発明の上記の目的及びその他の目的は、特許請求の範囲第１項に記載されるような、安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムを形成することにより実現される。

安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムのその他の特徴は特許請求の範囲第２項から第１２項に指定されている。

本発明に従って安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムの特徴及び利点は、添付の概略図を参照して、限定的な意図を持たない一例として提供される以下の説明により、更に明瞭且つ明確になる。

図１を参照すると、安全特性を改善した遠心圧縮機１２の軸方向スラストつりあいシステムが全体を図中符号１０により示されている。

遠心圧縮機１２は、ステータ２０、言い換えれば固定要素の中で回転するロータ１４、言い換えれば回転要素を具備する。ロータ１４は、互いに隣接し、軸１８により結合された複数のインペラ１６を有する。

遠心圧縮機１２は、従来の技術に従ったつりあいピストン又は補償ドラム２２を更に含む。

更に厳密に言えば、つりあいピストン２２は圧縮機１２の軸１８の、最終圧縮段の下流側にキー結合されている。このつりあいピストン２２の正しい動作を確保するためのつりあいライン２４は、周知の技術に従って、第１の圧縮段の取り入れ口とつりあいピストン２２の下流側の領域との間に設けられている。

軸１８の周囲には、第１の圧縮段の上流側に取り入れ口メカニカルガスシール２６が設けられ、つりあいピストン２２の下流側には出口メカニカルガスシール２８が設けられている。

２つのメカニカルガスシール２６及び２８には供給ライン３０を介してガスが補給される。

本発明による実施例では、軸方向スラストつりあいシステム１０はつりあいピストン２２及びそのつりあいライン２４と、メカニカルガスシール２６、２８及びその供給ライン３０とを含む。更に厳密に言えば、つりあいライン２４は遮断弁などの閉塞要素３２によって遮断されることが可能である。

本発明による遠心圧縮機１２の軸方向スラストつりあいシステム１０の動作は、図１を参照して与えられた以上の説明から明らかであるが、次のように要約することができる。

閉塞要素３２はつりあいピストン（補償ドラム）２２のつりあいライン２４を遮断するように動作される。これにより、メカニカルシール２６及び２８は密封機能のみを果たすことになる。

特に、圧縮機１２の吐出し端部に配置された出口メカニカルガスシール２８は軸方向スラストのつりあいを保つという追加機能を有する。

従って、吐出し端部のガスシール（出口メカニカルガスシール２８）の直径は、発生する軸方向スラストのつりあいを保つことを可能にするように、取り入れ端部ガスシール（取り入れ口メカニカルガスシール２６）の直径より大きくなければならない。

これが実行されれば、少なくとも次のような利点が得られる。

−つりあいライン２４を動作状態に戻し、出口メカニカルガスシール２８を遠心圧縮機１２の取り入れ圧力にある、取り入れ口メカニカルガスシール２６の直径と等しい直径を有するメカニカルガスシールと交換することにより、つりあいピストン２２により提供されるつりあい構成に容易に戻すことが可能である。

−メカニカルガスシール２６及び２８のシステムに破壊が起こった場合、より高い安全性が確保される。これは、つりあいピストン（補償ドラム）２２及びそのシールは通常の動作条件の下では何の寄与もしないであろうが（外部への漏れは実質的に０である）、つりあいピストン（補償ドラム）２２及びシールがあるために（過熱を防止するために広い遊隙を伴ってそれらが構成されていたとしても）、取り入れ口メカニカルガスシール２６又は出口メカニカルガスシール２８の一次リングが破壊された場合、漏れが相当に増加するので、つりあいピストン（補償ドラム）２２の両側で圧力差が発生されるからである。従って、つりあいピストン（補償ドラム）２２はインペラ１６により発生される空気力学的スラスト（これがシールの遊隙の拡大によって部分的なものであったとしても）をつりあわせるという正規の機能に戻る。尚、つりあいピストン（補償ドラム）２２が存在するために、吐出し端部で、つりあいピストン（補償ドラム）２２を取り除いた場合に考えられる直径より著しく大きい直径を有するガスシール２８を使用する必要があるということに注意すべきである。

−本発明による解決方法を既存の機械でも実現可能である。明らかに、機械の構造は一方の構成から他方の構成（双方のケースで吐出し端部にはガスシール２８とつりあいピストン（補償ドラム）２２が存在している）に変更されるときに変わらないため、熱力学的性能を向上させるように既存の機械で本発明の方法を実現することが可能になる。

遠心圧縮機１２が加圧された状態で始動している間、２つの取り入れ口メカニカルガスシール２６及び出口メカニカルガスシール２８の直径の差によって、圧縮機１２の相対内部圧力と、出口メカニカルガスシール（吐出し端部ガスシール）２８の面積と取り入れ端部にある取り入れ口メカニカルガスシール２６の面積の差との積に等しい軸方向スラストが発生する。２つの取り入れ口メカニカルガスシール２６及び出口メカニカルガスシール２８の直径の差が大きくなるほど、始動スラストも大きくなるのは明らかである。

軸方向スラストは軸１８のスラスト軸受（潤滑軸受の場合）に摩擦トルクを出現させる。このトルクは軸方向スラストが大きくなるほど増加する。

遠心圧縮機１２の始動を可能にするためには、「ジャックインオイル（jack in oil）」型とも呼ばれることもある、直接潤滑型のスラスト軸受を使用する必要があるだろう。

本発明による遠心圧縮機１２の軸方向スラストつりあいシステム１０を正しく動作させるためのかなり重要なもう１つの点は、取り入れ口メカニカルガスシール２６及び出口メカニカルガスシール２８の供給システムに関する。

これは、周知のように、メカニカルガスシールを正しく動作させるためには、シールのリングの間で発生する熱を除去するようにシールに清浄で新鮮なガスを補給する供給システムが必要とされるからである。

本出願においては、出口メカニカルガスシール２８は圧縮機１２の吐出し圧力と等しい圧力が一次リングに加わる状態で動作することが明らかである。

高い圧力を要求する用途（例えば、再噴射）などの圧縮機１２の適用用途においては、本発明による遠心圧縮機１２の軸方向スラストつりあいシステム１０を使用することは、つりあいピストン（ドラム）２２で相当に大きな漏れが生じるために特に好都合であり、この場合、出口メカニカルガスシール（吐出し端部ガスシール）２８は高圧のガスの補給を必要とする。そのようなガスは工業用プラントでは容易に利用可能であるとは限らない。

本発明による遠心圧縮機１２の軸方向スラストつりあいシステム１０の好ましい一実施例では、供給ライン３０は遠心圧縮機１２の最終圧縮段（スクロールのすぐ上流側）のディフーザの吐出し端部からガスを取り出し、それを圧縮機１２自体の外部にあるパイプを介して高圧フィルタへ送り出す。その後、供給ライン３０はガスを圧縮機１２の内部の、圧縮機１２の端部ラビリンスシールの位置（取り入れ口メカニカルガスシール２６及び出口メカニカルガスシール２８の一次リング）に戻す。

実際には、供給ライン３０は次のような状況によって正しく動作することが可能になる。

第１に、ガスは（スクロールに入る前に）ディフューザの吐出し端部から取り出され、従って、その圧力は圧縮機１２の吐出しフランジの圧力より高い。

更に、吐出し端部における出口メカニカルガスシール２８の一次リングの圧力は、最終インペラ１６の背後に存在する二次効果によって、最終インペラ１６の吐出し圧力より低い。

最終インペラ１６の背後のロータとステータとの間の空間におけるガスの接線方向速度成分によって（圧力勾配はガスの密度と、接線方向速度の二乗とによって決まる）、最終インペラ１６の吐出し端部とピストン（ドラム）２２との間に圧力差が生まれる。

大きな遊隙を有するつりあいピストン（補償ドラム）２２のシールの両側の圧力降下を無視すれば、上記の圧力差は出口メカニカルガスシール２８の一次リングと、最終段のインペラ１６の吐出し端部との圧力差でもある。

高圧の用途（３００バールを超える）に適用される場合、この圧力差は５から６バールになる。

圧力の計算、ひいては取り入れ口メカニカルガスシール２６及び出口メカニカルガスシール２８の直径の仕様が不確かであっても、後に、吐出し端部の出口メカニカルガスシール２８の一次リング又は取り入れ端部の取り入れ口メカニカルガスシール２６の一次リングを適切に加圧することにより、その不確かさを補償することができる。

実験室試験においては、本発明による遠心圧縮機１２の軸方向スラストつりあいシステム１０は、不満足な性能を有していた旧式の、流量係数の低い遠心圧縮機１２に申し分なく適用された。この解決法が導入される前、つりあいライン２４への再循環はフランジ流量の３５％程度であった。以上説明した変形が導入された後は、前述の漏れをほぼ完全に排除することができ（４００〜５００ｓＬ／ｍｉｎの流量が得られた）、従って、要求される圧縮パワーを約３５％まで減少させることができた。

尚、つりあいラインを遮断することにより、ピストン（ドラム）を介するガスの漏れを最小にできることに注意すべきである。これにより、最終的には遠心圧縮機の効率を向上させることが可能になる。

この時点で、本発明による遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムは完全な可逆性を持つ解決手段であること、言い換えれば、つりあいピストンを伴う動作からメカニカルガスシールを伴う動作への変更が可能であることを述べておくべきである。

若干の構成要素を交換するだけで、従来のつりあいピストンを使用する方法に戻せるように構成することにより、メカニカルガスシールを単独で使用する方法と関連するリスクが最小限に抑えられるので、本発明による遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムは、従来型のつりあいピストンを有する既存の遠心圧縮機をそのまま維持し、それをグレードアップするために都合よく使用されることが可能である。

以上の説明は、本発明に従って安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムの特徴を明示すると共に、それに対応する利点を明示した。

最後に、このように設計された、安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムは本発明から逸脱せずに数多くの方法で変形及び変更されることが可能であり、更に、全ての構成要素を技術的に等価な要素と置き換えできることは明白である。実際、使用される材料、並びに形態及び寸法は技術的な必要条件に従って任意に選択されることが可能である。

特許請求の範囲に示されている図中符号は本発明の範囲を狭めるのではなく、本発明の理解を容易にすることを意図されている。

本発明に従って安全特性を改善した遠心圧縮機の軸方向スラストつりあいシステムの図。

１０…軸方向スラストつりあいシステム、１２…遠心圧縮機、１４…ロータ、１６…インペラ、１８…軸、２０…ステータ、２２…つりあいピストン（補償ドラム）、２４…つりあいライン、２６…取り入れ口メカニカルガスシール、２８…出口メカニカルガスシール、３０…供給ライン、３２…閉塞要素

Claims (10)

1. 互いに隣接し且つ軸（１８）により結合された複数のインペラ（１６）を有し、ステータ（２０）内で回転するロータ（１４）を具備し、つりあいピストン（２２）を含み、第１の圧縮段の取り入れ口と前記つりあいピストン（２２）の下流側の領域との間につりあいライン（２４）が設けられている遠心圧縮機（１２）の、安全特性を改善した軸方向スラストつりあいシステム（１０）において、
   前記つりあいシステム（１０）は、前記第１の圧縮段の上流側に前記軸（１８）の周囲の取り入れ口メカニカルガスシール（２６）を具備すると共に、
   前記つりあいピストン（２２）の下流側には前記遠心圧縮機（１２）の吐出し端部に配置された出口メカニカルガスシール（２８）を具備し、
   前記つりあいライン（２４）は閉塞要素（３２）によって閉鎖可能であり、
   前記出口メカニカルガスシール（２８）は、軸方向スラストをつりあいを保つように該出口メカニカルガスシール（２８）の直径が前記取り入れ口メカニカルガスシール（２６）の直径より大きい
   ことを特徴とするつりあいシステム（１０）。
2. 前記メカニカルガスシール（２６、２８）は供給ライン（３０）からガスを補給されることを特徴とする請求項１記載のつりあいシステム（１０）。
3. 前記閉塞要素（３２）は遮断弁であることを特徴とする請求項１又は２記載のつりあいシステム（１０）。
4. 前記遠心圧縮機（１２）の始動を確保するために、前記軸（１８）では直接潤滑型のスラスト軸受が使用されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のつりあいシステム（１０）。
5. 前記出口メカニカルガスシール（２８）は前記遠心圧縮機（１２）の吐出し圧力と等しい圧力が一次リングに加わった状態で動作することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のつりあいシステム（１０）。
6. 前記遠心圧縮機（１２）が高圧の用途に適用される場合、前記出口メカニカルガスシール（２８）は高圧のガスの供給によって補給されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のつりあいシステム（１０）。
7. 前記供給ライン（３０）はスクロールのすぐ上流側で、前記遠心圧縮機（１２）の最終圧縮段のディフューザの吐出し端部からガスを取り出し、前記遠心圧縮機（１２）の外部にあるパイプを介して、ガスを高圧フィルタへ送り出すことを特徴とする請求項２記載のつりあいシステム（１０）。
8. 前記遠心圧縮機（１２）の前記ディフューザの前記吐出し端部から取り出された前記ガスは、前記メカニカルガスシール（２６、２８）の一次リングの位置で、前記遠心圧縮機（１２）の端部ラビリンスシールの位置において前記遠心圧縮機（１２）に戻されることを特徴とする請求項７記載のつりあいシステム（１０）。
9. 圧力の計算及び前記メカニカルガスシール（２６、２８）の直径の仕様の不確かさは、前記出口メカニカルガスシール（２８）の一次リング及び／又は前記取り入れ口メカニカルガスシール（２６）の一次リングの適切な加圧により補償されることが可能であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載のつりあいシステム（１０）。
10. 前記つりあいピストン（２２）は、最終圧縮段の下流側で、前記遠心圧縮機（１２）の前記軸（１８）にキー結合されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載のつりあいシステム（１０）。

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