JP5197116B2

JP5197116B2 - スクリュ流体機械

Info

Publication number: JP5197116B2
Application number: JP2008102401A
Authority: JP
Inventors: 正樹松隈
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: JP2009250195A

Description

本発明は、スクリュ流体機械に関する。

ロータ室内に収容された雌雄咬合するスクリュロータで対象気体を圧縮するスクリュ圧縮機や、対象気体の膨張を回転エネルギに変換するスクリュエキスパンダなどのスクリュ流体機械は、対象気体を系内に封止、或いは、対象気体に外気などが混入するのを防止するために、ロータ軸のスクリュロータと軸受との間に軸封構造が設けられる。

特許文献１に記載されているように、従来のスクリュ圧縮機では、吸込側の軸封装置としてリップシールが用いられ、吐出側の軸封装置としてメカニカルシールが用いられている。

リップシールは安価で省スペースの軸封装置であるが、一般に、封止可能な最大圧力が０．０３ＭＰａ程度である。このため、リップシールは、高圧となる吐出側では軸封が不十分になったり耐久性が著しく低下するおそれがあるので、低圧の吸込側の軸封にのみ使用可能である。一方、メカニカルシールは、高圧の軸封が可能であるが、非常に高価であると共に設置のためのスペースが大きいという問題がある。

特許文献２には、スクリュロータと軸受との間に、スクリュロータ側にラビリンスシールのような非接触シールを設け、軸受側にリップシールを設け、非接触シールとリップシールとの間の空間を低圧空間に連通させることで、リップシールに過大な圧力が加わらないようにした発明が記載されている。

しかしながら、低圧空間と連通させる連通孔の口径を十分に大きくすることは難しく、非接触シールから漏出する気体の量が多い場合、リップシールに大きな圧力が加わり、シールが不十分となったり、リップシールが損傷を受ける場合があった。
特開２０００−４５９４８号公報特開２００７−１３２２４３号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、ロータ軸の高圧側に安価で省スペース、且つ、シールが確実な軸封構造を有するスクリュ圧縮機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によれば、ハウジングに形成したロータ室内に収容された雌雄咬合するスクリュロータにより対象気体を圧縮、または、前記対象気体の膨張力を回転力に変換するスクリュ流体機械は、前記スクリュロータと前記スクリュロータのロータ軸の高圧側の軸受との間に、前記スクリュロータ側から順に、第１シール部材、第２シール部材および第３シール部材を配設し、前記第１シール部材と前記第２シール部材との間の第１シール空間を、前記ロータ室の吐出側圧力より低い圧力の第１外部空間に連通させる第１連通孔と、前記第２シール部材と前記第３シール部材との間の第２シール空間を、前記第１外部空間以下の圧力の第２外部空間に連通させる第２連通孔と、前記軸受を収容し、前記第３シール部材によって封止される封油空間に挿気して、前記封油空間を前記第２外部空間より高い圧力に加圧する加圧手段とを有するものとする。

この構成によれば、封油空間を加圧しているので、万が一、ロータ室から第１シール空間に漏出した対象気体が第２シール部材を通過して第２シール空間に侵入しても、第２シール空間が封油空間より高圧にならず、対象気体が軸受側に侵入することがない。また、これによって、第３シール部材の異常な損耗が防止され、封油空間から潤滑油を第２シール空間に漏出させない。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記第２連通孔は、大気に開放されてもよい。

この構成によれば、第１シール部材から第１シール空間に漏出した対象気体が、さらに第２シール部材を通過して第２シール空間に侵入しても、第２シール空間は、大気開放されているので圧力が上昇せず、第３シール部材の背圧が高くならないので、対象気体が封油空間に侵入しない。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記第２シール部材は、前記ロータ軸の回転によって周囲の流体を前記スクリュロータ方向に移動させるビスコシールであってもよい。

第１シール空間および第２シール空間は、第１連通孔および第２連通孔によって共に低圧に保たれるので、対象気体が第１シール空間に漏出しても、第１シール空間の圧力が第２シール空間より大きく高圧になることがなく、ビスコシールが空気を移動させることで発生する流体圧でも、第１シール空間に漏出した対象気体を封止することができる。ビスコシールは非接触のシールであるので、第２シール部材は摩耗がなく、メンテナンスが不要である。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記ビスコシールの発生する流体圧力は、前記第１シール部材を通過して前記第１シール空間に漏出する前記対象気体が前記第１連通孔を通過する際の圧損より大きくてもよい。

この構成によれば、第１シール空間の圧力よりもビスコシールの流体圧が高くなるので、第１シール空間に漏出した対象気体が第２シール空間に侵入しない。

封油空間を加圧するので、第１シール空間に漏出した対象気体が第２シール空間に侵入しても、第２シール空間より封油空間の方が高圧に保たれるので、対象気体が封油空間に侵入しない。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のスクリュ流体機械の第１実施形態であるスクリュ圧縮機１を示す。スクリュ圧縮機１は、ハウジング２のロータ室３内に収容された雌雄咬合する一対のスクリュロータ４で、低圧（たとえば略大気圧）の蒸気（対象気体）を（例えば０．５ＭＰａＧに）圧縮して吐出するものである。

ハウジング２には、ロータ室３に圧縮すべき蒸気を供給する吸込流路５と、ロータ室３内でスクリュロータ４によって圧縮された蒸気を排出する吐出流路６と、スクリュロータ４のロータ軸７を吸込側および吐出側で、それぞれ、支持および軸封する構造を設置するための軸受軸封空間８，９が設けられている。

ロータ軸７は、吸込側（低圧側）の軸受軸封空間８内に設置されたころ軸受１０と、吐出側（高圧側）の軸受軸封空間９内に設置された２つの玉軸受１１とで回転可能に支持され、吸込側の軸受軸封空間９を貫通して延伸し、不図示のモータに接続される。

ころ軸受１０の前記モータ側には、モータ側への異物（ころ軸受１０のグリスなど）の浸入を防ぐリップシール１２が設置され、ころ軸受１０のスクリュロータ４側には、ころ軸受１０のグリスがスクリュロータ４側に流出しないように封止するリップシール１３と、吸込流路５からころ軸受１０側に蒸気や潤滑流体が浸入しないように封止するリップシール１４とが設けられている。

スクリュロータ４と玉軸受１１との間の吐出側の軸受軸封空間９には、スクリュロータ４側から順に、ラビリンスシール（第１シール部材）１５、蒸気用リップシール（第２シール部材）１６および油用リップシール（第３シール部材）１７が設けられている。ラビリンスシール１５は、ロータ軸７に嵌合してロータ軸７とともに回転するロータと、該ロータと接触しないように軸受軸封室９の内壁に嵌合して固定されたステータとからなる公知の非接触シールである。蒸気用リップシール１６は、ラビリンスシール１５側からの蒸気の浸入を封止する向きに設置され、油用リップシール１７は、玉軸受１１からのグリスなどの流出を防止する向きに設置されている。

軸受軸封空間９は、蒸気用リップシール１６および油用リップシール１７によって区分され、ラビリンスシール１５と蒸気用リップシール１６との間の第１シール空間１８と、蒸気用リップシール１６と油用リップシール１７との間の第２シール空間１９と、封油リップシール１７に封止され、玉軸受１１を収容する封油空間２０とに分割されている。封油空間２０には、玉軸受１１を潤滑するグリスや潤滑油が封入されている。

また、ハウジング２には、リップシール１３とリップシール１４との間の軸受軸封空間８を外部に連通させる開放流路２１と、ラビリンスシール１５と蒸気用リップシール１６との間の第１シール空間１８を大気に開放する第１連通孔２２と、蒸気用リップシール１７と油用リップシール１８との間の第２シール空間１９を大気に開放する第２連通孔２３と、封油空間２０にレギュレータ２４を介して、油用リップシール１７の耐用圧力（例えば３０ｋＰａ）以下の、例えば１０ｍｍＡｑ（約０．１ｋＰａＧ）の圧縮空気を供給するための加圧孔２５とが設けられている（加圧手段）。

ラビリンスシール１５は、スクリュロータ４で圧縮された蒸気をロータ室３内に封止するものであるが、第１シール空間１８には、僅かながら蒸気が漏出する。第１連通孔２２は第１シール空間１８に漏出した蒸気を大気に放出するが、流路抵抗があるために第１シール空間１８を完全に大気圧にすることはできず、第１シール空間１８を５００ｍｍＡｑ（５ｋＰａＧ）程度以下に保つ。

蒸気用リップシール１６は、例えば３０ｋＰａの耐用圧力を有し、第１シール空間１８に漏出した蒸気の圧力に耐え、蒸気を第２シール空間１９に侵入させないように封止する。このとき、第２シール空間１９は、第２連通孔２３によって大気開放されているので、内圧が略大気圧（０ｋＰａＧ）に保たれており、蒸気用リップシール１６の背圧が高くなることがない。このため、蒸気用リップシール１６の軸封状態が良好に保たれる。

また、蒸気用リップシール１６が摩耗して、蒸気が第２シール空間１９に漏出したとしても、第２シール空間１９は、第２連通孔２３を介して大気開放されているので、第２シール空間に侵入した蒸気を大気に放出でき、第２シール空間１９を略大気圧に維持する。一方で、封油空間２０は、レギュレータ２４、加圧孔２５を介して供給される圧縮空気により、大気圧より高く、油用リップシール１７の耐用圧力以下の圧力に調圧されているため、第２シール空間１９の内圧が封油空間２０の内圧より高くなることはない。これによって、油用リップシール１７の軸封が維持され、蒸気が封油空間２０に侵入したり、玉軸受１１の軸受用油が第２シール空間１９に漏出したりしない。

スクリュ圧縮機１では、油用リップシール１７は、軸受用油によって潤滑されるので、乾き蒸気と接触し得る蒸気用リップシール１６に比べて寿命が長い。このため、油用リップシール１７が損耗する前に蒸気用リップシール１６が損耗するので、第２連通孔２３からの蒸気の流出を確認したときに、蒸気用リップシール１６とともに油用リップシール１７の交換を行えば、封油空間２０に蒸気が侵入したり、封油空間から潤滑油が漏出したりして、玉軸受１１が損傷して大きなダメージを受けることを防止できる。

図２に、本発明のスクリュ流体機械の第２実施形態であるスクリュエキスパンダ３１の概略を示す。スクリュエキスパンダ３１は、不図示のボイラ等から供給される高圧（例えば０．９ＭＰａＧ）の蒸気を吸い込んで、蒸気の膨張力を回転力に変換して、低圧（例えば０．３ＭＰａＧ）の蒸気を吐出するものである。スクリュエキスパンダ３１には、蒸気の膨張力を変換した回転力を電力に変換する発電機３２が取り付けられている。

スクリュエキスパンダ３１は、ハウジング３３に形成されたロータ室３４にスクリュロータ３５が収容され、スクリュロータ３５のロータ軸３６を、ハウジング３３に保持された軸受３７および軸受３８で回転可能に支持している。吸気側（高圧側）のロータ軸３６の先端には、駆動ギア３９が設けられている。スクリュエキスパンダ３１では、スクリュロータ３４と吸気側（高圧側）の軸受３６との間に、スクリュロータ３４側から順に、第１シール部材４０、第２シール部材４１および第３シール部材４２が配設されている。また、ハウジング３３には、第１シール部材４０と第２シール部材４１との間の第１シール空間４３を大気開放する第１連通孔４４と、第２シール部材４１と第３シール部材４２との間の第２シール空間４５を大気開放する第２連通孔４６とが形成されている。

発電機３２は、スクリュエキスパンダ３１のハウジング３３の開口を封止し、軸受３７および駆動ギア３９を内包する封油空間４７を形成するフランジ部４８を有する。また、発電機３２は、フランジ部４８を貫通して封油空間４７の内部に延伸する入力軸４９を有する。入力軸４９は、フランジ部４８を貫通する部分が入力シール部材５０で軸封されており、その先端には、スクリュエキスパンダ３１の駆動ギア３９と咬合する従動ギア５１が設けられている。

スクリュエキスパンダ３１には、緊急遮断機能を有する空圧式容量制御弁５２を介して蒸気が供給される。空圧式容量制御弁５２は、流路を開いて蒸気を供給する間、常に作動用圧縮空気を消費し、低圧の圧縮空気を排出する。また、スクリュエキスパンダ３１では、空圧式容量制御弁５２の排気を、レギュレータ５３によって第３シール部材４２の耐用圧力以下の所定の圧力にさらに減圧して、封油空間４７に供給されるようになっている（加圧手段）。

このスクリュエキスパンダ３１においても、レギュレータ５３を介して供給される空圧式容量制御弁５２の排気により、封油空間４７が、大気圧より高く、第３シール部材４２の耐用圧力以下の圧力に調圧されているので、万一、蒸気が、ロータ室３４から第１シール部材４０を通過して第１シール空間４３に漏出し、さらに、第２シール部材４１を通過して第２シール空間４５に漏出したとしても、第１シール空間４３が第１連通孔４４を介して大気開放され、第２シール空間４５も第２連通孔４６を介して大気開放されているため、第２シール空間４５の内圧が封油空間４７の内圧よりも高くならず、蒸気が第３シール部材４２を通過して封油空間４７に侵入することがない。

図３に、本発明のスクリュ流体機械の第３実施形態であるスクリュエキスパンダ６１の高圧側の軸受軸封構造を示す。スクリュエキスパンダ６１は、ハウジング６２に形成されたロータ室６３にスクリュロータ６４が収容され、スクリュロータ６４のロータ軸６５を、ハウジング６２に保持されたころ軸受６６および玉軸受６７で回転可能に支持している。スクリュエキスパンダ６１では、スクリュロータ６４ところ軸受６６との間に、スクリュロータ６４側から順に、ラビリンスシール（第１シール部材）６８、蒸気用リップシール（第２シール部材）６９および油用リップシール（第２シール部材）７０が配設されている。

ラビリンスシール６８は、ロータ軸６５との間の隙間が数十μｍ以下になるように形成された３つのリング６８ａ，６８ｂ，６８ｃと、リング６８ａ，６８ｂ，６８ｃをハウジング６２に気密に押圧する圧縮ばね６８ｄ，６８ｅとを有する。ロータ室６３から漏出した蒸気は、リング６８ａ，６８ｂ，６８ｃとロータ軸６５との小さな隙間を通過する度に圧力損失によって減圧される。

蒸気用リップシール６９および油用リップシール７０は、ロータ軸６５に嵌装され、ロータ軸６５と共に回転するスリーブ７１に摺接するようになっている。蒸気用リップシール６９は、ロータ室６３側からころ軸受６６側に漏出した蒸気やその他の異物が侵入するのを防止する方向に取り付けられ、油用リップシール７０は、ころ軸受６６側から潤滑油等が漏出するのを防止する方向に取り付けられている。

ハウジング６２とロータ軸６５との隙間は、ラビリンスシール６８の最終段のリング６８ｃと第１リップシール６９との間であって、最終段のリング６８ｃを押圧する圧縮ばね６８ｅを包含する第１シール空間７２と、蒸気用リップシール６９と油用リップシール７７との間の第２シール空間７３と、ころ軸受６６および玉軸受６７を包含する封油空間７４とに分割されている。そして、ハウジング６２には、第１シール空間７２の最終段のリング６８ｃの背部を大気開放する第１連通孔７６と、第２シール空間７４を大気開放する第２連通孔７７と、不図示の加圧手段によって封油空間７４に油用リップシール７０の耐用圧力以下の圧縮空気を供給するための加圧孔７８とが形成されている。

本実施形態のスクリュエキスパンダ６１も、第１実施形態のスクリュ圧縮機１および第２実施形態のスクリュエキスパンダ３１と同様に、加圧手段により封油空間７４を大気圧より高く、油用リップシール７０の耐用圧力以下の圧力に調圧したことにより、蒸気が第２シール空間７４に漏出したとしても、油用リップシール７０の背圧が大きくなり、封油空間７４に蒸気が侵入することがない。

さらに、図４に、本発明の第４実施形態のスクリュエキスパンダ６１ａを示す。本実施形態では、第３実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態の第２シール部材は、ハウジング６２に気密に固定され、内周にスリーブ７１に対向して螺旋状に形成された螺旋溝７９を有するビスコシール８０になっている。

ビスコシール８０は、ロータ軸６５と共に回転するスリーブ７１に、スリーブ７１とビスコシール８０との隙間の空気がさらに随伴して回転するのを利用し、空気回転力を螺旋溝７９によってねじ送りして、スクリュロータ３４に向かう軸方向の流体圧を発生させるものである。スリーブ７１の径が６０ｍｍ程度であり、その他の運転条件が一般的なものであれば、軸方向長さが１５〜２０ｍｍ程度のビスコシール８０でも、７５０ｍｍＡｑ程度の流体圧を発生させることができる。

ラビリンスシール６８によって十分に蒸気を減圧し、漏出した蒸気を第１連通孔７６を介して大気に放出することにより、第１シール空間７２の内圧は５００ｍｍＡｑ程度以下に保たれる。これにより、第１シール空間７２に漏出した蒸気を、７５０ｍｍＡｑ程度の流体圧を発生させるビスコシール８０で封止することが可能になる。第１シール空間７２の内圧は、ラビリンスシール６８のシール特性と、第１連通孔７６の流路抵抗とによって決定される。つまり、第１シール空間７２の内圧は、第１シール空間７２に漏出した蒸気が第１連通孔７６を通って大気に放出される際の圧損と等しい。そして、この第１連通孔７６における蒸気の圧損が、ビスコシール８０の発生する流体圧より小さければ、蒸気は、第１シール空間７２から第２シール空間７４に流入することができない。

本発明の第１実施形態のスクリュ圧縮機の断面図。本発明の第２実施形態のスクリュエキスパンダを含むシステムの概略図。本発明の第３実施形態のスクリュエキスパンダの高圧側の軸受軸封構造の断面図。本発明の第４実施形態のスクリュエキスパンダの高圧側の軸受軸封構造の断面図。

符号の説明

１…スクリュ圧縮機（スクリュ流体機械）
２…ハウジング
３…ロータ室
４…スクリュロータ
５…吸込流路
６…吐出流路
７…ロータ軸
９…軸受軸封空間
１１…玉軸受
１５…ラビリンスシール（第１シール部材）
１６…蒸気用リップシール（第２シール部材）
１７…油用リップシール（第３シール部材）
１８…第１シール空間
１９…第２シール空間
２０…封油空間
２２…第１連通孔
２３…第２連通孔
２４…レギュレータ（加圧手段）
２５…加圧孔

Claims

ハウジングに形成したロータ室内に収容された雌雄咬合するスクリュロータにより対象気体を圧縮、または、前記対象気体の膨張力を回転力に変換するスクリュ流体機械において、
前記スクリュロータと前記スクリュロータのロータ軸の高圧側の軸受との間に、前記スクリュロータ側から順に、第１シール部材、第２シール部材および第３シール部材を配設し、
前記第１シール部材と前記第２シール部材との間の第１シール空間を、前記ロータ室の吐出側圧力より低い圧力の第１外部空間に連通させる第１連通孔と、
前記第２シール部材と前記第３シール部材との間の第２シール空間を、前記第１外部空間以下の圧力の第２外部空間に連通させる第２連通孔と、
前記軸受を収容し、前記第３シール部材によって封止される封油空間に挿気して、前記封油空間を前記第２外部空間より高い圧力に加圧する加圧手段とを有することを特徴とするスクリュ流体機械。
前記第２連通孔は、大気に開放されることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ流体機械
前記第２シール部材は、前記ロータ軸の回転によって周囲の流体を前記スクリュロータ方向に移動させるビスコシールであることを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュ流体機械。
前記ビスコシールの発生する流体圧力は、前記第１シール部材を通過して前記第１シール空間に漏出する前記対象気体が前記第１連通孔を通過する際の圧損より大きいことを特徴とする請求項３に記載のスクリュ流体機械。