JP5299150B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機のシール構造に係り、特に、高速・高圧運転時におけるロータの不安定振動の防止に好適である遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機は、ケーシング内部に、羽根車を装着した回転軸が軸受により回転自在に支持され、吸込口から吸い込まれたガスを、多段の羽根車の回転により、段階的に圧縮し、吐出口から高圧のガスにして吐出する。
ここで、羽根車で圧縮されたガスは、羽根車口金部の口金ラビリンスシール、羽根車段間の中間段ラビリンスシール、および最終段の羽根車の直後に設けられたバランスピストンラビリンスシールによって、外部などの低圧部に対してシールされている。

ラビリンスシールの構造は、例えば、特許文献１の図１に開示されているように、ロータとケーシングとの隙間に多数の環状の歯(アイラビリンス６の歯、ステージラビリンス２１、２２の歯)を有しており、この歯の先端隙間を流れる流体の圧力損失により流体の漏れを減少させている。
これらのラビリンスシールにおいて、ラビリンスシールの漏れガスの流速が円周方向成分を持った状態でロータの軸が径方向に変位すると、ロータとラビリンスシール間に体積変化が生じるためにラビリンスシール内の漏れガスの円周方向圧力分布に不平衡が生じ、ロータの不安定振動を引き起こす流体力（以降、不安定流体力と称す）が発生する。

特に、ロータが高速回転する場合やラビリンスシール入口と出口との差圧が大きい場合に、漏れガスの不安定流体力はより大きなものとなり、最悪の場合、ロータの不安定振動を引き起こす。
そこで、この不安定流体力を低減する方法として、例えば、特許文献２に開示されているように、ラビリンスシールの途中から内方のロータに向けて高圧の流体を噴きこみ、漏れガスの円周方向成分を相殺する方法が知られている。

特開平６−２４９１８６号公報(図１、図２等) 特開２００８−１９０４８７号公報(段落００２０〜００２３、図２、図３等)

ところで、上述のラビリンスシールの途中から内方のロータに向けて流体を噴きこむ場合、ラビリンスシール背面に外径側から内径側に向かって高圧が作用するため、ラビリンスシールが内径側に変形し、ラビリンスシールの先端とロータとの隙間(クリアランス)が減少する場合がある。ラビリンスシール先端とロータとの隙間が減少すると、ラビリンスシール先端とロータとの間の体積変化による圧力変化に起因して、漏れガスの不安定流体力の増加やラビリンスシール先端の歯のロータへの接触が引き起こされる可能性があり、最悪の場合、ロータの不安定振動が発生する。

本発明は上記実状に鑑み、シールの漏れを抑制しつつ、シール内における不安定流体力の発生、および、シールとロータとの接触を抑制しロータの不安定振動を防止して、高速・高圧条件下でも安定した運転が可能な遠心圧縮機の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明に関わる遠心圧縮機は、ケーシングと、該ケーシングに回転可能に設置された回転軸および該回転軸に装着され回転によって流体を圧縮する羽根車を有するロータと、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間を前記流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止するシールと、該シール内に設けられ、前記漏れ流体の前記ロータ円周方向の流速を低減するための高圧流体の噴出口と、前記シールの外径側に形成され、前記噴出口に連通して前記高圧流体を導入する高圧導入部と、前記シールの内径側に設けられ、前記高圧流体による前記シールの内径側への変形に抗する前記シールよりも強度が高いリングとを備えている。

本発明によれば、シールの漏れを抑制しつつ、ロータの不安定振動を防止して、高速・高圧条件下でも安定した運転が可能な遠心圧縮機を達成することができる。

本発明に係る第１実施形態の遠心圧縮機の全体構造を示す要部切り欠き縦断面図である。 図１に示す第１実施形態の遠心圧縮機のＡ部拡大図である。 遠心圧縮機のバランスピストン部ラビリンスシールの詳細構造を表す斜視図である。 第１実施形態のシール変形防止リングの軸方向設置位置(横軸)とバランスピストン部ラビリンスシールの変形量(縦軸シール変形量)の関係を表した図である。 第２実施形態の高圧導入部をシール支持構造よりも高圧側に設けた場合のバランスピストン部ラビリンスシール近傍の縦断面拡大図である。 シール変形防止リングのロータの軸方向設置位置(横軸)とバランスピストン部ラビリンスシールの変形量(縦軸)の関係を表した図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜第１実施形態＞＞
図１は、本発明に係る第１実施形態の遠心圧縮機２０の全体構造を示す要部切り欠き縦断面図である。
＜遠心圧縮機２０の構成＞
図１に示す遠心圧縮機２０は、その機体を覆う静止体のケーシング１と、ケーシング１内に回転可能に設けられた回転軸２およびこの回転軸２に装着され回転によって気体を圧縮する複数段、例えば７段の羽根車３(３ａ〜３ｇ)を有する回転体のロータ４とを備えている。

ケーシング１には、１段目の羽根車３ａに気体を、図１の矢印α１のように導入する吸込流路５と、各段の羽根車３の外周部から回転の遠心力によって流出する気体の運動エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザ６と、このディフューザ６から流出する圧縮された気体を次段の羽根車３の中央部に導入する戻り流路７と、最終段の羽根車３ｇから遠心力によって流出した気体を、図１の矢印α２のように吐出する吐出流路８とが形成されている。
ロータ４の回転軸２は、吸込側（図１中の吸込流路５の側）端部および吐出側（図１中の吐出流路８の側）端部に設けられラジアル荷重を受けるラジアル軸受９を介し、ケーシング１に回転可能に両持ち支持されている。

また、ロータ４の回転軸２の吸込側（図１中の吸込流路５の側）端部にはスラスト荷重を受けるスラスト軸受１０が設けられ、吐出側（図１中の吐出流路８の側）端部には、最終段の圧力を端面で受けてスラスト荷重を相殺するバランスピストン１１が設けられている。
また、回転軸２の吐出側（図１中の吐出流路８の側）端部にはモータ等の駆動機（図示せず）が連結されており、この駆動機によってロータ４が回転駆動されている。
上述したロータ４の回転により、気体が、図１の矢印α１のように吸込流路５から吸い込まれ、羽根車３ａの回転によってディフューザ６を用いて圧縮され、戻り流路７から次段の羽根車３ｂの内径部に吸い込まれ順次複数段の羽根車３(３ｂ〜３ｇ)の回転によりディフューザ６を用いて圧縮されることを繰り返し、最終段の羽根車３ｇから流出する圧縮された気体が、最終的に吐出流路８から図１の矢印α２のように吐出される構成である。

＜羽根車口金シール１２＞
図２は、図１に示す遠心圧縮機２０のＡ部拡大図である。
図２に示すように、各段の羽根車３(３ｇ)の口金２１とケーシング１との隙間には、複数の環状平行歯１２ｈおよび環状平行溝１２ｍを有する羽根車口金シール１２が設けられている。これにより、羽根車３(３ｇ)から図２の矢印β１のように出た気体が、その近傍の隙間(クリアランスｃ１)を通って羽根車３(３ｇ)の入口側３ｇ１に戻ることを、複数の環状平行歯１２ｈおよび環状平行溝１２ｍによって抑制している。
なお、羽根車口金シール１２の複数の環状平行歯１２ｈおよび環状平行溝１２ｍは、図２に示す横断面を有してロータ４周りに環状に形成されている。

＜中間段シール１３＞
図２に示すように、前段の羽根車３(３ｆ)(図１参照)と後段の羽根車３(３ｇ)(図２参照)との間におけるロータ４の中間段２２の部分とケーシング１との隙間には、複数の環状平行歯１３ｈおよび環状平行溝１３ｍを有する中間段シール１３が設けられている。この中間段シール１３の複数の環状平行歯１３ｈおよび環状平行溝１３ｍによって、戻り流路７の気体がその隙間(クリアランスｃ２)を通って前段の羽根車３(３ｆ)の出口側３ｆ2に戻ることを抑制している。
なお、中間段シール１３の複数の環状平行歯１３ｈおよび環状平行溝１３ｍは、図２に示す横断面を有してロータ４周りに環状に形成されている。

＜バランスピストン部ラビリンスシール１４＞
図２に示すロータ４のバランスピストン１１とケーシング１との隙間には、多数の環状平行歯１８および環状平行溝１９を有するバランスピストン部ラビリンスシール１４が設けられている。このバランスピストン部ラビリンスシール１４(以下、ラビリンスシール１４と称す)の多数の環状平行歯１８および環状平行溝１９によって、最終段の羽根車３ｇから出た高圧の気体が、ケーシング１とバランスピストン１１との間から低圧部Ｔに漏れるのを抑制している。

図３は、図２に示すラビリンスシール１４の詳細構造を示す斜視図である。
図３に示すように、ラビリンスシール１４は、軸方向に沿って円筒形状を半分に分割した半割れ構造としており、対称な２つの部品により構成している。図３には、その一方の部品を示しており、その他方の部品は、図３に示す部品に対称な形状に形成されている。そこで、図３に示す一方のラビリンスシール１４について説明を行い、図示しない他方のラビリンスシール１４の説明は、省略する。
図３に示すラビリンスシール１４は、バランスピストン１１(図１、図２参照)に対向する内径側の内周面に、多数の環状平行歯１８と多数の環状平行溝１９とが図２に示す横断面を有して、ロータ４周りに環状に形成されている。

一方、図２、図３に示すように、ラビリンスシール１４のバランスピストン１１に対向しない外径側の外周面には、ラビリンスシール１４をケーシング１に固定するための支持構造２３ａ、２３ｂが環状に形成されている。
また、ラビリンスシール１４の外周部には、ラビリンスシール１４とバランスピストン１１(図２参照)との間に高圧気体を導くための高圧導入部２５が、矩形状の横断面を有した凹部として環状に形成されている。

ラビリンスシール１４の組み付けは、下記のように行われる。
ケーシング１のなかには、半割れ構造の部品ダイアフラムがあり、この半割れ構造の部品ダイアフラムに、同じく半割れ構造のラビリンスシール１４をスライドさせていき、ラビリンスシール１４が周方向にずれないようにボルトで留める。
なお、図２、後記の図５においては、ケーシング１の分割ラインは省略して示している。
ラビリンスシール１４の高圧導入部２５に高圧気体が導かれた場合、ラビリンスシール１４は図２の下方向への力、すなわちロータ４に近づく向きの力を受けるため、支持構造２３ａ、２３ｂのそれぞれの下面２３ａ1、２３ｂ1がケーシング１に当接し、ラビリンスシール１４を支持構造２３ａ、２３ｂでケーシング１に支持することになる。

一方、ラビリンスシール１４の内径側の環状平行溝１９の一部には、ラビリンスシール１４とバランスピストン１１(図１、図２参照)との間に高圧部(羽根車３ｇの周辺)から低圧部Ｔ(図１、２参照)に向けて流れる漏れ高圧気体のバランスピストン１１の円周方向流速を低減するための流体噴出口２４が、対称な位置に複数設けられている。例えば、ラビリンスシール１４において、流体噴出口２４が対称な位置に４つ設けられる。
このラビリンスシール１４の流体噴出口２４は、ラビリンスシール１４の外径側に形成される環状の高圧導入部２５と連通している(図２参照)。

そして、図１に示すケーシング１には、圧縮された高圧気体が集積されるコレクタ８ｃから、図２に示すように、高圧気体を、ラビリンスシール１４の外周部に形成される高圧導入部２５に導く高圧導入流路２７が設けられている。
これにより、図１に示す吐出流路８の吐出圧に近い高圧の気体が、コレクタ８ｃから、ケーシング１の高圧導入流路２７(図２参照)を通って、ラビリンスシール１４の外周部の環状の高圧導入部２５に導かれる。そして、高圧導入部２５に導入された高圧気体が、流体噴出口２４から、バランスピストン１１とラビリンスシール１４との間に噴出され、漏れ高圧気体の動きを妨げることで漏れ高圧気体のバランスピストン１１の円周方向流速を低減している。

図２に示すように、高圧導入部２５には、ケーシング１の高圧導入流路２７を通って高圧の気体が供給されるため、この高圧の気体の圧力でラビリンスシール１４を内径側に撓ませようとする力が作用することとなる。一般に、ラビリンスシール１４は、内径側に撓んで、万が一、環状平行歯１８がロータ４と接触した場合にロータ４を傷つけないように鋼材のロータ４よりも柔らかい、すなわち剛性の低い材質の例えばアルミニウム合金を用いて形成されている。
そこで、本遠心圧縮機２０では、高圧導入部２５への高圧の気体の圧力でのラビリンスシール１４の内径側への撓みを抑制するため、図２、図３に示すように、ラビリンスシール１４より強度が高い鋼材のシール変形防止リング２６を、ラビリンスシール１４の環状平行溝１９に埋設して設置し、ラビリンスシール１４の変形を抑制している。

図４は、シール変形防止リング２６の軸方向設置位置(横軸)とラビリンスシール１４の変形量(縦軸)(シール変形量)の関係を表した図である。
図４において、横軸のシール変形防止リング２６の軸方向設置位置はラビリンスシール１４の軸方向の全長をＬとして表し、縦軸のラビリンスシール１４の変形量(シール変形量)は、最大変形量を１として比で表している。

図４より、シール変形防止リング２６の軸方向設置位置を高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃ(図２参照)を中心として、前後(吸込流路５側を前、吐出流路８側を後とする)に、シール全長Ｌの０．１５倍の長さだけ離れた範囲内にすることにより、効果的にラビリンスシール１４の変形を防止できることが分る。
本第１実施形態の遠心圧縮機２０では、高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃから低圧側Ｔ(図１、図２参照)にラビリンスシール１４の全長の約０．０４倍(０．０４Ｌ)の位置(図４中、符号２５ｃ1で示す)にシール変形防止リング２６を設置している。

上記構成によれば、シール変形防止リング２６の剛性によって効果的にラビリンスシール１４の変形量を低減することができ、ロータ４の不安定振動を防止することができる。
また、シール変形防止リング２６の設置位置をラビリンスシール１４の環状平行溝１９の部分とすることにより、ラビリンスシール１４の環状平行歯１８の枚数および軸方向の環状平行歯１８の間の距離を変えることなく、最小限の加工でシール変形防止リング２６を設置することができる。

なお、本第１実施形態においては、シール変形防止リング２６の断面形状を矩形の場合を例示して説明したが、これに限定されない。例えば、シール変形防止リング２６の断面形状は、円形断面や、楕円状断面でも良く、或いは曲率または直線のうちの少なくとも何れかを有する断面を任意に選択できる。

＜＜第２実施形態＞＞
次に、第２実施形態の遠心圧縮機を説明する。
第２実施形態の遠心圧縮機は、図５に示すように、高圧導入部２５をシール支持構造２３aよりも高圧側(図１の吸込流路５側)に設けた場合のシール変形防止リング２６の設置を示すものである。
なお、図５は、第２実施形態の高圧導入部２５をシール支持構造２３aよりも高圧側に設けた場合のラビリンスシール１４の近傍の縦断面拡大図である。
図５に示す遠心圧縮機の場合、高圧導入部２５が高圧側(図１の吸込流路５側)のシール支持構造２３aよりも高圧側に設けられるため、高圧気体が、高圧導入流路２７を介して、シール支持構造２３aよりも高圧側(図１の吸込流路５側)の高圧導入部２５に導入され、流体噴出口２４から、バランスピストン１１とラビリンスシール１４との間に噴出される。

このように、高圧導入部２５に高圧気体による力がかかることとなるので、ラビリンスシール１４を内径側に撓ませようとする力は、軸方向にシール支持構造２３aよりも高圧側(図５のシール支持構造２３aより左側)の高圧導入部２５にかかり、シール支持構造２３aよりも高圧側に作用することとなる。
図６は、シール変形防止リング２６の軸方向設置位置(横軸)とラビリンスシール１４の変形量(縦軸)(シール変形量)の関係を表した図である。

図６において、横軸のシール変形防止リング２６の軸方向設置位置はラビリンスシール１４の軸方向のシール全長をＬとして表し、縦軸のシール変形量(シール変形防止リング２６の変形量)は、シール変形防止リング２６の最大変形量を１として比で表している。
図６より、シール変形防止リング２６の設置位置を、高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃを中心として、高圧側にシール全長Ｌの０．１５倍の長さだけ離れた範囲内にすることにより、効果的にラビリンスシール１４の変形を防止できることが分る。

本第２実施形態の遠心圧縮機では、最もラビリンスシール１４の変形量の大きな位置に近い環状溝部１９は、最も高圧側の環状溝部１９から２番目の環状溝部１９であることから、２番目の環状溝部１９にシール変形防止リング２６を設置している。
このシール変形防止リング２６の軸方向設置位置は、高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃから高圧側にシール全長Ｌの約０．１１倍である。
すなわち、図６におけるラビリンスシール１４の変形量の最も大きな位置１４ｐに最も近いシール変形防止リング２６を設置できる環状平行歯１８を避けた環状溝部１９が、高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃから高圧側にシール全長Ｌの約０．１１倍、すなわち０．１１Ｌの位置にある。

＜＜まとめ＞＞
第１、第２実施形態の遠心圧縮機２０は、ケーシング１と、該ケーシング１に回転可能に設置された回転軸と該回転軸に装着され回転により流体を圧縮する羽根車３とを有するロータ４と、ケーシング１内の静止部とロータ４との間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止するラビリンスシール１４と、該ラビリンスシール１４内において漏れ流体のロータ４の円周方向流速を低減するための高圧流体を噴出する流体噴出口２４と、ラビリンスシール１４の外径側に配置され流体噴出口２４に連通して高圧流体を導入する高圧導入部２５とを備える遠心圧縮機であって、ラビリンスシール１４の内径側にラビリンスシール１４の変形に抗するシール変形防止リング２６を設けている。

また、好ましくは、図２に示すように、ラビリンスシール１４において、流体噴出口２４に連通するラビリンスシール１４の外径側の高圧導入部２５がシール支持点(シール支持構造２３ａ、２３ｂ)間にある場合、図４に示すように、シール変形防止リング２６の軸方向設置位置を高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃを中心として、前後に、ラビリンスシール１４の全長Ｌの０．１５倍の長さ(０．１５Ｌ)だけ離れた範囲内にする。

また、好ましくは、図５に示すように、ラビリンスシール１４において、流体噴出口２４に連通するラビリンスシール１４の外径側の高圧導入部２５がシール支持点(シール支持構造２３ａ、２３ｂ)間よりも高圧側にある場合、図６に示すように、シール変形防止リング２６の設置位置を高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃを中心として、高圧側にラビリンスシール１４の全長Ｌの０．１５倍の長さ(０．１５Ｌ)だけ離れた範囲内にする。

＜＜作用効果＞＞
上記構成によれば、ラビリンスシール１４にシール変形防止リング２６を設けることにより、ラビリンスシール１４の環状平行歯１８の先端とロータ４との隙間の減少を抑制し、ラビリンスシール１４とロータ４との間の不安定流体力の増加、および、ラビリンスシール１４の環状平行歯１８のロータ４への接触を回避し、ロータ４を安定化することができる。

さらに、流体噴出口２４に連通するラビリンスシール１４の外径側の高圧導入部２５がシール支持点(シール支持構造２３a、２３b)間にある場合、図４に示すように、シール変形防止リング２６の軸方向設置位置を高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃを中心として、軸方向に前後に、ラビリンスシール１４の全長Ｌの０．１５倍の長さ(０．１５Ｌ)以内離れた範囲内にすることにより、より一層、ラビリンスシール１４の高圧導入部２５に導入される高圧気体による変形を抑制してロータ４を安定化することができる。

また、流体噴出口２４に連通するラビリンスシール１４の外径側の高圧導入部２５がシール支持点(シール支持構造２３a、２３b)間よりも高圧側にある場合、図６に示すように、シール変形防止リング２６の設置位置を高圧導入部２５の軸方向中央位置２５ｃを中心として、高圧側にラビリンスシール１４の全長Ｌの０．１５倍の長さ(０．１５Ｌ)以内離れた範囲内にすることにより、より一層ラビリンスシール１４の高圧導入部２５に導入される高圧気体による変形を抑制し、ロータ４を安定化することができる。
また、シール変形防止リング２６を分割構造としたので、製造、組立てが容易である。

なお、前記実施形態では、シール変形防止リング２６を２分割の構造の場合を例示したが、３分割、４分割としてもよく、シール変形防止リング２６の分割数は限定されない。或いはシール変形防止リング２６を分割しないで一体構造としてもよい。
なお、前記実施形態では、ラビリンスシール１４をアルミニウム合金とし、シール変形防止リング２６を鋼材とした場合を例示したが、シール変形防止リング２６にラビリンスシール１４より強度が高い材料を用いれば、ラビリンスシール１４、シール変形防止リング２６の母材はアルミニウム合金、鋼に限定されないのは勿論である。

１ ケーシング
２ 回転軸
３(３ａ、３ｂ、…、３ｇ) 羽根車
４ ロータ
１１ バランスピストン(ロータ)
１４ バランスピストン部ラビリンスシール(シール)
１８ 環状平行歯(凸状の歯部)
１９ 環状平行溝(凹状の溝部)
２０ 遠心圧縮機
２３ シール支持構造(シール支持点)
２３ａ 高圧側のシール支持構造(高圧側のシール支持点)
２３ｂ 低圧側のシール支持構造(低圧側のシール支持点)
２４ 流体噴出口(高圧流体の噴出口)
２５ 高圧導入部
２５ｃ 高圧導入部の軸方向中央位置
２６ シール変形防止リング(リング)
Ｌ シール全長

Claims (7)

1. ケーシングと、
   該ケーシングに回転可能に設置された回転軸および該回転軸に装着され回転によって流体を圧縮する羽根車を有するロータと、
   前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間を前記流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止するシールと、
   該シール内に設けられ、前記漏れ流体の前記ロータ円周方向の流速を低減するための高圧流体の噴出口と、
   前記シールの外径側に形成され、前記噴出口に連通して前記高圧流体を導入する高圧導入部と、
   前記シールの内径側に設けられ、前記高圧流体による前記シールの内径側への変形に抗する前記シールよりも強度が高いリングとを備えたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 請求項１記載の遠心圧縮機において、
   前記高圧導入部が、前記ケーシングに前記シールが支持されるシール支持点間にある場合、前記リングを高圧側の前記シール支持点と低圧側の前記シール支持点との間に設置する
   ことを特徴とする遠心圧縮機。
3. 請求項２記載の遠心圧縮機において、
   前記リングの設置位置を、軸方向に前記高圧導入部の軸方向中央位置を中心として前後に前記シール全長の０．１５倍の長さだけ離れた範囲内にする
   ことを特徴とする遠心圧縮機。
4. 請求項１記載の遠心圧縮機において、
   前記高圧導入部が、前記ケーシングに前記シールが支持されるシール支持点間よりも高圧側にある場合、前記リングを高圧側の前記シール支持点よりも高圧側に設置する
   ことを特徴とする遠心圧縮機。
5. 請求項４記載の遠心圧縮機において、
   前記リングの設置位置を、軸方向に前記高圧導入部の軸方向中央位置を中心として高圧側に前記シール全長の０．１５倍の長さだけ離れた範囲内にする
   ことを特徴とする遠心圧縮機。
6. 請求項１記載の遠心圧縮機において、
   前記シールは、前記ロータに対向する内周面に凹状の溝部と凸状の歯部とを有し、
   前記リングは、前記凹状の溝部に設ける
   ことを特徴とする遠心圧縮機。
7. 請求項１記載の遠心圧縮機において、
   前記リングを、分割して構成した
   ことを特徴とする遠心圧縮機。

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