JP5316486B2

JP5316486B2 - バレル形遠心圧縮機

Info

Publication number: JP5316486B2
Application number: JP2010142161A
Authority: JP
Inventors: 洋平真柄; 和幸山口; 光裕成田; 治雄三浦; 直彦高橋; 彰遠藤
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: US9004857B2; EP2400161A3; US20110318163A1; JP2012007499A; EP2400161A2

Description

本発明は、バレル形遠心圧縮機に係り、特に遠心圧縮機のダイアフラムとヘッドフランジの設置構造に関連する。

遠心圧縮機は、ケーシング内部にダイアフラムにより流路を形成し、吸込口から吸い込まれたガスを羽根車の回転により圧縮し吐出口から吐出するものである。ガスの圧力はケーシングとケーシング端部に設けられたヘッドフランジおよびヘッドフランジを押さえるシアキーにより保持される。羽根車を有するロータは、ヘッドフランジに取り付けられた軸受により回転自由に支持されている。

ケーシング内部では、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シールされている。ラビリンスシールの構造は、たとえば特許文献１の図１に開示されているように、ロータとステータとの隙間に多数の環状の歯を有しており、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。前記ラビリンスシールにおいて、シールの漏れ流速が円周方向成分を持った状態で軸がシールに対して径方向に変位すると、シール内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シール入口と出口との差圧が大きい場合に、前記不安定流体力はより大きなものとなり、ロータの不安定振動を引き起こす場合もある。

特開平６−２４９１８６号公報

ケーシング内部が高圧になった場合、ケーシングが内圧により膨張するため、ケーシング内周面と、ダイアフラム，ヘッドフランジの間に隙間ができ、ケーシングとダイアフラムおよびヘッドフランジの径方向位置が相対的に移動してしまう場合がある。ケーシングとダイアフラムおよびヘッドフランジの径方向位置が相対的に移動すると、軸受に支持されたロータとダイアフラムに取り付けられたラビリンスシールも相対的に移動し、ラビリンスシールの先端隙間が部分的に減少する場合がある。先端隙間が減少すると、不安定流体力の増加や歯のロータへの接触が引き起こされる可能性がある。一方で、これを回避するために、先端隙間を大きくすると漏れが増加し効率が低下してしまう。

本発明の目的は、シールの漏れを抑制しつつ、高圧条件下でも安定した運転が可能な遠心圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングと、ケーシングの内部に設置され流路を形成するダイアフラムと、前記ケーシング端部においてシアキーによって取り付けられるヘッドフランジを有するバレル形遠心圧縮機において、ケーシング内周面と、ダイアフラムとヘッドフランジの当接部外周面に、面に垂直なすべりキー溝を、周方向の少なくとも２箇所に設け、キー溝にすべりキーを設ける。

本発明によれば、ケーシングとダイアフラム及びヘッドフランジの径方向への相対的な移動を防止することができるので、ラビリンスシール歯の先端隙間の減少を抑制し、不安定流体力の増加、及び、歯のロータへの接触を回避し、ロータを安定化することができる。

一実施例の遠心圧縮機のすべりキー設置部の回転軸に垂直な断面図である。一実施例の遠心圧縮機の全体構造を表す回転軸に平行な断面図である。一実施例の遠心圧縮機のすべりキー設置部を拡大して表示した回転軸に垂直な断面図である。一実施例の遠心圧縮機のすべりキー設置部を拡大して表示した回転軸に平行な断面図である。他の実施例の遠心圧縮機のすべりキー設置部の回転軸に垂直な断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図２は、一実施例の遠心圧縮機１の全体構造を示した回転軸３に平行な断面図であり、図１は、遠心圧縮機１のすべりキー２設置部の、回転軸３に垂直な断面を示した図である。

図２において、遠心圧縮機１は、バレル形のケーシング４と、このケーシング４の端部に設置されたヘッドフランジ５により圧力を保持する。ヘッドフランジ５は周方向に数個に分割されたシアキー６によって押さえられている。ケーシング４内には上下に分割可能な構造であるダイアフラム７により流路８を形成する。ダイアフラム７の中央には、回転軸３及びこの回転軸３に装着された例えば複数段（図２では５段）の羽根車９から成るロータ１０を備えている。ダイアフラム７には、１段目の羽根車９に気体を導入する吸込流路１１と、各段の羽根車９から出た気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ１２と、このディフューザ１２からの圧縮された気体を次段の羽根車９に導入する戻り流路１３と、最終段の羽根車９から出た気体を吐出する吐出流路１４とが形成されている。ケーシング４には吸込口１５と吐出口１６が設けられ、それぞれダイアフラムの吸込流路１１と吐出流路１４に繋がっている。

ロータ１０は、吸込側（図２の左側）端部及び吐出側（図２の右側）端部に設けられたラジアル軸受１７を介し回転可能に支持されている。また、ロータ１０の吸込側端部にはスラスト荷重を受けるスラスト軸受１８が設けられ、吐出側端部にはスラスト荷重を相殺するバランスピストン１９が設けられている。また、ロータ１０の吐出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、この駆動機の駆動によってロータ１０が回転するようになっている。そして、ロータ１０の回転により、気体が吸込口１５から吸い込まれ、複数段の羽根車９で順次圧縮され、最終的に吐出口１６から吐出されるようになっている。

組立時には、ダイアフラム７内にロータ１０を設置した後、ケーシング４にダイアフラム７，ヘッドフランジ５の順に図２の左側より挿入し、シアキー６によりヘッドフランジ５を押さえる。その後ラジアル軸受１７などを設置する。分解は逆の手順となる。

各段の羽根車９とダイアフラム７との隙間にはラビリンスシールが設けられ、羽根車９から出た気体がその隙間を通って羽根車９の入口側や前段の羽根車９に戻ることを抑制するようになっている。また、バランスピストン１９とダイアフラム７との隙間にもラビリンスシールが設けられており、最終段の羽根車９から出た高圧の気体がケーシング４内の低圧部（ケーシング４とダイアフラム７の隙間や吸込流路１１）に漏れることを抑制するようになっている。ケーシング４とダイアフラム７及びヘッドフランジ５の当接部である部分断面Ａは、図３，図４を用いて後に詳細に説明する。

回転軸３に垂直な断面図である図１において、ケーシング内周面２１およびダイアフラム外周面２２には、それぞれの面に垂直となるすべりキー溝２０ａ，２０ｂが２箇所に設けられており、すべりキー２が挿入されている。このとき、すべりキー溝２０ａ，２０ｂは、ケーシング内周面２１の中心を通る水平面よりも下側に設け、作業性を向上している。なお、上記では、ケーシング内周面２１とダイアフラム外周面２２におけるすべりキー２設置部について説明したが、ケーシング内周面２１とヘッドフランジ外周面２３における構造も同様であり、図１において括弧付でヘッドフランジ５の場合の符号を示している。

図３は図１に示す部分断面Ａを拡大表示した断面図である。すべりキー溝２０ａと２０ｂ及び２０ｃは同一の幅（ｂ）であり、すべりキー溝２０ａはケーシング内周面２１に垂直に設け、すべりキー溝２０ａの側面２４（すべり面）が、キー溝幅の中央とケーシング内周面２１の中心を通る直線に対して平行になるようにする。すべりキー溝２０ｂはダイアフラム外周面２２に垂直に設け、側面２５（すべり面）がキー溝幅の中央とダイアフラム外周面２２の中心を通る直線に対して平行になるようにする。なお、上記では、ケーシング内周面２１とダイアフラム外周面２２におけるすべりキー２設置部について説明したが、ケーシング内周面２１とヘッドフランジ外周面２３における構造も同様であり、図３において括弧付でヘッドフランジ５の場合の符号を示している。すべりキー２の側面２７（すべり面）は互いに平行になるようにする。このようにすべりキー溝２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、すべりキー２を設けることにより、ダイアフラム７とヘッドフランジ５はケーシング４に対して径方向にのみ移動可能となる。さらに、図１に示したように、２つのすべりキー２の移動方向が回転軸３の中心で交差するように、すべりキー２を周方向に２箇所設置することにより、同一の中心を保った相対移動のみ許容される。こうすることにより、ケーシング４が内圧により膨張し、ケーシング内周面２１とダイアフラム外周面２２，ヘッドフランジ外周面２３との隙間が増大した場合でも、ケーシング４とダイアフラム７，ヘッドフランジ５は常に同芯を保つことが可能となる。

図４は図２の部分断面Ａを拡大した回転軸に平行な断面図である。図４で示したように、ケーシング４とダイアフラム７とヘッドフランジ５の当接部にすべりキー２を設けることで、３つの部品を同時に同芯に保つことができる。また、ケーシング内周面２１のすべりキー溝２０ａの軸方向長さＬａを、すべりキー２の軸方向長さＬとダイアフラムのキー溝２０ｂの軸方向長さＬｂとの和より大きくする。また、ダイアフラムのキー溝２０ｂの軸方向長さＬｂとヘッドフランジのキー溝２０ｃの軸方向長さＬｃを、それぞれすべりキー２の軸方向長さＬよりも短くする。ただし、すべりが拘束されないように、ＬｂとＬｃの和がＬよりも大きくなるようにする。こうすることにより、すべりキー２を確実に作用させつつ、組立時，分解時のすべりキー２取付け作業が簡単に実施できるようになる。本実施例では、ＬｂとＬｃはＬの半分強としている。ケーシング４内にダイアフラム７を設置した後、すべりキー２をすべりキー溝２０ａに挿入し、挿入したままダイアフラム７側に滑らせ、すべりキー溝２０ｂに挿入する。その後、ヘッドフランジ５を設置することで、すべりキー２がすべりキー溝２０ｃにも挿入され、図４のように組立てることができる。

すべりキー２の寸法は、ダイアフラム７とヘッドフランジ５の自重と遠心圧縮機１運転時の振動による変動荷重に耐えるように決定する。ケーシング４の外径が１３００mm程度の遠心圧縮機であれば、すべりキー２の長さＬ，幅ｂ，高さｈをそれぞれ１００mm，６０mm，６０mm程度とすればよい。

以上で説明したように、図１〜図４で説明した実施例の遠心圧縮機によれば、高圧運転時におけるロータの不安定振動の防止が可能となる。具体的には、ケーシング内周面とダイアフラムとヘッドフランジの当接部外周面に、面に垂直なすべりキー溝を、周方向の少なくとも２箇所に設け、該キー溝にすべりキーを設けることにより、ケーシングとダイアフラム及びヘッドフランジの径方向への相対的な移動を防止することができるので、ラビリンスシール歯の先端隙間の減少を抑制し、不安定流体力の増加、及び、歯のロータへの接触を回避し、ロータを安定化することができる。また、キー溝の設置位置をケーシングの中心を通る水平面よりも下側に位置するようにすることにより、組立時，分解時に誤ってキーを落下させケーシング内周面を損傷することを防止することができる。さらに、キー溝を、周方向の互いに対向しない位置に２箇所設けることにより、加工量の増加と組立時，分解時の作業量の増加を抑え、最も低コストで上記効果を得ることができる。

なお、上記実施例においては、２つのすべりキー２を左右対称に配置したが、対称に配置しなくても構わない。また、実施例では２つのすべりキー２が対向しないように配置したが、図５に示すように、対向する１対のすべりキー２と、少なくとも１つのすべりキー２を設けることによっても、ケーシング４とダイアフラム７とヘッドフランジ５を同芯に保つことができる。

１遠心圧縮機
２すべりキー
３回転軸
４ケーシング
５ヘッドフランジ
６シアキー
７ダイアフラム
８流路
９羽根車
１０ロータ
１１吸込流路
１２ディフューザ
１３戻り流路
１４吐出流路
１５吸込口
１６吐出口
１７ラジアル軸受
１８スラスト軸受
１９バランスピストン
２０ａケーシングに設けたすべりキー溝
２０ｂダイアフラムに設けたすべりキー溝
２０ｃヘッドフランジに設けたすべりキー溝
２１ケーシング内周面
２２ダイアフラム外周面
２３ヘッドフランジ外周面
２４すべりキー溝２０ａの側面
２５すべりキー溝２０ｂの側面
２６すべりキー溝２０ｃの側面
２７すべりキー２の側面
Ｌすべりキー２の長さ
ｂすべりキー２の幅
ｈすべりキー２の高さ
Ｌａケーシングすべりキー溝２０ａの長さ
Ｌｂダイアフラムすべりキー溝２０ｂの長さ
Ｌｃヘッドフランジすべりキー溝２０ｃの長さ

Claims

ケーシングと、
該ケーシングの内部に設置され流路を形成するダイアフラムと、
前記ケーシング端部においてシアキーによって取り付けられるヘッドフランジを有するバレル形遠心圧縮機において、
前記ケーシング内周面と、前記ダイアフラムと前記ヘッドフランジの当接部外周面に、面に垂直なすべりキー溝を、周方向の少なくとも２箇所に設け、該キー溝にすべりキーを設けたことを特徴とするバレル形遠心圧縮機。
請求項１記載の遠心圧縮機において、すべりキー溝を、周方向の互いに対向しない位置に２箇所設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
請求項２記載の遠心圧縮機において、すべりキー溝を、ケーシングの中心を通る水平面よりも下側に位置するように設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
複数段の羽根車を装着した回転軸と、
該回転軸を囲むことによって流路を形成する、上下に分割可能なダイアフラムと、
該ダイアフラムを内包するケーシングと、
該ケーシングの端部に設置されたヘッドフランジと、
を備えたバレル形遠心圧縮機であって、
前記ダイアフラムの外周面には、第１のすべりキー溝と第２のすべりキー溝が備えられ、前記ケーシングの内周面には、第３のすべりキー溝と第４のすべりキー溝が備えられており、前記第１のすべりキー溝と前記第３のすべりキー溝には第１のすべりキーが配置され、前記第２のすべりキー溝と前記第４のすべりキー溝には第２のすべりキーが配置されており、前記第１のすべりキーの移動方向と前記第２のすべりキーの移動方向は前記回転軸の中心で交差することを特徴とするバレル形遠心圧縮機。