JP5342172B2 - 遠心圧縮機のバリヤシーリングシステム - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、総括的には回転機械に関し、より具体的には、回転及び固定構成部品間の接合境界面のためのシーリングシステムに関する。

遠心圧縮機のような回転機械は、多くの場合、乾式ガスシールを使用して回転シャフトに沿ってプロセスガスが大気に漏洩するのを抑制する。回転シャフトの１つ又はそれ以上のラジアル軸受に供給された潤滑油は、多くの場合、ロータシャフトに沿って染み出て乾式ガスシールの先端面を汚損する傾向がある。乾式ガスに向かっての潤滑油の移動（侵入）を防止するために、乾式ガスシールとラジアル軸受との間にバリヤシール（「第３のシール」とも呼ばれる）が設けられる。一般的に、バリヤシールは、一対のシールを含み、この一対のシール間にはガス流路が設けられる。バリヤシールは、ラビリンスシール、カーボン端面シール、金属ブラシシール又は同様なものを含むことができる。

しかしながら、バリヤシールは、少量のバッファガス流量の場合には潤滑油の移動を有効には防止しない。例えば、バリヤシールは、シール作用を受ける流れがシールの有効クリアランスと比較して比較的少量である場合には、軸受から乾式ガスシールへの潤滑油の侵入を有効には防止しない。さらに、一対のシール間の分離ガスの消費量もまた増大する。
米国特許第５，２４９，８１２号公報 米国特許第５，７１３，５７６号公報 米国特許第６，２１０，１０７号公報 米国特許第６，５２４，０５９号公報 米国特許第７，１９５，８００号公報 国際特許出願第０２／０８８５７８号公報

従って、機械の様々な運転条件下において１つ又はそれ以上の軸受から乾式ガスシールへの潤滑油の侵入を有効に防止するシーリングシステムに対する必要性が存在する。また、一対のシール間の分離ガスの消費量を減少させるシーリングシステムに対する必要性も存在する。

本発明の１つの例示的な実施形態によると、回転機械は、機械ロータと、該機械ロータに結合された軸受と、機械ステータと、機械ロータと機械ステータとの間に配置されたシーリング装置とを含む。シーリング装置は、乾式ガスシールと、該乾式ガスシールと軸受との間に配置された第１のブラシシールとを含む。第１のブラシシールは、複数の非金属繊維を含む。第２のブラシシールが、第１のブラシシールと軸受との間で第２の側に配置される。第２のブラシシールは、複数の非金属繊維を含む。

本発明の別の例示的な実施形態によると、回転圧縮機は、圧縮機ロータと、該圧縮機ロータに結合された軸受と、圧縮機ステータと、圧縮機ロータと圧縮機ステータとの間に配置されたシーリング装置とを含む。シーリング装置は、乾式ガスシールと、該乾式ガスシールと軸受との間で圧縮機側に配置された第１のブラシシールとを含む。第１のブラシシールは、複数の非金属繊維を含む。第２のシールが、第１のブラシシールと軸受との間で該軸受側に配置される。

本発明のさらに別の実施形態によると、回転圧縮機は、圧縮機ロータと、該圧縮機ロータに結合された軸受と、圧縮機ステータと、圧縮機ロータと圧縮機ステータとの間に配置されたシーリング装置とを含む。シーリング装置は、乾式ガスシールと、該乾式ガスシールと軸受との間で圧縮機側に配置された第１のシールとを含む。第２のシールが、第１のシールと軸受との間で該軸受側に配置される。第２のシールは、複数の非金属繊維を有するブラシシールを含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表わしている添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時、一層よく理解されるようになるであろう。

下記に詳細に説明するように、本発明の実施形態は、機械ロータと機械ステータとの間に配置されたシーリング装置を有する回転機械を提供する。シーリング装置は、乾式ガスシールと、該乾式ガスシールと機械ロータに取付けられた軸受との間で第１の側に配置された第１のシールと、該第１のシールと軸受との間で第２の側に配置された第２のシールとを含む。幾つかの例示的な実施形態では、第１のシールは、非金属繊維を備えたブラシシールを含む。幾つかの例示的な実施形態では、第２のシールはブラシシールを含む。幾つかの例示的な実施形態では、第１及び第２のシールは、その各々が複数の非金属繊維を備えたブラシシールを含むことができる。第１及び第２のシールは、乾式ガスシールに向かう潤滑油の漏洩を防止するように構成される。特定の実施形態では、ラビリンスシール又はカーボン端面シールのようなその他のシールが、第１及び第２のシールと共に使用される。特に非金属繊維の使用は、回転機械のあらゆる運転条件下において潤滑油の漏洩を防止することが期待される。シール間での分離ガスの消費量もまた減少する。特定の実施例では、回転機械は、遠心圧縮機を含むことができる。図１〜図５を全体的に参照して、以下に本発明の具体的な実施形態を説明する。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態による例示的な回転機械１０（遠心圧縮機のような）を示している。本機械１０は、機械ステータ１４（「ハウジング」と呼ぶこともある）の内部に配置された機械ロータ１２（圧縮機シャフトのような）を含む。機械ロータ１２は、１つ又はそれ以上の支持軸受１５によって機械ステータ１４に支持される。シーリング装置１６が、機械ロータ１２と機械ステータ１４との間に配置されかつ該機械ロータ１２と機械ステータ１４との間の流体の漏洩を減少させるように構成される。

この図示した例示的な実施形態では、シーリング装置１６は、プロセスガスの漏洩を減少させるように構成された主乾式ガスシール１８、二次乾式ガスシール２０、内側ラビリンスシール２２及びバリヤシール２４を含む。プロセスガスには、二酸化炭素、硫化水素、ブタン、メタン、エタン、プロパン、液化天然ガス又はその組合せのようなガスを含むことができる。特定の実施形態では、２つよりも多い乾式ガスシールを、その１つが機械ロータ１２の各端部に位置するように使用することができる。他の特定の実施形態では、インペラ（図示せず）に直接隣接して設置された単一の乾式ガスシールを使用することができる。各乾式ガスシールは一般的に、嵌合せ流体シールステータ（回転不能リング）及び流体シールロータ（回転可能リング）を含む。図１には、乾式ガスシールの細部は、図示していない。機械の運転時には、流体シールステータ及び流体シールロータ内の溝により、流体シールステータを流体シールロータから分離させて該流体シールステータと流体シールロータとの間に「動作ギャップ」を形成する流体動態力が発生する。二次乾式ガスシール２０は、主乾式ガスシール１８に対するバックアップとして作用する。本明細書では、図示した遠心圧縮機は、単なる例示的な実施形態に過ぎないものであり、本発明の実施形態による乾式ガスシールはまた、プロセスガスの漏洩を防止するためにシーリング装置を必要とするその他の回転機械にも適用可能とすることができることに注目されたい。本発明の態様は、回転機械との組合せに限定されるものではなく、回転機械の運転時に乾式ガスシール汚染を受けるその他の機械と組合せることができることにも注目することができる。

流体シールステータと流体シールロータとの間の動作ギャップ内への異物の進入は、シール性能に悪影響を及ぼして、ベント通路への過剰なガス漏洩を引き起こす可能性がある。その結果、流体シールステータと流体シールロータとの間で、剪断力が増大する。乾式ガスシール１８、２０は、プロセスガス、軸受潤滑油又は同様なもののような多様な要因によって汚染する可能性がある。内側ラビリンスシール２２は、プロセスガスを乾式ガスシール１８、２０から分離するように構成される。バリヤシール２４は、主及び二次ガスシール１８、２０を圧縮機シャフト軸受から分離するように構成される。バリヤシール２４は、空気又は窒素で保護することができる。バリヤシール２４は、乾式ガスシール１８、２０内への軸受潤滑油又は潤滑油ミストの流れを阻止するものであり、後続の図を参照してさらに詳細に説明する。

図２を参照すると、例示的なブラシシール２５の詳細図を示している。本発明の特定の態様によるブラシシール２５は、ロータ１２と接触して軸受潤滑油の漏洩を減少させかつ同時にシール−ロータ接合境界面における温度も低下させるように構成された複数の非金属繊維２８を含む。

ブラシシール２５は、機械ステータに結合することができる保持装置３０を含む。保持装置３０は、第１のプレート（前方プレート）３２と第２のプレート（後方プレート）３４とを含む。複数の非金属繊維２８が、保持装置３０の第１のプレート３２と第２のプレート３４との間に配置される。一般的に、繊維２８は、所定の角度で傾斜させることができる。当業者には公知なように、繊維２８を傾斜させることにより、ロータ１２との間のシールのコンプライアンス性が高まる。そのような繊維２８の半径方向の撓みにより、接触面上に「穏やかに当接し（ｇｅｎｎｔｌｅ ｒｉｄｅ）」て繊維の構造的変形を防止することが保証される利点がある。傾斜角度は、例えば繊維の構造的安定性のような要因と該繊維２８をプレート３２、３４に組付ける容易さとの間のトレードオフ関係によって決まる。プレート３２、３４間に挟持された繊維２８は、該繊維を通り抜ける乾式ガスシール内への潤滑油漏洩を防止するのに充分なほど緻密にパックされる。繊維のパック密度は、シーリング効率を高めかつ繊維と接触面との間の摩擦接触により発生する摩擦力のあらゆる大幅な増加を回避するように所定の限界値の範囲内に維持される。

各繊維２８は、保持装置３０に結合された第１の端部３６とロータ１２に近接して配置された第２の端部３８とを含む。特定の例示的な実施形態では、繊維２８の第２の端部３８は、ロータ１２と接触するように構成される。この図示した実施形態では、保持装置３０は、第１のプレート３２と第２のプレート３４との間に配置されたエポキシ材料４０のような取付け装置を含む。エポキシ材料４０は、非金属繊維２８を保持装置３０に結合するように構成される。特定の例示的な実施形態では、第１及び第２のプレート３２、３４は、金属材料又は複合材料、或いはその組合せを含む。繊維２８は、第１及び第２のプレート３２、３４間にクランプされる。各繊維２８の第１の端部３６は、エポキシ材料４０に結合され、また第２の端部３８は、ロータ１２に向かってプレート３２、３４から突出する。他の特定の例示的な実施形態では、繊維２８は、プレート３２、３４に加熱溶接される。他の特定の例示的な実施形態では、繊維２８は、環状ワイヤ及び保持クランプ（図示せず）を使用してプレート３２、３４に固定される。

非金属繊維には、ケブラー（登録商標）繊維、カーボン繊維、カーバイド繊維又はその組合せを含むことができる。本明細書では、非金属繊維の列挙は網羅的なものでなく、他の非金属繊維もまた想定されることに注目されたい。繊維材料及びその直径は、例えば剛性、耐クリープ性、耐摩耗性及び対潤滑油化学的不活性のような特性間におけるトレードオフ関係に応じて選択される。繊維直径は、作動流体によって該繊維上に加えられる空気力学的力に対する構造的安定性を保証しながら該構造的安定性及び所望のコンプライアンス性のようなトレードオフ要因を考慮するように選択される。例えば、非金属繊維のより小さい直径により、シール−回転構成部品境界面においてより小さい有効クリアランスが形成されると共に、より低い発熱を生じるより小さい剛性が得られる。

図３を参照すると、本発明の別の例示的な実施形態による、第１のブラシシール２６及び第２のブラシシール４２を有するバリヤシール２４を示している。第１のブラシシール２６は、乾式ガスシールと軸受との間で第１の側（「圧縮機側」とも呼ぶ）４４に配置される。第２のブラシシール４２は、第１のシールと軸受との間で第２の側（「軸受側」とも呼ぶ）４６に配置される。１つの例示的な実施形態では、第１のブラシシール２６は、図２のブラシシール２５について説明した形式のシールを含む。本明細書では、第２のブラシシール４２は、第１のブラシシール２６と比較して同じ形式のもの又は異なる形式のものとすることができることに注目されたい。１つの例示的な実施形態では、ブラシシール２６、４２は、ハウジングリング４８及びクランプリング５０によりステータハウジングに結合され、また該ブラシシール２６、４２間にはスペーサリング５２が設けられる。ブラシシール２６、４２間には、該シール２６、４２間での分離ガスの流れを可能にするようになった分離ガス供給通路（図示せず）が設けられる。

従来の方式では、カーボン端面シール、ラビリンスシール及び金属ブラシシールを使用して、軸受側ではなく圧縮機側に配置した該金属ブラシシールにより乾式ガスシール内への軸受潤滑油の侵入を防止するようにしてきた。ラビリンスシールに関連するより大きなシャフトクリアランスのために、必要とする注入分離ガスの量は、セグメント式カーボン端面シールの場合よりもはるかに多くなる。カーボン端面シールは、乾式ガスシール内への軸受潤滑油の侵入を必ずしも防止するとは限らない。特定の漏液軸受条件下では、極めて少量の分離ガス流量は、乾式ガスシール内への軸受潤滑油の侵入を「抑止する」にはとても充分なものではない。そのような状況において、乾式ガスシールは、該乾式ガスシールの接触表面を汚損するのを防止するために、ロータシャフトに沿って染み出る傾向になる軸受潤滑油から離れる方向に持ち上げる必要がある。

本発明のこの図示した例示的な実施形態によると、ブラシシール２６、４２を有するバリヤシール４２は、回転機械において有効なバリヤシール機能を示す。具体的には、ブラシシール２６、４２が図２に関して説明した形式の非金属繊維を有する場合には、シーリング装置は、始動及び停止状態を含む回転機械の全ての運転条件時に軸受潤滑油の侵入を効果的に防止することが期待される。ブラシシール２６、４２間の分離ガス流は、回転構成部品及び軸受に向かって非金属繊維を撓ませて該繊維が回転構成部品の表面及び軸受と接触してそれらに対してシールを維持するようにする。非金属ブラシシールは、より低い分離ガス差圧及び流量下において軸受潤滑油の侵入を防止するのに特に有用であると考えられる。これにより、分離ガスの消費量もまた減少する。

図４を参照すると、本発明の別の例示的な実施形態による、第１の固定ブラシシール５４及び第２の固定ブラシシール５６を有するバリヤシール５５を示している。第１の固定ブラシシール５４は、乾式ガスシールと軸受との間で圧縮機側４４に配置される。第２の固定ブラシシール５６は、第１の固定ブラシシール５４と軸受との間で軸受側４６に配置される。本明細書では、第２の固定ブラシシール５６は、第１の固定ブラシシール５４と比較して同じ形式のもの又は異なる形式のものとすることができることに注目されたい。ブラシシール５４、５６間には、スペーサリング５８が設けられる。ブラシシール５４、５６の突出端部６０は、例えば回転機械のロータスリーブ６２のようなスリーブに近接して又は該スリーブと接触して設置される。スリーブ６２は、回転機械のロータに取付けられかつ回転機械の運転時に生じる遠心力を抑制するように構成される。スリーブ６２は付加的に、ロータ冷却媒体がロータを通して該ロータとステータとの間の空気ギャップ内に吹き出していわゆる「風損」を引き起こすのを防止する。固定ブラシシールは、シール作用表面間つまりシール表面と係合表面との間での相対運動がないことを特徴としている。本発明のこの図示した例示的な実施形態によると、固定ブラシシール５４、５６を有するバリヤシール５５は、回転機械の全ての運転条件時に、回転機械において有効なバリヤシール機能を示す、すなわち軸受潤滑油の侵入を効果的に防止する。

図５を参照すると、さらに別の例示的な実施形態によるハイブリッド型バリヤシール６３を示している。この図示した実施形態では、ハイブリッド型バリヤシール６３は、乾式ガスシールと軸受との間で圧縮機側４４に配置された第１のブラシシール２６と、第１のブラシシールと軸受との間で該軸受側４６に配置された第２のブラシシール４２とを含む。図示したバリヤシール６３は、それぞれ第１のブラシシール２６及び第２のブラシシール４２と平行に重合された第１のラビリンスシール６４及び第２のラビリンスシール６６を含む。２つのラビリンスシール６４、６６を示しているが、さらに別の例示的な実施形態では、２つよりも多いラビリンスシールをブラシシールと平行に重合せることができる。他の特定の例示的な実施形態では、カーボン端面シール、アブレイダブル（磨耗可能）ラビリンスシール、金属ブラシシール又はその組合せのような１つ又はそれ以上のシールを、第１のブラシシール２６及び第２のブラシシール４２と平行に重合せることができる。

本発明の特定の態様による第１のブラシシール２６及び第２のブラシシール４２は、ロータ１２と接触して軸受潤滑油の漏洩を減少させかつ同時にシール−ロータ接合境界面における温度も低下させるように構成された複数の非金属繊維２８を含む。
ブラシシール２６、４２間に分離ガス供給通路６８を設けて、該シール２６、４２間での分離ガス（例えば、窒素）の流れを可能にするようにする。バリヤシール２４の作動状態時に、第１のブラシシール２６と第２のブラシシール４２との間の供給通路６８を通してシーリングガス（不活性ガス、例えば窒素）が流れかつ第２のベント７０を通して流出する。ガスの流れは、第２のブラシシール４２を軸受に向かって移動させる開き力を発生させて乾式ガスシール内への軸受潤滑油の侵入の防止を行う。他の特定の例示的な実施形態では、ラビリンスシール６４、６６を、固定ブラシシールと平行に重合せかつ回転機械のロータスリーブと接触するように構成することができる。

バリヤシールの両シールが、非金属繊維を備えたブラシシールを含むような実施形態を示したが、本明細書では他の組合せも考えられる。例えば、従来方式の実施形態では、軸受に最も近いシール（本明細書では一般的に「第２のシール」と呼ぶ）は、ブラシシールではない。この第２のシールにおいてあらゆる形式のブラシシールを使用することは、利点のあることになり、また非金属繊維を備えたブラシシールを使用することは、付加的な改善をもたらすことになることが考えられる。同様に、第２のシールがブラシシールを含むか否かに関係なく、圧縮機に最も近いシール（本明細書では一般的に「第１のシール」と呼ぶ）が非金属繊維を備えたブラシシールを含むようにすることにより、上述した利点が同様に得られる。

本明細書では、本発明の特定の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には数多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。

本明細書に開示した例示的な実施形態によるシーリング装置を有する回転機械の概略図。 本明細書に開示した別の例示的な実施形態によるブラシシーリング装置の概略図。 本明細書に開示したさらに別の例示的な実施形態による少なくとも２つのブラシシールを有するバリヤシーリング装置の概略図。 本明細書に開示したさらに別の例示的な実施形態による少なくとも２つのブラシシールを有するバリヤシーリング装置の概略図。 本明細書に開示したさらに別の例示的な実施形態による少なくとも２つのブラシシール及びラビリンスシールを有するハイブリッドバリヤシーリング装置の概略図。

符号の説明

１０ 回転機械
１２ 機械ロータ
１４ 機械ステータ
１５ 支持軸受
１６ シーリング装置
１８ 主乾式ガスシール
２０ 二次乾式ガスシール
２２ 内側ラビリンスシール
２４ バリヤシール
２５ ブラシシール
２８ 非金属繊維
３０ 保持装置
３２ 第１のプレート
３４ 第２のプレート
３６ 第１の端部
３８ 第２の端部
４０ エポキシ材料
４２ 第２のブラシシール
４４ 第１の側
４６ 第２の側
４８ ハウジングリング
５０ クランプリング
５２ スペーサリング
５４ 第１の固定ブラシシール
５６ 第２の固定ブラシシール
５８ スペーサリング
６０ 突出端部
６２ ロータスリーブ
６３ ハイブリッド型バリヤシール
６４ 第１のラビリンスシール
６６ 第２のラビリンスシール
６８ 供給通路

Claims (9)

1. 機械ロータ（１２）と、
   前記機械ロータ（１２）に結合された軸受（１５）と、
   機械ステータ（１４）と、
   前記機械ロータ（１２）と前記機械ステータ（１４）との間に配置されたシーリング装置（１６）と、
   を含み、
   前記シーリング装置（１６）が、
   乾式ガスシール（１８、２０）と、
   前記乾式ガスシール（１８、２０）と前記軸受（１５）との間に配置されかつ複数の非金属繊維（２８）を含む第１のブラシシール（２６）と、
   前記第１のブラシシール（２６）と前記軸受（１５）との間に配置されかつ複数の非金属繊維（２８）を含む第２のブラシシール（４２）と、
   前記第１のブラシシールまたは前記第２のブラシシールの前記非金属繊維を結合するように構成された取り付け装置と、
   を含む、
   回転機械（１０）。
2. 前記非金属繊維（２８）が、ケブラー繊維、カーボン繊維、カーバイド繊維又はその組合せを含む、請求項１に記載の回転機械（１０）。
3. 前記第１のブラシシール（２６）又は第２のブラシシール（４２）と平行に重合された少なくとも１つの付加的シール（２２、６４、６６）をさらに含む、請求項１に記載の回転機械（１０）。
4. 前記少なくとも１つの付加的シールが、１つ又はそれ以上のカーボン端面シール、ラビリンスシール、アブレイダブルラビリンスシール、金属ブラシシール又はその組合せを含む、請求項３に記載の回転機械（１０）。
5. 圧縮機ロータ（１２）と、
   前記圧縮機ロータ（１２）に結合された軸受（１５）と、
   圧縮機ステータ（１４）と、
   前記圧縮機ロータと前記圧縮機ステータとの間に配置されたシーリング装置（１６）と、
   を含み、
   前記シーリング装置（１６）が、
   乾式ガスシール（１８、２０）と、
   前記乾式ガスシール（１８、２０）と前記軸受（１５）との間で圧縮機側に配置されかつ複数の非金属繊維（２８）を含む第１のブラシシール（２６）と、
   前記第１のブラシシール（２６）と前記軸受（１５）との間で該軸受側に配置された第２のシール（４２）と、
   前記第１のブラシシールの前記非金属繊維を結合するように構成された取り付け装置と、
   を含む、
   回転圧縮機（１０）。
6. 前記非金属繊維（２８）が、ケブラー繊維、カーボン繊維、カーバイド繊維又はその組合せを含む、請求項５に記載の圧縮機（１０）。
7. 前記第２のシール（４２）が、非金属ブラシシール、カーボン端面シール、ラビリンスシール、アブレイダブルラビリンスシール、金属ブラシシール又はその組合せを含む、請求項５に記載の圧縮機（１０）。
8. 圧縮機ロータ（１２）と、
   前記圧縮機ロータ（１２）に結合された軸受（１５）と、
   圧縮機ステータ（１４）と、
   前記圧縮機ロータ（１２）と前記圧縮機ステータ（１４）との間に配置されたシーリング装置（１６）と、
   を含み、
   前記シーリング装置（１６）が、
   乾式ガスシール（１８、２０）と、
   前記乾式ガスシール（１８、２０）と前記軸受（１５）との間で圧縮機側に配置された第１のシール（２６）と、
   前記第１のシール（２６）と前記軸受（１５）との間で該軸受側に配置されかつ非複数の金属ブラシシールを含む第２のブラシシール（４２）と、
   前記第２のブラシシールの前記非金属繊維を結合するように構成された取り付け装置と、
   を含む、
   回転圧縮機（１０）。
9. 前記第２のシール（４２）が、非金属ブラシシール、カーボン端面シール、ラビリンスシール、アブレイダブルラビリンスシール、金属ブラシシール又はその組合せを含む、請求項８に記載の圧縮機（１０）。
   

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