JP5600542B2

JP5600542B2 - 回転機械の軸封装置

Info

Publication number: JP5600542B2
Application number: JP2010219513A
Authority: JP
Inventors: 利秋馬場
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: CN102434486A; JP2012072736A; CN102434486B

Description

本発明は、回転機械の軸封装置に関し、特に、遠心圧縮機等の回転機械の軸封装置に関するものである。

遠心圧縮機は、ケーシング内部にインペラ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、インペラの回転による遠心力を利用して圧縮し、吐出口から吐出する。そして、回転軸と静止側のケーシングとの間には、圧縮ガスの大気への洩れを減少させる目的でラビリンスシールが設けられている。

上記ラビリンスシールは、内周面にフィンを設けたラビリンスリングを静止側のケーシングに装着し、このラビリンスリングのフィンと回転軸との隙間をできるだけ狭めることにより、シール性を確保するものである。上記隙間は小さい方が洩れ量が少なくなるため、可能な限り小さく設計することが要請される。一方、上記隙間を小さくしすぎると、運転中の遠心力による回転軸の移動、熱膨張によるラビリンスリングと回転軸との相対的変位などによって回転軸とラビリンスリングのフィンが接触して安定運転が継続できなくなる。

このため、従来から、ラビリンスシールの構造に関し、種々の提案がなされてきた。

例えば、特許文献１には、ラビリンスリングとケーシングの間に熱膨張吸収用の隙間と波バネを組み合わせて設置した構造が提案されている。これにより、熱膨張を吸収するので、ラビリンスリングのフィン（ラビリンスフィン）と回転軸との隙間を広げる必要がなく、また、波バネがラビリンスフィンと回転軸との隙間の周方向隙間分布を均一にするので、ラビリンスフィンと回転軸との接触・磨耗を回避できるとしている。

また、特許文献２には、ラビリンスフィンの先端に造隙被削コーティングを施した構造が提案されている。これにより、フィンと回転軸とが接触しても軟らかい造隙被削コーティングが削り取られるだけであるので、ラビリンスフィンと回転軸との隙間を最小限とすることが可能になるとしている。

また、特許文献３には、回転軸側にラビリンスフィンを複数段設け、このうち後段側のラビリンスフィンに対向する内側ケーシング部分に造隙被削コーティングを施すとともに、残りの前段側のラビリンスフィンとそれに対向する内側ケーシング部分との隙間を、前記後段側の造隙被削コーティングを施した部分の隙間より大きくした構造が提案されている。これにより、造隙被削コーティングが剥離等により失われても、前段側のラビリンスフィンがラビリンスシール作用をするので、長期にわたり安定したシール性能が得られるとしている。

上記引用文献１〜３に記載されたシール構造は、一般的に直通型ラビリンスシールと呼ばれているものであり、ラビリンスフィンと回転軸（あるいはケーシング）との隙間を詰めればある程度までの漏れ量の低減はできるものの、漏れ流れが軸に沿って一直線に流れることができるので、一定以上の漏れ量の低減が期待できない。

これに対し、引用文献４，５には、ラビリンスシールを軸方向に沿って階段状に形成した構造が提案されている。引用文献４では、ラビリンスリングを回転軸の軸方向に移動可能にケーシングに装着した構造と併せて、ラビリンスフィンと回転軸との隙間を容易に広げることができ、起動時はもとより定常時の隙間調整が容易となるとしている。また、引用文献５では、階段状の段差部内を流れる流体の流動抵抗を大きくして漏れ流れを低減できるとしている。

しかしながら、上記引用文献４，５に記載されたシール構造では、定常運転時におけるラビリンスフィンと回転軸との接触を回避するための構造が提案されておらず、これらの隙間を最小限にして安定運転を継続することはできない。

特開２０１０−１４０５１号公報特開平４−２０３５６５号公報特開平１１−１３６８８号公報特開平８−３５４９９号公報特許第４５１３４３２号公報

そこで、本発明は、上記従来技術よりさらに確実に漏れ量を低減しうる回転機械の軸封装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る回転機械の軸封装置は、回転軸の外周面にその軸方向に沿って設けられた階段状の第１段差部と、ケーシングに装着されたラビリンスリングの内周面に上記第１段差部の階段状形状に沿うように設けられた階段状の第２段差部とで形成された段付きラビリンスシールを有する回転機械の軸封装置であって、前記第１段差部および第２段差部のいずれか一方の段差部の各ステップ面に、前記段付きラビリンスシールの隙間を狭めるフィンがそれぞれ設けられているとともに、他方の段差部の各立ち上がり面、および、前記各フィンの両側面のうち前記他方の段差部の各立ち上がり面に対向する側の各側面の、少なくともいずれかの各面に造隙被削コーティングが施されていることを特徴とするものである。

そして、上記の回転機械の軸封装置においては、前記回転軸の軸方向投影面上において、前記他方の段差部の各立ち上がり面とこれに対向するフィンとの前記回転軸の径方向における重なり長さが、当該フィンの先端と前記他方の段差部のステップ面との最短距離以上とすることが好ましい。

本発明によれば、階段状の段付きラビリンスシールを形成するとともに、フィンが設けられていない側の段差部の各立ち上がり面、および、フィンの両側面のうち上記フィンが設けられていない側の段差部の各立ち上がり面に対向する各側面の、少なくともいずれかの各面に造隙被削コーティングが施されているので、段付きラビリンスシールの隙間を流れる漏れ流れは屈曲し、漏れ量を低減できることに加え、回転軸が運転中に軸方向に移動して、フィンと立ち上がり面とが接触しても、造隙被削コーティングが削り取られるだけであるのでその後も安定して運転を継続できるようになった。

本発明の実施形態に係る回転機械の軸封装置の要部断面図である。上記図１に示す軸封装置の部分拡大断面図である。本発明の段付きラビリンスシール内を漏れ流れが流れる様子を模式的に示す図である。従来の直線型ラビリンスシール内を漏れ流れが流れる様子を模式的に示す図である。本発明の別の実施形態に係る回転機械の軸封装置の部分拡大断面図である。本発明の軸封装置が適用された遠心圧縮機の実施例を示す部分断面図である。本発明の軸封装置が適用された遠心圧縮機の別の実施例を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る回転機械の軸封装置の要部断面図である。同図において、回転軸１の外周面にその軸方向に沿って階段状の第１段差部２が設けられている。また、ケーシング（図示せず）にリングプレート６を介して装着されたラビリンスリング３の内周面に上記第１段差部２の階段状形状に沿うように階段状の第２段差部１４が設けられている。そして、第１段差部２と第２段差部１４とで段付きラビリンスシール１５が形成されている。また、第２段差部１４の各ステップ面１６に、前記段付きラビリンスシール１５の隙間を狭めるフィン４がそれぞれ設けられている。なお、フィン４は通常機械加工によって形成される。

さらに、第１段差部２の各立ち上がり面１７には、造隙被削コーティング５が施されている。造隙被削コーティング５は、例えばニッケル・グラファイト系コーティング材の溶射、アルミニウム・シリコン・ポリエステル系コーティング材の溶射、またはホワイトメタルのコーティングとするのが好ましい。

回転軸１は、運転中にスラスト力の変化等に伴いその軸方向に移動するが、その移動幅をＡとする。ラビリンスリング３の第２段差部１４は、回転軸１の外周面に設けられた第１段差部２に対向して設けられ、基本的には運転中にフィン４先端が、第１段差部２のステップ面１８および立ち上がり面１７に接触しないように、回転軸１の半径方向および軸方向に隙間を持たせてある。回転軸１は運転中には半径方向にも移動するが、フィン４はラビリンスリング３の一部として回転軸１よりも軟らかい材料で作られていることと、仮にフィン４が回転軸１の第１段差部２のステップ面１８に接触しても、フィン４の先端の円周方向の一部のみが回転軸１の第１段差部２のステップ面１８と点接触するだけで済むので、フィン４の先端だけが変形あるいは削り取られるだけでその後も運転を継続できる。

また、同図に示した段付きラビリンスシール（以下、単に「シール」ともいう。）１５においては、フィン４と第１段差部２の立ち上がり面１７との回転軸方向の隙間Ｘは、可能な限り小さくすることがシール１５を通過する漏れ流れの量を低減するのに有効である。ところがこの隙間Ｘを詰めすぎる（小さくしすぎる）と回転軸１がその軸方向に上記隙間Ｘを小さくする方向に移動してＸ＜Ａとなった際に第１段差部２の立ち上がり面１７とフィン４の側面とが面接触し、機械的に大きな損傷を来たすおそれがある。そこで、立ち上がり面１７に造隙被削コーティング５を施しておき、仮にこのような接触が起ったとしてもコーティング材が一部だけ削り取られるようにしておけば、フィン４と立ち上がり面１７の隙間Ｘを従来技術の場合よりも小さくでき、シール１５を通過する漏れ流れの量をさらに低減できる。

図２は、図１における第１段差部２とフィン４との位置関係を説明するための拡大断面図である。同図において、Ｙ_１はフィン４先端とステップ面１８との回転軸１の半径方向の隙間であり、Ｙ_２は回転軸１の軸方向投影面上において（つまり、回転軸１の軸方向から見て）、立ち上がり面１７とフィン４との回転軸１の径方向における重なり長さ、すなわち、オーバーラップ幅である。

運転中に回転軸１は、アンバランスや回転軸１に働く外力によりその軸の半径方向にも移動するため、通常はその移動量に見合った回転軸半径方向の隙間Ｙ_１が設定される。

図３は、本発明の段付きラビリンスシール１５内を漏れ流れａが流れる様子を模式的に示したものである。同図に示すように、立ち上がり面１７とフィン４とがオーバーラップしている（オーバーラップ幅を有している）と漏れ流れａはフィン４近傍で流れの向きを変えざるを得ず、流れの軌跡は屈曲したものとなり、抵抗が増加する。他方、図４は、従来の直通型ラビリンスシール７内を漏れ流れｂが流れる様子を模式的に示すものである。この場合には同図に示すように、フィン２４の先端とステップ面２８との間に一直線上の隙間が形成され、その隙間を流れる漏れ流れｂも直線状になり、抵抗が小さい。したがって、図３に示す段付きラビリンスシール１５では、図４に示す直通型ラビリンスシールよりも漏れ流れの量が小さくなる。

また、図２において、Ｙ_２≧Ｙ_１となるように立ち上がり面１７の高さを設定しておけば、運転中に回転軸１がその半径方向に動いても、その移動量はＹ_１以下の範囲に制限されるので、常にオーバーラップした状態（すなわち、オーバーラップ幅を有した状態）が維持できることとなり、漏れ流れａは、常に図３に示すような屈曲を有する流れとなり、図４に示すような直線的な流れとなることはなくなる。その結果、漏れ量を常時低い値に保つことが可能となる。

（変形例）
上記実施形態では、第１段差部２の各立ち上がり面１７にのみ造隙被削コーティングを施した例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば図５に示すように、各立ち上がり面１７に代えて、各フィン４の両側面のうち第１段差部２の各立ち上がり面１７に対向する側の各側面にのみ造隙被削コーティング８を施してもよい。これにより、造隙被削コ−ティング８が削り取られたり経年劣化等で剥がれ落ちたりした際に、ラビリンスリング３だけを取り外して造隙被削コ−ティング８を補修したり再コ−ティングを行うことも可能となる。また、図示していないが、各立ち上がり面１７と、各フィン４の両側面のうち第１段差部２の各立ち上がり面１７に対向する側の各側面の双方ともに造隙被削コーティングを施してもよい。

図６は、本発明の軸封装置が適用された遠心圧縮機の実施例を示す部分断面図である。回転軸１の先端にはインペラ９が取り付けられており、一方、ラビリンスリング３はリングプレート６を介してケーシング１０に装着されている。回転軸１の外周面にはインペラ９が取り付けられている先端側に向かって順次その外径が拡大するように階段状の第１段差部が形成され、一方、ラビリンスリング３の内周面には、前記第１段差部の階段形状に沿うように（つまり、回転軸１のインペラ９取り付け先端側に向かって順次その内径が拡大するように、第２段差部が形成されている。このように、インペラ９取り付け側に向かって段差部の径が拡大する（換言すれば、インペラ９側からハウジング１１側に向かって段差部の径が縮小する）ように構成することで、高圧のインペラ９側から低圧のハウジング１１側に流れる漏れ流れの抵抗を下流側にいくほど大きくしてその漏れ流れの量をより少なくすることができる。

このラビリンスリング３は例えば上下に半割れ可能な構造にしておくとともに、リングプレート６下端にインペラ９取り付け側と反対方向から各半割れを嵌め込んで固定できるように構成しておき、さらに、リングプレート６とハウジング１１との間に、ラビリンスリング３の各半割れを出し入れできるシールメンテナンス用スペース１２を設けておく。これにより、装置を分解することなく、ラビリンスリング３だけの組み込み、取り外しが行えるようになり、メンテナンスに要する時間を大幅に軽減できる。

図７は、上記図６の別の実施例を示す部分断面図である。本実施例では、上記実施例１と異なり、回転軸１それ自体の外周面に段差部を形成するのでなく、回転軸１の外周面に、階段状の第１段差部を形成した回転軸スリーブ１３を嵌め込んで構成している。この場合も、インペラ９側からハウジング１１側への漏れ流れの量をより小さくするため、段差部はインペラ９側からハウジング１１側へ向かって径を縮小するように形成されている。したがって、ラビリンスリング３、回転軸スリーブ１３、インペラ９の順番に組み付けることとなる。このように構成することで、メンテナンスの際にはインペラ９と回転軸スリーブ１３の取り外しおよび組み付けを必要とするものの、ラビリンスリング３を一体品として製作することが可能となり、上記実施例１のように分割面からの漏れをなくすことができるとともに、ラビリンスリング３の製作費も低減できる。さらに、上記実施例１で必要とされていたシールメンテナンス用スペース１２が不要となり、その分だけ回転軸１の長さを短くすることが可能となり、装置全体の小型化が図れるとともに回転軸１やその軸受などの安定性をより向上させることができる。

１：回転軸
２：第１段差部
３：ラビリンスリング
４：フィン
５：造隙被削コーティング
６：リングプレート
７：直通型シール
８：造隙被削コーティング
９：インペラ
１０：ケーシング
１１：ハウジング
１２：シールメンテナンス用スペース
１３：回転軸スリーブ
１４：第２段差部
１５：ラビリンスシール
１６：ステップ面
１７：立ち上がり面
１８：ステップ面
２４：フィン
２８：ステップ面
Ａ：回転軸の軸方向移動量
Ｘ：フィン４１７と立ち上がり面との回転軸方向隙間
Ｙ_１：フィン４とステップ面１８との回転軸半径方向隙間
Ｙ_２：フィン４と立ち上がり面とのオーバーラップ幅
ａ：段付きラビリンスシール内の漏れ流れ
ｂ：直通型ラビリンスシール内の漏れ流れ

Claims

回転軸の外周面にその軸方向に沿って設けられた階段状の第１段差部と、ケーシングに装着されたラビリンスリングの内周面に上記第１段差部の階段状形状に沿うように設けられた階段状の第２段差部とで形成された段付きラビリンスシールを有する回転機械の軸封装置であって、
前記第１段差部および前記第２段差部のいずれか一方の段差部の各ステップ面に、前記段付きラビリンスシールの隙間を狭めるフィンがそれぞれ設けられているとともに、
前記各フィンと、当該各フィンの側面と対向する、他方の段差部の各立ち上がり面との回転軸方向の隙間が、前記回転軸の軸方向の移動幅よりも小さく、
前記他方の段差部の各立ち上がり面、および、前記各フィンの両側面のうち前記他方の段差部の各立ち上がり面に対向する側の各側面の、少なくともいずれかの各面に造隙被削コーティングが施されていることにより、前記回転軸がその軸方向に移動して前記各立ち上がり面と前記各フィンの前記各側面とが接触しても機械的損傷が抑制されるように構成されていることを特徴とする回転機械の軸封装置。
前記回転軸の軸方向投影面上において、前記他方の段差部の各立ち上がり面とこれに対向するフィンとの前記回転軸の径方向における重なり長さが、当該フィンの先端と前記他方の段差部のステップ面との最短距離以上である請求項１に記載の回転機械の軸封装置。