JP6266595B2 - 圧縮機、シールガスの供給、および方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示する主題の実施形態は、一般に、ターボ機械に関し、より詳細には、圧縮機端部シールへのシールガスの供給に関する。

圧縮機は、機械エネルギーを使って、プロセス流体の粒子を加速し、その結果、ガスなどのプロセス流体の圧力を上昇させる機械である。圧縮機は、多くの異なったタイプのガスを生産、処理、再注入、および輸送するために、一般にエネルギー産業で使用されている。様々な種類の圧縮機の中に、圧縮機に入るプロセス流体に、例えばプロセス流体が通過する遠心インペラを回転させることによって遠心力で加速させることを通して機械エネルギーを作用させる、いわゆる遠心圧縮機がある。より一般的には、遠心圧縮機は、「ターボ機械」または「ターボ回転機械」として知られる一種の機械装置の一部であると言うことができる。

多くのターボ機械、特に遠心圧縮機は、例えばプロセスガスの漏れを妨げることによってシール性能を改善するために、シールガスが注入されるシャフト端シールの使用を組み込んでいる。多くの圧縮機は、今では、機械の性能を改善しプロセス流体の洩れを減らすために、圧縮機の一方または両方の端部に１つまたは複数のドライガスシールを備えている。例えば、図１および図２に示すように、圧縮機１０は、ステータ１２に対して回転可能に配置されたロータシャフト２０を含むことができる。図１に１４として全体的に示されるドライガスシールの形態のシャフト端シールは、ロータシャフト２０とステータ１２の間に配置することができる。ドライガスシール１４は、１次および２次シールロータリング２６、ならびに１次および２次シールロータリング２６のそれぞれの方へそれぞれが付勢される１次および２次シールステータリング２８を含むことができる。圧縮機１０の運転中、ドライガスロータシールリング２６およびステータシールリング２８の溝（図示せず）は、流体動圧力を発生して、シーリングリング同士が接触せずにシール機能を与える運転隙間を生成することができる。

シールガス、典型的には濾過したプロセスガスは、ドライガスシールに供給されて、運転隙間を維持することができ、またその他の点で圧縮機１０の性能を改善することができる。図１および図２に示すように、シールガスは、ステータ１２の開口３０を通って供給することができる。

圧縮機１０の運転中、プロセスガスが受ける圧縮過程および他の過程によって発生する熱は、しばしば、シール（プロセス）ガスが吸収する可能性のあるかなりの量の熱を発生する。その上、シールガスがドライガスシール内で膨張する間または膨張する前に生じる可能性のある凝縮を防止または抑制することを助けるために、シールガスはヒータまたは熱交換器などの専用装置によってさらに加熱されることがある。したがって、ポート３０を通ってドライガスシールに入るシールガスは、例えば周囲空気および／またはドライガスシール１４内にすでに存在しているガスに対しては、高温である可能性がある。

圧縮機の一時的な停止中、この高温のシールガスはドライガスシールに供給され続けることがある。その上、シールガスの温度は、例えば、圧縮機の静止構成部品からの余熱を吸収することによって、圧縮機の一時的な停止中にさらに上昇することがある。

一時的な停止中に圧縮機に連続的に供給されるシールガス内の熱によって、ドライガスシール１４近くのシャフト２０の１つまたは複数の領域は、一様でない加熱をされることがある。すなわちロータシャフト２０の１つまたは複数の領域は、ロータシャフト２０の隣接する領域に関して温度差をもつことがある。これらのいわゆるホットスポットは、問題となる可能性がある。例えば、ポート３０を通ってドライガスシールに入るシールガスは、圧縮機ロータシャフトに隣接するドライガスシールの構成部品に衝突するか、悪くすれば、ロータシャフトの表面そのものに直接衝突することがある。ロータシャフトに隣接するドライガスシールの構成部品の熱伝達率、シールガスの流量、シールガスの温度などの特定の因子によって、１つまたは複数のそのようなホットスポットが、例えば、曲がり、歪みなどのロータシャフトの変形を起こすことがある。それに続いて圧縮機を起動すると、変形の結果として、回転組立体に振動が引き起こされることがある。その振動は、圧縮機が１次危険速度に近づくときに、圧縮機が損傷を受けるには十分な大きさであることがある。そのような振動があると、回転組立体の一様でない加熱を分散し、変形を緩和するために、１回または複数回の追加の一時的な停止および再起動が必要となり得る。ひどい場合、すなわち振動に関係する損傷が圧縮機に生じる場合には、完全に停止することが必要になることがある。

したがって、シールガスの熱を端部シール内に一様に分配し、一時的な停止の後、圧縮機がより容易に再起動でき、高温のシールガスが圧縮機のロータシャフトに局所的に衝突するのを防ぎ、ロータシャフトの熱変形を防ぎ、容易な改造手法を提供し、低コストであり、圧縮機およびドライガスシールの既存の重量、構成、および運転の仕方を維持し、そして、圧縮機軸の回転によってもたらされる熱分布に代わるものを提供する、圧縮機、より詳細には、シールガス供給システムが必要となる。

スイス国特許第５８５３６１号

例示的な実施形態によれば、ターボ機械のロータシャフトの端部シール用シールガス供給システムは、シールガスを端部シールへ供給するシールガス通路と、シールガス通路からシールガスの少なくとも一部を受け入れ、ターボ機械の停止中、シールガスをロータシャフト周りに分配する複数の穴を有するシールガス分配器であって、これらの穴は円筒状の表面に配置され、このようにして、分配器によってシャフト周りのシールガスに旋回が生じる、シールガス分配器とを含む。

穴は、典型的には、環状に配置される。

穴は前記ロータシャフトの周囲全体に配置されるのが好ましく、前記ロータシャフトの周囲全体に規則的に配置されるのがさらに好ましい。

別の例示的な実施形態によれば、ターボ機械は、ステータと、ステータに対して回転可能なロータシャフトと、ステータとロータの間に配置された端部シールと、シールガスを端部シールへ供給するシールガス通路と、シールガス通路からシールガスの少なくとも一部を受け入れ、シールガスをロータシャフトの周りに分配するシールガス分配器であって、このシールガス分配器は複数の穴を有し、これらの穴は円筒状の表面に配置され、このようにして、ターボ機械の停止中、シールの穴の向きに基づいて、シャフト周りのシールガスに旋回が生じる、シールガス分配器とを含む。

典型的には、シールガスを収容し、シールガス分配器に流体的に接続する収容器が設けられる。

ロータシャフトに端部シールを含むターボ機械を運転する方法は、ターボ機械の停止中、シールガスを端部シールへ供給するステップと、ロータシャフトの一様でない加熱を防ぐために、シールガスをロータシャフトの周囲全体に配置された複数の穴を通じてロータシャフト周りに分配するステップとを含む。

シャフト周りにシールガスの強い旋回を起こすために、穴のうちの少なくともいくつか、好ましくはすべてから噴出するシールガス流は、ロータシャフトの長手方向の軸に対して定義される対応する半径方向に関して傾いているのが好ましい。

添付の図面は、本明細書に組み込まれかつ本明細書の一部を構成しており、１つまたは複数の実施形態を図示し本発明の説明とともに、これらの実施形態について説明する。

圧縮機の部分断面図である。 図１に示す圧縮機の部分切欠図である。 例示的な実施形態による圧縮機の部分断面図である。 図３に示す圧縮機の分配器の部分斜視図である。 別の例示的な実施形態による圧縮機の部分断面図である。 図５に示す圧縮機の分配器の部分斜視図である。 例示的な実施形態による方法を示す図である。

添付図面を参照して、例示的な実施形態を以下で説明する。異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは同様の要素とみなす。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。以下の実施形態は、話を簡単にするために、ターボ機械システムの用語および構造に関して記載される。しかしながら、以下で記載される実施形態は、これらの例示的なシステムに限定されず、他のシステムにも適用することができる。

本明細書を通して「１つの実施形態」または「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「１つの実施形態では」または「実施形態では」という表現が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態においてあらゆる好適な様態で組み合わせることができる。

図３および図４は、本発明によるシールガス供給システムの例示的な実施形態を示す。ここでは、圧縮機１１０は、シールガス通路１２２を有するステータ１１２を含み、そのシールガス通路１２２は、ステータ１１２を通ってドライガスシール１１４へ延在する。シールガスは、ステータ１１２の主ポート１５４を通ってドライガスシール１１４へ供給することができる。

圧縮機１１０は、ドライガスシール１１４に隣接するラビリンスシール１５８をさらに含む。図３に示すように、ラビリンスシール１５８には、ラビリンスシール１５８から延在するリング部の形状をした分配器１４０が設けられる。分配器１４０には、円筒状の表面に配置され、詳細には、１つの円に従って環状に配置された複数のガス噴出穴１６０が設けられる。

上述のように、圧縮機１１０の一時的な停止またはアイドリングの間、シールガスはドライガスシール１１４に供給され続けることがある。シールガスの少なくとも一部は、分配器１４０によって受け入れられ、複数のシールガス噴出穴１６０を通ってロータシャフト１２０の周囲に放出される。このふるまいによって、旋回運動の有無にかかわらず、シールガスをシャフトの周りに均一に分配することが強化され、それによって、ロータシャフト１２０が局所的に加熱されることを阻止することができる。

その上、分配器１４０は、ポート１５４を出るシールガスがロータシャフト１２０に直接衝突することも防ぐことができる。例えば、図３に示すように、ラビリンスシール１５８およびドライガスシール１１４は、その中でターボシャフト１２０の表面がシールガスに直接曝されるチャンバ１５６を形成する。分配器１４０は、ロータシャフト１２０とベント１３０の間に配置されるので、この表面に高温の可能性のあるシールガスが直接衝突するのを阻止する、または防ぐ。

図４でさらに認識されるように、ガス噴出穴１６０はまた、チャンバ１５６内でシールガスが円周方向に旋回して、ガスの循環およびシャフト１２０の周りの一様な熱の分配をさらに促進するように構成することができる。図４に示すように、各ガス噴出穴１６０は、ロータシャフト１２０の長手方向の軸から延在してガス噴出穴１６０の中心を通る半径方向の線１６６とある角度１６８をなす軸１６４を規定することができる。言い換えれば、穴１６０から噴出するシールガス流は、前記ロータシャフトの長手方向の軸に対して定義される対応する半径方向に関して傾いている。あるいは、角度１６８は、例えば、より大きな度合の乱流を引き起こしてチャンバ１５６内のシャフト１２０を一様に加熱するために、分配器１４０の穴１６０ごとに変えることができる。

図５および図６は、別の例示的な実施形態を示す。ここでは、ガス供給システムは、ステータ２１２を通ってポート２５４へ延在するシールガス通路２２２を含む。ポート２５４を出るシールガスはステータ２１２の溝２５５に入る。

端部２７８を有する円弧形セグメントまたは完全な円筒２４０の形状の分配器は、溝２５５内でベント２５４に近接して配置される。分配器２４０は、溝２５５内に、例えば摩擦嵌合または留め具などによって機械的に、あるいは例えば接着剤または溶接など化学的に固定することができる。図５および図６の実施形態では、分配器２４０の中間点は、ベント２５４と圧縮機２１０のロータシャフトの間に配置されて、ベント２５４を出るシールガスを受け入れることができる。ベント２５４を出るシールガスは、最初は曲げられて、例えば、時計回りに、また反時計回りに、溝２５５に沿うように向けられる。また、シールガスは、穴２７６のうちの任意の穴を通り抜けることができる。このようにして、シールガスは、圧縮機２１０のロータシャフト周りに分配することができ、それによって、圧縮機２１０の一時的な停止の間、ロータシャフトに、またはロータシャフトの近くに局所的に高い温度の場所が形成されることが防止され、または阻止され得る。分配器２４０は、圧縮機２１０の製造過程として、すなわち最初から付いている装置として、溝２５５内に設けることができる。あるいは、分配器２４０は、改造するときに溝２５５に導入するアフターマーケット製品として設けることができる。

図５および図６に示す実施形態では、分配器２４０は、複数の穴２６０を有する円弧形セグメントとして示される。穴２６０は、円筒状の表面に配置され、詳細には、いくつかの（具体的には、５個の）平行な円に従って環状に配置され、ロータシャフトの周囲全体に配置され、図６の好ましい例によれば、ロータシャフトの周囲全体に規則的に配置される。しかしながら、分配器２４０は他の構成で同様に提供することができる。例えば、分配器２４０は、穴２７６を設けずに提供され、それによって分配器２４０が受け入れるシールガスすべてを溝２５５に沿って偏向することができる。別の例では、分配器２４０は、完全なリング構成または一連のリングセグメントの形で提供することができる。また、分配器２４０の穴２６０のサイズと構成は変えることができる。例えば、分配器２４０が一連のリングセグメントとして提供される場合、各セグメント間の空間は、そこを通るシールガスの流れを制御することができる複数の穴を形成することができる。

したがって、図７のフローチャートに示す例示的な実施形態によれば、ロータシャフトに端部シールを含むターボ機械を運転する方法（１０００）は、ターボ機械の停止中にシールガスを端部シールへ供給するステップ（１００２）と、ロータシャフトの一様でない加熱を防ぐために、シールガスを前記ロータシャフトの周囲全体に配置された複数の穴を通じてロータシャフト周りに分配するステップ（１００４）とを含むことができる。

シールガス分配器を圧縮機の構成部品として説明したが、本発明によるシールガス分配器を端部シール自体の構成部品として設けることができる。例えば、当業者であれば、分配器がドライガスシールカートリッジの中に組み込むことができるようにシールガス供給システムを構成することができることは理解するであろう。

典型的には、シールガスは、ターボ機械の一部分である収容器からシールガス分配器へ流れて来る。そのような収容器は、小さくても大きくてもよく、必ずしもシールガスを収容する機能だけを目的とするものでなくてよい。

上述の実施形態は、本発明を制限するものではなく、すべての点で例示的なものと意図されている。すべてのそのような変形および修正は、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内にあるとみなされる。本出願の記述において使用される要素、動作、または命令はいずれも、本発明にとって重大または必須であるという明示的な記述がないかぎり、そのようなものと解釈されるべきではない。また、本明細書での使用において、冠詞「ａ」は、１つまたは複数の項目を含むことが意図されている。

１０ 圧縮機
１２ ステータ
１４ ドライガスシール
２０ ロータシャフト
２６ ロータシールリング
２８ ステータシールリング
３０ ポート
１１０ 圧縮機
１１２ ステータ
１１４ ドライガスシール
１２０ ロータシャフト
１２２ シールガス通路
１３０ ベント
１４０ 分配器
１５４ ポート
１５６ チャンバ
１５８ ラビリンスシール
１６０ 穴、ガス噴出穴
１６４ 穴１６０の軸
１６６ 穴１６０の中心を通る半径方向の線
１６８ 角度
２１０ 圧縮機
２１２ ステータ
２２２ シールガス通路
２４０ 分配器
２５４ ポート、ベント
２５５ 溝
２６０ 穴
２７６ 穴
２７８ 端部
１０００ ターボ機械を運転する方法
１００２ ターボ機械の停止中、シールガスを前記端部シールへ供給するステップ
１００４ 前記ロータシャフトの一様でない加熱を防ぐために、前記シールガスを前記ロータシャフト周りに分配するステップ

Claims (13)

1. シールガスを端部シールへ供給するシールガス通路と、
   前記シールガス通路から前記シールガスの少なくとも一部を受け入れ、ターボ機械の停止中、前記シールガスをロータシャフト周りに分配する複数の穴を有するシールガス分配器であって、前記穴は円筒状の表面に配置される、シールガス分配器と、
   前記端部シールに近接して配置されたラビリンスシールであって、前記分配器が前記ラビリンスシールから延在するリング部分を含む、ラビリンスシールと、
   を含む、
   ターボ機械のロータシャフトの端部シール用シールガス供給システム。
2. 前記穴が環状に配置される、請求項１に記載のシールガス供給システム。
3. 前記穴が前記ロータシャフトの周囲全体に配置される、請求項１または２に記載のシールガス供給システム。
4. 前記複数の穴が、前記ロータシャフトの円周方向に離間して配置される、請求項１から３のいずれかに記載のシールガス供給システム。
5. 前記複数の穴が、前記ロータシャフトの長手方向に離間して配置される、請求項１から４のいずれかに記載のシールガス供給システム。
6. 前記複数の穴のそれぞれが軸を規定し、前記軸が、前記ロータシャフトの長手方向の軸から延在して前記複数の穴の前記それぞれの中心を通る半径方向の線に対してゼロ度でない角度をなす、請求項１から５のいずれかに記載のシールガス供給システム。
7. 前記シールガス分配器が円弧形セグメントまたは完全な円筒を含む、請求項１から６のいずれかに記載のシールガス供給システム。
8. 前記シールガス分配器がリングを含む、請求項１から７のいずれかに記載のシールガス供給システム。
9. 前記端部シールがドライガスシールである、請求項１から８のいずれかに記載のシールガス供給システム。
10. ステータと、
    前記ステータに対して回転可能なロータシャフトと、
    前記ステータと前記ロータシャフトとの間に配置された端部シールと、
    シールガスを前記端部シールへ供給するシールガス通路と、
    ターボ機械の停止中、前記シールガス通路から前記シールガスの少なくとも一部を受け入れ、前記シールガスを前記ロータシャフトの周りに分配するシールガス分配器であって、前記シールガス分配器は複数の穴を有し、前記穴は円筒状の表面に配置される、シールガス分配器と、
    前記端部シールに近接して配置されたラビリンスシールであって、前記シールガス分配器が前記ラビリンスシールから延在するリング部分を含む、ラビリンスシールと、
    を含む、ターボ機械。
11. シールガスを収容し、前記シールガス分配器に流体的に接続する収容器を含む、請求項１０に記載のターボ機械。
12. ロータシャフトに端部シールを含むターボ機械を運転する方法であって、
    ターボ機械の停止中、シールガスを前記端部シールへ供給するステップと、
    前記ロータシャフトの一様でない加熱を防ぐために、シールガス分配器により前記シールガスを前記ロータシャフトの周囲全体に配置された複数の穴を通じて前記ロータシャフト周りに分配するステップと、
    ラビリンスシールを前記端部シールに近接して配置するステップであって、前記シールガス分配器が前記ラビリンスシールから延在するリング部分を含む、ステップと、
    を含む、方法。
13. 前記穴のうちの少なくともいくつかから噴出するシールガス流が、前記ロータシャフトの長手方向の軸に対して定義される対応する半径方向に関して傾いている、請求項１２に記載の方法。