JP6475868B2 - ガスシール構造、及び、遠心式圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ガスシールが採用される遠心式圧縮機に関する。

遠心式圧縮機としては、例えば特許文献１に開示されるように、複数段のインペラを有するシャフトを、ラジアル軸受を介して軸受支持するとともに、シャフトの長手方向における一端部に、作動流体を吸い込む吸込み口を有するケーシングを備えているものが知られている。
特許文献１に開示されている遠心式圧縮機は、低温、例えば、−６０℃以下のエチレンガスを圧縮するときの、シャフトとラジアル軸受の間の当該箇所焼き付きが発生するのを防止することを目的としている。つまり、低温の作動流体を用いると、ケーシング、特に、吸込み口を備えているケーシングの一端部に熱収縮が生じ、この熱収縮によってシャフトとラジアル軸受とのクリアランスが適正な値に維持できなくなる。特許文献１は、この熱収縮の差に対応するために、ケーシングの一端部で、かつ、軸受の半径方向外側に位置する領域に、シャフトの長手方向に沿って延びる溝を設けることを提案している。

ところで、特許文献１にも示されるように、遠心式圧縮機には、軸封装置として、シール性に優れ保守性の良好な非接触形のガスシールが採用される例が多い。ガスシールは、高圧のシールガスを微小なクリアランスを有するシール面に供給することによりシャフト周りを封止、つまり軸封するものである。ガスシールは、単独で適用される場合もあるが、ラビリンスシールと組み合わせて用いられることがある。

特開２００８−１３８５７７号公報

シールガスは、ケーシングに形成されるシールガスの流路と、ケーシングに保持されるシールカートリッジ又はガスシールなどと称される部材に形成されるシールガスの流路と、を介してシール面間に供給される。シールガスがケーシング側の流路とシールカートリッジ側の流路の境界部分から漏れ出ないように、繋ぎ部分に跨る連通管を設け、シールガスがこの連通管の内部を通るようにしている。
前述したエチレンガスの圧縮も含め、運転条件、作動流体の性状によっては、ケーシングとシールカートリッジの間に相当の温度差、例えば１００℃にも及ぶ温度差が生じて、ケーシングの熱膨張量とシールカートリッジの熱膨張量に大きな差が生じることがある。特に、インペラの回転軸方向の熱膨張量の差異が大きいと、ケーシングとシールカートリッジが相互に位置ずれするため、ケーシングとシールカートリッジに跨って設けられている連通管にその径方向に沿うせん断力が加わって変形してしまう。そうすると、Ｏリングなどのシール部材を設けていたとしても、ケーシング及びシールカートリッジのそれぞれと連通管との間に隙間が生じてしまい、シールガスがこの隙間を通ってケーシングとシールカートリッジの境界部分から外部に漏れることになる。そうすると、シール面に本来必要なシールガスを供給できなくなる。
そこで本発明は、二つの部材間に跨って設けられる配管にせん断応力が加わっても、シールガスが漏れるのを防止できるガスシール構造を提供することを目的とする。
また本発明は、そのようなガスシール構造を備える遠心式圧縮機を提供することを目的とする。

本発明のガスシール構造は、供給されるシールガスが流れる第一流路が形成される第一部材と、第一流路を流れてきたシールガスを所定のシール面に向けて流す第二流路が形成され、第一部材に対向して設けられる第二部材と、第一流路と第二流路に跨って設けられ、シールガスが第一流路から第二流路に向けて流れる連通管と、を備える。
本発明のガスシール構造は、連通管が、第一シール部材を介して第一流路に保持される第一管端と、第二シール部材を介して第二流路に保持される第二管端と、第一管端と第二管端の間を繋ぎ、第一管端及び第二管端よりも剛性の低い可撓管と、を備えることを特徴とする。

本発明のガスシール構造において、連通管は、金属材料又は樹脂材料から構成され、可撓管がベローズ管から構成されることが好ましい。

本発明のガスシール構造において、可撓管は、第一部材の第一流路と第二部材の第二流路が位置ずれを起こすと、位置ずれに追従して変形し、第一管端及び第二管端は、位置ずれを起こしても、位置ずれを起こす前の保持の状態が維持することが好ましい。

以上説明したガスシール構造は、種々の用途に適用できるが、特に遠心式圧縮機に適用することができる。
この遠心式圧縮機は、シャフトに固定されたインペラと、インペラの外周にディフューザを形成するケーシングと、ケーシングとシャフトとの間を軸封するシールカートリッジと、を備え、ケーシングには、供給されるシールガスが流れる第一流路が形成され、シールカートリッジには、第一流路を流れてきたシールガスをシャフトにおける所定のシール面に向けて流す第二流路が形成され、シールガスが第一流路から第二流路に向けて流れる連通管が、第一流路と第二流路に跨って設けられる。
本発明の遠心式圧縮機は、連通管が、第一シール部材を介して第一流路に保持される第一管端と、第二シール部材を介して第二流路に保持される第二管端と、第一管端と第二管端の間を繋ぎ、第一管端及び第二管端よりも剛性の低い可撓管と、を備えることを特徴とする。

本発明の遠心式圧縮機において、連通管は、金属材料又は樹脂材料から構成され、可撓管がベローズ管から構成されることが好ましい。

本発明の遠心式圧縮機において、可撓管は、ケーシングの第一流路とシールカートリッジの第二流路が位置ずれを起こすと、位置ずれに追従して変形し、第一管端及び第二管端は、位置ずれを起こしても、位置ずれを起こす前の保持の状態を維持することが好ましい。

本発明におけるガスシール構造によれば、連通管が、第一流路に第一シール部材を介して保持される第一管端と、第二流路に第二シール部材を介して保持される第二管端と、第一管端と第二管端の間を繋ぎ、第一管端及び第二管端よりも剛性の低い可撓管と、を備える。したがって、第一部材と第二部材の間に位置ずれが生じたとしても、可撓管は位置ずれに追従して変形して傾斜することができる。しかも、第一管端及び第二管端はこの位置ずれに追従して変位することができるので、この位置ずれが生じても、第一管端における第一シール部材による第一管端と第一流路の間の封止、及び、第二管端における第二シール部材による第二管端と第二流路の間の封止を確保できる。これにより、本願発明は、位置ずれに基づくせん断応力が連通管に加わっても、シールガスが漏れるのを防ぐことができる。

本発明の実施形態に係る遠心式圧縮機の全体の概略構成を示す断面図である。 図１の遠心式圧縮機のガスシール構造を示す拡大断面図である。 図１の遠心式圧縮機のガスシール構造に用いられる連通管を示し、（ａ）は無負荷の状態を示し、（ｂ）及び（ｃ）は位置ずれが起きて連通管にせん断応力が加わった状態を示している。

以下、本発明に係る遠心式圧縮機の一実施形態を、図１ないし図３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る遠心式圧縮機１０は、回転軸をなすシャフト１１に固定された複数段、本実施形態では３段のインペラ１２と、インペラ１２の外周にディフューザ１３を形成するケーシング（第一部材）１４と、ケーシング１４とシャフト１１との間に設けられるジャーナル軸受１５とを備えている。
なお、本実施形態に係る遠心式圧縮機１０は、シャフト１１が水平方向に配置された横軸型であり、かつ、ケーシング１４が水平方向に分割される水平分割型の遠心式圧縮機である。

遠心式圧縮機１０は、吸入口１６から吸入された作動流体をなすガスｇを圧縮してから吐出するものである。すなわち、吸入口１６から吸入されたガスｇは、インペラ１２の回転により遠心力を与えられ、速度および圧力を増してディフューザ１３に送り込まれて、ディフューザ１３の流路面積の変化に応じて圧縮される。ガスｇは、各段のインペラ１２を通過する毎にさらに圧縮され、高圧ガスとして吐出口１７から吐出される。

インペラ１２は、多数の翼が取り付けられた円板であって、翼と翼との間にインペラ流路１８が形成されている。そして、インペラ流路１８に中心側から入ったガスｇは、インペラ１２の回転により遠心力が付与されて速度と圧力を増して外周側から出て、ディフューザ１３に送り込まれる。

ディフューザ１３は、流路の断面積を変化させることによってここを通過するガスｇを減速し、圧力を増大させる装置であって、インペラ流路１８から流出したガスｇを後段のインペラ流路１８の入口に送り込む流路を形成している。また、図１に示すように、ディフューザ１３は、インペラ１２が軸方向に連なって設けられているので、インペラ流路１８の出口１９から径方向外方へ向かい、最外周部で屈曲した後、径方向内方へ戻ってインペラ流路１８の入口２０に連通するように形成されている。

インペラ１２を回転支持するシャフト１１は、シールカートリッジ（第二部材）３０によって両端部を支持されて、ケーシング１４に取り付けられている。シールカートリッジ３０は、ケーシング１４とシャフト１１との間を軸封する。また、シャフト１１の一端部（図１において左側の端部）は、スラストカラー２５を挟んで設けられる一対のスラスト軸受２２によっても支持されている。図１に示すように、ケーシング１４は、上車室１４ａと下車室１４ｂとを備えており、シールカートリッジ３０は、上車室１４ａと下車室１４ｂに対向するとともに、上車室１４ａと下車室１４ｂに保持されている。

図２は、ケーシング１４とシールカートリッジ３０の境界部分を示している。
図２（ａ）に示すように、ケーシング１４には、外部から供給されるシールガスＧをシールカートリッジ３０に向けて流す第一流路３１が形成されている。なお、シールガスＧの流れる向きを実線の矢印で示している。第一流路３１は、上流側に位置する本流路３２と、本流路３２に連なり、下流側に位置する末端流路３３と、を備えている。本流路３２と末端流路３３はともに円形の開口を有し、末端流路３３は本流路３２よりも開口径が大きく形成されている。末端流路３３は、図２（ｂ）に示すように、ケーシング１４とシールカートリッジ３０の間に跨って設けられる連通管４０のおよそ半分の長さを収容する。したがって、末端流路３３は、連通管４０が第一シールリング（第一シール部材）４６を介して隙間なく収容される開口径を有している。
なお、図２には示していないが、シールカートリッジ３０とシャフト１１の間にラビリンスシールなどの他の部材を設けることもできる。

シールカートリッジ３０には、ケーシング１４の第一流路３１を流れてきたシールガスＧをシール面３９に向けて流す第二流路３５が形成されている。第二流路３５は、上流側に位置する末端流路３６と、末端流路３６に連なり、下流側に位置する本流路３７と、を備えている。本流路３７と末端流路３６はともに円形の開口を有し、末端流路３６は本流路３７よりも開口径が大きく形成されている。末端流路３６は、図２（ｂ）に示すように、シールカートリッジ３０とケーシング１４の間に跨って設けられる連通管４０のおよそ半分の長さを収容する。したがって、末端流路３６は、連通管４０が第二シールリング（第二シール部材）４７を介して隙間なく収容される開口径を有している。

ケーシング１４とシールカートリッジ３０は、常温下において、第一流路３１と第二流路３５のそれぞれの中心軸が同軸をなすように組み付けられており、図２（ｂ）に示すように、連通管４０もその中心軸が第一流路３１及び第二流路３５と同軸をなして、末端流路３３と末端流路３６の中に収容される。

連通管４０は、図３（ａ）に示すように、所定の間隔を空けて配置される第一管端４１及び第二管端４３と、第一管端４１と第二管端４３の間を繋ぐ可撓管４５と、を備えている。連通管４０は、第一管端４１、可撓管４５及び第二管端４３を貫通して流路４８を備えており、連通管４０が末端流路３３と末端流路３６の中に収容された状態で、シールガスＧが流路４８を流れる。第一管端４１、第二管端４３及び可撓管４５は、それぞれがステンレス鋼等の金属材料から構成されている。

図３（ａ）に示すように、第一管端４１は、その外周面に環状の第一シール保持溝４２が形成され、第一シール保持溝４２にはＯリングからなる第一シールリング４６が嵌装されている。第一管端４１は、図２（ｂ）に示すように、末端流路３３の内部に配置され、末端流路３３を形成する内壁面３４に第一シールリング４６が押し付けられることでケーシング１４の第一流路３１（末端流路３３）の内部に保持される。
第二管端４３も第一管端４１と同様に、その外周面に第二シールリング４７が嵌装される環状の第二シール保持溝４４が形成されている。第二管端４３は、図２（ｂ）に示すように、末端流路３６の内部に配置され、末端流路３６を形成する内壁面３８に第二シールリング４７が押し付けられることでシールカートリッジ３０の第二流路３５（末端流路３６）の内部に保持される。
第一管端４１及び第二管端４３は、可撓管４５に比べて肉厚に形成されており、それぞれが末端流路３３及び末端流路３６の内部に固定された状態で、外力が加わっても容易に変形しない剛性を備えている。

可撓管４５は、金属製のベローズ管から構成されており、第一管端４１及び第二管端４３に比べて剛性が低く形成されている。連通管４０は、第一管端４１、第二管端４３及び可撓管４５が同軸上に作製されるが、第一管端４１と第二管端４３のそれぞれの中心軸が互いに偏心したとすると、可撓管４５はこの偏心に追従して弾性変形することができる。特に、ベローズ管で構成される可撓管４５は、容易には塑性変形しないので、位置ずれが繰り返して起きたとしても、信頼性が高い。

次に、本実施形態のガスシール構造における連通管４０の作用及び効果について説明する。
連通管４０は、図２（ｂ）に示すように、ケーシング１４の第一流路３１とシールカートリッジ３０の第二流路３５の内部に収容され、第一管端４１が第一シールリング４６を介して末端流路３３の内部に固定されるとともに第二管端４３が第二シールリング４７を介して末端流路３６の内部に固定されているものとする。
遠心式圧縮機１０の運転中に、ケーシング１４とシールカートリッジ３０に温度差が生じると、ケーシング１４とシールカートリッジ３０の間に、水平方向に相対的な位置ずれが起き、連通管４０にはせん断応力が加わる。なお、図２（ｂ）において、相対的な位置ずれを白抜きの矢印で示している。

この位置ずれが起きた時の連通管４０の変形の様子を図３（ｂ），（ｃ）に示すように、可撓管４５は位置ずれに追従して変形して傾くことができる。
一方、第一管端４１は、位置ずれを起こす前の末端流路３３の内部に保持された状態、つまり、その中心軸が鉛直方向を向いた状態を維持してケーシング１４の位置ずれに追従して水平方向に変位する。同様に、第二管端４３は、位置ずれを起こす前の末端流路３６の内部に固定された状態、つまり、その中心軸が鉛直方向を向いた状態を維持してシールカートリッジ３０の位置ずれに追従して水平方向に変位する。したがって、ケーシング１４とシールカートリッジ３０の間の位置ずれが起きても、第一管端４１における第一シールリング４６による第一管端４１と末端流路３３の間の封止、及び、第二管端４３における第二シールリング４７による第二管端４３と末端流路３６の間の封止を確保できる。

これに対して、例えば、可撓管４５の部分も第一管端４１及び第二管端４３と同様に剛性が高ければ、ケーシング１４とシールカートリッジ３０の間に位置ずれが起きると、第一管端４１と第二管端４３も可撓管４５と一緒に傾くおそれがある。そうすると、第一シールリング４６及び第二シールリング４７の一方又は双方にはいわゆる片当たりが生じてしまい、第一管端４１と末端流路３３の間の封止、及び、第二管端４３と末端流路３６の間の封止ができなくなる。
逆に、第一管端４１及び第二管端４３の部分も剛性が低いと、末端流路３３の内壁面３４及び末端流路３６の内壁面３８のそれぞれに第一シールリング４６及び第二シールリング４７を押し付ける力を確保し、維持することが困難になる。これに対して、連通管４０は、第一管端４１及び第二管端４３の部分の剛性が高いので、第一シールリング４６及び第二シールリング４７を必要な力で押し付けることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることができる。
上述した連通管４０は、第一管端４１、第二管端４３及び可撓管４５の全体を金属材料で構成する例として説明したが、本発明における連通管は、全体を樹脂材料、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：polytetrafluoroethylene）などのフッ素樹脂で構成することができる。また、高い剛性が要求される管端の部分をステンレス鋼などの金属材料で構成し、可撓管の部分をフッ素樹脂などの樹脂材料で構成することができる。

また、連通管４０は、相対的に剛性の高い一対の管端を繋ぐ剛性の低い可撓管４５をベローズ管により構成したが、管端の部分よりも剛性が低く、上述したベローズ管と同様の作用及び効果を奏する限り、その構成は任意である。例えば、可撓管の部分を管端よりも肉厚を薄くして剛性を低くしたストレート形状の管にすることができる。また、可撓管の部分をフッ素樹脂により構成する場合には、可撓管の部分をベローズ管にすることもできるし、管端よりも肉厚を薄くして剛性を低くすることもできる。

１０ 遠心式圧縮機
１１ シャフト
１２ インペラ
１３ ディフューザ
１４ ケーシング
１４ａ 上車室
１４ｂ 下車室
１５ ジャーナル軸受
１６ 吸入口
１７ 吐出口
１８ インペラ流路
１９ 出口
２０ 入口
２２ スラスト軸受
３０ シールカートリッジ
３１ 第一流路
３２ 本流路
３３ 末端流路
３４ 内壁面
３５ 第二流路
３６ 末端流路
３７ 本流路
３８ 内壁面
４０ 連通管
４１ 第一管端
４２ 第一シール保持溝
４３ 第二管端
４４ 第二シール保持溝
４５ 可撓管
４６ 第一シールリング
４７ 第二シールリング
４８ 流路
ｇ ガス
Ｇ シールガス

Claims (6)

1. 供給されるシールガスが流れる第一流路が形成される第一部材と、
   前記第一流路を流れてきたシールガスを所定のシール面に向けて流す第二流路が形成され、前記第一部材に対向して設けられる第二部材と、
   前記第一流路と前記第二流路に跨って設けられ、前記シールガスが前記第一流路から前記第二流路に向けて流れる連通管と、を備え、
   前記連通管は、
   第一シール部材を介して前記第一流路に保持される第一管端と、
   第二シール部材を介して前記第二流路に保持される第二管端と、
   前記第一管端と前記第二管端の間を繋ぎ、前記第一管端及び前記第二管端よりも剛性の低い可撓管と、
   を備えることを特徴とするガスシール構造。
2. 前記連通管は、金属材料又は樹脂材料から構成され、
   前記可撓管がベローズ管から構成される、
   請求項１に記載のガスシール構造。
3. 前記可撓管は、
   前記第一部材の前記第一流路と前記第二部材の前記第二流路が位置ずれを起こすと、前記位置ずれに追従して変形し、
   前記第一管端及び前記第二管端は、
   前記位置ずれを起こしても、前記位置ずれを起こす前の前記保持の状態が維持される、請求項１又は請求項２に記載のガスシール構造。
4. シャフトに固定されたインペラと、
   前記インペラの外周にディフューザを形成するケーシングと、
   前記ケーシングと前記シャフトとの間を軸封するガスシールと、を備え、
   前記ケーシングには、供給されるシールガスが流れる第一流路が形成され、
   前記ガスシールには、前記第一流路を流れてきたシールガスを前記シャフトにおける所定のシール面に向けて流す第二流路が形成され、
   前記シールガスが前記第一流路から前記第二流路に向けて流れる連通管が、前記第一流路と前記第二流路に跨って設けられる遠心式圧縮機であって、
   前記連通管は、
   第一シール部材を介して前記第一流路に保持される第一管端と、
   第二シール部材を介して前記第二流路に保持される第二管端と、
   前記第一管端と前記第二管端の間を繋ぎ、前記第一管端及び前記第二管端よりも剛性の低い可撓管と、
   を備えることを特徴とする遠心式圧縮機。
5. 前記連通管は、金属材料又は樹脂材料から構成され、
   前記可撓管がベローズ管から構成される、
   請求項４に記載の遠心式圧縮機。
6. 前記可撓管は、
   前記ケーシングの前記第一流路と前記ガスシールの前記第二流路が位置ずれを起こすと、前記位置ずれに追従して変形し、
   前記第一管端及び前記第二管端は、
   前記位置ずれを起こしても、前記位置ずれを起こす前の前記保持の状態が維持される、請求項４又は請求項５に記載の遠心式圧縮機。

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