JP7012616B2 - 遠心多段圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心多段圧縮機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１０－１５９６３４号公報（特許文献１）がある。この公報には、ターボ機械は、常温、或いは、常圧で凝縮液化する媒体を作動流体とし、回転体と静止部材とからなるターボ機械において、回転体と静止部材との間の少なくとも一部を通る第１のシール空気流路と、第１のシール空気流路に設置されたドライガスシールと、第１のシール空気流路のドライガスシールの下流側流路に設置された狭隘部とを有し、第１のシール空気流路のドライガスシールと狭隘部との間に、第２のシール空気流路が接続されていることが記載されている。

特開２０１０－１５９６３４号公報

前記特許文献１には、ドライガスシールを採用したターボ機械が記載され、第２のシール空気流路を設けることにより、ドライガスシールにおける水滴の発生を抑制することが記載されている。

しかし、前記特許文献１には、いわゆる中間ステージラビリンスの腐食を抑制した遠心多段圧縮機の記載はない。

そこで、本発明は、中間ステージラビリンスの腐食を抑制した遠心多段圧縮機を提供する。特に、本発明は、中間ステージラビリンスの炭酸腐食を抑制した遠心多段圧縮機を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の遠心多段圧縮機は、複数の羽根車が設置された回転軸と、初段の羽根車と最終段の羽根車との間で、流体を、一度、機外へ排出する吐出流路と、初段の羽根車と最終段の羽根車との間で、排出された流体を、再度、機内へ注入する吸込流路と、吐出流路と吸込流路との間に設置された中間ダイアフラムと、吐出流路と吸込流路との間をシールする中間ステージラビリンスと、を有し、中間ダイアフラムは、吐出流路に流れる流体の一部を、中間ステージラビリンスに供給するバイパス流路を有する。

本発明によれば、中間ステージラビリンスの腐食を抑制した遠心多段圧縮機を提供することができる。特に、本発明によれば、中間ステージラビリンスの炭酸腐食を抑制した遠心多段圧縮機を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本実施例に係る遠心多段圧縮機を説明する説明図である。 本実施例に係る遠心多段圧縮機が備える中間ダイアフラム近傍の部分拡大図である。

以下、実施例を、図面を用いて説明する。なお、同一の構成には、同一の符号を付し、重複する部分は、その説明が省略される場合がある。

図１は、本実施例に係る遠心多段圧縮機を説明する説明図である。

本実施例に記載する遠心多段圧縮機１００（以下、圧縮機１００と称して説明する。）は、複数（本実施例では５段）の羽根車４（羽根車４１、羽根車４２、羽根車４３、羽根車４４、羽根車４５）が設置された回転軸３と、初段の羽根車４１と最終段の羽根車４５との間で、流体（プロセス流体）を、一度、機外へ排出する吐出流路５１と、初段の羽根車４１と最終段の羽根車４５との間で、排出された流体（プロセス流体）を、再度、機内へ注入する吸込流路５２と、を有する。

圧縮機１００は、今後、圧縮機１００において処理される取り扱い流体（プロセス流体）の流量増加が懸念され、より一層、腐食、特に炭酸腐食を抑制する必要がある。

本実施例に記載する圧縮機１００は、取り扱い流体としてＣＯ２（以下、流体をＣＯ２として説明する）を使用する。なお、ＣＯ２は、水蒸気を含むウエットガス（Wet Gas）であることが多い。また、ＣＯ２は、比較的重い気体であるため、昇圧（圧縮）されると、温度が上昇しやすい性質がある。

このため、本実施例に記載する圧縮機１００は、圧縮の効率を上げるために、以下のような昇圧プロセスを有する。すなわち、昇圧され、温度が上昇したＣＯ２を、初段の羽根車４１と最終段の羽根車４５との間で、一度、圧縮機１００外へ排出する。そして、排出されたＣＯ２を、ガスクーラ（図示なし）を通して冷却する。さらに、冷却され、温度が降下したＣＯ２を、初段の羽根車４１と最終段の羽根車４５との間で、再度、圧縮機１００内へ注入する。

なお、ガスクーラ（図示なし）にて冷却され、再度、圧縮機１００内へ注入されるＣＯ２は、高圧・低温の条件となり、湿度は１００％となる。

ＣＯ２を一度、圧縮機１００外へ排出する直前の羽根車の段（以後、上流Gr.最終段）（本実施例では羽根車４３）と、ＣＯ２を再度、圧縮機１００内へ注入する直後の羽根車の段（以後、下流Gr.初段）（本実施例では羽根車４４）との間には、中間ステージラビリンス７と呼ばれる軸封設備が設置される。

また、吐出流路５１と吸込流路５２との間には、中間ダイアフラム６が設置される。

中間ステージラビリンス７は、上流Gr.最終段（羽根車４３）と下流Gr.初段（羽根車４４）との間で、圧縮機１００内における回転体（羽根車４３）と静止体（中間ダイアフラム６）との隙間に流れるプロセス流体（本実施例ではＣＯ２）の漏れ流量を低減する目的で設置される。

つまり、中間ステージラビリンス７は、中間ダイアフラム６に形成され、吐出流路５１と吸込流路５２との間をシールする。

なお、本実施例に記載する圧縮機１００は、その機体の外郭を形成する静止体であるケーシング１と、ケーシング１の内部に回転可能に設けられたロータ２とを有する。そして、ロータ２は、回転軸３と、回転軸３に装着され、回転によってＣＯ２を圧縮する複数段（本実施例では５段）の羽根車４（４１、４２、４３、４４、４５）と、を有する。

また、羽根車４１、羽根車４２、羽根車４３によって昇圧され、温度が上昇したＣＯ２は、吐出流路５１を介して、一度、圧縮機１００外へ排出され、ガスクーラ（図示なし）を通して冷却された後、吸込流路５２を介して、再度、圧縮機１００内へ注入され、羽根車４４、羽根車４５によって昇圧される。

羽根車４３と羽根車４４との間には、流路を形成する中間ダイアフラム６が設置され、中間ステージラビリンス７は、中間ダイアフラム６に設置される。

中間ステージラビリンス７は、回転体である羽根車４３と静止体である中間ダイアフラム６との間に生じる隙間に流れる漏れ流量を低減する目的で設置される。

なお、回転軸３は、ジャーナル軸受１１及びスラスト軸受１２によって支持され、羽根車４５の後段は、バランスシール１３によってシールされる。

図２は、本実施例に係る遠心多段圧縮機が備える中間ダイアフラム近傍の部分拡大図である。

中間ダイアフラム６（中間ダイアフラム６の内部）には、吐出流路５１に流れる（羽根車４３から吐出され、吐出流路５１に向かう）ＣＯ２の一部を、中間ステージラビリンス７に供給するバイパス流路８が形成される。

つまり、羽根車４３にて昇圧されたＣＯ２は、羽根車４３から吐出され、吐出流路５１に向かい、ＣＯ２は、回転軸３の半径方向に向かう。

なお、中間ダイアフラム６は、羽根車４３から吐出されるＣＯ２の流路（ディフューザベーン）を形成する。つまり、中間ダイアフラム６は、羽根車４３と羽根車４４とを区切るものである。

そして、ダイアフラム６には、中間ステージラビリンス７の固定部まで貫通したバイパス流路８が、キリ穴加工等により形成される。

このバイバス流路８により、羽根車４３により昇圧され、羽根車４３から吐出され、吐出流路５１に向かうＣＯ２の一部を、中間ステージラビリンス７の固定部まで流入させる。

すなわち、圧縮機１００の内部（中間ダイアフラム６の内部）にＣＯ２をバイパスするバイパス流路８を形成することにより、上流Gr.最終段（羽根車４３）と下流Gr.初段（羽根車４４）との間に設置される中間ステージラビリンス７に、上流Gr.最終段（羽根車４３）から圧縮機１００外へ排出される前の高圧・高温のＣＯ２（以下、ホットガスと称して説明する。）を供給することができる。

つまり、バイパス流路８は、中間ステージラビリンス７へホットガスを供給する目的で形成される。

バイパス流路８は、上流Gr.最終段（羽根車４３）と下流Gr.初段（羽根車４４）との間に設置される中間ステージラビリンス７を固定する中間ダイアフラム６に形成されるが、その入口は、ディフューザベーンに形成され、その出口は、中間ステージラビリンスの固定部に形成される。

また、中間ステージラビリンス７は、バイパス流路８を流れるＣＯ２を通す貫通孔９を有する。貫通孔９は、中間ステージラビリンス７とバイパス流路８とを、回転軸３の半径方向に接続する。

バイパス流路８及び貫通孔９は、回転軸３の半径方向に放射状に複数形成される。なお、貫通孔９は、回転軸３の周方向に形成されてもよい。また、貫通孔９は、中間ステージラビリンス７の回転軸３の軸方向の中間部分に形成されることが好ましい。

中間ダイアフラム６に形成されるバイパス流路８と中間ステージラビリンス７に形成される貫通孔９との回転軸３の周方向の位相を合わせることにより、上流Gr.最終段（羽根車４３）から吐出されたホットガスが、バイパス流路８を介して、中間ステージラビリンス７と回転体（羽根車４３）との隙間に供給される。

また、中間ステージラビリンス７に形成される回転軸３の半径方向に貫通した貫通孔９は、中間ダイアフラム６に形成されるバイパス流路８と同数であることが好ましく、中間ダイアフラム６に形成されるバイパス流路８と中間ステージラビリンス７に形成される貫通孔９との回転軸３の周方向の位相が、同位相であることが好ましい。これにより、ホットガスの流れに対する抵抗を少なくすることができる。

羽根車４３によって回転軸３の半径方向に流れるＣＯ２の一部が、バイパス流路８および貫通孔９を介して、中間ステージラビリンス７と回転体（羽根車４３）との隙間に流入する。

中間ステージラビリンス７と回転体（羽根車４３）との隙間に流入したホットガスは、羽根車４４（図１参照）の方向へ流れ、このホットガスの流れが、軸封として作用し、湿度１００％のＣＯ２が、中間ステージラビリンス７を通過して、羽根車４４から羽根車４３へ流入することを防止する。

すなわち、炭酸腐食を引き起こす静温低下による液分の凝縮（ＣＯ２に含まれる水分が液化し、その液化した水分にＣＯ２が溶解し、炭酸となること）、及び、その炭酸と金属との接触を抑制することができる。

ホットガスを回転軸３の周方向に、バイパス流路８は回転軸３の周方向に複数本形成することが好ましい。ホットガスを回転軸３の周方向に、一様に供給することができるためである。なお、その本数は圧縮機１００の仕様によって決定される。

本実施例によれば、高圧・高温で液分が含まれないホットガスが、中間ステージラビリンス７と回転体（羽根車４３）との隙間に供給される。供給されたホットガスは、上流Gr.最終段（羽根車４３）から、中間ステージラビリンス７と回転体（羽根車４３）との隙間を通過して、下流Gr.初段（羽根車４４）へ供給される。

このホットガスの供給により、圧縮機１００外へ、一度、排出され、冷却され、再度注入された、湿度１００％のＣＯ２が、中間ステージラビリンス７を通過して、上流Gr.最終段（羽根車４３）への流入することを抑制する。

中間ステージラビリンス７にて、下流Gr.初段（羽根車４４）側から上流Gr.最終段（羽根車４３）側への方向に、ＣＯ２（プロセス流体）が流入すると、隙間通過時の流速増大により、ＣＯ２の静温が低下する。

このＣＯ２は、湿度が１００％であるため、静温低下に伴い、ＣＯ２に含まれる水分が液化し、その液化した水分にＣＯ２が溶解し、炭酸となる。炭酸と金属との接触は、炭酸腐食を引き起こし、中間ステージラビリンス７を損傷させる可能性がある。

さらに、中間ステージラビリンス７に炭酸腐食が発生した場合には、回転体（羽根車４３）と静止体（中間ダイアフラム６）との隙間が拡大し、漏れ流量の増大につながる。漏れ流量が増大すると、圧縮機１００の内部で循環する流量が増大することになり、圧縮機１００の性能低下（効率低下）につながる恐れがある。

また、炭酸腐食が継続した場合、羽根車４３（下流Gr.初段）を損傷させる可能性があり、圧縮機１００の振動過大となる可能性がある。

つまり、本実施例に記載する圧縮機１００は、中間ステージラビリンス７の炭酸腐食を抑制し、中間ステージラビリンス７の損傷を防止し、圧縮機１００の性能低下（効率低下）を抑制することができ、更には、羽根車４３（下流Gr.初段）の損傷を抑制し、圧縮機１００の振動過大を防止することができる。

なお、中間ステージラビリンス７の炭酸腐食を抑制するためには、中間ステージラビリンスを、炭酸腐食に対して耐腐食性を有する材質で形成することが考えられる。すなわち、耐腐食性を有するステンレス（ステンレス鋼）製の中間ステージラビリンスを使用することが考えられる。

一方、本実施例では、炭酸腐食を引き起こす静温低下による液分の凝縮を防ぐことにより、中間ステージラビリンス７の炭酸腐食を抑制する。つまり、本実施例では、中間ステージラビリンス７に、比較的柔らかいアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製の中間ステージラビリンスを使用することができる。

また、本実施例では、中間ステージラビリンス７は、回転体３側構造物と接触しない非接触型のアルミニウム製のラビリンスフィンを使用する。つまり、本実施例に記載する圧縮機１００は、回転体３側構造物と中間ステージラビリンス７のラビリンスフィンの先端とは接触しない。

しかし、圧縮機１００の運転中に、万一、回転体３側構造物と中間ステージラビリンス７のラビリンスフィンの先端とが接触した場合であっても、アルミニウム製のラビリンスフィン（アルミニウム製の中間ステージラビリンス７）を使用することにより、回転体３側構造物が損傷することはなく、むしろ、中間ステージラビリンス（ラビリンスフィン）７が損傷する可能性が高い。

なお、中間ステージラビリンス７の交換は、回転体３側構造物の交換よりも、容易である。したがって、中間ステージラビリンス（ラビリンスフィン）７は、アルミニウム製とすることにより、本実施例に記載する圧縮機１００は、メンテナンス性も向上する。

一方、ステンレス製の中間ステージラビリンスを使用する場合には、こうした接触により、回転体３側構造物が損傷することが懸念される。このため、ステンレス製の中間ステージラビリンスを使用する場合には、こうした接触を確実に防止する必要があり、ステンレス製の中間ステージラビリンスと回転体３側構造物との隙間を、アルミニウム製の中間ステージラビリンスと回転体側構造物との隙間に比較して、大きくする必要がある。

こうした隙間を大きくすると、中間ステージラビリンス７における漏れ流量が増加し、圧縮機１００の性能低下（効率低下）につながる恐れがある。

本実施例に記載する中間ステージラビリンス（ラビリンスフィン）７は、アルミニウム製であるため、こうした隙間を必要以上に大きくする必要がなく、圧縮機１００の性能低下（効率低下）を抑制することができる。そして、中間ダイアフラム６にバイパス流路８を、中間ステージラビリンス７に貫通孔９を、それぞれ形成することにより、中間ステージラビリンス７の炭酸腐食を抑制し、圧縮機１００の性能低下（効率低下）を抑制することができる。

つまり、本実施例に記載する圧縮機１００は、炭酸腐食を引き起こす静温低下による液分の凝縮を防ぐことができ、その炭酸と金属との接触を抑制することができるため、中間ステージラビリンス７の材質を、アルミニウム製とすることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。

１ ケーシング
２ ロータ
３ 回転軸
４ 羽根車
５１ 吐出流路
５２ 吸込流路
６ 中間ダイアフラム
７ 中間ステージラビリンス
８ バイパス流路
９ 貫通孔

Claims (5)

1. 複数の羽根車が設置された回転軸と、
   初段の前記羽根車と最終段の前記羽根車との間で、流体を、一度、機外へ排出する吐出流路と、
   初段の前記羽根車と最終段の前記羽根車との間で、排出された流体を、再度、機内へ注入する吸込流路と、
   前記吐出流路と前記吸込流路との間に設置された中間ダイアフラムと、
   前記吐出流路と前記吸込流路との間をシールする中間ステージラビリンスと、
   を有し、
   前記中間ダイアフラムは、前述吐出流路に流れる前記流体の一部を、前記中間ステージラビリンスに供給するバイパス流路を有することを特徴とする遠心多段圧縮機。
2. 前記中間ステージラビリンスは、前記中間ダイアフラムに設置されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心多段圧縮機。
3. 前記中間ステージラビリンスは、前記バイパス流路を流れる流体を通す貫通孔を有することを特徴とする請求項２に記載の遠心多段圧縮機。
4. 前記流体が、ＣＯ２であることを特徴とする請求項１に記載の遠心多段圧縮機。
5. 前記中間ステージラビリンスは、アルミニウム製であることを特徴とする請求項１に記載の遠心多段圧縮機。

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