JP7371279B2 - シール要素を有するコンプレッサロータ - Google Patents

Description

開示される実施形態は、概して、ターボ機械の分野に関し、より詳細には、コンプレッサなどのターボ機械用のロータ構造に関する。

ターボ機械は、プロセス流体の圧縮、熱エネルギーの機械的エネルギーへの変換、流体の液化などを行うために、石油およびガス産業において広く使用されている。このようなターボ機械の一例は、遠心コンプレッサのようなコンプレッサである。

図１は、ターボ機械、例えばこれに限定されないが、遠心コンプレッサを伴う工業的用途に使用され得る、開示されるロータ構造の１つの非限定的な実施形態の部分断面図を示す。 図２は、コンプレッサロータのための開示されたシール要素と、シール要素がその上に固着された２つの隣接するロータ構成要素との１つの非限定的な実施形態の拡大断面図を図示している。シール要素は、第１の位置（例えば、組立前の位置）と第２の位置（例えば、組立位置）との間で移動可能である。図２は、組立前の位置にあるときの開示されたシール要素を示す。 図３は、組立位置にあるときの、図２に示された開示されたシール要素を示す。 図４は、組立位置にあるときのシール要素の破線のアウトラインを示す図２と図３の重ね合わせである（図３）。シール要素の破線のアウトラインは、図２に示す組立前の位置にあるとき、シール要素に重ねられる。 図５は、開示されたシール要素と、その上にシール要素が貼付されている２つの隣接するロータ構成要素との、別の非限定的な実施形態の拡大断面図を示す。シール要素は、組立前の位置と組立位置との間で移動可能である。図５は、組立前の位置にあるときの開示されたシール要素を示す。 図６は、組立位置にあるときの、図５に示された開示されたシール要素を示す。 図７は、組立位置（図６）にあるときのシール要素の破線のアウトラインを示す図５と図６の重ね合わせである。シール要素の破線のアウトラインは、図５に示す組立前の位置にあるとき、シール要素に重ねられる。

当業者に理解されるように、遠心コンプレッサのようなターボ機械は、タイボルト構造（スルーボルト又はタイロッド構造とも呼ばれる）のロータを伴うことがあり、タイボルトは、複数のインペラ本体を支持し、隣接するインペラ本体は、ハースカップリング又は曲線カップリングを伴うような弾性的に平均化されたカップリング技術を用いて相互に連結することができる。これらの結合タイプは、異なる形態のフェースギヤの歯（それぞれ直線と曲線）を使用して、２つの構成要素間に堅牢な結合を形成する。

これらのカップリングおよび関連する構造は、例えば、ゼロ回転／分（ＲＰＭ）の初動ロータ速度から最大ロータ速度（例えば、数万ＲＰＭを伴う場合がある）まで、大幅に変化する力（例えば、遠心力）を受けることがある。さらに、これらのカップリング及び関連の構造は、コンプレッサによって処理されるプロセス流体内に存在する可能性がある汚染物質及び／又は副産物に曝される可能性がある。そのように曝されている場合、そのようなカップリングおよび関連構造は、その長期耐久性に影響を及ぼす可能性があるような方法で影響を受ける可能性がある。例として、二酸化炭素（ＣＯ_２）、液体水、高圧レベルの組合せは、特定の鉄鋼構成要素を腐食、錆、ピットを発生させる化学化合物である炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）の形成につながる可能性がある。物理的破片がプロセス流体中にも存在する可能性があり、それは、もしハースカップリングおよび関連構造物に到達できれば、潜在的にそれらの機能性および耐久性に影響を及ぼす可能性がある。

以上のことを考慮して、本発明者は、例えば、遠心コンプレッサにおいて一貫した高性能及び長期耐久性を達成することは、適切な密封構造でそれぞれのハースカップリングを適切に覆い、コンプレッサによって処理されるプロセス流体のそれぞれのハースカップリング上への通過を抑制し、従って、上述した問題を改善する、開示された実施例を含むことができることを認識した。

以下の詳細な説明では、そのような実施形態の完全な理解を提供するために、様々な特定の詳細が記載されている。しかしながら、当業者は、開示された実施形態がこれらの特定の詳細なしに実施され得ること、本発明の態様が開示された実施形態に限定されないこと、および本発明の態様が様々な代替実施形態で実施され得ることを理解するであろう。他の例では、当業者によってよく理解されるであろう、方法、手順、および構成要素は、不必要かつ負担のかかる説明を避けるために詳細に説明されていない。

さらに、種々の動作は、本発明の実施形態を理解するのに役立つ方法で行われる複数の離散的なステップとして説明され得る。しかし、説明の順位は、これらの動作が提示される順番に実行される必要があることを意味するものと解釈すべきではなく、また、別段の指示がない限り、偶数の順位に依存するものと解釈すべきではない。さらに、「一実施形態における」という語句の繰り返し使用は、必ずしも同一の実施形態を指すものではないが、それを用いてもよい。開示された実施形態は、所与の用途の必要性に応じて、当業者によって適切に組み合わされ得るので、相互に排他的な実施形態と解釈される必要はないことに留意されたい。

図１は、限定されるものではないがコンプレッサ（例えば、遠心コンプレッサなど）などのターボ機械を伴う工業的用途に使用され得る、開示されるロータコンプレッサ１００の１つの非限定的実施形態の要部断面図を示す。

開示された一実施形態において、タイボルト１０２は、タイボルト１０２の第１の端部と第２の端部との間で、ロータ軸１０３に沿って延びる。視覚的なクラッタリングを避けるために、本開示の目的のために、タイボルト１０２の各端部に関連する構造的及び／又は作動的関係は同じであるので、タイボルトの一端部だけが図示されている。ロータシャフト１０４はタイボルト１０２の第１の端部に固定されてもよい。第２のロータシャフトは、タイボルトの第２の端部に固定されてもよい（上述のように、タイボルトの第２の端部も第２のロータシャフトも示されていない）。ロータシャフトは、当該技術分野ではスタブシャフトと呼ばれ得る。特定の実施形態では、２つよりも多いロータシャフトが関与してもよいことが理解されるであろう。

複数のインペラ本体がロータシャフトの間に配置されタイボルト１０２によって支持されていてもよい。例証を簡単にするために、第１のインペラ本体１０６_１と第２のインペラ本体１０６_２の一部のみが図１に示されている。実例として、インペラ本体１０６_１の裏側は、ハースカップリング１０８を介してロータ軸１０３周りに回動するために、インペラ本体１０６_２の入口側に機械的に連結されている。図示の実施例では、更なるハースカップリング１０９を使用して、インペラ本体１０６_１の入口側を隣り合うロータシャフト１０４と機械的にそれぞれ結合することができる。インペラ本体及びハースカップリングの前述の配置は単なる一例であり、限定的な意味で解釈すべきではないことが理解されるであろう。

シール要素１２０が、任意の２つの隣接するインペラ本体（例えば、隣接するインペラ本体１０６_１、１０６_２）のそれぞれの外面に貼付されている。シール要素１２０は、コンプレッサによって処理される処理液のそれぞれのハースカップリング１０８上への通過を抑制するのに隣り合うインペラ本体１０６_１、１０６_２間の円周方向に延びる間隔１２６にまたがるように（例えば、３６０°に沿って）配置することができる。同様に、シール要素１３０が、インペラ本体と、これに隣接するロータシャフト（例えば、インペラ本体１０６_１と、これに隣接するロータシャフト１０４）とのそれぞれの外面に取り付けられて、コンプレッサによって処理される処理液のハースカップリング１０９上への通過を抑制する。

以下でより詳細に説明するように、シール要素１２０は、第１の位置（組立前の位置）と第２の位置（組立後の位置）との間でそれぞれ移動可能であり得る。シール要素１２０の前述の可動特徴は、シール要素１３０に同様に適用できる。図２は、第１の位置にある場合のシール要素１２０を示しており、図３は、第２の位置にある場合のシール要素１２０を示している。

図４は、組立位置（図３）にあるときのシール要素の外形（破線によって概略的に表される）を示す図２及び図３の重ね合わせであり、これは、図２に示す組立前の位置にあるときのシール要素に重ね合わされる。

図２および図３でより良く理解されるように、シール要素１２０は、例えば、第２のロータ構成要素１０６”に機械的に結合された第１の端部１２１と、第１のインペラ本体１０６’に機械的に結合された第２の端部１２３とを有してもよい。一般に、第２のロータ構成要素１０６”は、第１のインペラ本体１０６’に隣接する第２のインペラ本体、ロータ軸またはバランスピストンのような任意の所与のロータ構成要素であってもよく、図１のコンテキストで上述したように、ハースカップリングによってロータ軸を中心に回転するために第１のインペラ本体１０６’に機械的に接続される。従って、以下の説明は、第２のロータ構成要素１０６”がインペラ本体、ロータシャフト又はバランスピストンの何れであるかに関わらず同様に適用することができ、説明の簡略化のために、第１のインペラ本体１０６’を第２のロータ構成要素１０６”に接続するヒースカップリングは、図２－７には図示されていない。

限定するものではないが、第１のインペラ本体１０６’は、ロータ軸に対して固定される第１の角度を有する円錐台形状の外面１４０を画定することができる。シール要素１２０の第２の端部１２３は、ロータ軸に対して弾性的に変更可能な第２の角度を有し、したがって円錐台形状の外面１４０に対して変更可能な円錐台形状の内面１４２を画定することができる。

図２において理解できるように、第１の位置（例えば、組立前の位置）では、円錐台形状の外面１４０の第１の角度および円錐台形状の内面１４２の第２の角度は、円錐台形状の外面１４０を有するシール要素１２０の第２の端部１２３の初期接触点を画定し得るような円錐台形状の面１４０、１４２が点１４４で互いに接触することを可能にするようなものである。図３において理解されるように、第２の位置（例えば、組立位置）では、円錐台形状の外面１４０の第１の角度および円錐台形状の内面１４２の第２の角度は、双頭矢印１４６によって概略的に表されるように、円錐台形状の面１４０、１４２が面と面との係合を行うことを可能にするようなものである。

すなわち、第１のインペラ本体１０６’に対して第２のロータ構成要素１０６”によって加えられた軸方向圧縮荷重に応答するようなシール要素１２０の円錐台形状の内面１４２は、シール要素１２０が第２のロータ構成要素１０６”と共に第１のインペラ本体１０６’に向けてシール要素１２０の第１の軸方向端部１２１と反対の方向に移動し、第１のインペラ本体１０６’の円錐台形状の外面１４０に係合するにつれて、シール要素１２０の円錐台形状の内面１４２を弾性的に屈曲させる。シール要素１２０の円錐台形状の内面１４２が撓むことにより、シール要素はばね荷重状態にされ、これは次に、第１のインペラ本体１０６’の円錐台形状の外面１４０に円周方向にクランプするように配置された付勢力を発生させる。例えば、シール要素１２０は、サービス作業のために、第２の位置（組立位置）から第１の位置に移動可能であり、この場合には、シール要素１２０のユーザフレンドリな除去及び／又は置換えが可能になることが理解される。

図２－３に示すように、第２のロータ構成要素１０６”は、円筒状の外面１４１を含むことができ、この場合、シール要素１２０の第１の端部１２１は、すべりばめ（slip fit）によって、又は締まりばめ（当該技術分野では「圧入ばめ」とも呼ばれる）によって円筒状の外面１４１に固着することができ、これは、例えば、シール要素１２０の第１の端部１２１を第２のロータ構成要素１０６”の円筒状の外面１４１に固着するための焼きばめ技術を含むことができる。

１つの非限定的な実施形態においては、第１の円周方向に延びる溝１６０を第１のインペラ本体１０６’の円錐台形状の外面１４０内に配置し、第１のシール部材１６２を溝１６０内に配置して、第１のインペラ本体１０６’の円錐台形状の外面１４０とシール要素１２０との間にシールを形成してもよい。

１つの非限定的な実施態様において、第２の円周方向に延在する溝１７０を第２のロータ構成要素１０６”の円筒状の外面１４１内に配置し、第２のシール部材１７２を溝１７０内に配置して、第２のロータ構成要素１０６”の円筒状の外面１４１とシール要素１２０との間にシールを形成することができる。

これに限定されるものではないが、シール部材１６２又はシール部材１７２は、エラストマー材料又はＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン）材料のような非エラストマー材料、Ｃ形シール部材、リーフシール部材、オメガ形シール部材、金属製シール部材、金属布シール部材又は他のシール部材を含むことができるＯリングシール部材とすることができる。当業者には理解されるように、金属布シールは、織り、編み、または他の方法で織物の層にプレスすることができる、金属、セラミックまたはポリマー繊維のような高温耐性材料を含むことができる。

図４において理解されるように、角度θは、第１のインペラ本体１０６’の円錐台形状の外面１４０上に円周方向にクランプするために第２の位置（例えば、組立位置）にあるときにシール要素１２０の円錐台形状の内面１４２”が撓むことになる角度を概略的に表す。円錐台形状の内面１４２’は、第１の位置にあるときにシール要素１２０を示し、円錐台形状の内面１４２’は、円錐台形状の面１４０、１４２’が点１４４で互いに接触することを許容する角度にある。

１つの非限定的な実施形態において、図２－３に示されるように、第１のインペラ本体１０６’は、第１の輪郭を有する第１の外面１４８を画定することができ、第２のロータ構成要素１０６”は、第２の輪郭を有する第２の外面１５０を画定することができ、シール要素１２０は、第１の輪郭と第２の輪郭との間に連続した輪郭遷移を提供する外面１２２を画定することができる。

図２－３に示す実施形態では、シール要素１２０の外面１２２は、第１のインペラ本体１０６’の第１の外面１４８によって画定された第１の輪郭と、第２のロータ構成要素１０６”の第２の外面１５０によって画定された第２の輪郭との間の曲線状の輪郭移行を含むことができる。すなわち、シール要素１２０の外面１２２によって画定される輪郭遷移は、曲線輪郭形状などの、輪郭形状の特異なタイプを含むことができる。

比較として、図５－６に示される実施形態では、シール要素１２０’の外面１２２’は、シール要素１２０’の第１の端部１２１から点１２５（シール要素１２０’の第１の端部１２１と第２の端部１２３との間）まで延在する円筒状輪郭を含むことができ、この場合、シール要素１２０’の外面１２２’は、非円筒状輪郭、例えば曲線状輪郭に変化する。すなわち、シール要素１２０’の外面１２２’によって画定される輪郭遷移は、円筒状輪郭と曲線状輪郭のような２つの異なるタイプの輪郭形状を含むことができる。

シール要素１２０に関連する図２－４の文脈で上述したさらなる構造的および／または動作的特徴は、シール要素１２０’にも同様に適用可能である。例えば、シール要素１２０’は、第１の位置（組立前の位置）と第２の位置（組立位置）との間でそれぞれ移動可能である。図５は、第１の位置にあるときのシール要素１２０’を示し、図６は、第２の位置にあるときのシール要素１２０’を示す。図７は、組立位置（図６）にあるとき、シール要素１２０’の外形（破線によって概略的に表される）を示す図５及び図６の重ね合わせであり、これは、図５に示す組立前の位置にあるとき、シール要素１２０’に重ね合わされる。したがって、そのような構造的および／または動作的特徴は、図２－４の文脈で十分に詳細に説明されている。ここでは、リーダを重荷と歩数の繰り返しから予備するために、繰り返しは行われないだろう。

動作に際して、開示された実施形態は、ハースカップリングを覆うように適切に配置され、コンプレッサによって処理されているプロセス流体のそれぞれのハースカップリング上への通過を抑制し、従って、汚染物質、化学的副産物、及び／又は物理的破片に対するハースカップリング及び関連構造の潜在的な露光を抑制するのに有効なシール要素を使用する。

動作において、開示された実施形態は、隣接するインペラ本体又はロータシャフト及び隣接するインペラ本体のような、任意の２つの隣接するロータ部品のそれぞれの外面上へのシール要素のユーザフレンドリな組立を可能にする。追加的に、開示された実施形態により、シール要素を、例えば、サービス作業を容易にする、２つのこのような隣接するロータ部品のそれぞれの外面から、ユーザに優しい分解が可能になる。

本開示の実施の形態は、例示的な形態で開示されたが、以下の特許請求の範囲に記載されるように、発明およびその同等物の範囲から逸脱することなく、その中に多くの修正、追加、および削除を行うことができることは、当業者には明白であろう。

Claims (17)

1. ロータ軸に沿って伸びるタイボルトと、
   前記タイボルトに連結された第１のロータシャフトと、
   前記タイボルトに連結された第２のロータシャフトと、
   前記第１のロータシャフトと前記第２のロータシャフトとの間に配置される第１のインペラ本体であって、前記ロータ軸に対して第１の角度を有する円錐台形状の外面を含む、第１のインペラ本体と、
   前記第１のロータシャフトと前記第２のロータシャフトとの間に配置される第２のインペラ本体と、
   前記ロータ軸を中心に回転するように、前記第１のインペラ本体と前記第２のインペラ本体とを結合するように配置されたハースカップリングと、
   前記第２のインペラ本体に結合された第１の端部と、前記ロータ軸に対して変更可能な第２の角度を有する円錐台形状の内面を画定する第２の端部と、を有するシール要素であって、前記円錐台形状の外面の前記第１の角度と前記円錐台形状の内面の前記第２の角度が前記円錐台形状の外面と前記円錐台形状の内面とを点で互いに接触することを可能にする組立前の位置と、前記円錐台形状の外面の前記第１の角度と前記円錐台形状の内面の前記第２の角度が前記円錐台形状の外面と前記円錐台形状の内面を面と面で係合することを可能にする組立位置と、の間で移動可能な、シール要素と、
   を有するコンプレッサロータ。
2. 前記第１のインペラ本体が、第１の輪郭を有する第１の外面を画定し、
   前記第２のインペラ本体が、第２の輪郭を有する第２の外面を画定し、
   前記シール要素が、前記第１の輪郭と前記第２の輪郭との間の連続した遷移を提供する外面を画定する、
   請求項１に記載のコンプレッサロータ。
3. 前記シール要素の前記外面が、前記シール要素の前記第２の端部から前記シール要素の前記外面が非円筒状輪郭に遷移する点まで延びる円筒状輪郭を備える、請求項２に記載のコンプレッサロータ。
4. 前記第２のインペラ本体が円筒状の外面を含み、前記シール要素の前記第１の端部は、すべりばめ又は締まりばめによって前記円筒状の外面に固着されている、請求項１に記載のコンプレッサロータ。
5. 前記第１のインペラ本体の前記円錐台形状の外面にある第１の円周方向に延びる溝と、
   前記溝内に位置決めされ、前記第１のインペラ本体の前記円錐台形状の外面と前記シール要素との間にシールを形成する第１のシール部材と、
   をさらに備える請求項４に記載のコンプレッサロータ。
6. 前記第１の円周方向に延びる溝内の前記第１のシール部材が、Ｏリングである、請求項５に記載のコンプレッサロータ。
7. 前記第２のインペラ本体の前記円筒状の面内の第２の円周方向に延びる溝と、
   前記溝内に位置決めされて前記第２のインペラ本体の前記円筒状の外面と前記シール要素との間にシールを形成する第２のシール部材と、
   をさらに備える、請求項５に記載のコンプレッサロータ。
8. 前記第２の円周方向に延びる溝内の前記第２のシール部材が、Ｏリングである、請求項７に記載のコンプレッサロータ。
9. 前記第１及び第２のロータシャフトのそれぞれの１つを、前記ロータ軸に対して第１の角度を有する円錐台形状の外面を有する隣接するインペラ本体に、結合するように配置された更なるハースカップリングと、
   前記各ロータシャフトに結合された第１の端部と、前記ロータ軸に対して変更可能な第２の角度を有する円錐台形状の内面を画定する第２の端部とを有する更なるシール要素であって、前記隣接するインペラ本体の前記円錐台形状の外面の前記第１の角度と前記円錐台形状の内面の前記第２の角度が前記円錐台形状の外面と前記円錐台形状の内面とを点で互いに接触することを可能にする組立前の位置と、前記円錐台形状の外面の前記第１の角度と前記円錐台形状の内面の前記第２の角度が前記円錐台形状の外面と前記円錐台形状の内面を面と面で係合することを可能にする組立位置と、の間で移動可能な、更なるシール要素と、
   を有する請求項１に記載のコンプレッサロータ。
10. 前記隣接するインペラ本体が、第１の輪郭を有する第１の外面を画定し、
    前記それぞれのロータシャフトが、第２の輪郭を有する第２の外面を画定し、
    前記更なるシール要素が、前記隣接するインペラ本体の前記第１の輪郭と前記それぞれのロータシャフトの前記第２の輪郭との間の連続した遷移を提供する更なる外面を画定する、
    請求項９に記載のコンプレッサロータ。
11. 前記それぞれのロータシャフトが円筒状の外面を含み、
    前記更なるシール要素の前記第１の端部が、すべりばめ又は締まりばめによって前記円筒状の外面に固着されている、
    請求項１０に記載のコンプレッサロータ。
12. 前記隣接するインペラ本体の前記円錐台形状の外面にある第１の円周方向に延びる溝と、
    前記溝内に位置決めされ、前記隣接するインペラ本体の前記円錐台形状の外面と前記更なるシール要素との間にシールを形成する第１のシール部材と、
    をさらに備える請求項１１に記載のコンプレッサロータ。
13. 前記第１の円周方向に延びる溝内の前記第１のシール部材が、Ｏリングである、請求項１２に記載のコンプレッサロータ。
14. 前記それぞれのロータシャフトの前記円筒状の面内の第２の円周方向に延びる溝部と、
    前記溝内に位置決めされ、前記それぞれのロータシャフトの前記円筒状の外面と前記更なるシール要素との間にシールを形成する第２のシール部材と、
    をさらに備える請求項１２に記載のコンプレッサロータ。
15. 前記第２の円周方向に延びる溝内の前記第２のシール部材が、Ｏリングであることを特徴とする請求項１４に記載のコンプレッサロータ。
16. 前記第１のシール部材及び／又は前記第２のシール部材が、Ｏリングシール部材、Ｃ字形シール部材、リーフシール部材、オメガ形シール部材、金属製シール部材、及び金属製布製シール部材から成る群から選択される請求項７又は１４に記載のコンプレッサロータ。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載のコンプレッサロータを備える遠心コンプレッサ。
    

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