JP2011017319A - 遠心型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心型流体機械において、中空セル構造を有するシールを容易に製造すると共に、回転軸の励振を低減できる遠心型流体機械を提供する。
【解決手段】遠心型流体機械は、流体を昇圧する遠心羽根車と、この遠心羽根車によって昇圧された流体が回転部と静止部との隙間を通ることを抑制する多数の中空セルを有する環状シールとを備える。環状シールは、内径櫛歯型リング部品２２ａと薄板リング部品２２ｂとの積層構造によって多数の矩形形態の中空セルを構成する。環状シールは、前記薄板リング部品と前記内径櫛歯型リング部品を交互に軸方向に積層した状態で拡散接合により結合され、機械加工により所定の形状・寸法に加工される。
【選択図】図３

Description

本発明は、環状シールを備えた遠心型流体機械に係り、特に、炭化水素ガスや炭酸ガスをはじめ各種ガスを取扱う遠心型流体機械、例えば油田や天然ガス、石油化学のプラントなどに好適な高圧用途の多段遠心圧縮機に関する。

油田や天然ガス、石油化学のプラントに用いられている一般的な多段遠心圧縮機の最終段遠心羽根車回りの構造を図８に示す。この多段遠心圧縮機は、回転による遠心力で流体を昇圧する流体機械である。

図示しない外部から入力される駆動力によって、回転軸１が回転すると、それに固定された最終段の遠心羽根車２が連続的に流体を昇圧する（白矢印で示す）。遠心羽根車２で昇圧された流体は、その遠心羽根車２の入り口側へ逆流（矢印で示す）しようとするので、それを制限するためにマウスシール２０が設けられる。多段遠心圧縮機では、段毎に流体圧力が増加するので、軸方向において段間に圧力差が発生する。昇圧された流体が前段へ逆流する量を制限するためにステージシール２１が設けられる。最終段の遠心羽根車２の背面には、回転軸１に加わる軸方向推力をバランスさせるために、バランスピストン３が回転軸１に固定される。そして、最終段の遠心羽根車２で昇圧された流体が、このバランスピストン３を越えて低圧部へ流れ出る量を制限するために、バランスピストンシール２２が設けられる。絶対圧力としても、差圧としても、このバランスピストンシール２２にかかる圧力が他のシール２０、２１にかかる圧力と比べて最も大きい。遠心羽根車２のまわりに配置されるこれらのシール２０〜２２には、一般的にラビリンスシールが用いられる。

高圧用途の遠心圧縮機では、これらのシール２０〜２２を通過する流体による流体力が大きくなり、回転軸１の安定性に影響を及ぼす。この流体力は、絶対圧力、差圧が最も大きいバランスピストンシール２２において、最も大きくなる。バランスピストンシール２２における流体力が回転軸１を不安定化するかどうかは、バランスピストンシール２２を通過する流体の旋回成分が大きく関係する。即ち、羽根車側からバランスピストンシール２２へ流れ込む流体は、回転方向の旋回成分を持っており、この旋回成分が回転軸１の固有振動モードの前回りモードを励振する。

回転軸の安定性を向上させる従来の遠心型流体機械としては、特許文献１（特開２００３−２８０９４号）に示されたものがある。この遠心型流体機械は、回転軸に沿う高圧部から低圧部への流体漏れを防止すべく、同回転軸の周面とこれに近接する静止部（ステータ）との間に、多数の小さい中空セルをハニカム形態で備える環状シールを備える。振動の減衰作用は、一般的にハニカムシールの小さいセル構造によるものである。すなわち、該小さいセル構造によって形成される高圧空間と低圧空間の連なりが、放出される流体の減速と加速を連続させ、徐々にエネルギーと圧力を失わせ、振動を減衰させるものである。

特開２００３−２８０９４号公報

しかし、特許文献１などに示されるハニカムシールは、金属材料を構造体にロー付けした後、内側表面を加工して形成されるので、構造が複雑で製造がかなり困難であった。

本発明の目的は、多数の中空セルを有する環状シールを作業工数の少ない容易な作業で製造できる遠心型流体機械を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、流体を昇圧する遠心羽根車と、前記遠心羽根車を駆動する回転軸と、前記遠心羽根車によって昇圧された流体が回転部と静止部との隙間を通ることを抑制する複数の中空セルを有する環状シールと、を備えた遠心型流体機械において、
前記環状シールは、薄板リング部品と、内径側に櫛歯型を有し内径が該薄板リング部品と等しい内径櫛歯型リング部品からなり、これら両リング部品を交互に軸方向に積層した積層構造によって多数の中空セルが構成されたことを特徴とする。

また、上記記載の遠心型流体機械において、前記環状シールは、前記薄板リング部品と前記内径櫛歯型リング部品を交互に軸方向に積層した状態で拡散接合により結合され、次いで機械加工により所定の形状・寸法に加工されることを特徴とする。

係る構成の本発明の遠心型流体機械によれば、環状シールの中空セルを容易に形成でき、回転軸の励振を低減できる。

本発明の一実施実施形態の多段遠心圧縮機の最終段の遠心羽根車周りの断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 薄板リング部品と内径櫛歯型リング部品の加工前の積層状態の説明図である。 図２のＣ方向矢視図である。 内径櫛歯型リング部品の形状を説明する図である。 薄板リング部品の形状を説明する図である。 従来の多段遠心圧縮機の最終段遠心羽根車周りの断面図である。

以下、本発明の遠心型流体機械の一実施形態について図1から図７を用いて説明する。なお、図１から図７と図８における同一符号は同一物または相当物を示す。

まず、図１を参照しながら本実施形態の遠心型流体機械５０について説明する。図１は本実施形態の多段圧縮機５０の最終段遠心羽根車まわりの断面図である。本実施形態の多段遠心圧縮機５０は、油田や天然ガス、石油化学のプラントに用いられる高圧用途の多段遠心圧縮機である。３０ａ，３０ｂ，３０ｃは静止部としての圧力隔壁で、回転軸１に固定された、回転部としての遠心羽根車の吸込み部２ａ，スリーブ４，バランスピストン３にそれぞれ所定間隔をおいて対向するように構成されている。

回転軸１は図示しない外部駆動源から入力される駆動力によって回転される。回転軸１が回転すると、それに固定された遠心羽根車２（回転部）が連続的に流体を昇圧する。遠心羽根車２は、回転軸１に多段に装着されて回転軸１と共に回転し、各段毎に流体を中心部側面から吸込み昇圧して外周から吐出する（白矢印で示す）。各段の遠心羽根車２の間には、スリーブ４が介在されている。

遠心羽根車２で昇圧された流体は、その遠心羽根車２の入口側（吸込み部２ａ）に逆流しようとするが、それを制限するためにマウスシール２０が設けられている。マウスシール２０は、圧力隔壁３０ａの内周面の環状の溝に装着され、圧力隔壁３０ａと遠心羽根車２の吸込み部２ａとの隙間をシールする。マウスシール２０には、軸方向に複数条のシールフィン２０ａが形成されたラビリンスシールが用いられている。

多段遠心圧縮機では、段間で流体圧力が増加するので、圧力上昇した流体が前段に逆流する量を制限するためにステージシール２１が設けられている。ステージシール２１は、各段を区画する圧力隔壁３０ｂの内周面に装着され、圧力隔壁３０ｂとスリーブ４との隙間をシールする。ステージシール２１には、軸方向に複数条のシールフィン２１ａが形成されたラビリンスシールが用いられている。

最終段の遠心羽根車２の背面には、軸方向推力をバランスさせるために、バランスピストン３が回転軸１に固定されている。バランスピストン３の低圧側（図１の左側）は、ストレートスルー式の場合には初段遠心羽根車の吸い込み部に接続され、バックトゥーバック式の場合には低圧グループの最終段遠心羽根車出口に接続されている。そのため、バランスピストン３のシール部には大きな差圧が働くことになる。

最終段の遠心羽根車２で昇圧された流体がこのバランスピストン３を越えて低圧部へ流れ出る量を制限するために、バランスピストンシール２２が設けられている。バランスピストンシール２２は、最終段圧力隔壁３０ｃの内周面に装着され、最終段圧力隔壁３０ｃとバランスピストン３との隙間をシールする。バランスピストンシール２２には、多数の矩形形状の中空セル２２ｃが形成された環状シールが用いられている。このバランスピストンシール２２にかかる圧力は、絶対圧力としても、差圧としても、他のシール２０、２１にかかる圧力と比べて最も大きい。

次に、図１から図７を参照しながら、バランスピストンシール２２に関して説明する。図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図、図５は図２のＣ方向矢視図である。なお、図２から図７では、構成要素を一部省略して表す。

図３に示すように、バランスピストンシール２２は、二つ割形式の内径櫛歯型リング部品２２ａと薄板リング部品２２ｂとから構成される。内径櫛歯型リング部品２２ａは、単独では図６に示すようにリング状の部品の内側に櫛歯が形状されており、板材の打ち抜き等により形成される。薄板リング部品２２ｂは、単独では図７に示すように単なるリング状で、同じく板材の打ち抜き等により形成される。両部品２２ａ，２２ｂは、外径と内径がそれぞれ同一のｒ１とｒ２に設定され、板厚は内径櫛歯型リング部品２２ａが薄板リング部品２２ｂより板厚が厚く設定される。

上記該内径櫛歯型リング部品２２ａと薄板リング部品２２ｂは、図４、図５に示すように、矢印で示す軸方向に交互に積層して組立てられ、部品２２ａの櫛歯部分と部品２２ｂによって、図５の矢視図に示すような多数の矩形形態の中空セル２２ｃが構成される。一個の中空セル２２ｃの大きさは、内径櫛歯型リング部品２２ａの櫛歯のピッチ及び板厚により決められる。該内径櫛歯型リング部品２２ａと薄板リング部品２２ｂは、例えば拡散接合によって接合される。拡散接合は、部品を密着させた状態で高温保持し、原子を拡散させることで金属結合を得る方法である。

具体的には、内径櫛歯型リング部品２２ａと薄板リング部品２２ｂとを交互に重ねた状態で真空ホットプレス炉に入れ、この炉内で加圧密着させた状態で高温保持することで拡散接合がなされる。均一な接合品質を得るためには、図４に示すように同じ外径，内径で製作した内径櫛歯型リング部品２２ａと薄板リング部品２２ｂとを積層して、加圧が全周にわたって均一になるようにして拡散接合する。この拡散接合によれば、きわめて簡単な作業で高品質の接合ができる。

拡散接合によって一体となった図４に示す部品は、機械加工により図３に示すように、逆Ｔ字状に形成される。上方で軸方向の両端に突出して形成された突部２２ｄは、最終段圧力隔壁３０ｃの内周面の環状の溝に装着されたときに、抜け止め用の突起となる。

上記のようにバランスピストンシール２２に中空セル構造を形成するのに、無垢材から削り出して製作する場合は、作業簡単化のためにセル構造を丸穴で形成したとしても、膨大な数の穴あけ加工が必要となって作業工数が膨大となる。本実施形態では、簡単な打ち抜きで得られた薄板リングと櫛歯型リングとを単に交互積層して接合することにより、バランスピストンシール２２を形成できるので、製作コストの大幅な低減を図ることができる。

バランスピストンシール２２に形成された多数の中空セル２２ｃは、高圧から低圧の間に並んだ状態に配置され、高圧空間から順に低圧空間となる中空セルの連なりとなって、連続して放出される流体が各中空セル２２ｃで順番に減速と加速が繰り返され、徐々にエネルギーと圧力を失わせ、振動を減衰させることができる。中空セルの形状が矩形であってもハニカム（六角形）と同様の効果を発揮するものである。

薄板リング２２ｂと、内径側に櫛歯型を有し内径ｒ２が該薄板リング２２ｂと等しいリング２２ａ、とからなる積層構造によって多数の矩形形状の中空セル２２ｃを構成した環状シールは、バランスピストンシール２２に限定されるものではなく、マウスシール２０やステージシール２１にも適用可能である。

１…回転軸、２…遠心羽根車、２ａ…遠心羽根車の吸込み部、３…バランスピストン、４…スリーブ、２、２ａ、３、４…回転部、２０…マウスシール、２０ａ…マウスシールシールフィン、２１…ステージシール、２１ａ…ステージシールシールフィン、２２…バランスピストンシール、２２ａ…内径櫛歯型リング部品、２２ｂ…薄板リング部品、２２ｃ…中空セル、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…圧力隔壁（静止部）。

Claims (2)

1. 流体を昇圧する遠心羽根車と、前記遠心羽根車を駆動する回転軸と、前記遠心羽根車によって昇圧された流体が回転部と静止部との隙間を通ることを抑制する複数の中空セルを有する環状シールと、を備えた遠心型流体機械において、
   前記環状シールは、薄板リング部品と、内径側に櫛歯型を有し内径が該薄板リング部品と等しい内径櫛歯型リング部品からなり、これら両リング部品を交互に軸方向に積層した積層構造によって多数の中空セルが構成されたことを特徴とする遠心型流体機械。
2. 請求項１記載の遠心型流体機械において、前記環状シールは、前記薄板リング部品と前記内径櫛歯型リング部品を交互に軸方向に積層した状態で拡散接合により結合され、次いで機械加工により所定の形状・寸法に加工されることを特徴とする遠心型流体機械。

Images