JP4655123B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機のシール構造に関し、特に、高速・高圧運転時におけるロータの不安定振動の防止に好適である。

空気等の気体を圧縮する遠心圧縮機は、各種の機械に広く利用されている。この遠心圧縮機は、ケーシング内部に、羽根車を装着した回転軸が軸受により回転自由に支持され、吸込口から吸い込まれた気体を、羽根車の回転により圧縮し吐出口から吐出する。羽根車で圧縮された気体は羽根車口金部の口金シール、羽根車段間の中間段シール、および最終段に設けられたバランスピストン部シールによってシールされている。

従来のシール構造としてラビリンスシール、ダンパーシール等が知られている。ラビリンスシールの構造は、例えば特許文献１の図１の遠心圧縮機の任意の羽根車段の断面図に示されているように、ロータと静止部との隙間に多数の環状の歯を有しており、この歯の先端隙間を流れる流体の圧力損失により流体の漏れを減少させている。

ダンパーシールはシール静止部表面に複数の孔を設けたシール構造であり、ホールパターンシール、ハニカムシール等がある。ホールパターンシールの構造は、例えば非特許文献１に示されているように、シール静止部表面に多数の孔（ホール）を有しており、この凹凸面とロータの隙間を流れる流体の圧力損失により流体の漏れを減少させている。また、ハニカムシールとしては、例えば特許文献２や特許文献３があり、特に特許文献２の図１（ｂ）には、ハニカムシールの構造体が明りょうに図示されており、シール静止部表面がハニカム構造であり多数の六角形の孔を有しており、この凹凸面を流れる流体の圧力損失により流体の漏れを減少させるものである。

前記シールにおいて、シールの漏れ流速が円周方向成分を持った状態で軸が径方向に変位するとシール内の円周方向圧力分布に不平衡が生じロータを不安定化させる流体力（以下、「不安定流体力」という。）が発生する。前記不安定流体力は、最悪の場合、ロータの不安定振動を引き起こす。特に、ロータが高速回転する場合やシール入口と出口との差圧が大きい場合には、前記不安定流体力はより大きなものとなる。ラビリンスシールの替わりにホールパターンシールやハニカムシール等のダンパーシールを用いた場合、ラビリンスシールと比較して減衰効果が大きいので、前記不安定流体力によるロータの不安定振動を安定化できることが知られている。

特開平６−２４９１８６号公報 特開平１１−４４２０１号公報 特開２００７−１１３４５８号公報 梶木一俊外２名、ゴミ焼却プラント用高圧蒸気ラジアルタービン、神戸製鋼技報、Vol. 53、No. 2（2003年９月）

ラビリンスシールは漏れ防止特性に優れるが、遠心圧縮機が高圧になると前記不安定流体力は大きくなるのでロータの振動安定性が低下する。ダンパーシールはラビリンスと比較して減衰効果が大きくロータの振動を安定化する。しかし、漏れ防止特性に劣るため圧縮機の効率低下につながってしまう。

本発明の目的は、シールの漏れを抑制しつつ、高速・高圧条件下でも安定した運転を可能とする遠心圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングと、該ケーシングに回転可能に設置された回転軸と該回転軸に装着された羽根車とから成るロータと、前記ケーシング内の静止部と前記ロータの間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止するシールとを備え、羽根車が回転することにより気体を圧縮する遠心圧縮機において、前記シールにおいて、静止部表面に複数の孔を設けたダンパーシール部と環状平行溝を設けたラビリンスシール部を連続して設ける。

また、好ましくは、上記シールにおいて、漏れ流れ方向の高圧側にダンパーシール部、低圧側にラビリンスシール部を配設する。

また、好ましくは、上記シールにおいて、前記ダンパーシール部の漏れ流れ方向の長さをシール全体の長さの半分以下に設定する。

また、好ましくは、上記シールにおいて、前記ダンパーシール部の漏れ流れ方向の長さをシール全体の長さの０．０５以上に設定する。

本発明によれば、ダンパーシール部とラビリンスシール部を連続して設けることにより、ラビリンスシールで漏れを抑制しつつダンパーシールでロータを安定化することができる。さらに、シールの高圧側にダンパーシール、低圧側にラビリンスシールを配設することで、比較的大きな不安定流体力が生じる高圧側において、ダンパーシールにより減衰効果を付与できると共に、漏れ流れ上流である高圧側で漏れ流速の円周方向成分を低減することができるので、より一層ロータを安定化することができる。また、ダンパーシールの漏れ流れ方向の長さをシール全体の長さの半分以下に設定することにより、シールの漏れを抑制しつつ、ロータを効果的に安定化することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の遠心圧縮機２０の実施形態におけるバランスピストン部シール１４の詳細構造を表す斜視図であり、ダンパーシールとして、多数の孔１６からなるホールパターンシール部１５を設けた一例を示す。図２には、本発明の遠心圧縮機２０の全体構造を示し、図２中のＡ枠内を拡大して図３に示す。

図２において、遠心圧縮機２０はケーシング１（静止体）と、このケーシング１内に回転可能に設けられた回転軸２およびこの回転軸２に装着された例えば複数段（図２では７段）の羽根車３を有するロータ４（回転体）とを備えている。ケーシング１には、１段目の羽根車３に気体を導入する吸込流路５と、各段の羽根車３から出た気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ６と、このディフューザ６からの圧縮された気体を次段の羽根車３に導入する戻り流路７と、最終段の羽根車３から出た気体を吐出する吐出流路８とが形成されている。

ロータ４の回転軸２は、吸込側（図２中左側）端部および吐出側（図２中右側）端部に設けられたラジアル軸受９を介し回転可能に支持されている。また、回転軸２の吸込側端部にはスラスト荷重を受けるスラスト軸受１０が設けられ、吐出側端部にはスラスト荷重を相殺するバランスピストン１１が設けられている。また、回転軸２の吐出側端部にはモータ等の駆動機（図示せず）が連結されており、この駆動機の駆動によってロータ４が回転するようになっている。そして、ロータ４の回転により、気体が吸込流路５から吸い込まれ、複数段の羽根車３で順次圧縮され、最終的に吐出流路８から吐出されるようになっている。

各段の羽根車３の口金２１とケーシング１との隙間には、羽根車口金シール１２が設けられており、羽根車３から出た気体がその隙間を通って羽根車３の入口側に戻ることを抑制するようになっている（図３参照）。また、前段の羽根車３と後段の羽根車３との間におけるロータ４の中間段２２部分とケーシング１との隙間には、中間段シール１３が設けられており、戻り流路７の気体がその隙間を通って前段の羽根車３の出口側に戻ることを抑制するようになっている。また、図３に示すように、ロータ４のバランスピストン１１とケーシング１との隙間には、バランスピストン部シール１４が設けられており、最終段の羽根車３から出た高圧の気体が低圧部に漏れるのを抑制するようになっている。

バランスピストン部シール１４は円筒形状を半分に分割した半割れ構造とし，２つの部品により構成する。図１には，その一方を示している。図１において、バランスピストン部シール１４は、バランスピストン１１に対向する静止部表面に漏れ流れ方向高圧側に複数の孔１６から構成されるホールパターンシール部１５を有し、漏れ流れ方向低圧側に環状平行歯１８と環状平行溝１９から構成されるラビリンスシール部１７を有している。ホールパターンシール部１５の漏れ流れ方向の寸法をLｈとし、ラビリンスシール部１７の漏れ流れ方向の寸法をLｌとしている。

図４は、ホールパターンシール部１５の漏れ流れ方向の長さが、シール全体の漏れ流れ方向の長さに占める割合（以下、「シール構成比」という。）とシール不安定性指標の関係の一例を示した図である。シール構成比はホールパターンシール部１５の長さLｈとラビリンスシール部の長さL１とから、Lｈ／（Lｈ＋L１）で算出される。シール不安定性指標は、前記不安定流体力を回転軸２の径方向変位で除したシールの剛性係数Kｘｙと、径方向変位に対するシールの減衰係数Cｘｘとロータ４の固有角振動数ωの積との比、Kｘｙ／（Cｘｘ・ω）で算出される。シール不安定性指標が小さいほどロータは安定である。図４からシール構成比が０．５を超えると、ホールパターンシール部による安定化の効果はほぼ一定となることが分かる。また、シール構成比が０．０に近づくとシール不安定性指標が急激に高くなるので、シールの安定性を確保する上でシール不安定性指標を０．６以下に抑えることの要求があり、それに対応してシール構成比を０．０５程度未満にはしないことが望ましい。

図５は、シール全長を一定としたときのシール構成比とシール全体の漏れ流量比の関係についての一例を示した図である。漏れ流量比は、シール構成比が０の場合の漏れ流量を１として漏れ流量を比で表したものである。シール構成比が大きくなるほど、すなわちホールパターンシール部の割合が大きくなるほど、漏れ流量は増加する。漏れ流量の増加を抑制しつつ、ロータの安定性を向上させるには、図４、図５からシール構成比を０．５以下とすればよいことが分かる。

上記のような構造を採用することにより、バランスピストン部シール１４を全てホールパターンシール部１５にする場合より、同一のシール長さで漏れ流量を低減することができる。さらに、一般にシールの高圧側ほど大きな不安定流体力を生じやすいが、本実施例では高圧側に減衰効果のあるホールパターンシール部１５を配設したので、ロータの安定性を向上させることができる。また、漏れ流れ上流である高圧側にホールパターンシール１５を配設することにより、下流である低圧側のラビリンスシール部１７に向かう漏れ流速の円周方向成分を低減することができる。これにより、ラビリンスシール部１７における不安定流体力を低減することができ、ロータ４の不安定振動を抑制することができる。

なお、上記の実施例においては、バランスピストン部シール１４の高圧側に、ダンパーシールとして円形の孔１６を等間隔に設けたホールパターンシール部１５を配設した場合を例にとって説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、六角形の孔により構成されるハニカムシールでもよいし、三角形や四角形の孔により構成されるシールでもよい。

また、図１に示されたように、孔１６を等間隔に密に配列するパターンに限定されるものではなく、例えば図６に示されたように、軸方向の一部に孔１６が設けられていない部分を設けることもできる。さらに、円周方向に孔の間隔を変化させるようにしてもよい。

また、ホールパターンシール部１５とラビリンスシール部１７を連続した部品で構成した場合を例にとって説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ホールパターンシール部１５とラビリンスシール部１７をそれぞれ別の部品で製作し組み合わせることで構成してもよい。

なお、バランスピストン部シール１４を例にとって説明したが、口金シール１２および中間段シール１３に適用しても上記と同様の効果を得ることができる。

本発明の遠心圧縮機の、実施形態におけるバランスピストン部シールの静止体側の詳細構造を示した斜視図である。 本発明の遠心圧縮機の、実施形態の全体構造を示した断面図である。 図２におけるＡ枠内を拡大して示した一部断面図である。 本発明の遠心圧縮機の、実施形態におけるシール構成比（ホールパターンシール部のシール全長に占める割合）とシール不安定指標との関係を示した図である。 本発明の遠心圧縮機の、実施形態におけるホールパターンシールがシール全体の長さに占める割合とシール全体の漏れ流量の関係を示した図である。 本発明の遠心圧縮機の、実施形態におけるバランスピストン部シールの静止体側の詳細構造の変形例を示した断面斜視図である。

符号の説明

１・・・・ケーシング、
２・・・・回転軸、
３・・・・羽根車、
４・・・・ロータ、
５・・・・吸込流路、
６・・・・ディフューザ、
７・・・・戻り流路、
８・・・・吐出流路、
９・・・・ラジアル軸受、
１０・・・・スラスト軸受、
１１・・・・バランスピストン、
１２・・・・口金シール、
１３・・・・中間段シール、
１４・・・・バランスピストン部シール、
１５・・・・ホールパターンシール部、
１６・・・・孔、
１７・・・・ラビリンスシール部、
１８・・・・環状平行歯、
１９・・・・環状平行溝、
２０・・・・遠心圧縮機、
２１・・・・口金、
２２・・・・中間段、
Lｈ・・・・・ホールパターンシール１５の漏れ流れ方向の寸法、
Lｌ・・・・・ラビリンスシール１７の漏れ流れ方向の寸法

Claims (4)

1. ケーシングと、該ケーシングに回転可能に設置された回転軸と該回転軸に装着された羽根車とから成るロータと、前記ケーシングと前記ロータの間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止するシールとを備え、羽根車が回転することにより気体を圧縮する遠心圧縮機において、
   前記シールは、その漏れ流れ方向の高圧側にシール面に複数の孔を設けたダンパーシール部を、同じく低圧側に環状平行溝を設けたラビリンスシール部を設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 請求項１に記載された遠心圧縮機において、
   前記ダンパーシール部に前記ラビリンスシール部を連続して設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
3. 請求項２に記載された遠心圧縮機において、
   前記ダンパーシール部の漏れ流れ方向の長さを、シール全体の長さの半分以下に設定したことを特徴とする遠心圧縮機。
4. 請求項３に記載された遠心圧縮機において、
   前記ダンパーシール部の漏れ流れ方向の長さを、シール全体の長さの０．０５以上に設定したことを特徴とする遠心圧縮機。

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