JP4658639B2

JP4658639B2 - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP4658639B2
Application number: JP2005051167A
Authority: JP
Inventors: 好邦河野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: JP2006233899A

Description

本発明は、遠心圧縮機に関するものである。

遠心圧縮機は、主軸と、この主軸に取り付けられた羽根車と、これら主軸と羽根車とを収容するケーシングとを有しており、主軸を回転駆動してケーシング内で羽根車を高速回転させることでケーシング内に取り込んだ気体に遠心力を与え、この遠心力によって気体の圧縮を行う形式の圧縮機である。
ケーシングには、圧縮対象の気体をケーシング内に取り込むための吸込口と、吸込口から吸い込まれた気体を羽根車に導入するための流入路と、羽根車によって圧縮された気体を吐出する吐出口とが設けられている。
流入路は、主軸の周囲を取り囲むようにして設けられており、吸込口から吸い込まれた気体は、流入路によって主軸の径方向外側から径方向内側に向けて案内されて、主軸に取り付けられた羽根車の径方向内側の領域に供給されるようになっている。

近年、遠心圧縮機の効率を向上させるために、遠心圧縮機には、吸込口から吸い込む気体の量を調節する流量調節機構が設けられるようになってきている。
流量調節機構を有する遠心圧縮機としては、例えば、特許文献１に記載の遠心圧縮機が知られている。
特許文献１記載の遠心圧縮機では、流量調節機構として、流入路内に、主軸の軸線に略直交する面上で揺動可能な吸込ベーンが、主軸の周囲を取り囲むように複数配置されており、この吸込ベーンの主軸に対する角度を変えることで、流入路から羽根車に供給される気体の量（すなわち吸込口から吸い込む気体の量）を調節することができるようになっている。

吸込ベーンは、主軸と平行に延在する取付軸を有しており、この取付軸には、第１のギアが同軸にして設けられている。
主軸の回りには、第１のギアよりも主軸側に配置されて、各第１のギアと噛み合うとともに主軸の回りに回転自在である環状のリングギアと、第１のギアのうちの一つと噛み合う第２のギアとが設けられている。
第２ギアには、主軸と平行に延在してケーシングを貫通する駆動軸が接続されており、この駆動軸においてケーシングの外側の部分には、駆動軸を介して第２のギアを軸線回りに回転駆動するギア駆動部が接続されている。

ギア駆動部によって第２のギアを回転させると、第１のギアのうち、第２のギアと噛み合っている第１のギアが回転する。この第１のギアが回転すると、この第１のギアに噛み合うリングギアも回転するので、リングギアと噛み合っている他の第１のギアも回転することとなる。
この遠心圧縮機は、このように第１、第２のギア、リングギア、駆動軸、及びギア駆動部を用いて、第１のギアに接続された吸込ベーンの向きを調節する構成とされている。

特開２００１−２９５７９５号公報（段落［００１０］〜［００１８］、図１〜図３）

遠心圧縮機の流入路内の圧力は、大気圧に比べて高圧である。特に、複数の圧縮機を直列に接続して多段の圧縮を行う場合には、後段の圧縮機の流入路内の圧力は、絶対圧で１０．１３ＭＰａもの非常な高圧となる場合もある。
このため、ケーシング内において流量調整機構が設けられる領域に、流入路内から隙間を通じて高圧の気体が流れ込む。
流入路から送り込まれた気体がケーシング外に漏出すると、遠心圧縮機の性能が低下する。また、その気体が可燃性である場合には非常に危険である。そのため、従来は、ギア駆動部と第２のギアとを接続する駆動軸とケーシングとの間に、複数の接触シールを設けて、駆動軸とケーシングとの間からのケーシング外への気体の漏出を防止していた。

しかし、駆動軸が回転駆動されると接触シールが駆動軸に対して摺動することになるので、流入路内の圧力が高い場合には、接触シールによるシールの信頼性が低下しやすい。
そして、このように接触シールが高負荷条件下で駆動軸に対して摺動するので、遠心圧縮機を長期にわたって運転すると、接触シールのシール性能が低下してしまう。
また、従来の遠心圧縮機では、高圧の気体を封止するために、複数の接触シールを用いる必要があるため、駆動軸の摺動抵抗が大きい。そして、このように摺動抵抗が大きいために、接触シールがスティックしてしまう可能性も高い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ケーシングのシールを良好に行うことができる遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の遠心圧縮機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる遠心圧縮機は、主軸と、該主軸に取り付けられた羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を収容するケーシングとを有し、該ケーシングが、圧縮対象の気体を前記羽根車に供給する流入路を有しており、前記主軸を介して前記羽根車を回転駆動することで前記羽根車に供給された気体に遠心力を与えて該気体を圧縮する遠心圧縮機であって、前記流入路内に複数配置されてそれぞれ前記主軸の軸線に平行な揺動軸線回りに揺動することで前記流入路の断面積を調整する吸込ベーンと、該各吸込ベーンを前記揺動軸線回りに揺動させるベーン駆動装置とを有し、該ベーン駆動装置は、前記ケーシング外に設けられた駆動装置本体と、前記ケーシングに挿通されて前記駆動装置本体の駆動力を前記吸込ベーンに伝達する駆動軸とを有しており、前記ケーシングには、前記駆動軸との間に流れ込んだ気体を前記ケーシング内の前記流入路よりも低圧となる領域に供給するバイパス流路が設けられ、前記ケーシングと前記駆動軸との間には、前記バイパス流路の入口よりも前記ケーシングの外側の位置に、前記ケーシングと前記駆動軸との間を封止する接触シールが設けられていることを特徴とする。

このように構成される遠心圧縮機では、流入路からケーシングと駆動軸との間に流入した高圧の気体は、ケーシングに設けられたバイパス流路を通じて、ケーシング内において流入路よりも低圧となる領域、例えば、遠心圧縮機の吸込部や、ケーシングと主軸との間を封止するガスシールベント部等に供給される。
このため、ケーシングと駆動軸との間のうち、バイパス流路の入口よりもケーシングの外側では、気体の圧力が著しく低減されるので、従来よりも少ない数の接触シールで十分な封止を行うことができ、ケーシング外への気体の漏出が効果的に防止される。
ここで、バイパス流路の設置数は任意であって、例えば流入路の内圧が大気圧に比べて非常に大きい場合には、駆動軸の軸線方向の位置を変えて複数のバイパス流路を設けることで、ケーシングと駆動軸との間に流入した気体の圧力を段階的に低減して、接触シールによる封止が十分可能な程度の圧力（例えば大気圧程度）にまで低減させることができる。

この遠心圧縮機において、前記ケーシングには、前記駆動軸との間に流れ込んだ気体を一時貯留する圧力ポケットが設けられており、前記バイパス流路の入口が、前記圧力ポケット内に開口していてもよい。

この場合には、流入路からケーシングと駆動軸との間に流入した高圧の気体は、圧力ポケット内に一時貯留されたのちに、バイパス流路を通じて、ケーシング内において流入路よりも低圧の領域に供給される。
すなわち、圧力ポケットがバッファとして機能するので、圧力ポケットよりもケーシングの外側に気体が流入しにくくなり、接触シールによるケーシングと駆動軸との間の封止をより良好に行うことができる。

本発明にかかる遠心圧縮機によれば、ケーシングと駆動軸との間の封止をより良好に行うことができ、遠心圧縮機の長期連続運転に対する信頼性が向上する。

以下に、本発明にかかる遠心圧縮機の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の遠心圧縮機１０の要部を示す側断面図である。
遠心圧縮機１０は、主軸１１と、主軸１１に取り付けられた複数の羽根車１２とを有している。

本実施形態の遠心圧縮機１０は、主軸１１及び羽根車１２が収納される入口壁１６及びダイヤフラム１５と、入口壁１６及びダイヤフラム１５の外側に設けられるケーシング１７とを有する、いわゆるバレル形の一軸多段遠心圧縮機として構成されており、図示しない駆動装置によって主軸１１を介して羽根車１２を回転駆動することで、羽根車１２に供給された気体に遠心力を与えてこの気体を圧縮するものである。

各羽根車１２は、水平割形または輪切形の複数の部材によって形成された入口壁１６及びダイヤフラム１５の内部に収容される。なお、ダイヤフラム１５は各羽根車１２の間を結ぶ流通路を形成する。また、入口壁１６には、主軸１１の周囲を取り囲んで圧縮対象の気体を主軸１１の径方向外側から径方向内側に案内して、羽根車１２のうち第１段目の圧縮に用いられる羽根車１２に供給する流入路１８が設けられている。

主軸１１及び羽根車１２が収納される入口壁１６及びダイヤフラム１５の両端にはそれぞれ側蓋１７ｂを設けた構成とされており、入口壁１６、ダイヤフラム１５及び側蓋１７ｂはボルトによって強固に結合される。
ケーシング１７の胴部１７ａには、それぞれ主軸１１と略直交する方向に延びる吸込口と吐出口（図示せず）とが設けられており、この吸込口を通じて流入路１８に圧縮対象の気体が供給され、吐出口を通じて最後段の羽根車１２によって圧縮された気体が外部に吐出されるようになっている。

各側蓋１７ｂには、主軸１１の端部が挿通されており、各側蓋１７ｂには、主軸１１との間を封止するガスシール方式の軸封部２１が設けられると共に、軸封部２１にバッファガスを供給するための配管（図示せず）が配設されている。また、各側蓋１７ｂのケーシング１７の外側には、主軸１１を支持するジャーナル軸受２２が、軸受ケーシング２３を介して保持されている。さらに、流入路１８側の側蓋１７ｂに設けられる軸受ケーシング２３には、スラスト軸受２４が配置されている。

吸込口と第１段目の圧縮に用いられる羽根車１２の吸込口１２ａとを接続する流入路１８には、流入路１８内を流通する気体を整流する複数の案内羽根３１が、それぞれ流入路１８を主軸１１の軸線方向に横断するようにして固定的に設けられている。
これら案内羽根３１の下流側には、吸込ベーン３２が、流入路１８を主軸１１の軸線方向に横断するようにしてかつ主軸１１の軸線Ｏに略平行な揺動軸線Ｏ_１回りに揺動可能にして設けられている。これら各吸込ベーン３２の揺動軸線Ｏ_１回りの向きは、ベーン駆動装置３３によって調整されるようになっている。
本実施形態では、これら案内羽根３１及び吸込ベーン３２は、それぞれ２４体ずつ設けられている。

各案内羽根３１及び吸込ベーン３２は、流入路１８内で主軸１１を取り囲む円周上に配設されている。そして、各吸込ベーン３２を、主軸１１の径方向に略直交する向きと、主軸１１の径方向に沿った向きとの間でその向きを調整することで、隣接する吸込ベーン３２間の隙間の大きさが調整されるようになっている。すなわち、この遠心圧縮機１０では、吸込ベーン３２の向きを調整することで、各吸込ベーン３２の間を通過して第１段目の圧縮に用いられる羽根車１２の吸込口１２ａに向かう流体の量が調節されるようになっている。

ベーン駆動装置３３は、各吸込ベーン３２に対して主軸１１と略平行な揺動軸線Ｏ_１に沿って設けられる取付軸４１と、各取付軸４１に対してそれぞれ同軸にして設けられる従動ギア４２と、各従動ギア４２の設置領域に対して揺動軸線Ｏ_１方向に隣接して設けられる駆動ギア４３と、ケーシング１７外に設けられたギア駆動装置４４（駆動装置本体）と、流入路１８側の側蓋１７ｂに設けられた貫通孔１７ｃに挿通されてギア駆動装置４４の駆動力を駆動ギア４３に伝達する駆動軸４５と、主軸１１と同軸にして設けられて従動ギア４２及び駆動ギア４３と噛み合う環状のリングギア４６とを有している。
リングギア４６は、主軸１１よりも大径でかつ各取付軸４１のなす円周よりも小径とされており、その外周面には、各従動ギア４２と噛み合う第１歯車部４７と、駆動ギア４３と噛み合う第２歯車部４８とが、揺動軸線Ｏ_１方向に隣接して設けられている。

この遠心圧縮機１０では、ギア駆動装置４４によって駆動軸４５を介して駆動ギア４３を回転駆動することで、駆動ギア４３に第２歯車部４８で噛み合うリングギア４６が回転させられる。すると、リングギア４６の第１歯車部４７に噛み合う各従動ギア４２が回転させられて、各第１ギア４２と接続された各吸込ベーン３２がそれぞれの揺動軸線Ｏ_１回りに揺動し、それぞれの主軸１１に対する向きが調節されて、流入路１８内の流路断面積の調節が行われる。
なお、各ギアが噛み合わせられている領域はグリースで満たされており、これにより、各ギアは滑らかに回転することができるようになっている。

ここで、流入路１８側の側蓋１７ｂには、駆動軸４５との間に流れ込んだ気体を一時貯留する圧力ポケット５１が設けられている。本実施形態では、流入路１８側の側蓋１７ｂには、第１圧力ポケット５１ａと、この第１圧力ポケット５１ａよりもケーシング１７外側に位置する第２圧力ポケット５１ｂとが設けられている。
これら圧力ポケット５１には、それぞれ、圧力ポケット５１内に流れ込んだ気体を流入路１８よりも低圧となる領域に供給するバイパス流路（図示せず）が接続されている。
ケーシング１７内において流入路１８よりも低圧となる領域としては、例えば、遠心圧縮機１０の吸込部や、主軸１１との間を封止するガスシール方式の軸封部２１のベント部等がある。
本実施形態では、バイパス流路は、軸封部２１のベントに接続されている。

流入路１８側の側蓋１７ｂと駆動軸４５との間には、圧力ポケット５１よりもケーシング１７の外側の位置に、側蓋１７ｂと駆動軸４５との間を封止する接触シール５２が設けられている。接触シール５２としては、Ｏリングを用いてもよいが、側蓋１７ｂまたは駆動軸４５に対する摺動時の信頼性の高い接触シール、例えば三菱電線工業株式会社製のキャップシール等を用いることが好ましい。なお、キャップシールとは、Ｏリングの摺動側にフッ素樹脂等の低摩擦係数の材料からなるリングを配置して、封止性能を維持しつつ摺動抵抗を低減した接触シールである。

図２に示すように、軸封部２１は、流入路１８側の側蓋１７ｂにおいて主軸１１に対向する部位に主軸１１の軸線Ｏ方向に沿って間隔をおいて複数設けられるリング状のリテーナ５６と、主軸１１において各リテーナ５６のケーシング１７内側に配置される複数のリング状のスペーサースリーブ５７とを有している。本実施形態では、リテーナ５６及びスペーサースリーブ５７が、それぞれ二つずつ設けられている。
リテーナ５６とこのリテーナ５６のケーシング１７内側に位置するスペーサースリーブ５７との間には、これらの間を互いの摺動を可能にして封止するプライマリーリング５８が設けられており、これらリテーナ５６とスペーサースリーブ５７の列のケーシング１７内側及びケーシング１７外側には、側蓋１７ｂと主軸１１との間を封止するラビリンスシール５９が設けられている。これにより、側蓋１７ｂと主軸１１との間に、軸線Ｏ方向に沿って複数の空間Ｓが形成されている。

側蓋１７ｂと主軸１１との間に形成される空間Ｓのうち、最もケーシング１７内側に位置するリテーナ５６のケーシング１７内側に位置する空間Ｓ１には、図示せぬバッファガス供給装置から所定圧力のバッファガスが供給されており、これによって空間Ｓ１の内圧が所定圧力に維持されている。
具体的には、空間Ｓ１には、流入路１８の内圧よりもわずかに高い圧力でバッファガスが供給されており、これによって流入路１８からこの空間Ｓ１への気体の流入が防止されている。

空間Ｓ１とこの空間Ｓ１のケーシング１７外側に隣接する空間Ｓ２との間は、前記のようにプライマリーリング５８によって封止されており、これによって空間Ｓ２の内圧は空間Ｓ１の内圧よりも低圧、すなわち流入路１８の内圧よりも低圧に保たれている。
空間Ｓ２とこの空間Ｓ２のケーシング１７外側に隣接する空間Ｓ３との間は、前記のようにラビリンスシール５９によって封止されており、これによって空間Ｓ３の内圧は空間Ｓ２の内圧よりも低圧に保たれている。
空間Ｓ３とこの空間Ｓ３のケーシング１７外側に隣接する空間Ｓ４との間は、前記のようにプライマリーリング５８によって封止されており、これによって空間Ｓ４の内圧は空間Ｓ３の内圧よりも低圧（本実施形態では大気圧程度）に保たれている。本実施の形態では、前記バイパス流路は、空間Ｓ４に接続されている。
ここで、空間Ｓ３に空間Ｓ２の内圧に近い圧力でバッファガスを供給することで、空間Ｓ２から空間Ｓ３に流入する気体の流量を低減して、より確実な封止を行うことができる。

このように構成される遠心圧縮機１０では、流入路１８から側蓋１７ｂと駆動軸４５との間に流入した高圧の気体は、ケーシング１７に設けられたバイパス流路を通じて、ケーシング１７内において流入路１８よりも低圧となる領域、具体的には、軸封部２１の空間Ｓ３に供給される。
このため、側蓋１７ｂと駆動軸４５との間のうち、バイパス流路の入口よりもケーシング１７の外側では、気体の圧力が著しく低減されるので、従来よりも少ない数の接触シール５２で十分な封止を行うことができ、ケーシング１７外への気体の漏出が効果的に防止される。

ここで、バイパス流路の設置数は任意であって、例えば流入路１８の内圧が大気圧に比べて非常に大きい場合には、駆動軸４５の軸線方向の位置を変えて複数のバイパス流路を設けることで、側蓋１７ｂと駆動軸４５との間に流入した気体の圧力を段階的に低減して、接触シール５２による封止が十分可能な程度の圧力（例えば大気圧程度）にまで低減させることができる。

また、この遠心圧縮機１０では、流入路１８から側蓋１７ｂと駆動軸４５との間に流入した高圧の気体は、圧力ポケット５１内に一時貯留されたのちに、バイパス流路を通じて、ケーシング１７内において流入路よりも低圧の領域に供給される。
すなわち、圧力ポケット５１がバッファとして機能するので、圧力ポケット５１よりも側蓋１７ｂの外側に気体が流入しにくくなり、接触シール５２による側蓋１７ｂと駆動軸４５との間の封止をより良好に行うことができる。

以上、本発明の遠心圧縮機の各実施形態について詳細に説明してきたが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。

本発明の一実施形態にかかる遠心圧縮機の要部を示す側断面図である。本発明の一実施形態にかかる遠心圧縮機のベーン駆動装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０遠心圧縮機
１１主軸
１２羽根車
１７ケーシング
１８流入路
３２吸込ベーン
３３ベーン駆動装置
４４ギア駆動装置（駆動装置本体）
４５駆動軸
５１圧力ポケット
５２接触シール
Ｏ主軸の軸線
Ｏ_１揺動軸線

Claims

主軸と、該主軸に取り付けられた羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を収容するケーシングとを有し、該ケーシングが、圧縮対象の気体を前記羽根車に供給する流入路を有しており、前記主軸を介して前記羽根車を回転駆動することで前記羽根車に供給された気体に遠心力を与えて該気体を圧縮する遠心圧縮機であって、
前記流入路内に複数配置されてそれぞれ前記主軸の軸線に平行な揺動軸線回りに揺動することで前記流入路の断面積を調整する吸込ベーンと、
該各吸込ベーンを前記揺動軸線回りに揺動させるベーン駆動装置とを有し、
該ベーン駆動装置は、前記ケーシング外に設けられた駆動装置本体と、
前記ケーシングに挿通されて前記駆動装置本体の駆動力を前記吸込ベーンに伝達する駆動軸とを有しており、
前記ケーシングには、前記駆動軸との間に流れ込んだ気体を前記ケーシング内の前記流入路よりも低圧となる領域に供給するバイパス流路が設けられ、
前記ケーシングと前記駆動軸との間には、前記バイパス流路の入口よりも前記ケーシングの外側の位置に、前記ケーシングと前記駆動軸との間を封止する接触シールが設けられている遠心圧縮機。
前記ケーシングには、前記駆動軸との間に流れ込んだ気体を一時貯留する圧力ポケットが設けられており、
前記バイパス流路の入口が、前記圧力ポケット内に開口している請求項１記載の遠心圧縮機。