JP5802217B2 - 軸方向偏移を伴う摩耗性シール - Google Patents

Description

例示の実施形態は、概して圧縮機シールに関し、より具体的には漏れを低減するために軸方向偏移を伴う摩耗性シールの提供に関する。

圧縮機は、機械エネルギーの利用により例えばガスなどの圧縮性流体の圧力を上昇させる機械である。圧縮機は、複数の様々な用途において、および発電、天然ガス液化、および他のプロセスなどの多数の工業プロセスにおいて使用される。かかるプロセスおよびプロセスプラントにおいて使用される様々なタイプの圧縮機の中でも、いわゆる遠心圧縮機は、例えば遠心インペラを回転させることによってなどの遠心加速により、機械エネルギーが圧縮機へのガスの入力に作用するものである。

遠心圧縮機は、単一のインペラを取り付ける、すなわち単段構成をとることが可能であり、または一連の複数のインペラを取り付けることが可能である。後者の場合は、多段圧縮機としばしば呼ばれる。典型的には、遠心圧縮機の各段は、圧縮すべきガスのための吸気導管と、入力ガスに運動エネルギーを与え得るインペラと、インペラを去るガス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とを備える。

多段圧縮機１００を図１に図示する。この圧縮機１００は、筐体１１０の中に設けられ、この筐体１１０の中には、シャフト１２０および複数のインペラ１３０が設置される。シャフト１２０およびインペラ１３０は、軸受１９０および１９５により支持されるロータアセンブリ内に設けられる。

多段圧縮機は、吸気ダクト１６０から入力プロセスガスを取り込み、ロータアセンブリの作動によりプロセスガス圧力を上昇させ、その後、入力圧力よりも高い出力圧力にて排気ダクト１７０からプロセスガスを押し出すように作動する。プロセスガスは、例えば、二酸化炭素、硫化水素、ブタン、メタン、エタン、プロパン、液化天然ガス、またはそれらの組合せの中のいずれであってもよい。

シールまたは封止システム１８０、１８５、および１８８は、インペラ１３０と軸受１９０および１９５との間に設けられて、プロセスガスが軸受へと流通するのを防止する。シール１８８は、インペラ入口シールである。

各インペラ１３０は、プロセスガスの圧力を上昇させる。各インペラ１３０は、多段圧縮機１００の中の１つの段と見なすことができる。したがって、段の追加により、入力圧力に対する出力圧力の比が高くなる。

ロータアセンブリは、ステータとして知られている固定部分と、ロータとして知られている回転部分とを備える。圧縮機の作動効率全体は、ロータの軸方向差圧によるステータとロータとの間での作動流体または作動ガスの漏流により、悪影響を受ける。

遠心圧縮機においては、摩耗性シールを使用して（作動ガスの）漏流を低減することにより、ロータ部分に損傷を与える危険性を伴わずに隙間の縮小によって段の効率を向上させることが可能である。

摩耗性シールを使用する封止システムを図２に図示する。封止システム２００は、ロータ２１０（すなわち回転部分）およびステータ２２０（すなわち固定部分）を備える。ロータ２１０は、圧縮機の長手方向軸を中心として回転する。ロータ２１０は、複数のロータ歯２１５を備える。これらのロータ歯２１５は、放射状であることが可能である。ステータ２２０は、ステータシール２２３を収容するための空洞部またはハウジング２３０を備える。

ステータシールは、摩耗性部分または摩耗性コーティング２２５を備える。ステータシール２２３は、いくつかの構成では、内周部上に摩耗性コーティングを備えるインサートリングであることが可能である。また、他の構成では、このインサートリング（全体）を、摩耗性材料から作製することも可能である。

ステータシールは、ロータを円周方向に囲み、ロータは、ステータシールの内周部に沿って中で回転することが可能である。ステータシールは、多段圧縮機の各段の両側に配置される。

ロータ２１０の回転により、ロータに設置された放射状歯２１５は、ステータに設置された摩耗性シール２２３の内周部に沿って研磨溝２２７を形成し、封止性能に欠陥（すなわち漏流の増加）を生じさせ得る。

漏流を低減するために、図２に図示するように、ハウジング２３０内のステータシールは、ばね作動機構２４０によりハウジング２３０の上部部分２３５から半径方向に変位され得る。一般的には、インサートリングは、２つまたは４つの均等サイズのセクションに分割される。ばね作動機構により、ステータシールは、ロータ２１０の方向へ、またはロータ２１０から離れる方向へと、半径方向に移動することが可能となる。インサートリングの２つまたは４つの均等サイズのセクションにより、この半径方向移動が容易になる。

また、ばね作動機構を有するステータシール２２３は、コンプライアントシール、スプリングバックシール、またはばね付勢摩耗性シールとも呼ばれ得る。コンプライアントシールは、非コンプライアントシール（すなわちばね作動機構を有さず、したがって半径方向偏移を伴わないシール）と比較すると、半径方向の隙間がより小さく、漏流が低減される。

欧州特許出願公開第０８９９４９０号公報

漏流の欠陥をさらに低減するために改良された封止機構を設計および提供することが望ましい。

これらの例示的な実施形態によるシステムおよび方法は、ばね機構を導入してシールに対する軸方向位置決め制御を容易にすることにより、ロータアセンブリのステータシールとロータとの間の漏流を低減する封止特徴の改良を実現する。

例示的な一実施形態によれば、遠心圧縮機用の封止システムが開示される。この封止システムは、シールハウジングを有するステータと、シールハウジング内に配設され内周部に沿って摩耗性部分を有するシールと、シールの内周部内で回転するように構成され摩耗性部分内に研磨溝を形成するように構成された複数のロータ歯を有するロータと、ステータとシールとの間に配設されシールハウジングに対するシールの軸方向移動を容易にするように構成された第１のばねとを備える。

別の実施形態によれば、遠心圧縮機のステータシールハウジング内に収容されたシールとロータとの間の漏流を低減するための方法であって、ロータがシールの内周部内で回転する、方法が回転される。この方法は、ばね荷重によりシールハウジングの高圧側の方向にシールを付勢して、シールとシールハウジングとの間に軸方向ギャップを形成するステップと、圧縮機を始動させるステップと、シールの摩耗性部分に半径方向研磨溝を切削するステップと、圧縮機の速度を上昇させるステップと、シールハウジングの低圧側の方向にシールを移動させるステップとを含む。

他の一実施形態によれば、遠心圧縮機が、シールハウジングを有するステータと、シールハウジング内に配設され内周部に沿って摩耗性部分を有するシールと、シールの内周部内で回転するように構成され摩耗性部分内に研磨溝を形成するように構成された複数のロータ歯を有するロータと、ステータとシールとの間に配設されシールの軸方向移動を容易にするように構成された第１のばねと、ハウジングの比較的低圧側とシールとの間に配置された二次シールとを備える。

添付の図面は、例示的な実施形態を図示する。

多段圧縮機を示す図である。 摩耗性シールを用いたロータ／ステータ封止アセンブリの側面図である。 初期状態における、例示的な実施形態による摩耗性シールを用いたロータ／ステータ封止アセンブリの側面図である。 作動状態における、例示的な実施形態による摩耗性シールを用いたロータアセンブリの側面図である。 例示的な実施形態による一方法を示す図である。

例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照とする。同一のまたは同様の要素は、個々の図面において、同一の参照番号によって同定される。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により規定される。

例示的な実施形態においては、ロータアセンブリのロータ歯とステータ研磨溝との間における漏流は、圧力作動機構を使用して研磨溝に対するロータ歯の能動的軸方向位置決め制御を実現することによって、低減され得る。

研磨溝衝撃のコンピュータ流体力学（ＣＦＤ）解析は、歯／溝の軸方向位置決めが漏れ性能において重要な役割を果たすことを示唆している。溝の初期形成後のロータ歯の軸方向偏移により、性能上の欠陥を低く抑えることができる。

例示的な実施形態は、図３の封止システム３００に図示するように、圧力作動機構を使用して研磨溝に対するロータ歯の能動的軸方向位置決め制御を実現し得る。封止システム３００は、ロータ３１０およびステータ３２０を備えてもよい。ロータ３１０は、放射状であり得る複数のロータ歯３１５を備えてもよい。ステータ３２０は、シールハウジング３３０内に配置されたステータシール３２３を備えてもよい。

上述のように、ステータシールは、摩耗性部分または摩耗性コーティング３２５を備えてもよい。ステータシール３２３は、いくつかの構成では、内周部上に摩耗性コーティングを備えたインサートリング（２つ以上の部分）を備えてもよい。インサートリングは、鋼から作製されてもよい。内周部上の摩耗性コーティングは、多孔性アルミニウムベース、多孔性コバルトベース、または多孔性ニッケルベースの溶射コーティングなどの多孔性金属材料であってもよく、あるいは、プラスチックベース（例えばテフロン（商標）、ポリエステル）であってもよい。

また、他の構成では、インサートリング（全体）が、摩耗性材料から作製されてもよい。摩耗性材料は、例えば雲母強化テフロン（商標）であるＦｌｕｏｒｏｓｉｎｔ−５００であってもよい。

ステータシール３２３は、ハウジング３３０内に配置され、ばね作動機構３４０によりハウジングの上部部分３３５から半径方向に偏移され得る。ロータ歯３１５は、摩耗性ステータ部分３２５に研磨溝３２７を形成し得る。例示的な実施形態においては、軸方向ギャップ３６０が、軸方向に配向されたばね３５０を使用することにより、ステータシール３２０とシールハウジング３３０との間に形成または設計され得る。

組み立てられつつある際には、ステータシール３２３は、軸方向に配向されたばね３５０によりハウジング３３０の（比較的）高圧側（Ｐ＋）の方向に押され得る（または設置され得る）。ばね３５０は、シール３２３とハウジング３３０の（比較的）低圧側（Ｐ−）との間に配置され得る。ばね３５０は、この時点では、（本来の）状態または若干圧縮された状態にあり得る。軸方向に配向されたばね３５０は、比較的高圧側の方向にステータシール３２３を付勢し得る。

使用中には、始動時に（すなわち圧力比が低い時に）、ロータ歯３１５は、臨界振動中に摩耗性部分３２５を切削し、研磨溝３２７を形成し得る。始動速度では、差圧（Ｐ＋とＰ−との間の）は、比較的低く、シールの位置を比較的高圧側に維持することが可能となる。ロータ歯３１５は、この速度およびステータシール位置では、研磨溝３２７の中間部にかかり得る。

設計速度では、差圧（Ｐ＋とＰ−との間の）が上昇する。図４に図示するように、高圧（またはＰ＋）側によりシール３２３をまたぐ圧力比が上昇することにより、シール３２３は、低圧（またはＰ−）側の方向に軸方向に移動され得る。ばね３５０は、圧力の上昇につれて、収縮し始め得る（すなわちその本来の状態ではなくなる）。

この軸方向移動（比較的高圧側Ｐ＋から比較的低圧側Ｐ−への）により、ロータ歯３１５と研磨溝３２７との間に比較的小さなまたは比較的狭いギャップが形成される。ロータ歯３１５は、図示のように、研磨溝３２７の中間部にはかかっていない。

ロータ歯（の先端部）と研磨性部分の図４のロータ歯に対面する部分との間の間隔は、ロータ歯と図３の研磨溝の中間部との間の間隔よりも小さい。その結果として、漏れの量が低減され得る。漏れは、ばね剛性および作動圧力比により制御することが可能となる。

また、いくつかの実施形態においては、図３および図４に図示するように、二次シールが、シール３２３とシールハウジング３３０との間に設けられて、漏れのさらなる低減を実現する。図４を参照すると、二次シール３７０が、設計速度にて、シール３２３とシールハウジング３３０との間の漏れを阻止することができる。したがって、二次シール３７０は、漏れをさらに低減する。

例示的な実施形態において述べるような軸方向偏移が、半径方向偏移に加えられ得る一方で、軸方向偏移は、いくつかの実施形態においては単独で（すなわち半径方向偏移を伴わずに）実装され得る。軸方向偏移により、半径方向ギャップが縮小し、いずれの（すなわち半径方向偏移を伴うまたは伴わない）構成においても漏れの欠陥が低く抑えられる。

図５を参照として例示的な実施形態による方法５００を説明することができる。５１０で、組立の際に、（本来の状態または若干圧縮された状態の）軸方向に配向されたばねを使用してハウジングの高圧側の方向にシールを移動させることにより、軸方向ギャップが、遠心圧縮機のシールとシールハウジングとの間に形成され得る。５２０で、圧縮機が、始動され得る。５３０で、ロータ歯が、ステータシール摩耗性部分に研磨溝を切削し得る。

５４０で、圧縮機の速度（およびしたがって圧力）が上昇され得る。圧縮機が設計速度に近い速度で作動すると、シールばねは上昇した圧力により圧縮された状態となり得るため、５５０でシールが低圧側の方向に移動する。ロータ歯と摩耗性部分との間のギャップが小さくなり得るため、上述のように二次シールがさらなる漏れ防止を実現し得る。

ＣＦＤ解析は、例示的な実施形態における圧力作動機構により実現される、摩耗性シールの研磨溝の軸方向位置決めによって、封止性能が上昇することを実証している。

例示的な実施形態は、摩耗性シール設計の軸方向位置決め制御に関する。先行の取組みは、ロータ歯と摩耗性シールとの間の半径方向隙間を最小限に抑えることに焦点を合わせたものであったが、本明細書において述べるような実施形態は、圧力作動軸方向位置決め機構を導入し、この機構は、圧縮機の臨界振動または温度遷移とは無関係に封止ギャップを最小限に抑える結果をもたらす。

本明細書において述べるような実施形態は、複数の利点をもたらす。例示的な実施形態による封止システムは、非コンプライアント摩耗性シールに比べて、研磨溝により引き起こされる漏れを低減する。また、このシステムは、遠心圧縮機のインペラ入口用のコンプライアント（ばね付勢）摩耗性シールの性能を最適化する。

遠心圧縮機の段効率は、例示的な実施形態において述べるような能動的軸方向位置決め機構を設けて、封止ギャップの最小化を実現することによって、改善され得る。

いくつかの実施形態においては、複数の軸方向位置決め機構を、ステータシール内に設けてもよい。これらの複数の軸方向位置決め機構は、例えばシールに沿って均等に分布（または離間）され得る。

例示的な実施形態による軸方向位置決め機構は、新製品の圧縮機への実装に限定されない。シールリングを有する既存の圧縮機に、軸方向位置決め機構を組み込むことが可能である。さらに、遠心圧縮機に関連して例示的な実施形態の能動的位置決め機構を説明したが、この機構は、ターボマシン全般に同様に適用可能であり得る。

上述の例示的な実施形態は、あらゆる点に関して、本発明の限定ではなく例示として意図される。したがって、本発明は、当業者が本明細書に含まれる説明から導き出し得る、詳細な実装形態の多数の変形が可能である。そのような変形および変更の全てが、以下の特許請求の範囲により規定されるような本発明の範囲および趣旨の範囲内に含まれるものと見なされる。特に明示しない限り、本出願の説明において用いられるいずれの要素、作用、または指示も、本発明にとって決定的なまたは必須のものであると解釈すべきではない。また、本明細書においては、冠詞の「ａ」は、１つまたは複数のアイテムを含むものとして意図される。

１００ 多段圧縮機
１１０ 筐体
１２０ シャフト
１３０ インペラ
１６０ 吸気ダクト
１７０ 排気ダクト
１８０ シールまたは封止システム
１８５ シールまたは封止システム
１８８ シールまたは封止システム
１９０ 軸受
１９５ 軸受
２００ 封止システム
２１０ ロータ
２１５ ロータ歯
２２０ ステータ
２２３ ステータシール
２２５ 摩耗性部分または摩耗性コーティング
２２７ 研磨溝
２３０ ハウジング
２３５ 上部部分
２４０ ばね作動機構
３００ 封止システム
３１０ ロータ
３１５ ロータ歯
３２０ ステータ
３２３ ステータシール
３２５ 摩耗性部分または摩耗性コーティング
３２７ 研磨溝
３３０ シールハウジング
３３５ 上部部分
３４０ ばね作動機構
３５０ 軸方向に配向されたばね
３６０ 軸方向ギャップ
３７０ 二次シール

Claims (14)

1. シールハウジング（２３０）を有するステータ（２２０）と、
   前記シールハウジング内に配設され、内周部に沿って摩耗性部分（２２５）を有する、シール（２２３）と、
   前記シールの前記内周部内で回転するように構成され、前記摩耗性部分（２２５）内に研磨溝（２２７）を形成するように構成された、複数のロータ歯（２１５）を有するロータ（２１０）と、
   前記ステータ（２２０）と前記シール（２２３）との間に配設され、前記シール（２２３）の軸方向移動を容易にするように構成された、第１のばね（２４０）と、
   前記シールハウジングの比較的低圧側と前記シールとの間に配置された二次シールと、
   を備える、遠心圧縮機用の封止システム（２００）。
2. 前記ロータ歯は、半径方向に配向される、請求項１に記載の封止システム。
3. 前記第１のばねは、前記圧縮機の始動時に前記シールハウジングの高圧側の方向に前記シールを軸方向に付勢する、請求項１または２に記載の封止システム。
4. 前記第１のばねは、前記圧縮機の前記始動時に拡張状態にある、請求項３に記載の封止システム。
5. 前記シールは、前記圧縮機の設計速度にて前記シールハウジングの低圧側の方向に移動するように構成される、請求項３または４に記載の封止システム。
6. 前記第１のばねは、前記圧縮機の設計速度にて圧縮状態にある、請求項５に記載の封止システム。
7. 前記シールと前記シールハウジングとの間に位置し、前記シールの半径方向移動をもたらすように構成された、第２のばねをさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載の封止システム。
8. 前記第２のばねは、前記圧縮機の作動中に拡張位置にある、請求項７に記載の封止システム。
9. 前記第２のばねは、前記シールと前記ロータとの間の半径方向距離を短縮するように構成される、請求項８に記載の封止システム。
10. 前記シールはインサートリングである、請求項１から９のいずれかに記載の封止システム。
11. 前記インサートリングは、鋼から作製され、前記摩耗性部分は多孔性金属材料から作製される、請求項１０に記載の封止システム。
12. 前記シールは、摩耗性材料から作製されたインサートリングである、請求項１から９のいずれかに記載の封止システム。
13. 遠心圧縮機のステータシールハウジング（２３０）内に収容されたシール（２２３）とロータ（２１０）との間の漏流を低減するための方法であって、二次シールが前記シールハウジングの比較的低圧側と前記シールとの間に配置され、前記ロータ（２１０）は前記シール（２２３）の内周部内で回転する、方法において、
    ばね荷重（２４０）により前記シールハウジング（２３０）の高圧側の方向に前記シール（２２３）を付勢して、前記シール（２２３）と前記シールハウジング（２３０）との間に軸方向ギャップを形成するステップと、
    前記圧縮機を始動させるステップと、
    前記シール（２２３）の摩耗性部分（２２５）に半径方向研磨溝（２２７）を切削するステップと、
    前記圧縮機の速度を上昇させるステップと、
    前記シールハウジング（２３０）の低圧側の方向に前記シール（２２３）を移動させるステップと、
    を含む、方法。
14. シールハウジング（２３０）を有するステータ（２２０）と、
    前記シールハウジング（２３０）内に配設され、内周部に沿って摩耗性部分（２２５）を有する、シール（２２３）と、
    前記シール（２２３）の前記内周部内で回転するように構成され、前記摩耗性部分（２２５）内に研磨溝（２２７）を形成するように構成された、複数のロータ歯（２１５）を有するロータ（２１０）と、
    前記ステータ（２２０）と前記シール（２２３）との間に配設され、前記シール（２２３）の軸方向移動を容易にするように構成された、第１のばね（２４０）と、
    前記シールハウジング（２３０）の比較的低圧側と前記シール（２２３）との間に配置された二次シール（３７０）と、
    を備える、遠心圧縮機。