(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、該回転軸が回転自在に設けられて流体が流入、流出する作動室と、該作動室内において回転軸に取着された回転部材と、前記作動室に設けられ、前記流体が前記回転軸に沿って該作動室から流出することを防止するシールとを具備してなる低圧回転機械および高圧回転機械と、これら低圧回転機械及び高圧回転機械を駆動する駆動機とを直列に接続して構成し、前記低圧回転機械及び高圧回転機械のそれぞれの高圧側のシール圧力と低圧側のシール圧力とを連通させるガスバランスラインと、高圧回転機械のガスバランスラインを低圧回転機械の吸込口へ連通するシールラインとが設けられている回転機械において、
前記シールラインの管路途中に介装された制御弁と、
前記高圧回転機械の吸込圧力を検出する吸込圧力検出器と、
該吸込圧力検出器が出力する吸込圧力信号に基づいて前記制御弁を制御するコントローラとを具備してなることを特徴とする回転機械。
【請求項２】
請求項１記載の回転機械において、
前記駆動機からのトリップを検出するトリップ検出器を備えてなり、
前記コントローラは、前記吸込圧力検出器が出力する吸込圧力信号と前記トリップ検出器が出力するトリップ信号とに基づいて、前記制御弁を制御するように構成されていることを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機、送風機、回転式ポンプ、タービン等の回転機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧多段遠心圧縮機（回転機械）としては、以下のような構成を具備してなるものが一般的である。
図３において、１は高圧多段遠心圧縮機（以下圧縮機という）であり、低圧圧縮機（低圧回転機械）３と高圧圧縮機（高圧回転機械）４とが連結配置され、駆動装置として、ガスタービン２ａと減速機２ｂが連結され、減速機２ｂに低圧圧縮機３が連結されてなるものである。ここで、ガスタービン２ａと減速機２ｂは、駆動機２を構成している。また、低圧圧縮機３から送出されたガス（流体）を冷却して高圧圧縮機４に送出するガス冷却機１２が設けられている。
低圧圧縮機３は、被圧縮ガスが導入される吸込口５及び圧縮されたガスを送出する吐出口６を備えている。高圧圧縮機４は低圧段の吸込口７及び吐出口８、高圧段の吸込口９及び吐出口１０を備えている。
【０００３】
また、図４に示すように、低圧圧縮機３と高圧圧縮機４には回転ロータ（回転軸）２２が回転自在に支承されており、回転ロータ２２には各作動室２４内において複数のインペラ（回転部材）２３が取着されている。
低圧圧縮機３の作動室２４の両端にはシール２１、２１が設けられており、シール２１とインペラ２３間にはラビリンスシール２５ａ〜２５ｅが設けられている。そして、シール２１に加わる高圧側のシール圧力を低圧側に連通させるために一次ガスバランスライン２７及び二次ガスバランスライン２８が配管されている。
高圧圧縮機４の作動室２４の両端にも同様にシール２１、２１が設けられており、シール２１とインペラ２３との間及び高圧段と低圧段との間にはラビリンスシール２６ａ〜２６ｆが設けられている。また、シール２１に加わる高圧側のシール圧力を低圧側に連通させるために一次ガスバランスライン２９及び二次ガスバランスライン３０が配管されている。さらに、高圧のシール圧力からシールを保護するためにシールライン１１が設けられ、シール２１へ加わる高圧のガスを抽出し、低圧圧縮機３の吸込口５へ逃がすようになっている。
【０００４】
上記の様に構成された圧縮機１を用いて被圧縮ガスを低圧圧縮機３及び高圧圧縮機４によって圧縮する工程を図４により説明する。
まず、前工程から、例えば７０ｋｇ／ｃｍ２の被圧縮ガスが低圧縮機３の吸込口５から導入され、複数のインペラ２３が高速回転することによって被圧縮ガスが遠心圧縮され、例えば１９０ｋｇ／ｃｍ２の圧縮ガスとなって吐出口６から送出される。
このとき、インペラ２３によって圧縮されたガスの一部が、図の矢印で示すようにラビリンスシール２５ａ〜２５ｅを通過しても、このガスはシール２１、２１によってシールされており作動室２４外に漏出しない。また、ラビリンスシール２５ｃ、２５ｄを通過した高圧側のガスは、ガスバランスライン２７、２８を通じて低圧側に逃がされるようになっている。
【０００５】
次に、吐出口６を出た圧縮ガスは、ガス冷却機１２によって冷却された後、高圧圧縮機４の低圧段の吸込口７へ導入されると、前記同様にインペラ２３が高速回転することによって遠心圧縮されて、例えば３００ｋｇ／ｃｍ２の圧縮ガスとなって吐出口８から送出される。圧縮ガスは続いて高圧段の吸込口９へ導入され、更に圧縮されて例えば３９０ｋｇ／ｃｍ２の所要圧力になった圧縮ガスが吐出口１０から送出され、次工程へ送られる。このとき、低圧段及び高圧段のインペラ２３によって圧縮されたガスの一部が、前記同様にラビリンスシール２６ａ〜２６ｆを通過しても、このガスはシール２１、２１によってシールされており作動室２４外に漏出しない。また、ラビリンスシール２６ｄ、２６ｅを通過した高圧側のガスは、ガスバランスライン２９、３０を通じて低圧側に逃がされるようになっている。さらに、二次ガスバランスライン３０からシールライン１１を通じて低圧圧縮機３の吸込口５へ逃がされるようになっている。
【０００６】
ここで、上記のように高圧ガスがシールライン１１を通じて吸込口５へ逃がされるようになっているのは、以下の理由からである。
すなわち、このような従来の圧縮機１のシール２１として使用されている、オイルフィルムシール又はガスシールの適用圧力は、約２００ｋｇ／ｃｍ２程度が限界であるが、圧縮ガスが２００ｋｇ／ｃｍ２を越える高圧圧縮機４においては、何らかのトラブルによって駆動機２がトリップした場合に、セットリング圧力が約３００ｋｇ／ｃｍ２以上となる場合がある。このため通常運転時及び、異常発生時でもシール機能を維持しシール２１を保護するために、シール圧力を２００ｋｇ／ｃｍ２以下に抑制させる必要があり、この対策として、高圧圧縮機４のシール２１に圧力を加える高圧の圧縮ガスを２次ガスバランスライン３０から低圧圧縮機３の吸込口５へ逃がすシールライン１１が必要となるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の高圧多段遠心圧縮機にあっては、シール圧力を下げるために、シールに圧力を加える高圧の圧縮ガスを、常時シールラインを通じて低圧圧縮機の吸込口へ逃がしている。したがって、圧縮機内部循環損失が大きくなり、約５〜１０％の駆動力が損失するという問題がある。
【０００８】
本発明では、圧縮機内部循環損失を最小にし、シールの破壊を防止しつつ駆動動力の効率を向上することが可能な回転機械を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の回転機械は、回転軸と、該回転軸が回転自在に設けられて流体が流入、流出する作動室と、該作動室内において回転軸に取着された回転部材と、前記作動室に設けられ、前記流体が前記回転軸に沿って該作動室から流出することを防止するシールとを具備してなる低圧回転機械および高圧回転機械と、これら低圧回転機械及び高圧回転機械を駆動する駆動機とを直列に接続して構成し、前記低圧回転機械及び高圧回転機械のそれぞれの高圧側のシール圧力と低圧側のシール圧力とを連通させるガスバランスラインと、高圧回転機械のガスバランスラインを低圧回転機械の吸込口へ連通するシールラインとが設けられている回転機械において、前記シールラインの管路途中に介装された制御弁と、前記高圧回転機械の吸込圧力を検出する吸込圧力検出器と、該吸込圧力検出器が出力する吸込圧力信号に基づいて前記制御弁を制御するコントローラとを具備してなることを特徴とする。
【００１０】
この回転機械においては、吸込圧力検出器が高圧回転機械の吸込圧力を検出し、この検出信号に基づいてコントローラがシールラインに設けられた制御弁の弁開度を制御する。制御弁の弁開度を調整することによって、シールラインを通じて低圧圧縮機の吸込口に逃がされる高圧ガスの量が適正化される。すなわち、吸込口でのガス圧がシールの適用圧力以下であれば、シールへ加わる高圧側のシール圧力もこの圧力より大きくなることはないので制御弁を全閉とし、吸込圧力がシールの適用圧力限界以上である場合は、吸込圧力がシールの適用圧力限界以下になるよう制御弁の開度を調整して逃がす高圧ガスの量を適正化する。
【００１１】
請求項２記載の回転機械は、請求項１記載の回転機械において、前記駆動機のトリップを検出するトリップ検出器を備えてなり、前記コントローラは、前記吸込圧力検出器が出力する吸込圧力信号と前記トリップ検出器が出力するトリップ信号とに基づいて、前記制御弁を制御するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
この回転機械によれば、トリップ検出器が前記駆動機のトリップを検出し、この検出信号及び吸込圧力信号に基づいてコントローラがシールラインに設けられた制御弁の弁開度を制御する。制御弁の弁開度を調整することによって、シールラインを通じて低圧回転機械の吸込口に逃がされる高圧ガスの量が適正化される。すなわち、駆動機がトリップした時は制御弁を全開とする事で高圧ガスを逃がし、トリップが発生していない状態にあっては吸込圧力信号に従い制御弁を調整する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。従来技術で説明した図３〜４と同一の構成については同一符号を付す。
本実施形態では、従来の圧縮機の構成に対して、シールラインの管路途中に介装された制御弁、駆動機のトリップを検出するトリップ検出器、高圧圧縮機の吸込圧力を検出する吸込圧力検出器、同制御弁の弁開度を制御するコントローラを設け、トリップ検出器からのトリップ信号と吸込圧力検出器からの吸込圧力信号とに基づいて制御弁の弁開度を制御するように構成したものである。
【００１４】
図１において、３は低圧圧縮機（低圧回転機械）、４は高圧圧縮機（高圧回転機械）、１２は、低圧圧縮機３から送出されたガス（流体）を冷却して高圧圧縮機４に送出するガス冷却機、２は、低圧圧縮機３及び高圧圧縮機４を駆動する駆動機である。
低圧圧縮機３と高圧圧縮機４には回転ロータ（回転軸）２２が回転自在に支承されており、回転ロータ２２には各作動室２４内において複数のインペラ（回転部材）２３が取着されている。
低圧圧縮機３の作動室２４の両端にはシール２１、２１が設けられており、シール２１とインペラ２３との間にはラビリンスシール２５ａ〜２５ｅが設けられている。そして、シール２１に加わる高圧側のシール圧力を低圧側に連通させるために一次ガスバランスライン２７及び二次ガスバランスライン２８が配管されている。
高圧圧縮機４の作動室２４の両端にも同様にシール２１、２１が設けられており、シール２１とインペラ２３との間及び高圧段と低圧段との間にはラビリンスシール２６ａ〜２６ｆが設けられている。また、シール２１に加わる高圧側のシール圧力を低圧側に連通させるために一次ガスバランスライン２９及び二次ガスバランスライン３０が配管されている。さらに、高圧のシール圧力からシール２１を保護するためにシールライン１１が設けられ、シール２１へ加わる高圧のガスを抽出し、低圧圧縮機３の吸込口５へ逃がすようになっている。
【００１５】
また、３１はシールライン１１の管路途中に介装された圧力調整の制御弁、３２は駆動機２のトリップを検出する検出器、３３はトリップ検出器３２により検出されたトリップ信号である。３４は高圧圧縮機４の吸込口７の吸込圧力信号を検出する吸込圧力検出器、３５は吸込圧力検出器３４により検出された吸込圧力信号である。３７はコントローラであり、トリップ信号３３及び吸込圧力信号３５が入力され、これらに基づいて制御弁３１へ制御信号３６を出力する。制御弁３１は、コントローラ３７からの制御信号３６によって弁開度が調節されるようになっている。
【００１６】
上記のように構成された圧縮機１によれば、まず、前工程から、例えば７０ｋｇ／ｃｍ２の被圧縮ガスが低圧圧縮機３の吸込口５から導入され、複数のインペラ２３が高速回転することによって被圧縮ガスが遠心圧縮され、例えば１９０ｋｇ／ｃｍ２の圧縮ガスとなって吐出口６から送出される。
このとき、インペラ２３によって圧縮されたガスの一部が、図の矢印で示すようにラビリンスシール２５ａ〜２５ｅを通過しても、このガスはシール２１、２１によってシールされており作動室２３外に漏出しない。また、ラビリンスシール２５ｃ、２５ｄを通過した高圧側のガスは、ガスバランスライン２７、２８を通じて低圧側に逃がされるようになっている。
【００１７】
次に、吐出口６を出た圧縮ガスは、ガス冷却機１２によって冷却され、続いて高圧圧縮機４の低圧段の吸込口７へ導入されると、前記同様にインペラ２３が高速回転することによって遠心圧縮されて、例えば３００ｋｇ／ｃｍ２の圧縮ガスとなって吐出口８から送出される。その後、圧縮ガスは高圧段の吸込口９へ導入され、更に圧縮されて例えば３９０ｋｇ／ｃｍ２の所要圧力になった圧縮ガスが吐出口１０から送出され、次工程へ送られる。
このとき、低圧段及び高圧段のインペラ２３によって圧縮されたガスの一部が、前記同様にラビリンスシール２６ａ〜２６ｆを通過しても、このガスはシール２１、２１によってシールされており作動室２４外に漏出しない。また、ラビリンスシール２６ｄ、２６ｅを通過した高圧側のガスは、ガスバランスライン２９、３０を通じて低圧側に逃がされるようになっている。さらに、二次ガスバランスライン３０からシールライン１１を通じて低圧圧縮機３の吸込口５へ逃がされるようになっており、シールライン１１に設けられた制御弁３１の作動によって、通常運転時及び異常発生時でもシール圧力が例えば２００ｋｇ／ｃｍ２以下になるように調整され高圧側に加わるシール圧力を低減させるようになっている。
【００１８】
また、駆動機２のトリップの有無はトリップ検出器３２によって検出されており、トリップ検出器３２が出力するトリップ信号３３はコントローラ３７に入力される。また、高圧圧縮機４の吸込口７における吸込圧力は、吸込圧力検出器３４によって検出されており、吸込圧力検出器３４が出力する吸込圧力信号３５はコントローラ３７に入力されている。コントローラ３７は、トリップ信号３３及び吸込圧力信号３５に基づき制御弁３１を制御する。
【００１９】
ここで、制御弁３１の作用について、図２のフローチャートにより説明すると、トリップ信号３３が「有」の場合には、制御弁３１を全開とし、「無」の場合には、吸込圧力信号３５を判定し、制御弁３１を制御する。吸込口７での吸込圧力がシール２１の適用圧力限界である２００ｋｇ／ｃｍ２以下である場合、制御弁３１を全閉とする。２００ｋｇ／ｃｍ２以上の場合には吸込圧力が２００ｋｇ／ｃｍ２以下になるよう制御弁３１の開度を調整する。
【００２０】
すなわち、吸込圧力が２００ｋｇ／ｃｍ２以下の場合はシール２１に加わる高圧側のシール圧力も２００ｋｇ／ｃｍ２を越えることはないので、制御弁３１を全閉として運転することで、圧縮機内部循環損失が最小に抑えられる。
また、吸込圧力信号３５が２００ｋｇ／ｃｍ２以上の場合、又はトリップ等の異常発生時には、シール圧力がシール２１の適用限界以下になるように制御弁３１を開けるので、シール機能を維持しシール２１を保護することができる。
したがって、本実施形態においては、シール２１の破損を防止しつつ圧縮機１の駆動動力の効率を向上させることが可能である。
【００２１】
なお、本実施形態においては圧縮機について説明したが、送風機、回転式ポンプ、タービン等にも応用することが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、シールラインに制御弁が設けられ、高圧回転機械の吸込圧力と駆動機のトリップ状態とに基づいてコントローラが前記制御弁を制御する。したがって、高圧回転機械から低圧回転機械の吸込口に逃がされるガスの量が適正化されるので、シールの破損を防止しつつ回転機械の駆動動力の効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態として示した高圧多段遠心圧縮機に用いられる低圧圧縮機及び高圧圧縮機の略示断面図である。
【図２】同高圧多段遠心圧縮機に用いられる制御弁の動作を示すフローチャートである。
【図３】従来の高圧多段遠心圧縮機を示す概略図である。
【図４】従来の高圧多段遠心圧縮機に用いられる低圧圧縮機及び高圧圧縮機の略示断面図である。
【符号の説明】
１  高圧多段遠心圧縮機（回転機械）
２  駆動機
３  低圧圧縮機（低圧回転機械）
４  高圧圧縮機（高圧回転機械）
５  吸込口
１１  シールライン
２１  シール
２２  回転ロータ（回転軸）
２３  インペラ（回転部材）
２４  作動室
２７〜３０  ガスバランスライン
３１  制御弁
３２  トリップ検出器
３３  トリップ信号
３４  吸込圧力検出器
３５  吸込圧力信号
３７  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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