(57)【要約】【課題】遠心型流体機械において、ラビリンスシールへ高圧流体を噴射するための流路を容易に形成できると共に、回転軸の励振を低減できるようにする。【解決手段】遠心型流体機械５０は、流体を昇圧する遠心羽根車２と、この遠心羽根車２を駆動する回転軸１と、遠心羽根車２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条のシールフィン２２ａを有するラビリンスシール２２とを備える。ラビリンスシール２２を通過する漏れ流れの上流側における隣接したシールフィン２２ａ間に高圧流体を噴出する噴出口２２ｃを設けると共に、この噴出口２２ｃから噴射された高圧流体が回転方向に流れるのを阻止するように噴出口２２ｃの回転方向側に近接して仕切壁２２ｄを設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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条のシールフィンを有するラビリンスシールと、を備え、前記ラビリンスシールを通過する漏れ流れの上流側における隣接した前記シールフィン間に高圧流体を噴出する噴出口を設けた遠心型流体機械において、
前記噴出口から噴射された高圧流体が回転方向に流れるのを阻止するように前記噴出口の回転方向側に近接して仕切壁を設けた
ことを特徴とする遠心型流体機械。
【請求項２】
請求項１において、前記高圧流体の噴出口及び前記仕切壁を周方向の複数箇所に均等に設けたことを特徴とする遠心型流体機械。
【請求項３】
請求項１において、前記遠心羽根車を前記回転軸の軸方向に複数段に設け、前記遠心羽根車の最終段に設けられたディフーザの出口やスクロール部から抽出した高圧流体を前記高圧流体として用いることを特徴とする遠心型流体機械。
【請求項４】
請求項１において、前記最終段の遠心羽根車の背面に軸方向推力をバランスさせるバランスピストンを設け、前記バランスピストンの外周面に対向するケーシングの内周面に前記ラビリンスシールを装着し、前記遠心羽根車の最終段に設けられたディフーザの出口やスクロール部から抽出した高圧流体を前記ケーシング及び前記ラビリンスシールの中心方向に直線状の流路を通して噴射することを特徴とする遠心型流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラビリンス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、例えば石油化学や天然ガスのプラントに用いられている高圧用途の多段遠心圧縮機などに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
石油化学や天然ガス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まわりの構造を図５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。
【０００３】
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、それに固定された遠心羽根車２が連続的に流体を昇圧する。遠心羽根車２で昇圧された流体は、その遠心羽根車２の入口側に逆流しようとするので、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、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。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、ラビリンスシールが用いられる。
【０００４】
高圧用途の多段遠心圧縮機では、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。
【０００５】
ラビリンスシールを通過する流体の旋回成分の影響を減少させる従来の遠心型流体機械としては、実公昭６３−１６９３８号公報（特許文献１）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との間に、複数のシールフィンからなるラビリンスシールを備え、同ラビリンスシールの隣接するシールフィンの相互間におけるシール室内へ上記高圧部から導かれた流体を噴出するノズル孔が、上記静止部に設けられて、同ノズル孔の噴出方向が上記回転軸の回転方向と逆向きに形成されている。
【０００６】
【特許文献１】実公昭６３−１６９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の遠心型流体機械では、ラビリンスシールの内周面に対して接線方向を向くような流路を形成する必要があり、その流路の形成が面倒であると共に、接線方向への必要な噴射力を得るために十分な流路長さを確保することが必要であり、その流路長さを確保することが難しい場合があった。
【０００８】
本発明の目的は、ラビリンスシールへ高圧流体を噴射するための流路を容易に形成できると共に、回転軸の励振を低減できる遠心型流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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条のシールフィンを有するラビリンスシールと、を備え、前記ラビリンスシールを通過する漏れ流れの上流側における隣接した前記シールフィン間に高圧流体を噴出する噴出口を設けた遠心型流体機械において、前記噴出口から噴射された高圧流体が回転方向に流れるのを阻止するように前記噴出口の回転方向側に近接して仕切壁を設けたことにある。
【００１０】
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記高圧流体の噴出口及び前記仕切壁を周方向の複数箇所に均等に設けたこと。
（２）前記遠心羽根車を前記回転軸の軸方向に複数段に設け、前記遠心羽根車の最終段に設けられたディフーザの出口やスクロール部から抽出した高圧流体を前記高圧流体として用いること。
（３）前記最終段の遠心羽根車の背面に軸方向推力をバランスさせるバランスピストンを設け、前記バランスピストンの外周面に対向するケーシングの内周面に前記ラビリンスシールを装着し、前記遠心羽根車の最終段に設けられたディフーザの出口やスクロール部から抽出した高圧流体を前記ケーシング及び前記ラビリンスシールの中心方向に直線状の流路を通して噴射すること。
【発明の効果】
【００１１】
係る構成の本発明の遠心型流体機械によれば、ラビリンスシールへ高圧流体を噴射するための流路を容易に形成できると共に、回転軸の励振を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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４を用いて説明する。なお、図１から図４と図５における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１３】
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遠心圧縮機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、石油化学や天然ガス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。
【００１４】
回転軸１は外部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と共に回転され、格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。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。
【００１５】
遠心羽根車２で昇圧された流体は、その遠心羽根車２の入口側に逆流しようとするので、それを制限するためにマウスシール２０が設けられている。マウスシール２０は、ケーシングの吸込み部３０ａの内周面に装着され、ケーシングの吸込み部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。
【００１６】
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が設けられている。ステージシール２１は、ケーシングの各段を区画する区画部３０ｂの内周面に装着され、ケーシングの仕切部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。
【００１７】
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の低圧側は、ストレートスルー式の場合には初段遠心羽根車の吸込部、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、ケーシングの最終段背面部３０ｃの内周面に装着され、ケーシングの最終段背面部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、軸方向に複数条のシールフィン２２ａが形成されたラビリンス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。
【００１８】
次に、図１から図４を参照しながら、高圧流体をバランスピストンシール２２に噴射することに関して説明する。図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図、図３は図２のＣ方向矢視図である。なお、図２から図４では、構成要素を一部を省略して表すと共に、高圧流体の流れを実線の矢印で表してある。
【００１９】
バランスピストンシール２２を通過する漏れ流れの上流側における隣接したシールフィン２２ａ間には、高圧流体を噴出する噴出口２２ｃが設けられている。この隣接したシールフィン２２ａの間隔は、他のシールフィン２２ａの間隔よりも大きくなっている。これによって、高圧流体による励振防止機能をより有効に発揮させることができる。また、噴出口２２ｂは周方向の複数箇所に均等に設けられている。
【００２０】
遠心羽根車２の最終段に設けられたディフーザの出口やスクロール部から抽出した高圧流体は、ケーシングの最終段の背面部３０ｃの高圧流体通路３０ｄ及びバランスピストンシール２２の高圧流体通路２２ｂを通して噴出口２２ｃに導かれる。これによって、容易に高圧流体を噴出口２２ｃより噴射することができる。
【００２１】
高圧流体通路３０ｄ、２２ｂは、ケーシングの最終段の背面部３０ｃ及びバランスピストンシール２２の中心方向に向かう直線状の流路で形成されている。これによって、高圧流体通路３０ｄ、２２ｂを簡単に形成することができる。また、仕切壁２２ｃは噴出口２２ｂと同様に周方向の複数箇所に均等に設けられている。これによって、高圧流体による励振防止機能をより有効に発揮させることができる。なお、仕切壁２２ｃはバランスピストンシール２２の内周面に一体に設けられている。
【００２２】
噴出口２２ｃから噴射された高圧流体が回転方向に流れるのを阻止するように噴出口２２ｃの回転方向側に近接して仕切壁２２ｄが設けられている。これによって、噴出口２２ｃから噴射された高圧流体は、図２及び図４の実線矢印に示すように、バランスピストン３の外周面に衝突すると共に、仕切壁２２ｄによってバランスピストン３の回転方向に流れることが妨げられ、バランスピストン３の回転方向とは逆の方向に流れて行く。この逆旋回する流れは、シール差圧のために次第にシールフィン２２ａを通過して、低圧側へ流れて行く。
【００２３】
この高圧流体の大部分は低圧側へ流れて行くが、一部は羽根車側からシール部に入り込む流れを抑制するために羽根車側へ流れて行く。高圧流体が羽根車側からの流れに打ち勝って、羽根車側へ流れて行くためには、高圧流体の圧力は、最終段遠心羽根車１の出口圧力より、高くなければならない。このために、上述したように高圧流体に用いる流体を最終段のディフユーザ出口やスクロール部などから抽出するようにしている。
【００２４】
バランスピストンシール２２におけるシール隙間を流れる流体が回転軸１の回転方向と同じ方向の旋回成分を有すると、回転軸１が振れたときに、その振れの方向だけではなく、それとは直交する方向にも流体力が発生する。これはクロスカップリング剛性と呼ばれ、回転軸１が前回りに振れ回るとき、それを助長するような作用をする。従って、バランスピストンシール２２におけるシール隙間を流れる流体は旋回成分を持たないことが望まれる。しかしながら、遠心羽根車２の出口からバランスピストン３の外側に設けられたバランスピストンシール２２に流れ込む流体は、遠心羽根車２の回転によって旋回成分を持っており、そのままシールに流れ込むと、このクロスカップリング剛性によりロータ振れ回りの不安定化が起こる。
【００２５】
本実施形態では、噴出口２２ｃから噴射された高圧流体が回転方向に流れるのを阻止するように噴出口２２ｃの回転方向側に近接して仕切壁２２ｄが設けられているので、第一に、高圧流体によって遠心羽根車２側からの旋回流のバランスピストンシール２２への流入を抑制し、クロスカッブリング剛性を低減することができる。第二に、高圧流体の噴出口２２ｃ付近に設けられた仕切壁２２ｄにより、高圧流体自体が回転軸１の回転方向とは反対方向の旋回成分を持って吹き込まれることになり、クロスカップリング剛性のさらなる低減に寄与することができる。本実施形態では、このように高圧流体への逆旋回成分の付与は仕切壁２２ｄによって実現されるので、従来のように高圧流体流路を径方向に対して傾ける必要がなく、十分な長さの高圧流体流路が確保できない場合でも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態の多段遠心圧縮機の最終段遠心羽根車まわりの断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図２のＣ方向矢視図である。
【図５】従来の多段遠心圧縮機の最終段遠心羽根車まわりの断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…回転軸、２…遠心羽根車、３…バランスピストン、４…スリーブ、２０…マウスシール、２１…ステージシール、２２バランスピストンシール（ラビリンスシール）、２２ａ…シールフィン、２２ｃ…噴出口、３０ａ…ケーシングの吸込み部、３０ｂ…ケーシングの仕切部、３０ｃ…ケーシングの最終段背面部、３０ｄ…高圧流体通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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