(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、この回転軸を回動可能に支承する軸受手段を取り付けたケーシングと、前記回転軸に取り付けられた少なくとも１枚の遠心羽根車と、前記羽根車により圧縮されたガスが前記回転軸とケーシングとの間から漏れるのを防止する軸封装置とを備えた遠心圧縮機において、
前記軸封装置は前記羽根車よりも軸方向外側に配置され、ケーシングに対し半径方向に隙間をもって位置するガス側シールリングと、このガス側シールリングより機外側に位置しケーシングと半径方向に隙間をもって設けられた大気側シールリングとを備え、前記回転軸にこの２つのリングに給油する給油路を形成し、前記給油路は前記ガス側シールリングに対応する位置に開口部を有し、前記軸受手段を前記軸封装置より軸方向外側に２個所設け、前記回転軸に形成した給油路は、回転軸の一方端に開口を有し、回転軸の軸心部を通る給油穴と、この給油穴に連通し半径方向外方に放射状に設けた複数の給油孔とを有し、前記回転軸の給油穴の開口端側に、この給油穴から供給する油を収容するチャンバーを設けるとともに、このチャンバーの軸方向機内側に前記回転軸とケーシングとの間をシールするメカニカルシール手段を設けたことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
回転軸の軸方向２個所にオイルフィルムシール装置を有する遠心圧縮機において、
前記回転軸の軸中心部に第１の穴を、この第１の穴に連通し回転軸の外周に開口する複数の第２の孔を前記オイルフィルムシール装置が取り付けられる位置に対応して形成し、前記オイルフィルムシールはガス側シールリングと大気側シールリングとを有し、前記ガス側シールリングを冷却して作動ガスと混合した油から作動ガス成分を除去するデガス手段と、前記大気側シールリングを冷却した油と前記デガス手段によりデガスされた油とを混合するオイルリザーバとを有することを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項３】
前記オイルフィルムシール装置に供給される油を貯蔵するヘッドタンクと、このヘッドタンクの液面を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、オイルフィルムシール装置を有する遠心圧縮機及びその軸封装置に係り、特にオイルフィルムシール装置を有する多段の遠心圧縮機およびその軸封装置に関する。
背景技術
遠心圧縮機の作動ガスと軸受潤滑用の油とをシールするために、回転軸と遊隙を設けてシールリングを取り付け、ケーシング側に設けた給油路からシールリング外周表面へ給油することにより、シャフトとシールリングの間に強制給油する、いわゆるオイルフィルムシールが従来広く採用されている。このオイルフィルムシールを用いた装置の例が特開平８−１２１１０９号公報に記載されている。
ところで、このオイルフィルムシールには以下に記載する特徴がある。
(a)オイルフィルムシール装置内で形成された油膜により、完全に機内側にある作動ガスの機外への漏出をシールできる。
(b)オイルフィルムシートは非接触型のシールであり、メカニカルシールやリップシールのように摺動部を有するものではなく、摩擦や摩耗が小さく長期連続運転が可能である。また、非接触型であるからシール部の回転軸の周速が高い（約８０m/s）ときにも使用でき、大動力の機械にも使用できる。
(c)供給する油の圧力を変えることにより、機内側のガス圧力が高いときにも機内側ガスの機外への漏出をシールできる。
(d)オイルフィルムシールは、シール部で発生した熱をシール油で取り去ることが可能なので、シールの安全性や信頼性が高い。
オイルフィルムシールでは、シールリングと軸との間に、機内ガス圧力よりわずかに高い圧力の油膜を形成してガスをシールしている。そして、１個のオイルフィルムシール装置は、遠心圧縮機の機内側（ガス側）および機外側（大気側）に各１個のシールリングを有している。これらシールリングを、回転軸に対して極めて狭い隙間でかつ軸の微小運動に追随できる程度に、ケーシングに形成したシールハウジングの中に組み込む。機内側及び機外側の２つのシールリングの間には、機内ガスより圧力より若干高い圧力の油が供給される。供給された油の一部は、大気側シールリングへ、残りは機内側シールリングとシャフトとの間の環状隙間を通って機内側へわずかに流れる。このようにして、機内ガスが大気側へ漏れることを防止している。
この従来のオイルフィルムシール装置においては、ガス側から排出される油は機内ガスと接触する。このため、機内の作動ガスの種類によっては、シール油は著しく汚染される。汚染の恐れのある排油は、ドレントラップへ導かれた後ガスと油分が分離されて、油分は回収または廃棄される。サワードレンと呼ばれるこの廃油の量を少なくするために、従来、次の方法を用いている。
1)機内ガスと供給されるシール油の差圧を小さくする。
2)ガス側シールリングと回転軸間の隙間を小さくする。
ここで、１）の差圧を小さくし過ぎると機内ガスが機外へガス漏れしやすくなり、一方、２）の隙間を小さくし過ぎると、ガス側シールリング内面における温度上昇が大きくなり過ぎ、シールリングを焼損させたり、シールリングと回転軸との接触の危険性を増大させる。実際に、ガス側シールリングが焼損する事故が報告されている。特に、遠心圧縮機は石油精製や化学プラント等の各種プラントの重要構成要素であり、一旦遠心圧縮機にトラブルが発生すると、プラント全体の稼動停止という事態を引き起こす恐れもあり、オイルフィルムシール装置を含む軸封装置の信頼性の確保は重大な課題となっている。
また、回転軸に遊隙を設けてシールリングを取り付けているが、このシールリングに対向する回転軸部分に、回転軸を保護するため通常シーリングスリーブと呼ばれるリングを焼嵌めしている。従来のオイルフィルムシールでは外周から給油していたので、このシーリングスリーブはシール油で温められ膨張し、回転軸にアンバランス荷重を生じることがあった。その結果、回転軸を含むロータにアンバランス振動を発生するという不具合があった。
発明の開示
本発明は、上記従来技術の有する課題及び不具合に鑑みなされたものであり、遠心圧縮機に用いられるオイルフィルムシールの信頼性を向上させることを目的とする。そして、特にガス側シールリングの焼損を防止して、信頼性を高めることを目的にする。
本発明の他の目的は、オイルフィルムシール装置を備えた遠心圧縮機において、シール部のアンバランスに起因するロータのアンバランス振動を低減することにある。
本発明のさらに他の目的は、簡単な構成で上記目的を達成できるオイルフィルムシール装置を備えた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の本発明の第１の特徴は、回転軸と、この回転軸を回転可能に支承する軸受手段を取り付けたケーシングと、回転軸に取り付けられた少なくとも１枚の遠心羽根車と、羽根車により圧縮されたガスが前記回転軸とケーシングの間から漏れるのを防止する軸封装置とを備えた遠心圧縮機において、軸封装置は羽根車より軸方向外側に配置され、ケーシングに対し半径方向に隙間をもって位置するガス側シールリングと、このガス側シールリングより機外側に位置しケーシングと半径方向に隙間をもって設けられた大気側シールリングと備え、回転軸にこの２つのリングに給油する給油路を形成し、前記給油路は前記ガス側シールリングに対応する位置に開口部を有するものである。
そして好ましくは、軸受手段は軸方向２個所に設けられ、軸封手段はこの軸受手段より軸方向内側に２個所設けられている、あるいは、回転軸に形成した給油路は、回転軸の一方端に開口を有し、回転軸の軸心部を通る給油穴と、この給油穴に連通し半径方向外方に放射状に設けた複数の給油孔とを有する、複数の給油孔の軸方向位置を、ガス側シールリングの軸方向中間部とする、回転軸は、ガス側シールリングと大気側シールリングとが設けられた位置に対応して、この回転軸をカバーするシーリングスリーブを備え、このシーリングスリーブは給油路の開口部に対応する位置において、径方向に貫通する孔を有している、回転軸の給油穴の開口端側に、この給油穴から供給する油を収容するチャンバーを設けるとともに、このチャンバーの軸方向機内側に回転軸とケーシングとの間をシールするメカニカルシール手段を設けるものである。
上記目的を達成するための本発明の第２の特徴は、回転軸の軸方向２個所にオイルフィルムシール装置を有する遠心圧縮機において、回転軸の軸中心部に第１の穴を、この第１の穴に連通し回転軸の外周に開口する複数の第２の孔を前記オイルフィルムシール装置が取り付けられる位置に対応して形成したものである。
そして好ましくは、オイルフィルムシール装置に供給される油を貯蔵するヘッドタンクと、このヘッドタンクの液面を制御する制御手段とを設ける、あるいは、オイルフィルムシールはガス側シールリングと大気側シールリングとを有し、ガス側シールリングを冷却して作動ガスと混合した油から作動ガス成分を除去するデガス手段と、大気側シールリングを冷却した油とデガス手段によりデガスされた油とを混合するオイルリザーバとを有するものである。
上記目的を達成するための本発明の第３の特徴は、遠心圧縮機用の軸封装置であって、ハウジングに遊嵌されたガス側シールリングおよび大気側シールリングと、これらシールリングの内径側に配置され径方向に貫通する複数の孔を有するシーリングスリーブとを備え、このシーリングスリーブの複数の孔は少なくともガス側シールリングに対応した位置に形成されているものを含むことにある。
そして好ましくは、複数の孔の内径側から両シールリングに供給する油を貯蔵するヘッドタンクと、このヘッドタンクの液面を制御する制御手段とを備えたものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る多段の遠心圧縮機の縦断面図であり、第２図は本発明に係る遠心圧縮機の一実施例を示す図であり給油系統及びシール部の詳細を縦断面で示す図、第３図は本発明の他の実施例に係る遠心圧縮機の給油系統及びシール部の詳細を縦断面で示す図であり、第４図は本発明に係る遠心圧縮機の回転軸の詳細を一部断面で示した図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。第１図は本発明に係る多段遠心圧縮機の縦断面図、第２図は本発明の第１の実施例を示す図であり、多段遠心圧縮機の給油系統とオイルフィルムシール部については断面にして詳細を示している。
１本の回転軸１に複数個の遠心羽根車３０を取り付け、この回転軸１を回転軸１の両端部に設けた軸受装置５０、５２により支承し、図示しない原動機で高速回転駆動される１軸多段型の遠心圧縮機１００は、化学プラント等で使用され、取り扱いガスも可燃性ガスや有毒ガス等様々である。この１軸多段圧縮機では、吸い込み口３１から吸い込まれた作動ガスは、回転軸１の回転に伴い圧縮され、吐出口３２から所望の圧力となって要求元へ送られる。この１軸多段圧縮機１００は大容量であるとともに、吐出口３２から吐出される作動ガスの圧力は高圧であるから、この作動ガスが機外へ漏洩するのを防止するためにシール手段を必要とする。高圧のシール手段としては、上述したようにオイルフィルムシールが好適であるので、一般にオイルフィルムシール装置６０、６２を軸受装置５０、５２の内側に設けている。ここで、オイルフィルムシール装置６０、６２間を図示しないバランス配管で接続して両装置の雰囲気圧力をほぼ作動ガスの吸込圧力にしている。なお、軸受装置５０、５２へとシール装置６０、６２には、同一種類の油を給油している。
第２図に第１図に示した１軸多段遠心圧縮機の給油系統と、シール装置６０、６２が設けられているA部の詳細を示す。シール装置６０、６１に供給されるシール油８は、１軸多段遠心圧縮機本体とは別体に設けられたオイルリザーバ１２に蓄えられている。オイルリザーバ１２に蓄えられたシール油８は、オイルポンプ１３により加圧された後、オイルクーラ１４において冷却され、オイルフィルタ１５で後述する作動ガス成分等を除去され、新鮮な潤滑及びシール油として循環使用可能になる。オイルフィルタ１５で不純物を除去されたシール油８は、オイルフィルムシール装置６０、６２に必要とされる油圧に調節されて、回転軸１の吸い込み側の軸端部に設けたチャンバー７に供給される。
ここで、油圧を調整するためにヘッドタンク１８の液面高さを液面計で検出し、この検出値をコントローラ１７に入力する。コントローラ１７は、ヘッドタンク１８内の油の液面高さが一定になるようにコントロール弁１６の開度を調整する。液面高さは、シール油と作動ガスの吸い込み圧力とはほぼ0.5kg/cm2の差圧ができるように調整している。ヘッドタンク１８内の油の液面高さを一定に保持するので、一軸多段遠心圧縮機１００の機内圧が変化しても、常に一定の差圧がハウジング９に遊嵌された２種の
シールリング２、３に加えられ、所定のシール性能を安定的に得ることができる。コントロール弁１６とヘッドタンク１８間には逆止弁１９が設けられており、ヘッドタンク１８に蓄えられたシール油８がオイルリザーバー１２側に逆流して、オイルフィルムシール装置６０、６２が油切れになることを防止している。
回転軸１の軸端に設けたチャンバー７へ供給されたシール油８は、回転軸８の軸心部を軸方向に深く、吐出側のシール装置６０まであけられた給油穴４と、この給油穴４に連通し回転軸１の半径方向にあけられた給油孔５を経て、回転軸１に焼嵌めされたシーリングスリーブ２０に形成された穴からガス側シールリング２に向けて給油される。この時、給油穴４付近からシール油が外部へ漏出するのを防止するために、メカニカルシール６が回転軸１の軸端近傍に設けられている。ところで、遠心圧縮機の機内にある作動ガスの一部は、ラビリンスシール２４、２５を経てシール装置６０、６２へ漏洩するが、このガス側シールリング２を冷却して流入するシール油８と混じり合って、排油孔２２から機外に設けたドレンポット１０に導かれる。これにより、作動ガスの漏洩が防止される。
一方、オイルフィルムシール装置６０、６２に給油されたシール油８の残りは、ガス側シールリング２部の熱を奪って高温になる。そして、大気側シールリング３とシャフト１との間を経て、軸端側に設けられた排油孔２３に流入した後、オイルリザーバ１２へ戻される。ドレンポット１０に一時蓄えられた作動ガスとシール油８との混合した排油は、デガスタンク１１に送られる。デガスタンク１１で作動ガスとシール油８の混合油から作動ガス成分を取り除き、シール油８のみがオイルリザーバ２１に戻され、再利用あるいは廃棄される。デガスタンク１１で取り除かれた作動ガスは、有害ガスまたは可燃性ガスであれば適正に処理されて、公害や事故を引き起こすのを防止している。
なお、シール油８をシャフトに設けた給油孔４、５から供給しているので、ガス側シールリング２の中央部に給油することが可能になる。このため、ガス側シールリング２の軸方向長さを従来よりも長くすることができる。さらに、ガス側シールリング２全体をほぼ均一に冷却できるので放熱効果が高い。また、シールリング部の温度勾配を少なくできるので、シールリング２と回転軸１との隙間をほぼ適正な一定値に保つことができる。したがって、本実施例によれば、従来しばしば問題となっていた大気側シールリングの焼損を防止することができる。
また上記実施例においては、シール油８を回転軸１の内側から供給しているので、回転軸１とシーリングスリーブ２０とをほぼ同一の温度まで冷却することができる。従来、シール油を回転軸の外周側から供給した結果、厚さが約３mm程度のシーリングスリーブ２０が作動ガスの温度や摩擦熱により先に熱膨張し高温となり、一方直径１００mmもある回転軸は温度上昇がそれほど大きくないので、焼き嵌めが外れることがあった。このとき、シーリングスリーブが遊動して回転軸にアンバランス振動を発生するが、上記構成を採用することにより、このアンバランス振動を根本的に防止できる。
次に、本発明の他の実施例を図３に示す。図３では、従来から用いられている回転軸外周からの給油と、上記実施例に示した給油とを併用している。このオイルフィルムシール装置においては、オイルポンプ１３で加圧したシール油８を、ケーシングに形成した給油孔２１からシールリング２、３に供給するシール油の供給路を併設している。この場合、上記実施例に比べてさらに確実にシールが可能になるとともに、冷却も確実に行える。また、図２の実施例と同様に回転軸の内側からもシール油を供給しているので、ガス側シールリング２及びシーリングスリーブ２０のみの熱膨張に起因するロータの振動を防ぐことができる。
図３に、上記両実施例に用いる回転軸１の詳細を示す。回転軸１の内部からオイルフィルムシール部へ給油するために、回転軸１の軸中心部に中心軸に沿って給油穴４を設けている。そして、シールリングに給油するために、半径方向の給油孔５をシールリング位置に対応して軸方向複数箇所に設けている。この給油孔５は、同図のＢ−Ｂ断面に示すように、回転軸の中心から半径方向外方に放射状に設けられており、円周方向には等分位置に複数個設けられている。なお、この半径方向給油孔５から供給されるシール油８は回転軸１の冷却とシーリングスリーブ２０の冷却とを同時に行うので、回転軸とシーリングスリーブをほぼ同一の温度にすることができることは、上述した通りである。
以上述べたように本発明によれば、オイルフィルムシールのシールリングの焼損を防止することができる共に、シーリングスリーブの熱膨張に起因するロータ振動をも防ぐことができ、遠心圧縮機の信頼性、安全性、安定性ひいては、プラント全体の信頼性、安全性を大幅に向上できる。
なお、上記実施例においては、軸受部の潤滑油とオイルフィルムシール部へ供給するシール油とに同一の油を用いているが、別種の油を用いてもよい。この場合、各々に最適の油を使用することができるという利点がある。また、シール油を回転軸の吸い込み側端面から供給しているが、吐出側端面または軸の両端部から供給してもよいことは言うまでもない。また、給油穴を軸に貫通させてもよい。さらに、回転軸に形成する半径方向給油孔の軸方向位置を各オイルフィルムシート当たり１個所にしているが、複数箇所であってもよい。さらにまた、上記実施例においては１軸多段型の遠心圧縮機にオイルフィルムシールを用いる場合を示しているが、単段型や複数軸を有する遠心圧縮機にも本発明を用いることができる。
つまり本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、本明細書に記載した実施例は例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示されており、その特許請求の範囲の意味の中に入るすべての変形例は本発明の範囲に含まれるものである。
【図１】
0003752422.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003752422.tif 000004
【図４】
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