WO1999046512A1 - Compresseur centrifuge et joint d'etancheite - Google Patents

Description

明 細 書 遠心圧縮機及びそれに用いる軸封装置 技術分野

本発明は、 オイルフィ ルムシ一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 ルムシ一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 ルムシ一ルが従来広 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 — 1 2 1 1 0 9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 ルムシールは非接触型のシールであ り 、 メ カ二カルシ一 ルゃリ ップシールのよ う に摺動鄧を有する 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 8 0 m / 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 ルムシ一ルは、 シ一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、 シ一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） およぴ機外側 （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つ 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、 ガス側シ一ルリ ン グ内面における温度上昇が大き く なり過ぎ、 シ一ルリ 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、 ブラン 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力 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 ルムシ一ルでは外周から給油していたので、 このシ一 リ ングス リ 一ブは シール油で温められ膨張し、 回転軸にァンバラ 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 ルムシ一ルの信頼性を向上 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 ルムシ一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 転軸を回動可能に支承する軸受手段を取り付けたケ一シングと、 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 シ一ルリ ングと、 このガス側シ一ルリ ングょ り機外側に位置しケ一シン 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、 回転軸にこの 2つのリ ングに給油する給油路を形成したものである。 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—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、 この回転軸をカバ一する シーリ ングスリーブを備えている、 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 ンバ一を設ける と と もに、 この チヤ ンバ一の軸方向機内側に回転軸とケ一シ ングとの間をシールするメ 力二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一ルリ ングと大気 側シールリ ングとを有し、 ガス側シ一ルリ 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 リザ一ノ 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一リ ングスリーブとを備えるものである。 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 3 0 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 5 0、 5 2 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 1 0 0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 3 1 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 3 2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 1 0 0は大容量である と と もに、 吐出口 3 2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 ルムシ一 ルが好適であるので、 一般にオイルフ ィ ルムシール装置 6 0、 6 2 を軸 受装置 5 0、 5 2の内側に設けている。 ここで、 オイルフィ ルムシール 装置 6 0、 6 2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 5 0、 5 2 へとシール装置 6 0、 6 2 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 6 0、 6 2が設けられている A 部の詳細を示す。 シール装置 6 0、 6 2 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一ノ 1 2 に蓄えられている。 オイルリザ一ノ 1 2 に 蓄えられたシール油 8は、 オイルポンプ 1 3 によ り加圧された後、 ォィ ルクーラ 1 4 において冷却され、 オイ ルフ ィ ルタ 1 5 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 1 5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 6 0、 6 2 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ヤ ンバ一 7 に供給される。

こ こで、 油圧を調整するためにへッ ドタ ンク 1 8 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 1 7 に入力する。 コ ン ト ローラ 1 7 は、 へッ ドタ ンク 1 8内の油の液面高さが一定になるよ う にコ ン ト ロール弁 1 6 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 . 5 kg / cm² の差圧ができるよ う に調整している。 ヘッ ドタ ンク 1 8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 1 0 0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 1 6 とヘッ ドタンク 1 8間には逆止弁 1 9 が設けられており、 へッ ドタンク 1 8に蓄えられたシ一ル油 8がォィル リザ一バー 1 2側に逆流して、 オイルフ ィ ルムシ一ル装置 6 0、 6 2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一 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 6 0 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 2 0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 カ二 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 2 4、 2 5 を 経てシール装置 6 0、 6 2へ漏洩する力 ^f、 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 2 2から機外に設 けた ドレンポッ ト 1 0 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 6 0、 6 2 に給油されたシ一ル油 8 の残りは、 ガス側シ一ルリ 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 2 3 に流入した後、 オイルリザーバ 1 2へ戻される。 ドレンポッ ト 1 0 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 1 1 に送られる。 デガスタ ンク 1 1 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—ル油 8のみがォィルリザ一 ノ 1 2 に戻され、 再利用あるいは廃棄される。 デガスタ ンク 1 1 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、 ガス側シ一ルリ 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、 シ一ルリ 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つ 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 とシ一リ ングス リーブ 2 0 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 3 mm程度のシ一リ ングスリ一ブ 2 0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 1 0 0 mm 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 ス振動を発生する力 、 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 1 3 で加圧したシール油 8 を、 ケーシ ングに形成した給油孔 2 1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 一ブ 2 0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 をシ一ルリ 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 から供給されるシ一ル油 8は回転軸 1 の冷却とシ一リ ングスリ一ブ 2 0 の冷却とを同時に行うので、 回転軸とシ一リ 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 ングスリ一ブの熱膨張 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 o

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 ルムシ一 ル部へ供給するシール油とに同一の油を用いている力⁵'、 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 力'、 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 ルムシール当たり 1個所 にしている力 、 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 ルムシ一ルを用いる場合を 示している力 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。

請 求 の 範 囲

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一シングとの 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つて位置するガス側シールリ ングと、 このガ ス側シ一ルリ 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たことを特徴とする遠心圧縮機。

2 . 前記軸受手段は軸方向 2個所に設けられ、 前記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ことを特徴とする請求の範 囲第 1項に記載の遠心圧縮機。

3 . 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することを特徴とする請求の範囲第 2項 に記載の遠心圧縮機。

4 . 前記複数の給油孔の軸方向位置を、 夫々の給油孔が対応する前記ガ ス側シールリ ングの軸方向中間部と したことを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の遠心圧縮機。

5 . 前記回転軸は、 前記ガス側シールリ 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一リ ングスリー ブを備えたことを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 4項のいずれか 1項に記載の遠心圧縮機。

6 . 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 ンバ一を設けると と もに、 このチャ ンバ一の軸方向機内側に 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請求の範囲第 3項に記載の遠心圧縮機。

7 . 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 ルムシ一ル装置が取り 付けられる位置に対応して形成したことを特徴とする遠心圧縮機。

8 . 前記オイルフ ィ ルムシ一ル装置に供給される油を貯蔵するへッ ドタ ンク と、 このへッ ドタ ンクの液面を制御する制御手段とを設けたことを 特徴とする請求の範囲第 7項に記載の遠心圧縮機。

9 . 前記オイ ルフ ィ ルムシールはガス側シールリ ングと大気側シ一ルリ ングとを有し、 前記ガス側シ一ルリ 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ォィ ルリザーバとを有することを特徴とする請求の範囲第 7項または第 8項 に記載の遠心圧縮機。

1 0 . 遠心圧縮機に用いる軸封装置であって、 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 リーブとを備えることを特徴とする遠心圧縮機に用いる軸封装置。 1 1 . 前記複数の孔の内径側から前記両シ一ルリ 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 を備えたことを特徴とする請求の範囲第 1 0項に記載の遠心圧縮機に用 いる軸封装置。