JP4839979B2

JP4839979B2 - 多段遠心圧縮機

Info

Publication number: JP4839979B2
Application number: JP2006174719A
Authority: JP
Inventors: 圭史大藪
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: JP2008002412A

Description

本発明は多段遠心圧縮機に係り、特に、同一の軸に多数の遠心羽根車を取り付けた多段遠心圧縮機に関する。

従来の一軸多段遠心圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の遠心圧縮機では、内部のガス漏れがなくかつ軸推力がバランスするように、低圧段である第１群の羽根車の吸込み側の外側に推力バランス環を設けている。推力バランス環の外側にはバランス室を設け、このバランス室に第１群の吐出ガスをバランスラインを経由して導いている。したがって、推力バランス環の両面には、吐出圧と吸込み圧が作用し、この差圧が羽根車方向への推力となり、推力がバランスする。また、仕切り板にラビリンスを設けて、第２群の吸込みガスが第１群羽根車側に漏れるのを防止している。

特開平９−７２２９２号公報

ところで上記特許文献１に記載の多段遠心圧縮機では、バランス室を均圧化してスラスト力を低減することについては考慮されているものの、起動時に中間ノズル圧力が負圧になってドライガスシールに逆圧がかかる事態、を回避することについては十分には考慮されていない。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、多段遠心圧縮機において、スラストバランスを維持しながらシールガス量を低減することにある。本発明の他の目的は、起動時のような過渡状態でも多段遠心圧縮機の信頼性を向上させることにある。

上記目的は、同一の回転軸に多数の遠心羽根車を取り付けた多段遠心圧縮機であって、各段の前記遠心羽根車はケーシングに収容されており、初段の前記遠心羽根車の吸込み側は吸込ラインに接続され、最終段を除く各段の前記遠心羽根車の下流側にその段の吐出流路であって次段への吸込み流路となる静止流路が連続して形成されており、最終段の前記遠心羽根車は吐き出し流路に接続されており、一つの前記吸込みラインから吸込んだガスだけを圧縮するようにした多段遠心圧縮機において、前記回転軸に取り付けた初段遠心羽根車の吸込み側位置および最終段遠心羽根車の吐出側位置に、それぞれ円筒状のバランスドラムを設け、各バランスドラムよりも軸端側にバランス空間を形成し、初段遠心羽根車の吸込み側位置に設けた前記バランス空間には、多段に形成された前記遠心羽根車の中で初段と最終段とを除く中間段の遠心羽根車の吐出側と連通する第１の連通手段（９１）を接続し、前記最終段遠心羽根車の吐出側位置に設けた前記バランス空間には、前記第１の連通手段が接続された中間段よりさらに最終段側で最終段以外の段の遠心羽根車の吐出側と連通する第２の連通手段（９２）を接続し、前記ケーシングの内周部であって、前記各バランスドラムの外周に対向する部分にラビリンスシールを設け、各前記バランス空間よりも軸端側にドライガスシール装置を設け、前記ドライガスシール装置と各前記バランス空間との間に第２のラビリンスシールを設け、この第２のラビリンスシール同士を連通する第３の連通手段（９３）を設けたことにより達成される。
そしてこの特徴において、前記第１または第２の連通手段は、中間段遠心羽根車の下流に設けた中間ノズルとバランス空間とを接続する配管であってもよい。

本発明によれば、軸端部にバランスドラムを設け、このバランスドラムよりもさらに軸端側に形成したバランス室に中間段羽根車からの吐出ガスの一部を導くようにしたので、スラストバランスを維持しながらシールガス量を低減できる。また、起動時のような過渡状態でも多段遠心圧縮機の信頼性を向上できる。

本発明に係る多段遠心圧縮機８０の一実施例を、図１を用いて説明する。図１は、多段遠心圧縮機８０の模式図である。図示しない駆動機により駆動される回転軸１１には、複数個の遠心羽根車１〜７が固定されて取り付けられている。回転軸１１および遠心羽根車１〜７で構成されるロータは、静止部であるケーシング１５内に保持されている。回転軸１１の両端部には図示を省略した軸受装置が取り付けられており、回転軸１１を回転自在にラジアル方向及びスラスト方向に支持する。

初段羽根車１として用いられる最左端の羽根車と軸受装置間、および最終段羽根車７として用いられる最右端の羽根車と軸受装置間には、この遠心圧縮機８０の作動ガスであるプロセスガスが、遠心圧縮機８０の外部に漏れるのを防止するために、ドライガスシールタイプの軸封装置６１，６２が設けられている。軸封装置６１，６２は、回転軸１１に取り付けたドライガスシール回転環６１Ａ，６２Ａと、このドライガスシール回転環６１Ａ，６２Ａに対向し、ケーシング１５に取り付けたドライガスシール静止環６１Ｂ，６２Ｂとを有している。

初段羽根車１よりも軸端側であってこの初段羽根車１に隣り合って、円筒状のバランスドラム２１が回転軸１１に取り付けられている。同様に、最終段羽根車７よりも軸端側であってこの最終段羽根車７に隣り合って、円筒状のバランスドラム２２が回転軸１１に取り付けられている。バランスドラム２１，２２に対向するケーシング１５の壁面には、バランスラビリンス２６，２７が取り付けられている。バランスドラム２１，２２の背面側である軸端側には、シールラビリンス３３，３４とバランスラビリンス２６，２７で仕切られたバランス空間３１，３２が形成されている。

シールラビリンス３３，３４は、回転軸１１との間で非接触シールとして作用し、それぞれ２段のシール３３ａ，３３ｂ；３４ａ，３４ｂで形成されている。シールラビリンス３３，３４に隣り合って上述のドライガスシール６１，６２が配置されている。ドライガスシール６１，６２の軸方向前後側には、シールガス空間５１，５２およびドライガスシールリーク空間７１，７２が形成されている。

初段羽根車１の吸込み部には、吸込みライン４１が接続されており、圧力Ｐｓでプロセスガスが吸込まれる。初段羽根車１から第６段羽根車６までは、各段の下流側にその段の吐出流路であって次段への吸込み流路となる静止流路４２〜４７が形成されている。この静止流路４２〜４７は、必要に応じて羽根付ディフューザや羽根無しディフューザ，リターンベーン等が配置されている。最終段羽根車７の下流側には吐出流路４８が接続されており、最終段羽根車７で昇圧されたプロセスガスを集めて、圧縮機８０外の需要元に供給する。

ここで、左右のシールガス空間５１，５２同士は、シールガスライン（配管）９４で接続されており、シール用のドライガス４９がこのシールガスライン９４を経てシールガス空間５１，５２に元圧Ｐｇで吹き込まれる。また、左右のドライガスシールリーク空間
７１，７２同士は、ドライガスリークライン（配管）９５で接続されている。ドライガスシール６１，６２部でシールに使用されドライガスシールリーク空間７１，７２に流入したガスは、このドライガスリークライン９５から、圧力Ｐｆでリークガス５０としてフレアに送られる。さらに、２段に形成したシールラビリンス３３，３４では、各々の中間にシールガス吹き込み空間３３ｃ，３４ｃが形成されており、このシールガス吹き込み空間３３ｃ，３４ｃ同士を、シールラビリンス均圧ライン（配管）９３で接続している。

本実施例で最も特徴的な構成は、左右のバランス空間３１，３２に中間段羽根車の吐出側を接続したことにある。具体的には、初段羽根車１側に設けたバランスドラム２１に隣り合うバランス空間３１と第３段羽根車３の吐出流路４４とを第１バランス配管９１で接続する。一方、最終段羽根車７側に設けたバランスドラム２１に隣り合うバランス空間
３２と第５段羽根車の吐出流路４６とを第２バランス配管９２で接続する。

このように構成した本実施例の多段遠心圧縮機８０の動作を、以下に説明する。回転軸１１が回転駆動されると、各段の羽根車１〜７は吸込みライン４１または前段の吐出ライン４２〜４６から吸込まれたプロセスガスを圧縮し、昇圧して次段羽根車２〜７または吐出ライン４８に送る。

その際、吸込み側のバランスドラム２１には、圧縮機８０の吸込み圧力Ｐｓと第３段羽根車３の吐出圧力Ｐ_3dとの差圧が作用する。その結果、バランスドラム２１には、図で白抜き矢印で示した右方向のスラスト力が発生する。吐出側のバランスドラム２２には、最終段羽根車７の吐出圧力Ｐｄと第５段羽根車５の吐出圧力Ｐ_5dとの差圧が作用する。その結果、バランスドラム２２には図で白抜き矢印で示した右方向のスラスト力が発生する。一方、各羽根車１〜７では、心板の背面に作用するガス圧と側板の背面に作用するガス圧の差に起因して、図で黒抜き矢印で示した左方向のスラスト力が発生する。そこで、２つのバランスドラム２１，２２の径を調整して、羽根車１〜７に作用するスラスト力に対抗させる。

バランス空間３１，３２よりも軸端側に設けたシールラビリンス３３，３４では、シールガス吹込み空間３３ｃ，３４ｃ同士を、シールラビリンス均圧ライン９３で接続しているので、２つのシールガス吹き込み空間３３ｃ，３４ｃは均圧化される。さらに、シールガス吹き込み空間３３ｃ，３４ｃはラビリンス３３ｂ，３４ａを介してバランス空間３１，３２に隣り合っているから、シールラビリンス３３，３４は、バランス空間３１，３２の中間の圧力で均圧される。

つまり、第５段羽根車５の吐出圧力Ｐ_5dと第３段羽根車３の吐出圧力Ｐ_3dとの間の圧力で、均圧化される。シールラビリンス３３，３４部に作用する圧力を均圧化したので、シールガス吹込みライン（配管）９４からシールガス空間５１，５２に吹き込むシールガスの圧力Ｐｇを、同一圧力とすることができる。その結果、両側の軸封装置６１，６２を同一のものとすることができる。

ところで、プロセス用の多段遠心圧縮機８０では、構成が比較的簡単で信頼性が高いので、軸封装置６１，６２にドライガスシールを多く用いる。本実施例でもドライガスシール６１，６２を回転軸１１の両端部に配置している。ドライガスシール６１，６２ではシールガスの供給が不可欠である。シールガスとしては、圧縮機８０から吐出されるプロセスガスを用いるのが最も容易である。

そこで、図示しないシールガス供給装置がプロセスガスの一部を必要圧力であるＰｇまで減圧して、シールガス空間５１，５２に吹き込む。シールガスのうちの微小量は、軸封装置６１，６２の回転環６１Ａ，６２Ａと静止環６１Ｂ，６２Ｂの間を通り抜けてフレアとして排出される。大部分のシールガスは、シールラビリンス３３，３４の隙間を通って圧縮機８０の吸込み側へ戻る。

ドライガスシール６１，６２では、シールガス空間５１，５２とフレアに連通するシールリーク空間７１，７２の間が逆圧にならないよう、シールガス圧力Ｐｇをフレア圧力
Ｐｆより高圧に保つ必要がある（Ｐｇ＞Ｐｆ）。逆圧が作用すると、ドライガスシール
６１，６２は破損に至るおそれがある。そこで、フレア圧力Ｐｆが高い場合には、シールガス圧力Ｐｇも高くせざるを得ない。通常シールガス圧力Ｐｇは圧縮機８０の吸込み圧力よりも１０ｋＰａ程度だけ高くする。このようにフレア圧力Ｐｆを設定すると、シールラビリンス４１，４２に作用する差圧が小さくなり、シールガス量を低減できる。

しかしながら、本発明を冷凍機系圧縮機に適用した場合には、フレア圧力Ｐｆが高くなり、しかも圧縮機８０の吸込み圧力がほぼ大気圧となる。そこで、ドライガスシール６１，６２に逆圧が作用しないように、圧縮機８０の吸込み圧力Ｐｓよりも高圧のシールガスを供給する必要がある。

たとえば、フレア圧力Ｐｆが０.３ＭＰａのエチレン冷凍圧縮機８０のシールガス圧力Ｐｇは、０.３１ＭＰａ以上必要である。このときの圧縮機８０の吸込み圧力Ｐｓが0.155ＭＰａであれば、従来方法によるシールラビリンス部３３，３４の差圧は、０.１６ＭＰaにもなり、シールガスの洩れ量が増大する。

ここで、エチレン冷凍圧縮機８０を例にとり本発明を説明すると、その圧縮比は10.5で、吸込み圧力は上述したように、０.１５５ＭＰａである。また、吸込み側のバランス空間３１が第３段羽根車３の吐出ライン４４に連通し、吐出側のバランス空間３２が第５段羽根車５の吐出ライン４６に連通している。これらの圧力は、第３段羽根車３の吐出圧力が０.５３５ＭＰａ、第５段羽根車５の吐出圧力が０.９８ＭＰａである。

このとき、シールラビリンス部３３，３４の圧力は０.５３５〜０.９８０ＭＰａの間の圧力となる。したがって、フレア圧力Ｐｆが０.３０ＭＰａと高くなっても、シールガス圧力Ｐｇをシールラビリンス部３３，３４の圧力より１０ｋＰａ程度高くすればよい。すなわち、シールラビリンス部３３，３４の差圧が１０ｋＰａ程度であるから、従来技術で必要であった１６０ｋＰａ程度に比べて、シールガス圧の差圧が低下し、シールガス吹込み量を低減できる。

バランス空間３１，３２は、それぞれ第３段および第５段羽根車３，５の吐出ライン
４４，４６に連通しているので、圧縮機８０を起動するとすぐに各羽根車３，５の吐出圧力が上昇する。したがって、吸込み圧力Ｐｓが負圧となり、さらにシールガスの供給が瞬間的に間に合わなくても、シールガス空間５１，５２にはバランス空間３１，３２およびシールラビリンス均圧ライン９３を通じて、第３段および第５段羽根車３，５で圧縮された吐出ガスが流れ込み、シールガス空間５１，５２が負圧になるのを防止できる。このように、ドライガスシール６１，６２に逆圧がかからず、圧縮機８０の信頼性が向上する。

本実施例では、バランス空間３１を第３段羽根車３の吐出ライン４４に、バランス空間３２を第５段羽根車５の吐出ライン４６に連通させているが、バランス空間３１，３２が連通する羽根車の吐出ラインは、これに限るものではなく、必要に応じて他の段の吐出ラインに変えることができる。ただし、シールラビリンス部３３，３４の圧力は、それぞれ連通させる段の圧力範囲で均圧されるので、フレア圧力Ｐｆより高い圧力となるように連通する吐出ラインを選択する。

また、バランス空間３１，３２を図示しない中間ノズルに接続してもよい。ただし、中間ノズルが吸込用のノズルのときには、起動時に中間ノズル圧力が負圧になるおそれがあるので、ドライガスシールに逆圧が付加されないように保護手段を設ける必要がある。

本実施例によれば、圧縮機８０の吸込み圧力Ｐｓが低く、フレア圧力Ｐｆが高い場合でも、従来に比べシールガス量を低減できる。シールガス量を低減したので、シールガスを圧縮機に供給するシールガス供給装置をコンパクト化でき、圧縮機システムのコストを低減できる。さらに、起動時のような過渡状態でも、軸封装置に逆圧が負荷されず、圧縮機の信頼性が向上する。

本発明に係る多段遠心圧縮機の一実施例の模式図である。

符号の説明

１〜７…羽根車、１１…回転軸、１５…ケーシング、２１，２２…バランスドラム、
２６，２７…バランスラビリンス、３１，３２…バランス空間、３３，３４…シールラビリンス、５１，５２…シールガス空間、６１，６２…軸封装置（ドライガスシール）、
６１Ａ，６２Ａ…ドライガスシール回転環、６１Ｂ，６２Ｂ…ドライガスシール静止環、７１，７２…ドライガスシールリーク空間、８０…多段遠心圧縮機、９１〜９５…配管、Ｐｇ…シールガス圧力、Ｐｓ…圧縮機吸込み圧力、Ｐｄ…圧縮機吐出圧力、Ｐｆ…フレア圧力。

Claims

同一の回転軸に多数の遠心羽根車を取り付けた多段遠心圧縮機であって、各段の前記遠心羽根車はケーシングに収容されており、初段の前記遠心羽根車の吸込み側は吸込ラインに接続され、最終段を除く各段の前記遠心羽根車の下流側にその段の吐出流路であって次段への吸込み流路となる静止流路が連続して形成されており、最終段の前記遠心羽根車は吐き出し流路に接続されており、一つの前記吸込みラインから吸込んだガスだけを圧縮するようにした多段遠心圧縮機において、前記回転軸に取り付けた初段遠心羽根車の吸込み側位置および最終段遠心羽根車の吐出側位置に、それぞれ円筒状のバランスドラムを設け、各バランスドラムよりも軸端側にバランス空間を形成し、初段遠心羽根車の吸込み側位置に設けた前記バランス空間には、多段に形成された前記遠心羽根車の中で初段と最終段とを除く中間段の遠心羽根車の吐出側と連通する第１の連通手段（９１）を接続し、前記最終段遠心羽根車の吐出側位置に設けた前記バランス空間には、前記第１の連通手段が接続された中間段よりさらに最終段側で最終段以外の段の遠心羽根車の吐出側と連通する第２の連通手段（９２）を接続し、前記ケーシングの内周部であって、前記各バランスドラムの外周に対向する部分にラビリンスシールを設け、各前記バランス空間よりも軸端側にドライガスシール装置を設け、前記ドライガスシール装置と各前記バランス空間との間に第２のラビリンスシールを設け、この第２のラビリンスシール同士を連通する第３の連通手段（９３）を設けたことを特徴とする多段遠心圧縮機。
前記第１または第２の連通手段は、中間段遠心羽根車の下流に設けた中間ノズルとバランス空間とを接続する配管であることを特徴とする請求項１に記載の多段遠心圧縮機。