JP2756118B2 - Single shaft multi-stage centrifugal compressor - Google Patents
Single shaft multi-stage centrifugal compressorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、高圧高速の一軸多段遠心圧縮機に関するも
のである。
〔従来の技術〕
従来の流体機械のラビリンス構造を、一軸多段遠心圧
縮機を例にとって説明する。第3図は一軸多段遠心圧縮
機の縦断面図を示す。吸込ノズル7から吸込まれた取扱
ガスは多段羽根車1によって順次圧縮され、吐出ノズル
8から吐き出される。羽根車出口から入口の内部リーク
はマウスラビリンス3で、段間のリークはステージラビ
リンス4で、最終段から吸込へのリークはバランスラビ
リンス6で、軸端のリークはエンドラビリンスで防ぐ構
造になっている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術では、高圧で、しかも小形高速機になる
とラビリンス部のバネ作用,ダンピング作用によって生
じる流体振動の点について配慮がなされていなかった。
即ち、第4図に示すように、ラビリンスギャップ部の
流れはロータ表面の影響を受けて回転方向成分Uを有す
る。この回転方向成分の流れによってラビリンスシール
部に、バネ作用とダンピング作用を持ってロータを支持
する特性が生じる。この特性は、大型機械ではロータ軸
受系の特性が支配的で無視しても問題ない。しかし高速
小形、且つ高圧機になるとロータ軸受系の特性に対し、
シール部の特性が無視し得なくなる。しかもシール部の
バネ,ダンピングはロータを旋回させる成分を持ってい
るためにロータの振動特性を不安定にする。即ち一般に
よく知られたラビリンスホワールによる不安定振動を生
じ、機械の運転を困難にしていた。
上記不具合を解決する方法として、外部からラビリン
ス室に、ロータの回転方向と逆方向に向かってガスを吐
出させる方法が公知であるが、ガスの消費による動力ア
ップや、ケーシング構造が複雑になったり、外部配管が
必要になるなどコスト的に問題があった。
本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、その目
的とするところは、外部からの吸込ガスを要せずにラビ
リンスホワールを抑制することが出来、トータルエネル
ギ損失が少なく、しかも簡単な構成のラビリンス構造を
用いた一軸多段遠心圧縮機を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、本発明においては、複数
の環状突起と、この環状突起間に形成される溝部とを有
するラビリンス部材をケーシングに設け、複数の羽根車
が取り付けられた回転可能なロータとの間にラビリンス
を形成した一軸多段遠心圧縮機において、前記複数の環
状突起の中で、前記羽根車に最も近い側の突起に対応し
た前記ロータに、ロータの軸心に対して螺旋状にねじれ
た複数の溝及びこの溝間に形成される螺旋状にねじれた
突条とを設け、この溝のねじれ方向は、ラビリンスを漏
洩する流体の漏洩方向に関して上流側が、同下流側に対
して、ロータの回転方向に角度θだけ進相しており、こ
の角度θは、ガスの相対流れ速度ω、溝部の流速uとし
たときに、
ω・cosθ>u
を満足することを特徴とする。
〔作用〕
上記の構成とすることにより、ラビリンスシール部の
ガスに、ロータの回転方向と逆向きの旋回成分を与える
ことができ、ラビリンスシールを用いた一軸多段遠心圧
縮機においてラビリンスホワールを抑制することができ
る。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図及び第2図により説
明する。第1図は、流体機械のラビリンス部の構造の一
例として遠心圧縮機のバランスシール部に本発明を適用
した一例を示す。取扱ガスは最終羽根車1を出た後、吐
出ノズルから吐き出されるがその一部はバランスシール
部即ちバランスラビリンス6とロータ2表面とのギャッ
プを通って2次側(低圧側)部(例えば吸込ノズル)へ
流れる。バランスシール部の入口部にはロータ側に設け
たスリット(溝)11と突条13がある。このスリットはロ
ータ回転軸芯に対してラビリンスシールの高圧側が低圧
側よりも回転方向に位相進みを持つように構成してあ
る。更にそのスリット11の傾き角(位相進み量)は次の
ように決める。スリットが高圧側から低圧側に向って傾
いている角度をθとし、スリット部の周速をuとする。
スリットを出たところでのガス流れの軸方向成分は、ラ
ビリンスの洩れ量計算式より得られた流量Qとスリット
部の断面積Aとにより次式で求まる。
前記θとCmとよりスリット出口部のガスの相対流れ速
度ωは次式で得られる。
ω≒Cm/sinθ ……(2)
従ってスリット出口部でのガスの絶対流れ速度Cは、
(3)式で得られる。
C={ω2+u2−2ω・u・cosθ}1/2……(3)
この絶対流れ速度Cはスリット傾き角θが(4)式を
満足するようにすればロータ回転方向と逆向きにするこ
とができる。
ω・cosθ>u ……(4)
即ち、本発明ではスリット傾き角θが(4)式を満足
するようにスリットを構成することにより、ラビリンス
シール部へのガスに、ロータ回転方向と逆向きの旋回成
分を持たせることができる。これによりラビリンスシー
ル部のロータ回転方向のバネ及びダンピング特性をなく
し、ラビリンスホワールを抑制することができる。
第2図は上記スリットをステータ側(例えばバランス
ラビリンス)に設けた一例を示す。原理的には前記の実
施例(第1図)と同じであり、前例と同様にラビリンス
シールによる不安定現象を抑制できるという効果があ
る。
〔発明の効果〕
本発明によれば、特に高速小形で高圧の流体機械のラ
ビリンスホワールを、外部からの吹込ガスなしで抑制す
ることができるので、トータルのエネルギ損失が少な
く、且つ構造が簡単で経済性に優れるという効果があ
る。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a high-pressure, high-speed, single-shaft, multi-stage centrifugal compressor. [Prior Art] A labyrinth structure of a conventional fluid machine will be described using a single-shaft multi-stage centrifugal compressor as an example. FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of a single-shaft multi-stage centrifugal compressor. The handling gas sucked from the suction nozzle 7 is sequentially compressed by the multi-stage impeller 1 and is discharged from the discharge nozzle 8. The internal leak from the impeller outlet to the inlet is a mouth labyrinth 3, the leak between stages is a stage labyrinth 4, the leak from the last stage to the suction is a balance labyrinth 6, and the shaft end leak is prevented by an end labyrinth. I have. [Problems to be Solved by the Invention] In the above-mentioned prior art, no consideration has been given to the point of the fluid vibration generated by the spring action and the damping action of the labyrinth part in a high-pressure and small-sized high-speed machine. That is, as shown in FIG. 4, the flow in the labyrinth gap has a rotational direction component U under the influence of the rotor surface. Due to the flow of the rotation direction component, the labyrinth seal portion has a characteristic of supporting the rotor with a spring action and a damping action. In large machines, this characteristic is dominated by the characteristics of the rotor bearing system and can be ignored. However, when it comes to high-speed compact and high-pressure machines, the characteristics of the rotor bearing system
The properties of the seal cannot be ignored. Moreover, the spring and the damping of the seal portion have a component for rotating the rotor, so that the vibration characteristics of the rotor become unstable. That is, unstable labyrinth whirl generally causes unstable vibration, which makes it difficult to operate the machine. As a method of solving the above-mentioned problem, a method of discharging gas from the outside to the labyrinth chamber in a direction opposite to the rotation direction of the rotor is known. However, power consumption due to gas consumption and a casing structure become complicated. However, there is a problem in terms of cost, such as the necessity of external piping. The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to suppress labyrinth whirl without requiring external suction gas, to reduce total energy loss, and to achieve simple operation. An object of the present invention is to provide a single-shaft multi-stage centrifugal compressor using a labyrinth structure having a configuration. [Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, in the present invention, a labyrinth member having a plurality of annular projections and a groove formed between the annular projections is provided in a casing, In a single-shaft multi-stage centrifugal compressor that forms a labyrinth with a rotatable rotor to which an impeller is attached, among the plurality of annular protrusions, the rotor corresponding to the protrusion closest to the impeller, A plurality of grooves spirally twisted with respect to the axis of the rotor and a helically twisted ridge formed between the grooves are provided, and the torsional direction of the grooves is determined with respect to the leakage direction of the fluid leaking the labyrinth. The upstream side is advanced with respect to the downstream side by an angle θ in the rotation direction of the rotor, and the angle θ is defined as ω · cos θ> u, where the relative flow velocity ω of the gas and the flow velocity u of the groove portion are given by: Specially to satisfy Sign. [Operation] With the above configuration, a swirl component in a direction opposite to the rotation direction of the rotor can be given to the gas in the labyrinth seal portion, and the labyrinth whirl is suppressed in the single-shaft multistage centrifugal compressor using the labyrinth seal. be able to. Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 shows an example in which the present invention is applied to a balance seal portion of a centrifugal compressor as an example of a structure of a labyrinth portion of a fluid machine. The handled gas is discharged from the discharge nozzle after leaving the final impeller 1, and a part thereof passes through a gap between the balance seal portion, that is, the balance labyrinth 6 and the surface of the rotor 2, and a secondary side (low pressure side) portion (for example, a suction side). Nozzle). At the inlet of the balance seal portion, there are a slit (groove) 11 and a ridge 13 provided on the rotor side. The slit is configured such that the high pressure side of the labyrinth seal has a phase advance in the rotation direction with respect to the rotor rotation axis than the low pressure side. Further, the inclination angle (phase lead amount) of the slit 11 is determined as follows. The angle at which the slit is inclined from the high pressure side to the low pressure side is θ, and the peripheral speed of the slit portion is u.
The axial component of the gas flow after exiting the slit is obtained by the following equation from the flow rate Q obtained from the equation for calculating the amount of leakage of the labyrinth and the cross-sectional area A of the slit portion. From the above θ and Cm, the relative flow velocity ω of the gas at the slit exit can be obtained by the following equation. ω ≒ Cm / sinθ (2) Therefore, the absolute flow velocity C of the gas at the exit of the slit is
It is obtained by equation (3). C = {ω 2 + u 2 −2ω · u · cos θ} 1/2 (3) This absolute flow velocity C is opposite to the rotor rotation direction if the slit inclination angle θ satisfies the expression (4). Can be ω · cos θ> u (4) That is, in the present invention, by forming the slit such that the slit inclination angle θ satisfies the expression (4), the gas to the labyrinth seal portion is directed in the direction opposite to the rotor rotation direction. Can be provided. This eliminates the spring and damping characteristics of the labyrinth seal portion in the rotor rotation direction, thereby suppressing labyrinth whirl. FIG. 2 shows an example in which the slit is provided on a stator side (for example, a balance labyrinth). In principle, this is the same as the above-described embodiment (FIG. 1), and has an effect that the unstable phenomenon due to the labyrinth seal can be suppressed as in the previous example. [Effects of the Invention] According to the present invention, the labyrinth whirl of a high-speed small-sized and high-pressure fluid machine can be suppressed without blowing gas from the outside, so that the total energy loss is small and the structure is simple. It has the effect of being economical.
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す断面図、第2図は本発
明の他の一実施例の説明図である。第3図は流体機械の
従来例で、1軸形遠心圧縮機の縦断面図、第4図は第3
図のバランスシール部の構造を示す拡大図である。
1……羽根車、2……ロータ、3……マウスラビリン
ス、4……ステージラビリンス、5……ケーシング、6
……バランスラビリンス、7……吸込ノズル、8……吐
出ノズル、11……スリット、12……スリット。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram of another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a single-shaft centrifugal compressor, which is a conventional example of a fluid machine, and FIG.
It is an enlarged view which shows the structure of the balance seal part of the figure. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Impeller, 2 ... Rotor, 3 ... Mouse labyrinth, 4 ... Stage labyrinth, 5 ... Casing, 6
… Balance labyrinth, 7… suction nozzle, 8… discharge nozzle, 11… slit, 12… slit.
Claims (1)
部とを有するラビリンス部材をケーシングに設け、複数
の羽根車が取り付けられた回転可能なロータとの間にラ
ビリンスを形成した一軸多段遠心圧縮機において、前記
複数の環状突起の中で、前記羽根車に最も近い側の突起
に対応した前記ロータに、ロータの軸心に対して螺旋状
にねじれた複数の溝及びこの溝間に形成される螺旋状に
ねじれた突条とを設け、この溝のねじれ方向は、ラビリ
ンスを漏洩する流体の漏洩方向に関して上流側が、同下
流側に対して、ロータの回転方向に角度θだけ進相して
おり、この角度θは、ガスの相対流れ速度ω、溝部の流
速uとしたときに、 ω・cosθ>u を満足することを特徴とする一軸多段遠心圧縮機。(57) [Claims] A single-shaft multi-stage centrifugal compressor in which a labyrinth member having a plurality of annular projections and a groove formed between the annular projections is provided in a casing, and a labyrinth is formed between a rotatable rotor to which a plurality of impellers are attached. In the plurality of annular projections, the rotor corresponding to the projection closest to the impeller is formed with a plurality of grooves spirally twisted with respect to the axis of the rotor, and between the grooves. A helically twisted ridge is provided, and the torsion direction of this groove is such that the upstream side with respect to the leakage direction of the fluid leaking the labyrinth is advanced by an angle θ in the rotation direction of the rotor with respect to the downstream side. The angle θ satisfies ω · cos θ> u when the relative flow velocity ω of the gas and the flow velocity u of the groove are satisfied.
Priority Applications (1)
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