JP2001503117A - 多段回転流体ハンドリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多段の圧縮または膨張を提供するための羽根車(34)を用いた回転流体ハンドリング装置。羽根車(34)は、周囲に囲い板(38)を備えた１組の第１羽根(36)を有し、上記囲い板の外側に１組の第２羽根(40)を備える。一方の１組の羽根は、低比速度の流れのために提供されつ一方、他方の１組の羽根は、高比速度の流れのために提供される。移送通路(22)は、第１段の出口を第２段の入口に連通する。システムへの流入流れとシステムからの流出流れとの間の温度差は、効率を増加するために熱交換(52)される。多段の羽根車とこれに連合せしめられた流路は、圧縮またはターボ膨張に適切になるように形作られる。

Description

【発明の詳細な説明】 多段回転流体ハンドリング装置 本発明の背景 本発明の技術分野は、多段を要する高圧力比を有する圧縮機および膨張機(エ キスパンダ)である。 流体ハンドリング装置を横切って膨張または圧縮において高い圧力比が要求さ れる場合、複数段が必要となる。このような装置における段の配置および寸法は 、ガスの原動力,機械的制限および寸法的な制約によって決定される。このよう な装置は、複数の羽根車を取り付けた単一の軸を用いており、流体が１つの羽根 車から次の羽根車へ動くようになっている。これとは択一的に、夫々に羽根車を 取り付けた複数の軸を用いることもできる。多軸の装置では、歯車やカプリング などの動力伝達装置が必要になる。伝動装置は、各段を機械的に連結することに よってトルクを伝えるが、相当の損失が起こり得る。 流体ハンドリング装置における羽根車の設計は、変数のうちでも特に実際の体 積流量に基づいている。流路の形状は、意図された体積流量に応じて最適な性能 (パフォーマンス)になるように変化する。回転流体ハンドリング装置の技術では 、このような流路形状の変化の測定は、比速度と呼ばれる無次元数に反映される 。低比速度をもつ羽根車は、狭くてより半径流に近い流路を有するが、高比速度 をもつ羽根車は、広くてより軸流に近い流路を有する。低比速度および高比速度 をもつ羽根車は、中比速度をもつ羽根車よりも低い効率性能を有する。比速度は 、次のように定義される。 Ｎ_s＝（１／Ｈ^3/4）ＲＰＭ（ＡＣＶ）^1/2 ここで、ＲＰＭは回転速度、ＡＣＶは実際の体積、Ｈはターボ機械のヘッド( 水頭)である。 プロセス流体の圧力または温度またはこれら両者が変化することにより、流体 の密度は、一定を維持しない。圧縮または膨張の負荷(デューティ)に応じて、流 体の実際の体積は増減する。このことが、羽根車が設計された際の流体の理論実 体積からの偏差を生み、効率が低下する結果となる。本発明の概要 本発明は、回転流体ハンドリング装置の単一の羽根車上の低比速度と高比速度 を組み合わすことを目指している。単一羽根車の使用は、効率を悪くしないで、 簡素な回転流体ハンドリング装置を設計することを可能にする。このシステムは 、構成部材の数、および動力損失をもたらす潜在的に含まれる付加的な軸やカプ リングなどを減じることができる。１つの多段羽根車に低比速度および高比速度 の段を用いることは、臨界速度および捩りと横方向の臨界速度等に関する動的解 析をも、遥かに単純かつ簡単にする。こうして、流体の理論実体積からの偏差は 、それほど重大ではなくなる。 従って、本発明の目的は、改善された回転流体ハンドリング装置を提供するこ とにある。本発明の他の更なる目的および利点は、後述される。図面の簡単な説明 図１は、多段ターボエキスパンダの側断面図である。 図２は、多段圧縮機の側断面図である。好ましい実施例の詳細な説明 図１を参照すると、軸支持ハウジング１０と入口ハウジング１２と移送ハウジ ング１４を備えたターボエキスパンダが示されている。入口ハウジング１２は、 圧縮された流体をターボエキスパンダに向ける入口ライン１６に連結されている 。入口ハウジング１２は、このハウジング１２の回り全体に延びる入口マニホー ルド空間２０に連通するための入口通路１８を備える。 同様に、移送ハウジング１４は、移送通路２２と移送マニホールド空間２４を 備える。移送マニホールド空間２４も、移送ハウジング１４の回りに延びている 。入口マニホールド空間２０と移送マニホールド空間２４とを分離するため、入 口ハウジング１２と移送ハウジング１４の間に円板２６が固定されている。 入口マニホールド空間２０の半径方向内側に、入口からの半径方向内方流れの ためのノズルを形成するノズル羽根２８がある。このノズルは、調整可能にでき る。種々のノズルシステムを開示した米国特許第3,495,921号、第4,242,040号、 第4,300,869号および第4,502,836号が参照されたが、これらの開示内容は、参考 の ため本明細書に一体化されている。同様のノズル羽根３０の配置が、移送マニホ ールド空間２４の半径方向内側に設けられている。 軸３２は、軸支持ハウジング１０内に支承され、この軸は、今度はタービン羽 根車３４を支持している。タービン羽根車３４は、片側から延びる１組の第１羽 根３６を備える。これらの第１羽根３６は、羽根車を通過する低比速度の第１段 の流れのために適切な寸法になっている隣接する羽根３６との間に流路を形成す る。囲い板３８は、羽根３６相互間に形成される流路を取り囲む。囲い板３８は 、半径方向に円板２６と揃えられる。上記囲い板３８のもう片側では、１組の第 ２羽根４０が、隣接する羽根４０との間に１組の第２の流路を形成する。羽根４ ０の外側には、隣接する羽根４０相互間の流路を取り囲む移送ハウジング１４が ある。１組の第２羽根４０も、同様に囲い板で取り囲むことができる。囲い板３ ８は、第１段の羽根３６と第２段の羽根４０との間の密封を提供するように作用 する。囲い板３８上のラビリンスシール４１は、円板２６および吐出口ディフュ ーザと協働して、２つの段の流れを分離する。 移送ハウジング１４には、ディフューザ４２が取り付けられている。このディ フューザ４２は、同心円のポート４４,４６を備える。ポート４４は、移送ハウ ジング１４の出口と一致していて、１組の第２羽根４０に連合させられた流路か らの総ての流れを集める。ポート４６は、ポート４４と同心円をなして囲い板３ ８と揃えられて、１組の第１羽根３６に連合させられた流路からの総ての流れを 受けるようになっている。ディフューザ４２は、同心円をなす内側のポート４６ からポート４８へ延び、ここで移送通路２２に出合う。ノックアウトドラムとし ても知られている液分離器４９は、凝縮した液を除去するために、図１に示すよ うにポート４６と４８の間に設けることができる。こうして、羽根３６を通る流 れは、回って移送通路２２に向けられて、結局、羽根４０相互間の流路に入るよ うになっている。同心円をなす外側のポート４４から出る羽根４０からの流れは 、出口ポート５０に向けられる。ディフューザ４２は、第１段および第２段から の吐出流がパイプ直径の３倍だけ水平に延びることによって、動圧ヘッドを静圧 ヘッドとして回復するためのディフューザを提供するように構成することができ る。 図１のターボエクスパンダは、こうして、羽根３６によって低比速度のタービ ンを、羽根４０によって高比速度のタービンを夫々直列に提供する。かくて、重 大な圧力減少を考慮した多段タービン羽根車が提供される。勿論、更なる段のた めに、第２のこのようなタービンを出口ポート５０に連通するように同様に設け ることができる。 図１のシステムは、入口ライン１６と出口ポート５０を連合させる熱交換器５ ２をさらに備えることができる。出口ポート５０からの冷たい流れが、熱交換器 ５２の一側を通る一方、入口ライン１６を通る流入流れが冷却される。上記熱交 換器は、流入側と流出側の間の大きな差および流れを収容するように設計される のが好ましい。このようにして、第１段への流入流れは、第２段から放出される 膨張した流体によって冷却される。低比速度の羽根車の高い効率を生む付加的な 冷却が、第１段に加えられる。低比速度のヘッドは、高比速度のヘッドよりも通 常大きいので、第１段の性能(パフォーマンス)を増加させることによって、機械 全体の効率を増加させることができる。さらに、図１のノックアウトドラム４９ とポート４８との間に示された熱交換器53のような熱交換器を用いることができ 、その場合、システム全体の効用および効率が有利になる。 凝縮液を除去する必要のない２つのエクスパンダ段をもつシステムの計算は、 次のような関係になる。 第１段 第２段 プロセスガス 水素リッチ 水素リッチ Ｍｗ ４.８ ４.８ Ｐ₁(絶対圧,ポンド／平方インチ) ５００ ２００ Ｔ₁(華氏) −１５０ −２００ Ｐ₂(絶対圧,ポンド／平方インチ) ２００ １５０ Ｔ₂(華氏) −２００ −２２５ 流量(ポンド／時間) 10,000 10,000 エンタルピー落差ΔＨ(ＢＴＵ/ポンド) １０１ ４０.５ 体積流量,ＡＣＦＭ₂ ４５０ ８７０ ＲＰＭ 55,000 55,000 比速度,Ｎ_s ６８５ １８８０ ここで、Ｍｗはプロセスガスの分子量(モル重量)、Ｐ₁,Ｐ₂は夫々第１段の入 口圧力,第２段の出口圧力、Ｔ₁,Ｔ₂は夫々第１段の入口温度，第２段の出口温度 、ＢＴＵは英国熱量単位である。 図２の圧縮機を参照すると、軸支持ハウジング５４は、軸５６を回転自在に支 承する。軸支持ハウジング５４には、外側ハウジング５８が取り付けられている 。外側ハウジング５８は、圧縮羽根車６０を収容するための内部空間を備える。 入口通路６２が、圧縮羽根車６０に軸方向を揃えて備えられる。 圧縮羽根車６０は、ハブ６４を備える。ハブ６４の片側から、圧縮に適切に形 作られた羽根６６が延びる。隣接する羽根６６の相互間に流路が備えられて、流 体を圧縮羽根車６０内へ軸方向に引き入れ、この流れを実質上半径方向に放出す る。羽根６６の外側に、囲い板６８がある。この囲い板は、羽根６６間の流路を 取り囲む。囲い板６８の外側には、同じく圧縮に適切に形作られて,隣接するこ れらの羽根７０の間に流路を提供する他の組の羽根７０がある。この１組の第２ 羽根７０も、同様に囲い板で取り囲まれることができる。羽根６６が低比速度段 を提供する一方、羽根７０が高比速度段を提供する。 入口通路６２は、流入流れが羽根６６のみに向けられるように囲い板６８と揃 えられる。羽根６６からの出口は、外側ハウジング５８内の壁７２内に形成され た螺旋に連なっている。この螺旋は、出口通路７４で終わっている。 外側ハウジング５８は、入口通路６２の回りに同心円をなす入口通路７６を形 成する。こうして形成された環状の入口通路７６は、羽根７０に向けられる。外 側ハウジング５８の壁は、上記入口通路の一部を形成するとともに、圧縮羽根車 ６０の外側部分を取り囲むように延びる。羽根７０を通る流れは、圧縮羽根車６ ０の外周の回りの壁７８内に形成された螺旋に向けられる。この螺旋は、出口通 路８０で終わっている。圧縮羽根車６０の多段を直列で運転するために、出口通 路７４が、入口通路７６に連通される。こうして、入口通路６２を通る流入流れ は、羽根６６にある圧縮機の第１段を通って、出口通路７４を通り抜け、移送通 路８２を経て羽根７０を通る第２段の入口７６に供給された後、出口通路８０を 経て放出される。入口通路６２が移送通路８２を通過するのを可能にするための 適切なマニホールディングは、流れを分離状態に維持する。段間冷却器８４が、 移送通路８２に示されており、この段間冷却器は、段間の冷却に用いることがで きる。 圧縮かつ加熱された状態の出口通路８０からの放出流れは、熱交換器８６を介 して、入口通路６２への流入流れを加熱するために用いることができる。第２段 の流体を冷却することによって、第１段のポリトロープ効率の増加を達成するこ とができる。 ２つの圧縮段と段間冷却器をもつシステムの計算は、次のような関係になる。 第１段 第２段 プロセスガス 空気 空気 Ｍｗ ２９ ２９ Ｐ₁(絶対圧,ポンド／平方インチ) １４.７ ２５.５ Ｔ₁(華氏) ６０ １００ Ｐ₂(絶対圧,ポンド／平方インチ) ２６ ６０ Ｔ₂(華氏) １８２ ３０５ 流量(ポンド／時間) 20,000 20,000 エンタルピー落差ΔＨ(ＢＴＵ/ポンド) ２２.８ ３８.５ 体積流量,ＡＣＦＭ₁ 4520 2800 ＲＰＭ 30,000 30,000 比速度,Ｎ_s 3590 1900 ここで、Ｍｗはプロセスガスの分子量(モル重量)、Ｐ₁,Ｐ₂は夫々第１段の入 口圧力,第２段の出口圧力、Ｔ₁,Ｔ₂は夫々第１段の入口温度,第２段の出口温度 である。 以上、多段回転流体ハンドリング装置を、多段のための同じ羽根車を用いて説 明した。本発明の実施例および適用は、図示され記述されたが、本発明概念から 離れることなくより多くの変更が可能なことは当業者にとって明らかであろう。 従って、本発明は、添付の請求の範囲の真意以外には何ら制限されない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成８年１２月１６日（１９９６．１２．１６） 【補正内容】 請求の範囲 ４．回転流体ハンドリング機械において、 ハブとこのハブの第１の側から延びる第１羽根とをもつ羽根車と、上記第１羽 根上の囲い板と、この囲い板の上記第１羽根に面する第１の側と反対の第２の側 から延びる第２羽根とを有するとともに、上記第１羽根相互間の１組の第１流路 および上記第２羽根相互間の１組の第２流路を形成する羽根車と、 この羽根車の回りにあって、上記第１流路または第２流路のいずれか一方への 第１入口と、上記第１流路または第２流路のいずれか他方への第２入口と、上記 第１流路または第２流路のいずれか一方への第１出口と、上記第１流路または第 ２流路のいずれか他方への第２出口とを有し、上記第１入口が上記第１流路へ、 上記第２入口が上記第２流路へ夫々連なっており、上記第１出口および第２出口 が上記羽根車の外周の回りにあり、上記第１入口および第２入口が上記羽根車の 軸方向にあるハウジングと、 上記第１出口と上記第２入口との間の移送通路と、 上記ハウジング内に設けられ、上記第１入口と連通する第１の側と上記第２出 口と連通する第２の側とをもつ熱交換器とを備えたことを特徴とする回転流体ハ ンドリング機械。 ５．請求項４に記載の回転流体ハンドリング機械において、上記移送通路に段間 冷却器をさらに備えたことを特徴とする回転流体ハンドリング機械。 【図２】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回転流体ハンドリング機械において、 ハブとこのハブの第１の側から延びる第１羽根とをもつ羽根車と、上記第１羽 根上の囲い板と、この囲い板の上記第１羽根に面する第１の側と反対の第２の側 から延びる第２羽根とを有するとともに、上記第１羽根相互間の１組の第１流路 および上記第２羽根相互間の１組の第２流路を形成する羽根車と、 この羽根車の回りにあって、上記第１流路または第２流路のいずれか一方への 第１入口と、上記第１流路または第２流路のいずれか他方への第２入口と、上記 第１流路または第２流路のいずれか一方への第１出口と、上記第１流路または第 ２流路のいずれか他方への第２出口とを有するハウジングと、 上記第１入口と第２入口の間にあって、上記第１入口が上記第１流路へ、上記 第２入口が上記第２流路へ夫々連なっており、これら第１入口および第２入口が 上記羽根車の外周の回りにあり、上記第１出口および第２出口が上記羽根車の軸 方向にある移送通路とを備えたことを特徴とする回転流体ハンドリング機械。 ２．請求項１に記載の回転流体ハンドリング機械において、第１の側と第２の側 をもつ熱交換器を上記ハウジング内にさらに備え、上記第１の側は上記第１入口 と連通し、上記第２の側は上記第２出口と連通していることを特徴とする回転流 体ハンドリング機械。 ３．請求項１に記載の回転流体ハンドリング機械において、上記移送通路に液分 離器をさらに備えたことを特徴とする回転流体ハンドリング機械。 ４．回転流体ハンドリング機械において、 ハブとこのハブの第１の側から延びる第１羽根とをもつ羽根車と、上記第１羽 根上の囲い板と、この囲い板の上記第１羽根に面する第１の側と反対の第２の側 から延びる第２羽根とを有するとともに、上記第１羽根相互間の１組の第１流路 および上記第２羽根相互間の１組の第２流路を形成する羽根車と、 この羽根車の回りにあって、上記第１流路または第２流路のいずれか一方への 第１入口と、上記第１流路または第２流路のいずれか他方への第２入口と、上記 第１流路または第２流路のいずれか一方への第１出口と、上記第１流路または第 ２流路のいずれか他方への第２出口とを有し、上記第１入口が上記第１流路へ、 上記第２入口が上記第２流路へ夫々連なっており、上記第１出口および第２出口 が上記羽根車の外周の回りにあり、上記第１入口および第２入口が上記羽根車の 軸方向にあるハウジングと、 上記第１出口と上記第２入口との間の移送通路と、 上記ハウジング内に設けられ、上記第１入口と連通する第１の側と上記第２出 口と連通する第２の側とをもつ熱交換器とを備えたことを特徴とする回転流体ハ ンドリング機械。 ５．請求項１１に記載の回転流体ハンドリング機械において、上記移送通路に段 間冷却器をさらに備えたことを特徴とする回転流体ハンドリング機械。