JP2012516403A - 多段遠心圧縮機の改良 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は，それぞれがインペラを含む少なくとも４つの遠心圧縮段（１１，１２，１３，１４）からなる改良型多段遠心圧縮機（１０）に関する。
【解決手段】一対の段（１２，１３）のインペラは，第１の高速直接駆動モータ（１６）に連結した第１のシャフト（２３）に取り付けられ，他の一対の段（１１，１４）のインペラは，第２の高速直接駆動モータ（１５）に連結した第２のシャフト（２４）に取り付けられる。第１及び第２のモータの速度は，インペラが全て同じ速度で駆動されるよう，少なくとも１つの駆動部（２５）により制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は，多段遠心圧縮機の改良に関し，特に，改良型多段遠心圧縮機に関する。

１９６０年代以来，遠心圧縮機等の可変速動的圧縮機が，空気又は他の気体の圧縮に使用されている。遠心圧縮機は，軸に取り付けられインペラ（羽根車）を形成する圧縮機のブレードの筒状組立体からなり，様々な理由で多種多様な分野において使用される。遠心圧縮機は，概してエネルギー効率が良く，可動部が少ないことからメンテナンスが容易であり，通常，同様のサイズの往復圧縮機よりも高い空気流を生成する。遠心圧縮機の主な欠点は，多段遠心圧縮機であれば相当の吐出圧力を達成できるものの，多段でなければ，往復圧縮機の高圧縮比を概して達成できないことにある。

遠心圧縮機の性能は，インペラの速度，全揚程及び必要体積流量で表わされる。遠心圧縮機においては，圧縮機に入る空気圧に対する圧縮機から出る空気圧の比である圧力比が，インペラの速度に比例している。段効率は比速度と相関し，比速度は，その速度で稼働すると単位揚程にわたって単位時間内に容積単位が上昇する実際の圧縮機と幾何的に類似した理想的圧縮機の速度として定義される。比速度（Ｎ_ｓ）は，以下の数式から計算できる。

Ｎ＝インペラの回転速度（ｒｐｍ）
Ｑ＝体積流量（ｌ／ｍ）
Ｈ＝全動水頭（全揚程）（ｍ）

図１は，様々な遠心圧縮機の比速度に対する効率の関係を示し，最適比速度があり，高及び低比速度で効率が減少することを示している。

工業用空気用途で使用される従来技術の遠心圧縮機は，通常，２段又は３段の圧縮機である。所望の圧力比を達成するために，段と段の間で中間冷却することで全体効率を向上することができる。１段あたりの比仕事（ｗ），即ち，単位質量流あたりの仕事量が以下の数式から計算できるためである。

Ｒ_１＝一定圧力における気体の比熱（Ｊ／ｋｇ．Ｋ）
Ｔ_１＝入口温度（Ｋ）
ｎ＝一定圧力における気体の比熱と一定容積における気体の比熱との比率
Ｐｒ＝圧力比

比熱（Ｒ_１）における僅かな変化は無視するとして，第２の段の入口における入口温度（Ｔ_１）付近まで冷却する２段式の圧縮のほうが１段式の圧縮より全体の比仕事（ｗ）が小さいことがわかる。同様に，中間冷却をする３段式の圧縮のほうが２段式の圧縮より比仕事（ｗ）が小さい。

空気又は気体が各段で圧縮されるにつれ，体積流量（Ｑ）は段の圧力比（Ｐｒ）に比例して減少する。揚程上昇が段のそれぞれに均等に分かれる場合，第２の段の比速度（Ｎ_ｓ２）は，第１の段の比速度（Ｎ_ｓ１）より小さくなる。同様に，第３の段の比速度（Ｎ_ｓ３）は，第２の段の比速度（Ｎ_ｓ２）より小さくなる。この種の圧縮機では効率の良い比速度の範囲が十分に広いことから，第２の段の比速度（Ｎ_ｓ２）は，通常，高い段効率の範囲内にある。比速度が十分に低ければ，第３の段の効率が最適値未満となることもありうる（図１参照）。

従来技術の３段遠心圧縮機は，第１及び第２の段のインペラを１つのシャフト上に有し，第３の段のインペラを第２のシャフト上に有していることが多い。変速機は，最適速度又はその付近で各シャフトを駆動するように配置される。

かかる配置の一例が，米国特許第６４８８４６７号に記載されている。

しかし，例えば、欧州特許公開第１３１９１３２号及び欧州特許公開第１２１７２１９号に記載されるように，最近は直接駆動装置が遠心圧縮機に採用されるようになってきた。変速機は，直接駆動圧縮機では使用されないことから，例えば，米国特許公開第２００７０１８９９０５号に見られるように，各段の速度を個々のモータ及び駆動部を用いて最適化することができる。かかる装置の欠点は，個々のモータ及び駆動部は高価であり，複数のモータ／駆動部を制御するために複雑な制御装置を要することにある。

よって，本発明の目的は，高効率を備えた改良した多段圧縮機を提供することにある。

したがって，本発明は，それぞれがインペラを備える少なくとも４つの遠心圧縮段を備え，一対の段のインペラは，第１の高速直接駆動モータに連結した第１のシャフトに取り付けられ，他の一対の段のインペラは，第２の高速直接駆動モータに連結した第２のシャフトに取り付けられ，第１及び第２のモータの速度は，インペラが全て同じ速度で駆動されるよう，少なくとも１つの駆動部により制御される多段圧縮システムを構成する。

この配置は，段効率において妥協することなく駆動部の数の観点から圧縮システムを簡素化できる点で有利である。

ここで，例としてのみであるが，添付の図面を参照して本発明を説明する。
図１は，比速度に対する遠心圧縮機の効率を示すグラフである。 図２は，本発明の一実施形態の配置図である。 図３は，本発明の別の実施形態の配置図である。

図２に示すように，３段遠心圧縮機１０は，互いに並列に取り付けられた２つの第１の段１１，１２と，それぞれ直列に接続された第２の段１３と第３の段１４を備えている。このように，圧縮されるべき流体が流体入口を越えて２つの第１の段１１，１２に均等に分割され，同時に圧縮される。そして，２つの第１の段１１，１２の流体出口において放出される流体は，第２，そして第３の段の流体入口を通過する前に，再合流する。段１１／１２，１３，１４は，一対の直接駆動高速モータ１５／１６により駆動される。

４つのインペラは，２つの高速直接駆動モータ１５，１６により駆動される２つのシャフト２３，２４に取り付けられる。第２の段１３のインペラは，一方の第１の段１２のインペラと同じシャフト２３に取り付けられる。第３の段１４のインペラは，他方の第１の段１１のインペラと同じシャフト２４に取り付けられる。モータ１５，１６の速度は，単一の可変周波数又は他の駆動部又は制御装置２５により制御され，これにより，４つのインペラは全て同じ速度で駆動される。４つのインペラを全て同じ速度で駆動する場合には，１つ以上の駆動部２５又は制御装置を用いてもよい。

圧縮されるべき流体は，並列した２つの第１の段１１，１２のインペラへ引き込まれる。２つの第１の段１１，１２から放出された圧縮流体の流れは，中間冷却器２１を通過し，第２の段１３のインペラに引き込まれる前に合流する。第２の段１３から放出された流体は，第３の段１４のインペラに引き込まれる前に第２の中間冷却器２２を通過する。第３の段１４から放出された流体は，使用のために放出される前に，後部冷却器２６を最終的に通過する。２つの第１の段で圧縮された流体の流れは，第１の中間冷却器（２１）を通過する前で合流しても，通過した後で合流してもよい。

第１の段１１／１２を分割したこの構成は，追加した駆動部及びモータに関連する費用と，複雑性及び誤動作の可能性が全て大幅に低減される点で有利である。３つの段１１／１２，１３，１４にわたる比速度の範囲が比較的小さいことから，各段１１／１２，１３，１４は最適に近い効率で稼働することができる。

例えば，全体圧力比（Ｐｒ）が８で，各段１１／１２，１３，１４における圧力上昇が等しければ，圧縮機の入口を通る全体の体積流量がＱであり，第１の段１１／１２それぞれが流量の５０％を圧縮する場合，第１の段１１／１２のそれぞれの比速度（Ｎ_ｓ１）は√（Ｑ／２）と比例する。第２の段１３の比速度（Ｎ_ｓ２）は√（Ｑ／２）と比例し，第３の段１４の比速度（Ｎ_ｓ３）は（Ｑ／４）^０．５と比例する。

本発明の他の実施形態においては，第４の段が加えられ，圧縮機１０が前述の実施形態より高い圧力を達成できるようになっている。図３に示すように，単一の第１の段１２しかなく，第３の中間冷却器２７が第３の段１４と第４の段２８の間に位置している。追加の中間冷却器２７は，第４の段２８の入口で低温に保つことにより，熱力学的圧縮効率の最適化を促進している。

この配置においては，第１及び第２の段１２，１３のインペラが第１のシャフト２３に取り付けられ，第３及び第４の段１４，２８のインペラが第２のシャフト２４に取り付けられる。すでに述べたように，各シャフト２３，２４は高速直接駆動モータ１５，１６により駆動され，モータ１５，１６は１つ以上の駆動部２５により制御される。

１０・・・３段遠心圧縮機，１１・・・第１の段，１２・・・第１の段，１３・・・第２の段，１４・・・第３の段，１５・・・高速直接駆動モータ，１６・・・・高速直接駆動モータ，２１・・・中間冷却器，２２・・・中間冷却器，２３・・・シャフト，２４・・・シャフト，２５・・・駆動部，２６・・・後部冷却器，２７・・・中間冷却器，２８・・・第４の段

Claims (12)

1. それぞれがインペラを備える少なくとも４つの遠心圧縮段からなり，
   一対の段のインペラは，第１の高速直接駆動モータに連結した第１のシャフトに取り付けられ，他の一対の段のインペラは，第２の高速直接駆動モータに連結した第２のシャフトに取り付けられ，前記第１及び第２のモータの速度は，前記インペラが全て同じ速度で駆動されるように，少なくとも１つの駆動部により制御される多段圧縮システム。
2. 一対の第１の圧縮段は互いに並列に取り付けられ，第２と第３の圧縮段は，前記一対の第１の段と直列で取り付けられることを特徴とする請求項１記載の多段圧縮システム。
3. 前記第１の段のうちの一方のインペラと前記第２の段のインペラは前記第１のシャフトに取り付けられ，前記第１の段のうち他方のインペラと前記第３の段のインペラは前記第２のシャフトに取り付けられることを特徴とする請求項２記載の多段圧縮システム。
4. 第１，２，３及び４の圧縮段が直列に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の多段圧縮システム。
5. 前記第１の段のインペラと前記第２の段のインペラは第１のシャフトに取り付けられ，前記第３の段のインペラと前記第４の段のインペラは前記第２のシャフトに取り付けられることを特徴とする請求項４記載の多段圧縮システム。
6. 第１の中間冷却器は，前記第１の圧縮段の流体出口及び前記第２の圧縮段の前記流体入口に接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の多段圧縮システム。
7. 前記第１の中間冷却器は，前記第１の圧縮段のそれぞれの流体出口に接続され，前記２つの第１の圧縮段のそれぞれから受け入れた流体の流れを合流させて，単一の冷却流体の流れを前記第２の圧縮段へ供給することを特徴とする請求項２に従属する請求項６記載の多段圧縮システム。
8. 第２の中間冷却器は，前記第２の圧縮段の流体出口及び前記第３の圧縮段の流体入口に接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の多段圧縮システム。
9. 第３の中間冷却器は，前記第３の圧縮段の流体出口及び前記第４の圧縮段の前記流体入口に接続されることを特徴とする請求項４記載の多段圧縮システム。
10. 後部冷却器は，前記圧縮段のうち最後部の流体出口に接続されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の多段圧縮システム。
11. 前記モータは，少なくとも１つの可変周波数制御により制御されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の多段圧縮システム。
12. 添付の図面に示され，これを参照して実質的に上文に記載される多段圧縮システム。