JP2016176435A - コンプレッサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】流体内の異物を効率よく分離することで、インペラへの異物の混入を抑制することができ、インペラの損傷を防止することが可能となる。【解決手段】モータ３と、モータ３によって軸線Ｏ回りに回転されることで軸方向から流入する流体を径方向外側に圧送する圧縮機２の第一インペラ２２と、第一インペラ２２の上流側に設けられて、モータ３によって軸線Ｏ回りに回転されることで、外部から供給される流体を旋回させながら第一インペラ２２に向かって送り出す遠心分離機５と、流体を外部から遠心分離機５に導く流入流路６１、流入流路６１の下流側に配置されて遠心分離機５を収容する第一収容空間６２、第一収容空間６２の下流側に接続されて第一インペラ２２を収容する第二収容空間６３、及び、第一収容空間６２から径方向外側に延びて遠心分離機５により外周側に導かれた異物を排出する異物排出流路６４を画成するケーシング６と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、コンプレッサシステムに関する。

モータと圧縮機とが一体となっているモータ圧縮機は、空気やガス等の気体を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動させるモータとを有している。モータ圧縮機では、圧縮機のケーシングから延在する回転軸と、モータのケーシングから同様に延在するモータの回転軸とが接続され、モータの回転が圧縮機に伝達される。このモータ及び圧縮機の回転軸は、複数の軸受により支持されることで安定して回転する。

このようなモータ圧縮機は、例えば、非特許文献１のような海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）や、非特許文献２のような浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用される。海底生産システムに使用される際には、モータ圧縮機は、海底に設置され、海底から数千ｍの深さまで掘削した生産井から原油や天然ガス等が混在した生産流体を海上に送り出している。また、浮体式海洋石油貯蔵設備に使用される際には、モータ圧縮機は、船舶等の海上設備に設置されている。

三菱重工技報 Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．５ Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ／Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４

しかしながら、従来のコンプレッサシステムでは、原油や天然ガス等が混在した生産流体を気液分離してから圧縮機に供給するために、圧縮機の上流側に気液分離用の遠心ポンプを設けている。ところが、遠心ポンプを使用する場合には、キャップビテーションが発生すると水頭が低下しポンプの機能が低下するおそれがあり、その点で改善の余地があった。
そして、ポンプ機能が低下し気液分離が不十分になると、流体中に液体（異物）が混入したまま圧縮機に導入されるため、圧縮機のインペラが損傷するという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、流体内の異物を効率よく分離することで、インペラへの異物の混入を抑制することができ、インペラの損傷を防止することが可能となるコンプレッサシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るコンプレッサシステムは、駆動部と、該駆動部によって軸線回りに回転されることで軸方向から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、前記インペラの上流側に設けられて、前記駆動部によって前記軸線回りに回転されることで、外部から供給される流体を旋回させながら前記インペラに向かって送り出す遠心分離機と、流体を外部から前記遠心分離機に導く流入流路、該流入流路の下流側に配置されて前記遠心分離機を収容する第一収容空間、前記第一収容空間の下流側に接続されて前記インペラを収容する第二収容空間、及び、前記第一収容空間から径方向外側に延びて前記遠心分離機により外周側に導かれた異物を排出する異物排出流路を画成するケーシングと、を備えることを特徴としている。

このような構成によれば、流入流路より外部から第一収容空間に供給された流体は、第一収容空間内に収容され駆動部によって軸線回りに回転する遠心分離機によって旋回させられ、遠心分離機の下流側に配置されるインペラに向けて送り出される。このとき、第一収容空間において、流体中の質量の大きな異物は遠心分離機によって生じる遠心力で径方向外側に導かれることになる。そして、流体のうち遠心分離機で径方向外側に向けて導かれた異物は、第一収容空間から径方向外側に延びる異物排出流路に流入して排出されて回収されることになる。
また、異物排出流路に流入した異物よりも質量の小さな他の流体は軸方向に送り出されるとともに遠心分離機の下流側のインペラに流入され、インペラの回転によって径方向外側に圧送される。そのため、流体内に含まれる異物がインペラの上流側で分離されることから、インペラへの異物の混入を抑制することができ、インペラの損傷を防止することが可能となる。

このように本発明では、異物排出流路が第一収容空間の径方向外側に向けて延在するように接続される構成となり、第一収容空間内、および第一収容空間と第二収容空間との接続部分に段差などが形成されず軸方向に沿って滑らかな流路となることから、乱流の発生が抑えられ、遠心力によって径方向外側に導かれる異物を効率よく回収することができる。そのため、例えば気体を主とする流体に液体が混在している場合には、液体を遠心分離機の遠心力で径方向外側に導いて異物排出流路で回収することが可能となるので、気液分離の機能をもたせることができる。

また、本発明に係るコンプレッサシステムは、前記ケーシングには、前記異物排出流路に連通するとともに、前記軸線回りに周回する周方向に沿って全周にわたって延在する異物回収用チャンバーが画成されていることが好ましい。

このような構成によれば、複数の異物排出流路に流入した異物をケーシングに画成された周方向の全周にわたって延在する１つの異物回収用チャンバー内に集めて回収することができる。

また、本発明に係るコンプレッサシステムは、前記異物排出流路は、前記周方向に複数設けられ、これら異物排出流路は、前記第一収容空間の周方向で前記流体の圧力が同等になる圧力領域内に配置されていることが好ましい。

このような構成によれば、周方向に沿って配置される複数の異物排出流路に同等の圧力の流体（異物）を流入させることができるので、第一収容空間内の流体の圧力バランスを安定させることができ、異物排出流路内に流入した異物が第一収容空間内に戻ることを防止することができる。

また、本発明に係るコンプレッサシステムは、前記異物排出流路は、前記第一収容空間の軸方向に沿って複数設けられていることが好ましい。

この場合には、遠心分離機の遠心力によって径方向外側に導かれた流体（異物）を、第一収容空間の軸方向に沿う複数箇所の異物排出流路によって段階的に回収することが可能となるため、気液分離の機能を向上させることができる。

本発明のコンプレッサシステムによれば、流体内の異物を効率よく分離することで、インペラへの異物の混入を抑制することができ、インペラの損傷を防止することが可能となる。

本発明の実施の形態におけるコンプレッサシステムを説明する模式図である。 図１に示す圧縮機及び遠心分離機の詳細を示す縦断面図であって、図１に対して左右反対に向けた図である。 図２の遠心分離機周囲のケーシングを示す要部拡大図である。 図３に示すように示すＡ−Ａ線断面図である、第一収容空間を示す図である。 第１変形例による第一収容空間を示す図であって、図４に対応する図である。 第２変形例による遠心分離機周囲のケーシングを示す縦断面図であって、図３に対応する図である。

以下、本発明の実施の形態によるコンプレッサシステムについて、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

コンプレッサシステム１は、海洋油ガス田開発方式の一つである海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）に使用されて海底に設けられたり、浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用されて海上に設けられたりする。コンプレッサシステム１は、海底数百から数千ｍに存在する油ガス田の生産井から採取された油・ガス等の生産流体を作動流体として圧送する。

コンプレッサシステム１は、図１に示すように、回転軸として軸線Ｏ方向（図１左右方向）に延在するシャフト２１を有する圧縮機２と、シャフト２１に直接的に接続されるロータ３１を有するモータ３（駆動部）と、シャフト２１を支持する軸受部４（駆動部）と、圧縮機２の第一インペラ２２の上流側に設けられる遠心分離機５と、モータ３、圧縮機２、及び遠心分離機５を収容するケーシング６と、を備えている。

圧縮機２は、ケーシング６内に収容され、ロータ３１とともにシャフト２１が軸線Ｏ回りに回転することで作動流体を圧縮する。本実施形態の圧縮機２は、軸線Ｏ方向に延在するシャフト２１と、シャフト２１の外周面に固定された第一インペラ２２と、第一インペラ２２を収容するハウジング２３とを有している。

シャフト２１は、軸線Ｏ方向に延在する回転軸であり、軸線Ｏ回りに回転可能にケーシング６に支持されている。シャフト２１は、ハウジング２３を貫通しており、両端がハウジング２３から延出している。シャフト２１は、後述するケーシング６内において軸線Ｏ方向に延在している。

第一インペラ２２は、シャフト２１とともに軸線Ｏ回りに回転し、第一インペラ２２内部を通過する作動流体を圧縮して圧縮流体を生成する。つまり、第一インペラ２２は、軸線Ｏ方向から流入する作動流体を径方向外側に圧送する。
ハウジング２３は、圧縮機２の外装であり、第一インペラ２２を内部に収容している。ハウジング２３は、ケーシング６内に収容されている。

モータ３は、圧縮機２に対して軸線Ｏ方向に間隔を空けてケーシング６内に収容されている。モータ３は、シャフト２１と一体をなすように固定されたロータ３１と、ロータ３１の外周側に配置されるステータ３２とを有している。

ロータ３１は、シャフト２１と一体となって軸線Ｏ回りに回転可能とされている。ロータ３１は、圧縮機２のシャフト２１に対してギア等を介さずに一体となって回転するように、軸線Ｏを基準とする周方向の外側であるシャフト２１の外周側に直接的に接続されている。ロータ３１は、例えば、ステータ３２が回転磁界を生成することで誘導電流が流れる回転子鉄心（不図示）を有している。

ステータ３２は、ロータ３１を外周側から覆うように周方向に隙間３３を空けて設けられている。ステータ３２は、例えばロータ３１の周方向に沿って複数配置された固定子鉄心（不図示）と、固定子鉄心に巻回された固定子巻線（不図示）とを有している。ステータ３２は、外部から電流が流れることで回転磁場を生成してロータ３１を回転させる。ステータ３２は、ケーシング６内に固定されている。

軸受部４は、ケーシング６内に収容され、シャフト２１を回転可能に支持する。本実施形態の軸受部４は、複数のジャーナル軸受４１及びスラスト軸受４２を備えている。

ジャーナル軸受４１は、シャフト２１に対して軸線Ｏを基準とする径方向に作用する荷重を支持する。ジャーナル軸受４１は、軸線Ｏ方向からモータ３及び圧縮機２を挟み込むようにシャフト２１の軸線Ｏ方向の両端に配置されている。ジャーナル軸受４１は、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間であって、後述するシール部材６０よりもモータ３側にも配置されている。

スラスト軸受４２は、シャフト２１に形成されたスラストカラー２１ａを介して、シャフト２１に対して軸線Ｏ方向に作用する荷重を支持する。スラスト軸受４２は、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間であって、後述するシール部材６０よりも圧縮機２側に配置されている。

遠心分離機５は、図２に示すように、圧縮機２の上流側に設けられて、圧縮機２の第一インペラ２２の入口の外径よりも大きく形成されており、モータ３とともにシャフト２１によって軸線Ｏ回りに回転されることで、外部から供給される作動流体を旋回させながら第一インペラ２２に向かって送り出す構成となっている。

遠心分離機５は、図３に示すように、圧縮機２の第一インペラ２２とは別体で設けられ、ケーシング６内に収容されている。遠心分離機５は、軸線Ｏ方向に延在する圧縮機２のシャフト２１の外周面に固定された第二インペラ５１を備えた分離機である。
なお、遠心分離機５の回転軸は、圧縮機２のシャフト２１と共通のものであるが、別体で設けられていてもよい。

第二インペラ５１は、シャフト２１とともに軸線Ｏ回りに回転し、軸線Ｏ方向から流入し第二インペラ５１内部を通過する作動流体を遠心力により軸線Ｏ方向および径方向外側に向けて圧送する。

ケーシング６は、図３に示すように、軸線Ｏに沿った円筒形状をなし、圧縮機２、モータ３、および遠心分離機５を内部に収容している。ケーシング６の内面は、軸線Ｏ方向の圧縮機２とモータ３との間でシャフト２１に向かって突出している。ケーシング６の突出した部分には、圧縮機２が設けられた領域、遠心分離機５が設けられた領域、およびモータ３が設けられた領域の間をシールするシール部材６０が設けられている。

ケーシング６は、作動流体を外部から遠心分離機５に導く流入流路６１と、流入流路６１の下流側に配置されて遠心分離機５を収容する第一収容空間６２と、第一収容空間６２の下流側に接続されて圧縮機２の第一インペラ２２を収容する第二収容空間６３と、第一収容空間６２から径方向外側に延びて遠心分離機５により外周側に導かれた作動流体中の異物を排出する異物排出流路６４と、異物排出流路６４に連通する異物回収用チャンバー６５と、を画成している。

第一収容空間６２は、一端側に流入流路６１が連通し、他端側に第二収容空間６３が連通し、流入流路６１から外部の作動流体を取り込み、遠心分離機５の第二インペラ５１を回転可能に収容するようにケーシング６内に形成された内部空間である。

異物排出流路６４は、第一収容空間６２の軸方向の中間部に取り付けられ、図４に示すように軸線Ｏ回りに周回する周方向に１箇所（紙面で上側）配置されている。異物排出流路６４は、孔状をなし、流路断面は入口から出口まで同一断面となっている。

異物回収用チャンバー６５は、ケーシング６に形成され、軸線Ｏ回りに周回する周方向に沿って全周にわたって延在し、異物排出流路６４の下流側の端部（出口部６４ｂ）が接続されている。
なお、異物排出流路６４は、第一収容空間６２に対して周方向の全体が接続しない構成となるので、周方向で異なる圧力となる作動流体が同一の異物回収用チャンバー６５内に流入し、その異なる圧力によって回収された異物回収用チャンバー６５内の作動流体が第一収容空間６２内に戻ることを抑制することができる構成となっている。

次に、上述した構成のコンプレッサシステム１の作用について、図面に基づいて具体的に説明する。
図１に示すように、上記のようなコンプレッサシステム１によれば、図示しない発電機等の外部装置によって、ステータ３２に電流に供給されると、供給された電流に基づいて回転磁界が生成され、モータ３のロータ３１がシャフト２１とともに回転を開始する。シャフト２１が高速で回転することで、図３に示すように、流入流路６１より外部から第一収容空間６２に作動流体が供給される。その作動流体は、第一収容空間６２内に収容されモータ３によって軸線Ｏ回りに回転する遠心分離機５によって旋回させられ、遠心分離機５の下流側に配置される圧縮機２の第一インペラ２２に向けて送り出される。このとき、第一収容空間６２において、作動流体中の質量の大きな異物は遠心分離機５によって生じる遠心力で径方向外側に導かれることになる。

そして、流体のうち遠心分離機５で径方向外側に向けて導かれた異物は、第一収容空間６２から径方向外側に延びる異物排出流路６４に流入して排出されて回収されることになる。
また、異物排出流路６４に流入した異物よりも質量の小さな他の作動流体は軸線Ｏ方向に送り出されるとともに遠心分離機５の下流側の圧縮機２の第一インペラ２２に流入され、第一インペラ２２の回転によって径方向外側に圧送される。そのため、作動流体内に含まれる異物が第一インペラ２２の上流側で分離されることから、第一インペラ２２への異物の混入を抑制することができ、第一インペラ２２の損傷を防止することが可能となる。

このように本実施の形態では、異物排出流路６４が第一収容空間６２の径方向外側に向けて延在するように接続される構成となり、第一収容空間６２内、および第一収容空間６２と第二収容空間６３との接続部分に段差などが形成されず軸線Ｏ方向に沿って滑らかな流路となることから、乱流の発生が抑えられ、遠心力によって径方向外側に導かれる異物を効率よく回収することができる。そのため、例えば気体を主とする流体に液体が混在している場合には、液体を遠心分離機５の遠心力で径方向外側に導いて異物排出流路６４で回収することが可能となるので、気液分離の機能をもたせることができる。
したがって、本実施の形態のような海底生産システムにより採取される原油や天然ガス等が混在した生産流体を作動流体とする場合に、効率よく気液分離することができ、優れた効果を発揮することができる。

また、本実施の形態では、異物排出流路６４が１箇所であるが、異物回収用チャンバー６５が周方向の全周にわたって延在する構成であるので、その１つ異物回収用チャンバー６５に対して複数の異物排出流路６４を配置すれば、複数箇所から排出させた異物を１つの異物回収用チャンバー６５内に効率よく集めて回収することができる。

上述した本実施の形態によるコンプレッサシステムでは、作動流体内の異物を効率よく分離することで、圧縮機２の第一インペラ２２への異物の混入を抑制することができ、第一インペラ２２の損傷を防止することが可能となる。

以上、本発明によるコンプレッサシステムの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施の形態では、異物排出流路６４が第一収容空間６２の軸線Ｏ方向の中間部に接続された構成としているが、この軸線Ｏ方向における接続位置はこれに限定されることはない。例えば、第一収容空間６２の軸線Ｏ方向で上流側の流入流路６１付近の位置でもよいし、下流側の第二収容空間６３付近の位置であってもかまわない。

また、図５に示す第１変形例のように、異物排出流路６４が周方向に複数（図５で上部領域に３箇所）設けられ、これら異物排出流路６４が第一収容空間６２の周方向で作動流体の圧力が同等になる圧力領域Ｔ（図５に示す二点鎖線）内に配置される構成としてもよい。
この場合、周方向に沿って配置される複数の異物排出流路６４に同等の圧力の流体（異物）を流入させることができるので、第一収容空間６２内の作動流体の圧力バランスを安定させることができ、異物排出流路６４内に流入した異物が第一収容空間６２内に戻ることを防止することができる。

さらに、図６に示す第２変形例は、ケーシング６において、異物排出流路６４が第一収容空間６２の軸線Ｏ方向に沿って複数（ここでは２箇所）設けられた構成となっている。そして、それぞれの異物排出流路６４に対して、周方向に沿って延在する異物回収用チャンバー６５が設けられている。
この場合には、遠心分離機５の遠心力によって径方向外側に導かれた作動流体（異物）を、第一収容空間６２の軸線Ｏ方向に沿う２箇所の異物排出流路６４、６４によって段階的に回収することが可能となるため、気液分離の機能を向上させることができる。
なお、この場合には、軸線Ｏ方向に隣り合う異物排出流路６４、６４が遠心分離機５を介して連通することを防ぐために、異物排出流路６４同士の軸線Ｏ方向のピッチを遠心分離機５の第二インペラ５１のピッチに合わせることが好ましい。

また、遠心分離機５の第二インペラ５１の形状、異物排出流路６４の断面積、延在長、および異物回収用チャンバー６５の断面形状などの構成は適宜設定することができる。
さらに、本実施の形態では、異物回収用チャンバー６５が周方向全周にわたって延在する構成としているが、周方向の一部に設けられるものであってもかまわない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

１ コンプレッサシステム
Ｏ 軸線
２ 圧縮機
２１ シャフト
２２ 第一インペラ
２３ ハウジング
３ モータ
３１ ロータ
３２ ステータ
３３ 隙間
４ 軸受部
４１ ジャーナル軸受
４２ スラスト軸受
５ 遠心分離機
５１ 第二インペラ
６ ケーシング
６０ シール部材
６１ 流入流路
６２ 第一収容空間
６３ 第二収容空間
６４ 異物排出流路
６５ 異物回収用チャンバー
Ｔ 圧力領域

Claims (4)

1. 駆動部と、
   該駆動部によって軸線回りに回転されることで軸方向から流入する流体を径方向外側に圧送するインペラと、
   前記インペラの上流側に設けられて、前記駆動部によって前記軸線回りに回転されることで、外部から供給される流体を旋回させながら前記インペラに向かって送り出す遠心分離機と、
   流体を外部から前記遠心分離機に導く流入流路、該流入流路の下流側に配置されて前記遠心分離機を収容する第一収容空間、前記第一収容空間の下流側に接続されて前記インペラを収容する第二収容空間、及び、前記第一収容空間から径方向外側に延びて前記遠心分離機により外周側に導かれた異物を排出する異物排出流路を画成するケーシングと、
   を備えることを特徴とするコンプレッサシステム。
2. 前記ケーシングには、前記異物排出流路に連通するとともに、前記軸線回りに周回する周方向に沿って全周にわたって延在する異物回収用チャンバーが画成されていることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサシステム。
3. 前記異物排出流路は、前記周方向に複数設けられ、
   これら異物排出流路は、前記第一収容空間の周方向で前記流体の圧力が同等になる圧力領域内に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンプレッサシステム。
4. 前記異物排出流路は、前記第一収容空間の軸方向に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコンプレッサシステム。

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