JP2016540926A - 保護要素を備えるインペラおよび遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

インペラは、根元（１）と、シュラウド（２）と、根元およびシュラウドを結合する複数のブレード（３）とを有する主本体を備える。保護要素（１０）は、ブレード（３）に関連付けられており、少なくともブレード（３）の前方部を構成しており、保護要素（１０）は、別個の本体で構成され得る、または１つまたは複数の保護本体を形成するようにグループ化され得る。有利には、保護要素の材料は、主本体の材料とは異なっており、例えば、２０％を超えるクロム含量を有するコバルト基合金、または１２％を超えるクロム含量を有するニッケル基合金であり得る。【選択図】図３

Description

本明細書に開示される主題の実施形態は、概括的には、保護要素を備えるインペラおよびインペラを保護するための方法、ならびに遠心圧縮機および機械に関する。

これらの構成要素およびシステムは、それらが、例えば液滴浸食から保護されるように考案され、特に「油および気体」の分野において有用である。

公知であるように、インペラは浸食を被りやすい。ある場合またはある作動状態では、浸食は、例えばインペラの入口にあり、インペラの表面にぶつかる固体粒子（砂粒などの）が原因であり、別の場合または別の作動状態では、浸食は、例えばインペラの入口にあり、インペラの表面にぶつかる液滴が原因であるが、言うまでもなく、他の種類の浸食も存在する。

浸食を減らす第１の方法は、その上流でインペラの入口に結合されたフィルタおよび／またはセパレータを用いるものである。

浸食を減らす第２の方法は、表面が固体粒子および／または液滴の衝撃に耐え得るように、インペラの材料を選択することによるものである。

フィルタおよびセパレータは、コストがかかり、かつかさ高になり、保守管理を必要とする。

耐浸食性に非常に優れている材料が、機械的性質に関して非常に優れているわけではないことが多く、したがって、インペラの材料は、表面の耐食性と本体の機械抵抗との妥協点として選択される。

いくつかの適用では、インペラは通常、その入口に粒子および液滴のない状態で作動しており、ほんの時々、入口に粒子および／または液滴がある状態で作動することがあると考えられるべきである。

したがって、浸食、特に遠心圧縮機内の液滴浸食の問題に対する解決法の一般的な必要性が存在している。

米国特許出願公開第２０１３／０００４３１６号明細書

インペラのブレードに関連付けられた保護要素をその前方部に配置することによって、この問題は、効果的に解決される。このことによって、インペラの主本体と、保護要素の１つまたは複数の本体とで異なる材料を使用することが可能になる。

本発明の第１の態様は、インペラである。

インペラの実施形態は、根元と、シュラウドと、根元およびシュラウドを結合する複数のブレードとを有する主本体を備え、保護要素は、ブレードに関連付けられており、少なくともブレードの前方部を構成している。

本発明の第２の態様は、遠心圧縮機である。

遠心圧縮機の実施形態は、上で述べたようにインペラを備える。

本発明の第３の態様は、圧縮機機械である。

入口で投入された流体を圧縮するための機械の実施形態は、投入された流体を圧縮するための、上で述べたような遠心圧縮機を備える。

本発明の第４の態様は、保護方法である。

遠心圧縮機のインペラの前側を、投入された流体流れの中の液滴の衝撃から保護する方法の実施形態は、保護要素をインペラの前側に永久的に配置することを含む。保護要素は、コバルト基合金、ニッケル基合金、チタン基合金、析出硬化ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼で作られている。

ここに組み込まれており、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の例示的実施形態を示しており、詳細な説明と共にこれらの実施形態を説明するものである。

従来技術による遠心インペラの斜視図である。 図１のインペラの細部の斜視図であり、特に、この図は、あたかもインペラの残部が切り取られているかのように、１つのブレードならびに根元の隣接部分およびシュラウドの隣接部分だけを示す。 本発明の実施形態による遠心インペラの斜視図である。 図３のインペラの第１の細部を示す図である。 図３のインペラの第２の細部を示す図である。 図３のインペラの構成要素、すなわち保護要素を示す図である。 図３のインペラの第３の細部を拡大図で示す図である。 図３のインペラの第４の細部を拡大図で示す図である。 本発明の別の実施形態による環状の単一保護本体の３つの異なる図（図９Ａ＝正面図、図９Ｂ＝側面図、図９Ｃ＝正面斜視図）である。

例示的な実施形態についての以下の説明では、添付図面を参照する。

以下の説明は、本発明を限定するものではない。それよりむしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって画定される。

本明細書を通して、「１つの実施形態」または「（ある）実施形態」という言及は、実施形態に関して記載されている特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味している。したがって、本明細書を通してさまざまな場所にでてくる、「１つの実施形態では」または、「（ある）実施形態では」という語句は、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。

図１（図２も参照）のインペラは、閉鎖型遠心インペラであり、根元１、シュラウド２、および複数のブレード３を含む主本体を備え、ブレード３は、根元１とシュラウド２を結合している。この解決策によれば、根元１から分離していて、かつ根元１に結合されているハブ４が存在しており、非常に多くの場合、それらは、通常単に「ハブ」と呼ばれるシングルピースを形成している。根元１、シュラウド２、および複数のブレード３は、インペラの作動中に流体が流れるための複数のチャネルを画定している。流体は、図２の矢印５で示すように実質的な軸方向に従ってチャネルに入り、チャネルに沿って流れ、そして、図２の矢印６で示すように実質的な半径方向に従ってチャネルから出る。したがって、流体流れを考えて、根元の前方部７と、シュラウドの前方部８と、ブレードの翼前縁９から始まり、翼前縁９からある距離離れたところで終わる、各ブレードの前方部（図２の破線参照）とを備えるインペラの前方部が、画定されている。インペラの前方部は、インペラの入口に提供される流体と接触するようになる第１の部分である。

以下、改良されたインペラの実施形態を、図３から図８を参照しながら説明する。図３のインペラの形状、大きさ、および表面は、図１のインペラの形状、大きさ、および表面に相当しており、詳細には、根元が、ハブと一体化しており、相違点が、機械的構造およびその材料にあることを留意されたい。

この改良されたインペラは、ブレード３に関連付けられており、少なくともブレード３の前方部を構成している保護要素１０を備える。図３は、対応する複数のブレードに関連付けられた複数の保護要素１０を全般的に示し、図４は、いくつかの保護要素１０の第１の端部（すなわち「シュラウド端部」）をより詳細に示し、図５は、いくつかの保護要素１０の第２の端部（すなわち「根元端部」）をより詳細に示す。

図６は、インペラの主本体から取り外された、図３のインペラの保護要素１０の１つを示し、これは、別個の本体で構成されており、すなわち、保護要素は、層または単純な被覆物ではなく、したがって、これは、自立性を有しており、これは、具体的にはシングルピースの本体である。保護要素は、根元部分１２（さらに図７参照）、シュラウド部分１１（さらに図８参照）、およびブレード部分１３を備える。

保護要素１０は、さらに、根元１の前方部の少なくとも一部を構成しており、これは、要素１０の根元部分１２を意味するものである（例えば図８参照）。この実施形態によれば、連続的な要素１０のシュラウド部分１２が、相互に離れていることを図８は示す。

保護要素１０は、さらに、シュラウド２の前方部の少なくとも一部を構成しており、これは、要素１０のシュラウド部分１１を意味するものである（例えば図７参照）。この実施形態によれば、内部的には、シュラウド２の前方部が、要素１０によって全体的に作られているように、連続的な要素１０のシュラウド部分１１は、相互に完全に隣接していることを図７は示す。

図６の実施形態では、保護要素は、根元およびシュラウドの両方の一部を構成している。

図３の実施形態では、インペラの主本体は、金属で作られており、これは、炭素鋼、低合金鋼、析出硬化ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、チタン基合金、またはニッケル基合金で作られていてもよい。これらの材料は、優れた機械抵抗を有する。

図３の実施形態では、保護要素１０は、金属で作られており、これらは、コバルト基合金、ニッケル基合金、チタン基合金、析出硬化ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼で作られていてもよい。これらの材料は、優れた耐食性、具体的には液滴浸食に対する耐性を有し、したがって、これらの要素がぶつかってくる液滴の衝突と、さらにインペラの残部、すなわち主本体への衝突との両方に耐えることができるように、これらの要素は、ぶつかる液滴からの保護を提供している。

コバルト基合金が使用される場合には、２０％を超えるクロム含量をさらに提供していれば有利である。

ニッケル基合金が使用される場合には、１２％を超えるクロム含量をさらに提供していれば有利である。

これらの２種類の材料は、特にそれらがクロムを含有している場合、湿潤状態で作動させる危険が高い適用、および／または瞬間的であれ、高湿潤率になる適用で使用されるのに特に有用である。

一般的に、保護要素の材料は、インペラの主本体の材料とは異なっているが、これらは共に、金属材料である。

このような保護要素を作り出すには２つの有利な方法がある、すなわち、
加法的な製造と、
粉末冶金、具体的には熱間静水圧圧縮成形とである。

これらの製造工程、具体的には第２の工程は、さらに主本体を製造するのに用いることができる。

保護要素は、インペラの主本体に永久的に取り付けられる。実際には、インペラの作動時間の大部分に関して、インペラの入口に、液滴または粒子は存在しない（またはほとんど存在しない）ので、保護要素の材料を適切に選択すれば、保護要素の非常に長い寿命に亘って、したがってインペラ全体の非常に長い寿命に亘って差し支えは生じない。

保護要素は、インペラの主本体のブレードおよび／または根元および／またはシュラウドに取り付けら得る。このような取付けに関して、さまざまな可能性、すなわち、ろう付け、溶接、接着、焼き嵌めが存在する。その上、複数の技術を、同じインペラで使用してもよい。例えば、保護要素のブレード部分は、焼き嵌めによって主本体のブレードに取り付けられてもよく、保護要素の根本部分は、溶接によって主本体の根元に取り付けられてもよく、保護要素のシュラウド部分は、溶接によって主本体のシュラウドに取り付けられてもよい。

現在説明している実施形態では、主本体、具体的にはそのブレードは、保護要素、具体的にはそれらのブレード部分を主本体に取り付けるのを容易にするための突起を備える。図７は、主本体の突起１４および保護要素の凹部のおかげで主本体のブレードに取り付けられた保護要素のブレード部分１３の断面を示す。状況は、逆であっても、すなわち保護要素の突起と主本体の凹部であってもよい。さらに、これらの２つの可能性の組み合わせは、例えば保護要素および主本体の異なる部分で使用され得る。

図３および図６の実施形態では、保護要素１０のそれぞれが、単一の本体から構成されている。

あるいは、保護要素がいくつかの単一本体に分類され得ることもあり得る。例えば、インペラが２４のブレードを備える場合には、２４の保護要素が使用され、２つの保護要素が単一の本体を形成する場合には、１２の単一本体、または３つの保護要素が単一の本体を形成する場合には、８つの単一本体、または４つの保護要素が単一の本体を形成する場合には、６つの単一本体などとなる。

図９の実施形態では、保護要素の全てが、環状の単一保護本体１５を形成している。本体１５は、根元部分と、シュラウド部分と、根元部分およびシュラウド部分を結合している複数のブレード部分とを備える。

本体１５は、インペラの主本体の前側に取り付けられる。

このような取付けは、すでに述べた理由から、好ましくには、永久的である（すなわち取り外し可能または取り替え可能ではない）。

このような取付けは、すでに記載したように実現され得る。いずれにしろ、環状の単一保護本体の場合には、取付ネットとボルトが、使用され得る。この場合、例えば、ナットとボルトは、保護本体のシュラウド部分をインペラの主本体のシュラウド部分に取り付けるのに、および／または保護本体の根元部分をインペラの主本体の根元部分に取り付けるのに使用され得る。

保護要素を備えるインペラは、代表的には遠心圧縮機で使用されている。

保護要素の目的のため、圧縮機が、複数のカスケードインペラを備える場合には、保護要素は、有利には、少なくとも、浸食が発生する可能性の高い第１のインペラに対して使用される、またはそれに対してだけ使用される。

優れた保護を実現するために、保護要素は、好ましくは、圧縮機入口から投入された流体流れを全て受けるように付形され、かつ配置されている。

このような圧縮機は、入口で投入された流体を圧縮するための機械で使用される。

保護要素のおかげで、機械の入口は、圧縮機の入口に直接結合され得る。換言すれば、フィルタおよびセパレータは、有利には、機械の中で回避され得る。

まさに開示された実施形態に基づき、遠心圧縮機のインペラの前側を、投入された流体流れの中の液滴の衝撃から保護する方法は、保護要素をインペラの前側に永久的に配置することを含む。一般的には、すでに述べたように、保護要素は、コバルト基合金、ニッケル基合金、チタン基合金、析出硬化ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼で作られる。

１ 根元
２ シュラウド
３ ブレード
４ ハブ
５ 矢印
６ 矢印
７ 根元の前方部
８ シュラウドの前方部
９ 翼前縁
１０ 保護要素
１１ シュラウド部分
１２ 根元部分
１３ ブレード部分
１４ 突起
１５ 本体

Claims (14)

1. 根元（１）と、シュラウド（３）と、前記根元および前記シュラウドを結合する複数のブレード（３）とを有する主本体を備えるインペラであって、保護要素（１０）は、前記ブレード（３）に関連付けられており、少なくとも前記ブレード（３）の前方部と、前記根元（１）の前方部の少なくとも一部と、前記シュラウド（２）の前方部の少なくとも一部とを構成しているインペラ。
2. 前記主本体が、金属、具体的には炭素鋼、低合金鋼、析出硬化ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、チタン基合金、またはニッケル基合金で作られている、請求項１記載のインペラ。
3. 前記保護要素（１０）が、金属、具体的にはコバルト基合金、ニッケル基合金、チタン基合金、析出硬化ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼で作られている、請求項１または２記載のインペラ。
4. 前記保護要素が、加法的な製造によって作り出される、請求項１乃至３のいずれか記載のインペラ。
5. 少なくとも前記保護要素が、粉末冶金、具体的には熱間静水圧圧縮成形によって作り出される、請求項１乃至４のいずれか記載のインペラ。
6. 前記保護要素の全てが、環状の単一保護本体（１５）を形成している、請求項１乃至５のいずれか記載のインペラ。
7. 前記保護要素が、前記主本体に永久的に取り付けられる、請求項１乃至６のいずれか記載のインペラ。
8. 請求項１乃至７のいずれか記載のインペラを備える遠心圧縮機。
9. 複数のカスケードインペラを備え、少なくとも第１のインペラが、または第１のインペラだけが、前記請求項１乃至９のいずれか記載のものである、請求項８記載の遠心圧縮機。
10. 前記保護要素が、少なくとも、圧縮機入口から投入された流体流れを全て受けるように延びる、請求項８または９記載の遠心圧縮機。
11. 入口で投入された流体を圧縮するための機械であって、前記投入された流体を圧縮するための、請求項８乃至１０のいずれか記載の遠心圧縮機を備える機械。
12. 入口が、前記遠心圧縮機の前記入口に直接結合されている、請求項１１記載の機械。
13. 遠心圧縮機のインペラの前側を、投入された流体流れの中の液滴の衝撃から保護する方法であって、保護要素（１０）を前記インペラの前記前側に永久的に配置することを含み、前記保護要素（１０）の材料が、優れた耐食性を有しており、前記インペラの材料が、優れた機械的耐性を有している方法。
14. 前記保護要素（１０）が、コバルト基合金、ニッケル基合金、チタン基合金、析出硬化ステンレス鋼、またはマルテンサイト系ステンレス鋼で作られている、請求項１３記載の保護する方法。