JP2017180126A

JP2017180126A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2017180126A
Application number: JP2016063923A
Authority: JP
Inventors: 大輔川口; Daisuke Kawaguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: WO2017168950A1; US20190085862A1; JP6663269B2

Abstract

【課題】羽根車に対する液分の付着を抑制し、羽根車の効率や作動範囲を減少させることなく運転可能な圧縮機を提供する。【解決手段】圧縮機１は、環状空間１６ａを形成する筒状のケーシング１６と、ケーシングとの間に隙間１６ｉを有してケーシングの環状空間内に設けられたモータ２と、モータから下流に向かって延び、モータの回転駆動力を出力するための回転軸１１と、モータの下流において、回転軸に固定され、作動流体を圧縮する羽根車１０と、隙間に設けられ、羽根車の回転により隙間を通過して羽根車に向かう作動流体に対し旋回成分を与えるように構成された第１案内羽根１５とを備え、ケーシングには、環状空間のうち羽根車と第１案内羽根との間に位置する部分に向かって開口し、作動流体の液分を排出するための第１液分収容孔１３と第１排液ポート１４が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は圧縮機に関し、特に天然ガスを産出するガス田で使用される圧縮機に関する。

近年、化石燃料に対する需要の増加と採掘技術の発展に伴い、在来型ガス田から非在来型ガス田へ開発がシフトしつつあり、ガス田直下といった苛酷環境に圧縮機を設置する必要が生じてきた。ガス田直下においては、地下数千メートルのガス井内部に圧縮機を投入し、井戸の底部でガスを圧縮して地上まで送り出す方法が提唱され、そのための圧縮機（ダウンホール圧縮機）の研究開発が行われている。

ガス田において、開発当初には地下の圧力が高いが、ガスを採取するにつれて内部の圧力が下がっていく。ガス田の地下の圧力が高い間は天然ガスを地上まで自噴させることができるが、圧力が限界以下に低下するとガスを自噴させることができなくなるため、従来は圧力が下がったガス井は枯渇したものとされていた。

しかし、地下の圧力がガスを自噴させるには不十分なレベルに低下した後でも、ガス田の内部にはまだ相当量の天然ガスが残っている。そこで、ダウンホール圧縮機を適用しガス田直下の圧力をブーストすることで、ガス田の生産能力を回復することが可能であると考えられている。以上説明したダウンホール圧縮機はガス田の底部あるいはガス田直下に設置されるため、作動環境が非常に厳しい。

一般的に天然ガスを産出するガス田で使用される圧縮機の作動流体には天然ガスだけでなく、水やコンデンセートと呼ばれる軽質液状炭化水素が含まれた液分が混入する動作環境下にあることが特徴として挙げられる。特にガス田直下においては、液分率が非常に高い環境下にある。そのような環境下において圧縮機内部に侵入した液分は、羽根車への衝突による効率の減少、ファウリングに起因する流路の閉塞による作動範囲の減少や不安定流体力の発生、および壊食による羽根車の減肉をもたらすと考えられており、天然ガスを産出するガス田で使用される圧縮機には、液分が混入する動作環境下において性能低下させることなく圧縮機を運転する技術が必要となる。

圧縮機の羽根車に混入する液滴を除去する構造が特許文献１に開示されている。

特開２０１３−５０８６１８号公報

しかし、特許文献１に開示された圧縮機では、羽根車に混入する液滴を十分に除去することはできない。

そこで、本発明は、羽根車に対する液分の付着を抑制し、羽根車の効率や作動範囲を減少させることなく運転可能な圧縮機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の圧縮機は、空間を形成する筒状のケーシングと、前記ケーシングとの間に隙間を有して前記ケーシングの前記空間内に設けられたモータと、前記モータから下流に向かって延び、前記モータの回転駆動力を出力するための回転軸と、前記モータの下流において、前記回転軸に固定され、作動流体を圧縮する羽根車と、前記隙間に設けられ、前記羽根車の回転により前記隙間を通過して前記羽根車に向かう作動流体に対し旋回成分を与えるように構成された第１案内羽根と、を備え、前記ケーシングには、前記空間のうち前記羽根車と前記第１案内羽根との間に位置する部分に向かって開口し、作動流体の液分を排出するための第１排液孔が形成されている。

本発明によれば、羽根車に対する液分の付着を抑制し、羽根車の効率や作動範囲を減少させることなく運転可能な圧縮機を提供することができる。

本発明の第１の実施形態を示す圧縮機の断面図である。第１案内羽根の説明図である。従来の圧縮機の断面図である。本発明の第２の実施形態を示す圧縮機の断面図である。本発明の第３の実施形態を示す圧縮機の断面図である。本発明の第４の実施形態を示す圧縮機の断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る圧縮機１について、図面を参照して説明する。本実施の形態に係る圧縮機１は、例えば天然ガスを産出するガス田のガス井内で使用されるターボ型圧縮機であり、ダウンホール圧縮機と呼ばれる圧縮機である。作動流体には、天然カスだけでなく、水やコンデンセートと呼ばれる軽質液状炭化水素が含まれた液分が混入している。

図１は、第１の実施形態に係る圧縮機１の要部断面図の左半分のみを示している。

図１に示すように、圧縮機１は、ケーシング１６と、モータ２と、回転軸１１と、羽根車１０と、第１案内羽根１５とを有する。

ケーシング１６は、貫通空間１６ａを形成する筒状をなし、モータ収容部１６Ｂと、中間部１６Ｃと、吐出部１６Ｄとを有する。モータ収容部１６Ｂは、モータ２を収容し、内周面１６ｅを有する。中間部１６Ｃは、モータ収容部１６Ｂの下流に位置し、下流にいくにつれて回転軸１１に近づく傾斜面１６ｅを有する。すなわち、中間部１６Ｃにおいて、貫通空間１６ａは傾斜面１６ｅにより縮径している。

また、中間部１６Ｃには、第１液分収容孔１３および第１排液ポート１４が形成されている。第１液分収容孔１３は、貫通空間１６ａのうち羽根車１０と第１案内羽根１５との間に位置する部分に向かって開口され、液分を収容可能に構成されている。第１排液ポート１４は、第１液分収容孔１３とケーシング１６の外部とを連通している。第１液分収容孔１３に流入した液分は、第１排液ポート１４を通過してケーシング１６外へ排出される。第１液分収容孔１３および第１排液ポート１４は、第１排液孔に相当する。

吐出部１６Ｄは、中間部１６Ｃの下流に位置し、傾斜面１６ｅから下流に延びる入口面１６ｆと、後述の羽根車本体１０Ａと共に吐出路１２ｂを形成する吐出面１６ｇとを有する。入口面１６ｆにより形成される気体の流入口１６ｈの入口径は、モータ２の外径よりも小さく構成されている。

モータ２は、モータケーシング、ステータ、およびロータにより構成されている。モータ２の外周面２Ａと、モータ収容部１６Ｂの内周面１６ｅとの間には、円筒状の隙間１６ｉが形成されている。図２に示すように、モータ２の外周面２Ａには、円周方向に沿って複数の第１案内羽根１５が設けられている。よって、複数の第１案内羽根１５は、隙間１６ｉに位置する。各第１案内羽根１５は、湾曲しており、隙間１６ｉを通過する作動流体に対し旋回成分を与えるように構成されている。

回転軸１１は、上下流方向に延び、モータ２のロータに固定され、ロータと共に回転する。

羽根車１０は、遠心ファンであり、回転軸１１に対し、吐出部１６Ｄに対応する位置付近に固定されている。羽根車１０は、羽根車本体１０Ａと、円周方向に等間隔に設けられた複数の羽根１２とを備える。羽根車本体１０Ａと吐出部１６Ｄとにより、吐出路１２ｂが形成されている。

このような圧縮機１において、モータ２を駆動させてロータを回転させることにより、複数の羽根車１０が回転する。複数の羽根車１０の回転により、図示せぬ吸入口より、気液混合の作動流体が流入、増速、昇圧され、矢印Ａ１に示すように隙間１６ｉを通過する。隙間１６ｉを通過する際に作動流体は、複数の第１案内羽根１５を通過することにより、旋回成分が与えられ、矢印Ａ２に示すように旋回する。

当該旋回による遠心力により、作動流体の気液が分離され、密度が気体より大きい液分が外側に移動し、作動流体が中間部１６Ｃを通過する際に、液分が第１液分収容孔１３に流入する。第１液分収容孔１３に流入した液分は、矢印Ａ３に示すように第１排液ポート１４を介してケーシング１６外へ排出される。

一方、傾斜面１６ｅを通過した作動流体は、流入口１６ｈを通過し、羽根車１０により圧縮され、矢印Ａ４に示すように吐出路１２ｂを介して作動流体が吐出される。

上記の圧縮機１によれば、羽根車１０の回転により隙間１６ｉを通過して羽根車１０に向かう作動流体に対し旋回成分を与えるように構成された第１案内羽根１５が隙間１６ｉに設けられ、ケーシング１６には、貫通空間１６ａのうち羽根車１０と第１案内羽根１５との間に位置する部分に向かって開口し、作動流体中の液分を排出するための第１液分収容孔１３および第１排液ポート１４が形成されている。

かかる構成よれば、第１案内羽根１５により作動流体に与えられた旋回成分により、作動流体の気液が分離され、分離した液分が、第１液分収容孔１３に流入し、第１排液ポート１４からケーシング１６の外部へ排出される。このように、作動流体に含まれる液分を効率良く除去することができ、羽根車１０の羽根１２に対する液分の付着を抑制することができ、羽根車１０の軸動力の増加による効率の低下を抑制することができる。また、羽根１２および吐出部１６Ｄの吐出面１６ｇに対する液分の付着を抑制することができる。よって、作動流体の流路が狭まることを抑制でき、羽根車１０の作動範囲を低減させることなく、圧縮機１を運転させることができる。また、液分を捕捉するための補機を必要としないため、圧縮機１を小型化することができる。

一方、図３に示す従来の圧縮機３では、作動流体に含まれる液分は、羽根車１０の羽根１２およびケーシング１６の吐出面１６ｇへ付着する。その結果、羽根車１０の軸動力が増加し、圧縮機３の効率が低下する。また、羽根１２および吐出面１６ｇへ付着した液滴は作動流体の流路を狭めるため作動範囲の減少および不安定流体力の発生をもたらすとともに壊食による羽根１２の減肉をもたらす。しかし、本実施形態の圧縮機１によれば、従来の圧縮機３のこれらの不具合を解消することができる。

また、モータ２の外径は、流入口１６ｈの入口径よりも大きく構成されているので、作動流体は、モータ２の外周を通過して羽根車１０まで流れる。これにより、作動流体によりモータ２を冷却することができ、モータ２を効率よく回転させることができる。

また、第１液分収容孔１３および第１排液ポート１４により第１排液孔を構成しているので、一旦第１液分収容孔１３に液分が収容され、収容された液分は第１排液ポート１４からケーシング１６の外部に排出されるので、効率よく作動流体の液分を排出することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る圧縮機２１に図４を参照して説明する。第１の実施形態に係る圧縮機１と同一の構成要素については、同一の参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明を行う。

図４は、第２の実施形態に係る圧縮機２１の要部断面図の左半分のみを示している。

図４に示すように、本実施形態の圧縮機２１では、中間部１６Ｃに第２液分収容孔１７および第２排液ポート１８が形成されている。第２液分収容孔１７は、第１液分収容孔１３が形成された位置よりも作動流体の流れの下流側において、貫通空間１６ａに向かって開口し、液分を収容可能に構成されている。第２排液ポート１８は、第２液分収容孔１７とケーシング１６の外部とを連通している。第２液分収容孔１７に流入した液分は、第２排液ポート１８を通過してケーシング１６外へ排出される。第２液分収容孔１７および第２排液ポート１８は、第２排液孔に相当する。

本実施形態では、第１液分収容孔１３を通過後、矢印Ａ５に示すように旋回する作動流体から、第２液分収容孔１７に液分が流入し、第２液分収容孔１７に流入した液分は、矢印Ａ６に示すように第２排液ポート１８を介してケーシング１６外へ排出される。

このように、本実施形態に係る圧縮機２１によれば、第２液分収容孔１７および第２排液ポート１８により、さらに作動流体中の液分をケーシング１６の外部へ排出することができる。よって、羽根車１０の羽根１２に対する液分の付着をさらに抑制することができ、羽根車１０の軸動力の増加による効率の低下を抑制することができる。また、羽根１２および吐出部１６Ｄの吐出面１６ｇに対する液分の付着をさらに抑制することができ、作動流体の流路が狭まることを抑制でき、羽根車１０の作動範囲を減少させることなく、圧縮機２１を運転させることができる。

また、傾斜面１６ｅにより貫通空間１６ａは縮径するので、作動流体の旋回力を増幅させることができ、作動流体における気液の分離を促進させることができる。これにより、作動流体に含まれる液分を効率良く除去することができ、羽根車１０の羽根１２に対する液分の付着をさらに抑制することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る圧縮機３１に図５を参照して説明する。第１の実施形態に係る圧縮機１と同一の構成要素については、同一の参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明を行う。

図５は、第３の実施形態に係る圧縮機３１の要部断面図の左半分のみを示している。

図５に示すように、本実施形態の圧縮機３１では、ケーシング１６に複数の第２案内羽根１９が設けられている。各第２案内羽根１９は、入口面１６ｆに対し、回転軸１１へ向かって、円周方向においてほぼ等間隔に設けられている。また、各第２案内羽根１９は、板状をなしており、上下流方向に対し平行に設けられている。

このように、本実施形態に係る圧縮機３１によれば、各第２案内羽根１９により、第１案内羽根１５により与えられた作動流体の旋回成分が低減することができるので、羽根車１０において、作動流体を鉛直方向の流れから水平方向の流れに円滑に行うことができ、羽根車１０の効率低下を抑制することができる。また、他の効果については、第１の実施形態の圧縮機１と同様である。

次に、本発明の第４の実施形態に係る圧縮機４１に図６を参照して説明する。第１〜３の実施形態に係る圧縮機１、２１、３１と同一の構成要素については、同一の参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明を行う。

図６は、第４の実施形態に係る圧縮機４１の要部断面図の左半分のみを示している。

図６に示すように、本実施形態に係る圧縮機４１は、第１の実施形態の圧縮機１の構成に加え、第２の実施形態の圧縮機２１と同様に、中間部１６Ｃに第２液分収容孔１７および第２排液ポート１８が形成され、第３の実施形態の圧縮機３１と同様に、ケーシング１６に複数の第２案内羽根１９が設けられている。

従って、本実施形態に係る圧縮機４１によれば、作動流体に含まれる液分を、第１液分収容孔１３および第１排液ポート１４、第２液分収容孔１７および第２排液ポート１８において効率的に除去することができ、羽根車１０の効率および作動範囲を低減させることなく、圧縮機４１を運転させることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

例えば、上記の実施形態では、複数の第１案内羽根１５をモータ２の外周面２Ａに設けたが、ケーシング１６のモータ収容部１６Ｂの内周面１６ｅに設けてもよい。また、上記の実施形態では、羽根車１０は遠心ファンであったが、軸流ファン、斜流ファンであってもよい。

１、２１、３１、４１圧縮機、２モータ、１０羽根車、１１回転軸、１２羽根、１３第１液分収容孔、１４第１排水ポート、１５第１案内羽根、１６ケーシング、１７第２液分収容孔、１８第２排水ポート、１９第２案内羽根

Claims

空間を形成する筒状のケーシングと、
前記ケーシングとの間に隙間を有して前記ケーシングの前記空間内に設けられたモータと、
前記モータから下流に向かって延び、前記モータの回転駆動力を出力するための回転軸と、
前記モータの下流において、前記回転軸に固定され、作動流体を圧縮する羽根車と、
前記隙間に設けられ、前記羽根車の回転により前記隙間を通過して前記羽根車に向かう作動流体に対し旋回成分を与えるように構成された第１案内羽根と、を備え、
前記ケーシングには、前記空間のうち前記羽根車と前記第１案内羽根との間に位置する部分に向かって開口し、作動流体の液分を排出するための第１排液孔が形成されていることを特徴とする圧縮機。
前記ケーシングは、前記羽根車への作動流体の入口となる流入口を形成し、
前記モータの外径は、前記流入口の入口径よりも大きく構成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧縮機。
前記ケーシングには、前記第１排液孔が形成された位置よりも作動流体の流れの下流側に、前記空間に向かって開口し、作動流体の液分を排出するための第２排液孔が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧縮機。
前記ケーシングは、前記羽根車への作動流体の入口となる流入口を形成し、
前記モータの外径は、前記流入口の入口径よりも大きく構成され、
前記ケーシングのうち前記モータを収容する部分の内径は、前記流入口の前記入口径よりも大きく構成され、前記ケーシングは、前記モータを収容する部分から前記流入口に向かうにつれて前記回転軸に近づく傾斜面を有することを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
第１排液孔および第２排液孔は、それぞれ、作動流体の液分を収容する液分収容孔と、前記液分収容孔に収容した液分を前記ケーシングの外部に排出する排液ポートとにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
前記ケーシングの前記羽根車への作動流体の入口となる流入口部分には、作動流体の旋回成分を低減するための第２案内羽根が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧縮機。