JP2017517664A - ターボ機械組立体 - Google Patents

Abstract

ターボ機械組立体（１）は、軸（１０）と、少なくとも１つの第１の軸受（１１）と第２の軸受（１２）の間の軸（１０）上に支持されたラジアルガスエキスパンダ（２）と、前記第１及び第２の軸受の一方又は他方に隣接する片持ち位置で軸（１０）上に支持された圧縮機（３）と、を含み、前記圧縮機（３）が複数の可動入口ノズル（２０）を含み、前記ラジアルガスエキスパンダ（２）が複数の可動案内ベーン）５ａ，５ｂ）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ機械組立体に関し、特に、一体のターボ圧縮機ターボエキスパンダ組立体に関する。

ターボエキスパンダは、工業冷凍用やオイル及びガスの処理用に、また低温加工で、広く使用されている。いくつかの公知の用途では、ターボエキスパンダは、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）で使用されている。

有機ランキンサイクルが機械駆動の用途で使用されるとき、ターボエキスパンダは通常、処理ガスを圧縮するために使用されるターボ圧縮機に連結される。この連結により、ランキンサイクル内の動作ガスは、ターボ圧縮機内を循環する処理ガスから分離することが必要となる。なお、ターボエキスパンダとターボ圧縮機は普通、異なった速度で動作する。こういった理由から、ターボ圧縮機には、ギアボックスによって又は速度比を変えることのできる液圧カップリングによってターボエキスパンダ軸に連結される高速軸が必要となる。この２つの分離された軸により、２つのガスは、分離維持することができ、ギアボックス（又は液圧カップリング）により、ターボ圧縮機の速度は、ターボエキスパンダの速度と異なるようにすることができる。

この解決策の主要な欠点は、２つの軸の実装とそれらの連結が、多数の軸受、シール、複雑な部品（例えば、大歯車）、及び予備品を普通に意味することであり、かくして損失と費用が増大する。

ギアボックス構成は、ギアボックスの動力及び寸法に関する不可避の制限のせいで、動力の点でも制限される。

したがって、組立体の全体的な性能を落とすことなく、組立体の全体的な複雑さを軽減することにより、特に、部品の総数の観点から、損失と費用を低く達成する目的で、公知のターボ圧縮機ターボエキスパンダ組立体を修正することが希求されている。

米国特許第３，２８９，４３６号明細書

第１の実施態様によれば、本発明は、
−軸と、
−少なくとも１つの第１の軸受と少なくとも第２の軸受の間の軸上に支持されたラジアルガスエキスパンダと、
−前記第１及び第２の軸受のうちの一方又は他方に隣接する片持ち位置で軸上に支持された圧縮機と、を含み、
−前記圧縮機が複数の可動入口ノズルを含み、前記ラジアルガスエキスパンダが複数の可動案内ベーンを含む、ターボ機械組立体を提供することにより、そういった目的を成し遂げる。

可動ノズルとベーンは、全体の処理を調節して、すべての動作条件で機械効率を最大にするために使用される。それは、エキスパンダと圧縮機に関して独立して行うことができ、かくして圧縮機とエキスパンダが同じ速度で動作することができ、したがって、ギアボックス又はそれらの間の液圧カップリングの必要性が克服される。

本発明の追加の利点は、従属請求項に従って得られるターボ機械組立体によって達成される。例えば、エキスパンダと圧縮機のインペラ間の軸上にシールを実装することで、２つの異なったガスがそれらによって動作することができる。

本発明の他の目的、特徴、及び利点については、以下の図面と併せて理解される本発明の実施形態の以下の説明から明らかになろう。

本発明に係るターボ機械組立体の側面断面図である。 図１のターボ機械の概略図である。 図１のターボ機械の、本発明に従った可能な変形態様の概略図である。

添付図面を参照すると、ターボ機械組立体１は、
−回転軸Ｙを有する軸１０と、
−第１のグループの軸受１１と第２のグループの軸受１２の間の軸１０上に支持されたラジアルガスエキスパンダ２と、
−片持ち位置で軸１０上に支持された遠心圧縮機３と、
を含む。

本発明の典型的な実施形態では、ラジアルガスエキスパンダ２は、適切な有機ガス、例えば、シクロペンタンを動作させる有機ランキンサイクルの中に含められる。しかしながら、本発明は、有機ランキンサイクルに、又は、ラジアルガスエキスパンダ２によって動作する特定のガスに、限定されない。

ターボエキスパンダ２は、第１の高圧段２ａと第２の低圧段２ｂを含む。作動流体は、ターボエキスパンダ２の第１の高圧段２ａに進入し、この第１のターボエキスパンダ段２ａを退出して、中間段経路１６を通してターボエキスパンダ２の第２の低圧段２ｂの入口に送達される。経路１６は、効率を最適化する目的のために、第１の段２ａから第２の段２ｂにガス流を案内するための複数のストラット１７を含む。

図１及び２を参照すると、動作ガスは、高圧段２ａに半径方向に進入し、第１の組の可動入口案内ベーン５ａを通って、次に高圧段２ａのインペラを通って流れる。動作ガスは、高圧段２ａに軸方向に退出し、中間段経路１６によって案内されて、第２の可動入口案内ベーン５ｂを通って流れた後に低圧段２ｂに半径方向に進入する。動作ガスは、低圧段２ｂを軸方向に退出し、軸方向出口８によってターボエキスパンダ２の外側に向けられる。

代案（図３）として、動作ガスは、低圧段２ｂを軸方向に退出し、半径方向出口９によってターボエキスパンダ２の外側に向けられる。

本発明の異なった実施形態（図示せず）によれば、ターボエキスパンダ２は、単一段ターボエキスパンダであるか又は３つ以上の段を有する多段ターボエキスパンダである。

本発明の異なった実施形態（図示せず）によれば、ターボエキスパンダ２は、多段ターボエキスパンダであり、段のうちのいくつかが可動入口案内ベーンを含み、他の段が固定入口案内ベーンを含む。

本発明のすべての可能な実施形態では、ターボエキスパンダ段の少なくとも１つは、可動な組の入口案内ベーンを含む。

ラジアルガスエキスパンダ２は、高圧段２ａに隣接する第１の組の軸受１１と、低圧段２ｂに隣接する第２の組の軸受１２と、の間の軸１０上に支持される。グループの軸受１１、１２は、従来のものであって当技術分野で公知であり、その個々は、磁石、ガス、又は潤滑タイプの１つ又は複数の軸受、或いはそれらの組み合わせを含む。

図１及び２を参照すると、遠心圧縮機３は、第１のグループの軸受１１に隣接する片持ち位置で軸１０上に支持される。

代案（図３）として、遠心圧縮機３は、第２のグループの軸受１２に隣接する片持ち位置で軸１０上に支持される。

図２及び３の両実施形態では、処理ガスは、ターボ圧縮機３に軸方向に進入し、複数の可動入口ノズル２０を通って、次にインペラを通って流れ、最後にターボ圧縮機３を半径方向に退出する。

一般に、本発明によれば、複数の可動入口ノズル２０は、任意選択であり、それらを含まない可能な実施形態が存在する。

しかしながら、本発明は、特定のタイプのターボエキスパンダに限定されず、例えば、単流圧縮機の代わりに複流圧縮機を使用することができる。

遠心圧縮機３は、例えば、ＬＮＧシステム内の冷媒流体や、パイプライン内を送り届けられるべきガスを処理する。

別の代案実施形態（図示せず）として、ターボ機械組立体１は、ターボエキスパンダ２が単一ターボ圧縮機の必要とするよりも多くの動力を作り出すとき、第１及び第２のグループの軸受１１、１２にそれぞれ隣接する２つの片持ちターボ圧縮機を含む。最後の実施形態の変形態様として、ターボ機械組立体１は、第１及び第２のグループの軸受１１、１２にそれぞれ隣接する、１つの片持ちターボ圧縮機と１つの片持ち発電機とを含む。

すべての実施形態では、ターボエキスパンダ２の同じ軸１０上に実装される圧縮機は、ターボエキスパンダ２の同一速度ｎで動作する。速度ｎの値は、一定又は可変にすることができる。

図２及び３の実施形態は、一定の速度で動作する場合がある。そういった実施形態では、入口案内ベーン５ａ、５ｂと入口ノズル２０は、例えば、ターボエキスパンダ２内とターボ圧縮機３内の各ガスの入口／出口の圧力又は質量流量を変える目的で、ターボエキスパンダ２とターボ圧縮機３の動作点をそれぞれ変えることを可能にする。したがって、ターボエキスパンダ２とターボ圧縮機３の動作点は、関連する速度の区別を必要とせずに、互いに独立して変えられ、かくして、ターボエキスパンダ２とターボ圧縮機３の双方のために、単一の軸を使用することができる。

可動入口ノズル２０が存在しない他の実施形態（図示せず）では、ターボ圧縮機の動作点は、軸１０の回転速度ｎを変化させることによって変えることができ、その一方、ターボエキスパンダ２の動作点は、入口案内ベーン５ａ、５ｂをそれ相応に動作させることによって変えられる。したがって、ターボエキスパンダ２とターボ圧縮機３の動作点は、こういった実施形態においても独立して変えられる。

ラジアルガスターボエキスパンダ２とターボ圧縮機３の間で、ターボ機械組立体１は、ターボ圧縮機に近いターボエキスパンダ段（図２の実施形態の高圧段、図３の実施形態の低圧段）のターボ圧縮機のインペラに隣接する軸１０上のそれぞれの位置に設けられる２つのシール１５を含む。従来のものであって当技術分野で公知であるシール１５は、ターボエキスパンダ２の中とターボ圧縮機３の中にそれぞれ流れる２つのガスを互いに分離させることができ、かくして異なったガスをターボエキスパンダ２内とターボ圧縮機３内で使用することができる。

図２及び３を参照すると、ターボ圧縮機３に対向する軸１０の軸端において、ターボ機械組立体１は、ターボエキスパンダ２とターボ圧縮機３によって動作中に生じる軸方向スラストの和を補償するためにバランスドラム１９をさらに含む。

本明細書に記載した主題の開示実施形態は、図面に示して、いくつかの例示的な実施形態に関連して精密かつ詳細に、十分に上述したが、本明細書に記載した新規な教示、原理、及び概念、並びに添付の特許請求の範囲に記載した主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、及び省略をすることができるということが当業者に明らかになろう。そういうことで、開示した技術革新の適切な範囲は、そういったすべての修正、変更、及び省略を網羅するように、添付の特許請求の範囲を最広義に解釈することによってのみ決定されるべきである。

１ ターボ機械組立体
２ ターボエキスパンダ
２ａ 第１の高圧段
２ｂ 第２の低圧段
３ 遠心圧縮機
３ ターボ圧縮機
５ａ 可動入口案内ベーン
５ｂ 可動入口案内ベーン
８ 軸方向出口
９ 半径方向出口
１０ 軸
１１ 軸受
１２ 軸受
１５ シール
１６ 中間段経路
１７ ストラット
１９ バランスドラム
２０ 可動入口ノズル
Ｙ 回転軸

Claims (10)

1. 軸（１０）と、
   少なくとも１つの第１の軸受（１１）と少なくとも第２の軸受（１２）の間の前記軸（１０）上に支持されたラジアルガスエキスパンダ（２）と、
   前記第１及び第２の軸受（１１、１２）の一方又は他方に隣接する片持ち位置で前記軸（１０）上に支持された圧縮機（３）と、
   を含み、
   前記ラジアルガスエキスパンダ（２）が複数の可動案内ベーン（５ａ，５ｂ）を含む、ターボ機械組立体（１）。
2. 前記圧縮機（３）は、複数の可動入口ノズル（２０）を含む、請求項１記載のターボ機械組立体（１）。
3. 前記ラジアルガスエキスパンダ（２）は、少なくとも２つのラジアル段（２ａ、２ｂ）を含む、請求項１又は２記載のターボ機械組立体（１）。
4. 前記ラジアル段（２ａ、２ｂ）のうちの少なくとも１つは、可動な組の入口案内ベーン（５ａ、５ｂ）を含む、請求項３記載のターボ機械組立体（１）。
5. 各前記ラジアル段（２ａ、２ｂ）は、それぞれの可動な組の前記入口案内ベーン（５ａ、５ｂ）を含み、各組が互いに独立して作動する、請求項４記載のターボ機械組立体（１）。
6. 前記圧縮機（３）と前記ラジアルガスエキスパンダ（２）の間の前記軸（１０）上には、少なくともシール（１５）が設けられる、請求項１乃至５のいずれか１項記載のターボ機械組立体（１）。
7. 第１の処理ガスは、前記圧縮機（３）の中で圧縮され、第２の動作ガスは、前記ラジアルガスエキスパンダ（２）の中で膨張する、請求項１乃至６のいずれか１項記載のターボ機械組立体（１）。
8. 前記ラジアルガスエキスパンダ（２）は、有機ランキンサイクルの一部である、請求項１乃至７のいずれか１項記載のターボ機械組立体（１）。
9. 前記軸（１０）は、可変速度で動作する、請求項１乃至８のいずれか１項記載のターボ機械組立体（１）。
10. 前記軸（１０）は、一定速度で動作する、請求項１乃至８のいずれか１項記載のターボ機械組立体（１）。