JP2021060033A - 多段遠心式圧縮機におけるサージ回避のための方法とメカニズム - Google Patents

Abstract

【課題】サージ制御を行う遠心式圧縮機を提供する。【解決手段】ターボマシンは、長手方向軸線に沿って出口端２０８に対向する入口端２０６を有するケーシング２０４、前記ケーシング内に設けられ、前記入口端から前記出口端まで延びるシャフトアセンブリ、前記シャフトアセンブリから半径方向外方に延びる複数の回転インペラ、および、下流インペラのディフューザチャネル２１２から近接する上流インペラのリターンチャネル２１４への流体の逆流を可能にするための、２つの近接するインペラ間に設けられる連通チャネル２１６を含む。【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年１０月７日に出願された米国仮特許出願第６２／９１１，６９７に対する優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、概して、ターボマシンおよび他の機構に関し、そしてより詳細には、多段遠心式圧縮機におけるサージを回避するためのメカニズムに関する。

関連技術の説明
例えば遠心式圧縮機、軸流圧縮機、およびタービンのようなターボマシンは、種々の産業で使用され得る。特に、遠心式圧縮機およびタービンは、発電所、ジェットエンジン用途、石油およびガスプロセス産業、ガスタービン、ならびに自動車用途で広く使用されている。遠心式圧縮機およびタービンはまた、石油精製産業で使用される空気分離プラントおよび高温ガス膨張装置のような、大規模な工業的用途で一般的に使用される。遠心式圧縮機は、さらに精製所や化学プラントのような大規模な工業用途にも使用されている。

図１を参照して、多段式の遠心式ターボマシン１０が、従来の設計に従って示されている。いくつかの用途では、一段（シングルステージ）を使用し得る。他の用途では、複数段（マルチステージ）を使用し得る。このようなターボマシン１０は、一般に、一対のベアリング４０によってハウジング３０内に支持されたシャフト２０を含む。図１に示すターボマシン１０は、作動流体の圧力を徐々に増加させるための複数のステージを含む。各ステージは、ターボマシン１０の縦軸に沿って連続的に配置され、全てのステージは、同じ原理で動作する同様の構成要素を有してもよいし、有さなくてもよい。

引き続き図１を参照して、インペラ５０は、インペラハブ７０に円周方向に配置されそして取り付けられた複数の回転ブレード６０を含み、該インペラハブは順々にシャフト２０に取り付けられている。ブレード６０は、任意にカバー６５に取り付けることができる。複数のインペラ５０は、シャフト２０の軸方向の長さに沿って、複数のステージで離間されてもよい。回転ブレード６０は、回転ブレード６０がインペラハブ７０と共にシャフト２０の回転と共に回転するように、インペラハブ７０に固定的に連結されている。回転ブレード６０は、固定管状ケーシングに取り付けられた複数の固定ベーンまたは固定子８０の下流で回転する。ガス混合物のような作動流体は、シャフト２０の半径方向にターボマシン１０に導入および導出される。回転ブレード６０は、流体に伝達される機械的動力を用いて固定子８０に対して回転する。遠心式圧縮機では、インペラ５０内の回転ブレード６０間の断面積は、作動流体がインペラ５０を通過するにつれて圧縮されるように、入口端から吐出端まで減少する。

図２を参照して、ガス混合物のような作動流体は、ターボマシン１０の入口端９０から出口端１００へと移動する。入口端９０に設けられた固定子８０の列は、作動流体をターボマシン１０の回転ブレード６０の列に導く。固定子８０は、作動流体を回転ブレード６０に流すためにケーシング内に延在する。固定子８０は、ケーシングの周囲の個々のストラットの間にほぼ等しい間隔で円周方向に離間されている。回転ブレード６０の出口にはディフューザ１１０が設けられており、回転ブレード６０から出てくる流体の流れからの過剰な運動エネルギーを圧力の上昇に変換する。ディフューザ１１０は、ケーシング内に延在する複数のディフューザブレード１２０を任意に有する。ディフューザブレード１２０は、円周方向に間隔を置いて配置され、典型的には、ディフューザケーシングの周囲の個々のディフューザブレード１２０間に等間隔で配置される。多段ターボマシン１０では、作動流体を次の連続するステージの回転ブレード６０に導くため、流体圧縮ステージの出口端１００に複数のリターンチャネルベーン１２５が設けられる。このような実施形態では、リターンチャネルベーン１２５は、ターボマシン１０の第１ステージから固定子８０の機能を提供する。多段ターボマシンにおける最後のインペラは、典型的にはディフューザのみを備えており、ディフューザブレード１２０の有無にかかわらず設けられ得る。最後のディフューザは、作動流体の流れを、排出パイプに接続するための出口フランジを有する排出ケーシング（ボリュート）に導く。図２に示すように、単段の実施形態では、ターボマシン１０は、入口端９０に固定子８０を含み、出口端１００にディフューザ１１０を含む。

遠心式圧縮機の性能は、典型的には、サージおよび失速領域によって境界が定められる、そのヘッド対フローマップによって定義される。このマップは、定常状態と遷移状態の両方のシステムシナリオにおいて、圧縮機の運転範囲を評価する際に重要である。具体的には、遠心式圧縮機の性能マップ（ヘッドまたは圧力比 対 流量）と、対応する速度ラインは、圧縮機の動作範囲に２つの制限があることを示している。

サージとして知られる全体的な空気力学的流れの不安定性は、低流量（または高圧比）動作の限界を設定し、一方、最大許容流量またはチョークあるいは「ストーンウォール」の条件が高流量限界を設定する。マップ上のサージラインの正確な位置は動作条件に依存して変化する可能性があり、その結果、典型的なサージマージンは、理論的なサージラインに対し規定された流量より１０％−１５％上に設定される。サージマージンは通常、ＳＭ（％）＝（（ＱＡ−ＱＢ）／ＱＡ）×１００として定義される。ＱＡは運転点での実際の体積流量であり、ＱＢは圧縮機の同じ速度ラインに対するサージラインでの流量である。ほとんどの遠心式圧縮機メーカーは、通常運転中に少なくとも１５％のサージマージンを有するように機械を設計し、再循環バルブ制御ラインを約１０％のサージマージンに設定している。つまり、サージマージンが１０％を下回ると、再循環バルブが開き、１０％を超えるサージマージンラインで圧縮機を運転し続ける。

したがって、各圧縮機は、その動作マップにサージ制限があり、機械的動力入力はシステムの流体抵抗を克服するには不十分であり、その結果、圧縮機の故障および周期的な逆流をもたらす。サージは、吐出圧力上昇（ヘッド）に対する既存の吸入に対し、圧縮機が維持できる最小流量の直下で発生する。サージが発生すると、逆流が吐出圧力を減少させ、または吸入圧力を増加させ、そのため、圧力上昇が再びサージポイントに達するまで、順方向の流れを再開することが可能となる。このサージサイクルは、プロセスまたは圧縮機の状態に変化が生じるまで、低頻度で継続する。サージのフロー反転サイクルの頻度と規模は機械の設計と動作条件に依存するものの、ほとんどの場合、シールおよびベアリング、さらには機械のシャフトとインペラに対してまでも損傷を与えるに十分である。サージは、圧縮機の流れの全体的な不安定性であり、圧縮機の完全な破壊と流れの反転をもたらす。

遠心式圧縮機のサージ制御のための現在の最新技術は、グローバルな再循環バルブ（グローバルリサイクルバルブ）を利用して遠心式圧縮機の吐出側から吸入側へと流れを戻し、圧縮機を通る流れを増加させ、それによりサージ領域に入ることを回避することである。これは、全てのステージが常にサージから保護されなければならないと保守的に想定した圧縮機サージ制御ラインを定義することにより、従来処理される。具体的には、フローの戻りラインは、圧縮機の１つのインペラステージのみがサージ状態であるか、またはそれらの全てがサージ状態であるかに関わらず、圧縮機の個々のステージではなく、全てのステージに追加のフローを提供する。エネルギーを費やして圧縮機が処理した流体が単に再処理のために圧縮機の入口に戻されるだけなので、これは再循環操作を非常に非効率にする。複数のステージを持つ圧縮機では、各レベルで追加されたエネルギーがシステムレベル（または全体）の再循環中に失われるため、エネルギー損失の量は不均衡に大きくなる。

遠心式圧縮機のサージ制御の現行技術に関する前述の問題点を考慮すると、当該技術分野では、サージの危機に瀕しているステージのみに影響を与える、より制御された流れの再循環を提供する遠心式圧縮機のためのメカニズムまたは構成が現在必要とされている。

本開示の特定の例によれば、ターボマシンが提供される。ターボマシンは、長手方向軸線に沿って出口端に対向する入口端を有するケーシング、前記ケーシング内に設けられた、前記入口端から前記出口端まで延びるシャフトアセンブリ、前記シャフトアセンブリから半径方向外方に延びる複数の回転インペラ、および、下流インペラのディフューザチャネルから近接する上流インペラのリターンチャネルへの流体の逆流を可能にするための、２つの近接するインペラ間に設けられる連通チャネル、を含む。

前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられてもよい。

一例によれば、前記２つの近接するインペラが、その間に追加のインペラが配置されることなく前記シャフトアセンブリ上で互いに直接隣接して配置される。

前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられたボアホールであってもよい。

前記ターボマシンは、単段または多段遠心式圧縮機であってもよい。

一例によれば、制御弁が前記連通チャネル内に配置されて、連通チャネルを流通する流体の体積を制御する。前記制御弁は逆止弁であってもよい。前記制御弁は、前記流体が上流に流れることを可能にしつつ、前記流体が前記２つの近接するインペラ間の下流に流れることを防止するよう構成されてもよい。前記制御弁は、前記流体が所定の圧力に達した後にのみ、前記流体が前記２つの近接するインペラ間の上流に流れることを可能にするように構成されてもよい。

本開示の別の特定の例によれば、ターボマシンが提供される。ターボマシンは、長手方向軸線に沿って出口端に対向する入口端を有するケーシング、前記ケーシング内に設けられ、前記入口端から前記出口端まで延びるシャフトアセンブリ、前記シャフトアセンブリから半径方向外方に延びる複数の回転インペラ、下流インペラのディフューザチャネルから近接する上流インペラのリターンチャネルへの流体の逆流を可能にするための、２つの近接するインペラ間に設けられる連通チャネル、および、前記２つの近接するインペラ間で前記シャフトアセンブリ上に回転可能に配置されるディスク部材、を含む。

一例によれば、前記ディスク部材は少なくとも１つの開口を備え、該開口は少なくとも１つの開口が前記連通チャネルと一直線上にある第１の位置と、少なくとも１つの開口が前記連通チャネルから離れるように回転された第２の位置と、の間で回転されるように構成される。

一例によれば、前記ターボマシンは、前記ディスク部材を回転させるように構成された制御機構をさらに備える。

前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられてもよい。

一例によれば、前記２つの近接するインペラが、その間に追加のインペラが配置されることなく前記シャフトアセンブリ上で互いに直接隣接して配置される。

前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられたボアホールであってもよい。

一例によれば、前記ターボマシンは多段遠心式圧縮機である。

前記ディスク部材は、円周方向に間隔を置いた複数の開口を備えてもよい。

本開示の別の特定の例によれば、ターボマシンのサージを低減する方法が提供される。本方法は、ターボマシンの入口を通して流体を送ること、前記ターボマシンの少なくとも１つのステージを通して前記流体を送ること、前記ターボマシン内の２つの近接するインペラ間に設けられた連通チャネルを介して、下流のインペラから近接する上流のインペラに、前記流体の一部を上流に再循環させること、および、前記ターボマシン内で、再循環された前記流体を下流に送ること、を含む。

前記制御弁は、前記連通チャネル内に配置されてもよい。

ディスク部材を前記近接するインペラ間に設けて、連通チャネルを流通する流体の流れを制御し得る。

以下の番号を付した項において、さらに好ましいおよび非限定的な実施形態または態様が説明される。

第１項：ターボマシンであって、長手方向軸線に沿って出口端に対向する入口端を有するケーシング、前記ケーシング内に設けられ、前記入口端から前記出口端まで延びるシャフトアセンブリ、前記シャフトアセンブリから半径方向外方に延びる複数の回転インペラ、および、下流インペラのディフューザチャネルから近接する上流インペラのリターンチャネルへの流体の逆流を可能にするための、２つの近接するインペラ間に設けられる連通チャネル、を含むターボマシン。

第２項：前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられる、第１項のターボマシン。

第３項：前記２つの近接するインペラが、その間に追加のインペラが配置されることなく前記シャフトアセンブリ上で互いに直接隣接して配置される、第１項または第２項のターボマシン。

第４項：前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられたボアホールである、第１項〜第３項のいずれかのターボマシン。

第５項：前記ターボマシンが、単段または多段遠心式圧縮機である、第１項〜第４項のいずれかのターボマシン。

第６項：前記連通チャネルを流通する流体の体積を制御するために、制御弁が前記連通チャネル内に配置されている、第１項〜第５項のいずれかのターボマシン。

第７項：前記制御弁が逆止弁である、第６項のターボマシン。

第８項：前記制御弁は、前記流体が上流に流れることを可能にしつつ、前記流体が前記２つの近接するインペラ間の下流に流れることを防止するよう構成される、第６項または第７項のターボマシン。

第９項：前記制御弁が、前記流体が所定の圧力に達した後にのみ、前記流体が前記２つの近接するインペラ間の上流に流れることを可能にするように構成されている、第６項〜第８項のいずれかのターボマシン。

第１０項：ターボマシンであって、長手方向軸線に沿って出口端に対向する入口端を有するケーシング、前記ケーシング内に設けられ、前記入口端から前記出口端まで延びるシャフトアセンブリ、前記シャフトアセンブリから半径方向外方に延びる複数の回転インペラ、下流インペラのディフューザチャネルから近接する上流インペラのリターンチャネルへの流体の逆流を可能にするための、２つの近接するインペラ間に設けられた連通チャネル、および、前記２つの近接するインペラ間で前記シャフトアセンブリ上に回転可能に配置されたディスク部材、を含むターボマシン。

第１１項：前記ディスク部材は少なくとも一つの開口を備え、該開口は、前記少なくとも一つの開口が前記連通チャネルと一直線上にある第１の位置と、前記少なくとも１つの開口が前記連通チャネルから離れるように回転された第２の位置との間で回転するように構成されている、第１０項のターボマシン。

第１２項：前記ディスク部材を回転させるように構成された制御機構をさらに備える、第１０項または第１１項のターボマシン。

第１３項：前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられる、第１０項〜第１２項のいずれかのターボマシン。

第１４項：前記２つの近接するインペラが、その間に追加のインペラが配置されることなく前記シャフトアセンブリ上で互いに直接隣接して配置される、第１０項〜第１３項のいずれかのターボマシン。

第１５項：前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられたボアホールである、第１０項〜第１４項のいずれかのターボマシン。

第１６項：前記ターボマシンが、多段遠心式圧縮機である、第１０項〜第１５項のいずれかのターボマシン。

第１７項：前記ディスク部材が、円周方向に間隔を置いた複数の開口を備える、第１０項〜第１６項のいずれかのターボマシン。

第１８項：ターボマシンのサージを低減する方法であって、前記ターボマシンの入口を通して流体を送ること、前記ターボマシンの少なくとも１つのステージを通して前記流体を送ること、前記ターボマシン内の２つの近接するインペラ間に設けられた連通チャネルを介して、下流のインペラから近接する上流のインペラに、前記流体の一部を上流に再循環させること、および、前記ターボマシン内で、再循環された前記流体を下流に送ること、を含む方法。

第１９項：制御弁が前記連通チャネル内に配置される、第１８項の方法。

第２０項：前記連通チャネルを流通する流体の流れを制御するために、前記近接するインペラ間にディスク部材が設けられる、第１８項または１９項の方法。

第２１項：ターボマシンのサージを低減する方法であって、第１項〜第１７項のいずれかのターボマシンを供給すること、前記ターボマシンの入口を通して流体を送ること、前記ターボマシンの少なくとも１つのステージを通して前記流体を送ること、前記ターボマシン内の２つの近接するインペラ間に設けられた連通チャネルを介して、下流のインペラから近接する上流のインペラに、前記流体の一部を上流に再循環させること、および、前記ターボマシン内で、再循環された前記流体を下流に送ること、を含む方法。

第２２項：制御弁が前記連通チャネル内に配置される、第２１項の方法。

第２３項：前記連通チャネルを流通する流体の流れを制御するために、前記近接するインペラ間にディスク部材が設けられる、第２１項または第２２項の方法。

第２４項：前記２つの近接するインペラ間で前記前記シャフトアセンブリ上に回転可能に配置されたディスク部材をさらに備える、第１項〜第９項のいずれかのターボマシン。

第２５項：前記ディスク部材は少なくとも一つの開口を備え、該開口は、前記少なくとも一つの開口が前記連通チャネルと一直線上にある第１の位置と、前記少なくとも１つの開口が前記連通チャネルから離れるように回転された第２の位置との間で回転するように構成されている、第２４項のターボマシン。

第２６項：前記ディスク部材を回転させるように構成された制御機構をさらに備える、第２４項または第２５項のターボマシン。

第２７項：前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられる、第２４項〜第２６項のいずれかのターボマシン。

第２８項：前記２つの近接するインペラが、その間に追加のインペラが配置されることなく前記シャフトアセンブリ上で互いに直接隣接して配置される、第２４項〜第２７項のいずれかのターボマシン。

第２９項：前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられたボアホールである、第２４項〜第２８項のいずれかのターボマシン。

第３０項：前記ターボマシンが、多段遠心式圧縮機である、第２４項〜第２９項のいずれかのターボマシン。

第３１項：前記ディスク部材が、円周方向に間隔を置いた複数の開口を備える、第２４項〜第３０項のいずれかのターボマシン。

第３２項：前記連通チャネルを流通する流体の体積を制御するために、制御弁が前記連通チャネル内に配置される、第１０項〜第１７項のいずれかのターボマシン。

第３３項：前記制御弁が逆止弁である、第３２項のターボマシン。

第３４項：前記制御弁は、前記流体が上流に流れることを可能にしつつ、前記流体が前記２つの近接するインペラ間の下流に流れることを防止するよう構成される、第３２項または第３３項のターボマシン。

第３５項：前記制御弁が、前記流体が所定の圧力に達した後にのみ、前記流体が前記２つの近接するインペラ間の上流に流れることを可能にするように構成されている、第３２項〜第３４項のいずれかのターボマシン。

本発明のこれらおよび他の特徴および特性、ならびに操作方法および構造の関連する要素の機能、
ならびに部品の組み合わせ、および製造の経済性は、以下の説明を考慮し、添付の図面を参照することにより、さらに明らかになるであろう。図面は全て本明細書の一部を構成し、ここで、同様の参照番号は、種々の図において対応する部品を示す。しかしながら、図面は、例示および説明のみを目的としており、本発明の限定の定義として意図されたものではないことは、明確に理解されるべきである。明細書および特許請求の範囲において使用されるように、「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」の単数形は、文脈が明確に他のものを指示しない限り、複数の参照対象を含む。

図１は、従来技術の例による多段遠心式ターボマシンの部分断面斜視図である。

図２は、図１に示すターボマシンの１つのステージの概略断面図である。

図３は、本開示の例によるターボマシンの断面図である。

図４は、本開示の別の例によるターボマシンの一部の断面図である。

図５は、図４のターボマシンの別の断面図である。

図６は、図４のターボマシンの断面斜視図である。

図７は、図４のターボマシンの別の断面斜視図である。

図８は、本開示の別の例による、図４のターボマシンの断面斜視図である。

以下の説明のために、用語「末尾」、「上部」、「下部」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「トップ」、「ボトム」、「横」、「縦」およびそれらの派生語は、図面の図に示されているように、発明に関するものとする。しかしながら、本発明は、明示的に反対の指定がある場合を除き、種々の代替バリエーションおよびステップシーケンスを想定することができることが理解されるべきである。添付の図面に示され、以下の明細書に記載された特定の装置およびプロセスは、本発明の単なる例示的な実施形態または態様であることも理解されるべきである。したがって、本明細書に開示された実施形態または態様に関連する特定の寸法および他の物理的特徴は、限定的とはみなされない。

図３を参照して、図１および図２に示すターボマシンのような、多段遠心式圧縮機２００が示されている。圧縮機２００は、一対のベアリングによってケーシング２０４内に支持されたシャフト２０２を含んでもよい。圧縮機２００は、圧縮機２００を介して作動流体の流体圧力を漸進的に増加させるための、複数のステージを含んでもよい。各ステージは、圧縮機２００の長手方向軸線に沿って順次配置され、全てのステージは、同じ原理で動作する同様の構成要素を有してもよいし、有さなくてもよい。

引き続き図３を参照して、圧縮機２００の各ステージは、インペラ２０５を含んでもよく、該インペラは、円周方向に配置され、そしてインペラ２０５に取り付けられる複数の回転ブレードを含んでもよく、インペラ２０５は順番にシャフト２０２に取り付けられる。複数のインペラ２０５は、シャフト２０２の軸方向長さに沿って複数のステージで離間されてもよい。回転ブレードは、インペラ２０５と共に回転ブレードがシャフト２０２の回転と共に回転するよう、インペラ２０５に固定的に連結されていてもよい。ガス混合物のような作動流体は、一般にシャフト２０２の半径方向に圧縮機２００に出入りする。ブレードの回転は、流体にエネルギーを供給する。遠心式圧縮機では、インペラ２０５内の回転ブレード６０間の断面積は、作動流体がインペラ２０５を通過する際に圧縮されるように、入口端から吐出端まで減少する。

ガス混合物のような作動流体は、圧縮機２００の入口端（吸引端）２０６から出口端（吐出端）２０８へ移動する。インペラ２０５の回転ブレードの出口には、回転ブレードから生じる流体の流れを均質化するためのディフューザチャネル２１２が設けられている。ディフューザチャネル２１２は、ケーシング２０４内に延在する複数のディフューザベーンを任意に有する。多段圧縮機２００では、作動流体を次の連続するステージの回転ブレードに流すために、流体圧縮ステージの出口端に複数のリターンチャネル２１４が設けられる。多段ターボマシンの最後のインペラ２０５は、典型的にはディフューザチャネル２１２のみを有し、これは、ディフューザベーンの有無に関わらず提供され得る。最後のディフューザチャネル２１２は、作動流体の流れを、排出パイプに接続するための出口フランジを有する排出ケーシング（一般的にはボリュート）に向ける。

引き続き図３を参照して、作動流体の内部再循環は、下流インペラ２０５のディフューザチャネル２１２と上流インペラ２０５のリターンチャネル２１４との間に、接続または連通チャネル２１６を確立することによって行われる。特定の例では、連通チャネル２１６は、所与のステージのディフューザチャネル２１２と、上流のリターンチャネル２１４との間に、圧縮機２００の等円周間隔の位置で複数確立される。一例では、連通チャネル２１６は、２つの近接するインペラ２０５の間に追加のインペラが配置されないように、２つの直接隣接するインペラ２０５の間に配置される。作動流体の一部は、所与のステージのディフューザチャネル２１２から連通チャネル２１６を介して上流のリターンチャネル２１４に戻るように内部再循環される。本開示の一例では、連通チャネル２１６は、作動流体が通過して圧縮機２００内のサージを減少させることを可能にする、圧縮機２００のケーシング２０４に設けられたアパーチャまたはボアホールであってもよい。

再循環された流体は、リターンチャネル２１４の下流のインペラ２０５に入り、従って、インペラを通過するフローを増加させ、インペラの動作条件をサージ現象から遠ざける。他の例では、連通チャネル２１６は、圧縮機２００のケーシング２０４に設けられたアパーチャ内に収容された制御弁２１８を含む。制御弁２１８は、逆止弁、または弁を通る作動流体の流れを制御するように構成された任意の他の弁とすることができる。一例では、逆止弁２１８は、作動流体がディフューザチャネル２１２から上流リターンチャネル２１４へ移動することのみを可能とし得るが、上流リターンチャネル２１４から下流ディフューザチャネル２１２へは移動させない。制御弁２１８は、作動流体が所定の圧力に達した後にのみ作動流体を通過させることができる。図３には単一の連通チャネル２１６のみが示されているが、複数の連通チャネル２１６が、ディフューザチャネル２１２とリターンチャネル２１４との間のほぼ同じポイントで円周方向に互いに離間された同一または類似の位置に設けられ得ることが理解されるべきである。一例では、同一ポイントにおける複数の連通チャネル２１６の各々は、円周方向に等間隔に配置される。複数の連通チャネルは、下流のディフューザチャネル２１２から上流のリターンチャネル２１４への流れのほぼ均一な分布を生成する。逆止弁は、電気的、磁気的、機械的、空気的、または液圧的機構を利用する能動的フィードバックまたは受動的フィードバック機構を使用して操作され得る。

引き続き図３を参照して、本開示の別の例では、圧縮機２００は、圧縮機２００におけるグローバルな再循環のための構成２１５と、上述のステージ毎の再循環を含むことができる。構成２１５は、圧縮機２００内のサージの低減をさらにアシストするため、出口端２０８を出る作動流体を圧縮機２００の入口端２０６に向けるリターンチャネル２１７を含み得る。グローバルな再循環のための構成２１５は、圧縮機２００をサージから離れた作動状態へと移すために、圧縮機出口端２０８から入口端２０６を通る流れに計量された量の追加の流れを供給する（一般的には圧力区分を越えて）。この流体は、第１ステージに送られ、どのステージがサージ中であるかに関わらず圧縮機の流路全体を移動するので、グローバルと呼ばれる。

作動流体の内部段階的再循環は、より一層制御された流れの再循環を提供し、サージの危機に瀕している圧縮機２００のステージのみに影響を与え得る。このようなアレンジメントに必要な作動流体の流量は、非常に保守的なグローバルな再循環アレンジメントよりもはるかに小さい。さらに、作動流体の流れは圧縮機ケーシング２０４内に留まるので、そのため圧力区分を越えることはない。グローバルな再循環アレンジメントと比較して、本開示の内部段階的再循環アレンジメントは、用途や特定の制御設計に応じて、圧力損失が小さい。

図４を参照して、本開示の別の例を示し、そして説明する。この例では、連通チャネル２１６内に制御弁２１８を設ける代わりに、連通チャネル２１６と交差するスロット付きディスク部材２２０がケーシング２０４内に設けられている。ディスク部材２２０は、ディスク部材２２０がシャフト２０２の周りで回転できるように、圧縮機２００のケーシング２０４を通って長手方向に延びるシャフト２０２上に回転可能に保持される。一例では、ディスク部材２２０は、圧縮機２００の２つの近接するステージ内に設けられたダイヤフラム２２１の間に保持されてもよい。ディスク部材２２０の作動は、圧縮機２００のユーザによって操作される制御機構２２２を使用して制御されてもよい。制御機構２２２はまた、圧縮機２００の所定の条件または圧縮機２００の動作中の所定の時間間隔に基づき、ディスク部材２２０を作動させるための予めプログラムされた命令を含むことも企図される。一例によれば、制御機構２２２は、圧縮機ケーシング２０４の外側に配置された油圧、空気圧、電気、磁気または機械的アクチュエータであり得る。

図５〜図７を参照して、スロット付きディスク２２０は、円周方向に間隔を置いて延びる複数の開口２２４を備えてもよい。一例では開口２２４は円形であるが、開口２２４は、正方形、三角形、楕円形、および他の任意の好適な形状を含む他の形状も有することが企図される。図８に示されるように、本開示の別の例において、開口２２４は、略長方形の形状である。再循環プロセスの動作中に、スロット付きディスク２２０の開口２２４は、圧縮機２００のケーシング２０４に設けられたそれぞれの連通チャネル２１６と整列するように構成される。ディスク部材２２０は接線方向に回転され、ディスク部材２２０の開口２２４を介して、連通チャネル２１６による流体連通を確立および防止し得る。ディスク部材部材２２０の回転中に、開口２２４と連通チャネル２１６とのアライメントが変化し、流通する作動流体の流量を変化させ得る。

ディスク部材２２０の一方の位置では、連通チャネル２１６は、ディスク部材２２０によって完全に遮断され、それにより、圧縮機２００の２つのステージ間の作動流体の流れを完全に停止させる。意図しないリークを防止するために、ディスク部材２２０と圧縮機２００のケーシング２０４との間には適切なシール機構も設けられている。この位置では、ディスク部材２２０の開口２２４は、それぞれの連通チャネル２１６と位置合わせされない。ディスク部材２２０の別の位置では、ディスク部材２２０の少なくとも１つの開口２２４は、連通チャネル２１６と位置合わせされ、それにより、連通チャネル２１６を流通する作動流体の流れは圧縮機２００の下流ステージから圧縮機２００の近接する上流ステージへと向けられ、圧縮機２００内のサージを回避することを可能にする。ディスク部材２２０のこの使用は、圧縮機２００の下流ステージから圧縮機２００の上流ステージに向けられる作動流体の体積を制御するためにステージリターンフロー制御弁を利用する、改良されたステージ間サージ制御構成を提供する。ディスク部材２２０は、圧縮機２００が対応する数のディスク部材２２０およびダイヤフラム２２１を含むように、圧縮機２００の近接するステージの間のダイヤフラム２２１内に収容され得る。例えば、５−ステージ圧縮機は、４つの回転可能なディスク部材２２０を含むことができる。ディスク部材２２０に設けられた開口２２４の数は、対応するステージの圧縮機２００のケーシング２０４に画定された連通チャネル２１６の数に対応することも企図される。ディスク部材２２０を使用することにより、単一の可動部材および圧縮機ケーシング２０４の外部への１つの貫通部のみが、再循環プロセスに必要とされる。この本ステージ間再循環アレンジメントは、圧縮機２００の広い動作範囲、および圧縮機２００内の動作条件の変化に対するより速い応答を提供する。

本開示の別の例では、圧縮機２００内のサージを回避するために、圧縮機２００内の作動流体を再循環させる方法も提供される。この方法を使用すると、作動流体は、圧縮機２００の出口または吐出端２０８から圧縮機２００の入口端２０６までずっと戻るのに代えて、近接するインペラステージの間で再循環される（図３参照）。一例では、作動流体は、圧縮機２００の入口端２０６内に送られ得る。作動流体は、次いで圧縮機２００の少なくとも２つのステージを通って送られる。作動流体の少なくとも一部は、圧縮機２００内の２つの近接するインペラ２０５間に設けられた接続または連通チャネル２１６を介して、下流のインペラ２０５から上流のインペラ２０５に再循環される。次いで、再循環された作動流体は、下流のインペラ２０５に向かって再び下流に送られ得る。

本発明は、明示的に反対の指定がある場合を除き、種々の代替バリエーションおよびステップシーケンスを想定することができることが理解されるべきである。添付の図面に示され、明細書に記載された特定の装置およびプロセスは、本発明の単なる例示的な実施形態または態様であることも理解されるべきである。本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態または態様であると考えられるものに基づいて説明するために詳細に説明したが、そのような詳細は、専らそのような目的のためのものであり、本発明は、開示された実施形態または態様に限定されるものではなく、逆に、その精神および範囲内にある修正および等価な構成をカバーすることを意図していることが理解されるべきである。例えば、本発明は、可能な範囲で、任意の実施形態または態様の１つ以上の特徴を、任意の他の実施形態または態様の１つ以上の特徴と組み合わせることができることを企図していることが理解されるべきである。

Claims (20)

1. ターボマシンであって、
   長手方向軸線に沿って出口端に対向する入口端を有するケーシング、
   前記ケーシング内に設けられ、前記入口端から前記出口端まで延びるシャフトアセンブリ、
   前記シャフトアセンブリから半径方向外方に延びる複数の回転インペラ、および、
   下流インペラのディフューザチャネルから近接する上流インペラのリターンチャネルへの流体の逆流を可能にするための、２つの近接するインペラ間に設けられる連通チャネル、
   を含むターボマシン。
2. 前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられる、請求項１のターボマシン。
3. 前記２つの近接するインペラが、その間に追加のインペラが配置されることなく前記シャフトアセンブリ上で互いに直接隣接して配置される、請求項１のターボマシン。
4. 前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられたボアホールである、請求項１のターボマシン。
5. 前記ターボマシンが、単段または多段遠心式圧縮機である、請求項１のターボマシン。
6. 前記連通チャネルを流通する流体の体積を制御するために、制御弁が前記連通チャネル内に配置されている、請求項１のターボマシン。
7. 前記制御弁が逆止弁である、請求項６のターボマシン。
8. 前記制御弁は、前記２つの近接するインペラ間で、前記流体が上流に流れることを可能にしつつ、前記流体が下流に流れることを防止するよう構成される、請求項６のターボマシン。
9. 前記制御弁が、前記流体が所定の圧力に達した後にのみ、前記流体が前記２つの近接するインペラ間の上流に流れることを可能にするように構成されている、請求項６のターボマシン。
10. ターボマシンであって、
    長手方向軸線に沿って出口端に対向する入口端を有するケーシング、
    前記ケーシング内に設けられ、前記入口端から前記出口端まで延びるシャフトアセンブリ、
    前記シャフトアセンブリから半径方向外方に延びる複数の回転インペラ、
    下流インペラのディフューザチャネルから近接する上流インペラのリターンチャネルへの流体の逆流を可能にするための、２つの近接するインペラ間に設けられた連通チャネル、および、
    前記２つの近接するインペラ間で前記シャフトアセンブリ上に回転可能に配置されたディスク部材、
    を含むターボマシン。
11. 前記ディスク部材は少なくとも一つの開口を備え、該開口は、前記少なくとも一つの開口が前記連通チャネルと一直線上にある第１の位置と、前記少なくとも１つの開口が前記連通チャネルから離れるように回転された第２の位置との間で回転するように構成されている、請求項１０のターボマシン。
12. 前記ディスク部材を回転させるように構成された制御機構をさらに備える、請求項１０のターボマシン。
13. 前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられる、請求項１０のターボマシン。
14. 前記２つの近接するインペラが、その間に追加のインペラが配置されることなく前記シャフトアセンブリ上で互いに直接隣接して配置される、請求項１０のターボマシン。
15. 前記連通チャネルは、前記２つの近接するインペラ間の前記ケーシング内に設けられたボアホールである、請求項１０のターボマシン。
16. 前記ターボマシンが、多段遠心式圧縮機である、請求項１０のターボマシン。
17. 前記ディスク部材が、円周方向に間隔を置いた複数の開口を備える、請求項１０のターボマシン。
18. ターボマシンのサージを低減する方法であって、
    前記ターボマシンの入口を通して流体を送ること、
    前記ターボマシンの少なくとも１つのステージを通して前記流体を送ること、
    前記ターボマシン内の２つの近接するインペラ間に設けられた連通チャネルを介して、下流のインペラから近接する上流のインペラに、前記流体の一部を上流に再循環させること、および、
    前記ターボマシン内で、再循環された前記流体を下流に送ること、
    を含む方法。
19. 制御弁が前記連通チャネル内に配置される、請求項１８の方法。
20. 前記連通チャネルを流通する流体の流れを制御するために、前記近接するインペラ間にディスク部材が設けられる、請求項１８の方法。

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