JP2021067227A

JP2021067227A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2021067227A
Application number: JP2019193448A
Authority: JP
Inventors: 寛哲岡; Hiroaki Oka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-04-30
Also published as: US20210123453A1; US11221016B2; EP3812593A1

Abstract

【課題】ガスのマッハ数が高い場合においても、運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図る。【解決手段】遠心圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に固定されて一体に回転することで、軸線方向の上流側から流入するガスを径方向の外側に圧送して圧縮する複数のインペラと、を備える。複数の前記インペラの少なくとも一つは、流量係数φの設計点が０．１〜０．２、かつ機械マッハ数Ｍ０が１．１〜１．３であり、流量係数最小値φｍｉｎと流量係数最大値φｍａｘとの間で運転可能に構成され、以下の式（ａ）で表される運転範囲が３０％以上である（運転範囲）=｛（流量係数最大値φｍａｘ）−（流量係数最小値φｍｉｎ）｝/（流量係数最大値φｍａｘ）…（ａ）。【選択図】図３

Description

本開示は、遠心圧縮機に関する。

例えば、特許文献１には、ガス（プロセス流体）を圧縮させる遠心圧縮機において、圧縮するガスの流速が、超音速となる超音速圧縮機が開示されている。

特表２０１８−５１０２８９号公報

ところで、上記したようなガスの流速が超音速となる遠心圧縮機では、インペラにおけるガスのマッハ数が高い値となると、運転範囲が狭くなる傾向にある。ここで、マッハ数は、次式（１）で表される。
（マッハ数）=（ガスの相対速度（インペラ周速））/（ガスの音速） …（１）

また、運転範囲とは、遠心圧縮機の性能（圧力係数）が最大となる流量係数最小値（流量係数最小値φｍｉｎ）から、チョーク現象が生じて、これ以上の流量係数では運転ができなくなるときの流量係数最大値（流量係数最大値φｍａｘ）までの範囲であり、次式（２）で表される。
（運転範囲）=｛（流量係数最大値φｍａｘ）−（流量係数最小値φｍｉｎ）｝/（流量係数最大値φｍａｘ） …（２）

遠心圧縮機が、例えば、エチレンプラントやＬＮＧ（ＬｉｑｕｅｆｉｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ）プラント等で用いられる場合、圧縮するガスの分子量が比較的大きい。分子量が大きいガスの場合、ガスのマッハ数が特に高い値となり、遠心圧縮機の運転範囲が狭くなる傾向にある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、ガスのマッハ数が高い場合においても、運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能な遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る遠心圧縮機は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸に固定されて一体に回転することで、軸線方向の上流側から流入するガスを径方向の外側に圧送して圧縮する複数のインペラと、を備え、複数の前記インペラの少なくとも一つは、流量係数φの設計点が０．１〜０．２、かつ機械マッハ数Ｍ０が１．１〜１．３であり、流量係数最小値φｍｉｎと流量係数最大値φｍａｘとの間で運転可能に構成され、以下の式（ａ）で表される運転範囲が３０％以上である。
（運転範囲）=｛（流量係数最大値φｍａｘ）−（流量係数最小値φｍｉｎ）｝/（流量係数最大値φｍａｘ）…（ａ）

本開示の遠心圧縮機によれば、ガスのマッハ数が高い場合においても、運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

本開示の実施形態に係る遠心圧縮機を備えた圧縮機システムの構成を示す模式図である。上記遠心圧縮機の要部の構成を示す断面図である。上記遠心圧縮機における運転範囲を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本開示による遠心圧縮機を実施するための形態を説明する。しかし、本開示はこの実施形態のみに限定されるものではない。

（圧縮機システム装置の構成）
以下、本開示の実施形態に係る遠心圧縮機について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、圧縮機システム１は、遠心圧縮機２と、遠心圧縮機２を駆動するタービン装置３と、を備える。タービン装置３は、例えば、蒸気タービン、ガスタービンである。
圧縮機システム１は、例えば、ナフサ等の原料を分離精製してエチレンを生成するエチレンプラントで用いられる。この場合、遠心圧縮機２には、エチレンを生成する過程で生成されるプロピレンを含むガスＧが供給される。また、圧縮機システム１は、例えば、ＬＮＧプラントで用いられてもよい。この場合、遠心圧縮機２には、ＬＮＧの液化プロセスで用いられ、プロパン（Ｃ３）を含むガスＧが供給される。

（遠心圧縮機の構成）
遠心圧縮機２は、供給されたガスＧを圧縮する。図２に示すように、遠心圧縮機２は、ケーシング２０と、回転軸３０と、インペラ４０と、を主に備えている。

ケーシング２０は、インペラ４０を囲うよう設けられている。ケーシング２０は、車室を形成する外部ケーシング２１と、外部ケーシング２１内に設けられた複数のダイヤフラム２２と、を備える。外部ケーシング２１は、回転軸３０の軸線Ｏ方向に延びる筒状をなしている。複数のダイヤフラム２２は、外部ケーシング２１内で、回転軸３０の軸線Ｏ方向に配列されている。また、このケーシング２０には、縮径及び拡径を繰り返す内部空間２４が設けられている。この内部空間２４にはインペラ４０が収容される。

ケーシング２０には、インペラ４０同士の間となる位置に、インペラ４０を流通するガスＧを上流側から下流側に流通させるケーシング流路５０が形成されている。ケーシング２０の一端部には、ガスＧを外部からケーシング流路５０に流入させる吸込口（図示無し）が設けられている。また、ケーシング２０の他端部には、ケーシング流路５０に連続して、ガスＧを外部に流出させる排出口（図示無し）が設けられている。

回転軸３０は、ケーシング２０内で、軸線Ｏ方向に延びている。回転軸３０は、ケーシング２０に設けられた軸受（図示無し）に、軸線Ｏ方向の両端部が、軸線Ｏ回りに回転自在に支持されている。回転軸３０は、ケーシング２０の外部で、タービン装置３の出力軸３ｓ（図１参照）に連結されている。回転軸３０は、タービン装置３の作動時に回転する出力軸３ｓの回転力が伝達されることで、軸線Ｏ周りに回転駆動される。

インペラ４０は、ケーシング２０の内部に、回転軸３０の軸線Ｏ方向に間隔を空けて、複数（複数段）が設けられている。なお、図２においては、一つ（一段）のインペラ４０のみを図示している。各インペラ４０は、回転軸３０に固定されている。各インペラ４０は、回転軸３０と一体に軸線Ｏ周りに回転する。各インペラ４０は、例えば、ディスク４１とブレード４２とカバー４３とを備えた、いわゆるクローズドインペラである。

ディスク４１は、軸線Ｏ方向から見て略円形の断面を有する。ディスク４１は、軸線Ｏ方向の一方側から他方側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に拡大するように形成されることで、おおむね円錐状をなしている。

ブレード４２は、ディスク４１の軸線Ｏ方向における両面のうち、上流側（図２において紙面左側）を向く面４１ａに設けられている。ブレード４２は、軸線Ｏ周りの周方向Ｄｃに間隔をあけて複数設けられている。複数のブレード４２は、軸線Ｏを中心として径方向Ｄｒの外側に向かって放射状に複数配列されている。これら複数のブレード４２は、軸線Ｏ方向から見た場合、周方向Ｄｃの一方側から他方側に向かうように湾曲している。

カバー４３は、これら複数のブレード４２を軸線Ｏ方向の上流側から覆うように設けられている。カバー４３は、複数のブレード４２の上流側の端縁に設けられている。言い換えると、上記複数のブレード４２は、このカバー４３とディスク４１とによって軸線Ｏ方向から挟み込まれている。これにより、カバー４３、ディスク４１、及び互いに隣り合う一対のブレード４２同士の間に、インペラ流路４５が形成されている。

ケーシング流路５０は、ディフューザ部５１と、リターンベンド部５２と、戻り流路５３と、を備える。ディフューザ部５１は、インペラ４０の外周部から径方向Ｄｒの外側に向けて延びる。リターンベンド部５２は、ディフューザ部５１の外周部に連続して延びる。リターンベンド部５２は、ディフューザ部５１の外周部から断面視Ｕ字状に回り込み、径方向Ｄｒの内側に向けて延びる。リターンベンド部５２は、インペラ４０から径方向Ｄｒの外側に向かってディフューザ部５１を流れるガスＧの流れ方向を径方向Ｄｒの内側に反転させて案内する。戻り流路５３は、リターンベンド部５２から径方向Ｄｒの内側に向けて延びる。

戻り流路５３には、複数のリターンベーン５５が設けられている。複数のリターンベーン５５は、軸線Ｏを中心として周方向Ｄｃに間隔を空けて放射状に配列されている。各リターンベーン５５は、翼形状をなし、軸線Ｏ方向の両端が、戻り流路５３を形成するケーシング２０のダイヤフラム２２に接している。

このような遠心圧縮機２においては、ガスＧは、吸込口（図示無し）からケーシング流路５０に導入される。ガスＧは、回転軸３０とともに軸線Ｏ回りに回転するインペラ４０のインペラ流路４５に対し、軸線Ｏ方向の上流側から流入する。ガスＧは、インペラ４０の軸線Ｏ周りの回転により、インペラ流路４５を径方向Ｄｒの外側に圧送されて圧縮される。圧縮されたガスＧは、インペラ４０のインペラ流路４５から径方向Ｄｒの外側に吐出される。

各段のインペラ４０から流出したガスＧは、ケーシング流路５０のディフューザ部５１を通して径方向Ｄｒの外側に流れ、リターンベンド部５２において流れ方向を折り返し、戻り流路５３を通して後段側のインペラ４０に送り込まれる。このようにして、ケーシング２０の一端部側から他端部側に向けて複数のインペラ流路４５とケーシング流路５０とを経ることで、ガスＧが多段に圧縮され、排出口（図示無し）から送り出される。

（遠心圧縮機で圧縮するガス）
上記したような遠心圧縮機２において、前述したように、圧縮するガスＧは、例えば、プロピレンを含むガスＧ、プロパンを含むガスＧ等である。このようなガスＧは、分子量が３０以上である。具体的には、プロピレンを含むガスＧは、分子量が約４２である。また、プロパンを含むガスＧは、分子量が約４１である。したがって、プロピレンを含むガスＧやプロパンを含むガスＧを流す場合に、プロピレンやプロパン以外の不純物が混入していても、ガスＧの分子量は３０以上となっている。

（インペラが満たす条件）
このような分子量が大きいガスＧを圧縮する遠心圧縮機２は、複数段に設けられたインペラ４０の少なくとも一つは、以下の三つの条件を満たす。

（条件１）
インペラ４０は、流量係数φの設計点が０．１〜０．２、かつ機械マッハ数Ｍ０が１．１〜１．３である。ここで、機械マッハ数Ｍ０は、次式（１１）で表される。
（機械マッハ数Ｍ０）=（ガスの相対速度（インペラ周速））/（ガスの音速） …（１１）
である。

（条件２）
また、インペラ４０は、図３に示すように、流量係数最小値φｍｉｎと流量係数最大値φｍａｘとの間の範囲Ａで運転可能に構成される。ここで、流量係数最小値φｍｉｎとは、遠心圧縮機２の性能（圧力係数μ）が最大となるときの流量係数である。流量係数最大値φｍａｘとは、流量係数を徐々に高めていった場合に、チョーク現象が生じ、これ以上は運転ができなくなるときの流量係数である。

（条件３）
また、インペラ４０は、以下の式（１２）で表される運転範囲が３０％以上である。
（運転範囲）=｛（流量係数最大値φｍａｘ）−（流量係数最小値φｍｉｎ）｝/（流量係数最大値φｍａｘ） …（１２）

上記の条件１〜３を満たすには、例えば、インペラ４０におけるインペラ流路４５の出口に接続されるディフューザ部５１の出口幅Ｓ１を狭くする。

また、例えば、インペラ４０へのガスＧの導入流路となるインペラ流路４５の入口で、径方向Ｄｒの外側の流路壁面４５ｗの曲率を大きくしてもよい（流路壁面４５ｗを軸線Ｏ方向に延びる直線状とすることを含む）。これにより、インペラ４０の入口側で、ガスＧの加速が抑えられる。

また、例えば、戻り流路５３に設けられたリターンベーン５５の角度、形状、寸法等を調整することで、戻り流路５３からインペラ４０のインペラ流路４５へと流れるガスＧの流れにスワールを発生させ、インペラ４０に対する相対流速を抑えるようにしてもよい。このスワールは、図２に示すように、戻り流路５３からインペラ４０へと流れるガスＧの流速の分布Ｖｇが、軸線Ｏ方向の上流側よりも、軸線Ｏ方向の下流側で高くなるように発生させるのが好ましい。

（作用効果）
上記構成の遠心圧縮機２では、インペラ４０の流量係数φの設計点を０．１〜０．２という大きい値とし、機械マッハ数Ｍ０を１．１〜１．３という高い値としている。そのため、圧縮するガスＧの流量が大きい場合であっても、遠心圧縮機２の性能を向上させることができる。さらに、遠心圧縮機２の性能を向上させることで、その分、遠心圧縮機２の小型化を図ることもできる。また、遠心圧縮機２は、流量係数最小値φｍｉｎを下限として運転可能であるので、流量係数最小値φｍｉｎよりも小さい流量において生じる遠心圧縮機２のサージングの発生が抑えられる。さらに、遠心圧縮機２の運転範囲を３０％以上と広い範囲とすることで、使用環境に応じて遠心圧縮機２を効率良く運転することができる。その結果、ガスＧのマッハ数が高い場合においても、遠心圧縮機２の運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

また、上記構成の遠心圧縮機２では、分子量が３０以上と大きいガスＧを圧縮する遠心圧縮機２において、運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

また、上記構成の遠心圧縮機２では、運転範囲が３０％以上となるようにインペラ４０の出口幅Ｓ１が形成されることで、使用環境に応じて遠心圧縮機２を効率良く運転することができる。

また、上記構成の遠心圧縮機２では、流量が大きく、分子量が大きい、エチレンプラントで生成されるプロピレンを含むガスＧを圧縮する場合においても、遠心圧縮機２の運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

また、上記構成の遠心圧縮機２では、流量が大きく、分子量が大きい、ＬＮＧプラントで用いられるプロパンを含むガスＧを圧縮する場合においても、遠心圧縮機２の運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

（実施形態の変形例）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上記実施形態では遠心圧縮機２の各部の構成を例示したが、その構成は適宜変更してもよい。

また、ガスＧとして、エチレンプラントで生成されるプロピレンを含むガスＧ、ＬＮＧプラントで用いられるプロパンを含むガスＧを例示したが、これに限るものではなく、ガスＧとしては、上記に例示した以外のものであってもよい。

また、上記実施形態では、分子量が３０以上であるガスＧを圧縮するようにしたが、分子量が３０未満のガスＧを圧縮するようにしてもよい。

また、インペラ４０が、上記条件１〜３を満たすため、ディフューザ部５１の出口幅Ｓ１、インペラ流路４５の入口側の流路壁面４５ｗの曲率、リターンベーン５５の角度、形状、寸法等を調整するようにしたが、上記実施形態で例示した以外の構成を調整してもよい。

＜付記＞
実施形態に記載の遠心圧縮機２は、は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る遠心圧縮機２は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸３０と、前記回転軸３０に固定されて一体に回転することで、軸線Ｏ方向の上流側から流入するガスＧを径方向Ｄｒの外側に圧送して圧縮する複数のインペラ４０と、を備える。複数の前記インペラ４０の少なくとも一つは、
流量係数φの設計点が０．１〜０．２、かつ機械マッハ数Ｍ０が１．１〜１．３であり、
流量係数最小値φｍｉｎと流量係数最大値φｍａｘとの間で運転可能に構成され、
以下の式（ａ）で表される運転範囲が３０％以上である。
（運転範囲）＝｛（流量係数最大値φｍａｘ）−（流量係数最小値φｍｉｎ）｝／（流量係数最大値φｍａｘ）…（ａ）

このような構成によれば、インペラ４０の流量係数φの設計点を０．１〜０．２という大きい値とし、機械マッハ数Ｍ０を１．１〜１．３という高い値とすることで、圧縮するガスＧの流量が大きい場合であっても、遠心圧縮機２の性能を向上させることができる。遠心圧縮機２の性能を向上させることで、その分、遠心圧縮機２の小型化を図ることもできる。また、遠心圧縮機２は、流量係数最小値φｍｉｎを下限として運転可能であるので、流量係数最小値φｍｉｎよりも小さい流量において生じる遠心圧縮機２のサージングの発生が抑えられる。さらに、遠心圧縮機２の運転範囲を３０％以上と広い範囲とすることで、使用環境に応じて遠心圧縮機２を効率良く運転することができる。その結果、ガスＧのマッハ数が高い場合においても、遠心圧縮機２の運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

（２）第２の態様に係る遠心圧縮機２は、（１）の遠心圧縮機２であって、前記ガスＧの分子量が３０以上であってもよい。

このような構成によれば、分子量が３０以上と大きいガスＧを圧縮する遠心圧縮機２において、運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

（３）第３の態様に係る遠心圧縮機２は、（１）又は（２）の遠心圧縮機２であって、前記運転範囲が３０％以上となるように、前記インペラ４０の出口幅Ｓ１が形成されていてもよい。

運転範囲が３０％以上となるようにインペラ４０の出口幅Ｓ１が形成されることで、使用環境に応じて遠心圧縮機２を効率良く運転することができる。

（４）第４の態様に係る遠心圧縮機２は、（１）から（３）のいずれか一つの遠心圧縮機２であって、前記ガスＧは、エチレンプラントで生成されるプロピレンを含んでいてもよい。

このような構成によれば、エチレンプラントで生成されるプロピレンを含むガスＧは、流量が大きく、分子量が大きいが、このような場合においても、遠心圧縮機２の運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

（５）第５の態様に係る遠心圧縮機２は、（１）から（３）のいずれか一つの遠心圧縮機２であって、前記ガスＧは、ＬＮＧプラントで用いられるプロパンを含んでいてもよい。

このような構成によれば、ＬＮＧプラントで用いられるプロパンを含むガスＧは、流量が大きく、分子量が大きいが、このような場合においても、遠心圧縮機２の運転範囲を確保しつつ、性能の向上を図ることが可能となる。

１…圧縮機システム
２…遠心圧縮機
３…タービン装置
３ｓ…出力軸
２０…ケーシング
２１…外部ケーシング
２２…ダイヤフラム
２４…内部空間
３０…回転軸
４０…インペラ
４１…ディスク
４２…ブレード
４３…カバー
４５…インペラ流路
４５ｗ…流路壁面
５０…ケーシング流路
５１…ディフューザ部
５２…リターンベンド部
５３…戻り流路
５５…リターンベーン
Ａ…範囲
Ｄｃ…周方向
Ｄｒ…径方向
Ｇ…ガス
Ｍ０…機械マッハ数
Ｏ…軸線
Ｓ１…出口幅
Ｖｇ…流速の分布
μ…圧力係数
φ…流量係数
φｍａｘ…流量係数最大値
φｍｉｎ…流量係数最小値

Claims

軸線回りに回転する回転軸と、
前記回転軸に固定されて一体に回転することで、軸線方向の上流側から流入するガスを径方向の外側に圧送して圧縮する複数のインペラと、を備え、
複数の前記インペラの少なくとも一つは、
流量係数φの設計点が０．１〜０．２、かつ機械マッハ数Ｍ０が１．１〜１．３であり、
流量係数最小値φｍｉｎと流量係数最大値φｍａｘとの間で運転可能に構成され、
以下の式（ａ）で表される運転範囲が３０％以上である
（運転範囲）=｛（流量係数最大値φｍａｘ）−（流量係数最小値φｍｉｎ）｝/（流量係数最大値φｍａｘ）…（ａ）
遠心圧縮機。
前記ガスの分子量が３０以上である請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記運転範囲が３０％以上となるように、前記インペラの出口幅が形成されている請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
前記ガスは、エチレンプラントで生成されるプロピレンを含む請求項１から３の何れか一項に記載の遠心圧縮機。
前記ガスは、ＬＮＧプラントで用いられるプロパンを含む請求項１から３の何れか一項に記載の遠心圧縮機。