JP2022057174A - 多段式スクリュ回転機械および圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

多段式スクリュ回転機械および圧縮空気貯蔵発電装置 Download PDF

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Abstract

【課題】スクリュ回転機械を多段に備えた多段式スクリュ回転機械において、最高圧段のスクリュ回転機械に転がり軸受を採用しつつ耐久性を確保する。【解決手段】一対の雄ロータスクリュ８４および雌ロータスクリュ８５によって空気を圧縮または膨張させる圧縮機１０または膨張機５０を多段に備え、それぞれの圧縮機１０またはそれぞれの膨張機５０は、雄ロータスクリュ８４および雌ロータスクリュ８５が転がり軸受８８，８９で支持されており、それぞれの圧縮機１０における圧縮比またはそれぞれの膨張機５０における膨張比は、それぞれの差圧が第１所定圧以下になるように設定されている。第１所定圧は、差圧に起因して雄ロータスクリュ８４および雌ロータスクリュ８５に生じるラジアル荷重およびスラスト荷重が転がり軸受８８，８９における許容荷重を超えない圧力である。【選択図】図４

Description

本発明は、多段式スクリュ回転機械および圧縮空気貯蔵発電装置に関する。
風力または太陽光等の再生可能エネルギを利用した発電は、気象条件に依存するため、出力が安定しないことがある。適時に必要な電力を得るためには、エネルギ貯蔵システムを使用する必要がある。そのようなシステムの一例として、例えば、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置が知られている。
ＣＡＥＳ発電装置は、再生可能エネルギを用いて電動機により圧縮機を駆動して圧縮空気を生成し、圧縮空気をタンクなどに貯蔵し、必要なときに圧縮空気を用いて膨張機によりタービン発電機を駆動して発電する装置である。
特許文献１には、圧縮機および膨張機としてスクリュ回転機械を多段に備えたＣＡＥＳ発電装置が開示されている。
特開２０１７－００８７２６号公報
本発明は、スクリュ回転機械を多段に備えた多段式スクリュ回転機械において、最高圧段のスクリュ回転機械に転がり軸受を採用しつつ耐久性を確保することを課題とする。
本発明は、
回転する一対の雄ロータスクリュおよび雌ロータスクリュによって流体を圧縮または膨張させるスクリュ回転機械を多段に備え、
それぞれのスクリュ回転機械は、前記一対の雄ロータスクリュおよび雌ロータスクリュが転がり軸受で支持されており、
それぞれのスクリュ回転機械における圧縮比または膨張比は、それぞれのスクリュ回転機械の吸気口と吐出口との間の差圧が第１所定圧以下になるように設定されており、
前記第１所定圧は、前記差圧に起因して前記雄ロータスクリュおよび前記雌ロータスクリュに生じるラジアル荷重およびスラスト荷重が前記転がり軸受における許容荷重を超えない圧力である、多段式スクリュ回転機械を提供する。
本発明によれば、スクリュ回転機械の出入り口の差圧が、該差圧に起因してロータスクリュに生じる荷重が転がり軸受の許容荷重を超えない第１所定圧以下になるように設定されている。よって、転がり軸受を採用しつつ、軸受の耐久性を確保できる。ロータスクリュを転がり軸受で支持することによって、滑り軸受で支持する場合に比べて、ロータスクリュの支持精度が向上して振れ回りが低減する。この結果、一対のロータスクリュ間の隙間を、干渉を抑制しつつ低減できるので、圧縮時にはエネルギ量の増大を図ることができ、膨張時にはエネルギ量の減少を抑制することができる。
また、転がり軸受は、摺動部に潤滑油又はグリス等の潤滑材が介在していればよく、滑り軸受のように潤滑油による油膜形成を要しない。このため、転がり軸受は、ロータスクリュが起動（回転）と停止とを頻繁に繰り返すような使用条件下においても、摺動部の潤滑状態を適切に維持しやすく軸受の耐久性を確保しやすい。特に、太陽光発電また風力発電等による再生可能エネルギを多段式スクリュ回転機械によって圧縮空気に変換して貯蔵する場合のように起動停止が頻繁に生じ得る場合において、上記効果が好適に発揮される。
さらにまた、差圧を制限することで、それぞれのスクリュ回転機械を構成する、ロータスクリュ、軸受等の内蔵物が特殊仕様になりにくく、既存の標準品を採用しやすい。一方で、ケーシングのみ吐出圧または給気圧に応じて所望の耐圧強度を満たすように専用品を構成すればよい。よって、スクリュ回転機械の主要部分を標準品で構成することができるのでコストを低減しやすい。
少なくとも４段以上の複数の前記スクリュ回転機械を備え、
前記複数のスクリュ回転機械は、最高圧段に位置する最高圧段スクリュ回転機械と、この１つ低圧段側に位置する次高圧段スクリュ回転機械とを含み、
前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械における圧縮比または膨張比はそれぞれ、前記差圧が第２所定圧以上になるように設定されていてもよい。
本構成によれば、最高圧段側のスクリュ回転機械の差圧が適度に設定されているので、所望の圧縮圧または膨張圧を実現するための、スクリュ回転機械の段数が過度に増大することが抑制される。
前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械はそれぞれ、
前記雄ロータスクリュは４枚歯であり、
前記雌ロータスクリュは６枚歯であってもよい。
本構成によれば、雄ロータスクリュが４枚歯であり雌ロータスクリュが６枚歯であるスクリュ回転機械において、上記発明の効果が好適に発揮される。
前記スクリュ回転機械はそれぞれ、前記スラスト荷重に抗するバランスピストンを備え、
前記バランスピストンは、前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械において共通していてもよい。
本構成によれば、出入り口間の差圧が概ね等しく設定されている最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械それぞれにおいて、差圧に起因してロータスクリュに生じるスラスト荷重も概ね等しくなる。よって、これらのスクリュ回転機械において、スラスト荷重に抗するバランスピストンを共通化できるので、個別にバランスピストンを設計することを要せず、共通化によりコストを低減できる。
前記スクリュ回転機械はそれぞれ、ケーシング内圧を外部からシールするシール部を備え、
前記シール部は、前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械において共通していてもよい。
本構成によれば、最も高いシール性能が要求される最高圧段スクリュ回転機械のシール部を、次に高い耐圧性能が要求される次高圧段スクリュ回転機械に流用している。これによって、シール部を共通化することができ、個別にシール部を設計することを要しないので、共通化によりコストを低減できる。
前記スクリュ回転機械はそれぞれ、前記一対の雄ロータスクリュおよび雌ロータスクリュを収容し、前記流体を圧縮または膨張させる圧縮室または膨張室を画定するケーシングを備え、
前記ケーシングは、前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械において共通していてもよい。
本構成によれば、最も高い耐圧性能が要求される最高圧段スクリュ回転機械のケーシングを、次に高い耐圧性能が要求される次高圧段スクリュ回転機械に流用している。これによって、ケーシングを共通化することができ、個別にケーシングを設計することを要しないので、共通化によりコストを低減できる。
前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械における前記ケーシングには、冷却ジャケットが形成されていなくてもよい。
本構成によれば、多段式スクリュ回転機械を圧縮機として使用する場合、圧縮比は、差圧が第１所定圧以下となるように設定されているため、高くなりにくい。したがって、圧縮による温度上昇が小さいのでケーシングを冷却することを要しない。また、最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械は、高いケーシング内圧のためにケーシング材質に鋳鋼を採用する場合があるが、ジャケットを形成しないことによってケーシングの鋳造性を確保しやすい。
また、本発明の他の側面は、
複数の電動機と、
前記複数の電動機と機械的に接続され、多段に流体的に接続されて空気を圧縮する複数の圧縮機と、
前記複数の圧縮機と流体的に接続され、前記複数の圧縮機により圧縮された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
前記蓄圧部と流体的に接続され、前記蓄圧部から供給される前記圧縮空気によって駆動される複数の膨張機と、
前記複数の膨張機と機械的に接続された発電機と、を備え、
前記複数の圧縮機および前記複数の膨張機のうち少なくともいずれか一方はスクリュ回転機械を多段に備え、
それぞれのスクリュ回転機械は、転がり軸受で支持された一対の雄ロータスクリュおよび雌ロータスクリュを有しており、
それぞれのスクリュ回転機械における圧縮比または膨張比は、それぞれのスクリュ回転機械の吸気口と吐出口との間の差圧が第１所定圧以下になるように設定されており、
前記第１所定圧は、前記差圧に起因して前記雄ロータスクリュおよび前記雌ロータスクリュに生じるラジアル荷重およびスラスト荷重が前記転がり軸受における許容荷重を超えない圧力である、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
本発明によれば、多段式スクリュ回転機械を有する圧縮空気貯蔵発電装置において、本発明の効果が好適に発揮される。
本発明によれば、スクリュ回転機械を多段に備えた多段式スクリュ回転機械において、最高圧段のスクリュ回転機械に転がり軸受を採用しつつ耐久性を確保できる。
本発明の一実施形態に係るＣＡＥＳ発電装置の概略構成図。 第３圧縮機の一対のロータスクリュの軸心を通る断面図。 図２のIII－III線に沿った断面図。 第４圧縮機の一対のロータスクリュの軸心を通る断面図。
（発明の背景）
近年、ドライ式のスクリュ回転機械を多段に備えた圧縮空気貯蔵発電装置において、最高吐出圧として４．５ＭＰａＧ程度の吐出圧が実用化されている。この場合、各段の圧縮比は、概ね２以上３以下のうち、圧縮による吐出温度の上昇が過度にならない範囲でできるだけ高く設定されており、これにより段数の増大が抑制されている。その結果、上記最高吐出圧は４段圧縮によって実現されている。
圧縮比を、概ね２以上３以下のなかでできるだけ高く設定すると、高圧段ほど吸気圧が高くなるので、圧縮比が同程度であったとしも、スクリュ回転機械の吸気口と吐出口との間の差圧が増大してしまう。その結果、最高圧段のスクリュ回転機械では、差圧の増大に起因してロータに生じるラジアル荷重およびスラスト荷重が過大となるため、ロータは、転がり軸受に比べて耐荷重が大きい滑り軸受によって支持されている。
多段式スクリュ回転機械における最高圧段のスクリュ回転機械において、ロータの支持を滑り軸受で構成すると以下のデメリットが存在する。
第１に、スクリュ回転機械をドライ式により構成する場合、雄ロータと雌ロータとが接触しないように隙間を確保する必要がある。また、雄ロータおよび雌ロータを滑り軸受により支持する場合、転がり軸受に比べて支持精度が劣るため、軸の振れ回りを考慮して、雄ロータと雌ロータとの間の隙間をより広く確保する必要がある。その結果、最高圧段に位置するスクリュ回転機械をドライ式で構成する場合、上記隙間の増大に起因して性能が低下しやすい。
第２に、滑り軸受は、摺動部に油膜が形成されるように潤滑油を常時供給することを要するが、停止時に潤滑油の供給が停止すると油膜切れを生じやすい。油膜が切れた状態で運転が再開されると軸受が損傷しやすい。よって、滑り軸受は、起動停止が頻繁に生じる得る使用条件下において耐久性を確保しにくい。
第３に、最高圧段に位置するスクリュ回転機械は、高い差圧に起因して滑り軸受を採用するため軸受部が専用設計となるため、高コストになってしまう。
したがって、滑り軸受を採用することによる上記デメリットを解消するため、最高圧段のスクリュ回転機械にも転がり軸受を採用したいという要望がある。
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置を説明する。
図１に示すＣＡＥＳ発電装置１では、風力または太陽光等の再生可能エネルギ（図１において風力発電を例示）を利用した発電設備２にて発電された電力が圧縮空気の態様で蓄えられる。必要なときに、蓄えられた圧縮空気を用いて必要なときに発電し、発電した電力を工場などの需要家設備３に供給しまたは電力会社に売電する。
ＣＡＥＳ発電装置１は、充電部４と、放電部５と、蓄圧タンク６とを備える。充電部４は、発電設備２にて発電された電力を用いて圧縮空気を生成する。蓄圧タンク６は、充電部４により生成された圧縮空気を貯蔵する。放電部５は、必要なときに圧縮空気を用いて発電する。
充電部４は、第１～第５圧縮機（スクリュ回転機械）１１～１５（区別なく記載する場合、圧縮機１０と称する）と、第１～第４電動機２１～２４と、第１～第５熱交換器３１～３５とを有している。圧縮機１０は、雄雌一対のロータスクリュを備えたスクリュ回転機械であり、ロータスクリュに各電動機２１～２４が機械的に接続されている。本実施形態では、第５圧縮機１５が本発明の最高圧段スクリュ回転機械を構成しており、第４圧縮機１４が本発明の次高圧段スクリュ回転機械を構成している。
本実施形態では、第１～第５圧縮機１１～１５が５段に流体的に接続されている。詳細には、１段目の第１圧縮機１１と、２段目の第２圧縮機１２と、３段目の第３圧縮機１３と、４段目の第４圧縮機１４と、５段目の第５圧縮機１５とが、この順に流体的に直列に接続されている。第１～第５圧縮機１１～１５は、吸気口１１ａ～１５ａから空気を吸気し、内部で空気を圧縮し、吐出口１１ｂ～１５ｂから圧縮空気を吐出する。
第１圧縮機１１の吸気口１１ａは、空気配管４１を通じて外気に開放されている。第１圧縮機１１の吐出口１１ｂは、空気配管４２を通じて第２圧縮機１２の吸気口１２ａに流体的に接続されている。第２圧縮機１２の吐出口１２ｂは、空気配管４３を通じて第３圧縮機１３の吸気口１３ａに流体的に接続されている。第３圧縮機１３の吐出口１３ｂは、空気配管４４を通じて第４圧縮機１４の吸気口１４ａに流体的に接続されている。第４圧縮機１４の吐出口１４ｂは、空気配管４５を通じて第５圧縮機１５の吸気口１５ａに流体的に接続されている。第５圧縮機１５の吐出口１５ｂは、空気配管４６を通じて蓄圧タンク６に流体的に接続されている。
第１電動機２１は、第１および第２圧縮機１１，１２に機械的に接続されており、発電設備２にて発電された電力を用いて第１および第２圧縮機１１，１２を回転駆動する。同様に、第２～第４電動機２２～２４はそれぞれ、第３～第５圧縮機１３～１５を回転駆動する。
第１～第５熱交換器３１～３５はそれぞれ、空気配管４２～４６に設けられており、上流側に位置する第１～第５圧縮機１１～１５から吐出される圧縮空気を冷却する。第１～第５熱交換器３１～３５はそれぞれ、圧縮されて昇温した圧縮空気を、例えば４０°～４５°まで低下させる。
第１圧縮機１１は外気から空気を吸気して圧縮する。第２圧縮機１２は、第１圧縮機１１で圧縮された圧縮空気をさらに圧縮する。第３圧縮機１３は、第２圧縮機１２で圧縮された圧縮空気をさらに圧縮する。第４圧縮機１４は、第３圧縮機１３で圧縮された圧縮空気をさらに圧縮する。第５圧縮機１５は、第４圧縮機１４で圧縮された圧縮空気をさらに圧縮する。第５圧縮機１５で圧縮された圧縮空気は、蓄圧タンク６に蓄えられる。
したがって、充電部４において、第１～第５圧縮機１１～１５が多段に配置された、多段式圧縮機（多段式スクリュ回転機械）が構成されている。その結果、充電部４において、大気から吸気された空気は、第１圧縮機１１から第５圧縮機１５に向かって段階的に圧縮されて圧力が上昇する。圧縮空気の質量流量は、各段において変わらないものの、圧縮空気の体積流量は圧縮されるほど減少する。したがって、要求される空気流量に応じて第１～第５圧縮機１１～１５をそれぞれ複数台で構成する場合、台数を高圧段に向かって減少させてもよい。
放電部５は、第１～第５膨張機（スクリュ回転機械）５１～５５（区別なく記載する場合、単に膨張機５０と称する）と、これらによってそれぞれ回転駆動させられる第１～第４発電機６１～６４とを有している。膨張機５０は、雄雌一対のロータスクリュを備えたスクリュ回転機械であり、ロータスクリュに各発電機６１～６４が機械的に接続されている。本実施形態では、第１膨張機５１が最高圧段スクリュ回転機械を構成し、第２膨張機５２が次高圧段スクリュ回転機械を構成している。
本実施形態では、第１～第５膨張機５１～５５が５段に流体的に接続されている。詳細には、１段目の第１膨張機５１と、２段目の第２膨張機５２と、３段目の第３膨張機５３と、４段目の第４膨張機５４と、５段目の第５膨張機５５とが、この順に流体的に直列に接続されている。第１～第５膨張機５１～５５は、給気口５１ａ～５５ａから圧縮空気が給気され、内部で圧縮空気を膨張させ、排気口５１ｂ～５５ｂから空気を排気する。
蓄圧タンク６は、空気配管７１を通じて第１膨張機５１の給気口５１ａに流体的に接続されている。第１膨張機５１の排気口５１ｂは、空気配管７２を通じて第２膨張機５２の吸気口５２ａに流体的に接続されている。第２膨張機５２の排気口５２ｂは、空気配管７３を通じて第３膨張機５３の給気口５３ａに流体的に接続されている。第３膨張機５３の排気口５３ｂは、空気配管７４を通じて第４膨張機５４の給気口５４ａに流体的に接続されている。第４膨張機５４の排気口５４ｂは、空気配管７５を通じて第５膨張機５５の給気口５５ａに流体的に接続されている。第５膨張機５５の排気口５５ｂは、空気配管７６を通じて外気に開放されている。
第４発電機６４は、第５膨張機５５および第４膨張機５４に機械的に接続されており、給気される圧縮空気を用いて第５膨張機５５および第４膨張機５４によって駆動されて発電する。同様に、第２および第３発電機６２，６３は、第２および第３膨張機５２，５３によって駆動されて発電する。第１発電機６１は、第１膨張機５１によって駆動されて発電する。
したがって、放電部５において、第１～第５膨張機５１～５５が多段に配置された、多段式膨張機（多段式スクリュ回転機械）が構成されている。その結果、放電部５において、蓄圧タンク６から給気される圧縮空気は、第１膨張機５１から第５膨張機５５に向かって段階的に膨張させられて圧力が低下する。圧縮空気の質量流量は、各段において変わらないものの、圧縮空気の体積流量は膨張するほど増大する。したがって、要求される空気流量に応じて第１～第５膨張機１１～１５を複数台で構成する場合、台数を低圧段に向かって増大させてもよい。
図２は、第３圧縮機１３の、一対のロータスクリュの軸心を通る、水平断面を示している。以下、図２を参照して、第３圧縮機１３を例にとって、圧縮機１０の概略構造を説明する。
第３圧縮機１３は、ロータケーシング８１と、軸受ケーシング８２とを有し、ロータケーシング８１の円筒状の内周面８１ａによって画定される圧縮室８３を有する。圧縮室８３には、一対の雄ロータスクリュ８４と雌ロータスクリュ８５とが収容されている。一対の雄ロータスクリュ８４および雌ロータスクリュ８５が互いに噛合した状態で回転することによって、第３圧縮機１３は、空気を吸気口１３ａから吸気し、圧縮室８３において圧縮して、吐出口１３ｂから吐出する。
図２において仮想線で示すように、吸気口１３ａは圧縮室８３の左端部に対応して位置しており、吐出口１３ｂは圧縮室８３の右端部に対応して位置している。したがって、圧縮空気は、圧縮室８３において吸気口１３ａから吐出口１３ｂに向かうにつれて、圧縮されて圧力が次第に増大する。以下の説明では、ロータスクリュ８４，８５の軸方向において、吸気口１３ａから吐出口１３ｂに向かう方向を高圧側と称し、吐出口１３ｂから吸気口１３ａに向かう方向を低圧側と称する。
図３は、図２のIII－III線に沿った断面図であり、一対の雄ロータスクリュ８４および雌ロータスクリュ８５の軸線に直交する断面を示す。図３において、ロータケーシング８１は、内周面８１ａのみが示されている。本実施形態では、雄ロータスクリュ８４は４枚歯形であり、雌ロータスクリュ８５は６枚歯形である。本実施形態に係る圧縮機１０は、圧縮室８３内に潤滑油が供給されないドライ式とされている。このため、ロータケーシング８１の内周面８１ａ、雄ロータスクリュ８４、および雌ロータスクリュ８５それぞれの間に、所定の隙間Ｃが確保されており、相互の干渉が防止されている。
図２に示すように、ロータケーシング８１の外周部には、冷却媒体（例えば水）が還流される冷却ジャケット８１ｂが形成されている。冷却ジャケット８１ｂによって、圧縮室８３における圧縮空気の過度の温度上昇によるロータケーシング８１の熱変形が防止されている。これによっても、ロータケーシング８１の内周面８１ａと、ロータスクリュ８４，８５との干渉が抑制されている。
雄ロータスクリュ８４は、軸方向における高圧側の端部から高圧側に延びる高圧側雄ロータ軸８６と、軸方向における低圧側の端部から低圧側に延びる低圧側雄ロータ軸８７とを有している。高圧側雄ロータ軸８６は、基端側に位置する第１ロータ軸８６ａと、先端側に位置しており第１ロータ軸８６ａより小径である第２ロータ軸８６ｂとを有する。同様に、低圧側雄ロータ軸８７は、基端側に位置する第１ロータ軸８７ａと、先端側に位置しており第１ロータ軸８７ａより小径である第２ロータ軸８７ｂとを有している。
第１ロータ軸８６ａ，８７ａにはそれぞれ、基端側に位置するエアシール部９２と、先端側に位置するオイルシール部９３とが取り付けられている。エアシール部９２は、圧縮室８３を外部に対して密閉するものであり、圧縮室８３の圧力に基づいて適宜選定される。オイルシール部９３は、後述する軸受８８，８９に塗布または供給される潤滑油が圧縮室８３側に漏出することを防止している。
第２ロータ軸８６ｂ，８７ｂにはそれぞれ、軸受８８，８９が取り付けられている。雄ロータスクリュ８４は、第２ロータ軸８６ｂにおいて軸受８８を介してロータケーシング８１に対して軸支されており、第２ロータ軸８７ｂにおいて軸受８９を介して軸受ケーシング８２に対して軸支されている。
軸受８８，８９はそれぞれ、第２ロータ軸８６ｂ，８７ｂの基端側に位置しておりラジアル荷重を支持可能なラジアル軸受８８ａ，８９ａと、先端側に位置しておりスラスト荷重を支持可能なスラスト軸受８８ｂ，８９ｂとを含んでいる。ラジアル軸受８８ａ，８９ａは、ころ軸受であり、スラスト軸受８８ｂ，８９ｂは玉軸受である。したがって、軸受８８，８９は全て、転がり軸受によって構成されている。
雄ロータスクリュ８４の高圧側の端部すなわち第２ロータ軸８６ｂの端部には、ドリブンギヤ９０が相対回転不能に取り付けられている。ドリブンギヤ９０は、第２電動機２２のドライブギヤ２２ａ（図１参照）に噛合しており、第２電動機２２による駆動力が伝達されて雄ロータスクリュ８４を回転させる。雄ロータスクリュ８４の低圧側の端部すなわち第２ロータ軸８７ｂの先端部には、タイミングギヤ９１ａが相対回転不能に取り付けられている。
雌ロータスクリュ８５も同様に構成されており、軸方向両端部からそれぞれ軸方向に延びる高圧側雌ロータ軸９６と低圧側雌ロータ軸９７とを有している。高圧側雌ロータ軸９６および低圧側雌ロータ軸９７はそれぞれ、基端側に位置する第１ロータ軸９６ａ，９７ａと先端側に位置しており小径な第２ロータ軸９６ｂ，９７ｂとを有している。第１ロータ軸９６ａ，９７ａには、エアシール部９２およびオイルシール部９３が取り付けられている。雌ロータスクリュ８５は、第２ロータ軸９６ｂ，９７ｂにおいて、ラジアル軸受８８ａ，８９ａおよびスラスト軸受８８ｂ，８９ｂを介して、ロータケーシング８１および軸受ケーシング８２に対して軸支されている。
雌ロータスクリュ８５の低圧側の端部すなわち第２ロータ軸９７ｂの先端部には、タイミングギヤ９１ｂが相対回転不能に取り付けられている。タイミングギヤ９１ｂは、雄ロータスクリュ８４に取り付けられたタイミングギヤ９１ａに噛合している。よって、雄ロータスクリュ８４の回転に同期して、雌ロータスクリュ８５が回転するようになっており、それぞれの歯部における干渉が防止されている。
さらに、雄ロータスクリュ８４の低圧側の端部には、バランスピストン９８が取り付けられている。バランスピストン９８は、空気圧入口９９から不図示のコンプレッサから供給される圧縮空気を利用して、雄ロータスクリュ８４に作用するスラスト力（押圧力）に抗する力を雄ロータスクリュ８４に付与する。すなわち、バランスピストン９８によって、スラスト軸受８８ｂ，８９ｂに作用するスラスト力が低減される。
ここで、雄ロータスクリュ８４および雌ロータスクリュ８５には、吸気口１３ａにおける吸い込み圧と吐出口１３ｂにおける吐出圧との差に起因した、ラジアル方向およびスラスト方向における荷重が作用する。該差圧が大きいほど上記荷重は増大する。したがって、軸受８８，８９は、差圧に起因してロータスクリュ８４，８５に作用する荷重と、バランスピストン９８による反力とを考慮して、ラジアル方向およびスラスト方向における荷重よりも、それぞれの軸受８８，８９の許容荷重が大きくなるように選定されている。
本実施形態では、上記差圧が第１所定圧を超えないように、第１～第５圧縮機１１～１５における圧縮比をそれぞれ設定することによって、ロータスクリュ８４，８５に作用する荷重が過度に高くなることが防止されている。具体的には、第１所定圧が、差圧に起因してロータスクリュ８４，８５に生じる荷重が転がり軸受における許容荷重を超えないよう、第１～第５圧縮機１１～１５における圧縮比をそれぞれ設定する。本実施形態では、雄ロータスクリュ８４が４枚歯であり雌ロータスクリュ８５が６枚歯であるので、実績値として差圧が１．３ＭＰａ以下であれば転がり軸受における許容荷重を超えないことが判っている。よって、第１所定圧は１．３ＭＰａに設定されている。
表１に、第１～第５圧縮機１１～１５の主要諸元を示している。表１を参照して、第１～第５圧縮機１１～１５の仕様を説明する。
Figure 2022057174000002
第１圧縮機１１は、外部から吸気した空気を、大気圧から０．４ＭＰａまで圧縮する。第２圧縮機１２は、第１圧縮機１１から吐出された圧縮空気を、１．０ＭＰａまでさらに圧縮する。第３圧縮機１３は、第２圧縮機１２から吐出された圧縮空気を、２．１ＭＰａまでさらに圧縮する。第４圧縮機１４は、第３圧縮機１３から吐出された圧縮空気を３．３ＭＰａまでさらに圧縮する。第５圧縮機１５は、第４圧縮機１４から吐出された圧縮空気を４．５ＭＰａまでさらに圧縮する。
圧縮比に関して、第１圧縮機１１が概ね３．５であり最も大きく、第２圧縮機１２が概ね３．０であり次に大きく、第３～第５圧縮機１３～１５が最も小さい略２．０以下である。本実施形態では、第１圧縮機１１に圧縮比が最も大きい仕様Ａのロータセットを採用されており、第２圧縮機１２に圧縮比が次に大きい仕様Ｂのロータセットを採用されており、第３～第５圧縮機１３～１５に圧縮比が最も小さい仕様Ｃのロータセットが共通して採用されている。したがって、圧縮比の異なる仕様Ａ～Ｃの三種類のロータセットを採用している。なお、仕様Ｃにおいて同一のロータセットを採用するが、それぞれの吐出口の位置および大きさを適宜設定することによって、所望の圧縮比が実現されている。なお、第３～第５圧縮機１３～１５においては、圧縮比が概ね２以下に設定されている。
差圧に関して、第１圧縮機１１は最も小さく、第２圧縮機１２が次いで小さく、第３～第５圧縮機１３～１５が最も大きい。本実施形態では、第１圧縮機１１は、差圧が小さいため該差圧に起因するスラスト力も小さいので、第１圧縮機１１にはバランスピストンが設けられていない。一方、差圧が０．７ＭＰａである第２圧縮機には、仕様Ｉのバランスピストン９８が設けられており、差圧が１ＭＰａを超えて１．２ＭＰａ以下であり略同じ大きさである第３～第５圧縮機１３～１５には、仕様IIのバランスピストン９８が共通して設けられている。
吐出圧に関して、第１圧縮機１１から第５圧縮機１５に向かって、段階的に高くなっている。ロータケーシング８１の材質に関して、吐出圧が概ね２ＭＰａ以下である第１～第３圧縮機１１～１３は該吐出圧に耐え得る材料として鋳鉄（例えばＦＣ２５０）が採用されており、吐出圧が３．０ＭＰａを超える第４および第５圧縮機１４，１５は鋳鋼（例えば１３Ｃｒ系）が採用されている。上述したように、第１～第３圧縮機１１～１３は、ロータセットが異なっているので、ロータケーシング８１もそれぞれ仕様ａ～ｃと異なっている。一方、第４および第５圧縮機１４，１５は、ロータセットが同一であるため、ロータケーシング８１も共通の仕様ｄとなっている。
また、吐出圧に関連して、エアシール部９２もそれぞれ設定されている。上述したように、第１～第２圧縮機１１，１２は、ロータセットが異なっているので、エアシール部９２もそれぞれ仕様１，２と異なっている。一方、第３～第５圧縮機１３～１５は、ロータセットが共通であるので、仕様３のエアシール部９２が共通して設定されている。なお仕様３のエアシール部９２は、最も吐出圧が高くシール条件が最も厳しい第５圧縮機１５において耐え得るように選定されており、第５圧縮機１５に比して吐出圧が低いためシール条件が緩い第３および第４圧縮機１３，１４において使用され得る。
ここで、差圧を第１所定圧以下に制限したことによって、吸気口における圧力が高くなる高圧段に位置する圧縮機１０ほど、圧縮比が小さくなる。具体的には、最高圧段に位置する第５圧縮機１５（最高圧段スクリュ回転機械）の圧縮比は１．４となり、また、次いで高圧段に位置する第４圧縮機１４（次高圧段スクリュ回転機械）の圧縮比は１．６と低く設定されている。
また、差圧は、本実施形態では、高圧段側における差圧は第２所定圧以上に設定されている。本実施形態では、第２所定圧は、０．９ＭＰａである。
図４は、第４圧縮機１４の図２と同様の断面図を示している。第３圧縮機１３と同じ構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略している。図４に示されるように、第４圧縮機１４は、低い圧縮比の結果として、圧縮室８３における圧縮による温度上昇が小さくなるのでロータケーシング８１を冷却する必要がない。このため、第３圧縮機１３とは異なり、第４圧縮機１４のロータケーシング８１には冷却ジャケットが形成されていない（上記表１の仕様ｄ）。
第５圧縮機１５は、第４圧縮機１４に対して、吐出口１５ｂの位置および／または大きさが異なる点以外は、同一である。したがって、第４および第５圧縮機１４，１５は、ロータケーシング８１の鋳造による素材を共通として、吐出口１４ｂ，１５ｂのみ機械加工の違いにより形成されている。
第１～第５膨張機５１～５５については、第１～第５圧縮機１１～１５に対して、回転方向が逆である点で異なっており、その他は同様に構成されている。よって、第１～第５膨張機５１～５５についての説明を省略する。なお、膨張機５０においては、第１～第５圧縮機１１～１５の圧縮比をそれぞれ、第５～第１膨張機５５～５１の膨張比にそれぞれ読み替えて適用できる。また、圧縮機１０における圧縮室８３を、膨張機５０における膨張室に読み替える。
本実施形態に係るＣＡＥＳ発電装置１によれば、次の効果を奏する。なお、以下の効果は、圧縮機１０に関して記載されているが、膨張機５０においても同様に生じる。
（１）圧縮機１０の圧縮比を適切に設定することにより、圧縮機１０の吸気口１０ａおよび吐出口１０ｂ間の差圧が、該差圧に起因してロータスクリュ８４，８５に生じる荷重が転がり軸受である軸受８８，８９の許容荷重を超えない第１所定圧以下になる。よって、転がり軸受である軸受８８，８９を採用しつつ、軸受８８，８９の耐久性を確保できる。ロータスクリュ８４，８５を転がり軸受８８，８９で支持することによって、滑り軸受で支持する場合に比べて、ロータスクリュ８４，８５の支持精度が向上して振れ回りが低減する。この結果、一対のロータスクリュ８４，８５間の隙間Ｃ（図３参照）を、干渉を抑制しつつ低減できるので、圧縮時にはエネルギ量の増大を図ることができる。
本実施形態では、圧縮機１０は、雄ロータが４枚歯であり雌ロータが６枚歯であるので、当該使用の圧縮機において、差圧が、転がり軸受として市場において実績がある１．３ＭＰａ以下に設定されている。よって、上記発明の効果が好適に発揮される。
（２）転がり軸受である軸受８８，８９は、摺動部に潤滑油又はグリス等の潤滑材が介在していればよく、滑り軸受のように潤滑油による油膜形成を要しない。このため、転がり軸受８８，８９は、ロータスクリュ８４，８５が起動（回転）と停止とを頻繁に繰り返すような使用条件下においても、摺動部の潤滑状態を適切に維持しやすく、耐久性を確保しやすい。特に、太陽光発電また風力発電等による再生可能エネルギを利用してＣＡＥＳ発電装置１で圧縮空気に変換して貯蔵する場合のように起動停止が頻繁に生じ得る場合において、上記効果が好適に発揮される。
（３）圧縮機１０の差圧を制限することで、それぞれの圧縮機１０の、ロータスクリュ８４，８５、軸受８８，８９等の内蔵物が特殊仕様になりにくく、既存の標準品を採用しやすい。一方で、ロータケーシング８１を吐出圧に応じて所望の耐圧強度を満たすように専用品を構成すればよい。よって、圧縮機１０の主要部分を標準品で構成することができるのでコストを低減しやすい。
（４）高圧段側に位置する第３～第５圧縮機１３～１５の差圧が適度に設定されている。具体的には、高圧段側に位置する第３～第５圧縮機１３～１５における差圧が０．９ＭＰａ以上となるように、それぞれの圧縮比が設定されている。これによって、圧縮機１０の段数が、所望の圧力の圧縮空気を実現するために過度に増大することが抑制される。
（５）高圧段側に位置する第３～第５圧縮機１３～１５は、圧縮比が概ね２．０以下に設定されているので、それぞれの差圧が、過度に増大することが抑制されて、第１設定圧以下に制限されやすい。
（６）差圧が概ね等しく設定されている第３～第５圧縮機１３～１５それぞれにおいて、差圧に起因してロータスクリュ８４，８５に生じるスラスト荷重も概ね等しくなる。よって、第３～第５圧縮機１３～１５において、スラスト荷重に抗するバランスピストン９８を共通化できるので、個別にバランスピストン９８を設計することを要せず、共通化によりコストを低減できる。
（７）最も高いシール性能が要求される最高圧段に位置する第５圧縮機１５のエアシール部９２を、次に高い耐圧性能が要求される第４圧縮機１４およびさらに次に高い耐圧性能が要求される第３圧縮機１３にも流用している。これによって、エアシール部９２を共通化することができ、個別にエアシール部９２を設計することを要しないので、共通化によりコストを低減できる。
（８）最も高い耐圧性能が要求される最高圧段に位置する第５圧縮機１５のロータケーシング８１を、次に高い耐圧性能が要求される第４圧縮機１４にも流用している。これによって、ロータケーシング８１を共通化することができ、個別にロータケーシング８１を設計することを要しないので、共通化によりコストを低減できる。
（９）耐圧性が要求されるため、第４および第５圧縮機１４，１５は、ロータケーシング８１が鋳鋼により形成されているが、鋳鉄に比して鋳造における湯流れが劣る。このため、複雑な形状を形成しにくいという欠点がある。しかしながら、本実施形態では、第４および第５圧縮機１４，１５のロータケーシング８１には、鋳造による形成が容易ではない冷却ジャケットが形成されていない。したがって、第４および第５圧縮機１４，１５は、ロータケーシング８１を鋳鋼で形成しながらも製造性の悪化が抑制されている。
上記実施形態では充電部４を第１～第５圧縮機１１～１５からなる５段圧縮により構成したが、これに限らない。４段圧縮としてもよいし、６段以上で圧縮を構成してもよい。
上記実施形態ではロータスクリュの組み合わせを雄４枚歯形、雌６枚歯形の組み合わせにより構成したが、これに限らない。
圧縮機および膨張機は、圧縮膨張兼用機として一体に構成されており、電動機および発電機は、電動発電兼用機として一体に構成されていてもよい。この構成によれば、圧縮機および膨張機を別個に設ける場合と比べて、設置スペースを縮小できるとともに低コスト化を図ることができる。同様に、電動機および発電機を別個に設ける場合と比べて、設置スペースを縮小できるとともに低コスト化を図ることができる。
以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
１ ＣＡＥＳ発電装置
６ 蓄圧タンク
１０ 圧縮機
１１～１５ 第１～第５圧縮機
２１～２４ 第１～第４電動機
３１～３５ 第１～第５熱交換器
５０ 膨張機
５１～５５ 第１～第５膨張機
６１～６４ 第１～第４発電機
８１ ロータケーシング
８２ 軸受ケーシング
８３ 圧縮室
８４ 雄ロータスクリュ
８５ 雌ロータスクリュ
８８，８９ 軸受
９２ エアシール部
９８ バランスピストン

Claims (8)

  1. 回転する一対の雄ロータスクリュおよび雌ロータスクリュによって流体を圧縮または膨張させるスクリュ回転機械を多段に備え、
    それぞれのスクリュ回転機械は、前記一対の雄ロータスクリュおよび雌ロータスクリュが転がり軸受で支持されており、
    それぞれのスクリュ回転機械における圧縮比または膨張比は、それぞれのスクリュ回転機械の吸気口と吐出口との間の差圧が第１所定圧以下になるように設定されており、
    前記第１所定圧は、前記差圧に起因して前記雄ロータスクリュおよび前記雌ロータスクリュに生じるラジアル荷重およびスラスト荷重が前記転がり軸受における許容荷重を超えない圧力である、多段式スクリュ回転機械。
  2. 少なくとも４段以上の複数の前記スクリュ回転機械を備え、
    前記複数のスクリュ回転機械は、最高圧段に位置する最高圧段スクリュ回転機械と、この１つ低圧段側に位置する次高圧段スクリュ回転機械とを含み、
    前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械における圧縮比または膨張比はそれぞれ、前記差圧が第２所定圧以上になるように設定されている、
    請求項１に記載の多段式スクリュ回転機械。
  3. 前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械はそれぞれ、
    前記雄ロータスクリュは４枚歯であり、
    前記雌ロータスクリュは６枚歯である、
    請求項２に記載の多段式スクリュ回転機械。
  4. 前記スクリュ回転機械はそれぞれ、前記スラスト荷重に抗するバランスピストンを備え、
    前記バランスピストンは、前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械において共通している、
    請求項２又は３に記載の多段式スクリュ回転機械。
  5. 前記スクリュ回転機械はそれぞれ、ケーシング内圧を外部からシールするシール部を備え、
    前記シール部は、前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械において共通している、
    請求項２～４のいずれか１つに記載の多段式スクリュ回転機械。
  6. 前記スクリュ回転機械はそれぞれ、前記一対の雄ロータスクリュおよび雌ロータスクリュを収容し、前記流体を圧縮または膨張させる圧縮室または膨張室を画定するケーシングを備え、
    前記ケーシングは、前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械において共通している、
    請求項２～５のいずれか１つに記載の多段式スクリュ回転機械。
  7. 前記最高圧段スクリュ回転機械および次高圧段スクリュ回転機械における前記ケーシングには、冷却ジャケットが形成されていない、
    請求項６に記載の多段式スクリュ回転機械。
  8. 複数の電動機と、
    前記複数の電動機と機械的に接続され、多段に流体的に接続されて空気を圧縮する複数の圧縮機と、
    前記複数の圧縮機と流体的に接続され、前記複数の圧縮機により圧縮された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
    前記蓄圧部と流体的に接続され、前記蓄圧部から供給される前記圧縮空気によって駆動される複数の膨張機と、
    前記複数の膨張機と機械的に接続された発電機と、を備え、
    前記複数の圧縮機および前記複数の膨張機のうち少なくともいずれか一方はスクリュ回転機械を多段に備え、
    それぞれのスクリュ回転機械は、転がり軸受で支持された一対の雄ロータスクリュおよび雌ロータスクリュを有しており、
    それぞれのスクリュ回転機械における圧縮比または膨張比は、それぞれのスクリュ回転機械の吸気口と吐出口との間の差圧が第１所定圧以下になるように設定されており、
    前記第１所定圧は、前記差圧に起因して前記雄ロータスクリュおよび前記雌ロータスクリュに生じるラジアル荷重およびスラスト荷重が前記転がり軸受における許容荷重を超えない圧力である、圧縮空気貯蔵発電装置。
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