JP2024514772A - 積み重ねられたインペラを備えたターボ機械ロータ及びターボ機械 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 ロータは、軸方向に互いに隣接して配置された複数のロータセグメントを備える。タイロッドは、ロータセグメントを通って延在する。タイロッドの軸方向端部に配置された対向する第１のロッキング部材及び第２のロッキング部材は、ロータセグメントを互いに対して、かつタイロッドに対してロックする。少なくとも１つの中間支持部材は、タイロッドの２つの軸方向端部の間、及びタイロッドとロータセグメントのうちの１つとの間の中間位置に配置される。【選択図】図３

Description

本明細書で開示される主題の実施形態は、複数のインペラを含むターボ機械用のロータ、並びに当該ロータを備えるターボ機械に関する。

いくつかのターボ機械は、一緒に組み立てられた複数のロータセグメントからなるロータを含む。例えば、遠心圧縮機は、ロータの回転軸線に沿って順番に配置された複数のインペラを含むロータを備える。

インペラは、様々な方法で組み立てられ得る。インペラを組み立てる１つの方法は、インペラをシャフトに焼きばめすることにある。この組み立て技術は、主に、高い回転速度でインペラが、インペラに作用する遠心力によって半径方向に膨張するという事実に起因して、いくつかの欠点を有する。これは、インペラと回転シャフトとの間の焼きばめ結合の緩みにつながる可能性がある。したがって、焼きばめインペラの使用は、比較的低速で回転するターボ機械及び／又は小さなインペラに限定される。

より大きなインペラでより高い回転速度を達成するために、いわゆる積み重ね構成が使用される。この場合、それぞれのインペラには軸方向の貫通ボアが提供される。インペラは、互いに軸方向に隣接して積み重ねられ、軸方向タイロッドが、積み重ねられたインペラのボアを通して導入される。タイロッドは、タイロッドによって最初のインペラ及び最後のインペラに軸方向の力が加えられて、すべてのインペラが一緒にしっかりと保持され得るように、最初のインペラ及び最後のインペラから軸方向に突出している。互いに積み重ねられたインペラには、インペラを互いにねじり結合するために、ハース連結具などの前部連結具が提供される。

積み重ねられたインペラは、高速ターボ機械において有益であるが、依然としていくつかの制限を受ける。具体的には、タイロッドの軸方向長さ及び／又はタイロッドを含むターボ機械の動作回転速度は、自由に選択することができない。回転機械の任意の回転構成要素としてのタイロッドは、それ自体の共振周波数によって特徴付けられる。ターボ機械の動作回転速度は、タイロッドの第１の共振周波数以上であることはできない。ターボ機械の回転速度を増加させるためには、より短いタイロッドが使用される必要があり、このことは、同じタイロッドに取り付けられ得るインペラの数に制限を課す。同じロータ上に積み重ね可能なインペラの数が少ないと、単一の圧縮機で達成できる圧縮比が制限される。より高い圧縮機比が必要とされる場合、２つ以上の圧縮機が順番に配置される必要がある。これは、圧縮配置のコスト及び設置面積を増加させる。

欧州特許第１９７０５２８号は、互いに軸方向に隣接して配置された複数のインペラと、インペラのボアを通って延在するタイロッドと、を含むタービンロータを開示している。タイロッドの第１の軸方向端部及び第２の軸方向端部に配置された対向する第１のロッキング部材及び第２のロッキング部材は、インペラを互いに対して、かつタイロッドに対してロックする。タービンロータの回転中のタイロッドの振動を低減するために、中間支持部材が、ロータの中間位置においてインペラのうちの１つの貫通ボア内に配置される。中間支持部材は、互いに組み合わされた複数の別個の機械構成要素からなる。具体的には、中間支持部材は、タイロッドに焼きばめされる内側環状構成要素と、内側環状構成要素の周りに円周方向に配置される複数の外側構成要素と、を含む。それぞれの外側構成要素は、中間支持部材が収容されるインペラの貫通ボアの内面に対して半径方向ばね及び接線方向ばねによって弾性的に付勢される。外側構成要素が中間インペラの貫通ボアの内面に対して永久的に付勢され、タイロッドがタービンロータの任意の回転速度において、並びにロータが静止しているときにボア内で弾性的に支持されるように、ばねには予荷重が加えられる。

ロータにおける中間支持部材の組み立ては、複雑で時間のかかる作業である。

従来技術のターボ機械ロータの欠点のうちの１つ以上を解決又は軽減するために、本開示のいくつかの実施形態では、互いに軸方向に隣接して配置された複数のロータセグメントを備え、それぞれのロータセグメントは中央貫通ボア又は穴を含む、ターボ機械用のロータが提供される。タイロッドは、ロータセグメントのボアを通って延在し、対向する第１の軸方向端部及び第２の軸方向端部で第１のロータセグメント及び最後のロータセグメントから軸方向に突出する。対向する第１のロッキング部材及び第２のロッキング部材は、タイロッドの第１の軸方向端部及び第２の軸方向端部に配置され、ロータセグメントを互いに対して、かつタイロッドに対してロックするように適合される。タイロッドの第１の共振周波数を増加させるために、少なくとも１つの中間支持部材が、タイロッドの第１の軸方向端部と第２の軸方向端部との間、及びタイロッドとロータセグメントのうちの１つとの間の中間位置に配置される。中間支持部材は、内側環状構成要素及び外側環状構成要素を含み、後者は、複数の環状セグメントによって形成される。それぞれの環状セグメントは、内側環状構成要素とそれぞれの環状セグメントとの間に配置された少なくとも１つの弾性部材によって内側環状構成要素に弾性的に連結される。内側環状構成要素、外側環状構成要素の環状セグメント、及び弾性部材は、例えば積層造形によって、モノリシック機械構成要素として形成される。

ロータへの中間支持部材の取付けは簡単かつ迅速である。中間環状部材は、タイロッドに嵌合される。中間支持部材の弾性部材には予荷重が加えられていないので、中間支持部材が圧入されたタイロッドは、積み重ねられたロータ部材の軸方向の貫通ボアに簡単に導入され得る。環状セグメントは、ロータが回転駆動され、外側環状セグメントが遠心力の影響下で膨張するときにのみ、膨張し、中間支持部材を収容するボアの内面と協働する。タイロッドの第１の臨界（共振）速度が達成される前に、ボアと外側環状セグメントとの間の協働が確立され、その結果、臨界速度が増加する。

ロータの組み立てを更に容易にするために、本明細書に開示される実施形態によれば、静止時、すなわちロータの回転速度が０のとき、外側環状構成要素の外径は、中間支持部材が収容されるボアの内径よりも小さい。ロータが回転駆動されると、環状セグメントは膨張し、中間支持部材を収容するボアの内面を押圧する。

したがって、タイロッドの第１の臨界（共振）周波数付近でロータを動作させるリスクなしに、より長いタイロッド及び／又はロータのより高い回転速度が可能である。

ロータ及びロータを含むターボ機械の特徴及び実施形態は、ロータ及びターボ機械の例示的な実施形態を示す添付図面を参照して、以下の説明においてより詳細に説明される。

ここで、添付図面を簡単に参照する。
図１は、一実施形態による遠心圧縮機の断面図である。 図２は、図１の拡大詳細図である。 図３は、図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩによる概略断面図である。 図４は、別の実施形態による遠心圧縮機のロータの断面図である。 図５は、図４の拡大詳細図である。

積み重ねられたインペラの配置を有するターボ機械ロータにおけるタイロッドの剛性を高めるために、少なくとも１つの中間支持部材が、タイロッドとターボ機械ロータを形成する要素のうちの１つとの間に提供される。中間支持部材は、タイロッドの第１の共振周波数を増加させ、それにより、ロータは、タイロッドにおいて共振現象が生じるリスクなしに、より高い動作速度で回転することができる。したがって、同じタイロッド上により多くのインペラを用いてより高い回転速度が達成され得、これは、例えば水素などの低分子量ガスを処理するとき、及び／又は高い圧縮比が望ましいときに特に有益である。

以下、図面を参照すると、図１は、実施形態による遠心圧縮機１の断面図を示す。遠心圧縮機１は、第１のガス入口５と、第１のガス出口７と、第２のガス入口９と、第２のガス出口１１と、を有するケーシング３を含む。図示されていない他の実施形態では、遠心圧縮機は、単一のガス入口及び単一のガス出口を有してもよい。２つの入口及び２つの出口が提供されている場合、圧縮機効率を高めるために、部分的に圧縮されたガスの中間冷却が予見され得る。

遠心圧縮機１は、ケーシング３内で回転するように配置されたロータ１３を更に含む。ロータ１３は、軸方向に互いに隣接して配置された複数のロータセグメントを備える。図１の実施形態では、ロータセグメントは、複数の遠心圧縮機インペラ１５を含む。図１の遠心圧縮機１は、７つのインペラ１５を含む。インペラの数並びにそれらの配置は異なり得ることが理解されるべきである。例えば、７つより多いインペラ又は７つより少ないインペラがロータ１３に沿って配置され得る。

図１の実施形態では、インペラ１５は、上流から下流への順番でインライン構成に配置されており、図面を見て、最低圧力インペラは圧縮機１の左側に配置され、最高圧力インペラは圧縮機１の右側に配置されている。

図１の実施形態では、インペラは、３つのインペラを含む第１の圧縮機セクションと、４つのインペラを含む第２の圧縮機セクションと、にグループ化されている。第１の圧縮機セクションは、第１のガス入口５を通してより低い圧力でガスを受け取り、第１のガス出口７を通して中間圧力でガスを送出する。中間圧力で部分的に加圧されたガスは、第２のガス入口９を通って第２の圧縮機セクションに入り、第２のガス出口１１を通って最終送出圧力で送出される。中間冷却器は、第１のガス出口７と第２のガス入口９との間に流体連結され得る。

それぞれのインペラ１５は、それぞれのディフューザ１６と協働し、戻りチャネル１８を介してそれぞれの下流インペラに流体連結され得る。

ロータ１３は、それぞれのインペラ１５のそれぞれのハブ１５Ｂに提供されたそれぞれの貫通ボア１５Ａを通って延在するタイロッド１７を更に備える。タイロッド１７は、第１の軸方向端部１７Ａ及び第２の軸方向端部１７Ｂを有する。

実施形態では、第１の軸方向端部１７Ａ及び第２の端部１７Ｂは、ねじ切りされ、それぞれ第１のスタブシャフト１９及び第２のスタブシャフト２１と協働する。第１のスタブシャフト１９は、タイロッド１７の第１の端部１７Ａが係合されるねじ付き止まり穴１９Ａを有し得る。第２のスタブシャフト２１は、タイロッド１７の第２の端部１７Ｂが係合されるねじ付き止まり穴２１Ａを有し得る。第１のスタブシャフト１９及び第２のスタブシャフト２１は、対向する第１のロッキング部材及び第２のロッキング部材を形成するか、又はその一部である。

したがって、タイロッド１７は、２つのスタブシャフト１９、２１をタイロッド１７の２つの端部１７Ａ、１７Ｂにねじ込むことによって張力下に置かれ得る。２つのスタブシャフト１９、２１は、積み重ね構成において、積み重ねられたインペラ１５を互いに押し付ける。

実施形態では、インペラハブ１５Ｂには、それぞれのインペラを隣接するインペラ及びスタブシャフト１９、２１と回転方向にロックする前部連結具が提供され得る。いくつかの実施形態では、前部連結具は、それぞれのハース連結具２３（特に、図２の拡大図を参照）を含み、ハース連結具２３は、インペラ１５、タイロッド１７、及びスタブシャフト１９、２１が、回転軸線Ａ－Ａの周りを回転するように適合された単一のロータ本体を一緒に形成するように、ロータの軸線Ａ－Ａの周りの相互回転に対してインペラをロックする。更に、それぞれのスタブシャフト１９、２１と隣接するインペラ１５との間に、それぞれのハース連結具２２、２４が提供され得る。

ハース連結具は、相互に積み重ねられたインペラ１５間の特に効率的なねじり連結具を提供するが、異なる前部連結具又は継手の使用は除外されない。

タイロッド１７の軸方向の延長部に沿った中間位置には、中間支持部材３１が取り付けられる。いくつかの実施形態では、中間支持部材３１は、タイロッド１７上に圧入されるか又はキー止めされ得る。

図１の実施形態では、中間支持部材３１は、第１のガス入口５から（すなわち、図１の左側から）４番目のインペラの高さに位置する。図２は、中間支持部材３１が位置するロータ１３の部分の拡大図を示す。図３は、図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩによる、中間支持部材３１及びタイロッド１７の概略機能断面図を示す。

図３に示すように、いくつかの実施形態では、中間支持部材３１は、内側環状構成要素３３及び外側環状構成要素３５を含む。内側環状構成要素３１は、タイロッド１７と共に回転するようにタイロッド１７に取り付けられる。例えば、内側環状構成要素３１は、タイロッド１７に圧入されるか又はキー止めされ得る。

具体的には、内側環状構成要素３３は、タイロッド１７の中間セクション１７Ｃに圧入されるか又はキー止めされ得る。中間支持部材３１の挿入及び嵌合を容易にするために、タイロッド１７は、第１の軸方向端部１７Ａから中間セクション１７Ｃまで延在する第１の側部セクションと、第２の軸方向端部１７Ｂから中間セクション１７Ｃまで延在する第２の側部セクションと、を有し得る。中間セクション１７Ｃは、第１の側部セクション及び／又は第２の側部セクションの直径よりもわずかに大きい直径を有し得る。

いくつかの実施形態では、内側環状構成要素３３は一体の環状部材であり、外側環状構成要素３５は複数の環状セグメント３５Ａに分割され、複数の環状セグメント３５Ａはそれぞれの間隙によって互いに分離される。図３の実施形態では、外側環状構成要素３５は、４つの環状セグメント３５Ａに分割されている。環状セグメントの数は異なり得ることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、２つ、３つ、又は４つよりも多い環状セグメント３５Ａが提供されてもよい。

内側環状構成要素３３は、内側環状構成要素３３と外側環状構成要素３５との間の環状間隙内に配置された弾性部材３７によって外側環状構成要素３５に連結される。より具体的には、外側環状構成要素３５のそれぞれの単一環状セグメント３５Ａは、１つ以上の弾性部材３７を介して内側環状構成要素３３に弾性的に接続される。

いくつかの実施形態では、内側環状構成要素３３、外側環状構成要素３５、すなわちその環状セグメント３５Ａ、及び弾性部材３７は、モノリシック機械構成要素として製造され得る。いくつかの実施形態では、例えば、内側環状構成要素３３、環状セグメント３５Ａ、及び弾性部材３７は、積層造形によって製造され得る。

他の実施形態では、中間支持部材３１は、共に組み立てられた別個の構成要素によって形成され得る。

静止状態では、外側環状構成要素３５の外径は、中間支持部材３１が収容されるインペラ１５のボアの内径よりわずかに小さい。

ロータ１３が回転軸線Ａ－Ａを中心に回転するとき、外側環状構成要素３５を形成する環状セグメント３５Ａに作用する遠心力は、外側環状構成要素３５のそれぞれの環状セグメント３５Ａが中間支持部材３１を収容するインペラ１５の貫通ボアの内面に当接して押圧するまで、弾性部材３７を伸長させる。弾性部材３７及び外側環状構成要素３５の環状セグメント３５Ａは、環状セグメント３５Ａが、中間支持部材３１が収容されるインペラ１５の貫通ボアの内面に接触する回転速度が、タイロッド１７の第１の共振周波数より実質的に低くなるように構成されている。

圧縮機１が回転駆動されると、環状セグメント３５Ａは膨張し、タイロッド１７に対する中間支持拘束を提供し、タイロッド１７の剛化、及び結果としてのタイロッド１７の第１の臨界速度、すなわち第１の共振周波数の増加をもたらす。第１の臨界速度は、圧縮機１の運転速度より高くなり、すなわちロータ１３の回転速度より高くなる。

有利な実施形態では、弾性部材３７の特性は、外側環状構成要素３５が、例えば圧縮機１の公称回転速度の７０％以下、例えば当該公称圧縮機速度又は圧縮機１の動作速度範囲の最小速度の４０％～６０％であり得る回転速度でインペラ１５と係合するようなものであり得る。

いくつかの実施形態では、図２に示されるように、中間支持部材３１は、それぞれのインペラ１５のインペラアイに収容される。なぜなら、インペラアイは、ロータの回転によって生成される遠心力によってあまり変形されないインペラ部分であるからである。

図１では、圧縮機１は、複数のインラインインペラを含む。他の実施形態では、圧縮機は、背中合わせのインペラ構成を有してもよい。背中合わせの構成の例示的な実施形態が図４に示されており、ここではロータのみが示されている。なお、図１及び図２では、同一又は同等の構成要素には同一の参照番号が付されており、再び説明されることはない。

より具体的には、図４の圧縮機ロータ１３は、２つのセクションに分割された７つのインペラを含む。３つのインペラ１５Ｘがロータ１３の左側に示され、４つのインペラ１５Ｙがロータの右側に示されている。インペラ１５Ｘは、インペラアイ及びインペラ入口がロータ１３の左端に向くように配置され、インペラ１５Ｙは、インペラアイ及びインペラ入口がロータ１３の右端に向くように配置されている。

相間ドラム４１は、インペラ１５Ｘ及び１５Ｙの２つのグループ又はセットの間に位置付けられる（特に図５を参照）。図４及び図５の実施形態では、相間ドラム４１は、実際には、互いに対向する２つの中間隣接インペラ１５Ｘ、１５Ｙの２つの部分によって形成される。他の実施形態では、相間ドラムは、最後のインペラ１５Ｘと最後のインペラ１５Ｙとの間に配置され、ハース連結具などの前部連結具によってそこに連結された、別個の追加のロータセグメントとして提供され得る。

図４及び図５の実施形態では、中間支持部材３１は、相間ドラム４１の一部を形成するインペラ１５Ｙの部分に配置される。他の実施形態では、中間支持部材３１は、隣接するインペラ１５Ｘの部分に位置付けられ得る。

上述した実施形態では、単一の中間支持部材３１が提供されているが、他の実施形態では、２つ以上の中間支持部材３１が、タイロッド１７の２つの対向する軸方向端部１７Ａ、１７Ｂの間で、タイロッド１７の軸方向延長部に沿って適切に離間した位置に配置され得る。

少なくとも１つの中間支持部材３１が、タイロッド１７とロータセグメントのうちの１つ、例えばインペラ又は相間ドラムとの間に配置される場合、タイロッドの第１の臨界速度は、支持されていないタイロッドに対して著しく増加され得る。他のパラメータが同じであれば、少なくとも１つの中間支持部材を使用することにより、第１の臨界速度が、支持されていないタイロッドの臨界速度の１５０％まで増加され得る。

中間支持部材（複数可）３１によって達成される利点は２つある。一方の側で、より長いタイロッドを使用することができ、これは、より多くのインペラが単一の圧縮機に提供され得ることを意味する。インペラの数が多いほど、より高い圧縮比を達成することができる。更に、臨界速度を実質的により高い値にシフトすることは、圧縮機がより高い回転速度で動作することを可能にし、これは、達成可能な圧縮比に関してやはり有益である。

中間支持部材は、高い回転速度を必要とする水素などの低分子量のガスを処理するための圧縮機に使用される場合に特に有益である。

例示的な実施形態は、上記で開示され、添付の図面に示されている。以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に具体的に開示されているものに、様々な変更、省略、及び追加を行ってもよいことが、当業者には理解されるであろう。

Claims (12)

1. ターボ機械用のロータであって、
   互いに軸方向に隣接して配置された複数のロータセグメントであって、それぞれのロータセグメントは中央貫通ボアを含む、複数のロータセグメントと、
   前記ロータセグメントの前記貫通ボアを通って延在するタイロッドであって、前記タイロッドは対向する第１の軸方向端部及び第２の軸方向端部を有する、タイロッドと、
   前記タイロッドの前記第１の軸方向端部及び前記第２の軸方向端部に配置され、前記ロータセグメントを互いに対して、かつ前記タイロッドに対してロックするように適合された、対向する第１のロッキング部材及び第２のロッキング部材と、
   前記タイロッドの前記第１の軸方向端部と前記第２の軸方向端部との間、及び前記タイロッドと前記ロータセグメントのうちの１つとの間の中間位置に配置された、少なくとも１つの中間支持部材と、を備え、
   前記中間支持部材は、前記タイロッドに連結され、前記タイロッドと共に回転する内側環状構成要素と、前記１つのロータセグメントと協働するように適合された外側環状構成要素と、を含み、
   前記外側環状構成要素は複数の環状セグメントを含み、それぞれの環状セグメントは、前記内側環状構成要素と前記環状セグメントとの間に配置された少なくとも１つの弾性部材によって前記内側環状構成要素に弾性的に連結されており、
   前記内側環状構成要素、前記外側環状構成要素の前記環状セグメント、及び前記弾性部材は、モノリシック機械構成要素として形成されている、ロータ。
2. それぞれの環状セグメントは、隣接する前記環状セグメントから機械的に分離されている、請求項１に記載のロータ。
3. 前記内側環状構成要素、前記環状セグメント、及び前記弾性部材は、積層造形によって単一体として形成されている、請求項１又は２に記載のロータ。
4. 静止時に、前記外側環状構成要素の外径は、前記中間支持部材が収容される前記ロータセグメントのボアの内径より小さく、前記ロータが回転駆動されると、前記環状セグメントは、前記環状セグメントに作用する遠心力の影響下で膨張し、前記タイロッドに中間支持拘束を提供し、前記タイロッドの剛化、及び結果としての前記タイロッドの第１の共振周波数の増加を引き起こす、請求項１又は２又は３に記載のロータ。
5. 前記弾性部材の特性は、前記環状セグメントが前記ロータの公称回転速度の７０％以下の回転速度で前記ロータセグメントの前記ボアと係合するようなものである、請求項４に記載のロータ。
6. 前記タイロッドは、中間セクションと、前記第１の軸方向端部から前記中間セクションまで延在する第１の側部セクションと、前記第２の軸方向端部から前記中間セクションまで延在する第２の側部セクションと、を含み、前記中間セクションは、前記第１の側部セクション及び前記第２の側部セクションのうちの少なくとも１つの直径より大きい直径を有し、前記少なくとも１つの中間支持部材は、前記中間セクションにおいて前記タイロッドに対してロックされている、請求項１～５のいずれか一項以上に記載のロータ。
7. 前記ロータセグメントは、遠心圧縮機インペラを含み、前記中間支持部材は、前記遠心圧縮機インペラのうちの１つの中央貫通ボア内に配置される、請求項１～６のいずれか一項以上に記載のロータ。
8. 前記ロータセグメントは、第１の遠心圧縮機インペラのセット及び第２の遠心圧縮機インペラのセットを含み、前記第１の遠心圧縮機インペラのセット及び前記第２の遠心圧縮機インペラのセットは、背中合わせの構成で配置されており、前記ロータセグメントは、前記第１の遠心圧縮機インペラのセットと前記第２の遠心圧縮機インペラのセットとの間に配置された相間ドラムを更に含み、前記中間支持部材は、前記相間ドラムの前記中央貫通ボア内に配置されている、請求項１～６のいずれか一項以上に記載のロータ。
9. 前記タイロッドの前記第１の軸方向端部にある第１のスタブシャフトと、前記タイロッドの前記第２の軸方向端部にある第２のスタブシャフトと、を更に備える、請求項１～８のいずれか一項以上に記載のロータ。
10. ケーシングと、前記ケーシング内で回転するように配置された請求項１～９のいずれか一項以上に記載のロータと、を含む、ターボ機械。
11. 前記ターボ機械は、圧縮機である、請求項１０に記載のターボ機械。
12. 前記圧縮機は、遠心圧縮機である、請求項１１に記載のターボ機械。