JP3890778B2

JP3890778B2 - ターボ圧縮機システム

Info

Publication number: JP3890778B2
Application number: JP29233998A
Authority: JP
Inventors: 秀夫西田; 治雄三浦; 一樹高橋; 康雄福島; 直彦高橋
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: JPH11351198A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１段のターボ圧縮機を備えたターボ圧縮機システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、空気圧機器等の消費系に所定圧力の圧縮空気を供給するためには、ターボ圧縮機が用いられることが多い。このとき、消費系では、大量に圧縮空気を必要とする場合もあるが、あまり必要としない場合もある。これに対応するために、圧縮機の流量を増減して調整する方法もあるが、圧縮機の特性上、あまり流量を減らすといわゆるサージが発生し、脈動が生じて運転ができなくなる。
そこで、これを避けるために、消費系で圧縮空気を必要としない場合には、消費系への供給を停止することが考えられるが、頻繁に生じる消費変動の都度圧縮機を停止・再起動するのは部材の疲労等の観点から好ましくないため、通常、圧縮機の無負荷運転が行われる。
【０００３】
例えば、２段以上のターボ圧縮機および空気冷却器を備え、上記の無負荷運転と負荷運転とを切り換え可能な空気用のターボ圧縮機システムにおいては、通常、最終段空気冷却器の下流に放風弁を設け、初段吸込管に絞り弁を設ける。そして、無負荷運転時には、放風弁を開き空気を大気に放風するとともに、初段吸込絞り弁を閉じる。吸込絞り弁を閉じることにより吸込圧力が低下するため、初段圧縮機の駆動動力を大幅に低減することができる。
しかし、このような従来技術では、無負荷運転時には空気が大気に放風されるので騒音が大きいという課題があった。また、頻繁に生じる消費変動に応じて負荷運転と無負荷運転とがかなり高い頻度で繰り返されることとなるので、吸込絞り弁及び放風弁の開閉切替回数が多くなり、それら２つの弁が故障しやすくなる。そのため、両者ともに比較的短い期間で交換・修理を行う必要があり、圧縮機の保守費用が高くなるという課題があった。
【０００４】
一方、負荷運転と無負荷運転とを切り替える空気用ターボ圧縮機のうち、上記騒音の低減に配慮したものとして、例えば、特開平８−１２１３９８号公報記載のように、初段吸込管に吸込絞り弁（吸入弁）を設ける一方、最終段空気冷却器の下流の吐出ラインに、途中に放風弁を具備する放風ラインを接続し、この放風ラインを吸込管の吸込絞り弁上流側部分に接続したものが提唱されている。
上記構造において、通常の負荷運転時には、吸込管に設けた吸込絞り弁（吸入弁）を開き、放風弁を閉じる。一方、無負荷運転時には、吸込絞り弁（吸入弁）が閉じるとともに放風弁を開く。放風ラインを介して空気は吸込管に導かれ、放風される。このとき、吸込管にはフィルタが設けられており、放風時の音を遮断できるので、騒音を低減することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−１２１３９８号公報記載のターボ圧縮機では、前述した従来技術と同様、吸込絞り弁及び放風弁の開閉切替回数が多く圧縮機の保守費用が高くなるという課題が残存していた。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、無負荷運転時における放風による騒音を抑制しつつ、保守費用を低減できるターボ圧縮機システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、吸込口にフィルタを備えた吸込管と、この吸込管に接続された少なくとも１段のターボ圧縮機と、最終段圧縮機の吐出側に接続された吐出管と、一端が前記吐出管に接続され他端が前記吸込管に接続された放風通路と、この放風通路に設けられ該放風通路を開閉する放風弁とを有し、負荷運転時には前記放風弁を閉じる一方、無負荷運転時には前記放風弁を開いて前記最終段圧縮機から吐出管を介し吐出された圧縮空気を前記放風通路を介して前記吸込管へと導くターボ圧縮機システムにおいて、前記放風通路の他端の前記吸込管との接続部に設けられ、前記放風通路に連通し前記吸込管の一部を取り巻くチャンバと、前記吸込管の前記チャンバ内管壁部分に設けられ、前記放風通路から前記チャンバ内に導入された空気を前記吸込管内に供給する少なくとも１つの第１の導風孔とを備え、前記第１の導風孔は、前記吸込管内に供給された空気の該吸込管周方向成分が前記ターボ圧縮機の羽根車の回転方向に沿った方向になるような向きに、かつ前記吸込管内に供給された空気の軸方向成分が前記吸込管内の空気流れと逆方向になるような向きに配置されている。
【０００８】
（２）上記目的を達成するために、また本発明は、吸込口にフィルタを備えた吸込管と、この吸込管に接続された少なくとも１段のターボ圧縮機と、最終段圧縮機の吐出側に接続された吐出管と、一端が前記吐出管に接続され他端が初段圧縮機の吸込ケーシングに接続された放風通路と、この放風通路に設けられ該放風通路を開閉する放風弁とを有し、負荷運転時には前記放風弁を閉じる一方、無負荷運転時には前記放風弁を開いて前記最終段圧縮機から吐出管を介し吐出された圧縮空気を前記放風通路を介して前記初段圧縮機の吸込ケーシングへと導くターボ圧縮機システムにおいて、前記初段圧縮機の吸込ケーシングに設けられ、前記放風通路からの空気を前記吸込ケーシング内の吸込流路に供給する少なくとも１つ第２の導風孔を備え、前記第２の導風孔は、前記吸込流路内に供給された空気の該吸込流路周方向成分が前記ターボ圧縮機の羽根車の回転方向に沿った方向になるような向きに、かつ前記吸込流路内に供給された空気の軸方向成分が前記吸込流路内の空気流れと逆方向になるような向きに配置されている。
【００１０】
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記少なくとも１段のターボ圧縮機を駆動する電動機と、前記放風通路から分岐して設けられ該放風通路内の空気の一部を前記電動機の冷却通路に導く冷却配管とをさらに有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図３により説明する。
図１は、本実施形態によるターボ圧縮機システムの系統図である。この図１において、本実施形態によるターボ圧縮機システムは、先端吸込口に吸込フィルタ３５を備えた吸込管８と、この吸込管８に接続されたターボ圧縮機１と、この圧縮機１の吐出側に接続された吐出管１０と、放風通路１１と、この放風通路１１に設けられ放風通路１１を開閉する放風弁４とを有している。
【００１３】
ターボ圧縮機１は、初段圧縮機１ａと、２段目（最終段、以下同様）圧縮機１ｂとから構成されており、ともに原動機２により駆動される。またこれら初段圧縮機１ａと２段目圧縮機１ｂとは、途中に中間空気冷却器３ａを設けた配管９で連結されている。
【００１４】
吸込管８は、初段圧縮機１ａの上流側に接続されている。また、吐出管１０は２段目圧縮機１ｂの吐出側に接続されており、途中に２段目の空気冷却器３ｂ、逆止弁５、及び圧力スイッチ６を備えている。なお、この吐出管１０のさらに下流側にはレシーバタンク７が分岐接続されており、さらに下流側は需要側系統に接続されている。
【００１５】
放風通路１１の一端（上流端）は、吐出管１０のうち空気冷却器３ｂと逆止弁５との間に位置する接合部１３において接続されている。また、放風通路１１の他端（下流端）は、初段圧縮機１ａの吸込側である吸込管８の接合部１２において接続されている。この放風通路１１に設けた上記放風弁４は、上記圧力スイッチ６で測定された圧力をもとにその開閉が制御される。
【００１６】
本実施形態の要部である、図１中の放風通路１１と吸込管８との接合部１２の詳細を示す縦断面図を図２に示し、図２中Ａ−Ａ断面による横断面図を図３に示す。これら図２及び図３において、吸込管８の外周には、吸込管８の一部を取り巻くように、放風通路１１に連通し放風された空気を導入する有底円筒状のチャンバ１４が設けられている。チャンバ１４内に位置する吸込管８の管壁部分８ａには、チャンバ１４内の空気を吸込管８内部に導くための複数の孔１５が形成されている。孔１５は、孔１５から吹き出す流れＸのうち吸込管軸方向の成分ＸP（図２参照）が、吸込管８内の本来の吸込空気の流れ１６と逆方向になるように傾斜して配置されており、かつ、孔１５から吹き出す流れＸのうち吸込管周方向の成分（図３参照）ＸQが羽根車回転方向１７に沿った方向となるように傾斜して配置されている。なおこれら複数の孔１５の断面形状は、丸孔、楕円孔、長孔、扁平孔等、特に限定されるものではない。
【００１７】
次に、上記構成のターボ圧縮機システムの動作及び作用を説明する。
【００１８】
（１）負荷運転時
通常の負荷運転時においては、吸込フィルタ３５を介し吸込管８から吸い込まれた空気は、初段圧縮機１ａで昇圧されたのち、中間空気冷却器３ａで冷却され２段目圧縮機１ｂに吸い込まれる。２段目圧縮機１ｂでさらに昇圧された空気は、２段目（最終段）の空気冷却器３ｂで冷却されたのち、逆止弁５を通ってレシーバタンク７に入り、需要側のプロセスに送られる。
【００１９】
（２）無負荷運転時
ここで、レシーバタンク７の圧力が所定の範囲にある場合は、通常の負荷運転が行われる。しかしながら、需要側プロセスでの空気の使用量が減り、レシーバタンク７の圧力が上限値を越えた場合、負荷運転を続けると圧縮機がサージしてしまうため、これを避けるために負荷運転から無負荷運転に切り替えられる。すなわち、圧力スイッチ６の制御信号により放風弁４が開かれ、空気は放風通路１１から接合部１２のチャンバ１４へと導かれ、さらにチャンバ１４内に位置する吸込管管壁部分８ａに設けられた複数の孔１５から吸込管８内へと導入される。
【００２０】
このとき、放風通路１１から導入される流れＸの音が吸込管８の吸込口側へと伝搬する可能性があるが、吸込管８の吸込口にはフィルタ３５が設けられていることにより、その音が外部へ放射されるのを遮断でき、これによって放風による騒音を抑制することができる。すなわち、放風された空気を直接大気に放出する構造よりも騒音を小さくできる。
【００２１】
またこのとき、孔１５から吹き出す流れＸは、その吸込管８周方向の成分ＸQが羽根車回転方向１７に沿った方向を向く（図３参照）ので、吸込管８から初段圧縮機１ａへと流入する空気流れ１６に旋回を与えその周方向速度成分を増大させるように作用する。ここで一般に、圧縮機に備えられた羽根車の理論ヘッド（単位重量の流体に与える仕事量）Ｈthは、
Ｈth＝（ｕ₂ｃu₂−ｕ₁ｃu₁）／ｇ
但し、
ｕ₂：出口の羽根車周速度
ｕ₁：入口の羽根車周速度
ｃu₂：羽根車出口流れの周方向（羽根車回転方向）速度
ｃu₁：羽根車入口流れの周方向（羽根車回転方向）速度
ｇ：重力の加速度
で表される。本実施形態においては、孔１５によって吸込管８から流入する空気流れ１６の周方向速度成分を増大させる。すなわち、チャンバ１４及び孔１５が、無負荷運転時に放風通路を介し導かれた空気を用い初段圧縮機吸込側における空気流れの周方向速度成分を増大する周方向速度増大手段として機能することにより、初段圧縮機１ａについて上式における羽根車入口流れの周方向速度ｃu₁を大きくすることができる。その結果、初段圧縮機１ａの羽根車理論ヘッドＨthをその分小さくすることができるので、初段圧縮機１ａの駆動動力を低減することができる。したがって、無負荷運転時のターボ圧縮機システムの消費動力を負荷運転時に比べて大幅に減少させることができる。
【００２２】
また、孔１５から吹き出す流れＸは、その吸込管８軸方向の成分ＸPが吸込管８内の本来の吸込空気の流れ１６と逆方向となる（図２参照）ので、衝突損失（圧力損失）が発生し、接合部１２の下流すなわち初段圧縮機１ａ入口部の圧力は低下する。したがって、これによっても初段圧縮機１ａの駆動動力を減少させることができる。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態によれば、放風弁４のみの操作によって無負荷運転を行い圧縮機１ａの駆動動力を低減できる（特開平８−１２１３９８号公報と同程度に低減できる）ので、従来構造で必須であった吸込絞り弁を省略できる。したがって、放風弁と吸込絞り弁との両方を操作する必要があった従来構造に比べ、交換・修理が必要な可動部としての弁を１つ減らすことができるので、信頼性を向上すると共に、圧縮機の保守費用を低減できる。
【００２５】
さらに、上記第１の実施形態においては、ターボ圧縮機１は初段圧縮機１ａと２段目圧縮機１ｂの２段構成であったが、これに限られず、１段のターボ圧縮機もしくは３段以上のターボ圧縮機とすることも可能である。これらの場合も、同様の効果を得る。
【００２６】
本発明の第２の実施形態を図４及び図５により説明する。本実施形態は、図１中想像線（二点鎖線）で示すように放風通路１１の他端を初段圧縮機１ａの吸込ケーシング１８，１９（後述）に接続した場合の実施形態である。第１の実施形態と共通の部分には同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。
【００２７】
図４は、本実施形態の要部である、放風通路１１と初段圧縮機１ａの吸込ケーシング１８，１９（後述）との接合部の詳細を示す縦断面図であり、図５は、図４中Ｂ−Ｂ断面による横断面図である。
【００２８】
これら図４及び図５において、初段圧縮機１ａは、回転軸２２に嵌め合わされ羽根車固定ナット２４で固定された羽根車２１と、この羽根車２１の上流に設けた仕切板２０（旋回防止板）を有する吸込ケーシング１８，１９と、羽根車２１の下流に設けられたディフューザ２７とを備えている。吸込ケーシング１８，１９内部には、吸込管８から導入される空気流れ１６を羽根車２１に導く吸込流路２３が形成されている。このとき、吸込ケーシング１８には放風通路１１が接続されるとともに、放風された空気を導入するためのチャンバ２５及びこのチャンバ２５と吸込流路２３とを結ぶ複数の孔２６が設けられている。孔２６は、吸込流路２３のうち仕切板２０より下流の位置に設けられており、回転軸２２の軸心に直角方向に設けられている。その結果、孔２６は、孔２６から吹き出す流れＸのうち吸込流路軸方向の成分ＸP（図４参照）が、吸込流路２３内の本来の吸込空気の流れ１６と逆方向になるように吸込流路２３に対して傾斜した構造となっている。さらにこのとき、孔２６から吹き出す流れＸのうち吸込流路周方向の成分（図５参照）ＸQが羽根車回転方向１７に沿った方向となるような構造となっている。
【００２９】
その他の構造は第１の実施形態とほぼ同様である。
【００３０】
上記構成において、無負荷運転時には、第１の実施形態と同様に空気が放風通路１１からチャンバ２５へと導かれ、さらに吸込ケーシング１８の複数の孔２６から吸込流路２３へと導入される。このとき、孔２６から吹き出す流れＸの吸込流路２３周方向成分ＸQが羽根車回転方向１７に沿った方向を向くので、吸込管８から初段圧縮機１ａへと流入する空気流れ１６の周方向速度成分を増大させるように作用する。これにより、上記第１の実施形態同様、初段圧縮機１ａの羽根車理論ヘッドＨthをその分小さくし、初段圧縮機１ａの駆動動力を低減することができる。また孔２６から吹き出す流れＸの吸込流路２３軸方向成分ＸPが吸込流路２３内の吸込空気の流れ１６と逆方向となるので、衝突損失（圧力損失）が発生し、これによっても初段圧縮機１ａの駆動動力を減少させることができる。
【００３１】
以上のようにして、本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
なお、上記第２の実施形態では、放風通路１１を吸込ケーシング１８に接続してチャンバ２５から吸込ケーシング１８に形成した孔２６を介し吸込流路２３に流れを吹き出したが、これに限られず、放風通路１１を吸込ケーシング１９に接続し吸込ケーシング１９に形成した孔を介して吸込流路２３に流れを吹き出してもよい。この場合も同様の効果を得る。またこれら孔２６等は必ずしも複数個に限られず、少なくとも１個あれば足りる。
【００３９】
本発明の第３の実施形態を図８を用いて説明する。本実施形態は、放風通路からの空気を利用して圧縮機を駆動する電動機を冷却する場合の実施形態である。第１及び第２の実施形態と共通の部分には同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。
【００４０】
図８は、本実施形態によるターボ圧縮機システムの系統図であり、第１の実施形態の図１に対応する図である。図８において、図１に示した第１の実施形態によるターボ圧縮機システムと異なるのは、以下の点である。すなわち、放風通路１１における放風弁４の下流に流量調節用の絞り部３４が設けられ、絞り部３４からは逆止弁３０を備えた冷却配管２９が分岐している。また中間冷却器３ａの下流の配管９からも逆止弁３１を備えた冷却配管２８が分岐しており、これら冷却配管２８及び冷却配管２９は合流し冷却配管３２となって強制空冷式の電動機３３内の冷却通路３３ａに接続されている。
【００４１】
上記以外の構造は第１の実施形態とほぼ同様である。
【００４２】
なお、上記構成において、冷却配管２９，３２が、放風通路から分岐して設けられ放風通路内の空気の一部を電動機の冷却通路に導く冷却配管を構成する。
【００４３】
次に、上記構成のターボ圧縮機システムの動作を説明する。
【００４４】
通常の負荷運転時においては、第１の実施形態同様、吸込管８から吸い込まれた空気は、初段圧縮機１ａで昇圧されたのち、中間空気冷却器３ａで冷却され２段目圧縮機１ｂに吸い込まれる。２段目圧縮機１ｂでさらに昇圧された空気は、２段目（最終段）の空気冷却器３ｂで冷却されたのち、逆止弁５を通ってレシーバタンク７に入り、需要側のプロセスに送られる。
このとき、中間空気冷却器３ａで冷却された空気の一部は、冷却配管２８、逆止弁３１、冷却配管３２を経て電動機冷却通路３３ａに導かれ、その電動機３３を冷却したのち大気に放出される。
【００４５】
一方、無負荷運転時は、第１の実施形態同様、放風弁４が開かれて空気は放風通路１１からチャンバ１４（図２及び図３参照）へと導かれ、さらに複数の孔１５から吸込管８へと導入される。
このとき、放風通路１１内の空気の一部は冷却配管２９に流れ、逆止弁３０、冷却配管３２を経て電動機冷却通路３３ａに導かれて電動機３３を冷却する。
【００４６】
上記本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得る。また、無負荷運転時の放風を電動機３３の冷却に活用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、放風通路の他端の前記初段圧縮機吸込側との接続部に周方向速度増大手段を設けたので、無負荷運転時における放風による騒音を抑制しつつ、保守費用を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるターボ圧縮機システムの系統図である。
【図２】図１中の放風通路と吸込管との接合部の詳細を示す縦断面図である。
【図３】図２中Ａ−Ａ断面による横断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の要部である放風通路と初段圧縮機の吸込ケーシングとの接合部の詳細を示す縦断面図図である。
【図５】図４中Ｂ−Ｂ断面による横断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態によるターボ圧縮機システムの系統図である。

Claims

吸込口にフィルタを備えた吸込管と、この吸込管に接続された少なくとも１段のターボ圧縮機と、最終段圧縮機の吐出側に接続された吐出管と、一端が前記吐出管に接続され他端が前記吸込管に接続された放風通路と、この放風通路に設けられ該放風通路を開閉する放風弁とを有し、負荷運転時には前記放風弁を閉じる一方、無負荷運転時には前記放風弁を開いて前記最終段圧縮機から吐出管を介し吐出された圧縮空気を前記放風通路を介して前記吸込管へと導くターボ圧縮機システムにおいて、
前記放風通路の他端の前記吸込管との接続部に設けられ、前記放風通路に連通し前記吸込管の一部を取り巻くチャンバと、前記吸込管の前記チャンバ内管壁部分に設けられ、前記放風通路から前記チャンバ内に導入された空気を前記吸込管内に供給する少なくとも１つの第１の導風孔とを備え、
前記第１の導風孔は、前記吸込管内に供給された空気の該吸込管周方向成分が前記ターボ圧縮機の羽根車の回転方向に沿った方向になるような向きに、かつ前記吸込管内に供給された空気の軸方向成分が前記吸込管内の空気流れと逆方向になるような向きに配置されたことを特徴とするターボ圧縮機システム。
吸込口にフィルタを備えた吸込管と、この吸込管に接続された少なくとも１段のターボ圧縮機と、最終段圧縮機の吐出側に接続された吐出管と、一端が前記吐出管に接続され他端が初段圧縮機の吸込ケーシングに接続された放風通路と、この放風通路に設けられ該放風通路を開閉する放風弁とを有し、負荷運転時には前記放風弁を閉じる一方、無負荷運転時には前記放風弁を開いて前記最終段圧縮機から吐出管を介し吐出された圧縮空気を前記放風通路を介して前記初段圧縮機の吸込ケーシングへと導くターボ圧縮機システムにおいて、
前記初段圧縮機の吸込ケーシングに設けられ、前記放風通路からの空気を前記吸込ケーシング内の吸込流路に供給する少なくとも１つ第２の導風孔を備え、
前記第２の導風孔は、前記吸込流路内に供給された空気の該吸込流路周方向成分が前記ターボ圧縮機の羽根車の回転方向に沿った方向になるような向きに、かつ前記吸込流路内に供給された空気の軸方向成分が前記吸込流路内の空気流れと逆方向になるような向きに配置されたことを特徴とするターボ圧縮機システム。
請求項１又は２記載のターボ圧縮機システムにおいて、前記少なくとも１段のターボ圧縮機を駆動する電動機と、前記放風通路から分岐して設けられ該放風通路内の空気の一部を前記電動機の冷却通路に導く冷却配管とをさらに有することを特徴とするターボ圧縮機システム。