JP4031734B2 - 軸流圧縮機及びそのスラストバランスディスクへの抽気方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料ガス圧縮機などの軸流圧縮機と、そのスラストバランスディスクへの抽気方法とに関し、特に、スラストバランスディスクの過度の昇温による破損を防止することができる軸流圧縮機と、その抽気方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の軸流圧縮機の一例として、図５に示す燃料ガス圧縮機を参照して以下に説明を行う。なお、同図は、燃料ガスを圧縮する圧縮部１の最下流位置を含む部分を示す部分断面図である。
同図に示すように、燃料ガス圧縮機の圧縮部１には、ケース２側の各ケースリング２ａ内に固定された複数枚の静翼３と、各ロータディスク４の周囲に同軸に取り付けられた複数枚の動翼５とが備えられており、これら静翼３及び動翼５が、各ロータディスク４の回転軸線方向に交互に配置され、各ロータディスク４の回転によって矢印方向に燃料ガスｆ１を圧送する構成となっている。
【０００３】
このとき、燃料ガスｆ１の圧送に伴う反力としてのスラスト力が各ロータディスク４に対して加わり、これらロータディスク４を含む軸体を、燃料ガスｆ１の流れ方向と逆方向（すなわち、紙面左方向）に向かって動かそうとする。この大きなスラスト力を軸受のみで保持しようとすると、大型の軸受が必要になってしまうため、これを避けるためにスラストバランスディスク６が、前記各ロータディスク４と同軸に複数枚設けられている。これらスラストバランスディスク６は、圧縮部１で圧縮された燃料ガスｆ１の一部を抽気ｆ２として取り入れることで、前記スラスト力に対向する反スラスト力を発生させるものであり、前記スラスト力を減じることが可能となっている。
【０００４】
これらスラストバランスディスク６の周囲には、ケース２の内部に取り付けられた他のケースリング２ｂが配置されており、該ケースリング２ｂの内周面との間には、抽気ｆ２の漏れ量を低減させるラビリンスシール７が複数設けられている。ケースリング２ｂの上流側（紙面左側）には、主流である燃料ガスｆ１と、抽気ｆ２との間を仕切る仕切壁２ｂ１が形成されており、該仕切壁２ｂ１を間として、内周側に抽気流路８が形成され、外周側にディフューザ９が形成されている。
【０００５】
ディフューザ９は、その上流側から下流側に向かって流路断面積が大きくなる流路であり、圧縮部１から圧送された燃料ガスｆ１を減速させて圧力回復させるものとなっている。そして、ディフューザ９から出た燃料ガスｆ１は、ケース２の外部に向かって吐出されていく。
一方、抽気流路８内を流れる抽気ｆ２は、各スラストバランスディスク６に向かい、これらスラストバランスディスク６及び各ロータディスク４を紙面右方向に向かって押し付ける反スラスト力を発生させる。さらに、この抽気ｆ２は、各スラストバランスディスク６の外周と、各ラビリンスシール７との間を流れるシールガスとなり、回収されていく。
なお、この種の燃料ガス圧縮機の抽気構造の例としては、下記特許文献１，２にも開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２８４６８７号公報
【特許文献２】
特開２０００−３５６１３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来の燃料ガス圧縮機は、以下に説明する問題を有していた。すなわち、各スラストバランスディスク６は、抽気ｆ２を受けて反スラスト力を発生させる関係上、十分な機械強度を保有していることを必須とするが、抽気ｆ２が、抽気流路８を通る際の風損と、各ラビリンスシール７を通過する際の風損とにより高温化するため、各スラストバランスディスク６を加熱してその機械強度を低下させる恐れがあるという問題である。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、抽気からの過度の加熱によるスラストバランスディスクの機械強度低下を防止することが可能な軸流圧縮機と、そのスラストバランスディスクへの抽気方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載の軸流圧縮機は、被圧縮ガスを圧縮する圧縮部と、上流側から下流側に向かって流路断面積が拡大され、前記圧縮部からの前記被圧縮ガスを減速させて圧力回復させて、少なくとも圧縮部を収容するケースの外部に向かって前記被圧縮ガスを吐出させるディフューザと、前記圧縮部を経た後の前記被圧縮ガスの一部を抽気として受け、前記圧縮部が前記被圧縮ガスの圧送による反力として受けるスラスト力に対向する、反スラスト力を発生させるスラストバランスディスクとを備えた軸流圧縮機において、前記ディフューザを経た後の前記被圧縮ガスの一部を、前記ディフューザの出口における前記被圧縮ガスの吐出方向に対して相反する方向に流れる前記抽気として前記スラストバランスディスクに導く抽気流路が設けられていることを特徴とする。
上記請求項１に記載の軸流圧縮機によれば、抽気によりスラストバランスディスクを効果的に冷却することができるようになる。すなわち、従来では、圧縮部を経た直後の不均一温度分布を有する被圧縮ガスの一部を、ディフューザを介さずに直接、スラストバランスディスクに導入する構成であったため、スラストバランスディスクに到達するまでに抽気が風損により昇温してしまい、スラストバランスディスクを加熱してしまう恐れがあった。これに対し、本発明では、ディフューザを経て十分に混合することで温度分布が均一化され、なおかつ従来のような風損を伴わないディフューザ出口から抽気を取り出す構成であるため、従来よりも比較的低い温度の抽気をスラストディスクに供給することができるようになる。
【００１０】
請求項２に記載の軸流圧縮機は、請求項１に記載の軸流圧縮機において、前記抽気が、前記スラストバランスディスクに対して、その回転方向と同一の周方向に向かって流れるように供給されることを特徴とする。
上記請求項２に記載の軸流圧縮機によれば、従来のように、高速回転するスラストバランスディスクに対して、相対速度の遅い抽気を直接供給してしまうと、抽気が風損を生じて昇温するため、スラストディスクを過度に加熱してしまう恐れがある。これに対し、本発明では、スラストバランスディスクと同一回転方向に向かって沿わせるように抽気を供給するものであるため、抽気とスラストバランスディスクとの間の相対速度差を小さく抑えることができるようになる。このときのスラストバランスディスクが感じる（受ける）抽気温度は、静温であり、全温から動温を差し引いた分だけ温度が低いので、効果的にスラストバランスディスクを冷却することができるようになる。また、同一の周方向に流れる抽気の力を受けることにより、圧縮部を駆動するのに要する動力を減らすこともできるようになる。
【００１１】
請求項３に記載の軸流圧縮機は、請求項２に記載の軸流圧縮機において、前記抽気が、ＴＯＢＩノズル（Tangential OnBoard Injection Nozzle）を介して供給されることを特徴とする。
上記請求項３に記載の軸流圧縮機によれば、スラストバランスディスクに対してより確実に沿わせるように抽気を供給することができるようになる。
【００１２】
請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、被圧縮ガスを圧縮する圧縮部と、上流側から下流側に向かって流路断面積が拡大され、前記圧縮部からの前記被圧縮ガスを減速させて圧力回復させて、圧縮部を収容したケースの外部に向かって前記被圧縮ガスを吐出させるディフューザと、前記圧縮部を経た後の前記被圧縮ガスの一部を抽気として受け、前記圧縮部が前記被圧縮ガスの圧送による反力として受けるスラスト力に対向する、反スラスト力を発生させるスラストバランスディスクとを備えた軸流圧縮機の、前記スラストバランスディスクに対して前記抽気を供給する方法において、前記ディフューザを経た後の被圧縮ガスの一部を、前記ディフューザの出口における前記被圧縮ガスの吐出方向に対して相反する方向に流れる前記抽気として前記スラストバランスディスクに導くことを特徴とする。
上記請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法によれば、請求項１と同様に、抽気によってスラストバランスディスクを効果的に冷却することができるようになる。
【００１３】
請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、前記抽気を、前記スラストバランスディスクに対して、その回転方向と同一の周方向に向かって流すように供給することを特徴とする。
上記請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法によれば、請求項２と同様に、効果的にスラストバランスディスクを冷却することができるようになるとともに、圧縮部を駆動するのに要する動力を減らすこともできるようになる。
【００１４】
請求項６に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、前記抽気を、ＴＯＢＩノズルを介して供給することを特徴とする。
上記請求項６に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法によれば、請求項３と同様に、スラストバランスディスクに対してより確実に沿わせるように抽気を供給することができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の軸流圧縮機、及び、そのスラストバランスディスクへの抽気方法の一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれのみに限定解釈されるものでないことは勿論である。ここで、図１は、本実施形態の軸流圧縮機を示す図であって、圧縮部の最下流位置を含む要部を、回転軸線を含む断面で見た場合の部分断面図である。また、図２は、同軸流圧縮機の同要部の一部を示す図であって、図１のＡ部拡大断面図である。また、図３は、同軸流圧縮機の同要部を示す図であって、図１のＢ−Ｂ断面図である。また、図４は、同軸流圧縮機の同要部を示す図であって、図１のＣ−Ｃ断面図である。
なお、本実施形態の説明においては、本発明の軸流圧縮機が、燃料ガスを圧送する燃料ガス圧縮機である場合を例に説明を行うものとする。
【００１６】
図１に示すように本実施形態の燃料ガス圧縮機には、燃料ガスＦ（被圧縮ガス）を圧縮する圧縮部１０と、該圧縮部１０からの燃料ガスＦを減速させて圧力回復させるディフューザ２０と、圧縮部１０を経た後の燃料ガスＦの一部を抽気ｃとして受け、圧縮部１０が燃料ガスＦの圧送による反力として受けるスラスト力ＴＦに対向する、反スラスト力ＢＦを発生させる複数枚のスラストバランスディスク３０と、これらを内部に収容するケース４０とが備えられている。
なお、以下の説明においては、燃料ガスＦの流れ方向上流側（図１の紙面左側）を「上流側」とし、燃料ガスＦの流れ方向下流側（図１の紙面右側）を「下流側」として説明を行うものとする。また、圧縮部１０及び各スラストバランスディスク３０の回転軸線方向（図１の紙面左右方向）を「軸線方向」として説明を行うものとする。
【００１７】
圧縮部１０には、複数枚のロータディスク１１と、これらロータディスク１１の周囲に同軸に取り付けられた複数枚の動翼１２と、前記ケース４０側の各ケースリング４０ａ内に固定された複数枚の静翼１３とが備えられており、これら静翼１２及び動翼１３が、各ロータディスク１１の回転軸線方向に交互に配置され、各ロータディスク１１の回転によって矢印方向に燃料ガスＦを圧送する構成となっている。
【００１８】
各ロータディスク１１の外周と各ケースリング４０ａの内周との間に形成される圧縮流路１４の形状は、上流側から下流側に向かって徐々に狭くなる形状となっている。
各静翼１３は、各ケースリング４０ａそれぞれの内周面に対して、前記軸線を中心とする周方向に並んで固定されており、なおかつ、軸線方向で見た場合に、前記各動翼１２と交互に配置されるようになっている。
そして、各ロータディスク１１が回転することによって各動翼１２も回転するため、圧縮流路１４内の燃料ガスＦを下流側に向かって圧送する流れ（主流）を生じせしめるものとなっている。
【００１９】
ディフューザ２０は、その上流側から下流側に向かって流路断面積が大きくなる流路であり、圧縮部１０から圧送された燃料ガスＦを減速させて圧力回復させるものとなっている。そして、ディフューザ２０から出た燃料ガスＦは、ケース４０の外部に向かって吐出されていく。
【００２０】
各スラストバランスディスク３０は、圧縮部１０で圧縮された燃料ガスＦの一部を抽気ｃとして取り入れることで、前記スラスト力ＴＦに対向する反スラスト力ＢＦを発生させるものであり、スラスト力ＴＦを減じることが可能となっている。
これらスラストバランスディスク３０の周囲には、ケース４０の内部に取り付けられた他のケースリング（圧縮部１０の下流側に配置された環状部品であり、前記各ケースリング４０ａと区別するために、符号４０ｂを与えて以下に説明を行う）が配置されており、該ケースリング４０ｂの内周面との間には、抽気ｃの漏れ量を低減させるラビリンスシール３１が複数設けられている。ケースリング４０ｂの上流側（紙面左側）には、主流である燃料ガスＦと、抽気ｃとの間を仕切る仕切壁４０ｂ１が形成されており、該仕切壁４０ｂ１の外周面と、前記ケースリング４０ａの内周面との間に、前記ディフューザ２０が形成されている。
【００２１】
そして、本実施形態の燃料ガス圧縮機では、ディフューザ２０を経た後の燃料ガスＦの一部を、前記抽気ｃとして各スラストバランスディスク３０に導く抽気流路５０を設けた点が、特に特徴的となっている。
この抽気流路５０によれば、抽気ｃにより各スラストバランスディスク３０を効果的に冷却することができるようになっている。すなわち、従来では、前記圧縮部１を経た直後の、前記軸線方向を中心とする径方向に不均一温度分布を有する燃料ガスｆ１の一部を、ディフューザ９を介さずに直接、各スラストバランスディスク６に導入する構成であったため、各スラストバランスディスク６に到達するまでに抽気ｃが風損により昇温してしまい、各スラストバランスディスク６を加熱してしまう恐れがあった。これに対し、本実施形態では、ディフューザ２０を経て十分に混合することで温度分布が均一化され、なおかつ従来のような風損を伴わないディフューザ２０の出口から抽気ｃを取り出す構成であるため、従来よりも比較的低い温度の抽気ｃを各スラストディスク３０に供給することができるようになる。
【００２２】
抽気流路５０は、図２に示すように、前記ケースリング４０ｂに形成された貫通孔５１と、該貫通孔５１内に固定されたＴＯＢＩノズル（Tangential OnBoard Injection Nozzle）５２とにより構成されている。なお、この抽気流路５０は、各スラストバランスディスク３０の軸線を中心とした周方向に、互いに等角度間隔をおいて配置されている。
【００２３】
各貫通孔５１は、前記軸線を中心とする半径方向に形成された孔であり、その入口部分には、抽気ｃが取り込みやすいようにアール加工が施されている。そして、これら貫通孔５１の出口側には、ＴＯＢＩノズル５２がそれぞれ挿通された状態で溶接固定されている。
各ＴＯＢＩノズル５２は、図３に示すように、略Ｊ字形をなす配管部品であり、溶接５２ａによって固定された側と反対側の吐出口５２ｂが、先細りに絞られた流路形状となっている。これにより、貫通孔５１から導入された抽気ｃが、一定断面積の流路内を流れながらＴＯＢＩノズル５２内に導入され、略直角に向きを変えながら吐出口５２ｂに向かい、該吐出口５２ｂでその流路が絞られることによって加速し、ＴＯＢＩノズル５２の外部に吐出されるものとなっている。
【００２４】
また、各ＴＯＢＩノズル５２の吐出口５２ｂの向きは、図３及び図４に示すように、各スラストバランスディスク３０の回転方向と同一の周方向に向かって抽気ｃを流すように配置されている。各スラストバランスディスク３０への抽気方法をこの様にすることで、抽気ｃと各スラストバランスディスク３０との間の相対速度差を小さく抑えることができるようになる。このときの各スラストバランスディスク３０が感じる（受ける）抽気温度は、静温であり、全温から動温を差し引いた分だけ温度が低いので、効果的に各スラストバランスディスク３０を冷却することができるようになる。
【００２５】
さらには、各スラストバランスディスク３０は、同一の周方向に流れる抽気ｃの力を受けることにより、圧縮部１０を駆動するのに要する動力を減らすこともできるようになっている。すなわち、回転する各スラストバランスディスク３０に対し、これらの回転をアシストするように抽気ｃが吹き付けられるので、これらスラストバランスディスク３０と同軸をなす前記各ロータディスク１１を回転させるのに要する動力が少なくて済むようになる。
【００２６】
以上説明の構成を有する本実施形態の燃料圧縮機における抽気ｃの一連の流れについて、以下に説明する。
まず、各ロータディスク１１及び各スラストバランスディスク３０からなる回転体を、その軸線回りに回転させると、燃料ガスＦが圧縮流路１４内において圧縮作用を受けながらそのままディフューザ２０内へと導入されていく。この時の燃料ガスＦは、前記回転体を上流側に向かって押し退けるようなスラスト力ＴＦを発生させる。
【００２７】
ディフューザ２０から吐出された燃料ガスＦは、そのままケース４０の外部に吐出されるが、そのうちの一部が、抽気ｃとして抽気流路５０内に取り込まれる。抽気流路５０内を流れる抽気ｃは、ＴＯＢＩノズル５２によってその流れの向きが軌道修正され、各スラストバランスディスク３０に対して、その回転に沿うように吹き付けられる。そして、抽気ｃは、各スラストバランスディスク３０の冷却及び回転のアシストを行いながら、各スラストバランスディスク３０の外周と、各ラビリンスシール３１との間を流れるシールガスとなり、回収されていく。
【００２８】
以上説明の本実施形態の燃料圧縮機、及び、その各スラストバランスディスク３０への抽気方法の効果を以下にまとめる。
すなわち、本実施形態の燃料圧縮機は、ディフューザ２０を経た後の燃料ガスＦの一部を、抽気ｃとして各スラストバランスディスク３０に導く構成／方法を採用した。これによれば、ディフューザ２０を経た後の比較的低い温度の燃料ガスＦを、抽気ｃとして各スラストバランスディスク３０に供給するので、効果的に各スラストバランスディスク３０を冷却することができ、抽気ｃからの過度の加熱によるスラストバランスディスク３０の機械強度低下を防止することが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態の燃料圧縮機は、抽気ｃを、各スラストバランスディスク３０の回転方向と同一の周方向に向かって流す構成／方法を採用した。これによれば、各スラストバランスディスク３０が受ける抽気温度は、抽気ｃが持つ全温のうちの動温を除いた静温のみであるため、より効果的に各スラストバランスディスク３０を冷却することが可能となる。また、同一の周方向に流れる抽気ｃの力を受けることにより、圧縮部１０を駆動させるのに要する動力を減らすことができるので、動力回収を行うことも可能となる。
【００３０】
なお、本実施形態の説明においては、本発明を燃料ガス圧縮機に適用した場合を例として説明したが、これに限らず、その他の被圧縮ガスを圧縮する軸流圧縮機に適用してもよいことは勿論である。
また、本実施形態では、各スラストバランスディスク３０の回転方向と同一の周方向に向かって抽気ｃを流す手段として、ＴＯＢＩノズル３０を採用したが、これに限らず、その他の構成を採用しても良い。すなわち、例えばケースリング４０ｂに対して、直接、ノズルを加工しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の軸流圧縮機は、ディフューザを経た後の被圧縮ガスの一部を、抽気としてスラストバランスディスクに導く抽気流路を備えている構成を採用した。この構成によれば、ディフューザを経た後の比較的低い温度のガスを、抽気としてスラストバランスディスクに供給するので、効果的にスラストバランスディスクを冷却することができ、抽気からの過度の加熱によるスラストバランスディスクの機械強度低下を防止することが可能となる。
【００３２】
また、請求項２に記載の軸流圧縮機は、請求項１に記載の軸流圧縮機において、抽気を、スラストバランスディスクの回転方向と同一の周方向に向かって流す構成を採用した。この構成によれば、スラストバランスディスクが受ける抽気温度は、抽気が持つ全温のうちの動温を除いた静温のみであるため、より効果的にスラストバランスディスクを冷却することが可能となる。また、同一の周方向に流れる抽気の力を受けることにより、圧縮部を駆動させるのに要する動力を減らすことができるので、動力回収を行うことも可能となる。
【００３３】
また、請求項３に記載の軸流圧縮機は、請求項２に記載の軸流圧縮機において、ＴＯＢＩノズルを介して抽気を供給する構成を採用した。この構成によれば、スラストバランスディスクに対してより確実に沿わせるように抽気を供給することが可能となる。
【００３４】
また、請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、ディフューザを経た後の被圧縮ガスの一部を、スラストバランスディスクに導く方法を採用した。この方法によれば、請求項１と同様に、抽気からの過度の加熱によるスラストバランスディスクの機械強度低下を防止することが可能となる。
【００３５】
また、請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、抽気を、スラストバランスディスクの回転方向と同一の周方向に向かって流すように供給する方法を採用した。この方法によれば、請求項２と同様に、より効果的にスラストバランスディスクを冷却することが可能になるとともに、圧縮部を駆動するのに要する動力を減らして動力回収することも可能となる。
【００３６】
また、請求項６に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、ＴＯＢＩノズルを介して抽気を供給する方法を採用した。この方法によれば、請求項３と同様に、スラストバランスディスクに対してより確実に沿わせるように抽気を供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の軸流圧縮機の一実施形態を示す図であって、圧縮部の最下流位置を含む要部を、回転軸線を含む断面で見た場合の部分断面図である。
【図２】 同軸流圧縮機の同要部の一部を示す図であって、図１のＡ部拡大断面図である。
【図３】 同軸流圧縮機の同要部を示す図であって、図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】 同軸流圧縮機の同要部を示す図であって、図１のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】 従来の軸流圧縮機の一例を示す図であって、圧縮部の最下流位置を含む要部を、回転軸線を含む断面で見た場合の部分断面図である。
【符号の説明】
１０・・・圧縮部
２０・・・ディフューザ
３０・・・スラストバランスディスク
５０・・・抽気流路
５２・・・ＴＯＢＩノズル
ＢＦ・・・反スラスト力
ｃ・・・抽気
Ｆ・・・燃料ガス（被圧縮ガス）
ＴＦ・・・スラスト力
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料ガス圧縮機などの軸流圧縮機と、そのスラストバランスディスクへの抽気方法とに関し、特に、スラストバランスディスクの過度の昇温による破損を防止することができる軸流圧縮機と、その抽気方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の軸流圧縮機の一例として、図５に示す燃料ガス圧縮機を参照して以下に説明を行う。なお、同図は、燃料ガスを圧縮する圧縮部１の最下流位置を含む部分を示す部分断面図である。
同図に示すように、燃料ガス圧縮機の圧縮部１には、ケース２側の各ケースリング２ａ内に固定された複数枚の静翼３と、各ロータディスク４の周囲に同軸に取り付けられた複数枚の動翼５とが備えられており、これら静翼３及び動翼５が、各ロータディスク４の回転軸線方向に交互に配置され、各ロータディスク４の回転によって矢印方向に燃料ガスｆ１を圧送する構成となっている。
【０００３】
このとき、燃料ガスｆ１の圧送に伴う反力としてのスラスト力が各ロータディスク４に対して加わり、これらロータディスク４を含む軸体を、燃料ガスｆ１の流れ方向と逆方向（すなわち、紙面左方向）に向かって動かそうとする。この大きなスラスト力を軸受のみで保持しようとすると、大型の軸受が必要になってしまうため、これを避けるためにスラストバランスディスク６が、前記各ロータディスク４と同軸に複数枚設けられている。これらスラストバランスディスク６は、圧縮部１で圧縮された燃料ガスｆ１の一部を抽気ｆ２として取り入れることで、前記スラスト力に対向する反スラスト力を発生させるものであり、前記スラスト力を減じることが可能となっている。
【０００４】
これらスラストバランスディスク６の周囲には、ケース２の内部に取り付けられた他のケースリング２ｂが配置されており、該ケースリング２ｂの内周面との間には、抽気ｆ２の漏れ量を低減させるラビリンスシール７が複数設けられている。ケースリング２ｂの上流側（紙面左側）には、主流である燃料ガスｆ１と、抽気ｆ２との間を仕切る仕切壁２ｂ１が形成されており、該仕切壁２ｂ１を間として、内周側に抽気流路８が形成され、外周側にディフューザ９が形成されている。
【０００５】
ディフューザ９は、その上流側から下流側に向かって流路断面積が大きくなる流路であり、圧縮部１から圧送された燃料ガスｆ１を減速させて圧力回復させるものとなっている。そして、ディフューザ９から出た燃料ガスｆ１は、ケース２の外部に向かって吐出されていく。
一方、抽気流路８内を流れる抽気ｆ２は、各スラストバランスディスク６に向かい、これらスラストバランスディスク６及び各ロータディスク４を紙面右方向に向かって押し付ける反スラスト力を発生させる。さらに、この抽気ｆ２は、各スラストバランスディスク６の外周と、各ラビリンスシール７との間を流れるシールガスとなり、回収されていく。
なお、この種の燃料ガス圧縮機の抽気構造の例としては、下記特許文献１，２にも開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２８４６８７号公報
【特許文献２】
特開２０００−３５６１３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来の燃料ガス圧縮機は、以下に説明する問題を有していた。すなわち、各スラストバランスディスク６は、抽気ｆ２を受けて反スラスト力を発生させる関係上、十分な機械強度を保有していることを必須とするが、抽気ｆ２が、抽気流路８を通る際の風損と、各ラビリンスシール７を通過する際の風損とにより高温化するため、各スラストバランスディスク６を加熱してその機械強度を低下させる恐れがあるという問題である。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、抽気からの過度の加熱によるスラストバランスディスクの機械強度低下を防止することが可能な軸流圧縮機と、そのスラストバランスディスクへの抽気方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載の軸流圧縮機は、被圧縮ガスを圧縮する圧縮部と、上流側から下流側に向かって流路断面積が拡大され、前記圧縮部からの前記被圧縮ガスを減速させて圧力回復させて、少なくとも圧縮部を収容するケースの外部に向かって前記被圧縮ガスを吐出させるディフューザと、前記圧縮部を経た後の前記被圧縮ガスの一部を抽気として受け、前記圧縮部が前記被圧縮ガスの圧送による反力として受けるスラスト力に対向する、反スラスト力を発生させるスラストバランスディスクとを備えた軸流圧縮機において、前記ディフューザを経た後の前記被圧縮ガスの一部を、前記ディフューザの出口における前記被圧縮ガスの吐出方向に対して相反する方向に流れる前記抽気として前記スラストバランスディスクに導く抽気流路が設けられていることを特徴とする。
上記請求項１に記載の軸流圧縮機によれば、抽気によりスラストバランスディスクを効果的に冷却することができるようになる。すなわち、従来では、圧縮部を経た直後の不均一温度分布を有する被圧縮ガスの一部を、ディフューザを介さずに直接、スラストバランスディスクに導入する構成であったため、スラストバランスディスクに到達するまでに抽気が風損により昇温してしまい、スラストバランスディスクを加熱してしまう恐れがあった。これに対し、本発明では、ディフューザを経て十分に混合することで温度分布が均一化され、なおかつ従来のような風損を伴わないディフューザ出口から抽気を取り出す構成であるため、従来よりも比較的低い温度の抽気をスラストディスクに供給することができるようになる。
【００１０】
請求項２に記載の軸流圧縮機は、請求項１に記載の軸流圧縮機において、前記抽気が、前記スラストバランスディスクに対して、その回転方向と同一の周方向に向かって流れるように供給されることを特徴とする。
上記請求項２に記載の軸流圧縮機によれば、従来のように、高速回転するスラストバランスディスクに対して、相対速度の遅い抽気を直接供給してしまうと、抽気が風損を生じて昇温するため、スラストディスクを過度に加熱してしまう恐れがある。これに対し、本発明では、スラストバランスディスクと同一回転方向に向かって沿わせるように抽気を供給するものであるため、抽気とスラストバランスディスクとの間の相対速度差を小さく抑えることができるようになる。このときのスラストバランスディスクが感じる（受ける）抽気温度は、静温であり、全温から動温を差し引いた分だけ温度が低いので、効果的にスラストバランスディスクを冷却することができるようになる。また、同一の周方向に流れる抽気の力を受けることにより、圧縮部を駆動するのに要する動力を減らすこともできるようになる。
【００１１】
請求項３に記載の軸流圧縮機は、請求項２に記載の軸流圧縮機において、前記抽気が、ＴＯＢＩノズル（Tangential OnBoard Injection Nozzle）を介して供給されることを特徴とする。
上記請求項３に記載の軸流圧縮機によれば、スラストバランスディスクに対してより確実に沿わせるように抽気を供給することができるようになる。
【００１２】
請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、被圧縮ガスを圧縮する圧縮部と、上流側から下流側に向かって流路断面積が拡大され、前記圧縮部からの前記被圧縮ガスを減速させて圧力回復させて、圧縮部を収容したケースの外部に向かって前記被圧縮ガスを吐出させるディフューザと、前記圧縮部を経た後の前記被圧縮ガスの一部を抽気として受け、前記圧縮部が前記被圧縮ガスの圧送による反力として受けるスラスト力に対向する、反スラスト力を発生させるスラストバランスディスクとを備えた軸流圧縮機の、前記スラストバランスディスクに対して前記抽気を供給する方法において、前記ディフューザを経た後の被圧縮ガスの一部を、前記ディフューザの出口における前記被圧縮ガスの吐出方向に対して相反する方向に流れる前記抽気として前記スラストバランスディスクに導くことを特徴とする。
上記請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法によれば、請求項１と同様に、抽気によってスラストバランスディスクを効果的に冷却することができるようになる。
【００１３】
請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、前記抽気を、前記スラストバランスディスクに対して、その回転方向と同一の周方向に向かって流すように供給することを特徴とする。
上記請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法によれば、請求項２と同様に、効果的にスラストバランスディスクを冷却することができるようになるとともに、圧縮部を駆動するのに要する動力を減らすこともできるようになる。
【００１４】
請求項６に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、前記抽気を、ＴＯＢＩノズルを介して供給することを特徴とする。
上記請求項６に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法によれば、請求項３と同様に、スラストバランスディスクに対してより確実に沿わせるように抽気を供給することができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の軸流圧縮機、及び、そのスラストバランスディスクへの抽気方法の一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれのみに限定解釈されるものでないことは勿論である。ここで、図１は、本実施形態の軸流圧縮機を示す図であって、圧縮部の最下流位置を含む要部を、回転軸線を含む断面で見た場合の部分断面図である。また、図２は、同軸流圧縮機の同要部の一部を示す図であって、図１のＡ部拡大断面図である。また、図３は、同軸流圧縮機の同要部を示す図であって、図１のＢ−Ｂ断面図である。また、図４は、同軸流圧縮機の同要部を示す図であって、図１のＣ−Ｃ断面図である。
なお、本実施形態の説明においては、本発明の軸流圧縮機が、燃料ガスを圧送する燃料ガス圧縮機である場合を例に説明を行うものとする。
【００１６】
図１に示すように本実施形態の燃料ガス圧縮機には、燃料ガスＦ（被圧縮ガス）を圧縮する圧縮部１０と、該圧縮部１０からの燃料ガスＦを減速させて圧力回復させるディフューザ２０と、圧縮部１０を経た後の燃料ガスＦの一部を抽気ｃとして受け、圧縮部１０が燃料ガスＦの圧送による反力として受けるスラスト力ＴＦに対向する、反スラスト力ＢＦを発生させる複数枚のスラストバランスディスク３０と、これらを内部に収容するケース４０とが備えられている。
なお、以下の説明においては、燃料ガスＦの流れ方向上流側（図１の紙面左側）を「上流側」とし、燃料ガスＦの流れ方向下流側（図１の紙面右側）を「下流側」として説明を行うものとする。また、圧縮部１０及び各スラストバランスディスク３０の回転軸線方向（図１の紙面左右方向）を「軸線方向」として説明を行うものとする。
【００１７】
圧縮部１０には、複数枚のロータディスク１１と、これらロータディスク１１の周囲に同軸に取り付けられた複数枚の動翼１２と、前記ケース４０側の各ケースリング４０ａ内に固定された複数枚の静翼１３とが備えられており、これら静翼１２及び動翼１３が、各ロータディスク１１の回転軸線方向に交互に配置され、各ロータディスク１１の回転によって矢印方向に燃料ガスＦを圧送する構成となっている。
【００１８】
各ロータディスク１１の外周と各ケースリング４０ａの内周との間に形成される圧縮流路１４の形状は、上流側から下流側に向かって徐々に狭くなる形状となっている。
各静翼１３は、各ケースリング４０ａそれぞれの内周面に対して、前記軸線を中心とする周方向に並んで固定されており、なおかつ、軸線方向で見た場合に、前記各動翼１２と交互に配置されるようになっている。
そして、各ロータディスク１１が回転することによって各動翼１２も回転するため、圧縮流路１４内の燃料ガスＦを下流側に向かって圧送する流れ（主流）を生じせしめるものとなっている。
【００１９】
ディフューザ２０は、その上流側から下流側に向かって流路断面積が大きくなる流路であり、圧縮部１０から圧送された燃料ガスＦを減速させて圧力回復させるものとなっている。そして、ディフューザ２０から出た燃料ガスＦは、ケース４０の外部に向かって吐出されていく。
【００２０】
各スラストバランスディスク３０は、圧縮部１０で圧縮された燃料ガスＦの一部を抽気ｃとして取り入れることで、前記スラスト力ＴＦに対向する反スラスト力ＢＦを発生させるものであり、スラスト力ＴＦを減じることが可能となっている。
これらスラストバランスディスク３０の周囲には、ケース４０の内部に取り付けられた他のケースリング（圧縮部１０の下流側に配置された環状部品であり、前記各ケースリング４０ａと区別するために、符号４０ｂを与えて以下に説明を行う）が配置されており、該ケースリング４０ｂの内周面との間には、抽気ｃの漏れ量を低減させるラビリンスシール３１が複数設けられている。ケースリング４０ｂの上流側（紙面左側）には、主流である燃料ガスＦと、抽気ｃとの間を仕切る仕切壁４０ｂ１が形成されており、該仕切壁４０ｂ１の外周面と、前記ケースリング４０ａの内周面との間に、前記ディフューザ２０が形成されている。
【００２１】
そして、本実施形態の燃料ガス圧縮機では、ディフューザ２０を経た後の燃料ガスＦの一部を、前記抽気ｃとして各スラストバランスディスク３０に導く抽気流路５０を設けた点が、特に特徴的となっている。
この抽気流路５０によれば、抽気ｃにより各スラストバランスディスク３０を効果的に冷却することができるようになっている。すなわち、従来では、前記圧縮部１を経た直後の、前記軸線方向を中心とする径方向に不均一温度分布を有する燃料ガスｆ１の一部を、ディフューザ９を介さずに直接、各スラストバランスディスク６に導入する構成であったため、各スラストバランスディスク６に到達するまでに抽気ｃが風損により昇温してしまい、各スラストバランスディスク６を加熱してしまう恐れがあった。これに対し、本実施形態では、ディフューザ２０を経て十分に混合することで温度分布が均一化され、なおかつ従来のような風損を伴わないディフューザ２０の出口から抽気ｃを取り出す構成であるため、従来よりも比較的低い温度の抽気ｃを各スラストディスク３０に供給することができるようになる。
【００２２】
抽気流路５０は、図２に示すように、前記ケースリング４０ｂに形成された貫通孔５１と、該貫通孔５１内に固定されたＴＯＢＩノズル（Tangential OnBoard Injection Nozzle）５２とにより構成されている。なお、この抽気流路５０は、各スラストバランスディスク３０の軸線を中心とした周方向に、互いに等角度間隔をおいて配置されている。
【００２３】
各貫通孔５１は、前記軸線を中心とする半径方向に形成された孔であり、その入口部分には、抽気ｃが取り込みやすいようにアール加工が施されている。そして、これら貫通孔５１の出口側には、ＴＯＢＩノズル５２がそれぞれ挿通された状態で溶接固定されている。
各ＴＯＢＩノズル５２は、図３に示すように、略Ｊ字形をなす配管部品であり、溶接５２ａによって固定された側と反対側の吐出口５２ｂが、先細りに絞られた流路形状となっている。これにより、貫通孔５１から導入された抽気ｃが、一定断面積の流路内を流れながらＴＯＢＩノズル５２内に導入され、略直角に向きを変えながら吐出口５２ｂに向かい、該吐出口５２ｂでその流路が絞られることによって加速し、ＴＯＢＩノズル５２の外部に吐出されるものとなっている。
【００２４】
また、各ＴＯＢＩノズル５２の吐出口５２ｂの向きは、図３及び図４に示すように、各スラストバランスディスク３０の回転方向と同一の周方向に向かって抽気ｃを流すように配置されている。各スラストバランスディスク３０への抽気方法をこの様にすることで、抽気ｃと各スラストバランスディスク３０との間の相対速度差を小さく抑えることができるようになる。このときの各スラストバランスディスク３０が感じる（受ける）抽気温度は、静温であり、全温から動温を差し引いた分だけ温度が低いので、効果的に各スラストバランスディスク３０を冷却することができるようになる。
【００２５】
さらには、各スラストバランスディスク３０は、同一の周方向に流れる抽気ｃの力を受けることにより、圧縮部１０を駆動するのに要する動力を減らすこともできるようになっている。すなわち、回転する各スラストバランスディスク３０に対し、これらの回転をアシストするように抽気ｃが吹き付けられるので、これらスラストバランスディスク３０と同軸をなす前記各ロータディスク１１を回転させるのに要する動力が少なくて済むようになる。
【００２６】
以上説明の構成を有する本実施形態の燃料圧縮機における抽気ｃの一連の流れについて、以下に説明する。
まず、各ロータディスク１１及び各スラストバランスディスク３０からなる回転体を、その軸線回りに回転させると、燃料ガスＦが圧縮流路１４内において圧縮作用を受けながらそのままディフューザ２０内へと導入されていく。この時の燃料ガスＦは、前記回転体を上流側に向かって押し退けるようなスラスト力ＴＦを発生させる。
【００２７】
ディフューザ２０から吐出された燃料ガスＦは、そのままケース４０の外部に吐出されるが、そのうちの一部が、抽気ｃとして抽気流路５０内に取り込まれる。抽気流路５０内を流れる抽気ｃは、ＴＯＢＩノズル５２によってその流れの向きが軌道修正され、各スラストバランスディスク３０に対して、その回転に沿うように吹き付けられる。そして、抽気ｃは、各スラストバランスディスク３０の冷却及び回転のアシストを行いながら、各スラストバランスディスク３０の外周と、各ラビリンスシール３１との間を流れるシールガスとなり、回収されていく。
【００２８】
以上説明の本実施形態の燃料圧縮機、及び、その各スラストバランスディスク３０への抽気方法の効果を以下にまとめる。
すなわち、本実施形態の燃料圧縮機は、ディフューザ２０を経た後の燃料ガスＦの一部を、抽気ｃとして各スラストバランスディスク３０に導く構成／方法を採用した。これによれば、ディフューザ２０を経た後の比較的低い温度の燃料ガスＦを、抽気ｃとして各スラストバランスディスク３０に供給するので、効果的に各スラストバランスディスク３０を冷却することができ、抽気ｃからの過度の加熱によるスラストバランスディスク３０の機械強度低下を防止することが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態の燃料圧縮機は、抽気ｃを、各スラストバランスディスク３０の回転方向と同一の周方向に向かって流す構成／方法を採用した。これによれば、各スラストバランスディスク３０が受ける抽気温度は、抽気ｃが持つ全温のうちの動温を除いた静温のみであるため、より効果的に各スラストバランスディスク３０を冷却することが可能となる。また、同一の周方向に流れる抽気ｃの力を受けることにより、圧縮部１０を駆動させるのに要する動力を減らすことができるので、動力回収を行うことも可能となる。
【００３０】
なお、本実施形態の説明においては、本発明を燃料ガス圧縮機に適用した場合を例として説明したが、これに限らず、その他の被圧縮ガスを圧縮する軸流圧縮機に適用してもよいことは勿論である。
また、本実施形態では、各スラストバランスディスク３０の回転方向と同一の周方向に向かって抽気ｃを流す手段として、ＴＯＢＩノズル３０を採用したが、これに限らず、その他の構成を採用しても良い。すなわち、例えばケースリング４０ｂに対して、直接、ノズルを加工しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の軸流圧縮機は、ディフューザを経た後の被圧縮ガスの一部を、抽気としてスラストバランスディスクに導く抽気流路を備えている構成を採用した。この構成によれば、ディフューザを経た後の比較的低い温度のガスを、抽気としてスラストバランスディスクに供給するので、効果的にスラストバランスディスクを冷却することができ、抽気からの過度の加熱によるスラストバランスディスクの機械強度低下を防止することが可能となる。
【００３２】
また、請求項２に記載の軸流圧縮機は、請求項１に記載の軸流圧縮機において、抽気を、スラストバランスディスクの回転方向と同一の周方向に向かって流す構成を採用した。この構成によれば、スラストバランスディスクが受ける抽気温度は、抽気が持つ全温のうちの動温を除いた静温のみであるため、より効果的にスラストバランスディスクを冷却することが可能となる。また、同一の周方向に流れる抽気の力を受けることにより、圧縮部を駆動させるのに要する動力を減らすことができるので、動力回収を行うことも可能となる。
【００３３】
また、請求項３に記載の軸流圧縮機は、請求項２に記載の軸流圧縮機において、ＴＯＢＩノズルを介して抽気を供給する構成を採用した。この構成によれば、スラストバランスディスクに対してより確実に沿わせるように抽気を供給することが可能となる。
【００３４】
また、請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、ディフューザを経た後の被圧縮ガスの一部を、スラストバランスディスクに導く方法を採用した。この方法によれば、請求項１と同様に、抽気からの過度の加熱によるスラストバランスディスクの機械強度低下を防止することが可能となる。
【００３５】
また、請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、抽気を、スラストバランスディスクの回転方向と同一の周方向に向かって流すように供給する方法を採用した。この方法によれば、請求項２と同様に、より効果的にスラストバランスディスクを冷却することが可能になるとともに、圧縮部を駆動するのに要する動力を減らして動力回収することも可能となる。
【００３６】
また、請求項６に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法は、請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、ＴＯＢＩノズルを介して抽気を供給する方法を採用した。この方法によれば、請求項３と同様に、スラストバランスディスクに対してより確実に沿わせるように抽気を供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の軸流圧縮機の一実施形態を示す図であって、圧縮部の最下流位置を含む要部を、回転軸線を含む断面で見た場合の部分断面図である。
【図２】 同軸流圧縮機の同要部の一部を示す図であって、図１のＡ部拡大断面図である。
【図３】 同軸流圧縮機の同要部を示す図であって、図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】 同軸流圧縮機の同要部を示す図であって、図１のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】 従来の軸流圧縮機の一例を示す図であって、圧縮部の最下流位置を含む要部を、回転軸線を含む断面で見た場合の部分断面図である。
【符号の説明】
１０・・・圧縮部
２０・・・ディフューザ
３０・・・スラストバランスディスク
５０・・・抽気流路
５２・・・ＴＯＢＩノズル
ＢＦ・・・反スラスト力
ｃ・・・抽気
Ｆ・・・燃料ガス（被圧縮ガス）
ＴＦ・・・スラスト力
Claims (6)
- 被圧縮ガスを圧縮する圧縮部と、上流側から下流側に向かって流路断面積が拡大され、前記圧縮部からの前記被圧縮ガスを減速させて圧力回復させて、圧縮部を収容したケースの外部に向かって前記被圧縮ガスを吐出させるディフューザと、前記圧縮部を経た後の前記被圧縮ガスの一部を抽気として受け、前記圧縮部が前記被圧縮ガスの圧送による反力として受けるスラスト力に対向する、反スラスト力を発生させるスラストバランスディスクとを備えた軸流圧縮機において、
前記ディフューザを経た後の前記被圧縮ガスの一部を、前記ディフューザの出口における前記被圧縮ガスの吐出方向に対して相反する方向に流れる前記抽気として前記スラストバランスディスクに導く抽気流路が設けられていることを特徴とする軸流圧縮機。 - 請求項１に記載の軸流圧縮機において、前記抽気は、前記スラストバランスディスクに対して、その回転方向と同一の周方向に向かって流れるように供給されることを特徴とする軸流圧縮機。
- 請求項２に記載の軸流圧縮機において、前記抽気は、ＴＯＢＩノズルを介して供給されることを特徴とする軸流圧縮機。
- 被圧縮ガスを圧縮する圧縮部と、上流側から下流側に向かって流路断面積が拡大され、前記圧縮部からの前記被圧縮ガスを減速させて圧力回復させて、圧縮部を収容したケースの外部に向かって前記被圧縮ガスを吐出させるディフューザと、前記圧縮部を経た後の前記被圧縮ガスの一部を抽気として受け、前記圧縮部が前記被圧縮ガスの圧送による反力として受けるスラスト力に対向する、反スラスト力を発生させるスラストバランスディスクとを備えた軸流圧縮機の、前記スラストバランスディスクに対して前記抽気を供給する方法において、前記ディフューザを経た後の被圧縮ガスの一部を、前記ディフューザの出口における前記被圧縮ガスの吐出方向に対して相反する方向に流れる前記抽気として前記スラストバランスディスクに導くことを特徴とする軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法。
- 請求項４に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、前記抽気を、前記スラストバランスディスクに対して、その回転方向と同一の周方向に向かって流すように供給することを特徴とする軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法。
- 請求項５に記載の軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法において、前記抽気を、ＴＯＢＩノズルを介して供給することを特徴とする軸流圧縮機のスラストバランスディスクへの抽気方法。
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