JP4351232B2 - 低温適用用のターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングと、このハウジング内に軸受けされたロータ軸と、このロータ軸の軸端部に配設された、低温ガスの作用を受けるインペラと、ロータ軸に配設されたロータとハウジング内に配設されたステータコイルを備える、ハウジングに統合された電気機械とを有する低温適用用のターボ機械であって、ターボ機械の運転時に、ハウジング内でインペラ側の端部に低温ゾーンが、インペラとは反対側の端部に高温ゾーンが形成される、ターボ機械に関する。

前記の特徴を有するターボ機械は、特許文献１から、及び実務の種々の形成において公知であり、例えば、蒸発する液化ガス（ＬＮＧ）の圧縮及び輸送のため、又は空気の極低温分解の際にガスを膨張させるために使用される。この場合、電気機械は、ターボコンプレッサの駆動モータか、膨張タービンを制動するためのエネルギー回生電流ジェネレータかのいずれかとして働く。インペラと電気機械のロータが共通の軸に配設されているターボ機械は、高回転数で運転され、これから、電気機械でも軸の軸受でも相当な熱の発生が生じる。低温領域のガスでターボ機械を運転することにより、ハウジングに大きな温度勾配が生じることがあり、この場合、温度変化は、ターボ機械の運転方法に依存している。例えば全負荷運転で、最大運転回転数時に電気機械並びに特に自由な軸端部の軸受における些細でない熱の発生は、軸受及び電気機械の部分を熱的な過熱から保護するために冷却を必要とする著しい加熱を生じさせることになる。これに反して部分負荷運転では、即ち場合によっては回転数を低下させて電気機械の出力が低い場合には、電気機械のインペラ側の端部並びにインペラ側の軸受は、極端に冷却され、しかも電気機械のハウジング内部と軸受からターボ機械の低温段への熱交換によって冷却される。このため、ターボ機械段からフランジ止めされた電気機械のハウジングへの低温ガスの漏れが場合によっては生じる。その際に電気機械及び軸受で使用される材料に対して許容された最低温度を下回った場合、この領域は加熱されなければならない。

冷却及び加熱をするため、通常はただ１つの圧縮ガス源−例えば、インストルメントエア、遮断窒素、又は少なくとも１０°Ｃ〜４０°Ｃの温度で使用可能である清浄なプロセスガス−が使用可能である。圧縮ガス源として使用可能であるガス−インストルメントエア、遮断窒素又はプロセス空気−は、効果的な冷却のためには高温に過ぎ、効果的な加熱のためには低温に過ぎる。ハウジングの低温ゾーンの加熱と高温ゾーンの冷却のどちらのためにも、相当の圧縮ガスのマスフローが必要であり、この圧縮ガスのマスフローは、ターボ機械の運転コストにマイナスの影響を与えるか、圧縮ガスの量産用の追加投資さえも必要にする。

特許文献２から、多段式のターボエキスパンダとして形成されているターボ機械が公知である。ターボエキスパンダは、２つの端部側のインペラと軸上に取り付けられるロータとを有する、ハウジング内に軸受けされたロータ軸を備え、ロータは、ステータコイルと共にハウジング内でジェネレータとして働く。圧縮ガスは、インペラの１つの先ず第１のタービン段で、次に第２のタービン段で膨張され、ガスは、圧力低下のもとでジェネレータを駆動して冷却される。ガスは、先ず軸に対応するインペラの端部で第１の膨張段を経て、次にインペラの前端部で第２の膨張段を経て案内される。第１の膨張段を経て案内されるガス流は、インペラを冷却し、第２の膨張段を経て案内されるガス流をハウジングから絶縁する。

特許文献３は、ハウジング内に軸受けされたロータ軸を有する２段式のコンプレッサに関する。軸を駆動する電気機械は、ロータ軸に配設されたロータと、ハウジング内に配設されたステータコイルとによって構成されている。ロータ軸の端部には、それぞれ１つのインペラが配設されている。環境から吸い込まれる空気は、第１の圧縮段で圧縮され、ガスクーラ内で冷却される。第１の圧縮段で圧縮され、次に冷却されたガスの一部は、冷却ガス流としてバイパス弁を介して電気機械を冷却するためにハウジングに導入される。冷却ガスは、電気機械を本質的に半径方向に貫流し、排出口を経て第１の圧縮段の供給ラインに導かれる。
独国特許出願公開第１０３ １０ ６７７号明細書 米国特許第４ ７９２ ２７８号明細書 米国特許第５ ９８０ ２１８号明細書

本発明の基本にある課題は、冒頭で説明した特徴を有するターボ機械のために、ハウジング内の温度補償のために必要な圧縮ガス量をターボ機械の全ての運転条件で自動的に最小化する装置を提供することにある。

本発明の対象及びこの課題の解決策は、ハウジングと、このハウジング内に軸受けされたロータ軸と、このロータ軸の軸端部に配設された、低温ガスの作用を受けるインペラと、ロータ軸に配設されたロータとハウジング内に配設されたステータコイルとを備える、ハウジングに統合された電気機械とを有する低温適用用のターボ機械であって、ターボ機械の運転時に、ハウジング内でインペラ側の端部に低温ゾーンが、インペラとは反対側の端部に高温ゾーンが形成される、ターボ機械において、ハウジングが、少なくとも２つの圧縮ガス用の圧縮ガス接続部を備え、これら圧縮ガス接続部の内の一方の接続部が、低温ゾーンに付設されたハウジング部分に、他方の接続部が、高温ゾーンに付設されたハウジング部分に配設されていること、圧縮ガス接続部に、この圧縮ガス接続部を交互に圧縮ガス供給ライン又は排出ラインと接続するそれぞれ１つの弁装置が付設されていること、弁装置が、低温ゾーンと高温ゾーンに生じる温度に応じて圧縮ガス用の貫流方向を確定し、かつ弁装置を相応に制御する制御装置に接続されていることを特徴とするターボ機械である。例えば全負荷運転中の高温ゾーン内の過熱を抑制するため、圧縮ガスは、低温ゾーンに付設された圧縮ガス接続部を経てハウジング内に流入し、高温ゾーン内の圧縮ガス接続部を経てハウジングから出る。流入する圧縮ガスは、この圧縮ガスが電気機械及び軸受の過熱領域に達し、これによりこれら領域をより効果的に、即ちより少ないガス量で冷却するまで、極低温のターボ機械段の低温環境及びこれらの段からの万が一の低温ガスのリークによって先ず更に冷却される。例えばターボ機械の部分負荷運転中に低温ゾーンを加熱するため、弁装置は、圧縮ガスが高温ゾーンに付設された圧縮ガス接続部を経てハウジング内に流入し、低温ゾーン内の圧縮ガス接続部を経てハウジングから出るように切り替えられる。ハウジング内に流入する圧縮ガスは、この場合、圧縮ガスが電気機械並びに軸受部の過冷領域に達し、これによりこれら領域をより効果的に、即ちより少ないガス量で加熱するまで、電気機械の加熱環境を経て先ず更に加熱される。

ロータ軸と電気機械のステータコイルとロータ軸の両端部の軸受とは、圧縮ガスと熱交換している。

ハウジングに供給された圧縮ガス量は、全負荷運転中に高温ゾーン内の温度が所定の温度領域内に維持され、部分負荷運転中に低温ゾーン内で、同様に所定の温度領域内にある温度が生じるように、温度に依存してコントロールされる。従って、圧縮ガス供給ライン内に、好ましくは低温ゾーンと高温ゾーンで生じた温度に依存してガスのマスフローをコントロールするためのコントロールバルブが配設されている。

弁装置は、配管によってそれぞれハウジング、圧縮ガス供給ライン及び排出ラインの圧縮ガス接続部と接続されている３方弁として形成することができる。

別の形成で、本発明は、ハウジングが、高温ゾーンと低温ゾーン間の中央のハウジング部分に、圧縮ガス供給ラインと接続されている第３の圧縮ガス接続部を備え、第３の圧縮ガス接続部と圧縮ガス供給ライン間の接続ライン内に、制御装置によって切り替えられる開／閉−弁が配設されていることを教授する。この形成は、ハウジング内での圧縮ガスの対称なガスの分配も可能にする。圧縮ガスが、弁の開放時に第３の圧縮ガス接続部を経てハウジング内に供給され、他の２つの圧縮ガス接続部の弁装置が、圧縮ガスの一部が低温ゾーン内の圧縮ガス接続部から出て、圧縮ガスの他の部分が高温ゾーン内の圧縮ガス接続部から出るように形成されている場合に、対称なガスの分配が生じる。ハウジング内での対称な圧縮ガスの分配は、通常は短時間の不定の温度発生が電気機械に生じる場合のために設けられている。このような不定の温度発生は、例えば、ターボ機械が、−継続運転中でのように−低温ガスで運転される代わりに一時的に高温ガスで運転されなければならず、この短時間の運転の間に電気機械の両端及び両方の端部側の軸受が冷却されなければならない場合に生じる。

更なる形成では、ハウジングが、第３の圧縮ガス接続部と低温ゾーンの圧縮ガス接続部間に、排出ラインと接続された圧縮ガス用のガス出口を備え、ガス出口と排出ライン間の接続ライン内に、制御装置によって切り替えられる遮断弁が配設されている。この形成は、高温領域の冷却と低温領域の加熱を同時に可能にし、圧縮ガスの大量使用を我慢しなければならない。圧縮ガスは、弁の開放時に第３の圧縮ガス接続部を経てハウジング内に流入し、高温ゾーンの圧縮ガス接続部を経てハウジングから出る。この圧縮ガス接続部内に付設された弁装置は、高温ゾーンの圧縮ガス接続部が排出ラインと接続されるように切り替えられる。第２の圧縮ガス流は、低温ゾーン内に配設された圧縮ガス接続部を経て、ハウジングの、ターボ機械のインペラもしくは低温段に隣接し、排出ラインと接続されたガス出口を経てハウジングから出る部分に直接流入する。ガス出口は、低温ゾーンの圧縮ガス接続部と第３の圧縮ガス接続部間に配設されている。説明した流れの案内は、電気機械の自由端での過熱が、同時に、インペラ側の端部の許容不能の過冷を伴うというむしろ稀な場合のために想定されている。この場合は、短時間だけ生じ、例えば、欠陥のあるシールによって低温ガスの大きなリーク流がハウジング内に入るか、自由な軸端部の軸受の損害の開始によって強い加熱が生じることによって引き起こされ得る。

以下で、ただ１つの実施例を図示した図面を基にして本発明を説明する。この唯一の図は、モータ駆動機構を統合したターボ機械を経る縦断面を概略的に示す。

実施例で図示したターボ機械は、低温の液体を貯蔵する際に蒸発によって生じる炭化水素ガスの排気及び圧縮をするための１段式のターボコンプレッサである。ターボコンプレッサ段は、環境圧で例えば−１４０°Ｃの温度のガスを吸い込み、このガスをインペラによって約２ｂａｒ（１ｂａｒの過圧）に圧縮し、ガスは、約−１１０°Ｃに加熱された。統合された電気の駆動機構は、典型的に１２０００ｒｐｍの回転数で約１２００ｋＷの出力を有する。

ターボ機械は、低温領域で作動するコンプレッサ段１と、このコンプレッサ段にフランジ止めされたハウジング２とを備える。ハウジング２内に、ロータ軸３が軸受されており、このロータ軸の軸端部に、低温ガスの作用を受けるコンプレッサ段１のインペラ４が配設されている。ハウジング２に、ロータ軸３に配設されたロータ６とハウジングに配設されたステータコイル７とを備える電気機械５が統合されている。ターボ機械の運転の際に、ハウジング２内でインペラ側の端部に低温ゾーンＫが構成され、インペラとは反対側の端部に高温ゾーンＷが構成される。ハウジング２は、少なくとも２つの圧縮ガス用の圧縮ガス接続部８，９を備え、これら圧縮ガス接続部の内の一方の接続部８は、低温ゾーンＫに付設されたハウジング部分に、他方の接続部９は、高温ゾーンに付設されたハウジング部分に配設されている。圧縮ガス接続部８，９には、それぞれ１つの弁装置１０，１１が付設されており、この弁装置は、圧縮ガス接続部を交互に圧縮ガス供給ライン１２又は排出ライン１３と接続し、この実施例では、ハウジングの圧縮ガス接続部８もしくは９、圧縮ガス供給ライン１２及び排出ライン１３と接続されている３方弁を備える。弁装置１０，１１は、制御装置１４に接続されており、この制御装置は、低温ゾーンＫ及び高温ゾーンＷ内で生じた温度に応じて、圧縮ガス用の貫流方向を確定し、弁装置１０，１１を相応に制御する。ハウジング２を貫流する際に、ロータ軸３、ステータコイル７及び軸受１５，１５’は、ロータ軸３の両端で圧縮ガスと熱交換している。

特に全負荷運転で生じる高温ゾーンＷ内の過熱を減少させるため、弁装置１０，１１は、圧縮ガスが低温ゾーンＫに付設された圧縮ガス接続部８を経てハウジング２に流入し、高温ゾーンＷ内の圧縮ガス接続部９を経てハウジングから出るように形成されている。圧縮ガスは、この場合、先ず電気機械５の低温領域内に導入され、そこから、電気機械及び相応の軸受１５のハウジング内の間隙及び適当な熱交換面を経て導かれ、そこで先ず、強制的に電気機械及び軸受１５’の過熱部分に達するまで更に冷却され、ここで、次に、マスフロー単位毎に、冷却されないでそこに導入される場合よりも多くの熱を、これらの部分を冷却するために吸収することができる。特にターボ機械の部分負荷運転では、自由な軸端部における加熱ではなく、インペラ側の端部、即ちターボコンプレッサ段１の近傍における冷却が臨界的である。部分負荷運転中、即ち回転数が場合によっては低減されて電気機械の出力が少ない場合、電気機械５のインペラ側の端部とインペラ側の軸受１５は、電気機械５のハウジング内部及び軸受１５からターボ機械の低温段への熱交換、並びにコンプレッサ段１から電気機械５のフランジ止めされたハウジング２への万が一の低温ガスのリークによって冷却される。この場合、弁装置１０，１１は、圧縮ガスが、低温ゾーンＫを加熱するために、高温ゾーンＷに付設された圧縮ガス接続部９を経てハウジング２内に流入し、低温ゾーンＫ内の圧縮ガス接続部８を経てハウジングから出るように、制御装置１４によって切り替えられる。圧縮ガスは、先ず電気機械５の高温領域に導入され、そこから、電気機械並びに相応の軸受１５’のハウジング内の間隙及び熱交換面を経て導かれ、そこで先ず、過冷部分に達するまで更に加熱され、そこで、次に、マスフロー単位毎に、加熱されずにそこに導入される場合よりも多くの熱を、これら部分を加熱するために放出することができる。

圧縮ガスマスフローは、低温ゾーンＫ及び高温ゾーンＷ内に生じた温度に依存してコントロールされる。このため、圧縮ガス供給ライン１２内に、制御装置１４と接続されているコントロールバルブ１６が配設されている。この場合、ハウジング２内に生じた温度プロフィルに依存して、弁装置１０，１１が切り替えられる。いわゆる「クールモード」で、圧縮ガスマスフローが、高温ゾーンＷ内の圧縮ガス接続部９に供給される。「ホットモード」で、圧縮ガスは、低温ゾーンＫの圧縮ガス接続部８を経て流入する。制御装置は、ハウジング内で検出された温度プロフィルに応じて、「クールモード」に設定するか、「ホットモード」に設定するかを確定する。

ハウジング２は、高温ゾーンＷと低温ゾーンＫ間の中央のハウジング部分に、圧縮ガス供給ライン１２と接続されているもう１つの第３の圧縮ガス接続部１７を備える。第３の圧縮ガス接続部１７と圧縮ガス供給ライン１２間の接続ライン内に、制御装置１４によって切り替えられる開／閉−弁１８が配設されている。更に、ハウジング２は、第３の圧縮ガス接続部１７と低温ゾーンＫの圧縮ガス接続部８間に、排出ライン１３と接続された圧縮ガス用のガス出口１９を備え、ガス出口１９と排出ライン１３間の接続ライン内に、同様に制御装置によって切り替えられる遮断弁２０が配設されている。この配設により、低温ゾーンＫと高温ゾーンＷ間の中央のハウジング部分内の圧縮ガスをハウジング２に供給することが可能であり、圧縮ガス流は、分割され、高温ゾーンＷの圧縮ガス接続部９と、低温ゾーンＫ又は低温ゾーンの近傍に配設されたガス出口１９との両方を経て、ハウジングから出る。前記の配設により、電気機械５の対称に分割された貫流が可能である。付加的に、圧縮ガスは、インペラ側の圧縮ガス接続部８を経て適切に低温ゾーンＫに供給することができ、電気機械５のコンプレッサ段１に隣接する部分と、この領域内にも配設された軸受１５を加熱し、ガス出口１９を経てハウジングから出る。場合によっては付加的に低温ゾーンに供給される圧縮ガス流と関連する前記の対称に分割された電気機械５の貫流は、同時に、高温ゾーンＷ内で電気機械５の自由端が過熱され、コンプレッサ段１に隣接する領域が過冷されるか、両方の領域が過熱されている、むしろ稀な場合のために設けられている。これらの運転例は、通常の場合は長続きせず、ターボ機械を一時的に、連続運転中のように極低温のキャリヤガスの代わりに高温のキャリヤガスで運転されなければならない場合か、例えば損傷のあるシールを経て低温ガスの大きなリーク流が電気機械を取り囲むハウジング２内に流入する場合に生じる。

この実施例では、ターボ機械は、軸受１５，１５’として磁気軸受を備える。磁気軸受の代わりに、基体軸受又は転がり軸受も使用可能である。

この実施例では、インペラ４は、電気機械５のロータ６によって駆動されるターボコンプレッサホイールである。ターボ機械は、ターボコンプレッサとして働く。本発明は、同様に、ターボ機械段がコンプレッサ段ではなくタービン段である場合に、即ちインペラ４がタービンホイールとして設定され、電気機械５がジェネレータとして運転される場合でも適当である。

モータ駆動機構を統合したターボ機械を経る縦断面を概略的に示す。

符号の説明

１ コンプレッサ段
２ ハウジング
３ ロータ軸
４ インペラ
５ 電気機械
６ ロータ
７ ステータコイル
８ 圧縮ガス接続部
９ 圧縮ガス接続部
１０ 弁装置
１１ 弁装置
１２ 圧縮ガス供給ライン
１３ 排出ライン
１４ 制御装置
１５ 軸受
１５’ 軸受
１６ コントロールバルブ
１７ 圧縮ガス接続部
１８ 開／閉−弁
１９ ガス出口
２０ 遮断弁
Ｋ 低温ゾーン
Ｗ 高温ゾーン

Claims (6)

1. ハウジング（２）と、このハウジング内に軸受けされたロータ軸（３）と、このロータ軸（３）の軸端部に配設された、低温ガスの作用を受けるインペラ（４）と、ロータ軸（３）に配設されたロータ（６）とハウジング（２）内に配設されたステータコイル（７）とを備える、ハウジング（２）に統合された電気機械（５）とを有する低温適用用のターボ機械であって、ターボ機械の運転時に、ハウジング（２）内でインペラ側の端部に低温ゾーン（Ｋ）が、インペラとは反対側の端部に高温ゾーン（Ｗ）が形成される、ターボ機械において、
   ハウジング（２）が、少なくとも２つの圧縮ガス用の圧縮ガス接続部（８，９）を備え、これら圧縮ガス接続部の内の一方の接続部が、低温ゾーン（Ｋ）に付設されたハウジング部分に、他方の接続部が、高温ゾーン（Ｗ）に付設されたハウジング部分に配設されていること、圧縮ガス接続部（８，９）に、この圧縮ガス接続部を交互に圧縮ガス供給ライン（１２）又は排出ライン（１３）と接続するそれぞれ１つの弁装置（１０，１１）が付設されていること、弁装置（１０，１１）が、低温ゾーン（Ｋ）と高温ゾーン（Ｗ）に生じる温度に応じて圧縮ガス用の貫流方向を確定し、かつ弁装置（１０，１１）を相応に制御する制御装置（１４）に接続されていることを特徴とするターボ機械。
2. ロータ軸（３）とステータコイル（７）とロータ軸（３）の両端部の軸受（１５，１５’）とが、圧縮ガスと熱交換していることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
3. 圧縮ガス供給ライン（１２）内に、低温ゾーン（Ｋ）と高温ゾーン（Ｗ）で生じた温度に依存してガスのマスフローをコントロールするためのコントロールバルブ（１６）が配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ機械。
4. 弁装置（１０，１１）が、配管によってそれぞれハウジング、圧縮ガス供給ライン（１２）及び排出ライン（１３）の圧縮ガス接続部（８もしくは９）と接続されている３方弁を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のターボ機械。
5. ハウジング（２）が、高温ゾーン（Ｗ）と低温ゾーン（Ｋ）間の中央のハウジング部分に、圧縮ガス供給ライン（１２）と接続されている第３の圧縮ガス接続部（１７）を備え、第３の圧縮ガス接続部（１７）と圧縮ガス供給ライン（１２）間の接続ライン内に、制御装置（１４）によって切り替えられる開／閉−弁（１８）が配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のターボ機械。
6. ハウジング（２）が、第３の圧縮ガス接続部（１７）と低温ゾーン（Ｋ）の圧縮ガス接続部（８）間に、排出ライン（１３）と接続された圧縮ガス用のガス出口（１９）を備えること、ガス出口（１９）と排出ライン（１３）間の接続ライン内に、制御装置（１４）によって切り替えられる遮断弁（２０）が配設されていることを特徴とする請求項５に記載のターボ機械。

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