JP4355491B2

JP4355491B2 - 高圧多段遠心圧縮機

Info

Publication number: JP4355491B2
Application number: JP2002528687A
Authority: JP
Inventors: ファブリ，エリク，パウル
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: AU9152301A; DK1319132T3; DE60123642D1; CA2422443A1; KR100730970B1; EP1319132A1; DE60123642T2; WO2002025117A1; CA2422443C; EP1319132B1; KR20030038745A; US20030175128A1; AU2001291523B2; JP2004508500A; CN1253662C; BE1013692A3; US7044716B2; ATE341713T1; CN1461387A

Description

【０００１】
本発明は、圧縮機段として直列に配置された少なくとも二つの圧縮機要素と、これらの圧縮機要素を駆動する少なくとも二つの電動機とを有する高圧多段遠心圧縮機、に関する。
【０００２】
遠心圧縮機要素は、その比較回転数が最適値に近い場合に、高い効率を有する。比較回転数は、下記の式によって定義される。
【０００３】
【数１】

【０００４】
この式において、
Ｎ＝羽根車の回転速度
Ｑ_vol＝入口における容積流量
Ｃ’＝定数、ただし使用単位によって異なる。
ＤＨ＝圧縮機の断熱水頭、すなわち下記の式で表される。
【０００５】
【数２】

【０００６】
この式において、
π＝圧力比
Ｔ＝入口温度
ｃｐ＝ガスの定圧比熱
ｋ＝ガスの定圧比熱と定積比熱との比
【０００７】
高い効率、したがって小さな比消費量（ｓｐｅｃｉｆｉｃｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）すなわち小さな圧縮空気量あたりのエネルギー消費量を得るためには、圧縮機要素の設計において、Ｎｓが最適値に近くなるようにパラメータを選択する必要がある。
【０００８】
実際、Ｎｓの式によれば、同じ流量を有する設計の場合、大きな圧力比のときに回転速度を大きくする必要があり、一定の圧力比を有する設計の場合、小さな流量のときに回転速度を大きくする必要がある。
【０００９】
圧縮機要素の軸を電動機によって直接大きな回転速度で駆動する遠心圧縮機が公知である。
【００１０】
そのような遠心圧縮機では、高速電動機によって低速で直接駆動される通常の遠心圧縮機に比して、大きな圧力比を得るのに少ない段数しか必要でない。
【００１１】
高速電動機は、０．１・１０¹²以上の特性値Ｍ＝Ｐ・Ｎ²によって特徴づけられる。この式において、Ｐはエンジン動力（ｅｎｇｉｎｅｐｏｗｅｒ）（ｋＷ単位）であり、Ｎは分あたりの回転数で表される回転速度である。
【００１２】
高速駆動により、段あたりの大きな圧力比が可能になる。段が少ないということは、損失が少ないということである。
【００１３】
そのような遠心圧縮機においては、大きな損失を伴い、注油を必要とし、大きなスペースを占めるギヤボックスによる駆動がなされる通常の遠心圧縮機と異なり、ギヤボックスの使用が避けられる。
【００１４】
さらに、高速電動機は、通常の低速電動機に比して、ずっと小さい。
【００１５】
高速電動機は、大きな回転速度のために調節された軸受けを備えている。空気軸受けまたは磁気（ｍａｇｎｅｔｉｃ）軸受けを使用する場合、油が必要でなく、圧縮機は完全に油不要となり、したがって油潤滑を要する軸受けを有する圧縮機に比して、さらなる利点を有する。
【００１６】
問題は、高速電動機の動力と回転速度の制限、および高圧のための遠心圧縮機の必要から生じる。
【００１７】
高速電動機は、小さな容積したがって大きなエネルギー密度を特徴としている。寸法が小さい場合、冷却に関して独特の問題が生じる。
【００１８】
加えられる動力Ｐと排出されうる動力（ｈ・Ａ）との比は、無名数Ｍ’＝Ｐ／（ｈ・Ａ）である。ここで、Ａは基準熱交換表面積（ｓｕｒｆａｃｅ）であり、ｈは高温の電動機とそれより低温の環境との間の、場合によっては熱交換器を有する冷却システムによる、有効熱伝達係数である。
【００１９】
前記表面積は電動機の比長さ（ｓｐｅｃｉｆｉｃｌｅｎｇｔｈ）すなわち回転子の半径Ｒの平方に比例する。したがって、特性値Ｍ’は下記のように表現できる。
【００２０】
【数３】

【００２１】
また、回転子の半径は、Ｎを電動機の回転速度とし、Ｖを回転子の先端速度とするとき、ＶとＮとの比である。したがって、Ｍ’は下記の式で表すことができる。
【００２２】
【数４】

【００２３】
それぞれのタイプの熱交換において、ｈは定数であり、またそれぞれの材料において、Ｖは遠心張力（ｔｅｎｓｉｏｎｓ）の結果として制限される。
【００２４】
したがって、特性値Ｍ＝Ｐ・Ｎ²は、電動機の設計と製造の困難さの程度を示す値である。値Ｍが大きいほど、電動機の冷却が難しくなる。値Ｍが大きいと、より大きな効率（したがって、放出損失が小さくなければならない）、より大きな熱伝達係数、およびより大きな材料強度が必要になる。
【００２５】
これが意味するのは、実際上、大きな特性値Ｍを有する電動機は、より費用のかかる設計を必要とし、また小さな特性値Ｍを有する電動機に比して、開発に長い時間がかかる、ということである。
【００２６】
ターボ圧縮機の場合、必要な動力は下記の式で表される。
【００２７】
【数５】

【００２８】
この式で、
η＝圧縮機の断熱効率
ρ＝ガスの密度
Ｑ＝質量流量（ｍａｓｓｆｌｏｗ）
【００２９】
回転数Ｎは、妥当な比較回転数Ｎｓに応じて選択される。
【００３０】
【数６】

【００３１】
この式から、下記の式が得られる。
【００３２】
【数７】

【００３３】
上の式で、Ｃは定数である。この式は、直接駆動される遠心圧縮機のための電動機が、大きな圧力比（π）の場合と入口における密度の大きな大圧力の段の場合とにはより実現が難しい、ということを示している。
【００３４】
前記考察から明らかなように、高圧への圧縮を、一段で単一の駆動装置により実現するのは非常に難しい。
【００３５】
そのため、特性値Ｍを低く保つための解決策を探さなければならない。
【００３６】
わかりやすい解決策は、圧縮を複数の段で行い、このとき複数の電動機を使用し、たとえば一つを低圧段のために、一つを高圧段のために使用する、というものである。
【００３７】
しかし、最後の式から明らかなように、高圧段のための高圧はずっと大きな特性値Ｍと結びついている。これは実現が難しい。
【００３８】
したがって、設計者は小さなＮｓしたがって低効率で満足しなければならない。
【００３９】
低圧段と高圧段の圧力比を最適配分すること、すなわち最初の段の圧力比を、最終段の圧力比よりも大きく設定することにより、ある程度の改良を得ることができる。
【００４０】
しかし、この改良は限られたものである。３よりも大きな圧力比の場合には、マッハ数（Ｍａｃｈｖａｌｕｅ）損失（衝撃損失）が大きく増大するからである。
【００４１】
本発明の目的は、前記欠点を除去することである。
【００４２】
この目的は、本発明により、低圧段を形成し、電動機によって駆動される少なくとも一つの圧縮機要素のほかに、高圧段を形成し、直列に配置されて、同一の第二の電動機によって駆動される少なくとも二つの圧縮機要素を有する遠心圧縮機、によって実現される。
【００４３】
実際、この遠心圧縮機においては、公知の多段遠心圧縮機の高圧段が、同一の高速電動機によって駆動される少なくとも二つの高圧段によって置き換えられる。これにより、高圧段における圧力比が大きく低下し、その結果、回転速度を割合に小さくすることができる。
【００４４】
高圧段を形成する圧縮機要素の回転子は、第二の電動機によって駆動される同一の軸に一緒に取りつけることができる。
【００４５】
さらに、これらの高圧段における圧力比は、これらの高圧段の比較回転数が最適比較回転数からあまりずれないように、選択することができる。
【００４６】
好ましくは、これらの電動機は同等のものである。すなわち、同じ電磁固定子部品、および／または同じ電磁回転子部品、および／または同じ軸受け、および／または同じ冷却部品を有する。
【００４７】
これらの電動機は好ましくは高速電動機である。
【００４８】
この遠心圧縮機は、前記高圧段の直列配置圧縮機要素の間に圧縮ガスのための中間冷却器を有することができる。
【００４９】
以下、本発明の特徴をさらに十分に説明するために、本発明による高圧多段遠心圧縮機の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しつつ、説明する。この実施形態は単なる例であり、いかなる意味でも本発明を限定するものではない。
【００５０】
図１に示す高圧多段遠心圧縮機は、大体において、回転子が第一の高速電動機３によって軸２を通じて駆動される第一の圧縮機要素１によって形成される低圧段と、回転子が同一の軸６に固定されており、したがって単一の高速電動機７によって同一の軸６を通じて駆動される、直列配置の二つの圧縮機要素４と５によって形成される二つの高圧段とから成る。
【００５１】
吸入管８が接続されている圧縮機要素１は、圧縮空気ライン９によって圧縮機要素４に接続されている。この圧縮空気ラインには、周囲空気または冷却水によって冷却される中間冷却器１０が取りつけてある。
【００５２】
圧縮機要素４の圧縮空気ライン１１は、圧縮機要素５に接続されており、該要素５には、その出口に圧縮空気ライン１２が備えてある。圧縮空気ライン１１には、圧縮機要素４と５との間に、周囲空気または冷却水によって冷却されるもう一つの中間冷却器１３が配置されている。
【００５３】
中間冷却器１０と１３は、圧縮ガスが通り抜ける放熱器１４と、これに対向するように備えてあるファン１５とから成ることができる。
【００５４】
二つの高圧段の圧力比したがって二つの圧縮機要素の圧力比は、これらの比較回転数Ｎｓが最適の値からあまり大きくずれないように選択される。
【００５５】
さらに、ここに示す実施形態の場合、これらの圧力比も、同じ電動機が使用できるように選択される。すなわち、高速電動機３と７は同等のものであり、これは、これらの電動機が、同じ電磁固定子部品、および／または同じ電磁回転子部品、および／または同じ軸受け、および／または同じ冷却部品を有する、ということを意味する。
【００５６】
吸入管８によって吸入されたガスたとえば空気は、まず低圧圧縮機要素１によって低圧圧縮され、次に圧縮機要素４と５によって順次に最終圧まで二段圧縮される。
【００５７】
高圧段を二段に分けることにより、段すなわち圧縮機要素あたりの圧力比πが大きく減少し、したがって高速電動機７の必要回転速度Ｎが大きく減少する。
【００５８】
この三つの結合された段により、どの段においても圧力比３を越えることなく、大気圧状態から有効圧７〜８．６ｂａｒを実現することができる。したがって、部品の数が少なくなり、衝撃損失も低下する。
【００５９】
さらに、直列に配置された段の間で空気の中間冷却を行うことにより、電気エネルギーの消費が少なくなるというさらなる利点も与えられる。
【００６０】
同等の電動機の使用は経済面での利点を与え、異なる部品の少ないモジュール化の利点を与えるが、別の実施形態においては、高速電動機３と７を異なるものにすることができる。
【００６１】
同じ高速電動機７によって駆動される高圧段の数が二つであるということは、必ずそうでなければならないということではない。三つ以上の高圧段を使用しても良い。
【００６２】
また、この遠心圧縮機は、直列にいくつかの低圧段を有するようにして、各段が、専用の高速電動機で駆動される圧縮機要素を有するようにすることができる。
【００６３】
本発明は、決して添付の図面に示す前記実施形態に限定されるものではなく、逆に、本発明の高圧多段遠心圧縮機は、本発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる種類の変形を加えて製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高圧多段遠心圧縮機を示す。
【符号の説明】
１第一の圧縮機要素
２軸
３高速電動機
４圧縮機要素
５圧縮機要素
６軸
７高速電動機
８吸入管
９圧縮空気ライン
１０中間冷却器
１１圧縮空気ライン
１２圧縮空気ライン
１３中間冷却器
１４放熱器
１５ファン

Claims

高圧多段遠心圧縮機であって、圧縮機段として直列に配置された少なくとも二つの圧縮機要素（１、４、５）と、これらの圧縮機要素（１、４、５）を駆動する少なくとも二つの電動機（３、７）とを有する高圧多段遠心圧縮機において、
低圧段を形成し、電動機（３）によって駆動される少なくとも一つの圧縮機要素（１）のほかに、高圧段を形成し、直列に配置されて、同一の第二の電動機（７）によって駆動される少なくとも二つの圧縮機要素（４、５）を有する、ことを特徴とする高圧多段遠心圧縮機。
高圧段を形成する圧縮機要素（４，５）の回転子が、第二の電動機（７）によって駆動される同一の軸（２）に取りつけられることを特徴とする請求項１に記載の高圧多段遠心圧縮機。
電動機（３）と電動機（７）が同じ電磁固定子部品または同じ電磁回転子部品または同じ軸受けまたは同じ冷却部品を有することを特徴とする請求項１または２に記載の高圧多段遠心圧縮機。
圧縮されたガスのための中間冷却器（１３）を有し、該冷却器が、直列に配置された前記高圧段の圧縮機要素（４、５）の間に配置されていることを特徴とする請求項１から３の中のいずれか１つに記載の高圧多段遠心圧縮機。