JP4927129B2 - ラジアルガスエキスパンダ - Google Patents

Description

本発明は、単一軸上にインペラ動翼が多段に配列されてなるラジアルガスエキスパンダ（半径流ガス膨張機）に関する。

ガスエキスパンダは、プラント側より排出される高圧のガスを吸込み、膨張させてガスの圧力エネルギーを速度エネルギー（機械エネルギー）に変換させることにより動力を回収し、駆動モータ等の動力を低減させる目的に利用されていることは特許文献１等で良く知られている。

このガスエキスパンダにおいて、高圧力比をカバー（吸収）するため又は高性能化を図るためにガスエキスパンダを多段に設ける必要がある場合、例えば図４に示すようなギアドタイプ（増速歯車式）のラジアルガスエキスパンダが考えられる（特許文献２参照）。

これによれば、ギアケーシング１００に軸受１０１Ａを介してエキスパンダホイール軸１０２が支持されると共に、このエキスパンダホイール軸１０２と平行な複数本のエキスパンダピニオン軸（インペラ軸）１０３がギアケーシング１００に軸受１０１Ｂを介してそれぞれ支持される。図示された一方のエキスパンダピニオン軸１０３の両端にはＡ，Ｂ及びＣ，Ｄの高圧段のエキスパンダ羽根車（インペラ動翼）１０４が配列されると共に、他方のエキスパンダピニオン軸１０３の両端にはＥ及びＦの低圧段のエキスパンダ羽根車（インペラ動翼）１０４が配列される。

そして、各段においては、プラント側から排出された高温・高圧のガスが、渦巻きケーシングとして構成された流入ケーシング１０５と、円板環状空間１０６に設けられた案内羽根（ノズル翼）１０７とから、エキスパンダ羽根車１０４へと吸入されて膨張し、出口円錐ディフューザ１０８から排出されるようになっている。また、前記ガスを吸込み、膨張させて回収した動力がギアトレインを介してエキスパンダホイール軸１０２に伝達され、図示しない駆動モータ等の動力が減らされるようになっている。尚、一方のエキスパンダピニオン軸１０３では、第１段のエキスパンダ羽根車１０４から出たガスは、戻り環（リターンベンド）１０９を介して第２段のエキスパンダ羽根車１０４側に吸入され、２段階に亙ってガスの吸込み、膨張が繰り返されるようになっている。

特許第３４５７８２８号公報（第２頁、図６） 特開平６−１９３５８５号公報（第７頁、図２４） 特開平３−１６８３０４号公報（第１頁、第１図）

しかしながら、図４に示すようなギアドタイプのラジアルガスエキスパンダにあっては、多段化に伴いエキスパンダピニオン軸（インペラ軸）１０３の本数増大を招来し、これに伴い複数の高圧シールと高圧ケーシングが必要となる。

そのため、高圧、高圧力比の条件下におけるガスリークや軸振動等の機械の信頼性に対する不安要因が多く、信頼性確保が困難であるという問題点があった。

尚、図４に示したラジアルガスエキスパンダにおける一方のエキスパンダピニオン軸１０３の両端にはＡ，Ｂ及びＣ，Ｄの高圧２段のラジアルガスエキスパンダがそれぞれ設けられているが、これらはともに軸受１０１Ｂの外側に位置したエキスパンダピニオン軸１０３の自由端側に所謂片持ち式で支持されるため、軸振動が増大することに問題があり、２段が限度で多段化には無理があると共に、高圧、高圧力比の条件下では到底対応することができないという欠点がある。

そこで、本発明は、高圧、高圧力比の条件下に十分対応することが可能な信頼性の高い一軸多段のラジアルガスエキスパンダを提供することを目的とする。

尚、特許文献３では、ロータにガスエキスパンダを多段に配列した発電装置が開示されているが、これはアキシャルガスエキスパンダ（軸流ガス膨張機）であり、ラジアルガスエキスパンダとは圧力のレベルが異なり、高圧、高圧力比の条件下では到底適用することができない。

斯かる目的を達成するための本発明に係るラジアルガスエキスパンダは、
単一ロータ軸上の軸受間に２段以上のインペラ動翼を配列してなるラジアルガスエキスパンダセクションを単一ケーシングに内蔵し、
前記ラジアルガスエキスパンダセクションは、段間を結ぶリターンベンドが形成されたダイアフラムを軸方向に複数連接して設けられると共に、前記リターンベンドには、インペラ動翼のプロフィルに対応したガス流れを生起するノズル翼と、次段入口へのガス流れを効率の良いガス流れにするためのリターンベーンと、がそれぞれ介装されてなり、
かつ、前記ラジアルガスエキスパンダセクションは２セクション以上に亘って仕切板により各々隔絶されて設けられると共に、各セクション毎に前記単一ケーシングの吸込ポートに連通するガス入口と吐出ポートに連通するガス出口を有することを特徴とする。

また、
前記ラジアルガスエキスパンダセクションは、ガス流れ方向がロータ軸の相反方向に二分されるように２セクション以上設けられることを特徴とする。

本発明に係るラジアルガスエキスパンダによれば、多段でも単一軸で済むので、従来のギアドタイプのラジアルガスエキスパンダ等と比較して高圧シールや高圧ケーシングを最少個数にできる。また、単一軸上の軸受間にラジアルガスエキスパンダセクションが設けられるため、複数軸に比べて軸アライメントの考慮が容易であると共に、片持ち式のラジアルガスエキスパンダセクションに比べて軸振動の設計も容易である。加えて、単一ケーシングで済むので、軸中心線位置で簡単にサポートできる。

これらの結果、高圧、高圧力比の条件下におけるガスリークや軸振動等の機械の信頼性に対する不安要素は払拭され、より信頼性の高い一軸多段のラジアルガスエキスパンダが実現される。

本発明の一実施例を示す一軸多段ラジアルガスエキスパンダの正断面図である。 図１の吹き出しにおけるＡ矢視図である。 図１の吹き出しにおけるＢ矢視図である。 従来のギアドタイプのラジアルガスエキスパンダの正断面図である。

以下、本発明に係るラジアルガスエキスパンダを実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す一軸多段ラジアルガスエキスパンダの正断面図、図２は図１の吹き出しにおけるＡ矢視図、図３は図１の吹き出しにおけるＢ矢視図である。

図１に示すように、単一の胴型（筒型）ケーシング１０に、ガス流れ方向がロータ軸方向に反対となる２つのラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂが内蔵される。また、胴型ケーシング１０には、一方のラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａのガス入口（ポート）１２ａに連通する吸込ポート１０ａと他方のラジアルガスエキスパンダセクション１１Ｂのガス入口（ポート）１２ｂに連通する吸込ポート１０ｂが形成されると共に、一方のラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａのガス出口（ポート）１２ｃに連通する吐出ポート１０ｃと他方のラジアルガスエキスパンダセクション１１Ｂのガス出口（ポート）１２ｄに連通する吐出ポート１０ｂが形成される。

前記２つのラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂは、胴型ケーシング１０の長手方向に抜け出し可能に連接された複数枚（図示例では１１枚）のダイアフラム（円板環状の仕切板）１５，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂを有し、中央のダイアフラム１５とその一側方（図中左方）の５つのダイアフラム１６ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ，２０ａとで一方のラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａが、また中央のダイアフラム１５とその他側方（図中右方）の５つのダイアフラム１６ｂ，１７ｂ，１８ｂ，１９ｂ，２０ｂとで他方のラジアルガスエキスパンダセクション１１Ｂが構成されるようになっている。

即ち、前記各ダイアフラム１５，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂの中央を単一軸からなるロータ軸１３が貫通し、このロータ軸１３の両端部は２つのラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂにおける各々の端板でもある２つのダイアフラム２０ａ，２０ｂに軸受２１ａ，２１ｂを介して回転可能に支持されている。また、各軸受２１ａ，２１ｂの内側に位置したダイアフラム２０ａ，２０ｂの内周部にはドライガスシール２２ａ，２２ｂが収装される。

そして、前記ロータ軸１３上には、一方のラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ用の複数段（図示例では４段）のインペラ動翼１４ａ〜１４ｄと、他方のラジアルガスエキスパンダセクション１１Ｂ用の複数段（図示例では４段）のインペラ動翼１４ｅ〜１４ｈが、互いに向きを反対にして配列されている。

また、中央のダイアフラム１５とその両側に位置するダイアフラム１６ａ，１６ｂとの接触面間に、前述した吸込ポート１０ａ，１０ｂにそれぞれ連通するガス入口１２ａ，１２ｂが形成されると共に、前述した端板でもある２つのダイアフラム２０ａ，２０ｂとそれらに隣接するダイアフラム１９ａ，１９ｂとの接触面間に、前述した吐出ポート１０ｃ，１０ｄにそれぞれ連通するガス出口１２ｃ，１２ｄが形成される。

各ラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂにおける中間のダイアフラム１７ａ，１８ａ，１９ａ及び１７ｂ，１８ｂ，１９ｂには、図２及び図３にも示すように、段間を結ぶ断面Ｕ字状のリターンベンド（中間流路）２３が形成され、これらのリターンベンド２３には、インペラ動翼１４ｂ〜１４ｄ及び１４ｆ〜１４ｈのプロフィルに対応したガス流れを生起する複数枚（図示例では１７枚）のノズル翼２４と次段入口へのガス流れを効率の良いガス流れにするための複数枚（図示例では１７枚）のリターンベーン２４とがそれぞれ介装される。勿論、前述したガス入口１２ａ，１２ｂにもインペラ動翼１４ａ，１４ｅのプロフィルに対応したガス流れを生起するノズル翼２４が介装される。

このように構成されるため、本ラジアルガスエキスパンダでは、例えばプラント側より排出された高温・高圧のガスが単一ケーシング１０の吸込ポート１０ａ，１０ｂに供給されると、各ラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂにおいては、各々４段からなるインペラ動翼１４ａ〜１４ｄ及び１４ｅ〜１４ｈにより４段階に亙ってガスの吸込み、膨張を繰り返して動力を回収し、ロータ軸１３を駆動する駆動モータ等の動力を低減させる。本実施例では、２つのラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂを有しているので、その合計した分の動力低減効果が得られる。

そして、本実施例では、多段（厳密には８段）でもロータ軸１３は単一軸で済むため、従来のギアドタイプのラジアルガスエキスパンダ等と比較してドライガスシール２２ａ，２２ｂは最少個数の２個で済むと共に、ケーシング１０は簡単にサポート可能な単一ケーシングで済む。

また、単一のロータ軸１３上の軸受２２ａ，２２ｂ間に２つのラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂが設けられるため、複数軸に比べて軸アライメントの考慮が容易であると共に、片持ち式のラジアルガスエキスパンダセクションに比べて軸振動の設計も容易である。

また、２つのラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂは、段間を結ぶリターンベント２３等が形成された複数のダイアフラムダイアフラム１５，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂを軸方向に複数連接して設けられるので、単一ケーシング１０内に堅固にかつ容易に組み付けられる。

また、２つのラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂは、ガスの流れ方向が反対方向になっているので、互いの圧力を相殺することができ、ロータ軸１３に作用するスラストのバランスが良好となる。

また、２つのラジアルガスエキスパンダセクション１１Ａ，１１Ｂは、各セクション毎に単一ケーシング１０の吸込ポート１０ａ，１０ｂに連通するガス入口１２ａ，１２ｂと吐出ポート１０ｃ，１０ｄに連通するガス出口１２ｃ，１２ｄを有するので、セクション数の変更が容易である。

これらの結果、高圧、高圧力比の条件下におけるガスリークや軸振動等の機械の信頼性に対する不安要素は払拭され、より信頼性の高い一軸多段のラジアルガスエキスパンダが実現される。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲でラジアルガスエキスパンダセクションのセクション数変更、ラジアルガスエキスパンダの段数変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。

本発明に係るラジアルガスエキスパンダは、プラント側より排出される高圧のガスを吸込み、膨張させて動力を回収し、膨張により低温となった排出ガスを再熱クーラに利用するプラント等に適用することができる。

１０ 単一ケーシング
１０ａ，１０ｂ 吸込ポート
１０ｃ，１０ｄ 吐出ポート
１１Ａ，１１Ｂ ラジアルガスエキスパンダセクション
１２ａ，１２ｂ ガス入口
１３ ロータ軸
１４ａ〜１４ｈ インペラ動翼
１５ 中央のダイアフラム
１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ 中間のダイアフラム
２０ａ，２０ｂ 端板でもあるダイアフラム
２１ａ，２１ｂ 軸受
２２ａ，２２ｂ ドライガスシール
２３ リターンベンド（中間流路）
２４ ノズル翼
２５ リターンベーン

Claims (2)

1. 単一ロータ軸上の軸受間に２段以上のインペラ動翼を配列してなるラジアルガスエキスパンダセクションを単一ケーシングに内蔵し、
   前記ラジアルガスエキスパンダセクションは、段間を結ぶリターンベンドが形成されたダイアフラムを軸方向に複数連接して設けられると共に、前記リターンベンドには、インペラ動翼のプロフィルに対応したガス流れを生起するノズル翼と、次段入口へのガス流れを効率の良いガス流れにするためのリターンベーンと、がそれぞれ介装されてなり、
   かつ、前記ラジアルガスエキスパンダセクションは２セクション以上に亘って仕切板により各々隔絶されて設けられると共に、各セクション毎に前記単一ケーシングの吸込ポートに連通するガス入口と吐出ポートに連通するガス出口を有することを特徴とするラジアルガスエキスパンダ。
2. 前記ラジアルガスエキスパンダセクションは、ガス流れ方向がロータ軸の相反方向に二分されるように２セクション以上設けられることを特徴とする請求項１に記載のラジアルガスエキスパンダ。

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