JP5209002B2 - 羽根車カバーとその方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示の主題の実施形態は、一般に、装置を浸食及び／又は物質の付着から保護する方法及びシステム、特に機構及び技術に関する。

過去何年もの間、圧縮機の存在がより目立つのは、石油及びガス産業である。圧縮機は、石油及びガスを採収するためだけではなく、石油及びガスを採収地点から消費場所に輸送するためにも用いられる。圧縮機は更に、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）、エチレン、ポリエチレン等の生成といった、幅広く様々な石油化学製品処理に用いられる。

このため、これらの産業において、圧縮機の構造と保守がますます重要になってきている。例えば遠心圧縮機、ねじ圧縮機、軸流圧縮機等の多くの種類の圧縮機があるが、ほとんどの圧縮機が同様の問題に直面している。これらの問題には、圧縮機の様々な構成要素上における物質の付着及び／又は圧縮機の一部の構成要素の浸食などがあるが、これに限定されるわけではない。

圧縮機の劣化を引き起こす１つのメカニズムは、ファウリングである。ファウリングは、粒子が圧縮機の翼形部及び環形部表面に付着することによって引き起こされる。付着は、圧縮機内に存在し得るオイルミスト、水ミスト又はその他のミストによって引き起こされる。その結果、表面粗度の増加を引き起こすと共に翼形部の形状をある程度変化させる物質の付着が起こる。図１は、遠心圧縮機の羽根車上におけるこうした物質の付着を示す図である。図２は、圧縮機の円錐状排出部上における物質の付着を示す図である。特に翼形部について記載するが、圧縮機のその他の構成要素についても同じである。汚染物質は小さく、例えば一部の汚染物資は２μｍ未満であるため、ファウリングは、今のところ洗浄によって解消される。

これは、圧縮機を絶えず点検し、付着が検出されると圧縮機の運転を中止することを意味する。そして、付着を起こした圧縮機の構成要素は、圧縮機から取り外されるか、又は汚染した圧縮機部分への接近が可能である場合は構成要素を圧縮機に取り付けたままで洗浄するか、のいずれかにより洗浄される。こうした全ての作業には、圧縮機による処理を中止することが必要になり、すなわちこの洗浄処理によって生産サイクル全体が影響を受ける。これは、圧縮機の運用者が望まない生産停止時間と生産損失とをもたらす。

高温腐食は、圧縮機の各部を劣化させるもうひとつのメカニズムである。高温腐食は、流路構成要素と塩、鉱酸又は反応性ガス等のある汚染物質との間における化学反応によって引き起こされる流路構成要素の材料損失である。これらの化学反応の産物は、圧縮機の構成要素にスケールとして付着する。一方、高温酸化は、構成要素の金属原子と周囲の高温ガス環境の酸素との間における化学反応である。酸化物スケールによる保護もまた、例えば熱サイクル中の亀裂又は剥離等の何らかの機械的損傷によって低下する。

圧縮機の構成要素を損傷させ得るまた他のメカニズムは、衝撃による浸食である。様々な粒子が圧縮機の流路面に衝突しながら、圧縮機を通って循環される。衝撃による浸食を引き起こすためには、これらの粒子は一般に直径２０μｍ超でなければならない。産業用に用いられる最新のろ過システムは、一般にこれより大きい粒子の大部分を除去するため、浸食は、おそらく航空エンジンの用途においてより一層の問題となる。浸食は更に、プロセスガス又は流体が固形物質を運ぶ状況で駆動される圧縮機又はポンプにとって問題となり得る。損傷は、流路構成要素に衝突する大きい異物によって引き起こされることが多い。これらの物質は、ガス流と共に圧縮機に流入し得る。燃料ノズルから剥離する炭素の付着物片もまた、圧縮機の構成要素の損傷を引き起こし得る。

これらの全てのプロセス、すなわち翼形部の浸食、付着又は損傷は、翼形部の幾何学的形状を変化させる。これらの装置の羽根の劣化は、出口角度の変化と損失の増加を伴う。羽根が遷音速又は略遷音速で動作する場合は、付着物又は粗度の増加（及びそれに伴う境界層厚さの増加）により、羽根列を通ることができる流量も減少する。羽根及び側壁上の境界層厚さが増加すると、特に略チョーキング状態において流れの容量が小さくなる。一方、後縁部が浸食されると、羽根のスロート幅が大きくなって流量は増加するが、ヘッド低下量は減少する。圧縮機の汚染された構成要素を洗浄すること以外に、上記のプロセスを防ぐための周知の有効方法はない。

従って、上記の問題と欠点とを防ぐシステム及び方法を提供することが望ましい。

一例示的実施形態によれば、圧縮機の羽根車の少なくとも１つの面を覆う羽根車カバーがある。羽根車カバーは、第１の面と、第１の面に対向する第２の面であって、圧縮機の羽根車の前面に合致するように構成される第２の面とを有し、圧縮機の羽根車の前側部分全体を覆う前側部分を更に有する取外し可能な本体と、取外し可能な本体に接続され、羽根車カバーを圧縮機の羽根車に固定するように構成される取付け機構とを含む。

他の例示的実施形態によれば、ハウジングと、ハウジングの内側において軸上に設けられ、長手軸の周りを回転するように構成される羽根車と、羽根車の少なくとも１つの面を覆う羽根車カバーとを含む圧縮機がある。羽根車カバーは、第１及び第２の面であって、第２の面が第１の面に対向し、第２の面は羽根車の前面に合致するように構成される第１及び第２の面を有し、圧縮機の羽根車の前側部分全体を覆う前側部分を更に有する取外し可能な本体を含む。羽根車カバーは更に、取外し可能な本体に接続され、羽根車カバーを羽根車に固定するように構成される取付け機構を含む。取外し可能な本体の第１の面は、所定の空力特性を達成する輪郭を有するように構成され、羽根車の前面に対応する、取外し可能な本体の第２の面の輪郭は、所定の空力特性ほど望ましくはない空力特性を有し、羽根車カバーは使い捨てである。

また他の例示的実施形態によれば、圧縮機の羽根車を物質の付着及び／又は浸食から保護する方法がある。この方法は、羽根車カバーを用いて羽根車の前面を覆うステップと、羽根車カバーを羽根車に固定するステップとを含む。

本明細書に取り入れられてその一部を構成する添付図面は、１つ以上の実施形態を示し、詳細な説明と併せて、これらの実施形態を説明するものである。

その上に物質の付着がある圧縮機の羽根車の略図である。 その上に物質の付着がある圧縮機の円錐状排出部の略図である。 圧縮機の略図である。 図３の圧縮機の羽根車の略図である。 例示的実施形態に従った羽根車及び羽根車カバーの略図である。 例示的実施形態に従った羽根車カバーの略図である。 例示的実施形態に従った羽根車カバーの略図である。 例示的実施形態に従った羽根車カバーの後部の略図である。 例示的実施形態に従った、圧縮機の羽根車を保護する方法のステップを示す流れ図である。

添付図面を参照して、以下の例示的実施形態を記載する。異なる図面の同じ参照符号は、同じ又は同様の要素を示す。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。以下の実施形態では、簡単にするため、圧縮機の用語及び構造に関して記載する。しかし、次に記載する実施形態は、圧縮機に限定されるわけではなく、物質の付着及び／又は浸食により影響を受ける構成要素を有するその他のシステムにも適用され得る。

本明細書全体を通した「一実施形態」又は「ある実施形態」という記述は、ある実施形態との関係で説明される特定の機能、構造又は特性が開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。よって、本明細書全体を通して様々な部分に現れる「一実施形態において」又は「ある実施形態では」という表現は、必ずしも同じ実施形態を指すわけではない。更に、特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において何らかの適切な態様で組み合わせられ得る。

例示的実施形態によれば、使い捨て羽根車カバーは、圧縮機の羽根車の少なくとも前面を覆うように形成される。羽根車カバーを用いて圧縮機の羽根車の前面を覆うことにより、羽根車に対する物質の付着及び／又は浸食を防ぐ。羽根車カバー上で物質の付着が起こる場合は、圧縮機を短時間停止させ、羽根車カバーを取り外し、新しい羽根車カバーを圧縮機の羽根車に取り付ければ良い。使い捨て羽根車カバーを用いるという方法は、時間の節約になると共に、羽根車の寿命を延ばす。

図３に示す例示的実施形態によれば、圧縮機１０は、少なくとも１つの羽根車１４が設けられるケーシング１２を含む。羽根車１４は、羽根車の羽根１８が形成される羽根車ハブ１６を有する。羽根車１４は、長手軸Ｚの周りを回転する軸２０に取り付けられる。軸２０は、軸受２２によって支持される。圧縮機は、入口２４と出口２６とを有する。

入口２４に供給される流体は、羽根車１４により加速され、出口２６においてより高圧で排出される。羽根車１４は、流れる流体に直接向き合う前側領域と、前側領域によって流体との接触から遮蔽される後側領域とを有する。前側及び後側領域は、図４に明確に示されている。前側領域３０は、流れる流体３４との直接的な接触を有して図示され、羽根車１４の後側領域３２は、流れる流体３４と相互作用せずに図示される。

前述のように、流体３４の成分は、図４に示すように羽根車１４上でスケール３６として付着する。図５に示す例示的実施形態によれば、羽根車カバー５０は、羽根車１４に取外し可能に取り付けられて、スケール３６及び／又はその他の損傷要因が羽根車１４に直接影響を与えることを防ぐ。よって、羽根車カバーの第１の面５２（前側面）は、羽根車１４の前面１４ａに酷似して製造される。羽根車５０の第１の面５２の輪郭は、羽根車１４の前面１４ａの輪郭に十分に酷似して、羽根車１４の空力特性が羽根車カバー５０によって低下することがないようにしなければならない。羽根車カバー５０により維持されなければならない羽根車１４のいくつかの特性は、羽根車（圧縮機）効率、圧縮機ポリトロープヘッド、圧縮機のストーンウォール（チョーク）までの範囲及び圧縮機のサージまでの範囲である。ある例示的実施形態によれば、羽根車カバー５０は、羽根車効率のみを維持する。

更に他の例示的実施形態によれば、羽根車１４の前面１４ａは機械加工されて、同様の羽根車の所望の前面とは異なり、すなわち羽根車１４の前面１４ａは上記の特性を達成しないように設計される。つまり、羽根車１４は、当業者が従来の圧縮機又はタービンにおいて用いないであろう望ましくない特性を備えた（欠陥のある）前面１４ａを有する。しかし、羽根車カバー５０は、欠陥のある前面１４ａを覆う時に羽根車カバー５０の第１の面５２が上記の特性を達成するような態様に設計される。従って、羽根車１４単独では良好な圧縮機の所望の特性を有さないが、羽根車１４と羽根車カバー５０とを組み合わせたものは、所望の特性を達成する。

また他の例示的実施形態によれば、羽根車カバー５０の第１の面５２の反対側の第２の面５４は、羽根車１４の前面１４ａに合致して、羽根車カバー５０と羽根車１４との間における空気溜りの形成を防ぐようにしなければならない。羽根車カバー５０は、プラスチック、金属又は当業者により認められるその他の適切な材料により形成される。１つの用途において、羽根車カバー５０は、ある材料からなる第１の領域と、第１の材料とは異なる第２の材料からなる第２の領域とを有する。例えば、図６に、羽根車カバー５０の前側領域５６と羽根車カバー５０の後側領域５８とを示す。本例では、前側領域５６は、いかなるプラスチックからなっても良く、後側領域５８は、特定のプラスチックにより形成される。ある例示的実施形態において、特定のプラスチックは、この部分を羽根車１４の後側領域３２の周りに引き伸ばして羽根車カバー５０を羽根車１４に固定するように、伸縮可能なプラスチックとされる。また他の例示的実施形態では、特定のプラスチックは、熱処理下で収縮する熱収縮性プラスチックとされる。これもまた、羽根車カバー５０全体を羽根車１４に取り付けるために用いられる。更にまた他の例示的実施形態では、羽根車カバー５０全体が特定のプラスチックにより形成される。

また他の例示的実施形態によれば、図７に示すように、羽根車カバー５０の本体の一部分は、第１の厚さｔ１ ６０を有し、本体のまた他の部分は、第２の厚さｔ２ ６２を有する。一例示的実施形態において、羽根車カバー５０の厚さは一様である。当業者には、羽根車カバー５０の厚さは少なくとも羽根車の大きさと羽根車の形状とに依存することが理解されよう。しかし、羽根車カバー５０の厚さは、羽根車カバー５０の第１の面が羽根車１４の前面１４ａに酷似するようなものでなければならない。

羽根車カバー５０は、羽根車カバー５０を羽根車１４に固定する取付け機構を含む。このような機構の１つは上述しており、羽根車カバー５０の本体に取り付けられる伸縮可能な材料である。伸縮可能な材料は、羽根車カバー５０の後側部分５８を形成し、羽根車１４の後側領域３２の上に延在する。また別のこのような機構は、羽根車カバー５０の後側部分５８として用いられる上述の熱収縮性材料である。他の例示的実施形態では、羽根車カバー５０全体が伸縮可能な材料又は熱収縮性の材料により形成される。

また他の例示的実施形態によれば、図８に背面図を示す羽根車カバー５０は、羽根車カバー５０を羽根車１４に固定する穴８０又は取付け装置８４を有する。羽根車カバー５０を羽根車１４に固定するためには、穴８０がストラップ８２により互いに接続されるか、又は取付け装置８４が受け部８６に接続される。穴８０、ストラップ８２、取付け装置８４及び受け部８６は、羽根車カバー５０の後側部分５８に形成される。

また他の例示的実施形態によれば、ポケット８８が羽根車カバー５０の第２の面５４上に形成される。ポケット８８は離散的に、すなわち任意の位置に、又は連続的に、すなわち第２の面５４を覆うように形成される。ポケット８８は、羽根車カバーを羽根車に接着する材料、例えば接着剤様の材料を含む。羽根車カバーと羽根車を結合するその他の材料も用いられる。本用途によれば、羽根車カバー５０が羽根車１４に取り付けられると、ポケット８８は羽根車１４の前面１４ａに固着して、羽根車カバー５０を羽根車１４に固定する。当業者に理解されるように、羽根車カバーを羽根車に固定するその他の機構も、これらの実施形態の範囲から逸脱することなく用いられる。

一例示的実施形態において、羽根車カバー５０は、羽根車１４の一部分、すなわち前面１４ａのみを覆う。また他の例示的実施形態においては、羽根車カバー５０は、羽根車１４を全体的に、すなわち羽根車１４の前面と後面との両方を覆う。羽根車カバー５０により覆われる羽根車１４の割合に関係なく、羽根車カバー５０は取外し可能（使い捨て）であり、必要に応じて新しい羽根車カバーと交換される。一例示的実施形態では、古い羽根車カバーの取外し及び新しい羽根車カバーの取付けにおいて、圧縮機の分解をする必要がない。

次に、ある例示的実施形態に従って、羽根車カバーを用いて圧縮機の羽根車を保護する方法を記載する。図９に示すように、この方法は、羽根車カバーを用いて羽根車の前面を覆うステップ９００と、羽根車カバーを羽根車に固定するステップ９０２とを含む。この方法は、更にまた、羽根車カバーを取り外すステップと、新しい羽根車カバーを取り付けるステップとを含む。羽根車カバーは、羽根車カバーの前側面が所定の空力特性を達成する輪郭を有するように構成され、羽根車の前面に対応する羽根車カバーの後面の輪郭は、所定の空力特性ほど望ましくはない空力特性を有するように成形される。

開示の例示的実施形態は、羽根車カバーと圧縮機システムと圧縮機の各部を劣化から保護する方法とを提供するものである。記載内容は、本発明を制限することを意図するものではないことを理解されたい。むしろ、例示的実施形態は、添付の特許請求の範囲に定める本発明の精神及び範囲に含まれる代替態様、改変態様及び均等物を包含することを意図する。更に、例示的実施形態の詳細な説明においては、特許請求の範囲に記載の本発明への包括的に理解を与えるために、多くの特定の詳細を記載している。しかし、当業者には、このような特定の詳細を用いることなく、様々な実施形態が実施され得ることが理解されよう。

本発明の例示的実施形態の特徴及び要素について、実施形態において特定の組合せで説明しているが、各特徴又は要素は、実施形態のその他の特徴及び要素を用いることなく単独で、又は本明細書に開示のその他の特徴及び要素を用いて、或いは用いずに、様々な組合せで使用することができる。

本明細書は、最良の形態を含めて、実施例を用いて本発明を開示し、更に、装置又はシステムの製造及び使用と本明細書に組み込まれた方法の実行とを含めて、あらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定められ、当業者が想到するその他の例を含み得る。このようなその他の例とは、特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有する場合又は特許請求の範囲の文言と等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図する。

Claims (15)

1. 圧縮機（１０）の羽根車（１４）の少なくとも１つの面（１４ａ）を覆う羽根車カバー（５０）であって、
   第１の面（５２）と、前記第１の面（５２）に対向する第２の面（５４）とを有する取外し可能な本体（５０）であって、前記第２の面（５４）は、前記取外し可能な本体と前記羽根車（１４）との間に空気溜りが形成されないように、前記圧縮機（１０）の前記羽根車（１４）の前面（１４ａ）と合致するように構成され、更に、前記圧縮機（１０）の前記羽根車（１４）の前側部分全体を覆う前側部分（５６）を有する取外し可能な本体（５０）と、
   前記取外し可能な本体（５０）に接続され、前記羽根車カバー（５０）を前記圧縮機（１０）の前記羽根車（１４）に固定するように構成される取付け機構（５８、８０、８２、８４、８６）とを備え、
   前記羽根車カバー（５０）は使い捨てである、
   羽根車カバー（５０）。
2. 前記羽根車カバー（５０）の前記取外し可能な本体（５０）は、前記羽根車（１４）の後側部分を部分的に覆う後側部分（５８）を有し、前記羽根車カバー（５０）の前記前側部分（５６）は、前記圧縮機（１０）を通る流体の流れと直接接触するように構成される、請求項１に記載の羽根車カバー。
3. 前記取外し可能な本体（５０）の前記後側部分（５８）は、前記取付け機構（５８、８０、８２、８４、８６）を形成し、前記羽根車（１４）の前記後側部分を少なくとも部分的に伸縮可能に覆うように構成される、請求項２に記載の羽根車カバー。
4. 前記羽根車カバー（５０）の前記後側部分（５８）は、ストラップ（８２）により接続されて前記羽根車カバー（５０）が前記圧縮機（１０）の前記羽根車（１４）上に固定されるように構成される穴（８０）を備え、前記羽根車カバー（５０）の前記前側部分（５６）は穴を有さない、請求項２に記載の羽根車カバー。
5. 前記取外し可能な本体（５０）の前記第１の面（５２）は、所定の空力特性を達成する輪郭を有するように構成されている、請求項１に記載の羽根車カバー。
6. 前記取付け機構（５８、８０、８２、８４、８６）は、前記第２の面（５４）上に分布する接着ポケット（８８）を備える、請求項１に記載の羽根車カバー。
7. 前記接着ポケット（８８）は、前記羽根車カバー（５０）の前記第２の面（５４）全体を覆う、請求項６に記載の羽根車カバー。
8. 前記取外し可能な本体（５０）は、プラスチック又は金属、或いはプラスチックと金属とを組み合わせたものによって形成される、請求項１に記載の羽根車カバー。
9. 前記取付け機構（５８、８０、８２、８４、８６）は、前記取外し可能な本体（５０）とは異なる材料からなる、請求項１に記載の羽根車カバー。
10. 前記取付け機構（５８）は、感熱性であり、前記取付け機構（５８）に施される熱処理によって前記取付け機構（５８）が締められ、羽根車カバー（５０）を前記圧縮機（１０）の前記羽根車（１４）に固定するように構成される、請求項１に記載の羽根車カバー。
11. ハウジング（１２）と、
    前記ハウジング（１２）の内側において軸（２０）上に設けられ、長手軸（Ｚ）の周りを回転するように構成される羽根車（１４）と、
    前記羽根車（１４）の少なくとも１つの面（１４ａ）を覆う羽根車カバー（５０）であって、
    第１の面（５２）及び第２の面（５４）を有する取外し可能な本体（５０）であって、前記第２の面（５４）は前記第１の面（５２）に対向し、前記第２の面（５４）は、前記取外し可能な本体と前記羽根車（１４）との間に空気溜りが形成されないように、前記羽根車（１４）の前面（１４ａ）に合致するように構成され、更に、前記圧縮機（１０）の前記羽根車（１４）の前側部分全体を覆う前側部分（５６）を有する取外し可能な本体（５０）と、
    前記取外し可能な本体（５０）に接続され、前記羽根車カバー（５０）を前記羽根車（１４）に固定するように構成される取付け機構（５８、８０、８２、８４、８６）と、
    を含む羽根車カバー（５０）と、
    を備え、
    前記取外し可能な本体（５０）の前記第１の面（５２）は、所定の空力特性を達成する輪郭を有するように構成され、
    前記羽根車カバー（５０）は使い捨てである、
    圧縮機（１０）。
12. 前記羽根車カバー（５０）の前記取外し可能な本体（５０）は、前記羽根車（１４）の後側部分を部分的に覆う後側部分（５８）を有し、前記羽根車カバー（５０）の前記前側部分（５６）は、前記圧縮機（１０）を通る流体の流れに直接接触する、請求項１１に記載の圧縮機。
13. 前記取外し可能な本体（５０）の前記後側部分（５８）は、前記取付け機構（５８、８０、８２、８４、８６）を形成し、前記羽根車（１４）の前記後側部分を少なくとも部分的に伸縮可能に覆うように構成される、請求項１２に記載の圧縮機。
14. 圧縮機（１０）の羽根車（１４）を物質の付着及び／又は浸食から保護する方法であって、
    羽根車カバー（５０）を用いて前記羽根車（１４）の前面（１４ａ）を覆って、前記羽根車カバー（５０）の前側面（５２）が所定の空力特性を達成する輪郭を有するように構成され、前記羽根車カバーと前記羽根車（１４）との間に空気溜りが形成されないように、前記羽根車カバー（５０）の後面（５４）の輪郭は前記羽根車（１４）の前記前面（１４ａ）に対応する、ステップと、
    前記羽根車カバー（５０）を前記羽根車（１４）に固定するステップと、
    を含む方法。
15. 前記羽根車カバー（５０）を取り外すステップと、
    新しい羽根車カバー（５０）を用いて前記羽根車（１４）の前記前面（１４ａ）を覆うステップと
    を更に含む、請求項１４に記載の方法。
    

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