JP5637899B2

JP5637899B2 - 膨張タービンの遮断板

Info

Publication number: JP5637899B2
Application number: JP2011039709A
Authority: JP
Inventors: 好輔西山
Original assignee: IHI Compressor and Machinery Co Ltd
Current assignee: IHI Compressor and Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: JP2012177313A

Description

本発明は冷熱を生成する膨張タービンに備えて断熱を行うようにした膨張タービンの遮断板に関するものである。

従来より、気体が断熱膨張する際の温度低下を利用して、主に空気分離装置、メタン分離装置等に供給する冷熱（例えば−５０℃以下の寒冷）を発生するようにした冷熱発生装置としての膨張タービンが知られている。この膨張タービンは、図７に示す如く、軸受部ハウジング１内に備えた軸受（図示せず）によって回転自在に支持された回転軸２の一端にはタービンインペラ３が固定され、又、前記回転軸２の他端には圧縮機インペラ４が固定されている。前記タービンインペラ３の外周には軸方向に開放された開口６ａを有して囲繞する膨張室側ハウジング７が配置されて、前記軸受部ハウジング１に一体に組み付けられている。前記膨張室側ハウジング７内部のスクロール５ａには、周方向外部に設けた圧縮気体入口５から圧縮気体ａが供給されており、スクロール５ａの圧縮気体ａは圧縮気体吐出口１２から前記タービンインペラ３に吐出されて該タービンインペラ３を回転させると共に膨張室６に圧力が開放されるようになっている。又、前記圧縮機インペラ４の外周には軸方向に開放された開口８を有して囲繞する圧縮室側ハウジング１０が配置されて、前記軸受部ハウジング１に一体に組み付けられている。前記開口８から圧縮室側ハウジング１０内に取り入れた被加圧気体ｂは、圧縮機インペラ４の回転により流速を高めて外周の圧縮室９に吐出され、圧力に変換された加圧気体となって導出口１１から排出されるようになっている。

上記膨張タービンの圧縮気体入口５に、例えば圧縮空等の圧縮気体ａを供給すると、圧縮気体ａはスクロール５ａを介して圧縮気体吐出口１２から膨張室６に吐出され、これによりタービンインペラ３を回転駆動する。この時、圧縮気体ａは膨張によって圧力降下し且つ極低温の膨張後気体となって開口６ａから導出される。一方、前記タービンインペラ３の回転によって回転される圧縮機インペラ４は、開口８から取り入れた被加圧気体ｂの流速を高めて、圧縮室９に導くことにより圧縮を行い、生成した加圧気体を導出口１１から導出するようになっており、前記タービンインペラ３の回転による動力が前記圧縮機インペラ４で回収されるようになっている。

前記膨張タービンにおいて、例えば４．６ｋｇ／ｃｍ^２ｇの圧力で−１３０℃の低温の圧縮気体ａが圧縮気体吐出口１２から膨張室６に吐出され、タービンインペラ３を回転して膨張を行うと、例えば０．４ｋｇ／ｃｍ^２ｇの圧力で−１７０℃の極低温の膨張後気体を得ることができる。従って、このようにして得られた冷熱は前記空気液化分離装置等に用いることができる。

前記膨張タービンでは、タービンインペラ３及び膨張室側ハウジング７が−１３０℃〜−１７０℃のような極低温に晒されることになるため、この冷熱が軸受部ハウジング１側へ伝熱等によって放散する問題があり、この冷熱の放散が大きいと、膨張タービンの効率が低下して目的の冷熱が得られなくなる。

このため、前記膨張タービンの膨張室側ハウジング７と軸受部ハウジング１との間には、伝熱を遮断するための遮断板１３が配置されている。又、膨張室側ハウジング７側への潤滑油の混入を防止するため、遮断板１３と軸２との間にはラビリンスシール、カーボンパッキン（３つ割れ）等のシール装置１８が備えられている。更に、遮断板１３の軸受部ハウジング１側にはシールガス導入板１４が配置されている。前記シールガス導入板１４には外部からシールガスが導入されており、前記遮断板１３及びシールガス導入板１４の内周に備えたシール装置１８にシールガスを供給することにより、軸受部ハウジング１側から膨張室側ハウジング７側へ潤滑油が漏洩するのを防止している。

前記遮断板１３は固定ネジ１５によって膨張室側ハウジング７に固定されており、又、シールガス導入板１４は固定ネジ１６によって軸受部ハウジング１に固定されており、更に、前記遮断板１３は固定ネジ１７によって前記シールガス導入板１４に固定されている。

又、前記膨張室側ハウジング７より下流の低温側は断熱用の保冷箱１９内によって包囲されており、保冷箱１９と前記遮断板１３の外周部との間には、熱変形を吸収するための蛇腹２０が配されて固定ネジ２０'により接続されている。

前記遮断板１３は、製造・設置時における２０℃前後の常温から、使用時における−１３０℃〜−１７０℃の極低温までの極めて幅広い温度変化を受ける厳しい環境で使用されるものであり、このような温度変化を受けても所要の強度と高い断熱性を発揮できる必要があり、このため、従来より使用されている遮断板１３には、ベークライト（フェノールとホルムアルデヒドを縮合させて作られるフェノール樹脂の商標名）と称されるフェノール樹脂が用いられている。

従来の膨張タービンは出力の増大を図るために大型化が促進され、そのために遮断板１３も直径が１１００ｍｍを超えるような大径のものが多く製造され、現在も稼働している。

従来のフェノール樹脂による前記遮断板１３は、以下のようにして製造されていた。

図８は前記遮断板１３を製造するためのフェノール樹脂板３１を製造する工程図であり、フェノールとホルマリンと触媒を混和機２１に供給して混和することによりワニス２２を調合してそのワニス２２を塗布装置２３に供給し、一方、ガラス布、紙、布等からなる例えば幅１３００ｍｍ前後の基材２４が巻かれたロール２５から基材２４を巻き出して前記塗布装置２３に通すことにより基材２４の両面にワニス２２を含浸塗布した後、乾燥機２６に導いて乾燥させることによりシート材２７を製造する。続いて、このシート材２７を裁断機２８ａにより所定長さに裁断し、裁断したシート材２７を所定枚数積層することにより積層体２８を形成し、この積層体２８を当て板２９（ｃａｕｌ）で挟んでプレス装置３０にセットして加圧し、成形されたブロックを裁断形成することにより矩形形状（正方形）のフェノール樹脂板３１を製造する。

従来のフェノール樹脂板３１は、種々の大きさのものが形成されており、一辺が最大１２００ｍｍの正方形で厚さが最大１００ｍｍ前後のものが製造されていた。そして、前記フェノール樹脂板３１を用いて円板状に裁断加工することによって大型の膨張タービンに用いられる１枚板の前記遮断板１３が製造されていた。

フェノール樹脂による遮断板１３は、優れた断熱性能と強度を有するものであるが、膨張タービンの運転が長期間に亘ると、遮断板１３にクラックが発生する、或いは経年劣化による変形（熱ひずみ）が起こる等の損傷を生じる問題があり、又、遮断板１３の中心側に備えられるシール装置１８との取合い部に不具合を生じることがあり、このような問題のために、定期的に保守点検を行って、遮断板１３に損傷等が発現した場合には新しい遮断板１３と交換している。

前記遮断板は備えていないが、従来から知られる一般的な膨張タービンとしては特許文献１がある。

特開２０００−１２０４０２号公報

しかし、近年では、前記したような大型の膨張タービンは製造されておらず、従って前記したような直径が１０００ｍｍを超えるような大型の遮断板１３も製造されていない。即ち、前記フェノール樹脂板３１の製造は非常に大変で高価であり、しかも、前記大径の遮断板１３等の需要が無くなったために、近年製造されているフェノール樹脂板は、現在も需要がある一辺の大きさが１０００ｍｍ程度の正方形で厚さ寸法が最大で１００ｍｍ前後のものが上限となっている。

このため、現在稼働している大型の膨張タービンに備えられる直径が１０００ｍｍを超える例えば直径１２００ｍｍの遮断板１３を、現在製造されている一辺の大きさが１０００ｍｍのフェノール樹脂板で製造することはできず、このために、稼働中の遮断板１３が損傷した場合にも、新しいものと交換することができないために、膨張タービンの運転を継続できないという問題が生じていた。

しかし、このような大型の膨張タービンにおいても運転を継続する必要があり、このために、フェノール樹脂により製造された直径が１０００ｍｍを超えるような大径の遮断板が要求されている。

本発明は、上記課題に鑑みてなしたもので、冷熱を生成する膨張タービンに備えて断熱を行うための大径の遮断板の製造を可能にした膨張タービンの遮断板を提供しようとするものである。

請求項１に係る発明は、軸受部ハウジングに支持された回転軸の一端にタービンインペラが固定され、前記回転軸の他端に圧縮機インペラが固定され、前記タービンインペラを囲繞する膨張室側ハウジングが前記軸受部ハウジングの一側に固定され、前記圧縮機インペラを囲繞する圧縮室側ハウジングが前記軸受部ハウジングの他側に固定されており、前記膨張室側ハウジングと前記軸受部ハウジングとの間に遮断板を備えて断熱を行うように
している膨張タービンの前記遮断板が、フェノール樹脂板から円板状に形成された中心板と、該中心板の外周に配置されフェノール樹脂板から円弧状に形成された複数の円弧板とを有し、且つ、前記中心板と円弧板との間及び隣接する円弧板の端部相互の間に、互いに重なり合って組み合わされる段部を有し、前記中心板と円弧板との間の段部における厚さ方向の対向面と、隣接する前記円弧板の端部相互の間の段部における厚さ方向の対向面とは、フェノール樹脂板の厚さ方向に変位しており、各段部の組み合わせ時に当接する対向面を接着剤により固定したことを特徴とする膨張タービンの遮断板である。

請求項２に係る発明は、前記中心板及び円弧板が矩形のフェノール樹脂板から加工形成されることを特徴とする請求項１に記載の膨張タービンの遮断板である。

請求項３に係る発明は、前記接着剤がエポキシ系接着剤であることを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張タービンの遮断板である。

本発明の膨張タービンの遮断板によれば、フェノール樹脂板から形成した中心板と該中心板の外周に配置される円弧板との間、及び隣接する円弧板の端部相互の間に、互いに重なり合って組み合わされる段部を有し、各段部の組み合わせ時に当接する対向面に接着剤を配して固定することにより遮断板としたので、限られた大きさのフェノール樹脂板から大径の遮断板を容易に製造して提供できるという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施例である膨張タービンの遮断板の一例を示す斜視図である。図１をＩＩ方向から見た斜視図である。図２の段部をＩＩＩ方向から見た断面図である。フェノール樹脂板を用いて中心板を製造する状態を示す平面図である。フェノール樹脂板を用いて円弧板を製造する状態を示す平面図である。フェノール樹脂板を用いて別の円弧板を製造する状態を示す平面図である。従来の遮断板を備えた膨張タービンの一例を示す断面図である。従来のフェノール樹脂板を製造する工程を示す行程図である。

以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。

図１は本発明の膨張タービンの遮断板の一実施例を示す斜視図、図２は図１をＩＩ方向から見た斜視図である。図１、図２に示す遮断板５０は、フェノール樹脂によって円板状に形成した中心板５１と、フェノール樹脂から円弧状に形成して前記中心板５１の外周に配置するようにした複数の円弧板５２とにより構成されている。図２の円弧板５２は、中心板５１の外周を包囲するように９０゜の角度を有して４個備えた場合を示している。前記中心板５１の外周縁と円弧板５２の内周縁との間には、図１〜図３に示すように、半径方向に重なり合って組み合わされる周方向に延びた内側の周方向段部５３が形成してあり、又、前記各円弧板５２の隣接する端部相互の間には、周方向に重なり合って組み合わされる半径方向に延びた半径方向段部５４が形成されている。そして、前記中心板５１と円弧板５２との間に形成される内側の周方向段部５３における厚さ方向の対向面５３ａと、半径方向に突き当たる対向面５３ｂ、及び、前記円弧板５２の隣接する端部相互間に形成される半径方向段部５４における厚さ方向の対向面５４ａと、周方向に突き当たる対向面５４ｂには、接着剤Ｐが配されて、中心板５１と円弧板５２との間、及び円弧板５２の端縁同士が一体に固定されている。又、前記円弧板５２の外周縁には、図７に示した蛇腹２０を取り付けるための外側の周方向段部５５が形成されている。

前記中心板５１と円弧板５２との間に備える周方向段部５３の厚さ方向の対向面５３ａは、相互に厚さの１／２の位置に設けられており、一方、隣接する円弧板５２の端部相互の間に備える半径方向段部５４の厚さ方向の対向面５４ａは、前記周方向段部５３の厚さ方向の対向面５３ａから厚さ方向に変位した（ずれた）位置に設けられている。

前記中心板５１には、図７に示した固定ネジ１５によって遮断板５０を膨張室側ハウジング７に固定し、又、固定ネジ１６によって遮断板５０を軸受部ハウジング１に固定するための固定孔５６が形成されている。又、前記円弧板５２には、図７に示した固定ネジ１７によって遮断板５０をシールガス導入板１４に固定するための固定孔５７が形成されていると共に、固定ネジ２０'によって蛇腹２０を取り付けるための固定孔５８が前記外側の周方向段部５５に形成されている。

前記段部５３，５４を接着する接着剤Ｐには、エポキシ系接着剤を用いることが好ましい。エポキシ系接着剤としては、２液性エポキシ−ポリアミド系接着剤を用いることができる。

図８に示した方法によって現在製造されている一辺が１０００ｍｍの矩形のフェノール樹脂板を用いて、大型の膨張タービンに備えられる直径が１２００ｍｍ（半径６００ｍｍ）のような大径の遮断板５０を製造するには、以下のような方法を用いて製造することができる。

図４は現在製造されている一辺が１０００ｍｍの矩形のフェノール樹脂板３１を示しており、このフェノール樹脂板３１を円板状に裁断加工することによって例えば直径が８４０ｍｍ（半径４２０ｍｍ）の中心板５１を製造することができる。中心板５１の外周には周方向段部５３を形成する。

又、図５に示すように、一辺が１０００ｍｍの矩形の前記フェノール樹脂板３１を用いて、円弧状を有し内側の周方向段部５３が前記中心板５１の外形に合致する半径４２０ｍｍで、外側の周方向段部５３の半径が６００ｍｍである直角（９０゜）の円弧板５２を製造することができる。円弧板５２の隣接する端部相互の間には、半径方向に延びる半径方向段部５４を形成する。図５では、１枚のフェノール樹脂板３１を用いて２個の円弧板５２を製造した場合を示している。

尚、図５のフェノール樹脂板３１を用いて１枚の円弧板を製造する場合には、外側の円弧の半径が例えば９００ｍｍ（遮断板としての直径は１８００ｍｍ）のような大型の円弧板５２を製造することも可能である。

又、図６に示すようにフェノール樹脂板を用いて、１枚の円弧板を製造する場合には、例えば１２０゜の円弧板５２'を製造することができ、この場合には、前記中心板５１の外周に３個の円弧板５２'を配置することで遮断板５０を製造することができる。

次に、上記実施例の作動を説明する。

図８に示した方法によって現在製造されている一辺が１０００ｍｍの矩形で厚さが１００ｍｍのフェノール樹脂板を用いて、図１、図２に示す直径が１２００ｍｍの遮断板５０を製造する場合について説明する。

図４に示すように、一辺が１０００ｍｍの矩形のフェノール樹脂板３１を円板状に裁断加工することにより、直径が９６０ｍｍ（半径４８０ｍｍ）の中心板５１を製造する。

又、図５に示すように、一辺が１０００ｍｍの矩形の前記フェノール樹脂板３１を裁断することにより、内側の円弧が前記中心板５１の外形に合致する４２０ｍｍの半径で、外側の円弧の半径が６００ｍｍとなる直角の円弧板５２を製造する。

更に、前記中心板５１の外周縁と円弧板５２の内周縁との間には、図３に示すように、半径方向に重なり合って組み合わされる周方向に延びた内側の周方向段部５３を形成する。又、前記各円弧板５２の隣接する端部相互の間には、周方向に重なり合って組み合わされる半径方向に延びた半径方向段部５４を形成する。

そして、前記中心板５１と円弧板５２との間に形成される内側の周方向段部５３における厚さ方向の対向面５３ａと、半径方向に突き当たる対向面５３ｂ、及び、前記円弧板５２の隣接する端部相互間に形成される半径方向段部５４における厚さ方向の対向面５４ａと、周方向に突き当たる対向面５４ｂには接着剤Ｐを塗布し、中心板５１と円弧板５２との間、及び円弧板５２の端縁同士を接着することにより一体に固定する。これにより、直径が１２００ｍｍの遮断板５０を容易に製造することができる。

前記段部５３，５４を接着する接着剤Ｐには２液性エポキシ−ポリアミド系接着剤のようなエポキシ系接着剤を用いることができ、本発明者は、エポキシ系接着剤を用いて中心板５１と円弧板５２を一体に組み立てた遮断板によれば、図７の膨張タービンのように常温から−１３０℃〜−１７０℃の極低温までの極めて幅広く温度変化する厳しい環境での使用に対しても、所要の強度と高い断熱性が発揮できることを得た。

又、前記中心板５１は固定孔５６を通して図７の固定ネジ１５，１６により膨張室側ハウジング７と軸受部ハウジング１に固定されるのに対し、円弧板５２は固定孔５８を通して図７の固定ネジ２０'により蛇腹２０に固定されていて、円弧板５２には大きな応力が作用しないことにより、前記接着剤Ｐによる段部５３，５４には応力が作用しない利点を有する。

更に、前記中心板５１と円弧板５２との間に備える周方向段部５３の厚さ方向の対向面５３ａと、隣接する円弧板５２の端部相互の間に備える半径方向段部５４の厚さ方向の対向面５４ａを、互いに厚さ方向に変位して（ずれて）設けることにより、段部５３，５４の全てにおいて重なり部が生じ、これによって、接着強度が高められると共にシール性が向上される利点がある。

尚、本発明の膨張タービンの遮断板は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、円弧板の数には限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１軸受部ハウジング
２回転軸
３タービンインペラ
４圧縮機インペラ
７膨張室側ハウジング
１０圧縮室側ハウジング
３１フェノール樹脂板
５０遮断板
５１中心板
５２円弧板
５２' 円弧板
５３周方向段部（段部）
５３ａ対向面
５３ｂ対向面
５４半径方向段部（段部）
５４ａ対向面
５４ｂ対向面
Ｐ接着剤

Claims

軸受部ハウジングに支持された回転軸の一端にタービンインペラが固定され、前記回転軸の他端に圧縮機インペラが固定され、前記タービンインペラを囲繞する膨張室側ハウジングが前記軸受部ハウジングの一側に固定され、前記圧縮機インペラを囲繞する圧縮室側ハウジングが前記軸受部ハウジングの他側に固定されており、前記膨張室側ハウジングと前記軸受部ハウジングとの間に遮断板を備えて断熱を行うようにしている膨張タービンの前記遮断板が、フェノール樹脂板から円板状に形成された中心板と、該中心板の外周に配置されフェノール樹脂板から円弧状に形成された複数の円弧板とを有し、且つ、前記中心板と円弧板との間及び隣接する円弧板の端部相互の間に、互いに重なり合って組み合わされる段部を有し、前記中心板と円弧板との間の段部における厚さ方向の対向面と、隣接する前記円弧板の端部相互の間の段部における厚さ方向の対向面とは、フェノール樹脂板の厚さ方向に変位しており、各段部の組み合わせ時に当接する対向面を接着剤により固定したことを特徴とする膨張タービンの遮断板。
前記中心板及び円弧板が矩形のフェノール樹脂板から加工形成されることを特徴とする請求項１に記載の膨張タービンの遮断板。
前記接着剤はエポキシ系接着剤であることを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張タービンの遮断板。