JP5802216B2 - ミッドスパンガス軸受 - Google Patents

Description

例示的な実施形態は一般に、圧縮機に関し、より具体的には多段圧縮機におけるミッドスパンガス軸受に関する。

圧縮機は、機械エネルギーの使用によって圧縮性流体（例えば、ガス）の圧力を増大する機械である。圧縮機は、あらゆる用途において、並びに発電、天然ガス液化及び他のプロセスを含む多くの産業プロセスにおいて使用されている。このようなプロセス及びプロセスプラントで使用される種々のタイプの圧縮機のうちの１つに、例えば、遠心インペラが回転することによる遠心加速度を用いて圧縮機へのガス入力に機械エネルギーが作動する、遠心圧縮機と呼ばれるものがある。

遠心圧縮機は、単一のインペラすなわち単一段構成を備え、或いは、複数の遠心段を直列に備えることができ、この場合、多段圧縮機と呼ばれることが多い。遠心圧縮機の段の各々は通常、加圧されることになるガス用の入口ボリュートと、入力ガスに運動エネルギーを提供できるロータと、インペラから出るガスの運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザとを含む。

多段圧縮機１００が図１に示される。圧縮機１００は、シャフト１２０と、複数のインペラ１３０〜１３６（７つのインペラのうちの３つだけが表記されている）とを含む。シャフト１２０とインペラ１３０〜１３６は、軸受１５０及び１５５を通じて支持されるロータ組立体内に含められる。

直列に配列されたインペラ１３０〜１３６の各々は、プロセスガスの圧力を増大させる。すなわち、インペラ１３０は、入口ダクト１６０のガスから圧力を増大させることができ、インペラ１３１は、インペラ１３０からガスの圧力を増大させることができ、インペラ１３２は、インペラ１３１からガスの圧力を増大させることができる、などである。これらのインペラ１３０〜１３６の各々は、多段圧縮機１００の１つの段とみなすことができる。

多段遠心圧縮機１００は、入口ダクト１６０から入力圧力（Ｐ_in）で入力プロセスガスを取り込み、ロータ組立体の作動によりプロセスガス圧力を増大させ、また、その後、入力圧力よりも高い出力圧力（Ｐ_out1）で出口ダクト１７０を通ってプロセスガスを排出するよう作動する。プロセスガスは、例えば、二酸化炭素、硫化水素、ブタン、メタン、エタン、プロパン、液化天然ガス、又はこれらの組み合わせの何れかとすることができる。

機械（インペラ１３０と１３６の間）内の加圧作動流体は、シール１８０及び１８５を用いて軸受１５０からシールされる。乾燥ガスシールは、使用可能なシールの１つの実施例とすることができる。シール１８０及び１８５は、プロセスガスが組立体を通って軸受１５０及び１５５に流れ、大気中に漏洩するのを防止する。圧縮機のケーシング１１０は、軸受及びシールの両方を覆い、圧縮機１００からのガスの放出を阻止するよう構成される。

段を追加することにより、入力圧力に対する出力圧力の比（すなわち、入口１６０と出口１７０の間）を増大させることは可能であるが、更に高い比を得るために、段数を単純に増やすことは可能ではない。

遠心圧縮機の段数の増加は複数の問題をもたらす。シャフトを支持する軸受は、インペラを含むシール区域の外にある。段数を増大させるためにはより長いシャフトが必要になる。シャフトが長くなると、同じ作動速度において軸受により安全に支持することができず、シャフト長が増大するにつれて軸受が離れ、シャフトがより可撓性になる。

ロータ組立体が長くなるほどシャフトが可撓性になるので、従って、ロータの固有周波数が低下する。高速度での作動時には、ロータ組立体の基本固有周波数の低下は、ロータの動的に不安定な状態にシステムがなりやすくなる傾向となり、作動速度及び機械出力を制限する可能性がある。

その他の問題は、同期するロータアンバランスに起因した強制応答である。作動速度がロータの固有周波数と一致すると、機械は、ロータアンバランスの結果である臨界速度で作動しているものとして定義される。圧縮機は、設計作動速度に達する前にこれらの固有周波数又は臨界速度のうちの一部を経過しなければならない。

圧縮機が臨界速度を経過すると、ロータの振動振幅は、軸受からの減衰による制約を受ける必要がある。しかしながら、長いシャフトの場合、ロータの動的エネルギーの大部分は、軸受でのエネルギー散逸ではなく、ロータを撓ませるよう伝達される。このことは、ロータ共振でロータ減衰モードが低く、振幅乗数が大きくなる結果をもたらし、ケーシング及びインペラ摩擦、更には機械の重大故障につながる可能性がある。

ロータ臨界速度をより高速で通過すると、ロータ組立体とケーシングとの間に流体誘起力（すなわち、流体誘起によるロータの動的な不安定）が発生する。流体力から生じるこれらの脈動は、十分に減衰されない場合には、破壊的又は重大な振動を励起する可能性がある。ロータ動的不安定性は、臨界速度又はアンバランス応答とは異なる機構であり、多くの場合は対処するのが遙かに困難である。

機械のサイズ及びコストを大幅に変化させることになるシャフト直径の増大並びに他の設計パラメータを付加することなく、追加の段を含む多段遠心圧縮機を設計及び提供することが望ましいことになる。

これらの例示的な実施形態によるシステム及び方法は、遠心圧縮機における段数を増大させると同時に、このような増大に通常付随する問題に対処することを可能にする。

例示的な実施形態によれば、遠心圧縮機は、シャフトと複数のインペラとを含むロータ組立体と、シャフトの端部に位置付けられ且つロータ組立体を支持するよう構成された軸受のペアと、ロータ組立体と軸受との間に配置されるシール機構と、複数のインペラの間に配置され且つシャフトを支持するよう構成された第１のガス軸受と、を含む。第１のガス軸受は、第１のガス軸受の位置から下流側に位置付けられたインペラからの作動ガスを受ける。

別の例示的な実施形態によれば、遠心圧縮機において作動ガスを処理する方法は、圧縮機の入口ダクトに前記作動流体を供給するステップと、ガスを複数の圧縮段を通して処理し、各段がガスの速度を増大させるようにするステップと、圧縮段の中間点から下流側の段の後で加速されたガスの一部を抽気するステップと、抽気したガスを軸受に供給するステップと、圧縮機内を流れる作動ガスに軸受からのガスを再導入するステップと、圧縮機の出口ダクトから作動ガスを排出するステップと、を含む。

別の実施形態によれば、遠心圧縮機は、シャフトと複数のインペラとを含むロータ組立体と、シャフトの端部に位置付けられ且つロータ組立体を支持するよう構成された軸受のペアと、ロータ組立体と軸受との間に配置されるシール機構と、複数のインペラの間に配置され且つシャフトを支持するよう構成された複数のガス軸受と、を含む。ガス軸受は、該ガス軸受の位置から下流側に位置付けられたそれぞれのインペラからの作動ガスを受ける。

添付の図面は本発明の例示的な実施形態を例証している。

多段遠心圧縮機を示す図。 例示的な実施形態による多段遠心圧縮機を示す図。 例示的な実施形態による方法を示す図。

例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面を参照している。様々図面における同じ参照符号は、同じ又は同様の要素を示している。また、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請求項によって定義される。

例示的な実施形態において、ミッドスパン軸受は、上記で明らかにされた臨界速度問題に対処するために、長いシャフトを備えたロータ組立体に剛性を付加するのに利用することができる。このような軸受は、ロータ組立体の可撓性を低下させ、従って、ロータ動的エネルギー（同期するロータアンバランス力に起因した）を軸受に伝達することを可能にする。

この「３軸受」構成は、ロータが臨界速度を超えたときにロータモードの減衰を増大させ且つ振幅係数を低下させ、ロータ組立体の安全な作動を可能にする。従って、ミッドスパン軸受は、段数の増大（すなわち、より長いシャフト）を可能にし、且つロータ動的不安定性に対処するために、ケーシング内に設けることができる。

シャフト（シャフト１２０のような）の表面速度はその直径と相関関係にある。シャフトの中央部分の直径は、末端部分の直径よりも大きい。これらの部分の間（すなわち、中央と末端間）の速度差は、２〜３倍程度とすることができる。従って、シャフトの表面速度は、末端部分におけるよりもシャフトの中央部分においてより大きい（２〜３倍）。

図１の軸受１５０及び１５５のような軸受は、通常はオイル軸受とすることができる。しかしながら、オイル軸受は、表面速度が通常シャフトの末端部分の表面速度により近接している場合には、使用法が制限される。

例示的な実施形態によるミッドスパン軸受は、ガス軸受とすることができる。ガス軸受は、表面速度がシャフトの中央部分での表面速度により近接している場合に用いることができる。

既存のシステムにおいて、二硫化水素のような腐食性の強い作動流体は、従来の油潤滑のジャーナル軸受に損傷を与える可能性がある。一般に、油潤滑軸受は腐食性ガスに耐性がないので、このような損傷により機械寿命が制限される。しかしながら、プロセスガス潤滑軸受は、このようなシールを必要とせず、機械寿命を維持しながらこの腐食環境においても作動することができる。

超高表面速度粘性流体能力を有することに加え、オイル軸受に比べてガス軸受の出力損失はごく僅かである。オイル軸受はまた、圧縮機により処理されるガスにオイルが漏洩するのを防ぐためのシールシステムを必要とする。ガス軸受では、このシールシステムの必要性が排除される。

図２は、例示的な実施形態による圧縮機を示す。圧縮機２００は、シャフト２２０、複数のインペラ２３０〜２３９（これらのインペラの一部だけが表記されている）、軸受２５０及び２５５、シール２８０及び２８５、入力圧力（Ｐ_in）で入力プロセスガスを取り込むための入口ダクト２６０、並びに出力圧力（Ｐ_out2）でプロセスガスを排出するための出口ダクト２７０を含む。圧縮機２００のケーシング２１０は、軸受及びシールの両方を覆い、圧縮機２００からのガスの放出を阻止する。

圧縮機２００はまた軸受２９０を含む。軸受２９０は、例示的な実施形態において、第１のインペラ２３０と最終インペラ２３９との間の中央部付近に位置することができる。インペラ２３０〜２３９の数は、例示的な実施形態によるミッドスパン軸受では、本明細書で詳細に説明される追加の理由により、現在実施可能な軸受よりも増大させることができる。

現在のところ、圧縮機に含めることが可能な段数の制限要因は、シャフトの長さと直径との比である。この比は、可撓比と呼ばれる。効率的に作動するために、圧縮機は最大可撓比を有することができる。この比は、例示的な実施形態によるより長いシャフト及びミッドスパン軸受では増大させることができる。

ガス軸受２９０において使用されるガスは、圧縮機２００により処理されるガスとすることができる。ガス軸受２９０は、最も近い固有周波数に対するロータ変位が最も顕著になる場所に配置することができる。この場所は、ロータの動的な観点から有効性が最適とすることができる。

処理されるガスは、公知の要素／構成部品及び方法を用いてガス軸受２９０から「下流側」にあるインペラの出力から「抽気」することができる。用語「下流側」は、この場合においては、ガス流の方向に関連しているので使用され、圧縮機についてはより高圧になる。すなわち、圧力は、特定の位置に対して下流側でより高く、上流側でより低くなる。例えば、図２に示すように、ガス軸受２９０は、インペラ２３５に対しては「上流側」にあるが、インペラ２３４に対しては「下流側」にある。

軸受２９０に流入する作動ガスの圧力は、ガスが軸受パッドから流出し、軸受パッドに流入しないように、ガス軸受と「境界を接する」又は「隣接する」段における作動ガスの圧力よりも高圧でなければならない。

従って、作動ガスは、ガス軸受２９０の場所よりも先の段から抽気しなければならない。例えば、軸受２９０が第５段（すなわち、インペラ２３４）の後に配置されている場合、作動ガスは、第６段（すなわち、インペラ２３５）の後の段から抽気しなければならない。好ましい実施形態において、作動ガスは、ミッドスパンガス軸受の場所から下流側に少なくとも２つ目の段（すなわち、インペラ２３６）から抽気することができる。軸受２９０が安定して作動するために、高い圧力が必要とされる。

一部の実施形態において、下流側の圧縮段から抽気される作動ガスは、フィルタ２４０を通って処理されてガス軸受２９０に提供される。フィルタ２４０は、処理されるガス中のあらゆる不純物及びパーティキュレートを除去することができる。ロータ組立体は、ガス軸受２９０を介してガスで洗浄され、組立体から熱を除去することができる。軸受２９０に入る作動ガスの質量流のパーセンテージは、コア流の０．１％未満とすることができる。

軸受２９０と作動流路との間に小さなボアチャンネルを設けることができる。軸受２９０からのガスは、ボアチャンネルにより流路に適正な圧力で導くことができる。

シャフトの長さの増大は、圧縮機バンドル／ケーシングの直径に対する長さの比の増大をもたらす。これにより、同じケーシング内で圧縮段の追加が可能となる。

以上のことから、例示的な実施形態によれば、ミッドスパンガス軸受を有する多段圧縮機を通るガス３００を処理する方法は、図３のフローチャートの方法ステップを含む。ステップ３１０において、作動ガスを圧縮機の入口ダクトに供給することができる。ステップ３２０において、作動ガスは、複数の圧縮段により処理され、圧力（及び速度）を増大させることができる。ステップ３３０において、作動ガスが幾つかの圧縮段によって処理された後に、圧縮段を通る作動ガスの流れからその一部を抽気することができる。この段の数は、圧縮機内にある圧縮段の１／２よりも多くすることができる。

ステップ３４０において、フィルタの上流側に位置するガス軸受にガスを供給して洗浄し、ロータ組立体から熱を除去することができ、このガス軸受はフィルタの上流側に位置する。ステップ３５０において、ガス軸受に供給されるガスは、作動ガスの流れに再導入することができる。ステップ３６０において、出口ダクトを介して最終圧縮段からのガスを排出することができる。一部の実施形態において、抽気されたガスは、フィルタにより処理され、ガス軸受に提供される前にあらゆる不純物を除去することができる。

ミッドスパンガス軸受の数は、１つよりも多くてもよい。追加の（すなわち、複数の）ミッドスパンガス軸受は、上述の原理を利用する一部の実施形態において含めることができる。また、ミッドスパンガス軸受は、厳密に中央にある必要はなく、奇数段を有するような特定の設計及び仕様に応じてオフセットしてもよい。複数のガス軸受の各々は、下流側にある別個のインペラから作動流体を受けることもできる。

圧縮機内で複数のガス軸受が実装される場合には、入力とガス軸受の第１のものとの間の段（圧縮）数は、ガス軸受の最後のものと出力との間の段数と同じとすることができる。複数のガス軸受はまた、同じ数の段によって離間して配置することができる。従って、入力とガス軸受の第１のものとの間の段数は、第１のガス軸受と第２のガス軸受との間（及び後続のガス軸受の各々の間）の段数と同じとすることができ、これはまた、最後のガス軸受と出力との間の段数と同じとすることができる、などである。

ガス軸受の第１のものは、第１のガス軸受から下流側で且つガス軸受の第２のものから上流側にある段からの加圧ガスを受けることができる。すなわち、第１のガス軸受は、第１と第２のガス軸受の間にある段から加圧ガスを受けることができる。

上述され且つ図２において示された特定の数のインペラは、純粋に例示に過ぎず、他の数のインペラを用いてもよいことは、当業者には理解されるであろう。用途に応じてより多い又はより少ない数のインペラが存在することができる。シャフトは単一のシャフトとすることができる。

本明細書で説明される例示的な実施形態は、現在使用されている圧縮機よりも優れた複数の利点を提供する。圧力を増大させるために、一連のケーシングを有するのではなく、１つのケーシング内に追加のインペラ（及びより長いロータ組立体）を配置することができる。各ケーシング（例えば、より長いロータ組立体を有する）内の効率もまた増大する。入力圧力に対する出力圧力の特定の比を達成するために、圧縮機に対するスペース要件が低減される。インペラの追加を可能にするために可撓比が増大される。

例示的な実施形態による圧縮機２００（図２）のシャフト２２０の長さ（Ｌ２）は、圧縮機１００（図１）のシャフト１２０の長さ（Ｌ１）よりも大きい。

加えて、ガス軸受を使用することにより、オイルがケーシングに入らないようにケーシング内に複雑なシールシステムを構成する必要が排除される。また、上述の設計の結果として、コストも大幅に低減される。

上述の例示的な実施形態は、あらゆる点で本発明を限定するものではなく例証であることを意図している。従って、本発明は、当業者によって本明細書に含まれる説明から得ることができる詳細な実施において多くの変形形態が可能である。このような変形形態及び修正形態の全ては、添付の請求項によって定義される本発明の範囲及び技術的思想の範囲内にあると考えられる。本出願の説明に使用された如何なる要素、段階又は命令も、明示的に示していない限り、本発明に決定的に重要な、或いは不可欠なものとして解釈されるべきではない。また、本明細書で使用される冠詞「ａ」は、１つ又はそれよりも多い項目を含むものとする。

３１０ 入口ダクトに作動流体を供給する
３２０ 圧縮段を通してガスを処理する
３３０ 加圧された作動ガスの一部を抽気する
３４０ ガスを軸受に供給する
３５０ 軸受からのガスを流動ガスに再導入する
３６０ 出口ダクトから作動ガスを排出する

Claims (20)

1. 遠心圧縮機であって、
   シャフトと複数のインペラとを含むロータ組立体と、
   前記シャフトの端部に位置付けられ、且つ前記ロータ組立体を支持するよう構成された軸受のペアと、
   前記ロータ組立体と前記軸受との間に配置されるシール機構と、
   前記複数のインペラの間に配置され、前記シャフトを支持するよう構成され、静圧ガス軸受により構成された第１のガス軸受と、
   を備え、
   該第１のガス軸受が、前記第１のガス軸受の位置から下流側に位置付けられたインペラからの作動ガスを受ける、
   遠心圧縮機。
2. 前記第１のガス軸受が、前記圧縮機の複数のインペラ間の中間にある箇所に位置付けられる、請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記第１のガス軸受が、前記圧縮機の複数のインペラ間の中間を越えた箇所に位置付けられる、請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記作動ガスが、二酸化炭素、硫化水素、ブタン、メタン、エタン、プロパン、液化天然ガス、又はこれらの組み合わせの何れかである、請求項１〜３の何れかに記載の遠心圧縮機。
5. 前記軸受のペアがオイル軸受である、請求項１〜４の何れかに記載の遠心圧縮機。
6. 前記ガス軸受の作動表面速度が、前記オイル軸受の作動表面速度よりも高い、請求項１〜５の何れかに記載の遠心圧縮機。
7. 前記ガス軸受の作動表面速度が、前記オイル軸受の作動表面速度の少なくとも２倍である、請求項６に記載の遠心圧縮機。
8. 前記ガス軸受により作動ガスが受けられる前に該作動ガスを清浄化するためのフィルタを更に備える、請求項１〜７の何れかに記載の遠心圧縮機。
9. 前記複数のインペラの間に配置され、且つ前記第１のガス軸受から下流側に位置付けられる第２のガス軸受を更に備える、請求項１〜８の何れかに記載の遠心圧縮機。
10. 前記作動ガスが、前記第１のガス軸受を越えた１つの圧縮段であるインペラから前記第１のガス軸受により受けられる、請求項１〜９の何れかに記載の遠心圧縮機。
11. 前記作動ガスが、前記第１のガス軸受を越えた少なくとも２つ目の圧縮段であるインペラから前記第１のガス軸受により受けられる、請求項１〜１０の何れかに記載の遠心圧縮機。
12. 前記第１のガス軸受により受けられる作動ガスが、前記圧縮機を流れる作動ガスの０．１％未満である、請求項１〜１１の何れかに記載の遠心圧縮機。
13. 前記シャフトが単一のシャフトである、請求項１〜１２の何れかに記載の遠心圧縮機。
14. 遠心圧縮機において作動ガスを処理する方法であって、
    前記圧縮機の入口ダクトに前記作動流体を供給するステップと、
    前記ガスを複数の圧縮段を通して処理し、各段が前記ガスの速度を増大させるようにするステップと、
    前記圧縮段の中間点から下流側の段の後で加速されたガスの一部を抽気するステップと、
    前記複数の圧縮段間に位置付けられる静圧ガス軸受に前記抽気したガスを供給するステップと、
    前記圧縮機内を流れる前記作動ガスに前記ガス軸受からのガスを再導入するステップと、
    前記圧縮機の出口ダクトから前記作動ガスを排出するステップと、
    を含む方法。
15. 前記抽気したガスを前記ガス軸受に供給する前に、該ガスをフィルタ処理して不純物を除去するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ガス軸受からのガスを用いて前記圧縮機のロータ組立体を洗浄し、前記ロータ組立体から熱を除去するステップを更に含む、請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 遠心圧縮機であって、
    シャフトと複数のインペラとを含むロータ組立体と、
    前記シャフトの端部に位置付けられ、且つ前記ロータ組立体を支持するよう構成された軸受のペアと、
    前記ロータ組立体と前記軸受との間に配置されるシール機構と、
    前記複数のインペラの間に配置され、前記シャフトを支持するよう構成され、静圧ガス軸受により構成された複数のガス軸受と、
    を備え、
    前記ガス軸受の各々が、前記ガス軸受の位置から下流側に位置付けられたそれぞれのインペラからの作動ガスを受ける、
    遠心圧縮機。
18. 前記圧縮機の入力と前記複数のガス軸受の第１のものとの間の圧縮段の数が、前記複数のガス軸受の最後のものと前記圧縮機の出力との間の圧縮段の数と等しい、請求項１７に記載の遠心圧縮機。
19. 前記複数のガス軸受の各々間の圧縮段の数が、前記圧縮機の入力と前記複数のガス軸受の第１のものとの間の圧縮段の数と等しい、請求項１８に記載の遠心圧縮機。
20. 前記複数のガス軸受の第１のものが、前記第１のガス軸受の下流側にあり且つ前記複数のガス軸受の第２のものの上流側にあるインペラから作動流体を受ける、請求項１７〜１９の何れかに記載の遠心圧縮機。
    

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