JP5890786B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機は、高速で回転して遠心力でガスを圧縮させるインペラを用いることにより動作する。このタイプの圧縮機では、ガスは非常に高い速度でインペラを出る。このガスの減速に伴いエネルギーが熱に変換されることで、インペラの先端から短距離における温度の大幅な上昇を引き起こす。この熱は、通常は大気中に奪われるので、圧縮機の全体的効率を低下させる。

これらの問題から本発明が生まれた。

本発明の一態様によれば、入力駆動装置（drive）を有するインペラを備える遠心圧縮機であって、インペラは、インペラの周辺に位置決めされてインペラを出るガスにより駆動される衝動タービンを有し、タービンの出力は、インペラの駆動装置に結合される遠心圧縮機が提供される。

好適には、ステータをインペラの出口とタービンとの間に位置決めして、流出ガス（exeunt gas）の方向を変える。

好適な実施形態では、複式遊星ギヤボックスを利用してインペラを駆動する。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を単なる例として説明する。

遠心圧縮機の実施形態の断面図である。 圧縮機の外側斜視図である。 圧縮機の内部の斜視図である。 圧縮機駆動系を示す斜視図である。 タービン駆動系を示す斜視図である。 筐体を取り外した遠心圧縮機と２段タービンとのアセンブリの側面図である。 アセンブリの端面図である。 図６の線Ｘ−Ｘに沿ったアセンブリの断面図である。 一端からのアセンブリの斜視図である。 他端からのアセンブリの斜視図である。 タービン・圧縮機アセンブリの低温作動を示す回路図である。 蒸気タービンを用いたタービン・圧縮機アセンブリの使用を示す回路図である。 ガスを液化するためのタービン・圧縮機アセンブリの冷間使用の回路図である。 ガスを液化するためのタービン・圧縮機アセンブリの冷間使用の回路図である。

図１〜図３に示すように、圧縮機１０は、中央ガス入口１２及び接線方向出口１３を有する圧縮機ハウジング１１を備える。圧縮機は、複式遊星ギヤボックス５０により駆動されるブレード付きインペラ２０を含む。ベルハウジング３０が、ギヤボックス５０を圧縮機ハウジング１１に接続する。これらのコンポーネントの外観図を図２に示し、図３は、カバーを取り外した斜視図で同じコンポーネントを示す。図３は、インペラ羽根の周辺がステータ４０と連通し、ステータ４０がさらに流出ガスを圧縮機の外部に取り付けた衝動タービン６０へ向け直すことを示す。衝動タービンは、遊星ギヤボックス５０に動力を供給して圧縮機インペラ２０の駆動を補助する出力駆動カップリング６５を有する。

圧縮機１０の駆動と、タービンの圧縮機との関係及び後方の遊星ギヤボックスまでの駆動に関する細部を、圧縮機１０の断面図である図１と、それぞれ圧縮機駆動系及びタービン駆動系の斜視図である図４及び図５とに示す。

ガスが遠心圧縮機のインペラ２０を出る際に非常に高速であることが知られている。これらのガスの減速は、温度の急上昇を引き起こし、出口温度は３００℃に達する場合が多い。この熱は、通常は大気中に又は冷却器を通して奪われるので、圧縮機の全体的効率を低下させる。本発明の目的は、流出速度を利用して衝動タービン６０を駆動することで、流出ガスが圧力を維持しつつ最低限の温度に保たれることを確実にして、圧縮機が圧縮機としてのその務めを果たすことができるようにすることである。タービンは、高速流出ガス中のエネルギーを抽出した後に、減速相において熱に変換される機会を得る。

この目的で、ステータ４０を圧縮機１０の出口ボリュート２５に隣接して位置決めして流出ガスの方向を変え、流出ガスは、続いて圧縮機の外部の周辺に取り付けた衝動タービン６０に供給される。衝動タービン６０は出力軸６１を有し、出力軸６１が続いて圧縮機の複式遊星ギヤボックス５０につながっていることにより、タービン６０が発生したエネルギーを用いて圧縮機１０の駆動が支援される。タービン６０のガス出口は、実際には圧縮機の出口となり、ガスは、所望の高圧及び通常よりも約６０％低い低作動温度で出る。熱損失を低減することにより、効率が高まる。

図１に示すように、ギヤボックスは、一対の同軸的に離間した固定環状ギヤ５２、５３を支持するハウジングを備え、環状ギヤ５２、５３はそれぞれが３つの等間隔の遊星ギヤ８１、８２、８３と噛み合い、遊星ギヤ８１、８２、８３は中央太陽ギヤ８４又は８５と噛み合う。第１環状ギヤ５１の遊星ギヤ８１、８２、８３は、第１キャリア８８に軸支された軸８６に取り付けられ、第２環状ギヤ５２の遊星ギヤ８１、８２、８３は、第２キャリア８９に軸支された軸８６に取り付けられる。太陽ギヤ８４は軸９５に取り付けられ、軸９５は、第２組の遊星ギヤ８１、８２、８３のキャリアを駆動する。一次ギヤ５１の遊星ギヤ８１、８２、８３は、外部で駆動される中空駆動軸９０により駆動される。二次ギヤ８５は、遊星ギヤ８１、８２、８３により駆動され、ベルハウジングを貫通してインペラ２０を取り付けた主駆動軸９６に結合される。

インペラ２０は、出口ボリュート２５を画定する筐体内で高速で回転する。空気は、圧縮機の前方にある中央開口２１から引き込まれ、インペラ２０が高速で回転すると遠心圧縮されて圧縮機出口ボリュート２５から排出される。出口ボリュートは、その出口高さが約２／３のサイズに減ることでさらに出力速度を高めると共に出口温度を低下させる。

タービン６０は、ステータ４０を備える衝動タービンであり、ステータ４０をインペラブレード２１の先端に隣接して位置決めして、ガス流の方向を中空出力軸６１に取り付けた一連のタービンブレードへ向け直す。

第２遊星ギヤキャリア８９は、タービン６０の出力軸６１により駆動されるので、出力軸は、固定環状ギヤ５３を中心として３つの等間隔に位置決めした遊星ギヤ８１、８２、８３を駆動し、遊星ギヤは、主駆動軸９６に取り付けた中央太陽ギヤ８５を駆動してインペラ２０を駆動する。タービン６０の出力軸６１は、圧縮機の入力軸９６と同軸上に延びると共に、環状カップリング６３に結合されるよう別個に延び、環状カップリング６３はさらに二次ギヤセットの遊星ギヤキャリア８９を駆動する。

タービンブレードは、圧縮機出口ボリュート２５内にあるので、圧縮ガスは、タービンから出た後に圧縮機出口１３を通って排気される。圧縮機１０は、窒素ガスを圧縮して液体にするのに特に有用であり、６〜１０：１の圧縮比で動作する。遊星ギヤボックスは３〜７：１の比を有し、出口ガス温度は通常よりも大幅に低い。二次ギヤセットの太陽ギヤ８５は、タービン出力により増速駆動されることで、圧縮機の入力駆動装置９６の補助を行う。遊星ギヤセットの変速比の調整性が、固定比に維持されるタービン６０とインペラ２０との間の正しい比を保証する。タービン６０は、インペラからの減速流出ガスがタービンを駆動するようにインペラ２０と比べてはるかに低速で動くよう設計される。

電気、ガソリン、又はディーゼルモータであり得る圧縮機の駆動装置との間に、一次遊星ギヤセットを導入して、従来の駆動モータとの適合性を確保すると共にインペラが必要とする高速を提供することもできることが理解される。

第２実施形態では、衝動タービン６０に関連した圧縮機である遠心圧縮機１０を２段主タービン１００に結合して、図６〜図１０に示す駆動アセンブリ（ユニット）を画定するが、これらの図では外側筐体の大半を取り外してある。２段主タービン１００は、ステータ９１に隣接した第１タービンロータ９０とステータ９３に隣接した第２タービンロータ９２とを備える。主タービンのガス出口は、カウリング９４を通る。タービン１００の出力軸１０１は、遠心圧縮機１０及び衝動タービン６０の中心を通って主出力軸１５０に至る。軸１０１は、圧縮機１０のインペラ２０を駆動する。第１実施形態に関して説明した遊星ギヤボックス５０を利用して、圧縮機も駆動しながら圧縮機軸、衝動タービン軸、及び主タービン軸からの駆動が全て主出力軸１５０へ供給されたことを確実にする。図６は、駆動ユニットを側面図で示し、図７は、当該ユニットの端面図である。図８は、駆動ユニット及び特に遊星ギヤボックス５０を示す断面図である。図９及び図１０は、それぞれ反対の端からのユニットの等角図である。

主タービン１００、遠心圧縮機１０、及び衝動タービン６０の組み合わせにより構成した駆動ユニットは、図１１、図１２、図１３、及び図１４に示す実施形態に関して説明する様々な方法で用いることができる。

発電は、閉サイクル動作の蒸気タービンの使用により、又はさほど多くはないが開放サイクルガスタービンにより実行される場合が多い。これらのタービンの効率は従来低く、発電所は、熱及び二酸化炭素を冷却塔及び排気煙突を通して大気中に放出する。

一実施形態において、駆動ユニットを、発電に用いる回路図である図１１に示す。主タービン１００は、遠心圧縮機１０に直接結合されるので、タービンのガス出力が遠心圧縮機１０に供給される。作動ガスは空気である。衝動又は回収タービン６０は、図１〜図５の実施形態で説明した遠心圧縮機のインペラベーンの周辺に隣接して取り付けられ、衝動タービン６０のガス出力は、熱交換機１２０を通して供給される。タービンの出力軸及び圧縮機の入力軸のギヤを介した相互接続を概略的に示す。主タービン１００の出力軸１０１、衝動（回収）タービン６０出力軸６１、及び圧縮機１０の入力軸１１は全て、主出力軸１５０を駆動するようになっており、主出力軸１５０はさらにオルタネータ（図示せず）を駆動して発電させる。主タービンの出力軸１０１の駆動は、一連のギヤ１０４、１０５、１０６から、軸１０７を介し、別のギヤ１０８へ進み、ギヤ１０８はギヤ１０９と噛み合い、ギヤ１０９はさらにステップダウンギヤ１３１、１３２、１３３を駆動し、ステップダウンギヤ１３１、１３２、１３３はオルタネータを駆動して発電させる。遠心圧縮機１０の入力軸１１も、ステップアップギヤボックスを介してオルタネータまでギヤ１３１を介して駆動される。回収タービン６０の出力６１もギヤ１０９を駆動する。このように、オルタネータは、主タービン１００の出力及び遠心圧縮機１０に関連した回収タービン６０の出力により駆動される。

図１１に示す駆動ユニットは、約３１０Ｋの温度の熱源と共に用いることができる。より詳細には、これは、閉サイクル蒸気タービンを用いる発電所と共に用いるよう設計される。熱源は、コンデンサの後且つ発電所の冷却塔の前で得られる。この実施形態では、蒸気タービンのコンデンサ（図示せず）の出力を熱交換機１２０に供給して、熱交換機が３１０Ｋの温度で動作することを確実にする。熱交換機１２０は、３１０Ｋの温度で動作し、熱交換機からのガス出力は、その温度にて圧力７．１ｂａｒでタービン１００を通して供給される。主タービン１００は８，０００ｒｐｍで動作する。タービン１００のガス出力は、続いて圧力１ｂａｒ及び温度１８０Ｋで遠心圧縮機１０に供給される。熱交換機１２０に戻される回収タービン６０の後の圧縮機１０のガス出力は、圧力７．１ｂａｒ及び温度２４８Ｋである。圧縮機の機械的出力は、２０，０００ｒｐｍで回転する高速軸１１であり、減速ギヤボックス１３０は、駆動装置１５０及びその先のオルタネータへとその速度を低下させ、オルタネータは３，０００ｒｐｍに設定される。

図１１を参照して上述したシステムは、蒸気タービンコンデンサからの熱を用いて圧縮機１０に関連した回収タービン６０の流出ガスを加熱する。上述のシステムは、普通であれば発電所冷却塔で単に失われてしまうタービンのコンデンサから出る熱を、単純に動力とする。

図１２に示す別の実施形態では、蒸気タービン１００を用いた発電に同じシステムを用いることもできる。このユニットは、蒸気タービン閉サイクルにおけるコンデンサ及び供給ポンプの従来の使用に事実上取って代わる。

この実施形態では、熱交換機１２０は、外部燃料補給ボイラの形態である。サイクルは、１ｂａｒ及び４００Ｋの蒸気から開始する。蒸気は、この時点で２７３０ｋＪ／ｋｇのエンタルピーを有する。蒸気は続いて、十分に１段遠心圧縮機の能力の範囲内である約６の圧力比で圧縮される。このステップは圧力を７．１ｂａｒに上昇させ、その温度は通常は６３３Ｋとなり、エンタルピーは３１８５ｋＪ／ｋｇである。圧縮機インペラを出る高速ガスからエネルギーを回収することにより、圧縮機が必要とする入力エネルギーの６０％を取り戻すことができる。これにより、エンタルピーが２８８５ｋＪ／ｋｇ、温度が４９１Ｋに低減する。

回収タービン６０は、圧縮エンタルピーを６０％低減するので、エンタルピー上昇はこのとき１８２．１２ｋＪ／ｋｇであり、２７３．１８ｋＪ／ｋｇの差となる。

熱交換機１２０において、蒸気温度は６３３Ｋに上昇して主タービン１００を通して膨張することができ、主タービン１００は、温度を再圧縮に備えた４００Ｋに再度低下させる。主タービン１００のエネルギー出力は、回収タービン６０なしで圧縮機が必要とする本来のエネルギーと同じであるので、ユニット出力は、回収タービン６０が回収するものと等しい。実際には、１５％〜２０％程度が効率損失で失われ、最終出力は２１８．５ｋＪ／ｋｇとなる。

図１２の蒸気タービンサイクルは、ガスタービンに関連して用いることもできる。この場合、ボイラをガスタービンの排気に置き換えて熱交換機１２０を加熱する。

同じ圧縮及び回収システムを用いた多段圧縮は、温度及び圧力をはるかに高い出力に上昇させることができるので、蒸気タービンにとって通常の圧力及び温度に達する。蒸気タービンの最新技術では、９２％以上もの高さの効率を得ることができるので、全体としての結果は８０％もの高さになり得る。

同じ原理で、熱交換機又はコンデンサを通した蒸気の潜熱からのエネルギーを用いる代わりに、凝縮ガスの潜熱を熱交換機で用いて、上述の種類のタービン／圧縮機ユニットで発電させることができる。窒素及びネオンの両方を作動ガスとして用いる概略サイクルを図１３及び図１４に示す。これらのユニットは、液体ガスの生産及び空気をそのガス状成分に分離する空気分離ユニットで特に有用である。両方の業界において、ガスの液化は重要な要素（integer）である。

図１３及び図１４に示すように、駆動ユニットはガスの液化に用いることができる。図１３及び図１４に示す例では、液化対象ガスはメタンであり、液化プロセスは２つのサイクルで実行され、その両方が発電に用いることができる機械的出力を提供する。第１サイクルでは、作動ガスは水素であり、サイクルの概略図を図１３に示す。メタンは、大気温度、すなわち３００Ｋで熱交換機１２０に供給される。熱交換機を通過中の窒素は、回収タービン６０から出た後に圧力７．１ｂａｒ及び温度１３４Ｋで熱交換機に入る。メタンガスは、窒素の温度を１７６Ｋに加熱し、その時点で、続いて主タービン１００を駆動するよう供給される。熱交換機は、メタンガスを３００Ｋから１１４Ｋに冷却させる。１１４Ｋのメタンガスは、続いて図１４に示すサイクルの第２部へ供給される。このサイクルでは、作動ガスはネオンであり、これははるかに低い液化温度を有する。このサイクルでは、回収タービン６０からの排気は７．１ｂａｒ及び温度７７Ｋであり、熱交換機１２０から出てタービンに入る温度は１１４Ｋであり、これはメタンガスが１１１Ｋに低下して液体に変わることを意味する。したがって、メタンガスから抽出された熱は、閉サイクルアセンブリを駆動し、各サイクルでオルタネータにおいて発電させ、最終的にはメタンガスを液化させる。

メタンガスの液化は、より低い温度の液化ガスであるネオンを作動ガスとして用いる単一サイクルで行うこともできることが理解される。このシステムを用いて他のガスを液化できることも理解される。図１３に示す第１サイクルでは、熱交換機１２０は熱交換機として動作するが、第２サイクルでは、熱交換機は事実上コンデンサとなってメタンガスを液体メタンに凝縮する。

ユニットの効率は、メタン等のガスを液化すると同時に副産物として発電する機構を提供する。

乾燥空気を作動媒体として用いる廃熱サイクル（図１１）よりも温度差がはるかに大きいので、窒素で作動する顕熱抽出用のものと、ネオンを用いて潜熱を抽出するものとの、２つの独立したサイクルを用いて液化を行うのが最善である。液化は、ネオンを用いた１つのユニットを用いて行うことができるが、実際には窒素の方がネオンよりも適した作動ガスであるのに加えてネオンよりもはるかに容易に入手可能である。しかしながら、ネオンは窒素よりもはるかに低い温度になる。

ユニットの出力は、回収タービンの出力−効率損失又は約４５ｋＪ／ｋｇ×０．８＝３６である。

ユニットの出力は、回収タービンの出力−効率損失又は約（３８ｋＪ／ｋｇ）×０．８＝３０．４ｋＪ／ｋｇである。

この図は、一定出力としてｋＷ／ｋｇで見積もることができ、例えば、ユニットが１０ｋｇ／秒を用いる場合、一定出力は１０×３０．４又は３０４ｋＷとなる。

以下の特許請求の範囲及び本発明の上記説明において、明示的な文言又は必然的な黙示により文脈上他の意味に解すべき場合を除き、用語「comprise（備える）」又は「comprises」若しくは「comprising」等の変形は、包括的意味で、すなわち記載された特徴の存在を明記するために用いられるのであり、本発明の種々の実施形態におけるさらに他の特徴の存在又は付加を除外するために用いられるのではない。

Claims (13)

1. ガス入口及び出口を有するインペラを備える遠心圧縮機であって、前記インペラは、入力駆動装置、及び該インペラの周辺に前記出口に隣接して位置決めされた衝動タービンロータを有し、この衝動タービンロータは出力軸を駆動し、前記衝動タービンロータは、前記インペラを出る高速のガスにより駆動され、前記インペラは、複数の半径方向のインペラブレードを有し、これらのインペラブレードから出るガスの速度を維持して、前記ガスの減速を軽減するように構成され、前記衝動タービンロータに入るガスの圧力が、当該衝動タービンロータの出口において維持される遠心圧縮機。
2. 請求項１に記載の遠心圧縮機において、前記衝動タービンロータの出力軸が、前記インペラの前記入力駆動装置を補助する遠心圧縮機。
3. 請求項２に記載の遠心圧縮機において、ギヤボックスを、前記衝動タービンロータの前記出力軸と前記インペラの前記入力駆動装置との間に配置した遠心圧縮機。
4. 請求項２に記載の遠心圧縮機において、前記衝動タービンロータの前記出力軸を、前記インペラを駆動する複式遊星ギヤボックスに結合した遠心圧縮機。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心圧縮機において、ステータを、前記インペラの前記出口と前記衝動タービンロータとの間に位置決めして流出ガスの向きを変える遠心圧縮機。
6. 遠心圧縮機及び駆動タービンを備える閉サイクル駆動ユニットであって、ガス入口及び出口を有するケーシングの入口内に配置されたインペラを備え、このインペラは、入力駆動装置、及び該インペラの周辺に前記出口に隣接して位置決めされた衝動タービンロータを有し、この衝動タービンロータは、前記インペラの前記入力駆動装置に結合された出力軸を駆動し、前記衝動タービンロータは、前記インペラを出る高速のガスにより駆動され、前記インペラは、複数の半径方向のインペラブレードを有し、これらのインペラブレードから出るガスの速度を維持して、前記ガスの減速を軽減するように構成され、前記衝動タービンロータに入るガスの圧力が、当該衝動タービンロータの出口において維持され、前記駆動タービンは、ガス入口、ガス出口、及び駆動タービン出力軸を有し、前記衝動タービンの排気は、熱交換機を通過して前記駆動タービンの前記ガス入口に供給され、前記駆動タービンの前記ガス出口は、前記遠心圧縮機の前記ガス入口に結合され、前記駆動タービン出力軸は、前記遠心圧縮機の前記インペラの前記入力駆動装置に結合される閉サイクル駆動ユニット。
7. オルタネータ又は発電機を駆動し、冷却塔に結合したコンデンサを有する閉サイクル蒸気タービンと、同じく前記オルタネータ又は発電機を駆動する閉サイクル駆動ユニットとを備え、前記コンデンサからの熱を熱交換機に供給して、該熱交換機を通過するガスを加熱する発電所であって、前記閉サイクル駆動ユニットは、遠心圧縮機に関連する駆動タービンを備え、前記遠心圧縮機は、入力駆動装置を有するインペラを備え、このインペラは、該インペラの周辺に位置決めされて該インペラを出るガスによって駆動される衝動タービンを有し、前記衝動タービンの排気は、前記熱交換器を通過して前記駆動タービンに供給されて当該駆動タービンを駆動し、前記駆動タービンの排気は、前記遠心圧縮機の入口に供給され、前記駆動タービンの出力軸は、前記入力駆動装置に結合される発電所。
8. 出力軸、外部加熱式の熱交換機、及び請求項１に記載の遠心圧縮機を有する蒸気タービンを備える発電所であって、前記蒸気タービンは前記熱交換器により駆動され、前記蒸気タービンの排気は、前記遠心圧縮機のガス入口に供給され、前記衝動タービンロータの排気は、前記熱交換機を通って前記蒸気タービンに伝わり、前記蒸気タービンの前記出力軸及び前記衝動タービンロータの前記出力軸は、ギヤボックスに結合されて前記遠心圧縮機及びオルタネータを駆動して発電させる発電所。
9. 請求項８に記載の発電所において、前記熱交換機を、ガスタービンの排気により加熱する発電所。
10. 閉サイクル駆動ユニットを有するガス液化プラントであって、前記閉サイクル駆動ユニットの作動ガスは、液化対象ガスよりも低い液化温度を有するガスであり、前記液化対象ガスを、熱交換機により冷却して液体形態にするガス液化プラントであって、前記閉サイクル駆動ユニットは、遠心圧縮機に関連する駆動タービンを備え、前記遠心圧縮機は、入力駆動装置を有するインペラを備え、このインペラは、該インペラの周辺に位置決めされて該インペラを出るガスによって駆動される衝動タービンを有し、前記衝動タービンの排気は、前記熱交換器を通過して前記駆動タービンに供給されて当該駆動タービンを駆動し、前記駆動タービンの排気は、前記遠心圧縮機の入口に供給され、前記駆動タービンの出力軸は、前記入力駆動装置に結合されるガス液化プラント。
11. 請求項１０に記載のガス液化プラントにおいて、前記作動ガスはネオンであり、前記液化対象ガスはメタンであるガス液化プラント。
12. 遠心圧縮機においてエネルギーを回収する方法であって、
    前記遠心圧縮機のインペラ内にガスを取り込み、前記インペラが高速で回転する際に、前記ガスを遠心力で圧縮するステップと、
    前記インペラのブレードから出る前記ガスの減速を軽減し、これにより、前記ガスの圧力を維持しつつ、前記ブレードの出口における前記ガスの温度の増加を軽減するステップと、
    前記インペラから出る高速のガスを、前記インペラの周辺に装着した衝動タービンロータ内に指向させ、これにより、前記衝動タービンロータに結合された出力軸を駆動することによって、前記衝動タービンロータを駆動して、前記衝動タービンロータの出口における前記ガスの圧力を維持しつつ、前記高速のガスからエネルギーを回収するステップと、
    前記衝動タービンロータから出るガスを、出口ボリュートを通して排気するステップと
    を含む方法。
13. 前記衝動タービンロータの出力軸とのギヤを介した相互接続により、前記インペラの入力軸を駆動するステップを含む請求項１２に記載の方法。

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