JP5928827B2 - 遠心圧縮機の動的スラストバランス調整 - Google Patents

Description

本発明は、全体的には遠心圧縮機に関し、詳細にはこのような圧縮機のスラストバランス調整に関する。

圧縮機は、力学的エネルギを使用してガス等の圧縮性流体を加圧する機械である。圧縮機は、ガスタービン機関の第１段としての作動を含む、多くの様々な用途に使用される。更に、ガスタービン機関自体は、発電、天然ガス液化等のプロセスを含む多数の工業プロセスで使用される。種々の圧縮機の中で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のは、所謂、遠心圧縮機であり、例えば、ガスが通過する遠心インペラ又はロータの回転によってガス粒子を加速する遠心加速度によって、圧縮機に流入するガスに力学的エネルギが作用する。

遠心圧縮機は、単一のロータ、つまり単段構造を備えること、又は多段圧縮機と呼ばれることが多い直列に複数のロータを備えることができる。一般に、遠心圧縮機の各段は、圧縮されるガスのための入口導管、流入ガスに運動エネルギを付与できるロータ、及びロータを離れるガスの運動エネルギを圧力エネルギに変換する出口パイプを含む。

多段遠心圧縮機は、各段の間の差圧、及び水平方向から垂直方向へのガス転向の運動量の変化によってロータ上に軸スラストを受ける。この軸スラストは、通常、バランスピストン及び軸スラスト軸受によって相殺される。軸スラスト軸受がロータの全スラストを負担できないので、バランスピストンは大部分のスラストを相殺するように設計され、残りのスラストを軸受に対応させる。バランスピストンは、通常、圧縮機軸に取り付けられる回転ディスク又はドラムとして提供され、バランスディスク又はドラムの各側面が作動時に異なる圧力を受けるようになっている。バランスピストンの直径は、所望の軸荷重を受けるように選択され、その残留荷重によりアキシャル軸受が過負荷になるのを防止するようになっている。一般に、従来の油潤滑式軸受は、サージング等の異常状態に備えて最大残留軸スラストの４倍の軸スラスト力に耐えるように設計されている。

しかしながら、圧縮機の作動時にガス状態が変化する際に、バランスピストンによる補償では充分に軸受の過負荷を防止できない場合がある。実際に、並列作動する多段遠心圧縮機のガス貯蔵用途等の遠心圧縮機のいくつかのタイプは、他よりもこのようなガス状態の変動を受ける場合があり、流量係数の差異に関連する圧縮機の第１のセクションと第２のセクションとの間の軸スラストの差は、バランスピストンでは簡単に補償できない場合がある。従って、従来の油潤滑式軸受は、一般に、サージング等の異常状態に備えて最大残留軸スラストの４倍の軸スラスト力に耐えるように設計されている。

最近の他の動きとして、従来の油潤滑式軸受の代わりに能動型磁気軸受（ＡＭＢ）に用いて圧縮機軸を軸方向（及び半径方向）に回転支持するようになっている。ＡＭＢは、電磁的原理で作動して圧縮機内の軸方向及び半径方向の変位を制御するようになっている。簡単には、ＡＭＢは、デバイス内部の圧縮機ロータの変位を示すフィードバック信号に応じて、電磁石のコイルへの電圧（従って、電流）を調整するパワーアンプで駆動される電磁石を含む。ＡＭＢは、潤滑油を必要とせず、圧縮機システムの全体的な保守管理が少なくなり、場合によってはインペラと軸受との間にシールを設ける必要性が無くなるという所望の特性を有する。しかしながら、ＡＭＢには従来の油潤滑式軸受と同等の軸スラストに対応できないという欠点もある。

従って、既存のバランス調整システムの前述の問題点を解決した、圧縮機の動的スラストバランス調整ための設計及びそのための方法及びシステムが望まれる。

例示的な実施形態は、遠心圧縮機の軸荷重を動的にバランス調整して、該遠心圧縮機が使用する軸受の残留軸荷重を低減するシステム及び方法に関する。センサ又はプローブは、軸受に作用する軸荷重に関するパラメータを検出する。検出されたパラメータに基づいて、バランスドラムが発生する補償軸力を調整するようにバランスチャンバの圧力が制御される。

本明細書の例示的な実施形態の利点としては、例えば、種々の運転状態にわたり軸受に作用する残留軸力の低減を挙げることができる。しかしながら、当業者であれば、このような利点は、１つ又はそれ以上の請求項に明白に記載される場合を除き、本発明を制限すると解釈すべきでないことを理解できるはずである。

例示的な実施形態によれば、遠心圧縮機は、少なくとも１つのインペラを含むロータ組立体と、ロータ組立体に結合されて回転可能に支持する軸受と、ステータと、少なくとも１つのインペラと軸受との間に配置されるバランスドラムと、バランスドラムの外側の近くに少なくとも部分的に形成されバランスラインが接続されたバランスチャンバと、軸受の軸荷重に関連するパラメータを検出するセンサと、検出されたパラメータに基づいてバランスチャンバ内の圧力を変更するための制御バルブとを備える。

他の例示的な実施形態によれば、遠心圧縮機の軸受に作用する軸荷重を動的にバランス調整する方法は、軸荷重に関するパラメータを検出する段階と、遠心圧縮機のバランスドラム近傍のバランスチャンバの圧力を、検出されたパラメータに基づいて軸受に作用する前記軸荷重が動的にバランスするように制御する段階と、を含む。

添付の図面は例示的な実施形態を示す。

例示的な実施形態による動的バランス調整機構を備えることができる多段式遠心圧縮機の概略図 遠心圧縮機の静的軸荷重バランス調整を示す図 例示的な実施形態による遠心圧縮機の動的軸荷重バランス調整を示す図 例示的な実施形態による動的荷重バランス調整の方法を示すフローチャート

以下の例示的な実施形態の詳細な説明は添付の図面を参照する。異なる図面で同じ参照符号は、同じ又は類似の構成要素を示す。また、以下の詳細な説明は本発明を限定しない。その代わりに、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よるスラストバランス調整システムに関する以下の説明に関連して、図１は本発明のスラストバランス調整システムを用いることができる多段遠心圧縮機１０を概略的に示す。圧縮機１０は、複数の遠心インペラ１６を有する圧縮機の回転軸１４が取り付けられたボックス又はハウジング（ステータ）１２を備える。ロータ組立体１８は、軸１４及びインペラ１６を含み、ロータ組立体１８の両端に配置された軸受２０によって半径方向及び軸方向に支持されている。

多段遠心圧縮機は、ダクト入口２２から流入プロセスガスを受け入れ、ロータ組立体１８の作動によってプロセスガスの圧力を高め、その後、プロセスガスを流入圧力よりも高い流出圧力で出口ダクト２４から吐出するように作動する。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、液化天然ガスのうちのいずれか１つ、又はこれらを組み合わせたものとすることができる。ロータ１６と軸受２０との間には、プロセスガスが軸受２０へ流れるのを防ぐシーリングシステム２６が設けられている。ハウジング１２は、軸受２０及びシーリングシステム２６を覆い、遠心圧縮機１０からガスが逃げるのを防ぐようになっている。本発明の別の例示的な実施形態において、軸受２０は、油潤滑式軸受又は能動型磁気軸受として設けることができる。能動型磁気軸受を軸受２０として用いる場合、シーリング機構２６は省略できる。

また、遠心圧縮機１０は、前述のバランスピストン（ドラム）２８及び関連のラビリンスシール３０を備える。バランスライン３２は、バランスドラムの外側のバランスチャンバ３４内の圧力を、入口ダクト２２を経由して流入するプロセスガスと同じ（又は実質的に同じ）圧力に維持する。しかしながら、以下に説明する例示的な実施形態によれば、このバランスライン３２は、図３を参照して以下に説明するように、例えば軸受２０上又はその近傍の検出軸荷重に基づいてバランスチャンバ３４の圧力を調節できる制御バルブを含む。

しかしながら、最初は、概して図２で説明する軸負荷に関連するので図１に示す種々の構成要素の相互作用を説明するのが有用であろう。図２には、遠心圧縮機１０の作動に関連する種々の軸負荷力が概念的に示されている。図２に示すように、インペラ１６は、各段の間の差圧又はガス運動量の変化に起因した、圧縮機１０の内側（低圧側）方向の軸荷重（力）を軸受２０に加える。しかし、図２に示すように、圧縮機軸１８を回転させるモータは、反対方向の、つまり遠心圧縮機１０の外側（高圧側）に向かう（実質的に一定の）軸荷重を加えることになる。インペラ１６の残留軸荷重を打ち消すために、バランス調整ドラム２８は、軸力に対して外側方向に作用するように設計されるが、その大きさは予想されるインペラの軸荷重とモータの軸荷重との差分に基づく。このことは、例えば、バランス調整ドラム２８内側のプロセスガスの圧力Ｐｕがバランス調整ドラム２８外側の圧力Ｐｅよりも大きいようにシステムを設計して、所望のバランス調整力を発生する適切な寸法（直径）のバランス調整ドラムを選択することで達成される。圧力のアンバランスは、バランスチャンバ内の圧力が実質的にインペラ１６の内側の圧力と同じになるように、バランスチャンバ３４と入口ダクト２２に関連する主吸入ラインとの間にバランスライン３２を設けることで改善及び維持される。

理想的には、バランスドラム２８がもたらす軸スラストの補償は、インペラ１６が軸受２０に加える軸荷重を実質的に相殺すること、又は全ての残留荷重が軸受２０の設計仕様内にあるように軸荷重を少なくとも相殺することができる。しかしながら、前述のように、このような圧縮機内の作動変動及び／又は軸受２０としてのＡＭＢの使用は、軸負荷に関する軸受２０の設計許容範囲を超える残留負荷を生じる場合がある。例えば、直径２３１ｍｍで回転数１７０００ｒｐｍのバランスドラム２８を有する例示的な６枚インペラの遠心圧縮機１０の軸負荷試験を示す以下の表１を検討する。この試験圧縮機は、軸受２０として公称定格＋／−９０００Ｎの間の軸負荷のＡＭＢを備える。

表１から、設計公称流量の流量７３％、１３０％、１４０％、及び１４１％に関して、残留軸荷重、つまり遠心圧縮機のＡＭＢ２０に加わる軸荷重は、図２の構成、つまり制御されていないバランスライン３２を用いると＋／−９０００Ｎの軸受定格を超えることが分かる。

本発明の例示的な実施形態では、バランスライン３２には制御バルブ４０が配置され、図３に示すバランス調整ドラム２８の外側に作用する圧力Ｐｅの自動制御が可能となっている。図３では、図１及び２と同じ参照符号は遠心圧縮機１０の同じ構成要素を参照する。制御バルブ４０は、センサ又はプローブ４２で測定した軸受２０の変位又は軸受２０の軸荷重に応じてバランス調整ドラム２８が発生する反力を変えるように、バランスチャンバ３４の圧力を調整する。

従って、制御バルブ４０は、圧力Ｐｅの値、結果的にバランス調整ドラム２８がもたらす軸荷重の補償量を制御する。詳細には、制御バルブ４０を閉じると圧力Ｐｅは高くなり、バランス調整ドラム２８がもたらす軸荷重の補償量が小さくなる。もしくは、制御バルブ４０を開けると圧力Ｐｅは低くなり、バランス調整ドラム２８がもたらす軸荷重の補償量が大きくなる。制御バルブ４０を完全に開けると、バランス調整ドラム２８は軸荷重の最大補償量を発生する。例示的な実施形態によるバランス調整ドラム２８がもたらす荷重量は制御可能に可変であり、例示的な実施形態では、制御バルブ４０を要求通りに閉じることで補償量を低減できるので、バランス調整ドラム２８をその軸荷重の最大補償量が従来の静的バランス調整ドラムがもたらす補償量よりも大きくなるように（つまり、システムに大きなバランス調整ドラム２８を設けることで）設計することが望ましい。

前述のように、制御バルブ４０は、所定時間に軸受２０が受ける軸負荷量に関するプローブ又はセンサ４２からのフィードバック信号に基づいて制御される。測定値はプローブ又はセンサ４２から一定時間ごとに作り出されて制御ロジック４４に送信され、制御ロジック４４は、制御バルブ４０に接続され、任意の所望の制御アルゴリズムを実装して所望のように制御バルブ４０を開閉し、より多くの（又はより少ない）軸受２０の残留負荷をもたらす作動変動を調整するようになっている。検出軸負荷とバルブ４０を用いてガス圧力を制御するための制御ロジック４４の作動との間の例示的な関係は、表２に関して以下に説明する。制御ロジック４４は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、コンピュータ、又は他のタイプの処理装置として埋め込むこと、又は純粋なハードウェアとして、純粋なソフトウェアとして、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装することができる。センサ又はプローブ４２は、任意の種々の異なるタイプとすることができる。例えば、軸受 ２０がＡＭＢの場合、線形電位差変位変換器（ＬＰＤＴ）等の誘導センサ又はプローブを使用して軸負荷による軸受２０の変位を測定することができる。もしくは、軸受２０が油潤滑式軸受の場合、渦電流センサ又はプローブはより適切なセンサ又はプローブ４２の実施形態となり得る。別の方法として、圧電式等の他のタイプのセンサ又は軸受の油膜の圧力を測定するセンサを使用できる。

１つの例示的な実施形態において、制御ロジック４４は、マシン上のスラスト測定値に応じてバランス調整ドラムチャンバ３４の圧力をクローズドループで自動的に変更する比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含むことができる。例えば、ＡＭＢに関して、ＡＭＢのコイルの電流は、システムが制御するスラストを表すことができる。特に、ＡＭＢのスラスト軸受コイルの電流が所定値（閾値）を超える場合、制御ロジック４４は、単純なＰＩＤコントローラによってバルブ４０に作用することができる。例示的な実施形態において、制御システムは、スラスト値のハンチングを防止するためにバイアス（ヒステリシス値）を用いて設計できる。

図３に示す例示的な実施形態による構成を評価すると共に軸受２０の残留荷重を上手く制御する能力を判定するための試験を行った。試験は、表１の結果をもたらすように先に評価されたのと同じタイプ、つまり１７０００ｒｐｍで運転される６枚インペラ遠心圧縮機であるが、この動的バランス調整構成において僅かに大きな軸荷重の最大補償性能をもたらすようにバランスドラム２８の寸法が直径２４７ｍｍに拡大された以外は同じタイプの遠心圧縮機１０を使用した。試験結果を以下の表２に示す。

表２から、バランスチャンバ３４の圧力Ｐｅは、バルブ４０の制御の下で表の様々な流量の大部分で少なくとも異なっていることが分かる。制御バルブは、センサ又はプローブ４２及び制御ロジック４４によって、高流量ではより閉じるように（より低いＰｅ圧力）、低流量ではより開くように（より高いＰｅ圧力）制御される。残留荷重の欄から分かるように、このことは軸受２０の残留荷重を例示的な実施形態の動的制御を行わない場合よりもさらに狭い範囲に制御する効果を有する。実際には、残留荷重値は、ＡＭＢが対応する軸荷重の設計仕様の範囲内（＋／−９０００Ｎ）に容易に収まる。本実施例において、この試験装置のバランスチャンバ内の（つまり、制御バルブ４０が完全に開いた場合の）公称圧力は、５２ｂａｒであることに留意されたい。当業者であれば、表１及び２に関する試験装置で用いたパラメータは全ての点で単なる例示であることが分かるはずである。

従って、例示的な実施形態により、遠心圧縮機は、この軸受の軸負荷が上手く制御されるので小型のスラスト軸受を装備できることを理解されたい。更に、このような圧縮機は軸受の残留荷重を低減することで高い稼働率を期待できる。例示的な実施形態によるこのような圧縮機システムの残留軸負荷を制御する方法は、図４のフローチャートに示すように実行できる。ステップ１００において、軸受の軸荷重に関するパラメータを検出する。次に、ステップ１０２において、遠心圧縮機のバランスドラムに隣接するバランスチャンバ内の圧力を検出したパラメータに基づいて制御して、軸受に作用する軸荷重を動的にバランスさせる。

前述の例示的な実施形態は、制限的ではなく本発明の全ての点で例示的であることが意図される。従って、本発明は、当業者であれば本明細書に開示される説明から導き出し得る詳細な実施例において、多数の変形例が可能である。このような全ての変形例及び変更例は、以下の請求項で定義される本発明の範囲及び精神に含まれることが想定される。
本出願の説明に使用する構成要素、作動、又は命令は、明確に説明しない限り本発明に不可欠又は必須である。また、本明細書で使用する場合、単数形の冠詞は１つ又は複数の物品を含むことが意図される。

Claims (13)

1. 少なくとも１つのインペラ（１６）を含むロータ組立体（１８）と、
   前記ロータ組立体（１８）に結合されて回転可能に支持する軸受（２０）と、
   ステータ（１２）と、
   前記少なくとも１つのインペラ（１６）と前記軸受（２０）との間に配置されるバランスドラム（２８）と、
   前記バランスドラム（２８）の外側の近くに少なくとも部分的に形成され、バランスライン（３２）が接続されたバランスチャンバ（３４）と、
   前記軸受（２０）の軸荷重または変位を検出するセンサ（４２）と、
   検出された前記軸荷重または変位に基づいて、前記バランスチャンバ（３４）内の圧力を変更するための制御バルブ（４０）と、
   を備える遠心圧縮機（１０）。
2. 前記センサの出力を受信して所定の関数に応じて前記制御バルブを制御するよう構成された制御ロジックを更に備える、請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記所定の関数は、前記軸受の前記軸荷重が所定値を超えた場合に、前記バランスチャンバの圧力を高める、請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記軸受は、能動型磁気軸受である、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の遠心圧縮機。
5. 前記軸受は、油潤滑式軸受である、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の遠心圧縮機。
6. 前記センサは、誘導センサである、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の遠心圧縮機。
7. 前記センサは、圧電センサである、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の遠心圧縮機。
8. 前記センサは、渦電流センサである、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の遠心圧縮機。
9. 遠心圧縮機（１０）の軸受（２０）に作用する軸荷重を動的にバランス調整する方法であって、
   前記軸受の軸荷重または変位を検出する段階と、
   前記遠心圧縮機（１０）のバランスドラム（２８）近傍のバランスチャンバ（３４）の圧力を、検出された前記軸荷重または変位に基づいて、前記軸受（２０）に作用する前記軸荷重が動的にバランスするように制御する段階と、
   を含む方法。
10. 前記制御する段階は、前記バランスチャンバの前記圧力を制御するバランスラインに接続されたバルブを開閉する段階を更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記制御する段階は、前記軸受の前記軸荷重が所定値を超えた場合に、前記バランスチャンバの圧力を高めるように作動する、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記軸受は、能動型磁気軸受である、請求項９〜請求項１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記軸受は、油潤滑式軸受である、請求項９〜請求項１２のいずれかに記載の方法。
    

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