JP5959816B2

JP5959816B2 - ラジアルガスエキスパンダ

Info

Publication number: JP5959816B2
Application number: JP2011190525A
Authority: JP
Inventors: 博巳石川; 英樹永尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: US20140126994A1; JP2013053530A; CN103649465A; DE112012003648T5; CN103649465B; WO2013031244A1

Description

本発明は、単一軸上にインペラが多段に配列されてなるラジアルガスエキスパンダ（半径流ガス膨張機）に関するものである。

ガスエキスパンダは、プラント側より排出される高圧のガスを吸込み、膨張させてガスの圧力エネルギーを速度エネルギー（機械エネルギー）に変換させることにより動力を回収し、駆動モータ等の動力を低減させる目的に利用されている。

近年、より高い圧力エネルギーに対応するガスエキスパンダが求められており、この種のガスエキスパンダとしては、複数のインペラを多段に設ける形式のラジアルガスエキスパンダが知られている。ラジアルガスエキスパンダの一例として、駆動歯車と、駆動歯車と噛み合うピニオン歯車とからなる増速機と、ピニオン軸に配置された複数のインペラとから構成されるギアドタイプ（増速歯車式）のラジアルガスエキスパンダがある（例えば、特許文献１参照）。

また、単一軸上の軸受間に複数のインペラを配列し、単一のケーシングにこれらのインペラを内蔵したラジアルガスエキスパンダもある。この単一軸上に複数のインペラを配列したラジアルガスエキスパンダは、多段のインペラを備えているにも関わらず、軸は単一軸で済む。このため、ギアドタイプのラジアルガスエキスパンダ等と比較して高圧シールや高圧ケーシングを最少個数にでき、より高圧の条件においても信頼性の高いラジアルガスエキスパンダを実現できる（例えば、特許文献２参照）。

図５及び図６に示すように、従来のラジアルガスエキスパンダ１０１は、ケーシング２と、ケーシング２に回転自在に設けられた回転軸３と、回転軸３に固定された複数のインペラ４とを備えている。
ラジアルガスエキスパンダ１０１は、その内部にガスを膨張するための二つのガスエキスパンダセクション１０５ａ，１０５ｂを有している。ケーシング２は、ケーシング本体６と、ケーシング本体６に内蔵され一体に連結された複数のダイアフラムからなるダイアフラム群７から構成されている。ガスエキスパンダセクション１０５ａ，１０５ｂは、段間を結ぶリターンベンドが形成された複数のダイアフラム８，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを軸方向に連接した構成である。

ガスエキスパンダセクション１０５ａ，１０５ｂは、各セクション毎にケーシング２の吸込ポート１８ａ，１８ｂに連通するガス導入流路１２０ａ，１２０ｂと、ケーシング２の吐出ポート１９ａ，１９ｂに連通するガス流出流路２１ａ，２１ｂを有している。
このうち、ガス導入流路１２０ａ，１２０ｂは、二つのガスエキスパンダセクション１０５ａ，１０５ｂの中央に設けられた中央のダイアフラム８と、この中央のダイアフラム８を除く複数のダイアフラムうち、最も中央寄りのダイアフラム９ａ，９ｂとの間に画定されている。

また、このガス導入流路１２０上であって、インペラ４の上流側には、インペラ４のプロフィルに対応したガス流れを生起するノズル翼２４が設けられている。

上記構成のラジアルガスエキスパンダ１０１においては、図示しないプラントから吸込ポート１８ａを介して導入されたガスは、一方のガスエキスパンダセクション１０５ａにおいて膨張された後、ガス配管２２及び吸込ポート１８ｂを介して他方のガスエキスパンダセクション１０５ｂに導入され、更に膨張されるように構成されている。

ところで、従来のラジアルガスエキスパンダ１０１においては、ガス導入流路１２０ａとガス導入流路１２０ｂの流路幅を確保するために、ガス導入流路１２０ａ，１２０ｂのノズル翼２４の上流側にスペーサ１２５が設置されている。

特許第３４５７８２８号公報特開２０１１−４３０７０号公報

しかしながら、スペーサ１２５はノズル翼２４の上流側に設置されているため、ノズル翼２４に流入するガスの流れを乱すという問題がある。図６に示すように、導入されたガスの流線Ｌが、スペーサ１２５によって乱された場合、ノズル翼２４に流入する際に損失が生じる。また、スペーサはガス導入流路１２０ａ，１２０ｂの入口近傍に設置するため、差圧による導入流路幅変化の低減効果が少ない。従って、流路幅の変化によりガス流速が変化し、ノズル翼２４に流入する際に所望のガス流速にならず、損失が生じる。このように、スペーサ１２５はインペラ４の膨張性能の支障となり、ひいては、ラジアルガスエキスパンダ１０１の性能低下に繋がる。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、所望の性能を得るとともに、ガス導入流路１２０ａ，１２０ｂの流路幅の確保、及びケーシングを構成するダイアフラムの壁の変形を防止可能なラジアルガスエキスパンダを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明のラジアルガスエキスパンダは、回転軸と、前記回転軸に固定されたインペラと、前記回転軸が回転可能に支持されているとともに、前記インペラに流体を導入する導入流路が形成されたケーシングとを備え、前記導入流路には、前記インペラへ流入される流体を案内するノズル翼と、前記ノズル翼の上流側に設けられ、前記導入流路の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材とが設けられ、前記支持部材は、断面視して翼形状に形成されており、前記支持部材は、前記回転軸回りに複数設けられ、前記支持部材同士の間の周方向の幅が径方向に等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って、次第に幅が狭くなるように、かつ、流体の流れ方向に沿う中心線に対して対称形に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、支持部材によってケーシング内に設けられた導入流路の互いに対向する壁面の下端から支持点までの距離が短くなり、対向する壁面の変形量を低減可能であると共に、所望の流路幅の確保をすることができる。また、支持部材が断面視して翼形状に形成されているため、ノズル翼に流入する流体の流れを乱すことを防止することができる。
また、支持部材の周囲を通過する流体を、増速することなく滑らかにノズル翼に導入することができる。

また、本発明のラジアルガスエキスパンダは、回転軸と、前記回転軸に固定されたインペラによってそれぞれ構成され、軸方向に対称に設けられた二組のインペラ群と、前記回転軸が回転可能に支持されているとともに、一方の組のインペラ群に流体を導入する第一導入流路、及び前記第一導入流路と隣り合うように設けられ、他方の組のインペラ群に前記一方の組のインペラ群から吐出された流体を導入する第二導入流路とが形成されたケーシングとを備え、前記第二導入流路には、前記インペラへ流入される流体を案内するノズル翼と、前記ノズル翼の上流側に設けられ、前記第二導入流路の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材とが設けられ、前記支持部材は、断面視して翼形状に形成されており、前記支持部材は、前記回転軸回りに複数設けられ、前記支持部材同士の間の周方向の幅が径方向に等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って、次第に幅が狭くなるように、かつ、流体の流れ方向に沿う中心線に対して対称形に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、第一導入流路及び第二導入流路において所望の流路幅を確保できる。また、第一導入流路に流入される流体と、第二導入流路に流入される流体との圧力差が大きい場合においても、支持部材によって中央壁及び第二導入流路の互いに対向する壁面の変形量を低減可能であると共に、支持部材が断面視して翼形状に形成されているため、ノズル翼に流入する流体の流れを乱すことを防止することができる。
また、支持部材の周囲を通過する流体を、増速することなく滑らかにノズル翼に導入することができる。

また、前記ケーシングは、ケーシング本体と、前記ケーシング本体に内蔵され、一体に連結された複数のダイアフラムとを有し、前記導入流路は、前記複数のダイアフラムに形成されている構成としてもよい。

この構成によれば、ノズル翼、及び翼形状に形成されている支持部材が組み込まれたケーシングをより容易に組み立てることができる。また、容易に内部のメンテナンスを行うことができる。

本発明によれば、所望の性能を得るとともに、ケーシングを構成するダイアフラムの壁の変形量を低減可能なラジアルガスエキスパンダを提供することができる。

本発明の実施形態に係るラジアルガスエキスパンダの断面図である。図１のＡ部拡大図である。図２のＢ矢視図である。支持翼周辺を流れるガスの流線を示す図である。従来のラジアルガスエキスパンダの断面図である。図５のＣ矢視図であり、スペーサ周辺を流れるガスの流線を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係るラジアルガスエキスパンダ１は、筒形状のケーシング２と、ケーシング２に回転可能に支持され、ケーシング２の軸方向に延在する回転軸３と、回転軸３に固定された複数のインペラ４とを備えている。
なお、以下の説明においては、ケーシング２の軸方向と、回転軸３の軸方向は一致しているものとして説明し、単に軸方向と称する。

ラジアルガスエキスパンダ１は、その内部にガスを圧縮するための二つのセクションを備えている。即ち、ラジアルガスエキスパンダ１は、軸方向一方側に配置されたガスエキスパンダセクション５ａと軸方向他方側に配置されたガスエキスパンダセクション５ｂとからなる二つのガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂとを備えている。
本実施形態のラジアルガスエキスパンダ１は、一方のガスエキスパンダセクション５ａに導入されたガスによって回転駆動力を得るとともに、一方のガスエキスパンダセクション５ａから排出されて膨張後のガスを他方のガスエキスパンダセクション５ｂに導入し、更に回転駆動力を得る構成である。

ケーシング２は、ケーシング本体６と、ケーシング本体６の内部に設けられたダイアフラム群７とを有している。ダイアフラム群７は、軸方向に抜き出し可能に連接された１１枚のダイアフラム８，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂとから構成されている。

一方のガスエキスパンダセクション５ａは、中央に配置されたダイアフラム８、及びダイアフラム８の一方側に連接されたダイアフラム９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａ，１３ａを有している。また、他方のガスエキスパンダセクション５ｂは、中央に配置されたダイアフラム８、及びダイアフラム８の他方側に連接されたダイアフラム９ｂ，１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを有している。
即ち、二つのガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂは、中央のダイアフラム８を共通の構成要素として有している。

ケーシング本体６には、一方のガスエキスパンダセクション５ａにガスを導入するための吸込ポート１８ａと、他方のガスエキスパンダセクション５ｂにガスを導入するための吸込ポート１８ｂが形成されている。

また、ケーシング本体６には、一方のガスエキスパンダセクション５ａよりガスを吐出するための吐出ポート１９ａと、他方のガスエキスパンダセクション５ｂよりガスを吐出するための吐出ポート１９ｂが形成されている。
さらに、一方のガスエキスパンダセクション５ａ側の吐出ポート１９ａと他方のガスエキスパンダセクション５ｂ側の吸込ポート１８ｂとは、ガス配管２２で接続されている。

回転軸３は、ダイアフラム群７の中央を貫通して配置されている。この回転軸３の両端部は、二つのガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂにおける各々の端板でもあるダイアフラム１３ａ，１３ｂに軸受１５を介して回転可能に支持されている。また、各軸受１５の内側に位置するダイアフラム１３ａ，１３ｂの内周部には、ドライガスシール１６が設けられている。

複数のインペラ４は、回転軸３上に固定されており、一方のガスエキスパンダセクション５ａを構成する四段のインペラ４と、他方のガスエキスパンダセクション５ｂを構成する四段のインペラ４が、互いに向きを反対にして配列されている。

ここで各々のインペラ４において、径方向外周側に向かう開口を吸込口４１、軸方向に向かう開口を吐出口４２とすると、一方のガスエキスパンダセクション５ａを構成する四段のインペラ４、及び他方のガスエキスパンダセクション５ｂを構成する四段のインペラ４は、吸込口４１のある側が中央のダイアフラム８に面するように配置されている。即ち、一方のガスエキスパンダセクション５ａを構成するインペラ４は、吐出口４２が軸方向一方側を向くように配置され、他方のガスエキスパンダセクション５ｂを構成するインペラ４は、吐出口４２が軸方向他方側を向くように配置されている。

なお、複数のインペラ４には同じ符号を付しているが、それぞれ大きさが異なるものとなっている。詳しくは、複数のインペラ４は、ガスの膨張行程に適応するように大きさが変えられている。

中央のダイアフラム８とその両側に位置するダイアフラム９ａ，９ｂと間には、吸込ポート１８ａ，１８ｂにそれぞれ連通する第一導入流路２０ａ，及び第二導入流路２０ｂが形成されている。即ち、一方のガスエキスパンダセクション５ａの第一導入流路２０ａは、中央のダイアフラム８の一方側の壁面８１と、ダイアフラム９ａの他方側の壁面９１との間に形成されている。また、他方のガスエキスパンダセクション５ｂの第二導入流路２０ｂは、中央のダイアフラム８の他方側の壁面８２と、ダイアフラム９ｂの一方側の壁面９２との間に形成されている。
これにより、第一導入流路２０ａと第二導入流路２０ｂとは、中央のダイアフラム８を介して隣り合うように配置される。

同様に、端板でもあるダイアフラム１３ａ，１３ｂと、それらに隣接するダイアフラム１２ａ，１２ｂとの間には、上述した吐出ポート１９ａ，１９ｂにそれぞれ連通する導出流路２１ａ，２１ｂが形成されている。
このうち一方のガスエキスパンダセクション５ａの導出流路２１ａは、ケーシング本体６の吐出ポート１９ａに連通しており、他方のガスエキスパンダセクション５ｂの導出流路２１ｂは、ケーシング本体６の吐出ポート１９ｂに連通している。

各々の第一導入流路２０ａ，及び第二導入流路２０ｂにおけるインペラ４上流側には、ガスのインペラ４への流入を案内する複数のノズル翼２４が設けられている。本実施形態においては、１７枚のノズル翼２４が設けられている。

図３に示すように、ノズル翼２４は、周方向に等間隔に配設されており、各々のノズル翼２４は、軸方向視における断面形状が、前縁が丸く、後縁が尖った所謂翼形状とされている。また、ノズル翼２４は、前縁が周方向外周側に、後縁が周方向内周側に配置されているとともに、後縁が回転軸３の回転方向Ｒに沿うように、前縁に対して回転方向Ｒ進行方向側に傾斜して配置されている。即ち、ガスの流れ方向上流側に前端を、下流側に後端を配置している。

また、ノズル翼２４の断面形状は、例えば、数値流体力学（ＣＦＤ）解析を用いて決定されており、本実施形態のノズル翼２４の断面形状は、ガスの流れ方向（以下、流線方向と称す）に沿う中心線に対して非対称形となっている。即ち、インペラ４において、ガスを膨張・増速させる作用を促すよう、ガスの流れを滑らかにインペラ４導入するような形状を有している。

ノズル翼２４の更に外周側には、支持部材として複数の（１７枚）支持翼２５が設けられている。支持翼２５は、ノズル翼２４と同様に、周方向に等間隔に配設されており、各々の支持翼２５は、軸方向視における断面形状が、前縁が丸く、後縁が尖った所謂翼型とされている。また、支持翼２５は、前縁が周方向外周側に、後縁が周方向内周側に配置されているとともに、後縁が回転方向Ｒに沿うように、前縁に対して回転方向Ｒ進行方向側に傾斜して配置されている。即ち、流線方向上流側に前端を、下流側に後端を配置している。
また、支持翼２５の形状は、支持翼２５同士の間の幅Ｗが流線方向、即ち径方向で略等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って、次第に幅が狭くなるように形成されている。

なお、支持翼２５の断面形状はノズル翼２４とは異なり、流線方向に沿う中心線に対して対称形に形成されている。支持翼２５の形状、周方向の位置、及び径方向の位置は、ノズル翼２４に導入されるガスに極力影響を及ぼさないように、やはりＣＦＤ等を用いて決定されが、特に、流線に沿った形状とすることが好ましい。また、流線方向の長さは、流線への影響が小さい（流線を乱さない）範囲内とし、極力短くすることが好ましい。また、ガスの流量によって流線は変化するため、使用条件に応じて適宜決定することが好ましい。

各ガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂにおける中間のダイアフラム９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａ及び９ｂ，１０ｂ，１１ｂ，１２ｂには、前段のインペラ４の吐出口４２と後段のインペラ４の吸込口４１とを接続する断面Ｕ字状のリターンベンド（中間流路）２７が形成され、これらのリターンベンド２７には、インペラ４の上流側に配置されたノズル翼２４と、後段のインペラ４の吸込口４１へのガス流れを効率の良いガス流れにするための１７枚のリターンベーン２８が設けられている。

上述した構成のラジアルガスエキスパンダ１の動作を説明すると、まず、所定のプラントから吸込ポート１８ａを介して高温・高圧のガスが、一方のガスエキスパンダセクション５ａに導入される。ガスは、一方のガスエキスパンダセクション５ａ内において、四段のインペラ４により四段階亘ってガスの吸込み、膨張を繰り返し、吐出ポート１９ａより吐出される。次いで、ガスはガス配管２２及び吸込ポート１８ｂを介して他方のガスエキスパンダセクション５ｂに導入され、他方のガスエキスパンダセクション５ｂにおいて膨張され、吐出ポート１９ｂより吐出される。

二つのガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂの内部において、流入するガスは軸方向に流れるように構成されている。ただし、上述した構成により、ガスの流れる方向は互いに反対方向とされている。即ち、ガスは、ガスエキスパンダセクション５ａでは軸方向他方側から一方側へ、ガスエキスパンダセクション５ｂでは軸方向一方側から他方側へ流れる。
ここで、吸込ポート１８ａを介して第一導入流路２０ａに導入されるガスの圧力と比較して、吸込ポート１８ｂを介して第二導入流路２０ｂに導入されるガスの圧力は低くなっている。即ち、ダイアフラム８を介して隣り合う第一導入流路２０ａ内の圧力と第二導入流路２０ｂ内の圧力の圧力差が大きくなっている。

上記実施形態によれば、第一導入流路２０ａ内の圧力と第二導入流路２０ｂ内の圧力の圧力差が大きく、第一導入流路２０ａと第二導入流路２０ｂとの間に形成されている中央のダイアフラム８に対して、このダイアフラム８を変形させるような力がかかった場合においても、支持翼２５が設けられていることによって変形量を低減することができる。また、支持翼２５は、断面視して翼形状に形成されていることにより、図４に示すように、支持翼２５の周辺を流れるガスの流線Ｌの乱れを低減することができる。

また、支持翼２５は、支持翼２５同士の間の幅Ｗが径方向に等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って、次第に幅が狭くなるように形成されていることによって、支持翼２５の周囲を通過するガスを増速することなく、滑らかにノズル翼２４に導入することができる。

また、支持翼２５は、流線方向に対して対称な形状となっているため、より容易に製造することができる。
また、ケーシング２を構成する複数のダイアフラム群７は、軸方向に分割可能であるため、容易に内部のメンテナンスを行うことができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、支持翼２５は、流線方向に対して非対称形状としてもよい。

１…ラジアルガスエキスパンダ、２…ケーシング、３…回転軸、４…インペラ、５…ガスエキスパンダセクション、６…ケーシング本体、７…ダイアフラム群、８，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ…ダイアフラム、２０ａ…第一導入流路（導入流路）、２０ｂ…第二導入流路（導入流路）、２４…ノズル翼、２５…支持翼（支持部材）、２７…リターンベンド、２８…リターンベーン。

Claims

回転軸と、
前記回転軸に固定されたインペラと、
前記回転軸が回転可能に支持されているとともに、前記インペラに流体を導入する導入流路が形成されたケーシングとを備え、
前記導入流路には、前記インペラへ流入される流体を案内するノズル翼と、
前記ノズル翼の上流側に設けられ、前記導入流路の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材とが設けられ、
前記支持部材は、断面視して翼形状に形成されており、
前記支持部材は、前記回転軸回りに複数設けられ、前記支持部材同士の間の周方向の幅が径方向に等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って次第に幅が狭くなるように、かつ、流体の流れ方向に沿う中心線に対して対称形に形成されていることを特徴とするラジアルガスエキスパンダ。
回転軸と、
前記回転軸に固定されたインペラによってそれぞれ構成され、軸方向に対称に設けられた二組のインペラ群と、
前記回転軸が回転可能に支持されているとともに、一方の組のインペラ群に流体を導入する第一導入流路、及び前記第一導入流路と隣り合うように設けられ、他方の組のインペラ群に前記一方の組のインペラ群から吐出された流体を導入する第二導入流路とが形成されたケーシングとを備え、
前記第二導入流路には、前記インペラへ流入される流体を案内するノズル翼と、
前記ノズル翼の上流側に設けられ、前記第二導入流路の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材とが設けられ、
前記支持部材は、断面視して翼形状に形成されており、
前記支持部材は、前記回転軸回りに複数設けられ、前記支持部材同士の間の周方向の幅が径方向に等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って次第に幅が狭くなるように、かつ、流体の流れ方向に沿う中心線に対して対称形に形成されていることを特徴とするラジアルガスエキスパンダ。
前記ケーシングは、ケーシング本体と、前記ケーシング本体に内蔵され、一体に連結された複数のダイアフラムとを有し、
前記導入流路は、前記ダイアフラム同士の間に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のラジアルガスエキスパンダ。