JP6001867B2 - 湿潤ガス圧縮機システム - Google Patents

Description

本出願は、総括的には湿潤ガス圧縮機システムに関し、より具体的には、湿潤ガス内の液滴によって引き起こされる侵食及びその他の損傷を軽減させるようになった可変断面流れ調整ノズルをその中に備えた湿潤ガス圧縮機に関する。

天然ガス及びその他のタイプの液体燃料は、その中に液体成分を含む可能性がある。そのような「湿潤ガス」は、大きな量の液体体積分率を有する可能性がある。従来型の圧縮機では、そのような湿潤ガス内の液滴は、インペラ及びロータの侵食又は脆化を生じさせ、それによりアンバランスを引き起こす可能性がある。具体的には、液滴及びインペラ、端部壁、シールなどのような圧縮機表面間の悪影響相互作用が大きくなる可能性がある。侵食は、本質的に衝突時における圧縮機表面に対する液滴の相対速度、液滴質量寸法並びに衝突角度の関数であることが知られている。侵食は、性能低下、信頼性問題、圧縮機寿命の短縮及び点検整備要求の増大を招くおそれがある。

従って、最新の湿潤ガス圧縮機は一般的に、ガスストリームから液滴を分離して、液滴によって生じる侵食及びその他の損傷の影響を制限するか或いは少なくとも局所化するようになっている。しかしながら、それらの公知の液体分離システム及び方法は、幾らか複雑となる傾向があり、また同様に全体として圧縮機に対して信頼性及び点検整備問題をさらに付加する可能性がある。

米国特許第６，２７３，６７４号明細書

従って、湿潤ガス圧縮機システム及び方法を改善する要望が存在する。そのようなシステム及び方法は、湿潤ガス内の液滴によって引き起こされる侵食及びその他の損傷の影響を最小にしながら液体ガス分離器及び同様のものの必要性を回避することができるのが好ましい。

従って、本出願は、湿潤ガス圧縮機システムを提供する。本明細書に記載する本湿潤ガス圧縮機システムは、入口セクションを備えた湿潤ガス圧縮機を含むことができる。入口セクションの周りに、可変断面ノズルを配置することができる。

本出願はさらに、圧縮機内に流入する前に、その中に幾つかの液滴を有するガス流れを流れ調整する方法を提供する。本方法は、減少する断面積の収束形セクション内にガス流れを流すステップと、ガス流れを増大する断面積の発散形セクション内に流すステップとを含むことができる。ガス流れは、収束形セクション及び発散形セクション内で加速して、液滴を第１の粒径から第２の粒径に破砕するようにする。本方法はさらに、ショックポイントを横切ってガス流れを流して、液滴を第３の粒径に破砕するようにするステップを含む。

本出願はさらに、湿潤ガス圧縮機システムを提供する。本湿潤ガス圧縮機システムは、入口セクション及び幾つかの段を備えた湿潤ガス圧縮機を含むことができる。入口セクションの周りに又は段間に１つ又はそれ以上の収束−発散形ノズルを配置することができる。幾つかの液滴を有するガス流れが、その中を流れることができる。液滴は、収束−発散形ノズルの上流における第１の粒径及び該収束−発散形ノズルの下流における第２の粒径を有することができる。第２の粒径は、第１の粒径よりも小さくすることができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴並びに改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

パイプセクションの一部分を備えた公知の湿潤ガス圧縮機の概略図。 公知の可変断面ノズルの実施例の概略図。 本明細書に記載することができるような流れ調整ノズルの概略図。 湿潤ガス圧縮機の半径方向入口の周りに配置された、本明細書に記載することができるような可変断面ノズルの部分概略図。 湿潤ガス圧縮機の半径方向入口の周りに配置された、本明細書に記載することができるような可変断面ノズルの部分概略図。 本明細書で使用することができるノズル構成の平面図。 本明細書で使用することができるノズル構成の平面図。 連続する段間に配置された可変断面装置の部分概略図。

次に、幾つかの図にわたって同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、公知の湿潤ガス圧縮機１０の実施例を示している。湿潤ガス圧縮機１０は、従来型設計のものとすることができ、かつシャフト３０上に配置されて該シャフト３０と共に回転する幾つかのインペラ２０並びに幾つかのステータを備えた幾つかの段を含むことができる。湿潤ガス圧縮機１０はまた、入口セクション４０を含むことができる。入口セクション４０は、インペラ２０の周りに配置された入口スクロール５０及び同様のものとすることができる。他のタイプ及び構成の湿潤ガス圧縮機１０も知られている。パイプセクション６０は、湿潤ガス圧縮機１０の入口セクション４０を連通状態とすることができる。パイプセクション６０は、あらゆる所望の寸法、形状又は長さの物とすることができる。本明細書では、あらゆる数のパイプセクション６０を使用することができる。

図２は、公知の可変断面ノズル７０を示している。可変断面ノズル７０は、ドラバル管などとして公知である収束−発散形ノズルとすることができる。一般的に説明すると、可変断面ノズル７０は、減少する断面積を有する収束形セクション７５を含むことができる。収束形セクション７５は、実質的に一定断面積のスロート部セクション８０に至ることができる。スロート部セクション８０は一般的に、単に最小直径のポイントであるのではなく、幾らかの長さを有する。スロート部セクション８０は次に、増大する断面積の発散形セクション８５につながる。ショックポイント９０は、スロート部セクション８０の下流において発散形セクション８５内に配置することができる。セクション７５、８０、８５の長さ並びに増大する及び減少する断面積の角度は、変化させることができる。可変断面ノズル７０は、流れ加速及び／又は減速をもたらして、ガス（気体）相及び液体相間におけるゼロでない相対速度を促進する一連のセクションを含む。セクション７５、８０、８５は、対称又は非対称とすることができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

一般的に説明すると、ガス流れ９５が、収束形セクション７５の周りで可変断面ノズル７０に流入する。ガス流れ９５の速度は、このポイントにおいて主として亜音速とすることができる。ガス流れ９５の速度は、収束形セクション７５の減少する断面積内で増加することになる。ガス流れ９５は次に、膨張することができ、かつ発散形セクション８５内においてショックポイント９０の周りで超音速に増加することができる。従って、可変断面ノズルから流出するガス流れ９５の運動エネルギーは、綿密に導かれたものとすることができる。その他のタイプの可変断面ノズル設計もまた、公知であると言える。例えば、幾らかの長さのスロート部セクション８０を使用せずに、ガス流れ９５は、超音速まで増加させるか又は増加させないものとすることができ、またショックポイントを生じさせるか又は生じさせないものとすることができる。

図３は、本明細書に記載することができるような湿潤ガス圧縮機システム１００の一部分を示している。湿潤ガス圧縮機システム１００は、上記の湿潤ガス圧縮機１０又は同様のタイプの圧縮機を含むことができる。同様に、湿潤ガス圧縮機１０は、パイプセクション６０又は同様のタイプの導管と連通状態とすることができる。

湿潤ガス圧縮機システム１００は、入口セクション１１０を含むことができる。入口セクション１１０は、湿潤ガス圧縮機１０のインペラ２０の周りに配置することができる。入口セクション１１０は、その中に１つ又はそれ以上の流れ調整ノズル１２０を含むことができる。流れ調整ノズル１２０は、上記したのと同様の収束−発散形又は可変断面ノズル１３０の形態を取ることができる。具体的には、可変断面ノズル１３０は、収束形セクション１４０、スロート部セクション１５０、発散形セクション１６０及びショックポイント１７０の幾つか又は全てを含むことができる。それぞれのセクション１４０、１５０、１６０の相対的寸法、長さ及び角度は、変化させることができる。上記のように、セクション１４０、１５０、１６０の長さ並びに増大する及び減少する断面積の角度は、変化させることができる。セクション１４０、１５０、１６０は、対称又は非対称とすることができる。可変断面ノズル１３０は、主として円形とすることができ、また軸対称又は擬似二次元とすることができる。流れ調整ノズル１２０は、その中における多くの液滴による高液体体積分率を有するガス流れ１８０で使用することができる。

本明細書では、セクション１４０、１５０、１６０の必ずしも全てを共に使用する必要はない。例えば、可変断面ノズル１３０は、いずれかの長さのスロート部セクション１５０を含むことを必要としない。従って、ガス流れ１８０は、そのようなスロート部セクション１５０なしに超音速に達するものとすることができ或いは達しないものとすることができる。亜音速のケースでは、発散セクション１６０内において下流にショックポイント１７０が全く生じないことになる。さらに、可変断面ノズル１３０は、殆んど全て収束形セクション１４０そのものとすることができる。

湿潤ガス圧縮機１０の周りで流れ調整ノズル１２０を使用することにより、液滴１９０並びに該湿潤ガス圧縮機１０のインペラ２０及びその他の表面間における相互作用を最小にすることができる。具体的には、流れ調整ノズル１２０は、可変断面ノズル１３０の形状によるガス流れ１８０の速度の急激な変化により、液滴１９０の二次的霧化を行なうことができる。

具体的には、ガス流れ１８０及び液滴１９０間におけるスリップ速度が、液滴破砕に必要な臨界値を超える可能性がある。可変断面ノズル１３０のセクション１４０、１５０、１６０の寸法及び設計により、その中での加速又は減速率並びにショック強度を制御して、破砕並びに該破砕のタイプ又はモードを生じるようにすることができる。例えば、本明細書では、バッグタイプ破砕、剪断タイプ破砕及び同様のものを生じさせることができる。従って、発散形セクション１６０は、ガス加速率を最小にするような比較的小さい角度、従って早期バッグタイプ破砕を防止しかつショックポイント１７０の下流における剪断タイプ破砕を促進するようなスリップ速度を有することができる。バッグタイプ破砕は、約３．５〜１倍ほど液滴１９０の粒径を縮小させることができ、一方、剪断タイプ破砕は、約１０〜１倍ほど液滴１９０の粒径を縮小させることができる。本明細書では、その他のタイプの破砕モードも使用することができる。例えば、複数モードの破砕（バッグ及び剪断破砕間の）並びに壊滅的破砕も使用することができる。

液滴１９０の粒径は、収束形セクション１４０の断面積が減少する、つまり正スリップになるにつれて、縮小する傾向になる。同様に、液滴１９０の粒径は、発散形セクション１６０の断面積が増大する、つまりここでも同様に正スリップになるにつれて、急速にではないが縮小し続けさせることができる。液滴１９０の粒径の急激な縮小は、ショックポイント１７０の周りで、つまり瞬時スリップ逆転において期待することができる。液滴１９０の粒径は、その後ほぼ一定に、つまり負スリップに保持することができる。そのようにした場合には、液滴１９０は、流れ調整ノズルに流入する第１の粒径２００、収束形セクション１４０、スロート部１５０を通って流れかつ発散形セクション１６０内に流入するより小さい又は幾つかのより小さい第２の粒径２１０、及びショックポイント１７０の下流におけるよりも小さい第３の粒径２２０を有することができる。

液滴１９０の１回よりも多い破砕を行なうことができる。例えば、収束形セクション１４０におけるガス流れ１８０の急速な加速により、液滴１９０の第１のラウンド破砕を生じさせることができる。第２のラウンド破砕は、ガス流れ１８０がショックポイント１７０及び発散形セクション１６０を通って流れる時における該ガス流れ１８０の急激な減速によって達成することができる。各ラウンド破砕は、同一又は異なるモードの破砕を有することができる。

従って、ガス流れ１８０は、１つ又はそれ以上の流れ調整ノズル１２０を通して加速して、その中の液滴１９０が、所望の液滴粒径に達することができるまで１回又はそれ以上の回数ほど破砕するようにすることができる。流れ調整ノズル１２０は、液滴破砕に必要な加速量及び特定の液滴粒径を得るのに望ましいものとすることができる破砕ステップ回数に応じて、亜音速及び超音速の両方とすることができる。亜音速ノズルの場合には、液滴破砕は、該ノズルを通しての流れ加速によって生じさせることができる。超音速ノズルの場合には、破砕はまた、液滴が単一の又は一連の垂直或いは斜めショック部を通って流れる時に生じさせることができる。流れ調整ノズル１２０はまた、ガス流れ１８０内に事前旋回を生じさせるような適切な形状にしたガイドベーンと共に使用して、インペラ２０及び液滴１９０間における相対速度を減少させるようにすることができる。

ガス流れ１８０がその中に液滴１９０を含有するのを可能にすることによって、液滴１９０は、圧縮時にガス流れ１８０が湿潤ガス圧縮機１０に到達する時に該ガス流れ１８０の中間冷却を行なうことができる。具体的には、従って上記のように液滴１９０粒径を縮小させることにより、中間冷却の利点を最大化させることができる。同時に、多段圧縮機内における液滴１９０の蒸発を促進することは、液滴１９０の粒径を最小にすることによって強化することができる。十分に小さい液滴１９０は、ガス流れ１８０の流線に沿うような傾向にして、湿潤ガス圧縮機１０の表面との間の相互作用全体を減少させるようにすることができる。具体的には、より小さい液滴１９０は、より有利な衝突角度、衝突時における運動量の減少及び蒸発の強化をもたらすようにしながら、中間冷却を最大化しかつ液体体積分率を低下させるようにすることができる。

従って、圧縮機１０の全体寿命及び信頼性は、液体体積分率に関連する所定のガス流れの量に対して強化することができる。さらに、特定の境界条件下で圧縮機１０が耐えることができる液体の量はまた、全体寿命及び信頼性を損なわずに増加させることができる。特に、流れ調整ノズル１２０は、いかなる可動部分もない状態でこれらの利点をもたらす。

流れ調整ノズル１２０は、別個の要素であることを必要としない。むしろ、可変断面ノズル１３０の形状では、入口スクロール５０の範囲内、パイプセクション６０の範囲内、或いはシュラウド壁、ハブ壁及び同様のもののようなあらゆるタイプの端部壁を成形することによるものとすることができる。１つの大きな流れ調整ノズル１２０を使用することができ、或いは入口スクロール５０、パイプセクション６０又はその他内に円周方向に幾つかのより小さいノズルを配置することができる。

図４及び図５は、可変構成の入口セクション４０を有する湿潤ガス圧縮機１０の周りでの可変断面ノズル１３０の使用を示している。例えば、図４は、半径方向入口セクション２６０を備えた湿潤ガス圧縮機２５０を示している。従って、可変断面ノズル１３０は、半径方向に配置することができる。同様に、図５は、軸方向入口セクション２８０を備えた湿潤ガス圧縮機２７０を示している。従って、可変断面ノズル１３０は、軸方向位置を有することができる。本明細書では、その他の位置及びその他のタイプの湿潤ガス圧縮機を使用することができる。例えば、可変断面ノズル１３０は、オーバハング圧縮機、ビーム圧縮機及び同様のもので使用することができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、本明細書に記載する可変断面ノズルで使用するようになった２つの実施例ノズル構成３００、３１０を示している。図７は、連続する段間に付加的収束形セクション３３０を適用することができる複数段構成３２０を示している。ノズル構成３００及び３１０はまた、半径方向入口セクション２６０及び同様のものと組合せて使用することができる。

上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１０ 湿潤ガス圧縮機
２０ インペラ
３０ シャフト
４０ 入口セクション
５０ 入口スクロール
６０ パイプセクション
７０ 可変断面ノズル
７５ 収束形セクション
８０ スロート部セクション
８５ 発散形セクション
９０ ショックポイント
９５ ガス流れ
１００ 湿潤ガス圧縮機システム
１１０ 入口セクション
１２０ 流れ調整ノズル
１３０ 可変断面ノズル
１４０ 収束形セクション
１５０ スロート部セクション
１６０ 発散形セクション
１７０ ショックポイント
１８０ ガス流れ
１９０ 液滴
２００ 第１の粒径
２１０ 第２の粒径
２２０ 第３の粒径
２５０ 湿潤ガス圧縮機
２６０ 半径方向入口セクション
２７０ 湿潤ガス圧縮機
２８０ 軸方向入口セクション
３００ ノズル構成
３１０ ノズル構成
３２０ 複数段配置
３３０ 付加的収束形セクション

Claims (14)

1. 入口セクション（１１０）を備えた湿潤ガス圧縮機（１０）と、
   前記入口セクション（１１０）の下流に配置された複数のインペラと、
   前記複数のインペラの上流かつ前記入口セクション（１１０）の周りに配置された可変断面ノズル（１３０）と、
   を含む、湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
2. 前記入口セクション（１１０）が、半径方向入口セクション（２６０）又は軸方向入口セクション（２８０）を含む、請求項１に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
3. 前記可変断面ノズル（１３０）が、スロート部セクション（１５０）を含む、請求項１又は請求項２に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
4. 前記可変断面ノズル（１３０）が、発散形セクション（１６０）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
5. 前記発散形セクション（１６０）が、ショックポイント（１７０）を含む、請求項４に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
6. 複数の可変断面ノズル（１３０）をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
7. 前記入口セクション（１１０）が、入口スクロール（５０）を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
8. 前記入口セクション（１１０）が、パイプセクション（６０）を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
9. その中に複数の液滴（１９０）を有するガス流れ（１８０）をさらに含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
10. 前記ガス流れ（１８０）が、亜音速を含む、請求項９に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
11. 前記ガス流れ（１８０）が、超音速を含む、請求項９に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
12. 前記複数の液滴（１９０）が、前記可変断面ノズルの上流における第１の粒径及び前記可変断面ノズルの下流における第２の粒径を含み、
    前記第２の粒径が、前記第１の粒径よりも小さい、
    請求項９に記載の湿潤ガス圧縮機システム（１００）。
13. その中に複数の液滴（１９０）を有するガス流れ（１８０）を流れ調整する方法であって、
    減少する断面積の収束形セクション（１４０）内に前記ガス流れ（１８０）を流すステップと、
    前記ガス流れ（１８０）を増大する断面積の発散形セクション（１６０）内に流し、前記収束形セクション（１４０）及び発散形セクション（１６０）内で該ガス流れ（１８０）を加速して、前記複数の液滴（１９０）を第１の粒径（２００）から第２の粒径（２１０）に破砕するようにするステップと、
    ショックポイント（１７０）を横切って前記ガス流れ（１８０）を流して、前記複数の液滴（１９０）を第３の粒径（２２０）に破砕するようにするステップと、
    前記ガス流れ（１８０）と破砕された複数の液滴を湿潤ガス圧縮機に供給するステップと、
    を含む、方法。
14. 前記第２の粒径（２１０）が、前記第１の粒径（２００）よりも小さく、
    前記第３の粒径（２２０）が、前記第２の粒径（２１０）よりも小さい、
    請求項１３に記載の方法。
    

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