JP6087351B2 - 多段遠心ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、多段遠心ターボ機械と、限定しないが特にはオイルおよびガスを適用するための、多段遠心ターボ機械のための遠心羽根車とに関する。

遠心ターボ機械は、動作流体と少なくとも１つの遠心羽根車を有するロータリ組立体との間で機械エネルギーを伝達するためのロータリ機械である。一般に流体が気体流体である場合のオイルおよびガスの適用では、遠心ターボ機械は圧縮機およびエキスパンダを有する。圧縮機は、機械エネルギーを使用して気体流体の圧力を増大させるターボ機械である。エキスパンダは、羽根車（複数可）内の流体を膨張させることにより、気体動作流体の圧力を使用してロータリ組立体のシャフトに対して機械仕事を生成するターボ機械である。

例えば水などの非圧縮性流体の場合、遠心ターボ機械は、流体と羽根車との間で、それぞれ圧縮機およびエキスパンダに類似する形でエネルギーを伝達するためのポンプおよびタービンを有する。概して、すべての場合において、動作流体が、遠心羽根車内を羽根車の回転軸から羽根車の周囲円周縁部の方に向かって径方向外向きに流れることにより、遠心機械とエネルギーを交換する。

詳細には、圧縮機ターボ機械の遠心羽根車が、遠心羽根車内の流体を加速させることにより、ターボ機械を駆動させるモータによって供給される機械エネルギーを圧縮された気体動作流体に伝達する。流体が外向きに移動することがディフューザおよび機械のケーシングによって制限されることにより、羽根車により動作流体に与えられる運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。

遠心ターボ機械は単段羽根車を装備する場合は単段ターボ機械（ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｇｅ ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅ）と称されることが多く、直列の複数の羽根車を装備する場合は多段遠心ターボ機械と称されることが多い。

多段遠心圧縮機１００の従来技術の実施形態が全体を断面図として図１に示される。

多段遠心圧縮機１００が、入力圧力と入力圧力より高い出力圧力との間でプロセスガスを動作させる。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、または、それらの組み合わせ、のうちの任意の１つであってよい。

圧縮機１００は、ステータ１０２を備え、ステータ１０２の中には、複数の同等の羽根車（図１の実施形態では３つの羽根車１１０、１１１、１１２）を直列に担持するシャフト１０４を有するロータリ組立体１０３が設置される。シャフト１０４は圧縮機１００の回転軸Ｙに沿って延在し、第１の羽根車１１０から最後の羽根車１１２までで測定される軸方向スパンＡを有する。

各羽根車１１０、１１１、１１２は、シャフト１０４を密接に囲む羽根車ハブ１１３と、後方羽根車ディスク１２３と前方シュラウド１１９との間を延在する複数のロータリブレード１０８とを有する一般的な密閉デザイン構造を有する。羽根車ディスク１２３は、複数のロータリブレード１０８を支持する前方側１２４と、前方側１２４の反対側にある後方側１２５とを備える。各羽根車１１０、１１１、１１２は、それぞれ、前方シュラウド１０９上の羽根車目玉１１５によって画定される低圧の入口側１１０ａ、１１１ａ、１１２ａと、羽根車１１０、１１１、１１２の周囲円周縁部によって画定される高圧の出口側１１０ｂ、１１１ｂ、１１２ｂとを備える。

多段圧縮機１００は複数のステージ１０７ａ、ｂ、ｃ（図１の実施形態では３つのステージ）に分割され、各ステージ１０７ａ、ｂ、ｃが複数の羽根車１１０、１１１、１１２のうちのそれぞれの１つの羽根車を有する。第１のステージ１０７ａと第２のステージ１０７ｂとの間で、ステータ１０２が、第１の羽根車１１０の出口側１１０ｂから第２の羽根車１１１の入口側１１１ａまで流れるプロセスガスのための通路１０５を有する。通路１０５は、出口側１１０ｂの下流にあるディフューザ１２６と、入口側１１１ａの上流にある戻り流路１２８と、ディフューザ１２６と戻り流路１２８とを接続させるＵ形ベンド１２７とを備える。プロセス流体を第２の羽根車１１１の入口側１１１ａの方に誘導するための複数のステータブレード１１５が戻り流路１２８内に設けられる。ディフューザ１２６内を流れるプロセスガスが回転軸Ｙに対して垂直な外向きの第１の径方向に沿って誘導され、対して、戻りチェンネル１２８内を流れるプロセスガスが回転軸Ｙの方を向く内向きの第２の径方向に沿って誘導され、ベンド１２７によりこのガス流れが１８０°曲げられる。

同様に、第２の羽根車１１１の出口側１１１ｂから第３の羽根車１１２の入口側１１２ａまで流れる同一のプロセスガスのために、通路１０５と同等の通路がステータ１０２内に設けられる。通路１０５は、一連の羽根車１１０、１１１、１１２の１つの羽根車から次の羽根車までステータ１０２内を延在するダイヤフラム１１８内に設けられる。ダイヤフラム１１８は、ディフューザ１２６および羽根車ディスク１２３の後方側１２５から戻り流路１２８まで、軸方向、すなわち、回転軸Ｙに平行な軸方向に沿って延在し、かつ、シャフト１０４とベンド１２７との間で、径方向、すなわち、回転軸Ｙに対して垂直な径方向に沿って延在する第１の部分１３８を備える。ダイヤフラム１１８の第１の部分１３８の間の隙間１３１内には、隙間１３１を通してプロセスガスが漏洩するのを防止するためのシール１３０が設けられる。ダイヤフラム１１８は、戻り流路１２８から複数のステージ１０７ａ、ｂ、ｃの次のステージまで軸方向に延在する第２の部分１３９を備える。ラビリンスタイプの羽根車目玉シール１４０が、各遠心羽根車１１０、１１１、１１２の前方シュラウド１１９の羽根車目玉とダイヤフラム１１８のそれぞれの部分１３９との間に設けられ、それにより、羽根車の高圧の出口側から羽根車の低圧の入口側まで、各羽根車１１０、１１１、１１２とそれぞれの部分１３９との間の空間内の流体が漏洩することが防止される。

全体のサイズ、重量を低減してさらにはそれによりターボ機械のコストを軽減するために、軸方向スパンＡを可能な限り縮小することが望ましい。軸方向スパンを縮小することにより、さらには、ロータダイナミクスの挙動（ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ）が向上し、さらに、軸方向のサイズおよび径方向のサイズの比に依存するロータリ組立体の安定性が向上する。

本発明の目的は、多段遠心ターボ機械の軸方向の寸法を縮小させるために多段遠心ターボ機械のデザインを最適化することである。

米国特許第１２８１４７８号明細書

第１の実施形態によると、本発明は、第１の羽根車および第２の羽根車を少なくとも担持するシャフトを有するロータ組立体と、第１の羽根車の出口側から第２の羽根車の入口側まで流れる流体のための通路を有するステータとを備える多段遠心ターボ機械を提供することにより本目的を達成し、この通路が、第１の羽根車の出口側の下流にあるディフューザと、第２の羽根車の入口側の上流にある戻り流路と、ディフューザと戻り流路とを接続させるベンドとを備え、この戻り流路内に、第２の羽根車の入口側に向かうように流体を誘導するための複数のステータブレードが設けられ、ここでは、戻り流路の少なくとも一部分が第１の羽根車によって境界を画定され、上記複数のステータブレードが戻り流路の上記部分内を少なくとも部分的に延在する。羽根車のデザインおよび羽根車間のダイヤフラムのデザインが、直列する第１の羽根車と第２の羽根車との間の戻り流路の一部分を第１の羽根車ディスクのプロファイルによって形成するようなターボ機械を構築することを可能する。戻り流路のこの一部分はステータブレードの一部分を含み、したがって、これは、戻り流路のすぐ下流にある羽根車に向かうように流体を誘導することに大きく貢献する。これにより、多段ターボ機械の従来のステージ内の、羽根車ディスクと羽根車の下流の戻り流路との間を延在するダイヤフラムの部分を排除することにより、ダイヤフラムの軸方向スパンを最小まで縮小することが可能となる。これにより、ターボ機械の全体の軸方向スパンを縮小することが可能となる。

第２の実施形態では、本発明は、少なくとも２つの羽根車を担持するシャフトを有するロータ組立体と、第１の羽根車の出口側から第２の羽根車まで流れる流体のための通路を有するステータであって、この通路が、第１の羽根車の下流にあるディフューザと、第２の羽根車まで誘導するための第２の羽根車の上流にある戻り流路とを備える、ステータとを備える遠心ターボ機械のための遠心羽根車を提供し、この羽根車が、複数のロータリブレードと、複数のロータリブレードを支持する前方側、および、前方側の反対側にありかつ多段遠心ターボ機械の戻り流路の少なくとも一部分の境界を画定するような形状を有する後方側を有する羽根車ディスクとを備える。

本発明の第１の実施形態を参照して上で説明した利点と同じ利点が第２の実施形態によって得られる。

添付の特許請求の範囲に記載される多段遠心ターボ機械および羽根車を用いることにより、第１および第２の実施形態の別の有利な特徴が得られる。

以下の図面と併せた本発明の実施形態の以下の説明により、本発明の別の物体的特徴（ｏｂｊｅｃｔ ｆｅａｔｕｒｅ）および利点が明確となる。

従来の遠心ターボ機械を示す長手方向断面図である。 本発明による遠心ターボ機械を示す長手方向断面図である。 従来の遠心ターボ機械と本発明による遠心ターボ機械との比較を示す長手方向断面図である。

本発明の第１の実施形態および第２の実施形態の両方が図２に示される。

図２を参照すると、多段遠心ターボ機械１が多段遠心圧縮機によって構築されている。ターボ機械１が、直列の複数の羽根車（図２に示される実施形態では、第１の羽根車１０、第２の羽根車１１および第３の羽根車１２）を担持する、シャフト４を有するロータリ組立体３と、ステータ２とを備え、ステータ２の中にロータリ組立体３が設置される。シャフト４がターボ機械１の回転軸Ｙに沿って延在し、第１の羽根車１０から最後の羽根車１２までで測定される軸方向スパンＢを有する。

ケーシング２およびロータ組立体３は、直列に接続される複数の（３つの）ステージ１ａ、１ｂ、１ｃに分割され、これらはそれぞれ羽根車１０、１１および１２を備える。以下で説明されない部分に関しては、圧縮機１は従来通りとみなされなければならず、上で説明した図１の圧縮機１００と同一である。

各羽根車１０、１１、１２はシュラウドで覆われるタイプ（ｓｈｒｏｕｄｅｄ ｔｙｐｅ）の羽根車であり、それぞれ、前方シュラウド９上にある羽根車目玉９ａによって画定される低圧の入口側１０ａ、１１ａ、１２ａと、羽根車１０、１１、１２の周囲円周縁部１３によって画定される高圧の出口側１０ｂ、１１ｂ、１２ｂとを備える。各羽根車１０、１１、１２は、複数のロータリブレード２２と、複数のロータリブレード２２を支持する前方側２４および前方側２４の反対側にある後方側２５を有する羽根車ディスク２３とをさらに備える。

ステータ２が第１の羽根車１０と第２の羽根車１１との間を延在するダイヤフラム１８を備え、ここでは、第１の羽根車１０の出口側１０ｂから第２の羽根車１１の入口側１１ａまで流れるプロセスガスのための第１の通路５ａが設けられる。ステータ２が通路５ａと同等の第２の通路５ｂを有し、これは、第２の羽根車１１の出口側１１ｂから第３の羽根車１２の入口側１２ａまで流れる同一のプロセスガスのための通路である。通路５ａ、５ｂが同等であることから、以下の通路５ａの説明は、しかるべき変更を加えて通路５ｂを説明するのにも有効であるとみなされる。

通路５ａは、第１の羽根車１０の出口側１０ｂの下流にあるディフューザ６と、第２の羽根車１１の入口側１１ａの上流にある戻り流路８と、ディフューザ６と戻り流路８とを接続させるＵ形ベンド７とを備え、第２の羽根車１１の入口側１１ａに向かうように流体を誘導するための複数のステータブレード１５が戻り流路８内に設けられる。

戻り流路８は、ベンド７の下流にある第１の部分８ａと、第１の部分８ａのすぐ下流にある第２の部分８ｂとを備える。戻り流路８の第１の部分８ａは、ダイヤフラム１８上の第１の表面１９および第２の表面２０によって境界を画定される。第１の表面１９および第２の表面２０は、回転軸Ｙに平行な軸方向に沿って互いに離間され、第１の表面１９が第２の表面２０と比較して第１の羽根車１０により接近する。

第２の表面２０は、戻り流路８の第２の部分８ｂの境界もやはり画定するために戻り流路８の第１の部分８ａを超えて延在する。

戻り流路８の第２の部分８ｂは、ダイヤフラム１８の第２の表面２０と、第１の羽根車１０の羽根車ディスク２３の後方側２５上に設けられる第３の表面２１とによって境界を画定される。第３の表面２１はダイヤフラム１８の第１の表面１９に隣接し、軸方向において第２の表面２０から離間される。第３の表面２１は、第２の羽根車１１の入口側１１ａに向かうように流体を誘導することに貢献することを目的として、戻り流路８の第２の部分８ｂの境界を画定するような形状を有する。

上記複数のステータブレード１５の各ブレード１５が、ダイヤフラム１８の第１の表面１９と第２の表面２０との間において戻り流路８の第１の部分８ａ内を延在する第１の部分１５ａを備える。各ステータブレード１５は、ダイヤフラム１８の第２の表面２０と羽根車ディスク２３の後方側２５の第３の表面２１との間において戻り流路８の第２の部分８ｂ内を延在する第２の部分１５ｂをさらに備える。

第１の表面１９と第３の表面２１との間の隙間３１内には、それぞれのディフューザ６およびベンド７を最初に通ることなく流体が第１の羽根車１０の出口側１０ｂおよび第２の羽根車１１の出口側１１ｂからそれぞれの戻り流路８まで直接に流れるのを防止するための、ラビリンスタイプのシール３０が設けられる。シール３０は、図１の従来の解決策を参照して説明したシール１３０と同じ機能を有し、すなわち、各羽根車１０、１１の出口側１０ｂ、１１ｂからそれぞれの次の羽根車１１、１２に向かって漏洩が発生するのを防止する。

シール３０は、軸方向においてディフューザ６と戻り流路８との間を延在しかつ径方向において羽根車ディスク２３とベンド７との間を延在するダイヤフラム１８の部分３８と、羽根車ディスク２３の円周縁部１３との間に設けられる。

シール３０は、ロータ側、すなわち図２に示されるようにブレードディスクと一体に製造されるか、または、ステータ側、すなわちダイヤフラム１８の部分３８上に設置されるかのいずれかであってよい複数のシール歯を有する。

上で説明した多段ターボ機械１のデザインでは、戻り流路８の第２の部分８ｂは羽根車１０の表面によって境界を画定されるが、複数のステータブレード１５が部分８ｂ内を部分的に延在する。

ディフューザ６内を流れる流体は回転軸Ｙに対して垂直な径方向の第１の流れ方向Ｘ１に沿うように誘導され、対して、戻り流路８内を流れる流体は、回転軸Ｙの方を向く第２の流れ方向Ｘ２に沿うように誘導される。第１の流れ方向Ｘ１と第２の流れ方向Ｘ２との間の角度Ｗは１８０°を超える。角度Ｗの値は通常は１８５°〜２１０°の区間内に含まれる。

本発明は遠心エキスパンダ（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｅｘｐａｎｄｅｒ）の用途にも使用され得る。

より一般には、本発明は圧縮性流体および非圧縮性流体のための遠心ターボ機械でも使用され得、非圧縮性流体のためのターボ機械はポンプおよび水タービンを有する。

羽根車および羽根車間のダイヤフラムのデザインが、従来の多段ターボ機械（図１）に関連する、羽根車ディスクと羽根車の下流にある戻り流路との間を延在するダイヤフラムの部分を排除することにより、言い換えると、ラビリンスシール３０を設置するところのダイヤフラム１８の部分３８を可能な限り縮小することにより、ダイヤフラムの軸方向のサイズを最小まで縮小することを可能にする。これは、戻り流路の一部分の境界を画定にするのに各羽根車ディスクの後方側を使用することにより可能となる。これにより、ターボ機械の全体の軸方向スパン、詳細には軸方向スパンＡおよびＢ（図３）を縮小することが可能となる。したがって、本発明は上で言及した目的および利点を達成することが可能である。

さらに、本発明は別の利点を達成することが可能である。詳細には、実験的試験により、熱力学および流体力学が、各羽根車の回転表面２１に接触する戻り流路の第２の部分８ｂ内を流れる流体に対して良好な効果をもたらすことが示される。羽根車が回転することが、流体を付勢することにより戻り流路内の流体が剥離するのを防止するかまたは遅らせるのに効果的に貢献する。上記の理由から、本出願は、第１のステージに続くターボ機械のステージの入口側に向かうように流体をより良好に誘導するのを可能にし、それにより全体の効率が向上する。

本記述は、最良の形態を含めて本発明を開示することを目的として、また、任意のデバイスまたはシステムを製造および使用することならびに組み込まれる任意の方法を実施することを含めて当業者が本発明を実施するのを可能にすることを目的として、複数の実施例を使用する。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く別の実施例を含むことができる。このような別の実施例は、特許請求の範囲の文言と違わない構造的要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文言とほぼ違わない等価の構造的要素を有する場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。

１ ターボ機械
１ａ ステージ
１ｂ ステージ
１ｃ ステージ
２ ステータ、ケーシング
３ ロータリ組立体
４ シャフト
５ａ 第１の通路
５ｂ 第２の通路
６ ディフューザ
７ ベンド
８ 戻り流路
８ａ 第１の部分
８ｂ 第２の部分
９ 前方シュラウド
９ａ 羽根車目玉
１０ 第１の羽根車
１０ａ 入口側
１０ｂ 出口側
１１ 第２の羽根車
１１ａ 入口側
１１ｂ 出口側
１２ 第３の羽根車
１２ａ 入口側
１２ｂ 出口側
１３ 円周縁部
１５ ステータブレード
１５ａ 第１の部分
１５ｂ 第２の部分
１８ ダイヤフラム
１９ 第１の表面
２０ 第２の表面
２１ 第３の表面
２２ ロータリブレード
２３ 羽根車ディスク
２４ 前方側
２５ 後方側
３０ シール
３１ 隙間
３８ 部分
１００ 多段遠心圧縮機
１０２ ステータ
１０４ シャフト
１０５ 通路
１０７ａ ステージ
１０７ｂ ステージ
１０７ｃ ステージ
１０８ ロータリブレード
１０９ 前方シュラウド
１１０ 羽根車
１１０ａ 入口側
１１０ｂ 出口側
１１１ 羽根車
１１１ａ 入口側
１１１ｂ 出口側
１１２ 羽根車
１１２ａ 入口側
１１２ｂ 出口側
１１３ 羽根車ハブ
１１５ ステータブレード
１１８ ダイヤフラム
１１９ 前方シュラウド
１２３ 後方羽根車ディスク
１２４ 前方側
１２５ 後方側
１２６ ディフューザ
１２７ ベンド
１２８ 戻り流路
１３０ シール
１３１ 隙間
１３８ 第１の部分
１３９ 第２の部分
１４０ 羽根車目玉シール

Claims (6)

1. 多段遠心ターボ機械（１）であって、
   − 第１の羽根車（１０）および第２の羽根車（１１）を少なくとも担持するシャフト（４）を含むロータ組立体（３）と、
   − 前記第１の羽根車（１０）の出口側（１０ｂ）から前記第２の羽根車（１１）の入口側（１１ａ）まで流れる流体のための通路（５）を含むステータ（２）であって、前記通路（５）が、前記第１の羽根車（１０）の前記出口側（１０ｂ）の下流にあるディフューザ（６）と、前記第２の羽根車（１１）の前記入口側（１１ａ）の上流にある戻り流路（８）と、前記ディフューザ（６）と前記戻り流路（８）とを接続させるベンド（７）とを備え、前記ステータ（２）がさらに、前記第２の羽根車（１１）の前記入口側（１１ａ）に向かうように前記流体を誘導するために前記戻り流路（８）内に設けられた複数のステータブレード（１５）を含むステータ（２）と
   を備え、
   前記戻り流路（８）の少なくとも一部分（８ｂ）が前記第１の羽根車（１０）によって境界を画定され、前記複数のステータブレード（１５）が前記戻り流路（８）の前記部分（８ｂ）内を少なくとも部分的に延在し、
   前記ステータ（２）が前記第１の羽根車（１０）と前記第２の羽根車（１１）との間を延在するダイヤフラム（１８）を備え、前記戻り流路（８）が、前記ベンド（７）の下流にある第１の部分（８ａ）と、前記第１の部分（８ａ）のすぐ下流にある第２の部分（８ｂ）とを備え、前記戻り流路（８）の前記第１の部分（８ａ）が前記ダイヤフラム（１８）上の第１の表面（１９）および第２の表面（２０）によって境界を画定され、前記第１の表面（１９）および前記第２の表面（２０）が前記シャフト（４）の回転軸（Ｙ）に平行な軸方向に沿って互いに離間され、前記戻り流路（８）の前記第２の部分（８ｂ）が前記ダイヤフラム（１８）の前記第２の表面（２０）と前記第１の羽根車（１０）上の第３の表面（２１）とによって境界を画定され、前記第３の表面（２１）が前記第１の表面（１９）に隣接し、また、軸方向において前記第２の表面（２０）から離間され、
   前記複数のステータブレード（１５）の各ブレードが、
   − 前記ダイヤフラム（１８）の前記第１の表面（１９）と前記第２の表面（２０）との間において前記戻り流路（８）の前記第１の部分（８ａ）内を延在する第１の部分（１５ａ）と、
   − 前記ダイヤフラム（１８）の前記第２の表面（２０）と前記第１の羽根車（１０）の前記第３の表面（２１）との間において前記戻り流路（８）の前記第２の部分（８ｂ）内を延在する第２の部分（１５ｂ）と、
   を備える、
   多段遠心ターボ機械（１）。
2. 各羽根車（１０、１１）が、複数のロータリブレード（２２）と、前記複数のロータブレード（２２）を支持する前方側（２４）および前記前方側（２４）の反対側にありかつその上に前記第３の表面（２１）が設けられる後方側（２５）を有する羽根車ディスク（２３）とを備える、請求項１に記載の多段遠心ターボ機械（１）。
3. シール（３０）が前記第１の表面（１９）と前記第３の表面（２１）との間の隙間（３１）内に設けられ、それにより、各羽根車（１０、１１）の前記出口側（１０ｂ、１１ｂ）からそれぞれの前記戻り流路（８）まで直接に前記流体が流れることが防止される、請求項１または２に記載の多段遠心ターボ機械（１）。
4. 前記ダイヤフラム（１８）が、軸方向において前記ディフューザ（６）と前記戻り流路（８）との間を延在しかつ径方向において前記羽根車ディスク（２３）と前記通路（５）の前記ベンド（７）との間を延在する部分（３８）を備え、前記シール（３０）が前記ダイヤフラムの前記部分（３８）と前記羽根車ディスク（２３）の円周縁部（１３）との間に設けられる、請求項３に記載の多段遠心ターボ機械（１）。
5. 前記シール（３０）がラビリンスタイプのシールである、請求項４に記載の多段遠心ターボ機械（１）。
6. 前記ディフューザ（６）内を流れる前記流体が、前記シャフト（４）の回転軸（Ｙ）に対して垂直な径方向の第１の流れ方向（Ｘ１）に沿うように誘導され、前記戻り流路（８）内を流れる前記流体が、前記回転軸（Ｙ）の方を向く第２の流れ方向（Ｘ２）に沿うように誘導され、前記第１の流れ方向（Ｘ１）と前記第２の流れ方向（Ｘ２）との間の角度（Ｗ）が１８０°を超える、請求項１から５のいずれかに記載の多段遠心ターボ機械（１）。