JP6196617B2 - 遠心式インペラ及びターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、遠心式ターボ機械、ターボ機械用の遠心式インペラ、及び関連する製造方法に関し、特に、排他的に述べるものではないが石油及びガス応用のためのものに関する。

遠心式ターボ機械は、作動流体と遠心式インペラとの間で機械的なエネルギを伝達する回転機械である。流体が典型的には気体状流体であるような石油及びガス応用では、遠心式ターボ機械は圧縮機及び膨張機（エキスパンダ）を含んでいる。圧縮機は、機械的エネルギの利用を通じて気体状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、気体状作動流体の圧力を利用して、流体を膨張させるインペラを用いることによりシャフトに対する機械的な仕事を生成するターボ機械である。

非圧縮性流体、例えば水においては、遠心式ターボ機械はポンプとタービンとを含んでおり、それぞれ圧縮機及びエキスパンダに類似した方法で流体とインペラとの間でエネルギを伝達する。

一般的には、全ての場合において、作動流体は、インペラの回転軸からインペラの周辺の円周エッジへ配向した半径方向外向き方向に沿って遠心式インペラに流入することにより、エネルギを遠心式機械と交換する。

具体的には、圧縮機ターボ機械の遠心式インペラは、ターボ機械を駆動するモータによって供給される機械的なエネルギを気体状作動流体に伝達し、気体状作動流体は遠心式インペラにおいて当該流体を加速することにより圧縮される。インペラによって作動流体に与えられる運動エネルギは、流体の外向き移動がディフューザ及び機械ケーシングによって閉じ込められているときには圧力エネルギへ変換される。

遠心式ターボ機械に単一のインペラが設けられている場合には、しばしば単段ターボ機械と呼ばれ、複数のインペラが直列で設けられている場合には、しばしば多段遠心式ターボ機械と呼ばれる。

多段遠心式圧縮機１００の従来技術の実施形態を図１に全体的な断面図として示し、図２及び図３には、さらに詳細な断面図として示す。圧縮機１００はケーシング１０２に含まれており、ケーシング１０２の内部にはシャフト１０１及び複数のインペラ１１０が装着されている。シャフトは圧縮機１００の回転軸Ｘに沿って延在する。シャフト１０１及びインペラ１１０はロータ・アセンブリ１０３を含んでおり、ロータ・アセンブリ１０３は、二つの軸受け１５０及び１６０を通じて支持されて、これらの軸受けが、ロータ・アセンブリが回転軸Ｘの周りを回転することを可能にする。多段圧縮機１００は、複数の段１０７（図１の実施形態では七つの段１０７）を含んでおり、各々の段１０７が複数のインペラ１１０の一つのインペラと、ケーシング１０２の一部とを含み、ここにインペラ１１０の上流に位置する入口ダクト１７０及びインペラ１１０の下流に位置する出口ダクト１８０が設けられている。インペラ１１０は、典型的な閉鎖設計構成を有し、シャフト１０１を閉鎖式に包囲するインペラ・ハブ１１３と、後部インペラ円板１１４と前部シュラウド１１９との間に延在する複数の羽根１０８とを含んでいる。インペラ１１０は、前部シュラウド１０９に設けられたインペラ入口（インペラ・アイ）１１５によって画定される入口低圧側１１１と、インペラ１１０の周辺の円周エッジによって画定される出口高圧側１１２とを含んでいる。

インペラ１１０の動作を通じて多段圧縮機１００の各々の段１０７が動作して、入口ダクト１７０に沿って流れる流入プロセス・ガスを取り入れ、インペラ１１０の入口低圧側１１１から出口高圧側１１２にプロセス・ガスを押し出して、引き続き出口ダクト１８０を通して流入圧よりも高い流出圧で排出する。

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、液化天然ガスの任意の一つであってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。

流体が、ケーシング１０２とインペラ１１０との間の空間で出口高圧側１１２から入口低圧側１１１へ漏れるのを防ぐために、各々の遠心式インペラ１１０のインペラ入口１１５とケーシング１０２との間にインペラ入口シール１２０が設けられている。ケーシング１０２はインペラ入口１０５に対面した入口環１０４を含んでおり、ケーシング１０２にはインペラ入口シール１２０を収容するための空洞部が設けられている。

インペラ入口シール１２０はラビリンス形式のものであって、複数の歯１２１ａ〜１２１ｅ（図１〜図３の実施形態では５枚の歯１２１ａ〜１２１ｅ）を有している。各々の歯１２１ａ〜１２１ｅが、回転軸Ｘへ向けて半径方向に、且つ回転軸Ｘの周りに円周方向に延在している。歯１２１ａ〜１２１ｅの包絡外形は円錐形状であって、平均径１２２を有する。入口シール１２０はケーシング１０２の筐体に装着されて、入口低圧側１１１に近い最初の歯１２１ａが出口高圧側１１１に近い最後の（第五の）歯１２１ｅよりも径が小さくなるような方法で配置されている。インペラ入口シール１２０の形状に合わせるために、インペラ入口１１５に階段領域１１６が設けられており、各々が複数の歯１２１ａ〜１２１ｅのそれぞれの１枚の歯に対面する複数の階段１１７ａ〜１１７ｅ（図１〜図３の実施形態では五つの階段１１７ａ〜１１７ｅ）を含んでいる。複数の階段１１７ａ〜１１７ｅは、インペラ１１０の入口低圧側１１１に近い最初の階段１１７ａを含んでおり、階段１１７ａは、出口高圧側１１２に近い最後（第五）の階段１１７ｅの径１２３ｅよりも小さい径１２３ａを有する。

出口側から入口側へ漏れる流体の部分は、インペラを通じて再び圧縮されなければならず、このようにしてターボ機械の効率を低下させるという理由で、入口シール１２０を通る流体漏れを可能な限り減少させなければならない。

インペラ１１０と同じ設計を有するインペラをエキスパンダにも用いることができるが、主な相違は気体状流体がインペラにおいて膨張することであり、すなわちインペラ入口に対応する入口側が高圧側となり、周辺の円周エッジに対応する出口側が低圧側となる。エキスパンダでは、インペラ入口シールは、流体が、ケーシングとインペラとの間の空間で入口高圧側から入口低圧側へ漏れるのを防ぐ。入口側から出口側へ漏れる流体の部分はインペラを通って流れず、従ってシャフトに対する機械的な仕事を生成することには寄与せず、このようにしてターボ機械の効率を低下させるという理由で、エキスパンダにおいても入口シールを通る流体漏れを可能な限り減少させなければならない。

遠心式インペラのインペラ入口を通る漏れ流を減少させるために改良型シール系を設計して提供することが望ましい。

本発明の目的は、ターボ機械のケーシングとインペラとの間の漏れ流を減少させる改良型インペラ入口シール系を提供する遠心式ターボ機械及び遠心式インペラを製造することにある。

第一の実施形態によれば、本発明は、ケーシングと、当該インペラの入口側から出口側へ流れる流体のための少なくとも一つの遠心式インペラを含むロータ・アセンブリと、遠心式インペラのインペラ入口とケーシングとの間に延在して、流体がケーシングと遠心式インペラとの間で漏れるのを防ぐ入口シールとを含む遠心式ターボ機械を提供することにより上述の目的を達成し、入口シールは、インペラの入口側に近い最初の部分と、出口側に近い最後の部分とを少なくとも有し、最後の部分は最初の部分よりもよりも径が小さい。

第一の実施形態のさらに有利な特徴によれば、入口シールはラビリンス形式のものであって、複数の歯がインペラの回転軸へ向けて半径方向に延在している。

第一の実施形態のさらに有利な特徴によれば、ラビリンス入口シールは、ケーシングの入口環に装着されて、インペラの吸込側に近い最初の階段と出口側に近い最後の階段とを少なくとも有するインペラ入口の階段領域に対面しており、最後の階段は最初の階段よりも径が小さく、入口シールの歯の数は、インペラ入口の階段領域の階段の数と等しく、入口シールは、入口シールの各々の歯がインペラ入口のそれぞれの一つの階段に対面するような方法でケーシングの入口環に装着されている。

第一の実施形態のさらに有利な特徴によれば、インペラ入口の階段領域の階段の数は４と１０との間にある。

第一の実施形態のさらに有利な特徴によれば、遠心式インペラはシュラウド形式のものであって、インペラ入口の階段領域は遠心式インペラのシュラウドに設けられる。

第一の実施形態のさらに有利な特徴によれば、遠心式ターボ機械は圧縮機であり、インペラの入口側は出口側よりも低圧である。

第二の実施形態では、本発明は、インペラ入口を含む遠心式ターボ機械のための遠心式インペラを提供し、インペラ入口は階段領域を有し、階段領域は、遠心式インペラの入口側に近い最初の階段と、出口側に近い最後の階段とを少なくとも有し、最後の階段は最初の階段よりも径が小さい。

上の各実施形態におけるインペラ入口の設計及びインペラ入口シールの装着は、インペラの入口の径を減少させることなく、すなわちインペラを通るガス流を変更することなくインペラ入口及びインペラ入口シールの平均径を減少させることを可能にする。インペラ入口を通る流体漏れはインペラ入口の平均径に比例するので、かかる径の減少によって流体漏れが減少し、このようにして本発明の目的を達成する。

本発明による新たな設計が可能にするインペラの重量の減少によってさらに他の利点が決定される。インペラを軽量化することにより、インペラのロータダイナミック特性を改善し、軸方向スラストをさらに容易に均衡させることが可能である。

本発明のさらにもう一つの目的は、上述のターボ機械及び上述のインペラの製造のための方法を開発することにある。

第三の実施形態によれば、本発明は、遠心式ターボ機械の入口シールを通る漏れを減少させる方法を提供することにより、このさらにもう一つの目的を達成し、遠心式ターボ機械は、ケーシングと、当該インペラの入口側から出口側へ流れる流体のための少なくとも一つの遠心式インペラを含むロータ・アセンブリと、遠心式インペラのインペラ入口とケーシングとの間に延在して、流体がケーシングと遠心式インペラとの間で漏れるのを防ぐ入口シールとを有し、入口シールは、最初の部分と、該最初の部分よりも径が小さい最後の部分とを少なくとも有し、この方法は、インペラの入口側に近い最初の部分、及び出口側に近い最後の部分を有するラビリンス入口シールを装着するステップを含んでいる。

上で本発明の第一及び第二の実施形態に関して記載されている同じ利点が第三の実施形態によって達成される。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の図面と共に本発明の各実施形態の以下の記載を読むと明らかとなろう。
従来の遠心式ターボ機械の長手方向断面図である。 図１の遠心式ターボ機械の重要な部分を示す長手方向断面図である。 図１及び図２の遠心式ターボ機械の詳細な構成要素を示す長手方向断面図である。 本発明による遠心式ターボ機械の長手方向断面図である。 図３の図に対応する長手方向断面図であって、図３の遠心式ターボ機械の本発明による遠心式インペラを示す図である。

本発明の第一及び第二の実施形態を、それぞれ図４及び図５に示す。

図４を参照して述べると、遠心式ターボ機械１が、固定ケーシング２とロータ・アセンブリ３とを含む遠心式多段圧縮機によって構成されている。ケーシング２及びロータ・アセンブリ３は、直列に接続された複数の（七つの）段７に分割されている。以下に記載されない部材については、圧縮機１は従来通りであって上述の図１〜図３の圧縮機１００と同等であると考えられるべきである。

各々の段７が、インペラ１０の入口低圧側１１から出口高圧側１２に流れる気体状流体のための遠心式インペラ１０を含んでいる。遠心式インペラ１０はシュラウド形式のものであって、インペラ１０のインペラ入口１５が設けられたシュラウド１９を含んでいる。インペラ入口１５は入口低圧側１１を画定しており、ここを通って流体がインペラ１０の回転軸Ｘに実質的に平行な方向に沿ってインペラ１０に流入する。流体がインペラ１０から流出する出口高圧側１２は、インペラ１０の周辺の円周エッジによって画定される。

各々の段７はさらに、ラビリンス形式の入口シール２０を含んでおり、入口シール２０は遠心式インペラ１０のインペラ入口１５とケーシング２の入口環４との間に延在して、流体がケーシング２と遠心式インペラ１０との間で出口高圧側１２から入口低圧側１１へ漏れるのを防いでいる。

ラビリンス入口シール２０は、インペラ１０の回転軸Ｘへ向けて半径方向に、且つ回転軸Ｘの周りで円周方向に延在する複数の歯２１ａ〜２１ｅ（図４及び図５の実施形態では５枚の歯２１ａ〜２１ｅ）を有している。歯２１ａ〜２１ｅの包絡外形は円錐形状であって平均径２２を有する。複数の歯２１ａ〜２１ｅは、インペラ１０の入口側１１に近い最初の歯２１ａと、出口側１２に近い最後の歯２１ｅとを含んでおり、最後の歯２１ｅは最初の部分２１ａよりも径が小さい。

ラビリンス入口シール２は、ケーシング２の入口環４の空洞部に装着されて、インペラ入口１５の階段領域１６に対面している。階段領域１６は、インペラ１０の吸込側に近い最初の階段１７ａと、出口側に近い最後の階段１７ｅとを含んでいる。ラビリンス入口シール２０の外形に合わせるために、最後の階段１７ｅは、階段領域１６の最初の階段１７ａの対応する径２３ａよりも小さい径２３ｅを有する。

好ましくは、入口シール２０の歯２１ａ〜２１ｅの数は、インペラ入口１５の階段領域１６の階段１７ａ〜１７ｅの数に等しく、入口シール２０は、入口シール２０の複数の歯２１ａ〜２１ｅの各々の歯がインペラ入口１５の複数の階段１７ａ〜１７ｅのそれぞれの一つの階段に対面するような方法で入口環４に装着されている。

好ましくは、階段領域１６の階段１７ａ〜１７ｅの数及びラビリンス入口シール２０の歯２１ａ〜２１ｅの数は４と１０との間にある。

本発明は、遠心式エキスパンダ応用にも用いることができ、この場合には入口シールは、気体状流体が入口高圧側から出口低圧側へケーシングと遠心式インペラとの間で漏れるのを防ぐ。

さらに一般的には、本発明を圧縮性流体及び非圧縮性流体のための遠心式ターボ機械に用いることもでき、後者のターボ機械はポンプ及び水車を含んでいる。

図３の従来の解決法を図５の本発明の解決法と比較することにより、階段領域１１６、１６の最初の階段１１７ａ、１７ａの径の値が同じであるときに、インペラ入口シール２０の平均径２２の値は従来のインペラ入口シール１２０の平均径１２２よりも小さいことが明らかである。これにより、インペラ入口シール２０を通る漏れ流が減少する。

さらに、従来の遠心式インペラ１１０（図３）を本発明の遠心式インペラ１０（図５）と比較することにより、二つのインペラ１１０、１０が同じ流動形状を有するときには、インペラ１０の重量はインペラ１１０のの重量よりも小さいことも明らかである。実際に、階段領域１１６、１６の最初の階段１１７ａ、１７ａの径の値が同じであるときに、階段領域１６の第二の階段から第五の階段１７ｂ〜１７ｅの径の値は、従来の階段領域１６の第二の階段から第五の階段１１７ｂ〜１１７ｅの径の値よりも小さい。これにより、重量の減少は典型的には約１０％となる。軽量化する結果として、遠心式インペラ１０は、改善されたロータダイナミック特性、及び軸方向スラストの改善された均衡を示す。

本発明の第三の実施形態によれば、上述の遠心式ターボ機械１の入口シール２０を通る漏れを減少させる方法が、遠心式インペラ１０の入口側１１に近い最初の歯２１ａ、及び出口側１２に近い最後の部分２１ｅを有するラビリンス入口シール２０を装着するステップを含んでいる。

本発明の全ての実施形態が、上に記載する目的及び利点を達成することを可能にする。

加えて、本発明はさらに他の利点を達成することを可能にする。具体的には、上述の方法は、複数の遠心式インペラ１１０及び複数の入口シール１２０を複数のインペラ１０及び複数の入口シール２０で置き換えることにより従来のターボ機械１００を改造するのに用いられることができ、このようにして従来のターボ機械の他の構成要素を改変することなく本発明のターボ機械１を得ることができる。

一般的には、本発明の全ての実施形態について、さらにもう一つの利点は、階段領域１６の幾何学的パラメータすなわち階段の高さ及び幅が従来の応用と同じである場合には、、単に階段を１８０°だけ回転させて、歯がインペラの入口側に近いほど大きい径を有するようにしてケーシングの入口環に装着することにより、従来の応用に用いられている同じ入口シールを依然として用い得ることにある。

この書面の記載は、最適な態様を含めて発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が発明を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な発明の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

１：遠心式ターボ機械
２、１０２：ケーシング
３、１０３：ロータ・アセンブリ
４、１０４：入口環
７、１０７：段
１０、１１０：インペラ
１１、１１１：入口低圧側
１２、１１２：出口高圧側
１５、１１５：インペラ入口
１６、１１６：階段領域
１７、１１７：階段
１９、１１９：シュラウド
２０、１２０：入口シール
２１、１２１：歯
２２、１２２：平均径
２３ａ、１２３ａ：最初の階段の径
２３ｅ、１２３ｅ：最後の階段の径
１００：多段遠心式圧縮機
１０１：シャフト
１０８：羽根
１１３：インペラ・ハブ
１１４：インペラ円板
１５０、１６０：軸受け
１７０：入口ダクト
１８０：出口ダクト

Claims (10)

1. ケーシング（２）と、
   少なくとも一つの遠心式インペラ（１０）の入口側（１１）から出口側（１２）へ流れる流体のための前記インペラ（１０）を含むロータ・アセンブリ（３）と、
   前記遠心式インペラ（１０）のインペラ入口（１５）と前記ケーシング（２）との間に延在して、前記流体が前記インペラ（１０）の高圧側から低圧側へ漏れるのを防ぐ入口シール（２０）と、
   を備え、
   前記入口シール（２０）は、前記インペラ（１０）の前記入口側（１１）に近い最初の部分（２１ａ）と、前記出口側（１２）に近い最後の部分（２１ｅ）とを少なくとも含む複数の部分（２１ａ〜ｅ）を含み、各部分（２１ａ〜ｅ）の径が、前記最後の部分（２１ｅ）から前記最初の部分（２１ａ）に向かって増大する、
   遠心式ターボ機械（１）。
2. 前記入口シール（２０）はラビリンス形式のものであり、複数の歯（２１ａ〜２１ｅ）が前記インペラ（１０）の回転軸（Ｘ）へ向けて半径方向に延在している、請求項１に記載の遠心式ターボ機械（１）。
3. 前記入口シール（２０）は前記ケーシング（２）の入口環（４）に装着され、前記インペラ（１０）の吸込側に近い最初の部分（１７ａ）と前記出口側に近い最後の部分（１７ｅ）とを少なくとも含んでいる前記インペラ入口（１５）の領域（１６）に対面しており、前記最後の部分（１７ｅ）は前記最初の部分（１７ａ）よりも径が小さい、請求項１又は請求項２に記載の遠心式ターボ機械（１）。
4. 前記ラビリンス入口シール（２０）は前記ケーシング（２）の入口環（４）に装着され、前記インペラ（１０）の吸込側に近い最初の階段（１７ａ）と前記出口側に近い最後の階段（１７ｅ）とを少なくとも含んでいる前記インペラ入口（１５）の階段領域（１６）に対面しており、前記最後の階段（１７ｅ）は前記最初の階段（１７ａ）よりも径が小さい、請求項２に記載の遠心式ターボ機械（１）。
5. 前記インペラ入口（１５）の前記入口シール（２０）の歯（２１ａ〜２１ｅ）の数は、前記階段領域（１６）の階段（１７ａ〜１７ｅ）の数に等しく、前記入口シール（２０）は、当該入口シール（２０）の各々の歯（２１ａ〜２１ｅ）が前記インペラ入口（１５）のそれぞれの一つの階段（１７ａ〜１７ｅ）に対面するような方法で前記ケーシング（２）の前記入口環（４）に装着されている、請求項４に記載の遠心式ターボ機械（１）。
6. 前記階段領域（１６）の階段（１７ａ〜１７ｅ）の数は４と１０との間にある、請求項４または５に記載の遠心式ターボ機械（１）。
7. 前記遠心式インペラ（１０）はシュラウド形式のものであり、前記インペラ入口（１５）の前記階段領域（１６）は前記遠心式インペラ（１０）のシュラウド（１９）に設けられている、請求項４から請求項６の何れか一項に記載の遠心式ターボ機械（１）。
8. 当該遠心式ターボ機械（１）は圧縮機であり、前記インペラの前記入口側（１１）は前記出口側（１２）よりも低圧にある、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の遠心式ターボ機械（１）。
9. インペラ入口（１５）を備えた遠心式ターボ機械（１）のための遠心式インペラ（１０）であって、前記インペラ入口（１５）は階段領域（１６）を有し、前記階段領域（１６）は、当該遠心式インペラ（１０）の入口側（１１）に近い最初の階段（１７ａ）と、出口側（１２）に近い最後の階段（１７ｅ）とを少なくとも有し、前記最後の階段（１７ｅ）は前記最初の階段（１７ａ）よりも径が小さい、遠心式インペラ（１０）。
10. 遠心式ターボ機械（１）の入口シール（２０）を通る漏れを減少させる方法であって、前記遠心式ターボ機械（１）は、ケーシング（２）と、当該インペラ（１０）の入口側（１１）から出口側（１２）へ流れる流体のための少なくとも一つの遠心式インペラ（１０）を含むロータ・アセンブリ（３）と、前記遠心式インペラ（１０）のインペラ入口（１５）と前記ケーシング（２）との間に延在して、前記流体が前記ケーシング（２）と前記遠心式インペラ（１０）との間で漏れるのを防ぐ入口シール（２０）とを有し、該入口シール（２０）は、前記インペラ（１０）の前記入口側（１１）に近い最初の部分（２１ａ）、及び前記出口側（１２）に近い最後の部分（２１ｅ）を含む複数の部分（２１ａ〜ｅ）を含み、各部分（２１ａ〜ｅ）の径が、前記最後の部分（２１ｅ）から前記最初の部分（２１ａ）に向かって増大する、前記入口シール（２０）を装着するステップを備えた方法。