JP6496736B2 - マルチセクション遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、マルチセクション遠心圧縮機に関する。このような圧縮機は、気体または蒸気状態の作動流体を処理するために使用される。例えば、このような圧縮機は、二酸化炭素を圧縮するために使用することができる。

マルチセクション圧縮機は当技術分野で知られている。このような圧縮機は、第１のセクションおよび第２のセクションを備えていることがある。これらのセクションは直列に動作し、第２のセクションが第１のセクションの出力を処理する。

両方のセクションは共通の軸上を回転し、各セクションは、それぞれが複数のブレードを有する複数のインペラを備える。各セクションのインペラは直列に配置される。したがって、作動流体は、開始圧力から最終圧力まで各インペラによって順番に圧縮される。

各セクションは、中央区域および外周区域も有する。実際、各セクションは、外周区域に配置された入口ダクトおよび吐出ダクトを有する。第１のセクションの吐出ダクトは一般に、第２のセクションの入口ダクトと流体連通して配置される。言い換えれば、第２のセクションは、作動流体が第１のセクションで処理された後、作動流体を圧縮する。

さらに、圧縮機は第１および第２の吐出スクロールを有し、それらは、作動流体を吐出ノズルへ運ぶために、第１および第２のセクションの最終インペラからそれぞれ作動流体を集める。ロータダイナミックの制約により、ロータ軸受けの間隔をできるだけ短く保つために、片方または両方の吐出スクロールは、上記の第１および第２のセクションのダイアフラムバンドルの戻り流路のＵベンドの周方向外側に配置される。

従来技術では、第１および第２のセクションは、「背中合わせ」または「直列」構成のどちらかで配置することができる。「背中合わせ」構成では、第１および第２のセクションの吐出スクロールは、圧縮機本体の中央に並べて配置される。「直列」配置では、第１のセクションの吐出スクロールは、これも圧縮機の中央に配置されるが、第２のセクションの入口に隣接する。また、第２段の吐出部は第１のセクションの入口の反対側に配置される。しかしながら、圧縮機のロータダイナミック挙動を許容できるようにするためにロータの軸受け間隔を短縮する必要のあるときは常に、第１のセクションの吐出スクロールは、「背中合わせ」および「直列」配置ともに、戻り流路のＵベンドの外側に配置される。都合の悪いことに、吐出スクロールのサイズには、空気力学性能の要件が課せられるので、その結果として、圧縮機の外側ケーシングの直径は大きくなり、それは、圧縮機全体の重量、コスト、取り回し性に悪い影響を与える。

欧州特許出願公開第０９９０７９８号明細書

したがって、本発明の第１の実施形態は、少なくとも第１および第２のセクションを備えるマルチセクション遠心圧縮機である。各セクションは、複数のブレードを有する少なくとも１つのインペラを備える。各セクションは回転軸も有する。さらに、各セクションは、中央区域および外周区域を有する。各セクションは、外周区域に配置された入口ダクトおよび吐出ダクトを有する。第１のセクションの吐出ダクトは、第２のセクションの入口ダクトと流体連通して配置され、その結果、第２のセクションは、流体が第１のセクションによって圧縮された後、それを圧縮するように構成される。さらに、第１のセクションの吐出ダクトは、圧縮機の端部に配置される。第２のセクションの吐出ダクトは、第１のセクションの入口ダクトに隣接する。

都合の良いことに、これによって、第１の吐出スクロールを圧縮機の軸方向末端に配置することができる。これによってまた、軸受け間隔を延ばすことなく、外側ケーシングの直径をかなり小さくすることができる。

さらなる詳細および特定の実施形態は以下の添付図を参照する。

本発明の第１の実施形態によるマルチセクション遠心圧縮機の側面断面図である。 本発明の第２の実施形態によるマルチセクション遠心圧縮機の側面断面の詳細図である。 図１のマルチセクション遠心圧縮機の概略図である。 図１ａの実施形態によるマルチセクション遠心圧縮機の概略図である。

例示的な実施形態を添付の図面を参照して以下で説明する。異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは同様の要素とみなす。以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。

本明細書を通して「１つの実施形態」または「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「１つの実施形態では」または「実施形態では」という表現が現れるが、これらは、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な様態で組み合わせることができる。

したがって、図において符号１で示すマルチセクション遠心圧縮機を添付の図を参照して説明する。このような遠心圧縮機１は、作動流体を開始圧力から最終圧力まで圧縮する機能を有する。これら２つの圧力の正確な値は、特定の用途に応じて変わり得る。しかしながら、開始圧力は、大気圧より低い圧力から数百バールまでの範囲になり得る。最終圧力は例えば８００バールになり得る。

詳細には、圧縮機１は、少なくとも第１のセクション２および第２のセクション３を備える。各セクション２、３は、中央区域２ａ、３ａおよび外周区域２ｂ、３ｂを有する。第１のセクション２は、作動流体を開始圧力から中間圧力まで圧縮する機能を有する。第２のセクション３は、作動流体を中間圧力から最終圧力まで圧縮する機能を有する。例えば、開始圧力が１０バールで、最終圧力が１００バールの場合、中間圧力は、例えば、３５バールとすることができる。また、各セクション２、３は、入口ダクト７、８、および吐出ダクト９、１０を有する。これらのダクト７、８、９、１０は、各セクションの外周区域２ｂ、３ｂに配置される。ダクト７、８、９、１０についてのさらなる詳細を本開示の以下の部分で説明する。

より詳細には、各セクション２、３は、複数のブレード５を有する少なくとも１つのインペラ４を備える。図１に示す本発明の実施形態によれば、各セクション２、３は複数のインペラ４を備える。各セクション２、３のインペラ４は直列に配置され、その結果、各インペラ４によって圧縮された作動流体は次のインペラ４に供給されてさらに圧縮される。各インペラは、インペラ４の中心近くにある入口１１から作動流体を引き込み、ディフューザ１２に吐出する。具体的には、各インペラ４のディフューザ１２は、次のインペラ４の入口１１と直接流体連通して配置される。各セクション２、３の最初のインペラ４の入口１１は、各入口ダクト７、８と直接流体連通して配置される。最終インペラ４のディフューザ１２は、各セクション２、３の吐出ダクト９、１０と流体連通して配置される。

さらに、圧縮機１は、第１のセクション２の吐出ダクト９と流体連通する第１の吐出スクロール１８も備える。第１の吐出スクロール１８は、第１のセクション２に対してオーバーハングして外周に配置されるのが好ましい。圧縮機１は、第２のセクション３の吐出ダクト１０と流体連通する第２の吐出スクロール１９も備える。各セクション２、３の最終インペラ４のディフューザ１２は、各吐出スクロール１８、１９と直接流体連通して配置されるのが好ましい。さらに詳細には、吐出スクロール１８、１９は、各セクション２、３の最終インペラ４のディフューザ１２から来る流体を集める可変セクションを有する実質的に円形の流路である。実際、吐出スクロール１８、１９はまた、作動流体を各セクション２、３の吐出ダクト９、１０へ運ぶことができるように配置される。図１の実施形態によれば、第２の吐出スクロール１９は、第２のセクション３に対して外側に配置される。吐出スクロール１８、１９は、それ自体、遠心圧縮機の分野では知られており、したがって、本開示ではさらに詳細に説明することはしない。

圧縮機１は、第１のセクション２および第２のセクション３の両方に接続されたシャフト６を備える。シャフトはモータ（図面には示されていない）に接続され、モータは、シャフト６に、したがって、第１のセクション２および第２のセクション３の両方のインペラ４に動力を与える。具体的には、シャフト６は、その回転軸である中心軸「Ａ」を有する。

各セクション２、３は、図示の実施形態では、シャフト６の中心軸「Ａ」と同一である回転軸を有する。言い換えれば、セクション２、３は同軸である。

第１のセクション２の吐出ダクト９は、第２のセクション３の入口ダクト８と流体連通して配置される。言い換えれば、第２のセクション３は、第１のセクション２によって圧縮された流体を圧縮するように構成される。したがって、第２のセクション３は、圧縮過程の観点からは、第１のセクション２に対して下流に配置される。また、熱交換器１５は、第１のセクション２の吐出ダクト９と第２のセクション３の入口ダクト８との間に配置される。したがって、作動流体は、第１のセクション２と第２のセクション３との間で冷却される。

図１に示す実施形態によれば、第２のセクション３の吐出ダクト１０は、第１のセクション２の入口ダクト７に隣接する。さらに詳細には、圧縮機１は、第２のセクション３の吐出ダクト１０を少なくとも部分的に画定する壁１３を備える。実際、壁１３は中間ダイアフラムとして働いて、第１のセクション２の入口ダクト７と第２のセクション３の吐出ダクト１０との間の圧力差による軸方向の荷重に耐えることが課せられる。壁１３は、第１のセクション２の入口ダクト７および第２のセクション３の吐出ダクト１０の両方を受け入れながら、圧縮機の軸受け間隔を長くする影響を最小限にするような形状でもある。壁１３の傾斜した形状はまた、その厚さを薄くしながら軸方向の部分的なたわみを最小限にすることを意味している。

本発明の実施形態によれば、圧縮機１は、第２のセクション３の吐出ダクト１０と第１のセクション２の入口ダクト７との間に中間シール１４を備える。言い換えれば、中間シール１４は、上記の開始圧力と最終圧力との間で動作する。さらに詳細には、中間シール１４は、壁１３の内側に取り付けられる。中間シール１４はラビリンスシールが好ましいが、任意の適切な種類の知られたシールも使用することができる。

さらに詳細には、第２のセクション３の最終段は、第１のセクション２の入口ダクト７と中間シール１４を通じて流体連通して配置される。言い換えれば、作動流体は、第２のセクション３の最終インペラ４から第１のセクション２の入口ダクト７に戻って流れることができ、これは、第２のセクション３の吐出ダクト１０の最終圧力と第１のセクション２の入口ダクト７の開始圧力との間の圧力差によって駆動される。

このような配置での効率の損失を抑えるために、中間シール１４の代替の実施形態が図１ａおよび３に示される。具体的には、例えば、図３に示すように、第２のセクション３の最終インペラ４のディフューザ１２も、中間シール１４を通して第１のセクション２の吐出ダクト９と流体連通して配置することができる。この構成では、中間シール１４は、第１の部分１４ａおよび第２の部分１４ｂを備える。中間シール１４の第１の部分１４ａは第１のセクション２に隣接する、具体的には、第１のセクション２の入口ダクト７に隣接する。中間シール１４の第２の部分１４ｂは第２のセクション３に隣接する、具体的には、第２のセクション３の吐出ダクト１０に隣接する。

さらに詳細には、追加のシールガスライン１６が設けられる。ライン１６は、中間シール１４の部分１４ａ、１４ｂの間のチャンバ２２と流体連通して、かつ第１のセクション２の吐出ダクト９と、好ましくは、熱交換器１５の上流で流体連通して配置される。

このようにして、中間シール１４の高圧側、すなわち第２の部分１４ｂから来る高温の漏れは、同様に高温の第１のセクションの吐出部から来るガスと混合される。この混合は熱交換器１５の上流で生じて、前記漏れおよび第１のセクション２から来る吐出ガスの両方を冷却する。

上記のように、第１のセクション２の吐出ダクト９とチャンバ２２との間を流体接続することによって、吐出ダクト９がチャンバ２２に対してより大きな寸法のため、チャンバ２２内の圧力を中間の圧力と同様の圧力にすることができる。このようにして、チャンバ２２と第１のセクション２の入口との間の圧力差が小さくなり、その結果、これらの２つ区域の間の漏れも軽減される。

この特定の実施形態では、圧縮機１は、２つのさらなるシールシステム１７も備える。第１のさらなるシールシステム１７は、第１のセクション２の最終段と外部環境との間に配置される。実際、さらなるシールシステム１７は、中心軸「Ａ」と第１の吐出スクロール１８との間に配置される。第２のさらなるシ−ルシステム１７は、第２のセクション３の入口ダクト８に隣接する。

圧縮機１は、説明した本発明の実施形態による第１のセクション２の吐出ダクト９の隣に配置されたスラスト軸受け２３も備える。このようなスラスト軸受け２３はそれ自体当業者には知られており、したがって、さらに詳細に説明することはしない。

実際、この実施形態では、圧縮機の２つの端部でのガス圧はほぼ同じ値である。この状態では、２つの圧縮機の端部の間のシールバランシングラインを必要としないので、圧縮機効率が向上することの他に、追加のシャフト端部のラビリンスシールを取り付けたり、バランスピストンを取り付けたりすることを必要としないので、圧縮機の軸受け間隔をさらに短くすることができる。

圧縮機１は、第１のセクション２および第２のセクション３を少なくとも部分的に覆うケーシング２０も備える。ケーシング２０は、第１のセクション２および第２のセクション３の両方を含むことが好ましい。ケーシング２０の内径は、第２の吐出スクロール１９の外径と実質的に等しい。実際、セクション２、３の相互配置により、ケーシング２０のサイズを、従来技術に対して実質的に小さくすることができる。

１ マルチセクション遠心圧縮機
２ 第１のセクション
２ａ 中央区域
２ｂ 外周区域
３ 第２のセクション
３ａ 中央区域
３ｂ 外周区域
４ インペラ
５ ブレード
６ シャフト
７ 入口ダクト
８ 入口ダクト
９ 吐出ダクト
１０ 吐出ダクト
１１ 入口
１２ ディフューザ
１３ 共通壁
１４ 中間シール
１４ａ 中間シール第１の部分
１４ｂ 中間シールの第２の部分
１５ 熱交換器
１６ シールガスライン
１７ シール
１８ 第１の吐出スクロール
１９ 第２の吐出スクロール
２０ ケーシング
２２ チャンバ
２３ スラスト軸受け
Ａ 中心軸

Claims (16)

1. 少なくとも第１のセクション（２）および第２のセクション（３）を備えるマルチセクション遠心圧縮機（１）であって、各セクション（２、３）が、回転軸（Ａ）を有する少なくとも１つのインペラ（４）を備え、各セクション（２、３）が、中央区域（２ａ、３ａ）および外周区域（２ｂ、３ｂ）も有し、各セクション（２、３）が、前記外周区域（２ｂ、３ｂ）に配置された入口ダクト（７、８）および吐出ダクト（９、１０）を有し、前記第１のセクション（２）の前記吐出ダクト（９）が、前記第２のセクション（３）の前記入口ダクト（８）と流体連通して配置され、前記第２のセクション（３）が、前記第１のセクション（２）によって圧縮された流体を圧縮するように構成され、前記第２のセクション（３）の前記吐出ダクト（１０）が、前記第１のセクション（２）の前記入口ダクト（７）に隣接する、マルチセクション遠心圧縮機（１）。
2. 前記第１のセクション（２）の前記吐出ダクト（９）が、前記圧縮機の端部に配置される、請求項１に記載の圧縮機（１）。
3. 前記第２のセクション（３）の前記吐出ダクト（１０）および前記第１のセクション（２）の前記入口ダクト（７）を少なくとも部分的に画定する共通壁（１３）も備える請求項１または２に記載の圧縮機（１）。
4. 前記第１のセクション（２）の前記吐出ダクト（９）と前記第２のセクション（３）の前記入口ダクト（８）が、前記共通壁（１３）に関して反対側の端部に配置される、請求項３に記載の圧縮機（１）。
5. 前記第２のセクション（３）の前記吐出ダクト（１０）と前記第１のセクション（２）の前記入口ダクト（７）との間に中間シール（１４）も備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧縮機（１）。
6. 前記中間シール（１４）が前記共通壁（１３）の内側に配置される、請求項５に記載の圧縮機（１）。
7. 各インペラ（４）が、作動流体を入口（１１）から引き込み、前記作動流体をディフューザ（１２）内に吐出するように構成され、前記第２のセクション（３）のディフューザ（１２）が、前記中間シール（１４）を通して前記第１のセクション（２）の入口（１１）と流体連通して配置される、請求項５または６に記載の圧縮機（１）。
8. 前記ディフューザ（１２）がまた、前記中間シール（１４）を通して前記第１のセクション（２）の前記吐出ダクト（９）と流体連通する、請求項７に記載の圧縮機（１）。
9. 前記中間シール（１４）が、前記第１のセクション（２）に隣接する第１の部分（１４ａ）、および前記第２のセクション（３）に隣接する第２の部分（１４ｂ）を備える、請求項８に記載の圧縮機（１）。
10. 前記第１の部分（１４ａ）が、前記第１のセクション（２）の前記入口ダクト（７）に隣接する、請求項９に記載の圧縮機（１）。
11. 前記中間シール（１４）の前記第２の部分（１４ｂ）が、前記第２のセクション（３）の前記吐出ダクト（１０）に隣接する、請求項９または１０に記載の圧縮機（１）。
12. 前記第１のセクション（２）の前記吐出ダクト（９）と外部環境との間にさらなるシール（１７）も備え、第１の吐出スクロール（１８）が前記第１の吐出ダクト（９）と流体連通し、前記さらなるシール（１７）が、前記回転軸（Ａ）と前記第１の吐出スクロール（１８）との間に配置される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の圧縮機（１）。
13. 前記第２の吐出ダクト（１０）と流体連通する第２の吐出スクロール（１９）も備え、前記第２の吐出スクロール（１９）が、前記第２のセクション（３）の少なくとも１つのインペラ（４）に対して周方向に配置された、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の圧縮機（１）。
14. 前記第１のセクション（２）および前記第２のセクション（３）を少なくとも部分的に覆うケーシング（２０）も備え、前記ケーシング（２０）の内径が、前記第２の吐出スクロール（１９）の外径に実質的に等しい、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の圧縮機（１）。
15. 前記第１のセクション（２）の前記吐出ダクト（９）の隣にスラスト軸受け（２３）も備える、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の圧縮機（１）。
16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の２セクション圧縮機（１）。