JP6578018B2 - 遠心式圧縮機 - Google Patents
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Description
また、特許文献2は、ガスタービンの圧縮機入口側が氷結するのを防止するために、圧縮機の出口から抽気された高温の圧縮空気を圧縮機の入口側に導くことにより、圧縮機の入口温度を上昇させて圧縮機の氷結を防止することを提案している。
以上の通りであり、特許文献1及び特許文献2は、ともに加熱された空気により氷結を防止しようとするものである。
そこで本発明は、加熱された空気に頼ることなく、付随される機器に凍結が生じるのを防止できる遠心式圧縮機を提供することを目的とする。
本発明の遠心式圧縮機は、凍結を防止するのにドライエアを用いるので、変換機構の温度が極めて低くても、変換機構に結露が生ずるのを避け、変換機構が凍結するのを防止できる。
圧縮空気は、温度が上昇して過飽和の水分が凝縮して、圧縮される前に比べて湿度が低くなるので、これをドライエアとしてカバーに供給すれば、結露を生じさせないための空気溜を形成できる。しかも、カバーに供給されるのは、圧縮機構で圧縮された圧縮空気の一部であり、空気溜を形成するのに新たなエア供給源を設ける必要がないので、コストの上昇を抑えることができる。さらに、圧縮空気は、外部から吸い込まれ流量調整弁を通過する空気(外気)が生成源であるから、流量調整弁を通過する空気と圧縮空気は、湿度がほぼ同じであるから、変換機構への結露をより効果的に防止できる。
本発明の遠心式圧縮機は、第二圧縮部の下流から圧縮空気の一部をカバーの内部に流すこともできる。ただし、第一圧縮部で圧縮された圧縮空気は第二圧縮部で圧縮された圧縮空気よりも圧力が低いため、これをカバーに供給すると、万が一、カバーからドライエアが漏れ出したとしても、カバーから漏れ出るドライエアの勢いを抑えることができ、カバーの周辺に及ぼす被害を抑えることができる。
遠心式圧縮機10は、図1に示すように、建屋1の内部に設置され、建屋1の外部から空気(外気)を吸い込んで圧縮する。建屋1の内部は、例えば25℃程度とされる。遠心式圧縮機10は、寒冷地において−30℃にも及ぶ極低温の空気を吸い込んで運転する際に、可動部分であるIGV(Inlet Guide Vane)20が凍結して動かなくなるのを防止する凍結防止機構30を備えている。以下、遠心式圧縮機10の構成を説明した後に、凍結防止機構30の作用及び効果について説明する。
遠心式圧縮機10は、吸い込まれた空気を圧縮する第一圧縮部11と、第一圧縮部11で圧縮された空気をさらに高い圧力に圧縮する第二圧縮部12と、を備え、例えば、ギアド圧縮機(Geared Type Compressor)として実現される。なお、本実施形態において、吸い込まれた空気が流れる向きを基準として、上流及び下流を定義する。
第一圧縮部11及び第二圧縮部12は、それぞれ、ケーシング11A及びケーシング12Aの内部に複数枚の羽根が形成されているインペラ13を備えており、このインペラ13はそれぞれが対応するスクロール(図示を省略)に収容されることで圧縮機構を構成する。
また、連結配管16には、上流側からクーラ(cooler,冷却器)18及びドレインセパレータ(drain separator,除湿器)19がこの順に備えられている。吸気配管14を通過して圧縮された空気(以下、圧縮空気という)は、圧縮により生じた熱がクーラ18を通過することで取り除かれ、さらに、ドレインセパレータ19を通過することで含まれる湿分が除去された上で、第二圧縮部12に吸い込まれる。つまり、圧縮空気がクーラ18で冷却されたままで第二圧縮部12に吸い込まれると、圧縮空気内の湿分が結露して発生するドレンが第二圧縮部12のインペラ13などの構成部材に付着して錆や腐食を発生させる要因となるので、ドレインセパレータ19が設けられる。なお、ここではクーラ18とドレインセパレータ19を独立した個別の機器として示したが、クーラ18とドレインセパレータ19の両者の機能を備える単一の機器とすることもできる。
冷却及び除湿が行われた圧縮空気は、第二圧縮部12により所定の圧力まで圧縮されてから、第二圧縮部12から吐出される。第二圧縮部12を経た圧縮空気は、さらに下流に単数又は複数の圧縮部を設けてさらに圧縮することもできるし、そのまま所定の消費先に供給することもできる。
凍結防止機構30は、リンク機構23を覆うカバー31と、ドレインセパレータ19よりも下流の連結配管16とカバー31の内部とを連通する戻配管33と、戻配管33に設けられ、戻配管33の流路を開閉する開閉弁35と、を備える。
カバー31は、リンク機構23を完全に密閉する必要はなく、例えば、ピストンロッド26が貫通する部分は、ピストンロッド26とカバー31の間にどうしても隙間が生じてしまうので、圧縮空気が漏れる。このようにカバー31が完全に密閉しなくても、供給されるのが圧縮空気であるから、カバー31の内部はドライな環境に維持することができる。
ただし、吸気温度が0℃近傍で変動する場合、例えば0℃を跨いで吸気温度が繰り返して変動すると、開閉弁35がON/OFFを頻繁に繰り返すことになる。そこで、例えば、吸気温度が−1℃になって開閉弁35がONになった場合には、その後にすぐに0℃を超えても開閉弁35がOFFとならないようにすることが好ましい。そのためには、開度保持タイマを設け、例えば、開閉弁35がONになれば、その後は吸気温度の変動に関わらず、30分間は開閉弁35のONを維持し、その時点で吸気温度が0℃を超えていれば、開閉弁35をOFFにするといった制御を行うことが好ましい。
次に、図2(a),(b)を参照して、遠心式圧縮機10の動作を説明する。なお、図2,4,5において、インペラ13の記載を省略している。
遠心式圧縮機10が駆動されると、吸気配管14の吸気口14Aから空気が吸い込まれ、はじめに第一圧縮部11で圧縮され、圧縮空気は連結配管16を通って第二圧縮部12にてさらに高い圧力まで圧縮されてから、吐出配管に吐出される。この駆動の初期には、IGV20は開度が小さく設定されており、第一圧縮部11に吸い込まれる空気の流量は少ないが、第一圧縮部11及び第二圧縮部12が定格運転に達するとIGV20の開度が大きくされる。IGV20の開度は、その他、必要に応じて変更される。
この第一圧縮部11及び第二圧縮部12における圧縮が継続して行われると、第一圧縮部11及びリンク機構23は、吸気配管14を通る空気の影響を受けることで当該空気に倣った温度になる。ところが、式(1)を満たしている限り、リンク機構23に結露を生じさせないので、凍結も生じない。
以上説明した遠心式圧縮機10によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の遠心式圧縮機10は、リンク機構23の凍結を防止するのにドライエアを用いるので、変換機構であるリンク機構23に結露が生じるのを避けることを通じてリンク機構23が凍結するのを防止できる。
例えば、遠心式圧縮機10は、ドレインセパレータ19を通過した圧縮空気をドライエアとして用いるが、本発明はこれに限定されない。
つまり、本発明において、ドレインセパレータ19を通過することは好ましい形態であるが、上述したように、空気溜32をリンク機構23に結露を生じさせない雰囲気にすればよいので、例えば図3(a),(b)に示すように、クーラ18及びドレインセパレータ19を通過する前の位置に戻配管33を設けて圧縮空気を空気溜32に供給することもできる。つまり、図3(a)に示すように、クーラ18とドレインセパレータ19の間から圧縮空気を取り込むことができるし、図3(b)に示すように、第一圧縮部11とクーラ18の間から圧縮空気を取り込むこともできる。この圧縮空気は、第一圧縮部11において圧縮されることで除湿がなされているので、ドライエアとして使用し得る。
また、図4(a)に示すように、第二圧縮部12よりも下流側に戻配管33を繋いで、第二圧縮部12を経た圧縮空気をドライエアとして用いることもできる。
さらに、図4(b)に示すように、エアシリンダからなるアクチュエータ25に圧縮空気を供給するエア供給源27から圧縮空気をドライエアとしてカバー31の内部に供給することができる。そうすれば、リンク機構23の結露を防止しつつ、第一圧縮部11及び第二圧縮部12を経た圧縮空気を本来の用途に漏れなく用いることができる。この場合には、図4(b)に示すように、エア供給源27とカバー31の内部を連通する供給配管37と、供給配管37に設けられる開閉弁39と、を備え、開閉弁39のON/OFFを制御することができる。
θd < θsi … 式(1)
θd ≧ θsi … 式(2)
θsi:リンク機構23の表面温度(℃)
θd:空気溜32の露点温度(℃)
実際にリンク機構23の表面に温度計を設けて実測して、これをθsiにすることができる。
また、吸気配管14から種々の温度の空気を吸い込んだときのリンク機構23の表面の温度を計測し、吸気温度と表面温度を対応付けて記憶しておく。そして、遠心式圧縮機10の運転中に吸気温度を実測し、その吸気温度に対応する表面温度をθsiとする。
また、θdは、湿り空気線図を用い、空気溜32の水蒸気圧が飽和水蒸気圧になる温度として求めることができる。
図5は、空気溜32の温度及び湿度が特定されたときの露点θdと、この露点θdに対する、いくつかのθsiに対する結露の有無を示している。
例えば、図5において、空気溜32の温度が60℃、湿度が15%であれば、空気溜32の露点θdは24℃であり、リンク機構23の表面温度θsiが24℃を超えると結露を生じさせないことを示している。また、図5において、空気溜32の温度が30℃、湿度が5%であれば、空気溜32の露点θdは−13℃であり、リンク機構23の表面温度θsiが−13℃を超えると結露を生じさせないことを示している。
第一圧縮部11を通過した圧縮空気を、クーラ18及びドレインセパレータ19を通過させると、温度が30℃で湿度を5%以下にすることができるので、開閉弁35をONにして遠心式圧縮機10を運転する。
10 遠心式圧縮機
11 第一圧縮部
12 第二圧縮部
13 インペラ
14 吸気配管
14A 吸気口
16 連結配管
17 フィルタ
18 クーラ
19 ドレインセパレータ
21 羽根
23 リンク機構
25 アクチュエータ
26 ピストンロッド
27 エア供給源
30 凍結防止機構
31 カバー
32 空気溜
33 戻配管
35 開閉弁
37 供給配管
39 開閉弁
Claims (6)
- ケーシングと、
前記ケーシングの内部に設けられる圧縮機構と、
前記ケーシングの内部に設けられ、前記ケーシングに吸い込まれる空気の流量を調整する流量調整弁と、
前記ケーシングの外部に設けられ、アクチュエータの出力に応じて、前記流量調整弁の向きを変える変換機構と、
前記変換機構を収容するように前記変換機構の周囲を覆い、ドライエアがその内部に供給されることで前記変換機構に結露を生じさせないための空気溜が形成されるカバーと、を備えることを特徴とする遠心式圧縮機。 - 前記圧縮機構で圧縮された圧縮空気の一部が前記ドライエアとして供給されることで、結露を生じさせないための前記空気溜が形成される、
請求項1に記載の遠心式圧縮機。 - 前記圧縮機構は、
吸い込まれた前記空気を圧縮する第一圧縮部と、前記第一圧縮部で圧縮された前記圧縮空気をさらに圧縮する第二圧縮部と、前記第一圧縮部で圧縮された前記圧縮空気が前記第二圧縮部に向けて流れる連結配管と、
前記連結配管と前記カバーを連通し、前記連結配管を流れる前記圧縮空気の一部が前記カバーの内部に向けて流れる戻配管と、を備える、
請求項2に記載の遠心式圧縮機。 - 前記連結配管は、
前記第一圧縮部で圧縮された前記圧縮空気を冷却及び除湿する冷却・除湿器を備え、
前記戻配管は、
前記冷却・除湿器を経た前記圧縮空気の一部が前記カバーの内部に向けて流れる、
請求項3に記載の遠心式圧縮機。 - 前記戻配管は、前記圧縮空気の一部が前記カバーの内部に向けて流れる流路を開閉する開閉弁を備え、
前記開閉弁は、前記空気溜の状態に基づいて開閉がなされる、
請求項3又は請求項4に記載の遠心式圧縮機。 - 前記アクチュエータを構成するエアシリンダにドライエアとしての圧縮空気を供給するエア供給源を備え、
前記エア供給源から前記圧縮空気が供給されることで、前記カバーの内部に結露を生じさせないための前記空気溜が形成される、
請求項1に記載の遠心式圧縮機。
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