JP6705742B2 - 熱遮蔽体を有する圧縮機および運転方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示する主題は、ガス圧縮機に関し、詳細には、遠心多段ガス圧縮機などの多段ガス圧縮機に関する。

ガス圧縮機は、ガスの圧力を上昇させるために、例えば、パイプライン用途、オイルおよびガス産業、二酸化炭素回収プラント、圧縮空気エネルギー貯蔵システムなどの複数の産業用途で使用されている。

圧縮機によって処理されるガスは、入口圧力で吸い込まれ、より高い出口圧力で送出されるが、この圧力の上昇は、機械的動力をガス流内に蓄えられる圧力ポテンシャルエネルギーに変換することによって得られる。処理ガスの温度はこのプロセスによって上昇する。いくつかの用途では、ガス温度は摂氏数百度まで上昇することがある。

処理ガスによって高圧および高温の値を得る典型的な用途は、圧縮空気エネルギー貯蔵、いわゆるＣＡＥＳ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ａｉｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ）システムに関係する用途である。これらのシステムは、エネルギーを圧力エネルギーの形態で空気貯蔵空洞に蓄積するために使用され、例えば、夜間時に、送電網で利用可能な余剰電気エネルギーを利用する。典型的には、必要とする出口空気圧力を得るために多段ガス圧縮機がＣＡＥＳシステムで使用される。

図１は、現状技術の多段遠心圧縮機１００の縦断面を示す。圧縮機は外側ケーシング１０１を備え、この中にロータ１０３が収められる。ロータ１０３は、軸１０５および複数のインペラ１０７から構成される。図１に示す例では、多段遠心圧縮機１００は、圧縮機入口１０９から圧縮機出口１１１まで、流れ方向に順番に配置された５つのインペラを備える。軸１０５は、軸受１１３、１１５によって支持される。

各インペラは、入口流路１１７および戻り流路１１９を含む各圧縮機段の一部を形成する。各インペラ１０７によって処理されるガスは、入口１１７でインペラに入り、戻り流路１１９によって次のインペラの入口１１７に向かって戻る。様々な圧縮機段の戻り流路は、ケーシング１０１に固定して収められた１つまたは複数の隔壁１２１によって形成される。最終のインペラから、すなわち、最下流のインペラから吐出されるガスはボリュート１２３によって集められ、そこから、圧縮ガスはガス出口１１１へ流れる。

ケーシング１０１は、樽形部１０１Ｂと２つの端部１０１Ｃから構成することができ、ロータ１０３が回転するように配置され、かつ隔壁１２１が固定して収められる、密閉ハウジングを形成する。

機械的動力は、インペラ１０７を回転させるために使用され、それは、ガス圧力に変換され、順番に配置されたインペラをガスが通って流れるにつれて、前記圧力は徐々に上昇する。圧縮プロセスは、ガス温度が入口温度から出口温度へ上昇するように熱を発生する。熱はガスから隔壁１２１へ移動し、そこからケーシング１０１へ移動する。したがって、ケーシング１０１は最高定常状態温度まで加熱され、その温度は、圧縮機１００の圧縮比に依存して、圧縮効率および周囲温度から決まる。

欧州特許第０７１３９７７号

いくつかの実施形態によれば、圧縮機ケーシングと、前記圧縮機ケーシング内に配置された圧縮機バンドルとを備えるガス圧縮機が提供される。熱遮蔽体は、圧縮機ケーシングと圧縮機バンドルとの間に配置される。熱遮蔽構造体は、圧縮機バンドルから圧縮機ケーシングへの熱伝達を低減する、または遅くする。この結果、ケーシングの加熱が遅くなり、自然換気または強制換気の場合、圧縮機の連続運転状態で外側ケーシングが達する定常状態の温度もまた下がる。したがって、ケーシングが受ける熱機械的応力は下がり、粘塑性変形（またはクリープ変形）が防止される、または遅らされる。

圧縮機バンドルは、少なくとも１つのインペラが取り付けられて構成されたロータと、圧縮機ケーシングに固定して配置された少なくとも１つの隔壁とを含むことができる。多段圧縮機では、バンドルは、複数のインペラを有するロータと、続くインペラとの間に戻り流路を形成する１つまたは複数の隔壁とを含む。ボリュートは、ケーシングに固定して配置することができ、圧縮機最終段から圧縮ガスを集めて、圧縮ガスを圧縮機のガス出口へ向けて流す。

いくつかの実施形態によれば、圧縮機はある運転時間の間、運転することができ、それは、圧縮機が停止して、その温度を下げることができる冷却時間によって区切られる。熱遮蔽構造体は、圧縮機バンドルとケーシングとの間の熱交換速度を下げ、したがって、許容運転継続時間を延ばす。

圧縮機バンドルは、圧縮機ロータと１つまたは複数の隔壁とを含むことができる。好ましい実施形態では、圧縮機は遠心圧縮機である。いくつかの実施形態では、圧縮機は多段圧縮機であり、ケーシングに固定して配置された１つまたは複数の隔壁内で回転するように取り付けられた複数のインペラを含む。

熱遮蔽構造体は、隔壁と外側ケーシングの内面との間に配置された、連続した、または非連続の熱バリアを含むことができる。いくつかの実施形態では、熱遮蔽構造体は、圧縮機最終段からの圧縮ガスを集めて、圧縮ガスを圧縮機出口へ向けて流すボリュートに沿って配置された熱バリアを含むことができる。

圧縮機出口は、外側ケーシングの一部を形成する、またはそれに接続する出口ダクトを含むことができる。いくつかの実施形態では、内側熱バリアは、ガス通路と出口ダクトの内面との間に設けられる。前記熱バリアは、ガス流からガス出口ダクトへの熱伝達を制限する。熱バリアは、熱被覆体および内側ライナを含むことができ、熱被覆体は、出口ダクトの内面とガス流路との間に配置され、その結果、被覆体とガスとの直接接触が防がれる。

さらなる態様によれば、本明細書で開示される主題は、少なくとも、第１の圧縮機と第２の圧縮機とを含み、好ましくは、それぞれ、圧縮機バンドルとケーシングとの間に熱遮蔽構造体を備える圧縮機システムに関する。前記少なくとも２台の圧縮機は、二者択一的に使用され、その結果、一方の圧縮機がガスを処理して温度が上がる間、他方の圧縮機は休止して温度を下げることができる。一方の圧縮機から他方の圧縮機に切り替えることによって、各圧縮機を断続的に運転しながら連続的にガスを処理することができ、その結果、一旦、圧縮機のケーシングが閾温度に達すると、かつ／または、一旦、圧縮機が所定の時間運転されると、システムの各圧縮機の温度を下げることができる。

したがって、たとえ、低合金鋼などのあまり性能が高くない材料を外側ケーシングの製造に使用したとしても、外側ケーシングの高温による機械的性質の低下およびクリープ損傷は効果的に防止される。

さらなる態様によれば、本明細書で開示する主題は、圧縮機ケーシングと、前記ケーシング内の圧縮機バンドルとを含むガス圧縮機を運転する方法に関し、前記方法は、前記圧縮機に処理されるガス流から前記ケーシングへ向かう熱伝達を低減するステップを含む。

さらなる様態によれば、本開示の主題は、圧縮機システムを運転する方法に関する。前記圧縮機システムは、第１の圧縮機および第２の圧縮機を含み、前記第１の圧縮機および前記第２の圧縮機は、各圧縮機ケーシングと圧縮機バンドルとの間に熱遮蔽体を備える。本方法は、以下のステップを含む。

前記第１の圧縮機および第２の圧縮機のうちの一方を非作動状態に保っている間、前記第１の圧縮機および第２の圧縮機のうちの他方を動かすステップと、
ある時間間隔の後、前記第１の圧縮機および第２の圧縮機のうちの一方を運転し、前記第１の圧縮機および第２の圧縮機のうちの他方を停止し、前記他方の圧縮機の温度を下げることを可能にするステップ。

ガス流および圧縮機バンドルから圧縮機ケーシングへ向かう熱流を防止または低減する熱遮蔽体の使用は、外側ケーシングの熱機械的応力の低減に関する利点に加えて、プロセスガスからの放熱を防止または低減するさらなる利点がある。したがって、圧縮機によって送出されるガスには、有用に利用することができる熱エネルギーの形態のエネルギー成分が増える。例えば、ＣＡＥＳシステムでは、圧縮空気容器内に集められた圧縮空気の温度が高いと、空気が膨張して機械的動力を生じるときに、システムの全体効率が上がる。他の実施形態では、熱エネルギーは、別のプロセスで使用するために、圧縮ガス流から取り出されて、熱貯蔵槽で使用または貯蔵され得る。

特徴および実施形態は本明細書で以下に開示され、本説明の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解することができるように、さらに当分野に対する本発明の寄与をよりよく認識できるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。もちろん、以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴が存在する。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態は、以下の説明で記載され、または図面に示される構造の詳細および構成部品の配置に適用されることに限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実行および実施することができる。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであって、制限されるべきではないことを理解されたい。

したがって、本開示が基礎を置いている概念は、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることが、当業者には理解されるであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、このような等価な構造を含むものとされることが重要である。

以下の詳細な記載を添付の図面と併せて考察して参照することによって、本発明の開示される実施形態、およびそれに付随するその利点の多くをよりよく理解するようになったとき、これらを容易により完全に理解することができる。

現状技術の多段遠心圧縮機の断面図である。 １つの実施形態における、本開示による多段遠心圧縮機の断面図である。 図２の圧縮機の隔壁と外側ケーシングとの間の熱遮蔽体の一部分の拡大図である。 図２に示す圧縮機のボリュートの周りに配置された熱遮蔽体の拡大図である。 図２の圧縮機の出口ダクトに配置された熱被覆体の拡大図である。 本開示による圧縮機を使用するＣＡＥＳシステムの図である。 タンデム構成で配置された、本開示による２台の圧縮機を使用するガス処理システムの図である。 温度対時間の図である。

例示的な実施形態は、添付の図面を参照して以下で詳細に説明する。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であると認める。加えて、図面は必ずしも原寸に比例して描かれたものではない。また、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定義される。

本明細書を通して「１つの実施形態」、「実施形態」、または「いくつかの実施形態」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」、「実施形態では」、または「いくつかの実施形態では」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好適な様態で組み合わせることができる。

図２は、本開示による多段遠心圧縮機１の断面を示す。多段遠心圧縮機１はケーシング３を含み、その中でロータ４は回転するように支持される。

いくつかの実施形態では、ケーシング３は、外側の円筒状樽形部３Ｂおよび２つの端部カバー３Ｃを含む。この配置は、いわゆる垂直分割型圧縮機の典型である。他の実施形態では、ケーシング３は、軸の長手方向の面に沿って互いにぴったり合う、２つの実質的に対称な半割れケーシング部から構成することができる。この２番目の種類のケーシングは、いわゆる水平分割型圧縮機で使用される。本明細書で開示される主題は、たとえ、図が水平分割型多段遠心圧縮機に関連する例示的な実施形態だけを示していても、両方の種類の圧縮機に具体化することができる。

ロータ４は、軸受７および９に支持されたロータ軸５から構成することができる。シール１０および１１は、圧縮機１の内部を周囲から隔離するために設けることができる。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数のインペラが、軸５に取り付けることができる。図２の例示的な実施形態では、圧縮機１は、各段がそれぞれ１つのインペラから構成された５つの圧縮機段を含む多段遠心圧縮機である。インペラは、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、および１３Ｅで示され、まとめてインペラ１３としても言及される。

いくつかの実施形態では、図２に示すように、インペラ１３はロータ軸にキー固定することができる。しかしながら、他の構造も可能である。いくつかの実施形態では、例えば、参照により本明細書に援用されるＵＳ２０１１／０２６２２８４に開示されているように、ロータ４は、インペラ１３を積み重ねて、中央のタイロッドで一緒に固定して構成することができる。

各インペラ１３Ａ〜１３Ｅは、複数のインペラベーン１５Ａ〜１５Ｅから構成され、それらは、前縁１６Ａ〜１６Ｅおよび後縁１７Ａ〜１７Ｅをそれぞれ有するインペラブレードによって形成される。各インペラ１３Ａ〜１３Ｄは、それぞれ、戻り流路１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄと結合され、それらは、ケーシング３に固定して収められた各隔壁１９Ａ〜１９Ｄに形成される。いくつかの実施形態では、隔壁は、図２の例示的な実施形態に示すような、別々の積み重ねられた構成部品によって形成されるのではなく、一体物とすることができる。

隔壁１９およびロータ４は、圧縮機ケーシング３内に収められる、いわゆる圧縮機バンドルの一部を形成する。

ガスは、ガス入口２０を通って圧縮機１に入り、インペラ１３Ａ〜１３Ｅを順番に通って送出される。

ガスは各インペラ１３で処理され、ブレード前縁１６によって画定されるインペラ入口でベーン１５に入り、ブレード後縁１７に相当するインペラ出口でインペラを出る。各インペラ１３Ａ〜１３Ｄによって処理されたガスは、各戻り流路１４Ａ〜１４Ｄによって、出口から次のインペラ１３の入口に向かって半径方向に戻る。

最終のインペラ１３Ｅを出るガスは、ボリュート２１に集まり、ガス出口２３を通って吐出される。

圧縮機段を通って流れるガスは、入口圧力から出口圧力まで徐々に圧縮される。ガスの圧縮はまた、インペラによってガスに与えられ機械的エネルギーの一部が熱エネルギーに変換されるので、温度の上昇をもたらす。熱はロータ４および隔壁１９からケーシング３に向かって流れる傾向にあり、ケーシング３は徐々に加熱される。

したがって、外側ケーシング３は、処理ガスの吐出圧力に相当するケーシング内部の圧力により、高い熱応力および機械応力を受ける。温度と圧力が組み合わさった効果は、特に、ケーシング温度が限界温度閾値より高くなる場合には、ケーシング３の粘塑性変形（クリ−プ変形）を導きかねない。

圧縮機１の運転中に外側ケーシング３が達する温度を制限するために、したがって、その熱応力を下げるために、かつ／または、あまり性能が高くない材料を使用してケーシング３を製造するために、いくつかの実施形態では、隔壁１９からケーシング３への熱伝達を減らす熱遮蔽構造体が提供される。熱遮蔽構造体によって、ケーシングの加熱速度が下がり、また、圧縮機の連続運転でケーシングが達する最終の定常状態の温度も下がる。その結果、また、熱遮蔽構造体によって、圧縮機１によって送出されるガスの最終温度が上がる。

いくつかの実施形態によれば、熱遮蔽構造体は、隔壁１９を取り囲んで、ケーシング３の中央部の内面に沿って配置された熱遮蔽体２５を含む。

いくつかの実施形態では、図２に示すように、熱遮蔽体２５は樽形部３Ｂの実質的に円筒状の内面に沿って配置される。

図３は、熱遮蔽体２５の拡大図である。いくつかの実施形態では、熱遮蔽体２５は遮蔽パネル２７を含むことができる。遮蔽パネル２７は、外側ケーシング３に、好ましくはそれと熱的に接触して、取り付けることができる。接続部材２８は、遮熱パネル２７をケーシング３に取り付けるために設けられる。いくつかの実施形態では、接続部材２８は、それぞれ頭２８Ｈを有するねじを含んで、隣接の遮蔽パネル２７の縁２７Ｅをケーシング３に係止することができる。

いくつかの実施形態では、図３に示すように、各遮蔽パネル２７は、両縁２７Ｅおよび２７Ｆに沿って、ケーシング３に接続することができ、一方の縁２７Ｅはねじ２８の各組によって留められ、対向する平行縁２７Ｆは、ケーシング３の内面に沿って形成された逃げ溝３Ｕに留められる。逃げ溝３Ｕおよび遮蔽パネル２７は、縁２７Ｆと、逃げ溝３Ｕを形成する座との間に十分な隙間が残って、遮蔽パネル２７が熱膨張できるような寸法になっている。

いくつかの実施形態では、遮蔽パネルは、例えば、金属板またはシート２７Ｍなどの外側シートから構成することができる。例えば、金属板またはシート２７Ｍは鋼より作ることができる。金属シート２７Ｍは、例えば、セラミック粉末またはセラミック繊維などの熱絶縁材料を充填することができる内部空洞２７Ｐを形成するような形状である。いくつかの例示的な実施形態によれば、ステアタイト、コーディエライト、アルミナ、ジルコニア、またはこれらの混合物などの断熱材料を使用することができる。他の断熱材料は、要求される断熱度に応じて使用することができる。

遮蔽パネルの形態ではない他の実施形態によれば、熱遮蔽体は、ケーシングの内面に直接塗布されるコーティングの形態で設けることができる。いくつかの例示的な実施形態によれば、コーティングは、溶射、プラズマスプレイ、電気化学堆積によって塗布することができる。

図２で最もよく分かるように、熱遮蔽体２５を含む熱遮蔽構造体は、実質的に隔壁構造体１９全体を取り囲み、したがって、ガス流路から外側ケーシング３に向かう熱流束を制限する。

いくつかの実施形態では、圧縮機１の他の部分に追加の熱絶縁構造体が設けられる。いくつかの実施形態では、図２に、および図４の拡大図に示すように、さらなる熱遮蔽体３１がボリュート２１の周りに配置される。いくつかの実施形態では、熱遮蔽体３１は、内部空洞３１Ｐを形成する１つまたは複数の成形した金属シートまたは板３１Ｍから構成することができ、内部空洞３１Ｐには、セラミック粉末、または遮蔽パネル２７に関する上記の他の材料などの熱絶縁材料を充填することができる。

いくつかの実施形態では、熱遮蔽体３１は、ねじなどの接続部材３３によって、外側ケーシング３に、例えば、その各端部カバー３Ｃに取り付けることができる。図２に示すような垂直分割型圧縮機では、熱遮蔽体３１は、単一の構成部品として一体物で形成することができる。他の実施形態では、熱遮蔽体３１は複数の別々の構成部品に分割することができる。例えば、水平分割型圧縮機では、熱遮蔽体３１は、２つの半円環部から構成され、外側圧縮機ケーシングを形成する２つの半割れケーシング部に取り付けることができる。熱遮蔽体３１は、ボリュート２１から外側ケーシング３へ向かう熱流を制限する。

いくつかの実施形態では、追加の断熱構造体を設けて、加圧ガスからターボ圧縮機１の外側ケーシングに向かう熱流をその出口２３で減らすことができる。

いくつかの実施形態では、図４および５に最もよく示されるように、圧縮機１のガス出口２３は吐出ダクト３５を備えることができ、吐出ダクト３５にはフランジ３７を設けて、各フランジ３９Ｆを有する出口配管３９にガス出口を接続することができる。

吐出ダクト３５は截頭錐状内面３５Ｂを有することができ、それに沿って、断熱構造体３７が設けられる。断熱構造体３７は、断熱被覆体３９から構成することができる。いくつかの実施形態では、図４および５に示すように、ライナ４１をさらに設けることができる。

ライナ４１は、プロセス流体と断熱被覆体３９との間に配置することができる。このようなライナ４１は、圧縮機によって処理される流体の作用から断熱被覆体３９を保護するために設けることができる。いくつかの用途では、プロセス流体は、ある程度のごみ、あるいは他の化学的または機械的に侵攻性のある成分または材料を含む場合があり、これらは、保護ライナを設けていなければ断熱被覆体３９を浸食する可能性がある。

断熱被覆体３９は、截頭錐状部材の形態とすることができ、金属折シート３９Ｍより作ることができ、内部空洞３９Ｐを取り囲み、内部空洞３９Ｐはセラミックなどの熱絶縁材料で充填することができ、それは、隔壁１９およびボリュート２１を取り囲む上記の熱遮蔽構造体と同様である。

断熱被覆体３９は、吐出ダクト３５の内面３５Ｂと内側ライナとの間に配置することができる。図４に最もよく示されるように、内側ライナ４１は、例えば、ねじ４３によって、吐出ダクト３５またはケーシング３の任意の他の固定部に取り付けることができる。

ライナ４１は截頭錐形とすることができ、ねじ４３がねじ込まれる複数のねじ穴を有する円環状外側カラー４３Ｃを備えることができ、この円環状カラー４３Ｃは吐出ダクト３５の円環状縁３５Ｅに当接する。

図４および５に示すように、ボリュート２１とガス出口２３との間の流路４７に沿って、さらに熱遮蔽することができる。この追加の熱遮蔽は、最下流の隔壁１９Ｅに設けられた貫通穴の内面とライナ５３との間に配置された熱被覆体５１から構成することができる。熱被覆体５１は、例えば、内部空洞５１Ｐを形成するように折られた鋼のシートまたは板などの金属シート５１Ｍから構成することができ、内部空洞５１Ｐは、セラミックまたは上記の他の材料などの熱絶縁材料で充填することができる。熱被覆体５１およびライナ５３は、ねじ５５または他の接続部材によって、隔壁１９Ｅに取り付けることができる。圧縮機の固定構成部品に取り付けられた遮蔽パネルの形態ではない他の実施形態によれば、熱被覆体３９は、吐出ダクト３５の内面に直接塗布されるコーティングの形態で設けることができる。例えば、コーティングは、溶射、プラズマスプレイ、電気化学堆積によって吐出ダクト３５の内面に塗布することができる。保護ライナ４１は、処理ガスによる化学的または機械的な作用から、コーティングを保護するために設けることができる。

同様に、いくつかの実施形態では、ボリュート２１と外側ケーシングとの間の断熱は、遮蔽パネルの形態よりむしろ、断熱コーティングの形態で設けることができる。コーティングは、ボリュート２１の外面、および／または例えば、端部カバー３Ｃなどのケーシングの一部分の内面に塗布することができる。

ここまで説明した熱遮蔽構造体は、バンドル、すなわちロータ４および隔壁１９と、外側ケーシング３との間の効率的な熱バリアを提供する。熱バリアは、ケーシングの加熱速度を下げる。熱バリアはまた、圧縮機１の運転中に、外側ケーシング３が達する定常状態の温度も下げることができる。両方の効果によって、外側ケーシング３の粘塑性変形（クリ−プ変形）の危険性が下がり、その結果、運転中、処理ガスが高温、高圧に達する場合でさえ、あまり性能が高くない材料をこのようなケーシングの製造に使用することができる。あまり性能が高くない材料の使用によって、圧縮機のコストが下がり、かつ加工が容易になる。

いくつかの実施形態では、ケーシング３が、クリープによってケーシングが損傷する可能性があって危険であると考えられる温度に達するときに、圧縮機１を停止するように運転することができる。上記で開示された、１つまたは複数の熱遮蔽構造体によって形成された熱バリアを使用すると、ケーシング温度が、周囲温度から、それより高ければ圧縮機を停止しなければならない最高温度閾値まで上昇する速度が下がる。したがって、圧縮機１の運転がより長時間可能となる。

例えば、ＣＡＥＳシステムなどで、圧縮機を断続的に運転することが必要な用途がある。これらのシステムでは、例えば、余剰電力が送電網で利用できるときだけ、圧縮機が運転される。これは典型的には、連続運転する大型汽力発電所によって発生する電力が、送電網に接続された負荷が必要とする電力より多い夜間に起こる。余剰電力は電動モータによって機械的動力に変換され、次いで、１つまたは複数の圧縮機によって空気流の圧力エネルギーに変換される。圧縮空気は空洞または他の貯蔵容器に貯蔵される。系統から電力が利用できないときは、空気はそれ以上には圧縮されず、圧縮機１は停止することができる。ここまで説明した熱遮蔽体は、外側ケーシング３の加熱速度を、圧縮機の断続運転中に外側ケーシング３の温度が限界値に達しない程度にまで下げる。

他の実施形態では、例えば、圧縮機を連続的に運転しなければならない場合では、２台の圧縮機構成を提供することができ、そこでは、１台の圧縮機が第１の時間間隔運転され、その間、外側ケーシング３はゆっくりと、ケーシングの温度がそれより高く上昇してはいけない温度閾値に達する。その時点で、運転中の圧縮機は止められ、第２の圧縮機が起動され、それによって、第１の圧縮機の温度は下がる。

図６は、上記の圧縮機１を使用することができるＣＡＥＳシステムの例示的な実施形態を示す。システム６０は、電気機械６１によって駆動される１つまたは複数の圧縮機１から構成することができる。電気機械６１は電動モータとすることができる。いくつかの実施形態では、電気機械は可逆電気機械であり、二者択一的に、モータモードと発電機モードで動作することができ、また、送電網Ｇに接続されるのが都合がよい。

軸６２は電気機械６１を圧縮機１に接続する。クラッチ６３は、電気機械６１と圧縮機１との間に配置され、２つの機械を選択的に接続および切断することができる。

圧縮機１によって吸い込まれた空気は、圧縮され、ダクト６４を通って、圧縮空気を蓄積する貯蔵容器または空洞６６に送出される。圧縮空気が圧縮機１によって空洞６６に送出されるときには、弁６５は開いている。

いくつかの実施形態によれば、システム６０は膨張機７４をさらに備える。ガスタービン６７もまた、さらに設けることができる。弁６９を開けることによって、圧縮空気は、空洞６６からダクト６８を通って膨張機７４に、さらにガスタービン６７に送出され得る。膨張機７４から燃焼器７０に送出された部分的に膨張した空気は、気体または液体燃料Ｆと混合することができる。空気−燃料混合気は点火されて燃焼ガスを発生させ、それはガスタービン６７に送出されてその中で膨張し、軸７１で利用可能な機械的動力を発生する。

いくつかの実施形態では、膨張機７４のロータは同じ軸７１によって支持され、その結果、膨張機７４内での空気の膨張によって発生する機械的動力は同じ被駆動軸７１で利用できる。クラッチ７２は、選択的に、電気機械６１をターボ機械７４および６７に接続する、またはそれらから切断するように設けることができる。

システム６０は以下のように動作する。送電網Ｇで余剰電力が利用できるとき、前記余剰電力を使用して、電気機械６１をモータモードで動かして圧縮機１を駆動することができる。クラッチ６３を接続し、クラッチ７２を切断する。ターボ機械７４および６７は作動していない。弁６９は閉じられ、弁６５は開いている。圧縮機１によって吸い込まれた周囲の空気は圧縮され、ダクト６４を通って空洞６６内に送出され、そこで高圧空気が蓄積される。この運転モードは、系統Ｇから余剰電力が利用できるときまで、例えば、夜間に継続する。ターボ圧縮機１が作動する時間は十分短く、圧縮機１の外側ケーシング３が、ケーシングにクリープ損傷を引き起こすかもしれない限界温度には達しない。

系統から余剰電力を利用できなくなると、圧縮機１は停止される。

系統Ｇから追加の電力を必要とする場合、弁６９を開け、膨張機７４およびガスタービン６７を起動させることによって、システム６０は発電機モードに切り替わる。圧縮空気は空洞６６から膨張機７４に向かって送出され、その圧力が燃焼器７０に入るには十分低くなるまで、膨張機７４で部分的に膨張する。圧縮空気と混合して点火した燃料Ｆは、タービン６７で膨張する燃焼ガスを発生する。クラッチ７２は接続されて、軸７１に生じた機械的動力によって、その時は発電機モードになっている電気機械６１を回転するために使用することができる。クラッチ６３は切断されている。したがって、電気機械６１は、送電網Ｇに投入される電力を発生する。

図７に示すシステムでは、２台の圧縮機１が並列に配置されて、二者択一的に作動し、その結果、圧縮機１の外側ケーシングが温度閾値に達したときに、各圧縮機は冷却期間を有しており、それによって、システムは確実に連続運転し、圧縮機ケーシングがクリープ現象を引き起こし得る限界温度より高くは加熱されない。いくつかの実施形態では、システムは、第１の圧縮機１Ａおよび第２の圧縮機１Ｂから構成される。圧縮機１Ａおよび１Ｂは、図１から５に関連して開示されたように設計することができる。各圧縮機１Ａおよび１Ｂは、それ自体の電動モータＭＡおよびＭＢによってそれぞれ駆動することができる。タービンなどの他の原動機を、電動モータの代わりに使用することができる。

入口配管８１が、２台の圧縮機１Ａおよび１Ｂの一方または他方のどちらかに圧縮されるガスを供給する。送出配管８２は、２台の圧縮機１Ａおよび１Ｂの一方または他方のどちらかからの圧縮ガスを受け取る。２台の圧縮機１Ａ、１Ｂのガス入口にある弁８３Ａおよび８３Ｂ、ならびに２台の圧縮機１Ａ、１Ｂの出口にある弁８４Ａおよび８４Ｂは、２台の圧縮機１Ａおよび１Ｂの一方または他方を選択的に配管システム８１および８２に接続するために使用することができる。

システム８０の運転は以下の通りである。圧縮機１Ａは、例えば、その外側ケーシングが、処理ガスからの熱流によってゆっくりと温度が上がっていく第１の時間の間、運転することができる。圧縮機の内部に設けられた熱遮蔽構造体は、ケーシングの加熱を遅くする。温度閾値に達すると、または、予め設定した時間が経過した後、第２の圧縮機１Ｂを起動し、第１の圧縮機１Ａを止めることができる。このようにして、第１の圧縮機１Ａは、周囲の温度まで温度が下がることができ、一方、第２の圧縮機１Ｂは作動してゆっくりと温度が上がる。

図８は、現状技術の圧縮機（曲線Ｃ１）と本開示による圧縮機（曲線Ｃ２およびＣ３）の場合の、ケーシング温度対時間を例示的かつ概略的に表す概略図である。第１の曲線Ｃ１は、温度が、周囲の温度から、ある時間の経過後に漸近的に達する最大値Ｔ１まで上昇することを示している。

上記に開示した熱遮蔽構造体を使用する場合、ケーシング３の温度は曲線Ｃ２に従って上昇する。曲線Ｃ２に沿って上昇する温度は、曲線Ｃ１に沿って上昇する温度より実質的にゆるやかである。これは、熱遮蔽構造体によって与えられる熱バリア効果による。さらに、この場合、外側ケーシングが到達する最高温度Ｔ２は、現状技術の圧縮機が到達する温度Ｔ１より低い。最高温度の差はΔＴとして示される。

実際、好ましい実施形態では、上述したように、外側ケーシングをクリープ損傷からさらに守るようにするために、圧縮機１はある時間の間、動かされ、その後、圧縮機を停止し、温度を下げることができる。この圧縮機の運転モードは曲線Ｃ２およびＣ３で示される。例えば、圧縮機は、時間間隔ｔ２−ｔ１が経過した後にその外側ケーシングが温度Ｔ３に達するまで運転することができる。時間ｔ２において、圧縮機は停止され、その外側ケーシング３の温度は曲線Ｃ３に沿って周囲温度ＴＡに達するまで下降する。

本明細書で説明された主題の開示された実施形態は、図面に示され、かつ、いくつかの例示的な実施形態に関連して、具体的にかつ詳細に、上記に完全に説明されてきたが、本明細書で述べられている新規の教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に記載される主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変化、および省略が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、開示された新規性の適正な範囲は、すべてのそのような修正、変化、および省略を包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。加えて、任意のプロセスまたは方法のステップの順序または順番は、代替の実施形態に応じて変更され、または順番を並べ直すことができる。

１ 圧縮機
１Ａ 第１の圧縮機
１Ｂ 第２の圧縮機
３ ケーシング
３Ｂ 樽形部
３Ｃ 端部カバー
３Ｕ 逃げ溝
４ ロータ
５ 軸
７ 軸受
９ 軸受
１０ シール
１１ シール
１３ インペラ
１３Ａ インペラ
１３Ｂ インペラ
１３Ｃ インペラ
１３Ｄ インペラ
１３Ｅ インペラ
１４Ａ 戻り流路
１４Ｂ 戻り流路
１４Ｃ 戻り流路
１４Ｄ 戻り流路
１５ ベーン
１５Ａ ベーン
１５Ｂ ベーン
１５Ｃ ベーン
１５Ｄ ベーン
１５Ｅ ベーン
１６ ブレード前縁
１６Ａ ブレード前縁
１６Ｂ ブレード前縁
１６Ｃ ブレード前縁
１６Ｄ ブレード前縁
１６Ｅ ブレード前縁
１７ ブレード後縁
１７Ａ ブレード後縁
１７Ｂ ブレード後縁
１７Ｃ ブレード後縁
１７Ｄ ブレード後縁
１７Ｅ ブレード後縁
１９ 隔壁
１９Ａ 隔壁
１９Ｂ 隔壁
１９Ｃ 隔壁
１９Ｄ 隔壁
１９Ｅ 隔壁
２０ ガス入口
２１ ボリュート
２３ ガス出口
２５ 熱遮蔽体
２７ 遮蔽パネル
２７Ｅ 遮蔽パネルの縁
２７Ｆ 遮蔽パネルの縁
２７Ｍ シート
２７Ｐ 内部空洞
２８ 接続部材
２８Ｈ 頭
３１ 熱遮蔽体
３１Ｍ 金属シートまたは板
３１Ｐ 内部空洞
３３ 接続部材
３５ 吐出ダクト
３５Ｂ 吐出ダクトの内面
３５Ｅ 円環状縁
３７ 断熱構造体、フランジ
３９ 出口配管、断熱被覆体
３９Ｆ フランジ
３９Ｍ 金属折板
３９Ｐ 内部空洞
４１ ライナ
４３ ねじ
４３Ｃ 円環状カラー
４７ 流路
５１ 熱被覆体
５１Ｍ 金属シート
５１Ｐ 内部空洞
５３ ライナ
５５ ねじ
６０ システム
６１ 電気機械
６２ 軸
６３ クラッチ
６４ ダクト
６５ 弁
６６ 貯蔵容器または空洞
６７ ガスタービン
６８ ダクト
６９ 弁
７０ 燃焼器
７１ 軸
７２ クラッチ
７４ 膨張機
８０ システム
８１ 入口配管
８２ 送出配管
８３Ａ 弁
８３Ｂ 弁
８４Ａ 弁
８４Ｂ 弁
１００ 圧縮機
１０１ 外側ケーシング
１０１Ｂ 樽形部
１０１Ｃ 端部
１０３ ロータ
１０５ 軸
１０７ インペラ
１０９ 圧縮機入口
１１１ 圧縮機出口
１１３ 軸受
１１５ 軸受
１１７ 入口流路
１１９ 戻り流路
１２１ 隔壁
１２３ ボリュート
Ｆ 燃料
Ｇ 送電網
ＭＡ 電動モータ
ＭＢ 電動モータ

Claims (21)

1. ガス入口（２０）およびガス出口（２３）を有するケーシング（３）と、
   前記ケーシング（３）内に配置された圧縮機バンドルと、
   圧縮ガスを集めて前記ガス出口（２３）に向けて送出するボリュート（２１）と、
   を備えるガス圧縮機（１）であって、
   熱遮蔽体（２５）が、前記圧縮機バンドルの隔壁（１９）であってガス流の流路を形成する隔壁（１９）の外周面と前記ケーシング（３）の内周面との間および前記ボリュート（２１）の外周面と前記ケーシング（３）の内周面との間に、前記圧縮機バンドルの隔壁（１９）の外周面全体を連続して取り囲むと共に前記ボリュート（２１）の外周面を取り囲むように配置されていて、
   前記熱遮蔽体（２５）が、前記ガス圧縮機（１）を通って処理されるガス流から前記圧縮機バンドルの隔壁（１９）を介して前記ケーシング（３）へと伝わる熱伝達および前記ガス圧縮機（１）を通って処理されるガス流から前記ボリュート（２１）を介して前記ケーシング（３）へと伝わる熱伝達を低減する、
   ガス圧縮機（１）。
2. 断熱構造体（３７）を備える吐出ダクト（３５）をさらに備え、
   前記断熱構造体（３７）が前記ガス流から前記吐出ダクト（３５）の内面（３５Ｂ）への熱伝達を低減する、
   請求項１に記載のガス圧縮機（１）。
3. 前記断熱構造体（３７）が断熱被覆体（３９）およびライナ（４１）を備え、
   前記断熱被覆体（３９）が前記ライナ（４１）と前記吐出ダクト（３５）の前記内面（３５Ｂ）との間に配置される、
   請求項２に記載のガス圧縮機（１）。
4. 前記熱遮蔽体がセラミック材料を含む、
   請求項１から３のいずれかに記載のガス圧縮機（１）。
5. 前記断熱構造体（３７）がセラミック材料を含む、
   請求項２または３に記載のガス圧縮機（１）。
6. 前記セラミック材料が、ステアタイト、コーディエライト、アルミナ、ジルコニア、またはこれらの組合せからなるグループから選択される、
   請求項４または５に記載のガス圧縮機（１）。
7. 前記セラミック材料が、粉末形態または繊維形態またはそれらの組合せ形態である、
   請求項４から６のいずれかに記載のガス圧縮機（１）。
8. 前記熱遮蔽体が、外側シートおよび内側断熱材料から構成される少なくとも１つの断熱板を含む、
   請求項１から７のいずれかに記載のガス圧縮機（１）。
9. 前記断熱構造体（３７）が、外側シートおよび内側断熱材料から構成される少なくとも１つの断熱板を含む、
   請求項２または３に記載のガス圧縮機（１）。
10. 前記外側シートが、前記ケーシング（３）に拘束される、
    請求項８または９に記載のガス圧縮機（１）。
11. 前記外側シートが金属シートである、
    請求項８から１０のいずれかに記載のガス圧縮機（１）。
12. 前記熱遮蔽体が、前記ケーシング（３）、および／または前記バンドル、および／または前記ボリュート（２１）の表面上の堆積によって少なくとも部分的に形成される、
    請求項１から６のいずれかに記載のガス圧縮機（１）。
13. 前記堆積が、溶射、またはプラズマスプレイ、または電気化学堆積、またはそれらの組合せによるものである、
    請求項１２に記載のガス圧縮機（１）。
14. 前記断熱構造体（３７）が、前記吐出ダクト（３５）の前記内面（３５Ｂ）上への断熱材料の堆積を含む、
    請求項２または３に記載のガス圧縮機（１）。
15. 前記吐出ダクト（３５）の前記内面（３５Ｂ）上の前記断熱材料の堆積が、溶射、またはプラズマスプレイ、または電気化学堆積、またはそれらの組合せによるものである、
    請求項１４に記載のガス圧縮機（１）。
16. 第１の圧縮機（１Ａ）および第２の圧縮機（１Ｂ）を含む圧縮機システム（８０）であって、
    前記第１の圧縮機（１Ａ）および前記第２の圧縮機（１Ｂ）のうちの少なくともいずれかが、請求項１から１５のいずれかに記載のガス圧縮機であり、
    前記第１の圧縮機（１Ａ）および前記第２の圧縮機（１Ｂ）が、二者択一的に運転され、前記第１の圧縮機（１Ａ）および前記第２の圧縮機（１Ｂ）のうちの一方が運転中に、前記第１の圧縮機（１Ａ）および前記第２の圧縮機（１Ｂ）のうちの他方の温度を下げることができる、
    圧縮機システム（８０）。
17. ケーシング（３）と、
    前記ケーシング（３）内に配置された圧縮機バンドルと、
    圧縮ガスを集めてガス出口（２３）に向けて送出するガス集合ボリュート（２１）と、
    を備えるガス圧縮機（１）を運転する方法であって、
    前記圧縮機（１）によって処理されるガス流から前記ケーシング（３）への熱伝達を低減するステップと、
    前記熱伝達を低減するステップにおいて、前記ケーシング（３）内で前記ガス流の流路を形成する前記圧縮機バンドルの隔壁（１９）の外周面を熱遮蔽体（２５）で連続して取り囲むと共に前記ボリュート（２１）の外周面を前記熱遮蔽体（２５）で取り囲むことにより、前記ガス流から前記圧縮機バンドルの隔壁（１９）を介して前記ケーシング（３）へと伝わる熱伝達および前記ガス流から前記ボリュート（２１）を介して前記ケーシング（３）へと伝わる熱伝達を低減するステップと、
    を含む、
    方法。
18. 前記圧縮機バンドルの隔壁（１９）の外周面と前記ケーシング（３）の内周面との間に前記熱遮蔽体（２５）を配置するステップを含み、該熱遮蔽体（２５）が、前記ガス流から前記圧縮機バンドルの隔壁（１９）を介して前記ケーシング（３）へと伝わる熱伝達を低減する、
    請求項１７に記載の方法。
19. ガス集合ボリュート（２１）と前記ケーシング（３）との間に熱遮蔽体をさらに配置するステップを含み、該熱遮蔽体が、前記ボリュート（２１）から前記ケーシング（３）への熱伝達を低減する、
    請求項１７または１８に記載の方法。
20. ガス吐出ダクト（３５）内部に断熱構造体（３７）を配置して、前記ガス流から前記吐出ダクト（３５）の側壁への熱伝達を低減するステップを含む、
    請求項１７から１９のいずれかに記載の方法。
21. 請求項１から１５のいずれかに従って設計された第１の圧縮機（１Ａ）および第２の圧縮機（１Ｂ）を含む圧縮機システム（８０）を運転する方法であって、
    前記第１の圧縮機（１Ａ）および前記第２の圧縮機（１Ｂ）のうちの一方を非作動状態に保っている間、前記第１の圧縮機（１Ａ）および前記第２の圧縮機（１Ｂ）のうちの他方を動かすステップと、
    ある時間間隔の後、前記第１の圧縮機（１Ａ）および前記第２の圧縮機（１Ｂ）のうちの一方を運転し、前記第１の圧縮機（１Ａ）および前記第２の圧縮機（１Ｂ）のうちの他方を停止し、前記他方の圧縮機の温度を下げることを可能にするステップと、
    を含む、
    方法。