JPWO2017138035A1 - ガスエキスパンダ - Google Patents

Abstract

プロセスガスＧが通過する渦巻室２１が形成されるケーシング２０と、ケーシング２０に収容され、渦巻室２１を通過して膨張したプロセスガスＧが作用することで回転駆動されるタービンホイール１０と、タービンホイール１０の回転軸１１の方向に沿ってケーシング２０に取り付けられ、タービンホイール１０を通過したプロセスガスＧが流れる流路３１を有するディフューザと、を備え、ディフューザ３０の内部に設けられ、流路３１に臨むタービンホイール１０の下流先端面１４に対向する制渦筒３２と、ディフューザ３０の流路３１を周方向に仕切る複数の渦防止板３５と、を備えることを特徴とするガスエキスパンダ１。

Description

本発明は、ガスエキスパンダの振動を低減する技術に関するものである。

流体機械として、例えばガスを圧縮する圧縮機（コンプレッサ）、これとは逆に、ガスを膨張させる膨張機（エキスパンダ）など種々の形態が用いられている。これら流体機械は、圧縮又は膨張されたガスの流れに起因して振動を生ずる。
例えば、特許文献１は、遠心圧縮機構と下流に設置された作業機器とを接続する吐出管の内部に、圧縮された流体の渦流を規制する整流板を設けることを提案している。特許文献１は、整流板を設けることにより流体の渦流が規制され、流体の流量が低流量領域から高流量領域までの全流量域における振動が低減される、としている。

特開平７−３５０９１号公報

特許文献１に示される整流板は、渦流を規制することで振動の低減に一定の効果を発揮するが、本発明者らがガスエキスパンダについて検討したところ、振動の低減に未だ改善の余地があることを知見した。
ガスエキスパンダと特許文献１に開示される遠心式圧縮機構は、タービンホイールと、タービンホイールを収容するケーシングと、を備える点では共通する。しかし、ガスエキスパンダは渦巻室を通過する際に膨張されたガスがタービンホイールを通って出口側に達するのに対して、遠心圧縮機は渦巻室を通過する際に圧縮されたガスがタービンホイールを通って出口側に達する。このように、ガスエキスパンダと遠心式圧縮機とはガスの流れが逆向きであり、それがために整流板だけではガスエキスパンダの振動を低減するに至らないものと解される。
そこで、本発明は、振動がより低減されたガスエキスパンダを提供することを目的とする。

本発明のガスエキスパンダは、膨張の対象とされるガスが通過する渦巻室が形成されるケーシングと、ケーシングに収容され、渦巻室を通過したガスが作用することで回転駆動されるタービンホイールと、タービンホイールの回転軸の方向に沿ってケーシングに立設され、タービンホイールを通過したガスがタービンホイールの回転軸方向に流れる流路を有するディフューザと、を備える。
本発明のガスエキスパンダは、ディフューザの内部に設けられ、ディフューザの流路に臨むタービンホイールのボスの下流先端面に対向する制渦体と、ディフューザの内部に設けられ、流路を周方向に仕切る渦防止板と、を備えることを特徴とする。
本発明者らの検討によると、タービンホイールを通過してディフューザに到達したガスは渦流を発生させ、この渦流がディフューザの流路に臨むタービンホイールのボスの下流先端面が端緒となることでタービンホイールの回転軸に振動を与える。そこで、本発明のガスエキスパンダは、タービンホイールのボスの下流先端面に制渦体を対向して設けることで、タービンホイールのボスの下流先端面が渦流の端緒になるのを抑制する。
また、本発明のガスエキスパンダは、ディフューザの流路を周方向に仕切る渦防止板を備えることにより、渦流が生じたとしてもそれを止める。
なお、本発明におけるガスエキスパンダとは、ラジアルタービン、斜流タービン、軸流タービン等のタービンを構成要素として備えるガスエキスパンダをいう。

本発明において、渦防止板がディフューザの流路の下流側に設けられことが好ましく、この場合、ディフューザの流路は、上流側の圧力回復領域と、圧力回復領域に連なる下流側の渦流制止領域と、を備える。
これにより、ディフューザの圧力回復機能を担保しつつ、渦流を止めることができる。

本発明において、渦防止板は、ディフューザの流路の入口の直径をＤ１０とし、入口から渦防止板の上流側の端部までの距離をＬ３１とすると、Ｌ３１ ≧ Ｄ１０×０．７５ が成り立つことが好ましく、Ｌ３１ ≧ Ｄ１０×１．２ が成り立つことがより好ましい。
また、本発明において、ディフューザは、流路の入口における流路面積をＡ１とし、渦防止板の上流側の端部における流路面積をＡ２とすると、渦防止板は、Ａ１ × １．６ ≦ Ａ２ が成り立つように、上流側の端部が入口から離れて設置されることが好ましい。
タービンホイールの出口で発生する渦は、渦の長さがＤ１０の１．０〜１．５倍に及ぶとされている。一方で、渦防止板は渦と重なる位置に設ければその効果は大きい。しかし、渦防止板が渦と干渉すると圧力損失が生じ、ディフューザの圧力回復機能が十分に得られないおそれがある。そこで、入口から渦防止板の上流側の端部までの距離Ｌ３１を上記のように確保することで、渦防止板が渦と干渉するのを極力避ける。また、ディフューザの圧力回復機能は、流路面積が上流側から下流側に向けて広くなることで得られる。そこで、ディフューザの圧力回復率を維持できるように、渦防止板の上流側の端部における流路面積Ａ２の入口における流路面積Ａ１に対する比率を一定以上に確保する。

本発明において、渦防止板は、その軸方向の寸法をＬ３５とし、ディフューザの流路の入口の直径をＤ１０とすると、Ｌ３５ ≧ Ｄ１０× ０．４５が成り立つことが好ましい。
これにより、渦防止板の機能を十分に担保することができる。

本発明において、複数の渦防止板が、ディフューザの流路を放射状に仕切ることが好ましい。これにより、渦防止板の機能を十分に担保することができる。

本発明において、制渦体がタービンホイールの回転軸と同軸上に設けられる筒状の部材からなる場合には、制渦体のタービンホイールのボスの下流先端面に対向する部位の直径をＤ３２とし、タービンホイールのボスの下流先端面における直径をＤ１３とすると、Ｄ３２ ≧ Ｄ１３×０．９５ が成り立つことが好ましく、１．２×Ｄ２ ≧ Ｄ３２ ≧ Ｄ１３×０．９５ が成り立つことがより好ましい。
これにより、タービンホイールのボスの下流先端面が渦流の端緒になるのを抑制する機能をより効果的に発揮できる。

本発明において、制渦体は、タービンホイールのボスの下流先端面に対向する制渦面が、その周縁がタービンホイールのボスの下流先端面に向けて突出し、周縁よりも内側は窪んだ形状をなし、タービンホイールのボスの下流先端面及びボスの下流先端面に連なるタービンホイールの外周面を覆うことが好ましい。
これにより、タービンホイールのボスの下流先端面が渦流の端緒になるのを抑制する機能をより効果的に発揮できる。

本発明において、制渦体が渦防止板に固定され、かつ、渦防止板がディフューザに固定されることで、渦防止板を介してディフューザの所定位置に制渦体を取り付けることができる。
制渦体をディフューザに取り付けるのに渦防止板を用いることにより、制渦体を取り付けるための専用の部材を他に用意する必要がなく、かつ、当該部材を用いて取り付ける作業も必要ないので、作業負担も含めてコスト低減に寄与する。

本発明において、複数、典型的には４つの渦防止板が、制渦体を中心にして、ディフューザの流路を放射状に仕切ることが好ましい。

本発明のガスエキスパンダによると、タービンホイールのボスの下流先端面に対向する制渦体を設けることで、タービンホイールのボスの下流先端面が渦流の端緒になるのを抑制する。しかも、本発明のガスエキスパンダは、ディフューザの流路を周方向に仕切る渦防止板を備えることにより、渦流が生じたとしてもそれを止める。以上より、本発明によれば、振動がより低減されたガスエキスパンダを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るガスエキスパンダを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ矢視断面図である。 本実施形態のガスエキスパンダの各要素の寸法を示す図である。 本実施形態のガスエキスパンダの制渦筒の形態例を示す図である。 本実施形態のガスエキスパンダの整流板の形態例を示す図である。 本実施形態のガスエキスパンダの変形例を示す図である。

以下、本発明の流体機械を、ガスエキスパンダ１を例にして説明する。
ガスエキスパンダ１は、例えばプラント（プロセス）側より排出される高圧のガス（以下、プロセスガス）を吸込み、膨張させてガスの圧力エネルギを速度エネルギ（機械エネルギ）に変換させることにより動力を回収し、動力源、例えば駆動モータの動力を低減させる目的に利用されている。
図１に示すように、ガスエキスパンダ１は、プロセスガスＧを受けて回転するタービンホイール１０と、タービンホイール１０と一体となって回転する回転軸１１と、を備える。この回転軸１１が動力源に連結される。

ガスエキスパンダ１は、タービンホイール１０を内部に収容するケーシング２０を備える。
ケーシング２０は、図示を省略するプロセスガスＧを導入するための吸込口に連なる渦巻室２１を備え、渦巻室２１を通ってきたプロセスガスＧのエネルギを受けてタービンホイール１０は回転駆動される。
ガスエキスパンダ１は、タービンホイール１０を通過したプロセスガスＧが吐出されるディフューザ３０を備えている。ディフューザ３０は、タービンホイール１０の回転軸１１の方向に沿って、かつ、回転軸１１と同軸にケーシング２０に取り付けられ、タービンホイール１０を通過してきたプロセスガスＧは、ディフューザ３０を通過する過程で動圧が回復されてから、ディフューザ３０に繋がる配管４０に吐出される。なお、ガスエキスパンダ１において、プロセスガスＧが流れる向きを基準にして上流及び下流を定義する。

ディフューザ３０は、ケーシング２０の内部に連なる流路３１の入口３１ｉから出口３１ｏに向けて開口面積が徐々に拡大することで、通過するプロセスガスＧの流速を落として、圧力を増加、回復させる。
ディフューザ３０は、その機能を果たす限り、円錐状、半紡錘形状などの任意の形態を採用できる。

ここで、プロセスガスＧは、ディフューザ３０に吐出されるとある運転領域において渦流が形成されることがあり、この渦流による励振力がタービンホイール１０の減衰性能を超えると、タービンホイール１０に連なる回転軸１１に振動が生じる。本発明者らは、ディフューザ３０の入口３１ｉにおけるプロセスガスＧによる圧力（静圧）の分布を確認したところ、ある運転領域でディフューザ３０の中心と外周側に圧力差が生じる。タービンホイール１０は、ディフューザ３０の流路３１に臨んでおり、圧力差が大きいとタービンホイール１０のボス１３の下流先端面１４よりタービンホイール１０全体に渦流による圧力差が印加されることで、回転軸１１に円周方向の力が作用し、この力の方向が振れ回るために軸振動が生じる。

ここで、回転軸１１の振動は、部分負荷運転において生ずることがある。つまり、プロセス側の起動時において、定格運転に満たない部分負荷運転の状態では、定格温度に満たないプロセスガスＧがガスエキスパンダ１に供給され、起動時温度から定格温度に昇温する過程において軸振動が発生する現象が観察される。
部分負荷では、定格近傍に比べて体積流量が少ない状態にあるため、タービンホイール１０からのガスの出口において翼角方向の流速が遅くなりも旋回流側が大きくなることがある。
本実施形態のガスエキスパンダ１は、渦流による振動を防止又は低減するために、図１に示すように、ディフューザ３０に、制渦筒（制渦体）３２を設けるとともに、渦防止板３５を設ける。以下、制渦筒３２及び渦防止板３５について説明する。

制渦筒３２は、上流先端面である制渦面３３と後端面３４を有する中空円筒状の部材であり、タービンホイール１０の回転軸１１と同軸上に設けられる。なお、ここでは中空の部材を用いる例を示しているが、中実、つまり円柱の部材を用いることもでき、本発明における筒は円柱を含む概念を有している。また、ここでは、円筒の例を示しているが、本発明は角筒、円錐状、半紡錘状などの他の形状を用いることを許容する。
制渦筒３２は、制渦面３３が閉塞されており、この制渦面３３が微小間隔をあけてタービンホイール１０のボス１３の下流先端面１４と対向するように設けられており、ボス１３の下流先端面１４は制渦筒３２に覆われている。したがって、ボス１３の下流先端面１４と制渦筒３２の制渦面３３の間は、気流が進入しにくくなっている。
ここで、発生した渦は壁面に端緒を持つ。タービンホイール１０の場合、タービンホイール１０を通過して発生する渦の端緒はボス１３の下流先端面１４になるので、下流先端面１４をプロセスガスＧの流路に露出させないことで、下流先端面１４に渦を発生させないか又は発生した渦の影響が下流先端面１４に及ばないようにする。

制渦筒３２は、ボス１３の下流先端面１４の近傍にだけ存在すればその機能を発揮できるが、本実施形態では、渦防止板３５を介して制渦筒３２をディフューザ３０の所定の位置に保持するために、制渦筒３２をディフューザ３０の上流側まで延長している。

次に、渦防止板３５は、ディフューザ３０の内部を周方向に沿って４つの流路３７に仕切られる。つまり、本実施形態においては、４枚の渦防止板３５を用意し、制渦筒３２を中心にして放射状に配置する。
それぞれの渦防止板３５は、ディフューザ３０の開口径が拡大するのに合わせて、平面形状が台形をなしている。また、それぞれの渦防止板３５は、ディフューザ３０の径方向の外側の端部がディフューザ３０の内周面に接合され、内側の端部が制渦筒３２に接合される。この構成により、制渦筒３２がディフューザ３０の所定位置に保持される。

以上説明したように、本実施形態は、渦防止板３５を設けることにより、ディフューザ３０の下流側にそれぞれが仕切られた４つの流路３７を形成する。これにより、上流側において流路３１を通ってきたプロセスガスＧは、それまで旋回流を形成するが、渦防止板３５が設けられる領域の互いに独立した流路３７に達すると渦防止板３５が障壁となり旋回流が止められるので、渦の発生が抑制される。
このように、本実施形態によるディフューザ３０は、上流側の流路３１からなる圧力回復領域と、圧力回復領域に連なる下流側の流路３７からなる渦流制止領域と、を備える。

次に、ガスエキスパンダ１における制渦筒３２及び渦防止板３５の好ましい態様について、図２を参照して説明する。
はじめに、制渦筒３２のタービンホイール１０の下流先端面１４に対向する部位の直径Ｄ３２とタービンホイール１０のボス１３の下流先端面１４における直径Ｄ１３の関係についてであるが、制渦筒３２がボス１３の下流先端面１４を出来るだけ覆って露出させないために設けられるものであるから、以下の関係を有することが要求される。
Ｄ３２ ≧ Ｄ１３ × ０．９５ … 式（１）
ただし、タービンホイール１０を通過してディフューザ３０に流入するプロセスガスＧの抵抗となり、円滑なプロセスガスＧの流れを阻害することがないように、以下の関係を有することが好ましい。
Ｄ１３ × １．２ ≧ Ｄ３２ ≧ Ｄ１３ × ０．９５ … 式（２）
なお、以上の関係は、制渦筒３２とタービンホイール１０が同軸上に配置されていることを前提としているが、本発明は、制渦筒３２とタービンホイール１０が偏心していることを許容する。この場合には、制渦面３３の投影面の範囲内に下流先端面１４の全域が含まれていればよく、少なくとも制渦筒３２の制渦面３３の面積Ａ３３がボス１３の下流先端面１４の面積Ａ１４より大きいことが必要である。
また、ここでは制渦筒３２はその直径Ｄ３２が軸方向に均一な例を示しているが、開口面積が徐々に拡大することで、通過するプロセスガスＧの流速を落として、圧力を増加、回復させるというディフューザ３０の機能を害さなければ、その径は任意である。例えば、下流先端面１４から上端に向けて直径が大きくなる、あるいは、この逆であってもよい。

次に、制渦筒３２の制渦面３３からボス１３の下流先端面１４までの間隔Ｌ３３は、制渦筒３２の機能に基づく限り、狭いほど好ましい。ただし、タービンホイール１０の回転によりボス１３の振れ回りが生ずる、あるいは、タービンホイール１０が熱膨張するなどして、制渦筒３２がボス１３に干渉することは避けたい。したがって、ガスエキスパンダ１の寸法にもよるが、間隔Ｌ３３は、５〜３０ｍｍであることが好ましく、５〜２０ｍｍであることがより好ましく、５〜１５ｍｍであることがさらに好ましい。

次に、制渦筒３２の制渦面３３の形状について説明する。
制渦筒３２は、ボス１３の下流先端面１４を覆うものであり、図３（ａ）に示すように、制渦面３３が平坦な面をなしていてもその機能を発揮することができるが、図３（ｂ）に示すように、制渦面３３を周縁が突出するがそれよりも内側は窪んだ形状とすることが好ましい。そうすれば、下流先端面１４だけでなく下流先端面１４に連なるボス１３の外周面をも覆うことができるので、タービンホイール１０の回転軸１１に掛かる励振力をより低減することができる。また、図３（ｃ）に示すように、ボス１３の下流先端面１４にタービンホイール１０を固定するためのナット１５が設けられている場合には、このナット１５を含めて下流先端面１４を覆うことができるように、制渦面３３を内側が窪んだ形状にすることが好ましい。

次に、渦防止板３５の好ましい態様を、図２を参照して説明する。
はじめに、渦防止板３５を設ける位置について説明する。
渦防止板３５は、ディフューザ３０の内部の流路３１を流路３７に仕切ることで旋回流を止める役割をなすので、その役割だけを念頭におけば、ディフューザ３０のいずれの位置にも設けることができる。ただし、渦防止板３５で仕切られた狭い流路３７においては、ディフューザ３０の持つ圧力の回復という機能を得ることが難しくなる。また、タービンホイール１０の出口で発生する渦は、渦の長さがＤ１０の１．０〜１．５倍に及ぶとされている。一方で、渦防止板は渦と重なる位置に設ければその効果は大きい。しかし、渦防止板３５がこの渦と干渉すると圧力損失が生じ、ディフューザ３０の圧力回復機能を十分に得られないおそれがある。そこで、本実施形態は、ディフューザ３０の中の下流側に渦防止板３５を設けることで、ディフューザ３０の圧力回復機能を担保する。具体的に言うと、ディフューザ３０における流路３１の入口３１ｉの直径をＤ１０とし、入口３１ｉから渦防止板３５の上流側の端部３８までの距離をＬ３１とすると、以下の式（３）を満たすことが好ましく、式（４）を満たすことがより好ましい。
Ｌ３１ ≧ Ｄ１０×０．７５ … （３）
Ｌ３１ ≧ Ｄ１０×１．２ … （４）
また、ディフューザ３０の圧力回復機能は、流路面積が上流側から下流側に向けて広くなることで得られる。そこで、本実施形態は、図２に示すように、流路３１の入口３１ｉにおける流路面積をＡ１とし、渦防止板３５の上流側の端部３８における流路面積をＡ２とすると、渦防止板３５は、以下の式（５）が成り立つように、上流側の端部３８が入口３１ｉから離れて設置されることが好ましい。渦防止板３５の上流側の端部３８における流路面積Ａ２の入口における流路面積Ａ１に対する比率を一定以上に確保することで、ディフューザ３０の圧力回復率を維持しようというものである。なお、流路面積Ａ１、流路面積Ａ２は、制渦筒３２が占める部分を除いて特定される。
Ａ１ × １．６ ≦ Ａ２ … （５）

次に、渦防止板３５の軸方向の寸法（長さ）Ｌ３５について言及すると、以下の式（６）を満たすことが好ましい。
Ｌ３５ ≧ Ｄ１０ × ０．４５ … （６）

次に、渦防止板３５を設ける数について言及すると、以上説明した実施形態では４枚の渦防止板３５を設けている。これは、同じ寸法の４枚の渦防止板３５を均等間隔で放射状に配置することにより、制渦筒３２を回転軸１１と同軸上、つまりディフューザ３０の流路３１の中心に容易に位置決めできるためである。
もっとも、渦防止板３５による旋回流を止める機能は４枚に限るものでなく、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、渦防止板３５は単数（１枚）あるいは３枚でもよく、また４枚を超える複数でもよい。また、図４（ｃ）に示すように、ディフューザ３０の内周面から径方向の所定の範囲まで突出する渦防止板３５であってもよい。
また、以上説明した渦防止板３５は、軸線方向に平行に設けられているが、これに限らず、軸線方向に傾斜して設けることもできる。さらに、渦防止板３５は、表面が平坦であるが、これに限らず、曲面をなしていてもよい。

以上説明したように、本実施形態によるガスエキスパンダ１は、タービンホイール１０の下流先端面１４に対向する制渦筒３２を設けることで、タービンホイール１０の下流先端面１４が渦流の端緒になるのを抑制する。しかも、ガスエキスパンダ１は、ディフューザの流路３１を周方向に仕切る渦防止板を備えることにより、渦流が生じたとしてもそれを止める。以上より、本実施形態によれば、振動がより低減されたガスエキスパンダ１を提供することができる。

また、本実施形態によるガスエキスパンダ１は、制渦筒３２が渦防止板３５に固定され、かつ、渦防止板３５がディフューザ３０に固定されることで、渦防止板３５を介してディフューザ３０の所定位置に制渦筒３２を取り付ける。制渦筒３２をディフューザ３０に取り付けるのに渦防止板３５を用いることにより、制渦筒３２を取り付けるための専用の部材を他に用意する必要がなく、かつ、当該部材を用いて取り付ける作業も必要ないので、作業負担も含めてコスト低減に寄与する。

本実施形態によるガスエキスパンダ１は、ディフューザ３０の流路３１が、上流側の圧力回復領域と、圧力回復領域に連なる下流側の渦流制止領域と、を備えるので、ディフューザ３０の圧力回復機能を担保しつつ、渦流を止めることができる。そして、この渦流制止領域は、ディフューザ３０の流路を放射状に仕切るので、渦防止板３５の機能を十分に担保することができる

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、上述したガスエキスパンダ１は、制渦筒３２が渦防止板３５を介してディフューザ３０に支持されているが、図５に示すように、例えば棒状の支持体３９を用いて、渦防止板３５とは独立してディフューザ３０に支持させることもできる。この場合、渦防止板３５は、制渦筒３２を介することなく、ディフューザ３０の流路３１を放射状に仕切る。

１ ガスエキスパンダ
１０ タービンホイール
１１ 回転軸
１３ ボス
１４ 先端面
１５ ナット
２０ ケーシング
２１ 渦巻室
３０ ディフューザ
３１ 流路
３１ｉ 入口
３１ｏ 出口
３２ 制渦筒
３３ 制渦面
３４ 後端面
３５ 渦防止板
３７ 流路
３８ 端部
３９ 支持体
４０ 配管
Ｇ プロセスガス

本発明のガスエキスパンダは、膨張の対象とされるガスが通過する渦巻室が形成されるケーシングと、ケーシングに収容され、渦巻室を通過したガスが作用することで回転駆動されるタービンホイールと、タービンホイールの回転軸の方向に沿ってケーシングに立設され、タービンホイールを通過したガスがタービンホイールの回転軸方向に流れる流路を有するディフューザと、を備える。
本発明のガスエキスパンダは、ディフューザの内部に設けられ、ディフューザの流路に臨むタービンホイールのボスの下流先端面に対向する制渦体と、ディフューザの内部に設けられ、流路を周方向に仕切る渦防止板と、を備え、この制渦体は閉塞された制渦面を有し、制渦面は、微小間隔をあけて、タービンホイールのボスの下流先端面と対向するように設けられていることを特徴とする。
本発明者らの検討によると、タービンホイールを通過してディフューザに到達したガスは渦流を発生させ、この渦流がディフューザの流路に臨むタービンホイールのボスの下流先端面が端緒となることでタービンホイールの回転軸に振動を与える。そこで、本発明のガスエキスパンダは、タービンホイールのボスの下流先端面に制渦体を対向して設けることで、タービンホイールのボスの下流先端面が渦流の端緒になるのを抑制する。
また、本発明のガスエキスパンダは、ディフューザの流路を周方向に仕切る渦防止板を備えることにより、渦流が生じたとしてもそれを止める。
なお、本発明におけるガスエキスパンダとは、ラジアルタービン、斜流タービン、軸流タービン等のタービンを構成要素として備えるガスエキスパンダをいう。

本発明において、制渦体がタービンホイールの回転軸と同軸上に設けられる筒状の部材からなる場合には、制渦体のタービンホイールのボスの下流先端面に対向する制渦面の直径をＤ３２とし、タービンホイールのボスの下流先端面における直径をＤ１３とすると、Ｄ３２ ≧ Ｄ１３×０．９５ が成り立つことが好ましく、１．２×Ｄ２ ≧ Ｄ３２ ≧ Ｄ１３×０．９５ が成り立つことがより好ましい。
これにより、タービンホイールのボスの下流先端面が渦流の端緒になるのを抑制する機能をより効果的に発揮できる。

本発明において、制渦体は、制渦面が、その周縁がタービンホイールのボスの下流先端面に向けて突出し、周縁よりも内側は窪んだ形状をなし、タービンホイールのボスの下流先端面及びボスの下流先端面に連なるタービンホイールの外周面を覆うことが好ましい。
これにより、タービンホイールのボスの下流先端面が渦流の端緒になるのを抑制する機能をより効果的に発揮できる。

本発明の実施形態に係るガスエキスパンダを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示したディフューザの横断面図である。 本実施形態のガスエキスパンダの各要素の寸法を示す図である。 本実施形態のガスエキスパンダの制渦筒の形態例を示す図である。 本実施形態のガスエキスパンダの渦防止板の形態例を示す図である。 本実施形態のガスエキスパンダの変形例を示す図である。

ここで、回転軸１１の振動は、部分負荷運転において生ずることがある。つまり、プロセス側の起動時において、定格運転に満たない部分負荷運転の状態では、定格温度に満たないプロセスガスＧがガスエキスパンダ１に供給され、起動時温度から定格温度に昇温する過程において軸振動が発生する現象が観察される。
部分負荷では、定格負荷近傍に比べて体積流量が少ない状態にあるため、タービンホイール１０からのガスの出口において翼角方向の流速が遅くなり振動も旋回流側が大きくなることがある。
本実施形態のガスエキスパンダ１は、渦流による振動を防止又は低減するために、図１に示すように、ディフューザ３０に、制渦筒（制渦体）３２を設けるとともに、渦防止板３５を設ける。以下、制渦筒３２及び渦防止板３５について説明する。

次に、ガスエキスパンダ１における制渦筒３２及び渦防止板３５の好ましい態様について、図２を参照して説明する。
はじめに、制渦筒３２のタービンホイール１０の下流先端面１４に対向する部位の直径Ｄ３２とタービンホイール１０のボス１３の下流先端面１４における直径Ｄ１３の関係についてであるが、制渦筒３２がボス１３の下流先端面１４を出来るだけ覆って露出させないために設けられるものであるから、以下の関係を有することが要求される。
Ｄ３２ ≧ Ｄ１３ × ０．９５ … 式（１）
ただし、制渦筒３２がタービンホイール１０を通過してディフューザ３０に流入するプロセスガスＧの抵抗となり、円滑なプロセスガスＧの流れを阻害することがないように、以下の関係を有することが好ましい。
Ｄ１３ × １．２ ≧ Ｄ３２ ≧ Ｄ１３ × ０．９５ … 式（２）
なお、以上の関係は、制渦筒３２とタービンホイール１０が同軸上に配置されていることを前提としているが、本発明は、制渦筒３２とタービンホイール１０が偏心していることを許容する。この場合には、制渦面３３の投影面の範囲内に下流先端面１４の全域が含まれていればよく、少なくとも制渦筒３２の制渦面３３の面積Ａ３３がボス１３の下流先端面１４の面積Ａ１４より大きいことが必要である。
また、ここでは制渦筒３２はその直径Ｄ３２が軸方向に均一な例を示しているが、開口面積が徐々に拡大することで、通過するプロセスガスＧの流速を落として、圧力を増加、回復させるというディフューザ３０の機能を害さなければ、その径は任意である。例えば、下流先端面１４から上端に向けて直径が大きくなる、あるいは、この逆であってもよい。

Claims (12)

1. 膨張の対象とされるガスが通過する渦巻室が形成されるケーシングと、
   前記ケーシングに収容され、前記渦巻室を通過して膨張した前記ガスが作用することで回転駆動されるタービンホイールと、
   前記タービンホイールの回転軸の方向に沿って前記ケーシングに取り付けられ、前記タービンホイールを通過した前記ガスが前記タービンホイールの回転軸方向に流れる流路を有するディフューザと、を備え、
   前記ディフューザの内部に設けられ、前記流路に臨む前記タービンホイールのボスの下流先端面に対向する制渦体と、
   前記ディフューザの前記流路を周方向に仕切る単数又は複数の渦防止板と、
   を備えることを特徴とするガスエキスパンダ。
2. 前記渦防止板は、
   前記ディフューザの前記流路の下流側に設けられ、
   前記ディフューザの前記流路は、
   上流側の圧力回復領域と、前記圧力回復領域に連なる前記下流側の渦流制止領域と、を備える、
   請求項１に記載のガスエキスパンダ。
3. 前記渦防止板は、
   前記流路の入口の直径をＤ１０とし、前記入口から前記渦防止板の上流側の端部までの距離をＬ３１とすると、
   Ｌ３１ ≧ Ｄ１０ × ０．７５ が成り立つ、
   請求項１又は請求項２に記載のガスエキスパンダ。
4. 前記渦防止板は、
   前記流路の入口の直径をＤ１０とし、前記入口から前記渦防止板の上流側の端部までの距離をＬ３１とすると、
   Ｌ３１ ≧ Ｄ１０ × １．２ が成り立つ、
   請求項１又は請求項２に記載のガスエキスパンダ。
5. 前記ディフューザは、上流側から下流側に向けて流路面積が広がり、
   前記流路の入口における前記流路面積をＡ１とし、前記渦防止板の上流側の端部における前記流路面積をＡ２とすると、
   前記渦防止板は、
   Ａ１ × １．６ ≦ Ａ２ が成り立つように、前記上流側の端部が前記入口から離れて設置される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスエキスパンダ。
6. 前記渦防止板は、
   前記回転軸の方向の寸法をＬ３５とし、前記流路の入口の直径をＤ１０とすると、
   Ｌ３５ ≧ Ｄ１０ × ０．４５ が成り立つ、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガスエキスパンダ。
7. 複数の前記渦防止板が、
   前記ディフューザの前記流路を放射状に仕切る、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガスエキスパンダ。
8. 前記制渦体は、前記タービンホイールの前記回転軸と同軸上に設けられる円筒状の部材からなり、
   前記制渦体の前記タービンホイールの前記ボスの下流先端面に対向する部位の直径をＤ３２とし、
   前記タービンホイールの前記ボスの下流先端面における直径をＤ１３とすると、
   Ｄ３２ ≧ Ｄ１３ × ０．９５ が成り立つ、
   請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のガスエキスパンダ。
9. 前記Ｄ３２及び前記Ｄ１３は、
   Ｄ１３ × １．２ ≧ Ｄ３２ ≧ Ｄ１３ × ０．９５ が成り立つ、
   請求項８に記載のガスエキスパンダ。
10. 前記制渦体は、
    前記タービンホイールの前記ボスの下流先端面に対向する制渦面が、周縁が突出し、前記周縁よりも内側は窪んだ形状をなし、
    前記ボスの下流先端面及び前記ボスの下流先端面に連なる前記タービンホイールの外周面を覆う、
    請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のガスエキスパンダ。
11. 前記制渦体が前記渦防止板に固定され、かつ、前記渦防止板が前記ディフューザに固定されることで、
    前記制渦体が、前記渦防止板を介して前記ディフューザの所定位置に取り付けられる、
    請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のガスエキスパンダ。
12. 複数の前記渦防止板が、
    前記制渦体を中心にして、前記ディフューザの前記流路を放射状に仕切る、
    請求項１１に記載のガスエキスパンダ。

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