WO2013031244A1 - ラジアルガスエキスパンダ - Google Patents

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WO2013031244A1
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impeller
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gas expander
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博巳 石川
英樹 永尾
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三菱重工コンプレッサ株式会社
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a radial gas expander (radial flow gas expander) in which impellers are arranged in multiple stages on a single shaft.
  • the purpose of the gas expander is to absorb the high-pressure gas discharged from the plant side, expand it, and convert the pressure energy of the gas into velocity energy (mechanical energy) to recover the power and reduce the power of the drive motor, etc. Has been used.
  • a radial gas expander of a type in which a plurality of impellers are provided in multiple stages As an example of a radial gas expander, a geared type (acceleration gear type) composed of a speed increasing device composed of a driving gear, a pinion gear meshing with the driving gear, and a plurality of impellers arranged on the pinion shaft A radial gas expander is known (for example, see Patent Document 1).
  • a radial gas expander in which a plurality of impellers are arranged between bearings on a single shaft, and these impellers are built in a single casing.
  • the radial gas expander in which a plurality of impellers are arranged on a single axis includes a multistage impeller, but the axis may be a single axis. For this reason, it is possible to minimize the number of high-pressure seals and high-pressure casings compared to geared-type radial gas expanders and the like, and to realize a highly reliable radial gas expander even under higher pressure conditions (see, for example, Patent Document 2). .
  • the conventional radial gas expander 101 includes a casing 2, a rotary shaft 3 rotatably provided on the casing 2, and a plurality of impellers 4 fixed to the rotary shaft 3. I have.
  • the radial gas expander 101 has two gas expander sections 105a and 105b for expanding gas therein.
  • the casing 2 includes a casing main body 6 and a diaphragm group 7 including a plurality of diaphragms built in the casing main body 6 and integrally connected.
  • the gas expander sections 105a and 105b have a configuration in which a plurality of diaphragms 8, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, and 13b formed with return bends connecting the stages are connected in the axial direction. It is.
  • the gas expander sections 105a and 105b include gas introduction channels 120a and 120b that communicate with the suction ports 18a and 18b of the casing 2, and gas outflow channels 21a that communicate with the discharge ports 19a and 19b of the casing 2 for each section. 21b.
  • the gas introduction flow paths 120a and 120b are located at the center closest to the center diaphragm 8 provided at the center of the two gas expander sections 105a and 105b and a plurality of diaphragms excluding the center diaphragm 8. It is defined between the diaphragms 9a and 9b.
  • nozzle blades 24 that generate a gas flow corresponding to the profile of the impeller 4 are provided.
  • the gas introduced from a plant (not shown) through the suction port 18a is expanded in one gas expander section 105a, and then passed through the gas pipe 22 and the suction port 18b.
  • the gas is introduced into the other gas expander section 105b and further expanded.
  • the spacer 125 is provided on the upstream side of the nozzle blades 24 of the gas introduction channels 120a and 120b. Is installed.
  • the spacer 125 is installed on the upstream side of the nozzle blade 24, there is a problem that the flow of gas flowing into the nozzle blade 24 is disturbed. As shown in FIG. 6, when the flow line L of the introduced gas is disturbed by the spacer 125, a loss occurs when it flows into the nozzle blade 24. Further, since the spacer is installed in the vicinity of the inlets of the gas introduction channels 120a and 120b, the effect of reducing the change in the introduction channel width due to the differential pressure is small. Therefore, the gas flow rate changes due to the change in the flow path width, and when the gas flows into the nozzle blade 24, the desired gas flow rate is not achieved and a loss occurs. As described above, the spacer 125 hinders the expansion performance of the impeller 4, and as a result, the performance of the radial gas expander 101 is degraded.
  • the present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object thereof is to provide a radial gas expander capable of obtaining desired performance. It is another object of the present invention to provide a radial gas expander capable of ensuring the width of the gas introduction flow paths 120a and 120b and preventing the deformation of the diaphragm wall constituting the casing.
  • a radial gas expander includes a rotating shaft, an impeller fixed to the rotating shaft, and an introduction for introducing a fluid into the impeller while the rotating shaft is rotatably supported. And a casing in which a flow path is formed.
  • the introduction passage includes a nozzle blade that guides the fluid flowing into the impeller, and a support member that is provided on the upstream side of the nozzle blade and supports between the opposing wall surfaces of the introduction passage. Is provided. Further, the support member is formed in a wing shape in cross-sectional view.
  • the distance from the lower end of the opposing wall surface of the introduction flow path provided in the casing by the support member to the support point is shortened, and the amount of deformation of the opposing wall surface can be reduced and desired. It is possible to ensure a sufficient flow path width.
  • the support member is formed in a blade shape in a cross-sectional view, it is possible to prevent the flow of fluid flowing into the nozzle blade from being disturbed.
  • the radial gas expander according to the second aspect of the present invention is constituted by a rotating shaft and an impeller fixed to the rotating shaft, respectively, and two sets of impeller groups provided symmetrically in the axial direction,
  • a rotary shaft is rotatably supported, and is provided adjacent to the first introduction flow path for introducing fluid into the first set of impeller groups, and the second set of impeller groups.
  • a casing formed with a second introduction flow path for introducing the fluid discharged from the first set of impeller groups into the impeller group.
  • the second introduction flow path is provided between a nozzle blade that guides the fluid flowing into the impeller and an upstream side of the nozzle blade, and supports between the opposing wall surfaces of the second introduction flow path.
  • a supporting member that is formed in a wing shape in a cross-sectional view.
  • a desired flow path width can be secured in the first introduction flow path and the second introduction flow path. Even when the pressure difference between the fluid flowing into the first introduction channel and the fluid flowing into the second introduction channel is large, the wall surfaces of the central wall and the second introduction channel facing each other by the support member In addition to reducing the amount of deformation, the support member is formed in a blade shape in cross-sectional view, so that it is possible to prevent the flow of fluid flowing into the nozzle blade from being disturbed.
  • a plurality of the support members are provided around the rotation axis, and the width between the support members is equal in the radial direction from the radially outer side to the inner peripheral side. It is formed so that the width gradually becomes narrower as it goes to.
  • the fluid passing around the support member can be smoothly introduced into the nozzle blade without increasing the speed.
  • the casing includes a casing main body and a plurality of diaphragms built in the casing main body and integrally connected, and the introduction flow path is formed in the plurality of diaphragms. It is the structure formed.
  • a radial gas expander capable of obtaining desired performance and reducing the deformation amount of the diaphragm wall constituting the casing.
  • FIG. 3 is a view taken in the direction of arrow B in FIG. 2. It is a figure which shows the streamline of the gas which flows around a support wing
  • FIG. 6 is a view taken in the direction of arrow C in FIG. 5, and shows gas flow lines flowing around the spacer.
  • a radial gas expander 1 is a cylindrical casing 2 and a rotation that is rotatably supported by the casing 2 and extends in the axial direction of the casing 2.
  • a shaft 3 and a plurality of impellers 4 fixed to the rotating shaft 3 are provided.
  • the axial direction of the casing 2 and the axial direction of the rotary shaft 3 are assumed to be the same.
  • the axial direction of the casing 2 and the axial direction of the rotary shaft 3 are simply referred to as the axial direction.
  • the radial gas expander 1 includes two sections for expanding gas therein. That is, the radial gas expander 1 includes two gas expanders including a gas expander section 5a disposed on the first side in the axial direction and a gas expander section 5b disposed on the second side in the axial direction. Sections 5a and 5b.
  • the radial gas expander 1 of the present embodiment obtains rotational driving force by the gas introduced into the first gas expander section 5a, and discharges the expanded gas discharged from the first gas expander section 5a. It is introduced into the second gas expander section 5b and further has a structure for obtaining a rotational driving force.
  • the casing 2 has a casing body 6 and a diaphragm group 7 provided inside the casing body 6.
  • the diaphragm group 7 includes 11 diaphragms 8, 9 a, 9 b, 10 a, 10 b, 11 a, 11 b, 12 a, 12 b, 13 a, 13 b that are connected so as to be extractable in the axial direction.
  • the first gas expander section 5a has a diaphragm 8 disposed in the center and diaphragms 9a, 10a, 11a, 12a, 13a connected to the first side of the diaphragm 8.
  • the second gas expander section 5b includes a diaphragm 8 disposed at the center and diaphragms 9b, 10b, 11b, 12b, and 13b connected to the second side of the diaphragm 8. That is, the two gas expander sections 5a and 5b have a central diaphragm 8 as a common component.
  • the casing body 6 is formed with a suction port 18a for introducing gas into the first gas expander section 5a and a suction port 18b for introducing gas into the second gas expander section 5b.
  • the casing body 6 is formed with a discharge port 19a for discharging gas from the first gas expander section 5a and a discharge port 19b for discharging gas from the second gas expander section 5b. Yes. Further, the discharge port 19 a on the first gas expander section 5 a side and the suction port 18 b on the second gas expander section 5 b side are connected by a gas pipe 22.
  • the rotary shaft 3 is disposed through the center of the diaphragm group 7. Both end portions of the rotary shaft 3 are rotatably supported via a bearing 15 on diaphragms 13a and 13b which are also end plates of the two gas expander sections 5a and 5b. Further, a dry gas seal 16 is provided on the inner peripheral portion of the diaphragms 13 a and 13 b located inside each bearing 15.
  • the plurality of impellers 4 are fixed on the rotating shaft 3, and the four-stage impellers 4 constituting the first gas expander section 5a and the four-stage impellers 4 constituting the second gas expander section 5b. Are arranged in opposite directions.
  • each impeller 4 if the opening toward the radially outer peripheral side is the suction port 41 and the opening toward the axial direction is the discharge port 42, the four-stage impeller 4 constituting the first gas expander section 5 a, and The four-stage impeller 4 constituting the second gas expander section 5b is arranged so that the side with the suction port 41 faces the central diaphragm 8. That is, the impeller 4 constituting the first gas expander section 5a is arranged so that the discharge port 42 faces the first side in the axial direction, and the impeller 4 constituting the second gas expander section 5b is The outlet 42 is arranged so as to face the second side in the axial direction.
  • the some impeller 4 differs in magnitude
  • first introduction flow path 20a and a second introduction flow path 20b communicating with the suction ports 18a and 18b, respectively. That is, the first introduction flow path 20a of the first gas expander section 5a is formed between the first side wall surface 81 of the central diaphragm 8 and the second side wall surface 91 of the diaphragm 9a.
  • the second introduction flow path 20b of the second gas expander section 5b is formed between the second wall surface 82 of the central diaphragm 8 and the first wall surface 92 of the diaphragm 9b.
  • first introduction flow path 20a and the second introduction flow path 20b are arranged so as to be adjacent to each other with the central diaphragm 8 interposed therebetween.
  • outlet flow passages 21a and 21b communicating with the discharge ports 19a and 19b described above are formed between the diaphragms 13a and 13b, which are also end plates, and the diaphragms 12a and 12b adjacent thereto.
  • the outlet channel 21 a of the first gas expander section 5 a communicates with the discharge port 19 a of the casing body 6, and the outlet channel 21 b of the second gas expander section 5 b discharges the casing body 6. It communicates with the port 19b.
  • a plurality of nozzle blades 24 for guiding the flow of gas into the impeller 4 are provided on the upstream side of the impeller 4 in each of the first introduction passage 20a and the second introduction passage 20b. In the present embodiment, 17 nozzle blades 24 are provided.
  • the nozzle blades 24 are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • Each nozzle blade 24 is formed in a so-called blade shape having a rounded front edge and a sharp rear edge, as viewed in the axial direction.
  • the nozzle blade 24 is arranged with respect to the front edge such that the front edge is disposed on the outer circumferential side in the circumferential direction, the rear edge is disposed on the inner circumferential side in the circumferential direction, and the rear edge is along the rotation direction R of the rotary shaft 3 And inclined in the direction of rotation R in the traveling direction. That is, the front end is arranged upstream of the gas flow direction, and the rear end is arranged downstream.
  • the cross-sectional shape of the nozzle blade 24 is determined by using, for example, computational fluid dynamics (CFD) analysis. Therefore, the cross-sectional shape of the nozzle blade 24 of the present embodiment is formed asymmetric with respect to the center line along the gas flow direction (hereinafter referred to as the streamline direction). That is, the nozzle blade 24 has a shape that smoothly introduces the gas flow into the impeller 4 so as to promote the action of expanding and accelerating the gas in the impeller 4.
  • CFD computational fluid dynamics
  • a plurality of (17) support blades 25 are provided as support members on the outer peripheral side of the nozzle blade 24.
  • the support blades 25 are arranged at equal intervals in the circumferential direction, like the nozzle blades 24.
  • Each support blade 25 is formed in a so-called airfoil shape having a rounded front edge and a sharp rear edge, as viewed in the axial direction.
  • the support wing 25 has a front edge arranged on the outer circumferential side in the circumferential direction, a rear edge arranged on the inner circumferential side in the circumferential direction, and a rotation direction R with respect to the front edge so that the rear edge follows the rotation direction R. It is arranged to be inclined toward the traveling direction side.
  • the support blade 25 has a front end on the upstream side in the streamline direction and a rear end on the downstream side. Further, the shape of the support blades 25 is gradually narrowed from the radially outer periphery side to the inner periphery side so that the width W between the support blades 25 is substantially equal in the streamline direction, that is, the radial direction. It is formed as follows.
  • the cross-sectional shape of the support blade 25 is different from that of the nozzle blade 24 and is formed symmetrically with respect to the center line along the streamline direction.
  • the shape, circumferential position, and radial position of the support blade 25 are also determined using CFD or the like so as not to affect the gas introduced into the nozzle blade 24 as much as possible. It is preferable to make the shape along. Further, it is preferable that the length in the streamline direction is within a range where the influence on the streamline is small (does not disturb the streamline) and is made as short as possible. In addition, since the streamline changes depending on the gas flow rate, it is preferable to determine appropriately according to the use conditions.
  • the middle diaphragms 9a, 10a, 11a, 12a and 9b, 10b, 11b, 12b in each gas expander section 5a, 5b are connected to the discharge port 42 of the front impeller 4 and the suction port 41 of the rear impeller 4 respectively.
  • a return bend (intermediate flow path) 27 having a U-shaped cross section is formed. These return bends 27 include a nozzle vane 24 arranged on the upstream side of the impeller 4, and 17 return vanes 28 for making the gas flow to the suction port 41 of the impeller 4 in the subsequent stage an efficient gas flow. And are provided.
  • the operation of the radial gas expander 1 configured as described above will be described.
  • high-temperature and high-pressure gas is introduced from a predetermined plant into the first gas expander section 5a through the suction port 18a.
  • gas is repeatedly sucked and expanded in four stages by the four-stage impeller 4 and discharged from the discharge port 19a.
  • the gas is introduced into the second gas expander section 5b through the gas pipe 22 and the suction port 18b, is expanded in the second gas expander section 5b, and is discharged from the discharge port 19b.
  • the inflowing gas is configured to flow in the axial direction.
  • the gases flow in opposite directions. That is, the gas flows from the second side in the axial direction to the first side in the gas expander section 5a.
  • the gas expander section 5b the gas flows from the first side to the second side in the axial direction.
  • the pressure of the gas introduced into the second introduction flow path 20b through the suction port 18b is lower than the pressure of the gas introduced into the first introduction flow path 20a through the suction port 18a.
  • the pressure difference between the pressure in the first introduction flow path 20a adjacent to the pressure in the second introduction flow path 20b via the diaphragm 8 is large.
  • the pressure difference between the pressure in the first introduction flow path 20a and the pressure in the second introduction flow path 20b is large, and is formed between the first introduction flow path 20a and the second introduction flow path 20b. Even when a force that deforms the diaphragm 8 is applied to the central diaphragm 8 that is provided, the amount of deformation can be reduced by providing the support blades 25. Further, since the support blade 25 is formed in a blade shape in cross-sectional view, as shown in FIG. 4, it is possible to reduce the turbulence of the streamline L of the gas flowing around the support blade 25.
  • the support blades 25 are formed so that the width gradually decreases from the radially outer peripheral side toward the inner peripheral side so that the width W between the support blades 25 becomes equal in the radial direction.
  • the gas passing around the support blade 25 can be smoothly introduced into the nozzle blade 24 without increasing the speed.
  • the support blade 25 has a symmetrical shape with respect to the streamline direction, it can be manufactured more easily.
  • the several diaphragm group 7 which comprises the casing 2 can be divided
  • the support wing 25 may have an asymmetric shape with respect to the streamline direction.
  • the radial gas expander of the present invention desired performance can be obtained and the amount of deformation of the diaphragm wall constituting the casing can be reduced.

Abstract

このラジアルガスエキスパンダ（１）は、回転軸（３）と、回転軸（３）に固定されたインペラ（４）と、回転軸（３）が回転可能に支持されているとともに、インペラ（４）に流体を導入する導入流路（２０ａ）が形成されたケーシング（２）とを備えており、この導入流路（２０ａ）には、インペラ（４）へ流入される流体を案内するノズル翼（２４）と、ノズル翼（２４）の上流側に設けられ、導入流路（２０ａ）の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材（２５）とが設けられ、支持部材（２５）は、断面視して翼形状に形成されている。

Description

ラジアルガスエキスパンダ
　本発明は、単一軸上にインペラが多段に配列されてなるラジアルガスエキスパンダ（半径流ガス膨張機）に関する。本願は、２０１１年０９月０１日に、日本に出願された特願２０１１－１９０５２５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ガスエキスパンダは、プラント側より排出される高圧のガスを吸込み、膨張させてガスの圧力エネルギーを速度エネルギー（機械エネルギー）に変換させることにより動力を回収し、駆動モータ等の動力を低減させる目的に利用されている。
　近年、より高い圧力エネルギーに対応するガスエキスパンダが求められている。この種のガスエキスパンダとしては、複数のインペラを多段に設ける形式のラジアルガスエキスパンダが知られている。ラジアルガスエキスパンダの一例として、駆動歯車と、駆動歯車と噛み合うピニオン歯車とから構成される増速機と、ピニオン軸に配置された複数のインペラとから構成されるギアドタイプ（増速歯車式）のラジアルガスエキスパンダが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　また、単一軸上の軸受間に複数のインペラを配列し、単一のケーシングにこれらのインペラを内蔵したラジアルガスエキスパンダも知られている。この単一軸上に複数のインペラを配列したラジアルガスエキスパンダは、多段のインペラを備えているにも関わらず、軸は単一軸で済む。このため、ギアドタイプのラジアルガスエキスパンダ等と比較して高圧シールや高圧ケーシングを最少個数にでき、より高圧の条件においても信頼性の高いラジアルガスエキスパンダを実現できる（例えば、特許文献２参照）。
　図５及び図６に示すように、従来のラジアルガスエキスパンダ１０１は、ケーシング２と、ケーシング２に回転自在に設けられた回転軸３と、回転軸３に固定された複数のインペラ４とを備えている。
　ラジアルガスエキスパンダ１０１は、その内部にガスを膨張するための二つのガスエキスパンダセクション１０５ａ，１０５ｂを有している。ケーシング２は、ケーシング本体６と、ケーシング本体６に内蔵され一体に連結された複数のダイアフラムからなるダイアフラム群７とから構成されている。ガスエキスパンダセクション１０５ａ，１０５ｂは、段間を結ぶリターンベンドが形成された複数のダイアフラム８，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを軸方向に連接した構成である。
　ガスエキスパンダセクション１０５ａ，１０５ｂは、各セクションごとにケーシング２の吸込ポート１８ａ，１８ｂと連通するガス導入流路１２０ａ，１２０ｂと、ケーシング２の吐出ポート１９ａ，１９ｂと連通するガス流出流路２１ａ，２１ｂとを有している。
　このうち、ガス導入流路１２０ａ，１２０ｂは、二つのガスエキスパンダセクション１０５ａ，１０５ｂの中央に設けられた中央のダイアフラム８と、この中央のダイアフラム８を除く複数のダイアフラムのうち、最も中央寄りのダイアフラム９ａ，９ｂとの間に画定されている。
　また、このガス導入流路１２０上であって、インペラ４の上流側には、インペラ４のプロフィルに対応したガス流れを生起するノズル翼２４が設けられている。
　上記構成のラジアルガスエキスパンダ１０１においては、図示しないプラントから吸込ポート１８ａを介して導入されたガスは、一方のガスエキスパンダセクション１０５ａにおいて膨張された後、ガス配管２２及び吸込ポート１８ｂを介して他方のガスエキスパンダセクション１０５ｂに導入され、更に膨張される。
　ところで、従来のラジアルガスエキスパンダ１０１においては、ガス導入流路１２０ａとガス導入流路１２０ｂの流路幅を確保するために、ガス導入流路１２０ａ，１２０ｂのノズル翼２４の上流側にスペーサ１２５が設置されている。
日本国特許第３４５７８２８号公報 特開２０１１－４３０７０号公報
　しかしながら、スペーサ１２５はノズル翼２４の上流側に設置されているため、ノズル翼２４に流入するガスの流れを乱す課題がある。図６に示すように、導入されたガスの流線Ｌが、スペーサ１２５によって乱された場合、ノズル翼２４に流入する際に損失が生じる。また、スペーサはガス導入流路１２０ａ，１２０ｂの入口近傍に設置されるため、差圧による導入流路幅変化の低減効果が少ない。従って、流路幅の変化によりガス流速が変化し、ノズル翼２４に流入する際に所望のガス流速にならず、損失が生じる。このように、スペーサ１２５はインペラ４の膨張性能の支障となり、ひいては、ラジアルガスエキスパンダ１０１の性能低下に繋がる。
　本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、所望の性能が得られるラジアルガスエキスパンダを提供することを目的とする。また、ガス導入流路１２０ａ，１２０ｂの流路幅の確保、及びケーシングを構成するダイアフラムの壁の変形を防止可能なラジアルガスエキスパンダを提供することにある。
　上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
　本発明の第一の態様に係るラジアルガスエキスパンダは、回転軸と、前記回転軸に固定されたインペラと、前記回転軸が回転可能に支持されているとともに、前記インペラに流体を導入する導入流路が形成されたケーシングとを備える。そして、前記導入流路には、前記インペラへ流入される流体を案内するノズル翼と、前記ノズル翼の上流側に設けられ、前記導入流路の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材とが設けられる。さらに、前記支持部材は、断面視して翼形状に形成されている。
　この構成によれば、支持部材によってケーシング内に設けられた導入流路の互いに対向する壁面の下端から支持点までの距離が短くなり、対向する壁面の変形量を低減することができると共に、所望の流路幅の確保をすることができる。また、支持部材が断面視して翼形状に形成されているため、ノズル翼に流入する流体の流れを乱すことを防止することができる。
　また、本発明の第二の態様に係るラジアルガスエキスパンダは、回転軸と、前記回転軸に固定されたインペラによってそれぞれ構成され、軸方向に対称に設けられた二組のインペラ群と、前記回転軸が回転可能に支持されているとともに、第一の組のインペラ群に流体を導入する第一導入流路、及び前記第一導入流路と隣り合うように設けられ、第二の組のインペラ群に前記第一の組のインペラ群から吐出された流体を導入する第二導入流路とが形成されたケーシングとを備える。そして、前記第二導入流路には、前記インペラへ流入される流体を案内するノズル翼と、前記ノズル翼の上流側に設けられ、前記第二導入流路の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材とが設けられ、前記支持部材は、断面視して翼形状に形成されている。
　この構成によれば、第一導入流路及び第二導入流路において所望の流路幅を確保できる。また、第一導入流路に流入される流体と、第二導入流路に流入される流体との圧力差が大きい場合においても、支持部材によって中央壁及び第二導入流路の互いに対向する壁面の変形量を低減することができると共に、支持部材が断面視して翼形状に形成されているため、ノズル翼に流入する流体の流れを乱すことを防止することができる。
　また、本発明の第三の態様では、前記支持部材は、前記回転軸回りに複数設けられ、前記支持部材同士の間の幅が径方向に等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って、次第に幅が狭くなるように形成されている。
　この構成によれば、支持部材の周囲を通過する流体を、増速することなく滑らかにノズル翼に導入することができる。
　また、本発明の第四の態様では、前記ケーシングは、ケーシング本体と、前記ケーシング本体に内蔵され、一体に連結された複数のダイアフラムとを有し、前記導入流路は、前記複数のダイアフラムに形成されている構成である。
　この構成によれば、ノズル翼、及び翼形状に形成されている支持部材が組み込まれたケーシングをより容易に組み立てることができる。また、容易に内部のメンテナンスを行うことができる。
　本発明によれば、所望の性能を得るとともに、ケーシングを構成するダイアフラムの壁の変形量を低減可能なラジアルガスエキスパンダを提供することができる。
本発明の実施形態に係るラジアルガスエキスパンダの断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 図２のＢ矢視図である。 支持翼周辺を流れるガスの流線を示す図である。 従来のラジアルガスエキスパンダの断面図である。 図５のＣ矢視図であり、スペーサ周辺を流れるガスの流線を示す図である。
　本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係るラジアルガスエキスパンダ１は、筒形状のケーシング２と、ケーシング２に回転可能に支持され、ケーシング２の軸方向に延在する回転軸３と、回転軸３に固定された複数のインペラ４とを備えている。
　なお、以下の説明においては、ケーシング２の軸方向と、回転軸３の軸方向は一致しているものとして説明する。そして、単にケーシング２の軸方向と、回転軸３の軸方向とを、軸方向と称する。
　ラジアルガスエキスパンダ１は、その内部にガスを膨張するための二つのセクションを備えている。即ち、ラジアルガスエキスパンダ１は、軸方向の第一側に配置されたガスエキスパンダセクション５ａと軸方向の第二側に配置されたガスエキスパンダセクション５ｂとから構成される二つのガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂとを備えている。
　本実施形態のラジアルガスエキスパンダ１は、第一のガスエキスパンダセクション５ａに導入されたガスによって回転駆動力を得るとともに、第一のガスエキスパンダセクション５ａから排出されて膨張後のガスを第二のガスエキスパンダセクション５ｂに導入し、更に回転駆動力を得る構成を備える。
　ケーシング２は、ケーシング本体６と、ケーシング本体６の内部に設けられたダイアフラム群７とを有している。ダイアフラム群７は、軸方向に抜き出し可能に連接された１１枚のダイアフラム８，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂとから構成されている。
　第一のガスエキスパンダセクション５ａは、中央に配置されたダイアフラム８、及びダイアフラム８の第一側に連接されたダイアフラム９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａ，１３ａを有している。また、第二のガスエキスパンダセクション５ｂは、中央に配置されたダイアフラム８、及びダイアフラム８の第二側に連接されたダイアフラム９ｂ，１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを有している。
　即ち、二つのガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂは、中央のダイアフラム８を共通の構成要素として有している。
　ケーシング本体６には、第一のガスエキスパンダセクション５ａにガスを導入するための吸込ポート１８ａと、第二のガスエキスパンダセクション５ｂにガスを導入するための吸込ポート１８ｂが形成されている。
　また、ケーシング本体６には、第一のガスエキスパンダセクション５ａよりガスを吐出するための吐出ポート１９ａと、第二のガスエキスパンダセクション５ｂよりガスを吐出するための吐出ポート１９ｂが形成されている。
　さらに、第一のガスエキスパンダセクション５ａ側の吐出ポート１９ａと第二のガスエキスパンダセクション５ｂ側の吸込ポート１８ｂとは、ガス配管２２で接続されている。
　回転軸３は、ダイアフラム群７の中央を貫通して配置されている。この回転軸３の両端部は、二つのガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂにおける各々の端板でもあるダイアフラム１３ａ，１３ｂに軸受１５を介して回転可能に支持されている。また、各軸受１５の内側に位置するダイアフラム１３ａ，１３ｂの内周部には、ドライガスシール１６が設けられている。
　複数のインペラ４は、回転軸３上に固定されており、第一のガスエキスパンダセクション５ａを構成する四段のインペラ４と、第二のガスエキスパンダセクション５ｂを構成する四段のインペラ４が、互いに向きを反対にして配列されている。
　ここで各々のインペラ４において、径方向外周側に向かう開口を吸込口４１、軸方向に向かう開口を吐出口４２とすると、第一のガスエキスパンダセクション５ａを構成する四段のインペラ４、及び第二のガスエキスパンダセクション５ｂを構成する四段のインペラ４は、吸込口４１のある側が中央のダイアフラム８に面するように配置されている。即ち、第一のガスエキスパンダセクション５ａを構成するインペラ４は、吐出口４２が軸方向の第一側を向くように配置され、第二のガスエキスパンダセクション５ｂを構成するインペラ４は、吐出口４２が軸方向の第二側を向くように配置されている。
　なお、複数のインペラ４には同じ符号を付しているが、複数のインペラ４は、それぞれ大きさが異なる。詳しくは、複数のインペラ４は、ガスの膨張行程に適応するように大きさが変えられている。
　中央のダイアフラム８とその両側に位置するダイアフラム９ａ，９ｂとの間には、吸込ポート１８ａ，１８ｂにそれぞれ連通する第一導入流路２０ａ，及び第二導入流路２０ｂが形成されている。即ち、第一のガスエキスパンダセクション５ａの第一導入流路２０ａは、中央のダイアフラム８の第一側の壁面８１と、ダイアフラム９ａの第二側の壁面９１との間に形成されている。また、第二のガスエキスパンダセクション５ｂの第二導入流路２０ｂは、中央のダイアフラム８の第二側の壁面８２と、ダイアフラム９ｂの第一側の壁面９２との間に形成されている。
　これにより、第一導入流路２０ａと第二導入流路２０ｂとは、中央のダイアフラム８を介して隣り合うように配置される。
　同様に、端板でもあるダイアフラム１３ａ，１３ｂと、それらに隣接するダイアフラム１２ａ，１２ｂとの間には、上述した吐出ポート１９ａ，１９ｂにそれぞれ連通する導出流路２１ａ，２１ｂが形成されている。
　このうち第一のガスエキスパンダセクション５ａの導出流路２１ａは、ケーシング本体６の吐出ポート１９ａに連通しており、第二のガスエキスパンダセクション５ｂの導出流路２１ｂは、ケーシング本体６の吐出ポート１９ｂに連通している。
　各々の第一導入流路２０ａ，及び第二導入流路２０ｂにおけるインペラ４上流側には、ガスのインペラ４への流入を案内する複数のノズル翼２４が設けられている。本実施形態においては、１７枚のノズル翼２４が設けられている。
　図３に示すように、ノズル翼２４は、周方向に等間隔に配設されている。各々のノズル翼２４は、軸方向視における断面形状が、前縁が丸く、後縁が尖ったいわゆる翼形状に形成されている。また、ノズル翼２４は、前縁が周方向外周側に、後縁が周方向内周側に配置されているとともに、後縁が回転軸３の回転方向Ｒに沿うように、前縁に対して回転方向Ｒ進行方向側に傾斜して配置されている。即ち、ガスの流れ方向上流側に前端を、下流側に後端を配置している。
　また、ノズル翼２４の断面形状は、例えば、数値流体力学（ＣＦＤ）解析を用いて決定されている。そのため、本実施形態のノズル翼２４の断面形状は、ガスの流れ方向（以下、流線方向と称す）に沿う中心線に対して非対称形に形成されている。即ち、ノズル翼２４はインペラ４において、ガスを膨張・増速させる作用を促すよう、ガスの流れを滑らかにインペラ４導入するような形状を有している。
　ノズル翼２４の更に外周側には、支持部材として複数の（１７枚）支持翼２５が設けられている。支持翼２５は、ノズル翼２４と同様に、周方向に等間隔に配設されている。各々の支持翼２５は、軸方向から見た断面形状が、前縁が丸く、後縁が尖ったいわゆる翼型に形成されている。また、支持翼２５は、前縁が周方向外周側に、後縁が周方向内周側に配置されているとともに、後縁が回転方向Ｒに沿うように、前縁に対して回転方向Ｒ進行方向側に傾斜して配置されている。即ち、支持翼２５は流線方向上流側に前端を、下流側に後端を配置している。
　また、支持翼２５の形状は、支持翼２５同士の間の幅Ｗが流線方向、即ち径方向で略等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って、次第に幅が狭くなるように形成されている。
　なお、支持翼２５の断面形状はノズル翼２４とは異なり、流線方向に沿う中心線に対して対称形に形成されている。支持翼２５の形状、周方向の位置、及び径方向の位置は、ノズル翼２４に導入されるガスに極力影響を及ぼさないように、やはりＣＦＤ等を用いて決定されるが、特に、流線に沿った形状とすることが好ましい。また、流線方向の長さは、流線への影響が小さい（流線を乱さない）範囲内とし、極力短くすることが好ましい。また、ガスの流量によって流線は変化するため、使用条件に応じて適宜決定することが好ましい。
　各ガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂにおける中間のダイアフラム９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａ及び９ｂ，１０ｂ，１１ｂ，１２ｂには、前段のインペラ４の吐出口４２と後段のインペラ４の吸込口４１とを接続する断面Ｕ字状のリターンベンド（中間流路）２７が形成される。これらのリターンベンド２７には、インペラ４の上流側に配置されたノズル翼２４と、後段のインペラ４の吸込口４１へのガス流れを効率の良いガス流れにするための１７枚のリターンベーン２８とが設けられている。
　上述した構成のラジアルガスエキスパンダ１の動作を説明する。まず、所定のプラントから吸込ポート１８ａを介して高温・高圧のガスが、第一のガスエキスパンダセクション５ａに導入される。ガスは、第一のガスエキスパンダセクション５ａ内において、四段のインペラ４により四段階に亘ってガスの吸込み、膨張を繰り返し、吐出ポート１９ａより吐出される。次いで、ガスはガス配管２２及び吸込ポート１８ｂを介して第二のガスエキスパンダセクション５ｂに導入され、第二のガスエキスパンダセクション５ｂにおいて膨張され、吐出ポート１９ｂより吐出される。
　二つのガスエキスパンダセクション５ａ，５ｂの内部において、流入するガスは軸方向に流れるように構成されている。ただし、上述した構成により、ガスは互いに反対方向に流れる。即ち、ガスは、ガスエキスパンダセクション５ａでは軸方向の第二側から第一側へ流れる。また、ガスエキスパンダセクション５ｂでは軸方向の第一側から第二側へ流れる。
　ここで、吸込ポート１８ａを介して第一導入流路２０ａに導入されるガスの圧力と比較して、吸込ポート１８ｂを介して第二導入流路２０ｂに導入されるガスの圧力は低くなっている。即ち、ダイアフラム８を介して隣り合う第一導入流路２０ａ内の圧力と第二導入流路２０ｂ内の圧力の圧力差が大きくなっている。
　上記実施形態によれば、第一導入流路２０ａ内の圧力と第二導入流路２０ｂ内の圧力の圧力差が大きく、第一導入流路２０ａと第二導入流路２０ｂとの間に形成されている中央のダイアフラム８に対して、このダイアフラム８を変形させるような力がかかった場合においても、支持翼２５が設けられていることによって変形量を低減することができる。また、支持翼２５は、断面視して翼形状に形成されていることにより、図４に示すように、支持翼２５の周辺を流れるガスの流線Ｌの乱れを低減することができる。
　また、支持翼２５は、支持翼２５同士の間の幅Ｗが径方向に等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って、次第に幅が狭くなるように形成されていることによって、支持翼２５の周囲を通過するガスを増速することなく、滑らかにノズル翼２４に導入することができる。
　また、支持翼２５は、流線方向に対して対称な形状となっているため、より容易に製造することができる。
　また、ケーシング２を構成する複数のダイアフラム群７は、軸方向に分割可能であるため、容易に内部のメンテナンスを行うことができる。
　なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、支持翼２５は、流線方向に対して非対称形状としてもよい。
本発明のラジアルガスエキスパンダによれば、所望の性能を得るとともに、ケーシングを構成するダイアフラムの壁の変形量を低減することができる。
１　ラジアルガスエキスパンダ
２　ケーシング
３　回転軸
４　インペラ
５　ガスエキスパンダセクション
６　ケーシング本体
７　ダイアフラム群
８，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ　ダイアフラム
２０ａ　第一導入流路（導入流路）
２０ｂ　第二導入流路（導入流路）
２４　ノズル翼
２５　支持翼（支持部材）
２７　リターンベンド
２８　リターンベーン

Claims (4)

  1. 　回転軸と、
    　前記回転軸に固定されたインペラと、
    　前記回転軸が回転可能に支持されているとともに、前記インペラに流体を導入する導入流路が形成されたケーシングとを備え、
    　前記導入流路には、前記インペラへ流入される流体を案内するノズル翼と、
    　前記ノズル翼の上流側に設けられ、前記導入流路の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材とが設けられ、
    　前記支持部材は、断面視して翼形状に形成されているラジアルガスエキスパンダ。
  2. 　回転軸と、
    　前記回転軸に固定されたインペラによってそれぞれ構成され、軸方向に対称に設けられた二組のインペラ群と、
    　前記回転軸が回転可能に支持されているとともに、第一の組のインペラ群に流体を導入する第一導入流路、及び前記第一導入流路と隣り合うように設けられ、第二の組のインペラ群に前記第一の組のインペラ群から吐出された流体を導入する第二導入流路とが形成されたケーシングとを備え、
    　前記第二導入流路には、前記インペラへ流入される流体を案内するノズル翼と、
    　前記ノズル翼の上流側に設けられ、前記第二導入流路の互いに対向する壁面の間を支持する支持部材とが設けられ、
    　前記支持部材は、断面視して翼形状に形成されているラジアルガスエキスパンダ。
  3. 　前記支持部材は、前記回転軸回りに複数設けられ、前記支持部材同士の間の幅が径方向に等しくなるように、径方向外周側から内周側に向かうに従って、次第に幅が狭くなるように形成されている請求項１又は請求項２に記載のラジアルガスエキスパンダ。
  4. 　前記ケーシングは、ケーシング本体と、前記ケーシング本体に内蔵され、一体に連結された複数のダイアフラムとを有し、
    　前記導入流路は、前記ダイアフラム同士の間に形成されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のラジアルガスエキスパンダ。
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