JP2018132021A - 遠心圧縮機及び遠心圧縮機の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェットガス環境下において使用され得る遠心圧縮機の効率を改善する。【解決手段】ハブ壁と、シャフトを回転軸として回転可能な翼と、翼に対してハブ壁の反対側に位置するシュラウド壁とを有する遠心圧縮機であって、翼の圧力面及び負圧面を貫通する通孔を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、遠心圧縮機及び遠心圧縮機の使用方法に関する。

天然ガス（プロセスガス）を生産する生産プラントでは、地下の天然ガス田に向かう数千メートル長の井戸を掘り、天然ガスを採掘している。

生産プラントの稼動当初は、天然ガス田が持つ自噴圧力によって、地下から地上に向けて天然ガスが井戸を通って噴出する。しかしながら、例えば稼働から暫くすると自噴圧力が減衰していくため、天然ガスの噴出速度が低下して生産性が低下していく。

このため、井戸の中に遠心圧縮機を設置して、天然ガスを地上に圧送するという方法が知られている。

より天然ガス田に近い場所に遠心圧縮機を設置することが生産効率改善の観点からは好ましいが、天然ガスには水や油などの液体が混入しており、遠心圧縮機の効率向上や故障抑制等の観点から、液体を除去することが望まれている。

このような中、遠心圧縮機の液体を除去する技術として特許文献１が知られている。特許文献１は、羽根５０，８４から液滴を除去し、羽根自体の中に配置されるチャネル（不図示）に流体連通されているスロット６２，８２を含む小滴キャッチャ６０，８０を開示している（００２０〜００２３、図５〜７）。具体的には、チャネルの深さは、小滴がスロットアパーチャ６２から離れてキャッチャ６０に入って圧縮機から出るときに、流体が羽根車表面まで戻るように逆流することがないように小滴を運ぶことができるくらいの十分な深さである。また、チャネルは、旋回する羽根車の遠心力がチャネルに沿って小滴をスロット入口６２から引き込んで圧縮機シュラウドの外に出すのに有効となるように、構成される。

特表２０１３−５０８６１８号公報

特許文献１は、羽根自体の中に配置されるチャネルを通って圧縮機外に液滴が誘導されるため、捕捉された液滴は、羽根のうち、外径側の領域を通って圧縮機外に排出されるものと考えられる。液滴が回転軸から遠く離れた位置を通過した後に排出されることから、特に、外径側の液滴を運動させるための軸動力までもが必要となるので、圧縮機の効率が低下してしまう。

上記事情に鑑みてなされた第１の発明は、ハブ壁と、シャフトを回転軸として回転可能な翼と、該翼に対して前記ハブ壁の反対側に位置するシュラウド壁とを有する遠心圧縮機であって、前記翼の圧力面及び負圧面を貫通する通孔を有することを特徴とする。

また、上記事情に鑑みてなされた第２の発明は、ハブ壁と、シャフトを回転軸として回転可能な翼と、該翼に対して前記ハブ壁の反対側に位置するシュラウド壁とを有する遠心圧縮機の使用方法であって、ウェットガスに含まれる液体が、前記翼の圧力面及び負圧面を貫通する通孔を通過しつつ該通孔を閉塞する環境下で駆動させることを特徴とする。

実施例１の遠心圧縮機の全体構成図 図１のＡ部拡大図 図２のＢ−Ｂ断面による軸方向視図 実施例２の遠心圧縮機のＡ部拡大図 実施例３の遠心圧縮機のＢ−Ｂ断面による軸方向視図

以下、本発明の実施例を、添付の図面を参照しつつ説明する。本発明の各種の構成要素は必ずしも互いに独立している必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素の一部と別の構成要素の一部とが互いに重複すること、等を許容する。また、同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。

図１は実施例１の遠心圧縮機１の全体構成を示す図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は図２のＢ−Ｂ断面による軸方向視図である。Ａ部は、羽根車１１周辺である。
遠心圧縮機１は、プロセスガスを昇圧し圧送する圧縮部としての羽根車１１、羽根車１１の回転軸であるシャフト１２、及びシャフト１２に回転力を付与するステータ１３を有する遠心圧縮機構部と、筒状の側壁１５によって側周を囲まれた空間である吸込流路１４を備える。吸込流路１４は、シャフト１２の回転に伴い、遠心圧縮機１雰囲気を吸引して遠心圧縮機構部に案内することができる。

遠心圧縮機１は、例えばプロセスガス雰囲気中に設置することができる。本実施例におけるプロセスガスは、例えば水等の液体を一部に含む流体としてのウェットガスである。ウェットガスは、例えば略飽和蒸気圧の下で液体を含んでいてよい。吸込流路１４の一部は、本実施例のように、遠心圧縮機構部を取り囲んでいても良い。また、遠心圧縮機１の設置方向は特に制限されず、本実施例のように吸込流路１４を下側かつ羽根車１１を上側とするようにして重力方向に略平行に設置してもよいし、その他の方向に設置してもよい。以下、シャフト１２の軸方向を上下方向とも呼ぶが、上述のとおり、上下方向は重力方向に平行でなくともよい。また、軸方向に垂直な方向を径方向と呼び、軸方向及び径方向に垂直な方向を周方向と呼ぶ。

遠心圧縮機１は、シャフト１２に固定されているハブ壁１６と、ハブ壁１６に対して空間を介して位置するシュラウド壁１７を有する。ハブ壁１６は、一部がシャフト１２に固定された被固定部であり、他の一部又は残部がシャフト１２に略垂直に設けられた板状部である。シュラウド壁１７は、吸込流路１４において、ハブ壁１６の板状部よりも軸方向上流側に位置しているとともに、径方向内側の端部は、ハブ壁１６の板状部の径方向内側の端部よりも径方向外側に位置している。そして、ハブ壁１６及びシュラウド壁１７の間には空間が形成されており、これが吸込流路１４に連通している。これにより、吸込流路１４を流れるプロセスガスは、ハブ壁１６の板状部のうち径方向内側の部分に衝突するように構成される。このような構成は例えば、吸込流路１４の或る部分における流路方向に略垂直となるように板状部の一部を形成することで実現できる。本実施例では、吸込流路１４のうち、図２に例示する流路方向Ｄを持つ部分の下流側に、板状部が流路方向Ｄに対して略垂直な方向に設けられている。

また、ハブ壁１６とシュラウド壁１７の間には、翼１８が放射状に配置されている。翼１８は、シャフト１２の周方向に略垂直な曲面にすることができる。翼１８は、シャフト１２の回転に伴いプロセスガスを押す面（翼１８のうち、回転方向側の面）である圧力面１９と、圧力面１９の反対側の面である負圧面２０とを有する。そして、翼１８は、圧力面１９及び負圧面２０を貫通する通孔２１を有する。

通孔２１は、翼１８のうち、軸方向について、ハブ壁１６側に設けられている。また、通孔２１は、翼１８のうち、径方向について、径方向内側（プロセスガスの吸入側）に設けられている。これは、以下の理由による。
羽根車１１が回転すると、吸込流路１４を介して遠心圧縮機１の外部からプロセスガスが吸込まれて圧縮され、下流側に圧送される。その際、プロセスガスに含まれる液滴２２がプロセスガスとともに圧送される。具体的な流れとしては、まず、流体（プロセスガス及び液滴２２）は、吸込流路１４上流側から羽根車１１へと流入する。羽根車１１に流入した流体は、羽根車１１直前の吸込流路１４の流路方向Ｄにおける投影面内にある領域、すなわち、ハブ壁１６の比較的内径側の領域に衝突して進路を径方向外側に変える。翼１８の回転に伴い、流体は外径側に移動し、翼１８の外径側に位置する出口２９から遠心圧縮機１外部に排出される。

液体（液膜２３又は液滴２２）の流れに注目すると、ハブ壁１６の比較的内径側の領域に衝突した液体は、ハブ壁１６に薄く広がって液膜２３を形成する。液体は、圧送されるプロセスガスの流れに従って内径側から外径側に向かって力を受けて移動していく。その途中、液膜２３は翼１８の回転移動によって翼１８に付着する。すると、液体は質量を有するため、翼１８に付着すると遠心圧縮機１の軸動力を増加させてしまう。これは特に、翼１８の圧力面１９側や翼１８の外径側に存在する場合に顕著である。設計軸動力を超過すると、遠心圧縮機１の運転が停止するといった虞があるため、軸動力の増加を抑制することが望まれる。このため、液体を翼１８の圧力面１９側から負圧面２０側に移動させることが好ましく、また、その移動を内径側の領域で行うことが好ましい。

本実施例では、通孔２１を上記のように設けているため、液体は、圧力面１９から負圧面２０に連通した通孔２１を通り、負圧面２０側に移動する。負圧面２０側に移動した液体は、自らの表面張力によって負圧面２０から球状に突出して、液滴２２を形成しようとする。すると、この液体は、遠心圧縮機１の駆動に伴うプロセスガスのせん断力により、負圧面２０から離脱させられて、プロセスガスの流れに追従する液滴２２となり、径方向外側に向かい、羽根車１１より圧送される。

このようなメカニズムにより、通孔２１を用いてプロセスガス（ウェットガス）中の液体による軸動力の増加を抑制できる。通孔２１の位置は、ハブ壁１６に形成される液膜２３の膜厚の期待される厚みに鑑みて設定し得る。例えば、軸方向における位置については、翼１８の径方向外端位置におけるハブ壁１６側からシュラウド壁１７側に向かって１／２又は１／３の距離に相当する位置よりもハブ壁１６に近い範囲に設けることができる。また、径方向については、翼１８の径方向道のりの１／２又は１／３の位置よりも内径側にすることができる。

通孔２１の形状、貫通方向又は個数は、翼１８の圧力面１９側から負圧面２０にかけて貫通する態様であれば、特に制限されない。例えば形状としては、円孔、楕円孔、多角形孔にすることができるが、円孔や楕円孔のように丸みのある形状が好ましい。これは、液体が表面張力によって例えば負圧面２０側で球状になろうとする場合に、比較的大きな球状になりやすいため、プロセスガスによるせん断を行いやすいからである。

また、貫通方向は、翼１８に略垂直に設けてもよいし、内径側から外径側に向かうように設けてもよい。また、個数は１つ以上であればよい。

通孔２１の面積もまた特に制限されないが、好ましくは、遠心圧縮機１の使用環境下の温度、この環境下におけるウェットガス中の液体の動粘度や表面張力係数を考慮して、液体が通孔２１を通過でき、かつ通孔２１を液体で塞ぐことができるものにすることが好ましい。遠心圧縮機１の駆動中、通孔２１が液体で塞がれずに開放されていると、通孔２１を介してプロセスガスが圧力面１９側から負圧面２０側に通り抜けてしまい、遠心圧縮機１の効率が低下する虞がある。このため、液体を通過させつつ、液体によって通孔２１を塞ぐことでプロセスガスが通孔２１を通過しないまたはし難い状態にすることが好ましい。

本実施例の構成は、次の点を除き実施例１と同様にできる。図４は本実施例における遠心圧縮機１のＡ分拡大図である。
本実施例における翼１８０の一部の領域は、シュラウド壁１７の内径側端部よりも内径側に設けられている。そして、翼１８０のうち、吸込流路１４における流路方向Ｄに平行な投影面内に通孔２１０の少なくとも一部が設けられている。これにより、吸込流路１４を流れる液滴２２は、ハブ壁１４に衝突して間もなく通孔２１０に進入できる。したがって、液体をさらに内径側で通孔２１０に案内できるため、より軸動力の増加を抑制できる。

本実施例の構成は、次の点を除き実施例１又は２と同様にできる。図５は本実施例の遠心圧縮機のＢ−Ｂ断面による軸方向視図である。
本実施例における通孔２１００は、圧力面１９から負圧面２０に向かうにつれて外径側に向かう方向に設けられている。また、通孔２１００は、翼１８のうち、通孔２１００が設けられている位置において、翼１８に略垂直な方向よりも外径側を向いている。

このような通孔２１００によれば、翼１８に付着した液体を負圧面２０側に案内しやすいため、好ましい。

１：遠心圧縮機
１１：羽根車
１２：シャフト
１３：ロータ
１４：吸込流路
１５：側壁
１６：ハブ壁
１７：シュラウド壁
１８：翼
１９：圧力面
２０：負圧面
２１：通孔
２２：液滴
２３：液膜

Claims (8)

1. ハブ壁と、シャフトを回転軸として回転可能な翼と、該翼に対して前記ハブ壁の反対側に位置するシュラウド壁とを有する遠心圧縮機であって、
   前記翼の圧力面及び負圧面を貫通する通孔を有することを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記通孔は、径方向について、前記翼のうち、内径側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記ハブ壁及び前記シュラウド壁の間の領域に連通する吸込流路を有し、
   前記通孔は、前記吸込流路の流路方向における投影面内に位置することを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記ハブ壁及び前記シュラウド壁の間の領域に連通する吸込流路を有し、
   前記ハブ壁の一部の領域は、前記吸込流路の流路方向における投影面内に位置し、
   前記シャフトの軸方向について、前記通孔は、前記ハブ壁と前記シュラウド壁とのうち、前記ハブ壁側に位置していることを特徴とする請求項１乃至３何れか一項に記載の遠心圧縮機。
5. 前記通孔は、丸みのある形状であることを特徴とする請求項１乃至４何れか一項に記載の遠心圧縮機。
6. 前記通孔は、前記圧力面から前記負圧面に向かうにつれて外径側に向かう方向に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５何れか一項に記載の遠心圧縮機。
7. 前記通孔は、当該遠心圧縮機がウェットガス環境下で使用された場合、該ウェットガスに含まれる液体を通過させつつ該液体によって塞がれる態様であることを特徴とする請求項１乃至６何れか一項に記載の遠心圧縮機。
8. ハブ壁と、シャフトを回転軸として回転可能な翼と、該翼に対して前記ハブ壁の反対側に位置するシュラウド壁とを有する遠心圧縮機の使用方法であって、
   ウェットガスに含まれる液体が、前記翼の圧力面及び負圧面を貫通する通孔を通過しつつ該通孔を閉塞する環境下で駆動させることを特徴とする遠心圧縮機の使用方法。

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