JP6033476B2

JP6033476B2 - 軸流式エキスパンダ

Info

Publication number: JP6033476B2
Application number: JP2015561776A
Authority: JP
Inventors: 森　一石; 一石森; 英樹永尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: WO2014208777A1; CN105324554A; US20160153293A1; EP3014077A4; CN105324554B; JP2016522343A; EP3014077B1; EP3014077A1; US10036265B2

Description

本願は、２０１３年６月２８日に、森及び永尾により米国に出願された米国特許仮出願第６１／８４０，８０２である「軸流式エキスパンダ」に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

本発明は、冷凍サイクル等に用いられる回転機械であるエキスパンダに関する。

従来から、窒素ガス等の気体をエキスパンダで膨張させた際の冷熱を冷却に利用する冷凍サイクルを用いて、ＬＮＧやＬＰＧなどの液化ガスを生成したり、空気から窒素及び酸素を液化分離している。

ところが、このようなエキスパンダとして用いられる回転機械は、小流量の気体の膨張に対応する遠心式のエキスパンダが知られているのみであり、大容量プラントで液化ガスを生成する際にはこのような遠心式エキスパンダが複数台必要となっている。このため、コストアップ、設置スペースの増大、メンテナンス性等の点で好ましくないのが現状である。

ここで、大容量プラントにおいて大流量の気体の膨張に対応できるとともに、上記問題を解決可能とするため、エキスパンダとして軸流式の回転機械を採用することが考えられる。なおこのような軸流式の回転機械を採用した場合においては、大流量に対応する際には動翼の高さ寸法が大きくなってしまい、スラスト力の発生が問題となる。しかし例えば特許文献１に開示された軸流タービンのようなダブルフロー型の構造を採用することで、このようなスラスト力を打ち消すことが可能であり、この点で性能が低下してしまうことはない。

特開２００３−２７９０１号公報

しかしながら、回転機械おいては、回転軸や翼部材等の内部構成部品の点検等を考慮し、これらの部品がケーシングから取り出し可能に設けられている必要がある。特許文献１に開示された軸流タービンでは、内部構成部品を取出し可能とする構造に関する記載はないものの、水平面で二つに分割された構造となっていると考えられ、またこのような構造が一般に用いられている。ところが、冷凍サイクルに用いられるエキスパンダでは作動流体が上述したような窒素等であるため、特許文献１のように作動流体が蒸気である場合と比較して、ケーシング内部が高圧状態となる。このため分割面からの作動流体のリーク等の懸念がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、大流量化が可能であるとともに高圧に対応可能な軸流式エキスパンダを提供することを目的とする。

即ち、本発明に係る軸流式エキスパンダは、気体を軸線に沿って流通させて該気体を膨張させる軸流式エキスパンダであって、
前記軸線を中心とした筒状をなして、前記気体を内部に取り込む吸気口、及び該吸気口に対して前記軸線の一方側及び他方側の端部位置で前記気体を内部から吐出する吐出口を有する外側ケーシングと、
前記軸線を中心とした筒状をなして、前記外側ケーシングの内部に固定され、前記気体を流通させる流路を内部に画成するとともに、前記流路と前記吸気口とを連通する第一連通部、及び前記流路と前記吐出口とを連通する第二連通部が形成された内側ケーシングと、
前記内側ケーシングによって外周側から覆われて、前記軸線を中心に該軸線の方向に延在する回転軸と、
前記内側ケーシングに固定され、前記軸線を中心に前記内側ケーシングに対して相対回転可能に前記回転軸を支持する軸受と、
前記流路内に配置されて、前記内側ケーシングの内周面側から前記軸線の径方向内側に突出するように固定され、前記軸線の方向に互いに間隔をあけて設けられた複数列の静翼列と、
前記流路内に配置されて、前記回転軸から径方向外側に突出するように固定され、各々の前記静翼列に前記軸線の方向に隣接して一列ずつ設けられた複数列の動翼列と、
を備え、
前記内側ケーシング、前記回転軸、前記軸受、前記複数列の静翼列、前記複数列の動翼列は一体となったバンドルを構成し、前記外側ケーシングの内部に前記軸線の方向に挿入されている。

このような軸流式エキスパンダによると、気体を吸気口から第一連通部を介して静翼列及び動翼列が配された流路に流入させ、また流路内を軸線の一方側と他方側の両方向に流通させて第二連通部を介して吐出口から流出させるいわゆるダブルフロー型の軸流式エキスパンダとなっている。よって、気体が流路において静翼列、動翼列の間を通過することで回転軸を回転させる際に発生するスラスト方向の力を打ち消すことができるため、大流量化にともなって動翼列が大きくなったとしても安定した運転が可能である。

さらに、内側ケーシングに覆われるようにして回転軸、軸受、静翼列、動翼列が一体となったバンドルがケーシングの内部に挿入される構成となっているため、外側ケーシングには分割面が存在せず、部品点数を低減できる。さらに外側ケーシングに分割面が存在しないことで、このような分割面からの気体のリークは存在せず、リーク対策を講じる必要がない。

軸受も含めて一体のバンドルとして、外側ケーシングの内部に挿入して設置することができるため、別途軸受台を設けて軸受を支持する必要はない。また、外側ケーシングと軸受台との間のアライメント調整等も不要となるため、設置の省力化が可能である。

また、前記内側ケーシングは、前記複数列の静翼列が設けられて、前記第一連通部及び前記第二連通部が形成された内側ケーシング本体と、
前記内側ケーシング本体における前記軸線の方向の一方側の端部及び他方側の端部に固定されて、前記軸受を固定して支持するヘッドと、
を有していてもよい。

本発明によれば、このように内側ケーシング本体とヘッドとを分割して内側ケーシングを構成することで、軸受及び回転軸の設置が容易となる。

さらに、前記内側ケーシング本体は、
前記複数列の静翼列が設けられ、前記第一連通部が形成された本体部と、
前記本体部の前記軸線の方向の一方側及び他方側に固定されるとともに前記ヘッドを固定し、前記第二連通部が形成された接続部と、
を有していてもよい。

このように内側ケーシング本体が、本体部と接続部とに分割されている。このため、大流量化にともなって内側ケーシング内の静翼列、動翼列、回転軸が大型化しても、容易に組み立て可能である。

また、前記接続部には、前記軸線の方向を向く端面から該軸線の方向に環状に突出する凸部が形成され、前記本体部には、前記凸部に嵌合するように、前記軸線の方向を向く端面から該軸線の方向に環状に凹む凹部が形成されていてもよい。

本発明によれば、このような凸部、凹部によって、接続部と本体部の位置合わせを容易とし、内側ケーシングの組み立ての容易化を図ることができる。

さらに、前記ヘッドには、前記軸線の方向の端面に固定されて前記流路内に配され、前記軸線の方向の中央位置から該軸線の方向に離間するに従って、径方向内側から外側に向かって傾斜し、前記気体を前記第二連通部へ案内する案内面を有する吐出ガイドが設けられていてもよい。

本発明によれば、このような吐出ガイドによって、流路内で動翼列、静翼列を通過して仕事を終えた気体を第二連通部を通じて吐出口からスムーズに吐出することができる。

本発明の軸流式エキスパンダによると、ケーシング内部に回転軸、静翼列、動翼列を有して一体となったダブルフロー型のバンドルをケーシング内部に挿入設置するため、大流量化が可能であるとともに、高圧に対応できる。

本発明の実施形態に係る軸流式エキスパンダを示す全体断面図である。本発明の実施形態の変形例に係る軸流式エキスパンダを示す全体断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る軸流式エキスパンダ１について説明する。

軸流式エキスパンダ１は、冷凍サイクルのエキスパンダに用いられ、窒素ガス（気体）Ｇの膨張を行うものである。
図１に示すように、軸流式エキスパンダ１は、筒状をなす外側ケーシング２と、外側ケーシング２の内部に挿入されて設置されるバンドル３とを備えている。

外側ケーシング２は、軸線Ｐを中心とした筒状をなし、軸線Ｐの方向の中央位置において軸線Ｐに直交する仮想線Ｌに対して、図１の紙面の左右に対称となるように形成されている。さらに、この外側ケーシング２には、上記仮想線Ｌが描かれた中央位置で径方向に突出するように設けられた吸気口５を有している。
この吸気口５には、外側ケーシング２の内外を連通するように径方向に貫通する貫通孔が形成されており、窒素ガスＧを外側ケーシング２の内部へ導入可能となっている。また、この吸気口５には径方向外側の端部の位置で、外周面の一部で外径が大きくなったフランジ部５ａが形成されており、このフランジ部５ａを介して不図示の吸気ダクトに接続可能となっている。

また、外側ケーシング２は、吸気口５とは軸線Ｐを挟んで周方向の反対側となる位置で、かつ、軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１（図１の紙面左側）及び他方側Ｐ２（図１の紙面右側）の両側端部で、径方向に突出するように設けられた吐出口６を有している。この吐出口６には、外側ケーシング２の内外を連通するように径方向に貫通する貫通孔が形成されて、窒素ガスＧを外側ケーシング２の外部に吐出可能となっている。またこの吐出口６には、径方向外側の端部位置で外周面の一部で外径が大きくなったフランジ部６ａが形成されており、このフランジ部６ａを介して不図示の吐出ダクトに接続可能となっている。

また、外側ケーシング２には、軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２の端部で、径方向内側に環状に突出する突出部２ｂが設けられており、バンドル３を外側ケーシング２の内部に挿入した際にこの突出部２ｂが軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１からバンドル３に係合して、軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２から外側ケーシング２の外部への突出を規制する。換言すると、バンドル３は、軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１からのみ挿入可能とされている。

さらに、外側ケーシング２の内周面２ａの軸線Ｐ方向の一方側Ｐ１の端部寄りの位置には、径方向外側に向かって環状に凹むケーシング凹部２ｃが形成されている。このケーシング凹部２ｃには、後述する規制リング３０が嵌め込まれている。

次に、バンドル３について説明する。
バンドル３は、回転軸４と、回転軸４を支持する軸受７と、回転軸４を径方向外側から覆うとともに軸受７が固定された内側ケーシング９とを有している。
さらに、このバンドル３は、内側ケーシング９における径方向内側に設けられた静翼列３１と、静翼列３１に軸線Ｐの方向に隣接するように回転軸４に設けられた動翼列３２とを有している。

回転軸４は、軸線Ｐを中心とした棒状をなして軸線Ｐの方向に延在しており、仮想線Ｌに対して、軸線Ｐ方向の一方側Ｐ１と他方側Ｐ２とで対称となるように形成されている。

軸受７は、軸線Ｐ方向の一方側Ｐ１及び他方側Ｐ２となる位置で一対が設けられて、回転軸４を軸線Ｐを中心に回転可能となるように支持しており、自身は内側ケーシング９に固定されている。

内側ケーシング９は、軸線Ｐを中心とした筒状をなして回転軸４を径方向外側から覆っている。そしてこの内側ケーシング９は、仮想線Ｌ上となる軸線Ｐの方向の中央位置に配された内側ケーシング本体１０と、この内側ケーシング本体１０における軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１と他方側Ｐ２の端部に固定されたヘッド２５とを有して、全体として略円筒状をなし、外側ケーシング２の内部に内側空間Ｓを画成している。

内側ケーシング本体１０は、仮想線Ｌ上となる軸線Ｐの方向の中央位置に配された仕切板ハウジング（本体部）１１と、この仕切板ハウジング１１とヘッド２５との間に配された第一及び第二吐出部ケーシング（接続部）１２とを有している。第一吐出部ケーシング１２は、仕切板ハウジング１１と一方のヘッド２５（第一ヘッド２５Ａ）との間に配置されている。第二吐出部ケーシング１２は、仕切板ハウジング１１と他方のヘッド２５（第二ヘッド２５Ｂ）の間に配置されている。

仕切板ハウジング１１は、軸線Ｐを中心として軸線Ｐの方向に延在して略円筒状をなす筒状部１５を有している。また、仮想線Ｌ上となる位置で筒状部１５から径方向外側に周方向にわたって環状に突出して筒状部１５の外径が大きく形成された外側環状部１６と、同様に仮想線Ｌ上となる位置で筒状部１５から径方向内側に周方向にわたって環状に突出して筒状部１５の内径が小さくなるように形成された内側環状部１７とを有している。

外側環状部１６は、外側ケーシング２の内周面２ａに係合しており、内部には周方向にわたって軸線Ｐを中心とした第一環状空間Ｓ１が形成されている。また外側環状部１６には、この第一環状空間Ｓ１と外側ケーシング２における吸気口５とが連通するように、周方向の一部で径方向に貫通する貫通孔である第一連通部１０ａが形成されている。

さらに、この外側環状部１６の軸線Ｐの方向を向く両端面には、ちょうど筒状部１５に接する径方向内側の端部位置で、軸線Ｐの方向に周方向にわたって環状に凹む凹部１０ｄが形成されており、後述する環状固定部２０の第一凸部（凸部）２０ａが嵌合するようになっている。

内側環状部１７は、回転軸４に向かって筒状部１５から突出しており、その軸線Ｐの方向の寸法は外側環状部１６よりも小さくなっている。またこの内側環状部１７は回転軸４に対向するように設けられており、内部には周方向にわたって軸線Ｐを中心とした第二環状空間Ｓ２が形成されている。さらにこの内側環状部１７には、第二環状空間Ｓ２が軸線Ｐ方向に周方向に間欠的に開口する開口部１０ｅが形成されている。

静翼列３１のうちのいくつかは、筒状部１５の内周面において、ケーシング２の一方側Ｐ１で、筒状部１５の内周面１５ａから径方向内側に突出するように固定されている。静翼列３１のうちの残りは、筒状部１５の内周面において、ケーシング２の他方側Ｐ２で、筒状部１５の内周面１５ａから径方向内側に突出するように固定されている。
筒状部１５には、仮想線Ｌ上となる軸線Ｐの方向の中央位置で、周方向にわたって径方向に貫通して、第一環状空間Ｓ１と第二環状空間Ｓ２とを連通する第三連通部１０ｃが形成されている。そしてこの第三連通部１０ｃ内には、周方向に間隔をあけて複数のガイドベーン１８が設けられている。

外側ケーシング２の吸気口５から取り込まれた窒素ガスＧが、第一連通部１０ａを通じて第一環状空間Ｓ１に導入され、第三連通部１０ｃでガイドベーン１８によって整流された後に第二環状空間Ｓ２に流入する。第二環状空間Ｓ２からは、開口部１０ｅを通じて、内側空間Ｓにおける静翼列３１の設けられた窒素ガスＧの流路となる部分へ、即ち軸線Ｐ方向の一方側Ｐ１と他方側Ｐ２とに窒素ガスＧが分離されて導入される。

第一吐出部ケーシング１２は、ケーシング２の内面において、仕切板ハウジング１１の一方側Ｐ１に取り付けられて固定されている。
第二吐出部ケーシング１２は、ケーシング２の内面において、仕切板ハウジング１１の他方側Ｐ２に取り付けられて固定されている。
第一吐出部ケーシング１２は、外側環状部１６の一方側端面に当接して固定される一方の環状固定部２０と、環状固定部２０から軸線Ｐ方向の一方側Ｐ１に延びてヘッド２５を固定する略円筒状をなす一方側筒状本体部２１とを有している。
第二吐出部ケーシング１２は、外側環状部１６の他方側端面に当接して固定される他方の環状固定部２０と、環状固定部２０から軸線Ｐ方向の一方側Ｐ１又は他方側Ｐ２に延びてヘッド２５を固定する略円筒状をなす他方側筒状本体部２１とを有している。

環状固定部２０は、軸線Ｐを中心とした環状をなす部材であり、外側環状部１６とは軸線Ｐ方向、及び径方向から当接して不図示のボルトによって固定されている。
第一吐出部ケーシング１２の環状固定部２０には、外側環状部１６と当接する軸線Ｐ方向を向く端面に、外側環状部１６の凹部１０ｄが嵌合可能となるように、軸線Ｐ方向に向かって突出する第一凸部２０ａが周方向にわたって環状に形成されている。
第二吐出部ケーシング１２の環状固定部２０には、外側環状部１６と当接する軸線Ｐ方向を向く端面に、外側環状部１６の凹部１０ｄが嵌合可能となるように、軸線Ｐ方向に向かって突出する第一凸部２０ａが周方向にわたって環状に形成されている。

筒状本体部２１は、環状固定部２０と一体に設けられている。筒状本体部２１の外周面２１ａは軸線Ｐの方向に延びている。筒状本体部２１は外側ケーシング２の内周面２ａに係合している。ヘッド２５Ａは、第一吐出部ケーシング１２の筒状本体部２１の端部に、ボルト等により固定される。ヘッド２５Ｂは、第二吐出部ケーシング１２の筒状本体部２１の端部に、ボルト等により固定される。
第一吐出部ケーシング１２の筒状本体部２１には、筒状本体部２１の端部寄りの位置に、一方側の第二凸部２１ｂが周方向にわたって環状に形成されている。
第二吐出部ケーシング１２の筒状本体部２１には、筒状本体部２１の端部寄りの位置に、他方側の第二凸部２１ｂが周方向にわたって環状に形成されている。

さらに、第一吐出部ケーシング１２の筒状本体部２１には、内側空間Ｓと外側ケーシング２における吐出口６とを連通するように周方向の一部で径方向に貫通する貫通孔である一方の第二連通部１０ｂが形成されている。また、第二吐出部ケーシング１２の筒状本体部２１には、内側空間Ｓと外側ケーシング２における吐出口６とを連通するように周方向の一部で径方向に貫通する貫通孔である他方の第二連通部１０ｂが形成されている。そして第二連通部１０ｂを介して、内側空間Ｓにおける静翼列３１及び動翼列３２の間となる流路を流通した窒素ガスＧを吐出口６から外側ケーシング２の外部へ吐出する。

第一ヘッド２５Ａ（２５）は、仕切板ハウジング１１に軸線Ｐ方向で対向するように、第一吐出部ケーシング１２における筒状本体部２１に不図示のボルト等によって固定されている。
第二ヘッド２５Ｂ（２５）は、仕切板ハウジング１１に軸線Ｐ方向で対向するように、第二吐出部ケーシング１２における筒状本体部２１に不図示のボルト等によって固定されている。

第一ヘッド２５Ａは、軸線Ｐを中心とした環状をなす部材であり、外側ケーシング２の軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１を向く端面からは軸線Ｐを中心とした円盤状に凹むことで、径方向視で三段の階段状となった段差部２７Ａが設けられている。そして、これによって軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１から順に、第一面２７Ａｄ、第二面２７Ａｅ、第三面２７Ａｆの径方向を向く三つの面と、第一段差面２７Ａａ、第二段差面２７Ａｂ、第三段差面２７Ａｃの外側ケーシング２の軸線Ｐ方向を向く三つの面とが形成されている。そして、第二段差面２７Ａｂ、及び第二面２７Ａｅに軸受７が係合して、不図示のボルト等によって固定されている。

さらに、この第一ヘッド２５Ａは、外側ケーシング２の軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２を向く面において、径方向外側の端部位置で軸線Ｐを中心とした環状に凹むことで、径方向視で二段の階段状となった内側段差部２６Ａが設けられている。そして、これによって軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２から順に、第一面２６Ａｃ、第二面２６Ａｄの径方向を向く二つの面が形成され、また軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２から順に第一段差面２６Ａａ、第二段差面２６Ａｂの軸線Ｐ方向を向く二つの面が形成されている。そして、筒状本体部２１の第二凸部２１ｂが、第一段差面２６Ａａ及び第一面２６Ａｃに嵌合し、筒状本体部２１の第二凸部２１ｂよりもヘッド２５側に位置する先端部分が第二段差面２６Ａｂ及び第二面２６Ａｄに嵌合しており、この状態で径方向外側の端部において第一ヘッド２５Ａが筒状本体部２１に固定されている。

第一ヘッド２５Ａの軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２を向く端面には、仕切板ハウジング１１に軸線Ｐの方向に対向するように、環状をなす吐出ガイド２８が設けられている。この吐出ガイド２８は、軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１に向かうに従って、即ち、仮想線Ｌ上となる軸線Ｐ方向の中央位置から離間するに従って、径方向の内側から外側に向かって漸次湾曲して傾斜する案内面２８ａを有している。案内面２８ａは、吸気口５から取り込まれて、内側空間Ｓ内の上記流路を軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１に向かって流通した窒素ガスＧを径方向外側、即ち、吐出部ケーシング１２に形成された第二連通部１０ｂに向かって案内する。また、吐出ガイド２８は、径方向内側で回転軸４の外周面４ａと対向しており、この対向部分にリークを低減するシール部材４０が設けられている。

さらに、第一ヘッド２５Ａには、軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１であって、径方向の外側の端部の角部が面取りされるように、軸線Ｐの方向及び径方向に環状に凹むヘッド凹部２５Ａａが形成されている。そして、バンドル３全体が外側ケーシング２に挿入された状態で、ケーシング凹部２ｃに対向するようにヘッド凹部２５Ａａが位置して、これらヘッド凹部２５Ａａ及びケーシング凹部２ｃにおける軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１を向く面が面一となっている。この状態で、ヘッド凹部２５Ａａとケーシング凹部２ｃに嵌入されて、第一ヘッド２５Ａの軸線Ｐの一方側Ｐ１への移動を規制する規制リング３０が設けられている。

第二ヘッド２５Ｂは、第一ヘッド２５Ａと同様に環状をなす部材であり、軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２を向く端面からは軸線Ｐを中心とした円盤状に凹むことで、径方向視で二段の階段状となった段差部２７Ｂが設けられている。これによって軸線Ｐ方向の他方側Ｐ２から順に第一面２７Ｂｃ、第二面２７Ｂｄの径方向を向く二つの面と、第一段差面２７Ｂａ、第二段差面２７Ｂｂの軸線Ｐ方向を向く二つの面が形成されている。そして、第二段差面２７Ｂｂ、及び第二面２７Ｂｄに、軸受７が係合して不図示のボルト等で固定されている。

さらに、この第二ヘッド２５Ｂは、第一ヘッド２５Ａと同様に、軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１を向く面において、径方向外側の端部位置で軸線Ｐを中心とした環状に凹むことで、径方向視で二段の階段状となった内側段差部２６Ｂが設けられて第一面２６Ｂｃ、第二面２６Ｂｄ、第一段差面２６Ｂａ、第二段差面２６Ｂｂが形成され、この状態で径方向外側の端部において第二ヘッド２５Ｂが筒状本体部２１に固定されている。

また、第一ヘッド２５Ａと同様に、第二ヘッド２５Ｂの一方側Ｐ１を向く端面には、仕切板ハウジング１１に軸線Ｐの方向に対向するように、環状の吐出ガイド２８が設けられている。吐出ガイド２８は、外側ケーシング２の他方側Ｐ２に向かうに従って、即ち、軸線Ｐ方向の中央位置から離間するに従って、径方向の内側から外側に向かって漸次湾曲して傾斜する案内面２８ａを有している。案内面２８ａは、吸気口５から吸気されて内側空間Ｓ内部のガス流路を他方側Ｐ２に向かって流れる窒素ガスＧを、第二吐出部ケーシング１２の第二連通部１０ｂに案内する。また、吐出ガイド２８には、径方向内側で回転軸４の外周面４ａと対向する部分にリークを低減するシール部材４０が設けられている。

さらに、第二ヘッド２５Ｂには、外側ケーシング２の他方側Ｐ２で、径方向の中途位置から軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２に向かって軸線Ｐを中心とした環状に突出するヘッド突出部２５Ｂａが一体に設けられている。このヘッド突出部２５Ｂａの径方向外側を向く面が、外側ケーシング２における突出部２ｂと係合している。さらにこのヘッド突出部２５Ｂａよりも径方向外側となる位置であって、第二ヘッド２５Ｂの外側ケーシング２の他方側Ｐ２を向く端面が突出部２ｂに係合している。即ち、第二ヘッド２５Ｂは、突出部２ｂによって、外側ケーシング２の他方側Ｐ２へ向かっての外側ケーシング２からの突出を規制される。即ち、バンドル３全体の軸線Ｐの方向の他方側Ｐ２への突出が規制される。

次に、静翼列３１、動翼列３２について説明する。
静翼列３１は、仕切板ハウジング１１における筒状部１５に固定された翼部材であり、内側環状部１７における開口部１０ｅと、ヘッド２５に設けられた吐出ガイド２８の案内面２８ａとに挟まれる位置で、軸線Ｐ方向に間隔をあけて複数列が設けられている。また本実施形態ではこれら静翼列３１は、軸線Ｐの方向の中央位置となる仮想線Ｌに対して、軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１と他方側Ｐ２とで対称となるように、外側ケーシング２の一方側Ｐ１、他方側Ｐ２の各々で、四列ずつ設けられている。

各々の静翼列３１は、筒状部１５の内周面１５ａに周方向に所定の間隔をあけて設けられた複数の静翼３１aより構成されている。そして、これら静翼３１aは、筒状部１５の内周面１５ａに設けられた環状の仕切板３３を介して筒状部１５に固定されて、径方向内側に向かって、即ち回転軸４に向かって、回転軸４の外周面４ａに対向するように延びている。

各々の静翼３１aは、詳細説明は省略するが、周方向の一方側を向く背側の面が凸状となって、周方向の他方側を向く腹側の面が凹状となった断面翼形状をなし、また、回転軸４と対向する位置でリーク流を低減するシール部材４１が設けられている。

動翼列３２は、回転軸４の外周面４ａに固定された翼部材であって、各静翼列３１の下流側となる位置、即ち開口部１０ｅよりも軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１となる位置では、静翼列３１の一方側Ｐ１に隣接して、また、開口部１０ｅよりも軸線Ｐ方向の他方側Ｐ２となる位置では静翼列３１の他方側Ｐ２に隣接して設けられている。このようにして本実施形態では、軸線Ｐの方向の中央位置となる仮想線Ｌに対して軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１と他方側Ｐ２とで対称となるように、軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１、他方側Ｐ２の各々で、四列ずつ設けられている。

各々の動翼列３２は、回転軸４の外周面に周方向に所定の間隔をあけて設けられた複数の動翼３２aより構成されており、これら動翼３２aは回転軸４に固定されて、径方向外側に向かって、即ち静翼３１aを固定する仕切板３３に向かって延びている。

各々の動翼３２aは、詳細説明は省略するが、周方向の他方側を向く背側の面が凸状となって、周方向の一方側を向く腹側の面が凹状となった断面翼形状をなしている。

このように内側空間Ｓ内の静翼列３１、動翼列３２が設けられた部分は窒素ガスＧの流路となり、開口部１０ｅから流入した窒素ガスＧがこの流路を流通し、窒素ガスＧの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、最終的に回転軸４の回転エネルギーに変換する。そして窒素ガスＧ自身は、軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１及び他方側Ｐ２、即ち流路を下流に向かって流通する間に減圧、膨張する。

このような軸流式エキスパンダ１においては、軸線Ｐの方向の中央位置に設けられた外側ケーシング２の吸気口５から窒素ガスＧを第一連通部１０ａを介して内側空間Ｓの流路に流入させ、また流路内を軸線Ｐの一方側Ｐ１と他方側Ｐ２の両方向に流通させて第二連通部１０ｂを介して吐出口６から流出させるいわゆるダブルフロー型となっている。

従って、窒素ガスＧが流路を通過することで回転軸４を回転させて減圧、膨張される際には、動翼列３２の回転にともなって軸線Ｐの方向に作用するスラスト力が生じる。ここで、バンドル３内の構造をダブルフロー型としたことで、軸線Ｐの各々の方向に沿って発生したスラスト力を互いに打ち消し合い、大流量化にともなって動翼列３２が大きくなって発生するスラスト力が増大したとしても、安定した運転が可能である。

また、バンドル３では、静翼列３１、動翼列３２が仮想線Ｌに対称に設けられている。このため、スラスト力が軸線Ｐの方向の中央位置の仮想線Ｌに対して軸線Ｐの方向の一方側Ｐ１と他方側Ｐ２とで対称に発生することとなる。よって、スラスト力を打ち消す効果をさらに増大できる。

さらに、バンドル３が、内側ケーシング１０に覆われた状態で回転軸４、静翼列３１、動翼列３２が一体となって、外側ケーシング２の内部に挿入されるため、外側ケーシング２には分割面が存在しない。よって、外側ケーシング２には締結部品等が不要であり、部品点数を低減できる。

さらに、外側ケーシング２には分割面が存在しないため、このような分割面を通じて内側空間Ｓから窒素ガスＧがリークすることはなく、このようなリーク対策を講じる必要がない。

また、一体のバンドル３に軸受７も含まれた状態で、バンドル３を外側ケーシング２の内部に挿入してバンドル３を設置することができる。このため、別途、外側ケーシング２の外部に軸受台を設けて軸受７を支持する必要がなくなる。従って外側ケーシング２と軸受台との間のアライメント調整等も不要となるため、設置の省力化が可能である。

さらに、バンドル３における内側ケーシング９は、仕切板ハウジング１１、吐出部ケーシング１２、ヘッド２５に分割されて構成されていることで、大流量化にともなってバンドル３が大型化しても、容易に組み立てが可能となる。

また、内側ケーシング本体１０の吐出部ケーシング１２と仕切板ハウジング１１とは、第一凸部２０ａと凹部１０ｄとが嵌合した状態で固定作業が行われる。また、吐出部ケーシング１２とヘッド２５とは、内側段差部２６Ａと第二凸部２１ｂとが嵌合した状態で固定作業が行われるため、位置決めが容易となり、設置に要する手間を削減することが可能となる。

さらに、ヘッド２５には吐出ガイド２８が設けられているため、静翼列３１、動翼列３２の間の流路を通過して仕事を終えた窒素ガスＧを、案内面２８ａによって径方向外側に案内することができるため、第二連通部１０ｂを通じて吐出口６からスムーズに吐出することができる。

本実施形態の軸流式エキスパンダ１によると、外側ケーシング２の内部に回転軸４、軸受７、静翼列３１、動翼列３２を有して一体となったダブルフロー型のバンドル３を、外側ケーシング２内部に挿入設置する。このため、大流量化が可能であり、さらに、窒素ガスＧの外側ケーシング２からのリークを防止できるため、高圧に対応可能である。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、本実施形態において内側ケーシング９は、吐出部ケーシング１２、仕切板ハウジング１１、ヘッド２５に分割されて構成されているが、一体構造となっていてもよい。

さらに、ヘッド２５と吐出ガイド２８とは、内側ケーシングと同様に一体構造であってもよい。

また、吐出部ケーシング１２、仕切板ハウジング１１、ヘッド２５を互いに固定する際に位置ずれを防止する第一凸部２０ａ、第二凸部２１ｂが形成されているが、これらの形状及び形成位置は上述の実施形態に限定されない。

また、上述の実施形態では、吸気口５が、軸線Ｐの方向の中央位置に設けられているとともに、吐出口６が外側ケーシング２の一方側Ｐ１及び他方側Ｐ２に設けられ、さらに静翼列３１及び動翼列３２が、軸線Ｐの方向の中央位置に対して一方側Ｐ１及び他方側Ｐ２に完全に左右対称に配置されている。しかし、吸気口５の設置位置は中央位置に限定されず、少なくとも吸気口５に対して一方側Ｐ１及び他方側Ｐ２となる両端部の位置に吐出口６が設けられていればよく、静翼列３１及び動翼列３２は仮想線Ｌに対して一方側Ｐ１と他方側Ｐ２とで完全な対称となるように設けられていなくてもよい。

また、図２に示すように、軸流式エキスパンダは、仮想線Ｌが描かれた中央位置で軸線Ｐの径方向外側に突出するように、互いに軸線Ｐの周方向に離間して二つの吸気口５１、５２を設けた軸流式エキスパンダ５０であってもよい。このような軸流式エキスパンダ５０は、吸気口５１からの気体Ｇ１を外側ケーシング２の一方側Ｐ１の吐出口６１へ流通させ、また、吸気口５２からの気体Ｇ２を外側ケーシング２の他方側Ｐ２の吐出口６２へ流通させることができる２セクション構造となっており、それぞれ条件の異なった気体Ｇ１、Ｇ２を流通させての運転が可能となる。

さらに、外側ケーシング２には突出部２ｂが必ずしも設けられなくともよく、この場合には軸線Ｐの一方側Ｐ１と他方側Ｐ２との両側からバンドル３を挿入設置できる。また、吐出ガイド２８の案内面２８ａは湾曲していなくともよく、周方向視で直線状に傾斜して形成されていてもよい。

また、第三連通部１０ｃ内に、周方向に間隔をあけて設けられる複数のガイドベーン１８は、必ずしもベーン形状でなくともよく、軸線Ｐ方向断面が円形状等であってもよい。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

Claims

気体を軸線に沿って流通させて該気体を膨張させる軸流式エキスパンダであって、
前記軸線を中心とした筒状をなして、前記気体を内部に取り込む吸気口、及び該吸気口に対して前記軸線の一方側及び他方側の端部位置で前記気体を内部から吐出する吐出口を有する外側ケーシングと、
前記軸線を中心とした筒状をなして、前記外側ケーシングの内部に固定され、前記気体を流通させる流路を内部に画成するとともに、前記流路と前記吸気口とを連通する第一連通部、及び前記流路と前記吐出口とを連通する第二連通部が形成された内側ケーシングと、
前記内側ケーシングによって外周側から覆われて、前記軸線を中心に該軸線の方向に延在する回転軸と、
前記内側ケーシングに固定され、前記軸線を中心に前記内側ケーシングに対して相対回転可能に前記回転軸を支持する軸受と、
前記流路内に配置されて、前記内側ケーシングの内周面側から前記軸線の径方向内側に突出するように固定され、前記軸線の方向に互いに間隔をあけて設けられた複数列の静翼列と、
前記流路内に配置されて、前記回転軸から径方向外側に突出するように固定され、各々の前記静翼列に前記軸線の方向に隣接して一列ずつ設けられた複数列の動翼列と、
を備え、
前記内側ケーシング、前記回転軸、前記軸受、前記複数列の静翼列、前記複数列の動翼列は一体となったバンドルを構成し、前記外側ケーシングの内部に前記軸線の方向に挿入されることを特徴とする軸流式エキスパンダ。
前記内側ケーシングは、
前記複数列の静翼列が設けられて、前記第一連通部及び前記第二連通部が形成された内側ケーシング本体と、
前記内側ケーシング本体における前記軸線の方向の一方側の端部及び他方側の端部に固定されて、前記軸受を固定して支持するヘッドと、を有することを特徴とする請求項１に記載の軸流式エキスパンダ。
前記内側ケーシング本体は、
前記複数列の静翼列が設けられ、前記第一連通部が形成された本体部と、
前記本体部の前記軸線の方向の一方側及び他方側に固定されるとともに前記ヘッドを固定し、前記第二連通部が形成された接続部と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の軸流式エキスパンダ。
前記接続部には、前記軸線の方向を向く端面から該軸線の方向に環状に突出する凸部が形成され、
前記本体部には、前記凸部に嵌合するように、前記軸線の方向を向く端面から該軸線の方向に環状に凹む凹部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の軸流式エキスパンダ。
前記ヘッドには、前記軸線の方向の端面に固定されて前記流路内に配され、前記軸線の方向の中央位置から該軸線の方向に離間するに従って、径方向内側から外側に向かって傾斜し、前記気体を前記第二連通部へ案内する案内面を有する吐出ガイドが設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の軸流式エキスパンダ。