特許 7394830 多段ターボ機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-30

(45)【発行日】2023-12-08

(54)【発明の名称】多段ターボ機械

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/42 20060101AFI20231201BHJP

   F04D 17/12 20060101ALI20231201BHJP

【ＦＩ】

F04D29/42 H

F04D17/12

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021504241

(86)(22)【出願日】2019-07-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-11-25

(86)【国際出願番号】 EP2019068567

(87)【国際公開番号】W WO2020030373

(87)【国際公開日】2020-02-13

【審査請求日】2022-06-20

(31)【優先権主張番号】1857360

(32)【優先日】2018-08-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】599067318

【氏名又は名称】クライオスター・ソシエテ・パール・アクシオンス・サンプリフィエ

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ボギー、ジャック

【審査官】中村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３３５７５６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７５７５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－２５１５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１９３００２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１７７６９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ １／００－１３／１６

Ｆ０４Ｄ １７／００－１９／０２

Ｆ０４Ｄ ２１／００－２５／１６

Ｆ０４Ｄ ２９／００－３５／００

Ｆ０２Ｂ ３９／００

Ｆ０２Ｂ ３９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多段ターボ機械であって、少なくとも２つの軸受（６）を有する中央部（２）を備え、前記中央部（２）からは、少なくとも一方の側において、前記軸受（６）によって案内されるシャフト（４）が延びており、前記シャフト上には、片持ち状態で、近位側ホイール（２２）及び遠位側ホイール（３４）が取り付けられている、多段ターボ機械において、
前記近位側ホイール（２２）及び前記遠位側ホイール（３４）が、漏れ止めパーティション（３２）によって互いに隔てられており、前記漏れ止めパーティション（３２）が断熱材（５２）を有し、
前記近位側ホイール（２２）が、近位側ケーシング（２４）内に取り付けられ、前記遠位側ホイール（３４）が、遠位側ケーシング（３２、４０）内に取り付けられ、前記近位側ケーシングは、専用の流体入口（２４ａ）と専用の流体出口（２４ｂ）とを有し、前記遠位側ケーシングは、専用の流体入口（４２）と専用の流体出口（４４）とを有し、
前記遠位側ホイール（３４）に対応する前記遠位側ケーシング（３２、４０）が、前記近位側ホイール（２２）の前記近位側ケーシングと共有される近位部としての前記漏れ止めパーティション（３２）と、前記近位側ホイール（２２）の前記近位側ケーシング（２４）に固定されたプレートの形態の遠位部（４０）とを含むことを特徴とする、多段ターボ機械。

【請求項2】

前記片持ち状態で取り付けられた前記近位側ホイール（２２）及び前記遠位側ホイール（３４）が、背面合わせで取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の多段ターボ機械。

【請求項3】

前記漏れ止めパーティション（３２）が、前記近位側ケーシング（２４）及び前記遠位側ケーシング（３２、４０）の各々と共通の壁を形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の多段ターボ機械。

【請求項4】

前記中央部（２）が、電動モータ及び発電機の組から選択される電気群を更に備えることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の多段ターボ機械。

【請求項5】

その中央部（２）の両側に、漏れ止めパーティション（３２）によって互いに隔てられた近位側ホイール（２２）及び遠位側ホイール（３４）のアセンブリを備え、かつ、各アセンブリに関して、前記近位側ホイール（２２）が、近位側ケーシング（２４）内に取り付けられ、前記遠位側ホイール（３４）が、遠位側ケーシング（３２、４０）内に取り付けられ、前記近位側ケーシングは、専用の流体入口（２４ａ）と専用の流体出口（２４ｂ）とを有し、前記遠位側ケーシングは、専用の流体入口（４２）と専用の流体出口（４４）とを有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の多段ターボ機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多段ターボ機械に関する。より具体的には、そのような機械の構造に関する。

【0002】

ターボ機械は、いくつかの圧縮段又はいくつかの膨張段を含み得る、又は更に１つ以上の膨張段と関連付けられた１つ以上の圧縮段を同時に含み得る。

【0003】

コンパンダ（タービン若しくは減圧装置用の「コンプレッサ」と「エキスパンダ」との組み合わせから得られる用語）とも呼ばれるコンプレッサタービン型機械があり、ここに１つ以上の遠心コンプレッサ及び１つ以上のタービンが設置されていることが特に知られている。これらの様々な段は、ギアボックスと呼ばれる歯車のセットによって共通のモータ（任意選択で共通のジェネレータ）に機械的に接続される。

【0004】

このような機械により、流体処理に優れた性能レベルを得ることが可能となる。これはモジュール式であり、同じ機械で１つ以上の流体を用いることができ、例えば、流体内に保持されたエネルギーを回収して別の流体に伝達することが可能である。

【0005】

しかしながら、既知のコンパンダの欠点は、その設置面積が比較的大きいことである。

【0006】

既知のコンパンダの別の欠点は、その構造に多数の軸受が必要なことである。実際、各タービンホイール又はコンプレッサに１つの軸受、並びにモータ及びギアボックスのための４つの軸受がある。また、この構造では、封止しなければならないいくつかのシャフトが設けられる。その結果、得られるターボ機械は、比較的重くなる。

【0007】

最後に、ギアボックスが存在することにより、通常、そのギアボックスを潤滑するために油が必要となる。いくつかの用途においては、油を有さないことが好ましいことから、ギアボックスの存在が欠点となる。

【0008】

このため、本発明の目的は、上述の欠点の全てを有さない、例えば、ガス及び液体などの異なる流体を処理することができるコンパンダのような多段ターボ機械を提供することにある。

【0009】

したがって、新規なターボ機械は、よりコンパクトな構造を有することが好ましい。このターボ機械は、同等の性能レベルで、コンパンダよりも軽量であることが好ましい。利点として、このターボ機械は油なしで動作する。

【0010】

この目的で、本発明は、多段ターボ機械であって、少なくとも２つの軸受を有する中央部を備え、中央部からは、少なくとも一方の側において、軸受によって案内されるシャフトが延びており、シャフト上には、片持ち状態で、２つのラジアルホイールが取り付けられている、多段ターボ機械を提案する。

【0011】

本発明によれば、２つのラジアルホイールは、漏れ止めパーティションによって互いに隔てられ、２つのラジアルホイールの各々は、そのケーシング内に取り付けられ、各ケーシングは、専用の流体入口と、専用の流体出口とを有する。

【0012】

この構造により、より小さい設置面積で４段のコンパンダに相当するターボ機械を得ることが可能になるとともに、いくつかの流体（少なくとも２つのケーシングの各々が専用の入口及び出口を有する、すなわち、これらが別の段と共有されないことから、少なくとも２つの流体）を用いることが可能となる。

【0013】

２つのラジアルホイールへの供給を容易にし、コンパクトな構造を有するために、同じ片持ち部に取り付けられた２つのラジアルホイールは、例えば、背面合わせで取り付けられる。したがって、一方のホイールは一方の側で供給され、他方は反対側で供給される。

【0014】

部品の数を制限し、コンパクトな構造を有するために、漏れ止めパーティションが２つのケーシングの各々と共通の壁を形成するようにすることができる。

【0015】

実質的に異なる温度の流体を使用することができるように、漏れ止めパーティションが断熱されていると有利である。

【0016】

本明細書に開示される多段ターボ機械は、熱力学的プロセスで使用されることが意図されている。このプロセスをより良好に管理するために、中央部が、電動モータ及び発電機の組から選択される電気群を更に備えるようにすると有利である。

【0017】

有利な実施形態によれば、遠位側ホイールに対応するケーシングは、近位側ホイールのケーシングと共有される近位部と、近位側ホイールのケーシングに固定された遠位部とを含む。

【0018】

コンパンダに相当する構造を得るために、本明細書に開示される多段ターボ機械は、その中央部の両側に、漏れ止めパーティションによって互いに隔てられた２つのラジアルホイールのアセンブリを備えてもよく、かつ、各アセンブリに関して、ラジアルホイールの各々は、そのケーシング内に取り付けられ、各ケーシングは、専用の流体入口と、専用の流体出口とを有する。

【0019】

本発明の詳細及び利点は、添付の概略図を参照してなされる以下の説明から明らかとなるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】多段ターボ機械の断面図である。

【0021】

【図2】図１のターボ機械の実施形態の部分拡大断面図である。

【0022】

図１に示される実施形態においては、４つの独立した段を有するターボ機械がある。この機械の全体構造を以下に開示する。モータ又はジェネレータであり得る電気群２は、中央位置に配置されている。軸受６によって支持されるとともに片持ち状のシャフト端部を有するシャフト４が横切っている。各シャフト端部は、２つのラジアルホイールを担持する。

【0023】

電気群２は、ユニット８内に取り付けられる。磁石１０は、シャフト４上に収縮嵌めされ、電気群２のロータを構成する。空隙によってロータから隔てられるとともに巻線を有するステータ１２は、ユニット８内に固定して取り付けられる。接続箱１４は、電気群２を電気的に接続することを可能とする。

【0024】

ユニット８は、本明細書においては動圧軸受である軸受６と一体のカバー１６によって、両側で閉じられる。ユニット８は、油マニホールド１８と一体である。電気群２へ向かう油の移動を防止するために、各カバー１６の内部にシール２２が設けられる。

【0025】

したがって、シャフト４の軸受６は、カバー１６内において一体化される。ユニット８から（又は、より具体的にはそのカバー１６から）外方に延びるシャフト４の部分は、このシャフト４の支持体に対して片持ち状態で配置されている。

【0026】

図１は、電気群２の両側に配置されたラジアルホイールの２つのアセンブリが対称であることを示す。したがって、以下の説明では、図１の右側にある単一のアセンブリが開示される。

【0027】

第１のコンプレッサは、図１の右側に位置するカバー１６に隣接して取り付けられる。このコンプレッサは、いくつかの部分に、第１のコンプレッサホイール２２と第１の圧縮体とを備える。

【0028】

第１のコンプレッサホイール２２は、シャフト４に取り付けられ、シャフト４によって駆動される。流体（気相又は液相）は、軸方向（シャフト４の軸線によって規定される）において図１の左から右へ向かって第１のコンプレッサホイール２２に入る。図１に示す好ましい実施形態では、シャフト４は、第１のコンプレッサホイール２２においていわゆる多角形の断面を有する。本明細書におけるシャフト４の断面は、三角形の形状（わずかに凸状の面及び丸みを帯びた頂点を有する）である。

【0029】

第１の圧縮体は、第１のコンプレッサホイール２２の上流側及び下流側に供給する流体を案内する。ケーシング２４は、第１のコンプレッサホイール２２の径方向に供給する流体を送る入口２４ａと、第１のコンプレッサホイール２２の下流側の圧縮流体を案内する出口２４ｂとを有する。ケーシング２４は、対応するカバー１６上に取り付けられた支持体２６上に固定される。この支持体２６は、流体を案内して第１のコンプレッサホイール２２に向けることにも関与する内壁を有する。封止部２８が支持体２６とシャフト４との間に配置され、コンプレッサを封止する。図示した実施形態において、封止部２８は、シャフト４の側にラビリンスを有する。ケーシング２４の内側において、第１のコンプレッサホイール２２に供給するために、封止部が流体を案内して径方向から軸方向に移動させる。最後に、ケーシング２４の内部において、偏向部３０は、第１のコンプレッサホイール２２の上流及びその反対側へ流体を案内する。

【0030】

第１のコンプレッサホイール２２の後、すなわち、電動群２を組み込んだターボ機械の中央部から離れた箇所において、横断壁３２が第１のコンプレッサを第２のコンプレッサから隔てる。この第２のコンプレッサは、いくつかの部分に、第２のコンプレッサホイール３４並びに圧縮体もまた備える。

【0031】

横断壁３２は、その名称が示唆しているように、シャフト４の軸に対して垂直に延びる。これは環状形態を有し、その中心に封止装置３６を収容する。このレベルで、シャフト４はまた、多角形（三角形）の断面を有する。封止を実現するために、シャフト４の多角形形状に一致する内表面と、外側の円形円筒形表面とを有するリングが、シャフト４の周囲に配置される。したがって、封止は、例えば、ラビリンスシールシステムによってリング上でもたらされる。

【0032】

横断壁３２は、第１のコンプレッサホイール２２の背面を受ける面と、第２のコンプレッサホイール３４の背面を受ける面とを有する。ホイールの背面は、本明細書では、最大の直径を有する面である。ここで分かるように、２つのコンプレッサホイール（第１のコンプレッサホイール２２及び第２のコンプレッサホイール３４）は、背面合わせで取り付けられる。横断壁３２の各面は、対応するコンプレッサホイールの背面を受け入れるハウジングを有する。このハウジングを越えて、横断壁３２の各面は、対応するコンプレッサディフューザのための壁を形成する。

【0033】

ケーシング２４は、横断壁３２を受け入れるために、第１のコンプレッサホイール２２の後側に構成されている。その目的で、横断壁３２を受け入れるために、ケーシング２４は、好ましくは肩部３８を有する、中空ハウジングを有する。底部に横断壁３２が着座するハウジングは、流体入口パイプ４２及び出口パイプ４４を担持するプレート４０によって閉じられる。プレート４０は、ケーシング２４に固定される。

【0034】

入口パイプ４２は、中央位置に配置されており、流体を第２のコンプレッサホイール３４に向けて案内し、これによりこの流体は、図１における右側の第２のコンプレッサホイール３４に関して、右から左へ向かって軸方向に向けられるように案内される。ハウジング内では、ガイド４６は、流体を第２のコンプレッサホイール３４に向かわせてこのホイール内へ確実に案内する。ホイールを出るとき、圧縮された流体は、ディフューザ４８によって（及び横断板３２によって）案内される。

【0035】

第２のコンプレッサホイール３４もまた、多角形の断面を有するシャフト４のセグメントに取り付けられる。しかしながら、第２のコンプレッサホイール３４は、第１のコンプレッサホイール２２を受けるシャフト４のセグメントよりも小さい寸法（「直径」）を有するセグメントに取り付けられることに留意されたい。ボルト５０は、シャフト４の端部で第２のコンプレッサホイール３４を締結する。この締結は、スタッキングにより、封止装置及び第１のコンプレッサホイール２２など、シャフト４上に配置される様々な要素の締結を確実にする。

【0036】

本明細書では、２つの圧縮体は、両方とも共通の要素を用いて互いに埋め込まれ、両方とも独立して２つの別個の流体回路が形成されることに留意されたい。

【0037】

このようにして、ターボ機械の同じシャフト端部上で、互いに完全に独立して、２つの段がもたらされる。

【0038】

図２は、図１の実施形態を示す。ここでは、図１からの参照を再び用いて、同様の部品が示される。本明細書では、２つのラジアルホイールがパーティションによって隔てられ、背面合わせで取り付けられ、２つのホイールは、シャフトの同じ片持ち部に取り付けられていることが見出される。部分拡大断面である図２はまた、軸受を示す（この例において、軸受は動圧軸受でもあるが、「従来型」のころ軸受又は更には磁気軸受、空気軸受などの任意の他の種類のものであってもよい）。また、第１のコンプレッサホイール又は近位側ホイール（軸受に最も近い）に対応するコンプレッサ本体は、第２のコンプレッサホイールに対応するコンプレッサ本体を部分的に受け入れるために、適した形状のものであり、ハウジングを有する。以下、図２の実施形態と図１の実施形態との差についてのみ説明する。

【0039】

中央部の側面では、図１のカバー１６及び支持体２６は共に単一の部品にまとめられ、これにケーシング２４が取り付けられる。動圧軸受及びシールの構造が再検討される。これにより、封止部は、異なる形状を有する。

【0040】

図２の実施形態は、例えば、非常に異なる温度の２つの流体を用いることを意図したターボ機械に対応する。したがって、第１の圧縮体とは反対側の第２の圧縮体に配置される絶縁層５２が認識される。本明細書では、例えば、低温流体及び別の流体を「通常の」温度、例えば周囲温度に近い温度で圧縮することが可能である。

【0041】

この他の実施形態における第２の圧縮体の圧力は、比較的高い。したがって、この圧縮体を閉じ、それを外部から隔てるプレート４０は、凸状の形状である。流体供給は、このように適合される。

【0042】

したがって、本明細書に開示される実施形態は、多段ターボ機械を有し、段は互いに独立していることができる。

【0043】

図１は、対称である４段の機械を示す。この対称性は、例示のみを目的としている。機械の中央部の両側に２つの非常に異なるアセンブリを設けることが可能である。

【0044】

本明細書で提案されるターボ機械は、単一のシャフトを有し、ギアボックスを有さない。したがって、序文に開示されている「コンパンダ」型の機械と比較して、限られた設置面積を有し得る。生じる軸受及びシールの数は、「コンパンダ」と比較して減少する。

【0045】

ターボ機械は、その提案されたバージョンでは４段を有するが（例えば、２段又は３段のみ、すなわち、一方の側に２段、及び他方の側に１段又は無段を有してもよい）、又は全く逆に、段数がより多くてもよい。

【0046】

提案されるターボ機械はまた、１つ以上の膨張ホイール（かつ、圧縮段のみではない）を備えてもよい。そして、動圧的な設置用途に使用される。中央部にモータが配置されている場合に駆動してもよく、又は中央部にジェネレータが設けられている場合に発生してもよい。また、流体の交換も伴うことができることから、１つ以上の減圧装置は、中央シャフトによって１つ以上のコンプレッサにエネルギーを伝達する。したがって、４段の機械については、コンプレッサ又は膨張タービン（又は「エキスパンダ」）があるかどうかに応じて、いくつかの構成を有することが可能である。したがって、モータを備えた以下の構成を有することが可能である。
タービン－タービン／モータ／コンプレッサ－コンプレッサ
タービン－タービン／モータ／タービン－コンプレッサ
タービン－タービン／モータ／コンプレッサ－タービン
タービン－コンプレッサ／モータ／コンプレッサ－コンプレッサ
タービン－コンプレッサ／モータ／タービン－コンプレッサ
タービン－コンプレッサ／モータ／コンプレッサ－タービン
コンプレッサ－タービン／モータ／コンプレッサ－コンプレッサ
コンプレッサ－タービン／モータ／タービン－コンプレッサ
コンプレッサ－タービン／モータ／コンプレッサ－タービン
コンプレッサ－タービン／モータ／タービン－タービン
コンプレッサ－コンプレッサ／モータ／コンプレッサ－コンプレッサ

【0047】

中央部のジェネレータと同様に、ジェネレータの両側においてタービン及びコンプレッサの任意の可能な組み合わせを有することが可能である（コンプレッサのみを有し、そのためジェネレータを駆動することができない場合を除く）。

【0048】

同様に、タービンとコンプレッサの全ての組み合わせ（タービンのみ又はコンプレッサのみの場合を除く）は、中央シャフトのみを介した流体間のエネルギー交換を実行するために、中央部に電気群なしで想定されてもよい。

【0049】

いずれにおいても、少なくとも中央部の一方側には、好ましくは背面合わせで取り付けられる２つのラジアルホイールのアセンブリが共通のシャフトの同じ片持ち部上にあり、封止装置が２つのラジアルホイールの間にある。これら２つのラジアルホイールに対応する圧縮体又は膨張体は、それぞれが異なる流体を受けることができるように具現化される。したがって、圧縮体及び膨張体の各々は、流体入口及び流体出口を有し、２つの完全に異なる回路がある。つまり、圧縮体及び膨張体のうちの一方の入口及び出口、並びに他方の入口及び出口である。

【0050】

純粋に記述的かつ非限定的な開示において、示されるラジアルホイールは、「多角形」タイプのゾーンによってシャフト上に取り付けられる。当然、キー、歯、ハースカップリングなどの他の構成が可能である。

【0051】

最も外側のホイールは、シャフトの断面がより小さいセグメント上に取り付けられることが好ましいが、必須ではない。２つの同一の断面上に取り付けることも想定され得る。ホイールは、スラストワッシャ、ブッシュ、ラビリンスシールなどの任意の手段を用いて取り付けられる。

【0052】

最も外側のホイールつまり遠位側ホイールに対応する圧縮体又は膨張体は、好ましくは、最も内側のホイールに対応する本体（圧縮体又は膨張体）に固定される。２つの本体の間に断熱を提供することができる。

【0053】

本発明は、本明細書に開示される実施形態、及び想定される変形例に限定されない。本発明はまた、以下の特許請求の範囲の文脈における当業者の能力の範囲内の実施形態にも関する。

【図1】

【図2】