特表 2024-521584 軸方向圧縮機ユニットを有するギア一体型圧縮機及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-03

(54)【発明の名称】軸方向圧縮機ユニットを有するギア一体型圧縮機及び方法

(51)【国際特許分類】

   F04D 17/12 20060101AFI20240527BHJP

【ＦＩ】

F04D17/12

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023577831

(86)(22)【出願日】2022-06-30

(85)【翻訳文提出日】2023-12-16

(86)【国際出願番号】 EP2022025301

(87)【国際公開番号】W WO2023280435

(87)【国際公開日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】102021000017996

(32)【優先日】2021-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517029381

【氏名又は名称】ヌオーヴォ・ピニォーネ・テクノロジー・ソチエタ・レスポンサビリタ・リミタータ

【氏名又は名称原語表記】Ｎｕｏｖｏ Ｐｉｇｎｏｎｅ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｉｅ Ｓ．Ｒ．Ｌ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002871

【氏名又は名称】弁理士法人坂本国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】グリマルディ，アンジェロ

(72)【発明者】

【氏名】カンジョーリ，フランチェスコ

(72)【発明者】

【氏名】グリエルモ，アルベルト

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA12

3H130AB27

3H130AB42

3H130AB62

3H130AB68

3H130AB69

3H130AC30

3H130BA35J

3H130BA35Z

3H130BA66J

3H130BA66Z

3H130BA97J

3H130BA97Z

3H130CA02

3H130CA07

3H130CB01

3H130DA02X

3H130DB01Z

3H130DD01Z

3H130DE04X

3H130DG02X

3H130DG03X

3H130EA02J

3H130EA02Z

3H130ED04J

3H130ED04Z

(57)【要約】

【解決手段】 ギア一体型圧縮機は、ギアケーシング内で回転するように支持されたブルギアと、ギアケーシング内で回転するように支持された複数のピニオンシャフトとを備える。各ピニオンシャフトは、ブルギアと噛み合うそれぞれのピニオンを備える。第１のピニオンシャフトは、ガス入口と、ガス出口と、軸方向圧縮ホイールとを備える軸方向圧縮機ユニットに駆動結合された第１の端部を有する。第２のピニオンシャフトは、遠心圧縮機構成に駆動結合される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ギア一体型圧縮機であって、
ギアケーシング内で回転するように支持されたブルギアと、
前記ギアケーシング内で回転するように支持された複数のピニオンシャフトと、を備え、各ピニオンシャフトは、前記ブルギアと噛み合うそれぞれのピニオンを備え、
前記複数のピニオンシャフトのうちの第１のピニオンシャフトは、ガス入口、ガス出口及び軸方向圧縮ホイールを備えた第１の軸方向圧縮機ユニットに駆動結合された第１の端部を有し、前記軸方向圧縮ホイールは、前記複数のピニオンシャフトのうちの前記第１のピニオンシャフトの前記第１の端部で片持ち式に支持されており、第２の圧縮機ユニットは、前記複数のピニオンシャフトのうちの前記第１のピニオンシャフトの第２の端部に片持ち式に支持されており、前記第１の軸方向圧縮機ユニットの前記ガス出口は、前記第２の圧縮機ユニットのガス入口に流体結合され、前記複数のピニオンシャフトのうちの第２のピニオンシャフトは、前記複数のピニオンシャフトのうちの前記第２のピニオンシャフトの第１の端部において片持ち式に支持された更なる圧縮機ユニットを備える遠心圧縮機構成に駆動結合されており、前記更なる圧縮機ユニットは、遠心圧縮機ユニットである、ギア一体型圧縮機。

【請求項2】

前記第１の軸方向圧縮機ユニットの前記ガス入口は、軸方向ガス入口であり、前記第１の軸方向圧縮機ユニットの前記ガス出口は、半径方向ガス出口である、請求項１に記載のギア一体型圧縮機。

【請求項3】

前記第１の軸方向圧縮機ユニットの前記半径方向ガス出口は、羽根付きディフューザを備える、請求項２に記載のギア一体型圧縮機。

【請求項4】

前記第１の軸方向圧縮機ユニットは、多段軸方向圧縮機ユニットである、請求項１～３のいずれか一項に記載のギア一体型圧縮機。

【請求項5】

前記第２の圧縮機ユニットは、軸方向圧縮機ユニットである、請求項１～４のいずれか一項に記載のギア一体型圧縮機。

【請求項6】

前記第２の圧縮機ユニットは、第１の遠心圧縮機段を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のギア一体型圧縮機。

【請求項7】

前記第１の遠心圧縮機段のガス出口は、前記更なる圧縮機ユニットの第２の遠心圧縮機段のガス入口に流体結合される、請求項６に記載のギア一体型圧縮機。

【請求項8】

前記複数のピニオンシャフトのうちの前記第２のピニオンシャフトが、前記複数のピニオンシャフトのうちの前記第２のピニオンシャフトの前記第２の端部において片持ち式に支持された第３の遠心圧縮機段に駆動結合された第２の端部を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のギア一体型圧縮機。

【請求項9】

前記第３の遠心圧縮機段のガス入口は、前記第２の遠心圧縮機段のガス出口に流体結合される、請求項７又は８に記載のギア一体型圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガス圧縮機の改良に関する。具体的には、本明細書に開示される実施形態は、ギア一体型圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

ギア一体型圧縮機は、空気、二酸化炭素又は蒸気を処理するために使用されることが多い。ギア一体型圧縮機の１つの利点は、圧縮機段間の複数の中間冷却が可能であること、並びに連続的に配置された圧縮機段を異なる回転速度で駆動することが可能なことである。

【0003】

英国特許第１０４８９６６号は、第１の圧縮機シャフトの第１の端部にある第１のピニオン及び第２の圧縮機シャフトの第１の端部にある第２のピニオンと噛み合う主ギアを駆動する電気モータを含む圧縮機構成を開示している。第１の圧縮機は、第１の圧縮機シャフトの第２の端部に駆動結合され、第２の圧縮機は、第２の圧縮機シャフトの第２の端部に駆動結合される。

【0004】

米国特許出願公開第２０１６／０２３０７７１号は、蒸気タービンによって回転駆動されるブルギアを含むブルギア圧縮機を開示している。蒸気タービンは、駆動シャフトにキー止めされたピニオンを介してブルギアに結合された駆動シャフトに駆動結合される。主圧縮機は、駆動軸により直接駆動される。更に、圧縮機ユニットは、ブルギアの周囲に配置された被駆動シャフトを介してブルギアに駆動結合される。

【0005】

現在の技術のギア一体型圧縮機は、依然としていくつかの制限を受ける。特に、入口体積流量が制限される。入口流量を改善するために、より大きなインペラが開発されてきたが、これは回転速度の低減を必要とする。代替案として、第１の圧縮段が２つの別個のインペラに分割され、これらのインペラが並列に動作して、より大きい体積入口流を同じ機械によって処理することができるようにする、複流機械が想定されている。複流ギア一体型圧縮機は扱いにくく、特に設置面積が大きい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、これらの機械の利点を維持しながら、それらの制限を除去又は軽減するために、ギア一体型圧縮機の設計を改善する必要がある。

【0007】

一態様によれば、本明細書で開示されるのは、ギアケーシング内で回転するように支持されたブルギアと、ギアケーシング内で回転するように支持された複数のピニオンシャフトとを含むギア一体型圧縮機の新規な構造である。各ピニオンシャフトは、ブルギアと噛み合うそれぞれのピニオンを含む。

【0008】

本明細書に開示される新規な構成によれば、第１のピニオンシャフトは、ガス入口と、ガス出口と、軸方向圧縮ホイールとを備える第１の軸方向圧縮機ユニットに駆動結合された第１の端部を有し、軸方向圧縮ホイールは、第１のピニオンシャフトの第１の端部で片持ち式に支持されている。第２の圧縮機ユニットは、第１のピニオンシャフトの第２の端部に片持ち式に支持されている。第１の軸方向圧縮機ユニットのガス出口は、第２の圧縮機ユニットのガス入口に流体結合されている。第２のピニオンシャフトは、第２のピニオンシャフトの第１の端部で片持ち式に支持された更なる圧縮機ユニットを備える圧縮機構成に駆動結合されている。更なる圧縮機ユニットは、遠心圧縮機ユニットである。

【0009】

いくつかの実施形態では、圧縮機は、２つ以上の軸方向圧縮機ユニット、例えば、第１のピニオンシャフトの両端に配置された２つの軸方向圧縮機ユニットを含むことができる。

【0010】

ギア一体型圧縮機の更なる実施形態及び有利な特徴は、以下に概説され、添付の特許請求の範囲に記載される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

ここで、添付図面を簡単に参照する。

【図1】図１は、本開示によるギア一体型圧縮機の断面図である。

【図2】図２は、本開示によるギア一体型圧縮機を動作させる方法を要約するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

機械の全体的な設置面積を増加させることなくギア一体型圧縮機の入口流量を改善するための新規な圧縮機が開示される。圧縮機はブルギアを備え、ブルギアは、ブルギアの周囲に配置された２つ以上のピニオンシャフトを駆動して回転させる。各ピニオンシャフトは、ブルギアと噛み合うピニオンを含む。ピニオンは、ピニオンシャフトが異なる回転速度で回転するように、異なる直径及び異なる歯数を有してもよい。圧縮機ドライバは、ブルギアを回転させる中心シャフトに駆動結合される。回転運動は、ブルギアからそれと噛み合うピニオンへ、異なる伝達比で伝達される。圧縮機段は、ピニオンシャフトに駆動結合される。最上流圧縮機段は、当該ピニオンシャフトのうちの第１のピニオンシャフトに駆動結合された軸方向圧縮機段である。第２及び後続の圧縮機段は、軸方向圧縮機段によって送出されるガス流を更に圧縮するために順に配置された遠心圧縮機段とすることができる。部分的に圧縮されたプロセスガスから熱を除去し、多段ギア一体型圧縮機の全体的な効率を改善するために、１対以上の順次配置された圧縮機段の間に中間冷却器を設けることができる。

【0013】

最上流の軸方向圧縮機段は、通常の遠心圧縮機段よりも大きな入口流量を処理するように適合されている。したがって、大量の入口ガスを処理するように適合されたコンパクトな機械が得られる。

【0014】

ここで図面を参照すると、図１は、ケーシング３内に収容された構成要素を示すために、水平面に従って切断された圧縮機ケーシング３を有するギア一体型圧縮機１の上面図を示す。

【0015】

ケーシング３内にはブルギア５が回転可能に支持されている。ブルギア５は、入力シャフト７に駆動結合され、入力シャフト７は、駆動ユニット９、例えば電気モータ、又は任意の他の適切な駆動ユニットによって回転駆動され得る。ブルギア５は、主回転軸Ａ－Ａを中心としてケーシング３内で回転するように、軸受１１、１３によって支持されている。

【0016】

ブルギア５は、駆動ユニット９の速度で回転することができ、又は、例えば、ギアボックス８などの速度操作デバイスが駆動ユニット９と入力シャフト７との間のシャフト線に沿って配置されている場合、異なる速度で回転することができる。

【0017】

圧縮機１は、複数のピニオンシャフトを更に含む。図１には、２つのピニオンシャフトが示されている。それにもかかわらず、より多数のピニオンシャフトを同じ圧縮機１に設けることができることを理解されたい。

【0018】

第１のピニオンシャフト１５は、軸受１７、１９によって回転軸Ｂ－Ｂ回りに回転可能に支持されている。第１のピニオンシャフト１５には、第１のピニオン２１がキー止めされているか、又は一体的に形成されている。第１のピニオン２１は、ブルギア５と噛み合っている。したがって、第１のピニオンシャフト１５は、ブルギア５と第１のピニオン２１との間の伝達比によって決定される回転速度で、駆動ユニット９によって回転駆動される。

【0019】

第２のピニオンシャフト２３は、軸受２５、２７によって回転軸Ｃ－Ｃの回りに回転可能に支持されている。第２のピニオン２９は、第２のピニオンシャフト２３にキー止めされているか、又は一体的に形成されている。第２のピニオン２９は、ブルギア５と噛み合っている。したがって、第２のピニオンシャフト２３は、ブルギア５と第２のピニオン２９との間の伝達比によって与えられる回転速度で回転する。いくつかの実施形態では、第２のピニオンシャフト２３の回転速度は、第１のピニオンシャフト１５の回転速度よりも高くてもよい。

【0020】

一般に、ギア一体型圧縮機１は、第１のピニオンシャフト１５によって第１の回転速度で駆動される第１の最上流軸方向圧縮機ユニットと、第２のピニオンシャフトによって第２の回転速度で駆動される遠心圧縮機構成とを含む。第１の回転速度及び第２の回転速度は、ブルギア５の回転速度よりも高い。

【0021】

遠心圧縮機構成は、１つ以上の遠心圧縮機ユニットを含むことができる。上述のように、図示されていないいくつかの実施形態では、遠心圧縮機構成に属する追加の遠心圧縮機ユニットを駆動するために、第３の又は更なるピニオンシャフトが設けられてもよい。以下で詳細に説明するように、図１の実施形態では、遠心圧縮機ユニットも、軸方向圧縮機ユニット３１と同じ回転速度で回転するように、軸方向圧縮機ユニット３１の反対側で第１のピニオンシャフト１５上に設けられる。

【0022】

より具体的には、図１の実施形態では、圧縮機１は、４つの圧縮機ユニットを有する。既に述べたように、第１の最上流圧縮機ユニット３１は、第１のピニオンシャフト１５の第１の端部に配置されている。第１のピニオンシャフト１５の第２の端部には、第２の圧縮機ユニット３３が配置されている。遠心圧縮機構成の一部を形成する追加の第３及び第４の圧縮機ユニット３５、３７は、第２のピニオンシャフト２３によって駆動される。具体的には、第２のピニオンシャフト２３の第１の端部に第３の圧縮機ユニット３５が配置され、第２のピニオンシャフト２３の第２の端部に第４の圧縮機ユニット３７が配置されている。

【0023】

第１、第２、第３及び第４の圧縮機ユニットは、最上流の圧縮機ユニット３１から始まって最下流の圧縮機ユニット３７まで順番に配置され、プロセスガスは、最初に、より高い体積流量を有する軸方向圧縮機ユニット３１において圧縮され、その後、残りの遠心圧縮機ユニット３３、３５及び３７において順番に段階的に圧縮される。

【0024】

連続して配置された圧縮機ユニット３１～３７の各対を接続する接続ラインに沿って中間冷却器を設けることができる。例として、中間冷却器３９が、第１の圧縮機ユニット３１を第２の圧縮機ユニット３３に流体結合する接続ライン４１に沿って図１に示されている。

【0025】

第１の圧縮機ユニット３１は、ガス入口４３と、ガス出口４５と、それらの間の軸方向圧縮ホイール４７とを含む。図１の実施形態では、軸方向圧縮機ユニット３１は、２つの軸方向圧縮段を備え、各軸方向圧縮段は、軸方向圧縮ホイール４７にキー止めされた回転ブレード４９の円形配列と、軸方向圧縮機ユニット３１のケーシング５２に取り付けられた固定ブレード又は羽根５１のそれぞれのセットとを含む。図示の軸方向圧縮段の数は単なる例であり、軸方向圧縮機ユニット３１は、異なる数、例えば３つ以上の軸方向圧縮段を含むことができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、固定ブレード５１は、可変傾斜を有することができる。固定ブレード５１の角度位置は、符号５３で概略的に示される適切な制御デバイスによって圧縮機１の動作条件に適合させることができる。制御デバイス５３は、各固定ブレード５１を半径方向軸、すなわち軸方向圧縮機ユニット３１の回転軸Ｂ－Ｂに直交する軸の周りに旋回させるように適合される。

【0026】

図１の実施形態では、軸方向圧縮ホイール４７は、第１のピニオンシャフト１５の第１の端部に片持ち式に取り付けられている。

【0027】

図１の実施形態では、ガス入口４３は軸方向入口であり、ガス出口４５は半径方向出口である。軸方向ホイールからの部分的に圧縮されたガスの流れは、半径方向出口に向かって半径方向にそらされる。スクロール５５は、軸方向圧縮ホイール４７から部分的に圧縮されたガスを収集し、部分的に圧縮されたガスの流れをディフューザ５７を通してガス出口４５に向けて方向付ける。いくつかの実施形態では、図１に示すように、ディフューザ５７は、第１の圧縮機ユニット３１の効率を改善するために、羽根付きディフューザ５７である。

【0028】

各圧縮機ユニット３３、３５及び３７は、１つ以上の遠心圧縮機段を含む。図１の実施形態では、各遠心圧縮機ユニット３３、３５、３７は、単一の遠心圧縮機インペラを有する単一の遠心圧縮機段を含む。圧縮機ユニット３３、３５、３７のうちの１つ、いくつか、又は全てにおいて複数の遠心圧縮機段を有する可能性は除外されない。

【0029】

図１の実施形態では、第２、第３及び第４の圧縮機ユニット３３、３５、３７は、互いに類似している。具体的には、第２の圧縮機ユニット３３は、第１のピニオンシャフト１５の第２の端部に片持ち式に取り付けられ、ガス入口６５及びガス出口６７を有するケーシング６３内に回転可能に配置された単一の遠心インペラ６１を備える遠心圧縮機ユニットである。羽根付きディフューザ６９を遠心インペラ６１とガス出口６７との間に配置することができる。他の実施形態では、ディフューザ６９は、羽根なしディフューザとすることができる。

【0030】

同様に、第３の圧縮機ユニット３５は、第２のピニオンシャフト２３の第１の端部に片持ち式に取り付けられ、ガス入口７５及びガス出口７７を有するケーシング７３内に回転可能に配置された遠心インペラ６１を備える遠心圧縮機ユニットである。羽根付き又は羽根なしディフューザ７９は、遠心インペラ６１とガス出口７７との間に配置することができる。ガス入口７５は、ライン４１に沿った中間冷却器３９と同様に中間冷却器をそれに沿って設けることができる接続ライン（図示せず）を介して第２の圧縮機ユニット３３のガス出口６７と流体結合される。

【0031】

第４の圧縮機ユニット３７は、第２のピニオンシャフト２３の第２の端部に片持ち式に取り付けられ、ガス入口８５及びガス出口８７を有するケーシング８３内に回転可能に配置された遠心インペラ８１を備える遠心圧縮機ユニットである。羽根付き又は羽根なしディフューザ８９は、遠心インペラ８１とガス出口８７との間に配置することができる。ガス入口８５は、第３の圧縮機ユニット３５のガス出口７７と流体結合される。第３の圧縮機ユニット３５と第４の圧縮機ユニット３７との間の接続ライン（図示せず）に沿って中間冷却器を設けることができる。

【0032】

したがって、圧縮機１は、最初に第１の軸方向圧縮機ユニット３１に入るガス流を処理し、その後、第２、第３、及び第４の遠心圧縮機ユニット３３、３５、及び３７において順番に更に圧縮するように構成される。圧縮機ユニット３３の軸方向圧縮ホイール４７及び遠心圧縮機インペラ６１は、同じ回転速度で回転する。第３及び第４の圧縮機ユニット３５及び３７のインペラ７１及び８１は、同じ回転速度で回転し、この回転速度は、軸方向圧縮ホイール４７及び遠心インペラ６１の回転速度とは異なることが好ましい。

【0033】

いくつかの実施形態では、第２のピニオンシャフト２３、遠心インペラ７１、及び遠心インペラ８１の回転速度は、第１のピニオンシャフト１５、並びにそれにキー止めされた軸方向ホイール４７及び遠心インペラ６１の回転速度よりも高い。第１のピニオンシャフト１５の回転速度と第２のピニオンシャフト２３の回転速度との間の比は、ピニオン２１の歯数とピニオン２９の歯数との間の比によって与えられる。ブルギア５及びピニオン２１、２９を適切な歯数を有するように設計することによって、圧縮機１の所与の用途に最適な回転速度比を設定することができる。

【0034】

図２は、圧縮機１の動作方法を要約している。入口ガス流（ステップ１００）は、まず軸方向圧縮機ユニット３１内で圧縮され（ステップ１０１）、続いて第２の遠心圧縮機ユニット３３内で更に圧縮される（ステップ１０３）。中間冷却ステップも１０２で示されている。第２の遠心圧縮機ユニット３３からの部分的に圧縮されたガスは、更なる圧縮（ステップ１０５）のために第３の遠心圧縮機ユニット３５に送達され、最後に、送達圧力への最終圧縮（ステップ１０７）のために第４の遠心圧縮機ユニット３７に送達される。中間冷却ステップ１０４及び中間冷却ステップ１０６は、遠心圧縮機ユニット３３における圧縮ステップと遠心圧縮機ユニット３５における圧縮ステップとの間、及び／又は遠心圧縮機ユニット３５における圧縮ステップと遠心圧縮機ユニット３７における圧縮ステップとの間に予見することができる。

【0035】

軸方向圧縮機段３１は、複流アーキテクチャ及び過度に大きいインペラサイズに頼ることなく、第１の圧縮ユニット内の最大流量を増加させるために、高マッハ軸方向ホイールを含むことができる。このようにして、設置面積が小さく、効率の高いコンパクトな圧縮機が得られる。

【0036】

今回開示された実施形態は一例である。図示されていない他の実施形態において、ギア一体型圧縮機は、２つ以上の軸方向圧縮機ユニットを含むことができる。例えば、第１のピニオンシャフトは、その第１の端部及び第２の端部の両方で軸方向圧縮機ユニットに駆動結合されてもよい。

【0037】

例示的な実施形態は、上記で開示され、添付の図面に示されている。以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に具体的に開示されているものに、様々な変更、省略、及び追加を行ってもよいことが、当業者には理解されるであろう。

【図1】

【図2】

【国際調査報告】