(57)【要約】  ターボエキスパンダ（１００）のための低摩擦入口ノズルが提供される。入口ノズルは、面（１０２）を備えるノズルカバーリング（１０１）と、各ノズル羽根（１０５）が面（１０７）を備える一組のノズル羽根（１０５）と、一組の加圧ばね（１１２）と、一組の軸方向荷重ボルト（１１３）とを含む。軸方向荷重ボルト（１１３）は、一組の加圧ばね（１１２）がノズルカバーリング（１０１）とノズル羽根（１０５）の面との間で誘起する力のすべてまたは少なくとも一部を受けるように構成されてもよく、それによって、ノズルカバーリング（１０１）の面から所定の距離だけ離してノズル羽根（１０５）の第１の面を配置する。所定の距離は、０．０２〜０．０４ｍｍでもよい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面を備えるノズルカバーリングと、
各ノズル羽根が面を備える一組のノズル羽根と、
一組の加圧ばねと、
一組の軸方向荷重ボルトと
を備え、
前記軸方向荷重ボルトが、前記一組の加圧ばねが前記ノズルカバーリングと前記ノズル羽根の前記面との間で誘起する力のすべてまたは少なくとも一部を受けるように構成され、それによって、前記ノズルカバーリングの前記面から所定の距離だけ離して前記ノズル羽根の前記第１の面を配置する、
ターボエキスパンダのための低摩擦入口ノズル。
【請求項２】
前記所定の距離が、０．０２〜０．０４ｍｍである、
請求項１に記載の低摩擦入口ノズル。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
最近、高温または高圧ガスからのエネルギ回収に対する関心が高まっている。しかしながら、利用可能な装置は、可能な限り効率的ということはなく、後で論じられるある制約に悩まされている。任意の高温または高圧ガスは、エネルギ回収のための潜在資源であるので、発電機搭載エキスパンダまたはタービン、あるいはターボエキスパンダは、プロセスで利用可能な大量の有用なエネルギを回収するために特別に設計される可能性がある。
【０００２】
ターボエキスパンダが貢献する１つの分野は、廃熱回収の分野である。廃熱は、単独のまたはより複雑なシステムの構成要素としてのターボエキスパンダ発電機により、有用なエネルギに変換することができる。潜在的な熱源は、工業用炉または燃焼エンジンからのテールガス、工業用炉または燃焼エンジンからの廃蒸気、化学プロセスおよび石油化学プロセスからの廃蒸気、ならびに、平面反射板または放物面反射板からの太陽熱を含む。排気ガスは高温で、溶剤または触媒を含有していることがある。エキスパンダは、大気中に排出する排気ガスのエネルギを回収して冷却できるだけでなく、溶剤または触媒を抽出することもできる。
【０００３】
ターボエキスパンダが有用である別の分野は、圧力降下用途での有用なワークの取り出しである。ガス供給システムの異なる圧力でのまたは都市への出入口での、２本の輸送パイプラインの合流などの圧力降下用途において、ターボエキスパンダ発電機は、大量のガス流れの圧力を低下させるのと同時に、電力の形態でエネルギを回収することができる。したがって、エキスパンダは、制御弁および調整器などの他の圧力調整機器の有益な代替品とすることができる。
【０００４】
ターボ膨張機または膨張タービンとも呼ばれるターボエキスパンダは、高圧ガスが、多くの場合に圧縮機を駆動するために使用されるワークを生み出すために膨張される遠心または軸流タービンである。ワークは膨張する高圧ガスから取り出されるので、ガス膨張は、等エントロピー過程（すなわち、一定のエントロピー過程）に近づいてもよく、タービンからの低圧の排気ガスは、低温であり、時には−９０℃以下まで低くなる。
【０００５】
低温がもたらされるため、ターボエキスパンダは、天然ガスからのエタンの抽出および液化天然ガス（ＮＧＬ）の生成、ガス（酸素、窒素、ヘリウム、アルゴン、およびクリプトンなど）の液化、ならびに、他の低温プロセスなどの工業プロセスにおける冷却源として広く使用されている。
【０００６】
ターボエキスパンダの代表的ではあるが非限定的な例が、図１および図２に示されている。図２は米国特許第５，８５１，１０４号明細書からの転載であり、その内容全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。図１は、ラジアルインフロータービンの可変ノズル構造を示す。固定リング１０９は、環状入口１１４の一方側に配置されている。ノズル調整システムは、環状入口１１４の同じ側に設けられている。調整リング１１５は、固定リング１０９の半径方向外側に配置されている。調整リング１１５は、固定リング１０９のまわりで回動可能であり、固定リングは、固定リング１０９に植え込まれているノズルピボットピン１０６により回動が阻止されている。
【０００７】
入口ノズル１０５は、環状入口１１４のまわりに配置されている。これらのベーン１０５は、一方側の固定リング１０９および調整リング１１５と、他方側のノズルカバーリング１０１との間に配置されている。ベーン１０５は、それらの間に流線形流路を提供するように構成されている。この経路は、ベーン１０５の回動位置に基づいて、断面積を増加または減少させることができる。ベーン１０５は、ノズルピボットピン１０６のまわりに枢動可能に取り付けられる。ノズルカバーリング１０１に対するベーン１０５の相対的な位置は、図２の重ねた仮想線により示されている。エキスパンダホイール１１８は、環状入口１１４およびベーン１０５を通して導かれる圧縮ガス流れを受ける。この圧縮ガス流れは膨張して、エキスパンダホイール１１８を回動させ、それによってワークを生み出す。
【０００８】
米国特許第５，８５１，１０４号明細書では、ノズル調整機構は、カムとカムフォロア機構とを含む。カムフォロア１１６は、ピン１０６の軸から横にずれて配置されており、かつ、図２に示されるように、ベーン１０５にそれぞれシャフトにより固定されている。カムフォロア１１６は、シャフトのまわりを自由に回転する。カムフォロア１１６と協働するために、偏倚スロット１１７の形態のカムが、調整リング１１５（図２には示されていない）内に配置されている。それらは、調整リング１１５が回動するとき、カムフォロア１１６を自由に回転運動可能に受けるように寸法決めされている。
【０００９】
ベーン１０５、カムフォロア１１６、偏倚スロット１１７、および調整リング１１５の上記の配置により、ベーン１０５の開度は調整リング１１５の回動に応じて直線的になる。換言すれば、調整リング１１５の所定の回動は、ベーン１０５が、開位置の近くにある、開位置にある、閉位置の近くにある、または閉位置にあるかどうかに関係なく、ベーン１０５の同じ事前設定回動を発生させる。調整リング１１５の回動によるベーン１０５のこの一定の回動により、ベーン１０５の位置の調整において感度の変化は考慮されない。
【００１０】
従来のターボエキスパンダでは、調整リングは通常、ベーン上を直に摺動し、それにより摩擦を生じ、調整リングおよび／またはベーンの部品に損傷を与えることがある。同じ摺動運動は、調整リングおよび／またはベーンを早く摩耗させることがある。具体的な、しかし非限定的な例は、Ａｔｌａｓ  Ｃｏｐｃｏ  ＥＴＢタイプのエキスパンダノズルである。このノズルは、上で定義されたものと同じ基本設計であり、通常、信頼性が低い。業界は、入口ガイドベーン（ノズル）の固着によって引き起こされる高い故障頻度に遭遇している。通常は、このような故障の後、完全な分解整備が行われるが、基本設計を変更しなかった場合、これらのノズルは、短時間、作動させただけで、別の故障が予想される可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
よって、前記の問題を回避する解決方法を提供する必要性が、業界で生じている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ノズルカバーリングと、一組のノズル羽根と、一組の加圧ばねと、一組の軸方向荷重ボルトとを含む、ターボエキスパンダのための低摩擦入口ノズルが提供される。軸方向荷重ボルトは、一組の加圧ばねがノズルカバーリングとノズル羽根の面との間で誘起する力のすべてまたは少なくとも一部を受けるように構成されてもよく、それによって、ノズルカバーリングの面から所定の距離だけ離してノズル羽根の第１の面を配置する。所定の距離は、０．０２〜０．０４ｍｍでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】先行技術で知られている典型的なターボエキスパンダの断面を概略的に示す。
【図２】先行技術で知られている入口ガイドベーン（ノズル羽根）の詳細を概略的に示す。
【図３】本発明の１つの実施形態によるターボエキスパンダの分解断面を概略的に示す。
【図４】本発明の１つの実施形態によるターボエキスパンダの断面を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の例示的な実施形態が以下で説明される。本発明はさまざまな修正および代替形態が可能であるが、その特定の実施形態は、図面に一例として示され、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、特定の実施形態の本明細書での説明は、開示される特定の形態に本発明を限定することは意図しないが、逆に、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲に含まれるすべての修正、等価物、および代替形態を含むことを意図することは理解されるべきである。
【００１５】
もちろん、このような実際の実施形態の開発においては、システムおよび事業に関連した制約への適合など、開発者の具体的な目標を達成するために、多くの実施態様に特定の決定が下されなければならないことが認識されるべきであり、それらの具体的な目標は、実施態様ごとに異なるであろう。そのうえ、そのような開発努力は複雑であったり時間がかかったりしがちであることが認識されるが、それでも、この開示の利益を享受する当業者にとっては定期的な実行となるであろう。
【００１６】
上で確認した問題に関して、分析および試験の後、多くのノズル故障の根本的原因は、ノズルの可動部分の間の摩擦が多いことにあったことが分かった。提案された発明のさまざまな実施形態は、この摩擦をおそらくゼロまで低減する。
【００１７】
本発明の意図は、現場でこれらの問題を改善することであるので、既存のターボエキスパンダ設備に関して、元の設計の多くをできるだけ維持しなければならない。本発明のいくつかの実施形態において、軸方向荷重ボルト１１３は、予負荷をおそらくゼロまで低減するために利用される。
【００１８】
図３を参照すると、本発明の１つの実施形態による、ターボエキスパンダ１００のための低摩擦入口ノズルの分解図が提供されている。ノズルは、面１０２を備えるノズルカバーリング１０１と、第１のピボットピン穴１０３と、軸方向荷重ボルト穴１０４とを含む。ノズルは、一組のノズル羽根１０５も含み、各ノズル羽根１０５は、ピボットピン１０６と、第１の面１０７と、第２の面１０８とを備える。面１１０および第２のピボットピン穴１１１を備える固定リング１０９、一組の加圧ばね１１２、ならびに、一組の軸方向荷重ボルト１１３も含まれる。軸方向荷重ボルト１１３の数は、ターボエキスパンダの寸法および設計に依存するが、本発明の１つの実施形態において、８つの軸方向荷重ボルト１１３があってもよい。
【００１９】
図４を参照すると、一貫性および明瞭さのために先の図面から要素番号を維持しており、軸方向荷重ボルト１１３は、一組の加圧ばね１１２がノズルカバーリング１０１とノズル羽根１０５の第１の面１０７との間で誘起する力のすべてまたは少なくとも一部を受けるように構成される。さらに、ノズル羽根１０５の第１の面１０７は、ノズルカバーリング１０１の面１０２から所定の距離だけ離して配置される。加圧ばね１１２によって生じる予負荷力がゼロに減少されると、各ノズル羽根１０５の第２の面１０８は、固定リング１０９の面１１０との接触をもはや強いられない。
【００２０】
発明者は、摩擦の主な原因が、ノズルカバーリング１０１、ノズル羽根１０５、および固定リング１０９の接触面に沿って生じることを発見した。これは、ノズル羽根１０５上の滑り摩擦になる。滑り摩擦の前提条件は、接触面（圧力）「Ｆｎ」、粗さ「μ」、および滑ることである。各羽根の摩擦力は、Ｆ＝Ｆｎ×μである。この式から、摩擦「Ｆ」を減少させるためには、予負荷「Ｆｎ」または表面粗さ「μ」のいずれかを減少させなければならないことは明白である。本発明のさまざまな実施形態では、予負荷「Ｆｎ」を減少させる。
【００２１】
本発明の１つの実施形態において、加圧ばね１１２がノズル羽根１０５にかける予負荷は、図４に示されるように、Ｆである。軸方向荷重ボルト１１３は、（図４に示されるように）カバーリング１０１を左に引き寄せ、それによってノズル羽根１０５から離すことによってこの予負荷を減少させるように調整される。予負荷がゼロに減少されると、軸方向荷重ボルト１１３をさらに調整し、ノズルカバーリング１０１とノズル羽根１０５との間に隙間を発生させる。この隙間が所定の距離に到達すると、これは設定される。この所定の距離は、０．０２〜０．０４ｍｍでもよい。
【００２２】
よって、ノズルカバーリング１０１とノズル羽根１０５との間の摩擦はゼロに減少された。また、ノズル羽根１０５と固定リング１０９との間の摩擦もゼロに減少された。
【符号の説明】
【００２３】
１００  ターボエキスパンダ
１０１  ノズルカバーリング
１０２  ノズルカバーリングの面
１０３  ノズルカバーリングの第１のピボットピン穴
１０４  ノズルカバーリングの軸方向荷重ボルト穴
１０５  入口ノズル
１０６  ノズルピボットピン
１０７  ノズルの第１の面
１０８  ノズルの第２の面
１０９  固定リング
１１０  固定リング面
１１１  固定リングの第２のピボットピン穴
１１２  固定リングの加圧ばね
１１３  固定リングの軸方向荷重ボルト
１１４  環状入口
１１５  調整リング
１１６  カムフォロア
１１７  ノズルの偏倚スロット
１１８  エキスパンダホイール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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