(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の温度を低減するシステムであって、
その軸に沿った方向に流れるガスを膨張させる軸流膨張機を備え、
前記軸流膨張機は、
前記軸の周りに中心があり、入口ポートと出口ポートとを有する一体構造である外側ケーシングと、
ガスが前記外側ケーシングの前記入口ポートから内側ケーシングに入って、該外側ケーシングの前記出口ポートに内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有し、前記軸の周りに中心があり、該外側ケーシングの内側に固定された内側ケーシングと、
前記内側ケーシングの内側に収容され、かつ軸線方向中心が前記軸に位置合わせされたロータシャフトであって、前記ガス通路が、流体を中心領域から該ロータシャフトに沿って反対向きの軸線方向流れに向ける前記ロータシャフトと、
前記内側ケーシングに固定され、前記ロータシャフトが該内側ケーシングに対して前記軸の周りに回転することを可能にするように構成された複数の軸受と、
前記内側ケーシングの内面から内向きに突出するように該内側ケーシングに固定され、前記軸の前記方向に間隔を置いて分離されるように前記ガス通路の内側に配置された複数の固定子ベーンと、
前記ロータシャフトから外向きに突出するように該ロータシャフトに固定され、かつ前記複数の固定子ベーンと交替するように前記ガス通路の内側に配置された複数の可動ブレードと、を有し、
前記内側ケーシング、前記ロータシャフト、前記軸受、前記固定子ベーン、及び前記可動ブレードは、一体的に組み立てられ、該組み立てられた部材は、前記軸に沿った前記方向に前記外側ケーシングに挿入されており、
前記内側ケーシングは、前記固定子ベーンを有する内側ケーシング本体と、前記軸の前記方向に前記内側ケーシング本体の両端に固定され、かつ前記複数の軸受が固定されるヘッド部材と、を有している、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記内側ケーシング本体は、
前記固定子ベーンを有する主本体と、
前記軸の前記方向に前記主本体の両端に固定され、前記ヘッド部材が固定される接続部分と、を有している、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記複数の軸受は、油潤滑軸受、ローラ軸受、空気軸受、又はそのあらゆる組合せを有している、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の軸受は、磁気軸受を有している、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の軸受は、スラスト軸受を有している、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ロータシャフトに沿ったシールを有し、
前記シールは、流体が前記シャフトに沿って漏出することを防止するように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記シールは、オイルシール、ガスシール、迷路シール、ブラッシング浮遊リングシール、ハニカムシール、孔パターンシール、又はそのあらゆる組合せを有している、
ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記軸流膨張機は、前記流体が前記シャフトに沿って反対方向に流れることを可能にするように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ロータシャフトに結合されたプロセスユニットを有し、
前記プロセスユニットは、前記ロータシャフトによって給電されるように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記プロセスユニットは、圧縮機、発電機、又はポンプ、又はそのあらゆる組合せを含む、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ロータシャフトの各反対端に結合されたプロセスユニットを有し、
各プロセスユニットが、前記ロータシャフトによって給電されるように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
各プロセスユニットが、発電機、圧縮機、又はポンプ、又はそのあらゆる組合せを有している、
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記シャフトに結合された両方のプロセスユニットが、圧縮機を有している、
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記軸流膨張機と両方の圧縮機とを保持する単一ケースを有し、
組み立てた時に、前記ケースは、前記軸流膨張機と前記圧縮機の各々とのための流体入口及び流体出口のための開口部のみを有する、
ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
軸流膨張機において流体を冷却する方法であって、
高圧流体を前記軸流膨張機に流し込む段階であって、該軸流膨張機が、
入口ポート及び出口ポートを有する一体構造であり、軸の周りに中心がある外側ケーシングと、
ガスが前記外側ケーシングの前記入口ポートから内側ケーシングに入って、該外側ケーシングの前記出口ポートに該内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有し、前記軸の周りに中心があり、該外側ケーシングの内側に固定された内側ケーシングと、
前記内側ケーシングの内側に収容され、各軸線方向中心が前記軸に位置合わせされたロータシャフトであって、前記ガス通路が、前記流体を中心領域から該ロータシャフトに沿って反対向きの軸線方向流れに向ける前記ロータシャフトと、
前記内側ケーシングに固定され、前記ロータシャフトが該内側ケーシングに対して前記軸の周りに回転することを可能にするように構成された複数の軸受と、
前記内側ケーシングの内面から内向きに突出するように該内側ケーシングに固定され、前記軸の前記方向に間隔を置いて分離されるように前記ガス通路の内側に配置された複数の固定子ベーンと、
前記ロータシャフトから外向きに突出するように該ロータシャフトに固定され、かつ前記複数の固定子ベーンと交替するように前記ガス通路の内側に配置された複数の可動ブレードと、を含み、
前記内側ケーシング、前記ロータシャフト、前記軸受、前記固定子ベーン、及び前記可動ブレードが、単一ユニットに一体的に組み立てられ、かつ前記軸に沿った前記方向に前記外側ケーシングに挿入され、前記内側ケーシングは、前記固定子ベーンを有する内側ケーシング本体と、前記軸の前記方向に前記内側ケーシング本体の両端に固定され、かつ前記複数の軸受が固定されるヘッド部材と、を有しており、
前記流し込む段階と、
前記軸流膨張機において前記流体を膨張させて前記ロータシャフトを回転させる段階と、
機械的デバイスに結合された前記ロータシャフトに機械エネルギを与えることを通してエネルギを前記流体から除去する段階と、
前記冷却された流体を下流プロセスユニットに流し込む段階と、を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記ロータシャフトの前記機械エネルギによって発電機を駆動する段階を含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ロータシャフトからの前記機械エネルギによって圧縮機又はポンプユニットを駆動する段階を含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ロータシャフトの各反対端に取り付けられた個別の圧縮機、ポンプ、又は発電機を駆動する段階を含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
ガスストリームを冷却する段階を含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントであって、
不純物を生天然ガスフィードから除去し、冷却機システムへ流し込まれる処理天然ガスを形成するように構成されたガス処理プラントを備え、
前記冷却機システムは、その軸に沿った方向に流れたガスを膨張させるための軸流膨張機を有し、
前記軸流膨張機は、
入口ポート及び出口ポートを有する一体構造であり、前記軸の周りに中心がある外側ケーシングと、
ガスが前記外側ケーシングの前記入口ポートから内側ケーシングに入って、該外側ケーシングの前記出口ポートに内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有し、前記軸の周りに中心があり、該外側ケーシングの内側に固定された内側ケーシングと、
前記内側ケーシングの内側に収容され、かつ軸線方向の中心が前記軸に位置合わせされたロータシャフトであって、前記ガス通路が、流体を中心領域から該ロータシャフトに沿って反対向きの軸線方向流れに向ける前記ロータシャフトと、
前記内側ケーシングに固定され、前記ロータシャフトが該ケーシングに対して前記軸の周りに回転することを可能にするように構成された複数の軸受と、
前記内側ケーシングの内面から内向きに突出するように該内側ケーシングに固定され、前記軸の前記方向に間隔を置いて分離されるように前記ガス通路の内側に配置された複数の固定子ベーンと、
前記ロータシャフトから外向きに突出するように該ロータシャフトに固定され、かつ前記複数の固定子ベーンと交替するように前記ガス通路の内側に配置された複数の可動ブレードと、を有し、
前記内側ケーシング、前記ロータシャフト、前記軸受、前記固定子ベーン、及び前記可動ブレードは、一体的に組み立てられ、該組み立てられた部材は、前記軸に沿った前記方向に前記外側ケーシングに挿入されている、
ことを特徴とする液化天然ガス（ＬＮＧ）プラント。
【請求項２１】
前記軸流膨張機を含む冷却剤システムを有している、
ことを特徴とする請求項２０に記載のＬＮＧプラント。
【請求項２２】
圧縮機と、
熱交換器と、
流体流れが、前記圧縮機において圧縮され、前記熱交換器において冷却され、かつ軸流膨張機において膨張によって冷却される前記軸流膨張機と、を有する冷却剤システムを備えている、
ことを特徴とする請求項２０に記載のＬＮＧプラント。
【請求項２３】
前記軸流膨張機の下流の熱交換ユニットを有する、
ことを特徴とする請求項２２に記載のＬＮＧプラント。
【請求項２４】
流体が、天然ガス、冷却剤、又はその両方である、
ことを特徴とする請求項２０に記載のＬＮＧプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願〕
本出願は、２０１３年６月２８日出願の「軸流膨張機を利用するシステム及び方法」という名称のＵｐｔｉｇｒｏｖｅ、Ｃａｌａｆｅｌｌ、Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ、Ｍｏｒｉ、及びＮａｇａｏによる米国特許仮出願第６１／８４０７９２号に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明の技術の例示的実施形態は、膨張機タービンの使用に関する。具体的には、シャフトに対する軸線方向の流体流れを有する膨張機タービンを本明細書に提供する。
【背景技術】
【０００３】
大量の天然ガス（すなわち、主としてメタン）は、世界の僻地に位置している。このガスは、市場に経済的に移送された場合は有意な値を有する。ガス埋蔵量が市場の近く位置し、２つの位置の間の地形が許す場合に、ガスは、典型的には、産出され、その後、水中及び／又は地上配備パイプラインを通して市場に移送される。しかし、ガスが、パイプライン敷設が実行不可能か又は経済的に禁止される位置で産出される時に、このガスを市場に移送するのに他の技術を使用しなければならない。
【０００４】
ガスのパイプライン以外の輸送の一般的に使用される技術では、産出現場で又はその近くでガスを液化し、その後に、輸送船に載せた特別設計の貯蔵タンクで市場に液化天然ガスを移送する。天然ガスは、液化天然ガス（「ＬＮＧ」）を生成するように、冷却され液体状態まで凝縮される。ＬＮＧは、典型的には、但し、常時というわけではないが、実質的に大気圧でかつ約−１６２℃（−２６０°Ｆ）の温度で移送され、その結果、輸送艦上の特定の貯蔵タンク内に貯蔵することができるガスの量が実質的に増大する。例えば、ＬＮＧの量は、気相の天然ガスの約１／６００になる。
【０００５】
ＬＮＧ輸送船が目的地に到達すると、ＬＮＧは、典型的には他の貯蔵タンクに荷下ろしされ、ＬＮＧは、その後に貯蔵タンクから必要に応じて再気化され、パイプラインなどを通してエンドユーザにガスとして移送することができる。ＬＮＧは、主要なエネルギ消費国に天然ガスを供給する益々普及する移送方法となっている。
【０００６】
液化工程は、天然ガスが冷却及び液化されるいくつかの段階を有する場合がある。冷却工程中に、圧力は下げられ、液化製品の出荷圧は、ほとんど大気圧（例えば、約３．６ｐｓｉｇ又はそれ未満）である。圧力の減少は、天然ガスのエンタルピーを低減することにより、液化工程中に天然ガスを冷却するのを補助する。冷凍機器も、熱エネルギを除去するのに使用される。この工程の１つの段階では、高圧天然ガスストリームは、エネルギ（又はエンタルピー）を液体天然ガスストリームから抽出することにより、極低温ＬＮＧ（又はサブクールＬＮＧ）の生成を補助するために十分に圧力が下げられることが必要である。
【０００７】
多くの場合に、水力タービンの減圧をＬＮＧ工程において行い、エネルギを冷却剤ストリーム及び天然ガスストリーム又は他のシステムから除去して温度を下げることができる。また、これらのストリームから除去されるエネルギを使用して電力を生成することができる。例えば、タービンを発電機と結合してエネルギを除去するのに必要な制動荷重を提供することができる。発電機を設備送電網に結合することができ、追加の電力により、工程の熱力学的効率が改善する。ＬＮＧ工程において、能率改善は、約１〜２％とすることができ、その結果、年間に多くのメガワット時（１００万ワット時）が低減されて液化の経済的正当化が改善する。
【０００８】
他の当事者は、典型的に既存の設備内で実行されるものを超える大きさでの高圧低減の必要性を満たすためにタービンを直列に適用するという概念を提案している。直列膨張の例は、取りわけ、空気分離、並びにカスケードＬＮＧ液化工程に関連する特許において考慮されている。
【０００９】
Ｐａｃｈａｌｙの米国特許第３，７２４，２２６号明細書では、一体的低温精製を使用するＬＮＧ膨張機サイクル工程を開示している。この工程において、作動膨張された冷却剤部分は、圧縮サイクルを経て一連の膨張タービンを通して作動膨張される。膨張タービンは、共通のシャフトを共有するか又は圧縮機との他の機械的結合によって冷却剤ガスサイクルで圧縮機システムを駆動するのに必要な電力の少なくとも一部を供給する。使用される膨張機は、高圧ガスストリームがターボ膨張機を通して減圧される時に高圧ガスストリームの一部を液化することができるターボ膨張機である。その後に、膨張したストリームは、より多くのターボ膨張機を通る前に冷却ユニットに通してより多くのエネルギを除去することができる。
【００１０】
Ｒｏｂｅｒｔｓの米国特許第４，０１９，３４３号明細書では、エンタルピー変換液体タービンを使用する冷凍システムを開示している。冷凍システムは、一連の液体のタービンを使用し、その各々は、関連の圧縮機を有する。液体アンモニアのストリームを液体タービンにおいて膨張させ、その間に液体の一部が急速に気化して関連の圧縮機に送られる。冷却された膨張した液体は、直列内の次のタービンに流れ、この工程が繰り返される。
【００１１】
関連情報は、米国特許第２，９２２，２８５号明細書、米国特許第３，６７７，０１９号明細書、米国特許第４，６３８，６３８号明細書、米国特許第４，７５８，２５７号明細書、米国特許第５，６５１，２６９号明細書、米国特許第６，１０５，３８９号明細書、米国特許第６，６４７，７４４号明細書、米国特許第６，８９８，９４９号明細書、及び米国特許第７，０４７，７６４号明細書に見ることができる。更に別の情報は、米国特許出願公開第２００３／０００５６９８号明細書及び米国特許出願公開第２００５／０１８３４５２号明細書に見ることができる。追加情報は、国際特許出願公開第ＷＯ  ２００７／０２１３５１号明細書及び欧州特許出願公開第０  ６７２  ８７７  Ａ１号明細書に見ることができる。
【００１２】
既存のタービン膨張機は、インペラを形成する中心シャフト上に三角形の形状を形成する一連のブレードを有する遠心膨張機である。高圧ストリームがインペラの外径でブレードの先端の上をポートから入り、内向きに半径方向に流れ、シャフトを回転させるとインペラが回転し、圧力がより低いストリームが、シャフトの中心から出口を通って出て、インペラから軸線方向に流れ出る。各膨張機は、一般的に単一膨張機インペラを有する。従って、これらのタービン膨張機は、相対的な小さい流量及び減圧を有する。従って、大きい設備において液化ガスを生成する時に複数の遠心膨張機に対する必要性が存在する。こういう理由から、遠心膨張機は、コスト増大、スペース要件増大、及び機械量増大によって複雑化される保守特性の理由で大きいプラントでの使用には好適ではない。遠心膨張機の効率も、一般的に低い約８０パーセントレベルに限定される。更に、軸流膨張機は、より高い効率をもたらすことができ、その結果、同じ減圧でより多くの液体及び流体のサブクールが得られ、これは、ガス液化及びガス分離工程において非常に貴重である可能性がある。更に、軸流タービンは、蒸気タービンとして広範囲に開発されているが、ガス膨張機に対しては用途が非常に限られている。
【００１３】
例えば、Ｏｎｏ他による日本特許公開第２００３−２７９０１号明細書（以下「Ｏｎｏ特許」）では、軸流膨張機を開示している。軸流膨張機には、静止体に固定された固定ブレード及びタービンロータに固定された可動ブレードで構成されたタービン段が設けられる。複数のタービン段を有する作動流体流路が、タービンの軸線方向に位置合わせしている。バイパス流路が、作動流体の流れ方向に上流から流れ込む作動流体の一部がタービン段の少なくとも１つの外周側をバイパスし、かつバイパスされたタービン段から作動流体の流れ方向に下流に位置するタービン段内に導入することを可能にするように作動流体流路の外側に設けられる。
【００１４】
しかし、整備のために内側構成要素をケーシングから除去するために、回転機械が利用可能であることが必要であることが多い。Ｏｎｏ特許に開示された軸流膨張機は、内側構成要素をケーシングから除去する構造を提供しない。実際に、流路の中の固定式構造は、ケーシングを開く構造がなければ除去を妨げる。組立及び整備を可能にするために、Ｏｎｏ特許は、ケーシングを水平面で２つの部分に分割することを可能にしている。しかし、ケーシングの分割式構造は、タービン膨張機によって保持することができる圧力を下げる可能性がある。冷凍サイクルに使用される膨張機において又はプロセスガス冷却に関して、ケーシングの内側は高圧を受けやすい。こういう理由から、分割面からのガスの漏れが存在する場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、高圧ガスにおいて流量の増大、減圧の増大、高効率化、及び密封が可能な軸流膨張機に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の技術の例示的実施形態は、流体の温度を低減するシステムを提供する。システムは、軸に沿った方向に流れたガスを膨張させる軸流膨張機を含む。軸流膨張機は、入口ポート及び出口ポートを有する一体構造であって軸の周りに中心がある外側ケーシングと、ガスが外側ケーシングの入口ポートから内側ケーシングに入って、外側ケーシングの出口ポートに内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有し、軸の周りに中心があり、外側ケーシングの内側に固定された内側ケーシングとを含む。ロータシャフトは、内側ケーシングの内側に収容され、軸線方向の中心は、軸に位置合わせされている。いくつかの軸受が、内側ケーシングに固定され、軸受は、ロータシャフトが内側ケーシングに対して軸の周りに回転することを可能にするように構成される。いくつかの固定子ベーンが、内側ケーシングの内面から内向きに突出するように内側ケーシングに固定され、固定子ベーンは、軸の方向に間隔を置いて分離されるようにガス通路の内側に配置される。いくつかの可動ブレードが、ロータシャフトから外向きに突出するようにロータシャフトに固定され、かつ固定子ベーンと交替するようにガス通路の内側に配置される。内側ケーシング、ロータシャフト、軸受、固定子ベーン、及び可動ブレードは、一体的に組み立てられ、組み立てられた部材は、軸に沿った方向に外側ケーシングに挿入される。
【００１７】
本発明の技術の別の例示的実施形態は、軸流膨張機において流体を冷却する方法を提供する。本方法は、高圧流体を軸流膨張機に流し込む段階を含み、軸流膨張機は、軸の周りに中心がある外側ケーシングを含む。外側ケーシングは、入口ポート及び出口ポートを有する一体構造である。軸流膨張機はまた、外側ケーシングの内側に固定されて軸の周りに中心がある内側ケーシングを有し、内側ケーシングは、ガスが外側ケーシングの入口ポートから内側ケーシングに入って、外側ケーシングの出口ポートに内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有する。ロータシャフトは、内側ケーシングの内側に収容され、軸線方向の中心は、軸に位置合わせされている。いくつかの軸受が、内側ケーシングに固定され、軸受は、ロータシャフトが内側ケーシングに対して軸の周りに回転することを可能にするように構成される。いくつかの固定子ベーンが、内側ケーシングの内面から内向きに突出するように内側ケーシングに固定され、固定子ベーンは、軸の方向に間隔を置いて分離されるようにガス通路の内側に配置される。いくつかの可動ブレードか、ロータシャフトから外向きに突出するようにロータシャフトに固定され、かつ固定子ベーンと交替するようにガス通路の内側に配置される。内側ケーシング、ロータシャフト、軸受、固定子ベーン、及び可動ブレードは、一体的に組み立てられ、組み立てられた部材は、軸に沿った方向に外側ケーシングに挿入される。本方法はまた、流体を軸流膨張機において膨張させてロータシャフトを回転させる段階を含む。エネルギは、機械的デバイスに結合されたロータシャフト内に機械エネルギを与えることを通して流体から除去される。冷却された流体は、下流プロセスユニットに流し込まれる。
【００１８】
別の例示的実施形態は、不純物を生天然ガスフィードから除去して処理天然ガスを形成するように構成されたガス処理プラントを含む液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントを提供し、処理天然ガスは、冷却機システムに流し込まれ、冷却機システムは、軸に沿った方向に流れたガスを膨張させる軸流膨張機を含む。軸流膨張機は、軸の周りに中心がある外側ケーシングを含む。外側ケーシングは、入口ポート及び出口ポートを有する一体構造である。軸流膨張機はまた、ガスが外側ケーシングの入口ポートから内側ケーシングに入って、外側ケーシングの出口ポートに内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有し、軸の周りに中心があり、外側ケーシングの内側に固定された内側ケーシングを有する。ロータシャフトは、内側ケーシングの内側に収容され、軸線方向の中心は、軸に位置合わせされている。いくつかの軸受が、内側ケーシングに固定され、軸受は、ロータシャフトが内側ケーシングに対して軸の周りに回転することを可能にするように構成される。いくつかの固定子ベーンが、内側ケーシングの内面から内向きに突出するように内側ケーシングに固定され、固定子ベーンは、軸の方向に間隔を置いて分離されるようにガス通路の内側に配置される。いくつかの可動ブレードか、ロータシャフトから外向きに突出するようにロータシャフトに固定され、かつ固定子ベーンと交替するようにガス通路の内側に配置される。内側ケーシング、ロータシャフト、軸受、固定子ベーン、及び可動ブレードは、一体的に組み立てられ、組み立てられた部材は、軸に沿った方向に外側ケーシングに挿入される。
【００１９】
本発明の技術の利点は、以下の詳細説明及び添付図面を参照することによってより良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントのブロック図である。
【図２】ＬＮＧプラントの冷却／凝縮区画のブロック図である。
【図３】エネルギを除去しながら電気を生成するために膨張機ループ（すなわち、膨張機サイクル）及びサブクールループが複数の膨張機タービンを使用することができるＬＮＧプラントを示す図である。
【図４】遠心膨張機に基づく膨張機タービン発電機の概略図である。
【図５】軸流膨張機の断面図である。
【図６】別の軸流膨張機の断面図である。
【図７】更に別の軸流膨張機の断面図である。
【図８】軸の各端部から１つの２つの圧縮機を駆動するのに使用される軸流膨張機の概略図である。
【図９】システム全体が密封ケースに封入された２つの圧縮機を駆動する軸流膨張機の概略図である。
【図１０】軸流膨張機を使用して流れストリーム内のエネルギを低減する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の「発明を実施するための形態」節において、本発明の技術の特定の実施形態を説明する。しかし、以下の説明が特定の実施形態又は本発明の技術の特定の使用に特定である範囲において、これは例示を目的することに限ることが意図され、単に例示的実施形態の説明を提供するものである。従って、この技術は、特定の以下に説明する実施形態に限定されず、むしろ、特許請求の範囲の真の精神及び範囲に該当する全ての代替物、修正物、及び均等物を含む。
【００２２】
最初に、参照しやすいように、本出願に使用する特定の用語及び本発明の状況に使用される時の意味を定める。本明細書で使用する用語が以下で定義されないという範囲において、それには、当業者が少なくとも１つの印刷された文献又は付与された特許に反映されるようにその用語を与えた最も広義の定義を与えるべきである。更に、本発明の技術は、同じか又は類似した目的に機能する全ての均等物、類義語、新開発物、及び用語又は技術が本発明の特許請求の範囲であると見なされるので、以下に示されている用語の使用によって制限されない。
【００２３】
本明細書で使用する時に、「圧縮機」は材料の圧力を増大させるように設計されたあらゆるタイプの機器を含み、圧縮機器のいずれか１つのタイプ又は類似の又は異なるタイプの組合せを含む。圧縮機はまた、取りわけ、モータ及び駆動システムのような圧縮機に関連付けられた補機を含むことができる。圧縮機は、例えば、直列の１つ又は２以上の圧縮段を利用することができる。例示的な圧縮機は、例えば往復及び回転圧縮機のような容積式タイプ、及び例えば遠心及び軸流圧縮機のような動的タイプなどを含むことができるがこれらに限定されない。
【００２４】
「極低温」は、約−５０℃又はそれよりも低い温度を指す。
【００２５】
「膨張デバイス」は、管路内の流体（例えば、液体ストリーム、蒸気ストリーム、又は液体及び蒸気を含む多相ストリーム）の圧力を低減するのに適する１つ又は２以上のデバイスを指す。特定のタイプの膨張デバイスが具体的に説明されない限り、膨張は、等エンタルピー手段によって少なくとも部分的に実行することができ、等エントロピー手段によって少なくとも部分的に実行することができ、又は等エントロピー手段及び等エンタルピー手段の組合せによって実行することができる。天然ガス及び他の流体の等エンタルピー膨張のための適切なデバイスは、当業技術で公知であり、一般的に、例えば、バルブ、制御バルブ、ジュールトムソン（ＪＴ）バルブ、又はベンチュリデバイスのような手動又は自動的に起動される絞りデバイスを含むがこれに限定されない。天然ガスの等エントロピー膨張のための適切なデバイスは、当業技術で公知である。一般的に、それらは、仕事をそのような膨張から抽出又は導出する膨張機又はターボ膨張機のような機器を含む。液体ストリームの等エントロピー膨張のための適切なデバイスは、当業技術で公知である。一般的に、それらは、膨張機、油圧膨張機、膨張機タービン、又は仕事をそのような膨張から抽出又は導出するターボ膨張機のような機器を含む。等エントロピー手段及び等エンタルピー手段の組合せの例は、並列のジュール−トムソンバルブ及びターボ膨張機とすることができ、これは、ＪＴバルブ及びターボ膨張機を単独で使用するか又は同時に使用する機能をもたらす。等エンタルピー又は等エントロピー膨張は、全液相、全気相、又は混合相において行うことができ、かつ蒸気ストリーム又は液体ストリームから多相ストリーム（蒸気及び液相を有するストリーム）への相変化を容易にするために行うことができる。本明細書での図面の説明において、いずれかの図面中の１つよりも多い膨張デバイスへの言及は、各膨張デバイスが同じタイプ又はサイズであることを必ずしも意味するというわけではない。
【００２６】
「膨張タイプ冷却」は、流体又は２相システムの減圧手段を通る通過によって減少する時に発生する冷却を指す。一実施形態において、膨張手段は、ジュールトムソン膨張バルブである。本発明の別の実施形態において、膨張手段は、ターボ膨張機のような水圧又はガス膨張機である。タービンにおいて、冷却は、機械エネルギとしてエネルギをストリームから除去する。
【００２７】
本明細書で使用する時に、「流体」は、圧縮可能相材料を指す。流体は、ガス又は超臨界流体を含むことができる。流体は、膨張機を通じた膨張の後又は前に圧縮可能な相に加えて何らかの液相材料を含むことができる。
【００２８】
本明細書で使用する時に、「熱交換ユニット」は、熱伝達を容易にする当業技術で公知の機器のいずれか１つのタイプ又は類似か又は異なるタイプの組合せを含む。従って、熱交換ユニットは、機器の単一部分とすることができ、又は複数の機器部分に含まれた機器を含むことができる。逆に、複数の熱交換ユニットは、機器の単一部分、例えば、複数の熱交換器を収容する冷却箱内に収容することができる。
【００２９】
「ガス」という用語は、「蒸気」と交換可能に使用され、液体又は固体状態と区別される時にガス状状態の物質又は物質の混合物として定義される。同様に、「液体」という用語は、ガスまた固体状態と区別される時に液体状態の物質又は物質の混合物を意味する。
【００３０】
「炭化水素」は、主として元素水素及び炭素を含む有機化合物であるが、窒素、硫黄、酸素、金属、又はあらゆる数の他の元素が少量で存在することができる。本明細書で使用する時に、炭化水素は、一般的に、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2、Ｃ2Ｈ4、ＣａＨｅ、Ｃ3異性体、Ｃ4異性体、ベンゼンのような生天然ガスで見られる成分を指す。
【００３１】
「液化天然ガス」又は「ＬＮＧ」は、高い割合のメタン、ただし、他の元素及び／又は複合物も含むことが公知である天然流体５０２である。他の元素又は複合物は、１つ又は２以上の成分（例えば、ヘリウム）、又は不純物（例えば、水及び／又は重炭化水素）を除去するために処理されてその後に冷却によってほとんど大気圧で液体に凝縮されるエタン、プロパン、ブタンガス、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、硫化水素、又はその組合せを含むことができるが、これらに限定されない、
【００３２】
「天然ガス」という用語は、原油田（関連ガス）から又は地下のガス担持地層（非関連ガス）から得られる多成分ガスを指す。天然ガスの組成物及び圧力は、実質的に変わることがある。典型的な天然ガスストリームは、重要な成分としてメタン（Ｃ1）を含有する。生天然ガスは、エタン（Ｃ2）、分子量がより高い炭化水素、１つ又は２以上の酸性ガス（例えば、二酸化炭素、硫化水素、硫化カルボニル、炭素二硫化物、及びメルカプタン）、及び水、窒素、硫化鉄、ワックス、及び原油のような少量の汚染物質を多くの場合に含有する場合がある。
【００３３】
「圧力」は、容積の壁にガスによって単位面積当たりに掛けられる力である。圧力は、ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）として示すことができる。「大気圧」は、空気の局所圧力を指す。「絶対圧力」（ｐｓｉａ）は、大気圧（基準状態での１４．７ｐｓｉａ）＋ゲージ圧（ゲージｐｓｉ）の和を指し、「ゲージ圧」（ゲージｐｓｉ）は、局所的大気圧よりも大きい圧力だけを示すゲージによって測定された圧力を指す（すなわち、０ｐｓｉｇのゲージ圧は、１４．７ｐｓｉａの絶対圧力に対応する）。「蒸気圧」という用語は、通常の熱力学的な意味を有する。与えられた圧力での封入システム内の純粋成分に関して、成分蒸気圧は、システム内の全圧に本質的に等しい。
【００３４】
「酸性ガス」は、一般的に硫化水素（Ｈ2Ｓ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）のような酸性種を含有する天然ガスを指す。Ｈ2Ｓ及びＣＯ2が天然ガスフィードストリームから除去された時に、ガスは、「スイート」として分類される。「酸性ガス」という用語は、スイート化されていないガスから低濃度でさえも放出される匂いのためにＨ2Ｓを含む天然ガスに適用される。
【００３５】
材料の量又は数量又はその特定の特性を参照して使用される時の「実質的な」は、材料又は特性がもたらすことが意図される影響を与えるのに十分である量を指す。許容可能な振れの正確な程度は、一部の場合には、特定の関連に依存する場合がある。
【００３６】
概要
本明細書に説明する実施形態において、流体の冷却に使用される軸流膨張機を提供する。軸流膨張機は、遠心膨張機より高い流れをもたらすことができ、取りわけ、液化天然ガス、冷却剤、又は冷却ガスストリームの同等の生成に関して、例えば、プラントにおいてより少数のタービンを使用可能にすることができる。更に、本明細書に説明する設計は、一体ケースを有し、かつタービンを軸に沿ってポートを通して流路に摺動させることを可能にする。分割ケースの設計とは対照的に、一体ケースの設計は、流体の漏れなしで使用することができる潜在的な作動圧力を増大させることができる。
【００３７】
軸流膨張機において、可動ブレードの高さ寸法は、流量増大と共に増大し、これは、問題がある量のスラスト力を引き起こす可能性がある。従って、一部の実施形態において、スラスト力からの問題は、流体流れが入口の各側でタービンを通って流れる二重流れタイプ構造を使用することによって緩和され、スラスト力が無効になる。軸流膨張機はまた、シャフトが一端で入口ポートによって阻止されないので機器をタービンの各側でシャフトに装着することを可能にする。シャフトの各端での機器の使用は、負荷分散をもたらし、下流機器からスラスト効果が緩和される。
【００３８】
本明細書に説明する軸流膨張機は、あらゆる数の冷却用途に使用することができる。例えば、軸流膨張機は、冷凍用途におけるようなガスストリームの冷却に使用することができる。別の用途において、軸流膨張機は、例えば、ＬＮＧを生成するためにガス冷却及び液体除去に使用することができる。
【００３９】
膨張及び冷却工程中に除去された機械エネルギは、圧縮機及び発電機などのような他の機器に電力を供給するのに使用することができる。例示的なＬＮＧプラントを本明細書に説明するが、これは単に軸流膨張機の１つの用途に過ぎないことを理解することができる。
【００４０】
図１は、液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントのブロック図である。図１に示すように、生ガスフィード１０２は、ガス処理プラント１０４で処理される。ガス処理プラント１０４は、酸性ガス（例えば、ＣＯ2及びＨ2Ｓ）、水、より重量のある炭化水素（例えば、エタン、エチレン、Ｃ3異性体、及びより上位の炭素複合物）、及び他の不純物を除去することができる。処理天然ガス１０６は、ＬＮＧプラント１０８において冷却及び液化される。処理されたガス１０６の一部を、例えば、ＬＮＧプラント１０８の冷却／凝縮区画１１０において冷却剤圧縮機を駆動してＬＮＧプラント１０８に電力を供給するためにガスタービンにおいて燃焼させることができる。ＬＮＧ１１２は、生成された後に、貨物積載点に移送され、上述のように、エネルギ消費位置に搬送されるように船舶又は他のＬＮＧ輸送船に積み込むことができる。ＬＮＧプラント１０８の冷却／凝縮区画１１０を図２で詳細に説明する。
【００４１】
図２は、ＬＮＧプラント１０８（図１）の冷却／凝縮区画１１０のブロック図である。冷却／凝縮区画１１０において、処理されたガスフィード１０６を１つ又は２以上の冷却機２０２に通し、エネルギを除去してガスを凝縮することができる。冷却機２０２は、１つ又は２以上の冷却剤システム２０４によって冷却することができ、冷却剤システムは、圧縮機２０６と、冷却機２０８と、膨張機２１０とを含むことができる。膨張機２１０は、冷却剤からエネルギを除去することができる減圧をもたらす。減圧は、高い圧力（Ｐ1）から低い（Ｐ2）に流体の圧力を低減することと説明される。これを使用して、冷却剤を冷却機２０２に通す前まで冷却剤のエネルギを低減することができる。例示的実施形態において、冷却剤膨張機２１０は、制動荷重をもたらすために発電機に結合することができる軸流膨張機を含むことができる。従って、軸流膨張機によって流体流れから除去されたエネルギを使用して電力を生成することができる。軸流膨張機は、発電機の代わりに又はそれに加えて圧縮機に結合することができ、冷却剤ガスを圧縮する際の使用のために、例えば、圧縮機能を提供する。更に、軸流膨張機は、ＬＮＧ生成ストリーム内に直接に使用して圧力を低減しながら高圧の天然ガスを冷却することができる。
【００４２】
ＬＮＧがほぼ完全に液化させられると、最終ＬＮＧ膨張機２１２を使用して圧力降下をもたらしてＬＮＧ流中のあらゆる残留ガスの圧力を下げてそのエネルギを更に低減することができる。ＬＮＧ膨張機２１２は、冷却剤膨張機２１０に対して上述したものと同じタイプとすることができる。本発明の技術の例示的実施形態において、１つ又は２以上の軸流膨張機は、例えば、直列又は直並列構成で使用して、ＬＮＧ工程において圧力降下をもたらすことができる。数多くのあらゆるＬＮＧプラント技術において、図３に示すＬＮＧプラント構成のような本発明の技術の例示的実施形態を使用することができる。
【００４３】
図３は、膨張機ループ３０２（すなわち、膨張機サイクル）及びサブクールループ３０４が軸流膨張機を使用して電気を生成すると同時に冷却剤及びフィードガスストリーム３０６からエネルギを除去することができるＬＮＧプラント３００を示している。本明細書で使用する時に、用語「ループ」及び「サイクル」は、交換可能に使用される。図３において、フィードガスストリーム３０６は、約１２００ｐｓｉａ未満の圧力で液化工程に入る。フィードガスストリーム３０６は、例えば、約６００ｐｓｉａ未満のより低い圧力にあることができる。典型的には、フィードガスストリーム３０６の圧力は、約８００ｐｓｉａとすることができる。フィードガスストリーム３０６は、処理天然ガスストリーム１０６（図１）のような汚染物質を除去するために処理された天然ガスを含むことができる。
【００４４】
フィードガスストリーム３０６の一部を引き出し、サイドストリーム３０８を形成して膨張機ループ３０２のための冷却剤を供給することができる。しかし、天然ガスは、膨張機ループ３０２において冷却剤として使用される場合に、フィードガスが熱交換領域に通された後を含む工程においてあらゆる数の他の位置から引き出すことができる。サイドストリーム３０８を圧縮機３１０に通し、約１５００ｐｓｉａよりも大きい圧力に圧縮することができ、圧縮された冷却剤ストリーム３１２が得られる。圧力は、あらゆる圧力を使用することができるので１５００ｐｓｉａに限定されない。例えば、圧縮された冷却剤ストリーム３１２は、約２５００ｐｓｉａよりも大きい圧力、又はそれを更に超えることができる。
【００４５】
圧縮された冷却剤ストリーム３１２は、圧縮機３１０を出た後に、冷却機３１４を通って流れて適切な冷却流体との間接熱交換によって冷却され、圧縮、冷却された冷却剤ストリームをもたらすことができる。冷却機３１４は、冷却流体として水又は空気を使用することができるが、あらゆるタイプの冷却流体を使用することができる。冷却機３１４から現れる時の圧縮された冷却剤ストリーム３１２の温度は、使用される周囲条件及び冷却媒体に依存し、約３５°Ｆ〜約１０５°Ｆとすることができる。冷却された圧縮された冷却剤ストリーム３１２は、その後に、膨張機３１６に進むことができ、該冷却剤ストリームを膨張及び冷却して膨張した冷却剤ストリーム３１８を構成することができる。本発明の技術の例示的実施形態において、膨張機３１６は、以下でより詳細に説明するように、１つ又は２以上の軸流膨張機を含む。軸流膨張機を使用して、圧縮機３１０を駆動するのに使用されるエネルギの少なくとも一部をもたらすことができる。
【００４６】
膨張した冷却剤ストリーム３１８は、第１の熱交換ユニット３２０に流れて、第１の熱交換ユニット３２０のための冷凍機能の少なくとも一部をもたらすことができる。第１の熱交換ユニット３２０において、膨張した冷却剤ストリーム３１８を熱交換器３２２に通すことができる。一部の実施形態において、膨張した冷却剤ストリーム３１８を熱交換器３２２において蒸発させてより大きい冷却を行うことができる。
【００４７】
第１の熱交換ユニット３２０を出ると、膨張した冷却剤ストリーム３１８は圧縮機３２４に供給される。圧縮機３２４において、膨張した冷却剤ストリーム３１８を圧縮して圧縮ストリーム３２６を形成し、圧縮ストリームを、その後に、サイドストリーム３０８と合流させることができる。膨張機ループ３０２がサイドストリーム３０８からのフィードガス３０６で満たされた状態で、少量のフィードガス３０６だけを使用して、漏れによる損失を補填することができる。従って、圧縮機３１０に入るガスの大半は、一般的に圧縮ストリーム３２６によって供給されることになる。引き出されないフィードガスストリーム３０６の部分は、サイドストリーム３０８が熱交換ユニット３２０に通され、この部分が、例えば、熱交換器３２８を通って流れることにより、少なくとも部分的に膨張した冷却剤ストリーム３１８との間接熱交換によって冷却することができる。
【００４８】
フィードガスストリーム３０６は、第１の熱交換ユニット３２６を出た後に第２の熱交換ユニット３３０を通過することができる。第２の熱交換ユニット３３０を使用して、例えば、サブクールループ３０４との間接熱交換によってフィードガスストリーム３０６をサブクールし、サブクールストリーム３３２を生成することができる。サブクールストリーム３３２を第２の膨張機３３４においてより低い圧力に膨張させることができ、その結果、サブクールストリーム３３２が部分的に液化して液体留分及び残留蒸気留分を形成する。本発明の技術の例示的実施形態において、第２の膨張機３３４は、以下でより詳細に説明するように、電気を生成するために、例えば、直列又は直並列構成の１つ又は２以上の軸流膨張機を含む。
【００４９】
冷却されたサブクールストリーム３３２をサージタンク３３６に通すことができ、液化留分３３８が、沸点圧力に対応する温度を有するＬＮＧ流３４０として工程から引き出される。残留蒸気留分は、サブクールストリーム３３２内に残存する天然ガス及びあらゆる窒素を含むことができる。蒸気留分ストリーム３４２は、圧縮機ストリングを駆動するためにガスタービンエンジンにおいて燃焼することによって圧縮機に例えば電力を供給するために燃料として使用することができる。気化蒸気ストリーム３４２の全部又は一部を燃料として使用する前に、サージタンク３３８から熱交換ユニット３３６及び３２０内の熱交換器３４４に通して、冷却剤によって行われる冷却を補足することができる。
【００５０】
気化蒸気３４２の一部は、サブクールループ３０４において冷却剤として作用するように管路３４６を通して引き出すことができる。サブクールループ３０４がガスで完全に装填された状態で、メイクアップガス（すなわち、管路３４６からの追加の気化蒸気）だけを追加して漏れによる損失を補填することができる。サブクールループ３０４において、膨張ストリーム３４８を第３の膨張機３５０から排出して、第１の熱交換ユニット３２０内の第２の熱交換ユニット３３０及び第２の熱交換器３５４内の熱交換器３５２を通過させることができる。膨張ストリーム３４８は、熱交換ユニット３３０及び３２０を通過すると蒸気ストリーム３５６に蒸発することができる。蒸気ストリーム３５６は、圧縮機３５８に供給することができ、より高い圧力に再圧縮される。再圧縮されたサブクール冷却剤ストリームは、圧縮機３５８を出た後に、第２の冷却機３６０に通って熱を圧縮から除去することができる。第２の冷却機３６０は、冷却機３１４とすることができるが、あらゆるタイプの冷却機を使用することができる。冷却後に、再圧縮されたサブクール冷却剤ストリームは、第１の熱交換ユニット３２０に通され、膨張した冷却剤ストリーム３１８、サブクール冷却剤ストリーム３４８、及び気化蒸気ストリーム３４２との間接熱交換によって更に冷却することができる。再圧縮されかつ冷却されたサブクール冷却剤ストリームは、第１の熱交換ユニット３２０を出た後に、膨張機３５０を通して膨張させて膨張ストリーム３４８をもたらすことができ、膨張ストリームは、その後に、サイクルを繰り返すために使用することができる。
【００５１】
本明細書に説明する技術は、あらゆる数の工程においてＬＮＧ液化工程にも冷却剤作業に対しても本明細書に説明する軸流膨張機を使用することができるので、図３に示す例示的実施形態に示す構成に限定されない。そのような工程は、ＡｉｒＰｒｏｄｕｃｔｓからのＬＮＧ生成工程Ｃ３ＭＲ及びＡＰＣＩ、ＣｏｎｏｃｏＰｈｉｌｌｉｐｓからのカスケードＬＮＧ工程、シェルのＤＭＲ  ＬＮＧ工程、及びＬｉｎｄｅからのＬＮＧ生成工程を含むことができる。本明細書で言及するように、極低温空気を含む他の工程も軸流膨張機を使用することができる。
【００５２】
標準的な膨張機タービン
図４は、缶型膨張機タービン／発電機４００の例示である。図４に示すように、発電機４０２及び膨張機タービン４０４は、両方とも単一容器４０６の内側に位置する。容器４０６は、流体入口４１０に結合するヘッド４０８を有する。流体入口４１０から、プロセス流体（例えば、ＬＮＧ、又は冷却剤）は、容器４０６を通って、発電機４０２の周りを流れて、膨張機タービン４０４のホイールを通ることができる。プロセス流体は、その後に、流体出口４１２を通って容器を出る。発電機４０２からの電力は、発電機電力導管４１４及び電力フィードスルー４１６を通ってヘッド４０８を出る電線路を通って除去される。この構成は、発電機４０２及び膨張機タービン４０４を結合するシャフトのような可動部品の周りのシールの排除に有利である。そのようなシールは、容器４０６又は導管４１４のようなパイプセグメント又は別のパイプセグメント４２０にヘッド４０８を密封するのに使用されるフランジ４１８ほどは信頼性がない場合がある。図４に示す缶型膨張機タービン／発電機４００は、Ｅｂａｒｒａコーポレーションから市販されている。しかし、缶型膨張機タービン／発電機４００は、電力制限、例えば、２．４Ｍ又はそれ未満の構成でのみ利用可能にすることができる。従って、直列の３個、４個、５個、６個、７個、又はそれよりも多くのユニットのような十分な機能を取得するために直列構成を使用することができる。更に、ユニット故障の際に代わりの予備のユニットに関する既存の技術では、実質的なコストで各設けられたユニットに予備品を使用することが多い。比較すると、本明細書に説明するシステムは、より高い流れ容量を有し、同じ全容量をもたらすのに要求されるユニットの数が少ない。
【００５３】
軸流膨張機
軸流膨張機の例示的な設計を図５〜図７を参照して説明する。しかし、特定の設計の詳細を説明するが、軸流膨張機は、図示の特定の詳細に限定されない。シール、軸受、及び他のシステム及び使用されるデバイスは、必要な機能に基づいて選択することができる。一般的に、本明細書に説明する軸流膨張機は、ロータアセンブリ構造を軸線方向に挿入することができる一体ケースを有する。一体ケース構造は、分割ケース設計においてケースの各半体間の接合部で発生する場合がある潜在的な漏れサイトを排除し、分割ケースを漏れに誘導する場合がある状態下でのタービンの使用が可能である。
【００５４】
図５は、軸流膨張機５００の断面図である。上述のように、軸流膨張機５００は、流体５０２の実質的に等エントロピーの膨張を可能にすることによって冷凍サイクル、ガス冷却、及び液体回収のための膨張機としての使用できるように構成される。
【００５５】
軸流膨張機５００は、円筒形に形成された外側ケーシング５０４と、外側ケーシング５０４に挿入することができるロータアセンブリ５０６とを含む。外側ケーシング５０４は、軸５０８の周りの円筒体である。図１内の図示の実施形態において、軸流膨張機５００は、軸５０８方向に沿って円筒体の中立点で軸５０８に垂直な仮想線５１０に対して実質的に左右対称であるように構成される。更に、外側ケーシング５０４は、仮想線５１０が描かれている中心位置で外側ケーシング５０４の半径方向に突出するように構成された入口ポート５１２を有する。
【００５６】
入口ポート５１２には、半径方向に通る通過孔が設けられ、流体５０２を、入口ポート５１２を通って外側ケーシング５０４内に導入することができる。更に、入口ポート５１２には、半径方向において入口ポート５１２の外端で大きい外径を有するフランジ部分５１４が設けられる。入口ポート５１２は、フランジ部分５１４を通って吸込ダクトに接続することができる。
【００５７】
更に、外側ケーシング５０４には、外側ケーシング５０４の半径方向に突出するように軸５０８に対して入口ポート５１２の反対側に位置する２つの出口ポート５１６が設けられ、出口ポート５１６の１つは、軸５０８の方向に外側ケーシング５０４の一端５１８の近くに位置決めすることができ、出口ポート５１６の他方は、外側ケーシング５０４の他端５２０の近くに位置決めすることができる。他の構成を使用することができる。例えば、２つのポートは、ケースに内蔵される単一出口マニホルドを入れることができる。出口ポート５１６の各々は、流体５０２が外側ケーシング５０４を出ることを可能にする。更に、フランジ部分５２２が、出口ポート５１６の半径方向に外側端部部分に設けられ、フランジ部分は、外側ケーシング５０４の外周面の近くのフランジ部分５２２の外径が拡大されるように構成される。出口ポート５１６は、フランジ部分５２２を通って出口ダクト（図１には図示せず）に接続することができる。
【００５８】
外側ケーシング５０４は、軸５０８の方向に他端５２０の一端５２０において半径方向に内向きに環状に突出する突出部５２４が設けられる。突出部５２４は、外側ケーシング５０４の一端５１８からケーシング５０４にロータアセンブリ５０６を挿入した時にロータアセンブリ５０６と係合して、他端５２０から外側ケーシング５０４の外側への外側ケーシング５０４の突出を制限する。すなわち、ロータアセンブリ５０６は、外側ケーシング５０４の一端５１８からのみ、外側ケーシング５０４に挿入することができる。
【００５９】
半径方向に外向きに環状に凹んだ外側ケーシング５０４の凹設部分５２６が、外側ケーシング５０４の内面の一端５１８に近い位置に形成される。制限リング５２８が、外側ケーシング５０４の凹設部分５２６に取り付けられる。
【００６０】
ロータアセンブリ
ロータアセンブリ５０６は、ロータシャフト５３０と、ロータシャフト５３０を担持する１対の軸受５３２と、ロータシャフト５３０を覆い、かつ軸受５３２が固定される内側ケーシング５３４とを含む。ロータアセンブリ５０６は、内側ケーシング５３４の内側に配置された固定子ベーン５３６の列及びロータシャフト５３０上に形成された可動ブレード５３８の列が設けられ、軸５０８に沿った方向に固定子ベーン５３６の列の近くにあるようになっている。
【００６１】
ロータシャフト５３０は、軸５０８の周りに中心があるロッド形状として構成され、軸５０８に沿った方向に延びる。更に、この実施形態において、ロータシャフト５３０は、軸５０８の方向に仮想線５１０に対して左右対称であるように構成される。
【００６２】
軸受５３２は、軸線方向の５０８の方向に一端５１８及び他端５２０の位置にそれぞれ設けられ、ロータシャフト５３０を保持して、シャフトが軸５０８の周りに回転することを可能にするように内側ケーシング５３４に固定される。軸受５３２としての機能に基づいて、油潤滑軸受、空気軸受、オイル軸受、ころ軸受のようなあらゆる数のタイプの軸受を含むことができる。一部の実施形態において、図９に関して説明する密封作動のような磁気軸受を使用することができる。一部の用途において、下流ユニットがロータシャフト５３０の一端だけに取り付けられる時のようなスラスト軸受を使用してスラスト力を補正することができる。図７に関して上述したように、軸受５３２は、シャフトに取り付けられた下流ユニットから又は片面ユニットからスラスト又はトルクを補正するのに使用されるスラスト軸受とすることができる。
【００６３】
内側ケーシング５３４は、軸５０８に中心がある円筒形状として構成され、かつロータシャフト５３０を覆う。内側ケーシング５３４には、軸５０８に沿って中心がある内側ケーシング本体５４０が設けられる。ヘッド部材５４２の各々は、内側ケーシング本体５４０の軸５０８の方向に一端５１８及び他端５２０に固定される。内側ケーシング５３４は、実質的な円筒形状として構成され、かつ外側ケーシング５０４内の内側空間５４４を定める。
【００６４】
内側ケーシング本体５４０には、軸５０８の方向に中心位置に設けられる仕切りハウジング５４０Ａ及び第１及び第２の出口部分ケーシング（接続部分）５４０Ｂが設けられる。第１の出口部分ケーシング５４０Ｂは、仕切りハウジング５４０Ａと第１のヘッド部材５４２Ａのようなヘッド部材５４２の一方との間に設けられ、第２の出口部分ケーシング５４０Ｂは、仕切りハウジング５４０Ａと第２のヘッド部材５４２Ｂのようなヘッド部材５４２の他方との間に設けられる。
【００６５】
仕切りハウジング５４０Ａは、実質的に円筒形の形状として構成され、かつ軸５０８の方向に延びる円筒形部分５４０Ｃ、外径が円筒形部分５４０Ｃよりも大きく形成される円筒形部分５４０Ｃから半径方向に外向きに環状に突出する外側環状部分５４０Ｄ、及び円筒形部分５４０Ｃから半径方向に内向きに環状に突出し、かつ内径が円筒形部分５４０Ｃよりも小さく形成される内側環状部分５４０Ｅを備えている。
【００６６】
外側環状部分５４０Ｄは、外側ケーシング５０４の内面と係合し、軸５０８の周りに中心がある第１の環状空間５４６は、外側ケーシング５０４の周方向に形成される。外側環状部分５４０Ｄは、半径方向に通る通過孔として第１の連通部分５４８が設けられ、第１の環状空間５４６が、外側ケーシング５０４の入口ポート５１２と連通するようになっている。
【００６７】
更に、円筒形部分５４０Ｃの周りに環状に凹んだ溝部分５５０は、それぞれ、軸５０８の反対方向に対向する外側環状部分５４０Ｄの両側面上に形成される。環状固定具５５４の第１の突出部（突出部）５５２が、溝部分５５０に取り付けられる。
【００６８】
内側環状部分５４０Ｅは、円筒形部分５４０Ｃからロータシャフト５３０に向けて突出し、軸５０８の方向の寸法は、外側環状部分５４０Ｄよりも小さい。内側環状部分５４０Ｅの円周内面は、ロータシャフト５３０に対向するように構成され、軸５０８の周りに中心がある第２の環状空間５５６は、内側環状部分５４０Ｅ内に形成される。更に、内側環状部分５４０Ｅには、第２の環状空間５５６がロータシャフト５３０と円筒形部分５４０Ｃの間の空間と連通する開口部５５８が設けられる。
【００６９】
固定子ベーン５３６の列の一部は、外側ケーシング５０４の一端５１８の近くの円筒形部分５４０Ｃの内面に固定され、固定子ベーンが円筒形部分５４０Ｃの内周面５６０から内向きに突出するようになっている。固定子ベーン５３６の列の残りは、外側ケーシング５０４の他端５２０の近くの円筒形部分５４０Ｃの内面に固定され、固定子ベーンが内周面５６０から内向きに突出するようになっている。更に、半径方向の通り、かつ第１の環状空間５４６及び第２の環状空間５５６が互いに連通する第３の連通部分５６２が、軸５０８の方向に中心位置にあるように円筒形部分５４０Ｃ内に形成される。複数のガイドベーン５６２Ｃが、周方向に間隔を置いて第３の連通部分５６２内に設けられる。
【００７０】
流体５０２が外側ケーシング５０４の入口ポート５１２から入り、第１の連通部分５４８を通って第１の環状空間５４６内に導入され、第３の連通部分５６２内のガイドベーンによって調節されて、その後に、第２の環状空間５５６に流れ込む。その後に、流体５０２は、開口部５５８を通って第２の環状空間５５６から流れ出て、外側ケーシング５０４の一端５１８及び他端５２０に向けて流れる。すなわち、流体５０２は、流体５０２のガス通路としてロータシャフト５３０と円筒形部分５４０Ｃの間の空間を通って内側空間５４４に流れる。
【００７１】
第１の出口部分ケーシング５４０Ｂは、仕切りハウジング５４０Ａに対して一端５１８の近くの外側ケーシング５０４の内面に取り付けられ、第２の出口部分ケーシング５４０Ｂは、仕切りハウジング５４０Ａに対して他端５２０の近くの外側ケーシング５０４の内面に取り付けられる。
【００７２】
第１の出口部分ケーシング５４０Ｂは、外側環状部分５４０Ｄの一方の側面と接触してこの側面に固定される環状固定具５５４と、ヘッド部材５４２の１つをそれ自体に固定するために環状固定具５５４から軸５０８の方向に外側ケーシング５０４の一端５１８に向けて延びる円筒形本体５６４とを有する。第２の出口部分ケーシング５４０Ｂは、外側環状部分５４０Ｄの他方の側面と接触してこの側面に固定される別の環状固定具５５４と、ヘッド部材５４２の他方をそれ自体に固定するために環状固定具５５４から軸５０８の方向に外側ケーシング５０４の他端５２０に向けて延びる別の円筒形本体５６４とを有する。環状固定具５５４は、外側環状部分５４０Ｄと接触するように軸５０８の周りに中心がある環状形状体として構成されてボルトを通して固定される。
【００７３】
更に、第１の出口部分ケーシング５４０Ｂの環状固定具５５４は、周方向に環状形状として構成され、かつ外側環状部分５４０Ｄの一方の側面に形成された溝部分５５０に取り付けられる第１の突出部５５２を有する。また、第２の出口部分ケーシング５４０Ｂの環状固定具５５４は、周方向に環状形状として構成され、かつ外側環状部分５４０Ｄの他方の側面上に形成された溝部分５５０に取り付けられる別の第１の突出部５５２を有する。円筒形本体５６４は、環状固定具５５４と一体形成される。円筒形本体５６４の外周面５６６は、軸５０８に沿った方向に延び、円筒形本体５６４は、外側ケーシング５０４の内面と係合する。ヘッド部材５４２Ａは、ボルトなどを通じて第１の出口部分ケーシング５４０Ｂの円筒形本体５６４の遠位端面に固定される。また、ヘッド部材５４２Ｂは、ボルトなどを通じて第２の出口部分ケーシング５４０Ｂの円筒形本体５６４の遠位端面に固定される。
【００７４】
周方向の環状形状として構成された第２の突出部５６８は、円筒形本体５６４の遠位端面の近くに位置決めされるように第１の出口部分ケーシング５４０Ｂの円筒形本体５６４の内面上に形成される。また、周方向の環状形状として構成された別の第２の突出部５６８は、円筒形本体５６４の遠位端面の近くに位置決めされるように第２の出口部分ケーシング５４０Ｂの円筒形本体５６４の内面上に形成される。
【００７５】
更に、第１の出口部分ケーシング５４０Ｂの円筒形本体５６４には、内側空間５４４及び外側ケーシング５０４の出口ポート５１６を互いに連通するように半径方向に通る通過孔として第２の連通部分５７０が設けられる。また、第２の出口部分ケーシング５４０Ｂの円筒形本体５６４には、内側空間５４４及び外側ケーシング５０４の出口ポート５１６を互いに連通するように半径方向に通る通過孔として別の第２の連通部分５７０が設けられる。内側空間５４４内の固定子ベーン５３６の列と可動ブレード５３８の列の間のガス通路を通る流体５０２は、第２の連通部分５７０を通って出口ポート５１６から外側ケーシング５０４の外側に出る。
【００７６】
第１のヘッド部材５４２Ａは、軸５０８の方向に仕切りハウジング５４０Ａと対向するようにボルトなどを通じて第１の出口部分ケーシング５４０Ｂの円筒形本体５６４に固定される。第２のヘッド部材５４２Ｂは、軸５０８の方向に仕切りハウジング５４０Ａと対向するようにボルトなどを通じて第２の出口部分ケーシング５４０Ｂの円筒形本体５６４に固定される。
【００７７】
第１のヘッド５４２Ａは、軸５０８の周りに中心がある環状形状として構成され、かつ外側ケーシング５０４の一端５１８に対向する端面から軸５０８の周りに中心があるディスク形状で凹んでいることによって３つの段を有する階段部分５７２が設けられる。これに起因して、それにより、半径方向に対向する第１の面５７２Ａ、第２の面５７２Ｂ、及び第３の面５７２Ｃという３つの面、及び軸５０８方向に対向する第１の段階面５７２Ｄ、第２の段階面５７２Ｅ、及び第３の段階面５７２Ｆという３つの面が、外側ケーシング５０４の一端５１８で連続して形成される。軸受５３２が、第２の階段面５７２Ｅ及び第２の面５７２Ｂと係合し、かつボルトなどを通じて固定される。第１のヘッド５４２Ａの構造は、あらゆる数の段階面が軸受５３２、又は他の要素と接合するように構成することができるのでこの構成に限定されない。
【００７８】
更に、第１のヘッド５４２Ａには、外側ケーシング５０４の他端５２０に対向する面で半径方向に外端位置で軸５０８の周りに中心がある環状形状に凹んでいることによって半径方向で見た時に２つの段階の階段形状を有する内側階段部分５７４が設けられる。半径方向に対向する第１の面５７４Ａ及び第２の面５７４Ｂという２つの面が、外側ケーシング５０４の他端５２０から連続して形成され、軸５０８方向に対向する第１の段階面５７４Ｃ及び第２の段階面５７４Ｄという２つの面が、外側ケーシング５０４の他端５２０から連続して形成される。円筒形本体５６４の第２の突出部５６８は、第１の段階面５７４Ｃ及び第１の面５７４Ａに取り付けられ、円筒形本体５６４の第２の突出部５６８よりもむしろヘッド部材上に位置する先行端部部分が、第２の階段面５７４Ｄ及び第２の面５７４Ｂに取り付けられる。この状態において、第１のヘッド５４２Ａは、半径方向において外端の端部部分において円筒形本体５６４に固定される。
【００７９】
環状出口ガイド５７６が、軸５０８に沿った方向に仕切りハウジング５４０Ａと対向するように外側ケーシング５０４の他端５２０に対向する第１のヘッド５４２Ａの側面上に配置される。出口ガイド５７６は、外側ケーシング５０４の一端５１８と同様に、すなわち、軸５０８の方向で中心位置とは別々であるように半径方向に内側から外向きに徐々に湾曲するガイド面５７６Ａを有する。ガイド面５７６Ａは、流体５０２を案内し、流体は、入口ポート５１２から入り、外側ケーシング５０４の一端５１８に向けて、第１の出口部分ケーシング５４０Ｂ内に形成された第２の連通部分５７０に向けて内側空間５４４内のガス通路内を流れる。更に、出口ガイド５７６の内周面が、ロータシャフト５３０の外周面５３０Ａに対向し、ガス漏れを低減する密封部材５７８が、出口ガイド５７６とロータシャフト５３０の間に設けられる。
【００８０】
更に、第１のヘッド５４２Ａは、軸５０８及び半径方向に沿って方向に環状に凹んだヘッド凹設部分５８０が形成され、外側ケーシング５０４の一端５１８上の半径方向の外端のコーナ部分が面取りされるようになっている。全てのロータアセンブリ５０６が外側ケーシング５０４に挿入された状態において、ヘッド凹設部分５８０は、外側ケーシング５０４の凹設部分５２６に対向するように位置し、ヘッド凹設部分５８０及び外側ケーシング５０４の凹設部分５２６内の外側ケーシング５０４の一端５１８に対向する面は、同じ面である。この状態において、ヘッド凹設部分５８０及び外側ケーシング５０４の凹設部分５２６に取り付けられ、かつて、外側ケーシング５０４の一端５１８への第１のヘッド５４２Ａの移動を制限する。制限リング５２８が設けられる。
【００８１】
第２のヘッド５４２Ｂは、第１のヘッド５４２Ａの場合と同様に環状形状として構成され、外側ケーシング５０４の他端５２０に対向する端面から軸５０８の周りに中心があるディスク形状で凹設されることによって２つの段を有する階段部分５８２を備えている。これに起因して、半径方向に対向する第１の面５８２Ａ及び第２の面５８２Ｂという２つの面、及び軸５０８方向に対向する第１の階段面５８２Ｇ及び第２の階段面５８２Ｄという２つの面が、外側ケーシング５０４の他端５２０で連続して形成される。軸受５３２が、第２の階段面５８２Ｄ及び第２の面の５８２Ｂと係合し、かつボルトなどを通じて固定される。
【００８２】
更に、第１のヘッド５４２Ａと同様に、第２のヘッド５４２Ｂは、外側ケーシング５０４の一端５１８に対向する面で、半径方向に外端位置で軸５０８の周りに中心がある環状形状で凹んでいることにより、半径方向で見た時に２つの段階の段階形状を有する内階段部分５８４が設けられ、第１の面５８４Ａ、第２の面５８４Ｂ、第１の階段面５８４Ｃ、及び第２の階段面５８４Ｄが形成される。この状態において、第２のヘッド５４２Ｂは、半径方向に外端において円筒形本体５６４に固定される。
【００８３】
第１のヘッド５４２Ａと同様に、環状出口ガイド５７６が、軸５０８に沿った方向に仕切りハウジング５４０Ａと対向するように外側ケーシング５０４の一端５１８に対向する第１のヘッド５４２Ｂの側面上に配置される。出口ガイド５７６は、外側ケーシング５０４の他端５２０と同様に、すなわち、軸５０８の方向で中心位置とは別々であるように半径方向に内側から外向きに徐々に湾曲するガイド面５７６Ａを有する。ガイド面５７６Ａは、流体５０２を案内し、流体は、外側ケーシング５０４の他端５２０に向けて、第２の出口部分ケーシング５４０Ｂ内に形成された第２の連通部分５７０に向けて内側空間５４４内のガス通路内を流れる。更に、出口ガイド５７６の内周面が、ロータシャフト５３０の外周面５３０Ａに対向し、ガス漏れを低減する密封部材５７８が、出口ガイド５７６とロータシャフト５３０の間に設けられる。
【００８４】
更に、第２のヘッド５４２Ｂにおいて、外側ケーシング５０４の他端５２０上で、半径方向に中心位置から他端５２０に向けて軸５０８の周りに環状に中心があって突出するヘッド突出部５４２Ｃが一体に設けられる。ヘッド突出部５４２Ｃの半径方向に外向きに対向する面は、外側ケーシング５０４において突出部５２４と係合する。更に、半径方向内の外側頭向突出部５４２Ｃで、外側ケーシング５０４の他端５２０に対向する第２のヘッド５４２Ｂの端面は、突出部５２４と係合する。すなわち、外側ケーシング５０４から他端５２０の方向への第２のヘッド５４２Ｂの突出は、突出部５２４によって制限される。それによって軸５０８に沿った方向の他端５２０へのロータアセンブリ５０６全体の突出が制限される。
【００８５】
次に、固定子ベーン５３６の列及び可動ブレード５３８の列を説明する。固定子ベーン５３６の列は、仕切りハウジング５４０Ａにおいて円筒形部分５４０Ｃに固定されたブレード部材であり、その複数の列は、内側環状部分５４０Ｅの開口部５５８と、軸５０８の方向に間隔を置いてヘッド部材５４２内に設けられた出口ガイド５７６のガイド面５７６Ａとの間に挿入された位置に設けられる。更に、実施形態において、固定子ベーン５３６の４つの列は、軸５０８に沿った方向に中心位置として機能する仮想線５１０に対して軸５０８に沿った方向に一端５１８及び他端５２０に左右対称であるように外側ケーシング５０４の一端５１８及び他端５２０の各々に設けられる。
【００８６】
固定子ベーン５３６の列の各々は、定められた間隔で円筒形部分５４０Ｃの内周面５６０上で周方向に設けられる複数の固定子ベーン５３６Ａを含む。固定子ベーン５３６Ａは、円筒形部分５４０Ｃの内周面５６０上に設けられた環状仕切り５８６を通って円筒形部分５４０Ｃに固定され、半径方向に内向きにロータシャフト５３０の外周面５３０Ａに対向するように、すなわち、ロータシャフト５３０に向けて延びる。
【００８７】
詳細説明は省略するが、固定子ベーン５３６Ａの各々は、周方向に一端に対向する背面が突出する形状を有するブレード形状の断面を形成し、周方向に他端に対向する腹面は、凹設された形状を有し、ロータシャフト５３０に対向する位置で漏れ流れを低減する密封部材５８８が設けられる。密封部材は、取りわけ、迷路シール、ハニカムシール、孔パターンシール、オイルシール、ガスシール、及びブッシング浮遊リングシールのようなあらゆる数の異なるシールタイプを含むことができる。
【００８８】
可動ブレード５３８の列は、ロータシャフト５３０の外周面５３０Ａに固定されたブレード部材であり、かつ固定子ベーン５３６の列の各々の下流の位置で、すなわち、開口部５５８よりもむしろ外側ケーシング５０４の一端５１８の近くに固定子ベーン５３６の列に交互に隣接するように設けられる。更に、開口部５５８よりも遠い軸５０８の方向の他端５２０の位置で、可動ブレード５３８の列はまた、固定子ベーン５３６の列と交互に隣接するように設けられる。従って、この実施形態において、４つの列は、軸５０８に沿った方向に中心位置として機能する仮想線５１０に対して軸５０８に沿った方向に一端５１８及び他端５２０に左右対称であるように軸５０８に沿った方向に一端５１８及び他端５２０の各々に設けられる。
【００８９】
可動ブレード５３８の列の各々は、定められた間隔でロータシャフト５３０の外周面上に周方向に設けられたいくつかの個々のブレード５３８Ａを含み、個々のブレード５３８Ａは、ロータシャフト５３０に固定され、かつ半径方向に外向きに、すなわち、固定子ベーン５３６Ａを固定する仕切り５８６に向けて延びる。
【００９０】
詳細説明は省略するが、個々のブレード５３８Ａの各々は、周方向に一端に対向する背面が突出する形状を有するブレード形状の断面を形成し、周方向に他端に対向する腹面は、凹設された形状を有する。
【００９１】
このようにして、固定子ベーン５３６の列及び可動ブレード５３８の列が設けられた内側空間５４４内の部分は、流体５０２のガス通路として機能し、開口部５５８から流入する流体５０２は、ガス通路において分散し、流体５０２の圧力エネルギは、速度エネルギに変換され、ロータシャフト５３０の回転エネルギに最終的に変換される。流体５０２は、圧力が減少して、外側ケーシング５０４の一端５１８及び他端５２０において循環しながら、すなわち、ガス通路内で下方に分散しながら膨張する。
【００９２】
軸流膨張機５００において、いわゆる複流タイプが使用され、複流タイプは、流体５０２を第１の連通部分５４８を通って軸５０８に沿った方向に中心位置に設けられた外側ケーシング５０４の空気入口５１２から内側空間５４４のガス通路に流れ込ませ、流体５０２を外側ケーシング５０４のガス通路において一端５１８及び他端５２０の両方の方向に分散させ、かつ流体５０２を第２の連通部分５７０を通って排出ポート５１６から流れ出させる。
【００９３】
従って、流体５０２がロータシャフト５３０を回転させるためにガス通路を通過することによって減圧及び膨張された時に、軸５０８に沿った方向に作用するスラスト力が、可動ブレード５３８の列の回転に従って生成される。本明細書において、ロータアセンブリ５０６内の構造を複流タイプにすることにより、軸５０８に沿った各方向に生成されたスラスト力は無効にされ、たとえ可動ブレード５３８の列が流量の増加に従って増加して生成されたスラスト力が増加したとしても、安定した作動が可能である。
【００９４】
更に、ロータアセンブリ５０６において、固定子ベーン５３６の列及び可動ブレード５３８の列は、仮想線５１０を基準にして左右対称に設けられる。こういう理由から、スラスト力は、軸５０８に沿った方向の中心位置の仮想線５１０に対して外側ケーシング５０４の一端５１８及び他端５２０において左右対称に生成される。従って、スラスト力を無効にする効果を更に増大させることができる。
【００９５】
更に、ロータシャフト５３０、固定子ベーン５３６の列、及び可動ブレード５３８の列は、内側ケーシング５４０によって覆われる状態で一体化され、かつロータアセンブリ５０６が外側ケーシング５０４に挿入されるので、分割面は、外側ケーシング５０４に存在しない。従って、外側ケーシング５０４は、締結構成要素が不要であり、構成要素の数が低減する。分割面が外側ケーシング５０４に存在しないので、流体５０２は内側空間５４４を通って分割面から漏出せず、漏出対策が不要である。
【００９６】
更に、軸受５３２も、一体的ロータアセンブリ５０６内に含まれる状態において、ロータアセンブリ５０６は、ロータアセンブリ５０６を外側ケーシング５０４に挿入することによって設けることができる。そういう理由から、軸受５３２を担持するために外側ケーシング５０４の外側に別々に軸受スタンドを設ける必要がない。従って、外側ケーシング５０４と軸受スタンドとの位置合わせ調節も不要なので、より簡単な配置が可能である。
【００９７】
ロータアセンブリ５０６内の内側ケーシング５３４には、仕切りハウジング５４０Ａ、出口部分ケーシング５４０Ｂ、及びヘッド部材５４２が設けられる。従って、たとえロータアセンブリ５０６が流量の増加に従って大型化しても、ロータアセンブリ５０６は、簡単に組み立てることができる。
【００９８】
更に、内側ケーシング本体５４０の出口部分ケーシング５４０Ｂ及び仕切りハウジング５４０Ａの組立は、第１の突出部５５２が溝部分５５０に嵌合された状態で行われる。更に、出口部分ケーシング５４０Ｂ及びヘッド部材５４２の組立は、内側階段部分５７４が第２の突出部５６８に嵌合された状態で実行されるので、位置決めは簡単に行われ、従って、配置に必要とされる労力を低減することができる。
【００９９】
更に、ヘッド部材５４２には、出口ガイド５７６が設けられているので、固定子ベーン５３６の列と可動ブレード５３８の列の間のガス通路を通過する流体５０２を、ガイド面５７６Ａによって半径方向に外向きに案内することができ、従って、流体５０２を、排出ポート５１６から第２の連通部分５７０を通って円滑に排出することができる。
【０１００】
実施形態の軸流膨張機５００により、ロータシャフト５３０と、軸受５３２と、固定子ベーン５３６の列と、可動ブレード５３８の列とを有する複流タイプロータアセンブリ５０６は、外側ケーシング５０４に挿入される内側ケーシング５４０内に一体的に組み立てられる。こういう理由から、流量を増大させることができ、外側ケーシング５０４からの流体５０２の漏れを防止することができるので、高圧に対処することができる。
【０１０１】
本発明の実施形態を詳細に説明した。しかし、一部の設計変更を本発明の特許請求の範囲からの逸脱なく行うことができる。例えば、本発明の実施形態において、内側ケーシング５３４には、出口部分ケーシング５４０Ｂ、仕切りハウジング５４０Ａ、及びヘッド部材５４２が設けられるが、構成要素は、一体構造とすることができる。
【０１０２】
更に、ヘッド部材５４２及び出口ガイド５７６も、内側ケーシング５３４のような一体構造とすることができる。出口部分ケーシング５４０Ｂ、仕切りハウジング５４０Ａ、及びヘッド部材５４２を互いに固定する時に位置振れを防止する第１の突出部５５２及び第２の突出部５６８が形成されるが、形状及び形成位置は、上述の実施形態に限定されない。
【０１０３】
更に、上述の実施形態において、空気入口５１２は、軸５０８に沿った方向に中心位置に設けられ、排出ポート５１６は、外側ケーシング５０４の一端５１８及び他端５２０内に設けられ、固定子ベーン５３６の列及び可動ブレード５３８の列は、一端５１８及び他端５２０が軸５０８に沿った方向で中心位置に対して完全に左右対称であるように設けられる。しかし、空気入口５１２の据付け位置は、中心位置に限定されず、排出ポート５１６は、空気入口５１２に対して少なくとも一端５１８及び他端５２０である両端の位置に設けることができ、固定子ベーン５３６の列及び可動ブレード５３８の列は、仮想線５１０に対して一端５１８及び他端５２０において完全に左右対称であるように設けられない場合がある。
【０１０４】
図６は、別の軸流膨張機６００の断面図である。図６において、同様に付番された要素は、図５に関して説明した通りである。軸流膨張機６００には、仮想線５１０が描かれる中心位置で軸５０８に沿った半径方向に外向きに突出するように、軸５０８に沿って周方向に分離部を有する２つの吸込口６０２及び６０４を設けることができる。軸流膨張機６００は、空気入口６０２から供給されるガス６０６を外側ケーシング５０４の一端５１８の排出ポート６０８に流すことができ、かつ空気入口６０４から供給されるガス６１０を外側ケーシング５０４の他端５２０の排出ポート６１２に流すことができる２つの区画を有する構造を有する。従って、各々異なる状態を有するガス６０６及び６１０を分散させる作業を行うことができる。従って、２つのガス６０６及び６１０は、例えば、異なる冷却剤システムと異なるものとすることができる。
【０１０５】
他の変更を図５及び図６に示す軸流膨張機に対して設計において行うことができる。例えば、突出部５２４が、必ずしも外側ケーシング５０４内に設けられる場合があるわけではなく、この場合に、ロータアセンブリ５０６は、ケーシング５０４の両端５１８又は５２０から挿入することができる。更に、出口ガイド５７６のガイド面５７６Ａは、湾曲ではない場合があり、周方向で見た時に直線的に傾斜されるように構成することができる。更に、間隔を置いて第３の連通部分５６２において周方向に設けられる複数のガイドベーンは、必ずしもブレード形状を有する場合があるわけではなく、軸５０８の方向の断面は、円形形状などとすることができる。一部の実施形態において、軸流タービンは、両方の方向に拡張されるわけではなく、一方向にのみブレードを有する。
【０１０６】
図７は、軸５０８の方向だけに沿ってブレードを有する軸流膨張機７００の断面図である。同様に付番された要素は、図５に関して説明した通りである。単一流路は、一部の作業を簡素化することができ、例えば、ロータアセンブリ５０６は、中実構造７０２によって支持することができ、外側ケーシング５０４は、軸流膨張機７００を整備するために除去することができる。単一流れ方向を有する構成において、同等量の流れに関して、ロータアセンブリ５０６は、ブレードのための２つの流れ方向を有する構成よりも大きい幅及びブレードを有することができる。従って、大きいスラスト軸受７０４を使用して、存在する場合があるより高いスラスト力を弱めることができる。
【０１０７】
図８は、軸流膨張機８０２が、シャフト８０８の各端部から１つの２つの圧縮機８０４及び８０６を駆動するのに使用されるシステム８００の概略図である。流体８１０が軸流膨張機８０２を通って流れる時に、減圧を通って失われたエネルギが、シャフト８０８の回転８１２を引き起こす。軸流膨張機８０２は、例えば、図５に関して上述したように２つの内部の流路８１４と共に示されている。しかし、軸流膨張機８０２は、図６に関して説明した２つのガス構成及び図７に関して説明した単一方向の流れのようなあらゆる数の他の構成を含むことができる。他のユニットをシャフト８０８の両端で結合することができることにより、外部ユニットの各々からスラストを均衡化することができ、スラスト軸受の必要性が減少する。
【０１０８】
シャフト８０８の端部に取り付けられた外部ユニットが圧縮機８０４及び８０６として示されているが、発電機、圧縮機、ポンプのような異なるユニットのあらゆる組合せをシャフト８０８に装着することができることに注意することができる。更に、異なるタイプのユニットをシャフト８０８の両端に装着することができるが、スラスト均衡化は、これらの実施形態においてより大きい懸念になる場合がある。
【０１０９】
図９は、２つの圧縮機９０４及び９０６を駆動する軸流膨張機９０２を含む密封システムの概略図である。同様に付番された要素は、図８に関して説明した通りである。この実施形態において、軸流膨張機９０２及び圧縮機９０４及び９０６は、外側ケーシング９０８を通過する最小接続部を有する単一外側ケーシング９０８に単一ユニットとして設けられるように設計される。例えば、軸流膨張機９０２は、流体８１０のための入口９１０と低圧流体８１０のための出口９１２とを有することができる。同様に、各圧縮機９０４及び９０６は、流体９１８又は９２０のための別々の入口９１４及び９１６と、圧縮ストリーム体９１８又は９２０のための出口９２２及び９２４とを有することができる。密封システムを可能にするために、磁気軸受９２６を使用してシャフトを支持することができる。
【０１１０】
図１０は、軸流膨張機を使用して流れストリーム内のエネルギを低減する方法１０００の流れ図である。本方法は、ブロック１００２で始まり、高圧ストリームを軸に垂直である入口を通してタービン膨張機へ送り込む。ブロック１００４で、高圧ストリームを少なくとも一方向にシャフトに沿って取り付けられた１組のタービンブレードに通す。ブロック１００６で、高圧ストリームの減圧中に除去されたエネルギを使用して、シャフトの少なくとも一端に取り付けられた機器を駆動する。ブロック１００８で、低圧ストリームを軸に垂直に位置決めされた少なくとも１つの出口を通して軸流膨張機から流出させる。
【０１１１】
実施形態
本発明の実施形態は、以下の番号付き段落に示す方法及びシステムのあらゆる組合せを含むことができる。これは、あらゆる数の変形を上の説明から考えることができるので、全ての可能な実施形態の完全な記載と考えるべきではない。
１．軸に沿った方向に流れるガスを膨張させる軸流膨張機を含む流体の温度を低減するシステムであって、入口ポート及び出口ポートを有する一体構造であって軸の周りに中心がある外側ケーシングと、ガスが外側ケーシングの入口ポートから内側ケーシングに入って、外側ケーシングの出口ポートに内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有し、軸の周りに中心があり、外側ケーシングの内側に固定された内側ケーシングと、内側ケーシングの内側に収容され、軸線方向の中心が軸に位置合わせされたロータシャフトと、内側ケーシングに固定され、ロータシャフトが内側ケーシングに対して軸の周りに回転することを可能にするように構成された複数の軸受と、内側ケーシングの内面から内向きに突出するように内側ケーシングに固定され、軸の方向に間隔を置いて分離されるようにガス通路の内側に配置された複数の固定子ベーンと、ロータシャフトから外向きに突出するようにロータシャフトに固定され、かつ複数の固定子ベーンと交替するようにガス通路の内側に配置された複数の可動ブレードとを含み、内側ケーシング、ロータシャフト、軸受、固定子ベーン、及び可動ブレードは、一体的に組み立てられ、組み立てられた部材は、軸に沿った方向に外側ケーシングに挿入されるシステム。
２．内側ケーシングが、固定子ベーンを有する内側ケーシング本体と、軸の方向に内側ケーシング本体の両端に固定され、かつ複数の軸受が固定されるヘッド部材とを含む段落１に記載の軸流膨張機。
３．内側ケーシング本体が、固定子ベーンを有する本体と、ヘッド部材が固定され、軸の方向に本体の両端に固定された接続部分とを含む段落１又は段落２のいずれかに記載の軸流膨張機。
４．  軸受が、油潤滑軸受、ローラ軸受、空気軸受、又はそのあらゆる組合せを含む段落１〜段落４のいずれか１つに記載の軸流膨張機。
５．軸受が、磁気軸受を含む段落１〜段落５のいずれか１つに記載の軸流膨張機。
６．軸受が、スラスト軸受を含む段落１〜段落５のいずれか１つに記載の軸流膨張機。
７．ロータシャフトに沿ったシールを含み、シールが、流体がシャフトに沿って漏出することを防止するように構成された段落１〜段落６のいずれか１つに記載の軸流膨張機。
８．シールが、オイルシール、ガスシール、迷路シール、ブラッシング浮遊リングシール、ハニカムシール、孔パターンシール、又はそのあらゆる組合せを含む段落７に記載の軸流膨張機。
９．軸流膨張機が、流体がシャフトに沿って反対方向に流れることを可能にするように構成された段落１〜段落８のいずれか１つに記載の軸流膨張機。
１０．ロータシャフトに結合されたプロセスユニットを含み、プロセスユニットが、ロータシャフトによって給電されるように構成された段落１〜段落９のいずれか１つに記載の軸流膨張機。
１１．プロセスユニットが、圧縮機、発電機、又はポンプ、又はそのあらゆる組合せを含む段落１０に記載の軸流膨張機。
１２．ロータシャフトの反対端に各々結合されたプロセスユニットを含み、各プロセスユニットが、ロータシャフトによって給電されるように構成された段落１〜段落１１のいずれか１つに記載の軸流膨張機。
１３．各プロセスユニットが、発電機、圧縮機、又はポンプ、又はそのあらゆる組合せを含む段落１２に記載の軸流膨張機。
１４．シャフトに結合された両方のプロセスユニットが圧縮機を含む段落１２に記載の軸流膨張機。
１５．軸流膨張機及び両方の圧縮機を保持する単一ケースを含み、組み立てられると、ケースが、軸流膨張機及び圧縮機の各々のための流体入口及び流体出口の開口部のみを有する段落１４に記載の軸流膨張機。
１６．軸流膨張機において流体を冷却する方法であって、高圧流体を軸流膨張機に流し込む段階であって、軸流膨張機が、入口ポート及び出口ポートを有する一体構造であり、軸の周りに中心がある外側ケーシングと、ガスが外側ケーシングの入口ポートから内側ケーシングに入って、外側ケーシングの出口ポートに内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有し、軸の周りに中心があり、外側ケーシングの内側に固定された内側ケーシングと、内側ケーシングの内側に収容され、軸線方向の中心が軸に位置合わせされたロータシャフトと、内側ケーシングに固定され、ロータシャフトが内側ケーシングに対して軸の周りに回転することを可能にするように構成された複数の軸受と、内側ケーシングの内面から内向きに突出するように内側ケーシングに固定され、軸の方向に間隔を置いて分離されるようにガス通路の内側に配置された複数の固定子ベーンと、ロータシャフトから外向きに突出するようにロータシャフトに固定され、かつ複数の固定子ベーンと交替するようにガス通路の内側に配置された複数の可動ブレードとを含み、内側ケーシング、ロータシャフト、軸受、固定子ベーン、及び可動ブレードが、一体的に組み立てられ、組み立てられた部材が、軸に沿った方向に外側ケーシングに挿入される上記流し込む段階と、軸流膨張機において流体を膨張させてロータシャフトを回転させる段階と、機械エネルギを機械的デバイスに結合されたロータシャフトに与えることを通ってエネルギを流体から除去する段階と、冷却された流体を下流プロセスユニットに流し込む段階とを含む方法。
１７．ロータシャフトの機械エネルギによって発電機を駆動する段階を含む段落１６に記載の方法。
１８．ロータシャフトからの機械エネルギによって圧縮機又はポンプユニットを駆動する段階を含む段落１６又は段落１７のいずれかに記載の方法。
１９．ロータシャフトの各反対端に取り付けられた別々の圧縮機、ポンプ、又は発電機を駆動する段階を含む段落１６〜段落２８のいずれか１つに記載の方法。
２０．天然ガスストリームを冷却して液化天然ガスストリームを形成する段階を含む段落１６〜段落１９のいずれか１つに記載の方法。
２１．冷凍サイクルにわたって冷却剤を冷却する段階を含む段落１６〜段落２０のいずれか１つに記載の方法。
２２．高温高圧の排気ストリームを冷却する段階を含む段落１６〜段落２１のいずれか１つに記載の方法。
２３．ガスストリームを冷却する段階を含む段落１６〜段落２２のいずれか１つに記載の方法。
２４．ガスストリームを冷却して液相及び気相の両方を形成する段階を含む段落１６〜段落２３のいずれか１つに記載の方法。
２５．気相から液相を分離して分子量別に成分の分離を達成する段階を含む段落２４に記載の方法。
２６．液化天然ガス（ＬＮＧ）プラントであって、処理天然ガスが冷却機システムへ流し込まれる不純物を生天然ガスフィードから除去して処理天然ガスを形成するように構成されたガス処理プラントを含み、冷却機システムが、軸に沿った方向に流れたガスを膨張させる軸流膨張機を含み、軸流膨張機が、入口ポート及び出口ポートを有する一体構造であり、軸の周りに中心がある外側ケーシングと、ガスが外側ケーシングの入口ポートから内側ケーシングに入って、外側ケーシングの出口ポートに内側ケーシングを出ることを可能にするように構成されたガス通路を有し、軸の周りに中心があり、外側ケーシングの内側に固定された内側ケーシングと、内側ケーシングの内側に収容され、軸線方向の中心が軸に位置合わせされたロータシャフトと、内側ケーシングに固定され、ロータシャフトがケーシングに対して軸の周りに回転することを可能にするように構成された複数の軸受と、内側ケーシングの内面から内向きに突出するように内側ケーシングに固定され、軸の方向に間隔を置いて分離されるようにガス通路の内側に配置される複数の固定子ベーンと、ロータシャフトから外向きに突出するようにロータシャフトに固定され、かつ複数の固定子ベーンと交替するようにガス通路の内側に配置された複数の可動ブレードとを含み、内側ケーシング、ロータシャフト、軸受、固定子ベーン、及び可動ブレードが、一体的に組み立てられ、組み立てられた部材が、軸に沿った方向に外側ケーシングに挿入される液化天然ガス（ＬＮＧ）プラント。
２７．軸流膨張機を含む冷却剤システムを含む段落２８に記載のＬＮＧプラント。
２８．圧縮機と、熱交換器と、軸流膨張機とを含む冷却剤システムを含み、流体流れが、圧縮機において圧縮され、熱交換器において冷却され、軸流膨張機において膨張によって冷やされる段落２６又は段落２７のいずれかに記載のＬＮＧプラント。
２９．軸流膨張機の下流の熱交換ユニットを含む段落２８に記載のＬＮＧプラント。
３０．流体が、天然ガス、冷却剤、又はその両方である段落２６〜段落２９のいずれか１つに記載のＬＮＧプラント。
３１．熱交換ユニットを含む段落２６〜段落３０のいずれか１つに記載のＬＮＧプラント。
【０１１２】
本発明の技術は、様々な修正及び代替形態の影響を受ける場合があるが、上述の例示的実施形態は、一例としてのみ示したものである。しかし、この技術は、本明細書に開示する特定の実施形態に限定されることを目的としていないことを再度理解しなければならない。実際に、本発明の技術は、添付の特許請求の範囲の真の精神及び範囲に該当する全ての代替物、修正物、及び均等物を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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