(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（４１）と、
前記ケーシング（４１）内に回転可能に支持される少なくとも１つのインペラ（２１）であって、
ハブ（２３）と、
シュラウド（２５）と、
インペラアイ（３１）であって、
内側の表面と、
外側の表面と、
前記外側の表面の部分に形成された外側の環状の歯と、
前記外側の表面の部分から前記内側の表面まで延在する少なくとも１つの穴と、
を備える、インペラアイ（３１）と、
を備える、少なくとも１つのインペラ（２１）と、
前記外側の環状の歯の上方に配置され、前記インペラアイ（３１）の領域において前記少なくとも１つのインペラ（２１）をシールするインペラアイシール設備（３９）と、
前記インペラアイシール設備（３９）に位置し、前記インペラアイ（３１）の周囲に冷却媒体をもたらすように構成された少なくとも１つの冷却媒体ポート（５３）と、
を備える遠心圧縮機。
【請求項２】
前記ハブ（２３）と前記シュラウド（２５）との間に設けられた複数のブレード（２７）の各々について少なくとも１つの穴（５３）が設けられている、請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記少なくとも１つの冷却媒体ポート（５３）が、作動媒体の主たる流れを流す当該圧縮機の吐出管に連通しており、
前記作動媒体の一部が、前記吐出管内の前記主たる流れから取り出され、前記少なくとも１つの冷却媒体ポート（５３）に流用される、
請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記作動媒体の前記一部を前記冷却媒体ポート（５３）へともたらされる前に冷却する熱交換器（９）を備える請求項１から３のいずれかに記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記作動媒体の前記一部の圧力を前記冷却媒体ポート（５３）へともたらされる前に低下させる減圧設備（１１）を備える請求項３または４に記載の遠心圧縮機。
【請求項６】
複数の順次に配置された圧縮機段を備えており、
各々の圧縮機段がそれぞれのインペラ（２１）を備え、
該インペラ（２１）のうちの少なくとも１つが、前記インペラアイシール設備（３９）および前記少なくとも１つの冷却媒体ポート（５３）に組み合わせられている、
請求項１から５のいずれかに記載の遠心圧縮機。
【請求項７】
補助の冷却媒体の流れを前記少なくとも１つのインペラ（２１）のハブ（２３）の背後にもたらすように構成された少なくとも１つの補助冷却媒体ポート（７１）を備える、請求項１から６のいずれかに記載の遠心圧縮機。
【請求項８】
前記少なくとも１つのインペラ（２１）とバランスドラム（４７）とを支持する回転シャフト（２２）を備えており、
前記バランスドラム（４７）がバランスドラムシール設備（４９）と協働し、前記少なくとも１つの補助冷却媒体ポート（７１）が、前記補助の冷却媒体の流れを前記バランスドラム（４７）と前記バランスドラムシール設備（４９）との間にもたらすように構成されている、
請求項７に記載の遠心圧縮機。
【請求項９】
前記補助冷却媒体ポート（７１）が、作動媒体の主たる流れを流す当該圧縮機の吐出管に連通しており、
前記作動媒体の一部が、前記吐出管内の前記主たる流れから取り出され、前記少なくとも１つの補助冷却媒体ポート（７１）に流用される、
請求項７または８に記載の遠心圧縮機。
【請求項１０】
ケーシング（４１）と、
前記ケーシング（４１）内に回転可能に配置された少なくとも１つのインペラ（２１）と、
を備え、
前記少なくとも１つのインペラ（２１）が、
インペラハブ（２３）と、
インペラシュラウド（２５）と、
インペラアイ（３１）であって、
内側の表面と、
外側の表面と、
前記外側の表面の部分に形成された外側の環状の歯と、
前記外側の表面の部分から前記内側の表面まで延在する少なくとも１つの穴と、
を備える、インペラアイ（３１）と、
を備える、
遠心圧縮機を動作させる方法であって、
作動媒体を前記インペラ（２１）によって処理するステップと、
前記インペラアイ（３１）から熱を取り去るべく、冷却媒体を前記インペラアイ（３１）の周囲のすき間へと注入し、該すき間を循環させるステップと、
前記冷却媒体の少なくとも一部を、前記少なくとも１つの穴を通って、前記内側の表面にもたらすステップと、
を含む、方法。
【請求項１１】
前記すき間が、前記インペラアイ（３１）とインペラアイシール設備（３９）との間に形成されている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記冷却媒体が、前記作動媒体の一部である、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記作動媒体の一部を冷却媒体として取り出すステップを含む、請求項１０から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記作動媒体の前記一部から、前記すき間への注入の前に熱を取り去るステップ
をさらに含む、請求項１０から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記作動媒体の前記一部の圧力を、前記すき間への注入の前に低下させるステップ
を含む、請求項１０から１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記作動媒体の０．５〜４体積％の割合が、前記インペラアイ（３１）を冷却するために取り出される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記冷却媒体の少なくとも一部分を前記インペラシュラウド（２５）と前記インペラハブ（２３）との間へともたらすステップをさらに含む、請求項１０から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記冷却媒体の一部を前記インペラハブ（２３）の背後へともたらすことによって前記インペラハブ（２３）を冷却するステップをさらに含む、請求項１０から１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記作動媒体の一部を冷却媒体として取り出すステップと、
前記作動媒体の前記一部の第１の部分を前記インペラシュラウド（２５）を冷却すべく前記インペラアイ（３１）の周囲の前記すき間に注入するステップと、
前記作動媒体の前記一部の第２の部分を前記インペラハブ（２３）を冷却すべく前記インペラハブ（２３）の背後に注入するステップと、
を含む、請求項１０から１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記作動媒体の０．５〜４体積％の割合が、前記ハブ（２３）を冷却するために取り出される、請求項１０から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
インペラハブ（２３）と、
インペラアイ（３１）を形成するインペラシュラウド（２５）と、
を備える、遠心圧縮機用のインペラ（２１）であって、
前記インペラアイ（３１）が、
径方向外側の表面と、
径方向内側の表面と、
前記径方向外側の表面の部分に形成された外側の環状の歯と、
前記径方向外側の表面の部分から前記径方向内側の表面に延びる少なくとも１つの穴（６１）と、
を有し、
前記穴（６１）が、前記インペラアイ（３１）を通って冷却媒体の流れを運ぶように構成されている、
インペラ（２１）。
【請求項２２】
前記インペラアイ（３１）が、前記少なくとも１つの穴（６１）を複数備える、請求項２１に記載のインペラ（２３）。
【請求項２３】
前記インペラアイ（３１）が、前記インペラシュラウド（２５）と前記インペラハブ（２３）との間に配置された複数のブレード（２７）の各々について少なくとも１つの穴（６１）をさらに備える、請求項２１または２２に記載のインペラ（２１）。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの穴（６１）の各々が、それぞれのブレード（２７）の前縁の実質的に前方に配置された前記内側の表面における穴出口を有している請求項２１から２３のいずれかに記載のインペラ（２１）。
【請求項２５】
圧縮機ケーシング（４１）と、
前記ケーシング（４１）内に回転可能に支持される少なくとも１つのインペラ（２１）であって、
複数のインペラブレード（２７）が設けられた前壁と、
主として径方向に広がる後壁とを有するハブ（２３）と、
シュラウド（２５）と、
インペラアイ（３１）であって、
内側の表面と、
外側の表面と、
前記外側の表面の部分に形成された外側の環状の歯と、
前記外側の表面の部分から前記内側の表面まで延在する少なくとも１つの穴と、
を備え、
前記少なくとも１つの穴が、冷却媒体を前記内側の表面にもたらすように構成されている、
インペラアイ（３１）と、
を備える、少なくとも１つのインペラ（２１）と、
前記インペラ（２１）の前記後壁と前記圧縮機ケーシング（４１）との間の空間と、
前記空間に前記冷却媒体をもたらすように構成および配置された少なくとも１つの冷却媒体ポートと、
を備え、
前記空間は、当該圧縮機の前記インペラ（２１）の出口に位置する圧縮機ディフューザに連通しており、前記圧縮機ケーシング（４１）と前記インペラ（２１）の前記後壁との間の前記空間にもたらされた前記冷却媒体が、前記ディフューザに流れる、
遠心圧縮機。
【請求項２６】
前記冷却媒体ポートが、シール設備と前記インペラ（２１）と一緒に回転する軸回転部品との間に形成されるすき間に冷却媒体をもたらすように構成され、
前記冷却媒体の圧力および前記シール設備が、冷却媒体が前記シール設備と前記軸回転部品とによって形成される前記すき間から一部は前記インペラ（２１）の後壁と前記圧縮機ケーシング（４１）との間の空間へと流れ、一部は前記圧縮機ケーシング（４１）の後部へと反対の方向に流れるような冷却媒体の圧力およびシール設備である、
請求項２５に記載の遠心圧縮機。
【請求項２７】
前記軸回転部品が、前記インペラ（２１）の後ろ側に配置されたバランスドラム（４７）である、請求項２５または２６に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械の分野に関し、特に遠心圧縮機の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、いくつかの産業分野において幅広く使用され、さまざまな性質の作動媒体を処理するために使用されており、適用の分野に応じて、遠心圧縮機の１つ以上の段によって高いガス圧を達成することができる。高い圧力は、作動媒体の温度の上昇を伴い、これが圧縮機の寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００３】
いくつかの適用の分野においては、圧縮機のインペラにおいて、６５０〜７００℃の範囲またはそれ以上の温度に達する可能性がある。インペラのクリープ寿命がきわめて重要であるが、作動媒体の高い温度によって悪影響を被る。
【０００４】
シュラウド付きインペラの製造に現時点において用いられるいかなる鍛造または粉末冶金の材料も、６０，０００時間というクリープ寿命の要件を満たしていない。Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７３８などのニッケル主体の超合金は、クリープ寿命の要件を満たすが、Ｉｎｃｏｎｅｌ製のインペラの製造性および補修性は良好でない。
【０００５】
上述の温度範囲、使用される材料、およびクリープ寿命の要件は、あくまでも１つの考えられる用途の例示にすぎず、本発明の適用の範囲を制限するものと理解してはならない。本明細書に開示される冷却の技術を、例えば、とりわけ別のより低い性能のより伝統的な材料が使用される場合に、より低い温度範囲の事例にも好都合に使用することができる。
【０００６】
技術水準によるシュラウド付きインペラを使用する多段遠心圧縮機が、図１に示されている。遠心圧縮機１００が、ロータシャフト１０４が支持されたケーシング１０２を備えている。圧縮機１００は、圧縮機入口１０６と、圧縮機出口１０８と、各々がインペラ１１０Ａ〜１１０Ｇを備えている複数の圧縮機段とを備えている。これらのインペラは、直列に配置されている。作動媒体の圧力が、圧縮機入口１０６から圧縮機出口１０８へと段階的に高められる。作動媒体は、各々のインペラへと実質的に軸方向に進入し、次のインペラへとそれぞれのディフューザ１１２を通って径方向にもたらされる。作動媒体の温度が、或る段から他の段へと高くなり、特に圧縮機の最後の段においてかなり高くなる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０，４０８，０１０号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本明細書に開示の主題のいくつかの実施形態によれば、シュラウド付きインペラ（すなわち、ハブとシュラウドとを有するインペラ）を備える遠心圧縮機アセンブリであって、冷却媒体がインペラアイへと、インペラのこの領域から熱を取り去るためにもたらされる遠心圧縮機アセンブリが提供される。インペラアイは、インペラのクリープ寿命に関する限りにおいて、インペラのきわめて重要な領域である。
【０００９】
インペラアイの領域にもたらされる冷却媒体が、熱を局所的に取り去り、インペラアイおよび周囲の領域の温度を臨界値よりも下に保ち、クリープ寿命を延ばす。
【００１０】
本明細書に開示の主題のいくつかの実施形態によれば、ケーシングとケーシング内に回転可能に支持された１つ以上のインペラとを備えており、各々のインペラがハブと、シュラウドと、インペラアイとを備えている遠心圧縮機アセンブリが提供される。各々のインペラのインペラアイに、インペラアイシール設備が設けられる。少なくとも１つの冷却媒体ポートが、シール設備に組み合わせられ、インペラアイの周囲に冷却媒体をもたらすように構成される。冷却媒体が、インペラアイから熱を取り去り、インペラのクリープ寿命を改善する。
【００１１】
好ましい実施形態においては、複数の冷却媒体ポートが、インペラアイの周囲に配置される。いくつかの実施形態においては、冷却媒体ポートが、インペラの回転軸を中心にして一様に分布する。
【００１２】
インペラアイの冷却の改善が、インペラアイの外面からインペラアイの内面に延びる複数の穴を設けることによって達成される。このようにして、冷却媒体の流れの少なくとも一部分が、穴に進入し、シュラウドの内側部分へともたらされる。各々の穴の出口端、すなわちシュラウドの内面における穴の開口は、インペラの対応するブレードの前縁の付近に位置することができる。穴の出口をこの位置に配置することによって、ブレードの前縁のきわめて効率的な冷却を得ることができる。
【００１３】
冷却媒体の供給源を、１つ以上の圧縮機段に設けられる１つ以上の冷却媒体ポートへと冷却媒体をもたらすために設けることができる。いくつかの実施形態においては、圧縮機を通って流れる同じ作動媒体を、圧縮機の１つ以上のインペラのための冷却媒体として使用することができる。冷却媒体の流れの一部を、主たる流れから取り出し、冷却し、さらに／あるいは必要な圧力へと膨張させ、次いで１つ以上の冷却媒体ポートを通ってインペラアイへともたらすことができる。したがって、冷却媒体を必要な圧力にするための別途のポンプ手段が不要である。さらに、冷却媒体が圧縮機を通って流れる同じ作動媒体であるため、作動媒体の組成が冷却媒体の存在によって変化することがない。
【００１４】
熱交換器および絞り弁を、作動媒体の流れの一部を主たる流れから取り出して圧縮機へと戻す分岐経路に沿って配置することができる。絞り弁に代えて、膨張器などの別の減圧設備を使用することができる。
【００１５】
圧縮機は、各々がインペラを備える２つ以上の圧縮機段を備えることができる。インペラのうちの一部が、シュラウド付きであってよく、すなわちシュラウドおよびインペラアイを備えることができる。１つ以上の前記シュラウド付きインペラを、上述のとおりの冷却設備と組み合わせることができ、すなわちインペラアイシール設備の領域に冷却媒体をもたらす少なくとも１つの冷却媒体ポートと組み合わせることができる。通常は、多段の圧縮機においては、作動媒体の温度が、最後の圧縮機段においてのみ問題になる。したがって、好ましい実施形態においては、インペラアイの冷却設備は、少なくとも最後の圧縮機段に設けられる。
【００１６】
いくつかの実施形態によれば、インペラハブの冷却のための補助冷却設備が設けられる。いくつかの実施形態においては、インペラハブ冷却設備が、インペラアイ冷却設備と組み合わせられる。他の実施形態においては、インペラハブ冷却設備だけが設けられる。最後に述べた事例では、インペラが、開放型のインペラ、すなわちシュラウドを備えないインペラであってもよい。
【００１７】
さらに、さらなる態様によれば、本明細書に開示の主題は、ケーシングとケーシング内に回転可能に配置された少なくとも１つのシュラウド付きインペラとを備えている遠心圧縮機を動作させる方法であって、インペラのインペラアイの領域から熱を取り除くためにインペラアイの周囲のすき間に冷却媒体の注入をもたらす方法に関する。
【００１８】
一実施形態によれば、遠心圧縮機を動作させる方法であって、以下のステップ、すなわち作動媒体をインペラによって処理するステップ、およびインペラアイを冷却すべく、冷却媒体を前記インペラアイの周囲のすき間に注入し、該すき間を循環させるステップを含む方法が提供される。
【００１９】
すき間を、インペラアイとインペラアイシール設備との間に形成することができる。
【００２０】
いくつかの実施形態によれば、本方法が、圧縮機によって処理された作動媒体の一部を使用してインペラアイを冷却するステップを含む。例えば、充分な量の作動媒体を、圧縮された作動媒体の主たる流れから取り出し、圧縮機のケーシングの内部の冷却すべき領域へともたらすことができる。圧縮機のケーシングへの再導入に先立って、必要な圧力および温度への作動媒体の冷却および膨張を行うことができる。全体としての作動媒体の流れの例えば０．５〜５％、好ましくは１．０〜２．５％の割合を、冷却の目的で取り出すことができる。
【００２１】
改善された実施形態によれば、本方法が、冷却媒体を少なくとも部分的にインペラの内側へとシュラウドとハブとの間に注入または伝達するステップをさらに含む。この目的のため、いくつかの実施形態によれば、本方法が、インペラアイの外面からインペラアイの内面に延びる少なくとも１つの穴を設けるステップと、冷却媒体の少なくとも一部分を前記穴を通って注入するステップとを含む。
【００２２】
さらに、さらなる態様によれば、本発明は、インペラアイの冷却と組み合わせ、あるいはインペラアイの冷却とは関係なく、インペラのハブを冷却するための方法に関する。
【００２３】
さらなる態様によれば、本明細書に開示の主題は、インペラハブとインペラアイを形成するインペラシュラウドとを備える遠心圧縮機のインペラに関する。インペラアイが、径方向外側の表面および径方向内側の表面を備えている。外側の表面から内側の表面に延びる少なくとも１つの穴が設けられ、この穴が、前記インペラアイを通ってシュラウド付きインペラの内部へと冷却媒体の流れを運ぶように構成されている。
【００２４】
またさらなる態様によれば、本発明は、遠心圧縮機に関し、そのような遠心圧縮機が、圧縮機ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に支持され、複数のインペラブレードが設けられた前壁と、主として径方向に広がる後壁とを有するハブを備えている少なくとも１つのインペラと、前記インペラの前記後壁と前記圧縮機ケーシングとの間の空間と、前記空間に冷却媒体をもたらすように構成および配置された少なくとも１つの冷却媒体ポートとを備えており、前記空間は、当該圧縮機の前記インペラの出口に位置する圧縮機ディフューザに連通しており、前記圧縮機ケーシングと前記インペラの前記後壁との間の前記空間にもたらされた冷却媒体が、前記ディフューザに流れる。好ましい実施形態においては、冷却媒体が、シール設備とインペラと一緒に回転する軸回転部品（例えば、インペラがねじりに関して係合したシャフト、またはインペラの後ろ側に配置されたバランスドラム）との間に形成されるすき間にもたらされる。冷却媒体の圧力およびシール設備は、冷却媒体がシール設備と軸回転部品とによって形成されるすき間から一部はインペラの後壁と圧縮機ケーシングとの間の空間へと流れ、一部は圧縮機ケーシングの後部へと反対の方向に流れるような冷却媒体の圧力およびシール設備である。
【００２５】
上述の構成を、冷却媒体がシール設備と軸回転部品（例えば、インペラシャフトまたはバランスドラム）との間のすき間にもたらされ、この冷却媒体の流れの一部がインペラの後方の空間にもたらされて、そこからディフューザへともたらされ、一部が圧縮機の後ろへとシール設備とは反対の側にもたらされる遠心圧縮機の動作の方法を実行するために使用することができる。やはり、この場合にも、冷却媒体は、圧縮機によって処理され、インペラの後ろ側のシール設備にもたらされる前に必要に応じて適切に冷却され、或る程度膨張させられる作動媒体の一部分または或る割合であってよい。いくつかの実施形態においては、作動媒体の主たる流れの約１．５〜２．５体積％を、インペラの後ろ側の冷却の目的に流用することができる。
【００２６】
特徴および実施形態が、本明細書において以下で開示され、本明細書の一体の一部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。以上の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解することができ、かつ今回の技術的な貢献をよりよく評価できるように、本発明の種々の実施形態の特徴を述べている。当然ながら、本明細書において後述され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴も存在する。この点に関し、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の実施形態が、それらの応用において、以下の説明に記載され、あるいは図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に限られないことを、理解すべきである。本発明は、他の実施形態も可能であり、さまざまな方法で実施および実行が可能である。また、本明細書において使用される表現および用語が、説明を目的とするものであり、限定として解釈されてはならないことを、理解すべきである。
【００２７】
したがって、当業者であれば、本発明の根底にある概念を、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用できることを、理解できるであろう。したがって、特許請求の範囲を、そのような同等の構成を、それらが本発明の技術的思想および技術的範囲から外れない限りにおいて含むものと理解することが重要である。
【００２８】
開示される本発明の実施形態およびそれらの付随の利点の多くについて、より完全な評価が、それらを以下の詳細な説明を参照し、添付の図面と併せて検討することによってよりよく理解することで、容易に得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】先行技術の多段遠心圧縮機について、鉛直面による縦断面を示している。
【図２】本明細書に開示の主題の第１の実施形態の冷却システムを備える圧縮機を図式的に示している。
【図３】別の実施形態の概略図を示している。
【図４】インペラアイ冷却システムをハブ冷却システムと組み合わせて備えている圧縮機段の縦断面を示している。
【図５】遠心圧縮機のシュラウド付きインペラの斜視図を示している。
【図６】本発明の主題の改善された実施形態におけるシュラウド付きインペラの一部分の斜視切断図を示している。
【図７】本発明の主題の改善された実施形態におけるシュラウド付きインペラの一部分の斜視切断図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
典型的な実施形態を、添付の図面を参照して以下で詳細に説明する。種々の図において、同じ参照番号は、同一または類似の構成要素を指し示している。さらに、図は、必ずしも比例尺で描かれてはいない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００３１】
明細書の全体を通して、「一実施形態」または「実施形態」あるいは「いくつかの実施形態」への言及は、或る実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の種々の箇所において現れる「一実施形態において」または「実施形態において」あるいは「いくつかの実施形態において」という表現は、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性を、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることが可能である。
【００３２】
図２が、本発明による圧縮アセンブリを概略的に示している。図２の図式的な表現において、全体が１で指し示されている遠心圧縮機が、概略的に示されている。遠心圧縮機１は、１つ以上の圧縮機段を備えることができ、各段が、図１に示した圧縮機１００と同様の１つのインペラを備えることができる。作動媒体（例えば、空気または任意の他の気体媒体）が、圧縮機入口３において圧縮機に進入し、圧縮機出口５において圧縮機１から出る。図２に概略的に示されるとおり、圧縮機出口５を通って流れる作動媒体の一部が、ダクト７によって取り出されて熱交換器９に流用され、この流用された圧縮後の作動媒体の一部が、熱交換器９において冷却される。熱交換器９は、例えば気体／空気または気体／水の熱交換器であってよい。次いで、冷却された作動媒体を、例えば絞り弁１１などの減圧部材を通って流し、ダクト１３によって１つ以上の圧縮機段に再び導入することができる。他の実施形態においては、減圧部材が、膨張器であってよい。
【００３３】
絞り弁１１を通って流れる作動媒体の圧力が、より高い圧力Ｐ１からより低い圧力Ｐ２へと下げられる。絞り弁１１における圧力低下は、圧縮機出口における流体の圧力と、冷却された作動媒体の圧縮機への再注入の地点における流体の圧力とに依存する。他の実施形態（図示されていない）においては、作動媒体を、例えば中間の圧縮機段の出口など、作動媒体の経路に沿った別の位置において主たる流れから取り出すことができる。
【００３４】
考えられるいくつかの用途においては、作動媒体が空気であり、圧縮機出口５における空気の温度が約６５０℃になりうる一方で、熱交換器９の出口における作動媒体の温度は、約４５０℃になりうる。これらの値は、あくまでも例として示されているにすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものとして解釈されてはならない。さらなる温度の低下を、作動媒体が絞り弁１１を通って流れるときに達成することができる。いくつかの実施形態においては、充分な冷却を、絞りのみまたは熱交換器のみで達成することができる。
【００３５】
圧縮機アセンブリの変更版の実施形態が、図３に示されている。同じ参照番号は、図２における各部と同じまたは同等の部分を示している。この実施形態においては、冷却媒体が、作動媒体のうちの圧縮機の出口において取り出される一部分によるのではなく、別途の供給源（図示されていない）からもたらされる。冷却媒体が注入される圧縮機の動作圧力に応じ、必要とされる圧力で冷却媒体を送るために、圧縮装置１４を設けることができる。
【００３６】
図２の実施形態が、たとえ作動媒体の一部を冷却の目的のために取り出すことで圧縮機の全体としての効率が低くなるとしても、別途のポンプ設備を必要としないがゆえに、現時点において好ましい。
【００３７】
図２および図３に示した概略の配置構成は、あくまでも例にすぎず、例えば冷却媒体の供給源に関し、あるいは流体の冷却および／または膨張に関して、種々の設備を設けることができることを、理解すべきである。
【００３８】
ダクト１３を通って流れて圧縮機に注入される冷却媒体は、特に図４〜図７を参照して後述されるように、圧縮機１の１つ以上のインペラの何らかの領域を冷却するために使用される。典型的な実施形態の以下の説明においては、図２による実施例が参照され、すなわち作動媒体の一部が主たる流れから流用されて適切な温度および圧力で圧縮機に再び注入されることによって冷却媒体として用いられる実施例が参照される。しかしながら、上述のように、冷却媒体を外部の供給源によって供給することも可能である。
【００３９】
図４〜図７を参照し、多段遠心圧縮機の最後の圧縮機段に言及する。最後の圧縮段のインペラに関して説明される特徴と同じ特徴を、多段圧縮機のさらなる段にも備えることができることを、理解すべきである。さらに、多段圧縮機に関して本明細書で開示される特徴を、必要であれば単段の圧縮機において実施してもよいことを、理解すべきである。
【００４０】
図４に、圧縮機１の一部分が、圧縮機のロータの軸Ａ−Ａを含む平面に沿った縦断面にて示されている。最後の圧縮機段が、回転シャフト２３によって支持されたインペラ２１を備えている。インペラは、図５に単独で示されている。本明細書に開示される実施形態において、インペラ２１は、インペラハブ２３およびインペラシュラウド２５を備えている。ブレード２７が、インペラハブ２３とインペラシュラウド２５との間の放射状に延び、両者の間にインペラ羽根２９を形成している。インペラシュラウド２５は、インペラ入口３３の周囲を延びるインペラアイ３１を備えている。
【００４１】
インペラアイ３１に、圧縮機のケーシング４１に取り付けられたインペラアイシール設備３９のシールリップ３７と協働する外側の環状の歯３５を設けることができる。インペラアイシール設備３９は、インペラ２１を含む圧縮機段と上流の圧縮機段（図示されていない）との間のシールをもたらす。
【００４２】
インペラ２１によって処理された作動媒体が、ケーシング４１に形成されたディフューザ４３において羽根２９から径方向に排出され、圧縮機出口５に連通したボリュート４５に進入する。
【００４３】
バランスドラム４７が、ハブ２３の背後に配置され、すなわちインペラ２１のインペラアイ３１とは反対の側に配置されている。バランスドラム４７は、インペラ２１が収容された空間を圧縮機の後部に対してシールするシール設備４９と協働する。図４の概略の断面には、回転シャフト２２と協働するさらなるシール設備５１も示されている。
【００４４】
いくつかの実施形態においては、１つ以上の冷却媒体ポート５３が、インペラアイ３１の周囲に配置される。冷却媒体ポート５３は、ダクト１３に連通しており、ダクト１３によって、主たる圧縮機出口５から取り出されて適切に冷却された作動媒体の一部が、インペラアイ３１を冷却すべく圧縮機のケーシングに再び導入される。いくつかの実施形態においては、複数の冷却媒体ポート２３が、好ましくはインペラアイシール設備３９の環状の広がりを巡って一様に配置される。例えば、２〜２０個のポート５３を設けることができる。いくつかの実施形態においては、８〜１５個の間、好ましくは１０〜１４個の間の冷却媒体ポート５３を設けることができる。冷却媒体ポート５３によって、圧縮機を出る出口の作動媒体の流れの全体のうちの例えば約２％の割合を、圧縮機のケーシングに再び導入することができる。
【００４５】
各々の冷却媒体ポート５３を通って流れる冷却媒体は、インペラアイシール設備３９のシールリップ３７とインペラアイ３１との間のすき間に進入する。冷却媒体ポート５３を通ってもたらされる冷却媒体は、該当の圧縮機段の入口圧力よりも高い圧力を有する。例えば、インペラ入口における作動媒体の圧力が約５５バールである場合、冷却媒体を、冷却媒体ポート５３を通って約６０バールでもたらすことができる。結果として、冷却媒体は、リップ３７とインペラアイ３１との間のすき間から逃げ出すように強いられる。冷却媒体の一部が、矢印ｆＡに従ってすき間から逃げ出し、冷却媒体の別の部分が、矢印ｆＢに沿ってすき間から逃げ出すと考えられる。冷却媒体の第１の部分（例えば、圧縮機を通って流れる作動媒体の全体の約１．２〜１．３％）が、矢印ｆＡに従って逃げ出し、上流の圧縮機段に進入する一方で、残りの部分は、圧縮機のケーシング４１とインペラシュラウド２５との間のすき間５７に沿ってインペラ２１のシュラウド２５の外面を流れ、最終的にディフューザ４３に進入すると考えられる。
【００４６】
冷却媒体の流れによって、インペラアイ３１の外面が冷却される。このようにして、きわめて大きい機械的な応力に曝されるインペラアイの領域の温度が低くなることで、インペラのクリープ寿命が向上する。
【００４７】
本明細書に開示の主題のさらなる改善によれば、インペラアイ３１に、複数の穴６１が設けられる。好ましい実施形態においては、少なくとも１つの穴が各々のブレード２７について設けられる。１つのそのような穴が、図６および図７に明瞭に示されている。これらの図は、インペラ２１の一部分の断面を示している。これらの図には、インペラアイ３１、ハブ２３、およびシュラウド２５の一部分、ならびにブレード２７のうちの１枚が示されている。各々の穴６１は、インペラアイ３１の外面に位置する入口から、インペラアイ３１の内面に位置する出口まで延びている。いくつかの実施形態においては、図６および図７に示されるように、穴６１が、対応するブレード２７の前縁２７Ａのほぼ前方においてインペラアイ６１の内面に開いている。
【００４８】
この構成によれば、冷却媒体ポート５３を通ってもたらされる冷却媒体の少なくとも一部が、穴６１に進入する。各々の穴６１が、それぞれのブレード２７の両面に沿って流れる冷却媒体の流れを生み出す。冷却媒体の流れによって、ブレードの前縁ならびにブレード２７とインペラアイ３１との接続の領域から熱が取り去られる。この領域は、大きな熱的および機械的な応力に曝されている。この領域から熱を取り去ることで、温度が下がり、クリープが軽減され、したがってインペラのクリープ寿命がさらに向上する。
【００４９】
いくつかの実施形態においては、過熱およびクリープの問題のさらなる軽減を、ハブ２３の領域にも冷却媒体の流れをもたらすことによって達成することができる。これが、図４に概略的に示されている。ダクト１３をシール設備４９に接続する１つ以上の補助ポート７１を設けることができる。圧縮機出口５から取り出され、熱交換器９において冷却され、絞り弁１１において膨張させられた作動媒体の一部分が、ポート７１を通ってシール設備４９とバランスドラム４７との間のすき間へと流れる。この冷却媒体の流れは、シール設備４９とバランスドラム４７との間のすき間から逃げ出し、この流れの少なくとも一部は、矢印ｆＣに従って圧縮機のケーシング４１の不動の部分とインペラ２１の後壁との間の空間に進入する。冷却媒体の流れのこの部分は、最終的にディフューザ６７に進入すると考えられる。いくつかの実施形態においては、シール設備４９とバランスドラム４７との間のすき間にもたらされる冷却媒体が、圧縮機出口の流れの全体の約２．０〜２．２％であってよく、この冷却媒体の流れのうちの約１／３が、インペラ２３の背後の空間に進入して、最終的にディフューザ５７に達する一方で、残りの部分は、反対側においてシール設備４９とバランスドラム４７との間のすき間から逃げ出すと考えられる。
【００５０】
本明細書に記載の主題について開示される実施形態を、いくつかの典型的な実施形態に関する詳細および細部とともに図面に示して充分に上述したが、本明細書において説明した新規な教示、原理、および考え方の組、ならびに添付の特許請求の範囲に記載される主題の利点から実質的に離れることなく、多数の変更、変化、および省略が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。
【００５１】
したがって、開示された発明の適切な範囲は、そのような変更、変化、および省略をすべて包含するような添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されなければならない。さらに、プロセスまたは方法の各段階の順序および順番は、別の実施形態に従って変更または並べ替えが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１  遠心圧縮機
３  圧縮機入口
５  圧縮機出口
７  ダクト
９  熱交換器
１１  絞り弁
１３  ダクト
１４  圧縮装置
２１  インペラ
２２  回転シャフト
２３  冷却媒体ポート、インペラ、インペラハブ、回転シャフト、ハブ
２５  インペラシュラウド
２７  ブレード
２７Ａ  前縁
２９  インペラ羽根
３１  インペラアイ
３３  インペラ入口
３５  歯
３７  シールリップ
３９  インペラアイシール設備
４１  ケーシング
４３  ディフューザ
４５  ボリュート
４７  バランスドラム
４９  シール設備
５１  シール設備
５３  冷却媒体ポート
５７  すき間、ディフューザ
６１  穴、インペラアイ
６７  ディフューザ
７１  補助ポート
１００  遠心圧縮機
１０２  ケーシング
１０４  ロータシャフト
１０６  圧縮機入口
１０８  圧縮機出口
１１０Ａ  インペラ
１１０Ｂ  インペラ
１１０Ｃ  インペラ
１１０Ｄ  インペラ
１１０Ｅ  インペラ
１１０Ｆ  インペラ
１１０Ｇ  インペラ
１１２  ディフューザ
Ａ−Ａ  軸
Ｐ１  圧力
Ｐ２  圧力
ｆＡ  矢印
ｆＢ  矢印
ｆＣ  矢印
【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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