技術 ターボ機械におけるシール隙間の制御

実施例

0022

以下では、例示的な実施形態が、添付図面を参照して詳細に説明される。異なる図面における同一の参照番号は、同一または類似の要素を識別する。さらに、図面は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。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。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

0023

本明細書の全体における、「一実施形態」、「ある実施形態」、「一部の実施形態」の言及は、ある実施形態との関連で説明される特定の特徴、構造、または特質が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、本明細書の全体における様々な箇所で用いられる、「一実施形態において」、「ある実施形態において」、「一部の実施形態において」の表現は、必ずしも同じ実施形態に言及するものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特質が１以上の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わされてもよい。

0024

以下の説明および添付図面では、例えば、いわゆるＣＡＥＳ（圧縮空気エネルギー貯蔵システム）用途で利用される圧縮機などの、多段遠心圧縮機への言及がなされる。しかし、当業者には、本明細書で開示される主題が、同様の技術的問題を有する他のターボ機械において実施され得ることが理解されるだろう。

0025

図１を参照すると、多段遠心圧縮機１はケーシング３からなり、ケーシング３は、圧縮機入口５、および圧縮機出口６を有する。圧縮機ケーシング３の内部に、圧縮機ダイヤフラム装置７が提供されている。ケーシング３およびダイヤフラム７は、圧縮機の固定部分を形成する。

図１

0026

ケーシング３では、回転軸９が好適に支持されている。複数の羽根車１１は、軸９に取り付けられており、軸９と共に回転する。これを制御するのは、例えば、電動機やタービンなどの原動機（図示せず）である。

0027

一部の実施形態では、バランスピストン１３が、軸９にさらに取り付けられており、軸９と共に回転する。

0028

ダイヤフラム７に形成されている戻り流路１５は、羽根車１１の各々から次の羽根車の吸気口に向かう気体流を戻すために提供されている。最下流の羽根車（図２にも図示あり）は、ボリュート１７と流体連通している。ボリュート１７は、圧縮気体を集め、ボリュート１７から圧縮気体が圧縮機出口６に供給される。

図２

0029

図２の拡大図で最も良く示されるように、羽根車１１の少なくとも一部は、羽根車ディスク１１Ｄと、羽根車入口１１Ｅからなる羽根車シュラウド１１Ｓとを含み得る。

図２

0030

ブレード１１Ｂは、羽根車ディスク１１Ｄと羽根車シュラウド１１Ｓとの間に配置され、羽根車１１の内部に羽根を定める。この羽根車を通って、羽根車吸気口１１Ｉで羽根車に入る気体が加速され、最後に羽根車排気口１１Ｏで放出される。

0031

固定ダイヤフラム７と羽根車入口１１Ｅとの間に、シール装置２１が提供されている。図３は、圧縮機１の羽根車１１の１つにおけるシール装置のある実施形態の拡大図を示す。図４は、固定部品（ダイヤフラム）７、羽根車入口１１Ｅ、およびシール装置２１の概略断面図を示す。

図４

0032

シール装置２１は、環状シール部材２３を含み得る。一部の実施形態では、環状シール部材２３が、角度的に離間された複数のキー２５を用いてダイヤフラム７に取り付けられている。このキーは、環状シール部材２３がダイヤフラム７に対して中央になるように維持することができる。シール装置２１は、シール装置および固定部品の一方が他方に対して半径方向に動き得るように、固定部品、すなわちダイヤフラム７に取り付けられている。このようにして、環状シール部材２３および固定部品７の熱膨張に差が生じ得る。

0033

一部の実施形態では、ダイヤフラム７は、環状シール部材２３が少なくとも一部収納されている台座２７からなる。冷却室または冷却流路２９は、環状シール部材２３とダイヤフラム７に提供された台座２７との間に形成されている。シールリップ２３Ｌは、ダイヤフラム７の台座２７に対する封止のための環状シール部材２３の周囲に提供され得る。したがって、冷却室２９は、羽根車１１が回転可能に収納されている体積に対して封止されている。

0034

冷却室２９は、冷却流体源と流体連通している。有利な実施形態では、冷却室が冷却流体回路の一部として配置されており、それによって冷却流体が冷却室内に、かつ冷却室を通過して供給され、冷却室から除去される。図４の概略断面図に最も良く示されているように、一部の実施形態では、少なくとも１つの冷却流体供給ダクト３１が、冷却室２９と流体連通しており、冷却室２９内に冷却流体を供給する。冷却室２９を循環した冷却流体を除去するために、冷却室２９と流体連通している少なくとも１つの冷却流体排出ダクト３３も提供され得る。

図４

0035

図４では、冷却室２９および環状シール部材２３が同一の広がりを有する。すなわち、両者は、羽根車の軸の周囲３６０°に広がっている。このように、冷却室２９は、環状延長部全体に沿うシール装置と流体接触している。これは、好ましい構成である。しかし、別の、より非効率的な実施形態では、冷却室２９の延長部がシール装置の環状延長部よりもわずかに小さくなり得る。例えば、冷却室２９は、径方向の隔壁などにより２以上の副室に分割され得る。その結果、冷却室２９全体の延長部は、シール装置の環状延長部よりもわずかに、例えば１０％小さくなる。

図４

0036

本明細書において、上で開示したシール装置は、こうしたシール装置が提供されている、羽根車１１各々の冷却室または冷却流路２９内に流れ、かつこれらを通って流れる冷却流体の循環を制御することを可能にする。

0037

冷却流体は、図３の符号３５で概略的に示されている冷却流体回路によって提供され得る。冷却流体回路は、ファン３７、ポンプ、または他の任意の循環装置を含み得る。

0038

冷却流体は、シール装置２１から熱を除去するのに好適な、任意の流体であり得る。一部の実施形態では、例えば透熱性油などの、非圧縮性液冷却流体が用いられ得る。この冷却流体は、冷却室または冷却流路２９を通る強制対流によって熱を除去する際に、特に効果的である。

0039

一部の実施形態では、気体の冷却流体が用いられ得る。特に有利な実施形態では、圧縮機１によって処理されている気体に対応している冷却流体が用いられる。こうすることで、冷却室２９からの冷却流体の漏洩が、圧縮機１による気体の処理に悪影響を及ぼさないようにする。

0040

通常、圧縮機１が空気を処理するＣＡＥＳまたはＡＣＡＥＳ用途では、周囲の空気が、冷却室２９内で冷却媒体または冷却流体として用いられ得る。例えば、冷却流体回路３５が、周囲に対して開放され得る。それによって、冷却流体の性質および他の注意事項が許容する場合、例えば冷却流体として空気が用いられる場合は、冷却室２９から出ていく冷却流体が周囲に放出される。

0041

他の実施形態では、冷却流体回路３５は閉鎖され、冷却流体回路３５の内部で冷却流体が循環することができる。この場合、冷却流体流が冷却室２９を出た後、冷却流体流から熱を除去するために、熱交換装置が提供され得る。

0042

有利な実施形態では、冷却室２９内の冷却流体の圧力が、圧縮機１を通じて処理される気体の圧力よりも実質的に小さくなる。冷却室２９が羽根車１１に対して封止され得ることから、羽根車と冷却室２９との間の漏洩は避けられ得る。また、冷却室２９の内部は、低圧であり得る。これによって、冷却流体を回路３５および冷却室２９を通って循環させるために必要な力は低減される。

0043

冷却室２９を通って冷却流体を循環させること、およびシール装置２１から熱を除去することで、ターボ機械の起動時および定常運転中の、シール装置２１の半径寸法および半径方向への拡張を制御することが可能になる。これは、本明細書において以下でより詳しく述べられるように、シール装置２１と羽根車入口１１Ｅとの間の半径隙間をより良く制御することを目的とする。

0044

シール装置２１がダイヤフラム７に拘束されている現行技術による装置では、起動時に十分な隙間を提供し、定常状態では十分に小さな隙間を提供するように、環状シール部材の半径寸法を選択しなければならない。その際、ダイヤフラム７が羽根車１１に対してより高い熱慣性を有することに起因して、起動時における羽根車１１の半径方向への拡張が、ダイヤフラム７の半径方向への拡張よりも速いことを念頭におく。

0045

以下の表１では、現行技術による機械の起動時および定常状態での運転における半径隙間の寸法が、ミリメートルで示されている。参照しているのは、例示的かつ非制約的な実施形態である。

0046

機械が非運転状態にあり、かつ室温で、シール部材と、羽根車入口などの回転部材との間に存在する半径隙間が０．９５ｍｍになるように、シール装置が設計され、寸法が決められる。

0047

起動時には、羽根車入口１１Ｅが半径方向に拡張しやすい。これは、一方では、羽根車入口１１Ｅにかかる遠心力によって引き起こされた機械的変形に起因する。他方で、羽根車入口１１Ｅの拡張は、急激な温度上昇に起因する。熱膨張は、図１が示す遠心圧縮機の最終段１１において特に顕著である。最終段では、例えば空気などの処理された気体が、例えば約４００〜６００°Ｃの高温値に達する。

図１

0048

起動時において、ダイヤフラム７に代表される固定部品の半径方向への拡張は、羽根車１１の半径方向への拡張よりもはるかに緩慢である。これは、一方では、固定部品を半径方向外側に変形させる遠心力がないことに起因し、他方では、ダイヤフラム７の熱慣性が、羽根車１１に対する熱膨張よりもダイヤフラム７に対する熱膨張が緩慢であるようものであることに起因する。

0049

したがって、ステータ、すなわち固定部品７の半径方向への膨張は約０．２５ｍｍであり、一方羽根車入口１１Ｅの半径方向への膨張は０．７０ｍｍとなる。

0050

環状シール部材２３が、ダイヤフラムに半径方向で拘束されていることから、環状シール部材の半径方向への膨張は、ダイヤフラムの半径方向への膨張と同一である。したがって、室温での停止状態において半径隙間が０．９５ｍｍで起動すると、起動時の隙間の合計は０．５０ｍｍになる。

0051

圧縮機がゆっくりと定常状態の運転条件に近づくにつれて、ダイヤフラムの温度は上昇し、その結果、環状シール部材の半径寸法も増大する。表１の第２列では、定常状態の条件における羽根車入口１１Ｅの半径方向への膨張が０．８５ｍｍと示されており、一方ダイヤフラムの半径方向への膨張は０．７５ｍｍである。したがって、定常状態の条件における半径隙間の合計は、０．８５ｍｍである。このように半径隙間が比較的広いと、機械の効率が低下することになる。定常状態の条件において、半径隙間がより狭いことは好適ではない。なぜなら、これにより起動時に、隙間がさらに狭くなければならず、その結果、起動時に羽根車入口と環状シール部材との間に摩擦接触のリスクが生じるからである。これは、羽根車の半径方向への膨張に対して、ダイヤフラムおよび環状シール部材の半径方向への膨張が、より緩慢であることに起因する。

0052

本開示におけるシール部材の冷却および温度制御装置は、上記の問題を解決または少なくとも軽減し、その結果、表２が示すように、定常状態の条件における半径隙間はより小さくなる。

0053

表２は、本開示による構成および例示的な実施形態における、羽根車入口１１Ｅと環状シール部材２３との間の半径隙間の寸法を示す。隙間寸法は、ｍｍで示される。圧縮機が室温で停止状態にある場合、環状シール部材２３と羽根車入口１１Ｅとの間の半径隙間は、ここでも０．９５ｍｍである。起動時の羽根車入口１１Ｅの半径方向への膨張は、ここでも０．７０ｍｍである。これは、遠心力による半径方向への機械的な変形、および熱膨張に起因する。ダイヤフラム７の半径方向への膨張は、同じく０．２５ｍｍである。この結果、半径隙間の合計は、起動時において０．５０ｍｍである。現行技術による圧縮機（表１）と同じ条件が示されており、隙間およびシール温度に対する制御は提供されていない。

0054

しかし、定常状態の運転条件に達すると、冷却室２９を通って流れる冷却流体は、シール装置２１の熱を除去し得る。したがって、環状シール部材２３の熱膨張に起因する半径方向への膨張が低減され得る。表２で示した例では、シール装置２１の冷却が、環状シール部材２３の半径方向への膨張をゼロまで減らすのに十分な程度に効果的であると想定される。したがって、環状シール部材２３と羽根車入口１１Ｅとの間の半径隙間の合計は、０．１０ｍｍになる。これは、同じ定常状態の運転条件下での、現行技術による圧縮機（表１）の半径隙間の合計（０．８５ｍｍ）よりも小さい。定常状態の条件での半径隙間の合計が減少すると、圧縮機１の全体的な効率が実質的に増加する。

0055

羽根車入口のシール装置に関連して、本明細書で上述されたシール装置に対する温度制御の有利な効果は、例えば、バランスピストン１３とその周辺のシーリングとの間の隙間を低減するなど、圧縮機１の他の部品においても活用され得る。図２の拡大図では、バランスロータ１３に作用するシール装置４１が示されている。シール装置４１は、環状シール部材４３で構成されてもよい。環状シール部材４３は、固定部品に取り付けられ得る。この場合、固定部品は１７Ａに示されており、ボリュート１７の一部である。

図２

0056

冷却室４５が、環状シール部材４３と固定部品１７Ａとの間に提供され得る。冷却室４５は、例えば、環状シール部材４３に形成されている環状溝４３Ｇと、固定部品１７Ａに提供されている環状拡張部１７Ｅとの間に形成され得る。シール４７が、冷却室または冷却流路４５を封止するために、溝４３Ｇの周囲に提供され得る。

0057

別の実施形態では、環状シール部材４３の台座は、台座２７と同様に、固定部品１７Ａに提供され得る。

0058

一部の実施形態では、冷却流体供給ダクト４９が、例えば図３に示されたファン３７などの冷却流体源から、冷却室４５内に、かつ冷却室４５を通って冷却流体を供給する。図示されていないが、ダクト３３と同様の冷却流体排出ダクトが、冷却室４５から冷却流体を除去するために提供され得る。

0059

冷却室４５および関連する冷却流体供給装置は、羽根車入口のシール装置２１との連関で上に開示されたのと全く同一の方法で、環状シール部材４３の温度制御を提供する。

0060

環状シール部材４３の冷却は、バランスピストン１３と固定部品１７Ａとの間の隙間に対する制御を提供し、圧縮機１の効率を向上させることにさらに貢献する。

0061

図５および図６は、圧縮機羽根車１１の羽根車入口１１Ｅにおけるシール装置の別の実施形態を示す。同一の参照番号は、図３に示された同一または同様の部分を示す。

0062

圧縮機の固定ダイヤフラム７と羽根車入口１１Ｅとの間に、シール装置２１が提供される。図示された実施形態では、シール装置２１は、環状シール部材２３を含む。一部の実施形態では、環状シール部材２３が、角度的に離間された複数のキー２５を用いてダイヤフラム７に取り付けられている。このキーは、環状シール部材２３がダイヤフラム７に対して中央になるように維持することができる。図５は、キー２５を示すラジアル平面に係る断面を示す。キー２５は、固定部品７のノッチ２６に係合しており、それによってシール装置２１と、固定部品、すなわちダイヤフラム７との間に芯出しおよびねじり連成を提供する。一部の実施形態では、ダイヤフラム７は、環状シール部材２３が少なくとも一部収納されている台座２７からなる。冷却室または冷却流路２９は、環状シール部材２３のシール表面２３Ｓと、台座２７との間に形成されている。図５および図６に示された実施形態では、冷却室が、環状シール部材２３の内部に形成されている（特に図６を参照）。

0063

シールガスケット２３Ｌが、環状シール部材２３の周囲に提供されており、ダイヤフラム７の反対側表面に作用する。図５および図６に示された実施形態では、シールガスケットは、ダイヤフラム７の台座に提供された環状溝に配置されている。別の実施形態では、シールガスケットまたは他の封止手段が、環状シール部材２３の側面に提供された環状溝に配置され得る。冷却室２９は、羽根車１１が回転可能に収納されている体積に対して、シールガスケット２３Ｌによって封止されている。

0064

図３との連関で説明されたように、冷却室２９は、冷却流体源と流体連通している。有利な実施形態では、冷却室が冷却流体回路の一部として配置されており、それによって冷却流体が冷却室内に、かつ冷却室を通過して供給され、冷却室から除去される。一部の実施形態では、少なくとも１つの冷却流体供給ダクト３１が冷却室２９と流体連通しており、冷却室２９に冷却流体を供給する。冷却室２９を循環した冷却流体を除去するために、冷却室２９と流体連通している冷却流体排出ダクト３３も提供され得る。

0065

図５および図６に示された実施形態では、環状シール部材２３が、中空断面（図６）を備える実質的に管状の構造、すなわち中空構造を有する。中空構造の壁の１つは、１以上の冷却流体供給ダクト３１および１以上の冷却流体排出ダクト３３と流体連通している、入口ポート２８Ａおよび出口ポート２８Ｂと共に提供され得る。中空環状シール部材２３の内部に形成された冷却室２９内で、より効率的に冷却流体を循環させるために、隔壁２３Ｐが環状シール部材２３の空洞の中に提供され得る。冷却流体の循環を改良し、熱の除去を促進するために、一種の迷宮状の配置を形成することを目的として、隔壁２３Ｐは、冷却室２９内で環状に延びし、かつ、環状シール部材２３の反対側にある円柱状の壁から突出し得る。