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技術 ターボ機械におけるシール隙間の制御

出願人 ヌオーヴォピニォーネソチエタレスポンサビリタリミタータ
発明者 メイ,ルチアーノボルゲッティ,マッシミリアーノピンザウティ,マッシモビギ,マヌエレイノセンティ,ルカチェッケリーニ,アルベルトフォルミチーニ,マルコマヴリ,ラジェッシュ
出願日 2020年6月24日 (7ヶ月経過) 出願番号 2020-108619
公開日 2020年10月8日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-165432
状態 未査定
技術分野 非容積形ポンプの構造
主要キーワード 冷却流体供給装置 高温値 透熱性 送出ダクト 冷却流体回路 非運転状態 循環室 ステータ部品
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

高温運転し、高速起動プロセスを有するターボ機械におけるシール装置半径隙間に対して、より改良された制御を提供する。

解決手段

ターボ機械は、固定部品(7)と、固定部品(7)において回転支持された回転部品(11)と、回転部品と固定部品との間にあるシール装置(21)とを含む。シール装置(21)に冷却流体を供給し、シール装置から熱を除去するように構成および設計された冷却装置(29)が、さらに提供される。

概要

背景

遠心圧縮機タービンなどのターボ機械は、しばしば高温運転されており、このような機械ロータ部品およびステータ部品は、熱により膨張しやすい。

高速起動する機械、すなわち起動プロセスが短時間で行われる機械では、固定部品に取り付けられたシール装置回転部品との間にあるシール隙間は、起動中に、シール装置が回転部品に接触しないように設計されなければならない。この回転部品は、遠心力および熱による半径方向への拡張に起因して、急速に寸法が増大しやすい。

ステータの半径方向への拡張がロータの半径方向への拡張よりも遅いことに起因する、起動時のシール損傷を避けるために、シール装置の直径寸法は、起動の際にも十分な半径隙間が保たれるように設計される。その結果、ターボ機械が定常状態運転条件になったとき、半径シール隙間は、比較的大きくなる。半径隙間が大きいと、ターボ機械の効率が低下することになる。

したがって、高温で運転し、高速起動プロセスを有するターボ機械におけるシール装置の半径隙間に対して、より改良された制御が必要とされている。

概要

高温で運転し、高速起動プロセスを有するターボ機械におけるシール装置の半径隙間に対して、より改良された制御を提供する。ターボ機械は、固定部品(7)と、固定部品(7)において回転支持された回転部品(11)と、回転部品と固定部品との間にあるシール装置(21)とを含む。シール装置(21)に冷却流体を供給し、シール装置から熱を除去するように構成および設計された冷却装置(29)が、さらに提供される。

目的

国際公開第2001/029426号





一態様によると、本明細書で開示される主題は、固定部品と、固定部品において回転支持された回転部品と、回転部品と固定部品との間にあるシール装置とを備えるターボ機械を提供する

効果

実績

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請求項1

固定部品(7)と、前記固定部品(7)において回転支持された回転部品(11)と、前記回転部品(11)と前記固定部品(7)との間にあるシール装置(21)と、前記シール装置(21)に冷却流体を供給し、前記シール装置(21)から熱を除去するように構成および設計された冷却装置とを備えるターボ機械(1)。

請求項2

前記冷却装置が、前記シール装置(21)に配置された冷却室(29)を含む、請求項1に記載のターボ機械(1)。

請求項3

前記冷却装置が、前記冷却室(29)内に冷却流体を供給するために、前記冷却室(29)と流体接続している少なくとも1つの冷却流体供給ダクト(31)をさらに含む、請求項2に記載のターボ機械(1)。

請求項4

前記冷却装置が、前記冷却室(29)から冷却流体を除去するために、前記冷却室(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)をさらに含む、請求項2または3に記載のターボ機械(1)。

請求項5

前記シール装置(21)が、前記固定部品(7)の台座(27)に取り付けられた環状シール部材を含む、請求項2乃至4のいずれか1項に記載のターボ機械(1)。

請求項6

前記環状シール部材(23)および前記台座(27)が、相互に半径方向に移動し得る、請求項5に記載のターボ機械(1)。

請求項7

前記冷却室(29)が、前記シール装置(21)と前記台座(27)との間に配置されている、請求項5または6に記載のターボ機械(1)。

請求項8

前記冷却室(29)が、前記環状シール部材(23)内に形成されている、請求項5または6に記載のターボ機械(1)。

請求項9

シールガスケット(23L)が、前記環状シール部材(23)と前記固定部品(7)の前記台座(27)との間に提供されている、請求項5乃至8のいずれか1項に記載のターボ機械。

請求項10

前記回転部品(11)が羽根車を含む、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のターボ機械(1)。

請求項11

前記羽根車(11)が、羽根車ディスク(11D)と、羽根車シュラウド(11S)と、羽根車入口(11E)と、前記羽根車ディスク(11D)と前記羽根車シュラウド(11S)との間に配置された、複数の羽根車の羽根を形成する複数のブレード(11B)とを含み、かつ、前記シール装置(21)が、前記固定部品(7)に対して前記羽根車入口(11E)を封止するために、前記羽根車入口(11E)の周囲に配置されている、請求項10に記載のターボ機械(1)。

請求項12

前記回転部品(11)がバランスピストン(13)を含み、前記固定部品(7)に対して前記バランスピストン(13)を封止するために、前記シール装置(21)が前記バランスピストン(13)の周囲に配置されている、請求項1乃至11のいずれか1項に記載のターボ機械(1)。

請求項13

ターボ機械(1)の回転部品(11)と、前記回転部品(11)と共に動作するシール装置(21)との間にある、前記ターボ機械(1)のシール隙間を制御するための方法であって、前記ターボ機械(1)の運転中に、前記シール装置(21)の熱膨張を制御するために、前記シール装置(21)から熱を除去するステップを含む方法。

請求項14

前記シール装置(21)に冷却室(29)を提供するステップと、前記冷却室(29)に冷却流体を供給するステップと、それによって前記シール装置(21)から熱を除去するステップとを含む、請求項13に記載の方法。

請求項15

前記シール装置に冷却室(29)を提供するステップと、少なくとも1つの冷却流体供給ダクト(31)を通じて前記冷却室(29)に冷却流体を供給するステップと、少なくとも1つの冷却流体排出ダクト(33)を通じて前記冷却室(29)から冷却流体を除去するステップとを含む、請求項13に記載の方法。

技術分野

0001

本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関する。より詳細には、本開示は、高温で動作するターボ機械のためのシール装置の改良に関する。

背景技術

0002

遠心圧縮機タービンなどのターボ機械は、しばしば高温で運転されており、このような機械ロータ部品およびステータ部品は、熱により膨張しやすい。

0003

高速起動する機械、すなわち起動プロセスが短時間で行われる機械では、固定部品に取り付けられたシール装置と回転部品との間にあるシール隙間は、起動中に、シール装置が回転部品に接触しないように設計されなければならない。この回転部品は、遠心力および熱による半径方向への拡張に起因して、急速に寸法が増大しやすい。

0004

ステータの半径方向への拡張がロータの半径方向への拡張よりも遅いことに起因する、起動時のシール損傷を避けるために、シール装置の直径寸法は、起動の際にも十分な半径隙間が保たれるように設計される。その結果、ターボ機械が定常状態運転条件になったとき、半径シール隙間は、比較的大きくなる。半径隙間が大きいと、ターボ機械の効率が低下することになる。

0005

したがって、高温で運転し、高速起動プロセスを有するターボ機械におけるシール装置の半径隙間に対して、より改良された制御が必要とされている。

先行技術

0006

国際公開第2001/029426号

0007

一態様によると、本明細書で開示される主題は、固定部品と、固定部品において回転支持された回転部品と、回転部品と固定部品との間にあるシール装置とを備えるターボ機械を提供する。有利には、シール装置に冷却流体を供給し、シール装置から熱を除去するために構成および設計された冷却装置が、さらに提供される。

0008

シール装置から熱を除去することで、特に定常状態の運転条件で、シール隙間が制御され、したがって、ターボ機械の全体的な効率が向上され得る。

0009

シール装置は、固定シールリング、すなわち、例えば圧縮機段ダイヤフラムなどのターボ機械の固定部品に、回転しない仕方で取り付けられたシールリングを含み得る。

0010

一部の有利な実施形態によると、冷却装置は、シール装置に配置された、少なくとも1つの冷却流体供給ダクトを提供する冷却室を含む。この冷却流体供給ダクトは、冷却室内に冷却流体を供給するために、冷却室と流体接続している。一部の実施形態では、冷却装置が、冷却室から冷却流体を除去するために、冷却室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をさらに含む。冷却室は、シール装置のシールリングまたは環状シール部材と、シール装置が取り付けられた固定部品との間に配置され得る。

0011

一部の実施形態では、冷却室が、シールリングの内部、または、例えばシールリングが十分に大きな断面を有する場合は、シール装置の環状シール部材の内部に提供され得る。

0012

冷却室は、シール部材と有利に同一の広がりを有するか、実質的に同一の広がりを有しており、シール部材全体の動きに実質的に沿って、有利に流体接触している。好ましくは、実質的に同一の広がりを持つことは、冷却室の円周方向の広がりが、シール部材の円周方向の広がりの少なくとも70%であり、より好ましくは少なくとも80%であり、さらに好ましくは少なくとも90%であることを意味する。シール部材および冷却室の実質的に同一の広がりは、シール装置に対して特に効率的な温度制御を提供する。

0013

環状シール部材は、固定部品の台座に取り付けられ得る。その結果、環状シール部材および台座は、相互に半径方向に移動し得る。したがって、環状シール部材の半径方向への膨張は、冷却流体によって制御され得るのであり、膨張が低減され得るか、環状シール部材が配置されている固定部品の半径方向への膨張より小さいままで保たれ得る。

0014

排出された冷却流体は、冷却回路において再循環され得る。他の実施形態では、例えば空気が用いられる場合など、冷却流体の性質許容する場合は、排出された冷却流体が周囲に放出され得る。別の実施形態では、冷却流体がターボ機械によって処理されるのと同一の気体、またはそれと合致するものであり得る。この場合、排出される冷却流体は、ターボ機械を通過するプロセス気体流の主流に放出され、プロセス気体圧よりも高い冷却気体圧が提供され得る。

0015

別の態様によると、本明細書で開示される主題は、ターボ機械の回転部品と、回転部品と共に動作するシール装置との間にある、ターボ機械のシール隙間を制御するための方法に関する。この方法は、ターボ機械の運転中に、シール装置の熱膨張を低減するために、シール装置から熱を除去するステップを含む。

0016

特に有利な実施形態では、この方法は、
シール装置と、シール装置が取り付けられている固定部品との間に冷却室を配置するステップと、
前記冷却室内に冷却流体を供給し、それによってシール装置から熱を除去するステップとを含む。

0017

本明細書で開示される主題に係るシール装置は、熱の除去が有利になる手段でシール隙間を制御する、任意のターボ機械において実施され得る。ガスタービンなどの高温のターボ機械は、本明細書で説明される装置を利用し得る。軸流および遠心圧縮機などの圧縮機にも、本明細書で開示されるシール装置が提供され得る。これは特に、CAESシステム圧縮空気エネルギー貯蔵システム)またはACAES断熱圧縮空気エネルギー貯蔵システム)用圧縮機など、処理される流体体が比較的高温になるような圧縮機の場合に有用である。

0018

本明細書で以下に開示され、さらに特許請求の範囲で説明される特徴および実施形態は、本明細書の不可分の一部を形成する。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をより良く理解できるようにするため、かつ、当該技術に対する本発明の貢献をより良く理解できるようするために、本発明の様々な実施形態の特徴を説明するものである。当然、以下で記述され、特許請求の範囲で説明される、本発明の他の特徴が存在している。この点について、本発明のいくつかの実施形態を説明する前に、本発明の様々な実施形態は、適用の際に、以下の記述で説明される構成要素、または、図面で描かれる構成要素に関する、構成の詳細および配置に限定されるものではないことが理解される。本発明は、他の実施形態でも可能であり、様々な方法で実施され、実行され得る。また、本明細書で用いられる言い回しおよび用語は、説明を目的としており、制限するものと見なされるべきではない。

0019

したがって、本開示が依拠している概念は、本発明の複数の目的を実行する他の構造、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、容易に用いられ得ることが、当業者には明らかだろう。このため、特許請求は、本発明の趣旨および範囲を逸脱しない限りで、同等の構造を含むものと見なされることが重要である。

0020

本発明の開示される実施形態、およびこれに伴う多くの利点のより完全な理解が容易に得られ、添付図面と共に以下の詳細な説明を参照することでより良く理解される。

図面の簡単な説明

0021

多段遠心圧縮機の概略断面図である。
図1の圧縮機における最終段の拡大図である。
図1の圧縮機における1つの段の羽根車入口にあるシール装置の拡大図である。
図3のIV−IV線に係る概略断面図である。
別の実施形態による、羽根車入口のシール装置の断面図であって、シール装置内部に配置された冷却流体循環室を示す。
ターボ機械の固定部品に対してシールリングをねじり固定するキーを備えるシール装置の別の断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

0066

本明細書で説明される主題の開示された実施形態が図面に示され、いくつかの例示的な実施形態と関連して、具体性および詳細をもって完全に説明されたが、当業者には、本明細書で説明される新たな教示、原則、および概念、ならびに特許請求の範囲で列挙される主題の利点から著しく逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略が可能であることが明らかだろう。したがって、開示される発明の適切な範囲は、このような修正、変更、および省略を含むために、特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ定められなければならない。様々な実施形態の異なる特徴、構造、および手段は、様々に組み合わせられ得る。

0067

1多段遠心圧縮機、ターボ機械
3圧縮機ケーシング
5圧縮機入口
6圧縮機出口
7固定部品、圧縮機ダイヤフラム
9回転軸
11羽根車
11Bブレード
11D羽根車ディスク
11E羽根車入口
11I 羽根車吸気口
11O 羽根車排気口
11S 羽根車シュラウド
13バランスピストン、バランスロータ
17ボリュート
17A 固定部品
17E 環状拡張部
21シール装置
23環状シール部材
23Sシール表面
23Lシールリップ、シールガスケット
23P隔壁
25キー
26ノッチ
27台座
28A入口ポート
28B出口ポート
29冷却室または冷却流路
31冷却流体送出ダクト
33 冷却流体排出ダクト
35冷却流体回路
37ファン
43 環状シール部材
43G環状溝
45 冷却室または冷却流路
47シール
49 冷却流体送出ダクト

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