JP2011089455A - シール機構を備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール機構の信頼性の低下を抑制する。
【解決手段】蒸気が流通する回転機械である圧縮機１と、圧縮機１に接続されたシャフト７と、シャフト７を支持する軸受９と、圧縮機１と軸受９との連通部の圧縮機１側に蒸気を供給するシール空気供給孔４３と、連通部の軸受９側に空気を供給する吸気孔４６と、シール空気供給孔４３と吸気孔４６との間から、蒸気と空気の混合物を排出する排出配管４５とを備えたシール機構とを有するシール機構を備えた装置であるヒートポンプシステムにおいて、シール空気供給孔４３に供給する空気を加熱する加熱手段である熱交換器６２を備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、蒸気が流通する回転機械とシール機構とを備えた装置に関する。

回転機械においては、回転体と静止部材の間に必然的に生じる間隙からの作動流体等の洩れ（リーク）を抑制、或いは、封止するため、回転体と静止部材で協同するシール装置を装着して間隙量の最小化に努めている。シール装置としては、比較的簡易なラビリンスシール装置が多用される。例えば、軸受等における他媒体となる潤滑油を封止するには、ラビリンスシール装置にシール空気を供給するのが一般的である。しかし、水蒸気等の凝縮・液化する流体を作動流体とし、装着するラビリンスシール装置の近傍に軸受がある場合、主流へのシール空気の混入を抑制するのが望ましい。例えば、特許文献１には、ラビリンスシール装置を軸方向に、数個配列して、本体側には作動流体と同物性のシール流体を、軸受側にはシール空気をそれぞれ独立供給し、配列の中央部で互いの一部を合流させて排気するシール方式が採られている。

特願２００６−２３５８７５号公報

回転機械の一つであるヒートポンプに適用したターボ水蒸気圧縮機に用いた特許文献１の技術のように、水蒸気と空気をシール流体として供給することは、有効な手段である。しかしこのヒートポンプシステムでは、水蒸気圧縮機の前段側の作動圧力は負圧領域にあるため飽和温度が低く、シール空気との合流時に温度低下した水蒸気が凝縮・液化し、このラビリンスシール装置での凝縮水の停滞が、水蒸気圧縮機の信頼性の低下に繋がる恐れがある。

上記目的を達成するために、本発明のシール機構を備えた装置は、蒸気が流通する回転機械と、前記回転機械に接続されたシャフトと、前記シャフトを支持する軸受と、前記回転機械と前記軸受との連通部の前記回転体側に蒸気を供給する蒸気供給孔と、前記連通部の前記軸受側に空気を供給する空気供給孔と、前記蒸気供給孔と前記空気供給孔との間から、蒸気と空気の混合物を排出する排出配管とを備えたシール機構とを有するシール機構を備えた装置において、前記空気供給孔に供給する空気を加熱する加熱手段を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、蒸気が流通する回転機械とシール機構とを備えた装置において、信頼性の低下を抑制することができる。

ヒートポンプを利用した水蒸気圧縮機の構成を示した概念図である。 水蒸気圧縮機の構成を示した断面図である。 水蒸気圧縮機のシール装置内の流れを示したシール装置の断面図である。 本実施例の構成を示した概念図である。 本実施例の制御方法を示した制御フロー図である。

〔実施例〕
以下、本発明の第１の実施例を図１，図２，図３，図４及び、図５により説明する。各図において、同一番号は、同一の機器、或いは、部材を表す。

図１を用いて、ヒートポンプを利用した水蒸気圧縮機の全体構成を説明する。尚、簡単のため、水蒸気圧縮機は単段構成とする。圧縮機１は、主として回転体であるインペラ（本図には、示していない），シャフト７、このシャフト７を支承する軸受９と第２の軸受１０から構成され、カップリング８を介して電動機６に連結されている。この軸受９と第２の軸受１０には、潤滑油装置１６に接続された潤滑油供給配管１７によって潤滑油が供給され、その排油は、潤滑油排油配管１８を介して潤滑油装置１６に戻される。この潤滑油装置１６は、図示しない排煙ファンを付属している。純水タンク２から供給される純水は、純水供給配管１１ａによって膨張器３に導入後、減圧され、低圧純水供給配管１１ｂを経て蒸発器４に送られる。一方、排熱源５から排熱供給配管１２を経た排熱は、蒸発器４に供給され、減圧された純水と熱変換して温度が下がった後、排熱排出配管１３を経由して図示しない系外に排出される。排熱と熱交換して水蒸気に変化した純水は、蒸気供給配管１１ｃに沿って、圧縮機１に供給される。この低圧の水蒸気は、圧縮機１内を通過することによって、昇圧された蒸気として排気配管１４を経由して、図示しない次の課程に進むことになる。尚、蒸気供給配管１１ｃは、吸引配管４７に分岐しており、この配管端は、真空ポンプ６０に接続されている。

次に、図２の圧縮機１廻りの詳細断面図を用いて、圧縮機内部を説明する。圧縮機１内に導かれた低圧の水蒸気は、インペラ入口４０ａからインペラ２０，インペラ出口４０ｂ、及びディフューザ２１を経由して、圧縮機吐出４１から排気配管１４に接続されている。インペラ２０はシャフト７に連結され、静止部材である軸受ボックス２３とケーシング２２を装着している。ケーシング２２には、軸方向に第１のラビリンスシール３０，第２のラビリンスシール３１、及び第３のラビリンスシール３２を直列配置し、それぞれのラビリンスシールの間に形成される第１のキャビティ３３と第２のキャビティ３４を有している。第１のキャビティ３３は、ケーシング２２内に設けられたシール空気供給孔４３，シール蒸気供給配管４２を介して、圧縮機吐出４１近傍の排気配管１４に連通している。
また、回転部材と静止側のケーシング２２間には間隙が必要であり、第１のラビリンスシール３０を装着するケーシングとインペラ２０の間には、インペラ出口４０ｂと連通する蒸気戻り流路３７を形成している。一方、第２のキャビティ３４は、ケーシング２２内に設けられた排出孔４４，排出配管４５を備えており、排出配管４５は、図１で示した吸引配管４７に接続され、同真空ポンプ６０に連通する。また、第３のラビリンスシール３２と軸受９の間には、第４のラビリンスシール３５が設置されており、この第３のラビリンスシール３２と第４のラビリンスシール３５の間には、第３のキャビティ３６が形成され、ケーシング２２内に設けられた吸気孔４６を通じて、後述する空気圧縮機６１に連通している。

次に、ラビリンスシール部のシール空気とシール蒸気の流れについて、図３を用いて説明する。低圧の水蒸気５０は、インペラ２０とディフューザ２１を通過して、圧縮機吐出４１に向かって昇圧され矢印５１で示すように排気配管１４へと流れ込む。この排気配管１４からの流れの一部を、抽気蒸気５２として、図示しないシール蒸気供給配管からシール空気供給孔４３に供給する。この抽気蒸気は、第１のキャビティ３３で分岐され、第１のラビリンスシール３０を通過する分岐蒸気流５３と、第２のラビリンスシール３１を通過する分岐蒸気流５４となる。一方、図示しない空気圧縮機で生成された高圧の空気流５５を吸気孔４６に導入する。この高圧の空気流５５は、第３のキャビティ３６で分岐され、第４のラビリンスシール３５を通過する分岐空気流５７と、第３のラビリンスシール３２を通過する分岐空気流５６となる。この分岐空気流５６は、前述の分岐蒸気流５４と第２のキャビティ３４で合流して、排出孔４４，排出配管４５、並びに、吸引配管４７を介して、水蒸気と空気の混合流５８として、真空ポンプ６０へと導かれる。

次に、図４を用いて、本実施例の詳細構成を説明する。空気圧縮機６１に接続されたシール空気供給配管４８には、熱交換器６２が設けられており、このシール空気供給配管４８の内部を通過する加圧空気（シール空気）を加熱するため、排熱供給配管１２から分岐した排熱供給配管１９ａが接続されている。この排気は排熱排出配管１９ｂに流れる。一方、シール空気供給配管４８の内部を通過するシール空気の流れ方向に対して熱交換器６２の下流側位置のシール空気供給配管４８に、電気ヒータ６３が設置される。

第２のキャビティ３４内部の圧力は、導圧管４９で引き出され、圧力伝送器６４に導かれている。この圧力伝送器６４でアナログ電気信号に変換された圧力値は、ＡＤ変換器６８でデジタル変換された後、デジタル量として、演算器６６に送信される。一方、シール空気供給配管４８のシール空気の流れ方向に対して電気ヒータ６３より下流側には、温度検出器となる熱電対６５が、シール空気供給配管４８のシール空気の温度を検出するように装着され、その出力はＡＤ変換器６８に入力され、デジタル変換された後、デジタル量として、演算器６６に送信されることになる。詳細は後述するが、演算器６６では、圧力伝送器６４からの圧力のデジタル量を基に飽和温度を算出するとともに、この飽和温度と熱電対６５からの温度のデジタル量を引き算したデジタル値を、制御器６７に送信する。
制御器６７では、送信されたデジタル値を基に判定を下し、電気ヒータ６３の電源のＯＮ／ＯＦＦ信号を発生して、加熱制御をする。

このように構成された本実施例において、真空ポンプ６０を稼動して、吸引配管４７を介して圧縮機１，蒸発器４等の内部を０.０２ＭＰａ程度まで空気吸引すると同時に、排出配管４５を介して第２のキャビティ３４内部を吸引しておく。一方、シール空気供給配管４８を介して、空気圧縮機６１により送られる３０℃程度のシール空気は、熱交換器６２で排熱源５からの約８０℃の排熱からの熱供給を受けて、６０℃程度まで温度上昇した後、第３のキャビティ３６に導かれる。このシール空気は、一部が分岐空気流５６として第２のキャビティ３４に向かい、前述の吸引により真空ポンプ６０に引かれる。残りの一部は、第４のラビリンスシール３５のシール空気として分岐空気流５６となり軸受９に流れ込む。

潤滑油装置１６を起動して軸受９と第２の軸受１０に、潤滑油を約４０℃の給油温度で給油した後、電動機６によってシャフト７、及びインペラ２０を５０,０００rpm程度まで回転させる。潤滑油装置１６は、図示しない排煙ファンによって−３００mmＡｑ程度で吸
引されており、軸受部内圧も、ほぼ同程度である。尚、排油温度は５０℃程度まで上昇して、潤滑油装置１６に戻ることになる。

供給圧０.１５ＭＰａの空気流５５は、図３で示した吸気孔４６を通過して、０.１３ＭＰａの第３のキャビティ３６で分岐され、第４のラビリンスシール３５を介して分岐空気流５７となって、潤滑油装置１６からの潤滑油の洩れを封止する。

図１で示した純水タンク２から送水された純水は、膨張器３に送水され０.０２ＭＰａ程度まで減圧し、蒸発器４に導かれる。この低圧の純水は、蒸発器４で排熱源５からの約８０℃の排熱と熱交換し、圧力０.０２ＭＰａでの飽和温度である約６０℃の水蒸気として、図２で示した圧縮機１のインペラ入口４０ａに送り込まれる。この水蒸気は、回転するインペラ２０と、静止したディフューザ２１内を通過する中で、０.０４ＭＰａ程度まで昇圧される。この昇圧された約１４０℃の水蒸気は、排気配管１４を通過して次の課程に進むことになるが、その蒸気の一部が、シール蒸気としてシール蒸気供給配管４２を介して、内部の圧力０.０３５ＭＰａ程度の第１のキャビティ３３に供給される。

シール蒸気は、その一部が第１のラビリンスシール３０で分岐され図３で示した分岐蒸気流５３として、蒸気戻り流路３７から主流に洩れこむが、インペラ出口４０ｂの吐出圧力は、０.０３ＭＰａ程度であり、その圧力差から分岐蒸気流５３は微量である。一方、第２のラビリンスシール３１を通過する分岐蒸気流５４は、分岐空気流５６と合流して、約０.０２９ＭＰａとなる第２のキャビティ３４から、真空ポンプ６０に吸引されることになる。この分岐蒸気流５４も微量である。第２のキャビティ３４内圧が０.０２９ＭＰａ程度だからである。即ち、主流からシール蒸気として抽気する量は僅かであると共に、蒸気戻り流路３７からインペラ出口４０ｂに排出する蒸気による主流流れへの影響も小さいと言える。また、このシール蒸気によって、インペラ出口４０ｂから軸受９に向かう主流水蒸気リークを封止している。

図４に示すように、第２のキャビティ３４の圧力０.０２９ＭＰａ程度と、シール空気供給配管４８内部の温度６０℃程度は、圧力伝送器６４と熱電対６５で、常時、計測されている。

ここで、図５を用いて信号検出，演算、及び判定基準を示すフローチャートについて説明する。検出部では、第２のキャビティ３４の内部圧力Ｐ（０.０２９ＭＰａ程度）は、圧力伝送器６４からのアナログ信号をＡＤ変換器６８でデジタル変換される（Ｐｄとする）。シール空気供給配管４８内部の温度Ｔ（６０℃程度）も、ＡＤ変換器６８でデジタル変換される（Ｔｄとする）。これらのデジタル信号は、次の課程である演算器６６で、先ず、圧力信号Ｐｄをもとに、第２のキャビティ３４部の飽和温度Ｔｓを算出する。本実施例では、圧力Ｐｄは、０.０２９ＭＰａ程度であるから、飽和温度Ｔｓは６８℃である。
次に、Ｔｊ＝（Ｔｄ−Ｔｓ）なる計算を実施して、得られるＴｊを制御器６７に送る。ところで、第２のキャビティ３４では、約１４０℃の分岐蒸気流５４と６０℃の分岐空気流５６が合流するが、分岐蒸気流５４の流量は、分岐空気流５６に対して微量であるため、合流後の温度は分岐空気流５６の温度が支配的となる。すなわち、分岐蒸気流５４の温度が低下による影響を考慮することが望ましい。つまり、分岐蒸気流の温度が飽和温度を下回り、凝縮してしまう事態を想定すべきである。

なお本実施例のヒートポンプシステムは、比較的低温な外部熱源を蒸発器４の熱源として有効利用するため、作動媒体である蒸気を負圧としている。圧縮機１で圧縮後の蒸気も負圧であるため、ここに連通する第２のキャビティ３４における圧力は低く、飽和温度も低くなる。その結果、蒸気凝縮の可能性が高くなっている。

制御器６７では、与えられたＴｊが０よりも大きいか小さいかの判定を行い、大きい場合は電気ヒータ６３の電源をＯＮにする指令信号を発生し、小さい場合は電気ヒータ６３の電源をＯＦＦにする指令信号を発生して、電気ヒータ６３の加熱制御を加える。本実施例の場合、Ｔｊ＝８℃で、大きい場合になるので、熱交換器６２からの約６０℃のシール空気温度は、計算した飽和温度Ｔｓ＝６８℃よりも大きくなるまで電気ヒータ６３で再加熱されることになる。この指令信号を発した制御器６７は、次の状態となる新しい温度、圧力信号の検出，演算、そして再判定を繰り返すことになる。

例えば、この加熱制御をしないとすれば、圧縮機１の運用が１日単位での起動・停止としても、少なくとも８時間程度は、稼動することになる。第２のキャビティ３４への分岐蒸気流５４の洩れこみは微量と説明したが、稼働時間から言えば、数ＣＣ程度の凝縮水が生成されることになる。この凝縮水が、１００％、真空ポンプ６０に吸引されることは無い。吸引されなかった凝縮水は第２のキャビティ３４へ停滞し、回転体であるシャフト７に連れ回り、アンバランスの要因となる。また、装置の停止時等に第３のラビリンスシール３２と第４のラビリンスシール３５を逆流して、軸受９に流入する恐れが生じ、潤滑油の炭化物生成を促し、軸受面を傷つける要因にもなる。

以上に説明した本実施例の水蒸気圧縮機のシール装置は、シャフト７の軸方向にラビリンスシールを直列配置し、インペラ側に位置する第１のラビリンスシール３０と、連接する第２のラビリンスシール３１の間に形成した第１のキャビティ３３を、圧縮機１の吐出部と連通させ、第２のラビリンスシールと３１、軸受側に隣接する第３のラビリンスシール３２の間に形成した第２のキャビティ３４を、真空ポンプ６０と連通させ、更に、第３のラビリンスシール３２と、軸受の油切りとして設けた第４のラビリンスシール３５の間に形成した第３のキャビティ３６に、空気圧縮機６１と連通することにより、主流水蒸気のリークを最小にして流量低下を抑制するシール装置であり、空気圧縮機６１から第３のキャビティ３６に供給するシール空気系統に第１の加熱器として熱源を排熱とする熱交換器６２、シール空気の流れ方向に対する熱交換器の下流側に、第２の加熱器となる電気ヒータ６３を設け、この電気ヒータ６３の下流側にシール空気温度を測定する熱電対６５、また、第２のキャビティ３４の内部圧力を測定するための圧力伝送器６４を備えるとともに、測定値を処理するためのＡＤ変換器６８，演算器６６と、電気ヒータ６３の加熱を制御する制御器６７を有することにより、第２のキャビティ３４で生じるおそれのある水蒸気の凝縮を防止することができる。そうすると、凝縮水の連れ回りによる回転体のアンバランス振動を抑制でき、軸受側への混入による潤滑油の炭化物生成を未然に防ぐことができるとともに、シール蒸気温度が約１４０℃、シール空気温度が６８℃以上、軸受部の温度が約５０℃であるから、少なくともシール空気温度を加熱しないものに比較して温度差の小さな、換言すれば、熱応力の小さい信頼性の高いターボ圧縮機を提供できる。

すなわち、本実施例のヒートポンプシステムは、蒸気が流通する回転機械である圧縮機１と、圧縮機１に接続されたシャフト７と、シャフト７を支持する軸受９と、圧縮機１と軸受９との連通部の圧縮機１側に蒸気を供給するシール空気供給孔４３と、連通部の軸受９側に空気を供給する吸気孔４６と、シール空気供給孔４３と吸気孔４６との間から、蒸気と空気の混合物を排出する排出配管４５とを備えたシール機構とを有するシール機構を備えた装置であるヒートポンプシステムにおいて、シール空気供給孔４３に供給する空気を加熱する加熱手段である熱交換器６２を備えているため、信頼性の低下を抑制することができる。

また、熱交換器６２へは、蒸発器４へ熱源を供給する排熱供給配管から分岐した排熱供給配管１９ａを介して熱源を供給しているため、新たな熱源を準備することなく、簡易で安価なシステムとすることができる。さらに、連通部の排出配管４５との接続部である第２のキャビティ３４の圧力を測定する圧力測定器である圧力伝送器６４と、シール空気供給孔４３から供給される空気の温度を測定する温度測定器である熱電対６５と、圧力伝送器６４と熱電対６５からの情報をもとにシール空気供給孔４３に供給される空気の温度を制御する制御機構である制御器６７を有することで、第２のキャビティ３４での凝縮を抑制すべく、運転状況に応じて適切な温度制御が可能となる。熱交換器６２で加熱された空気を、さらに電気ヒータ６３で加熱するようにしても良い。そうすると、外部熱源の熱量が不足しても適切な加熱が可能となる。制御器６７で制御する対象は、熱交換器６２に供給される排熱の量でも、電気ヒータ６３でもどちらでも構わない。

本実施例では、ヒートポンプを適用した水蒸気圧縮機を例に説明したが、蒸気タービン等の後段側シール装置として適用しても、同様の効果が得られ、信頼性の高いシール装置が期待できる。

尚、簡単のため単段での構成として説明したが、例えば、複数段のターボ圧縮機に適用しても、同様の効果が得られることは自明である。また、電気ヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御として説明したが、第２のキャビティでの飽和温度以上にシール空気温度を保持することが目的であり、その制御方法に拘束されることがないのは当然である。同様に、シール蒸気として水蒸気圧縮機の吐出蒸気を使用したが、別置の蒸気源から供給しても構わない。

１ 圧縮機
２ 純水タンク
３ 膨張器
４ 蒸発器
５ 排熱源
６ 電動機
７ シャフト
８ カップリング
９ 軸受
１０ 第２の軸受
１１ａ 純水供給配管
１１ｂ 低圧純水供給配管
１１ｃ 蒸気供給配管
１２，１９ａ 排熱供給配管
１３，１９ｂ 排熱排出配管
１４ 排気配管
１５ 回転軸
１６ 潤滑油装置
１７ 潤滑油供給配管
１８ 潤滑油排油配管
２０ インペラ
２１ ディフューザ
２２ ケーシング
２３ 軸受ボックス
３０ 第１のラビリンスシール
３１ 第２のラビリンスシール
３２ 第３のラビリンスシール
３３ 第１のキャビティ
３４ 第２のキャビティ
３５ 第４のラビリンスシール
３６ 第３のキャビティ
３７ 蒸気戻り流路
４０ａ インペラ入口
４０ｂ インペラ出口
４１ 圧縮機吐出
４２ シール蒸気供給配管
４３ シール空気供給孔
４４ 排出孔
４５ 排出配管
４６ 吸気孔
４７ 吸引配管
４８ シール空気供給配管
４９ 導圧管
６０ 真空ポンプ
６１ 空気圧縮機
６２ 熱交換器
６３ 電気ヒータ
６４ 圧力伝送器
６５ 熱電対
６６ 演算器
６７ 制御器
６８ ＡＤ変換器

Claims (8)

1. 蒸気が流通する回転機械と、
   前記回転機械に接続されたシャフトと、
   前記シャフトを支持する軸受と、
   前記回転機械と前記軸受との連通部の前記回転体側に蒸気を供給する蒸気供給孔と、前記連通部の前記軸受側に空気を供給する空気供給孔と、前記蒸気供給孔と前記空気供給孔との間から、蒸気と空気の混合物を排出する排出配管とを備えたシール機構と
   を有するシール機構を備えた装置において、
   前記空気供給孔に供給する空気を加熱する加熱手段を備えていることを特徴とするシール機構を備えた装置。
2. 蒸気を生成する蒸発器と、
   蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、
   前記蒸気圧縮機を支持するシャフトと、
   前記シャフトを支持する軸受と、
   前記蒸気圧縮機と前記軸受との連通部の前記回転体側に前記蒸気圧縮機で圧縮された蒸気を供給する蒸気供給孔と、前記連通部の前記軸受側に空気を供給する空気供給孔と、前記蒸気供給孔と前記蒸気供給孔との間から、蒸気と空気の混合物を排出する排出配管とを備えたシール機構と
   を有するヒートポンプシステムにおいて、
   前記空気供給孔に供給する空気を加熱する加熱手段を備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
3. 請求項２に記載のヒートポンプシステムにおいて、
   前記蒸発器は排熱源からの排熱を熱源として蒸気を生成する蒸発器であって、
   前記加熱手段は、前記排熱源からの排熱を利用して空気を加熱することを特徴とするヒートポンプシステム。
4. 請求項３に記載のヒートポンプシステムにおいて、
   前記蒸気圧縮機で圧縮された蒸気が、定常運転時に負圧であることを特徴とするヒートポンプシステム。
5. 請求項２−４に記載のヒートポンプシステムにおいて、
   前記連通部の前記排出配管との接続部の圧力を測定する圧力測定器と、前記空気供給孔から供給される空気の温度を測定する温度測定器と、前記圧力測定器と前記温度測定器からの情報をもとに前記空気供給孔に供給される空気の温度を制御する制御機構を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
6. 請求項５に記載のヒートポンプシステムにおいて、
   前記制御機構は、前記加熱手段に供給される排熱の量を調節する手段であることを特徴とするヒートポンプシステム。
7. 請求項３−５に記載のヒートポンプシステムにおいて、
   前記加熱手段で加熱された空気を加熱する電気ヒータを備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
8. 蒸気が流通する回転機械と、
   前記回転機械に接続されたシャフトと、
   前記シャフトを支持する軸受と、
   前記回転機械と前記軸受との連通部の前記回転体側に蒸気を供給する蒸気供給孔と、前記連通部の前記軸受側に空気を供給する空気供給孔と、前記蒸気供給孔と前記空気供給孔との間から、蒸気と空気の混合物を排出する排出配管とを備えたシール機構と
   を有するシール機構を備えた装置のシール方法であって、
   前記空気供給孔に供給する空気を加熱してから前記連通部に供給することを特徴とするシール機構を備えた装置のシール方法。

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