JP2018525561A - ドライガスシール冷却装置および方法 - Google Patents

Abstract

回転軸を有する回転ターボ機械シャフトのためのシャフトシール装置は、ロータ部分（４１）および固定部分（４３）を含む。冷却流体を受け取り、ドライガスシールと熱交換関係にあるように配置された冷却流体体積（６７）と組み合わされたドライガスシール（４５）がさらに提供される。排気装置は、シャフトシール装置から排気冷却流体およびドライシールガスを一括して排気する。【選択図】図２

Description

本開示は、一般にシャフトシール装置に関する。本明細書に開示する実施形態は、具体的には、少なくともドライガスシールを含むターボ機械シャフトを回転させるためのシャフトシール装置に関する。本開示はさらに、回転シャフトを有するターボ機械と、ドライガスシールを含むシャフトシール装置と、シャフトシール冷却のための方法とを含むシステムに関する。

回転するターボ機械シャフトは、通常、固定ケーシング内の軸受によって支持される。シールは、シャフトの高圧側から低圧側への作動流体のリークを防止するために設けられている。最近、回転シャフトに沿った流体リークに対するシールを強化するドライガスシールが開発されている。

ドライガスシールは、例えば遠心圧縮機などのターボ機械のシャフトシールとしてますます使用されているが、これは他のシール装置よりもいくつかの利点をもたらすからである。本明細書で理解されるドライガスシールは、円周方向、すなわちシャフトの回転軸の周りでシャフトの周りに延在する少なくとも２つのシール要素（本明細書ではシールリングと呼ばれる）を有するシャフトシールである。一方のシールリングはシャフトと共に回転するように取り付けられ、他方のシールリングはケーシング内に固定して取り付けられる。各シールリングは、対向して配置されたシールリングの方を向いているそれぞれのシール面を含む。固定シールリングおよび回転シールリングは、互いに弾性的に付勢され、そのシール面で協働する。加圧ドライガスがシール面の間に供給され、固定シールリングと回転シールリングの対向するシール面の間に非接触シール効果が得られる。

ドライガスシールは、通常、遠心圧縮機に用いられる。いくつかの用途では、シールガスの高分子量成分が凝縮するのを防ぐために加熱装置が必要であるが、それは、ドライガスシールが適正に働くためには液体を含んではいけないからである。他の実施形態では、ドライガスシールに過剰な熱が蓄積するのを防止するために、熱除去装置が開発されている。冷却されたドライガスシールは、例えば米国特許第８，８１４，５０８号に開示されている。固定シールリングおよび回転シールリングの周囲に展開する熱交換器が設けられている。液体は、熱交換器内を循環して、ドライガスシールから熱を除去する。この公知のドライシール装置は十分に機能するが、ある程度複雑で厄介である。

したがって、特に、ドライガスシールからの熱除去が重要になる用途では、安全でコスト効率が良くかつ効率的なシール装置を提供するために、ドライガスシールを含むシャフトシール装置を改善する必要が依然として存在する。

米国特許第８８１４５０８号明細書

一態様によれば、回転軸を有する回転するターボ機械シャフトのためのシャフトシール装置が開示される。シャフトシール装置は、動作中に回転するロータ部分と、固定部分とを含むことができる。本明細書に開示した実施形態によれば、シャフトシール装置は、ドライガスシールを含む。ドライガスシールは、回転シール面を有し、ロータ部分と回転するように配置された少なくとも１つの回転要素、例えば回転リングと、例えば、回転リングの形状であって、固定部分と固定された関係にあり、固定シール面を有する少なくとも１つの固定要素とを含むことができる。回転シール面と固定シール面は、互いに弾性的に付勢されている。固定シール面と回転シール面との間にドライシールガスを供給するように構成されたドライガス供給経路がさらに設けられている。さらに、シャフトシール装置は、冷却流体を受け取るように配置され、ドライガスシールと熱交換関係にある少なくとも１つの冷却流体体積と、シャフトシール装置から排気冷却流体およびドライシールガスを一括して排気するように構成された排気装置とをさらに含むことができる。

さらなる態様によれば、ケーシングと、ケーシング内で回転するように配置されたシャフトと、からなるターボ機械を含むターボ機械装置が開示されており、回転部材がシャフトと共に回転するように取り付けられている。作動流体はターボ機械を通って処理され、シャフトに沿った作動流体のリークを防止するために、上述したシャフトシール装置を使用することができる。シャフトシール装置に流体結合された冷却流体源は、冷却流体をシャフトシール装置に供給する。

本明細書で開示される実施形態では、冷却流体は、ターボ機械によって処理された作動流体、または作動流体と互換性のある流体である。ターボ機械によって処理された作動流体と互換性のある流体は、一般的に、短期間にターボ機械の安全性または動作に悪影響を及ぼさない流体、または作動流体を汚染しないで容易にそこから分離することができる流体である。

さらに別の態様によれば、高圧側と低圧側とを有し、作動流体を流すように構成された作動流体回路を含む動力変換システムが開示される。本システムは、作動流体回路の低圧側の作動流体から熱を除去するように配置され構成された冷却器と、作動流体回路の低圧側と高圧側との間で作動流体回路に流体結合され、作動流体回路内の作動流体の圧力を上昇させるように構成されたポンプまたは圧縮機とをさらに含むことができる。本システムは、作動流体を高温流体と熱交換関係で循環させて、作動流体を気化させるように構成された熱交換器と、作動流体回路に流体結合され、作動流体回路の高圧側と低圧側との間に配置されたターボエキスパンダであって、ターボエキスパンダを通って流れる作動流体を膨張させて機械的動力を発生させるように構成されたターボエキスパンダとをさらに含むことができる。ターボエキスパンダは、ケーシングと、ケーシング内で回転するように配置されたシャフトと、シャフトと共に回転するようにシャフトに取り付けられたインペラと、ターボエキスパンダのシャフトとシールして共働するための、上述したシャフトシール装置とを含む。

作動流体回路に流体結合されたターボ機械の回転シャフトのためのシャフトシール装置を冷却する方法もまた本明細書に開示され、シャフトシール装置はドライガスシールを含み、本方法は、
ターボ機械を通る作動流体を処理するステップと、
ドライガスシールにドライシールガスを供給するステップと、
シャフトシール装置に冷却流体を供給するステップと、
シャフトシール装置から排気冷却流体およびドライシールガスを一括して排気するステップとを含む。排出された冷却流体およびシールガスは、作動流体回路に戻すことができる。

ターボ機械は、それを通る作動流体が高圧から低圧に膨張するターボエキスパンダであってもよい。本方法は、
ターボエキスパンダからの膨張した作動流体を冷却するステップと、
冷却された作動流体の圧力を低圧から高圧に上昇させるステップと、
圧縮された流体を加熱して気化させるステップと、
気化された作動流体をターボエキスパンダに供給するステップと、
作動流体の側方流をシャフトシール装置に向けて迂回させるステップと、
排気冷却流体およびドライシールガスをシャフトシール装置から回路に戻すステップと
をさらに含むことができる。

蒸発した作動流体は、任意選択的に過熱流体とすることができる。

本発明の開示された実施形態、および本発明の多くの付随する利点のより全面的な理解は、添付の図面と結び付けて検討される際、以下の詳細な説明を参照することにより、これらがよりよく理解される場合に容易に得られる。

本開示によるシャフトシール装置を具体化することができるターボエキスパンダを含む動力システムの概略図である。 例示的な実施形態による、ドライガスシールを含むシャフトシール装置を示す図である。 さらなる例示的な実施形態による、ドライガスシールを含むシャフトシール装置を示す図である。

本明細書に開示されているシャフトシール装置は、ドライガスシールを回転シャフト上の有効なシール手段として使用することができ、かつ、ドライガスシールからの熱除去がシャフトシール装置の効率的な動作にとって重要な要素となる場合にはいつでも、広範囲の用途で用いることができる。

本明細書に開示されているシャフトシール装置の特に有利な実施形態は、高温ガスが処理されるターボ機械、例えば遠心圧縮機およびターボエキスパンダと組み合わされている。

以下では、本開示によるシャフトシール装置からなるターボエキスパンダを含む動力システムを参照する。しかしながら、本明細書で開示される実施形態は、本開示の範囲および添付の特許請求の範囲に記載される発明の範囲を限定するものと見なすべきではない。シャフトシール装置の他の有利な用途は、他のターボエキスパンダ、または例えば軸方向および遠心圧縮機などの異なる回転ターボ機械であってもよい。

図１には、全体として符号１で示す動力システムが示されており、それは、例えば、有用な機械的動力を生成するための有機ランキン熱力学的サイクルを使用することができる。他の熱力学的サイクルを、有機ランキンサイクルの代替として使用することができる。

動力システム１は、作動流体回路３を含み、そこでは作動流体が循環し、周期的な熱力学的変換を受けて熱動力（熱）を機械的動力に変換する。いくつかの実施形態では、作動流体は、ペンタン、シクロペンタン、トルエンなどの有機流体であってもよい。作動流体はまた、二酸化炭素（ＣＯ₂）、Ｇｅｎｅｔｒｏｎ ２４５ＦＡ（Ｒ２４５ＦＡ）などであってもよい。作動流体回路３では、作動流体は、高温熱源から熱を吸収し、低温ヒートシンクで熱を放出する公知の熱力学的サイクルを行うことができる。

図１の例示的な実施形態では、作動流体回路３は、ターボエキスパンダ５、凝縮器または冷却器７、ポンプ９および熱交換器１１を含む。熱交換器１１は、ヒーター１１Ａ、蒸発器１１Ｂおよび過熱器１１Ｃを含むことができる。作動流体回路３内を循環する作動流体、例えばシクロペンタンは、ヒーター１１Ａで加熱され、蒸発器１１Ｂで気化され、最後に過熱器１１Ｃで過熱される。

他の実施形態では、熱交換器は単一の装置を含むことができ、そこでは、例えば作動流体回路３の少なくとも一部において作動流体が超臨界状態にある場合には、状態の変化は単一のステップで実行される。

いくつかの実施形態では、例えば、超臨界サイクルにおいてＣＯ₂が作動流体として使用される場合には、ポンプ９は圧縮機に置き換えることができる。一般に、機械９は、作動流体圧力を低圧から高圧に上昇させるように設計され構成されたターボ機械である。

作動流体回路３は、高圧側と低圧側とに分かれている。高圧側は、ポンプ９の吐出側からターボエキスパンダ５の入口まで延在する。低圧側は、ターボエキスパンダ５の吐出側からポンプ９の吸込側まで延在する。

図１の例示的な実施形態では、熱交換器１１は、中間熱伝達ループ１３内を循環している熱伝達流体、例えばオイルなどと熱交換関係にある。ポンプ１５は、熱伝達流体を中間熱伝達ループ１３内で循環させることができる。熱は、適切な熱源から熱伝達流体によって受け取られる。図１の例示的な実施形態では、熱源は、発電機２１を駆動するために使用することができる、ガスタービンエンジン１９を含む、上部高温熱力学的サイクル１７を含む。ガスタービンエンジン１９からの排気ガスは、廃熱回収熱交換器２３の高温の熱Ｑ１を、熱伝達ループ１３内を循環する熱伝達流体と交換する。次に熱Ｑ１は熱交換器１１を通って作動流体回路３内を循環する作動流体に伝達される。

熱交換器１１からの高圧の加熱された作動流体は、ターボエキスパンダ５内で膨張し、機械的動力を発生させ、機械的動力は、例えば直接またはギアボックス２９を介して、発電機２５、または他の適切な機械的負荷に駆動的に連結された出力シャフトで利用可能になる。

ターボエキスパンダ５から排出された低圧の作動流体は冷却され、凝縮器７で凝縮され、そこで低温の熱Ｑ２はヒートシンク、例えば水や空気の流れに排出される。

凝縮された作動流体は、次にポンプ９によって、凝縮器７の低圧から熱交換器１１の高圧まで圧送される。

作動流体回路３は、復熱装置２７をさらに含むことができ、ターボエキスパンダ５から排出された排気作動流体は、ポンプ９によって供給された冷たい、液化され、加圧された作動流体と熱を交換する。

ターボエキスパンダ５は、少なくとも１つのインペラがシャフトと共に回転するように取り付けられた回転シャフトを含むことができる。シャフトおよびインペラはケーシング内で回転するように配置されている。ターボエキスパンダ５のケーシングから環境への作動流体のリークを防止するために、少なくともシャフトシール装置がケーシング内に配置されている。ターボエキスパンダ５で使用するための例示的なシャフトシール装置が図２に示されており、以下でさらに詳細に説明する。

シャフトシール装置は、ドライガスシールおよび追加のシャフトシール部品を含むことができ、ドライガスシールからの熱を除去し、シャフトシール装置の熱に敏感な部品を過熱による劣化から保護するための冷却装置が設けられてもよい。

いくつかの実施形態では、図２を参照して説明するように、冷却装置は液体冷却流体、より具体的には液化作動流体を使用してシャフトシール装置から熱を除去する。液体冷却流体は、蒸発潜熱がシャフトシール装置から効果的に除去されるように、少なくとも部分的に蒸発する。残留冷却液は、排出装置を通って排出され、蒸発した冷却流体は、ドライガスシールからのドライシールガスと共に累積して排気される。排気冷却流体は、ドライガスシールからのドライシールガスと共に作動流体回路３に戻され、非凝縮ガスセパレータ内の作動流体から分離することができる。

ここで図２を参照すると、ターボエキスパンダ５のインペラ３１の断面図が、回転シャフト３３の一部と共に示されており、インペラ３１は、回転軸Ａ−Ａの周りにそれと共に回転するように取り付けられている。インペラ３１および回転シャフト３３は、ターボエキスパンダのケーシング３５に取り付けられている。

図２の例示的な実施形態では、インペラ３１は、回転シャフト３３を支持するために単一の軸受（図示せず）を使用できるように、オーバーハング式に回転シャフト３３に取り付けられている。他の実施形態では、軸受間インペラ装置を使用することができ、２つの軸受によって２つの対向する端部に支持されたシャフトに１つまたは複数のインペラが取り付けられる。インペラと回転シャフト３３を支持する各軸受との間にシャフトシール装置を設けることができる。

図２の実施形態では、インペラ３１とインペラ３１に対向して配置されたシャフトを支持する軸受（図示せず）との間に、シャフトシール装置３７が回転シャフト３３の周りに配置されている。

シャフトシール装置３７は、インペラ３１に面した第１の軸方向端部に高圧高温側３７Ｈを有し、シャフトを支持する軸受（図示せず）に面した第２の軸方向端部に低圧低温側３７Ｌを有する。

シャフトシール装置３７は、ターボエキスパンダ５の動作中に回転シャフト３３およびインペラ３１と共に回転するロータ部分４１を含むことができる。シャフトシール装置３７は、ターボエキスパンダ５のケーシング３５に固定的に取り付けられた固定部分４３をさらに含む。

シャフトシール装置３７は、全体として符号４５で示すドライガスシールをさらに含む。図２の例示的な実施形態では、ドライガスシール４５は、二重の対面するドライガスシールである。他の実施形態では、単一のドライガスシール、タンデムドライガスシール、またはそれらの組み合わせを代わりに使用することができる。

ドライガスシール４５は、回転部分４１上の主スリーブ４６を含む。２つの対向する回転要素４７は、主スリーブ４６に対面関係で取り付けられ、それと共に回転する。回転要素４７は、リングの形態であってもよく、以下では、それらを回転リングと呼ぶ。

各回転リング４７は、主スリーブ４６から離れるように向いているそれぞれのシール面４７Ｓを有する。２つの対向する固定要素４８は、シャフトシール装置３７の固定部分４３上に、すなわち固定部分４３と固定関係で、かつそれぞれの回転リング４７と対面関係で配置されている。固定要素４８は、リングの形状であってもよく、以下では、それらを固定リング４８と呼ぶ。各固定リング４８は、対応する回転リング４７のシール面４７Ｓに対向するシール面４８Ｓを有する。

各固定リング４８は、それぞれの回転リング４７に対してばね４９によって弾性的に付勢され、シール面４７Ｓ、４８Ｓが互いに押し付けられる。固定的に取り付けられたリテーナ５１と、ばね４９とそれぞれの固定リング４８との間に配置された中間圧力リング５３との間にばねを配置することができ、ばね４９と固定リング４８との間の直接接触を回避することができる。

回転リング４７および主スリーブ４６は、環状ドライガスコレクタチャンバ５５によって取り囲むことができ、環状ドライガスコレクタチャンバ５５は、シャフトシール装置の固定部分４３に形成されたドライガス通路５９を通してドライガス供給ポート５７に流体結合されている。ドライガス供給ポート５７は、ドライシールガス源、例えば窒素または他の適切な不活性で加圧されたドライシールガスの供給源に流体結合することができる。加圧されたドライシールガスは、対向するシール面４７Ｓ、４８Ｓの間に供給され、シャフト３３およびインペラ３１が軸線Ａ−Ａを中心として回転する間に、対向するシール面４７Ｓ、４８Ｓの間にドライシールガスの膜が形成される。

過熱による損傷からドライガスシール４５を保護するために、シャフトシール装置３７は、以下に説明する冷却装置を含む。特に、主スリーブ４６と回転リング４７との間に位置するガスケット６３に過度の温度の損傷が生じることがある。

いくつかの実施形態によれば、ドライガスシールから熱を除去し、温度損傷の発生を防止するために、１つまたは複数の冷却液ポート６１をケーシング３５に設けることができる。冷却液ポート６１は、シャフトシール装置３７の固定部分４３の外面に形成された環状溝６５に冷却液を供給するように配置することができる。溝６５は、ドライガスシール４５と熱交換関係にある冷却流体体積と流体連通することができる。図２の例示的な実施形態では、冷却流体体積は、環状冷却液チャンバ６７を含み、環状冷却液チャンバ６７は、シャフト３３の回転軸Ａ−Ａの周りに延在することができ、シャフトシール装置３７の固定部分４３とロータ部分４１との間に位置している。環状冷却液チャンバ６７は、この後者とシャフトシール装置の高圧高温軸方向端部３７Ｈとの間に配置されたドライガスシール４５の近くに配置することができ、ドライガスシール４５と熱交換関係にある。

図２の例示的な実施形態では、環状冷却液チャンバ６７は、リテーナ５１と、回転軸Ａ−Ａに向かって半径方向内向きに突出する固定部分４３のフランジ６８との間に配置される。

シャフトシール装置３７のロータ部分４１とフランジ６８との間に、第１の追加シャフトシール６９を設けることができる。第１の追加シャフトシール６９は、ラビリンスシールであってもよい。

シャフトシール装置３７のロータ部分４１とカバー７３との間に、第２の追加シャフトシール７１をさらに設けることができる。このように、ドライガスシール４５、第１の追加シャフトシール６９および第２の追加シャフトシール７１は、回転軸Ａ−Ａに沿って軸方向に順次配置されている。

冷却液チャンバ６７に供給される冷却液の少なくとも部分的な蒸発は、シャフトシール装置３７からの熱吸収により生じる。気化した冷却液をシャフトシール装置３７から除去するための蒸気排気装置が設けられている。いくつかの実施形態によれば、蒸気排気装置は、第１の追加シャフトシール６９と第２の追加シャフトシール７１との間に配置された環状蒸気排気チャンバ７５を含む。環状蒸気排気チャンバ７５と流体連通する少なくとも１つの排気ポート７７が、環状蒸気排気チャンバ７５の上部に設けられ、気化した冷却液がそれを通って除去される。

ケーシング３５に形成され、かつ溝６５を取り囲む溝６５Ａの下部に冷却液排出ポート７９が設けられている。溝６５Ａおよび排出ポート７９は、冷却液排出装置を形成し、そこから非蒸発冷却液を排出してシャフトシール装置３７から除去することができる。

溝８３と流体連通し、ドライガスシール４５を取り囲む外部冷却液チャンバを形成する、１つまたは複数の追加冷却液ポート８１をケーシング３５に設けることができる。外部冷却液チャンバは、冷却流体を受け取り、ドライガスシール４５と熱交換関係にあるように配置され構成された追加の冷却流体体積を形成する。シャフトシール装置３７の下部において、外部冷却液チャンバ８３は、１つまたは複数のポート８５を介して溝６５Ａに流体結合することができ、外部冷却液チャンバ８３の下部に存在する冷却液を排出ポート７９を介して除去することができる。

環状冷却液チャンバ６７および外部冷却液チャンバ８３に供給された冷却液は、作動流体回路３から加圧され凝縮された作動流体とすることができる。図１では、冷却液供給ダクト９１は、ポンプ９と復熱装置２７との間で、作動流体回路３の高圧側をターボエキスパンダ５のシャフトシール装置３７に接続する。ポンプ９からの冷たい、液化され加圧された作動流体の流れは、冷却液供給ダクト９１を通って冷却液ポート６１、８１に供給される。

蒸気排気チャンバ７５から回収された気化した冷却液は、蒸気排気ライン９３を通って作動流体回路３の低圧側に戻される。例えば、排気ライン９３は、気化した冷却液を凝縮器７の蒸気側に戻すことができる。溝６５Ａの下側に回収された非気化冷却液は、排出ライン９５を通って凝縮器７の液体側に戻すことができる。

ドライガスシール４５から環状冷却液チャンバ６７を通ってリークするドライシールガスは、蒸気排気チャンバ７５内の気化した冷却液と共に収集され、気化した冷却液と共に凝縮器７に向かって排気される。

シャフトシール装置３７は以下のように動作する。ターボエキスパンダ５が動作しているとき、シャフト３３およびインペラ３１はケーシング３５内で回転する。作動流体は、作動流体回路３において処理され、ガスタービンエンジン１９の排気ガスからの熱出力の一部を有用な機械的動力に変換する。

凝縮され加圧された作動流体を液体状態で冷却液供給ダクト９１を通して冷却液ポート６１、８１に向かって循環させることにより、シャフトシール装置３７から、特にそのドライガスシール４５から熱が除去される。液体作動流体は、環状冷却液チャンバ６７内および外部冷却液チャンバ８３内を循環する。液体作動流体は、シャフトシール装置３７、特に固定リング４８および回転リング４７から除去された顕熱および気化潜熱によって加熱され、部分的に気化する。第１の追加シャフトシール６９を通ってリークする気化した作動流体は、環状蒸気排気チャンバ７５に集められ、排気ポート７７および排気ライン９３を通って凝縮器７に戻される。依然として液相のままである作動流体は、排出ポート７９を通って除去され、排出ライン９５を介して凝縮器７に戻される。

ドライシールガスは、公知の方法でドライガスシール４５に供給され、作動流体の環境へのリークを防止する。

環状冷却液チャンバ６７内の冷却流体の圧力は、対向するシール面４７Ｓ、４８Ｓに供給されるドライシールガスの圧力よりも低いので、ドライシールガスが対向するシール面４７Ｓ、４８Ｓの界面を通ってリークし、環状冷却液チャンバ６７内を流れるようになる。そこから、ドライシールガスは、気化した冷却液と共に環状蒸気排気チャンバ７５内でさらにリークし、そこから、気化した冷却液およびドライシールガスが蒸気排気ポート７７を通して一括して排気される。ドライシールガスおよび気化した冷却液は凝縮器７に戻され、非凝縮性のドライシールガスは作動流体から分離され、周囲に排気されるか、またはドライシールガス回路内で再循環される。

気化したプロセス流体は蒸気排気チャンバ７５から第２の補助シャフトシール７１を通ってリークする可能性があり、ターボエキスパンダ５内を循環する主な作動流体の流れに集められ、凝縮器７に戻される。

したがって、作動流体回路３を循環する作動流体を汚染するおそれがある別個の冷却媒体を必要とせずに、シャフトシール装置３７の冷却が得られる。効率的な熱除去は、シャフトシール装置３７内の冷却媒体として使用される作動流体の液体から蒸気への相変化によってもたらされる。シール冷却システム内を循環する相変化する作動流体によって吸収される気化潜熱により、高い熱交換率が得られる。蒸気状態および液相の両方の排気冷却流体がリークするドライシールガスと共に作動流体回路３に戻されるので、冷却液回路およびドライシールガス回路は閉回路である必要はない。

冷却液は、主な作動流体の流れから単純に分割されるので、ポンプ９の吐出側で提供される圧力および温度条件で追加費用なしで利用可能になる。使用済みの冷却流（蒸気相と液相の両方）は、専用の冷却回路および加圧回路を必要とせずに、凝縮器７およびポンプ９によって再び凝縮され加圧される。

図３は、シャフトシール装置３７の代替的な実施形態を示す。同じ符号は、図２に関連して既に説明したものと同じ構成要素を示す。それらについては再度説明しない。

図３の実施形態では、環状冷却液チャンバ６７は環状冷却流体チャンバ７０に置き換えられ、ドライガスシール４５と熱交換関係にある冷却流体体積を形成する。気体冷却流体、液体冷却流体または気体と液体の混合冷却流体は、シャフト３３の軸Ａ−Ａの周りに円形に配置することができる、少なくとも１つ、好ましくは複数の冷却流体ポート７２を介して環状冷却ガスチャンバ７０内で供給される。冷却流体ポート７２の入口は、溝６５と連通している。冷却流体ポート７２の出口は、環状冷却流体チャンバ７０内に配置され、冷却流体ジェットを生成するように構成され、冷却流体ジェットは、シャフトシール装置３７のロータ部分４１の外面に衝突するように配向される。

冷却流体ポート７２の断面および冷却流体の吐出圧力は、ロータ部分４１に衝突する冷却流体ジェットの速度が熱障壁効果を生成し、シャフトシール装置３７の高圧高温端部３７Ｈからロータ部分４１を通って回転リング４７およびガスケット６３に向かう熱伝導を防止または制限する。

リテーナ５１に衝突する冷却流体ジェットによってそこから熱を除去するために、リテーナ５１に配向された追加冷却流体ポート（図示せず）を設けることができる。

この場合にも、作動流体回路３からの作動流体を冷却流体として使用することができる。いくつかの実施形態では、冷却流体は、気体状態または蒸気状態であってもよい。他の実施形態では、部分的に気体で部分的に液体の冷却流体、または液体冷却流体のみが冷却流体ポート７２を通って供給されてもよく、この場合には、液体相によって吸収された気化潜熱により液体冷却流体の気化が生じ、より効果的な熱除去がもたらされる。

環状冷却流体チャンバ７０と流体連通して、そこから液体冷却流体を除去するための排出ポート７９（図３には示さず）を設けることができる。

気体状または気化した冷却流体は、第１の追加シャフトシール６９を通ってリークすることができ、蒸気排気ポート７７を通って、ドライガスシール４５からのドライシールガスと共に除去される。

シャフトシール装置３７から除去された流体は、上述したように作動流体回路３に戻すことができる。

冷却流体ポート７２に供給される冷却流体は、例えばポンプ９の下流で作動流体回路３から迂回された作動流体であってもよく、その場合には冷却流体は液体状態で供給される。あるいは、気体状態の作動流体は、ターボエキスパンダの上流の作動流体回路３から迂回されてもよい。シャフトシール装置に供給する前に気体作動流体を冷却する冷却器を設けることができる。

本明細書で開示される実施形態によれば、ドライガスシール４５の熱に敏感な部品は、シャフトシール装置３７に供給される冷却流体によって過熱から保護される。高い熱伝導率を有する材料を用いて、回転部分４１およびリング４７、４８などのシャフトシール装置の部品を製造することによって、強化された熱除去を達成することができる。

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結び付けて具体的および詳細に上で十分に説明されてきたが、多くの修正、変更、および省略が、本明細書に記載された新たな教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に述べられる主題の利点から著しく逸脱することなく可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ定められるべきである。また、いかなる方法または方法ステップの順序または並びは、代替的な実施形態によって変更、または再度順序付けすることもできる。

１ 動力システム
３ 作動流体回路
５ ターボエキスパンダ
７ 凝縮器、冷却器
９ ポンプ、機械
１１ 熱交換器
１１Ａ ヒーター
１１Ｂ 蒸発器
１１Ｃ 過熱器
１３ 中間熱伝達ループ
１５ ポンプ
１７ 上部高温熱力学的サイクル
１９ ガスタービンエンジン
２１ 発電機
２３ 廃熱回収熱交換器
２５ 発電機
２７ 復熱装置
２９ ギアボックス
３１ インペラ
３３ 回転シャフト
３５ ターボエキスパンダのケーシング
３７ シャフトシール装置
３７Ｈ 高圧高温側、高圧高温軸方向端部
３７Ｌ 低圧低温側
４１ 回転部分、ロータ部分
４３ 固定部分
４５ ドライガスシール
４６ 主スリーブ
４７ 回転リング、回転要素
４７Ｓ シール面
４８ 固定リング、固定要素
４８Ｓ シール面
４９ ばね
５１ リテーナ
５３ 中間圧力リング
５５ 環状ドライガスコレクタチャンバ
５７ ドライガス供給ポート
５９ ドライガス通路
６１ 冷却液ポート
６３ ガスケット
６５ 環状溝
６５Ａ 溝
６７ 環状冷却液チャンバ
６８ フランジ
６９ 第１の追加シャフトシール
７０ 環状冷却流体チャンバ、環状冷却ガスチャンバ
７１ 第２の追加シャフトシール、第２の補助シャフトシール
７２ 冷却流体ポート
７３ カバー
７５ 環状蒸気排気チャンバ
７７ 蒸気排気ポート
７９ 冷却液排出ポート
８１ 追加冷却液ポート
８３ 外部冷却液チャンバ、溝
８５ ポート
９１ 冷却液供給ダクト
９３ 蒸気排気ライン
９５ 排出ライン

Claims (22)

1. 回転軸を有する回転するターボ機械シャフトのためのシャフトシール装置（３７）であって、
   動作中に回転するロータ部分（４１）と、
   固定部分（４３）と、
   ドライガスシール（４５）であって、回転シール面（４７Ｓ）を有し、前記ロータ部分（４１）と回転するように配置された少なくとも１つの回転要素（４７）と、前記固定部分（４３）と固定された関係にあり、固定シール面（４８Ｓ）を有する少なくとも１つの固定要素（４８）であって、前記回転シール面（４７Ｓ）および前記固定シール面（４８Ｓ）は互いに弾性的に付勢されている、少なくとも１つの固定要素（４８）と、前記固定シール面（４８Ｓ）と前記回転シール面（４７Ｓ）との間にドライシールガスを供給するように構成されたドライガス供給経路（５９）とを含む、ドライガスシール（４５）と、
   冷却流体を受け取るように配置され、前記ドライガスシール（４５）と熱交換関係にある少なくとも１つの冷却流体体積と、
   前記シャフトシール装置（３７）から排気冷却流体およびドライシールガスを一括して排気するように構成された排気装置と
   を含むシャフトシール装置（３７）。
2. 前記排気装置は、前記冷却体積および前記ドライガスシール（４５）と流体連通し、排気冷却流体およびドライシールガスを収集する排気チャンバ（７５）を含む、請求項１に記載のシャフトシール装置（３７）。
3. 前記冷却流体体積に流体結合され、前記冷却流体体積から液体状態の冷却流体を排出するように構成され配置された液体排出装置をさらに含む、請求項１または２に記載のシャフトシール装置（３７）。
4. 前記排気装置は、前記シャフトに沿って、好ましくは前記ドライガスシール（４５）の前記回転要素（４７）と前記シャフトシール装置（３７）の高圧側との間に、順次配置された第１の追加シャフトシール（６９）と第２の追加シャフトシール（７１）との間に位置する排気チャンバ（７５）に流体結合される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシャフトシール装置（３７）。
5. 前記冷却流体体積は、前記固定要素（４８）に隣接し、かつ前記ドライガスシール（４５）の前記回転要素（４７）に対向するように配置された冷却流体チャンバ（７０）を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシャフトシール装置（３７）。
6. 少なくとも１つの冷却流体ポート（７２）が、前記冷却流体チャンバ（７０）内に配置され、かつ、前記シャフトシール装置（３７）の前記回転部分（４１）に衝突する少なくとも１つの冷却流体ジェットを生成するように配向される、請求項５に記載のシャフトシール装置（３７）。
7. 複数の冷却流体ポート（７２）が、前記シャフトの前記軸の周りに円形配置で設けられ、前記シャフトシール装置（３７）の前記回転部分（４１）に衝突する複数の冷却流体ジェットを生成するように配向される、請求項６に記載のシャフトシール装置（３７）。
8. 前記シャフトシール装置（３７）は、高温軸方向端部および低温軸方向端部を有し、前記冷却流体ポート（７２）は、前記ドライガスシール（４５）と前記シャフトシール装置（３７）の前記高温軸方向端部との間に配置される、請求項６または７に記載のシャフトシール装置（３７）。
9. 前記冷却流体体積は、前記シャフトシール装置（３７）の前記固定部分（４３）を取り囲む外部冷却流体チャンバ（８３）を含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のシャフトシール装置（３７）。
10. 前記外部冷却流体チャンバ（８３）は、前記ドライガスシール（４５）の周りに延在する、請求項９に記載のシャフトシール装置（３７）。
11. 前記ドライシールガスおよび前記冷却流体の圧力は、前記ドライシールガスが前記ドライガスシール（４５）から前記冷却流体体積に向かって流れるようにする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のシャフトシール装置（３７）。
12. 作動流体が処理され、かつ、ケーシング（３５）と、前記ケーシング（３５）内で回転するように配置されたシャフトと、前記シャフトに取り付けられた少なくとも１つのインペラ（３１）と、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のシャフトシール装置（３７）と、からなる、ターボ機械と、
    前記シャフトシール装置（３７）に流体結合され、前記シャフトシール装置（３７）に冷却流体を供給する冷却流体源と
    を含むターボ機械装置。
13. 前記シャフトシール装置（３７）の前記蒸気排気装置および前記液体排出装置は、前記冷却流体源と流体連通する、請求項１２に記載のターボ機械装置。
14. 前記冷却流体は、前記ターボ機械によって処理された作動流体、または前記作動流体と互換性のある流体である、請求項１２または１３に記載のターボ機械装置。
15. 動力変換システム（１）であって、
    高圧側と低圧側とを有し、かつ作動流体を通して流すように構成された作動流体回路（３）と、
    前記作動流体回路（３）の前記低圧側の前記作動流体から熱を除去するように配置され構成された冷却器（７）と、
    前記作動流体回路（３）の前記低圧側と前記高圧側との間で前記作動流体回路（３）に流体結合され、前記作動流体回路（３）内の前記作動流体の圧力を上昇させるように構成されたポンプ（９，１５）または圧縮機と、
    前記作動流体を高温流体と熱交換関係で循環させて、前記作動流体を気化させるように構成された熱交換器（１１）と、
    前記作動流体回路（３）に流体結合され、前記作動流体回路（３）の前記高圧側と前記低圧側との間に配置されたターボエキスパンダ（５）であって、前記ターボエキスパンダ（５）を通って流れる作動流体を膨張させて機械的動力を発生させるように構成されたターボエキスパンダ（５）と
    を含み、
    前記ターボエキスパンダ（５）は、ケーシング（３５）と、前記ケーシング（３５）内で回転するように配置されたシャフトと、前記シャフトと共に回転するように前記シャフトに取り付けられたインペラ（３１）と、前記ターボエキスパンダ（５）の前記シャフトとシールして共働するための、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のシャフトシール装置（３７）とを含む、動力変換システム（１）。
16. 前記シャフトシール装置（３７）は、前記ポンプ（９，１５）または前記圧縮機の下流にある前記作動流体回路（３）の前記高圧側に流体結合される、請求項１５に記載の動力変換システム（１）。
17. 前記蒸気排気装置および前記排出装置は、前記作動流体回路（３）の前記低圧側に流体結合される、請求項１６に記載の動力変換システム（１）。
18. 前記排出装置および前記蒸気排気装置は、前記冷却器（７）に流体結合される、請求項１７に記載の動力変換システム（１）。
19. 作動流体回路（３）に流体結合されたターボ機械の回転シャフト（３３）のためのシャフトシール装置（３７）を冷却する方法であって、前記シャフトシール装置（３７）は、ドライガスシール（４５）を含み、前記方法は、
    前記ターボ機械を通る作動流体を処理するステップと、
    前記ドライガスシール（４５）にドライシールガスを供給するステップと、
    前記シャフトシール装置（３７）に冷却流体を供給するステップと、
    前記シャフトシール装置（３７）から排気冷却流体およびドライシールガスを一括して排気するステップと
    を含む方法。
20. 前記冷却流体は、前記ターボ機械を通って処理され、かつ、前記作動流体回路（３）内を循環する作動流体の主要な流れから迂回された作動流体である、請求項１９に記載の方法。
21. 前記ターボ機械は、ターボエキスパンダ（５）であり、前記作動流体は、前記ターボエキスパンダ（５）を通って高圧から低圧に膨張され、前記方法は、
    前記ターボエキスパンダ（５）からの膨張した作動流体を冷却するステップと、
    前記冷却された作動流体の圧力を前記低圧から前記高圧に上昇させるステップと、
    前記圧縮された流体を加熱して気化させるステップと、
    前記気化された作動流体を前記ターボエキスパンダ（５）に供給するステップと、
    作動流体の側方流を前記シャフトシール装置（３７）に向けて迂回させるステップと、
    排気冷却流体およびドライシールガスを前記シャフトシール装置（３７）から前記回路に戻すステップと
    をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 液体状態で前記シャフトシール装置（３７）に供給された前記冷却流体を少なくとも部分的に気化させることによって前記シャフトシール装置（３７）から熱を除去するステップと、
    前記シャフトシール装置（３７）から、気化した冷却流体およびドライシールガスを排気し、排気冷却液を別々に排出するステップと
    をさらに含む、請求項１９乃至２１のいずれか一項に記載の方法。