JP4996313B2 - ガスシール機構及び動力システム - Google Patents

Description

本発明は、水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を加熱してなる作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンにおいて、前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構に関する。

発電用のエンジンなどから排出される排熱を回収して、発電機等を駆動するための軸動力を得るための動力システムが知られている。
この種の動力システムは、上記作動蒸気発生器において、エンジン排ガス等の排熱により供給ポンプにより供給された所定の溶液を加熱して作動蒸気を発生し、上記蒸気タービンにおいて、その作動蒸気により得た軸動力により発電機等を駆動し、上記復水器において、蒸気タービンを回転駆動した後に流出した作動蒸気を溶液に復水させるという動力回路を備える。

更に、上記動力システムとして、エンジン排ガスとして排出される高温排熱や、エンジン冷却水として排出される低温排熱等の、２種類の排熱から効果的に軸動力を得ることができる動力システムとして、アンモニアと水とを混合してなる水−アンモニア系の非共沸混合媒体を用い、吸収式冷凍機の原理を利用したものが知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１を参照。）。
この種の動力システムは、復水器で復水したアンモニア濃度が高い濃溶液を、濃溶液流路に設けられた供給ポンプにより昇圧して再生器に送出し、その濃溶液を再生器において原動機の低温排熱（冷却水）により加熱して濃溶液からアンモニア蒸気を分離してアンモニア濃度が低い希溶液とし、その希溶液を希溶液流路に設けられた減圧部により減圧して復水器に送出するという再生回路を備え、更に、その再生器で分離したアンモニア蒸気を蒸気タービンに供給される作動蒸気に合流させるように構成されている。
そして、このような動力システムにおいて、再生器で分離した高濃度のアンモニア蒸気については、一部を作動蒸気発生器に供給される直前の溶液に吸収させ、更に残部を蒸気タービンに供給される直前の作動蒸気に加える形態で、蒸気タービンに供給される前の非共沸混合媒体に合流させることで、蒸気タービンの軸出力を増加させることができ、これは、再生器に供給した低温排熱の熱エネルギを、蒸気タービンの軸動力に変換して回収し得ることを意味する。
また、上述したような動力システムを適用して、蒸気タービンの軸出力により数１０００ｋＷ以下の発電を行う場合には、小型の蒸気タービンを高速（例えば数万ｒｐｍ）で回転駆動させて、高効率化が図られる。

そして、このように高速で回転駆動する蒸気タービンにおいて、蒸気タービン側の作動蒸気が隙間を通じて外部へ放出されることを防止するためのシール機構として、蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部に、所定のシールガスを導入する所謂ガスシール機構が知られている（例えば、特許文献２，３，４を参照。）。

上記特許文献２に記載のガスシール機構では、空気圧縮機で圧縮した空気を、上記ガスシール部に導入するように構成されている。
一方、上記特許文献３及び４に記載のガスシール機構では、蒸気タービンの作動蒸気としてアンモニア等の低沸点媒体の蒸気を利用する場合において、その蒸気タービンの入口側の作動蒸気の一部を取り出して、その取り出した蒸気を、上記ガスシール部に導入するように構成されている。
更に、上記特許文献３に記載のガスシール機構では、高速で回転駆動する蒸気タービンの出力軸を蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材が、ガスシール部に高圧蒸気を導入することで、出力軸を浮遊支持する静圧軸受（気体軸受）として機能するように構成されている。

特開２００５−１７１８９１号公報 特開２００２−３０９０３号公報 特開２００１−１７４０９８号公報 特開２００６−６３９５８号公報 「アンモニアを使用したガスエンジン排熱利用技術の開発」藤本洋、薬師寺新吾、２００５年６月２８日、機械学会 第１０回動力エネルギ技術シンポジウム 講演論文集 ＯＳ４−０５

しかしながら、上述したような従来のガスシール機構では、例えば、ガスシール部に導入されたシールガスとしての低沸点媒体の蒸気が、軸線方向に沿って外部に放出されることで、大気汚染や出力軸に連結された発電機の故障等の問題が懸念され、一方、ガスシール部に導入されたシールガスとしての空気が、軸線方向に沿って内側にある蒸気タービンの作動蒸気に混入されることで、当該蒸気タービンの性能低下が発生することが懸念される。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を加熱してなる作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンのガスシール機構において、シールガスの外部への放出による大気汚染や出力軸に連結された発電機の故障、シールガスの作動蒸気への混入による蒸気タービンの性能低下等の問題を回避することができる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るガスシール機構は、水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を加熱してなる作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンにおいて、前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構であって、その第１特徴構成は、前記ガスシール部における前記蒸気タービン側に配置された内側ガスシール部に、前記シールガスとして水蒸気を導入する水蒸気導入手段と、
前記ガスシール部における前記内側ガスシール部よりも前記外部側に配置された外側ガスシール部に、前記シールガスとして空気を導入する空気導入手段とを備え、
前記ガスシール部に、前記シールガスを排出するドレン部が配置され、
前記内側ガスシール部と前記外側ガスシール部との間に、前記出力軸に設けられたスラストプレートを、前記軸受部材に設けられたスラスト軸受面に対して軸線方向に沿って内向きに当接させた状態で収容するスラストプレート収容部が配置されている点にある。

上記ガスシール機構の第１特徴構成によれば、蒸気タービンの出力軸とその軸受部材との隙間のガスシール部において、蒸気タービン側から出力軸の軸線方向に沿って順に、上記内側ガスシール部と上記外側ガスシール部とが並設されることになり、更に、上記水蒸気導入手段により上記内側ガスシール部に水蒸気が導入され、上記空気導入手段により上記外側ガスシール部に空気が導入されることになる。
よって、上記内側ガスシール部の軸線方向に沿って外側に配置された外側ガスシール部に空気が導入されることで、その内側ガスシール部に導入された水蒸気が、その外側ガスシール部を超えて外部に放出されることを抑制することができ、その水蒸気の外側への放出による大気汚染や出力軸に連結された発電機の故障等の問題を回避することができる。尚、上記内側ガスシール部に導入された水蒸気の一部が、その内側ガスシール部の内側に流出して蒸気タービン側の作動蒸気に混入されたとしても、そもそもその作動蒸気が水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を加熱してなる作動蒸気であることから、蒸気タービンの性能は殆ど低下しない。
一方、上記外側ガスシール部の軸線方向に沿って内側に配置された内側ガスシール部に水蒸気が導入されることで、上記外側ガスシール部に導入された空気が、その内側ガスシール部を超えて蒸気タービンの作動蒸気に混入されることを抑制することができ、その空気の作動蒸気への混入による蒸気タービンの性能低下の発生を回避することができる。尚、上記外側ガスシール部に導入された空気の一部が、その外側ガスシール部の外側に流出して外部に放出されたとしても、それが空気であることから、大気汚染や発電機の故障等の問題はない。
更に、内側ガスシール部と外側ガスシール部との間に配置されたスラストプレート収容部において、出力軸に設けられたスラストプレートと軸受部材に設けられたスラスト軸受面との当接部により、上記内側ガスシール部と上記外側ガスシール部とが隔離されることになるので、内側ガスシール部の水蒸気がそれを超えて外側に流出することを一層抑制し、更に、外側ガスシール部の空気がそれを超えて内側に流出することを一層抑制することができる。

本発明に係るガスシール機構の第２特徴構成は、前記軸受部材が、前記水蒸気導入手段により前記内側ガスシール部に高圧水蒸気を導入することで、前記出力軸を浮遊支持する静圧軸受として機能する点にある。

上記ガスシール機構の第２特徴構成によれば、上記水蒸気導入手段が高圧水蒸気を内側ガスシール部に導入することで上記静圧軸受として機能する上記軸受部材により、高速で回転駆動する蒸気タービンの出力軸を、簡単且つ適切に回転自在に支持することができる。

本発明に係るガスシール機構の第３特徴構成は、上記第１乃至第２特徴構成に加えて、前記ドレン部が、前記内側ガスシール部と前記外側ガスシール部との間に位置する点にある。

上記ガスシール機構の第３特徴構成によれば、上記内側ガスシール部から外側に流出する水蒸気が、その内側ガスシール部の外側に配置されたドレン部を通じてドレンガスとして排出されることになるので、その水蒸気がそのドレン部よりも更に外側に配置された外側ガスシール部を越えて外部に放出されることを一層抑制することができる。
一方、上記外側ガスシール部から内側に流出する空気が、その外側ガスシール部の内側に配置されたドレン部を通じてドレンガスとして排出されることになるので、その空気がそのドレン部よりも更に内側に配置された内側ガスシール部を越えて蒸気タービンの作動蒸気に混入されることを一層抑制することができる。

上記目的を達成するための本発明に係る動力システムは、水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を原動機の高温排熱により加熱して前記作動蒸気を発生する作動蒸気発生器と、前記作動蒸気発生器から供給された前記作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから流出した前記作動蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記作動蒸気発生器に供給する供給ポンプとを配置してなる動力回路と、
アンモニア濃度が高い濃溶液を前記原動機の低温排熱により加熱して、前記濃溶液からアンモニア蒸気を分離してアンモニア濃度が低い希溶液とする再生器と、前記復水器から前記再生器へ向けて前記濃溶液が流通する濃溶液流路において前記濃溶液を昇圧して前記再生器に送出する循環ポンプと、前記再生器から前記復水器へ向けて前記希溶液が流通する希溶液流路において前記希溶液を減圧して前記復水器に送出する減圧部とを配置してなる再生回路とを備えて、
前記再生器で分離した前記アンモニア蒸気を、前記蒸気タービンに供給される前の前記非共沸混合媒体に合流させるように構成された動力システムであって、その第１特徴構成は、前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構として、上記第１乃至上記第３の何れかの特徴構成を有するガスシール機構を備えた点にある。

上記動力システムの第１特徴構成によれば、水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体を利用し、上記動力回路及び上記再生回路を備えることで、原動機の高温排熱や低温排熱の２種類の排熱から効果的に軸動力を得るにあたり、本発明に係るガスシール機構を好適に適用することができ、シールガスの外部への放出による大気汚染や出力軸に連結された発電機の故障、シールガスの作動蒸気への混入による蒸気タービンの性能低下等の問題を回避することができる。

本発明に係る動力システムの第２特徴構成は、上記動力システムの第１特徴構成に加えて、又は、前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構を備え、当該ガスシール機構が、前記ガスシール部における前記蒸気タービン側に配置された内側ガスシール部に、前記シールガスとして水蒸気を導入する水蒸気導入手段と、前記ガスシール部における前記内側ガスシール部よりも前記外部側に配置された外側ガスシール部に、前記シールガスとして空気を導入する空気導入手段とを備え、前記ガスシール部に、前記シールガスを排出するドレン部が配置された動力システムにおいて、前記水蒸気導入手段が、前記希溶液流路から取り出した希溶液を前記原動機の高温排熱により加熱してアンモニア濃度が低い水蒸気を発生させ、当該発生した水蒸気を前記内側ガスシール部に導入する点にある。

上記動力システムの第２特徴構成によれば、上記水蒸気導入手段により、別途水や熱源を追加する必要がなく、上記再生回路における希溶液流路から取り出した希溶液と上記動力回路における原動機の高温排熱とを利用して、ガスシール機構の内側ガスシール部に水蒸気を導入することができる。
即ち、上記希溶液を上記高温排熱で加熱することで、アンモニア濃度が低い水蒸気を発生させることができ、その水蒸気をガスシール機構の内側ガスシール部に導入することができる。

本発明に係る動力システムの第３特徴構成は、上記第第２特徴構成に加えて、前記原動機がエンジンであると共に、前記エンジンの排ガスを脱硝処理して排出する脱硝処理部を備え、
前記ドレン部から排出されたドレンガスを、前記脱硝処理部の入口側に流入させる点にある。

上記動力システムの第３特徴構成によれば、アンモニア濃度が低い希溶液を加熱してなる水蒸気を内側ガスシール部に導入する場合において、ドレン部から排出されたドレンガスに含まれるアンモニアを、そのまま大気に放出せずに、エンジン排ガスと共に上記脱硝処理部に通過させることで無害化することができる。

本発明に係る動力システムの第４特徴構成は、上記第１乃至上記第３の何れかの特徴構成に加えて、前記原動機が、過給機を有するエンジンであり、
前記空気導入手段が、前記過給機で加圧された空気を取り出し、当該取り出した空気を前記外側ガスシール部に導入するように構成されている点にある。

上記動力システムの第４特徴構成によれば、上記空気導入手段により、別途空気圧縮機等を追加する必要がなく、上記エンジンの過給機の下流側から取り出した加圧後の空気を、ガスシール機構の外側ガスシール部に導入することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
尚、図１は、動力システムの概略構成図であり、図２は、当該動力システムに設けられたガスシール機構の側断面図である。

先ず、動力システムの基本構成について、図１に基づいて説明する。
動力システムは、原動機としてのエンジン２１から排出されるエンジン排ガスＥの排熱を高温排熱とし、エンジン２１を冷却するエンジン冷却水ＪＷの排熱を低温排熱として、これらエンジン排ガスＥとエンジン冷却水ＪＷとから効率良く排熱回収して、蒸気タービン２により発電機８０を駆動するための軸動力を出力するサイクルを利用するように構成されている。

そして、この動力システムには、夫々の詳細構成については後述するが、作動蒸気発生器１と蒸気タービン２と復水器３と供給ポンプ１４及び１６とを配置してなる動力回路３０が備えられている。以下、その動力回路３０の詳細構成について説明する。
上記作動蒸気発生器１は、排気路２３を通じてエンジン２１から供給されたエンジン排ガスＥとの熱交換により作動流体の溶液Ｌを加熱して作動流体の作動蒸気Ｓを発生する。
上記蒸気タービン２は、上記作動蒸気発生器１から作動蒸気流入路１１を通じて供給された作動蒸気Ｓにより出力軸２ｂを回転駆動する。そして、この蒸気タービン２の出力軸２ｂにより出力される回転動力は、発電機８０を駆動するための駆動源として利用される。

上記復水器３は、上記蒸気タービン２から流出し作動蒸気流出路１２を通じて供給された作動蒸気Ｓを冷却水との熱交換により冷却して溶液Ｌに復水させる。また、この復水器３には、冷却水Ｃ１が通流する冷却管３ａが配設され、その冷却管３ａ内に冷却水Ｃ１が通流することにより、作動蒸気Ｓ及び溶液Ｌと冷却水Ｃ１との間の熱交換が行われ、作動蒸気Ｓが凝縮して溶液Ｌに混合されるときに生じる凝縮潜熱及び混合熱が冷却水Ｃ１により回収することができる。

上記供給ポンプ１４及び１６は、復水器３から供給された溶液Ｌを流路１３及び１５を通じて作動蒸気発生器１に供給する。詳しくは、上記供給ポンプ１４は、復水器３から後述する吸収器５に溶液Ｌを供給するものであり、上記供給ポンプ１６は、その吸収器５から作動蒸気発生器１に溶液Ｌを供給するものである。
そして、この動力回路３０では、作動流体が、作動蒸気発生器１、蒸気タービン２、復水器３、供給ポンプ１４、吸収器５、供給ポンプ１６の順に夫々を循環することになる。

更に、動力システムには、冷媒としてのアンモニアと、当該アンモニアを吸収可能な吸収液としての水との水−アンモニア系等の非共沸混合媒体を作動流体として用い、吸収式冷凍機の原理を利用して、上記エンジン排ガスＥの排熱である高温排熱及び上記エンジン冷却水ＪＷの排熱である低温排熱の２種類の排熱を効果的に回収するために、再生器４と循環ポンプ１７と減圧弁２０とを配置してなる再生回路３５とが備えられている。以下、その上記再生回路３５の詳細構成について説明する。

上記再生器４は、アンモニア濃度が高い濃溶液Ｌ１をエンジン２１の低温排熱であるエンジン冷却水ＪＷにより加熱して、当該濃溶液Ｌ１からアンモニア蒸気Ｓａを分離してアンモニア濃度が低い希溶液Ｌ２とする。また、この再生器４には、エンジン冷却水ＪＷが通流する加熱管４ａが配設され、その加熱管４ａ内に、エンジン２１との間でポンプ２４により循環されるエンジン冷却水ＪＷを通流させることにより、作動流体の溶液Ｌとエンジン冷却水ＪＷとの熱交換が行われる。

上記循環ポンプ１７は、復水器３から再生器４へ向けてアンモニア濃度が高い濃溶液Ｌ１が流通する濃溶液流路１８において濃溶液Ｌ１を昇圧して再生器４に送出する。
上記減圧弁２０（減圧部の一例）は、再生器４から復水器３へ向けて希溶液Ｌ２が流通する希溶液流路１９において希溶液Ｌ２を減圧して復水器３に送出する。

即ち、復水器３で蒸気タービン２から供給された作動蒸気Ｓが混合された後の比較的アンモニア濃度が高い濃溶液Ｌ１は、復水器３から濃溶液流路１８を通じて循環ポンプ１７により昇圧された後に再生器４に供給され、一方、再生器４でアンモニア蒸気Ｓａが分離された後の比較的アンモニア濃度が低い希溶液Ｌ２は、再生器４から希溶液流路１９を通じて減圧弁２０により減圧された後に復水器３に供給されることで、高圧の再生器４と低圧の復水器３との間で、圧力差を維持しながら溶液Ｌが循環されることになる。

更に、動力システムは、この再生回路３５において再生器４で分離したアンモニア蒸気Ｓａを、動力回路３０において蒸気タービン２に供給される作動流体に合流させることで、蒸気タービン２の軸出力を増加させて、再生器４にエンジン冷却水ＪＷの排熱として供給した低温排熱の熱エネルギを、蒸気タービン２の軸動力に変換して回収するように構成されており、以下、その詳細構成について説明する。

動力システムは、再生器４で分離されアンモニア蒸気流路１０に流出したアンモニア蒸気Ｓａの少なくとも一部を、供給ポンプ１４から作動蒸気発生器１に供給される溶液Ｌに吸収させる吸収器５が備えられている。
即ち、吸収器５において、復水器３から供給ポンプ１４により流路１３を通じて供給された作動流体の溶液Ｌに、アンモニア蒸気流路１０から分岐する分岐路１０ａを通じて供給されたアンモニア蒸気Ｓａが吸収されて、アンモニア濃度が非常に高い作動流体の溶液Ｌが生成され、その溶液Ｌが供給ポンプ１６により一層加圧され流路１５を通じて作動蒸気発生器１に供給される。
よって、再生器４で分離されたアンモニア蒸気Ｓａが比較的低圧であっても、この吸収器５でその低圧のアンモニア蒸気Ｓａを良好に溶液に吸収させることができ、更には、当該作動蒸気発生器１で高濃度の溶液Ｌにより多くのエンジン排ガスＥの熱を回収することができるので、蒸気タービン２に多くの作動蒸気Ｓを供給して蒸気タービン２の軸出力を増加させることができる。

更に、作動蒸気発生器１において、排気路２３を流通するエンジン排ガスＥは溶液Ｌに熱を与えることで温度が低下する。即ち、排気路２３における作動蒸気発生器１の入口側と出口側との温度差は、作動蒸気発生器１におけるエンジン排ガスＥに対する熱回収量に略比例する。
そして、作動蒸気発生器１は、吸収器５においてアンモニア濃度が高くなった溶液Ｌを、排気路２３の下流側から上流側に向けて流通させて、排気路２３を流通するエンジン排ガスＥの熱を当該溶液Ｌに与えるように構成されている。
よって、作動蒸気発生器１において、排気路２３における下流側（作動蒸気発生器１に対するエンジン排ガスＥの出口側）付近では、溶液Ｌに高濃度に含まれるアンモニアが比較的低温のエンジン排ガスＥとの熱交換により良好に蒸発するので、蒸気タービン２に対して多くの作動蒸気Ｓを供給することができ、更に、排気路２３における上流側のエンジン排ガスＥの温度が一定である場合でも下流側のエンジン排ガスＥの温度を充分に低下させることができることから、作動蒸気発生器１におけるエンジン排ガスＥに対する熱回収量を増加させることができる。

更に、吸収器５には、冷却水Ｃ２が通流する冷却管５ａが配設され、その冷却管５ａ内に冷却水Ｃ２が通流することにより、アンモニア蒸気Ｓａ及び溶液Ｌと冷却水Ｃ２との間の熱交換が行われ、アンモニア蒸気Ｓａが溶液Ｌに吸収されるときに生じる吸収熱が冷却水Ｃ２により回収することができる。
また、一般的に吸収器５が復水器３よりも高温であることから、当該吸収器５に供給する冷却水Ｃ２は、上述した復水器３で熱回収した後の冷却水Ｃ１とすることができる。尚、復水器３と吸収器５とに冷却水Ｃ１，Ｃ２を個別に供給しても構わない。

更に、動力システムは、再生器４で分離されアンモニア蒸気流路１０に流出したアンモニア蒸気Ｓａの少なくとも一部を、蒸気タービン２の低圧段２ａに供給するように構成されている。
即ち、上記吸収器５で溶液Ｌに吸収し得なかったアンモニア蒸気Ｓａの残部が、アンモニア蒸気流路１０から分岐する分岐路１０ｂを通じて、蒸気タービン２の低圧段２ａに供給される。
よって、再生器４で分離されたアンモニア蒸気Ｓａが比較的低圧であっても、その低圧のアンモニア蒸気Ｓａを良好に比較的低圧な蒸気タービン２の低圧段２ａに供給して、蒸気タービン２の軸出力を増加させることができる。

更に、この動力システムは、その蒸気タービン２の出力軸２ｂと当該出力軸２ｂを回転自在に支持する軸受部材６０との隙間のガスシール部６１にシールガスを導入して、蒸気タービン２側の作動蒸気Ｓが隙間を通じて外部へ放出されることを防止するためのガスシール機構が設けられている。
そして、このガスシール機構は、発電機８０において数１０００ｋＷ以下の発電を行うべく、小型の蒸気タービン２を非常に高速（例えば数万ｒｐｍ）で回転駆動させる場合でも、シールガスの外部への放出による大気汚染や出力軸２ｂに連結された発電機８０の故障、シールガスの作動蒸気Ｓへの混入による蒸気タービン２の性能低下等の問題を回避するように構成されている。以下、このガスシール機構の詳細構成について、図２に基づいて説明する。

図２に示すように、ガスシール機構には、ガスシール部６１における蒸気タービン２側に配置された内側ガスシール部６１ａに、詳細については後述するが若干のアンモニアを含む水蒸気Ｓｗをシールガスとして導入する水蒸気導入手段Ｘが備えられている。
尚、この水蒸気導入手段Ｘは、回転駆動する出力軸２ｂの蒸気タービン２側（即ち、図２では出力軸２ｂの左側）に外嵌されたスラストプレート６３の外面と軸受部材６０の内面との隙間を上記内側ガスシール部６１ａとし、その内側ガスシール部６１ａに水蒸気Ｓｗを供給する水蒸気導入路４２により構成されている。
尚、この軸受部材６０は、上記水蒸気導入手段Ｘにより内側ガスシール部６１ａに高圧で水蒸気Ｓｗを導入することで、高速で回転駆動する出力軸２ｂを浮遊支持する静圧軸受として機能するように構成されている。

更に、ガスシール機構には、ガスシール部６１における上記内側ガスシール部６１ａよりも外部側に配置された外側ガスシール部６１ｂに、シールガスとして空気Ａを導入する空気導入手段Ｙが備えられている。
尚、この空気導入手段Ｙは、軸受部材６０と回転駆動する出力軸２ｂの上記スラストプレート６３よりも発電機８０側（即ち、図２では出力軸２ｂの右側）に外嵌されたスリーブ６７の外面と軸受部材６０の内面との隙間を上記外側ガスシール部６１ｂとし、その外側ガスシール部６１ｂに空気Ａを供給する空気導入路４５により構成されている。

そして、このように構成されたガスシール機構では、上記内側ガスシール部６１ａの軸線方向に沿って外側（図２では右側）に配置された外側ガスシール部６１ｂに空気Ａが導入されることで、内側ガスシール部６１ａに導入された水蒸気Ｓｗが、その外側ガスシール部６１ｂを超えて外部に放出されることが抑制されて、その水蒸気Ｓｗの外側への放出による大気汚染や出力軸２ｂに連結された発電機８０の故障等が回避されている。

一方、上記外側ガスシール部６１ｂの軸線方向に沿って内側（図２では左側）に配置された内側ガスシール部６１ａに水蒸気Ｓｗが導入されることで、外側ガスシール部６１ｂに導入された空気Ａが、その内側ガスシール部６１ａを超えて蒸気タービン２の作動蒸気Ｓに混入されることが抑制されて、その空気Ａの作動蒸気Ｓへの混入による蒸気タービン２の性能低下の発生が回避されている。

尚、上記内側ガスシール部６１ａに導入された水蒸気Ｓｗの一部が、その内側ガスシール部６１ａの内側に流出して蒸気タービン２側の作動蒸気Ｓに混入されたとしても、そもそもその作動蒸気Ｓが水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液Ｌを加熱してなる作動蒸気Ｓであることから、蒸気タービン２の性能は殆ど低下しない。
一方、上記外側ガスシール部６１ｂに導入された空気Ａの一部が、その外側ガスシール部６１ｂの外側に流出して外部に放出されたとしても、それが空気Ａであることから、大気汚染や発電機８０の故障等の問題はない。

上記出力軸２ｂには、出力軸２ｂを外嵌する筒状部位と当該筒状部位の発電機８０側の端部から径外方向に延出するフランジ状部位とからなるスラストプレート６３が、当該出力軸２ｂと共に回転駆動するように設けられている。
一方、軸受部材６０の内側ガスシール部６１ａと外側ガスシール部６１ｂとの間には、出力軸２ｂに設けられたスラストプレート６３を、当該軸受部材６０に設けられたスラスト軸受面６４に対して軸線方向に沿って内向き（即ち蒸気タービン２に向かう方向）に当接させた状態で収容するスラストプレート収容部６５が配置されている。
よって、そのスラストプレート収容部６５では、スラストプレート６３とスラスト軸受面６４との当接部により、内側ガスシール部６１ａと外側ガスシール部６１ｂとが隔離されることで、水蒸気Ｓｗの発電機８０側への流出及び空気Ａの蒸気タービン２側への流出が一層抑制されている。

上記ガスシール部６１には、上記水蒸気Ｓｗや上記空気ＡのシールガスをドレンガスＤとして外部に排出するドレン部６２が配置されており、そのドレン部６２は、内側ガスシール部６１ａと外側ガスシール部６１ｂとの間に位置している。
よって、内側ガスシール部６１ａから発電機８０側に向けて流れる水蒸気Ｓｗ、及び、外側ガスシール部６１ｂから蒸気タービン２側に向けて流れる空気Ａの夫々が、内側ガスシール部６１ａと外側ガスシール部６１ｂとの間に位置するドレン部６２を通じてドレンガスＤとして排出されることになり、水蒸気Ｓｗの発電機８０側への流出及び空気Ａの蒸気タービン２側への流出が一層抑制されている。

更に、上記ドレン部６２は、当然１つでも構わないが、本実施形態では、スラストプレート収容部６５よりも蒸気タービン２側に位置する内側ドレン部６２ａと、スラストプレート収容部６５に位置する外側ドレン部６２ｂとが設けられている。
よって、内側ガスシール部６１ａから発電機８０側に向けて流れる水蒸気Ｓｗは主に内側ドレン部６２ａを通じて内側ドレンガスＤａとして外部に排出され、一方、外側ガスシール部６１ｂから蒸気タービン２側に向けて流れる空気Ａは主に外側ドレン部６２ｂを通じて外側ドレンガスＤｂとして外部に排出されることになる。尚、この夫々のドレンガスＤａ，Ｄｂは、個別に処理しても、夫々を合流させて同時に処理しても構わない。

上記のように構成されたガスシール機構を、上述した動力システムに採用するにあたり、シールガスとしての水蒸気Ｓｗ及び空気Ａの供給、ドレン部６２でのドレンガスＤの排出を、適切に行うための構成を備えている。以下、その動力システムの特徴構成について、図１に基づいて説明する。

図１及び図２に示す動力システムでは、上述ガスシール機構における水蒸気導入手段Ｘが、再生回路３５における希溶液流路１９から取り出した希溶液Ｌ２をエンジン２１の高温排熱であるエンジン排ガスＥにより加熱してアンモニア濃度が低い水蒸気Ｓｗを発生させ、その発生した水蒸気Ｓｗを、ガスシール機構における内側ガスシール部６１ａに導入するように構成されている。

即ち、上記水蒸気導入手段Ｘは、上記希溶液流路１９における減圧弁２０の上流側に接続されて当該希溶液流路１９から希溶液Ｌ２の一部が流入する希溶液取出流路４１と、排気路２３の作動蒸気発生器１よりも上流側を流通する高温のエンジン排ガスＥとの熱交換により希溶液取出流路４１を通じて供給された希溶液Ｌ２を加熱して若干のアンモニアを含む水蒸気Ｓｗを発生する水蒸気発生器４０と、当該水蒸気発生器４０が発生した水蒸気Ｓｗをガスシール機構における内側ガスシール部６１ａに導入する水蒸気導入路４２とを備えて構成されている。
したがって、この動力システムでは、ガスシール機構で利用する水蒸気Ｓｗを発生させるために、別途水や熱源を追加する必要がない。

上記内側ガスシール部６１ａに若干のアンモニアを含む水蒸気Ｓｗを導入することにより、ドレン部６２から排出されるドレンガスＤには若干のアンモニアが含まれることになる。
そこで、エンジン２１の排気路２３には、エンジン排ガスＥを脱硝処理する脱硝触媒２６（脱硝処理部の一例）が設けられており、更に、ドレン部６２に接続されたドレン流路４７の他端側を排気路２３における脱硝触媒２６の上流側に接続することで、ドレン部６２から排出されたドレンガスＤが脱硝触媒２６の入口側に流入されている。
したがって、上記ドレンガスＤは、そのまま大気に放出されずに、エンジン排ガスＥと共に上記脱硝触媒２６を通過して無害化された後に放出されることになる。

更に、エンジン２１が、吸気路２２に取り込まれた空気Ａを加圧して燃焼室（図示せず）に供給するための過給機２５を有しており、更に、上述ガスシール機構における空気導入手段Ｙが、その過給機２５で加圧された空気Ａを取り出し、当該取り出した空気Ａを、ガスシール機構における外側ガスシール部６１ｂに導入するように構成されている。
即ち、上記空気導入手段Ｙは、吸気路２２における過給機２５の下流側に接続されて当該吸気路２２から加圧された空気Ａの一部が流入し、その空気Ａをガスシール機構における外側ガスシール部６１ｂに導入する空気導入路４５を備えて構成されている。
したがって、この動力システムでは、ガスシール機構で利用する空気Ａを加圧するために、別途空気圧縮機等を追加する必要がない。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、蒸気タービン２の軸動力により発電機８０を駆動するように構成したが、本発明において、蒸気タービン２の軸動力は、例えば圧縮式ヒートポンプの圧縮動力等のように、別の用途に利用しても構わない。

（２）上記実施の形態では、再生器４で分離したアンモニア蒸気Ｓａの少なくとも一部を、吸収器５により供給ポンプ１４から作動蒸気発生器１に供給される溶液Ｌに吸収させるように構成したり、蒸気タービン２の低圧段２ａに供給するように構成したが、別に、当該アンモニア蒸気Ｓａを蒸気タービン２に供給される作動流体に合流させるものであれば、これらの構成を適宜改変しても構わない。

（３）上記実施の形態では、作動蒸気発生器１及び再生器４の高温排熱及び低温排熱の温熱源を、エンジン２１の排熱としたが、燃料電池の排熱等の別の排熱を温熱源として利用しても構わない。

本発明に係るガスシール機構は、シールガスの外部への放出による大気汚染や出力軸に連結された発電機の故障、シールガスの作動蒸気への混入による蒸気タービンの性能低下等の問題を回避することができるものとして有効に利用可能である。

動力システムの概略構成図 ガスシール機構の側断面図

符号の説明

１：作動蒸気発生器
２ｂ：出力軸
２：蒸気タービン
３：復水器
４：再生器
１４，１６：供給ポンプ
１７：循環ポンプ
１８：濃溶液流路
２０：減圧弁
２１：エンジン（原動機）
２５：過給機
２６：脱硝触媒（脱硝処理部）
３０：動力回路
３５：再生回路
６０：軸受部材
６１：ガスシール部
６１ｂ：外側ガスシール部
６１ａ：内側ガスシール部
６２：ドレン部
６３：スラストプレート
６４：スラスト軸受面
６５：スラストプレート収容部
Ａ：空気
Ｄ：ドレンガス
Ｄｂ：外側ドレンガス
Ｅ：エンジン排ガス（高温排熱）
ＪＷ：エンジン冷却水（低温排熱）
Ｌ：溶液
Ｌ１：濃溶液
Ｌ２：希溶液
Ｓ：作動蒸気
Ｓｗ：水蒸気
Ｘ：水蒸気導入手段
Ｙ：空気導入手段

Claims (8)

1. 水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を加熱してなる作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンにおいて、前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構であって、
   前記ガスシール部における前記蒸気タービン側に配置された内側ガスシール部に、前記シールガスとして水蒸気を導入する水蒸気導入手段と、
   前記ガスシール部における前記内側ガスシール部よりも前記外部側に配置された外側ガスシール部に、前記シールガスとして空気を導入する空気導入手段とを備え、
   前記ガスシール部に、前記シールガスを排出するドレン部が配置され、
   前記内側ガスシール部と前記外側ガスシール部との間に、前記出力軸に設けられたスラストプレートを、前記軸受部材に設けられたスラスト軸受面に対して軸線方向に沿って内向きに当接させた状態で収容するスラストプレート収容部が配置されているガスシール機構。
2. 水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を加熱してなる作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンにおいて、前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構であって、
   前記ガスシール部における前記蒸気タービン側に配置された内側ガスシール部に、前記シールガスとして水蒸気を導入する水蒸気導入手段と、
   前記ガスシール部における前記内側ガスシール部よりも前記外部側に配置された外側ガスシール部に、前記シールガスとして空気を導入する空気導入手段とを備え、
   前記ガスシール部に、前記シールガスを排出するドレン部が配置され、
   前記軸受部材が、前記水蒸気導入手段により前記内側ガスシール部に高圧水蒸気を導入することで、前記出力軸を浮遊支持する静圧軸受として機能するガスシール機構。
3. 前記ドレン部が、前記内側ガスシール部と前記外側ガスシール部との間に位置する請求項１又は２に記載のガスシール機構。
4. 水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を原動機の高温排熱により加熱して前記作動蒸気を発生する作動蒸気発生器と、前記作動蒸気発生器から供給された前記作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから流出した前記作動蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記作動蒸気発生器に供給する供給ポンプとを配置してなる動力回路と、
   アンモニア濃度が高い濃溶液を前記原動機の低温排熱により加熱して、前記濃溶液からアンモニア蒸気を分離してアンモニア濃度が低い希溶液とする再生器と、前記復水器から前記再生器へ向けて前記濃溶液が流通する濃溶液流路において前記濃溶液を昇圧して前記再生器に送出する循環ポンプと、前記再生器から前記復水器へ向けて前記希溶液が流通する希溶液流路において前記希溶液を減圧して前記復水器に送出する減圧部とを配置してなる再生回路とを備えて、
   前記再生器で分離した前記アンモニア蒸気を、前記蒸気タービンに供給される前の前記非共沸混合媒体に合流させるように構成された動力システムであって、
   前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構として、請求項１〜３の何れか一項に記載のガスシール機構を備えた動力システム。
5. 前記水蒸気導入手段が、前記希溶液流路から取り出した希溶液を前記原動機の高温排熱により加熱してアンモニア濃度が低い水蒸気を発生させ、当該発生した水蒸気を前記内側ガスシール部に導入する請求項４に記載の動力システム。
6. 水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を原動機の高温排熱により加熱して前記作動蒸気を発生する作動蒸気発生器と、前記作動蒸気発生器から供給された前記作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから流出した前記作動蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記作動蒸気発生器に供給する供給ポンプとを配置してなる動力回路と、
   アンモニア濃度が高い濃溶液を前記原動機の低温排熱により加熱して、前記濃溶液からアンモニア蒸気を分離してアンモニア濃度が低い希溶液とする再生器と、前記復水器から前記再生器へ向けて前記濃溶液が流通する濃溶液流路において前記濃溶液を昇圧して前記再生器に送出する循環ポンプと、前記再生器から前記復水器へ向けて前記希溶液が流通する希溶液流路において前記希溶液を減圧して前記復水器に送出する減圧部とを配置してなる再生回路とを備えて、
   前記再生器で分離した前記アンモニア蒸気を、前記蒸気タービンに供給される前の前記非共沸混合媒体に合流させるように構成された動力システムであって、
   前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構を備え、
   当該ガスシール機構が、
   前記ガスシール部における前記蒸気タービン側に配置された内側ガスシール部に、前記シールガスとして水蒸気を導入する水蒸気導入手段と、
   前記ガスシール部における前記内側ガスシール部よりも前記外部側に配置された外側ガスシール部に、前記シールガスとして空気を導入する空気導入手段とを備え、
   前記ガスシール部に、前記シールガスを排出するドレン部が配置され、
   前記水蒸気導入手段が、前記希溶液流路から取り出した希溶液を前記原動機の高温排熱により加熱してアンモニア濃度が低い水蒸気を発生させ、当該発生した水蒸気を前記内側ガスシール部に導入する動力システム。
7. 前記原動機がエンジンであると共に、前記エンジンの排ガスを脱硝処理して排出する脱硝処理部を備え、
   前記ドレン部から排出されたドレンガスを、前記脱硝処理部の入口側に流入させる請求項５又は６に記載の動力システム。
8. 前記原動機が、過給機を有するエンジンであり、
   前記空気導入手段が、前記過給機で加圧された空気を取り出し、当該取り出した空気を前記外側ガスシール部に導入するように構成されている請求項４〜７の何れか一項に記載の動力システム。

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