JP7080895B2 - 流体回路用、特に閉回路、とりわけランキンサイクル型閉回路用のターボポンプ - Google Patents

Description

本発明は、流体回路、特に閉回路、とりわけランキンサイクル型閉回路で用いられるターボポンプに関する。

一般に、ターボポンプはタービンとポンプ（またはコンプレッサ）を有する機械であり、タービンによって回収されたエネルギーの一部がポンプ（またはコンプレッサ）を駆動する。これを行うため、タービンとポンプ（またはコンプレッサ）は一つの回転シャフトの両端に搭載される。この機械は、通常回転シャフトの中央部に位置する複数の潤滑軸受を備えている。タービンとポンプ（またはコンプレッサ）は、この回転シャフトの両端に取り付けられている。このことは、比較的長いシャフトを必要とするとともに、排出水から潤滑装置を分離することを可能にするシール装置を必要とする。以降の説明を簡単にするため、「ターボポンプ」という用語は、タービンとポンプを有する機械だけでなく、タービンとコンプレッサを有する機械にも用いられ、「ポンプ」という用語は、ポンプはもちろんコンプレッサも含む。

米国特許第７０４４７１８号明細書に詳しく記載されているように、シャフトの長さを短縮すること、従って、ターボポンプの軸方向寸法を短縮することは公知である。同文献においては、タービンとポンプは一方が他方の内部に入り込み重なり合うように配置され、それによって、タービンのダクトとポンプのダクトもまた、回転シャフトの周りで重なり合う。この構成により、機械の軸方向長さを相当程度短縮することが可能となる。

本発明は、回転シャフトの長さを短縮して、ターボポンプの寸法をさらに低減することを提案するものである。これによって、軸受の数を低減し、潤滑回路を簡素化することも可能となる。

この目的のため、本発明は、固定ハウジングを有し、固定ハウジングは、ポンプ羽根を有するポンプロータを備えるポンプと、タービン羽根を支持するタービンロータを収容するタービンと、を備えるターボポンプにおいて、タービンロータはポンプロータの軸と垂直な一つの平面内に、ポンプのポンプロータの周りに同軸配置され、ポンプロータは半径方向に延びる複数のポンプ羽根を有し、半径方向に延びる複数のポンプ羽根はそれらの半径方向先端部で、外周シュラウドを支持し、外周シュラウドの各端部に、溝を貫通する薄片が形成され、一方の溝はタービンの入口とポンプの出口との間に配置され、他方の溝はポンプの入口とタービンの出口との間に位置していることを特徴とするターボポンプに関する。

外周シュラウドは、タービンロータの半径方向に延びるタービン羽根を支持し、タービン羽根はポンプロータのポンプ羽根の上方に、ポンプ羽根と同軸で配置されていてもよい。

タービンロータのタービン羽根の半径方向先端部が、外周シュラウドと実質的に同軸の閉じた外周帯状部を支持していてもよい。

外周シュラウドが、固定ハウジングとともに、シール手段を有していてもよい。

シール手段が、外周シュラウドの各端部に位置するラビリンスシールの組を有していてもよい。

ラビリンスシールの組は、外周シュラウドの各端部に形成されて溝を貫通する薄片を備えていてもよい。

本発明の他の特徴及び利点は、単に非限定的な説明として与えられる以下の説明と、本発明によるターボポンプとその関連回路を示す唯一の添付された図面と、を読むことで明らかになるであろう。

唯一の図である。

この図において、ターボポンプは、ポンプの周囲に位置するタービンを備えるという特徴を有する。タービンとポンプ、従ってタービンロータとポンプロータは、機械の回転シャフトと垂直な一つの平面に位置するため同一平面内にあり、同一の回転軸の周りを回転するため同軸である。特に、図における正規直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ軸は同時に、タービンロータの軸でもあり、ポンプロータの軸でもある。タービンロータとポンプロータは、正規直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ軸と直交する、ＹＺ面と平行な一つの同一平面内にある。

ターボポンプ１０は、ポンプ１６（またはポンプロータ）の回転部１４とタービン２０（またはタービンロータ）の回転部１８とを収容する固定ハウジング１２を有する。

ポンプロータは円筒状のシャフト２２を有し、シャフト２２の一端は、凹状の周縁壁２６を備えた実質的に円錐台形状（頭部を切り取った円錐形状）のハブ２４に接続されている。この壁は、壁の外周に沿って壁から等間隔で放射状に突き出す多数の羽根２８を支持している。羽根は、ハブ２４の自由端から離れた前縁３０と、実質的に円錐台形状（頭部を切り取った円錐形状）のハブ２４の基部から離れた後縁３２と、凹状壁２６と実質的に等しく湾曲した半径方向外側先端部３４と、を有する。図に最もよく示されているように、特に流れの損失を低減するために、湾曲した外周シュラウド３６が、羽根の半径方向先端部３４の全体に渡って、焼き嵌めで取り付けられているのが有利である。

このポンプロータは固定ハウジング１２に設置されている。固定ハウジング１２は、ポンプロータのシャフト２２を受け入れるアキシャル軸受３８と、軸受３８と組み合わされたシール装置３９と、羽根の上流に位置し、軸受と同軸であり、ハブ２４と対向し、軸方向に延びる流体入口４０と、羽根の下流側部分と連通する、径方向に延びる流体出口４２と、を有する。出口４２は、出口４２から供給される流体が機器に向かって案内されるように、渦巻き形状であることが有利である。このようにポンプは、シャフト２２と、凹状壁２６を備えたハブ２４と、羽根２８と、シュラウド３６と、軸受３８と流体入口４０と流体出口４２とを含む固定ハウジングの一部と、を有する。

シュラウド３６は、ポンプの羽根２８を支持する面の反対面で、シュラウドの外周から放射状に突き出し、シュラウドの外周に一定間隔で配置された多数の羽根４４を支持している。これらの羽根はタービンの羽根を構成し、ポンプの羽根と実質的に同軸であり、且つポンプの羽根と実質的に同じ一つの径方向平面にある。タービンの羽根は、前縁４６と、後縁４８と、シュラウドと実質的に等しい湾曲を持つ半径方向外側先端部５０と、を有する。

ポンプの羽根のシュラウドと同様、湾曲し閉じた外周帯状部５２を、ポンプの羽根のシュラウドと同軸で、タービン羽根４４の半径方向外側先端部５０の全体に渡って、好ましくは焼き嵌めで配置することができる。タービンロータはこのようにして、シュラウド３６と、タービン羽根と、場合によってはタービン羽根の帯状部５２と、によって形成され、ポンプのロータの周囲に搭載され、このようにしてポンプロータの一部を形成する。

このタービンロータは固定ハウジング１２の内部に配置され、固定ハウジング１２は、前縁４６に面し好ましくは渦巻き形状である流体入口５４と、タービン羽根４４と、タービン羽根の後縁４８に面する流体出口５６と、を有する。

この構成は、タービンの羽根とシュラウドとを介し、コンプレッサがタービンで直接駆動されることを可能にする。ポンプのロータの周囲に配置され大きな径を持つタービンの羽根に流体から掛かる力は、コンプレッサを駆動するのに必要な仕事よりも大きな仕事をなすことに寄与する。一実施形態によれば、タービンは、電源が無くても、特に電気モータが無くても動作することができる。つまり、タービンは流体だけで駆動される。同様に、本実施形態では、ポンプを電源で駆動しないことが可能となる。つまり、ポンプは電気モータを必要とせず、タービンだけで駆動される。従って、例えば交流発電機／発電装置などの機械的または電気的装置を駆動するための他の仕事は機械のシャフトから得られる。そのため、システムは動作のために電源を使用せず、むしろ多くのエネルギーを電気エネルギーとして回収することが可能となる。

シュラウドとハウジングとの間のシールを確保することも必要である。これは、シュラウドの自由端に配置され、タービンをポンプから分離するシール手段を用いることで行われる。これを行うため、シール手段はラビリンスシール５８，６０の組とすることができる。ラビリンスシール５８，６０の組は、一例として図示されているように、シュラウドの各端部に形成され溝６４，６６を貫通する薄片６２を備えている。一方の溝６６はタービンの入口５４とポンプの出口４２との間に配置され、他方の溝６４はポンプの入口４０とタービンの出口５６との間に位置している。ポンプ４２の出口とタービン５４の入口の圧力（高圧側）が等しくなるようにし、且つポンプ４０の入口とタービン５６の出口の圧力（低圧側）が等しくなるようにすることでシール性が改善される。

上述のターボポンプは、石油、航空、自動車などの多くの分野で利用することができる。このターボポンプは閉回路を含む用途に特に適しており、唯一の図に示されているように、ランキンサイクル型の回路６８に特に適している。この閉ランキンサイクル回路は、好ましくはＯＲＣ（有機ランキンサイクル）型であり、有機物作動流体、または例えばブタン、エタノール、ハイドロフルオロカーボンなどの有機物流体の混合物を使用する。もちろん、閉回路は、例えばアンモニア、水、二酸化炭素などの流体で作動してもよい。

そして、ポンプの出口４２は熱交換器７０、いわゆる蒸発器と接続される。ポンプによって圧縮された作動流体は蒸発器を通り、それによって、作動流体が圧縮蒸気として蒸発器から排出される。蒸発器にはまた、液体または気体状の熱源７２が通され、熱源７２は作動流体に放熱する。熱源は流体を蒸発させることができ、例えば、燃焼機関、産業プロセス、溶鉱炉から排出される冷却材、燃焼に由来する高温ガス（産業プロセスの煤煙、ボイラからの煤煙、タービンから排出される排気ガスなど）、太陽熱吸収装置から生じる熱流に由来する高温ガスなど、様々な熱源を用いることができる。蒸発器の出口はタービン２０の入口５４と接続され、それによって、高圧の圧縮蒸気である作動流体がタービン２０に流入し、タービンの出口５６から低圧の膨張蒸気として排出されることが可能となる。タービンの出口５６は冷却熱交換器７４または復水器と接続され、冷却熱交換器７４は、流入した低圧の膨張蒸気を低圧の液体に変換する。復水器は、通常は周囲の大気または冷却水の流れである冷却源が流通し、膨張した蒸気を冷却し、凝縮させ液化させる。もちろん、回路の様々な要素は、それらを連続的に接続する流体循環管路によって互いに接続されている。

Claims (7)

1. 固定ハウジング（１２）を有し、前記固定ハウジング（１２）は、ポンプ羽根（２８）を有するポンプロータ（１４）を備えるポンプ（１６）と、タービン羽根（４４）を支持するタービンロータ（１８）を収容するタービン（２０）と、を備えるターボポンプ（１０）において、
   前記タービンロータ（１８）は前記ポンプロータ（１４）の軸と垂直な一つの平面内に、前記ポンプ（１６）の前記ポンプロータ（１４）の周りに同軸配置され、
   前記ポンプロータ（１４）は半径方向に延びる複数の前記ポンプ羽根（２８）を有し、前記半径方向に延びる複数の前記ポンプ羽根（２８）はそれらの半径方向先端部で、外周シュラウド（３６）を支持し、
   前記外周シュラウド（３６）の各端部に、溝（６４，６６）を貫通する薄片（６２）が形成され、一方の溝（６６）は前記タービン（２０）の入口（５４）と前記ポンプ（１６）の出口（４２）との間に配置され、他方の溝（６４）は前記ポンプ（１６）の入口（４０）と前記タービン（２０）の出口（５６）との間に位置していることを特徴とするターボポンプ。
2. 前記外周シュラウド（３６）は、前記タービンロータ（１８）の半径方向に延びる前記タービン羽根（４４）を支持し、前記タービン羽根（４４）は前記ポンプロータ（１４）の前記ポンプ羽根（２８）の上方に、前記ポンプ羽根（２８）と同軸で配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のターボポンプ（１０）。
3. 前記タービンロータ（１８）の前記タービン羽根（４４）の半径方向先端部が、前記外周シュラウド（３６）と実質的に同軸の閉じた外周帯状部（５２）を支持することを特徴とする、請求項１または２に記載のターボポンプ（１０）。
4. 前記外周シュラウド（３６）が、前記固定ハウジングとともに、シール手段（５８，６０）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のターボポンプ（１０）。
5. 前記シール手段が、前記外周シュラウドの各端部に位置するラビリンスシール（５８，６０）の組を有することを特徴とする、請求項４に記載のターボポンプ（１０）。
6. 前記ラビリンスシール（５８，６０）の組は、前記外周シュラウド（３６）の各端部に形成されて前記溝（６４，６６）を貫通する前記薄片（６２）を備えることを特徴とする、請求項５に記載のターボポンプ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のターボポンプを適用した閉回路。

Images