JP7308840B2 - 流体シール装置を備えるターボマシン - Google Patents

Description

本発明は、流体シール装置、すなわち動作流体の存在下で固定子部分に対する回転部分を有するマシンのためのシール装置に関し、特に損傷またはメンテナンスのために止まったとき、マシンの動作流体を閉じ込める意図があるシール装置に関する。

閉じたサイクルの動力生産システムの分野において、特に有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）の分野において、機械シールの役割は、設計及び計画に関する両方において、及びメンテナンス動作の管理において、重大な態様である。機械シール、生理学の自然のそれら及び破損に関するそれらの両方に由来する漏出は、主に次の要因によって、他よりこれらのタイプのシステムに強い影響を有する。

－機械シールが作用する作動流体の高経済価値

－ヨーロッパのＡＴＥＸ標準または同等のものに準拠する操作者の存在及び装備の使用を制限することが難しい領域での漏れ／漏出と関連する可能性のある毒性または爆発性環境

過去には、ターボマシンの動作の間、動作流体の効果的な閉じ込めができるように研究された、回転シール装置が示唆された。しかしながら、特に高温の存在下において、回転シールは、その有効性を失い、マシンを止めるまたは回転シールを置換することによって解決されなければならない、マシンの著しい作動流体の漏出または空気及び潤滑流体の流入を引き起こす。回転シールが損傷したとき、及び特にその交換中、作動流体を閉じ込めるその能力を失い、そのためマシンの内部環境は、特定の予防措置が与えられなければ、外部環境と連通する。

既知の技術のいくつかの解決法は、ターボマシンが止まったとき作動流体の漏出または汚染問題を少なくとも一部解くことができた。

例えば、ターボマシンに与えられるシール及びブレーキ装置は、英国特許第９６４９４６号に記載される。装置は、ターボマシンが止まったとき、作動流体の通過を防ぐために用いられる。特に、装置は、固定子部分とマシンの円筒部を滑るピストンを接続する金属ベローズを備える。ターボマシンが止まったとき、ピストンは、補助流体によって動作し、そのため回転子ディスクとピストンを接触させる。

電磁石によってポンプのシャフトに沿って軸方向に並進されることができるスリーブを備える、遠心力ポンプのシール装置が仏国特許第２５６３５８３号に記載される。スリーブの端部側は、固定子または回転子部品と当接するシールガスケットを有する。

独国特許第３４４０６３５号は、ケースに対して油圧タービンの回転子をシールする構造を記載し、マシンの回転子部分と固定子部分の間に配置されたパッキン及びシールリングを提供する。

欧州特許第２５９１２１１号は、回転子部分がベアリングによって支持され、第１の圧力において第１の環境Ａを画定する少なくとも１つのシールシステムを備える、回転シャフトによって支えられる少なくとも１つのディスクを備える、回転マシンのための流体シール装置を記載する。固定子部分は、回転子部分のディスクの前に壁を有し、そのため回転子部分と固定子部分は、環境Ａの第１の圧力より高いまたは低い第２の圧力において流体を含む第２の環境Ｂを、お互いの間で画定する。第１の環境Ａと第２の環境Ｂは、回転シャフトのシールシステムによって分離する。回転シャフトと同心の動作可能なリング３０は、固定子部分の壁と回転子部分のディスクの間に配置され、回転子部分のディスクの一部に面する少なくとも１つの環状シールガスケットを備える。マシンが止まったとき及びシールガスケットが回転子部分のディスクから離れる、後方非アクティブ位置と、シールガスケットが回転子部分のディスクにもたれる、前方アクティブ位置の間で、メンテナンス動作を実行する前に、リングは、命令で軸方向に動くことができる。実際に、動作可能なリングは、環境Ａ，Ｂの１つから他の環境に流体が通過することを防ぐために、回転マシンが止まったとき、アクティブ位置に動く。動作可能なリングは、回転子部分のディスクの前で、固定子部分の壁に得られる環状凹部に収納され、案内される。後方非アクティブ位置から前方アクティブ位置への動作可能なリングの動作は、加圧流体によって引き起こされる。後方非アクティブ位置への反対方向への動作は、動作可能なリングと固定子部分の前記壁に拘束される反対リングの間に配置されるスラストスプリングによって得られる。

欧州特許第２５９１２１１号に記載される解決法は、特に有機ランキンサイクルで動作するタービン及び有機流体遠心圧縮機を備えるチラーで、ターボマシンが止まったとき作動流体を効率的に閉じ込めることを証明した。一般に、欧州特許第２５９１２１１号に記載される解決法は、ＯＲＣサイクル及び他のサイクルで動作するタービンで用いられることができる。

しかしながら、出願人は、欧州特許第２５９１２１１号に記載されたガスケット（特にリング３０が固定子部分に対してシールを作ることによって軸方向に動くことができるそれら）は、特にターボマシンを横断する作動流体が、有機ランキンサイクルＯＲＣシステムの通常の温度（通常３００℃以下）に対して著しく高温（すなわち３５０－４００℃）に加熱される用途で、早く摩耗する傾向があることを発見した。その理由は、動作可能なリング及びガスケットが、また作動流体の温度近くの高温に届くまで、加熱される事実で確認された。特に、ガスケットの摩耗は、弾性特性を失うこと、シールシステムの有効性を落とす事実によって起こる。

ガスケットの選択は、ＯＲＣサイクルにおいて、方法における温度によってだけでなく、ガスケット材料と有機流体の間の化学的適合性によって条件付けられる。

英国特許公開第２０５４０６７号は、請求項１のプレアンブルに従う解決法を記載する。

英国特許第９６４９４６号 仏国特許第２５６３５８３号 独国特許第３４４０６３５号 欧州特許第２５９１２１１号 英国特許公開第２０５４０６７号

したがって、本発明の目的は、作動流体が３００℃以上に達する環境においても、停止したターボマシンの作動流体の閉じ込めに関して、既知の解決法と比較して大きな性能を備えるターボマシンシール装置を提供することである。

特に、本発明の目的は、より大きな信頼性（動作寿命）と有効性によって特徴付けられるシール装置を備える、ターボマシンを提供することである。

したがって、本発明は、請求項１に記載される流体シール装置を備えるターボマシンに関する。

特に、考慮される回転マシンは、作動流体の存在下で固定子部分に対して回転する回転子部分を有する。

回転子部分は、ベアリングによって支持される回転シャフトによって支えられる少なくとも１つの回転子ディスクを備える。シャフトは、外部環境から作動流体を分離するために、例えば機械的な、少なくとも１つのシールを備えることが好ましい。

第１の環境、または外部環境は、本発明のシール装置オブジェクトと作動流体が分離されなければならない外部環境の間に存在する任意の室、隙間、空間または環境を備える。第２の環境、または内部環境は、作動流体が設計されたサイクルの特異性に依存して、第１の環境に存在する圧力より高いまたは低い圧力において存在する、マシンの内部空間として画定される。

マシンが停止したとき動作できるシール装置は、以下を備える。

－少なくとも１つの環状シール面を備える、回転シャフトと同心の環状要素。

固定子部分に得られ、または固定子部分に一体に固定された環状要素の台座。

環状要素は、環状シール面がマシンの回転子部分と相互作用しない、後方非アクティブ位置から、環状シール面が、例えば回転子ディスクまたはシャフト自身など、マシンの回転子部分と当接する、前方アクティブ位置へ環状シール面を動かすために拡張可能または膨張可能なベローズピストンであり、マシンが停止したとき、内部環境から外部環境へ作動流体が通過することと、または逆に内部環境に空気が流入することを防ぐ。ベローズピストンは、マシンが動作するとき、すなわち回転子部分が回転するとき、環状シール面を後方位置に戻すために引っ込められる。

有利に、冷却液は、マシンの通常動作の間、すなわち回転子部分が、作動流体によって、または作動流体に働かされる動作に応答して、固定子部分に対して回転するとき、ベローズピストンの内部に供給される。冷却液は、ターボマシンの作動流体、または異なる流体であることができる。

好ましくは、ベローズピストンは、少なくとも１つの冷却液供給ダクト及び少なくとも１つのそれぞれの排出ダクトを備え、両方ともベローズピストンの内部容積で冷却液の循環を得るように構成される。

本解決法は、現在利用可能な解決法に対して、さらに重大なＯリング及びターボマシンの機械シールの欠如によって、以下に本明細書に記載されるであろう冷却動作によって、他の条件が等しければ、シールユニット自身の長い使用寿命を得ることができる。同時に、本解決法は、メンテナンス動作の期間を最小化し、これらの介入を単純化することができる。実際に、装置の活性化は、マシンの部分を解体する必要がなく、単純にベローズピストンの加圧を必要とする。

一般に、従来の解決法に対して、他の条件が等しければ、本発明に従うシール装置は、機械シールの破損によって引き起こされるマシンストップの数を最小化することができ、さらに急速に介入することができる。

実際に、本解決法の大きな利点は、さらに効率的にベローズピストンを冷却し、それにより機械シールの使用寿命を延ばす、以下に記載される、可能性によって構成される。

好ましくは、ベローズピストンの台座は、例えば、シャフト上でアクティブな機械シールの外側の回転シャフトと同心の環状台座である。台座は、マシンの固定子部分から回転子ディスクに面する点まで、軸方向に、すなわち回転シャフトの回転軸と平行に延在する。動作したとき、ベローズピストンは、供給される加圧流体によって引き起こされる拡張／膨張によって台座の軸方向に滑る。この技術的特性において、出願人は、ベローズピストンが冷却液を供給される事実からはなれて、すなわち請求項１の特徴部とは独立に、分割特許出願を出願する権利を有する。

好ましい実施形態において、ベローズピストンは、異なる直径を有し、第１の端部において第１のリングと接合され、反対の端部において第２のリングと接合されて同心円状に配置される、２つの円筒ベローズ要素を備える。好ましくは、まさに記載される要素は、金属で作られ、溶接によって接合される。内部加圧可能容積は、２つの円筒ベローズ要素と２つのリングとの間で画定される。ベローズピストンの活性化は、内部容積を加圧する、すなわち例えば圧縮空気または油など、加圧流体をこの内部容積に供給することによって得られる。この目的のために、加圧流体の供給ダクトは、第１のリングを通って延在する。この技術的特性において、出願人は、ベローズピストンが冷却液を供給される事実からはなれて、分割特許出願を出願する権利を有する。

第１のリングは、ベローズピストンの台座に挿入され、マシンの固定子部分に面する。第２のリングは、シール面を支え、例えば回転子ディスクまたはシャフトのヘッドなど、マシンの回転子部分の部品に面する。ベローズピストンが動作するとき、ベローズピストンのシール面とマシンの回転子部分の間に主に存在する間隙は、取り消される。

シールユニットの動作は単純である。ベローズピストンは、第２の環境に存在する圧力より高く、ベローズの軸方向に弾性変形を引き起こすのに十分な圧力へ内部容積を加圧することによって動作し、内部容積において回転子部分と接触するようにベローズのシール面を動かす必要がある最小の圧力より小さい圧力に戻すことによって動作を停止することができる。

シールユニットの代わりの実施形態において、２つの円筒ベローズ要素の少なくとも１つは、ベローズピストンの内部容積を２またはそれ以上の連通室に分ける１またはそれ以上の放射状セプタムを備える。連通室は、第１のリングと第２のリングの間に連続して配置される。第２のリングに近い室は、これらが遮断される、放射状セプタムを追い越すことによって他の室に届く冷却液が供給される。冷却液は、ベローズピストンからの熱を取り除き、本発明のシステムオブジェクトのシール面と、制御温度においてベローズピストンとシャフトの間に配置される機械シールの両方を維持する。

好ましくは、ベローズピストンは、第１のリングに得られる冷却液のための注入口と注入口から第２のリングの近くの室に延在するカニューレを有し、注入口に対して直径方向の反対の位置に第１のリングに得られる冷却液のための排出口を備える。この形態は、冷却液のための必須の経路を画定し、それがよどむことを防ぎ、それがベローズピストンの内側表面の全てに届くことを確実にする。

本発明の第２の態様は、停止したターボマシンの作動流体を閉じ込める方法に関する。

出願人は、上記で予測されたように、請求項２及び３、及び請求項８において分割特許出願を出願する権利を有する。

本発明のさらなる特性と利点は、添付された図面の助けによって、説明の目的のみで、限定することなく描かれた好ましいが、排他的でない実施形態の次の詳細な記載の説明によってより強調されるであろう。

欧州特許第２５９１２１１号に関して前にコメントされた、最新技術を示す、タービンエキスパンダの一部の軸対称の、概略断面図である。 第１の形態のシール装置を備える、本発明によるタービンエキスパンダの一部の軸対称の、概略断面図である。 図２の拡大図である。 本発明によるターボマシンのシール装置の部品の軸対称の、概略断面図である。 シール装置が第２の形態である、図２で示されるタービンエキスパンダの軸対称の、概略断面図である。 図２で示されるタービンエキスパンダ及びそこに関連する加圧システムの軸対称の、概略断面図である。 図４で示されるシール装置の部品の代わりのバージョンの軸対称の、概略断面図である。 図７に示されるシール装置の部品の一部の概略斜視図である。

図１は、既知技術に従う、特に有機ランキンサイクルＯＲＣシステムで動作するタービンのターボマシンの一部の概略図である。タービンは、ディスク１３を支えるシャフト１５を備える。シャフト１５は、介在ベアリング２０とベアリング２０の左に設置され、図示されない他の介在ベアリングによって、チャックとも名付けられる支持スリーブ１９で支持される。この場合において、ディスク１３は、それがベアリング２０の右に取り付けられるので、シャフトベアリングシステムに対してカンチレバのように作られる。シャフト１５の周りで、それと支持スリーブ１９の間に、少なくとも１つのシールシステム１５ｂを支持し、シャフト１５の回転を許容する、ハウジング１５ａが提供され、シールシステム１５ｂの左に配置される、環境Ａと、また左に対するディスク１３の側面が面する環境Ｂの間の流体の通過を防ぎ、いずれにせよ制限するように、いずれにせよ効果的なシールを得る。シールシステムは、例として、１またはそれ以上の機械シール、１またはそれ以上の弾性リングシール、１またはそれ以上のスタッフィングシール、またはこれらの要素の組み合わせ、またはその他で構成される。回転シャフト１５の支持スリーブ１９が、例えばボルト、静的構造１７など、すなわち回転しない取り外し可能な要素と（図でのように）一体化し、または固定されることができる。この静的構造１７は、ディスク１３の前の一部を有し、構造自身の外側の環境Ｃから環境Ｂを分離する。

環境Ａは、ベアリング２０が存在する第１の圧力における環境に対応する。環境Ｂは、作動流体が第２の動作圧力において存在する、回転マシンの内部環境の一部に対応する。環境Ｃは、マシン設置位置に依存する静的構造またはケース１７の外側の環境圧力である。シールシステム１５ｂは、その結果環境Ａと環境Ｂの間の圧力差を受け、そのため高圧における環境Ｂに存在する流体は、低圧における、環境Ａに向かって流れる傾向を有し、上記されたように、その傾向は、一般にマシン動作の間、シールシステム１５ｂによって邪魔される。逆にもし環境Ｂが環境Ａより低圧ならば、機械シール１５ｂは、空気または潤滑液体がプロセスの間、ベアリング及び／または機械シールに入ることを防ぐ。

さらなるシール装置は、回転シャフト１５によって支持されるディスク１３の前の静的構造１７（シールドまたはケース）の壁に得られる対応する環状凹部３１で収納され、軸方向に案内される少なくとも１つの動作可能なリング３０を備える。概して、環状凹部３１と動作可能なリング３０は、シャフト１５と同心であり、凹部３１が円筒として機能する一方で、動作可能なリング３０は、当該ディスク１３の面する面１３ａに向かって、及びそれから離れて当該凹部において、ピストンのように、命令で動作可能である。シールガスケット（３４及び３５）は、凹部３１に対して動作可能なリングに取り付けられる。

動作可能なリング３０は、ディスク１３に面するヘッド部を有し、当該部分の前に動作可能なリング３０は、例えば弾性体で作られるＯリングによって構成される環状前シールガスケット３７が、収納され及び保持される環状喉部を備える。動作可能なリング３０は、－図１で示されるように－前シールガスケット３７が、ディスク１３の面する面１３ａから離れる、後方非アクティブ位置と、－右方向の図示されない－前シールガスケット３７が当該ディスク１３の面する面１３ａにもたれる、前方アクティブ位置の間を動かされることができる。当該前位置は、（例えばメンテナンス動作の間または回転シール１５ｂを交換るとき）回転子が止まったとき、環境ＡまたはＣから環境Ｂを分離するために、動作する。

動作可能なリング３０の変位は、ダクト４４を通って提供される加圧流体によって引き起こされる。最初の位置への戻りは、ばね３８によって引き起こされる。

ガスケット３４，３５及び３７は、もし長期間にわたって高温にさらされるならば摩耗を受ける。さらに、ガスケット３４及び３５が作られる弾性材料と適合する温度において作動するが、それらはそれらが受けなければならない動的挙動についてあまり示されていない。これらの問題は、これらのガスケット３４及び３５が排除されるので、本発明で請求された解決法によって解かれる。好ましい実施形態は、さらに詳細にここから記載される。

図２－７は、本発明によるタービンの一部を示すが、本発明は、一般にさらなるタイプの回転マシンに適用できる。

本質的に、図２－７に示されるタービン部分は、簡単にするために同じ符号で示される、図１に関して表され、上記されたそれらと等価ないくつかの部品及び部分を含む。

さらに、本発明に関する記載及び図において、２つの環境：ベローズピストン３０ｘ及び外部環境の間の任意の環境を備える第１の環境Ｅ及び作動流体が存在するマシンの内側の空間として定義される第２の環境Ｄのみが簡単のために定義される。したがって、例えば図１の環境Ａ及びＣは、図２－７の環境Ｅに含まれる。

回転シャフト１５は、チャックとしても名付けられる静止支持スリーブ１９に対するベアリング２０によって支持される。符号１５ｂによって、図１に示されるシールシステム１５ａ－１５ｂと等価な、機械シール及びそれぞれの筐体は、概略で示される。

示される実施例において、回転シャフト１５のヘッド１５ｃは、ヘッド１５ｃにおいて、図２－７で示されるように、シャフト１５の残りより大きな直径を有する部分を有する。

表現「軸の」は、本明細書でシャフト１５の回転軸と平行な軸または方向を示すために用いられる。

支持スリーブ１９は、要素１２’を備える接続リング１２を間にいれることによって、例えばケースなど、タービンの静的構造１７に拘束される（図２及び３）。開口６は、タービンの作動流体の流入のためにケース１７に画定され、拡張の始まりのために固定子ブレード７のアレイに向けられる。固定子ブレード７のアレイと流体連結される回転子ブレード８のアレイは、すぐその下流に配置され、回転子ディスク１３によって支持され、次にそのヘッド１５ｃにおいてシャフト１５と連結され、その結果それと一体に回転する。図３は、図２の拡大図であり、詳細にシール装置１０を示す。

支持スリーブ１９とタービンのケース１７の間のフランジとして機能する接続リング１２において、次が提供される。

－シール装置１０自身の活性化のための加圧流体の供給ダクト１１

－ダクト１１によって到達するベローズピストン３０ｘが軸方向に動作可能である、接続リング１２及びそれに関連する要素１２’によって特に画定される台座３１。

（例えばグラファイトの）前シール６０は、接続リング１２とベローズピストン３０ｘのリング３０’の間に提供され、リング３０’と要素１２’の間のように、黒い長方形として図に概略的に示される。

場合によっては、台座３１は、ケース１７に直接実施されることができる。しかしながら、ケースに拘束されるが、とにかくそこから分離できる部品１２及び１２’の存在は、それが、チャックが存在する側面のケースから全て引き抜かれるので、ベローズシールシステム１０の組み立て（マシンの実施の間）または分解（シールシステム１０が機能不全に苦しむときはいつでもまたは全マシンを改造することを決めたならば）を容易にできる。

図４は、タービンの他の部品から分離されたベローズピストン３０ｘを示す。ベローズピストン３０ｘは、第１のリング３０’に対する側面（図の左）及び第２のリング３０’’に対する他の側面（図の右）に溶接された、例えば鋼で作られた２つの同心円筒ベローズ要素２１及び２２によって形成される環状要素である。右のリング３０’’において支持スリーブ１９に面する、回転シャフトのヘッド１５ｃの表面に得られる対応する環状台座４０と係合するように意図されたシール面３７がある。同様な形態において、環状台座４０は、回転子ディスク１３または回転シャフトと一体のその他の部分に直接得られる。シール面３７及び４０は、２つの相補的な表面（凹面－凸面）または平面（１または両方）であることができる。２つの円筒ベローズ要素２１及び２２は、回転シャフト１５に対して外側に、接続リング１２の周りに延在する。

２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の直径は、異なり、そのため内部容積Ｖ_ｉは、内側円筒ベローズ要素２１と外側円筒ベローズ要素２２の間に画定される。加圧流体の供給ダクト１１の一部は、リング３０’を通って延在する。ベローズピストン３０ｘが接続リング１２で得られるそれぞれの台座３１に挿入されるとき、ダクト１１により、内部容積Ｖ_ｉの加圧流体の供給が、ベローズピストン３０ｘの拡張／膨張を引き起こすことができる。

図３及び４で示されるように、左リング３０’は、接続リング１２に、そのためケース１７に直接拘束され、そのため静止したままである。連結は、ねじまたはボルトで得られる。代わりに、左リング３０’’は軸方向に固定されるが、回転子１３への台座３１での動きは自由である。そのため、内部容積Ｖ_ｉの加圧は、２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の膨張を引き起こし、シール面３７を環状台座４０に当接させるまで、回転子ディスク１３またはシャフトのヘッド１５ｃへリング３０’’を押す。

ベローズピストン３０ｘは、接続リング１２と要素１２’の間で、台座３１に半径方向に拘束される。特に、リング３０’’は、（ベローズピストンの半径方向にさらに内側に配置された）リング１２によってまたは（ベローズの外側の）要素１２’によって区切られた円筒表面に沿って動くことが自由である。そのため、２つの円筒ベローズ要素２１及び２２のアコーディオン状拡張は、２つの円筒表面の間に案内された軸方向にのみ起きることができる。

実際には、内部容積Ｖ_ｉの加圧は、図５に示される前方アクティブ位置に向かうベローズピストン３０ｘのリング３０’’の動作を引き起こす。

実際に、図５で示されるように、シャフトのヘッド１５ｃに押すことによって、リング３０’’は、ベアリング２０と機械シール１５ｂが取り付けられる領域からタービンの内部環境Ｄを分離するシールシステムを得、そのためそれらを安全に分解すること可能にし、作動流体のこぼれまたは汚染を回避する。実際に、タービンは、一部が図５で分解して示され、シール装置１０とケース１７から空間を空けられた支持スリーブ１９を備える。その後、環境ＤとＥにいかなる連通がなくても、回転シール１５ｂを取り除くこともできる。

シール面３７は、弾性材料で作られたＯリングを用いることによって得られるが、既知の技術に関して記載されるように、高温は、Ｏリングガスケットに負の影響を有する。したがって、シール面３７は、金属ガスケットであることが好ましくまたは、リング３０’’の突起に適切に働くことによって得られ、そのため台座４０と単なる金属－金属接触する。この場合において、流体のシールに関して最大性能を得るために表面３７及び台座４０を修正することが望ましい。とにかく、表面３７と４０の間の小さい漏出がメンテナンスを実行するのに必要とされる数時間の間存在するのみなので、許容されることに注意すべきである一方で、静的ガスケット３４及び３５を通る漏出は、マシンの「通常」動作を通して作用するので、図１の静的ガスケット３４及び３５を排除することははるかに重要である。

有利に、図５に見られるように、シール装置１０は、固定部分と動作可能部分（図１の３４と３５）の間のＯリングを使うことなく、タービンを分解できる。ベアリングを取り除く前に、タービンが停止されたとき、回転子及びシャフトは、外側から操作され、回転子の対応するねじ穴につかまることができる（図１のラッチ５１参照）、ケースを通る少なくとも１つのねじで固定され、支持される。シール装置１０を作動させた後、タービンの内側に配置されるベアリング２０と機械シール１５ｂを交換することが可能である。ベアリング２０または機械シール１５ｂは、タービンの形態がカンチレバのように作られるのでもしそれらが支持スリーブ１９の内部直径より小さいならば、シャフト１５の左端部から滑り落ちることがある。そうでなければ、支持スリーブ１９は、他の固定部分から拘束されなくなり、外部環境Ｅから分離するタービンの内部環境Ｄを維持しながら、ベアリング２０と機械シール１５ｂを引き抜くことができる。

ベローズピストン３０ｘの加圧は、空気、潤滑油、ＯＲＣサイクルの作動流体とともに作動することができる。

メンテナンス動作の終了において、ダクト１１の加圧流体の供給は、中断され、ベローズピストン３０ｘの内側の容積Ｖ_ｉの圧力は、急速に最初の値に戻り、２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の収縮を引き起こし（スプリングバック）、結果として台座３１のリング３０’’を後退させる、すなわち、図２で示される後方非アクティブ位置にベローズピストン３０ｘを戻すことを引き起こす。

内部容積Ｖ_ｉと外側の低い圧力差によって、ベローズピストン３０ｘが前方アクティブ位置に拡張／膨張することを防ぐように２つの円筒ベローズ要素２１及び２２のループの大きさを決めることが望ましい。この予防措置は、ベローズピストン３０ｘがターボマシンの通常動作の間、回転子部分と接触する予防に役立つ。例えば、大気圧より低い圧力で動作し、ベローズの内部容積Ｖ_ｉがマシンの通常動作の間大気圧に維持されるシステムにおいて、ベローズピストン３０ｘは、常に回転子ディスク１３へそれを動かすかもしれない、圧力差に悩まされる。この動作は、適切に剛性のあるベローズ要素を選択することによって、すなわち、例えば長さ単位のループの数、ループの形状及び厚さを選択することによって、起こり得る。

ベローズピストン３０ｘの内部容積Ｖ_ｉと内部環境Ｄの間の圧力差に依存するシール装置１０の起こり得る動作方法は、次の表１に描かれる。
表１

２ｂａｒ未満の圧力差において、シャフトのヘッド１５ｃへの２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の軸変形は、無視できる、すなわち１ｍｍ未満である。４ｂａｒの圧力差において、２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の軸変形は、ヘッド１５ｃに向かって５ｍｍでリング３０’’を動かすために、シャフト１５ｃのヘッドとわずかにリング３０’’を接触させる環境であるが、シールを作り出す十分な推力はない。圧力差が増加すると、リング３０’’とヘッド１５ｃの間、特にシール面３７と台座４０の間の接触力が、増加し、シールを得る。

図で示されない代替の形態において、ベローズピストン３０ｘは、ばねによって後方非アクティブ位置に維持される。しかしながら、この決定は、タービンが停止している間、ベローズピストン３０ｘを動作したいとき、タービンのばねの位置決めのための追加の空間及び容積Ｖ_ｉの高加圧を必要とする。

ベローズピストン３０ｘは、冷却され、環境Ｄにある作動流体の温度より低くシールシステムの温度を維持するラジエータ要素の機能を果たす。冷却は、ベローズピストン３０ｘの内部容積Ｖ_ｉに冷却液を供給することによって、得られ、内部容積Ｖ_ｉの冷却液の圧力がベローズピストン３０ｘを動作するために必要な、すなわち２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の拡張／膨張と、回転子部分へのシール面３７の動作を引き起こすために必要である、最小圧力に届かない、またはそれを超えないことを確実にする。

目的のために適切な冷却液は、例えば油及びターボマシンが挿入される熱力学サイクルで用いられる同じ作動流体である。冷却液の流れは、専用回路で循環するまたは潤滑システムの別の冷却回路から生じることができる。

また放射面としてベローズピストン３０ｘを用いる可能性は、－既知の技術に関連して述べられたように－動作寿命は、動作温度の増加と共に減少する傾向がある、機械シール１５ｂの動作条件を改善することができる。

ベローズ形態の利点によって、２つの円筒ベローズ要素２１及び２２が、より大きな熱交換面を有すると仮定すると、ベローズピストン３０ｘの軸の拡張に関して、冷却は、特に効率がよい。

図５は、概略的にシールシステム１０がまた冷却のために用いられない場合のベローズピストン３０ｘを動作するための可能性のあるシステムを示す。この場合において、単一の加圧流体供給ライン２０２は、例えば、バルブ２０１に接続される圧縮空気のラインまたは窒素ボトルなどで、十分である。加圧に続いて、バルブ２０１は閉じられる。さらに、回路の全ての漏出を補償し、メンテナンス動作を安全に実行することができるために、蓄積タンク２００を用いることも望ましい。

図６は、概略的にシールシステム１０が冷却を受ける場合のベローズピストン３０ｘを動作するための可能性のあるシステムを示す。２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の内部の容積Ｖ_ｉは、２つのダクト：注入口ダクト１１Ａ及び排出口ダクト１１Ｂに組み合わされ、そのため冷却回路３００を得る。図６に示される実施例において、回路３００は、タンク１０５から冷却液を引き抜き、注入口チャネル１１Ａを通ってベローズピストン３０ｘにそれを押し込むポンプ１００を備える。ベローズピストン３０ｘのその冷却動作を完成した後、冷却液は、チャネル１１Ｂを通って外に出て、タンク１０５に戻り、適切な手段及び回路（図示せず）で冷却される。

マシンが停止して、シール装置１０が動作しなければならないとき、電気モータポンプ１００が止まり、排出口チャネル１１Ｂに配置されたバルブ１０３は閉じられる。したがって、例えば容積変位及び手動ピストン式のポンプ１０１は、回路３００及びベローズピストン３０ｘを加圧するように作動する。主ポンプ１００の安全弁１０２は、ベローズピストン３０ｘの加圧超過を回避するために用いられる。バルブ１０３を閉じることによって、及び超過した流れが安全弁１０２から排出されることができることによって、ポンプ１００でのみベローズピストンを加圧することができる。

ベローズシールシステムの不注意な切断を引き起こすことができる、いかなる損傷またはネットワークの中断とは無関係であるので、手動閉回路システムでシステムを作動し、すなわち加圧することが好ましい。

図７及び８は、ベローズピトン３０ｙの好ましい実施形態の概略図である。熱障壁としての有効性を改善するために、ベローズピストン３０ｙの内部容積Ｖ_ｉは、２つの放射状セプタム２１Ａ及び２１Ｂによって、３つの室Ｖ_１１、Ｖ_１２及びＶ_１３にさらに分けられる。この予防措置は、よどみ領域を回避し、冷却液のための優先的な経路を作り出すことができる。それぞれのセプタム２１Ａ及び２１Ｂは、ベローズ要素２１のループに溶接されたリング２０Ａ及び２０Ｂのそれぞれの部分であり、ベローズピストン３０ｙの軸範囲の約３分の１及び３分の２において配置される。

内部容積Ｖ_ｉの冷却液供給は、注入口ＩＮから最も遠い室Ｖ_１１まで、カニューレ５０を通って生じる。冷却液は、図８の点線矢印によって示されるように、接線方向に分配される。室Ｖ_１１において、セプタム２１Ｂによって左に、リング３０’’によって右に区切られる、冷却液は、注入口チャネルＩＮに対して、すなわちセプタム２１Ｂがある角度範囲において遮断する約１８０°においてセプタム２１Ｂを追い越すまで、２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の間のループに沿って接線方向に流れる。したがって、流体は、中間室Ｖ１２に通り、セプタム２１Ａによって左に、セプタム２１Ｂによって右に区切られる、正接方向にその経路を続ける。注入口カニューレ５０において、セプタム２１Ａは、遮断され、そのため流体は、室Ｖ_１３にアクセスし、ベローズの間の空間を再び横断し、最後に排出口ＯＵＴに向かって行く。

放射状セプタム２１Ａ及び２１Ｂによって画定される室Ｖ_１１－Ｖ_１３の間の冷却液の通路は、セプタム２１Ａ及び２１Ｂが半径方向に２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の間に存在する全隙間を妨害しない場所で生じる。図７及び８において、セプタム２１Ｂは、上部で遮断する一方で、セプタム２１Ａは、また注入口カニューレ５０がある下部で遮断する。例えば、両方の場合において、セプタムの遮断は約２０°において延在する。

２つの円筒ベローズ要素２１及び２２の平均直径は、かなり異なり、または他の構造的な要求のために（例えば、異なる剛性を補償するために）、ベローズ要素は、数、大きさ及び形状に関して異なるループを有することができる。それぞれの円筒ベローズ要素２１，２２は、単一の壁または多層技術で作られることができる。

Claims (12)

1. 固定子部分（１７）と作動流体の存在下で前記固定子部分（１７）に対して回転する回転子部分を備えるターボマシンであって、
   前記回転子部分は、ベアリング（２０）によって支持され、前記作動流体を閉じ込めるための少なくとも１つの回転シール（１５ｂ）を備える、回転シャフト（１５）によって支えられる少なくとも１つの回転子ディスク（１３）を備え、
   前記ターボマシンは、前記回転シャフト（１５）と同心の環状要素（３０ｘ）を備え、少なくとも１つの環状シール面（３７）を備える、流体シール装置（１０）と、前記固定子部分の前記環状要素（３０ｘ）の台座（３１）と、を備え、
   前記環状要素（３０ｘ）は、外部環境（Ｅ）から、前記作動流体がある回転マシンの内部環境（Ｄ）を分離して動作することができ、
   前記環状要素は、前記環状シール面（３７）が前記回転子部分と相互作用しない、後方非アクティブ位置から、前記環状シール面（３７）が前記回転子ディスク（１３）または前記回転シャフト（１５）のヘッド（１５ｃ）に当接し、その結果分離を確実にする、前方アクティブ位置へ前記環状シール面（３７）を動かすために拡張または膨張できるベローズピストン（３０ｘ）であり、
   冷却液が、前記ターボマシンの通常動作の間、前記ベローズピストン（３０ｘ）の内部に供給される、ターボマシン。
2. 前記ベローズピストンの前記台座（３１）は、前記回転シャフト（１５）と同心の環状台座であり、前記ターボマシンの前記固定子部分から前記回転子ディスク（１３）または前記回転シャフト（１５）の前記ヘッド（１５ｃ）に面する点まで、軸方向に沿って、すなわち前記回転シャフト（１５）の回転軸と平行に、延在し、
   前記ベローズピストン（３０ｘ）が拡張または膨張することによって前記台座（３１）の軸方向に滑る請求項１に記載のターボマシン。
3. 前記ベローズピストン（３０ｘ）は、異なる直径を有し、同心円状に配置され、第１の端部において第１のリング（３０’）と接合され、反対の端部において第２のリング（３０’’）と接合される２つの円筒要素（２１，２２）を備え、
   内部の加圧可能な容積（Ｖ_ｉ）は、前記２つの円筒要素（２１，２２）及び２つのリング（３０’，３０’’）の間で画定される、請求項１または２に記載のターボマシン。
4. 加圧流体の供給ダクト（１１）は、前記流体シール装置（１０）が動作できるように、前記第１のリング（３０’）を通って延在する、請求項３に記載のターボマシン。
5. 前記第１のリング（３０’）は、前記ベローズピストン（３０ｘ）の前記台座（３１）に挿入され、前記ターボマシンの前記固定子部分に面し、そこに一体化され、
   軸方向に動くことができる、前記第２のリング（３０’’）は、前記環状シール面（３７）を支え、前記回転子ディスク（１３）または前記回転シャフト（１５）の前記ヘッド（１５ｃ）に面する、請求項３または４に記載のターボマシン。
6. 前記ベローズピストン（３０ｘ）は、前記容積（Ｖ_ｉ）を前記ターボマシンの内部環境（Ｄ）の圧力より高い圧力に加圧することによって動作されることができ、前記回転子部分と接触する前記環状シール面（３７）を動かすために必要な最小圧力より低い圧力を、前記容積（Ｖ_ｉ）で、復元することによって動作を停止させることができる、請求項３乃至５のいずれか１項に記載のターボマシン。
7. 前記２つの円筒要素（２１，２２）、前記第１のリング（３０’）及び前記第２のリング（３０’’）は、金属で作られ、溶接によって接合される、請求項３乃至６のいずれか１項に記載のターボマシン。
8. 前記環状シール面（３７）は、金属で作られ、前記環状シール面（３７）と相補的な形状を有する平面または台座（４０）と当接するように意図され、前記回転子ディスク（１３）または前記回転シャフト（１５）の前記ヘッド（１５ｃ）で得られ、または弾性材料で作られた環状ガスケットである、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のターボマシン。
9. ２つの円筒要素（２１，２２）の少なくとも１つは、第１のリング（３０’）と第２のリング（３０’’）の間に連続して配置される２またはそれ以上の連絡室（Ｖ_１１－Ｖ_１３）に容積（Ｖ_ｉ）を分ける１またはそれ以上の放射状セプタム（２１Ａ，２１Ｂ）を備え、その結果冷却液のための優先経路を作る、請求項３乃至８のいずれか１項に記載のターボマシン。
10. 前記ベローズピストンは、第１のリング（３０’）で得られる冷却液のための注入口（ＩＮ）と、前記注入口（ＩＮ）から第２のリング（３０’’）近くの室（Ｖ_１１）へ延在するカニューレ（５０）を有し、
    前記カニューレ（５０）は、前記注入口（ＩＮ）に対して直径方向に反対の位置に、第１のリング（３０’）で得られる冷却液のための排出口（ＯＵＴ）を備え、
    前記冷却液は、第２のリング（３０’’）に近い室（Ｖ_１１）から他の室へ流れ、端部において、それらが遮断される前記放射状セプタム（２１Ａ，２１Ｂ）を超えることによって前記排出口（ＯＵＴ）に流れる、請求項９に記載のターボマシン。
11. 有機ランキンサイクルで動作するタービンである、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のターボマシン。
12. 固定子部分と、作動流体によって与えられる動作によって固定子部分に対して回転可能な回転子部分と、を備えるターボマシンの前記作動流体を閉じ込める方法であって、
    前記回転子部分は、ベアリング（２０）によって支持され、前記作動流体が出てくること防ぐための少なくとも１つのシール（１５ｂ）を備える、回転シャフト（１５）によって支持される少なくとも１つの回転子ディスク（１３）を備え、
    前記方法は、
    ａ）前記ターボマシンの外側の環境（Ｅ）から、作動流体がある、ターボマシンの内側の環境（Ｄ）を分離するように動作できる、ベローズピストン（３０ｘ）を備える、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の流体シール装置（１０）を、前記回転シャフト（１５）の周り及び前記シール（１５ｂ）の周りに同心円状に配置するステップと、
    ｂ）後方非アクティブ位置から前方アクティブ位置にそれぞれの環状シール面（３７）を動かすために、ターボマシンを停止し、ベローズピストン（３０ｘ）を拡張し／膨張し、必要な経過時間、内部環境（Ｄ）から外部環境（Ｅ）を分離するような位置にそれを維持するステップと、
    ｃ）前記ターボマシンが再始動する前に、前記それぞれの環状シール面（３７）を前記前方アクティブ位置から前記後方非アクティブ位置に戻すために、前記ベローズピストン（３０ｘ）の動作を停止するステップと、を備え、
    冷却液は、前記ターボマシンの通常動作の間、前記ベローズピストン（３０ｘ）の内部に供給される、方法。

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