JP7471164B2 - 冷熱発電用のタービン - Google Patents

Description

本開示は、液化ガスを加熱するための熱媒体が循環するように構成された熱媒体循環ラインに設けられる冷熱発電用のタービンに関する。

液化ガス（例えば、液化天然ガス）は、輸送や貯蔵を目的として液化され、都市ガスや火力発電所などの供給先に供給するに際して、海水などの熱媒体で昇温して気化させることが行われる。液化ガスを気化させる際に、冷熱エネルギを海水に捨てるのではなく電力として回収する冷熱発電が行われることがある（例えば、特許文献１）。

液化天然ガスの冷熱発電サイクルとしては、二次媒体ランキンサイクル方式などが知られている（例えば、特許文献１）。二次媒体ランキンサイクル方式は、クローズドループ内を循環する二次媒体を、蒸発器にて海水を熱源として加熱して蒸発させ、この蒸気を冷熱発電用のタービンに導入して動力を得た後に、液化天然ガスにて冷却、凝縮させる方式である。

実開昭６１－５９８０３号公報

冷熱発電用のタービンでは、二次媒体の外部漏れを抑制することを目的として、タービン軸と該タービン軸を収納するケーシングとの間をシールするための軸封シール構造に、メカニカルシールを用いることがある（例えば、特許文献１）。メカニカルシールが配置されることで、タービン軸とケーシングとの間には、静翼と動翼との間から漏洩した二次媒体が流入可能なシール空間が形成される。このシール空間は、静翼と動翼との間から漏洩した熱媒体により大気圧よりも高圧になる。例えば、タービンの起動時や部分負荷時において、シール空間の圧力が１ＭＰａを超える高圧となることがある。メカニカルシールにおけるシール空間側と、シール空間側とは反対側の大気側と、の間の圧力差が大きいと、メカニカルシールにかかる圧力負荷が大きくなるため、メカニカルシールの劣化や損傷、漏洩のリスクが高まる虞がある。

上述したタービンの信頼性を確保するための方策として、メカニカルシールに供給するシール用の油を昇圧するための機器により、上記シール用の油を昇圧してメカニカルシールにかかる圧力負荷を低減することや、メカニカルシールを多重構造（例えば、二重や三重）にして、シール空間内の圧力を段階的に落とすこと、などが挙げられる。これらの方策では、軸封シール構造を備える冷熱発電用のタービンの高額化を招く虞がある。

上述した事情に鑑みて、本開示の少なくとも一実施形態の目的は、冷熱発電用のタービンの高額化を抑制しつつ、冷熱発電用のタービンの信頼性を向上させることができる冷熱発電用のタービンを提供することにある。

本開示にかかる冷熱発電用のタービンは、
液化ガスを加熱するための熱媒体が循環するように構成された熱媒体循環ラインに設けられる冷熱発電用のタービンであって、
ロータシャフトと、
前記ロータシャフトを収容するケーシングと、
前記ロータシャフトの周りに設けられた少なくとも一つの動翼と、
前記ケーシングに支持された少なくとも一つの静翼と、
前記少なくとも一つの動翼よりも上流側において前記ロータシャフトと前記ケーシングとの間をシールするメカニカルシールと、
前記メカニカルシールが配置されることで前記ケーシングの内部に形成されるシール空間であって、前記少なくとも一つの静翼と前記少なくとも一つの動翼の間から漏洩した前記熱媒体が流入可能なシール空間に一方側が接続され、且つ前記熱媒体循環ラインにおける前記シール空間よりも圧力が低い低圧部に他方側が接続された減圧ラインと、
を備える。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、冷熱発電用のタービンの高額化を抑制しつつ、冷熱発電用のタービンの信頼性を向上させることができる冷熱発電用のタービンを提供する。

本開示の一実施形態にかかる冷熱発電用のタービンを備える冷熱発電システムの構成を概略的に示す概略構成図である。 本開示の一実施形態にかかる冷熱発電用のタービンの軸線に沿った断面を概略的に示す概略断面図である。 本開示の一実施形態にかかる冷熱発電用のタービンの軸線に沿った断面を概略的に示す概略断面図である。 本開示の一実施形態にかかる冷熱発電用のタービンの軸線に沿った断面を概略的に示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。

（冷熱発電システム）
図１は、本開示の一実施形態にかかる冷熱発電用のタービンを備える冷熱発電システムの構成を概略的に示す概略構成図である。
冷熱発電システム１は、図１に示されるように、冷熱発電用のタービン２（以下、タービン２とする）と、液化ガス供給ライン３と、熱媒体循環ライン４と、加熱水供給ライン５と、発電機１１と、第１の熱交換器１２と、第２の熱交換器１３と、を備える。液化ガス供給ライン３、熱媒体循環ライン４および加熱水供給ライン５の夫々は、例えば管路などの流体が流通する流路を含むものである。

液化ガス供給ライン３は、液化ガス貯留装置３１から液化ガスを送るように構成されている。液化ガス貯留装置（例えば、液化ガスタンク）３１は、液状の液化ガスを貯留するように構成されている。

熱媒体循環ライン４は、水よりも凝固点が低い熱媒体を循環させるように構成されている。以下、液化ガスの具体例として液化天然ガス（ＬＮＧ）を、熱媒体循環ライン４を流れる熱媒体の具体例としてプロパンを例に挙げて説明するが、本開示は、液化天然ガス以外の液化ガス（液体水素など）にも適用可能であり、また、プロパン以外の熱媒体を、熱媒体循環ライン４を流れる熱媒体とした場合にも適用可能である。

図示される実施形態では、冷熱発電システム１は、液化ガス供給ライン３に設けられた液化ガス用ポンプ３２と、熱媒体循環ライン４に設けられた熱媒体用の循環ポンプ４１と、をさらに備える。液化ガス供給ライン３は、その一端側３３が液化ガス貯留装置３１に接続され、その他端側３４が冷熱発電システム１の外部に設けられる液化ガス用の機器３５に接続される。液化ガス用の機器３５としては、例えば、陸上に設けられたガスホルダやこれに接続されるガス配管などが挙げられる。

液化ガス用ポンプ３２を駆動させることにより、液化ガス貯留装置３１に貯留される液化ガスが液化ガス供給ライン３に送られて、液化ガス供給ライン３を上流側から下流側に向かって流れた後に、液化ガス用の機器３５に送られる。

熱媒体用の循環ポンプ４１を駆動させることにより、熱媒体循環ライン４を熱媒体が循環する。タービン２は、液化ガスを加熱するための熱媒体が循環するように構成された熱媒体循環ライン４に設けられる。タービン２は、ロータシャフト２１を備え、熱媒体循環ライン４を流れる熱媒体により駆動する（ロータシャフト２１を回転させる）ように構成されている。発電機１１は、ロータシャフト２１に接続され、タービン２の駆動力（ロータシャフト２１の回転力）を駆動源として発電するように構成されている。

加熱水供給ライン５は、冷熱発電システム１の外部から導入された加熱水を送るように構成されている。「加熱水」は、熱交換器において熱媒として熱交換対象を加熱させる水であればよく、常温の水であってもよい。冷熱発電システム１が船体１０又は水上に浮かぶ浮体に搭載される場合には、加熱水は、船舶又は浮体において入手が容易な水（例えば、海水などの船外水や、船舶のエンジンを冷却した冷却水など）が好ましい。或る実施形態では、冷熱発電システム１や冷熱発電用のタービン２は、図１に示されるような船体１０又は浮体１０Ａに搭載される。他の或る実施形態では、冷熱発電システム１や冷熱発電用のタービン２は、陸上に設置される。

図示される実施形態では、冷熱発電システム１は、水よりも凝固点が低い中間熱媒体を循環させるように構成された中間熱媒体循環ライン６と、中間熱媒体循環ライン６に設けられる中間熱媒体用の循環ポンプ６１と、加熱水供給ライン５に設けられる加熱水用ポンプ５１と、第３の熱交換器１４と、をさらに備える。

図示される実施形態では、冷熱発電システム１は、中間熱媒体用の循環ポンプ６１を駆動させることにより、中間熱媒体循環ライン６を中間熱媒体が循環する。加熱水供給ライン５は、その一端側５２が冷熱発電システム１の外部に設けられる加熱水の供給元１５に接続され、その他端側５３が冷熱発電システム１の外部に設けられる加熱水の排出先１６に接続される。加熱水用ポンプ５１を駆動させることにより、加熱水の供給元１５から加熱水が加熱水供給ライン５に送られて、加熱水供給ライン５を上流側から下流側に向かって流れた後に、加熱水の排出先１６に送られる。

冷熱発電システム１が船体１０又は水上に浮かぶ浮体１０Ａに搭載される場合には、加熱水の供給元１５としては、例えば、船体１０に設けられた船外の水を導入するための取水口１５Ａが挙げられる。また、冷熱発電システム１が船体１０又は浮体１０Ａに搭載される場合には、加熱水の排出先１６としては、例えば、船体１０に設けられた船外に水を排出するための排出口１６Ａが挙げられる。

中間熱媒体は、熱媒体循環ライン４を流れる熱媒体と同種の熱媒体であってもよいし、異種の熱媒体であってもよい。図示される実施形態では、中間熱媒体は、プロパンからなり、加熱水は、船外から取得した海水からなる。

第１の熱交換器１２は、液化ガス供給ライン３を流れる液化ガスと、熱媒体循環ライン４を流れる熱媒体と、の間で熱交換を行うように構成されている。
図１に示される実施形態では、第１の熱交換器１２は、液化ガス供給ライン３に設けられた液化ガスが流れる液化ガス流路１２１と、熱媒体循環ライン４に設けられた熱媒体が流れる熱媒体流路１２２と、を含む。熱媒体流路１２２内の熱媒体と、液化ガス流路１２１内の液化ガスと、の間で熱交換が行われる。

第２の熱交換器１３は、熱媒体循環ライン４を流れる熱媒体と、中間熱媒体循環ライン６を流れる中間熱媒体と、の間で熱交換を行うように構成されている。
図１に示される実施形態では、第２の熱交換器１３は、熱媒体循環ライン４に設けられた熱媒体が流れる熱媒体流路１３１と、中間熱媒体循環ライン６に設けられた中間熱媒体が流れる中間熱媒体流路１３２と、を含む。中間熱媒体流路１３２内の中間熱媒体と、熱媒体流路１３１内の熱媒体と、の間で熱交換が行われる。

なお、他の幾つかの実施形態では、第２の熱交換器１３は、熱媒体循環ライン４を流れる熱媒体と、加熱水供給ライン５を流れる加熱水と、の間で熱交換を行うように構成されていてもよい。第２の熱交換器１３は、その内部に、加熱水供給ライン５に設けられた加熱水が流れる加熱水流路であって、熱媒体流路１３２との間で熱交換を行うための加熱水流路を含んでいてもよい。この場合には、冷熱発電システム１は、中間熱媒体循環ライン６および第３の熱交換器１４を備える必要がないため、その構造を大型化や複雑化を抑制できる。

第３の熱交換器１４は、中間熱媒体循環ライン６を流れる中間熱媒体と、加熱水供給ライン５を流れる加熱水と、の間で熱交換を行うように構成されている。
図１に示される実施形態では、第３の熱交換器１４は、中間熱媒体循環ライン６に設けられた中間熱媒体が流れる中間熱媒体流路１４１と、加熱水供給ライン５に設けられた加熱水が流れる加熱水流路１４２と、を含む。中間熱媒体流路１４１内の中間熱媒体と、加熱水流路１４２内の加熱水と、の間で熱交換が行われる。

第１の熱交換器１２（具体的には液化ガス流路１２１）は、液化ガス供給ライン３の液化ガス用ポンプ３２よりも下流側、且つ液化ガス用の機器３５よりも上流側に設けられる。液化ガス用ポンプ３２は、液化ガス供給ライン３の液化ガス貯留装置３１よりも下流側に設けられる。また、第１の熱交換器１２（具体的には熱媒体流路１２２）は、熱媒体循環ライン４のタービン２よりも下流側、且つ熱媒体用の循環ポンプ４１よりも上流側に設けられる。

第２の熱交換器１３（具体的には熱媒体流路１３１）は、熱媒体循環ライン４の熱媒体用の循環ポンプ４１よりも下流側、且つタービン２よりも上流側に設けられる。また、第２の熱交換器１３（具体的には中間熱媒体流路１３２）は、中間熱媒体循環ライン６の第３の熱交換器１４（具体的には中間熱媒体流路１４１）よりも下流側、且つ中間熱媒体用の循環ポンプ６１よりも上流側に設けられる。

第３の熱交換器１４（具体的には加熱水流路１４２）は、加熱水供給ライン５の加熱水用ポンプ５１よりも下流側、且つ加熱水の排出先１６よりも上流側に設けられる。加熱水用ポンプ５１は、加熱水供給ライン５の加熱水の供給元１５よりも下流側に設けられる。

第１の熱交換器１２の液化ガス流路１２１には、液化ガス用ポンプ３２により昇圧された液状の液化ガスが送られる。第１の熱交換器１２における熱交換により、液化ガス流路１２１を流れる液化ガスが加熱され、熱媒体流路１２２を流れる熱媒体が冷却される。つまり、液化ガス流路１２１を流れる液化ガスの冷熱エネルギが熱媒体流路１２２を流れる熱媒体に回収される。第１の熱交換器１２における熱交換により、熱媒体流路１２２を流れる熱媒体は、水（加熱水）の凝固点よりも低い温度になる。

第３の熱交換器１４の中間熱媒体流路１４１には、中間熱媒体用の循環ポンプ６１により昇圧された中間熱媒体が送られる。また、加熱水流路１４２には、加熱水用ポンプ５１により昇圧された加熱水が送られる。第３の熱交換器１４における熱交換により、中間熱媒体流路１４１を流れる中間熱媒体が加熱される。

第２の熱交換器１３の熱媒体流路１３１には、第１の熱交換器１２により冷却された後に、熱媒体用の循環ポンプ４１により昇圧された熱媒体が送られる。また、中間熱媒体流路１３２には、第３の熱交換器１４により加熱された中間熱媒体が送られる。第２の熱交換器１３における熱交換により、熱媒体流路１３１を流れる熱媒体が加熱され、中間熱媒体流路１３２が冷却される。

図１に示される実施形態では、冷熱発電システム１は、熱媒体循環ライン４における第２の熱交換器１３よりも下流側から分岐して、タービン２を迂回して第１の熱交換器１２の熱媒体流路１２２よりも上流側に接続されるバイパスライン１７をさらに備える。上述した熱媒体循環ライン４におけるバイパスライン１７が分岐する分岐部１７１からバイパスライン１７が合流する合流部１７２までの間の流路（タービン２を通過する流路）を主流路４２とする。

図１に示される実施形態では、冷熱発電システム１は、主流路４２のタービン２より上流側に設けられる開閉弁４３と、バイパスライン１７に設けられる開閉弁１７３と、をさらに備える。例えば、冷熱発電システム１の始動時には、開閉弁４３を閉じ、開閉弁１７３を開いて熱媒体にタービン２を迂回させる。所定期間が経過した後に、開閉弁４３を開いて、開閉弁１７３を閉じて熱媒体にタービン２を通過させる。

（冷熱発電用のタービン）
図２は、本開示の一実施形態にかかる冷熱発電用のタービンの軸線に沿った断面を概略的に示す概略断面図である。
幾つかの実施形態にかかる冷熱発電用のタービン２は、図２に示されるように、ロータシャフト２１と、ロータシャフト２１を収容するケーシング７と、ロータシャフト２１の周りに設けられた少なくとも一つの動翼２２と、ケーシング７に支持された少なくとも一つの静翼２３と、少なくとも一つの動翼２２よりも上流側においてロータシャフト２１とケーシング７との間をシールするメカニカルシール８１と、を備える。

図示される実施形態では、少なくとも一つの動翼２２は、図２に示されるように、複数の動翼２２を含み、複数の動翼２２は、第１の動翼２２Ａと、第１の動翼２２Ａよりも下流側に設けられる第２の動翼２２Ｂと、を含む。少なくとも一つの静翼２３は、図２に示されるように、複数の静翼２３を含み、第１の動翼２２Ａよりも上流側に設けられる第１の静翼２３Ａと、第１の動翼２２Ａよりも下流側、且つ第２の動翼２２Ｂよりも上流側に設けられる第２の静翼２３Ｂと、を含む。主流路４２を流れてケーシング７の内部に導入された熱媒体は、主に、第１の静翼２３Ａ、第１の動翼２２Ａ、第２の静翼２３Ｂおよび第２の動翼２２Ｂをこの順に通過した後に、ケーシング７の外部に排出される。

第１の動翼２２Ａは、第２の動翼２２Ｂよりもタービン２の軸方向、すなわちタービン２の軸線ＣＡの延在する方向、における一方側（図中右側）に配置されている。以下、タービン２の軸方向における上記一方側（図中右側）を前方側と定義し、上記一方側とは反対側（図中左側）を後方側と定義する。また、タービン２の径方向を単に径方向と称し、タービン２の周方向を単に周方向と称することがある。

第１の動翼２２Ａは、第２の動翼２２Ｂよりも前方側に位置している。第１の静翼２３Ａは、第１の動翼２２Ａよりも前方側に配置され、第２の静翼２３Ｂは、第２の動翼２２Ｂよりも前方側、且つ第１の動翼２２Ａよりも後方側に配置されている。

ロータシャフト２１は、タービン２の軸線ＣＡに沿って延在するシャフト部２１１と、シャフト部２１１の外面２１２から径方向における外側に円板状に突出する複数のディスク部２１３と、を含む。複数のディスク部２１３は、第１の動翼２２Ａが外周に取り付けられた前方側ディスク部２１３Ａと、前方側ディスク部２１３Ａよりも後方側に位置する後方側ディスク部２１３Ｂであって、第２の動翼２２Ｂが外周に取り付けられた後方側ディスク部２１３Ｂと、を含む。

ケーシング７は、第１の静翼２３Ａに熱媒体を導くための熱媒体導入流路７１を形成する熱媒体導入部７２と、第２の動翼２２Ｂを通過した熱媒体を外部に導くための熱媒体排出流路７３を形成する熱媒体排出部７４と、第１の静翼２３Ａの外周部（外輪）および第２の静翼２３Ｂの外周部（外輪）の夫々を径方向における外側から支持する外側静翼支持部７５と、第１の静翼２３Ａの内周部（内輪）を径方向における内側から支持する内側静翼支持部７６と、前方側ディスク部２１３Ａよりも前方側に隙間を有して配置される前方内側ケーシング７７と、を含む。

図示される実施形態では、熱媒体導入部７２は、第１の静翼２３Ａよりも前方側に設けられており、熱媒体排出部７４は、第２の動翼２２Ｂよりも後方側に設けられている。熱媒体導入部７２の外面７２１には、ケーシング７の内部に熱媒体を導入するための導入口７２２が形成されている。導入口７２２は、径方向における外側に向かって開口している。熱媒体排出部７４の外面７４１には、ケーシング７の外部に熱媒体を排出するための排出口７４２が形成されている。排出口７４２は、径方向における外側に向かって開口している。

導入口７２２を通じて径方向における外側から熱媒体導入流路７１に導入された熱媒体は、軸方向における前方側から後方側に流れて、複数の静翼２３および複数の動翼２２を通過した後に、熱媒体排出流路７３に送られる。熱媒体排出流路７３に送られた熱媒体は、排出口７４２を通じてケーシング７の外部に排出される。ケーシング７の外部に排出された熱媒体は、図１に示されるように、熱媒体循環ライン４におけるタービン２と第１の熱交換器１２とを繋ぐ部分４Ａを通じて第１の熱交換器１２に送られる。上記部分４Ａの上流端４０１は、排出口７４２に熱媒体を流通可能に接続され、上記部分４Ａの下流端４０２は、第１の熱交換器１２の熱媒体流路１２２の上流端に熱媒体を流通可能に接続されている。

外側静翼支持部７５は、熱媒体導入部７２および熱媒体排出部７４の夫々に支持されており、内側静翼支持部７６は、熱媒体導入部７２および前方内側ケーシング７７の夫々に支持されている。前方内側ケーシング７７は、タービン２の軸線ＣＡ方向から視たときに、径方向に向かって延在する円環状に形成されている。前方内側ケーシング７７の外周部７７１において内側静翼支持部７６を支持している。上述したメカニカルシール８１は、ロータシャフト２１のシャフト部２１１と、前方内側ケーシング７７の内周部７７２と、の間に配置され、シャフト部２１１と内周部７７２との間をシールしている。

図示される実施形態では、図２に示されるように、前方内側ケーシング７７の外周部７７１および内周部７７２の夫々は、径方向に沿って延在しており、内周部７７２が外周部７７１よりも軸方向における前方側に位置している。前方内側ケーシング７７は、外周部７７１と、内周部７７２と、軸方向に沿って延在して後方端７７３が外周部７７１に接続され、前方端７７４が内周部７７２に接続された軸方向延在部７７５と、を含む。

図示される実施形態では、図２に示されるように、上述したタービン２は、ロータシャフト２１のシャフト部２１１に取り付けられたスラストカラー２４と、スラストカラー２４よりも前方側にスラストカラー２４に対面して配置される前方側スラスト軸受２５と、スラストカラー２４よりも後方側にスラストカラー２４に対面して配置される後方側スラスト軸受２６と、前方側スラスト軸受２５および後方側スラスト軸受２６を収納するとともにその内部に支持する軸受ハウジング２７と、をさらに備える。

幾つかの実施形態にかかる冷熱発電用のタービン２は、図２に示されるように、上述したロータシャフト２１と、ロータシャフト２１を収容する上述したケーシング７と、ロータシャフト２１の周りに設けられた上述した少なくとも一つの動翼２２と、ケーシング７に支持された上述した少なくとも一つの静翼２３と、少なくとも一つの動翼２２よりも上流側（前方側）においてロータシャフト２１とケーシング７との間をシールするメカニカルシール８１と、メカニカルシール８１が配置されることでケーシング７の内部に形成されるシール空間８２であって、少なくとも一つの静翼２３（２３Ａ）と少なくとも一つの動翼２２（２２Ａ）の間から漏洩した熱媒体が流入可能なシール空間８２に一方側８３１が接続され、且つ熱媒体循環ライン４におけるシール空間８２よりも圧力が低い低圧部８４に他方側８３２が接続された減圧ライン８３と、を備える。

図示される実施形態では、図２に示されるように、前方内側ケーシング７７の軸方向延在部７７５に内外を連通するように貫通する貫通孔７８が形成され、この貫通孔７８に減圧ライン８３の一方側８３１が接続されている。

図示される実施形態では、上述したシール空間８２は、ロータシャフト２１のシャフト部２１１よりも外周側において、前方側ディスク部２１３Ａの前方側面２１４と、前方内側ケーシング７７の上記前方側面２１４に対向する内面７７６と、の形成された環状空間からなる。シール空間８２には、第１の静翼２３Ａ（図示例では、初段静翼）と第１の動翼２２Ａ（図示例では、初段動翼）の間から漏洩した熱媒体が流入するため、上述した減圧ライン８３を備えない場合には、シール空間８２の圧力Ｐ１は、第１の静翼２３Ａと第１の動翼２２Ａとの間の圧力Ｐ２（ノズル出口圧）に近い高圧（メカニカルシール８１の大気側の圧力よりも高圧）となる。

上記の構成によれば、シール空間８２と低圧部８４との間の圧力差により、シール空間８２に存在する熱媒体が、減圧ライン８３の一方側８３１から減圧ライン８３に導かれ、減圧ライン８３を一方側８３１から他方側８３２に流れた後に、低圧部８４に送られる。この低圧部８４は、熱媒体循環ライン４に設けられるので、熱媒体の外部への流出を抑制できる。このように、シール空間８２に存在する熱媒体の一部を熱媒体循環ライン４の低圧部８４に流出させることで、シール空間８２の圧力Ｐ１を低減させることができる。シール空間８２の圧力Ｐ１を低減することで、メカニカルシール８１におけるシール空間側と、シール空間側とは反対側の大気側と、の間の圧力差を低減でき、ひいてはメカニカルシール８１にかかる圧力負荷を低減できる。これにより、メカニカルシール８１の劣化や損傷、漏洩のリスクを低減できるため、メカニカルシール８１を備える軸封シール構造の信頼性を向上させることができる。

また、上記の構成によれば、シール空間８２の圧力Ｐ１を低減することで、前方側ディスク部２１３Ａのシール空間８２からの受圧を低減できるため、ロータシャフト２１の軸方向にかかる力（スラスト）を低減できる。これにより、冷熱発電用のタービン２の機械損失を低減でき、冷熱発電用のタービン２の信頼性を向上させることができる。また、上記の構成によれば、冷熱発電用のタービン２に追加の動力機器などを設ける必要がなく、減圧ライン８３を設ければよいので、冷熱発電用のタービン２の高額化を抑制できる。

図３は、本開示の一実施形態にかかる冷熱発電用のタービンの軸線に沿った断面を概略的に示す概略断面図である。
幾つかの実施形態では、図３に示されるように、上述した冷熱発電用のタービン２は、上述したシール空間８２におけるメカニカルシール８１よりも上流側においてロータシャフト２１とケーシング７との間をシールする非接触シール部８５をさらに備える。

図示される実施形態では、図３に示されるように、上述した前方内側ケーシング７７は、内周部７７２よりも軸方向における後方側において軸方向延在部７７５から径方向の内側に向かって突出する突出部７７７をさらに含む。図１に示される実施形態では、突出部７７７は、軸方向延在部７７５の後方端７７３から突出している。上述した非接触シール部８５は、ロータシャフト２１のシャフト部２１１と、前方内側ケーシング７７の突出部７７７と、の間に配置され、シャフト部２１１と突出部７７７との間をシールしている。

上述したシール空間８２は、非接触シール部８５がシャフト部２１１と突出部７７７との間をシールすることで、非接触シール部８５よりも上流側（非接触シール部８５よりも後方側）の第１シール空間８２Ａと、非接触シール部８５よりも下流側（非接触シール部８５よりも後方側）の第２シール空間８２Ｂと、に区分される。熱媒体の第１シール空間８２Ａから第２シール空間８２Ｂへの流出は、非接触シール部８５により抑制されるため、第２シール空間８２Ｂの圧力Ｐ３は、第１シール空間８２Ａの圧力Ｐ１よりも低いものとなる。

上記の構成によれば、非接触シール部８５により、シール空間８２におけるメカニカルシール８１よりも上流側をシールしている。この場合には、非接触シール部８５よりも下流側（第２シール空間８２Ｂ）への熱媒体のリーク量が、非接触シール部８５よりも上流側と下流側との間の圧力差に応じて決まるようになるため、非接触シール部８５を設けない場合に比べて、非接触シール部８５よりも下流側への熱媒体のリーク量を低減できる。これにより、メカニカルシール８１のシール空間側の圧力を低減できるので、メカニカルシール８１のシール空間側と、シール空間側とは反対側の大気側と、の間の圧力差を低減でき、ひいてはメカニカルシール８１にかかる圧力負荷を低減できる。また、上記の構成によれば、非接触シール部８５よりも下流側（第２シール空間８２Ｂ）への熱媒体のリーク量を低減することで、冷熱発電用のタービン２の性能を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、図３に示されるように、上述した非接触シール部８５は、ラビリンスシール８５Ａを含む。ラビリンスシール８５Ａは、前方内側ケーシング７７の突出部７７７、又はロータシャフト２１のシャフト部２１１の突出部７７７に対向する部分、の少なくとも一方に形成されている。図示される実施形態では、ラビリンスシール８５Ａは、前方内側ケーシング７７の突出部７７７、およびロータシャフト２１のシャフト部２１１の両方に形成され、互いに対向する部分に凸部又は凹部が形成されている。

上記の構成によれば、非接触シール部８５に簡単な構造であるラビリンスシール８５Ａを用いることで、軸封シール構造におけるシール性を確保しつつ、軸封シール構造を備える冷熱発電用のタービン２の高額化を抑制できる。なお、他の幾つかの実施形態では、非接触シール部８５にラビリンスシール８５Ａ以外の非接触のシール構造を用いても良い。

幾つかの実施形態では、図３に示されるように、上述した減圧ライン８３の一方側８３１は、上述したシール空間８２における非接触シール部８５とメカニカルシール８１との間（第２シール空間８２Ｂ）に接続された。

図示される実施形態では、上述した貫通孔７８は、上述した内周部７７２よりも後方側、且つ上述した突出部７７７よりも前方側に位置しており、第２シール空間８２Ｂとの間で熱媒体が流通可能になっている。

上記の構成によれば、シール空間８２における非接触シール部８５とメカニカルシール８１との間（第２シール空間８２Ｂ）は、非接触シール部８５により熱媒体のリーク量が制限されており、非接触シール部８５よりも上流側（第１シール空間８２Ａ）に比べて低圧になっている。この低圧のシール空間（第２シール空間８２Ｂ）に減圧ライン８３の一方側８３１を接続することで、非接触シール部８５よりも上流側（第１シール空間８２Ａ）に減圧ライン８３の一方側８３１を接続する場合に比べて、減圧ライン８３を通じて低圧部８４に流出する熱媒体の量を少なくすることができる。減圧ライン８３を通じて低圧部８４に流出する熱媒体の量を少なくすることで、冷熱発電用のタービン２の効率低下を抑制できる。

図４は、本開示の一実施形態にかかる冷熱発電用のタービンの軸線に沿った断面を概略的に示す概略断面図である。
幾つかの実施形態では、図４に示されるように、上述したロータシャフト２１（具体的にはシャフト部２１１）は、小径部２１１Ａと、小径部２１１Ａよりも径が大きい大径部２１１Ｂと、を含む。上述したメカニカルシール８１は、小径部２１１Ａに取り付けられ、上述した非接触シール部８５は、大径部２１１Ｂに取り付けられた。

図示される実施形態では、図３に示されるように、上述した第１の動翼２２Ａは、上述した第１の静翼２３Ａよりも軸方向における後方側に位置し、上述した非接触シール部８５は、第１の動翼２２Ａよりも軸方向における前方側に位置している。この場合には、非接触シール部８５を通過する熱媒体から受けるスラストは、第１の動翼２２Ａを通過する熱媒体から受けるスラストとは反対側に作用するので、ロータシャフト２１のスラストを低減することができる。

上記の構成によれば、非接触シール部８５は、メカニカルシール８１が取り付けられた小径部２１１Ａよりも径が大きい大径部２１１Ｂに取り付けられる。この場合には、ロータシャフト２１における、シール空間８２の非接触シール部８５よりも上流側の空間（第１シール空間８２Ａ）に接する面積を小さくできるため、第１シール空間８２Ａからの受圧により生じる、ロータシャフト２１の軸方向にかかる力（スラスト）を低減できる。これにより、冷熱発電用のタービン２の機械損失を低減でき、冷熱発電用のタービン２の信頼性を向上させることができる。

また、ロータシャフト２１のスラストを低減することで、冷熱発電用のタービン２におけるスラスト軸受（前方側スラスト軸受２５、後方側スラスト軸受２６）やスラストカラー２４の小型化が図れるため、冷熱発電用のタービン２の高額化を抑制できる。メカニカルシール８１は、小径部２１１Ａに取り付けられるので、その小型化を図ることができ、ひいては軸封シール構造を備える冷熱発電用のタービン２の高額化を抑制できる。

幾つかの実施形態では、図１に示されるように、上述した低圧部８４は、熱媒体循環ライン４を流れる熱媒体と液化ガスとの間で熱交換を行うように構成された熱交換器（第１の熱交換器１２）、又は熱媒体循環ライン４における冷熱発電用のタービン２と熱交換器（第１の熱交換器１２）とを繋ぐ部分４Ａ、の何れか一方を含む。

図示される実施形態では、減圧ライン８３の他方側８３２は、第１の熱交換器１２の熱媒体流路１２２に熱媒体を流通可能に接続されている。他の幾つかの実施形態では、図１中点線で示されるように、減圧ライン８３の他方側８３２は、上述した部分４Ａに熱媒体を流通可能に接続されている。

上記の構成によれば、減圧ライン８３を通じた熱媒体のリーク先を、冷熱発電用のタービン２と熱交換器（第１の熱交換器１２）とを繋ぐ部分４Ａや熱交換器（第１の熱交換器１２）にすることで、減圧ライン８３の構造の複雑化を抑制できるため、減圧ライン８３を備える冷熱発電用のタービン２の高額化を抑制できる。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握されるものである。

１）本開示の少なくとも一実施形態にかかる冷熱発電用のタービン（２）は、
液化ガスを加熱するための熱媒体が循環するように構成された熱媒体循環ライン（４）に設けられる冷熱発電用のタービン（２）であって、
ロータシャフト（２１）と、
前記ロータシャフトを収容するケーシング（７）と、
前記ロータシャフトの周りに設けられた少なくとも一つの動翼（２２）と、
前記ケーシングに支持された少なくとも一つの静翼（２３）と、
前記少なくとも一つの動翼よりも上流側において前記ロータシャフトと前記ケーシングとの間をシールするメカニカルシール（８１）と、
前記メカニカルシールが配置されることで前記ケーシングの内部に形成されるシール空間（８２）であって、前記少なくとも一つの静翼と前記少なくとも一つの動翼の間から漏洩した前記熱媒体が流入可能なシール空間に一方側が接続され、且つ前記熱媒体循環ラインにおける前記シール空間よりも圧力が低い低圧部（８４）に他方側が接続された減圧ライン（８３）と、
を備える。

上記１）の構成によれば、シール空間と低圧部との間の圧力差により、シール空間に存在する熱媒体が、減圧ラインの一方側から減圧ラインに導かれ、減圧ラインを一方側から他方側に流れた後に、低圧部に送られる。この低圧部は、熱媒体循環ラインに設けられるので、熱媒体の外部への流出を抑制できる。このように、シール空間に存在する熱媒体の一部を熱媒体循環ラインの低圧部に流出させることで、シール空間の圧力を低減させることができる。シール空間の圧力を低減することで、メカニカルシールにおけるシール空間側と、シール空間側とは反対側の大気側と、の間の圧力差を低減でき、ひいてはメカニカルシールにかかる圧力負荷を低減できる。これにより、メカニカルシールの劣化や損傷、漏洩のリスクを低減できるため、冷熱発電用のタービンの信頼性を向上させることができる。

また、上記１）の構成によれば、シール空間の圧力を低減することで、ロータシャフトの軸方向にかかる力（スラスト）を低減できる。これにより、冷熱発電用のタービンの機械損失を低減でき、冷熱発電用のタービンの信頼性を向上させることができる。また、上記１）の構成によれば、冷熱発電用のタービンに追加の動力機器などを設ける必要がなく、減圧ラインを設ければよいので、冷熱発電用のタービンの高額化を抑制できる。

２）幾つかの実施形態では、上記１）に記載の冷熱発電用のタービン（２）であって、
前記シール空間（８２）における前記メカニカルシール（８１）よりも上流側において前記ロータシャフト（２１）と前記ケーシング（７）との間をシールする非接触シール部（８５）をさらに備える。

上記２）の構成によれば、非接触シール部により、シール空間におけるメカニカルシールよりも上流側をシールしている。この場合には、非接触シール部よりも下流側への熱媒体のリーク量が、非接触シール部よりも上流側と下流側との間の圧力差に応じて決まるようになるため、非接触シール部を設けない場合に比べて、非接触シール部よりも下流側への熱媒体のリーク量を低減できる。これにより、メカニカルシールのシール空間側の圧力を低減できるので、メカニカルシールのシール空間側と、シール空間側とは反対側の大気側と、の間の圧力差を低減でき、ひいてはメカニカルシールにかかる圧力負荷を低減できる。

３）幾つかの実施形態では、上記２）に記載の冷熱発電用のタービン（２）であって、
前記非接触シール部（８５）は、ラビリンスシール（８５Ａ）を含む。

上記３）の構成によれば、非接触シール部に簡単な構造であるラビンリングシールを用いることで、軸封シール構造におけるシール性を確保しつつ、軸封シール構造を備える冷熱発電用のタービンの高額化を抑制できる。

４）幾つかの実施形態では、上記２）又は３）に記載の冷熱発電用のタービン（２）であって、
前記減圧ライン（８３）の前記一方側（８３１）は、前記シール空間（８２）における前記非接触シール部（８５）と前記メカニカルシール（８１）との間（第２シール空間８２Ｂ）に接続された。

上記４）の構成によれば、シール空間における非接触シール部とメカニカルシールとの間（シール間空間）は、非接触シール部により熱媒体のリーク量が制限されており、非接触シール部よりも上流側に比べて低圧になっている。この低圧のシール間空間に減圧ラインの一方側を接続することで、非接触シール部よりも上流側に減圧ラインの一方側を接続する場合に比べて、減圧ラインを通じて低圧部に流出する熱媒体の量を少なくすることができる。減圧ラインを通じて低圧部に流出する熱媒体の量を少なくすることで、冷熱発電用のタービンの効率低下を抑制できる。

５）幾つかの実施形態では、上記２）～４）の何れかに記載の冷熱発電用のタービン（２）であって、
前記ロータシャフト（２１）は、
小径部（２１１Ａ）と、前記小径部よりも径が大きい大径部（２１１Ｂ）と、を含み、
前記メカニカルシール（８１）は、前記小径部（２１１Ａ）に取り付けられ、
前記非接触シール部（８５）は、前記大径部（２１１Ｂ）に取り付けられた。

上記５）の構成によれば、非接触シール部は、メカニカルシールが取り付けられた小径部よりも径が大きい大径部に取り付けられる。この場合には、ロータシャフトにおける、シール空間の非接触シール部よりも上流側の空間に接する面積を小さくできるため、ロータシャフトの軸方向にかかる力（スラスト）を低減できる。これにより、冷熱発電用のタービンの機械損失を低減でき、冷熱発電用のタービンの信頼性を向上させることができる。

また、スラストを低減することで、冷熱発電用のタービンにおけるスラスト軸受やスラストカラーの小型化が図れるため、冷熱発電用のタービンの高額化を抑制できる。メカニカルシールは、小径部に取り付けられるので、その小型化を図ることができ、ひいては冷熱発電用のタービンの高額化を抑制できる。

６）幾つかの実施形態では、上記１）～５）の何れかに記載の冷熱発電用のタービン（２）であって、
前記低圧部（８４）は、
前記熱媒体循環ライン（４）を流れる熱媒体と前記液化ガスとの間で熱交換を行うように構成された熱交換器（第１の熱交換器１２）、又は前記熱媒体循環ライン（４）における前記冷熱発電用のタービン（２）と前記熱交換器（第１の熱交換器１２）とを繋ぐ部分（４Ａ）、の何れか一方を含む。

上記６）の構成によれば、減圧ラインを通じた熱媒体のリーク先を、冷熱発電用のタービンと前記熱交換器とを繋ぐ部分や熱交換器にすることで、減圧ラインの構造の複雑化を抑制できるため、減圧ラインを備える冷熱発電用のタービンの高額化を抑制できる。

１ 冷熱発電システム
２ タービン
２１ ロータシャフト
２１１ シャフト部
２１１Ａ 小径部
２１１Ｂ 大径部
２１３ ディスク部
２１３Ａ 前方側ディスク部
２１３Ｂ 後方側ディスク部
２２ 動翼
２２Ａ 第１の動翼
２２Ｂ 第２の動翼
２３ 静翼
２３Ａ 第１の静翼
２３Ｂ 第２の静翼
２４ スラストカラー
２５ 前方側スラスト軸受
２６ 後方側スラスト軸受
２７ 軸受ハウジング
３ 液化ガス供給ライン
３１ 液化ガス貯留装置
３２ 液化ガス用ポンプ
３５ 機器
４ 熱媒体循環ライン
４Ａ （タービンと第１の熱交換器との間の）部分
４１ 循環ポンプ
４３ 開閉弁
５ 加熱水供給ライン
５１ 加熱水用ポンプ
６ 中間熱媒体循環ライン
６１ 循環ポンプ
７ ケーシング
７１ 熱媒体導入流路
７２ 熱媒体導入部
７３ 熱媒体排出流路
７４ 熱媒体排出部
７５ 外側静翼支持部
７６ 内側静翼支持部
７７ 前方内側ケーシング
７７１ 外周部
７７２ 内周部
７７３ 後方端
７７４ 前方端
７７５ 軸方向延在部
７７６ 内面
７７７ 突出部
７８ 貫通孔
８１ メカニカルシール
８２ シール空間
８２Ａ 第１シール空間
８２Ｂ 第２シール空間
８３ 減圧ライン
８４ 低圧部
８５ 非接触シール部
８５Ａ ラビリンスシール
１０ 船体
１１ 発電機
１２ 第１の熱交換器
１３ 第２の熱交換器
１４ 第３の熱交換器
１５ 供給元
１５Ａ 取水口
１６ 排出先
１６Ａ 排出口
１７ バイパスライン
１７３ 開閉弁
ＣＡ 軸線
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 圧力

Claims (6)

1. 液化ガスを加熱するための熱媒体が循環するように構成された熱媒体循環ラインに設けられる冷熱発電用のタービンであって、
   ロータシャフトと、
   前記ロータシャフトを収容するケーシングと、
   前記ロータシャフトの周りに設けられた少なくとも一つの動翼と、
   前記ケーシングに支持された少なくとも一つの静翼と、
   前記少なくとも一つの動翼よりも上流側において前記ロータシャフトと前記ケーシングとの間をシールするメカニカルシールと、
   前記メカニカルシールが配置されることで前記ケーシングの内部に形成されるシール空間であって、前記少なくとも一つの静翼と前記少なくとも一つの動翼の間から漏洩した前記熱媒体が流入可能なシール空間に一方側が接続され、且つ前記熱媒体循環ラインにおける前記シール空間よりも圧力が低い低圧部に他方側が接続された減圧ラインと、
   を備え、
   前記減圧ラインの前記一方側は、前記シール空間と前記ケーシングの外部空間とを連通するように貫通する貫通孔に接続されている、
   冷熱発電用のタービン。
2. 前記シール空間における前記メカニカルシールよりも上流側において前記ロータシャフトと前記ケーシングとの間をシールする非接触シール部をさらに備える、
   請求項１に記載の冷熱発電用のタービン。
3. 前記非接触シール部は、ラビリンスシールを含む、
   請求項２に記載の冷熱発電用のタービン。
4. 前記減圧ラインの前記一方側は、前記シール空間における前記非接触シール部と前記メカニカルシールとの間に接続された、
   請求項２又は３に記載の冷熱発電用のタービン。
5. 前記ロータシャフトは、小径部と、前記小径部よりも径が大きい大径部と、を含み、
   前記メカニカルシールは、前記小径部に取り付けられ、
   前記非接触シール部は、前記大径部に取り付けられた、
   請求項２乃至４の何れか１項に記載の冷熱発電用のタービン。
6. 前記低圧部は、
   前記熱媒体循環ラインを流れる熱媒体と前記液化ガスとの間で熱交換を行うように構成された熱交換器、又は前記熱媒体循環ラインにおける前記冷熱発電用のタービンと前記熱交換器とを繋ぐ部分、の何れか一方を含む、
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷熱発電用のタービン。

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