JPH03117601A - シール流体回収チャンネルを具備するターボ装置 - Google Patents

シール流体回収チャンネルを具備するターボ装置

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JPH03117601A
JPH03117601A JP2181704A JP18170490A JPH03117601A JP H03117601 A JPH03117601 A JP H03117601A JP 2181704 A JP2181704 A JP 2181704A JP 18170490 A JP18170490 A JP 18170490A JP H03117601 A JPH03117601 A JP H03117601A
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seal
space
inner diameter
fluid
turbo device
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JP2181704A
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Leslie C Kun
レスリー・チャールズ・クン
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Union Carbide Industrial Gases Technology Corp
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Union Carbide Industrial Gases Technology Corp
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Publication date
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/161—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/162—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps of a centrifugal flow wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野Ｊ 本発明は一般に、シュララブラドインベラと、インペラ
シュラウド及び固定ハウジング間のシールとを具備する
遠心圧縮器、ポンプ、そして半径方向内向き流れタービ
ンの如きターボ装置に関する。
〔従来技術の説明〕
シェララブラドインペラは、遠心ポンプ、コンプレッサ
及び、例えば極低温ガス分離、冷却或は液化サイクルに
おけるプロセスガス膨張によって冷却を創出する為に使
用される、ターボエキスパンダの如き高効率タービンの
ようなある種のターボ装置に於て常に使用される。液圧
はインペラ中央でのインペラ内径部におけるそれよりも
インペラ外径部における方が高いことから、ラビリンス
シールの如き非接触シールが、ターボ装置ハウジングと
インペラシェラウドとの間の固定壁間での作動液のバイ
パス損失或は再循環損失を低減するために慣例的に使用
される０作動液のこうしたバイパス損失或は再循環損失
は無駄であり、従ってこの損失を沢山のシーリングリッ
プを具備する設計高緊密フィッティングシールによって
最小のものとする試みが常にためされている。残念なこ
とにそうした方策は２つの作用、即ち第１に、タイトで
且つ長尺のシールが支承体にクロスカップリング力を生
じせしめることによってそうした支承体に及ぼす変動作
用、そして第２には、タイトで且つ長尺のシールに於て
は摩擦力が、作動液の再循環流れ損失或はバイパス流れ
損失を上回り得る値に増大する作用、とによって制限さ
れる。
装置が、ガス状の圧縮性流体を取り扱うタービン或はコ
ンプレッサ或は液体を取り扱うポンプであるとを問わず
、インペラ外径部での圧力はその内径部におけるそれよ
りも大きい。従って、インベラ外径部でのより高い圧力
が、タービンの場合には作動液の一部をしてホイールを
バイパスせしめ、或はコンプレッサ或はポンプの場合に
は再循環流れを作り出す、こうしたバイパス流れ或は再
循環流れが所望されざる渦流損を表わすことを認識され
よう。
一般に、３つの損失メカニズムが存在する。その１つは
、これはタービンの場合であるが、ホイールをバイパス
した作動液の一部が外力に対する仕事をためすのではな
くむしろ、ジュール−トンプソン膨張を受けることに関
するものである。このタービンのために為される対外力
的な仕事の不足とは逆に、コンプレッサ或はポンプに於
ては外力に対する仕事は作動液の再循環部分に於て反復
的に為される。バイパス流れ或は再循環流れによって発
生する他の形式の損失メカニズムは、デイフユーザにお
ける流れの空力学的挙動に関するものである。ターボ装
置がタービン、コンプレッサ或はポンプであるとを問わ
ず、流体の静圧はインペラ内径部或はその周囲に於て最
も低い、従って流体速度ヘッドの一部は、ある効率でも
ってインペラ中央下流の圧力へと変換される。インペラ
入り口端でバイパス或は再循環流れが注入されることは
、境界層の肉厚が増大することから有害である。これは
圧力回復効率を低下させ、もって境界層をしてターボ装
置の壁から分離せしめる。インペラ入り口端でのバイパ
ス或は再循環流れの流入が、有効なシールを使用するこ
とによって注意深（最適化された場合でさえも、作動液
の、バイパス流れ或は再循環流れは作動液流れの１％の
オーダーである。この値は過剰ではないように思えるが
、残念なことにこうした流体は極めて望ましからざる位
置で主流れに流入され、その結果、主流れは周囲の壁に
対して減速してしまう。
３つ目の損失メカニズムは、バイパス或は再循環流れの
温度が、タービンアウトレット或はインペラ内径部での
コンプレッサ及びポンプ入り口におけるそれよりも高い
ことが関与するものである。このためコンプレッサ或は
ポンプはより高い平均温度に抗して作動せざるを得ず、
それが更に高い作動入力を必要とする０例えば液化サイ
クルで作動する極低温タービンの場合、熱はサイクルの
低温時に付加されそして順次ヒートポンプされそして大
気温度水準で放出されねばならない。
〔発明の目的］ 従って本発明の目的は、再循環流れ或はバイパス流れに
よって引き起こされる非効率性が低減された改良ターボ
装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、再循環流れ或はバイパス流れによ
って引き起こされる非効率性が低減されたターボ装置作
動のための改良方法を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明に従えば、 外径部から内径部に伸延する軸に取付けられ、複数の羽
根が設けられたインペラと、 前記外径部から内径部への流体流れチャンネルを形成す
る為の、前記複数の羽根を覆うシュラウドと、 該シュラウドから離間された固定ハウジング前記シュラ
ウド及び固定ハウジング間のシールと、 前記シュラウド及び固定ハウジング間の空間と前記シー
ル位置或はシールに近接する位置に於て連通し、前記固
定ハウジングの外側へと伸延するチャンネル手段と を具備するターボ装置が提供される。
本発明の他の様相に於ては、 固定ハウジングから離間された回転アセンブリと、前記
固定ハウジング及び前記回転アセンブリ間の空間内部に
位置付けられたシールを具備し、流体が前記空間内でタ
ーボ装置の高圧側から低圧側に流動する名−ボ装置を作
動するための方法にして、前記シール位置或はその近接
位置に於て前記空間から前記固定ハウジングの外側へと
送通させる段階を含む前記方法が提供される。
〔実施例の説明〕
図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第１図は本発明のコンプレッサの一部の断面図である。
第１図を参照するに、インペラ２６は軸１１に取付けら
れ、外径部６８から内径部７５へと伸延されている。イ
ンペラには複数の羽根３５が設けられ、シュラウド３７
がそれらの羽根を覆いそれによって内径部及び外径部間
を伸延する各一対の羽根間に流体流通路を形成している
。軸、インペラ、羽根、そしてシュラウドはターボ装置
の回転アセンブリを形成する。該回転アセンブリは固定
ハウジング３０から離間されている。コンプレッサに加
え、本発明のタービン装置は例えばタービン或はポンプ
でもあり得る。作動液はガス若しくは液体であり得る。
第１図に例示されるコンプレッサを再度参照するに、ガ
スの如き流体は各羽根３５間の、内径部から外径部への
流体流通路を介して入り口３４から送通される。前記流
体流通路を通して送られるに従い、流体は加圧されそし
て、デイフユーザ４１、ボリュート３８及びデイフユー
ザ排出口３９を通してより高圧状態で排出される。先に
述べたように、回転アセンブリは固定ハウジングから必
要上離間される。シェラウド３７及び固定ハウジング３
０間の空間は空間４４として示される。ターボ装置の高
圧側からの加圧流体は、内径部の低圧側へと流動する傾
向を有する。これが、加圧流体の幾分かが低圧側流体に
戻りそして再度圧縮されることによる非効率状態を生じ
る。この非効率状態を低減するために、シェラウド及び
固定ハウジング間には一般にシールが配置される。そう
したシールは任意の効果的なシールで良いが、最も一般
的にはラビリンスシールが使用される。シールは、第１
図のインペラ内径部に設けたラビリンスシール４８の如
きもの或はもっと大きな直径部分に設けたものとし得る
。
もしターボ装置がタービンである場合は、作動液流れは
反対方向、即ちインペラの外径部から、各羽根間の流体
流通路を経てインペラ中央に流動する。タービンの場合
、流体はポンプ或はコンプレッサにおけるようにインペ
ラのシュラウド及び固定ハウジング間の空間を通して再
循環することが無（、むしろ流体は流体流通路をバイパ
スする。従りてこのバイパス流れの膨張が有益な、回復
性のある仕事の創出を妨げる。
既述の如く、シールは再循環流れ或はバイパス流れを完
全に止めることは無い、シールを通過する流体は少量で
あるが、先に述べたようにそれがインペラの内径部に於
て低圧側流体へと流入することから有害である。
本発明のターボ装置及びターボ装置の作動方法は、そう
した有害性を実質的に排除し、更には再循環流れ或はバ
イパス流れの有効使用を可能にする。再度第１図を参照
するに、チャンネル７６が空間４４或は近接したラビリ
ンスシール４８と連通され、固定ハウジング３０の外側
、好ましくはターボ装置の低圧側から遠方へと伸延して
いる。
チャンネル７６は好ましくは、シェラウド周囲のリング
状の或は環状コレクタ及び該環状コレクタから固定ハウ
ジングの外側へと伸延する導管を含む２つの部分から成
り立つ、シールガスは前記環状コレクタによってインペ
ラ全周から収集され、固定ハウジング内の１つ以上の導
管状部材によって該固定ハウジングの外側へと搬送され
る。好ましくは、高圧側から空間４４を貫いて流動する
流体の８０乃至１００％の流体、最も好ましくは９０乃
至１００％の流体が、チャンネル７６を通して固定ハウ
ジングの外側へと流動する。一般に、高圧側及び低圧側
間におけるシール流れの大部分を補足しそれをチャンネ
ルに転流させることが意図される。ある状況下ではシー
ル流れはシールの各縁部から生じ得る。この場合は、シ
ールガス流れの１乃至５％の追加流れがシールの低圧側
からチャンネルへと流動され得る。
本発明の好ましい具体例に於ては、少なくともシュラウ
ド及び或は空間４４の表面に断熱材が設けられる。これ
が主たる流れ及び空間４４内の流体間の熱交換を低減す
る。断熱は、例えばテトラフルオロエチレンポリマーの
如き好適なポリマーコーティングの如き任意の有効な断
熱材或はセラミック断熱材とし得る。
第２図には本発明のシールチャンネルの詳細が示される
。第２図を参照するに、インペラ２６、シュラウド３７
、そして羽根３５がターボ装置の流体流通路を形成して
いる。シェラウド３７は固定ハウジング３０から離間さ
れ、バイパス流れ或は再循環流れがその間部分を、外径
部６８の高圧側から、内径部７５の低圧側に向かって、
矢印１２で示されるように送達されている。シュラウド
３７及び固定ハウジング３０の相対する表面は断熱Ｎ９
によって覆われている。
ラビリンスシール４８が、シュラウドによって覆われた
インペラアセンブリの内径部及び外径部の中間位置で内
径部から離間されている。シールチャンネルは環状部材
６及び導管部材４を含み、ラビリンスシール４８位置或
はその近接位置に於てシール及び固定ハウジング間の空
間と連通している。環状部材６の連通位置は、第４図に
例示されるように、完全にシールの低圧側であり得る。
好ましくは連通位置は第２図に例示されるように、シー
ル位置ではあるが、外径部に最も接近したシール縁部か
ら少なくとも５０％の距離、即ちシールの高圧側から少
な（とも５０％の距離である。最も好ましくは、連通位
置はシールの高圧側から、即ち外径部に最も接近したシ
ール縁部がら８０乃至９５％以内の距離である。
最も好ましくは、シールチャンネルを通してターボ装置
から除去された再循環流れ或はバイパス流れは、ターボ
装置を使用するサイクルに戻される。第３図には最新の
窒素液化サイクルが示される。他のもっと進んだ液化サ
イクルが米国特許第４．７７８，４９７号に記載される
。
第３図を参照するに、送りコンプレッサ２４が供給及び
低圧再循環窒素を中間圧力に圧縮し、次いで、熱交換器
からの戻り流れ２６０と合流した流れ２５が再循環コン
プレッサ１３、ブースターコンプレッサ１４及び１６に
よって更に圧縮される。高圧流れ２７は次いで中間１度
に冷却され、その一部５０がタービン内で膨張されそし
て入り口温度よりも低い温度で前記戻り流れ２６０と合
流される。タービン１５はブースターコンプレッサ１４
を駆動するために作動する露出軸を使用する。該サイク
ルに関してのタービン１７の組込みは、該タービン１７
がより低い温度水準で作動し、またそれがブースターコ
ンプレッサ１６を駆動することを除き、タービン１５に
おける組込みと同一態様で為される。タービン及びサイ
クル損失は、もしタービン１５における回収されたバイ
パス流れ５１を、熱交換器２１及び２２間で戻り流れ２
６０に流入した場合に最小となる。同様に、タービン１
７から回収されたバイパス流れ５２を熱交換器２３及び
２２間で戻り流れ２６０に流入し得る。ブースターコン
プレッサ１４及び１６から回収したそれぞれの再循環流
れ５３を再循環コンプレッサ１３に戻し得る。こうして
、シールチャンネルを通してターボ装置から回収した再
循環流れ或はバイパス流れは、比較し得る圧力及び温度
特性を有する位置に於て流体処理サイクルへと戻される
。　以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明
の内で多くの変更を成し得ることを認識されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のターボ装置の１具体例の断面図である
。 第２図は本発明のシール及びチャンネル手段を表わす詳
細断面図である。 第３図は本発明のターボ装置及びターボ装置の作動方法
を使用しての液化回路の概略図である。 第４図は本発明のシール及びチャンネル手段の別態様の
詳細断面図であり、前記チャンネル手段が内径部及びシ
ール間を連通ずる様子が示されている。 尚、図中主な部分の名称は以下の通りである。 ４：導管部材 ６：環状部材 ９：断熱層 ｌｌＳ軸 １３：再循環コンプレッサ １４．１６：ブースターコンプレッサ １５．１７：タービン ２１．２２：熱交換器 ２４：送りコンプレッサ ２６；インペラ ２７：高圧流れ ３０：固定ハウジング ３４：入り口 ３５：羽根 ３７：シュラウド ３８：ボリュート ３９：デイフユーザ排出口 ４１：デイフユーザ ４４：空間 ４８：ラビリンスシール ５１：バイパス流れ ６８：外径部 ７５：内径部 ７６二チヤンネル ２６０：戻り流れ ＦＩＧ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、外径部から内径部に伸延する軸に取付けられ、複数
    の羽根が設けられたインペラと、前記外径部から内径部
    への流体流れチャンネルを形成する為の、前記複数の羽
    根を覆うシュラウドと、 該シユラウドから離間された固定ハウジングと、 前記シュラウド及び固定ハウジング間のシールと、 前記シユラウド及び固定ハウジング間の空間と、前記シ
    ール位置或はシールに近接する位置に於て連通する、前
    記固定ハウジングの外側へと伸延するチャンネル手段と を具備するターボ装置。 ２、ターボ装置はコンプレッサである特許請求の範囲第
    １項記載のターボ装置。 ３、ターボ装置はタービンである特許請求の範囲第１項
    記載のターボ装置。 ４、ターボ装置はポンプである特許請求の範囲第１項記
    載のターボ装置。 ５、シールはラビリンスシールである特許請求の範囲第
    １項記載のターボ装置。 ６、シールは内径部から離間されている特許請求の範囲
    第１項記載のターボ装置。 ７、チャンネル手段は内径部及びシール間の空間と連通
    している特許請求の範囲第６項記載のターボ装置。 ８、チャンネル手段はシール位置に於て内径部及びシー
    ル間の空間と連通している特許請求の範囲第１項記載の
    ターボ装置。 ９、チャンネル手段は外径部に最も近接するシール縁部
    から少なくとも５０％の距離に於て内径部及びシール間
    の空間と連通している特許請求の範囲第８項記載のター
    ボ装置。 １０、シュラウド及び固定ハウジングの離間した表面の
    少なくとも一方或は両方の位置に断熱体を含んでいる特
    許請求の範囲第１項記載のターボ装置。 １１、チャンネル手段は、内径部及びシール間の空間と
    連通するシュラウド周囲の環状部材と、該環状部材から
    固定ハウジングの外側へと伸延する導管部材とを具備し
    ている特許請求の範囲第１項記載のターボ装置。 １２、固定ハウジングから離間された回転アセンブリと
    、前記固定ハウジング及び前記回転アセンブリ間の空間
    内部に位置付けられたシールを具備し、流体が前記空間
    内でターボ装置の高圧側から低圧側に流動するターボ装
    置を作動する為の方法にして、 流体を前記空間の、前記シール位置或はその近接位置に
    於て前記固定ハウジングの外側へと挿通させる段階を含
    む前記方法。 １３、流体はガスである特許請求の範囲第１２項記載の
    方法。 １４、流体は液体である特許請求の範囲第１２項記載の
    方法。 １５、流体は、シール下流の内径部及びシール間の空間
    から送通される特許請求の範囲第１２項記載の方法。 １６、流体はシール位置に於て、内径部及びシール間の
    空間から送通される特許請求の範囲第１２項記載の方法
    。 １７、流体はシールの高圧側から少なくとも５０％の距
    離の位置に於て、内径部及びシール間の空間から送通さ
    れる特許請求の範囲第１６項記載の方法。 １８、内径部及びシール間の空間から送達される流体は
    、高圧側から内径部及びシール間の空間の低圧側に向か
    って流れる流体の８０乃至１００％を含んでいる特許請
    求の範囲第１２項記載の方法。 １９、内径部及びシール間の空間から送達される流体は
    、高圧側から内径部及びシール間の空間の低圧側に向か
    って流れる流体の９０乃至１００％を含んでいる特許請
    求の範囲第１２項記載の方法。 ２０、固定ハウジングの外側からターボ装置へと戻る再
    循環流れを含んでいる特許請求の範囲第１２項記載の方
    法。
JP2181704A 1989-07-12 1990-07-11 シール流体回収チャンネルを具備するターボ装置 Pending JPH03117601A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US378904 1989-07-12
US07/378,904 US4978278A (en) 1989-07-12 1989-07-12 Turbomachine with seal fluid recovery channel

Publications (1)

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JPH03117601A true JPH03117601A (ja) 1991-05-20

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ID=23495014

Family Applications (1)

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JP2181704A Pending JPH03117601A (ja) 1989-07-12 1990-07-11 シール流体回収チャンネルを具備するターボ装置

Country Status (6)

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US (1) US4978278A (ja)
EP (1) EP0408010A1 (ja)
JP (1) JPH03117601A (ja)
KR (1) KR910003274A (ja)
BR (1) BR9003296A (ja)
CA (1) CA2020965C (ja)

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