JP2017008776A - Expansion turbine device - Google Patents
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Abstract
【課題】静圧気体軸受を備える膨張タービン装置において低温ガスのシール漏洩を抑制することを目的とする。【解決手段】膨張タービン装置1は、回転軸13と、静圧気体軸受14a〜14dと、第1ラビリンスシール30と、第1ラビリンスシール30の途中に冷媒と同じ種類のガスを供給するためのガス供給経路55と、静圧気体軸受の軸受室23出口に上流端が接続され、静圧気体軸受を通過した軸受ガスと第1ラビリンスシール30を通じて膨張室21から軸受室23に漏洩する冷媒ガスと第1ラビリンスシール30の途中に供給されるガスとの混合ガスを排出する軸受排気ライン(混合ガス排出経路)18と、を備え、第1ラビリンスシール30の途中に供給されるガスの圧力が膨張室21の入口圧力より低く且つ静圧軸受けの背圧より高い。【選択図】図5An object of the present invention is to suppress seal leakage of low-temperature gas in an expansion turbine apparatus including a static pressure gas bearing. An expansion turbine device (1) supplies a rotary shaft (13), static pressure gas bearings (14a to 14d), a first labyrinth seal (30), and a gas of the same type as a refrigerant in the middle of the first labyrinth seal (30). The upstream end is connected to the gas supply path 55 and the outlet of the bearing chamber 23 of the static pressure gas bearing, and the refrigerant gas that leaks from the expansion chamber 21 to the bearing chamber 23 through the first labyrinth seal 30 and the bearing gas that has passed through the static pressure gas bearing. And a bearing exhaust line (mixed gas discharge path) 18 for discharging a mixed gas of the first labyrinth seal 30 and a gas supplied in the middle of the first labyrinth seal 30, and the pressure of the gas supplied in the middle of the first labyrinth seal 30 is It is lower than the inlet pressure of the expansion chamber 21 and higher than the back pressure of the static pressure bearing. [Selection] Figure 5
Description
本発明は、膨張タービン装置に関し、特に静圧気体軸受を備える膨張タービン装置の漏洩防止技術に関する。 The present invention relates to an expansion turbine device, and more particularly to a leakage prevention technique for an expansion turbine device including a static pressure gas bearing.
一般に、水素ガス、ヘリウムガス等の原料ガスを液化する液化システムは、原料ガスを送るフィードライン、冷媒ガスを循環させる冷媒循環ライン、及び冷媒で原料ガスを冷却するための熱交換器を備えている。冷媒循環ラインを循環する冷媒ガスは、圧縮機で圧縮された後、膨張タービンにより断熱膨張されて降温する。原料ガスは降温された冷媒ガスと熱交換器で熱交換する事により冷却される。 Generally, a liquefaction system for liquefying a source gas such as hydrogen gas or helium gas includes a feed line for sending the source gas, a refrigerant circulation line for circulating the refrigerant gas, and a heat exchanger for cooling the source gas with the refrigerant. Yes. The refrigerant gas circulating in the refrigerant circulation line is compressed by the compressor, then adiabatically expanded by the expansion turbine, and the temperature is lowered. The raw material gas is cooled by exchanging heat with the cooled refrigerant gas in the heat exchanger.
膨張タービンには回転軸を支持するための軸受が必要になる。軸受として潤滑油を用いた液体軸受を適用すると、潤滑油が膨張タービンを通過する冷媒ガスに混入する恐れがある。そのため、軸受には、冷媒ガスと同じ種類のガスを用いた気体軸受を適用することが好ましい。気体軸受の内、静圧気体軸受は、液化システムの始動時及び停止時に軸受面と回転軸との間の摩擦を小さく抑える事が可能であり、また超高速回転に適している。このため、静圧気体軸受は膨張タービンの軸受として使用される(例えば特許文献1を参照)。 The expansion turbine needs a bearing for supporting the rotating shaft. If a liquid bearing using lubricating oil is applied as the bearing, the lubricating oil may be mixed into the refrigerant gas passing through the expansion turbine. Therefore, it is preferable to apply a gas bearing using the same type of gas as the refrigerant gas to the bearing. Of the gas bearings, static pressure gas bearings can suppress friction between the bearing surface and the rotating shaft at the time of starting and stopping the liquefaction system, and are suitable for ultra-high speed rotation. For this reason, static pressure gas bearings are used as bearings for expansion turbines (see, for example, Patent Document 1).
静圧気体軸受を用いる膨張タービンは、静圧気体軸受に冷媒ガスと同じ種類の軸受ガスを供給するための軸受供給ラインと、静圧気体軸受を通過した軸受ガスを排気する軸受排気ラインを備える。膨張タービン内部の軸受室には回転軸が挿設され、軸受供給ラインと軸受排気ラインが連通されている。回転軸の一端に設けられたタービンインペラは、膨張室に収容される。膨張室は、タービンインペラの外周側には冷媒ガスが流入する膨張室入口が形成され、中心部軸方向には冷媒ガスが流出する膨張室出口が形成される。一方、回転軸の他端に設けられたブレーキインペラは、制動ガス室に収容される。制動ガス室には、制動ガス室の出口と入口とを連通させる連通路が形成され、ブレーキインペラを含む閉回路が形成される。 An expansion turbine using a static pressure gas bearing includes a bearing supply line for supplying a bearing gas of the same type as the refrigerant gas to the static pressure gas bearing, and a bearing exhaust line for exhausting the bearing gas that has passed through the static pressure gas bearing. . A rotation shaft is inserted into a bearing chamber inside the expansion turbine, and a bearing supply line and a bearing exhaust line are communicated with each other. A turbine impeller provided at one end of the rotating shaft is accommodated in the expansion chamber. In the expansion chamber, an expansion chamber inlet into which refrigerant gas flows is formed on the outer peripheral side of the turbine impeller, and an expansion chamber outlet from which refrigerant gas flows out is formed in the central axis direction. On the other hand, the brake impeller provided at the other end of the rotating shaft is accommodated in the braking gas chamber. In the braking gas chamber, a communication path that connects the outlet and the inlet of the braking gas chamber is formed, and a closed circuit including a brake impeller is formed.
膨張タービンのタービンインペラの背面には、膨張室から軸受室へ低温の冷媒ガスが漏洩するのを抑制するためにラビリンスシールが設けられる(例えば特許文献2を参照)。 A labyrinth seal is provided on the rear surface of the turbine impeller of the expansion turbine in order to prevent low-temperature refrigerant gas from leaking from the expansion chamber to the bearing chamber (see, for example, Patent Document 2).
しかし、ラビリンスシールは回転軸との間に一定の隙間があるため、シール差圧がある限り漏洩を完全に防ぐ事はできない。膨張室から軸受室への低温ガスの漏洩が増加すると、膨張タービンの効率が低下するとともに、軸受室が冷却されるために回転軸とラジアル静圧軸受の隙間寸法が変化し、場合によっては回転軸とラジアル静圧軸受との接触が生じる。 However, since the labyrinth seal has a certain gap with the rotating shaft, the leakage cannot be completely prevented as long as there is a differential pressure of the seal. When the leakage of low-temperature gas from the expansion chamber to the bearing chamber increases, the efficiency of the expansion turbine decreases, and the bearing chamber is cooled, so that the clearance between the rotating shaft and the radial hydrostatic bearing changes, and in some cases it rotates. Contact between the shaft and the radial hydrostatic bearing occurs.
そこで、本発明は、静圧気体軸受を備える膨張タービンにおいて低温ガスのシール漏洩を抑制することを目的とする。 Then, an object of this invention is to suppress the seal | sticker leakage of a low temperature gas in an expansion turbine provided with a static pressure gas bearing.
本発明の一態様に係る膨張タービン装置は、内部に膨張室と制動ガス室と軸挿通孔とが形成され、且つ前記軸挿通孔は前記膨張室と前記制動ガス室とを連通し且つ回転軸が挿通可能なように形成された本体と、前記膨張室に収容され、冷媒ガスを膨張させるタービンインペラと、前記制動ガス室に収容され、前記冷媒ガスと同じ種類の制動ガスによって制動されるブレーキインペラと、前記軸挿通孔に隙間を有して挿通され、一方の端部に前記タービンインペラが設けられ、他方の端部に前記ブレーキインペラが設けられた前記回転軸と、前記軸挿通孔内に形成された軸受室に設けられ、入口から供給され且つ出口から排出される前記冷媒ガスと同じ種類の軸受ガスの静圧によって前記回転軸を回転可能に支持する静圧気体軸受と、前記軸受室と前記膨張室との間に設けられたラビリンスシールと、前記ラビリンスシールの途中に前記冷媒ガスと同じ種類のガスを供給するためのガス供給経路と、前記静圧気体軸受の軸受室出口に上流端が接続され、前記静圧気体軸受を通過した前記軸受ガスと前記ラビリンスシールを通じて前記膨張室から前記軸受室に漏洩する冷媒ガスと前記ラビリンスシールの途中に供給されるガスとの混合ガスを排出する混合ガス排出経路と、を備え、前記ラビリンスシールの途中に供給されるガスの圧力が前記膨張室の入口圧力より低く且つ前記静圧軸受けの背圧より高い。 An expansion turbine apparatus according to an aspect of the present invention has an expansion chamber, a braking gas chamber, and a shaft insertion hole formed therein, and the shaft insertion hole communicates the expansion chamber and the braking gas chamber and has a rotating shaft. Is inserted into the main body, the turbine impeller accommodated in the expansion chamber and expands the refrigerant gas, and the brake accommodated in the braking gas chamber and braked by the same type of braking gas as the refrigerant gas. An impeller, a shaft inserted through the shaft insertion hole with a gap, the rotating shaft provided with the turbine impeller at one end and the brake impeller at the other end, and the shaft insertion hole A hydrostatic gas bearing which is provided in a bearing chamber formed in the bearing chamber and rotatably supports the rotating shaft by a static pressure of a bearing gas of the same type as the refrigerant gas supplied from the inlet and discharged from the outlet; and the bearing And a labyrinth seal provided between the expansion chamber, a gas supply path for supplying the same kind of gas as the refrigerant gas in the middle of the labyrinth seal, and upstream of the bearing chamber outlet of the hydrostatic gas bearing The mixed gas of the bearing gas that is connected to the end and passed through the hydrostatic gas bearing, the refrigerant gas that leaks from the expansion chamber to the bearing chamber through the labyrinth seal, and the gas that is supplied in the middle of the labyrinth seal is discharged. And a mixed gas discharge path, wherein the pressure of the gas supplied in the middle of the labyrinth seal is lower than the inlet pressure of the expansion chamber and higher than the back pressure of the static pressure bearing.
上記構成によれば、ラビリンスシールの途中に膨張室の入口圧力より低く且つ静圧軸受けの背圧より高い圧力のガスが供給されるので、ラビリンスシールを介して膨張室から混合ガス排出経路に漏洩する冷媒ガスの量が、実質的にガスの供給圧によって定まる。従って、ガスを供給しない場合に比べて、同じ静圧気体軸受の背圧に対する冷媒ガスの漏洩量を低減することができる。例えば、ガスを供給しない場合には、冷媒ガスの漏洩量を減らすために、軸受背圧を上げ、ラビリンス差圧を小さくする方法があるが、軸受性能の低下の恐れがある。これに対し、上記構成により、ガスが供給されるので、軸受背圧を上げることなく、ラビリンスシールからの冷媒ガスの漏洩量を抑えることができる。 According to the above configuration, gas having a pressure lower than the inlet pressure of the expansion chamber and higher than the back pressure of the static pressure bearing is supplied in the middle of the labyrinth seal, and therefore leaks from the expansion chamber to the mixed gas discharge path via the labyrinth seal. The amount of the refrigerant gas to be determined is substantially determined by the gas supply pressure. Therefore, the leakage amount of the refrigerant gas with respect to the back pressure of the same static pressure gas bearing can be reduced as compared with the case where no gas is supplied. For example, when no gas is supplied, there is a method of increasing the bearing back pressure and reducing the labyrinth differential pressure in order to reduce the leakage amount of the refrigerant gas. On the other hand, since gas is supplied by the said structure, the leakage amount of the refrigerant gas from a labyrinth seal can be suppressed, without raising a bearing back pressure.
上記膨張タービン装置は、前記ガスの圧力を計測する第1圧力センサと、前記ガス供給経路に設けられ、前記ガスの圧力を調整する圧力調整弁と、前記膨張室の入口圧力を計測する第2圧力センサと、前記ガスの圧力が前記膨張室の入口圧力より低く且つ前記静圧軸受けの背圧より高くなるように前記圧力調整弁を制御する制御装置と、を更に備えてもよい。 The expansion turbine apparatus includes a first pressure sensor that measures the pressure of the gas, a pressure adjustment valve that is provided in the gas supply path, and that adjusts the pressure of the gas, and a second pressure that measures the inlet pressure of the expansion chamber. The apparatus may further include a pressure sensor and a control device that controls the pressure adjusting valve so that the pressure of the gas is lower than an inlet pressure of the expansion chamber and higher than a back pressure of the static pressure bearing.
上記構成によれば、制御装置がガスの圧力を膨張室の入口圧力より低く且つ静圧軸受けの背圧より高くなるように制御するので、漏洩量を減らすために軸受背圧を上げる必要がなく、背圧上昇による軸受性能の低下を防止することができる。 According to the above configuration, since the control device controls the gas pressure to be lower than the inlet pressure of the expansion chamber and higher than the back pressure of the static pressure bearing, there is no need to increase the bearing back pressure to reduce the amount of leakage. Further, it is possible to prevent a decrease in bearing performance due to an increase in back pressure.
前記制御装置は、前記ラビリンスシールの途中に供給する前記ガスの初期圧力を軸受背圧と同程度で制御し、前記混合ガス排出経路を流れる混合ガスの温度が低下した場合に、前記ガスの圧力を上昇させるように前記圧力調整弁を制御してもよい。 The control device controls the initial pressure of the gas supplied in the middle of the labyrinth seal to the same degree as the bearing back pressure, and the pressure of the gas when the temperature of the mixed gas flowing through the mixed gas discharge path decreases. The pressure regulating valve may be controlled to raise the pressure.
上記構成によれば、ラビリンスシールを通じて膨張室から漏洩する冷媒ガスが増加すると混合ガス排出経路の温度が低下するが、ラビリンスシールに供給するガスの圧力を上昇させることにより、ラビリンスシールのタービン側圧力とガスの圧力を平衡させることができ、理論上はタービンからの低温ガスの漏洩をなくすことができる。また、タービン側を流れている低温ガスの漏洩量が少なくなるので、常温側の温度低下を防ぐことができる。 According to the above configuration, when the refrigerant gas leaking from the expansion chamber through the labyrinth seal increases, the temperature of the mixed gas discharge path decreases, but by increasing the pressure of the gas supplied to the labyrinth seal, the turbine side pressure of the labyrinth seal And gas pressure can be balanced, and theoretically, leakage of low temperature gas from the turbine can be eliminated. Moreover, since the amount of leakage of the low temperature gas flowing on the turbine side is reduced, it is possible to prevent a temperature drop on the normal temperature side.
本発明によれば、静圧気体軸受を備える膨張タービン装置において低温ガスのシール漏洩を抑制することができる。これにより、タービンの効率低下、軸受室の冷却を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the seal leak of a low temperature gas can be suppressed in an expansion turbine apparatus provided with a static pressure gas bearing. Thereby, the efficiency fall of a turbine and the cooling of a bearing chamber can be suppressed.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is the same or it corresponds through all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る膨張タービン装置の構造を示す一部断面図である。図1に示すように、膨張タービン装置1は、本体10内部に膨張室21と制動ガス室20と軸挿通孔22とが形成される。本体10は、例えば、ケーシング形状に形成される。軸挿通孔22は、膨張室21と制動ガス室20とを連通し且つ回転軸13が挿通可能なように形成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the structure of the expansion turbine apparatus according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the expansion turbine device 1 has an
回転軸13は、軸挿通孔22に隙間を有して挿通され、一方の端部にタービンインペラ11が設けられ、他方の端部にブレーキインペラ12が設けられる。回転軸13は、本体10内で上下方向に延び、上下軸線回りに回転可能に支持されている。
The
タービンインペラ11は、膨張室21に収容され、冷媒ガスを膨張させるように構成される。タービンインペラ11は、回転軸13の下端部に形成されている。本体10下部には、膨張室入口24、タービンノズル25及び膨張室出口26が形成されている。膨張室入口24は、本体10の下部に開口している。タービンノズル25は、一端において膨張室入口24と連通し、他端において膨張室21と連通している。膨張室出口26は、本体10の中央下部に開口しており、これによりタービンインペラ11の膨張室21が本体10外部に連通する。膨張室入口24に流入した冷媒は、タービンノズル25の前記他端よりタービンインペラ11に向けて噴射される。冷媒は、タービンインペラ11の回転に伴い膨張及び降温した後に、膨張室出口26から本体10外部に流出する。
The
ブレーキインペラ12は、制動ガス室20に収容され、冷媒ガスと同じ種類の制動ガスによって制動される。ブレーキインペラ12は、回転軸13の上端部に形成されている。本体10上部には、制動ガス室入口27及び制動ガス室出口29が形成され、これによりブレーキインペラ12を収容している制動ガス室20が本体10外部の制動ライン15に連通する。制動ライン15から制動ガス室入口27に流入した常温の制動ガスは、ブレーキインペラ12に向けてそのまま流入する。制動ガスは、ブレーキインペラ12の回転に伴い圧縮されて昇圧及び昇温した後に、制動ガス室出口29から制動ライン15を経て制動ガス室入口27へ戻る。
The
静圧気体軸受14は、軸挿通孔22に形成された軸受室23に設けられ、前記膨張室入口24から供給され且つ前記膨張室出口26から排出される冷媒ガスと同じ種類の軸受ガスの静圧によって回転軸13を回転可能に支持する。静圧気体軸受14は、回転軸13を径方向において回転可能に支持するラジアル静圧気体軸受14a及び14dと、回転軸13を軸方向において回転可能に支持するスラスト静圧気体軸受14b及び14cとを備える。これらの静圧気体軸受14a〜14dは、略円筒状に形成され、回転軸13の外周側を取り囲むようにして設けられる。軸受室23に、膨張室21から制動ガス室20に向かって、第1ラジアル静圧軸受14d、第1スラスト静圧軸受14c、第2スラスト静圧軸受14b、第2ラジアル静圧軸受14aが順に位置するように設けられる。第2スラスト静圧軸受14b及び第1スラスト静圧軸受14cは、回転軸13の上下中央部から径方向に突出するスラストカラー34を上下方向に挟むようにして配置される。
The static pressure gas bearing 14 is provided in a bearing
本体10内には、第1共通給気通路35aと、第2共通給気通路35bと、共通排気通路36が形成される。第1共通給気通路35aと、第2共通給気通路35bと、共通排気通路36は、周方向に異なる位置に形成される。第1共通給気通路35aは、軸受ガス入口49と連通し、軸受ガスを第2ラジアル静圧軸受14a、第1ラジアル静圧軸受14dの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路であり、第2共通給気通路35bは、軸受ガス入口49と連通し、軸受ガスを第2スラスト静圧軸受14b、第1スラスト静圧軸受14cの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。本実施形態では、第1共通給気通路35aと第2共通給気通路35bは独立に構成されているが、共通に構成されてもよい。共通排気通路36は、軸受ガス出口50と連通し、各静圧気体軸受14a〜14dの隙間から排出された軸受ガスが流れる通路である。
In the
第1共通給気通路35aは、第1給気通路37及び第2給気通路38に分岐される。第2共通給気通路35bは、第3給気通路43及び第4給気通路44に分岐される。第1給気通路37は、第2ラジアル静圧軸受14aの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。第2給気通路38は、第1ラジアル静圧軸受14dの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。第3給気通路43は、第2スラスト静圧軸受14bの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。第4給気通路44は、第1スラスト静圧軸受14cの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。
The first
共通排気通路36は、第1排気通路39と、第2排気通路40と、第3排気通路41と、第4排気通路42と連通している。第1排気通路39は、第2ラジアル静圧軸受14aの隙間から上側に排出された軸受ガスが流れる通路である。第2排気通路40は、第2ラジアル静圧軸受14aの隙間から下側に排出された軸受ガス及び、第2スラスト静圧軸受14bの隙間から上側に排出された軸受ガスが流れる通路である。第3排気通路41は、第1スラスト静圧軸受14cの隙間から下側に排出された軸受ガス及び第1ラジアル静圧軸受14dの隙間から上側に排出された軸受ガスが流れる通路である。第4排気通路42は、第1ラジアル静圧軸受14dの隙間から下側に排出された軸受ガスが流れる通路である。第4排気通路42には、第1ラビリンスシール30を通じて膨張室21から第1ラジアル静圧軸受14dの軸受室23に漏洩する冷媒ガスが流入する。
The
図2は、第1ラジアル静圧軸受14dの断面図を模式的に示している。図2に示すように、回転軸13の外周側を取り囲むようにして略円筒状に軸受部材51が形成されている。軸受部材51は、回転軸13との間に隙間を有する。軸受部材51には複数のノズル穴(軸受入口)51aが円周方向に形成される。図1の第1共通給気通路35aから分岐された第2給気通路38を流れる軸受ガスはノズル穴51aから回転軸13に噴射される。第1ラジアル静圧軸受14dの軸受膜(点線)が、軸受部材51の内周面と回転軸13の外周面との間に形成される。第1ラジアル静圧軸受14dの隙間の一端(軸受出口)から上側に排出された軸受ガス(点線矢印)は、図1の第3排気通路41から共通排気通路36を通って排出される。第1ラジアル静圧軸受14dの隙間の他端(軸受出口)から下側に排出された軸受ガス(点線矢印)は図1の第4排気通路42から共通排気通路36を通って排出される。図1の第2ラジアル静圧軸受14aも第1ラジアル静圧軸受14dと同様な構成を備えており、軸受ガスによる軸受膜が形成され、第2ラジアル静圧軸受14aの隙間の両端(軸受出口)から上下に排出された軸受ガスは第1排気通路39及び第2排気通路40を通って共通排気通路36に導かれる。
FIG. 2 schematically shows a cross-sectional view of the first radial
図3は、スラスト静圧軸受14b及び14cの断面図を模式的に示している。図3に示すように、回転軸13及びスラストカラー34は、本体10内部において隙間を有して配置される。ここで第3給気通路43は、図1の第2共通給気通路35bから分岐され、第2スラスト静圧軸受14bの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。第4給気通路44は、第2共通給気通路35bから分岐され、第1スラスト静圧軸受14cの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。
FIG. 3 schematically shows a cross-sectional view of the thrust
第3給気通路43を流れる軸受ガスはノズル穴(軸受入口)43aから噴射され、第2スラスト静圧軸受14bの軸受膜(点線)が、軸挿通孔22の内壁22aの下端面とスラストカラー34の上端面との間に形成される。第4給気通路44を流れる軸受ガスはノズル穴44aから噴射され、第1スラスト静圧軸受14cの軸受膜(点線)が、軸挿通孔22の内壁22aの上端面とスラストカラー34の下端面との間に形成される。第2スラスト静圧軸受14bの隙間の一端(軸受出口)から上側に排出された軸受ガス(点線矢印)は図1の第2排気通路40から共通排気通路36を通って排出される。第1スラスト静圧軸受14cの隙間の他端(軸受出口)から下側に排出された軸受ガス(点線矢印)は図1の第3排気通路41から共通排気通路36を通って排出される。尚、第2スラスト静圧軸受14bの隙間の一端(軸受出口)から下側に流出した軸受ガス(点線矢印)及び第1スラスト静圧軸受14cの他端(軸受出口)から上側に流出した軸受ガス(点線矢印)も共通排気通路36を通って排出される。
The bearing gas flowing through the third
図1の本体10は、軸受ガス入口49及び軸受ガス出口50を有している。軸受ガス入口49は、第1共通給気通路35a及び第2共通給気通路35bと連通している。軸受ガス出口50は、共通排気通路36と連通している。軸受ガス入口49から、膨張タービン装置1の本体10内の静圧気体軸受14a〜14dに高圧の軸受ガスが供給される。本実施形態では、軸受ガスには冷媒ガスと同じ種類の常温の水素ガスが使用される。静圧軸受14a〜14dの軸受隙間に高圧の軸受ガスが供給されることにより、回転軸13を本体10内で回転可能に支持することができ、回転軸13のラジアル荷重及びスラスト荷重を良好に支持することができる。起動時及び停止時に、回転軸13の外周面と、静圧軸受14a〜14dの内周面との間で摩擦が生じない。このため、膨張タービン装置1及びラジアル静圧軸受14a,14dの長寿命化を図ることができる。
The
また、軸受室23と膨張室21との間に第1ラビリンスシール30が設けられる(図1参照)。軸受室23の制動ガス室20側の端とブレーキ側ラジアル静圧軸受14aが設けられた部分との間の部分に第2ラビリンスシール31が設けられる(図1参照)。第1ラビリンスシール30及び第2ラビリンスシール31は、回転軸13の外周側を取り囲むようにして設けられる。本実施形態では第1ラビリンスシール30の途中に軸受ガスと同じ種類の常温のガスを供給するためのガス供給経路55が設けられる。
A
図4は、第1ラビリンスシール30の構成を示す模式図である。図4に示すように、第1ラビリンスシール30は、回転軸13と一定間隔を空けて回転軸13の外周側を取り囲むような内周面を有する。内周面の表面には複数のシール歯が形成される。これらのシール歯は回転軸13の外周に沿うように形成される。本実施形態ではシール歯は、静止側(第1ラビリンスシール30)に形成されているが、回転軸13側に形成されてもよい。以下ではシール歯と歯溝を合わせて1段と呼ぶ。膨張室入口24から流入した冷媒はタービンノズル25を通過した後は、全て膨張室出口26へ流出するのが理想的であるが、タービンインペラ11背面に位置する第1ラビリンスシール30へ一部漏洩することになる(図1参照)。漏洩した冷媒ガスの圧力は第1ラビリンスシール30の各段を通過する度に徐々に低下する。本実施形態ではガス供給経路55の一端は、第1ラビリンスシール30外周面から内部を貫通し、シール内周面の表面に開口している。図4では、ガス供給経路55の一端は、図4の左右の両側から第1ラビリンスシール30内部から回転軸13にガスを供給するように構成されているが、第1ラビリンスシール30の途中に冷媒ガスと同じ種類の常温ガスを供給する構成であれば図1及び図4の構成に限定されない。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the
図5は、図1の膨張タービン装置1の全体的な構成を示す概略図である。以下では既に説明した構成については説明を省略する。図5に示すように、膨張タービン装置1は、本体10と、制動ライン15と、タービンライン16と、軸受供給ライン17と、軸受排気ライン18と、ガス供給経路55と、第1圧力センサ60と、第2圧力センサ70と、第3圧力センサ80と、圧力調整弁90と、制御装置100と、温度センサ110と、を備える。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an overall configuration of the expansion turbine apparatus 1 of FIG. In the following, description of the already described configuration is omitted. As shown in FIG. 5, the expansion turbine device 1 includes a
制動ライン15は、制動ガスを循環させ、ブレーキインペラ12に制動ガスを供給するための配管である。制動ライン15の一端は、図1の制動ガス室20の制動ガス室入口27に接続され、制動ライン15の他端は、制動ガス室20の制動ガス室出口29に接続される。制動ライン15の途中には熱交換器53が設けられる。
The
熱交換器53は、制動ライン15を循環する制動ガスを降温及び降圧する。また、制動ライン15を循環する制動ガスは、ブレーキインペラ12を通過する過程で、圧縮されて昇温及び昇圧するが、熱交換器53を通過することにより、降温及び降圧し常温に維持される。
The
タービンライン16は、タービンインペラ11に冷媒を供給するための配管である。タービンライン16の一端は、図1の膨張室21の膨張室入口24に接続され、タービンライン16の他端は、膨張室21の膨張室出口26に接続される。膨張室21の膨張室入口24の上流において圧縮機(図示せず)により圧縮された低温高圧の冷媒がタービンインペラ11へ導かれる。タービンインペラ11は低温高圧の冷媒を、断熱膨張により降温及び降圧させる。
The
軸受供給ライン17は、静圧気体軸受14a〜14dに高圧の軸受ガスを供給するように構成される。軸受供給ライン17の一端は、例えば液化システムの液化原料ガスを送るフィードラインに接続され、軸受供給ライン17の他端は、本体10の軸受ガス入口49に接続される(図1参照)。軸受供給ライン17は、第2ラジアル静圧軸受14aと、第2スラスト静圧軸受14bと、第1スラスト静圧軸受14cと、第1ラジアル静圧軸受14dのそれぞれに軸受ガスを供給するように構成されている。軸受供給ライン17は、図1の第1共通給気通路35a及び第2共通給気通路25bに連通されている。第1共通給気通路35aから分岐された第1給気通路37及び第2給気通路38を通じて第2ラジアル静圧軸受14a、第1ラジアル静圧軸受14dに軸受ガスが供給され、第2共通給気通路35bから分岐された第3給気通路43及び第4給気通路44を通じて、第1スラスト静圧軸受14c及び第2スラスト静圧軸受14bに軸受ガスが供給される(図1参照)。
The bearing
軸受排気ライン18は、静圧気体軸受14a〜14dの軸受室23出口に上流端が接続され、静圧気体軸受14a〜14dを通過した軸受ガスと第1ラビリンスシール30を通じてタービンライン16(膨張室)から軸受室23に漏洩する冷媒ガスと第1ラビリンスシール30の途中に供給されるガスとの混合ガスを排出するように構成された混合ガス排出経路である。本実施形態では、軸受排気ライン18は、図1の第1排気通路39と、第2排気通路40と、第3排気通路41と、第4排気通路42と、共通排気通路36とを含む(図1参照)。
The bearing
ガス供給経路55は、第1ラビリンスシール30に冷媒と同じ種類のガスを供給するための配管である。ガス供給経路55の一端は軸受供給ライン17から分岐され、ガス供給経路55の他端は第1ラビリンスシール30外周面から内部を貫通し、シール内周面の表面に開口している(図1参照)。
The
第1圧力センサ60は、ガス供給経路55に設けられ、ガスの圧力P1を計測するように構成される。第1圧力センサ60は、計測した圧力情報を制御装置100に出力するように構成される。
The
第2圧力センサ70は、タービンライン16における、膨張室21の入口圧力P2を計測するように構成される。第2圧力センサ70は、計測した圧力情報を制御装置100に出力するように構成される。
The
第3圧力センサ80は、軸受排気ライン18に設けられ、軸受排気ライン18の軸受背圧P3を計測するように構成される。第3圧力センサ80は、計測した圧力情報を制御装置100に出力するように構成される。
The
圧力調整弁90は、ガス供給経路55に設けられ、ガスの圧力P1を調整するように構成される。圧力調整弁90は、制御装置100の指令に基づいて弁の開度を調整するように構成される。
The
温度センサ110は、軸受排気ライン18に設けられ、軸受排気ライン18の軸受排気温度T1を計測するように構成される。温度センサ110は、計測した温度情報を制御装置100に出力するように構成される。
The
制御装置100は、ガスの圧力P1、膨張室21の入口圧力P2、静圧気体軸受14a〜14dの背圧P3、及び軸受排気温度T1に基づいて圧力調整弁90を制御するように構成される。本実施形態では、制御装置100は、膨張タービン装置1のみならず、圧縮機等のその他の装置を制御する機能を有する。制御装置100は、例えば、CPU、ROM及び入出力インターフェイスを主体として構成されたマイクロコンピュータである。制御装置100の入力側にはガスの圧力P1、膨張室21の入口圧力P2、軸受排気ライン18の背圧P3及び軸受排気温度T1の測定値、タービン回転数等のプロセスデータが入力される。制御装置100の出力側には、圧力調整弁90,供給弁,排出弁等が接続されている。CPUは、ROMに記憶されている制御プログラムを実行する。更に、CPUは、プロセスデータの温度測定値を監視しながら、ガスの圧力P1、膨張室21の入口圧力P2、軸受背圧P3が設定どおり得られるように圧力調整弁90を制御する。制御装置100は、ガス圧力P1の初期圧力を軸受背圧P3と同程度に設定し、軸受排気温度T1が基準値TSよりも低下した場合に、ガスの圧力P1を上昇させるように圧力調整弁90を制御する。ここで温度基準値TSは正常時における所定の値又は一定の範囲の値である。
The
膨張タービン装置1の運転中において、軸受供給ライン17からタービン本体10の静圧気体軸受14a〜14dの隙間に高圧の軸受ガスが供給される。これにより、回転軸13が本体10内で回転可能に支持され、回転軸13のラジアル荷重及びスラスト荷重が支持される。軸受排気ライン18からは静圧気体軸受14a〜14dの軸受ガスが排出される。膨張室入口24の圧力P2はタービンノズル25で減圧し、タービンライン16(膨張室)の冷媒の主流はタービンインペラ11で断熱膨張し膨張室出口26へ向かう。タービンインペラ11が収容された膨張室21側の端とラジアル静圧軸受14dが設けられた部分との間の部分には第1ラビリンスシール30が設けられているが、第1ラビリンスシール30を通じてタービンライン16(膨張室)から軸受けに漏洩する冷媒ガスが存在する。このため、軸受排気ライン18には、軸受ガスと漏洩した冷媒ガスとの混合ガスが含まれる。このとき第1ラビリンスシール30の漏洩量は、第1ラビリンスシール30の入口の圧力P4と第1ラビリンスシール30出口の圧力との差圧による。第1ラビリンスシール30の入口又は出口はセンサの設置が難しく正確な圧力計測は困難であるが、第1ラビリンスシール30出口の圧力はほぼ軸受背圧P3とほぼ等しい。
During operation of the expansion turbine device 1, high-pressure bearing gas is supplied from the bearing
本実施形態では、膨張室21の入口圧力P2より低く且つ静圧軸受けの背圧P3より高い圧力P1のガスが第1ラビリンスシール30の途中に供給される。つまり、第1ラビリンスシール30を介して膨張室21から軸受排気ライン18に漏洩する冷媒ガスの量が、実質的にガスの供給圧力P1によって定まる。従って、ガスを供給しない場合に比べて、同じ静圧気体軸受の背圧に対する冷媒ガスの漏洩量を低減することができる。例えば、ガスを供給しない場合には、冷媒ガスの漏洩量を減らすために、軸受背圧を上げ、ラビリンス差圧を小さくする方法があるが、軸受性能の低下の恐れがある。これに対し、本実施形態のようにガスを供給する場合は、軸受背圧を上げることなく、第1ラビリンスシール30からの冷媒ガスの漏洩量を抑えることができる。
In the present embodiment, a gas having a pressure P 1 lower than the inlet pressure P 2 of the
ここで、実際にはラビリンスシール入口圧力は、膨張室入口より低くなるので、ガス圧力が膨張室入口圧力より低くても、ラビリンスシール入口圧力より高いガスを供給すると逆流して、膨張室にも常温ガスが流れてしまう。そこで、ガスの供給圧P1は、第1ラビリンスシール30の入口圧力P4より低くすることが望ましい。第1ラビリンスシール30の入口圧力P4は、図1のタービンノズル25の出口圧力とほぼ等しい。これにより、常温ガスが第1ラビリンスシール30入口から膨張室21に流れこむことを防止できる。
Here, since the labyrinth seal inlet pressure is actually lower than the expansion chamber inlet, even if the gas pressure is lower than the expansion chamber inlet pressure, if a gas higher than the labyrinth seal inlet pressure is supplied, the labyrinth seal inlet pressure flows back into the expansion chamber. Room temperature gas will flow. Therefore, it is desirable that the gas supply pressure P 1 be lower than the inlet pressure P 4 of the
また、第1ラビリンスシール30を通じてタービンライン16(膨張室)から軸受けに漏洩する冷媒ガスが増加した場合、温度センサ110で計測される軸受排気ライン18の温度が低下する。制御装置100は、軸受排気温度T1が基準値TSよりも低下した場合に、第1ラビリンスシール30に供給するガスの圧力P1を上昇させるように圧力調整弁90を制御する。これにより、第1ラビリンスシール30のタービン側の入口圧力とガスの圧力P1を平衡させることができ、理論上はタービンからの低温ガスの漏洩をなくすことができる。その結果、タービン性能の低下を防止し、かつ常温側の温度低下も防ぐことができる。
Further, when the refrigerant gas leaking from the turbine line 16 (expansion chamber) to the bearing through the
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について、図6を用いて説明する。以下では、第1実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. Below, the description of the structure common to 1st Embodiment is abbreviate | omitted, and only a different structure is demonstrated.
図6は、第2実施形態に係る膨張タービン装置1Aの構成を示すブロック図である。図6に示すように、膨張タービン装置1Aは、第1実施形態と比較すると、軸受排気ライン18に設けられ、静圧気体軸受14a〜14dの背圧P3を調整する背圧調整弁120を更に備え、制御装置100が、軸受排気ライン18を流れる混合ガスの温度が低下した場合に静圧気体軸受14a〜14dの背圧P3を上昇させるように背圧調整弁120を制御する点が相違する。上記構成によれば、静圧軸受の背圧P3を上げることにより、第1実施形態と比較して、タービンからの低温ガスの漏洩の効果を高めることができる。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of an
尚、本実施形態では静圧気体軸受14a〜14dの背圧P3のみ高くするように制御したが、軸受の入口/出口の差圧が低くなるのを防止するため、膨張タービン装置1Aが軸受供給ライン17の圧力を制御する手段(図示しない)を更に備えてもよい。
Although the present embodiment has been controlled to increase only the back pressure P 3 of the externally
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び機能の一方又は双方の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of one or both of the structure and function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明は、静圧軸受を備える膨張タービンに有用である。 The present invention is useful for an expansion turbine including a hydrostatic bearing.
1,1A 膨張タービン装置
10 タービン本体
11 タービンインペラ
12 ブレーキインペラ
13 回転軸
14 静圧気体軸受
14a 第2ラジアル静圧軸受(制動ガス室側)
14b 第2スラスト静圧軸受(制動ガス室側)
14c 第1スラスト静圧軸受(膨張室側)
14d 第1ラジアル静圧軸受(膨張室側)
15 制動ライン
16 タービンライン
17 軸受供給ライン
18 軸受排気ライン(混合ガス排出経路)
20 制動ガス室
21 膨張室
22 軸挿通孔
23 軸受室
24 膨張室入口
25 タービンノズル
26 膨張室出口
27 制動ガス室入口
29 制動ガス室出口
30 第1ラビリンスシール(膨張室側)
31 第2ラビリンスシール(制動ガス室側)
60 第1圧力センサ
70 第2圧力センサ
80 第3圧力センサ
90 圧力調整弁
100 制御装置
110 温度センサ
120 背圧調整弁
DESCRIPTION OF
14b Second thrust hydrostatic bearing (brake gas chamber side)
14c 1st thrust hydrostatic bearing (expansion chamber side)
14d First radial hydrostatic bearing (expansion chamber side)
15
20
31 Second labyrinth seal (braking gas chamber side)
60
Claims (3)
前記膨張室に収容され、冷媒ガスを膨張させるタービンインペラと、
前記制動ガス室に収容され、前記冷媒ガスと同じ種類の制動ガスによって制動されるブレーキインペラと、
前記軸挿通孔に隙間を有して挿通され、一方の端部に前記タービンインペラが設けられ、他方の端部に前記ブレーキインペラが設けられた前記回転軸と、
前記軸挿通孔内に形成された軸受室に設けられ、入口から供給され且つ出口から排出される前記冷媒ガスと同じ種類の軸受ガスの静圧によって前記回転軸を回転可能に支持する静圧気体軸受と、
前記軸受室と前記膨張室との間に設けられたラビリンスシールと、
前記ラビリンスシールの途中に前記冷媒ガスと同じ種類のガスを供給するためのガス供給経路と、
前記静圧気体軸受の軸受室出口に上流端が接続され、前記静圧気体軸受を通過した前記軸受ガスと前記ラビリンスシールを通じて前記膨張室から前記軸受室に漏洩する冷媒ガスと前記ラビリンスシールの途中に供給されるガスとの混合ガスを排出する混合ガス排出経路と、
を備え、
前記ラビリンスシールの途中に供給されるガスの圧力が前記膨張室の入口圧力より低く且つ前記静圧軸受けの背圧より高い、膨張タービン装置。 An expansion chamber, a braking gas chamber, and a shaft insertion hole are formed therein, and the shaft insertion hole communicates with the expansion chamber and the braking gas chamber, and a main body is formed so that a rotation shaft can be inserted;
A turbine impeller that is housed in the expansion chamber and expands the refrigerant gas;
A brake impeller housed in the braking gas chamber and braked by the same type of braking gas as the refrigerant gas;
The rotary shaft, which is inserted with a gap in the shaft insertion hole, the turbine impeller is provided at one end, and the brake impeller is provided at the other end,
A static pressure gas that is provided in a bearing chamber formed in the shaft insertion hole and rotatably supports the rotating shaft by a static pressure of the same type of bearing gas as the refrigerant gas supplied from the inlet and discharged from the outlet. A bearing,
A labyrinth seal provided between the bearing chamber and the expansion chamber;
A gas supply path for supplying the same type of gas as the refrigerant gas in the middle of the labyrinth seal;
An upstream end is connected to the bearing chamber outlet of the static pressure gas bearing, and the bearing gas that has passed through the static pressure gas bearing and the refrigerant gas that leaks from the expansion chamber to the bearing chamber through the labyrinth seal and the middle of the labyrinth seal A mixed gas discharge path for discharging a mixed gas with the gas supplied to
With
An expansion turbine apparatus, wherein a pressure of gas supplied in the middle of the labyrinth seal is lower than an inlet pressure of the expansion chamber and higher than a back pressure of the static pressure bearing.
前記ガス供給経路に設けられ、前記ガスの圧力を調整する圧力調整弁と、
前記膨張室の入口圧力を計測する第2圧力センサと、
前記ガスの圧力が前記膨張室の入口圧力より低く且つ前記静圧軸受けの背圧より高くなるように前記圧力調整弁を制御する制御装置と、を更に備える、請求項1に記載の膨張タービン装置。 A first pressure sensor for measuring the pressure of the gas;
A pressure adjusting valve provided in the gas supply path for adjusting the pressure of the gas;
A second pressure sensor for measuring an inlet pressure of the expansion chamber;
The expansion turbine apparatus according to claim 1, further comprising a control device that controls the pressure regulating valve so that the pressure of the gas is lower than an inlet pressure of the expansion chamber and higher than a back pressure of the static pressure bearing. .
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