JP2003056307A - ターボマシーン - Google Patents
ターボマシーンInfo
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C39/00—Relieving load on bearings
- F16C39/04—Relieving load on bearings using hydraulic or pneumatic means
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
- F01D3/04—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid axial thrust being compensated by thrust-balancing dummy piston or the like
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/051—Axial thrust balancing
- F04D29/0516—Axial thrust balancing balancing pistons
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2220/00—Application
- F05D2220/40—Application in turbochargers
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2270/00—Control
- F05D2270/01—Purpose of the control system
- F05D2270/05—Purpose of the control system to affect the output of the engine
- F05D2270/051—Thrust
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 ターボエキスパンダに対し、自動的に調整可
能であり、自動的に種々のターボエキスパンダの運転条
件に適合する軸推力補償を行なうこと。 【解決手段】 転がり軸受８内に支承されたロータ軸２
の軸推力を直接検出するための測定装置７と、制御導管
において調整器９によって制御される少なくとも２つの
圧力調整弁とを有し、制御導管を介して、ケース１に対
して密閉された、ロータディスク５又は３の一方の背面
におけるロータピストン面１４が、ステージの入口及び
出口において支配する圧力を作用可能であり、また、調
整器９が、所定の許容差領域の外側に位置する軸推力
を、ロータピストン面における圧力増大又は圧力減少に
よって排除するために、測定された軸推力に応じて、圧
力調整弁を操作する。
能であり、自動的に種々のターボエキスパンダの運転条
件に適合する軸推力補償を行なうこと。 【解決手段】 転がり軸受８内に支承されたロータ軸２
の軸推力を直接検出するための測定装置７と、制御導管
において調整器９によって制御される少なくとも２つの
圧力調整弁とを有し、制御導管を介して、ケース１に対
して密閉された、ロータディスク５又は３の一方の背面
におけるロータピストン面１４が、ステージの入口及び
出口において支配する圧力を作用可能であり、また、調
整器９が、所定の許容差領域の外側に位置する軸推力
を、ロータピストン面における圧力増大又は圧力減少に
よって排除するために、測定された軸推力に応じて、圧
力調整弁を操作する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ケースと、ロータ
軸と、このロータ軸の一方の軸端部において可動に配設
された、求心的に貫流させられるエクスパンジョンター
ビンステージのロータディスクと、このロータ軸の他方
の軸端部において可動に配設された、半径方向に貫流さ
せられる圧縮機ステージのロータディスクとを有するタ
ーボマシーンに関する。
軸と、このロータ軸の一方の軸端部において可動に配設
された、求心的に貫流させられるエクスパンジョンター
ビンステージのロータディスクと、このロータ軸の他方
の軸端部において可動に配設された、半径方向に貫流さ
せられる圧縮機ステージのロータディスクとを有するタ
ーボマシーンに関する。
【０００２】
【従来の技術】ターボエキスパンダと呼ばれる上記構造
のターボマシーンは、工業的な使用においては高い圧力
レベルで運転され、その際しばしば、ロータ軸の軸方向
に整向されたタービン出口圧力が、同様に軸方向に整向
された圧縮機入口圧力から著しく逸脱する。圧縮機ステ
ージとエキスパンジョンタービンステージとの間のこの
差圧によって、大きな軸推力が、高い回転数で運転され
るロータ軸に加えられる。確かにこの軸推移力は、十分
に寸法設定されたスラスト軸受によって完全に収容され
るが、製造される、高い運転軸推力及び衝撃を収容する
ために設定されているスラスト軸受は、著しい損失効率
をも収容する。不利な運転の場合のために設定されるス
ラスト軸受の損失効率は、タービンエキスパンジョン効
率の５〜１０％となる。相応に、圧縮機ステージにおい
て使用できる駆動効率は減少し、これは、設備、例え
ば、内部でターボマシーンが使用される冷凍設備の全体
効率を減少させる。
のターボマシーンは、工業的な使用においては高い圧力
レベルで運転され、その際しばしば、ロータ軸の軸方向
に整向されたタービン出口圧力が、同様に軸方向に整向
された圧縮機入口圧力から著しく逸脱する。圧縮機ステ
ージとエキスパンジョンタービンステージとの間のこの
差圧によって、大きな軸推力が、高い回転数で運転され
るロータ軸に加えられる。確かにこの軸推移力は、十分
に寸法設定されたスラスト軸受によって完全に収容され
るが、製造される、高い運転軸推力及び衝撃を収容する
ために設定されているスラスト軸受は、著しい損失効率
をも収容する。不利な運転の場合のために設定されるス
ラスト軸受の損失効率は、タービンエキスパンジョン効
率の５〜１０％となる。相応に、圧縮機ステージにおい
て使用できる駆動効率は減少し、これは、設備、例え
ば、内部でターボマシーンが使用される冷凍設備の全体
効率を減少させる。
【０００３】また非常に高い回転数の際にも僅かな損失
しか生じさせない高精度アンギュラ玉軸受を使用するこ
とは、有利であると思われる。これらのアンギュラ玉軸
受は、特別な構成においては、２．５×１０６ｍｍ／ｍ
ｉｎまでの回転数−直径−積でもって運転することがで
きる。この値は、例えば冷凍ターボエキスパンダを、エ
キスパンジョンタービンステージにおけるエキスパンジ
ョン圧力比ｐＥｉｎ／ｐＡｕｓ＝１０でもって運転する
ためには十分である。高精度転がり軸受は、一般に、転
がり軸受が連続運転において、僅かな力、特に僅かな軸
力にさらされている場合にのみ、許容可能な寿命を達成
する。許容可能な値は、調整をする場合に、ターボエキ
スパンダを運転する際に生じる軸推力及び衝撃を収容す
るためには十分でない。
しか生じさせない高精度アンギュラ玉軸受を使用するこ
とは、有利であると思われる。これらのアンギュラ玉軸
受は、特別な構成においては、２．５×１０６ｍｍ／ｍ
ｉｎまでの回転数−直径−積でもって運転することがで
きる。この値は、例えば冷凍ターボエキスパンダを、エ
キスパンジョンタービンステージにおけるエキスパンジ
ョン圧力比ｐＥｉｎ／ｐＡｕｓ＝１０でもって運転する
ためには十分である。高精度転がり軸受は、一般に、転
がり軸受が連続運転において、僅かな力、特に僅かな軸
力にさらされている場合にのみ、許容可能な寿命を達成
する。許容可能な値は、調整をする場合に、ターボエキ
スパンダを運転する際に生じる軸推力及び衝撃を収容す
るためには十分でない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の基本である課
題は、ターボエキスパンダに対し、自動的に調整可能で
あり、自動的に種々のターボエキスパンダの運転条件に
適合する軸推力補償を行なうことにある。
題は、ターボエキスパンダに対し、自動的に調整可能で
あり、自動的に種々のターボエキスパンダの運転条件に
適合する軸推力補償を行なうことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の対象及びこの課
題の解決策は、ケースと、ロータ軸と、このロータ軸の
一方の軸端部において可動に配設された、求心的に貫流
させられるエクスパンジョンタービンステージのロータ
ディスクと、このロータ軸の他方の軸端部において可動
に配設された、半径方向に貫流させられる圧縮機ステー
ジのロータディスクと、転がり軸受内に支承されたロー
タ軸の軸推力を直接検出するための測定装置と、そし
て、制御導管において調整器によって制御される少なく
とも２つの圧力調整弁とを有し、その際、制御導管を介
して、ケースに対して密閉された、ロータディスクの一
方の背面におけるロータピストン面が、ステージの入口
及び出口において支配する圧力を作用可能であり、また
その際、調整器が、所定の許容差領域の外側に位置する
軸推力を、ロータピストン面における圧力増大又は圧力
減少によって排除するために、測定された軸推力に応じ
て、高い圧力によって作用を受ける制御導管における圧
力調整弁か、低い圧力の下に存在する制御導管における
圧力調整弁かのいずれかを操作するように構成されてい
るターボマシーンである。
題の解決策は、ケースと、ロータ軸と、このロータ軸の
一方の軸端部において可動に配設された、求心的に貫流
させられるエクスパンジョンタービンステージのロータ
ディスクと、このロータ軸の他方の軸端部において可動
に配設された、半径方向に貫流させられる圧縮機ステー
ジのロータディスクと、転がり軸受内に支承されたロー
タ軸の軸推力を直接検出するための測定装置と、そし
て、制御導管において調整器によって制御される少なく
とも２つの圧力調整弁とを有し、その際、制御導管を介
して、ケースに対して密閉された、ロータディスクの一
方の背面におけるロータピストン面が、ステージの入口
及び出口において支配する圧力を作用可能であり、また
その際、調整器が、所定の許容差領域の外側に位置する
軸推力を、ロータピストン面における圧力増大又は圧力
減少によって排除するために、測定された軸推力に応じ
て、高い圧力によって作用を受ける制御導管における圧
力調整弁か、低い圧力の下に存在する制御導管における
圧力調整弁かのいずれかを操作するように構成されてい
るターボマシーンである。
【０００６】例えばロータピストン面は、圧縮機ロータ
ディスクの背面に設けることができる。制御導管を介し
て、ロータピストン面は、圧縮機ステージへの入口にお
いて支配する圧力と、圧縮機ステージの出口における圧
力とを作用可能であるように構成されており、その際、
調整器は、測定された軸推力に応じて、圧縮機入口圧力
によって作用を受ける制御導管における圧力調整弁か、
圧縮機出口圧力の下に存在する制御導管における圧力調
整弁かのいずれかを操作するように構成されている。し
かしながら本発明の枠内には、ロータピストン面が、エ
キスパンジョンタービンステージのロータディスクの背
面において設けられている請求項３による構成も存在す
る。
ディスクの背面に設けることができる。制御導管を介し
て、ロータピストン面は、圧縮機ステージへの入口にお
いて支配する圧力と、圧縮機ステージの出口における圧
力とを作用可能であるように構成されており、その際、
調整器は、測定された軸推力に応じて、圧縮機入口圧力
によって作用を受ける制御導管における圧力調整弁か、
圧縮機出口圧力の下に存在する制御導管における圧力調
整弁かのいずれかを操作するように構成されている。し
かしながら本発明の枠内には、ロータピストン面が、エ
キスパンジョンタービンステージのロータディスクの背
面において設けられている請求項３による構成も存在す
る。
【０００７】ロータ軸の転がり軸受部のために、許容可
能な軸推力が固定される。ターボマシーンの運転の際に
は、調整器が、測定装置によって収容される軸推力測定
値を、所定の基準値領域と比較する。測定された軸推力
が、基準値領域の外側に位置する場合は、両方の圧力調
整弁の一方が、軸推力の校正を目的として制御される。
圧力調整弁によって、ロータピストン面における圧力
は、敏感に調整することができる。いずれかの方向に軸
推力が修正されなければならないかに応じて、ロータピ
ストン面における圧力は、増大させられるか、減少させ
られる。
能な軸推力が固定される。ターボマシーンの運転の際に
は、調整器が、測定装置によって収容される軸推力測定
値を、所定の基準値領域と比較する。測定された軸推力
が、基準値領域の外側に位置する場合は、両方の圧力調
整弁の一方が、軸推力の校正を目的として制御される。
圧力調整弁によって、ロータピストン面における圧力
は、敏感に調整することができる。いずれかの方向に軸
推力が修正されなければならないかに応じて、ロータピ
ストン面における圧力は、増大させられるか、減少させ
られる。
【０００８】別の構成においては、本発明は、付加制御
導管がそれぞれ１つの弁を備えており、その際、付加制
御導管を介して、ケースに対して密閉された、他方のロ
ータディスクの背面における別のロータピストン面が、
このステージの入口において支配する圧力と、このステ
ージの出口における圧力とを作用可能であるように構成
されていることを教示する。
導管がそれぞれ１つの弁を備えており、その際、付加制
御導管を介して、ケースに対して密閉された、他方のロ
ータディスクの背面における別のロータピストン面が、
このステージの入口において支配する圧力と、このステ
ージの出口における圧力とを作用可能であるように構成
されていることを教示する。
【０００９】付加制御導管の弁は、同様に調整器によっ
て制御される圧力調整弁として形成することができる。
その際、制御導管並びに付加制御導管における圧力調整
弁の制御は、圧縮機ロータディスク及びタービンロータ
ディスクのロータピストン面における圧力変化が、軸推
力補償のための補償力が増強されるように補足するよう
に行なわれる。その点では、圧力調整弁は、例えば、圧
縮機ステージのロータピストン面における圧力の増大
が、タービンロータディスクのロータピストン面におけ
る圧力減少と組み合わせられているように切り替えられ
ている。相応に、圧縮機ロータディスクのロータピスト
ン面における圧力減少は、タービンロータディスクのロ
ータピストン面の圧力増大と組み合わされる。本発明に
よる構成の場合は、非常に大きな補償力を調達するこ
と、また正確に調整することができ、従って、ロータ軸
の軸推力は、高精度転がり軸受に対して許容可能な狭い
基準値領域内に留まる。
て制御される圧力調整弁として形成することができる。
その際、制御導管並びに付加制御導管における圧力調整
弁の制御は、圧縮機ロータディスク及びタービンロータ
ディスクのロータピストン面における圧力変化が、軸推
力補償のための補償力が増強されるように補足するよう
に行なわれる。その点では、圧力調整弁は、例えば、圧
縮機ステージのロータピストン面における圧力の増大
が、タービンロータディスクのロータピストン面におけ
る圧力減少と組み合わせられているように切り替えられ
ている。相応に、圧縮機ロータディスクのロータピスト
ン面における圧力減少は、タービンロータディスクのロ
ータピストン面の圧力増大と組み合わされる。本発明に
よる構成の場合は、非常に大きな補償力を調達するこ
と、また正確に調整することができ、従って、ロータ軸
の軸推力は、高精度転がり軸受に対して許容可能な狭い
基準値領域内に留まる。
【００１０】また本発明の枠内には、付加制御導管の弁
が、迅速に開放する切替え弁、例えば磁気弁であるよう
に構成されていることも存在する。迅速に開放する切替
え弁の使用は、衝撃様式の軸推力変化を迅速に修正する
ために提供される。その際付加的なロータピストン面
は、迅速に、それぞれ低い圧力又は高い圧力を十分な大
きさで作用される。
が、迅速に開放する切替え弁、例えば磁気弁であるよう
に構成されていることも存在する。迅速に開放する切替
え弁の使用は、衝撃様式の軸推力変化を迅速に修正する
ために提供される。その際付加的なロータピストン面
は、迅速に、それぞれ低い圧力又は高い圧力を十分な大
きさで作用される。
【００１１】測定装置は、本発明の優れた構成により、
リング状の力収容部を備え、この力収容部は、ロータ軸
の軸推力によって負荷を受けるケース側の転がり軸受の
外輪と、対応するケースの当接面との間に配設されてい
る。力収容部は、ワイヤストレインゲージを備えること
ができ、従って時間に依存せずに、ターボマシーンの圧
力作用のない、ほぼ静止状態の軸方向の軸受予緊張のよ
うに、不変の軸推力がなくても済む。
リング状の力収容部を備え、この力収容部は、ロータ軸
の軸推力によって負荷を受けるケース側の転がり軸受の
外輪と、対応するケースの当接面との間に配設されてい
る。力収容部は、ワイヤストレインゲージを備えること
ができ、従って時間に依存せずに、ターボマシーンの圧
力作用のない、ほぼ静止状態の軸方向の軸受予緊張のよ
うに、不変の軸推力がなくても済む。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に、本発明を、唯一つの実施
例を図示した図面により説明する。
例を図示した図面により説明する。
【００１３】各図において図示されたターボマシーン
は、その基本的な構造において、ケース１と、転がり軸
受に支承されたロータ軸２を有するロータと、このロー
タ軸２の一方の軸端部において可動に配設された、求心
的に貫流させられるエキスパンジョンタービンステージ
４のロータディスク３と、並びにこのロータ軸２の他方
の軸端部において可動に配設された、半径方向に貫流さ
せられる圧縮機ステージ６のロータディスク５とから成
る。ターボマシーンは、転がり軸受８内に支承されたロ
ータ軸２の軸推力を直接検出するための測定装置７を装
備されており、調整器９によって制御される少なくとも
２つの圧力調整弁１０，１１を備える。一方の圧力調整
弁１０は、圧縮機ステージ６の入口に接続されている制
御導管１２内に配設されている。他方の圧力調整弁１１
は、圧縮機ステージ６の出口側と結合されている制御導
管１３内に配設されている。
は、その基本的な構造において、ケース１と、転がり軸
受に支承されたロータ軸２を有するロータと、このロー
タ軸２の一方の軸端部において可動に配設された、求心
的に貫流させられるエキスパンジョンタービンステージ
４のロータディスク３と、並びにこのロータ軸２の他方
の軸端部において可動に配設された、半径方向に貫流さ
せられる圧縮機ステージ６のロータディスク５とから成
る。ターボマシーンは、転がり軸受８内に支承されたロ
ータ軸２の軸推力を直接検出するための測定装置７を装
備されており、調整器９によって制御される少なくとも
２つの圧力調整弁１０，１１を備える。一方の圧力調整
弁１０は、圧縮機ステージ６の入口に接続されている制
御導管１２内に配設されている。他方の圧力調整弁１１
は、圧縮機ステージ６の出口側と結合されている制御導
管１３内に配設されている。
【００１４】制御導管１２，１３を介して、ケース１に
対して密閉された、圧縮機ロータディスク５の背面にお
けるロータピストン面１４は、圧縮機ステージへの入口
において支配する低い圧力ｐ１と、圧縮機ステージ６の
出口における高い圧力ｐ２とを作用可能である。調整器
９は、所定の許容差領域の外側に位置する軸推力を、ロ
ータピストン面１４における圧力増大又は圧力減少によ
って排除するために、測定された軸推力に応じて、圧縮
機入口圧力ｐ１によって作用を受ける制御導管１２にお
ける圧力調整弁１０か、圧縮機出口圧力ｐ２の下に存在
する制御導管１３における圧力調整弁１１かのいずれか
を操作する。各図からは、圧縮機ロータディスク５の背
面における制御導管１２，１３が、圧縮機ステージ６へ
と接続されていること、また、ロータピストン面１４
が、この実施例においては、ケース１に対して密閉され
た圧縮機ロータディスク６の背面によって形成されるこ
とが読み取れる。
対して密閉された、圧縮機ロータディスク５の背面にお
けるロータピストン面１４は、圧縮機ステージへの入口
において支配する低い圧力ｐ１と、圧縮機ステージ６の
出口における高い圧力ｐ２とを作用可能である。調整器
９は、所定の許容差領域の外側に位置する軸推力を、ロ
ータピストン面１４における圧力増大又は圧力減少によ
って排除するために、測定された軸推力に応じて、圧縮
機入口圧力ｐ１によって作用を受ける制御導管１２にお
ける圧力調整弁１０か、圧縮機出口圧力ｐ２の下に存在
する制御導管１３における圧力調整弁１１かのいずれか
を操作する。各図からは、圧縮機ロータディスク５の背
面における制御導管１２，１３が、圧縮機ステージ６へ
と接続されていること、また、ロータピストン面１４
が、この実施例においては、ケース１に対して密閉され
た圧縮機ロータディスク６の背面によって形成されるこ
とが読み取れる。
【００１５】測定装置７は、リング状の力収容部を備
え、この力収容部は、ロータ軸２の軸推力によって負荷
を受けるケース側の転がり軸受８の外輪と、ケース１の
当接面との間に配設されており、ワイヤストレインゲー
ジでもって作動する。測定装置７によって検出された力
測定値Ｆが、所定の基準値領域ΔＦの外側に位置する場
合は、両方の圧力調整弁１０，１１の一方が制御され
る。例えば、測定値ＦがΔＦｓｏｌｌの下に位置する場
合は、圧縮機入口圧力ｐ１によって作用を受ける圧力調
整弁１０が制御され、ロータピストン面１４における圧
力が、測定値が再び所定の基準値領域内に位置するまで
十分に減少させられる。測定値ＦがΔＦｓｏ ｌｌの上に
上昇する場合は、先ず圧力調整弁１０が、再び閉鎖され
るまで逆制御される。測定値Ｆが常に尚ΔＦｓｏｌｌの
上に位置する場合に初めて、出口圧力ｐ２によって作用
を受ける制御導管において配設された別の圧力調整弁１
１が操作され、ロータピストン面１４における圧力が、
測定値が再び所定の基準値領域内に位置するまで十分に
増大させられる。
え、この力収容部は、ロータ軸２の軸推力によって負荷
を受けるケース側の転がり軸受８の外輪と、ケース１の
当接面との間に配設されており、ワイヤストレインゲー
ジでもって作動する。測定装置７によって検出された力
測定値Ｆが、所定の基準値領域ΔＦの外側に位置する場
合は、両方の圧力調整弁１０，１１の一方が制御され
る。例えば、測定値ＦがΔＦｓｏｌｌの下に位置する場
合は、圧縮機入口圧力ｐ１によって作用を受ける圧力調
整弁１０が制御され、ロータピストン面１４における圧
力が、測定値が再び所定の基準値領域内に位置するまで
十分に減少させられる。測定値ＦがΔＦｓｏ ｌｌの上に
上昇する場合は、先ず圧力調整弁１０が、再び閉鎖され
るまで逆制御される。測定値Ｆが常に尚ΔＦｓｏｌｌの
上に位置する場合に初めて、出口圧力ｐ２によって作用
を受ける制御導管において配設された別の圧力調整弁１
１が操作され、ロータピストン面１４における圧力が、
測定値が再び所定の基準値領域内に位置するまで十分に
増大させられる。
【００１６】図２において図示された構成の場合は、付
加制御導管１５，１６が設けられており、これらの付加
制御導管は、タービンロータディスク３の背面において
エキスパンジョンタービンステージ４へと接続されてお
り、調整器９によって制御されるそれぞれ１つの圧力調
整弁１７，１８を備える。これらの付加制御導管を介し
て、ケース１に対して密閉された、エキスパンジョンタ
ービンステージのロータディスク３の背面における別の
ロータピストン面１９は、エキスパンジョンタービンス
テージ４の入口において支配するタービン供給圧力ｐ３
と、エキスパンジョンタービンステージ４の出口におけ
るタービン出口圧力ｐ４とを作用可能である。付加的な
ロータピストン面１９は、ケース１に対して密閉された
タービンロータディスク３の背面によって形成される。
図２において図示された構成は、非常に大きな補償力が
軸推力の相殺のために必要である場合に考慮される。そ
の際、制御導管１２，１３における圧力調整弁１０，１
１と、付加制御導管１５，１６における圧力調整弁１
７，１８とは、ロータ制御面１４，１９における圧力差
が、同方向に整向された作用を発揮するように、対で切
り替えられている。従って、例えば圧縮機ロータディス
ク５のロータピストン面１４における圧力増大は、ター
ビンロータディスク３のロータ制御面１９における圧力
減少と組み合わされる。従って圧力調整弁１１及び１８
が制御される。
加制御導管１５，１６が設けられており、これらの付加
制御導管は、タービンロータディスク３の背面において
エキスパンジョンタービンステージ４へと接続されてお
り、調整器９によって制御されるそれぞれ１つの圧力調
整弁１７，１８を備える。これらの付加制御導管を介し
て、ケース１に対して密閉された、エキスパンジョンタ
ービンステージのロータディスク３の背面における別の
ロータピストン面１９は、エキスパンジョンタービンス
テージ４の入口において支配するタービン供給圧力ｐ３
と、エキスパンジョンタービンステージ４の出口におけ
るタービン出口圧力ｐ４とを作用可能である。付加的な
ロータピストン面１９は、ケース１に対して密閉された
タービンロータディスク３の背面によって形成される。
図２において図示された構成は、非常に大きな補償力が
軸推力の相殺のために必要である場合に考慮される。そ
の際、制御導管１２，１３における圧力調整弁１０，１
１と、付加制御導管１５，１６における圧力調整弁１
７，１８とは、ロータ制御面１４，１９における圧力差
が、同方向に整向された作用を発揮するように、対で切
り替えられている。従って、例えば圧縮機ロータディス
ク５のロータピストン面１４における圧力増大は、ター
ビンロータディスク３のロータ制御面１９における圧力
減少と組み合わされる。従って圧力調整弁１１及び１８
が制御される。
【００１７】図３において図示された構成の場合は、同
様に付加制御導管１５，１６が、それぞれ１つの弁２
０，２１を備えている。弁２０，２１は、迅速に開放す
る切替え弁、例えば磁気弁である。衝撃様式の軸推力変
化が生じた際は、軸推力の方向に応じて、一方又は他方
の切替え弁が操作され、タービンロータディスク３の背
面において付設されたロータピストン面１９は、低い圧
力又は高い圧力ｐ４、ｐ ３を十分な大きさで作用され
る。また図２及び３において説明された措置を、互いに
組み合わせることもできることが理解される。
様に付加制御導管１５，１６が、それぞれ１つの弁２
０，２１を備えている。弁２０，２１は、迅速に開放す
る切替え弁、例えば磁気弁である。衝撃様式の軸推力変
化が生じた際は、軸推力の方向に応じて、一方又は他方
の切替え弁が操作され、タービンロータディスク３の背
面において付設されたロータピストン面１９は、低い圧
力又は高い圧力ｐ４、ｐ ３を十分な大きさで作用され
る。また図２及び３において説明された措置を、互いに
組み合わせることもできることが理解される。
【００１８】ロータ軸２は、各実施形においては、高精
度アンギュラ玉軸受内に支承されている。この軸受は、
２．５×１０６ｍｍ／ｍｉｎまでの回転数−直径−積で
もって運転することができる。
度アンギュラ玉軸受内に支承されている。この軸受は、
２．５×１０６ｍｍ／ｍｉｎまでの回転数−直径−積で
もって運転することができる。
【００１９】
【発明の効果】本発明により、ターボエキスパンダに対
し、自動的に調整可能であり、自動的に種々のターボエ
キスパンダの運転条件に適合する軸推力補償を行なうこ
とができる。
し、自動的に調整可能であり、自動的に種々のターボエ
キスパンダの運転条件に適合する軸推力補償を行なうこ
とができる。
【図１】本発明により形成された軸推力補償のための装
置を有するターボマシーンを経る縦断面図を概略的に示
す。
置を有するターボマシーンを経る縦断面図を概略的に示
す。
【図２】本発明による装置の別の形態を概略的に示す。
【図３】本発明による装置の別の形態を概略的に示す。
１ ケース
２ ロータ軸
３ ロータディスク
４ エキスパンジョンタービンステージ
５ ロータディスク
６ 圧縮機ステージ
７ 測定装置
８ 転がり軸受
９ 調整器
１０，１１ 圧力調整弁
１２，１３ 制御導管
１４ ロータピストン面
ｐ１ 圧縮機入口圧力
ｐ２ 圧縮機出口圧力
Ｆ 力測定値
ΔＦ 基準値領域
１５，１６ 付加制御導管
１７，１８ 圧力調整弁
１９ ロータピストン面
ｐ３ タービン供給圧力
ｐ４ タービン出口圧力
２０，２１ 弁
Claims (9)
- 【請求項１】 ケース（１）と、ロータ軸（２）と、こ
のロータ軸（２）の一方の軸端部において可動に配設さ
れた、求心的に貫流させられるエクスパンジョンタービ
ンステージ（４）のロータディスク（３）と、このロー
タ軸（２）の他方の軸端部において可動に配設された、
半径方向に貫流させられる圧縮機ステージ（６）のロー
タディスク（５）と、転がり軸受（８）内に支承された
ロータ軸（２）の軸推力を直接検出するための測定装置
（７）と、そして、制御導管において調整器（９）によ
って制御される少なくとも２つの圧力調整弁とを有し、
その際、制御導管を介して、ケース（１）に対して密閉
された、ロータディスク（５又は３）の一方の背面にお
けるロータピストン面（１４又は１９）が、ステージの
入口及び出口において支配する圧力（ｐ１、ｐ２もしく
はｐ３、ｐ４）を作用可能であり、またその際、調整器
（９）が、所定の許容差領域の外側に位置する軸推力
を、ロータピストン面における圧力増大又は圧力減少に
よって排除するために、測定された軸推力に応じて、高
い圧力によって作用を受ける制御導管における圧力調整
弁か、低い圧力の下に存在する制御導管における圧力調
整弁かのいずれかを操作するように構成されているター
ボマシーン。 - 【請求項２】 圧縮機ロータディスク（５）の背面にお
けるロータピストン面（１４）が、制御導管（１１，１
２）を介して、圧縮機ステージへの入口において支配す
る圧力（ｐ１）と、圧縮機ステージ（６）の出口におけ
る圧力（ｐ２）とを作用可能であるように構成されてい
ること、また、調整器（９）が、測定された軸推力に応
じて、圧縮機入口圧力（ｐ１）によって作用を受ける制
御導管（１２）における圧力調整弁（１０）か、圧縮機
出口圧力（ｐ２）の下に存在する制御導管（１３）にお
ける圧力調整弁（１１）かのいずれかを操作するように
構成されていることを特徴とする請求項１に記載のター
ボマシーン。 - 【請求項３】 エキスパンジョンタービンステージ
（４）のロータディスク（３）の背面におけるロータピ
ストン面（１９）が、制御導管（１６，１５）を介し
て、エキスパンジョンタービンステージへの入口におい
て支配する圧力（ｐ ３）と、エキスパンジョンタービン
ステージの出口における圧力（ｐ４）とを作用可能であ
るように構成されていること、また、調整器（９）が、
測定された軸推力に応じて、入口圧力（ｐ３）によって
作用を受ける制御導管（１６）における圧力調整弁（１
７）か、出口圧力（ｐ４）の下に存在する制御導管（１
５）における圧力調整弁（１８）かのいずれかに作用す
るように構成されていることを特徴とする請求項１に記
載のターボマシーン。 - 【請求項４】 付加制御導管がそれぞれ１つの弁を備え
ており、その際、付加制御導管を介して、ケースに対し
て密閉された、他方のロータディスクの背面における別
のロータピストン面が、このステージの入口において支
配する圧力と、このステージの出口における圧力とを作
用可能であるように構成されていることを特徴とする請
求項１に記載のターボマシーン。 - 【請求項５】 付加制御導管の弁が、調整器（９）によ
って制御される圧力調整弁（１７，１８）であるように
構成されていることを特徴とする請求項４に記載のター
ボマシーン。 - 【請求項６】 付加制御導管の弁が、迅速に開放する切
替え弁（２０，２１）であるように構成されていること
を特徴とする請求項４に記載のターボマシーン。 - 【請求項７】 測定装置（７）が、リング状の力収容部
を備え、この力収容部が、ロータ軸（２）の軸推力によ
って負荷を受けるケース側の転がり軸受（８）の外輪
と、ケース（１）の当接面との間に配設されていること
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のター
ボマシーン。 - 【請求項８】 力収容部が、ワイヤストレインゲージを
備えることを特徴とする請求項７に記載のターボマシー
ン。 - 【請求項９】 ローラ軸（２）が、高精度アンギュラ玉
軸受内に支承されていることを特徴とする請求項１〜８
のいずれか１つに記載のターボマシーン。
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| DE10138056A DE10138056A1 (de) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | Turbomaschine |
| DE10138056.9 | 2001-08-03 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP4107829B2 JP4107829B2 (ja) | 2008-06-25 |
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| JP2023024922A (ja) * | 2021-08-09 | 2023-02-21 | ターボウィン カンパニー，リミテッド | ベアリング摩耗要因の推力低減補正部が適用された空気圧縮手段 |
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- 2001-09-05 DE DE50112625T patent/DE50112625D1/de not_active Expired - Lifetime
- 2001-09-05 EP EP01121224A patent/EP1281836B1/de not_active Expired - Lifetime
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