JP2008101621A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】摩耗の少ない軸受を備えるとともに、ロータ軸に作用する軸力を直接測定することが可能なターボ機械を提供すること。
【解決手段】ケーシング２と、ロータ軸及び該ロータ軸に固定された少なくとも１つの羽根車５，５’を備えるとともに前記ケーシング２内で軸方向とこの軸方向と直行する方向に対して支持されたロータ３とを備えて成るターボ機械において、前記ロータ３がその軸方向に支持されるよう、傾斜パッド１１を備えて構成した２つの傾斜パッド軸受９，９’を互いに対置させるとともに、前記ロータに当接面を設けてこれに各傾斜パッドを当接させ、前記傾斜パッド１１の少なくとも１つに該傾斜パッド１１に作用する軸力を直接測定するための力測定装置１２，１２’を設けるとともに、該力測定装置１２，１２’に電子制御装置１３を接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケーシングと、ロータ軸及び該ロータ軸に固定された少なくとも１つの羽根車を備えるとともに前記ケーシング内で軸方向とこの軸方向と直行する方向に対して支持されたロータとを備えて成るターボ機械に関する。このターボ機械は、軸流式又は遠心式の高速流体機械として使用され、媒体の搬送、膨張及び圧縮を行うものである。

特許文献１には、上記のような特徴を備えて成り、ターボコンプレッサとして使用されるターボ機械が開示されており、ロータは、ロータ軸と、このロータ軸の端部に可動に設けられたコンプレッサ羽根車とで構成されている。このロータ軸はギヤを介して駆動されつつケーシング内でラジアルすべり軸受により支持されている。又、ロータ軸のその軸方向へガイドのために、ロータ軸に結合されたピニオンの両側にすべりリングを備えており、このすべりリングは、このピニオンと噛合する駆動歯車の環状面と協働する。

更に、ロータ軸に作用する軸力を相殺するために、羽根車の反対側のロータ軸の端部に圧力室を備えており、この圧力室で生じる圧力はロータ軸に作用する軸力を緩衝する。又、この軸力をできる限り完全に相殺するために、圧力室内の圧力をターボコンプレッサの予圧に基づいて制御している。

しかし、予圧に基づく軸力の間接的な決定はあまり正確でないという欠点があるため、通常高い負荷に適さない軸方向ガイド部材に大きな摩耗が生じてしまうことがある。又、ターボ機械の組付条件に強く依存する予圧と該予圧により生じる軸力との関係を決定するのに多くの労力を必要とする。更に、システムの動作が緩慢であるため、駆動状況の迅速な変化に追随できずに力の緩衝ができず、すべりリングで構成された軸方向ガイド部材の破壊に至ってしまうこともある。

而して、特許文献２には、タービン段とコンプレッサ段を備えたターボ機械が開示されており、ロータは、タービン羽根車、コンプレッサ羽根車及びロータ軸で構成されている。ここで、各羽根車は、ロータ軸の端部に可動に設けられており、その径方向に流体が流通できるようになっている。又、ロータ軸はケーシング内でころがり軸受により支持されており、このころがり軸受の軸受リングとケーシングの当接面の間に力測定装置が配置されている。

そして、ころがり軸受に作用する軸力を相殺するために、羽根車側部とケーシング壁面の間に圧力室が形成されており、ロータ軸に作用する軸力を相殺するための圧力室内の圧力が力測定装置による測定値に応じて制御される。

しかし、高速で回転するロータの支持には軸受の緻密な調整を必要とするため、この調整に多くの手間がかかってしまう。即ち、駆動時の温度変化によるケーシングの熱膨張等を加味する必要が生じてしまう。

但し、特許文献２に開示された軸受は、径方向に作用する大きな負荷の支持に適しており、軸受の破壊へ至る軸力を比較的減少させることができる。

特許文献３には単段式のコンプレッサが開示されており、そのロータ軸の端部には羽根車が設けられている。更に、ロータ軸には２つの軸受リング及び該軸受リングに取り付けられた２つの傾斜パッド軸受が設けられている。この両傾斜パッド軸受はこれらに対向する当接面と相互に作用する。更に、両当接面とケーシングの間には２つの弾性部材がロータ軸を包囲するように設けられている。

そして、羽根車に作用する不均一な軸力は、ロータ軸を介して軸受リングに伝達され、傾斜パッドに作用し、軸力は、傾斜パッドにより当接面へ伝達され、更に弾性部材へと伝達される。この弾性部材により軸力がケーシングへと伝達され、この軸力によりこの弾性部材が軸方向へ変位する。

しかし、片方の軸受リングに必要以上に力が加えられると、この軸受リングに設けられた弾性部材にも必要以上の力がかかり、もう一方の軸受リングにかかる力が移動してしまう。

又、特許文献４にはタービンロータに作用して不均一な軸力を調整する装置を備えたガスタービンが開示されており、運転中にロータは、該ロータの各構成部材に作用する静荷重及び動荷重に基づく軸力の伝達を断絶させる。そして、軸力はロータ及びすべり軸受装置によってケーシング及び機械の枠組構造に伝達される。ここで、軸力の大きさは軸受ケーシングに設けた伸び量測定装置により測定され、その信号は増幅されて制御装置へ伝達される。尚、制御装置は液圧媒体の圧力を自動的に制御しつつこの圧力媒体をロータ後部の圧力室へ送出し、ロータに作用する軸力を調整することができる。
独国特許出願公開第１０００３０１８号明細書 独国特許出願公開第１０１３８０５６号明細書 米国特許第５７４１１１６号明細書 米国特許第４５７８０１８号明細書 Duddel, "Taschenbuch fuer den Maschinenbau", 21. Auflage 2005, p. G100〜G102

そこで、本発明の目的とする処は、摩耗の少ない軸受を備えるとともに、ロータ軸に作用する軸力を直接測定することが可能なターボ機械を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、ロータがその軸方向に支持されるよう、傾斜パッドを備えて構成した２つの傾斜パッド軸受を互いに対置させるとともに、ロータに当接面を設けてこれに各傾斜パッドを当接させ、前記傾斜パッドの少なくとも１つに該傾斜パッドに作用する軸力を直接測定するための力測定装置を設けるとともに、該力測定装置に電子制御装置を接続したことを特徴としている。

又、ターボ機械のロータに作用する軸力の測定は、相殺すべき軸力の大きさの自動制御に必要な前提条件であるため、例えば、本発明によれば、ロータの所定の面とケーシングの壁面の間に密閉された圧力室を形成し、該圧力室を電子制御装置で制御される圧力調整弁に接続管路を介して接続するとともに該圧力調整弁に高圧管路及び排気口を接続することにより、圧力室内の圧力ｐでロータに作用する軸力を緩衝させている。

そして、ロータに作用する軸力を相殺するために、圧力室内に生じる圧力ｐは、軸力の増大方向及びケーシングとロータの間の圧力室の配置に応じて圧力調整弁により高められるか、又は減ぜられる。

又、圧力室のシールに対しては、本発明においては特に高い要求はなされず、ロータに作用する軸力が相殺されるよう、液圧媒体により圧力室を与圧するか、又は該液圧媒体を圧力室から排出することができればよい。従って、例えばロータとケーシングの間に、圧力室のシールのためのラビリンスシールを設けることができる。

そして、高圧管路は、本発明においてはターボ機械の高圧側に接続されており、ターボ機械の作動流体はここでは液圧媒体として機能する。尚、ターボ機械の低圧側に排気口を設けることもできる。

又、本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの羽根車をロータ軸の端部に可動に設けるとともに、圧力室を羽根車の押圧面と前記壁面の間に形成したことを特徴としており、前記圧力室を、一方では前記押圧面とケーシングの間で羽根車側ラビリンスによりシールし、他方では前記ロータ軸とケーシングの間でロータ軸側ラビリンスによりシールしている。

而して、ロータ軸の両端に羽根車が可動に設けられていれば、他の実施形態においてもこれら羽根車にそれぞれ圧力調整弁を備えた圧力室を設けることができる。尚、これら圧力室内の圧力は、力測定装置により測定された測定値に基づいて制御される。

又、ロータ軸の両端に羽根車が設けられていなければ、圧力室をロータ軸の中心部である例えば傾斜パッド軸受の範囲、或いはロータ軸の端部に設けることができる。そして、複数の圧力室を設ける場合は、これら圧力室を互いに空間的に分離するか、或いはこれらを直接並設し、例えばラビリンスシールで互いに分離しても良い。

ところで、傾斜パッドに作用する力を力測定器により直接測定する際には、傾斜パッドの数にそれぞれに作用する力を乗じたものが出力され、起こり得るスラスト軸受への相殺不可能な過負荷を直ちに検出することができ、これに基づき電子制御装置によりターボ機械の運転を停止させることができる。

又、ターボ機械においては、ターボ機械内を流通する媒体の流れが羽根車の羽根により突然乱される場合、いわゆるポンプ限界範囲で過度の圧力脈動が発生し、これに伴いロータに過度に変化する軸力が生じる。しかし、本発明によれば、軸力を測定することによりこのような危険な状態を検出しており、ターボ機械を、安定した運転状態へ制御したり、或いは停止させることが可能である。

而して、傾斜パッド軸受は、既に公知であり、例えば非特許文献１に記載されている。傾斜パッド軸受は通常４〜１２の傾斜パッドを備えており、これら傾斜パッドは傾斜パッド軸受の周囲に配置されている。ここで、各傾斜パッドは、支持部材で支持されつつその回転方向に回転し、又、潤滑油が供給されている。これら傾斜パッド相互の相対運動に基づき、これら傾斜パッドとこれと対向する当接面との間の間隙に、流体力学的に潤滑油が供給され、この際、傾斜パッドは、媒体の流通状態に応じて楔状に傾斜を構成する。

ここで、本発明によれば、互いに相互作用し合う両傾斜パッド軸受は、それぞれ力測定装置を有する少なくとも１つの傾斜パッドを備えている。そして、これら両方で測定された軸力を比較することによって、ロータの回転数及び力測定装置の細かな設定に関係なく、作用する総軸力の方向と大きさを、制御装置を用いることにより高い精度で算出することができる。

又、本発明の他の実施形態によれば、ロータの駆動及び／又は出力は、少なくとも１つのタービン羽根車、歯車伝動装置を備えたモータ、クラッチ又はこれらの組み合わせで行われる。特に、ロータ軸の両端それぞれに羽根車を設け、これらのうち何れかをコンプレッサ羽根車とし、このコンプレッサ羽根車は、ロータ軸を介してもう一方のタービン羽根車により駆動される。

そして、ターボ機械に動力を供給したり、ターボ機械から動力を取り出すために、歯車機構又は電動機械を設けることができる。

本発明によれば、ターボ機械において、摩耗の少ない軸受を備えるとともに、ロータ軸に作用する軸力を直接測定することが可能である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１にはケーシング２及びこのケーシング２内で支持されたロータ３を備えたターボ機械１が示されており、ロータ３は、ロータ軸４と、該ロータ軸４の端部に可動に設けられた羽根車５，５’とを備えている。ここで、タービン側６の羽根車及びコンプレッサ側７の羽根車をそれぞれ符号５，５’で示している。

又、ロータ３はロータ軸４と共に２つのラジアル軸受８及びスラスト軸受としての２つの傾斜パッド軸受９，９’によりケーシング２内で支持されており、これら傾斜パッド９，９’はロータ軸４の当接面１０，１０’にそれぞれ当接する。

ところで、傾斜パッド軸受９，９’の少なくとも１つの傾斜パッド１１は該傾斜パッド１１に作用する軸力を直接測定するための力測定装置１２，１２’を備えており、該力測定装置１２，１２’は電子制御装置１３に接続されている。ここで、力測定装置１２，１２’は、傾斜パッド軸受９，９’に作用する軸力を傾斜パッド軸受９，９’の傾斜パッド１１の個数と同数の測定値を出力する。

そして、両傾斜パッド軸受９，９’に作用する軸力を比較することにより、ロータ３に作用している軸力の方向と大きさが正確に把握される。ここで、ロータ３に作用する軸力がタービン側６へ作用していれば力測定装置１２が強く押圧され、一方、ロータ３に作用する軸力がコンプレッサ側７へ作用していればもう一方の力測定装置１２’が強く押圧される。

而して、作用する軸力を最小化するために、ロータ３の所定の面であるタービン羽根車５の押圧面１４とこれに隣接するケーシング壁面１５の間に圧力室１６を形成し、該圧力室１６を電子制御装置１３で制御される圧力調整弁１８に接続管路１７を介して接続するとともに圧力調整弁１８に高圧管路１９及び排気口２０を接続することにより、圧力室１６内の圧力ｐでロータ３に作用する軸力を緩衝させている。

又、圧力室１６は、一方では押圧面１４とケーシング２の間で羽根車側ラビリンス２１によりシールされ、他方ではロータ軸４とケーシング２の間でロータ軸側ラビリンス２２によりシールされている。

そして、ロータ３に作用する軸力を最小化するために、前記力測定装置１２，１２’により測定された測定値に応じて圧力調整弁１８を制御し、圧力室１６内の圧力ｐを増減させる。尚、これに代えて、或いはこれに加えて、コンプレッサ側７に圧力室を設けることもできる。又、ターボタービンとしてのターボ機械１の要求に応じて出力を増加又は減少させることができるよう、任意にモータ或いは発電機としての電動機械２３を設けることもできる。

＜実施の形態２＞
図２にはターボコンプレッサとしてのターボ機械１の実施の形態が示されており、ロータ３にはコンプレッサ２４側のコンプレッサ羽根車５”が可動に設けられているのみである。

而して、コンプレッサ羽根車５”と反対側のロータ軸４の端部２５には密閉された圧力室１６’が設けられており、例えば図１に示す圧力調整弁１８をこの圧力室１６’に接続することによりロータ軸４の端部２５に対して与圧される。この圧力調整弁１８の制御は、実施の形態１と同様に、電子制御装置１３により行われるとともに、該電子制御装置１３にはロータ軸４に作用する軸力を直接測定するための力測定装置１２，１２’が接続されている。

因みに、駆動パラメータを表示するための表示手段Ａが電子制御装置１３に接続されている。

又、ロータ３は駆動ギヤ２６を備えており、この駆動ギヤ２６は従動ギヤ２７と噛合してこれを駆動する。又、図１に示す電動機械２３、及び従動ギヤ２７の他に適当なクラッチを設けることもできる。

本発明によるターボ機械の一実施形態を示す図である。 本発明によるターボ機械の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ ターボ機械
２ ケーシング
３ ロータ
４ ロータ軸
５ タービン羽根車
５’，５” コンプレッサ羽根車
６ タービン側
７ コンプレッサ側
８ ラジアル軸受
９，９’ 傾斜パッド軸受
１０，１０’ 当接面
１１ 傾斜パッド
１２，１２’ 力測定装置
１３ 電子制御装置
１４ 押圧面
１５ ケーシング壁面
１６，１６’ 圧力室
１７ 接続管路
１８ 圧力調整弁
１９ 高圧管路
２０ 排気口
２１ 羽根車側ラビリンス
２２ ロータ軸側ラビリンス
２３ 電動機械
２４ コンプレッサ
２５ ロータ軸端部
２６ 駆動ギヤ
２７ 従動ギヤ
Ａ 表示手段
ｐ 圧力

Claims (8)

1. ケーシング（２）と、
   ロータ軸（４）及び該ロータ軸に固定された少なくとも１つの羽根車（５，５’，５”）を備えるとともに前記ケーシング（２）内で軸方向とこの軸方向と直行する方向に対して支持されたロータ（３）と
   を備えて成るターボ機械において、
   前記ロータ（３）がその軸方向に支持されるよう、傾斜パッド（１１）を備えて構成した２つの傾斜パッド軸受（９，９’）を互いに対置させるとともに、前記ロータ（４）に当接面を設けてこれに各傾斜パッドを当接させ、
   前記傾斜パッド（１１）の少なくとも１つに該傾斜パッド（１１）に作用する軸力を直接測定するための力測定装置（１２，１２’）を設けるとともに、該力測定装置（１２，１２’）に電子制御装置（１３）を接続したことを特徴とするターボ機械。
2. 前記ロータの所定の面（１４）と前記ケーシングの壁面（１５）の間に密閉された圧力室（１６，１６’）を形成し、該圧力室（１６，１６’）を前記電子制御装置（１３）で制御される圧力調整弁（１８）に接続管路（１７）を介して接続するとともに該圧力調整弁（１８）に高圧管路（１９）及び排気口（２０）を接続することにより、前記圧力室（１６，１６’）内の圧力（ｐ）で前記ロータ（３）に作用する軸力を緩衝させることを特徴とする請求項１記載のターボ機械。
3. 前記羽根車（５）を前記ロータ軸（４）の端部に可動に設けるとともに、前記圧力室（１６）を前記羽根車の押圧面（１４）と前記壁面（１５）の間に形成したことを特徴とする請求項２記載のターボ機械。
4. 前記圧力室（１６）を、一方では前記押圧面（１４）と前記ケーシング（２）の間で羽根車側ラビリンス（２１）によりシールし、他方では前記ロータ軸（４）と前記ケーシング（２）の間でロータ軸側ラビリンス（２２）によりシールすることを特徴とする請求項３記載のターボ機械。
5. 前記ロータ（３）の前記ロータ軸（４）の両端に１つずつ羽根車（５，５’）を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のターボ機械。
6. 前記ロータ（３）に、少なくとも１つの駆動側としてのタービン羽根車（５）及び／又は少なくとも１つの出力側としてのコンプレッサ羽根車（５’）を設けたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のターボ機械。
7. 前記ロータ軸（４）にギヤ（２７）及び／又はクラッチを設けたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のターボ機械。
8. 前記ケーシング（２）に電動機械（２３）を設けるとともに、該電動機械を前記ロータ軸（４）に連結させてモータ又は発電機として使用することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のターボ機械。

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