JP2009503412A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

高速回転型のターボ機械は、ロータの支承のために、磁気軸受（２２，２３）と保護軸受とを有している。保護軸受は滑り軸受（２６，２７）として形成されており、ステータ側の軸受シェル（２８）と、ロータ側の軸受シャフト（２０）と、軸受シェル（２８）と軸受シャフト（２０）との間に中間ブシュ（３０）とを有している。中間ブシュ（３０）は軸受シャフト（２０）に対しても軸受シェル（２８）に対しても環状のギャップ（３３，３４）により間隔を置いている。中間ブシュ（３０）は軸受シェル（２８）および軸受シャフト（２０）に対して回転可能である。この構造により、滑り軸受（２６）は、発生するすべての動的な力が分配される２つの滑動面対偶を有している。これにより、摩耗はかなり減じられている。これにより、磁気支承された高速回転型のターボ機械内で保護軸受として滑り軸受を使用することが可能となる。

Description

本発明は、磁気軸受と、磁気軸受に対応配置された保護軸受（Ｆａｎｇｌａｇｅｒ）とを備えたターボ機械に関する。

ターボポンプ、例えばターボ分子ポンプ、およびターボブロアは、毎分８００００回転までの極めて高い回転数で回転する。ロータの支承のために、それゆえ、好んで磁気軸受が使用される。磁気軸受は高い回転数のために特に適している。単数もしくは複数の磁気軸受がダウンした場合に備えて、機械式の保護軸受、いわゆるタッチダウン軸受が設けられている。保護軸受は、ポンプロータがポンプステータに磁気支承部の失陥時に接触して、これにより破壊してしまうことを阻止すべきである。

ターボ分子ポンプのための保護軸受として、滑り軸受に対して原理的に僅かな摩耗を有する転がり軸受が使用される。転がり軸受における欠点は、しかし、それが比較的高価であり、ターボ分子ポンプおよびターボブロアにおいて総コストの１０％にもなることである。

本発明の課題は、これに対して、安価な保護軸受を備えた、磁気支承されたターボ機械を提供することである。

この課題は本発明により請求項１の特徴部、すなわち磁気軸受と機械式の保護軸受とを備えたターボ機械において、保護軸受が滑り軸受として形成されており、ステータ側の軸受シェルとロータ側の軸受シャフトとを有しており、軸受シェルと軸受シャフトとの間に中間ブシュが配置されており、該中間ブシュが軸受シャフトに対しても軸受シェルに対しても環状のギャップにより間隔を置いており、かつ中間ブシュが軸受シェルおよび軸受シャフトに対して回転可能であることにより解決される。本発明の有利な構成では、中間ブシュと軸受シェルとの間にサスペンションエレメントが配置されており、該サスペンションエレメントが中間ブシュを、軸受シェルから間隔を置いて保持する。本発明の別の有利な構成では、軸受シェルと中間ブシュとの間の外側のギャップのギャップ高さが、中間ブシュと軸受シャフトとの間の内側のギャップのギャップ高さよりも小さい。本発明のさらに別の有利な構成では、中間ブシュがワンピースであり、金属からなる。

本発明によるターボ機械では、保護軸受が転がり軸受としてではなく、滑り軸受として形成されている。滑り軸受のステータ側の軸受シェルとロータ側の軸受シャフトとの間に、中間ブシュが配置されている。中間ブシュは軸受シェルに対しても軸受シャフトに対しても環状のギャップにより間隔を置いている。中間ブシュは軸受シャフトに対しても軸受シェルに対しても回転可能である。

これまで、技術的な問題と先入観とが、磁気支承された高速回転型のターボ機械の保護軸受としての滑り軸受の使用を妨げていた。使用時、保護軸受により、かなり大きな運動エネルギ量が制動されなければならない。さらに、軸受シャフトの速度は、使用の開始時、ステータ側の軸受シェルに対して、場合によっては極めて高い、すなわち１００ｍ／ｓｅｃ．以上の範囲にある。ターボ機械のポンプロータの比較的高い慣性モーメントに伴って、１００ｋｍ以上の制動距離が生じる。第２の問題は、保護軸受の領域で生じる２桁のｋＮ領域にあり得る高い半径方向力から生じる。両状況は共に、滑り軸受として形成される保護軸受に、従来の構造では満たし得ないと見なされた要求を課す。

請求項１記載の、滑り軸受として形成された保護軸受は、いわば、２つの部分軸受、すなわち、軸受シャフトおよび中間ブシュ内面とにより形成される部分軸受と、中間ブシュ外面と軸受シェルとにより形成される第２の部分軸受とに分割されている。中間ブシュと軸受シェルとの間の外側の環状のギャップは、できるだけ小さい、ただし中間ブシュがあらゆる状況下で軸受シェルに対して回転可能である大きさである。

使用時、まず、中間ブシュは軸受シャフトにより加速される。同時に、軸受ブシュはステータ側の軸受シェルにより制動される。最終的に、中間ブシュおよび軸受シャフトの回転速度の均衡が生じる。理想的な場合、中間ブシュの、軸受シェルおよび軸受シャフトに対する速度差がほぼ同じである。中間ブシュの回転可能性により、制動作業は２つの滑動面対偶に分配される。その結果、これにより引き起こされる摩耗は少なくとも半分にされる。さらに、全滑り軸受のブレーキ出力は減少する。その結果、発熱および蓄熱の危険も減じられる。面対偶の表面は、ブレーキ出力および制動時間が転がり軸受の場合と類似しているように構成されている。これにより、発熱も類似であり、過熱が発生しない低さである。

滑り軸受内の中間ブシュにより、滑動面対偶あたりの制動距離はほぼ半減され、さらに発熱は減じられ、軸受シャフトの半径方向の衝撃は幾分緩衝される。すべての効果は共に、ガスを圧送する高速回転型のターボ機械の磁気軸受のための保護軸受として、ハイコストな転がり軸受の代わりに滑り軸受を使用することを許可する。

このように構成された滑り軸受は、相応の転がり軸受よりもかなり安価に製作可能である。保護軸受が占めるコストの割合が高いために、これにより、相応のターボ機械の全体価格は明らかに減じられることができる。

有利な構成によれば、中間ブシュと軸受シェルとの間にサスペンションエレメントが配置されており、サスペンションエレメントが中間ブシュを、軸受シェルから間隔を置いて保持する。ばねエレメントが中間ブシュを軸受シェル内の規定の位置に固定する。さらに、ばねエレメントは、軸受シャフトが中間ブシュに衝突したとき、軸受シャフトの半径方向の衝撃を緩衝する。サスペンションエレメントは付加的に緩衝特性も有していることができる。

使用時に軸受シャフトから中間ブシュに伝達される半径方向の力は極めて高い。さらに、軸受シャフトと中間ブシュとの間もしくは中間ブシュと軸受シェルとの間の接触面は、面状でなく、せいぜい線状またはそれどころか点状でさえある。このことは、中間ブシュに対する軸受シャフトの可能な傾斜位置および軸受シェルに対する中間ブシュの可能な傾斜位置により引き起こされている。これにより、著しく高い面荷重が形成される。軸受シェルと中間ブシュとの間にサスペンションエレメントが設けられていることにより、軸受シャフトの半径方向の衝突運動は捕捉される。その結果、発生する面力はかなり減じられている。これによっても、滑り軸受の摩耗は全体的に減じられる。

有利な構成では、軸受シェルと中間ブシュとの間の外側のギャップのギャップ高さが、軸受シャフトと中間ブシュとの間の内側のギャップのギャップ高さよりも遙かに小さい。内側のギャップは、従来慣用の保護軸受における軸受ギャップと同じ機能を有し、それゆえ同じギャップ高さを有している。内側のギャップは磁気支承部の作業領域をなす。

外側の付加的なギャップは中間ブシュと軸受シェルとの間の相対回転運動を可能にする。このために、特に高いギャップは不要である。外側のギャップのギャップ高さが小さければ小さいほど、中間ブシュは軸受シェルに関して僅かに傾倒し得る。これにより、やはり、軸受シェルと中間ブシュとの間ならびに中間ブシュと軸受シャフトとの間のできる限り小さな接触角が保証される。さらに、上記外側のギャップのギャップ高さが小さいと、ポンプロータとポンプステータとの間のギャップ寸法も僅か維持され得る。

有利には、中間ブシュがワンピースに形成されており、金属からなっている。こうして、従来慣用の構造形式の高価なセラミック製の滑り軸受に対して、滑り保護軸受のための変わらず安価な解決策が提供され得る。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について詳説する。

図１および図２には、ターボ分子ポンプとして形成された高速回転型のターボ機械１０が示されている。ターボ機械１０はロータ１２およびステータ１４を有している。ロータ１２は主としてポンプロータ１８を備えたシャフト１６からなる。この場合、シャフト支承部の領域のシャフト区分は、軸受シャフト２０を形成する。軸受シャフト２０は、２つの磁気軸受２２，２３ならびに軸方向で両磁気軸受２２，２３間に配置された滑り軸受２６，２７のロータ側の部分を形成する。滑り軸受２７，２７は両磁気軸受２２，２３のための保護軸受として役立つ。

滑り軸受２６，２７はそれぞれ、軸受シャフト２０と、ステータ側の軸受シェル２８と、半径方向で軸受シェル２８と軸受シャフト２０との間に配置された円筒形の中間ブシュ３０とにより形成される。軸受シェル２８、中間ブシュ３０ならびに軸受シャフト２０は金属からなる。中間ブシュ３０は、金属製のサスペンションエレメント３２により、軸受シェル２８に定置に対応配置されて支承されている。

中間ブシュ３０は軸受シェル２８に対しても軸受シャフト２０に対しても回転可能に支承されている。中間ブシュ３０と軸受シャフト２０との間には、環状のギャップ３３が存在している。このギャップ３３は約０．２ｍｍのギャップ高さを有している。このギャップ高さは、軸受シャフト２０の、磁気支承のために通常運転時に必要な遊びを認める。中間ブシュ３０と軸受シェル２８との間の外側のギャップ３４は、約０．０２ｍｍのより小さな半径方向のギャップ高さを有している。外側のギャップ３４は、軸受シェル２８に対する中間ブシュ３０の回転可能性があらゆる温度状況下でなお保証されている大きさであればよい。

図示の滑り軸受２６は、従来慣用の滑り軸受に対して、すべての制動作業およびすべての軸受摩耗が分配される２つの滑動面対偶を有している。これにより、特に熱、衝撃および摩耗等の負荷は、ガスを圧送する高速回転型のターボ機械内で安価な滑り軸受を保護軸受として使用することが可能となるほどに減じられることができる。

２つの磁気軸受と保護軸受とを備えた、ターボ分子ポンプとして形成されたターボ機械を示す図である。 図１に示したターボ機械の保護軸受の拡大図である。

Claims (5)

1. 磁気軸受（２２，２３）と機械式の保護軸受とを備えたターボ機械（１０）において、
   保護軸受が滑り軸受（２６）として形成されており、ステータ側の軸受シェル（２８）とロータ側の軸受シャフト（２０）とを有しており、
   軸受シェル（２８）と軸受シャフト（２０）との間に中間ブシュ（３０）が配置されており、該中間ブシュ（３０）が軸受シャフト（２０）に対しても軸受シェル（２８）に対しても環状のギャップ（３３，３４）により間隔を置いており、かつ
   中間ブシュ（３０）が軸受シェル（２８）および軸受シャフト（２０）に対して回転可能である
   ことを特徴とするターボ機械。
2. 中間ブシュ（３０）と軸受シェル（２８）との間にサスペンションエレメント（３２）が配置されており、該サスペンションエレメント（３２）が中間ブシュ（３０）を、軸受シェル（２８）から間隔を置いて保持する、請求項１記載のターボ機械。
3. 軸受シェル（２８）と中間ブシュ（３０）との間の外側のギャップ（３４）のギャップ高さが、中間ブシュ（３０）と軸受シャフト（２０）との間の内側のギャップ（３３）のギャップ高さよりも小さい、請求項１または２記載のターボ機械。
4. 中間ブシュ（３０）がワンピースであり、金属からなる、請求項１から３までのいずれか１項記載のターボ機械。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の特徴を備えた、磁気支承されたロータを備えたターボ機械（１０）のための保護軸受。

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