JP2015535057A - 磁気スラスト軸受、ターボ機械、および方法 - Google Patents

Abstract

スラスト軸受は、ステータ表面２６を有する電磁ステータ２２と、ステータ表面２６に面するロータ表面３６を有するロータディスク２８とを備える。ロータディスク２８は、第２の材料で作られた半径方向外側の部分に直接かつ排他的に接続された第１の材料で作られた半径方向内側の部分を備える。第１の材料は、耐腐食性金属または金属合金であり、第２の材料は、強磁性金属または金属合金である。【選択図】図２

Description

本明細書で開示される主題の実施形態は、全体的には、スラスト軸受に関し、より具体的には、ターボ機械用の磁気スラスト軸受に関する。

ターボエキスパンダまたはコンプレッサのようなターボ機械は、プロセス流体へのエネルギーの付与、またはプロセス流体からのエネルギーの抽出を容易にするために使用することができる。典型的なターボ機械では、インペラまたはロータに取り付けられたシャフトは、機械ステータに対して回転するために支持される。インペラおよびプロセス流体の相互作用によって生成され得る回転シャフトのスラスト力に対抗するために、ターボ機械は、軸方向磁気軸受を組み込むことができる。

ローラ軸受または流体膜軸受のようなより伝統的な軸受とは異なり、軸方向磁気軸受は、プロセス流体を汚染する可能性がある潤滑剤を必要としない。結果として、軸方向磁気軸受を組み込んだターボ機械は、プロセス流体と軸方向磁気軸受との間のシールなしで動作することができる。しかしながら、これは、プロセス流体中に存在する可能性がある有害な汚染物質への軸受の曝露をもたらす可能性がある。例えば、天然ガスが処理されている場合、有意なレベルの硫化水素（Ｈ₂Ｓ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水、などが存在する可能性がある。これらの汚染物質は、天然ガスと結合し、従来の軸方向磁気軸受の鋼構成要素に対して特に腐食性の、サワーガスと呼ばれる混合物を形成する。サワーガスへの持続的な曝露は、しばしば、そのような構成要素の耐硫化物応力割れをもたらす。このプロセスは、軸受構成要素を早期に摩耗させる可能性があり、またはもっとひどい場合には、破滅的に故障させる可能性がある。

したがって、必要とされるのは、より容易に潜在的に腐食性の流体に曝露させることができ、その他の点では、軸受が設置されるターボ機械に改善された性能を提供することができる軸方向磁気軸受である。

特許出願公開平５−１９６０４１号公報

例示的な一実施形態によれば、スラスト軸受は、ステータ表面を有する電磁ステータと、ロータディスクとを備える。ロータディスクは、ステータに対して回転可能であり、ステータ表面に面するロータ表面を有する。ロータディスクは、第２の材料で作られた半径方向外側の部分に直接かつ排他的に接続された第１の材料で作られた半径方向内側の部分を備え、第１の材料は、耐腐食性金属または金属合金であり、第２の材料は、強磁性金属または金属合金である。

別の例示的な実施形態によれば、ターボ機械は、機械ステータと、機械ステータに対して回転可能な機械ロータとを備える。スラスト軸受は、機械ステータと機械ロータとの間に配置される。スラスト軸受は、ステータ表面を有する電磁ステータと、ロータディスクとを備える。ロータティスクは、ステータに対して回転可能であり、ステータ表面に面するロータ表面を有する。ロータディスクは、第２の材料で作られた半径方向外側の部分に直接かつ排他的に接続された第１の材料で作られた半径方向内側の部分を備え、第１の材料は、耐腐食性金属または金属合金であり、第２の材料は、強磁性金属または金属合金である。

別の例示的な実施形態によれば、ターボ機械内の電磁スラスト軸受用の軸受ロータディスクを作製する方法は、耐腐食性金属または金属合金から軸受ロータディスクの半径方向内側の部分を形成するステップと、強磁性金属または金属合金から軸受ロータディスクの半径方向外側の部分を形成するステップと、半径方向内側の部分を半径方向外側の部分に直接接続するステップとを含むことができる。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、明細書本文と共に、これらの実施形態を説明する。

ターボ機械の斜視図である。 軸方向磁気軸受の例示的な一実施形態の断面図である。 代替実施形態のロータディスクを示す図である。 界面の直径と、界面に存在する応力との間の関係を示す、例示的な一実施形態による軸受の試験結果の一例を示す図である。 別の代替実施形態のロータディスクを示す図である。 別の代替実施形態のロータディスクを示す図である。 別の代替実施形態のロータディスクを示す図である。 別の例示的な実施形態による方法を示す図である。

例示的な実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面中の同じ参照番号は、同じまたは同様の要素を特定する。以下の詳細な説明は、本発明を限定しない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。以下の実施形態は、ターボ機械システムの用語法および構造に関して簡単にするために論じられる。しかしながら、次に論じられる実施形態は、これらの例示的なシステムに限定されず、他のシステムにも適用することができる。

本明細書全体にわたる、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる様々な箇所での「一実施形態では」または「実施形態では」という語句の出現は、必ずしも同じ実施形態に言及していない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態で、任意の適切な方法で組み合わせることができる。

軸方向磁気軸受１４を組み込んだターボ機械１０の例示的な一実施形態を図１に示す。ターボ機械１０は、機械ロータ１２と機械ステータ１６とを含む複合型ターボエキスパンダおよびコンプレッサ機械である。機械ロータ１２は、一対のインペラ１８および１９を含むが、他のターボ機械は、より多くまたはより少ないインペラを含むことができることが理解されるであろう。動作中、ターボ機械１０のターボエキスパンダ部のインペラ１８は、コンプレッサ部のインペラ１９に相殺的なスラストをもたらす。ロータスラストのさらなる制御は、軸方向磁気軸受１４によって提供される。

図２に示すように、軸方向磁気軸受１４は、一対の対向する軸方向面２６を画定する電磁ステータ２２を含む。ロータディスク２８は、機械ロータ１２、特にロータシャフトに接続され、電磁ステータ表面２６のそれぞれに各々が面する一対の半径方向に延びる表面３６を含む。

動作中、センサ４２は、ステータ２２内のコイル２４への電力を制御するプロセッサ（図示せず）に、ロータディスク２８の軸方向の移動に関する情報を提供する。コイル２４によって提供される、結果として生じる電磁力は、運転隙間３８を許容範囲内に維持するために、ロータディスク２８の半径方向部分３４を、ステータ２２の一方の軸方向面２６に向かって引き寄せる。

コイル２４に印加される電力と、ロータディスク２８をステータ２２の各軸方向面２６に向かって引き寄せる力との間の関係は、ロータディスク２８を構築するために使用される材料の強磁性特性に部分的に依存する。具体的には、良好な強磁性特性を有する材料は、ロータディスク２８の所望の軸方向の移動を引き起こすために、より少ない電力を必要とする。しかしながら、前に論じたように、良好な強磁性特性を示すための化学組成および微細構造的特性を有する鋼組成物は、典型的には、具体的には耐硫化物応力割れから、腐食されやすい。

したがって、一実施形態によれば、軸受１４は、耐腐食性で、高い曲げ荷重および遠心荷重に耐えることができる第１の材料、例えば、金属または金属合金で作られた半径方向内側の部分３２を有するロータディスク２８を含むことができる。ロータディスク２８は、また、電磁ステータ２２の電力入力に対する効率的な反応をもたらすのに十分な強磁性特性を有する第２の材料、例えば、金属または金属合金で作られた半径方向外側の部分３４も含む。例えば、半径方向外側の部分３４は、０．８テスラよりも高い磁束密度を提供する材料から構築することができ、半径方向内側の部分３２は、耐腐食性材料から構築することができる。例えば、半径方向内側の部分３２は、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されるＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８のような、低い強磁性特性を有する析出硬化ニッケル合金から構築することができる。したがって、ロータディスク２８、および、したがって軸受１４は、改善された強度および耐腐食性と共に、優れたスラスト補正を提供することができる。

半径方向内側の部分３２は、ディスク状であり、特に、円筒状であり、半径方向外側の部分３４は、特に、矩形の半径方向断面を有する、リング状である。

半径方向内側の部分３２は、軸方向にその両側で機械ロータ１２のシャフトに隣接し特に、半径方向内側の部分３２および機械ロータシャフトは、実質的に同じ軸方向断面を有する。

半径方向内側の部分３２は、例えば、接着剤または溶接のような化学的接続によって、界面４４でロータディスク２８の半径方向外側の部分３４に直接かつ排他的に接続され、このようにして、半径方向内側の部分３２および半径方向外側の部分３４は、半径方向に隣接する。代替的にまたは付加的に、半径方向内側の部分３２は、焼きばめ、スロットおよびキー溝配置、または留め具のような機械的接続によって、界面４４で半径方向外側の部分３４に接続することができる。

半径方向内側の部分３２および半径方向外側の部分３４は、ロータ軸４８から電磁ステータ２２の内径４８と実質的に同じ距離に配置されたロータ軸４８の周りの円を界面４４が画定するように構成することができる。代替的には、界面４４は、非円形であってよく、および／または、電磁ステータ２２の内面よりもロータ軸４８から遠くにもしくはロータ軸４８の近くに配置することができる。

軸受の強磁性材料は、自己支持され、シェルまたはカバーの内部に閉じ込められていないので、軸受の強磁性材料と軸受のコイルとの間の隙間は、ロータとステータとの間の空隙に対応し、このようにして、軸受の有効性は、最大化される。

図３は、別の例示的な実施形態を示す。ロータディスク１２８は、耐腐食性ステンレス鋼合金、具体的には、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されるＩＮＣＯＮＥＬ６２５で作られた内側半径方向部分１３２と、軸受１４の電力応答を最適化するのに十分な強磁性特性を有する低合金鋼で作られた外側半径方向部分１３４とを含む。図３にさらに示すように、内側半径方向部分１３２および外側半径方向部分１３４は、界面１４４に沿って、ＮＡＣＥ ＩＳＯ１５１５６（ＭＲ０１７５）による耐腐食性異種金属溶接１５２によって接続される。この段落で述べた特定の材料および溶接は、実施形態で使用することができる特定の材料および溶接の単なる例示であり、本発明は、そのような特定の材料および溶接に限定されず、その代わりに、他の材料タイプおよび溶接タイプを含むことができることは、当業者によって理解されるべきである。

シミュレーションでは、６０ｍｍの内径および３６０ｍｍの外径を有する図３の例示的な実施形態によるロータディスク１２８を試験した。第１の試験では、界面４４の直径および電磁ステータ２２の内径４６を、機械ロータ１２の軸４８から１００ｍｍに設けた。第２の試験では、界面４４の直径および電磁ステータ２２の内径４６を、機械ロータ１２の軸４８から１２５ｍｍに設けた。１００ｍｍの標本について得られた負荷容量は、３０ｋＮであり、１２５ｍｍの標本について得られた負荷容量は、２０ｋＮであった。したがって、スラスト力容量は、概して、実施形態による第１の耐腐食性材料で作られた半径方向内側の部分１３２および第２の強磁性特性で作られた半径方向外側の部分１３４を有する軸受１４内の界面直径に反比例することがわかる。

図４は、１７８６０ｒｐｍで回転する６０ｍｍの内径および３６０ｍｍの外径を有するロータディスク１２８についての、界面１４４の直径と、界面１４４に存在する応力との間の例示的な関係を示す。１００ｍｍでは、データ点６４は、約３００ＭＰａの界面１４４での応力を示す。１２５ｍｍでは、データ点６６は、約２７５ＭＰａの界面１４４での応力を示す。この関係から、界面１４４を軸４８から半径方向に移動したとき、界面１４４に対するより小さい遠心荷重（応力）を達成することができることがわかる。

サワー腐食からのさらなる保護を与えるために、外側半径方向部分１３４の低合金鋼に保護層（または被覆）１５４を施すことができる。図３に示すように、保護層１５４は、例えば、溶接１５２のための保護を与えるために、界面１４４を越えて延在することができる。保護層１５４は、金属、例えば、内側半径方向部分１３２の金属、タンタル、または別の耐腐食性金属、セラミックまたはポリマー被覆のようなクラッディングを含むことができる。そのようなクラッディングは、例えば、コールドスプレー堆積プロセスによって施すことができる。保護層１５４は、少なくとも内側半径方向部分１３２と同じ程度に腐食に抵抗する能力を外側半径方向部分１３４に与えることができる。

ロータディスク１２８は、内側半径方向部分１３２の上に保護層なしで設置することができるので、機械ロータ１２へのロータディスク１２８の焼きばめは、保護層１５４を損傷しにくい。この特徴は、他の接続配置の容易な実装も可能にする。例えば、図５にさらに示すように、ロータディスク２２８は、異種金属溶接２５２によって界面で互いに取り付けられた内側半径方向部分２３２および外側半径方向部分２３４を含むことができ、被覆２５４を有することができる。図５の実施形態は、さらに、機械ロータ１２とロータディスク２２８との間に増大した結合力を与えるために、ヒルトカップリング２５７と、中央タイロッド２５９とを含むことができる。代替的には、図６に示すように、ロータディスク３２８は、異種金属溶接３５２によって界面で互いに取り付けられた内側半径方向部分３３２および外側半径方向部分３３４を含むことができ、被覆３５４を有することができる。ロータディスク３２８は、例えば、界面３５８での溶接によって、機械１２に直接接続することができる。図７に示すさらに別の代替的な実施形態では、ロータディスク４２８は、異種金属溶接４５２によって界面で互いに取り付けられた内側半径方向部分４３２および外側半径方向部分４３４を含むことができ、被覆４５４を有することができる。ロータディスク４２８には、ロータディスク４２８を機械ロータ１２に接続するためのより大きい表面積を与えるスラストカラー４６２を設けることもできる。

層１５４、被覆２５４、被覆３５４、被覆４５４は、ロータディスクの半径方向外側の部分をロータディスクの半径方向内側の部分に接続するように設計されず、実際には、それらの非常に薄い厚さ（例えば、０．５ｍｍ以下）のため、それらは、どのような接続または支持機能も提供せず、単に保護機能を提供する。

したがって、図８のフローチャートに示すような例示的な一実施形態によれば、ターボ機械内の電磁スラスト軸受用の軸受ロータディスクを作製する方法（１０００）は、耐腐食性金属から軸受ロータディスクの半径方向内側の部分を形成するステップ（１００２）と、強磁性金属から軸受ロータディスクの半径方向外側の部分を形成するステップ（１００４）と、半径方向内側の部分を半径方向外側の部分に接続するステップ（１００６）とを含むことができる。

上記で説明した実施形態は、限定的ではなく、すべての点で本発明の実例となることを意図している。すべてのそのような変形および修正は、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および趣旨内にあると考えられる。本出願の説明で使用される要素、動作、および命令は、そのように明示的に記載されていない限り、本発明にとって重要または本質的であると解釈されるべきではない。また、本明細書で使用されるとき、冠詞「ａ」は、１つまたは複数の項目を含むことを意図している。

１０ ターボ機械
１２ 機械ロータ
１４ 軸方向磁気軸受
１６ 機械ステータ
１８ インペラ
１９ コンプレッサ部のインペラ
２２ 電磁ステータ
２４ コイル
２６ 軸方向面、電磁ステータ表面
２８ ロータディスク
３２ 半径方向内側の部分
３４ 半径方向外側の部分
３６ 表面
３８ 運転隙間
４２ センサ
４４ 界面
４６ 電磁ステータ２２の内径
４８ ロータ軸
６４ データ点
６８ データ点
１２８ ロータディスク
１３２ 内側半径方向部分
１３４ 外側半径方向部分
１４４ 界面
１５２ 溶接
１５４ 保護層、被覆
２２８ ロータディスク
２３２ 内側半径方向部分
２３４ 外側半径方向部分
２５２ 異種金属溶接
２５４ 被覆
２５７ ヒルトカップリング
２５９ 中央タイロッド
３２８ ロータディスク
３３２ 内側半径方向部分
３３４ 外側半径方向部分
３５２ 異種金属溶接
３５４ 被覆
３５８ 界面
４２８ ロータディスク
４３２ 内側半径方向部分
４３４ 外側半径方向部分
４５２ 異種金属溶接
４５４ 被覆
４６２ スラストカラー

Claims (14)

1. ステータ表面を有する電磁ステータと、
   前記電磁ステータに対して回転可能であり、前記ステータ表面に面するロータ表面を有するロータディスクと
   を備え、
   前記ロータディスクが、第２の材料で作られた半径方向外側の部分に直接かつ排他的に接続された第１の材料で作られた半径方向内側の部分を備え、
   前記第１の材料が、耐腐食性金属または金属合金であり、
   前記第２の材料が、強磁性金属または金属合金である、スラスト軸受。
2. 前記半径方向内側の部分が、ディスク状であり、前記半径方向外側の部分が、リング状であり、前記外側部分が、前記内側部分と半径方向に隣接する、請求項１記載のスラスト軸受。
3. 前記半径方向外側の部分が、前記半径方向内側の部分に溶接された、請求項１または２記載のスラスト軸受。
4. 前記半径方向外側の部分が、被覆を有する、請求項１乃至３のいずれか１項記載のスラスト軸受。
5. 前記被覆が、耐腐食性材料で作られた、請求項４記載のスラスト軸受。
6. 前記被覆が、前記第１の材料から作られた、請求項４または５記載のスラスト軸受。
7. 機械ステータと、
   前記機械ステータに対して回転可能な機械ロータと、
   前記機械ステータと前記機械ロータとの間に配置されたスラスト軸受と
   を備えるターボ機械であって、前記スラスト軸受が、
   ステータ表面を有する電磁ステータと、
   前記電磁ステータに対して回転可能であり、前記ステータ表面に面するロータ表面を有するロータディスクと
   を備え、
   前記ロータディスクが、第２の材料で作られた半径方向外側の部分に直接かつ排他的に接続された第１の材料で作られた半径方向内側の部分を備え、
   第１の材料が、耐腐食性金属または金属合金であり、
   第２の材料が、強磁性金属または金属合金である、ターボ機械。
8. 前記スラスト軸受が、請求項２乃至６のいずれか１項に記載された技術的特徴を備える、請求項７記載のターボ機械。
9. 前記半径方向内側の部分が、少なくとも一方の側で、好ましくは両側で、前記機械ロータのシャフトに軸方向に隣接する、請求項７または８記載のターボ機械。
10. 前記半径方向内側の部分および前記機械ロータシャフトが、同じ軸方向断面を有する、請求項７乃至９のいずれか１項記載のターボ機械。
11. 機械ステータと、
    前記機械ステータに対して回転可能な機械ロータと、
    前記機械ステータと前記機械ロータとの間に配置された請求項１乃至６のいずれか１項記載のスラスト軸受と
    を備える、ターボ機械。
12. ターボ機械内の電磁スラスト軸受用の軸受ロータディスクを作製する方法であって、
    耐腐食性金属または金属合金から前記軸受ロータディスクの半径方向内側の部分を形成するステップと、
    強磁性金属または金属合金から前記軸受ロータディスクの半径方向外側の部分を形成するステップと、
    前記半径方向内側の部分を前記半径方向外側の部分に直接接続するステップと
    を含む、方法。
13. 前記半径方向外側の部分が前記半径方向内側の部分に溶接された、請求項１２記載の方法。
14. 前記ターボ機械のロータシャフトと係合するための前記半径方向内側のリング部分に、前記耐腐食性材料で作られたスラストカラーを形成するステップをさらに含む、請求項１２または１３記載の方法。