JP2016538452A - 冷却カップリングガードを有するターボ機械 - Google Patents

Abstract

回転部材（１５）のためのカップリングガード（１）であって、回転部材（１５）を取り囲むシェル（１１）と、シェル（１１）内に配置されているプレナム（２５）と、少なくとも、冷却ガスを注入するための注入管（１２）及び冷却ガスを吐出するための排気口（１３）と、を備え、注入管（１２）は、シェル（１１）の近位の第１の軸方向開口部（３１）から回転部材（１５）の近位の第２の軸方向開口部（３２）までプレナム（２５）を通って延在し、注入管（１２）は、プレナム（２５）内を循環するガスに最初に接触する前縁（４１）と、前縁（４１）に対向する後縁（４２）と、を有し、第２の開口部（３２）は、注入管（１２）の軸（Ｘ）に直交する第１の部分（３２ａ）と、第１の部分（３２ａ）に隣接し、注入管（１２）の軸（Ｘ）に平行な、後縁（４２）にわたる第２の部分（３２ｂ）と、を有する、カップリングガード（１）。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ機械の回転部材用のカップリングガードに関する。

カップリングガード内への油の移動を回避するために、カップリングガードに空気または窒素の通気を適用することは周知である。これらのシステムの１つは、例えば、米国特許第６４７４９３４号明細書に記載されている。

しかしながら、既知の通気システムは、一般に、カップリングガードの外殻温度を許容値未満に維持し、また、それに加えて、シャフト端部からの油の移動を回避するための適正な流れを保証できない。そのような問題は、通常、カップリングガードの全体寸法を増加させることによって、かつ例えば、シャフト端部にシールを含む油ガードを追加することによって解決される。しかしながら、そのような解決策は、場合によっては、外殻温度を１５０℃未満に維持することができず、油の移動をうまく止めることができない、試行錯誤の手法であることが示されている。さらに、幾何学的制約によって、カップリングガードの全体寸法を変更すること、または油ガードを追加することが必ずしも可能であるとは限らない。

したがって、カップリングガードの全体寸法を変更することも、油ガードを追加することもなく、カップリングガード外殻の許容温度を達成し、それと同時にシャフト端部からの油の移動を回避するために、既知の通気システムを改変することが望ましい。

欧州特許出願公開第２５９９９６７号明細書

第１の実施形態によれば、本発明は、回転部材及びカップリングガードを備える回転機を提供することによって、そのような目的を達成する。このカップリングガードは、
回転部材を取り囲むシェルと、
シェル内に配置されたプレナムと、
少なくとも冷却ガスを注入するための注入管及び冷却ガスを吐出するための排気口であって、それによって回転部材の回転が、注入管を通してプレナム内に冷却ガスを引き込み、かつ冷却ガスが排気口を通って排出される前に、冷却ガスが実質的に環状にまたは螺旋状にプレナムを通って循環してシェルを冷却する、少なくとも、注入管及び排気口と、を備え、
注入管は、シェルの近位の第１の開口部から回転部材の近位の第２の開口部までプレナムを通って半径方向に延在し、注入管は、プレナム内を循環するガスに最初に接触する前縁と、前縁に対向する後縁と、を有し、第２の開口部は、冷却ガスの循環方向に対して実質的に接線方向に、かつ実質的に平行に配向された第１の部分と、冷却ガスの循環方向に対して実質的に半径方向に、かつ実質的に直交して配向された第２の部分と、を有する。

第１の部分は、冷却ガスの方向と並行な方向に面する。

注入管の形状は、その長さ及び筐体内部の位置と相まって、管自体にわたってデルタ圧力を生み出し、カップリングガードのプレナム内に冷却ガス（例えば、大気または窒素）を流す。これによって、シェルの外殻の温度を１００℃未満に維持することができる。

本発明のさらなる利点は、冷却ガス流がまた、カップリングガードのプレナム内に内部過圧を発生させ、それによって、シャフト端部からの油の移動が防止されるという事実である。

本発明の他の目的、特徴、及び利点は、本発明の実施形態の以下の説明を以下の図面と併せ読むことによって明らかとなるであろう。

本発明によるカップリングガードの部分側面図である。 図１のカップリングガードの断面図である。 図２の構成要素ＩＩＩの詳細図である。 図３の構成要素の側方断面図である。 図３の構成要素の概略断面図である。

添付の図面を参照すると、回転軸Ｙを有する回転部材１５が、カップリングガード１に周囲を囲まれている。カップリングガード１は、シェル１１と、回転部材１５の周りでシェル１１内に配置されたプレナム２５とを備える。

回転部材１５は、中心シャフト１５ａ及び２枚の側方円板１５ｂ、ｃを含む。図示されていない本発明の他の実施形態によれば、回転部材１５は、任意の他の異なる構成であり得る。

シェル１１は、下側半円筒部１１ａ及び上側半円筒部１１ｂを含む。下側半円筒部及び上側半円筒部１１ａ、ｂは、互いに接触し、回転軸Ｙを含む水平面に沿って接合される。

カップリングガード１は、冷却ガスを注入するための１つ以上の注入管１２（図１の実施形態では３つの注入管１２）と、冷却ガスを吐出するための１つ以上の排気口１３（図２の実施形態では１つの排気口１３）とを含み、そうすることで、動作中は、軸Ｙの周りの回転部材１５の回転が、各注入管１２を通してプレナム２５内に冷却ガスを引き込む。上側半円筒部１１ｂは、回転部材１５の回転運動Ｒ（図２では時計回り）を基準として、排気口１３の下流に位置付けられた内側の半径方向羽根２０を含む。冷却ガスは、羽根２０の存在によって補助され、排気口１３を通って排出される前にシェル１１を冷却するようにプレナム２５を通って循環する。

各注入管１２は、シェル１１の近位の第１の軸方向円形開口部３１から回転部材１５の近位の第２の軸方向開口部３２までプレナム２５を通って延在するように、シェル１１の上側半円筒部１１ｂに取り付けられている。第２の軸方向開口部３２は、回転部材１５の回転によってもたらされる後流効果によって注入管１２内の流れを最大化するために、回転部材１５にできるだけ近いことが好ましい。

各注入管１２は、注入管１２が、プレナム２５内を循環するガスに最初に接触する前縁４１と、前縁４１に対向する後縁４２とを有するように、軸Ｙの周りの回転部材１５の回転運動Ｒを基準として配向され、第２の軸方向開口部３２は、注入管１２の軸Ｘに直交する第１の円形軸方向部３２ａと、後縁４２にわたって延在する第２の側部３２ｂとを有する。前縁４１の長さは、前方の面積が注入管１２の外側断面積の０．５〜１．５倍となるように、注入管１２の直径を基準として選択されている。注入管１２の直径及び厚さは、注入管１２の外側断面積が、注入管１２内の冷却ガスの流れが５０ｍ／秒を超える速度値に達するのを許容しないように選択されている。

第２の側部３２ｂは、第１の円形軸方向部３２ａによって、アーチ形状を有し、第１の円形軸方向部３２ａに平行な上端部３４ｃによって、かつ第１の部分３２ａから上記の第１の軸方向開口部３１に向かって上端部３４ｃまで延在する２つの側方開口端部３４ａ、３４ｂによって画定されている。２つの側方端部３４ａ、３４ｂは、注入管１２の軸Ｘに平行であり、９０度〜１８０度を含む開口角度Ａだけ軸Ｘの周りで角度を付けて離されている。

より具体的には、開口角度Ａは、１４０度〜１６０度を含む。

注入管１２、特に第２の軸方向開口部３２の形状のために、回転部材１５が軸Ｙの周りを回転するときにプレナム２５内に循環されるガスは、第２の軸方向開口部３２の第１及び第２の部分３２ａ、ｂを連続して横切る経路（図４において矢印Ｆ１によって表される）を進む。これは、注入管１２にわたってデルタ圧力を生み出す効果を有し、冷却ガスが第２の経路に従って注入管１２を通って流れることを可能にする（図４及び５において矢印Ｆ２によって表される）。第２の経路Ｆ２は、第１の軸方向開口部３１内に半径方向に入り、側方端部３４ａ、３４ｂと直交する周方向に従って第２の軸方向開口部３２の第２の部分３２ｂから出る。

各注入管１２は、シェル１１の上側半円筒部１１ｂに配置されている。カップリングガード１の外殻表面の上部は、カップリングガード１の外殻表面の最も熱い部分であることを考慮すると、注入管１２は、回転部材１５の回転軸Ｙを含む垂直平面に対して、１０度超だが９０度未満である位置決め角度Ｂだけ角度を付けて離間されている。より具体的には、角度Ｂは４５度未満である。

カップリングガード１の全体寸法及び回転部品の回転条件が、プレナム２５内を循環するガスが乱流状態に達するようなものである場合、本発明の可能な実施形態によれば、回転部材１５の周りに厚さの薄い回転容積を形成するように、１つ以上のスクリーン２６がシェル１１の内側に固定される。その効果は、回転子及び固定子の境界層間の距離の縮小による摩擦係数の減少である。摩擦係数の減少は、発熱の低下を引き起こし、その結果として、カップリングガードの外殻温度を低下させる。

添付の図１及び５の実施形態において、スクリーン２６は、シャフト１５ａの周りの円筒パネル２７と、円板１５ｂ、１５ｃにそれぞれ近接する２つの平面的な円形パネル２６ｂ、２６ｃとを備える。円筒パネル２７は、下側半円筒部２７ａ及び上側半円筒部２７ｂを含む。下側半円筒部及び上側半円筒部２７ａ、ｂは、互いに接触し、回転軸Ｙを含む水平面に沿って接合される。

一般に、全ての実施形態に関して、確実に回転子の境界層を固定子の境界層に接触する条件にできる限り近づけるために、回転部材１５の各構成要素とスクリーン２６との間には１ｍｍ〜５０ｍｍを含む距離が提供されなければならない。

１ カップリングガード
１１ シェル
１１ａ 下側半円筒部
１１ｂ 上側半円筒部
１２ 注入管
１３ 排気口
１５ 回転部材
１５ａ シャフト
１５ｂ、１５ｃ 円板
２０ 半径方向羽根
２５ プレナム
２６ スクリーン
２６ｂ、２６ｃ 円形パネル
２７ 円筒パネル
２７ａ 下側半円筒部
２７ｂ 上側半円筒部
３１ 第１の軸方向円形開口部、第１の軸方向開口部、第１の開口部
３２ 第２の軸方向開口部、第２の開口部
３２ａ 第１の円形軸方向部、第１の部分
３２ｂ 第２の側部、第２の部分
３４ａ、３４ｂ 側方開口端部、側方端部
３４ｃ 上端部
４１ 前縁
４２ 後縁
Ｘ 軸
Ｙ 回転軸、軸

Claims (7)

1. 回転部材（１５）及びカップリングガード（１）を備える回転機であって、
   前記カップリングガード（１）は、
   前記回転部材（１５）を取り囲むシェル（１１）と、
   前記シェル（１１）内に配置されたプレナム（２５）と、
   少なくとも冷却ガスを注入するための注入管（１２）及び冷却ガスを吐出するための排気口（１３）であって、それによって前記回転部材（１５）の回転が、注入管（１２）を通して前記プレナム（２５）内に冷却ガスを引き込み、かつ前記冷却ガスが前記排気口（１３）を通って排出される前に、前記冷却ガスが実質的に環状にまたは螺旋状に前記プレナム（２５）を通って循環して前記シェル（１１）を冷却する、少なくとも注入管（１２）及び排気口（１３）と、を備え、
   前記注入管（１２）は、前記シェル（１１）の近位の第１の開口部（３１）から前記回転部材（１５）の近位の第２の開口部（３２）まで前記プレナム（２５）を通って半径方向に延在し、前記注入管（１２）は、前記プレナム（２５）内を循環する前記冷却ガスに最初に接触する前縁（４１）と、前記前縁（４１）に対向する後縁（４２）と、を有し、前記第２の開口部（３２）は、前記冷却ガスの循環方向に対して実質的に接線方向に、かつ実質的に平行に配向された第１の部分（３２ａ）と、前記冷却ガスの前記循環方向に対して実質的に半径方向に、かつ実質的に直交して配向された第２の部分（３２ｂ）と、を有する、回転機。
2. 前記第１の部分（３２ａ）は、前記冷却ガスの前記方向と並行な方向に面する、請求項１に記載のカップリングガード（１）。
3. 前記第２の開口部（３２）の前記第２の部分（３２ｂ）は、前記第１の部分（３２ａ）から前記注入管（１２）の軸（Ｘ）に平行な前記第１の軸方向開口部（３１）向かって延在する２つの開口端部（３４ａ、３４ｂ）によって画定され、前記２つの開口端部（３４ａ、３４ｂ）は、９０度〜１８０度を含む開口角度（Ａ）だけ前記軸（Ｘ）の周りで角度を付けて離されている、請求項１または２に記載のカップリングガード（１）。
4. 前記開口角度（Ａ）は、１４０度〜１６０度を含む、請求項３に記載のカップリングガード（１）。
5. 前記回転部材（１５）の回転軸（Ｙ）を含む垂直平面に対して、前記注入管（１２）は、４５度未満の位置決め角度（Ｂ）で角度を付けて離間されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のカップリングガード（１）。
6. 少なくとも、前記プレナム（２５）の上部の厚さを削減するために前記シェル（１１）の内側に固定されたスクリーン（２６）をさらに含み、前記回転部材（１５）の直径は最小である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のカップリングガード（１）。
7. 前記回転部材（１５）と前記スクリーン（２６）との間の距離は、１ｍｍ〜５０ｍｍを含む、請求項６に記載のカップリングガード（１）。