JP2019535952A - ターボ機械 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ハウジング(CAS)内に少なくとも部分的に配置されておりかつ回転軸(X)に沿って延在しているロータ(R)を含む、ターボ機械、詳細にはターボ圧縮機(TCO)に関する。該ターボ機械は、ロータ(R)がラジアル軸受点(RBP)上に径方向に取り付けられている少なくとも1つのラジアル軸受(RB)を有し、前記ラジアル軸受(RB)は油潤滑式滑り軸受として設計されている。ラジアル軸受点(RBP)の軸方向領域内に、ロータ(R)は、ロータ(R)のラジアル軸受点(RBP)の直径の外側20%の領域内に円周方向(CDR)に環状に配置されておりかつラジアル軸受点(RBP)の領域内のロータ(R)の径方向内側コア領域(COR)とラジアル軸受点(RBP)の領域内のロータ(R)の径方向外側領域との間で断熱している中空室(CAV)を有する。ターボ機械が可能な限り滑らかに動作することを確実にするために、ロータ(R)の第1のシャフト端部(RN1)が、ラジアル軸受点(RBP)を越える突起部(OVH)により、ラジアル軸受点(RBP)の軸中心から突出しており、ロータ(R)の全長(TLE)で割った、突起部(OVH)の第1の割合(QLO)がQLO=OVH/TLE>0.15である。

Description

本発明は、ケーシング内に少なくとも部分的に配置されておりかつ回転軸に沿って延在しているロータを含む、ターボ機械、詳細にはターボ圧縮機に関し、該ターボ機械は、ロータがラジアル軸受点で径方向に取り付けられる少なくとも1つのラジアル軸受を有し、該ラジアル軸受は油潤滑式滑り軸受として設計されており、ロータは、ラジアル軸受点の軸方向領域内の、ロータのラジアル軸受点の直径の外側20%の領域内に円周方向に環状に配置されておりかつラジアル軸受点の領域内のロータの径方向内側コア領域とラジアル軸受点の領域内のロータの径方向外側領域との間に断熱をもたらす空洞部を有する。
特許文献1が、断熱空洞部がラジアル軸受の領域内に設けられている、ターボ機械用のロータシャフトを開示している。
モートン効果(Morten effect)を回避するそのような方策が全てのターボ機械において等しく有用であるとは限らないことが分かっている。本方策に関連するラジアル軸受領域内での直径の増大は、同程度までの、シャフト強度に関する確実な改善を達成することなく、ロータの動態を不必要に変更する。該装置に必要とされる製造のさらなる複雑さおよびより広い設置空間も望ましくない。しかし、ある場合には、機械の滑らかな動作を改善するために、さもなければ不可能である動作状態を達成するために、またはやはり損傷を回避するために、本方策の可能性は非常に十分にある。原則的に、機械の滑らかな動作はまた、例えば軸封における遊びの必要性に、かつしたがってそれらの封止能に影響を及ぼすので、ここでもまた、効率性の改善が達成され得る。
欧州特許第983448(B1)号
したがって、本発明は、そのような方策が有益である場合に、軸受点にそのような断熱を備えた、ターボ圧縮機の対応するロータを提供するという目的に対峙している。
本目的を達成するために、従属請求項の特徴部分の付加的特徴を備えた、最初に定義されているタイプの装置が提案されている。戻り引用(back-references)を有する請求項は、本発明の有利な改良点を含む。
「radial(径(方向)の)」、「axial(軸(方向)の)」、「tangential(接線の)」または「circumferential(円周(方向)の)」などの用語が各々、特別の定めがない限り、ロータの軸を指す。また、本発明によるラジアル軸受は、複合ラジアルスラスト軸受(combined radial and thrust bearing)として構成されていてもよく、いずれにしても、静的径方向耐力および動的径方向耐力をサポートするのに役立つ。
本発明によれば、ロータの第1のシャフト端部が、ラジアル軸受点を越える突出部により、ラジアル軸受点の軸中心から突出しているので、ロータの全長に対する突出部の第1の比率がQLO=OVH/TLE>0.15であり、突出部OVHがロータの全長TLEより大きくないため、該比率QLOは、当然、常に1未満である。この範囲まで、これは単独の開区間でないが、1の上方境界により、少なくとも論理的にかつ技術的に範囲を定められている区間である。実際には、適切な改良の意味では、0.5>QLO=OVH/TLE>0.15を仮定することが有益である。
本発明により用いられている用語「ロータのコア領域」は、断熱のために、本発明による空洞部から径方向内側に置かれている領域を指す。ここで、該コア領域は、静的力および動的力を吸収するために不可欠である、ラジアル軸受点の領域内のロータの一部である。ラジアル軸受点の領域内の空洞部は、ロータ横断面を弱化するので、不可欠な強度特性はコア領域により決定される。
空洞部の好適な、可能性のある実施形態が、ラジアル軸受点の領域内でスリーブがロータに適用されることにあり、前記スリーブの径方向内面が、外側に向かって径方向に空洞部を画定している。このスリーブは、径方向内面上に陥凹部を有していてもよいか、またはラジアル軸受点の領域内のロータ上の対応する陥凹部により位置決めされていてもよく、その結果、空洞部はスリーブの領域内へ径方向に延在しており、かつ/またはロータのコア領域を径方向に空乏化させる。
本発明の明白な教示が、ラジアル軸受点を越える突出部により、ロータの第1のシャフト端部がラジアル軸受点の軸中心から突出している場合、ラジアル軸受点の領域において、ターボ機械にそのような断熱を備えることが特に有利であるという発見に基づいており、ロータの全長に対するこの軸方向突出部の第1の比率が0.15より大きい。この式は、ロータの主な質量がラジアル軸受点の一方の側に配置されており、突出部が、ラジアル軸受点の軸方向に他方の側でラジアル軸受点を越えて突出している、と仮定している。ロータの、より大きな質量割合が置かれている側に、また、第2のラジアル軸受点または第2のラジアル軸受が特定の軸受間隔で設けられている。突出部に対する全長の長さ比に関する上記の状態は、ある方程式:
QLO=OVH/TLE>0.15
で表され得る。
ここで、
QLO:第1の比率
OVH:突出部(長さの単位、例えばmm)
TLE:全長(長さの単位、例えばmm)
である。
本発明の有利な改良が、ロータの突出部の軸方向範囲が突出部質量を有すること、および完全なロータが総質量を有することを実現し、総質量に対する突出部質量の比率が>0.06である。この状態は方程式において、以下の通り表され得る:
QOT=OVM/TMS>0.06
ここで、
QOT:第2の比率
OVM:突出部質量(kg)
TMS:総質量(kg)
である。
本発明のさらなる有利な改良が、静的軸受圧力が6barより大きいように、ラジアル軸受が構成されていることを実現する。そのような装置はモートン効果を形成する特別な傾向を有することが分かっている。
ロータとラジアル軸受との配置が少なくとも0.1の相対的な偏心を有する場合、画定された断熱をターボ機械に備えることは特に適切である。
ここで、用語「相対的な偏心」は、ロータとラジアル軸受の滑り軸受面との間の径方向の遊びに標準化されている、ラジアル軸受の径方向中心軸と軸受点におけるロータ軸との間の距離を意味する。図4において相関は明白であり、以下により詳細に説明されている。
相対的な偏心ecb=e/Cb(寸法表記なし)
ここで、
RAJ=軸受におけるロータの半径(軸方向範囲の平均)
RAB=滑動面に対する軸受の半径(軸方向範囲の平均)
Cb=ロータと軸受との間の径方向の遊び=RAB−RAJ
h=遊びが測定される円周位置の関数としての、径方向の遊び
hmin=MOFT:最小の油膜の遊び
e=偏心:軸受の径方向中心とロータの径方向中心との間の径方向距離
ecb=e/Cb=相対的な偏心:ゼロの場合、ロータは軸受内で中心に置かれており、ecbが値1に達した場合、ロータの重心がロータ軸に対して偏心しておりかつその結果として不均衡を形成するように、ロータは軸受に接触している。
さらなる有利な改良が、軸受ジャーナル(ラジアル軸受の領域内のシャフトまたはロータの部分)の最外円周における、>60m/sの円周速度での公称動作状態のために、ターボ機械が構成されていることを実現する。ここで、該公称動作状態は、殆どの時間、動作がそれらを用いて起こる機械動作パラメータの存在を意味する。
特に適切には、ラジアル軸受は等エントロピーマウント(isentropic mounting)として構成されている。
本発明は、突出している第1のシャフト端部が継ぎ手を有する場合、特に有利に使用され、該継ぎ手の質量はロータの総質量の少なくとも2%である。そのような装置では、モートン効果に対抗する方策が極めて有益である。
本発明は、突出部質量の重量負荷がラジアル軸受の軸受荷重の少なくとも12%である場合に使用されることが特に好ましい。さらに、本発明の使用は、突出部が、ラジアル軸受の軸中心点よりも、ロータの軸端部に近接して置かれている重心を有する場合、特に適切である。
さらに、本発明の使用は、公称回転速度で、ラジアル軸受上で1°の曲がりの突出部の不均衡な遠心力がラジアル軸受内の静的耐力の少なくとも60%になるように、ロータが公称動作のために構成されている場合、特に有益である。
本発明の有利な改良が、空洞部の径方向高さが、ラジアル軸受点で、ロータ直径の10%未満、好ましくは5%未満であることを実現する。
本発明は、図面を参照して、特定の例示的実施形態に関連して、以下により詳細に説明される。
本発明によるターボ圧縮機の高度に単純化された図である。 本発明による空洞部の長手方向断面図である。 ロータのラジアル軸受の領域内に1%の曲がりを有する、本発明によるターボ機械の図である。 ラジアル軸受点における幾何学的相関関係の軸断面図である。
図1は、本発明によるターボ機械すなわちターボ圧縮機TCOの図を示す。該長手方向断面は、ロータR、および該ロータRを部分的に取り囲んでいるケーシングCASと共に、簡単な線画として、非常に簡単化されて示されている。本例におけるロータRは、3つの回転羽根車、すなわち第1の羽根車IMP1、第2の羽根車IMP2および第3の羽根車IMP3を担持している。
本明細書では、用語「right(右側)」および「left(左側)」は、もっぱら図面に関連して用いられている。実際、配置は反転されてもよく、その結果、「左側」は単に一方の側を指し、「右側」が該配置の他方のまたは第2の側を指す。
ロータRはロータ軸Xに沿って延在しており、2つのラジアル軸受RBにより、径方向に取り付けられている。左側に配置されているラジアル軸受RBは固定された軸受として構成されており、したがって、さらに詳細に図示されていない、接続されたスラスト軸受を有する。このラジアル軸受は、第1のシャフト端部RN1とロータRの残部との間で、ロータRを取り付けている。右側に配置されているラジアル軸受RBは、このラジアル軸受点により、ロータを、第2のシャフト端部RN2とロータRの残部とに分割している。左側ラジアル軸受RBのラジアル軸受点RBPは、第1の羽根車IMP1の右側に配置されており、その結果、該第1の羽根車IMP1は突出部を形成しており、したがって、ロータRの突出部OVHの一部として構成されている。継ぎ手CPが、他の回転機械、例えば駆動部、に連結するために、第1のシャフト端部RN1の端部に配置されている。あるいは、また、(ここではオプションとして示されている)継ぎ手CP’が第2のシャフト端部RN2に設けられていてもよい。ロータRは全長TLEを有し、突出部OVHは突出部長さOVLを有する。さらに、該突出部OVHは、ロータRの総質量TMSに対する特定の比率である突出部質量OVMを有する。例として、軸受荷重BLOが左側ラジアル軸受RB上に示されており、静的軸受圧力SBPが該軸受荷重BLOに起因する。また、図は、やはり図式的に、第1のシャフト端部RN1に、ロータRの最外円周CMXを示し、そこで、円周方向CDRの最大円周速度RSPが公称動作において達成される。
図2は、図1の左側ラジアル軸受RBのラジアル軸受点RBPにおける断熱空洞部の構成の詳細を示す。ここで、空洞部CAVは、ラジアル軸受点RBPの領域内で第1のシャフト端部RN1上へ焼き嵌められているスリーブSLVにより形成されている。径方向高さRHTを有する径方向陥凹部が、軸方向にスリーブSLVの径方向内側上にある、スリーブSLVの2つの焼き嵌め座部間に配置されている。ロータRはラジアル軸受点RBPの領域内にロータ直径RDMを有し、空洞部の径方向高さRHTは、ロータ直径RDMの10%未満、好ましくは5%未満である。このようにして、所望の断熱効果が達成される。
図3は、ラジアル軸受点RBPの領域内の、角度αでの第1のシャフト端部RN1の曲がりを図示しており、その結果、(全ロータRの重心MSPおよびロータ軸Xからの重心MSPの偏心EXTと異なって)突出部OVHの重心MSPOVは偏心EST2により偏心して移行する。第1のシャフト端部RN1の偏心の結果として、結果として生じる不均衡の理由で、遠心力CFFが生成される。
図1から図3までにおいて、ロータRの第1のシャフト端部RN1は、ラジアル軸受点RBPを越える突出部OVHにより、ラジアル軸受点RBPの軸中心から突出しており、ロータRの全長TLEに対する突出部OVHの第1の比率QLOがQLO=OVH/TLE>0.15である。
ロータRの突出部OVHの軸方向範囲が突出部質量OVMを有し、完全なロータRは総質量TMSを有し、総質量TMSに対する突出部質量OVMの第2の比率QOTがQOT=OVM/TMS>0.06である。
ラジアル軸受RBは、静的軸受圧力SBPが>6barであるように構成されている。
ターボ機械は、ロータRの最外円周CMXにおいてRSP>60m/sの円周速度RSPを有する公称動作状態のために構成されている。ラジアル軸受RBは、等エントロピーマウントとして構成されている。突出している第1のシャフト端部RN1は継ぎ手CPを有し、該継ぎ手CPの質量はロータRの総質量TMSの少なくとも2%である。
突出部質量OVMの重量負荷は、ラジアル軸受RBの軸受荷重BLOの少なくとも12%である。
突出部は重心を有し、突出部の該重心は、ラジアル軸受RBの軸中心点よりも、ロータRの軸端部に近接している。
公称回転速度NNで、ラジアル軸受RB内で1°の曲がりの突出部の不均衡遠心力がラジアル軸受RB内の静的軸受圧力の少なくとも60%になるように、ロータRは公称動作のために設計されている。
図2では、空洞部CAVの径方向高さRHTが、ラジアル軸受点RBPにおいて、ロータ直径RDMの10%未満、好ましくは5%未満である。
軸受RBは、EXT<0.1の相対的な偏心EXTを有する。
図4は、左側スラスト軸受RBの領域内のロータRまたはロータRのシャフトの軸断面図を示す。図4では、ロータRは、固定ラジアル軸受RBに対抗する回転ROT状態で示されている。ロータRはロータ軸Xの方向に軸方向に延在している。ラジアル軸受RBは径方向中心点X’を有する。図4の図は、軸方向のラジアル軸受RBの長さに亘って平均された幾何学的パラメータを示す具体的な軸断面を示す。滑り面の内面に関して、ラジアル軸受RBはラジアル軸受半径RABを有する。ロータRは半径RAJを有する。ロータの半径RAJは軸受の半径RABより小さい。回転ROTの理由で、ロータRはラジアル軸受RB内の特定の半径位置に位置決めされている。この径方向位置では、ラジアル軸受RBの回転軸Xおよび径方向中心点X’は軸LOCの軸上にある。軸LOCの軸の延長部内で、この動作状態において、ロータRの表面とラジアル軸受RBの滑り面との間に最小の半径方向の遊びが存在する。ここでは、該最小の半径方向の遊びHMINはMOFTとも指定される。一般に、ロータRの表面とラジアル軸受RBの滑り面との間の径方向の遊びは、(ここでは角度として示されている)円周位置AAGの関数により、Hで指定されている。ロータ軸Xとラジアル軸受RBの径方向中心X’との間の距離は偏心Eである。このことから、理論上の径方向の遊び(軸受の半径RABとロータの半径RAJとの間の差)との組合せにおいて、相対的な偏心が決定される。
AAG 円周位置
BLO 軸受荷重
CAS ケーシング
CAV 空洞部
Cb ロータと軸受との間の径方向の遊び
CDR 円周方向
CFF 遠心力
CMX (ロータの)最外円周
COR (ロータの)径方向内側コア領域
CP、CP’ 継ぎ手
e、E 偏心
ecb e/Cb、相対的な偏心
EXT (ロータ軸からの全ロータの重心の)偏心
EST2 (ロータ軸からの突出部の重心の)偏心
h 遊びが測定される円周位置の関数としての径方向の遊び
H ロータの表面とラジアル軸受の滑り面との間の径方向の遊び
hmin、HMIN、MOFT 最小の油膜の遊び、最小の半径方向の遊び
IMP1 第1の羽根車
IMP2 第2の羽根車
IMP3 第3の羽根車
LOC 軸
MSP (全ロータの)重心
MSPOV (突出部の)重心
NN 公称回転速度
OVH 突出部
OVL 突出部長さ
OVM 突出部質量
QLO 第1の比率
QOT 第2の比率
R ロータ
RAB 軸受の半径、ラジアル軸受半径
RAJ ロータの半径
RB ラジアル軸受、スラスト軸受
RBP ラジアル軸受点
RDM ロータ直径
RHT (空洞部の)径方向高さ
RN1 第1のシャフト端部
RN2 第2のシャフト端部
ROT 回転
RSP 円周速度
SBP 静的軸受圧力
SLV スリーブ
TCO ターボ圧縮機
TLE (ロータの)全長
TMS (ロータの)総質量
X ロータ軸、回転軸
X’ 径方向中心点
α 角度

Claims (11)

  1. ターボ機械、
    特に、ターボ圧縮機(TCO)であって、
    ケーシング(CAS)内に少なくとも部分的に配置されておりかつ回転軸(X)に沿って延在しているロータ(R)を含み、
    前記ターボ機械は、前記ロータ(R)がラジアル軸受点(RBP)で径方向に取り付けられている少なくとも1つのラジアル軸受(RB)を有し、
    前記ラジアル軸受(RB)は、油潤滑式滑り軸受として設計されており、
    前記ラジアル軸受点(RBP)の軸方向領域において、前記ロータ(R)は、空洞部(CAV)を有し、前記空洞部(CAV)は、前記ロータ(R)の前記ラジアル軸受点(RBP)の直径の外側20%の領域内に、円周方向(CDR)に環状に配置されておりかつ前記ラジアル軸受点(RBP)の領域内の前記ロータ(R)の径方向内側コア領域(COR)と前記ラジアル軸受点(RBP)の領域内の前記ロータ(R)の径方向外側領域との間に断熱をもたらす、ターボ機械において、
    前記ロータ(R)の第1のシャフト端部(RN1)が、前記ラジアル軸受点(RBP)を越える突出部(OVH)によって、前記ラジアル軸受点(RBP)の軸中心から突出しており、前記ロータ(R)の全長(TLE)に対する前記突出部(OVH)の第1の割合(QLO)がQLO=OVH/TLE>0.15であることを特徴とする、ターボ機械。
  2. 前記ロータ(R)の前記突出部(OVH)の軸方向範囲が突出部質量(OVM)を有し、完全なロータ(R)は、総質量(TMS)を有し、前記総質量(TMS)に対する前記突出部質量(OVM)の第2の割合(QOT)がQOT=OVM/TMS>0.06である、請求項1に記載のターボ機械。
  3. 前記ラジアル軸受(RB)は、静的軸受圧力(SBP)がSBP>6barであるように構成されている、請求項1または2に記載のターボ機械。
  4. 前記ロータ(R)は、EXT<0.1の偏心(EXT)を有する、請求項1から3の少なくとも一項に記載のターボ機械。
  5. 前記ターボ機械は、公称動作状態では、前記ロータ(R)の最外円周(CMX)におけるRSP>60m/sの円周速度(RSP)となるよう構成されている、請求項1から4の少なくとも一項に記載のターボ機械。
  6. 前記ラジアル軸受(RB)は等エントロピーマウントとして構成されている、請求項1から5の少なくとも一項に記載のターボ機械。
  7. 突出している第1のシャフト端部(RN1)は、継ぎ手(CP)を有し、前記継ぎ手(CP)の質量は、前記ロータ(R)の総質量(TMS)の少なくとも2%である、請求項1から6の少なくとも一項に記載のターボ機械。
  8. 前記突出部質量(OVM)の重量負荷が、前記ラジアル軸受(RB)の軸受荷重(BLO)の少なくとも12%である、請求項1から7の少なくとも一項に記載のターボ機械。
  9. 前記突出部は重心を有し、前記突出部の前記重心は、前記ラジアル軸受(RB)の軸中心点よりも前記ロータ(R)の軸方向端部に近接して置かれている、請求項1から8の少なくとも一項に記載のターボ機械。
  10. 前記ロータ(R)は、公称動作において、公称回転速度(NN)で、前記ラジアル軸受(RB)上で1°の曲がりの前記突出部の不均衡な遠心力が、前記ラジアル軸受(RB)の静的軸受圧力の少なくとも60%になるように構成されている、請求項1から9の少なくとも一項に記載のターボ機械。
  11. 前記空洞部(CAV)の径方向高さ(RHT)が、前記ラジアル軸受点(RBP)において、ロータ直径(RDM)の10%未満であり、好ましくは5%未満である、請求項1から10の少なくとも一項に記載のターボ機械。
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