JP2021522460A - タービン発電機及びタービン発電機の運転方法 - Google Patents

Abstract

タービン発電機（２）は、タービン部（８）と、発電機部（１０）とを有している。
タービン部は、タービンホイール（１６）を含む。これと発電機部との間にはシールアセンブリ（２４）が配置されており、そのシール効果は運転中に変化する。発電機部は、さらに、発電機シャフト（１４）を有し、この発電機シャフトは、磁気軸受として形成され、軸方向に互いに離間して配置された２つのコイル（４６）を有するスラスト軸受（３６）によって支持されている。コイルの間に、軸受リング（５０）が、コイルに対して軸方向の距離を有して配置されている。安全な運転を保証するために、シールアセンブリのシール効果を変化させるために、軸方向の距離の目標値が変更される。代替として、又は追加として、コイル電流の電流閾値を超えた場合に、媒体（Ｍ）の流れ、又は回転数を制御するための制御信号が出力される。

Description

本発明は、請求項１の前提部の特徴を有する小型タービン発電機に関するものである。本発明はさらに、請求項１１の前提部の特徴を有するそのような小型タービン発電機の運転方法に関するものである。

このようなタービン発電機は、例えば、（特許文献１）に記載されている。このようなタービン発電機は、本出願人によって「ＧＥＴ」という商標名で販売されている。本出願人の（非特許文献１）から、このようなタービン発電機の構成及び応用分野に関する更なる情報を知ることができる。

タービン発電機は、電気エネルギーの生産、特に媒体からのエネルギー（再）生産のために、例えば工業プロセスで使用される。タービン発電機は、以下に一般にタービン部と呼ばれる膨張タービンと、以下に一般に発電機部と呼ばれる発電機とからなる構成ユニットである。エネルギーを生産するためには、一般的にガス状の媒体がタービン部を通って導かれ、それによって、電気エネルギーの生産のために発電機部が駆動される。媒質中の圧力落差が直接に有効利用される直接利用が可能である。さらに、間接的な利用の可能性もあり、その場合、このようなタービン発電機は、例えば、いわゆるＯＲＣプロセス（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ）のようなクローズドサイクルプロセスにおいて、廃熱からのエネルギー再生産のために使用される。一つの応用分野は、例えば、（特許文献２）に記載されているように、自動車の排気ガスからのエネルギー再生産である。

タービン発電機は、比較的小型であり、用途に応じて、３０ｋＷ以上、最大３００ｋＷまでの電気出力用に形成されている。タービン部のタービンホイールの直径は、用途に応じて、５０ｍｍ以上で、５００ｍｍ以下、特に４００ｍｍ以下である。タービン発電機の全長、すなわちタービン部の軸方向の長さに発電機部の軸方向の長さを加えた長さは、３５０ｍｍから１５００ｍｍの間である。

用途に応じて、小型のタービン発電機が使用され、その電気出力は、単に３０ｋＷから２００ｋＷの範囲内であり、そのタービンホイールは、それに対応して、例えば５０ｍｍから４００ｍｍの範囲内の小さい直径を有する。利用分野に応じて、媒体の利用可能な圧力差は１バール以下にあり、例えば０．２バールに始まり、最大数１０バールまで、例えば最大１００バールまで達する。さらに、エネルギーが生産されるガス状媒体の温度は、利用分野に応じてマイナス５０℃から４００℃の範囲であり、典型的には０℃から２５０℃の範囲である。

タービン発電機は、運転中の回転数が非常に高いことに際立っている。運転中の回転数は、典型的には４，０００ｒｐｍ以上である。特に、運転回転数、すなわち、それ用にタービン発電機が設計され、運転中にも到達する回転数は、８，０００から４０，０００ｒｐｍの範囲にある。

タービン部を流れる媒体には、特定の利用分野に応じて、様々な、時には攻撃的な媒体や、例えば冷却剤も使用される。

タービン部及び発電機部は、共通の長手方向の軸に沿って延びており、典型的には、共通の発電機シャフトを介して互いに結合されている。運転中に回転するタービン部のタービンホイールと固定されたハウジング部との間には、通常、ラビリンスシールとして形成されたシールアセンブリが配置されている。漏れ流によって、タービン部を流れる媒体は、発電機部の内部空間に侵入し得る。これは、一方で、発電機部の部材を媒体にさらすことになる。

さらに、これは、また、タービン部の媒体用入口の圧力と媒体用出口の圧力との間にある圧力を発電機部内に発生させる。発電機シャフトは、典型的には、１つのスラスト軸受と２つのラジアル軸受とによって支持されている。変化する運転状態は、タービンホイールの前側と発電機部に対向するタービンホイールの後側との間の圧力差を変化させ、それによって変化する軸方向の力を生じさせ得る。軸方向の力はスラスト軸受によって受け止められる。

欧州特許出願公開第１９３０５６７Ａ２号明細書 独国特許第１０２０１２２１１５７８Ｂ４号明細書

情報パンフレット「ＧＥＴ Ｔｕｒｂｉｎｅｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ −ｅｉｎｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ， ｄｉｅ ｓｉｃｈ ｌｏｈｎｔ！（ＧＥＴタービン発電機−価値ある技術革新！）」

上記に基づき、本発明の課題は、変化する運転状態においてもタービン発電機の信頼できる運転を可能にすることにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する小型のタービン発電機、及び請求項１１の特徴を有する小型のタービン発電機の運転方法によって解決される。タービン発電機に関しての以下に列挙する利点及び好ましい形態は、方法にも類似的に適用することができる。

タービン発電機は、４，０００ｒｐｍ以上の回転数用に設計されている。タービン発電機は、本明細書の導入部のはじめに記載されているような寸法及び特性を有し，また，そこに記載されている使用目的のために設計され、使用される。特に、タービン発電機は、８，０００から４０，０００ｒｐｍの範囲の運転回転数用に設計されており、運転中にこのような回転数においても運転される。さらに、タービン部は、好ましくは５０ｍｍから５００ｍｍの範囲の直径を有する。

タービン発電機は、タービン部と発電機部とを有し、それらは、回転軸に沿って軸方向にタービン部から発電機部に向けて延びる。発電機部は、回転部と固定部とを有する。タービン部は、タービンホイールと、運転中にタービンホイールを通って流れる媒体用の入口及び出口とを有する。タービン部は、好ましくは、径方向の入口と軸方向の出口とを有するラジアルタービンとして形成されているか、又は、代替として、入口と出口の両方が軸方向に向いている軸流タービンとして形成されている。タービン部と固定（ハウジング）部（例えば軸流タービンでは、タービン部のハウジング部、又は、例えばラジアルタービンでは、発電機部のハウジング部のいずれかの形態に応じて）との間には、運転中に、固定部に対して回転するタービンホイールをシールするシールアセンブリが設けられている。原理及び構造に起因して、媒体の一部は、運転中に漏れ流としてシールアセンブリを越えて流れ、例えば、発電機部の内部空間に侵入する。運転状況に応じて、シールアセンブリのシール効果は運転中に変化し得る。発電機部は、また、少なくとも１つの軸受リングを含む発電機シャフトを有する。軸受リングは、好ましくは、別部材として発電機シャフトに結合されている。発電機シャフトがタービン部内に延び、タービンホイールが発電機シャフトに固定されている。発電機シャフトは、磁気軸受として形成されたスラスト軸受と、典型的には複数のラジアル軸受とによって支持されている。スラスト軸受は、発電機シャフトに沿って異なる位置に配置し得る。スラスト軸受は、好ましくは、発電機部に配置され、そこでは、特に、タービン部に直接につながっている。代替として、スラスト軸受は、第１のラジアル軸受とロータとの間、あるいはロータの後の発電機部の末部に配置される。

スラスト軸受は、一般的に、互いに間隔をあけて配置された２つのコイルを有し、１つのコイルは発電機部を向く側にあり、１つのコイルは発電機部から離れる向き側（タービン側）にある。したがって、スラスト軸受は、軸方向に見て、前部（タービン側）コイルと、後部（発電機側）コイルとを有している。コイル間に、少なくとも１つの軸受リングが、コイルに対してそれぞれの軸方向の距離を有して配置されている。

好ましい変形例によれば、２つのコイルが、まさに１つの（単一の）軸受リングに割り当てられ、その両側に直接、すなわち、特に、さらなる構成要素の挿入なく、この１つの軸受リングにそれぞれの距離を有して配置される。

代替として、軸方向に互いに間隔をあけて配置された２つの軸受リングが形成されていることも可能である。そのために、軸方向に見て、タービン側の前部軸受リングと発電機側の後部軸受リングとが設けられている。２つの軸受リングの間には、例えば、発電機のステータ／ロータが配置されている。それぞれのコイルが、まさに１つの軸受リングに割り当てられており、軸方向において、１つのコイルは割り当てられた軸受リングの前に、もう１つのコイルは割り当てられた軸受リングの後に配置される。好ましくは、前部コイルは、軸方向において、前部軸受リングの前方に配置され、後部コイルは、軸方向において、後部軸受リングの後方に配置される。この代替形態では、したがって、スラスト軸受は、分割スラスト軸受の態様で形成され、その際、スラスト軸受の２つのコイルは、互いに間隔をあけて配置された２つの軸受リングに割り当てられる。

以下では、本発明を、１つの軸受リングと、その両側に配置されたコイルとを有するスラスト軸受に関連して、一般性の制限なしに説明する。本実施形態は、分割スラスト軸受の代替変形例にも同様に適用される。

タービン発電機の運転のために一般的に、特にスラスト軸受の制御のために、制御装置が配置されている。制御装置は、少なくとも１つの軸受リングと少なくとも１つのコイルとの間の軸方向の距離が目標値に制御されるように形成されている。少なくとも１つの軸受リングと他のコイルとの間の距離の制御は、典型的には個々の軸受リングとそのコイルとの間の構造的で機械的な固定配置から自動的に生じる。

この目的のために、制御装置は、運転中にコイルにコイル電流を加えるように構成されている。コイルは、最大のコイル電流のために設計されている。さらに、信頼性の高い運転を保証するために、制御装置は、以下の処置のうち少なくとも１つ、好ましくは両方を実行するように形成されている。

第１の変更によると、実際の運転状態に依存して、すなわち、必要に応じて、所定の運転状態が発生したときに、軸受リングとコイルとの間の軸方向の距離を制御する目標値が変更される。目標値の変更によって、シールアセンブリのシール効果に影響を与え、その結果、タービンホイールに作用する軸方向の力に影響を与えるという目的が達成される。

第２の変更によると、２つのコイルのうち少なくとも１つのコイルに対するコイル電流の電流閾値を超えたことが検出された場合に、媒体の流れ又はタービン発電機の回転数を制御するための制御信号が出力される。この処置では、軸方向の力は、媒体側への制御介入によって、又は回転数の制限によって影響を受ける。

この２つの処置は、タービン発電機の、信頼でき、かつ安全な運転の向上に役立つ。それらの処置は、シールアセンブリのシール効果が運転中に変化して、それがタービンホイールの前側と後側との間の圧力差の変化につながるという認識に基づいている。タービンホイールの背面は発電機部に向いている。通常、シールアセンブリは、運転中にタービンホイールの前側と後側には有効な等しい圧力が生じ、それによって、発電機シャフトが運転中に軸方向の荷重を受けないか、又は少なくとも大幅に軸方向の荷重を受けないように支持されるように、構成されている。

したがって、軸受リングを所望の位置に保持するために、スラスト軸受及びコイルによって、理想的には、軸受リングに大きな軸方向の力が作用することはないはずである。しかしながら、回転数、質量流量、温度、圧力などの運転状態の変化は、特に、例えばタービン発電機の起動時や停止時などの負荷変動時に、タービンホイール及びシールアセンブリの幾何学的な変化をもたらし、その結果、シール効果が変化する。シール効果の変化によって、漏れ流が増減し、その結果、背面側の圧力も増減する。これは、タービンホイールの前部と後部の間に存在する有効な差圧に直接影響を与える。それによって、タービンホイールに作用する軸方向の力の変化が生じ、その結果として、発電機シャフトに作用し、スラスト軸受によって受け止められるべき軸方向の力が生じる。

通常の運転状態では通常固定されている所望の目標値とする、スラスト軸受の制御によって、変化する軸方向の力はスラスト軸受によって受け止められる。このために、コイル電流は適切に調整され、それによって、軸方向に変位されたスラスト軸受の２つの部分に異なるコイル電流が加えられ、その結果、軸受部は異なる、軸方向の力を軸受リングに、したがって発電機シャフトにおよぼす。

しかしながら、シール効果の変化によってタービン側の発電機シャフトに加わる軸方向の力が大きくなりすぎると、コイル電流が最大コイル電流に近づき、臨界運転状態に達する。場合によっては、所定の目標値にするスラスト軸受の更なる制御によって、規定の軸受動作を確保できなくなり、軸受の故障や損傷につながる可能性がある。

上述した２つの処置によって、このような臨界運転状態が防止されるか、少なくともタービン発電機を安全な状態に移行させることが確保される。２つの処置に対して、好ましくは、異なる作動基準が採用される。好ましくは、最初に、目標値の変更を伴う第１の変更が実行され、臨界状態の場合にのみ第２の変更が実行される。この場合、特に、通常運転モード、最適化運転モード、安全モードが区別される。

通常運転モードでは、スラスト軸受は、例えばメーカー側で設定された、距離の標準目標値に制御されるか、代替として、タービン発電機は最大効率に制御される。その際、好ましくは、所定の範囲内における距離の変更は許容される。

最適化運転モードでは、第１の変更に従って処置が行われ、距離の目標値が変更される。このために、好ましくは、第１の作動基準が提供される。

安全モードでは、処置は第２の変更に従って実行される。安全モードは、コイル電流の１つが所定の電流閾値を超えたときに開始される。

安全モードでは２つの変更のうち少なくとも１つが提供される。特に、２つの変更が提供され実行される場合、好ましくは、異なる電流閾値、詳しくは、第１の変更（目標値の変更）の開始のためのより低い第１の電流閾値と、第２の変更（媒体の流れ条件（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｖｅｒｈａｅｌｔｎｉｓｓｅ）の変更）の開始のためのより高い第２の電流閾値とが提供される。コイル電流の絶対的な電流閾値の代わりに、コイル電流と相関のある量、例えばコイル電流間の相対的或いは絶対的な差分値、又は絶対的或いは相対的な距離寸法が、処置の開始のための（電流）閾値として採用される。

最適化モード及び安全モードの両方は、運転パラメータが許容する場合、例えば、タービン発電機が起動後に準定常運転状態に移行した場合などに、好ましくは、再び通常運転モードに移行される。第１の変更では、最適化モードから通常運転モードへの移行は、すなわち、例えば定常の運転状態に達した後に、目標値が自動的に再び所定の目標値の方向に変更された場合に、好ましくは自動的に行われる。

第２の変更は、臨界運転状態において、タービン発電機の回転数制御、又は媒体の流れ条件の制御に介入する。それによって、タービン発電機を再び安全な運転状態に移行するために、例えば、質量流量、圧力、回転数、温度、などの運転パラメータが変化し、特に低減される。

それに対して、最初に述べた変更は、シールアセンブリのシール効果が、シールアセンブリの領域における、タービンホイールと静止したハウジング部、特に発電機部の固定部との間の距離及び隙間寸法に決定的に依存するという認識に基づくものである。

したがって、この隙間寸法は、スラスト軸受のための目標値の変更によって、好ましくは、意図的に変更される。この処置によって、軸受リングとそれに伴う発電機シャフトは、スラスト軸受によって及ぼされる軸方向の力によって、発電機部分の固定部に対して準能動的に軸方向に相対的にずれる。これによって、タービンホイールと固定部との間の隙間寸法が直接影響され、その結果、シール効果が影響される。

目標値の変更は、軸方向に力を受けないか、又は少なくとも大幅に軸方向に力を受けない、所望の発電機シャフトの軸受動作を得るために、タービンホイールの前側と後側の圧力条件（Ｄｒｕｃｋｖｅｒｈａｅｌｔｎｉｓｓｅ）の均等化（Ａｎｇｌｅｉｃｈｕｎｇ）が得られるようにシール効果を変化させるような方法で選択されるのが好ましい。

好ましい更なる形態によれば、目標値は、２つのコイルによって生成される軸方向の力の均等化が生じるように変更される。

さらに好ましくは、目標値は、±０．５ｍｍの範囲内である最大許容動作範囲内で変更される。これは、目標値を決定する軸受リングと各コイルと間の距離値の最大許容変更が、この動作範囲内にあることを意味する。

好ましいさらなる形態では、目標値の変更によって実行される最適化運転モードは、作動基準として、スラスト軸受の２つのコイルのコイル電流の間の差が、及び／又は、これらのコイル電流の絶対値が、又はそれに結び付く量が、所定の閾値を超えたときに、開始される。

好ましくは、最適化運転モードは、コイル電流の差が、例えば、２つのコイルの平均コイル電流（２つのコイルのコイル電流の平均値）の２０％より大きく、又は３０％より大きいときに開始される。特に、最適化運転モードは、その差が平均コイル電流の２０％から６０％の間にあるときに、開始される。

代替として又は追加として、例えば、２つのコイルのうちの１つのコイルのコイル電流が、最大許容コイル電流の、２０％よりも大きく、３０％よりも大きく、好ましくは２０％から５０％の範囲内にある場合に、コイル電流の絶対値が作動基準として使用される。

両方の作動基準は、スラスト軸受によって受け止められる軸方向の力が増加したことを示すしるしである。

２つのコイルのコイル電流の少なくとも１つが最大許容コイル電流の６０％よりも大きく、特に７５％よりも大きい場合、すなわち、作動基準としての電流閾値がこれらの範囲内にあり、好ましくは最大許容コイル電流の６０％から８５％の範囲内にある場合に、適宜、安全モードが開始され、第２の変更が開始される。

一般に、安全モード用の作動閾値は、最適化モード用の作動閾値よりも高い。電流閾値を超えた際に制御信号が出力される第２の処置のために、適宜、次の処置のうちの１つの処置が、又は複数の処置が行われる。
−特に、媒体用のフローバルブの作動によって、又は媒体がバイパスを介してタービン部を通過して導かれることによって、媒体の質量流量が減少される、
−現在の回転数が、例えば所定の値に制限される、又は回転数が減少される、
−タービンホイールの入口及び／又は出口の圧力条件が変更される。
これは、他方また、好ましくは、フラップやバルブの作動によって、又は、これらの圧力条件に影響を与える上流の（ｖｏｒｇｅｌａｇｅｒｔｅｎ）運転プロセスの上位レベルのプロセスパラメータを変更することによって、行われる。

更に、好ましくは、シールアセンブリは、ラビリンスシールとして形成されている。この場合、シール素子の環状ウェブは、好ましくは、タービンホイールの背面に設けられた対応する環状溝に係合する。

軸方向の距離の制御及び規制のために、一般に、この軸方向の距離を検出するための測定装置が提供される。特に、回転部と固定部との間の基準距離を測定する少なくとも１つの距離センサが配置されている。好ましくは、測定は、例えば、発電機シャフトに取り付けられた測定リングによって形成された特別な測定面において、軸方向に行われる。距離センサは、発電機部の固定部に結合されている。したがって、スラスト軸受のそれぞれのコイルと軸受リングとの間の軸方向の距離は、好ましくは間接的に、すなわち、この測定装置の距離測定を介して間接的に把握される。

以下、本発明の一実施例を、図を用いてさらに詳細に説明する。これらは、部分的に、簡略化された表現を示す。

タービン発電機の部分縦断面図である。 図１の文字Ｃで示されたスラスト軸受領域の拡大断面図である。 図１の文字Ｄで示された、ラビリンスシールを含む領域の拡大図である。 媒体用の入口及び出口を有するタービン発電機の大幅に簡略化された原理図である。

図中において、同一の作用をする部材には同一の参照符号が付される。

図１に示すタービン発電機２は、軸方向６に回転軸４に沿って延びており、タービン部８を有し、このタービン部８に発電機部１０が接続されている。発電機部１０は、その前端部に、リングフランジ１２を有し、リングフランジ１２を介して、発電機部１０はタービン部８に固定されている。

タービン部８及び発電機部１０は、共通に貫通する発電機シャフト１４を有する。タービン部８において、このシャフトにタービンホイール１６が固定されており、タービンホイールは、周囲に分散された羽根を有し、タービンハウジング１８に対して流路を囲む。運転中、媒体Ｍは入口２０を経由して流入し、タービン部８を流れ、出口２２を経由してタービン部を離れる。図示のタービン部８は、入口２０が径方向に、出口２２が軸方向に配置されたラジアルタービンである。代替として、タービン部８は、入口２０及び出口２２が軸方向に配置された軸流タービンとして形成される。

タービンホイール１６は、実施例ではラビリンスシール２４として形成されているシールアセンブリによって、発電機部１０に対して、詳しくは、固定されたリングフランジ１２に対してシールされている。漏れ流のために、運転中に、媒体Ｍの一部が発電機部１０の内部空間２６に侵入する。この内部空間２６には、媒体Ｍの入口２０の圧力と出口２２の圧力との間の範囲にある圧力が生じる。

発電機部１０は、一般に、固定部２８と回転部３０とを有する。固定部２８は、特に、既述のリングフランジ１２を有する発電機ハウジング３２を含む。

回転部３０は、本実施例では１つのスラスト軸受３６と２つのラジアル軸受３８とを有する軸受アセンブリによって支持されている。スラスト軸受３６は、リングフランジ１２とタービン側の前部ラジアル軸受３８との間に配置されている。後部ラジアル軸受３８は、発電機シャフト１４をその末端領域において支持している。ロータ４０は、２つのラジアル軸受３８の間に配置されている。

本実施例では、スラスト軸受３６及び２つのラジアル軸受３８はそれぞれ磁気軸受として形成されている。磁気軸受としての形態のため、ラジアル軸受３８は、固定された外側部分４２と、発電機シャフト１４に固定され、運転中に回転する内側部分４４とを有する。

スラスト軸受３６は、それぞれコイルハウジング４８内に収容され、軸方向に互いに離間した２つのコイル４６を有する。２つのコイル４６の間の空間に入り込む軸受リング５０が、発電機シャフト１４に固定されている。軸受リング５０と２つのコイルとの間には、それぞれ薄いエア隙間が形成されている。

ここでは詳細に説明されない代替の変形例によれば、スラスト軸受は、互いに間隔をあけて配置された２つのコイル４６のそれぞれに独自の軸受リングが割り当てられた分割スラスト軸受として形成される。図１に示された状態から出発して、第２の軸受リングは、例えば、ロータ４０に後続して、例えば、軸方向６に見て、後部ラジアル軸受３８の領域に配置される。

固定部２８に対する回転部３０の軸方向位置と径方向位置の両方をチェックするために、複数の位置センサ、すなわち、少なくとも１つの軸方向位置センサ５２ａと、本実施例では少なくとも２つの径方向位置センサ５２ｂとが設けられている。これらの位置センサ５２ａ，ｂは、それぞれ回転部３０の回転測定リング５４ａ，ｂ上を測定する。好ましくは、互いにオフセットして配置された２つの軸方向位置センサ５２ａは、円周上に配置される。

ロータ４０は、ステータ５６によって囲まれている。ステータは、ここでは詳細には示されていないが、積層体として形成されたコイルコアに巻かれたコイル巻線を有している。円周側において、ステータ５６は冷却ジャケット６０によって囲まれており、その外周側には、運転中に冷却水が流れる冷却路６２が形成されている。冷却路６２は、発電機ハウジング３２のハウジングスリーブによって外部から遮断されている。ハウジングスリーブは、冷却剤入口と冷却剤出口とを有する。

軸受アセンブリは、更に、図１に示すように、軸方向に間隔をあけた２つの非常用軸受６６を有し、それらは、それぞれ、回転部３０を発電機ハウジング３２に対して径方向に、しかも好ましくは、発電機部１０の対向する端部で支持する。それらは停電時などの非常時の軸受として使用される。図１に示す右側の非常用軸受６６は、発電機ハウジング３２の端壁に取り付けられている。この端壁は、対応する軸受ボアを有しており、それは、キャップ６８によって外部に対して閉鎖されている。このキャップは、しかも、特に少なくとも１つのＯ−リング７０によって、発電機ハウジング３２の端面に対してシールされている。

回転部３０と固定部２８との間には、隙間７２が形成されている。この隙間にシール管７４が配置されている。これは、好ましくは、ロータ４０を越えて２つのラジアル軸受３８の間に拡がっている。シール管７４は、好ましくは、回転部３０の軸方向のほぼ全長にわたって延びている。特に、シール管７４は、スラスト軸受３６から発電機ハウジング３２の端面まで延びている。シール管７４は、運転中に固定されており、したがって、固定部２８の一部である。それは、特にＯ−リング７０として形成されたシールによって、その対向する端部においてそれぞれ径方向にシールされている。前端ではコイルハウジング４８に対するシールが施されている。右端では、シール管７４は、発電機ハウジング３２の端壁の空白部（Ａｕｓｓｐａｒｕｎｇ）に潜り込み、そこでは空白部の周囲の壁領域に対して径方向にシールされている。シール管７４によって、内部空間２６に対する固定部２８の気密なシールが行われる。さらに、発電機シャフト１４に配置された部材も、同様に内部空間に対してシールされている。

運転中、媒体Ｍは、タービン部８を通って流れ、この部分及び発電機シャフト１４を駆動し、それによってロータ４０も駆動して電気エネルギーを発生させる。タービンホイール１６は、運転中、４０００から４００００ｒｐｍまでの範囲の回転数で回転する。タービンホイールは、出力に応じて５０ｍｍから５００ｍｍの間の直径ｄを有する。タービン発電機２の全体は、出力に応じて３５０ｍｍから１５００ｍｍの間の長さｌを有する。

スラスト軸受３６の構造は、図２によって認識できる。２つのコイル４６は、それぞれ、断面視したときにほぼＵ字形をなすコイルハウジング４８内に配置されている。軸受リング５０は、２つのコイル４６の間の空間に入り込んでいる。軸受リング５０と各コイル４６の間には距離ａが形成されている。また、コイルハウジング４８は、それらコイルの間に存在する空間を径方向にシールする。本実施例では、このために中間片８４が配置されており、この中間片は、円周側で軸受リング５０につながるリングとして形成されている。中間片８４は、２つのコイルハウジング４８の間に配置され、シール要素、特にＯ−リング７０によってシールされている。左のコイルハウジング４８は、さらにＯ−リング７０によって発電機ハウジング３２の別のハウジング部分に対してシールされている。

軸方向位置センサ５２ａは、軸方向測定リング５４ａに対する軸方向の距離値を測定する。この距離値は、２つのコイル４６と軸受リング５０との間の距離ａに直接相関している。幾何学的な関係によって、測定された距離値は、距離ａに明確に変換することができる。距離ａは、一方では、タービン側コイル４６が軸受リング５０に対して取るものであり、他方では、発電機側コイルが軸受リング５０に対して取るものである。この２つの距離は異なり得る。通常の運転状態では、典型的には、２つのコイル４６までの距離ａが同一になるように設定されている。

図３に拡大図に基づいて、ラビリンスシール２４として実施されたシールアセンブリが、タービン部８と発電機部１０との間に明確に認識される。タービンホイール１６とリングフランジ１２との間には、軸方向に突出したリングウェブを有するシール要素が配置されている。これらのリングウェブは、タービンホイール１６の背面の対応するリング溝に係合し、上記ラビリンスシール２４を形成する。リングウェブとリング溝は、タービンホイール１６の最外周領域にのみ配置されている。タービンホイール１６と発電機ハウジング３２との間、すなわち特にリングフランジ１２との間には、隙間寸法ｓを有する更なる隙間８６が形成されている。運転中、媒体Ｍの漏れ流は、ラビリンスシール２４を介して流れ、更なる隙間８６を介して内部空間２６に達する。ラビリンスシール２４のシール効果は、ここでは詳細には示されていない、リングウェブとリング溝との間の隙間によって規定される。この隙間は、隙間８６の隙間寸法ｓの変化に応じて変化し、したがって、隙間寸法ｓと相関関係がある。

図４の大幅に単純化された原理図に基づいて、タービン発電機２には、好ましくはタービン発電機２の直接の部品である制御装置９０が配置されていることが認識できる。タービン部８には、入口側には媒体Ｍ用の供給ライン９２が、出口側には媒体Ｍ用の排出ライン９４が、接続されている。図４では、例として、フローバルブ９６が供給ライン９２に配置されている。基本的に、このようなバルブは、排出ライン９４に追加として又は代替として配置され得る。

運転中は、タービンホイール１６の発電機側の後側に圧力が溜まり、タービン側の前側とこのタービンホイール１６の後側との間に差圧関係（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｚｄｒｕｃｋｖｅｒｈａｅｌｔｎｉｓ）が生じる。異なる圧力は、タービンホイール１６及び発電機シャフト１４に作用する軸方向の力をもたらす。シールアセンブリ２４は、差圧が形成されないように又は可能な限り形成されないように、通常の運転においては、前側と後側の圧力条件が同じか、又は可能な限り同じになるように形成されていることが好ましい。それによって、軸方向の力が発生せず、又はできるだけ小さい軸方向の力しか発生せず、スラスト軸受３６は、軸方向の力を受け止める必要がなく、又は小さい軸方向の力しか受け止める必要がない。

運転中、例えば、変化する回転数、変化する圧力条件、変化するフローレート、変化する温度等の変化するプロセスパラメータは、タービンホイール１６とリングフランジ１２との間の隙間寸法ｓが変化する原因となり得る。変化するプロセスパラメータ、すなわち非定常な運転状態は、例えば運転始動時等に発生する。これらは、タービンホイール１６の微小なゆがみをもたらし得、それは、隙間寸法ｓ及びラビリンスシール２４のシール効果に直接影響を及ぼす。それによって、更なる隙間８６を介して流れる漏れ流が変化し、それによって、圧力条件、特にタービンホイール１６の前側と後側との間の圧力差が変化し、最終的には発電機シャフト１４に軸方向の力が生じる。非常に高回転数でのタービン発電機２の信頼性の高い運転を保証し続けるためには、このような軸方向の力は、スラスト軸受３６によって受け止められなければならない。このためには、まず、それぞれのコイル４６と軸受リング５０との間の距離ａを所望の所定の目標値に設定するために、２つのコイル４６のコイル電流をそれに応じて制御する制御が、制御装置９０に組み込まれている。この目標値は、好ましくは、軸受リング５０がコイル４６の間に正確に中央に配置されるように、選択される。

隙間寸法ｓが変化し、それに伴いラビリンスシールのシール効果及び軸方向の力が変化した場合に安全運転を保証するために、最適化運転モードに切り替えること、及び場合によっては安全モードに切り替えることが提供される。制御装置９０は、例えば、スラスト軸受３６のコイル４６のコイル電流の差が、２つのコイル４６のコイル電流の平均値の２０％より大きい又は３０％より大きい場合には、まず、通常運転モードから最適化運転モードに切り換える。この処置が十分でない場合、特別な安全上重大な運転状態に達したときには、好ましくは、安全モードが開始される。特に、２つのコイル４６のコイル電流のうちの１つが、例えば最大許容コイル電流の７５％の所定の閾値（電流閾値とも呼ばれる）を超えた場合に、制御装置は、安全モードに切り替わり、制御信号Ｓを出力する。

最適化モードでは、距離ａの目標値が変更される。制御アルゴリズムの結果として、これは、軸受リング５０、ひいては発電機シャフト１４全体が、固定部２８に対して相対的に、軸方向６に又は軸方向６と反対に変位するように、軸方向の力が、コイル電流を変化させることによって意図的に発生されることになる。これは、タービンホイール１６とリングフランジ１２との間の軸方向の相対変位に直接つながり、それによって、隙間寸法ｓの変化となる。これによって、ラビリンスシール２４のシール効果に直接の影響がおよび、それによって圧力条件にも直接の影響がおよぶ。距離ａの目標値の変更は、現在の運転状況に応じて、隙間寸法ｓを増加又は減少させる方法であり、しかも、２つのコイル４６のコイル電流が等しくなる（ａｎｇｌｅｉｃｈｅｎ）ような方法である。例えば、まず、運転状態によって隙間寸法ｓが増加し、その結果、後側の圧力が上昇して軸方向６と逆方向に軸方向の力が作用する場合、新たな目標値ａが、再び隙間寸法ｓが小さくなるように設定される。つまり、軸受リング５０は、スラスト軸受によってタービン部８に対して軸方向６に意図的に変位される。

通常運転中に隙間寸法ｓの減少が発生した場合は、対応して逆に処理される。

したがって、この処置による距離ａの目標値の変更によって、しかも、好ましくは、軸方向の力が可能な限りなく存在しない軸受動作の方向において、又はタービン発電機２の最大効率となるように制御されて、ラビリンスシール２４のシール効果に直接の影響が与えられる。

最適化モードに代えて、安全モードのみが提供される。しかしながら、好ましくは、安全モードは追加的に提供される。安全モードでは、制御装置９０によって、例えば、媒体Ｍに対する質量流量を減少させるために、フローバルブ９６を制御する制御信号Ｓが出力される。代替として又は追加として、タービン発電機２の回転数が、制御装置によって制限される。媒体Ｍの流れや回転数に介入することで、タービンホイール１６における臨界圧力条件の変更が達成され、その結果、差圧に起因する軸方向の力も低減される。

上述したように、２つの変更は特に組み合わせて使用され、最初に（最初の作動基準に達すると）目標値が変更される。この目標値は、コイルと軸受リング５０との間の距離を維持しなければならないので、限られた範囲内でのみしか変化させることができない。そのため、不利な状況では、第２の変更に従った追加の処置が必要とされ得る。したがって、この第２の変更は、特に、目標値が既に最大許容値に達しており、追加で第２の作動基準、すなわちコイル電流の電流閾値を超える場合に、追加的に開始される。

２ タービン発電機
４ 回転軸
６ 軸方向
８ タービン部
１０ 発電機部
１２ リングフランジ
１４ 発電機シャフト
１６ タービンホイール
１８ タービンハウジング
２０ 入口
２２ 出口
２４ ラビリンスシール
２６ 内部空間
２８ 固定部
３０ 回転部
３２ 発電機ハウジング
３６ スラスト軸受
３８ ラジアル軸受
４０ ロータ
４２ 外側部分
４４ 内側部分
４６ コイル
４８ コイルハウジング
５０ 軸受リング
５２ａ 軸方向位置センサ
５２ｂ 径方向位置センサ
５４ａ 軸方向測定リング
５４ｂ 径方向測定リング
５６ ステータ
６０ 冷却ジャケット
６２ 冷却路
６６ 非常用軸受
６８ キャップ
７０ Ｏ−リング
７２ 隙間
７４ シール管
７６ 保護ハウジング
８６ 更なる隙間
９０ 制御装置
９２ 供給ライン
９４ 排出ライン
９６ フローバルブ
ｌ 長さ
ｄ 直径
ａ 距離
Ｍ 媒体
ｓ 隙間寸法
Ｓ 制御信号

Claims (11)

1. タービン部（８）と発電機部（１０）とを有し、前記タービン部（８）から前記発電機部（１０）まで回転軸に沿って延びる、４，０００ｒｐｍ以上の回転数用に設計されたタービン発電機（２）であって、
   −前記発電機部（１０）は、回転部（３０）と固定部（２８）とを有し、
   −前記タービン部（８）は、タービンホイール（１６）と、媒体（Ｍ）用の入口（２０）及び出口（２２）とを有し、
   −前記タービンホイール（１６）と静止したハウジング部との間にシールアセンブリ（２４）が配置されており、
   −前記発電機部（１０）は、少なくとも１つの軸受リング（５０）を有する発電機シャフト（１４）を有している、タービン発電機において、
   −前記発電機シャフト（１４）は、磁気軸受として形成されたスラスト軸受（３６）によって支持されており、このために、前記磁気軸受は、軸方向に互いに離間して配置された２つのコイル（４６）を有し、それらの間に前記少なくとも１つの軸受リング（５０）が前記コイル（４６）に対してそれぞれの軸方向の距離（ａ）を有して配置されており、
   −前記スラスト軸受（３６）を制御するための制御装置（９０）が設けられ、前記制御装置は、前記少なくとも１つの軸受リング（５０）と前記コイル（４６）の１つとの間の前記軸方向の距離（ａ）が目標値に制御されるように形成され、このために、前記制御装置（９０）は、運転中に前記コイル（４６）にコイル電流を加えるように構成されており、前記コイル（４６）は、最大コイル電流のために設計されており、
   −前記制御装置（９０）は、さらに、必要に応じて、以下の２つの処置、すなわち、
   −前記シールアセンブリ（２４）のシール効果が変更されるように前記目標値を変更すること、及び／又は、
   −前記コイル電流の電流閾値を超えた場合に、前記媒体（Ｍ）の流れ又は前記タービン発電機（２）の回転数を制御するための制御信号（Ｓ）を出力すること、
   のうちの少なくとも１つの処置を行うように形成されている、ことを特徴とするタービン発電機（２）。
2. 前記目標値の変更によって、前記シールアセンブリ（２４）の領域における、前記タービン部（８）と前記静止したハウジング部との間の隙間寸法（ｓ）が変更される、請求項１に記載のタービン発電機（２）。
3. 運転中において、前記少なくとも１つの軸受リング（５０）に作用する軸方向の力は、前記２つのコイル（４６）によってそれぞれ生成され、前記制御装置（９０）は、前記２つのコイル（４６）によって生成された前記軸方向の力の均等化がなされるように前記目標値を制御するように、形成されている、請求項１または請求項２に記載のタービン発電機（２）。
4. 前記目標値の変更には、±０、５ｍｍの範囲内での最大許容変更が定められている、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のタービン発電機（２）。
5. 前記制御装置（９０）は、コイル電流間の差が、及び／又は前記コイル電流の少なくとも一方の絶対値が、所定の閾値を超えた場合に、前記目標値の変更が行われるように、構成されている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のタービン発電機（２）。
6. 前記制御装置（９０）は、前記コイル電流間の差が、２つのコイルの平均コイル電流の２０％より大きく、好ましくは３０％より大きく、特に２０％から６０％の範囲内である場合に、前記目標値の変更がなされるように、構成されている、請求項５に記載のタービン発電機（２）。
7. 前記制御信号（Ｓ）の出力のための前記電流閾値は、最大許容コイル電流の６０％から８５％の範囲であり、特に７５％である、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のタービン発電機（２）。
8. 前記制御装置（９０）は、前記電流閾値を超えた場合に、前記制御信号（Ｓ）によって、以下の処置、
   −媒体用のフローバルブの作動によって前記媒体（Ｍ）のフローレートを減少させること、
   −現在の回転数を制限及び／又は減少させること、
   −入口及び／又は出口の圧力条件を変更すること、
   のうちの少なくとも１つの処置を行うように構成されている、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のタービン発電機（２）。
9. シールアセンブリとして、ラビリンスシール（２４）が形成されている、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のタービン発電機（２）。
10. 前記タービン発電機は、４，０００から４０，０００ｒｐｍの範囲の運転回転数用に設計されており、特に前記タービン部は、５０ｍｍから５００ｍｍの範囲の直径（ｄ）を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のタービン発電機（２）。
11. タービン部（８）と発電機部（１０）とを有し、前記タービン部（８）から前記発電機部（１０）まで回転軸に沿って延びるタービン発電機（２）の運転方法であって、
    −前記発電機部（１０）は、回転部（３０）と、固定部（２８）とを有し、前記回転部（３０）は４，０００ｒｐｍ以上の回転数で回転し、
    −前記タービン部（８）は、タービンホイール（１６）と、媒体（Ｍ）用の入口（２０）及び出口（２２）とを有し、前記媒体（Ｍ）は前記入口（２０）を介して流入し、前記出口（２２）を介して流出し、
    −前記タービン部（８）と静止したハウジング部との間にシールアセンブリ（２４）が配置されており、
    −前記発電機部（１０）は、少なくとも１つの軸受リング（５０）を有する発電機シャフト（１４）を有しており、前記発電機シャフト（１４）は、磁気軸受として形成されたスラスト軸受（３６）によって支持されており、このために、前記スラスト軸受（３６）は、軸方向に互いに離間して配置された２つのコイル（４６）を有し、それらの間に前記少なくとも１つの軸受リング（５０）が前記コイル（４６）に対してそれぞれの軸方向の距離（ａ）を有して配置されており、
    −前記少なくとも１つの軸受リング（５０）と前記コイル（４６）の１つとの間の前記軸方向の距離（ａ）が目標値に制御され、このために、前記コイル（４６）にコイル電流が加えられ、前記コイル（４６）は、最大コイル電流のために設計されており、さらに、以下の処置、
    −前記シールアセンブリ（２４）のシール効果を変更するために、前記目標値を変更すること、及び／又は、
    −前記コイル電流の電流閾値を超えた場合に、前記媒体（Ｍ）の流れ又は前記タービン発電機（２）の回転数を制御するための制御信号（Ｓ）を出力すること、
    のうちの少なくとも１つの処置が実行される、タービン発電機（２）の運転方法。
    

Images