JP2023509535A - モノリシックロータとコンプレッサホイール - Google Patents

Abstract

近位および遠位方向を規定するロータ軸を中心に回転するモノリシックコンプレッサコンポーネントであって、ロータコアを規定するコンプレッサシャフトと、ロータコアから遠位に配置されたコンプレッサホイールとを含む、モノリシックコンプレッサコンポーネントを備える回転部材。【選択図】図１

Description

本明細書に開示された主題は、一般にモノリシックロータおよびコンプレッサホイールを含む回転部材に関し、特にマイクロタービンおよび／またはエアコンプレッサに適した回転部材に関し、ならびにモノリシックロータおよびコンプレッサホイールを含む回転部材の製造方法に関するものである。

マイクロタービンは、最大出力100kW、最大出力時の毎分回転数が7万～14万回転のガスタービンである。

マイクロタービンは、分散型エネルギー源として利用され、燃料を地域電力に変換するためコンプレッサ、燃焼器、タービン、発電機として使用される。マイクロタービンは、設置面積が小さく、回転速度が速く、動作温度が高いため、設計上の重要な課題となっている。

先行技術のマイクロタービンの実装は、発電機の近傍の第1の磁気ロータと、コンプレッサとタービンの近傍の第2の動力ロータとを、これらの第1及び第2のロータの間にフレキシブルカップリングを採用し、フレキシブルカップリングは、第1及び第2のロータ間で半径方向の偏位又は曲げモーメントを伝達することなく、第1及び第2のロータ間でトルクを伝達するように配置されている。このようなフレキシブルカップリングは、壊れやすく、破損しやすいという問題がある。

フレキシブルカップリングの存在は、マイクロタービンの設計を複雑にし、実装の信頼性を低下させる。しかし、特に発電の分野では、信頼性は最も重要な要素である。

マイクロタービンは、燃料を電力に変換するために発電機を使用し、その発電機の一部として磁気ロータを使用するのに対し、エアコンプレッサは、電力を加圧された空気中の位置エネルギーに変換し、その電力を電動機の一部として磁気ロータを使用するものである。

先行技術のマイクロタービンの実装の場合と同様に、先行技術のエアコンプレッサの実装は、磁気ロータとコンプレッサホイールの間のカップリングを採用し、設計の複雑化とさらなる故障モードの導入のために信頼性の低下につながる。

そこで、既存の設計における上記のような欠点を1つ以上解決したマイクロタービンおよび／またはエアコンプレッサの回転部材を提供することが望まれている。

開示された配置は、例として、添付の図面を参照して、以下にさらに説明される。
図１は、モノリシックコンプレッサコンポーネントを含むマイクロタービンの回転部材の一例を示す図である。
図２は、モノリシックコンプレッサコンポーネントとモノリシックタービンコンポーネントを含むロータ及びベアリングシステムの第１の例を示す図である。
図３は、モノリシックコンプレッサコンポーネントとモノリシックタービンコンポーネントを含むロータ及びベアリングシステムの第２の例を示す図である。
図４は、モノリシックコンプレッサコンポーネントを含むロータ及びベアリングシステムの第３の例を示す。

図1は、近位方向及び遠位方向を規定するロータ軸を中心に回転するための回転部材を示す図である。本願の図では、近位方向は左側に延び、遠位方向は右側に延びている。回転部材は、マイクロタービン及び／又はエアコンプレッサにおける使用に適している場合がある。

回転部材は、ロータコア130を規定するコンプレッサシャフト110と、ロータコアから遠位に配置された一体成形コンプレッサホイール160とを有するモノリシックコンプレッサコンポーネント100を備え、ロータコア130は円筒形であってもよい。

本明細書において、ロータコアは、磁気ロータのロータコアであってもよい。

本明細書で使用するモノリシックコンポーネントとは、不連続な接合部や継ぎ目のない材料で形成または構成された連続的なコンポーネント（構成要素）のことである。本明細書に開示されるモノリシックコンポーネントは、単一の材料から構成されてもよく、又は2つ以上の材料から構成されてもよい。例えば、同じ材料の2つのセグメント又は異なる材料の2つのセグメントを溶接して連続的な接合部を提供し、モノリシックコンポーネントを得てもよい。あるいは、モノリシックコンポーネントを単一の材料または複数の材料から形成するために、付加的または削減的な製造プロセスが採用され得る。

ロータコア130は、円筒形及び／又は磁性体であってもよい。ロータコア130は、永久磁石を含むまたは永久磁石を備える磁気ロータの一部を形成してもよい。図1に描かれた例では、永久磁石を組み込んだスリーブ140が提供される。しかしながら、他の形態の永久磁石がロータコア130に付与されて、磁気ロータを提供してもよい。例えば、1つ又は複数の永久磁石をロータ130の1つ又は複数のソケットに埋め込むことができる。

ロータコア130は、発電機や電動機での使用に適していてもよい。したがって、モノリシックコンプレッサは、電力を生成するためのマイクロタービンで使用されてもよい。あるいは、後述するように、モノリシックコンプレッサは、電気的に駆動するエアコンプレッサにおいて使用されてもよい。

ロータコア130の半径は、実質的に10mmと18mmとの間であってもよい。コンプレッサホイールの半径は、実質的に25mmと40mmとの間であってもよい。

図1に描かれた例に示されるように、コンプレッサシャフト110は、その間に段差変化またはテーパ変化を有する異なる半径を有するセクションから構成されてもよい。

図1の例に示すように、モノリシックコンプレッサコンポーネント100は、その近位端に、コンプレッサシャフト110によって規定される近位ラジアルベアリングロータ120を含んでもよい。

モノリシックコンプレッサコンポーネント100は、ロータコア130の半径よりも小さい半径を有するネック150を含んでいてもよい。ネック150は、円筒形であってもよい。コンプレッサシャフト110は、ロータコア130と円筒形ネック150とを相互接続する近位テーパ領域を介して接続された円筒形ネック150を規定してもよく、及び／又は、コンプレッサシャフト110は、円筒形ネック150とコンプレッサホイール160とを相互接続する遠位テーパ領域を規定してもよい。

本願発明者らは、図1の具体例に描かれているような半径が縮小したネック領域150をこの場所に設けることで、使用中の回転部材の周波数応答特性の調整と、本開示で企図するような結合したロータとコンプレッサのアセンブリのためのモノリシック構造とのフレキシブルカップリングの置き換えが容易になることを発見している。

磁気ロータ130の半径よりも小さい半径プロファイルを有するネック150は、それによって回転部材の毎分回転数の動作範囲外で回転部材の固有振動数を調整することを容易にし、強化された回転安定性および性能特性を提供することができる。例えば、ネック150の半径プロファイルは、回転部材の固有周波数が666Hz未満かつ2666Hzより大きくなるように配置されてもよい。有利には、これは、改善された安定性特性を提供するマイクロタービンアプリケーション内の回転部材の動作範囲内で発生する共振に対して安全策を講じる。固有周波数特性は、Hertlin, Ingolf、「Acoustic Resonance Testing: the upcoming volume-oriented NDT method" (2003)に記載されているような音響共振試験を用いて測定することができ、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ネック150は、実質的に10mmから25mmの間、より好ましくは15.5から17.5mmの間の軸方向長さを有する円筒形であってよく、実質的に4から5mmの間の半径を有する。最も好ましくは、軸方向長さは実質的に16.5mmであってよく、半径は実質的に4.5mmであってよい。これらの幾何学的条件は、改善された性能および安定性特性を提供することが確認されている。

ネック150の形状がこの範囲にあると、モノリシックコンプレッサコンポーネントは、特に毎分4万～16万回転のマイクロタービンの用途に適している。

図2は、上述したモノリシックコンプレッサコンポーネント202と、モノリシックタービンコンポーネント204とを有するロータ及びベアリングシステム200の一例を示す図である。

モノリシックコンプレッサコンポーネントが、コンプレッサシャフトと、コンプレッサシャフトから遠位に配置された一体成形コンプレッサホイール260とを備えるのと同様に、タービンコンポーネント204は、タービンシャフト285と、タービンシャフト285から遠位に配置された一体成形タービンホイール290とを備えることが認識されるであろう。

図2の例に示されるように、モノリシックコンプレッサコンポーネント202は、モノリシックタービンコンポーネント204と結合して、剛性のある回転部材を形成してもよい。特に、モノリシックコンプレッサコンポーネント202の遠位端は、モノリシックタービンコンポーネント204の近位端に結合されてもよい。モノリシックコンプレッサコンポーネント202は、その遠位端に雄型カップリング部材を有してもよく、モノリシックタービンコンポーネント204は、その近位端に雌型カップリング部材を有してもよく、雄型カップリング部材は、モノリシックコンプレッサコンポーネント202とモノリシックタービンコンポーネント204の間の剛性接続を提供すべく雌型カップリング部材に嵌合するように配置されている。雄型カップリング部材は、遠位方向に延びる突出部を備え、雌型カップリング部材は、遠位方向に延びる突出部を受容するための遠位方向に延びる空洞を備えている。

図2に示す具体例では、モノリシックコンプレッサコンポーネント202は、その遠位端に、モノリシックタービンコンポーネント204の近位端に設けられたソケット内に保持されるピンを有している。雄型及び雌型カップリング部材は、ねじ切りされた接続を採用してもよい。代替的に、雄型及び雌型カップリング部材は、摩擦適合（friction fit）又は代替的な剛性接続を採用してもよい。

図2に示すように、モノリシックコンプレッサコンポーネント202とモノリシックタービンコンポーネント204との間に雄型と雌型カップリングを採用することで、その間にスラストベアリングディスク276を固定することが容易になる。

図2に描かれたロータ及びベアリングシステムの例は、コンプレッサコンポーネント202のシャフトによって規定された円筒形近位ラジアルベアリングロータ220が中に延在する近位ラジアルベアリング270を採用している。この例の近位ラジアルベアリング270は、円筒形磁気ロータ230の近位に配置される。

近位ラジアルベアリングロータ220の半径は、ロータコア230の半径と実質的に対応してもよい。

ネック領域250は、ロータコア230とコンプレッサホイール260との間に示されている。

また、図2には、スラストベアリング275が示されており、その中にはスラストベアリングディスク276が延在していてもよく、このスラストベアリングディスク276は、モノリシックロータコンポーネント202とモノリシックタービンコンポーネント204の間に固定される。スラストベアリング275は、コンプレッサホイール260とタービンホイール290との間に配置される。スラストベアリング275とタービンホイール290との間に配置されるのは、遠位ラジアルベアリング280であり、その中に、モノリシックタービンコンポーネント204のシャフトによって規定される遠位ラジアルベアリングロータ285が延在している。

好ましくは、図2にL1として描かれている近位ラジアルベアリング270と遠位ラジアルベアリング280の軸心間の長さと、図2にR1として描かれている近位ラジアルベアリングロータ220の半径との比、すなわちL1／R1は、14～20の間とされる。近位ラジアルベアリングロータ220の半径は、遠位ラジアルベアリングロータ285の半径と実質的に同じであってよい。

好ましくは、この例では、図2にL2として描かれた遠位ラジアルベアリング280の中心とモノリシックタービンコンポーネント204の遠位端との間の軸方向長さと、図2にR2として描かれた遠位ラジアルベアリングロータ285の半径との比、すなわちL2／R2は、7以下である。これは、ラジアルベアリングへの過剰な荷重を防止することによって改善された安定性を提供する。

ロータ及びベアリングシステム200の近位端における近位ラジアルベアリング270の配置は、遠位ラジアルベアリングのものと実質的に同じ半径を有する近位ラジアルベアリングロータの利用を容易にし、そうすると近位ラジアルベアリングは、モノリシックコンプレッサコンポーネント202の近位端上にスライドさせられ得る。

本明細書に開示されるモノリシックタービンコンポーネントについては、内部空洞がタービンシャフトの軸からタービンシャフト285の内部半径まで延在しているが、遠位ラジアルベアリング280の遠位のタービンシャフト285に内部空洞を設けることが、タービンホイールからの近位熱伝搬に対する抵抗の改善を促進することが確認された。内部空洞は、タービンシャフト285とタービンホイール290の間の境界面に配置されてもよい。

図3は、ロータ及びベアリングシステム300の別の実施例を示す。この例によれば、近位ラジアルベアリング370は、モノリシックコンプレッサコンポーネント302のロータコア330から遠位に配置される。

好ましくは、この例では、図3にR1として描かれた近位ベアリングローター320の半径と、図3にR2として描かれた遠位ラジアルベアリングロータ385の半径との比、すなわちR1／R2は、実質的に1～1.5、例えば実質的に1.1～1.4である。

この例では、図3にL1として描かれた近位ラジアルベアリング370と遠位ラジアルベアリング380の軸方向中心間の長さと、図3にR2として描かれた遠位ラジアルベアリングロータ385の半径との比、すなわちL1／R2は、実質的に6～9である。この例では、図3においてL2として描かれているコンプレッサコンポーネント302の近位端と近位ラジアルベアリング370の軸中心との間の軸方向長さと、図3においてR2として描かれている遠位ラジアルベアリングロータ385の半径との比、すなわちL2／R2は、7以下である。

この例では、図3にL3として描かれている遠位ラジアルベアリング380の中心とモノリシックタービンコンポーネント304の遠位端との間の軸方向長さと、図3にR2として描かれている遠位ラジアルベアリングロータ385の半径との比、すなわちL3／R2は、7以下である。これにより、ラジアルベアリングへの過剰な荷重を防止することによって、改善された安定性を提供する。

本明細書に開示されるロータ及びベアリングシステムの場合、図2及び3にR3として描かれているネック250又は350の半径と、図2及び3にR2として描かれている遠位ラジアルベアリングロータ285、385の半径との比、すなわちR3／R2は、実質的に0.35～0.45であってよい。さらに、回転部材の全長は、265～285mmとの間であってもよい。全長と遠位ラジアルベアリングの半径との比、すなわち全長／R2は、25～26であってもよい。これらの幾何学的関係は、マイクロタービンに存在する動作範囲にわたって優れた性能および安定性特性を証明するものとして確認されている。

したがって、本明細書では、磁気ロータ、コンプレッサホイール、およびタービンホイールを有し、フレキシブルカップリングを有さないロータ及びベアリングシステムを開示する。

マイクロタービンまたはガスタービンは、本明細書に開示される回転部材またはロータ及びベアリングシステムの構成のいずれかを含むことができる。フレキシブルカップリングの必要性を排除することにより、信頼性と性能特性が改善され、信頼性に特に敏感な発電用途に特に有益である。

また、本明細書に開示されたモノリシックコンプレッサコンポーネントの実施形態のうちのいずれか1つを含むエアコンプレッサが開示されている。この例によれば、エアコンプレッサは、磁気ロータを受けるためのモータステータと、コンプレッサホイールハウジングと、スラストベアリングと、コンプレッサコンポーネントを支持するための近位および遠位のラジアルベアリングとを含んでいてもよい。

このようなモノリシックコンプレッサコンポーネントをエアコンプレッサに使用することで、設計の大幅な簡素化、故障モードの減少による信頼性の向上を容易にする。

図4は、近位ラジアルベアリング470、遠位ラジアルベアリング480、及びスラストベアリング475を含むロータ及びベアリングシステム400を示す図である。したがって、本明細書では、ロータコアと一体的に形成されたコンプレッサホイールを含むモノリシックコンプレッサコンポーネントを備え、任意に、上述されたようなその間のネック領域をさらに含むロータ及びベアリングシステム400が開示される。モノリシックコンプレッサコンポーネントは、コンプレッサホイールから遠位に延在する一体的に形成された遠位シャフトを有していてもよい。ロータコアは、磁気ロータのロータコアを提供してもよい。近位ラジアルベアリング470は、モノリシックコンプレッサコンポーネントの近位端に配置されてもよく、コンプレッサコンポーネントの近位コンプレッサシャフトは、近位ラジアルベアリング470内に延在してもよい。スラストベアリング475は、コンプレッサホイールから遠位に配置されてもよく、コンプレッサコンポーネントの遠位シャフトは、スラストベアリング475内を延在してもよい。遠位ラジアルベアリング480は、コンプレッサホイールとスラストベアリング475との間に配置されてもよい。本実施例は、エアコンプレッサにおける使用に適している。

別の態様によれば、本明細書では、近位セグメントと遠位セグメントとを溶接し、それにより、磁性を持たせることができる近位ロータと、近位ロータから遠位に配置されたコンプレッサホイールとを備えるモノリシックコンプレッサコンポーネントを形成することを含む、モノリシックコンプレッサコンポーネントの製造方法が開示される。

この方法は、モノリシックコンプレッサコンポーネントのネック領域において、近位セグメントと遠位セグメントとを一緒に溶接することを含んでいてもよい。これにより、製造の簡略化が容易になる。

特許請求の範囲に記載された実施例を含む本明細書に開示された各実施例は、回転部材またはロータ及びベアリングシステムを含むガスタービンシステム、例えばマイクロタービンシステム、またはエアコンプレッサに提供され得る。

請求された実施例を含む本明細書に開示された各実施例は、マイクロタービンに好適であってよい。したがって、請求された回転部材またはロータ及びベアリングシステムは、マイクロタービンに好適であってもよい。

請求された実施例を含む本明細書に開示された各実施例は、エアコンプレッサに適していてもよい。したがって、請求された回転部材またはロータ及びベアリングシステムは、エアコンプレッサに好適であってよい。

本明細書に開示された実施例は、限定的なものではなく、多数の変更および置換が可能であることが認識されるであろう。

Claims (20)

1. 近位方向および遠位方向を規定するロータ軸を中心に回転するモノリシックコンプレッサコンポーネントであって、ロータコアを規定するコンプレッサシャフトと、ロータコアから遠位に配置されたコンプレッサホイールとを備えるモノリシックコンプレッサコンポーネントを、
   を備える回転部材。
2. コンプレッサシャフトは、ロータコアとコンプレッサホイールの間に配置されたネックを規定し、ネックの半径はロータコアの半径より小さい、
   請求項1に記載の回転部材。
3. ネックの軸方向の長さは、実質的に10～25mmであり、
   ネックの最小半径は、実質的に4～5mmである、
   請求項2に記載の回転部材。
4. ロータコアの半径は、実質的に10～18mmである、
   請求項１～３のいずれかに記載の回転部材。
5. ロータ軸を中心に回転するためのモノリシックタービンコンポーネントを備え、モノリシックタービンコンポーネントは、タービンシャフトと、該タービンシャフトから遠位に配置されたタービンホイールとを有し、
   タービンシャフトは、近位端に雌型カップリング部材を有し、
   コンプレッサコンポーネントは、遠位端に、雌型カップリング部材と嵌合するように配置された雄型カップリング部材を有する、
   請求項1～4のいずれかに記載の回転部材。
6. 雄型カップリング部材と雌型カップリング部材は、ねじ込み式接続で嵌合する、
   請求項5に記載の回転部材。
7. タービンシャフトは、タービンシャフトの遠位端に近接した内部空洞を有する、
   請求項5または6に記載の回転部材。
8. 請求項5から7のいずれか1項に記載の回転部材と、
   コンプレッサホイールから近位に配置された近位ラジアルベアリングであって、その中をコンプレッサシャフトによって規定された円筒形の近位ラジアルベアリングロータが延び、近位ラジアルベアリングロータの半径は、ロータコアの半径と実質的に同じである近位ラジアルベアリングと、
   コンプレッサホイールとタービンホイールとの間に配置された遠位ラジアルベアリングであって、その中をタービンシャフトによって規定された遠位ラジアルベアリングロータが延びる遠位ラジアルベアリングと、
   コンプレッサホイールと遠位ラジアルベアリングの間に配置されたスラストベアリングと、
   を備えるロータ及びベアリングシステム。
9. 近位ラジアルベアリングロータの半径は、遠位ラジアルベアリングロータの半径と実質的に同じである、
   請求項8に記載のマイクロタービンロータ及びベアリングシステム。
10. 近位ラジアルベアリングは、コンプレッサコンポーネントの近位端でロータコアから近位に配置される、
    請求項8または9に記載のマイクロタービンロータ及びベアリングシステム。
11. 近位および遠位ラジアルベアリングの軸心間の軸方向長さと近位ラジアルベアリングロータの半径との比は、実質的に14～20の間である、
    請求項10に記載のマイクロタービンロータ及びベアリングシステム。
12. 遠位ラジアルベアリングの軸心とタービンコンポーネントの遠位端との間の軸方向長さと遠位ラジアルベアリングロータの半径との比は、7以下である、
    請求項11に記載のマイクロタービンロータ及びベアリングシステム。
13. 近位ラジアルベアリングロータの半径と遠位ラジアルベアリングロータの半径との比は、実質的に1～1.5の間である、
    請求項8に記載のマイクロタービンロータ及びベアリングシステム。
14. 近位および遠位ベアリングの軸心間の軸方向長さと遠位ラジアルベアリングロータの半径との比は、実質的に6～9の間である
    請求項13に記載のマイクロタービンロータ及びベアリングシステム。
15. コンプレッサコンポーネントの近位端と近位ラジアルベアリングの軸心との間の軸方向長さと遠位ラジアルベアリングロータの半径との比は、7以下である、
    請求項13または14に記載のマイクロタービンロータ及びベアリングシステム。
16. コンプレッサコンポーネントの最小半径と遠位ラジアルベアリングロータの半径との比は、実質的に0.35～0.45の間である、
    請求項13から15のいずれか1項に記載のマイクロタービンロータ及びベアリングシステム。
17. コンプレッサホイールから遠位に配置された遠位コンプレッサシャフトを含む、請求項1～4のいずれか1項に記載の回転部材と、
    コンプレッサホイールから近位に配置された近位ラジアルベアリングであって、その中をコンプレッサシャフトによって規定された円筒形の近位ラジアルベアリングロータが延びる近位ラジアルベアリングと、
    コンプレッサホイールから遠位に配置された遠位ラジアルベアリングであって、その中を遠位コンプレッサシャフトによって規定された遠位ラジアルベアリングロータが延びる遠位ラジアルベアリングと、
    遠位ラジアルベアリングから遠位に配置されたスラストベアリングと、
    を備えるロータ及びベアリングシステム。
18. 近位方向と遠位方向を規定するロータ軸を中心に回転するための回転部材の製造方法であって、
    近位のモノリシックセグメントを提供し、
    遠位のモノリシックセグメントを提供し、
    近位および遠位のモノリシックセグメントを一緒に溶接して、それにより、ロータコアと、ロータコアから遠位に配置されたコンプレッサホイールとを含むモノリシックコンプレッサコンポーネントを形成する、
    ことを含む製造方法。
19. モノリシックコンプレッサコンポーネントは、ネックを有し、近位および遠位のモノリシックセグメントは、ネックで一緒に溶接される、
    請求項18に記載の方法。
20. 溶接は、電子ビーム溶接および／または摩擦溶接を含む、
    請求項18または19に記載の方法。
    
    
    

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