JP2681925B2 - 気体回転機械 - Google Patents

気体回転機械

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JP2681925B2
JP2681925B2 JP62117394A JP11739487A JP2681925B2 JP 2681925 B2 JP2681925 B2 JP 2681925B2 JP 62117394 A JP62117394 A JP 62117394A JP 11739487 A JP11739487 A JP 11739487A JP 2681925 B2 JP2681925 B2 JP 2681925B2
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、航空機の空気調和装置などに利用される、
動圧気体軸受を利用したブートストラップ方式の気体回
転機械に関するものである。 [従来の技術] ブートストラップ方式の気体回転機械は、一般に第2
図に示すように、コンプレッサ1とタービン2とを備え
ており、そのコンプレッサ1のインペラ1aとタービン2
のインペラ2aとをハウジングHを挟んでシャフト3によ
り単軸結合している。そして、吸入気体を前記コンプレ
ッサ1で順次圧縮するとともに、該コンプレッサ1のデ
ィフューザ1bより吐出される高圧気体を、図外の管路を
介してタービン2のノズル2bに導くようにしており、そ
のノズル2bから噴出させた高圧気体により前記インペラ
2aを付勢して、そのタービン2を回転駆動するようにな
っている。しかして、前記タービン2の回転トルクはシ
ャフト3を介して前記インペラ1aに入力され、コンプレ
ッサ1の駆動に使用される。 第3図は、このような気体回転機械の気体サイクルを
利用して空気調和装置を構成した場合のシステムを示し
ている。このシステムでは、コンプレッサ1とタービン
2との途中に熱交換器4を介設しており、コンプレッサ
1にエンジンから抽出した加圧高温空気(エアブリー
ド)を供給し、タービン2から吐出される低温空気をキ
ャビン等に供給するようにしている。すなわち、このシ
ステムによれば、コンプレッサ1に供給される空気の温
度が、例えば100℃であったとすると、コンプレッサ1
から吐出した空気の温度は、例えば200℃に昇温してお
り、この高温空気は熱交換器で略50℃にまで効率よく冷
却される。しかる後、この空気はタービン2に仕事を与
えて膨張する際に自冷し、タービン2から吐出された時
には空調に必要な低温空気となる。 ところで、このように利用される気体回転機械は非常
な高速域で回転駆動させるため、その軸受には動圧気体
軸受を採用するのが常套手段となっている。動圧気体軸
受は、シャフトとこれを取巻く軸受面との間に気体膜を
形成し、この気体膜に生じる気体圧で該シャフトを軸受
面より浮上させて支持するようにしたものであって、こ
の種の気体回転機械には、軸受の寿命、保守および軽量
化の観点から他の軸受よりも格段に奏効し得るものであ
る。第2図においては、ジャーナル軸受5aおよびスラス
ト軸受5bにともに動圧気体軸受が採用されており、特に
スラスト軸受5bに対しては、シャフト3に発生する過大
なスラスト力を分散させるため、該シャフト3にスラス
トランナ6を突設して受圧面積の増大を図っている。 [発明が解決しようとする問題点] ところで、前述した動圧気体軸受5a、5bは、気体回転
機械の始動時に気体膜が形成されていないため、シャフ
ト3はそれらの軸受面と固体接触した状態にある。そし
て、この状態からコンプレッサ1側に始動用の高圧気体
を供給すると、最初はコンプレッサ1が機能していない
ため、コンプレッサ1入口の気体吸入空気S1とコンプレ
ッサ2出口の気体吐出空間S2との間に大きな圧力損失が
生じる。これにより、タービンインペラ2aに作用する気
体圧は、コンプレッサインペラ1aに作用する気体圧に対
し大幅に圧力降下したものになり、両インペラ1a、2aを
結合するシャフト3には、アンバランスなスラスト力が
発生することになる。例えば、コンプレッサ1から吐出
される気体の圧力をPc、タービン2に供給される気体の
圧力をPt、シールの施されたシャフト細径部の断面積を
Sとすると、スラスト力は図中右方向に向かって、F=
(Pc-Pt)・Sの大きさで該シャフト3に発生すること
になる。しかして、このスラスト力は、スラストランナ
6からスラスト軸受5bの軸受面に直接作用するため、該
軸受面には過大な摩擦抵抗が生じて、始動不良や時には
始動不能に至らしめる場合がある。また、上記不具合に
伴って軸受の摩耗量が増大するため、軸受寿命が低下し
て、早期に使用不能となる不具合をも免れない。そし
て、このような不具合を克服するために、始動用気体を
パワーアップしてタービン2に供給する気体圧を増大さ
せると、コンプレッサ1に作用する圧力もこれに伴って
増大することになり、悪循環に終止して適切な解決手段
とはなり得ない。 本発明は、このような問題点に着目してなされたもの
であって、簡単な構造により上記不具合を解消し、優れ
たスタート特性を付与したブートストラップ方式の気体
回転機械を提供することを目的としている。 [問題点を解決するための手段] 本発明は、上記目的を達成するために次のような手段
を採用したものである。 すなわち、本発明の気体回転機械は、コンプレッサイ
ンペラとタービンインペラとを動圧気体軸受により支持
させたシャフトで連結し、吸入気体をコンプレッサで圧
縮するとともにその吐出気体でタービンを回転駆動し、
その回転動力の一部をシャフトを介して前記コンプレッ
サに入力するようにしたブートストラップ方式の気体回
転機械において、前記コンプレッサの気体吸入空間と気
体吐出空間とを仕切る壁にこれら両空間を連通させるバ
イパス流路を設け、このバイパス流路に、吸入空間側の
圧力が吐出空間側の圧力よりも高い場合にのみ開成する
逆止弁を設けたことを特徴としている。 [作用] このような手段であれば、始動時にコンプレッサ側よ
り高圧の気体を導入した際には、この高圧気体がコンプ
レッサから気体吐出空間に流出すると同時に、該コンプ
レッサの圧力損失に基づく吸入空間と吐出空間との差圧
のために逆止弁が開成し、吸入空間側の気体が、バイパ
ス流路を介して前記吐出空間に直接流入されることにな
る。これにより、タービンにはコンプレッサと略同圧の
気体が供給されることになり、コンプレッサインペラと
タービンインペラとに作用するスラスト力がバランスす
るので、シャフトのスラスト負荷に起因する回転抵抗が
除去されて、気体回転機械をスムーズに始動させること
ができる。 そして、気体回転機械が始動すると、コンプレッサの
吸入空間と突出空間とは差圧が小さくなり、それ以後に
は圧力関係が逆転するので、逆止弁が閉じてバイパス流
路は自動的に遮断されることになる。 [実施例] 以下、本発明の一実施例を第1図を参照して説明す
る。 同図に示すように、この気体回転機械の断面形状は既
に第2図に図示したものと概略同一であって、共通する
部分は同一符号をもって示している。そして、コンプレ
ッサ1の気体吸入空間S1と気体吐出空間S2とを仕切る壁
7には、これら両空間S1、S2を連通させるためのバイパ
ス流路8が穿孔されている。 具体的には、コンプレッサ1は、吸入気体をコンプレ
ッサインペラ1aにまで案内する気体吸入空間S1をなす内
壁7と、この内壁7との間に気体吐出空間S2を開成して
なる外壁9とを有しており、気体吐出空間S2は、両壁
7、9間に介設したOリング10によってその気密性が保
持されている。なお、前記気体吐出空間S2に吐出された
気体は、図示しない管路を経て、タービン2の吸入側に
吸入され該タービン2のノズル2bよりタービンインペラ
2aに向かって噴出される。 そして、上述した内壁7には、両空間S1、S2を直接連
通させるバイパス流路8は、流入抵抗を低減するために
気体流入方向に傾斜させて穿孔されている。さらに、こ
のバイパス流路8には、吸入空間S1側の圧力が吐出空間
S2側の圧力よりも高い場合にのみ開成して、高圧気体の
流通を許容する逆止弁11を介設している。この逆止弁11
は、順方向に差圧が生じると、その圧力差によってその
弁体11aがスプリング力に抗して押し開かれ、コンプレ
ッサ1を経由することなく、吸入空間S1に導入された気
体を直接前記吐出空間S2側に流入させることができるも
のである。 このような構成のものであると、気体回転機械の始動
時にこのバイパス流路8が有効に作動して、コンプレッ
サインペラ1aとタービンインペラ2aとの一体回転起動が
スラスト力を伴わずにスムーズになされることになる。
すなわち、始動に際しコンプレッサ1側から高圧気体を
供給すると、この気体がコンプレッサ1からディフュー
ザ1bを経て気体吐出空間S2に流入すると同時に、バイパ
ス流路8からは、逆止弁11を開いて直接前記気体吐出空
間S2に流入することになる。したがって、始動と同時に
タービン2にはコンプレッサ1と同圧の気体が供給され
ることになり、両インペラ1a、2aに作用するスラスト力
がバランスして、シャフト3の軸受面に余分な回転抵抗
が発生するのを確実に防止できるものとなる。そして、
気体回転機械が一旦始動すると、コンプレッサ1の本来
的機能により吸入空間S1と吐出空間S2とは差圧が小さく
なり、さらには圧力関係が逆転するので、逆止弁11が閉
じてバイパス流路8は自動的に遮断され、圧縮損失や逆
流を阻止することになる。 このようにして、この実施例の気体回転機械は、バイ
パス流路8と逆止弁11とをハウジングHに一体に組込ん
だ簡単な構造でありながら、従来の大きな不具合であっ
たスタート時に発生するスラスト力のアンバランスを確
実に解消でき、供給する気体が比較的低圧であってもス
ムーズにスタートさせることが可能となるものである。
そして、これに伴って軸受の摩耗量が格段に少なくなる
ので、軸受の寿命が増大し、保守にも極めて便ならしめ
るものである。また、このようなバイパス流路および逆
止弁は、格別な配管等を増設することなく装置本体に一
体に組込めるので、重量の増加やスペースの増大を招く
ことがなく、さらに一旦組込めば、それ以降の使用に際
しては自動的に流路の開閉を行なうので、外部から随時
開閉操作を行なう繁雑さを伴わない。 以上、本発明の一実施例について述べたが、コンプレ
ッサやタービンの断面形状を始め、バイパス流路の設定
位置や逆止弁の種類は上記実施例のみに限定されるもの
ではなく、所期の作動が得られる範囲で種々変形が可能
である。また、この気体回転機械の目的用途も空気調和
装置のみに限らず、動圧気体軸受を使用するブートスト
ラップ方式の全ての気体サイクルに適用可能である。 [発明の効果] 本発明は、以上のようなバイパス流路と逆止弁とを組
込んだだけの至って簡単な構造でありながら、動圧気体
軸受を利用する場合の始動の困難性を解消でき、併せて
軸受の寿命を増大させ、その保守を便ならしめた気体回
転機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明に係る気体回転機械の一実施例を示す
断面図である。また、第2図および第3図は従来の気体
回転機械を示し、第2図は第1図に対応する断面図、第
3図はシステム説明図である。 1……コンプレッサ 1a……コンプレッサインペラ 1b……ディフューザ、2……タービン 2a……タービンインペラ、2b……ノズル 3……シャフト、4……熱交換器 5……動圧気体軸受、5a……ジャーナル軸受 5b……スラスト軸受、6……スラストランナ 7……壁(内壁)、8……バイパス流路 9……外壁、10……Oリング 11……逆止弁、11a……弁体 S1……気体吸入空間、S2……気体吐出空間

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.コンプレッサインペラとタービンインペラとを動圧
    気体軸受により支持させたシャフトで連結し、吸入気体
    をコンプレッサで圧縮するとともにその吐出気体でター
    ビンを回転駆動し、その回転動力の一部をシャフトを介
    して前記コンプレッサに入力するようにしたブートスト
    ラップ方式の気体回転機械において、前記コンプレッサ
    の気体吸入空間と気体吐出空間とを仕切る壁にこれら両
    空間を直接連通させるバイパス流路を設け、このバイパ
    ス流路に、吸入空間側の圧力が吐出空間側の圧力よりも
    高い場合にのみ開成する逆止弁を設けたことを特徴とす
    る気体回転機械。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS58202399A (ja) * 1982-05-21 1983-11-25 Hitachi Ltd 多段軸流圧縮機のサ−ジング防止装置
JPS61198501U (ja) * 1985-05-31 1986-12-11

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