JP3170971U - ターボ機械のローター - Google Patents

Abstract

【課題】スライト軸受の過負荷の際に、ターボ機械の破損につながるおそれのある認められない軸方向の移動を回避することができる、ターボ機械のローター構造を提供する。【解決手段】ローター１が追加の軸方向の案内要素として、少なくとも一つの押圧つば状部１０，１０’を備える。その際、押圧つば状部面１７’等と歯車１２のストッパー面１１，１１’の間の遊びＳＫ，ＳＫ’が、スラスト軸受６，６’の遊びＳＬ，ＳＬ’より大きい。これにより、通常運転では、軸方向の案内がスラスト軸受６，６’により成し遂げられる。スラスト軸受６，６’の過負荷の際に初めて、押圧つば状部１０，１０’が軸方向の案内を引き継ぐ。【選択図】図１

Description

本考案は、ターボ機械、特にインテグラルギア式ターボ機械のローターであって、シャフトと少なくとも一つの翼車がローターの構成要素であり、ローターがスラスト軸受に案内されているものに関する。

インテグラルギア式ターボ機械のローターは通常基本的に、ヘリカルギアのピニオンシャフトと翼車からなる。その際、唯一のシャフト端部だけに翼車が設置されるか、両方のシャフト端部が翼車を備えることが可能である。ターボ機械の使用目的に応じて、ターボコンプレッサーか、膨張タービン翼車が使用される。

ターボコンプレッサーのローターの駆動はインテグラル式ヘリカルギアを介して行われ、一方、膨張タービンのローターはインテグラル式ヘリカルギアを介して、ゆっくり動作する大歯車シャフトと連結されるジェネレーターかまたは、共通の大歯車の周囲に配置される別のターボコンプレッサーのローターを駆動する。互いにかみ合うギアの歯車は、そのかみ合わせが自身の回転軸に対して斜めに配されており、トルク伝達の際に軸方向の力を発生する。歯車のかみ合いを保証するために、この軸方向力は支えられなければならない。通常、軸方向力は、歯車と翼車が固定されているシャフトを介して、スラスト軸受を介し筐体によって支えられる。ローターをピニオンシャフトの軸方向で案内する軸受は、ある遊びを有している。

スラスト軸受にあまりに強い軸方向の動作刺激が作用すると、遊び分が越えられ、軸方向の案内が機能しなくなる。これは、ターボ機械の激しい損傷を招く。翼車がその翼配列でもって、間隔狭く隣接している筐体の対抗部分面に接触するという中で、損傷が発生し得る。その際、翼車と筐体の間で直接接触するか、または翼車のシール要素を介して間接的に接触する。特に、純水な酸素を圧縮または膨張するターボ機械において、翼車の筐体への接触は致命的な結果を招く。摩擦熱または火花発生の原因となることは、破局的な機械火災を引き起こす。

そのような被害を回避するために、軸方向の移動がローターの運転の間計測技術により把握されるのが通常である。ある境界値を越えると、適切な安全対策が行われる。これは、運転警報の作動であったり、ローターの駆動装置の遮断であったりする。両方の対策が同時に用いられてもよい。

駆動装置の遮断の後、ターボ機械は徐々に停止する。この徐々に停止するとは、ローターが静止状態に至るまでには、ある長い期間を要することがある。これはターボ機械の運転回転数がたいていとても高いということと、高い質量慣性モーメントのせいである。機械トレイン（Machinenstrang）全体が、高い質量慣性モーメントに寄与している。

一度軸方向に加速されたローター質量に基づいて、軸方向の動作刺激は、徐々に停止する期間の間も引き続き作用する。これは徐々に停止する間、さらに別の軸方向の移動をもたらし、その結果安全停止の後でさえもターボ機械が破損するという事態を招き得る。

本考案の課題は、スラスト軸受の過負荷の際に、ターボ機械の破損につながるおそれのある認められない軸方向の移動を回避することである。

この課題は、本考案に従い、ローターが追加の軸方向の案内要素として、少なくとも一つの押圧つば状部を備え、その際、押圧つば状部面と歯車のストッパー面の間の遊びが、スラスト軸受の遊びより大きいことにより解決される。通常運転では、スラスト軸受がローターの案内を担う。軸受の遊びが使いきられたことに基づいてスラスト軸受の過負荷が発生すると、押圧つば状部が必要な軸方向の案内を引き継ぐ。

押圧つば状部は、ディスク形状の軸受要素であり、歯車に一体形成されるか、独立した部材として適切な方法で固定されることにより、かみ合う歯車に正面で配置されている。ピニオンシャフトに固定される押圧つば状部のディスクは、その際放射状に歯車の対抗面と重なり合っており、両者はたがいに滑るように動く。

本考案に従い、これでもって、二つの独立した軸方向の案内システムが、つまりスラスト軸受と押圧つば状部が平行して使用される。押圧つば状部の遊びがスラスト軸受の遊びより大きいので、所定の軸方向移動量が超えられるとようやく、押圧つば状部面に軸方向の案内機能が与えられる。両方の軸方向案内システムは、ローターの共通するピニオンシャフトに位置決めされている。これらは互いに調整され、通常運転では、スラスト軸受がローターを案内し、一方押圧つば状部は通常運転では、大歯車への接触面に対するまだ容認できる遊びをもって運転される。

特に有利な本考案の実施形態では、追加的に、ローターの軸方向の移動が、計測技術により把握される。境界値を越えた場合には、ローターの駆動装置が遮断される。これによって本考案に従い、二つの独立した軸方向の案内システムの使用と、軸方向移動の計測技術的な把握が互いに組み合わされる。

軸方向の移動は、近接プローブを介して計測可能である。境界値を越えると、ローターの駆動装置は遮断される。

ローターの軸方向の移動を、スラスト軸受内における温度計測により間接的に監視することも可能である。軸方向推力により負荷を受けている担持要素内は、負荷を受けている区間内で温度上昇が起こる。ローターの軸方向の移動は、スラスト軸受内での温度上昇を招く。この温度上昇が温度センサーにより把握される。境界温度を越えると、ターボ機械の駆動装置が遮断される。

駆動装置の遮断の後、ローターは徐々に停止し、ある長い期間の後にようやく停止状態に至る。この徐々に停止するフェーズの間にさらに別の軸方向の移動が発生するかもしれないので、本考案に従い押圧つば状部が、軸方向の案内機能を引き継ぐ。これによって、徐々に停止するフェーズにおいて、ターボ機械が損傷する事態に至るのが回避される。

押圧つば状部は、通常運転で負荷を受けない。この押圧つば状部はエラーの際に始めて使用される。これにより、押圧つば状部は、初回使用時になお完全な機能を発揮することができる。軸方向の押圧つば状部面は、運転エラーが起こるまで必要とされず、それゆえ未だ全負荷をかけることができる。これに加え、徐々に停止する際の押圧つば状部の負荷は、回転数の減少とともに小さくなる。

運転エラーの間、ローターの軸方向の案内は、二つの押圧つば状部によってか唯一の押圧つば状部によって引き継がれる。二つの押圧つば状部が使用される場合、これら各押圧つば状部が押圧つば状部面を備える。どの方向にローターの軸方向の移動が行われるかによって、押圧つば状部の一方の押圧つば状部面か、他方の押圧つば状部の押圧つば状部面が、これらが、歯車の対応するストッパー面に向かって進むことにより案内機能を引き継ぐ。

代替として、両方の押圧つば状部面が存在する唯一の押圧つば状部のみが使用されることも可能である。これゆえ、エラー時には、軸方向の移動の方向によって、押圧つば状部の一方の面か、他方の面が軸方向の案内を引き継ぐ。

唯一の押圧つば状部のみが使用される場合、エラー時に押圧つば状部面がこれに向かって進むストッパー面が、キー溝の側壁により形成されると特に有利であると判明している。好ましくは、キー溝はヘリカルギアの歯車の周りに配されている。

スラスト軸受も押圧つば状部も、好ましくはターボ機械のヘリカルギアの共通のピニオンシャフトに位置決めされている。押圧つば状部は、さまざまな方法でシャフトに固定可能である。シャフトに一体に形成されるか、独立の部材としてシャフトに固定されることが可能である。

好ましくは、押圧つば状部面とストッパー面の間の遊びが、開かれた翼車の翼配列とターボ機械の筐体壁の間の運転時間隙より小さい。スラスト軸受が機能しなくなった場合、この異なる寸法に基づき、翼車が筐体に接触する事態に至るのは回避される。

両方の翼車が開かれた構造である場合、これら各翼車について運転時間隙が存在する。この場合、両方の押圧つば状部の遊びが、これら運転時間隙より小さい必要がある。

押圧つば状部面とストッパー面の間の遊びが、カバーディスクを有する翼車の翼車迷路と迷路のカウンターリングの間のシール遊びより小さいと、有利であると判明している。これにより、翼車迷路が、固定式に取りつかられた迷路のカウンターリングに接触することが回避される。

両方の翼車がカバーディスクを備える場合、各翼車において、翼車迷路と固定式に取り付けられた迷路のカウンターリングの間のシール遊びが存在する。この場合、両方の押圧つば状部の遊びが、翼車迷路と固定式に取り付けられた迷路のカウンターリングの間のシール遊びよりも小さい必要がある。

本考案に係る装置は、さまざまな方式のターボ機械に使用可能である。それゆえ、ローターには、唯一の翼車が取り付け可能であるし、またピニオンシャフトの両端で翼車が存在することも可能である。その際、ターボコンプレッサーの翼車も膨張タービンの翼車も使用され得る。ローターが二つの翼車を備える場合、そのつど二つのターボコンプレッサーの翼車または二つの膨張タービンの翼車が問題となり得る。ターボコンプレッサーの翼車と膨張タービンの翼車が同時に使用されることも考え得る。

本考案に係るローターを、純水な酸素のまたは高い酸素比率を有する混合ガスの圧縮または膨張を行う際に使用することは、特に有利であると判明している。そのような元素混合ガスが圧縮または膨張される場合は、翼車が筐体に接触する際に発生する最少の火花形成または摩擦熱が、すでに破局的な機械火災を招く可能性がある。

本考案のさらなる特徴と利益は、図自体、および図に基づいてなされる実施例の説明より明らかに。

二つの押圧つば状部を有するローターの図 一つの押圧つば状部を有するローターの図

図１には、ヘリカルギア３のピニオンシャフト２を有するターボ機械のローター１が表されている。ローター１には、開かれたターボコンプレッサーの翼車４とカバーディスクを有する翼車５が取り付けられている。軸方向の案内は、スラスト軸受６，６’により行われる。

ローター１の軸方向の移動ａまたはａ’は、非接触の近接プローブ８によって計測される。軸方向の移動は、スラスト軸受６または６’内で温度が上がるという結果となり、これは温度センサー７，７’により把握される。あまりに高い軸方向推力Ｆ_ａｘまたはＦ_ａｘ’ は、スラスト軸受６または６’の一方が過大な負荷を受けるということとなる。ある境界値を越えると、これはスラスト軸受の遊びＳ_ＬまたはＳ_Ｌ’が使いきられたことを示すが、ヘリカルギア３の駆動軸９の駆動装置が遮断される。駆動装置が遮断された後、ローター１は静止状態までまだしばらくの間、徐々に停止する。

ローター１が徐々に停止する際に未だ存在している軸方向推力Ｆ_ａｘまたはＦ_ａｘ’が更なる軸方向の移動へと通じた場合、本考案に従い、ローター１はあるポイントから、認められない軸方向の移動を阻止する。これは、押圧つば状部１０または１０’により行われる。押圧つば状部１０または１０’は独立した部材として製造され、ピニオンシャフト２に固定されている。押圧つば状部１０または１０’が軸方向のガイド機能を引き継ぎ、関連する押圧つば状部面１７または１７’が、ヘリカルギア３の大歯車１２の対応するストッパー面１１または１１’に向かって進む。

通常の運転では、スラスト軸受６または６’が軸方向の案内を受け持つ。エラーの際に始めて、スラスト軸受が過負荷を受ける際に、押圧つば状部１０または１０’に軸方向の案内機能が与えられる。これは、押圧つば状部の軸方向の遊びＳ_ＫまたはＳ_Ｋ’が、スラスト軸受の遊びＳ_ＬまたはＳ_Ｌ’より幾ばくか大きいことにより保証される。

翼車の筐体壁への接触は、押圧つば状部の軸方向の遊びＳ_ＫまたはＳ_Ｋ’が、開いたターボコンプレッサーの翼車４の翼配列１３と固定された筐体壁４の間の運転時間隙Ｓ_Ｇよりはるかに小さいことにより回避される。

同様に、押圧つば状部の遊びＳ_Ｋ’は、カバーディスクを有するターボコンプレッサーの翼車５と固定式に取り付けられた迷路のカウンターリング１６の間のシール遊びＳ_Ｄより明らかに小さい。

押圧つば状部の軸方向の遊びＳ_ＫまたはＳ_Ｋ’が、スラスト軸受の遊びＳ_ＬまたはＳ_Ｌ’より大きいので、両押圧つば状部面１７または１７’は、通常運転の間完全に負荷を受けずに動く。押圧つば状部は、ローター１が徐々に停止する際に、ローター１の認められない軸方向の移動と、それによって翼車の翼配列１３が筐体壁１４に接触すること、または翼車迷路１５が固定式に取り付けられた迷路のカウンターリング１６に接触することを回避することができる。

図２においては、両スラスト軸受６または６’の一方が機能しなくなった場合に、唯一の押圧つば状部１８が軸方向の案内を引き継ぐ。押圧つば状部１８には両方の押圧つば状部面１７または１７’が存在する。押圧つば状部１８は、大歯車１２のキー溝１９内で回転する。キー溝１９は大歯車１２の回りを回って配されている。キー溝１９は放射状に外に向かって開かれている。ストッパー面１１または１１’は、キー溝１９の側壁により形成されている。押圧つば状部面１７または１７’とストッパー面１１または１１’の間には、遊びＳ_ＫまたはＳ_Ｋ’が存在する。スラスト軸受が過負荷を受けることとなった場合、故障運転において、押圧つば状部１８が案内機能を引き継ぐ。その際、各押圧つば状部面１７または１７’が対応するストッパー面１１または１１’に対して動く。

１ ローター
２ ピニオンシャフト
３ ヘリカルギア
４ ターボコンプレッサーの翼車
５ カバーディスクを有する翼車
６，６’ スラスト軸受
７，７’ 温度センサー
８ 近接プローブ
９ 駆動軸
１０ 押圧つば状部
１１，１１’ ストップ面
１２ 大歯車
１３ 翼配列
１４ 筐体壁
１５ 翼車迷路
１６ 迷路のカウンターリング
１７，１７’ 押圧つば状部面
１８ 押圧つば状部
１９ キー溝

Claims (9)

1. シャフト（２）と少なくとも一つの翼車（４，５）がローター（１）の構成要素であり、ローター（１）がスラスト軸受（６，６’）に案内されている、ターボ機械のローター（１）において、
   ローター（１）が追加の軸方向の案内要素として、少なくとも一つの押圧つば状部（１０，１０’）を備え、その際、押圧つば状部面（１７，１７’）と歯車（１２）のストッパー面（１１，１１’）の間の遊び（Ｓ_Ｋ，Ｓ_Ｋ’）が、スラスト軸受（６，６’）の遊び（Ｓ_Ｌ，Ｓ_Ｌ’）より大きいことを特徴とするローター（１）。
2. ローター（１）の軸方向の移動（ａ，ａ’）が、計測技術により把握され、境界値を越えた場合に、ローターの駆動装置が遮断されることを特徴とする請求項１に記載のローター。
3. スラスト軸受（６，６’）が機能しなくなった際、相当する押圧つば状部面（１７、１７’）がこれに対応する歯車（１２）のストッパー面（１１，１１’）に向かうことを特徴とする請求項１に記載のローター。
4. 両方の軸方向案内要素（６，６’；１０，１０’）が、ローター（１）の共通のシャフト（２）に位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載のローター。
5. 押圧つば状部面（１７）とストッパー面（１１）の間の遊び（Ｓ_Ｋ）が、開かれた翼車（４）の翼配列（１３）とターボ機械の筐体壁（１４）の間の運転時間隙（Ｓ_Ｇ）より小さいことを特徴とする請求項１に記載のローター。
6. 押圧つば状部面（１７’）とストッパー面（１１’）の間の遊び（Ｓ_Ｋ’）が、カバーディスクを有する翼車（５）の翼車迷路（１５）と迷路のカウンターリング（１６）の間のシール遊び（Ｓ_Ｄ）より小さいことを特徴とする請求項１に記載のローター。
7. ローター（１）が二つの押圧つば状部（１０，１０’）を備え、各押圧つば状部（１０，１０’）が一つの押圧つば状部面（１７，１７’）を有することを特徴とする請求項１に記載のローター。
8. ローター（１）が一つの押圧つば状部（１８）を備え、この押圧つば状部に両方の押圧つば状部面（１７、１７’）が存在することを特徴とする請求項１に記載のローター。
9. ストッパー面（１１、１１’）がキー溝（１９）の側壁により形成されており、キー溝が歯車（１２）の回りに配されていることを特徴とする請求項８に記載のローター。
   
   

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