JP3820138B2 - 動圧型気体軸受及び動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービン - Google Patents
動圧型気体軸受及び動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービン Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速回転する高温の回転軸を空気、窒素等の気体膜により非接触保持する動圧型気体軸受及びこの動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高速回転する高温の回転軸を空気、窒素等の気体膜により非接触保持する動圧型気体軸受が知られている。
【０００３】
この動圧型気体軸受は、回転部材と対向する静止保持部材に配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、静止保持部材上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有する。
【０００４】
より詳細には、ジャーナル軸受の場合、回転部材の回転軸線に対してラジアル方向に対向するハウジングに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、ハウジングの内面上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、一方、スラスト軸受の場合、スラストランナーの回転軸線方向に対向するベースプレートに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、ベースプレート上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有する。
【０００５】
このような従来の動圧型気体軸受によれば、回転部材の回転中、回転部材と静止保持部材との間に気体膜を形成して、回転部材を非接触保持するとともに、回転部材が偏心したときに、回転部材を原位置に復元させるように構成されている。
【０００６】
最近、例えば、米国特許第6,158,893号に開示されているように、このようなバンプフォイルとして、いわゆるデュアルバンプフォイル、即ち互いに対向して配置された、静止保持部材側の下部バンプフォイルと回転部材側の上部バンプフォイルとからなるものが採用され、回転部材が偏心したときになって両バンプフォイル同士が当たることにより、スラスト荷重或いはジャーナル荷重負荷に対する剛性を確保するようにしている。
【０００７】
しかしながら、従来の動圧型気体軸受には、以下のような技術的な問題点がある。
【０００８】
第１に、デュアルバンプフォイルを有する動圧型気体軸受であっても、回転部材に変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、剛性が不足して、上部バンプフォイル及び／又は下部バンプフォイルが塑性変形したり、場合によりフォイル自体が破損して、軸受機能を損なうことがある。
【０００９】
第２に、回転の際、十分な減衰能力を確保することも困難である。より詳細には、動圧型気体軸受の場合、気体の粘性自体は小さいため、一般的に気体膜の減衰能力は低い。そのため、高速回転を安定して実現するには、高速回転における振動エネルギーを吸収して、回転軸の振れを防止することが必要である。この点で、高速安定性に優れた動圧型気体軸受を実現するためには、気体膜自体の減衰だけでなく、部材同士の接触に伴うクーロン摩擦力による減衰能力を確保するのが望ましい。
【００１０】
これらの問題点は、たとえばマイクロガスタービンのように、回転支持される被支持体の大型化によって、特に顕著となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記課題に鑑み、本発明の目的は、回転中、回転軸が偏心することにより変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心した回転軸を元の位置に復元するのに十分な剛性とともに、高速安定性に資する減衰を確保可能な動圧型気体軸受を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の動圧型気体軸受は、
回転部材と対向する静止保持部材に配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記静止保持部材上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記静止保持部材側の下部バンプフォイルと、前記回転部材側の上部バンプフォイルとからなる、動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合する構成としてある。
【００１３】
このような構成によれば、ともに波形状の上下バンプフォイルの斜面を予め重なり合うように係合させておくことにより、回転部材の回転の際、スラスト荷重或いはジャーナル荷重が負荷されるときに、上下バンプフォイル同士が離間している場合に比べて、上部バンプフォイルの自由端への延伸に対して拘束作用が働くので、その結果上部バンプフォイルの波がつぶれにくくなるので、フォイル全体としての剛性が高められる。
【００１４】
また、それとともに、斜面同士の摩擦面積を確保することによって、クーロン摩擦による減衰確保を実現することも可能となる。
【００１５】
また、前記下部バンプフォイルの板厚は、前記上部バンプフォイルの板厚以上であり、前記上部バンプフォイルの板厚は、前記トップフォイルの板厚以上であるのが好ましい。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の動圧型気体軸受は、
スラストランナーのスラスト方向に対向するベースプレートに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記ベースプレート上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記ベースプレート側の下部バンプフォイルと、前記スラストランナー側の上部バンプフォイルとのデュアルバンプフォイルからなる、スラスト荷重を支承する動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合し、前記下部バンプフォイル及び／又は前記上部バンプフォイルは、前記ベースプレートの周方向に分割されており、分割された前記下部バンプフォイル及び／又は前記上部バンプフォイルの各々は、すべり方向上流側の一端で前記ベースプレートに固定されている構成としてある。
【００１７】
また、前記上部バンプフォイルは、前記ベースプレートの半径方向に分割され、前記ベースプレートの最内周側に設置されている前記上部バンプフォイルは、一定高さであり、前記ベースプレートの最外周側に設置されている前記上部バンプフォイルは、すべり方向下流側に向かって高くしてあるのがよい。
【００１８】
さらに、前記下部バンプフォイルと前記上部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの各山の、前記回転部材の前記静止保持部材に対するすべり方向上流側の斜面は、前記上部バンプフォイルの各山のすべり方向下流側の対応する斜面と重なり合うように係合するのがよい。
【００１９】
さらにまた、前記最内周側に配置されたバンプフォイルについて、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第１山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向下流側に隣接する前記下部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向上流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２０】
加えて、前記最外周側に配置されたバンプフォイルについて、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第２山からすべり方向に２つ目の第３山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第２山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２１】
また、前記上部バンプフォイルは、半径方向に分割され、半径方向内方のものほど波形ピッチが大きく設定されているのがよい。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明の動圧型気体軸受は、
回転部材のラジアル方向に対向するハウジングに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記ハウジングの内面上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記ハウジング側の下部バンプフォイルと、前記回転部材側の上部バンプフォイルとのデュアルバンプフォイルからなる、ラジアル荷重を支承する動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合する構成としてある。
【００２３】
また、前記下部バンプフォイルと前記上部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの各山の、前記回転部材の前記静止保持部材に対するすべり方向上流側の斜面は、前記上部バンプフォイルの各山のすべり方向下流側の対応する斜面と重なり合うように係合するのがよい。
【００２４】
さらにまた、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第１山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向下流側に隣接する前記下部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向上流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２５】
加えて、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第２山からすべり方向に２つ目の第３山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第２山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２６】
また、前記上部バンプフォイルは、前記ハウジングの周方向に分割され、各分割部は、前記すべり方向後れ側の一端が前記ハウジングの内面に固定され、前記上部バンプフォイルの山の高さは、前記回転部材の前記ハウジングに対するすべり方向下流側に向かって高くしているのが好ましい。
【００２７】
上記目的を達成するために、本発明のマイクロガスタービンは、
以上の構成を有する動圧型気体軸受によって支承された回転軸と、この回転軸に連結され、単段でラジアルタイプのガスタービンと、このガスタービンに燃焼ガスを供給するための燃焼室と、この燃焼室に圧縮空気を送出するための、単段で遠心型の圧縮機と、前記回転軸に連結され、前記回転軸の回転により発電を行うための発電機とを有する構成としてある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明による動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービンの実施形態を説明する。
【００２９】
図１は、本発明の実施形態によるマイクロガスタービンの概略全体構成図である。図２は、図１のスラスト動圧気体軸受部の概略斜視図である。図３は、図２の線III‐IIIに沿う概略断面図である。図４は、図２の軸受セグメントの変形例である。図５は、図２の軸受セグメントの別の変形例である。図６は、上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの変形例である。図７は、上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの別の変形例である。図８は、図１のジャーナル動圧型気体軸受部の概略斜視図である。
【００３０】
マイクロガスタービンは、近年業務用、工業用或いは集合住宅用等多種の用途に対応して、個々の需要者においてその場で、しかも必要に応じて発電を行うことが可能なオンサイト発電システムとして注目を集めており、図１に示すように、マイクロガスタービン100は、通常の大型ガスタービンと同様に、回転軸102上に発電機104、圧縮機106及びタービン108を１軸上に備える。回転軸102は、発電機104内の両端部においてそれぞれ、動圧型ジャーナル気体軸受10bによって支承され、圧縮機106とタービン108との間で、圧縮機106側及びタービン108側それぞれにおいて、動圧型ジャーナル気体軸受10bによって支承されている。さらに、回転軸102は、圧縮機106とタービン108との間で、圧縮機106側において、動圧型スラスト気体軸受10aによって支承されている。動圧型ジャーナル気体軸受10b及び動圧型スラスト気体軸受10aについては、後に詳細に説明する。コンパクト化の観点から、圧縮機106は、単段の遠心型、タービン108は、単段ラジアルタイプである。さらに、圧縮機106により昇圧された空気と、燃料のＬＰガスとを混合して、混合ガスを燃焼させるための燃焼室110と、タービン108からの排出ガスと圧縮機106からの圧縮空気とを熱交換するための再生器112と、排ガスの廃熱を利用するための排ガス熱交換器114とを有する。
【００３１】
本明細書で用いる「マイクロガスタービン」の「マイクロ」は、一般プラント用ガスタービンと区別するためだけに用いるものであり、具体的には、マイクロガスタービンは、発電機、圧縮機及びタービンが１軸上に配列され、圧縮機及びタービンが単段であって、発電能力300kw以下、或いはガス燃料最大圧力約0.6MPaのものを意味する。
【００３２】
次に、動圧型気体軸受について以下に説明する。
図２に示すように、スラスト気体軸受10ａは、スラストランナー12のスラスト方向に対向するベースプレート14に配設された軸受セグメント16を有する。
【００３３】
図３に示すように、軸受セグメント16は、ベースプレート14上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイル18と、このバンプフォイル18上に位置決めされたトップフォイル20とを有する。このトップフォイル20の上面が軸受面22を形成し、この軸受面22とスラストランナー12の内面との間の間隙23内の気体が楔膜作用によりスラストランナー12を非接触保持するようにしている。所定弾性は、流体膜の形成を可能にする観点から、楔膜による加圧に起因するフォイルの変形を受け入れるように決定する。
【００３４】
バンプフォイル18は、互いに対向して配置された、ベースプレート14側の下部バンプフォイル18aと、スラストランナー12側の上部バンプフォイル18bとのデュアルバンプフォイル18からなる。下部バンプフォイル18aの板厚は、上部バンプフォイル18bの板厚以上であり、上部バンプフォイル18bの板厚は、トップフォイル20の板厚以上である。バンプフォイルの厚みに関し、回転部材側に近いフォイルほど薄くする技術的意義は、第１に、局所的な変形が容易となり、それによりフォイルと回転部材の表面とで形成する隙間23の形状を自律的に最適化するのを容易にすることができ、第２に、流体膜のせん断発熱の放散を容易にすることができることにある。
【００３５】
図２を再び参照すれば、下部バンプフォイル18a及び上部バンプフォイル18bは、ベースプレート14の周方向に分割されており、分割された下部バンプフォイル18a及び上部バンプフォイル18bの各々は、すべり方向上流側の一端25で、片持ち梁状にベースプレート14に固定されている。 フォイルの周方向への分割の技術意義は、軸自体の傾きを防止するために、複数の楔をトップフォイル20と回転軸との間に形成させることにある。
【００３６】
変形例として、図４に示すように、下部バンプフォイル18a及び上部バンプフォイル18bは、ベースプレート14の半径方向に分割してもよい。ベースプレート14の最内周側に設置されている上部バンプフォイル18biは、一定高さであり、ベースプレート14の最外周側に設置されている上部バンプフォイル18boは、すべり方向に徐々に高くしてある。このようなフォイルの半径方向への分割の技術意義について、一般的に、外周の方が内周より軸受面が長くなる結果、同じ剛性では外周のほうが深く沈むので、負荷能力的な観点から速度の高い部位で力を稼ぐようにするために、外周側ほどピッチが細かく剛性が高くなるようにする。また、フォイルの高さの技術的意義について、下流側ほど高くすることによって、負荷荷重が小さくトップフォイル20と回転部材との隙間が大きいとき、下流側に向けて楔膜作用を奏しやすくなるので、特に後に説明するジャーナル軸受の場合には、高速安定性を向上することが可能となる。なお、下部バンプフォイル18aだけを１枚のままで非分割としてもよい。
【００３７】
また、図５に示すように、分割された各バンプフォイル18について、すべり方向に沿って波形ピッチを変えてもよい。より具体的には、内周側に配置される上部バンプフォイル18bほど波形ピッチを大きくするのがよい。
【００３８】
再び図３を参照すれば、下部バンプフォイル18aと上部バンプフォイル18bとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、下部バンプフォイル18aの山30の傾斜面32と、上部バンプフォイル18bの山34の傾斜面36とは、重なり合うように予め係合する。より詳細には、下部バンプフォイル18aの各山30の、回転部材の静止保持部材に対するすべり方向上流側の傾斜面32は、上部バンプフォイル18bの各山34のすべり方向下流側の対応する傾斜面36と重なり合うように係合する。上下バンプフォイル18a、18bの波形の形状を調整することにより、互いの山の傾斜面同士の重なり合う面積を加減することが可能である。クーロン摩擦に伴う減衰の観点からは、重なり合う面積を大きくするほど、減衰を確保することができる。
【００３９】
この場合、図６に示すように、最内周側に配置されたバンプフォイル18biについて、重なり合うパターンは、下部バンプフォイル18aの第１山38のすべり方向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル18bの第１山42のすべり方向下流側の斜面44と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第１山38とすべり方向下流側に隣接する下部バンプフォイル18aの第２山46のすべり方向下流側の斜面48が、上部バンプフォイル18bの第１山42とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第２山50のすべり方向上流側の斜面52と重なり合うように係合するのでもよい。このような重ね合わせパターンの技術意義について、上部バンプフォイルのピッチを長くするほど、上部バンプフォイルの剛性を低下させ、それにより下部バンプフォイルと強く干渉するまで軸に加える予圧を小さくすることが可能となるので、特に低速起動性を向上させることができる。
【００４０】
または、図７に示すように、最外周側に配置されたバンプフォイル18boについて、重なり合うパターンは、下部バンプフォイル18aの第１山38のすべり方向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル18bの第1山42のすべり方向下流側の斜面44と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第１山38からすべり方向に３つ目の第２山54のすべり方向上流側の斜面56が、上部バンプフォイル18bの第１山42とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第２山58のすべり方向下流側の斜面60と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第２山54からすべり方向に２つ目の第３山62のすべり方向上流側の斜面64が、上部バンプフォイル18bの第２山58とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第3山66のすべり方向下流側の斜面68と重なり合うように係合するのでもよい。このような重ね合わせパターンの技術意義について、下流側ピッチを小さくするほど、下流側のバンプフォイルの沈み込みを抑制し、以ってトップフォイル20が回転方向に楔膜作用を行いやすくなるので、流体膜部分の負荷能力を増大することができる。
【００４１】
次に、図８に示すように、ラジアル気体軸受10ｂは、スラスト軸受と同様に、回転部材102のラジアル方向に対向するハウジング118に配設された軸受セグメント16を有する。軸受セグメント16は、ハウジング118の内面120上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイル18と、このバンプフォイル18上に位置決めされたトップフォイル20とを有する。バンプフォイル18とトップフォイル20とはそれぞれ１枚で、環状の空隙23内を周方向全体に延びる。バンプフォイル18は、互いに対向して配置された、ハウジング側の下部バンプフォイル18aと、回転部材側の上部バンプフォイル18bとのデュアルバンプフォイル18からなる。下部バンプフォイル18aの板厚は、上部バンプフォイル18bの板厚以上であり、上部バンプフォイル18bの板厚は、トップフォイル20の板厚以上である。
【００４２】
下部バンプフォイル18aの山の傾斜面と、上部バンプフォイル18bの山の傾斜面とが予め重なり合うように係合する。より詳細には、下部バンプフォイル18aと上部バンプフォイル18bとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、この重なり合うパターンは、図３に示したパターン或いは図６に示したパターンが好ましい。即ち、図３に示すように、下部バンプフォイル18aの各山30の、回転部材102の静止保持部材に対するすべり方向上流側の傾斜面32は、上部バンプフォイル18bの各山34のすべり方向下流側の対応する傾斜面36と重なり合うように係合するか、或いは図６に示すように、下部バンプフォイル18aの第１山38のすべり方向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル18bの第１山42のすべり方向下流側の斜面44と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第１山38とすべり方向下流側に隣接する下部バンプフォイル18aの第２山46のすべり方向下流側の斜面48が、上部バンプフォイル18bの第１山42とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第２山50のすべり方向上流側の斜面52と重なり合うように係合する。上部バンプフォイル18bの山の高さは、一定であるのが好ましい。
【００４３】
変形例として、上部バンプフォイル18b及び下部バンプフォイル18aは、ハウジング118の周方向に分割されてもよく、その場合各分割部は、その一端がハウジング118の内面120に固定されている。分割数は、２ないし６分割が好ましい。この場合、上部バンプフォイル18bの山の高さは、分割しない場合と異なり、回転部材102のハウジング118に対するすべり方向に沿って高くしているのがよい。なお、トップフォイル20は、１枚でも分割されていてもよい。このように、一定高さのフォイルであれば、一体でも分割でもよいが。フォイルの高さ或いはピッチを変える場合には、分割すればよい。このような周方向の分割の技術的意義は、回転軸が分割されたフォイル毎に楔を形成するので、予圧が負荷した状態となり、低負荷のときには、高速安定性が向上する点にある。
【００４４】
以上の構成を有するマイクロガスタービンについて、その作用を説明する。
圧縮機106により昇圧された空気と、燃料のＬＰガスとは、燃焼室110で混合、燃焼されたうえで、タービン108に送られ、タービン108の羽根を回転させることにより軸を回転させ、それにより発電機104により、コンバータ、インバータ及びトランスを介して発電を行うとともに、タービン108からの排出ガスは、再生器112において、圧縮空気と熱交換し、さらに排ガスの廃熱は排ガス熱交換器114を用いて給湯等に利用されるとともに排ガスは、排ガス管116を通って排出される。
【００４５】
その際、回転部材の通常回転中（例えば、5,000RPMないし200,000RPM）、回転部材と静止保持部材との間に気体膜を形成して、楔膜作用によって回転部材を非接触保持する。
【００４６】
回転部材が偏心したときに、回転部材を原位置に復元させるように構成されている。より詳細には、ラジアル、ジャーナル動圧型気体軸受いずれも、ともに波形状の上下バンプフォイル18の山の傾斜面を重なり合うように予め係合させておくことにより、回転部材の回転の際、スラスト荷重或いはジャーナル荷重が負荷されるときに、先行技術のように上下バンプフォイル18同士が離間している場合に比べて、上部バンプフォイル18bの自由端への延伸に対して拘束作用が働き、その結果上部バンプフォイル18bの波がつぶれにくくなるので、バンプフォイル全体としての剛性が高められる。また、それとともに、斜面同士の摩擦面積を確保することによって、クーロン摩擦による減衰確保を実現することも可能となる。これにより、マイクロガスタービンのような比較的大型の高速回転機器を動圧型気体軸受によって支持する場合であっても、回転軸が偏心することにより変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心した回転軸を元の位置に復元するに十分な剛性とともに、高速安定性に優れた減衰を確保することが可能となる。
【００４７】
本発明の実施形態を詳細に説明したが、請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更、修正が可能である。たとえば、スラスト動圧気体軸受の場合における周方向或いは半径方向の分割数及びラジアル動圧気体軸受の場合における周方向の分割数は、適宜設定すればよい。また、ラジアル気体軸受及びジャーナル気体軸受のいずれの場合も、周方向に分割したバンプフォイルごとに、上下バンプフォイルについて波ピッチを、さらに上部バンプフォイルについて高さを変えてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の動圧型気体軸受によれば、回転軸が偏心することにより変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心した回転軸を元の位置に復元するに十分な剛性とともに、高速安定性に優れた減衰を確保可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態によるマイクロガスタービンの概略全体構成図である。
【図２】図１のスラスト動圧気体軸受部の概略斜視図である。
【図３】図２の線III‐IIIに沿う概略断面図である。
【図４】図２の軸受セグメントの変形例である。
【図５】図２の軸受セグメントの別の変形例である。
【図６】上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの変形例である。
【図７】上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの別の変形例である。
【図８】図１のジャーナル動圧型気体軸受部の概略斜視図である。
【符号の説明】
100 マイクロガスタービン
102 回転軸
104 発電機
106 圧縮機
108 タービン
118 ハウジング
120 内面
10a スラスト動圧型気体軸受
10b ジャーナル動圧型気体軸受
12 スラストランナー
14 ベースプレート
16 軸受セグメント
18 バンプフォイル
18b 上部バンプフォイル
18a 下部バンプフォイル
20 トップフォイル
22 軸受面
23 間隙
25 １端
30 山
32 傾斜面
34 山
36 傾斜面
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速回転する高温の回転軸を空気、窒素等の気体膜により非接触保持する動圧型気体軸受及びこの動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高速回転する高温の回転軸を空気、窒素等の気体膜により非接触保持する動圧型気体軸受が知られている。
【０００３】
この動圧型気体軸受は、回転部材と対向する静止保持部材に配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、静止保持部材上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有する。
【０００４】
より詳細には、ジャーナル軸受の場合、回転部材の回転軸線に対してラジアル方向に対向するハウジングに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、ハウジングの内面上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、一方、スラスト軸受の場合、スラストランナーの回転軸線方向に対向するベースプレートに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、ベースプレート上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有する。
【０００５】
このような従来の動圧型気体軸受によれば、回転部材の回転中、回転部材と静止保持部材との間に気体膜を形成して、回転部材を非接触保持するとともに、回転部材が偏心したときに、回転部材を原位置に復元させるように構成されている。
【０００６】
最近、例えば、米国特許第6,158,893号に開示されているように、このようなバンプフォイルとして、いわゆるデュアルバンプフォイル、即ち互いに対向して配置された、静止保持部材側の下部バンプフォイルと回転部材側の上部バンプフォイルとからなるものが採用され、回転部材が偏心したときになって両バンプフォイル同士が当たることにより、スラスト荷重或いはジャーナル荷重負荷に対する剛性を確保するようにしている。
【０００７】
しかしながら、従来の動圧型気体軸受には、以下のような技術的な問題点がある。
【０００８】
第１に、デュアルバンプフォイルを有する動圧型気体軸受であっても、回転部材に変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、剛性が不足して、上部バンプフォイル及び／又は下部バンプフォイルが塑性変形したり、場合によりフォイル自体が破損して、軸受機能を損なうことがある。
【０００９】
第２に、回転の際、十分な減衰能力を確保することも困難である。より詳細には、動圧型気体軸受の場合、気体の粘性自体は小さいため、一般的に気体膜の減衰能力は低い。そのため、高速回転を安定して実現するには、高速回転における振動エネルギーを吸収して、回転軸の振れを防止することが必要である。この点で、高速安定性に優れた動圧型気体軸受を実現するためには、気体膜自体の減衰だけでなく、部材同士の接触に伴うクーロン摩擦力による減衰能力を確保するのが望ましい。
【００１０】
これらの問題点は、たとえばマイクロガスタービンのように、回転支持される被支持体の大型化によって、特に顕著となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記課題に鑑み、本発明の目的は、回転中、回転軸が偏心することにより変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心した回転軸を元の位置に復元するのに十分な剛性とともに、高速安定性に資する減衰を確保可能な動圧型気体軸受を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の動圧型気体軸受は、
回転部材と対向する静止保持部材に配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記静止保持部材上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記静止保持部材側の下部バンプフォイルと、前記回転部材側の上部バンプフォイルとからなる、動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合する構成としてある。
【００１３】
このような構成によれば、ともに波形状の上下バンプフォイルの斜面を予め重なり合うように係合させておくことにより、回転部材の回転の際、スラスト荷重或いはジャーナル荷重が負荷されるときに、上下バンプフォイル同士が離間している場合に比べて、上部バンプフォイルの自由端への延伸に対して拘束作用が働くので、その結果上部バンプフォイルの波がつぶれにくくなるので、フォイル全体としての剛性が高められる。
【００１４】
また、それとともに、斜面同士の摩擦面積を確保することによって、クーロン摩擦による減衰確保を実現することも可能となる。
【００１５】
また、前記下部バンプフォイルの板厚は、前記上部バンプフォイルの板厚以上であり、前記上部バンプフォイルの板厚は、前記トップフォイルの板厚以上であるのが好ましい。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の動圧型気体軸受は、
スラストランナーのスラスト方向に対向するベースプレートに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記ベースプレート上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記ベースプレート側の下部バンプフォイルと、前記スラストランナー側の上部バンプフォイルとのデュアルバンプフォイルからなる、スラスト荷重を支承する動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合し、前記下部バンプフォイル及び／又は前記上部バンプフォイルは、前記ベースプレートの周方向に分割されており、分割された前記下部バンプフォイル及び／又は前記上部バンプフォイルの各々は、すべり方向上流側の一端で前記ベースプレートに固定されている構成としてある。
【００１７】
また、前記上部バンプフォイルは、前記ベースプレートの半径方向に分割され、前記ベースプレートの最内周側に設置されている前記上部バンプフォイルは、一定高さであり、前記ベースプレートの最外周側に設置されている前記上部バンプフォイルは、すべり方向下流側に向かって高くしてあるのがよい。
【００１８】
さらに、前記下部バンプフォイルと前記上部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの各山の、前記回転部材の前記静止保持部材に対するすべり方向上流側の斜面は、前記上部バンプフォイルの各山のすべり方向下流側の対応する斜面と重なり合うように係合するのがよい。
【００１９】
さらにまた、前記最内周側に配置されたバンプフォイルについて、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第１山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向下流側に隣接する前記下部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向上流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２０】
加えて、前記最外周側に配置されたバンプフォイルについて、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第２山からすべり方向に２つ目の第３山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第２山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２１】
また、前記上部バンプフォイルは、半径方向に分割され、半径方向内方のものほど波形ピッチが大きく設定されているのがよい。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明の動圧型気体軸受は、
回転部材のラジアル方向に対向するハウジングに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記ハウジングの内面上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記ハウジング側の下部バンプフォイルと、前記回転部材側の上部バンプフォイルとのデュアルバンプフォイルからなる、ラジアル荷重を支承する動圧型気体軸受において、 互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合する構成としてある。
【００２３】
また、前記下部バンプフォイルと前記上部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの各山の、前記回転部材の前記静止保持部材に対するすべり方向上流側の斜面は、前記上部バンプフォイルの各山のすべり方向下流側の対応する斜面と重なり合うように係合するのがよい。
【００２４】
さらにまた、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第１山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向下流側に隣接する前記下部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向上流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２５】
加えて、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第２山からすべり方向に２つ目の第３山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第２山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と重なり合うように係合するのでもよい。
【００２６】
また、前記上部バンプフォイルは、前記ハウジングの周方向に分割され、各分割部は、前記すべり方向後れ側の一端が前記ハウジングの内面に固定され、前記上部バンプフォイルの山の高さは、前記回転部材の前記ハウジングに対するすべり方向下流側に向かって高くしているのが好ましい。
【００２７】
上記目的を達成するために、本発明のマイクロガスタービンは、
以上の構成を有する動圧型気体軸受によって支承された回転軸と、この回転軸に連結され、単段でラジアルタイプのガスタービンと、このガスタービンに燃焼ガスを供給するための燃焼室と、この燃焼室に圧縮空気を送出するための、単段で遠心型の圧縮機と、前記回転軸に連結され、前記回転軸の回転により発電を行うための発電機とを有する構成としてある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明による動圧型気体軸受を備えたマイクロガスタービンの実施形態を説明する。
【００２９】
図１は、本発明の実施形態によるマイクロガスタービンの概略全体構成図である。図２は、図１のスラスト動圧気体軸受部の概略斜視図である。図３は、図２の線III‐IIIに沿う概略断面図である。図４は、図２の軸受セグメントの変形例である。図５は、図２の軸受セグメントの別の変形例である。図６は、上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの変形例である。図７は、上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの別の変形例である。図８は、図１のジャーナル動圧型気体軸受部の概略斜視図である。
【００３０】
マイクロガスタービンは、近年業務用、工業用或いは集合住宅用等多種の用途に対応して、個々の需要者においてその場で、しかも必要に応じて発電を行うことが可能なオンサイト発電システムとして注目を集めており、図１に示すように、マイクロガスタービン100は、通常の大型ガスタービンと同様に、回転軸102上に発電機104、圧縮機106及びタービン108を１軸上に備える。回転軸102は、発電機104内の両端部においてそれぞれ、動圧型ジャーナル気体軸受10bによって支承され、圧縮機106とタービン108との間で、圧縮機106側及びタービン108側それぞれにおいて、動圧型ジャーナル気体軸受10bによって支承されている。さらに、回転軸102は、圧縮機106とタービン108との間で、圧縮機106側において、動圧型スラスト気体軸受10aによって支承されている。動圧型ジャーナル気体軸受10b及び動圧型スラスト気体軸受10aについては、後に詳細に説明する。コンパクト化の観点から、圧縮機106は、単段の遠心型、タービン108は、単段ラジアルタイプである。さらに、圧縮機106により昇圧された空気と、燃料のＬＰガスとを混合して、混合ガスを燃焼させるための燃焼室110と、タービン108からの排出ガスと圧縮機106からの圧縮空気とを熱交換するための再生器112と、排ガスの廃熱を利用するための排ガス熱交換器114とを有する。
【００３１】
本明細書で用いる「マイクロガスタービン」の「マイクロ」は、一般プラント用ガスタービンと区別するためだけに用いるものであり、具体的には、マイクロガスタービンは、発電機、圧縮機及びタービンが１軸上に配列され、圧縮機及びタービンが単段であって、発電能力300kw以下、或いはガス燃料最大圧力約0.6MPaのものを意味する。
【００３２】
次に、動圧型気体軸受について以下に説明する。
図２に示すように、スラスト気体軸受10ａは、スラストランナー12のスラスト方向に対向するベースプレート14に配設された軸受セグメント16を有する。
【００３３】
図３に示すように、軸受セグメント16は、ベースプレート14上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイル18と、このバンプフォイル18上に位置決めされたトップフォイル20とを有する。このトップフォイル20の上面が軸受面22を形成し、この軸受面22とスラストランナー12の内面との間の間隙23内の気体が楔膜作用によりスラストランナー12を非接触保持するようにしている。所定弾性は、流体膜の形成を可能にする観点から、楔膜による加圧に起因するフォイルの変形を受け入れるように決定する。
【００３４】
バンプフォイル18は、互いに対向して配置された、ベースプレート14側の下部バンプフォイル18aと、スラストランナー12側の上部バンプフォイル18bとのデュアルバンプフォイル18からなる。下部バンプフォイル18aの板厚は、上部バンプフォイル18bの板厚以上であり、上部バンプフォイル18bの板厚は、トップフォイル20の板厚以上である。バンプフォイルの厚みに関し、回転部材側に近いフォイルほど薄くする技術的意義は、第１に、局所的な変形が容易となり、それによりフォイルと回転部材の表面とで形成する隙間23の形状を自律的に最適化するのを容易にすることができ、第２に、流体膜のせん断発熱の放散を容易にすることができることにある。
【００３５】
図２を再び参照すれば、下部バンプフォイル18a及び上部バンプフォイル18bは、ベースプレート14の周方向に分割されており、分割された下部バンプフォイル18a及び上部バンプフォイル18bの各々は、すべり方向上流側の一端25で、片持ち梁状にベースプレート14に固定されている。 フォイルの周方向への分割の技術意義は、軸自体の傾きを防止するために、複数の楔をトップフォイル20と回転軸との間に形成させることにある。
【００３６】
変形例として、図４に示すように、下部バンプフォイル18a及び上部バンプフォイル18bは、ベースプレート14の半径方向に分割してもよい。ベースプレート14の最内周側に設置されている上部バンプフォイル18biは、一定高さであり、ベースプレート14の最外周側に設置されている上部バンプフォイル18boは、すべり方向に徐々に高くしてある。このようなフォイルの半径方向への分割の技術意義について、一般的に、外周の方が内周より軸受面が長くなる結果、同じ剛性では外周のほうが深く沈むので、負荷能力的な観点から速度の高い部位で力を稼ぐようにするために、外周側ほどピッチが細かく剛性が高くなるようにする。また、フォイルの高さの技術的意義について、下流側ほど高くすることによって、負荷荷重が小さくトップフォイル20と回転部材との隙間が大きいとき、下流側に向けて楔膜作用を奏しやすくなるので、特に後に説明するジャーナル軸受の場合には、高速安定性を向上することが可能となる。なお、下部バンプフォイル18aだけを１枚のままで非分割としてもよい。
【００３７】
また、図５に示すように、分割された各バンプフォイル18について、すべり方向に沿って波形ピッチを変えてもよい。より具体的には、内周側に配置される上部バンプフォイル18bほど波形ピッチを大きくするのがよい。
【００３８】
再び図３を参照すれば、下部バンプフォイル18aと上部バンプフォイル18bとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、下部バンプフォイル18aの山30の傾斜面32と、上部バンプフォイル18bの山34の傾斜面36とは、重なり合うように予め係合する。より詳細には、下部バンプフォイル18aの各山30の、回転部材の静止保持部材に対するすべり方向上流側の傾斜面32は、上部バンプフォイル18bの各山34のすべり方向下流側の対応する傾斜面36と重なり合うように係合する。上下バンプフォイル18a、18bの波形の形状を調整することにより、互いの山の傾斜面同士の重なり合う面積を加減することが可能である。クーロン摩擦に伴う減衰の観点からは、重なり合う面積を大きくするほど、減衰を確保することができる。
【００３９】
この場合、図６に示すように、最内周側に配置されたバンプフォイル18biについて、重なり合うパターンは、下部バンプフォイル18aの第１山38のすべり方向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル18bの第１山42のすべり方向下流側の斜面44と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第１山38とすべり方向下流側に隣接する下部バンプフォイル18aの第２山46のすべり方向下流側の斜面48が、上部バンプフォイル18bの第１山42とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第２山50のすべり方向上流側の斜面52と重なり合うように係合するのでもよい。このような重ね合わせパターンの技術意義について、上部バンプフォイルのピッチを長くするほど、上部バンプフォイルの剛性を低下させ、それにより下部バンプフォイルと強く干渉するまで軸に加える予圧を小さくすることが可能となるので、特に低速起動性を向上させることができる。
【００４０】
または、図７に示すように、最外周側に配置されたバンプフォイル18boについて、重なり合うパターンは、下部バンプフォイル18aの第１山38のすべり方向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル18bの第1山42のすべり方向下流側の斜面44と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第１山38からすべり方向に３つ目の第２山54のすべり方向上流側の斜面56が、上部バンプフォイル18bの第１山42とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第２山58のすべり方向下流側の斜面60と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第２山54からすべり方向に２つ目の第３山62のすべり方向上流側の斜面64が、上部バンプフォイル18bの第２山58とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第3山66のすべり方向下流側の斜面68と重なり合うように係合するのでもよい。このような重ね合わせパターンの技術意義について、下流側ピッチを小さくするほど、下流側のバンプフォイルの沈み込みを抑制し、以ってトップフォイル20が回転方向に楔膜作用を行いやすくなるので、流体膜部分の負荷能力を増大することができる。
【００４１】
次に、図８に示すように、ラジアル気体軸受10ｂは、スラスト軸受と同様に、回転部材102のラジアル方向に対向するハウジング118に配設された軸受セグメント16を有する。軸受セグメント16は、ハウジング118の内面120上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイル18と、このバンプフォイル18上に位置決めされたトップフォイル20とを有する。バンプフォイル18とトップフォイル20とはそれぞれ１枚で、環状の空隙23内を周方向全体に延びる。バンプフォイル18は、互いに対向して配置された、ハウジング側の下部バンプフォイル18aと、回転部材側の上部バンプフォイル18bとのデュアルバンプフォイル18からなる。下部バンプフォイル18aの板厚は、上部バンプフォイル18bの板厚以上であり、上部バンプフォイル18bの板厚は、トップフォイル20の板厚以上である。
【００４２】
下部バンプフォイル18aの山の傾斜面と、上部バンプフォイル18bの山の傾斜面とが予め重なり合うように係合する。より詳細には、下部バンプフォイル18aと上部バンプフォイル18bとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、この重なり合うパターンは、図３に示したパターン或いは図６に示したパターンが好ましい。即ち、図３に示すように、下部バンプフォイル18aの各山30の、回転部材102の静止保持部材に対するすべり方向上流側の傾斜面32は、上部バンプフォイル18bの各山34のすべり方向下流側の対応する傾斜面36と重なり合うように係合するか、或いは図６に示すように、下部バンプフォイル18aの第１山38のすべり方向上流側の斜面40が、上部バンプフォイル18bの第１山42のすべり方向下流側の斜面44と重なり合い、且つ下部バンプフォイル18aの第１山38とすべり方向下流側に隣接する下部バンプフォイル18aの第２山46のすべり方向下流側の斜面48が、上部バンプフォイル18bの第１山42とすべり方向に隣接する上部バンプフォイル18bの第２山50のすべり方向上流側の斜面52と重なり合うように係合する。上部バンプフォイル18bの山の高さは、一定であるのが好ましい。
【００４３】
変形例として、上部バンプフォイル18b及び下部バンプフォイル18aは、ハウジング118の周方向に分割されてもよく、その場合各分割部は、その一端がハウジング118の内面120に固定されている。分割数は、２ないし６分割が好ましい。この場合、上部バンプフォイル18bの山の高さは、分割しない場合と異なり、回転部材102のハウジング118に対するすべり方向に沿って高くしているのがよい。なお、トップフォイル20は、１枚でも分割されていてもよい。このように、一定高さのフォイルであれば、一体でも分割でもよいが。フォイルの高さ或いはピッチを変える場合には、分割すればよい。このような周方向の分割の技術的意義は、回転軸が分割されたフォイル毎に楔を形成するので、予圧が負荷した状態となり、低負荷のときには、高速安定性が向上する点にある。
【００４４】
以上の構成を有するマイクロガスタービンについて、その作用を説明する。
圧縮機106により昇圧された空気と、燃料のＬＰガスとは、燃焼室110で混合、燃焼されたうえで、タービン108に送られ、タービン108の羽根を回転させることにより軸を回転させ、それにより発電機104により、コンバータ、インバータ及びトランスを介して発電を行うとともに、タービン108からの排出ガスは、再生器112において、圧縮空気と熱交換し、さらに排ガスの廃熱は排ガス熱交換器114を用いて給湯等に利用されるとともに排ガスは、排ガス管116を通って排出される。
【００４５】
その際、回転部材の通常回転中（例えば、5,000RPMないし200,000RPM）、回転部材と静止保持部材との間に気体膜を形成して、楔膜作用によって回転部材を非接触保持する。
【００４６】
回転部材が偏心したときに、回転部材を原位置に復元させるように構成されている。より詳細には、ラジアル、ジャーナル動圧型気体軸受いずれも、ともに波形状の上下バンプフォイル18の山の傾斜面を重なり合うように予め係合させておくことにより、回転部材の回転の際、スラスト荷重或いはジャーナル荷重が負荷されるときに、先行技術のように上下バンプフォイル18同士が離間している場合に比べて、上部バンプフォイル18bの自由端への延伸に対して拘束作用が働き、その結果上部バンプフォイル18bの波がつぶれにくくなるので、バンプフォイル全体としての剛性が高められる。また、それとともに、斜面同士の摩擦面積を確保することによって、クーロン摩擦による減衰確保を実現することも可能となる。これにより、マイクロガスタービンのような比較的大型の高速回転機器を動圧型気体軸受によって支持する場合であっても、回転軸が偏心することにより変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心した回転軸を元の位置に復元するに十分な剛性とともに、高速安定性に優れた減衰を確保することが可能となる。
【００４７】
本発明の実施形態を詳細に説明したが、請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更、修正が可能である。たとえば、スラスト動圧気体軸受の場合における周方向或いは半径方向の分割数及びラジアル動圧気体軸受の場合における周方向の分割数は、適宜設定すればよい。また、ラジアル気体軸受及びジャーナル気体軸受のいずれの場合も、周方向に分割したバンプフォイルごとに、上下バンプフォイルについて波ピッチを、さらに上部バンプフォイルについて高さを変えてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の動圧型気体軸受によれば、回転軸が偏心することにより変動荷重或いは衝撃荷重が負荷されたときに、偏心した回転軸を元の位置に復元するに十分な剛性とともに、高速安定性に優れた減衰を確保可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態によるマイクロガスタービンの概略全体構成図である。
【図２】図１のスラスト動圧気体軸受部の概略斜視図である。
【図３】図２の線III‐IIIに沿う概略断面図である。
【図４】図２の軸受セグメントの変形例である。
【図５】図２の軸受セグメントの別の変形例である。
【図６】上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの変形例である。
【図７】上下バンプフォイル同士の重なり合いパターンの別の変形例である。
【図８】図１のジャーナル動圧型気体軸受部の概略斜視図である。
【符号の説明】
100 マイクロガスタービン
102 回転軸
104 発電機
106 圧縮機
108 タービン
118 ハウジング
120 内面
10a スラスト動圧型気体軸受
10b ジャーナル動圧型気体軸受
12 スラストランナー
14 ベースプレート
16 軸受セグメント
18 バンプフォイル
18b 上部バンプフォイル
18a 下部バンプフォイル
20 トップフォイル
22 軸受面
23 間隙
25 １端
30 山
32 傾斜面
34 山
36 傾斜面
Claims (14)
- 回転部材と対向する静止保持部材に配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記静止保持部材上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記静止保持部材側の下部バンプフォイルと、前記回転部材側の上部バンプフォイルとからなる、動圧型気体軸受において、
互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合する、
ことを特徴とする動圧型気体軸受。 - 前記下部バンプフォイルの板厚は、前記上部バンプフォイルの板厚以上であり、前記上部バンプフォイルの板厚は、前記トップフォイルの板厚以上である、請求項１に記載の動圧型気体軸受。
- スラストランナーのスラスト方向に対向するベースプレートに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記ベースプレート上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記ベースプレート側の下部バンプフォイルと、前記スラストランナー側の上部バンプフォイルとのデュアルバンプフォイルからなる、スラスト荷重を支承する動圧型気体軸受において、
互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合し、
前記下部バンプフォイル及び／又は前記上部バンプフォイルは、前記ベースプレートの周方向に分割されており、
分割された前記下部バンプフォイル及び／又は前記上部バンプフォイルの各々は、すべり方向上流側の一端で前記ベースプレートに固定されている、ことを特徴とする動圧型気体軸受。 - 前記上部バンプフォイルは、前記ベースプレートの半径方向に分割され、前記ベースプレートの最内周側に設置されている前記上部バンプフォイルは、一定高さであり、前記ベースプレートの最外周側に設置されている前記上部バンプフォイルは、すべり方向下流側に向かって高くしてある、請求項３に記載の動圧型気体軸受。
- 前記下部バンプフォイルと前記上部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、
この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの各山の、前記回転部材の前記静止保持部材に対するすべり方向上流側の斜面は、前記上部バンプフォイルの各山のすべり方向下流側の対応する斜面と重なり合うように係合する、請求項４に記載の動圧型気体軸受。 - 前記最内周に配置されたバンプフォイルについて、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第１山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向下流側に隣接する前記下部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向上流側の斜面と重なり合うように係合する、請求項５に記載の動圧型気体軸受。
- 前記最外周に配置されたバンプフォイルについて、前記重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第２山からすべり方向に２つ目の第３山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第２山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と重なり合うように係合する、請求項５に記載の動圧型気体軸受。
- 前記上部バンプフォイルは、半径方向に分割され、半径方向内方のものほど波形ピッチが大きく設定されている、請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の動圧型気体軸受。
- 回転部材のラジアル方向に対向するハウジングに配設された軸受セグメントを有し、この軸受セグメントは、前記ハウジングの内面上に配設され、且つ所定弾性を有する波形状のバンプフォイルと、このバンプフォイル上に位置決めされたトップフォイルとを有し、このバンプフォイルは、互いに対向して配置された、前記ハウジング側の下部バンプフォイルと、前記回転部材側の上部バンプフォイルとのデュアルバンプフォイルからなる、ラジアル荷重を支承する動圧型気体軸受において、
互いの山の傾斜面同士が重なり合うように、前記上部バンプフォイルと前記下部バンプフォイルとが予め係合する、
ことを特徴とする動圧型気体軸受。 - 前記下部バンプフォイルと前記上部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、
この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの各山の、前記回転部材の前記静止保持部材に対するすべり方向上流側の斜面は、前記上部バンプフォイルの各山のすべり方向下流側の対応する斜面と重なり合うように係合する、請求項９に記載の動圧型気体軸受。 - 前記下部バンプフォイルと前記上部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、
この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第１山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向下流側に隣接する前記下部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向上流側の斜面と重なり合うように係合する、請求項９に記載の動圧型気体軸受。 - 前記下部バンプフォイルと前記上部バンプフォイルとは、重なり合うパターンをすべり方向に沿って繰り返すように配置され、
この重なり合うパターンは、前記下部バンプフォイルの第１山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの第1山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第１山からすべり方向に３つ目の第２山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第１山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第２山のすべり方向下流側の斜面と重なり合い、且つ前記下部バンプフォイルの前記第２山からすべり方向に２つ目の第３山のすべり方向上流側の斜面が、前記上部バンプフォイルの前記第２山とすべり方向に隣接する前記上部バンプフォイルの第3山のすべり方向下流側の斜面と重なり合うように係合する、請求項９に記載の動圧型気体軸受。 - 前記上部バンプフォイルは、前記ハウジングの周方向に分割され、各分割部は、その一端が前記ハウジングの内面に固定され、前記上部バンプフォイルの山の高さは、前記回転部材の前記ハウジングに対するすべり方向下流側に向かって高くしている、請求項９ないし請求項12のいずれか１項に記載の動圧型気体軸受。
- 請求項１ないし請求項13のいずれか１項に記載の動圧型気体軸受によって支承された回転軸と、この回転軸に連結され、単段でラジアルタイプのガスタービンと、このガスタービンに燃焼ガスを供給するための燃焼室と、この燃焼室に圧縮空気を送出するための、単段で遠心型の圧縮機と、前記回転軸に連結され、前記回転軸の回転により発電を行うための発電機とを有することを特徴とするマイクロガスタービン。
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