JP4028597B2 - タービン用の磁気軸受 - Google Patents

Description

本発明は、軸が磁気式に支持されており、その各軸受がこの軸に結合された第１の軸受部分と第２の固定軸受部分とを有しているタービンに関する。
発電機および作業機械を駆動するためにタービン、特にガスタービンあるいは蒸気タービンが広く使用されている。タービン軸の回転運動を発生するために燃料の含有エネルギーが利用される。タービン軸は普通は発電するための発電機あるいは作業機械に連結されている。軸受に必然的に生じタービンの効率を低下する損失を小さくするために、場合により非常に高速回転する軸に対して高価な軸受が必要である。
一般に蒸気タービンあるいはガスタービンの軸は油潤滑形の滑り軸受あるいは球軸受によって支承されている。軸受の潤滑および冷却は、ポンプによって油冷却器および鎮静室付きの油槽を介して軸受に導かれる鉱物油あるいは難燃性の液体により行われている。しかしこの種の高価な潤滑方式においても摩擦、ポンプ駆動および放熱によってかなりの損失が生ずる。例えば出力３．５ＭＷの蒸気タービンでは、この種の損失は総合出力の約１．５％となり、これは他の要因もあるが特に発電所の達成可能な総合効率を制限する。更に軸受の潤滑のために油を使用することおよび従って生じ得る油配管の破裂によって、火災が発生する危険が増大する。
これに対して磁気軸受は可動部品を非接触式で摩耗なしに支持することおよび例えば油のような可燃性の潤滑剤を不要にすることを可能にする。その場合ロータはこれを包囲する外側室から気密に例えば真空密に分離させられる。タービン軸を支承する際に発電所の総合効率を高めると同時に火災発生の危険を減少するために磁気軸受を利用することは、例えばドイツ特許第４２２７２８０号明細書で知られている。
一般的なあるいは標準的な磁気軸受の構想は、ステータの静止電磁石と軸と一緒に回転するロータの強磁性要素との間における磁力に基づいている。この種の磁気軸受の場合、磁力は常に吸引力である。その結果として原理的には三つのすべての空間方向における本質的に安定した軸受は得られない（「ケンブリッジ物理学会会報１８４２、第７号、第９７頁に掲載の論文“アーンショーの定理”参照）。従ってこの種の磁気軸受は、位置センサおよび制御回路を介して電磁石の励磁電流を制御しロータの設定位置からの変位を拒む能動的な軸受制御を必要としている。この種の多重チャンネルで実施される制御は高価なパワー電子回路を必要とする。制御回路の突然の故障に対処するために、設備の運転安全性を保証するために追加的に機械式控え軸受を設ける必要がある。この緊急時の対策に基づいて制御機構並びに控え軸受を設けることは、タービン軸に対して磁気軸受を使用する場合に（設備に関して並びに保守点検に関して）経費を増大するので、それによって得られる利点は油潤滑式滑り軸受における通常の軸受と比べて大部分が相対化されてしまうおそれがある。
本発明の課題は、軸が磁気式に支持されているタービンを、滑り軸受に比べて磁気軸受の原理の利点を十分に利用し、同時に通常の磁気軸受の上述の欠点を除去するように形成することにある。またこれをできるだけ安価な経費で達成しようとするものである。
この課題は、冒頭に述べた形式の軸が磁気式に支持されているタービンにおいて、タービン軸に結合された第１の軸受部分に永久磁石要素が設けられ、第２の固定軸受部分が超伝導性の高温超伝導材料を有し、タービン軸が少なくとも一つの冷却媒体用の冷却材通路を有していることによって解決される。
本発明は、永久軸受材料と超伝導材料とが対を成して組み合わされている磁気軸受において本来の安定した軸受が達成されるという考えから出発している。その場合、永久磁石要素を超伝導要素と対を成して組み合わせた場合にこれら両要素の相対位置が変化する際に磁界の変化の結果として超伝導要素内に遮蔽電流が誘導されるという理論に基づいている。その結果において生ずる永久磁石要素と超伝導要素との間の力は反発力並びに吸引力である。しかしこれらの力は基本的にはそれが両要素の相対位置の変化を拒むように向けられている。これによって永久磁石要素を有する軸受部分と超伝導性の高温超伝導材料を有する軸受部分によってタービンの軸を支持する際に、有利なことに、軸が設定位置からそれると復帰磁力を生じさせることができる。ここでは一般的な磁気軸受と異なって高価で故障し易い制御装置は省略できる。従ってこの種の軸受は設置および運転に関してコスト的に有利に実現できる。
高温超伝導材料の超伝導状態を維持するために、超伝導材料を有する軸受部分を冷却する必要がある。高温超伝導材料の超伝導転移温度が明らかに８５Ｋより高いので、超伝導状態の維持は冷却材として液体窒素を利用して超伝導材料を７７Ｋの温度まで冷却することによって行われる。この比較的高価な冷却を確実に保証するために、超伝導性の高温超伝導材料が第２の固定軸受部分に配置され、永久磁石要素がタービン軸に結合された第１の軸受部分に設けられている。これによって液体窒素による超伝導材料の冷却は簡易化される。
更にタービン軸は少なくとも一つの冷却媒体、特に冷却水用の冷却材通路を有している。これによってタービン軸の冷却が可能にされるので、永久磁石要素あるいは超伝導材料の加熱も避けられる。
タービンの運転状態において５００℃以上に達する高温タービン軸から永久磁石要素あるいは高温超伝導材料への熱伝達を減少するために、本発明の有利な実施態様においては、タービン軸に結合された第１の軸受部分が、タービン軸と永久磁石要素との間に設けられている絶縁要素を有している。これによって、高温タービン軸の熱放射によって永久磁石要素がキュリー温度以上の温度に加熱されること（これは磁化の損失を生じるおそれがある）、あるいは超伝導材料が超伝導転移温度以上の温度に加熱されること（これは超伝導状態を崩壊するおそれがある）が避けられる。
冷却された超伝導材料の周囲における空気の湿気に基づく氷結を避けるために、タービン軸に結合された第１の軸受部分とタービン軸の第２の軸受部分との間に存在する軸受間隙が負圧特に真空圧にされていると有利である。
本発明の他の有利な実施態様においては、第１の軸受部分と第２の軸受部分との間に存在する軸受間隙に乾燥したガス特に窒素ガスを導入するための導入管が、タービン軸の第２の固定軸受部分に配置されている。
更に少なくとも一つの軸受の永久磁石要素が永久磁石構造部品と強磁性構造部品から複合され、それらの構造部品が互いに隣接する２つの永久磁石構造部品の間の永久磁石構造部品の磁化方向が逆転されるように交互に配置されると有利である。この種の構造における軸受はラジアル軸受並びにスラスト軸受として作用する。
本発明によって得られる利点は特に、それぞれ永久磁石要素および超伝導性の高温超伝導材料を有する磁気軸受を利用することによって、タービン軸を摩擦なしに本質的に安定して軸受できることにある。
以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
図１は軸が磁気式に支持されているタービンの断面図、および
図２は図１の一部（前軸受の軸に結合された第１の軸受部分と第２の固定軸受部分）の拡大詳細図である。
両図において同一部分には同一符号が付されている。
図１におけるタービン１は軸２を有している。その場合タービン１は例えば蒸気タービン従って背圧タービン、復水タービン、抽気タービンあるいは中央流入タービンであるかあるいはガスタービンであってもよい。タービン１の運転中に高速回転する軸２は二つの軸受即ち前軸受３と後軸受４で支承されている。これら両軸受３、４はそれぞれ軸に結合された第１の軸受部分３ａ、４ａと第２の固定軸受部分３ｂ、４ｂを有している。軸２は一端５に発電機（図示せず）が結合され、この発電機は軸２の回転によって駆動される。
軸２を冷却するために前軸受３および後軸受４の範囲にそれぞれ冷却材通路６、７が設けられている。これらの冷却材通路６、７は冷却材としての水によって貫流される。これによってタービン１の運転中においてタービン軸２の表面温度は約５００℃から約５０〜１００℃に下げられる。軸２の前軸受３の範囲において冷却水通路６の中に冷却水を導入するために導入管８が設けられている。この導入管８は軸方向に配置され、タービン軸２に固く結合されたハウジング部分９によって冷却水室１０に通じている。回転しない導入管８と軸２と一緒に回転するハウジング部分９との間の範囲１１はパッキン（図示せず）によって密封されている。
タービン１を運転する際に導入管８によって冷却水が冷却水室１０に導入される。軸２の回転に基づく遠心力によって冷却水は冷却水通路６の中に圧入され、これを貫流する。冷却水は流出開口１２を通って冷却水通路６から出て、集合室１３の中に流入する。集合室１３の下部範囲に冷却水排出管１４が配置され、冷却水はこの冷却水排出管１４を通ってタービン範囲から排出される。軸受要素３ａ、３ｂを備えた軸受３の範囲への冷却水の侵入が防止されるように、集合室１３は密封装置１５によって軸受３の範囲から分離されている。
タービン軸２の後軸受４の範囲において冷却水通路７に冷却水を導入するために、冷却水導入管２０が偏心配置して設けられている。軸２の軸方向範囲に発電機がフランジ結合されているので、この範囲において冷却水導入管２０を軸方向に配置することはできない。冷却水導入管２０を通して導入された冷却水は冷却水室２１に到達する。冷却水室２１のハウジング２２を貫通して冷却水導入管２０を延ばすために環状の間隙２３が設けられているので、ここでは完全に密封することはできない。しかしタービン軸２の回転運動に基づく遠心力によってここでも、冷却水導入管２０によって冷却水室２１に導入された冷却水は半径方向外側に圧送される。従って冷却水は冷却水通路７の中に到達する。冷却水は冷却水通路７の流出開口２５を通って集合室３０の中に流入する。この集合室３０の下部範囲に冷却水出口３１が配置されている。
従って前後の両軸受３、４の範囲においてタービン軸２に冷却水を貫流させることができる。一方あるいは両方の軸受の冷却水回路は開放形あるいは密閉形にされる。水の代わりに他の冷却材例えば油も利用できる。
タービン軸２の両軸受３、４の構造は基本的に同一であり、従って図２で前軸受３の例についてだけ具体的に説明する。冷却水通路６を有するタービン軸２にこれに結合された第１の軸受部分３ａが配置されている。これは永久磁石要素４０および絶縁要素４１を有している。絶縁要素４１は例えばポリウレタンフォームあるいはポリスチロールフォームあるいは鉱物性の繊維材あるいは粉末材から成る熱伝導性の悪い材料で構成されている。軸２に円板状の保持装置４２が取り付けられている。この保持装置４２は非磁性の支持管４３を支持している。支持管４３に永久磁石要素４０が配置されている。タービン軸２から永久磁石要素４０への熱伝達を最小にするために、タービン軸２と支持管４３との間に絶縁要素４１が設けられている。永久磁石要素４０は永久磁石構造部品５０ａ〜５０ｄおよび強磁性構造部品５１ａ〜５１ｄを有している。これらの積層板状の構造部品５０ａ〜５０ｄ、５１ａ〜５１ｄは、永久磁石構造部品および強磁性構造部品が交互に連続するように配置されている。特に材料Ｎｄ、Ｂ、Ｆｅを含む合金から成り保磁力が少なくとも０．８×１０⁶Ａ／ｍである永久磁石構造部品５０ａ〜５０ｄは、矢印で示されているようにタービン軸２の軸線に対して平行に交互に逆向きにされた磁化Ｍを有している。構造部品５１ａ〜５１ｄの強磁性材料は磁束を軸受部分３ａの円筒状外側面に集中するために使用される。これによって軸受３の支持力が高められる。磁化Ｍを交互に極性づけることによって、軸受３は半径方向並びに軸方向に安定している。
第２の固定軸受部分３ｂはハウジング６０内に配置されている。ハウジング６０に保持装置６１が取り付けられている。保持装置６１は熱伝導性の悪い材料特にステンレス鋼から成り、支持管６２に配置された超伝導性の高温超伝導材料から成る要素６３を支持している。高温超伝導材料として好適にはＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇−ｄが用意される。支持管６２に冷却管６４が設けられている。それに代えて支持管６３を液体窒素用の環状タンクで包囲することもできる。高温超伝導材料への熱の侵入を減少するために支持管６２に熱伝導性の悪い材料例えばポリスチロールフォームから成る絶縁要素６６が配置されている。高温超伝導材料が約７７Ｋの温度を有するように、冷却管６４は液体窒素で貫流されている。従って高温超伝導材料は超伝導状態にあるので、永久磁石要素４０が超伝導材料の超伝導要素６３に対して相対位置を変化した際に遮蔽電流が流れる。これによって超伝導要素６３に対する永久磁石要素４０の位置変化を拒む磁力が発生される。この力によって永久磁石要素４０は超伝導要素６３に関して自動的に元の位置に置かれる。これによって本質的に安定した支持が可能とされる。
冷却管６４を貫流する液体窒素は密閉冷却材回路の中に存在している。固定軸受部分３ｂに配置された導入管６８によってガス状の乾燥窒素Ｎが矢印で示すようにタービン軸２に結合された第１の軸受部分３ａと第２の固定軸受部分３ｂとの間の軸受間隙７０内を案内されるので、これによって生ずる乾燥窒素の貫流によって軸受間隙７０への湿った空気の侵入が避けられる。この代わりに軸受間隙７０が負圧特に真空にされる。これによって湿気を含む大気が軸受間隙７０の中に侵入し、冷却された超伝導材料に接近して氷結してしまうことが避けられる。
タービン軸２を設定位置に置くために有利にはリフト装置（図示せず）が設けられる。その場合タービン１が停止しているとき、リフト装置がタービン軸２を設定位置より上側の所定の位置に支持する。磁気軸受３、４を始動するために超伝導材料の冷却が活動されて、超伝導状態が形成される。それからリフト装置によってタービン軸２が僅かに下ろされる。これによって軸受部分３ａ、３ｂ間ないし軸受部分４ａ、４ｂ間に復帰力が誘導される。この力によってタービン軸２は設定位置に保持される。それからリフト装置のリフト要素がタービン軸２から離されるので、タービン軸２は摩擦なしに支承される。
タービン１の運転安全性を高めるために前後の両軸受３、４に、これらの軸受３、４を冷却しなくてもタービン軸２の回転運動を可能にする機械的な控え軸受即ち非常用軸受を設けることができる。しかし本発明の超伝導磁気軸受３、４は制御式の磁気軸受と異なり瞬間的に休止することはない。この理由から機械式控え軸受は必ずしも必要とされない。

Claims (3)

1. 蒸気タービン或いはガスタービン用の磁器軸受であって、
   タービン軸（２）に結合された第１の軸受部分（３ａ、４ａ）と、
   ハウジング（６０）内に配置され、前記第１の軸受部分（３ａ、４ａ）を取り囲む第２の軸受部分（３ｂ、４ｂ）とを備え、
   前記第１の軸受部分（３ａ、４ａ）は、
   タービン軸（２）を取り囲むように形成された熱伝導性の悪い材料からなる絶縁要素（４１）と、
   該要素（４１）を取り囲む非磁性の支持管（４３）と、
   前記タービン軸（２）に取り付けられて前記支持管（４３）の端部を支持する円板状の保持装置（４２）と、
   前記支持管（４３）を取り囲むように設けられた永久磁石要素（４０）とからなり、
   該永久磁石要素（４０）は、永久磁石構造部品（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）と強磁性構造部品（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ）とから構成され、これら構造部品が互いに隣接する永久磁石構造部品（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）の間において、永久磁石構造部品（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）の磁化方向が逆転するように交互に配置されており、
   前記第２の軸受部分（３ｂ、４ｂ）は、
   前記永久磁石要素（４０）を軸受間隙（７０）を介して同心的に囲み、高温超伝導材料からなる超伝導要素（６３）と、
   該超伝導要素（６３）を取り囲む支持管（６２）と、
   該支持管（６２）の外周面に設けられ、液体窒素が通流する冷却管（６４）と、
   前記支持管（６２）をハウジング（６０）に結合する、熱伝導性の悪い材料からなる保持装置（６１）と、
   前記支持管（６２）の外周面とこれに対向するハウジング（６０）の内周面との間に設けられた熱伝導性の悪い材料からなる絶縁要素（６６）とからなっており、更に
   前記タービンの軸（２）に冷却材通路（６、７）が設けられ、かつ前記軸受間隙（７０）に乾燥窒素を導入するための導入管（６８）が設けられた
   ことを特徴とするタービン用の磁気軸受。
2. 第１の軸受部分（３ａ、４ａ）と第２の軸受部分（３ｂ、４ｂ）との間にある軸受間隙（７０）が大気に比べて負圧にされていることを特徴とする請求項１記載のタービン用の磁気軸受。
3. タービン軸（２）の少なくとも一つの軸受（３、４）がラジアル軸受およびスラスト軸受の作用を有していることを特徴とする請求項１又は２記載のタービン用の磁気軸受。

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