JP4099250B2 - 軸流タービン機械 - Google Patents

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性流体で動作する軸流タービン機械に関する。
詳細には、本発明は、二つ又はそれ以上の膨張又は圧縮段を備えた軸流タービン機械に関し、言い換えれば、二つ又はそれ以上の軸線方向に離間した円周列に配置された駆動ブレードを支持する回転子と、一つ又はそれ以上の円周列に配置された案内翼板を支持する固定子とを備え、案内翼板の各列が駆動ブレードの隣接する二つの列間に配置された軸流タービン機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術では、完全な回転子及び完全な固定子に組み立てられるべき複数の部分で回転子及び固定子の両方を形成することによって多段タービン機械を製造することは公知である。より大きいタービンでは、案内翼板が固定子に列で装着するための別部材として形成され、固定子は、回転子を覆うために二つの長手方向部片に分割され、それにより、案内翼板列が駆動ブレード列間に挿入される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、直径が３０〜４０ｍｍしかない寸法の小さいタービンを製造する場合には、固定子に別体の案内翼板を使用することは事実上不可能である。高圧段での案内翼板の径方向の寸法は、１ミリメートルの何分の１かの小ささであり得る。このように小さな翼板は機械加工又は鋳造加工によって固定子と一体に形成される必要がある。
英国特許第１２８７８５０号では、寸法の小さい２段タービンが開示されており、このタービンでは、回転子が２列の駆動ブレードを備えた一部材で形成されている。駆動ブレードは、円筒状の外面から延長しているので、ロータ本体からこれらを機械加工する上で問題はない。この公知のタービンは、駆動ブレード列間に配置される１列の案内翼板を備え、案内翼板がそれらの外側に設けられた二つの半円形のリング要素によって形成されている。このような構造により、案内翼板がリング要素の外面から簡単に機械加工できるようになる。
【０００４】
他方、このような従来技術の案内翼板構造は、タービンが、固定子を形成するための分割リング要素だけでなく、ハウジング内にリング要素を軸線方向にクランプするための分割スリーブ要素もまた備えるため、タービンの構造を複雑にする。また、この構造は、固定子リング要素を軸線方向にクランプするために案内翼板が駆動ブレードより径方向に大きいため、タービン内を通る好ましくない空気流軌道を生じさせる。従って、空気流軌道は、固定子内で局部的に拡大され、このため、タービン内を通過する空気流に好ましくない乱れを生じさせる。
本発明の第１の目的は、二つ又はそれ以上の膨張又は圧縮段を備え、製造及び組立の両方が安価で簡単であり、小さい寸法で製造するのに適した軸流タービン機械を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る軸流タービン機械は、ハウジング、前記ハウジングにジャーナル軸受けされ、二つ又はそれ以上の軸線方向に離間する円周列に配置された駆動ブレードを備え、これら駆動ブレードを含んだ一部材で形成された回転子、及び前記ハウジングに支持され、内面に案内翼板を支持する筒状本体によって形成された固定子を備え、前記案内翼板が一つ又はそれ以上の円周列に配置され、案内翼板の各列が前記駆動ブレードの二つの隣接する列間に配置されている弾性流体で動作する軸流タービン機械において、前記筒状本体が少なくとも三つの長手方向部材に分割され、前記案内翼板が前記少なくとも三つの長手方向部材と一体に形成され、前記筒状本体を形成するために正確に決められた相対位置で、前記長手方向部材を固定し装着する保持手段を備えていることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい一実施例を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明によるタービンの長手方向断面図である。
図２は、図１におけるII-II線断面図である。
図３は、固定子の案内翼板をフライス加工によって形成する機械加工工程を示している。
図４は、図１の長手方向断面図の一部分の拡大図である。
【０００７】
図面に示されたタービンは６段流体力モータであり、固定子１０、回転子１１及び円筒状ハウジング１２を備えている。固定子１０はハウジング１２内に動かないように固定され、回転子１１は，二つのローラ軸受け１３，１４によって、ハウジング１２内に回転可能にジャーナル軸受けされている。また、回転子１１は、不図示の減速ギヤに連結するためにスプラインが形成された出力端部１５を備えている。
【０００８】
ハウジング１２は前側部分１６と後側部分１７とを備え、これらは、ねじ連結部１８によって堅く相互に連結している。圧力空気入口通路１９が後側部分１７を貫通して、該後側部分１７の同軸上に伸びている。また、後側部分１７内には複数の平行な排気通路２０があり、これらは、前側部分１６の内壁と固定子１０との間に形成された筒状排気室２１と連通している。タービンを通過する空気流は図１に矢印で示されている。
【０００９】
固定子１０は筒状本体、即ちスリーブ２２を備え、このスリーブ２２は、内側に向いた案内翼板２３を支持している。これら案内翼板２３は、軸線方向に離間した５つの円周列Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ及びＪに配置されている。また、回転子１１には、軸線方向に離間した６つの円周列Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇ，Ｉ及びＫで駆動ブレード２４が設けられている。一般的な方法では、駆動ブレード２４及び案内翼板２３はタービンを通過する動力圧縮空気流の方向に見て交互に配置される。これにより、駆動ブレード２４の隣接する列間に案内翼板２３の列があり、これら案内翼板２３が、圧縮空気流を次に列の駆動ブレード２４に入る前に最適な方向に変える。
【００１０】
図面では、駆動ブレード２４の符号と案内翼板２３の符号とは、各々、それらが配置された円周列Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇ，Ｉ及びＢ，Ｄ，Ｆ，Ｈと組み合わせられている。
【００１１】
しかし、明細書を簡単化するために、これらの末尾符号は本文中では省略され、駆動ブレードは全て符号２４として参照され、案内翼板は全て符号２３として参照される。大きさの違いは別として、駆動ブレード２４は全て同じ機能的特徴を持つ。また、案内翼板２３も全て同じ機能的特徴を持つ
【００１２】
さらに、固定子１０は前側装着スリーブ２７及び後側カップ型ノズル片２８を備え、前記前側装着スリーブ２７は、スリーブ２２の外側を支持する。前記後側カップ型ノズル片２８は、前向きの筒状スカート部２９と後側空気入口部３０とを備え、前記スカート部２９はスリーブ２２を径方向に支持する。前記空気入口部３０には、空気入口開口３１が形成されており、この開口３１は、その一端が空気入口通路１９と連通し、また、その他端が径方向に向けられた空気供給通路３２と連通している。これら空気供給通路３２は、入口部３０からの駆動圧縮空気を複数の空気ノズル３３に送り、これら空気ノズル３３によってタービンを通過する駆動高速空気流を発生させる。また、ノズル片２８は、後側回転子軸受け１４を支持するためのソケット３４を備えている。
【００１３】
また、固定子１０は、その前端部に，リング要素３５を備え、このリング要素３５は、装着スリーブ２７を軸線方向に加えて径方向に支持する。リング要素３５には、排気室２１と連通する複数の排気開口３６が形成されている。
【００１４】
図示されたモータタービンは寸法を小さくすることを目的としており、例えば、回転子の直径は約３０〜４０mmである。従って、固定子スリーブ２２上の案内翼板２３に加えて回転子駆動ブレード２４の大きさは、各支持部に装着するために個々の別部材として製造するのは不可能な程、小さい。代わりに、駆動ブレード２４及び案内翼板２３は、回転子１１及び固定子スリーブ２２の一体部材として各々機械加工される。駆動ブレード２４は回転子本体１１の外面に配置されているので、必要な機械加工、例えば、シャンクエンドミル(shank end mill)での加工を行う上で問題はない。
【００１５】
しかし、固定子スリーブ２２の内側に案内翼板２３を形成することを可能にするために、筒状本体即ち固定子スリーブ２２は、図２に示すように三つの長手方向部材即ち分離片２２ａ，２２ｂ，２２ｃに分割される。これら分離片は、１２０゜間隔に配置された三本のシリンダ母線に沿って分割され、これにより各分離片は、円周に対して１２０゜で伸びる。
【００１６】
タービンを組み立てる時に、分離片２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、前側装着スリーブ２７とノズル片２８の筒状スカート部２９とによって、径方向に固定された関係で維持される。保持手段即ち装着スリーブ２７及びスカート部２９は、ぴったりはめ込むことで分離片２２ａ，２２ｂ，２２ｃを囲み、これにより、分離片２２ａ，２２ｂ，２２ｃの位置は筒状スリーブ本体２２を形成するように正確に決められる。固定子分離片２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、前側装着スリーブ２７の肩部３８とノズル片スカート部２９の肩部３９との間で軸線方向にクランプすることによってハウジング１２に対して固定される。クランプ力は、二つのハウジング部分１６，１７間にあるねじ連結部１８によって得られる。
【００１７】
製造公差の範囲内での個々の寸法のバラツキは、回転子軸受けにおける正確な軸線方向負荷を保証するために後側軸受け１４の後方のソケット３４内に配置された皿ばねワッシャーで補正される。
【００１８】
図３には、固定子分離片の一つ２２ａが、固定部材４０の円筒表面に堅固に固定され、シャンクエンドミル４２が装着されたフライス主軸４１が、分離片の長手方向縁部に案内翼板を機械加工するための位置にある状態を示している。分離片は、固定部材４０上に支持されたねじ４３，４４とクランプ定規４５，４６によってこの位置にクランプされる。この図に示された機械加工状態は、１８０゜に分割する固定子では、固定子分割片の縁部に隣接して案内翼板を機械加工することが不可能であることを示している。各分割片は、機械加工工具で加工するために、円周方向長さが１８０゜以下である必要がある。
【００１９】
図４に示すように、駆動ブレード２４及び案内翼板２３の自由最端は、固定子１０及び回転子１１の円筒状内面及び円筒状外面即ち、円筒状表面５０及び５１と共に各々クリアランスシールを形成する。各円周列Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｋにおける駆動ブレード２４は、固定子１０の対応する円筒状表面５０と密閉的に共働する。図１及び図４における駆動ブレード及び密閉表面の符号の末尾には、対応する円周列の符号が付与されている。
【００２０】
同じように、各円周列Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ、Ｊにおける案内翼板２３の自由最端は、回転子１１における円筒状表面５１と密閉的に共働する。図中、案内翼板及び密閉表面の符号の末尾には、対応する円周列の符号が付与されている。図４には、タービンの最後の３段部分だけが示されているが、駆動ブレード列Ｇ，Ｉ，Ｋ及び案内翼板列Ｆ，Ｈ，Ｊと、固定子１０及び回転子１１における円筒状密閉表面５０及び５１とのクリアランスシール構造は全てのタービン段で各々同じである。
【００２１】
円筒状表面５０及び５１と共に駆動ブレード２４及び案内翼板２３が各々クリアランスシールを形成するように構成することによって、クリアランスシールに影響を及ぼすことなく固定子１０に対して回転子１１を軸線方向に調整することが可能になるという利点が得られる。
【００２２】
本発明の実施例は、図示し説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲内で自由に変更できる。
【００２３】
例えば、固定子分離片の円周方向の長さは、完全に同じでなくてもよい。重要なのは、案内翼板２３が、分離片によって形成された筒状固定子本体の内側に一体に形成されることである。これを可能にするために、筒状本体２２は、三つ又はそれ以上の部分に分割されなければならず、また、各分割片の円周方向の長さが１８０゜以下である必要がある。
【００２４】
本発明の別の実施例では、固定子分割片２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、分割片の長手方向縁部に配置された外部フランジを係合連結することによって相互に固定される。この固定子分割片を固定するための方法は、より大きい二分割タービン固定子において周知である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるタービンの長手方向断面図である。
【図２】 図１におけるII-II線断面図である
【図３】 固定子の案内翼板をフライス加工によって形成する機械加工工程を示している。
【図４】 図１の長手方向断面図の一部分の拡大図である。
【符号の説明】
１０ 固定子
１１ 回転子
１２ 円筒状ハウジング
１３ ローラ軸受け
１４ ローラ軸受け
１５ 出力端部
１６ 前側部分
１７ 後側部分
１８ ねじ連結部
１９ 圧縮空気入口通路
２０ 排気通路
２１ 筒状排気室
２２ スリーブ
２２ａ〜ｃ 分割片
２３ 案内翼板
２４ 駆動ブレード
２７ 前側装着スリーブ
２８ 後側カップ型ノズル片
２９ 筒状スカート部
３０ 後側空気入口部
３１ 空気入口開口
３２ 空気供給通路
３３ 空気ノズル
３８ 前側装着スリーブの肩部
３９ ノズル片スカート部の肩部
４０ 固定部材
４１ フライス主軸
４２ シャンクエンドミル
４３ ねじ
４４ ねじ
４５ クランプ定規
４６ クランプ定規

Claims (4)

  1. ハウジング(１２)と、ハウジング(１２)にジャーナル軸受けされ、多数の駆動ブレード(２４)を備えた回転子（１１）とを有し、前記多数の駆動ブレード(２４)が一部片部材として回転子（１１）と一体に形成されかつ二つ以上の軸線方向に離間した円周列に配置され、また、ハウジング(１２)に支持され、一つ以上の円周列に配置した多数の案内翼板（２３）を支持する筒状本体(２２)によって形成された固定子(１０)を有し、案内翼板(２３)の各列が駆動ブレード(２４)の二つの隣接する列間に配置されている弾性流体作動型軸流タービン機械において、
    前記筒状本体(２２)が少なくとも三つの母線に沿って少なくとも三つの長手方向部材(２２ａ、２２ｂ、２２ｃ)に分割され、これら長手方向部材(２２ａ、２２ｂ、２２ｃ)が前記筒状本体(２２)の軸方向全長に沿ってのび、前記案内翼板(２３)が前記少なくとも三つの長手方向部材(２２ａ、２２ｂ、２２ｃ)と一体に形成され、さらに、前記筒状本体(22)を形成するために正確に決められた相対位置に、前記長手方向部材(２２ａ、２２ｂ、２２ｃ)を固定し装着する保持手段(２７、２９)を有することを特徴とする弾性流体作動型軸流タービン機械。
  2. 前記長手方向部材(２２ａ、２２ｂ、２２ｃ)の数が三つあり、各々が固定子の円周の１２０゜に亘って伸びていることを特徴とする請求項１に記載の弾性流体作動型軸流タービン機械。
  3. 各円周列(Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｇ、Ｉ、Ｋ)における駆動ブレード(２４)の自由最端が前記固定子(１０)の円筒状内面(５０)と共にクリアランスシールを形成し、また各円周列(Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ、Ｊ)における案内翼板(２３)の自由最端が前記回転子(１１)の円筒状外面(５１)と共にクリアランスシールを形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の弾性流体作動型軸流タービン機械。
  4. 前記保持手段(２７、２９)が、前記筒状本体(２２)をぴったりはめ込んで覆う少なくとも一つのスリーブ状要素を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性流体作動型軸流タービン機械。
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