JP4485729B2 - ターボマシンで軸方向スラストを補償する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前提部分に記載の、ターボマシンで軸方向スラストを補償する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このようなタイプの一般に知られた装置によって、補償ピストンの使用の下で、ターボマシンに生じる軸力を補償しなければならない。このような軸力はタービン及び圧縮機に生じる。力の補償を改善するために、複数の補償ピストンは、段を有する装置に設けられている。蒸気タービンの個々の段の働きは、これらの段に支配的である対応の圧力が加えられる複数の環状面が設けられていることによって、最適化される。このためには、段から延びている補償導管が必要となり、更に、これらの段の働きは適切なシールによってシミュレートされねばならない。このようなコストのかかる装置によってスラストの補償は可能ではあるが、しかし、基本的には、従来のスラスト軸受も必要である。
【０００３】
DE-GM 17 01 436からは、補助装置として形成されておりかつスラスト軸受に追加してある軸力補償装置が知られている。標準の作動では、スラスト軸受は軸力を吸収する。スラスト軸受の過負荷の場合にのみ、すなわち、タービンロータの軸方向運動が大きい場合に、軸力を部分的に補償する装置が作動される。
DE C 541 079からは、軸力の部分的な補償が補償ピストンによって達成されてなる蒸気タービンが公知である。この公報では、補償ピストン、軸方向シール及び半径方向シールによって区画された空間は、圧力の低い段又は復水器に接続されている。取分けタービンの空転中に及び断続的な作動状態の際にシールの損傷を防止するためには、蒸気タービンのロータを外力によってシールから押し退ける装置が必要である。同じ出願人のために提出されたDE 44 22 594 A1からは、タービンハウジングを密閉するための少なくとも２つのスライドリングシールを有する復水タービンが公知であり、この復水タービンでは、スライドリングと、ロータと共に回転するカウンタリングとの間のギャップが復水タービンの熱膨張に依存していない。発生する長手方向変化は、カウンタリングが、ばね荷重式に、スライドリングの方へ押圧されることによって、補償される。従って、軸力を、DE 44 22 594から公知の密閉装置によって、自動的に制御することはできない。このことは、復水タービンの排気側から２つのスライドリングシールと補償ピストンによって区画される空間へと延びる補償導管によって、なされる。更に、この復水タービンは、補償されない軸方向スラストを吸収するための少なくとも１つのスラスト軸受を必要とする。WO 99/30007からは、補償ピストンを有し、ブラシシールがこの補償ピストンに設けられてなるタービンが公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
明細書導入部に記載されたタイプの装置であって、ターボマシンの効率の場合に単純な構造であるのに著しい損失なしに軸方向スラストの出来る限り完全な補償を可能にする装置を提供するという課題が提示される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明に従って、請求項１に記載の特徴によって解決される。このような特徴によれば、補償ピストンの端面と、ハウジングとの間には、操作による羽根車の軸方向移動に対応して可変である軸方向ギャップ幅を有する軸方向シールが設けられている。補償ピストンには、軸方向ギャップ幅に従って補償チャンバ内で支配的である圧力が加えられている。本発明に係わる装置は、軸方向シール、半径方向シール、ハウジング及び補償ピストンによって区画された環状空間と、ロータ及びハウジングによって区画された他の空間と、補償導管とのみを必要とする。スラスト軸受は不要である。この簡単な構造にも拘わらず、ターボマシンのいずれの作動状態でも、軸力の完全な補償がなされる。
【０００６】
羽根車の僅かな軸方向移動でさえ、同様にロータに結合された補償ピストンによって、軸方向でのギャップ幅の変化をもたらす。このことによって引き起こされた、軸方向シールの密閉作用に及ぼす影響は、ピストン面に作用する圧力を変化させる。本発明に係わる密閉装置はこの面での自動化された圧力制御をもたらす。この圧力制御の際には、羽根車の軸方向位置が自動的に調節され、羽根車の軸力の、補償ピストンの軸力による完全な補償がなされる。スラストのこのような自動制御補償のためには、優れた密閉作用を有する軸方向シールを用いることが必要である。何故ならば、そうでなければ、ロータの軸方向運動が余りに大きいからである。
【０００７】
軸方向シール及び半径方向シールの夫々の直径はターボマシンの機能的直径に従って選定されている。
これらのパラメータの選択が正しい場合に、軸方向シールの軸方向ギャップが極めて狭くても、補償チャンバ内に、ターボマシンのほぼ入口圧力が調整される。他方、ギャップが非常に大きい場合には、補償導管に基づいて、補償チャンバ内にターボマシンの出口圧力が作用する。従って、可能な推力の極端な数値さえもカバーされる。
【０００８】
すべての可能な推力の補償を行なうことができるために、軸方向シール及び半径方向シールの密閉作用が互いに調整されている。
軸方向シールがスライドリングシール又はブラシシールとして形成されていることは好ましい。スライドリングシール又はブラシシールの使用は、タービンロータの僅かな移動のみをもたらす剛性の密閉装置を生じさせる。
軸方向シールには、広い基本ギャップ幅を有する他の軸方向シールが並設されている。
この並設されたシールは安全シールとして用いられる。このシールは、より広い基本ギャップ幅の故に、メインシールが故障したときにはじめて用いられる。
断続的な作動状態を守るために、ロータにはスラスト軸受が割り当てられている。スラスト軸受は、そのギャップ幅の故に、密閉チャンバが極端に開くときにのみ、用いられ、通常の作動の場合には、軸力を伝達せず、摩擦損失も引き起こさない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態及び図１乃至５に描かれた略図に基づいて、本発明に係わる装置を記述する。図１はロータ２とハウジング３とを有するターボマシン１の部分領域を示している。ハウジング３とロータ２との間には、図１に示されていないガイドリング及び羽根車が、参照符号４が付された領域に設けられている。ハウジング３に結合されているガイドリングと、ロータ２に結合されている羽根車とには、短管５を通して供給されかつ入口圧力ｐ_１を有する媒体が貫流される。媒体は、羽根車を貫流した後に、出口圧力ｐ_２を有する。
【００１０】
補償チャンバの中で回転するディスクは、同様にロータ２と結合されており、半径方向シール７及び軸方向シール８と共に補償ピストン９を形成する。補償ピストン９に基づく圧力は、空間１１へ通じる補償導管１０によって、保証される。この空間には出口圧力ｐ_２が加えられている。例えばブラシシールとして形成されている軸方向シール８は、参照符号ｄｋが付された所定の直径をもって設けられており、ハウジング３に取着されている。この軸方向シールは、補償ピストン９の側面から、軸方向ギャップ幅ともいうギャップ幅Ｓをあけている。このギャップ幅Ｓは、羽根車及びロータ２の、矢印方向Ｆａｘへの推進(Schubbewegung)の際に、推進分だけ狭められる。何故ならば、補償ピストン９が推進を共に実行するからである。軸方向シール８は非常に「剛性をもって」設計されているので、軸方向シールの密閉性は、ギャップ幅Ｓが僅かに変化しただけでも、かなりな程度変化する。ギャップ幅Ｓが狭められると、補償チャンバ６内の圧力は、ほぼ、入口圧力ｐ_１の圧力レベルに達する。ギャップ幅Ｓが大きいとき、補償導管１０に基づいて、補償チャンバ６内で出口圧力ｐ_２に等しい圧力が調整される。ターボマシンの機能的直径ｄｉ及びｄｍ（ブレードの内径及び中間の直径）は、この場合、軸方向シールの直径ｄｋと、半径方向シールの、図１に示さない直径ｄｚとに調整され、それ故に、使用の際のすべての極端な作動状態が含められる。完全に自動制御の工程によって、推進(Laufweg)力が常に補償される。それ故に、力の均衡は軸方向スラストが変動しても、常に保たれている。
【００１１】
図２は、入口圧力ｐ_１下で供給される媒体用の短管５を有するハウジング３の部分図を示している。ブレードの中間直径ｄｍを有する羽根車４には媒体が貫流する。このことは矢印方向Ｆ_ａｘでの軸方向スラストをもたらす。補償ピストン９は補償チャンバ６に突入しており、外径ｄｚとハウジング３との間には半径方向シール７が設けられている。この実施の形態では、軸方向シール８は、軸方向に作用するスライドリングシールとして形成されている。このスライドリングシールは、流体による支持で互いに向かって摺動する一体的なシールからなる。スライドリング１２はハウジング３に割り当てられており、カウンタリング１３はギャップ幅Ｓを形成しつつ補償ピストン９に割り当てられている。軸方向シール８及び半径方向シール７の密閉作用を正確に調整するとき、ここでも、図１に対して記述された制御工程が達成される。
【００１２】
図３に示した部分図は、補償ピストン９とハウジング３の間にギャップ幅Ｓをあけて半径方向内側に設けられた軸方向シール８を示している。信頼性を高めるために、安全シールとして作用しかつ軸方向シール８よりも大きなギャップ幅Ｓａを有する他の軸方向シール８ａが半径方向外側に設けられている。従って、この軸方向シール８ａは、軸方向シール８の故障のときはじめて、用いられる。メインシール８の機能をモニタするために、チャンバ６ａ内の圧力が測定され、出口圧力ｐ_２と比較される。
【００１３】
図４には、軸方向シール８及び８ａは軸方向に互いに並んで設けられている。万一軸方向シール８が故障したとき初めて、より大きなギャップ幅Ｓａを有する軸方向シール８ａが用いられる。メインシール８の機能をモニタするために、チャンバ６ａ内の圧力が測定され、出口圧力ｐ_２と比較される。
【００１４】
図１に示した実施の形態の部分が図５に示されている。図１に対する実施の形態では、図５に、断続的な作動工程を守るために、スラスト軸受１４が設けられている。ギャップ１５及び１６の故に、噴射式潤滑装置を含むスラスト軸受は、スラスト軸受が極端な作動状態でのみ用いられるように、設計されている。かくて、この軸受の、他の場合には通常の損失が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 密閉装置を有するターボマシンの部分領域の縦断面図を示している。
【図２】 他の密閉装置を有する、図１に示した縦断面図を示している。
【図３】 半径方向に設けられた２つの軸方向シールを有する部分図を示している。
【図４】 軸方向に設けられた２つの軸方向シールを有する部分図を示している。
【図５】 スラスト軸受を有する、図３に示した装置を示している。

Claims (8)

1. ターボマシンのロータ（２）とハウジング（３）と間で作用する半径方向シール（７）を具備し、前記ロータ(２)と前記ハウジング（３）との間に作用する軸方向シール（８）を具備し、前記ロータ（２）に取着された補償ピストン（９）を具備し、この補償ピストン（９）、前記ハウジング（３）、前記半径方向シール（７）及び前記軸方向シール（８）は、補償チャンバ（６）を区画しており、前記軸方向シール（８）の軸方向ギャップ幅（Ｓ）は、操作による前記ロータ（２）の軸方向移動に対応して可変であり、更に、前記ターボマシンの低圧領域と、軸力を補償する装置との間で圧力の補償を引き起こす補償装置を具備する、ターボマシンで軸方向スラストを補償する装置において、
   前記軸方向シール（８）は、前記補償ピストン（９）の側面と、前記ハウジング（３）との間に設けられていること、前記軸方向ギャップ幅（Ｓ）に従って前記補償チャンバ（６）内で支配的である圧力が、前記補償ピストン（９）に加えられていること、及び、前記補償導管（１０）は、前記補償チャンバ（６）と環境の間に設けられかつ前記ハウジング（３）及び前記ロータ（２）によって区画されている他の空間に、出口圧力（ｐ_２）を加えること、を特徴とする装置。
2. 前記軸方向シール及び前記半径方向シールの夫々の直径（ｄｋ及びｄｚ）は、ターボマシンの機能的直径（ｄｉ及びｄｚ）に従って選定されていること、を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記軸方向シール（８）及び前記半径方向シール（７）の密閉作用が互いに調整されていること、を特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記軸方向シール（８）は、スライドリングシールであること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の装置。
5. 前記軸方向シール（８）は、ブラシシールであること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の装置。
6. 前記軸方向シール（８）は、狭いギャップ幅を有する適応性のあるシールであること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の装置。
7. 前記軸方向シール（８）には、広い基本ギャップ幅を有する他の軸方向シール（８ａ）が並設されていること、を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の装置。
8. 断続的な作動状態を守るために、前記ロータ（２）にはスラスト軸受（１４）が割り当てられていること、を特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載の装置。

Images