JP4557584B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、軸受された第１の軸の片持ち支承端部に固定された少なくとも１個のロータと、カップリングを介してロータとは反対側の第１の軸の端部に連結された電気機械の電気ロータとを備えたターボ機械に関する。

実際に知られているこの種のターボ機械の場合には、軸が、それに固定されたロータおよび電気機械の電気ロータと共にそれぞれ別個に軸受される。この場合、電気機械の軸受は、電気ロータの両側に配置されている。電気機械のケーシングの軸受シートの製作精度の要求は、非常に高い。これは、特に高速回転する高精度ころがり軸受または気体軸受の使用の場合に重要である。この種の軸受は、両軸受相互のきわめて高い整列精度を必要とするので、公知の構造は、非常に複雑でコストがかかる。更に、精密製作した場合でも、関与するすべてのロータ部品およびケーシング部品の整列精度が、運転中しばしば、ロータとケーシングの逆向きの熱ひずみによって再び悪くなる。なぜなら、高速回転する電気機械において、多量の熱が発生するからである。

そこで、本発明の根底をなす課題は、軸受装置が簡単に形成され、それにもかかわらず高いターボ回転数で非常に静かな回転が保証される、冒頭に述べた特徴を有するターボ機械を提供することである。

この課題は、本発明に従い、電気ロータが、第１の軸と、回転可能に軸受された第２の軸との間に配置され、この第２の軸が、第１の軸と一直線上に設けられ、かつ同様に別のカップリングを介して電気ロータに連結されており、電気ロータが、固有の軸受を備えないで、両カップリングの間のカップリング中間部材として配置され、かつカップリング要素を備え、このカップリング要素が、電気ロータを軸受するために第１の軸と第２の軸の軸端部のカップリング相手方要素と相対回転しないように半径方向に遊びなく連結されていることによって解決される。この場合、電気機械の電気ロータが固有の軸受なしにカップリングを介して軸に支持されているので、電気機械の電気ロータのコストのかかる軸受装置が不要である。従って、電気ロータを軸受する際の上記の整列問題がもはや存在しない。これによって、本発明によるターボ機械の軸受シートの組み立てと配向が非常に簡単になる。

好ましくは、電気ロータとは反対側の第２の軸の端部に、同様にロータが片持ち支承されて固定されている。ターボ機械の第２段は、付加的な軸受を必要としない。公知のターボ機械と比べて、軸受装置が非常に簡単になる。本発明によるターボ機械は、フレキシブルに使用可能である。例えば、カップリング中間部材は、電気モータ、ジェネレータまたはモータ／ジェネレータ−切換え機械の電気ロータとして形成可能である。従って、本発明によるターボ機械は、電気機械と組み合わせて、それぞれ、モータを備えたターボ圧縮機としてあるいはジェネレータを備えた膨張タービンとして１段または２段に形成可能である。更に、ターボ機械は、それぞれ圧縮機ロータとタービンロータを備えることができ、圧縮機側の出力が超過した場合にはモータ電動機によって運転することができ、タービン側の出力が超過した場合にはジェネレータによって運転することができる。この場合、出力超過が不安定であるときには、モータ／ジェネレータ−切換え機械を使用することができる。

好ましくは、両カップリングは、軸方向の補償を可能にするそれぞれ１つの二重ダイヤフラムカップリングとして形成されている。これによって、半径方向の遊びのない配置と同時に、例えば熱ひずみに基づく電気ロータの軸方向の移動を補償する簡単な構造が得られる。二重ダイヤフラムカップリングは、電気機械の電気ロータと別々にバランス調整され、それによって５０００回転／分までおよびそれ以上の高いターボ回転数の場合の運転に特に適している。

各々の軸は、好ましくはその軸受と共に、それ自体閉じた機構グループを形成している。これによって、簡単かつ低コストの予備製作が可能である。この場合、両軸の軸受は、それぞれ軸方向と半径方向の力を受け止めるための、互いに離隔された少なくとも２個の軸受を備えている。軸の軸受は、高精度ころがり軸受または気体軸受された軸受支持体を備えている。このころがり軸受または軸受支持体は、製作コストが比較的に安価であると共に、きわめて高い回転精度を保証する。

次に、１つの実施の形態を示す図に基づいて本発明を説明する。図は、本発明によるターボ機械の縦断面を示している。ターボ機械は、ロータ１を備えている。このロータは、軸受された第１の軸２の片持ち支承端部に固定されている。部分的に示した電気機械４の電気ロータ３は、カップリング５を介して、ロータ１とは反対側の第１の軸２の端部に、一直線に並ぶように連結されている。電気ロータ３は、第１の軸２と、回転可能に軸受された第２の軸６との間に配置されている。この第２の軸は、第１の軸と一直線上にあり、同様にカップリング５′を介して電気ロータ３に接続されている。電気ロータ３は、固有の軸受なしに、カップリング５，５′の間にカップリング中間部材として配置され、カップリング要素７，７′を備えている。このカップリング要素は、半径方向に遊びのない連結のために軸端部のカップリング相手方要素８，８′と協働する。カップリング要素７，７′とカップリング相手方要素８，８′が互いに相対回転しないように連結されているので、電気ロータ３とロータ１は、同じ回転数で運転される。ロータ１が両カップリング５，５′を介して両軸２，６に支持されているので、電気ロータ３の別個の軸受が不要である。これによって、ターボ機械の軸受に関する製作コストが大幅に低減される。これと同時に、高いターボ回転数での非常に静かな回転が達成可能である。というのは、両軸２，６の軸受部９，９′が電気ロータ３から大きく離れており、従って電気ロータ３の熱の発生による影響が小さいからである。本実施の形態では、電気ロータ３とは反対側の第２の軸６の端部に、同様に、ロータ１′が片持ち支承されて固定されている。ターボ機械のこの二段構造は、特に、第２段が付加的な軸受を必要としないという利点がある。実際に知られている二段型ターボ機械の軸受と比べて、軸受装置が大幅に簡単化される。ターボ機械は、フレキシブルに使用可能である。なぜなら、カップリング中間部材３が電気モータまたはジェネレータのロータとして形成可能であるからである。従って、ターボ機械は、接続された電気機械４と組み合わせて、それぞれモータを備えたターボ圧縮機としてあるいはジェネレータを備えた膨張タービンとして運転可能である。更に、両ロータ１，１′によってそれぞれ圧縮機とタービンを運転することができる。この場合、電気機械４は、圧縮機側の出力が超過した場合にはモータとして形成され、タービン側の出力が超過した場合にはジェネレータとして形成されている。出力超過が不安定である場合には、カップリング中間部材３は、モータ／ジェネレータ−切換え機械の電気ロータ３として形成可能である。

実施の形態では、カップリング５，５′は、軸方向の補償を可能にする二重ダイヤフラムカップリングとして形成されている。このカップリング５，５′は、簡単な構造を有する。このカップリングは、例えば熱膨張に基づくカップリング中間部材３の軸方向の移動を補償し、カップリング中間部材３は、両軸２，６に遊びのないように半径方向に支持される。二重ダイヤフラムカップリング５，５′は、カップリング中間部材と共に別々にバランス調整可能であるので、５０，０００回転／分およびそれ以上までの高い回転数のために非常に適している。本実施の形態では、各々の軸２，６は、その軸受９，９′と共に、閉じた機構グループ（アセンブリ）１０，１０′を形成している。この場合、軸受９，９′は、それぞれ、軸方向と半径方向の力を受け止めるための互いに離隔された３個のアンギュラコンタクトボールベアリング１１を備えている。機構グループ１０，１０′は、ターボ機械のコスト的に望ましい予備製作、ひいては簡単な最終組み立てを可能にする。アンギュラコンタクトボールベアリング１１は、それぞれ、低コストの高精度ころがり軸受として形成されている。これによって、気体軸受された軸受支持体による軸受が不要となる。

本発明によるターボ機械の縦断面を示す。

１ ロータ
２ 第１の軸
３ 電気ロータ
４ 電気機械
５，５′ カップリング
６ 第２の軸
７，７′ カップリング要素
８，８′ カップリング相手方要素
９，９′ 軸受
１０，１０′ 機構グループ

Claims (6)

1. 軸受された第１の軸（２）の片持ち支承端部に固定された少なくとも１個のロータ（１）と、カップリング（５）を介してロータ（１）とは反対側の第１の軸（２）の端部に連結された電気機械（４）の電気ロータ（３）とを備えたターボ機械において、電気ロータ（３）が、第１の軸（２）と、回転可能に軸受された第２の軸（６）との間に配置され、この第２の軸が、第１の軸（２）と一直線上に設けられ、かつ同様に別のカップリング（５′）を介して電気ロータ（３）に連結されており、電気ロータ（３）が、固有の軸受を備えないで、両カップリング（５，５′）の間のカップリング中間部材として配置され、かつカップリング要素（７，７′）を備え、このカップリング要素が、電気ロータ（３）を軸受するために第１の軸（２）と第２の軸（６）の軸端部のカップリング相手方要素（８，８′）と相対回転しないように半径方向に遊びなく連結されていることを特徴とするターボ機械。
2. 電気ロータ（３）とは反対側の第２の軸（６）の端部に、同様にロータ（１′）が片持ち支承されて固定されていることを特徴とする、請求項１記載のターボ機械。
3. カップリング中間部材（３）が、電気モータ、ジェネレータまたはモータ／ジェネレータ−切換え機械の電気ロータとして形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載のターボ機械。
4. 両カップリング（５，５′）が、軸方向の補償を可能にするそれぞれ１つの二重ダイヤフラムカップリングとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のターボ機械。
5. 各々の軸（２，６）が、その軸受（９，９′）と共に、それ自体閉じた機構グループ（１０，１０′）を形成していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のターボ機械。
6. 軸（２，６）の軸受（９，９′）が、高精度ころがり軸受または気体軸受された軸受支持体を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のターボ機械。
   

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