JP4930151B2 - 可変ノズル機構付き膨張タービン - Google Patents
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Description
この可変ノズル機構10は、タービンインペラ12へ流入する極低温ガスのスロート面積を変化させるために用いられるノズル部材14と、ノズル部材14を駆動するために用いる駆動部材16とから構成されている。そして、ノズル部材14は、真空容器18内に設置された断熱膨張装置20に内蔵されており、駆動部材16は、機械的な信頼性を確保する観点から低温に晒されないように真空容器18の外部に配置されている。
ノズル部材14は、タービンインペラ12を囲んで配置され、それぞれ支持ピン24で揺動可能に支持された複数の可動ノズル板14aと、円筒部材22の内端に連結されかつ各可動ノズル板14aと駆動ピン26で連結された駆動円板28とから構成されており、これらは押さえバネ30によって軸心Cの方向の付勢力を受けて断熱膨張装置20に押さえつけられるようになっている。
また、駆動部材16は、円筒部材22の外端に連結されタービンインペラ12の軸心Cを中心として揺動可能な歯車32を歯車34を介して回転駆動するパルスモータ等の回転駆動装置36により構成されている。
このように、従来の膨張タービンの可変ノズル機構10では、ノズル部材14の取り外しに多くの手間と労力がかかるため、ノズル部材14の交換や点検などのメンテナンスは容易ではなかった。特に、ノズル部材14に劣化や損耗がある場合には、例えばノズルの流路面に剥離や摩耗が生じると、スロートを通過するガスの流れに漏れ等を誘発し、膨張タービンの性能に影響するようになる。
このため、メンテナンスを容易に行えて、膨張タービンの本来性能に影響を与えることのない可変ノズル機構の開発が求められていた。
本発明は、真空容器の内部に設置され、タービンインペラを内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際に前記タービンインペラを回転駆動する断熱膨張装置を有し、前記真空容器の外部に設置される駆動部材からの駆動力によって前記断熱膨張装置の外端の近傍に配置されたノズル部材を駆動することにより前記タービンインペラへ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させる可変ノズル機構付き膨張タービンにおいて、前記断熱膨張装置の本体の外端に着脱可能に当接するプレート部材を備え、前記プレート部材に前記ノズル部材の支持側が連結支持され、前記ノズル部材の駆動側が前記駆動部材に連結支持されることを特徴とする。
これにより、膨張タービンのメンテナンスを容易にし、保守点検作業の能率を向上させることができる。
図1は本実施形態に係る可変ノズル機構付き膨張タービン42の一例を示す全体構成図であり、図2は図1のA部拡大図であり、図3は可変ノズル部の構造の一例を示した斜視図であり、図4は駆動部側の部分的な分解概要図である。
断熱膨張装置44は、真空容器48の内部の低温側領域に設置され、タービンインペラ50を内蔵しており、極低温ガス(例えば温度4〜64Kのガス)を断熱膨張させる際にタービンインペラ50を回転駆動するようになっている。
断熱材45は、低温側との境界部に設けられ、常温側からの入熱を抑制するようになっており、ガラスFRP等が用いられる。
ローターシャフト47は、軸受49に回転可能に支持され、タービンインペラ50の回転を常温側の制動装置46に伝達するようになっている。
制動装置46は、真空容器48の外部の常温側領域に設置されている。制動装置46としては例えばタービンインペラ50の軸心Cと同軸に連結された電動発電機(不図示)を用いることが可能である。
また、押さえバネ51は、後述する駆動部材52及びノズル部材54を断熱膨張装置44へ押し付けるように付勢することで、駆動部材52とノズル部材54と断熱膨張装置44との間の隙間からのガスの漏れを防止するようにし、膨張タービンの効率低下を防ぐようになっている。
このプレート部材56と駆動部材52は、ノズル部材54の互いに背向する面60,62に接触するように配置されて、対面して軸心Cの方向に離間し、ノズル部材54の支持側はプレート部材56に連結支持され、ノズル部材54の駆動側は駆動部材52に連結支持されている。
そして、駆動部材52の外端は、軸心Cと同軸の薄い円筒部材58の内端に連結され、軸心Cを中心とする円筒部材58の揺動により駆動部材52は回動駆動されるようになっている。
そして、円筒部材58の揺動により駆動部材52が駆動すると、ノズル部材54が駆動してタービンインペラ50へ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させ、これによりタービンインペラ50におけるガス通過流量を調整することができるようになっている。
なお、薄い円筒部材58は、ノズル部材54の駆動に必要十分な薄さ(例えば0.5mm程度の厚さ)にすることができる。このように薄くすることで、常温側に配置された円筒部材58から低温側への伝熱量を小さく抑えるようになっている。
各可動ノズル板54aは、図3(b)に示すように、略涙滴形状の断面を呈しており、その内端の面60はプレート部材56の外端の面に当接し、可動ノズル板54aの外端の面62は駆動部材52の内端の面に当接するように配置され、さらに、略涙滴形状の頂部側が軸心Cを中心とする円の半径方向内側に、円弧側が半径方向外側に向くように配置されている。
そして、可動ノズル板54aの支持側の面60の頂部側部分には軸心Cの方向を向く第一雌ねじ孔64が形成され、円弧側部分には略涙滴形状の長手方向に長孔66が形成されている。この長孔66は内端の面60と外端の面62とを軸心Cの方向に貫通するように形成され、長手方向の両端が半円状になった略長方形状をしているが、可動ノズル板54aの内部で段差68が形成されることによって、軸心Cに沿って切った断面が図2に示すような凸状をなし、外端の面62の長孔66aの面積は、内端の面60の長孔66よりも小さい形状に形成されている。
そして、支持ピン70の先端部の雄ねじ部74は、可動ノズル板54aの各第一雌ねじ孔64に螺合するようになっている。
支持ピン70の頭部76及び摺動部78は、プレート部材56に第一雌ねじ孔64と対向するように設けられ、可動ノズル板54aに近い側が狭く形成された段差80付きの凹孔82に嵌り込むことで、可動ノズル板54aとプレート部材56とを回動可能に連結させるとともに、これらを軸心Cの方向に支持している。
支持ピン70の雄ねじ部74が可動ノズル板54aの第一雌ねじ孔64にねじ結合され、この頭部76が凹孔82内の段差80によって軸心Cの方向に係止されることで、支持ピン70はプレート部材56と可動ノズル板54aとを軸心Cの方向に連結する。一方、駆動ピン72の雄ねじ部74が駆動部材52の第二雌ねじ孔84にねじ結合され、この頭部76が長孔66内の段差68によって軸心Cの方向に係止されることで、駆動ピン72は駆動部材52と可動ノズル板54aとを軸心Cの方向に連結するとともに、長孔66内を長手方向に摺動することができる。
このため、駆動部材52と複数の可動ノズル板54aとプレート部材56とが軸方向により強固に接続されるとともに、各可動ノズル板54aは駆動部材52の駆動によって配置角度を変化させることができる。
このように、本実施形態に係る可変ノズル機構100では、駆動部材52と可動ノズル板54aとプレート部材56とが軸方向に一体となるので、可動ノズル板54aのメンテナンスの際には、図4に示すように、従来のように駆動部材52を真空容器48から引き抜くことで、駆動部材52と可動ノズル板54aとプレート部材56とを一体として取り外すことができる。
また、雌ねじ孔64、84と雄ねじ部74の界面間の非常に小さな隙間には液状接着剤を充填するようにしてもよい。
44…断熱膨張装置(断熱膨張装置)
48…真空容器
50…タービンインペラ
52…駆動部材
54…ノズル部材
54a…可動ノズル板
56…プレート部材
58…円筒部材
60…内端の面(背向する面)
62…外端の面(背向する面)
64…第一雌ねじ孔
66,66a…長孔
70…支持ピン
72…駆動ピン
74…雄ねじ部
82…凹孔
84…第二雌ねじ孔
100…可変ノズル機構
Claims (5)
- 真空容器の内部に設置され、タービンインペラを内蔵し、極低温ガスを断熱膨張させる際に前記タービンインペラを回転駆動する断熱膨張装置を有し、前記真空容器の外部に設置される駆動部材からの駆動力によって前記断熱膨張装置の外端の近傍に配置されたノズル部材を駆動することにより前記タービンインペラへ導入する極低温ガスのスロート面積を変化させる可変ノズル機構付き膨張タービンにおいて、
前記断熱膨張装置の本体の外端に着脱可能に当接するプレート部材を備え、
前記プレート部材に軸方向で係止する頭部を有すると共に前記ノズル部材の支持側においてねじ結合する雄ねじ部を有する支持ピンと、
前記ノズル部材の駆動側において軸方向で係止する頭部を有すると共に前記駆動部材にねじ結合する雄ねじ部を有する駆動ピンとを備える
ことを特徴とする可変ノズル機構付き膨張タービン。 - 前記プレート部材と前記駆動部材は、前記タービンインペラの軸方向において、前記ノズル部材の背向する面にそれぞれ密着して配置されることを特徴とする請求項1に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
- 前記ノズル部材は、前記タービンインペラを囲んで配置され、それぞれ前記支持ピンにより前記プレート部材に揺動可能に連結支持された複数の可動ノズル板からなり、
前記可動ノズル板のそれぞれと前記駆動部材とは前記駆動ピンで連結支持されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。 - 前記可動ノズル板の支持側に前記タービンインペラと同軸方向を向く第一雌ねじ孔を設け、前記第一雌ねじ孔には、前記支持ピンの一端部に形成された前記雄ねじ部が螺合されるとともに、前記支持ピンの他端部は、前記プレート部材に前記第一雌ねじ孔と対向するように設けられた凹孔に回動可能に接続され、
前記可動ノズル板の駆動側に前記タービンインペラと同軸方向を向く長孔を設け、
前記駆動部材には前記長孔と対向するように第二雌ねじ孔を設け、
前記第二雌ねじ孔に、前記駆動ピンの一端部に形成された前記雄ねじ部を螺合するとともに、前記駆動ピンの他端部が前記長孔に案内可能に接続される
ことを特徴とする請求項3に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。 - 前記駆動部材の外端は、前記タービンインペラと同軸上に配置された円筒部材の内端に連結され、
前記タービンインペラの軸心を中心とする前記円筒部材の揺動により前記駆動部材が駆動されることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の可変ノズル機構付き膨張タービン。
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