JP5086471B2 - スラスト調整ピストンを有するターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのロータと、このロータを少なくとも部分的に包囲するプロセス流体とを有する回転機械、例えばタービン、ポンプまたは圧縮機に関しており、ここでこのロータは、ロータの軸方向のスラストを変化させる少なくとも１つの調整ピストンを有しており、この調整ピストンは、ロータの少なくとも１つの直径変化部を有している。ここでは少なくとも１つのシャフトシールが設けられており、このシャフトシールは、第２の圧力を有する第２室から、第１の圧力を有する第１室をシールして、この第１室と第２室との間に少なくとも一時的に圧力差が生じるようにしており、また第１シャフトシールは上記の調整ピストンに配置され、第１直径変化部が第１室の圧力に曝され、また第２直径変化部が第２室の圧力に曝されるようにしている。

回転機械における調整ピストンは、例えば、蒸気タービンではふつうの構成部材である。ふつうプロセス流体の圧力上昇または圧力低下は、ロータの少なくとも部分的に軸方向の減圧パスまたは増圧大パスに沿って生じ、ここでこのロータそのものまたはこれに接続されたエレメントは、直径が変化する領域、例えばシャフト段部（Wellenabsatz）において、それぞれ異なる圧力に曝される。ここでは回転翼も、円周方向に運転するシャフト段部と同様に軸方向のスラストを発生させ、これらのエレメントにより、のスラストが軸方向の力としてロータに伝達される。このような作動条件の下でスラストベアリングを有利なサイズで設計できるようにするために必要なのは、上記の力を別の個所の相応する反力によって補償することである。このことを目的として、例えば今日の構造の蒸気タービンはふつう調整ピストンと称されるシャフト段部を有しており、このシャフト段部には、半径方向に見て外側を向いた円周面にふつうラビリンスパッキンとして構成されるシャフトシールが設けられている。このシャフトシールにより、差分圧力が形成されて第１圧力室と第２圧力室とが分離される。この結果として調整ピストンの軸方向の一方の面には、軸方向の他方の面とは異なる圧力とが加わるため、室の圧力および直径を相応に設計した場合にはロータに軸方向の力を加えることができる。この軸方向の力と、スラストベアリングによって支えられる残りの力を除く軸方向のスラストとのバランスが取れるため、スラストベアリングは、わずかな負荷しか受け止めていないのにもかかわらず、ロータは、軸方向の所定の位置に残りの力によって押し付けられるのである。

場合によっては、都度の作動点に関連して上記の圧力室における圧力の制御を調整して、所望の残余のスラストがつねに形成されるようにする。

上記の調整作用は、上記の調整ピストンにおける圧力が殊に高い差を有するかまたは調整ピストン直径を極めて大きく設計する場合にだけ得られることが多い。差分圧力が極めて大きい場合には、上記の調整ピストンに設けられるシャフトシールは、十分なシール効果を得るために十分に大きい軸方向の構造空間を必要とする。大きな直径も、軸方向に大きな構造空間も共に、一方では振動の形態の望ましくないロータ動的特性作用を生じさせてしまい、他方ではロータに対しても、周囲のコンポーネントに対しても、例えばケーシングに対しても付加的に材料が必要なためにコストが高くなってしまう。この他に大きなサイズで設計される構成部分の設置、輸送および保管に対して生じるコストは、重大である。

したがって本発明の課題は、調整ピストンを有する冒頭に述べた回転機械を発展させて、同等のスラスト補償で少ない構造空間しか必要としないようにすることである。

この課題を解決するため、本発明では請求項１に記載した特徴的構成を有する回転機械を提案する。従属請求項には本発明の有利な発見形態が含まれている。

シャフトシールによって圧力差分が形成されかつそれぞれ互いに分離された複数の空間を有する調整ピストンを構成することにより、スラスト調整能力を低下させることなく調整ピストンの直径を低減することができる。ここで上記の複数の空間は、ロータの少なくとも１つの直径変化部によって仕切られている。上記の調整ピストンを本発明にしたがって多段に構成することにより（調整ピストンの１つの段をシャフトシールと、所定の圧力を有する１つの室と、この室を仕切るロータの直径変化部との装置として定める場合）、上記の調整ピストンの１段当たりに必要な圧力を一層低く選択して、相応するシャフトシールに対する要求を低減しかつ場合によっては軸方向にサイズを一層小さくしてこれを構成することも可能である。

本発明の殊に有利な発展形態では、上記の調整ピストンは、ロータにおける複数の直径変化部の直接の列として構成され、この列は、ロータの長手延在方向につぎのような順序で構成され、すなわち、
− 第１直径増大部、
− 第１直径減少部、
− 第２直径増大部、
− 第２直径減少部、
− ここで
− 上記の第１直径増大部と第１直径減少部との間、
− 上記の第１直径減少部と第２直径増大部との間、および
− 上記の第２直径増大部と第２直径減少部との間に
１つずつのシャフトシールが、それぞれ立っている壁とロータとの間に設けられているため、
− 第１圧力室は、仕切り壁として第１直径増大部を有しており、
− 第２圧力室は、仕切り壁として第１直径減少部を有しており、
− 第３圧力室は、仕切り壁として第２直径増大部を有しており、
− 第４圧力室は、仕切り壁として第２直径減少部を有しているのである。

上記の直接の列（直接性）とは、例えば翼セクションなどの別のモジュールが中間に配置されていないことである。

１つの圧力室と、複数の圧力室に対する仕切り壁である直径変化部と、シャフトシールとからなる装置を上記の調整ピストンの１つの段とすると、上記の有利な発展形態において、この装置は、４段の装置であり、この装置は、従来の調整ピストンに比べて各段の最大直径および最小直径が同じ場合に、２倍のスラスト調整能力を有することが可能である。

本発明による装置は、調整しようとする差分圧力に応じて上で定めた４段よりも多くの、５段、６段またはそれ以上を有することができる。

１段当たりの圧力差分が大きい場合であっても本発明による調整ピストンが大きな軸方向の構造空間を必要としないようにするために有利であるのは、上記の圧力室の間のシャフトシールをそれぞれブラシ形シールまたは端面シール（Gleitringdichtung）として構成する場合である。これらのシーリング形態は、従来のラビリンスパッキンに比べて良好なシーリング作用を有しているため、比較的短い軸方向の長さにわたって比較的高い圧力差分を低減することができ、この結果として本発明による調整ピストンは、半径方向にも軸方向にもわずかな構造空間しか要しないのである。

殊に有利であるのは、各圧力室に至る圧力チャネルを形成してこれらの圧力室において所定の圧力を設定することにより、上記の調整に必要な差分圧力を形成できるようにする。

種々異なる作動条件にスラスト調整を適合できるようにするために付加的に有利になり得るのは、少なくとも１つの調整器ないしはバルブを少なくとも１つの圧力チャネルに設けて、この圧力チャネルにより、接続されている圧力室における圧力を調整できるようにすることである。上記の圧力室の相応するシャフトシールを介して持続的に漏れが生じることにより、上記の調整器によって動的な圧力制御が可能となり、ここでこの圧力制御は、都度の作動点に依存して中央制御部によって行われる。

上記の調整ピストンにおける少なくとも２つのシャフトシールを同じ構造で構成すると、本発明により、作製時に殊に節約を行うことができる。さらに本発明にしたがって上記の調整ピストンを多段で構成することにより、種々異なるタービンに対して同じ構造のシャフトシールを利用することができる。これが可能であるのは殊に、スラスト調整の差分における調整ピストンの段数を、相応する回転機械タイプのスラストの違いに相当して変化させる場合である。

本発明による回転機械の例としての蒸気タービンを示す図である。 調整ピストンが従来のように構成された図１の詳細Ｘを示す図である。 調整ピストンが本発明にしたがって構成された図１の詳細Ｘを示す図である。 種々異なる直径および調整ピストンを有する従来構成のロータの概略図である。 調整ピストンが本発明にしたがって構成されておりかつ種々異なる直径を有するロータの概略図である。

以下では具体的な実施例に基づき、図面を参照して本発明を詳しく説明する。本発明は、この具体的な実施形態に制限されるものではなく、むしろ当業者にはこの実施例の他に別の変形実施形態をもたらすものであり、これらの実施形態も本発明を利用することができる。

図１には回転機械１，すなわち蒸気タービン２が示されており、この機械では、流出部８０の領域において、供給された新鮮蒸気３が翼４を貫流する際に圧力レベルの低い蒸気５に弱められる。回転翼７が固定されているロータ６には蒸気の減圧によって軸方向にスラスト８が生じる。軸方向のスラスト８の一部分はスラストベアリング９において支えられる。

スラストベアリング９に作用する軸方向の力を低減するため、調整ピストン１０が設けられており、これはロータ６におけるシャフト段部として構成されている。

図２および３には従来の構造ないしは本発明による構成の調整ピストン１０を有する詳細Ｘが示されている。

図２に示した従来構造の調整ピストン１０は、ロータ６の軸方向に左から右に向かって示すと、第１圧力室１１と、第１直径変化部２１と、第１のシャフトシーリング３１と、第２直径変化部２２を備えた第２圧力室１２とを有する。軸方向にみてここに示した装置の前にはシャフトラビリンスパッキン８２が設けられており、このパッキンにより、第１圧力室１１は大気５１からシールされている。調整ピストン１０と記された装置の軸方向にみて後ないしはタービン内部を向いているこの装置の端部には、別のシャフトラビリンスパッキン５２が設けられており、このパッキンによって第２圧力室１２は、流入部５４に対してシーリングされている。このシャフトラビリンスパッキンは、調整ピストン１０に組み入れることができる。第２圧力室２２に加わる圧力は、第１圧力室１１に加わる圧力よりも高いため、調整ピストンの力のバランスによって生じるスラストは、翼４によって生じるスラストに対向する。

図３には、本発明にしたがって構成された調整ピストン１０を有する図１の詳細Ｘないしは図２に記載した装置が示されている。ここで調整ピストン１０は、４つの圧力室１１，１２，１３，１４によって構成されており、これらの室は、互いに仕切るために１つずつのシャフトシール３１，３２，３３を有しており、またロータ６の少なくとも１つの直径変化部２１，２２，２３，２４によって部分的に仕切られている。

シャフトシール３１，３２，３３は、ブラシ形シールとして構成されているため、圧力室１１，１２，１３，１４間の従来構造（図２）と等しい圧力差に対し、軸方向にわずかな構造空間しか消費しない。第２圧力室１２および第３圧力室１３は、圧力チャネル４２および４３にそれぞれ接続されているため、第２圧力室１２は、第３圧力室１３よりも圧力が高い。ここでは第１圧力室１１および第３圧力室１３に加わる圧力は同じであり、また第２圧力室１２および第４圧力室１４に加わる圧力は同じである。シャフトシール３１〜３３が緩いことに起因して、圧力チャネル４２，４３から供給される個々の圧力室の圧力差により、記入した矢印６１〜６３のように１つずつの流れが生じる。

図４および５にはシャフトシール３１〜３３との複合作用によって生じる圧力室１１〜１４における種々異なる圧力と関連して、ロータ６に設けられた直径が示されている。図４において第１圧力室１１は、圧力チャネル７１を介して流出部に接続されており、第２圧力室１２は、圧力チャネル７２によって翼４の高い圧力レベルに接続されている。

図５に示されているのは、第１圧力室１１および第２圧力室１２に加えて第３圧力室１３および第４圧力室１４が、流出部８０ないしは翼４における圧力レベルに接続されており、これによってスラスト補償の２重の効果を得ることができる。その他の点では蒸気タービン２を同じに構成すると、調整ピストン１０の直径は、図５のように本発明のように構成する際には小さくなる。

オプションでは圧力チャネル７１に調整器１００ないしはバルブを設けることができ、これらの調整器ないしはしバルブによって圧力室１２，１３，１４における圧力を実際の作動条件に適合させることができる。この調整器は、中央の制御部１０１によって制御される。

Claims (5)

1. 少なくとも１つのロータ（６）と、当該ロータ（６）を少なくとも部分的に包囲する少なくとも１つのプロセス流体（３）とを有する回転機械（１）において、
   前記のロータ（６）は、軸方向のスラストを変化させる少なくとも１つの調整ピストン（１０）を有しており、
   当該の調整ピストン（１０）は、ロータ（６）の少なくとも１つの直径変化部（２１，２２，２３，２４）を有しており、
   少なくとも１つのシャフトシール（３１，３２，３３）が設けられており、
   当該のシャフトシールは、第２の圧力を有する第２室から、第１の圧力を有する第１室をシールして、当該の第１圧力室（１１）と、第２圧力室（１２）との間で少なくとも一時的に圧力差が生じるようにしており、
   第１のシャフトシール（３１）が前記の調整ピストン（１０）に配置されて、第１直径変化部（２１）が第１圧力室（１１）の圧力に曝され、また第２直径変化部（２２）が第２圧力室（１２）の圧力に曝され、
   前記の調整ピストン（１０）には、第３の圧力を有する第３圧力室（１３）が含まれており、
   第２のシャフトシール（３２）を配置して、第３直径変化部（２３）が第３圧力室（１３）の圧力に曝され、
   前記の調整ピストン（１０）には、第４の圧力を有する第４圧力室（１４）が含まれており、
   第４直径変化部（２４）が第４圧力室（１４）の圧力に曝され、
   第４圧力室（１４）は、第３のシャフトシール（３３）によって第３圧力室（１３）から分けられており、
   第１圧力室（１１）および第３圧力室は、第１圧力チャネル（７１）により、前記の回転機械（１）の流出部（８０）における第１圧力レベルに接続されているため、第１圧力室（１１）に加わる圧力と、第３圧力室に加わる圧力とは同じであり、
   第２圧力室（１２）および第４圧力室は、第２圧力チャネル（７２）により、前記の回転機械の翼における第２の圧力レベルに接続されているため、第２圧力室（１２）に加わる圧力と、第４圧力室（１４）に加わる圧力は同じであるようにしたことを特徴とする
   回転機械（１）。
2. 前記の調整ピストン（１０）は、ロータ（６）の直径変化部（２１〜２４）の直接の列として構成されており、
   当該の列は、ロータ（６）の長手延在方向につぎの順序で設けられており、すなわち、
   − 第１直径変化部（２１）は、第１直径増大部を、
   − 第２直径変化部（２２）は、第１直径減少部を、
   − 第３直径変化部（２３）は、第２直径増大部を、
   − 第４直径変化部（２４）は、第２直径減少部をそれぞれ構成しており、
   ここで
   − 前記の第１直径増大部と第１直径減少部との間、
   − 前記の第１直径減少部と第２直径増大部との間、および
   − 前記の第２直径増大部と第２直径減少部との間に
   １つずつのシャフトシール（３１〜３３）が、それぞれ立っている壁とロータ（６）との間に設けられているため、
   − 第１圧力室（１１）は、仕切り壁として前記の第１直径増大部を有しており、
   − 第２圧力室（１２）は、仕切り壁としての第１直径減少部を有しており、
   − 第３圧力室（１３）は、仕切り壁として第２直径増大部を有しており、
   − 第４圧力室（１４）は、仕切り壁として第２直径減少部を有している、
   請求項１に記載の回転機械（１）。
3. 前記の調整ピストン（１０）に設けられている少なくとも１つのシャフトシール（３１〜３３）は、ブラシ形シールとして構成されている、
   請求項１または２に記載の回転機械（１）。
4. 前記の調整ピストン（１０）に設けられている少なくとも１つのシャフトシール（３１〜３３）は、端面シールとして構成されている、
   請求項１または２に記載の回転機械（１）。
5. 少なくとも２つのシャフトシール（３１〜３３）は同じ構造で構成されている、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の回転機械（１）。

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