JP5294729B2 - Expansion turbine - Google Patents
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Description
本発明は、スラスト軸受によって支持された少なくとも1つのタービンロータを有する膨張タービンに関する。 The present invention relates to an expansion turbine having at least one turbine rotor supported by a thrust bearing.
膨張タービンは、例えば特許文献1に開示されているように、水素、ヘリウム、窒素等の気体プロセス技術において極低温を発生するのに以前から利用されている。この場合、プロセスガスにはタービン内における気体膨張で損失が生じ、またガスの流体力がタービンロータの回転運動に変換されることによってプロセスガスから熱出力が奪われる。従ってこの過程でプロセスガスはタービン段内で冷却されることになる。
膨張タービンの軸受機構にはさまざまな構造形式がある。動圧ガス軸受式膨張タービンに装備されるガス軸受は、タービンが作動中は外部からの軸受ガスの供給を必要としないが、起動及び停止時には一時的に軸受ガスを供給する必要がある。動圧ガス軸受式膨張タービンでは、タービン軸の軸受機構にラジアル軸受とスラスト軸受が組み込まれている。この場合、スラスト軸受機構の主な機能要素は、タービン軸に作用するスラスト力をタービン流の方向でも逆方向でも吸収するスラスト円板である。 There are various structural types of expansion turbine bearing mechanisms. The gas bearing installed in the dynamic pressure gas bearing type expansion turbine does not require the supply of bearing gas from the outside while the turbine is operating, but it is necessary to supply the bearing gas temporarily when starting and stopping. In a dynamic pressure gas bearing type expansion turbine, a radial bearing and a thrust bearing are incorporated in a turbine shaft bearing mechanism. In this case, the main functional element of the thrust bearing mechanism is a thrust disk that absorbs the thrust force acting on the turbine shaft both in the turbine flow direction and in the reverse direction.
従来の膨張タービンに用いられているスラスト軸受機構の要部の構造例を図2と共に詳述すれば以下の通りである。 A structural example of a main part of a thrust bearing mechanism used in a conventional expansion turbine will be described in detail with reference to FIG.
図2において、タービン軸1は縦向きに配置されており、タービン流は上から下へと流れる。タービン軸1に結合されているスラスト円板2は、上側スラスト軸受3と下側スラスト軸受4の間に配置されている。スラスト円板2は上面側にスラスト軸受3との軸受作用面を形成し、また下面側にスラスト軸受4との軸受作用面を形成している。これら一対の軸受作用面は、タービン軸1の回転軸線に沿った両方向に関してタービン軸1に作用するスラスト力を吸収するための作用面である。
In FIG. 2, the
軸受作用面として本来の機能を果たす主領域は、スラスト円板2の軸受作用面のうちタービン軸1の近傍に偏った内側領域にある。軸受作用面の外側領域は、まず第一に軸受ガスを外側から内側へ向かって軸受作用面上の主領域に運び込む機能を果たす。図2(a)中の円で囲んだ部分5は、スラスト軸受として負荷荷重が最も高くなる主領域を示している。
The main region that performs the original function as the bearing working surface is an inner region that is biased to the vicinity of the
タービンが高速回転してスラスト円板2に高い周速が生じると、図2(b)に誇張して示すようにスラスト円板2の軸受作用面が絶対長さにおいて数マイクロメートルだけ凹面状に弾性変形する。この凹面状の弾性変形は望ましくないものであり、それは、以下に述べる理由でスラスト軸受機構の軸受負荷容量を低下させるからである。
When the turbine rotates at a high speed and a high peripheral speed is generated in the
スラスト軸受機構の軸受負荷容量力は、タービンロータ側の軸受作用面(スラスト円板2)とステータ側の軸受作用面(スラスト軸受3又はスラスト軸受4)との対向間隙の大きさによって実質的に決まる。タービンロータ側の軸受作用面とステータ側の軸受作用面との対向間隙は作動状態で数マイクロメートルにすぎない。基本的な原理として、軸受作用面の対向間隙が狭くなればなるほどスラスト軸受機構の軸受負荷容量は大きくなる。タービンロータ側の軸受作用面が高速回転によって凹面状に弾性変形すると、軸受作用面の対向間隙が必然的に狭くなる。このような高速回転によるタービンロータ側の軸受作用面の弾性変形は特にスラスト円板2の外縁寄りで大きく現れ、これによってステータ側の軸受作用面(スラスト軸受3又はスラスト軸受4)に対する最小許容間隙の値を大きめにせざるを得ない結果となっている。その理由は、高速回転時において軸受作用面の対向間隙が過度に狭くなるとタービンロータ側とステータ側の軸受作用面同士が機械的に干渉して破損を生じる虞があるからである。この場合、当然のことながら、スラスト軸受機構の軸受負荷容量は、タービンロータ側とステータ側の軸受作用面間の対向間隙を大きくすればするほど低下することになる。
The bearing load capacity force of the thrust bearing mechanism substantially depends on the size of the facing gap between the bearing acting surface on the turbine rotor side (thrust disk 2) and the bearing acting surface on the stator side (thrust bearing 3 or thrust bearing 4). Determined. The facing gap between the bearing working surface on the turbine rotor side and the bearing working surface on the stator side is only a few micrometers in the operating state. As a basic principle, the bearing load capacity of the thrust bearing mechanism increases as the opposing gap on the bearing acting surface becomes narrower. When the bearing working surface on the turbine rotor side is elastically deformed into a concave shape by high speed rotation, the facing gap of the bearing working surface is inevitably narrowed. The elastic deformation of the bearing working surface on the turbine rotor side due to such high-speed rotation appears particularly near the outer edge of the
また、タービンの回転数が増加するとタービン軸1の潜在的な非平衡(芯振れ等)の影響でスラスト円板2の揺動が大きくなる。この揺動が大きくなると、スラスト円板外縁部で特に顕著に現れる凹面状の弾性変形によって軸受作用面同士の機械的干渉の虞が高まることになり、場合によってはスラスト円板2の軸受作用面が損傷を受けることにもなる。
Further, when the rotational speed of the turbine is increased, the oscillation of the
更に、スラスト円板2が凹面状に弾性変形すると、その両側のスラスト軸受の重要な機能、即ち、スラスト円板との間で狭い流路断面積による増圧で減速された軸受ガスの流れを生じて外側から内側へと軸受ガスをポンピングする幾何学ユニットの機能が阻害される結果となる。
Further, when the
従って従来の膨張タービンにおいては、上述のようなスラスト軸受機構の特性によってタービンが比較的高い回転数のときにはスラスト軸受機構の軸受作用面が本来発揮すべき軸受負荷容量と機能を充分に活用することができないという問題がある。 Therefore, in the conventional expansion turbine, due to the characteristics of the thrust bearing mechanism as described above, the bearing load capacity and the function that the bearing working surface of the thrust bearing mechanism should exhibit should be fully utilized when the turbine has a relatively high rotational speed. There is a problem that can not be.
本発明の主な課題は、スラスト軸受によって支承された少なくとも1つのタービンロータを有する膨張タービンにおいて、前述の諸問題点を解消し、高速回転時においてもスラスト軸受機構の本来の軸受負荷容量と機能を安定して発揮することのできる膨張タービンを提供することである。 The main object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in an expansion turbine having at least one turbine rotor supported by a thrust bearing, and to realize the original bearing load capacity and function of the thrust bearing mechanism even during high-speed rotation. It is providing the expansion turbine which can exhibit stably.
この課題を解決するため、本発明による膨張タービンは、タービンロータを支持するスラスト軸受機構を構成するスラスト円板が紡錘形態、即ち同形の二つの裁頭円錐体を裁頭頂面同士で同心状に重ね合わせた紡錘(スピンドル)の形態に形成されていることを特徴とするものである。 In order to solve this problem, in the expansion turbine according to the present invention, the thrust disk constituting the thrust bearing mechanism for supporting the turbine rotor is spindle-shaped, that is, two conical cones having the same shape are concentrically between the top surfaces of the heads. It is formed in the form of an overlapped spindle.
本発明に係る膨張タービンの好適な一実施形態によれば、前記スラスト円板はタービン軸、従ってタービンロータの全長のほぼ中央位置に配置されている。 According to a preferred embodiment of the expansion turbine according to the invention, the thrust disc is arranged at approximately the center position of the turbine shaft and thus the entire length of the turbine rotor.
本発明による膨張タービンによれば、特に高速回転時におけるスラスト軸受機構の本来の軸受負荷容量と機能を安定して発揮することができる。 According to the expansion turbine of the present invention, the original bearing load capacity and function of the thrust bearing mechanism can be stably exhibited, particularly during high-speed rotation.
本発明に係る膨張タービンの特徴と利点を図1に示す実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。 The features and advantages of the expansion turbine according to the present invention will be described in detail with reference to the embodiment shown in FIG.
図1(a)に示すように、本実施形態による膨張タービンにおいてもタービン軸1は縦向きに配置されており、タービン流は上から下へと流れる。タービン軸1に結合されているスラスト円板2’は、上側スラスト軸受3と下側スラスト軸受4の間に配置され、スラスト円板2は上面側にスラスト軸受3との軸受作用面を形成し、また下面側にスラスト軸受4との軸受作用面を形成している。これら一対の軸受作用面は、タービン軸1の回転軸線に沿った両方向に関してタービン軸1に作用するスラスト力を吸収するための作用面である。このスラスト円板2’は、本発明に従って紡錘形態、即ち同形の二つの裁頭円錐体を裁頭頂面同士で同心状に重ね合わせた紡錘(スピンドル)の形態に形成されている。ここで、図1(a)中の円で囲んだ部分5は、スラスト軸受として負荷荷重が最も高くなる主領域を示している。
As shown in FIG. 1A, in the expansion turbine according to the present embodiment, the
タービンが高速回転してスラスト円板2’に高い周速が生じると、図1(b)に誇張して示すように紡錘形態のスラスト円板2’の軸受作用面は絶対長さにおいて数マイクロメートルだけ凸面状に、即ちタービン軸1から遠くなる外縁側ほど軸受作用面がスラスト円板の厚さ中心へ向かって曲がるように弾性変形する。但し、いまやこの凸面状の弾性変形は以下に述べる理由からスラスト軸受機構の軸受負荷容量を高めるように作用する。
When the turbine rotates at a high speed and a high peripheral speed is generated in the
紡錘形態のスラスト円板2’に凸面状の弾性変形が現れると、この弾性変形は、タービンロータ側の軸受作用面(紡錘形態のスラスト円板2’)とステータ側の軸受作用面(スラスト軸受3又はスラスト軸受4)との対向間隙に対して肯定的な影響を与える。即ち、タービンロータ側の軸受作用面が高速回転によってタービン軸1から遠い外縁側ほどスラスト円板の厚さ中心へ向かって曲がるように凸面状に弾性変形すると、軸受作用面の対向間隙が特にスラスト円板2’の外縁寄り領域において拡がることになる。これによってステータ側の軸受作用面(スラスト軸受3又はスラスト軸受4)に対する最小許容間隙の値を小さく設定しておくことが可能となり、スラスト軸受機構の軸受負荷容量を高めることができると共に、高速回転時において軸受作用面の対向間隙が狭くなることによるタービンロータ側とステータ側の軸受作用面同士の機械的干渉の発生も回避することができる。
When a convex elastic deformation appears in the spindle-
紡錘形態のスラスト円板2’は、タービン軸1、従ってタービンロータの全長のほぼ中央位置に配置されていることが好ましい。それにより、幾何学的に紡錘形態に形成されているスラスト円板2’が高速回転することで生じるジャイロ効果は、タービン軸1に潜在的に存在する非平衡により誘発される芯振れの揺動運動に対し、それを抑制する対抗モーメントとして効果的に作用することになり、同時にタービンロータ側の軸受作用面が凸面状に弾性変形するので、スラスト円板2’の外縁部とステータ側の軸受作用面との機械的干渉を起こす可能性は更に少なくなる。
The spindle-shaped thrust disc 2 'is preferably arranged at approximately the center of the
更に、高速回転時に紡錘形態のスラスト円板2’が凸面状に弾性変形することは軸受ガスに対する軸受作用面の機能面からも有益である。即ち、高速回転時においてはスラスト円板2’の外縁から内側へ向かってタービン軸1に近づくほど軸受作用面間の対向間隙で形成される軸受ガスの流路断面積が減少し、その結果、内側へ向かうに従って狭くなる流路断面積による増圧で効果的に減速された軸受ガスの流れを生じて外側から内側へと軸受ガスをポンピングする機能が促進されることになる。
Furthermore, it is also beneficial from the functional aspect of the bearing working surface for the bearing gas that the spindle-shaped thrust disc 2 'is elastically deformed into a convex shape during high-speed rotation. That is, at the time of high speed rotation, the flow path cross-sectional area of the bearing gas formed by the facing gap between the bearing working surfaces decreases as it approaches the
1:タービン軸、2:スラスト円板、2’:紡錘形態のスラスト円板、3:スラスト軸受、4:スラスト軸受、5:スラスト軸受の主領域 1: turbine shaft, 2: thrust disk, 2 ': spindle-shaped thrust disk, 3: thrust bearing, 4: thrust bearing, 5: main area of thrust bearing
Claims (1)
スラスト円板(2’)がタービン軸(1)の全長のほぼ中央位置に配置されていることを特徴とする膨張タービン。 In an expansion turbine having at least one turbine rotor supported by a thrust bearing, a thrust disk (2 ') constituting a thrust bearing mechanism is formed by concentrically stacking two truncated cones having the same shape between the top surfaces of the truncated surfaces. the thickness of which is formed in the combined form, said turbine rotor side thrust disc constituting the bearing working surface (2 ') a thrust disc distant outer edge from the axis of the turbine rotor by the rotation (2') Elastically deformed to bend toward the center ,
An expansion turbine characterized in that the thrust disk (2 ') is arranged at a substantially central position along the entire length of the turbine shaft (1).
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