JP6793663B2 - ターボ機械軸受の格納スリーブ、および前記スリーブを備えたターボ機械 - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題の実施形態は、ターボ機械軸受の格納スリーブ、および前記格納スリーブを備えたターボ機械に対応する。

ターボ機械、特にガスタービンは、通常、燃焼から直接供給されるガスを使用して熱を仕事に変換し、回転シャフトに機械的動力を供給する回転熱機械として定義される。それは、一般に、外部から到着する空気が圧力下で運ばれる、圧縮機またはターボ圧縮機、通常は軸流タイプを含む。さらに、様々なインジェクタが燃料を供給し、この燃料は空気と混合されて、空気燃料混合気を形成する。

軸流圧縮機は、燃焼チャンバ内の燃料のエンタルピーを変換する、利用者に機械的動力を供給する専用のタービンによって駆動される。

専用のタービン、ターボ圧縮機、燃焼チャンバ（またはボイラ）、機械的動力出力シャフト、制御システムおよび始動システムは、ガスタービンプラントの必須部分を構成する。

ガスタービンの機能に関しては、流れが一連の入口パイプを通って圧縮機に浸透することに留意されたい。このチャネリングでは、ガスは低圧および低温の特性を示し、圧縮機を通過する際にガスは圧縮され、その温度が上昇する。

圧縮ガスは、次に燃焼チャンバ（またはボイラチャンバ）に浸透し、そこでさらに温度が上昇する。ガスの温度上昇に必要な熱は、液体であってもよい燃料の燃焼から、ボイラチャンバに導入され、インジェクタを介して供給される。

機械の始動時の燃料の点火は、点火プラグを介して行うことができる。

燃焼チャンバを出ると、高圧および高温のガスは、適切なパイプを介してタービンに到達し、そこで圧縮機および燃焼チャンバ内に蓄積したエネルギーの一部を放出し、その後、排出チャネリングを通じて外部に流れる。

ガスによってタービンに伝達される仕事は、圧縮機に吸収される仕事より大きい。したがって、一定の量のエネルギーが、機械のシャフト上に利用可能なまま残っている。付属品によって吸収された仕事および運動中の機械的構成要素の受動抵抗によって減少するこのエネルギー量は、プラントの有用な仕事を構成する。

設計上の観点から、軸流圧縮機のブレードおよびタービンのブレードは、一般に水平面上で接合する２つの半シェルで製造された２つのターボ機械軸受によって支持することができる、単一のシャフトに取り付けることができる。

軸受の共通のレイアウトは、圧縮機の入口に位置する第１の軸受を設け、第２の軸受は、軸流圧縮機とタービンとの間に配置され、この設計は、非常に信頼性が高く、耐性がある。

米国特許第６，８９３，２０８号明細書は、格納スリーブによって囲まれ支持されたターボ機械軸受を記載している。格納スリーブは、その外側表面との軸受継手を支持するような形状の円筒表面と、軸受から出る潤滑／冷凍流体を排出するように設計されたパイプに接続された２つの孔とを設ける。それはさらに、軸受を出る潤滑剤が集合して孔に排出することができる、円筒表面の側部に設けられた第１および第２のチャンバを含む。

同時に第１の孔を第２の孔と接続し、第１のチャンバを第２のチャンバと接続するために、十字形の溝が円筒表面上に実現される。このようにして、潤滑剤は、第１および第２のチャンバから第１および第２の孔に流れることができる。

この構成では、軸受から十分な量の潤滑剤を排出することができるが、十字形の溝が軸受支持体の剛性に影響を与える。

小型のターボ機械では、格納スリーブおよび第２のタービン軸受を収容するように設計された圧縮機とタービンとの間の空間が、非常に限定されていることに留意すべきである。

これは、燃焼チャンバならびに潤滑油およびシール手段を作動させる配管のような多くのサービス接続の存在に起因する。

このような種類のターボ機械では、より小型の軸受を使用することができるが、その設計によって生じる剛性の問題のために、格納スリーブのサイズをそれに応じて縮小することはできない。

国際公開第２０１５／００２７７４号パンフレット

したがって、軸受から十分な量の潤滑剤をさらに排出することができる、改良された剛性の格納スリーブを提供することが一般的に必要である。

特に、軸受を支持するのに十分な剛性を維持した、全体寸法を小さくした格納スリーブを提供する必要がある。

重要なことは、排出孔の間に置かれた格納スリーブの部分に軸受用の連続した支持壁を形成することである。

本明細書に開示される主題の第１の実施形態は、タービン軸受の格納スリーブに対応する。

本明細書に開示される主題の第２の実施形態は、ターボ機械、特にガスタービンに対応する。

本明細書に組み込まれている本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の例示的な実施形態を示し、発明を実施するための形態と共に、これらの実施形態を説明する。図面の説明は、以下の通りである。

ターボ機械、特にガスタービンの簡略軸方向断面図であり、その部分は圧縮機とタービンの間に含まれている。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った簡略断面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った簡略断面図である。 図２の線ＩＶ−ＩＶに沿った簡略断面図である。 シャフト２０が示されていない、線Ｖ−Ｖに沿った簡略断面図である。 ターボ機械の簡略部分断面図である。

以下の例示的な実施形態の説明は、添付の図面を参照する。

以下の説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

明細書全体にわたって、「一実施形態」または「ある実施形態」に対する言及は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、または特性が開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたって様々な箇所に現れる「一実施形態では」または「ある実施形態では」という句は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせられてもよい。

図６を特に参照すると、ターボ機械、特にガスタービンが示されている。

ターボ機械は、複数のブレード５２を備えたタービン５１によって駆動される軸流空気圧縮機５０を含み、前記圧縮機５０および前記タービンブレード５２は、ターボ機械軸受２２，２２’によって支持された共通のシャフト２０に設置されている。シャフト２０は、単一の部品で実現されてもよく、またはねじり接続された異なる部分で実現されてもよい。

シャフト２０は、軸流圧縮機５０の入口５３に位置した第１のターボ機械軸受２２’、および前記軸流圧縮機５０と前記タービン５１との間に位置した第２のターボ機械軸受２２によって支持することができる。

本説明は、第２のターボ機械軸受２２およびそれを支持するように設計されたその格納スリーブ２３に主に焦点を当てる。実際、ターボ機械のこの部分では、
バーナ、油供給パイプおよび油排出パイプなどの多くの構成要素が存在するため、軸受のための利用可能な空間は非常に限られている。いずれにしても、第２の軸受２２およびその格納スリーブ２３の設計特徴は、第１のタービン軸受２２’およびその格納スリーブにも適用することができることに留意すべきである。

本説明がガスタービンに関する場合であっても、本明細書に記載の軸受は、任意の種類のターボ機械に使用することができる。

図１〜図５を特に参照すると、ターボ機械１の中央シャフト２０が示されている。シャフトは、ハウジングに固定された一連のスタッド２１上を回転する。ハウジングおよびスタッドは、ターボ機械軸受２２を形成する。

ハウジングは、スタッド２１を支持する。また、潤滑／冷却流体をシャフト２０の近くで閉じ込めるために、シャフト２０と協働する側方シール２６（浮動リングでもよい）を設ける。

ターボ機械軸受２２は、第１の部分２３Ｂおよび第２の部分２３Ｃ（半シェル）によって形成され得る格納スリーブ２３によって囲まれ支持される。スリーブ２３は、潤滑剤／冷却剤流体供給システム２４および潤滑剤／冷却剤流体排出システム２５と接続される。

潤滑剤／冷却剤流体は、スタッド２１によって支持されたシャフト２０の部分に位置したチャンバ２８に、供給パイプ２４０および格納スリーブ２３内に設けられた通路を介して圧力下で供給される。

シャフト２０が回転すると、潤滑剤／冷却剤流体の一部は、側方シール２６を通って漏れ、格納スリーブ２３によって画定され、かつその外側表面２２Ａにターボ機械軸受２２を支持するように設計された表面２３Ａに対して反対側に配置された第１の溝２７Ａおよび第２の溝２７Ｂに蓄積する。

表面２３Ａは、タービン軸受の外側表面２２Ａと結合するために、円筒形状を有してもよい。溝２７Ａおよび２７Ｂは、シャフト２０を囲むように環状形状に形成され、シャフト２０と共に軸受およびそのシール２６を形成し、さらにスリーブ２３に設けられたシール４０、潤滑／冷却流体のための２つの格納チャンバを形成することができる。

ターボ機械軸受２２を支持するように構成された表面２３Ａでは、第１の孔２５Ａおよび第２の孔２５Ｂが開口している。孔は、排出システム２５の一部である第１の排出パイプ２５０Ａおよび第２の排出パイプ２５０Ｂにそれぞれ接続される（図５参照）。

第１の孔２５Ａおよび第２の孔２５Ｂは、表面２３Ａに設けられ、主に重力によって第１の溝２７Ａおよび第２の溝２７Ｂからの潤滑／冷却流体排出物を収集する。この理由から、格納スリーブ２３は、第１の孔２５Ａを第１の溝２７Ａと流体接続する第１のチャネル３０Ａ、および第２の孔２５Ｂを前記第２の溝２７Ｂと流体接続する第２のチャネル３０Ｂを画定する。

本発明の一態様によれば、第１のチャネル３０Ａおよび第２のチャネル３０Ｂは、表面２３Ａで開口し、前記表面２３Ａの一部である少なくとも１つの軸受支持体表面３１Ａを有する壁３１によって離間される。

軸受支持体表面３１Ａは、格納スリーブ２３の中央部分においても軸受のために剛性の支持を提供し、したがってその剛性を改良する。

図５を参照すると、壁３１は、第１の孔２５Ａと第２の孔２５Ｂとの間、および第１の溝２７Ａと第２の溝２７Ｂとの間に延びることに留意されたい。

壁３１は、前記第１の溝２７Ａの近位にある第１の孔の側部から前記第２の溝２７Ｂの近位にある第２の孔２５Ｂの側部に延びることができる。

格納スリーブ２３の剛性を改良する壁３１の存在は、格納スリーブ２３（すべて米国特許第６，８９３，２０８号明細書に記載のスリーブに関する）の寸法のさらなる縮小を可能にすることができ、したがって、スリーブの軸方向長さを最小値までさらに縮小させることが可能となる。

本発明の一実施形態を説明したが、本発明の思想に内在する革新的な原理から逸脱することなく、実現可能な多くの他の変形が存在することは明らかであり、本発明の実際の適用において、要件に応じて任意の材料、寸法および形状を利用することができ、技術的に同等の他のものと置き換えることができることも明らかである。

１ ターボ機械
２０ 中央シャフト
２１ スタッド
２２ 第２のターボ機械軸受
２２’ ターボ機械軸受、第１のターボ機械軸受
２２Ａ 外側表面
２３ 格納スリーブ
２３Ａ 表面
２３Ｂ 第１の部分
２３Ｃ 第２の部分
２４ 潤滑剤／冷却剤流体供給システム
２５ 潤滑剤／冷却剤流体排出システム
２５Ａ 第１の孔
２５Ｂ 第２の孔
２６ 側方シール
２７Ａ 第１の溝
２７Ｂ 第２の溝
２８ チャンバ
３０Ａ 第１のチャネル
３０Ｂ 第２のチャネル
３１ 壁
３１Ａ 軸受支持体表面
４０ 側方シール
５０ 軸流圧縮機
５１ ガスタービン
５２ タービンブレード
５３ 入口
２４０ 供給パイプ
２５０Ａ 第１の排出パイプ
２５０Ｂ 第２の排出パイプ

Claims (10)

1. ターボ機械軸受（２２）の格納スリーブ（２３）であって、
   ターボ機械軸受（２２）を支持するように構成された表面（２３Ａ）と、
   前記表面（２３Ａ）で開口して前記ターボ機械軸受（２２）から排出される潤滑／冷却流体を収集するように設けられた、少なくとも１つの第１の孔（２５Ａ）および第２の孔（２５Ｂ）と、
   前記表面（２３Ａ）の反対側に配置された第１の溝（２７Ａ）および第２の溝（２７Ｂ）と、
   前記第１の孔（２５Ａ）を前記第１の溝（２７Ａ）と流体接続する第１のチャネル（３０Ａ）と、
   前記第２の孔（２５Ｂ）を前記第２の溝（２７Ｂ）と流体接続する第２のチャネル（３０Ｂ）と、を備え、
   前記第１のチャネル（３０Ａ）および前記第２のチャネル（３０Ｂ）は、前記表面（２３Ａ）で開口し、前記表面（２３Ａ）の一部である少なくとも１つの軸受支持体表面（３１Ａ）を有する壁（３１）によって離間される、格納スリーブ（２３）。
2. 前記格納スリーブ（２３）が、第１の部分（２３Ｂ）と第２の部分（２３Ｃ）とによって形成され、
   前記第１の部分（２３Ｂ）が、前記第１の孔（２５Ａ）と前記第２の孔（２５Ｂ）とを含み、
   前記第２の部分（２３Ｃ）が、前記表面（２３Ａ）と、前記第１の溝（２７Ａ）と、前記第２の溝（２７Ｂ）と、を形成するように前記第１の部分（２３Ｂ）と協働するように構成され、
   前記表面（２３Ａ）が、円筒状であり、
   前記第１の溝（２７Ａ）及び前記第２の溝（２７Ｂ）が、環状である、請求項１に記載の格納スリーブ（２３）。
3. 前記壁（３１）が、前記第１の孔（２５Ａ）と前記第２の孔（２５Ｂ）との間、および／または前記第１の溝（２７Ａ）と前記第２の溝（２７Ｂ）との間に延びる、請求項１または２に記載の格納スリーブ（２３）。
4. 前記壁（３１）が、前記第１の溝（２７Ａ）の近位にある前記第１の孔（２５Ａ）の側部から前記第２の溝（２７Ｂ）の近位にある前記第２の孔（２５Ｂ）の側部に延びる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の格納スリーブ（２３）。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の格納スリーブ（２３）に収容された少なくとも１つのターボ機械軸受（２２）を含む、ターボ機械（１）。
6. 共通のシャフト（２０）に設置された軸流圧縮機（５０）およびガスタービン（５１）を含み、
   前記ターボ機械軸受（２２）が、前記軸流圧縮機（５０）と前記ガスタービン（５１）との間に位置する、請求項５に記載のターボ機械（１）。
7. 前記ターボ機械軸受（２２）が、前記シャフト（２０）と協働する複数のスタッド（２１）と、前記格納スリーブ（２３）の前記表面（２３Ａ）と結合された外側表面（２２Ａ）を有するハウジングとを含む、請求項６に記載のターボ機械（１）。
8. 前記ハウジングが、前記シャフト（２０）と協働する側方シール（２６）を含む、請求項７に記載のターボ機械（１）。
9. 前記格納スリーブ（２３）が、前記シャフト（２０）と協働するさらなる側方シール（４０）を設ける、請求項６乃至８のいずれか１項に記載のターボ機械（１）。
10. 第１の油排出パイプ（２５０Ａ）および第２の油排出パイプ（２５０Ｂ）が、前記第１の孔（２５Ａ）および前記第２の孔（２５Ｂ）に接続される、請求項５乃至９のいずれか１項に記載のターボ機械（１）。