JP7362664B2 - 軸荷重管理システム - Google Patents

Description

本主題は、一般に、軸荷重管理システムに関し、またはより詳細には、気体スラスト軸受用のスラスト軸受荷重管理システムに関する。

ターボ機械は、一般に、直列流れ順に、圧縮機セクション、熱交換セクション、および膨張機セクションを含む。従来のターボ機械は、シャフト、圧縮機インペラ、タービン、継ぎ手、シーリングパック、および所与の動作条件下の最適な動作のための他の要素を有するロータアセンブリを含む。これらのロータアセンブリは、重力に起因する一定の静的な力を発生させる質量を有し、たとえば、運転、加速などの間のロータアセンブリが不均衡であることに起因して動的な力も発生させる。半径方向のシャフト力に加えて、回転アセンブリは、たとえば、ターボ機械段の間の内圧、およびターボ機械の推力から発生する軸力にも遭遇する。そのようなターボ機械は、ロータアセンブリの回転を可能にしながらこれらの力を維持し支持するために、ラジアル軸受およびスラスト軸受を含む。たとえば、軸力の合計は、正味の軸力または推力をもたらす可能性がある。そのような推力は、前または後の方向にあってよい。スラスト軸受は、この推力を吸収し、ロータアセンブリが回転を継続することを可能にするために利用されてよい。

ターボ機械の回転ドライブトレイン（たとえば、圧縮機セクションおよびタービンセクション）は、一般に、油潤滑軸受によって支持されてよい。しかしながら、油潤滑軸受は、追加のポンプ、サンプ、および専用流路を必要とし、ターボ機械のコストおよび／または重量を増加させる可能性がある。その上、油潤滑軸受は、流体のせん断により、油膜の隙間において望ましくない熱を発生させる可能性がある。いくつかのターボ機械は、気体を利用して回転ドライブトレインを潤滑する気体軸受を含む。特定の気体スラスト軸受は、油のような液体と比較すると気体または同様の流体の固有の粘度が低いので、油潤滑軸受と比較して荷重能力が低下する可能性がある。

そのため、気体スラスト軸受に作用する軸推力を低減および制御することが望ましい。

国際公開第２０１６／０７３２５２号パンフレット

態様および利点は、以下の説明において部分的に記載され、またはその説明から明らかになってよく、または本発明の実践を介して学ばれてよい。

一態様では、本開示は、ターボ機械用の軸荷重管理システムに関する。軸荷重管理システムは、回転ドライブトレイン、スラスト軸受アセンブリ、センサ、およびバルブ供給ラインを含む。回転ドライブトレインは、圧縮機セクションおよび膨張機セクションを含む。閉流路は、圧縮機セクションと膨張機セクションを流体結合する。スラスト軸受アセンブリは、スラストランナ、スラスト軸受ハウジング、および気体スラスト軸受を含む。気体スラスト軸受は、スラストランナとスラスト軸受ハウジングとの間に延在する。さらに、気体スラスト軸受は回転ドライブトレインを支持する。センサは、スラスト軸受ハウジングまたは気体スラスト軸受の少なくとも１つに取り付けられる。バルブ供給ラインは、閉流路に流体結合される。バルブ供給ライン内に配置されたバルブは、作動流体が閉流路と、回転面および固定面によって画定された推力室との間を流れることを選択的に可能にして、回転ドライブトレインの軸荷重を修正する。
一実施形態では、気体スラスト軸受は閉流路と共に気密封止されてよい。そのため、気体スラスト軸受は、作動流体を利用して回転ドライブトレインを支持することができる。代替の実施形態では、推力室は閉流路と共に気密封止されてよい。さらに、バルブは、作動流体が流れることを可能にし、推力室の圧力を変更することができる。特定の実施形態では、推力室は、圧縮機セクションの高圧領域に配置されてよい。さらなる実施形態では、推力室は、圧縮機セクションの低圧領域に配置されてよい。追加の実施形態では、軸荷重管理システムは、作動流体に熱を加えるために閉流路に熱結合された熱交換器をさらに含んでよい。別の実施形態では、バルブは第１のバルブであってよく、推力室は第１の推力室であってよい。そのような実施形態では、軸荷重管理システムは、閉流路に流体結合された第２のバルブをさらに含んでよい。第２のバルブは、作動流体が閉流路と第２の推力室との間を流れることを選択的に可能にすることができる。

一実施形態では、軸荷重管理システムは、センサおよびバルブに通信可能に結合されたコントローラをさらに含んでよい。コントローラは、バルブに信号を通信して、作動流体が閉流路と推力室との間を流れることを可能にすることができる。別の実施形態では、コントローラは閉ループコントローラであってよい。追加の実施形態では、センサは力変換器であってよい。またさらなる実施形態では、センサは温度センサであってよい。別の実施形態では、センサは圧力センサであってよい。

別の態様では、本開示は、気体スラスト軸受上の軸荷重を管理する方法に関する。方法は、コントローラに通信可能に結合されたセンサを使用して気体スラスト軸受の軸荷重を測定することを含む。別のステップは、目標軸荷重と測定軸荷重との間の差を特定することを含む。方法はまた、ターボ機械の圧縮機セクションに流体結合されたバルブに信号を通信することを含む。信号は、選択的にバルブを開くか、バルブを閉じるか、またはバルブを部分的に閉じて、バルブに流体結合された推力室内の圧力の変化を引き起こす。そのため、推力室の圧力を変更することは、気体スラスト軸受にかかる軸力を修正する。
一実施形態では、方法は、センサを使用して気体スラスト軸受上の修正された軸荷重を測定することを含んでよい。そのような実施形態では、方法はまた、信号を通信して推力室の圧力を変更することにより、修正された軸荷重と目標軸荷重との間の差に基づいて、気体スラスト軸受上の修正された軸荷重を変更することを含んでよい。追加の実施形態では、目標軸荷重は中立軸荷重であってよい。さらなる実施形態では、推力室は第１の推力室であってよく、バルブは第１のバルブであってよい。そのような実施形態では、方法は、ターボ機械の圧縮機セクションに流体結合された第２のバルブに信号を通信することを含んでよい。信号は、選択的に第２のバルブを開くか、第２のバルブを閉じるか、または第２のバルブを部分的に閉じることができ、第２のバルブに流体結合された第２の推力室の圧力の変化を引き起こす。さらに、第２の推力室の圧力を変更することは、気体スラスト軸受にかかる軸力を修正することができる。

さらなる実施形態では、コントローラは閉ループコントローラであってよい。またさらなる実施形態では、方法は、コントローラに通信可能に結合されたセンサを使用して、気体スラスト軸受上の軸荷重の微分を決定することを含んでよい。他の実施形態では、方法は、コントローラに通信可能に結合されたセンサを使用して、気体スラスト軸受上の軸荷重の積分を決定することを含んでよい。方法の追加の実施形態は、コントローラに通信可能に結合されたセンサを使用して、気体スラスト軸受上の軸荷重の微分および積分を決定することを含んでよい。

これらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照してよりよく理解されよう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、説明とともに本発明の特定の原理を説明するのに役立つ。

本発明の完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられ、添付の図を参照する本明細書に記載される。

本開示の態様による、閉流路を含むターボ機械の概略図である。 本開示の態様による、遠心圧縮機の断面図である。 図１のターボ機械内で利用されてよい、本開示の態様による、軸荷重管理システムの概略図である。 本開示の態様による、例示的な軸荷重管理システムの推力室の断面図である。 本開示の態様による、高圧領域内に２つの推力室を含む、別の例示的な軸荷重管理システムの断面図である。 本開示の態様による、低圧領域内に２つの推力室を含む、さらなる例示的な軸荷重管理システムの断面図である。 本開示の態様による、気体スラスト軸受上の軸荷重を管理するための方法の一実施形態を示す図である。

本明細書および図面における参照文字の反復使用は、本発明の同じまたは類似の特徴または要素を表すことが意図される。

次に、本発明の実施形態を詳細に参照し、それらの１つまたは複数の例が図面に示されている。各例は、本発明の説明のために提示され、本発明を限定するためではない。実際には、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、本発明において様々な修正および変更が行われ得ることは、当業者には明らかであろう。たとえば、ある実施形態の一部として図示または記載された特徴は、またさらなる実施形態をもたらすために、別の実施形態において使用することができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲に入るそのような修正および変更を包含することが意図される。

本明細書で使用される「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、１つの構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用されてよく、個々の構成要素の位置または重要性を示すものではない。

「上流」および「下流」という用語は、流体経路における流体の流れに関する相対的な方向を指す。たとえば、「上流」は流体が流れてくる方向を指し、「下流」は流体が流れていく方向を指す。

「結合された」、「固定された」、「取り付けられた」、などの用語は、本明細書において特に明記されない限り、直接的な結合、固定、または取付け、ならびに１つまたは複数の中間の構成要素または特徴を介する間接的な結合、固定、または取付けの両方を指す。

「通信する」、「通信可能な」、「通信可能に」などの用語は、直接通信、またはメモリシステムもしくは別の中間システムなどを介する間接通信を指す。

次に図１を参照すると、本開示の態様による、潤滑流路５２と共に気密封止された閉流路３０を含むターボ機械１０の概略図が示されている。例示的な実施形態では、ターボ機械１０は、ターボ機械１０の長さに沿って延在する中心線２２を画定する回転ドライブトレイン２０を含む。描写された実施形態では、回転ドライブトレイン２０は、圧縮機２４を含む圧縮機セクション２３を含む。示された実施形態では、圧縮機２４は遠心圧縮機である。特定の実施形態では、圧縮機２４は軸流圧縮機であってよい。さらに、図示された実施形態では、回転ドライブトレイン２０は、膨張機２８を含む膨張機セクション２６を含む。特定の実施形態では、膨張機２８はタービンであってよい。

描写された実施形態では、ターボ機械１０は気密封止され、流路は閉流路３０である。図示された実施形態では、圧縮機セクション２３および膨張機セクション２６は一緒に、（矢印３１を使用して概略的に描写された）作動流体の流れのための閉流路３０を少なくとも部分的に画定する。たとえば、閉流路３０は、圧縮機セクション２３と膨張機セクション２６を流体結合することができる。さらに、図示された実施形態では、作動流体３１は、閉流路３０を介して膨張機セクション２６から圧縮機セクション２３に戻るようにパイプで送られる。その上、例示的な実施形態では、熱交換器３２は、作動流体３１に熱を加えるために閉流路３０に熱結合されてよい。流路は閉鎖および／または気密封止されていると記載されているが、閉流路３０は、作動流体３１の一部が閉流路３０から漏れる漏洩および／または寄生損失を含む場合があることを認識されたい。さらに、ブースターポンプ、バルブ、圧力調整器などの、閉流路３０に流体結合された複数の追加の構成要素が存在してよい。

たとえば、作動流体３１は、圧縮機２４を通過する間に次第に圧縮されてよい。示された実施形態では、熱の形態のエネルギーが熱交換器３２において作動流体３１に加えられる。図示された実施形態では、熱交換器３２は、圧縮機セクション２３の下流および膨張機セクション２６の上流に配置されている。熱交換器３２において加えられる熱は、任意の熱源から来てよいことを認識されたい。たとえば、熱源は、別のターボ機械からの高温燃焼ガスを利用する熱回収システムであってよい。他の実施形態では、熱源は、ヘリオスタット場からのエネルギーなどの太陽エネルギーであってよい。さらに、他の実施形態では、熱源は、地熱、原子力、燃焼、または任意の他の熱源であってよい。

例示的な実施形態では、エネルギーは、次いで、機械的エネルギーとして膨張機２８内の作動流体３１から抽出される。そのため、図示された実施形態では、膨張機２８内で抽出されたエネルギーは、圧縮機２４を駆動するために使用される。いくつかの実施形態では、膨張機２８内で抽出されたエネルギーはまた、回転ドライブトレイン２０に結合された電気機械を駆動するために使用されてよい。たとえば、回転ドライブトレイン２０は、膨張機２８を圧縮機２４および電気機械（たとえば、発電機または交流機）に機械的に結合することができる。他の実施形態では、ターボ機械１０は、閉流路３０内に追加の圧縮機２４および／または膨張機２８を含んでよいことを認識されたい。

さらに、閉流路３０内の作動流体３１は、超臨界流体であってよい。たとえば、作動流体３１は、超臨界二酸化炭素であってよい。他の実施形態では、作動流体は、当技術分野で知られている任意の他の超臨界流体であってよい。たとえば、超臨界流体は超臨界水（ｓＨ２Ｏ）であってよい。さらに、他の実施形態では、作動流体３１は、蒸気などの任意の他の適切な流体であってよい。示された実施形態では、回転ドライブトレイン２０は、圧縮機セクション２３および膨張機セクション２６を取り付ける継ぎ手４０を含んでよい。たとえば、継ぎ手４０は、圧縮機２４を膨張機２８に結合することができる。継ぎ手４０は、固定継ぎ手またはたわみ継ぎ手であってよい。さらに他の実施形態では、回転ドライブトレイン２０は、単一の構成要素として一体的に形成されてよい。

さらに図１を参照すると、描写された実施形態では、ターボ機械１０は流体軸受アセンブリ１５を含む。図示された実施形態では、流体軸受アセンブリ１５は、回転ドライブトレイン２０を支持する。たとえば、流体軸受アセンブリ１５は、少なくとも１つの流体軸受およびシーリングシステム５４を含んでよい。描写された実施形態では、流体軸受アセンブリ１５は、２つ以上などの複数の流体軸受を含む。複数の流体軸受は、少なくとも１つの気体ラジアル軸受４６、またはむしろ複数の気体ラジアル軸受４６、および気体スラスト軸受４８を含む少なくとも１つのスラスト軸受アセンブリ４７を含んでよい。図示された実施形態では、気体ラジアル軸受４６は、中心線２２に対してほぼ垂直なラジアル荷重から回転ドライブトレイン２０を支持する。同様に、例示的な実施形態では、気体スラスト軸受４８は、中心線２２にほぼ平行な荷重から軸方向に回転ドライブトレイン２０を支持する。

描写された実施形態では、流体軸受アセンブリ１５はシーリングシステム５４を含む。描写された実施形態では、シーリングシステム５４は、閉流路３０と共に気密封止されている。たとえば、シーリングシステム５４は、流体軸受に供給された作動流体３１を収容し、その作動流体３１を閉流路３０に戻すために流体軸受を取り囲むことができる。例示的な実施形態について概略的に描写されているように、シーリングシステム５４は、（流体軸受を取り囲むファントムに概略的に示された）格納構造５６および潤滑流路５２を含む。そのため、描写された実施形態では、シーリングシステム５４は、（気体ラジアル軸受４６および気体スラスト軸受４８などの）流体軸受に作動流体３１を供給するために使用される。図示された実施形態では、潤滑流路５２は流体軸受に潤滑剤を供給する。一般に、作動流体３１は、気体ラジアル軸受４６および／または気体スラスト軸受４８に潤滑剤を供給するために、閉流路３０から流出されてよい。たとえば、気体スラスト軸受４８は閉流路３０と共に気密封止されてよい。さらに、気体スラスト軸受４８は、作動流体３１を利用して回転ドライブトレイン２０を支持することができる。

示されたように、作動流体３１は、潤滑流路５２に作動流体３１を供給するために、閉流路３０の圧縮機セクション２３から流出されてよい。たとえば、作動流体３１は、圧縮機ブリードバルブ５３を使用して圧縮機２４から流出されてよい。したがって、示された実施形態では、作動流体３１は、その後、上流と下流の両方の各流体軸受を通してパイプで送られる。図示された実施形態では、流体軸受に潤滑剤を供給した後、作動流体３１は格納構造５６によって集められ、潤滑流路５２に戻され、その後、作動流体３１用の閉流路３０に戻される。このようにして、格納構造５６は閉流路３０に流動的に接続されている。別の実施形態では、作動流体３１は、格納構造５６から直接閉流路３０に戻されてよい。特に、格納構造５６は、回転ドライブトレイン２０とシールを形成するために、前方シール６１および後方シール６２を含む。任意の適切な格納構造５６が設けられてよいことが諒解されよう。たとえば、他の実施形態では、複数の個別の格納構造５６が流体軸受ごとに１つ設けられてよい。他の実施形態では、作動流体３１は、膨張機２８などの膨張機セクション２６から流出されてよいことを認識されたい。

次に図２を参照すると、図１の例示的なターボ機械１０において利用され得る圧縮機２４の断面図が示されている。描写された実施形態では、圧縮機２４は遠心圧縮機であるが、他のタイプの圧縮機２４がターボ機械１０において利用されてよいことを認識されたい。たとえば、圧縮機２４は軸流圧縮機であってよい。圧縮機２４は、一般に、圧縮機２４をターボ機械１０の他の構成要素（たとえば、膨張機２８および熱交換器３２）に流体結合するために、作動流体３１用の入口３４および出口３６を含んでよい。たとえば、圧縮機２４は、閉流路３０を少なくとも部分的に画定することができる。

圧縮機２４は、圧縮機２４の内部構造を収容する圧縮機ケーシング４０を含んでよい。作動流体３１を順次圧縮するために、いくつかのインペラ３８が回転ドライブトレイン２０に結合されてよい。図示された実施形態では、インペラ３８は回転ドライブトレイン２０に結合されている。たとえば、回転ドライブトレイン２０は、膨張機２８（たとえば、図１を参照）によって抽出された機械的エネルギーを使用してインペラ３８を駆動することができる。さらに、インペラ３８および圧縮機ケーシング４０は、閉流路３０を少なくとも部分的に画定することができる。一般に、インペラ３８は、中心線２２に対して半径方向外向きに作動流体３１を回転および加速することができる。そのような半径方向の加速は作動流体３１を圧縮する。描写された実施形態では、圧縮機２４は低圧領域４２および高圧領域４４を含む。低圧領域４２は、初期段階のインペラ３８を含んでよい。高圧領域４４は、後期段階のインペラ３８を含んでよい。

図示された実施形態では、圧縮機２４は少なくとも１つの推力室５０を含む。推力室５０は、インペラ３８のうちの１つの下流に配置されてよい。図示された実施形態では、推力室５０は、最後のインペラ３８の後方の高圧領域４４に配置されている。他の実施形態では、推力室５０は、インペラ３８のうちのいずれかに配置されてよいことを認識されたい。たとえば、推力室５０は、低圧領域４２内のインペラ３８のうちの１つに配置されてよい。さらに他の実施形態では、推力室５０は、最初のインペラ３８の前方に配置されてよい。

次に図３を参照すると、図１の例示的なターボ機械１０において利用され得る気体スラスト軸受４８を含む軸荷重管理システム１００の概略図が示されている。図示された実施形態では、軸荷重管理システム１００は、スラスト軸受アセンブリ４７を含む。例示的な実施形態では、スラスト軸受アセンブリ４７は、スラスト軸受ハウジング６０を含む。特定の実施形態では、スラスト軸受ハウジング６０は、格納構造５６（たとえば、図１を参照）の構成要素であってよい。さらに、他の実施形態では、スラスト軸受ハウジング６０は、別個の構成要素であってよい。その上、スラスト軸受ハウジング６０は、圧縮機ケーシング４０（たとえば、図２を参照）に結合されてよい。さらに、描写された実施形態では、スラスト軸受アセンブリ４７はスラストランナ５８を含む。スラストランナ５８は、スラストランナ５８が回転ドライブトレイン２０とともに回転するように、回転ドライブトレイン２０に結合されてよい。たとえば、スラストランナ５８は、中心線２２に対して回転ドライブトレイン２０から半径方向に延在することができる。スラスト軸受アセンブリ４７はまた、例示的な実施形態のための気体スラスト軸受４８を含む。気体スラスト軸受４８は、スラストランナ５８とスラスト軸受ハウジング６０との間に延在することができる。

気体スラスト軸受４８は、軸荷重から回転ドライブトレイン２０を支持するために使用されてよい。たとえば、作動流体３１は、図１に見られるように、閉流路３０から流出され、気体スラスト軸受４８に供給されてよい。次いで、作動流体３１は、気体スラスト軸受４８により、気体スラスト軸受４８とスラストランナ５８との間に画定されたギャップ７６に放出されてよい。図示された実施形態では、ギャップ７６内の作動流体３１は、スラストランナ５８と気体スラスト軸受４８との間に薄膜を作成する。薄膜は、スラストランナ５８を潤滑および緩衝することができる。たとえば、薄膜は、軸荷重がスラストランナ５８から気体スラスト軸受４８を介して伝達され、その後スラスト軸受ハウジング６０に加えられることを可能にすることができる。スラストランナ５８を潤滑および緩衝した後、作動流体３１は、格納構造５６によって集められ、閉流路３０に戻されてよい。

例示的な実施形態では、スラストランナ５８は、気体スラスト軸受４８によって前方と後方の両方を境界付けられている。たとえば、スラストランナ５８の前方の気体スラスト軸受４８は、前方の軸荷重からスラストランナ５８、したがって回転ドライブトレイン２０を支持することができる。同様に、スラストランナ５８の後方の気体スラスト軸受４８は、後方の軸荷重からスラストランナ５８および回転ドライブトレイン２０を支持することができる。他の実施形態では、スラストランナ５８は、片側のみで気体スラスト軸受４８によって境界付けられてよいことを認識されたい。

図示された実施形態では、軸荷重管理システム１００はバルブ供給ライン６８を含む。バルブ供給ライン６８は、（図５に関してより詳細に記載されるように）閉流路３０に流体結合されてよい。さらに、例示的な実施形態では、バルブ７０は、作動流体３１が閉流路３０と推力室５０との間を流れることを選択的に可能にするために、バルブ供給ライン６８内に配置される。たとえば、バルブ７０は、作動流体３１が閉流路３０から推力室５０に流れることを可能にするために、完全に開かれてよい。同様に、バルブ７０は、閉流路３０と推力室５０との間の作動流体３１の流れを制限するために、部分的に閉じられてよい。その上、バルブ７０は、作動流体３１がバルブ供給ライン６８を通過することを防止するために、完全に閉じられてよい。

さらに図３を参照すると、描写された実施形態では、推力室５０は、回転面７２および固定面７４によって画定されている。固定面７４は、ターボ機械１０の静的構造に結合されるか、またはそれとともに形成されてよい。たとえば、固定面７４は、格納構造５６、または圧縮機ケーシング４０などのターボ機械１０の別のケーシングに結合されてよい。回転面７２は、回転ドライブトレイン２０に結合されてよい。たとえば、回転面７２は、中心線２２に対して回転ドライブトレイン２０から半径方向外側に延在することができる。他の実施形態では、回転面７２は、回転ドライブトレイン２０と一体的に形成されてよい。たとえば、回転ドライブトレイン２０は回転面７２を含んでよい。さらに、他の実施形態では、回転面７２は、インペラ３８などの任意の他の回転構造とともに形成されるか、またはそれに結合されてよい。少なくとも１つのシール７８は、回転面７２と固定面７４との間に配置されてよい。シール７８は、ラビリンスシール、流体力学的シール、またはカーボンシールなどであるがそれらに限定されない、当技術分野で知られている任意のシールであってよい。

示された実施形態では、推力室５０は、回転ドライブトレイン２０上の軸荷重を修正するために使用される。たとえば、作動流体３１は、推力室５０を加圧するためにバルブ供給ライン６８によって供給されてよい。推力室５０の圧力を変更することは、回転面７２にかかる力を変更することができる。たとえば、推力室５０内の加圧された作動流体３１は、回転面７２の領域に作用することができる。そのため、図示された実施形態では、推力室５０は、回転面７２、したがって回転ドライブトレイン２０に前向きの力を加える。バルブ供給ライン６８からより多くの作動流体３１を供給することは、推力室５０の圧力を上昇させ、したがって、回転ドライブトレイン２０に加えられる前向きの力を増加させることができる。あるいは、推力室５０から空気を抜くことは、その圧力を低下させ、したがって、回転ドライブトレイン２０に加えられる前向きの力を減少させることができる。他の実施形態では、回転面７２は後方にあってよく、固定面７４は前方にあってよいことを認識されたい。そのような実施形態では、推力室５０は、回転ドライブトレイン２０に後向きの力を供給することができる。回転ドライブトレイン２０上の軸荷重を変更することにより、推力室５０は、気体スラスト軸受４８に作用する軸荷重を修正することができる。

描写された実施形態では、軸荷重管理システム１００は、スラスト軸受ハウジング６０または気体スラスト軸受４８のうちの少なくとも１つに取り付けられたセンサ６４を含む。センサ６４は、気体スラスト軸受４８にかかる軸力を測定するために使用されてよい。たとえば、センサ６４は力変換器であってよい。力変換器は、一般に、機械的な力を電気出力信号に変換する。特定の実施形態では、力変換器は、ひずみゲージを含むロードセルであってよい。そのような実施形態では、ロードセルの変形は、ロードセルに加えられた力と相関があり得るひずみゲージの電気特性を変更する。特定の実施形態では、センサ６４は温度センサであってよい。温度センサは、一般に、スラスト軸受ハウジング６０、気体スラスト軸受４８、またはスラストランナ５８のうちの少なくとも１つの温度を特定することができる。さらに、スラスト軸受アセンブリ４７の様々な構成要素の温度は、気体スラスト軸受４８に作用する力と相関があってよい。別の実施形態では、センサ６４は圧力センサであってよい。圧力センサは、一般に、スラスト軸受アセンブリ４７内に含まれる流体の圧力を特定することができる。たとえば、圧力センサは、作動流体３１の圧力を特定することができる。さらに、スラスト軸受アセンブリ４７内の流体の圧力は、気体スラスト軸受４８に作用する力と相関があってよい。

図示された実施形態では、軸荷重管理システム１００は、スラスト軸受アセンブリ４７に取り付けられた２つのセンサ６４を含む。たとえば、１つのセンサ６４は、スラスト軸受ハウジング６０および／または気体スラスト軸受４８のスラスト軸受アセンブリ４７の前端に取り付けられてよい。第２のセンサ６４は、軸受ハウジング６０および／または気体スラスト軸受４８のスラスト軸受アセンブリ４７の後端に取り付けられてよい。そのような実施形態では、２つのセンサ６４は、スラストランナ５８に作用する軸荷重の大きさと方向の両方が特定されることを可能にすることができる。

図３の実施形態では、軸荷重管理システム１００はコントローラ６６を含む。したがって、いくつかの実施形態では、コントローラ６６は、（たとえば、本明細書に開示された方法、ステップ、計算などを実行する）様々なコンピュータ実装機能を実行するように構成された、１つまたは複数のプロセッサおよび関連するメモリデバイスを含んでよい。本明細書で使用する「プロセッサ」という用語は、コンピュータに含まれるものとして当技術分野で呼ばれる集積回路を指すだけでなく、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、および／または他のプログラマブル回路も指す。

その上、メモリデバイスは、一般に、限定はしないが、コンピュータ可読媒体（たとえば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））、コンピュータ可読不揮発性媒体（たとえば、フラッシュメモリ）、フロッピーディスク、コンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、および／または他の適切なメモリ素子を含むメモリ素子を含んでよい。そのようなメモリデバイスは、一般に、プロセッサによって実装されたときに、様々な機能を実行するようにコントローラ６６を構成する適切なコンピュータ可読命令を記憶するように構成されてよい。

コントローラ６６は、センサ６４および／またはバルブ７０に通信可能に結合されてよい。図示された実施形態では、コントローラ６６は、バルブ７０に信号を通信して、作動流体３１が閉流路３０と推力室５０との間を流れることを可能にする。たとえば、コントローラ６６は、信号を通信して、バルブ７０を開く、バルブ７０を閉じる、および／またはバルブ７０を部分的に閉じることができる。作動流体３１が閉流路３０と推力室５０との間を流れることを可能にすることは、推力室５０の圧力、したがって回転ドライブトレイン２０上の軸荷重を変更することができる。回転ドライブトレイン２０上の軸荷重を変更することにより、気体スラスト軸受４８に作用する荷重は低減されてよい。

さらに図３を参照すると、気体スラスト軸受４８上の軸荷重は、センサ６４を介してコントローラ６６に通信されてよい。目標軸荷重はコントローラ６６に記憶されてよい。特定の実施形態では、目標軸荷重は中立軸荷重であってよい。たとえば、目標軸荷重は、前向きの軸力も後向きの軸力も気体スラスト軸受４８に作用しないようなものであってよい。コントローラ６６は、目標軸荷重と、センサ６４によって通信された測定軸荷重との間の差を特定することができる。特定の実施形態では、コントローラ６６は、センサ６４によって通信された測定軸荷重を使用して、気体スラスト軸受４８上の軸荷重の微分を決定することができる。他の実施形態では、コントローラ６６は、センサ６４によって通信された測定軸荷重を使用して、軸荷重の積分を決定することができる。コントローラ６６は、目標軸荷重と測定軸荷重との間の差、軸荷重の微分、または軸荷重の積分のうちの少なくとも１つを使用して、軸荷重調整を決定することができる。さらに、コントローラ６６は、バルブ７０に信号を通信して、気体スラスト軸受４８に作用する軸力を修正することができる。

特定の実施形態では、コントローラ６６は閉ループコントローラであってよい。閉ループコントローラは、修正された出力をターゲット入力と比較し、制御変数に対するさらなる調整を行うことができる。たとえば、コントローラ６６は、センサ６４から通信された信号に基づいて、気体スラスト軸受４８に作用する修正された軸荷重を特定することができる。さらに、コントローラ６６は、信号を通信して、修正された軸荷重と目標軸荷重との間の差、修正された軸荷重の微分、および／または修正された軸荷重の積分に基づいて、推力室５０の圧力および軸荷重をさらに変更することができる。

次に図４を参照すると、ターボ機械１０の圧縮機２４の段間に配置された例示的な推力室５０の断面図が、本開示の態様に従って示されている。図示された実施形態では、推力室５０は、１つのインペラ３８の後方および別のインペラ３８の前方に配置されている。さらに、描写された実施形態では、前方インペラ３８は、推力室５０を部分的に画定する回転面７２である。たとえば、推力室５０の圧力を変更すると、回転面７２に作用する圧力が変更され、したがって、回転ドライブトレイン２０上の軸荷重が変更される。図示された実施形態では、バルブ供給ライン６８は、低圧領域４２などの推力室５０よりも低い圧力を有する閉流路３０のセグメントに、推力室５０を流体結合することができる。そのような実施形態では、作動流体３１は、推力室５０からバルブ供給ライン６８を介して閉流路３０に流出されてよい。たとえば、推力室５０から作動流体３１を流出させることは、その圧力を減少させることができる。推力室５０の圧力を減少させることにより、回転面７２に加えられる前方軸力が低減されてよい。

次に図５を参照すると、２つの推力室５０を含む軸荷重管理システム１００の実施形態の断面図が、本開示の態様に従って示されている。図３に関して簡単に記載されたように、バルブ供給ライン６８は、推力室５０を閉流路３０に流体結合することができる。たとえば、少なくとも１つのポート８０は、作動流体３１の推力室５０へのおよび／または推力室５０からの移動を可能にすることができる。さらに、推力室５０は閉流路３０と共に気密封止されてよい。たとえば、バルブ７０は、作動流体３１が推力室５０と閉流路３０との間を流れることを可能にし、したがって、推力室５０の圧力を変更することができる。

描写された実施形態では、推力室５０は圧縮機２４の高圧領域４４に配置されている。たとえば、推力室５０は、圧縮機２４の最後のインペラ３８の後方に配置されてよい。したがって、図示された実施形態では、バルブ７０は、ターボ機械１０の圧縮機セクション２３に流体結合されている。図示された実施形態では、推力室５０の圧力は、閉流路３０の圧力よりも比較的高くてよい。そのため、コントローラ６６から信号を通信してバルブ７０を開くか部分的に開くことは、作動流体３１がバルブ供給ライン６８を介して推力室５０から閉流路３０に流れることを可能にすることができる。そのような実施形態では、バルブ７０を開くことには、推力室５０の圧力を低下させることができる。

さらに図５を参照すると、特定の実施形態では、バルブ供給ライン６８は補助供給ライン９０をさらに含んでよい。たとえば、補助供給ライン９０は、バルブ供給ライン６８を閉流路３０に配置された２つ以上のポート８０に流体結合するために使用されてよい。したがって、図示された実施形態では、推力室５０は、バルブ供給ライン６８および２つ以上のポート８０を介して、複数の場所で閉流路３０に流体結合されてよい。バルブ供給ライン６８は、２つ以上のバルブ７０を含んでよいことも認識されたい。たとえば、補助供給ライン９０は、作動流体３１が補助供給ライン９０を通って流れることを選択的に可能にするために、補助供給ライン９０内に配置された別のバルブ７０を含んでよい。

図示された実施形態では、回転面７２は、前と後の両方で推力室５０を画定することができる。そのような実施形態では、回転面７２の前後の相対面積は、推力室５０によって加えられる力が作用する方向を決定する。たとえば、描写された実施形態では、回転面７２は、推力室５０の後の表面積と比較して、より大きい推力室５０の前の表面積を有する。したがって、推力室内の加圧された作動流体３１は、回転ドライブトレイン２０に前向きの力を加えることができる。

示された実施形態では、軸荷重管理システム１００は、第１の推力室８２および第１のバルブ８４を含む。たとえば、第１のバルブ８４は、第１の推力室８２と閉流路３０との間の作動流体３１の流れを選択的に可能にすることができる。さらに、示された実施形態では、軸荷重管理システム１００は、閉流路３０を第２の推力室８６に流体結合するために、第２の推力室８６および第２のバルブ８８を含む。第２のバルブ８８は、作動流体３１が閉流路３０と第２の推力室８６との間を流れることを選択的に可能にすることができる。たとえば、コントローラ６６は、信号を通信して、第２のバルブ８８を開く、第２のバルブ８８を閉じる、および／または第２のバルブ８８を部分的に閉じることができる。第２のバルブ８８を開くこと、閉じること、および／または部分的に閉じることにより、第２の推力室８６の圧力が変更されてよい。第２の推力室８６の圧力のこの変更は、回転ドライブトレイン２０にかかる軸力、したがって気体スラスト軸受４８上の荷重を修正することができる。たとえば、図示された実施形態では、第２のバルブ８８を開くことは、作動流体３１が第２の推力室８６内の比較的高い圧力から閉流路３０に流れることを可能にすることができ、それにより第２の推力室８６の圧力が低下する。圧力の低下は、回転面７２に加えられる前方軸力を低減し、したがって、後方向への気体スラスト軸受４８上の荷重を修正することができる。

特定の実施形態では、１つまたは複数のシール７８は、推力室５０の間の流体抵抗器として機能することができる。たとえば、加圧された作動流体３１は、推力室５０を分離するシール７８などのシール７８の少なくとも１つを通して推力室５０の間で漏洩することができる可能性がある。そのような実施形態では、推力室５０は、第１の推力室８２内の圧力が第２の推力室８６内の圧力とほぼ同じになるように流体結合されてよい。

次に図６を参照すると、低圧領域４２内の２つの推力室５０を含む軸荷重管理システム１００の一実施形態の断面図が、本開示の態様に従って示されている。たとえば、推力室５０は第１のインペラ３８の前方に配置されてよい。特定の実施形態では、推力室５０の圧力は閉流路３０の圧力よりも低くてよい。したがって、バルブ７０を開くかまたは部分的に開くことは、作動流体３１が閉流路３０からバルブ供給ライン６８を介して推力室５０に流れることを可能にすることができる。そのような実施形態では、バルブ７０を開くことは、推力室５０の圧力を上昇させることができる。したがって、推力室５０の圧力を上昇させることは、回転ドライブトレイン２０、したがって気体スラスト軸受４８により大きい前向きの力を加えることができる。

次に図７を参照すると、気体スラスト軸受４８上の軸荷重を管理するための方法２００の一実施形態が、本開示の態様に従って示されている。方法２００は、図２～図６に記載された軸荷重管理システム１００の実施形態のいずれか、または任意の他の有能なシステムとともに利用されてよいことを認識されたい。方法２００は、ステップ２０２において、コントローラ６６に通信可能に結合されたセンサ６４を使用して気体スラスト軸受４８上の軸荷重を測定することを含んでよい。別のステップ２０４は、目標軸荷重と測定軸荷重との間の差を特定することを含んでよい。たとえば、コントローラ６６は、測定軸荷重を目標軸荷重と比較することができる。特定の実施形態では、目標軸荷重は中立軸荷重であってよい。たとえば、中立軸荷重は、前方向にも後方向にも荷重されていない気体スラスト軸受４８によって定義されてよい。方法２００は、ステップ２０６において、コントローラ６６に通信可能に結合されたセンサ６４を使用して、気体スラスト軸受４８上の軸荷重の微分または積分のうちの少なくとも１つを決定することを含んでよい。たとえば、特定の実施形態では、方法２００は軸荷重の微分を決定することを含む。他の実施形態では、方法は軸荷重の積分を決定することを含む。さらに、さらなる実施形態では、軸荷重の積分と微分の両方が決定されてよい。

ステップ２０８において、方法２００は、ターボ機械１０の圧縮機セクション２３に流体結合されたバルブ７０に信号を通信することを含んでよい。信号は、選択的にバルブ７０を開くか、バルブ７０を閉じるか、またはバルブ７０を部分的に閉じることができ、バルブ７０に流体結合された推力室５０の圧力の変化を引き起こす。加えて、推力室５０の圧力を変更することは、気体スラスト軸受４８にかかる軸力を修正することができる。

特定の実施形態では、方法２００は、図５および図６に示された軸荷重管理システム１００の実施形態などの、２つの推力室５０を含む軸荷重管理システム１００とともに使用されてよい。そのような実施形態では、方法２００は、ステップ２１０において、ターボ機械１０の圧縮機セクション２３に流体結合された第２のバルブ８８に信号を通信することを含んでよい。信号は、選択的に第２のバルブ８８を開くか、第２のバルブ８８を閉じるか、または第２のバルブ８８を部分的に閉じることができ、第２のバルブ８８に流体結合された第２の推力室８６の圧力の変化を引き起こす。たとえば、第２の推力室８６の圧力を変更することは、気体スラスト軸受４８にかかる軸力を修正することができる。

追加の実施形態では、コントローラ６６は閉ループコントローラであってよい。そのような実施形態では、方法２００は、ステップ２１２において、センサ６４を使用して気体スラスト軸受４８上の修正された軸荷重を測定することを含んでよい。さらなるステップ２１４は、修正された軸荷重と目標軸荷重との間の差に基づいて、気体スラスト軸受４８上の修正された軸荷重を変更することを含んでよい。たとえば、コントローラ６６は、信号を通信して推力室５０の圧力を変更することができる。

本明細書は例示的な実施形態を使用して、最良の態様を含む本発明を開示し、また任意のデバイスまたはシステムを製作および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含む、当業者が本発明を実践することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の例を含んでよい。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を含むか、または特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。

１０ ターボ機械
１５ 流体軸受アセンブリ
２０ 回転ドライブトレイン
２２ 中心線
２３ 圧縮機セクション
２４ 圧縮機
２６ 膨張機セクション
２８ 膨張機
３０ 閉流路
３１ 作動流体
３２ 熱交換器
３４ 入口
３６ 出口
３８ 第１のインペラ、前方インペラ
４０ 継ぎ手、圧縮機ケーシング
４２ 低圧領域
４４ 高圧領域
４６ 気体ラジアル軸受
４７ スラスト軸受アセンブリ
４８ 気体スラスト軸受
５０ 推力室
５２ 潤滑流路
５３ 圧縮機ブリードバルブ
５４ シーリングシステム
５６ 格納構造
５８ スラストランナ
６０ スラスト軸受ハウジング
６１ 前方シール
６２ 後方シール
６４ 第２のセンサ
６６ コントローラ
６８ バルブ供給ライン
７０ バルブ
７２ 回転面
７４ 固定面
７６ ギャップ
７８ シール
８０ ポート
８２ 第１の推力室
８４ 第１のバルブ
８６ 第２の推力室
８８ 第２のバルブ
９０ 補助供給ライン
１００ 軸荷重管理システム
２００ 方法
２０２ ステップ
２０４ ステップ
２０６ ステップ
２０８ ステップ
２１０ ステップ
２１２ ステップ
２１４ ステップ

Claims (10)

1. ターボ機械（１０）用の軸荷重管理システム（１００）であって、当該軸荷重管理システム（１００）が、
   圧縮機セクション（２３）及び膨張機セクション（２６）を含む回転ドライブトレイン（２０）であって、前記圧縮機セクション（２３）と前記膨張機セクション（２６）とが閉流路（３０）によって流体結合され、作動流体が前記閉流路（３０）を介して前記圧縮機セクション（２３）から前記膨張機セクション（２６）へと流れ次いで前記圧縮機セクション（２３）へと戻る、回転ドライブトレイン（２０）と、
   スラストランナ（５８）、スラスト軸受ハウジング（６０）、及び気体スラスト軸受（４８）を含むスラスト軸受アセンブリ（４７）であって、前記気体スラスト軸受（４８）が前記スラストランナ（５８）と前記スラスト軸受ハウジング（６０）との間に延在し、前記気体スラスト軸受（４８）が前記回転ドライブトレイン（２０）を支持する、スラスト軸受アセンブリ（４７）と、
   前記スラスト軸受ハウジング（６０）又は前記気体スラスト軸受（４８）のうちの少なくとも１つに取り付けられたセンサ（６４）と、
   前記閉流路（３０）に流体結合されたバルブ供給ライン（６８）であって、作動流体（３１）が、前記閉流路（３０）と、回転面（７２）及び固定面（７４）によって画定された推力室（５０）との間を流れることを選択的に可能にして、前記回転ドライブトレイン（２０）上の軸荷重を修正するために、バルブ（７０）が前記バルブ供給ライン（６８）内に配置される、バルブ供給ライン（６８）と
   を備えており、
   前記気体スラスト軸受（４８）が前記閉流路（３０）と共に気密封止されていて、前記気体スラスト軸受（４８）が前記作動流体（３１）を利用して前記回転ドライブトレイン（２０）を支持する、及び／又は前記推力室（５０）が前記閉流路（３０）と共に気密封止されていて、前記バルブ（７０）が、前記作動流体（３１）が流れて前記推力室（５０）の圧力を変更できるようにする、軸荷重管理システム（１００）。
2. 前記センサ（６４）及び前記バルブ（７０）に通信可能に結合されたコントローラ（６６）をさらに含み、前記コントローラ（６６）が、前記バルブ（７０）に信号を通信して、前記作動流体（３１）が前記閉流路（３０）と前記推力室（５０）との間を流れることができるようにする、請求項１に記載の軸荷重管理システム（１００）。
3. 前記コントローラ（６６）が閉ループコントローラである、請求項２に記載の軸荷重管理システム（１００）。
4. 前記センサ（６４）が、力変換器、温度センサ又は圧力センサである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の軸荷重管理システム（１００）。
5. 前記バルブ（７０）が第１のバルブ（８４）であり、前記推力室（５０）が第１の推力室（８２）であり、前記軸荷重管理システム（１００）が、前記閉流路（３０）に流体結合された第２のバルブ（８８）をさらに含み、前記第２のバルブ（８８）が、前記作動流体（３１）が前記閉流路（３０）と第２の推力室（８６）との間を流れることを可能にする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の軸荷重管理システム（１００）。
6. 前記推力室（５０）が、前記圧縮機セクション（２３）の高圧領域（４４）又は低圧領域（４２）に配置される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の軸荷重管理システム（１００）。
7. 前記作動流体（３１）に熱を加えるための、前記閉流路（３０）に熱結合された熱交換器（３２）をさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の軸荷重管理システム（１００）。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の軸荷重管理システム（１００）を用いて気体スラスト軸受（４８）上の軸荷重を管理する方法（２００）であって、
   コントローラ（６６）に通信可能に結合されたセンサ（６４）を使用して、前記気体スラスト軸受（４８）上の前記軸荷重を測定するステップ（２０２）と、
   目標軸荷重と前記軸荷重の測定値との差を特定するステップ（２０４）と、
   ターボ機械（１０）の圧縮機セクション（２３）に流体結合されたバルブ（７０）に信号を通信するステップ（２０８）であって、前記信号が、選択的に前記バルブ（７０）を開くか、前記バルブ（７０）を閉じるか、又は前記バルブ（７０）を部分的に閉じて、前記バルブ（７０）に流体結合された推力室（５０）の圧力の変化を引き起こし、前記推力室（５０）の前記圧力を変更することが、前記気体スラスト軸受（４８）上の前記軸荷重を修正する、ステップ（２０８）と
   を含む、方法（２００）。
9. 前記センサ（６４）を使用して前記気体スラスト軸受（４８）上の修正された軸荷重を測定するステップ（２１２）と、
   信号を通信して前記推力室（５０）の前記圧力を変更することにより、前記修正された軸荷重と前記目標軸荷重との間の差に基づいて、前記気体スラスト軸受（４８）上の前記修正された軸荷重を変更するステップ（２１４）と
   をさらに含む、請求項８に記載の方法（２００）。
10. 前記目標軸荷重が中立軸荷重である、請求項８又は請求項９に記載の方法（２００）。

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