JPH01203601A - Expansion turbine - Google Patents

Expansion turbine

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JPH01203601A
JPH01203601A JP2752188A JP2752188A JPH01203601A JP H01203601 A JPH01203601 A JP H01203601A JP 2752188 A JP2752188 A JP 2752188A JP 2752188 A JP2752188 A JP 2752188A JP H01203601 A JPH01203601 A JP H01203601A
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JP
Japan
Prior art keywords
pressure
gas
brake fan
turbine
brake
Prior art date
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Pending
Application number
JP2752188A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Susumu Harada
進 原田
Kazuo Okamoto
和夫 岡本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH01203601A publication Critical patent/JPH01203601A/en
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Abstract

PURPOSE:To prevent over-speed of a turbine, by connection of a pipe system for introducing higher pressure gas than the pressure in the inside circulating passage, into the circulating path passage of a brake fan. CONSTITUTION:A connection of an introducing pipe 11 for introducing higher pressure gas than the pressure of an inside circulating passage 9, into the circulating passage 9 of a brake fan 6 is provided in said circulating passage 9. When absorptive power of the brake fan 6 is small, a part of high pressure gas 14 is introduced into the circulating passage 9 through a pressure adjusting valve 10. Thereby, absorptive power of the brake fan 6 is increased so as to prevent over-speed of a turbine.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は膨張タービンに係り5%にブレーキファンの吸
収動力を増加させるに好適な構造に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an expansion turbine and relates to a structure suitable for increasing the absorption power of a brake fan by 5%.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の膨張タービンでは、ターボ機械第11巻7号(1
983)の37頁から42頁に記載のようニ膨張タービ
ンのブレーキファンは1つの閉循環経路となっていた。
In conventional expansion turbines, Turbomachinery Vol. 11 No. 7 (1
983), pages 37 to 42, the brake fan of the dual expansion turbine had one closed circulation path.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記従来技術はブレーキファンの循環経路の圧力が軸受
室の圧力(ノズルの出口圧力)で決定され、ブレーキフ
ァンの循環経路の圧力が設計値より小さくても対応でき
ない構造となっていたため。
In the above conventional technology, the pressure in the brake fan circulation path is determined by the pressure in the bearing chamber (nozzle outlet pressure), and the structure is such that it cannot handle even if the pressure in the brake fan circulation path is lower than the design value.

設計吸収動力を満足できない問題があった。There was a problem that the design absorption power could not be satisfied.

本発明の目的はブV−キファンの循環経路の圧力が設計
値よりも小さい場合に容易に循環経路内の圧力を高くし
て、設計吸収動力を満足させることにある。
An object of the present invention is to easily increase the pressure in the circulation path of a V-fan when the pressure in the circulation path is lower than the design value to satisfy the designed absorption power.

〔課題を解決するだめの手段〕[Failure to solve the problem]

上記目的は、タービンのブV−キファンの循環経路に経
路内のガス圧力エリも高い圧力のガスを外部から強制的
に供給することによって達成される。
The above object is achieved by forcibly supplying gas at a high pressure from the outside to the circulation path of the turbine fan.

本発明の膨張タービンは、一端にタービン翼を設け、他
端にブレーキファンを取付けた主軸がジャーナル軸受及
びスラスト軸受にて支持される膨張タービンにおいて、
前記ブレーキファンの循環経路内に、前記循環経路内の
圧力よりも高い圧力のガスを外部から導入できる配管系
を有し、前記膨張タービン内部から外部へガスを排出で
きるような構造を有することを特徴とする。
The expansion turbine of the present invention is an expansion turbine in which a main shaft having a turbine blade provided at one end and a brake fan attached to the other end is supported by a journal bearing and a thrust bearing.
The brake fan has a structure in which a piping system is provided in the circulation path of the brake fan so that gas having a pressure higher than that in the circulation path can be introduced from the outside, and the gas can be discharged from the inside of the expansion turbine to the outside. Features.

本発明における実施態様を以下に例示列挙する。Examples of embodiments of the present invention are listed below.

(1)  圧縮機より吐出された高圧ガスの一部が膨張
タービンのブレーキファンの循環経路に導入し。
(1) A part of the high pressure gas discharged from the compressor is introduced into the circulation path of the brake fan of the expansion turbine.

前記膨張タービンの内部から外部へ排出されるガスが前
記圧縮機の吸込側に戻るような構造を有すること。
The expansion turbine has a structure in which gas discharged from the inside of the expansion turbine to the outside returns to the suction side of the compressor.

(2)スラスト軸受に静圧ガスを供給するための軸受ガ
ス供給配管から分岐して、膨張タービンのブV−キファ
ン循環経路内に前記ブレーキファンの循環経路内よりも
高い圧力のガスを供給できる構造を有すること。
(2) Branching from the bearing gas supply piping for supplying static pressure gas to the thrust bearing, it is possible to supply gas at a higher pressure into the brake V-fan circulation path of the expansion turbine than in the brake fan circulation path. Having a structure.

(3)  スラスト軸受に軸受ガスを供給して、膨張タ
ービンの内部から外部へ排出する軸受ガス出口配管を有
する膨張タービンにおいて、ブレーキファン循環経路の
ガスが前記軸受ガス出口配管より排出されること。
(3) In an expansion turbine having a bearing gas outlet pipe that supplies bearing gas to the thrust bearing and discharges it from the inside of the expansion turbine to the outside, the gas in the brake fan circulation path is discharged from the bearing gas outlet pipe.

(4)  ブレーキファンの循環ループからのガスが膨
張タービンの軸受室内部に入る人口部分に、圧力損失抵
抗体を有すること。
(4) Having a pressure drop resistor in the artificial part where the gas from the circulation loop of the brake fan enters inside the bearing chamber of the expansion turbine.

〔作用〕[Effect]

ブレーキファンの吸収動力を増加させるために。 To increase the absorption power of the brake fan.

外部からブレーキファンの循環経路工9も高い圧力のガ
スを循環経路に強制的に導入し、ブレーキファンと軸受
室の間に生ずる差圧だけブレーキファンの循環経路の圧
力を軸受室の圧力より高くする。したがって圧力の上昇
に比例してブレーキファンの吸収動力は増加する。
The brake fan circulation path construction 9 also forcibly introduces high pressure gas into the circulation path from the outside, making the pressure in the brake fan circulation path higher than the pressure in the bearing chamber by the differential pressure generated between the brake fan and the bearing chamber. do. Therefore, the power absorbed by the brake fan increases in proportion to the increase in pressure.

〔実施例〕〔Example〕

以下1本発明の一実施例を第1図により説明する。第1
図は例えば、ヘリウム液化冷凍機に用いられる膨張ター
ビンの系統図を示したものである。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 1st
The figure shows, for example, a system diagram of an expansion turbine used in a helium liquefaction refrigerator.

高速回転するシャフトの下端にはタービンロータ3が取
り付けられ、上端部にはブレーキファン6が設けられて
いる。5は軸の半径方向を支えるジャーナル軸受であり
、スラスト方向(軸方向)を支えるためには静圧ガス軸
受が用いられている。
A turbine rotor 3 is attached to the lower end of the shaft that rotates at high speed, and a brake fan 6 is provided to the upper end. 5 is a journal bearing that supports the shaft in the radial direction, and a hydrostatic gas bearing is used to support the shaft in the thrust direction (axial direction).

ガスの流れを説明すると、タービン入口の高圧ヘリウム
ガス1はノズル2により加速されて噴出する。次にこの
噴出ガスはタービンロータ3に動力を伝達し、断熱膨張
して温度・圧力が低下してタービン出口ガス4となり他
の構成要素(例えば熱交換器)に導かれる。
To explain the gas flow, high-pressure helium gas 1 at the turbine inlet is accelerated by a nozzle 2 and ejected. Next, this ejected gas transmits power to the turbine rotor 3, expands adiabatically, lowers its temperature and pressure, and becomes turbine outlet gas 4, which is guided to other components (for example, a heat exchanger).

一方、ノズル出口からの一部のガスはジャーナルベアリ
ング5がある軸受室を通りブレーキファン6のブレーキ
ファン循環経路9まで充満して圧力平衡保つ。ブレーキ
ファン6は高速回転してヘリウムガスを圧縮し、循環経
路9内で循環させており閉サイクルとなっている。また
このとき発生した圧縮熱は外部の熱交換器(図示してい
ない)によって系外に取り去られる。
On the other hand, a part of the gas from the nozzle outlet passes through the bearing chamber where the journal bearing 5 is located and fills the brake fan circulation path 9 of the brake fan 6 to maintain pressure equilibrium. The brake fan 6 rotates at high speed to compress helium gas and circulate it in the circulation path 9, forming a closed cycle. Further, the compression heat generated at this time is removed from the system by an external heat exchanger (not shown).

したがって、タービンロータ3で発生する動力はブレー
キファン6がヘリウムガスを圧縮する動力によって吸収
されて回転数が一定に保たれている。それゆえプV−キ
7アンの吸収動力が設計値工り小さい場合、タービンの
回転数はオーバースピードとなりタービンの安定回転を
さまたげる。
Therefore, the power generated by the turbine rotor 3 is absorbed by the power generated by the brake fan 6 to compress helium gas, and the rotational speed is kept constant. Therefore, if the absorption power of the V-key 7 is smaller than the design value, the rotational speed of the turbine becomes overspeed, which disturbs the stable rotation of the turbine.

あるいは軸受の焼付を起こす問題があった。本実施例で
は、スラスト軸受を構成するための高圧ガス(例えばコ
ンプレッサーの高圧側から導かれる)14は静圧ガス配
管12を通り流量調節弁13を経て、スラストカラー1
5の両面に噴孔からのガスを噴出してスラスト方向の浮
上を行う。その後。
Alternatively, there was a problem of bearing seizure. In this embodiment, high-pressure gas (for example, led from the high-pressure side of a compressor) 14 for constructing the thrust bearing passes through a static pressure gas pipe 12, passes through a flow rate control valve 13, and passes through a thrust collar 1.
Gas is ejected from the nozzle holes on both sides of the 5 to achieve levitation in the thrust direction. after that.

排出口16を通って圧力調節弁18を経て、低圧側(例
えばコンプレッサー戻り側)へ回収される。
It passes through the discharge port 16, passes through the pressure regulating valve 18, and is recovered to the low pressure side (for example, the compressor return side).

また高圧ガス14の一部は導入管11を通って圧力調整
弁10を経て、ブレーキ弁8を有するブレーキ循環経路
9に入り、循環経路9内の圧力を上昇させ例えばラビリ
ンス7で圧力差を設けて軸受室内を通って、静圧ガスの
排出口16に合流する。
Further, a part of the high pressure gas 14 passes through the introduction pipe 11, passes through the pressure regulating valve 10, enters the brake circulation path 9 having the brake valve 8, increases the pressure in the circulation path 9, and creates a pressure difference in the labyrinth 7, for example. It passes through the bearing chamber and joins the static pressure gas outlet 16.

したがって、ブレーキファンの吸収動力が小さいときに
は、圧力調整弁10を適当に調節することによV、プV
−キ循環経路9内の圧力をバランス圧力より上昇させる
ことができる。
Therefore, when the absorbed power of the brake fan is small, by appropriately adjusting the pressure regulating valve 10, V and V are reduced.
- The pressure in the circulation path 9 can be raised above the balance pressure.

ブレーキファンが行う仕事を吸収動力P1とすると次式
の関係がある。
Assuming that the work performed by the brake fan is the absorbed power P1, the following equation holds.

ここで、λ:動力係数(ブレーキファンの特性値) rニブレーキファン吸込側ガス密度 u2 ニブレーキファン外径での周速 d2 ニブレーキファン外径 b2 ニブレーキファン外径における羽根高さ それゆえ、ブレーキファンの循環経路のガス圧力を高く
すると、ガス密度も大きくなり(1)式で示されるよう
に吸収動力を大きくできる。
Here, λ: power coefficient (characteristic value of the brake fan) r Ni-brake fan suction side gas density u2 Circumferential speed at the Ni-brake fan outer diameter d2 Ni-Brake fan outer diameter b2 Blade height at the Ni-Brake fan outer diameter Therefore If the gas pressure in the circulation path of the brake fan is increased, the gas density also increases, and the absorbed power can be increased as shown by equation (1).

したがって本実施例によれば、簡単な構造で。Therefore, according to this embodiment, the structure is simple.

ブレーキファンの吸収動力を大きくできるので。The power absorbed by the brake fan can be increased.

オーバースピードを生じることがなく1回転の安定性が
優れたタービンを提供できる効果がある。
This has the effect of providing a turbine that does not cause overspeed and has excellent stability over one rotation.

またブレーキ循環経路に導入された常温の高圧ガスはス
ラスト軸受部分からタービン外部に排出されるので、タ
ービンの低温側に入ることがなく。
In addition, the high-pressure gas at room temperature introduced into the brake circulation path is discharged from the thrust bearing to the outside of the turbine, so it does not enter the low-temperature side of the turbine.

さらにブレーキファンと軸受室にラビリンスを設けであ
るのでここで圧力差ヲ生じ、軸受室の圧力上昇はほとん
ど生じない。そのために軸受室の常温のガスがタービン
の低温側に入ることがなく。
Furthermore, since a labyrinth is provided between the brake fan and the bearing chamber, a pressure difference occurs here, and the pressure in the bearing chamber hardly increases. This prevents room-temperature gas from the bearing chamber from entering the low-temperature side of the turbine.

タービンの効率が低下することがない。また、吸収動力
を大さく操作できるので、ヘリウム冷凍機の予冷段階(
冷却段階)からタービン流量を大きくできクールダウン
時間の短縮を図れる効果もある。
Turbine efficiency does not decrease. In addition, since the absorption power can be greatly controlled, the pre-cooling stage of the helium refrigerator (
It also has the effect of increasing the turbine flow rate from the cooling stage) and shortening the cool-down time.

第2図にスラスト軸受に動圧形スラスト軸受を用いた膨
張タービンの構造図の実施例を示す。第1図と同一符号
のものは同じ構成要素を表わすので説明は省略する。1
9は例えばV−リーステップ形の動圧形気体軸受である
。高圧ガス供給孔20より導入されたへり9ムガスはブ
レーキファン6の循環経路に入り、経路内のガスの圧力
を上昇させ、ラビリンス7で圧力差を生じ、ジャーナル
ベアリング5を収納する軸受室に入り、排出口16エり
低圧側に回収される。したがって本実施例によれば第1
図で説明したようにスラスト軸受に動圧形気体軸受を用
いた膨張タービンにおいても容易にブレーキファンの吸
収動力を増加させることができる効果がある。
FIG. 2 shows an example of a structural diagram of an expansion turbine using a hydrodynamic thrust bearing. Components with the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same components, and therefore their explanation will be omitted. 1
Reference numeral 9 denotes, for example, a V-step type dynamic pressure type gas bearing. The gas introduced from the high-pressure gas supply hole 20 enters the circulation path of the brake fan 6, increases the pressure of the gas in the path, creates a pressure difference in the labyrinth 7, and enters the bearing chamber housing the journal bearing 5. , and is recovered to the low pressure side through the discharge port 16. Therefore, according to this embodiment, the first
As explained in the figure, even in an expansion turbine using a hydrodynamic gas bearing as a thrust bearing, the absorption power of the brake fan can be easily increased.

第3図には他の構造のラビリンスを用いた膨張タービン
の実施例を示す。ブレーキファンの吸収動力の増加方法
は以上の実施例と同じであるが。
FIG. 3 shows an embodiment of an expansion turbine using a labyrinth having another structure. The method of increasing the absorption power of the brake fan is the same as in the above embodiment.

シャフトの半径方向の振動が比較的大きい場合は21の
半径流ラビリンスを使用してもよい。半径流ラビリンス
ではガスの流れは内向きであるが。
A 21 radial labyrinth may be used if the radial vibrations of the shaft are relatively large. In a radial flow labyrinth, the gas flow is inward.

ガスに働く遠心力が漏れ流れにさからう方向に作用する
からシールにとっては有利である。したがって本実施例
で用いた半径流ラビリンスを用い。
This is advantageous for the seal because the centrifugal force acting on the gas acts in a direction that opposes the leakage flow. Therefore, the radial flow labyrinth used in this example was used.

外部から強制的に高圧ガスをブレーキファン循環経路に
導入してブレーキファンの吸収動力を増加させる効果が
ある。
This has the effect of increasing the absorption power of the brake fan by forcibly introducing high-pressure gas from the outside into the brake fan circulation path.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、ブレーキファンの外径を大きくするこ
となく、容易にブレーキファンの吸収動力を増加させる
ことができ、タービンがオーバースピードすることがな
いので、安定した高速回転を行うことができる効果があ
り、信頼性を高める効果がある。
According to the present invention, the absorption power of the brake fan can be easily increased without increasing the outer diameter of the brake fan, and since the turbine does not overspeed, stable high-speed rotation can be performed. It is effective and has the effect of increasing reliability.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の原理図を示す便宜的な膨張タービンの
系統図、第2図は本発明の一実施例を示す膨張タービン
の断面図、第3図は本発明の他の実施例を示す膨張ター
ビンの構造図である。 3・・・タービンロータ、5・・・ジャーナル軸受、6
・・・ブレーキファン、7・・・ラビリンス、11・・
・導入管。 15・・・スラストカラー、16・・・排出口。 4t−〜−′\ 為1 図 R 3−・・ターヒ゛50−タ 手 2 目 2o°−°圧カカ・ス萩機会フG
Fig. 1 is a convenient system diagram of an expansion turbine showing the principle of the present invention, Fig. 2 is a sectional view of an expansion turbine showing one embodiment of the invention, and Fig. 3 shows another embodiment of the invention. FIG. 2 is a structural diagram of the expansion turbine shown in FIG. 3... Turbine rotor, 5... Journal bearing, 6
...Brake fan, 7...Labyrinth, 11...
・Introduction tube. 15... Thrust collar, 16... Discharge port. 4t-~-'\ 1 Figure R 3-...Target 50-ta hand 2 2o°-°pressure kaka・shugi machine f G

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、一端にタービン翼を設け、他端にブレーキファンを
取付けた主軸がジャーナル軸受及びスラスト軸受にて支
持される膨張タービンにおいて、前記ブレーキファンの
循環経路内に、前記循環経路内の圧力よりも高い圧力の
ガスを外部から導入できる配管系を有し、前記膨張ター
ビン内部から外部へガスを排出できるような構造を有す
ることを特徴とする膨張タービン。
1. In an expansion turbine in which a main shaft with a turbine blade attached to one end and a brake fan attached to the other end is supported by a journal bearing and a thrust bearing, there is a pressure in the circulation path of the brake fan that is higher than the pressure in the circulation path. An expansion turbine characterized in that it has a piping system that can introduce high pressure gas from the outside, and has a structure that can discharge gas from inside the expansion turbine to the outside.
JP2752188A 1988-02-10 1988-02-10 Expansion turbine Pending JPH01203601A (en)

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