JPH0628507B2

JPH0628507B2 - 回転機械の気密継手装置

Info

Publication number: JPH0628507B2
Application number: JP60038610A
Authority: JP
Inventors: エーリツヒ、ウエグハウプト; ルツツ、インチヒアール; クリストフ、シユナツパー
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-02-28
Filing date: 1985-02-27
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: EP0156032B1; US4577871A; JPS60204255A; EP0156032A1; DE3467074D1; DE3407275A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、特許請求の範囲第１項の上位概念部分に記載
されているような、環状隙間を隔てて互いに同心的に配
置され通常運転では同期して回転し少なくとも外側軸が
中空軸である２本の軸を熱膨張可能に気密に接続する装
置に関する。その際特に電気機械を対象とし、なかでも
超電導励磁コイルを持つたターボ発電機の発電機回転子
を対象としている。

〔従来技術と問題点〕

この技術分野において、冒頭に述べた装置はスイス特許
第５５２９０７号明細書およびドイツ連邦共和国特許出
願公開第２９１８７６３号公報（米国特許第４３２３８
０１号明細書に相応）で知られている。これらの特許明
細書に基づく周知の装置の場合、外側軸だけでなく内側
軸も中空軸として形成されている。通常運転において同
期して回転するこの内側中空軸と外側中空軸との間の隙
間は、内側中空軸の内部において循環するほぼ絶対零度
の温度レベルにある冷却媒体特にヘリウムを熱絶縁する
理由からその隙間が気密にされねばならないので、外部
からの過圧に対してシールされねばならない。このため
に必要な伸縮補償器付きの軸封装置は、cmの範囲におけ
る軸方向の変位および内側軸と外側軸との間の最大で１
０分の１〜２mmの軸方向および半径方向の相対軸振動を
可能にし、伸縮補償器の許容ねじれ角範囲における両方
の軸の相対ねじり振動および時々瞬間的に生ずる両方の
中空軸の数度の相対ねじれに損傷なしに耐えなければな
らない。

回転数が≧５０／ｓｅｃの高速回転機械の場合、軸振動
は避けられない。この軸振動は特に同心的に配置された
２本の中空軸の隙間の気密装置に作用する。上述したよ
うにかかる軸封装置の場合の特別な問題は、一方では同
心的な２本の軸が軸方向、半径方向および接線方向に相
対的に運動できるようすること、他方では両方の軸の間
の隙間を伸縮補償器でこの伸縮補償器が損傷することな
しに確実にシールするように配慮することにある。超電
導発電機の運転中における中空軸の相対振動振幅は、半
径方向において最大１００μｍになると考えられる。通
常運転において接線方向における振動はほぼ同じ大きさ
になる。両方の振動は連続的に作用し、伸縮補償器で受
けねばならない。これに対し両方の軸の相対軸方向変位
および大きな相対ねじれは機械の所定の運転状態におい
ては時折、即ちごくまれに生ずるだけである。その場合
伸縮補償器はこの運動が非常にゆつくりと行われるの
で、相応した寸法で非常に良好に大きな軸方向の軸相対
変位を吸収できる。しかし伸縮補償器は、ねじれに対し
て柔軟性が殆んどないので、両方の中空軸の数cmの範囲
の相対ねじれに耐えることができない。また補償器の波
数の増加は、特に≧５００mmの軸直径を取り囲む非常に
大きな伸縮補償器が対象となるので、好ましくない結果
を生じるおそれがある。更に軸方向において狭い組み込
み空間しか得られないので、全体として伸縮補償器の長
さを大きくすることによつてもねじり弾性は改善できな
い。

ドイツ連邦共和国特許第３０１９８６４号明細書におい
て、超電導発電機の回転子における環状隙間の高真空気
密装置に課せられた厳しい条件は次の通りである。

ａ）発電機の回転子の高温状態と低温状態との間におい
て、熱膨張のために例えば２０〜２５mmの軸方向変位が
生じ、これは高真空気密装置で吸収されねばならない。

ｂ）高真空気密装置は通常運転において中空軸と軸受軸
との間の僅かなねじり振動を吸収しなければならず、そ
の場合特別な運転状態においては短絡モーメントによつ
てmmの範囲の接線方向のねじりも生ずる。

ｃ）高真空気密装置は中空軸と軸受軸との間の高周波の
半径方向振動を吸収できなければならず、その振幅は通
常運転において例えば１０〜２０μｍであり、その場合
この振幅は共振域を通過する際に一時的にもつと高くな
ることもある。

ｄ）高真空気密装置は、中空軸と軸受軸の相応した偏心
位置によつて水平方向ないし垂直方向の位置整合におけ
る変化によつて生じるようない高周波の半径方向の応力
も吸収しなければならない。

ｅ）高真空気密装置の少なくとも５００〜６００mmの非
常に大きな直径の構造的な理由により、高真空気密装置
は非常に大きな固有遠心力の負荷を吸収できるように作
らねばならない。

ｆ）高真空気密装置によつて長寿命および保守点検の良
好性が求められ、即ち高真空気密装置は発電機の少なく
とも２００００〜２５０００時間の中断のない連続運転
を保証し、修理の際に僅かな組立費用で交換できねばな
らない。

前記ドイツ連邦共和国特許第３０１９８６４号明細書に
おいて、上述した条件ａ）〜ｆ）を達成するために、そ
の高真空気密装置が非接触形液密装置として形成され、
その磁性封鎖液体が磁界によつて気密隙間に保持され、
その場合液密装置が随伴回転する封鎖液液槽に接続され
ているような発電機の回転子が提案されている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、冒頭に述べた形式の装置を、伸縮補償
器でも上述した条件ａ）〜ｆ）が達成でき、それによつ
て高真空気密装置が簡単で安価にできるように形成する
ことにある。

〔発明の要点および効果〕

本発明によればこの目的は、特許請求の範囲第１項の特
徴部分に記載した手段によつて達成できる。有利な発展
形態は特許請求の範囲の実施態様項に記載してある。本
発明によつて得られる利点は主に、伸縮補償器を使用し
た状態でも、超電導発電機の運転中に生ずるすべての負
荷に耐えることができ、点検性のよい配置構造で実施で
きるような高真空気密装置が形成されることにある。

〔実施例〕

以下図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

図示の実施例は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第２９
１８７６３号公報に第１図および第２図を参照して説明
されているような超電導発電機の中空軸装置から出発し
ており、重複説明を避けるためにこの公報をも参照され
たい。本発明に基づいて伸縮補償器はこの周知の装置に
対して後述するように異なつた形で取り付けられ、防護
装置が設けられている。

第１図は、内側中空軸１と外側中空軸２とを持つた超電
導ターボ発電機の回転子Ｒを断面図で示している。両方
の中空軸１，２は、それらが互いに環状隙間３を隔てて
別々に回転子軸心４が中心として同期して回転するよう
に形成され、配置されている。環状隙間３は普通は外側
室５より低い圧力であるが、環状隙間３が外側室５より
も高い圧力になる場合もあるので、この環状隙間３は確
実に外側室５に対して気密にしなければならない。この
気密装置は以下単に補償器と呼ぶ伸縮補償器６から成
り、その左側端６ａは補強リング７の２つのリング体７
ａ、７ｂの間にはめ込まれ、この補強リング７によつて
保持リング８にその外周の左側端にシール溶接９で接続
されている。補償器６の右側端６ｂは右側の補強リング
１０の２つのリング体１０ａ，１０ｂとの間にはめ込ま
れ、フランジリング１１の内周に溶接されている。フラ
ンジリング１１は中空軸端面壁２ａの環状溝１２ａに挿
入されたＯリング１２によつてシールされている。ボル
ト１３、フランジリング１１にある貫通孔１１ａおよび
中空軸２の端面壁２ａにあるねじ孔２ｂから分かるよう
に、フランジリング１１は中空軸２に固くねじ止めされ
ている。その場合ねじ孔２ｂ、貫通孔１１ａおよびボル
ト１３は直径Ｄ１の孔列の円の上に分布して配置されて
いる。フランジリング１１は中空軸段部２ｄにおいて環
状突起で心出しされている。内側中空軸１を取り囲む保
持リング６はその内径Ｄ２の内周面が内側中空軸１の外
周面の上を滑つて支持されている。保持リング８はその
右側端において半径方向内方および外方に突き出した厚
肉部１４で軸縮径部１５を軸方向長さａ１にわたつて隙
間Ｓ１を隔てて取り囲んでいる。保持リング８は軸縮径
部１５においてＯリング１６によつて内側中空軸１に対
してシールされている。Ｏリング１６は軸縮径部１５の
外周面にある環状溝１５ａの中にはめ込まれ、軸方向に
並んである３つのＯリング１６およびそれらの環状溝１
５ａが図示されている。回転可能に支持された保持リン
グ８の軸方向の係留は、中空軸１の円周溝１８に回転可
能にはめ込まれている少なくとも１つのセグメント１７
を介して行われている。このセグメント１７はねじ孔１
４ａにねじ込まれたボルト１９によつて保持リング８の
厚肉部１４に接続されている。外側中空軸２は補償器６
の範囲において気密装置を収容するために切削加工され
ている。切削凹所２０によつて環状隙間３と連通してい
る補償器収容室２ｃが形成されている。

フランジリング１１には連行突起２１の形をした連行要
素がはめ込まれ、ボルト２２でねじ止めされている。連
行突起２１は保持リング８の厚肉部１４の外周面にある
軸方向溝２３に係合している。

第２図は第１図のII−II線に沿う断面図を示している。
連行突起２１と軸方向溝２３との間には円周方向におい
て両側に接線方向隙間Ｓ２が設けられている。これらの
接線方向隙間Ｓ２は両回転方向ｕ＋，ｕ−に応じて符号
＋Ｓ２および−Ｓ２で示されている。半径方向において
連行突起２１と軸方向溝２３との間には適当な隙間Ｓ３
が設けられている。内側中空軸１と外側中空軸２との相
対運動の半径方向における制限は、保持リング８の外周
面とフランジリング１１の内周面との間の半径方向制限
隙間Ｓ４（第１図）で行われ、その場合Ｓ４≦Ｓ３であ
る。半径方向の軸の振れにより振動平面は垂直軸平面だ
けでなく、それに対してねじれた軸平面にもあり得るの
で、かかる振れに対してＳ４が最小の半径方向隙間でな
ければなならいので、｜Ｓ２｜＞Ｓ４および｜Ｓ２｜≧
Ｓ３である必要がある。

実際の経験から云えば、相対的に運動する即ち相対的に
振動する２つの回転構造部材は接触面が生ずるのを構造
的にできるだけ避けねばならない。かかる接触面の摩耗
は防ぐことができず、たいていの場合過度に早い機能上
の故障を生じるおそれがある。接線方向隙間Ｓ２および
制限隙間Ｓ４の大きさおよび隙間幅は、通常運転の際に
生ずる振動振幅が保持リング８の厚肉部１４と一方では
フランジリング１１と、他方では連行突起２１との間に
接触を生じないように決められている。更に接線方向隙
間Ｓ２は、隙間（Ｓ２＝ねじり振動の単振幅）の全利用
性が補償器６の機械的な負荷も許せるように決められて
いる。その場合保持リング８に与えられる補償器６のね
じりモーメントは、内側軸１について保持リング８をね
じるために必要なモーメントよりも小さい。従つて通常
運転において、連行突起２１と軸方向溝２３の側面との
接触および保持リング８のパツキンリング１６における
滑りが防止される。

ごくまれに瞬間的に生ずるような特別な場合において
は、両回転方向ｕ＋およびｕ−における数のねじれにつ
いても考慮しなければならない。このねじれは本発明に
基づく処置なしでは補償器６をすぐに壊してしまうもの
であり、本発明によれば、前述した特別な場合に連行突
起２１が軸方向溝２３の側面に接触し、隙間±Ｓ２を越
えた場合に保持リング８を補償器締付け装置６ａ，７と
共に連行する。その場合補償器６は既にその設計の際に
考慮されている±Ｓ２に相応した最大ねじれをこうむ
る。この極端な状態はごくまれに瞬間的にしか生じない
ので、連行突起２１と保持リング８の軸方向溝２３の溝
側面との面接触は無視できる。

内側中空軸１と保持リング８との間のパツキンリング１
６は材料の選択および変形度ｈに関して、シール作用を
害することなしに一時的で間欠的な交互の滑り運動がで
きるように設計されている。このために内側中空軸１と
保持リング８との間に配置されたパツキンリング１６お
よびその内側中空軸１並びに保持リング８における対向
金属面に滑り層が設けられていると有利である。その滑
り層としては例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチ
レン）が適している。

連行突起２１がはめ込まれる切削凹所１１ｂはフランジ
リング１１の円周にわたつて数個所に好ましくは均一な
ピツチで分布されているので、相対的な軸の振れの際に
連行突起２１にかかる力は、フランジリング１１の円周
にわたつて、およびそれに応じてこの場合その円周に分
布して複数の軸方向溝２３が設けられている保持リング
８の円周にわたつて分散される。

補償器６の保守点検は、ボルト１９を緩めてセグメント
１７を外し、取付けボルト１３を緩めた後で、保持リン
グ８およびフランジリング１１が補償器６と共に軸方向
外方に、補償器６が点検でき、必要な場合に交換できる
位置まで引き出せるので、簡単にできる。

本発明は超電導発電機の回転子についての用途に限定さ
れるものではなく、環状隙間を隔てて互いに同心的に配
置され、通常運転では同期して回転する２つの軸部品の
熱膨張可能な気密継手が無ければならないようなものに
対してはいつでも応用できる。また例えば、回転子の中
央長手方向孔がその一端が中空回転子に接続され他端が
工藤軸ないし軸受される軸部に接続されているねじり軸
で貫通されているような単相交流発電機の回転子装置お
よびその蒸気タービンロータにおいても適用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく２本の同心的な軸の熱膨張可能
な気密継手装置の要部断面図、第２図は第１図のII−II
線に沿う断面図である。１：内側中空軸、２：外側中空軸、３：環状隙間、６：
伸縮補償器、８：保持リング、１１：フランジリング、
１３：ボルト、１６：パツキンリング、２１：連行突
起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者クリストフ、シユナツパードイツ連邦共和国エルランゲン、ラクナーシユトラーセ63 (56)参考文献実開昭52−39502（ＪＰ，Ｕ) 特公昭58−37782（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】環状隙間を隔てて互いに同心的に配置され
通常運転では同期して回転し少なくとも外側軸が中空軸
である２本の軸を熱膨張可能に気密に接続する装置であ
つて、内側軸と外側軸との間の中間隙間が伸縮補償器で
気密にされ、伸縮補償器が外側軸の内周面と内側軸の外
周面との間に配置され気密に取り付けられ、両方の軸の
間における軸方向、半径方向および接線方向の相対運動
を許すような回転機械の気密継手手段において、内側軸
（１）が伸縮補償器（６）の一端に内側軸（１）に回転
可能に気密に支持された保持リング（８）を介して接続
され、外側中空軸（２）が少なくとも１つの連行要素
（２１）で保持リング(8)に伸縮補償器（６）の最大許
容ねじれより小さい接線方向隙間（Ｓ２）を隔てて係合
され、内側軸（１）および外側中空軸（２）の相対ねじ
れが接線方向隙間（Ｓ２）を越えるほど大きい場合、保
持リング（８）および伸縮補償器（６）が連行要素（２
１）を介して外側中空軸（２）に機械的に接続されるこ
とを特徴とする回転機械の気密継手装置。
【請求項２】通常運転において時計方向および反時計方
向（ｕ±）における接線方向隙間（±Ｓ２）が同じ大き
さであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
装置。
【請求項３】内側軸（１）と保持リング（８）との間に
配置されたパツキンリング（１６）およびその内側軸
（１）および保持リング（８）における対向金属シール
面が、滑り層例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチ
レン）で被覆されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項または第２項記載の装置。
【請求項４】連行要素（２１）が連行突起として形成さ
れ、保持リング（８）にある軸方向溝(23)の中に溝底面
に対して半径方向隙間（Ｓ３）を隔ててはめ込まれ、そ
の半径方向隙間(S3)が保持リング（８）の外周面と外側
中空軸(2)の連行突起を支持する軸部（１１）の内周面
との間の半径方向隙間（Ｓ４）よりも大きく、その場合
内側軸（１）の半径方向運動を制限する軸部（１１）の
環状隙間（Ｓ４）の隙間幅が、運転中に生ずる内側軸
（１）の最大半径方向振動振幅よりも大きく、更に｜Ｓ
２｜＞Ｓ４および｜Ｓ２｜≧Ｓ３であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載
の装置。
【請求項５】軸部（１１）がフランジリングで形成さ
れ、このフランジリングが外側中空軸（２）の端面（２
ａ）に対してボルト（１３）で気密に締め付けられ、そ
の場合中空軸段部（２ｄ）に心出しされ、フランジリン
グの内周面が伸縮補償器（６）の外側端に対する取付け
面として用いられることを特徴とする特許請求の範囲第
４項記載の装置。
【請求項６】フランジリング（１１）の軸方向外側端
が、連行突起（２１）がはめ込まれてその中に固定され
る少なくとも１つの切削凹所（１１ｂ）を有しているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装置。
【請求項７】フランジリング（１１）ないし外側中空軸
（２）の内周に少なくとも２つの切削凹所（１１ｂ）お
よびそれに付属された連行突起（２１）が均一に分布さ
れていることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の
装置。