JPH0694032A - タービン式膨張機及びその静圧スラスト気体軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構造で、静圧スラスト気体軸受の軸方
向寸法を大きくとることなく、スラストカラー側の圧力
が上昇した場合にもロータの高速安定性を良好に保つ。 【構成】 ロータ１２のスラストカラーである制動ファ
ン１６と、安定化キャビティ３８をもつ静圧ジャーナル
気体軸受２６との間に静圧スラスト気体軸受３０を設け
る。この静圧スラスト気体軸受３０において、上記制動
ファン１６と対向する面（上面）に、排気溝６６を形成
する。この排気溝６６を、径方向外側の第１の溝６３
と、この第１の溝６３よりも小幅で浅く、第１の溝６３
から静圧スラスト気体軸受３０内周面に至る第２の溝６
４とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム液化冷凍機等
に用いられるタービン式膨張機及びそのロータを支持す
る静圧スラスト気体軸受に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウム液化冷凍機に用いられるタービ
ン式膨張機等、極低温化で使用されるタービン式膨張機
においては、その低温部に油が侵入すると大きなトラブ
ルにつながるおそれがあるため、このようなタービン式
膨張機におけるロータの回転支持には気体軸受を用いる
のが一般的とされている。この気体軸受は、動圧気体軸
受と静圧気体軸受とに大別されるが、動圧気体軸受は低
速時に軸受としての機能を果たさないことから、起動・
停止が頻繁に行われるヘリウム液化機や、膨張タービン
に低速運転が要求されるヘリウム液化冷凍機に使用され
るタービン式膨張機には一般に静圧気体軸受が用いられ
ている。

【０００３】図５は、このような静圧気体軸受を備えた
従来のタービン式膨張機の一例を示したものである。図
において、ハウジング１０内には上下方向に延びるロー
タ１２が回転可能に収容され、その下端部にタービンイ
ンペラ１４が形成されている。これに対し、ハウジング
１０の側壁下部にはタービン給気口１８及びノズル２０
が設けられ、底壁にタービン排気口２２が設けられてお
り、上記タービン給気口１８から導入された作動流体が
ノズル２０から上記タービンインペラ１４に噴射された
後、タービン排気口２２から排出されるようになってい
る。また、ロータ１２の上端には径方向外側に突出する
制動ファン１６が形成され、この制動ファン１６は後述
のようにスラストカラーとしての機能を兼ねている。

【０００４】上記ハウジング１０内におけるロータ１２
の周囲には、上下からブロック２４を挾む位置に上側静
圧ジャーナル気体軸受２６及び下側静圧ジャーナル気体
軸受２８が設けられ、上側静圧ジャーナル気体軸受２６
と上記制動ファン１６との間の位置には静圧スラスト気
体軸受３０が設けられている。

【０００５】上下の静圧ジャーナル気体軸受２６，２８
の外周部には、図７にも示すような給気溝３２が形成さ
れ、この給気溝３２と静圧ジャーナル気体軸受２６，２
８の内側空間とが給気通路３４を介して連通されてお
り、この給気通路３４において静圧ジャーナル気体軸受
２６，２８に面する部分は小径のジャーナル軸受給気口
３５とされている。また、この静圧ジャーナル気体軸受
２６，２８において周方向に並ぶ複数の個所（より具体
的には上記給気通路３４と同数の個所）には、図６にも
示すような円柱状の安定化キャビティ３８が設けられ、
各安定化キャビティ３８は上下の通路４０を介して静圧
ジャーナル気体軸受２６，２８の内周面とロータ１２の
外周面との隙間に連通されている。

【０００６】これに対し、図５に示すブロック２４に
は、上下の安定化キャビティ３８内に臨む小孔のキャビ
ティ絞り４２と、両キャビティ絞り４２からブロック２
４の外周面にまで至る排気通路４３とが形成されるとと
もに、ハウジング１０の側壁には、各静圧ジャーナル気
体軸受２６，２８の給気溝３２に通ずる軸受給気口３６
と、上記ブロック２４の排気通路４３に通ずるジャーナ
ル軸受排気口４４とが形成されている。

【０００７】下側静圧ジャーナル気体軸受２８の下部内
周面には、この内周面とロータ１２外周面との隙間を通
じてノズル２０からの作動流体が安定化キャビティ３８
に流入するのを規制するためのラビリンス４６が形成さ
れている。また、上側静圧ジャーナル気体軸受２６に
は、上記給気通路３４から軸受上面に至るスラスト軸受
給気通路４８が設けられている。

【０００８】静圧スラスト気体軸受３０には、これを上
下方向に貫通するスラスト軸受給気通路５０が形成され
ている。このスラスト軸受給気通路５０は、その下端開
口が前記上側静圧ジャーナル気体軸受２６のスラスト軸
受給気通路４８の上端開口と合致する位置に設けられ、
スラスト軸受給気通路５０の上端部は図８にも示すよう
な小径のスラスト軸受給気口５２とされている。また、
静圧スラスト気体軸受３０の外周部上面には全周にわた
ってリング状排気溝５４が形成され、ハウジング１０の
側壁において上記リング状排気溝５４に通ずる位置には
リング状排気溝５６及びスラスト軸受排気口５８が形成
されている。なお、図８では上記リング状排気溝５４の
図示を省略している。

【０００９】さらに、この静圧スラスト気体軸受３０の
上面には、図８，９にも示すように、径方向に延びる複
数本の排気溝６０が形成されている。各排気溝６０は、
一様な幅寸法及び深さ寸法を有し、静圧スラスト気体軸
受３０の内周面から上記リング状排気溝５４に至るまで
延びている。

【００１０】このようなタービン式膨張機において、ノ
ズル２０からヘリウムガス等の作動流体が噴射されてロ
ータ１２が回転駆動されている間、ハウジング１０内に
は軸受給気口３６から軸受用ガスが供給される。このガ
スは、静圧ジャーナル気体軸受２６，２８の給気溝３２
及び給気通路３４を通ってジャーナル軸受給気口３５か
ら両静圧ジャーナル気体軸受２６，２８の内周面とロー
タ１２外周面との隙間に供給される一方、この隙間のガ
スは安定化キャビティ３８、キャビティ絞り４２、及び
ジャーナル軸受排気通路４３を通じてジャーナル軸受排
気口４４からハウジング１０外へ排出される。また、上
記給気通路３４内に供給されたガスの一部は、スラスト
軸受給気通路４８，５０を通ってスラスト軸受給気口５
２から制動ファン１６下面と静圧スラスト気体軸受３０
の上面との隙間に供給され、この隙間内のガスは、排気
溝６０、リング状排気溝５４，５６、及びスラスト軸受
排気口５８を通じてハウジング１０外へ排出される。

【００１１】このようにして、両静圧ジャーナル気体軸
受２６，２８及び静圧スラスト気体軸受３０によりロー
タ１２が回転支持されるが、ロータ１２が高速回転を始
めると、ロータ１２にふれ回り不安定性が生じ、励振力
が発生する。しかしながら、上記構造では、上記ロータ
１２の外周面に通路４０を介して安定化キャビティ３８
が通じており、かつ、この安定化キャビティ３８からの
ガス排出流量がキャビティ絞り４２によって規制されて
いるため、上記安定化キャビティ３８が上記励振力と反
対向きの力（補償力）を発生させることとなり、これに
よって高速回転時にもロータ１２の安定性が確保される
（機械の研究 第29巻 第11号「気体軸受の応用と開発」
参照）。

【００１２】また、静圧スラスト気体軸受３０の上方に
おいては、この静圧スラスト気体軸受３０の上面に対し
て制動ファン１６が高速で回転するため、何らの工夫も
施さないと収納部の流れに乱れが生じて軸振動が発生
し、焼き付き等の不都合が発生するおそれがあるが、上
記タービン式膨張機では、静圧スラスト気体軸受３０の
上面に形成された排気溝６０により軸受部の流れに乱れ
が生じることが抑制されている。

【００１３】すなわち、このタービン式膨張機では、両
静圧ジャーナル気体軸受２６，２８に形成された安定化
キャビティ３８と、静圧スラスト気体軸受３０に形成さ
れた排気溝６０とによって、ロータ１２の高速安定性が
確保されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記タービン式膨張機
において、安定化キャビティ３８の性能を発揮させるに
は、この安定化キャビティ３８内の圧力を適当な範囲内
に保っておく必要があり、例えば、上記排気溝６０内の
ガスが静圧スラスト気体軸受３０内周面とロータ１２外
周面との隙間を通って安定化キャビティ３８内に侵入
し、安定化キャビティ３８内を昇圧させてしまうと、ロ
ータ１２の高速安定性を保つことは困難となる。すなわ
ち、安定化キャビティ３８周囲のシール性が安定化キャ
ビティ３８の性能を引き出す上で重要なファクタとな
る。

【００１５】一方、上記構造では制動ファン１６がスラ
ストカラーを兼ねており、しかも静圧スラスト気体軸受
３０は単一であるため、運転中でのロータ１２の軸方向
の位置を一定させるには、ロータ１２を常に下向き（タ
ービン側）に押付けておく必要がある。ここで、ロータ
１２に加わる力は、タービンインペラ１４の受ける圧
力と面積に起因する上向き力、静圧スラスト気体軸受
３０の支持による上向き力、制動ファン１６の受ける
圧力と面積に起因する下向き力、の三種類であり、これ
らの力の合力を下向きにするには制動ファン１６側の圧
力をタービンインペラ１４側の圧力よりも高い圧力に維
持する必要がある。しかも、制動ファン１６側の圧力と
静圧スラスト気体軸受３０における排気溝６０の圧力は
ほぼ等しいため、タービン入口圧力が高くなると、上記
排気溝６０の圧力は安定化キャビティ３８内の圧力より
も高くなければならず、その圧力差によりガスが排気溝
６０から安定化キャビティ３８に向かって流れ易くな
り、安定化キャビティ３８の昇圧を引き起こすおそれが
ある。

【００１６】そこで従来は、上記静圧スラスト気体軸受
３０の内周面に図５に示すようなラビリンス６２を形成
し、このラビリンス６２によって上記内周面とロータ１
２外周面との隙間におけるガスの流れを規制する（いわ
ゆるシール作用）ことにより、このガスの流入すること
による安定化キャビティ３８内の昇圧を防いでいる。し
かしながら、このようなラビリンス６２を用いた構造に
は次のような問題点がある。

【００１７】(a) 上記ラビリンス６２によるシール作用
を十分に得るには、このラビリンス６２が形成される静
圧スラスト気体軸受３０の上下寸法（厚み寸法）を大き
く取らなければならず、その分ロータ１２のシャフト部
分も長くなり、ロータ系の固有振動数が低下する。

【００１８】(b) 制動ファン１６と上側静圧ジャーナル
軸受２６との間に一定以上の距離を置かなければなら
ず、このような制約のためにロータ系の重心位置を理想
位置に設定することができない。

【００１９】(c) 上記ラビリンス６２の配設領域を十分
長くとっても、制動ファン循環流路圧力が約６kg/cm²G
を超えると、ラビリンス６２からのリークが顕著となっ
て安定化キャビティ３８内の圧力が上昇し、高速安定性
を保てなくなることが実験により確かめられている。

【００２０】なお、このような問題点を回避する手段と
して、上記排気溝６０及びラビリンス６２を設ける代わ
りに、静圧スラスト気体軸受３０側にも安定化キャビテ
ィを設け、これによって静圧スラスト気体軸受３０側で
の高速安定性を保つことが考えられるが、このような
「安定化キャビティ付静圧スラスト気体軸受」は構造が
複雑であり、コスト高を招くとともに、大きな軸受剛性
が得られないために高速回転機械には不適である。

【００２１】本発明は、このような事情に鑑み、簡単な
構造で、静圧スラスト気体軸受の軸方向寸法を大きくと
ることなく、スラストカラー側の圧力が上昇した場合に
もロータの高速安定性を保つことができるタービン式膨
張機及びその静圧スラスト気体軸受を提供することを目
的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ハウジング
と、このハウジング内に収容され、径方向外側に突出す
るスラストカラーをもつロータと、このロータを回転可
能に支持するとともに、このロータ外周面との隙間に連
通しかつ内部の気体が絞り部を介して外部に排出される
安定化キャビティを有する静圧ジャーナル気体軸受と、
この静圧ジャーナル気体軸受と上記スラストカラーとの
間に設けられ、このスラストカラーが軸方向に押付けら
れた状態でロータを回転可能に支持する静圧スラスト気
体軸受とを備えたタービン式膨張機において、上記静圧
スラスト気体軸受がスラストカラーと対向する面に半径
方向に延びる複数の排気溝を形成するとともに、この排
気溝を、静圧スラスト気体軸受の径方向外側の空間に通
じ、かつ静圧スラスト気体軸受の内周面よりも径方向外
側の位置まで延びる第１の溝と、この第１の溝よりも小
幅でかつ浅い形状に形成され、この第１の溝から静圧ス
ラスト気体軸受の内周面にまで至る第２の溝とで構成し
たものである。

【００２３】また本発明は、タービン式膨張機のハウジ
ング内に設けられたロータのスラストカラーと安定化キ
ャビティをもつ静圧ジャーナル気体軸受との間に配さ
れ、上記スラストカラーが押付けられた状態でロータを
回転可能に支持する静圧スラスト気体軸受において、こ
の静圧スラスト気体軸受がスラストカラーと対向する面
に半径方向に延びる複数の排気溝を形成するとともに、
この排気溝を、静圧スラスト気体軸受の径方向外側の空
間に連通する第１の溝と、この第１の溝よりも小幅でか
つ浅い形状に形成され、この第１の溝から静圧スラスト
気体軸受の内周面にまで至る第２の溝とで構成したもの
である。

【００２４】

【作用】上記構成によれば、第１の溝及び第２の溝から
なる排出溝によって、従来と同様にスラストカラーと静
圧スラスト気体軸受との間での高速安定性が確保され
る。しかも、上記第２の溝は第１の溝に比して小幅でか
つ浅く形成されているので、この第２の溝の存在によ
り、第１の溝から静圧スラスト気体軸受内周面とロータ
外周面との隙間を通って安定化キャビティ内に流入する
ガスの量が規制され、これによって安定化キャビティ内
の昇圧が抑制される。

【００２５】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図４に基づいて説
明する。なお、図１〜３に示すタービン式膨張機の全体
構造は、大略、前記図５〜図９に示した従来のタービン
式膨張機と同様であり、同等の構成要素には同一の参照
符を付してその説明を省略する。

【００２６】このタービン式膨張機の特徴とするところ
は、前記図５に示した静圧スラスト気体軸受３０のラビ
リンス６２が省略されるとともに、このラビリンス６２
に代え、静圧スラスト気体軸受３０上面に形成された排
気溝６６が、第１の溝６３及び第２の溝６４で構成され
ている点にある。第１の溝６３は、静圧スラスト気体軸
受３０の外周部に形成されたリング状排気溝５４から静
圧スラスト気体軸受３０内周面のすぐ手前の位置まで延
びており、前記図５に示した排気溝６０と同等の幅寸法
及び深さ寸法を有している。これに対し、第２の溝６４
は、上記第１の溝６３よりも小幅でかつ浅く形成されて
おり、第１の溝６３の終端から静圧スラスト気体軸受３
０の内周面にまで至っている。

【００２７】このような構造によれば、第１の溝６３及
び第２の溝６４からなる排気溝６６が、図５に示した排
気溝６０と同様にリング状排気溝５４から静圧スラスト
気体軸受３０の内周面との間の全域に延びているので、
従来と同様に上記排気溝６６によって制動ファン１６背
面（下面）と静圧スラスト気体軸受３０上面との間での
高速安定性を確保することができる。しかも、上記第２
の溝６４は第１の溝６３に比して小幅でかつ浅く形成さ
れているので、この第２の溝６４の存在により、第１の
溝６３内のガスが静圧スラスト気体軸受３０の内周面と
ロータ１２外周面との隙間を通って安定化キャビティ３
８内に流入するのを規制することができ、これによって
安定化キャビティ３８内の昇圧を抑え、この安定化キャ
ビティ３８による高速安定化機能も十分に確保すること
ができる。

【００２８】次に、本発明の効果を確認するために行っ
た実験の結果を示す。本発明者等は、次の三種類の静圧
スラスト気体軸受を用いて試験的にタービン式膨張機の
運転を行った。

【００２９】Ａ）図５に示すように、全域にわたって均
一な幅寸法及び深さ寸法を有する排気溝６０をリング状
排気溝５４から静圧スラスト気体軸受内周面に至る領域
に形成し、かつ内周面にラビリンス６２を形成した軸
受。

【００３０】Ｂ）図２に示す第１の溝６３のみを形成
し、第２の溝６４を省略した軸受。すなわち図５に示す
排気溝６０を内周面に至る前で断ち、この排気溝６０内
と静圧スラスト気体軸受の内側とを遮断し、内周面のラ
ビリンス６２を省略した軸受。

【００３１】Ｃ）図１，２に示すように、第１の溝６３
及び第２の溝６４を設け、かつラビリンスを省略した本
実施例における軸受。

【００３２】上記運転により、次のような結果が得られ
た。

【００３３】Ａ）の軸受（従来軸受）：図４の一点鎖線
Ｌ１に示すように、制動ファン１６の循環流路圧力を上
げると安定化キャビティ３８内の圧力が著しく上昇し、
高速安定性が悪くなった。具体的には、制動ファン１６
の循環流路圧力が約６kg/cm²G 以上になると、安定化キ
ャビティ３８内の圧力が２kg/cm²Ｇ程度まで上昇してし
まい、この安定化キャビティ３８の制振性能が十分に得
られなくなった。これは、上記制動ファン循環流路圧力
の上昇に伴い、ラビリンス６２からのリークが増え、安
定化キャビティ３８に流入するガス量が増大したものと
考えられる。

【００３４】Ｂ）の軸受（従来軸受の変形）：図４の実
線Ｌ２に示すように、制動ファン循環流路圧力を上げて
も安定化キャビティ３８内の圧力はさほど上昇しなかっ
た。しかしながら、制動ファン循環流路圧力が約４kg/c
m²G に至り、かつロータ周速が約160ｍ/ｓである時点で
ホワールが発生し、ロータ１２に焼き付きが生じて高速
安定性はＡ）の軸受よりも却って悪くなった。これは、
排気溝６０がリング状排気溝５４から軸受内周面に至る
までの径方向全域にわたって形成されていないために、
この排気溝６０による高速安定化機能が得られなかった
ためと考えられる。

【００３５】Ｃ）の軸受（本実施例の軸受）：図４の破
線Ｌ３に示すように、制動ファン循環流路圧力の上昇に
伴う安定化キャビティ３８内の圧力上昇は非常に小さ
く、しかも、制動ファン循環流路圧力を約７kg/cm²G ま
で上昇させてもＢ）の軸受に見られたようなトラブルは
発生せず、ロータ周速が約200ｍ/ｓに達しても安定な運
転が可能であった。これは、安定化キャビティ３８及び
排気溝６６双方の高速安定化機能が有効に発揮されたこ
とを物語っている。

【００３６】以上の結果から、制動ファン循環流路圧力
が上昇しても十分な高速安定性を確保するには、本発明
のように排気溝を第１の溝とこの第１の溝よりも小幅で
かつ浅い第２の溝とで構成することが重要であることが
伺える。

【００３７】なお、本発明において、安定化キャビティ
及び排気溝の配設数や、排気溝の幅寸法及び深さ寸法は
構造に応じて適宜設定すればよい。また、静圧ジャーナ
ル気体軸受の個数も問わず、静圧ジャーナル気体軸受と
ロータ側のスラストカラーとの間に静圧スラスト気体軸
受が配される場合に広く本発明を適用することができ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明は、安定化キャビテ
ィ付静圧ジャーナル気体軸受とロータ側のスラストカラ
ーとの間に配される静圧スラスト気体軸受において、こ
のスラスト軸受が上記スラストカラーと対向する面に排
気溝を設けるとともに、この排気溝を径方向外側の第１
の溝と径方向内側の第２の溝とで構成し、この第２の溝
を第１の溝よりも小幅でかつ浅い形状に形成してガス流
量を規制するようにしたものであるので、この排気溝に
よって静圧スラスト気体軸受側の高速安定性を十分に確
保するとともに、上記第２の溝による流量規制によって
安定化キャビティ内の昇圧を防ぐことにより、スラスト
カラー側の圧力が上昇した場合にも安定化キャビティの
高速安定化機能を十分に確保することができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるタービン式膨張機の
断面正面図である。

【図２】上記タービン式膨張機に設けられる静圧スラス
ト気体軸受の平面図である。

【図３】図２のＡ矢視図である。

【図４】上記タービン式膨張機及び従来のタービン式膨
張機における制動ファン循環流路圧力と安定化キャビテ
ィ平均圧力との関係を示すグラフである。

【図５】従来のタービン式膨張機の断面正面図である。

【図６】上記タービン式膨張機に設けられる静圧ジャー
ナル気体軸受の平面図である。

【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図である。

【図８】上記タービン式膨張機に設けられる静圧スラス
ト気体軸受の平面図である。

【図９】図８のＣ矢視図である。

【符号の説明】

１０ ハウジング １２ ロータ １６ 制動ファン（スラストカラー） ２６ 上側静圧ジャーナル気体軸受 ３０ 静圧スラスト気体軸受 ３８ 安定化キャビティ ４２ キャビティ絞り ６３ 第１の溝 ６４ 第２の溝 ６６ 排気溝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、このハウジング内に収容
   され、径方向外側に突出するスラストカラーをもつロー
   タと、このロータを回転可能に支持する静圧ジャーナル
   気体軸受と、この静圧ジャーナル気体軸受と上記スラス
   トカラーとの間に設けられ、このスラストカラーが軸方
   向に押付けられた状態でロータを回転可能に支持する静
   圧スラスト気体軸受とを備え、上記静圧ジャーナル気体
   軸受に、その内周面とロータ外周面との隙間に連通しか
   つ内部の気体が絞り部を介して外部に排出される安定化
   キャビティが形成されたタービン式膨張機において、上
   記静圧スラスト気体軸受がスラストカラーと対向する面
   に半径方向に延びる複数の排気溝を形成するとともに、
   この排気溝を、静圧スラスト気体軸受の径方向外側の空
   間に通じ、かつ静圧スラスト気体軸受の内周面よりも径
   方向外側の位置まで延びる第１の溝と、この第１の溝よ
   りも小幅でかつ浅い形状に形成され、この第１の溝から
   静圧スラスト気体軸受の内周面にまで至る第２の溝とで
   構成したことを特徴とするタービン式膨張機。
2. 【請求項２】 タービン式膨張機のハウジング内に設け
   られたロータのスラストカラーと安定化キャビティをも
   つ静圧ジャーナル気体軸受との間に配され、上記スラス
   トカラーが押付けられた状態でロータを回転可能に支持
   する静圧スラスト気体軸受において、この静圧スラスト
   気体軸受がスラストカラーと対向する面に半径方向に延
   びる複数の排気溝を形成するとともに、この排気溝を、
   静圧スラスト気体軸受の径方向外側の空間に連通する第
   １の溝と、この第１の溝よりも小幅でかつ浅い形状に形
   成され、この第１の溝から静圧スラスト気体軸受の内周
   面にまで至る第２の溝とで構成したことを特徴とするタ
   ービン式膨張機における静圧スラスト気体軸受。