JPH0784841B2 - 極低温用膨脹タービン用のタービン本体及び該タービン装置の静圧給気式のスラストガスベアリングの負荷自動平衡装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ヘリウム、水素、ネオン、アルゴン等を常圧
下で−200℃以下の極低温で液化する低沸点ガスを媒体
とする極低温用液化冷凍装置の寒冷発生用の極低温用膨
脹タービンと該タービン装置用の静圧給気式のスラスト
ガスベアリングの負荷自動平衡装置に関する。

（従来の技術） 第４図及び第５図により従来技術を説明する。

第４図は低沸点ガスとしてヘリウムガスを用いた極低温
用液化冷凍装置の従来技術のフローダイヤグラムの一例
である。

ヘリウムガスを用いる液化冷凍装置には油噴射式のスク
リュー圧縮機が広く使用されており、該圧縮機44で昇圧
されたヘリウムガスはガス冷却器45、油分離器46、吸着
器47を順次流通することにより冷却され、油を分離さ
れ、不純ガスを除去された後、吐出管48、次に高圧ガス
管49を経てコールドボックス50に入る。コールドボック
ス50の内部は高真空に保たれ、外部からの熱が内部の低
温機器へ対流により侵入することを防止している。

コールドボックス50内には６個の熱交換器51ないし56が
設置され、順次第１ないし第６熱交換器となっている。
第１熱交換器51には流入口57より液体窒素が流入しヘリ
ウムガスと熱交換した後、流出口58より流出する。高圧
ガス管49を流れる高圧のヘリウムガスは第１熱交換器51
において前記の液体窒素と低圧ガス管59を流れるスクリ
ュー圧縮機44への戻りガスとにより冷却されて、前記熱
交換器51の出口においてほぼ液体窒素の温度まで冷却さ
れる。

第２熱交換器52を出たヘリウムガスの一部は、バイパス
管61を流れで第１段目の膨脹タービン62に流入し膨脹仕
事をして低圧低温のヘリウムガスとなり、バイパス管63
を流れて低圧ガス管59に流入し、第３熱交換器53内で高
圧ガス管49を流れる残りの高圧ガスと熱交換してこれを
冷却する。

また第４熱交換器54を出た高圧ガスの一部はバイパス管
64を流れて第２段目の膨脹タービン65に入り、膨脹仕事
をして低圧低温のヘリウムガスとなり、第５熱交換器55
で残りの高圧ガスと熱交換してこれを冷却する。

第６熱交換器56で更に冷却された高圧ガスは、ジュール
・トムソン弁67に入り、ここで等エンタルピー膨脹をし
てその一部が液化し、液留容器68内に溜る。この液は適
宜の負荷70のために使用される。

液化しなかったヘリウムガスは飽和蒸気の状態で第６熱
交換器56へ戻り、膨脹タービン65の出口からのガスと合
流し、低圧ガス管59中を流れて、順次高圧ガス管49を流
れる高圧ガスと熱交換器内で熱交換した後、吸込管60を
経てスクリュー圧縮機44に戻る。

前記のように高圧ガスと低圧ガスとはそれぞれの熱交換
器内で対向流で熱交換器し、また高圧ガスを液化するた
めに必要な寒冷熱は第１熱交換器51の液体窒素及び第
１、第２の膨脹タービン62,65で与えられる。

次に、前記従来技術において使用されている第１及び第
２の膨脹タービン62,65の構造を第５図により説明す
る。

コールドボックス50の壁１に適宜のフランジ２が固定さ
れる。そしてタービンハウジング３の一端側の円筒部４
が高圧配管部５と低圧配管部７に熔接によって連結固定
され、他端側のフランジ部６がフランジ２に支持固定さ
れる。

タービンハウジング３内に収納される回転体部分は次の
ような構造となっている。

８はベアリングホルダー、９はラジアルベアリング、10
a,10bはスラストベアリング、11はスラストスペーサ
ー、17は座金、14は回転軸、15はタービンインペラー、
16はブレーキブロワーインペラーである。スラストベア
リング10a,10bはスラストスペーサー11、座金17ととも
にボルト20によりベアリングホルダー８に一体に固定さ
れる。

前記の回転体部分はベアリングハウジング21内に収納さ
れ、ベアリングホルダー底板22を介してボルト23でベア
リングホルダー８に固定された後、タービンインペラー
15の背面スペーサー24を小ネジ25でベアリングホルダー
底板22に取付けた後、タービンインペラー15が適宜の固
定手段26により回転軸14に固定される。インシュレーシ
ョンスペーサー27、ノズルリング30及びデフューザー31
がボルト32でベアリングハウジング21に一体に固定され
る。

前記のように一体化されたベアリングハウジング21をタ
ービンハウジング３に収納するに際しては、スプリング
入り四弗化エチレン樹脂製シール部材33をタービンハウ
ジング３の円筒部４に挿入した後に収納する。一方、ベ
アリングハウジング21がタービンハウジング３のフラン
ジ部６にボルト34により固定される。

次にブレーキブロワーインペラー16が適宜の固定手段35
により回転軸14に固定され、ブロワーハウジング36をベ
アリングハウジング21に取付け、ブロワースロート37が
ブロワーカバー38にボルト40により一体に固定される。
そしてブロワーハウジング36とブロワーカバー38がボル
ト41によりベアリングハウジング21に固定される。

次に前記膨脹機の作動について説明する。

バイパス管61又は64の低温高圧のヘリウムガスは高圧配
管部５を通って膨脹タービンの円筒部４内に流入し、ノ
ズルリング30とデフューザー31で形成されているノズル
部39からタービンインペラー15のタービンブレード18内
を断熱膨脹しながら低温低圧のヘリウムガスとなってデ
フューザー31から低圧配管部７を経てバイパス管63又は
66から低圧ガス管59に流出する。

膨脹タービン内でのヘリウムガスはタービンインペラー
15、回転軸14及びブレーキブロワーインペラー16等から
なるタービン回転体を回転させることによって膨脹仕事
を行ない、ブレーキブロワーインペラー16の圧縮仕事と
して回収消費される。このように膨脹タービンはヘリウ
ムガスの断熱膨脹によって発生する膨脹仕事をタービン
回転体の回転仕事によって回収し、これによりヘリウム
ガスを低温にして寒冷を発生させるものである。

スラストベアリング10a,10b、ラジアルガスベアリング
９には一般にヘリウムガスによるガスベアリングが使用
されており、ガスベアリングの特性上、常温で使用され
るのが一般的である。したがって膨脹タービンの運転時
はベアリングハウジング21からブレーキブロワーインペ
ラー15の側は常温下の雰囲気にあり、一方タービンイン
ペラー15、ノズルリング30及びデフューザー31の側は極
低温下の雰囲気にある。

このような従来形式の膨脹タービンを回転数一定のもと
で連続運転していくと、必要な寒冷発生量を維持するた
めには高圧配管部５に連なるタービン入口弁を開けて、
タービン流入ガス量を多くしなければならない。ところ
でタービン入口弁が開いていくと、タービンハウジング
３の円筒部４内の圧力が上昇してノズルリング30とデフ
ューザー31で形成されているノズル部39の出口圧力が上
昇する。このためタービンインペラー15、ノズルリング
30とタービンインペラー15の背面スペーサー24との間に
介在する間隙28を通り高圧ガスがベアリングホルダー８
内の空間19に流入し、該空間19の圧力が上昇する。

一方、タービンインペラー15の下面にはデフューザー31
で膨脹した低圧のガス圧力が作用しているためその上面
に作用する高圧のガス圧力との圧力差に基いて、該イン
ペラー15には下方へのスラスト荷重が増大することにな
り、回転軸14のスラスト盤13とスラストベアリング10a
との間にあるクリアランスが減少して接触を起し故障を
生ずるおそれがある。なお、ベアリングホルダー８内の
空間19のガスは排気管から適宜流出するように構成され
ているが運転状態により前記の故障の発生を免れること
はできない。

（発明が解決しようとする課題） 従来技術には前記のように問題がある。本発明はスラス
トガスベアリングの構造を改良し、かつ負荷に応じて自
動的に膨脹タービンの回転軸の上下位置の調節をして常
にそれを平衡状態に保つ負荷自動平衡装置を用いること
により、前記の問題点を解決することを目的とするもの
である。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の極低温用膨脹タービンのタービン本体は、前記
の目的を達成するために次の構成を有している。

ベアリングハウジング、該ハウジング内にラジアルガス
ベアリングとスラストガスベアリングとにより支持され
た回転軸、該回転軸の一端に固定されたタービンインペ
ラー、前記回転軸の他端に固定されたブレーキブロワー
インペラー、前記ラジアルガスベアリングの端面と前記
タービンインペラーとの間に介在されたタービンインペ
ラーの背面スペーサーからなる極低温用膨脹タービンの
タービン本体において、 前記スラストガスベアリングと前記ブレーキブロワーイ
ンペラーとの間に静圧給気式の補助スラストガスベアリ
ングを設けるたこと 該補助スラストガスベアリングにおける前記ブレーキブ
ロワーインペラーの背面側に高圧ガスの給気口を設けた
こと。

また本発明の極低温用膨脹タービン装置の静圧給気式の
スラストガスベアリングの負荷自動平衡装置は前記の目
的を達成するために次の構成を有している。

請求項１記載のタービン本体を液化冷凍装置の高圧配管
部及び低圧配管部に接続してあるタービンハウジング内
に収納設置したものにおいて、 スラストガスベアリングには給気弁を、また補助スラス
トガスベアリングにはスラスト負荷調整弁をそれぞれ有
する給気管を設けまた前記スラストガスベアリングから
流出するガスの排気管を設けたこと 膨脹タービンの回転軸のスラスト負荷の変動に応じて、 前記スラストガスベアリングへの給気流量が最小設定値
に至ったときには開放し最大設定値に至ったときには閉
鎖するとともに前記給気流量が前記両設定値の中間にあ
るときには該流量に対応して開度を調節できる 負荷自動平衡装置が前記補助スラストガスベアリングの
スラスト負荷調整弁に設けられていること。

更に本発明の極低温用膨脹タービン装置の静圧給気式の
スラストガスベアリングの負荷自動平衡装置は前記の目
的を達成するために次の構成を有している。

請求項２記載の負荷自動平衡装置において、 ブレーキブロワーの吐出側に負荷調整弁を有する排気管
を設けたこと 前記吐出側の吐出圧力が予定設定値を越えたときに開放
し以後は前記圧力が前記設定値を越える量に対応して開
度を調整できる ブレーキ量調整装置が前記負荷調整弁に設けられている
こと。

（作用） 極低温用膨脹タービンの運転中、回転軸のスラスト負荷
が規定値を越えて増大したときには、補助スラストガス
ベアリングの給気口から高圧ガスがブレーキブロワーイ
ンペラーの背面側に流出して前記のスラスト負荷の増大
に対向する（第１の発明）。

前記において極低温用膨脹タービンの運転中、回転軸の
スラスト負荷が規定値を越えた運転領域においては、規
定値を越える量の大小に応じ前記給気口からの給気量を
大小に調節して前記負荷に自動的に平衡させる（第２の
発明）。

極低温用膨脹タービンの運転中、ブレーキブロワーの吐
出側の圧力が規定値を越えたときはその超過量に応じて
前記ブレーキブロワーの吐出回路の負荷調整弁の開度を
加減し前記ブレーキブロワーのブレーキ量を調整する
（第３の発明）。

（実施例） 本発明の極低温用膨脹タービン用のタービン本体と該タ
ービン用静圧給気式のスラストガスベアリングの負荷自
動平衡装置の一実施例を第１図ないし第３図により説明
する。図中、第５図と同一符号を付した構造部分は同一
の構造部分からなっているのでその説明を省略する。

第２図の極低温用膨脹タービンが第５図の従来技術と異
なる点は、後者の座金17を静圧給気式の補助スラストガ
スベアリング10cに構造変更してブレーキブロワーイン
ペラー16の背面に高圧ガスを流出する給気口を該ベアリ
ング10cに設けるとともにスラストスペーサー11にガス
排出通路を設け、タービン本体の周辺装置と連結してス
ラストガスベアリングの負荷自動平衡装置を構成した点
にある。次に第１図及び第３図によりこれを詳述する。

第３図において、71はＯリング、72ないし74はベアリン
グハウジング21内に設けられた高圧ガスの給気接続口、
75は低圧ガスの排気接続口、76ないし78はスラストガス
ベアリング10b,10a及び10c内にそれぞれ設けられた高圧
ガスの給気通路、79はスラストスペーサー11内に設けら
れた低圧ガスの排気通路、81ないし83は高圧ガスの給気
口である。

高圧ガス管系統101〔第１図〕からの高圧ガスは、給気
接続口72,73,74から給気通路76,77,78に流入し、給気口
81からはスラスト盤13の上面に向けて、給気口82からは
スラスト盤13の下面に向けて、また給気口83からはブレ
ーキブロワーインペラー16の背面に向けてそれぞれ流出
する。

一方、給気口81,82から流出した高圧ガスは圧力低下し
て排気通路79、排気接続口75を経て低圧ガス管系統102
〔第１図〕に流出する。給気口83から流出した高圧ガス
は圧力を低下して吐出空間43に流出する。給気口83から
流出する高圧ガスはブレーキブロワーインペラー16を介
して回転軸14を上方へ移動させるスラスト力を発生す
る。

また第１図において39は熱交換器、42,43はそれぞれブ
レーキブロワーの吸入空間及び吐出空間、86はノズル部
39の出口圧力センサー、87は高圧ガスの流量発信器、88
はブレーキブロワーの出口圧力センサー、91は高圧給気
の回転制御弁、92はブレーキブロワーの回転制御弁、93
はベアリングホルダー８内圧力の圧力調整弁、94はスラ
スト負荷調整弁、95はブレーキブロワーの負荷調整弁、
96はスラストガスベアリングへの給気弁、97はタービン
出口のサービス弁、99はガス循環系統、101は高圧ガス
管系統（圧縮よりの）、102は低圧ガス管系統（蒸発器
への）、103ないし105は高圧の給気管、106は低圧の排
気管、107,108は排気管、109は低圧の排気管である。

ブレーキブロワーの回転制御弁92、ベアリングホルダー
内の圧力調整弁93、ブレーキブロワーの負荷調整弁95、
スラストガスベアリングの給気弁96、タービン出口のサ
ービス弁97はタービン制御回路の操作電源（図示しな
い）を投入時に作動して全開になる。

タービン軌動操作器（図示しない）の自動ONにより高圧
給気の回転制御弁91の微開で高圧ガス管系統101から高
圧給気管103を経て高圧ガスがタービンインペラー15に
導入され、回転軸14に固定されたタービンインペラー1
5、ブレーキブロワーインペラー16が回転を開始し起動
操作器（自動）の指示により回転制御弁91は微開を続
け、この結果、回転軸14はあらかじめ設定された定常回
転数に到達する。更にこの回転を続けることにより寒冷
発生量を維持するために回転制御弁91は起動操作器の指
示により開度を増し続ける。

この結果、高圧配管部５の高圧空間は次第に高圧で満た
され、タービンノズルに十分な圧力をかけ、高い膨脹比
を得ることができるが、同時にノズル部39の出口の空間
の圧力〔圧力センサー86により検出〕も上り、これが間
隙28を通りこれに連なるベアリングホルダー８内の空間
19に流入しここの圧力も上昇する。これと相俟って高圧
ガス管系統101から給気弁96、高圧給気管104、流量発信
器87を経て負荷側の静圧給気式のスラストガスベアリン
グ10a内に高圧ガスが導入され、スラストガスベアリン
グ10a内の排気ガスが該ベアリング10aの内径側の隙間か
ら空間19に流入するためにその圧力は更に上昇する。

設計上予定されたノズル出口の圧力と空間19内の圧力が
熱ロス等も考慮して（差圧によるガスの流れを防ぐた
め）同等の圧力になるように、圧力センサー86で圧力を
検出し、この圧力の信号電流に比例してベアリングホル
ダー８内の空間19圧力の圧力調整弁93の開度を制御し、
排気管107から低圧ガス管系統へ流出するガス量を調節
する。

膨脹比が高くなるにつれて結果的にベアリングホルダー
８内の空間19の圧力が上昇することは前記のとおりであ
るが、このときタービンインペラー15を挟んで低圧配管
部７の低圧空間の圧力と空間19の圧力との圧力差をター
ビンインペラー15が受けて低圧配管部７側に押されるた
め、これが負荷側のスラストガスベアリング10aに対す
る負荷となり、更にブレーキブロワーの吸入空間42にか
かる圧力が回転軸14断面積分の負荷となる。

なお、回転運動の安定化のために反負荷側のスラストガ
スベアリング10bを装着しここにも高圧ガスを導入して
いるが、そのまま負荷側のスラストガスベアリング10a
の負荷になっている。このように次第に大きくなるスラ
スト負荷を負荷側のスラストガスベアリング10aで受け
ているのであるが十分には受けきれていない。これに対
処するため回転軸14のスラスト盤13の直径を大きくして
荷重面積を増やす方法もあるが、回転軸14は高速回転を
しているためスラスト盤13が遠心力破壊を起す。そこで
これを避けるため、静圧給気式の補助スラストガスベア
リング10cを取付け、ここに高圧給気管105、スラスト負
荷調整弁94を経て高圧ガスを導入するようにし、回転軸
14のスラスト盤13の直径を従来寸法のままとした。

前記のように構成することにより、運転中スラスト負荷
が増加して回転軸14が下方へ移動し、負荷側のスラスト
ガスベアリング10aの高圧ガスの給気口82から流出する
高圧ガスの流量が減少したときは、その流量を流量発信
器87によって検出し、その値が予定していた最小流量設
定値に至ったときはその信号電流により補助スラストガ
スベアリング10cの給気弁94が開いて高圧ガスを給気口8
3から導入してブレーキブロワーひいては回転軸14に上
方へのスラスト力を与え、流量発信器87の流量に比例し
て、該弁94の開度を制御することにより安定した運転が
得られる。

また、予定した最大流量設定値に至ったときは、流量発
信器87の信号電流により補助スラストガスベアリング10
cの給気弁94は閉じる。

また一方、ブレーキブロワーインペラー16により発生し
た圧力と給気口83から導入されたガスによる圧力とがブ
レーキブロワーの吐出空間43に導かれる。

このため、該空間43の圧力が予定された設定値に至った
ときは、出口圧力センサー88の信号により、ブレーキブ
ロワーの負荷調整弁95が開き該圧力を排気管108を介し
て低圧ガス管系統102に逃してやり、出口圧力センサー8
8の信号電流に比してその開度が制御されるのでブレー
キブロワーのブレーキ量を一定に保持するようにし運転
状態を安定させることができる。出口圧力センサー88の
検出圧力が予定した設定値以下になると負荷調整弁95は
閉じる。

また、ブレーキブロワーを流れるガスはガス循環系統99
を閉サイクルで循環流動するようになっており、回転制
御弁92の開度を加減することによりブレーキブロワーの
回転を調整することができる。熱交換器39は閉サイクル
内のガスを冷却するためのものである。

〔発明の効果〕

極低温用膨脹タービンの運転中、回転軸のスラスト負荷
が規定値を越えて増大すると、これを感知して補助スラ
ストガスベアリングの給気口から高圧ガスがブレーキブ
ロワーインペラーの背面側に流出されるので、これによ
り前記のスラスト負荷の増大に対抗する逆方向のスラス
ト力が発生し、運転状態の安定を保持することができる
（第１の発明）。

前記において極低温用膨脹タービンの運転中、回転軸の
スラスト負荷が規定を越えた運転領域においては、規定
値を越える量の大小に応じ前記給気口からの高圧ガスの
給気量が大または小に調節され、前記負荷に自動的に平
衡するようにされる（第２の発明）。

極低温用膨脹タービンの運転中、ブレーキブロワーの吐
出側の圧力が規定値以上になると、その超過量に応じて
前記ブレーキブロワーの吐出回路の負荷調整弁の開度が
加減されるため、前記ブレーキブロワーのブレーキ量が
調節される（第３の発明）。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスラストガスベアリングの負荷自動平
衡装置の実施例のフローシートダイヤグラム、第２図は
本発明の極低温用膨脹タービンの実施例の縦断面図、第
３図は前記膨脹タービンスラストベアリング部の拡大縦
断面図、第４図は極低温用液化冷凍装置のフローシート
ダイヤグラム、第５図は極低温用膨脹タービンの従来技
術の縦断面図である。 ５……高圧配管部、７……低圧配管部、９……ラジアル
ガスベアリング、10a,10b……スラストガスベアリン
グ、10c……補助スラストガスベアリング、14……回転
軸、15……タービンインペラー、16……ブレーキブロワ
ーインペラー、24……背面スペーサー、83……給気口、
91……回転制御弁、92……回転制御弁、93……圧力調整
弁、94……スラスト負荷調整弁、95……負荷調整弁、96
……給気弁、104,105……給気管、107,108……排気管。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベアリングハウジング、該ハウジング内に
   ラジアルガスベアリングとスラストガスベアリングとに
   より支持された回転軸、該回転軸の一端に固定されたタ
   ービンインペラー、前記回転軸の他端に固定されたブレ
   ーキブロワーインペラー、前記ラジアルガスベアリング
   の端面と前記タービンインペラーとの間に介在されたタ
   ービンインペラーの背面スペーサーからなる極低温用膨
   脹タービンのタービン本体において、前記スラストガス
   ベアリングと前記ブレーキブロワーインペラーとの間に
   静圧給気式の補助スラストガスベアリングを設けるとと
   もに該補助スラストガスベアリングにおける前記ブレー
   キブロワーインペラーの背面側に高圧ガスの給気口を設
   けたことを特徴とする極低温用膨脹タービン用のタービ
   ン本体。
2. 【請求項２】請求項１記載のタービン本体を液化冷凍装
   置の高圧配管部及び低圧配管部に接続してあるタービン
   ハウジング内に収納設置した極低温用膨脹タービン装置
   の静圧給気式のスラストガスベアリングの負荷自動平衡
   装置において、スラストガスベアリングには給気弁を、
   また補助スラストガスベアリングにはスラスト負荷調整
   弁をそれぞれ有する給気管を設けまた前記スラストガス
   ベアリングから流出するガスの排気管を設けるととも
   に、膨脹タービンの回転軸のスラスト負荷の変動に応じ
   て、前記スラストガスベアリングへの給気流量が最小設
   定値に至ったときには開放し最大設定値に至ったときに
   は閉鎖するとともに前記給気流量が前記両設定値の中間
   にあるときには該流量に対応して開度を調節できる負荷
   自動平衡装置が前記補助スラストガスベアリングのスラ
   スト負荷調整弁に設けられていることを特徴とする極低
   温用膨脹タービン装置の静圧給気式のスラストガスベア
   リングの負荷自動平衡装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の極低温用膨脹タービン装置
   の静圧給気式のスラストガスベアリングの負荷自動平衡
   装置において、ブレーキブロワーの吐出側に負荷調整弁
   を有する排気管を設け、前記吐出側の吐出圧力が予定設
   定値を越えたときに開放し以後は前記圧力が前記設定値
   を越える量に対応して開度を調整できるブレーキ量調整
   装置が前記負荷調整弁に設けられていることを特徴とす
   る極低温用膨脹タービン装置の静圧給気式のスラストガ
   スベアリングの負荷自動平衡装置。