JPH10506453A

JPH10506453A - 半径方向の振動を減衰する装置

Info

Publication number: JPH10506453A
Application number: JP8511486A
Authority: JP
Inventors: ケイ．スワン，マイケル; アール．シュルツ，リチャード
Original assignee: グレイシャーアールピービーインコーポレイテッド
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1995-09-15
Publication date: 1998-06-23
Also published as: US5584463A; WO1996010134A1; EP0783636A1

Abstract

(57)【要約】ターボ機械のシャフト（１０）の半径方向の振動に拘る減衰装置（２０）（第１（ｂ）図）は、二つの円周方向に制限された直径方向に相対する減衰チャンバ（２２，２３）を含み、この減衰チャンバはシャフトに向かって開放され、またガス流量コントローラ（２９_Aおよび２９_B）で交互にガスが供給される。各コントローラは円周方向に配置されたチャンバ（２２’，２３’）、または同じチャンバの圧力を検出することで切換えられる流体装置を含み、この圧力はシャフト位置の変化で変動されるのであり、供給源（２７）からガスは導かれる。ガス流量の切換えは圧力変動を生じるように構成され、この圧力がシャフトの接近よりも進んだ位相の状態で半径方向の押圧力をシャフトに加え、振動を減衰させる。流体装置は流量増幅器または流体論理フリップフロップ（４１）（第２図）で構成され、多段装置とされて利得を増大され、その全ては可動部材のない状態で形成され、ハウジングに内蔵される。流れの切換えは、他の形式の検出、例えばシャフトに向うノズルからの漏洩で行うことができる。この装置はガスシールと組合わされ、あるいはガスシールとして機能され、または軸受装置の一部をなす。

Description

【発明の詳細な説明】半径方向の振動を減衰する装置本発明は回転シャフトの減衰装置に係わり、特にターボ機械のような高速度で回転可能なシャフトの振動減衰に適用できる。本発明は半径方向、すなわちシャフトの回転軸線に直角な方向の振動に関係する。このような半径方向の振動はシャフトの回転軸線の周期的な変位を含み、また回転する結果として、シャフトおよびその懸架装置に関係する振動源および他の減衰作用によるが、回転軸線はそのまわり、すなわち整関数または非整関数のまわりにシャフト回転速度で基準軸線すなわち静止軸線を振れまわす（orbit）傾向を示す。高速機械ではそれ故にこのような振動回転が特定の振動数範囲（振動数の閾値を超えた無制限範囲）で発生してその機械を不安定状態とするのであり、これはハウジングに対してシャフトを支持する軸受が固有の減衰作用を果すにも拘らずに生じる。さらに、このような拘束機械にしばしば使用される形式の軸受、例えば磁気軸受（magnetic bearing）および静圧軸受（hydrostatic bearing）は、比較的低速度で生じ得る振動に対しての固有の減衰能力は小さく、その軸受の発生する減衰力を有効にシャフトに与えることのできる位置から離れて配置されねばならないばあいには、軸受構造であるにも拘らずにそれだけに頼ることは難しい。高速度で回転する大重量シャフトのばあいは、このような振動で発生する長手軸線に対して横方向に作用する力はかなり大きく、適当な振動減衰効果を得るためには同程度の大きさの力が必要となる。本発明の目的は、回転支持シャフト用の簡単な構造で十分な減衰力を発生できる半径方向の振動の減衰装置を提供することである。このような減衰装置はそれ自体が提供されるか、あるいは他機能の構造体に組合せて提供されることができ、それ故にシャフトおよび（または）シャフトに沿って導かれる冷却ガスに関係するガスシール構造体を使用した半径方向の振動の減衰装置を提供することも本発明の目的である。このような回転シャフトの軸線の振動往復運動は、回転軸線を通って延在する垂直面のような一つの平面に限定されるか、またはいずれかの平面内に生じ、または平面間で摂動するのに対して、シャフトの回転はその振動成分を回転軸線を通るあらゆる平面内に生じるので、減衰装置は減衰すべき半径方向の振動特性に合わせるために適当な程度で複雑に構成されることが認識されよう。本発明によれば、ハウジングに通して延在され、ハウジングからは間隙を隔てられている回転シャフトのための半径方向の振動の減衰装置は、ハウジング内部に画成されてシャフトに向かって開放され、境界壁の間でシャフトを取囲んでいる少なくとも一つの減衰チャンバを含む減衰チャンバ手段と、少なくとも一つの高圧ガスの供給源と、前記減衰チャンバの各々に開口されたガスダクトと、回転シャフトに対して半径方向に作用する正圧を減衰チャンバの内部に発生するように作動可能で、また減衰チャンバの各々に対してハウジングに向うおよび離れる方向のシャフトの往復運動に応答可能なガス流量コントローラを備え、シャフトの往復運動と同じ振動数で、また予め定められた振動数範囲内の減衰チャンバに対するシャフト位置の変動に関して位相を進めた状態で、ダクト手段を経て減衰チャンバに供給するガス供給量を調節し、したがって減衰チャンバの内部圧力を調節して、これによりシャフトに作用する半径方向の押圧力に相応の変動を発生させて、前記シャフトの半径方向の往復運動を減衰させるようになされたガス流量制御手段とを含んで構成される。この減衰装置は、ガスシール構造体のシャフトの軸受構造に一体化されるか、あるいは別個の装置を構成することができる。本発明の具体例が例として添付図面を参照して以下に説明される。添付図面において、第１（ａ）図は、ハウジングに対して支持された回転シャフト、およびその回転シャフトのための、主構成部材で示されている本発明による半径方向の振動の減衰装置を組入れたラビリンス式ガスシールの一部を通る断面立面図であり、第１（ｂ）図は、第１（ａ）図のシャフトおよび減衰チャンバを通る断面立面図であって、減衰チャンバ間の配列および相互連結を含めてガス流量制御手段を非常に詳細に図示しており、減衰チャンバから圧力フィードバックを与える第１形態のシャフト変位フィードバック手段、および一対の組をなして一対の減衰チャンバに組合わされる個別の能動ガス流量コントローラが、自己出力式流体比例装置（self-powered fluidic proportional devices）を含む第１形態で詳細に示されている。第２図は、単一段の自己出力式流体論理フリップフロップ装置を含む一対の反対に配置された減衰チャンバの一つに各々が組合されている第２形態である第１（ｂ）図の一対のガス流量コントローラの概略回路図であり、第３（ａ）図は、第１（ａ）図の装置の多段構造を含む第３形態の一対のガス流量コントローラの概略回路図であり、第３（ｂ）図は、第２図の装置の多段構造を含む第４形態の一対のガス流量コントローラの概略回路図であり、第４（ａ）図および第４（ｂ）図は、第２の形態のシャフト変位フィードバック手段を示す第１（ａ）図および第１（ｂ）図のシャフトおよび減衰チャンバ装置を通るそれぞれ断面図および断面立面図であり、第５図は、一対の反対に配置された減衰チャンバの各々に直接作用するガス流量コントローラを組合わせたガス制御手段の代替形態の一部分の概略回路図であり、第６図は、本発明による半径方向のガス式減衰装置を組入れた磁気軸受およびガス軸受の結合体の部分的断片の斜視図である。第１図（ａ）および第１図（ｂ）を参照すれば、ターボ機械のような機械のシャフト１０は、図示されていない駆動装置によって高速度で長手軸線１１のまわりに回転される。このシャフトは同様に図示されていない軸受手段によってハウジング１２に対して支持されている。ハウジング内部のガス圧力は通常は大気圧より高く、シャフトとハウジングとの間の制限されている間隙からガスを制御して漏洩させるために全体を符号１４で示されるラビリンスガスシールが備えられている。ガスのこの漏洩は全く望ましくないというものでもなく、しばしばそのガスが通過する軸受のような部材の冷却に使用される。このようなラビリンスガスシールは、一つ以上のリップ１５，１６を典型的に含んで構成され、これらのリップ１５，１６は一連の１７で示すような環状チャンバで軸線方向に隔てられたシャフト表面箇所から最少限の間隙を隔てられており、該チャンバおよびそれらを結ぶ通路の形状寸法がガスに曲りくねったエネルギー発散路を経た流動を行わせ、このことが流量に制限を与え、すなわちシール効果を与える。高速機械、特にターボ機械において周知のように、拘束回転は半径方向のシャフト振動を伴う傾向があり、この振動はしばしば実質的に同一速度であり、回転軸線を通る１以上の平面内において発生し、これによりシャフトの回転軸線がハウジングの長手軸線から変位する、すなわち長手軸線のまわりに振れまわるようになる。これによりシャフトのまわりの特定位置において生じる軸方向のガス流量の変動がチャンバに対して流入および流出する両方のガス流量を過剰となし、また逆の流れ状態を発生させるようにするのであり、負の強化（stiffness）および（または）負の減衰をもたらす。本発明によれば、全体を符号２０で示される振動減衰装置は、ハウジングの内部でシャフトの周囲に減衰チャンバ手段２１を含んでいる。減衰チャンバ手段はシャフトの周囲に配置された２組の反対両側に配置されて対をなす減衰チャンバ２２および２３、２２’および２３’を含み、各減衰チャンバはシャフトに向かって開放され、境界壁２２₁，２２₂および２３₁，２３₂のそれぞれの間で部分的にシャフトを取囲んでいる。減衰チャンバは同一平面内に位置することが好ましく、またそれぞれが軸線に対して或る角度範囲を定めることが好ましい。この装置は、各減衰チャンバに開口しているダクト２５および２６（および第１（ｂ）図の２５’および２６’）とされたガスダクト手段２４と、ガス供給源２７と、全体を符号２８で示されたガス流量制御手段とをさらに含む。第１（ｂ）図から、ガス流量制御手段は４つの減衰チャンバに個々に組合された対応する個数のガス流量コントローラ２９_A〜２９_Dを含むことが見られる。ガス流量コントローラ２９_Aおよび２９_Bおよびその各々が組合される減衰チャンバ２２および２３を代表して考えるならば、第１のコントローラ形態が非常に詳細に示されている。ガス流量コントローラ２９_Aについてみれば、ガス供給源２７に連結された入力ポート３１_A、ガスダクト手段２５に連結された出力ポート３２_A、および制御入力ポート３３_Aおよび制御入力ポート３４_Aが備えられている。コントローラは自己出力式流体装置３５_Aを含み、また制御入力ポート３３_Aおよび３４_Aはガス圧力に応答して入力ポート３１_Aおよび出力ポート３２_Aの間のガス流量を制御するためのポートであり、１より大きい利得係数（gain fac tor）を示す流量および圧力でこれを制御する。ガス流量コントローラ２９_Bはガス流量コントローラ２９_Aと同じ形態に構成されており、同じ部品は添字「Ｂ」を付して示されている。ガス流量コントローラ２９_Cおよび２９_Dは同様に同じ形態に構成されているが、詳細には示されていない。ガス流量制御手段はまた全体を符号３７で示されたシャフト変位フィードバック手段を含んで構成され、このシャフト変位フィードバック手段は減衰チャンバ２２または２３の各々に対して検出チャンバ手段内のガス圧力に関するフィードバック信号を与える手段を含み、検出チャンバ手段はシャフトの回転方向における先行した方向、すなわちシャフトが回転する方向とは反対の方向にそれぞれの減衰チャンバから円周方向に変位された少なくとも一つの圧力検出チャンバを含んでいる。減衰チャンバ２２および組合うコントローラ２９_Aについては、フィードバック手段は減衰チャンバ２２’で形成される圧力検出チャンバと、減衰チャンバ２２’および制御入力ポート３３_Aの間を延在するフィードバックダクト３８とを含む。さらにまたこの検出チャンバ手段は、減衰チャンバ２２より円周方向の後方側で、減衰チャンバ２３より先行側に配置された減衰チャンバ２３’ で形成されたさらに他の検出チャンバ、および減衰チャンバ２３’と自己出力式流体装置３５_Aの制御入力ポート３４_Aとの間を延在するフィードバックダクト３９を含んで構成される。ガス流量コントローラ２９_Bに関する限り、シャフトの変位手段は減衰チャンバ２３の円周方向の先行側に変位された減衰チャンバ２３’で形成された検出チャンバと、減衰チャンバ２３’および制御入力ポート３３_Bの間を延在するフィードバックダクト２９とを含み、さらに減衰チャンバ２３より円周方向の後方側に配置された減衰チャンバ２２’、および減衰チャンバ２２’で形成されるさらに他の検出チャンバと制御入力ポート３４_Bとの間を延在するフィードバックダクト３８を含む。明確にするためには、いずれかの特定の作動状況において「減衰チャンバ」であるときにガスが供給され、また「検出チャンバ」であるときにその圧力がフィードバックのために検出されてそのガス供給を制御するようになされるいずれかのチャンバを参照するのが好ましく、このことは、これらの検出チャンバが別の時点では減衰チャンバとして作用し、またこの逆も可であるにも拘らずに、好ましいのである。コントローラ２９_Aを伴うときのその減衰装置の作動を考えるならば、軸線１１のまわりを回転するシャフト１０が振動を始めて、その回転時に軸線がハウジングチャンバに向うおよび離れる方向に往復運動を行うとするならば、検出チャンバ２２’内の圧力はシャフトとチャンバとの間隔距離によって変化され、シャフト振動との同期において制限された度合で上昇降下が生じる。検出チャンバ２２’内の圧力振動はフィードバックダクト３８によって制御入力ポート３３_Aに伝達される。他の検出チャンバ２３’は、コントローラ２９_Aに伝達された検出チャンバ２２’の場合とは１８０°位相が異なる圧力変化を示して、ダクト３９により３４_Aの位置で同様にシャフト位置の往復運動に応答する。コントローラ２９_Aは、検出チャンバ２２’の圧力上昇および検出チャンバ２３’の圧力低下を指示する前記圧力の一方または両方によってガス伝達に関しての切換えが行われて、ダクト２５を通して減衰チャンバ２２へガスを供給するようになされるのであり、その作用はさらに圧力を上昇させ、また検出チャンバ２３へ向けてシャフトを駆動する傾向を示す半径方向の力をシャフトに作用させるようにする。短時間の後、シャフトの往復運動は検出チャンバ２３’内の圧力を上昇させるとともに検出チャンバ２２’内の圧力を低下させる傾向を示すので、シャフト変位フィードバック手段は圧力上昇をコントローラの制御入力ポート３４_Aへ戻して減衰チャンバ２２に対するガス供給を抑制し、漏れによってその内部圧力が低下することを許す。振動シャフトの乱れが始まって、振動周波数での検出チャンバの圧力振動が発生し、またコントローラ２９_Aが作動されるならば、減衰チャンバ２２に対するガス供給はその振動と同じ周波数でオンオフを切換えられて、周期的に上昇される減衰チャンバ２２内の圧力を経て半径方向の押圧力をシャフトに作用させるようにすることが認識されよう。さらに、各々の減衰チャンバに対する高圧力のガスの周期的な供給は、チャンバからの漏洩があるにも拘らずに内部圧力が大気圧に対して高い状態に保持されるのを保証するような流量で行うことができる。コントローラ２９_Aと関係する減衰チャンバ２２にシャフトが接近するより前に検出チャンバ２２’内の圧力上昇を検出することに応答して、接近するシャフトに対して予め定められた値だけ位相の進んだ状態で減衰チャンバ２２内に圧力上昇を与えるために、したがってシャフトの振動を減衰するために、そのコントローラの応答性、ガス流量および供給圧力を定めることができる。減衰程度は供給されるガスの圧力だけでなく、減衰チャンバに最も近いシャフトに関しての位相の進み程度に依存することが認識されよう。コントローラにフィードバックを与える検出チャンバ２２’の９０°未満の角度範囲は、またチャンバ２２および２３の形状と同じであるので減衰チャンバの対応する円周方向の範囲もまた、適当な遅れを導入することで最小位相進み角をほとんど０°まで減少させることはできるが、チャンバ２２の中央に整合されたシャフトの最大位相進み角を約１３５°に制限する。特定の振動周波数で最適減衰を与え、他の周波数でも有効であるためには、ガス供給量、ガス流量制御手段のトリガー閾値（一つまたは複数）およびガス供給源２７の圧力のいずれかまたは全てを選択することによってシャフト位置に対して約９０°の位相の進みを定めるのが好ましい。このような振動がコントローラ２９_Aによりチャンバ２２に供給するガス供給量を変化させることで対抗されて減衰されるので、ガス流量コントローラ２９_B はその制御入力ポートに同じフィードバック信号が逆に供給されてコントローラ２９_Aと異なる位相に切換えられ、シャフトが接近するより先行してチャンバ２３にガスを供給し、これにより減衰チャンバ２２および２３を含む少なくとも１以上の平面内での振動減衰作用に等価的または付加的に寄与するようになされることが分るであろう。減衰チャンバにおける圧力の増大およびその後の低下がかなりの円周方向範囲の減衰チャンバにおいて限られた時間にわたり生じるとき、減衰力はその角度位置の範囲にわたってシャフトに与えられることが認識されよう。上述したように、減衰チャンバ２２’および２３’は同様それぞれコントローラ２９_Cおよび２９_Dによりダクト手段２５’および２６’を経てガスを供給され、コントローラはそれぞれチャンバ２２および２３のフィードバックダクト３８ ’および３９’を経て検出圧力変動に応答して切換えが行われ、またこれらはそれ故にコントローラ２９_Aおよび２９_Bに関係した減衰チャンバとして作用することに加えて検出チャンバとして作用する。すなわち、四つの直交する方向の各々においてシャフトが変位されると、その変位にはガス供給源２７によって大気圧より高い選択されたかなりの程度に上昇された減衰チャンバ圧力が対抗して、時間および角度範囲で重なり合うことのできる個々の減衰チャンバの組合わされた作用が、長手軸線に対して半径方向の全ての方向に有効な減衰を与える。能動的で自己出力式のガス流量コントローラ２９_Aおよび２９_Bは、制御入力ポートで検出された圧力変化に応答して、二つのコントローラの間の切換え、すなわちフリップフロップによる流れの切換え作用と調和した高いスルーレート（sl ew rates）でガスの流れを変化させることのできる比例流量装置で与えられることができる。装置３５_Bを伝達状態にトリガーするのと同一の圧力フィードバック信号で制御装置３５_Aからの流れを停止させるか、またはこの逆を行うことが好ましいのであるが、流体の流れは制御入力ポート３４_Aおよび３４_Bを他方の装置の出力ポートすなわち制御装置の３２_Aおよび３２_Bに連結することで他方の装置の流量を増大し始めた後でのみ停止できることが認識されよう。したがって、第１（ｂ）図に示した形態においては、同じチャンバ圧力信号に両方が応答することで逆の対をなす減衰チャンバと組合された流量コントローラ２９_Aおよび２９_Bは一致して作動して、一方の減衰チャンバから他方の減衰チャンバへと交互に流れを切換えるようにする。第１（ｂ）図に示された装置に全体的に類似する代替形態の減衰装置は、同じ形態のシャフト変位フィードバック手段を含むガス流量制御手段を有するが、対抗する減衰チャンバの対と関連されるガス流量コントローラの対は異なる形態を有していて、コントローラ２９_Aおよび２９_Bの対に対応する一方が第２図に符号４０で示されている。チャンバ２２および２３がそれと関連されており、共通の自己出力式ガス流切換え装置の形態をしたガス流量コントローラは、ガス供給源２７に連結された入力ポート４２および減衰チャンバダクト２５および２６にそれぞれ連結された二つの出力ポート４３および４４を有する流体論理フリップフロップ４１を含んでいる。このフリップフロップはまた二つのトリガーポート４５および４６を有し、これらのポートはシャフト変位フィードバック手段３７（第１（ｂ）図）からの圧力に関する信号を受取るために構成された制御入力ポートを形成しており、これらのポートはそれぞれダクト３８および３９により検出チャンバ２２’および２３’に連結されている。作動において、ダクト３８および３９により交互に検出された周期的なチャンバ圧力は、切換え装置を通してガスを導き、これにより上述と同様にして減衰チャンバ２２および２３の間でガスは切換えられる、すなわち減衰チャンバ２２および２３へ交互に送られるようになされる。このような流体装置の作動では、状態の切換えは一方の制御入力ポートが排気されることを必要とする。一方の制御入力ポートにおける高い圧力の発現が、他方の制御入力ポートに排気するのに十分に低い圧力を伴わないのであれば、点線４５’および４６’で示される別の排気路が使用できる。周期的に強制される減衰チャンバの圧力増大により生じた半径方向の押圧力は、振動源ではなく振動減衰力を独自に構成するために振動発生力より小さく、このためにガス供給源２７で供給されるガスの圧力および（または）流量はシャフトの振動を増幅する別個の測定方法にしたがって別個に制御（図示せず）できることが認識されよう。しかしながら、回転質量の大きなターボ機械のシャフトの高回転速度と調和し得る振動速度でこのようなシャフトの振動が発生するならば、減衰させるためにシャフトに作用する十分大きな半径方向の阻止力（retardin g force）を発生させるために、シャフトの回転速度にしたがってチャンバ圧力の変化に対する素早い応答性と十分大きな速度および（または）圧力のガス供給とを組合わせることが必要とされることは認識されよう。現在入手できるいずれかのこのような自己出力式流体装置の利得は実際には制限があるので、各コントローラは単段流体装置の出力を増強する手段を備えるか、および（または）多段または並列連結を含むか、またはマスター装置および従動装置のような流体装置を含むことが必要となる。上述の形態のガス流量コントローラのいずれかにより得られる調節されたガス流量では不十分であるならば、このような各々のガス流量コントローラは、第１（ｂ）図に４７_Aおよび４７_Bで仮想線で示されるか、第２図に４８および４９で示されるように、関連する減衰チャンバと並べて流量インダクタを有することができる。第１（ｂ）図を参照すれば、チャンバ２２およびコントローラ３５_Aと関連されたダクト手段２５に並んで、それ自体は周知の流量インダクタ４７_Aは、制御出力ポート３２_Aを経てチャンバダクト手段２５に連結されているインダクタ出力ポート４７_A1、ガス供給源２７’に連結されたインダクタ主入力ポート４７_A2 、好ましいが必然的ではないガス供給源２７、および装置３５_Aから調節されたガス流量を受入れるためにインダクタ制御入力ポート４７_A3を有している。この流量インダクタは、周知のようにインダクタ入力ポートにおけるガス流量を組合せ、インダクタ制御入力ポートでの調節にしたがって調節された増強されたガス流量をインダクタ出力ポートに与える。第２図から、対応する流量インダクタ４８および４９が流れ切換えフリップフロップ４１のそれぞれの出力ポート４３および４４と組合されることが分る。減衰チャンバ手段に対する調節されたガス供給を増強するためにこのような流量インダクタなどを使用する代りに、またはそれに追加して、各々の能動的なガス流量コントローラ２９_A，２９_B，４０などのは多段構造を含むことができ、すなわち直列または段階的に連結された複数の流量制御装置を含み、これにはマスター装置および１または恐らく２以上の従動装置が含まれて、減衰チャンバに対するガス供給量を増強するようになされる。第３（ａ）図を参照すれば、この図は減衰チャンバ２２および２３に関連し、対をなすコントローラ２９_Aおよび２９_Bに対応した対をなすコントローラの第３実施例５０をほぼ概略的に示している。再び述べるが、関連する第１（ｂ）図に示され説明された部品に対応する部品の多くは、同じ符号を付されている。ガス流量コントローラは２９’_Aおよび２９’_Bとして識別される。ガス流量コントローラ２９’_Aは前述した流体装置３５_Aを含み、この流体装置は１つのマスター装置および少なくとも一つの同じ形態の従動装置５１_Aを備え、各々の装置は入力ポート、出力ポートおよび制御ポートを有している。マスター装置は上述したようにその入力ポートおよび制御ポートがコントローラのポート３１_A，３２_Aおよび３３_Aに連結される。従動装置５１_Aはその入力ポートがコントローラの入力ポート３１_Aに（または可能なように２７''で仮想線で示された別の供給源に直接に）連結され、出力ポートはコントローラの出力ポート３２_Aに連結される。マスター装置の出力ポート３５’_Aは、上述の装置５１_Aの制御入力ポートに連結される。コントローラ２９’_Aはいずれも添字「Ｂ」で識別されるマスター装置および従動装置の両方を有する。マスター装置３５_Bの出力ポート３５’_Bは従動装置５１_Bの制御入力ポート５２_Bに連結され、また従動装置５１_Aの制御入力ポート５３_Aに連結される。同様に、マスター装置３５_Aの出力ポート３５’_Aは従動装置５１_Bの制御入力ポート５３_Bに連結される。作動は、各々の能動的なコントローラの全体的な利得が増大されたことを除いて、実質的にコントローラ２９_A および２９_Bに関して説明したのと同じであることが認識されよう。別のコントローラが第２図に示した流体フリップフロップ４１のような単一の流れ切換え装置に含められることができ、多段コントローラがマスター装置および従動装置を含み、従動装置は同様に第３（ｂ）図に示された第４の形態６０において示されるように組合されることができることもまた認識される。コントローラはマスターフリップフロップ４１および従動フリップフロップ６１を含み、従動フリップフロップは供給源２７（またはこの代りに２７''）に連結された入力ポート６２、二つの出力ポート６３および６４を含み、これらの出力ポート６３および６４は従動装置の制御入力ポート６５，６６に連結された制御フリップフロップ４１の出力ポートに交互に流体を供給することで切換えられて、コントローラの出力ポート４３および４４に連結されて流体を減衰チャンバ２２および２３に交互に供給する。上述した実施例は全てがシャフト変位フィードバック手段３７を使用しており、この手段はシャフトの接近または離反によって変化される検出チャンバ内の圧力を検出し、能動的なガス流量コントローラを制御するようになす。第４（ａ）図および第４（ｂ）図は、第１（ａ）図および第１（ｂ）図と同様な断面立面図の一部分を示しているが、第２図に関して説明したコントローラ４１で類型化した一対のガスコントローラと関連された３７’で全体的に示されるシャフト変位フィードバック手段の第２実施例をガス流量制御手段２８が含んでいる。このシャフト変位フィードバック手段３７’は、流れ切換え装置４１と関連された各々の減衰チャンバ２２および２３と、制御入力ポート４５，４６および供給源２７（代替例では供給源２７''' ）の間を好ましくは流量調整オリフィス７２_A，７２_B を経てそれぞれ延在する制御ダクト７１_A，７１_Bとを含んでいる。漏れノズル７３_Aが減衰チャンバ２２に隣接してハウジング１２内に配置されて、シャフトに向かって開口されている。この例では、ノズルはガスシールのリップ１６に配置されてシャフトから最小限に離隔されており、これによりノズルはノズルからのシャフトの離隔によって流量が決るようになされる。ノズルはチャンバ２２の中央に対してシャフトの回転方向と反対方向へ円周方向に変位されており、これによりシャフトはノズルに対して関連するチャンバよりも進んだ位相で接近するようになされる。漏れダクト７４_Aはノズル７３_Aと制御ダクト７２_Aとの間を延在しており、したがって制御ダクト内の、また制御フリップフロップの制御入力ポートに供給されるガスの圧力は、ノズルを通る漏れ量が上述のように様々であることから、ノズルに対するシャフト変位量の関数となる。対応する漏れノズル７３_Bおよび漏れダクト７４_Bは、制御ダクト７２_Bおよび制御入力ポート４６をノズル７３_Aと逆位相で制御し、それ以外は上述したように作動する。上述した全ての実施例は、簡略化および便宜的に示されており、直角に配置された対向して対をなす減衰チャンバを説明したが、このような装置は簡単に制御できる自己出力式装置、および最小限の軸方向範囲既存のガスシールハウジング内に使用するのに好適な適当な形態のシャフト位置フィードバック手段の使用を容易とする。本発明により、またシャフトを実質的に取巻くように構成された減衰チャンバを組入れたガス式減衰装置は、供給源２７から供給されたガスの連続的に漏洩されることによってガスシールとして作用でき、また他のいずれの形態のガスシールとも独立して作用することが認識されよう。ガス式減衰装置が軸方向に限られず、複数の減衰チャンバおよび（または）圧力検出チャンバの全てが第１（ａ）図および第１（ｂ）図の一つの横断面内に定められることのないばあいには、円周方向に隣接する減衰チャンバは軸方向にオフセット配置されることができ、円周方向に重なり合うこともでき、また圧力検出チャンバは減衰チャンバとは独立して形成でき、これにより圧力検出チャンバは減衰チャンバよりも円周方向に短い範囲とされることが可能になり、関連する減衰チャンバに対して円周方向の最適位置に配置でき、これは第４（ｂ）図に示される漏れノズルの配置のように軸方向にオフセットされるかどうかに拘らない。明らかなように、漏れノズルまたは減衰チャンバとは独立している圧力検出チャンバから圧力制御信号を与えるシャフト位置フィードバック手段を備えることが可能なばあい、基数または偶数の減衰チャンバ数のいずれを使用することもでき、適当な構成のコントローラによってその圧力をシャフトの接近よりも先行して高めることができる。上述し且つ第１（ｂ）図に示した装置においても、減衰チャンバは１つの横断面に対して有効に制限され、圧力検出チャンバとしても作用できるのであり、この代替構成も可能とされ、進み角および（または）必要とされる圧力検出／減衰チャンバの個数を超えて広い制御ができる。例えば、フィードバックダクト３８は検出チャンバとして減衰チャンバ２３に連結でき、またダクト３９は検出チャンバとして減衰チャンバ２２に連結でき、関連するチャンバにガスを供給することにコントローラが応答するより前に適当な遅れがもたらされる。このような装置は一対のチャンバで機能する。これに代えて、各チャンバが圧力変化が検出できる十分な円周方向の長さを有し、またコントローラはシャフトがチャンバ中央に整合されるよりも前にその内部に減衰圧力を発生できる十分な量のガスを供給するならば、各々のフィードバックダクト３８および３９はガスを供給すべき同じ減衰チャンバに連結することができる。すなわちチャンバ２２および２３に連結できる。明らかなように、ガスが供給されて各チャンバが制御される同一の減衰チャンバから圧力フィードバックが得られるならば、そのコントローラは他のコントローラとは別に作用するのであり、ガス流量コントローラがガスの流れ状態を切換えることができるならば減衰は１つの減衰チャンバのように少なくても或る程度行える。上述した円周方向に配列される減衰チャンバの構成のいずれもが軸線方向に隔てられた複数の箇所で繰返して備えられることができ、これにより減衰チャンバを配置するのに都合のよい箇所、すなわち特に振動による乱れが生じやすい箇所において累積的な減衰効果を得られることが認識されよう。この分野で周知のように、コントローラ３５_Aおよび３５_B、従動コントローラ５１_Aおよび５１_B、およびフリップフロップ４１および６１、同様に適当とされるならば流量インダクタ４７_A，４７_Bまたは４８および４９、に好適な流体装置は、可動部材のない状態で構成され、それ故に上述の実施例から、そのような可動部材がなく外的な制御装置もない流体流動部材を使用してガスを交互に流すことで、軸方向のシャフト振動を制御する能動的な減衰装置を提供でき、またこのためにガス流量制御装置はそのハウジング内に減衰チャンバおよびダクトを構成されるということが認識されよう。さらに、流れ増強インダクタまたは従動装置が配置されて、供給源２７が与えるよりは低圧力であるが、恐らく大気圧よりも高いのであれば閉じたハウジング内の大気からのガスを使用して流量の格段に大きいガス（供給源は２７’または２７''）を供給できるようになされる。各種のガス流量コントローラに関して説明した作動形態に変更を加えることができる。上述したように、２９_Aおよび２９_Bのような対をなす独立したコントローラは、共に双安定（bistable）の状態で、フリップフロップ４１に対応する流れ切換えモードで作動され、各々の制御された出力ポートからのガス流れは信号により抑制されて交互にコントローラから流される。このような両方の装置は、供給源２７（または代替手段）から送られた制御された圧力の１つの制御入力を得ることで単安定モードで交互に作動され、シャフトのカラー変位フィードバック手段からの圧力フィードバック信号でオーバーライド（override）制御されなにあることが認識されよう。この代りに、このような装置は不安定モードで作動され、正常なシャフト軸線の振動速度に対して予め定められた振動数で自動的に切換えが行われ、位相に関しては同期され、適当なシャフト変位フィードバック手段により適当に進められることができる。流体論理フリップフロップ４１は、例えばその制御入力ポートを互いに連結されて振動装置を形成するようにされ、その振動数は相互連結ラインの長さおよび（または）体積で定められるのであり、このような影響係数はシャフト振動運動を定める何らかの変換器によって制御される（恐らく磁気拘束部材）ようになされる。シャフト変位フィードバック手段は、シャフトが検出チャンバまたはノズルに向うおよび離れる方向に移動するときの圧力変化を検出する代りに、シャフトのハウジングに対する、したがっていずれかの減衰チャンバに関する位置を他の検出手段により決定することができ、恐らく能動的に制御される軸受装置に関係付けて、能動的なコントローラ装置の直接または間接の制御に適した形態の信号を与える。ハウジング内に組入れられることができるならば自己出力式装置の使用が好ましいのであるが、ガス流量の制御は自己出力式流体装置以外の能動的なガス流量コントローラ、例えば外部電源を必要とする通常のバルブによって達成できるのであり、このような状況のもとでは、フィードバック制御信号は前述したように反対の減衰チャンバに対して監視され、および（または）上述した双安定、単安定または同期された不安定な作動に適合されたチャンバ圧力およびガス漏れによる以外の方法で与えられる。ハウジングに容易に一体化できるガス流量コントローラを使用するばあい、本発明は上述した形式の利得係数を有して、制御入力ポートに制御信号を与えるシャフト位置フィードバック手段により調節される能動的コントローラを使用したガス流量制御手段に制限されることはない。このガス流量制御手段は、第５図に示されるガス制御手段の直接作用形態を含み得る。第５図を参照すれば、さらに他の装置８０の概略図が示されている。実質的に第１（ａ）図および第１（ｂ）図に示されるようにシャフト、ハウジング、減衰チャンバ、供給源、および供給ダクトなどは同じ符号が用いられている。全体を符号８１で示されるガス流量制御手段は、各減衰チャンバに対して直接作用するガス流量コントローラを含む。チャンバ２２については、コントローラ８２は減衰チャンバ２２のダクト手段２５とガス供給源２７との間を、流量制御遮断オリフィス８４を経て延在する制御ダクト８３を含み、ガスを直接且つ連続して減衰チャンバへ供給する。漏れノズル８５は減衰チャンバ２２に隣接してハウジング１２に配置され、シャフトに面して前記間隙に開口しており、シャフトから最小限の隔りを有するようにガスシールのリップ１６に好ましく配置されている。漏れダクト８６はノズル８５および制御ダクト８３の間を延在し、これにより制御ダクトの圧力、したがって減衰チャンバに対するガスの供給がノズルからの漏洩によりノズルに対するシャフトの変位の関数として変化される。したがって、シャフトがノズルに接近するとき、また減衰チャンバの中央に接近する前に、減衰チャンバからのガス漏れは抵抗を受けて減衰チャンバ内の圧力が高まり、本明細書で説明した減衰作用を与える。このような装置は、シャフトのまわりに配置される減衰チャンバの個数で制限されることはなく、一つの断面に、または軸方向に変位して配置されたいずれの個数のこのようなチャンバによっても或る程度の減衰が得られる。前述したように、減衰装置は、装置を軸方向に通るガスの連続流れだけでなく（都合はよいが不可欠ではなく、２７で与えられる）、減衰チャンバがそれらの位置によりガスシール内でも作用を果し、ガスが導かれるときに圧力が交互に変化されるようなガスシール構造と組合わされるのに適当な形態とすることができ、シャフトを取巻くチャンバ自体の構造により、またシャフトから小さな間隙しか形成しないチャンバ壁によって与えられる制約によってガス漏れが一定していることで、ガスシールとしても作用できる。半径方向の減衰装置は、シャフトとハウジングとの間に取付けられる軸受のように、シャフトとハウジングとの間の間隙に沿う減衰チャンバから生じるガス漏れが他の部材の冷却機能を果すとはいえ、いずれのガスシール機能とも別個に備えられることができる。回転シャフト面とハウジングとの間の境界をなす限り、減衰装置は円周方向に境界された減衰チャンバを含むので、このようなチャンバは磁気軸受または静圧ガス式軸受のような部材と組合わされることができる。後者のばあい、減衰であるいは他の原因で正圧が発生され、シャフトを支持するチャンバは減衰されるシャフトの検出された乱れに応答した正しい位相関係でガス流量制御手段により調節される。第６図を参照すれば、磁気軸受とガス式軸受との組合わされた軸受１００の部分的に切断した一部分を示しており、この磁気軸受１０１はシャフトを取囲むステータ１０２と、シャフト１０（図示せず）に形成されるか装嵌されるようになされたローター１０３とを含む。これに全体を符号１０４で示されたガス式軸受が一体化されており、ローター１０３に向かって開口した環状チャンバ１０５と、入口ポート１０６とが組付けられている。図示したように、ガスシール１０７，１０８はここで説明したようなガス減衰装置を組付けており、ステータ１０２／ガスチャンバ１０５のそれぞれの軸方向端部に配置されている。減衰構造は複数の減衰チャンバ１０９，１１０などを含み、減衰チャンバは長手軸線のまわりに配置され、ダクト手段２４でガス流量制御手段２８に連結されており、後述する通であるか、またはその変形例である。ガス式軸受は連続した手環状チャンバ１０５を含み、このチャンバ１０５はシャフトのまわりを延在して、バックアップ性能に含まれて磁気軸受の故障時に作動する一様に半径方向に配向されたシャフト支持部を形成しており、減衰は装置１０７，１０８だけで与えられる。この代りに、チャンバ１０５は制限された円周方向の範囲で個々のチャンバに分割され、それらの全ては個々の高圧ガス供給源に連結されて、前述したように半径方向の減衰装置を構成する少なくとも幾つかのチャンバおよび支持ダクトで支持を形成するようになされる。本発明による減衰装置は減衰目的にのみ使用することができ、例えばガスシールまたは軸受のような他の装置との組合わせから分離されて使用でき、その機能を果すために、減衰チャンバおよび他のチャンバを含み且つシャフトが延在されるハウジングを備え、特に一緒にハウジングを使用するようになされる構造であることが理解されよう。他の変形例は発明の範囲から逸脱せずに上述した実施例からなし得ることが認識されよう。位相の進められる角度は、ガス供給圧力および供給量、および減衰チャンバとシャフト位置フィードバック手段との相対位置で決るが、減衰チャンバの少なくとも一つの壁を位置調節可能にするか、または回転ねじまたはスタブによりチャンバ体積を可変にすることで、減衰チャンバの体積を可変にすることによって、調節することができるようになる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】あるいはガスシールとして機能され、または軸受装置の一部をなす。

Claims

【特許請求の範囲】１．ハウジング（１２）に通して延在され、ハウジングからは間隙を隔てられている回転シャフト（１０）のための半径方向の振動を減衰する装置であって、ハウジング内部に画成されてシャフトに向かって開放され、境界壁（２１１，２２₂，２３₁，２３₂）の間でシャフトを取囲んでいる少なくとも一つの減衰チャンバ（２２，２３；１０９，１１０）を含む減衰チャンバ手段（２１）と、少なくとも一つの高圧ガスの供給源（２７）と、前記減衰チャンバの各々に開口されたガスダクト（２４）と、回転シャフトに対して半径方向に作用する正圧を減衰チャンバの内部に発生するように作動可能で、また減衰チャンバの各々に対してハウジングに向うおよび離れる方向のシャフトの往復運動に応答可能なガス流量コントローラ（２９_A〜２９_D；２９’_A，２９’_B；４１；８２）を備え、シャフトの往復運動と同じ振動数で、また予め定められた振動数範囲内の減衰チャンバに対するシャフト位置の変動に関して位相を進めた状態で、ダクト手段を経て減衰チャンバに供給するガス供給量を調節し、したがって減衰チャンバの内部圧力を調節して、これによりシャフトに作用する半径方向の押圧力に相応の変動を発生させて、前記シャフトの半径方向の往復運動を減衰させるようになされたガス流量制御手段（２８；４０；５０；６０；８０）とを含んで構成された半径方向の振動を減衰させる装置。２．請求項１に記載された装置であって、ガス流量制御手段（２８；９０）がシャフト変位フィードバック手段（３７；３７’）と、各減衰チャンバ（２２，２３）に対して、前記少なくとも一つの供給源（２７）に連結された入力ポート（３１_A，３１_B；４２）を有する能動的な流量コントローラ（２９_A；４１）と、チャンバのガスダクト手段に連結された出力ポート（３２_A，３２_B；４３）と、シャフト変位フィードバック手段からの信号を受入れて前記供給源とダクトとの間のガス流量を制御するために連結された少なくとも一つの制御入力ポート（３３_A，３３_B；４５，４６）とを含むことを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。３．請求項２に記載された装置であって能動的なガス流量コントローラ（２９_A；４１）が少なくとも一つ制御入力ポートを有し、各制御入力ポート（３２_A，３３_B；４５，４６）を有する自己出力式装置を含み、シャフト変位フィードバック手段（３７；３７’）が前記関連するチャンバに対するシャフト変位の関数として制御入力ポートにガス圧力を供給するように配置されたことを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。４．請求項３に記載された装置であって、シャフト変位フィードバック手段（３７；３７’）が各チャンバ（２２）および関連するコントローラ（２９_A；４１）に対して前記コントローラの入力ポートと前記チャンバからシャフトの回転方向にて円周方向に変位された圧力検出チャンバ（２２’，２３’）とを含むことを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。５．請求項４に記載された装置であって、少なくとも一つの圧力検出チャンバ（２２’，２３’）が減衰チャンバを含むことを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。６．請求項３に記載された装置であって、シャフト変位フィードバック手段（３７’）が制御入力ポート（４５）と前記少なくとも一つのガス供給源（２７ ''' ）との間に延在する制御ダクト（７１_A）と、前記ハウジング内に配置され、前記シャフトに面して前記間隙内に開口している漏れノズル（７３_A）とを含み、該ノズルはそのノズルからのシャフトの離反によって決る漏れ量を有し、また前記オリフィスおよび制御ダクトの間を延在し、ノズルに対するシャフトの変位の関数として前記コントローラの制御入力ポートに対する供給源の圧力を変化させるように作動可能な漏れダクト（７４_A）をさらに含むことを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。７．請求項６に記載された装置であって、漏れノズル（７３_A）がシャフトの回転方向に進んだ状態で前記チャンバ（２２）から円周方向に変位した位置で前記間隙内に開口するように配置されている半径方向の振動を減衰させる装置。８．請求項２から請求項７までのいずれか一項に記載された装置であって、減衰チャンバ手段が少なくとも一対の直径方向に相対した減衰チャンバ（２２；２２’；２３；２３’）を含み、各ガス流量コントローラが一対の前記チャンバの各々に対する交互のガス流量を制御できる共通のガス流れ切換え装置（４１）を含むことを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。９．請求項８に記載された装置であって、ガス流れ切換え装置（４１）が前記ガスダクト手段を経て何時の前記減衰チャンバに各々連結された一対の出力ポート（４３，４４）を有する少なくとも一つの流体論理フリップフロップを含むことを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。１０．請求項２から請求項９までのいずれか一項に記載された装置であって、各々の濃度的な流量コントローラ（５０；６０）が並列に連結された複数の流量制御装置を含み、マスター装置（３５_A，３５_B；４１）および少なくとも一つの従動装置（５１_A，５１_B；６１）が備えられ、各装置は入力ポート、出力ポートおよび制御ポートを有し、前記マスター装置は入力ポート（３１_A，３１_B）が前記供給源に連結され、流量コントローラの入力ポートを含み、各制御ポート（３３_A，３３_B；４５，４６）は前記シャフト変位フィードバック手段に連結され、出力ポート（３５’_A，３５’_B）は第１従動装置の制御ポート（５２_A，５２_B ）に連結され、各従動装置の出力ポートは次の従動装置の入力ポートに連結され、最後の従動装置の出力ポート（３２_A，３２_B；６３，６４）は流量コントローラの出力を与えることを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。１１．請求項１に記載された装置であって、ガス流量制御手段（８０）が各減衰チャンバに対して直接に作用する流量コントローラ（８２）を含み、該流量コントローラは減衰チャンバと前記ガス供給源（２７）との間を延在する制御ダクト（８３）と、前記ハウジング内に配置され、シャフトに向って前記間隙内に開口しているもれノズル（８５）とを含んでおり、ノズルはそのノズルからのシャフトの離反によって決る漏れ量を有し、漏れダクト（８６）は前記ノズルとコントローラダクトとの間を延在して前記コントローラダクトのガス圧力を変化させるようになされており、したがって減衰チャンバに対するガスの供給がノズルに対するシャフトの変位の関数とされていることを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。１２．請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載された装置であって、各ガス流量コントローラは関連する減衰チャンバと並んで流量インダクタ（４７_A，４７_B；４８，４９）を有し、流量インダクタは前記ダクト手段に連結されたインダクタ出力ポート（４７_A1）と、前記ガス供給源に連結されたインダクタ主入力ポート（４７_A2）と、前記調節されたガスを受入れるために連結されたインダクタ制御入力ポート（４７_A3）とを含み、前記流量インダクタは前記インダクタ入力ポートでガス流量を組合わせてインダクタ出力ポートに対してインダクタ制御入力ポートでの調節によって調節され増強されたガス流量を与えることを特徴とする半径方向の振動を減衰させる装置。１３．回転するように支持された回転シャフト（１０）と、回転シャフトが挿通され、間隙を隔ててシャフトを取囲むようになすハウジング（１２）と、ハウジングおよびシャフトの間に形成され、シャフトを取巻き、シャフトに向かって開放された少なくとも一つの環状シールチャンバ（１７）と、シャフトに沿ってガスを流すように配置されたシールガスの供給源とを含み、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に請求されたときに減衰チャンバ手段（２１）が前記環状シールチャンバから軸線方向に間隔を隔てられた少なくとも一つの減衰チャンバ（２２，２３）を有する半径方向の振動を減衰させる装置を特徴とする組合わせ。１４．回転するように支持され、間隙を隔ててハウジング（１２）から延在する回転シャフト（１０）のためのガスシール（１４）であって、前記ガスシールはハウジングに形成されて実質的にシャフトを取巻くチャンバ手段を特徴としており、前記チャンバ手段は複数の円周方向に制限されてシャフトのまわりを延在し、シャフトに向かって開放されたシールチャンバと、少なくとも一つのシールガス供給源と、前記間隙を経て漏れが生じるにも拘らずに前記ガスをチャンバに供給して内部を正圧に保持してシールを形成するためのダクト手段と、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に請求された半径方向の振動を減衰させる装置とを含み、少なくとも一つ減衰チャンバが前記シールチャンバで形成され、ガス流量制御手段がチャンバにシールガスを供給する前記供給源を含むガスシール。１５．ハウジングを通り、ハウジングから間隙を隔てて延在する回転シャフトのための軸受であり、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に請求された半径方向の振動を減衰させる装置（２０；８０）を特徴とする軸受。