JP2009068713A - 軸方向スラスト除荷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】双方向の軸方向スラスト力を吸収する、受動式でありさらにそれに応じて自動調整式である軸方向スラスト除荷装置を提供する。
【解決手段】本発明は、機械のシャフトの軸方向スラストの釣り合いのための軸方向スラスト除荷装置に関する。この装置は、気密性媒体のための供給チャネルを備えるスラストバランスリングと、第1および第2の圧力チャンバを形成するようにリングの両側でリングと軸方向において隣接配置される第1および第2のサイドディスクと、環状空間に入り込んでいるディスク状絞り要素とを含む。リングおよび前記絞り要素がこれらの構成要素の一方が軸方向において固定されかつ他方の構成要素が対応する機械のシャフトの軸方向の動きに従動するように配置され、リングと絞り要素との間の相対的な軸方向の動きにより、第1および第2の絞り位置が往復動可能に開閉し、その結果、第1および第2の圧力チャンバの間に圧力差が生じる。
【選択図】図1

Description

本発明は軸方向スラスト除荷装置に関し、より詳細には、流体力学的構成要素を備える制御可能な動力伝達装置における上記装置の適用に関する。

ポンプおよびターボ機械用の機械のシャフトのアキシャル軸受を除荷するための種々の構成の軸方向スラスト除荷装置は公知技術である。この場合、除荷要素は、ディスク状またはピストン状になるように設計されてよく、さらに、割り当てられた圧力チャンバを有することができ、このチャンバでは、制御ユニットにより、軸方向スラストに逆らって作用する圧力が発生する。この方式に関しては、アクティブ制御の軸方向スラスト除荷装置が、例えば特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載されている。

閉じた制御回路を用いた釣合いピストンによって圧力を加えることの欠点は、軸方向スラストを測定するためのセンサシステム、制御ユニット、および、反対圧力を発生させる動作要素を導入するためには設計上の工夫が必要になることである。したがって、調整または制御装置を省略できるようにするためには、受動式の軸方向スラスト除荷装置が好適である。

一方向においてスラストを除荷するための受動式システムが、例えば特許文献４および 特許文献５に記載されている。スラストを生み出すためのこれらの釣合いピストンは、圧力チャンバの形になるように設計され、入力側および出力側において絞り要素を有し、拘束される機械のシャフトが軸方向に動くことによって往復動可能に開閉する。例えば、機械のシャフトが動き、入力側の絞りが開いてさらにそれに対応して出力側の絞りが閉じ、さらにそれにより、入力側の絞り要素における圧力降下が減少してさらに出力側の絞り要素における圧力降下が増大する場合、それに対応して、圧力チャンバの内部圧力が増大し、その結果、圧力チャンバの側壁上の増大した圧力が軸方向スラストに逆らって作用し、機械のシャフトを中立位置に戻すように誘導する。しかし、上述の軸方向スラスト除荷装置は一方向のみにしか作動しないため、これらは、設計において決定されるように一方向において軸方向スラストが存在するような、蒸気タービンなどのターボ機械に対して特に有効である。

双方向受動式の軸方向スラスト除荷装置が特許文献６に開示されており、これは、一体型のラジアル軸受およびアキシャル軸受を備えた軸方向スラスト除荷装置の代表例である。ここでは、ラジアル軸受および／またはアキシャル軸受は、同時に、圧力チャンバの絞り要素としても機能し、これにより、軸受システムおよびスラストの除荷が単純化される。しかし、このような設計の欠点は、特に機械を高速に動作させる場合、発生する軸受の力が原因で、絞り弁の位置を自由に調整できない場合があり、消滅することが好ましい軸方向スラストの目標値を達成できない軸受支えとスラスト除荷との組合せができてしまうことである。さらに、軸受／絞り要素の二重機能が原因で、圧力チャンバを通る気密性媒体の体積流量が高くなるのを防止することが不可能になり、その結果、気密性媒体が大量に漏れることになる。したがって、気密性媒体の使用圧を維持するために、それに応じた寸法の圧力発生装置が用意されなければならない。
米国特許第4884942号明細書 特許第09170401号明細書 独国特許第10005309号明細書 独国実用新案第1709611(U)号明細書 独国特許出願公開1453787(A) 欧州特許第0461131(B1)号明細書

本発明の目的は、双方向の軸方向スラスト力を吸収する、受動式でありさらにそれに応じて自動調整式である軸方向スラスト除荷装置を提供することである。これは、設計および製造が単純であるべきであり、また、高いレベルの動作信頼性を示していなければならない。さらに、別の実施形態によると、流体力学的トルクコンバータまたは流体力学的クラッチなどの流体力学的要素を備える制御可能な動力伝達装置での使用に適している軸方向スラスト除荷装置が必要となる。

本発明の目的は、独立請求項1の特徴を実現することである。

本発明による軸方向スラスト除荷装置は、軸方向において両側が圧力チャンバに隣接するスラストバランスリング(thrust balance ring)を有する。したがって、本質的には、スラストバランスリングの各側壁が、以下では第1の圧力チャンバおよび第2の圧力チャンバと称される圧力チャンバの側壁を形成する。軸方向において、別の側壁が、第1の圧力チャンバに対する第1のサイドディスクおよび第2の圧力チャンバに対する第2のサイドディスクによって形成される。第1の形の実施形態によると、これらのサイドディスクは機械のシャフトに連結されており、その結果、機械のシャフトがこれらのサイドディスクの軸方向の動きに従動するようになる。いずれの場合においても、第1のサイドディスクおよび第2のサイドディスクは、好ましくは、機械のシャフトと共に回転する要素として設計される。この場合、スラストバランスリングは機械のシャフトによる軸方向の動きに従動しないように嵌合され、そうすることにより、スラストバランスリングは好ましくは静止した状態を保つ。別の形の実施形態によると、スラストバランスリングは機械のシャフトと共に回転するように設計され、第1のサイドディスクおよび第2のサイドディスクが静止した状態を保つ要素となる。

いずれも場合においても、ラビリンスシールが、第1の圧力チャンバおよび第2の圧力チャンバの出口流れ側クロージャを形成する。これらは、好ましくは、第1のサイドディスクおよび第2のサイドディスクのそれぞれのフェース上に配置され、その結果、対応する機械のシャフトの軸方向に平行に延在することになる。これらの密閉機能により、出口流れ側ラビリンスシールは、基本的に、機械のいかなる軸方向の動きにも影響を受けない。

圧力チャンバの入口流れ側には、第1の圧力チャンバに対する第1の絞り位置および第2の圧力チャンバに対する第2絞り位置が設けられる。第1の絞り位置および第2の絞り位置は、サイドディスクに対してのスラストバランスリングの軸方向の動きに応じて往復動可能に開閉する。好適な形の実施形態によると、気密性媒体用の少なくとも1つの供給チャネルがスラストバランスリング内に設けられ、これは、スラストバランスリングのフェースによって形成される環状空間に向かって開いている。ディスク状絞り要素がラジアル方向を向いてこの環状空間内に入り込んでおり、サイドディスクと一体になって動く。したがって、環状空間と側壁とそれと向かい合うディスク状絞り要素の側壁との距離は、対応する機械のシャフトが軸方向に動くことによって減少し、同時に、ディスク状絞り要素の他方の軸方向フェースでは、向かい合う環状空間の側壁との距離は増大する。この領域では、絞り位置を往復動可能に開閉させるような軸方向の相対的な動きが生み出される。ここでは、第1の絞り位置および第2の絞り位置は、軸方向スラスト除荷装置が小さく、典型的には500μmより小さく軸方向に揺動運動するように形成される。最後に、いずれの場合においても、シーリングエッジが、第1の絞り位置および第2の絞り位置に設けられ、このエッジの輪郭は好ましくはV形である。ここでは、いずれの場合においても、環状空間の側壁にシーリングエッジを嵌合させることが可能であり、その結果、これらのシーリングエッジがディスク状絞り要素の側壁に逆らうように動作するようになる。別の方法として、シーリングエッジは絞り要素に設けられ、環状空間の側壁がそれに応じた対向フェースを形成する。

第1の絞り位置は、第1の圧力チャンバとの連結により開閉する。第2の絞り位置も同様であり、これは、環状空間と第2の圧力チャンバとの間で連結を形成する。絞り位置がシーリングエッジを有する場合、これらのシーリングエッジで起こる圧力降下は軸方向の相対的な動きが小さくても変化し、その結果、対応する機械のシャフトの軸方向の動きがたとえ小さくても、第1の圧力チャンバと第2の圧力チャンバとの間に十分な圧力差が生じる。ここでは、機械のシャフトは回転する必要はない。代わりに、ディスク状絞り要素が軸方向における中立位置から離れるように動くことにより、軸方向スラストの釣り合いに必要な差圧が圧力チャンバ内に生じる。

本発明による軸方向スラスト除荷装置の好適な用途は、流体力学的要素に連結された機械のシャフトを有する機械である。特に流体力学的トルクコンバータまたは流体力学的クラッチが、流体力学的要素として考察される。流体力学的要素の作動中は、流体力学的要素内へ流れ込む作動媒体が圧力下で循環してさらに作業領域から離脱することにより、作動媒体が再循環する前に、流れが通常は冷却装置を通過することになる。圧力下の作動媒体は、気密性媒体として、軸方向スラスト除荷装置に直接に供給されうる。したがって、本発明による軸方向スラスト除荷装置はこのような用途において特に有利である。というのは、入口側に設けられた往復動可能に動作する絞り位置、および、ラビリンスシールの形態で圧力チャンバの出口流れ側に設けられた固定の絞りがあるために、圧力チャンバを通る気密性媒体の体積流量が小さいからである。さらに、圧力チャンバが両側に配置されることから、スラストの釣り合いを実現し、さらにそれにより、気密性媒体の圧力が変動しても本発明による軸方向スラスト除荷装置の機能が損なわれることがないようにするうえで、第1の圧力チャンバと第2の圧力チャンバとの差圧がかなり重要となる。したがって、流体力学的要素の作動媒体が有利に使用できるようになり、この流体力学的要素は、その作動状況に応じた圧力変動を受けることができるようになる。さらに、本発明による軸方向スラスト除荷装置は、軸方向のスラスト力が抑制されるようなギアボックスなどの他の機械に対しても使用できる。

以下では、図を用いて本発明をより詳細に説明する。

図1では、本発明による軸方向スラスト除荷装置1が、機械のシャフト19の長手軸19に沿った軸部分として示されており、この図における図示では、2つの対称な左右部分のうちの1つのみを示している。

本発明による軸方向スラスト除荷装置1は、独立した構成要素として機械のシャフト2に沿って配置されるが、トラクション方向から見た場合、軸方向スラスト除荷装置1は、軸方向スラストを発生させる機械部品の前または後ろに設けられることができる。

使用するのは受動式の自己調整システムであり、このシステムには、軸方向において互いに対して相対的に配置されてよい2つの構成要素群が設けられており、この2つの構成要素群が軸方向に相対的に軸方向に相対的に動くことにより、軸方向スラストの釣り合い力が発生する。

この形の実施形態では、固定部分4に固定されたスラストバランスリング3が使用され、このリングの両側には第1の圧力チャンバ7および第2の圧力チャンバ8が隣接している。したがって、いずれの場合においても、スラストバランスリング3の外側フェースが、第1の圧力チャンバ7および第2の圧力チャンバ8に対しての2つの側壁のうちの1つに相当することになる。もう一方の側壁は、第1の圧力チャンバ7に対しての第1のサイドディスク5および第2圧力チャンバ8に対しての第2のサイドディスク6の軸方向サイドフェースによって形成される。第1のサイドディスク5および第2のサイドディスク6は、機械のシャフト2に取り付けられるか、あるいは、機械のシャフト2と一体に設計され、機械のシャフト2の動きに従動する。矢印で示した軸方向スラスト16により、第1のサイドディスク5および第2のサイドディスク6が、スラストバランスリング3に対して軸方向に同時に動く。第1のサイドディスク5のフェース上に設けられた第1のラビリンスシール17の密閉機能は、基本的には、相対的な軸方向の動きの影響を受けない。第2のサイドディスク6に設けられる、すなわち第2の圧力チャンバ8に設けられる第2のラビリンスシール18も同様である。第1および第2のラビリンスシール17、18によって得られる絞り効果は基本的には一定を保つことから、2つの圧力チャンバ7、8のそれぞれへの入口流れ開口部が往復動可能に開閉することにより、第1の圧力チャンバ7と第2の圧力チャンバ8との間の圧力差を生じさせることができる。これは、第1の圧力チャンバ7に対する第1の絞り位置12および第2の圧力チャンバ8に対する第2の絞り位置13のこの形の実施形態によって達成される。

図1に示した有利な形の実施形態によると、ディスク状絞り要素11が、スラストバランスリング3のフェース内に形成される環状空間10に入り込む。ディスク状絞り要素11は機械のシャフト2と共に回転するが、そのため、機械のシャフト2と固定スラストバランスリング3との間の軸方向の相対的移動が起こると、ディスク状絞り要素11はそれに応じて環状空間10内を軸方向に動く。したがって、ディスク状絞り要素11の側壁と環状空間10の軸方向フェースとの間の距離が変化する。

環状空間10には、スラストバランスリング3内に形成される供給チャネル9を用いて気密性媒体が供給される。側壁の両側に、ディスク状絞り要素11のサイドフェースからの距離が小さい第1のシーリングエッジ14および第2のシーリングエッジ15が配置されている場合、第1の絞り位置12および第2の絞り位置13が形成され、これらは、ディスク状絞り要素11とスラストバランスリング3との間の相対的な軸方向の動きにより往復動可能に開閉する。これらの相対的な動きにより、第1の絞り位置12および第2の絞り位置13のところに変動可能な圧力降下を作り出すことができる。環状空間10内でのディスク状絞り要素11の中心から離れた位置に対応して、第1の圧力チャンバ7と第2の圧力チャンバ8との間に圧力差が生じる。圧力チャンバに面している第1のサイドディスク5および第2のサイドディスク6の軸方向フェースが基本的に類似の領域であることから、この圧力差により、軸方向スラスト16に逆らって作用する軸方向の力が生まれる。

第1の絞り位置12および第2の絞り位置13は異なる構成であってよい。この場合、シーリングエッジ14および15が環状空間10の側壁に割り当てられる。別の方法として、シーリングエッジはディスク状絞り要素11上に設けられてもよく、あるいは、環状空間10およびディスク状絞り要素11の互いに向かい合っている軸方向サイドフェースが、相対的な軸方向の動きにより変動可能な絞り効果を発生させるような相補的な形で構成されてもよい。

有利な形の実施形態によると、図1の例に対応しているシーリングエッジ14および15は、環状空間10の内壁に連結される別個の構成部品として設計される。最も簡単な形では、この連結は、例えばねじ式取付けといった取付け要素によってなされる。別の方法として、締まりばめ組立体を用いて、摩擦により固定される連結を形成することもできる。

図1に示した、シーリングエッジ14、15とこれらと向かい合うディスク状絞り要素11のサイドフェースとの距離は、よりよく理解できるように誇張されている。本発明による軸方向スラスト除荷装置1では、好ましくは、小さく揺動運動するように軸方向に移動することのみが許容され、その結果、固定スラストバランスリング3に対する機械のシャフト2の軸方向における動きが、1mmより小さく、好ましくは500μmより小さく限定される。それに応じて、シーリングエッジ14、15とディスク状絞り要素11の側壁との距離は小さな隙間として設計される。第1のラビリンスシール17および第2のラビリンスシール18は、一定の絞り効果を得るためにこれらの隙間に合うように適合される。ここで、回転する機械のシャフト2と共に第1のサイドディスク5および第2のサイドディスク6が回転運動することにより、第1の圧力チャンバ7および第2の圧力チャンバ8の内部の気密性媒体も同様に回転させられるため、ラビリンスシール17および18さらには第1の絞り位置12および第2の絞り位置13の設計においてこの回転により起こる圧力上昇も考慮に入れられることに留意されたい。

上で示した本発明の好適な形の実施形態は、固定スラストバランスリング3を想定している。これにより、第1の絞り位置12および第2の絞り位置13が第1のラビリンスシール17および第2のラビリンスシール18内で放射状に配置されるような構成が生まれる。したがって、圧力の調整を行う入口流れ側が出口流れ側と比べてより小さい半径位置に配置され、それにより、第1の絞り位置12および／または第2の絞り位置13内での円周方向における相対速度が、出口流れ側のラビリンスシール17、18と比較して小さくなる。このことは、スラストバランスリング3が機械のシャフト2と共に回転しさらに第1のサイドディスク5および第2のサイドディスク6さらにはディスク状絞り要素11が固定されているような別の形の実施形態と比較して有利である。

本発明の別の形の実施形態では、他の機械部品の作動媒体が圧力下で気密性媒体として使用されるような形が特に好適である。したがって、本発明による軸方向スラスト除荷装置1の好適な用途には、流体力学的トルクコンバータまたは流体力学的クラッチなどの流体力学的要素が含まれる。この場合、図1に詳細には示していないが、流体力学的要素の作動媒体路が供給チャネル9に直接に連結されてよい。その場合、気密性媒体が与える圧力は、流体力学的要素を作動させることにより直接的に発生させられ、差圧の原理により、圧力が変動してもスラスト除荷の機能が損なわれることは一切ない。また、本発明による軸方向スラスト除荷装置1は、回転しない機械のシャフト2を作動させる場合にも使用できる。

本発明による軸方向スラスト除荷装置1のこのような好適な用途の一つの例は、以上のことから、流体力学的トルクコンバータまたは流体力学的クラッチを含む制御可能な動力伝達装置である。例えば、これは、比を変えることができる遊星状の歯車ユニットを備えるような、回転数またはトルクを変換するための装置であってよい。一定の速度で回転する動力伝達機械の場合、出力の大部分は遊星歯車装置を介して機械的に伝達され、一方、わずかな部分が、流体力学的トルクコンバータによる運転および回転速度の調整のために分岐され、さらに、固定式遊星歯車装置を介して回転する遊星歯車装置に戻るように供給される。エネルギー産業、オイル・ガス産業、化学産業、または鋳造技術で使用されるこのような制御可能な装置の場合、流体力学的要素は、サイズおよび方向の両方において変化することができる軸方向スラストを発生させる。流体力学的要素に連結された機械のシャフト上に独立した構成部品として配置される軸方向スラスト除荷装置1により、軸方向スラストはゼロまで縮小でき、その結果、軸方向軸受が除荷される。また、機械のシャフト2の軸方向における位置は基本的には中立の位置で固定され、作動媒体は、軸方向スラスト除荷装置1の気密性媒体として流体力学的要素から直接供給される。

本発明による軸方向スラスト除荷装置の好適な形の実施形態の軸部分を示す図である。

符号の説明

1 軸方向スラスト除荷装置
2 機械のシャフト
3 スラストバランスリング
4 固定部分
5 第1のサイドディスク
6 第2のサイドディスク
7 第1の圧力チャンバ
8 第2の圧力チャンバ
9 供給チャネル
10 環状空間
11 ディスク状絞り要素
12 第1の絞り位置
13 第2の絞り位置
14 第1のシーリングエッジ
15 第2のシーリングエッジ
16 軸方向スラスト
17 第1のラビリンスシール
18 第2のラビリンスシール
19 機械のシャフトの長手軸

Claims (7)

1. 機械のシャフト(2)の軸方向スラストの釣り合いのための軸方向スラスト除荷装置であって、
   1.1 スラストバランスリング(3)であって、前記スラストバランスリング(3)のフェース上の環状空間(10)に向かって開いている、その中に構成された、気密性媒体のための供給チャネル(9)を備えるスラストバランスリング(3)と、
   1.2 第1の圧力チャンバ(7)および第2の圧力チャンバ(8)が形成されるように、いずれの場合においても、前記スラストバランスリング(3)の両側で前記スラストバランスリング(3)と軸方向において隣接するように配置される第1のサイドディスク(5)および第2のサイドディスク(6)であって、出口流れ側の前記第1の圧力チャンバ(7)および前記第2の圧力チャンバ(8)が、いずれの場合においても、ラビリンスシール(17、18)によって閉鎖され、さらに、いずれの場合においても、前記第1の圧力チャンバ(7)に対する第1の絞り位置(12)および前記第2の圧力チャンバ(8)に対する第2の絞り位置(13)を介した気密性媒体の流入のための前記環状空間(10)と入口流れ側において連通している、第1のサイドディスク(5)および第2のサイドディスク(6)と、
   1.3 前記環状空間(10)に入り込んでいるディスク状絞り要素(11)と、
   を含み、
   1.4 前記スラストバランスリング(3)および前記絞り要素(11)が、これらの2つの構成要素のうちの一方が軸方向において固定されておりさらに他方の構成要素が対応する前記機械のシャフト(2)の軸方向の動きに従動するように配置され、前記スラストバランスリング(3)と前記絞り要素(11)との間の相対的な軸方向の動きにより、前記第1の絞り位置(12)および前記第2の絞り位置(13)が往復動可能に開閉し、その結果、前記第1の圧力チャンバ(7)と前記第2の圧力チャンバ(8)との間に圧力差が生じることを特徴とする軸方向スラスト除荷装置。
2. 前記第1のサイドディスク(5)および前記第2のサイドディスク(6)ならびに前記ディスク状絞り要素(11)が前記機械のシャフト(2)と共に回転し、前記スラストバランスリング(3)が固定されるように構成されることを特徴とする、請求項1に記載の軸方向スラスト除荷装置。
3. 前記第1のサイドディスク(5)および前記第2のサイドディスク(6)ならびに前記ディスク状絞り要素(11)が固定されるように構成され、前記スラストバランスリング(3)が前記機械のシャフト(2)と共に回転することを特徴とする、請求項1に記載の軸方向スラスト除荷装置。
4. 前記第1の絞り位置(12)および前記第2の絞り位置(13)が、前記環状空間(10)または前記絞り要素(11)の側壁に連結されている環状シーリングエッジ(14、15)を有することを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の軸方向スラスト除荷装置。
5. 前記シーリングエッジ(14、15)が、形状による嵌合、力による嵌合、および／または材料による嵌合で、前記環状空間(10)または前記絞り要素(11)の側壁に連結されることを特徴とする、請求項4に記載の軸方向スラスト除荷装置。
6. 流体力学的クラッチおよび／または流体力学的トルクコンバータを含み、さらに、機械のシャフト(2)および前記機械のシャフト(2)のための、請求項1から5のいずれか一項に記載の軸方向スラスト除荷装置(1)に連結される制御可能な動力伝達装置であって、前記流体力学的トルクコンバータまたは前記流体力学的クラッチの作動媒体が前記軸方向スラスト除荷装置(1)の気密性媒体として機能することを特徴とする制御可能な動力伝達装置。
7. 前記気密性媒体により与えられる圧力が、前記流体力学的トルクコンバータまたは前記流体力学的クラッチによって伝達されることを特徴とする、請求項6に記載の制御可能な動力伝達装置。

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