JP4107829B2 - ターボマシーン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ケースと、ロータ軸と、このロータ軸の一方の軸端部に可動に配設された、求心的に貫流させられるエクスパンジョンタービンステージのロータディスクと、このロータ軸の他方の軸端部に可動に配設された、半径方向に貫流させられる圧縮機ステージのロータディスクとを有するターボマシーンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボエキスパンダと呼ばれる上記構造のターボマシーンは、工業的な使用においては高い圧力レベルで運転され、その際、しばしば、ロータ軸の軸方向に整向されたタービン出口圧力は、同様に軸方向に整向された圧縮機入口圧力と著しく異なる。圧縮機ステージとエキスパンジョンタービンステージとの間のこの差圧によって、大きな軸推力が、高い回転数で運転されるロータ軸に加えられる。確かにこの軸推移力は、十分に寸法設定されたスラスト軸受によって完全に吸収されるが、高い運転軸推力及び衝撃を吸収するために設定されているスラスト軸受は、著しい出力損失を発生させる。不利な運転の場合のために設定されるスラスト軸受の出力損失は、タービンエキスパンジョン出力の５〜１０％となる。相応に、圧縮機ステージにおいて使用できる駆動出力は減少し、これは、設備、例えば、内部でターボマシーンが使用される冷凍設備の全体出力を減少させる。
【０００３】
また非常に高い回転数の際にも僅かな損失しか生じさせない高精度アンギュラ玉軸受を使用することは、有利であると思われる。これらのアンギュラ玉軸受は、特別な構成においては、２．５×１０^６ｍｍ／ｍｉｎまでの回転数−直径−積で運転することができる。この値は、例えば冷凍ターボエキスパンダを、エキスパンジョンタービンステージのエキスパンジョン圧力比ｐ_Ｅｉｎ／ｐ_Ａｕｓ＝１０で運転するためには十分である。高精度転がり軸受は、一般に、転がり軸受が連続運転において、僅かな力、特に僅かな軸力にさらされている場合にのみ、許容可能な寿命を達成する。許容可能な値は、通常の場合、ターボエキスパンダを運転する際に生じる軸推力及び衝撃を吸収するためには十分でない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基本にある課題は、ターボエキスパンダに対し、自動的に調整可能であり、自動的に種々のターボエキスパンダの運転条件に適合する軸推力補償を行なうことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の対象及びこの課題の解決策は、ケースと、ロータ軸と、このロータ軸の一方の軸端部に可動に配設された、求心的に貫流させられるエクスパンジョンタービンステージのロータディスクと、このロータ軸の他方の軸端部に可動に配設された、半径方向に貫流させられる圧縮機ステージのロータディスクと、転がり軸受内に支承されたロータ軸の軸推力を直接検出するための測定装置と、制御導管内の、調整器によって制御される少なくとも２つの圧力調整弁とを有するターボマシーンであって、制御導管を介して、ケースに対してシールされた、ロータディスクの一方の背面のロータピストン面に、ステージの入口及び出口を支配する圧力が作用可能であること、調整器が、所定の許容差領域外にある軸推力を、ロータピストン面に対する圧力増大又は圧力減少によって排除するために、測定された軸推力に応じて、高い圧力の作用を受ける制御導管内の圧力調整弁か、低い圧力の下にある制御導管内の圧力調整弁かのいずれかを操作すること、それぞれ１つの迅速に開放する切換え弁を有する付加制御導管が設けられており、これら付加制御導管を介して、ケースに対してシールされた、他方のロータディスクの背面の別のロータピストン面に、このステージの入口を支配する圧力と、このステージの出口の圧力とが作用可能であることを特徴とするターボマシーンである。
【０００６】
例えばロータピストン面は、圧縮機ロータディスクの背面に設けることができる。制御導管を介して、ロータピストン面に、圧縮機ステージへの入口を支配する圧力と、圧縮機ステージの出口の圧力とが作用可能であり、この場合、調整器は、測定された軸推力に応じて、圧縮機入口圧力の作用を受ける制御導管内の圧力調整弁か、圧縮機出口圧力の下にある制御導管内の圧力調整弁かのいずれかを操作する。しかしながら本発明の枠内には、ロータピストン面が、エキスパンジョンタービンステージのロータディスクの背面に設けられている請求項３による構成もある。
【０００７】
ロータ軸の転がり軸受部のために、許容可能な軸推力が確定される。ターボマシーンの運転の際には、調整器が、測定装置によって得られた軸推力測定値を、所定の基準値領域と比較する。測定された軸推力が、基準値領域外にある場合は、両方の圧力調整弁の一方が、軸推力の補正を目的として制御される。圧力調整弁によって、ロータピストン面に対する圧力は、敏感に調整することができる。いずれかの方向に軸推力が修正されなければならないかに応じて、ロータピストン面に対する圧力は、増大させられるか、減少させられる。
【０００８】
制御導管並びに付加制御導管内の圧力調整弁の制御は、圧縮機ロータディスク及びタービンロータディスクのロータピストン面に対する圧力変化が、軸推力補償のための補償力を増強するように補足されるように行なわれる。その点では、圧力調整弁は、例えば、圧縮機ステージのロータピストン面に対する圧力の増大が、タービンロータディスクのロータピストン面に対する圧力減少と組み合わせられるように接続されている。相応に、圧縮機ロータディスクのロータピストン面に対する圧力減少は、タービンロータディスクのロータピストン面の圧力増大と組み合わされる。本発明による構成の場合は、非常に大きな補償力を調達すること及び正確に調整することができ、従って、ロータ軸の軸推力は、高精度転がり軸受に対して許容可能な狭い基準値領域内に留まる。
【０００９】
付加制御導管の迅速に開放する切替え弁は、例えば磁気弁である。迅速に開放する切替え弁の使用は、衝撃的な軸推力変化を迅速に修正するために提供される。この場合、付加的なロータピストン面は、迅速に、それぞれ低い圧力又は高い圧力を十分な大きさで作用される。
【００１０】
測定装置は、本発明の優れた構成によれば、リング状の荷重変換器を備え、この荷重変換器は、ロータ軸の軸推力の負荷を受けるケース側の転がり軸受の外輪と、対応するケースの当接面との間に配設されている。荷重変換器は、ワイヤストレインゲージを備えることができ、従って時間に依存せずに、ターボマシーンに対して圧力作用をしない、ほぼ静止状態の軸方向の軸受予荷重のような不変の軸推力はなくてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を、一実施例を図示した図面により説明する。
【００１２】
各図に図示したターボマシーンは、その基本的な構造において、ケース１と、転がり軸受に支承されたロータ軸２を有するロータと、このロータ軸２の一方の軸端部に可動に配設された、求心的に貫流させられるエキスパンジョンタービンステージ４のロータディスク３と、このロータ軸２の他方の軸端部に可動に配設された、半径方向に貫流させられる圧縮機ステージ６のロータディスク５とから成る。ターボマシーンは、転がり軸受８内に支承されたロータ軸２の軸推力を直接検出するための測定装置７を装備されており、調整器９によって制御される少なくとも２つの圧力調整弁１０，１１を備える。一方の圧力調整弁１０は、圧縮機ステージ６の入口に接続されている制御導管１２内に配設されている。他方の圧力調整弁１１は、圧縮機ステージ６の出口側と結合されている制御導管１３内に配設されている。
【００１３】
制御導管１２，１３を介して、ケース１に対してシールされた、圧縮機ロータディスク５の背面のロータピストン面１４に、圧縮機ステージへの入口を支配する低い圧力ｐ_１と、圧縮機ステージ６の出口の高い圧力ｐ_２とが作用可能である。調整器９は、所定の許容差領域外にある軸推力を、ロータピストン面１４に対する圧力増大又は圧力減少によって排除するために、測定された軸推力に応じて、圧縮機入口圧力ｐ_１ の作用を受ける制御導管１２内の圧力調整弁１０か、圧縮機出口圧力ｐ_２の下にある制御導管１３内の圧力調整弁１１かのいずれかを操作する。各図からは、圧縮機ロータディスク５の背面において制御導管１２，１３が、圧縮機ステージ６へと接続されていること、また、ロータピストン面１４が、この実施例においては、ケース１に対してシールされた圧縮機ロータディスク５の背面によって形成されることが読み取れる。
【００１４】
測定装置７は、リング状の荷重変換器を備え、この荷重変換器は、ロータ軸２の軸推力によって負荷を受けるケース側の転がり軸受８の外輪と、ケース１の当接面との間に配設されており、ワイヤストレインゲージによって作動する。測定装置７によって検出された力測定値Ｆが、所定の基準値領域ΔＦ外にある場合は、両方の圧力調整弁１０，１１の一方が制御される。例えば、測定値ＦがΔＦ_ｓｏｌｌ 以下にある場合は、圧縮機入口圧力ｐ_１ の作用を受ける圧力調整弁１０が制御され、ロータピストン面１４に対する圧力は、測定値が再び所定の基準値領域内に位置するまで十分に減少させられる。測定値ＦがΔＦ_ｓｏｌｌ 以上に上昇する場合は、先ず圧力調整弁１０が、再び閉鎖されるまで逆制御される。測定値Ｆが常に尚ΔＦ_ｓｏｌｌ 以上にある場合に初めて、出口圧力ｐ_２ の作用を受ける制御導管内に配設された別の圧力調整弁１１が操作され、ロータピストン面１４に対する圧力は、測定値が再び所定の基準値領域内に位置するまで十分に増大させられる。
【００１５】
図２に図示した構成の場合は、付加制御導管１５，１６が設けられており、これらの付加制御導管は、タービンロータディスク３の背面においてエキスパンジョンタービンステージ４へと接続されており、調整器９によって制御されるそれぞれ１つの圧力調整弁１７，１８を備える。これらの付加制御導管を介して、ケース１に対してシールされた、エキスパンジョンタービンステージのロータディスク３の背面の別のロータピストン面１９に、エキスパンジョンタービンステージ４の入口を支配するタービン供給圧力ｐ_３と、エキスパンジョンタービンステージ４の出口のタービン出口圧力ｐ_４とが作用可能である。付加的なロータピストン面１９は、ケース１に対してシールされたタービンロータディスク３の背面によって形成される。図２に図示した構成は、非常に大きな補償力が軸推力の相殺のために必要である場合に考慮される。この場合、制御導管１２，１３内の圧力調整弁１０，１１と、付加制御導管１５，１６内の圧力調整弁１７，１８とは、ロータ制御面１４，１９に対する圧力差が、同方向に整向された作用を発揮するように、対で接続されている。従って、例えば圧縮機ロータディスク５のロータピストン面１４に対する圧力増大は、タービンロータディスク３のロータ制御面１９に対する圧力減少と組み合わされる。従って圧力調整弁１１及び１８が制御される。
【００１６】
図３に図示した構成の場合は、同様に付加制御導管１５，１６が、それぞれ１つの弁２０，２１を備えている。弁２０，２１は、迅速に開放する切替え弁、例えば磁気弁である。衝撃的な軸推力変化が生じた際は、軸推力の方向に応じて、一方又は他方の切替え弁が操作され、タービンロータディスク３の背面に付設されたロータピストン面１９は、低い圧力又は高い圧力ｐ _４ 、ｐ _３ を十分な大きさで作用される。また図２及び３で説明した措置を、互いに組み合わせることもできることが理解される。
【００１７】
ロータ軸２は、高精度アンギュラ玉軸受内に支承されている。この軸受は、２．５×１０^６ｍｍ／ｍｉｎまでの回転数−直径−積で運転することができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明により、ターボエキスパンダに対し、自動的に調整可能であり、自動的に種々のターボエキスパンダの運転条件に適合する軸推力補償を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧縮機ステージ側に軸推力補償のための装置を有するターボマシーンを経る縦断面図を概略的に示す。
【図２】 圧縮機ステージ側とエキスパンジョンタービンステージ側に軸推力補償のための装置を有するターボマシーンを経る縦断面図を概略的に示す。
【図３】 本発明による圧縮機ステージ側とエキスパンジョンタービンステージ側に軸推力補償のための装置を有するターボマシーンを経る縦断面図を概略的に示す。
【符号の説明】
１ ケース
２ ロータ軸
３ ロータディスク
４ エキスパンジョンタービンステージ
５ ロータディスク
６ 圧縮機ステージ
７ 測定装置
８ 転がり軸受
９ 調整器
１０，１１ 圧力調整弁
１２，１３ 制御導管
１４ ロータピストン面
ｐ_１ 圧縮機入口圧力
ｐ_２ 圧縮機出口圧力
Ｆ 力測定値
ΔＦ 基準値領域
１５，１６ 付加制御導管
１７，１８ 圧力調整弁
１９ ロータピストン面
ｐ_３ タービン供給圧力
ｐ_４ タービン出口圧力
２０，２１ 弁

Claims (6)

1. ケース（１）と、ロータ軸（２）と、このロータ軸（２）の一方の軸端部に可動に配設された、求心的に貫流させられるエクスパンジョンタービンステージ（４）のロータディスク（３）と、このロータ軸（２）の他方の軸端部に可動に配設された、半径方向に貫流させられる圧縮機ステージ（６）のロータディスク（５）と、転がり軸受（８）内に支承されたロータ軸（２）の軸推力を直接検出するための測定装置（７）と、制御導管内の、調整器（９）によって制御される少なくとも２つの圧力調整弁とを有するターボマシーンであって、制御導管を介して、ケース（１）に対してシールされた、ロータディスク（５又は３）の一方の背面のロータピストン面（１４又は１９）に、ステージの入口及び出口を支配する圧力（ｐ_１、ｐ_２もしくはｐ_３、ｐ_４）が作用可能であること、調整器（９）が、所定の許容差領域外にある軸推力を、ロータピストン面に対する圧力増大又は圧力減少によって排除するために、測定された軸推力に応じて、高い圧力の作用を受ける制御導管内の圧力調整弁か、低い圧力の下にある制御導管内の圧力調整弁かのいずれかを操作すること、それぞれ１つの迅速に開放する切換え弁（２０，２１）を有する付加制御導管が設けられており、これら付加制御導管を介して、ケースに対してシールされた、他方のロータディスクの背面の別のロータピストン面に、このステージの入口を支配する圧力と、このステージの出口の圧力とが作用可能であることを特徴とするターボマシーン。
2. 圧縮機ロータディスク（５）の背面のロータピストン面（１４）に、制御導管（１１，１２）を介して、圧縮機ステージへの入口を支配する圧力（ｐ_１）と、圧縮機ステージ（６）の出口の圧力（ｐ_２）とが作用可能であること、調整器（９）が、測定された軸推力に応じて、圧縮機入口圧力（ｐ_１）の作用を受ける制御導管（１２）内の圧力調整弁（１０）か、圧縮機出口圧力（ｐ_２）の下にある制御導管（１３）内の圧力調整弁（１１）かのいずれかを操作することを特徴とする請求項１に記載のターボマシーン。
3. エキスパンジョンタービンステージ（４）のロータディスク（３）の背面のロータピストン面（１９）に、制御導管（１６，１５）を介して、エキスパンジョンタービンステージへの入口を支配する圧力（ｐ_３）と、エキスパンジョンタービンステージの出口の圧力（ｐ_４）とが作用可能であること、調整器（９）が、測定された軸推力に応じて、入口圧力（ｐ_３）の作用を受ける制御導管（１６）内の圧力調整弁（１７）か、出口圧力（ｐ_４）の下にある制御導管（１５）内の圧力調整弁（１８）かのいずれかに作用することを特徴とする請求項１に記載のターボマシーン。
4. 測定装置（７）が、リング状の荷重変換器を備え、この荷重変換器が、ロータ軸（２）の軸推力の負荷を受けるケース側の転がり軸受（８）の外輪と、ケース（１）の当接面との間に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のターボマシーン。
5. 荷重変換器が、ワイヤストレインゲージを備えることを特徴とする請求項４に記載のターボマシーン。
6. ローラ軸（２）が、高精度アンギュラ玉軸受内に支承されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のターボマシーン。

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