JP2008278743A - 受動軸方向平衡システムを含む回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向引き受けの改善能力を有する回転機を提供する。
【解決手段】本発明は、主液体流を通すための回転機に関し、該回転機は、回転機のケーシングに対して回転するように設けられたシャフト（２０）と、シャフトに第１軸方向引き受け力を及ぼすのに適した能動軸方向平衡システムと、を含む。本発明の回転機は、主液体流から取られた２次液体流（Ｆ２）のための回路と、シャフトに第２軸方向引き受け力を及ぼすのに適した受動軸方向平衡システム（４２）と、を更に含み、２次液体流（Ｆ２）のための回路によって、前記受動軸方向平衡システムに、液体流が供給されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、吸引ポンプや電力を発生させるためのタービンのような、主液体流を通すための回転機の分野に関する。もし、回転機がポンプであるならば、主液体流は、ポンプが吸引する液体であり、もし回転機がタービンであるなら、主液体流は、タービン内に注入される液体である。

回転機は、一般に、ロータ及びステータによって構成される電気的部材を含み、その部材は、機械がポンプとして動作するとき、電動モータであり、機械がタービンとして動作するとき発電機である。

そのような回転機は、垂直に、即ち回転軸線がほぼ垂直に延びる状態で設置されるようにしばしば設計され、ポンプの「底部」及び「頂部」が、そのような垂直軸線に対して定義される。

「軸方向」、「半径方向」、及び「接線方向」の文言は、機械の軸線に関して同様に定義される。

そのような回転機において、ある回転要素のかなりの重量、特に電気的部材及び電気的部材のロータに固定される回転シャフトの重量により、これらの要素を下方に移動させようとする重量の下向きの力が大きいことは、理解されよう。

加えて、機械が、ポンプとして動作するとき、ポンピングによる反作用は、機械の回転シャフトを、そこに固定された要素と一緒に下方に引くけん引力を誘発する。

この初期力は、重力に追加的であり、したがって、回転シャフトは、機械に対して軸方向下方に向いた大きな力を受ける。

その結果として、回転シャフトの回転を案内するのに役立つ軸受には、これらの力によって軸方向に高い応力が加えられ、それにより寿命が減少する。

その欠点を軽減するために、そのような回転機は、一般に、米国特許第４５３８９６０号に記載されたような能動軸方向平衡システムを含み、これは、シャフトに重力の方向と反対の方向に軸方向引き受け力を及ぼすことにより、前記力を完全にまたは部分的に補償することができる。

けん引力を加えた重力の力によって構成される、補償されるべき力の大きさに実質的に等しい大きさの軸方向引き受け力を得ることが望ましいことは理解されよう。

実際に、補償されるべき力の強さは、例えば主液体流の流量の変動のために変動することであり、軸方向引き受け力の大きさは、補償されるべき力の大きさよりも突然大きくなることであり、それにより、シャフトを機械に対して上方に移動させる。

能動軸方向平衡システムがない場合には、シャフトに加わるそのような軸方向スラストは、軸受に疲労をもたらし、それにより、軸受の寿命を減少させる。

能動軸平衡システムでは、軸方向引き受け力の大きさは、回転シャフトのケーシングに対する変位に依存する。これは、軸方向引き受け力の大きさを調整するのを可能にする。

かくして、軸方向引き受け力の大きさは、軸方向引き受け力の大きさが、補償されるべき力の大きさより大きくなると減少し、反対に、軸方向引き受け力は、軸方向引き受け力の大きさが、補償されるべき力の大きさより小さくなると増加する。換言すれば、軸方向引き受け力の大きさは、回転シャフトの変位にサーボ制御される。

かくして、能動軸方向平衡システムによって、軸方向引き受け力の大きさが、能動的に調整されることは理解されよう。

かくして、本発明は、主液体流を通すためのそのような回転機に関し、該機械は、
・回転機のケーシングに対して回転するように設けられたシャフトと、
・第１の軸方向引き受け力をシャフトに及ぼすのに適した能動軸方向平衡システムと、を含む。

それにもかかわらず、ある状況では、能動軸方向引き受けシステムによって及ぼされる軸方向引き受け力の大きさは、十分に大きくないことが見いだされた。

本発明の目的は、軸方向引き受けの改善能力を有する回転機を提供することにある。

本発明は、この目的を、本発明の回転機が、主液体流から取られた２次液体流のための回路と、シャフトに第２引き受け力を及ぼすのに適した受動軸方向平衡システムと、を更に含み、２次液体流のための回路によって、前記受動軸方向平衡システムに、液体流が供給されることによって達成する。

本発明によれば、受動軸方向平衡システムは、第２の力の大きさが、ケーシングに対するシャフトの変位にサーボ制御されないという点で、能動軸方向平衡システムと異なる。
換言すれば、第２の力の大きさは、ケーシングに対する回転シャフトの変位に関わらず一定である。
さらに、第１軸方向引き受け力と同様に、第２軸方向引き受け力は、機械が垂直に設置されたとき、重力の力の方向と反対の方向に動作する。

本発明の回転機がポンプであるとき、第２軸方向引き受け力は、前述のけん引力の方向と反対の方向に作用する。
かくして、受動軸方向平衡システムは、能動軸方向平衡システムと異なり、追加的な軸方向引き受け力、即ち、第２軸方向引き受け力を供給し、それにより、回転シャフトに作用する全体の軸方向引き受け力の大きさは、有利に増加する。

本発明では、２次液体流の流量は、主流体流の流量よりも実質的に小さい。
また、本発明では、機械が動作中、回路内に流れる２次液体流を、受動軸方向平衡システムに有利に供給する、即ち、２次液体流は、受動軸方向平衡システムを動作するのに必要なエネルギを供給する。

有利には、受動軸方向平衡システムは、シャフトとケーシングの間に、環状通路を有し、２次液体流がこの環状通路の中を流れることとなり、前記通路は、上流流体流れ室内の圧力が、下流流体流れ室の圧力よりも大きくなるような方法で、上流流体流れ室を下流流体流れ室から軸方向に分離する。

「上流」及び「下流」の文言は、ここでは、２次液体流の流れ方向に対して使用される。

２つの室の間の圧力差は、環状通路が２次液体流の流れ狭窄部を構成する事実による。
有利には、環状通路は、ケーシングと、シャフトに固定されたディスクとの間に画成される。
好ましくは、環状通路は、ディスクの外周とケーシングの内面の間に半径方向に画成される。

更に、ディスクは、好ましくは、上流室を下流室から軸方向に分離するように、回転シャフトの軸線から半径方向に延びる。かくして、上流室と下流室の間の圧力差から生じる第２軸方向引き受け力は、ディスクを介して回転シャフトに作用する。

有利には、ディスクは、周囲に、環状ラビリンスシールを含む。
かくして、環状通路は、ラビリンスシールとケーシングの内面の間に半径方向に画成される。
特に有利な方法で、受動軸方向平衡システムは、２次液体流の流量を較正するための手段を更に含む。
２次液体流の流量は、機械の効率を減少させるので、大きすぎてはならない。
本発明によって、２次液体流の流量が較正され、それにより、第２軸方向引き受け力が、十分であるが回転機の効率を過剰に減少することがなく得られる。
有利には、２次液体流の流量を較正するための手段は、前記環状通路を含む。
換言すれば、環状通路は、第２軸方向引き受け力を発生させること、２次液体流の流量を較正することの両方に寄与する。

有利には、環状通路は、２次液体流の流量を較正する目的で、所定の半径方向広さがある。
好ましくは、半径方向広がりは、ディスクとケーシングの間に存在する半径方向の隙間に対応する。
有利には、２次液体流は、また、機械の回転要素を冷却するために使用される。
かくして、２次液体流は、冷却液体の流れからなる。そのような状況下で、冷却液体流は、回転要素の冷却が十分であるように、有利に較正される。

本発明によれば、回転要素は、シャフトによる回転で駆動される少なくとも一つの構成部品を有する要素である。

好ましくは、回転要素は、軸受、モータ、及び／又は発電機である。本発明の機械は、前述の要素から選択された複数の回転要素を有していてもよい。
回転要素は、機械の動作中熱くなるので、それを冷却する必要がある。
本発明によれば、同じ液体流が、回転要素を冷却するためと、受動軸方向平衡システムに供給するためとの両方に使用される。したがって、異なる回路を提供する必要がなく、それにより、機械の構造を有利に単純化する。

第１の変形では、回転機は、ポンプである。
第２の変形では、回転機は、タービンである。

非限定的な例の方法で与えられる次の実施形態の詳細な記載の下で、本発明を理解することができ、その利点がより明らかになる。記載は、添付の図面を参照する。

図１は、本発明による回転機１０の例を示し、回転機１０は、排他的ではないが好ましくは、液化ガスのような流体をポンピングするために設計される。回転機１０は、メタンタンカーのタンクを空にするのに有利に使用することができる。
図１に示す例は、限定的ではなく、本発明の回転機が、液体流れが電力を供給する発電機を駆動するタービンになることも、等しく可能である。

以下の記載では、「軸方向」、「接線方向」、及び「半径方向」の形容詞は、機械１０の回転軸線Ａに対して定義される。
回転機１０は、一般に、垂直に設置されるように設計され、「底部」及び「頂部」の形容詞は、垂直方向に対して定義される。

Ｆ１と称される矢印によってここに表される液体の主流の吸引方向に沿って考えられるとき、機械１０は、連続して、吸引段１２と、遠心羽根車１４と、吸引された液体を送出するための環状ダクト１６と、を含む。
吸引段１２は、機械１０の回転シャフト２０によって回転される回転インデューサ１８を含み、回転シャフト２０それ自身は、電動モータ２２によって構成される回転要素によって駆動される。

電動モータ２２は、シャフト２０に固定されたロータ２４と、機械１０のケーシング２８に固定されたステータ２６と、を含む。
図１で分かるように、回転シャフト２０は、遠心羽根車１４とモータ２２の間に位置している底部軸受３０と、モータ２２と送出スリーブ３４の間に位置している頂部軸受３２とを介して、シャフト２０に対して回転するように設けられている。
回転シャフト２０は、底部軸受３０の内リング３８に軸方向に当接する肩部３６を含む。

機械１０は、垂直に配置されているので、底部軸受３０が、回転シャフトの、遠心羽根車１４の、ロータ２４の、及びインデューサ１８の重量を支持し、液体の吸引中、その重量にインデューサ１８が受けるけん引力が加わることは理解されよう。

前述の合力の少なくとも一部を引き受けるために、機械１０は、知られたタイプの、第１軸方向引き受け力Ｒ１をシャフト２０に及ぼすのに適した、能動軸方向平衡システム４０を更に含む。
この力引き受けは、前述の合力と反対の第１軸方向引き受け力Ｒ１によって実行される。

知られた方法で、能動軸方向平衡システム４０は、また、第１軸方向引き受け力Ｒ１の大きさを調整するのに役立つ。より具体的には、調整は、シャフト２０のケーシング２８に対する軸方向変位に依存する。

実際に、もし、第１軸方向引き受け力Ｒ１の大きさが引き受けられるべき合力の大きさよりも大きいならば、能動軸方向平衡システム４０は、第１軸方向引き受け力Ｒ１の大きさを減ずることによって調整を行う。

能動軸方向平衡システム４０は、ポンピングされた液体の主流Ｆ１の流量が低いとき、十分な性能を提供しないことが見いだされた。より正確には、調整手段は、低流量では適切に動作しないことが見いだされた。

その欠点を軽減するために、回転機１０は、特に有利な方法で、図２でもっと明瞭にわかるように、第２軸方向引き受け力Ｒ２をシャフトに及ぼすのに適した受動軸方向平衡システム４２を更に含む。

この軸方向平衡システム４２は、受動的である、即ち、能動軸方向平衡システム４０とは異なり、第２軸方向引き受け力Ｒ２は、シャフト２０のケーシング２８に対する軸方向変位とは無関係である。

図２では、受動軸方向平衡システム４２は、シャフト２０の頂端に固定されたディスク４４を含むことがわかる。
ディスク４４は、ケーシング２８内に作られたボア４７内でスライドするのに適している。

頂部軸受３２は、好ましくは、ディスク４４とシャフト２０の肩部４５の間に設けられる。
ディスク４４は、好ましくは、周囲に環状ラビリンスシール４６を含む。それにもかかわらず、他のタイプのシールを備えることも可能である。
本発明によれば、受動軸方向平衡システム４２には、具体的には、環状ダクト１６の内面５１を貫いて形成された半径方向通路４９を介して、主液体流Ｆ１から取られた２次液体流Ｆ２を運ぶ回路によって液体流が供給される。

図１でわかるように、この２次流Ｆ２は、モータ４２の空隙４８を通り、それによりモータを有利に冷却する。

図２では、２次液体流Ｆ２は、次いで、頂部軸受３２を通り、かくして、ディスク４４の軸方向上流に配置された上流流体流れ室５０に進入する前に、前記頂部軸受を有利に冷却することがわかる。

２次液体流Ｆ２は、次いで、ディスク４４の外周とケーシング２８の間に半径方向に画成された環状通路５２を流れ、次いで、ディスク４４の軸方向下流に配置された下流流体流れ室５４の中を流れる。この下流流体流れ室は、好ましくは、２次液体流Ｆ２を回転機１０から排出するための排出オリフィス５６に連結されている。「上流」及び「下流」の文言は、ここでは、２次液体流Ｆ２の流れ方向に対して使用される。

図２に示すように、環状通路５２は、上流流体流れ室を下流流体流れ室５４から軸方向に分離する。
前述のように、環状通路５２は、上流流体流れ室５０内の圧力が、下流流体流れ室５４内の圧力より大きくなるように、２次液体流Ｆ２のための流れ狭窄部を形成する。
流れ狭窄部は、ディスク４４の下流面６０に及ぼされる圧力より大きい圧力をディスク４４の上流面５８に及ぼすことになる。かくして、この圧力差は、ディスク４４を介してシャフト２０に作用する第２軸方向引き受け力Ｒ２を発生させる。

この第２軸方向引き受け力Ｒ２の大きさは、ディスク４４とケーシング２８の間の半径方向隙間に依存し、シャフト２０のケーシング２８に対する変位に依存しないことは、理解されるべきである。
それが、軸方向平衡システム４２が「受動」と称される理由である。したがって、シャフト２０に作用する全体の軸方向引き受け力Ｒは、第１軸方向引き受け力Ｒ１と第２軸方向引き受け力Ｒ２の合計である。

特に有利な方法で、受動軸方向平衡システム４２は、２次液体流Ｆ２の流量を較正するための較正手段を更に含む。具体的には、これらの較正手段は、環状通路５２からなる。

具体的に、環状通路５２は、２次液体流Ｆ２の流量を較正するのに役立つ所定の半径方向広がりｅがある。
この半径方向広がりｅは、ディスク４４の外周とケーシング２８の間に定められる。
上述のように、２次液体流Ｆ２は、また、有利には、機械１０の回転要素、具体的には、モータ２２及び軸受３２を冷却するのに使用される。

小さすぎる流量は、回転要素を十分に冷却せず、大きすぎる流量は、主液体流Ｆ１の流量の関数である機械の効率を減ずるので、この冷却液体流の流量を較正することは有利である。もし、２次液体流Ｆ２があまりにも大きく取られると、主流Ｆ１が相応じ減ぜられることは理解できよう。

換言すれば、本発明によれば、モータ冷却流の流量は、ロータ２４の軸方向位置に関わりなく、一定であるように較正される。

上述のように、本発明の回転機は、タービンであってもよい。そのような状況の下では、主液体流は、ポンプとして動作する機械の主液体流Ｆ１の方向とは反対の方向に流れる。反対に、タービンを通る２次液体流は、ポンプにおいて流れる２次液体流Ｆ２と同じ方向に流れる。

本発明の回転機の断面図であり、ここで機械はポンプである。 本発明の受動軸方向平衡システムを示す、図１の回転機の詳細図である。

Claims (13)

1. 主液体流を通すための回転機（１０）であって、
   回転機のケーシング（２８）に対して回転するように設けられたシャフト（２０）と、
   シャフトに第１軸方向引き受け力（Ｒ１）を及ぼすのに適した能動軸方向平衡システム（４０）と、
   主液体流（Ｆ１）から取られた２次液体流（Ｆ２）のための回路と、
   シャフト（２０）に第２軸方向引き受け力（Ｒ２）を及ぼすのに適した受動軸方向平衡システム（４２）と、を含み、
   ２次液体流（Ｆ２）のための回路によって前記受動軸方向平衡システム（４２）に、液体流が供給される、
   ことを特徴とする回転機（１０）。
2. 受動軸方向平衡システムは、シャフト（２０）とケーシング（２８）の間に、２次液体流（Ｆ２）が流れることになる環状通路（５２）を有し、前記通路は、上流流体流れ室内の圧力が、下流流体流れ室内の圧力より大きくなるような方法で、上流流体流れ室を下流流体流れ室から分離する、
   請求項１に記載の回転機。
3. 下流流体流れ室（５４）は、排出オリフィス（５６）に連結されている、
   請求項２に記載の回転機。
4. 環状通路（５２）は、ケーシング（２８）と、シャフト（２０）に固定されたディスク（４４）の間に画成される、
   請求項２または３に記載の回転機。
5. ディスク（４４）は、シャフト（２０）の一端に固定されている、
   請求項４に記載の回転機。
6. ディスク（４４）は、周囲に環状ラビリンスシール（４６）を含む、
   請求項４または５に記載の回転機。
7. 受動軸方向平衡システム（４２）は、２次液体流（Ｆ２）の流量を較正するための手段を更に含む、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の回転機。
8. ２次液体流の流量を較正するための手段は、前記環状通路（５２）からなる、
   請求項２及び７に記載の回転機。
9. 環状通路は、２次液体流（Ｆ２）の流量を調節する目的で、所定の半径方向広さ（ｅ）がある、
   請求項８に記載の回転機。
10. ２次液体流（Ｆ２）は、また、機械の回転要素（２２，３２）を冷却するために使用される、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の回転機。
11. 回転要素は、軸受（３２）、モータ（２２）、及び／又は発電機である、
    請求項１０に記載の回転機。
12. 回転機は、ポンプである、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の回転機。
13. 回転機は、タービンである、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の回転機。

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