JPH06101403A - 制動ファン付膨張タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 確実に回転シャフトのスラスト荷重を軽減さ
せるようにする。 【構成】 ケーシング３内に回転シャフト２が内装さ
れ、この回転シャフト２の両端にインペラ２１と制動フ
ァン２２とが設けられ、上記インペラ２１にヘリウム圧
縮機７から供給される寒冷媒体としてのヘリウムＨの断
熱膨張によってインペラ２１が回転され、このインペラ
２１に連動した上記制動ファン２２は循環経路４に封入
された制動用ガスとしてのヘリウムガスＨ’を上記循環
経路４内で循環移動させ、循環経路４に設けられた制御
弁４１の開度を制御して上記ヘリウムガスＨ’の循環移
動量を調節することによって上記インペラ２１の回転を
制動するように構成された制動ファン付膨張タービン１
において、上記インペラ２１の背面部空間３０と上記循
環経路４内とを連通させる連絡配管６が設けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウムの液化冷凍機
に用いられるヘリウム膨張タービンに関し、特にスラス
ト負荷を有効に低減することができる膨張タービンに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウム液化・冷凍機に使用される制動
ファン付膨張タービンにおいては、膨張タービンは極低
温で使用されるため、タービン内への油等の異物の混入
は好ましくなく、従って通常ジャーナル軸受およびスラ
スト軸受の双方に気体軸受が採用される。気体軸受は油
軸受に比べて、軸受としての能力が小さいため、負荷を
低減するための工夫が各種試みられている。そして特に
スラスト負荷を低減させる工夫が重要である。

【０００３】従来、上記のようなスラスト負荷を低減さ
せる工夫が施されたものとして、例えば特公昭３２−６
６６０号公報および特公昭５８−１０５６１号公報によ
って開示されたものがしられている。これらの公報に開
示されているスラスト負荷の低減方式は、タービンイン
ペラの背面の外周部に裏羽根を設けたり、インペラの前
後面に貫通する開口を設けたりするものであり、インペ
ラ前後の圧力を均圧し、この部分におけるスラスト負荷
を低減するように構成されている。

【０００４】また、特公平１−４０２０２号公報におい
ては、両端にインペラおよび制動ファンが設けられる回
転シャフトの支持部分に、シャフトを取り巻くように環
状に設けられた軸受室と、制動ファンの出口とを連通さ
せる連通路が設けられ、軸受室と制動ファンの出口部分
との圧力を均圧して制動ファンの吸入圧力を低下させ、
制動ファンによるスラスト負荷を低減するように構成さ
れている。こうすることによって、上記軸受室を介して
タービンインペラ部分と制動ファン部分とが均圧され、
回転シャフトに対するトラスト負荷が低減すると説明さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
公昭３２−６６６０号公報および特公昭５８−１０５６
１号公報によって開示されている方式では、インペラの
前後はなるほど圧力的にバランスしているためこの部分
のスラスト負荷は軽減されるが、タービンインペラと制
動ファンとの間のスラスト負荷の軽減には全く寄与しな
いという不都合があった。

【０００６】また、上記特公平１−４０２０２号公報に
よって開示されているように、制動ファン出口と軸受室
とを均圧化したとしても、実質的にはインペラと制動フ
ァンとの間を問題にした場合のスラスト負荷の低減には
つながらず、静圧気体軸受を使用した膨張タービンや、
動圧気体軸受を使用しかつ軸受部に冷却ガスを供給する
ようなタイプの膨張タービンにあっては、軸受室まで均
圧にしてしまうのは逆にスラスト負荷を低減するために
はかえってそれが邪魔になって具合が悪い。

【０００７】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、確実にスラスト荷重を軽減
させることができる制動ファン付膨張タービンを提供す
ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
制動ファン付膨張タービンは、ケーシング内に回転シャ
フトが内装され、この回転シャフトの両端にインペラと
制動ファンとが設けられ、上記インペラに圧縮源から供
給される寒冷媒体の断熱膨張によってインペラが回転さ
れ、このインペラに連動した上記制動ファンは循環経路
に封入された制動用ガスを上記循環経路内で循環移動さ
せ、循環経路に設けられた制御弁の開度を制御して上記
制動用ガスの循環移動量を調節することによって上記イ
ンペラの回転を制動するように構成された制動ファン付
膨張タービンにおいて、上記インペラの背面部空間と上
記循環経路内とを連通させる連絡配管がケーシング外に
設けられていることを特徴とするものである。

【０００９】本発明の請求項２記載の制動ファン付膨張
タービンは、ケーシング内に回転シャフトが内装され、
この回転シャフトの両端にインペラと制動ファンとが設
けられ、上記インペラに圧縮源から供給される寒冷媒体
の断熱膨張によってインペラが回転され、このインペラ
に連動した上記制動ファンは循環経路に封入された制動
用ガスを上記循環経路内で循環移動させ、循環経路に設
けられた制御弁の開度を制御して上記制動用ガスの循環
移動量を調節することによって上記インペラの回転を制
動するように構成された制動ファン付膨張タービンにお
いて、上記インペラの背面部空間と上記循環経路内とを
連通させる連通孔が回転シャフトに穿孔されていること
を特徴とするものである。

【００１０】

【作用】上記請求項１記載の制動ファン付膨張タービン
によれば、インペラの背面部空間と上記循環経路内との
間に連絡配管が設けられており、この連絡配管によって
インペラの背面部空間と制動ファン部に形成された循環
経路内とは連通しているため、インペラの背面部空間と
制動ファン部に形成された循環経路内とは常に均圧され
た状態になっている。そして、上記背面部空間の圧力は
インペラを制動ファン方向に押圧する圧力を略代表して
いるため、回転シャフトの両端部は互いに等しい圧力下
に位置し、その結果スラスト負荷は軽減される。

【００１１】上記請求項２記載の制動ファン付膨張ター
ビンによれば、インペラの背面部空間と上記循環経路内
とを結ぶ連通孔が回転シャフトに穿孔されており、この
連通孔によってインペラの背面部空間と制動ファン部に
形成された循環経路内とは連通しているため、インペラ
の背面部空間と制動ファン部に形成された循環経路内と
は常に均圧された状態になっている。そして、上記背面
部空間の圧力はインペラを制動ファン方向に押圧する圧
力を略代表しているため、回転シャフトの両端部は互い
に等しい圧力下に位置し、その結果スラスト負荷は軽減
される。

【００１２】なお、回転シャフトの中に連通孔が設けら
れているため、膨張タービンの構造はシンプルになると
ともに、外部配管がない分ヘリウムガスの大気中への漏
洩可能個所が少なくなる。さらにインペラの背面部空間
と制動ファン部分の循環経路との連通路が短くなり、両
者が均圧になるための応答性が良好になるという効果が
得られる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明に係る制動ファン付膨張タービ
ンの一例を示す断面説明図である。この図に示すよう
に、ヘリウム液化冷凍機に使用される膨張タービン１の
内部には、回転シャフト２が設けられ、この一端にはイ
ンペラ２１が固設され、他端には制動ファン２２が取り
付けられている。そしてそれらはケーシング３に内装さ
れている。

【００１４】本実施例においては寒冷媒体としてヘリウ
ムＨが用いられている。このヘリウムＨは、圧縮源とし
てのヘリウム圧縮機７の下流側に接続された媒体吐出経
路Ｌ１と、膨張タービン１と、膨張タービン１とヘリウ
ム圧縮機７の下流側とをつなぐ媒体吸引経路Ｌ２とによ
って形成された閉経路を、ヘリウム圧縮機７の駆動によ
って循環移動するようになっている。

【００１５】ケーシング３のインペラ２１に対応した部
分には、上記ヘリウムＨを膨張タービン１内に導入する
ための入口ノズル３１が設けられ、この入口ノズル３１
に媒体吐出経路Ｌ１が接続されている。この入口ノズル
３１の下流側には前室３２が設けられ、この前室３２の
下流側にはインペラ２１の外周部に対向した噴出ノズル
３３が設けられており、インペラ２１の下流側は後室３
４につながっている。

【００１６】上記入口ノズル３１を介して導入されたヘ
リウムＨは、前室３２を経由して、噴出ノズル３３およ
びインペラ２１で構成されるタービン部で断熱膨張仕事
をしてインペラ２１を回転させ、ヘリウム自身は温度お
よび圧力が低下し、後室３４を経由して、媒体吸引経路
Ｌ２を通ってヘリウム圧縮機７に戻される。

【００１７】一方、上記ケーシング３内の制動ファン２
２が設けられている部分には、仕切壁の役目を果たす環
状の案内筒３６が内設されている。この案内筒３６の先
端部は制動ファン２２の回転周面に対向するように設け
られ、制動ファン２２の案内筒３６先端部側にファン部
通路４３が形成されている。

【００１８】そしてファン部通路４３の下流側には環状
の第一室３５が形成され、ファン部通路４３の上流側に
は案内筒３６とケーシング３の側壁３ａとで囲まれた第
二室３７が形成されている。案内筒３６の基端側には側
壁３ａとの間に側壁部通路４４が設けられておりこの側
壁部通路４４には制御弁４１が設けられている。

【００１９】上記第一および第二室３５、３７には制動
用のヘリウムガスＨ’が封入されており、上記ファン部
通路４３、第一室３５、側壁部通路４４および第二室３
７とで制動ファン２２の回転によって上記封入されたヘ
リウムガスＨ’が循環移動する閉通路が形成されてい
る。第一室３５には上記ヘリウムガスＨ’を冷却するた
めの熱交換器４２が設けられている。

【００２０】従って、上記入口ノズル３１を介して膨張
タービン１内に導入されたヘリウムＨによってインペラ
２１が回転すると、その回転は回転シャフト２を介して
制動ファン２２に伝達され、この制動ファン２２の回転
によって循環経路４内に封入されたヘリウムガスＨ’は
ファン部通路４３、第一室３５、側壁部通路４４および
第二室３７と循環移動し、制動ファン２２からヘリウム
ガスＨ’に熱として与えられたエネルギーは第一室３５
内に設けられた熱交換器４２よって取り去られ、結局ヘ
リウムＨの保有する熱が連続的に汲み上げられ、インペ
ラ２１を通過した寒冷媒体としてのヘリウムＨは定常的
に冷却されることになる。

【００２１】回転シャフト２の軸受としては静圧気体軸
受が使用されている。この気体軸受を形成させるものと
して、回転シャフト２を受けるケーシング３の内周面に
設けられたジャーナル軸受２４と、回転シャフト２に鍔
状に設けられたスラストカラー２３の両外側面を挾持す
るように設定されたスラスト軸受２５と、これらの軸受
２４、２５に気体軸受用のヘリウムＨ’’を供給するた
めの気体通路３９とが設けられている。ジャーナル軸受
２４と回転シャフト２との間隙、およびスラスト軸受２
５とスラストカラー２３との間隙にヘリウムＨ’’の流
れが介在し、このヘリウムＨ’’で静圧気体軸受が形成
されている。

【００２２】これらの軸受２４、２５に供給されたヘリ
ウムは、ケーシング３の中央内部に回転シャフト２を取
り巻くように形成され環状の軸受室３８に一旦集合させ
られ、その後外部に排出されて循環使用されるようにな
っている。

【００２３】そして、本発明においては、インペラ２１
の背面部のケーシング３に回転シャフト２を取り巻くよ
うに環状に形成された背面部空間３０が形成されてい
る。この背面部空間３０に引き続いてインペラ２１側の
ラビリンスシール５が設けられている。なお、制動ファ
ン２２の背面部にも制動ファン２２側のラビリンスシー
ル５が設けられている。

【００２４】本実施例においては、ケーシング３に背面
部空間３０から外部に通じる連絡通路３０ａが設けら
れ、この連絡通路３０ａと制動ファン２２部分に形成さ
れた循環経路４の第二室３７とはケーシング３の外部に
配設された連絡配管６によって連通されている。従っ
て、インペラ２１の背面部にある背面部空間３０と、制
動ファン２２部分の第二室３７とは連絡配管６によって
連通された状態になっているため、インペラ２１部分の
前室３２、後室３４あるいは制動ファン２２部分の第一
室３５、さらには軸受室３８の圧力に影響されることな
く背面部空間３０と第二室３７内とは常に均圧状態にな
っている。

【００２５】ところで、冷却媒体としてのヘリウムＨが
インペラ２１に向かって噴出される噴出ノズル３３の出
口側と、インペラ２１の背面部に形成された背面部空間
３０とはインペラ２１の外周部を介して連通しているた
め、噴出ノズル３３の出口側の圧力は背面部空間３０の
圧力と同圧になっている。従って、結局噴出ノズル３３
の出口側の圧力と第二室３７内の圧力とは均圧状態にな
っている。

【００２６】なお、インペラ２１側として連通配管６に
連通させる部分については、入口ノズル３１部分、前室
３２内、あるいは後室３４内等種々の部分が考えられる
が、いずれも圧力が高かすぎたり、あるいは低くすぎた
り、さらには安定しなかったり、加えてこのような膨張
タービンを二連直列で配置した場合に前に置くかあるい
は後に置くかで圧力が異なったりするためあまり実用的
ではない。

【００２７】これに対して上記背面部空間３０の圧力は
あまり変動がなくよく安定しており、連絡配管６に連通
する空間として非常に適している。

【００２８】以上より、噴出ノズル３３の出口側のヘリ
ウムＨがインペラ２１を介して回転シャフト２を図１の
右方に押圧し、循環経路４の第二室３７内にある制動用
のヘリウムガスＨ’が回転シャフト２を図１の左方に押
圧しており、それらの押圧力は上記連絡配管６による連
通によって互いに等しくされているため、制動ファン２
２スラスト負荷はかからない状態になっている。

【００２９】図２は、本発明に係る制動ファン付膨張タ
ービンの他の例を示す断面説明図である。この例の場合
は、回転シャフト２の内部にインペラ２１の背面部空間
３０と制動ファン２２部分の第二室３７とを連通するた
めの連通孔８が、回転シャフト２の軸心部分に設けられ
ている。すなわち、この連通孔８の左端部には回転シャ
フト２の軸心に垂直な方向に設けられた分岐孔８１に連
通され、上記背面部空間３０と第二室３７とが連通する
ようになっている。

【００３０】従って、この例の場合は、上記分岐孔８１
および連通孔８を介して背面部空間３０と第二室３７内
とは常に均圧化されるため、上記先の実施例と同様に回
転シャフト２にスラスト負荷はかからない状態になって
いる。

【００３１】なおこの例においては、回転シャフト２の
中に連通孔８が設けられているため、膨張タービン１の
全体構造がシンプルになるとともに、先の例のような連
絡配管６がないためヘリウムガスが大気中へ漏洩する可
能性のある個所が少なくなる。さらにインペラ２１の背
面部空間３０と制動ファン２２部分の第二室３７との連
通路が短くなり、両者が均圧になるための応答性が良好
になる等の効果が得られ好都合である。

【００３２】図３は、本発明に係る制動ファン付膨張タ
ービンのさらに他の例を示す断面説明図である。この例
の場合は、ジャーナル軸受２４およびスラスト軸受２５
の双方について動圧気体軸受を使用している。そして、
上記第一番目の例と同じくケーシング３の外部にはイン
ペラ２１の背面部の背面部空間３０と制動ファン２２部
分に設けられた循環経路４の第二室３７とを連通する連
絡配管６が設けられている。

【００３３】また、動圧気体軸受においては、軸受と軸
との間に存在している気体は、静圧気体軸受の場合のよ
うに常に新しい気体が供給されるということはなく、常
に同じ気体が用いられるため、軸受部分には摩擦熱が発
生して加熱される。そこで、本実施例においては、軸受
室３８内に冷却配管３９’が設けられ、この冷却配管３
９’からジャーナル軸受２４およびスラスト軸受２５に
向けて冷却用のヘリウムガスＨ’’が供給されるように
なっている。

【００３４】なお、本実施例においては、動圧気体軸受
の発熱を冷却するために冷却用のヘリウムガスＨ’’を
吹き付ける方式が採用されているが、上記冷却について
はこのような冷却用ガス吹き付け方式に限定されるもの
ではなく、ケーシング３全体を図外の水ジャケット等で
冷却するようにしてもよい。

【００３５】さらに、この動圧気体軸受を使用する例に
おいても、連絡配管６の代わりに図２に示す連通孔８を
回転シャフト２内に設けるようにしても構わない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の制動ファン
付膨張タービンは、ケーシング内に回転シャフトが内装
され、この回転シャフトの両端にインペラと制動ファン
とが設けられ、上記インペラに圧縮源から供給される寒
冷媒体の断熱膨張によってインペラが回転され、このイ
ンペラに連動した上記制動ファンは循環経路に封入され
た制動用ガスを上記循環経路内で循環移動させ、循環経
路に設けられた制御弁の開度を制御して上記制動用ガス
の循環移動量を調節することによって上記インペラの回
転を制動するように構成された制動ファン付膨張タービ
ンにおいて、上記インペラの背面部空間と上記循環経路
内との間に連絡配管が設けられているか、あるいは、イ
ンペラの背面部空間と上記循環経路内とを結ぶ連通孔が
回転シャフトに穿孔されている。

【００３７】従って、上記連絡配管または上記連通孔に
よってインペラの背面部空間と制動ファン部に形成され
た循環経路内とは連通しているため、インペラの背面部
空間と制動ファン部に形成された循環経路内とは常に均
圧され、回転シャフトの両端部が等しい圧力下に位置
し、その結果静圧気体軸受あるいは動圧気体軸受を使用
した膨張タービンのスラスト負荷は軽減されている。

【００３８】その結果、膨張タービンの運転性能は向上
するとともに、耐久性は改善されるなど膨張タービンを
適用する上で好都合である。

【００３９】なお、上記本発明の構成のうち、回転シャ
フトの中に連通孔を設けるようにすれば、膨張タービン
の構造がシンプルになるとともに、外部配管がないため
ヘリウムガスの大気中への漏洩個所が少なくなり、さら
にインペラの背面部空間と制動ファン部分の循環経路と
の連通路が短くなり、両者が均圧になるための応答性が
良好になる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制動ファン付膨張タービンの一例を示
す断面視の説明図である。

【図２】本発明の制動ファン付膨張タービンの他の例を
示す断面視の説明図である。

【図３】本発明の制動ファン付膨張タービンのさらに他
の例を示す断面視の説明図である。

【符号の説明】

１ 膨張タービン ２ 回転シャフト ２１ インペラ ２２ 制動ファン ３ ケーシング ３０ 背面部空間 ３１ 入口ノズル ３２ 前室 ３３ 噴出ノズル ３４ 後室 ３５ 第一室 ３６ 案内筒 ３７ 第二室 ３８ 軸受室 ３９ 気体通路 ４ 循環経路 ４１ 制御弁 ４２ 熱交換器 ４３ ファン部通路 ４４ 側壁部通路 ５ ラビリンスシール ６ 連絡配管 ７ ヘリウム圧縮機 ８ 連通孔 Ｈ ヘリウム Ｈ’ 制動用ヘリウムガス Ｈ’’ 軸受用または冷却用ヘリウムガス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内に回転シャフトが内装さ
   れ、この回転シャフトの両端にインペラと制動ファンと
   が設けられ、上記インペラに圧縮源から供給される寒冷
   媒体の断熱膨張によってインペラが回転され、このイン
   ペラに連動した上記制動ファンは循環経路に封入された
   制動用ガスを上記循環経路内で循環移動させ、循環経路
   に設けられた制御弁の開度を制御して上記制動用ガスの
   循環移動量を調節することによって上記インペラの回転
   を制動するように構成された制動ファン付膨張タービン
   において、上記インペラの背面部空間と上記循環経路内
   とを連通させる連絡配管がケーシング外に設けられてい
   ることを特徴とする制動ファン付膨張タービン。
2. 【請求項２】 ケーシング内に回転シャフトが内装さ
   れ、この回転シャフトの両端にインペラと制動ファンと
   が設けられ、上記インペラに圧縮源から供給される寒冷
   媒体の断熱膨張によってインペラが回転され、このイン
   ペラに連動した上記制動ファンは循環経路に封入された
   制動用ガスを上記循環経路内で循環移動させ、循環経路
   に設けられた制御弁の開度を制御して上記制動用ガスの
   循環移動量を調節することによって上記インペラの回転
   を制動するように構成された制動ファン付膨張タービン
   において、上記インペラの背面部空間と上記循環経路内
   とを連通させる連通孔が回転シャフトに穿孔されている
   ことを特徴とする制動ファン付膨張タービン。