JP2021089072A - ジャーナル及びスラスト気体軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受を通る空気の漏れを減少させ、軸受の設置面積を減少させ、軸受内の間隙の圧力を増加させ、及び／又は軸受の減衰特性を増加させるように構成したターボ機械に使用するための改良された軸受を提供する。【解決手段】軸受２０２は、ジャーナル軸受２２２に取り付けられたスラスト気体軸受２２０と、スラスト気体軸受及びジャーナル軸受の少なくとも一方の表面に画定された２つ以上の収束−発散オリフィスとを含む。収束−発散オリフィスは、軸受の内部に少なくとも１つの加圧ガスを供給する。スラスト気体軸受とジャーナル軸受の面には、動圧リフティンググルーブが設けられており、耐荷重能力と封止能力が向上している。加圧ガスの比率を制御することにより、さらなる密封能力及び漏れの減少がもたらされる。金属メッシュダンパは、気体軸受の減衰を増大させる。【選択図】図３

Description

本願は、２０１９年１２月３日に出願された米国仮特許出願第６２／９４２，８１７号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は一般に、スラスト軸受及びジャーナル軸受に関し、より詳細には、収束−発散オリフィス形状を有する、接続されたジャーナル及びスラスト気体軸受（空気軸受、ガスベアリング）、ならびに軸受と共に作動するターボ機械に関する。

遠心（流体）圧縮機（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｆｌｏｗ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ）、軸流式圧縮機（ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ）、及びタービンのようなターボ機械は、種々の産業において利用され得る。特に、遠心圧縮機及びタービンは、発電所、ジェットエンジン用途、ガスタービン及び自動車用途で広く使用されている。また、遠心圧縮機及びタービンは、石油精製産業で使用される空気分離プラントやホットガスエキスパンダのような大規模産業用途でも一般的に使用されている。遠心圧縮機はさらに、製油所及び化学プラントなどの大規模工業用途にも使用される。

図１を参照すると、従来の設計に従って、多段式遠心流ターボ機械１０が図示されている。いくつかの用途では、単段のものを利用することができる。他の用途では、多段のものを利用することができる。このようなターボ機械１０は一般に、一対の軸受４０によってハウジング３０内に支持されたシャフト２０を含む。図１に示すターボ機械１０は、作動流体の圧力を段階的に上昇させるために複数のステージ（段）を備えている。各ステージはターボ機械１０の長手方向の軸に沿って連続的に配置され、全てのステージは同じ原理で動作する類似の構成要素を有していても有していなくてもよい。

引き続き図１を参照すると、インペラ５０は、円周方向に配置され、シャフト２０に取り付けられたインペラハブ７０に取り付けられた複数の回転ブレード６０を含む。このブレード６０は、任意でカバー６５に取り付けることができる。複数のインペラ５０は、シャフト２０の軸方向長さに沿って複数の段階で離間されていてもよい。回転ブレード６０は、回転ブレード６０がインペラハブ７０と共にシャフト２０の回転により回転するように、インペラハブ７０に固定的に連結されている。回転ブレード６０は、静止管状ケーシングに取り付けられた複数の静止ベーン又はステータ８０の下流で回転する。ガス混合物のような作動流体は、シャフト２０の半径方向に沿ってターボ機械１０に流入及び流出する。回転ブレード６０は、流体に伝達される機械的動力を用いてステータ８０に対し回転される。遠心圧縮機では、インペラ５０内の回転ブレード６０間の断面積は入口端部から吐出端部に向かって減少し、その結果、作動流体はインペラ５０を通過するにつれ圧縮される。

図２を参照すると、ガス混合物のような作動流体は、ターボ機械１０の入口端部９０から出口端部１００に移動する。入口端部９０に設けられた一列のステータ８０は、作動流体をターボ機械１０の一列の回転ブレード６０に導く。ステータ８０は、作動流体を回転ブレード６０に導くためにケーシング内に延在する。ステータ８０は、ケーシングの周囲の個々の支柱の間にほぼ等間隔で円周方向に離間されている。回転ブレード６０の出口にはディフューザ１１０が設けられており、回転ブレード６０から離脱する流体の流れからの余剰運動エネルギーを圧力上昇に変換する。ディフューザ１１０は、オプションとして、ケーシング内に延在する複数のディフューザブレード１２０を有する。このディフューザブレード１２０は円周方向に離間しており、典型的にはディフューザケーシングの周囲の個々のディフューザブレード１２０の間に等しい間隔を有している。多段式ターボ機械１０では、作動流体を次の連続するステージの回転ブレード６０に導くために、流体圧縮ステージの出口端部１００に複数のリターンチャネルベーン１２５が設けられている。このような実施では、リターンチャネルベーン１２５がターボ機械１０の第１のステージからのステータ８０の機能を提供する。多段式ターボ機械１０の最後のインペラは、典型的にはディフューザのみを有し、ディフューザブレード１２０が設けられていても設けられていなくてもよい。最後のディフューザは、吐出パイプに接続するための吐出フランジを有する吐出ケーシング（螺旋形（ｖｏｌｕｔｅ））に作動流体の流れを導く。図２に示すように、単段式の実施では、ターボ機械１０が入口端部９０にステータ８０を含み、出口端部１００にディフューザ１１０を含む。

ターボ機械用途における軸受の目的は、回転するロータを最小限の摩擦で確実に支持し、低振動に必要な剛性と減衰特性を提供することである。ターボ機械用軸受の大多数は、この目的のために油を利用している。気体軸受は、ロータと軸受面との分離を達成するための作動流体が油ではなく気体（ガス）である軸受である。これは油潤滑を不要にする。

種々の設計の気体軸受がターボ機械産業で数十年研究されてきた。ターボ機械はジャーナル軸受とスラスト気体軸受の両方を利用している。一般にターボ機械では、スラスト気体軸受とジャーナル軸受は互いに分離されている。気体軸受は、清浄度、潤滑剤循環システムなしのより広い許容温度範囲、潜在的に低いコスト及び低メンテナンス性のために、ターボ機械にとって特に関心の高いものである。典型的な気体潤滑軸受は、動圧（ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ、流体動力学）のもの又は静圧（ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ、流体静力学）のものであり得る。

フォイル軸受のような動圧気体軸受は、回転軸ジャーナルの比較的高い速度に依存して、軸と軸受面との間の空気を引っ張って加圧し、これらの表面間に分離を発生させる軸受である。しかしながら、多くの重いターボ機械用途において耐荷重能力（ｌｏａｄ−ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ、負荷容量）を発生させるためには、比較的高い表面速度及び／又はジャーナル直径が必要とされる。加えて、上記の動圧的な手段のために低い速度ではロータを支持することができず、これは起動及び停止時の接触により軸受の寿命の制限につながる可能性がある。

一方、静圧軸受は外部から加圧される。静圧軸受では、作動流体が（典型的には別個の圧縮機又はポンプによって）軸受の外部で加圧され、シャフトと軸受面との間の空間に送られる。十分な供給圧力の供給ガスは、すべての速度範囲（静止している場合であっても）で薄い気体膜によりロータを支えることができる。油潤滑剤に比べて気体の粘度が低いため、従来の油膜を用いた軸受に比べて、ほぼ摩擦のない回転が可能である。この気体が軸受から漏れて供給ガスの漏洩が生じる可能性がある。

また、静圧軸受は動圧軸受と比較して、ロータの軸受システムの横方向の固有振動数に対する減衰を低減している。金属メッシュバッキングを有する動圧軸受は、動圧軸受における減衰特性を増加させることが示されている。

静圧気体軸受における加圧された空気流はしばしば制限される。この制限とは、供給源から間隙（ギャップ）への空気流を制限することを指す。これにより、間隙の後方に予備の圧力が生成される。１つのオリフィスで負荷が増加すると、間隙は減少する。予備の圧力が存在することにより、この付加的な負荷を補償するため、負荷のかかったオリフィスにおける圧力を増加することができる。この制限及び補償は静圧気体軸受の剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を得る。

本開示の一例によれば、ターボ機械に使用するための改良された軸受が提供される。改良された軸受は、現行技術と比較して、軸受を通る空気の漏れを減少させ、軸受の設置面積（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）を減少させ、軸受内の間隙の圧力を増加させ、及び／又は軸受の減衰特性（ｄａｍｐｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）を増加させるように構成することができる。

本開示の別の例によれば、単一の軸受に組み合わされた、上述した各改良に対処する軸受が提供される。この例によれば、軸受はジャーナル軸受に取り付けられたスラスト気体軸受で作られていてもよい。このようにスラスト軸受とジャーナル軸受を組み合わせると、組み合わせた軸受の設置面積が小さくなる。

本開示の特定の例によれば、一の軸受が提供される。この軸受は、ジャーナル軸受に取り付けられたスラスト気体軸受と、スラスト気体軸受及びジャーナル軸受の少なくとも一方の表面に画定された２つ以上の収束−発散オリフィスとを含む。収束−発散オリフィスは、軸受の内部に少なくとも１つの加圧ガスを供給する。

少なくとも１つの加圧ガスは、プロセスガスを含むことができる。

収束−発散オリフィスはそれぞれ、スロートを含んでいてもよく、各オリフィスは、オリフィスのスロート内の少なくとも１つの加圧ガスの流速をマッハ１（３４０．２９ｍ／ｓ）にさせ、スロートを通過した少なくとも１つの加圧ガスの流速を超音速にさせるように構成されている。

スラスト気体軸受はスラスト気体軸受の表面上に動圧リフティンググルーブ（ｌｉｆｔｉｎｇ ｇｒｏｏｖｅｓ、浮上溝）を含むことができ、この動圧リフティンググルーブは、ガスシールを生成するように構成されている。

スラスト気体軸受はスラスト気体軸受内にガスシールを形成するために、少なくとも１つの加圧ガスの静圧注入（ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）を受け入れるように構成することができる。

ジャーナル軸受の内面の縁部は、その内部に画定された複数のグルーブ（溝）を含むことができ、このグルーブはジャーナル軸受の縁部に高圧領域を作る形状を有する。

収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィス及び少なくとも１つの外側オリフィスを含むことができる。少なくとも１つの加圧ガスは、少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを含むことができる。プロセスガスがクリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合には、プロセスガスはクリーンエアガスが軸受内に漏れるのを防止する。

収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィス及び少なくとも１つの外側オリフィスを含むことができる。少なくとも１つの加圧ガスは、少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを含むことができる。クリーンエアガスがプロセスガスより高い圧力を持つ場合には、クリーンエアガスはプロセスガスが軸受内から漏れるのを防止する。

収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィス、少なくとも１つの外側オリフィスと、少なくとも１つの内側オリフィスと少なくとも１つの外側オリフィスの間に位置する少なくとも１つのシールガスオリフィスとを含むことができる。少なくとも１つの加圧ガスは、少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスと、少なくとも１つのシールガスオリフィスを介して供給されるシールガスとを含むことができる。シールガスがプロセスガス及びクリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合には、シールガスはプロセスガスが軸受内から漏れるのを防止する。

軸受の外面には、金属メッシュダンパを設けてもよい。

本開示の特定の例によれば、一のターボ機械が提供される。このターボ機械は、ケーシングの長手方向軸に沿って入口先端部とこの入口先端部に対向する出口先端部とを有するケーシングと、該ケーシング内に配置され、該ケーシングの入口先端部から出口先端部まで延びるシャフトと、該シャフトから半径方向外側に延びる少なくとも１つのロータと、少なくとも１つの軸受と、を備える。この軸受は、ジャーナル軸受に取り付けられたスラスト気体軸受と、スラスト気体軸受及びジャーナル軸受の少なくとも一方の表面に画定された２つ以上の収束−発散オリフィスとを含む。収束−発散オリフィスは、軸受の内部に少なくとも１つの加圧ガスを供給する。ロータはスラスト気体軸受内に収納されている。シャフトは、少なくとも部分的にジャーナル軸受内に収容される。

少なくとも１つの加圧ガスは、プロセスガスを含むことができる。

収束−発散オリフィスはそれぞれ、スロートを含んでいてもよく、各オリフィスは、当該オリフィスのスロート内の少なくとも１つの加圧ガスの流速をマッハ１にさせ、スロートを通過した少なくとも１つの加圧ガスの流速を超音速にさせるように構成されている。

スラスト気体軸受は、スラスト気体軸受の表面上に動圧リフティンググルーブを含むことができ、動圧リフティンググルーブは、気体シールを生成するように構成されている。

スラスト気体軸受は、スラスト気体軸受内にガスシールを形成するために、少なくとも１つの加圧ガスの静圧注入を受け入れるように構成することができる。

ジャーナル軸受の内面の縁部はその内部に画定された複数のグルーブを含むことができ、このグルーブはジャーナル軸受の縁部に高圧領域を作る形状を有する。

収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィス及び少なくとも１つの外側オリフィスを含むことができる。少なくとも１つの加圧ガスは、少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを含むことができる。プロセスガスがクリーンエアガスよりも高い圧力を持つ場合には、プロセスガスはクリーンエアガスが軸受内に漏れるのを防止する。

収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィス及び少なくとも１つの外側オリフィスを含むことができる。少なくとも１つの加圧ガスは、少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを含むことができる。クリーンエアガスがプロセスガスより高い圧力を持つ場合には、クリーンエアガスはプロセスガスが軸受内から漏れるのを防止する。

収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスと、少なくとも１つの内側オリフィスと少なくとも１つの外側オリフィスの間に位置する少なくとも１つのシールガスオリフィスとを含むことができる。少なくとも１つの加圧ガスは、少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスと、少なくとも１つのシールガスオリフィスを介して供給されるシールガスとを含み得る。シールガスがプロセスガス及びクリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合には、シールガスはプロセスガスが軸受内から漏れるのを防止する。

軸受の外面には、金属メッシュダンパを設けてもよい。

ターボ機械は、軸受の外面に設けられた金属メッシュダンパを更に含むことができる。

さらなる好ましい非限定的な実施又は態様を、以下の番号を付した項で説明する。

（１）ジャーナル軸受に取り付けられたスラスト気体軸受と、スラスト気体軸受及びジャーナル軸受の少なくとも一方の表面に画定された２つ以上の収束−発散オリフィスとを備え、収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの加圧ガスを軸受の内部に供給する、軸受。

（２）前記少なくとも１つの加圧ガスは、プロセスガスを含む、上記（１）に記載の軸受。

（３）前記収束−発散オリフィスは、それぞれスロートを備え、各オリフィスは前記オリフィスのスロート内の少なくとも１つの加圧ガスの流速をマッハ１にさせるようにし、前記スロートを通過した前記少なくとも１つの加圧ガスの流速を超音速にさせるように構成される、上記（１）又は（２）に記載の軸受。

（４）前記スラスト気体軸受は、前記スラスト気体軸受の表面に動圧リフティンググルーブを備え、前記動圧リフティンググルーブはガスシールを形成するように構成されている、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の軸受。

（５）前記スラスト気体軸受は、前記スラスト気体軸受内にガスシールを形成するために、前記少なくとも１つの加圧ガスの静圧注入を受け入れるように構成されている、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の軸受。

（６）前記ジャーナル軸受の内面の縁部には、前記ジャーナル軸受の内面に画定された複数のグルーブを備え、前記グルーブは、前記ジャーナル軸受の縁部に高圧領域を形成する幾何形状を有する、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の軸受。

（７）前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィス及び少なくとも１つの外側オリフィスを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを備え、前記プロセスガスが前記クリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合には、前記プロセスガスは前記クリーンエアガスが前記軸受内に漏れることを防止する、上記（１）〜（６）のいずれかに記載の軸受。

（８）前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィス及び少なくとも１つの外側オリフィスを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを備え、前記クリーンエアガスが前記プロセスガスよりも高い圧力を有する場合には、前記クリーンエアガスは前記プロセスガスが前記軸受内から漏れることを防止する、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の軸受。

（９）前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスと、前記少なくとも１つの内側オリフィスと前記少なくとも１つの外側オリフィスとの間に位置する少なくとも１つのシールガスオリフィスとを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスと、前記少なくとも１つのシールガスオリフィスを介して供給されるシールガスとを備え、前記シールガスが前記プロセスガス及び前記クリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合には、前記シールガスは前記プロセスガスが前記軸受内から漏れることを防止する、上記（１）〜（８）のいずれかに記載の軸受。

（１０）前記軸受の外面には、金属メッシュダンパが設けられている、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の軸受。

（１１）その長手方向軸に沿って入口端部及び前記入口端部と反対側の出口端部を有するケーシングと、前記ケーシング内に配置され、前記ケーシングの前記入口端部から前記出口端部まで延びるシャフトと、前記シャフトから半径方向外方に延びる少なくとも１つのロータと、ジャーナル軸受に取り付けられたスラスト気体軸受、及び前記スラスト気体軸受及び前記ジャーナル軸受のうちの少なくとも１つの表面に画定された２つ以上の収束−発散オリフィスを備える少なくとも１つの軸受を備え、前記収束−発散オリフィスは少なくとも１つの加圧ガスを前記軸受の内部に供給し、前記ロータは前記スラスト気体軸受内に収容され、前記シャフトは前記ジャーナル軸受内に少なくとも部分的に収容される、ターボ機械。

（１２）前記少なくとも１つの加圧ガスがプロセスガスを含む、上記（１１）に記載のターボ機械。

（１３）前記収束−発散オリフィスはそれぞれスロートを備え、各オリフィスは当該オリフィスの前記スロート内の前記少なくとも１つの加圧ガスの流速をマッハ１にし、スロートを通過する少なくとも１つの加圧ガスの流速を超音速にするように構成される、上記（１１）又は（１２）に記載のターボ機械。

（１４）前記スラスト気体軸受は前記スラスト気体軸受の表面上に動圧リフティンググルーブを備え、前記動圧リフティンググルーブはガスシールを生成するように構成される、上記（１１）〜（１３）のいずれかに記載のターボ機械。

（１５）前記スラスト気体軸受は、前記スラスト気体軸受内にガスシールを形成するために、前記少なくとも１つの加圧ガスの静圧注入を受け入れるように構成される、上記（１１）〜（１４）のいずれかに記載のターボ機械。

（１６）前記ジャーナル軸受の内面の縁部は、その内部に画定された複数のグルーブを備え、前記グルーブは、前記ジャーナル軸受の前記縁部に高圧領域を形成する幾何形状を有する、上記（１１）〜（１５）のいずれかに記載のターボ機械。

（１７）前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィス及び少なくとも１つの外側オリフィスを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを備え、前記プロセスガスが前記クリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合には、前記プロセスガスは前記クリーンエアガスが前記軸受内に漏れることを防止する、上記（１１）〜（１６）のいずれかに記載のターボ機械。

（１８）前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと少なくとも１つの外側オリフィスとを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを備え、前記クリーンエアガスが前記プロセスガスよりも高い圧力を有する場合には、前記クリーンエアガスは前記プロセスガスが前記軸受内から漏れるのを防止する、上記（１１）〜（１７）のいずれかに記載のターボ機械。

（１９）前記収束−発散オリフィスは少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスと、前記少なくとも１つの内側オリフィスと前記少なくとも１つの外側オリフィスとの間に位置する少なくとも１つのシールガスオリフィスとを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスと、前記少なくとも１つのシールガスオリフィスを介して供給されるシールガスとを備え、前記シールガスが前記プロセスガス及び前記クリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合、前記シールガスは前記プロセスガスが前記軸受内から漏出するのを防止する、上記（１１）〜（１８）のいずれかに記載のターボ機械。

（２０）前記軸受の外面に設けられた金属メッシュダンパをさらに備える、上記（１１）〜（１９）のいずれかに記載のターボ機械。

本発明のこれらの及び他の特徴や特性、ならびに構造の関連要素の動作及び機能の方法、ならびに部品の組み合わせ及び製造の経済性は、以下の説明を考慮し、添付の図面を参照するとより明らかになり、添付の図面のすべては本明細書の一部を形成し、同様の参照番号は、様々な図において対応する部品を示す。しかしながら、図面は例示及び説明のみを目的とするものであり、本発明の限定の定義を意図しているものではないことを明確に理解されたい。本明細書及び特許請求の範囲で使用される「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」といった単数形の表記は、文脈が明らかにそれに沿わないことを示さない限り、複数の指示対象物を包含する。

従来技術の例に係る多段式遠心流ターボ機械の部分断面斜視図である。

図１に示すターボ機械の第一段の概略断面図である。

本開示の一例に係るジャーナル軸受及びスラスト気体軸受の断面図である。

図３に示すジャーナル軸受及びスラスト気体軸受における収束−発散オリフィス形状の断面図である。

より高いクリーンエア圧力を有する、図３に示すジャーナル軸受及びスラスト気体軸受におけるオリフィスの空気流方向を示す断面図である。

より高いプロセスガス圧力を有する、図３に示すジャーナル軸受及びスラスト気体軸受におけるオリフィスの空気流方向を示す断面図である。

より高いシールガス圧力を有する、図３に示すジャーナル軸受及びスラスト気体軸受におけるオリフィスの空気流方向を示す断面図である。

以下の説明の目的のために、用語「端部」、「上」、「下」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」、「横方向」、「長手方向」及びそれらの派生語は、図面に方向を合わせるように本発明に関連するものとする。しかしながら、本発明は、反対に明示的に指定されている場合を除いて、様々な代替の変形及びステップシーケンスを想定することができることを理解されたい。添付の図面に示され、以下の明細書に記載される特定のデバイス及びプロセスは、本発明の単なる例示的な実施又は態様であることも理解されるべきである。したがって、本明細書で開示される実施又は態様に関連する特定の寸法及び他の物理的特性は、限定的であると見なされるべきではない。

図３及び図４を参照すると、本開示の一例に係る軸受２０２が示されている。軸受２０２は、ジャーナル軸受２２２とスラスト気体軸受２２０とを含む。収束−発散形状を有する複数のオリフィス２４０が、軸受２０２の１又は複数の表面に画定される。軸受２０２の１又は複数の表面には、シール能力が設けられる。

本開示の一例によれば、図３及び図４に図示した軸受２０２を用いるターボ機械が提供される。軸受２０２はターボ機械のケーシング２０４内に収容されており、このケーシングは、図１及び図２を参照する上述したターボ機械１０と同じタイプのものであっても、または類似のタイプのものであってもよく、図３にはターボ機械の一ステージが示されている。この軸受２０２に加えて、ターボ機械は、図１及び図２に図示したターボ機械１０を参照しつつ上で説明したように、その長手方向軸に沿って入口端部と入口端部に対向する出口端部とを有するケーシング２０４と、ケーシング２０４内に配置されケーシング２０４の入口端部から出口端部まで延びるシャフト２１０と、シャフト２１０から半径方向外側に延びる少なくとも１つのロータ２０８とを含む。当然のことながら、軸受２０２の構造及び図３に図示した構成要素は、多段式遠心圧縮機のような多段式ターボ機械に関連して利用することができる。複数の軸受２０２が、シャフト２１０の軸方向長さに沿って複数段で離間されていてもよい。

図３及び図４に示すように、軸受２０２は、ジャーナル軸受２２２に取り付けられたスラスト気体軸受２２０を含む。スラスト気体軸受２２０は、軸方向の両方の荷重に対する支持を提供する。スラスト気体軸受２２０は、複動式のスラスト気体軸受であってもよい。スラスト気体軸受２２０は、ジャーナル軸受２２２の端部に接合することができる。一実施によれば、スラスト気体軸受２２２はスラスト気体軸受２２０内に加圧ガスまたはガスの静圧注入を生成または収容するように構成され、これはスラスト気体軸受２２０内にドライガスシールを生成するために使用することができる。軸受２０２はシャフト２１０がジャーナル軸受２２２内に少なくとも部分的に位置するか、又は収容され、ロータ２０８がスラスト気体軸受２２０内に位置するか、又は収容されるように、ロータ２０８に連結されたシャフト２１０を軸受２０２内に配置することによって利用することができる。一例によれば、ケーシング２０４が軸受２０２を包囲している。

加圧ガスの静圧注入により、シャフト２１０とロータ２０８を囲む気体膜２１２が生成される。一例によれば、動圧リフティング形状を有するグルーブ２３０がジャーナル軸受２２２の内面２２４に配置される。ジャーナル軸受内面２２４上のグルーブ２３０は、加圧ガスの耐荷重を改善し、その結果、シャフト２１０及びロータ２０８の負荷を維持するために必要なガスが減少する。一例によれば、軸受２０２に注入される加圧ガスは、プロセスガスとして知られる圧縮機の作動流体である。一例によれば、複数の加圧ガスが複数のオリフィスを介して軸受２０２に注入される。これらのガスは、クリーンエアガス又はシールガスを含むことができる。

図４に示すように、ジャーナル軸受内面２２４に到達する前に、加圧された気体流２４２を制限してもよい。典型的な静圧気体軸受の設計において、リストリクタ（ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒｓ）は、通常、供給圧力の約５０％を間隙内で利用できるように設計される。一例によれば、リストリクタは、間隙内の供給圧力の５０％以上を許容するように設計されてもよい。一例によれば、オリフィスは、間隙内の供給圧力の５０％未満を許容するように設計されてもよい。一例によれば、軸受の設計において、気体流を制限するためにオリフィス２４０を利用することができる。オリフィス２４０は、収束−発散設計を有していてもよい。収束−発散ノズルでは、気体流２４２は収束チャンバ２４６に入り、そこではスロート２４４において断面積が最小に減少される。スロート２４４のサイズは流れがチョークされるように設計されており、例えば、流れは音速（マッハ数＝１）である。スロート２４４を通過した後、流れは、超音速に発散する断面積のチャンバ２４８内で等エントロピー的に（ｉｓｅｎｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ）膨張されてもよい。これは、オリフィスの出口における流速を、従来の長方形又は円形のオリフィス形状と比較して増加させる。

ロータ２０８の表面が受ける動圧は流体の速度の二乗に比例するので、オリフィスから出る流体速度を最大にすることは、所与の供給ガス圧力に対する静圧気体軸受の動圧（ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、ひいては耐荷重も最大にする。この効果は、単純な長方形又は円形オリフィス気体軸受と比較して、必要な気体流２４２圧力を減少させる。オリフィス２４０は、軸受２０２の表面に沿った様々な位置に配置することができる。一例によれば、複数のオリフィス２４０を軸受２０２の表面に沿った複数の位置に配置することができる。特定の例によれば、オリフィス２４０は、スラスト気体軸受２２０の１つ以上の表面に配置されてもよい。別の特定の例によれば、オリフィス２４０は、ジャーナル軸受２２２の１つ以上の表面に配置されてもよい。別の特定の例によれば、オリフィス２４０は、スラスト気体軸受２２０及びジャーナル軸受２２２の両方の１つ以上の表面に配置されてもよい。オリフィス２４０は、当業者が適切であると理解する、上述の収束−発散設計とは異なる代替の幾何学的形状を有するように設計されてもよいことを理解されたい。

図３を参照すると、本開示の一例によれば、スラスト気体軸受２２０の内面に動圧リフティンググルーブ２３４が設けられている。このグルーブ２３４は、ドライガスシールと同様のシール能力を提供するように構成されている。このグルーブ２３４のリフティング（浮上）幾何形状は、作動速度でスラスト気体軸受２２０とロータ２０８との間に高い圧力ギャップを作り出す動圧リフティング力を発生させる。これは、作動速度での供給圧力要件を減少させるだけでなく、スラスト気体軸受２２０にシール能力を付加する。

一例によれば、スラスト気体軸受２２０のシール能力は、異なるオリフィス２４０でのプロセスガス（圧縮機内の作動流体）とクリーンエアガスの圧力比を制御することによって改善することができる。また、ジャーナル軸受２２２のシール能力は、異なるオリフィス２４０でのクリーンエアガスとプロセスガスの圧力比を制御することによって改善することができる。一例によれば、１つ以上のオリフィス２４０が内側オリフィスとして指定され、１つ以上のオリフィス２４０が外側オリフィスとして指定されるように、複数のオリフィス２４０が軸受２０２上に配置される。特定の例によれば、軸受２０２は、１つの内側オリフィス、２つの内側オリフィス、３つの内側オリフィス、または３つ以上の内側オリフィスを含む。別の特定の例によれば、軸受２０２は、１つの外側オリフィス、２つの外側オリフィス、３つの外側オリフィス、または３つ以上の外側オリフィスを含む。内側オリフィスは、プロセスガスが供給されるオリフィスを指す。外側オリフィスは、クリーンエア、シールガス、または他のガスが供給されるオリフィスを指す。外側オリフィスは、内側オリフィスよりも軸受２０２の外縁部に近接して配置することができる。オリフィスは、収束−発散オリフィスであってもよい。オリフィスはまた、当業者が適切であると理解する、収束−発散オリフィス以外の代替のオリフィス形状であってもよい。

図３に示すように、ジャーナル軸受２２２の内面２２４の縁部（エッジ）にグルーブ２３２を追加して、シールとして作用させ、漏れを減少させてもよい。ジャーナル軸受の縁部のグルーブ２３２は、ジャーナル軸受２２２の縁部に高圧領域が生成されるようにガスを導くよう配置される。軸受の縁部におけるこの圧力上昇は、供給ガスのバッファとして作用し、漏れを減少させる。

一例によれば、金属メッシュダンパ２０６が、ケーシング２０４とスラスト気体軸受２２０及びジャーナル軸受２２２のいずれか又は両方との間に配置され、軸受２０２の減衰特性を改善する。金属メッシュダンパ２０６はロータ軸受システムの横方向固有振動数を横断するときに、軸受２０２に減衰（ダンピング）を与えるのであろう。金属メッシュダンパ２０６は、軸受２０２及び金属メッシュダンパ２０６を収容するケーシング２０４内に収容される。別の例によれば、ケーシングは金属メッシュダンパ２０６を含まずに、軸受２０２を収容する。

図５Ａ乃至図５Ｃを参照すると、軸受５０２内の漏れの方向及び量の制御を可能にするための、異なるオリフィスを通過するガスの圧力制御の例が示されている。図５Ａ乃至図５Ｃに示す軸受５０２は、図３及び図４を参照して上で説明した軸受２０２と同一又は実質的に同様の構造を有する。ガスは、少なくとも１つの外側オリフィス５０４及び少なくとも１つの内側オリフィス５０６を介して、軸受５０２に供給されてもよい。ガスは、図３及び図４を参照して上述したロータ２０８又はシャフト２１０のような回転部材５０８と、軸受５０２の内面との間にギャップを作ることができる。クリーンエアガス５１０は、少なくとも１つの外側オリフィス５０４を介して軸受５０２に供給されてもよい。プロセスガス５２０は、少なくとも１つの内側オリフィス５０６を介して軸受５０２内に供給されてもよい。図５Ａに示されるように、クリーンエアガス５１０の圧力は、プロセスガス５２０の圧力よりも高くてもよい。クリーンエアガス５１０の圧力がプロセスガス５２０の圧力よりも高い場合、クリーンエアガス５１０は、プロセスガス５２０が軸受５０２内から大気５５０に漏れるのを防止することができる。

図５Ｂに示されるように、プロセスガス５２０の圧力は、クリーンエアガス５１０の圧力よりも高くてもよい。プロセスガス５２０の圧力がクリーンエアガス５１０の圧力よりも高い場合、プロセスガス５２０は、クリーンエアガス５１０がターボ機械５６０内に漏れるのを防止することができる。これは、クリーンエアガス５１０の全てを大気５５０に漏らす可能性がある。一例によれば、プロセスガス５２０のより高い圧力は、クリーンエアガス５１０が少なくとも１つの内側オリフィス５０６を越えて、軸受内にさらに漏れるのを防止することができる。

図５Ｃに示すように、シールガス５３０は、少なくとも１つのシールガスオリフィス５００を介して軸受５０２内に注入することができる。少なくとも１つのシールガスオリフィス５００は、少なくとも１つのアウトボードオリフィス５０４と少なくとも１つのインボードオリフィス５０６との間に配置することができる。シールガス５３０は、クリーンエアガス５１０又はプロセスガス５２０ではないガスとすることができる。シールガス５３０の注入は、プロセスガス５２０及びクリーンエアガス５１０の漏れを制御するために使用することができる。シールガス５３０は、クリーンエアガス５１０及びプロセスガス５２０よりも高い圧力を有することができる。シールガス５３０がクリーンエアガス５１０及びプロセスガス５２０よりも高い圧力を有する場合、シールガス５３０は、プロセスガス５２０が軸受から大気５５０に漏れるのを防止することができる。また、シールガス５３０は、クリーンエアガス５１０がターボ機械５６０内に漏れるのを防止することができる。一例によれば、シールガス５３０のより高い圧力は、クリーンエアガス５１０が少なくとも１つのシールガスオリフィス５００を越えて、軸受５０２内にさらに漏れるのを防止することができる。シールガス５３０はクリーンエアガス５１０とプロセスガス５２０との間にバリアを作り、クリーンエアガス５１０とプロセスガス５２０とを分離したままにすることができる。

本発明は、反対に明示的に指定されている場合を除いて、様々な代替の変形形態及びステップシーケンスを想定することができることを理解されたい。また、添付の図面に示され、本明細書に記載された特定のデバイス及びプロセスは、単に本発明の例示的な実施又は態様であることを理解されたい。本開示は最も実用的で好ましい実施又は態様であると現在考えられているものに基づいて、例示の目的で詳細に説明されてきたが、そのような詳細はその目的のためだけであり、本発明は開示された実施又は態様に限定されず、反対に、本発明の精神及び範囲内にある修正及び同等の構成を包含することが意図されることを理解されたい。例えば、本発明は可能な限り、任意の実施又は態様の１又は複数の特徴を、任意の他の実施又は態様の１又は複数の特徴と組み合わせることができることを意図していることを理解されたい。

Claims (20)

1. ジャーナル軸受に取り付けられたスラスト気体軸受と；
   前記スラスト気体軸受及び前記ジャーナル軸受の少なくとも一方の表面に画定された２つ以上の収束−発散オリフィスと；を備え、
   前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの加圧ガスを前記軸受の内部に供給する、
   軸受。
2. 前記少なくとも１つの加圧ガスは、プロセスガスを含む、
   請求項１に記載の軸受。
3. 前記収束−発散オリフィスは、スロートをそれぞれ備え、各オリフィスは、当該オリフィスの前記スロート内における少なくとも１つの加圧ガスの流速をマッハ１にさせ、前記スロートを通過した前記少なくとも１つの加圧ガスの流速を超音速にさせるように構成される、
   請求項１に記載の軸受。
4. 前記スラスト気体軸受は、前記スラスト気体軸受の表面上に動圧リフティンググルーブを備え、前記動圧リフティンググルーブは、ガスシールを生成するように構成される、
   請求項１に記載の軸受。
5. 前記スラスト気体軸受は、前記スラスト気体軸受内にガスシールを形成するために、前記少なくとも１つの加圧ガスの静圧注入を受け入れるように構成される、
   請求項１に記載の軸受。
6. 前記ジャーナル軸受の内面の縁部は、その内部に画定された複数のグルーブを備え、前記グルーブは、前記ジャーナル軸受の前記縁部に高圧領域を作り出す形状を備える、
   請求項１に記載の軸受。
7. 前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスとを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを備え、
   前記プロセスガスが前記クリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合に、前記プロセスガスは前記クリーンエアガスが前記軸受内に漏れるのを防止する、
   請求項１に記載の軸受。
8. 前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスとを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを備え、
   前記クリーンエアガスが前記プロセスガスよりも高い圧力を有する場合に、前記クリーンエアガスは前記プロセスガスが前記軸受内から漏れるのを防止する、
   請求項１に記載の軸受。
9. 前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスと、前記少なくとも１つの内側オリフィスと前記少なくとも１つの外側オリフィスの間に位置する少なくとも１つのシールガスオリフィスとを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスと、前記少なくとも１つのシールガスオリフィスを介して供給されるシールガスとを備え、
   前記シールガスが前記プロセスガス及び前記クリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合に、前記シールガスは前記プロセスガスが前記軸受内から漏れるのを防止する、
   請求項１に記載の軸受。
10. 前記軸受の外面には、金属メッシュダンパが設けられている、
    請求項１に記載の軸受。
11. その長手方向軸に沿って、入口端部と、前記入口端部の反対側の出口端部とを備えるケーシングと；
    前記ケーシング内に配置され、前記ケーシングの前記入口端部から前記出口端部まで延在するシャフトと；
    前記シャフトから半径方向外側に延在する少なくとも１つのロータと；
    少なくとも１つの軸受であって、
    ジャーナル軸受に取り付けられたスラスト気体軸受と；
    前記スラスト気体軸受及び前記ジャーナル軸受のうちの少なくとも１つの表面に画定された２つ以上の収束−発散オリフィスと；を備える、前記少なくとも１つの軸受と；を備え、
    前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの加圧ガスを前記軸受の内部に供給し、
    前記ロータは、前記スラスト気体軸受内に収容され、
    前記シャフトは、前記ジャーナル軸受内に少なくとも部分的に収容される、
    ターボ機械。
12. 前記少なくとも１つの加圧ガスは、プロセスガスを含む、
    請求項１１に記載のターボ機械。
13. 前記収束−発散オリフィスは、スロートをそれぞれ備え、各オリフィスは、当該オリフィスの前記スロート内の少なくとも１つの加圧ガスの流速をマッハ１にさせ、前記スロートを通過した前記少なくとも１つの加圧ガスの流速を超音速にさせるように構成される、
    請求項１１に記載のターボ機械。
14. 前記スラスト気体軸受は、前記スラスト気体軸受の表面上に動圧リフティンググルーブを備え、前記動圧リフティンググルーブは、ガスシールを生成するように構成される、
    請求項１１に記載のターボ機械。
15. 前記スラスト気体軸受は、前記スラスト気体軸受内にガスシールを形成するために、前記少なくとも１つの加圧ガスの静圧注入を受け入れるように構成される、
    請求項１１に記載のターボ機械。
16. 前記ジャーナル軸受の内面の縁部は、その内部に画定された複数のグルーブを備え、前記グルーブは、前記ジャーナル軸受の前記縁部に高圧領域を作り出す形状を備える、
    請求項１１に記載のターボ機械。
17. 前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスとを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを備え、
    前記プロセスガスが前記クリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合に、前記プロセスガスは前記クリーンエアガスが前記軸受内に漏れるのを防止する、
    請求項１１に記載のターボ機械。
18. 前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスとを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスとを備え、
    前記クリーンエアガスが前記プロセスガスよりも高い圧力を有する場合に、前記クリーンエアガスは前記プロセスガスが前記軸受内から漏れるのを防止する、
    請求項１１に記載のターボ機械。
19. 前記収束−発散オリフィスは、少なくとも１つの内側オリフィスと、少なくとも１つの外側オリフィスと、前記少なくとも１つの内側オリフィスと前記少なくとも１つの外側オリフィスの間に位置する少なくとも１つのシールガスオリフィスを備え、前記少なくとも１つの加圧ガスは、前記少なくとも１つの内側オリフィスを介して供給されるプロセスガスと、前記少なくとも１つの外側オリフィスを介して供給されるクリーンエアガスと、前記少なくとも１つのシールガスオリフィスを介して供給されるシールガスとを備え、
    前記シールガスが前記プロセスガス及び前記クリーンエアガスよりも高い圧力を有する場合に、前記シールガスは前記プロセスガスが前記軸受内から漏れるのを防止する、
    請求項１１に記載のターボ機械。
20. 前記軸受の外面には金属メッシュダンパが設けられている、
    請求項１１に記載のターボ機械。

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