JP3103213B2 - Turbine expander and its hydrostatic thrust gas bearing - Google Patents
Turbine expander and its hydrostatic thrust gas bearingInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム液化冷凍機等
に用いられるタービン式膨張機及びそのロータを支持す
る静圧スラスト気体軸受に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a turbine type expander used in a helium liquefaction refrigerator and the like, and to a hydrostatic thrust gas bearing for supporting a rotor thereof.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ヘリウム液化冷凍機に用いられるタービ
ン式膨張機等、極低温化で使用されるタービン式膨張機
においては、その低温部に油が侵入すると大きなトラブ
ルにつながるおそれがあるため、このようなタービン式
膨張機におけるロータの回転支持には気体軸受を用いる
のが一般的とされている。この気体軸受は、動圧気体軸
受と静圧気体軸受とに大別されるが、動圧気体軸受は低
速時に軸受としての機能を果たさないことから、起動・
停止が頻繁に行われるヘリウム液化機や、膨張タービン
に低速運転が要求されるヘリウム液化冷凍機に使用され
るタービン式膨張機には一般に静圧気体軸受が用いられ
ている。2. Description of the Related Art In a turbine type expander used at extremely low temperatures, such as a turbine type expander used in a helium liquefaction refrigerator, if oil enters the low temperature part, it may lead to a serious trouble. It is generally accepted that a gas bearing is used to support the rotation of the rotor in such a turbine type expander. These gas bearings are roughly classified into dynamic pressure gas bearings and static pressure gas bearings. However, since dynamic pressure gas bearings do not function as bearings at low speed,
Static pressure gas bearings are generally used in helium liquefiers that are frequently stopped and turbine type expanders used in helium liquefaction refrigerators that require a low-speed operation of an expansion turbine.
【０００３】図５は、このような静圧気体軸受を備えた
従来のタービン式膨張機の一例を示したものである。図
において、ハウジング１０内には上下方向に延びるロー
タ１２が回転可能に収容され、その下端部にタービンイ
ンペラ１４が形成されている。これに対し、ハウジング
１０の側壁下部にはタービン給気口１８及びノズル２０
が設けられ、底壁にタービン排気口２２が設けられてお
り、上記タービン給気口１８から導入された作動流体が
ノズル２０から上記タービンインペラ１４に噴射された
後、タービン排気口２２から排出されるようになってい
る。また、ロータ１２の上端には径方向外側に突出する
制動ファン１６が形成され、この制動ファン１６は後述
のようにスラストカラーとしての機能を兼ねている。FIG. 5 shows an example of a conventional turbine type expander provided with such a hydrostatic gas bearing. In the figure, a vertically extending rotor 12 is rotatably accommodated in a housing 10, and a turbine impeller 14 is formed at a lower end thereof. On the other hand, a turbine inlet 18 and a nozzle 20
Is provided on the bottom wall, and a working fluid introduced from the turbine supply port 18 is injected from the nozzle 20 to the turbine impeller 14 and then discharged from the turbine exhaust port 22. It has become so. A braking fan 16 is formed at the upper end of the rotor 12 and projects radially outward. The braking fan 16 also functions as a thrust collar, as described later.
【０００４】上記ハウジング１０内におけるロータ１２
の周囲には、上下からブロック２４を挾む位置に上側静
圧ジャーナル気体軸受２６及び下側静圧ジャーナル気体
軸受２８が設けられ、上側静圧ジャーナル気体軸受２６
と上記制動ファン１６との間の位置には静圧スラスト気
体軸受３０が設けられている。[0004] The rotor 12 in the housing 10
, An upper static pressure journal gas bearing 26 and a lower static pressure journal gas bearing 28 are provided at positions sandwiching the block 24 from above and below.
A static pressure thrust gas bearing 30 is provided between the brake fan 16 and the brake fan 16.
【０００５】上下の静圧ジャーナル気体軸受２６，２８
の外周部には、図７にも示すような給気溝３２が形成さ
れ、この給気溝３２と静圧ジャーナル気体軸受２６，２
８の内側空間とが給気通路３４を介して連通されてお
り、この給気通路３４において静圧ジャーナル気体軸受
２６，２８に面する部分は小径のジャーナル軸受給気口
３５とされている。また、この静圧ジャーナル気体軸受
２６，２８において周方向に並ぶ複数の個所（より具体
的には上記給気通路３４と同数の個所）には、図６にも
示すような円柱状の安定化キャビティ３８が設けられ、
各安定化キャビティ３８は上下の通路４０を介して静圧
ジャーナル気体軸受２６，２８の内周面とロータ１２の
外周面との隙間に連通されている。Upper and lower static pressure journal gas bearings 26, 28
An air supply groove 32 is formed in the outer peripheral portion as shown in FIG. 7, and this air supply groove 32 and the static pressure journal gas bearings 26 and 2 are formed.
The inner space 8 communicates with the space through an air supply passage 34, and a portion of the air supply passage 34 facing the static pressure journal gas bearings 26 and 28 is a small-diameter journal bearing air supply port 35. Further, at a plurality of locations (more specifically, the same number of locations as the supply passages 34) arranged in the circumferential direction in the static pressure journal gas bearings 26 and 28, a columnar stabilization as shown in FIG. A cavity 38 is provided,
Each stabilizing cavity 38 communicates with a gap between the inner peripheral surfaces of the hydrostatic journal gas bearings 26 and 28 and the outer peripheral surface of the rotor 12 via upper and lower passages 40.
【０００６】これに対し、図５に示すブロック２４に
は、上下の安定化キャビティ３８内に臨む小孔のキャビ
ティ絞り４２と、両キャビティ絞り４２からブロック２
４の外周面にまで至る排気通路４３とが形成されるとと
もに、ハウジング１０の側壁には、各静圧ジャーナル気
体軸受２６，２８の給気溝３２に通ずる軸受給気口３６
と、上記ブロック２４の排気通路４３に通ずるジャーナ
ル軸受排気口４４とが形成されている。On the other hand, a block 24 shown in FIG. 5 includes a small-diameter cavity stop 42 facing the upper and lower stabilizing cavities 38 and a block 2 from the two cavity stops 42.
An exhaust passage 43 extending to the outer peripheral surface of the housing 4 is formed, and a bearing air supply port 36 communicating with the air supply groove 32 of each of the static pressure journal gas bearings 26 and 28 is formed on the side wall of the housing 10.
And a journal bearing exhaust port 44 communicating with the exhaust passage 43 of the block 24.
【０００７】下側静圧ジャーナル気体軸受２８の下部内
周面には、この内周面とロータ１２外周面との隙間を通
じてノズル２０からの作動流体が安定化キャビティ３８
に流入するのを規制するためのラビリンス４６が形成さ
れている。また、上側静圧ジャーナル気体軸受２６に
は、上記給気通路３４から軸受上面に至るスラスト軸受
給気通路４８が設けられている。On the lower inner peripheral surface of the lower hydrostatic journal gas bearing 28, a working fluid from the nozzle 20 is supplied with a stabilizing cavity 38 through a gap between the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the rotor 12.
A labyrinth 46 for restricting the inflow into the labyrinth is formed. The upper static pressure journal gas bearing 26 is provided with a thrust bearing air supply passage 48 extending from the air supply passage 34 to the upper surface of the bearing.
【０００８】静圧スラスト気体軸受３０には、これを上
下方向に貫通するスラスト軸受給気通路５０が形成され
ている。このスラスト軸受給気通路５０は、その下端開
口が前記上側静圧ジャーナル気体軸受２６のスラスト軸
受給気通路４８の上端開口と合致する位置に設けられ、
スラスト軸受給気通路５０の上端部は図８にも示すよう
な小径のスラスト軸受給気口５２とされている。また、
静圧スラスト気体軸受３０の外周部上面には全周にわた
ってリング状排気溝５４が形成され、ハウジング１０の
側壁において上記リング状排気溝５４に通ずる位置には
リング状排気溝５６及びスラスト軸受排気口５８が形成
されている。なお、図８では上記リング状排気溝５４の
図示を省略している。The hydrostatic thrust gas bearing 30 has a thrust bearing air supply passage 50 penetrating the same in the vertical direction. The thrust bearing air supply passage 50 is provided at a position where the lower end opening thereof coincides with the upper end opening of the thrust bearing air supply passage 48 of the upper hydrostatic journal gas bearing 26,
The upper end of the thrust bearing air supply passage 50 is a small diameter thrust bearing air inlet 52 as shown in FIG. Also,
A ring-shaped exhaust groove 54 is formed over the entire outer peripheral portion of the upper surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30, and a ring-shaped exhaust groove 56 and a thrust bearing exhaust port are provided on the side wall of the housing 10 so as to communicate with the ring-shaped exhaust groove 54. 58 are formed. In FIG. 8, the illustration of the ring-shaped exhaust groove 54 is omitted.
【０００９】さらに、この静圧スラスト気体軸受３０の
上面には、図８，９にも示すように、径方向に延びる複
数本の排気溝６０が形成されている。各排気溝６０は、
一様な幅寸法及び深さ寸法を有し、静圧スラスト気体軸
受３０の内周面から上記リング状排気溝５４に至るまで
延びている。Further, as shown in FIGS. 8 and 9, a plurality of exhaust grooves 60 extending in the radial direction are formed on the upper surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30. Each exhaust groove 60 is
It has a uniform width and depth, and extends from the inner peripheral surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30 to the ring-shaped exhaust groove 54.
【００１０】このようなタービン式膨張機において、ノ
ズル２０からヘリウムガス等の作動流体が噴射されてロ
ータ１２が回転駆動されている間、ハウジング１０内に
は軸受給気口３６から軸受用ガスが供給される。このガ
スは、静圧ジャーナル気体軸受２６，２８の給気溝３２
及び給気通路３４を通ってジャーナル軸受給気口３５か
ら両静圧ジャーナル気体軸受２６，２８の内周面とロー
タ１２外周面との隙間に供給される一方、この隙間のガ
スは安定化キャビティ３８、キャビティ絞り４２、及び
ジャーナル軸受排気通路４３を通じてジャーナル軸受排
気口４４からハウジング１０外へ排出される。また、上
記給気通路３４内に供給されたガスの一部は、スラスト
軸受給気通路４８，５０を通ってスラスト軸受給気口５
２から制動ファン１６下面と静圧スラスト気体軸受３０
の上面との隙間に供給され、この隙間内のガスは、排気
溝６０、リング状排気溝５４，５６、及びスラスト軸受
排気口５８を通じてハウジング１０外へ排出される。In such a turbine type expander, while the working fluid such as helium gas is injected from the nozzle 20 and the rotor 12 is driven to rotate, the bearing gas is supplied from the bearing supply port 36 into the housing 10 in the housing 10. Supplied. This gas is supplied to the supply grooves 32 of the static pressure journal gas bearings 26 and 28.
The gas is supplied from the journal bearing inlet 35 to the gap between the inner peripheral surfaces of the two static pressure journal gas bearings 26 and 28 and the outer peripheral surface of the rotor 12 through the air supply passage 34, while the gas in this gap is supplied to the stabilizing cavity. The gas is exhausted outside the housing 10 from the journal bearing exhaust port 44 through the 38, the cavity restrictor 42, and the journal bearing exhaust passage 43. A part of the gas supplied into the air supply passage 34 passes through the thrust bearing air supply passages 48 and 50 and the thrust bearing air inlet 5
2 to the lower surface of the braking fan 16 and the hydrostatic thrust gas bearing 30
Is supplied to a gap between the housing 10 and the upper surface of the housing 10, and gas in the gap is exhausted out of the housing 10 through the exhaust groove 60, the ring-shaped exhaust grooves 54 and 56, and the thrust bearing exhaust port 58.
【００１１】このようにして、両静圧ジャーナル気体軸
受２６，２８及び静圧スラスト気体軸受３０によりロー
タ１２が回転支持されるが、ロータ１２が高速回転を始
めると、ロータ１２にふれ回り不安定性が生じ、励振力
が発生する。しかしながら、上記構造では、上記ロータ
１２の外周面に通路４０を介して安定化キャビティ３８
が通じており、かつ、この安定化キャビティ３８からの
ガス排出流量がキャビティ絞り４２によって規制されて
いるため、上記安定化キャビティ３８が上記励振力と反
対向きの力（補償力）を発生させることとなり、これに
よって高速回転時にもロータ１２の安定性が確保される
（機械の研究 第29巻 第11号「気体軸受の応用と開発」
参照）。In this way, the rotor 12 is rotatably supported by the two static pressure journal gas bearings 26 and 28 and the static pressure thrust gas bearing 30. When the rotor 12 starts rotating at high speed, the rotor 12 whirls instability. Is generated, and an exciting force is generated. However, in the above structure, the stabilizing cavity 38 is formed on the outer peripheral surface of the rotor 12 through the passage 40.
And the gas discharge flow rate from the stabilizing cavity 38 is regulated by the cavity restrictor 42, so that the stabilizing cavity 38 generates a force (compensation force) in the direction opposite to the exciting force. This ensures the stability of the rotor 12 even during high-speed rotation (Mechanical Research Vol. 29, No. 11, "Application and Development of Gas Bearings")
reference).
【００１２】また、静圧スラスト気体軸受３０の上方に
おいては、この静圧スラスト気体軸受３０の上面に対し
て制動ファン１６が高速で回転するため、何らの工夫も
施さないと収納部の流れに乱れが生じて軸振動が発生
し、焼き付き等の不都合が発生するおそれがあるが、上
記タービン式膨張機では、静圧スラスト気体軸受３０の
上面に形成された排気溝６０により軸受部の流れに乱れ
が生じることが抑制されている。In addition, above the static pressure thrust gas bearing 30, the braking fan 16 rotates at a high speed with respect to the upper surface of the static pressure thrust gas bearing 30, so that the flow of the storage section must be taken without any measures. Although turbulence may occur to cause shaft vibration and cause inconvenience such as seizure, in the above-mentioned turbine type expander, the flow of the bearing portion is reduced by the exhaust groove 60 formed on the upper surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30. The occurrence of disturbance is suppressed.
【００１３】すなわち、このタービン式膨張機では、両
静圧ジャーナル気体軸受２６，２８に形成された安定化
キャビティ３８と、静圧スラスト気体軸受３０に形成さ
れた排気溝６０とによって、ロータ１２の高速安定性が
確保されている。That is, in this turbine type expander, the stabilizing cavity 38 formed in both the hydrostatic journal gas bearings 26 and 28 and the exhaust groove 60 formed in the hydrostatic thrust gas bearing 30 cause the rotor 12 to rotate. High-speed stability is ensured.
【００１４】[0014]
【発明が解決しようとする課題】上記タービン式膨張機
において、安定化キャビティ３８の性能を発揮させるに
は、この安定化キャビティ３８内の圧力を適当な範囲内
に保っておく必要があり、例えば、上記排気溝６０内の
ガスが静圧スラスト気体軸受３０内周面とロータ１２外
周面との隙間を通って安定化キャビティ３８内に侵入
し、安定化キャビティ３８内を昇圧させてしまうと、ロ
ータ１２の高速安定性を保つことは困難となる。すなわ
ち、安定化キャビティ３８周囲のシール性が安定化キャ
ビティ３８の性能を引き出す上で重要なファクタとな
る。In the above-mentioned turbine type expander, in order to exhibit the performance of the stabilizing cavity 38, it is necessary to maintain the pressure in the stabilizing cavity 38 within an appropriate range. If the gas in the exhaust groove 60 enters the stabilizing cavity 38 through the gap between the inner peripheral surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30 and the outer peripheral surface of the rotor 12 and increases the pressure in the stabilizing cavity 38, It is difficult to maintain high-speed stability of the rotor 12. That is, the sealing property around the stabilizing cavity 38 is an important factor in deriving the performance of the stabilizing cavity 38.
【００１５】一方、上記構造では制動ファン１６がスラ
ストカラーを兼ねており、しかも静圧スラスト気体軸受
３０は単一であるため、運転中でのロータ１２の軸方向
の位置を一定させるには、ロータ１２を常に下向き（タ
ービン側）に押付けておく必要がある。ここで、ロータ
１２に加わる力は、タービンインペラ１４の受ける圧
力と面積に起因する上向き力、静圧スラスト気体軸受
３０の支持による上向き力、制動ファン１６の受ける
圧力と面積に起因する下向き力、の三種類であり、これ
らの力の合力を下向きにするには制動ファン１６側の圧
力をタービンインペラ１４側の圧力よりも高い圧力に維
持する必要がある。しかも、制動ファン１６側の圧力と
静圧スラスト気体軸受３０における排気溝６０の圧力は
ほぼ等しいため、タービン入口圧力が高くなると、上記
排気溝６０の圧力は安定化キャビティ３８内の圧力より
も高くなければならず、その圧力差によりガスが排気溝
６０から安定化キャビティ３８に向かって流れ易くな
り、安定化キャビティ３８の昇圧を引き起こすおそれが
ある。On the other hand, in the above structure, the braking fan 16 also functions as a thrust collar, and the static pressure thrust gas bearing 30 is single, so that the axial position of the rotor 12 during operation is fixed. The rotor 12 must always be pressed downward (toward the turbine). Here, the force applied to the rotor 12 includes an upward force due to the pressure and area received by the turbine impeller 14, an upward force due to the support of the hydrostatic thrust gas bearing 30, a downward force caused by the pressure and area received by the braking fan 16, It is necessary to maintain the pressure on the brake fan 16 side higher than the pressure on the turbine impeller 14 side in order to lower the resultant force of these forces. Moreover, since the pressure on the braking fan 16 side and the pressure in the exhaust groove 60 in the static pressure thrust gas bearing 30 are substantially equal, when the turbine inlet pressure increases, the pressure in the exhaust groove 60 becomes higher than the pressure in the stabilizing cavity 38. The pressure difference makes it easier for the gas to flow from the exhaust groove 60 toward the stabilizing cavity 38, which may cause a pressure increase in the stabilizing cavity 38.
【００１６】そこで従来は、上記静圧スラスト気体軸受
３０の内周面に図５に示すようなラビリンス６２を形成
し、このラビリンス６２によって上記内周面とロータ１
２外周面との隙間におけるガスの流れを規制する（いわ
ゆるシール作用）ことにより、このガスの流入すること
による安定化キャビティ３８内の昇圧を防いでいる。し
かしながら、このようなラビリンス６２を用いた構造に
は次のような問題点がある。Therefore, conventionally, a labyrinth 62 as shown in FIG. 5 is formed on the inner peripheral surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30, and the labyrinth 62 allows the inner peripheral surface and the rotor 1 to be rotated.
By regulating the flow of the gas in the gap between the outer peripheral surface and the outer peripheral surface (so-called sealing action), the pressure in the stabilizing cavity 38 due to the inflow of the gas is prevented. However, the structure using the labyrinth 62 has the following problems.
【００１７】(a) 上記ラビリンス６２によるシール作用
を十分に得るには、このラビリンス６２が形成される静
圧スラスト気体軸受３０の上下寸法（厚み寸法）を大き
く取らなければならず、その分ロータ１２のシャフト部
分も長くなり、ロータ系の固有振動数が低下する。(A) In order to obtain a sufficient sealing action by the labyrinth 62, the vertical dimension (thickness dimension) of the hydrostatic thrust gas bearing 30 in which the labyrinth 62 is formed must be large, and the rotor Twelve shaft portions also become longer, and the natural frequency of the rotor system decreases.
【００１８】(b) 制動ファン１６と上側静圧ジャーナル
軸受２６との間に一定以上の距離を置かなければなら
ず、このような制約のためにロータ系の重心位置を理想
位置に設定することができない。(B) A certain distance or more must be provided between the braking fan 16 and the upper hydrostatic journal bearing 26. Due to such restrictions, the center of gravity of the rotor system must be set to an ideal position. Can not.
【００１９】(c) 上記ラビリンス６２の配設領域を十分
長くとっても、制動ファン循環流路圧力が約６kg/cm2G
を超えると、ラビリンス６２からのリークが顕著となっ
て安定化キャビティ３８内の圧力が上昇し、高速安定性
を保てなくなることが実験により確かめられている。(C) Even if the area where the labyrinth 62 is provided is sufficiently long, the pressure of the brake fan circulation passage is about 6 kg / cm 2 G
It has been experimentally confirmed that when the pressure exceeds the limit, the leakage from the labyrinth 62 becomes remarkable, the pressure in the stabilizing cavity 38 increases, and high-speed stability cannot be maintained.
【００２０】なお、このような問題点を回避する手段と
して、上記排気溝６０及びラビリンス６２を設ける代わ
りに、静圧スラスト気体軸受３０側にも安定化キャビテ
ィを設け、これによって静圧スラスト気体軸受３０側で
の高速安定性を保つことが考えられるが、このような
「安定化キャビティ付静圧スラスト気体軸受」は構造が
複雑であり、コスト高を招くとともに、大きな軸受剛性
が得られないために高速回転機械には不適である。As means for avoiding such a problem, instead of providing the exhaust groove 60 and the labyrinth 62, a stabilizing cavity is provided also on the hydrostatic thrust gas bearing 30 side, whereby the hydrostatic thrust gas bearing is provided. Although it is conceivable to maintain high-speed stability on the 30 side, such a “static pressure thrust gas bearing with a stabilizing cavity” has a complicated structure, which leads to an increase in cost and a large bearing rigidity cannot be obtained. They are not suitable for high-speed rotating machines.
【００２１】本発明は、このような事情に鑑み、簡単な
構造で、静圧スラスト気体軸受の軸方向寸法を大きくと
ることなく、スラストカラー側の圧力が上昇した場合に
もロータの高速安定性を保つことができるタービン式膨
張機及びその静圧スラスト気体軸受を提供することを目
的とする。In view of such circumstances, the present invention has a simple structure, does not increase the axial dimension of the hydrostatic thrust gas bearing, and maintains the high-speed stability of the rotor even when the pressure on the thrust collar increases. It is an object of the present invention to provide a turbine-type expander and a hydrostatic thrust gas bearing for the same, which can maintain the pressure.
【００２２】[0022]
【課題を解決するための手段】本発明は、ハウジング
と、このハウジング内に収容され、径方向外側に突出す
るスラストカラーをもつロータと、このロータを回転可
能に支持するとともに、このロータ外周面との隙間に連
通しかつ内部の気体が絞り部を介して外部に排出される
安定化キャビティを有する静圧ジャーナル気体軸受と、
この静圧ジャーナル気体軸受と上記スラストカラーとの
間に設けられ、このスラストカラーが軸方向に押付けら
れた状態でロータを回転可能に支持する静圧スラスト気
体軸受とを備えたタービン式膨張機において、上記静圧
スラスト気体軸受がスラストカラーと対向する面に半径
方向に延びる複数の排気溝を形成するとともに、この排
気溝を、静圧スラスト気体軸受の径方向外側の空間に通
じ、かつ静圧スラスト気体軸受の内周面よりも径方向外
側の位置まで延びる第１の溝と、この第１の溝よりも小
幅でかつ浅い形状に形成され、この第１の溝から静圧ス
ラスト気体軸受の内周面にまで至る第２の溝とで構成し
たものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a housing, a rotor housed in the housing and having a radially outwardly projecting thrust collar, rotatably supporting the rotor, and an outer peripheral surface of the rotor. A static pressure journal gas bearing having a stabilizing cavity that communicates with the gap and the inside gas is discharged to the outside through the throttle portion,
A turbine type expander provided between the static pressure journal gas bearing and the thrust collar, and a static pressure thrust gas bearing that rotatably supports the rotor in a state where the thrust collar is pressed in the axial direction. The static pressure thrust gas bearing forms a plurality of exhaust grooves extending in the radial direction on a surface facing the thrust collar, and communicates the exhaust grooves with a radially outer space of the static pressure thrust gas bearing, and A first groove extending to a position radially outward from the inner peripheral surface of the thrust gas bearing, and formed to have a smaller width and a shallower shape than the first groove; And a second groove extending to the inner peripheral surface.
【００２３】また本発明は、タービン式膨張機のハウジ
ング内に設けられたロータのスラストカラーと安定化キ
ャビティをもつ静圧ジャーナル気体軸受との間に配さ
れ、上記スラストカラーが押付けられた状態でロータを
回転可能に支持する静圧スラスト気体軸受において、こ
の静圧スラスト気体軸受がスラストカラーと対向する面
に半径方向に延びる複数の排気溝を形成するとともに、
この排気溝を、静圧スラスト気体軸受の径方向外側の空
間に連通する第１の溝と、この第１の溝よりも小幅でか
つ浅い形状に形成され、この第１の溝から静圧スラスト
気体軸受の内周面にまで至る第２の溝とで構成したもの
である。The present invention is also provided between a thrust collar of a rotor provided in a housing of a turbine type expander and a hydrostatic journal gas bearing having a stabilizing cavity, wherein the thrust collar is pressed. In a hydrostatic thrust gas bearing rotatably supporting a rotor, the hydrostatic thrust gas bearing forms a plurality of exhaust grooves extending in a radial direction on a surface facing the thrust collar,
The exhaust groove is formed to have a first groove communicating with a radially outer space of the hydrostatic thrust gas bearing, and a narrower and shallower shape than the first groove. The second groove extends to the inner peripheral surface of the gas bearing.
【００２４】[0024]
【作用】上記構成によれば、第１の溝及び第２の溝から
なる排出溝によって、従来と同様にスラストカラーと静
圧スラスト気体軸受との間での高速安定性が確保され
る。しかも、上記第２の溝は第１の溝に比して小幅でか
つ浅く形成されているので、この第２の溝の存在によ
り、第１の溝から静圧スラスト気体軸受内周面とロータ
外周面との隙間を通って安定化キャビティ内に流入する
ガスの量が規制され、これによって安定化キャビティ内
の昇圧が抑制される。According to the above construction, high-speed stability between the thrust collar and the hydrostatic thrust gas bearing is ensured by the discharge groove including the first groove and the second groove as in the conventional case. In addition, since the second groove is formed to be narrower and shallower than the first groove, the presence of the second groove allows the inner circumferential surface of the hydrostatic thrust gas bearing and the rotor to move from the first groove to the rotor. The amount of gas flowing into the stabilizing cavity through the gap with the outer peripheral surface is regulated, whereby the pressure increase in the stabilizing cavity is suppressed.
【００２５】[0025]
【実施例】本発明の一実施例を図１〜図４に基づいて説
明する。なお、図１〜３に示すタービン式膨張機の全体
構造は、大略、前記図５〜図９に示した従来のタービン
式膨張機と同様であり、同等の構成要素には同一の参照
符を付してその説明を省略する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The overall structure of the turbine-type expander shown in FIGS. 1 to 3 is substantially the same as that of the conventional turbine-type expander shown in FIGS. 5 to 9 described above, and the same reference numerals denote the same components. The description is omitted here.
【００２６】このタービン式膨張機の特徴とするところ
は、前記図５に示した静圧スラスト気体軸受３０のラビ
リンス６２が省略されるとともに、このラビリンス６２
に代え、静圧スラスト気体軸受３０上面に形成された排
気溝６６が、第１の溝６３及び第２の溝６４で構成され
ている点にある。第１の溝６３は、静圧スラスト気体軸
受３０の外周部に形成されたリング状排気溝５４から静
圧スラスト気体軸受３０内周面のすぐ手前の位置まで延
びており、前記図５に示した排気溝６０と同等の幅寸法
及び深さ寸法を有している。これに対し、第２の溝６４
は、上記第１の溝６３よりも小幅でかつ浅く形成されて
おり、第１の溝６３の終端から静圧スラスト気体軸受３
０の内周面にまで至っている。The features of this turbine type expander are that the labyrinth 62 of the hydrostatic thrust gas bearing 30 shown in FIG.
Instead, the exhaust groove 66 formed on the upper surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30 is constituted by the first groove 63 and the second groove 64. The first groove 63 extends from the ring-shaped exhaust groove 54 formed on the outer peripheral portion of the hydrostatic thrust gas bearing 30 to a position immediately before the inner peripheral surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30, as shown in FIG. It has the same width dimension and depth dimension as the exhaust groove 60. On the other hand, the second groove 64
Are formed to be narrower and shallower than the first groove 63, and from the end of the first groove 63 to the hydrostatic thrust gas bearing 3.
It reaches the inner peripheral surface of zero.
【００２７】このような構造によれば、第１の溝６３及
び第２の溝６４からなる排気溝６６が、図５に示した排
気溝６０と同様にリング状排気溝５４から静圧スラスト
気体軸受３０の内周面との間の全域に延びているので、
従来と同様に上記排気溝６６によって制動ファン１６背
面（下面）と静圧スラスト気体軸受３０上面との間での
高速安定性を確保することができる。しかも、上記第２
の溝６４は第１の溝６３に比して小幅でかつ浅く形成さ
れているので、この第２の溝６４の存在により、第１の
溝６３内のガスが静圧スラスト気体軸受３０の内周面と
ロータ１２外周面との隙間を通って安定化キャビティ３
８内に流入するのを規制することができ、これによって
安定化キャビティ３８内の昇圧を抑え、この安定化キャ
ビティ３８による高速安定化機能も十分に確保すること
ができる。According to such a structure, the exhaust groove 66 composed of the first groove 63 and the second groove 64 is moved from the ring-shaped exhaust groove 54 to the hydrostatic thrust gas, similarly to the exhaust groove 60 shown in FIG. Since it extends to the entire area between the inner peripheral surface of the bearing 30 and
The high-speed stability between the rear surface (lower surface) of the braking fan 16 and the upper surface of the hydrostatic thrust gas bearing 30 can be ensured by the exhaust groove 66 as in the related art. Moreover, the second
Since the groove 64 is formed to be smaller and shallower than the first groove 63, the gas in the first groove 63 causes the gas in the first groove 63 to move inside the hydrostatic thrust gas bearing 30 due to the presence of the second groove 64. Stabilizing cavity 3 through the gap between the peripheral surface and the outer peripheral surface of rotor 12
It is possible to restrict the inflow into the inside 8, thereby suppressing the pressure increase in the stabilizing cavity 38 and sufficiently securing the high-speed stabilizing function by the stabilizing cavity 38.
【００２８】次に、本発明の効果を確認するために行っ
た実験の結果を示す。本発明者等は、次の三種類の静圧
スラスト気体軸受を用いて試験的にタービン式膨張機の
運転を行った。Next, the results of experiments conducted to confirm the effects of the present invention will be described. The present inventors experimentally operated a turbine-type expander using the following three types of hydrostatic thrust gas bearings.
【００２９】Ａ）図５に示すように、全域にわたって均
一な幅寸法及び深さ寸法を有する排気溝６０をリング状
排気溝５４から静圧スラスト気体軸受内周面に至る領域
に形成し、かつ内周面にラビリンス６２を形成した軸
受。A) As shown in FIG. 5, an exhaust groove 60 having a uniform width and depth over the entire area is formed in a region from the ring-shaped exhaust groove 54 to the inner peripheral surface of the hydrostatic thrust gas bearing, and A bearing having a labyrinth 62 formed on the inner peripheral surface.
【００３０】Ｂ）図２に示す第１の溝６３のみを形成
し、第２の溝６４を省略した軸受。すなわち図５に示す
排気溝６０を内周面に至る前で断ち、この排気溝６０内
と静圧スラスト気体軸受の内側とを遮断し、内周面のラ
ビリンス６２を省略した軸受。B) A bearing in which only the first groove 63 shown in FIG. 2 is formed and the second groove 64 is omitted. That is, the exhaust groove 60 shown in FIG. 5 is cut before reaching the inner peripheral surface, the inside of the exhaust groove 60 and the inside of the hydrostatic thrust gas bearing are cut off, and the labyrinth 62 on the inner peripheral surface is omitted.
【００３１】Ｃ）図１，２に示すように、第１の溝６３
及び第２の溝６４を設け、かつラビリンスを省略した本
実施例における軸受。C) As shown in FIGS. 1 and 2, the first groove 63
And a bearing in this embodiment in which a second groove 64 is provided and a labyrinth is omitted.
【００３２】上記運転により、次のような結果が得られ
た。The following results were obtained by the above operation.
【００３３】Ａ）の軸受（従来軸受）：図４の一点鎖線
Ｌ１に示すように、制動ファン１６の循環流路圧力を上
げると安定化キャビティ３８内の圧力が著しく上昇し、
高速安定性が悪くなった。具体的には、制動ファン１６
の循環流路圧力が約６kg/cm2G 以上になると、安定化キ
ャビティ３８内の圧力が２kg/cm2Ｇ程度まで上昇してし
まい、この安定化キャビティ３８の制振性能が十分に得
られなくなった。これは、上記制動ファン循環流路圧力
の上昇に伴い、ラビリンス６２からのリークが増え、安
定化キャビティ３８に流入するガス量が増大したものと
考えられる。A) Bearing (Conventional Bearing): As shown by the dashed line L1 in FIG. 4, when the pressure in the circulation passage of the braking fan 16 is increased, the pressure in the stabilizing cavity 38 is significantly increased.
High-speed stability has deteriorated. Specifically, the braking fan 16
When the pressure of the circulation passage of about 6 kg / cm 2 G or more, the pressure in the stabilizing cavity 38 increases to about 2 kg / cm 2 G, and the vibration damping performance of the stabilizing cavity 38 is sufficiently obtained. lost. This is considered to be due to an increase in the leak from the labyrinth 62 and an increase in the amount of gas flowing into the stabilizing cavity 38 with an increase in the pressure of the braking fan circulation passage.
【００３４】Ｂ）の軸受（従来軸受の変形）：図４の実
線Ｌ２に示すように、制動ファン循環流路圧力を上げて
も安定化キャビティ３８内の圧力はさほど上昇しなかっ
た。しかしながら、制動ファン循環流路圧力が約４kg/c
m2G に至り、かつロータ周速が約160ｍ/ｓである時点で
ホワールが発生し、ロータ１２に焼き付きが生じて高速
安定性はＡ）の軸受よりも却って悪くなった。これは、
排気溝６０がリング状排気溝５４から軸受内周面に至る
までの径方向全域にわたって形成されていないために、
この排気溝６０による高速安定化機能が得られなかった
ためと考えられる。B) Bearing (Modification of Conventional Bearing): As shown by the solid line L2 in FIG. 4, the pressure in the stabilizing cavity 38 did not increase so much even if the pressure of the brake fan circulation passage was increased. However, the pressure of the brake fan circulation channel is about 4kg / c.
When the speed reaches m 2 G and the rotor peripheral speed is about 160 m / s, whirling occurs, and the seizure of the rotor 12 occurs, and the high-speed stability is worse than that of the bearing A). this is,
Since the exhaust groove 60 is not formed in the entire radial direction from the ring-shaped exhaust groove 54 to the inner peripheral surface of the bearing,
It is considered that the high-speed stabilizing function by the exhaust groove 60 could not be obtained.
【００３５】Ｃ）の軸受（本実施例の軸受）：図４の破
線Ｌ３に示すように、制動ファン循環流路圧力の上昇に
伴う安定化キャビティ３８内の圧力上昇は非常に小さ
く、しかも、制動ファン循環流路圧力を約７kg/cm2G ま
で上昇させてもＢ）の軸受に見られたようなトラブルは
発生せず、ロータ周速が約200ｍ/ｓに達しても安定な運
転が可能であった。これは、安定化キャビティ３８及び
排気溝６６双方の高速安定化機能が有効に発揮されたこ
とを物語っている。C) Bearing (Bearing of the Present Embodiment): As shown by the broken line L3 in FIG. 4, the pressure rise in the stabilizing cavity 38 accompanying the rise in the pressure of the braking fan circulation passage is very small, and Even if the pressure in the brake fan circulation channel is increased to about 7 kg / cm 2 G, the trouble as seen in the bearing of B) does not occur, and stable operation can be achieved even when the rotor peripheral speed reaches about 200 m / s. It was possible. This indicates that the high-speed stabilizing function of both the stabilizing cavity 38 and the exhaust groove 66 was effectively exerted.
【００３６】以上の結果から、制動ファン循環流路圧力
が上昇しても十分な高速安定性を確保するには、本発明
のように排気溝を第１の溝とこの第１の溝よりも小幅で
かつ浅い第２の溝とで構成することが重要であることが
伺える。From the above results, in order to secure a sufficient high-speed stability even when the pressure of the brake fan circulation passage increases, the exhaust groove is formed as the first groove and the first groove as in the present invention. It can be seen that it is important to form the second groove with a small width and a shallow depth.
【００３７】なお、本発明において、安定化キャビティ
及び排気溝の配設数や、排気溝の幅寸法及び深さ寸法は
構造に応じて適宜設定すればよい。また、静圧ジャーナ
ル気体軸受の個数も問わず、静圧ジャーナル気体軸受と
ロータ側のスラストカラーとの間に静圧スラスト気体軸
受が配される場合に広く本発明を適用することができ
る。In the present invention, the number of stabilizing cavities and exhaust grooves, and the width and depth of the exhaust grooves may be appropriately set according to the structure. In addition, the present invention can be widely applied to a case where a hydrostatic thrust gas bearing is disposed between a hydrostatic journal gas bearing and a thrust collar on the rotor side, regardless of the number of hydrostatic journal gas bearings.
【００３８】[0038]
【発明の効果】以上のように本発明は、安定化キャビテ
ィ付静圧ジャーナル気体軸受とロータ側のスラストカラ
ーとの間に配される静圧スラスト気体軸受において、こ
のスラスト軸受が上記スラストカラーと対向する面に排
気溝を設けるとともに、この排気溝を径方向外側の第１
の溝と径方向内側の第２の溝とで構成し、この第２の溝
を第１の溝よりも小幅でかつ浅い形状に形成してガス流
量を規制するようにしたものであるので、この排気溝に
よって静圧スラスト気体軸受側の高速安定性を十分に確
保するとともに、上記第２の溝による流量規制によって
安定化キャビティ内の昇圧を防ぐことにより、スラスト
カラー側の圧力が上昇した場合にも安定化キャビティの
高速安定化機能を十分に確保することができる効果があ
る。As described above, the present invention relates to a hydrostatic thrust gas bearing disposed between a static pressure journal gas bearing with a stabilizing cavity and a thrust collar on the rotor side. Exhaust grooves are provided on the opposing surface, and the exhaust grooves
And a radially inner second groove, and the second groove is formed to have a smaller width and a shallower shape than the first groove so as to regulate the gas flow rate. This exhaust groove ensures sufficient high-speed stability on the hydrostatic thrust gas bearing side, and prevents pressure increase in the stabilizing cavity by regulating the flow rate by the second groove, thereby increasing the pressure on the thrust collar side. This also has the effect that the high-speed stabilizing function of the stabilizing cavity can be sufficiently ensured.
【図１】本発明の一実施例におけるタービン式膨張機の
断面正面図である。FIG. 1 is a sectional front view of a turbine type expander according to an embodiment of the present invention.
【図２】上記タービン式膨張機に設けられる静圧スラス
ト気体軸受の平面図である。FIG. 2 is a plan view of a hydrostatic thrust gas bearing provided in the turbine type expander.
【図３】図２のＡ矢視図である。FIG. 3 is a view as viewed from an arrow A in FIG. 2;
【図４】上記タービン式膨張機及び従来のタービン式膨
張機における制動ファン循環流路圧力と安定化キャビテ
ィ平均圧力との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a relationship between a brake fan circulation flow path pressure and a stabilized cavity average pressure in the turbine type expander and the conventional turbine type expander.
【図５】従来のタービン式膨張機の断面正面図である。FIG. 5 is a sectional front view of a conventional turbine type expander.
【図６】上記タービン式膨張機に設けられる静圧ジャー
ナル気体軸受の平面図である。FIG. 6 is a plan view of a hydrostatic journal gas bearing provided in the turbine type expander.
【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図である。FIG. 7 is a sectional view taken along the line BB of FIG. 6;
【図８】上記タービン式膨張機に設けられる静圧スラス
ト気体軸受の平面図である。FIG. 8 is a plan view of a hydrostatic thrust gas bearing provided in the turbine type expander.
【図９】図８のＣ矢視図である。FIG. 9 is a view as viewed in the direction of arrow C in FIG. 8;
１０ ハウジング １２ ロータ １６ 制動ファン（スラストカラー） ２６ 上側静圧ジャーナル気体軸受 ３０ 静圧スラスト気体軸受 ３８ 安定化キャビティ ４２ キャビティ絞り ６３ 第１の溝 ６４ 第２の溝 ６６ 排気溝 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Housing 12 Rotor 16 Braking fan (thrust collar) 26 Upper static pressure journal gas bearing 30 Static pressure thrust gas bearing 38 Stabilization cavity 42 Cavity throttle 63 First groove 64 Second groove 66 Exhaust groove
Claims (2)
され、径方向外側に突出するスラストカラーをもつロー
タと、このロータを回転可能に支持する静圧ジャーナル
気体軸受と、この静圧ジャーナル気体軸受と上記スラス
トカラーとの間に設けられ、このスラストカラーが軸方
向に押付けられた状態でロータを回転可能に支持する静
圧スラスト気体軸受とを備え、上記静圧ジャーナル気体
軸受に、その内周面とロータ外周面との隙間に連通しか
つ内部の気体が絞り部を介して外部に排出される安定化
キャビティが形成されたタービン式膨張機において、上
記静圧スラスト気体軸受がスラストカラーと対向する面
に半径方向に延びる複数の排気溝を形成するとともに、
この排気溝を、静圧スラスト気体軸受の径方向外側の空
間に通じ、かつ静圧スラスト気体軸受の内周面よりも径
方向外側の位置まで延びる第１の溝と、この第１の溝よ
りも小幅でかつ浅い形状に形成され、この第１の溝から
静圧スラスト気体軸受の内周面にまで至る第２の溝とで
構成したことを特徴とするタービン式膨張機。A rotor having a thrust collar housed in the housing and projecting radially outward; a hydrostatic journal gas bearing rotatably supporting the rotor; and a hydrostatic journal gas bearing. A static pressure thrust gas bearing that is provided between the thrust collar and rotatably supports the rotor in a state where the thrust collar is pressed in the axial direction; In a turbine type expander in which a stabilizing cavity is formed which communicates with a gap between the rotor and the outer peripheral surface and in which gas inside is discharged to the outside through a throttle portion, the hydrostatic thrust gas bearing faces a thrust collar. While forming a plurality of exhaust grooves extending in the radial direction on the surface,
A first groove extending through the exhaust groove to a space radially outside the hydrostatic thrust gas bearing and extending to a position radially outside the inner peripheral surface of the hydrostatic thrust gas bearing; and a first groove extending from the first groove. And a second groove extending from the first groove to the inner peripheral surface of the hydrostatic thrust gas bearing.
られたロータのスラストカラーと安定化キャビティをも
つ静圧ジャーナル気体軸受との間に配され、上記スラス
トカラーが押付けられた状態でロータを回転可能に支持
する静圧スラスト気体軸受において、この静圧スラスト
気体軸受がスラストカラーと対向する面に半径方向に延
びる複数の排気溝を形成するとともに、この排気溝を、
静圧スラスト気体軸受の径方向外側の空間に連通する第
１の溝と、この第１の溝よりも小幅でかつ浅い形状に形
成され、この第１の溝から静圧スラスト気体軸受の内周
面にまで至る第２の溝とで構成したことを特徴とするタ
ービン式膨張機における静圧スラスト気体軸受。2. A rotor disposed in a housing of a turbine type expander between a thrust collar of a rotor and a hydrostatic journal gas bearing having a stabilizing cavity, and rotating the rotor with the thrust collar pressed. In the hydrostatic thrust gas bearing that is supported as possible, the hydrostatic thrust gas bearing forms a plurality of exhaust grooves extending in a radial direction on a surface facing the thrust collar, and the exhaust grooves are
A first groove communicating with a radially outer space of the hydrostatic thrust gas bearing, and a narrower and shallower shape than the first groove, and an inner periphery of the hydrostatic thrust gas bearing from the first groove; A hydrostatic thrust gas bearing in a turbine type expander, comprising a second groove extending to a surface.
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| JP04240842A JP3103213B2 (en) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | Turbine expander and its hydrostatic thrust gas bearing |
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| JPH0694032A JPH0694032A (en) | 1994-04-05 |
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- 1992-09-09 JP JP04240842A patent/JP3103213B2/en not_active Expired - Fee Related
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