JP6526492B2

JP6526492B2 - 膨張タービン装置

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Publication number: JP6526492B2
Application number: JP2015123768A
Authority: JP
Inventors: 英嗣石丸; 雄一齋藤; 大祐仮屋; 遼太武内; 直人阪井; 智浩阪本
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2035-06-19
Also published as: CN107636259A; JP2017008775A; AU2016280924B2; CN107636259B; WO2016203767A1; AU2016280924A1

Description

本発明は、膨張タービン装置に関し、特に静圧気体軸受を備える膨張タービン装置の漏洩防止技術に関する。

一般に、水素ガス、ヘリウムガス等の原料ガスを液化する液化システムは、原料ガスを送るフィードライン、冷媒ガスを循環させる冷媒循環ライン、及び冷媒で原料ガスを冷却するための熱交換器を備えている。冷媒循環ラインを循環する冷媒ガスは、圧縮機で圧縮された後、膨張タービンにより断熱膨張されて降温する。原料ガスは降温された冷媒ガスと熱交換器で熱交換する事により冷却される。

膨張タービンには回転軸を支持するための軸受が必要になる。軸受として潤滑油を用いた液体軸受を適用すると、潤滑油が膨張タービンを通過する冷媒ガスに混入する恐れがある。そのため、軸受には、冷媒ガスと同じ種類のガスを用いた気体軸受を適用することが好ましい。気体軸受の内、静圧気体軸受は、液化システムの始動時及び停止時に軸受面と回転軸との間の摩擦を小さく抑える事が可能であり、また超高速回転に適している。このため、静圧気体軸受は膨張タービンの軸受として使用される（例えば特許文献1を参照）。

静圧気体軸受を用いる膨張タービンは、静圧気体軸受に冷媒ガスと同じ種類の軸受ガスを供給するための軸受供給ラインと、静圧気体軸受を通過した軸受ガスを排気する軸受排気ラインを備える。膨張タービン内部の軸受室には回転軸が挿設され、軸受供給ラインと軸受排気ラインが連通されている。回転軸の一端に設けられたタービンインペラは、膨張室に収容される。膨張室は、タービンインペラの外周側には冷媒ガスが流入する膨張室入口が形成され、中心部軸方向には冷媒ガスが流出する膨張室出口が形成される。一方、回転軸の他端に設けられたブレーキインペラは、制動ガス室に収容される。制動ガス室には、制動ガス室の出口と入口とを連通させる連通路が形成され、ブレーキインペラを含む閉回路が形成される。

膨張タービンのタービンインペラの背面には、膨張室から軸受室へ低温の冷媒ガスが漏洩するのを抑制するためにラビリンスシールが設けられる（例えば特許文献２を参照）。

特開２０００−５５０５０号公報特開平６−２６３０１号公報

しかし、ラビリンスシールは回転軸との間に一定の隙間があるため、シール差圧がある限り漏洩を完全に防ぐ事はできない。膨張室から軸受室への低温ガスの漏洩が増加すると、膨張タービンの効率が低下するとともに、軸受室が冷却されるために回転軸とラジアル静圧軸受の隙間寸法が変化し、場合によっては回転軸とラジアル静圧軸受との接触が生じる。

そこで、本発明は、静圧気体軸受を備える膨張タービンにおいて低温ガスのシール漏洩を抑制することを目的とする。

本発明の一態様に係る膨張タービン装置は、内部に膨張室と制動ガス室と軸挿通孔とが形成され、且つ前記軸挿通孔は前記膨張室と前記制動ガス室とを連通し且つ回転軸が挿通可能なように形成された本体と、前記膨張室に収容され、冷媒ガスを膨張させるタービンインペラと、前記制動ガス室に収容され、前記冷媒ガスと同じ種類の制動ガスによって制動されるブレーキインペラと、前記軸挿通孔に隙間を有して挿通され、一方の端部に前記タービンインペラが設けられ、他方の端部に前記ブレーキインペラが設けられた前記回転軸と、前記軸挿通孔に設けられ、入口から供給され且つ出口から排出される前記冷媒ガスと同じ種類の軸受ガスの静圧によって前記回転軸を回転可能に支持する静圧気体軸受と、前記軸受室の前記膨張室側の端と前記静圧気体軸受が設けられた部分との間の部分に設けられた第１ラビリンスシールと、前記軸受ガスと前記第１ラビリンスシールを通じて前記膨張室から前記軸受室に漏洩する冷媒ガスとの混合ガスを排出する混合ガス排出経路と、前記混合ガス排出経路に設けられ、前記静圧気体軸受の背圧を調整する第１背圧調整弁と、前記混合ガス排出経路に設けられ、前記混合ガスの温度を計測する温度センサと、前記混合ガス排出経路を流れる前記混合ガスの温度が低下した場合に前記静圧気体軸受の背圧を上昇させるように第１背圧調整弁を制御する制御装置と、を備える。

上記構成によれば、第１ラビリンスシールを通じて膨張室から軸受室に漏洩する冷媒ガスが増加すると混合ガス排出経路を流れる混合ガスの温度が低下するが、混合ガスの温度が低下すると制御装置が静圧気体軸受の背圧を上昇させる。これにより、第１ラビリンスシールの差圧が小さくなるので、漏洩量を抑制することができる。

上記膨張タービン装置では、前記静圧気体軸受が、前記回転軸を径方向において回転可能に支持する第１及び第２ラジアル静圧軸受と、前記回転軸を軸方向において回転可能に支持するスラスト静圧軸受と、を備え、前記軸受室に、前記膨張室から前記制動ガス室に向かって、前記第１ラジアル静圧軸受、前記スラスト静圧軸受、及び前記第２ラジアル静圧軸受が順に位置するように設けられ、且つ前記第１ラビリンスシールは、前記軸受室の前記膨張室側の端と前記第１ラジアル静圧軸受が設けられた部分との間の部分に設けられ、前記第１ラジアル静圧軸受の出口に前記混合ガス排出経路の上流端が接続され、前記スラスト静圧軸受の出口及び前記第２ラジアル静圧軸受の出口に軸受ガス専用排出経路の上流端が接続されてもよい。

上記構成によれば、膨張室側に位置する第１ラジアル静圧軸受に対してのみ、他の軸受とは独立した背圧制御が実施される。背圧制御は背圧を上げ過ぎると軸受性能が低下するという弊害を伴う場合があるが、上記構成によれば、第１ラビリンスシールに隣接する膨張室側の第１ラジアル静圧軸受のみを制御してその目的を果たすことができ、且つその他の軸受の背圧設定の自由度が増し、好適な制御が実現できる。

上記膨張タービン装置では、前記静圧気体軸受が、前記回転軸を径方向において回転可能に支持する第１及び第２ラジアル静圧軸受と、前記回転軸を軸方向において回転可能に支持するスラスト静圧軸受と、を備え、前記軸受室に、前記膨張室から前記制動ガス室に向かって、前記第１ラジアル静圧軸受、前記スラスト静圧軸受、及び前記第２ラジアル静圧軸受が順に位置するように設けられ、且つ、前記軸受室の前記第１ラジアル静圧軸受と前記スラスト静圧軸受との間の部分に設けられた第２ラビリンスシールと、前記スラスト静圧軸受の出口及び前記第２ラジアル静圧軸受の出口に上流端が接続された軸受ガス専用排出経路と、前記軸受ガス専用排出経路に設けられ、前記スラスト静圧軸受及び前記第２ラジアル静圧軸受の背圧を調整する第２背圧調整弁と、前記制動ガス室の出口に一端が接続され、且つ、前記制動ガス室の入口に他端が接続された制動ラインと、前記制動ラインに一端が接続され、且つ、前記軸受ガス専用排出経路に他端が接続された通気経路と、を更に備えてもよい。

上記構成によれば、通気経路を介して、制動ラインの圧力とスラスト静圧軸受及び第２ラジアル静圧軸受の背圧とを均一にさせ、第１ラジアル静圧軸受の軸受背圧とは独立した圧力制御を行うことができる。更に、上記構成によれば、第２ラビリンスシールを第１ラジアル静圧軸受とスラスト静圧軸受の間に移動することにより、第２ラジアル静圧軸受と膨張室の間の距離を短縮する事が可能で、第２ラジアル静圧軸受から膨張室側への回転軸の軸長も短縮でき、回転体質量を軽減し振動安定性の向上を図る事が可能である。

上記膨張タービン装置では、前記静圧気体軸受は、前記回転軸を径方向において回転可能に支持する第１及び第２ラジアル静圧軸受と、前記回転軸を軸方向において回転可能に支持するスラスト静圧軸受と、を備え、前記軸受室に、前記膨張室から前記制動ガス室に向かって、前記第１ラジアル静圧軸受、前記スラスト静圧軸受、及び前記第２ラジアル静圧軸受が順に位置するように設けられ、且つ前記第１ラビリンスシールは、前記軸受室の前記膨張室側の端と前記第１ラジアル静圧軸受が設けられた部分との間の部分に設けられ、前記第１ラジアル静圧軸受の前記膨張室側の出口に前記混合ガス排出経路の上流端が接続され、前記第１ラジアル静圧軸受の前記制動ガス室側の出口、前記スラスト静圧軸受の出口及び前記第２ラジアル静圧軸受の出口に軸受ガス専用排出経路の上流端が接続されていてもよい。

上記構成によれば、第１ラビリンスシールに最も隣接する第１ラジアル静圧軸受の膨張室側の出口に対してのみ背圧制御を実施するので、背圧設定の自由度が増し、好適な制御が実現できる。

本発明によれば、静圧気体軸受を備える膨張タービン装置において低温ガスのシール漏洩を抑制することができる。これにより、タービンの効率低下、軸受室の冷却を抑制することができる。

第１実施形態に係る膨張タービン装置の構造を示す一部断面図である。図１のラジアル静圧軸受の構成を示す概略図である。図１のスラスト静圧軸受の構成を示す概略図である。図１のラビリンスシールの構成を示す模式図である。図１の膨張タービン装置の全体的な構成を示す概略図である。第２実施形態に係る膨張タービン装置の構成を示す模式図である。第３実施形態に係る膨張タービン装置の構成を示す模式図である。第４実施形態に係る膨張タービン装置の構成を示す模式図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る膨張タービン装置の構造を示す一部断面図である。図１に示すように、膨張タービン装置１は、本体１０内部に膨張室２１と制動ガス室２０と軸挿通孔２２とが形成される。本体１０は、例えば、ケーシング形状に形成される。軸挿通孔２２は、膨張室２１と制動ガス室２０とを連通し且つ回転軸１３が挿通可能なように形成される。

回転軸１３は、軸挿通孔２２に隙間を有して挿通され、一方の端部にタービンインペラ１１が設けられ、他方の端部にブレーキインペラ１２が設けられる。回転軸１３は、本体１０内で上下方向に延び、上下軸線回りに回転可能に支持されている。

タービンインペラ１１は、膨張室２１に収容され、冷媒ガスを膨張させるように構成される。タービンインペラ１１は、回転軸１３の下端部に形成されている。本体１０下部には、膨張室入口２４及び膨張室出口２６が形成され、これによりタービンインペラ１１を収容している膨張室２１が本体１０外部のタービンライン１６に連通する。タービンライン１６から膨張室入口２４に流入した冷媒は、タービンインペラ１１に向けて噴射される。冷媒ガスは、タービンインペラ１１の回転に伴い膨張及び降温した後に、膨張室出口２６から本体１０外部に流出する。

ブレーキインペラ１２は、制動ガス室２０に収容され、冷媒ガスと同じ種類の制動ガスによって制動される。ブレーキインペラ１２は、回転軸１３の上端部に形成されている。本体１０上部には、制動ガス室入口２７及び制動ガス室出口２９が形成され、これによりブレーキインペラ１２を収容している制動ガス室２０が本体１０外部の制動ライン１５に連通する。制動ライン１５から制動ガス室入口２７に流入した常温の制動ガスは、ブレーキインペラ１２に向けてそのまま流入する。制動ガスは、ブレーキインペラ１２の回転に伴い圧縮されて昇圧及び昇温した後に、制動ガス室出口２９から制動ライン１５を経て制動ガス室入口２７へ戻る。

静圧気体軸受１４は、軸挿通孔２２に形成された軸受室２３に設けられ、前記膨張室入口２４から供給され且つ前記膨張室出口２６から排出される冷媒ガスと同じ種類の軸受ガスの静圧によって回転軸１３を回転可能に支持する。静圧気体軸受１４は、回転軸１３を径方向において回転可能に支持するラジアル静圧軸受１４ａ及び１４ｄと、回転軸１３を軸方向において回転可能に支持するスラスト静圧軸受１４ｂ及び１４ｃとを備える。これらの静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄは、略円筒状に形成され、回転軸１３の外周側を取り囲むようにして設けられる。軸受室２３に、膨張室２１から制動ガス室２０に向かって、第１ラジアル静圧軸受１４ｄ、第１スラスト静圧軸受１４ｃ、第２スラスト静圧軸受１４ｂ、ラジアル静圧軸受１４ａが順に位置するように設けられる。第２スラスト静圧軸受１４ｂ及び第１スラスト静圧軸受１４ｃは、回転軸１３の上下中央部から径方向に突出するスラストカラー３４を上下方向に挟むようにして配置される。

本体１０内には、第１共通給気通路３５ａと、第２共通給気通路３５ｂと、共通排気通路３６が形成される。第１共通給気通路３５ａと、第２共通給気通路３５ｂと、共通排気通路３６は、周方向に異なる位置に形成される。第１共通給気通路３５ａは、軸受ガス入口４９と連通し、軸受ガスを第２ラジアル静圧軸受１４ａ、第１ラジアル静圧軸受１４ｄの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路であり、第２共通給気通路３５ｂは、軸受ガス入口４９と連通し、軸受ガスを第２スラスト静圧軸受１４ｂ、第１スラスト静圧軸受１４ｃの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。本実施形態では、第１共通給気通路３５ａと第２共通給気通路３５ｂは独立に構成されているが、共通に構成されてもよい。共通排気通路３６は、軸受ガス出口５０と連通し、各静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄの隙間から排出された軸受ガスが流れる通路である。

第１共通給気通路３５ａは、第１給気通路３７及び第２給気通路３８に分岐される。第２共通給気通路３５ｂは、第３給気通路４３及び第４給気通路４４に分岐される。第１給気通路３７は、第２ラジアル静圧軸受１４ａの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。第２給気通路３８は、第１ラジアル静圧軸受１４ｄの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。第３給気通路４３は、第２スラスト静圧軸受１４ｂの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。第４給気通路４４は、第１スラスト静圧軸受１４ｃの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。

共通排気通路３６は、第１排気通路３９と、第２排気通路４０と、第３排気通路４１と、第４排気通路４２と連通している。第１排気通路３９は、第２ラジアル静圧軸受１４ａの隙間から上側に排出された軸受ガスが流れる通路である。第２排気通路４０は、第２ラジアル静圧軸受１４ａの隙間から下側に排出された軸受ガス及び、第２スラスト静圧軸受１４ｂの隙間から上側に排出された軸受ガスが流れる通路である。第３排気通路４１は、第１スラスト静圧軸受１４ｃの隙間から下側に排出された軸受ガス及び第１ラジアル静圧軸受１４ｄの隙間から上側に排出された軸受ガスが流れる通路である。第４排気通路４２は、第１ラジアル静圧軸受１４ｄの隙間から下側に排出された軸受ガスが流れる通路であるとともに、第４排気通路４２には、第１ラビリンスシール３０を通じて膨張室２１から第１ラジアル静圧軸受１４ｄの軸受室２３に漏洩する冷媒ガスが流入する。

図２は、第１ラジアル静圧軸受１４ｄの断面図を模式的に示している。図２に示すように、回転軸１３の外周側を取り囲むようにして略円筒状に軸受部材５１が形成されている。軸受部材５１は、回転軸１３との間に隙間を有する。軸受部材５１には複数のノズル穴（軸受入口）５１ａが円周方向に形成される。図１の第１共通給気通路３５ａから分岐された第２給気通路３８を流れる軸受ガスはノズル穴５１ａから回転軸１３に噴射される。第１ラジアル静圧軸受１４ｄの軸受膜（点線）が、軸受部材５１の内周面と回転軸１３の外周面との間に形成される。第１ラジアル静圧軸受１４ｄの隙間の一端（軸受出口）から上側に排出された軸受ガス（点線矢印）は、図１の第３排気通路４１から共通排気通路３６を通って排出される。第１ラジアル静圧軸受１４ｄの隙間の他端（軸受出口）から下側に排出された軸受ガス（点線矢印）は図１の第４排気通路４２から共通排気通路３６を通って排出される。図１の第２ラジアル静圧軸受１４ａも第１ラジアル静圧軸受１４ｄと同様な構成を備えており、軸受ガスによる軸受膜が形成され、第２ラジアル静圧軸受１４ａの隙間の両端（軸受出口）から上下に排出された軸受ガスは第１排気通路３９及び第２排気通路４０を通って共通排気通路３６に導かれる。

図３は、スラスト静圧軸受１４ｂ及び１４ｃの断面図を模式的に示している。図３に示すように、回転軸１３及びスラストカラー３４は、本体１０内部において隙間を有して配置される。ここで第３給気通路４３は、図１の第２共通給気通路３５ｂから分岐され、第２スラスト静圧軸受１４ｂの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。第４給気通路４４は、第２共通給気通路３５ｂから分岐され、第１スラスト静圧軸受１４ｃの隙間に供給される軸受ガスが流れる通路である。

第３給気通路４３を流れる軸受ガスはノズル穴（軸受入口）４３ａから噴射され、第２スラスト静圧軸受１４ｂの軸受膜（点線）が、軸挿通孔２２の内壁２２ａの下端面とスラストカラー３４の上端面との間に形成される。第４給気通路４４を流れる軸受ガスはノズル穴４４ａから噴射され、第１スラスト静圧軸受１４ｃの軸受膜（点線）が、軸挿通孔２２の内壁２２ａの上端面とスラストカラー３４の下端面との間に形成される。第２スラスト静圧軸受１４ｂの隙間の一端（軸受出口）から上側に排出された軸受ガス（点線矢印）は図１の第２排気通路４０から共通排気通路３６を通って排出される。第１スラスト静圧軸受１４ｃの隙間の他端（軸受出口）から下側に排出された軸受ガス（点線矢印）は図１の第３排気通路４１から共通排気通路３６を通って排出される。尚、第２スラスト静圧軸受１４ｂの隙間の一端（軸受出口）から下側に流出した軸受ガス（点線矢印）及び第１スラスト静圧軸受１４ｃの軸受隙間の他端（軸受出口）から上側に流出した軸受ガス（点線矢印）も共通排気通路３６を通って排出される。

図１の本体１０は、軸受ガス入口４９及び軸受ガス出口５０を有している。軸受ガス入口４９は、第１共通給気通路３５ａ及び第２共通給気通路３５ｂと連通している。軸受ガス出口５０は、共通排気通路３６と連通している。軸受ガス入口４９から、膨張タービン装置１の本体１０内の静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄに軸受ガスが供給される。軸受ガスには冷媒ガスと同じ種類のガスが使用される。静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄの隙間に軸受ガスが供給されることにより、回転軸１３を本体１０内で回転可能に支持することができ、回転軸１３のラジアル荷重及びスラスト荷重を良好に支持することができる。起動時及び停止時に、回転軸１３の外周面と、静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄの内周面との間で摩擦が生じない。このため、膨張タービン装置１の長寿命化を図ることができる。

また、軸受室２３の膨張室２１側の端と第１ラジアル静圧軸受１４ｄが設けられた部分との間の部分には第１ラビリンスシール３０が設けられる（図１参照）。図４は、第１ラビリンスシール３０の構成を示す模式図である。図４に示すように、第１ラビリンスシール３０は、回転軸１３と一定間隔を空けて回転軸１３の外周側を取り囲むような内周面を有する。内周面の表面には凹凸の隙間が複数設けられている。冷媒が隙間に進入する毎に漏れ圧が徐々に低下する。膨張室２１で断熱膨張された極低温の冷媒ガスと軸受ガスとの相互の冷媒の漏洩が抑制される。なお、制動ガス室２０側の端と第２ラジアル静圧軸受１４ａが設けられた部分との間の部分にも同様な構造の第２ラビリンスシール３１が設けられる（図１参照）。制動ガス室２０の制動ガスと軸受ガスとの相互の冷媒の漏洩が抑制される。

図５は、図１の膨張タービン装置１の全体的な構成を示す概略図である。以下では既に説明した構成については説明を省略する。図５に示すように、膨張タービン装置１は、本体１０と、制動ライン１５と、タービンライン１６と、軸受供給ライン１７と、排気ライン１８と、温度センサ６０と、第１背圧調整弁８０と、制御装置９０と、を備える。

制動ライン１５は、制動ガスを循環させ、ブレーキインペラ１２に制動ガスを供給するための配管である。制動ライン１５の一端は、図１の制動ガス室２０の制動ガス室入口２７に接続され、制動ライン１５の他端は、制動ガス室２０の制動ガス室出口２９に接続される。制動ライン１５の途中には熱交換器５３が設けられる。

熱交換器５３は、制動ライン１５を循環する制動ガスを降温及び降圧する。また、制動ライン１５を循環する制動ガスは、ブレーキインペラ１２を通過する過程で、圧縮されて昇温及び昇圧するが、熱交換器５３を通過することにより、降温及び降圧される。

タービンライン１６は、タービンインペラ１１に冷媒ガスを供給するための配管である。タービンライン１６の一端は、図１の膨張室２１の膨張室入口２４に接続され、タービンライン１６の他端は、膨張室２１の膨張室出口２６に接続される。膨張室２１の膨張室入口２４の上流において圧縮機（図示せず）により圧縮された低温高圧の冷媒がタービンインペラ１１へ導かれる。タービンインペラ１１は低温高圧の冷媒を、断熱膨張により降温及び降圧させる。

軸受供給ライン１７は、静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄに軸受ガスを供給するように構成される。軸受供給ライン１７の一端は、例えば液化システムの原料ガスを送るフィードラインに接続され、軸受供給ライン１７の他端は、本体１０の軸受ガス入口４９に接続される（図１参照）。軸受供給ライン１７は、第２ラジアル静圧軸受１４ａと、第２スラスト静圧軸受１４ｂと、第１スラスト静圧軸受１４ｃと、第１ラジアル静圧軸受１４ｄのそれぞれに軸受ガスを供給するように構成されている。軸受供給ライン１７は、図１の第１共通給気通路３５ａ及び第２共通給気通路２５ｂに連通されている。第１共通給気通路３５ａから分岐された第１給気通路３７及び第２給気通路３８を通じて第２ラジアル静圧軸受１４ａ、第１ラジアル静圧軸受１４ｄに軸受ガスが供給され、第２共通給気通路３５ｂから分岐された第３給気通路４３及び第４給気通路４４を通じて、第１スラスト静圧軸受１４ｃ及び第２スラスト静圧軸受１４ｂに軸受ガスが供給される（図１参照）。

排気ライン１８は、静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄの軸受室２３出口に上流端が接続され、静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄを通過した軸受ガスを排出する。本実施形態では、排気ライン１８の上流端は図１の軸受ガス出口５０に接続される。排気ライン１８は、図１の第１排気通路３９と、第２排気通路４０と、第３排気通路４１と、第４排気通路４２と、共通排気通路３６とを含む（図１参照）。排気ライン１８は、静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄを通過した軸受ガスと第１ラビリンスシール３０を通じてタービンライン１６（膨張室）から第１ラジアル静圧軸受１４ｄの軸受室２３に漏洩する冷媒ガスとの混合ガスを排出するように構成された混合ガス排出経路である。

温度センサ６０は、排気ライン１８に設けられ、排気ライン１８の軸受排気温度Ｔ_１を計測するように構成される。温度センサ６０は、計測した温度情報を制御装置９０に出力するように構成される。

第１背圧調整弁８０は、排気ライン１８に設けられ、制御装置９０の指令に基づいて排気ライン１８の背圧を調整するように構成される。

制御装置９０は、排気ライン１８に設けられ、温度センサ６０で計測された軸受排気温度Ｔ_１に基づいて第１背圧調整弁８０の開閉を制御する。本実施形態では、制御装置９０は、膨張タービン装置１のみならず、圧縮機等のその他の装置を制御する機能を有する。制御装置９０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ及び入出力インターフェイスを主体として構成されたマイクロコンピュータである。制御装置９０の入力側には排気ライン１８の圧力及び温度の測定値、タービン回転数等のプロセスデータが入力される。制御装置９０の出力側には、第１背圧調整弁８０，供給弁，排出弁等が接続されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行する。ＣＰＵは、プロセスデータの温度測定値を監視しながら、軸受背圧が設定どおり得られるように第１背圧調整弁８０を制御する。制御装置９０は、軸受排気温度Ｔ_１が基準値Ｔ_Ｓよりも低下した場合に、軸受背圧Ｐ_１を上げるように制御する。ここで温度基準値Ｔ_Ｓは正常時における所定の値又は一定の範囲の値である。

次に、以上のような構成の膨張タービン装置１の動作について図５を用いて説明する。膨張タービン装置１はタービンライン１６を通じて供給された低温高圧の冷媒により超高速回転する。膨張タービン装置１の運転中において、軸受供給ライン１７からタービン本体１０の静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄの隙間に軸受ガスが供給される。これにより、回転軸１３が本体１０内で回転可能に支持され、回転軸１３のラジアル荷重及びスラスト荷重が支持される。排気ライン１８からは静圧気体軸受１４ａ〜１４ｄの軸受ガスが排出される。タービンインペラ１１が収容された軸受室２３の膨張室２１側の端と第１ラジアル静圧軸受１４ｄが設けられた部分との間の部分には第１ラビリンスシール３０が設けられているが、第１ラビリンスシール３０を通じてタービンライン１６（膨張室）から軸受室２３に漏洩する冷媒ガスが存在する。このため、排気ライン１８には、軸受ガスと漏洩した冷媒ガスとの混合ガスが含まれる。第１ラビリンスシール３０を通じてタービンライン１６（膨張室）から軸受室２３に漏洩する冷媒ガスが増加した場合、温度センサ６０で計測される排気ライン１８の温度が低下する。第１ラビリンスシール３０の差圧が大きいほど漏洩量が増大する。第１ラビリンスシール３０の入口又は出口はセンサの設置が難しく正確な圧力計測は困難である。そこで、制御装置９０は、排気ライン１８の軸受排気温度Ｔ_１が基準値Ｔ_Ｓよりも低下した場合に、軸受背圧Ｐ_１を上げるように制御する。これにより、第１ラビリンスシール３０の差圧が小さくなるので、漏洩量を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図６を用いて説明する。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図６は、第２実施形態に係る膨張タービン装置１Ａの構成を示す模式図である。図６に示すように、膨張タービン装置１Ａは、第１実施形態（図５）と比較すると、第１ラジアル静圧軸受１４ｄの出口に排気ライン（混合ガス排出経路）１８の上流端が接続され、第１スラスト静圧軸受１４ｃ及び第２スラスト静圧軸受１４ｂの出口及び第２ラジアル静圧軸受１４ａの出口に軸受排気ライン（軸受ガス専用排出経路）１８ａの上流端が接続されている点が相違する。排気ライン１８は、第１ラジアル静圧軸受１４ｄを通過した軸受ガスを排出するように構成される。軸受排気ライン１８ａは、スラスト静圧軸受１４ｂ、１４ｃ、及び第２ラジアル静圧軸受１４ａを通過した軸受ガスを排出するように構成される。本実施形態では、軸受排気ライン１８ａの下流端は排気ライン１８の途中で合流するように構成されている。また、第１ラジアル静圧軸受１４ｄと第１スラスト静圧軸受１４ｃとの間の部分には第３ラビリンスシール３２が設けられる。

更に、本実施形態では、排気ライン１８に温度センサ６０と、第１背圧調整弁８０が設けられている。軸受排気ライン１８ａに圧力センサ１００と、第２背圧調整弁１１０が設けられている。圧力センサ１００及び第２背圧調整弁１１０により、静圧気体軸受１４ａ、１４ｂ、１４ｃの圧力制御を行う。更に、膨張室２１側に位置する第１ラジアル静圧軸受１４ｄに対してのみ、他の静圧気体軸受１４ａ、１４ｂ、１４ｃとは独立した背圧制御が実施される。背圧制御は背圧を上げ過ぎると軸受性能が低下するという弊害を伴う場合があるが、本実施形態によれば第１ラビリンスシール３０に隣接する膨張室２１側の第１ラジアル静圧軸受１４ｄのみを制御してその目的を果たすことができ、且つその他の静圧気体軸受１４ａ、１４ｂ、１４ｃの背圧設定の自由度が増し、好適な制御が実現できる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図７を用いて説明する。以下では、上記実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図７は、第３実施形態に係る膨張タービン装置１Ｂの構成を示す模式図である。図７に示すように、膨張タービン装置１Ｂは、第１実施形態（図５）と比較すると、第２ラビリンスシール３１が、第１ラジアル静圧軸受１４ｄと第１スラスト静圧軸受１４ｃとの間の部分に設けられる。第１ラジアル静圧軸受１４ｄの出口に排気ライン（混合ガス排出経路）１８の上流端が接続され、第１スラスト静圧軸受１４ｃ及び第２スラスト静圧軸受１４ｂの出口及び第２ラジアル静圧軸受１４ａの出口に軸受排気ライン（軸受ガス専用排出経路）１８ａの上流端が接続されている。更に、軸受排気ライン１８ａに圧力センサ１００と、第２背圧調整弁１１０が設けられている。そして、本実施形態では、制動ライン１５に一端が接続され、且つ、軸受排気ライン１８ａに他端が接続された通気経路１５ｂを更に備える点が相違する。

上記構成によれば、第２実施形態による効果に加え、通気経路１５ｂを介して、制動ライン１５の圧力とスラスト静圧軸受１４ｂ、１４ｃ及び第２ラジアル静圧軸受１４ａの背圧とを均一にすることができ、その圧力を圧力センサ１００及び第２背圧調整弁１１０により制御を行なう事ができる。

また、上記構成によれば、第２ラビリンスシール３１を第１ラジアル静圧軸受１４ｄとスラスト静圧軸受１４ｃの間に移動することにより、第２ラジアル静圧軸受１４ａと膨張室２１の間の距離を短縮する事が可能で、第２ラジアル静圧軸受１４ａから膨張室２１側への回転軸１３の軸長も短縮でき、回転体質量を軽減し振動安定性の向上を図る事が可能である。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図８を用いて説明する。以下では、上記実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図８は、第４実施形態に係る膨張タービン装置１Ｃの構成を示すブロック図である。図８に示すように、膨張タービン装置１Ｃは、第１実施形態（図５）と比較すると、排気ライン１８の上流端が、第１ラジアル静圧軸受１４ｄの膨張室側の出口のみに接続される点、及び軸受排気ライン１８ａの上流端が、第１ラジアル静圧軸受１４ｄの制動ガス室側の出口、スラスト静圧軸受１４ｂ、１４ｃの出口及び第２ラジアル静圧軸受１４ａの出口に接続される点が相違する。排気ライン１８は、第１ラジアル静圧軸受１４ｄの隙間から膨張室側に排出された軸受ガスと第１ラビリンスシール３０を通じて膨張室２１から軸受室２３に漏洩する冷媒ガスとの混合ガスを排出する。

上記構成によれば、第１ラビリンスシール３０に最も隣接する第１ラジアル静圧軸受１４ｄの膨張室側の出口に対してのみ背圧制御を実施するので、漏洩した低温ガスの温度対策を効果的に実施できる。また、背圧設定の自由度が増し、好適な制御が実現できる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び機能の一方又は双方の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、静圧気体軸受を備える膨張タービンに有用である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ膨張タービン装置
１０タービン本体
１１タービンインペラ
１２ブレーキインペラ
１３回転軸
１４静圧気体軸受
１４ａ第２ラジアル静圧軸受（制動ガス室側）
１４ｂ第２スラスト静圧軸受（制動ガス室側）
１４ｃ第１スラスト静圧軸受（膨張室側）
１４ｄ第１ラジアル静圧軸受（膨張室側）
１５制動ライン
１６タービンライン
１７軸受供給ライン
１８排気ライン（混合ガス排出経路）
１８ａ軸受排気ライン（軸受ガス専用排出経路）
２０制動ガス室
２１膨張室
２２軸挿通孔
２３軸受室
２４膨張室入口
２６膨張室出口
２７制動ガス室入口
２９制動ガス室出口
３０第１ラビリンスシール（膨張室側）
３１第２ラビリンスシール（制動ガス室側）
３２第３ラビリンスシール
６０温度センサ
８０第１背圧調整弁
９０制御装置
１００圧力センサ
１１０第２背圧調整弁

Claims

内部に膨張室と制動ガス室と軸挿通孔とが形成され、且つ前記軸挿通孔は前記膨張室と前記制動ガス室とを連通し且つ回転軸が挿通可能なように形成された本体と、
前記膨張室に収容され、冷媒ガスを膨張させるタービンインペラと、
前記制動ガス室に収容され、前記冷媒ガスと同じ種類の制動ガスによって制動されるブレーキインペラと、
前記軸挿通孔に隙間を有して挿通され、一方の端部に前記タービンインペラが設けられ、他方の端部に前記ブレーキインペラが設けられた前記回転軸と、
前記軸挿通孔内に形成された軸受室に設けられ、入口から供給され且つ出口から排出される前記冷媒ガスと同じ種類の軸受ガスの静圧によって前記回転軸を回転可能に支持する静圧気体軸受と、
前記軸受室の前記膨張室側の端と前記静圧気体軸受が設けられた部分との間の部分に設けられた第１ラビリンスシールと、
前記軸受ガスと前記第１ラビリンスシールを通じて前記膨張室から前記軸受室に漏洩する冷媒ガスとの混合ガスを排出する混合ガス排出経路と、
前記混合ガス排出経路に設けられ、前記静圧気体軸受の背圧を調整する第１背圧調整弁と、
前記混合ガス排出経路に設けられ、前記混合ガスの温度を計測する温度センサと、
前記混合ガス排出経路を流れる前記混合ガスの温度が低下した場合に前記静圧気体軸受の背圧を上昇させるように前記第１背圧調整弁を制御する制御装置と、
を備える、膨張タービン装置。
前記静圧気体軸受は、前記回転軸を径方向において回転可能に支持する第１及び第２ラジアル静圧軸受と、前記回転軸を軸方向において回転可能に支持するスラスト静圧軸受と、を備え、
前記軸受室に、前記膨張室から前記制動ガス室に向かって、前記第１ラジアル静圧軸受、前記スラスト静圧軸受、及び前記第２ラジアル静圧軸受が順に位置するように設けられ、且つ
前記第１ラビリンスシールは、前記軸受室の前記膨張室側の端と前記第１ラジアル静圧軸受が設けられた部分との間の部分に設けられ、
前記第１ラジアル静圧軸受の出口に前記混合ガス排出経路の上流端が接続され、
前記スラスト静圧軸受の出口及び前記第２ラジアル静圧軸受の出口に軸受ガス専用排出経路の上流端が接続されている、請求項１に記載の膨張タービン装置。
前記静圧気体軸受は、前記回転軸を径方向において回転可能に支持する第１及び第２ラジアル静圧軸受と、前記回転軸を軸方向において回転可能に支持するスラスト静圧軸受と、を備え、
前記軸受室に、前記膨張室から前記制動ガス室に向かって、前記第１ラジアル静圧軸受、前記スラスト静圧軸受、及び前記第２ラジアル静圧軸受が順に位置するように設けられ、且つ
前記軸受室の前記第１ラジアル静圧軸受と前記スラスト静圧軸受との間の部分に設けられた第２ラビリンスシールと、
前記スラスト静圧軸受の出口及び前記第２ラジアル静圧軸受の出口に上流端が接続された軸受ガス専用排出経路と、
前記軸受ガス専用排出経路に設けられ、前記スラスト静圧軸受及び前記第２ラジアル静圧軸受の背圧を調整する第２背圧調整弁と、
前記制動ガス室の出口に一端が接続され、且つ、前記制動ガス室の入口に他端が接続された制動ラインと、
前記制動ラインに一端が接続され、且つ、前記軸受ガス専用排出経路に他端が接続された通気経路と、を更に備える、請求項１に記載の膨張タービン装置。
前記静圧気体軸受は、前記回転軸を径方向において回転可能に支持する第１及び第２ラジアル静圧軸受と、前記回転軸を軸方向において回転可能に支持するスラスト静圧軸受と、を備え、
前記軸受室に、前記膨張室から前記制動ガス室に向かって、前記第１ラジアル静圧軸受、前記スラスト静圧軸受、及び前記第２ラジアル静圧軸受が順に位置するように設けられ、且つ
前記第１ラビリンスシールは、前記軸受室の前記膨張室側の端と前記第１ラジアル静圧軸受が設けられた部分との間の部分に設けられ、
前記第１ラジアル静圧軸受の前記膨張室側の出口に前記混合ガス排出経路の上流端が接続され、
前記第１ラジアル静圧軸受の前記制動ガス室側の出口、前記スラスト静圧軸受の出口及び前記第２ラジアル静圧軸受の出口に軸受ガス専用排出経路の上流端が接続されている、請求項１に記載の膨張タービン装置。