JPS6396453A - 膨張タ−ビンにおける軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ヘリウムガス、水素ガス、酸素、窒素、ＬＰ
Ｇ、　ＬＮＧ等の液化用膨脹タービンにおいて、ロータ
を回転自在に支承する軸受装置に関する。

従来の技術 従来の小型膨脹タービンにおけるロータの軸受装置には
、例えば第５図に示すようなものがある。

この装置は、一端にタービン翼車０１３を、かつ他端に
コンプレッサ翼車０１４を備えるロータ０１１を、軸受
ハウジング０９０内に設けた左右１対のジャーナル軸受
０２０．０４０と単一のスラスト軸受０６０とを以て支
承するようにしている。

ジャーナル軸受０２０１０４０としては、高速回転時に
問題となるホワールを抑えるため、ロータ０１１の円周
方向に互いに分割されたティルティングパッド０２２を
備える動圧型のものが用いられ、またスラスト軸受０６
０としては、負荷能力の大きなスパイラルグループ軸受
が用いられている。

軸受ハウジング０９０内のガス圧は、タービン入口圧力
及びコンプレッサ出口圧力に均圧されていとの間には、
いずれも特別なシールは設けられていない。

発明が解決しようとする問題点 上述のような従来の構造では、ロータ０１１の外径があ
まり大きくない場合には、ホワールの発生を十分に抑制
することができるが、タービン流量が増し、かつロータ
０１１の外径が大径化するにしたがって、ホワールが発
生し易くなるという問題点がある。その理由は次のとお
りである。

一般に、ガス軸受の場合、軸径の大小にか＼わらず、軸
受最大剛性を与えるような軸受半径すきま比近傍の値に
設計される。軸受すきま比一定の条件のもとで運転する
ことを前提とした場合、軸受のバネ剛性や減衰率はロー
タの周速に比例する。

一方、ロータホワール発生回転数は軸受直径の１．５乗
に逆比例する。

膨脹タービンはタービン性能上から、タービン外周の速
度が一定になるように設計されるため、タービン外径が
決まれば、ロータの回転数はそれに反比例したような値
になる。しかし、ロータのホワール発生回転数は上述し
たように軸径の１．５乗に反比例するため、軸径の増大
にしたがい不安定に成り易い傾向を有する。

本発明は、上述のような問題点に鑑み、ロータの外径が
大径化しても、ホワールの発生を十分に抑えることがで
きるようにした膨脹タービンにおける軸受装置を提供す
ることを目的としている。

問題点を解決するための手段 本発明の膨脹タービンにおける軸受装置においては、一
端にタービン翼車を、かつ他端にコンプレッサ翼車を備
えるロータを、軸受ハウジング内に設けたジャーナル軸
受とスラスト軸受とをもって支承するとともに、前記ジ
ャーナル軸受を、ロータの軸線を中心とする円周方向に
互いに分離された複数の弧状の軸受パッドをもって構成
し、かつ前記各軸受パッドを、軸受ハウジング内に支持
されたピボット軸の内端に、球面軸受をもってそれぞれ
支持するとともに、前記各軸受パッドの軸受面に静圧ガ
スを供給する静圧ガス供給手段を設けている。

作用 本発明の膨脹タービンにおける軸受装置によると、各軸
受パッドの軸受面に静圧ガスを送り込むことにより、ロ
ータに対して、各軸受パッドによる機械的な動圧に、静
圧ガスによる静圧が加わり、軸受ばね剛性が増加する。

軸受によってロータに与えられる求心力は、各軸受パッ
ドの軸受面に供給するガスの圧力を制御することにより
、大巾に変えることができる。

したがって、膨脹タービン運転領域で発生する軸受合力
の接線成分より大きな求心力が得られるように軸受供給
ガス圧力を調整することにより、ロータを安定して回転
させ、ホワールの発生を防↓ 止することができ。

実施例 以下、本発明の一実施例を、第１図から第４図までを参
照して詳細に説明する。

第１図において、１０はロータアセンブリで、中央部に
拡径円板状のスラストカラー１２を有するロータ１１と
、このロータ１１の第１図における右端に、固定ボルト
１１１をもって固着されたタービン翼車１３と、ロータ
１１の第１図における左端に、固定ボルト１１２をもっ
て固着されたコンプレッサ翼車１４とからなっている。

ロータ１１は、軸受ハウジング９０内に設けた左右ｉ対
のジャーナル軸受４０．２０とその中間に設けたスラス
ト軸受６０とをもって支承され、タービン翼車１３が軸
受ハウジング９０の右側のタービン室（図示路）内に、
またコンプレッサ翼車１４が軸受ハウジング９０の左側
のブレーキコンプレッサ室（図示路）内にそれぞれ位置
するようにしである。

タービン翼車１３は、タービン室からの冷熱が逃げない
ように、ロータ１１の右端に空洞部を形成する円筒状の
薄肉シリンダ部１１４を介して取付けられている。

第１図及び第２図に示すように、右方のジャーナル軸受
２０は、ロータ１１の軸線を中心とする円周方向に互い
に分離された３個の弧状の軸受パッド２２をもって構成
される。

なお、左方のジャーナル軸受４０は、右方のジャーナル
軸受２０と同一構造であるので、以下の説明では右方の
ジャーナル軸受２０についてのみ詳述し、左方のジャー
ナル軸受４０については、その詳細な説明を省略する。

各軸受パッド２２は、ロータ１１の中心軸線に対して半
径方向を向くピボット軸２３の内端に、球面軸受２４を
もってそれぞれ支持されている（第２図においては、１
個の軸受パッド２２の支持構造のみを図示し、他の軸受
バヅド２２の支持構造は省略して示しである。）。

ピボット軸２３は、ピボット取付ねじ２６に貫通するよ
うにして螺着され、またピボット取付ねじ２６は、軸受
ハウジング９０内に設けられた環状の軸受支持ブロック
２１に、ロックナツト２７を緩めることにより、ピボッ
ト軸２３の進退量を調節し得るようにして螺着されてい
る。

球面軸受２４は、ピボット軸２３の内端に形成された大
径の半球体２３１と、この半球体２３１を受ける球面状
の凹部を有する受座２４１と、この受座２４１を軸受パ
ッド２２に固定するキャップ２５とからなっている。

各軸受パッド２２を、このようなピボット軸２３と球面
軸受２４とをもって支持することにより、各軸受パッド
２２が、半球体２３１の曲率中心を中心として、あらゆ
る方向に微小角度だけ回動でき、しかもピボット軸２３
から脱落しないようにしである。

スラスト軸受６０は、ロータ１１のスラストカラー１２
を左右より挾む主スラスト軸受６１と反スラスト軸受７
１とからなり、ロータ１１の軸線方向の位置決めと、ス
ラスト方向の負荷荷重を受けもつ役目をしている。軸受
すきまを一定値にするため、主スラスト軸受６１と反ス
ラスト軸受７１との間には、環状のスペーサ７２が設け
られ、それらの３つの部材は、軸受ハウジング９０内に
固着された左右１対のバックアッププレート６２に挾ま
れ、かつボルト７３をもって固着されている。

ジャーナル軸受２０．４０における各軸受パッド２２の
軸受面と、スラスト軸受６０における主スラスト軸６１
及び反スラスト軸受７１の各軸受面に静圧ガスを供給す
る静圧ガス供給手段１００は、次のような糸路より構成
されている。

軸受供給用静圧ガス（以下単に静圧ガスという）は、軸
受ハウジング９０の中央上部に設けたガス導入口９５よ
り、軸受ハウジング９０の上壁部を縦方向に貫通し、か
つスラスト軸受６０におけるスペーサ７２、反スラスト
軸受７１、右方のバックアッププレート６２及びジャー
ナル軸受２０．４０側における軸受支持ブロック２１の
一部を横方向に順次貫通する給気孔２８を通って、軸受
支持ブロック２１の外周部に形成された３つの給気室３
３．３４．３５のうちの１つの給気室３３に供給される
。

給気室３３に送られてきた静圧ガスは、そこから、軸受
支持ブロック２１の外周面に形成された環状溝３０．３
１を通って、他の給気室３４．３５にそれぞれ供給され
る。

各給気室３３．３４．３５には、上述のピボット軸２３
の外端がそれぞれ突入しており、各給気室３３．３４．
３５に供給された静圧ガスは、ピボット軸２３の中心に
穿設された中心孔２３２、受座２４１の中央に穿設され
た中央孔２４２を通って、各軸受パッド２２の中央に形
成された導通孔２２１に供給される。

第３図に示すように、各軸受パッド２２の軸受面には、
長方形の狭い溝１２２が穿設されており、この溝１２２
の各辺の中央には、導通孔２２１に連通するオリフィス
１２１がそれぞれ開口している。

したがって、導通孔２２１に供給された静圧ガスは、オ
リフィス１２１を通って溝１２２内に供給され、そこか
ら各軸受パッド２２の軸受面とロータ１１の外周との間
に供給される。

またスラスト軸受６０側における両バックアッププレー
ト６２内においては、給気孔２８上り給気孔６３が分岐
し、この給気孔６３は、各バックアッププレート６２と
主スラスト軸受６１及び反スラスト軸受７１のそれぞれ
の対向面に形成された環状溝６４．６５にそれぞれ連通
している。

第４図に示すように、主スラスト軸受６１の軸受面及び
反スラスト軸受７１の軸受面には、環状溝６５に連通ず
る複数のオリフィス１６１が開口している。

したがって、給気孔２８より給気孔６３側に分岐された
静圧ガスは、環状溝６４．６５及びオリフィス１６１を
通って、主スラスト軸受６１の軸受面とスラストカラー
１２との間、及び反スラスト軸受７１の軸受面とスラス
トカラー１２との間にそれぞれ供給される。

また第４図に示すように、主スラスト軸受６１（及び反
スラスト軸受７１）の軸受面には、スパイラルグループ
１６２が穿設されている。

ジャーナル軸受２０．４０の各軸受面から排出されたガ
スは、軸受支持ブロック２１に穿設された排気孔２９よ
り、スラスト軸受６０の外周に形成された空間であるブ
レナム室６６に集められ、スラスト軸受６０の軸受面か
ら排出されるガスと合流し、そこから、軸受ハウジング
９Ｇの中央下部に接続された排出パイプ９６を通って、
プロセスガスループの低圧部へと引き込まれる。

軸受供給用静圧ガスとしては、プロセス高圧ガス源を使
用する。したがって、軸圧ハウジング９０内の圧力は、
タービン入口ガスの圧力とほぼ同一となる。静圧ガス軸
受型としての利用を図るため、軸受ハウジング９０内の
ガス圧力はプロセスガス圧力よりも低くとる必要があり
、そのため、タービンから冷却されたガスが軸受ハウジ
ング９０内に流入し、その生成流量が減少しないように
、軸受ハウジング９０の右端におけるエンドプレート８
０とロータ１１の右端部との間にラビリンスガスシール
８１を設けである。

また、同様の理由から、ブレーキコンプレッサ側につい
ても、軸受ハウジング９０の左端におけるエンドプレー
ト８２とロータ１１の左端部との間にラビリンスガスシ
ール８３を設けである。

このように、ロータ１１の両端にガスシール８１．８３
を設けるため、ロータ１１を長くすると、オーバーハン
グによる振動の問題が出てくるが、この実施例において
は、スラストカラー１２をロータ１１の中央に設けるこ
とにより、オーバーハングによる影響をできるだけ緩和
するようにしている。

この実施例は上述のような構造としであるので、本発明
の作用として上述したところと同様の作用を生じ、かつ
本発明の効果として後述するところと同様の効果を奏す
ることができる他に、スラスト軸受６０側にも静圧ガス
を供給するようにしたことにより、スラスト軸受６０に
おいて動圧に静圧が加算され、軸受負荷荷重が増大し、
タービン翼車及びコンプレッサ翼車に加わる空力的な変
動分を含めた負荷だけでなく、ロータ１１の円錐モード
に基く振れ回りに対しても抵抗力を有するという利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の中央縦断正面図、第２図
は、第１図の■−■線断面図、第３図は、第２図の■−
■線拡大矢視図、第４図は、主スラスト軸受の側面図、
第５図は従来の膨脹タービンにおける軸受装置の一例を
示す縦断正面図である。 １１・・ロータ、１３・・タービン翼車、１４・・コン
プレッサ翼車、２０．４０・・ジャーナル軸受、２２・
・軸受パッド、２３・・ピボット軸、２４・・球面軸受
、６０・・スラスト軸受、９０・・軸受ハウジング、９
５・・ガス導入口、９６・・排出パイプ、１００（ほか
１名） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一端にタービン翼車を、かつ他端にコンプレッサ翼車を
   備えるロータを、軸受ハウジング内に設けたジャーナル
   軸受とスラスト軸受とをもって支承するようにした膨脹
   タービンにおける軸受装置において、前記ジャーナル軸
   受を、ロータの軸線を中心とする円周方向に互いに分離
   された複数の弧状の軸受パッドをもって構成し、前記各
   軸受パッドを、軸受ハウジング内に支持されたピボット
   軸の内端に、球面軸受をもってそれぞれ支持するととも
   に、前記各軸受パッドの軸受面に静圧ガスを供給する静
   圧ガス供給手段を設けたことを特徴とする、膨脹タービ
   ンにおける軸受装置。