(57)【要約】  本発明は、推力補償付きラジアルターボ機械に関し、このラジアルターボ機械は、固定ケーシング（３）と、中心軸（Ｘ−Ｘ）の周りで固定ケーシング（３）内に配置された複数の同心の主要羽根付きリング（９’、９”、９'''、９''''）と、中心軸（Ｘ−Ｘ）の周りで主要羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''）と交互に径方向に固定ケーシング（３）内に配置された複数の同心の補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）と、を備える。ロータディスク（６，６'）およびロータディスク（６，６'）と一体の回転シャフト（４，４'，４''）を備えるロータ（２，２'）は、固定ケーシング（３）内で中心軸（Ｘ−Ｘ）の周りを回転可能であり、前面（７，７）で主要羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''）を担持する。主要羽根付きリング（９’、９”、９'''、９''''）および補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）は、異なる圧力において、複数の同心前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）をロータディスク（６，６'）で区切っている。複数の同心後方環状主要チャンバ（４１'，４１''，４１'''，４１''''）は、各々が、前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）と同一圧力で、それぞれの前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）と流体連通するが、ロータディスク（６，６'）の後面（８，８'）および固定ケーシング（３）の間で区切られている。後方環状主要チャンバ（４１'，４１''，４１'''，４１''''）の一つを区切るロータディスク（６，６'）の後方環状領域（Ａ_１ｐ，Ａ_２p，Ａ_３p， Ａ_４p，Ａ'_４p）は、それぞれの前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）を区切るロータディスク（６，６'）の前方領域（Ａ_１f，Ａ_２f，Ａ_３f，Ａ_４f）に等しい又は実質的に等しく、各々の後方環状主要チャンバ（４１'，４１''，４１'''，４１''''）内の作動流体の圧力によって作用される力は、それぞれの前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）内の作動流体の圧力によって作用される力を実質的に釣り合わせる。【選択図】  図１
2019513200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向推力補償付きラジアルターボ機械であって、
固定ケーシング（３）と、
中心軸（Ｘ−Ｘ）の周りで前記固定ケーシング（３）内に配置された複数の同心の主要羽根付きリング（９’、９”、９'''、９''''）と、
前記中心軸（Ｘ−Ｘ）の周りで前記固定ケーシング（３）内に配置された複数の同心の補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）と、
を備え、
前記補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）は、前記主要羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''）と径方向で交互にされ、
前記主要羽根付きリング（９’、９”、９'''、９''''）の羽根（１９）および前記補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）の羽根（１９）は、作動流体の為に径方向の通路を区切り、
ロータディスク（６，６'）および前記ロータディスク（６，６'）と一体の回転シャフト（４，４'，４''）を備える少なくとも一つのロータ（２，２'）は、前記固定ケーシング（３）内で前記中心軸（Ｘ−Ｘ）の周りを回転可能であり、前面（７，７）で、前記主要羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''）を担持し、
前記主要羽根付きリング（９’、９”、９'''、９''''）および補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）は、異なる圧力において、複数の同心の前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）をロータディスク（６，６'）で区切り、
複数の同心後方環状主要チャンバ（４１'，４１''，４１'''，４１''''）は、各々が、前記前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）と同一圧力で、それぞれの前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）と流体連通するが、前記ロータディスク（６，６'）の後面（８，８'）および前記固定ケーシング（３）の間で区切られ、
後方環状主要チャンバ（４１'，４１''，４１'''，４１''''）の一つを区切るロータディスク（６，６'）の後方環状領域（Ａ_１p，Ａ_２p，Ａ_３p，Ａ_４p，Ａ'_４p）は、それぞれの前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）を区切る前記ロータディスク（６，６'）の前方領域（Ａ_１f，Ａ_２f，Ａ_３f，Ａ_４f）に等しい又は実質的に等しく、各々の後方環状主要チャンバ（４１'，４１''，４１'''，４１''''）内の作動流体の圧力によって作用される力は、それぞれの前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）内の作動流体の圧力によって作用される力を実質的に釣り合わせる、ターボ機械。
【請求項２】
ラジアルシール（３１）が、作動流体の軸方向の流れを防止する為に、主要羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''）および径方向最外部の補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）の間に入れられ、前記主要羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''）および径方向最内部の補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）の間に、動作流体の為に、それぞれの軸方向通路（２９'，２９''，２９'''，２９''''）が区切られ、前記作動流体の為の前記軸方向通路（２９'，２９''，２９'''，２９''''）が前記径方向通路（１６）と交差し、それぞれの前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）と流体連通する、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
複数の同心主要密封リング（４０'，４０''，４０'''，４０''''）が前記ロータディスク（６，６'）の後面（７，７'）に配置され、前記主要密封リング（４０'，４０''，４０'''，４０''''）は、前記固定ケーシング（３）と共に、前記後方環状主要チャンバ（４１'，４１''，４１'''，４１''''）を区切る、請求項１または２に記載のターボ機械。
【請求項４】
各々の後方環状主要チャンバ（４１'，４１''，４１'''，４１''''）は、それぞれの前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）に置かれ、前記ロータディスク（６，６'）内に形成された少なくとも一つのダクト（４３，４４，４５，４６）を通してそれぞれの前記前方主要チャンバ（３０，３３，３５，３６）と流体連通している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記ダクト（４３，４４，４５，４６）は、前記中心軸（Ｘ−Ｘ）に対して実質的に平行に延びている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記後方環状領域（Ａ_１p，Ａ_２p，Ａ_３p，Ａ_４p）の全てが、前記シャフト（４，４'，４''）の補償領域（Ａ_４p，Ａ'_４p）と呼ばれる一つの前方領域を除いて、それぞれの前方領域（Ａ_１f，Ａ_２f，Ａ_３f）と同一であり、前記シャフト（４，４'，４''）の前記補償領域（Ａ_４p，Ａ'_４p）は、後方環状補償チャンバ（４１''''）に対応する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記後方環状補償チャンバ（４１''''）は、径方向最外部にある、請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項８】
最外部の前記主要羽根付きリング（９''''）は、前記ロータディスク（６，６'）の周縁部に配置され、前記シャフト（４，４'，４''）の前記補償領域（Ａ_４p，Ａ'_４p）は、それぞれの前記前方環状領域（Ａ_４f）および前記回転シャフト（４，４'，４''）の横断領域（Ａ_a）の間の差に等しい、請求項１〜７のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項９】
前記ロータディスク（６，６'）の周縁部は、前記径方向最外部の主要羽根付きリング（９''''）を越えて径方向に延び、前記シャフト（４，４'，４''）の前記補償領域（Ａ'_４p）は、それぞれの前記前方環状領域（Ａ_４f）と係数の合計に等しく、前記係数は、前記回転シャフト（４，４'，４''）の横断領域（Ａ_a）および外部圧力（Ｐ_atm）の関数である、請求項７に記載のターボ機械。
【請求項１０】
合成の軸方向の力を完全に相殺するために、前記シャフトの前記補償領域は、
Ａ'_４p＝Ａ_４f＋Ａ_a＊（Ｐout−Ｐatm）／（Ｐ４−Ｐout）
【請求項１１】
たった一つのロータ（２）、径方向に隣接した主要羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''）及び補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）が、前記ロータディスク（２）で主要前方チャンバ（３３，３５，３６）を区切り、前記固定ケーシング（３）で、補助前方チャンバ（３２，３４，３７，３８）を区切り、前記主要前方チャンバ（３３，３５，３６）および補助前方チャンバ（３２，３４，３７，３８）は、それぞれの前記軸方向通路（２９'，２９''，２９'''，２９''''）によって相互に接続されている、請求項２〜１０のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１２】
第１ロータ（２'）および第２ロータ（２''）を備える、請求項２〜１０のいずれか一項に記載のターボ機械であって、前記第１ロータ（２'）は、第１ロータディスク（６'）を備え、前記第１ロータディスク（６'）は、前面（７'）で、同心の前記主要羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''）を担持し、前記第２ロータ（２''）は、第２ロータディスク（６''）を備え、前記第２ロータディスク（６''）は、前面（７''）で、同心の前記補助羽根付きリング（１５'，１５''，１５'''）を担持し、対になった径方向に隣接した羽根付きリング（９'，９''，９'''，９''''、１５'，１５''，１５'''）は、前記第１ロータディスク（２'）で主要前方チャンバ（３３，３５，３６）を区切り、前記第２ロータディスク（２''）で補助前方チャンバ（３４，３７，３８）を区切り、前記主要チャンバ（３３，３５，３６）および補助チャンバ（３４，３７，３８）は、それぞれの軸方向通路（２９'，２９''，２９'''，２９''''）によって相互に接続されている、ターボ機械。
【請求項１３】
前記主要前方チャンバ（３０，３３，３５，３６）は、略円筒状中央前方チャンバ（３０）および複数の主要環状チャンバ（３３，３５，３６）を備え、前記略円筒状中央前方チャンバ（３０）は、前方円形領域（Ａ-１p）を区切り、前記複数の主要環状チャンバ（３３，３５，３６）は、前記中央円形チャンバ（３０）の周りに配置され、各々が前方環状領域（Ａ_２p，Ａ_３p，Ａ_４p，Ａ'_４p）を区切る、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１４】
前記ターボ機械が遠心力利用のラジアルタービンである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、軸方向推力補償時のラジアルターボ機械に関する。本発明は、特に、ラジアルターボ機械において軸方向推力を釣り合わせる為のシステムおよび方法に関する。
【０００２】
ラジアルターボ機械は、エネルギを交換する流体の流れが、ターボ機械自体で完了される通路の少なくとも一部の為に径方向に向けられるターボ機械を意味する。その通路の径方向部分は、ロータディスク上に装着された複数の羽根付きロータリングと、場合によってはステータリングとによって区切られており、これらを通って、流体が、ターボ機械の回転軸に対して径方向に沿って優勢に移動する。
【０００３】
「羽根付きリング」は、ターボ機械の中心軸から等距離に配置された複数の羽根を備える。羽根は、中心軸に対して平行または実質的に平行な後縁部と前縁部と共に延びている。羽根付きリングは、（ターボ機械のケーシングに対して固定され、その羽根はステータ用の羽根である）ステータの機能、あるいは、（即ち、回転し、その羽根はロータ用の羽根であり、中心軸は回転軸である）ロータの機能を有することができる。
【０００４】
本発明は、遠心力利用のラジアル（アウトフロー型）ターボ機械および求心力利用の（インフロー型）ターボ機械の両方に適用可能である。本発明は、駆動型ターボ機械（タービン）および作動型ターボ機械（圧縮機）の両方に適用可能である。好ましくは、本発明は膨張型タービンに関するが、これに限定されるものではない。好ましくは、本発明は単一ディスク又は２つの二重反転ディスクを備えたラジアルターボ機械に適用されるが、これに限定されるものではない。好ましくは、本発明は、電気エネルギおよび／または機械エネルギを生み出す為の膨張タービンに関するが、これに限定されるものではない。好ましくは、本発明は、蒸気ランキンサイクル又は有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を経て、エネルギ生成装置に使用される膨張タービンに関するが、これに限定されるものではない。
【０００５】
【発明の背景】
【０００６】
ラジアルターボ機械では、当該機械の入口および放出出口の間に、作動流体の膨張／圧縮のため、ロータディスク上に圧力勾配が作られる。たとえば、遠心力利用のラジアルタービンにおいて、第１段を作る羽根は、機械の回転軸に最も近いので、最も高い圧力に晒される羽根であるが、最終段の羽根は最も遠く、最も低い圧力に晒される羽根である。
【０００７】
さらに、ロータディスクの前面に作用する作動流体の圧力、ロータディスクの後に存在する圧力、ロータディスクと一体の回転シャフトに外部で作用する大気圧は、合成の軸方向の力を発生させる。この合成の軸方向の力は、転動体（例えば、玉軸受）に放出されるが、転動体は、回転シャフトを支え、（高い軸方向推力に耐えることが意図されない）回転シャフトの正しい機能を危うくする。
【０００８】
この分野において、ロータディスクの前面に作用する作動流体の存在によって発生される軸方向推力を少なくとも部分的に釣り合わせるように構成されたシステムが知られている。
【０００９】
公報US 997,629は、ロータ翼を担持する面の反対側にある回転ディスク面に配置されたラビリンスパッキンを備えた遠心力利用のラジアルタービンを図示する。ラビリンスパッキンは、ロータディスクに装着された環状ディスクに設置され、タービンケーシングに装着された他の環状ディスクに設置されている。パッキンは、環状ディスクが互いに密接に移動する場合、高圧蒸気の通過を可能にするが、これは、２つの環状ディスクが再び離れることを可能にする。全体のラビリンスパッキンは、グループに分けられ、各グループは、他のとは独立した自己バランスのとれたグループとして作用する。
【００１０】
同一出願人名義の公報IT1405508は、前記膨張タービンにおける軸方向推力補償の為の膨張タービンおよび方法を図示する。このため、膨張タービンは、軸方向推力を直接検出するように軸方向の軸受に作用する能動的センサと、ロータ及びタービンケーシングの間で区切られた補償チャンバと、補償チャンバに補償流体を導入する為の手段と、作動するようにセンサ及び導入手段に接続された制御ユニットとを備え、検出された軸方向推力に応じて、補償チャンバへの補償流体の導入を調整する。
【００１１】
【概要】
【００１２】
この状況において、出願人は、既知のものより効果的で効率の良い軸方向推力を補償する為の方法およびシステムを提案する必要性に気づいた。
【００１３】
出願人は、実際、従来技術において提案された解決策が推力を正確に補償できないこと、特に、ターボ機械のオン及び／又はオフのスイッチング過渡現象の間に補償できないこと、さらに／または、これらの解決策は、複雑なので、ほとんど信頼できず、一般的に非常に高価である点に留意した。
【００１４】
特に、出願人が留意したことは、文献ＵＳ９９７，６２９において提案された解決策が軸方向推力の釣り合いを精度良く制御できないことであり、これは、後方ラビリンスパッキングにおける圧力の径方向分布が、たとえ、グループに分かれていても、知られておらず、ディスクの前面に、即ち、段を通して、作用する圧力に関連付けることができないからである。
【００１５】
また、出願人が留意したことは、文献ＩＴ１４０５５０８において提案されたアクティブフィードバック制御システムのセットアップが困難であり、転動体を損傷するリスクを冒さないように一定の頻度でチェック／較正されなければならない点である。従って、前記アクティブ制御システムは、ほとんど信頼できないことに加えて、高価でもある。
【００１６】
そのため、出願人は、以下の目的を設定した。
【００１７】
「転動体に作用する軸方向の力を最小限に減少すること又は相殺さえすることを可能にする、ラジアルターボ機械における軸方向推力を釣り合わせる為のシステム及び方法を提案すること」
【００１８】
「正確かつ信頼性の良い、ラジアルターボ機械における軸方向推力を釣り合わせる為のシステム及び方法を提案すること」
【００１９】
「ラジアルターボ機械の機能を、部分的負荷の下での過渡現象中（たとえば、ターボ機械のスイッチングのオン及び／又はオフの間）でも、効率的に行うラジアルターボ機械における軸方向の推力を釣り合わせる為のシステム及び方法を提案すること」
【００２０】
「この釣り合わせるシステム及び方法を組み込み、構造的に簡単なラジアルターボ機械を提案すること」
【００２１】
「本質的に安全な釣り合わせるシステム及び方法を提案すること」
【００２２】
出願人が発見したことは、前述した目的及び更に他の目的が、全ての段で作用する前記軸方向推力を個別に釣り合わせることができる本質的な形式の軸方向推力を釣り合わせるシステムを通じて達成可能であることである。特に、特定した目的及び更に他の目的は、各々が、それぞれのロータディスクの前方羽根付き面に置かれた、それぞれの環状チャンバに連結された全てのロータディスクの後面で区切られる環状チャンバが設けられたラジアルターボ機械によって実質的に達成され、各々の後方チャンバ内に作用する作動流体の圧力は、それぞれの前方チャンバ内の作動流体の圧力によって発生される軸方向推力を実質的に釣り合わせる。換言すると、本発明の目的は、ロータディスクの後部に圧力チャンバを作ることであり、これらの数は、同一ロータディスクの前面に作られるものと同一であり、これらが、同一圧力にもたらす。
【００２３】
このシステムを採用するターボ機械は、軸方向で本質的に釣り合わされ、積極的な制御を必要としないターボ機械である。
【００２４】
本願の説明および添付される特許請求の範囲において、形容詞「軸方向の」は、ターボ機械の回転軸「Ｘ−Ｘ」または羽根付きリングの中心軸に対して平行に向けられた方向を定めることを意味する。形容詞「径方向の」は、ターボ機械の回転軸「Ｘ−Ｘ」または羽根付きリングの中心軸から垂直に延びた径のように向けられた方向を定めることを意味する。形容詞「周囲の」は、ターボ機械の回転軸「Ｘ−Ｘ」または羽根付きリングの中心軸と同軸の周辺に接する方向を意味する。
【００２５】
本願説明および添付された特許請求の範囲において、「実質的な軸方向の釣り合わせ」とは、ロータディスク及びシャフトによって形成された組立体に作用する（転動体に放出される）合成の軸方向の力がゼロまたは転動体からの問題がなく耐えられるような統一体の力（たとえば、１６０ｍｍ直径のシャフト、１５００ＲＰＭの回転速度を備えた軸受に対して約１００００Ｎ未満）であることを意味する。
【００２６】
より具体的には、独立した態様によると、本発明は、軸方向推力補償付きのラジアルターボ機械に関するが、これは、固定ケーシングと、中心軸周りで固定ケーシング内に配置された複数の同心の主要羽根付きリングと、前記中心軸周りで固定ケーシング内に配置された複数の同心の補助羽根付きリングと、を備え、同心の補助羽根付きリングは、同心の主要羽根付きリングと径方向で交互になっており、前記主要羽根付きリングの羽根及び前記補助羽根付きリングの羽根は、作動流体用径方向通路を区切り、少なくとも一つのロータは、ロータディスクと、ロータディスクと一体の回転シャフトとを備え、中心軸周りを固定ケーシング内で回転可能であり、ロータディスクは、前面で、主要羽根付きリングを担持し、前記主要羽根付きリング及び補助羽根付きリングは、ロータディスクと共に、異なる圧力で、複数の同心の前方チャンバを区切り、複数の同心の後方環状主要チャンバは、各々が、それぞれの前方主要チャンバと流体連通しており、前記前方主要チャンバと同一の圧力で、ロータディスクの後面および固定ケーシングの間で区切られ、後方環状主要チャンバの一つ、好ましくは各々を区切るロータディスクの後方環状領域は、それぞれの前方主要チャンバを区切る前記ロータディスクの前方領域に等しい又は実質的に等しく、各々の後方環状主要チャンバ内の作動流体の圧力によって作用される力は、それぞれの前方主要チャンバ内の作動流体の圧力によって作用される力を実質的に釣り合わせる。
【００２７】
出願人は、この方法において、ディスクの前面に作用する軸方向推力と同一ディスクの後面に作用する軸方向推力とを実質的に釣り合わせることによってロータディスクを釣り合わせることが可能であることを確かめた。この釣り合わせは、中心軸と同心の全ての領域で個別的に行われる。
【００２８】
以下、本発明の更なる態様を説明する。
【００２９】
一態様において、前方主要チャンバは、前方円形領域を定める略円筒状中央前方チャンバと、中央円形チャンバの周りに配置された、各々が前方環状領域を定める複数の主要環状チャンバとを備える。
【００３０】
一態様において、径方向シールは、作動流体の軸方向の流れを防止する為に、主要羽根付きリングおよび径方向最外部補助羽根付きリングの間に入れられる。
【００３１】
一態様において、前記主要羽根付きリングおよび径方向最内部補助羽根付きリングの間で、それぞれの作動流体用軸方向通路が区切られている。
【００３２】
一態様において、各々の主要羽根付きリングは、それぞれの径方向に隣接した補助羽根付きリングと共に、ターボ機械の径方向の段を定める。
【００３３】
一態様において、径方向シールは、径方向に隣接した段の間に入れられ、同一の段の各々の主要羽根付きリング及び補助羽根付きリングは、それぞれの作動流体用軸方向通路を区切っている。
【００３４】
一態様において、それぞれの作動流体用軸方向通路は、径方向に隣接した段の間で区切られ、径方向シールが、同一の段の各々の主要羽根付きリング及び補助羽根付きリングの間に入れられている。
【００３５】
一態様において、前記作動流体用軸方向通路は、径方向通路と交差し、径方向通路およびそれぞれの主要前方環状チャンバと流体連通している。
【００３６】
換言すると、径方向シールは、羽根付きリングの全ての間に設定されず、２枚の羽根付きリング毎に設定されている。径方向シールが存在しない場合、中心軸に対して軸方向に平行に延びている前述した軸方向通路が定められる。羽根から離れてくる流体は、一部が、軸方向通路に入り、それぞれの前方主要チャンバおよびそれぞれの後方環状主要チャンバを満たす。これが可能にすることは、２つの連続した主要羽根付きリングの間に（漏れ減少の為に）シールを有し、前方チャンバおよび後方チャンバを釣り合わせる為に「利用可能な」圧力を常に有することである。
【００３７】
一態様において、複数の同心の主要密封リングがロータディスクの後面に配置され、前記密封リングは、固定ケーシングと共に、後方環状主要チャンバを区切っている。
【００３８】
一態様において、各々の後方環状主要チャンバは、それぞれの前方主要チャンバに置かれている。一態様において、各々おｎ後方環状主要チャンバは、ロータディスク内に形成された少なくとも一つのダクトを通して、それぞれの前方主要チャンバと流体連通している。好ましくは、前記ダクトは、中心軸に対して実質的に平行に延びている。
【００３９】
一態様において、後方環状領域の全ては、（シャフトの補償領域と呼ばれる）一つの例外を除き、それぞれの前方領域と同一であり、シャフトの前記補償領域は、後方環状補償チャンバに対応する。それぞれの前方領域と同一の後方環状領域は、本質的に補償される。シャフトの補償領域は、全体的または部分的に、更に後述されるように、シャフトに作用する外部圧力の推力を補償する。
【００４０】
一態様において、後方環状補償チャンバは、外部／大気圧に最も近い圧力を持つチャンバである。
【００４１】
一態様において、後方環状補償チャンバは、径方向最外部である。
【００４２】
異なる態様において、後方環状補償チャンバは、径方向最内部である。
【００４３】
一態様において、径方向最外部主要羽根付きリングは、ロータディスクの周縁部近くに置かれている。
【００４４】
一態様において、シャフトの補償領域は、それぞれの前方領域および以下の関係に従う回転シャフトの横断面領域の差に等しい。
【００４５】
ｉ）Ａ_４p＝Ａ_４fーＡ_a
【００４６】
この方式において、合成の軸方向の力は、完全に釣り合わされないが減少され、補償チャンバ内の圧力および外部／大気圧の差の関数である。前記合成の軸方向の力は、以下の関係に従うシャフトの横断面領域の関数でもある。
【００４７】
ｉｉ）合力＝Ａ_a＊（Ｐ４−Ｐ_atm）
【００４８】
この合力は、特に、有機流体の為の（即ち、好ましくは高分子量の有機流体を用いて作動するように構成された）ラジアルタービンにおいて一般に使用される玉軸受によって容易に「耐えられる」。典型的な圧力値において、合力は、最大でも数千ニュートンである。そのような合成の力は、一般の玉軸受によって、問題なく耐えられる。
【００４９】
さらに、合成の力は、ほとんど以下の係数と無関係である。
【００５０】
- 入力圧力
【００５１】
- ターボ機械の負荷
【００５２】
- 作動流体、すなわちサイクルの形式
【００５３】
- ターボ機械の段数
【００５４】
- 段の反応度
【００５５】
本発明は、以下のことが可能であることになる。
【００５６】
-軸受、より一般的には、転動体の寿命の増加
【００５７】
-本質的に安全な（フェイルセーフ ）ターボ機械の提供
【００５８】
-柔軟な解決策の提供
【００５９】
-様々な設計条件に合わせて自己調整バランスの提供
【００６０】
-設計外の条件に対して自己調整バランスの提供
【００６１】
一態様において、シャフトの補償領域は、それぞれの前方領域と、回転シャフトの横断面領域および外部／大気圧の関数である係数との合計に等しい。この方式において、少なくとも設計条件の下で、合成の軸方向の力を完全に相殺することが可能である。
【００６２】
一態様において、合成の軸方向の力を完全に相殺するため、シャフトの補償領域は、次式に等しい。
【００６３】
ｉｉｉ）Ａ'_４p＝Ａ_４f＋Ａ_a＊（Ｐ４−Ｐout）
【００６４】
換言すると、合成の軸方向の力が完全に釣り合わされない場合（Ａ_４f−Ａ_a）と比較すると、シャフトの補償領域は、以下に等しい追加領域によって増加される。
【００６５】
ｉｖ）Ａ５_f＝Ａ_a＊（Ｐ４−Ｐout）
【００６６】
ｖ）Ａ'_４p＝Ａ_４p＋Ａ５_f
【００６７】
そのため、関係式ｉｉｉ）が得られる。
【００６８】
一態様において、前記追加領域は、径方向最外部シールの直径、即ち、径方向最外部の後方環状補償チャンバの直径を増加することによって得られる。ロータディスクの外径における追加領域は、（遊びの圧力に依存するが）最終ロータの直径に対して数ミリメートルの増加を一般に必要とするので、達成するのが容易であり、実質的な制限が無い。この構成において、ロータディスクの周縁部は、径方向最外部主要羽根付きリングを越えて径方向に延びている。
【００６９】
一態様において、各々の主要羽根付きリング及び補助羽根付きリングは、中心軸から等距離に配置され、互いに軸方向に離間された２つの同心リング（根元リング、周回リング）によって共に接合された複数の羽根を備える。羽根は、中心軸に対して平行または実質的に平行な、それらの前縁部および後縁部を備えた前記２つのリングの間に延びている。羽根付きリングは、（ターボ機械のケーシングに対して固定され、その羽根はステータ用の羽根である）ステータの機能または（回転し、その羽根がロータ用の羽根であり、中心軸が回転軸である）ロータの機能を有することができる。
【００７０】
一態様において、各々の主要羽根付きリング及び補助羽根付きリングは、連結リングを備え、連結リングは、根元リングに直接連結され、それぞれの第１ロータディスク又は第２ロータディスクに一端部が接合されている。
【００７１】
一態様において、連結リングは、弾性降伏、すなわち、ターボ機械が負荷を受けるとき、温度（回転する場合には更に遠心力）の関数として、連結リングの径方向の変形を可能にする。
【００７２】
一態様において、径方向シールは、羽根付きリングに属する根元リングの径方向内面または径方向外面、または、羽根付きリングに属する周回リングの径方向内面または径方向外面に配置される。径方向シールは、単一直径に設定されている。
【００７３】
一態様において、径方向シールは、根元リング及び周回リングの径方向内面又は径方向外面に装着された密封要素を備え、これらの径方向内面又は径方向外面は、隣接した周回リング及び根元リングの径方向外面又は径方向内面と共働する。
【００７４】
一態様において、各々の主要密封リングは、連結リングによって固定ケーシングに連結された根元リングを備える。
【００７５】
一態様において、ロータディスクは、複数の環状突起を備え、これらの環状突起は、中心軸と同軸であり、各々が、それぞれの主要密封リングに作動するように結合されている。
【００７６】
一態様において、径方向シールは、全ての主要密封リングの根元リングおよびそれぞれの環状突起の間に入れられている。
【００７７】
一態様において、一つだけのロータがあり、対の径方向に隣接した羽根付きリングは、ロータディスクと共に主要前方環状チャンバを区切り、固定ケーシングと共に補助前方環状チャンバを区切り、前記主要前方環状チャンバ及び補助前方環状チャンバは、それぞれの軸方向通路によって相互に接続されている。
【００７８】
一態様において、同心の補助羽根付きリングは、固定ケーシングに固定されている。
【００７９】
ターボ機械は、単一ロータディスクを備えたラジアル型のターボ機械であり、前記ロータディスクには、軸方向推力を釣り合わせる為の後方環状主要チャンバが設けられる。
【００８０】
異なる態様において、ターボ機械は、第１ロータおよび第２ロータを備える。
【００８１】
第１ロータは、第１ロータディスクと、この第１ロータディスクと一体の第１回転シャフトとを備え、中心軸の周りを固定ケーシング内で回転可能であり、第１ロータディスクは、前面で、同心の主要羽根付きリングを担持する。第２ロータは、第２ロータディスクと、この第２ロータディスクと一体の第２回転シャフトとを備え、中心軸の周りを固定ケーシング内で回転可能であり、第２ロータディスクは、前面で、同心の補助羽根付きリングを担持する。
【００８２】
一態様において、第１ロータ及び第２ロータは、二重反転である。ターボ機械は、二重反転ラジアル型のターボ機械であり、両方のディスクには、軸方向推力を釣り合わせる為の後方チャンバ（主要および補助）が設けられている。
【００８３】
一態様において、対の径方向に隣接した羽根付きリングは、第１ロータディスクと共に主要前方環状チャンバを区切っており、第２ロータディスクと共に補助前方環状チャンバを区切っており、前記主要前方環状チャンバおよび補助前方環状チャンバは、それぞれの軸方向通路によって相互に接続されている。
【００８４】
一態様において、複数の同心の主要密封リングは、第１ロータディスクの後面に配置され、前記主要密封リングは、固定ケーシングと共に、複数の後方環状主要チャンバを区切り、各々の後方環状主要チャンバは、第１ロータディスク内に形成された少なくとも一つのダクトを通して、それぞれの前方主要チャンバと流体連通しており、後方環状主要チャンバの一つを区切っている第１ロータディスクの後方環状領域は、それぞれの前方主要チャンバを区切っている前記第１ロータディスクの前方環状領域と等しく、各々の後方環状主要チャンバ内の作動流体の圧力によって作用される力は、それぞれの前方主要チャンバ内の作動流体の圧力によって作用される力を実質的に釣り合わせる。
【００８５】
先の態様に従う一態様において、複数の同心の補助密封リングは、第２ロータディスクの後面に配置され、前記補助密封リングは、固定ケーシングと共に、複数の補助後方環状リングを区切り、各々の補助後方環状チャンバは、第２ロータディスク内に形成された少なくとも一つのダクトを通して、それぞれの補助前方環状チャンバと流体連通しており、補助後方環状チャンバの一つを区切る第２ロータディスクの後方環状領域は、それぞれの補助前方環状チャンバを区切る前記第２ロータディスクの前方環状領域と等しいので、各々の補助後方環状チャンバ内の作動流体の圧力によって作用される力は、それぞれの補助前方環状チャンバ内の作動流体の圧力によって作用される力を実質的に釣り合わせる。
【００８６】
一態様において、ラジアルターボ機械は、遠心力を利用する。異なる態様において、ラジアルターボ機械は、求心力を利用する。
【００８７】
一態様において、ラジアルターボ機械は、タービンである。異なる態様において、ラジアルターボ機械は、圧縮機である。
【００８８】
一態様において、ラジアルターボ機械は、有機流体、好ましくは、高分子量の有機流体を用いて作動するように構成されている。通常、ＯＲＣ（有機ランキンサイクル）サイクル／システムにおける有機流体の膨張の為に使用されるタービンにおいて、（通常、約０．５〜１．５バールから成る）出口および最終段の作動流体の圧力は、大気圧に最も近い。そのため、シャフトの補償領域として、（最終段に正確に置かれた）最外部後方環状チャンバの領域を選択することが得策である。この選択が可能にすることは、以下に詳細に説明されるように、第１径方向最外部羽根付きリングがロータディスクの周縁部近くに置かれる場合、合成の軸方向の力を最小に減少することが可能であること、あるいは、ロータディスクの直径を僅かに増加させることによって前記合成の軸方向の力を相殺することが可能であることである。
【００８９】
異なる態様において、ラジアルターボ機械は、蒸気で作動するように構成される。
【００９０】
追加の特徴および利点は、好ましいが限定されない、本発明に従う軸方向推力補償付きラジアルターボ機械の実施形態の詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
以下、添付図面を参照して、説明するが、これらは例示的なものであり、限定的でない目的のためにのみ提供される。
【図１】図１は、本発明に従う軸方向推力補償付きラジアルターボ機械の子午線断面を図示する。
【図２】図２は、図１のターボ機械の変形例を図示する。
【図３】図３は、図１のターボ機械の異なる実施形態を図示する。
【図４】図４は、先の図のようなターボ機械の羽根付きリングの一部分の斜視図である。
【図５】図５は、図１のターボ機械における合成の軸方向の力を図示するグラフである。
【図６】図６は、図２のターボ機械における合成の軸方向の力を図示するグラフである。
【詳細な説明】
【００９２】
前述した図面を参照して、参照符合１は、全体において、軸方向推力補償付きのラジアルターボ機械を示す。
【００９３】
図１に図示されたラジアルターボ機械１は、遠心力を利用した単一ロータ付きラジアル型膨張タービンである。たとえば、タービン１は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）型の、たとえば、熱源として地熱資源を活用する発電プラント分野で使用可能である。
【００９４】
タービン１は、固定ケーシング３を備え、その中にロータが収容され、ロータ２は回転できるようになっている。このため、ロータ２は、しっかりとシャフト４に連結され、シャフト４は、（シャフト４およびロータ２の回転軸と一致する）中心軸「Ｘ−Ｘ」に沿って伸び、適した軸受５によって固定ケーシング３内で支持されている。ロータ２は、ロータディスク６を備え、ロータディスク６は、前述したシャフト４に直接連結され、前面７と反対側の後面８を有する。前面７は複数の突出した主要羽根付きリング９（ロータ型）を支持し、これらは、中心軸「Ｘ−Ｘ」と同心かつ同軸なので、ロータディスク６と共に回転する。
【００９５】
固定ケーシング３は、前壁１０および後壁１１を備え、前壁１０は回転ディスク６の前面７の反対側に位置し、後壁１１は、ロータディスク６の後面８の反対側に置かれる。前壁１０は、開口を有し、その開口は、作動流体の為に軸方向入口１２を定める。軸方向入口１２は、中心軸「Ｘ−Ｘ」に置かれ、円形であり、同一軸「Ｘ−Ｘ」と同心である。固定ケーシング３は、作動流体の為に螺旋状通路１３を更に有し、これは、ロータ２に関して周辺の径方向外部位置に置かれ、固定ケーシング３の出口（図示せず）と流体連通している。螺旋状通路１３は、固定ケーシング３の周辺部分１４によって区切られている。
【００９６】
前壁１０は、突出した複数の補助羽根付きリング（ステータ型（１５）を支持し、これらは、同心であり、中心軸「Ｘ−Ｘ」と同軸になっている。補助羽根付きリング１５は、前壁１０の内面からケーシング３の内側に向かって、更に、ロータディスク６に向かって延び、主要羽根付きリング９とは径方向で交互になっており、作動流体の為の径方向膨張通路１６を定めるが、作動流体は、軸方向入口１２を通って入り、螺旋状通路１３に入って、その後、前述した出口（図示せず）を通って固定ケーシング３を出るまで、ロータディスク２の周辺に向かって径方向に移動するときに膨張する。
【００９７】
主要羽根付きリング９および補助羽根付きリング１５は、それらの寸法および一部の寸法比を除いて、全て、同様の構造を有する。以下、図４を参照して、主要羽根付きリング９の構造を説明する。
【００９８】
図４の主要羽根付きリングは、同様の寸法及び互いに軸方向に離間した根元リング１７と、中心軸「Ｘ−Ｘ」と同軸の周回リング１８とを備える。羽根１９は、中心軸「Ｘ−Ｘ」から等距離に配置され、根元リング１７および周回リング１８によって、互いに接合されている。羽根１９は、前記２つのリング１７，１８の間に延び、それらの前縁２０及び後縁２１は、中心軸「Ｘ−Ｘ」に対して平行または実質的に平行になっている。図示されたターボ機械１は、作動流体が径方向から外側に向かって移動する遠心力利用のラジアルタービンであることから、全ての羽根１９の前縁２０は径方向内側に向けられ、すなわち、中心軸「Ｘ−Ｘ」に向けられ、後縁２１は、径方向外側に向けられる。
【００９９】
主要羽根付きリング９は、連結リング２２を備え、連結リング２２は、根元リング１７から軸方向に延び、同様に、中心軸「Ｘ−Ｘ」と同軸になっている。図４から分かるように、連結リング２２は、根元リング１７より非常に小さい径方向の厚さを有し、たとえば、根元リング１７の厚さの約１０分の１に等しい厚さを有する。連結リング２２の一つの環状端２３には、ロータディスク６の前面との連結の為に一種の脚部が設けられている。連結リング２２の（根元リング１７と比べて）減少した厚さは、連結リング２２に弾性降伏、すなわち、（温度および遠心力の関数として）連結リング２２がタービン１の負荷を受けるとき、その径方向の変形を可能にする。
【０１００】
図１に図示されたタービン１は、デフレクタ２４またはノーズを備え、これらは、中心軸「Ｘ−Ｘ」に沿って固定ケーシング内に置かれ、軸方向入口１２に面する。デフレクタ２４は、軸方向入口１２付近に位置する固定ケーシング３の内壁と共に連結ダクト２５を区切り、接続ダクト２５は、軸方向入口１２を径方向膨張通路１６で接続する。デフレクタ２４は、軸方向入口１２に向けられた凸面を持つ隆起ディスクプロファイルを有する。
【０１０１】
デフレクタ２４の径方向周辺部分は、一連のステータ羽根２６を担持し、一連のステータ羽根２６は、中心軸「Ｘ−Ｘ」の周りに、中心軸「Ｘ−Ｘ」から等距離に配置される。前記ステータ羽根２６は、固定ケーシング３の管状部分およびデフレクタ２４の径方向周辺部分の間で延び、それらの前縁および後縁は、中心軸「Ｘ−Ｘ」に対して平行または実質的に平行になっている。前記ステータ羽根２６は、接続用ダクト２５内に置かれ、タービン１に入る流体が合う径方向膨張通路１６の最初の固定羽根である。
【０１０２】
前述したステータ羽根２６に対して径方向の外部位置に置かれるのは、第１主要ロータ羽根付きリング９であり，ロータディスク６に対して径方向最内部のものである。第１主要ロータ羽根付きリング９のロータ羽根１９は、デフレクタ２４に固定されたステータ羽根２６の位置に対応した位置にセットされ、それらは、共に、タービン１の第１段を形成する。
【０１０３】
図１及び図２に見られるように、第１主要ロータ羽根付きリング９の根元リング１７の径方向内面およびデフレクタ２４の径方向周辺部分の径方向外面２７の間で、更に、第１主要ロータ羽根付きリング９の周回リング１８の径方向内面および子知恵ケーシング３の管状部分の径方向外面２８の間で、第１軸方向通路２９'、即ち、中心軸「Ｘ−Ｘ」に対して平行に軸方向に延びる環状容積が区切られている。第１軸方向通路２９'には何もシールが設定されず、第１軸方向通路２９'は、径方向膨張通路１６と交差している。そのため、ステータ羽根２６から離れる流体は、自由に第１軸方向通路２９'を満たす。第１軸方向通路２９'は、ステータ羽根２６の出口圧力にある。
【０１０４】
凸状の面の反対側のデフレクタ２４の一面は、ロータディスク６に向けられ、ロータディスク６の前面７の径方向内側部分および第１主要ロータ羽根付きリング９'で、前述した第１軸方向通路２９'と流体連通している略円筒状中央前方チャンバ３０を区切る。そのため、前記略円筒状中央前方チャンバ３０は、同様に、ステータ羽根２６の出口圧力にある。
【０１０５】
第１補助ステータ羽根付きリング１５'は、第１主要ロータ羽根付きリング９'に対して径方向外部位置に置かれている。第１補助ステータ羽根付きリング１５'のステータ羽根１９は、径方向最内部の第１主要ロータ羽根付きリング９'のロータ羽根１９の位置に対応した位置にセットされている。
【０１０６】
図１および図２から分かるように、第１主要ロータ羽根津付きリング９'の根元リング１７の径方向外面および第１補助ステータ羽根付きリング１５'の周回リング１８の径方向内面の間、さらに、第１主要ロータ羽根付きリング９'の周回リング１８の径方向外面および第１補助ステータ羽根付きリング１５'の根元リング１７の径方向外面の間には、径方向シール３１があり、これは、第１段の羽根１９から離れる作動流体の通過を防止する。
【０１０７】
径方向シール３１は、隣接した周回リング１８及び根元リング１７の径方向外面と協働する根元リング１７及び周回リング１８の径方向内面に装着された密封要素を備える。密封要素は、たとえば、それらを支持する表面から径方向に突出する環状壁であり、反対側の表面をグレージングまたは接触させる。説明された径方向シール３１は、単一直径にセットされる。
【０１０８】
第１主要ロータ羽根付きリング９'の末端の軸方向端部、または、より正確には、前記第１主要ロータ羽根付きリング９'の周回リング１８の先端面は、固定ケーシング３の前壁１０の内面から離間されている。前記先端面は、前壁１０の一部分と共に、更に、第１補助ステータ羽根付きリング１５'と共に、第１補助前方環状チャンバ３２を区切っている。
【０１０９】
第１補助スタータ羽根付きリング１５'の末端軸方向端部、または、より正確には、前記第１補助ステータ羽根付きリング１５'の周回リング１８の先端面は、ロータディスク６の前面７から離間されている。前記先端面は、ロータディスク６の前面７の一部分、第１主要ロータ羽根付きリング９'、第２主要ロータ羽根付きリング９''と共に、第１主要前方環状チャンバ３３を区切っている。ロータディスク６の前面７の前述した部分は、ロータディスク６の前方環状領域を定める。
【０１１０】
第２主要ロータ羽根付きリング９''は、第１補助ステータ羽根付きリング１５'に対して径方向外部位置に置かれ、第２主要ロータ羽根付きリング９''のロータ羽根１９は、第１補助ステータ羽根付きリング１５'の羽根１９の位置に対応した位置にセットされ、それらは、共に、タービン１の第２段を形成する。
【０１１１】
図１及び図２から分かるように、第２主要ロータ羽根津付きリンツ９''の根元リング１７の径方向内面および第１補助ステータ羽根付きリング１５'の周回リング１８の径方向外面の間で、さらに、第１ロータ羽根付きリング９'の周回リング１８の径方向内面および第１補助ステータ羽根付きリング１５'の根元リング１７の径方向外面の間で、第２軸方向通路２９''、即ち、中心軸「Ｘ−Ｘ」に対して平行な軸方向に延びる環状容積が区切られている。第１軸方向通路２９''には何もシールが設定されず、第２軸方向通路２９''は、径方向膨張通路１６と交差している。そのため、第１補助ステータ羽根付きリング１５'の羽根１９から離れる流体は、自由に第２軸方向通路２９''を満たす。第２軸方向通路２９''は、第１補助ステータ羽根付きリング１５'の羽根の出口圧力にあり、第１前方主要チャンバ３３と流体連通しているので、同一圧力にある。
【０１１２】
第２主要ロータ羽根付きリング９''の末端の軸端部、または、より正確には、前記第２主要ロータ羽根付きリング９''の周回リング１８の先端面は、固定ケーシング３の前壁１０の内面から離間されている。前記先端面は、前壁１０の一部分と共に、更に、第１補助ステータ羽根付きリング１５'と共に、第２補助前方環状チャンバ３４を区切っている。第２軸方向通路２９''は、第２補助前方環状チャンバ３４とも流程連通している。
【０１１３】
タービン１は、第２補助ステータ羽根付きリング１５''、第３主要ロータ羽根付きリング９'''、第３補助ステータ羽根付きリング１５'''、第４主要ロータ羽根付きリング９''''を備える。それらの構造は、前述した構造と実質的に同一である。
【０１１４】
径方向シール３１は、第３主要ロータ羽根付きリング９'''および第３補助ステータ羽根付きリング１５'''の間、さらに、第２主要ロータ羽根付きリング９''および第２補助ステータ羽根付きリング１５''の間に設定されている。そのため、区切られているのは、第２主要前方環状チャンバ３５，第３主要前方環状チャンバ３６、第３補助前方環状チャンバ３７、第４補助前方環状チャンバ３８である。第３軸方向通路２９'''は、第２主要前方環状チャンバ３５を第３補助前方環状チャンバ３７と連通するように置くので、両方は同一圧力である。第４軸方向通路２９''''は、第３主要前方環状チャンバ３６を第４補助前方環状チャンバ３８と連通するように置くので、両方は同一圧力である。
【０１１５】
各々の主要前方環状チャンバ３３，３５，３６は、ロータディスク６の、それぞれの前方環状領域に対応する。実質的に円筒状中央前方チャンバ３０は、ロータディスク６の前方円形領域に対応する。
【０１１６】
タービン１は、径方向外部密封リング３９を更に備え、径方向外部密封リング３９は、前壁１０の内面からケーシング３の内側に向かって延び、第４主要ロータ羽根付きリング９''''の周回リング１８を囲んでいる。径方向外部密封リング３９は、羽根付きではないが、連結リング２２によって固定ケーシング３に連結された根元リング１７の構造を有する。径方向シール３１は、径方向外部密封リング３９および第４主要ロータ羽根付きリング９''''の周回リング１８の間に入れられ、第４補助前方環状チャンバ３８から螺旋状通路１３への流体の直接通過を防止し、すなわち、第４主要ロータ羽根付きリング９''''の羽根１９を流体が迂回することを防止する。
【０１１７】
タービン１は、３つの同心の主要密封リング４０'、４０''，４０'''，４０''''を更に備え、これらは、ロータディスク６の後面８に配置されている。主要密封リング４０'、４０''，４０'''，４０''''は、固定ケーシング３と共に、４つの後方環状主要チャンバ４１'、４１''，４１'''，４１''''を区切っている。
【０１１８】
より具体的には、全ての主要密封リング４０'、４０''，４０'''，４０''''は、径方向外部密封リング３９と構造的に類似しているので、連結リング２２によって固定ケーシング３に連結された根元リング１７を備える。径方向シール３１は、全ての主要密封リング４０'、４０''，４０'''，４０''''の根元リング１７及び、ロータディスク６に一体化され、中心軸「Ｘ−Ｘ」と同軸の、それぞれの環状突起４２'、４２''，４２'''，４２''''の間に入れられている。
【０１１９】
第１後方環状主要チャンバ４１'は、ロータディスク６の後面８の第１環状領域、固定ケーシング３の後壁１１の第１環状部分、第１径方向最内部後方密封リング４０'、シャフト４によって区切られる。ロータディスク６を通過する（図１には一つだけが見える）複数の第１ダクト４３は、第１後方環状主要チャンバ４１'を略円筒状前方チャンバ３０との流体連通に置く。そのため、第１補助前方環状チャンバ３２、第１軸方向通路２９'、略円筒状前方チャンバ３０、第１後方環状チャンバ４１'は、全て、同一圧力「Ｐ１」である。
【０１２０】
第２後方環状主要チャンバ４１''は、ロータディスク６の第２後方環状領域、第１後方密封リング４０'、第２後方密封リング４０''、固定ケーシング３の後壁１１の第２環状部分によって区切られている。中心軸「Ｘ−Ｘ」と平行なロータディスク６を通過する（図１に一つしか見えない）複数の第２ダクトは、第２後方環状主要チャンバ４１''を第１主要前方環状チャンバ３３と流体流通に置く。そのため、第２補助前方環状チャンバ３４、第２軸方向通路２９''、第２後方環状主要チャンバ４１''、第１主要前方環状チャンバ３３は、全て、同一圧力「Ｐ２」である。
【０１２１】
第３後方環状主要チャンバ４１'''は、ロータディスク６の第３後方環状領域、第２後方密封リング４０''、第３後方密封リング４０'''、固定ケーシング３の後壁１１の第３環状部分によって区切られている。中心軸「Ｘ−Ｘ」に対して平行であるロータディスク６を通過する（図１には一つだけが見える）複数の第３ダクト４５は、第３後方環状主要チャンバ４１'''を第２主要環状チャンバ３５との流体連通に置く。そのため、第３補助前方環状チャンバ３７、第３軸方向通路２９'''、第３後方環状主要チャンバ４１'''、第２主要前方環状チャンバ３５は、全てが同一の第３圧力「Ｐ３」である。
【０１２２】
第４後方環状主要チャンバ４１''''は、ロータディスク６の第４後方環状領域、第３後方密封リング４０'''、第４後方密封リング４０''''、固定ケーシング３の後壁１１の第４環状部分によって区切られている。中心軸「Ｘ−Ｘ」に対して平行であるロータディスク６を通過する（図１には一つだけが見える）複数の第４ダクト４６は、第４後方環状主要チャンバ４１''''を第３主要前方環状チャンバ３６と流体連通に置く。そのため、第４補助前方環状チャンバ３８、第４軸方向通路２９''''、第４後方環状主要チャンバ４１''''、第３主要前方環状チャンバ３６は、全てが同一の第４圧力「Ｐ４」である。
【０１２３】
入口圧力「Ｐin」で軸方向入口１２を通って入る作動流体は、ステータ羽根２６を通過した後、第１圧力「Ｐ１」を有する。前記第１圧力「Ｐ１」は、（推力Ｆ1_＝Ｐ１＊Ａ_１fを発生させ）ロータディスク６の第１前方領域「Ａ_１f」に作用するが、これは、ロータディスク６の前方円形領域と第１主要ロータ羽根付きリング９'の周回リング１８の先端面の領域との合計に等しい。
【０１２４】
第１圧力「Ｐ１」は、前記ロータディスク６の第１後方環状領域「Ａ_１p」に作用し、反対推力Ｆ_１p＝Ｐ１＊Ａ_１pを発生させる。前記第１後方環状領域「Ａ_１p」は、ロータディスク６の後面８の領域に等しく、これは、第１後方環状主要チャンバ４１'に属し、シャフト４を囲んでいる。第１前方領域「Ａ_１f」は、第１後方環状領域「Ａ_１p」と等しいので、合成の推力はゼロになる（Ｆ１_f＝Ｆ_１p）。
【０１２５】
膨張径方向通路１６に沿って続けると、作動流体は、第１主要羽根付きリング９'の羽根１９および第１補助羽根付きリング１５'の羽根１９を通過する。第１補助羽根付きリング１５'のちょうど下流側で、作動流体は、第２圧力「Ｐ２」を有する。前記第２圧力「Ｐ２」は、推力Ｆ_２f＝Ｐ２＊Ａ_２fを発生させる。第２前方環状領域「Ａ_２f」は、第２主要ロータ羽根付きリング９''の周回リング１８の先端面と、第１前方主要チャンバ３３内に含まれるロータディスク６の前面７の環状領域および前記ロータディスク６に向けられた第１主要ロータリング９'の根元リング１７の先端面の領域の間の差との合計に等しい。
【０１２６】
同一の第２圧力「Ｐ２」は、前記ロータディスク６の第２後方環状領域「Ａ_２p」に作用し、反対推力Ｆ_２p＝Ｐ２＊Ａ_２pを発生させる。前記第２後方環状領域「Ａ_２p」は、第２後方環状主要チャンバ４１''に属するロータディスク６の後面８の領域に等しい。第２前方領域「Ａ_２f」は、第２後方環状領域「Ａ_２p」と等しいので、合成の推力はゼロになる（Ｆ２_f＝Ｆ_２p）。
【０１２７】
作動流体は、第２主要羽根付きリング９''の羽根１９および補助羽根付きリング１５''の羽根１９を通過する。第２補助羽根付きリング１５''のちょうど下流側で、作動流体は第３圧力「Ｐ３」を有する。前記第３圧力「Ｐ３」は、推力Ｆ_３f＝Ｐ３＊Ａ_３fを発生させる。第３前方環状領域「Ａ_３f」は、第３主要ロータ羽根付きリング９'''の周回リング１８の先端面の領域と、第２前方主要チャンバ３５に含まれるロータディスク６の前面７の環状領域および前記ロータディスク６に向けられた第２主要ロータリング９''の根元リング１７の先端面の領域の間の差との合計に等しい。
【０１２８】
同一圧力「Ｐ３」は、前記ロータディスク６の第３後方環状領域「Ａ_３p」に作用し、反対推力Ｆ_３p＝Ｐ３＊Ａ_３pを発生させる。前記第３後方環状領域「Ａ_３p」は、第３後方環状主要チャンバ４１'''に属するロータディスク６の後面８の領域に等しい。第３前方領域「Ａ_３f」は、第３後方環状領域「Ａ_３p」と等しいので、合成の推力はゼロになる（Ｆ３_f＝Ｆ_３p）。
【０１２９】
作動流体は、第３主要羽根付きリング９'''の羽根１９および補助羽根付きリング１５'''の羽根１９を通過する。補助羽根付きリング１５'''のちょうど下流側で、作動流体は、第４圧力「Ｐ４」を有する。前記第４圧力「Ｐ４」は、推力Ｆ_４f＝Ｐ４＊Ａ_４fを発生させる。第４前方環状領域「Ａ_４f」は、第４主要ロータ羽根付きリング９''''の周回リング１８の先端面の領域と、第３前方主要チャンバ３６に含まれるロータディスク６の前面７の環状領域および前記ロータディスク６に向けられた第３主要ロータリング９'''の根元リング１７の先端面の領域の差との合計に等しい。
【０１３０】
同一の第４圧力「Ｐ４」は、前記ロータディスク６の第４後方環状領域「Ａ_４p」に作用し、反対推力Ｆ_４p＝Ｐ４＊Ａ_４pを発生させる。
【０１３１】
前記第４後方環状領域「Ａ_４p」は、全体または部分的に、シャフト４に外側から作用する外部／大気圧Ｐ_atmの推力を釣り合わせるように設計されている。第４後方環状主要チャンバ４１''''は、シャフト４に作用する外部／大気圧Ｐ_atmの軸方向推力補償の為のチャンバであり、第４後方環状領域「Ａ_４p」は、シャフト４の補償領域である。
【０１３２】
図１の実施形態において、第４主要環状チャンバ４１''''および第４後方環状領域「Ａ_４p」は、ロータディスク６の最大直径によって制限される。留意されるように、実際、ロータディスク６の周縁部は、第４主要羽根付きリング９''''で終わっている。第４後方環状領域「Ａ_４p」は、それぞれの前方環状領域「Ａ_４p」及び以下の関係式に従う回転シャフト４の横断面領域「Ａ_a」の間の差に等しい。Ａ_４p＝Ａ_４f−Ａ_a
【０１３３】
第１前方領域、第２前方領域、第３前方領域に作用する力は、第１後方領域、第２後方領域、第３後方領域に作用する力によって釣り合わされるのが好ましいが（Ｆ_１f＝Ｆ１_p；Ｆ_２f＝Ｆ_２p；Ｆ_３f＝Ｆ_３p）、ロータディスク６によって形成されるロータ２に作用する合成の軸方向の力は、以下の合力と等しい。
【０１３４】
合力＝Ｆ_４f−Ｆ_４p−Ｆ_shaft＝
【０１３５】
（Ｐ４＊Ａ_４f）−（Ｐ４＊Ａ_４p）−Ｐatm＊Ａ_a＝
【０１３６】
Ｐ４＊Ａ_４f−Ｐ４＊Ａ_４f＋Ｐ４＊Ａ_a−Ｐatm＊Ａ_a＝
【０１３７】
Ａ_a＊（Ｐ４−Ｐ_atm）
【０１３８】
そのため、合成の軸方向の力は、シャフトの領域と、最終ステータの外部圧力「Ｐ４」及び大気圧Ｐ_atmの差との関数になる。シャフトの直径１２０ｍｍ、大気圧が１０１０００Ｐａと仮定すると、推力は、最低で、Ｐ４＝０バール絶対圧（真空下）のとき、１１４２Ｎに等しく、最大圧力が考慮されるときに最大になり、これは、ＯＲＣサイクルにおいて、通常、６バール（絶対）を超えず（一般には０．５〜１．５バール（絶対））であり、５６４０Ｎに等しい（図５）。
【０１３９】
図２の変形実施形態において、第４後方環状領域「Ａ'_４p」は、第４主要羽根付きリング９''''を越えて径方向に延び、所定の設計条件（設計点）に対して合成の軸方向の力を全体的に相殺するものである。シャフト４の補償領域「Ａ'_４p」は、それぞれの前方環状領域および係数の合計に等しいが、係数は、シャフト４の横断面領域と外部／大気圧「Ｐ_atm」との関数である。換言すると、シャフトの補償領域は、追加領域によって増加される。前記追加領域は、第４径方向最外部後方密封リング４０''''の直径、すなわち、第４径方向最外部後方環状主要チャンバ４１''''の直径を増加することによって得られる。
【０１４０】
Ｐ_outを第４主要羽根付きリング９''''の出口圧力、すなわち、第５前方環状追加領域「Ａ_５f」に作用する螺旋状通路１３における出口圧力と呼ぶと、以下の場合に合力はゼロになる。
【０１４１】
合力＝Ｆ_４f＋Ｆ_５f−Ｆ_４p−Ｆ_shaft＝（Ｐ４＊Ａ_４f）＋（P_out＊Ａ_５f）−（Ｐ４＊Ａ'_４p）−Ｐatm＊Ａ_a＝０
【０１４２】
ここで、
【０１４３】
Ａ'_４p＝Ａ_４p＋Ａ_５f
【０１４４】
さらに、
【０１４５】
Ａ_４p＝Ａ_４f−Ａ_a
【０１４６】
Ｐ４＊Ａ_４f＋Ｐ_out＊Ａ'_４p−Ｐ_out＊Ａ_４p−Ｐ４＊Ａ'_４p−Ｐatm＊Ａ_a＝０
【０１４７】
Ｐ４＊Ａ'４p−Ｐ_out＊Ａ'４p＝Ｐ４＊Ａ_４f−Ｐ_out＊Ａ_４p−Ｐatm＊Ａ_a
【０１４８】
Ａ'_４p＊（Ｐ４−Ｐ_out）＝Ｐ４＊Ａ_４f−Ｐ_out＊（Ａ_４f−Ａ_a）−Ｐatm＊Ａ_a
【０１４９】
Ａ'_４p＊（Ｐ４−Ｐ_out）＝Ａ_４f＊（Ｐ４−Ｐ_out）＋Ａ_a＊（Ｐ_out−Ｐ_atm）
【０１５０】
そのため、所定の設計条件の為の合成の軸方向の力を全体的に相殺する第４後方環状領域「Ａ'_４p」は、
【０１５１】
Ａ'_４p＝Ａ_４f＋Ａ_a＊（Ｐout−Ｐ_atm）／（Ｐ４−Ｐout）
【０１５２】
または、換言すれば、
【０１５３】
Ａ５_f＝Ａ_a＊（Ｐ４−Ｐ_atm）／（Ｐ４−Ｐout）
【０１５４】
設計が当該機械の高い放出圧力「Ｐ_out」（例えば１５バール）を与える場合、さらに、最終ロータにおける膨張比１．２を仮定する場合（Ｐ４＝１．２＊Ｐ_out）、推力を排除する為に必要な領域「Ａ５_f」は、次式になる。
【０１５５】
Ａ５_f＝Ａ_a＊（１８−１）／（１８−１５）＝５．６６＊Ａ_a
【０１５６】
図６は、そのような領域、圧力１５バール、合力の軸方向の力がゼロのものを図示する。そのような推力値は、有機膨張器で一般に使用される転がり軸受によって更に低くなり、「耐えられる」。実際、直径が１２０ｍｍ、大気圧が１０１０００Ｐaに等しく、最終ステータの設計出口圧力「Ｐ４」が１５バールに等しく、最終ロータの膨張βが１．２に等しいと仮定すると、推力は、「Ｐ４」＝０バール（絶対、真空下）で最低になり、−１１４２Ｎに等しく、通常は３０バール（絶対）を越えない考慮されるべき最大圧力で最大になり、＋１１４２Ｎに等しい。
【０１５７】
２つの解決策を比較すると、第２解決策は、当該機械の放出圧力「Ｐ_out」が高いとき（＞５バール（絶対））明らかな利点を有する。
【０１５８】
図示されていない変形実施形態において、後方環状補償チャンバは、異なる径方向の位置、たとえば、径方向最内部に置かれる。好ましくは、後方環状補償チャンバは、外部／大気圧に最も近い圧力のチャンバである。
【０１５９】
図示されてない変形実施形態において、それぞれの作動流体用軸方向通路は、径方向に隣接する段の間で区切られ、径方向シールは、同一の段の各々の主要羽根付きリングおよび補助羽根付きリングの間に入れられている。
【０１６０】
図３は、更なる実施形態を図示する。図３の実施形態は、タービン１が二重反転型であることから、図１および図２の実施形態とは異なる。タービン１は、第１ロータ２'および第２ロータ２''を備える。第１ロータ２'は、第１ロータディスク６'および第１ロータディスク６'と一体の第１回転シャフト４'を備え、中心軸「Ｘ−Ｘ」の周りを固定ケーシング３内で回転可能である。第１ロータディスク６'は、前面７'で、主要同心羽根付きリング９'，９''，９'''，９''''を担持する。
【０１６１】
第２ロータ２''は、第２ロータディスク６''および第２ロータディスク６''と一体の第２回転シャフト４''を備え、第１ロータディスク６'に対して反対方向に、中心軸「Ｘ−Ｘ」の周りを固定ケーシング３内で回転可能である。
【０１６２】
第２ロータディスク６''は、前面７''で、同心の補助羽根付きリング１５'，１５''，１５'''を担持し、これらは、同様に羽根付きロータリングである。特に、第１主要羽根付きリング９'は、径方向最内部位置に設定され、中心軸から径方向に離れるが、第１補助羽根付きリング１５'、第２主要羽根付きリング９''、第２補助羽根付きリング１５''、第３主要羽根付きリング９'''、第３補助羽根付きリング１５''、第４主要羽根付きリング９''''が追従する。径方向外部密封リング３９は、第２ロータディスク６''の前面７''から延び、第４主要羽根付きリング９''''の周回リング１８を囲む。
【０１６３】
略円筒状前方チャンバ３０，環状前方主要チャンバ３３，３５，３６，後方環状主要チャンバ４１'，４１''，４１'''，４１''''、第２補助通路２９''、第３補助通路２９'''、第４補助通路２９''''、第２補助前方環状チャンバ３４，第３補助前方環状チャンバ３７，第４補助前方環状チャンバ３８の構造は、図１及び図２のタービンの為に説明されたものと実質的に同一である。
【０１６４】
それらのタービンと異なり、図３のタービンは、第１軸方向通路２９'を持たず、第１補助前方環状チャンバ３２を持たない（他の３つの補助前方環状チャンバのみを有する）。
【０１６５】
さらに、第２ロータディスク６''は、第１ロータディスク６'と同一の原理に従って、補助的に釣り合わされている。図３のタービン１は、実際、補助推力を釣り合わせる為に補助後方チャンバ４７'，４７''，４７'''，４７''''を有する。固定ケーシング３と一体の同心補助密封リング４８，４８，４８，４８と、第２ロータディスク６''と一体の補助環状突起４９'，４９''、４９'''，４９''''とは、前記補助後方チャンバ４７'，４７''，４７'''，４７''''を区切り、これらは、第２ロータディスク６''内に形成された、それぞれのダクト５０，５１，５２，５３を通して、それぞれの補助前方環状チャンバ３４，３７，３８と連通している。
【０１６６】
他の図示しない変形実施形態において、ラジアルターボ機械は、求心力を利用するものでもよく、さらに／または、圧縮機でもよく、さらに／または蒸気で作動するように設計されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2019513200.tif 000010