(57)【要約】      （修正有）【課題】スラスト荷重を低減しかつ／又はターボ機械が受けるスラストの変化を最小限に抑える改良されたシステムにおいて、現在知られているシステムより効率がよく、優れた費用効果で、ターボ機械に使用されるスラスト軸受を小型化できるようにして、回転子に加えられる総スラストを制御するシステムを提供する。【解決手段】システムは回転子２０２の一部分を封入するチャンバ２００を含み、シール系はチャンバ２００及び回転子２０２を密封してもよく、流体系はチャンバ２００に加圧流体を供給してもよく、流体は回転子２０２により加えられるスラストに対抗してもよく、システムは、回転子２０２の位置を監視し、総スラスト荷重を減少するために加圧流体を利用するように構成された制御系をさらに含んでもよい。【選択図】図２
2011117600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子（１０２）が受けるスラスト荷重を制御するシステムであって、
前記回転子（１０２）の一部分を封入し、前記回転子（１０２）の前記一部分をほぼ取り囲む流体の流入及び流出を可能にする第１のポート及び第２のポートを具備し、前記回転子（１０２）に加えられるスラスト荷重を制御するように構成されたチャンバ（２００）と、
上流側に前記第１のポートが配置され、下流側に前記第２のポートが配置され、前記チャンバ（２００）及び前記回転子（１０２）を動作可能に接続するように構成されたシール系（１０４）と、
前記チャンバ（２００）へ前記流体を送り出すように構成された流体供給系（３１８）と、
スラスト荷重を変化させるために前記流体を利用するように構成されたコントローラ（３４０）と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記第１のポートの上流側に配置され、前記流体を第１の圧力で前記チャンバ（２００）に流入させる第１の弁と、前記第２のポートの下流側に配置され、前記流体を第２の圧力で前記チャンバ（２００）から流出させる第２の弁とをさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記チャンバ（２００）は前記回転子（１０２）の一端に隣接して配置される、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記チャンバ（２００）は前記回転子（１０２）の中間場所に隣接して配置される、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記流体は作動油である、請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記流体供給系（３１８）は、前記チャンバ（２００）内における前記作動油の圧力を調整するように構成された蓄圧器（３１２）を備える、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記流体供給系（３１８）の下流側でしかも前記第１のポート及び前記第２のポートの上流側に配置された遮断弁（６０２）をさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記流体は空気圧流体であり、前記流体供給系（３１８）は、前記チャンバ（２００）内における前記空気圧流体の圧力を調整する少なくとも１つの減圧弁を備える、請求項２記載のシステム。
【請求項９】
回転子（１０２）に作用するスラスト荷重を制御するシステムであって、
ターボ機械の回転子（１０２）の一部分を封入し、前記回転子（１０２）の前記一部分をほぼ取り囲む作動油の流入及び流出を可能にする第１のポート及び第２のポートを具備し、前記回転子（１０２）に作用するスラスト荷重を制御するように構成されたチャンバ（２００）と、
前記第１のポートの上流側に配置され、前記作動油を第１の圧力で前記チャンバ（２００）に流入させる第１の弁及び前記第２のポートの下流側に配置され、前記作動油を第２の圧力で前記チャンバ（２００）から流出させる第２の弁と、
上流側に前記第１のポートが配置され、下流側に前記第２のポートが配置され、前記チャンバ（２００）及び前記回転子（１０２）を動作可能に接続するように構成されたシール系（２０４）と、
前記チャンバ（２００）へ前記作動油を送り出すように構成された油圧供給系（３１８）と、
前記チャンバ（２００）内における前記作動油の圧力を調整するように構成された蓄圧器（３１２）と、
前記回転子（１０２）の現在の位置を判定し、スラスト荷重を変化させるために前記作動油を利用するように構成されたコントローラ（３４０）と
を備えるシステム。
【請求項１０】
回転子（１０２）の位置に影響するスラスト荷重を制御するシステムであって、
前記回転子（１０２）の一部分を封入し、前記回転子（１０２）の前記一部分をほぼ取り囲む空気圧流体の流入及び流出を可能にする第１のポート及び第２のポートを具備し、前記回転子（１０２）に対するスラスト荷重を制御するように構成されたチャンバ（２００）と、
前記第１のポートの上流側に配置され、前記空気圧流体を第１の圧力で前記チャンバ（２００）に流入させる第１の弁及び前記第２のポートの下流側に配置され、前記空気圧流体を第２の圧力で前記チャンバ（２００）から流出させる第２の弁と、
上流側に前記第１のポートが配置され、下流側に前記第２のポートが配置され、前記チャンバ（２００）及び前記回転子（１０２）を動作可能に接続するシール系（２０４）と、
前記チャンバ（２００）へ前記空気圧流体を送り出すように構成された空気圧供給系（３１８）と、
前記チャンバ（２００）内における前記空気圧流体の圧力を調整する少なくとも１つの減圧弁と、
前記回転子（１０２）の現在の位置を判定し、スラスト荷重を変化させるために前記空気圧流体を利用するように構成されたコントローラ（３４０）と
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にターボ機械の動作に関し、特に、ターボ機械の回転子に作用する軸方向スラスト荷重を減少するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン、ガスタービンなどのターボ機械は、発電及び推進を含むが、それらに限定されない多様な用途で動作する。ターボ機械の動作中、ターボ機械の回転子は高レベルの軸方向スラスト（以下、「スラスト」、「スラスト荷重」などと呼ぶ）を受ける。スラスト荷重を回転構成要素から静止構成要素へ伝達する周知の方法の１つは、スラスト軸受を採用する。スラスト軸受は、回転子及び関連する構成要素の回転を妨害することなくスラスト荷重を吸収する。一般に、スラスト軸受が受けるスラストのレベルは変化する。回転子の製造誤差及び流路圧力の変化はスラスト荷重を大きく変動させる可能性がある。ターボ機械の中には、そのような大きな変動を減少するために大型のスラスト軸受を使用するものがある。
【０００３】
スラスト荷重が相対的に一定のままであるか又はゆっくりと変化する場合に、ターボ機械の最良の動作が得られやすい。大型のスラスト軸受は相当な量の流体を必要とし大きな摩擦損失を受けるので、過剰な動力損失を発生し、ターボ機械の総効率を低下することもある。
【０００４】
この問題に対処する周知の方法の中には、スラストに対抗する力を発生するために動作流体（ターボ機械から取り出される）の一部を転送するものがある。しかし、この方法はターボ機械の総効率を低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４５７８０１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、スラスト荷重を低減しかつ／又はターボ機械が受けるスラストの変化を最小限に抑える改良されたシステムが必要とされる。このシステムは、現在知られているシステムより効率がよく、優れた費用効果を示すべきである。このシステムは、ターボ機械で使用されるスラスト軸受を小型化できるようにすべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態では、回転子（１０２）が受けるスラスト荷重を制御するシステムは、回転子（１０２）の一部分を封入し、回転子（１０２）の封入部分をほぼ取り囲む流体の流入及び流出を可能にする第１のポート及び第２のポートを具備し、回転子（１０２）に対するスラスト荷重を制御するように構成されたチャンバ（２００）と、上流側に第１のポートが配置され、下流側に第２のポートが配置され、チャンバ（２００）及び回転子（１０２）を動作可能に接続するように構成されたシール系（１０４）と、チャンバ（２００）へ流体を送り出すように構成された流体供給系（３１８）と、スラスト荷重を変化させるために流体を利用するように構成されたコントローラ（３４０）とを備える。
【０００８】
本発明の別の実施形態では、回転子（１０２）に作用するスラスト荷重を制御するシステムは、ターボ機械の回転子（１０２）の一部分を封入し、回転子（１０２）の封入部分をほぼ取り囲む作動油の流入及び流出を可能にする第１のポート及び第２のポートを具備し、回転子（１０２）に対するスラスト荷重を制御するように構成されたチャンバ（２００）と、第１のポートの上流側に配置され、作動油を第１の圧力でチャンバ（２００）に流入させる第１の弁及び第２のポートの下流側に配置され、作動油を第２の圧力でチャンバ（２００）から流出させる第２の弁と、上流側に第１のポートが配置され、下流側に第２のポートが配置され、チャンバ（２００）及び回転子（１０２）を動作可能に接続するように構成されたシール系（２０４）と、チャンバ（２００）へ作動油を送り出すように構成された油圧供給系（３１８）と、チャンバ（２００）内における作動油の圧力を調整するように構成された蓄圧器（３１２）と、回転子（１０２）の現在の位置を判定し、スラスト荷重を変化させるために作動油を利用するように構成されたコントローラ（３４０）とを備える。
【０００９】
本発明のさらに別の実施形態では、回転子（１０２）の位置に影響するスラスト荷重を制御するシステムは、ターボ機械の回転子（１０２）の一部分を封入し、回転子（１０２）の封入部分をほぼ取り囲む空気圧流体の流入及び流出を可能にする第１のポート及び第２のポートを具備し、回転子（１０２）に対するスラスト荷重を制御するように構成されたチャンバ（２００）と、第１のポートの上流側に配置され、空気圧流体を第１の圧力でチャンバ（２００）に流入させる第１の弁及び第２のポートの下流側に配置され、空気圧流体を第２の圧力でチャンバ（２００）から流出させる第２の弁と、上流側に第１のポートが配置され、下流側に第２のポートが配置され、チャンバ（２００）及び回転子（１０２）を動作可能に接続するように構成されたシール系（２０４）と、チャンバ（２００）へ空気圧流体を送り出すように構成された空気圧供給系（３１８）と、チャンバ（２００）内の空気圧流体の圧力を調整する少なくとも１つの減圧弁と、回転子（１０２）の現在の位置を判定し、スラスト荷重を変化させるために空気圧流体を利用するように構成されたコントローラ（３４０）とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るターボ機械のチャンバの一実施形態を示した概略図である。
【図２】図２は、本発明の別の実施形態に係るターボ機械のチャンバの一実施形態を示した概略図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る回転子に作用するスラストを調整するシステムを示したブロック図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態に係る回転子に作用するスラストを調整するシステムを示したブロック図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る回転子に対するスラストを制御するために空気圧流体を使用するシステムを示したブロック図である。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に係る回転子に対するスラストを制御するために空気圧流体を使用するシステムを示した概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態は、ターボ機械の回転子が受けるスラストを制御するシステムを提供する。このターボ機械は、蒸気タービン、重荷重ガスタービン、航空転用型ガスタービンなどの形態をとってもよいが、それらに限定されない。システムは回転子部分を封入するチャンバを採用してもよい。チャンバは作動油などの加圧流体で充填されてもよいが、使用される加圧流体はそれに限定されない。流体はターボ機械の外側に配置された供給源から取り出されてもよい。シール系は、回転子部分と係合し、チャンバを複数の個別の部分に分割してもよい。各部分は、（チャンバを通して）チャンバに流体を流入させ、チャンバから流体を流出させるための少なくとも１つのポート及び構造を含んでもよい。これにより、回転子は両方向の力を受けることになってもよい。回転子を所望の方向に偏向するために、制御システムはチャンバ内の流体の圧力を変化させてもよい。この圧力変化は総スラストを制御し、総スラストの大きな変動を阻止してもよい。その結果、ターボ機械におけるエネルギー損失が減少されてもよい。
【００１２】
本明細書において使用されるある特定の用語は単に便宜上使用されるにすぎず、本発明を限定すると解釈されてはならない。例えば、「上部」、「下部」、「左」、「前面」、「右」「水平」、「垂直」、「上流側」、「下流側」、「前部」及び「後部」などの用語は、単に図面に示される構成を説明するにすぎない。実際、構成要素は任意の方向に向いていてもよく、従って、特に指示のない限り、それらの用語はそのような向きの変更も含むものと理解されるべきである。用語「下流側」及び「上流側」は、ターボ機械を通って流れる動作流体の流れに対する方向を示し、「下流側」は流れの方向であり、「上流側」は逆方向である。それらの用語に関連して、「後部」及び／又は「後縁部」は下流方向又は下流側端部を表し、「前部」又は「前縁部」は上流方向又は上流側端部を表す。さらに、「軸」方向又は「軸方向」位置は軸と平行である。
【００１３】
本明細書において例示的な実施形態が詳細に開示される。しかし、本明細書において開示される特定の構造及び機能の詳細は、単に例示的な実施形態を説明する目的で代表的な構造及び機能を説明するにすぎない。しかし、例示的な実施形態は多くの代替形態で実施されてもよく、本明細書に記載される実施形態のみに限定されると解釈されるべきではない。
【００１４】
従って、例示的な実施形態は種々の変形及び代替形態が可能であるが、実施形態は例として図示されており、本明細書において詳細に説明される。しかし、例示的な実施形態を開示される特定の形態に限定する意図はまったく存在しないことは理解されるべきである。例示的な実施形態は、例示的な実施形態の範囲内に入るすべての変形、同等物及び代替形態を含むべきである。
【００１５】
本明細書において種々の要素を説明するために第１、第２などの用語が使用されてもよいが、それらの要素がそれらの用語により限定されてはならないことは理解されるだろう。それらの用語は、１つの要素を別の要素と区別するために使用されるだけである。例えば、第１の要素は例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく第２の要素と呼ばれてもよく、同様に、第２の要素は例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく第１の要素と呼ばれてもよいだろう。本明細書において使用される場合の用語「及び／又は」は、そこに挙げられている関連項目のうち１つ以上の項目のあらゆる組み合わせを含む。
【００１６】
本明細書において使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的として使用され、例示的な実施形態を限定することを意図しない。本明細書において使用される単数形は、明示して指示のない限り複数形をも含むことを意図する。さらに、本明細書において使用される場合の用語「備える」及び／又は「含む」は、そこに挙げられている特徴、数字、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらの集合の存在又は追加を除外しないことが理解されるだろう。
【００１７】
なお、別の実施形態では、挙げられている機能／動作は図面に示される順序以外の順序で実施されてもよい。例えば、関連する機能／動作に応じて、連続する２つの図はほぼ同時に実行されてもよいが、場合によっては逆の順序で実行されてもよい。
【００１８】
本発明の実施形態は、ターボ機械の回転子の一部分を部分的に取り囲む流体で充填されたチャンバを備えるシステムを提供する。チャンバは、回転子のその部分の周囲に圧力分布を発生する加圧流体で充填されてもよい。圧力分布は、回転子の位置に影響を与え、回転子を移動し、回転子が受けるスラスト荷重を減少することによって回転子に対するスラストに対抗できる力であると考えられてもよい。そこで図面を参照して説明する。図面中、いくつかの図において種々の図中符号は同じ部分を示す。図１は、本発明の一実施形態に係るターボ機械の中のチャンバ１００の一実施形態を示した概略図である。図１は、回転子の総スラストを能動的に制御してもよいチャンバ１００を有するターボ機械の一部を示す。チャンバ１００の一実施形態は回転子部分１０２の一端部を封入してもよく、回転子のその他の部分（図示せず）は、パワートレイン、負荷又はターボ機械と関連する他の構成要素などを含むが、それらに限定されない動作構成要素に接続されてもよい。
【００１９】
チャンバ１００は、ターボ機械から独立した供給源から取り出される加圧流体で充填されてもよい。例えば、蒸気タービンの場合、チャンバ１００内の流体は蒸気流路とは別であってもよいが、それに限定されない。その場合、動作流体（蒸気）はスラスト荷重を調整するために抽出されず、それにより、本発明によって起こりうる蒸気タービン効率の劣化が回避されるだろう。チャンバ１００の一実施形態は油圧チャンバと呼ばれてもよく、その場合、チャンバは回転子部分１０２をほぼ取り囲む流体によって充填されてもよい。その場合、流体は作動油であってもよい。チャンバ１００の他の実施形態では、流体は、圧縮空気であってもよく、あるいは同様の用途で使用可能な他の任意の液圧流体又は空気圧流体であってもよい。
【００２０】
回転子部分１０２はチャンバ１００の中で回転する。回転子部分１０２から外側へ円形回転子部分１０３が延出し、チャンバ１００をほぼ充填してもよい。本発明の一実施形態では、回転子部分１０２はターボ機械回転子の機械加工構造であってもよい。回転子部分１０３は、溶接などによりターボ機械回転子に新たに追加された構造であってもよい。密封系１０４は、回転子部分１０２とチャンバ壁との間の内側間隙を密封し、チャンバ１００の内部を２つの部分１０６及び１０８に分割してもよい。密封系１０４とチャンバ１００との動作可能接続構造は、当該技術において周知である従来の構造であってもよい。
【００２１】
図１に示されるように、チャンバ１００の一方の側にポート１１０及び１１２が配置されてもよく、反対側にポート１１４及び１１６が配置されてもよい。ポート１１０、１１２、１１４及び１１６は、２つの部分１０６及び１０８の内部を流体供給系に接続するために使用されてもよい。部分１０６及び１０８に対する流体の流入及び流出は、外部供給源を介して流体を受け入れる流体供給系を介して容易に実現されてもよい。本発明の一実施形態では、ポート１１０及び１１２は密封系１０４の上流側に配置されてもよく、ポート１１４及び１１６は密封系１０４の下流側に配置されてもよい。本発明の一実施形態では、密封系１０４は固定壁と回転部材との間にシールを形成してもよく、加圧流体の動作パラメータは約３０００ｐｓｉまでの範囲の圧力である。
【００２２】
動作中、加圧流体はポート１１０、１１２、１１４及び１１６のうち少なくとも１つのポートを介してチャンバ１００に流入してもよい。その後、加圧流体は、正味スラストを所望の量だけ偏倚させかつ／又は回転子を所望の方向に移動するのに十分な力で回転子部分１０２に衝突してもよい。正規動作分散と結合されたポート１１０、１１２、１１４及び１１６に接続された外部圧力源は、チャンバ１００の一方の部分１０６又は１０８に他方の部分より高い圧力を加えることにより、チャンバ１００に「高圧」部分と「低圧」部分を形成してもよい。本発明の一実施形態では、いずれか一方の部分１０６、１０８は「高圧」部分として機能してもよい。
【００２３】
図２は、本発明の別の実施形態に係るターボ機械の中のチャンバ２００の一実施形態を示した概略図である。本実施形態では、チャンバ２００は回転子の中間に配置されてもよい。チャンバ２００は回転子２０２の中心に近い場所などの回転子の場所に配置されるのが好都合であるが、配置場所はそれに限定されない。本実施形態では、チャンバ２００は回転子の両端部を他の構成要素と接続させてもよい。回転子２０２と一体に取り付けられた回転子部分２０３は、チャンバ２００により部分的に封入されてもよい。密封系２０４は、回転子部分２０３と内面との間にシールを形成することにより、チャンバ２００の内部ボリュームを２つの部分２０６及び２０８に分割してもよい。本実施形態では、各部分は、チャンバ２００の内部に対する流体の流入又は流出を可能にするポートを含んでもよい。本発明の一実施形態はポート２１０、２１２、２１４及び２１６を含んでもよい。回転子におけるチャンバ２００の配置場所を除き、動作は、図１に関連して説明した本発明の実施形態と同一であってもよい。
【００２４】
本発明の実施形態では、スラスト荷重を減少するために、回転子部分１０２／２０２の上流側端部に高圧流体が注入されてもよい。その場合、図３〜図６に関連して以下に説明されるように、チャンバ１００の各部分１０６、１０８／２０６、２０８に作用するスラストは個別に制御されてもよい。図３〜図６において説明されるシステムは、図１及び図２で説明された本発明の実施形態と統合されてもよい。
【００２５】
図３は、本発明の実施形態に係る回転子に作用するスラストを調整するシステムを示したブロック図である。図１に関連して説明したように、チャンバ１００は回転子部分１０２を封入することにより、回転子部分１０２の両側でチャンバ１００を２つの部分１０６、１０８に分割してもよい。
【００２６】
スラストに対抗するために、システム３００は、チャンバ１００の両側に接続された圧力タンク３０２、３０６などの圧力源を含んでもよいが、圧力源は圧力タンクに限定されない。チャンバ１００の上流側ポート１１２は圧力タンク３０２に接続されてもよく、下流側ポート１１６は圧力タンク３０４に接続されてもよい。圧力タンク３０２及び３０４は、チャンバ１００の各部分に作用する圧力を制御することにより回転子スラストを減少するために使用される流体を格納してもよい。図示されるように、圧力タンク３０２は、蓄圧器３０６、上限スイッチ３０８及び下限スイッチ３１０に接続されてもよい。同様に、圧力タンク３０４は、蓄圧器３１２、上限スイッチ３１４及び下限スイッチ３１６に接続されてもよい。蓄圧器３０６及び３１２は、チャンバ１００内の流体圧力を調整するように構成されてもよい。システム３００は、圧力タンク３０２及び３０４に流体を供給するか又は圧力タンク３０２及び３０４から流体を受け取る流体供給系３１８をさらに含んでもよい。流体の流入又は流出を可能にするために、流体供給系３１８は、制御弁３２０、３２２、３２４及び３２６並びにポンプ３２８に接続されてもよい。
【００２７】
図３に示されるように、チャンバ１００の上流側部分は、下流側部分より大きい回転子部分１０２のスラストを受けてもよい。通常、この圧力差により、加圧流体は高圧側から低圧側に（図３の左側から右側に向かって）漏れる。
【００２８】
本発明の一実施形態では、ポンプ３３０は圧力タンク３０２からチャンバ１００の上流側ポート１１２に加圧流体を注入してもよい。先に説明したように、この高圧流体はスラスト荷重に対抗するように作用してもよい。下流側への流体漏れは、圧力タンク３０２における流体レベルを一定の速度で低下させてもよい。その場合、ポンプ３２８は流体レベルを所望の範囲まで回復させてもよい。下流側への流体漏れは、ポンプ３３２を介して圧力タンク３０４の圧力を連続的に上昇させてもよい。その場合、制御弁３２６は、余分な流体を圧力タンク３０４から流出させ、流体供給系３１８に流入させてもよい。
【００２９】
この漏れの問題を克服するために、システム３００は、チャンバ１００の両側に独立した圧力制御手段を含んでもよい。下限スイッチ３１０及び上限スイッチ３１４は、流体レベルを選択されたレベルの間に維持するように動作してもよい。当該技術において周知であるように、この制御を実現するために種々の制御メカニズム及び制御方法が採用されてもよい。
【００３０】
システム３００は、回転子部分１０２の位置を監視するためのコントローラ３４０などの制御システムをさらに含んでもよいが、制御システムはコントローラ３４０に限定されない。スラスト荷重の値に基づいて、コントローラ３４０は、スラスト荷重を所望の値に減少すること及び／又は回転子を所望の位置に位置決めすることを目標として、圧力源（圧力タンク３０２又は３０４）からチャンバ１００への流体圧力を制御してもよい。コントローラ３４０は、チャンバ１００の両側の流体を所望の範囲に維持することを目標として、制御弁（３２０、３２２、３２４及び３２６）及びリミットスイッチ（３０８、３１０、３１４及び３１６）の起動又は停止を制御してもよい。
【００３１】
本発明の一実施形態の独立圧力源は、チャンバ１００の両側に接続されてもよく、回転子スラストを所望の範囲に操作するため及び／又はスラストを所望の方向に偏向された状態に保持するために変形されてもよい。
【００３２】
本発明の別の実施形態では、システム３００は冷却器３３４をさらに含んでもよい。冷却器３３４はポート１１０及び１１４を介してチャンバ１００に接続されてもよい。冷却器３３４は、回転子スラスト及びそのスラストに対抗するために高圧流体を注入する処理と関連して発生する熱を吸収してもよい。熱を吸収することにより、ターボ機械内部の動力損失が減少し、効率を向上できる。
【００３３】
図４は、本発明の別の実施形態に係る回転子部分１０２に作用するスラストを調整するシステム４００を示したブロック図である。本実施形態では、システム４００は回転子スラスト制御を実行する簡略化されたシステムを示してもよい。システム４００はチャンバ１００を含む。上流側ポート１１０及び１１２は制御弁４０２及び４０４などの制御弁に接続されてもよく、チャンバ１００の下流側ポート１１４及び１１６は制御弁４０６及び４０８に接続されてもよい。制御弁４０２及び４０６は連係して動作してもよく、同様に、制御弁４０４及び４０８は連係して動作してもよい。
【００３４】
システム４００は、例えば、チャンバ１００に油を供給する従来の潤滑油系４１０などの流体供給系を含んでもよいが、それに限定されない。ポンプ４１２は、潤滑油系４１０の下流側ポートに接続されてもよく、チャンバ１００に一定の圧力出力を供給してもよい。さらに、チャンバ１００に流入する油により加えられる圧力を変化させるために、バイパス弁４１４が潤滑油系４１０に装着されてもよい。本発明の一実施形態は、全開位置から全閉位置まで動作するバイパス弁４１４を含んでもよい。全閉位置にある場合、潤滑油系４１０から流出した油は回転子部分１０２の上流側端部に最大圧力を加えてもよい。バイパス弁４１４が全開位置で動作する場合、油は回転子部分１０２の上流側端部に最小圧力を加えてもよい。さらに、バイパス弁４１４の位置は、回転子部分１０２に作用するスラストを変化させてもよい。
【００３５】
システム４００の一実施形態は複数のモードで動作してもよい。１つのモードは制御弁４０２及び４０６の動作と関連し、別のモードは制御弁４０４及び４０８の動作と関連する。第１の動作モードにおいて、制御弁４０２及び４０６は開放されてもよく、制御弁４０４及び４０８は閉鎖されてもよい。その場合、スラストを制御するために、ポンプ４１２は制御弁４０２を介して回転子部分１０２の上流側端部に高圧流体を供給してもよい。チャンバ１００の下流側ポート１１４からの漏れ流体は、制御弁４０６を介して潤滑油系４１０に戻されてもよい。
【００３６】
別の動作モードにおいて、制御弁４０４及び４０８は開放されてもよく、制御弁４０２及び４０６は閉鎖されてもよい。その場合、ポンプ４１２は潤滑油系４１０から高圧側へ流体を供給してもよく、漏れ流体は制御弁４０８を介して潤滑油系４１０に戻されてもよい。
【００３７】
動作中、制御システム４４０は、チャンバ１００内で所望のスラストを維持するためにチャンバ１００に作用するスラストを監視し、バイパス弁４１４の動作を制御してもよい。
【００３８】
図５は、本発明の一実施形態に係る回転子１０２に対するスラストを制御するために空気圧流体を使用するシステムを示したブロック図である。本実施形態は、圧縮空気などの空気圧流体によるスラスト制御を可能にしてもよいが、使用される空気圧流体は圧縮空気に限定されない。先に説明した実施形態とは異なり、本実施形態のシステムは、種々の工業用途で一般的に使用されている容易に入手可能な圧縮空気系と容易に統合されてもよい。
【００３９】
システム５００の一実施形態は、空気圧流体で充填され、回転子部分１０２を部分的に取り囲むチャンバ１００（図１に示される）を含んでもよい。チャンバ１００は、チャンバ１００に対する空気圧流体の流入又は流出を可能にする一連の制御弁５０２、５０４、５０６及び５０８に接続されてもよい。制御弁５０２及び５０４は連係して動作してもよく、同様に、制御弁５０６及び５０８は連係して動作してもよい。
【００４０】
本発明の一実施形態では、チャンバ１００の両側の圧力は、減圧弁５１０及び５１２などの減圧弁を使用して調整されてもよい。減圧弁５１０及び５１２は、チャンバ１００内の空気圧流体の圧力を調整するように構成されてもよい。総スラストを制御するために、システム５００は高圧側の上流に配置された減圧弁を作動してもよい。
【００４１】
図５は、チャンバ１００の一方の側が空気圧流体により高圧を受けることをさらに示す。この高圧は減圧弁５１０並びに対応する制御弁５０６及び５０８を動作させてもよい。必要に応じて、減圧弁５１０は制御弁５０８を介して高圧空気圧流体をチャンバ１００の上流側ポート１１０に供給してもよい。これにより、回転子部分１０２に作用するスラストに対抗するための対抗力が回転子部分１０２に加えられてもよい。その結果、漏れ流体が高圧側から低圧側へ流れてもよい。
【００４２】
システム５００の一実施形態は、減圧弁５１０及び５１２とは逆の態様で動作する減圧弁５１４をさらに含んでもよい。制御弁５０２及び５０６の上流側に配置された減圧弁５１４は、低圧側に作用する圧力を制御する背圧調整器として機能してもよい。減圧弁５１４は空気圧流体の供給圧力を調整するように構成されてもよい。システム５００は、回転子部分１０２の上流側端部及び下流側端部に対するスラストを制御可能であるように機能する。動作中、先に説明したように、制御システム５４０は回転子部分に作用するスラストを制御するためにシステム５００を動作させてもよい。
【００４３】
図６は、本発明の別の実施形態に係る回転子に対するスラストを制御するために空気圧流体を使用するシステム６００を示したブロック図である。図６は遮断弁６０２を使用するシステム６００の一実施形態を示す。遮断弁６０２は、潤滑油系６０４の下流側に配置されてもよく、チャンバ１００のポート１１２及び１１６の上流側に接続されてもよい。図４に関連して説明したように、潤滑油系６０４はポンプ６０６及びバイパス弁６０８に装着されてもよい。ポンプ６０６はチャンバ１００に加圧流体を供給してもよく、バイパス弁６０８は加圧流体の圧力を調整するために使用されてもよい。
【００４４】
遮断弁６０２の一実施形態は、油圧系で従来使用されている単一の弁を含んでもよく、３つの位置で動作してもよい。図６に示されるように、実線及び破線は弁が動作可能である２つの位置を示す。位置６１０は遮断弁６０２の平行位置を示してもよく、位置６２０は遮断弁６０２の交差位置を示してもよい。位置６１０において、高圧流体はポンプ６０６を介して上流側ポート１１２に供給されてもよい。その後、漏れによって、流体は遮断弁６０２を介して潤滑油系６０４に供給されてもよい。
【００４５】
位置６１２において、遮断弁６０２が下方の位置へ移動することにより、高圧流体は下流側ポート１１６を介してチャンバ１００に注入されてもよい。この流体は、遮断弁６０２を通り、ポート１１２を介して潤滑油系６０４に戻されてもよい。第３の位置において、遮断弁６０２はチャンバ１００と潤滑油系６０４との間の流体の流路を遮断してもよい。
【００４６】
回転子部分１０２を介してターボ機械の総スラストを操作するために、コントローラ６４０は、回転子に加えられるスラストを監視し、遮断弁６０２の位置を制御してもよい。
【００４７】
本発明の実施形態は、スラスト軸受を小型化できるという利点を提供してもよい。従来、ターボ機械の構成及び複雑さの関係上、スラストを吸収するために少なくとも２つのスラスト軸受が通常使用される。ターボ機械は、スラストを一方向に偏向させるように設計されなければならないので、チャンバ１００の一実施形態は、スラストが所望の方向に偏向された状態を保持するために採用されてもよい。スラストを所望の方向に制御し、総正味スラストを減少することにより、スラスト軸受は１つで済む。その結果、本発明の一実施形態は、第２のスラスト軸受を不要にしかつ／又は必要とされる軸受を小型化してもよい。
【００４８】
本発明の他の可能な実施形態を形成するために、いくつかの例示的な実施形態に関連して先に説明した多くの種々の特徴及び構成がさらに選択的に適用されてもよいことは当業者には理解されるだろう。さらに、添付のいくつかの特許請求の範囲に含まれるあらゆる組み合わせ及び可能な実施形態は本出願の一部であることが意図されてはいるが、本発明の可能なすべての形態が繰り返して提供又は詳細に説明されないことは当業者には理解されるだろう。また、本発明のいくつかの例示的な実施形態の以上の説明から、当業者は改善、変更及び変形を認識するだろう。当該技術の範囲内のそのような改善、変更及び変形も添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。さらに、以上の説明は本出願の説明された実施形態のみに関するが、特許請求の範囲及びそれと同等のものにより定義される本出願の趣旨及び範囲から逸脱せずに多くの変更及び変形が実施されてもよいことは明らかなはずである。
【符号の説明】
【００４９】
１００    油圧チャンバ
１０２    回転子部分
１０３    回転子部分
１０４    密封系
１０６、１０８    チャンバ部分
１１０、１１２、１１４、１１６    ポート
２００    油圧チャンバ
２０２    回転子部分
２０３    回転子部分
２０４    密封系
２０６、２０８    チャンバ部分
２１０、２１２、２１４、２１６    ポート
３００    例示的なシステム
３０２    圧力タンク
３０４    圧力タンク
３０６    蓄圧器
３０８    上限スイッチ
３１０    下限スイッチ
３１２    蓄圧器
３１４    上限スイッチ
３１６    下限スイッチ
３１８    流体系
３２０、３２２、３２４、３２６    制御弁
３２８、３３０    ポンプ
３４０    制御システム
３３４    冷却器
４００    制御システム
４０２、４０４、４０６、４０８    制御弁
４１０    潤滑油系
４１２    ポンプ
４１４    バイパス弁
４４０    制御システム
５００    システム
５０２、５０４、５０６、５０８    制御弁
５１０、５１２    減圧弁
５１４    減圧弁
５４０    制御システム
６００    システム
６０２    遮断弁
６０４    潤滑油系
６０６    ポンプ
６０８    バイパス弁
６１０    平行位置
６１２    交差位置
６４０    制御システム
【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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