(57)【要約】【課題】軸受装置が簡単に形成され、それにもかかわらず高いターボ回転数で非常に静かな回転が保証される、ターボ機械を提供する。【解決手段】本発明は、軸受された第１の軸２の片持ち支承端部に固定された少なくとも１個のロータ１と、クラッチ５を介してロータ１とは反対側の第１の軸２の端部に連結された電気機械４の電気ロータ３とを備えたターボ機械に関する。本発明に従い、電気ロータ３は第１の軸２と回転可能に軸受された第２の軸６の間に配置され、この第２の軸は第１の軸２と一直線上に設けられ、かつ同様にクラッチ５′を介して電気ロータ３に連結されている。電気ロータ３は固有の軸受を備えないで、クラッチ５，５′の間にクラッチ中間部材として配置され、かつクラッチ要素７，７′を備え、このクラッチ要素は半径方向遊びなしに軸端部のクラッチ相手方要素８，８′と協働する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受された第１の軸（２）の片持ち支承端部に固定された少なくとも１個のロータ（１）と、クラッチ（５）を介してロータ（１）とは反対側の第１の軸（２）の端部に連結された電気機械（４）の電気ロータ（３）とを備えたターボ機械において、電気ロータ（３）が第１の軸（２）と回転可能に軸受された第２の軸（６）との間に配置され、この第２の軸が第１の軸（２）と一直線上に設けられ、かつ同様にクラッチ（５′）を介して電気ロータ（３）に連結されていることと、電気ロータ（３）が固有の軸受を備えないで、クラッチ（５，５′）の間にクラッチ中間部材として配置され、かつクラッチ要素（７，７′）を備え、このクラッチ要素が半径方向遊びなしに軸端部のクラッチ相手方要素（８，８′）と協働することを特徴とするターボ機械。
【請求項２】
電気ロータ（３）とは反対側の第２の軸（６）の端部に、同様にロータ（１′）が片持ち支承されて固定されていることを特徴とする、請求項１記載のターボ機械。
【請求項３】
クラッチ中間部材（３）が電気モータ、ジェネレータまたはモータ／ジェネレータ−切換え機械の電気ロータとして形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載のターボ機械。
【請求項４】
クラッチ（５，５′）が軸方向の補償を許容する二重ダイヤフラムクラッチとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のターボ機械。
【請求項５】
各々の軸（２，６）がその軸受（９，９′）と共に、それ自体閉じた機構グループ（１０，１０′）を形成していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のターボ機械。
【請求項６】
軸（２，６）の軸受（９，９′）が高精度ころがり軸受または気体軸受された軸受支持体を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受された第１の軸の片持ち支承端部に固定された少なくとも１個のロータと、クラッチを介してロータとは反対側の第１の軸の端部に連結された電気機械の電気ロータとを備えたターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
実際に知られているこの種のターボ機械の場合には、軸がそれに固定されたロータおよび電気機械の電気ロータと共にそれぞれ別個に軸受される。この場合、電気機械の軸受は電気ロータの両側に配置されている。電気機械のケーシングの軸受シートの製作精度の要求が非常に高い。これは特に高速回転する高精度ころがり軸受または気体軸受の使用の場合に重要である。この種の軸受は、両軸受相互のきわめて高い整列精度を必要とするので、公知の構造は非常に複雑でコストがかかる。更に、精密製作した場合でも、関与するすべてのロータ部品およびケーシング部品の整列精度が、運転中しばしば、ロータとケーシングの逆向きの熱ひずみによって再び悪くなる。なぜなら、高速回転する電気機械において、多量の熱が発生するからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明の根底をなす課題は、軸受装置が簡単に形成され、それにもかかわらず高いターボ回転数で非常に静かな回転が保証される、冒頭に述べた特徴を有するターボ機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は本発明に従い、電気ロータが第１の軸と回転可能に軸受された第２の軸の間に配置され、この第２の軸が第１の軸と一直線上に設けられ、かつ同様にクラッチを介して電気ロータに連結されていることと、電気ロータが固有の軸受を備えないで、クラッチの間にクラッチ中間部材として配置され、かつクラッチ要素を備え、このクラッチ要素が半径方向遊びなしに軸端部のクラッチ相手方要素と協働することによって解決される。この場合、電気機械の電気ロータが固有の軸受なしにクラッチを介して軸に支持されているので、電気機械の電気ロータのコストのかかる軸受装置が不要である。従って、電気ロータを軸受する際の上記の整列問題がもはや存在しない。これによって、本発明によるターボ機械の軸受シートの組み立てと配向が非常に簡単になる。
【０００５】
好ましくは、電気ロータとは反対側の第２の軸の端部に、同様にロータが片持ち支承されて固定されている。ターボ機械の第２段は付加的な軸受を必要としない。公知のターボ機械と比べて、軸受装置が非常に簡単になる。本発明によるターボ機械はフレキシブルに使用可能である。例えばクラッチ中間部材を、電動機、ジェネレータまたは電動機／ジェネレータ−切換え機械の電気ロータとして形成可能である。従って、本発明によるターボ機械は電気機械と組み合わせてそれぞれ、電動機を備えたターボ圧縮機としてあるいはジェネレータを備えた膨張タービンとして１段または２段に形成可能である。更に、ターボ機械はそれぞれ圧縮機ロータとタービンロータを備えることができ、圧縮機側の出力超過の場合電動機によって運転することができ、タービン側の出力超過の場合ジェネレータによって運転することができる。この場合、出力超過が不安定であるときには、モータ／ジェネレータ−切換え機械を使用することができる。
【０００６】
好ましくは、クラッチが軸方向の補償を許容する二重ダイヤフラムクラッチとして形成されている。これによって、半径方向の遊びのない配置と同時に、例えば熱ひずみに基づく電気ロータの軸方向の移動を補償する簡単な構造が得られる。二重ダイヤフラムクラッチは電気機械の電気ロータと別々にバランスされ、それによって５０００回転／分までおよびそれ以上の高いターボ回転数の場合の運転に特に適している。
【０００７】
各々の軸は好ましくはその軸受と共に、それ自体閉じた機構グループを形成している。これによって、簡単かつ低コストの予備製作が可能である。この場合、両軸の軸受はそれぞれ軸方向と半径方向の力を受け止めるための、互いに離隔された少なくとも２個の軸受を備えている。軸の軸受は高精度ころがり軸受または気体軸受された軸受支持体を備えている。このころがり軸受または軸受支持体は製作コストが比較的に安価であると共に、きわめて高い回転精度を保証する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、１つの実施の形態を示す図に基づいて本発明を説明する。図は本発明によるターボ機械の縦断面を示している。ターボ機械はロータ１を備えている。このロータは軸受された第１の軸２の片持ち支承端部に固定されている。部分的に示した電気機械４の電気ロータ３はクラッチ５を介して、ロータ１とは反対側の第１の軸２の端部に、一直線に並ぶように連結されている。電気ロータ３は第１の軸２と回転可能に軸受された第２の軸６との間に配置されている。この第２の軸は第１の軸と一直線上にあり、同様にクラッチ５′を介して電気ロータ３に接続されている。電気ロータ３は固有の軸受なしに、クラッチ５，５′の間にクラッチ中間部材として配置され、クラッチ要素７，７′を備えている。このクラッチ要素は半径方向の遊びなしに軸端部のクラッチ相手方要素８，８′と協働する。クラッチ要素７，７′とクラッチ相手方要素８，８′は互いに相対回転しないように連結されているので、電気ロータ３とロータ１は同じ回転数で運転される。ロータ１が両クラッチ５，５′を介して両軸２，６に支持されているので、電気ロータ３の別個の軸受が不要である。これによって、ターボ機械の軸受に関する製作コストが大幅に低減される。これと同時に、高いターボ回転数での非常に静かな回転が達成可能である。というのは、両軸２，６の軸受部９，９′が電気ロータ３から大きく離れており、従って電気ロータ３の熱の発生による影響が小さいからである。本実施の形態では、電気ロータ３とは反対側の第２の軸６の端部に同様に、ロータ１′が片持ち支承されて固定されている。ターボ機械のこの二段構造は特に、第２段が付加的な軸受を必要としないという利点がある。実際に知られている二段型ターボ機械の軸受と比べて、軸受装置が大幅に簡単化される。ターボ機械はフレキシブルに使用可能である。なぜなら、クラッチ中間部材３が電気モータまたはジェネレータのロータとして形成可能であるからである。従って、ターボ機械は、接続された電気機械４と組み合わせて、その都度モータを備えたターボ圧縮機としてあるいはジェネレータを備えた膨張タービンとして運転可能である。更に、両ロータ１，１′によってそれぞれ圧縮機とタービンを運転することができる。この場合、電気機械４は圧縮機側の出力超過の場合モータとして形成され、タービン側の出力超過の場合ジェネレータとして形成されている。出力超過が不安定である場合には、クラッチ中間部材３はモータ／ジェネレータ−切換え機械の電気ロータ３として形成可能である。
【０００９】
実施の形態では、クラッチ５，５′が軸方向の補償を許容する二重ダイヤフラムクラッチとして形成されている。このクラッチ５，５′は簡単な構造を有する。このクラッチは例えば熱膨張に基づくクラッチ中間部材３の軸方向の移動を補償し、クラッチ中間部材３は両軸２，６に遊びのないように半径方向に支持される。二重ダイヤフラムクラッチ５，５′はクラッチ中間部材と共に別々にバランス調整可能であるので、５０，０００回転／分およびそれ以上までの高い回転数のために非常に適している。本実施の形態では、各々の軸２，６はその軸受９，９′と共に、閉じた機構グループ（アセンブリ）１０，１０′を形成している。この場合、軸受９，９′はそれぞれ、軸方向と半径方向の力を受け止めるための互いに離隔された３個のアンギュラコンタクトボールベアリング１１を備えている。機構グループ１０，１０′はターボ機械のコスト的に望ましい予備製作、ひいては簡単な最終組み立てを可能にする。アンギュラコンタクトボールベアリング１１はそれぞれ、低コストの高精度ころがり軸受として形成されている。これによって、気体軸受された軸受支持体による軸受が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明によるターボ機械の縦断面を示す。
【符号の説明】
【００１１】
１              ロータ
２              第１の軸
３              電気ロータ
４              電気機械
５，５′        クラッチ
６              第２の軸
７，７′        クラッチ要素
８，８′        クラッチ相手方要素
９，９′        軸受
１０，１０′    機構グループ
【図１】
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