(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラスト軸受によって支承された少なくとも１つのタービンロータを有する膨張タービンにおいて、スラスト軸受機構を構成するスラスト円板（２’）が、同形の二つの裁頭円錐体を裁頭頂面同士で同心状に重ね合わせた形態に形成されており、前記タービンロータ側の軸受作用面を構成するスラスト円板（２’）が回転によって前記タービンロータの軸から遠い外縁側でスラスト円板（２’）の厚さ中心へ向かって曲がるように弾性変形し、
スラスト円板（２’）がタービン軸（１）の全長のほぼ中央位置に配置されていることを特徴とする膨張タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラスト軸受によって支持された少なくとも１つのタービンロータを有する膨張タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
膨張タービンは、例えば特許文献１に開示されているように、水素、ヘリウム、窒素等の気体プロセス技術において極低温を発生するのに以前から利用されている。この場合、プロセスガスにはタービン内における気体膨張で損失が生じ、またガスの流体力がタービンロータの回転運動に変換されることによってプロセスガスから熱出力が奪われる。従ってこの過程でプロセスガスはタービン段内で冷却されることになる。
【特許文献１】特開２０００−１２０４０２号公報
【０００３】
膨張タービンの軸受機構にはさまざまな構造形式がある。動圧ガス軸受式膨張タービンに装備されるガス軸受は、タービンが作動中は外部からの軸受ガスの供給を必要としないが、起動及び停止時には一時的に軸受ガスを供給する必要がある。動圧ガス軸受式膨張タービンでは、タービン軸の軸受機構にラジアル軸受とスラスト軸受が組み込まれている。この場合、スラスト軸受機構の主な機能要素は、タービン軸に作用するスラスト力をタービン流の方向でも逆方向でも吸収するスラスト円板である。
【０００４】
従来の膨張タービンに用いられているスラスト軸受機構の要部の構造例を図２と共に詳述すれば以下の通りである。
【０００５】
図２において、タービン軸１は縦向きに配置されており、タービン流は上から下へと流れる。タービン軸１に結合されているスラスト円板２は、上側スラスト軸受３と下側スラスト軸受４の間に配置されている。スラスト円板２は上面側にスラスト軸受３との軸受作用面を形成し、また下面側にスラスト軸受４との軸受作用面を形成している。これら一対の軸受作用面は、タービン軸１の回転軸線に沿った両方向に関してタービン軸１に作用するスラスト力を吸収するための作用面である。
【０００６】
軸受作用面として本来の機能を果たす主領域は、スラスト円板２の軸受作用面のうちタービン軸１の近傍に偏った内側領域にある。軸受作用面の外側領域は、まず第一に軸受ガスを外側から内側へ向かって軸受作用面上の主領域に運び込む機能を果たす。図２（ａ）中の円で囲んだ部分５は、スラスト軸受として負荷荷重が最も高くなる主領域を示している。
【０００７】
タービンが高速回転してスラスト円板２に高い周速が生じると、図２（ｂ）に誇張して示すようにスラスト円板２の軸受作用面が絶対長さにおいて数マイクロメートルだけ凹面状に弾性変形する。この凹面状の弾性変形は望ましくないものであり、それは、以下に述べる理由でスラスト軸受機構の軸受負荷容量を低下させるからである。
【０００８】
スラスト軸受機構の軸受負荷容量力は、タービンロータ側の軸受作用面（スラスト円板２）とステータ側の軸受作用面（スラスト軸受３又はスラスト軸受４）との対向間隙の大きさによって実質的に決まる。タービンロータ側の軸受作用面とステータ側の軸受作用面との対向間隙は作動状態で数マイクロメートルにすぎない。基本的な原理として、軸受作用面の対向間隙が狭くなればなるほどスラスト軸受機構の軸受負荷容量は大きくなる。タービンロータ側の軸受作用面が高速回転によって凹面状に弾性変形すると、軸受作用面の対向間隙が必然的に狭くなる。このような高速回転によるタービンロータ側の軸受作用面の弾性変形は特にスラスト円板２の外縁寄りで大きく現れ、これによってステータ側の軸受作用面（スラスト軸受３又はスラスト軸受４）に対する最小許容間隙の値を大きめにせざるを得ない結果となっている。その理由は、高速回転時において軸受作用面の対向間隙が過度に狭くなるとタービンロータ側とステータ側の軸受作用面同士が機械的に干渉して破損を生じる虞があるからである。この場合、当然のことながら、スラスト軸受機構の軸受負荷容量は、タービンロータ側とステータ側の軸受作用面間の対向間隙を大きくすればするほど低下することになる。
【０００９】
また、タービンの回転数が増加するとタービン軸１の潜在的な非平衡（芯振れ等）の影響でスラスト円板２の揺動が大きくなる。この揺動が大きくなると、スラスト円板外縁部で特に顕著に現れる凹面状の弾性変形によって軸受作用面同士の機械的干渉の虞が高まることになり、場合によってはスラスト円板２の軸受作用面が損傷を受けることにもなる。
【００１０】
更に、スラスト円板２が凹面状に弾性変形すると、その両側のスラスト軸受の重要な機能、即ち、スラスト円板との間で狭い流路断面積による増圧で減速された軸受ガスの流れを生じて外側から内側へと軸受ガスをポンピングする幾何学ユニットの機能が阻害される結果となる。
【００１１】
従って従来の膨張タービンにおいては、上述のようなスラスト軸受機構の特性によってタービンが比較的高い回転数のときにはスラスト軸受機構の軸受作用面が本来発揮すべき軸受負荷容量と機能を充分に活用することができないという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の主な課題は、スラスト軸受によって支承された少なくとも１つのタービンロータを有する膨張タービンにおいて、前述の諸問題点を解消し、高速回転時においてもスラスト軸受機構の本来の軸受負荷容量と機能を安定して発揮することのできる膨張タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題を解決するため、本発明による膨張タービンは、タービンロータを支持するスラスト軸受機構を構成するスラスト円板が紡錘形態、即ち同形の二つの裁頭円錐体を裁頭頂面同士で同心状に重ね合わせた紡錘（スピンドル）の形態に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る膨張タービンの好適な一実施形態によれば、前記スラスト円板はタービン軸、従ってタービンロータの全長のほぼ中央位置に配置されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による膨張タービンによれば、特に高速回転時におけるスラスト軸受機構の本来の軸受負荷容量と機能を安定して発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る膨張タービンの特徴と利点を図１に示す実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、本実施形態による膨張タービンにおいてもタービン軸１は縦向きに配置されており、タービン流は上から下へと流れる。タービン軸１に結合されているスラスト円板２’は、上側スラスト軸受３と下側スラスト軸受４の間に配置され、スラスト円板２は上面側にスラスト軸受３との軸受作用面を形成し、また下面側にスラスト軸受４との軸受作用面を形成している。これら一対の軸受作用面は、タービン軸１の回転軸線に沿った両方向に関してタービン軸１に作用するスラスト力を吸収するための作用面である。このスラスト円板２’は、本発明に従って紡錘形態、即ち同形の二つの裁頭円錐体を裁頭頂面同士で同心状に重ね合わせた紡錘（スピンドル）の形態に形成されている。ここで、図１（ａ）中の円で囲んだ部分５は、スラスト軸受として負荷荷重が最も高くなる主領域を示している。
【００１８】
タービンが高速回転してスラスト円板２’に高い周速が生じると、図１（ｂ）に誇張して示すように紡錘形態のスラスト円板２’の軸受作用面は絶対長さにおいて数マイクロメートルだけ凸面状に、即ちタービン軸１から遠くなる外縁側ほど軸受作用面がスラスト円板の厚さ中心へ向かって曲がるように弾性変形する。但し、いまやこの凸面状の弾性変形は以下に述べる理由からスラスト軸受機構の軸受負荷容量を高めるように作用する。
【００１９】
紡錘形態のスラスト円板２’に凸面状の弾性変形が現れると、この弾性変形は、タービンロータ側の軸受作用面（紡錘形態のスラスト円板２’）とステータ側の軸受作用面（スラスト軸受３又はスラスト軸受４）との対向間隙に対して肯定的な影響を与える。即ち、タービンロータ側の軸受作用面が高速回転によってタービン軸１から遠い外縁側ほどスラスト円板の厚さ中心へ向かって曲がるように凸面状に弾性変形すると、軸受作用面の対向間隙が特にスラスト円板２’の外縁寄り領域において拡がることになる。これによってステータ側の軸受作用面（スラスト軸受３又はスラスト軸受４）に対する最小許容間隙の値を小さく設定しておくことが可能となり、スラスト軸受機構の軸受負荷容量を高めることができると共に、高速回転時において軸受作用面の対向間隙が狭くなることによるタービンロータ側とステータ側の軸受作用面同士の機械的干渉の発生も回避することができる。
【００２０】
紡錘形態のスラスト円板２’は、タービン軸１、従ってタービンロータの全長のほぼ中央位置に配置されていることが好ましい。それにより、幾何学的に紡錘形態に形成されているスラスト円板２’が高速回転することで生じるジャイロ効果は、タービン軸１に潜在的に存在する非平衡により誘発される芯振れの揺動運動に対し、それを抑制する対抗モーメントとして効果的に作用することになり、同時にタービンロータ側の軸受作用面が凸面状に弾性変形するので、スラスト円板２’の外縁部とステータ側の軸受作用面との機械的干渉を起こす可能性は更に少なくなる。
【００２１】
更に、高速回転時に紡錘形態のスラスト円板２’が凸面状に弾性変形することは軸受ガスに対する軸受作用面の機能面からも有益である。即ち、高速回転時においてはスラスト円板２’の外縁から内側へ向かってタービン軸１に近づくほど軸受作用面間の対向間隙で形成される軸受ガスの流路断面積が減少し、その結果、内側へ向かうに従って狭くなる流路断面積による増圧で効果的に減速された軸受ガスの流れを生じて外側から内側へと軸受ガスをポンピングする機能が促進されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に一実施形態による膨張タービンにおけるスラスト軸受機構の要部構造例を示す模式側面図であり、（ａ）は基本配置状態、（ｂ）は高速回転時を示す。
【図２】従来の膨張タービンにおけるスラスト軸受機構の要部構造例を示す模式側面図であり、（ａ）は基本配置状態、（ｂ）は高速回転時を示す。
【符号の説明】
【００２３】
１：タービン軸、２：スラスト円板、２’：紡錘形態のスラスト円板、３：スラスト軸受、４：スラスト軸受、５：スラスト軸受の主領域
【図１】
0005294729.tif 000002
【図２】
0005294729.tif 000003