(57)【要約】【課題】本発明の実施形態は、ロータ（１３０）が受けるスラスト荷重をリアルタイムに能動的に制御する方法及びシステムを提供する。【解決手段】ロータ（１３０）は、その上に回転可能な部品が取付けられた単一又は複数部品シャフトの形態を取ることができる。本発明の実施形態は、電磁石を組入れており、電磁石は、ロータ上のスラストピストン（２０５）又はその他のエンボス形状部に隣接して設置された電磁装置（２１０）の形態のものとすることができる。制御装置（５００）が、電磁装置（２１０）を通る電流を調整して、ロータ（１３０）のスラスト荷重及び軸方向移動を制御することができる。これにより、必要に応じてバランススラスト又はゼロスラスト状態にすることができる。それに代えて、電流を調整することにより、スラスト荷重を所望の方向に付勢するのを可能にすることができる。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１３０）が受けるスラスト荷重を能動的に変化させるシステムであって、
前記ロータ（１３０）の一部分を囲みかつ該ロータ（１３０）と一体形のスラストピストン（２０５）に隣接して設置されて、該ロータ（１３０）に現在作用しているスラスト荷重を減少させるように構成された電磁装置（２１０）と、
現在のスラスト荷重を求めかつ所望のスラスト荷重を決定して、前記電磁装置（２１０）を作動させて該スラスト荷重をリアルタイムに変化させるように構成された制御装置（５００）と、を含み、
前記制御装置（５００）が、前記電磁装置（２１０）を励磁させて、前記現在のスラスト荷重を相殺する対抗スラスト荷重を発生させる、
システム。
【請求項２】
前記電磁装置（２１０）が、前記ロータ（１３０）の端部に近接して設置された前記スラストピストン（２０５）に隣接して配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
上流側電磁装置（２１０）と下流側電磁装置（２１０）とをさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記スラストピストン（２０５）が、前記ロータ（１３０）上の中間部位に配置され、前記上流側電磁装置（２１０）が、前記中間部位の上流に配置され、前記下流側電磁装置（２１０）が、前記中間部位の下流に配置される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記ロータが蒸気タービン（１００）の部品である、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記蒸気タービン（１００）が、少なくとも１つのセクション（１０５）を含み、前記ロータ（１３０）が、前記少なくとも１つのセクション（１０５）内に設置される、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのセクション（１０５）が、ＨＰセクション、ＩＰセクション又はＬＰセクションを含む、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記電磁装置（２１０）が前記ロータ（１３０）の軸線に沿って前記対抗スラスト力を生じさせる磁界を発生させる、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記制御装置（５００）が前記電磁装置（２１０）内のコイルに電流を供給する、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
ターボ機械（１００）が受けるスラスト荷重を能動的に制御する方法であって、当該方法が、
ロータ（１３０）、前記ロータ（１３０）に連結された複数の回転部品（１２０）及び複数の静止部品（１２５）を含みかつ前記ロータ（１３０）が前記複数の静止部品（１２５）内に配置されたターボ機械（１００）を準備するステップと、
前記ロータ（１３０）の一部分を囲みかつ該ロータ（１３０）と一体形のスラストピストン（２０５）に隣接して設置されて、該ロータ（１３０）に現在作用しているスラスト荷重を減少させるように構成された電磁装置（２１０）を準備するステップと、
現在のスラスト荷重をリアルタイムに求めるステップと、
所望のスラスト荷重をリアルタイムに決定するステップと、
前記電磁装置（２１０）を作動させて、前記現在のスラスト荷重を相殺する対抗スラスト荷重を発生させるステップと
を含んでおり、当該方法が、前記ターボ機械（１００）が運転されている間に前記現在のスラスト荷重が変化すると、対抗スラスト荷重を変化させる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはターボ機械の運転に関し、より具体的には、ターボ機械のロータに作用する軸方向スラスト荷重を能動的に減少させ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、それに限定されないが発電及び推進を含む広範な用途で運転される。ターボ機械が運転されると、ターボ機械ロータは、高レベルの軸方向スラスト力（今後は、「スラスト（力）」、「スラスト荷重」などと呼ぶ）を受ける可能性がある。スラスト荷重を回転部品から静止部品に伝達する公知の解決法では、ロータ及び関連する部品の回転を妨げずにスラスト荷重を吸収するスラスト軸受を使用する。スラスト軸受が受けるスラスト力のレベルは一般的に、変化（変動）する。ロータ製造業者の違い及び流路圧力の変化により、スラスト荷重における大きな変動が生じる可能性がある。一部のターボ機械では、これらの大きな変動を減少させるために、大型のスラスト軸受を使用している。大型のスラスト軸受は、多量の流体を必要としかつ大きな摩擦損失を受け、それにより、過大な出力損失が生じかつターボ機械の全体効率が低下するおそれがある。
【０００３】
これらの問題を解決する１つの解決法では、加圧流体を使用し、それにより、対抗スラスト力を生じさせる。この場合、軸受ハウジング内に流体をポンプ圧送して、スラスト軸受の回転部品及び該スラスト軸受の静止部品間の潤滑剤として作用させる。しかしながら、この解決法では、潤滑流体の粘性損失のために、ターボ機械の全体効率が低下する。別の解決法では、一定のスラスト荷重をもたらす電磁石システムを組入れる。しかしながら、この解決法は、現在の運転ニーズに基づいてスラスト荷重を能動的に変化させるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６７０３７３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、ターボ機械が受けるスラスト荷重を制御するシステムの改良に対する要望が存在する。本システムは、現在公知のシステムに関連する摩擦損失、出力損失及び効率損失を低減するものでなければならない。本システムは、ターボ機械が作動している時におけるスラスト荷重のリアルタイム制御を可能にするものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によると、ロータが受けるスラスト荷重を能動的に変化させるシステムを提供し、本システムは、ロータの一部分を囲みかつ該ロータと一体形のスラストピストンに隣接して設置されて、該ロータに現在作用しているスラスト荷重を減少させるように構成された電磁装置と、現在のスラスト荷重を求めかつ所望のスラスト荷重を決定して、電磁装置を作動させて該スラスト荷重をリアルタイムに変化させるように構成された制御装置とを含み、制御装置は、電磁装置を励磁させて、現在のスラスト荷重を相殺する対抗スラスト荷重を発生させる。
【０００７】
電磁装置は、ロータの端部に近接して設置されたスラストピストンに隣接して配置することができる。
【０００８】
本システムはさらに、上流側電磁装置と下流側電磁装置とを含むことができる。この場合、スラストピストンはロータ上の中間部位に配置され、上流側電磁装置は中間部位の上流に配置され、また下流側電磁装置は中間部位の下流に配置される。
【０００９】
本発明の実施形態では、ロータは、蒸気タービンの部品とすることができる。蒸気タービンは、少なくとも１つのセクションを含み、またロータは、少なくとも１つのセクション内に設置することができる。この場合、少なくとも１つのセクションは、ＨＰセクション、ＩＰセクション又はＬＰセクションを含むことができる。
【００１０】
電磁装置は、ロータの軸線に沿って、対抗スラスト力を生じさせる磁界を発生させることができる。この場合、制御装置は、電磁装置内のコイルに電流を供給することができる。
【００１１】
本発明の別の実施形態では、ターボ機械が受けるスラスト荷重を能動的に制御する方法を提供し、本方法は、ロータ、該ロータに連結された複数の回転部品及び複数の静止部品を含みかつ該ロータが複数の静止部品内に配置されたターボ機械を準備するステップと、ロータの一部分を囲みかつ該ロータと一体形のスラストピストンに隣接して設置されて、該ロータに現在作用しているスラスト荷重を減少させるように構成された電磁装置を準備するステップと、現在のスラスト荷重をリアルタイムに求めるステップと、所望のスラスト荷重をリアルタイムに決定するステップと、電磁装置を作動させて、現在のスラスト荷重を相殺する対抗スラスト荷重を発生させるステップとを含み、本方法は、ターボ機械が運転されている間に現在のスラスト荷重が変化すると、対抗スラスト荷重を変化させる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】その中で本発明の実施形態を作動させることができる環境を示す概略図。
【図２】本発明の実施形態による、図１のスラスト軸受に隣接して配置された電磁装置の実施形態を示す概略図。
【図３】本発明の別の実施形態による、図１のスラスト軸受に隣接して配置された電磁装置の実施形態を示す概略図。
【図４】本発明のさらに別の実施形態による、図１のスラスト軸受に隣接して配置された電磁装置の実施形態を示す概略図。
【図５】本発明の別の実施形態による、電磁装置を使用してロータに作用するスラスト力を制御するシステムを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照している。異なる構造及び作動を有するその他の実施形態も、本発明の技術的範囲から逸脱するものではない。
【００１４】
本明細書では、特定の用語は、読み手の便宜のためだけに用いることができ、本発明の技術的範囲の限定と見なすべきでない。例えば、「上部」、「下部」、「左側」、「右側」、「前部」、「後部」、「頂部」、「底部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流」、「下流」、「前方」、「後方」などの用語は、図に示す構成を記述しているに過ぎない。当然ながら、本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、あらゆる方向に配向することができ、従って、用語は、そうではないことを明記していない限り、そのような変形形態を包含すると理解されたい。
【００１５】
本明細書では、詳細な例示的実施形態を開示している。しかしながら、本明細書に開示した特定の構造的かつ機能的詳細は、単に例示的実施形態を説明する目的で示したに過ぎない。しかしながら、例示的実施形態は、多くの別の形態として具現化することができ、本明細書に記載した実施形態のみに限定されると解釈してはならない。
【００１６】
従って、例示的実施形態は様々な変形及び別の形態が可能であるが、その実施形態を実施例として図面に示しかつ本明細書で詳細に説明することにする。しかしながら、開示した特定の形態に例示的実施形態を限定する意図はなく、逆に例示的実施形態は、該例示的実施形態の技術的範囲内にある全ての変形形態、均等形態及び代替形態に及ぶと理解されたい。
【００１７】
本明細書では、第１の、第２のなどの用語は、様々な要素を説明するのに用いることができるが、それらの要素は、これら用語によって限定されるべきではないことを理解されたい。これら用語は、１つの要素を別の要素と区別するためにのみ用いている。例えば、例示的実施形態の技術的範囲から逸脱せずに、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、また同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で用いる場合に、「及び／又は」という用語は、関連する記載項目の１つ又はそれ以上のいずれか及び全ての組合せを含む。
【００１８】
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためのみのものであり、例示的実施形態の限定を意図するものではない。本明細書で用いる場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で用いる場合の「含む」、「含んでいる」、「備える」及び／又は「備えている」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
【００１９】
本発明の実施形態は、ロータが受けるスラスト荷重をリアルタイムに能動的に制御する技術的効果を有する。ロータは、その上に回転可能な部品が取付けられた単一又は複数部品シャフトの形態を取ることができる。本発明の実施形態は、固定軸受損失を低減しながらスラスト力をバランスさせようとするものである。本発明の実施形態は、電磁石を組入れており、電磁石は、ロータ上のスラストピストン又はその他のエンボス形状部に隣接して設置された電磁装置の形態のものとすることができ、スラストピストン又はエンボス形状部のいずれも、スラスト荷重に対抗する電磁力を加えるのに十分な電磁石としての表面積を備えなければならない。制御装置は、電磁装置を通る電流を調整して、ロータのスラスト荷重及び軸方向移動を制御することができる。これにより、必要に応じてバランススラスト又はゼロスラスト状態にすることができる。それに代えて、電流を調整することにより、スラスト荷重を所望の方向に付勢するのを可能にすることができる。これにより、スラスト力全体の大きな変動を減少させることができる。これによりまた、一部のスラスト軸受に関連する可能性があるエネルギー及び効率損失を低減することができる。
【００２０】
本発明の実施形態は、蒸気タービン用途に関して説明する。本明細書に開示した本発明は、蒸気タービン用途に限定されることを意図するものではない。本発明の実施形態は、スラスト荷重を受けるロータを有するあらゆる機械に適用することができる。次に、幾つかの図全体にわたって様々な参照符号が同様の部品を表している図を参照する。
【００２１】
図１は、その中で本発明の実施形態を作動させることができる環境を示す概略図である。図１は、蒸気タービン１００の実施形態を示しており、蒸気タービン１００は、組合せ高圧（ＨＰ）／中圧（ＩＰ）セクション１０５を含む。ＨＰ／ＩＰセクション１０５の下流には、低圧（ＬＰ）セクション１１０が設けられる。ＨＰ／ＩＰセクション１０５の上流には、軸受標準器つまり軸受ハウジング１１５が設けられる。回転部品１２０が、ロータ１３０の周りに取付けられ、また静止部品１２５が、セクション１０５、１１０内に配置される。ロータ１３０は、セクション１０５、１１０を貫通して、各セクション１０５、１１０の回転部品１２０が一様に回転するのを可能にする。ロータ１３０を支持する複数のスラスト軸受１３５が、図１に示すように、蒸気タービン１００全体にわたって設置される。同様に、１つのみのスラスト軸受１３５を使用することもできる。
【００２２】
以下には、蒸気タービンの運転の非限定的な実施例を説明する。図１では、矢印を使用して、以下の蒸気流径路を示している。蒸気進入バルブを開放して、蒸気がボイラ（図示せず）からＨＰ／ＩＰセクション１０５に流入するのを可能にする。最初に、蒸気は、ＩＰ部分を通って上流に流れることができる。この場合、現在のスラスト荷重は、上流方向となる。次に、蒸気は、ＩＰ部分から流出しかつ再熱器１４５に流入することができる。蒸気は次に、再熱器１４５から流出しかつＨＰ／ＩＰセクション１０５に再流入して、次にＨＰ部分を通って流れることができる。次に、蒸気は、ＨＰ部分から流出しかつＬＰセクション１１０に流入することができる。この場合、蒸気は、反対方向に流れる。ＬＰセクション１１０を通って流れた後に、蒸気は、復水器（図示せず）に向けて流出することができる。
【００２３】
本発明の実施形態は、物理的部位が蒸気タービン１００上／又は蒸気タービン１００近くであるかに関係なく、スラスト軸受１３５の少なくとも１つに隣接して設置することができる。ユーザは、特定のスラスト軸受１３５が受けるスラスト荷重の大きさに基づいて、本発明の実施形態を配置する部位を選択することができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態による、図１のスラスト軸受１３５に隣接して配置された電磁装置の実施形態を示す概略図である。電磁装置は、ロータ１３０の中間部分に隣接して配置されかつスラストピストン２０５と統合された円筒体の形態のものとすることができる。この場合、電磁円筒体２１０は、ロータ１３０の端部をそれに限定されないが発電機、燃焼タービンなど（いずれも図示せず）の他の部品と連結するのを可能にし、或いはロータ１３０の他の部分を蒸気タービン１００の異なる部分によって囲まれた状態にするのを可能にすることができる。本発明のこの実施形態では、上流側電磁円筒体２１０及び下流側電磁円筒体２１０には、それらの間に配置されたスラストピストン２０５を設けることができる。これにより、その軸方向に関係なくスラスト荷重を制御することができる。電磁円筒体２１０は、環状磁石及び環状コイルを含むことができる。コイルが励磁されると、対抗スラスト荷重を発生させる磁界を形成することができる。このことは、ロータ１３０に作用する現在のスラスト荷重を相殺する働きをする。磁界は、ロータ１３０の軸線に沿った円形パターンの形態を含みかつピストンに対して垂直なものとすることができる。
【００２５】
電磁円筒体２１０の寸法は、スラストピストン２０５と組合わされかつスラスト軸受１３５と組合わされたロータ１３０の寸法によって決定することができる。
【００２６】
図３及び図４は、電磁円筒体２１０の別の実施形態を示している。従って、各図の説明は、各々の図２との違いに限定することにする。
【００２７】
図４は、本発明のさらに別の実施形態による、図１のスラスト軸受１３５に隣接して配置された電磁円筒体２１０の実施形態を示す概略図である。この場合、電磁円筒体２１０は、ロータ１３０の端部部分に隣接して設置することができる。この実施形態では、図２及び図３に示す実施形態とは異なり、単一の電磁円筒体２１０を使用することができる。
【００２８】
図５は、本発明の別の実施形態による、電磁円筒体２１０を使用してロータ１３０に作用するスラスト力を制御する制御システム５００を示す概略図である。図５は、電磁円筒体２１０をリアルタイムに能動的に制御するように構成された制御システム５００を示している。制御システム５００は、蒸気タービン１００が運転されている間に現在のスラスト荷重の大きさ及び方向を求める（測定する）ことができる。制御システム５００はまた、現在のロータ位置を求める（測定する）ことができる。次に、制御システム５００は、電磁円筒体２１０に供給される電流を変化させることができる。これにより、所望に応じて磁界及び対抗スラスト荷重を発生させることができる。次に、制御システム５００は、必要に応じて電磁円筒体２１０を作動させてロータ１３０を所望の方向に付勢することがでる。図２の実施形態と統合した場合には、制御システム５００は、上流側電磁装置又は下流側電磁装置のいずれを励磁するか決定することができる。
【００２９】
制御システム５００の実施形態は、以下のステップを実行することができる。現在のスラスト荷重をリアルタイムに求める。所望のスラスト荷重をリアルタイムに決定する。これは、オペレータが実行することができる。現在のスラスト荷重を相殺する対抗スラスト荷重を発生させるように電磁装置２１０を作動させる。制御システム５００は、ターボ機械が運転されている間における現在のスラスト荷重の変化に応じて対抗スラスト荷重を変化させるのを可能にすることができる。この特徴により、様々な運転条件にわたるリアルタイムスラスト荷重補正が得られる。それらの条件には、それに限定されないが始動、負荷、過渡、無負荷、停止運転などが挙げられる。
【００３０】
本発明の実施形態は、より小型のスラスト軸受を可能にする利点をもたらすことができる。従来と同様に、ターボ機械の構成及び複雑さに基因して、スラスト力を吸収するために、少なくとも２つのスラスト軸受が一般的に使用される。ターボ機械の設計が、スラスト力が１つの方向に付勢されることを必要とする場合には、電磁円筒体２１０の実施形態を使用して、このスラスト力を１つの方向に付勢された状態に保つことができる。スラスト力を所望の方向に制御すること及び全体正味スラスト力を低下させることにより、より少ない数の又はより小型のスラスト軸受とすることができる。
【００３１】
当業者には解るように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の可能な実施形態を形成するようにさらに選択的に適用することができる。本発明の全ての可能な反復を示し又は詳細に論じてはいないが、幾つかの特許請求項又はその他に包含される全ての組合せ及び可能な実施形態は、本出願の一部であることを意図していることを当業者にはさらに理解されたい。加えて、本発明の幾つかの例示的な実施形態の上記説明から、当業者は、その改良、変更及び修正に気付くであろう。当技術の範囲内のそのような改善、変更及び修正もまた、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。さらに、前述のことは、本出願の記載した実施形態のみに関するものであること、並びに提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更及び修正を行うことができることは明らかであろう。
【符号の説明】
【００３２】
１００  蒸気タービン
１０５  Ｈｐ／Ｉｐセクション
１１０  Ｌｐセクション
１１５  軸受ハウジング
１２０  回転部品
１２５  静止部品
１３０  ロータ
１３５  スラスト軸受
１４０  蒸気進入バルブ
１４５  再熱器
２０５  スラストピストン
２１０  電磁装置
３００  磁性材料
５００  制御システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012013081.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012013081.tif 000007