(57)【要約】【課題】従来技術における制限をなくすか、あるいは低減すること。【解決手段】シャフトケーシング１内に支持されたロータシャフト２と、該ロータシャフト２の一端において動翼ケーシング５内に配置された少なくとも１つの動翼４と、動翼ケーシング５における流れ断面部７とシャフトケーシング１内でロータシャフト２を包囲する空間部８との間に配置されたシール部材９とを備えて成り、流れ断面部７を空間部８から分離するために、シール部材９が互いに離間した複数のシール要素１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを備えているターボ機械において、シール要素１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを有するシール部材９全体を径方向の隙間１１に配置して、ロータシャフト２の軸方向部分にシール部材が存在しないよう構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトケーシング（１）内に支持されたロータシャフト（２）と、
該ロータシャフト（２）の一端において動翼ケーシング（５）内に配置された少なくとも１つの動翼（４）と、
前記動翼ケーシング（５）における流れ断面部（７）と前記シャフトケーシング（１）内で前記ロータシャフト（２）を包囲する空間部（８）との間に配置されたシール部材（９）と
を備えて成り、前記流れ断面部（７）を前記空間部（８）から分離するために、前記シール部材（９）が互いに離間した複数のシール要素（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）を備えているターボ機械において、
前記シール要素（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）を有する前記シール部材（９）全体を径方向の隙間（１１）に配置して、前記ロータシャフト（２）の軸方向部分に前記シール部材が存在しないよう構成したことを特徴とするターボ機械。
【請求項２】
前記ロータシャフトの第１端部に第１動翼ケーシング（５）内の第１動翼（４）を配置するとともに前記ロータシャフトの第２端部に第２動翼ケーシング（５）内の第２動翼（４）を配置し、前記第１動翼ケーシング（５）の流れ断面部（７）と前記空間部（８）の間及び前記第２動翼ケーシング（５）の流れ断面部（７）と前記空間部（８）の間における前記径方向の隙間（１１）にそれぞれ前記シール部材（９）を配置したことを特徴とする請求項１記載のターボ機械。
【請求項３】
前記シャフトケーシング（１）内に電動機（６）を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のターボ機械。
【請求項４】
前記動翼（４）における前記シャフトケーシング（１）方向に向いた背面側（１２）に前記シール部材（９）を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項５】
密封ガスを供給するか、又は漏出ガスを排出するための接続開口部を、前記シール要素（１０Ｃ）間に形成された少なくとも１つの中間室（１４）に設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記シール部材（９）における少なくとも１つの前記シール要素（１０Ｃ）をブラシシールとして形成するとともに、該ブラシシールの互いに対向するシール面を、前記ロータシャフト（２）の軸方向に対して垂直に配向したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記シール部材（９）における少なくとも１つの前記シール要素（１０Ａ）をスライドシールリングとして形成するとともに、該スライドシールリングの互いに対向するシール面を、前記ロータシャフト（２）の軸方向に対して垂直に配向したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項８】
複数の突起で形成されつつ互いに離間した複数の前記シール要素（１０Ｂ）から成る少なくとも１つのラビリンスシールを前記シール部材が備えており、前記突起を、前記径方向の隙間（１１）を画成する面の両側に交互に配置したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項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、シャフトケーシング内に支持されたロータシャフトと、該ロータシャフトの一端において動翼ケーシング内に配置された少なくとも１つの動翼（ラジアル方向動翼）と、前記動翼ケーシングにおける流れ断面部と前記シャフトケーシング内で前記ロータシャフトを包囲する空間部との間に配置されたシール部材とを備えて成り、前記流れ断面部を前記空間部から分離するために、前記シール部材が互いに離間した複数のシール要素を備えているターボ機械に関するものである。ここで、動翼は流体の膨張又は圧縮を行うものであり、特に動翼と径方向に接続された流れ断面部である動翼ケーシング内の流れ断面部は、シャフトケーシング内においてロータシャフトを包囲する空間部とは異なる圧力レベルにある。
【背景技術】
【０００２】
シャフトケーシングへの流体の不意の流入及びターボ機械の効率の低下につながる圧力損失を防止するために、通常、動翼ケーシングにおける流れ断面部とシャフトケーシング内の空間部との間には、シャフトの軸方向部分にシール部材が設けられている。したがって、ブラシシール、スライドリングシール又はラビリンスシールとしてのシール部材をロータシャフトとシャフトケーシングの間におけるシャフトの軸方向部分に設けることが知られている。また、これを可能にするためには、ロータシャフトのシャフトケーシング内における長さを十分に長いものとする必要がある。さらに、軸受及び場合によってはモータ又は発電機としての電動機をシャフトケーシング内に設ける必要がある。
【０００３】
特許文献１には気体状又は蒸気状の流体を膨張又は圧縮するためのターボ機械が開示されており、このターボ機械においては、ラジアル方向の動翼の背面側とこれに対向するケーシングにおける面との間の隙間にブラシシールが周設されている。また、シール部材が互いに離間した複数のシール要素を備えている、冒頭に記載したような特徴を有する形態においては、周設されたブラシシールに加えて、軸方向部分にラビリンスシールが設けられている。ここで、動翼へ側方から接続された流れ断面部が、隙間に配置されたブラシシールとシャフトの軸方向部分に配置されたラビリンスシールとによりシャフトケーシング内のロータシャフトを包囲する空間部から分離されている。
【０００４】
特許文献２及び特許文献３には、軸方向の力を相殺するために圧縮流体で負荷をかけることが可能な流体室を動翼の背面側に備えたターボ機械が開示されている。圧縮流体を供給及び排出することで、中間室からクッションとして供給される支持力を変化させることが可能となっている。この中間室を画成するためには、動翼の背面側とケーシングの間及びロータシャフトの軸方向部分にシール部材を設ける必要がある。
【０００５】
ターボ機械の駆動においては、高い回転数により特に回転部における部材の固有振動数を考慮しなければならないという問題が生じる。ターボ機械の駆動振動数が危険な固有振動数（危険速度）領域にあると、大きな摩耗又はターボ機械の損傷につながるような大きな振動（振れ回り）が生じるおそれがある。そのため、固有振動数領域でのターボ機械の駆動を避けることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００４０４１４３９号明細書
【特許文献２】欧州特許第１２８１８３６号明細書
【特許文献３】独国特許第１０２００６０４９５１６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、上記のような制限をなくすか、あるいは低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、冒頭に記載したような特徴を有するターボ機械において、シール要素を有するシール部材全体を径方向の隙間に配置して、ロータシャフトの軸方向部分にシール部材が存在しないよう構成したことを特徴としている。これにより、ターボ機械の構成においてロータシャフトの軸方向部分にシール部材が設けられないため、ロータシャフトの長さを短くすることが可能である。また、材料及び空間の削減をしつつも、ロータの回転性能を向上させることが可能である。このようにロータシャフトの軸方向長さを短くすることで、ロータ全体の剛性が向上し、固有振動数が高められることになる。また、ターボ機械の駆動に際して、回転数が最大回転数より高い回転数にまで至っていなくとも、非常に高い回転数に至って初めて固有振動数に達する。
【０００９】
ターボ機械には、そのロータシャフトにおいて１つのみのラジアル方向の動翼を設けるか、又はロータシャフトの両端部にそれぞれラジアル方向の動翼を設けることができる。そのため、本発明は、前記ロータシャフトの第１端部に第１動翼ケーシング内の第１動翼を配置するとともに前記ロータシャフトの第２端部に第２動翼ケーシング内の第２動翼を配置し、前記第１動翼ケーシングの流れ断面部と前記空間部の間及び前記第２動翼ケーシングの流れ断面部と前記空間部の間における前記径方向の隙間にそれぞれ前記シール部材を配置したことを特徴としている。ここで、シール部材は少なくとも２つのシール要素を備えており、これらシール要素は、径方向の隙間において互いに離間して配置されている。
【００１０】
本発明においては、径方向の隙間を互いに軸方向に交互に配置された複数の隙間部分で形成することもでき、これにより、段状のものが形成される。この場合、各シール要素を常に径方向の隙間部分に設けることが可能である。
【００１１】
本発明においては、シャフトケーシングと動翼ケーシングの間で異なっている。すなわち、シャフトケーシングと動翼ケーシングが互いに完全に分離されているという点で異なっている。シャフトケーシング及び動翼ケーシングをケーシング全体の一部とすることも考えられる。また、ターボ機械の各構成要素に到達できるように、このようなケーシング全体を例えば軸方向に二部分に、例えば上部と下部に分割することが考えられる。
【００１２】
ターボ機械がそのロータシャフトにおいて単に１つの可動のラジアル方向の動翼を備えている場合には、通常、このロータシャフトには、コンプレッサ又はエキスパンダとして動作する場合の駆動部として歯車装置又は電動機が設けられる。また、ターボ機械が二段のコンプレッサ又はエキスパンダとしての２つのラジアル方向の動翼を備えている場合にも、駆動部又は被駆動部としての歯車装置又は電動機すなわちモータ若しくは発電機が必要となる。
【００１３】
また、１つのラジアル方向の動翼が膨張のために使用され、他のラジアル方向の動翼が圧縮のために使用される場合には、圧縮段を膨張段の直前で駆動することが考えられる。また、過剰なエネルギーを排出するため、又は不足分のエネルギーを供給するために、歯車装置又は電動機を用いてもよい。
【００１４】
本発明の一実施形態においては、複数のシール要素を有するシール部材は、動翼におけるシャフトケーシング方向に向いた背面側に配置されている。一方、動翼における前面側は、タービンブレードによる作動流体（Prozessfluid）の圧縮又は膨張がなされるようになっている。
【００１５】
また、この作動流体に応じて、この作動流体をその汚染から保護したり、作動流体のシャフトケーシングへの漏出損失を防止する必要がある。シール部材近傍を洗浄したり、又は漏出ガスを排出するために、シール要素間に形成された少なくとも１つの中間室に密封ガスを供給したり、又は漏出ガスを排出するための接続開口部を設けることが考えられる。なお、この中間室は、隙間に沿って、かつ、この隙間の少なくとも一部にわたって径方向へ延設されている。また、接続開口部は、例えば供給管路又は排出管路が接続された、シャフトケーシングにおける貫通孔であってもよい。
【００１６】
また、本発明のシール部材におけるシール要素としては、ブラシシール、スライドリングシール及び隙間において形成された複数の突起から成るラビリンスシールが適している。なお、シール部材を形成するに当たって、上記と同様なシール要素を用いてもよいし、他のタイプのシール要素を用いてもよい。また、ブラシシール及びスライドリングシールについては、互いに対向するシール面がロータシャフトの軸方向に対して垂直に配向されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来技術における制限をなくすか、あるいは低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ターボ機械の断面図である。
【図２】ターボ機械における他の形態によるラジアル方向の動翼の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１には、一般的な構成としてシャフトケーシング１内に支持されたロータシャフト２を備えたターボ機械が示されている。ロータシャフト２のアキシャル方向及びラジアル方向の軸受である軸受３は、ここでは例示されているにとどまり、制限なく、玉軸受（ころ軸受）、磁気軸受、流体軸受け及び流体動圧軸受のうち少なくともいずれかであってもよい。
【００２１】
本実施の形態においては、ロータシャフト２の両端部には、それぞれ動翼ケーシング５内に可動に収容された動翼４が配置されている。そして、シャフトケーシング１の内部のロータシャフト２上には、駆動部及び被駆動部としての電動機６が設けられている。ここで、両動翼４がコンプレッサ段として動作する場合には、ロータシャフト２は、モータとして動作する電動機６によって駆動される。一方、両動翼４がエクスパンダ段として動作する場合には、電動機６は発電機として機能する。
【００２２】
本発明においては、動翼ケーシング５の流れ断面部（Stroemungsquerschnitt）７とシャフトケーシング１の内部でロータシャフト２を包囲する空間部８との間で流体の分離を達成するために、互いに離間したシール要素１０Ａ，１０Ｂを備えるシール部材９が設けられている。また、本発明においては、流れ断面部７と空間部８の間の圧力差を維持するためのシール部材９全体は、そのシール要素１０Ａ，１０Ｂと共に径方向の間隙１１に配置されている。そのため、ロータシャフト２の軸方向部分は、シール部分から独立している。したがって、本発明におけるロータシャフト２は、従来技術によるものに比して短く形成することが可能である。これにより、ロータ全体の剛性が高められるとともに、ロータの固有振動数も高くなる。
【００２３】
図１に示す本実施の形態においては、両動翼４の背面側１２にはシール要素１０Ａとしてスライドシールリングが周設されているとともに、他のシール部材１０Ｂとして、ラビリンスシールを形成する複数の突起部が設けられている。
【００２４】
図２には本発明の他の実施形態に基づくターボ機械が示されており、径方向の隙間１１が段状に１１Ａ〜１１Ｃに分割されている。これら隙間１１の一部である各１１Ａ〜１１Ｃにはシール要素１０Ｃが配置されており、このシール要素１０Ｃは、本実施の形態においてはブラシシールとして形成されている。また、密封ガスを充填したり漏出ガスを排出することができるようシャフトケーシング１には貫通孔（接続開口部）１３が設けられており、この貫通孔１３は、互いに離間した２つのシール要素１０Ｃ間において中間室１４へ開口するようになっている。
【符号の説明】
【００２５】
１                シャフトケーシング
２                ロータシャフト
３                軸受
４                動翼
５                動翼ケーシング
６                電動機
７                流れ断面部
８                空間部
９                シール部材
１０Ａ〜１０Ｃ    シール要素
１１              径方向の間隙
１１Ａ〜１１Ｃ    間隙の一部
１２              背面側
１３              貫通孔
１４              中間室
【図１】
2013019411.tif 000003
【図２】
2013019411.tif 000004