(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸スラストによって生じた軸方向変位を受ける軸を有する装置のためのスラスト調整機構であって、
回転可能な軸に長手方向に固定され、前記回転可能な軸と同軸である第１の区画、および、前記軸を取り囲むが前記軸に長手方向に固定されない第２の区画であって、前記第１の区画および前記第２の区画は、前記装置の動作中にその間で相対回転があるように構成され、前記第２の区画は、高圧流体領域と流体連通している、第１の区画および第２の区画と、
前記第１の区画および前記第２の区画のいずれかに含まれる筒状のオス部、ならびに、前記第１の区画および前記第２の区画の他方に含まれる筒状のメス部であって、前記オス部は、円形の先端部によって終端され、前記メス部は、前記オス部の前記円形の先端部より大きい直径の円形開口部によってその前端部で終端されている、筒状のオス部および筒状のメス部と、を備え、
前記軸スラストに対抗する軸の補償力が加圧流体によって前記第１の区画に印加される間に、前記オス部の前記先端部と前記メス部の前記前端部との間に、前記加圧流体が前記第２の区画から前記第１の区画を通って低圧領域に流れることができる圧力逃がしギャップが形成されるように、前記オス部の前記先端部は、前記メス部に入らずに前記メス部の前記前端部に近位し、
前記圧力逃がしギャップは、前記軸スラストおよび前記軸方向変位が増加するときに前記補償力が増加するように前記軸方向変位によって大きさが減少され、その結果、前記圧力逃がしギャップの前記大きさは縮小し、
前記スラスト調整機構は、前記軸に固定された全ての羽根車と別個であり分離されている、スラスト調整機構。
【請求項２】
請求項１に記載の機構であって、
前記装置は、圧縮機である、機構。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の機構であって、
前記装置は、タービンである、機構。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の機構であって、
前記装置は、タービンのように回転するポンプである、機構。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の機構であって、
前記装置は、ターボポンプである、機構。
【請求項６】
請求項５に記載の機構であって、
前記装置は、多段ターボポンプである、機構。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の機構であって、
前記メス部は、前記ターボポンプの羽根車を通って漏出する流体で満たされるように構成されている、機構。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれかに記載の機構であって、
前記低圧領域は、前記装置の流体入口領域である、機構。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれかに記載の機構であって、
前記装置は、さらに、前記軸スラストに対抗するが前記軸スラストを解消しないように構成されているスラスト低減ドラム機構を備え、前記スラスト低減ドラム機構は、非回転通路の内部で前記非回転通路に対して回転するように構成された筒状のドラム部を含み、径方向ギャップは、前記ドラム部と、前記軸方向変位とは独立した径方向ギャップの大きさを有する通路との間に形成され、前記ドラム部および前記通路の両方ではなくいずれかは、前記軸に長手方向に固定され、前記スラスト低減ドラム機構によって補償されない残留軸スラストは、前記スラスト調整機構によって調整される、機構。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれかに記載の機構であって、
前記装置は、複数のオス部および対応する複数のメス部を備え、前記対応するオス部およびメス部の先端部および前端部は、前記加圧流体が前記高圧流体領域から前記低圧領域に流れる際に横断する複数のギャップおよび中間室を形成するように互いに近位し、前記複数のギャップの各々は、前記回転可能な軸の前記軸方向変位によって低減された大きさを有する、機構。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれかに記載の機構であって、
前記機構は、前記オス部が前記メス部に入る前に、前記補償力の大きさが前記軸スラストの大きさの少なくとも９０％まで上昇するように構成されている、機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、全ての目的のためにその全てが参照として本明細書に援用される、２０１７年８月３１日出願の米国出願第１５／６９１，８９９号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、回転軸装置に関し、特に、回転軸装置におけるスラストバランス機構に関する。
【背景技術】
【０００３】
回転軸装置において、特に羽根車駆動ポンプにおいては、回転軸に印加される、一般に「スラスト」と呼ばれる軸方向の力をもたらす圧力差が機構内で発生するのが一般的である。例えば、遠心ポンプにおいて、羽根車（または、各羽根車）は、羽根車の両側における異なる圧力および異なる形状のため、ある程度のスラストを生じる傾向がある。
【０００４】
場合によっては、これらの軸スラスト力は、対抗し、回転軸を支持する軸受によって吸収される。しかし、軸受が羽根車によって生成される全てのスラストを吸収することを要求するのは望ましくない。例えば、高圧多段ポンプにおいて、生成された正味スラストは、何らかの方法で補償されない限り、軸受に対して許容不可能な摩耗を引き起こしうる。従って、回転軸装置内に、オフセットスラストを生成することによってスラスト効果を補償し、それにより軸受に課されるスラスト補償負荷を低減または解消するであろう機構を備えることが望ましいことが多い。
【０００５】
多段ロータリポンプにおいて発生するスラストは、例えば、軸方向スプリットポンプにおいて、ポンプ段の半分によって発生したスラストが、ポンプ段の残りの半分によって発生したおおよそ等しく逆向きのスラストによって相殺されるように、偶数段を含むことによって、および、羽根車を反対方向に向けることによって、時に相殺されうる。しかし、反対の羽根車を用いることによって軸スラストのバランスを取ることは、特に、高圧で動作するバレルポンプなどのポンプにとっては、常に実用的というわけではない。さらに、反対の羽根車を有するポンプにおいてすら、最深の羽根車段は、ポンプ内の圧力に依存する正味の軸スラストを生成する傾向がある。
【０００６】
スラスト補償に用いられる別の手法は、バランス「ディスク」を備えることである。簡略例が図１の断面図に示されており、羽根車１００が回転軸１０２に固定されている。この例では、羽根車１００を通って漏出するプロセス流体は、軸１０２とポンプハウジング１０６との間に形成された漏洩室１０４で羽根車１００の後方で回収される。漏洩室１０４の一端は、軸１０２に固定されたスラストバランス「ディスク」１０８によって取り囲まれている。
【０００７】
バランスディスク１０８は、ディスク１０８の外周部とポンプハウジング１０６との間に狭い軸方向のギャップ１１０が形成されるように構成されている。漏洩流体は、制限された流量で、この「圧力逃がし」ギャップ１１０を通ってポンプ入口と流体連通する回収室１１２に流れることができる。この構成によると、回収室１１２の流体圧は入口圧とほぼ等しいが、漏洩室１０４の流体圧は入口圧より高い。その結果、羽根車１００によって生成された軸スラスト１１４に対抗する補償スラスト１１６がバランスディスク１０８に加えられる。
【０００８】
補償スラスト１１６が羽根車スラスト１１４より小さい場合は、回転軸１０２は軸方向に右に移動し、圧力逃がしギャップ１１０がより狭くなり、漏洩室１０４の圧力が上昇することで、バランススラスト１１６が大きくなる。反対に、バランススラスト１１６が羽根車スラスト１４４より大きい場合は、軸１０２は軸方向に左に移動し、圧力逃がしギャップ１１４が拡大することで、漏洩室１０４の圧力が低減する。その結果、補償スラストは、残留軸スラストによって引き起こされる回転軸１０２の軸方向移動に対して直接反応するため、自己調整作用が軸スラストをゼロ正味スラストに迫りうる非常に低いレベルに維持しうる。
【０００９】
図１から、径方向の圧力逃がしギャップ１１０がスラスト補償に重要であることが明らかである。あいにく、ポンプの設計によっては、例えば、ポンプの起動時、および／または、ポンプスピードの予期せぬ変動により、バランスディスク１０８とハウジング１０６との間に物理的接触がある可能性がある。従って、バランスディスクは、軸スラスト補償にとって常に適した手法というわけではない。
【００１０】
例えば、広範囲の動作速度が予測されるとき、および／または、ポンプスピードに過渡変動がある可能性がある場合に、時としてスラスト補償に用いられる別の手法は、バランス「ドラム」を備えることである。簡略例が図２に表される。
【００１１】
図２の例では、羽根車１００後方の漏洩室１０４は、いわゆるバランス「ドラム」２００によって一端が終端されており、バランスドラム２００は、主に、軸方向のギャップ１１０の代わりに径方向のギャップ２０２によってハウジング１０６から分離されている点で、図１のバランスディスク１０８とは異なる。図２の例では、補償スラスト１１６は、基本的に、図１のバランスディスク１０８と同じ機構で生成される。根本的な違いは、ギャップ２０２が軸方向の軸位置に応じて大きさに変化がないため、スラスト補償の「自己調整」がないことである。その代わり、漏洩室１０４の流体圧は、羽根車出口圧の定圧で留まる傾向がある。バランスドラム手法の利点は、ドラム２００とハウジング１０６との間の接触および摩耗がほとんどない、または、その危険がないことである。不利点は、バランスドラムは、軸の軸方向位置の変化に直接反応しないため、特にポンプが速度が可変で動作する場合は、残留スラスト１１４がバランスディスクのときより広範囲にわたって変化する傾向があるだろうことである。従って、軸受は、バランスディスクの場合よりも大きな残留スラストを吸収する必要がある。
【００１２】
よって、必要なのは、バランス機構と装置ハウジングとの間の接触および摩耗の可能性を回避しながら、回転軸システムにおいて軸スラストの自己調整および完全に近いバランスを提供する軸スラストバランス機構である。
【発明の概要】
【００１３】
自己調整スラスト補償を提供することで、バランス機構の回転要素と静止要素との間の接触および摩耗の可能性を実質的に回避しながら、完全に近い軸スラストの解消を提供できる、バランスディスクに似た、回転軸装置のための軸スラストバランス機構が開示される。開示の装置は、バランスディスクおよびバンランスドラムの機能を兼ね備えるため、本明細書では「ハイブリッド」バランス機構と呼ばれる。この装置は、ターボポンプ、圧縮機、タービン、およびターボチャージャを含むがそれらに限定されない、軸スラストを受けるあらゆる回転軸装置に適している。
【００１４】
具体的に、開示のハイブリッド機構は、回転軸に固定されているロータ要素と、ハウジングに統合されている、またはハウジングに固定されている、対応するステータ要素とを備える。ロータおよびステータは、ロータがステータと同軸でより小さい直径を有する点で、図２のハウジング１０６およびドラム２００と類似した方法で構成されている。しかし、図２のバランスドラムとは異なり、本発明によると、ロータは、ステータの内部ではなくステータに隣接して位置する。その結果、通常の動作の間にロータとステータとの間に形成された圧力逃がしギャップは、水平でも垂直でもなく、印加されたスラストによって軸が軸方向に移動するため、方向および大きさの両方で変化する。
【００１５】
従って、図１のようなスラスト補償ディスクによって提供されるフィードバックと同様のフィードバック効果が、開示の機構によって確立される。しかし、ロータがステータより小さい直径を有するため、開示の機構は、ロータとステータとの間の直接の軸方向の接触の危険をもたらさない。その結果、回転軸がより大きなオフセットによって動かされる場合は、ロータは、単にステータの内部に入り、まさしく図２の補償ドラムのように機能する。
【００１６】
いくつかの実施形態では、開示の機構は、提供される唯一のスラスト補償であり、これらの実施形態のいくつかでは、開示の機構は、羽根車または他の軸搭載装置によって生じるスラストの少なくとも９０％を補償する。他の実施形態では、装置にはより従来型の補償ドラムが備えられ、開示の機構がドラムによって補償されない残留スラストを補償するためだけに必要とされるように、総スラストの大部分を補償するように構成されている。
【００１７】
実施形態では、漏洩室から回収室に流れる流体は、複数の圧力逃がしギャップを通って流れる必要がある。実施形態では、この手法は、軸の軸動作に応じて漏洩室圧における変化を増すことによって、フィードバック効果を高める。
【００１８】
本発明は、軸スラストによって引き起こされた軸方向変位を受ける軸を有する装置のためのスラスト調整機構である。この機構は、回転可能な軸に長手方向に固定され、回転可能な軸と同軸である第１の区画と、軸を取り囲むが軸に長手方向に固定されていない第２の区画とを備え、第１の区画および第２の区画は、装置の動作中にそれらの間で相対回転があるように構成され、第２の区画は、高圧流体領域と、第１の区画および第２の区画のいずれかに含まれた筒状のオス部と、第１の区画および第２の区画の他方に含まれた筒状のメス部と流体連通し、オス部は、円形の先端部によって終端され、メス部は、オス部の円形の先端部より大きい直径の円形開口部によってその前端で終端されており、軸スラストに反対向きの軸の補償力が加圧流体によって第１の区画に印加される間に、加圧流体が第２の区画から第１の区画を通って低圧領域に流れうる圧力逃がしギャップが、オス部の先端部とメス部の前端部との間に形成されるように、オス部の先端部は、メス部に入ることなくメス部の前端部に近位し、圧力逃がしギャップは、軸スラストおよび軸方向変位が増加するときは補償力が増加するように軸方向変位によって大きさが減少され、結果的に、圧力逃がしギャップの大きさは縮小される。
【００１９】
様々な実施形態では、この装置は、圧縮機もしくはタービン、タービンのように回転するポンプ、ターボポンプ、または多段ターボポンプである。
【００２０】
上記の実施形態のいずれかでは、メス部は、ターボポンプの羽根車を通って漏出する流体で満たされるように構成されうる。
【００２１】
上記の実施形態のいずれかでは、低圧領域は、装置の流体入口領域でありうる。
【００２２】
上記の実施形態のいずれかでは、装置は、さらに、軸スラストに対抗するがそれを解消しないように構成されているスラスト低減ドラム機構を備え、ドラム機構は、非回転通路の内部でそれに対して回転するように構成された筒状のドラム部を備え、径方向ギャップは、ドラムと、軸方向変位と無関係な径方向ギャップの大きさを有する通路との間に形成され、ドラムおよび通路の両方ではなくいずれかは、軸に長手方向に固定され、ドラム機構によって補償されない残留軸スラストは、スラスト調整機構によって調整される。
【００２３】
上記の実施形態のいずれかでは、装置は、複数のオス部および対応する複数のメス部を備え、対応するオス部およびメス部の先端部および前端部は、加圧流体が高圧流体領域から低圧領域に流れる際に横断する複数のギャップおよび中間室を形成するように互いに近位しており、複数のギャップの各々は、回転可能な軸の軸方向変位によって低減された大きさを有する。
【００２４】
上記の実施形態のいずれかでは、この機構は、ロータのオス部がステータのメス部に入る前に、補償力の大きさが軸スラストの大きさの少なくとも９０％まで上昇するように構成されうる。
【００２５】
本明細書に記載の特徴および利点は、全てを含んではおらず、特に、当業者には、図面、明細書、および請求項の観点から多くの追加的な特徴および利点が明らかになるだろう。また、本明細書で用いられる言語は、主に読みやすさおよび指示の目的で選択されており、発明の主題の範囲を限定するためではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】先行技術のスラスト補償ディスクの簡易断面図。
【００２７】
【図２】先行技術のスラスト補償ドラムの簡易断面図。
【００２８】
【図３Ａ】本発明の実施形態が適用されるロータリポンプの側面図。
【００２９】
【図３Ｂ】図３Ａのポンプの断面図。
【００３０】
【図４】本発明の実施形態が実施される図３Ｂのポンプの領域の拡大断面図。
【００３１】
【図５】低スラスト構成で示された図４の実施形態の拡大断面図。
【００３２】
【図６】高スラスト構成で示された図４の実施形態の拡大断面図。
【００３３】
【図７】中間室を挟んで２つの圧力逃がしギャップを形成する階段状のロータおよびステータ領域を含む実施形態の断面図。
【００３４】
【図８】計算流体力学によって生成された点と検量線とを比較する、本発明の実施形態における軸方向の軸位置に応じた補償スラストのグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
自己調整スラスト補償を提供することにより、バランス機構の回転要素と静止要素との間の接触および摩耗の可能性を実質的に回避しながら、完全なまたはそれに近い軸スラストの解消を提供できる、バランスディスクに似た、回転軸装置のための軸スラストバランス機構が開示される。開示の装置は、バランスディスクに関連する利点（自己調整スラスト補償）およびバンランスドラムに関連する利点（回転要素と静止要素との間の軸接触が不可能）を単一の機構に統合するため、本明細書では「ハイブリッド」バランス機構と呼ばれる。この装置は、ターボポンプ、圧縮機、タービン、およびターボチャージャを含むがそれらに限定されない、軸スラストを受けるあらゆる回転軸装置に適している。
【００３６】
図３Ａは、本発明の一実施形態が含まれる多段ロータリポンプの側面図である。図３Ｂは、複数の羽根車段がはっきり見えるようになっている、図３Ａのポンプの断面図である。図４は、図３Ｂに示された領域の最後の羽根車段後方の領域の拡大図である。図４では、開示の実施形態が、ステータ要素の第１の領域１０６内に含まれるロータ要素の第１の領域２００によって形成されているバランスドラム部を含むことがわかる。また、流体が回収されうるステータ要素の第２の領域４０２内に中間室４０４が形成されるように、この実施形態は、直径は小さいがステータ要素の対応する領域４０２のすぐ外側に位置するロータ要素の第２の領域４００を含むハイブリッドバランス部を含む。図４において丸で囲まれた部分は、図５で拡大されている。
【００３７】
図５を参照すると、ロータ４００およびステータ４０２は、ロータ要素４００がステータ要素４０２と同軸で、より小さい直径を有するように構成されている。直径５０２におけるこの差は、ロータ要素４００とステータ要素４０２との間の最小ギャップ５０２を表す。しかし、図２のバランスドラム２００とは異なり、本発明によると、ロータ要素４００は、ステータ要素４０２の内部ではなくステータ要素４０２に隣接して位置する。その結果、通常動作の間、この領域でロータ要素とステータ要素との間に形成される圧力逃がしギャップ５００は、水平でも垂直でもないが、印加された軸スラストによって軸１０２が軸方向に移動すると方向および大きさが変化する。
【００３８】
図５では、スラストは比較的小さく、中間室４０４と回収室１１２との間の有効な圧力逃がしギャップ５００が水平から約５５度の角度で傾くように、ロータ要素４００をステータ要素４０２から離隔する。図６では、スラストは増加し、軸１０２を右に動かすることで、ギャップ５００を狭め、その方向を水平により近づくように変化させる。ギャップ５００がより狭くなったため、ロータ４００全体の圧力差は増加し、それにより増加したスラストが補償される。実施形態では、圧力逃がしギャップ５００の角度は、軸スラストに応じてゼロ度から７０度の間で変化し、軸の変位をもたらす。
【００３９】
従って、フィードバック効果は、図１のようなスラスト補償ディスクによって提供されたフィードバックと同様の開示のスラスト補償機構によって確立される。しかし、ロータ要素４００は、ロータ要素４００とステータ要素４０２との間に常に維持される最小ギャップ５００があるようにステータ要素４０２より直径が小さいため、開示の機構は、ロータ要素４００とステータ要素４０２との間の直接接触の危険をもたらさない。回転軸１０２が大きなオフセットによって変位された場合は、ロータ要素４００は、単にステータ要素４０２の内部に入り、まさしく図２の補償ドラム２００のように機能する。
【００４０】
上記のように、図４〜図６の実施形態は、本発明のバランスドラム（１０６、２００、１１０）とハイブリッドバランス機構（４０２、４００、４０４）とを組み合わせている。従って、漏洩室１０４で回収された流体は、中間室４０４に到達する前に、ドラムギャップ１１０を通って流れる必要がある。流体は、次に、回収室１１２に到達する前に鋭角ギャップ５００を通って流れる。一般に、ハイブリッドバランス部のドラムギャップ１１０および最小ロータ／ステータクリアランス５０２は、実施形態の条件に応じて同じ大きさまたは異なる大きさであってよい。
【００４１】
いくつかの実施形態では、開示のハイブリッドバランス機構は、提供される唯一のスラスト補償であり、これらの実施形態のいくつかでは、開示の機構は、羽根車または他の軸搭載装置によって生成されるスラストの少なくとも９０％を補償する。
【００４２】
図７の実施形態では、漏洩室１０４から回収室１１２に流れる流体は、第２の可変角ギャップ７００を通って回収室１１２に流れる前に、第１の可変角ギャップ５００を通って中間室６０４に流れる必要がある。実施形態では、この手法は、軸１０２の軸動作に応じて漏洩室圧の変化を増加することによって、開示の機構のフィードバック効果を増す。同様にして、様々な実施形態は、３つ以上の可変ギャップおよび中間室を備える。
【００４３】
図８は、回転軸１０２の軸位置に応じて実施形態によって提供された補償スラストを表す、シミュレーション「ＣＦＤ」（計算流体力学）データ点および解析モデルの図である。この特定の適用では、軸位置が曲線の最も急なところでは、たった０．１ｍｍの軸位置の変化が約２０００ポンド（約９０７キログラム）の補償スラストの変化をもたらすことがわかる。しかし、これらの数量は、特定の適用に応じて大幅に変化することに注意されたい。
【００４４】
上述の本発明の実施形態の記載は、例示および説明の目的で提示された。しかし、どのように特徴付けられ、識別され、番号付けされても、この提出物およびそこに記載の全ての内容の各ページは、本願内の形式または配置に関係なく、全ての目的のために本願の要旨とみなされる。
【００４５】
本明細書に例示的に開示された本発明は、本明細書に具体的に開示されていない、本質的に必要でない要素なしに適宜実施されてよい。しかし、本明細書は、全てを網羅する意図はない。本願は限られた数の形式で示されているが、本発明の範囲は、これらの形式のみに限定されず、その精神から逸脱することなく様々な変更および修正が可能である。当業者は、上述の記載に含まれる本発明の主題に関する教示を知った後に、本開示に照らして多くの修正および変更が可能であることを理解されたい。従って、本発明の主題は、本明細書に示されない限り、または、文脈で明確に否定されない限り、その全ての可能な多様性において上記の要素の組み合わせを含む。特に、以下の独立請求項に提示される限定は、独立請求項が互いに論理的に矛盾しない限り、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の数および任意の順序で、それらの対応する従属請求項と組み合わされうる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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