永続ピストン保持システムを備えたターボマシン
【課題】流体を殆ど消費せず、優れた体積効率を呈し、比較的コンパクトで、ロータを所定位置に保持する界面での摩耗がなく長寿命で、高速での作動に適したターボマシンを提供する。
【解決手段】ロータが半径方向所定位置にあることを確保する半径方向位置決め手段（４０、４２；２４０、２４２；３４０、３４２）と、高速時にロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）の軸線方向バランスをとるための、少なくとも１つのブレード形ホイールに配置された非接触軸線方向バランシング装置（３８）とを有する、ロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）およびステータ（１０Ｓ）が設けられたターボマシン（１０、２１０、３１０）。ターボマシンは、半径方向位置決め手段（４０、４２；１４０、１４２）とは別のスラストベアリング（３６、１３６）を有し、スラストベアリングは、低速時にロータを軸線方向にバランスさせ、高速時には非接触でロータを軸線方向にバランスさせる。
【解決手段】ロータが半径方向所定位置にあることを確保する半径方向位置決め手段（４０、４２；２４０、２４２；３４０、３４２）と、高速時にロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）の軸線方向バランスをとるための、少なくとも１つのブレード形ホイールに配置された非接触軸線方向バランシング装置（３８）とを有する、ロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）およびステータ（１０Ｓ）が設けられたターボマシン（１０、２１０、３１０）。ターボマシンは、半径方向位置決め手段（４０、４２；１４０、１４２）とは別のスラストベアリング（３６、１３６）を有し、スラストベアリングは、低速時にロータを軸線方向にバランスさせ、高速時には非接触でロータを軸線方向にバランスさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロータおよびステータが配置されたターボマシンに関し、より詳しくは、ターボマシンのステータに対してロータを所定位置に保持する手段の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボマシンは、流体流れ部分と、ターボマシンを通って流れる流体と電気回路との間でエネルギーを交換できるように協働する電気的部分とを有している。
【０００３】
このエネルギー交換は両方向で行われ、したがって、このようなターボマシンは、ポンプのような流体流れ部分を駆動する電気的部分としての電気モータを備えたコンプレッサとして構成できる。ターボマシンはまた、流体流れ部分が、例えば、オルタネータのような発電機を構成する電気的部分を駆動するタービンである発電機としても構成できる。
【０００４】
この形式のターボマシンは、より詳しくは、液化天然ガス（ＬＮＧ）産業および液化石油ガス（ＬＰＧ）産業において、膨張タービンまたは高圧ポンプの形態で使用されている。この場合、ターボマシンを通る流体は、天然ガス（メタン、エタン）、液化石油ガス（ブタン、プロパン）または冷媒ミックス（refrigerant-mix：ＲＭ）と呼ばれるこれらの混合物（一定量のより重い化合物を含む場合もある）である。
【０００５】
このようなターボマシンを設計するときの永久的目的は、その寿命および性能を最高にすることである。
【０００６】
この目的のため、特に、ロータの回転摩擦を低減させる努力がなされている。このためには、ステータに対するロータの位置を、半径方向および軸線方向の両方向に保持する適当な手段を選択することが重要である。通常、ロータには垂直に配置されたシャフトが設けられており、保持手段の第一機能は、特に、ロータの静止時または低速時にロータの重量を支持することにあることに気付くべきである。
【０００７】
米国特許出願第２００６／０１８６６７１号明細書（特許文献１）には、ターボマシンに使用するのに適した保持手段の種々の実施形態が開示されている。
【０００８】
第一実施形態（図１）では、半径方向位置が転がりベアリングにより保持されたタービン発電機が開示されている。しかしながら、ボールベアリングは対面する表面同士が機械的に接触して摩擦が生じるため、特に高速回転時に摩耗およびエネルギーの消費をもたらしかつ最大許容回転速度が制限されてしまう。
【０００９】
軸線方向位置は、低速時には上記ボールベアリングの１つにより保持され、高速時にはブレード形ホイールの後方に配置された軸線方向バランシング装置により保持される。
【００１０】
上記ボールベアリングは、ステータに対して一定範囲内でスライド可能に取付けられた外輪を有している。低速時には、外輪は、前記範囲の一端でボールベアリングに当接してブロックされ、これによりロータの軸線方向位置がブロックされる。
【００１１】
高速時には、ロータは、ブレード形ホイールに作用する流体の圧力により上方に押され、軸線方向バランシング装置は、ボールベアリングから引継いで、ロータを前記範囲内で実質的に静止位置に保持する。軸線方向バランシング装置は、第一ブレード形ホイールに組込まれておりかつバランシングチャンバを有している。このバランシングチャンバは、ブレード形ホイールの後面上に配置されており、軸線方向クリアランスを隔てかつロータの軸線方向位置を保持すべく、バランシングチャンバ内の圧力を調節する機能を有するノズルに関連している。
【００１２】
この実施形態の欠点は、ボールベアリングの内輪（ロータに固定されている）およびボールがロータの移動により回転駆動され、このためボールベアリングに摩擦および摩耗が生じることである。この結果、発電機の当該部分の寿命が制限される。
【００１３】
これらの欠点を改善するため、特許文献１にはタービン発電機の他の実施形態（図７）が開示されている。
【００１４】
この実施形態では、ロータを半径方向に保持すべく、発電機がクラッチ解除可能なボールベアリングを有している。これらのボールベアリングは低速で使用される。これらのボールベアリングは、高速で作動する静圧ベアリングと並列に配置されている。静圧ベアリングは、ターボマシンのメイン回路内の圧力を使用しており、回転速度（したがって流体圧力）が充分な値に到達するやいなやロータの半径方向位置を保持する（特許文献１では、ターボマシンの「メイン回路」とは、流体がターボマシンの流体流れ部分を通って流れることを可能にする全ての回路を意味している）。
【００１５】
静止状態時および低速時にロータの軸線方向位置を保持するため、一方のボールベアリングはロータシャフトの円錐状支持面に当接して、ロータシャフトを垂直方向に支持する。
【００１６】
より高い速度では、ロータは、ブレード形ホイール内の流体圧力の作用を受けて僅かに上昇し、軸線方向バランシング装置により所定位置に保持される。次に、ボールベアリングは、直線移動するロータによりクラッチ解除され、これにより、ボールベアリングに整合しているロータシャフトの円錐状支持面に対してクリアランスを開く。下方ベアリングは直線移動（円錐状支持面からの分離）するロータによりクラッチ解除されるのに対し、上方ベアリングでは、円錐状支持面をクラッチ解除すべくベアリングに組込まれた装置に対して作用する流体圧力が上昇する。
【００１７】
この構成は複雑であるという欠点を有し、かつ上記全ては信頼性を欠くものである。ボールベアリングはロータが直線移動（この直線移動は非常に小さい振幅である）するためクラッチ解除される。実際には、大径のシャフトを使用することにいかなる問題もないため、支持面の円錐度（conicity）は小さく維持され、このため、ベアリングのクラッチ解除時の信頼性が低下されかつ作動時にボールベアリングと静圧ベアリングとが強く相互作用する危険がある。
【００１８】
また、並列に配置された半径方向保持手段（静圧ベアリングと並列のボールベアリング）は、ターボマシンに余分な重量をもたらしかつ体積の増大を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許出願第２００６／０１８６６７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の第一目的は、ロータおよびステータが設けられたターボマシンであって、流体流れ部分を有し、前記流体流れ部分は、これを通る流体とロータとの間でのエネルギー交換を可能にし、ロータは、そのシャフトに装着された少なくとも１つのブレード形ホイールを備え、電気を仕事にまたは仕事を電気に変換するのに適した電気的部分と、ロータを半径方向に位置決めすべく機能する半径方向位置決め手段と、高速でのロータの軸線方向バランスをとるための、ブレード形ホイールに配置された非接触軸線方向バランシング装置とを更に有するターボマシンにおいて、流体を殆ど消費せずかつ優れた体積効率を呈し、比較的コンパクトであり、ロータを所定位置に保持する界面での摩耗がないため長寿命を有し、かつ高速での作動に適しているターボマシンを提案することにより上記欠点を解消することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記第一目的は、ターボマシンが、半径方向位置決め手段（すなわち半径方向支持手段）とは別のスラストベアリングを有し、スラストベアリングが、低速ではロータの軸線方向バランスをとりかつ高速では非接触であり、半径方向位置決め手段は単に静圧ベアリングにより構成され、ターボマシンは、前記ベアリングを加圧流体源に連結するのに適した静圧ベアリングフィード回路を有しているという事実により達成される。
【００２２】
これらのフィード回路は、ターボマシンのメイン流体回路とは部分的にまたは完全に別の構成にすることができる。
【００２３】
このターボマシンでは、軸線方向位置および半径方向位置は別の手段により保持され、スラストベアリングは、半径方向位置決め手段とは別のものである。このため、２つの形式の保持手段の各々を作るのに高性能技術を使用でき、したがってターボマシンを最適化できる。すなわち、第一形式の保持手段は、高速で非接触軸線方向バランシング装置と組合わされるスラストベアリングであり、第二形式の保持手段は、半径方向に位置を保持する静圧ベアリングである。
【００２４】
第一に留意すべきは、ターボマシンは、そのロータのシャフトが、水平位置ではなく、垂直位置または傾斜位置を占めるように設計されることである。ロータに作用する重力は、ロータの軸線方向上方への移動を制限し、したがってその軸線方向位置の保持に寄与する戻り力を形成する。
【００２５】
軸線方向での下方移動は、スラストベアリングにより制限される。スラストベアリングは、ロータの静止時および低速時にロータの重量を支持する。有利なことは、スラストベアリングが半径方向位置保持機能をもたないので、小さいサイズにできることである。スラストベアリングが、高速（所定速度以上の速度）では非接触であるので、軸線方向当接によっても高速でのロータの作動を乱すことはなく、したがって、有利なことに、ロータの作動範囲を高速まで拡大できる。スラストベアリングは、軸線方向バランシング装置とは別のものである。
【００２６】
高速では、軸線方向位置は、軸線方向バランシング装置により保持される。有利なことに、軸線方向バランシング装置はブレード形ホイール（単一または複数）内に組込まれておりかつ流体流れ部分を通って流れる流体により作動するので、流体の無意味な消費を回避できる。この組込み形態は、高体積効率をもつターボマシンに寄与する。
【００２７】
半径方向位置は、単一装置、より詳しくは静圧ベアリングにより有利に保持される。半径方向位置を保持するのに、いかなるボールベアリングまたは接触による他の保持装置も使用しない。
【００２８】
静圧ベアリングは、流体圧力を受けるやいなや、ロータとベアリングとの間に非常に小さいクリアランス（数十ミクロン）を呈する位置にロータを位置決めする。かくして、これらのベアリングは、摩擦ロスを極めて小さくでき、これは、機械的部材を、ロータとロータに固定されない他の部品との間で移動させる必要なくして達成される。
【００２９】
また、静圧ベアリングは、ロータの静止時または低速回転時に流体を静圧ベアリングに供給可能にする静圧ベアリング自体のフィード回路を有しているので、特許文献１に開示の、ボールベアリングと並列の静圧ベアリングとは異なり、ロータの回転速度の如何にかかわらずロータを半径方向に位置決めするのに使用できる。かくして、静圧ベアリングは、ターボマシンのあらゆる速度においてロータの半径方向位置を保持すべく機能する。
【００３０】
より詳しくは、ターボマシンが低圧または非常に低い圧力の流体（ＬＮＧ、ＬＰＧまたはＲＭ）に使用される場合に、静圧ベアリングのフィード回路に関連して外部の加圧流体源を使用することにより、非常に小さいクリアランスを有しかつターボマシンのコア内に位置するゾーンの温度を優先的に低下でき、また、ベアリングの温度を正確に制御することもできる。ベアリングの半径方向クリアランスは非常に小さいので、始動時の温度降下時に静圧ベアリングのジャミング（固着）を引起こす危険がある。ベアリングのフィード流体の温度を制御することにより、この危険を低下させかつ制御できる状態に維持できる。
【００３１】
本発明により、ロータを所定位置に保持する界面は、或る所定速度以上の高速では非接触になる（本明細書では、用語「接触」とは、２つの固体間の機械的接触があることを意味する）。これらの界面は、半径方向位置決め手段、スラストベアリングおよび軸線方向バランシング装置での、ターボマシンのロータと他の部品との間の機械的界面である。
【００３２】
かくして、高速では、流体膜が、ターボマシンのロータに固定されていない部分からロータを分離する。すなわち、ロータの表面と、ロータに固定されていない他の何らかの部分の表面との間にいかなる機械的接触も存在しない。このため、摩擦ロスおよび磨耗が最小になる。
【００３３】
一実施形態では、スラストベアリングは、ロータの軸線に対して１０°より大きい角度（好ましくは、９０°に近い角度）を形成する支持面を有している。この結果、スラストベアリングのジャミングの危険性およびスラストベアリングと静圧ベアリングとの相互作用の危険性が回避される。
【００３４】
特にスラストベアリングについては２つの実施形態を考えることができる。
【００３５】
第一実施形態では、スラストベアリングは静圧ベアリングである。この実施形態は、半径方向位置を保持する静圧ベアリングと同様に、非常に永続的な態様で正確な位置決めを確保できる魅力があると考えられる。軸線方向および半径方向に作用する静圧ベアリングのフィード回路は一部を共通化できるが、これらの静圧ベアリングの機能面（支持面）は別体に維持される。
【００３６】
第二実施形態では、スラストベアリングはボールベアリングである。このボールベアリングは、高回転速度で非接触となるように設計されている。
【００３７】
これを達成するため、例えば、ボールベアリングは実質的に円筒状の半径方向内側面を備えた内輪を有し、前記内側面とロータの外側面との間にはクリアランスが形成されている。この半径方向クリアランスにより、ロータが回転しているときにボールベアリングのいかなる部分も回転駆動されない。このため、ロータの摩耗および故障の危険が最小になる。これに対し、ベアリングの軸線方向端部の表面は、スラストベアリング機能を遂行する力を伝達する必要がある。
【００３８】
一実施形態では、ターボマシンは、更に、静圧ベアリングフィードの上流側にフィルタを有している。これにより、静圧ベアリングを損傷する虞れのあるあらゆる大径粒子が、静圧ベアリングの上流側で除去され、したがってベアリング寿命が延長される。
【００３９】
一実施形態では、高速で、軸線方向バランシング装置は、ロータを軸線方向の所定位置に保持する目的で、ブレード形ホイール（単一または複数）を通って流れる流体のみを使用する。これにより、ターボマシンの体積効率が最適化され、軸線方向バランシング装置の構造が簡単に留められる。
【００４０】
本発明の第二目的は、上記形式のターボマシンを有し、特に高速において高い体積効率および長寿命を呈し、かつターボマシンの静圧ベアリングに加圧流体を供給する内部手段を有しているターボマシン装置を提供することにある。
【００４１】
この目的は、ターボマシン装置が、加圧流体源に連結するのに適した前述のターボマシンおよびターボマシンの静圧ベアリングへのフィードを選択する手段の両方を有し、前記フィードが、前記加圧流体源、または、ターボマシンのメイン流体回路のいずれかであるという事実により達成される。
【００４２】
かくして、加圧流体源の選択が可能であるため、流体の不利な消費を最小化できる（すなわち、実際に、外部流体源を用いてターボマシンが作動する時間の長さを最短にする）。加圧流体源は、流体を必要圧力に圧縮するのに適した圧縮機を備えた流体タンクで構成できる。加圧流体源には、静止時には加圧流体が実質的に充満されていて、ターボマシンを始動させるのに必要な圧力で所与の量の流体を供給するのに適している流体バッファを等しく使用できる。バッファは、ターボマシンが始動されるやいなや再充填される。
【００４３】
静圧ベアリング用の加圧流体源の選択を最適化することにより、ターボマシンの全体的エネルギー効率が最適化される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】スラストベアリングがボールベアリング当接している構成の本発明の一実施形態によるターボマシンを示す軸線方向断面図である。
【図１Ｂ】スラストベアリングの近傍におけるターボマシンの第一実施形態を示す軸線方向断面図である。
【図１Ｃ】軸線方向バランシング装置の近傍におけるターボマシンの第一実施形態を示す軸線方向断面図である。
【図２Ａ】スラストベアリングが静圧ベアリング当接している構成の本発明の他の実施形態によるターボマシンを示す軸線方向断面図である。
【図２Ｂ】低速時でのスラストベアリングおよび軸線方向ベアリング装置の近傍におけるターボマシンの第二実施形態を示す軸線方向断面図である。
【図２Ｃ】高速時でのスラストベアリングおよび軸線方向ベアリング装置の近傍におけるターボマシンの第二実施形態を示す軸線方向断面図である。
【図３Ａ】タービンにより駆動される発電機を有する本発明によるターボマシン装置を示す概略構成図である。
【図３Ｂ】電気的に駆動されるタービンポンプを有する本発明によるターボマシン装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明は、非制限的な例として示す本発明の実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、本発明およびその長所はより明白に理解されよう。
【００４６】
一要素が２つ以上の図面に示されているとき、その要素は、種々の図面において同じ参照番号で示されかつその要素が最初に示された図面を参照して説明される。
【００４７】
図１を参照して、本発明のターボマシンを以下に説明する。
【００４８】
ターボマシン１０は、タービンにより駆動される発電機である。ターボマシン１０は、タービンにより構成される流体流れ部分２０と、発電機を構成する電気的部分５０とを有している。
【００４９】
ターボマシン１０は、ステータ１０Ｓ内でシャフト１２の回りで回転するロータ１０Ｒの形態に構成されている。
【００５０】
ステータ１０Ｓは、本質的に、４つの部分１４、１５、１６、１７からなるケーシング３０を有している。これらの部分は静止しており、かつ、ねじ１８により互いに固定されている。ステータ１０Ｓはまた、発電機の静止部分、すなわち、ステータ部分５４を有している。
【００５１】
ロータ１０Ｒは、本質的に、ねじ２４により、ロータシャフト１２自体により、および発電機５０のロータ部分５２（詳細ではないが図１に示された大径中央部）により、シャフト１２の一端に固定されたブレード形ホイール２２を有している。
【００５２】
ターボマシン１０は、次のように作動する。
【００５３】
加圧流体は、シャフト１２の軸線上でケーシング部分１７に穿けられたオリフィス３４を通って、ターボマシン１０内に進入する。
【００５４】
加圧流体は、ケーシング１７の通路３２、ケーシング１６の通路３１、ケーシング１５の通路２９、およびケーシング１４の集合通路２７（ホイールから上流側でケーシング１４内に集合されたブレード）によりブレード形ホイール２２まで案内され、更にブレード間を通って流れ、ブレード形ホイール２２を回転駆動する。かくして、ロータ１０Ｒは，流体の作用を受けて回転される。
【００５５】
ロータのロータ部分５２およびステータ部分５４を備えた発電機５０は、既知のターボマシンコンポーネントである。ロータ１０Ｒの回転作用を受けて、発電機５０は電気を発生し、発生された電気は、通路３５を通るケーブル（図示せず）により搬送される。
【００５６】
ブレード形ホイール２２を通った後、流体は、ケーシング１４の通路２８を通って流れ、この通路２８は、流体を、入口オリフィス３４とは反対側のターボマシンの端部でケーシング部分１４に配置された出口オリフィス２６に案内する。
【００５７】
ロータ１０Ｒは、次のようにして所定位置に保持（軸線方向および半径方向に保持）される。
【００５８】
最初に留意すべきは、ターボマシン１０は垂直形態で機能するように、すなわちロータの軸線が垂直方向になるように設計されていることである。
【００５９】
ロータシャフト１２の軸線Ａに沿って作用するロータの重量を支持するため、ターボマシンは、転がりベアリング、より詳しくはボールベアリング３６により構成されたスラストベアリングを有している。ロータ１０Ｒの静止時および低速回転時には、ボールベアリング３６がロータの重量を支持する。ロータ１０Ｒの回転速度が上昇するとロータは僅かに上昇し、その位置は、ブレード形ホイール２２の後方に形成された軸線方向バランシング装置３８により調整される。これらの要素の構成は、図１Ｂおよび図１Ｃに関連して詳細に説明する。
【００６０】
ロータは、静圧ベアリング４０、４２により半径方向に位置決めされる。これらの静圧ベアリングは、メイン流体回路２９、３１とは別のフィード回路４４、４６、４８を有している。これらの回路のフィードオリフィス４５は、加圧流体源に連結されるように設計されている。ターボマシン１０にはフィルタ（図示せず）を設けることができる。このフィルタは、静圧ベアリングから上流側に配置され、かつ流体内に存在する虞れのある非常に大きい直径のあらゆる粒子を除去するように設計されている。
【００６１】
既知の態様では、これらの静圧ベアリング４０、４２の各々は、非常に小さいクリアランスでシャフト１２の円筒状支持面を包囲するスリーブ状部分を有している。スリーブ状部分とシャフト１２との間にベアリングフィード流体が噴射されて薄膜を形成する。この薄膜はベアリングからシャフト１２を分離し、機械的摩擦なくしてシャフトを回転可能にし、かつシャフトを所望の半径方向位置に維持する。
【００６２】
軸線方向保持手段の作動について、図１Ｂおよび図１Ｃを参照して以下に詳細に説明する。図１Ｂは低回転速度時に占める位置にあるロータを示し、一方、図１Ｃは高回転速度時に占める位置にあるロータを示す。最初に留意すべきは、ボールベアリング３６の内輪５８とシャフト１２との間には内側クリアランス５６が存在することである。このクリアランスの存在により、ベアリング３６はロータ１０Ｒの重量を支持しているときにのみ、回転駆動される。このとき、リング５８の頂面６２はシャフト１２のショルダ６４に接触している。スラストベアリング３６の機能面すなわち支持面は、ロータ１０Ｒの軸線Ａに対して９０°の角度αを形成している。
【００６３】
ボールベアリング３６の外側で、外輪６０は、ロータの重量を、ねじ６５によりケーシング部分１５に固定された環状体６１に伝達する。
【００６４】
高回転速度（図１Ｃ）では、ロータ１０Ｒは軸線Ａに沿って上昇する。リング５８の頂面６２は、もはやシャフト１２のショルダ６４とは接触しなくなる。ボールベアリング３６は回転駆動されず、全く機能しなくなる。
【００６５】
図１Ｂおよび図１Ｃの下部には、軸線方向バランシング装置３８が示されている。ブレード形ホイール２２の後方でかつロータ１０Ｒの横には、チャンバ７２が形成されている。少量の流体が、ターボマシンのメイン回路から定断面ノズル７４を通ってチャンバ７２内に流入し、チャンバ７２を充填する。流体は、環状体６１の表面６６とブレード形ホイール２２の表面６８との間に形成されたノズル７６を介してチャンバ７２から排出される。環状表面６６は、ブレード形ホイール２２の対応する環状表面６８に実質的に対面して半径方向に延びている。これらの両表面６６、６８の間にはクリアランス７０が形成されている。クリアランス７０は、ステータ１０Ｓに対するロータ１０Ｒの軸線方向位置に関連して変化し、これによりチャンバ７２内の圧力を調整する。最終的には、チャンバ７２内の流体圧力が、既知の態様でブレード形ホイール２２に、したがってロータ１０Ｒに作用して、ロータを実質的に一定の軸線方向位置に保持する。
【００６６】
次に、図２Ａ，図２Ｂおよび図２Ｃを参照して第二実施形態を説明する。これらの図面に示すターボマシンの機能および構造は、図１Ａから図１Ｃに関連して説明したターボマシンの機能および構造と実質的に同じである。
【００６７】
ロータ１１０Ｒの半径方向位置決めは、ロータの実質的に両端部に配置された２つの静圧ベアリング１４０、１４２により行われる。
【００６８】
これに対し、ロータ１１０Ｒを保持する手段は、上記第一実施形態の保持手段とは異なっている。静止時および低速回転時には、ロータ１１０Ｒは、静圧スラストベアリング１３６により構成されたスラストベアリングにより支持される。このベアリングは、半径方向位置を保持する静圧ベアリング１４０に隣接しており、このため、これらの２つのコンポーネンツは、ケーシング部分１１５に固定される共通リング１４４を用いて有利に作ることができる。それにもかかわらず、両コンポーネンツ１３６、１４０の機能表面は、それぞれ軸線方向および半径方向を向いた垂直を有する別の表面であり、スラストベアリング１３６は、半径方向位置を保持する静圧ベアリング１４０とは別のものである。
【００６９】
静圧スラストベアリング１３６が設けられているため、オリフィス４５に流体圧力が加えられるやいなや、ロータは非常に少量だけ上昇しかつ回転し始めることができる。
【００７０】
図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、静圧スラストベアリング１３６の作動は、軸線方向バランシング装置３８と比較して、前述の実施形態におけるターボマシンの軸線方向バランシング装置に非常に良く似ている。
【００７１】
ダクト１４８は、加圧流体を、静圧スラストベアリング１３６および静圧ベアリング１４０に流体を搬送するそれぞれの分配ダクト１５３および１５１に搬送する。ダクト１４８、１５１、１５３は、ケーシング部分１１５およびリング１４４の全周に亘って規則的な間隔で配置され、流体を全周に亘って分散できるようになっている。
【００７２】
静止時および低速時には、ロータ１１０Ｒは、静圧スラストベアリング１３６内の流体圧力の作用を受けてリング１４４から持上げられ、その頂部１６２に近接した位置を占める。これにより、頂面１６２とロータ１１０Ｒの対向面１６４との間に非常に小さいクリアランスが形成され、これにより、ロータ１１０Ｒとステータとの間の機械的摩擦が完全に回避される。
【００７３】
より高い速度では、軸線方向バランシング装置１３８が、静止時または低速時での位置に対してロータを少しだけ持上げ、これにより、頂面１６２と対向面１６４との間の軸線方向クリアランスが増大される。次に、静圧スラストベアリング１３６がクラッチ解除され、ロータ１１０Ｒの軸線方向位置が、軸線方向バランシング装置１３８によってのみ保持される。
【００７４】
同時に、この構成は非常にコンパクトで、簡単かつ安価であると考えられる。なぜならば、軸線方向スラストベアリング（静圧スラストベアリング１３６）は、その一部が、静圧ベアリング１４０を構成する手段から作られているからである。
【００７５】
図３Ａおよび図３Ｂには、本発明の２つのターボマシン装置が示されている。
【００７６】
第一装置２００（図３Ａ）は、タービン２２０により駆動される発電機２５０を備えたターボマシン２１０を有している。ターボマシンのロータ２１０Ｒは、２つの静圧ベアリング２４０、２４２により半径方向位置に保持される。
【００７７】
タービン２２０および静圧ベアリング２４０、２４２には、単一パイプ２０５から加圧流体が供給される。
【００７８】
パイプ２０５（このパイプの流量は弁２１７により制御される）には、第一パイプ２１５が連結されており、フィルタ２１９を介して静圧ベアリング２４０、２４２に流体を供給する。
【００７９】
パイプ２０５には、タービン２２０に供給するための第二パイプ２２５も連結されている。タービン２２０を通る流体の流れは２つの弁２２７、２３７により制御される。これらの弁２２７、２３７は、それぞれ、パイプ２２５の上流側およびタービン２２０から下流側の流体排出パイプ２３５に配置されている。
【００８０】
図３Ｂには、電気ポンプを構成するターボマシン用の、本発明によるターボマシン装置３００が示されている。ターボマシン装置３００は、ポンプ３２０を駆動する電気モータ３５０を備えたターボマシン３１０を有している。特定の例外を除き、図３Ａに示した要素と同じ要素は、図３Ａの要素の参照番号に１００を加えた参照番号で示されている。
【００８１】
静圧ベアリング３４０、３４２には、パイプ３１５からフィルタ３１９を介して流体が供給される。パイプ３１５は、ターボマシン装置３００の外部の加圧流体源（図示せず）に連結するのに適している。このパイプ３１５を通る流量は、弁３１７により制御される。
【００８２】
ポンプ３２０には、パイプ３３５を介して流体が供給される。この供給流量は、弁３３７により制御される。ポンプ３２０からの吐出はパイプ３２５を介して行われ、パイプ３２５内の流量は弁３２７により制御される。
【００８３】
また、パイプ３２５は、パイプ３４５を介してパイプ３１５に連結されている。
【００８４】
パイプ３４５には、パイプ３２５を通って流体が戻ることを防止する逆止弁３２１が配置されており、またパイプ３１５には、流体が加圧流体源（図示せず）に戻ることを防止する他の逆止弁３１１が配置されている。これらの２つの逆止弁が設けられているため、静圧ベアリング３４０、３４２には、ポンプ３２０からの吐出圧力（パイプ３２５内の圧力）および加圧流体源からの出口圧力により構成される大部分の圧力が加えられる。したがって、ポンプの吐出圧力が充分に高くなるやいなや、外部の加圧流体源からの加圧流体の消費が遮断される。
【００８５】
他の実施形態では、静圧ベアリングを供給する加圧流体源を選択するための、例えば電子制御ユニットを用いた制御形切換え装置を設けることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０ ターボマシン
１０Ｒ ロータ
１０Ｓ ステータ
１２ シャフト
２０ 流体流れ部分
２２ ブレード形ホイール
３６ ボールベアリング（スラストベアリング）
３８ 軸線方向バランシング装置
４０、４２ 静圧ベアリング
７２ チャンバ
【技術分野】
【０００１】
本発明はロータおよびステータが配置されたターボマシンに関し、より詳しくは、ターボマシンのステータに対してロータを所定位置に保持する手段の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボマシンは、流体流れ部分と、ターボマシンを通って流れる流体と電気回路との間でエネルギーを交換できるように協働する電気的部分とを有している。
【０００３】
このエネルギー交換は両方向で行われ、したがって、このようなターボマシンは、ポンプのような流体流れ部分を駆動する電気的部分としての電気モータを備えたコンプレッサとして構成できる。ターボマシンはまた、流体流れ部分が、例えば、オルタネータのような発電機を構成する電気的部分を駆動するタービンである発電機としても構成できる。
【０００４】
この形式のターボマシンは、より詳しくは、液化天然ガス（ＬＮＧ）産業および液化石油ガス（ＬＰＧ）産業において、膨張タービンまたは高圧ポンプの形態で使用されている。この場合、ターボマシンを通る流体は、天然ガス（メタン、エタン）、液化石油ガス（ブタン、プロパン）または冷媒ミックス（refrigerant-mix：ＲＭ）と呼ばれるこれらの混合物（一定量のより重い化合物を含む場合もある）である。
【０００５】
このようなターボマシンを設計するときの永久的目的は、その寿命および性能を最高にすることである。
【０００６】
この目的のため、特に、ロータの回転摩擦を低減させる努力がなされている。このためには、ステータに対するロータの位置を、半径方向および軸線方向の両方向に保持する適当な手段を選択することが重要である。通常、ロータには垂直に配置されたシャフトが設けられており、保持手段の第一機能は、特に、ロータの静止時または低速時にロータの重量を支持することにあることに気付くべきである。
【０００７】
米国特許出願第２００６／０１８６６７１号明細書（特許文献１）には、ターボマシンに使用するのに適した保持手段の種々の実施形態が開示されている。
【０００８】
第一実施形態（図１）では、半径方向位置が転がりベアリングにより保持されたタービン発電機が開示されている。しかしながら、ボールベアリングは対面する表面同士が機械的に接触して摩擦が生じるため、特に高速回転時に摩耗およびエネルギーの消費をもたらしかつ最大許容回転速度が制限されてしまう。
【０００９】
軸線方向位置は、低速時には上記ボールベアリングの１つにより保持され、高速時にはブレード形ホイールの後方に配置された軸線方向バランシング装置により保持される。
【００１０】
上記ボールベアリングは、ステータに対して一定範囲内でスライド可能に取付けられた外輪を有している。低速時には、外輪は、前記範囲の一端でボールベアリングに当接してブロックされ、これによりロータの軸線方向位置がブロックされる。
【００１１】
高速時には、ロータは、ブレード形ホイールに作用する流体の圧力により上方に押され、軸線方向バランシング装置は、ボールベアリングから引継いで、ロータを前記範囲内で実質的に静止位置に保持する。軸線方向バランシング装置は、第一ブレード形ホイールに組込まれておりかつバランシングチャンバを有している。このバランシングチャンバは、ブレード形ホイールの後面上に配置されており、軸線方向クリアランスを隔てかつロータの軸線方向位置を保持すべく、バランシングチャンバ内の圧力を調節する機能を有するノズルに関連している。
【００１２】
この実施形態の欠点は、ボールベアリングの内輪（ロータに固定されている）およびボールがロータの移動により回転駆動され、このためボールベアリングに摩擦および摩耗が生じることである。この結果、発電機の当該部分の寿命が制限される。
【００１３】
これらの欠点を改善するため、特許文献１にはタービン発電機の他の実施形態（図７）が開示されている。
【００１４】
この実施形態では、ロータを半径方向に保持すべく、発電機がクラッチ解除可能なボールベアリングを有している。これらのボールベアリングは低速で使用される。これらのボールベアリングは、高速で作動する静圧ベアリングと並列に配置されている。静圧ベアリングは、ターボマシンのメイン回路内の圧力を使用しており、回転速度（したがって流体圧力）が充分な値に到達するやいなやロータの半径方向位置を保持する（特許文献１では、ターボマシンの「メイン回路」とは、流体がターボマシンの流体流れ部分を通って流れることを可能にする全ての回路を意味している）。
【００１５】
静止状態時および低速時にロータの軸線方向位置を保持するため、一方のボールベアリングはロータシャフトの円錐状支持面に当接して、ロータシャフトを垂直方向に支持する。
【００１６】
より高い速度では、ロータは、ブレード形ホイール内の流体圧力の作用を受けて僅かに上昇し、軸線方向バランシング装置により所定位置に保持される。次に、ボールベアリングは、直線移動するロータによりクラッチ解除され、これにより、ボールベアリングに整合しているロータシャフトの円錐状支持面に対してクリアランスを開く。下方ベアリングは直線移動（円錐状支持面からの分離）するロータによりクラッチ解除されるのに対し、上方ベアリングでは、円錐状支持面をクラッチ解除すべくベアリングに組込まれた装置に対して作用する流体圧力が上昇する。
【００１７】
この構成は複雑であるという欠点を有し、かつ上記全ては信頼性を欠くものである。ボールベアリングはロータが直線移動（この直線移動は非常に小さい振幅である）するためクラッチ解除される。実際には、大径のシャフトを使用することにいかなる問題もないため、支持面の円錐度（conicity）は小さく維持され、このため、ベアリングのクラッチ解除時の信頼性が低下されかつ作動時にボールベアリングと静圧ベアリングとが強く相互作用する危険がある。
【００１８】
また、並列に配置された半径方向保持手段（静圧ベアリングと並列のボールベアリング）は、ターボマシンに余分な重量をもたらしかつ体積の増大を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許出願第２００６／０１８６６７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の第一目的は、ロータおよびステータが設けられたターボマシンであって、流体流れ部分を有し、前記流体流れ部分は、これを通る流体とロータとの間でのエネルギー交換を可能にし、ロータは、そのシャフトに装着された少なくとも１つのブレード形ホイールを備え、電気を仕事にまたは仕事を電気に変換するのに適した電気的部分と、ロータを半径方向に位置決めすべく機能する半径方向位置決め手段と、高速でのロータの軸線方向バランスをとるための、ブレード形ホイールに配置された非接触軸線方向バランシング装置とを更に有するターボマシンにおいて、流体を殆ど消費せずかつ優れた体積効率を呈し、比較的コンパクトであり、ロータを所定位置に保持する界面での摩耗がないため長寿命を有し、かつ高速での作動に適しているターボマシンを提案することにより上記欠点を解消することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記第一目的は、ターボマシンが、半径方向位置決め手段（すなわち半径方向支持手段）とは別のスラストベアリングを有し、スラストベアリングが、低速ではロータの軸線方向バランスをとりかつ高速では非接触であり、半径方向位置決め手段は単に静圧ベアリングにより構成され、ターボマシンは、前記ベアリングを加圧流体源に連結するのに適した静圧ベアリングフィード回路を有しているという事実により達成される。
【００２２】
これらのフィード回路は、ターボマシンのメイン流体回路とは部分的にまたは完全に別の構成にすることができる。
【００２３】
このターボマシンでは、軸線方向位置および半径方向位置は別の手段により保持され、スラストベアリングは、半径方向位置決め手段とは別のものである。このため、２つの形式の保持手段の各々を作るのに高性能技術を使用でき、したがってターボマシンを最適化できる。すなわち、第一形式の保持手段は、高速で非接触軸線方向バランシング装置と組合わされるスラストベアリングであり、第二形式の保持手段は、半径方向に位置を保持する静圧ベアリングである。
【００２４】
第一に留意すべきは、ターボマシンは、そのロータのシャフトが、水平位置ではなく、垂直位置または傾斜位置を占めるように設計されることである。ロータに作用する重力は、ロータの軸線方向上方への移動を制限し、したがってその軸線方向位置の保持に寄与する戻り力を形成する。
【００２５】
軸線方向での下方移動は、スラストベアリングにより制限される。スラストベアリングは、ロータの静止時および低速時にロータの重量を支持する。有利なことは、スラストベアリングが半径方向位置保持機能をもたないので、小さいサイズにできることである。スラストベアリングが、高速（所定速度以上の速度）では非接触であるので、軸線方向当接によっても高速でのロータの作動を乱すことはなく、したがって、有利なことに、ロータの作動範囲を高速まで拡大できる。スラストベアリングは、軸線方向バランシング装置とは別のものである。
【００２６】
高速では、軸線方向位置は、軸線方向バランシング装置により保持される。有利なことに、軸線方向バランシング装置はブレード形ホイール（単一または複数）内に組込まれておりかつ流体流れ部分を通って流れる流体により作動するので、流体の無意味な消費を回避できる。この組込み形態は、高体積効率をもつターボマシンに寄与する。
【００２７】
半径方向位置は、単一装置、より詳しくは静圧ベアリングにより有利に保持される。半径方向位置を保持するのに、いかなるボールベアリングまたは接触による他の保持装置も使用しない。
【００２８】
静圧ベアリングは、流体圧力を受けるやいなや、ロータとベアリングとの間に非常に小さいクリアランス（数十ミクロン）を呈する位置にロータを位置決めする。かくして、これらのベアリングは、摩擦ロスを極めて小さくでき、これは、機械的部材を、ロータとロータに固定されない他の部品との間で移動させる必要なくして達成される。
【００２９】
また、静圧ベアリングは、ロータの静止時または低速回転時に流体を静圧ベアリングに供給可能にする静圧ベアリング自体のフィード回路を有しているので、特許文献１に開示の、ボールベアリングと並列の静圧ベアリングとは異なり、ロータの回転速度の如何にかかわらずロータを半径方向に位置決めするのに使用できる。かくして、静圧ベアリングは、ターボマシンのあらゆる速度においてロータの半径方向位置を保持すべく機能する。
【００３０】
より詳しくは、ターボマシンが低圧または非常に低い圧力の流体（ＬＮＧ、ＬＰＧまたはＲＭ）に使用される場合に、静圧ベアリングのフィード回路に関連して外部の加圧流体源を使用することにより、非常に小さいクリアランスを有しかつターボマシンのコア内に位置するゾーンの温度を優先的に低下でき、また、ベアリングの温度を正確に制御することもできる。ベアリングの半径方向クリアランスは非常に小さいので、始動時の温度降下時に静圧ベアリングのジャミング（固着）を引起こす危険がある。ベアリングのフィード流体の温度を制御することにより、この危険を低下させかつ制御できる状態に維持できる。
【００３１】
本発明により、ロータを所定位置に保持する界面は、或る所定速度以上の高速では非接触になる（本明細書では、用語「接触」とは、２つの固体間の機械的接触があることを意味する）。これらの界面は、半径方向位置決め手段、スラストベアリングおよび軸線方向バランシング装置での、ターボマシンのロータと他の部品との間の機械的界面である。
【００３２】
かくして、高速では、流体膜が、ターボマシンのロータに固定されていない部分からロータを分離する。すなわち、ロータの表面と、ロータに固定されていない他の何らかの部分の表面との間にいかなる機械的接触も存在しない。このため、摩擦ロスおよび磨耗が最小になる。
【００３３】
一実施形態では、スラストベアリングは、ロータの軸線に対して１０°より大きい角度（好ましくは、９０°に近い角度）を形成する支持面を有している。この結果、スラストベアリングのジャミングの危険性およびスラストベアリングと静圧ベアリングとの相互作用の危険性が回避される。
【００３４】
特にスラストベアリングについては２つの実施形態を考えることができる。
【００３５】
第一実施形態では、スラストベアリングは静圧ベアリングである。この実施形態は、半径方向位置を保持する静圧ベアリングと同様に、非常に永続的な態様で正確な位置決めを確保できる魅力があると考えられる。軸線方向および半径方向に作用する静圧ベアリングのフィード回路は一部を共通化できるが、これらの静圧ベアリングの機能面（支持面）は別体に維持される。
【００３６】
第二実施形態では、スラストベアリングはボールベアリングである。このボールベアリングは、高回転速度で非接触となるように設計されている。
【００３７】
これを達成するため、例えば、ボールベアリングは実質的に円筒状の半径方向内側面を備えた内輪を有し、前記内側面とロータの外側面との間にはクリアランスが形成されている。この半径方向クリアランスにより、ロータが回転しているときにボールベアリングのいかなる部分も回転駆動されない。このため、ロータの摩耗および故障の危険が最小になる。これに対し、ベアリングの軸線方向端部の表面は、スラストベアリング機能を遂行する力を伝達する必要がある。
【００３８】
一実施形態では、ターボマシンは、更に、静圧ベアリングフィードの上流側にフィルタを有している。これにより、静圧ベアリングを損傷する虞れのあるあらゆる大径粒子が、静圧ベアリングの上流側で除去され、したがってベアリング寿命が延長される。
【００３９】
一実施形態では、高速で、軸線方向バランシング装置は、ロータを軸線方向の所定位置に保持する目的で、ブレード形ホイール（単一または複数）を通って流れる流体のみを使用する。これにより、ターボマシンの体積効率が最適化され、軸線方向バランシング装置の構造が簡単に留められる。
【００４０】
本発明の第二目的は、上記形式のターボマシンを有し、特に高速において高い体積効率および長寿命を呈し、かつターボマシンの静圧ベアリングに加圧流体を供給する内部手段を有しているターボマシン装置を提供することにある。
【００４１】
この目的は、ターボマシン装置が、加圧流体源に連結するのに適した前述のターボマシンおよびターボマシンの静圧ベアリングへのフィードを選択する手段の両方を有し、前記フィードが、前記加圧流体源、または、ターボマシンのメイン流体回路のいずれかであるという事実により達成される。
【００４２】
かくして、加圧流体源の選択が可能であるため、流体の不利な消費を最小化できる（すなわち、実際に、外部流体源を用いてターボマシンが作動する時間の長さを最短にする）。加圧流体源は、流体を必要圧力に圧縮するのに適した圧縮機を備えた流体タンクで構成できる。加圧流体源には、静止時には加圧流体が実質的に充満されていて、ターボマシンを始動させるのに必要な圧力で所与の量の流体を供給するのに適している流体バッファを等しく使用できる。バッファは、ターボマシンが始動されるやいなや再充填される。
【００４３】
静圧ベアリング用の加圧流体源の選択を最適化することにより、ターボマシンの全体的エネルギー効率が最適化される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】スラストベアリングがボールベアリング当接している構成の本発明の一実施形態によるターボマシンを示す軸線方向断面図である。
【図１Ｂ】スラストベアリングの近傍におけるターボマシンの第一実施形態を示す軸線方向断面図である。
【図１Ｃ】軸線方向バランシング装置の近傍におけるターボマシンの第一実施形態を示す軸線方向断面図である。
【図２Ａ】スラストベアリングが静圧ベアリング当接している構成の本発明の他の実施形態によるターボマシンを示す軸線方向断面図である。
【図２Ｂ】低速時でのスラストベアリングおよび軸線方向ベアリング装置の近傍におけるターボマシンの第二実施形態を示す軸線方向断面図である。
【図２Ｃ】高速時でのスラストベアリングおよび軸線方向ベアリング装置の近傍におけるターボマシンの第二実施形態を示す軸線方向断面図である。
【図３Ａ】タービンにより駆動される発電機を有する本発明によるターボマシン装置を示す概略構成図である。
【図３Ｂ】電気的に駆動されるタービンポンプを有する本発明によるターボマシン装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明は、非制限的な例として示す本発明の実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、本発明およびその長所はより明白に理解されよう。
【００４６】
一要素が２つ以上の図面に示されているとき、その要素は、種々の図面において同じ参照番号で示されかつその要素が最初に示された図面を参照して説明される。
【００４７】
図１を参照して、本発明のターボマシンを以下に説明する。
【００４８】
ターボマシン１０は、タービンにより駆動される発電機である。ターボマシン１０は、タービンにより構成される流体流れ部分２０と、発電機を構成する電気的部分５０とを有している。
【００４９】
ターボマシン１０は、ステータ１０Ｓ内でシャフト１２の回りで回転するロータ１０Ｒの形態に構成されている。
【００５０】
ステータ１０Ｓは、本質的に、４つの部分１４、１５、１６、１７からなるケーシング３０を有している。これらの部分は静止しており、かつ、ねじ１８により互いに固定されている。ステータ１０Ｓはまた、発電機の静止部分、すなわち、ステータ部分５４を有している。
【００５１】
ロータ１０Ｒは、本質的に、ねじ２４により、ロータシャフト１２自体により、および発電機５０のロータ部分５２（詳細ではないが図１に示された大径中央部）により、シャフト１２の一端に固定されたブレード形ホイール２２を有している。
【００５２】
ターボマシン１０は、次のように作動する。
【００５３】
加圧流体は、シャフト１２の軸線上でケーシング部分１７に穿けられたオリフィス３４を通って、ターボマシン１０内に進入する。
【００５４】
加圧流体は、ケーシング１７の通路３２、ケーシング１６の通路３１、ケーシング１５の通路２９、およびケーシング１４の集合通路２７（ホイールから上流側でケーシング１４内に集合されたブレード）によりブレード形ホイール２２まで案内され、更にブレード間を通って流れ、ブレード形ホイール２２を回転駆動する。かくして、ロータ１０Ｒは，流体の作用を受けて回転される。
【００５５】
ロータのロータ部分５２およびステータ部分５４を備えた発電機５０は、既知のターボマシンコンポーネントである。ロータ１０Ｒの回転作用を受けて、発電機５０は電気を発生し、発生された電気は、通路３５を通るケーブル（図示せず）により搬送される。
【００５６】
ブレード形ホイール２２を通った後、流体は、ケーシング１４の通路２８を通って流れ、この通路２８は、流体を、入口オリフィス３４とは反対側のターボマシンの端部でケーシング部分１４に配置された出口オリフィス２６に案内する。
【００５７】
ロータ１０Ｒは、次のようにして所定位置に保持（軸線方向および半径方向に保持）される。
【００５８】
最初に留意すべきは、ターボマシン１０は垂直形態で機能するように、すなわちロータの軸線が垂直方向になるように設計されていることである。
【００５９】
ロータシャフト１２の軸線Ａに沿って作用するロータの重量を支持するため、ターボマシンは、転がりベアリング、より詳しくはボールベアリング３６により構成されたスラストベアリングを有している。ロータ１０Ｒの静止時および低速回転時には、ボールベアリング３６がロータの重量を支持する。ロータ１０Ｒの回転速度が上昇するとロータは僅かに上昇し、その位置は、ブレード形ホイール２２の後方に形成された軸線方向バランシング装置３８により調整される。これらの要素の構成は、図１Ｂおよび図１Ｃに関連して詳細に説明する。
【００６０】
ロータは、静圧ベアリング４０、４２により半径方向に位置決めされる。これらの静圧ベアリングは、メイン流体回路２９、３１とは別のフィード回路４４、４６、４８を有している。これらの回路のフィードオリフィス４５は、加圧流体源に連結されるように設計されている。ターボマシン１０にはフィルタ（図示せず）を設けることができる。このフィルタは、静圧ベアリングから上流側に配置され、かつ流体内に存在する虞れのある非常に大きい直径のあらゆる粒子を除去するように設計されている。
【００６１】
既知の態様では、これらの静圧ベアリング４０、４２の各々は、非常に小さいクリアランスでシャフト１２の円筒状支持面を包囲するスリーブ状部分を有している。スリーブ状部分とシャフト１２との間にベアリングフィード流体が噴射されて薄膜を形成する。この薄膜はベアリングからシャフト１２を分離し、機械的摩擦なくしてシャフトを回転可能にし、かつシャフトを所望の半径方向位置に維持する。
【００６２】
軸線方向保持手段の作動について、図１Ｂおよび図１Ｃを参照して以下に詳細に説明する。図１Ｂは低回転速度時に占める位置にあるロータを示し、一方、図１Ｃは高回転速度時に占める位置にあるロータを示す。最初に留意すべきは、ボールベアリング３６の内輪５８とシャフト１２との間には内側クリアランス５６が存在することである。このクリアランスの存在により、ベアリング３６はロータ１０Ｒの重量を支持しているときにのみ、回転駆動される。このとき、リング５８の頂面６２はシャフト１２のショルダ６４に接触している。スラストベアリング３６の機能面すなわち支持面は、ロータ１０Ｒの軸線Ａに対して９０°の角度αを形成している。
【００６３】
ボールベアリング３６の外側で、外輪６０は、ロータの重量を、ねじ６５によりケーシング部分１５に固定された環状体６１に伝達する。
【００６４】
高回転速度（図１Ｃ）では、ロータ１０Ｒは軸線Ａに沿って上昇する。リング５８の頂面６２は、もはやシャフト１２のショルダ６４とは接触しなくなる。ボールベアリング３６は回転駆動されず、全く機能しなくなる。
【００６５】
図１Ｂおよび図１Ｃの下部には、軸線方向バランシング装置３８が示されている。ブレード形ホイール２２の後方でかつロータ１０Ｒの横には、チャンバ７２が形成されている。少量の流体が、ターボマシンのメイン回路から定断面ノズル７４を通ってチャンバ７２内に流入し、チャンバ７２を充填する。流体は、環状体６１の表面６６とブレード形ホイール２２の表面６８との間に形成されたノズル７６を介してチャンバ７２から排出される。環状表面６６は、ブレード形ホイール２２の対応する環状表面６８に実質的に対面して半径方向に延びている。これらの両表面６６、６８の間にはクリアランス７０が形成されている。クリアランス７０は、ステータ１０Ｓに対するロータ１０Ｒの軸線方向位置に関連して変化し、これによりチャンバ７２内の圧力を調整する。最終的には、チャンバ７２内の流体圧力が、既知の態様でブレード形ホイール２２に、したがってロータ１０Ｒに作用して、ロータを実質的に一定の軸線方向位置に保持する。
【００６６】
次に、図２Ａ，図２Ｂおよび図２Ｃを参照して第二実施形態を説明する。これらの図面に示すターボマシンの機能および構造は、図１Ａから図１Ｃに関連して説明したターボマシンの機能および構造と実質的に同じである。
【００６７】
ロータ１１０Ｒの半径方向位置決めは、ロータの実質的に両端部に配置された２つの静圧ベアリング１４０、１４２により行われる。
【００６８】
これに対し、ロータ１１０Ｒを保持する手段は、上記第一実施形態の保持手段とは異なっている。静止時および低速回転時には、ロータ１１０Ｒは、静圧スラストベアリング１３６により構成されたスラストベアリングにより支持される。このベアリングは、半径方向位置を保持する静圧ベアリング１４０に隣接しており、このため、これらの２つのコンポーネンツは、ケーシング部分１１５に固定される共通リング１４４を用いて有利に作ることができる。それにもかかわらず、両コンポーネンツ１３６、１４０の機能表面は、それぞれ軸線方向および半径方向を向いた垂直を有する別の表面であり、スラストベアリング１３６は、半径方向位置を保持する静圧ベアリング１４０とは別のものである。
【００６９】
静圧スラストベアリング１３６が設けられているため、オリフィス４５に流体圧力が加えられるやいなや、ロータは非常に少量だけ上昇しかつ回転し始めることができる。
【００７０】
図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、静圧スラストベアリング１３６の作動は、軸線方向バランシング装置３８と比較して、前述の実施形態におけるターボマシンの軸線方向バランシング装置に非常に良く似ている。
【００７１】
ダクト１４８は、加圧流体を、静圧スラストベアリング１３６および静圧ベアリング１４０に流体を搬送するそれぞれの分配ダクト１５３および１５１に搬送する。ダクト１４８、１５１、１５３は、ケーシング部分１１５およびリング１４４の全周に亘って規則的な間隔で配置され、流体を全周に亘って分散できるようになっている。
【００７２】
静止時および低速時には、ロータ１１０Ｒは、静圧スラストベアリング１３６内の流体圧力の作用を受けてリング１４４から持上げられ、その頂部１６２に近接した位置を占める。これにより、頂面１６２とロータ１１０Ｒの対向面１６４との間に非常に小さいクリアランスが形成され、これにより、ロータ１１０Ｒとステータとの間の機械的摩擦が完全に回避される。
【００７３】
より高い速度では、軸線方向バランシング装置１３８が、静止時または低速時での位置に対してロータを少しだけ持上げ、これにより、頂面１６２と対向面１６４との間の軸線方向クリアランスが増大される。次に、静圧スラストベアリング１３６がクラッチ解除され、ロータ１１０Ｒの軸線方向位置が、軸線方向バランシング装置１３８によってのみ保持される。
【００７４】
同時に、この構成は非常にコンパクトで、簡単かつ安価であると考えられる。なぜならば、軸線方向スラストベアリング（静圧スラストベアリング１３６）は、その一部が、静圧ベアリング１４０を構成する手段から作られているからである。
【００７５】
図３Ａおよび図３Ｂには、本発明の２つのターボマシン装置が示されている。
【００７６】
第一装置２００（図３Ａ）は、タービン２２０により駆動される発電機２５０を備えたターボマシン２１０を有している。ターボマシンのロータ２１０Ｒは、２つの静圧ベアリング２４０、２４２により半径方向位置に保持される。
【００７７】
タービン２２０および静圧ベアリング２４０、２４２には、単一パイプ２０５から加圧流体が供給される。
【００７８】
パイプ２０５（このパイプの流量は弁２１７により制御される）には、第一パイプ２１５が連結されており、フィルタ２１９を介して静圧ベアリング２４０、２４２に流体を供給する。
【００７９】
パイプ２０５には、タービン２２０に供給するための第二パイプ２２５も連結されている。タービン２２０を通る流体の流れは２つの弁２２７、２３７により制御される。これらの弁２２７、２３７は、それぞれ、パイプ２２５の上流側およびタービン２２０から下流側の流体排出パイプ２３５に配置されている。
【００８０】
図３Ｂには、電気ポンプを構成するターボマシン用の、本発明によるターボマシン装置３００が示されている。ターボマシン装置３００は、ポンプ３２０を駆動する電気モータ３５０を備えたターボマシン３１０を有している。特定の例外を除き、図３Ａに示した要素と同じ要素は、図３Ａの要素の参照番号に１００を加えた参照番号で示されている。
【００８１】
静圧ベアリング３４０、３４２には、パイプ３１５からフィルタ３１９を介して流体が供給される。パイプ３１５は、ターボマシン装置３００の外部の加圧流体源（図示せず）に連結するのに適している。このパイプ３１５を通る流量は、弁３１７により制御される。
【００８２】
ポンプ３２０には、パイプ３３５を介して流体が供給される。この供給流量は、弁３３７により制御される。ポンプ３２０からの吐出はパイプ３２５を介して行われ、パイプ３２５内の流量は弁３２７により制御される。
【００８３】
また、パイプ３２５は、パイプ３４５を介してパイプ３１５に連結されている。
【００８４】
パイプ３４５には、パイプ３２５を通って流体が戻ることを防止する逆止弁３２１が配置されており、またパイプ３１５には、流体が加圧流体源（図示せず）に戻ることを防止する他の逆止弁３１１が配置されている。これらの２つの逆止弁が設けられているため、静圧ベアリング３４０、３４２には、ポンプ３２０からの吐出圧力（パイプ３２５内の圧力）および加圧流体源からの出口圧力により構成される大部分の圧力が加えられる。したがって、ポンプの吐出圧力が充分に高くなるやいなや、外部の加圧流体源からの加圧流体の消費が遮断される。
【００８５】
他の実施形態では、静圧ベアリングを供給する加圧流体源を選択するための、例えば電子制御ユニットを用いた制御形切換え装置を設けることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０ ターボマシン
１０Ｒ ロータ
１０Ｓ ステータ
１２ シャフト
２０ 流体流れ部分
２２ ブレード形ホイール
３６ ボールベアリング（スラストベアリング）
３８ 軸線方向バランシング装置
４０、４２ 静圧ベアリング
７２ チャンバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）およびステータ（１０Ｓ）が設けられたターボマシン（１０、２１０、３１０）であって、
流体流れ部分（２０）を有し、前記流体流れ部分は、これを通る流体とロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）との間でのエネルギー交換を可能にし、ロータは、そのシャフトに装着された少なくとも１つのブレード形ホイール（２２）を備え、
電気を仕事にまたは仕事を電気に変換するのに適した電気的部分（５０、２５０、３５０）と、
ロータを半径方向に位置決めすべく機能する半径方向位置決め手段（４０、４２；２４０、２４２；３４０、３４２）と、
高速でのロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）の軸線方向バランスをとるための、ブレード形ホイールに配置された非接触軸線方向バランシング装置（３８）とを更に有するターボマシンにおいて、
半径方向位置決め手段（４０、４２；１４０、１４２）とは別のスラストベアリング（３６、１３６）を更に有し、スラストベアリングは低速ではロータの軸線方向バランスをとりかつ高速では非接触であり、
半径方向位置決め手段は単に静圧ベアリングにより構成され、ターボマシンは、前記ベアリングを加圧流体源に連結するのに適した静圧ベアリングフィード回路（４４、４６、４８）を有していることを特徴とするターボマシン。
【請求項２】
前記スラストベアリング（３６、１３６）は、ロータの軸線（Ａ）に対して１０°より大きい角度を形成する支持面を有していることを特徴とする請求項１記載のターボマシン。
【請求項３】
前記スラストベアリング（１３６）は静圧ベアリングであることを特徴とする請求項１または２記載のターボマシン。
【請求項４】
前記スラストベアリング（３６）はボールベアリングであることを特徴とする請求項１または２記載のターボマシン。
【請求項５】
前記ボールベアリングは、実質的に円筒状である半径方向内側面を備えた内輪（５８）を有し、前記内側面とロータの外側面との間にはクリアランス（５６）が形成されていることを特徴とする請求項４記載のターボマシン。
【請求項６】
前記静圧ベアリングフィード（２４０、２４２；３４０、３４２）の上流側に設けられたフィルタ（２１９、３１９）を更に有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のターボマシン。
【請求項７】
前記流体流れ部分はポンプ（３２０）を有し、電気的部分は電気モータ（３５０）であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のターボマシン（３１０）。
【請求項８】
前記流体流れ部分はタービン（２２０）であり、電気的部分は発電機（２５０）であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のターボマシン（２１０）。
【請求項９】
高速時には、前記軸線方向バランシング装置は、ロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）を軸線方向の所定位置に保持することを目的として、ブレード形ホイール（単一または複数）を通って流れる流体のみを使用することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載のターボマシン。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載された特徴を有する、ＬＮＧ、ＬＰＧまたは冷媒ミックス流体用ターボマシン。
【請求項１１】
加圧流体源に連結するのに適した、請求項１から１１のいずれか１項に記載のターボマシンおよびターボマシンの静圧ベアリング（３４０、３４２）へのフィードを選択する手段（３１１、３２１、３１５、３４５）の両方を有するターボマシン装置において、前記フィードは、前記加圧流体源またはターボマシンのメイン流体回路（３２５、３３５）のいずれかであることを特徴とするターボマシン装置。
【請求項１】
ロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）およびステータ（１０Ｓ）が設けられたターボマシン（１０、２１０、３１０）であって、
流体流れ部分（２０）を有し、前記流体流れ部分は、これを通る流体とロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）との間でのエネルギー交換を可能にし、ロータは、そのシャフトに装着された少なくとも１つのブレード形ホイール（２２）を備え、
電気を仕事にまたは仕事を電気に変換するのに適した電気的部分（５０、２５０、３５０）と、
ロータを半径方向に位置決めすべく機能する半径方向位置決め手段（４０、４２；２４０、２４２；３４０、３４２）と、
高速でのロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）の軸線方向バランスをとるための、ブレード形ホイールに配置された非接触軸線方向バランシング装置（３８）とを更に有するターボマシンにおいて、
半径方向位置決め手段（４０、４２；１４０、１４２）とは別のスラストベアリング（３６、１３６）を更に有し、スラストベアリングは低速ではロータの軸線方向バランスをとりかつ高速では非接触であり、
半径方向位置決め手段は単に静圧ベアリングにより構成され、ターボマシンは、前記ベアリングを加圧流体源に連結するのに適した静圧ベアリングフィード回路（４４、４６、４８）を有していることを特徴とするターボマシン。
【請求項２】
前記スラストベアリング（３６、１３６）は、ロータの軸線（Ａ）に対して１０°より大きい角度を形成する支持面を有していることを特徴とする請求項１記載のターボマシン。
【請求項３】
前記スラストベアリング（１３６）は静圧ベアリングであることを特徴とする請求項１または２記載のターボマシン。
【請求項４】
前記スラストベアリング（３６）はボールベアリングであることを特徴とする請求項１または２記載のターボマシン。
【請求項５】
前記ボールベアリングは、実質的に円筒状である半径方向内側面を備えた内輪（５８）を有し、前記内側面とロータの外側面との間にはクリアランス（５６）が形成されていることを特徴とする請求項４記載のターボマシン。
【請求項６】
前記静圧ベアリングフィード（２４０、２４２；３４０、３４２）の上流側に設けられたフィルタ（２１９、３１９）を更に有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のターボマシン。
【請求項７】
前記流体流れ部分はポンプ（３２０）を有し、電気的部分は電気モータ（３５０）であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のターボマシン（３１０）。
【請求項８】
前記流体流れ部分はタービン（２２０）であり、電気的部分は発電機（２５０）であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のターボマシン（２１０）。
【請求項９】
高速時には、前記軸線方向バランシング装置は、ロータ（１０Ｒ、１１０Ｒ）を軸線方向の所定位置に保持することを目的として、ブレード形ホイール（単一または複数）を通って流れる流体のみを使用することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載のターボマシン。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載された特徴を有する、ＬＮＧ、ＬＰＧまたは冷媒ミックス流体用ターボマシン。
【請求項１１】
加圧流体源に連結するのに適した、請求項１から１１のいずれか１項に記載のターボマシンおよびターボマシンの静圧ベアリング（３４０、３４２）へのフィードを選択する手段（３１１、３２１、３１５、３４５）の両方を有するターボマシン装置において、前記フィードは、前記加圧流体源またはターボマシンのメイン流体回路（３２５、３３５）のいずれかであることを特徴とするターボマシン装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【公開番号】特開２０１０−１８９４（Ｐ２０１０−１８９４Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−１６２２０８（Ｐ２００９−１６２２０８）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（５０５２７７６９１）スネクマ (567)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６２２０８（Ｐ２００９−１６２２０８）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（５０５２７７６９１）スネクマ (567)
【Ｆターム（参考）】
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