JP4142666B2 - 低温使用のためのターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、極低温の気化している液化天然ガスのような低温ガスの圧縮および移送のための、低温使用のためのターボ機械であって、このターボ機械が、
ローター軸、
少なくとも１つの、このローター軸の軸端部に片持ち状態で設けられた羽根車、
コイルを有する固定子を備える電気的な機械、および、このローター軸の上に設けられた電気的な回転子、
この羽根車を囲繞し且つこの羽根車を貫通流動する低温ガスのための接続部を有する階段状ハウジング、および、
その内において電気的な機械およびローター軸のためのシャフトベアリングが配設されている、機械ハウジングを有し、
その際、この機械ハウジングが、階段状ハウジングと結合されている様式の、上記ターボ機械に関する。

実際上公知の、冒頭に記載した様式の特徴を有するターボ機械は、高い回転数でもって作動され、このことから、電気的な機械、およびシャフトベアリング内における、著しい熱発生という結果を生じる。このターボ機械が、しばしば極低温の温度において、例えば気化している液化天然ガス（ＬＮＧ）の圧縮および移送、または、空気の分解（Zerlegung）の際のガス類の解放（Entspannen）のために使用されるので、機械ハウジングおよび階段状ハウジングの結合は、電気的な機械から、階段状ハウジングの低温内部への強度の熱移送を誘起する。このような、コントロール不能な熱流動は、コイルの材料が脆性に且つ従って振動破損し易くなると同様に、場合によっては関与している永久磁石が減磁され、且つ従って機能しないようになるように、この電気的な機械を冷え切らせる。このコントロール不能な熱流動は、更に、シャフトベアリングを、極めて強度に冷え切らせ、従って、このシャフトベアリング内において使用された潤滑物質が、使用不能に至るまで凝固する。
このような様式のターボ機械に関して、記載すべき先行技術文献情報はない。

従って、本発明の課題は、そのターボ機械の場合に、一方では、電気的な機械、およびシャフトベアリングのコントロール不能な冷え切らせが効果的に変化され（veraendert）、且つ、そのターボ機械の場合に、他方では、同時にこの電気的な機械の十分な冷却が保証されている、冒頭に記載した様式の特徴を有するターボ機械を提供することである。

この課題は、本発明に従い、
階段状ハウジングと機械ハウジングとの間に、断熱材料から成る分離壁が設けられており、この分離壁が、この階段状ハウジングを、この機械ハウジングから熱的に分離していること、および、
上記羽根車を貫通流動する低温ガスの流動道程に、流量調節機器を備える導管が、この機械ハウジングの内部の電気的な機械に供給される、流量制御された状態の冷却流の分岐のために接続されていること、
この導管に、この冷却流を分配する分配装置が接続されていること、および、
コイル、および、固定子と回転子との間の環状間隙に、これら分配された冷却流の部分流が導かれる（beaufschlagt）ように構成されていること、
によって解決される。
熱絶縁する分離壁によって、機械ハウジングと階段状ハウジングとの間の熱伝導による、電気的な機械およびシャフトベアリングの、コントロール不能な冷え切らせは、効果的に阻止される。低温ガスの流動道程に接続された分岐導管は、合目的に調節可能な冷却流の量を、冒頭に記載した熱発生を有する、電気的な機械の領域へと導き、且つ、相応して十分な、精確に配量可能な、この電気的な機械の冷却を保証する。有利には、この導管は、この場合に、流動道程の圧力側に接続されており、即ち、タービンとして作動されるターボ機械の場合、流動方向に見てタービン羽根車の手前に、もしくは、圧縮機として作動されるターボ機械の場合、流動方向に見て、圧縮機羽根車の後ろに接続されている。

合目的に、導管に、この冷却流を分配する分配装置が接続されており、その際、
コイル、および、固定子と回転子との間の環状間隙に、これら分配された冷却流の部分流が導かれる。このことによって、合目的に、電気的な機械の、強度の熱発生を有する領域に、冷却するガス流動を供給することが保証される。この分配装置は、この場合、冷却流を多数の個別導管に分配可能であり、これら個別導管が、機械ハウジングに対する異なる位置に接続されており、または、選択的に、この機械ハウジングの壁部内に一体にまとめられた分配流路から成っている。有利には、付加的に同様に、シャフトベアリングにも、分配された冷却流の部分流が導かれる。これによって、場合によっては同様に、冷却の目的のために、十分でない潤滑油量を供給される、例えば磁気軸受または気体軸受、または、グリース潤滑されたまたは最低限の油潤滑されたころ軸受のような、ベアリングの、十分な冷却も保証される。

有利には、機械ハウジングの内側空間に、帰還流動導管が接続されており、この帰還流動導管は、戻って、階段状ハウジングの低圧側でのガス導管へと、または、この段状ハウジングの低圧領域自体へと通じており、且つ、この機械ハウジング内へと導入されたガスの戻し案内を可能にする。これによって、機械ハウジング８内へと導入された低温ガスが、雰囲気内へと放出されることが回避され、このことは、特に、有毒な、または可燃性のガス類の場合に意義がある。

電気的な機械は、電気モータ、または発電機として、および、羽根車が、相応して、圧縮機羽根車、またはタービン羽根車として形成されている。それぞれの使用状況に応じて、ローター軸の他方の端部において、第２の羽根車が、片持ち状態で設けられている。この場合には、この第２の羽根車の階段状ハウジングと機械ハウジングとの間に、合目的に適当に、同様に本発明による分離壁が、これら両方の最後に述べたハウジングの熱的な分離のために、設けられている。両方の羽根車は、それぞれに選択的に、圧縮機羽根車、またはタービン羽根車として形成されており、その際、電気的な機械が、相応して、電気モータ、もしくは発電機として形成されている。一方の羽根車が、タービンとして、および、他方の羽根車が圧縮機としての機能を果たし、且つ、ローター軸の作動状態に応じて、交互に、即ち、出力供給か、それとも出力導出が、電気的な機械を介して行われねばならない場合に関して、この電気的な機械は、モータか、それとも発電機かである。シャフトベアリングは、既に説明されているように、磁気軸受、気体軸受、ころ軸受、特に、グリース潤滑されたまたは最低限の油潤滑されたころ軸受として、または同様に、液圧的な滑り軸受として形成されている。この機械ハウジングは、それぞれの使用状況に応じて、耐圧のカプセル状体として構成されており、このカプセル状体が、爆発の危険に曝された雰囲気内における作動に適している。

次に、本発明を、ただ一つだけの実施例を図示した図に基づいて、詳しく説明する。

図１は、低温使用のためのターボ機械を示している。このターボ機械は、ローター軸１、このローター軸１の軸端部に片持ち状態で設けられた羽根車２、コイル４を有する固定子５を備える電気的な機械３、および、このローター軸１の上に設けられた電気的な回転子６を備えており、従って、この羽根車２、およびこの回転子６は、同じ回転数でもって回転する。更に、この羽根車２を囲繞し且つその階段状ハウジング７を貫通流動する低温ガスのための接続部を有する階段状ハウジング７、および、その内において電気的な機械３およびローター軸１のためのシャフトベアリング９が配設されている、機械ハウジング８が設けられており、その際、これらシャフトベアリング９がこの回転子６の両側に設けられている。この機械ハウジング８は、階段状ハウジング７と結合されている。この固定子５は、この機械ハウジング８の内側面に固定されており、且つ、環状間隙１０の形成のもとで、この電気的な回転子６から離間されている。この階段状ハウジング７と機械ハウジング８との間に、断熱材料から成る分離壁１１が設けられており、この分離壁は、この階段状ハウジング７を、この機械ハウジング８から熱的に分離している。この分離壁１１は、この実施例において、２つの部材から成るように形成されており、且つ、内側部材１２、および外側部材１３から成っている。この低温ガスの流動道程に、流量調節機器１４を備える導管１５が、この機械ハウジング８の内部の電気的な機械３に供給される、流量制御された状態の冷却流の、分岐のために接続されている。この冷却流は、この低温ガスの流動道程の圧力側において分岐される。この実施例において、この羽根車２は、圧縮機羽根車として形成されているので、この冷却流の取り出しは、相応して、この階段状ハウジング７の下流側で行われる。この導管１５に、分配装置１６が接続されており、この分配装置は、この冷却流を、多数の個別導管１７に分配する。これら個別導管１７を介して、コイル４、固定子５と回転子６との間の環状間隙１０、および、磁気軸受として形成されたシャフトベアリング９の間隙１８が、合目的に、これら分配された冷却流の部分流が導かれる。

機械ハウジング８の内側空間に、帰還流動導管１９が接続されており、この帰還流動導管は、戻って、階段状ハウジング７の低圧領域へと通じており、且つ、この機械ハウジング８内へと導入されたガスの戻し案内を、付加的な搬送機械無しに可能とする。この機械ハウジング８は、爆発の危険に曝された雰囲気内における作動に適している耐圧のカプセル状体として構成されている。これによって、電気的な機械３を、周囲空気との接触の際に爆発性の且つ易引火性の混合気形成を誘起する、可燃性の低温ガスでもって冷却することも可能である。この実施例において、−１４０℃の周囲圧力における天然ガスが吸引され、且つ、圧縮機羽根車を使って、約１ｂａｒの超過圧力に圧縮される。この場合、このガスは、−１１０℃に暖められる。羽根車２は、ローター軸１を介して駆動され、このローター軸が、一体にまとめられた電気モータ３を使って、この実施例において、毎分３００００回転の際に約２００ｋＷの出力を送電する。

図２に従う実施例において、ローター軸１の他方の端部において、第２の羽根車２′が片持ち状態で設けられている。同様に低温ガスの圧縮のために使用される、この第２の羽根車２′の階段状ハウジング７′は、類似した方法で、極めて低い熱伝導値を有する断熱材料から成る分離壁１１′によって、機械ハウジング８から熱的に分離している。

断面図における、本発明によるターボ機械の図である。 本発明の更に別の実施形態の図である。

符号の説明

１ ローター軸
２ 羽根車
２′ 第２の羽根車
３ 電気的な機械
４ コイル
５ 固定子
６ 回転子
７、７′ 階段状ハウジング
８ 機械ハウジング
９ シャフトベアリング
１０ 環状間隙
１１、１１′ 分離壁
１２ 内側部材
１３ 外側部材
１４ 流量調節機器
１５ 導管
１６ 分配装置
１７ 個別導管
１８ 間隙
１９ 帰還流動導管

Claims (7)

1. 極低温の気化している液化天然ガスのような低温ガスの圧縮および移送のための、低温使用のためのターボ機械であって、このターボ機械が、
   ローター軸（１）、
   少なくとも１つの、このローター軸（１）の軸端部に片持ち状態で設けられた羽根車（２）、
   コイル（４）を有する固定子（５）を備える電気的な機械（３）、および、このローター軸（１）の上に設けられた電気的な回転子（６）、
   この羽根車（２）を囲繞し且つこの羽根車（２）を貫通流動する低温ガスのための接続部を有する階段状ハウジング（７）、および、
   その内において電気的な機械（３）およびローター軸（１）のためのシャフトベアリング（９）が配設されている、機械ハウジング（８）を有し、
   その際、この機械ハウジング（８）が、階段状ハウジング（７）と結合されている様式の、上記ターボ機械において、
   階段状ハウジング（７）と機械ハウジング（８）との間に、断熱材料から成る分離壁（１１）が設けられており、この分離壁が、この階段状ハウジング（７）を、この機械ハウジング（８）から熱的に分離していること、および、
   上記羽根車（２）を貫通流動する低温ガスの流動道程に、流量調節機器（１４）を備える導管（１５）が、この機械ハウジング（８）の内部の電気的な機械（３）に供給される、流量制御された状態の冷却流の分岐のために接続されていること、
   この導管（１５）に、この冷却流を分配する分配装置（１６）が接続されていること、および、
   コイル（４）、および、固定子（５）と回転子（６）との間の環状間隙（１０）に、これら分配された冷却流の部分流が導かれるように構成されていること、
   を特徴とするターボ機械。
2. シャフトベアリング（９）にも、分配された冷却流の部分流が導かれるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
3. 機械ハウジング（８）の内側空間に、帰還流動導管（１９）が接続されており、この帰還流動導管は、戻って、階段状ハウジング（７）の低圧側でのガス導管へと、または、この段状ハウジング（７）の低圧領域自体へと通じており、且つ、この機械ハウジング（８）内へと導入されたガスの戻し案内を可能にするように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ機械。
4. 電気的な機械（３）は、電気モータ、または発電機として、および、羽根車（２）が、相応して、圧縮機羽根車、またはタービン羽根車として形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のターボ機械。
5. ローター軸（１）の他方の端部において、第２の羽根車（２′）が、片持ち状態で設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のターボ機械。
6. シャフトベアリング（９）は、磁気軸受、気体軸受、ころ軸受、または、液圧的な滑り軸受として形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のターボ機械。
7. この機械ハウジング（８）は、耐圧のカプセル状体として構成されており、このカプセル状体が、爆発の危険に曝された雰囲気内における作動に適しているように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のターボ機械。

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