JP4773810B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、圧縮した圧縮空気に燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンに関する。

例えば、ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されており、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。この場合、タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで発電機の連結される出力軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排気車室のディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。

このように構成されるタービンにて、複数の動翼が固定されるタービン軸は、入口車室側と排気車室側でそれぞれ軸受部によりケーシングに回転自在に支持されている。この場合、各軸受部には潤滑油が供給されると共に、供給した潤滑油が軸受部から流出しないように、この軸受部の近傍に多段のシールリングが設けられている。そして、圧縮機から抽出したエアをこのシールリングに供給することで、軸受部からの潤滑油の漏洩を抑制している。

このようなガスタービンとしては、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２００５−０２３８１２号公報

ところが、ガスタービンの排気車室側では、排気側軸受部の外周側に排気ガスを静圧にして外部に排出する排気ディフューザが設けられており、この排気ディフューザを流れる高温の排気ガスにより軸受部が加熱される。特に、ガスタービンを低出力で長時間運転すると、排気ディフューザの内側に高温ガスが滞留するため、排気側軸受部が高温状態となり、この排気側軸受部に供給されている潤滑油が炭化して固形化してしまう。すると、シールリングのシール面に潤滑油の炭化物が付着し、この炭化物がタービン軸と接触することで振動が発生するおそれがある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、軸受部に供給される潤滑油の炭化を防止することで振動の発生を抑制して信頼性の向上を図ったガスタービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明のガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、タービン軸を回転自在に支持する排気側軸受部と排気ディフューザとにより区画される空間部に滞留する高温ガスを、前記排気ディフューザを流れる排気ガスにより吸引して排出する排出ガス通路が設けられ、前記空間部は、前記排気側軸受部としての軸受箱と、前記排気ディフューザの内筒部と、前記軸受箱と前記内筒部との前記タービン側の端部を連結する隔壁とにより区画され、前記排出ガス通路は、前記隔壁に形成された排気孔を有し、該排気孔に前記空間部側に突出する排気接続管が固定されたことを特徴とするものである。

請求項２の発明のガスタービンでは、前記隔壁はリング形状をなし、前記排気孔は該隔壁に周方向に沿って均等間隔で複数形成されたことを特徴としている。

請求項３の発明のガスタービンでは、前記排気接続管は先端部が下方を向いていることを特徴としている。

請求項４の発明のガスタービンでは、前記排気孔または前記排気接続管に流量調整手段が設けられたことを特徴としている。

請求項１の発明のガスタービンによれば、タービン軸を回転自在に支持する排気側軸受部と排気ディフューザとにより区画される空間部に滞留する高温ガスを、排気ディフューザを流れる排気ガスにより吸引して排出する排出ガス通路を設けたので、排気ディフューザを流れる高温の排気ガスにより排気側軸受部の周辺が加熱されても、この周辺部に滞留する高温ガスが排出ガス通路を通して排気ディフューザを流れる排気ガスにより吸引して排出されるため、排気側軸受部の潤滑油が炭化することはなく、タービン軸での振動の発生を抑制し、信頼性の向上を図ることができる。

また、請求項１の発明のガスタービンによれば、空間部を、排気側軸受部としての軸受箱と、排気ディフューザの内筒部と、軸受箱と前記内筒部との前記タービン側の端部を連結する隔壁とにより区画し、排出ガス通路をこの隔壁に形成した排気孔としたので、既存の設備に単に排気孔を形成するだけで、排気側軸受部の周辺部に滞留する高温ガスを排出して排気側軸受部にある潤滑油の炭化を防止することができる。
また、請求項１の発明のガスタービンによれば、排気孔に空間部側に突出する排気接続管を固定したので、排気ディフューザを流れる排気ガスの吸引力が排気接続管を通して空間部に確実に作用することで、この空間部に滞留する高温ガスを排気接続管から排気孔を通して確実に排出することができ、高温ガスの排出性能を向上することができる。

請求項２の発明のガスタービンによれば、隔壁をリング形状とし、排気孔を隔壁に周方向に沿って均等間隔で複数形成したので、排気側軸受部の周辺部に滞留する高温ガスを複数の排気孔により適正に排出することができ、確実に排気側軸受部の高温化を抑制することができる。

請求項３の発明のガスタービンによれば、排気接続管の先端部を下方に向けたので、排気接続管に異物が進入することがなく、安全性を向上することができる。

請求項４の発明のガスタービンによれば、排気孔または排気接続管に流量調整手段を設けたので、ガスタービンの運転状態に応じて変動する空間部の温度に対して、流量調整手段によりこの空間部から排出される高温ガスの排出量を調整することで、空間部の温度の安定化を図ることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係るガスタービンにおける排気車室の断面図、図２は、図１のII−II断面図、図３は、実施例１のガスタービンの概略構成図である。

実施例１のガスタービンは、図３に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３と排気室１４により構成され、このタービン１３に図示しない発電機が連結されている。この圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と動翼１８が交互に配設されてなり、その外側に抽気マニホールド１９が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナーで点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と動翼２２が交互に配設されている。排気室１４は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２３を有している。また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室１４の中心部を貫通するようにロータ（タービン軸）２４が位置しており、圧縮機１１側の端部が軸受部２５により回転自在に支持される一方、排気室１４側の端部が軸受部２６により回転自在に支持されている。そして、このロータ２４に複数のディスクプレートが固定され、各動翼１８，２２が連結されると共に、圧縮機１１側に図示しない発電機が減速機を介して連結されている。

従って、圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気が、複数の静翼２１と動翼２２を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２１と動翼２２を通過することでロータ２４を駆動回転し、このロータ２４に連結された発電機を駆動する一方、排気ガスは排気室１４の排気ディフューザ２３を通過して後方に放出される。

ところで、このように構成されたガスタービン排気室１４側では、排気側軸受部２６の外周側に排気ディフューザ２３が設けられており、この排気ディフューザ２３を流れる高温の排気ガスにより軸受部２６が加熱される。すると、この軸受部２６に供給されている潤滑油が炭化して固形化し、潤滑油の漏洩を防止しているシールリングのシール面に潤滑油の炭化物が付着し、この炭化物がロータ２４と接触することで振動が発生するおそれがある。

そこで、本実施例のガスタービンでは、ロータ２４を回転自在に支持する排気側軸受部２６と排気ディフューザ２３とにより区画される空間部に滞留する高温ガスを、排気ディフューザ２３を流れる排気ガスにより吸引して排出する排出ガス通路を設けている。以下、本実施例を具体的に説明する。

本実施例のガスタービンにおいて、図１及び図２に示すように、ロータ２４は、排気側軸受部２６を構成するジャーナル軸受３１を介して軸受箱３２により回転自在に支持されており、このジャーナル軸受３１に対して潤滑油が供給されている。この軸受箱３２の外周側には、排気ディフューザ２３が配設されている。この排気ディフューザ２３は、図示しない外筒部と内筒部３３とから構成されることで排気通路３４が形成され、外筒部が排気室１４を構成するケーシングに固定されている。

軸受箱３２の端部には、３つのシールリング３５，３６，３７が形成され、シール面がロータ２４の外周面に微小隙間をもって位置している。そして、中央のシールリング３６に、シールエアを供給するエア孔３８が径方向に沿って形成され、基端部にエア配管３９が連結される一方、先端部がシール面に開口している。なお、エア配管３９は、図示しない配管を介して圧縮機１１の抽気マニホールド１９に連結され、抽気した所定圧力のエアを供給可能となっている。また、軸受箱３２には、ジャーナル軸受３１とシールリング３７との空間に開口する貫通孔４０が径方向に沿って形成され、基端部にベーパ配管４１が連結されている。

従って、エア配管３９からエア孔３８を通してシールリング３６のシール面にシールエアを供給すると、供給されたシールエアは、シールリング３６のシール面とロータ２４の外周面を通って軸受箱３２の外側のシールリング３５側と、内側のシールリング３７側に流動する。すると、中央のシールリング３６から軸受箱３２の外側のシールリング３５側に流動したシールエアにより、軸受箱３２内への高温の排気ガスの進入を阻止することができる。一方、中央のシールリング３６から軸受箱３２の内側のシールリング３７側に流動したシールエアにより、ジャーナル軸受３１からの潤滑油の漏洩を阻止することができる。

また、軸受箱３２の端面と排気ディフューザ２３における内筒部３３の内周フランジ部３３ａとがリング形状をなす隔壁４２により連結されることで、軸受部２６と排気ディフューザ２３との空間部Ｓが区画されている。この場合、隔壁４２は、外周部がリング形状をなす２つのシール部材４３，４４を介して内筒部３３の内周フランジ部３３ａに密着し、内周部が締結ボルト４５により軸受箱３２に固定される。そして、この隔壁４２に周方向に沿って均等間隔で複数の排気孔４６を形成されることで、空間部Ｓに滞留する高温ガスを排出する排出ガス通路が設けられている。

従って、タービン１３を駆動した高温・高圧の排気ガスは、排気ディフューザ２３の排気通路３４で静圧に変換されてから排出されるが、このとき、排気ガスの熱が排気ディフューザ２３の内筒部３３に伝達されて空間部Ｓを加熱する。ところが、排気通路３４とこの空間部Ｓとが隔壁４２に形成された複数の排気孔４６により連通しているため、排気通路３４を流動する排気ガスの吸引力がこの各排気孔４６を通して空間部Ｓに作用し、この空間部Ｓ内に滞留する高温ガスは、各排気孔４６から吸引されて排気通路３４に排出される。

そのため、空間部Ｓが極度な高温状態まで加熱されることはなく、軸受ジャーナル３１に供給されている潤滑油が加熱されて炭化することがない。

このように実施例１のガスタービンにあっては、ロータ２４の排気側端部を軸受部２６としてのジャーナル軸受３１を介して軸受箱３２により回転自在に支持し、この軸受箱３２の外周側に排気ディフューザ２３を配設し、軸受箱３２の端面と排気ディフューザ２３における内筒部３３の内周フランジ部３３ａとをリング形状をなす隔壁４２により連結することで、軸受部２６と排気ディフューザ２３との空間部Ｓを区画し、この隔壁４２に周方向に沿って均等間隔で複数の排気孔４６を形成して空間部Ｓに滞留する高温ガスを排出する排出ガス通路を設けている。

従って、排気通路３４を流れる高温の排気ガスにより排気側軸受部２６の周辺の空間部Ｓが加熱されても、この空間部Ｓに滞留する高温ガスは排出ガス通路としての各排気孔４６を通して排気通路３４を流れる排気ガスにより吸引されて排出されるため、排気側軸受部２６の潤滑油が炭化することはなく、ロータ２４での振動の発生を抑制し、信頼性の向上を図ることができる。

また、軸受箱３２と排気ディフューザ２３の内筒部３３と隔壁４２とにより空間部Ｓを区画し、この隔壁４２に排気孔４６形成しており、既存の設備に単に排気孔４６を形成するだけで、排気側軸受部２６の周辺部に滞留する高温ガスを排出して潤滑油の炭化を防止することができる。

更に、隔壁４２をリング形状とし、複数の排気孔４６をこの隔壁４２に周方向に沿って均等間隔で形成しており、排気側軸受部２６の周辺部に滞留する高温ガスを複数の排気孔４６により適正に排出することができ、確実に排気側軸受部２６の高温化を抑制することができる。

図４は、本発明の実施例２に係るガスタービンにおける排気車室の断面図、図５は、図４のＶ−Ｖ断面図、図６は、実施例２のガスタービンにおける排出通路の断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施例のガスタービンにおいて、図４及び図５に示すように、ロータ２４は、排気側軸受部２６を構成するジャーナル軸受３１を介して軸受箱３２により回転自在に支持され、このジャーナル軸受３１に対して潤滑油が供給されている。この軸受箱３２の外周側には、排気ディフューザ２３が配設されることで排気通路３４が形成されている。軸受箱３２には、３つのシールリング３５，３６，３７が形成され、シール面がロータ２４の外周面に微小隙間をもって位置しており、中央のシールリング３６にシールエアを供給するエア孔３８が径方向に沿って形成されている。

また、軸受箱３２の端面と排気ディフューザ２３における内筒部３３とがリング形状をなす隔壁４２により連結されることで、軸受部２６と排気ディフューザ２３との空間部Ｓが区画されている。そして、この隔壁４２に周方向に沿って均等間隔で複数の排気孔４６を形成されると共に、隔壁４２の各排気孔４６に対応して空間部Ｓ側に突出するように排気接続管５１が固定されることで、空間部Ｓに滞留する高温ガスを排出する排出ガス通路が設けられている。

即ち、排気接続管５１は、取付フランジ部５２に対して略直角に屈曲した配管部５３が一体に形成されてなり、４本の固定ボルト５４により隔壁４２の固定されている。そして、４つの排気接続管５１のうち、上方に位置する２つの排気接続管５１は先端部が下方で、且つ、隔壁４２の周方向を向き、下方に位置する２つの排気接続管５１は先端部が下方を向いている。

従って、タービンを駆動した高温・高圧の排気ガスは、排気ディフューザ２３の排気通路３４で静圧に変換されてから排出されるが、このとき、排気ガスの熱が排気ディフューザ２３の内筒部３３に伝達されて空間部Ｓを加熱する。ところが、排気通路３４とこの空間部Ｓとが隔壁４２に形成された複数の排気孔４６及び排気接続管５１により連通しているため、排気通路３４を流動する排気ガスの吸引力がこの各排気孔４６を通して空間部Ｓに作用し、この空間部Ｓ内に滞留する高温ガスは、各排気接続管５１から吸引されて各排気孔４６を通って排気通路３４に排出される。

そのため、空間部Ｓが極度な高温状態まで加熱されることはなく、軸受ジャーナル３１に供給されている潤滑油が加熱されて炭化することがない。

このように実施例２のガスタービンにあっては、軸受箱３２の端面と排気ディフューザ２３における内筒部３３とをリング形状をなす隔壁４２により連結することで、軸受部２６と排気ディフューザ２３との空間部Ｓを区画し、この隔壁４２に周方向に沿って均等間隔で複数の排気孔４６を形成すると共に、各排気孔４２に空間部Ｓに突出する排気接続管５１を固定し、空間部Ｓに滞留する高温ガスを排出する排出ガス通路を設けている。

従って、排気通路３４を流れる高温の排気ガスにより排気側軸受部２６の周辺の空間部Ｓが加熱されても、この空間部Ｓに滞留する高温ガスは排出ガス通路としての各排気孔４６及び各排気接続管５１を通して排気通路３４を流れる排気ガスにより吸引されて排出されるため、排気側軸受部２６の潤滑油が炭化することはなく、ロータ２４での振動の発生を抑制し、信頼性の向上を図ることができる。

この場合、排気孔４２に対応して固定された排気接続管５１が空間部Ｓ側に突出しているため、排気通路３４を流れる排気ガスの吸引力が排気接続管５１を通して空間部Ｓに確実に作用することとなり、この空間部Ｓに滞留する高温ガスを排気接続管５１から排気孔４６を通して確実に排出することができ、高温ガスの排出性能を向上することができる。

また、各排気接続管５１の配管部５３が屈曲して先端部が下方を向いているため、空間部Ｓに外部から異物が侵入しても、この異物が重力に逆らって排気接続管５１に進入することがなく、安全性を向上することができる。

図７は、本発明の実施例３に係るガスタービンにおける排出通路の断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施例のガスタービンにおいて、図７に示すように、隔壁４２の各排気孔４６に対応して空間部Ｓ側に突出するように排気接続管５１が固定されることで、空間部Ｓに滞留する高温ガスを排出する排出ガス通路が設けられると共に、この排気接続管５１に流量調整手段としてのキャップ６１が装着されている。

即ち、排気接続管５１は、取付フランジ部５２に対して略直角に屈曲した配管部５３が一体に形成されてなり、４本の固定ボルト５４により隔壁４２の固定されている。そして、この排気接続管５１の先端外周部にはねじ部５５が形成されており、この排気接続管５１のねじ部５５にはキャップ６１が螺合して装着可能となっている。

従って、タービンを駆動した高温・高圧の排気ガスは、排気ディフューザ２３の排気通路３４で静圧に変換されてから排出されるが、このとき、排気ガスの熱が排気ディフューザ２３の内筒部３３に伝達されて空間部Ｓを加熱する。ところが、排気通路３４とこの空間部Ｓとが隔壁４２に形成された複数の排気孔４６及び排気接続管５１により連通しているため、排気通路３４を流動する排気ガスの吸引力がこの各排気孔４６を通して空間部Ｓに作用し、この空間部Ｓ内に滞留する高温ガスは、各排気接続管５１から吸引されて各排気孔４６を通って排気通路３４に排出される。

この場合、排気ディフューザ２３の排気通路３４を流れる排気流量に応じて４つの排気接続管５１に対して、適正な数の排気接続管５１にだけキャップ６１を装着することで、空間部Ｓから排出する高温ガスの流量を調整することができる。そのため、空間部Ｓが極度な高温状態まで加熱されることはなく、軸受ジャーナル３１に供給されている潤滑油が加熱されて炭化することがない。

このように実施例３のガスタービンにあっては、軸受箱３２の端面と排気ディフューザ２３における内筒部３３とをリング形状をなす隔壁４２により連結することで、軸受部２６と排気ディフューザ２３との空間部Ｓを区画し、この隔壁４２に周方向に沿って均等間隔で複数の排気孔４６を形成すると共に、各排気孔４２に空間部Ｓに突出する排気接続管５１を固定し、空間部Ｓに滞留する高温ガスを排出する排出ガス通路を設けると共に、この排気接続管５１に流量調整手段としてのキャップ５１を装着可能としている。

従って、排気通路３４を流れる高温の排気ガスにより排気側軸受部２６の周辺の空間部Ｓが加熱されても、この空間部Ｓに滞留する高温ガスは排出ガス通路としての各排気孔４６及び各排気接続管５１を通して排気通路３４を流れる排気ガスにより吸引されて排出されるため、排気側軸受部２６の潤滑油が炭化することはなく、ロータ２４での振動の発生を抑制し、信頼性の向上を図ることができる。

また、排気ディフューザ２３の排気通路３４を流れる排気流量に応じた適正な数の排気接続管５１にキャップ６１を装着することで、空間部Ｓから排出する高温ガスの流量を調整することができ、空間部Ｓの温度の安定化を図ることができる。

なお、この実施例３には、所望の排気接続管５１にキャップ６１を装着して所定数の排気孔４６及び排気接続管５１を閉止することで、空間部Ｓからの高温ガスの排出流量を調整するようにしたが、キャップ６１の回転量に応じて排気接続管５１における通路断面積が変化するようなものとしてもよい。

また、上述した各実施例では、軸受箱３２の端面と排気ディフューザ２３における内筒部３３とをリング形状をなす隔壁４２により連結することで、軸受部２６と排気ディフューザ２３との空間部Ｓを区画したが、この構造に限らず、軸受箱３２や排気ディフューザ２３における内筒部３３の一部を変形させることで、空間部Ｓを区画するようにしてもよい。

本発明に係るガスタービンは、タービン軸を支持する排気側軸受部の外周辺に滞留する高温ガスを適正に排出して潤滑油の劣化を防止するものであり、いずれの種類のガスタービンにも適用することができる。

本発明の実施例１に係るガスタービンにおける排気車室の断面図である。 図１のII−II断面図である。 実施例１のガスタービンの概略構成図である。 本発明の実施例２に係るガスタービンにおける排気車室の断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 実施例２のガスタービンにおける排出通路の断面図である。 本発明の実施例３に係るガスタービンにおける排出通路の断面図である。

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ 排気室
２０ タービン車室
２１ タービン静翼
２２ タービン動翼
２３ 排気ディフューザ
２４ ロータ（タービン軸）
２５ 圧縮側軸受部
２６ 排気側軸受部
３１ ジャーナル軸受
３２ 軸受箱
３３ 内筒部
３４ 排気通路
３５，３６，３７ シールリング
３８ エア孔
３９ エア配管
４２ 隔壁
４６ 排気孔（排出ガス通路）
５１ 排気接続管（排出ガス通路）
６１ キャップ（流量調整手段）
Ｓ 空間部

Claims (4)

1. 圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、タービン軸を回転自在に支持する排気側軸受部と排気ディフューザとにより区画される空間部に滞留する高温ガスを、前記排気ディフューザを流れる排気ガスにより吸引して排出する排出ガス通路が設けられ、前記空間部は、前記排気側軸受部としての軸受箱と、前記排気ディフューザの内筒部と、前記軸受箱と前記内筒部との前記タービン側の端部を連結する隔壁とにより区画され、前記排出ガス通路は、前記隔壁に形成された排気孔を有し、該排気孔に前記空間部側に突出する排気接続管が固定されたことを特徴とするガスタービン。
2. 請求項１に記載のガスタービンにおいて、前記隔壁はリング形状をなし、前記排気孔は該隔壁に周方向に沿って均等間隔で複数形成されたことを特徴とするガスタービン。
3. 請求項１または２に記載のガスタービンにおいて、前記排気接続管は先端部が下方を向いていることを特徴とするガスタービン。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載のガスタービンにおいて、前記排気孔または前記排気接続管に流量調整手段が設けられたことを特徴とするガスタービン。

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