(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機，燃焼器およびタービンを有し、これらを収納したメインハウジングの後端部に前記圧縮機からの圧縮空気と前記タービンからの排ガスとの間で熱交換させる熱交換器が取り付けられたガスタービンエンジンであって、
前記メインハウジングの前端部に、前記圧縮機に空気を導入する吸気通路を形成する吸気ハウジングがボルトにより取り付けられており、
前記燃焼器が前記吸気ハウジングの後端部に着脱可能に取り付けられ、
前記圧縮機のインペラおよびタービンのタービンロータを有する回転部を含む回転モジュールが、前記吸気ハウジングに回転自在に支持されて、この吸気ハウジングをメインハウジングから取り外して前記燃焼器を前記吸気ハウジングから取り外したときに、軸方向へ抜き出し可能に設定されている熱交換器付きガスタービンエンジン。
【請求項２】
請求項１において、タービンロータ入口側のタービンノズルが前記吸気ハウジングに着脱可能に取り付けられている熱交換器付きガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機，燃焼器およびタービンを収納したメインハウジングの後端部に熱交換器が取り付けられたガスタービンエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来の熱交換器付きガスタービンでは、圧縮機のインペラやタービンのロータなどを含む回転部を点検あるいは交換する際、メインハウジングを熱交換器から切り離して、回転部をメインハウシングから取り外すように構成されている。メインハウジングと熱交換器とが空気配管などを介して接続されている構造の場合には、前記取外し作業において、これらの空気配管なども取り外すことになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような構成では、空気配管などを取り外す分だけ、回転部の点検や交換における取外し作業の工数が増大し、その作業が困難になる。
【０００４】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたもので、圧縮機，燃焼器およびタービンを収納したメインハウングを熱交換器から切り離すことなく、圧縮機のインペラおよびタービンのロータを有する回転部を含む回転モジュールを、少ない工数で容易に取り外すことのできる熱交換器付きガスタービンエンジンを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱交換器付きガスタービンエンジンは、圧縮機，燃焼器およびタービンを有し、これらを収納したメインハウジングの後端部に前記圧縮機からの圧縮空気と前記タービンからの排ガスとの間で熱交換させる熱交換器が取り付けられたガスタービンエンジンであって、前記メインハウジングの前端部に、前記圧縮機に空気を導入する吸気通路を形成する吸気ハウジングがボルトにより取り付けられており、前記燃焼器が前記吸気ハウジングの後端部に位置決めされて着脱可能に取り付けられている。さらに、前記圧縮機のインペラおよびタービンのタービンロータを有する回転部を含む回転モジュールが、前記吸気ハウジングに回転自在に支持されて、この吸気ハウジングをメインハウジングから取り外して前記燃焼器を前記吸気ハウジングから取り外したときに、軸方向へ抜き出し可能に設定されている。
【０００６】
前記熱交換器付きガスタービンエンジンによれば、熱交換器から切り離さないままのメインハウジングから、吸気ハウジングを取り外し、燃焼器を前記吸気ハウジングから取り外すことで、回転部を含む回転モジュールを、少ない工数で簡単に取り外すことができ、回転部の点検や交換が容易になる。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態では、タービンロータ入口側のタービンノズルが、前記吸気ハウジングに着脱可能に取り付けられている。
【０００８】
このように構成した場合には、ガスタービンエンジンの回転部だけでなく、燃焼器や、タービンロータ入口側のタービンノズルも、点検および交換を容易に行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明の一実施形態である熱交換器付きガスタービンエンジンを駆動源とするガスタービン発電装置の縦断面図を示す。このガスタービン発電装置１は、熱交換器付きガスタービンエンジン２と、これによって駆動される発電機３とを備えている。
【００１０】
ガスタービンエンジン２は、遠心式圧縮機４と、タービン５と、このタービン５の径方向外方に位置する環状の燃焼器６とを有する。前記圧縮機４の金属製インペラ１１の背面に、セラミック製のタービンロータ１７が接合されている。圧縮機４は、吸気通路７から導入される空気ＩＡを圧縮して、その圧縮空気Ａをガスタービンエンジン２の後部の排気ガス出口側に連結された熱交換器８を経て燃焼器６に供給するものであり、タービン５によって駆動される。この圧縮機４は、金属製インペラ１１と、前記吸気通路７を構成する吸気ハウジング９の後端の前記インペラ１１を覆う位置に形成されたシュラウド１２とを備えている。圧縮機４の出口側である径方向外側には、圧縮空気Ａの静圧を高めるためのディフューザ１３が配置されている。このディフューザ１３は、環状の壁部材１３ａの前面に多数の翼体１３ｂを固定したものである。
【００１１】
また、前記ディフューザ１３は、吸気ハウジング９の後端と、前記燃焼器６とで挟まれる位置に配置され、吸気ハウジング９の後端部から、ディフューザ１３および燃焼器６のディフューザ１３に対向する端部に跨がってタービンエンジン２の軸方向に向け貫通する複数のノックピン１５とボルト１６とにより、燃焼器６と共に吸気ハウジング９の後端部に位置決めされて、着脱可能に取り付けられている。
【００１２】
タービン５は、セラミック製のタービンロータ１７と、このタービンロータ１７の入口側部材であるタービンノズル１８とを備えている。前記金属製インペラ１１の背面へのセラミック製タービンロータ１７の接合は、例えば図２に拡大して示すように、インペラ１１よりも低い熱膨張係数を有する金属からなる嵌合部材１９をインペラ１１の背面に溶接し、この嵌合部材１９の凹所１９ａにタービンロータ１７におけるタービンハブ２０の前端軸部２０ａを焼き嵌めして行われる。焼き嵌めに際しては、凹所１９ａと、前端軸部２０ａの端面および外周面との間に緩衝用のろう材を介在させるのが好ましい。
【００１３】
このように接合されたインペラ１１と、これに回転軸を介さずに直接接合したタービンロータ１７とで、ガスタービンエンジン２の回転部２１が一体形成される。このように嵌合部材１９を介して金属製インペラ１１の背面にセラミック製タービンロータ１７を接合することで、金属製インペラ１１とセラミック製タービンロータ１７の間の熱膨張差が緩和される。
【００１４】
前記タービンノズル１８は、ノズル本体１８ａに、タービンロータ１７におけるタービンブレード２２の外径側を覆うタービンシュラウド１８ｂと、外径側に延びる取付部１８ｃとをセラミックで一体形成したものであり、その取付部１８ｃを、図１に示す前記吸気ハウジング９の後端部にボルト１６で固定されるディフューザ１３と燃焼器６とで挟むことにより、吸気ハウジング９に着脱可能に取り付けられている。タービンノズル１８の取付部１８ｃ（図２）と、これに押し当てられる燃焼器６の前端部との間には、弾性部材であるウェーブリング２４が挿入されている。
【００１５】
燃焼器６は、ガスまたは液体の燃料Ｆを燃焼器６内の燃焼室３１に噴射する燃料ノズル３２を有し、その燃料Ｆが、熱交換器８を経て燃焼室３１内に送給されてくる圧縮空気Ａと混合されて燃焼する。その高温高圧の燃焼ガスＧは前記タービンノズル１８からタービン５に送られ、燃焼ガスＧのエネルギによりタービン５が駆動される。前記燃焼器６は環状のものであり、タービン５の回転軸心Ｃ１と同心に配置されている。この燃焼器６の内径側の端部は、図２に示すタービンノズル１８におけるタービンシュラウド１８ｂの後端部に環状のシール部材２３を介して外嵌させられ、これによりタービンシュラウド１８ｂと燃焼器６の重合部がシールされる。タービンシュラウド１８ｂは燃焼器６の壁の一部を構成している。
【００１６】
前記インペラ１１とタービンロータ１７との間には、両者間をシールするシール部材３３が設けられる。このシール部材３３は、嵌合部材１９の外周に形成された複数の環状突起との間でラビリンスシールを形成するもので、図３に示すように、径方向に分離可能なように周方向に分割された複数、例えば２つの分割体３３ａ，３３ｂからなり、それらの外径端部３３ｃが、図２のように、ボルト３４でディフューザ１３の壁部材１３ａに締付固定されることにより、ディフューザ１３を介して吸気ハウジング９に間接的に着脱可能に取り付けられている。
【００１７】
図１に示す熱交換器８は、ガスタービンエンジン２のタービン５を出た高温の排ガスＥと、ガスタービンエンジン２の圧縮機４を出た低温の圧縮空気Ａとの間で熱交換を行うものであり、前記圧縮機４，燃焼器６およびタービン５を収容した横断面円形のメインハウジング３５の後端部に取り付けられている。この熱交換器８は、その熱交換器ハウジング３７の前端部のフランジ３８が、メインハウジング３５の後端部のフランジ３９に、図示しないボルトおよびナットで締結されることにより、メインハウジング３５に連結されており、この熱交換器ハウジング３７の内方に、図５に示すような横断面形状が円形の熱交換用コア３６が収納されている。なお、熱交換用コア３６は、横断面矩形であってもよい。また、この実施形態では、コア３６は、第１の流体である低温の圧縮空気Ａが流れる第１通路４１と、第２の流体である高温の排ガスＥが流れる第２通路４２とを仕切る複数の平坦な伝熱プレート４３を所定の間隔で平行に配置して構成される。
【００１８】
図５に示すように、前記コア３６の後部の側面に、圧縮空気Ａを前記第１通路４１に流入させる流入口４４が設けられ、前記コア３６の前部の側面に、第１通路４１を通った圧縮空気Ａの流出口４５が設けられている。
【００１９】
図１に示すように、コア３６と熱交換器ハウジング３７との間には、圧縮空気Ａをコア３６の前方からコア３６の側方を通って、つまり側面の外側を通って前記流入口４４に導入する導入路４６が形成されている。熱交換器８の前方のメインハウジング３５と環状の燃焼器６との間には、圧縮機４を出た圧縮空気Ａを前記導入路４６に導く圧縮空気通路４７が形成されている。この圧縮空気通路４７は、メインハウジング３５と、このメインハウジン３５の内側にメインハウジング３５と同心状に一体形成された円筒部材４８との間にできる空間によって構成される。メインハウジング３５の前端部（図１の左端部）には、前記吸気ハウジング９の後端部がボルト４９により締付固定されている。また、前記円筒部材４８の前端部は、前記ディフューザ１３の壁部材１３ａから燃焼器６の外径側前端部にまたがる部分に、ガスタービンエンジン２の軸方向へ抜き出し可能に外嵌させてあり、円筒部材４８の前端部と燃焼器６の外径側前端部との間には環状のシール部材５０が介挿されている。
【００２０】
さらに、熱交換器８の前面には、前記圧縮空気通路４７の内周側に、熱交換器８の流出口４５からの圧縮空気Ａをガスタービンエンジン２の燃焼器６に導く燃焼器向け導出路５１が形成されている。この導出路５１は、前記円筒部材４８と、前記コア３６の前端から前方に延びて前記円筒部材４８の内側に円筒部材４８と同心に配置される円錐状部材５２との間の空間、燃焼機６の外筒部と円筒部材４８との間の空間、および、円錐状部材５２の前端から前記タービンシュラウド１８ｂ（図２）の後端まで延びるほぼ円筒状の排気ディフューザ５３と燃焼器６との間の空間によって形成される。排気ディフューザ５３の前端部は、前記燃焼器６の内径側前端部の内側に、溶接により接合されている。前記円錐状部材５２および排気ディフューザ５３で囲まれる内側空間により、タービン５を出た排ガスＥをコア３６の第２通路４２に流入させる排ガス流入路５４が形成されている。熱交換器８の後面には、第２通路４２を通った排ガスＥを外部へ排出する排気口５５が形成されている。
【００２１】
発電機３は、ガスタービンエンジン２の回転部２１に連結された発電機ロータ６１と、その周囲に配置された発電機ステータ６２とを有し、前記吸気ハウジング９の内方に吸気ハウジング９と同心に配置され、ストラット６３を介して吸気ハウジング９に支持された横断面円形の発電機ケース６４内に収容されている。前記吸気ハウジング９と発電機ケース６４との間にできる空間によって、前記吸気通路７が構成される。吸気ハウジング９の前端には、外部から前記吸気通路７に空気ＩＡを導入する吸気ダクト８５が連結されている。このような発電機３の配置により、吸気通路７を通る空気ＩＡで発電機３の冷却が行われるので、発電機用の特別の冷却装置が不要になる。前記発電機ステータ６２は、発電機ケース６４の内周側にこのケース６４と同心状に配置して固定されたリング状のコア６７と、このコア６７から内径側に突出する各極部に巻回したコイル６８とで構成される。
【００２２】
前記発電機ロータ６１は、円筒状のパイプ６５の内側に磁石６６を圧入して構成され、その後端となる一端部に前記ガスタービンエンジン２の回転部２１が固定されている。すなわち、発電機ロータ６１のパイプ６５の一端部の内側には、図２に拡大してして示すように、前記インペラ１１の前端の筒状の回転軸部１４が圧入状態で挿入されると共に、パイプ６５の一端面がインペラ１１の段部４０に突き合わせられて、この突合わせ部が必要に応じて溶接されることで、回転部２１が発電機ロータ６１に強固に固定される。このように、パイプ６５の一端部に回転部２１の前端部を挿入することにより、発電機ロータ６１と回転部２１との一体化が容易になされる。また、パイプ６５内に磁石６６を挿入することによって、磁石６６が保護される。なお、発電機ロータ６１への回転部２１の固定は、例えば前記パイプ６５内に回転部２１のインペラ１１の回転軸部１４を螺合させて行っても良い。
【００２３】
このように構成された発電機ロータ６１は、図１に示す一端部と他端部に設けた軸受７１，７１，７２により、前記発電機ケース６４、つまり吸気ハウジング９に回転自在に支持されている。すなわち、発電機ロータ６１の一端部（後端部）は、吸気ハウジング９から内径側に延びるストラット８３により支持された後部保持部材７３で保持されるラジアル軸受７１を介して、また、発電機ロータ６１の他端部（前端部）は、前記吸気ダクト８５に設けたストラット８４により支持された前部保持部材７４で保持される別のラジアル軸受７１と、前記前部保持部材７４の前端の軸受面と固定ディスク７６で挟まれるスラスト軸受７２とを介して、それぞれ発電機ケース６４に回転自在に支持されている。前記各軸受７１，７１，７２は空気軸受で構成されており、この実施形態では、自己浮上型である動圧空気軸受であるが、外部から、例えばガスタービンエンジン２の圧縮機４から高圧空気を導入して浮上させる静圧空気軸受でもよい。
【００２４】
図４に拡大して示すように、発電機ロータ６１のパイプ６５の他端部には、雄ねじ部７７を前方に向け突出させた先端部材７８が圧入嵌合されて、必要に応じて溶接されている。前記雄ねじ部７７には、前後面に動圧発生用の回転ディスク７５が嵌合され、前記雄ねじ部７７に螺合するナット７９により先端部材７８に締め付け固定されている。前記雄ねじ部７７の基端はテーパ部とされており、このテーパ部のガイドにより、前記回転ディスク７５を発電機ロータ６１と同心となるように先端部材７８に装着できる。
【００２５】
前記回転ディスク７５の前面側には固定ディスク７６が配置されて、この固定ディスク７６と、前記前部保持部材７４との間にカラー８０が介装され、固定ディスク７６およびカラー８０を貫通するボルト８１により、固定ディスク７６が前部保持部材７４に締付固定されている。前記カラー８０の介在により、前部保持部材７４の前端の軸受面と固定ディスク７６との間隔が一定に維持され、これにより、両者７４，７６間で回転ディスク７５が回転自在に設定されて、スラスト軸受７２が形成される。
【００２６】
このように、発電機ロータ６１は、その両端部がラジアル軸受７１およびスラスト軸受７２で発電機ケース６４内に回転自在に支持されているので、発電機ロータ６１を円滑に回転させることができる。
【００２７】
図１の発電機ロータ６１の一端部にガスタービンエンジン２の回転部２１を固定してなる回転モジュール８２は、前記吸気ハウジング９を前記メインハウジング３５から取り外したときに、回転ディスク７５を取り外すことで、吸気ハウジング９から軸方向後方へ抜き出し可能である。
【００２８】
上記構成において、図１の熱交換器８により、ガスタービンエンジン２の圧縮機４を出た圧縮空気Ａと、タービン５を出た排ガスＥとの間で熱交換が行われ、高温化された圧縮空気Ａがガスタービンエンジン２の燃焼器６に導かれるので、ガスタービンエンジン２の熱効率が向上する。そのガスタービンエンジン２のタービン５により発電機３が駆動される。
【００２９】
とくに、熱交換器付きガスタービンエンジン２では、圧縮機４，燃焼器６およびタービン５を収納したメインハウジング３５の前端部に、圧縮機４の吸気通路７を形成する吸気ハウジング９が取り付けられており、圧縮機４のインペラ１１およびタービン５のロータ１７を有する回転部２１を含む回転モジュール８２が、吸気ハウジング９に支持されて、この吸気ハウジング９をメインハウジング３５から取り外したときに、軸方向へ抜き出し可能に設定されているので、熱交換器８から切り離さないままのメインハウジング３５から、吸気ハウジング９を取り外すだけで、回転部２１を含む回転モジュール８２を、少ない工数で簡単に取り外すことができ、回転部２１や発電ロータ６１の点検や交換が容易になる。
【００３０】
また、前記インペラ１１出口側のディフューザ１３、前記燃焼器６、前記インペラ１１とロータ１７間のシール部材３３および、ロータ１７入口側のタービンノズル１８が、吸気ハウジング９に着脱可能に取り付けられているので、メインハウジング３５から吸気ハウジング９を取り外したのち、この吸気ハウジング９から、これら各部品１３，６，３３および１８を取り外して、点検や交換を容易に行うことができる。
【００３１】
前記回転モジュール８２の抜き出しは、図６〜図８に示す手順で行うことができる。すなわち、図６のように、先ず燃料ノズル３２をメインハウジング３５から抜き出してから、ボルト４９によるメインハウジング３５への吸気ハウジング９の締付固定を解いて、吸気ハウジング９をメインハウジング３５から前方へ取り外す。この取り外しにより、吸気ハウジング９側には、燃焼器６、回転モジュール８２、発電機ステータ６２が取付状態のまま残り、メインハウジング３５側には熱交換器８が残る。
【００３２】
つぎに、図７のように、吸気ハウジング９のボルト１６を緩めて、燃焼器６の締付固定を解き、燃焼器６を軸方向後方に引き出すことにより、吸気ハウジング９から燃焼器６を取り外す。これにより、それまでディフューザ１３と燃焼器６とで挟まれていたタービンノズル１８も後方へ取り外し可能となる。
【００３３】
つぎに、図１の発電機ロータ６１の他端部の雄ねじ部７７からナット７９を解いて回転ディスク７５を取り外したのち、図８のようにタービンノズル１８を取り外してから、ボルト３４によるディフューザ１３へのシール部材３３の締付固定を解く。インペラ１１とタービンロータ１７との間に位置するシール部材３３は、径方向に分離可能な複数の分割体３３ａ，３３ｂからなるので、それらの各分割体３３ａ，３３ｂを径方向に引き出すことにより、回転モジュール８２から離脱させる。この状態で、回転モジュールを軸方向後方へ抜き出す。
【００３４】
なお、本発明は、前記タービンロータ１７がセラミック製に限られず、金属製であってもよく、金属製の場合は、金属製インペラ１１に金属製タービンロータ１７を直に接合する。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の熱交換器付きガスタービンエンジンによれば、圧縮機，燃焼器およびタービンを収納したメインハウジングの前端部に、前記圧縮機に空気を導入する吸気通路を形成する吸気ハウジングがボルトにより取り付けられており、前記燃焼器が前記吸気ハウジングの後端部に着脱可能に取り付けられ、前記圧縮機のインペラおよびタービンのロータを有する回転部を含む回転モジュールが、前記吸気ハウジングに支持されて、この吸気ハウジングをメインハウジングから取り外して前記燃焼器を前記吸気ハウジングから取り外したときに、軸方向へ抜き出し可能に設定されているので、熱交換器から切り離さないままのメインハウジングから、吸気ハウジングを取り外すだけで、回転部を含む回転モジュールを、少ない工数で簡単に取り外すことができ、回転部の点検や交換が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービン発電装置の縦断面図である。
【図２】同ガスタービン発電装置のタービン部分を示す拡大縦断面図である。
【図３】同ガスタービン発電装置のシール部材を示す分解背面図である。
【図４】同ガスタービン発電装置の発電機前部を示す拡大縦断面図である。
【図５】同ガスタービン発電装置における熱交換器のコアを示す斜視図である。
【図６】前記ガスタービン発電装置におけるメインハウジングからの吸気ハウジングの取り外しを示す分解縦断面図である。
【図７】同ガスタービン発電装置における吸気ハウジングからの燃焼器の取り外しを示す分解縦断面図である。
【図８】同ガスタービン発電装置における回転モジュールの抜き出しを示す分解縦断面図である。
【符号の説明】
２…ガスタービンエンジン、３…発電機、４…圧縮機、５…タービン、６…燃焼器、７…吸気通路、８…熱交換器、９…吸気ハウジング、１１…インペラ、１３…ディフューザ、１７…タービンロータ、１８…タービンノズル、２１…回転部、３３…シール部材、３５…メインハウジング、３７…熱交換器ハウジング、８２…回転モジュール、Ａ…圧縮空気、Ｅ…排ガス、ＩＡ…導入される空気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003607600.tif 000006
【図６】
0003607600.tif 000007
【図７】
0003607600.tif 000008
【図８】
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