(57)【要約】【課題】システムの全長を短縮するとともに、軸受損失を低減し効率を向上させることができる二軸式ガスタービンシステム及び出力タービンユニットを提供する。【解決手段】圧縮機２０と、この圧縮機２０を駆動するための圧縮機駆動タービン５０と、この圧縮機駆動タービン５０と異なる回転数で回転可能な出力タービン７０と、この出力タービン７０のロータ７１とともに一体的な回転体を構成するものであって、それ自体が出力タービンロータ７１との重量バランスをとるバランスウェイトの役割を果たすように出力タービンロータ７１に連結された被駆動機ロータ９１を有する被駆動機３とを備える。【選択図】  図２
2006242162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、
この圧縮機を駆動するための圧縮機駆動タービンと、
この圧縮機駆動タービンと異なる回転数で回転可能な出力タービンと、
この出力タービンとともに一体的な回転体を構成するものであって、それ自体が前記出力タービンとの重量バランスをとるバランスウェイトの役割を果たすように前記出力タービンに連結された被駆動機ロータを有する被駆動機と
を備えたことを特徴とする二軸式ガスタービンシステム。
【請求項２】
圧縮機を駆動するための圧縮機駆動タービンと被駆動機を駆動するための出力タービンとを有する二軸式ガスタービンシステムにおいて、
前記被駆動機の被駆動機ロータとその駆動源となる出力タービンとを一体構成し、それらのみで重量バランスのとれた回転体としてパッケージ化したことを特徴とする二軸式ガスタービンシステム。
【請求項３】
圧縮機を駆動するための圧縮機駆動タービンと被駆動機を駆動するための出力タービンとを有する二軸式ガスタービンシステムにおいて、
バランスウェイトを介することなく前記出力タービンを前記被駆動機の被駆動機ロータに直接接続したことを特徴とする二軸式ガスタービンシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の二軸式ガスタービンシステムにおいて、前記出力タービン及び前記被駆動機ロータからなる回転体は、前記被駆動機ロータの前後２箇所に設置した軸受にのみ支持されていることを特徴とする二軸式ガスタービンシステム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の二軸式ガスタービンシステムにおいて、前記出力タービン及び前記被駆動機ロータからなる回転体は、２つの軸受により支持されていることを特徴とする二軸式ガスタービンシステム。
【請求項６】
圧縮機を駆動するための圧縮機駆動タービンと被駆動機を駆動するための出力タービンとを有する二軸式ガスタービンシステムに備えられた出力タービンユニットにおいて、
前記出力タービンとともに一体的な回転体を構成するものであって、それ自体が前記出力タービンとの重量バランスをとるバランスウェイトの役割を果たすように前記出力タービンに連結された被駆動機ロータを有する被駆動機を備えたことを特徴とする出力タービンユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機駆動タービンと出力タービンとを有する二軸式ガスタービンシステム及び出力タービンユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
二軸式ガスタービンは、圧縮機からの圧縮空気を燃焼器で燃料とともに燃焼して発生させた燃焼ガスにより互いに異なる回転数で回転可能な圧縮機駆動タービン（高圧タービン）及び出力タービン（低圧タービン）を備えている。高圧タービンのロータは圧縮機のロータに連結され圧縮機ロータとともにガスジェネレータを構成し、その軸動力は圧縮機の駆動力として用いられる。一方、低圧タービンのロータは例えば発電機やポンプ、他の圧縮機等といった被駆動機のロータに別途連結することにより、出力タービンロータの軸動力は被駆動機の駆動力として用いられる（特許文献１等参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−９０７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
二軸式ガスタービンは、被駆動機とは異なるメーカで製造される場合もあり、製造時点では被駆動機を駆動するための原動機として設計されるのが一般的である。したがって、ガスジェネレータ及び出力タービンは、回転体としてそれ自体のバランスがとれていなければならない。
【０００５】
ここで、圧縮機駆動タービンと出力タービンとの間のスペースは、高温の作動ガスの熱的な影響を受け易いため軸受の設置場所としては適していない。そのため二軸式ガスタービンは、圧縮機駆動タービンと出力タービンの間のスペースを避けて軸受を設置し、両タービンがオーバハングした構成となっていることが多い。
【０００６】
ガスジェネレータに関しては圧縮機ロータが適当なウェイトとなるため圧縮機ロータの前後に軸受を設置すれば重量バランスを保つことができるが、出力タービンの場合、圧縮機駆動タービンとの間のスペースを避けて軸受を設置すれば、重量バランスを保つためにバランスウェイトを設けなければならない。
【０００７】
しかしながら、出力タービンにバランスウェイトを設けるとそれだけ二軸式ガスタービンの全長が増す。また、出力タービンロータと被駆動機ロータとは単独で重量がバランスするようにそれぞれが複数の軸受で支持されているため、両者を連結して二軸式ガスタービンシステムを構成するに際し、システム全体における軸受設置数が必要以上に多くなり、軸受損失もそれだけ大きくなる。
【０００８】
本発明の目的は、システムの全長を短縮するとともに、軸受損失を低減し効率を向上させることができる二軸式ガスタービンシステム及び出力タービンユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機を駆動するための圧縮機駆動タービンと被駆動機を駆動するための出力タービンとを有する二軸式ガスタービンシステムにおいて、前記被駆動機の被駆動機ロータとその駆動源となる出力タービンとを一体構成し、それらのみで重量バランスのとれた回転体としてパッケージ化する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、システムの全長を短縮するとともに、軸受損失を低減し効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る二軸式ガスタービンシステムの概念図、図２は本発明の一実施の形態に係る二軸式ガスタービンシステムの全体構成を表す断面図である。
図１及び図２において、本実施の形態の二軸式ガスタービンシステム１は、二軸式ガスタービン２と被駆動機３とを有している。二軸式ガスタービン２は、ガスジェネレータ１０と、出力タービン（低圧タービン）５とで構成されている。
【００１２】
ガスジェネレータ１０は、吸い込んだ空気（大気）を圧縮し圧縮空気を吐出する圧縮機２０と、圧縮機２０からの圧縮空気を燃料とともに燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器４０と、この燃焼器４０からの燃焼ガスによって軸動力を得て圧縮機２０を駆動する圧縮機駆動タービン（高圧タービン）５０とを備えている。圧縮機２０のロータ（圧縮機ロータ）２１と圧縮機駆動タービン５０のロータ（圧縮機駆動タービンロータ）５１は互いに同心状に連結されている。
【００１３】
これにより、ガスジェネレータ１０は、圧縮機２０で圧縮された空気を燃焼器４０に供給し、この圧縮空気を燃料とともに燃焼器４０で燃焼して発生させた燃焼ガスを圧縮機駆動タービン５０で膨張させ、圧縮機駆動タービンロータ５１で得られた軸動力を圧縮機２０の駆動力として利用するようになっている。
【００１４】
一方、出力タービン７０は、圧縮機駆動タービン５０の下流側に設けられ、圧縮機駆動タービン５０とともにタービン部を構成しており、圧縮機駆動タービン５０から排出される燃焼ガスによって圧縮機駆動タービン５０とは独立して異なる回転数で回転可能な出力タービンロータ７１を有している。この出力タービン７０は、強度上の制約から圧縮機駆動タービンロータ５１よりも回転数が低く設定され、所要出力が確保されるように圧縮機駆動タービンロータ５１よりも径が大きく設定される場合が多いため、圧縮機駆動タービン５０と出力タービン７０との間にはトランジションダクト４１が設けられる場合がある。
【００１５】
これにより、圧縮機駆動タービン５０から出てトランジションダクト４１を通過した燃焼ガスが出力タービン７０に流入すると、出力タービン７０にて膨張した燃焼ガスによりタービン仕事が得られ、出力タービンロータ７１の軸動力が被駆動機３の駆動力として利用される。
【００１６】
このように、二軸式ガスタービン２では、圧縮機駆動タービンロータ５１、言い換えればガスジェネレータ１０と出力タービンロータ７１とが分離され互いに独立して回転するため、出力タービンロータ７１をガスジェネレータ１０と異なる回転数で運転することが可能である。したがって、ガスジェネレータ１０の回転数を定格回転数程度に固定しても、連結する被駆動機に応じて出力タービンロータ７１の回転数を変化させることが可能となり、ガスタービンとしての運用の幅が広がる。
【００１７】
圧縮機２０の構成について説明すると、その回転体（圧縮機ロータ２１）は、外周部に複数の動翼２２が取り付けられたディスクホイール２３を軸方向に重ね合わせて構成されている。このようにして複数段落形成された動翼２２のうち、最も上流側（前側、図２中左側）に位置する段落のものを初段動翼２２ａ、最も下流側（後側、図２中右側）に位置する段落のものを最終段動翼２２ｂとする。
【００１８】
一方、圧縮機２０の静止体側は、圧縮機ケーシング２４と、この圧縮機ケーシング２４の内周側に固定された静翼２５とを備えている。静翼２５は、圧縮機ロータ２１の各段落の動翼２２の前側（上流側）に位置しており、動翼２２と同様に周方向に複数設けられ、各段落において環状の翼列を構成している。
【００１９】
圧縮機駆動タービン５０の構成について説明すると、その回転体（圧縮機駆動タービンロータ５１）は、外周部に複数の動翼５２が取り付けられたディスクホイール５３を備えている。図２ではこのディスクホイール５３を１段のみ図示してあるが、圧縮機ロータ２１のようにディスクホイール５３を軸方向に複数重ね合わせて圧縮機駆動タービンロータ５１が構成される場合もある。圧縮機駆動タービンロータ５１においても、複数段落形成された動翼５２のうち、最も上流側（前側、図２中左側）に位置する段落のものが初段動翼５２ａ、最も下流側（後側、図２中右側）に位置する段落のものが最終段動翼５２ｂであるが、図２においては、１段のみの図示であるため図示した動翼５２が初段動翼５２ａであるとともに最終段動翼５２ｂをも構成する。
【００２０】
一方、圧縮機駆動タービン５０の静止体側は、タービンケーシング４２の内周側に固定された静翼５４を備えている。この静翼５４は、圧縮機駆動タービンロータ５１の各段落の動翼５２の前側（上流側）に位置し、周方向に複数設けられて環状の翼列を構成するが、図２では圧縮機駆動タービン５０の段落数は１段落であるので静翼翼列も１列のみ図示してある。また、特に図示していないが、静翼５４の先端側（内周側）には内部にキャビティが形成されたダイヤフラムが固定されており、これら静翼５４及びそのダイヤフラムには、静翼５４等を冷却する冷却空気又は静翼５４の前後のホイールスペースをシールするシール空気を流通させるための空気供給系統が形成されている。ダイヤフラムと圧縮機駆動タービンロータ５１の間の間隙はパッキンによりシールされる。
【００２１】
出力タービン７０の構成について説明すると、その回転体（出力タービンロータ７１）は、外周部に複数の動翼７２が取り付けられたディスクホイール７３を備えている。圧縮機駆動タービンロータ５１と同様、図２ではこのディスクホイール７３を１段のみ図示してあるが、ディスクホイール７３を軸方向に複数重ね合わせて出力タービンロータ７１が構成される場合もある。出力タービンロータ７１においても、複数段落形成された動翼７２のうち、最も上流側（前側、図２中左側）に位置する段落のものが初段動翼７２ａ、最も下流側（後側、図２中右側）に位置する段落のものが最終段動翼７２ｂであるが、図２においては、１段のみの図示であるため図示した動翼７２が初段動翼７２ａであるとともに最終段動翼７２ｂをも構成する。
【００２２】
一方、出力タービン７０の静止体側は、タービンケーシング４２の内周側に固定された静翼７４を備えている。この静翼７４は、出力タービンロータ７１の各段落の動翼７２の前側（上流側）に位置し、周方向に複数設けられて環状の翼列を構成するが、図２では出力タービン７０の段落数は１段落であるので静翼翼列も１列のみ図示してある。また、この圧縮機駆動タービンロータ５１の最終段ディスクホイール５３ｂと出力タービンロータ７１の初段ディスクホイール７３ａの間は、トランジションダクト４１及び静翼７４の内周側に接合された隔壁（仕切り板）４３，４４によって隔てられている。
【００２３】
前述した被駆動機３は、発電機、ポンプ、圧縮機等といった負荷機器で構成され、その駆動源となる出力タービン６と一体構成された被駆動機ロータ９１を備えている。被駆動機ロータ９１は、例えばカップリングを介して出力タービン７１に締結される構成でも共用の回転軸を有する構成でも良いが、バランスウェイトを介することなく出力タービン７１に直接接続されている。つまり、被駆動機ロータ９１は、出力タービン７１とともに一体的な回転体である出力タービンユニット９２を構成するものであって、それ自体が出力タービン７１との重量バランスをとるバランスウェイトの役割を果たすように出力タービン７１に連結されており、出力タービン７１及び被駆動機ロータ９１（出力タービンユニット９２）は、製造時点においてそれらのみで重量バランスのとれた回転体としてパッケージ化されている。
【００２４】
前述したガスジェネレータ１０は、圧縮機初段動翼２２ａの前側に設けた前側軸受１１、及び圧縮機駆動タービン５０の初段動翼５２ａの前側（圧縮機ロータ２１と圧縮機駆動タービンロータ５１の間、若しくは連結部近傍）に設けた後側軸受１２により回転可能に支持されている。それに対し、出力タービンユニット９２（出力タービンロータ７１及び被駆動機ロータ９１からなる回転体）は、出力タービン７０の最終段動翼７２ｂと被駆動機ロータ９１との間に設けた前側軸受８１、及び被駆動機ロータ９１の後側に設けた後側軸受８２にのみ支持されている。なお、可能であれば、前側軸受８１は出力タービン７０の初段動翼７２ａの前側に設けても良い。この場合は軸受の設置位置が変わるので、出力タービン８１と被駆動機ロータ９１との釣り合いがとれるように重量バランスを調整し、それに応じて２つの軸受の設置箇所を調整する必要がある。
【００２５】
上記構成の二軸式ガスタービンシステム１の動作及び作用を以下に説明する。
圧縮機２０にて吸い込まれた空気が圧縮されると、圧縮機２０から吐出された圧縮空気が燃焼器４０に供給され燃焼器４０で燃料とともに燃焼される。これにより生じた燃焼器４０からの燃焼ガスが圧縮機駆動タービン５０に供給されると、膨張する燃焼ガスによってタービン仕事が得られる（圧縮機駆動タービンロータ５１の軸動力が得られる）。圧縮機駆動タービン５０を出た燃焼ガスは、さらにトランジションダクト４１を通過して出力タービン７０に流入し、この燃焼ガスが膨張することによってまたタービン仕事が得られる（出力タービンロータ７１の軸動力が得られる）。圧縮機駆動タービンロータ５１の軸動力は圧縮機ロータ２１の駆動力として、出力タービンロータ７１の軸動力は被駆動機３の駆動力として利用される。
【００２６】
ここで、図３は一般的な二軸式ガスタービンシステムの概念図、図４は一般的な二軸式ガスタービンシステムの全体構成を表す断面図である。これら図３及び図４において、図１及び図２と同様の部分又は同様の役割を果たす部分には同符号を付して説明を省略する。
図３及び図４に示した比較例において、出力タービンロータ７１及び被駆動機ロータ９１は異なるメーカで製造されることも多く、製造時点では接続されていない。そのため、それぞれ独立した回転体としてバランスがとれていなければならない。
【００２７】
出力タービン７０の初段動翼７２ａと圧縮機駆動タービン５０の最終段動翼５２ｂとの間の空間は軸受の設置箇所としては高温環境であるため、通常、出力タービンロータ７１の前側軸受８３は最終段動翼７２ｂの後側に配置され、出力タービンロータ７１は動翼部がオーバハングした状態となる。また、ガスタービンシステムを構成する軸については、一般的に軸の不安定振動を防止するため、軸受８３〜８６（及び１１，１２）の荷重を全て下向きに正となるように設計する必要がある。そのため、二軸式ガスタービンシステムにおいて、出力タービンロータ９１は単独での荷重を釣り合わせるためのバランスウェイト１００を前側軸受８３と後側軸受８４との間に設ける必要がある。これにより、出力タービンロータ７１は、軸方向の重量分布のアンバランスが解消され、独立した回転体として構成されていた。一方、被駆動機ロータ９１は前後２箇所でそれぞれ前側軸受８５、後側軸受８６により支持されて独立した回転体として構成されており、これら二軸式ガスタービン２と被駆動機３は、製造後にカップリング８７を介して連結される。
【００２８】
このような事情から、一般的な二軸式ガスタービンシステムでは、バランスウェイト１００を設置しなければならない分だけ出力タービンロータ７１の軸長が長くなり、システム全長が長くなるために広い設置スペースが必要だった。またバランスウェイト１００を要する分だけ出力タービンロータ７１の素材費も増大する。さらに出力タービンロータ７１と被駆動機ロータ９１とをそれぞれ独立した構成としていたので、出力タービン７１と被駆動機ロータ９１とでそれぞれ複数の軸受を要するため、多数の軸受数が必要であるとともに、軸受に対する潤滑油量の増大、軸受損失の増大による効率低下等といった不具合も生じていた。またバランスウェイト１００を被駆動機ロータ９１に連結するためのアライメント調整等の据付作業にも労力を要する。
【００２９】
それに対し、本実施の形態においては、被駆動機ロータ９１そのものが出力タービンロータ７１の重量アンバランスを解消するバランスウェイトとして機能するように出力タービンロータ７１に一体的に連結され、製造時点において、出力タービンロータ７１と被駆動機ロータ９１とが出力タービンユニット９２としてパッケージ化（ユニット化）されている。これにより、一般的な二軸式ガスタービンシステムのように出力タービンロータにバランスウェイトを設ける必要がない。また、出力タービンロータ７１と被駆動機ロータ９１とからなる回転体をパッケージ化したことにより、不安定振動を生じさせることなくこれを２箇所の軸受によってバランス良く支持することができる。
【００３０】
このように、バランスウェイトを省略し軸受の数を最小化することができるので、システムをコンパクト化し設置スペースを低減させるとともに、軸受損失を低減し効率を向上させることができる。またバランスウェイトを省略し軸受設置数を最小化することができるので、製造コストを低減することができ、据付時間を短縮することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る二軸式ガスタービンシステムの概念図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る二軸式ガスタービンシステムの全体構成を表す断面図である。
【図３】一般的な二軸式ガスタービンシステムの概念図である。
【図４】一般的な二軸式ガスタービンシステムの全体構成を表す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      二軸式ガスタービンシステム
３      被駆動機
２０    圧縮機
５０    圧縮機駆動タービン
５１    圧縮機駆動タービンロータ
７０    出力タービン
７１    出力タービンロータ
９１    被駆動機ロータ
９２    出力タービンユニット
１００  バランスウェイト
【図１】
2006242162.tif 000003
【図２】
2006242162.tif 000004
【図３】
2006242162.tif 000005
【図４】
2006242162.tif 000006