(57)【要約】 【課題】既存の１軸式ガスタービンプラントの改造に関し、低コスト省スペースで効率の高いガスタービンプラントを提供する。【解決手段】既設の１軸式ガスタービンを、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮した圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成した燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン３と、高圧タービン３から排出されたガスにより回転駆動する低圧タービン４とを有し、複数の軸受で回転可能に支持された２軸式ガスタービンにリプレースし、潤滑油タンクや潤滑油ポンプなどの潤滑油装置の少なくとも一部に既設の１軸式ガスタービンで用いていたものを利用して２軸式ガスタービンの軸受に潤滑油を供給するように構成する。【選択図】  図１
2011140899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気に燃料を混合して燃焼し、高温高圧の燃焼ガスでタービンを駆動する、回転軸を複数の軸受で回転可能に支持された１軸式ガスタービンと、
潤滑油タンクと潤滑油ポンプと潤滑油冷却器とを有する潤滑油装置と、前記潤滑油装置から前記複数の軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給系統と、前記複数の軸受から前記潤滑油装置へ潤滑油を回収する潤滑油排出系統と、を有するガスタービンプラントの改造方法において、
前記１軸式ガスタービンを、
空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンから排出されたガスにより回転駆動する低圧タービンとを有し、複数の軸受で回転可能に支持された２軸式ガスタービンにリプレースし、
前記潤滑油装置の少なくとも一部を利用して前記２軸式ガスタービンの軸受に潤滑油を供給するように構成することを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
【請求項２】
請求項１のガスタービンプラントの改造方法において、
前記２軸式ガスタービンの軸受の少なくとも一部に、前記１軸式ガスタービンよりも必要潤滑油量が少ない軸受を利用することを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
【請求項３】
請求項１または２のガスタービンプラントの改造方法において、
前記１軸式ガスタービンは油浴式軸受を有し、
前記１軸式ガスタービンの少なくとも一つの油浴式軸受を前記２軸式ガスタービンでは直接潤滑式軸受に変更することを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
【請求項４】
請求項１−３のいずれかのガスタービンプラントの改造方法において、
前記２軸式ガスタービンの軸受の少なくとも一部に、水軸受または磁気軸受の少なくとも一方を利用することを特徴とするガスタービンシステムの改造方法。
【請求項５】
請求項１−４のいずれかのガスタービンプラントの改造方法において、
軸受を構成する軸受部材を樹脂性にしたことを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
【請求項６】
請求項２−５のいずれかのガスタービンプラントの改造方法において、
前記２軸式ガスタービンは、前記圧縮機の上流側に位置する第１のジャーナル軸受と、前記圧縮機と前記高圧タービンの間に位置する第２のジャーナル軸受とを有し、
少なくとも前記第２のジャーナル軸受として、前記１軸式ガスタービンよりも必要潤滑油量が少ない軸受を利用することを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
【請求項７】
請求項６のガスタービンプラントの改造方法において、
前記２軸式ガスタービンは、前記高圧タービンの下流に位置する第３のジャーナル軸受と、前記第３のジャーナル軸受の下流に位置する第４のジャーナル軸受とを有し、
前記潤滑油タンクの容量に応じ、前記第２のジャーナル軸受，前記第３のジャーナル軸受，前記第４のジャーナル軸受，前記第１のジャーナル軸受の優先順で、前記１軸式ガスタービンよりも必要潤滑油量が少ない軸受を利用することを特徴とするガスタービンプラントの改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設の１軸式ガスタービンを圧縮機駆動用高圧タービンと出力用低圧タービンが別軸構成になっている２軸式ガスタービンにリプレースするための２軸式ガスタービンの改造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ガスタービンは、その用途に応じて２種類存在する。一方は、発電用として回転数を一定で運転するために、高圧タービンと低圧タービンを同一軸で連結した１軸式ガスタービン。他方は、天然ガスパイプラインなどで機械駆動用として利用され、分かれて、タービンの回転軸が別軸（２軸）構成となっている２軸式ガスタービンである。一般的にはタービンが高圧タービンと低圧タービンに分かれている。圧縮機を駆動する高圧タービンと、発電機やポンプ等を駆動する低圧タービンが別軸構成となっている２軸式ガスタービンが、例えば特許文献１に公開されている。
【０００３】
２軸式ガスタービンでは、ポンプやスクリュー圧縮機などの被駆動機の回転数が低い場合でも、圧縮機と高圧タービンを高速回転させることが可能となる。そのため、低圧タービンの低回転数域でのトルクを大きくすることができる。その点で、２軸式ガスタービンはポンプやスクリュー圧縮機などの機械駆動用として用いられることが多い。加えて、低圧タービンで発電機を駆動する発電用として用いることも可能である。
【０００４】
また、再生式１軸３段タービンの中圧タービンを出力用タービンにすることで２軸式ガスタービンの構成に改造し、部分負荷効率を向上させるガスタービン構成が、例えば、特許文献２に公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１８２７１号公報
【特許文献２】特開平３−２９００２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既存の１軸式ガスタービンプラントをリプレースする場合、コストやスペースの問題を解決した上で高性能化したガスタービンを提供することが困難である。
【０００７】
本発明の目的は、既存の１軸式ガスタービンプラントの改造に関し、低コスト省スペースで効率の高いガスタービンプラントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は圧縮空気に燃料を混合して燃焼し、高温高圧の燃焼ガスでタービンを駆動する、回転軸を複数の軸受で回転可能に支持された１軸式ガスタービンと、潤滑油タンクと潤滑油ポンプと潤滑油冷却器とを有する潤滑油装置と、前記潤滑油装置から前記複数の軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給系統と、前記複数の軸受から前記潤滑油装置へ潤滑油を回収する潤滑油排出系統と、を有するガスタービンプラントの改造方法において、前記１軸式ガスタービンを、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、前記高圧タービンから排出されたガスにより回転駆動する低圧タービンとを有し、複数の軸受で回転可能に支持された２軸式ガスタービンにリプレースし、前記潤滑油装置の少なくとも一部を利用して前記２軸式ガスタービンの軸受に潤滑油を供給するように構成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、既存の１軸式ガスタービンプラントの改造に関し、低コスト省スペースで効率の高いガスタービンプラントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の一つである２軸式ガスタービンのシステム構成図。
【図２】本発明の実施形態の一つである直接潤滑式ジャーナル軸受の断面図。
【図３】本発明の実施形態の一つである直接潤滑式軸受のティルティングパッドの斜視図。
【図４】本発明の実施形態の一つである２軸式ガスタービンのシステム構成図。
【図５】本発明の実施形態の一つである２軸式ガスタービンのシステム構成図。
【図６】本発明の実施形態の一つである２軸式ガスタービンのシステム構成図。
【図７】本発明の実施形態の一つである２軸式ガスタービンのシステム構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
既存の１軸式ガスタービンプラントを改造するに際し、発明者らは、既存の１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンにリプレースすれば、高効率なガスタービンプラントを実現できるという知見に想到した。低圧タービン側の回転数が低い場合でも、圧縮機側の回転数を高くできるという２軸式ガスタービンの特性を生かすことができるからである。以下、その理由について説明する。
【００１２】
通常、発電プラントにおける出力は認可出力により制限される。１軸式から２軸式のガスタービンに改造する場合にも、この認可出力以下で運転する必要がある。ガスタービンのリプレースにおいて、同出力帯のガスタービンを新設した場合、技術進歩により必然的にガスタービンは高効率化されている。そのため、同出力帯のガスタービンを改造前と同様な運転をした場合、認可出力以上の発電出力が発生する可能性がある。一方、ガスタービンの高効率化による出力向上を考慮して、ガスタービンを高速回転してスケール縮小した場合、ガスタービンと発電機間に減速機を設ける必要があり、減速機損失によりガスタービンプラントの効率低下を招く。
【００１３】
したがって、ガスタービンのリプレースでは、１軸式から２軸式に改造することで、パワータービン側は発電機と同回転数にさせることで減速機を不要とし、ガスジェネレータ側は高速回転によりスケール縮小させることで圧縮機吸込み流量を低減させ、ガスタービン出力を認可出力以下に制限することが可能となる。さらに、ガスジェネレータ側は圧縮機の最適な効率になるように回転数を自由に選定することも可能であり、ガスタービンの高効率化を達成することができる。また、パワータービンと発電機間に減速機を介する必要がないため、減速機損失であるギア損失もなくガスタービンの高効率化が図れる。また、減速機を使用する場合でも、減速比を小さくできるため、コスト低減，効率向上に利点がある。
【００１４】
ただし、１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンにリプレースする場合、一般的には補機を含めたほとんどの設備をリプレースする必要があり、コストやスペース面で不利である。このなかでも特に、潤滑油系統のリプレースにかかるコストは多大である。
【００１５】
そこで潤滑油系統に着目し、１軸式ガスタービンと２軸式ガスタービンの構成の違いについて説明する。
【００１６】
発電用に用いられる１軸式ガスタービンは圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃料を混合して燃焼し、高温高圧の燃焼ガスでタービンを駆動するように構成されている。駆動されたタービンの回転エネルギーは、タービンに結合されている発電機により電気エネルギーに変換される。１軸式ガスタービンロータの両端は、２つのジャーナル軸受によって回転自在に支持される。また、圧縮機側にはスラスト軸受を有する。
【００１７】
一方、２軸ガスタービンは、ガスジェネレータとパワータービンから構成されている。ガスジェネレータは取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、圧縮機と同一軸で連結され、燃焼器からの燃焼ガスによって回転駆動する高圧タービンロータを備えた高圧タービンとから構成される。パワータービンは、発電機や圧縮機やポンプといった負荷機器に連結され、高圧タービンを通過した燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンロータを備えた低圧タービンから構成される。高圧タービンロータは、圧縮機と高圧タービンとの間に設置されたジャーナル軸受と、圧縮機を中心として高圧タービン側と軸方向反対側に設置されたジャーナル軸受とによって回転自在に支持される。低圧タービンロータは、低圧タービンと発電機もしくは負荷機器との間に設置された２つのジャーナル軸受によって回転可能に支持される。これによりガスジェネレータとパワータービンは合計４つのジャーナル軸受によって支持されることになる。また、圧縮機の上流側と、低圧タービンと発電機もしくは負荷機器の間にはスラスト軸受が設けられている。
【００１８】
高出力化と高効率化を目的として、既設の１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンに改造する場合、高圧タービンロータと低圧タービンロータを支持する軸受数が増加する。産業用ガスタービンの軸受は滑り軸受が一般的で、軸受には潤滑油が給排され軸受面を潤滑して軸受メタル温度の上昇を抑制させている。そのため、軸受の潤滑油タンク，潤滑油ポンプ，潤滑油フィルタ，潤滑油給排系統，潤滑油冷却器，潤滑油冷却水系統といった補機設備が必要となる。２軸式ガスタービンへの改造で軸受数の増加に伴って所要の総潤滑油量が増加することに対応して補機設備も増強した場合、補機設備の設置スペースが拡大したり、ガスタービン以外にさらに補機設備の設計開発期間が長くなったり、コストが増大したりすることになる。
【００１９】
一方で、軸受数が倍増したことに対して既設の潤滑油装置の潤滑油量を維持すると、１つの軸受へ供給される潤滑油量が低減する。潤滑油量が低減することで、軸受メタル表面温度および潤滑面の油膜温度が上昇し、軸受パッド面が損傷する可能性がある。また、軸受の温度上昇により、潤滑油の粘性低下やダンピングの低下によりガスタービンの不安定軸振動の増大が懸念される。
【００２０】
また、軸受数の増加に対応して、潤滑油装置も変更した場合、潤滑油タンク，潤滑油ポンプ，フィルタの他、クーリングタワーなどの潤滑油冷却装置といった補機設備の改造により、コスト増大および設置スペースが拡大する可能性がある。ガスタービンのリプレースの場合、機器設備の信頼性，設備コスト，設置スペースを考慮すると、ガスタービン以外の設備は流用することが望ましい。
【００２１】
以下各実施形態を通じ、既設の１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンにリプレースする改造方法に関して説明する。軸受数の増加による各軸受装置に供給される潤滑油量の低減に対応した軸受装置にすることで、ガスタービンの信頼性を保持している。さらに、２軸化することによるプラント出力および効率向上させることができ、なおかつ既設の補機設備を共通化させることで設備コストの低減と設置スペースの拡大を抑制できるガスタービンのリプレースの例である。
【実施例１】
【００２２】
図１に、本実施形態１における２軸式ガスタービン改造後の構成を示す。
【００２３】
２軸式ガスタービンは、大気空気を圧縮し圧縮空気１１を生成する圧縮機１，圧縮空気１１と燃料１２とを混合燃焼させ燃焼ガス１３を生成する燃焼器２，燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン３，高圧タービン３から排出された排出ガス１４により回転駆動する低圧タービン４、そして低圧タービン４に直結された負荷機器５から構成される。圧縮機１のロータと高圧タービン３のロータとは第一の回転軸２１で接続されており、ガスジェネレータ０を形成する。また、低圧タービン４のロータは駆動する負荷機器５と第二の回転軸２２で接続されており、ガスジェネレータで発生したエネルギーにより低圧タービン４を回転駆動するパワータービン００を形成する。ガスジェネレータ０の第一の回転軸２１は、圧縮機１と高圧タービン３の間に設置されたジャーナル軸受３２と、圧縮機１を中心として高圧タービン３側とは軸方向反対側に設置されたジャーナル軸受３１とによって回転自在に支持されている。パワータービン００の第二の回転軸２２は、低圧タービン４と負荷機器５との間に設置された２つのジャーナル軸受３３，３４によって回転可能に支持されている。また、圧縮機１の上流側と低圧タービ４ンと負荷機器５との間にはスラスト軸受４１，４２により軸方向のスラストを受ける構成となっている。
【００２４】
滑り軸受には各軸受へ潤滑油を供給および排出する潤滑油供給系統６１，潤滑油排出系統６２が配設され、その潤滑油給排系統内を潤滑油が循環できるように潤滑油タンク５１との間に設置された潤滑油ポンプ５２、および潤滑油フィルタ５４の補機設備から構成される。また、軸受との摩擦損失により発生した熱エネルギーを冷却するために、潤滑油冷却器５３が形成され、潤滑油冷却系統５５により冷却水が供給される構成になっている。なお、本実施例では、潤滑油タンク５１，潤滑油ポンプ５２，潤滑油フィルタ５４，潤滑油冷却器５３，潤滑油冷却系統５５は既設の１軸式ガスタービンの補機設備を流用している。
【００２５】
次に、ガスタービンの改造時の課題について説明する。例えば、１軸式ガスタービンを有する発電プラントにおいて、ガスタービンの老朽化に対して出力向上と効率向上を目的として、同出力帯の１軸式ガスタービンへリプレースする場合、軸受数や軸受サイズは同等になるため、各軸受へ供給される潤滑油量も既設設備と同等になる。軸受へ供給される潤滑油の潤滑方式も一般的な油浴式（いわゆる油どぶづけ方式）でも、潤滑油タンク５１，潤滑油ポンプ５２，潤滑油フィルタ５４，潤滑油冷却器５３，潤滑油冷却系統５５といった補機設備は既設設備を流用することができる。しかし、１軸式ガスタービンから２軸式ガスタービンへリプレースする場合、軸受数が増加するので、各軸受へ供給される潤滑油量が低減する。潤滑油量が低減すると、軸受メタル表面温度および潤滑面の油膜温度が上昇し、軸受パッド面が損傷する恐れがある。また、軸受の温度上昇により潤滑油の粘性の低下、ダンピング低下によりガスタービンの不安定軸振動の増大が懸念される。そのため、所要の潤滑油量を確保するためには、潤滑油タンクなどの潤滑油系統や潤滑油冷却水系統といった補機設備も改造する必要があり、設計期間，設置工程に長時間を有し、開発コストの増大に繋がる。そして潤滑油量を増加させるために潤滑油タンクや潤滑油冷却水系統を拡大した場合、設置スペースも既設と異なるため大改造になる恐れがある。また、ガスジェネレータ０の高圧タービン３は、高圧タービンロータである第一の回転軸２１を支持する２つのジャーナル軸受３１，３２の燃焼ガス流れ方向下流側に設置される。いわゆるオーバーハング構造となる。そのためジャーナル軸受３２では重量の大きい高圧タービン３の回転を支持する必要がある。このような高圧タービンロータのオーバーハング構造ではジャーナル軸受３２に大きなラジアル荷重がかかるため、軸受面圧が大きくなる。この軸受面圧を適切な面圧まで下げるために軸受サイズを大きくする必要性が生じる。軸受サイズの拡大は、潤滑油量の増大を引き起こす可能性がある。また、ジャーナル軸受３２は圧縮機と高圧タービンの間のガスタービンの高温域に配置される。そのため軸受はガスタービンのケーシングの内部に設置されており、潤滑油給排系統の配管をケーシング内部まで導入して、その内部を潤滑油が供給および排出できるような構造となる。従って、潤滑油給排系統の配管のスペース確保が重要となる。ジャーナル軸受３２付近のケーシングでは周方向に燃焼器缶が配設されており、潤滑油給排系統の配管は燃焼器の外筒およびトランジッションピースのスペースを避けながら、その燃焼器トランジションピース間に導通させる必要があるため、スペースを考慮すると配管径はできる限り小さくすることが望まれる。潤滑油量の増大と配管径の縮小は、潤滑油給排の流速の増大に繋がり、軸受損失の増加および潤滑油の漏洩を招く恐れがある。特にジャーナル軸受３２付近は高温域のため、潤滑油の漏洩による引火の回避は安全性を確保するためには重要となる。
【００２６】
次に、１軸式ガスタービンから２軸式ガスタービンへ改造時の軸受部分の特徴について説明する。図２に本実施形態１における直接潤滑式ジャーナル軸受の一例を、ロータに垂直な平面で切った断面図として簡略的に示す。また、図３に直接潤滑式のティルティングパッド軸受の斜視図として簡略的に示す。直接潤滑式軸受３２は、ティルティングパッド７１に外周面から内周面に貫通するスリット８１を設けた構成である。図示していないが、ティルティングパッド７１の外周面のスリットへは軸受外部から潤滑油供給系統６１により潤滑油が供給できる構造になっている。またティルティングパッド７１の外周面のスリット８１から流れ込んだ潤滑油は、内周面に流れ出て、その潤滑油はガスタービンロータ軸方向に流れて最終的に、潤滑油排出系統６２により回収され、潤滑油タンク５１へ戻される。このように軸受全体を油で充満させている油浴式からパッド面とロータとの液膜を確保できるだけの必要最小限の潤滑油量で回転可能とする直接潤滑式に改造することで、潤滑油量を低減させることが可能である。特に、ジャーナル軸受３２では、高圧タービンロータのオーバーハングによる軸受サイズの拡大、それに伴う潤滑油量の増加、加えて、潤滑油給排系統の配管径の縮小による潤滑油給排の流速の増大を抑制させるため、直接潤滑式を採用することで潤滑油量を低減させ、潤滑油給排の流速を所定流速まで低減させることができる。このジャーナル軸受３２に直接潤滑式を適用する改良は、総潤滑油量を低減させる効果が大きい。
【００２７】
このような１軸式ガスタービンから２軸式ガスタービンへの改造に対して、滑り軸受の潤滑油供給方式を油浴式から直接潤滑式へ改良するには、既設の潤滑油タンク５１の容量によって異なるが、ガスジェネレータ側の高圧タービン側に位置するジャーナル軸受３２を優先して改良することが望ましい。さらに、潤滑油タンク内の潤滑油量に余裕がない場合は、軸受の雰囲気温度が高温である軸受３３，３４，３１の順に改良することが望ましい。潤滑油は軸受面の潤滑と軸受メタルの冷却の効果もあるため、高温雰囲気の軸受から直接潤滑式に改良することが総潤滑油量を低減させる効果が大きいと考えられる。また、潤滑油タンク５１に余裕がある場合には油浴式から改良する必要はない。直接潤滑式の場合、図３に示すように、ティルティングパッド７１にスリット８１などがある。通常、潤滑油は潤滑油フィルタ５４を介することで、潤滑油内の不純物は除去されるが、万一、スケールの大きい不純物がありスリット８１部を閉塞した場合、軸受面へ潤滑油が供給されずに、軸受面の損傷を招く恐れがある。そのため、潤滑油タンク５１の潤滑油量に余裕がある場合には、直接潤滑式へ変更する必要はない。
【００２８】
本実施形態１の直接潤滑式軸受を採用したことによる効果について説明する。１軸式ガスタービンから２軸式ガスタービンへの改造により、軸受数が増加することで各軸受へ供給される潤滑油量の低減に対して、直接潤滑式の滑り軸受にすることで必要最小限かつ適切な油量を確保できるため、摺動特性が良好となり、軸受メタル表面温度および潤滑面の油膜温度の上昇による軸受パッド面の損傷を抑制できる。また、軸受の温度上昇によるガスタービンの不安定軸振動の増大を抑制することが可能であり、ガスタービンの信頼性を維持して備品寿命を確保することができる。さらに、潤滑油タンク，潤滑油ポンプ，潤滑油冷却器，潤滑油フィルタ、そして潤滑油冷却水系統といった補機設備の改造も不要となるため、設置スペースの拡大も抑制できる。そして、補機設備を流用できる場合、改造にかかる設計開発期間を短縮でき、開発コストも低減できる。
【００２９】
さらに、１軸式から２軸式ガスタービンに改造したことで、プラント出力および効率を向上できるため、燃料消費量の低減とＣＯ2削減効果にも寄与できる。また軸受の摩擦損失も低減することで、ガスタービンシステムの熱効率を向上させることができる。
【００３０】
以上説明した本実施例は、圧縮空気に燃料を混合して燃焼し、高温高圧の燃焼ガスでタービンを駆動する、回転軸を複数の軸受で回転可能に支持された１軸式ガスタービンと、潤滑油タンクと潤滑油ポンプと潤滑油冷却器とを有する潤滑油装置と、この潤滑油装置から複数の軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給系統と、複数の軸受から前記潤滑油装置へ潤滑油を回収する潤滑油排出系統とを有するガスタービンプラントを改造したものである。既設の１軸式ガスタービンを、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮した圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成した燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン３と、高圧タービン３から排出されたガスにより回転駆動する低圧タービン４とを有し、複数の軸受で回転可能に支持された２軸式ガスタービンにリプレースし、潤滑油タンクや潤滑油ポンプなどの潤滑油装置の少なくとも一部に既設の１軸式ガスタービンで用いていたものを利用して２軸式ガスタービンの軸受に潤滑油を供給するように構成している。
【００３１】
このように構成することで、新規な潤滑油装置を設計，製造，設置する際に必要な時間や労力，スペースを節約できるため、低コスト省スペースで信頼性の高いガスタービンプラントを得ることができる。また、１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンにリプレースしているため、プラント効率を既設のものより高めることができる。
【００３２】
潤滑油装置の少なくとも一部に既設の１軸式ガスタービンで用いていたものを利用するためには、２軸式ガスタービンの軸受の少なくとも一部に、既設の１軸式ガスタービンよりも必要潤滑油量が少ない軸受を利用すればよい。本実施例では、必要潤滑油量が少ない軸受として、既設の１軸式ガスタービンで用いていた油浴式軸受に替えて、直接潤滑式の軸受を利用している。後述する水軸受や磁気軸受については潤滑油が不要であり、これらは直接潤滑式の軸受よりさらに必要潤滑油量が少ない軸受といえる。リプレース後の２軸式ガスタービンにこのような軸受を利用することで、２軸式ガスタービンに既存の１軸式ガスタービンの潤滑油装置を流用することができる。
【００３３】
また、本実施形態の２軸式ガスタービンは、圧縮機１の上流側に位置する第１のジャーナル軸受３１と、圧縮機１と高圧タービン３の間に位置する第２のジャーナル軸受３２とを有している。上流とは、軸方向において作動流体の流れ方向の上流を意味する。この２軸式ガスタービンにおいて、少なくとも第２のジャーナル軸受３２として直接潤滑軸受などの必要潤滑油量が少ない軸受を利用するのが望ましい。ジャーナル軸受３２は軸受面圧が大きい上に高温域に設置されるため、必要潤滑油量が多いためである。
【００３４】
本実施形態の２軸式ガスタービンはさらに、低圧タービン４の下流に位置する第３のジャーナル軸受３３と、第３のジャーナル軸受３３の下流に位置する第４のジャーナル軸受３４とを有している。下流とは、軸方向において作動流体の流れ方向の下流を意味する。この２軸式ガスタービンにおいて、潤滑油タンク５１の容量に応じ、第２のジャーナル軸受３２，第３のジャーナル軸受３３，第４のジャーナル軸受３４，第１のジャーナル軸受３１の優先順で、必要潤滑油量が少ない軸受を適用するのが望ましい。すなわち、第２のジャーナル軸受３２の変更のみでは必要潤滑油量を確保できない場合には、第３のジャーナル軸受３３も必要潤滑油量が少ない軸受とし、それでも確保できない場合には第４のジャーナル軸受３４も潤滑油量が少ない軸受とすればよい。このようにすれば、総潤滑油量を低減させる効果が大きい順に軸受の変更を検討することができ、効率的な設計が可能になる。
【実施例２】
【００３５】
図４に、本実施形態２における２軸式ガスタービン改造後の構成の一例を示す。
【００３６】
図４において、図１の実施形態と異なる点は、ガスジェネレータ０およびパワータービン００のスラスト軸受４１，４２にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂のパッドを導入していることである。通常、産業用ガスタービンの軸受パッドにはホワイトメタルが使用されているが、ＰＥＥＫ樹脂を採用したパッドはホワイトメタルよりも摺動特性が良好である。そのため潤滑油タンク５１から潤滑油ポンプ５２によりスラスト軸受４１，４２へ供給される潤滑油の供給系統および排出系統を簡易化している（図４では潤滑油給排系統を省略することで簡易化を示している。）。
【００３７】
１軸式ガスタービンから２軸式ガスタービンへの改造に伴う軸受数の増加に対して、ガスタービン本体の一部であるスラスト軸受の仕様を変更することで、他のジャーナル軸受へ供給される潤滑油量を適切に設定することが可能であり、軸受およびガスタービンの信頼性を確保することができる。また、潤滑油の補機設備も流用可能となるため、設置スペースの拡大やコスト増大を抑制することができる。さらに、ＰＥＥＫ樹脂を採用した軸受への潤滑油給排系統が簡易化できるため、配管を引き回す複雑さが軽減される。また、ＰＥＥＫ樹脂は磨耗発生が少ないため、保守作業および保守費用の軽減にも期待できる。
【００３８】
なお、本発明の実施形態ではスラスト軸受のパッドにＰＥＥＫ樹脂を採用したが、他のジャーナル軸受に対しても適用可能である。また、ＰＥＥＫ樹脂以外の樹脂製の部材を利用しても良い。
【実施例３】
【００３９】
図５に、本実施形態３における２軸式ガスタービン改造後の構成の一例を示す。
【００４０】
図５において、図１の実施形態と異なる点は、ガスジェネレータ０の圧縮機の上流側のジャーナル軸受３１およびスラスト軸受４１，パワータービン００の負荷機器側のジャーナル軸受３４およびスラスト軸受４２の軸受潤滑材を水、つまり軸受に水軸受を適用していることである。
【００４１】
次に、水軸受への潤滑水の供給および排出系統について説明する。外部の潤滑水タンク５６から潤滑水ポンプ５７により圧縮機上流側のジャーナル軸受３１およびスラスト軸受４１、そしてパワータービン側のジャーナル軸受３４およびスラスト軸受４２へ潤滑水供給系統６３を介して潤滑水が供給される。供給された潤滑水は、軸受付近で潤滑剤としての機能を果たしながら摩擦熱を吸収し、潤滑水排出系統６４を通って、潤滑水タンク５６へ回収される。もしくは、外部へ排水される場合もある。本実施例では潤滑水は常温水を利用しており、潤滑水には潤滑水タンク内や配管系統内の異物などが混入する可能性があり、軸受のパッド面の損傷を回避するためにも軸受に供給する前に潤滑水フィルタを介して異物を除去することが望ましい。
【００４２】
また、潤滑剤に水を適用する場合には、軸受周りの雰囲気温度は高温を避けることが望ましい。仮に、圧縮機と高圧タービン間のジャーナル軸受に水軸受を適用した場合、ジャーナル軸受は、約２００℃〜６００℃程度の高温にさらされるため、軸受に供給された潤滑水が局所的に飽和温度１００℃を超える可能性がある。軸受内部で潤滑水の一部が飽和温度を超えると、潤滑水が蒸発しようとして気泡が発生する可能性がある。軸受面で気泡が発生すると、軸受パッド面とロータとの潤滑水の液膜に切れ目が生じて摩擦損失が増大する。また、パッド面とロータの金属面同士が直接接触して、軸受パッドが損傷し、更には、ガスタービンの不安定振動を引き起こす可能性がある。このように、潤滑水の温度が飽和温度以上になる場合は、軸受部の信頼性が低下する。
【００４３】
１軸式ガスタービンから２軸式ガスタービンへの改造に伴い軸受数が増加することに対して、低温雰囲気の軸受に水軸受を適用したことにより、他の軸受へ供給される潤滑油量を適切に設定することが可能であり、軸受およびガスタービンの信頼性を確保することができる。また、潤滑油の補機設備も流用可能となるため、設置スペースの拡大やコスト増大を抑制させることができる。潤滑油給排系統と潤滑水給排系統の配管が複雑化する可能性があるが、潤滑材に油ではなく水を用いているので、軸受部や配管からの潤滑水が漏洩しても引火する危険性がない。そのため、安全性を維持することができる。
【００４４】
なお、本発明の実施形態では、圧縮機の上流側の軸受およびパワータービンの負荷機器側の軸受に水軸受を適用しているが、この限りではなく、軸受の冷却方法によって他の軸受構成にも適用可能である。
【実施例４】
【００４５】
図６に、本実施形態４における２軸式ガスタービン改造後の構成の一例を示す。
【００４６】
図６において、図１の実施形態と異なる点は、パワータービン側のジャーナル軸受３３，３４およびスラスト軸受４２に磁気軸受を適用したことである。磁気軸受とは軸受に電磁石を用いて、電磁石が発生させる電磁力によりロータを浮上させて回転支持する軸受である。パワータービン００が高速回転時には、変位センサによりロータ位置を検出して電磁石に必要な電磁力を誘起させてロータ位置を制御する。そのため、軸受面とロータ間の潤滑剤は不要であり、パワータービンの軸受には潤滑油を供給する必要性もなく、潤滑油給排系統を配設する必要がなくなる。
【００４７】
１軸式ガスタービンから２軸式ガスタービンへの改造に伴い軸受数が増加することに対して、滑り軸受の代わりに磁気軸受を適用するので、他の滑り軸受へ供給される潤滑油量を適切に設定することが可能となり、軸受およびガスタービンの信頼性を確保することができる。また、潤滑油給排系統の配管の引き回しが不要となるため、設備のコンパクト化を実現でき、保守作業の軽減も可能となる。さらに、滑り軸受と異なり、磁気軸受では軸受パッド面とロータ間に潤滑材がなく摩擦損失が発生しない。そのため軸受の磨耗や騒音の発生が小さく高速回転が可能であり、長寿命化も期待できる。軸受の摩擦損失が軽減できるためガスタービンシステムの効率向上および出力向上に寄与できる。
【００４８】
なお、本発明の実施形態では、パワータービンの軸受に磁気軸受を適用しているが、この限りではなく、他の軸受構成にも適用可能である。しかし、一般的に磁気軸受の耐熱温度は１５０℃程度であるため、高温部で磁気軸受を用いて温度制限値を越える場合には、軸受部を冷却して温度制限値以下で適用することが望ましい。
【実施例５】
【００４９】
図７に、本実施形態５における２軸式ガスタービン改造後の構成の一例を示す。
【００５０】
図７において、図１の実施形態と異なる点は、別置の潤滑油タンク５８，潤滑油ポンプ５９，潤滑油量調整機構６０および潤滑油給排系統を設置したことである。通常の産業用ガスタービンでは軸受メタル温度を計測しており、所定温度以下になるように、潤滑油供給配管に設置されたオリフィスなどで流量調整されている。本実施例では、各軸受メタル温度を監視して、ある所定温度以上になる場合、別置の潤滑油タンク５８から潤滑油ポンプ５９下流に設置された、絞り弁などの潤滑油量調整機構６０を用いて潤滑油を潤滑油供給系統６１へ導入して、軸受メタル温度が所定温度以下になるように制御される。軸受へ供給された潤滑油は、軸受パッド面の潤滑および冷却を行い、潤滑油排出系統６２を通って既設の潤滑油タンク５１へ回収される。既設の潤滑油タンク５１内の潤滑油が一定量以上になると、既設の潤滑油タンク５１と別置の潤滑油タンク５８に連通する潤滑油排出系統を通って、潤滑油が別置の潤滑油タンク５８へ導入される。
【００５１】
これにより、１軸式ガスタービンから２軸式ガスタービンへの改造に伴い軸受数が増加することに対して、軸受メタル温度を監視しながら軸受へ供給される潤滑油量を調整することが可能であり、軸受およびガスタービンの信頼性を確保することができる。
【００５２】
なお、上述した実施形態では、１つの別置の潤滑油タンクおよび潤滑油量調整機構で各軸受へ供給される潤滑油すべてを調整する構成となっているが、これに限定されるものではなく、例えば、各軸受へ供給される潤滑油供給系統にそれぞれ潤滑油量調整機構を設けることで、各軸受メタル温度を監視しながら個別に潤滑油量を調整できる機構でも可能である。
【００５３】
以上説明した各実施形態によれば、既設の１軸式ガスタービンを２軸式ガスタービンにリプレースする改造方法において、軸受数の増加による各軸受装置へ供給される潤滑油量が低減しても、軸受の温度上昇による軸受面の損傷およびガスタービンロータの不安定振動を抑制でき、ガスタービンの信頼性を高め、備品寿命を確保することができる。
【００５４】
また、ガスタービンを１軸式から２軸式へ改造することで、プラント出力および効率向上させることができる。さらに、潤滑油装置や潤滑油タンク，ポンプおよび潤滑油の冷却系統といった、既設の補機設備を共通化できることで、設備コストを低減できる。加えて、その補機設備を共有化できることで、改造に要する設計期間，製作期間を大幅に短縮することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
高効率ガスタービンとして発電に利用できるほか、熱と電力を併給可能なコジェネレーションシステムとしても適用可能である。
【符号の説明】
【００５６】
０  ガスジェネレータ
００  パワータービン
１  圧縮機
２  燃焼器
３  高圧タービン
４  低圧タービン
５  負荷機器
２１  第一の回転軸
２２  第二の回転軸
３１〜３４  軸受
４１，４２  スラスト軸受
５１  潤滑油タンク
５２  潤滑油ポンプ
５３  潤滑油冷却器
５４  潤滑油フィルタ
５５  潤滑油冷却系統
５６  潤滑水タンク
５７  潤滑水ポンプ
５８  別置の潤滑油タンク
５９  別置の潤滑油ポンプ
６０  潤滑油量調整機構
６１  潤滑油供給系統
６２  潤滑油排出系統
７１  ティルティングパッド
８１  スリット
【図１】
2011140899.tif 000003
【図２】
2011140899.tif 000004
【図３】
2011140899.tif 000005
【図４】
2011140899.tif 000006
【図５】
2011140899.tif 000007
【図６】
2011140899.tif 000008
【図７】
2011140899.tif 000009