(57)【要約】【課題】ガスタービン発電機の小型化に適した技術を提供する。【解決手段】ガスタービンロータ５０は、第１ロータ１０と、第２ロータ２０と、を備えている。第１ロータ１０は、コンプレッサインペラ１１と、タービンホイール１２と、主軸１３と、を含んでいる。タービンホイール１２は、コンプレッサインペラ１１と共通の回転軸５０ｘを有している。主軸１３は、コンプレッサインペラ１１とタービンホイール１２とを連結している。第２ロータ２０は、発電機ロータである。主軸１３の一部が、第２ロータ２０の中空部分２０ｈに挿入されている。【選択図】図１
2019019751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラと共通の回転軸を有するタービンホイールと、前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとを連結する主軸と、を含む第１ロータと、
発電機ロータである第２ロータと、を備えたガスタービンロータであって、
前記主軸の一部が前記第２ロータの中空部分に挿入されている、ガスタービンロータ。
【請求項２】
前記共通の回転軸が延びる方向を軸方向と定義したとき、前記主軸は、前記軸方向の一方に向かって広がるテーパ面を有し、
前記第２ロータは、前記中空部分に露出した漏斗面であって前記軸方向の前記一方に向かって広がる漏斗面を有し、
前記テーパ面と前記漏斗面とが勘合している、請求項１に記載のガスタービンロータ。
【請求項３】
前記ガスタービンロータは、ナットと、座金と、を備え、
前記共通の回転軸が延びる方向を軸方向と定義したとき、前記座金は、前記軸方向に弾性変形するばね構造を有し、
前記第２ロータは、前記中空部分に露出した支持面であって前記軸方向に交差する方向に広がる支持面を有し、
前記主軸は、ねじ部と、ねじ穴と、有し、
前記ねじ部は、前記ナット及び座金をこの順に通り、その後、前記ねじ穴に前記軸方向の一方に向かって挿入されており、
前記座金は、前記支持面によって支持されているとともに前記軸方向に縮まった状態で、前記ナットに対して前記軸方向の他方に向かって圧力を加えている、請求項１又は２に記載のガスタービンロータ。
【請求項４】
前記第２ロータは、前記中空部分を取り囲むスリーブと、前記スリーブを取り囲む外筒と、を有し、
前記スリーブは、前記外筒の外側にはみ出した部分を含み、
前記はみ出した部分は、前記コンプレッサインペラに接している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンロータ。
【請求項５】
前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとの間には第１の隙間があり、
前記共通の回転軸が延びる方向を軸方向と定義し、前記軸方向に直交する方向を径方向と定義したとき、前記第１の隙間は、前記径方向の外周端を含み、
前記外周端の前記軸方向の長さは、前記コンプレッサインペラの直径の２５％以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスタービンロータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスタービンロータを備えたガスタービン発電機であって、
前記共通の回転軸が延びる方向を軸方向と定義し、前記軸方向に直交する方向を径方向と定義したとき、前記径方向から前記第２ロータを支持する少なくとも１つの軸受を備えた、ガスタービン発電機。
【請求項７】
前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとの間には第１の隙間があり、
前記第１の隙間は、前記径方向の外周端を有し、
前記少なくとも１つの軸受のうち前記軸方向の長さが最も短い軸受を基準軸受と定義したとき、前記外周端の前記軸方向の長さは、前記基準軸受の前記軸方向の長さよりも短い、請求項６に記載のガスタービン発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガスタービンロータ及びガスタービン発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電機について、種々の検討がなされている。特許文献１には、図６に示す永久磁石ターボジェネレータ２１０が記載されている。永久磁石ターボジェネレータ２１０は、ガスタービン発電機の一例である。
【０００３】
永久磁石ターボジェネレータ２１０は、コンプレッサインペラ２３２と、タービンホイール２３３とを有している。図７に示すように、これらのハブと軸受ロータ２３６とが組み合わされることによって、パワーヘッドシャフト２３５が構成されている。軸受ロータ２３６は、ジャーナル軸受２３８により回転可能に支持されている。
【０００４】
永久磁石ターボジェネレータ２１０は、永久磁石スリーブ２１６と、永久磁石２１７と、を有している。これらが組み合わされることによって、永久磁石シャフト２２８が構成されている。
【０００５】
パワーヘッドシャフト２３５は、フレキシブルディスクシャフト２４０の連結ロッド２４３上に装着されている。永久磁石シャフト２２８は、フレキシブルディスクシャフト２４０のカップ状のフレキシブルディスク部材２４７に嵌着されている。こうして、パワーヘッドシャフト２３５と、フレキシブルディスクシャフト２４０と、永久磁石シャフト２２８と、が組み合わされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３３４１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術は、ガスタービン発電機の小型化には適していない。本開示は、ガスタービン発電機の小型化に適した技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、
コンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラと共通の回転軸を有するタービンホイールと、前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとを連結する主軸と、を含む第１ロータと、
発電機ロータである第２ロータと、を備えたガスタービンロータであって、
前記主軸の一部が前記第２ロータの中空部分に挿入されている、ガスタービンロータを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示に係る技術は、ガスタービンロータを短くするのに適している。このため、この技術は、小型のガスタービン発電機の実現に適している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係るガスタービンロータの構成図
【図２】実施の形態に係る第１ロータの構成図
【図３】実施の形態に係る第１ロータの部分拡大図
【図４】実施の形態に係る第２ロータの構成図
【図５】実施の形態に係るガスタービン発電機の構成図
【図６】特許文献１の永久磁石ターボジェネレータを説明するための図
【図７】特許文献１の永久磁石ターボジェネレータを説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明者らによる知見）
特許文献１の永久磁石ターボジェネレータ２１０では、パワーヘッドシャフト２３５と、フレキシブルディスクシャフト２４０と、永久磁石シャフト２２８とが、組み合わされている。以下では、この組み合わせを、組み合わせシャフトと称することがある。パワーヘッドシャフト２３５は、ガスジェネレータ側のロータとして機能する。永久磁石シャフト２２８は、発電機側のロータとして機能する。フレキシブルディスクシャフト２４０は、軸継手として機能する。本発明者らの検討によれば、フレキシブルディスクシャフト２４０の可撓性は、組み合わせシャフトが採り得る回転数の範囲を広げ、永久磁石ターボジェネレータ２１０の動作範囲を広げている。
【００１２】
具体的には、この可撓性は、組み合わせシャフトの曲げ共振固有値を高くし、組み合わせシャフトの採り得る回転数の上限を高めている。なお、曲げ共振固有値は、特許文献１では、たわみ臨界共振振動数又はたわみ臨界速度等と呼ばれている。曲げ共振固有値は、曲げ共振周波数と呼ばれることもある。
【００１３】
より具体的には、フレキシブルディスクシャフト２４０のフレキシブルディスク部材２４７は、フレキシブルディスク２４６を有している。特許文献１には、フレキシブルディスクがテーパ状の厚みをもつようにしてもよいと記載されている。テーパ状の厚みは、フレキシブルディスクにダイアフラムの機能をもたらす。この機能は、組み合わせシャフトの曲げ共振固有値を高くする。
【００１４】
パワーヘッドシャフト２３５の軸受ロータ２３６は、ジャーナル軸受２３８によって支持されている。特許文献１には、ジャーナル軸受２３８として気体軸受を利用することが記載されている。気体軸受は、小さい機械損失でロータを支持する。
【００１５】
しかしながら、油を用いた軸受を利用する場合に比べ、気体軸受を利用する場合には、組み合わせシャフトの回転数が曲げ共振固有値から離れていっても、該シャフトの振動が小さくなり難い。油に比べ、気体は、振動を減衰させ難いためである。振動は、組み合わせシャフトの回転を不安定にし、ガスタービン発電機の動作を不安定にする。このため、油を用いた軸受を利用する場合に比べ、気体軸受を利用する場合には、回転数と曲げ共振固有値との間のマージンをより大きくする必要がある。この点、上述のように、フレキシブルディスクシャフト２４０を用いれば、曲げ共振固有値を高めることができる。このように、フレキシブルディスクシャフト２４０は、気体軸受の利用を容易としている。
【００１６】
逆に、ジャーナル軸受２３８は、フレキシブルディスクシャフト２４０の利用を可能としている。具体的には、ジャーナル軸受２３８は、フレキシブルディスクシャフト２４０の可撓性が原因で、フレキシブルディスクシャフト２４０及びパワーヘッドシャフト２３５が垂れることを防止している。
【００１７】
しかしながら、ジャーナル軸受２３８は、パワーヘッドシャフト２３５を長くする。パワーヘッドシャフト２３５が長くなれば、組み合わせシャフトも長くなり易い。従って、ジャーナル軸受２３８の利用は、ガスタービン発電機の小型化の観点からは不利である。
【００１８】
ところで、ガスタービン発電機の一例には、マイクロガスタービンが含まれる。マイクロガスタービンは、小出力のガスタービン発電機である。マイクロガスタービンの出力は、例えば、１００ｋＷ未満である。一般的なマイクロガスタービンでは、ガスジェネレータ側のロータと発電機側のロータとを、減速機等を介さずに、軸継手を用いて直接連結する。そして、両ロータを同一回転数で駆動する。このようにすれば、マイクロガスタービンの全体寸法をある程度小型化させることができる。
【００１９】
近年、主として商品性の観点から、マイクロガスタービンの全体寸法を小さくしたいという要望が高まっている。全体寸法を小さくする観点からは、油を用いた軸受を利用するよりも、気体軸受を利用することが有利である。油を用いた軸受の利用は、潤滑系補機の大型化を招き易いためである。しかしながら、気体軸受を利用する場合には、振動抑制のために、回転数と曲げ共振固有値との間のマージンを大きくする必要性が高まる。
【００２０】
本発明者らは、全体寸法を小さくするという条件の下で、振動を抑制してマイクロガスタービンの動作安定性しつつ、マイクロガスタービンを効率よく運転することを検討した。振動を抑制する観点からは、上記マージンを大きくするために、ロータの回転数を低くしたほうがよいということになる。一方で、ガスタービン発電機には、その出力を小さくすると高効率に動作するための回転数が高くなるという傾向がある。このため、マイクロガスタービンの効率を高める観点からは、ロータの回転数を高くしたほうがよいということになる。マイクロガスタービンには、回転数に関するこのような相反する要求がある。効率の要求を考慮すると、マイクロガスタービンの動作安定性と運転効率の両立には、上記マージンを、回転数を下げることではなく曲げ共振固有値を高めることにより確保することが望ましい。
【００２１】
特許文献１のフレキシブルディスクシャフト２４０は、曲げ共振固有値を高めることができる。しかしながら、フレキシブルディスクシャフト２４０を用いる場合には、シャフト２４０の垂れを防止するために、ジャーナル軸受２３８を用いる必要がある。マイクロガスタービンの小型化のためには、ジャーナル軸受２３８を省略することが望ましい。しかしながら、ジャーナル軸受２３８を省略すると、フレキシブルディスクシャフト２４０が垂れてしまう。このため、この省略を行う場合には、フレキシブルディスクシャフト２４０を省略する必要も生じる。また、フレキシブルディスクシャフト２４０に頼らずに高い曲げ共振固有値を確保する工夫が必要となる。
【００２２】
本発明者らは、ガスジェネレータ側のロータと発電機側のロータとの連結の仕方を工夫することによって、高い曲げ共振固有値を確保しつつガスジェネレータ側のロータを支える軸受を省略することを検討した。
【００２３】
本開示の第１態様は、
コンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラと共通の回転軸を有するタービンホイールと、前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとを連結する主軸と、を含む第１ロータと、
発電機ロータである第２ロータと、を備えたガスタービンロータであって、
前記主軸の一部が前記第２ロータの中空部分に挿入されている、ガスタービンロータを提供する。
【００２４】
第１態様によれば、第１ロータは軸受で支持される必要がないため、該ロータを短くし易い。しかも、第１態様の挿入構造によれば、第１ロータと第２ロータを接続する軸継手が不要となる。このため、第１態様は、ガスタービンロータを短くすることに適している。また、第１態様のガスタービンロータをガスタービン発電機に用いることにより、小型のガスタービン発電機を実現することができる。
【００２５】
さらに、第１態様によれば、ガスタービンロータの短さにより、ガスタービンロータの高い曲げ共振固有値を確保することができる。
【００２６】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記共通の回転軸が延びる方向を軸方向と定義したとき、前記主軸は、前記軸方向の一方に向かって広がるテーパ面を有し、
前記第２ロータは、前記中空部分に露出した漏斗面であって前記軸方向の前記一方に向かって広がる漏斗面を有し、
前記テーパ面と前記漏斗面とが勘合している、ガスタービンロータを提供する。
【００２７】
第２態様によれば、第１ロータの軸受がなくても、第１ロータの軸芯と第２ロータの軸芯とを高い精度で合致させることができる。そして、第１ロータの軸受がなくても、回転時の両ロータ間のがたつきを抑制することができる。このことは、ガスタービンロータの振動及び騒音を抑制する観点から有利である。
【００２８】
本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加え、
前記ガスタービンロータは、ナットと、座金と、を備え、
前記共通の回転軸が延びる方向を軸方向と定義したとき、前記座金は、前記軸方向に弾性変形するばね構造を有し、
前記第２ロータは、前記中空部分に露出した支持面であって前記軸方向に交差する方向に広がる支持面を有し、
前記主軸は、ねじ部と、ねじ穴と、有し、
前記ねじ部は、前記ナット及び座金をこの順に通り、その後、前記ねじ穴に前記軸方向の一方に向かって挿入されており、
前記座金は、前記支持面によって支持されているとともに前記軸方向に縮まった状態で、前記ナットに対して前記軸方向の他方に向かって圧力を加えている、ガスタービンロータを提供する。
【００２９】
第３態様の座金は、第１ロータを、軸方向について適切な位置に保持することを容易にする。
【００３０】
第１ロータ及び／又は第２ロータは、熱膨張等により軸方向に伸長することがある。しかしながら、第３態様のように座金からナットに圧力を加えれば、第１ロータ及び／又は第２ロータの伸長によりナットが緩んでガスタービンロータの回転が不安定となることを防止することができる。このガスタービンロータをガスタービン発電機に用いると、ガスタービン発電機の安定運転が容易となる。
【００３１】
本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか一つに加え、
前記第２ロータは、前記中空部分を取り囲むスリーブと、前記スリーブを取り囲む外筒と、を有し、
前記スリーブは、前記外筒の外側にはみ出した部分を含み、
前記はみ出した部分は、前記コンプレッサインペラに接している、ガスタービンロータを提供する。
【００３２】
第４態様のスリーブのはみ出した部分は、コンプレッサインペラに接している。このようにすれば、コンプレッサインペラの位置決めを容易に行うことができる。また、このような位置決めは、ねじ又は継手等の別部材を必要としない。このことは、ガスタービンロータを短くする観点から有利である。
【００３３】
本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか一つに加え、
前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとの間には第１の隙間があり、
前記共通の回転軸が延びる方向を軸方向と定義し、前記軸方向に直交する方向を径方向と定義したとき、前記第１の隙間は、前記径方向の外周端を含み、
前記外周端の前記軸方向の長さは、前記コンプレッサインペラの直径の２５％以下である、ガスタービンロータを提供する。
【００３４】
第１の隙間が第５態様で規定している程度に小さければ、ガスタービンロータを短くすることが容易となる。
【００３５】
本開示の第６態様は、
第１態様〜第５態様のいずれか一つのガスタービンロータを備えたガスタービン発電機であって、
前記共通の回転軸が延びる方向を軸方向と定義し、前記軸方向に直交する方向を径方向と定義したとき、前記径方向から前記第２ロータを支持する少なくとも１つの軸受を備えた、ガスタービン発電機を提供する。
【００３６】
第６態様によれば、第１態様と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
本開示の第７態様は、第６態様に加え、
前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとの間には第１の隙間があり、
前記第１の隙間は、前記径方向の外周端を有し、
前記少なくとも１つの軸受のうち前記軸方向の長さが最も短い軸受を基準軸受と定義したとき、前記外周端の前記軸方向の長さは、前記基準軸受の前記軸方向の長さよりも短い、ガスタービン発電機を提供する。
【００３８】
第１の隙間が第７態様で規定している程度に小さければ、ガスタービン発電機を小型にすることが容易となる。
【００３９】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されない。
【００４０】
図１に示すガスタービンロータ５０は、ガスタービン発電機のロータとして利用可能である。ガスタービンロータ５０は、第１ロータ１０及び第２ロータ２０を有している。これらのロータ１０及び２０は、互いに連結されている。また、ガスタービンロータ５０は、ナット４０及び座金３０も有している。
【００４１】
第１ロータ１０は、ガスジェネレータ側のロータである。第１ロータ１０は、ガスジェネロータと呼ばれることがあるロータである。第１ロータ１０は、コンプレッサインペラ１１と、タービンホイール１２と、主軸１３と、を有している。コンプレッサインペラ１１は、遠心圧縮機のインペラであり、遠心圧縮機インペラと称することができる。タービンホイール１２は、ラジアルタービンのホイールであり、ラジアルタービンホイールと称することができる。コンプレッサインペラ１１及びタービンホイール１２は、それぞれ、複数のブレードを有している。コンプレッサインペラ１１及びタービンホイール１２は、共通の回転軸５０ｘを有している。主軸１３は、コンプレッサインペラ１１及びタービンホイール１２を連結している。
【００４２】
以下では、共通の回転軸５０ｘが延びる方向を、軸方向９２と称することがある。軸方向９２の一方を、第１方向９３と称することがある。軸方向９２の他方を、第２方向９４と称することがある。軸方向９２に直交する方向を、径方向９１と称することがある。
【００４３】
コンプレッサインペラ１１は、作動流体を圧縮させる。タービンホイール１２は、作動流体を膨張させるとともに作動流体から回転力を得る。主軸１３は、この回転力をコンプレッサインペラ１１に伝達させる。
【００４４】
主軸１３は、ガスジェネレータ軸と呼ばれることがある軸である。本実施の形態では、主軸１３は、単一部材であり、単一材料により構成されている。また、タービンホイール１２は、主軸１３と一体の構造を有している。これらは、同一材料で構成されている。主軸１３は、タービンホイール１２からみてコンプレッサインペラ１１とは反対側から延びている。主軸１３は、コンプレッサインペラ１１のハブ孔を通過している。
【００４５】
図２に示すように、本実施の形態では、主軸１３は、ストレート部１３ｂと、テーパ部１３ａと、基部１３ｘと、含んでいる。ストレート部１３ｂは、円柱形状を有している。ストレート部１３ｂは、ストレート面１３ｑを有している。ストレート面１３ｑは、共通の回転軸５０ｘからの距離が一定である面である。テーパ部１３ａは、テーパ面１３ｐを有している。テーパ面１３ｐは、第１方向９３に向かって広がる面である。基部１３ｘは、ストレート部１３ｂよりも大径の円柱形状を有している。また、本実施の形態では、主軸１３は、ねじ部１３ｃと、ねじ穴１３ｖと、を有している。以下では、テーパ部１３ａを、テーパ軸１３ａと称することがある。
【００４６】
第２ロータ２０は、第１ロータ１０とともに回転する。本実施の形態では、共通の回転軸５０ｘは、第２ロータ２０の回転軸でもある。第２ロータ２０は、自身の回転により、ガスタービン発電機のステータと協働して発電を行う。
【００４７】
第２ロータ２０は、発電機ロータである。第２ロータ２０は、中空部分２０ｈを有している。本実施の形態では、第２ロータ２０は、円筒状の形状を有している。
【００４８】
図４に示すように、本実施の形態では、第２ロータ２０は、ストレート面２０ｑと、漏斗面２０ｐと、支持面２０ｒとを有している。これらの面２０ｑ、２０ｐ及び２０ｒは、中空部分２０ｈに露出している。中空部分２０ｈは、ストレート孔２０ｂと、テーパ孔２０ａとを含んでいる。ストレート面２０ｑは、共通の回転軸５０ｘからの距離が一定である面である。ストレート面２０ｑは、ストレート孔２０ｂを規定している。漏斗面２０ｐは、第１方向９３に向かって広がる面である。漏斗面２０ｐは、テーパ孔２０ａを規定している。支持面２０ｒは、軸方向９２に交差する方向に広がる面である。具体的には、支持面２０ｒは、径方向９１に広がる面である。
【００４９】
本実施の形態では、第２ロータ２０は、表面磁石（Surface Permanent Magnet）型の発電機ロータである。第２ロータ２０は、スリーブ２３と、外筒２２と、永久磁石２４と、を有している。外筒２２は、スリーブ２３を取り囲んでいる。スリーブ２３は、中空部分２０ｈを取り囲んでいる。永久磁石２４は、スリーブ２３によって固定されている。具体的には、永久磁石２４は、スリーブ２３内に埋め込まれている。本実施の形態では、外筒２２は、複数の部分によって構成されている。ただし、外筒２２は、単一部材であってもよい。
【００５０】
本実施の形態では、スリーブ２３は、上述のストレート面２０ｑ、漏斗面２０ｐ及び支持面２０ｒを有している。
【００５１】
図１に戻って、座金３０は、軸方向９２に弾性変形するばね構造を有している。座金３０は、例えば、ＪＩＳ（日本工業規格）  Ｂ  １２５１：２００１で規定されている皿ばね座金である。ナット４０は、具体的には、軸端ナットである。
【００５２】
第２ロータ２０の中空部分２０ｈに、主軸１３の一部が挿入されている。具体的には、テーパ面１３ｐと漏斗面２０ｐとが勘合した状態で、ストレート面１３ｑ及びストレート面２０ｑが互いに沿わされている。ねじ部１３ｃは、ナット４０及び座金３０を介してねじ穴１３ｖに螺合されている。座金３０は、支持面２０ｒによって支持された状態で、ナット４０を第２方向９４に押圧している。このようにして、第１ロータ１０及び第２ロータ２０は互いに連結されている。
【００５３】
上述のように、主軸１３の一部は、第２ロータ２０の中空部分２０ｈに挿入されている。これにより、種々の利点がもたらされる。
【００５４】
具体的には、この挿入構造によれば、第１ロータ１０と第２ロータ２０とをしっかりと連結することができる。このため、第１ロータ１０を支持する軸受がなくても、第１ロータ１０が垂れ難い。このため、軸受をなくすことができ、軸受がない分第１ロータ１０を短くすることができる。しかも、この挿入構造によれば、第１ロータ１０と第２ロータ２０を接続する軸継手が不要となる。このため、ガスタービンロータ５０を短くすることができる。また、ガスタービンロータ５０を用いたガスタービン発電機は、小型化し易い。
【００５５】
また、ガスタービンロータ５０の短さにより、高い曲げ共振固有値を確保することができ、該ロータ５０の回転数の上限を高くすることができる。このガスタービンロータ５０をガスタービン発電機に用いれば、発電機の広範な動作範囲が確保される。
【００５６】
ガスタービンロータ５０の回転数の上限を高めることができることは、種々の観点から有利である。例えば、この上限を高めると、コンプレッサインペラ１１及びタービンホイール１２の径を小さくし、これらの空力要素の効率を向上させることができる。
【００５７】
また、軸継手及び第１ロータ１０を支持する軸受を省略できるため、ガスタービンロータ５０を用いたガスタービン発電機の製作費用を低廉にすることができる。
【００５８】
ガスタービン発電機の仕様又は使用環境等にもよるが、軸受は比較的損傷し易い部品である。軸受の省略は、ガスタービン発電機の信頼性を向上させる。
【００５９】
上述のように、本実施の形態では、主軸１３は、軸方向９２の一方に向かって広がるテーパ面１３ｐを有している。第２ロータ２０は、中空部分２０ｈに露出した漏斗面２０ｐであって軸方向９２の一方に向かって広がる漏斗面２０ｐを有している。テーパ面１３ｐと漏斗面２０ｐとが勘合している。
【００６０】
あるロータの円筒部の内周面に別のロータの円柱部の外周面を嵌合させるとする。この場合、一方のロータの軸受がない状態で回転時の両ロータ間のがたつきを抑制するには、当該軸受がなくても両ロータの軸芯が高い精度で合致するようにする必要である。具体的には、上記内周面及び外周面を高い精度で加工することと、これらの面の高い嵌め合精度を確保することと、が必要となる。ここで、２つの面の高い嵌め合精度を確保するとは、これらの面の間の隙間を小さくすることを指す。これに対し、本実施の形態では、第１ロータ１０のテーパ面１３ｐと第２ロータ２０の漏斗面２０ｐとが勘合している。この場合も、第１ロータ１０の軸受がない状態で回転時の両ロータ１０及び２０間のがたつきを抑制するには、テーパ面１３ｐ及び漏斗面２０ｐを高い精度で加工することが望ましい。一方、これらの面１３ｐ及び２０ｐの高い嵌め合精度を確保することは、それほど必要とはならない。このため、本実施の形態によれば、第１ロータ１０の軸受がなくても、第１ロータ１０の軸芯と第２ロータ２０の軸芯とを高い精度で合致させることが比較的容易となる。そして、第１ロータ１０の軸受がなくても、回転時の両ロータ１０及び２０間のがたつきを比較的容易に抑制することができる。これにより、振動及び騒音を抑制することができる。
【００６１】
従来の軸継手を有するガスタービンロータでは、軸継手にキー加工又はスプライン加工等の複雑な加工がなされていることがある。そのような軸継手を用いる場合、ガスタービンロータにおける軸継手との嵌合部も、複雑に加工する必要が生じる。これに対し、本実施の形態では、ガスタービンロータ５０を複雑に加工する代わりに、テーパ面１３ｐ及び漏斗面２０ｐを勘合させ、トルクが伝達されるようにしている。このような簡易な態様で両ロータ１０及び２０を連結している点で、本実施の形態には優位性がある。
【００６２】
テーパ面１３ｐ及び漏斗面２０ｐが勘合したガスタービンロータ５０は、特に、トルクではなく角速度を大きくすることによって高出力を確保するターボ機械のロータとして好適に利用することができる。
【００６３】
主軸１３は、コンプレッサインペラ１１が取り付けられた取付部と、第２ロータ２０に勘合した勘合部と、を有している。取付部の径に対する勘合部の径の比率は、例えば０．４以上であり、具体的には０．４〜１．０にすることができる。この比率がこの程度に大きければ、勘合部の細さが原因で第１ロータ１０の曲げ共振固有値が下がってガスタービンロータ５０の回転数を高めることができないという事態を回避し易い。具体的に、勘合部はテーパ軸１３ａであり、取付部の径に対するテーパ軸１３ａの径の比率は、０．４以上（より具体的には０．４〜１．０）という領域に含まれた範囲内で変化している。
【００６４】
主軸１３の軸方向９２の全長に対する主軸１３のうち中空部分２０ｈに挿入された挿入部の軸方向９２の長さの比率は、例えば０．６以下であり、具体的には０．２〜０．６にすることができる。この比率がこの程度に小さければ、挿入部が長いことが原因で第１ロータ１０の曲げ共振固有値が下がってガスタービンロータ５０の回転数を高めることができないという事態を回避し易い。
【００６５】
上述のように、本実施の形態では、ガスタービンロータ５０は、ナット４０と、座金３０と、を備えている。座金３０は、軸方向９２に弾性変形するばね構造を有している。第２ロータ２０は、中空部分２０ｈに露出した支持面２０ｒであって軸方向９２に交差する方向に広がる支持面２０ｒを有している。主軸１３は、ねじ部１３ｃと、ねじ穴１３ｖと、有している。ねじ部１３ｃは、ナット４０及び座金３０をこの順に通り、その後、ねじ穴１３ｖに軸方向９２の一方に向かって挿入されている。座金３０は、支持面２０ｒによって支持されているとともに軸方向９２に縮まった状態で、ナット４０に対して軸方向９２の他方に向かって圧力を加えている。
【００６６】
このように座金３０を用いれば、ねじ部１３ｃをしっかりと締結することができる。このため、座金３０によれば、第１ロータ１０を支持する軸受がなくても、第１ロータ１０の軸方向９２の位置を、適切な位置に保持することができる。
【００６７】
第１ロータ１０及び／又は第２ロータ２０は、熱膨張又は熱収縮等により軸方向９２に伸長又は短縮することがある。しかしながら、座金３０からナット４０に加わる圧力は、上記伸長又は短縮によりナット４０が緩んでガスタービンロータ５０の回転が不安定となることを防止する。このため、ロータ５０は、ガスタービン発電機の運転を安定させる。
【００６８】
また、座金３０からナット４０に圧力を加えれば、伸長又は短縮が発生しても、テーパ面１３ｐ及び漏斗面２０ｐの接触を維持することができる。これにより、第１ロータ１０及び第２ロータ２０の芯ずれが発生し難くなり、これらのロータ１０及び２０の振れ回り振動が防止される。
【００６９】
本実施の形態では、テーパ軸１３ａとテーパ孔２０ａとが勘合した状態で、ストレート面１３ｑ及びストレート面２０ｑは互いに沿わされている。ストレート部１３ｂの存在は、座金３０の支持面２０ｒへの取り付けを容易にする。なぜなら、主軸１３の一部を中空部分２０ｈに挿入させる際に、ストレート部１３ｂがストレート孔２０ｂにガイドされ、テーパ軸１３ａとテーパ孔２０ａの軸芯を近接させることができるためである。なお、「テーパ軸１３ａとテーパ孔２０ａとが勘合した状態」は、「テーパ面１３ｐと漏斗面２０ｐとが勘合した状態」に対応する。
【００７０】
本実施の形態では、第２ロータ２０は、中空部分２０ｈを取り囲むスリーブ２３と、スリーブ２３を取り囲む外筒２２と、を有している。スリーブ２３は、外筒２２の外側にはみ出した部分２７を有している。このはみ出した部分２７は、コンプレッサインペラ１１に接している。このようにすれば、コンプレッサインペラ１１の位置決めが容易となる。また、このような位置決めは、ねじ又は継手等の別部材を必要としない。これにより、ガスタービンロータ５０を短くし易くなる。
【００７１】
本実施の形態では、主軸１３の基部１３ｘには、コンプレッサインペラ１１及びタービンホイール１２が取り付けられている。主軸１３のうち中空部分２０ｈに挿入された部分と、基部１３ｘのうちコンプレッサインペラ１１が取り付けられた部分と、基部１３ｘのうちタービンホイール１２が取り付けられた部分とは、軸方向９２に沿ってこの順に並んでいる。この並びによれば、第２ロータ２０と、高温になり易いタービンホイール１２との間の間隔を確保することができる。このようにすれば、第２ロータ２０の永久磁石２４が高温に曝されてその磁力を失うことを回避することができる。また、典型的な第２ロータ２０は、絶縁材料を有している。上記の並びによれば、絶縁材料が高温に曝されてその絶縁性能を失うことを回避することができる。
【００７２】
本実施の形態では、図３に示すように、コンプレッサインペラ１１とタービンホイール１２との間には第１の隙間１５がある。第１の隙間１５は、径方向９１の外周端１５ａを含んでいる。外周端１５ａの軸方向９２の長さＸは、コンプレッサインペラ１１の直径Ｙの２５％以下である。第１の隙間１５がこの程度に小さければ、ガスタービンロータ５０を短くすることが容易となる。直径Ｘは、例えば、直径Ｙの１５％以上である。
【００７３】
ガスタービンロータ５０が適用されたガスタービン発電機の一例を図５に示す。
【００７４】
図５に示すガスタービン発電機１００は、ガスタービンロータ５０と、ステータ６０と、燃焼器６５と、を有している。ガスタービン発電機１００は、第１軸受７１と、第２軸受７２と、を有している。ガスタービン発電機１００は、第１チャンバ８１と、第２チャンバ８２と、第３チャンバ８３と、ダクト８５と、を有している。
【００７５】
第２ロータ２０は、少なくとも１つの軸受、具体的には複数の軸受、より具体的には第１軸受７１及び第２軸受７２、によって支持されている。
【００７６】
ガスタービン発電機１００は、空気等の作動流体を用いて、以下のように動作する。
【００７７】
矢印Ａに示すように、作動流体が、第１チャンバ８１に流れる。次に、矢印Ｂに示すように、作動流体が、第１チャンバ８１からコンプレッサインペラ１１に流れる。作動流体は、コンプレッサインペラ１１において、圧縮する。
【００７８】
次に、作動流体は、矢印Ｃに示すように、コンプレッサインペラ１１から第２チャンバ８２に流れる。その後、作動流体は、矢印Ｄに示すように、第２チャンバ８２から燃焼器６５に流れる。燃焼器６５では、作動流体中に燃料が噴射され、混合気が形成され燃焼する。これにより、混合気が高温の燃焼ガスとなる。
【００７９】
燃焼ガスは、矢印Ｅに示すように、燃焼器６５から第３チャンバ８３に流れる。次に、燃焼ガスは、矢印Ｆに示すように、第３チャンバ８３からタービンホイール１２に流れる。燃焼ガスは、タービンホイール１２を回転させる。タービンホイール１２で膨張した燃焼ガスは、矢印Ｇに示すように、タービンホイール１２からダクト８５を経由して排出される。
【００８０】
タービンホイール１２の回転により、コンプレッサインペラ１１が回転する。このようにして、コンプレッサインペラ１１の駆動力が得られる。また、タービンホイール１２の回転により、第２ロータ２０も回転する。第２ロータ２０は、このようにして得た回転力により、ステータ６０と協働して発電を行う。
【００８１】
このように、ガスタービン発電機１００は、第１チャンバ８１、コンプレッサインペラ１１、第２チャンバ８２及び燃焼器６５をこの順に接続する作動流体の経路を有している。また、ガスタービン発電機１００は、燃焼器６５、第３チャンバ８３、タービンホイール１２及びダクト８５をこの順に接続する燃焼ガスの経路を有している。これらの経路に作動流体又は燃焼ガスを流すことにより、ガスタービン発電機１００は発電を行う。
【００８２】
変形例では、ガスタービン発電機１００は、再生熱交換器を有している。この例の再生熱交換器は、第１部分及び第２部分を含んでいる。第１部分は、作動流体の経路のうち、第２チャンバ８２と燃焼器６５との間の部分を構成する。第２部分は、燃焼ガスの経路のうち、タービンホイール１２からみて燃焼器６５とは反対側の部分、具体的にはダクト８５からみて燃焼器６５とは反対側の部分を構成する。そして、再生熱交換器は、タービンホイール１２から排出された燃焼ガスの熱を用いて作動流体を予熱する。このような予熱によれば、燃焼器６５での燃料消費を抑えることができる。
【００８３】
また、本実施の形態では、図５に示す少なくとも１つの軸受のうち軸方向９２の長さが最も短い軸受を基準軸受と定義したとき、長さＸは、基準軸受の軸方向９２の長さＺよりも短い。なお、図５の例では、基準軸受は、軸受７２である。第１の隙間１５がこの程度に小さければ、ガスタービン発電機１００を小型にすることが容易となる。
【００８４】
本実施の形態では、軸受７１及び７２は、気体軸受である。これにより、ガスタービン発電機１００を小型にすることが容易となる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本開示に係る技術によれば、ガスタービン発電機の軸方向の長さを短くし、全体寸法を小さくすることができる。
【００８６】
本開示に係る技術によれば、ガスタービンロータの高速回転が可能となり、ガスタービン発電機の高効率発電が可能となる。
【００８７】
本開示に係るガスタービンロータは、マイクロガスタービン、例えばその出力が１００ｋＷ未満のもの、のロータとして好適に利用できる。
【００８８】
本開示に係るガスタービン発電機は、例えば、マイクロバス又はトラック等の自動車に搭載することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１０          第１ロータ
１１          コンプレッサインペラ
１２          タービンホイール
１３          主軸
１３ａ        テーパ部（テーパ軸）
１３ｂ        ストレート部
１３ｃ        ねじ部
１３ｐ        テーパ面
１３ｑ        ストレート面
１３ｖ        ねじ穴
１３ｘ        基部
１５          第１の隙間
１５ａ        外周端
２０          第２ロータ
２０ａ        テーパ孔
２０ｂ        ストレート孔
２０ｈ        中空部分
２０ｐ        漏斗面
２０ｑ        ストレート面
２０ｒ        支持面
２２          外筒
２３          スリーブ
２４          永久磁石
２７          はみ出した部分
３０          座金
４０          ナット
５０          ガスタービンロータ
５０ｘ        共通の回転軸
６０          ステータ
６５          燃焼器
７１          第１軸受
７２          第２軸受
８１          第１チャンバ
８２          第２チャンバ
８３          第３チャンバ
８５          ダクト
９１          径方向
９２          軸方向
９３          第１方向
９４          第２方向
１００        ガスタービン発電機
【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】
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【図６】
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【図７】
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