(57)【要約】ガスタービン発電装置に大径部５ａ及び小径部５ｂからなる回転軸としてのタイボルト５を備える。圧縮機３及びタービン４は大径部５ａに係合し、発電機１３の回転子１４は小径部５ｂに挿通され、一体的に回転するロータ１６を構成する。タイボルト５は、タービン３と比較的近く高温環境下にある部分においては径が大きく、高温環境下での高速回転に十分耐え得る強度を確保している。また、比較的低い温度環境にある回転子１４等は、タイボルト５の小径部５ｂに組込まれ、この小径部５ｂを挿通する軸穴１４ｅの径もそれだけ小さい。つまり、回転子１４等に作用するフープ応力が低減され、短命化が防止されている。従って、回転軸としてのタイボルト５の信頼性を十分に確保することができる。
2003048527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに圧縮機及びタービンを内包し、上記圧縮機により吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスにより上記タービンを回転させ発電するガスタービン発電装置において、
上記タービン及び圧縮機の回転中心であって、両端が上記タービン及び圧縮機に係合する大径部と、この大径部に連設する小径部とを有する回転軸を備えたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項２】
ケーシングに圧縮機及びタービンを内包し、上記圧縮機により吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスにより上記タービンを回転させ発電するガスタービン発電装置において、
上記タービン及び圧縮機の回転中心であって、両端が上記タービン及び圧縮機に係合する大径部と、この大径部に連設する小径部とを有する回転軸と、
この回転軸の軸線方向が水平方向に対して回動するよう、上記ケーシングを支持する支持部材とを設けたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガスタービン発電装置において、上記タービンは、上記回転軸を接合する接合ボス部を備えることを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記圧縮機は、上記回転軸の大径部に嵌合する軸穴を有し、この圧縮機の軸穴及び上記大径部の互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面としたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記圧縮機に当接するよう上記回転軸の小径部に嵌合されたロータシャフトを備え、このロータシャフト及び上記圧縮機の互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面としたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項６】
請求項５記載のガスタービン発電装置において、上記ロータシャフトに当接するよう上記回転軸の小径部に嵌合された発電機の回転子を備え、この回転子及び上記ロータシャフトの互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面としたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記接触面に粗面加工を施したことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記回転軸の小径部は、材質の異なる複数の部分からなることを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記ロータシャフトを耐食性合金で形成したことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記圧縮機又はタービンを洗浄する洗浄装置をさらに備えたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記ケーシングの吸気口近傍に冷却水を噴霧する冷却装置をさらに備えたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のガスタービン発電装置において、上記冷却装置に用いる冷却水を冷媒として利用することを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項１３】
ケーシングに圧縮機及びタービンを内包し、上記圧縮機により吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスにより上記タービンを回転させ発電するガスタービン発電装置の組立方法において、
上記タービンの軸方向が略鉛直となるように上記ケーシングを固定し、
このケーシング内に、上記タービンと、大径部がタービンに接合し小径部が上記大径部に連設した回転軸を略鉛直方向に組み込み、
略鉛直上向きの上記回転軸の小径部上端から圧縮機を組入れ、上記回転軸の大径部上端に嵌合させ、
この圧縮機に積み重ねるよう、上記回転軸の小径部にロータシャフト及び発電機の回転子を順次組み入れることを特徴とするガスタービン発電装置の組立方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、燃焼器からの燃焼ガスによりタービンを回転させ発電するガスタービン発電装置及びその組立方法に関するものである。
背景技術
世界の多くの地域において、電気分配線不足等によるエネルギー不足が問題となっており、近年、小地域電力供給や非常時の電力供給等を目的として、マイクロガスタービンと称する小型のガスタービンを動力源としたガスタービン発電装置が分配発電システムとして提案されている。
こうしたガスタービン発電装置としては、例えば、特開２００１−１２２５６号公報、特開平９−１３３０２９号公報、或いは特表平９−５１０５２２号公報等で既に提唱されている。これら従来技術は、回転軸を介してタービンと連結された圧縮機を回転させることにより、吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスによりタービンを高速回転させ、同時に、タービンと同軸に設けられた発電機の回転子を回転させて発電するようになっている。
上記従来技術において、タービンや圧縮機、発電機の回転子等は、回転軸を介して連結され一体となって回転する回転体を構成している。このとき、回転軸は、先のタービンや圧縮機等といった回転体の各構成要素の回転中心に挿通、又は螺着されているため、回転軸の径が大きくなると、圧縮機やタービン等に設けた回転軸挿通用の軸穴（回転軸を螺着する場合にはネジ穴）の径もそれだけ大きくなる。
ここで、上記従来技術におけるガスタービン発電装置は小型に構成されているので、所定の出力を得るため、回転体をかなり高速回転させる必要がある。そのため、上記軸穴の径が大きくなると、タービンや圧縮機、発電機等の回転子等、回転体の各構成要素に作用する応力が増大し、各構成要素の短命化を招いてしまう可能性がある。これは、各構成要素における上記軸穴が大きくなると、それだけその軸穴表面付近に作用するフープ応力が増大するためである。このことから、回転軸の径は所望の強度を確保できる範囲内でなるべく小さい方が好ましい。
しかしその一方では、燃焼ガスを受けるタービン近傍の回転軸は、高温環境にさらされるため劣化し易く、この回転軸のタービン近傍部分にはより高い強度が要求される。また、この部分は、組立時等、タービンとの接合の際に微小な傷が付き強度が低下し易い場所でもあり、この観点からも予め十分な強度を付与しておく必要がある。
しかしながら、上記従来技術において、回転軸は、いずれも単に長手方向全長に渡ってほぼ同径に形成されており、上記フープ応力の低減を狙って回転軸を比較的細くした場合、この回転軸は、タービン付近では高温環境下での高速回転に十分耐えるだけの強度が確保できない可能性がある。そのため、上記従来技術では、回転体の各構成要素に作用するフープ応力を低減しつつ、高温環境下で高速回転するために十分な強度を確保することは困難で、回転軸の信頼性の観点において更なる改善の余地がある。
発明の開示
本発明の目的は、回転軸の信頼性を十分に確保することができるガスタービン発電装置及びその組立方法を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングに圧縮機及びタービンを内包し、上記圧縮機により吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスにより上記タービンを回転させ発電するガスタービン発電装置において、上記タービン及び圧縮機の回転中心であって、両端が上記タービン及び圧縮機に係合する大径部と、この大径部に連設する小径部とを有する回転軸を備える。
本発明において、タービン及び圧縮機の回転中心となる回転軸は、大径部及び小径部を有している。そして、回転軸におけるタービン及び圧縮機と係合する部分を大径部とし、発電機の回転子等は、回転軸の小径部に組み込む構成としている。つまり、回転軸は、タービンと比較的近い部分において径が大きく、高温環境下での高速回転に十分耐えられる強度を確保することができる。また、発電機の回転子等は、回転軸の小径部に組込まれるため、この回転軸を挿通する軸穴の径を小さくすることができるので、前述のフープ応力を低減することができ、短命化を防止することができる。従って、回転軸の信頼性を十分に確保することができる。
（２）上記目的を達成するために、また本発明は、ケーシングに圧縮機及びタービンを内包し、上記圧縮機により吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスにより上記タービンを回転させ発電するガスタービン発電装置において、上記タービン及び圧縮機の回転中心であって、両端が上記タービン及び圧縮機に係合する大径部と、この大径部に連設する小径部とを有する回転軸と、この回転軸の軸線方向が水平方向に対して回動するよう、上記ケーシングを支持する支持部材とを設ける。
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、上記タービンは、上記回転軸を接合する接合ボス部を備える。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、上記圧縮機は、上記回転軸の大径部に嵌合する軸穴を有し、この圧縮機の軸穴及び上記大径部の互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面とする。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、上記圧縮機に当接するよう上記回転軸の小径部に嵌合されたロータシャフトを備え、このロータシャフト及び上記圧縮機の互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面とする。
（６）上記（５）において、また好ましくは、上記ロータシャフトに当接するよう上記回転軸の小径部に嵌合された発電機の回転子を備え、この回転子及び上記ロータシャフトの互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面とする。
（７）上記（４）〜（６）のいずれか１つにおいて、更に好ましくは、上記接触面に粗面加工を施す。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、上記回転軸の小径部は、材質の異なる複数の部分からなる。
（９）上記（１）〜（８）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、上記ロータシャフトを耐食性合金で形成する。
（１０）上記（１）〜（９）のいずれか１つにおいて、好ましくは、上記圧縮機又はタービンを洗浄する洗浄装置をさらに備える。
（１１）上記（１）〜（１０）のいずれか１つにおいて、好ましくは、上記ケーシングの吸気口近傍に冷却水を噴霧する冷却装置をさらに備える。
（１２）上記（１１）において、また好ましくは、上記冷却装置に用いる冷却水を冷媒として利用する。
（１３）上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングに圧縮機及びタービンを内包し、上記圧縮機により吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスにより上記タービンを回転させ発電するガスタービン発電装置の組立方法において、上記タービンの軸方向が略鉛直となるように上記ケーシングを固定し、このケーシング内に、上記タービンと、大径部がこのタービンに接合し小径部が上記大径部に連設した回転軸を略鉛直方向に組み込み、略鉛直上向きの上記回転軸の小径部上端から圧縮機を組入れ、上記回転軸の大径部上端に嵌合させ、この圧縮機に積み重ねるよう、上記回転軸の小径部にロータシャフト及び発電機の回転子を順次組み入れる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明のガスタービン発電装置の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明のガスタービン発電装置の第１の実施の形態の全体構造を一部断面で表す側面図である。
この図１に示すように、本実施の形態のガスタービン発電装置は、マイクロガスタービン（マイクロガスタービンに限らず、単なるガスタービンでも良い）１と、発電機１３とで構成されている。また、マイクロガスタービン１は、ケーシング２と、このケーシング２内に設けた圧縮機３及びタービン４と、これら圧縮機３及びタービン４の回転軸となるタイボルト５とで概略構成されている。
上記ケーシング２は、分割ケーシング６，７と、これら分割ケーシング６，７に介設したスペーサ８と、分割ケーシング７内に設けたインナーケーシング９とで構成されている。分割ケーシング６，７及びスペーサ８は、分割ケーシング６，７の対向端面にそれぞれ設けたフランジ６ａ，７ａに、スペーサ８を挟持した状態でボルト１０ａ及びナット１０ｂにより締結されている。また、インナーケーシング９は、分割ケーシング７に溶接されている。但し、このインナーケーシング９は、分割ケーシング７に着脱可能な構成としても良いし、精密鋳造等により分割ケーシング７と一体成形するものとしても良い。分割ケーシング６，７の内周面は、それぞれ上記圧縮機３、タービン４の外周面に対し、所定の間隙を介して対向している。
上記分割ケーシング６の内部には、吸気口６ｂを介して吸入した外気を導出する流路６ｃが設けられており、この流路６ｃから導出した外気は、再生熱交換器（図示せず）で予熱され、燃焼器（図示せず）に送り込まれるようになっている。なお、流路６ｃは、圧縮機３で圧縮された圧縮空気の通路であり、特に図示しないが、通過する圧縮空気の圧力回復への配慮としてベーン等を設けると良い。また、繁雑防止のため特に図示しないが、吸気口６ｂには外気とともに粉塵がケーシング２内に吸入されることを防止するためにフィルタが設けられている。
また、上記燃焼器は、この流路６ｃを介して供給された外気に燃料を混合して燃焼するもので、この燃焼器からの燃焼ガスは、インナーケーシング９内の流路９ａに流入し、ノズル９ｂを通過する際に整流されて排気口９ｃから導出され、再生熱交換器に導かれるようになっている。なお、本実施の形態において、ノズル９ｂは、インナーケーシング９に例えばピン等で固定されている。
このとき、ケーシング２内の吸気側の流路６ｃは、上記スペーサ８により排気側の流路９ａと隔てられている。従って、流路からの作動流体の漏れ防止への配慮として、スペーサ８には、例えばラビリンスシールやハニカムシール、ブラシシール等を設けることが望ましい。
図２は、図１に示したガスタービン発電装置内のロータ１６を抽出して表す一部断面図である。この図２に示すように、それぞれ詳細は後述するが、ロータ（回転体）１６は、上記圧縮機３、タービン４及びタイボルト５と、後述のロータシャフト１１及び回転子１４とで概略構成されている。
上記圧縮機３は、遠心圧縮機であり、ディスク３ａと、このディスク３ａに複数設けられた翼部３ｂとで構成され、精密鋳造や鍛造、機械加工等により例えばチタン合金やアルミニウム合金等で成形されている。また、ディスク３ａの回転中心には、上記タイボルト５を挿通する軸穴３ｃが設けられている。
上記タービン４は半径流タービンであり、ディスク４ａと、このディスク４ａに複数設けられた翼部４ｂと、ディスク４ａに突設した接合ボス部４ｃ及びつかみ部４ｄとで構成されている。接合ボス部４ｃは、タイボルト５との接合部であって、ディスク部４ａに向かって拡径するよう、外周部がＲ面形状に形成されている。なお、タービン４は、高温燃焼ガスにさらされるため、精密鋳造や鍛造、機械加工により、例えばニッケル基超合金等で成形される。また、タービン４とタイボルト５との接合方法としては、摩擦圧接、電子ビーム溶接、拡散接合等が好ましい。つかみ部４ｄは、例えばナット等のように平行面を有し、所定の治工具でつかみ易いような形状をしている。このつかみ部４ｄは、タービン４とタイボルト５の接合の際や、タイボルト５にプリテンションを加え、ネジ部５ｂｃにナット１７を締め込む時（後述）等のために、タービン４を確実に固定できるよう配慮されたものである。
上記タイボルト５は、ロータ１６の回転中心であって、大径部５ａと、この大径部５ａの他端（図２中右端）から延在した小径部５ｂとを有している。大径部５ａは、一端（図２中左端）がタービン４の接合ボス部４ｃに接合しており、また他端（図２中右側）が圧縮機３の上記軸穴３ｃに勘合している。このとき、この軸穴３ｃと大径部５ａとの互いの接触面は、一方側（図２中左側）に向かって拡径するテーパ面となっている。
また、タイボルト５の小径部５ｂは、一端（図２中左端）側の大径部５ａとの接続部５ｂａと、この接続部５ｂａに接続した長軸部５ｂｂと、この長軸部５ｂｂの他端（図２中右端）に設けたネジ部５ｂｃとで構成されている。接続部５ｂａは、高温環境下にあるタービン４に比較的近い場所に位置しており、例えばニッケル基超合金等、高温強度の高い材質で大径部５ａと一体的に成形されている。そして、この接続部５ｂａは、摩擦圧接等の手法により接合された長軸部５ｂｂと共に小径部５ｂを構成している。また、本実施の形態において、長軸部５ｂｂは、鉄系の廉価な材料を用いている。このように、本実施の形態において、タイボルト５の小径部５ｂは、材質の異なる２つの部分で構成されている。
また、このタイボルト５は、前述のように、タービン４に接合されている。接合の際には、タービン４の上記つかみ部４ｄを把持し、タイボルト５の大径部５ａをタービン４の接合ボス部４ｃに例えば摩擦圧接等により接合する。次に、大径部５ａの他端（図２中右端）に位置する小径部５ｂの接続部５ｂａに、上記長軸部５ｂｂを摩擦圧接する。そして、圧接後、熱処理を行って残留応力の除去を行い、場合によっては、合金の強度を向上させるための熱処理を行う。なお、最終的には機械加工を行い、タービン４及びタイボルト５のバランスを取る。
また、図２に示すように、タービン５の小径部５ｂには、上記圧縮機３に当接するようロータシャフト１１が嵌合（緩嵌）されている。このロータシャフト１１と圧縮機３との互いの接触面は、タービン４に向かって（図２中左方向に向かって）縮径するテーパ面となっている。また、ロータシャフト１１の外周部には、ラジアル方向及びスラスト方向の荷重を支えるベアリングカラー１２が嵌合されている。
また、タイボルト５の小径部５ｂには、上記ロータシャフト１１の他端（図２中右端）に当接するよう発電機１３（図１参照）の回転子１４が嵌合（緩嵌）されている。この回転子１４は、発電機コア１４ａと、この発電機コア１４ａの外周に設けられた永久磁石１４ｂと、この永久磁石１４ｂの外周に設けたカバー１４ｃと、軸方向一端（図２中左端）側の端部カバー１４ｄとで構成されている。
発電機コア１４ａは、磁性材料により略円筒形状に成形され、回転中心に軸穴１４ｅを有しており、端部カバー１４ｄを介してこの軸穴１４ｅにタイボルト５の小径部５ｂが挿通されている。永久磁石１４ｂは、複数のパーツで略円筒形状に形成され（一体成形でも構わない）、発電機コア１４ａの外周に嵌合している。回転子１４の最外周に位置するカバー１４ｃは、回転の際、永久磁石１４ｂの飛散や、発電機コア１４ａ及び永久磁石１４ｂ間のスリップを防止するものである。また、このカバー１４ｃは、永久磁石１４ｂに対して締まり嵌めの嵌合構造とし、永久磁石１４ｂを発電機コア１４ａに対して径方向内側に押し付けるようにすると良い。更に、カバー１４ｃの材質としては、ニッケル基合金といった高強度な非磁性金属やＦＲＰが好ましい。上記端部カバー１４ｄは、上記ロータシャフト１１の他端（図２中右端）に嵌合しており、この端部カバー１４ｄとロータシャフト１１との互いの接触面は、タービン４に向かって（図２中左方向に）拡開するテーパ面となっている。そして、ロータ１６は、タービン４に接合したタイボルト５に、ロータシャフト１１、回転子１４、抑えカバー１５を組込み、タイボルト５の先端のネジ部５ｂｃにナット１７を締め込み、締結されている。
なお、抑えカバー１５には、ラジアル方向の荷重を支えるベアリングカラー１８が嵌合されている。また、前述したタイボルト５及び圧縮機３、圧縮機３及びロータシャフト１１、ロータシャフト１１及び回転子１４の各接触面には、例えばサンドブラストやワイヤブラストといった手法により、粗面加工が施されている。
図１に戻り、上記分割ケーシング６の吸気口６ｂには、ストラット１９が設けられ、このストラット１９を介し、ケーシング２と発電機ケーシング２０とが連結されている。この発電機ケーシング２０は、軸線方向両端の端部ケーシング２０ａ，２０ｂと、これら端部ケーシング２０ａ，２０ｂの間に位置するコイルケーシング２０ｃと、このコイルケーシング２０ｃと上記端部ケーシング２０ａ，２０ｂとのそれぞれの間に介設されたスペーサ２０ｄ，２０ｅとで構成されている。そして、これらは、その外周側において所定の間隔でタイボルト５と略平行なボルト穴２０ｆに通しボルト２１ａを通し、ナット２１ｂにより締結されている。
発電機１３の端部ケーシング２０ａの内周側にはラジアルベアリング２２ａ、スラストベアリング２２ｂが、上記スペーサ２０ｄの内周側にはスラストベアリング２２ｃが嵌合しており、これらベアリング２２ａ〜２２ｃは、前述のベアリングカラー１２と共にロータ１６の軸受を構成している。また、上記スペーサ２０ｅの内周側にはラジアルベアリング２３が嵌合しており、このラジアルベアリング２３も、前述のベアリングカラー１８と共にロータ１６の軸受を構成している。このような軸受構造により、上記ロータ１６は、上記ケーシング２及び発電機ケーシング２０内で回転可能に支持されている。なお、この軸受構造は、空気軸受や水軸受、油軸受等の作動流体を用いた滑り軸受や転がり軸受、磁気軸受等とする。このとき、軸受の作動流体として空気や水等を用いた場合、作動流体内には酸素や塩、塩素等の腐食性物質が混入していることがあり、この作動流体に触れる位置にある上記ロータシャフト１１や抑えカバー１５の材質としては、例えば１２Ｃｒ鋼や１５Ｃｒ鋼、アルミニウム合金、或いはチタン合金等といった耐食性合金が望ましい。
上記コイルケーシング２０ｃの内周には、円筒状の内ケーシング２４が嵌合され、更にこの内ケーシング２４の内周には、巻線にて円筒状に形成されたコイル２５が嵌合されている。このコイル２５の内周面は、上記回転子１４の外周面と所定の間隙を介して対向しており、回転子１４が、コイル２５の内周側で回転することにより発電するようになっている。従って、ロータ１６の上記端部カバー１４ｄや抑えカバー１５の材質としては、永久磁石１４ｂからの磁束漏れを防止するため、非磁性合金が好ましい。
ここで、繁雑防止のために図１では図示省略しているが、本実施の形態においては、図３に示すように、圧縮機３の洗浄装置２６及び冷却装置２７が備えられている。
図３は、これら洗浄装置２６及び冷却装置２７の構造を模式的に表す図である。この図３において、洗浄装置２６は、上記分割ケーシング６に複数設けられた噴射孔２６ａと、洗浄液タンク２６ｂ及び貯水タンク２６ｃと、これら洗浄液タンク２６ｂ及び貯水タンク２６ｃと噴射孔２６ａとを接続する供給管２６ｄ〜２６ｆと、これら供給管２６ｄ〜２６ｆにそれぞれ設けたバルブ２６ｇ〜２６ｉとで構成されるている。そして、洗浄液タンク２６ｂ及び貯水タンク２６ｃ内にそれぞれ貯留された洗浄液及び水は、例えばポンプ（図示せず）等により、それぞれ供給管路２６ｅ，２６ｆに吐出されるようになっている。従って、バルブ２６ｇ，２６ｈを開き、バルブ２６ｉを閉じると、洗浄液タンク２６ｂ内の洗浄液が、供給管２６ｅ，２６ｄを介して噴射孔２６ａへ導かれ、圧縮機３に噴射されるようになっている。また、洗浄液を圧縮機３に噴射した後は、バルブ２６ｇとバルブ２６ｉを開き、バルブ２６ｈを閉じると、貯水タンク２６ｃから、水が供給管２６ｆ、２６ｄを介して噴射孔２６ａへ導かれ、圧縮機３に噴射されるようになっている。これにより、圧縮機３に付着した粉塵や洗浄液を水洗し除去するようになっている。このとき、圧縮機３を発電機１３をモータとして、低速回転させると効率的である。
なお、繁雑防止のため特に図示しないが、分割ケーシング６の下部（この場合、先の図１中下側部分）には、水抜き用の配管を設けられており、洗浄液及び水が排水されるようになっている。また、本実施の形態において、洗浄装置２６は、圧縮機３を洗浄するものとしたが、タービン４の洗浄に用いても良いし、圧縮機３及びタービン４の双方の洗浄に用いる構成としても良い。
また図３に示すように、上記冷却装置２７は、上記貯水タンク２６ｃ、供給管２６ｆ及びバルブ２６ｉと、ケーシング２の吸気口６ｂ近傍に位置するノズル２７ａと、このノズル２７ａと供給管２６ｆとを接続する供給管２７ｂと、この供給管２７ｂに設けたバルブ２７ｃとで構成されている。これにより、ガスタービン発電装置の運転時に、上記バルブ２６ｇ，２６ｈを閉じ、バルブ２６ｉ，２７ｃを開けると、貯水タンク２６ｃ内の水が、供給管２６ｆ，２７ｂを介しノズル２７ａから吸気口６ｂ近傍に噴霧されるようになっている。
再び図１に戻り、本実施の形態のガスタービン発電装置には、上記タイボルト５の軸線方向が水平方向に対して回動するよう、ケーシング２を支持する支持部材２８が設けられている。この支持部材２８は、ピン２９を介して分割ケーシング７に設けたボス３０に対して回動可能に支持されており、複数（この例では４本）のストッパ３１により、分割ケーシング２に対して所定角度（この例では略９０°）づつ順次傾斜させた状態で固定可能になっている。従って、ガスタービン発電装置の重量は、上記ピン２９により支持され、上記４本のストッパ３１によりモーメントが受けられている。また、支持部材２８の下端（この場合、図１中の下端）は、ボルト締結や溶接等により基礎となるフレームに固定されている。なお、図１のガスタービン発電装置は、このように支持部材２８による片持ち支持構造であるが、例えば発電機ケーシング２０の適宜の箇所に、別途支持部材を設け、複数箇所で支持する構造としても良い。
ここで、以下に本実施の形態のガスタービン発電装置の組立手順を図４〜図６を用いて説明する。
本実施の形態のガスタービン発電装置を組立てる際には、まず、図４に示すように、予めインナーケーシング９及びノズル９ｂを組込んだ分割ケーシング７を支持部材２８に対して回動させ、軸線方向が重力に対して略平行となるよう、略鉛直に倒立させた状態でストッパ３１により固定する。次に、タービン４及びこれに接合したタイボルト５をインナーケーシング９に組み込む。このとき、例えばスペーサ等の治具を用い、タービン４がインナーケーシング９やタービンノズル９ｂに対して所定の間隙を保つようにする。
次に、図５に示したように、スペーサ８をタイボルト５を通して分割ケーシング７のフランジ７ａに重ね合わせ、圧縮機３をタイボルト５の大径部５ａに嵌合させる。
その後、図６に示すように、タイボルト５を通して分割ケーシング６をスペーサ８に重ね合わせ、上記ボルト１０ａ及びナット１０ｂによりケーシング２の締結を行う。このとき、分割ケーシング６には、予め上記ストラット１９を介して発電機１３の端部ケーシング２０ａが連結されている。この状態で、端部ケーシング２０ａに上記ラジアルベアリング２２ａ及びスラストベアリング２２ｂを嵌合する。
次に、予め上記ベアリングカラー１２を嵌合したロータシャフト１１をタイボルト５に通し、圧縮機３に当接させる。次に、予め上記スラストベアリング２２ｃを組込んだスペーサ２０ｄを端部ケーシング２０ａに重ね合わせる。次に、予めコイル２５及び内ケーシング２４を組込んだコイルケーシング２０ｃをスペーサ２０ｄに重ね合わせ、予め組立てた上記回転子１４をタイボルト５に組込んでロータシャフト１１に当接させる。そして、上記抑えカバー１５をタイボルト５に組込み、予めラジアルベアリング２３を取り付けたスペーサ２０ｅをコイルケーシング２０ｃに重ね合わせた状態で、抑えカバー１５に上記ベアリングカラー１８を取り付ける。
次に、タイボルト５のネジ部５ｂｃにナット１７を締め込む。このとき、タイボルト５にプリテンションを負荷するよう、予め設定された伸び量をタイボルト５に加えてナット１７を締め込んだり、予め設定された締め付けトルクでナット１７を締結する。また、タイボルト５にプリテンションを加えるときには、前述のように、タービン４のつかみ端４ｄ（図２参照）を治具で把持し、タイボルト５のネジ部５ｂｃを引っ張れば良い。そして、発電機１３の端部ケーシング２０ｂをスペーサ２０ｅに重ね合わせ、上記通しボルト２１ａ及びナット２１ｂにより発電機ケーシング２０を締結する。最後に、分割ケーシング７を支持部材２８に対して回動させ、先に図１のように、軸線方向が略水平となるよう、ガスタービン発電装置を地面に対して略平行な状態とし、この状態でストッパ３１により分割ケーシング７を支持部材２８に対して固定する。
なお、この組立て手順では特に説明しないが、図３で説明した上記洗浄装置２６や冷却装置２７、また図示しない燃焼器、再生熱交換器等の他の機器は別途組込む。また、分解の際には、以上と逆の手順で行えば足りる。この場合、タイボルト５に締め付けられたナット１７を緩める際には、例えばバーナ等でタイボルト５に熱を加え、タイボルト５を伸長させれば容易となる。
以下に、以上のように構成され、組立てられるガスタービン発電装置の基本動作を説明する。
先の図１において、回転する圧縮機３により、吸気口６ｂを介して吸入された外気が翼部３ｂで圧縮され、ケーシング２内の流路６ｃを介して再生熱交換器（図示せず）に送り込まれる。圧縮空気は、再生熱交換器内で予熱され、燃焼器（図示せず）内で燃料と共に燃焼される。この燃焼器からの燃焼ガスは、ケーシング２内の流路９ａに流入し、ノズル９ｂで整流され、翼部４ｂで膨張しタービン４を回転させて排気口９ｃから導出される。導出された燃焼ガスは、再生熱交換器に導かれる。
このようにタービン４に与えられた回転力により、発電機１３において、回転子１４がコイル２５内で高速回転して発電する。コイル２５に誘起された交流電流は、別途設けた整流器により直流電流に変換され、最終的にインバータにより交流電流に変換される。
以下に、本実施の形態で得られる効果を順次説明する。
（１）回転軸の信頼性の向上
本実施の形態において、ロータ１６の回転軸となるタイボルト５は、大径部５ａ及び小径部５ｂを有している。そして、タービン４に接合した大径部５ａに圧縮機３を組込み、ロータシャフト１１、発電機１３の回転子１４等を、タイボルト５の小径部５ｂに順次組み込む構成としている。これにより、タイボルト５のタービン４や圧縮機３近傍部分は高温環境にさらされる可能性があるが、この部分の径を大きくすることにより、高温環境下においても高速回転に十分耐えられる強度を確保することができる。また、比較的低い温度環境下にあるロータシャフト１１や回転子１４等は、タイボルト５の小径部５ｂに組込まれるため、この小径部５ｂを挿通する軸穴径を小さくすることができ、軸穴内径付近に作用するフープ応力を低減することができる。従って、タイボルト５を高速回転に十分耐えられる構成とすることができるので、回転軸の信頼性を十分に確保することができる。
（２）タービン及びタイボルトの接合強度向上
本実施の形態では、タービン４にはタイボルト５を挿通する軸穴を設けず、タイボルト５の大径部５ａの一端がタービン４に接合する構成であるため、タービン４に作用するフープ応力の問題は生じない。また、本実施の形態においては、タービン４にタイボルト５との接合ボス部４ｃを設けているので、タービン４とタイボルト５との接合部には、実質的に周辺部位と断面積の変化はなく、接合部への応力集中を防止することができる。従って、タービン４とタイボルト５との接合強度を向上することができる。
また、接合ボス部４ｃの外周部は、タービン４のディスク４ａに向かって拡径するよう、Ｒ面形状としているので、接合ボス部４ｃとディスク部４ａとの境界部分への応力集中を低減することができる。
（３）組立・分解の作業性向上及びロータの芯出し精度向上
本実施の形態においては、分割ケーシング７に対して回動可能な支持部材２８を設け、組立・分解時、支持部材２８に対し分割ケーシング７を回動させ、軸線方向（つまりタイボルト５の長手方向）を略鉛直方向にすることができる。これにより、ガスタービン発電装置の組立・分解の作業性を向上させることができると共に、ロータ１６の芯出し精度を向上させることが可能となる。つまり組立の際、軸線方向が略鉛直方向となるため、タイボルト５に圧縮機３、ロータシャフト１１、回転子１４等を順次組入れてロータ１６を組立てていく場合、ロータ１６の径方向への重力の影響がなく、作業性が向上すると共に、ロータ１６の芯ずれ、またこのロータ１６を含めた各機器の径方向への位置ずれを防止することができる。また、分解の際も同様である。
なお、本実施の形態においては、軸線方向を略鉛直方向とした状態で分割ケーシング７を固定するために、回動可能な支持部材２８を用いたが、同様の効果を得る限りにおいては必ずしもこのような構成に限られない。例えば、分割ケーシング７の排気口９ｃ側の端面を平滑にし、例えば定盤上にその端面を着座させる形で分割ケーシング７を固定しても良い。また、同様に、別途架台を設け、この架台で上記分割ケーシング７のフランジ７ａを水平に受け、固定しても良い。更に、軸線方向を略鉛直とした姿勢で分割ケーシング７をクレーンやワイヤー等で吊り、この状態で固定する方法等も考えられる。但し、いずれにしても、作業中に装置が転倒したりしないよう、例えば適宜補助の支持部材等を設けることが望ましい。
（４）ロータ芯出し精度の更なる向上
本実施の形態において、ロータ１６は、圧縮機３、タービン４、タイボルト５、ロータシャフト１１、回転子１４等、多数の構成要素から組立てられるため、これら各構成要素の重心とロータ１６の回転中心とのずれ量を全くなくすことは難しい。しかしながら、通常、マイクロガスタービンのロータ（回転体）は、約４００００〜１３００００［ｒｐｍ］といった高速回転で運転されるため、各構成要素の芯ずれが大きくなると、ロータの残留アンバランスが大きくなり、危険速度での振動が大きくなる恐れがあった。従って、マイクロガスタービンにおいて、回転体ロータの芯出し精度の向上は特に重要な課題となる。
そこで、本実施の形態では、圧縮機４及びタイボルト５、圧縮機４及びロータシャフト１１、ロータシャフト１１及び回転子１４において、それぞれ互いの接触面をテーパ面としている。このように、互いの接触面をテーパ面とすることにより、このテーパ面が案内面となり、圧縮機３、タイボルト５、ロータシャフト１１、回転子１４の芯づれを抑制し、ロータ１６の製作時の残留アンバランス量を低減することができる。このとき、タービン４及びタイボルト５は、接合後、最終的に機械加工でバランスが取られている。従って、本実施の形態によれば、ロータ１６の芯出し精度を更に向上することができる。
また、本実施の形態では、圧縮機３及びタイボルト５の接触面を全体的にテーパ面とする構成としたが、必ずしも接触面全部をテーパにする必要はなく、適宜部分的にテーパ面で接触する構成とすれば足りる。
また、ロータ１６の芯出し精度を向上させる限りにおいては、必ずしも各構成要素の接触面をテーパ面とする構成に限られず、図７に示したロータ１６Ａのように、各構成要素の互いの接触面をラベット面とする構成等も考えられる。この場合も同様の効果を得ることができる。なお、図７に示したロータ１６Ａと図２のロータ１６との異なる点は、圧縮機４及びタイボルト５、圧縮機４及びロータシャフト１１、ロータシャフト１１及び回転子１４における互いの接触面を、それぞれラベット面としている点で、その他の構成は同様である。
また、本実施の形態において、圧縮機４及びタイボルト５、圧縮機４及びロータシャフト１１、ロータシャフト１１及び回転子１４の各接触面を全てテーパ面（又はラベット面）としたが、必ずしも全ての接触面をテーパ面（又はラベット面）としなくとも、これら３箇所の接触面のうち、少なくとも１箇所をテーパ面（又はラベット面）とすれば、その分、芯出し精度を向上させることはできる。
（５）ロータの各構成要素間の摩擦伝達効率向上
本実施の形態において、ロータ１６は、前述のように、タービン４にタイボルト５を圧接し、このタイボルト５に圧縮機３、ロータシャフト１１、回転子１４を組込んで締結した構造である。この構造において、圧縮機３、ロータシャフト１１、回転子１４には、タイボルト５及び圧縮機３、圧縮機３及びロータシャフト１１、ロータシャフト１１及び回転子１４の各接触面に作用する摩擦力により、回転力が付与される。そして、この摩擦力は、タイボルト５の張力による押付力により付与されるものである。
従って、稼動中、タイボルト５が熱せられ伸長した場合には、タイボルト５の張力が低下し、上記各接触面における摩擦伝達効率が低下する可能性がある。また、ロータ１６は高速回転するため、圧縮機３、ロータシャフト１１、回転子１４等には遠心力により径方向に引張応力が作用し、その結果、軸線方向に圧縮応力が作用する。これによっても上記各接触面における押付力が低下し、摩擦伝達効率が低下してしまう可能性がある。
本実施の形態においては、上記各接触面において、粗面加工を施すことにより、タイボルト６の張力が低下した場合等においても、ロータ１６の各構成要素間の摩擦伝達効率の低下を抑制することができる。なお、このように摩擦伝達効率の低下を防止する限りにおいては、このような構成に限る必要はなく、タイボルト５及びロータシャフト１１、圧縮機３及びロータシャフト１１、ロータシャフト１１及び回転子１４のそれぞれの対向端部を、例えばスプライン等、歯車状に成形し、互いに嵌合する構成としても良い。
（６）ロータの腐食防止
本実施の形態においては、それぞれベアリングカラー１２，１８を嵌合したロータシャフト１１及び抑えカバー１５を、耐食性合金を用いて成形したことにより、軸受の作動流体との接触による腐食、腐食ピットを防止することができる。その結果、ロータ１６の信頼性を向上させることができる。
（７）タイボルトの信頼性向上及びコスト低減
本実施の形態において、タイボルト５はタービン４に接合されるため、この接合面は高温環境下にある。通常、このような高温にさらされる部品の材質としては、ニッケル基超合金等、高温での強度が高い材質が用いられる。しかしながら、タイボルト５は比較的長尺な部品であり、タービン４との距離が遠い部分では、比較的低い温度環境下にあり、全長に渡って高温環境下にあるわけではない。そのため、タイボルト５の全ての部分を高価なニッケル基超合金で形成した場合、タイボルト５は過剰品質となり、製作コストも上がってしまう。
そこで、本実施の形態において、タイボルト５は、前述のように、大径部５ａ及び小径部５ｂの接続部５ｂａのみをニッケル基超合金で構成し、それ以外の部分を鉄系の材質で構成している。このように、各部の周辺の温度環境を考慮し、タイボルト５を材質の異なる複数の部分を接合して構成したことにより、タイボルト５の信頼性を確保しつつも、製作コストを低減することができる。
（８）圧縮機の効率低下及び腐食の防止
吸気口６ｂから外気を吸い込む際、前述のフィルタ（図示せず）では吸気に含まれる微細な粉塵を完全に除去することは難しい。そのため、粉塵がケーシング２内に入り込み、圧縮機３やタービン４に付着し圧縮機３やタービン４が腐食してしまい、圧縮機効率が低下してしまう場合がある。その結果、発電効率の低下につながる恐れがある。
本実施の形態においては、洗浄装置２６を設け、圧縮機３に付着した粉塵を適宜洗い落とす構成としている。また、勿論、この洗浄装置２６は、タービン４の洗浄にも適用可能である。これにより、圧縮機３及びタービン４の腐食を防止し、圧縮機効率の低下を防止することができる。その結果、発電効率の低下を抑制することができる。
（９）発電効率向上
本実施の形態のガスタービン発電装置は、圧縮機３とタービン４を１段づつ備えた単純サイクルであるため、このままでは、圧縮比やタービン入口温度を上昇させることは難しく、発電効率の向上は困難である。
そこで本実施の形態においては、冷却装置２７を設け、この冷却装置２７によりケーシング２の吸気口６ｂ近傍に水を噴霧する構成とし、ケーシング２内に吸入される外気の温度を低下させるようにしている。これにより、吸入される外気を濃密にし、また圧縮過程における熱の損失を抑制することができるので、熱効率を向上させることができ、発電効率を向上させることができる。
また、本実施の形態においては、永久磁石１４ｂの軸方向両端に位置する上記端部カバー１４ｄ及び抑えカバー１５を非磁性合金で構成することにより、発電機１３における磁束漏れを抑制しているので、これによっても発電効率を向上させることができる。
なお、冷却装置２７により吸気口６ｂ付近に水を噴霧することにより、燃焼用空気を高湿分空気とすることもできる。
（１０）ロータの過熱防止
タービン４は、稼動中、常時燃焼ガスに触れるため、稼動時間が長時間になると、ロータ１６全体の温度が徐々に上昇してしまい、クリープ変形や熱疲労等による損傷を招き、これによりロータ１６の信頼性が低下する場合がある。また、このように温度が上昇すると、回転子１４内の永久磁石１４ｂの温度がキューリー点を越え、発電効率が低下してしまう可能性がある。また、永久磁石１４ｂの温度上昇の要因としては、発電機１３の損失によるジュール熱もある。
本実施の形態においては、上記冷却装置２７より供給する水を、例えば、ケーシング２や発電機ケーシング２０、コイル２５、或いは図示しない燃焼器や再生熱交換器、インバータ等の冷却に適宜用いれば、ロータ１６の過熱を防止することができる。その結果、ロータ１６の信頼性の低下を防止することができると共に、発電効率低下を防止することができる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、タービン及び圧縮機の回転中心となる回転軸は、大径部及び小径部を有している。そして、回転軸におけるタービン及び圧縮機と係合する部分を大径部とし、発電機の回転子等は、回転軸の小径部に組み込む構成としている。つまり、回転軸は、タービンと比較的近い部分において径が大きく、高温環境下での高速回転に十分耐えられる強度を確保することができる。また、発電機の回転子等は、回転軸の小径部に組込まれるため、この回転軸を挿通する軸穴の径を小さくすることができるので、前述のフープ応力を低減することができ、短命化を防止することができる。従って、回転軸の信頼性を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のガスタービン発電装置の第１の実施の形態の全体構造を一部断面で表す側面図である。
図２は、本発明のガスタービン発電装置の第１の実施の形態に備えられた回転体を抽出して表す一部断面図である。
図３は、本発明のガスタービン発電装置の第１の実施の形態に備えられた洗浄装置及び冷却装置の構造を模式的に表す図である。
図４は、本発明のガスタービン発電装置の第１の実施の形態の組立手順を表す図である。
図５は、本発明のガスタービン発電装置の第１の実施の形態の組立手順を表す図である。
図６は、本発明のガスタービン発電装置の第１の実施の形態の組立手順を表す図である。
図７は、本発明のガスタービン発電装置の第１の実施の形態に備えられた回転体の変形例を表す一部断面図である。
【図１】
2003048527.tif 000003
【図２】
2003048527.tif 000004
【図３】
2003048527.tif 000005
【図４】
2003048527.tif 000006
【図５】
2003048527.tif 000007
【図６】
2003048527.tif 000008
【図７】
2003048527.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成14年4月18日(2002.4.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
削除
【請求項２】
ケーシングに圧縮機及びタービンを内包し、上記圧縮機により吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスにより上記タービンを回転させ発電するガスタービン発電装置において、
上記タービン及び圧縮機の回転中心であって、両端が上記タービン及び圧縮機に係合する大径部と、この大径部に連設する小径部とを有する回転軸と、
この回転軸の軸線方向が水平方向に対して回動するよう、上記ケーシングを支持する支持部材とを設けたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項３】
請求項２記載のガスタービン発電装置において、上記タービンは、上記回転軸を接合する接合ボス部を備えることを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載のガスタービン発電装置において、上記圧縮機は、上記回転軸の大径部に嵌合する軸穴を有し、この圧縮機の軸穴及び上記大径部の互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面としたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記圧縮機に当接するよう上記回転軸の小径部に嵌合されたロータシャフトを備え、このロータシャフト及び上記圧縮機の互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面としたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項６】
請求項５記載のガスタービン発電装置において、上記ロータシャフトに当接するよう上記回転軸の小径部に嵌合された発電機の回転子を備え、この回転子及び上記ロータシャフトの互いの接触面の少なくとも一部をテーパ面又はラベット面としたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記接触面に粗面加工を施したことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記回転軸の小径部は、材質の異なる複数の部分からなることを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記ロータシャフトを耐食性合金で形成したことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項１０】
請求項２〜９のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記圧縮機又はタービンを洗浄する洗浄装置をさらに備えたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項１１】
請求項２〜１０のいずれか１項記載のガスタービン発電装置において、上記ケーシングの吸気口近傍に冷却水を噴霧する冷却装置をさらに備えたことを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のガスタービン発電装置において、上記冷却装置に用いる冷却水を冷媒として利用することを特徴とするガスタービン発電装置。
【請求項１３】
ケーシングに圧縮機及びタービンを内包し、上記圧縮機により吸気口から吸入した外気を圧縮して燃焼器に送り込み、この燃焼器から排出される燃焼ガスにより上記タービンを回転させ発電するガスタービン発電装置の組立方法において、
上記タービンの軸方向が略鉛直となるように上記ケーシングを固定し、
このケーシング内に、上記タービンと、大径部がタービンに接合し小径部が上記大径部に連設した回転軸を略鉛直方向に組み込み、
略鉛直上向きの上記回転軸の小径部上端から圧縮機を組入れ、上記回転軸の大径部上端に嵌合させ、
この圧縮機に積み重ねるよう、上記回転軸の小径部にロータシャフト及び発電機の回転子を順次組み入れることを特徴とするガスタービン発電装置の組立方法。
【国際調査報告】
2003048527.tif 000010
2003048527.tif 000011
2003048527.tif 000012
2003048527.tif 000013