(57)【要約】  本発明は固定ターボ機械のためのオイル供給システム（１０）に関し、作動温度がさらに上昇されるように設計された構成要素の１つを含むことの無い、オイルタンク（１２）、ポンプ（１４、１８、２０、２２）、および熱交換器、ならびにパイプラインシステムのようなオイル供給システムの構成要素の新規な接続配列において、ターボ機械の安全な作動が６０℃を超える環境温度でさえも複数時間にわたって可能とされている。本発明によれば、この目的のために、オイルタンク（１２）は、オイルの貯蔵のために、一方が他方の上に水平に積み重ねられた２つの領域（３６，３８）を具備し、これらの２つの領域（３６，３８）は分離要素（３４）によって互いに大部分が、または完全に分離されている。
2013543566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定ターボ機械のためのオイル供給システム（１０）であって、
オイルタンク（１２）と、少なくとも１つのポンプ（１４，１８，２０，２２）と、オイルを冷却するための熱交換器（４０）と、導管システムと、を備えたオイル供給システムにおいて、
前記オイルタンク（１２）は、オイルを貯蔵するために、一方が他方の上に水平に積み重ねられた２つの領域（３６，３８）を備え、該２つの領域（３６，３８）は分離要素（３４）によって大部分がまたは完全に互いに分離されており、
前記導管システムは循環導管（３７）を具備し、該循環導管には前記熱交換器（４０）と循環ポンプ（３９）とが設けられており、前記循環導管は前記２つの領域（３６，３８）を流体の移送を可能とする態様において互いに接続しており、オイルは前記オイルタンク（１２）の上側領域（３８）から下側領域（３６）内へと前記循環ポンプ（３９）によって圧送されることが可能であり、前記導管システムはリフトオイル導管（１６）を具備し、該リフトオイル導管の第１端部は前記オイルタンク（１２）の前記下側領域（３６）内にリフトオイルを移送するために配置され、リフトオイルポンプ（１４）は前記リフトオイル導管（１６）に少なくとも１つのポンプとして設けられていることを特徴とするオイル供給システム（１０）。
【請求項２】
前記下部領域（３６）内に開放した、前記循環導管（３７）および前記リフトオイル導管（１６）の端部は、前記オイルタンク（１２）の同じ側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のオイル供給システム（１０）。
【請求項３】
前記導管システムは少なくとも１つの潤滑オイル導管（２２，２４，２６）を具備し、
該潤滑オイル導管の個々の第１端部は前記オイルタンク（１２）の下部領域（３６）内に配置されて、潤滑オイルが移送されることを可能としており、前記潤滑オイル導管の各々には潤滑オイルポンプ（１８，２０，２２）が少なくとも１つのポンプとして設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のオイル供給システム（１０）。
【請求項４】
前記導管システムは前記オイルを前記オイルタンク（１２）に戻すための戻り経路としてのオイル戻り導管（３２）を備え、該オイル戻り導管は前記オイルタンク（１２）の前記上側領域（３８）内に開放していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のオイル供給システム（１０）。
【請求項５】
前記下側領域（３６）内に開放した前記リフトオイル導管（１６）の端部および／または前記上側領域に配置され前記循環導管（３７）の接続部と、前記上側領域（３８）内に開放した前記オイル戻り導管（３２）の端部と、は前記オイルタンク（１２）の反対側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のオイル供給システム（１０）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載されたオイル供給システム（１０）を備えた固定ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンク、少なくとも１つのポンプ、オイルを冷却するための熱交換器、およびこれらの機器を接続するための導管システムを備えた固定ターボ機械のためのオイル供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術から知られているオイル供給システムは、例えばガスタービンのラジアル軸受およびアキシアル（axial）軸受を潤滑するために使用されている。ガスタービンのロータはガスタービンの軸受に支持されており、ガスタービンの作動の際に、一般的に３０００ｒｐｍまたは３６００ｒｐｍの速度で回転する。次いで、ロータに接続された発電機は、ガスタービンから供給された化石燃料の形態のエネルギを電気エネルギへと変換する。この装置において、軸受は一般的にリフトオイルシステム（lift oil system）および潤滑オイルシステムを備えている。リフトオイル（lift oil）は、軸受内におよびロータに損傷を生じさせることなく静圧潤滑を通じてガスタービンが比較的低回転速度において起動または停止することを可能にするために、ラジアル軸受に必要とされる。潤滑オイルシステムは定格運転中に、すなわち比較的高速においてベアリングに供給するために使用されて、流体潤滑を可能としている。リフトオイルシステムと潤滑オイルシステムとはしばしば共通のオイルタンクを備えており、その内部には軸受から戻されたオイルが貯蔵される。使用後にオイルタンク内に貯蔵されたオイルは、オイルが軸受内において受ける摩擦によっておよびオイルが使用される環境によって、一般的には８０℃〜９０℃の温度である。戻された多量の潤滑オイルが、オイルが再度リフトオイルシステム及び潤滑オイルシステムに供給される前に、その中に溶解した空気を差支えない空間へと逃がすために十分な長さだけオイルタンク内に留まることが可能であるように、オイルタンクは一般的に寸法決定されている。
【０００３】
オイルタンクから約７０℃の温度で供給された潤滑オイルを、約４０℃〜５０℃の流入温度へと冷却するために、熱交換器が潤滑オイルシステムの流入導管にさらに設けられている。熱交換器は空冷または水冷熱交換器として設計されており、例えば冷却ファンが取り付けられていてもよい。この種のシステムは、例えば特許文献１から知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第４３  ０４  ４８２号明細書
【特許文献２】米国特許第４，１０５，０９３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，６１１，４１１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、潤滑オイルを許容流入温度の最高である５０℃まで冷却することは、非常に暖かい５０℃の環境温度の場合およびそれよりも高温のある特殊な場合には、もはや空冷熱交換器では保証され得ず、水冷熱交換器は純粋なガスタービン発電プラントでは一般的に利用できないという欠点がある。そのような場合、潤滑オイルの流入温度は、圧縮型冷凍機が空冷熱交換器に追加して供給導管内に挿入された場合のみ、５０℃（またはそれ以下）の数値に低減されることが可能である。しかしながら、冷凍機のコンプレッサの使用を通じた自身の燃料消費の増大のために、この変換はより高コストとなることにつながっており、且つプラントの全体的な効率を損なう。さらに、圧縮型冷凍機のような追加の構成要素の使用は、ガスタービンの有効性を害する。また、別の限界の境界条件は、リフトオイル回路内に設けられたリフトオイルポンプが７３℃のオイル温度またはそれ以上において作動されてはならないことである。このことは、オイル温度の過度の上昇は（例えば１０ｃＳｔよりも低い）過度のオイル粘度の低下を導き、安全且つ信頼性の高いリフトオイルポンプの動作をもはや保証しないためである。これらの条件に関して適したポンプの使用の可能性もあるが、それらのポンプは入手するために顕著に高価なものとなるだろう。
【０００６】
さらに、約７５℃のオイル温度を超えた場合、軸受はもはや作動中には正確に冷却されていない危険性が存在する。このことはガスタービンの安全な作動も過度に損なう。
【０００７】
特許文献２はさらに潤滑オイルシステム内の加圧リザーバの使用の実施例を開示している。このリザーバには、ポンプと熱交換器とを利用して冷却された油圧油が供給される。この実施形態の欠点は、ポンプが比較的暖かいタンク領域に配置されており、したがって粘度に関する上述の問題がそこでも発生し得ることである。さらに、特許文献３はタービン発電機のための非冷却潤滑オイルシステムを開示しており、垂直に分割されたタンクがフラップを利用して均等な潤滑を可能にしている。
【０００８】
したがって、本発明の目的は固定ターボ機械のためのオイル供給システムを提供することであり、このシステムは、５０℃〜７０℃の非常に暖かい環境温度においても、より高い許容作動温度の高性能な１つまたは複数の構成要素を必要とすることなく、オイル供給システムのオイルの十分な冷却を確実にするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の基礎となる目的は、請求項１の特徴によるオイル供給システムを利用することによって達成される。オイル供給システムの有利な実施形態は、従属請求項２〜６に示されている。
【００１０】
本発明によれば、最初に述べられたオイル供給システムは、オイルを貯蔵するために、一方が他方の上に水平に積み重ねられた２つの領域を備えたオイルタンクを備え、これら２つの領域は分離要素によって大部分がまたは完全に互いに分離されている。２つの異なった温度レベルのオイルを一方が他方の上に位置した領域内に貯蔵するために、空間的な分離が形成されている。同時に、その意図は、温かいオイルと冷たいオイルとが妨げられることなく混合することを、広範囲でまたは完全に回避することである。この場合、潤滑の工程によって加熱されたオイルは、好適にオイルタンクの上側領域に戻される。まだ比較的高温であり且つオイルタンクの上側領域内において十分な滞留時間があるために、戻されたオイル内に溶解した空気はさらに逃げることが可能である。脱気されたオイルは循環導管内に設けられた循環ポンプによって引き込まれ、直列に接続された空冷熱交換器を通過し、そこでオイルは環境温度よりもわずかに高い温度まで冷却される。したがって、最悪の場合、オイルは約６０℃の温度まで冷却される。次いで、冷却されたオイルはオイルタンクの下側領域内に供給される。そこで、記載された目的の準備のために、オイルを保持するためにオイルは貯蔵される。リフトオイルポンプには常に十分な冷却されたオイルが供給され得ることを確実にするために、リフトオイル導管のオイルタンクへの接続部は好適に循環導管の流出領域の周辺に配置される。存在する場合、主潤滑ポンプ、予備潤滑ポンプおよび／または緊急潤滑ポンプがオイルタンクの低温領域からオイルを引き込む。
【００１１】
循環導管内にオイル供給システムの熱交換器を再配置することによって、すなわちリフトオイルポンプおよび潤滑オイルポンプの前に配置することによって、潤滑オイルの流入温度を、リフトオイルポンプの作動のために７３℃の最大流入温度を超えることなく環境温度近くまで上昇させることが可能である。それは、そのような高い環境温度がターボ機械の配置場所において任意の時間の長さにわたって生じることが、極めて起こり得ないためである。先行技術における温度と比較して、流入温度の上昇およびこれによる戻り温度の上昇によって、追加の圧縮型冷凍機なしに潤滑オイルによって導入された熱を、約６０℃の非常に高い環境温度においてさえも放出させることが可能であり、それは熱交換器の（温度降下Ｄｔよりも大きい）冷却能力を増大させる能力によるものであり、ここでは空冷熱交換器がこの性能を供給することが可能である。
【００１２】
完全ではない態様において２つの領域に分割することは、下側領域内に貯蔵された十分なオイルが常に存在し、これによって下側領域は故障時においても乾燥した状態とならないことを確実にしている。さらに、このことは、オイルがオイルタンクからポンプによって引き出され、それと同時にオイルが循環ポンプによって供給されない場合に、真空がオイルタンクの下側領域内に発生しないことを意味している。
【００１３】
それとは逆に、２つの領域に完全に分離することは、冷却されたオイルのみが、いつでもオイル回路から引き込まれることを確実にしている。必要であれば、この場合、オイルタンクの下側領域が専用の脱気システムを備えることも可能である。
【００１４】
導管システムは循環導管を具備し、この循環導管内には循環ポンプと空冷熱交換器とが設けられている。循環導管はオイルタンクの２つの領域をオイルタンクの外側において互いに接続し、オイルがオイルタンクの上側領域からオイルタンクの下側領域へと循環ポンプによって圧送されるように、流体の移送を可能にしている。導管システムはリフトオイル導管をさらに具備し、リフトオイル導管の第１端部はリフトオイルをオイルタンクの下側領域内のオイルタンクから移送するために配置されており、リフトオイルポンプは少なくとも１つのポンプのうちの１つとしてリフトオイル導管内に設けられている。
【００１５】
下側領域内に開放した循環導管の端部とリフトオイル導管の端部とは、オイルタンクの同じ側に好適に配置されている。別の有利な実施形態によれば、導管システムは少なくとも１つの潤滑オイル導管を具備し、それらの個々の第１端部はオイルタンクの下側領域内に配置され、潤滑オイルがオイルタンクから移送されることを可能にしており、各潤滑オイル導管には潤滑オイルポンプが少なくとも１つのポンプのうちの１つとして設けられている。
【００１６】
導管システムが、オイルをターボ機械からオイルタンクへと戻すための戻り経路としての戻り導管を備えている場合、戻り導管がオイルタンクの上側領域内に開放していることは有利である。
【００１７】
別の好適な選択肢として、下側領域内に開放したリフトオイル導管の端部と上側領域内に開放したオイル戻り導管の端部とは、オイルタンクの反対側に配置されている。それに加えてまたはその代わりに、上側領域内に配置された循環導管の接続部と上側領域内に開放したオイル戻り導管とは、オイルタンクの反対側に配置されている。言い換えると、比較的温かいオイルをオイルタンクに供給する導管の接続部は、オイルタンク内へのオイルの流れの方向から見て、オイルタンクからリフトオイルを持ち出す導管の接続部から可能な限り離されており、これはまだ温かすぎる、且つ／またはまだ多くの空気を含んだオイルの時期尚早の流入、再使用、または供給を防止するためである。
【００１８】
本発明のさらなる利点および特徴は、図示された実施形態を利用してより詳細に説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】固定ターボ機械のオイル供給システムを概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は固定ターボ機械のオイル供給システム１０を概略的に示しており、それは詳細には示されていない。ターボ機械は好適に固定ガスタービンとして設計されている。オイル供給システム１０は、ガスタービンが潤滑のために必要とし且つ対応した軸受内でガスタービンのロータを持ち上げるための、オイルを貯蔵するためのオイルタンク１２を具備している。オイル供給システム１０はリフトオイルポンプ１４を備えたリフトオイルシステム１３をさらに具備しており、このポンプはリフトオイル導管１６内に配置されている。リフトオイル導管１６の下流端は、ガスタービンの軸受にリフトオイルを供給するために軸受上において開放している。この場合、リフトオイルポンプ１４は高圧ポンプとして設計されている。
【００２１】
図１に示された図式的な実施形態によれば、潤滑オイルシステム１７は３つの潤滑オイル導管２２、２４、２６を具備しており、それらの個々にポンプ１８、２０、２２がそれぞれ主潤滑ポンプ、予備潤滑ポンプ、および緊急潤滑ポンプとして配置されている。潤滑オイル導管２２、２４は接続されて共通の潤滑オイル導管２３を形成しており、そこにはオイルフィルタシステム２８が設けられている。オイルフィルタシステム２８の後方では、潤滑オイル導管２３と潤滑オイル導管２６とが接続されてさらなる潤滑オイル導管３０を形成しており、その下流端は、ガスタービンの軸受への潤滑を可能とするために軸受上において開放している。
【００２２】
軸受から戻るオイルは、それがリフトオイルまたは潤滑オイルのいずれかであっても、オイル戻り導管３２を介してオイルタンク１２に戻り、したがって、リフトオイルシステム１３と潤滑オイルシステム１７との双方はオイルの閉回路を備えている。
【００２３】
オイルタンク１２には分離要素３４が取り付けられている。分離要素３４は例えばオイルタンク１２内において水平に延びた板として形成されており、オイルタンク１２を一方が他方の上側に位置した２つの領域３６、３８に分割している。第１領域３６は分離要素３４の下側に位置し、オイルタンク１２の第２領域３８は分離要素３４の上側に位置している。第１領域３６は下側領域としても参照され、第２領域３８は上側領域としても参照される。
【００２４】
より大きいオイルタンク１２の使用またはオイルの使用量の増加を回避するために、分離要素３４が穴の開いた分離要素として形成されることが可能である。分離要素内の穴４１は比較的少数であり、小径とされている。したがって、一般的に上側領域３８に貯蔵された比較的高温のオイルの少ない割合のみがオイルタンク１２下側領域３６内へと穴４１を通過することを可能にしており、これによってそこでの油温をより低いレベルに維持することを確実にしている。
【００２５】
この場合、オイル戻り導管３２はオイルタンク１２の上側領域３８内に開放している。オイルタンク１２の、オイル戻り導管３２の端部の反対側において、循環導管３７が上側領域３８に接続されている。この循環導管３７内において、循環ポンプ３９と熱交換器４０とが直列に接続されている。循環導管３７はオイルタンク１２の下側領域内に開放している。循環導管３７を通じて、オイルはオイルタンク１２の上側領域３８からオイルタンク１２の下側領域３６内へと圧送され得る。
【００２６】
ガスタービンの静的動作の場合、例えば約８０℃の温度に加熱されたオイルは、戻り導管３２を通じてオイルタンク１２の上側領域３８内に移動する。したがって、比較的温かいオイルはオイルタンク１２の上側領域３８内に貯蔵される。まだ比較的高温で且つ十分な滞留時間のために、オイル内にまだ溶解している空気が逃げ得る。次いで、オイルは上側領域３８から循環導管３７を通じて、オイルタンク１２の下側領域内へと循環ポンプ３９の補助によって圧送される。それと同時に、圧送されたオイルは熱交換器４０を通じて流れ、熱交換器はオイルをより低い温度へと冷却する。熱交換器４０は好適に冷却ファン４２を備えた空冷熱交換器であり、したがって、特に効率的な様式において熱交換器が作動されることを可能にしている。空冷熱交換器４０の補助によって、循環したオイルはほぼ環境温度か、またはそれよりもわずかに高い温度に冷却される。数時間にわたっての環境温度が５５℃となることは固定ガスタービンの配置場所においては非常に稀であるので、冷却後にオイルが６０℃の温度となる可能性は、原理上は排除され得る。したがって、オイルタンク１２の下側領域３６内のオイルは常に６０℃よりも低い温度である。
【００２７】
リフトオイル導管１６と潤滑オイル導管２２、２４、２６との双方は、流体の移送が可能な態様において下側領域３６に接続されている。このことは、各導管１６、２２、２４、２６が常にオイルを引き込み、潤滑オイルシステム１７とリフトオイルシステム１３との各ポンプ１４、１８、２０、２２が、最高でも６０℃の温度においてガスタービンの軸受に常にオイルを圧送することを確実にしている。このことは、リフトオイルポンプ１４が、７３℃の臨界流入温度よりも十分に低い温度のオイルを引き込むことも確実している。このことは、より強力なリフトオイルポンプの使用、またはポンプが作動するためには粘性が低すぎるものとなり得る、７３℃よりも高温の許容作動温度のリフトオイルポンプの使用を回避している。
【００２８】
本発明の別の利点は、バイパス回路が、潤滑オイル導管２２、２３、２４、２６、３０内における潤滑オイル流入温度を制限するために、もはや必要ないことである。制限は、例えば循環ポンプ３９の供給容量の低下もしくは増加によって、または冷却ファン４２の速度の制限によって、達成される。
【００２９】
循環ポンプ３９の使用は絶対的に不可欠なものではない。代替の実施形態（図示略）によれば、循環ポンプ３９は置換されることなく排除されることも可能である。この場合、オイルタンク１２は、２つの領域３６、３８を完全に分離する分離要素３４を備えた、適切なデザインとされるべきである。したがって、循環導管３７は、追加のオイルがポンプによって熱交換器を介して上側領域３８から下側領域３６内へと常に流れ、または引き込まれるように接続されている。
【００３０】
全体的に、本発明は固定ガスタービンのための供給システム１０を開示しており、数時間にわたる６０℃よりも高い環境温度の場合であっても、オイル供給システムの構成の新規な相互接続のために、信頼性のあるガスタービンの動作が可能となっている。その構成はオイルタンク１２、ポンプ１４、１８、２０、２２、熱交換器４０、および導管システムであり、これらの構成の１つをより高い作動温度のために設計する必要がない。この目的のために、本発明によれば、オイルタンク１２は、オイルを貯蔵するために一方が他方の上に水平に積み重ねられた２つの領域３６、３８を備えており、２つの領域３６、３８は分離要素３４によって大部分がまたは完全に互いに分離されている。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ・・・オイル供給システム
１２  ・・・オイルタンク
１３  ・・・リフトオイルシステム
１４  ・・・リフトオイルポンプ
１６  ・・・リフトオイル導管
１７  ・・・潤滑オイルシステム
１８  ・・・主潤滑ポンプ
２０  ・・・予備潤滑ポンプ
２２  ・・・緊急潤滑ポンプ
２２，２３，２４，２６，３０  ・・・潤滑オイル導管
２８  ・・・オイルフィルタシステム
３２  ・・・オイル戻り導管
３４  ・・・分離要素
３６  ・・・第１（下側）領域
３７  ・・・循環導管
３８  ・・・第２（上側）領域
３９  ・・・循環ポンプ
４０  ・・・熱交換器
４１  ・・・穴
４２  ・・・冷却ファン
【図１】
2013543566.tif 000003
【国際調査報告】
2013543566.tif 000004
2013543566.tif 000005
2013543566.tif 000006
2013543566.tif 000007
2013543566.tif 000008
2013543566.tif 000009