(57)【要約】【課題】  ガスタービン又は負荷圧縮機に適用される場合に、低密度材料と共に用いられる１又はそれ以上の低損失軸受を組み込んだ機械駆動構成を提供すること【解決手段】  機械駆動構成は、圧縮機セクション、タービンセクション、及び燃焼器セクションを有するガスタービンを含むことができる。負荷圧縮機は、ガスタービンによって駆動される。ローター軸は、ガスタービン及び負荷圧縮機を貫通して延びる。ガスタービン及び負荷圧縮機のうちの１つの回転構成要素のうちの少なくとも１つは、低密度材料を含む。軸受は、ガスタービン及び負荷圧縮機の内部でローター軸を支持し、軸受のうちの少なくとも１つは、単一型低損失軸受である。【選択図】      図１
2016041931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機セクション（１０５）と、タービンセクション（１１５）と、前記圧縮機セクション及び前記タービンセクションに作動可能に結合された燃焼器セクション（１１０）とを有するガスタービン（１０）と、
前記ガスタービンによって駆動される負荷圧縮機（１６０）と、
前記ガスタービンの前記圧縮機セクション及び前記タービンセクションと、前記負荷圧縮機とを貫通して延びるローター軸（１２５）と、
前記ガスタービン及び前記負荷圧縮機の内部で前記ローター軸を支持し、少なくとも１つが単一型低損失軸受（１４０）である複数の軸受と、
を備える機械駆動構成（１１０）であって、
前記燃焼器セクション、前記タービンセクション、及び前記負荷圧縮機の各々は、複数の回転構成要素を有し、前記燃焼器セクション、前記タービンセクション、及び前記負荷圧縮機のうちの少なくとも１つの前記回転構成要素のうちの少なくとも１つは、低密度材料を含む、
機械駆動構成。
【請求項２】
前記ローター軸は、単一軸配列を有する、請求項１に記載の機械駆動構成。
【請求項３】
前記ローター軸に沿って前記タービンセクションに作動可能に結合され、複数の回転構成要素を備えた再熱燃焼器セクション及び再熱タービンセクションを有する再熱セクションをさらに含み、前記圧縮機セクション、前記タービンセクション、前記負荷圧縮機、及び前記再熱タービンセクションの前記回転構成要素のうちの少なくとも１つは、前記低密度材料を含む、請求項１に記載の機械駆動構成。
【請求項４】
前記ガスタービンは、後端駆動ガスタービンを含む、請求項１に記載の機械駆動構成。
【請求項５】
前記ローター軸に沿って前記負荷圧縮機を前記ガスタービンに結合するための負荷結合要素をさらに含む、請求項１に記載の機械駆動構成。
【請求項６】
前記ローター軸は、前記圧縮機セクション及び前記タービンセクションを貫通して延びる第１のローター軸と、前記負荷圧縮機を貫通して延びる第２のローター軸とを有する多軸配列を含み、前記第１のローター軸及び前記第２のローター軸の各々は、前記複数の軸受によって支持される、請求項１に記載の機械駆動構成。
【請求項７】
前記負荷圧縮機の前記回転構成要素とは異なる回転速度で前記ガスタービンの前記回転構成要素を回転させるように構成されたトルク変換機構をさらに含む、請求項６に記載の機械駆動構成。
【請求項８】
前記第２のローター軸に結合されて前記負荷圧縮機を駆動するようになった出力タービンセクションをさらに含み、前記出力タービンセクションは、複数の回転構成要素を有し、前記圧縮機セクション、前記タービンセクション、前記負荷圧縮機、及び前記出力タービンセクションの前記回転構成要素のうちの少なくとも１つは、低密度材料を含む、請求項６に記載の機械駆動構成。
【請求項９】
前記第１のローター軸に沿って前記タービンセクションに作動可能に結合された再熱セクションをさらに含み、前記再熱セクションは、複数の回転構成要素を備えた再熱燃焼器セクション及び再熱タービンセクションを有し、前記圧縮機セクション、前記タービンセクション、前記負荷圧縮機、前記出力タービンセクション、及び前記再熱タービンセクションの前記回転構成要素のうちの少なくとも１つは、前記低密度材料を含む、請求項８に記載の機械駆動構成。
【請求項１０】
前記圧縮機セクションは、前記燃焼器セクションより遠位の前段、前記燃焼器セクションの近位の後段、及びこれらの間に配置された中間段を含み、前記前段、前記中間段、及び前記後段の各々は、複数の回転構成要素を有し、前記圧縮機セクションの前記前段、前記圧縮機セクションの前記中間段、前記圧縮機セクションの前記後段、前記タービンセクション、及び前記負荷圧縮機の前記回転構成要素のうちの少なくとも１つは、前記低密度材料を含み、前記機械駆動構成は、前記ローター軸の半径方向外側に前記前段を貫通して延びるスタブ軸をさらに含み、前記スタブ軸の周りに配列された前記前段の前記回転構成要素が、前記ローター軸の周りに配列された前記中間段及び前記後段の前記回転構成要素よりも遅い回転速度で作動するようになっている、請求項１に記載の機械駆動構成。
【請求項１１】
前記複数の軸受は、前記スタブ軸を支持するスタブ軸軸受を含み、前記スタブ軸軸受のうちの少なくとも１つは、単一型低損失軸受を含む、請求項１０に記載の機械駆動構成。
【請求項１２】
前記第１のローター軸に沿って前記タービンセクションに作動可能に結合され、複数の回転構成要素を備えた再熱燃焼器セクション及び再熱タービンセクションを有する再熱セクションをさらに含み、前記圧縮機セクションの前記前段、前記圧縮機セクションの前記中間段、前記圧縮機セクションの前記後段、前記タービンセクション、前記負荷圧縮機、及び前記再熱タービンセクションの前記回転構成要素のうちの少なくとも１つは、前記低密度材料を含む、請求項１０に記載の機械駆動構成。
【請求項１３】
前記圧縮機セクションは、低圧圧縮機セクション及び高圧圧縮機セクションを含み、前記タービンセクションは、低圧タービンセクション及び高圧タービンセクションを含み、前記高圧タービンセクションは前記高圧圧縮機セクションを駆動し、前記低圧タービンセクションは前記低圧圧縮機セクションを駆動する、請求項１に記載の機械駆動構成。
【請求項１４】
前記低圧圧縮機セクション、前記高圧圧縮機セクション、前記低圧タービンセクション、及び前記高圧タービンセクションの各々は、複数の回転構成要素を含み、前記低圧圧縮機セクション、前記高圧圧縮機セクション、前記低圧タービンセクション、前記高圧タービンセクション、及び前記負荷圧縮機の前記回転構成要素のうちの少なくとも１つは、前記低密度材料を含む、請求項１３に記載の機械駆動構成。
【請求項１５】
前記ローター軸は、低速スプール及び高速スプールを有する複式スプール配列を含み、前記低速スプールは、前記低圧タービンセクション及び前記低圧圧縮機セクションを含み、前記高速スプールは、前記高圧タービンセクション及び前記高圧圧縮機セクションを含む、請求項１３に記載の機械駆動構成。
【請求項１６】
前記低速スプール及び前記高速スプールは、前記複数の軸受によって支持され、前記軸受のうちの少なくとも１つは、単一型低損失軸受を含む、請求項１５に記載の機械駆動構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、機械駆動ガスタービンに関し、より詳細には、単一型低損失軸受及び低密度材料を有することができる機械駆動構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、軍事から発電までの多くの産業部門で使用される。典型的には、ガスタービンは、電気エネルギーを生成するために使用される。しかしながら、一部のガスタービンは、種々の車両、飛行機、船等を推進するために使用される。油田及びガス田において、ガスタービンは、圧縮機、ポンプ、及び／又は発電機を駆動するために使用することができる。特定の工業用途（例えば、ガスをウェルの中に注入して油を別のボアを通って上昇させるための）においてガスタービンを使用して圧縮機を駆動する場合、ガスタービンの圧縮機は、回転ブレード列及び固定ベーン列で空気を圧縮して燃焼器に送り、燃焼器は、圧縮空気を燃料と混合して燃焼させて高温の空気−燃料混合気を生成し、この混合気は、ガスタービンのタービンのブレードを通って膨張する。その結果、ブレードは、ガスタービンのシャフト又はローターの周りで回転する。回転するローターは、ガスタービンに連結された負荷圧縮機を駆動し、負荷圧縮機は、回転エネルギーを使用して流体（例えば、ガス、空気など）を圧縮する。
【０００３】
機械駆動構成で使用される多くのガスタービン構成は、高粘度潤滑剤（すなわち、潤滑油）と併せて滑り軸受を使用して、タービンセクション、圧縮機セクション、及びこれに連結された負荷圧縮機の回転構成要素を支持する。含油軸受は、比較的安価であるが、これに付随して起こる（例えば、ポンプ、リザーバ、アキュムレータ等に対する）潤滑油スキッドに関連する費用がかかる。加えて、含油軸受の保全間隔は長いのでドライブトレインにおいて必要以上の粘性損失を引き起こす可能性があり、結果的に、ガスタービン駆動の負荷圧縮機ユニットの作動に悪影響を及ぼす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，２４２，４０６号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の１つの態様において、機械駆動構成が開示される。本発明のこの態様において、機械駆動構成は、圧縮機セクションと、タービンセクションと、圧縮機セクション及びタービンセクションに作動可能に結合された燃焼器セクションとを有するガスタービンを有する。負荷圧縮機はガスタービンによって駆動される。ローター軸は、ガスタービンの圧縮機セクション及びタービンセクションと、負荷圧縮機とを貫通して延びる。燃焼器セクション、タービンセクション、及び負荷圧縮機の各々は、複数の回転構成要素を有し、ガスタービン及び負荷圧縮機のうちの少なくとも１つの回転構成要素のうちの少なくとも１つは、低密度材料を含む。複数の軸受は、ガスタービン及び負荷圧縮機の内部でローター軸を支持し、少なくとも１つが単一型低損失軸受である。
【０００６】
本発明の特徴及び利点は、本発明の原理を例示的に示す添付の図面と合わせて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態による、前端駆動ガスタービン、負荷圧縮機、及び軸受流体スキッドを含み、少なくとも１つの単一型低損失軸受と低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素とさらに含む、機械駆動構成の概略図である。
【図２】本発明の実施形態による、再熱セクションを有する前端駆動ガスタービン、負荷圧縮機、及び軸受流体スキッドを含み、少なくとも１つの単一型低損失軸受と低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素とをさらに含む、機械駆動構成の概略図である。
【図３】本発明の実施形態による、後端駆動ガスタービン、負荷圧縮機、及び軸受流体スキッドを含み、少なくとも１つの単一型低損失軸受と低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素をさらに含む、機械駆動構成の概略図である。
【図４】本発明の実施形態による、後端駆動ガスタービン、負荷圧縮機、軸受流体スキッド、及びギヤボックスを含み、少なくとも１つの単一型低損失軸受と低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素とをさらに含む、機械駆動構成の概略図である。
【図５】本発明の実施形態による、後端駆動出力タービンを含み、少なくとも１つの単一型低損失軸受と低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素をさらに含む、ガスタービン構成の概略図である。
【図６】本発明の実施形態による、後端駆動出力タービン及び再熱セクションを含み、少なくとも１つの単一型低損失軸受と低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素とをさらに含む、ガスタービン構成の概略図である。
【図７】本発明の実施形態による、ガスタービンの圧縮機の前段を減速するためのスタブ軸及び減速機構を含み、少なくとも１つの単一型低損失軸受と低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素とをさらに含む、前端駆動ガスタービン構成の概略図である。
【図８】本発明の実施形態による、ガスタービンの圧縮機の前段を減速するためのスタブ軸及び減速機構、再熱セクション、少なくとも１つの単一型低損失軸受、及び低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素を含む、前端駆動ガスタービン構成の概略図である。
【図９】本発明の実施形態による、低速スプールを介して低圧タービンセクションに結合された低圧燃焼器セクション、及び高速スプールを介して高圧タービンセクションに結合された高圧燃焼器セクションを含み、少なくとも１つの単一型低損失軸受とパワートレインに使用される低密度材料で作られた少なくとも１つの回転ブレードをさらに含む、多軸前端駆動ガスタービン構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
前述のように、多くの機械駆動構成は、高粘度潤滑剤（すなわち、潤滑油）と併せて滑り軸受を使用して、ガスタービン及びこれに連結された負荷圧縮機の回転要素を支持する。含油軸受は、保全間隔コストが高く、ドライブトレインの中に過度の粘性損失を引き起こし、ガスタービンによって駆動される負荷圧縮機の作動に悪影響を及ぼす可能性がある。含油軸受に付随して起こる油スキッドに関連する費用もまた存在する。
【０００９】
低損失軸受は、含油軸受の使用の１つの代替形態である。しかしながら、特定のガスタービン駆動機械駆動構成は、低損失軸受を使用するのが難しい用途である。具体的には、ガスタービンのサイズが大きくなると、支持軸受パッド面積は、ローター軸直径の２乗で増加するが、機械駆動構成の重量は、ローター軸直径の３乗で増加する。従って、低損失軸受を実施するには、軸受パッド面積の増加及び重量の増加は、比例的に等しくする必要がある。従って、機械駆動構成に対して軽量な低密度材料を含有することが望ましく、機械駆動構成は、所望の比例性を高めるのに役立つ。
【００１０】
低損失軸受で支持可能な重量を有する機械駆動構成を作ることに加えて、より軽量の材料を使用すると、より大きな空気流を発生する能力を高めることもできる。これまで、当該ドライブトレインにおいてより大きな空気流量を発生させることは、ガスタービンの作動中に回転ブレードに加わる遠心荷重が、所望の空気流量を生じるのに必要なより長いブレード長と共に増加するので困難であった。例えば、ガスタービンに用いられる多段軸圧縮機の前段の回転ブレードは、圧縮機の中間段及び後段の回転ブレードよりも大きい。当該構成により、軸流圧縮機の前段のより長くてより重い回転ブレードは、より長くてより重いブレードの回転によって引き起こされる大きな遠心引張力に起因して作動中に高応力を受けやすくなる。
【００１１】
特に、ローターホイールの高い回転速度によって前段のブレードは大きな遠心引張力を受け、結果的にブレードに応力が加わる。軸流圧縮機の前段で回転ブレードに生じる可能性がある大きな取付け応力は、所定の用途に必要とされるより大きな空気流量を発生することができるガスタービン用圧縮機を製作するためにブレードサイズを大きくすることがより望ましくなっているので問題になる。同様の考察が負荷圧縮機にも適用される。
【００１２】
従って、ガスタービン又は負荷圧縮機に適用される場合に、低密度材料と共に用いられる１又はそれ以上の低損失軸受を組み込んだ機械駆動構成を提供することが望ましいことになる。このような構成により粘性損失が少なくなり、結果的に機械駆動構成の全体効率が高くなる。
【００１３】
本発明の種々の実施形態は、単一型低損失軸受及び低密度材料を有するガスタービン駆動式機械駆動構成を提供する。本明細書で使用される場合、語句「機械駆動構成」は、可動部品の組立体を意味し、圧縮機セクション、タービンセクション、再熱タービンセクション、出力タービンセクション、及び負荷圧縮機セクションのうちの１又はそれ以上の回転構成要素を含み、これらは互いに集合的に連通して流体を圧縮する。語句「機械駆動構成」、「機械ドライブトレイン」、及び「ガスタービン駆動式機構ドライブ」は、同義的に使用することができる。語句「ガスタービン構成」は、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及びタービンセクションを含み、再熱燃焼器セクション、再熱タービンセクション、及び出力タービンセクションを任意に含むことができるシステムを意味する。ガスタービン構成は、本明細書で説明する機械駆動構成のサブセットである。
【００１４】
本明細書で使用される場合、「単一型低損失軸受」は、一次軸受組立体であり、超低粘度を有する単一作動流体を有し、組み込まれる場合、ローラー軸受要素である付随の二次軸受を有する。「一次軸受組立体」は、ジャーナル軸受、スラスト軸受、又はスラスト軸受に隣接するジャーナル軸受とすることができる。この単一型低損失軸受に用いられる「超低粘度」の例は、水よりも小さな粘度（すなわち、２０℃で１センチポアズ）であり、限定されるものではないが、空気（例えば、高圧空気軸受）、ガス（例えば、高圧ガス軸受）、磁束（例えば、高磁束磁気軸受）、及び蒸気（例えば、高圧蒸気軸受）を含むことができる。ガス軸受において、ガス流体は、不活性ガス（例えば、窒素）、二酸化窒素（ＮＯ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水素、又は炭化水素（メタン、エタン、プロパン等を含む）とすることができる。二次軸受又はバックアップ軸受として用いられるローラー軸受要素の例は、球形ローラー軸受、円錐形ローラー軸受、テーパーローラー軸受、及びセラミックローラー軸受を含む。
【００１５】
本明細書で使用される場合、「低密度材料」は、約０．２００Ｉｂｍ／ｉｎ3未満の密度を有する材料である。本明細書で図示して説明する回転構成要素（例えば、ブレード１３０、１３５）に使用するのに好適な低密度材料の例は、限定されるものではないが、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）、有機マトリックス複合材（ＯＭＣ）、ポリマーガラス複合材（ＰＭＣ）、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、及び炭素−炭素複合材（ＣＣＣ）を含む複合材料、ベリリウム、チタン（Ｔｉ−６４、Ｔｉ−６２２２、及びＴｉ−６２４６など）、チタン及びアルミニウムを含む金属間化合物（ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ2、ＴｉＡｌ3、及びＴｉ3Ａｌなど）、鉄及びアルミニウムを含む金属間化合物（ＦｅＡｌなど）、プラチナ及びアルミニウムを含む金属間化合物（ＰｔＡｌなど）、コバルト及びアルミニウムを含む金属間化合物（ＣｂＡｌなど）、リチウム及びアルミニウムを含む金属間化合物（ＬｉＡｌなど）、ニッケル及びアルミニウムを含む金属間化合物（ＮｉＡｌなど）、及びニッケル発泡体を含む。
【００１６】
「特許請求の範囲」を含む本出願における語句「低密度材料」の使用は、本発明の種々の実施形態を単一低密度材料の使用に限定すると解釈すべきでなくて、むしろ同じ又は異なる低密度材料を含む構成要素を呼ぶものと解釈することができる。例えば、第１の低密度材料は、１つの構成セクションで使用することができるが、第２の（異なる）低密度材料は、別のセクションで使用することができる。
【００１７】
図において、低密度材料の適用は、当該低密度材料を使用できるドライブトレインのそれぞれのセクションにおいて破線によって表されている。図は、機械駆動構成又はガスタービン構成のセクションの殆ど又は全てにおいて用いられている低密度材料を示すことができるが、低密度材料は、低損失軸受によって支持されるこれらのセクションだけに限定されないことを理解されたい。
【００１８】
前述の低密度材料に対して、「高密度材料」は、約０．２００Ｉｂｍ／ｉｎ3以上の密度を有する材料である。高密度材料の例（本明細書で用いる）は、限定されるものではないが、ニッケルベースの超合金（例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６２５、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７０６、及びＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８を含む、単結晶、等軸、又は方向に凝固した形態）、鋼ベースの超合金（例えば、鍛造ＣｒＭｏＶ及びその誘導体、ＧＴＤ−４５０、ＧＴＤ−４０３Ｃｂ、及びＧＴＤ−４０３Ｃｂ＋）、及び全てのステンレス鋼誘導体（１７−４ＰＨ（登録商標）ステンレス鋼、ＡＩＳＩタイプ４１０ステンレス鋼等）を含む。
【００１９】
本明細書で説明する単一型低損失軸受及び低密度材料を機械駆動構成に用いる技術的効果は、これらの構成が、（ａ）そうでなければ作動するには重過ぎることになるドライブトレインに低損失軸受を使用する能力を提供し、（ｂ）ドライブトレインの含油軸受を提供するために従来から用いられている油スキッドの再構成を可能にし、（ｃ）典型的には、油ベースの軸受の使用によりドライブトレインに導入される粘性損失を最小にしながら高出力負荷を伝達する点にある。
【００２０】
ガスタービンに低密度材料を含む回転ブレードを用いることによる大量の空気流の送出は、ガスタービンの高出力につながる。結果として、ガスタービン製造業者は、回転ブレードのサイズを大きくしてより多くの空気流量を生じることができるが、同時に、ブレードが低密度材料で作られる場合でもこのようなより長いブレードを予め設定された入口アニュラス（ＡＮ2）範囲内に維持してブレードにかかる必要以上の取付け応力を除去することを保証する。ＡＮ2は、回転ブレードのアニュラス面積Ａ（ｉｎ2）と回転速度Ｎの平方（ｒｐｍ2）の積であり、一般的にガスタービンから出力定格を定量化するパラメータとして使用されることに留意されたい。
【００２１】
図１〜４は、ガスタービンを含む種々の機械駆動構成を示し、複数の軸受位置を含むことができる。図５〜９は、種々のガスタービン構成を示し、複数の軸受位置を含むことができる。必要に応じて、低損失軸受１４０は、機械駆動構成の負荷出力に無関係にドライブトレイン全体にわたって任意の位置に使用することができる。より高い負荷出力に伴って、より大きな構成要素サイズ及び関連の重量の増加は低密度材料の使用を必要とする場合があるので、低損失軸受と共に低密度材料を使用することが望ましい場合がある。一部の実施形態において、回転構成要素に低密度材料を用いることなく低損失軸受を使用することができるが、改善された性能及び／又は作動は、回転構成要素の少なくとも一部に対して低密度材料を用いることによって達成できると考えられる。
【００２２】
低損失軸受を使用して機械駆動構成の特定のセクションを支持する場合、低密度材料は、ドライブトレインの特定のセクションの特定の回転構成要素に使用することができる。例えば、低損失軸受がタービンセクションを支持している場合、低密度材料は、タービンセクション内の回転ブレードの各段の１又はそれ以上に使用することができる（破線で示すように）。同様に、低損失軸受が負荷圧縮機を支持している場合、低密度材料は、負荷圧縮機の回転構成要素に使用することができる（同様に破線で示す）。
【００２３】
用語「回転構成要素」は、ブレード（翼形部とも呼ばれる）、カバープレート、スペーサ、シール、シュラウド、熱シールド、及びこれらの又は他の可動部品の任意の組み合わせといった、圧縮機セクション、タービンセクション、再熱タービンセクション、出力タービンセクション、及び負荷圧縮機の可動部品のうちの１又はそれ以上を含むことが意図される。本明細書では便宜上、圧縮機、タービン、及び負荷圧縮機の回転ブレードは、多くの場合、低密度材料で作られていると言及されるであろう。しかしながら、回転ブレードに加えて又はその代わりに、低密度材料の他の構成要素を使用できることを理解されたい。図示のドライブトレイン構成に続く説明は、商業的又は工業的機械駆動構成に使用されるが、本発明の種々の実施形態は、このような用途だけに限定されることが意図されていない。代わりに、単一型低損失軸受及び低密度材料の回転構成要素を用いる概念は、全てのタイプの燃焼タービン又は回転エンジンに適用可能であり、これらは、圧縮性流体を使用して、圧縮性流体又はほぼ非圧縮性流体のいずれかを有する負荷デバイスを駆動する。圧縮性流体を用いる負荷デバイスの例は、限定されるものではないが、多段軸流圧縮機配列、航空機エンジン、船舶用パワードライブ等の独立型圧縮機を含む。ほぼ非圧縮性の流体（例えば、水、ＬＮＧ）を用いる負荷デバイスの例は、限定されるものではないが、ポンプ、水ブレーキ、スクリュー圧縮機、歯車ポンプ等を含む。
【００２４】
本明細書で説明する種々の実施形態は、何らかの特定のタイプの負荷圧縮機に限定されることが意図されていない。代わりに、本発明の種々の実施形態は、ガスタービンで駆動できる任意のタイプの負荷圧縮機と共に使用するのに適している。本明細書で説明する種々の実施形態と共に使用するのに適しているガスタービン駆動式負荷圧縮機の例は、限定されるものではないが、軸流圧縮機、遠心圧縮機、容積式圧縮機、往復圧縮機、天然ガス圧縮機、水平分割圧縮機、垂直分割圧縮機、一体型歯車式圧縮機、複流圧縮機等を含む。さらに、当業者であれば、本明細書で説明する種々の実施形態は、ガスタービンで駆動されない独立型圧縮機に使用するのに適していることも理解できるはずである。
【００２５】
ここで図を参照すると、図１は、ガスタービン１０及び負荷圧縮機１６０を有する単一軸の単純サイクルガスタービン駆動式機械駆動構成１００の概略図である。少なくとも１つの単一型低損失軸受及び低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素は、本発明の実施形態によるドライブトレインに使用される。図１に示すように、ガスタービン１０は、圧縮機セクション１０５、燃焼器セクション１１０、及びタービンセクション１１５を含む。ガスタービン１０は、負荷圧縮機１６０に対して前端駆動配列となっており、負荷圧縮機１６０は圧縮機セクション１０５に近接配置される。図７、８、及９に示すように、他の構成のガスタービン１０の使用することができる。
【００２６】
図１及び２〜９は、圧縮機セクション１０５、燃焼器セクション１１０、及びタービンセクション１１５の連結部及び構成部の全てを示していない。しかしながら、これらの連結部及び構成部は、従来技術に従って作ることができる。例えば、圧縮機セクション１０５は、流入空気を圧縮機に供給する吸気管路を含むことができる。第１の導管は、圧縮機セクション１０５を燃焼器セクション１１０に接続することができ、圧縮機セクション１０５で圧縮された空気を燃焼器セクション１１０に案内することができる。燃焼器セクション１１０は、公知の方式で、供給された圧縮空気を燃料ガス供給源から供給された燃料と一緒に燃焼させて作動流体を生成するようになっている。
【００２７】
第２の導管は、燃焼器セクション１１０からの作動流体を導いて、作動流体をタービンセクション１１５に案内することができ、作動流体はタービンセクション１１５を駆動するために使用される。詳細には、作動流体はタービンセクション１１５で膨張し、タービン１１５の回転ブレード１３５をローター軸１２５の周りで回転させる。ブレード１３５の回転は、ローター軸１２５を回転させる。このようにして、回転するローター軸１２５に関連する機械的エネルギーは、圧縮機セクションの回転ブレード１３０をローター軸１２５の周りで回転するように駆動するために使用できる。圧縮機セクション１０５の回転ブレード１３０の回転によって、燃焼用圧縮空気が圧縮セクション１１０に供給される。次に、ローター軸１２５の回転によって、負荷圧縮機１６０のブレード１６５が回転して流体を圧縮するようになっている。
【００２８】
ローター軸１２５と呼ばれる共通の回転軸は、タービンセクション１１５がガスタービン圧縮機セクション１０５及び負荷圧縮機１６０を駆動するように、圧縮機セクション１０５、タービンセクション１１５、及び負荷圧縮機１６０を単一ラインに沿って結合する。図１に示すように、ローター軸１２５は、タービンセクション１１５、圧縮機セクション１０５、及び負荷圧縮機１６０を貫通して延びる。この単一軸配列において、ローター軸１２５は、従来技術に従って結合されたガスタービン圧縮機のローター軸部品、タービンローター軸部品、及び負荷圧縮機ローター軸部品を有することができる。
【００２９】
結合構成要素は、ローター軸１２５のタービンローター軸部品、ガスタービン圧縮機ローター軸部品、及び負荷圧縮機ローター軸部品を結合して、軸受１４０と協働して作動することができる。ローター軸１２５に沿った結合構成要素の数及びこれらの場所は、機械駆動構成の設計及び用途によって様々とすることができる。
【００３０】
１つの代表的な負荷結合要素１０４は、例示的に図１に示されている（ガスタービン１０と負荷圧縮機１６０との間に）。代替的に、クラッチ（図示せず）又はギヤボックス（図４に示す１７０）は、負荷結合要素として使用することができる。このように、結合部材に結合されたそれぞれのローター部品は、それぞれの軸受１４０によってそれぞれに対して回転可能である。
【００３１】
圧縮機セクション１０５は、ローター軸１２５に沿って軸方向に配置された多段のブレード１３０を含むことができる。例えば、圧縮機セクション１０５は、ブレード１３０の前段、ブレード１３０の中間段、及びブレード１３０の後段を含むことができる。本明細書で使用される場合、ブレード１３０の前段は、空気流（又はガス流）が入口ガイドベーンを経由して圧縮機に入る部分において、ローター軸１２５に沿って圧縮機１０５の前部又は前方端に位置する。ブレードの中間段及び後段は、ローター軸１２５に沿って前段の下流に配置されたブレードであり、空気流（又はガス流）はより高い圧力までさらに圧縮される。従って、圧縮機セクション１０５でのブレード１３０の長さは、前段から中間段、前段から後段に向かって短くなる。
【００３２】
圧縮機セクション１０５の各段は、ローター軸１２５の円周方向の周りの円周方向アレイに配列された回転ブレード１３０を含み、回転軸から半径方向外向きに延びる動翼列を定めることができる。動翼列は、前段、中間段、及び後段に位置する場所でローター軸１２５に沿って軸線方向に配置される。加えて、各段は、前段、中間段、及び後段においてローター軸１２５に向かって半径方向内向きに延びる固定ベーン（図示せず）の環状列を含むことができる。１つの実施形態において、固定ベーンの環状列は、ローター軸１２５を取り囲む圧縮機のケーシング（図示せず）上に配置することができる。
【００３３】
各段において、固定ベーンの環状列は、その回転軸と平行なローター軸１２５の軸方向に沿って、交互になったパターンで、動翼列と一緒に配置することができる。固定ベーン列及び動翼列のグループ化は、圧縮機セクション１０５の個々の「段」を定める。このように、各段における動翼は、キャンバー付けされて、流れに仕事を加えて転向させるが、各段における固定ベーンは、キャンバー付けされて、流れを次段の動翼のために整えて最適な方向に転向させる。１つの実施形態において、圧縮機セクション１０５は、多段軸流圧縮機とすることができる。
【００３４】
また、タービンセクション１１５は、ローター軸１２５に沿って軸方向に配置されたブレード１３５の各段を含むことができる。例えば、タービンセクション１１５は、ブレード１３５の前段、ブレード１３５の中間段、及びブレード１３５の後段を含むことができる。ブレード１３５の前段は、作動流体としても知られている高温圧縮駆動ガスが膨張のために燃焼器１１０からタービンに入る部分において、ローター軸１２５に沿ってタービンセクション１１５の前部又は前方端に位置する。ブレードの中間段及び後段は、ローター軸１２５に沿って前段の下流に配置されたブレードであり、作動流体がさらに膨張する。従って、タービンセクション１１５でのレード１３５の長さは、前段から中間段、前段から後段に向かって長くなる。
【００３５】
タービンセクション１１５の各段は、ローター軸１２５の円周方向の周りの円周方向アレイに配列された回転ブレード１３５を含み、回転軸から半径方向外向きに延びる動翼列を定めることができる。圧縮機セクション１０５の各段と同様に、タービンセクション１１５の動翼列は、前段、中間段、及び後段に位置する場所でローター軸１２５に沿って軸線方向に配置される。加えて、各段は、前段、中間段、及び後段においてローター軸１２５に向かって半径方向内向きに延びる環状列の固定ベーンを含むことができる。１つの実施形態において、環状列の固定ベーンは、ローター軸１２５を取り囲むタービンのケーシング（図示せず）上に配置することができる。
【００３６】
各段において、環状列の固定ベーンは、その回転軸と平行のローター軸１２５の軸方向に沿って、交互になったパターンで、動翼列と一緒に配置することができる。固定ベーン列及び動翼列のグループ化は、タービンセクション１０５の個々の「段」を定める。このよう、各段における動翼は、キャンバー付けされて、流れに仕事を加えて転向させるが、各段における固定ベーンは、キャンバー付けされて、流れを次段の動翼のために整えて最適な方向に転向させる。
【００３７】
また、負荷圧縮機１６０は、ローター軸１２５に沿って軸方向に配置されたブレード１６５の各段を含むことができる。例えば、圧縮機１６０は、ブレード１６５の前段、ブレード１６５の中間段、及びブレード１６５の後段を含むことができる。ブレード１６５の前段は、ガスタービン１０の上流でローター軸１２５に沿って負荷圧縮機１６０の前部又は前方端に位置する。ブレードの中間段及び後段は、ローター軸１２５に沿って前段の下流に配置されたブレードであり、炭化水素又はバランスオブプラントガス（流体）がさらに圧縮される。負荷圧縮機１６０が圧縮することができる流体の例は、エタン、メタン、プロパン、及びブタン、並びに窒素酸化物のようなバランスオブプラントガスなどの炭化水素を含む。
【００３８】
負荷圧縮機１６０の各段は、ローター軸１２５の円周方向の周りの円周方向アレイに配列された回転ブレード１６５を含み、回転軸から半径方向外向きに延びる動翼列を定めることができる。圧縮機セクション１０５及びタービンセクション１１５の各段と同様に、負荷圧縮機１６０の動翼列は、前段、中間段、及び後段に位置する場所でローター軸１２５に沿って軸線方向に配置される。加えて、各段は、前段、中間段、及び後段においてローター軸１２５に向かって半径方向内向きに延びる環状列の固定ベーンを含むことができる。１つの実施形態において、環状列の固定ベーンは、ローター軸１２５を取り囲むタービンのケーシング（図示せず）上に配置することができる。
【００３９】
各段において、環状列の固定ベーンは、その回転軸と平行のローター軸１２５の軸方向に沿って、交互になったパターンで、動翼列と一緒に配置することができる。このように、各段における動翼は、キャンバー付けされて、流れを軸方向に向かって転向させるが、各段における固定ベーンは、キャンバー付けされて、流れを次段の動翼のために整えて軸方向に向かって転向させる。本明細書で説明するように、圧縮機セクション１０５、タービンセクション１１５、及び負荷圧縮機１６０のうちの１つにおける回転構成要素のうちの少なくとも１つは（例えば、ブレード１３０、１３５、及び１６５）、低密度材料から形成することができる。
【００４０】
当業者はであれば、低密度材料を含有する回転ブレード１３０、１３５及び１６５の総量及び配置は、設計及び機械駆動構成が作動する用途によって様々とすることができることを理解できるはずである。例えば、特定のセクション（例えば、圧縮機セクション１０５、タービンセクション１１５、又は負荷圧縮機１６０）の回転ブレード１３０、１３５及び１６５の一部又は全ては、低密度材料を含有することができる。１又はそれ以上の列又は段における回転ブレード１３０、１３５、及び１６５が低密度材料で形成される場合、他の列又は段における回転ブレード１３０、１３５、及び１６５は、高密度材料から形成することができる。
【００４１】
再度図１を参照すると、軸受１４０は、ドライブトレインに沿ってローター軸１２５を支持する。例えば、軸受１４０の各ペアは、タービンローター軸部品、ガスタービンの圧縮機ローター軸部品、及びローター軸１２５の負荷圧縮機ローター軸を支持することができる。１つの実施形態において、軸受１４０の各ペアは、タービンローター軸部品、ガスタービンの圧縮機ローター軸部品、及び負荷圧縮機ローター軸部品を、ローター軸１２５のそれぞれの両端で支持することができる。しかしながら、当業者であれば、軸受１４０のペアが、タービンローター軸部品、ガスタービンの圧縮機ローター軸部品、及び負荷圧縮機ローター軸部品を他の適切なポイントで支持できることを理解できるはずである。さらに、当業者であれば、ローター軸１２５のタービンローター軸部品、ガスタービンの圧縮機ローター軸部品、及び負荷圧縮機ローター軸部品の各々が、軸受１４０のペアで支持されることに限定されないことを理解できるはずである。圧縮機セクション１０５とタービンセクション１１５との間（すなわち、燃焼器１１０の真下）に示す軸受１４０は、一部の構成では任意とすることができる。本明細書で説明する種々の実施形態において、軸受１４０のうちの少なくとも１つは、単一型低損失軸受を含むことができる。
【００４２】
軸受１４０は、図１に示す軸受流体スキッド１５０から供給される流体を含む。軸受流体スキッド１５０は、「Ａ」（空気に関する）、「Ｇ」（ガスに関する）、「Ｆ」（磁束に関する）、「Ｓ」（蒸気に関する）、及び「Ｏ」（オイルに関する）で示されるが、これらの流体のうちの１つを又は組み合わせたものを使用して、ドライブトレインに複数の軸受１４０に供給することができることを理解されたい。本発明において、超低粘度の流体を用いる少なくとも１つの軸受を有する構成が好ましい。これらの構成において、軸受１４０は低損失タイプであり、前述のように、空気、ガス、磁束、又は蒸気などの超低粘度の流体を包含する軸受である。
【００４３】
軸受流体スキッド１５０は、リザーバ、ポンプ、アキュムレータ、バルブ、ケーブル、制御ボックス、パイプ等の軸受流体スキッド用の機器標準を含むことができる。軸受流体スキッド１５０から１又はそれ以上の軸受１４０に流体を送出するのに必要なパイプは、軸受流体スキッド１５０から軸受１４０の各々に矢印によって示されている。場合によっては、軸受流体スキッド１５０は、２つ又はそれ以上の異なるタイプの流体（前述のオイル及び低粘度流体のうちの１又はそれ以上など）を供給できる。代替的に、２つ又はそれ以上の異なる軸受タイプを使用する場合、各流体タイプに対する軸受流体スキッド１５０を使用することができる。
【００４４】
当業者であれば、軸受１４０に対して用いられる単一型低損失軸受の選択は、設計及び機械駆動構成が作動する用途によって様々であることを理解できるはずである。例えば、軸受１４０の１つ、一部、又は全ては、単一型低損失軸受を含むことができる。加えて、従来の含油軸受と単一型低損失軸受とを組み合わせたものを含む、異なる軸受タイプを組み合わせたものは、ドライブトレインに沿って使用することができる。ローター軸が単一型低損失軸受によって支持されるセクションにおいて、それぞれのセクションに低密度材料を組み込んで、その重量が余裕をもって支持された回転セクションを作ることが好ましい場合がある。
【００４５】
加えて、当業者であれは、図１に示す機械駆動構成及び図２〜９に示すものは、明瞭化のために、本発明の種々の実施形態を理解するのを可能にする構成要素を示すに過ぎないことを理解できるはずである。当業者であれば、図示したもの以外の追加の構成要素が存在することを理解できるはずである。例えば、本明細書で説明する機械駆動構成及び／又はガスタービン構成は、ガス燃料回路、ガス燃料スキッド、液体燃料回路、液体燃料スキッド、流れ制御バルブ、冷却システム等の二次構成要素を含むことができる。
【００４６】
複数の軸受を含む本明細書で示す機械駆動構成において、バランスオブプラント（ＢｏＰ）粘性損失は、低損失軸受が従来の粘性流体軸受の代わりに使用できる各場所において低減する。従って、説明したように、全部ではないが複数の粘性流体軸受を低損失軸受と置き換えることで、粘性損失が著しく低減し、結果的に、ベース負荷運転及び／又は部分負荷運転においてドライブトレインの出力が増大する。
【００４７】
ドライブトレイン構成の効率及び出力は、半径方向長がより大きい回転構成要素を用いることによってさらに改善することができる。これまで、より大きな長さの回転構成要素を作る上での問題点は、この重量が低損失軸受に不適合な点であった。しかしながら、回転構成要素のうちの１又はそれ以上に低密度材料を使用すると、翼形部引張力及びローターホイール直径が対応して大きくなることなく、所望の（より長い）長さの構成要素を製作できる。結果として、ガスタービンを駆動するための駆動流体を生成するのに大量の空気を使用することができ、低損失軸受は、低密度回転構成要素が設けられるドライブトレインセクションを支持するために使用することができる。
ことができる。
【００４８】
以下に、図２〜９に示すガスタービン駆動式機械駆動構成を簡単に説明する。図１〜４の機械駆動構成で使用できる具体的なガスタービン構成は、図５〜９に示されている。これらの図の全ては、特定の工業用機械駆動用途で実施できる異なるタイプのドライブトレインを示す。各構成は、図１の構成と異なる方式で作動することができるが、これらは、図２〜９の実施形態が、少なくとも１つの低密度回転構成要素（例えば、それぞれ圧縮機セクション１０５、タービンセクション１１０、及び負荷圧縮機１２０のローター翼１３０、１３５、及び１６０）を有することができる点で類似している。同様に、これらの実施形態は、軸受１４０に対して少なくとも１つの単一型低損失軸受を使用することができる。前述のように、回転構成要素１３０、１３５、１６０の一部又は全ては、低密度材料とすることができる。圧縮機、タービン、又は負荷圧縮機セクションの特にブレードを参照すると、低密度材料の回転構成要素は、高密度材料の回転構成要素と共に段で組み込むことができる。同様に、軸受１４０の一部又は全ては、単一型低損失軸受とすることができる。このようにして、低損失軸受タイプの軸受は、含油軸受のような他のタイプの軸受と共に組み込むことができる。
【００４９】
さらに、機械駆動構成のドライブトレインにおける低密度回転構成要素及び単一型低損失軸受の使用は、図１〜９に示す実施例に限定されることが意図されていない。代わりに、これらの実施例は、機械駆動構成のドライブトレインにおいて低密度回転構成要素及び単一型低損失軸受を実装できるいくつかの構成の単なる例示である。当業者であれば、本明細書で示す実施例の可能性のある構成の多くの変形例が存在することを理解できるはずである。種々の実施形態の範囲及び内容は、ガスタービンを使用する工業用機械駆動用途において実施することができるこれらの可能性のある変形例並びに他の可能性のあるドライブトレイン構成をカバーすることが意図される。
【００５０】
図２は、再熱セクション２０５を備えた前端駆動ガスタービン１２を有する機械駆動構成２００の概略図である。図２に示すように、再熱セクション２０５は、第１の圧縮機セクション１１０及び第１のタービンセクション１１５の下流に、それぞれ再熱燃焼器及び再熱タービンとも呼ばれる第２の燃焼器セクション２１０及び第２のタービンセクション２１５を含む。機械駆動構成２００は、軸受流体スキッド１５０（前述のような）と流体連通する少なくとも１つの単一型低損失軸受１４０を含む。本実施形態において、タービンセクション１１５及びタービンセクション２１５の両方は、低密度材料を含む少なくとも１つの回転構成要素を含む回転構成要素（それぞれブレード１３５、２２０）を有することができる。１つの実施形態において、タービン段のうちの１つ、一部、又は全てにおける回転ブレード１３５及び／又は２２０の全て又は一部は、低密度材料を含むことができる。別の実施形態において、圧縮機セクションにおける回転構成要素（例えば、ブレード１３０）は、低密度材料を含むことができる。さらに別の実施形態において、圧縮機セクション１０５及びタービンセクション１１５のうちの少なくとも１つは、低密度材料の回転構成要素１３０、１３５を含むことができるが、再熱タービンセクション２１５の回転構成要素２２０は、異なるタイプの材料（例えば、高密度材料）とすることができる。必要に応じて、圧縮機セクション１０５、タービンセクション１１５、及び再熱タービン２１５の各々は、低密度材料の回転構成要素１３０、１３５、２２０の１又はそれ以上の段を含むことができる。負荷圧縮機１６０の回転構成要素を含む他の回転構成要素は、本明細書で説明する回転ブレード１３０、１３５、２２０に加えて又はこれらの代わりに低密度材料で作ることができる。
【００５１】
図３は、後端駆動ガスタービン１４、負荷圧縮機１６０、及び軸受流体スキッド１５０を有する機械駆動構成３００の概略図である。構成３００において、ガスタービン１４は、負荷圧縮機１６０が負荷結合１０４を介してガスタービンのタービンセクション１１５に結合されるように配置されるので、「後端駆動」ガスタービン１４がもたらされる。
【００５２】
図１に示す構成１００と同様に、機械駆動構成３００は、軸受流体スキッド１５０と流体連通する少なくとも１つの単一型低損失軸受１４０を含む。少なくとも１つの回転構成要素（圧縮機翼１３０、タービン翼１３５、又は負荷圧縮機翼１６５など）は、本発明の実施形態による低密度材料で作られる。構成３００の個々の構成要素は、構成１００のものと同じであり、前述の図１で検討したので各要素の検討はここでは繰り返さない。
【００５３】
図４は、後端駆動ガスタービン１４、トルク変換機構１７０（例えば、ギヤボックス）、及び負荷圧縮機１６０を有する多軸機械駆動構成４００の概略図である。ガスタービン１４は、第１の軸１２５に沿って負荷結合器１０４を介してトルク変換機構１７０に結合される。負荷圧縮機１６０は、トルク変換機構１７０に作動可能に結合された第２の軸１２６に沿って配置される。トルク変換機構１７０によって、第１の軸１２５は、第２の軸１２６とは異なる回転速度で作動できる。
【００５４】
第１の軸１２５に沿ってガスタービンセクション及びトルク変換機構１７０を支持する軸受１４０は、本明細書で説明するように１又はそれ以上の低損失軸受を含むことができ、軸受１４０は、軸受流体スキッドと流体連通する。同様に、第２の軸１２６に沿って負荷圧縮機１６０及びトルク変換機構１７０を支持する軸受１４０は、１又はそれ以上の低損失軸受を含むことができ、軸受１４０は、軸受流体スキッド１５０と流体連通する。単一の軸受流体スキッドが示されているが、軸受流体スキッド１５０は、軸１２５、１２６の各々に関連すること及び／又は各々に個別の流体が供給されることを理解されたい。
【００５５】
図４には、圧縮機セクション１０５の回転ブレード１３０、タービンセクション１１５の回転ブレード１３５、及び負荷圧縮機１６０の回転ブレード１６５が、低密度ブレードの１又はそれ以上の段を含み得ることを示す。これは１つの可能性のある実施構成であり、構成４００の範囲を限定することは意図されていない。前述のように、低密度材料を含む、ドライブトレインに使用される少なくとも１つの回転ブレードが存在する限り、低密度ブレードは、他の材料から作られたブレード（例えば、高密度ブレード）と任意に組み合わせることができる。代替的に又は追加的に、ブレード１３０、１３５、１６５以外の回転構成要素は、低密度材料から作ることができ、従って、本開示は、ブレードのみが低密度材料から作られる構成に限定されない。好ましくは、低密度の回転構成要素１０５、１３５、及び／又は１６５は、単一型低損失軸受である軸受１４０によって支持されるガスタービン４００のセクションで使用される。
【００５６】
図５は、第１の軸３１０上に圧縮機セクション１０５、燃焼器セクション１１０、及びタービンセクション１１５を有する後端駆動ガスタービン１６を含む多軸ガスタービン構成５００の概略図である。ガスタービン１６は、タービンセクション１１５の下流にある第２の軸３１５上に出力タービンセクション３０５をさらに含む。図５のガスタービン１６は、図３のパワートレイン構成３００及び図４のパワートレイン構成４００においてガスタービン１４の代わりに使用できる。
【００５７】
本実施形態において、後端駆動配列が提供され、単一軸（図３のガスタービン１４で示す）は、多軸配列に置換される。詳細には、第１の単一ローター軸３１０は、圧縮機セクション１０５及びタービンセクション１１５を貫通して延びるが、シャフト３１０から分離した第２の単一ローター軸３１５は、出力タービンセクション３０５から負荷圧縮機１６０（図示されていないが、「負荷圧縮機へ」という説明で示される）まで延びる。
【００５８】
作動中に、第１のローター軸３１０は入力軸として、第２のローター軸３１５は出力軸として機能することができる。１つの実施形態において、ローター軸３１５の出力速度は、一定の速度（例えば、３６００ＲＰＭ）で回転して、負荷圧縮機（１６０）が一定の速度で作動することを保証するが、ローター軸３１０の入力速度は、ローター軸３１５の速度と異なる場合がある（例えば、３６００ＲＰＭより大きくすることができる。）。
【００５９】
軸受１４０は、ローター軸３１０及びローター軸３１５で種々のガスタービンセクションを支持することができる。１つの実施形態において、軸受１４０のうちの少なくとも１つは、本明細書で説明するように、単一型低損失軸受を含むことができる。軸受１４０は、例えば図３で示すように、軸受流体スキッド１５０と流体連通する。
【００６０】
１つの実施形態において、出力タービン３０５は、低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素４０５（例えば、ブレード）を有することができる。図５は、圧縮機セクション１０５の回転ブレード１３０、タービンセクション１１５の回転ブレード１３５、出力タービンセクション３０５の回転ブレード４０５が、低密度ブレードの１又はそれ以上の段を含み得ることを示す。これは、１つの可能性のある実施構成であり、構成５００の範囲を限定することは意図されていない。前述のように、低密度材料を含むドライブトレインに使用される少なくとも１つの回転ブレードが存在する限り、低密度ブレードは、他の材料から作られたブレード（例えば、高密度ブレード）と任意に組み合わせることができる。代替的に又は追加的に、ブレード１３０、１３５、４０５以外の回転構成要素は、低密度材料から作ることができ、従って、本開示は、ブレードのみが低密度材料から作られる構成に限定されない。好ましくは、低密度回転構成要素１０５、１３５、及び／又は４０５は、単一型低損失軸受である軸受１４０によって支持されるガスタービン５００のセクションで使用される。
【００６１】
図６は、出力タービン３０５及び再熱セクション２０５を有する多軸後端駆動ガスタービン構成６００の概略図である。ガスタービン構成６００は、本発明の実施形態による、ガスタービンのドライブトレインに使用される少なくとも１つの単一型低損失軸受１４０及び低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素をさらに含む。図５と同様に、図６のガスタービン１８は、図３のパワートレイン構成３００及び図４のパワートレイン構成４００のガスタービン１４の代わりに使用できる。
【００６２】
ガスタービン構成６００は、ガスタービン１８が再熱圧縮機セクション２１０及び再熱タービンセクション２１５を有する再熱セクション２０５を含むこと以外は、図５に示すものに類似している。再熱セクション２０５は、入力駆動シャフト３１０に付加される。図６は、圧縮機セクション１０５の回転ブレード１３０、タービンセクション１１５の回転ブレード１３５、再熱タービンセクション２１５の回転ブレード２２０、出力タービンセクション３０の回転ブレード４０５、及び負荷圧縮機１６０の回転ブレード１３７（図２に示す）が、低密度材料を含み得ることを示す。これは、１つの可能性のある実施構成であり、構成６００の範囲を限定するようことは意図されていない。前述のように、低密度材料を含むドライブトレインに使用される少なくとも１つの回転ブレードが存在する限り、低密度ブレードは、他の材料を含むブレード（例えば、高密度ブレード）と任意に組み合わせることができる。より効率を高くするために、単一型低損失軸受１４０によって支持される構成６００のセクションは、低密度材料で作られた回転構成要素を含み、回転構成要素の少なくとも一部は、低密度材料で作られる。
【００６３】
図７は、ガスタービン２０を有する前端駆動ガスタービン構成７００の概略図であり、この構成は、圧縮機セクション６０５の前段の速度を減速するスタブ軸６２０を含む。本発明の実施形態によれば、ガスタービン２０は、ガスタービンのドライブトレインに使用される少なくとも１つの単一型低損失軸受１４０をさらに含む。ガスタービン２０は、図１の前端駆動ガスタービン１０の代わりに使用できる。
【００６４】
本実施形態において、圧縮機セクション６０５は、２つの段６１０及び６１５で示されており、段６１０は、圧縮機セクション６０５の前段を表し、段６１５は、圧縮機セクション６０５の中間段及び後段を表す。これは１つの構成であり、当業者であれば、より多くの段で圧縮機６０５を示し得ることを理解できるはずである。いずれの場合でも、段６１０に関連する回転ブレード７１０はスタブ軸６２０に結合されるが、段６１５の回転ブレード７１５及びタービン１１５は、ローター軸１２５に沿って結合される。圧縮機６１０の前段、圧縮機６１５、タービンセクション１１５、及び／又は負荷圧縮機（１６０）の中間段及び後段のうちの少なくとも１つは、低密度材料で作られた１又はそれ以上の回転構成要素を含むことができる。低密度材料の回転構成要素は、他の材料（例えば、高密度材料）の回転構成要素と共に組み入れる（例えば、段で）ことができる。
【００６５】
１つの実施形態において、スタブ軸６２０は、ローター軸１２５の半径方向外側にありローター軸１２５を円周方向に取り囲むことができる。軸受１４０は、圧縮機セクション６０５、タービンセクション１１５、及び負荷圧縮機１６０（「負荷圧縮機へ」によって示される）に関して配置され、スタブ軸６２０及びローター軸１２５を支持する。本明細書で説明するように、この構成の軸受１４０の全て、一部、又は少なくとも１つは、単一型低損失軸受とすることができ、このような低損失軸受は、低密度材料で作られた回転構成要素を有する構成７００のこのセクションを支持するのに特に適している。
【００６６】
作動中に、ローター軸１２５によって、タービンセクション１１５は負荷圧縮機（図１に示す１６０）を駆動できる。スタブ軸６２０は、ローター軸１２５よりも遅い作動速度で回転することができ、前段６１０のブレード７１０は、段６１５の中間段及び後段（これらはローター軸１２５に結合される）のブレード７１５よりも遅い回転速度で回転する。別の実施形態において、スタブ軸６２０を使用して、段６１０のブレード７１０を段６１５のブレード７１５とは異なる方向に回転させることができる。段６１０の回転ブレード７１０を段６１５のブレード７１５よりも遅い回転速度で及び／又はこれと異なる方向に回転させることで、スタブ軸６２０は、ブレードの前段の回転速度（例えば、約３０００ＲＰＭ）を減速することができるが、ローター軸１２５は、タービンセクション１１５の回転ブレード１３５の回転速度、従って、負荷圧縮機１６０の速度を維持して一定の速度（例えば、３６００ＲＰＭ）で作動することができる。
【００６７】
段６１５のブレード７１５の中間段及び後段に対して段６１０のブレード７１０の前段の回転速度を減速することで、より大きなブレードを前段で使用することが容易になる。より大きなサイズのブレッドによって、圧縮機セクション６０５を通る空気流（又はガス流）は、従来の圧縮機に比べて増加するが、このことは、より多くの空気流がガスタービン２０を通って流れることを意味する。ガスタービン２０を通るより多くの空気流は、より大きな出力につながる。
【００６８】
さらに、前段の回転ブレード７１０は低速で作動できるので、典型的にこれらの段で生じる取付け応力を低減することができる。その結果、圧縮機の製造業者が、前段において高密度材料ブレードの使用を継続したいと望む場合、前段６１０のより遅い回転速度によって、より大きなサイズの前段回転ブレードを作ることができるが、予め設定されたＡＮ2範囲のままとすることができる。本出願と同時出願であり、引用によって組み込まれている米国特許出願番号１４／４６０５６０「ＭＵＬＴＩ−ＳＴＡＧＥ  ＡＸＩＡＬ  ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ  ＡＲＲＡＮＧＥＭＥＮＴ」、代理人整理番号２５７２６９−１（ＧＥＥＮ−０４５８）には、圧縮機の前段でより遅い回転速度を実現するためのスタブ軸の使用方法が詳細を提示されている。
【００６９】
図８は、再熱セクション２０５と備えたガスタービン２２を有するガスタービン構成８００の概略図である。本発明の実施形態によれば、構成８００は、ガスタービン２２の圧縮機の前段を減速するためのスタブ軸６２０、少なくとも１つの単一型低損失軸受、及び低密度材料で作られた少なくとも１つの回転構成要素をさらに含む。本実施形態において、再熱セクション２０５は、図７に示す構成に付加することができる。このように、圧縮機セクション６０５のそれぞれの段６１０及び６１５の回転ブレード７０５及び７１０、タービンセクション１１５の回転ブレード１３５、再熱タービンセクション２１５の回転ブレード２２０、及び負荷圧縮機１６０の回転ブレード１６５は、低密度材料で作られたブレードを含むことができる。
【００７０】
この場合も同様に、これは１つの可能性のある実施構成であり、構成８００の範囲を限定することは意図されていない。例えば、低密度材料を含む少なくとも１つの回転構成要素が存在する限り、ドライブトレインにおいて、他のタイプの材料のブレード（例えば、高密度ブレード）と組み合わせた任意の総量の低密度ブレードが存在し得る。代替的に又は追加的に、ブレード以外の回転構成要素は、１又はそれ以上のセクションにおいて低密度材料で作ることができる。図８のガスタービン２２は、図２のパワートレイン構成２００を含む、再熱セクション２０５を備えたガスタービンを有するこれらのパワートレイン構成において、ガスタービン１２の代わりに使用できる。
【００７１】
図９は、低速スプール８０５及び高速スプール９０５を備えた多軸ガスタービン２６を有するガスタービン構成９００の概略図である。本発明の実施形態によれば、ガスタービン２６は、ガスタービンのドライブトレインに使用される少なくとも１つの低損失軸受１４０をさらに含む。図９のガスタービン２６は、図１に示すドライブトレイン構成１００の前端駆動ガスタービン１０の代わりに使用できる。
【００７２】
本実施形態において、圧縮機１１００は、低圧圧縮機８１０と、空気によって低圧圧縮機８１０から分離された高圧圧縮機８１５とを含む。加えて、ガスタービン構成９００は、低圧タービン１０１０と、空気によって低圧タービン１０１０から分離された高圧タービン１０１５とを含むタービン１０００を含む。低速スプール８０５は、低圧タービン１０１０によって駆動される低圧圧縮機８１０を含むことができる。高速スプール９０５は、高圧タービン１０１５によって駆動される高圧圧縮機８１５を含むことができる。この構成９００において、低速スプール８０５は、所望の回転速度（例えば、３６００ＲＰＭ）で負荷圧縮機（「負荷圧縮機へ」によって示される１６０）を駆動することができるが、高速スプール９０５は、低速スプールの速度以上の（例えば、３６００ＲＰＭを越える）回転速度で作動することができ、複式スプール配列を形成する。
【００７３】
図９において、ドライブトレイン９００を支持する軸受１４０のうちの少なくとも１つは、単一型低損失軸受とすることができる。軸受１４０は、例えば図１に示すように、軸受流体スキッド１５０と流体連通する。図９は、圧縮機セクション８１０、８１５の回転ブレード８２０、８２５、タービンセクション１０１０、１０１５の回転ブレード１０２０、１０２５、及び負荷圧縮機１６０の回転ブレード１６５を、破線によって示すように、低密度材料で作り得ることを示す。これは１つの可能性のある実施構成であり、構成９００の範囲を限定することは意図されていない。この場合も、低密度材料を含むドライブトレインに使用される少なくとも１つの回転構成要素が存在する限り、低密度回転構成要素（例えば、ブレード）を異なる複合材（例えば、高密度材料）で作られた回転構成要素（例えば、ブレード）と一緒に使用する任意の組み合わせが存在し得る。少なくとも１つの実施形態において、低密度材料は、単一型低損失軸受によって支持されるドライブトレイン構成９００のセクションで１又はそれ以上の回転構成要素に使用される。
【００７４】
任意的に、ギヤボックス、トルク変換器、歯車セット、又は同様のものといったトルク変換機構１２０８は、ガスタービン２６と負荷圧縮機（図示されていないが、「負荷圧縮機へ」によって示される）との間の低速スプール８０５に沿って配置することができる。トルク変換機構１２０８を含む場合、低速スプール８０５が３６００ＲＰＭよりも高い回転速度で作動し、３６００ＲＰＭのより低い回転速度で負荷圧縮機を駆動し、依然として６０Ｈｚの作動出力を実現するように、トルク変換機構１２０８は出力補正を行う。このような配列は、一部の機械駆動構成に対して望ましい場合がある。
【００７５】
本明細書で説明するように、本発明の実施形態は、工業用用途に用いられるドライブトレインの一部として単一型低損失軸受及び低密度材料を使用することができる、種々の機械駆動構成を説明する。単一型低損失軸受及び低密度材料を有するこれらのガスタービン駆動式機械駆動構成は、含油軸受及び高密度材料を使用する他のドライブトレインに比べて大きな空気流量を送出することができる。加えて、より大きな空気流量の送出は、典型的には、油ベースの軸受の使用によりドライブトレイン中に導入される粘性損失を最小にしながら行われる。単一型低損失軸受の使用に起因するオイルレス環境は、含油軸受に関する構成要素を除去できるので維持費の削減につながる。
【００７６】
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。さらに、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。さらに、用語「前部」及び「後部」は、限定的ではなく、必要な応じて置き換え可能であることが意図されることを理解されたい。
【００７７】
本開示は、好ましい実施形態と共に詳細に示されて説明されているが、当業者であれば変形例及び修正例を考え得ることを理解されたい。従って、特許請求の範囲は、本開示の精神に含まれるすべてのこのような修正例及び変形例を包含することが意図されることを理解されたい。
【符号の説明】
【００７８】
１０  ガスタービン
１００  ガスタービン駆動式機械駆動構成
１０４  負荷結合要素
１０５  圧縮機セクション
１１０  燃焼器セクション
１１５  タービンセクション
１２５  ローター軸
１３０  ブレード
１３５  ブレード
１４０  低損失軸受
１６０  負荷圧縮機
１６５  ブレード
【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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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
2016041931000001.pdf