JP2004232532A

JP2004232532A - マイクロガスタービン

Info

Publication number: JP2004232532A
Application number: JP2003021296A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sekihara; 傑関原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】マイクロガスタービンの組立性および分解性を向上させる。
【解決手段】マイクロガスタービン１では、タービン羽根車５の回転軸（タイボルト）９に、ロータシャフト６と圧縮機羽根車７と発電機８のロータとが積層状態で嵌合し、タイボルト端部に形成されたねじ部でナット１４により、締め付けられている。圧縮機羽根車と回転軸とは遊嵌しており、ロータシャフトに圧縮機羽根車は締まり嵌めされている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロガスタービンに係り、特に発電設備に好適なマイクロガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロガスタービンの例が特許文献１に、ガスタービンエンジンの例が特許文献２に記載されている。特許文献１では、マイクロタービン発電システムの高効率化と低廉化を目指して、タービン、コンプレッサと発電機をタイシャフトにより一緒に固定している。そして、タイシャフトに予め応力を加えて、タービン、発電機およびコンプレッサの各面がシステムの高速高温動作中に接触維持されるようにしている。
【０００３】
また、特許文献２ではガスタービンエンジンの内部における空気および燃焼ガスの流れを軸対称化して熱的な歪の発生を防止するために、ガスタービンエンジンが、回転軸に固定されたコンプレッサホイールと、タービンホイールと、回転軸の延長上に配置された単缶型燃焼器と、単缶型燃焼器の半径方向外側を囲繞するように配置された円環状の伝熱型熱交換器とを備える。そしてコンプレッサホイールとタービンホイール、単缶型燃焼器、伝熱型熱交換器は、回転軸の軸線に対して同軸に配置されている。
【特許文献１】
特開２００１−１２２５６号公報
【特許文献２】
特開平９−１３３０２９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載のマイクロガスタービンのロータは、タービンとロータシャフト、圧縮機、発電機などの回転部品をロータの回転軸方向に締め代を有するインロー構造にて嵌合させて積み重ね、回転軸と平行なタイボルトで締結している。ところでマイクロガスタービンでは定期的なメンテナンスが必要であるから、締め代を有する構造では組立時にインロー嵌合部の焼き嵌めもしくは冷し嵌め処理が必要となるとともに分解用の特殊設備も必要となり、メンテナンスの費用と工程が増加する。
【０００５】
特許文献２に記載のガスタービンエンジンでは、確かに流れの対称性は確保されるが、マイクロガスタービンのように小型コンパクト化が望まれる機器では流れの対称性を優先して機器が大型化することは不都合である。
【０００６】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、マイクロガスタービンの組立性および分解性を向上させることにある。本発明の他の目的は、タイボルトで回転部品を締め付けたマイクロガスタービンのロータの製作時の残留アンバランス量を低減することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、回転軸が接合されたタービン羽根車と、このタービン羽根車に隣接し回転軸を通す穴が形成された圧縮機羽根車と、圧縮機羽根車に隣接し回転軸が通る穴が形成されたロータシャフトと、ロータシャフトに隣り合い回転軸が通る穴が形成された発電機ロータとを有するマイクロガスタービンにおいて、圧縮機羽根車を回転軸に遊嵌し、圧縮機羽根車にロータシャフトを締まり嵌めしたことにある。
【０００８】
この特徴において、圧縮機羽根車と回転軸の遊嵌部は、圧縮機羽根車の内周側に形成した雄側インローと回転軸に形成した雌側インローであってもよい。また、圧縮機羽根車とロータシャフトの嵌合部は、圧縮機羽根車の内周側に形成した雌ねじを有する雄側インローとロータシャフトに形成した雌側インローまたはロータシャフトの内周側に形成した雌ねじを有する雌側インローと圧縮機羽根車に形成した雄側インロー、ロータシャフト内周に形成した雌ねじを有する雄側インローと圧縮機羽根車に形成された雌側インローのいずれかであってもよい。
【０００９】
また、タービンはケーシングを有し、このケーシングは内ケーシングと外ケーシングの２重ケーシング構造であり、タービン羽根車に燃焼ガスを供給する燃焼器をタービン羽根車の外径側に配置することが望ましく、さらに望ましくは内ケーシングの内部にタービン羽根車から排出されるガスを流通させ、内ケーシングと外ケーシングの間に圧縮機羽根車に吐出される空気を流通させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るマイクロガスタービン１の一実施例の縦断面図であり、図２は図１の主要部の縦断面図である。マイクロガスタービン１は、タービンロータ２とケーシング３を有する。
【００１１】
タービンロータ２は、タービン羽根車５と、ロータシャフト６と、圧縮機羽根車７と、発電機ロータとを有する。そしてマイクロガスタービン１は、このタービンロータ２と、燃焼器５８と、バーナ５９と、燃焼器用流路６０と、発電機８とを有する。燃焼器５８では圧縮機羽根車７から送られた吐出空気が燃料と混合して燃焼し、生成された燃焼ガスがタービン羽根車５に供給される。燃焼器用流路６０は燃焼器５８に空気を導く。
【００１２】
タービン羽根車５と圧縮機羽根車７は同一軸上に配置され、この同一軸上に発電機８のロータも配置される。タービン羽根車５の端部に、タイボルト９が摩擦圧接または電子ビーム溶接、拡散接合により接合される。圧縮機羽根車７とロータシャフト６と発電機８の回転中心には、通し穴が形成されており、この穴にタービン羽根車５に接合されたタイボルト９を通して、圧縮機羽根車７とロータシャフト６と発電機８を積み重ねる。ボルト９の端部１０は、ナットで締め付けられる。
【００１３】
タービンは半径流タービンであり、タービン翼部１１、タービン端つかみ部１２、接合ボス部１３を有する。燃焼器５８から導入された燃焼ガスは、タービン翼部１１で膨張しタービン羽根車５を回転させる。タービン端つかみ部１２の外形形状は、平行部を有するナット状になっている。この平行部は、タービン羽根車５にタイボルト９を接合するときやタイボルト９にプリテンションを加えボルト端１０においてナット１４を締めるときに、タービン羽根車５を固定するのに用いる。
【００１４】
接合ボス部１３はタービン翼部１１の背面側に設けられており、タービン羽根車５とタイボルト９を接合するのに用いられる。接合ボス部１３を設けたので接合部１３ａを断面積変化の大きい部位から離すことができ、接合部の応力集中を防止できる。また、タービン羽根車５は高温燃焼ガスに曝されるので、ニッケル基超合金を精密鋳造や鍛造、機械加工して製作する。上述したように、タービン羽根車５の接合ボス部１３にタイボルト９を接合して、タービンシャフトを形成する。
【００１５】
圧縮機は遠心圧縮機であり、圧縮機翼部１６で空気を圧縮する。圧縮機羽根車７には、タイボルト９を通す圧縮機中心孔１７が形成されている。圧縮機羽根車７は、チタン合金またはアルミニウム合金製であり、精密鋳造または鍛造、機械加工で製作する。
【００１６】
ロータシャフト６は、圧縮機羽根車７に隣接して重ね合わされる。ロータシャフトにはベアリングカラー１８が嵌合されている。ベアリングカラー１８は、ラジアル荷重とスラスト荷重を支えるベアリング面を形成する。
【００１７】
発電機８は、ロータシャフト６に隣接して重ね合わされる。発電機８は、発電機コア１９および永久磁石２０、カバー２１、発電機後端リング２２を有する。発電機コア１９は、磁性材料であり円筒形状をしている。発電機コア１９の中央に形成した中心孔には、タイボルト９が通される。永久磁石２０は円筒形または分割された円筒形である。永久磁石は、発電機コア１９の外周にはめ込まれる。
【００１８】
永久磁石２０の外側には、カバー２１がはめ込まれる。このカバー２１は、永久磁石２０が回転により飛散したり、発電機コア１９との間でスリップするのを防止する。カバー２１と永久磁石２０の嵌合を締まり嵌めとしたので、永久磁石２０は発電機コア１９に径方向の圧縮応力により押し付けられる。カバー２１には、ニッケル基合金のような高強度な非磁性金属リングやＦＲＰを用いる。
【００１９】
ロータ端１５は、発電機８に隣接して重ね合わされる。ロータ端１５にはベアリングカラー１８ａが嵌合される。ベアリングカラー１８ｂは、ラジアル荷重を支えるベアリング面を形成する。
【００２０】
タービン部の詳細を、以下に説明する。静止体はタービン外ケーシング２２ａおよびタービン内ケーシング２２ｂ、タービンノズル２３、スペーサ２４、締結ボルト２５、締結ナット２６、圧縮機・発電機ケーシング２７、発電機後端ケーシング２８、発電機コイル２９、発電機コイル外ケーシング３０、発電機ケーシング３１、発電機前ケーシング３２、発電機前端ケーシング３３、ボルト３４、ボルト穴３５、ナット３６を有している。タービンロータ２は、ラジアルベアリング３７および後側スラストベアリング３８、前側スラストベアリング３９、ラジアルベアリング４０、タービンサポート４１、タービンサポートボス４２、回転防止ピン４３、センターピン４４を有する。これらの各部品は、静止体内で回転する。
【００２１】
燃焼ガスをタービン羽根車５に供給するために、燃焼器用流路６０から燃焼器５８内に空気と燃料の混合ガスを導く。この混合ガスにバーナ５９で着火する。燃焼器５８から排出された燃焼ガスは、矢印Ａで示したように反径方向内向きに流れ、タービンノズル２３において整流される。そして、タービン翼部１１を通過しながら膨張し、矢印Ｂで示したようにタービンロータの軸方向に排出される。タービン内ケーシング２２ｂから吐出された燃焼ガスは、図示しない再生熱交換器に導かれる。
【００２２】
タービン外ケーシング２２ａとタービン内ケーシング２２ｂは、溶接または一体精密鋳造により一体化されているか、別部品で形成する。なおタービンノズル２３を、タービン内ケーシング２２ａにピンで固定する。タービン羽根車５と圧縮機羽根車７のそれぞれの流路を形成するため、スペーサ２４を設けている。これらの流路から作動流体が漏れるのを防止するために、スペーサ２４にラビリンスシールやハニカムシール、ブラシシールを設ける。これにより、タービンや圧縮機の性能が向上する。
【００２３】
圧縮機の羽根車７は、圧縮機・発電機ケーシング２７内で回転する。本実施例では、圧縮機・発電機ケーシング２７にストラット４５を設け、ストラット４５を介して発電機後端ケーシング２８を接続している。
【００２４】
圧縮機羽根車７は、矢印Ｃで示したように軸方向から空気を吸い込み、圧縮機翼部１６で空気を圧縮し、矢印Ｄで示した径方向外向きに吐出空気を吐出する。圧縮機羽根車７から吐出された圧縮空気は、図示しない再生熱交換器に導かれる。そして、再生熱交換器で予熱され、燃焼器５８に導かれる。圧縮機・発電機ケーシング２７の圧縮空気出口側のディフューザ部には、圧力回復用のベーンを設けてもよい。
【００２５】
圧縮機・発電機ケーシング２７は、スペーサ２４およびタービン外ケーシング２２ａとともに、各部材２７、２４、２２ａのフランジ部に形成された穴に通されたボルト２５とナット２６により締結される。
【００２６】
発電機８は、圧縮機・発電機ケーシング２７および発電機後端ケーシング２８、発電機コイル２９、発電機コイル外ケーシング３０、発電機ケーシング３１、発電機前ケーシング３２、発電機前端ケーシング３３を有する静止体を備える。この静止体内でロータが回転して発電する。発電機コイル２９に誘起された交流電流は、整流器により直流電流に変換され、インバータにより交流電流に変換される。
【００２７】
巻線を有する発電機コイル２９は、円筒状の発電機コイル外ケーシング３０に固定され、発電機コイル外ケーシング３０は発電機ケーシング３１に嵌合されている。発電機ケーシング３１は、圧縮機・発電機ケーシング２７および発電機後端ケーシング２８、発電機前ケーシング３２、発電機前端ケーシング３３とともに、タービンロータ軸に平行に形成されたボルト穴３５に通した通しボルト３４とこのボルト３４に螺合するナット３６とを用いて締結される。
【００２８】
圧縮機・発電機ケーシング２７の発電機８側には、ラジアルベアリング３７、後側スラストベアリング３８が嵌合されて保持される。発電機後端ケーシング２８には、前側スラストベアリング３９が嵌合されて保持される。発電機前ケーシング３２には、ラジアルベアリング３７が嵌合されて保持される。これらのベアリングには、空気軸受や水軸受、油軸受などの流体を用いた滑り軸受または転がり軸受、磁気軸受が用いられる。
【００２９】
マイクロガスタービンのロータは高速で回転するので、上述した構成では回転部品の回転軸に対する芯ずれが大きくなる可能性がある。その結果、ロータの残留アンバランスが大きくなり、危険速度域での運転時には、軸振動が大きくなる恐れがあった。
【００３０】
これに対し本実施例では図２および図４に示したように、圧縮機羽根車７とタービンシャフト４６を、圧縮機羽根車７の内周に設けられたオス側インロー４７とタービンシャフト４６に設けられたメス側インロー４８にて嵌合している。そして、圧縮機羽根車７とロータシャフト６を、圧縮機羽根車７の内周に設けられ内周表面に雌ネジ５５を有するオス側インロー４７とロータシャフト６に設けられたメス側インロー４９とを用いて締代を設けて嵌合している。
【００３１】
図３に示したマイクロガスタービンでは、圧縮機羽根車７とタービンシャフト４６は、圧縮機羽根車７の内周に設けられたオス側インロー４７とタービンシャフト４６に設けられたメス側インロー４８部で嵌合される。その結果、圧縮機ロ羽根車７の外周部の遠心力によりオス側インロー４７が外周側に変形し、タービンシャフト４６に設けられたメス側インロー４８を押し広げる。したがって、インロー部は締め代を設けなくても嵌合が保たれる。本実施例によれば、組立および分解が容易となり、製造コストおよび定期検査、補修コストを削減できる。
【００３２】
図４に示したマイクロガスタービンでは、圧縮機羽根車７とロータシャフト６は圧縮機羽根車７の内周に設けられ、内周表面に雌ネジ５５を有するオス側インロー４７とロータシャフト６に設けられたメス側インロー４９にて締代を設けて嵌合されている。
【００３３】
分解する場合には、まず図５に示すように締め代を設けていない圧縮機羽根車７の内周に設けられたオス側インロー４７とタービンシャフト４６に設けられたメス側インロー４８を分解し、次に図６に示すように先端に雄ネジを有するシャフト５６を差し込み、図７に示すようにロータシャフト６の内径側端部５７に当てながらシャフトを回す。これにより、圧縮機羽根車７を押し出すことができる。本実施例によれば、回転部品の組立分解が容易となり、製造コストおよび定期検査、補修コストの削減を図ることができる。
【００３４】
本発明の他の実施例を、図８に示す。図８は、マイクロガスタービンの主要部の縦断面図である。圧縮機羽根車７とロータシャフト６はロータシャフト６の内周に設けられ、内周表面に雌ネジ５５を有するメス側インロー４９と圧縮機羽根車７に設けられたオス側インロー４７にて締代を設けて嵌合して組まれている。分解する場合には、図９に示すように先端に雄ネジを有するシャフト５６を差し込み、ロータシャフト６の内径側端部５７に当てながらシャフトをまわすことにより、圧縮機羽根車７を押し出すことができる。本実施例によれば、回転部品の組立分解が容易となり、製造コストおよび定期検査、補修コストを削減できる。
【００３５】
なお、図８の実施例の変形例を図１０に示す。この図１０に示したマイクロガスタービンでは、圧縮機羽根車７とロータシャフト６はロータシャフト６の内周に設けられ、内周表面に雌ネジ５５を有するオス側インロー５２と圧縮機羽根車７に設けられたメス側インロー５１にて締代を設けて嵌合して組まれている。分解する場合には、図１１に示すように先端に雄ネジを有するシャフト５６を差し込み、ロータシャフト６の内径側端部５７に当てながらシャフトをまわして、圧縮機羽根車７を押し出す。本変形例によっても、回転部品の組立分解が容易となり、製造コストおよび定期検査、補修コストを削減できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、タービン部と圧縮機部を締め代をつけずに組み立てるので組立および分解が容易となる。その結果、製造コストや保守点検に要する費用をを低減できるとともにて工数を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロガスタービンの縦断面図。
【図２】図１に示したマイクロガスタービンの主要部の縦断面図。
【図３】図１に示したマイクロガスタービンに作用する遠心荷重を説明する図。
【図４】本発明に係るマイクロガスタービンの主要部の縦断面図。
【図５】本発明に係るマイクロガスタービンの分解手順を説明する図。
【図６】本発明に係るマイクロガスタービンの圧縮機羽根車の組み立てを説明する図。
【図７】本発明に係るマイクロガスタービンの圧縮機羽根車の組み立てを説明する図。
【図８】本発明に係るマイクロガスタービンの他の実施例の主要部の縦断面図。
【図９】図９に示したマイクロガスタービンの圧縮機羽根車の組み立てを説明する図。
【図１０】本発明に係るマイクロガスタービンの変形例の主要部の縦断面図。
【図１１】図１０に示したマイクロガスタービンの圧縮機羽根車の組み立てを説明する図。
【符号の説明】
１…マイクロガスタービン、２…タービンロータ、３…ケーシング、５…タービン羽根車、６…ロータシャフト、７…圧縮機羽根車、８…発電機、９…タイボルト（回転軸）、１０…ボルト端、１１…タービン翼部、１２…タービン端つかみ部、１３…接合ボス部、１４…ナット、１５…ロータ端、１６…圧縮機翼部、１７…圧縮機中心孔、１８…ベアリングカラー、１９…発電機コア、２０…永久磁石、２１…カバー、２２ａ…タービン外ケーシング、２２ｂ…タービン内ケーシング、２３…タービンノズル、２４…スペーサ、２５…締結ボルト、２６…締結ナット、２７…圧縮機・発電機ケーシング、２８…発電機後端ケーシング、２９…発電機コイル、３０…発電機コイル外ケーシング、３１…発電機ケーシング、３２…発電機前ケーシング、３３…発電機前端ケーシング、３４…ボルト、３５…ボルト穴、３６…ナット、３７…ラジアルベアリング、３８…後側スラストベアリング、３９…前側スラストベアリング、４０…ラジアルベアリング、４１…タービンサポート、４２…タービンサポートボス、４３…回転防止ピン、４４…センターピン、４５…ストラット、４６…タービンシャフト、４７…圧縮機オス側インロー、４８…タービンシャフトメス側インロー、４９…ロータシャフトメス側インロー、５０…通し穴、５１…圧縮機メス側インロー、５２…ロータシャフトオス側インロー、５３…圧縮機オス側インロー軸先端、５４…ロータシャフトオス側インロー軸先端、５５…雌ネジ、５６…シャフト、５７…内径側端部、５８…燃焼器、５９…バーナ、６０…燃焼器用流路。

Claims

回転軸が接合されたタービン羽根車と、このタービン羽根車に隣接し前記回転軸を通す穴が形成された圧縮機羽根車と、圧縮機羽根車に隣接し前記回転軸が通る穴が形成されたロータシャフトと、ロータシャフトに隣り合い前記回転軸が通る穴が形成された発電機ロータとを有するマイクロガスタービンにおいて、
前記圧縮機羽根車を前記回転軸に遊嵌し、前記圧縮機羽根車に前記ロータシャフトを締まり嵌めしたことを特徴とするマイクロガスタービン。
前記圧縮機羽根車と前記回転軸の遊嵌部は、圧縮機羽根車の内周側に形成した雄側インローと回転軸に形成した雌側インローであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロガスタービン。
前記圧縮機羽根車と前記ロータシャフトの嵌合部は、圧縮機羽根車の内周側に形成した雌ねじを有する雄側インローとロータシャフトに形成した雌側インローまたはロータシャフトの内周側に形成した雌ねじを有する雌側インローと圧縮機羽根車に形成した雄側インロー、前記ロータシャフト内周に形成した雌ねじを有する雄側インローと圧縮機羽根車に形成された雌側インローのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロガスタービン。
前記タービンはケーシングを有し、このケーシングは内ケーシングと外ケーシングの２重ケーシング構造であり、前記タービン羽根車に燃焼ガスを供給する燃焼器をタービン羽根車の外径側に配置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のマイクロガスタービン。
前記内ケーシングの内部にタービン羽根車から排出されるガスを流通させ、内ケーシングと外ケーシングの間に圧縮機羽根車に吐出される空気を流通させたことを特徴とする請求項４に記載のマイクロガスタービン。