JP2004336917A

JP2004336917A - 回転電機およびそれを有するマイクロガスタービン

Info

Publication number: JP2004336917A
Application number: JP2003130969A
Authority: JP
Inventors: Yukishi Takagi; 亨之高木; Tomoaki Inoue; 知昭井上; Kazuyuki Yamaguchi; 和幸山口; Kuniyoshi Tsubouchi; 邦良坪内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】高速で回転する回転電機の自励振動の発生を防止し、回転電機の信頼性を向上させる。
【解決手段】回転電機５５は、永久磁石３６を取付けたロータ３４とこのロータに対向して配置されたコイル４０を有するステータとを、永久磁石の両側に配置したラジアル軸受３８で支持する。永久磁石の外周側にリング状のカバー３７を設け、ラジアル軸受を水潤滑軸受としている。軸受の外径側に軸受にバね力と減衰力を付与するダンパ３９が設けられている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機に係り、特にマイクロガスタービンに好適な回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン発電装置の軸受損失を低減させるとともに小型軽量化するすることが特許文献１に記載されている。この公報では、ガスタービンに用いる高周波発電機の回転軸を支持する軸受の１つを転がり軸受とし、軸受外輪を凹状リテーナに配している。そして外輪の一端に弾性部材としてのＯリングを配置するとともに、リテーナからオイルを供給する手段とを設けている。
【０００３】
特許文献２には高温部分に適用してもガスタービン用軸受のダンピング能力が低下しないように、軸受外輪と軸受ホルダ間に交互に凹部と凸部が形成されたリングを配置することが記載されている。この公報に記載の軸受ではリング自体に摩擦力によるダンピング効果を生じさせている。また、軸受外輪と軸受ホルダとの間の隙間には流路が形成されており、この流路に潤滑油である冷却媒体が流されている。
【０００４】
さらに、オイルウイップ現象により発生する回転電機の軸振動を抑制するために、軸受部に供給する潤滑油の温度と回転子の軸振動とを検出して軸受部に供給する潤滑油の粘度を変化させることが特許文献３に記載されている。また、高分子材料ポリエーテルエーテルケトンを主成分とした樹脂複合組成物を摺動面材料とし潤滑流体に粘度の低い水を用いた滑り軸受の例が、特許文献４に記載されている。
【特許文献１】
特開平６−２０７５３３号公報
【特許文献２】
特開平６−１７３７１４号公報
【特許文献３】
特開平１１−５０８１０号公報
【特許文献４】
特開２００１−２３４９３０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところでマイクロガスタービンでは、タービン軸と同軸に発電機の回転軸を設けるかまたはタービン軸に発電機の回転軸を接続している。この発電機の発電能力を高めるために、回転軸に永久磁石を取付けている。そして、永久磁石を回転軸に保持するために、永久磁石の外周部をリング状の保持環でカバーしている。このように構成した回転軸を高速回転させると、遠心力が磁石に作用して保持環が変形し、永久磁石がすべる場合がある。永久磁石にすべりが発生すると、回転軸としては内部減衰が増大して自励振動が発生する。その結果、高速回転を継続できなくなる。特に、保護環を強化繊維樹脂材で製作し、粘性の小さい水溶液を潤滑剤とする軸受や空気軸受で支持した回転電機では、危険速度を越えて高速回転することが困難である。上記従来の技術に記載の各公報では、回転電機のロータに永久磁石を用いたときのこの不具合については、十分には考慮されていない。
【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、その目的は高速に回転する回転電機において、自励振動の発生を防止して信頼性を向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴は、永久磁石を取付けたロータとこのロータに対向して配置されたコイルを有するステータとを永久磁石の両側に配置したラジアル軸受で支持する回転電機において、永久磁石の外周側にリング状のカバーを設け、ラジアル軸受を水潤滑軸受とし、この軸受の外径側にこの軸受にばね力と減衰力を付与するダンパを設けたものである。
【０００８】
そしてこの特徴において、ダンパはステータに形成されたダンパの保持部に遊嵌された多孔積層板でもよく、積層板の周長がダンパ保持部の周長よりも短いものであってもよい。またダンパが、軸受を弾性支持するＯリングを有し、このＯリングを保持する静止部材と軸受の外周間に隙間を形成したスクイズフィルムダンパであってもよい。
【０００９】
また好ましくは、ダンパの潤滑液をタービン油またはエチレングリコールもしくはエチレングリコールの水溶液のいずれかとし、ラジアル軸受の潤滑液が水を含むものである。またはダンパの潤滑液の粘度をラジアル軸受の粘度よりも大にしてもよい。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、タービンインペラと圧縮機羽根車を背中合わせに取付け、燃焼器で燃焼した燃焼ガスでタービンインペラを駆動してタービンインペラに接続された回転電機のロータを回転させて発電するマイクロガスタービンにおいて、回転電機のロータに永久磁石を取付け、この永久磁石の外周側に永久磁石を保護するカバーを設けるとともに、ロータを支持するラジアル軸受を永久磁石の両側に設け、このラジアル軸受の外周側にダンパを配置し、軸受の潤滑液が水を含むものである。
【００１１】
そしてこの特徴において、ダンパはスクイズフィルムダンパまたは積層ダンパであるのがよく、ダンパの潤滑液の粘度と軸受の潤滑液の粘度を異ならせてもよい。さらに、ダンパの潤滑液は軸受の潤滑液よりも粘度が高いタービン油またはエチレングリコールもしくはその水溶液であってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るマイクロガスタービンとそれに用いる回転電機の一実施例を、図面に従って説明する。図６に、マイクロガスタービン５０の縦断面図を示す。マイクロガスタービン５０は、圧縮機羽根車４とタービンインペラ２を有するロータ部と、燃焼器部と、発電機部とを有している。ロータ部を構成するロータ１は、タービンインペラ２と一体化されタービンインペラ２と同心であるロータシャフト６と、このロータシャフト６に取り付けられた圧縮機羽根車４とを有する。発電機部は、タービンインペラ２と同軸に組み立てられた発電機５５を有する。
【００１３】
タービンインペラ２の軸心部にはタイボルトが接合されている。圧縮機羽根車４とロータシャフト６と発電機５５のロータの回転中心には通し穴が形成されている。通し穴にタイボルトを通して圧縮機羽根車４とロータシャフト６と発電機５５のロータとロータ端部材８とを順に積み重ねる。タービンインペラ２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または鍛造や機械加工により製作する。
【００１４】
圧縮機羽根車４は遠心形で、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や機械加工で製作される。ロータシャフト６には、軸受カラー９が嵌合されている。軸受カラー９は、後述するラジアル軸受２３ａおよびスラスト軸受２３ｂ，２３ｃとの間で潤滑流体により、ラジアル荷重とスラスト荷重を支持する。ロータ端の部材８には、軸受カラー９が嵌合されており、後述するラジアル軸受２３ｄとの間で潤滑流体によりラジアル荷重を支持する。
【００１５】
タービンインペラ２の外周側には、タービンへインペラ２に燃焼ガスを吹き込むため周方向複数箇所にほぼ等ピッチでノズル１４が配置されている。ノズル１４の外周側には、ノズル１４に燃焼ガスを供給する渦巻き流路を形成するトランジションピース１３が配置されている。トランジションピース１３は、タービン外ケーシング１２内に保持される。
【００１６】
発電機部の詳細を、図１を併用して説明する。図１は、発電機部の縦断面図である。この図１では図６と異なり、スラスト軸受４５，４５を両ラジアル軸受３８，３８側に配置し、軸受カラーの代わりに直接ロータ３４の軸受部３４ａが軸受面を形成している。図６において、発電機５５はロータとステータとを有し、ロータはロータシャフト６への積層部である発電機軸３４と、この発電機軸３４の外周側に配置した永久磁石３６と、永久磁石３６の外周に嵌合されたカバー３７と、発電機軸３４の両側面部を保持する発電機リング３５ａ，３５ｂとを有している。発電機軸３４は円筒形状をしており磁性材料でできている。
【００１７】
永久磁石３６は、円筒形状または分割された円筒形状である。カバー３７は、永久磁石３６が回転により飛散したり、発電機軸３４との間でスリップするのを防止する。カバー３７を永久磁石３６に締まり嵌めにして、永久磁石３６を発電機軸３４に径方向の圧縮応力で押し付ける。カバー３４には、強化繊維樹脂材またはニッケル基合金のような高強度で非磁性の金属リングを用いる。なお、強化繊維を直接磁石に巻き付けて樹脂で固定するようにしてもよい。
【００１８】
発電機５５のステータは、カバー３７に対向しカバー３７と隙間を設けて配置された発電機コイル４０と、この発電機コイル４０を発電機コイル４０の外周側で保持する発電機ケーシング３１と、発電機ケーシング３１のさらに外周側に位置する円筒形状のケーシング１９と、発電機ケーシング３１の前後両側面を保持する発電機側板３２ａ，３２ｂとを有している。発電機側板３２ａの内周側には、ラジアル軸受２３ｄが保持されている。発電機側板３２ｂの内周側には、スラスト軸受２３ｃが保持されている。軸受損失を低減するため、軸受に水溶液で潤滑する水軸受を用いている。
【００１９】
発電機側板３２ｂよりもさらに発電機５５の端部側には、発電機前端ケーシング２１が設けられている。また、発電機側板３２ａよりも燃焼器部側には、発電機後端ケーシング１７ｂが設けられている。発電機後端ケーシング１７ｂの内周側の軸受カラー５に対応する位置に、ラジアル軸受２３ａおよびスラスト軸受２３ｂが保持されている。
【００２０】
発電機側板３２ａ，３２ｂと、ケーシング１９と、発電機前端ケーシング２１と、発電機後端ケーシング１７ｂの外周側には周方向複数箇所にボルト穴２２ｂが形成されている。これらケーシングおよび側板２１、３２ａ、１９、３２ｂ、１７ｂを順に積層し、ボルト穴２２ｂに通しボルト２２ａを通し、通しボルト２２ａの端部をナット２２ｃで締め付ける。これにより発電機部が組み立てられる。
【００２１】
一方、図１で示した永久磁石３６部の両側にスラスト軸受４５ａ，４５ｂを配置したものでは、発電機軸３４の永久磁石３６部の両側にスラストカラー４４が形成されている。側板３２ａ，３２ｂのスラストカラー４４に対向する位置に、スラスト軸受４５が配置されている。さらに、発電機軸３４のスラスト軸受４５よりも軸方向端部側には、ラジアル軸受３８が配置されている。このラジアル軸受３８の外径側には、図２および図３に詳細を示すダンパ３９が配置されている。ラジアル軸受３８およびダンパ３９の側面は軸受カバー３３により覆われており、軸受室が形成される。ラジアル軸受３８およびダンパ３９は、軸受室内に遊嵌されている。
【００２２】
図２は、ダンパ３９の斜視図であり、図３はダンパ３９の素材の展開図である。ダンパ３９は、多数の孔４３が形成された薄板４２を円環状に多数枚積層して形成する。薄板４２は円環の全周よりは短く形成されている。すなわち、円環状にしたときにはＣ字型をしている。ラジアル軸受３８が振動すると積層された多孔板４２に形成した孔１３から潤滑剤が出入りして減衰効果を発生する。また、多孔板４２を積層すると、ばね効果により復元作用が生じる。
【００２３】
この理由は、以下の力学モデルから説明される。すなわち、ラジアル軸受３８は第１のばねと第１の減衰を有し、ダンパは第２のばねと第２の減衰を有するモデルで表すことができる。これらのばねと減衰は、力学的には直列に結合されている。
【００２４】
このようにモデル化された回転電機において、ロータの内部減衰に起因する自励振動を防止するには、ラジアル軸受３８の第１の減衰かダンパ３９の第２の減衰を大きくすればよい。内部減衰に起因する自励振動を安定化する他の方法としては、ラジアル軸受３８の軸受幅や軸受径を大きくして第１の減衰を大きくしてもよい。ただし、軸受サイズを大きくすると軸受損失が増加するおそれもある。
【００２５】
本実施例では、ダンパ３９の積層した多孔板３９同士はすべり軸受３８とは異なり、相対的な回転変位が少ないので軸受損失はほとんど増加しない。したがって、ダンパ９の第２の減衰を大きくすれば、軸受部の損失を増加させることなく発電機軸の振動を低減できる。
【００２６】
図４に、ダンパの有無による回転電機の回転試験時の振動応答線図の違いを示す。図４の横軸は回転電機の回転速度、縦軸は振動振幅である。図で破線Ｃ_１がダンパのないときの振動振幅であり、実線Ｃ_２が上記実施例で示したダンパを用いたときの図である。本実施例で示したダンパを有する回転電機では、高回転域において回転速度に対して振動振幅の変化が小さく、使用最高回転速度まで安定回転が可能であった。
【００２７】
一方、ダンパのない従来の高速回転電機を、危険速度Ｖ_１，Ｖ_２を越えて運転しようとしたときには、破線Ｃ_１で示される変化が生じる場合もあった。高速回転域で、従来の回転電機の振動が増加するのは、自励振動に起因する。この自励振動が発生すると回転電機を高速回転させることができない。本発明者らはこの自励振動の発生原因が、回転電機のロータが高速回転したときに遠心力が磁石に作用して締め付け力を低減させ、永久磁石３６とカバー３７の間に摩擦力が作用することにあることを実験的に見出した。摩擦力は内部減衰として作用し、危険速度を越えて運転する回転体に自励振動を発生させる一因となる。本実施例ではラジアル軸受３８の外径側にダンパ３９を配置して、この摩擦力による自励振動を低減している。
【００２８】
ダンパの他の例を図５に示す。図５は、スクイズフィルムダンパの縦断面図である。滑り軸受で形成されたラジアル軸受３８の外周部に対向する静止部５２に、Ｏリング溝５１を軸方向に２ヶ所形成する。このＯリング溝５１にＯリング４６を嵌合し、ラジアル軸受３８を弾性支持する。その際、Ｏリング溝環に環状隙間４７を形成する。この隙間４７には、静止部５２に形成した潤滑液孔５３から潤滑油が供給される。隙間４７に充満した潤滑液はスクイズフィルム膜として作用し、このフィルム膜の減衰作用とＯリングのばね作用で発電機軸の振動を低減している。
【００２９】
この隙間４７を充満する潤滑液に、ラジアル軸受３８の潤滑液と別種類の粘度が高い液を使用すれば、より発電機軸３４の振動を低減できる。例えば隙間４７にはタービン油等、水よりも１０倍以上粘度が高い液体を使用する。なお、タービン油を隙間４７の潤滑油に使用し、ラジアル軸受３８に水溶液を用いるときは、油脂系の潤滑液が軸受の水溶液に混入するのを防止する必要がある。本実施例では、隙間４７をＯリングでシールし、孔５３から供給した潤滑油を図示しない排油穴から確実に軸受部外に排出している。
【００３０】
上記実施例の変形例として、ダンパの潤滑液に不凍液として用いられているエチレングリコールの水溶液を使用し、ラジアル軸受に水を用いて、ダンパとラジアル軸受の潤滑液の粘度を変える。エチレングリコールの粘度は、水の１０倍程度大きくかつ親水性を有するので、ラジアル軸受の潤滑液に混入しても不都合がない。ダンパの減衰能は粘度に比例して大きくなるから、設計条件に応じて水溶液濃度を変化させることにより粘度を適宜変化できる。また、水温による変化等にも濃度変化で対応できる。本変形例によれば、軸受損失の増加をもたらすことなく、回転電機を振動的に安定して運転できる。
【００３１】
本発明の他の実施例として、ラジアル軸受を滑り軸受から転がり軸受に変更する。軸受が転がり軸受になっているが、転がり軸受の外輪の外側には、上記各実施例または変形例に示したダンパが設けられている。軸受の潤滑液は水または水溶液である。この場合にも上記各実施例同様、回転電機の振動を低減できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、水潤滑軸受の外周部にダンパを配置したので、回転電機のロータに生じる内部減衰に起因する自励振動の発生を防止できる。また、軸受の潤滑液よりも粘性の高い溶液を作動液とするダンパを配置すれば、さらに回転電機のロータの自励振動の発生を確実に防止できる。これにより、回転電機の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回転電機の一実施例の縦断面図。
【図２】図１に用いるダンパの斜視図。
【図３】図２に示したダンパを構成する多孔版の展開図。
【図４】回転電機の振動特性を説明する図。
【図５】本発明に係る回転電機の他の実施例の軸受部の詳細縦断面図。
【図６】本発明に係るマイクロガスタービンの一実施例の縦断面図。
【符号の説明】
１１…マイクロガスタービン、３１…ケーシング、３２…フランジ、３３…軸受カバー、３４…軸、３５…リング、３６…永久磁石、３７…強化繊維樹脂保持環、３８…すべり軸受、３９…ダンパ、４０…ステータ、４１…コイル、４２…多孔板。４３…孔、４６…Ｏリング、４７…環状隙間、５５…回転電機。

Claims

永久磁石を取付けたロータとこのロータに対向して配置されたコイルを有するステータとを前記永久磁石の両側に配置したラジアル軸受で支持する回転電機において、前記永久磁石の外周側にリング状のカバーを設け、前記ラジアル軸受を水潤滑軸受とし、この軸受の外径側にこの軸受にばね力と減衰力を付与するダンパを設けたことを特徴とする回転電機。
前記ダンパはステータに形成されたこのダンパの保持部に遊嵌された多孔積層板であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記積層板の周長がダンパ保持部の周長よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記ダンパが、前記軸受を弾性支持するＯリングを有し、このＯリングを保持する静止部材と軸受の外周間に形成され潤滑液を保持可能な隙間が形成されたスクイズフィルムダンパであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記ダンパの潤滑液をタービン油またはエチレングリコールもしくはエチレングリコールの水溶液のいずれかとし、前記ラジアル軸受の潤滑液が水を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記ダンパの潤滑液の粘度を前記ラジアル軸受の粘度よりも大にしたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
タービンインペラと圧縮機羽根車を背中合わせに取付け、燃焼器で燃焼した燃焼ガスでタービンインペラを駆動してタービンインペラに接続された回転電機のロータを回転させて発電するマイクロガスタービンにおいて、前記回転電機のロータに永久磁石を取付け、この永久磁石の外周側に永久磁石を保護するカバーを設けるとともに、前記ロータを支持するラジアル軸受を永久磁石の両側に設け、このラジアル軸受の外周側にダンパを配置し、前記軸受の潤滑液が水を含むことを特徴とする回転電機を有するマイクロガスタービン。
前記ダンパはスクイズフィルムダンパまたは積層ダンパであることを特徴とする請求項７に記載の回転電機を有するマイクロガスタービン。
前記ダンパの潤滑液の粘度と前記軸受の潤滑液の粘度を異ならせたことを特徴とする請求項７に記載の回転電機を有するマイクロガスタービン。
前記ダンパの潤滑液は前記軸受の潤滑液よりも粘度が高いタービン油またはエチレングリコールもしくはその水溶液であることを特徴とする請求項９に記載の回転電機を有するマイクロガスタービン。