JP2006242162A - Twin shaft gas turbine system and output turbine unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮機駆動タービンと出力タービンとを有する二軸式ガスタービンシステム及び出力タービンユニットに関する。 The present invention relates to a two-shaft gas turbine system and a power turbine unit having a compressor drive turbine and a power turbine.
二軸式ガスタービンは、圧縮機からの圧縮空気を燃焼器で燃料とともに燃焼して発生させた燃焼ガスにより互いに異なる回転数で回転可能な圧縮機駆動タービン(高圧タービン)及び出力タービン(低圧タービン)を備えている。高圧タービンのロータは圧縮機のロータに連結され圧縮機ロータとともにガスジェネレータを構成し、その軸動力は圧縮機の駆動力として用いられる。一方、低圧タービンのロータは例えば発電機やポンプ、他の圧縮機等といった被駆動機のロータに別途連結することにより、出力タービンロータの軸動力は被駆動機の駆動力として用いられる(特許文献1等参照)。 The twin-shaft gas turbine is composed of a compressor-driven turbine (high-pressure turbine) and an output turbine (low-pressure turbine) that can rotate at different rotational speeds using combustion gas generated by burning compressed air from a compressor together with fuel in a combustor. ). The rotor of the high pressure turbine is connected to the rotor of the compressor to form a gas generator together with the compressor rotor, and the shaft power is used as the driving force of the compressor. On the other hand, the rotor of the low-pressure turbine is separately connected to the rotor of a driven machine such as a generator, a pump, or another compressor, so that the shaft power of the output turbine rotor is used as the driving force of the driven machine (Patent Document) 1 etc.).
二軸式ガスタービンは、被駆動機とは異なるメーカで製造される場合もあり、製造時点では被駆動機を駆動するための原動機として設計されるのが一般的である。したがって、ガスジェネレータ及び出力タービンは、回転体としてそれ自体のバランスがとれていなければならない。 The two-shaft gas turbine may be manufactured by a manufacturer different from the driven machine, and is generally designed as a prime mover for driving the driven machine at the time of manufacture. Therefore, the gas generator and power turbine must be balanced themselves as a rotating body.
ここで、圧縮機駆動タービンと出力タービンとの間のスペースは、高温の作動ガスの熱的な影響を受け易いため軸受の設置場所としては適していない。そのため二軸式ガスタービンは、圧縮機駆動タービンと出力タービンの間のスペースを避けて軸受を設置し、両タービンがオーバハングした構成となっていることが多い。 Here, the space between the compressor-driven turbine and the output turbine is not suitable as an installation location of the bearing because it is easily affected by the heat of the high-temperature working gas. For this reason, the twin-shaft gas turbine often has a configuration in which bearings are installed avoiding the space between the compressor-driven turbine and the output turbine, and both turbines are overhanging.
ガスジェネレータに関しては圧縮機ロータが適当なウェイトとなるため圧縮機ロータの前後に軸受を設置すれば重量バランスを保つことができるが、出力タービンの場合、圧縮機駆動タービンとの間のスペースを避けて軸受を設置すれば、重量バランスを保つためにバランスウェイトを設けなければならない。 For gas generators, the compressor rotor has an appropriate weight, so weight balance can be maintained if bearings are installed before and after the compressor rotor. However, in the case of an output turbine, avoid the space between the compressor and the turbine. If a bearing is installed, a balance weight must be provided to maintain the weight balance.
しかしながら、出力タービンにバランスウェイトを設けるとそれだけ二軸式ガスタービンの全長が増す。また、出力タービンロータと被駆動機ロータとは単独で重量がバランスするようにそれぞれが複数の軸受で支持されているため、両者を連結して二軸式ガスタービンシステムを構成するに際し、システム全体における軸受設置数が必要以上に多くなり、軸受損失もそれだけ大きくなる。 However, if a balance weight is provided in the output turbine, the total length of the two-shaft gas turbine increases accordingly. In addition, since the output turbine rotor and the driven machine rotor are each supported by a plurality of bearings so that the weight is balanced independently, when the two-shaft gas turbine system is configured by connecting them together, the entire system As a result, the number of bearings installed will increase more than necessary, and the bearing loss will increase accordingly.
本発明の目的は、システムの全長を短縮するとともに、軸受損失を低減し効率を向上させることができる二軸式ガスタービンシステム及び出力タービンユニットを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a two-shaft gas turbine system and an output turbine unit that can shorten the overall length of the system, reduce bearing loss, and improve efficiency.
上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機を駆動するための圧縮機駆動タービンと被駆動機を駆動するための出力タービンとを有する二軸式ガスタービンシステムにおいて、前記被駆動機の被駆動機ロータとその駆動源となる出力タービンとを一体構成し、それらのみで重量バランスのとれた回転体としてパッケージ化する。 To achieve the above object, the present invention provides a two-shaft gas turbine system having a compressor-driven turbine for driving a compressor and an output turbine for driving the driven machine. A driven machine rotor and an output turbine serving as a driving source thereof are integrally configured, and they are packaged as a rotating body balanced in weight alone.
本発明によれば、システムの全長を短縮するとともに、軸受損失を低減し効率を向上させることができる。 According to the present invention, the overall length of the system can be shortened, bearing loss can be reduced, and efficiency can be improved.
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の一実施の形態に係る二軸式ガスタービンシステムの概念図、図2は本発明の一実施の形態に係る二軸式ガスタービンシステムの全体構成を表す断面図である。
図1及び図2において、本実施の形態の二軸式ガスタービンシステム1は、二軸式ガスタービン2と被駆動機3とを有している。二軸式ガスタービン2は、ガスジェネレータ10と、出力タービン(低圧タービン)5とで構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram of a two-shaft gas turbine system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the entire configuration of the two-shaft gas turbine system according to an embodiment of the present invention.
1 and 2, the two-shaft gas turbine system 1 of the present embodiment includes a two-
ガスジェネレータ10は、吸い込んだ空気(大気)を圧縮し圧縮空気を吐出する圧縮機20と、圧縮機20からの圧縮空気を燃料とともに燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器40と、この燃焼器40からの燃焼ガスによって軸動力を得て圧縮機20を駆動する圧縮機駆動タービン(高圧タービン)50とを備えている。圧縮機20のロータ(圧縮機ロータ)21と圧縮機駆動タービン50のロータ(圧縮機駆動タービンロータ)51は互いに同心状に連結されている。
The
これにより、ガスジェネレータ10は、圧縮機20で圧縮された空気を燃焼器40に供給し、この圧縮空気を燃料とともに燃焼器40で燃焼して発生させた燃焼ガスを圧縮機駆動タービン50で膨張させ、圧縮機駆動タービンロータ51で得られた軸動力を圧縮機20の駆動力として利用するようになっている。
Thereby, the
一方、出力タービン70は、圧縮機駆動タービン50の下流側に設けられ、圧縮機駆動タービン50とともにタービン部を構成しており、圧縮機駆動タービン50から排出される燃焼ガスによって圧縮機駆動タービン50とは独立して異なる回転数で回転可能な出力タービンロータ71を有している。この出力タービン70は、強度上の制約から圧縮機駆動タービンロータ51よりも回転数が低く設定され、所要出力が確保されるように圧縮機駆動タービンロータ51よりも径が大きく設定される場合が多いため、圧縮機駆動タービン50と出力タービン70との間にはトランジションダクト41が設けられる場合がある。
On the other hand, the
これにより、圧縮機駆動タービン50から出てトランジションダクト41を通過した燃焼ガスが出力タービン70に流入すると、出力タービン70にて膨張した燃焼ガスによりタービン仕事が得られ、出力タービンロータ71の軸動力が被駆動機3の駆動力として利用される。
Thus, when the combustion gas that has exited from the compressor-driven
このように、二軸式ガスタービン2では、圧縮機駆動タービンロータ51、言い換えればガスジェネレータ10と出力タービンロータ71とが分離され互いに独立して回転するため、出力タービンロータ71をガスジェネレータ10と異なる回転数で運転することが可能である。したがって、ガスジェネレータ10の回転数を定格回転数程度に固定しても、連結する被駆動機に応じて出力タービンロータ71の回転数を変化させることが可能となり、ガスタービンとしての運用の幅が広がる。
Thus, in the two-
圧縮機20の構成について説明すると、その回転体(圧縮機ロータ21)は、外周部に複数の動翼22が取り付けられたディスクホイール23を軸方向に重ね合わせて構成されている。このようにして複数段落形成された動翼22のうち、最も上流側(前側、図2中左側)に位置する段落のものを初段動翼22a、最も下流側(後側、図2中右側)に位置する段落のものを最終段動翼22bとする。
The structure of the
一方、圧縮機20の静止体側は、圧縮機ケーシング24と、この圧縮機ケーシング24の内周側に固定された静翼25とを備えている。静翼25は、圧縮機ロータ21の各段落の動翼22の前側(上流側)に位置しており、動翼22と同様に周方向に複数設けられ、各段落において環状の翼列を構成している。
On the other hand, the stationary body side of the
圧縮機駆動タービン50の構成について説明すると、その回転体(圧縮機駆動タービンロータ51)は、外周部に複数の動翼52が取り付けられたディスクホイール53を備えている。図2ではこのディスクホイール53を1段のみ図示してあるが、圧縮機ロータ21のようにディスクホイール53を軸方向に複数重ね合わせて圧縮機駆動タービンロータ51が構成される場合もある。圧縮機駆動タービンロータ51においても、複数段落形成された動翼52のうち、最も上流側(前側、図2中左側)に位置する段落のものが初段動翼52a、最も下流側(後側、図2中右側)に位置する段落のものが最終段動翼52bであるが、図2においては、1段のみの図示であるため図示した動翼52が初段動翼52aであるとともに最終段動翼52bをも構成する。
The configuration of the compressor-driven
一方、圧縮機駆動タービン50の静止体側は、タービンケーシング42の内周側に固定された静翼54を備えている。この静翼54は、圧縮機駆動タービンロータ51の各段落の動翼52の前側(上流側)に位置し、周方向に複数設けられて環状の翼列を構成するが、図2では圧縮機駆動タービン50の段落数は1段落であるので静翼翼列も1列のみ図示してある。また、特に図示していないが、静翼54の先端側(内周側)には内部にキャビティが形成されたダイヤフラムが固定されており、これら静翼54及びそのダイヤフラムには、静翼54等を冷却する冷却空気又は静翼54の前後のホイールスペースをシールするシール空気を流通させるための空気供給系統が形成されている。ダイヤフラムと圧縮機駆動タービンロータ51の間の間隙はパッキンによりシールされる。
On the other hand, the stationary body side of the
出力タービン70の構成について説明すると、その回転体(出力タービンロータ71)は、外周部に複数の動翼72が取り付けられたディスクホイール73を備えている。圧縮機駆動タービンロータ51と同様、図2ではこのディスクホイール73を1段のみ図示してあるが、ディスクホイール73を軸方向に複数重ね合わせて出力タービンロータ71が構成される場合もある。出力タービンロータ71においても、複数段落形成された動翼72のうち、最も上流側(前側、図2中左側)に位置する段落のものが初段動翼72a、最も下流側(後側、図2中右側)に位置する段落のものが最終段動翼72bであるが、図2においては、1段のみの図示であるため図示した動翼72が初段動翼72aであるとともに最終段動翼72bをも構成する。
The configuration of the
一方、出力タービン70の静止体側は、タービンケーシング42の内周側に固定された静翼74を備えている。この静翼74は、出力タービンロータ71の各段落の動翼72の前側(上流側)に位置し、周方向に複数設けられて環状の翼列を構成するが、図2では出力タービン70の段落数は1段落であるので静翼翼列も1列のみ図示してある。また、この圧縮機駆動タービンロータ51の最終段ディスクホイール53bと出力タービンロータ71の初段ディスクホイール73aの間は、トランジションダクト41及び静翼74の内周側に接合された隔壁(仕切り板)43,44によって隔てられている。
On the other hand, the stationary body side of the
前述した被駆動機3は、発電機、ポンプ、圧縮機等といった負荷機器で構成され、その駆動源となる出力タービン6と一体構成された被駆動機ロータ91を備えている。被駆動機ロータ91は、例えばカップリングを介して出力タービン71に締結される構成でも共用の回転軸を有する構成でも良いが、バランスウェイトを介することなく出力タービン71に直接接続されている。つまり、被駆動機ロータ91は、出力タービン71とともに一体的な回転体である出力タービンユニット92を構成するものであって、それ自体が出力タービン71との重量バランスをとるバランスウェイトの役割を果たすように出力タービン71に連結されており、出力タービン71及び被駆動機ロータ91(出力タービンユニット92)は、製造時点においてそれらのみで重量バランスのとれた回転体としてパッケージ化されている。
The driven
前述したガスジェネレータ10は、圧縮機初段動翼22aの前側に設けた前側軸受11、及び圧縮機駆動タービン50の初段動翼52aの前側(圧縮機ロータ21と圧縮機駆動タービンロータ51の間、若しくは連結部近傍)に設けた後側軸受12により回転可能に支持されている。それに対し、出力タービンユニット92(出力タービンロータ71及び被駆動機ロータ91からなる回転体)は、出力タービン70の最終段動翼72bと被駆動機ロータ91との間に設けた前側軸受81、及び被駆動機ロータ91の後側に設けた後側軸受82にのみ支持されている。なお、可能であれば、前側軸受81は出力タービン70の初段動翼72aの前側に設けても良い。この場合は軸受の設置位置が変わるので、出力タービン81と被駆動機ロータ91との釣り合いがとれるように重量バランスを調整し、それに応じて2つの軸受の設置箇所を調整する必要がある。
The
上記構成の二軸式ガスタービンシステム1の動作及び作用を以下に説明する。
圧縮機20にて吸い込まれた空気が圧縮されると、圧縮機20から吐出された圧縮空気が燃焼器40に供給され燃焼器40で燃料とともに燃焼される。これにより生じた燃焼器40からの燃焼ガスが圧縮機駆動タービン50に供給されると、膨張する燃焼ガスによってタービン仕事が得られる(圧縮機駆動タービンロータ51の軸動力が得られる)。圧縮機駆動タービン50を出た燃焼ガスは、さらにトランジションダクト41を通過して出力タービン70に流入し、この燃焼ガスが膨張することによってまたタービン仕事が得られる(出力タービンロータ71の軸動力が得られる)。圧縮機駆動タービンロータ51の軸動力は圧縮機ロータ21の駆動力として、出力タービンロータ71の軸動力は被駆動機3の駆動力として利用される。
The operation and action of the two-shaft gas turbine system 1 configured as described above will be described below.
When the air sucked in by the
ここで、図3は一般的な二軸式ガスタービンシステムの概念図、図4は一般的な二軸式ガスタービンシステムの全体構成を表す断面図である。これら図3及び図4において、図1及び図2と同様の部分又は同様の役割を果たす部分には同符号を付して説明を省略する。
図3及び図4に示した比較例において、出力タービンロータ71及び被駆動機ロータ91は異なるメーカで製造されることも多く、製造時点では接続されていない。そのため、それぞれ独立した回転体としてバランスがとれていなければならない。
Here, FIG. 3 is a conceptual diagram of a general two-shaft gas turbine system, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing an overall configuration of the general two-shaft gas turbine system. 3 and 4, the same reference numerals are given to the same parts as those in FIGS. 1 and 2 or the same role as those in FIGS.
In the comparative example shown in FIGS. 3 and 4, the
出力タービン70の初段動翼72aと圧縮機駆動タービン50の最終段動翼52bとの間の空間は軸受の設置箇所としては高温環境であるため、通常、出力タービンロータ71の前側軸受83は最終段動翼72bの後側に配置され、出力タービンロータ71は動翼部がオーバハングした状態となる。また、ガスタービンシステムを構成する軸については、一般的に軸の不安定振動を防止するため、軸受83〜86(及び11,12)の荷重を全て下向きに正となるように設計する必要がある。そのため、二軸式ガスタービンシステムにおいて、出力タービンロータ91は単独での荷重を釣り合わせるためのバランスウェイト100を前側軸受83と後側軸受84との間に設ける必要がある。これにより、出力タービンロータ71は、軸方向の重量分布のアンバランスが解消され、独立した回転体として構成されていた。一方、被駆動機ロータ91は前後2箇所でそれぞれ前側軸受85、後側軸受86により支持されて独立した回転体として構成されており、これら二軸式ガスタービン2と被駆動機3は、製造後にカップリング87を介して連結される。
Since the space between the first
このような事情から、一般的な二軸式ガスタービンシステムでは、バランスウェイト100を設置しなければならない分だけ出力タービンロータ71の軸長が長くなり、システム全長が長くなるために広い設置スペースが必要だった。またバランスウェイト100を要する分だけ出力タービンロータ71の素材費も増大する。さらに出力タービンロータ71と被駆動機ロータ91とをそれぞれ独立した構成としていたので、出力タービン71と被駆動機ロータ91とでそれぞれ複数の軸受を要するため、多数の軸受数が必要であるとともに、軸受に対する潤滑油量の増大、軸受損失の増大による効率低下等といった不具合も生じていた。またバランスウェイト100を被駆動機ロータ91に連結するためのアライメント調整等の据付作業にも労力を要する。
For this reason, in a general two-shaft gas turbine system, the axial length of the
それに対し、本実施の形態においては、被駆動機ロータ91そのものが出力タービンロータ71の重量アンバランスを解消するバランスウェイトとして機能するように出力タービンロータ71に一体的に連結され、製造時点において、出力タービンロータ71と被駆動機ロータ91とが出力タービンユニット92としてパッケージ化(ユニット化)されている。これにより、一般的な二軸式ガスタービンシステムのように出力タービンロータにバランスウェイトを設ける必要がない。また、出力タービンロータ71と被駆動機ロータ91とからなる回転体をパッケージ化したことにより、不安定振動を生じさせることなくこれを2箇所の軸受によってバランス良く支持することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the driven
このように、バランスウェイトを省略し軸受の数を最小化することができるので、システムをコンパクト化し設置スペースを低減させるとともに、軸受損失を低減し効率を向上させることができる。またバランスウェイトを省略し軸受設置数を最小化することができるので、製造コストを低減することができ、据付時間を短縮することもできる。 Thus, since the balance weight can be omitted and the number of bearings can be minimized, the system can be made compact, the installation space can be reduced, the bearing loss can be reduced, and the efficiency can be improved. Further, since the balance weight can be omitted and the number of bearings installed can be minimized, the manufacturing cost can be reduced and the installation time can be shortened.
1 二軸式ガスタービンシステム
3 被駆動機
20 圧縮機
50 圧縮機駆動タービン
51 圧縮機駆動タービンロータ
70 出力タービン
71 出力タービンロータ
91 被駆動機ロータ
92 出力タービンユニット
100 バランスウェイト
1 Two-shaft
Claims (6)
この圧縮機を駆動するための圧縮機駆動タービンと、
この圧縮機駆動タービンと異なる回転数で回転可能な出力タービンと、
この出力タービンとともに一体的な回転体を構成するものであって、それ自体が前記出力タービンとの重量バランスをとるバランスウェイトの役割を果たすように前記出力タービンに連結された被駆動機ロータを有する被駆動機と
を備えたことを特徴とする二軸式ガスタービンシステム。 A compressor,
A compressor-driven turbine for driving the compressor;
An output turbine capable of rotating at a different rotational speed from the compressor driven turbine;
The power turbine constitutes an integral rotating body together with the output turbine, and has a driven machine rotor connected to the output turbine so as to function as a balance weight that balances the weight with the output turbine. A two-shaft gas turbine system comprising a driven machine.
前記被駆動機の被駆動機ロータとその駆動源となる出力タービンとを一体構成し、それらのみで重量バランスのとれた回転体としてパッケージ化したことを特徴とする二軸式ガスタービンシステム。 In a two-shaft gas turbine system having a compressor driven turbine for driving a compressor and an output turbine for driving a driven machine,
A two-shaft gas turbine system, wherein a driven machine rotor of the driven machine and an output turbine serving as a driving source of the driven machine are integrally configured and packaged as a rotating body balanced in weight alone.
バランスウェイトを介することなく前記出力タービンを前記被駆動機の被駆動機ロータに直接接続したことを特徴とする二軸式ガスタービンシステム。 In a two-shaft gas turbine system having a compressor driven turbine for driving a compressor and an output turbine for driving a driven machine,
A two-shaft gas turbine system, wherein the output turbine is directly connected to a driven machine rotor of the driven machine without using a balance weight.
前記出力タービンとともに一体的な回転体を構成するものであって、それ自体が前記出力タービンとの重量バランスをとるバランスウェイトの役割を果たすように前記出力タービンに連結された被駆動機ロータを有する被駆動機を備えたことを特徴とする出力タービンユニット。 An output turbine unit provided in a two-shaft gas turbine system having a compressor drive turbine for driving a compressor and an output turbine for driving a driven machine,
A rotor that is integrated with the output turbine, and has a driven machine rotor connected to the output turbine so as to act as a balance weight that balances the weight with the output turbine. An output turbine unit comprising a driven machine.
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