JP2007127006A - ２軸式ガスタービン，２軸式ガスタービンの運用方法，２軸式ガスタービンの制御方法、及び２軸式ガスタービンの軸受冷却方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】
軸振動を抑制することで信頼性を向上させた２軸式ガスタービンを提供する。
【解決手段】
圧縮機３１と、該圧縮機３１からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器３２と、前記圧縮機３１に連結され、前記燃焼器３２からの燃焼ガス３４ａにより回転駆動する高圧タービンロータ１１を備えた高圧タービン３３と、前記高圧タービンロータ１１と分離され、負荷または発電機２に連結され、前記高圧タービン３３からの前記燃焼ガス３４ｂにより回転駆動する低圧タービンロータ１２を備えた低圧タービン３５とを有する２軸式ガスタービンであって、前記高圧タービンロータ１１または前記低圧タービンロータ１２を支持する軸受のうち、少なくとも一つを磁気軸受とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、２軸式ガスタービン，２軸式ガスタービンの運用方法，２軸式ガスタービンの制御方法、及び２軸式ガスタービンの軸受冷却方法に関する。

２軸式ガスタービンに関しては、例えば特許文献１に記載のように、スラスト荷重と逆方向の力が働くようにキャビティ内の圧力を調整し、スラスト荷重を低減させる技術などが提唱されている。

特開２００５−６９１６７号公報

一般的に２軸式ガスタービンは大きな軸振動が発生しやすい構造をしている。ところが、上記従来技術では軸振動の抑制については考慮されていなかった。

本発明の目的は、軸振動を抑制することで信頼性を向上させた２軸式ガスタービン，２軸式ガスタービンの運用方法，２軸式ガスタービンの制御方法、及び２軸式ガスタービンの軸受冷却方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、２軸式ガスタービンにおいて、軸受として少なくとも一つの磁気軸受を備える。

本発明によれば、２軸式ガスタービンのタービンロータの軸振動を抑制し、信頼性を向上できるという効果を奏する。

２軸式ガスタービンでは、重量物である高圧タービンは、高圧タービンロータを支える二つのジャーナル軸受の、燃焼ガスの流れ方向下流側に設置されている。そのため高圧タービンロータは、重量物が二つのジャーナル軸受の軸方向外側に設置されているオーバーハングロータとなっており、高圧タービンロータの重心位置は、高圧タービンロータを支える二つのジャーナル軸受の軸方向中心位置より、燃焼ガスの流れ方向下流側に大きくずれている。つまり、高圧タービンロータを支持する二つのジャーナル軸受のうち、燃焼ガスの流れ方向下流側の軸受には大きなラジアル荷重が作用するが、燃焼ガスの流れ方向上流側のジャーナル軸受には小さなラジアル荷重しか作用しない構造となっている。このような構造は、軸振動が過大なものとなりやすい。

そこで本発明の実施形態では、ジャーナル軸受に電磁力によってロータの位置を制御することが可能な磁気軸受を採用する。これにより、高圧タービンロータの軸振動を抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の実施形態１を図１により説明する。

図１は、本発明の２軸式ガスタービンの第１実施形態の全体構成を簡略的に示す図である。

図１において、２軸式ガスタービン１は主にガスジェネレータ３とパワータービン４とで構成されている。ガスジェネレータ３は、取り入れた吸気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機３１と、前記圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器３２と、圧縮機３１に連結され、燃焼器３２からの燃焼ガス３４ａによって回転駆動する高圧タービンロータ１１を備えた高圧タービン３３とを有する。パワータービン４は、負荷（例えば、圧縮機，ポンプ等）または発電機２に連結され、高圧タービン３３を通過した燃焼ガス３４ｂにより回転駆動する低圧タービンロータ１２を備えた低圧タービン３５を有する。

次に、本実施形態１の２軸式ガスタービンの動作について説明する。燃焼器３２から高圧タービン３３に導入された燃焼ガス３４ａにより高圧タービンロータ１１が回転駆動され、これによって圧縮機３１が回転駆動されて圧縮空気を生成し、また、高圧タービン
３３を通過し低圧タービン３５に導入された燃焼ガス３４ｂにより低圧タービンロータ
１２が回転駆動され、負荷または発電機２を駆動するようになっている。高圧タービンロータ１１は、圧縮機３１と高圧タービン３３との間に設置されたジャーナル軸受２２と、圧縮機３１に対して反高圧タービン側に設置されたジャーナル軸受２１とによって回転可能に支持される。低圧タービンロータ１１は、低圧タービン３５と負荷又は発電機２との間に設置されたジャーナル軸受２４，２５によって回転可能に支持される。また、２３，２６はスラスト軸受である。

次に図２を用い、２軸式ガスタービンのロータ軸振動について説明する。ガスタービンなどの回転機の回転速度の増減速過程では、回転部を含む機械全体に急に大きな振動が生じる場合がある。これは回転機の固有振動数とロータ回転速度が一致することによって生じるもので、この一致する際の回転速度は危険速度と称される。図２に、ガスタービンの起動から定格運転に達するまでの、ロータの回転数に対する軸振動値の推移を示す。図面上点線で示す軸振動値の推移８１は油軸受使用時、図面上実線で示す軸振動値の推移８２は磁気軸受使用時のものをあらわし、それぞれ危険速度に相当するピーク８１ａ，８２ａを有する。ガスタービンの危険速度は、定格回転時の速度よりも低速であるため、起動から定格回転数に達するまでの間に危険速度を通過する。軸振動は危険速度に近くなると大きくなり、危険速度を通過すると小さくなる。そのため軸振動は、図２に示すようにピーク部分８１ａ，８２ａを有することとなる。

２軸式ガスタービンは前述の通り軸振動が過大なものになりやすい構造であるため、ピーク部分８１ａ，８２ａの軸振動はかなり大きなものである。過大な軸振動はロータの信頼性の低下につながる。

そこで本実施形態１では、ロータ軸振動を抑制する手段を設けている。軸振動を抑制する手段はガスタービンの軸受に設けられている。２軸式ガスタービンの軸受に、ガスタービンを支持する機能と軸振動を抑制する機能の２つの機能を持たせることで、設備の簡素化がはかれる。具体的には、ジャーナル軸受のうち少なくとも一つに磁気軸受を設けている。磁気軸受とは、電磁的な吸引力あるいは反発力によってロータを浮上させて支持する軸受である。そのため潤滑油が不要であり、また、電磁的な吸引力あるいは反発力を適切に制御することで過大な軸振動の発生を抑制し、ロータの信頼性を向上させることができる。

図３に本実施形態１における磁気軸受システムの一例を、ロータに垂直な平面で切った場合の断面図として簡略的に示す。略円筒状である軸受６０の内周側に円周方向で略均等に８つの電磁石６１を設置している。また軸受６０の内周側で、軸受の中心まで伸ばした直線の成す角が略９０°となる２点にそれぞれ変位センサ６２ａ，６２ｂが設置されている。

磁気軸受はガスタービン起動時には、電磁石６１が発生させる電磁力によりロータ６３を浮上させて支持する。ガスタービン運転時には、回転方向６６に高速回転しているロータ６３の位置が変位センサ６２ａ，変位センサ６２ｂで測定され、径方向におけるロータの基準位置との偏差が得られる。この偏差に基づき、制御装置６４が電磁石６１に必要な電磁力、例えば吸引力や反発力を算出し、電磁石に必要な電磁力を伝達する。この電磁力によってロータは磁気軸受に接触することなく、回転可能に支持されている。

ロータの軸振動の抑制について、図４を用いて説明する。図４には、軸振動時などロータの径方向位置が基準位置からずれた時の磁気軸受の制御方法の一例を示している。ロータの基準位置６３ａからいくらかずれたロータ６３ｂの外周表面の位置は、変位センサ
６２ａ，６２ｂで測定され、ロータの基準位置との偏差が得られる。この偏差に基づき、制御装置６４がロータ６３ｂを基準位置６３ａに戻すために必要な力６３ｃを算出し、電磁石６１ａ，６１ｂの反発力を強め、電磁石６１ｅ，６１ｆの吸引力を強める。このような制御を行うことによって、ロータ６３が径方向で基準位置からずれた時にも、ロータ
６３の径方向位置を修正することができる。

上記実施形態１において、例えばジャーナル軸受２２に磁気軸受を採用する。これにより、オーバーハングロータである高圧タービンロータ１１の軸振動を抑制することができ、信頼性の向上につながる。なお、ジャーナル軸受２２以外のジャーナル軸受に磁気軸受を採用しても、タービンロータの軸振動を抑制することができる。ここで、オーバーハングタイプの回転体は、ラジアル荷重を支える二つ以上のジャーナル軸受のうち、最も外側にある２つのジャーナル軸受に対して、その外側に位置する重量物の重量が大きいほど、その重量物に起因する軸振動が起こりやすく、軸振動の振幅も大きくなる。つまり、重量物がオーバーハング状態の方が、さらにその重量が大きい方が軸振動の影響が大きい。このような理由により、本実施形態のような２軸式ガスタービンでは、高圧タービン３３に起因する軸振動を抑制することが重要である。ジャーナル軸受２１とジャーナル軸受２２の径方向の位置制御を考えたときに、高圧タービン３３により近いジャーナル軸受２２による制御の方が、高圧タービン３３に起因する軸振動の抑制効果は高い。したがって、ジャーナル軸受２２に磁気軸受を採用することにより、軸振動の抑制という点で顕著な効果が得られ、安定運転，機器の損傷防止などといった面で、２軸式ガスタービンシステムの信頼性が向上する。

上記実施形態１において、好ましくは、すべての軸受を磁気軸受とする。ガスタービンの軸受に滑り軸受を採用した場合、潤滑油供給設備として、潤滑油タンク，潤滑油ポンプ，潤滑油冷却機，潤滑油フィルタ等の捕機類、また潤滑油給油配管，排油配管の引き回し等が必要である。そのため、潤滑油供給設備に関する機器のコストが大きくなり、潤滑油供給設備の設置面積の確保も必要となる。そこで、滑り軸受に代わり、すべての軸受を磁気軸受にすることで、前記潤滑油供給設備が不要となり、コストダウンと設置工程の簡素化、さらには設備のコンパクト化を実現することができる。また滑り軸受は、潤滑油により回転軸の軸受の摩擦摺動部を潤滑することにより摩擦損失を低減する目的で使われているため、潤滑油との間の摩擦により損失が発生する。一方磁気軸受では、回転軸と軸受の間に摩擦はない。そのため、磁気軸受には摩耗や騒音などの問題がなく、高速回転が可能であり、回転による損失の低減や保守作業の軽減，寿命の長さも期待できる。

また上記実施形態１において、好ましくは前記磁気軸受を冷却する冷却機構を設置する。通常、磁気軸受の耐熱温度は１５０℃程度である。導入する冷却空気は、磁気軸受が温度制限値を超えないように、供給流量・供給温度・供給圧力などを設定することが望ましい。適切に冷却することにより磁気軸受の信頼性の低下を防止する。

図５に本実施形態１における磁気軸受冷却機構を示す。本冷却機構は、磁気軸受の外部から冷却空気を軸受周辺域に供給し、磁気軸受の温度上昇を抑制している。その構造は、供給経路を内部に有する内側部材４７，軸受を囲むように形成され軸受周辺に冷却空気を供給可能なキャビティを形成する外側部材４８を備えたものである。そして、内側部材
４７と外側部材４８との間に回収経路が形成される。

本実施形態１では、冷却空気４２ａを供給経路から軸受周辺のキャビティに供給して磁気軸受２０を冷却し、回収経路から磁気軸受冷却後の冷却空気４２ｂを回収している。このような冷却構造により、周辺温度が高温であっても、断熱効果及び冷却空気の冷却効果によって磁気軸受の性能劣化や故障等を抑制することができる。

ここで、冷却空気４２ａの供給源としては、圧縮機３１の途中又は最終部から抽出した圧縮空気を用いる方法や、別に設置した圧縮機などによって生成させた圧縮空気を用いる方法などが考えられる。

本実施形態１では冷却空気の回収経路の内側に冷却空気の供給経路を設ける二重配管方式を用いているが、冷却空気の回収経路と冷却空気の供給経路を別配管にする方法なども考えられる。

なお、上記冷却機構は磁気軸受全てに設けることが望ましい。２軸式ガスタービンにおいては、圧縮機３１と高圧タービン３３との間のジャーナル軸受２２は２００℃から600℃程度の高温にさらされるため、特にジャーナル軸受２２には冷却機構を設置することが望ましい。

さらに本発明では、前記高圧タービンロータと前記低圧タービンロータとをそれぞれ異なる回転数で回転させて運用することが可能である。

従来、ガスタービンの回転数と負荷または発電機に必要とされる回転数が異なるときは、減速機を使用することでガスタービンの回転数を発電機に必要とされる回転数に変換して、負荷または発電機を回転させている。また、発電機に必要とされる回転数は、一般的に、必要とされる電源周波数や発電機の型式によって決定される。そのため、ガスタービンの回転数と発電機に必要とされる回転数が異なるときには、前記減速機の代わりに周波数変換機を用いることもある。

本実施形態１では、高圧タービンロータ１１と、負荷または発電機２に連結されている低圧タービンロータ１２はそれぞれ独立しているため、互いの回転数を違える制御を行うことが可能である。そのため、例えば高圧タービンの回転数が７２００rpm 、発電機に必要とされる回転数が３６００rpm であるガスタービン設備のように、前記高圧タービンの回転数と、負荷または発電機に必要とされる回転数が異なるときにも、前記低圧タービンロータを負荷または発電機に必要とされる回転数で回転させることで、減速機や周波数変換機が不要となる。したがって設置や維持にかかるコストの低減や設備のコンパクト化を達成できる。

また、減速機を使用しないため潤滑油が不要となる。そのため、ジャーナル軸受とスラスト軸受の全てを磁気軸受としたとき、ガスタービンの回転数と負荷または発電機に必要とされる回転数が異なる場合においても潤滑油供給設備が不要となり、コスト低減や設備のコンパクト化をより高いレベルで実現することができ設備設置時間の短縮も図れる。

本発明の別の実施形態として、実施形態２を図６に示す。

図６に示された実施形態２では、実施形態１とは異なり、低圧タービン３５をジャーナル軸受２４とジャーナル軸受２５の間に設置したため、低圧タービンロータ１２がオーバーハングロータとならないように配置しており、信頼性をよりいっそう高めることができる。

なお、本発明の実施形態において、スラスト軸受２３はジャーナル軸受２１の燃焼ガスの流れ方向上流側、スラスト軸受２６はジャーナル軸受２４とジャーナル軸受２５の間に設置されているが、この限りではない。スラスト軸受の位置は個々の設備においてそれぞれ設定される設計事項である。

本発明の実施形態。 ロータの回転数に対する軸振動値の推移。 ジャーナル磁気軸受の一例。 ジャーナル磁気軸受制御の一例。 ジャーナル磁気軸受冷却方法の一例。 本発明の別の実施例。

符号の説明

１…ガスタービン、２…負荷または発電機、３…ガスジェネレータ、４…パワータービン、１１…高圧タービンロータ、１２…低圧タービンロータ、２０…磁気軸受、２３，
２６…スラスト軸受、３１…圧縮機、３２…燃焼器、３３…高圧タービン、３４ａ…燃焼器からの燃焼ガス、３４ｂ…高圧タービンからの燃焼ガス、３５…低圧タービン、４２ａ…磁気軸受冷却前の冷却空気、４２ｂ…磁気軸受冷却後の冷却空気、４７…内側部材、
４８…外側部材、６１…電磁石、６２ａ，６２ｂ…変位センサ、６３…ロータ、６４…制御装置、８１，８２…軸振動値の推移。

Claims (10)

1. 圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記圧縮機に連結され、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンロータを備えた高圧タービンと、前記高圧タービンロータと分離され、負荷または発電機に連結され、前記高圧タービンからの前記燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンロータを備えた低圧タービンとを有する２軸式ガスタービンであって、
   前記高圧タービンロータまたは前記低圧タービンロータを支持する軸受のうち、少なくとも一つが磁気軸受であることを特徴とする２軸式ガスタービン。
2. 圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記圧縮機に連結され、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンロータを備えた高圧タービンと、前記高圧タービンロータと分離され、負荷または発電機に連結され、前記高圧タービンからの前記燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンロータを備えた低圧タービンとを有し、前記高圧タービンロータを支持する軸受より、前記燃焼ガス流れ方向で下流側に前記高圧タービンが設置されている２軸式ガスタービンであって、
   少なくとも、前記圧縮機と前記高圧タービンの間に設置されたジャーナル軸受が磁気軸受であることを特徴とする２軸式ガスタービン。
3. 圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、前記圧縮機に連結され、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンロータを備えた高圧タービンと、前記高圧タービンロータと分離され、負荷または発電機に連結され、前記高圧タービンからの前記燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンロータを備えた低圧タービンを有し、
   前記高圧タービンロータまたは前記低圧タービンロータを支持する軸受のうち、少なくとも一つが冷却機構を備えた磁気軸受であることを特徴とする２軸式ガスタービン。
4. 圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、前記圧縮機に連結され、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンロータを備えた高圧タービンと、前記高圧タービンロータと分離され、負荷または発電機に連結され、前記高圧タービンからの前記燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンロータを備えた低圧タービンを有し、前記高圧タービンロータおよび前記低圧タービンロータを支持するすべての軸受が磁気軸受であることを特徴とする２軸式ガスタービン。
5. 請求項１ないし請求項４の何れかに記載の２軸式ガスタービンにおいて、前記高圧タービンロータと前記低圧タービンロータが異なる回転数で回転するよう制御手段を設けることを特徴とする２軸ガスタービン。
6. 請求項２に記載の２軸式ガスタービンであって、磁気軸受を冷却する冷却機構を備えたことを特徴とする２軸式ガスタービン。
7. 請求項３に記載の２軸式ガスタービンであって、高圧タービンロータを支持する軸受より、燃焼ガス流れ方向で下流側に高圧タービンが設置されていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
8. 圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、前記圧縮機に連結され、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンロータを備えた高圧タービンと、前記高圧タービンロータと分離され、負荷または発電機に連結され、前記高圧タービンからの前記燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンロータを備えた低圧タービンとを有し、前記高圧タービンロータならびに前記低圧タービンロータが磁気軸受によって支持されている２軸式ガスタービンの運用方法であって、
   前記高圧タービンロータと前記低圧タービンロータとをそれぞれ異なる回転数で回転させて運用することを特徴とする２軸式ガスタービンの運用方法。
9. 圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、前記圧縮機に連結され、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンロータを備えた高圧タービンと、前記高圧タービンロータと分離され、負荷または発電機に連結され、前記高圧タービンからの前記燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンロータを備えた低圧タービンとを有し、前記高圧タービンロータならびに前記低圧タービンロータを支持する軸受が磁気軸受である２軸式ガスタービンの制御方法であって、
   前記磁気軸受に設けられた変位センサにより、前記高圧タービンロータならびに前記低圧タービンロータの径方向の位置を検知し、検知した位置に基づき、前記磁気軸受の電磁石に発生させる電磁力を調整することで、前記高圧タービンロータならびに前記低圧タービンロータの径方向の位置を制御することを特徴とする２軸式ガスタービンの制御方法。
10. 圧縮機と、該圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器と、前記圧縮機に連結され、前記燃焼器からの燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンロータを備えた高圧タービンと、前記高圧タービンロータと分離され、負荷または発電機に連結され、前記高圧タービンからの前記燃焼ガスにより回転駆動する低圧タービンロータを備えた低圧タービンとを有し、前記高圧タービンロータならびに前記低圧タービンロータを支持する軸受が磁気軸受である２軸式ガスタービンの軸受冷却方法であって、
    前記磁気軸受に設けられた冷却機構により前記磁気軸受を冷却することを特徴とする２軸式ガスタービンの軸受冷却方法。
    
    
    

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