JP2008184966A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングの熱・圧力による変形を吸収し、主軸に作用する応力を抑えて主軸の耐久性を向上させることのできるガスタービンを提供することを目的とする。
【解決手段】ガスタービン２０のケーシング２６をタービン２４側で支持する可動支持脚３０のリンクプレート３１を予め角度θ１だけ傾斜して設けておくことで、ガスタービン２０が停止状態から稼動状態に移行したときに、リンクプレート３１の上端部のピン３１ａと下部ケーシング２６Ｌの上面との間において生じる下部ケーシング２６Ｌの高さ方向の変位Ｘを相殺する。これにより、可動支持脚３０の部位において主軸２５が高さ方向に変化するのを防ぎ、主軸２５に曲げ応力が作用するのを抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンに関し、特にガスタービンのケーシングの支持脚に関する。

ガスタービンは、空気を圧縮機で圧縮して高温・高圧の圧縮空気とし、燃焼器においてこの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させて高温・高圧の燃焼ガスを生成する。そして、この高温・高圧の燃焼ガスをタービンに送り込み、これがタービン内で膨張することで主軸を回転させ、発電機等を駆動するようになっている。
このようなガスタービンの外殻を形成するケーシングは、内部の圧縮空気や燃焼ガスの熱による熱変形・内圧による変形が軸方向、径方向に生じる。このケーシングの軸方向、径方向への変形を吸収するために、ケーシングを、軸方向の一端側で固定支持し、他端側で変位可能に支持する構造が従来より用いられている。

例えば、特許文献１においては、ケーシングの他端側を変位可能に支持する構造として、ケーシングの他端側を支持する支持脚を、傾斜面に沿って摺動可能としている。

また、図４に示すような構造もある。すなわち、ガスタービン１のケーシング２は、圧縮機３側においては基礎４上に固定した固定支持脚５で支持され、タービン６側においては、ケーシング２の変形を許容する可動支持脚７で支持されている。図５に示すように、可動支持脚７は、ケーシング２の両側に設けられたリンクプレート８と、ケーシング２の下方に設けられたサポート部材９とから構成されている。
リンクプレート８は、ガスタービン１の停止状態において基礎４に対して垂直に設けられ、その上下がケーシング２と基礎４に対しピン８ａ、８ｂによって回動可能に連結されている。これにより、ケーシング２が軸方向に変形すると、リンクプレート８がピン８ａ、８ｂの部分でケーシング２、基礎４に対して相対的に回動し、リンクプレート８は下端部のピン８ｂを中心として倒れる方向に傾斜する。これによってケーシング２の軸方向の変形を許容する。
また、このリンクプレート８は、リンクプレート８自体が図５において横方向に弾性変形することで、ケーシング２の径方向の変形を許容して支持する。

サポート部材９は、ケーシング２を横方向（ケーシング２の断面における横方向）に拘束しつつ、ケーシング２の上下方向の変位を許容するものである。
このサポート部材９は、シャフト９ａの一端側に有底筒状のスリーブ９ｂが一体に設けられ、他端側に同様の形状のスリーブ９ｃが一体に設けられている。そして、一方のスリーブ９ｂにケーシング２の下部が接合され、他方のスリーブ９ｃは基礎４側に固定されている。スリーブ９ｂ、９ｃの内径はシャフト９ａよりも大きく、スリーブ９ｂ、９ｃの内周面とシャフト９ａの外周面との間にはクリアランスが形成されている。また、スリーブ９ｂとスリーブ９ｃも互いに接触しないよう、双方の間にクリアランスが形成されている。
このようなサポート部材９によれば、ケーシング２の径方向の変形やケーシング２の揺れによって基礎４とケーシング２の間隔が変位する場合、シャフト９ａが弾性変形し、スリーブ９ｂ、９ｃが上下方向に相対的に変位する。これによってケーシング２の径方向の変形や、ケーシング２の上下方向の揺れを吸収できる。このときのシャフト９ａの弾性変形に比較すると、シャフト９ａは軸方向に変形しにくいため、ケーシング２は横方向に拘束されるようになっている。

実開昭６０−１０８３８号公報

ガスタービン１のケーシング２は、上部ケーシング２ａと下部ケーシング２ｂとに二分割されている。リンクプレート８を用いた支持構造においては、下部ケーシング２ｂに対するリンクプレート８の連結強度を確保するため、下部ケーシング２ｂの上面よりも下方において肉厚部１１を形成し、リンクプレート８の上端部をピン８ａにより連結している。このため、リンクプレート８の上端部は、上部ケーシング２ａと下部ケーシング２ｂの合わせ面、すなわち主軸１０の中心軸Ｃよりも下方にオフセットしていることになる。
このような構成においては、下部ケーシング２ｂの径方向の変形がリンクプレート８の上端部（ピン８ａにより連結された部分）と下部ケーシング２ｂの上面との間においても生じている。このため、ガスタービン１が停止状態から稼動状態に移行し、ケーシング２の温度が上昇すると、結果的に、図６に示すように主軸１０の中心軸Ｃが基礎４に対して上方に変位してしまう。
ここで、ガスタービン１内においては、圧縮機３側からタービン６側に向けて内部の空気の温度、圧力が高くなり、ケーシング２に生じる変形量も、圧縮機３よりもタービン６側において顕著となる。このため、固定支持脚５によって支持された圧縮機３側に対し、可動支持脚７によって支持されたタービン６側において、主軸１０の中心軸Ｃの位置が高くなる。その結果、主軸１０には曲げ応力が作用する。この曲げ応力は、主軸１０の回転に伴い、主軸１０に引張方向・圧縮方向の繰返し応力を入力することになり、主軸１０の耐久性に影響を及ぼす。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、ケーシングの熱・圧力による変形を吸収し、主軸に作用する応力を抑えて主軸の耐久性を向上させることのできるガスタービンを提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明は、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機で圧縮された空気中に燃料を供給して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、および燃焼器で生成された燃焼ガスが膨張することで回転駆動されるタービンを含むガスタービンであって、ガスタービンの外殻をなすケーシングが、圧縮機側を支持する第一の支持脚と、タービン側を支持する第二の支持脚とにより基礎上に支持されている。そして、第一の支持脚は、ケーシングを基礎に対して固定状態に支持し、第二の支持脚は、ケーシングの軸方向および径方向への変形・変位を許容するようケーシングを可動状態に支持するとともに、ガスタービンが停止している状態にてケーシングの軸線に直交する面に対して予め定められた角度θだけ傾斜して設置されていることを特徴とする。
ガスタービンにおいて、ケーシングは圧縮機側よりタービン側の方が高温となるため、ガスタービンが稼動することによってケーシングの温度上昇が生じたとき、ケーシングの熱による変形は、第二の支持脚で支持するタービン側に集中する。
ここで、第二の支持脚は、その上下の端部が基礎およびケーシングに対しピンによって回動可能に連結することによって、ケーシングの軸方向および径方向への変形・変位が生じたときには第二の支持脚の傾斜角度が変わり、これによってケーシングの軸方向および径方向への変形・変位を許容することができる。

第二の支持脚は、その上端部が、ケーシングの中心軸よりも下方の位置にてケーシングに連結されている。この場合、ガスタービンが停止状態から稼動状態に移行すると、ケーシングにおいては、中心軸の高さと第二の支持脚に連結された位置（高さ）との間で上下方向の変形が生じるが、第二の支持脚が、ガスタービンが停止状態から稼動状態に移行したときにその傾斜角度がさらに大きくなる方向に傾くことで、この変形を吸収することができる。つまり、第二の支持脚によって、ガスタービンが停止状態から稼動状態に移行したときの温度変化にともなうケーシングの軸方向の変位と、ケーシングの中心軸の高さの変位を吸収することができる。その結果、ケーシング内の主軸の支持高さを一定に保ち、主軸に応力が作用するのを抑えることが可能となる。

ここで、第二の支持脚を傾斜して設置するときの角度θは、近似的に、
θ＝ｔａｎ^−１（ΔＨ／ΔＬ）
とするのが好ましい。ここでΔＬは、第二の支持脚側における、停止状態から運転状態に移行したときの温度変化に伴うケーシングの軸方向の変位であり、ΔＨは、第二の支持脚側における、停止状態から運転状態に移行したときの温度変化に伴うケーシングの軸中心高さの変位である。なお、この式は近似式であるため、ケーシングや支持脚の寸法にもとづいて、より厳密な計算を行って求めても良い。
また、ケーシングに作用する転倒モーメントに抗するため、第一の支持脚の座面には偏りを設けても良い。

本発明によれば、タービン側を支持する第二の支持脚を傾斜させて設けておくことで、ガスタービンが停止状態から稼動状態に移行したときに、ケーシングの変形を吸収することができる。これにより、ケーシング内の主軸が高さ方向に変形するのを防ぐことができ、その結果、主軸に曲げ応力が作用するのを防いで主軸の耐久性を向上させることが可能となる。また、主軸を支持する軸受けにおいて、荷重が変動するのを抑えることも可能となり、ガスタービン設計上の課題を少なくすることができる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるガスタービン２０の全体構成を説明するための図である。
この図１に示すように、ガスタービン２０には、空気の流れの上流側から下流側に向かって空気取入口２１、圧縮機２２、燃焼器２３、タービン２４が設けられている。
空気取入口２１から取り込まれた空気は圧縮機２２によって圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器２３へ送り込まれる。燃焼器２３では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、或いは軽油や軽重油等の液体燃料を供給して燃料を燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスはタービン２４に噴射され、タービン２４内で膨張してタービン２４を回転させる。タービン２４の回転エネルギーにより、ガスタービン２０の主軸２５に連結された発電機等が駆動される。

このようなガスタービン２０のケーシング２６は、圧縮機２２側においては基礎２７上に固定した固定支持脚（第一の支持脚）２８で支持され、タービン２４側においては、ケーシング２６の変形を許容する可動支持脚（第二の支持脚）３０で支持されている。ガスタービン２０のケーシング２６は、上部ケーシング２６Ｕと下部ケーシング２６Ｌとに二分割されており、下部ケーシング２６Ｌが、固定支持脚２８および可動支持脚３０によって支持されている。

可動支持脚３０は、ケーシング２６の両側に設けられたリンクプレート３１と、ケーシング２６の下方に設けられたサポート部材９（図５参照）とから構成されている。
リンクプレート３１は、その上下がケーシング２６と基礎２７に対し、ピン３１ａ、３１ｂによって回動可能に連結されている。下部ケーシング２６Ｌに対するリンクプレート３１の連結強度を確保するため、図５に示すように、下部ケーシング２６Ｌの外周面には、下部ケーシング２６Ｌの上面よりも下方において肉厚部３２が形成され、この肉厚部３２において、リンクプレート３１の上端部がピン３１ａにより連結されている。このため、リンクプレート３１の上端部は、上部ケーシング２６Ｕと下部ケーシング２６Ｌの合わせ面、すなわち主軸２５の中心軸Ｃよりも下方にオフセットしている。
そして、ケーシング２６側のピン３１ａの周囲には、冷却媒体を流す流路（図示省略）が形成されており、ピン３１ａを介してリンクプレート３１にケーシング２６の熱が伝わるのを抑えるようになっている。

リンクプレート３１は、ガスタービン２０が停止状態から稼動状態に移行してケーシング２６内の温度が上昇することによってケーシング２６が軸方向に変形すると、リンクプレート３１がピン３１ａ、３１ｂの部分でケーシング２６、基礎２７に対して相対的に回動し、リンクプレート３１は下端部のピン３１ｂを中心として倒れる方向に傾斜し、軸方向の変位を吸収するようになっている。
なお、ケーシング２６の径方向への変形は、図５に示した場合と同様、リンクプレート３１およびサポート部材９の弾性変形によって吸収する。

ここで、図１および図２に示すように、リンクプレート３１は、ガスタービン２０の停止状態において、基礎２７の基準面（ガスタービン２０の軸線）に対し、基礎２７側のピン３１ｂを中心として燃焼ガスの流れ方向下流側に向けて所定角度θ１だけ傾斜して設けられている。これは、ガスタービン２０が停止状態である状態から、ガスタービン２０が稼動状態に移行したときには、リンクプレート３１の上端部のピン３１ａと下部ケーシング２６Ｌの上面との間において生じている下部ケーシング２６Ｌの高さ方向の変位Ｘを相殺するためである。なおこのときには、ケーシング２６だけでなく、リンクプレート３１にも熱変化による寸法変化が生じているため、変位Ｘはその相対差となる。
このようにリンクプレート３１を、ガスタービン２０の停止状態において角度θ１だけ傾斜させておくと、ガスタービン２０が稼動状態に移行して内部の温度が上昇することによってケーシング２６が軸方向に変位し、リンクプレート３１が下端側のピン３１ｂを中心として角度θ２だけ回転して傾く。このとき、リンクプレート３１が角度θ２だけ回転して傾くと、上端側のピン３１ａの位置において、ケーシング２６が軸方向にΔＬだけ変位し、高さ方向にΔＨだけ変位する。この高さ方向における変位ΔＨが、ガスタービン２０が停止状態である状態から稼動状態に移行したときにリンクプレート３１の上端部のピン３１ａと下部ケーシング２６Ｌの上面（すなわち主軸２５の中心軸Ｃの高さ）との間において生じている下部ケーシング２６Ｌの高さ方向の変位Ｘに相当するように、角度θ１を設定するのである。

リンクプレート３１を傾斜させる角度θ１は、ガスタービン２０が停止状態であるときとガスタービン２０が稼動状態にあるときの温度差によってケーシング２６側のピン３１ａの位置に生じる、ケーシング２６の軸方向の変位ΔＬと径方向（高さ方向）の変位ΔＨとから、近似的に、
θ１＝ｔａｎ^−１（ΔＨ／ΔＬ）
と定めることができる。
これは、図２中において、点Ｂ２、Ｂ３、Ｂ５を結ぶ角度θ３は９０°をわずかに超えるものの、可動支持脚３０の長さＡＢ１に対し、変位ΔＬ、ΔＨは十分に小さいため、近似的に概ね９０°であるとみなすことによって定められる。すると、点Ｂ４、Ｂ３、Ｂ５を結ぶ角度θ４は、点Ｂ１、Ａ、Ｂ３を結ぶ角度θ１とほぼ等しく、
θ１≒θ４
とすることができ、これによって上記近似式が得られるのである。
ガスタービン２０は、稼動状態にあるときのケーシング２６内の各部における温度は、それぞれ常時ほぼ一定であるため、上記の軸方向のΔＬ、径方向の変位ΔＨの比は、一定に定めることができる。

例えば、上端側のピン３１ａの位置において、ケーシング２６が軸方向にΔＬ＝２０ｍｍ変位し、高さ方向にΔＨ＝１．２ｍｍ変位する場合、θ１＝３．４°とするのが好ましい。

上述したようにしてリンクプレート３１を予め角度θ１だけ傾斜して設けておくことで、ガスタービン２０が停止状態から稼動状態に移行したときに、リンクプレート３１の上端部のピン３１ａと下部ケーシング２６Ｌの上面との間において生じる下部ケーシング２６Ｌの高さ方向の変位Ｘを相殺することができる。これにより、可動支持脚３０の部位において主軸２５が高さ方向に変化するのを防ぐことができ、主軸２５を固定支持脚２８の部位と同じ高さで常に支持することが可能となる。その結果、主軸２５に曲げ応力が作用するのを防ぐことが可能となり、主軸２５の耐久性を向上させることが可能となる。

ところで、タービン２４側の可動支持脚３０、すなわちリンクプレート３１を傾斜させてガスタービン２０を設置するため、ガスタービン２０の停止時には、ガスタービン２０のケーシング２６全体に転倒モーメントが発生する。そこで、図３に示すように、圧縮機２２側の固定支持脚２８の上端２８ａ側の中心に対し、座面側の下端２８ｂの中心に転倒モーメントに抗する方向の偏りｅを設けることにより、ケーシング２６の転倒モーメントに対する抗力を増大させることができる。なお、この偏りｅの寸法は、ケーシング２６や主軸２５の質量や寸法、固定支持脚２８と可動支持脚３０の位置関係等により、適宜設定すればよい。

なお、上記実施の形態では、ガスタービン２０の構成について説明したが、ガスタービン２０の各部の構成については、本発明の主旨の範囲内で適宜変更することが可能となる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態におけるガスタービンの構成を示す図である。 ガスタービンが停止状態にあるときと稼動状態にあるときの稼動支持脚のリンクプレートの状態を示す図である。 本実施の形態におけるガスタービンにおいて、固定支持脚の座面に偏りを設けた例を示す図である。 従来のガスタービンの構成を示す図である。 ガスタービンの支持構造を示す断面図である。 ガスタービンの主軸の変位を示すための図である。

符号の説明

２０…ガスタービン、２２…圧縮機、２３…燃焼器、２４…タービン、２５…主軸、２６…ケーシング、２６Ｌ…下部ケーシング、２６Ｕ…上部ケーシング、２７…基礎、２８…固定支持脚（第一の支持脚）、３０…可動支持脚（第二の支持脚）、３１…リンクプレート、３１ａ、３１ｂ…ピン、３２…肉厚部

Claims (6)

1. 空気を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された空気中に燃料を供給して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、および前記燃焼器で生成された前記燃焼ガスが膨張することで回転駆動されるタービンを含むガスタービンであって、
   前記ガスタービンの外殻をなすケーシングが、前記圧縮機側を支持する第一の支持脚と、前記タービン側を支持する第二の支持脚とにより基礎上に支持され、
   前記第一の支持脚は、前記ケーシングを前記基礎に対して固定状態に支持するとともに、
   前記第二の支持脚は、前記ケーシングの軸方向および径方向への変形・変位を許容するよう前記ケーシングを可動状態に支持するとともに、前記ガスタービンが停止している状態にて前記ケーシングの軸線に直交する面に対して予め定められた角度θだけ傾斜して設置されていることを特徴とするガスタービン。
2. 前記第二の支持脚は、その上下の端部が前記基礎および前記ケーシングに対しピンによって回動可能に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記第二の支持脚は、その上端部が、前記ケーシングの中心軸よりも下方の位置にて前記ケーシングに連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン。
4. 前記第二の支持脚は、前記ガスタービンが停止状態から運転状態に移行したときにその傾斜角度がさらに大きくなる方向に傾くことで、前記ガスタービンが停止状態から運転状態に移行したときの温度変化にともなう前記ケーシングの軸方向の変位と、前記ケーシングの前記中心軸の高さの変位とを吸収することを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
5. 前記第二の支持脚側における、停止状態から運転状態に移行したときの温度変化に伴う前記ケーシングの軸方向の変位をΔＬ、前記温度変化に伴う前記ケーシングの軸中心高さの変位をΔＨとしたとき、前記角度θは、
   θ＝ｔａｎ^−１（ΔＨ／ΔＬ）
   であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガスタービン。
6. 前記第一の支持脚の座面に偏りを設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のガスタービン。

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