JP2013534287A - アキシアル方向に移動可能なタービンロータ軸を備えているガスタービンロータ - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスタービンのためのガスタービンロータであって、ロータ軸（１００）と、タービンロータ軸（２００）と、ロータ軸（１００）及びタービンロータ軸（２００）を摩擦で接続しているカップリング装置（３１０）とを備えているガスタービンロータに関する。カップリング装置（３１０）は、２つのロータ軸（１００，２００）が互いに対して移動された場合に摩擦接続が存在するように構成されている。この場合には、タービンロータ軸（２００）は、アキシアル方向（Ａ）においてタービンロータ軸（２００）が圧縮機ロータ軸（１００）と重なっているように、圧縮機ロータ軸（１００）に面している端部において延長されている。そして、カップリング装置（３００）は、ラジアル方向（Ｒ）において、タービンロータ軸（２００）の延長部分（２１０）を圧縮機ロータ軸（１００）に接続している。

Description

本発明は、請求項１に記載の前提部分に基づくガスタービンロータ、請求項４に記載の対応するガスタービン、及び、このようなガスタービンの圧縮機及びタービンのための対応するロータ軸に関する。

ガスタービンは、１つ以上の燃焼室に加えて、共通するロータ軸を介してアキシアル方向において接続されている圧縮機及び下流タービン（downstream turbine）をさらに備えている。エネルギを発生させるための任意の機械装置と同様に、実現可能な最も高い効率が、すなわち、使用されたエネルギに対する発生されたエネルギの比が、重要な因子である。

従って、特許文献１に開示されるように、流体間隙を最適化するための既知の方法が、ガスタービンの全体効率を最適化するためにガスタービン内で利用されている。この場合には、ガスタービンロータは、錘状に構成されている高温ガス流路の場合に、ロータブレードの先端部分と高温ガス流路の壁との間におけるラジアル方向間隙を最適化するために、高温ガスの流れ方向に対して逆方向に移動される。この場合には、タービンロータを圧縮ロータに接続するタイボルトは、タービンロータがアキシアル方向に移動可能とされるように取り付けられている。その結果として、タービンの間隙が、タービンの運転効率のために最適化されるように移動可能とされる。しかしながら、同時に、圧縮機のラジアル方向間隙も正しい位置から外れてしまうので、圧縮機ロータの関連する移動によって圧縮機の効率が損なわれる。このような逆効果を回避するために、ひいては全体効率をさらに最適化するために、圧縮機とタービンとの接触面において共通するロータを分離させること、及び、アキシアル方向カップリングによって圧力嵌めで２つのロータ部品を結合することが考えられる。しかしながら、この点において、カップリングは、タービンロータ軸がアキシアル方向において圧縮機ロータ軸に対して相対的に移動された場合に圧力嵌めが有効であるように構成されている。従って、圧縮機ロータを同時に移動させる必要なく、タービンロータを移動させ、タービンの効率を最適化することができる。従って、流体間隙を最適化してタービンの運転効率を高めることによっては、同時に、実際の目的を阻害する圧縮機の運転効率の低減には至らない。

欧州特許第１１３１５３７号明細書

本発明の目的は、ガスタービンのためのガスタービンロータをさらに改善することである。

当該目的は、ガスタービンのためのガスタービンロータであって、圧縮機ロータ軸と、圧縮機ロータ軸に対して相対的にアキシアル方向に移動可能とされるタービンロータ軸と、圧縮機ロータ軸及びタービンロータ軸に常時接続しているカップリング装置とを備えているガスタービンロータにおいて、圧縮機ロータ軸が中空軸として構成されており、タービンロータ軸が圧縮機ロータ軸を通じて案内される、ガスタービンロータによって達成される。

タービンロータ軸を圧縮機ロータ軸の全軸長を越えて延長することによって、特に大きな接触面をカップリング装置に形成することができるので、トルクをタービンロータから圧縮機ロータに伝達させることができる。圧縮機ロータ軸は中空軸として形成されている場合には、タービンロータ軸の延長部分が圧縮機ロータ軸を通じて案内されるので、圧縮機ロータ軸及びタービンロータ軸の両方が、ガスタービン内において共通する軸線を有している。カップリング装置が、圧縮機ロータ軸の２つの端部に配置されている２つの領域に分割されている場合には、カップリング装置は特に堅牢である。

アキシアル方向において圧縮機ロータ軸を位置決めするための軸受とアキシアル方向においてタービンロータ軸を位置決めするための軸受とから成る、２つの軸受がガスタービン内に設けられている場合には、圧縮機ロータ及びタービンロータの両方が、互いから独立してガスタービンのハウジングに対して相対的に移動可能とされる。従って、両方の部品―タービン及び圧縮機―について、互いから独立して間隙を最適化することができるので、ガスタービンの最適な全体効率を達成することができる。従って、既知の高剛性なカップリングが２つの軸の間に配置された場合に、タービンの効率のためにアキシアル方向において移動されることに起因して発生する、圧縮機の効率の損失を回避することができる。２つのロータ軸とアキシアル方向における移動のためのカップリング装置とから成る、本発明における実施例を２つの軸受と組み合わせることによって、圧縮機及びタービンにおける間隙が、ガスタービンロータの運転モードに制限されることなく、互いから独立して最適化される。このような個々の調整によって、ガスタービンも、例えば部分負荷運転やホットスタート運転のような拡張された動作範囲において動作可能となる。特にホットスタート運転の場合には、圧縮機ブレードが臨界状態においてハウジングに擦れることを防止するために、間隙を大きくすることさえ必要とされる場合がある。

一例として図面を参照して、本発明について説明する。

ガスタービンの従来技術に基づくガスタービンロータの概略図である。 本発明の第１の実施例におけるカップリング装置の概略図である。 図２に表わす典型的な実施例の断面図である。 典型的な第２の実施例の概略図である。

図１は、ガスタービンのための従来技術に基づくガスタービンロータを表わす。ガスタービンは、高温ガスを発生させるための燃焼装置１に加えて、圧縮機１０及びタービン２０を備えており、圧縮機１０は、圧縮機ロータ軸１００を有しており、タービン２０は、タービンロータ軸２００と、圧縮機ロータ軸１００とタービンロータ軸２００との間に配置された圧力嵌めカップリング装置３００とを有している。圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００は、圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００の両方がアキシアル方向において移動可能とされるように、（概略的に図示する）適切な軸受を介して取り付けられている。当該実施形態では、圧力嵌めカップリング装置３００は、圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００が所定の態様で共に又は互いに対して移動される場合であっても圧力嵌めが常に有効であるように形成されている。

図２は、本発明におけるガスタービンロータの第１の実施例の概略図である。当該実施例では、タービン２０のタービンロータ軸２００は、延長端部２１０が圧縮機ロータ軸１００に完全に重なる程度に圧縮機１０に向かって延長されている。このように延長されたタービンロータ軸２００は、単純に図示するにすぎない軸受Ｒを介して、既知の態様でラジアル方向に取り付けられている。さらに、タービン２０内において流体間隙を最適化するために、タービンロータ軸２００が、アキシアル軸受Ｔ−ＨＳＯを介してアキシアル方向に移動可能とされる。図２に表わす典型的な実施例では、圧縮機ロータ軸１００は、中空軸として構成されており、圧縮機１０内において流体間隙を最適化するために、圧縮機ロータ軸１００をアキシアル方向において移動可能とするためのアキシアル軸受Ｖ−ＨＳＯを付加的に有している。タービンロータ軸２００は、圧縮機ロータ軸１００を越えて延長されているので、カップリング装置３００は、タービンロータ軸延長部分２１０の全周に亘って広範囲に形成されている。従って、当該実施例では、タービンロータ軸延長部分２１０は、圧縮機のためのラジアル軸受を形成している。

この場合には、２つのアキシアル軸受Ｔ−ＨＳＯ，Ｖ−ＨＳＯは、圧縮機１０の低温側の流入端部に配置されている。２つのアキシアル軸受Ｔ−ＨＳＯ，Ｖ−ＨＳＯによって、圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００を互いから独立して位置決めすることができ、圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００を互いから独立して移動させることができる。

ガスタービンロータの断面図を示す図３に表わすように、カップリング装置が、例えばスプライン軸接続部分３１０として形成されている。スプライン軸接続部分３１０の第１のスプライン軸縁部は、中空軸として形成された圧縮機ロータ軸１００の内面に亘って延在している。そして、第２のスプライン軸縁部は、第１のスプライン軸縁部に対応しており、タービンロータ軸２００のタービンロータ軸延長部分２１０の外面に亘って延在している。第１のスプライン軸縁部及び第２のスプライン軸縁部の両方が、圧縮機ロータ軸１００とタービンロータ軸２００との間における圧力嵌めカップリングが確実となるように、互いに嵌入される。ガスタービン内部の構成を良好に理解するために、図２及び図４は、収束流ダクトとして機能する圧縮機１０と、分岐流ダクトとして機能するタービン２０とを表わす。ここで、ロータブレードが、タービン２０内においてロータ軸に配設されている。

図４は、代替的な実施例を表わす。代替的な実施例では、カップリング装置が、圧縮機ロータ軸１００の２つの側面において２つの領域３２１，３２２に分割されている。この場合には、圧縮機ロータ軸１００とタービンロータ軸２００との間におけるインターロックひいては圧力嵌めカップリングは、図３に表わすように形成されている。そうでなければ、当該インターロックひいては圧力嵌めカップリングは、図２に表わす実施例と同一の特徴を有している。

本発明は、上述の実施例に限定される訳ではない。その代りに、個々の特徴の組み合わせが、又は、個々の特徴に対する変更若しくは追加が、本願発明の技術的思想に基づくらなる実施可能な実施例を導くが、当業者であれば想到可能である。従って、例えば圧縮機ロータ軸が、適切な態様で延長されており、中空軸として形成されているタービンロータ軸内に係止されている場合もある。さらに、図示した２つの実施例におけるカップリング装置が、さらに良好なトルク伝達を達成するために組み合わされる場合がある。本発明では、本発明におけるガスタービンロータは、流体間隙を最適化する場合に、圧縮機の運転効率の損失が高まらないように形成されていることが常に肝心であり、圧縮機１０の別の移動によって改善される場合がある。従って、圧縮機の一部分について流体間隔をこのように別個に最適化することによって、ガスタービンの運転効率及び拡張された動作範囲を全体として通常状態を越えてさらに高めることができる。ガスタービンのハウジングに対して圧縮機及びタービンを別々に移動させることによって、及び、このようにして得られた別々の流体間隔を最適化することによって、ガスタービンは、流れ状態それぞれに適用可能となり、これにより部分負荷運転でも利用可能となる。

１ 燃焼装置
１０ 圧縮機
２０ タービン
１００ 圧縮機ロータ軸
２００ タービンロータ軸
２１０ タービンロータ軸延長部分
３００ 圧力嵌めカップリング装置
３１０ スプライン軸接続部分
３２１ 領域
３２２ 領域

本発明は、請求項１に記載の前提部分に基づくガスタービンロータ、請求項４に記載の対応するガスタービン、及び、このようなガスタービンの圧縮機及びタービンのための対応するロータ軸に関する。

ガスタービンは、１つ以上の燃焼室に加えて、共通するロータ軸を介してアキシアル方向において接続されている圧縮機及び下流タービン（downstream turbine）をさらに備えている。エネルギを発生させるための任意の機械装置と同様に、実現可能な最も高い効率が、すなわち、使用されたエネルギに対する発生されたエネルギの比が、重要な因子である。

従って、特許文献１に開示されるように、流体間隙を最適化するための既知の方法が、ガスタービンの全体効率を最適化するためにガスタービン内で利用されている。この場合には、ガスタービンロータは、錘状に構成されている高温ガス流路の場合に、ロータブレードの先端部分と高温ガス流路の壁との間におけるラジアル方向間隙を最適化するために、高温ガスの流れ方向に対して逆方向に移動される。この場合には、タービンロータを圧縮ロータに接続するタイボルトは、タービンロータがアキシアル方向に移動可能とされるように取り付けられている。その結果として、タービンの間隙が、タービンの運転効率のために最適化されるように移動可能とされる。しかしながら、同時に、圧縮機のラジアル方向間隙も正しい位置から外れてしまうので、圧縮機ロータの関連する移動によって圧縮機の効率が損なわれる。このような逆効果を回避するために、ひいては全体効率をさらに最適化するために、圧縮機とタービンとの接触面において共通するロータを分離させること、及び、アキシアル方向カップリングによって圧力嵌めで２つのロータ部品を結合することが考えられる。しかしながら、この点において、カップリングは、タービンロータ軸がアキシアル方向において圧縮機ロータ軸に対して相対的に移動された場合に圧力嵌めが有効であるように構成されている。従って、圧縮機ロータを同時に移動させる必要なく、タービンロータを移動させ、タービンの効率を最適化することができる。従って、流体間隙を最適化してタービンの運転効率を高めることによっては、同時に、実際の目的を阻害する圧縮機の運転効率の低減には至らない。

さらに、特許文献２には、ガスタービンロータ内においてタービンロータ部分に対してアキシアル方向に移動可能な圧縮機ロータ部分を構成することが開示されている。この目的を達成するために、２つのロータ部分が、プラグソケットカップリングの態様で互いに接続されている。このことは、２つのロータ部分を支持するために３つのラジアル軸受を必要とする点において不利である。

欧州特許第１１３１５３７号明細書 独国特許出願公開第６５８７７８号明細書

本発明の目的は、ガスタービンのためのガスタービンロータをさらに改善することである。

当該目的は、ガスタービンのためのガスタービンロータであって、圧縮機ロータ軸と、圧縮機ロータ軸に対して相対的にアキシアル方向に移動可能とされるタービンロータ軸と、圧縮機ロータ軸及びタービンロータ軸に常時接続しているカップリング装置とを備えているガスタービンロータにおいて、圧縮機ロータ軸が中空軸として構成されており、タービンロータ軸が圧縮機ロータ軸を通じて案内される、ガスタービンロータによって達成される。

タービンロータ軸を圧縮機ロータ軸の全軸長を越えて延長することによって、特に大きな接触面をカップリング装置に形成することができるので、トルクをタービンロータから圧縮機ロータに伝達させることができる。圧縮機ロータ軸は中空軸として形成されている場合には、タービンロータ軸の延長部分が圧縮機ロータ軸を通じて案内されるので、圧縮機ロータ軸及びタービンロータ軸の両方が、ガスタービン内において共通する軸線を有している。カップリング装置が、圧縮機ロータ軸の２つの端部に配置されている２つの領域に分割されている場合には、カップリング装置は特に堅牢である。

アキシアル方向において圧縮機ロータ軸を位置決めするための軸受とアキシアル方向においてタービンロータ軸を位置決めするための軸受とから成る、２つの軸受がガスタービン内に設けられている場合には、圧縮機ロータ及びタービンロータの両方が、互いから独立してガスタービンのハウジングに対して相対的に移動可能とされる。従って、両方の部品―タービン及び圧縮機―について、互いから独立して間隙を最適化することができるので、ガスタービンの最適な全体効率を達成することができる。従って、既知の高剛性なカップリングが２つの軸の間に配置された場合に、タービンの効率のためにアキシアル方向において移動されることに起因して発生する、圧縮機の効率の損失を回避することができる。２つのロータ軸とアキシアル方向における移動のためのカップリング装置とから成る、本発明における実施例を２つの軸受と組み合わせることによって、圧縮機及びタービンにおける間隙が、ガスタービンロータの運転モードに制限されることなく、互いから独立して最適化される。このような個々の調整によって、ガスタービンも、例えば部分負荷運転やホットスタート運転のような拡張された動作範囲において動作可能となる。特にホットスタート運転の場合には、圧縮機ブレードが臨界状態においてハウジングに擦れることを防止するために、間隙を大きくすることさえ必要とされる場合がある。

一例として図面を参照して、本発明について説明する。

ガスタービンの従来技術に基づくガスタービンロータの概略図である。 本発明の第１の実施例におけるカップリング装置の概略図である。 図２に表わす典型的な実施例の断面図である。 典型的な第２の実施例の概略図である。

図１は、ガスタービンのための従来技術に基づくガスタービンロータを表わす。ガスタービンは、高温ガスを発生させるための燃焼装置１に加えて、圧縮機１０及びタービン２０を備えており、圧縮機１０は、圧縮機ロータ軸１００を有しており、タービン２０は、タービンロータ軸２００と、圧縮機ロータ軸１００とタービンロータ軸２００との間に配置された圧力嵌めカップリング装置３００とを有している。圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００は、圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００の両方がアキシアル方向において移動可能とされるように、（概略的に図示する）適切な軸受を介して取り付けられている。当該実施形態では、圧力嵌めカップリング装置３００は、圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００が所定の態様で共に又は互いに対して移動される場合であっても圧力嵌めが常に有効であるように形成されている。

図２は、本発明におけるガスタービンロータの第１の実施例の概略図である。当該実施例では、タービン２０のタービンロータ軸２００は、延長端部２１０が圧縮機ロータ軸１００に完全に重なる程度に圧縮機１０に向かって延長されている。このように延長されたタービンロータ軸２００は、単純に図示するにすぎない軸受Ｒを介して、既知の態様でラジアル方向に取り付けられている。さらに、タービン２０内において流体間隙を最適化するために、タービンロータ軸２００が、アキシアル軸受Ｔ−ＨＳＯを介してアキシアル方向に移動可能とされる。図２に表わす典型的な実施例では、圧縮機ロータ軸１００は、中空軸として構成されており、圧縮機１０内において流体間隙を最適化するために、圧縮機ロータ軸１００をアキシアル方向において移動可能とするためのアキシアル軸受Ｖ−ＨＳＯを付加的に有している。タービンロータ軸２００は、圧縮機ロータ軸１００を越えて延長されているので、カップリング装置３００は、タービンロータ軸延長部分２１０の全周に亘って広範囲に形成されている。従って、当該実施例では、タービンロータ軸延長部分２１０は、圧縮機のためのラジアル軸受を形成している。

この場合には、２つのアキシアル軸受Ｔ−ＨＳＯ，Ｖ−ＨＳＯは、圧縮機１０の低温側の流入端部に配置されている。２つのアキシアル軸受Ｔ−ＨＳＯ，Ｖ−ＨＳＯによって、圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００を互いから独立して位置決めすることができ、圧縮機ロータ軸１００及びタービンロータ軸２００を互いから独立して移動させることができる。

ガスタービンロータの断面図を示す図３に表わすように、カップリング装置が、例えばスプライン軸接続部分３１０として形成されている。スプライン軸接続部分３１０の第１のスプライン軸縁部は、中空軸として形成された圧縮機ロータ軸１００の内面に亘って延在している。そして、第２のスプライン軸縁部は、第１のスプライン軸縁部に対応しており、タービンロータ軸２００のタービンロータ軸延長部分２１０の外面に亘って延在している。第１のスプライン軸縁部及び第２のスプライン軸縁部の両方が、圧縮機ロータ軸１００とタービンロータ軸２００との間における圧力嵌めカップリングが確実となるように、互いに嵌入される。ガスタービン内部の構成を良好に理解するために、図２及び図４は、収束流ダクトとして機能する圧縮機１０と、分岐流ダクトとして機能するタービン２０とを表わす。ここで、ロータブレードが、タービン２０内においてロータ軸に配設されている。

図４は、代替的な実施例を表わす。代替的な実施例では、カップリング装置が、圧縮機ロータ軸１００の２つの側面において２つの領域３２１，３２２に分割されている。この場合には、圧縮機ロータ軸１００とタービンロータ軸２００との間におけるインターロックひいては圧力嵌めカップリングは、図３に表わすように形成されている。そうでなければ、当該インターロックひいては圧力嵌めカップリングは、図２に表わす実施例と同一の特徴を有している。

本発明は、上述の実施例に限定される訳ではない。その代りに、個々の特徴の組み合わせが、又は、個々の特徴に対する変更若しくは追加が、本願発明の技術的思想に基づくらなる実施可能な実施例を導くが、当業者であれば想到可能である。従って、例えば圧縮機ロータ軸が、適切な態様で延長されており、中空軸として形成されているタービンロータ軸内に係止されている場合もある。さらに、図示した２つの実施例におけるカップリング装置が、さらに良好なトルク伝達を達成するために組み合わされる場合がある。本発明では、本発明におけるガスタービンロータは、流体間隙を最適化する場合に、圧縮機の運転効率の損失が高まらないように形成されていることが常に肝心であり、圧縮機１０の別の移動によって改善される場合がある。従って、圧縮機の一部分について流体間隔をこのように別個に最適化することによって、ガスタービンの運転効率及び拡張された動作範囲を全体として通常状態を越えてさらに高めることができる。ガスタービンのハウジングに対して圧縮機及びタービンを別々に移動させることによって、及び、このようにして得られた別々の流体間隔を最適化することによって、ガスタービンは、流れ状態それぞれに適用可能となり、これにより部分負荷運転でも利用可能となる。

１ 燃焼装置
１０ 圧縮機
２０ タービン
１００ 圧縮機ロータ軸
２００ タービンロータ軸
２１０ タービンロータ軸延長部分
３００ 圧力嵌めカップリング装置
３１０ スプライン軸接続部分
３２１ 領域
３２２ 領域

Claims (8)

1. ガスタービンのためのガスタービンロータであって、
   圧縮機ロータ軸（１００）と、前記圧縮機ロータ軸（１００）に対して相対的にアキシアル方向に移動可能とされるタービンロータ軸（２００）と、前記圧縮機ロータ軸（１００）及び前記タービンロータ軸（２００）に常時接続しているカップリング装置（３００）とを備えている前記ガスタービンロータにおいて、
   前記圧縮機ロータ軸（１００）が、中空軸として構成されており、
   前記タービンロータ軸（２００）が、前記圧縮機ロータ軸（１００）を通じて案内されることを特徴とするガスタービンロータ。
2. 前記カップリング装置が、スプライン軸接続部分（３１０）とされ、
   前記スプライン軸接続部分の第１のスプライン軸縁部が、中空軸として形成された圧縮機ロータ軸の内面全体に亘って周方向に延在しており、
   前記スプライン軸接続部分の第２のスプライン軸縁部が、前記第１のスプライン軸縁部に対応しており、前記タービンロータ軸（２００）の延長部分（２１０）の外面全体に亘って周方向に延在し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ロータ。
3. 前記カップリング装置が、前記圧縮機ロータ軸（１００）と前記タービンロータ軸（２００）とを圧力嵌めで接続するための２つの領域（３２１，３２２）を備えており、
   第１の領域（３２１）が、前記圧縮機ロータ軸（１００）の第１の端部に配置されており、
   第２の領域（３２２）が、前記圧縮機ロータ軸（１００）の第２の端部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービンロータ。
4. 圧縮機（１０）と、タービン（２０）と、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンロータとを有していることを特徴とするガスタービン。
5. 第１のアキシアル軸受（Ｖ−ＨＳＯ）が、アキシアル方向において前記圧縮機ロータ軸（１００）を位置決めするために設けられており、
   第２のアキシアル軸受（Ｔ−ＨＳＯ）が、アキシアル方向において前記タービンロータ軸（２００）を位置決めするために設けられていることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン。
6. 前記第１のアキシアル軸受（Ｖ−ＨＳＯ）と前記第２のアキシアル軸受（Ｖ−ＨＳＯ）とが、前記圧縮機（１０）の流入端部に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のガスタービン。
7. ガスタービンのための圧縮機ロータ軸（１００）であって、
   前記圧縮機ロータ軸（１００）が、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンロータ内においてカップリング装置（３１０，３２１，３２２）の一部分として利用されるように、中空軸として形成されていることを特徴とする圧縮機ロータ軸。
8. ガスタービンのためのタービンロータ軸（２００）であって、
   前記タービンロータ軸（２００）が、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンロータ内においてカップリング装置（３１０，３２１，３２２）の一部分として利用されるように、前記タービンロータ軸（２００）が、一方の端部において延長されていることを特徴とするタービンロータ軸。

Images