JP2014214699A

JP2014214699A - ガスタービン発電機

Info

Publication number: JP2014214699A
Application number: JP2013094054A
Authority: JP
Inventors: 純一佐山; Junichi Sayama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】ガスタービン発電機に於ける軸系の部品点数を最小にし、且つ、性能低下が少なく、回転安定性の高い軸構成を提供すること。【解決手段】本発明のガスタービン発電機は、ガスタービンエンジンのタービン軸と発電機の回転軸とが、一体的に形成された一つの共通軸を有する。また、共通軸に於いて、一方の端から発電機、コンプレッサ及びタービンの順に配置され、発電機及びコンプレッサの間とコンプレッサ及びタービンの間とにて共通軸が軸受により支持され、発電機の磁石部が共通軸の一方の端にて方持ち支持され、タービンが共通軸の他方の端にて方持ち支持されていてよい。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン発電機に係り、より詳細には、発電機の回転軸がガスタービンエンジンの出力軸に連結される形式のガスタービン発電機の軸構造に係る。

ガスタービンエンジンの出力軸に発電機の回転軸を連結し、タービンの回転エネルギーによって発電する形式のガスタービン発電機に於いては、典型的には、ガスタービンの出力軸と発電機の回転軸とを減速機又は軸継手を介して連結し、これにより、ガスタービンの高速回転を減速して発電機の回転軸を回転させる方式が取られていることが多い（例えば、特許文献１）。しかしながら、この減速機を介した軸の連結方式の場合、部品点数が多くなり、また、減速機として非常に大型のものが使用される傾向があり、ガスタービン発電機の小型且つ軽量性の特長が活かされないこととなる。そこで、ガスタービン発電機の小型化及び軽量化を図るべく、発電機として高速回転可能なものを採用し、ガスタービンの出力軸と発電機の回転軸とをカップリングを用いて連結する構成が提案されている。（非特許文献１、特許文献２）また、特許文献３に於いては、ガスタービンの出力軸と発電機の回転軸とをスプライン連結させる構成が開示されている。更に、特許文献４は、軸のカップリングに於いて、２重ダイアフラムカップリングを用いて、軸受の数を４個から３個に減らした構成を開示している。

特開平１０−１８４３１７特開２００３−１６６４２８特開２００４−３４６８０３米国特許第５９６４６６３号明細書

ザ・アメリカン・ソサエティ・オブ・メカニカル・エンジニアズ１９８５年予稿集８５−ＧＴ−２０３

上記に例示されている如き従前の種々のガスタービン発電機に於けるガスタービンの出力軸と発電機の回転軸の構成は、端的に述べれば、必要な軸受の数が多く、エンジン構造がやや複雑なものとなっている。例えば、図３（Ａ）に示されている如き発電機Ｄの回転軸ＳとガスタービンＣ、Ｔの回転軸Ｓｅとの間にカップリングを挿入する構成の場合（特許文献４）、部品点数が多く、軸長も長くなってしまう。また、軸系にカップリングが介在することから、３つの軸受Ｂを要し、これにより、ハウジングの軸受装着部に於けるアライメントの維持が難しくなるなどの問題が生ずる。図３（Ｂ）に示されている如き発電機Ｄの両側に軸受Ｂを配置し、エンジンのコンプレッサＣとタービンＴとをオーバーハング（片持ち支持）にする構成の場合、オーバーハングされた部分の質量が大きくなり、軸全長が長いため、ロータ・ダイナミクス（Rotor Dynamics）上、不安定となる傾向がある（スーパー・クリティカル軸となってしまうことが多い。）。また、コンプレッサＣとタービンＴとの物理的距離が近いことから、高温のタービンＴの熱がコンプレッサＣに伝わり易くなる一方、コンプレッサＣのロータは、耐熱性があまり高くないアルミ・チタンなどで作る場合が多く、従って、タービンＴからの受熱によってコンプレッサＣの性能の低下、寿命の短縮などの弊害が起き得る。更に、ガスタービンの出力軸と発電機の回転軸とが直結された構成として、図３（Ｃ）に示されている如き軸Ｓの中央領域に二つの軸受Ｂを配置し、発電機ＤとコンプレッサＣ及びタービンＴの組とを共にオーバーハングにする構成の場合、オーバーハングされた部分の質量が大きくなり、やはり、ロータ・ダイナミクス上、不安定となる傾向がある。また、中央部に軸受のスペースが追加されることから、軸全長が長くなり、エンジンの寸法が大きくなってしまう。一方、図３（Ｄ）に示されている如き発電機ＤをコンプレッサＣとタービンＴとの間に配置する構成の場合、発電機Ｄと高温のタービンＴが直近にあることにより、発電機Ｄへの伝熱量が大きくなり、発電機の熱害が生ずる可能性が高くなり得る。また、コンプレッサＣとタービンＴとの距離が離れることから、コンプレッサＣから出た空気を集めてタービンＴの燃焼器へ導くためのダクトが必要となり、ガス流路の複雑化・コストの増大につながることとなる。

かくして、本発明の一つの課題は、上記の如きガスタービン発電機の軸系の構造に比して、部品点数が少なく、且つ、性能低下の少ない、高い回転安定性を有するガスタービン発電機の軸系の構造を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、ガスタービン発電機であって、ガスタービンエンジンのタービン軸と発電機の回転軸とが、一体的に形成された一つの共通軸であり、かかる共通軸に於いて、一方の端から発電機、コンプレッサ及びタービンの順に配置され、発電機及びコンプレッサの間とコンプレッサ及びタービンの間とにて共通軸が軸受により支持され、発電機の磁石部が共通軸の一方の端にて方持ち支持され、タービンが共通軸の他方の端にて方持ち支持されているガスタービン発電機によって達成される。

上記の構成によれば、まず、ガスタービンエンジンのタービン軸と発電機の回転軸とが一体的に形成されるため、減速機やカップリングを用いる必要がなく、部品点数の低減及びコストの低減が図られることとなる。また、コンプレッサ及びタービンの間に軸受を挿入することにより、両者の距離が確保され、タービンからコンプレッサへの伝熱量が低減され、伝熱による種々の影響も低減される。更に、使用される軸受の数が二つであるところ、オーバーハングされる質量が分散され、従前の構造に比して、ロータ・ダイナミクス上、安定な構造となる点で有利である。更にまた、上記の構造に於いては、発電機のロータがオーバーハングされ、従って、その周囲が開放されていることになるので、ロータへのステータの装着及び固定に於ける構造上の制約が少なくなり、発電機部分の設計の自由度が増大されることとなる。なお、上記の構成に於いて、軸受は、オイル潤滑形式の軸受又はエアベアリングであってよい。

かくして、上記の本発明によれば、ガスタービン発電機に於いて、発電機、コンプレッサ、タービンの順に、各要素を配列し、これらの回転軸を一つの部材にて形成すると共に、コンプレッサの両側にて軸受を配置することにより、従前より部品点数が少なく、なおかつ、性能低下の少なく回転安定性の高い軸系の構造が提供されることとなる。かかる構成によれば、カップリングを要せず、二つの軸受にて軸が支持されることとなるので、軸全長を短くすることが可能となり、従って、ガスタービン発電機のハウジングの寸法も小さくすることができるので、従前に比して、ガスタービン発電機の更なる小型化、軽量化及び単純化が可能となり、ガスタービン発電機の小型且つ軽量性の特長も活かすことができるようになる。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１は、本発明によるガスタービン発電機の回転軸の模式図である。図２（Ａ）は、本発明によるガスタービン発電機の第一の実施形態の模式図である。図２（Ｂ）は、本発明によるガスタービン発電機の第二の実施形態の模式図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、従前のガスタービン発電機の回転軸の例を示した模式図であり、図３（Ｃ）、（Ｄ）は、ガスタービンの出力軸と発電機の回転軸とが直結された構成として考えられる例を示した模式図である。

１…ガスタービン発電機の回転軸
２、Ｔ…タービン
３、Ｃ…コンプレッサ
４、Ｄ…発電機
５、６、Ｂ…軸受
５ａ、６ａ…エアベアリング
７…吸気口
８…燃焼室
９…排気口
１０…回転軸

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

図１を参照して、本発明によるガスタービン発電機１の回転軸１０には、タービン２及びコンプレッサ３の回転軸と発電機４の回転軸とを分離せずに、一体に成型された軸が採用される。そして、回転軸１０を支持する軸受は、タービン２とコンプレッサ３との間（５）と、コンプレッサ３と発電機４との間（６）に設けられ、タービン２と発電機４とがそれぞれ回転軸１０の両端に於いてオーバーハングされた構造となる。かかる構成によれば、まず、タービン２及びコンプレッサ３と発電機４との間に減速機又はカップリング等の構成は設けられないので、タービン２及びコンプレッサ３の回転軸と発電機４の回転軸とが別々に成型され、連結される場合に必要となるアライメントの維持が困難となるといった問題は解消される。また、減速機又はカップリング等を使用せず、軸受が二つで済むことから、部品点数が低減されることとなり、軸構成が単純化され、低コストで信頼性の高い軸構造が得られることとなる。更に、オーバーハングされた部分が軸の両端に分配されることとなるので、各端に於ける質量がさほどに大きくならず、軸全長もさほどに長くならないので、回転軸１０は、ロータ・ダイナミクス上、より安定な構造であり、タービン２、コンプレッサ３及び発電機４を覆うハウジングも従前に比して小型化及び／又は軽量化することができることとなる。また更に、発電機４の回転軸、即ち、ロータ４ａがオーバーハングされ、従って、ロータ４ａの周囲が開放されることになるので、ロータ４ａ上に装着される永久磁石部への発電機４のステータの装着及び固定に於いて構造上又は空間上の制約が少なくなり、発電機４の設計に於ける自由度が増大する点でも有利である。そして、タービン２とコンプレッサ３との間に軸受５が介在する構成となっていることから、両者が隔置されることとなり、タービン２からコンプレッサ３への伝熱により性能低下又は熱害を抑制又は防止できることとなる。

上記の本発明による回転軸１０を組み込んだガスタービン発電機１の作動は、基本的には、従前のガスタービン発電機と同様であってよい。即ち、図２（Ａ）を参照して、ガスタービン発電機（単純サイクル式ガスタービン）に於いては、まず、外部からの空気が吸気口７から吸入され、コンプレッサ３により圧縮され、高圧空気となって、図中、点線矢印にて示されている如く、ダクトを流れ、燃焼器８へ送られる。燃焼器８に於いては、高圧空気と燃料口Ｆから注入される燃料とが混合され、燃焼され、高温・高圧のガスとなって、タービン２にて回転軸１０を回転駆動するとともに、排気口９から排出される。一方、発電機４では、回転軸１０の回転によって、ロータ磁石４ａがステータ４ｂの内側で回転することにより、これにより、発電され、電気出力が得られることとなる。なお、図２（Ａ）の構成に於いて、軸受５、６は、オイル潤滑式の軸受であってよいが、図２（Ｂ）に模式的に描かれている如く、高速回転する軸の動圧効果を利用して軸を浮かせる形式、即ち、空気を潤滑剤として利用する形式のエアベアリング５a、６ａであってもよい。また、図示していないが、本発明による回転軸１０は、再生サイクル式のガスタービンに用いられてもよい。

理解されるべきことは、上記の構成に於いては、タービン２及びコンプレッサ３の回転軸と発電機４の回転軸とが、一つの共通の軸１０であり、コンプレッサ３の両側で、軸受によって支持される構造であることにより、軸全長をさほどに長くすることなく、また、オーバーハングされた部分が軸の両端に分配され、これにより、ロータ・ダイナミクス上、安定な構造にて、ガスタービン発電機１が運転されるということである。そして、軸受が二つであり、減速機構等を用いていないことから、構造が単純化され、コストの低減も図られることとなる。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims

ガスタービン発電機であって、ガスタービンエンジンのタービン軸と発電機の回転軸とが、一体的に形成された一つの共通軸であり、前記共通軸に於いて、一方の端から発電機、コンプレッサ及びタービンの順に配置され、前記発電機及び前記コンプレッサの間と前記コンプレッサ及び前記タービンの間とにて前記共通軸が軸受により支持され、前記発電機の磁石部が前記共通軸の前記一方の端にて方持ち支持され、前記タービンが前記共通軸の他方の端にて方持ち支持されているガスタービン発電機。