JP2019508619A - 軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受を有するガスタービン - Google Patents

Abstract

本発明は、軸方向に調節可能なロータ(2)を有するガスタービン(1)であって、以下の構成要素、すなわち圧縮機空気を抜くための少なくとも1つの外部圧縮機空気ブリード(3)と、少なくとも1つの外部圧縮機空気ブリード(3)を介して抜かれる圧縮機空気量を調節するための制御弁(4)と、圧縮機ブリード空気量が調節される場合に異なる軸方向補償スラストが印加されるように、供給パイプ(5)を介して圧縮機ブリード空気を供給され得る軸方向スラストピストン(10)と、軸受けのために軸方向スラストピストン(10)と協働し、また供給パイプ(5)を介して圧縮機ブリード空気を直接的または間接的に供給され得るラジアル軸受(11)と、を備える、ガスタービン(1)に関する。

Description

本発明は、軸方向補償スラスト(軸方向補償力)に関して調節可能であるロータを有するガスタービンに関する。

ガスタービン、特に圧縮機、燃焼室、および膨張タービンを典型的に有する、一軸式ガスタービンでは、動作中にロータに対して作用する軸方向力が動作モードによって異なることが実証的に示されている。これに関して、ガスタービンは、種々の動作モード中に発生する軸方向スラスト(軸方向力)を吸収することが可能となるように、すなわちロータに対して反力を印加することが可能となるように設計されたスラスト軸受を有する。この点において、軸方向スラストが、圧縮機におけるスラストと膨張タービンにおけるスラストとの間におけるスラスト差の結果として生ずる。全負荷動作中には、軸方向スラストは、典型的には圧縮機からタービンへの方向に、すなわち換言すれば、ガスタービン内における作業媒体の流れ方向に作用する。このときガスタービンが例えばより低い出力で動作されると、軸方向スラストは低下し、その結果として例えばスラスト軸受は荷重を被らない。ガスタービンの低い部分負荷動作モードの場合には、スラスト差はゼロ付近に接近することも可能となり、そのため非常に低い部分負荷動作モードの場合には、逆スラストが発生しさえもする。かかる逆スラストは、ガスタービンにおける製造公差により種々のガスタービンにおいて種々の軸方向スラストを確保することが可能であることによってさらに助長される。また、氷結防止システムなどの外部補助システムの動作が、逆軸方向スラストを発生させ得る。逆軸方向スラストの最中に、ロータは、望ましくない軸方向振動およびさらに径方向振動を被るため、結果として軸受だけでなくガスタービン全体が損傷を被り得る。

これに関して、軸方向スラストのかかる逆転を回避し、軸方向スラストおよびその方向に対する良好な制御を維持することが必要である。このために、ガスタービンは、圧縮機空気に作用する軸方向スラストピストンを場合によっては有し、圧縮機空気により予め決定された力方向によって軸方向補償力でロータに作用し得る。かかる軸方向スラスト補償システムは、例えば特許文献１に記載されており、追加的なスラストデバイスにより、スラスト軸受に対するスラストが常に正方向に、すなわち圧縮機から膨張タービンへの方向に配向されることが確保される。この目的のために、圧縮機空気は、ガスタービンの中央セクションから抽気され内側環内に案内されて、それにより圧縮機空気によりかけられる追加的な力がロータに作用する。この追加的なスラストの変動に対して、環内に流入する圧縮空気量が調節され得る。この調節は、この場合にはガスタービン負荷に対して実施される。

しかし、先行技術により知られるこの軸方向補償スラストシステムにとっては、ガスタービンがその中央セクションにおいて構造的修正を施されなければならない点が不利となる。さらに、ガスタービンの中央セクションの支配的温度は比較的高いため、圧縮機空気の案内のための配管システムに対して、比較的高い要件が課されることになる。さらに、軸方向補償スラストシステムのために抽気された膨張タービンの圧縮機空気が、そのスラストシステムの入り口付近に供給され、その結果としてガスタービン出力の低下がもたらされるという欠点が判明している。同様に先行技術により知られている、かかる軸方向補償スラストシステムは、ガスタービンの中央セクションにおけるメンテナンス作業が一般的に知られるように高コストであるため、メンテナンス性が比較的低いものとしかなり得ない。

欧州特許出願公開第2011963号明細書

これに関して、改良された軸方向スラスト補償を実現し得るさらなるガスタービンを提案することが、技術要件となる。この提案されるガスタービンは、特に出力に関してより高い効率を有し、より高いメンテナンスフレンドリ性を有するべきである。

先行技術により知られるこれらの欠点は、請求項1に記載のガスタービンにより回避される。

先行技術により知られるこれらの欠点は、特に、軸方向に調節可能なロータを有するガスタービンであって、
- 圧縮機空気を抽気するための少なくとも1つの外部圧縮機ブリードと、
- 少なくとも1つの外部圧縮機ブリードを介して抽気される圧縮機空気量を調節するための制御弁と、
- 圧縮機空気量の調節により異なる軸方向補償スラストが印加されるように、供給パイプを介して抽気された圧縮機空気を供給され得る軸方向スラストピストンと、
- 特に軸受技術の様式で軸方向スラストピストンと相互作用し、また供給パイプを介して抽気された圧縮機空気を直接的または間接的に供給され得るラジアル軸受と、
を備える、ガスタービンによって回避される。

この時点で、ラジアル軸受は、典型的には封止の目的でおよび/または冷却の目的で圧縮機空気を供給されることを言及しておく。

制御弁は、典型的にはフラップ弁として設計され得る。

したがって、本発明によれば、軸方向補償力でロータに対して作用するように用意された軸方向スラストピストンは、軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受の両者が供給パイプを介して抽気された圧縮機空気を直接的または間接的に供給され得るように、軸受技術の様式でラジアル軸受と相互作用することが可能になることが意図される。また、これに関して、軸方向スラストピストンのために抽気される圧縮機空気は、ラジアル軸受に供給するためにも使用することが可能である。これに関して、ラジアル軸受にも供給することは不可能である追加の外部圧縮機ブリードが、軸方向スラストピストンのために設けられる必要がなくなる。

ラジアル軸受は、軸方向スラストピストンがガスタービンの端部領域にさらに配置されるように、典型的にはガスタービンの端部に装着される。このときメンテナンスイベントが行われるべき場合には、ガスタービンは、例えばガスタービンのケーシング全体を除去する必要性を伴うことなく端部領域からメンテナンスされ得るため好都合である。例えば、軸方向スラストピストンへの直接的なアクセスを得るためにラジアル軸受を単に除去することが、十分となる。

さらに、重要な点として、本発明によるシステムは、ガスタービンの比較的低温領域に配置される点を言及しておく。したがって、圧縮機-空気配管システムは、比較的低温向けに設計することが可能となり、その結果としてより好ましい構成要素を使用することも可能となる。軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受が近傍に位置し、またそれらが軸受技術の様式で相互作用することにより、外部圧縮機ブリードから抽気される圧縮機空気によって2つの機能が果たされ得る。第一に、圧縮機空気は、圧縮機空気が軸方向スラストピストンに対して流れ、対応する補償力でこの軸方向スラストピストンに対して作用することにより、必要な軸方向スラスト補償を与えることが可能となる。さらに、圧縮機空気は、封止空気または冷却空気としての役割を果たすことにより、例えばラジアル軸受からのオイル漏れなどを回避させることも可能である。したがって、圧縮機空気のこの二重機能により、効率的に動作可能なガスタービンと、メンテナンスが容易なガスタービンとが実現され得る。

本発明の第1の実施形態によれば、軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受が、圧縮機空気の供給に関して直列に相互連結されることが提供される。換言すれば、一方の構成要素は、初めに圧縮機空気が他方の構成要素に供給された後に、その圧縮機空気を受領する。圧縮機空気は、典型的にはこの場合には初めに軸方向スラストピストンに供給され、そこからラジアル軸受に移送されて、例えば軸受流体漏れを防ぐための封止をこのラジアル軸受に対して形成するか、または加熱を防ぐためにラジアル軸受を冷却する。両構成要素、すなわち軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受は、適切なシールにより相互から流体的に少なくとも部分的に分離され得る。しかし、第1の実施形態によれば、圧縮機空気の移送に関して完全な分離は実現されない。

しかし、本発明の第2の代替的な実施形態によれば、一方の構成要素から他方の構成要素への圧縮機空気の移送に関するかかる完全な分離が実施され得る。なぜならば、この代替的な実施形態によれば、軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受は、圧縮機空気の供給に関して並列に相互連結されるからである。結果として、両構成要素は、異なる圧縮機空気流を供給されるが、両構成要素の完全な分離は、絶対的に必須であるわけではない。

したがって、これらの構成要素はそれぞれ、個別に調整された圧縮機空気を供給され得る。このようにすることで、例えばラジアル軸受に供給される圧縮機空気は、特に熱的に調整され、例えば冷却されることが可能となる。また、例えば軸方向スラストピストンに供給される圧縮機空気は、例えば必要な軸方向補償スラストを印加することなどが可能となるように、著しくより高い流量を有することが可能となる。いずれの場合でも、軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受に供給する2つの供給パイプは、流体的相互作用を伴わずに供給が実施され得るように、少なくとも一部の領域で相互に対して液密に封止される。しかしこの場合に、圧縮機空気は、圧縮機の同一の外部ブリードから抽気され得る。圧縮機空気が対象の構成要素に案内されると、その後、一方の構成要素から他方への圧縮機空気の移送が完全に実施され得る。したがって、この実施形態によれば、各構成要素は、特定的に所定の圧縮機空気量の作用にさらされ、したがって、移送によりこの作用が損なわれない限りは、所望の機能を果たすことが可能となる。

本発明のさらなる実施形態によれば、異なる圧力レベルにて圧縮機空気を抽気するための、ならびに軸方向スラストピストン用およびラジアル軸受用の供給パイプ内へと共に開口している、少なくとも2つの外部圧縮機ブリードが用意されることが提供される。この場合には、異なる圧力レベルにおける圧縮機空気の混合が、供給の前またはさらには供給の最中に予め実施されており、新たな有効圧力レベルが結果的に得られる。両圧縮機空気流の混合は、典型的には異なる圧力レベルでの2つの圧縮機空気流の混合を可能にし得るイジェクタを用いて実施される。したがって、この実施形態では、圧縮機空気は、圧縮機の種々の領域にて抽気され得る。(作業流体の方向に関して)圧縮機の前方領域における圧縮機空気の抽気により、この場合には比較的低い圧力レベルでの圧縮機空気の抽気が可能となるが、これは圧縮機空気の低圧縮の点で、比較的好ましいものと考えることが可能である。しかし、(やはり作業流体の方向に関して)圧縮機においてさらに後方で抽気される圧縮機空気は、比較的高額になる。なぜならば、圧力工学に関して比較的集約的な処理が予め実施されているからである。

本発明のさらなる実施形態によれば、圧縮機空気の冷却を可能にする冷却デバイスが、供給パイプ中に連結されることが提供される。冷却デバイスの補助により放散される圧縮機空気からの熱は、次いでガスタービンの動作の過程において他の目的のために、およびその動作過程とは無関係な他の目的のために使用され得る。ラジアル軸受への圧縮機空気の供給中には最低温度を超過すべきでないため、冷却デバイスにより、ラジアル軸受に対しての使用に適した温度レベルに抽気圧縮機空気を温度調整することが可能となる。

さらに、追加の調節要素が供給パイプ中に連結され、この追加の調節要素が、少なくとも2つの外部圧縮機ブリードから抽気され、予め相互に混合されている圧縮機空気を量に関して調節できるようにすることが提供され得る。したがって、少なくとも2つの外部圧縮機ブリードの場合には、調節要素により、軸方向スラストピストンにおよびラジアル軸受に供給される圧縮機空気量のさらなる、場合によってはより正確な調節が可能となる。

本発明のさらなる実施形態によれば、圧縮機空気が軸方向スラストピストンに供給される圧力レベルの決定を可能にする圧力測定デバイスが、供給パイプ中に連結されることが提供される。供給パイプは、この場合には典型的には圧縮機のプレナムからまたは複数のプレナムから、軸方向スラストピストンまでまたはラジアル軸受まで延在する。供給パイプは、ガスタービンのケーシング上の外部に装着されたパイプにより、および部分的に既存である内部パイプにより形成され得る。この圧力測定デバイスにより、圧縮機空気が軸方向スラストピストンに供給される圧力レベルの決定が可能になる。供給パイプ内の圧力測定は、ロータに対して軸方向スラストピストンを介してかけられるスラスト力に直接的に関係するため、したがって現時点における軸方向補償スラストに関する情報を提供する測定値が生成され得る。この値により、種々の動作条件の最中における所望のおよび適切な軸方向補償スラストを確立することが可能となる。

本発明によるガスタービンのさらなる実施形態によれば、軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受は、軸受表面の領域において相互に接触状態になることによりロータ軸受を形成することが提供される。したがって、軸方向スラストピストンおよびラジアル軸受の両構成要素が、軸受技術の様式で相互に作用する。したがって、これらの両構成要素が直接隣接して配置される結果として、一方の構成要素の、他方の構成要素に対する熱冷却作用もまた実施され得る。特に、比較的多量の圧縮機空気が流される軸方向スラストピストンは、ラジアル軸受の温度調整に寄与し得る。

本発明は、各図を参照として以下の文章内で十分に詳細に説明される。この場合に、図面は、専ら概略的に理解されるべきであり、実施性に関するいかなる限定もそれらの図面から生じない点を言及しておく。

さらに、同一の記号を与えられた図面内に示される技術的特徴部は、同一の技術的機能をさらに有する点を言及しておく。

さらに、以降で説明される技術的特徴部は、結果として得られる組合せが本発明の基礎となる目的を達成し得る限りにおいては、相互の任意の組合せにおいて、および本発明の前述の実施形態との任意の組合せにおいて特許請求されることとなる点を言及しておく。

本発明によるガスタービンの第1の実施形態の概略側方断面図である。 本発明によるガスタービンのさらなる実施形態の概略断面図である。

図1は、軸方向補償スラストに対して軸方向Aに調節可能であるロータ2を有する、本発明によるガスタービン1の第1の実施形態の側方断面図を示す。ガスタービン1の動作中に、空気が吸気ダクト15を介して導入され、その後圧縮機の個々のステージで圧縮される。

燃料を用いた、対応する燃焼および膨張タービン内での下流膨張の後に、作動媒体は、後方軸受支持部17の領域に配置された排気ガスディフューザ16を経由してガスタービン1から再び排出される。ロータ2は、スラスト軸受8を前方端部に備え、このスラスト軸受8は、軸方向スラスト力を吸収するように、またはロータ2に対して対応する反力を印加するように設計される。後方端部に、ガスタービンは、シール12により軸方向スラストピストン10に対して封止されたラジアル軸受11を有する。ラジアル軸受11および軸方向スラストピストン10の両構成要素は、例えば軸方向スラストピストン10が軸受けのためにラジアル軸受11の軸受表面上に配置されることなどにより、軸受技術の様式で相互に作用する。

次に、ガスタービン1が種々の動作状態において動作されると、軸方向Aにおけるロータ2に対する軸方向スラストの変化が発生する。この場合に、種々の力が、スラスト軸受8により吸収されることとなるか、または比較的低い部分負荷動作モードでは、逆軸方向スラストがさらに発生し得る。かかる場合に、結果的に生じる軸方向スラストの方向は、初めは圧縮機から膨張タービンへ向かうが、この方向とはまさに逆方向である方向へと変化する。かかる逆軸方向スラストの結果として、ロータ2に望ましくない振動が発生するおそれがあり、その結果としてスラスト軸受8が負の影響を被るだけでなく、ガスタービン1全体が損傷を被るおそれがある。

このとき、適切な補償力の作用に対してロータ2をさらすために、ガスタービン1の本実施形態は、3つの外部圧縮機ブリード3を有し、これらのブリード3を介して圧縮機空気が種々の圧力レベルP1、P2、およびP3にて圧縮機の個々のプレナムから抽気され得る。圧縮機空気流は、供給パイプ5内に案内され混合され得る。個別の流れを適切に混合するために、例えば適切なイジェクタが使用され得る(本例では図示略)。抽気中に個別のプレナム7からの圧縮機空気量を調節することを可能にするために、本発明は、いずれの場合でも外部ブリード3に関連付けられた制御弁4をいずれの場合にも有する。これらにより、個々のプレナムから抽気される圧縮機空気流の値が、特定的に調節され得る。また、混合された圧縮機空気流は、軸方向スラストピストン10におよびラジアル軸受11に供給される前に冷却デバイス20と熱的に相互作用することができるため、結果として軸方向スラストピストン10およびラジアル軸受11は熱的に調節され得る。これは、抽気された圧縮機空気が比較的高温レベルを有し、したがってラジアル軸受11と直接接触状態になることに適さない場合には、特に有利である。

供給パイプ5内の圧縮機空気の流れ全体を適切に調節するために、調節要素6が、供給パイプ5中に連結され、ラジアル軸受11におよび軸方向スラストピストン10に供給される圧縮機空気量を、再度追加的に調節することを可能にする。

調節要素6および制御弁4は、本実施形態によれば、適切な測定値を再度考慮に入れることが可能である調節ユニット23により適切に調節される。この測定値は、例えばスラスト軸受8の領域の測定デバイス21により送達されることが可能であり、この測定値は、例えば圧力または力(=スラスト)などとして受領される。したがって特に、例えばスラスト軸受に対する軸方向スラストが、直接追跡されることが可能となる。また、調節ユニット23は、ガスタービン1の軸受支持部17の領域に装着された圧力測定デバイス30の測定値を考慮に入れることが可能である。この場合には、圧力測定デバイス30は、圧縮機空気ダクト内において支配的であり軸方向スラストピストン10に対する圧力と直接相関付けられる圧力を感知する。軸受支持部17内の圧縮機空気ダクトは、この場合には供給パイプ5の一部である。圧縮機空気が軸方向スラストピストン10に対して配向される場合に、この空気は、ロータ2に補償力(補償スラスト)を伝達する。次いで、圧縮機空気は、ラジアル軸受11へとシール12を経由して流れ、このラジアル軸受11を封止しさらに冷却するか、またはそこから例えば環境内へと排出される。

図2は、本発明によるガスタービン1のさらなる実施形態を示しており、この実施形態は、軸受支持部17内に2つの別個の流体通路が存在し、これらの流体通路が各通路内に案内された圧縮機空気を軸方向スラストピストン10およびラジアル軸受11をそれぞれ備える構成要素の中の一方に案内するように設計される点のみにおいて、図1に示す実施形態とは異なる。両供給パイプは、調節要素6を個別に備え、それにより2つの通路は、いずれの場合でもそれぞれ異なる圧縮空気量を供給され得る。圧縮空気は、これらの構成要素に移送された後に、完全分離状態では混合されることが不可能であるか、または部分分離状態で再び相互に混合されることが可能であるか、のいずれかとなる。したがって、例えば軸方向スラストピストン10に供給される圧縮機空気は、ラジアル軸受に少なくとも部分的に供給されることなどが可能である。この場合には、例えば圧縮機空気は、ラジアル軸受11にシール12を経由して流れる。また、両構成要素の大幅な流体分離が得られるように、または各構成要素からの圧縮機空気がガスタービンからの排出のために異なる排出通路内へと進むように、シール12を設計することが考えられる。

さらなる実施形態が、従属請求項から得られる。

1 ガスタービン
2 ロータ
3 外部圧縮機ブリード
4 制御弁
5 供給パイプ
6 調節要素
7 プレナム
8 スラスト軸受
10 軸方向スラストピストン
11 ラジアル軸受
12 シール
15 吸気ダクト
16 排気ガスディフューザ
17 後方軸受支持部
20 冷却デバイス
21 測定デバイス
23 調節ユニット
30 圧力測定デバイス

先行技術により知られるこれらの欠点は、特に、軸方向に調節可能なロータを有するガスタービンであって、
- 圧縮機空気を抽気するための少なくとも1つの外部圧縮機ブリードと、
- 少なくとも1つの外部圧縮機ブリードを介して抽気される圧縮機空気量を調節するための制御弁と、
- 圧縮機空気量の調節により異なる軸方向補償スラストが印加されるように、供給パイプを介して抽気された圧縮機空気を供給され得る軸方向スラストピストンと、
- 特に軸受技術の様式で軸方向スラストピストンと相互作用し、また供給パイプを介して抽気された圧縮機空気を直接的または間接的に供給され得る、ガスタービンの端部にあるラジアル軸受と、
を備える、ガスタービンによって回避される。

Claims (8)

1. 軸方向に調節可能なロータ(2)を有するガスタービン(1)であって、
   - 圧縮機空気を抽気するための少なくとも1つの外部圧縮機ブリード(3)と、
   - 前記少なくとも1つの外部圧縮機ブリード(3)を介して抽気される圧縮機空気量を調節するための制御弁(4)と、
   - 前記圧縮機空気量の調節により異なる軸方向補償スラストが印加されるように、供給パイプ(5)を介して前記抽気された圧縮機空気を供給され得る軸方向スラストピストン(10)と、
   - 特に軸受技術の様式で前記軸方向スラストピストン(10)と相互作用し、また、前記供給パイプ(5)を介して前記抽気された圧縮機空気を直接的または間接的に供給され得るラジアル軸受(11)と、
   を備える、ガスタービン(1)。
2. 前記軸方向スラストピストン(10)および前記ラジアル軸受(11)は、圧縮機空気の前記供給に関して直列に相互連結されることを特徴とする、請求項1に記載のガスタービン(1)。
3. 前記軸方向スラストピストン(10)および前記ラジアル軸受(11)は、圧縮機空気の前記供給に関して並列に相互連結されることを特徴とする、請求項1に記載のガスタービン(1)。
4. 異なる圧力レベルにて圧縮機空気を抽気するための、少なくとも2つの外部圧縮機ブリード(3)が設けられ、前記軸方向スラストピストン(10)用および前記ラジアル軸受(11)用の前記供給パイプ(5)内へと共に開口していることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のガスタービン(1)。
5. 前記圧縮機空気の冷却を可能にする冷却デバイス(20)が、前記供給パイプ(5)中に連結されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のガスタービン(1)。
6. 追加の調節要素(6)が、前記供給パイプ(5)中に連結され、前記追加の調節要素は、前記少なくとも2つの外部圧縮機ブリード(3)から抽気されて予め相互に混合された、前記圧縮機空気を、量に関して調節できるようにすることを特徴とする、請求項4または5に記載のガスタービン(1)。
7. 前記圧縮機空気が前記軸方向スラストピストン(10)に供給される圧力レベルの決定を可能にする圧力測定デバイス(30)が、前記供給パイプ(5)中に連結されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のガスタービン(1)。
8. 前記軸方向スラストピストン(10)および前記ラジアル軸受(11)は、軸受表面の領域において軸受技術の様式で相互に接触状態になることによりロータ軸受を形成することを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載のガスタービン(1)。

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