JP2022109834A - gas turbine generator - Google Patents
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Description
この発明は、小形軽量化を図ることが可能なガスタービン発電装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas turbine power generator that can be reduced in size and weight.
従来のガスタービン発電装置は、圧縮機とタービンとからなる発電機別体構造、すなわち、ガスタービンの圧縮機側の軸と発電機の軸とを自在継手などで結合する発電機別体構造が一般的である。
例えば特許文献1では、その図1のように、コンプレッサ(圧縮機)30とタービン31とを共通の連結ロッド43上に一体に設け、コンプレッサ(圧縮機)30側に発電機(永久磁石ジェネレータ)12を配置している。
図示例では、前記連結ロッド43と発電機(永久磁石ジェネレータ)12のローターとしての永久磁石シャフト28とを連結している(符号は特許文献1における符号である)。
A conventional gas turbine power generator has a separate generator structure consisting of a compressor and a turbine, that is, a separate generator structure in which the compressor-side shaft of the gas turbine and the shaft of the generator are connected with a universal joint or the like. Common.
For example, in
In the illustrated example, the connecting rod 43 and the
また、上記とは異なる構造として、圧縮機とタービンとの間に発電機を配置したものがある。例えば特許文献2では、そのFig1,Fig2(図5(イ)、(ロ)で示す)に示すように、圧縮機(Compressor)とタービン(Turbine)の中間に発電機(Dummy coil, Dummy magnet)を置いて一つの軸に直結した構造である。
このガスタービン発電装置は、可能な限り小サイズのガスタービン発電装置を得ようとしたものであり、Fig2中にも記載の通り、コンプレッサ部の直径が16mm、タービン部の直径が17.4mmという極小サイズである(特許文献2の「2.STRUCTURE OF ENGINE(右下p359)参照)。このような装置の極小化は、小さなインペラの超高速回転(500,000~600,000rpm)によって実現したとされている。
Also, as a structure different from the above, there is a structure in which a generator is arranged between the compressor and the turbine. For example, in Patent Document 2, as shown in Figs. 1 and 2 (shown in Figs. 5 (a) and (b)), a generator (dummy coil, dummy magnet) is placed between the compressor and the turbine. It is a structure that is directly connected to one axis by placing
This gas turbine power generator was designed to be as small as possible. (Refer to "2. STRUCTURE OF ENGINE (lower right p359) in Patent Document 2.) Such miniaturization of the device is said to have been achieved by the ultra-high speed rotation (500,000 to 600,000 rpm) of the small impeller. there is
また、このガスタービン発電装置は、圧縮機とタービンとの中間に発電機を配置してはいるが、その発電機は圧縮機の背面側(吸込側と反対側)にある。そして、圧縮機で圧縮された空気が発電機の外側の枠体部を通過する構造となっている。 Also, in this gas turbine power generator, the generator is arranged between the compressor and the turbine, but the generator is located on the back side of the compressor (on the side opposite to the suction side). The structure is such that the air compressed by the compressor passes through the outer frame portion of the generator.
上記従来の一般的な構造のガスタービン発電装置(特許文献1)のように、圧縮機30とタービン31とを備えたガスタービン(30、31)の圧縮機30側に発電機12を配置した構造(圧縮機軸と発電機軸とをカップリングで連結した構造)では、各単体の軸やケーシングなどの容積、重量が重ね合わされるので、全体容積、全体重量が大となってしまう。
The
特許文献2のガスタービン発電装置は、圧縮機で圧縮された空気が発電機の外周を通過する構造であり、この発電機の外周を通過するのは、圧縮機で圧縮された200℃前後の高温圧縮空気である。発電機は銅損、鉄損等に起因する発熱のため冷却する必要があるが、発電機の外周を通過する高温の圧縮空気を用いての冷却は困難である。
圧縮機が吸入する前の低温の空気により発電機を冷却するためには、発電機周りに冷却用の空気流路を設けることが必要である。しかしながら、発電機は圧縮機の背面側(吸込側と反対側)にあるため、前記冷却用の空気流路を反対側(圧縮機入口側)まで導く必要があり、非常に複雑な空気流路の構造となる。
The gas turbine power generator of Patent Document 2 has a structure in which the air compressed by the compressor passes through the outer periphery of the generator. Hot compressed air. A generator needs to be cooled due to heat generation caused by copper loss, iron loss, etc. However, it is difficult to cool the generator using high-temperature compressed air that passes through the outer circumference of the generator.
In order to cool the generator with low-temperature air before being sucked into the compressor, it is necessary to provide a cooling air flow path around the generator. However, since the generator is located on the back side of the compressor (opposite to the suction side), it is necessary to lead the cooling air flow path to the opposite side (compressor inlet side), resulting in a very complicated air flow path. structure.
上述の通り、従来の発電機別体構造では、全体容積、全体重量が大となってしまう。
また、特許文献2のような態様で発電機を圧縮機とタービンの中間に配置した構造では、発電機冷却が困難である。
As described above, the conventional generator separate structure increases the overall volume and weight.
Further, in the structure in which the generator is arranged between the compressor and the turbine as in Patent Document 2, it is difficult to cool the generator.
本発明は上記背景のもとになされたもので、小形軽量化、及び、簡単な構造による発電機冷却を実現できるガスタービン発電装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a gas turbine power generator capable of realizing a reduction in size and weight and cooling of the power generator with a simple structure.
上記課題を解決する請求項1の発明は、遠心型の圧縮機2とラジアル型のタービン3と発電機4とを備えたガスタービン発電装置1であって、
前記圧縮機と前記タービンとの間に、前記発電機の少なくともステーター発電機コイル7とローター発電機磁石8とを有する発電機本体部が配置されており、
前記圧縮機2の圧縮機インペラー5の圧縮機インペラディスク部5aとローター発電機磁石8と前記タービン3のタービンディスク部3aとが通しシャフト15によって一体結合されており、前記ローター発電機磁石8は前記通しシャフト15に内蔵、又は外周に張り付ける態様で設けられており、
前記圧縮機は、その圧縮機インペラ5の空気吸入側の向きが前記タービン側に向いていることを特徴とする。
The invention of
a generator body having at least stator generator coils 7 and
A compressor
The compressor is characterized in that the direction of the air intake side of the compressor impeller 5 faces the turbine side.
請求項2は、請求項1のガスタービン発電装置において、前記圧縮機インペラへの空気流入経路10は、前記発電機のタービン側におけるガスタービン発電装置外周外側の空気取入れ口11から装置内側に入り、前記発電機コイルの外周空間14を通って前記圧縮機インペラへ向かう空気流入経路であることを特徴とする。
According to claim 2, in the gas turbine power generator of
請求項3は、請求項1又は2のガスタービン発電装置において、前記圧縮機で圧縮されて温度上昇した空気の一部を、燃焼器22に入る前に分岐させる分岐細管12を備え、この分岐細管は、装置外部空間を通って装置内側に入り又は前記発電機コイルの外周空間14を通って、通しシャフト15を支持する軸受け20の周囲に設けたオイルシール31に到る配管であり、前記装置外部空間の又は前記外周空間14内の分岐細管12を通過して冷却される冷却空気が、タービン側の前記オイルシールに吐出されるようにしたことを特徴とする。
According to
請求項4は、請求項3のガスタービン発電装置において、前記装置外部空間を通過又は前記発電機コイルの外周空間14を通過した前記分岐細管12から装置内でさらに分岐して、冷却空気をタービンディスク背面に吐出させる再分岐細管を設けたことを特徴とする。
According to claim 4, in the gas turbine power generator of
請求項5は、請求項3又は4のガスタービン発電装置において、前記空気取入れ口11から前記外周空間14に入った空気の一部を直接分岐させた空気と、前記分岐細管を通って前記タービン側のオイルシールに吐出される冷却空気とを、共に、前記ステーター発電機コイル7とローター発電機磁石8との間の隙間13に流入させて圧縮機インペラー側に戻すミニファン32を前記通しシャフト15に装着したことを特徴とする。
According to claim 5, in the gas turbine power generator according to claim 3 or 4, air obtained by directly branching a part of the air entering the outer
本発明のガスタービン発電装置によれば、圧縮機2とタービン3との間に発電機(発電機本体部)4が配置されて全体が一体化されているので、ガスタービン(圧縮機とタービン)と発電機とを別体にした従来の発電機別体構造のように、各単体の軸やケーシングなどの容積、重量が重ね合わされて全体容積、全体重量が大となってしまうということがなく、小形化、軽量化を容易に実現できる。
According to the gas turbine power generator of the present invention, since the generator (generator body) 4 is arranged between the compressor 2 and the
また、圧縮機インペラ5の空気吸入側の向きがタービン側に向いているので、請求項2のように、圧縮機インペラーの吸入空気が発電機静止部(ステーター発電機コイル)の外周空間14を通るようにすることができ、この低温の吸入空気全量を発電機冷却に用いることが可能となる。
この点において従来の圧縮機とタービンの中間に発電機を配置するガスタービン発電装置よりも冷却性能において優れている。
Further, since the direction of the air intake side of the compressor impeller 5 is directed toward the turbine side, as in claim 2, the intake air of the compressor impeller passes through the outer
In this respect, the cooling performance is superior to that of a conventional gas turbine power generator in which a generator is arranged between a compressor and a turbine.
請求項3によれば、圧縮機で圧縮されて温度上昇した空気の一部は、燃焼器22に入る前に分岐して装置外部空間を通る又は内部の前記外周空間14を通る分岐細管12内を流れるので、高圧のまま冷却され軸受近傍の空気室34a、34aに吐出されることで軸受潤滑オイルのシール効果を有効に発揮することができる。
According to
請求項4によれば、分岐細管12内の一部の冷却空気を有効に利用して、タービンディスクをその背面から冷却することができる。
According to claim 4, a part of the cooling air in the branch
請求項5によれば、空気取入れ口11から前記外周空間14に入った空気の一部を直接分岐させた空気と、分岐細管を通って前記タービン側のオイルシールに吐出される冷却空気とを、共に、ミニファン32によって、発電機コイル7とロータ発電機磁石8との隙間(エアギャップ)13にスムーズに流入させることができ、発電機コイル7及び発電機磁石8の両方を効果的に冷却することができる。
According to claim 5, the air obtained by directly branching a part of the air entering the outer
以下、本発明のガスタービン発電装置を実施するための形態について、図面を参照して説明する。 A mode for carrying out the gas turbine power generator of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施例のガスタービン発電装置1の全体の断面図、図2は図1における空気流れを説明する空気流れ説明図である。
図1、図2において符号2は遠心型の圧縮機、5は圧縮機2の圧縮機インペラである。符号3はラジアル型のタービン、3aはタービンディスク、3bはタービン羽根である。
本発明では、発電機4を圧縮機2とタービン3との間に配置するとともに、圧縮機インペラ5の空気吸入側の向きをタービン3側(図1で右側)に向けている。
符号7は発電機4の静止部であるステーター発電機コイル、符号8は発電機4の回転部であるローター発電機磁石である。ステーター発電機コイル7の外周面には多数のフィン7aを設けている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the entire gas
1 and 2, reference numeral 2 denotes a centrifugal compressor, and 5 denotes a compressor impeller of the compressor 2. As shown in FIG.
In the present invention, the generator 4 is arranged between the compressor 2 and the
Reference numeral 7 denotes a stator generator coil, which is a stationary part of the generator 4 , and
前記圧縮機インペラ5への空気流入経路10は、前記発電機4のタービン3側におけるガスタービン発電装置外周外側の空気取入れ口11から装置内側に入り、前記発電機コイルの外周空間14を通って前記圧縮機インペラへ向かう空気流入経路である。この空気流入経路10の空気の流れを図2に白抜き矢視51で示す。符号33は発電機外殻ケーシングである。
An
符号15はガスタービン発電装置1の通しシャフトである。この通しシャフト15は、、圧縮機2側の通しシャフト(圧縮機側通しシャフト)16と、タービン3側の通しシャフト(タービン側通しシャフト)17と、ローター発電機磁石8を内蔵、又は外周に張り付ける態様の中間部通しシャフト18とを一体にしたものである。
通しシャフト15は、その圧縮機側を圧縮機側軸受19で支持され、タービン側をタービン側軸受20で支持されており、それぞれ締付けナット27、28で締着されている。
The through
符号21は圧縮機2からの圧縮空気を減速する圧縮機ディフューザである。
圧縮機2の出口は燃焼器22に接続されている。燃焼器出口はタービン3に接続されている。符号36は圧縮機ボリュートケーシング、37はタービンボリュートケーシングである。
The outlet of compressor 2 is connected to
前記圧縮機2で圧縮されて温度上昇した高圧の空気の一部を、燃焼器の燃焼器ライナー23に入る前に分岐させる分岐細管12を備えている。
図示例の分岐細管12は、装置外部空間(装置の外側の空間)を通って装置内側に入り、タービンディスク部3aを支持する軸受け20の周囲に設けたオイルシール31に到る配管である。
圧縮機2で圧縮されて温度上昇した高圧の空気は、装置外部空間の部分の分岐細管12を通過する際に冷却され、その冷却空気がタービン3側の前記オイルシール31の近傍に吐出される。
タービン3側の通しシャフト17の軸受け部20の近傍は、オイルシールである軸受周囲シール31によってシールされており、潤滑油が漏れ出るのを防止している。
この軸受周囲シール31は、図3を参照して説明すると、空気室34a、34bに前記冷却空気を充填させ、空気圧で軸受20のオイル雰囲気をシールする構造である。圧縮機2側の軸受19のオイルシールも同様である。
このように、装置外部空間を通る分岐細管12内を流れて高圧のまま冷却された冷却空気が軸受近傍の空気室34a、34aに吐出されることで軸受潤滑オイルのシール効果を有効に発揮することができる。
なお、図3で符号38で示す部材は、オイルシールの役割を果たすものである。
実施例のガスタービン発電装置1の外形サイズは、図1のL寸法が約445mm、図1のD寸法が約160mm、通しシャフト15の発電機部通しシャフト18の径が約38mmである。
A
The
The high-pressure air that has been compressed by the compressor 2 and raised in temperature is cooled when passing through the
The vicinity of the bearing
Referring to FIG. 3, the bearing
In this way, the cooling air that has flowed through the
A member denoted by reference numeral 38 in FIG. 3 functions as an oil seal.
The outer size of the gas
また、この実施例では、図2及び図3に矢印で示すように、前記空気取入れ口11から前記外周空間14に入った空気の一部を直接分岐させて、オイルシール31側に送り込む構造としている。
Further, in this embodiment, as shown by the arrows in FIGS. 2 and 3, a part of the air entering the outer
前記通しシャフト15における圧縮機インペラー5側の端部近傍にミニファン32を装着している。このミニファン32は、空気取入れ口11から前記外周空間14に入った空気の一部を分岐した空気(図2及び図3に矢印で示す)と、前記分岐細管12を通って前記タービン側のオイルシールに吐出される冷却空気とを、共に、冷却空気の入りづらいステーター発電機コイル(発電機静止部)7とローター発電機磁石(発電機回転部)8との間の狭い隙間(エアギャップ)13に流入させ、圧縮機インペラー5側に戻すためのものである。
このミニファン32により、発電機コイル7とロータ発電機磁石8の隙間13に冷却空気をスムーズに流入させることができ、発電機コイル7及び発電機磁石8の両方を効果的に冷却することができる。
ミニファン32は通しシャフト15と一体に回転する。ミニファン32は遠心ファンまたは軸流ファンのいずれでもよい。
A
The mini-fan 32 allows the cooling air to flow smoothly into the
The
図2により空気の流れを説明すると、圧縮機2の圧縮機インペラー5の吸引力により外気が空気取入れ口11より流入し、白抜き矢印51で示すようにステーター発電機コイル7の外周空間14を通って圧縮機インペラー5に向かう。
空気取入れ口11から前記外周空間14に入った空気の一部は直接分岐して、ミニファン32により送り込まれて、ステーター発電機コイル(発電機静止部)7とローター発電機磁石(発電機回転部)8との間の狭い隙間(エアギャップ)13を通り、圧縮機インペラー5に流入する。
空気取入れ口11より流入し外周空間14を通る外気は低温であるから、ステーター発電機コイル7を冷却する作用を有効に果たす。
The flow of air will be explained with reference to FIG. Head through to the compressor impeller 5 .
Part of the air entering the outer
Since the outside air that flows in from the
前記外周空間14を通って圧縮機インペラー5に吸入された空気は、圧縮機インペラー5から例えば200℃程度となって塗潰し矢印52で示すように吐出され、燃焼器ライナー23の内側において燃料と混合して燃焼し、例えば850℃程度の高温度になって通過(ハッチング矢印53)し、タービン3側に流入しタービン3の羽根3bを回転駆動して排出される。
タービン3の回転により通しシャフト15(一体のタービン側通しシャフト17と発電機部通しシャフト18と圧縮機側通しシャフト16)が回転し、圧縮機2の圧縮機インペラー5が回転駆動して高温高圧の圧縮空気を吐出し、また、発電機のローター発電機磁石8を回転駆動し発電する。
The air that is drawn into the compressor impeller 5 through the outer
The rotation of the
圧縮機インペラー5から吐出された200℃程度の高温高圧の空気の一部は、燃焼器22を通過する前に分岐細管12に流入する。この分岐細管12は低温の外気が存在する装置外部空間(装置の外側の空間)を通過するので、この分岐細管12に流入した空気は分岐細管12を通過する際に次第に冷却され、低温となり、タービン側軸受20の近傍を拡大した図3に示すように、タービン側軸受20の近傍に注がれる。これにより、軸受20周囲のオイルを低温空気でシールすることができると同時に、タービンディスク3aの冷却も可能となる。
このことを詳細に説明すると、図3において、符号12’は装置内部に入った分岐細管12のさらに細くなった分岐細管延長部であり、この分岐細管延長部12’から、2つの再分岐管12a、12bが延びている。再分岐管12aは軸受20の一方の空気室34aに開口し、再分岐管12bは他方の空気室34bに開口して、軸受20周囲のオイルを両側から低温空気でシールできる。
前記他方の空気室34bに向かう再分岐管12bについては、タービンディスク3aの背面を冷却する作用をする。
A part of the high-temperature, high-pressure air of about 200° C. discharged from the compressor impeller 5 flows into the
To explain this in detail, in FIG. 3, reference numeral 12' denotes a narrower branched tubule extension of the branched
The
分岐細管12からオイルシール31に吐出された分岐空気は、空気取入れ口11から発電機コイルの外周空間14に入った空気の一部を直接分岐させた空気と共に、ミニファン32により、ステーター発電機コイル7とローター発電機磁石8との間の隙間13に送り込まれる。これにより、ステーター発電機コイル7とローター発電機磁石8の両方を冷却することができる。
ステーター発電機コイル7とローター発電機磁石8を冷却して温度上昇した分岐空気は、圧縮機インペラー5側に抜ける。
The branched air discharged from the branched
The branched air whose temperature rises by cooling the stator generator coil 7 and the
上述の本発明のガスタービン発電装置1によれば、圧縮機2とタービン3との間に発電機(発電機本体部)4が配置されて全体が一体化されているので、ガスタービンと発電機が別体である従来の発電機別体構造のように、各単体の容積、重量が重ね合わされて全体容積、全体重量が大となってしまうということがなく、小形化、軽量化を容易に実現できる。
また、圧縮機インペラー5の空気吸入側の向きがタービン側に向いているので、圧縮機インペラー5の吸入空気が静止部(ステーター発電機コイル7)の外周空間14を通るようにすることができ、この低温の吸入空気で発電機を冷却することが可能となる。
したがって、発電機を冷却するための冷却用ファンを別途設ける必要がなく、この点でも全体容積、全体重量が大にせずに済み、小形化、軽量化が可能となる。
According to the gas
Further, since the direction of the air intake side of the compressor impeller 5 is directed toward the turbine side, the intake air of the compressor impeller 5 can pass through the outer
Therefore, there is no need to separately provide a cooling fan for cooling the generator, and in this respect as well, the overall volume and overall weight can be kept from increasing, making it possible to reduce the size and weight of the generator.
また、圧縮機2で圧縮されて温度上昇した高温高圧空気の一部は、燃焼器の燃焼器22に入る前に分岐して装置外部空間を通りオイルシール(軸受周囲シール31)に到る分岐細管12内を通るので、すなわち外部空気で冷却される分岐細管12内を通るので、高い圧力のまま冷却されてオイルシール31に吐出され、オイルシール31のシール効果を有効に発揮することができる。
Also, part of the high-temperature, high-pressure air that has been compressed by the compressor 2 and whose temperature has risen branches before entering the
また、通しシャフト15の発電機部通しシャフト18の圧縮機インペラー5側に設けたミニファン32によって、分岐細管12を通ってオイルシール31の近傍に吐出される冷却空気を、ステーター発電機コイル7とローター発電機磁石8との間の隙間13に流入させることができ、ステーター発電機コイル7とローター発電機磁石8の両方を効果的に冷却することができる。
Cooling air discharged near the
1 ガスタービン発電装置
2 圧縮機
5 圧縮機インペラ
5a 圧縮機インペラディスク部
3 タービン
3a タービンディスク部
3b タービン羽根
4 発電機(発電機本体部)
7 ステーター発電機コイル(発電機静止部)
7a フィン
8 ローター発電機磁石(発電機回転部)
10 空気流入経路
11 空気取入れ口
12 分岐細管
13 隙間(ステーター発電機コイル7とローター発電機磁石8との間の隙間)
14 (ステーター発電機コイルの)外周空間
15 通しシャフト
16 圧縮機側通しシャフト
17 タービン側通しシャフト
18 発電機部通しシャフト
19 圧縮機側軸受
20 タービン側軸受
22 燃焼器
23 燃焼器ライナー
27、28 締付けナット
31 オイルシール(軸受周囲シール)
32 ミニファン
33 発電機外殻ケーシング
34a、34b 空気室
36 圧縮機ボリュートケーシング
37 タービンボリュートケーシング
51 白抜き矢印
52 ハッチング矢印
53 塗潰し矢印
1 gas turbine power generator 2 compressor 5
7 Stator generator coil (generator stationary part)
10
14 Outer space (of stator generator coil) 15 Through
32
Claims (5)
前記圧縮機と前記タービンとの間に、前記発電機の少なくともステーター発電機コイルとローター発電機磁石とを有する発電機本体部が配置されており、
前記圧縮機の圧縮機インペラーの圧縮機インペラディスク部とローター発電機磁石と前記タービンのタービンディスク部とが通しシャフトによって一体結合されており、前記ローター発電機磁石は前記通しシャフトに内蔵、又は外周に張り付ける態様で設けられており、
前記圧縮機は、その圧縮機インペラの空気吸入側の向きが前記タービン側に向いていることを特徴とするガスタービン発電装置。 A gas turbine power generator comprising a centrifugal compressor, a radial turbine and a generator,
A generator main body having at least a stator generator coil and a rotor generator magnet of the generator is arranged between the compressor and the turbine,
A compressor impeller disk portion of a compressor impeller of the compressor, a rotor generator magnet, and a turbine disk portion of the turbine are integrally connected by a through-shaft, and the rotor-generator magnet is incorporated in the through-shaft or on the outer periphery. It is provided in a manner to be attached to the
A gas turbine power generator according to claim 1, wherein an air intake side of a compressor impeller of said compressor faces toward said turbine.
The stator generator includes air obtained by directly branching a part of the air entering the outer peripheral space from the air intake and cooling air discharged to the oil seal on the turbine side through the branched tubules. 5. A gas turbine power generating apparatus according to claim 3, wherein a mini-fan is attached to said through-shaft for flowing into the gap between the coil and the rotor generator magnet and returning it to the compressor impeller side.
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