JP3964225B2

JP3964225B2 - ガスタービン

Info

Publication number: JP3964225B2
Application number: JP2002043459A
Authority: JP
Inventors: 剛正山田; 櫻井　　正人; 巌村田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP2003247426A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱効率を低下させることなく小型化を可能とするガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、タービンとコンプレッサと一軸上に直列に配置した一軸式のガスタービンにおいては、図２に示すように、タービンとコンプレッサとの間に軸受けを配設して回転体を支持する形式のものと、図３に示すように、タービンとコンプレッサとを直結する軸部の延長上に軸受けを配設して回転体を支持する形式のものとがある。
【０００３】
すなわち、図２に示すガスタービンでは、タービン２０とコンプレッサ２１とがシャフト２２を介して同軸上に連結され、シャフト２２の中央部に軸受け２３が配設されており、燃焼機２４からの高温の排気ガスがタービンハウジング２５内に導入されてタービン２０が回転駆動され、このタービン２０の回転によってコンプレッサ２１が回転し、コンプレッサハウジング２６内に導入される燃焼用空気が圧縮加圧され、燃焼機２４に送出される。タービン２０から排出される排気ガスの熱は、熱交換機２７を介したコンプレッサ２１からの吐出空気との熱交換によって回収される。
【０００４】
また、図３に示すガスタービンでは、タービン３０とコンプレッサ３１とがシャフト３２を介して同軸上に連結され、シャフト３２の延長部に軸受け３３が配設されており、同様に、燃焼機３４からの高温の排気ガスがタービンハウジング３５内に導入されてタービン３０が回転駆動され、このタービン３０の回転によってコンプレッサ３１が回転し、コンプレッサハウジング３６内に導入される燃焼用空気が圧縮加圧され、燃焼機３４に送出される。タービン３０から排出される排気ガスの熱は、熱交換機３７を介したコンプレッサ３１からの吐出空気との熱交換によって回収される。
【０００５】
尚、軸部延長上に回転体の軸受けを配設する形式のガスタービンは、特開平１１−６４４５号公報に開示されており、この先行技術では、タービン段とコンプレッサ段との間の断熱構造部材の外周部分に、軸方向厚さの中央位置よりコンプレッサ側に、放熱フィンを外径方向に設け、コンプレッサディフューザ外径より外側で、コンプレッサ段下流の流路に露出させることで、コンプレッサ性能を向上させるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガスービンでは、熱効率を向上させるため、タービンやコンプレッサの回転体のブレードとハウジングとの間のチップクリアランスが極力小さいことが望ましいが、このチップクリアランスは、熱膨張や高速回転の遠心力によるクリープ等を考慮すると、一定の値以下にすることは困難である。
【０００７】
従って、大型のガスタービンでは、回転体の径が大きいため、上述のチップクリアランスでも所定の熱効率を確保することができるものの、ガスタービンを小型化しようとすると、チップクリアランスが相対的に大きくならざるを得ず、熱効率が大幅に低下することになる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、熱効率を低下させることなく小型化を達成することのできるガスタービンを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、高温ガスによって駆動されるタービンと、低温ガスを加圧するコンプレッサとを一軸上に直列に配置したガスタービンにおいて、上記コンプレッサのブレード外周先端側をカバーで覆うと共に、該カバーと上記コンプレッサのハウジングとの間に、気体の漏れを防止するためのラビリンス機構を設け、上記コンプレッサのカバーを空気ベアリングを介して上記コンプレッサのハウジングで回転自在に支持することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記タービンと上記コンプレッサがシャフトにより一軸上に連結され、該シャフトが上記コンプレッサ側で軸受けを介して回転自在に支持され、上記コンプレッサのカバーのガス入口側の小径部が上記軸受け方向に延長される延長部を有し、上記ラビリンス機構は、上記コンプレッサのハウジングと上記コンプレッサのカバーの延長部との先端で形成され、上記空気ベアリングが上記ラビリンス機構よりガス出口側の上記コンプレッサのカバーの延長部に配設されることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、上記タービンのブレード外周先端側をカバーで覆うと共に、上記タービンのカバーと上記タービンのハウジングとの間にラビリンス機構を設けることを特徴とする。
【００１１】
すなわち、請求項１記載の発明は、低温ガスを加圧するコンプレッサのブレード外周先端側をカバーで覆い、このカバーとコンプレッサのハウジングとの間に、気体の漏れを防止するためのラビリンス機構を設け、また、コンプレッサのカバーを空気ベアリングを介してコンプレッサのハウジングで回転自在に支持することで、熱効率を低下させることなく小型化を可能とする。
【００１２】
その際、請求項２記載の発明のように、タービンとコンプレッサがコンプレッサ側で軸受けを介して回転自在に支持されるシャフトにより一軸上に連結され、ラビリンス機構はコンプレッサのハウジングとコンプレッサのカバーの延長部との先端で形成され、空気ベアリングがラビリンス機構よりガス出口側のコンプレッサのカバーの延長部に配設されることが望ましく、全長を短く抑え、より小型化を可能とすることができる。
また、請求項３記載の発明のように、タービンのブレード外周先端側をカバーで覆うと共に、タービンのカバーとタービンのハウジングとの間にラビリンス機構を設けることで、コンプレッサ側とタービン側との双方にラビリンス機構を設けることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の一形態に係わるガスタービンの要部構成図である。
【００１４】
図１において、符号１は、ガスタービンであり、本形態においては、高温ガスによって駆動されるタービン２と、低温ガスを加圧するコンプレッサ３とが直列に配置される一軸式ガスタービンで、タービン２はラジアルタービン、コンプレッサ３は遠心式コンプレッサである。すなわち、ガスタービン１は、タービンハウジング４内に収納されるタービンホイール２ａと、コンプレッサハウジング５内に収納されるコンプレッサホイール３ａとがシャフト６を介して同軸的に連結され、シャフト６がコンプレッサ３側の延長部で軸受け７を介して回転自在に支持されている。
【００１５】
一方、タービンホイール２ａは、ブレード２ｂの外周先端側がカバー８によって覆われ、ブレード２ｂと一体化されている。カバー８は、タービンハウジング４の流路内壁面に沿った形状に形成されており、カバー８とタービンハウジング４との間には、カバー８とタービンハウジング４との間からの気体の漏れを防止するため、ラビリンス機構９が設けられている。同様に、コンプレッサホイール３ａも、ブレード３ｂの外周先端側がカバー１０によって覆われ、ブレード３ｂと一体的に結合されている。カバー１０は、コンプレッサハウジング５の流路内壁面に沿った形状でガス入口５ａ側の小径部が軸受け７の方向に延長されている。そして、このカバー１０の延長部に、回転体（タービンホイール２ａ及びコンプレッサホイール３ａ）を回転自在に支持するための軸受け１１が配設され、更に、カバー１０の延長部先端とコンプレッサハウジング５との間に、カバー１０とコンプレッサハウジング５との間からの気体の漏れを防止するため、ラビリンス機構１２が設けられている。
【００１６】
コンプレッサ３の軸受け１１は、シャフト６の軸受け７に比較して径が大きいことから、空気ベアリングを用いることが望ましく、この空気ベアリングの採用により、フリクションを小さく抑えると共に全長を短く抑えてコンパクト化を図ることができる。また、シャフト６の軸受け７は、相対的に環境温度が低いことから、負荷を駆動する際の振動防止のため、オイルスクイーズフィルム付のボールベアリング等を採用することが望ましく、これにより、オイルの劣化や熱によるカーボンの堆積を抑え、信頼性を向上することができる。尚、シャフト６に働く慣性モーメントに対する剛性をより強固にするため、タービン２とコンプレッサ３との間に空気ベアリング等からなる軸受けを追加しても良い。
【００１７】
以上の構成によるガスタービン１は、図示しない燃焼機からの排気ガスがタービンハウジング４のガス入口４ａに導入され、この排気ガスによってタービンホイール２ａが回転駆動される。同時に、このタービンホイール２ａの回転に伴い、同軸上に配置されるコンプレッサホイール３ａが回転駆動され、コンプレッサハウジング５のガス入口５ａから導入される空気が圧縮加圧されてコンプレッサハウジング５のガス出口５ｂから燃焼機に送出される。尚、タービンハウジング４のガス出口４ｂから排出される排気ガスは、熱交換機（図示せず）に送られ、コンプレッサ３から吐出される低温の圧縮空気との熱交換によって排気ガスの熱が回収され、燃料消費率の低減が図られる。
【００１８】
この場合、タービンホイール２ａのブレード２ｂをカバー８で覆い、また、コンプレッサホイール３ａのブレード３ｂをカバー１０で覆っているため、タービンハウジング４との間、コンプレッサハウジング５との間に、それぞれ、ラビリンス機構９，１２を設けて、タービンハウジング４の内壁とのチップクリアランス、及びコンプレッサハウジング５の内壁とのチップクリアランスを実質的に略零とすることが可能であり、カバー８とタービンハウジング４との間からの排気ガスの漏れ、カバー１０とコンプレッサハウジング５との間からの空気の漏れを防止し、熱効率を向上することができる。
【００１９】
しかも、ガスタービン１の小型化に伴い、従来のように、タービンやコンプレッサのブレードとハウジングとの間の相対的なチップクリアランスの増加を招くことがなく、コンパクト且つ熱効率の高いガスタービンを実現することができる。更に、コンプレッサホイール３ａのブレード３ｂを覆うカバー１０の延長部に軸受け１１を配設しているため、フリクションを小さくすると共に全長を短く抑えることができ、よりコンパクト化を図ることができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、低温ガスを加圧するコンプレッサのブレード外周先端側をカバーで覆い、このカバーとコンプレッサのハウジングとの間に、気体の漏れを防止するためのラビリンス機構を設け、また、コンプレッサのカバーを空気ベアリングを介してコンプレッサのハウジングで回転自在に支持するので、小型化に伴うブレードとハウジングとの間のチップクリアランスの相対的な増加を回避し、熱効率を低下させることなく小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係わるガスタービンの要部構成図
【図２】回転体支持部を主軸中央に設けた従来のガスタービンの構成図
【図３】回転体支持部を主軸延長上に設けた従来のガスタービンの構成図
【符号の説明】
１ガスタービン
２タービン
３コンプレッサ
２ｂ，３ｂブレード
４タービンハウジング
５コンプレッサハウジング
６シャフト
８，１０カバー
９，１２ラビリンス機構
１１軸受け

Claims

高温ガスによって駆動されるタービンと、低温ガスを加圧するコンプレッサとを一軸上に直列に配置したガスタービンにおいて、
上記コンプレッサのブレード外周先端側をカバーで覆うと共に、該カバーと上記コンプレッサのハウジングとの間に、気体の漏れを防止するためのラビリンス機構を設け、
上記コンプレッサのカバーを空気ベアリングを介して上記コンプレッサのハウジングで回転自在に支持することを特徴とするガスタービン。
上記タービンと上記コンプレッサがシャフトにより一軸上に連結され、該シャフトが上記コンプレッサ側で軸受けを介して回転自在に支持され、
上記コンプレッサのカバーのガス入口側の小径部が上記軸受け方向に延長される延長部を有し、
上記ラビリンス機構は、上記コンプレッサのハウジングと上記コンプレッサのカバーの延長部との先端で形成され、
上記空気ベアリングが上記ラビリンス機構よりガス出口側の上記コンプレッサのカバーの延長部に配設されることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
上記タービンのブレード外周先端側をカバーで覆うと共に、上記タービンのカバーと上記タービンのハウジングとの間にラビリンス機構を設けることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービン。