JP3978061B2 - 小型ガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば、マイクロガスタービンなどの小型ガスタービンにかかり、特に、短い起動時間（始動時から定格運転時までの時間）に十分に対応することができ、しかも、高効率が確実に得られると共に、小型化が維持される小型ガスタービンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、小型ガスタービンについて、図６を参照して説明する。この例は、小型ガスタービンを高速発電機の原動機として使用する例について説明する。
【０００３】
図６において、１はハウジングである。このハウジング（ベアリングハウジングまたはケーシング）１には、回転軸２が軸受（高速軸受）３を介して回転可能に取り付けられている。この回転軸２には、コンプレッサ側のインペラ（羽根）４とタービン側のホイール（羽根）５とがそれぞれ固定されている。このコンプレッサ側のインペラ４とタービン側のホイール５とは、前記軸受３を挟んで両側に配置されている。
【０００４】
コンプレッサー側の前記ハウジング１には、吸気口６が設けられていると共に、その吸気口６と連通する渦巻き流路７が設けられている。一方、タービン側の前記ハウジング１には、燃焼器８が設けられていると共に、その燃焼器８の燃焼室９と連通する渦巻き流路１０が設けられている。
【０００５】
コンプレッサー側の前記渦巻き流路７は、圧縮空気流路１１により再生熱交換器１２を介して前記燃焼器８および前記燃焼室９に連通する。一方、タービン側の前記渦巻き流路１０は、排気流路１３により前記再生熱交換器１２を介して大気と連通する。
【０００６】
前記回転軸２の出力端には、被動機としての高速発電機１４がカップリング１５を介して連結されている。前記高速発電機１４は、永久磁石式ロータ１６と、ステータ１７とから構成されている。
【０００７】
つぎに、上記構成からなる小型ガスタービンの作用について説明する。まず、たとえば、前記高速発電機１４により、回転軸２を始動回転させる。すると、コンプレッサ側のインペラ４が回転する（タービン側のホイール５も同軸回転する）。
【０００８】
コンプレッサ側のインペラ４の回転に伴なって、大気中の空気（図６中、一点鎖線矢印にて示す）は、吸気口６を経てハウジング１中に吸い込まれ、かつ、ディフューザ１８およびシュラウド１９により、減速昇圧される。
【０００９】
減速昇圧された圧縮空気（図６中、点点および実線矢印にて示す）は、コンプレッサ側の渦巻き流路７から圧縮空気流路１１により、再生熱交換器１２を経て後記燃焼ガスと熱交換を行って温度を上昇させる。この昇温した圧縮空気は、燃焼器８に供給され、この燃焼器８の燃焼室９中において、図示されていない燃料（たとえば、都市ガスなど）と混合されて燃焼される。
【００１０】
前記燃焼室９中において燃焼された燃焼ガス（図６中、斜線および点線矢印にて示す）は、タービン側の渦巻き流路１０を経てタービン側のホイール５を回転させる（コンプレッサ側のインペラ４も回転軸２を介して同軸回転する）。ホイール５を回転させた燃焼ガスは、排気流路１３により、再生熱交換器１２を経て前記圧縮空気と熱交換を行って温度を下降させ、かつ、大気中に排気される。
【００１１】
タービン側のホイール５の回転により、回転軸２は、たとえば、約６００００〜約１３００００ｒｐｍの高速回転する。この回転軸２の高速回転は、カップリング１５を介して、高速発電機１４の永久磁石式ロータ１６に伝達され、その永久磁石式ロータ１６が回転して発電が行われる。
【００１２】
なお、被動機としては、前記高速発電機１４以外に減速機がある。回転軸２の高速回転を減速機により減速させて、軸流揚水ポンプ、船舶用推進スクリュー、魚雷などの水中推進スクリューなどを駆動できる。そして、前記小型ガスタービンは、その使用目的および使用者の要望などにより、始動時から定格運転時までの時間、すなわち、起動時間が短く設定されている。しかも、その起動時間はさらに短くなる傾向にある。たとえば、高速発電機１４を被動機とした場合、小型ガスタービンを始動してから短時間のうちに定格電力の出力が得られるようにすることが使用目的でありまた使用者の要望でもある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、起動時間が短いと、特に、燃焼ガスに晒されているタービン側の各部品および同一部品の各部位の間においては、大きな温度差が顕著に発生し、この大きな温度差により、大きな熱膨張差が生じる。この大きな熱膨張差が生じると、各部品および同一部品の各部位の間において変形が発生する。その結果、固定側の部品と回転側の部品との間において接触干渉が発生して、部品の損傷破損故障などにつながるので、小型タービンとしては、好ましくない。
【００１４】
たとえば１例を挙げると、タービン側のホイール５などのタービンロータに燃焼ガスを噴射させるタービンノズル（図６中図示せず）は、燃焼ガスにより始動時には約９００℃となる。一方、タービンロータは、回転軸２を介して軸受３の潤滑油の冷却作用により始動時には約６００℃となる。このために、タービンノズルが熱膨張すると、このタービンノズルに固定されている固定側の部品、たとえば、バックプレートがタービンノズルの熱膨張と共に移動して回転側の部品のタービンロータに接触干渉する場合がある。
【００１５】
そこで、各部品の間、特に、固定側の部品（バックプレート）と回転側の部品（タービンロータ）との間において、接触干渉が発生しない程度の大きさの隙間、すなわち、大きな熱膨張差による変形を許容する程度の大きさの隙間を持たせることが考慮される。しかしながら、この場合においては、固定側の部品と回転側の部品との間において接触干渉を防ぐことはできるが、固定側の部品と回転側の部品との間の隙間が大きくなりすぎて、タービン効率が著しく低下すると共に、タービンの小型化が維持されないなどの課題がある。
【００１６】
このように、短い起動時間に対応することができることと、高効率が確実に得られることとの相反する要求を満足する小型ガスタービンが望まれている。
【００１７】
この発明は、短い起動時間に十分に対応することができ、しかも、高効率が確実に得られると共に、小型化が維持される小型ガスタービンを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、固定側の部品を軸受のハウジングに対して、タービンノズル、シールハウジング、バックプレートなどのいくつかの部品に分割し、ハウジングにタービンノズルを固定（タービン始動時におけるハウジングとタービンノズルとの熱膨張差を吸収できる程度の隙間を有する固定）し、ハウジングの比較的低温となる部位にシールハウジングを固定（タービン始動時におけるハウジングとシールハウジングとの熱膨張差を吸収できる程度の隙間を有する固定）し、このシールハウジングにバックプレートをバックプレートとタービンロータのうち燃焼ガスの排気側と反対側の部分との間の隙間をほぼ一定に保持し、かつ、相互の熱膨張差を吸収できる固定手段により固定（タービン始動時におけるバックプレートとシールハウジングとの熱膨張差を吸収できる程度の隙間を有する固定）し、このバックプレートを比較的高温となるタービンノズルに当接させることを特徴とする。
【００１９】
この結果、請求項１にかかる発明は、バックプレートがシールハウジングにタービンロータのうち燃焼ガスの排気側と反対側の部分との間の隙間をほぼ一定に保持し、かつ、相互の熱膨張差を吸収できる固定手段により固定され、かつ、このバックプレートがタービンノズルに当接することにより、バックプレートがタービンノズルとの当接状態を保持する一方、タービンノズルの熱膨張と共に移動することがない。このために、バックプレートがタービンロータに接触干渉することもなくなる。すなわち、バックプレートとタービンロータとは、タービンの定格運転時において、好ましい隙間を保持することができる。これにより、短い起動時間に十分に対応することができ、しかも、高効率が確実に得られると共に、小型化が維持されることとなる。
【００２０】
また、請求項１にかかる発明は、バックプレートが固定手段の位置決めピンによりタービンロータとの軸方向の相対位置がほぼ一定に保持される状態でシールハウジングに固定されており、位置決めピンが抜け止めリングによりバックプレートおよびシールハウジングから抜けない状態でバックプレートおよびシールハウジングに保持されており、抜け止めリングがスナップリングによりバックプレートおよびシールハウジング側に固定されていることを特徴とする。
【００２１】
この結果、請求項１にかかる発明は、比較的簡単な構造の位置決めピン、抜け止めリング、スナップリングから構成されている固定手段により、バックプレートをシールハウジングにタービンロータとの軸方向の相対位置がほぼ一定に保持する状態で固定することができる。このために、請求項２にかかる発明は、製造コストのアップを最小限に抑えることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる小型ガスタービンの実施の形態の１例を図１〜図５を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの小型ガスタービンが限定されるものではない。図中、図６と同符号は、同一のものを示す。
【００２３】
（実施の形態の構成の説明）
ハウジング１には、タービンノズル２０が固定ピン２１により固定（タービン始動時におけるハウジング１とタービンノズル２０との熱膨張差を吸収できる程度の隙間を有する固定）されている。
【００２４】
前記タービンノズル２０は、タービンロータ２２（タービン側のホイール５などを含む）の周囲に複数個リング状に配置されている。前記タービンノズル２０は、タービン側の渦巻き流路１０に接続されている。この結果、前記タービンノズル２０は、燃焼ガスＧを図１中の実線矢印に示すように、前記タービンロータ２２に噴射させて、前記タービンロータ２２および回転軸２を回転させるものである。
【００２５】
前記タービンノズル２０には、タービンシュラウド２３が固定されている。前記タービンシュラウド２３は、後記バックプレート４２と共に、前記タービンロータ２２を覆うタービン室２４を形成する。
【００２６】
前記ハウジング１には、シールハウジング２５が固定（タービン始動時におけるハウジング１とシールハウジング２５との熱膨張差を吸収できる程度の隙間を有する固定）されている。
【００２７】
前記シールハウジング２５は、図１および図２に示すように、中央部に透孔２６が開設された円板形状をなす。前記シールハウジング２５の外周縁部には、ボルト２８用の挿通孔２７が８個等間隔に設けられている。前記シールハウジング２５の中央部の透孔２６の内面には、リングシール２９用の溝部（凹部）およびラビリンスシール３０用のコーティング３５と、図５に示すスナップリング３６用の溝３７がそれぞれ設けられている。また、シールハウジング２５には、位置決めピン３８用の挿通孔３９が３個以上等間隔に設けられている。さらに、シールハウジング２５の外面には、リングシール４０用の溝４１が設けられている。
【００２８】
前記シールハウジング２５は、挿通孔２７を介してボルト２８により、前記ハウジング１に固定されている。前記シールハウジング２５は、前記軸受３と前記タービンロータ２２との間に配置されている。前記シールハウジング２５の透孔２６の内面と前記回転軸２の外面との間には、リングシール２９やラビリンスシール３０などのシール機構が設けられている。この結果、前記ハウジング１、前記回転軸２、前記シールハウジング２５により、潤滑油室３１が形成される。
【００２９】
前記潤滑油室３１には、潤滑油供給機構３２が配置されている。また、潤滑油室３１には、潤滑油排出路３３が連通されている。この結果、潤滑油Ｏは、図１中の点線矢印に示すように、前記ハウジング１に設けられた潤滑油供給路（図示せず）を経て前記潤滑油供給機構３２から軸受３に供給される。軸受３に供給された潤滑油Ｏは、潤滑油室３１から潤滑油排出路３３を経て外部に排出される。
【００３０】
前記シールハウジング２５には、バックプレート４２が固定手段としての位置決めピン３８、抜け止めリング４３、スナップリング３６により、固定（タービン始動時におけるバックプレート４２とシールハウジング２５との熱膨張差を吸収できる程度の隙間を有する固定）されている。
【００３１】
前記バックプレート４２は、図１および図３に示すように、中央部に透孔４４が開設された円板形状をなす。前記バックプレート４２には、前記位置決めピン３８用の挿通孔４５が３個以上等間隔に設けられている。また、前記バックプレート４２の外周縁部には、当接用の段部４６が設けられている。
【００３２】
前記抜け止めリング４３は、図１および図４に示すように、中央部に透孔４７が開設された円板形状をなす。前記抜け止めリング４３の外周縁部には、位置決めピン３８抜け止め用の段部４８が設けられている。
【００３３】
前記スナップリング３６は、図１および図５に示すように、断面小四角形のスプリング部材を上下２重に重ねて円形に形成したものである。前記スナップリング３６は、軸方向のスプリングを有する。
【００３４】
つぎに、前記バックプレート４２を前記シールハウジング２５に固定する作業について説明する。まず、前記ハウジング１に固定されている前記シールハウジング２５の溝４１中にリングシール４０を嵌め込む。つづいて、前記シールハウジング２５に前記バックプレート４２を嵌合する。それから、前記シールハウジング２５の３個以上の挿通孔３９と前記バックプレート４２の３個以上の挿通孔４５中に３本以上の位置決めピン３８を内側から外側に圧入する。つぎに、３本以上の前記位置決めピン３８の頭部に前記抜け止めリング４３を内側から外側に嵌め込む。そして、前記シールハウジング２５の溝３７に前記スナップリング３６を圧入する。
【００３５】
この結果、前記バックプレート４２は、前記タービンロータ２２との軸方向Ｚ−Ｚの相対位置、すなわち、前記タービンロータ２２のうち前記燃焼ガスＧの排気側（前記タービンシュラウド２３側）と反対側の部分（前記軸受３に対向する部分）との間の隙間Ｃがほぼ一定に保持されることとなる。一方、前記バックプレート４２の段部４６が前記タービンノズル２０に当接する。すなわち、タービン運転時においては、バックプレート４２を挟んで、タービン室２４と反対側の高圧側の室４９は、コンプレッサ側からの高圧の圧縮空気が充填されている。このために、高圧側の室４９の圧力のほうがタービン室２４より大である。これにより、前記バックプレート４２の段部４６が前記タービンノズル２０に当接する。
【００３６】
また、前記位置決めピン３８の頭部は、前記抜け止めリング４３の段部４８に覆われている。この結果、前記位置決めピン３８は、前記抜け止めリング４３により、前記バックプレート４２および前記シールハウジング２５から抜けないように、前記バックプレート４２および前記シールハウジング２５に保持されている。
【００３７】
さらに、前記抜け止めリング４３には、スナップリング３６が軸方向Ｚ−Ｚのスプリング力により押圧されている。この結果、前記抜け止めリング４３は、前記スナップリング３６により、前記バックプレート４２および前記シールハウジング２５側に固定されている。
【００３８】
（実施の形態の作用効果の説明）
この実施の形態における小型ガスタービンは、固定側の部品を軸受３のハウジング１に対して、タービンノズル２０、シールハウジング２５、バックプレート４２などのいくつかの部品に分割し、バックプレート４２が比較的低温のシールハウジング２５にタービンロータ２２のうち燃焼ガスの排気側と反対側の部分との間の隙間Ｃをほぼ一定に保持し、また、相互の熱膨張差を吸収できる固定手段により固定され、かつ、このバックプレート４２が比較的高温のタービンノズル２０に当接する。このために、この実施の形態における小型ガスタービンは、バックプレート４２がタービンノズル２０との当接状態を保持する一方、タービンノズル２０の熱膨張と共に移動することがない。
【００３９】
この結果、この実施の形態における小型ガスタービンは、バックプレート４２がタービンロータ２２に接触干渉することもなくなる。すなわち、バックプレート４２とタービンロータ２２とは、タービンの定格運転時において、好ましい隙間Ｃを保持することができる。この定格運転時におけるバックプレート４２とタービンロータ２２との隙間Ｃが小であればある程、タービン効率がアップする。これにより、この実施の形態における小型ガスタービンは、短い起動時間に十分に対応することができ、しかも、高効率が確実に得られると共に、小型化が維持されることとなる。
【００４０】
また、この実施の形態における小型ガスタービンは、バックプレート４２が位置決めピン３８によりタービンロータ２２との軸方向の相対位置がほぼ一定に保持されるようにシールハウジング２５に固定されており、位置決めピン３８が抜け止めリング４３によりバックプレート４２およびシールハウジング２５から抜けないようにバックプレート４２およびシールハウジング２５に保持されており、抜け止めリング４３がスナップリング３６によりバックプレート４２およびシールハウジング２５側に固定されている。
【００４１】
この結果、この実施の形態における小型ガスタービンは、比較的簡単な構造の位置決めピン３８、抜け止めリング４３、スナップリング３６から構成されている固定手段により、バックプレート４２をシールハウジング２５に固定することができる。このために、この実施の形態における小型ガスタービンは、製造コストのアップを最小限に抑えることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上から明らかなように、この発明にかかる小型ガスタービン（請求項１）によれば、バックプレートとタービンロータとがタービンの定格運転時において好ましい隙間を保持することができるので、短い起動時間に十分に対応することができ、しかも、高効率が確実に得られると共に、小型化が維持されることとなる。
【００４３】
また、この発明にかかる小型ガスタービン（請求項１）によれば、比較的簡単な構造の位置決めピン、抜け止めリング、スナップリングから構成されている固定手段により、バックプレートをシールハウジングに固定することができるので、製造コストのアップを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の小型ガスタービンの実施の形態を示す要部の一部縦断面図である。
【図２】（Ａ）は、シールハウジングの正面図、（Ｂ）は、シールハウジングの側面図、（Ｃ）は、（Ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図３】（Ａ）は、バックプレートの正面図、（Ｂ）は、バックプレートの側面図、（Ｃ）は、（Ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図４】（Ａ）は、抜け止めリングの正面図、（Ｂ）は、抜け止めリングの側面図、（Ｃ）は、（Ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】（Ａ）は、スナップリングの正面図、（Ｂ）は、スナップリングの側面図、（Ｃ）は、（Ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】小型ガスタービンを示す説明図である。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 回転軸
３ 軸受
４ コンプレッサ側のインペラ
５ タービン側のホイール
６ 吸気口
７ コンプレッサ側の渦巻き流路
８ 燃焼器
９ 燃焼室
１０ タービン側の渦巻き流路
１１ 圧縮空気流路
１２ 再生熱交換器
１３ 排気流路
１４ 高速発電機
１５ カップリング
１６ 永久磁石ロータ
１７ ステータ
１８ ディフューザ
１９ シュラウド
２０ タービンノズル
２１ 固定ピン
２２ タービンロータ
２３ タービンシュラウド
２４ タービン室
２５ シールハウジング
２６ 透孔
２７ 挿通孔
２８ ボルト
２９ リングシール
３０ ラビリンスシール
３１ 潤滑油室
３２ 潤滑油供給機構
３３ 潤滑油排出路
３５ コーティング
３６ スナップリング
３７ 溝
３８ 位置決めピン
３９ 挿通孔
４０ リングシール
４１ 溝
４２ バックプレート
４３ 抜け止めリング
４４ 透孔
４５ 挿通孔
４６ 段部
４７ 透孔
４８ 段部
４９ 高圧側の室
Ｃ 隙間
Ｏ 潤滑油
Ｚ−Ｚ 軸方向

Claims (1)

1. 固定側の部品が軸受のハウジングに対して、タービンノズル、シールハウジング、バックプレートなどのいくつかの部品に分割されており、
   前記ハウジングに前記軸受を介して回転可能に取り付けられた回転軸と、
   前記回転軸に固定されたタービン側のホイールなどのタービンロータと、
   前記ハウジングに固定され、前記タービンロータに燃焼ガスを噴射させて前記タービンロータおよび前記回転軸を回転させる前記タービンノズルと、
   前記ハウジングに固定され、かつ、前記軸受と前記タービンロータとの間に配置された前記シールハウジングと、
   前記シールハウジングと前記回転軸との間に設けられたシール機構と、
   前記タービンロータのうち前記燃焼ガスの排気側と反対側の部分との間の隙間をほぼ一定に保持し、かつ、相互の熱膨張差を吸収できる固定手段により前記シールハウジングに固定され、かつ、前記タービンノズルに当接する前記バックプレートと、
   を備え、
   前記固定手段は、位置決めピンと、抜け止めリングと、スナップリングと、から構成されており、
   前記バックプレートは、前記位置決めピンにより、前記タービンロータとの軸方向の相対位置がほぼ一定に保持される状態で、前記シールハウジングに固定されており、
   前記位置決めピンは、前記抜け止めリングにより、前記バックプレートおよび前記シールハウジングから抜けない状態で、前記バックプレートおよび前記シールハウジングに保持されており、
   前記抜け止めリングは、前記スナップリングにより、前記バックプレートおよび前記シールハウジング側に固定されている、
   ことを特徴とする小型ガスタービン。

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