JP4209040B2 - クラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造に関し、クラッチを介した軸系の軸長を短くしてコンパクトな軸系とし、軸の振動を回避する構造としたものである。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンとガスタービンの間にクラッチを介して一軸結合したコンバインドサイクル発電プラントが開発されているが、このような一軸結合のプラントではガスタービンと蒸気タービンをクラッチを離脱させることにより、それぞれ独立で運転させることができ、ガスタービンを起動し、蒸気タービンは適切な昇速で加速することができ、蒸気タービンが発電機回転数に達するとクラッチが自動的に作動し、蒸気タービンとガスタービンとは一軸に結合され、コンバインドサイクル運転がなされる。
【０００３】
図２は上記に説明した一軸結合のコンバインドサイクル発電プラントの概念図であり、図において、蒸気タービン３０とガスタービン３１は発電機３２と一軸用クラッチ３３とで一軸に連結されている。３４は排熱回収ボイラ、３５は煙突であり、３６は復水器である。このような構成のコンバインドサイクル発電プラントにおいては、ガスタービン３１で燃焼し、ガスタービンを駆動した後の排ガスは排熱回収ボイラ３４へ導かれ、復水器３６からの水を加熱して排熱を与え、煙突から大気へ放出される。一方排ガスにより加熱された水は蒸気となって蒸気タービン３０に導かれ、蒸気タービン３０を駆動し、膨張することにより仕事した低温の蒸気は復水器３６に戻され、復水する。
【０００４】
上記構成の一軸結合のコンバインドサイクル発電プラントにおいて、まず一軸用クラッチ３３は離脱状態としておく。一軸用クラッチ３３は後述するようにスライダ３９が左右に移動することにより、ケーシング３３ａ側と３３ｂ側とを嵌合したり、離脱させたりできる構造となっている。起動に際しては、ガスタービン３１で発電機３２を運転し、その排ガスの温度を上昇させて排熱回収ボイラ３４が充分に立上り、高温の蒸気が発生できるようになるまで運転する。その後排熱回収ボイラ３４が立上り、蒸気タービン３０に蒸気が充分供給され、蒸気タービン３０の回転数が発電機３２の回転数に達し、同期がとれるようになると、一軸用クラッチ３３のスライダ３９が移動して自動的に嵌合状態となり、クラッチの左右３３ａ，３３ｂを連結して蒸気タービン３０とガスタービン３１とで発電機３２を運転するようになる。
【０００５】
図３は上記に説明の一軸用クラッチ３３の作動を説明するための要領図である。この種のクラッチは、既に、Synchro −Self−Shiftingクラッチとして商品化されており、公知の技術であるので、この嵌合、離脱の要点のみ説明する。図において、（ａ）は離脱時の状態、（ｂ）は嵌合時の状態を示す断面図である。（ａ）において、スライダ３９は左右に移動可能であり、ケーシング３３ｂの側に歯車４２、ケーシング３３ａの側に歯車４３をそれぞれ有している。一方ケーシング３３ａには内側に歯車４５が、ケーシング３３ｂにも端部内側に歯車４４がそれぞれ設けられている。（ａ）図においては、発電機側軸４０と蒸気タービン側軸４１とは回転数が異なり、非同期状態であって、このような状態ではスライダ３９の両端の歯車４２，４３はケーシング３３ｂ，３３ａとは噛み合わず、離脱状態であり、ケーシング３３ａと３３ｂとは互に拘束されずに自由に回転する。
【０００６】
図３（ｂ）において、発電機側軸４０と蒸気タービン側軸４１が同期状態となると、スライダ３９は図中左側に移動し、スライダ３９の歯車４２，４３がそれぞれ、ケーシング３３ｂの歯車４４とケーシング３３ａの歯車４５とに係合し、ケーシング３３ａと３３ｂとは嵌合状態となる。従って発電機側軸４０と蒸気タービン側軸４１とは同期して一体的に回転することができる。
【０００７】
図４は図２に示した一軸用クラッチ３３に連結する軸を示す図である。図において、一軸用クラッチ３３のケーシング３３ｂ側には発電機側軸４０が、ケーシング３３ａ側には蒸気タービン側軸４１がそれぞれ焼嵌めにより取付けられている。発電機側軸４０には複数の油供給管５２が装備されており、軸受３８及び一軸用クラッチ３３に油を供給する構成である。又軸受３８の発電機側軸４０にはスラストカラー５１が設けられている。一方、蒸気タービン側軸４１は軸受３７で支承されると共に、一軸用クラッチ３３との間にはスラストカラー５０が設けられスラストを受ける構造となっている。
【０００８】
上記のような一軸用クラッチ３３で連結された軸においては、スラストカラー５０，５１や一軸用クラッチ３３に油を供給するための油供給管５２を備え、又軸を焼嵌めにしているために嵌入部の構造を長くする必要があり、これらの要因により軸長Ｌが長くなっている。軸長Ｌが長いと、軸受３７，３８間での曲げ振動の固有値が定格回転数より低い回転数で存在し、このモードが低回転数で共振すると不安定な軸振動を発生する。又、このような軸振動が発生すると、発電機側軸４０の軸受３８の面圧の反力が小さく、運転中のミスアライメント（油膜上昇、油膜温度上昇、基礎面の誤差等）に対して充分な面圧確保がなされず、軸振動が安定しない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来の一軸用クラッチを用いた蒸気タービンとガスタービン一体型軸構造においては、一軸用クラッチ３３が結合する両側を支承する軸受３７，３８の軸間の長さＬが、スラストカラー５０や油供給管５２の存在、又は軸の焼嵌め構造、等により長くなり、そのために軸受間に低速回転時に固有振動モードが発生して共振し、不安定な振動が発生する。このような不安定な振動が発生するとプラントの安全運転上問題であり、軸振動を回避しなければならない。
【００１０】
そこで本発明では、一軸用クラッチを用いた蒸気タービンとガスタービン一体型軸構造において、一軸用クラッチの両側の軸受間の長さを出来るだけ従来より短くするような軸構造として軸振動の共振を回避し、不安定な軸振動が発生しないような軸構造を提案することを課題としてなされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の（１）乃至（３）の手段を提供する。
【００１２】
（１）蒸気タービン側軸と発電機側軸との間にクラッチを介在させ、同発電機とガスタービンとを連結して構成される蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造において、前記発電機の軸端と連結する前記発電機側軸は前記クラッチ側と一体的構造の軸とし、前記蒸気タービン側軸のスラスト軸受はラジアル軸受側面と前記クラッチ側に固定された軸カップリング側面間で両側に接し、前記スラスト軸受と前記軸カップリング側面との接触面が摺動面を形成していることを特徴とするクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造。
【００１３】
（２）前記発電機側軸及び蒸気タービン側軸内には、それぞれ一端がラジアル軸受の油供給源に、他端が前記クラッチ内に連通する複数の油供給用穴が設けられていることを特徴とする（１）記載のクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造。
【００１４】
（３）前記蒸気タービン側のラジアル軸受は、前記スラスト軸受側面と前記軸カップリング側面とが摺動することにより前記発電機側のラジアル軸受よりも低く配設するオフセットの設定が可能であることを特徴とする請求項１又は２記載のクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造。
【００１５】
本発明のクラッチを用いた蒸気タービンとガスタービン一体型軸構造は、発電機側軸がクラッチと一体構造であり、従来は軸の焼嵌め構造で焼嵌め部構造を長く必要としていたが、これを短くすることができる。又、蒸気タービン側軸では、スラスト軸受がラジアル軸受側面と軸カップリング側面との間で接し、前記スラスト軸受と前記軸カップリング側面との接触面が摺動面を形成し、摺動してスラスト力を受ける構造であり、従来のように独立して存在していたスラストカラーをなくすることができ、その分軸長を短くすることができる。
【００１６】
上記のように発電機側軸と蒸気タービン側軸とを従来よりも短くすることができるので、クラッチ両側のラジアル軸受間の軸長が短くなり、これにより軸受間での軸の曲げ振動を小さくし、振動に伴う固有値の低速回転時での共振を回避し、振動不安定を抑えることができる。
【００１７】
又、本発明の（２）では、油供給用穴が発電機側軸、蒸気タービン側軸共、軸内に設けられており、クラッチで必要とする油はラジアル軸受へ供給される油供給源から軸内を通りクラッチへ導かれる。従来はクラッチへの油供給管が外部より接続していたのでその接続部を必要とし、その分軸長が長かったが、本発明の（２）では油供給管が不要となり、その分軸長を短くすることができる。
【００１８】
本発明の（３）では、ラジアル軸受の側面とスラスト軸受側面とが接し、スラスト軸受の他の側面と軸カップリング側面とが摺動するようになっているため、互に摺動してもスラスト軸受の構造に影響を与えないので、発電機側のラジアル軸受と蒸気タービン側のラジアル軸受間での荷重の調整を行うために、蒸気タービン側軸のラジアル軸受を発電機側軸のラジアル軸受よりも下げるセッティング時のオフセットが容易に可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基いて具体的に説明する。図１は本発明の実施の一形態に係るクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造の断面図である。図において一軸用クラッチ３３は従来例と同じ構成であるので、詳しい説明は省略し、従来の符号をそのまま引用して説明するが、図では上側がクラッチ離脱時の状態、下側が嵌合時の状態で図示しており、下側ではスライダ３９が移動してスライダ３９の歯車４２，４３がそれぞれケーシング３３ｂの歯車４４、ケーシング３３ａの歯車４５へ係合した状態を示している。
【００２０】
図１において、一軸用クラッチ３３の一方（図中右側）には、ケーシング３３ｂと一体的に組み込まれた発電機側軸１が取付けられている。又一体型の発電機側軸１には、一端が一軸用クラッチ３３のケーシング３３ｂに連通する油供給用穴２が周囲軸方向に複数本設けられており、この油供給用穴２の他端は軸受３８の周囲の溝３８ａに連通し、軸受３８の油供給系統から一軸用クラッチ３３のケーシング３３ｂ側に油を供給する構成である。
【００２１】
従来のケーシング３３ｂ側には軸部に油供給管が別に装備されていたので、この装備のためのスペースを必要としていたが、本発明では、油供給管を取除き、その代りに軸受３８から軸１内に穿設された油供給用穴２を通して油を一軸用クラッチ３３のケーシング３３ｂ内に供給するような構成とし、油供給管がない分、軸長を短くすることができる。
【００２２】
又、発電機側軸１は一軸用クラッチ３３のケーシング３３ｂと一体的構造としたので、従来の焼嵌めによる構造と比べ、焼嵌め嵌入部の構造を不要とし、その分も軸長を短くすることができる。このように発電機側軸１は、従来の油供給管をなくし、その代りに軸１内に油供給用穴２を設け、又、軸１を一軸用クラッチ３３に焼嵌め方式から一体型軸構造としたので、従来よりも軸長を短くすることができる。
【００２３】
発電機側軸１の反対側端部にはフランジ１ａが形成され、このフランジ１ａにはフランジ６１が接合し、ボルト／ナット６２で連結し、カップリングを構成している。フランジ６１には発電機３２側の軸端部６０が焼嵌めにより嵌入されており、この焼嵌め部は軸受３８の発電機側の外となっているため、一軸用クラッチ３３の両側の軸受３７，３８間の距離Ｌ（図２参照）を長くする要因とはならない。
【００２４】
又、一軸用クラッチ３３と一体的に構成された発電機側軸１の材料は３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼を用いて燃戻し温度を下げて加工し、強度を上げている。そのために、軸の径を従来よりも小さくすることができ、又、これにより発電機側軸１も全体として小型にすることができる。
【００２５】
一軸用クラッチ３３の他方（図中左側）には、ケーシング３３ａにカップリング１４を介して結合された蒸気タービン側軸１１が設けられている。蒸気タービン側軸１１は軸受３７により支承されており、スラスト軸受１３が設けられ、更に、軸１１内には油供給用穴１２が軸方向周囲に複数本設けられている。
【００２６】
この油供給用穴１２は一端が一軸用クラッチ３３のケーシング３３ａ内に連通し、他端が軸受３７の周囲の溝３７ａに連通し、軸受３７の油供給系統から一軸用クラッチ３３のケーシング３３ａ側に油を供給する構成となっている。
【００２７】
又、軸受３７の側面にはスラスト軸受１３の一方の側面が密着している。又スラスト軸受１３の他方の側面はカップリング１４に接し、摺動してスラスト力を受ける構成としている。即ち、本発明の蒸気タービン側軸１１の軸受３７、スラスト軸受１３及びカップリング１４とは互に密着した構成となっており、そのために従来のような独立して設けられたスラストカラー５０が不要となり、本発明のスラスト軸受１３の両側面はそれぞれ軸受３７とカップリング１４とに密着しているので、その分軸長を短くすることができる。又、このような構成は図示のように軸受３７の両側に設けられている。
【００２８】
又、組立時に発電機側軸１の軸受３８と蒸気タービン側軸１１の軸受３７とで受ける荷重差に伴う軸受間の面圧のアンバランスを調整するために蒸気タービン側軸１１の軸受３７を軸受３８よりも受け面を０．１〜０．２mm程度下げてオフセットを与えることもできる。これは軸受３７とスラスト軸受１３とが側面で接してスラスト力を受ける構造であり、側面が摺動できるのでこのようなセッティングが可能となるものである。
【００２９】
以上説明したように本発明の実施の形態によれば、一軸用クラッチ３３の発電機側のカップリングを、一軸用クラッチ３３のケーシング３３ｂと一体的な構造の発電機側軸１として従来のようなクラッチへの焼嵌め構造をなくすと共に、油供給用穴２を軸１内に設けて一軸用クラッチ３３への油を軸受３８から供給するようにして従来の油供給管をなくする構造とする。これにより発電機側軸１を従来より短い構造とすることができる。
【００３０】
又、更に蒸気タービン側軸１１では、軸受３７とスラスト軸受１３及びカップリング１４とを接合させ、従来のようなスラストカラー５０をなくする構造とし、又油供給用穴１２も同様に軸１１のカップリング１４内に穿設して軸受３７から一軸用クラッチ３３側に油を供給する構成とし、これにより蒸気タービン側軸１１も従来よりも軸長が短い構造とすることができる。
【００３１】
上記のように発電機側軸１と蒸気タービン側軸１１とが共に従来よりも軸長が短くなることにより、一軸用クラッチ３３両側の軸受３７，３８間の軸長を従来よりも短くすることができる。これにより軸受３７，３８間の軸の曲げを小さくし、低回転数で発生していた軸の曲げ振動の固有モードでの共振現象が回避され、軸振動の不安定現象を抑えることができる。具体的数値で示せば、振動の振幅において１５／１００mm以内とすることができ、この値以内では振動の不安定現象は生じない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の（１）のクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造は、（１）蒸気タービン側軸と発電機側軸との間にクラッチを介在させ、同発電機とガスタービンとを連結して構成される蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造において、前記発電機の軸端と連結する前記発電機側軸は前記クラッチ側と一体的構造の軸とし、前記蒸気タービン側軸のスラスト軸受はラジアル軸受側面と前記クラッチ側に固定された軸カップリング側面間で両側に接し、前記スラスト軸受と前記軸カップリング側面との接触面が摺動面を形成していることを特徴としている。このような構成により、発電機側軸がクラッチと一体構造であり、従来は軸の焼嵌め構造で焼嵌め部構造が長く必要としていたが、これを短くすることができる。又、蒸気タービン側軸では、スラスト軸受がラジアル軸受側面と軸カップリング側面との間で接し、前記スラスト軸受と前記軸カップリング側面との接触面が摺動面を形成し、摺動してスラスト力を受ける構造であり、従来のように独立して存在していたスラストカラーをなくすることができ、その分軸長を短くすることができる。上記のように発電機側軸と蒸気タービン側軸とを従来よりも短くすることができるので、クラッチ両側のラジアル軸受間の軸長が短くなり、これにより軸受間での軸の曲げ振動を小さくし、振動に伴う固有値の低速回転時での共振を回避し、振動不安定を抑えることができる。
【００３３】
又、本発明の（２）では、油供給用穴が発電機側軸、蒸気タービン側軸共、軸内に設けられており、クラッチで必要とする油はラジアル軸受へ供給される油供給源から軸内を通りクラッチへ導かれる。従来はクラッチへの油供給管が外部より接続していたのでその接続部を必要とし、その分軸長が長かったが、本発明の（２）では油供給管が不要となり、その分軸長を短くすることができる。
【００３４】
本発明の（３）では、ラジアル軸受の側面とスラスト軸受側面とが接し、スラスト軸受の他の側面と軸カップリング側面とが摺動するようになっているため、互に摺動してもスラスト軸受の構造に影響を与えないので、発電機側のラジアル軸受と蒸気タービン側のラジアル軸受間での荷重の調整を行うために、蒸気タービン側軸のラジアル軸受を発電機側軸のラジアル軸受よりも下げるセッティング時のオフセットが容易に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造の断面図である。
【図２】一軸結合のコンバインドサイクル発電プラントの一般的な構成図である。
【図３】図２に示す一軸用クラッチの作動を示し、（ａ）はクラッチ離脱、（ｂ）はクラッチ嵌合の状態を示す説明図である。
【図４】従来のクラッチを用いた一体型軸構造の断面図である。
【符号の説明】
１ 発電機側軸
２，１２ 油供給用穴
１１ 蒸気タービン側軸
１３ スラスト軸受
１４ カップリング
３０ 蒸気タービン
３１ ガスタービン
３２ 発電機
３３ 一軸用クラッチ
３７，３８ 軸受
３９ スライダ
４２，４３，４４，４５ 歯車

Claims (3)

1. 蒸気タービン（３０）側軸（１１）と発電機（３２）側軸（１）との間にクラッチ（３３）を介在させ、同発電機（３２）とガスタービン（３１）とを連結して構成される蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造において、前記発電機（３２）の軸端と連結する前記発電機（３２）側軸（１）は前記クラッチ（３３）側と一体的構造の軸とし、前記蒸気タービン（３０）側軸（１１）のスラスト軸受（１３）はラジアル軸受（３７）側面と前記クラッチ（３３）側に固定された軸カップリング（１４）側面間で両側に接し、前記スラスト軸受（１３）と前記軸カップリング（１４）側面との接触面が摺動面を形成していることを特徴とするクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造。
2. 前記発電機（３２）側軸（１）及び蒸気タービン（３０）側軸（１１）内には、それぞれ一端がラジアル軸受（３８、３７）の油供給源に、他端が前記クラッチ（３３）内に連通する複数の油供給用穴（２、１２）が設けられていることを特徴とする請求項１記載のクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造。
3. 前記蒸気タービン（３０）側のラジアル軸受（３７）は、前記スラスト軸受（１３）側面と前記軸カップリング（１４）側面とが摺動することにより前記発電機（３２）側のラジアル軸受（３８）よりも低く配設するオフセットの設定が可能であることを特徴とする請求項１又は２記載のクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造。

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