JP4256304B2

JP4256304B2 - 二軸式ガスタービン

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Publication number: JP4256304B2
Application number: JP2004168440A
Authority: JP
Inventors: 亨伊藤; 竹原　　勲; 英太郎村田; 英俊黒木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: JP2005344680A

Description

本発明は、互いに独立して回転する高圧タービン及び低圧タービンを有する二軸式ガスタービンに関する。

二軸式ガスタービンは、圧縮機からの圧縮空気を燃焼器で燃料とともに燃焼して発生させた燃焼ガスにより互いに独立して回転する高圧タービン（圧縮機駆動タービン）及び低圧タービン（出力タービン）を備えている。高圧タービンのロータは圧縮機のロータに連結され圧縮機ロータとともにガスジェネレータを構成し、その軸動力は圧縮機の駆動力として用いられる。一方、低圧タービンのロータは例えば発電機やポンプ等といった負荷機器に連結され、低圧タービンロータの軸動力は負荷機器の駆動力として用いられる。

通常、ガスジェネレータ及び低圧タービンロータはそれぞれ軸方向前後２箇所で軸受により支持されることが多いが、高圧タービンロータと低圧タービンロータの間の空間は軸受の使用環境としては比較的高温高圧であり、高圧タービンロータ及び低圧タービンロータ間に配置した軸受に対してシール空気や潤滑油を十分に供給できる構造とするとコストが高くなる。そのため、一般に両ロータ間には軸受を設置しない場合が多い。このような場合、ガスジェネレータの軸受は、圧縮機ロータの前側と高圧タービンの初段動翼の前側にそれぞれ１箇所ずつ設置される。一方、低圧タービンの軸受は、低圧タービンの最終段動翼の後側に２箇所設置される。

しかしこのような軸受配置では、高圧タービンロータ及び低圧タービンロータの動翼部がオーバハング構造となり、その結果、ロータのアンバランスに対する感度が増大してしまう。特に低圧タービンロータについては、ガスジェネレータに比して軸長が短いことから重量アンバランスが顕著となるため、重心位置を軸方向にバランスさせるためにカウンタウェイトを設置する必要があり、素材費の高騰に繋がるとともに、カウンタウェイトの設置によって軸長が長くなり、ガスタービン全体の設置面積を拡大させてしまう。

しかしながら、こうした問題は、例えば特許文献１に開示された二軸式ガスタービンのように、ガスジェネレータの後側軸受を高圧タービンの最終段動翼の後側に、低圧タービンロータの前側軸受を低圧タービンの初段動翼の前側にそれぞれ配置すれば解消され得る。

特開２００２−３０３１５６号公報

上記従来技術のように高圧タービンロータと低圧タービンロータの間に軸受を配置する場合、燃焼ガス等の高温高圧の流体の侵入を防止するため、前述したように十分なシール空気がその軸受に供給されるように構成する必要がある。一般的には、静止側（つまりタービンケーシング側）からその軸受に配管を接続し、圧縮機から抽気した空気をその軸受に対して供給する。また、低圧タービンの初段静翼と軸受とを鋼材で構成した流路で接続し、それら静翼の冷却や静翼及びロータ間のシールのために圧縮機から導かれる圧縮空気が静翼を介して軸受に供給される構成とすることもできる。

しかしながら、軸受シール空気は軸受の潤滑油の引火点よりも低温でなければならない。そのため、高温環境に晒される周辺部材に比して軸受のメタル温度は低くなるので、軸受とその周囲部材との熱伸び差が増大し軸受にシール空気を供給するための流路には高い熱応力が生じ損傷し易い。この熱応力を緩和するために、仮に配管の接合部に逃げ部（間隙）を設けて熱伸び差を吸収するように構成しても、配管の逃げ部からシール空気が漏洩し軸受を十分にシールすることは困難となる。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、その目的は、高圧タービンロータと低圧タービンロータの間に軸受を配置してロータのアンバランスを抑制するとともに、当該軸受を確実にシールすることができる二軸式ガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明は、吸い込んだ空気を圧縮し圧縮空気を吐出する圧縮機と、前記圧縮機のロータに連結された高圧タービンロータを有し、前記圧縮機とともにガスジェネレータを構成する高圧タービンと、この高圧タービンの下流側に設けられ、前記高圧タービンロータと独立して回転する低圧タービンロータを有する低圧タービンと、この低圧タービンの初段静翼に前記圧縮機からの圧縮空気を冷却空気又はシール空気として導く空気供給系統と、この空気供給系統と前記低圧タービンの初段動翼よりも上流側に配置した前記低圧タービンロータの前側軸受とを接続し、前記空気供給系統を流れる圧縮空気の一部を前記前側軸受に導く可撓性を有するフレキシブル配管とを備えたことを特徴とする。

第２の発明は、吸い込んだ空気を圧縮し圧縮空気を吐出する圧縮機と、前記圧縮機のロータに連結された高圧タービンロータを有し、前記圧縮機とともにガスジェネレータを構成する高圧タービンと、この高圧タービンの下流側に設けられ、前記高圧タービンロータと独立して回転する低圧タービンロータを有する低圧タービンと、この低圧タービンの初段静翼に前記圧縮機からの圧縮空気を冷却空気又はシール空気として導く空気供給系統と、この空気供給系統と前記高圧タービンの最終段動翼よりも下流側に配置した前記ガスジェネレータの後側軸受とを接続し、前記空気供給系統を流れる圧縮空気の一部を前記後側軸受に導く可撓性を有するフレキシブル配管とを備えたことを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記フレキシブル配管の上流端は、前記低圧タービンの初段静翼の先端部に設けたダイヤフラムに接続されていることを特徴とする。

第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記高圧タービン及び前記低圧タービンの間に設けた前記低圧タービンロータの前側軸受又は前記ガスジェネレータの後側軸受に接続され、これら軸受内の空気を排出する排気配管と、この排気配管内に通され前記軸受の潤滑油を排出する排油配管と、この排油配管内に通され前記軸受に潤滑油を給油する給油配管とを有する三重配管を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、軸受の使用環境として厳しい高圧タービンと低圧タービンとの間に軸受を設けても、この軸受と低圧タービン初段静翼の空気供給系統とをフレキシブル配管で接続することにより、軸受と周辺部材との熱伸び差をフレキシブル配管の可撓性で吸収することができる。フレキシブル配管は熱応力により損傷することもなく、したがって、軸受に導入するシール空気のリーク量を小さくすることができるので、高圧タービンと低圧タービンとの間に配置した軸受を確実にシールすることができ、低コストでガスタービンの信頼性および性能を向上させることができる。

以下、図面を用いて本発明の二軸式ガスタービンの実施形態を説明する。
図１は、本発明の二軸式ガスタービンの第１実施形態の全体構成を表す断面図である。
この図１において、二軸式ガスタービン１は、ガスジェネレータ１０と、低圧タービン（出力タービン）７０とで構成されている。

ガスジェネレータ１０は、吸い込んだ空気（大気）を圧縮し圧縮空気を吐出する圧縮機２０と、圧縮機２０からの圧縮空気を燃料とともに燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器４０と、この燃焼器４０からの燃焼ガスによって軸動力を得る高圧タービン（圧縮機駆動タービン）５０とを備えている。圧縮機２０のロータ（圧縮機ロータ）２１と高圧タービン５０のロータ（高圧タービンロータ）５１は互いに同心状に連結されている。

これにより、ガスジェネレータ１０は、圧縮機２０で圧縮された空気を燃焼器４０に供給し、この圧縮空気を燃料とともに燃焼器４０で燃焼して発生させた燃焼ガスを高圧タービン５０で膨張させ、高圧タービンロータ５１で得られた軸動力を圧縮機２０の駆動力として利用するようになっている。

一方、低圧タービン７０は、高圧タービン５０の下流側に設けられ、高圧タービン５０とともにタービン部を構成しており、高圧タービン５０から排出される燃焼ガスによって高圧タービン５０とは独立して回転する低圧タービンロータ７１を有している。この低圧タービン７０には、例えばパイプラインのポンプや発電機等といった様々な負荷機器（図示せず）が連結軸（図示せず）を介して連結される。なお、低圧タービンロータ７１は、強度上の制約から高圧タービンロータ５１よりも回転数が低く設定されることが多く、所要出力が確保されるように高圧タービンロータ５１よりも径が大きく設定される場合が多いため、高圧タービン５０と低圧タービン７０との間にはトランジションダクト４１が設けられる場合がある。

これにより、高圧タービン５０から出てトランジションダクト４１を通過した燃焼ガスが低圧タービン７０に流入すると、低圧タービン７０にて膨張した燃焼ガスによりタービン仕事が得られ、低圧タービンロータ７１の軸動力が負荷機器の駆動力として利用される。

このように、二軸式ガスタービン１では、高圧タービンロータ５１、言い換えればガスジェネレータ１０と低圧タービンロータ７１とが分離され互いに独立して回転するため、低圧タービンロータ７１をガスジェネレータ１０と異なる回転数で運転することが可能である。したがって、ガスジェネレータ１０の回転数を定格回転数程度に固定しても、連結する負荷機器に応じて低圧タービンロータ７１の回転数を変化させることが可能となり、ガスタービンとしての運用の幅が拡大する。

圧縮機２０の構成について説明すると、その回転体側、つまり圧縮機ロータ７１は、外周部に複数の動翼２２が取り付けられたディスクホイール２３を軸方向に重ね合わせて構成されている。このようにして複数段落形成された動翼２２のうち、最も上流側（前側、図１中左側）に位置する段落のものを初段動翼２２ａ、最も下流側（後側、図１中右側）に位置する段落のものを最終段動翼２２ｂとする。

一方、圧縮機２０の静止体側は、圧縮機ケーシング２４と、この圧縮機ケーシング２４の内周側に固定された静翼２５とを備えている。静翼２５は、圧縮機ロータ７１の各段落の動翼２２の前側（上流側）に位置しており、動翼２２と同様に周方向に複数設けられ、各段落において翼列を構成している。

高圧タービン５０の構成について説明すると、その回転体側、つまり高圧タービンロータ５１は、外周部に複数の動翼５２が取り付けられたディスクホイール５３を備えている。図１ではこのディスクホイール５３を１段のみ図示してあるが、圧縮機ロータ７１のようにディスクホイール５３を軸方向に複数重ね合わせて高圧タービンロータ５１が構成される場合もある。高圧タービンロータ５１においても、複数段落形成された動翼５２のうち、最も上流側（前側、図１中左側）に位置する段落のものが初段動翼５２ａ、最も下流側（後側、図１中右側）に位置する段落のものが最終段動翼５２ｂであるが、図１においては、１段のみの図示であるため図示した動翼５２が初段動翼５２ａであるとともに最終段動翼５２ｂをも構成する。

一方、高圧タービン５０の静止体側は、タービンケーシング４２の内周側に固定された静翼５４を備えている。この静翼５４は、高圧タービンロータ５１の各段落の動翼５２の前側（上流側）に位置し、周方向に複数設けられて翼列を構成するが、図１では高圧タービン５０の段落数は１段落であるので静翼翼列も１列のみ図示してある。また、特に図示していないが、静翼５４の先端側（内周側）には内部にキャビティが形成されたダイヤフラムが固定されており、これら静翼５４及びそのダイヤフラムには、静翼５４等を冷却する冷却空気又は静翼５４の前後のホイールスペースをシールするシール空気を流通させるための空気供給系統が形成されている。ダイヤフラムと高圧タービンロータ５１の間の間隙はパッキンによりシールされる。

低圧タービン７０の構成について説明すると、その回転体側、つまり低圧タービンロータ７１は、外周部に複数の動翼７２が取り付けられたディスクホイール７３を備えている。高圧タービンロータ５１と同様、図１ではこのディスクホイール７３を１段のみ図示してあるが、ディスクホイール７３を軸方向に複数重ね合わせて低圧タービンロータ７１が構成される場合もある。低圧タービンロータ７１においても、複数段落形成された動翼７２のうち、最も上流側（前側、図１中左側）に位置する段落のものが初段動翼７２ａ、最も下流側（後側、図１中右側）に位置する段落のものが最終段動翼７２ｂであるが、図１においては、１段のみの図示であるため図示した動翼７２が初段動翼７２ａであるとともに最終段動翼７２ｂをも構成する。

一方、低圧タービン７０の静止体側は、タービンケーシング４２の内周側に固定された静翼７４を備えている。この静翼７４は、低圧タービンロータ７１の各段落の動翼７２の前側（上流側）に位置し、周方向に複数設けられて翼列を構成するが、図１では低圧タービン７０の段落数は１段落であるので静翼翼列も１列のみ図示してある。また、この高圧タービンロータ５１の最終段ディスクホイール５３ｂと低圧タービンロータ７１の初段ディスクホイール７３ａの間は、トランジションダクト４１の内周側に接合された隔壁（仕切り板）４３によって隔てられている。

図２は、低圧タービンロータ７１の初段静翼７４付近の構成の拡大図で、図１と同様の部分には同符号が付してある。
図２に示すように、静翼７４の先端側（内周側）には内部にキャビティ７７が形成されたダイヤフラム７８が固定されており、これら静翼７４及びダイヤフラム７８には、静翼７４等を冷却する冷却空気又は静翼７４の前後のホイールスペースをシールするシール空気を流通させるための空気供給系統７６が形成されている。ダイヤフラム７８と低圧タービンロータ７１の間の間隙はパッキン７９によりシールされている。なお、こうした構成は、前述した高圧タービン５０の構成とほぼ同様である。

図１及び図２に示すように、ガスジェネレータ１０は、圧縮機初段動翼２２ａの前側に設けた前側軸受１１、及び高圧タービン５０の初段動翼５２ａの前側（圧縮機ロータ２１と高圧タービンロータ５１の間、若しくは連結部近傍）に設けた後側軸受１２により回転可能に支持されている。それに対し、低圧タービンロータ７１は、低圧タービン７０の初段動翼７２ａの前側に設けた前側軸受８１、及び低圧タービン７０の最終段動翼７２ｂの後側に設けた後側軸受８２により回転可能に支持されている。

ここで、圧縮機ケーシング２４には、圧縮機２０の途中段に抽気ポート２６が設けられており、圧縮機２０にて圧縮されつつある圧縮空気の一部がこの抽気ポート２６から抽気され、適宜分岐する配管２７を介して前述した軸受１１，１２，８１，８２を含む二軸式ガスタービン１の各所に冷却空気やシール空気として供給される。前述した空気供給系統７６にもこの配管２７が接続されている。なお抽気ポート２６は、抽気する圧縮空気の圧力や流量によって圧縮機２０の複数段落に設けられる場合もある。

二軸式ガスタービンにおいて、低圧タービンロータ７１の前側軸受８１を設けた箇所、すなわち高圧タービンロータ５０と低圧タービンロータ７１との間の位置は、軸受の使用環境としては高温高圧である。そこで、本実施形態においては、可撓性を有する材質で形成されたフレキシブル配管（例えばフレキシブルホース等）９０によって、この高圧タービンロータ５０及び低圧タービンロータ７１間に配置した前側軸受８１を低圧タービン初段静翼７４の空気供給系統７６に接続している。このフレキシブル配管９０は、熱変形量を許容するように予めある程度の撓みを持たせてある。

この構成について具体的に説明すると、フレキシブル配管９０の両端は、空気供給系統７６が形成されている低圧タービン初段静翼７４のダイヤフラム７８の前側に穿設した空気流出孔８４と前側軸受８１の軸受箱（外箱）８３の外周部に穿設した空気流入孔８５とに接続されている。フレキシブル配管９０の両端部と空気流出孔８４、空気流入孔８５との間は空気の漏洩がないようにそれぞれシールされている。これにより、低圧タービン初段静翼７４を冷却する冷却空気若しくは低圧タービン初段静翼７４の前後のホイールスペースをシールするシール空気として空気供給系統７６を流れる圧縮空気の一部が前側軸受８１にシール空気として供給されるようになっている。

なお、本実施形態ではフレキシブル配管９０の上流側をダイヤフラム７８に接続しているが、静翼の構成はガスタービンによって異なるため、フレキシブル配管９０の上流端をダイヤフラム７８に接続する構成に限定される訳ではない。要は、周囲の温度環境等を考慮に入れつつ、低圧タービン初段静翼内の空気供給系統のうち構成的に接続可能な箇所にフレキシブル配管９０の上流端を適宜接続させる構成とすれば良い。

図３は、低圧タービンロータ７１の前側軸受８１におけるフレキシブル配管９０の接続部を拡大して表す拡大図であり、図１及び図２と同様の部分には同符号を付してある。
図３に示すように、フレキシブル配管９０を介して軸受箱８３に流入したシール空気のうち、一部は軸受箱８３内の内箱８９と低圧タービンロータ７１間をシールするパッキン８６を介して軸受メタル８８側に流入して軸受メタル８８を冷却し（図中の矢印Ａ参照）、残りは軸受箱８３とロータ間をシールするパッキン８７を介して軸受箱８３の外側に流出し軸受８１をシールする（図中の矢印Ｂ参照）。この矢印Ｂで示した軸受箱８３から流出したシール空気は、図２に示したようにダイヤフラム７８と低圧タービンロータ７１間のパッキン７９を通過し、ダイヤフラム７８後側のロータシール空気として利用された後、ガスパスに流出する。また、前側軸受８１の周辺は隔壁４３とトランジションダクト４１で囲われてホットガス（燃焼ガス）の流入が防止されており、軸受箱８３周辺は軸受箱８３から流出したシール空気で満たされるため、軸受箱８３の温度上昇も抑制される。

また、図２に示した通り、前側軸受８１にはタービンケーシング４２に対してトランジションダクト４１を支持するストラット４４及びトランジションダクト４１に対して軸受箱８３を支持するストラット４５の内部に通された三重配管４６が接続されている。

図４は、低圧タービンロータ７１の前側軸受８１における三重配管４６の接続部を拡大して表す拡大図であり、図１〜図３と同様の部分には同符号を付してある。
図４に示したように、三重配管４６は、軸受箱８３を貫通し内箱８９に接続した排気配管４７と、この排気配管４７内に通されて内箱８９を貫通し軸受メタル８８に接続した排油配管４８と、この排油配管４８内に通されて軸受メタル８８に接続した給油配管４９とで構成されている。これにより、最外周側の排気配管４７を介して内箱８９内のシール空気が排出される一方で、最内周側の給油配管４９を介し軸受メタル８８に潤滑油が供給されるとともに、排油配管４８を介して軸受メタル８８内の潤滑油が排出される構成となっている。空気の流れは実線矢印で、潤滑油の流れは点線矢印でそれぞれ図示されている。また、三重配管４６の最外周の排気配管４７を流れるシール空気は、排油配管４８及び給油配管４９を流れる潤滑油への熱の流入を抑制する役割も果たす。給油配管４９は最内周側に配置されているため、周囲温度の影響を最も受け難くなっている。なお、ストラット４４は空洞になっているので、ストラット４４内において、図４に矢印で示したように、必要に応じて三重配管４６の周囲にストラット４４を冷却するための冷却空気を供給する場合もある。

上記構成の二軸式ガスタービン１の動作及び作用を以下に説明する。
圧縮機２０にて吸い込まれた空気が圧縮されると、圧縮機２０から吐出された圧縮空気が燃焼器４０に供給され燃焼器４０で燃料とともに燃焼される。これにより生じた燃焼器４０からの燃焼ガスが高圧タービン５０に供給されると、膨張する燃焼ガスによってタービン仕事が得られる（高圧タービンロータ５１の軸動力が得られる）。高圧タービン５０を出た燃焼ガスは、さらにトランジションダクト４１を通過して低圧タービン７０に流入し、この燃焼ガスが膨張することによってまたタービン仕事が得られる（低圧タービンロータ７１の軸動力が得られる）。高圧タービンロータ５１の軸動力は圧縮機ロータ２１の駆動力として、低圧タービンロータ７１の軸動力は発電機若しくはポンプ等といった適宜接続される負荷機器の駆動力として利用される。

一方、圧縮機２０で圧縮されつつある圧縮空気の一部は、抽気ポート２６で抽気され各軸受１１，１２，８１，８２等を含む二軸式ガスタービン１の各所に配管２７を介して冷却空気又はシール空気として供給される。図１には、ガスジェネレータ１０の前後の軸受１１，１２、低圧タービンロータ７１の後側軸受８２、及び低圧タービン７０の静翼（初段静翼）７４に対し配管２７を介して圧縮空気が供給される場合が図示されているが、実際には、タービンの他の静翼等にも冷却空気が供給される場合が多い。

軸受１１，１２，８２に供給された空気は軸受１１，１２，８２の軸受メタルを冷却するとともに軸受１１，１２，８２内への周囲雰囲気の流入をシールする。静翼７４に導かれた圧縮空気は、静翼７４内の空気供給系統７６を流通し静翼７４やそのダイヤフラム７８を冷却した後、ダイヤフラム７８の前後から低圧タービンロータ７１とのホイールスペースに流出し、静翼７４の前後のホイールスペースをシールしてガスパスに放出される。

このとき、本実施形態においては、可撓性を有するフレキシブル配管９０を介し、低圧タービンロータ７１の前側軸受８１の軸受箱８３内に低圧タービン７０の初段静翼７４内の空気供給系統７６を流通する圧縮空気の一部が供給される。

軸受箱８３内に流入した圧縮空気の一部はパッキン８７を介して軸受箱８３外に流出し、これにより軸受箱８３への周囲流体の侵入をシールする。そして、軸受箱８３から流出したシール空気は、トランジションダクト４１と隔壁４３により囲われた前側軸受８１の周囲の雰囲気を冷却し、さらにパッキン７９を介して低圧タービン初段静翼７４の後側のホイールスペースに導かれ、このホイールスペースをシールした後、ガスパスに放出される。

また、軸受箱８３内に流入した残りの圧縮空気は内箱８９内に侵入し軸受メタル８８を冷却した後、三重配管４６の最外周側の排気配管４７を介して内箱８９から排出される。このとき、三重配管４６の給油配管４９及び排油配管４８によって軸受メタル８８に対して潤滑油が供給され排出されるが、最外周の排気配管４７を流れる圧縮空気は、これら給油配管４９及び排油配管４８を流れる潤滑油を断熱する。

ここで、図５は、本発明の二軸式ガスタービンに対する比較例の全体構成の断面図であり図１に対応した図示となっている。この図５において、図１と同様の役割を果たす部分には図１と同符号を付してある。
図５に示した比較例においては、一般的な二軸式ガスタービンに多く見られるように、低圧タービンロータ７１の前側軸受８１を低圧タービン７０の最終段動翼７２ｂの後側に配置しており、スペースが創出される低圧タービン初段静翼７４の内側には隔壁４３’が設けられている。また、低圧タービンロータ７１の前側軸受８１には、他の軸受１１，１２，８２と同じように配管２７からの分岐管によって直接シール空気が供給される。

さらに、低圧タービン７０の最終段動翼７２ｂの後側に低圧タービンロータ７１の前側軸受８１が配置されているので、低圧タービンロータ７１は動翼部がオーバハングした状態となっている。そのため、低圧タービンロータ７１は軸方向の重量分布がアンバランスとなり、このアンバランスを解消するために低圧タービンロータ７１の前後軸受８１，８２の間にカウンタウェイト１００を設け軸方向の重量分布をバランスさせてある。

図５の比較例においては、低圧タービンロータ７１の動翼部がオーバハング状態であることにより高速回転時のアンバランスに対する感度が大きくなってしまうことに加え、カウンタウェイト１００を設置する分だけロータの素材費が多くかかり、また低圧タービンロータ７１の軸長が伸びガスタービンの設置面積を拡大してしまうといった不具合が生じる。

そもそも、比較例において低圧タービンロータ７１の前側軸受８１を低圧タービン最終段動翼７２ｂの後側に設置しているのは、一般的に高圧タービンと低圧タービンの間の空間は軸受の使用環境としては比較的高温高圧であり、この部位に設けた軸受にシール空気や潤滑油を供給できる構造とするとコストが高くなることによるところが大きい。

しかし図５の二軸式ガスタービンにおいて、仮に図６に示すように高圧タービン５０と低圧タービン７０間に低圧タービンロータ７１の前側軸受８１を配置しても、図示したように例えばトランジションダクト４１の内周側に空気流路７６からの圧縮空気を導く流路１０１を鋼材により画定し、さらに流路１０１と軸受箱８３とを接続する配管１０２を設ける等すれば、低圧タービン初段静翼７４を流れる圧縮空気の一部が軸受箱８３内に導かれ、軸受メタル８８の冷却及び軸受８１のシールがなされ得る。

しかしながら、軸受シール空気は軸受の潤滑油の引火点より低くなくてはならず、比較的低温の空気を導く結果、軸受８１は潤滑油の引火点より低い温度に抑えられている。そのため、図示したように高圧タービン５０と低圧タービン７０との間の空間に軸受８１を設けると、例えば静翼７４やそのダイヤフラム７８、トランジションダクト４１、隔壁４３等といったホットガス（燃焼ガス）に接する周囲の部材よりも軸受８１が必然的に低温となり、軸受８１とその周囲部材との熱伸び差が大きくなり高い熱応力が発生する。その結果、流路１０１や配管１０２等も大きな熱応力を受け、流路１０１や配管１０２の接合部からシール空気が漏洩し、結果的に軸受８１を十分に冷却しシールすることができなくなる恐れがある。かといって、熱応力緩和のため熱伸び差を吸収させるように、流路１０１や配管１０２の部材接合面に間隙（逃げ部）を設けても、シール空気が漏洩してしまう。

また、図６の構成に限らず、図５の二軸式ガスタービンにおいて図７に示すようにタービンケーシング４２の外周側から軸受箱８３に鋼管等で形成した配管１０３を接続し、この配管１０３を介し圧縮機２０から抽気した圧縮空気を軸受箱８３に供給することも考えられるが、やはり熱伸び差の問題は解消されず、配管１０３を新たに設置する分だけコストも高くつく。

それに対し、図１〜図４で説明した本実施形態の二軸式ガスタービン１においては、低圧タービンロータ７１の前側軸受８１を高圧タービン５０と低圧タービン７０との間に設け、低圧タービンロータ７１のアンバランスを解消するとともに、低圧タービン前側軸受８１の軸受箱８３と低圧タービン７０の初段静翼７４内に形成した空気供給系統７６とをフレキシブル配管９０によって接続することによって、空気冷却系統７６を流通する圧縮空気の一部を軸受８３に供給し、軸受メタル８８の冷却及び軸受８１のシールをすることができる。

このとき、本実施形態においては、空気供給系統７６と軸受８１とをフレキシブル配管９０を介して接続しているので、フレキシブル配管９０の可撓性によって軸受８１とその周辺部材との間の熱伸びさが吸収され、フレキシブル配管９０に高い熱応力が作用することもない。したがって、フレキシブル配管９０とその接続部材との間から圧縮空気が漏洩することを防止することができ、各運転条件下で確実に空気供給系統７６を流通する圧縮空気を軸受８１に供給することができる。これにより、単に空気供給系統７６と軸受８１とをフレキシブル配管９０で接続するという極めて簡素で安価な構成にあって、高圧タービン５０と低圧タービン７０との間に配置した低圧タービン前側軸受８１に対するシール空気のリーク量を最小限に抑制することができ、軸受メタル８８の冷却性及び軸受８１のシール性を十分に確保することができる。

加えて、本実施形態によれば、軸受８１の内箱８９内に十分な圧縮空気が供給されるので、三重配管４６の排気配管４７を流れる冷却空気流量も十分に確保することができ、軸受８１に給排される潤滑油の断熱効果も十分に期待することができる。

図８は本発明の二軸式ガスタービンの第２実施形態の全体構成を表す断面図、図９は第２実施形態における低圧タービンロータ７１の初段静翼７４付近の構成の拡大図で、これらの図において先の各図と同様の部分は同符号を付して説明を省略する。
図８及び図９に示すように、本実施形態の二軸式ガスタービン１Ａにおいて、ガスジェネレータ１０の後側軸受１２は高圧タービン５０の最終段動翼５２ｂの後側に、低圧タービンロータ７１の前側軸受８１は低圧タービン７０の最終段動翼７２ｂの後側にそれぞれ配置されている。すなわち、ガスジェネレータ１０は、圧縮機初段動翼２２ａの前側に設けた前側軸受１１、及び高圧タービン５０の最終段動翼５２ｂの後側に設けた後側軸受１２により回転可能に支持されている。それに対し、低圧タービンロータ７１は、低圧タービン７０の最終段動翼７２ｂの後側にそれぞれ設けた前側軸受８１及び後側軸受８２により回転可能に支持されている。本実施形態において、隔壁４３は、静翼７４の先端側（内周側）には設けたダイヤフラム７８の内周側に設けられている。

また、前述のフレキシブル配管９０と同様のフレキシブル配管９０Ａによって、高圧タービンロータ５１の後側軸受１２を低圧タービン初段静翼７４の空気供給系統７６に接続している。このフレキシブル配管９０Ａは、熱変形量を許容するように予めある程度の撓みを持たせてある。

この構成について具体的に説明すると、フレキシブル配管９０Ａの両端は、空気供給系統７６が形成されている低圧タービン初段静翼７４のダイヤフラム７８の前側に穿設した空気流出孔８４とガスジェネレータ後側軸受１２の軸受箱（外箱）１３の外周部に穿設した空気流入孔１５とに接続されている。フレキシブル配管９０Ａの両端部と空気流出孔８４、空気流入孔１５との間は空気の漏洩がないようにそれぞれシールされている。これにより、低圧タービン初段静翼７４を冷却する冷却空気若しくは低圧タービン初段静翼７４の前後のホイールスペースをシールするシール空気として空気供給系統７６を流れる圧縮空気の一部が後側軸受１２にシール空気として供給されるようになっている。その他の軸受１１，８１，８２には配管２７により直接シール空気が供給される。

なお、本実施形態ではフレキシブル配管９０Ａの上流側をダイヤフラム７８に接続しているが、静翼の構成はガスタービンによって異なるため、フレキシブル配管９０Ａの上流端をダイヤフラム７８に接続する構成に限定される訳ではない。要は、周囲の温度環境等を考慮に入れつつ、低圧タービン初段静翼内の空気供給系統のうち構成的に接続可能な箇所にフレキシブル配管９０Ａの上流端を適宜接続させる構成とすれば良い。また、図２に示した通り、ガスジェネレータ後側軸受１２にも、第１実施形態における低圧タービンロータ前側軸受８１と同様、ストラット４４及びストラット４５の内部に通された三重配管４６が接続されている。

本実施形態においても、前述した第１実施形態と同様、フレキシブル配管９０Ａを介して軸受箱１３に流入したシール空気のうち、一部は軸受箱１３内の内箱１９と低圧タービンロータ７１間をシールするパッキンを介して軸受メタル１８側に流入して軸受メタル１８を冷却し、残りは軸受箱１３とロータ間をシールするパッキンを介して軸受箱１３の外側に流出し軸受１２をシールする。この軸受箱１３から流出したシール空気は、図９に示したようにトランジションダクト４１と高圧タービン最終段動翼５２ｂとの間を通過し、高圧タービン最終段動翼５２ｂの後側のロータシール空気として利用された後、ガスパスに流出する。また、ガスジェネレータ後側軸受１２の周辺は隔壁４３とトランジションダクト４１で囲われてホットガス（燃焼ガス）の流入が防止されており、軸受箱１３周辺は軸受箱１３から流出したシール空気で満たされるため、軸受箱１３の温度上昇も抑制される。

本実施形態によれば、ガスジェネレータ１０の後側軸受１２を高圧タービン５０と低圧タービン７０との間に設け、ガスジェネレータ１０のアンバランスを解消するとともに、ガスジェネレータ後側軸受１２の軸受箱１３と低圧タービン７０の初段静翼７４内に形成した空気供給系統７６とをフレキシブル配管９０Ａによって接続することによって、空気冷却系統７６を流通する圧縮空気の一部を軸受１３に供給し、軸受メタル１８の冷却及び軸受１２のシールをすることができる。

このとき、本実施形態においては、空気供給系統７６とガスジェネレータ後側軸受１２とをフレキシブル配管９０Ａを介して接続しているので、フレキシブル配管９０Ａの可撓性によってガスジェネレータ後側軸受１２とその周辺部材との間の熱伸びさが吸収され、フレキシブル配管９０Ａに高い熱応力が作用することもない。したがって、フレキシブル配管９０Ａとその接続部材との間から圧縮空気が漏洩することを防止することができ、各運転条件下で確実に空気供給系統７６を流通する圧縮空気をガスジェネレータ後側軸受１２に供給することができる。これにより、単に空気供給系統７６とガスジェネレータ後側軸受１２とをフレキシブル配管９０Ａで接続するという極めて簡素で安価な構成にあって、高圧タービン５０と低圧タービン７０との間に配置したガスジェネレータ後側軸受１２に対するシール空気のリーク量を最小限に抑制することができ、軸受メタル１８の冷却性及び当該軸受１２のシール性を十分に確保することができる。

加えて、本実施形態においても、ガスジェネレータ後側軸受１２の内箱１９内に十分な圧縮空気が供給されるので、三重配管４６の排気配管４７を流れる冷却空気流量も十分に確保することができ、当該軸受１２に給排される潤滑油の断熱効果も十分に期待することができる。

本発明の二軸式ガスタービンの第１実施形態の全体構成を表す断面図である。本発明の二軸式ガスタービンの第１実施形態における低圧タービンロータの初段静翼付近の構成の拡大図である。本発明の二軸式ガスタービンの第１実施形態における低圧タービンロータの前側軸受におけるフレキシブル配管の接続部を拡大して表す拡大図である。本発明の二軸式ガスタービンの第１実施形態における低圧タービンロータの前側軸受における三重配管の接続部を拡大して表す拡大図である。本発明の二軸式ガスタービンに対する比較例の全体構成の断面図である。本発明の二軸式ガスタービンに対する比較例における低圧タービンロータの前側軸受近傍部分の一構成例の拡大図である。本発明の二軸式ガスタービンに対する比較例における低圧タービンロータの前側軸受近傍部分の他の構成例の拡大図である。本発明の二軸式ガスタービンの第２実施形態の全体構成を表す断面図である。本発明の二軸式ガスタービンの第２実施形態における低圧タービンロータの初段静翼付近の構成の拡大図である。

符号の説明

１二軸式ガスタービン
１Ａ二軸式ガスタービン
１０ガスジェネレータ
１２ガスジェネレータ後側軸受
２０圧縮機
２１圧縮機ロータ
４６三重配管
４７排気配管
４８排油配管
４９給油配管
５０高圧タービン
５１高圧タービンロータ
５２ｂ高圧タービン最終段動翼
７０低圧タービン
７１低圧タービンロータ
７２ａ低圧タービン初段動翼
７４低圧タービン初段静翼
７６空気供給系統
７８ダイヤフラム
８１低圧タービンロータ前側軸受
９０フレキシブル配管
９０Ａフレキシブル配管

Claims

吸い込んだ空気を圧縮し圧縮空気を吐出する圧縮機と、
前記圧縮機のロータに連結された高圧タービンロータを有し、前記圧縮機とともにガスジェネレータを構成する高圧タービンと、
この高圧タービンの下流側に設けられ、前記高圧タービンロータと独立して回転する低圧タービンロータを有する低圧タービンと、
この低圧タービンの初段静翼に前記圧縮機からの圧縮空気を冷却空気又はシール空気として導く空気供給系統と、
この空気供給系統と前記低圧タービンの初段動翼よりも上流側に配置した前記低圧タービンロータの前側軸受とを接続し、前記空気供給系統を流れる圧縮空気の一部を前記前側軸受に導く可撓性を有するフレキシブル配管と
を備えたことを特徴とする二軸式ガスタービン。
吸い込んだ空気を圧縮し圧縮空気を吐出する圧縮機と、
前記圧縮機のロータに連結された高圧タービンロータを有し、前記圧縮機とともにガスジェネレータを構成する高圧タービンと、
この高圧タービンの下流側に設けられ、前記高圧タービンロータと独立して回転する低圧タービンロータを有する低圧タービンと、
この低圧タービンの初段静翼に前記圧縮機からの圧縮空気を冷却空気又はシール空気として導く空気供給系統と、
この空気供給系統と前記高圧タービンの最終段動翼よりも下流側に配置した前記ガスジェネレータの後側軸受とを接続し、前記空気供給系統を流れる圧縮空気の一部を前記後側軸受に導く可撓性を有するフレキシブル配管と
を備えたことを特徴とする二軸式ガスタービン。
請求項１又は２に記載の二軸式ガスタービンにおいて、前記フレキシブル配管の上流端は、前記低圧タービンの初段静翼の先端部に設けたダイヤフラムに接続されていることを特徴とする二軸式ガスタービン。
請求項１〜３のいずれかに記載の二軸式ガスタービンにおいて、前記高圧タービン及び前記低圧タービンの間に設けた前記低圧タービンロータの前側軸受又は前記ガスジェネレータの後側軸受に接続され、これら軸受内の空気を排出する排気配管と、この排気配管内に通され前記軸受の潤滑油を排出する排油配管と、この排油配管内に通され前記軸受に潤滑油を給油する給油配管とを有する三重配管を備えていることを特徴とする二軸式ガスタービン。