JP4754156B2 - ガスタービンのクッションのドレン及び冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の主題は、ガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムである。
【０００２】
【従来の技術】
公知のように、ガスタービンは、圧縮機を有し、この圧縮機に外気が供給されて圧力を増大される。
【０００３】
加圧された空気は、ノズルで終わる一連の燃焼チャンバに流れ込み、各燃焼チャンバにおいてインジェクタが燃料を供給し、該燃料は空気と混合して燃焼のための空気燃料混合気を形成する。
【０００４】
次いで、燃焼ガスはタービンに送られ、該タービンが、上記の燃焼チャンバ内で燃焼されたガスの熱含量をユーザに利用可能な機械的エネルギーに変換する。
【０００５】
二本シャフト式ガスタービンは、ガス発生器と、異なる速度で回転する独立したシャフトを備える出力タービンとを有する。
【０００６】
出力ロータは、一端で低圧タービンディスクを支持しかつ他端で荷重フランジを支持するシャフトから構成される。
【０００７】
ガス発生器内で発生した高温ガスは、低圧タービンによりユーザに利用可能な動力に変換されなければならない。
【０００８】
低圧ノズルは、高温ガスをロータブレードに向けて加速しかつ方向付けて、有用な動力をタービンのシャフトに伝達する。
【０００９】
本発明に関連する技術的な問題をより良く理解するために、ここで、その高級技術水準について、特に図１を参照して以下に説明する。
【００１０】
図１は、公知技術の二本シャフト式タービンに関する、全体を符号３０で示したガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムを表わしている。
【００１１】
この場合、出力ロータは、それぞれ符号１７及び１８で示した一対のクッション上に載置されている。
【００１２】
クッション１７及び１８のヒール部は、クッション支持ユニットにより支持されている剛性支持体（クッションユニット）に取り付けられる。
【００１３】
クッションユニットは、クッション支持ユニットと一体になっている場合もあることに注目されたい。
【００１４】
潤滑オイル及びシャフト上のシールを加圧するための空気がその中を流れる、クッション１７及び１８の供給パイプ３１及び３２は、荷重フランジに隣接する領域に取り付けられる。
【００１５】
各クッション１７及び１８は、少なくとも１つのオイル供給パイプ３１と、シールのバリヤ空気用のパイプ６０と、潤滑オイル及びオイル蒸気を含むシール用空気の両方に共通なドレンパイプ３２とを有する。
【００１６】
実際に、オイル及びバリヤ空気の供給及び排出領域は、ドレン・ディフューザ３４の内部に位置しており、該ドレン・ディフューザの通常断熱されている壁面３３は、熱ブリッジが発生するが排除する実際的な手段が全くないため非常に高温の領域となるので、このオイル及びバリヤ空気の供給及び排出領域は、「困難な環境」である。
【００１７】
万一オイルが漏れた場合には、断熱材は、結果として生じる煙又は炎の放出で充満された状態になる可能性がある。
【００１８】
更に、ごく最近設計されたタービンでは、構造変更が行われ、その結果、連結領域が一層アクセスし難くかつ一層狭くなっている。
【００１９】
従って、潤滑オイル及び加圧空気は、固定シール（ステータ部品間の接合部）を通してのオイルの漏れ（又は、ドレンパイプの場合におけるオイル蒸気を含有する空気の漏れ）を回避するように供給されなければならない。
【００２０】
特に小型低出力のガスタービンの場合には、クッション１７及び１８の大きさ、シールの大きさ、及びクッション１７及び１８自体を支持するユニットの大きさをできるだけ制限するように試みる必要もある。
【００２１】
オイルを排出す際に考慮すべきもう１つの重要な観点は、オイルが達する可能性がある最大温度である。
【００２２】
事実、潤滑オイルは、過度の高温に達しないようにしなくてはならず、さもないとそれ自体の物理的な能力及び特性を劣化及び喪失する。
【００２３】
クッションを支持するユニットであるタービンの内部ユニットは、コストを制限するために高温に耐えられない材料（例えば、鋳鉄）から作られているが、該内部ユニットは、高温のガスがその中を流れるドレン・ディフューザ３４を支持している。
【００２４】
従って、タービンのドレン装置の内側部分は、断熱層で覆われており、温度を低く保つために装置自体に対する冷却システムが常に設けられている。
【００２５】
しかしながら、おおまかに言えば、出力タービンにおいて、クッションハウジングは、次の方法で設置されていることが認められる。
【００２６】
第１の例では、別々のクッションハウジングが設けられ、シャフトを貫通させると該クッションハウジングの各々が２つの端部シールを持つようになり、また通常はドレンパイプ内に収容されている潤滑オイルを運ぶパイプと加圧空気パイプとが設けられる。
【００２７】
２つのクッションハウジングは、クッションハウジングとドレン装置との間の膨張差を考慮に入れた適当な取り付け状態で、しかしながらシャフトをガス流路と同軸に維持して、タービンのドレン装置内に取り付けられる。
【００２８】
第２の例では、クッションは、シャフト支持ユニットである共通ユニット内に直接取り付けられ、該共通ユニットは次にドレン装置に固定される。
【００２９】
供給パイプには、通常は支持及びスラストの複合クッションであるクッション１８の領域においてフランジが設けられ、オイル及び加圧空気を供給するための連結は、ユニット内のパイプを介して行われ、また、クッション１７からオイルを戻すのは、シャフト支持ユニットの底部に流すことによって行われ、該シャフト支持ユニットの底部において、戻りオイルはクッション１８から排出されるオイルと合流する。
【００３０】
オイルを中央ユニットハウジング内に運ぶドレンパイプとの連結部は、クッション１８の領域内に位置する。
【００３１】
公知技術の第３の例は、タービンのドレン装置に直接取り付けられた、そのうち２つは支持クッションであり、１つはスラストクッションである３つのクッションを備える。この場合、ドレン装置は、クッションから排出されたオイルを収集する能力を有するように構成される。
【００３２】
タービンのドレン装置は、シャフト支持ユニットとドレン装置自体の組合せであると考えられ、供給流体の連結部は、クッション１８の領域内に設置される。
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、潤滑及び冷却オイルの循環をより効率的にすることによって、ごく最近設計されたタービンにおいて利用できるスペースがますます制限されてきていることを考慮しながら、パイプの設計をより合理的にすることを可能にする、ガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムを作製することである。
【００３４】
本発明の別の目的は、タービンのドレン装置の内部表面温度を低下させ、オイル自体の温度の著しくかつ有害な上昇を回避することができるような適当な冷却効果を生じるのに役立つ、ガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムを作製することである。
【００３５】
本発明の別の目的は、高いレベルの効率及び機械的信頼性をもたらすと共に価格レベルにおいても有利である、ガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムを作製することである。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
これら及び他の目的は、幾つかのスポークにより互いに連結された実質的に同心の２つのリングからなるドレン装置を有し、該ドレン装置の内部にクッションと組み合わされたロータシャフトが設けられているガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムであって、潤滑及び冷却オイルが、少なくともスポークの１つの内側に設置された第１のパイプによりガスタービンのドレン装置に供給され、また少なくともスポークの別の１つの内側に設置された第２のパイプにより排出されることを特徴とするクッションのドレン及び冷却システムによって、満たされる。
【００３７】
本発明の特定の形態において、上記のドレンパイプの１つにおけるセクションは、ガスタービンのドレン装置の内部に通る。
【００３８】
本発明の別の好ましい形態によると、潤滑及び冷却オイルは、その各々がスポークの１つの内側に設置されている少なくとも一対のパイプにより排出され、上記のパイプは、その温度が高くなる可能性がある領域を通り抜けるとき適当に断熱されている。
【００３９】
より具体的には、オイル供給パイプは、タービンのドレン装置の内部に達し、上記のタービンの第３及び第４のクッションにオイルを供給する別の２つのパイプに分かれている。
【００４０】
本発明の別の好ましい形態によると、クッションのスラスト軸受は、高い周速度でオイルを引き寄せ、該オイルのエネルギーレベルを増大させて、スポークの内側に設置された上記のパイプの少なくとも１つを通してオイルを排出するように加速された噴流を生成する。
【００４１】
本発明の更なる特徴は、本特許出願に添付された特許請求の範囲内に記載されている。
【００４２】
本発明の更なる目的及び利点と共にその構造及び機能の特徴は、以下の説明及び単に例示のためであって限定する意味ではない実施例として示す添付図面を精査することで明らかになるであろう。
【００４３】
【発明の実施の形態】
ここで特に図２を参照すると、本発明による二本シャフト式ガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムが、全体として符号１０で示されている。
【００４４】
図２において、そのうちのスポーク１２及び１３を図２に見ることができる６つのスポークにより連結された実質的に同心の２つのリング４０及び４１からなる。
【００４５】
ドレン装置１１の内部にロータシャフト１９が設けられ、該ロータシャフト１９は中でもクッション１７及び１８と組み合わされる。
【００４６】
要約すると、本発明は、ガスタービンのドレン装置１１の内側部分４１をその外側部分４０に連結する６つのスポークを通してオイルを排出する革新的なシステムによって、公知技術の問題点を解決する。
【００４７】
言い換えれば、適当に断熱された壁面４３を有するドレン・ディフューザ４４を通り抜ける連結部を設置するのに選択がなされるということである。
【００４８】
オイルは、タービンのドレン装置１１のスポーク１２を貫通するパイプ１４を通して供給される。
【００４９】
図２はまた、供給装置からドレン装置１１内に入り排出されるオイルの経路を矢印により示している。
【００５０】
オイルパイプ２０及び１４は、２５０℃を上回る温度の領域を通り抜けるとき、オイルがこのような温度に達した場合オイルが劣化することになるので、それらオイルパイプは適当に断熱される。
【００５１】
オイル供給パイプ、すなわちパイプ１４は、タービンのドレン装置１１の内部に達し、ここで別の２つのパイプ１５及び１６（断熱されていない）に分かれて、これらパイプ１５及び１６は、それぞれ符号１７及び１８により示す第３及び第４のクッションにオイルを供給する。
【００５２】
クッション１７のシール用空気は、適当な長手方向の孔（簡単にするために添付の図には表わしていない）を通って流れる。
【００５３】
シール用空気は、ドレン・ディフューザ領域４４に空気を供給する従来の手段によりクッション１８に到達する。
【００５４】
クッション１７とクッション１８のどちらも、タービンのドレン装置１１の内部に面する側面上にはバリヤシールを備えていない。
【００５５】
この理由のために、クッション１７及び１８に送られ（それらの所要量に対して過大な量であっても）、クッションユニット１７及び１８とロータシャフト１９との間にある間隙から流出するオイルは、遠心力を受けてドレン装置の内壁面に吹き付けられる。
【００５６】
タービンのドレン装置１１の内部温度は、オイルの冷却効果（断熱層の厚さに対応する値）がなければ、推定値１５０℃又はそれ以上と確かに非常に高くなるが、クッション（おおよそ８０℃の温度）からのオイルを用いて行なわれるこのウォッシングにより、該タービンのドレン装置は、顕著に冷却されるということを認識することが重要である。
【００５７】
ドレン装置１１に吹き込まれるオイルの量は、オイル自体の温度に顕著な上昇を生じないほどの量である。
【００５８】
次いでオイルは、タービンのドレン装置１１の底部の内側部分内に蓄積して、次にスポーク内に設けられたれ２つのパイプにより機械の外部に運ばれるが、該スポークのうちのスポーク１３のパイプ２０が図２に示されている。
【００５９】
図２にはまた、ドレンパイプ２１が示されており、該ドレンパイプ２１の一部はドレン装置１１の内部に設置され、また一部はスポークの１つの内側に設置されている。
【００６０】
スペースの理由から、上記のパイプ２０及び２１の直径は制限されるが、タービンのドレン装置１１内に収集されたオイルは、以下の３つの基本的な理由により全て排出される必要がある。
【００６１】
第一に、オイルがタービンのドレン装置１１内に長期間残るとなれば、過度の加熱により劣化することになる。
【００６２】
第二に、オイルの液面レベルがロータに達するとなれば、このことは、エネルギーの消散が著しく増大することになり、動的問題を生じる可能性がある。
【００６３】
最後に、オイルがクッションシールの高さに達すれば、オイルはシール自体を通り抜けて、タービン内で膨張を完了した高温ガスが通る主流路内に流れ込み、或いはドレンフランジ２２の領域内に、従ってドレン・ディフューザ内に流れ込む。
【００６４】
いずれの場合においても、オイルの流れは機械火災を引き起こす。
【００６５】
この問題は、クッション１８のスラスト軸受２３がオイル自体に対して与えることができるエネルギーを利用することによって解決された。
【００６６】
実際には、スラスト軸受２３が、高い周速度（１２０ｍ／ｓ）でオイルを引き寄せ、オイルのエネルギーレベル（言い換えれば運動エネルギー）を増大させる。
【００６７】
この運動エネルギーは、図２のパイプ２１により用いられて、オイルを排出するように加速された噴流（すなわち放出噴流）を生じる。
【００６８】
本発明の優先的な解決策では、特に経済的観点から、スポーク１３の内部の単一ドレンパイプとして単一のパイプ２０を用いることを推奨するが、その理由は、実際には、単一のパイプ２０があればタービンのドレン装置１１内にあるオイルを排出すのに十分であるからである。
【００６９】
始動、停止及び潤滑冷却段階において、オイルの位置エネルギー（すなわち、その液面レベル）は、２つのドレンパイプ２０及び２１に沿った供給損失を克服し上記の問題を防止することができるヘッドを保証するのに十分である。
【００７０】
明らかなように、これらの段階の間には、オイルの液面レベルは、正常の運転状態、つまり機械のシャフト１９が回転しているときの状態よりも高い。
【００７１】
以上の説明から、本発明の主題である、ガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムの特徴は、その利点と共に明らかである。
【００７２】
上記の利点をより正確にかつ明確にするために、以下の結びの解説及び所見を記す。
【００７３】
この装置を実施することにより、潤滑オイルは、スポークを通して供給されかつ排出されるので、オイルのより効率的な循環が得られると同時に、タービンのドレン領域内部の縮小された利用可能な空間をより合理的に使用することができる。
【００７４】
その上、スラスト軸受２３により与えられる運動エネルギーを利用してオイルに圧力を加えることが、成功裏に行える。
【００７５】
本発明の主題であるガスタービンのクッションのドレン及び冷却システムは、説明した発明概念に固有の革新的な原理から離れることなく、多くの方法で変更することができることは明らかである。
【００７６】
最後に、本発明の実施においては、説明した細部における全ての材料、寸法、及び形状は、必要に応じて用いることができ、また技術的観点から等価である他の要素に置き換えることができることは明らかである。
【００７７】
本発明の技術的範囲は、添付する特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 高級技術水準に属するタービンのクッションのドレン及び冷却システムを見ることができる、二本シャフト式タービンの細部を示す断面図。
【図２】 本発明によるタービンのクッションのドレン及び冷却システムを見ることができる、二本シャフト式タービンの細部を示す断面図。
【符号の説明】
１０ ドレン及び冷却システム
１１ ドレン装置
１２、１３ スポーク
１４ 第１のパイプ
１５、１６ 別のパイプ
１７、１８ クッション
１９ ロータシャフト
２０、２１ ドレンパイプ
４０、４１ リング
４３ 断熱された壁面
４４ ドレン・ディフューザ

Claims (5)

1. ガスタービンのためのドレン及び冷却システム（１０）であって、
   前記ガスタービンは、一対のクッション（１７、１８）上に回転可能に載置されたロータシャフト（１９）と、同心の２つのリング（４０、４１）からなるドレン装置（１１）とを含み、前記一対のクッションは、その外側から空気を供給する手段によってシール用空気を供給され、前記２つのリングはそれぞれ前記ドレン装置の外側部分と内側部分を構成し、該ドレン装置の前記内側部分は複数のスポーク（１２、１３）により連結されており、
   潤滑及び冷却オイルが、前記ドレン装置の第１のスポーク（１２）の内側に設置された少なくとも１つの第１のパイプ（１４）から供給され、
   前記オイルは、前記一対のクッションの間において、前記ロータシャフト（１９）が配置された前記ドレン装置の内壁面に吹き付けられ、前記ドラム装置の第２のスポーク（１３）の少なくとも一部が前記ドレン装置の内側に設置された少なくとも１つの第２のパイプ（２０、２１）によって排出される
   ことを特徴とするドレン及び冷却システム（１０）。
2. 前記一対のクッションを支持するタービンの内部ユニットが鋳鉄から作られており、
   前記ドレン装置の内側部分は、断熱層で覆われていることを特徴とする請求項１に記載のドレン及び冷却システム（１０）。
3. 前記第１のパイプ（１４）及び第２のパイプ（２０、２１）は、断熱されていることを特徴とする請求項１に記載のドレン及び冷却システム（１０）。
4. 前記第１のパイプ（１４）は、前記ドレン装置（１１）の内の別の２つの第３のパイプ（１５、１６）に分かれ、該第３のパイプは、前記一対のクッション（１７、１８）にオイルを供給し、断熱されていないことを特徴とする請求項１に記載のドレン及び冷却システム（１０）。
5. スラスト軸受（２３）が、前記クッション（１８）のうちの１つに備えられることを特徴とする請求項１に記載のドレン及び冷却システム（１０）。

Images