JP4773804B2

JP4773804B2 - ガスタービン

Info

Publication number: JP4773804B2
Application number: JP2005332920A
Authority: JP
Inventors: 仁志森本; 弘一赤城
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: JP2007138809A; US7661270B2; US20070107438A1

Description

本発明は、圧縮した圧縮空気に燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンに関する。

例えば、ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されており、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。この場合、タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで発電機の連結される出力軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排気車室のディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。

このように構成されるタービンにて、複数の動翼が固定されるタービン軸は、入口車室側と排気車室側でそれぞれ軸受部によりケーシングに回転自在に支持されている。この場合、各軸受部には潤滑油が供給されると共に、供給した潤滑油が軸受部から流出しないように、この軸受部の近傍に多段のシールリングが設けられている。そして、圧縮機から抽出したシールエアをこのシールリングに供給することで、軸受部からの潤滑油の漏洩を抑制すると共に、軸受部への高温ガスの浸入を抑制している。

このようなガスタービンとしては、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２００５−０２３８１２号公報

上述した従来のガスタービンでは、圧縮機から抽出したシールエアをシールリングに供給することで、軸受部からの潤滑油の漏洩を抑制すると共に、軸受部への高温ガスの浸入を抑制している。ところが、ガスタービンを停止したときには圧縮機も停止するため、この圧縮機に取り込んだ空気は圧縮されず、圧縮機からシールエアのための圧縮空気を抽気することができない。そのため、シールリングにシールエアを供給することができず、周辺の高温ガスが軸受部内に侵入したり、軸受部内の潤滑油が外部に漏洩するおそれがあり、ガスタービンの停止後に軸受部の潤滑油が加熱されてしまう。すると、軸受部に供給されている潤滑油が炭化して固形化し、シールリングのシール面に潤滑油の炭化物が付着し、この炭化物がタービン軸と接触することで振動が発生するおそれがある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、軸受部に供給される潤滑油の高温化を防止することで振動の発生を抑制して信頼性の向上を図ったガスタービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明のガスタービンは、タービン軸を回転自在に支持する排気側軸受部と、該排気側軸受部の潤滑油の漏洩を阻止すると共に該排気側軸受部内への高温ガスの侵入を阻止するシールエアを供給するシールエア供給路と、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を前記シールエア供給路に供給可能な第１エア供給手段と、外部の補助エア源からの圧縮空気を前記シールエア供給路に供給可能な第２エア供給手段と、前記ガスタービンのキャビティ温度と運転負荷とタービン回転数とに基づいて前記第１エア供給手段と第２エア供給手段とを切換える制御装置とを具え、前記制御装置は、前記ガスタービンの稼動時に前記第１エア供給手段により圧縮空気を前記シールエア供給路に供給する一方、前記ガスタービンへの燃料供給が停止したときに前記第２エア供給手段により圧縮空気を前記シールエア供給路に供給し、ガスタービンが停止した時間から前記キャビティ温度が定められた温度に低下するまでの所定時間が経過した後、前記シールエア供給路への圧縮空気の供給を停止する、ことを特徴とするものである。

請求項１の発明のガスタービンによれば、タービン軸を回転自在に支持する排気側軸受部の潤滑油の漏洩を阻止すると共に、この排気側軸受部内への高温ガスの侵入を阻止するシールエアを供給するシールエア供給路を設けると共に、圧縮機から抽気した圧縮空気をシールエア供給路に供給可能な第１エア供給手段と、外部の補助エア源からの圧縮空気をシールエア供給路に供給可能な第２エア供給手段とを設け、エア切換手段によりキャビティ温度と運転負荷とタービン回転数とに基づいて第１エア供給手段と第２エア供給手段とを切換え可能とし、且つ、ガスタービンの稼動時に第１エア供給手段により圧縮空気をシールエア供給路に供給する一方、ガスタービンへの燃料供給が停止したときに第２エア供給手段により圧縮空気をシールエア供給路に供給し、ガスタービンが停止した時間からキャビティ温度が定められた温度に低下するまでの所定時間が経過した後、シールエア供給路への圧縮空気の供給を停止するので、ガスタービンの運転状態に応じて第１エア供給手段または第２エア供給手段により圧縮空気をシールエア供給路に供給し、必要時に、このシールエア供給路から所定の位置に確実にシールエアを供給することができ、排気側軸受部の潤滑油の漏洩を阻止すると共に、この排気側軸受部内への高温ガスの侵入を阻止し、高温ガスによる潤滑油の高温化を防止することができ、排気側軸受部の潤滑油が炭化することはなく、タービン軸での振動の発生を抑制し、信頼性の向上を図ることができる。

この場合、ガスタービンの通常運転時には、第１エア供給手段により圧縮機から抽気した圧縮空気をシールエア供給路に供給する一方、ガスタービンの停止時には、第２エア供給手段により補助エア源からの圧縮空気をシールエア供給路に供給することとなり、必要時に、このシールエア供給路から所定の位置に確実にシールエアを供給することで、排気側軸受部の潤滑油の漏洩を阻止すると共に、この排気側軸受部内への高温ガスの侵入を阻止し、高温ガスによる潤滑油の高温化を適正に防止することができる。

また、ガスタービンの通常状態からガスタービンへの燃料供給が停止して稼動が停止したときに、制御装置は第１エア供給手段から第２エア供給手段に切換え、圧縮空気を継続してシールエア供給路に供給することができ、高温ガスによる潤滑油の高温化を適正に防止することができる。

また、ガスタービンが停止して第２エア供給手段により圧縮空気をシールエア供給路に供給してから所定時間が経過した後、シールエア供給路への圧縮空気の供給を停止するので、排気側軸受部の温度が停止した後のシールエアの無駄な供給を防止することができる。

また、排気側軸受部の高温化を確実に検出して制御装置により切換えることで、高温ガスによる潤滑油の高温化を確実に防止することができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係るガスタービンの制御装置を表す概略構成図、図２は、ガスタービンの停止時における運転制御及び運転状態の変化を表すグラフ、図３は、本実施例のガスタービンの概略構成図である。

本実施例のガスタービンは、図３に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３と排気室１４により構成され、このタービン１３に図示しない発電機が連結されている。この圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と動翼１８が交互に配設されてなり、その外側に抽気マニホールド１９が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナーで点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と動翼２２が交互に配設されている。排気室１４は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２３を有している。また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室１４の中心部を貫通するようにロータ（タービン軸）２４が位置しており、圧縮機１１側の端部が軸受部２５により回転自在に支持される一方、排気室１４側の端部が軸受部２６により回転自在に支持されている。そして、このロータ２４に複数のディスクプレートが固定され、各動翼１８，２２が連結されると共に、空気取入口１５側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

従って、圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気が、複数の静翼２１と動翼２２を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２１と動翼２２を通過することでロータ２４を駆動回転し、このロータ２４に連結された発電機を駆動する一方、排気ガスは排気室１４の排気ディフューザ２３で静圧に変換されてから大気に放出される。

ところで、このように構成されたガスタービン排気室１４側では、圧縮機１１から抽出した圧縮空気をシールエアとしてシールリングに供給することで、排気側軸受部２６からの潤滑油の漏洩を防止すると共に、排気側軸受部２６への高温ガスの浸入を防止しているが、ガスタービンを停止すると、圧縮機１１からシールエアのための圧縮空気を抽気することができない。そのため、シールリングにシールエアを供給することができず、周辺の高温ガスが軸受部内に侵入したり、軸受部内の潤滑油が外部に漏洩して排気側軸受部２６が加熱される。すると、この軸受部２６に供給されている潤滑油が炭化して固形化し、潤滑油の漏洩を防止しているシールリングのシール面に潤滑油の炭化物が付着し、この炭化物がロータ２４と接触することで振動が発生するおそれがある。

そこで、本実施例のガスタービンでは、圧縮機１１から抽気した圧縮空気をシールエア供給路に供給可能な第１エア供給手段と、外部の補助エア源からの圧縮空気をシールエア供給路に供給可能な第２エア供給手段とを設け、制御装置（エア切換手段）によりガスタービンの運転状態に基づいて第１エア供給手段と第２エア供給手段とを切換可能としている。以下、本実施例を具体的に説明する。

本実施例のガスタービンにおいて、図１に示すように、ロータ２４は、排気側軸受部２６を構成するジャーナル軸受３１を介して軸受箱３２により回転自在に支持されており、このジャーナル軸受３１に対して潤滑油が供給されている。この軸受箱３２の端部には、４つのシールリング３３，３４，３５，３６が所定間隔をもって固定され、各シールリング３３，３４，３５，３６の内周部にシール部材３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａが装着され、ロータ２４の外周面と微小隙間をもって位置している。そして、中央のシールリング３４に、シールエアを供給するシールエア供給孔３７が径方向に沿って形成され、基端部にシールエア配管３８が連結される一方、先端部がシール部材３４ａシール面に開口している。

このシールエア配管３８は、中途部にレデューサ３９を有し、切換弁４０を介して第１エア供給配管（第１エア供給手段）４１と第２エア供給配管（第２エア供給手段）４２の先端部が連結されている。この第１エア供給配管４１は、中途部にレデューサ４３を有し、基端部が圧縮機１１の抽気マニホールド１９に連結され、抽気した所定圧力のエアをシールエア配管３８に供給可能となっている。一方、第２エア供給配管４２は、中途部に開閉弁４４を有し、基端部がガスタービンが設置された建屋内の補助エア源４５に連結され、所定圧力のエアをシールエア配管３８に供給可能となっている。そして、制御装置（エア切換手段）４６は、ガスタービンの運転状態に基づいて切換弁４０を切換え制御可能であると共に、開閉弁４４を開閉制御可能となっている。

従って、ガスタービンの運転時には、制御装置４６が切換弁４０により第１エア供給配管４１とシールエア配管３８とを連通すると共に、第２エア供給配管４１とを遮断し、且つ、開閉弁４４を閉止することで、圧縮機１１の抽気マニホールド１９から抽気した圧縮空気が第１エア供給配管４１及びシールエア配管３８を通してシールエア供給孔３７に導入され、シールリング３４のシール部材３４ａにシールエアを供給する。この供給されたシールエアは、シールリング３４におけるシール部材３４ａのシール面とロータ２４の外周面を通って軸受箱３２の外側のシールリング３３側と、内側のシールリング３５側に流動する。すると、中央のシールリング３４から軸受箱３２の外側のシールリング３３側に流動したシールエアにより、軸受箱３２内への高温の排気ガスの浸入を阻止することができる。一方、中央のシールリング３４から軸受箱３２の内側のシールリング３５側に流動したシールエアにより、ジャーナル軸受３１からの潤滑油の漏洩を阻止することができる。

そして、ガスタービンの停止時には、制御装置４６が切換弁４０により第２エア供給配管４２とシールエア配管３８とを連通すると共に、第１エア供給配管４１とを遮断し、且つ、開閉弁４４を開放することで、補助エア源４５からの圧縮空気が第２エア供給配管４２及びシールエア配管３８を通してシールエア供給孔３７に導入され、シールリング３４のシール部材３４ａにシールエアを供給する。この供給されたシールエアは、シールリング３４におけるシール部材３４ａのシール面とロータ２４の外周面を通って軸受箱３２の外側のシールリング３３側と、内側のシールリング３５側に流動する。すると、中央のシールリング３４から軸受箱３２の外側のシールリング３３側に流動したシールエアにより、軸受箱３２内への高温の排気ガスの浸入を阻止することができる。一方、中央のシールリング３４から軸受箱３２の内側のシールリング３５側に流動したシールエアにより、ジャーナル軸受３１からの潤滑油の漏洩を阻止することができる。

ここで、上述したガスタービンの運転状態に応じた制御装置４６によるシールエアの切換制御について具体的に説明する。

図１及び図２に示すように、ガスタービンの運転時には、燃料供給が実行（ＯＮ）されると、制御装置４６は、切換弁４０をＯＮしてシールエア配管３８を第１エア供給配管４１と連通し、開閉弁４４を閉止（ＯＦＦ）する。従って、タービン回転数Ｎは所定の回転数に維持されると共に、ガスタービン負荷（圧力）Ｆも所定の負荷に維持される。このとき、圧縮機１１の抽気マニホールド１９から抽気した圧縮空気が第１エア供給配管４１、シールエア配管３８、シールエア供給孔３７からシールリング３４にシールエアとして供給され、軸受箱３２内への高温の排気ガスの浸入を阻止すると共に、ジャーナル軸受３１からの潤滑油の漏洩を阻止するため、高温の排気ガスにより潤滑油が加熱されることはなく、キャビティ温度Ｔは所定の温度に維持される。

そして、この運転状態からガスタービンを停止するために、時間ｔ１にて、燃料供給が停止（ＯＦＦ）されると、制御装置４６は、切換弁４０をＯＦＦしてシールエア配管３８を第２エア供給配管４２と連通し、開閉弁４４を開放（ＯＮ）する。従って、タービン回転数Ｎが低下すると共に、ガスタービン負荷（圧力）Ｆも低下する。このとき、補助エア源４５からの圧縮空気が第２エア供給配管４２、シールエア配管３８、シールエア供給孔３７からシールリング３４にシールエアとして供給され、軸受箱３２内への高温の排気ガスの浸入を阻止すると共に、ジャーナル軸受３１からの潤滑油の漏洩を阻止するため、高温の排気ガスにより潤滑油が加熱されることはなく、キャビティ温度Ｔは徐々に低下する。一方、従来のように、補助エア源４５からの圧縮空気をシールエアとしてシールリング３４に供給しないと、軸受箱３２内への高温の排気ガスの浸入が阻止されず、ジャーナル軸受３１からの潤滑油の漏洩を阻止できないため、高温の排気ガスにより潤滑油が加熱されてキャビティ温度Ｔ₀が上昇してしまう。

そして、ガスタービンが停止した時間ｔ１から所定時間ｔｐ（例えば、１５分）が経過した時間ｔ２になると、制御装置４６は、開閉弁４４を閉止（ＯＦＦ）する。従って、補助エア源４５からシールエア配管３８への圧縮空気の供給が停止される。このとき、キャビティ温度Ｔが十分に低下しているため、排気ガスにより潤滑油が加熱されることはない。

このように本実施例のガスタービンの制御装置にあっては、ロータ２４を回転自在に支持する排気側軸受部２６の潤滑油の漏洩を阻止すると共に、この排気側軸受部２６内への高温ガスの侵入を阻止するシールエアを供給するシールエア供給孔３７を設けてシールエア配管３８を連結すると共に、圧縮機１１から抽気した圧縮空気をシールエア配管３８に供給可能な第１エア供給配管４１と、補助エア源４５からの圧縮空気をシールエア配管３８に供給可能な第２エア供給配管４２を設け、制御装置４６によりガスタービンの運転状態に基づいて第１エア供給配管４１と第２エア供給配管４２とを切換可能としている。

従って、ガスタービンの運転状態に応じて第１エア供給配管４１または第２エア供給配管４２により圧縮空気をシールエア供給孔３７に供給し、必要時に、所定の位置に確実にシールエアを供給することができ、排気側軸受部２６からの潤滑油の漏洩を阻止すると共に、この排気側軸受部２６内への高温ガスの侵入を阻止し、高温ガスによる潤滑油の高温化を防止することができ、排気側軸受部２６の潤滑油が炭化することはなく、ロータ２４での振動の発生を抑制し、信頼性の向上を図ることができる。

また、制御装置４６は、ガスタービンの正常運転時に、第１エア供給配管４１により圧縮空気をシールエア供給孔３７に供給する一方、ガスタービンの停止時に第２エア供給配管４２により圧縮空気をシールエア供給孔３７に供給するようにしている。従って、ガスタービンの通常運転時には、圧縮機１１から抽気した圧縮空気をシールリング３４に供給する一方、ガスタービンの停止時には、補助エア源４５からの圧縮空気をシールリング３４に供給することとなり、必要時に、このシールエアを所定の位置に確実に供給することで、排気側軸受部２６からの潤滑油の漏洩を阻止すると共に、この排気側軸受部２６内への高温ガスの侵入を阻止し、高温ガスによる潤滑油の高温化を適正に防止することができる。

更に、制御装置４６は、ガスタービンへの燃料供給が停止したときに、切換弁４０を作動して第２エア供給配管４２により圧縮空気をシールエア供給孔３７に供給するようにしている。従って、ガスタービンの通常状態からガスタービンへの燃料供給が停止して稼動が停止したときに、シールエアの供給源を切換えることで、圧縮空気をシールエアとして継続してシールリング３４に供給することができ、高温ガスによる潤滑油の高温化を適正に防止することができる。

また、ガスタービンが停止し、第２エア供給配管４２により圧縮空気をシールエア供給孔３７に供給してから所定時間が経過した後は、シールエア供給孔３７への圧縮空気の供給を停止している。従って、排気側軸受部２６の温度が停止した後のシールエアの無駄な供給を防止することができる。

なお、上述した実施例では、ガスタービンへの燃料供給が停止したときに、シールエアの供給源を圧縮機１１から補助エア源４５に切換えるようにしたが、この方法に限らず、ガスタービンが停止したとき、または停止して所定時間が経過した後、キャビティ温度、運転負荷、タービン回転数の少なくともいずれか一つが所定値以下になったときに、シールエアの供給源を圧縮機１１から補助エア源４５に切換えるようにしてもよい。

本発明に係るガスタービンは、タービン軸を支持する排気側軸受部に確実にシールエアを供給して潤滑油の高温化による劣化を防止するものであり、いずれの種類のガスタービンにも適用することができる。

本発明の一実施例に係るガスタービンの制御装置を表す概略構成図である。ガスタービンの停止時における運転制御及び運転状態の変化を表すグラフである。本実施例のガスタービンの概略構成図である。

符号の説明

１１圧縮機
１２燃焼器
１３タービン
１４排気室
２０タービン車室
２１タービン静翼
２２タービン動翼
２３排気ディフューザ
２４ロータ（タービン軸）
２５圧縮側軸受部
２６排気側軸受部
３１ジャーナル軸受
３２軸受箱
３３，３４，３５，３６シールリング
３７シールエア供給孔
３８シールエア配管
４０切換弁
４１第１エア供給配管
４２第２エア供給配管
４４開閉弁
４５補助エア源
４６制御装置（エア切換手段）

Claims

タービン軸を回転自在に支持する排気側軸受部と、該排気側軸受部の潤滑油の漏洩を阻止すると共に該排気側軸受部内への高温ガスの侵入を阻止するシールエアを供給するシールエア供給路と、前記圧縮機から抽気した圧縮空気を前記シールエア供給路に供給可能な第１エア供給手段と、外部の補助エア源からの圧縮空気を前記シールエア供給路に供給可能な第２エア供給手段と、前記ガスタービンのキャビティ温度と運転負荷とタービン回転数とに基づいて前記第１エア供給手段と第２エア供給手段とを切換える制御装置とを具え、
前記制御装置は、前記ガスタービンの稼動時に前記第１エア供給手段により圧縮空気を前記シールエア供給路に供給する一方、前記ガスタービンへの燃料供給が停止したときに前記第２エア供給手段により圧縮空気を前記シールエア供給路に供給し、
ガスタービンが停止した時間から前記キャビティ温度が定められた温度に低下するまでの所定時間が経過した後、前記シールエア供給路への圧縮空気の供給を停止する、
ことを特徴とするガスタービン。