JP4847478B2 - ガスタービン発電設備の軸受装置及びガスタービン発電設備 - Google Patents

ガスタービン発電設備の軸受装置及びガスタービン発電設備 Download PDF

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Description

本発明は、店舗や病院等に設置される自家発電設備として好適なガスタービン発電設備の軸受装置及びガスタービン発電設備に関する。
例えば自家発電設備として用いられるガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスで回転駆動するタービンと、このタービンの回転動力を電気エネルギに変換する発電機とを備えており、例えば圧縮機の羽根車、タービンの羽根車、及び発電機の回転子が同じ回転軸に連結されている。そして、例えば回転軸を回転可能に支持する軸受として油潤滑式のものを採用する場合、軸受は、潤滑油が蒸発するような高温部（例えば圧縮機及びタービン）には設けられないため、発電機の回転子の軸方向両外側に配設している。そのため、圧縮機の羽根車及びタービンの羽根車を軸受間の外側に配置したオーバーハング状態で高速回転させることとなり、回転軸の固有振動特性として曲げ振動モードの固有振動数を通過しなければならなかった。また、潤滑油の粘性によって軸受の動力損失が大きくなり、さらに潤滑油を供給するポンプの動力も大きくなって補機用電力の消費が増大し、発電効率を低下させていた。
そこでこれに対応するため、例えば、軸受の外周部に対向する静止部に形成したＯリング溝にＯリングを嵌合して軸受を弾性支持するとともに、Ｏリング溝の間に環状隙間を形成し、この隙間に潤滑液を充満してスクイズフィルム膜として作用させ、このフィルム膜の減衰作用とＯリングのばね作用とで軸振動を減衰させる構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、この従来技術では、水潤滑式の軸受を採用することにより、軸受の動力損失が低減し、発電効率が向上するようになっている。
特開２００４−３３６９１７号公報（図５参照）
しかしながら、上記従来技術には以下のような改善の余地があった。
すなわち、上記水潤滑式の軸受は、明確に記載されていないが、内部に潤滑水が封入されていると推定される。そのため、軸受内の潤滑水が周囲から熱を吸収して高温となり、粘度が低下して不安定になる可能性があった。
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、軸振動の減衰効果を得るとともに、軸受本体を潤滑し冷却することができるガスタービン発電設備の軸受装置及びガスタービン発電設備を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、発電機の回転子を回転可能に支持する水潤滑式の軸受本体と、前記軸受本体のケースの外周側に設けたスリーブと、前記スリーブの外周面との間に環状の隙間流路を形成しつつ、Ｏリングを介し前記スリーブを保持する軸受ハウジングとを備えたガスタービン発電設備の軸受装置であって、前記軸受ハウジングは、前記隙間流路に連通して給水する給水孔を有し、前記スリーブは、前記隙間流路に連通して、前記給水孔から給水された水の一部を前記軸受本体へ導水する導水孔と、前記隙間流路における前記給水孔の連通位置から軸方向に所定距離離れた位置で連通して排水する排水孔とを有し、前記隙間流路から前記スリーブの排出孔を経て排水する排水経路における流路断面積の最小値を、前記隙間流路から前記スリーブの導水孔を経て前記軸受本体へ導水する導水経路における流路断面積の最小値より小さくする。
本発明においては、スリーブの外周面と軸受ハウジングとの間に環状の隙間流路を形成し、軸受ハウジングの給水孔から隙間流路に給水する。そして、隙間流路に給水された水の一部は、スリーブの導水孔を経て水潤滑式の軸受本体へ導水する。これにより、軸受本体を潤滑するとともに冷却することができる。一方、隙間流路に給水された水の残りは、スリーブの排水孔を経て排水される。このとき、スリーブの排水孔は、隙間流路における給水孔の連通位置から軸方向に所定距離（例えば軸受本体の軸方向寸法程度）離れた位置で連通しているので、隙間流路内の水が流水するとともにスクイズフィルム膜として作用し、このフィルム膜の減衰作用（スクイズフィルム効果）とＯリングのばね作用で軸振動を減衰させることができる。特に、隙間流路内の水が流水することにより、温度上昇による粘度の低下や気泡の混在によるスクイズフィルム効果の低減を防ぐことができる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記排水経路における流路断面積の最小値を、前記導水経路における流路断面積の最小値の３０％以下とする。
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記軸受ハウジングの給水孔は、前記隙間流路の下方側位置で連通し、前記スリーブの排水孔は、前記隙間流路の上方側位置で連通する。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記軸受ハウジングの給水孔は、前記発電機の軸方向内側に設け、前記スリーブの排水孔は、前記発電機の軸方向外側に設ける。
（５）上記目的を達成するために、また本発明は、ガス熱エネルギを機械的エネルギに変換するタービンの羽根車と、前記タービンの羽根車に同軸連結された回転子を有し、機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電機と、前記発電機の回転子を回転可能に支持する水潤滑式の軸受本体、前記軸受本体のケースの外周側に設けたスリーブ、及び前記スリーブの外周面との間に環状の隙間流路を形成しつつ、Ｏリングを介し前記スリーブを保持する軸受ハウジングを有する軸受装置とを備えたガスタービン発電設備であって、前記軸受ハウジングは、前記隙間流路に連通して給水する給水孔を有し、前記スリーブは、前記隙間流路に連通して、前記給水孔から給水された水の一部を前記軸受本体へ導水する導水孔、及び前記隙間流路における前記給水孔の連通位置から軸方向に所定距離離れた位置で連通して排水する排水孔を有し、前記隙間流路から前記スリーブの排出孔を経て排水する排水経路における流路断面積の最小値を、前記隙間流路から前記スリーブの導水孔を経て前記軸受本体へ導水する導水経路における流路断面積の最小値より小さくする。
（６）上記（５）において、好ましくは、前記排水経路における流路断面積の最小値を、前記導水経路における流路断面積の最小値の３０％以下とする。
（７）上記（５）又は（６）において、好ましくは、前記軸受ハウジングの給水孔は、前記隙間流路の下方側位置で連通し、前記スリーブの排水孔は、前記隙間流路の上方側位置で連通する。
（８）上記（５）〜（７）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記軸受ハウジングの給水孔は、前記発電機の軸方向内側に設け、前記スリーブの排水孔は、前記発電機の軸方向外側に設ける。
本発明によれば、軸振動の減衰効果を得るとともに、軸受本体を潤滑し冷却することができる。
本発明のガスタービン発電設備の一実施形態の全体構成を循環水系統とともに表す概略図である。 本発明のガスタービン発電設備の一実施形態を構成する一方の軸受装置の詳細構造を表す図である。 図２中断面III−IIIによる断面図である。 本発明のガスタービン発電設備の一実施形態を構成するスリーブの排水孔の断面積の比率に対する隙間流路における給水圧の変化及び気泡除去率の変化を表す特性図である。 本発明のガスタービン発電設備の一実施形態を構成する他方の軸受装置の詳細構造を表す図である。
符号の説明
５ 発電機
８ 回転子
１０ 軸受本体
１１ 軸受本体
１２ 軸受装置
１３ 軸受装置
２３ スリーブ
２４ 隙間流路
２５ Ｏリング
２６ 軸受ハウジング
２７ 給水孔
２８ 導水溝
２９ 導水孔
３０ 導水溝
３１ 排水孔
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のガスタービン発電設備の一実施形態の全体構成を循環水系統とともに表す概略図である。
この図１において、ガスタービン発電設備は、例えば自家発電設備として用いられる１００〜２５０ｋＷクラスの容量のガスタービン発電設備であり、吸気フィルタ１を介し吸入した空気（大気）を圧縮する圧縮機２と、この圧縮機２で生成した圧縮空気と燃料とを混合して燃焼する燃焼器３と、この燃焼機３からの燃焼ガスで回転駆動するタービン４と、このタービン４の回転動力の一部を電気エネルギに変換する発電機５と、タービン５の排ガスを利用して、圧縮機２から燃焼機３に供給する圧縮空気を加熱する再生熱交換器６と、この再生熱交換器６で利用された排ガスを大気に放出する経路に設けた排気サイレンサ７とを備えている。
圧縮機２の羽根車（図示せず）、タービン４の羽根車（図示せず）、及び発電機５の回転子８は回転軸９で連結され、この回転軸９を回転可能に支持する軸受本体１０，１１（後述の図２〜図４参照）をそれぞれ備えた軸受装置１２，１３が設けられている。軸受本体１０，１１は、発電機５の回転子８の軸方向両外側に配置されており、すなわち圧縮機２の羽根車及びタービン４の羽根車を軸受本体１０，１１間の外側に配置したオーバーハング状態で回転軸９を高速回転させるようになっている。なお、本実施形態では、軸受本体１０は回転軸９の径方向荷重を受け、軸受本体１１は回転軸の径方向荷重及び軸方向荷重を受けるようになっている。
そして、軸受装置１２，１３へ給水するための循環水系統１４が設けられている。この循環水系統１４は、貯水タンク１５と、ポンプ１６の駆動によって貯水タンク１５からの水を軸受装置１２，１３に供給する給水配管１７と、この給水配管１７におけるポンプ１６の下流側に設けたラジエータ１８と、このラジエータ１８に冷却風を送る送風機１９と、軸受装置１２，１３からの水を貯水タンク１５に戻す排水配管２０とで構成されている。なお、貯水タンク１５内の水は、止弁２１を設けた補給配管２２を介し外部の給水源（図示せず）から補給されるようになっている。
図２は、上記軸受装置１２の詳細構造を表す径方向断面図であり、図３は、図２中断面III−IIIによる軸受装置１２の軸方向断面図である。
これら図２及び図３において、軸受装置１２は、回転軸９の径方向荷重を受ける上記軸受本体１０と、この軸受本体１０の外周側に設けたスリーブ２３と、このスリーブ２３の外周面との間に環状の隙間流路２４を形成しつつ、Ｏリング２５を介しスリーブ２３を保持する軸受ハウジング２６とを備えている。
軸受ハウジング２６には、上記給水配管１７に接続されて隙間流路２４に給水する給水孔２７が形成されており、この給水孔２７は、隙間流路２４における発電機５の軸方向内側（言い換えれば、発電機５の回転子８側、図３中右側）かつ下方側（図３中下側）の位置に形成されている。
スリーブ２３の外周面には、隙間流路２４における軸受ハウジング２６の給水孔２７の連通位置に対応する軸方向位置に、周方向の導水溝２８が形成されている。また、スリーブ２３は、導水溝２８に開口する４つの径方向の導水孔２９と、内周面に形成され４つの導水孔２９にそれぞれ連通する４つの軸方向の導水溝３０とを有する。また、スリーブ２３は、隙間流路２４における軸受ハウジング２６の給水孔２７の連通位置（言い換えれば、導水溝２８の連通位置）から軸方向に所定距離（本実施形態では、軸受本体１０の軸方向寸法程度）離れた位置で連通し、上記排水配管２０に接続されて排水する排水孔３１が形成されており、この排水孔３１は、隙間流路２４における発電機５の軸方向外側（言い換えれば、発電機５の回転子８側とは反対側、図３中左側）かつ上方側（図３中上側）の位置に形成されている。
軸受本体１０は、例えばティルティングパッド軸受であり、回転軸９の外周面との接触面がピーク樹脂３２ａで形成された４つのジャーナルパッド３２と、ジャーナルパッド３２を傾斜可能にそれぞれ支持する４つのピボッド３３（図２のみ図示）と、これらジャーナルパッド３２及びピボッド３３を収納する軸受ケース３４とで構成されている。軸受ケース３４の外周面には、スリーブ２３の導水溝３０に連通する周方向の導水溝３５が形成され、この導水溝３５とジャーナルパッド３２間をそれぞれ連通する４つの径方向の導水孔３６が形成されている。
このような軸受装置１２の構成とすることにより、軸受ハウジング２６の給水孔２７から隙間流路２４に給水された水の一部は、スリーブ２３の導水溝２８、導水孔２９、及び導水溝３０、軸受本体１０の導水溝３５及び導水孔３６を経てジャーナルパッド３２間に導水され、ジャーナルパッド３２を潤滑するようになっている。これにより、軸受本体１０を潤滑するとともに冷却することができる。一方、隙間流路２４に給水された水の残りは、スリーブ２３の排水孔３１を経て排水される。このとき、スリーブ２３の排水孔３１は、隙間流路２４における給水孔２７の連通位置から軸方向に所定距離離れた位置で連通しているので、隙間流路２４内の水が流水するとともにスクイズフィルム膜として作用し、このフィルム膜の減衰作用（スクイズフィルム効果）とＯリング２５のばね作用で軸振動を減衰させることができる。特に、隙間流路２４内の水が流水することにより、温度上昇による粘度の低下や気泡の混在によるスクイズフィルム効果の低減を防ぐことができる。
また、本実施形態では、スリーブ２３の排水孔３１の断面積は、隙間流路２４の断面積より小さく、すなわち隙間流路２４からスリーブ２３の排水孔３１を経て排水する排水経路における流路断面積の最小値となっている。また、スリーブ２３の排水孔３１の断面積は、隙間流路２４からスリーブ２３の導水孔２９等を経て軸受本体１０へ導水する導水経路における流路断面積の最小値（本実施形態では、４つの導水孔２９の総断面積）より小さくなっており、例えば４つの導水孔２９の総断面積の２５％としている。その作用効果について図４により説明する。
図４は、導水孔２９の総断面積を基準とした排水孔３１の断面積の比率（％）に対し、隙間流路２４における給水圧の変化及び隙間流路２４内に混入する気泡の除去率（％）の変化を表す特性図である。
この図４に示すように、スリーブ２３の排水孔３１の断面積の比率が２０％以上になると、隙間流路２４内の気泡がほぼ除去されるものの、給水圧が低下する。隙間流路２４における給水圧の低下は、軸受本体１０への導水量の低下のほか、上述したスクイズフィルム効果の低下をもたらすため、好ましくない。一方、隙間流路２４内の気泡の混入もスクイズフィルム効果の低下をもたらす。このように隙間流路２４の給水圧の確保と気泡の除去は相反する要求となるが、好ましくは排水孔３１の断面積の比率が１０％から３０％程度の範囲で、両者を満足する領域が存在する。また、排水孔３１の断面積の比率がゼロでなければ、隙間流路２４内の気泡が水の流れに乗って排水されることを考慮すると、給水圧を確保するほうが重要であると考えることもできる。そのため、排水孔３１の断面積の比率はゼロより大きく、かつ３０％以下とすることが好ましいと言える。
図５は、上記軸受装置１３の詳細構造を表す軸方向断面図であり、上述した図３に相当するものである。なお、この図５において、上記軸受装置１２と同等の部分には同一の符号を付す。
この図５において、軸受装置１３は、回転軸９の径方向荷重及び軸方向荷重を受ける上記軸受本体１１と、この軸受本体１１の外周側に設けたスリーブ２３と、このスリーブ２３の外周面との間に環状の隙間流路２４を形成しつつ、Ｏリング２５を介しスリーブ２３を保持する軸受ハウジング２６とを備えている。
軸受ハウジング２６には、上記給水配管１７に接続されて隙間流路２４に給水する給水孔２７が形成されており、この給水孔２７は、隙間流路２４における発電機５の軸方向内側（言い換えれば、発電機５の回転子８側、図５中左側）かつ下方側（図５中下側）の位置に形成されている。
スリーブ２３の外周面には、隙間流路２４における軸受ハウジング２６の給水孔２７の連通位置に対応する軸方向位置に、周方向の導水溝２８が形成されている。また、スリーブ２３は、導水溝２８に開口する４つの径方向の導水孔２９と、内周面に形成され４つの導水孔２９にそれぞれ連通する４つの軸方向の導水溝３０とを有する。また、スリーブ２３は、隙間流路２４における軸受ハウジング２６の給水孔２７の連通位置（言い換えれば、導水溝２８の連通位置）から軸方向に所定距離（本実施形態では、軸受本体１１の軸方向寸法程度）離れた位置で連通し、上記排水配管２０に接続されて排水する排水孔３１が形成されており、この排水孔３１は、隙間流路２４における発電機５の軸方向外側（言い換えれば、発電機５の回転子８側とは反対側、図５中右側）かつ上方側（図５中上側）の位置に形成されている。
軸受本体１１は、例えばティルティングパッド軸受であり、回転軸９の外周面との接触面がピーク樹脂３２ａで形成された４つのジャーナルパッド３２と、ジャーナルパッド３２を傾斜可能にそれぞれ支持する４つのピボッド（図示せず）と、これらパッド３２及びピボットを収納する軸受ケース３４と、この軸受ケース３４の軸方向一方側（図５中左側）及び他方側（図５中右側）に設けられ、回転軸９の段差部９ａ及びスラストカラー３７との接触面がピーク樹脂３８ａで形成された複数のスラストパッド３８と、スラストパッド３８を傾斜可能に支持する複数のピボット（図示せず）とで構成されている。軸受ケース３４の外周面には、スリーブ２３の導水溝３０に連通する周方向の導水溝３５が形成され、この導水溝３５とパッド３２間をそれぞれ連通する４つの径方向の導水孔３６が形成されている。
このような軸受装置１３の構成とすることにより、上記軸受装置１２と同様、軸受ハウジング２６の給水孔２７から隙間流路２４に給水された水の一部は、スリーブ２３の導水溝２８、導水孔２９、及び導水溝３０、軸受本体１１の導水溝３５及び導水孔３６を経てジャーナルパッド３２間に導水され、ジャーナルパッド３２及びスラストパッド３８を潤滑するようになっている。これにより、軸受本体１１を潤滑するとともに冷却することができる。一方、隙間流路２４に給水された水の残りは、スリーブ２３の排水孔３１を経て排水される。このとき、スリーブ２３の排水孔３１は、隙間流路２４における給水孔２７の連通位置から軸方向に所定距離離れた位置で連通しているので、隙間流路２４内の水が流水するとともにスクイズフィルム膜として作用し、このフィルム膜の減衰作用（スクイズフィルム効果）とＯリング２５のばね作用で軸振動を減衰させることができる。特に、隙間流路２４内の水が流水することにより、温度上昇による粘度の低下や気泡の混在によるスクイズフィルム効果の低減を防ぐことができる。
なお、上記軸受装置１２と同様、スリーブ２３の排水孔３１の断面積は、隙間流路２４の断面積より小さく、すなわち隙間流路２４からスリーブ２３の排水孔３１を経て排水する排水経路における流路断面積の最小値となっている。また、スリーブ２３の排水孔３１の断面積は、隙間流路２４からスリーブ２３の導水孔２９等を経て軸受本体１０へ導水する導水経路における流路断面積の最小値（本実施形態では、４つの導水孔２９の総断面積）より小さくなっており、例えば４つの導水孔２９の総断面積の２５％としている。これにより、隙間流路２４の給水圧を十分に確保するとともに気泡の除去率を向上させることができ、スクイズフィルム効果の低減を防ぐことができる。
以上のように、本実施形態の軸受装置１２，１３においては、軸振動の減衰効果を得るとともに、軸受本体１０，１１を潤滑し冷却することができる。また、隙間流路２４は、スクイズフィルム効果を有するだけでなく、軸受本体１０，１１へ潤滑水を供給する流路を共用するので、その流路を別途設ける必要がなくなり、装置全体の小型化を図ることができる。また、軸受本体１０，１１を水潤滑式とするので、例えば油潤滑式とする場合に比べ、軸受本体１０，１１の動力損失を低減することができ、発電効率を向上させることができる。
また、本実施形態においては、軸受ハウジング２６の給水孔２７を隙間流路２４の下方側位置に設け、スリーブ２３の排水孔３１を隙間流路２４の上方側位置に設けることにより、隙間流路２４内に混在する気泡の除去率を高めることができる。また、スリーブ２３の排水孔３１を発電機５の軸方向外側に設けることにより、発電機５の回転子８への浸水を防ぐことができる。
なお、上記一実施形態においては、軸受本体１０，１１は、ティルティングパッド軸受とする場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば多円弧軸受やテーパーランド軸受としてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。
また、図３及び図５に示すようにスリーブ２３の排水孔３１を発電機５の軸方向外側に設け、発電機５の回転子８への浸水を防ぐように構成したが、例えば発電機５の回転子８側にラビリンス（図示せず）を設けることで浸水を防ぐようにした場合は、スリーブ２３における排水孔３１及び給水孔２７の位置関係を逆に、すなわち排水孔３１を発電機５の軸方向内側（回転子８側）に設けてもよい。

Claims (8)

  1. 発電機の回転子を回転可能に支持する水潤滑式の軸受本体と、前記軸受本体のケースの外周側に設けたスリーブと、前記スリーブの外周面との間に環状の隙間流路を形成しつつ、Ｏリングを介し前記スリーブを保持する軸受ハウジングとを備えたガスタービン発電設備の軸受装置であって、
    前記軸受ハウジングは、前記隙間流路に連通して給水する給水孔を有し、
    前記スリーブは、前記隙間流路に連通して、前記給水孔から給水された水の一部を前記軸受本体へ導水する導水孔と、前記隙間流路における前記給水孔の連通位置から軸方向に所定距離離れた位置で連通して排水する排水孔とを有し、
    前記隙間流路から前記スリーブの排出孔を経て排水する排水経路における流路断面積の最小値を、前記隙間流路から前記スリーブの導水孔を経て前記軸受本体へ導水する導水経路における流路断面積の最小値より小さくすることを特徴とするガスタービン発電設備の軸受装置。
  2. 請求項１記載のガスタービン発電設備の軸受装置において、前記排水経路における流路断面積の最小値を、前記導水経路における流路断面積の最小値の３０％以下とすることを特徴とするガスタービン発電設備の軸受装置。
  3. 請求項１又は２記載のガスタービン発電設備の軸受装置において、前記軸受ハウジングの給水孔は、前記隙間流路の下方側位置で連通し、前記スリーブの排水孔は、前記隙間流路の上方側位置で連通することを特徴とするガスタービン発電設備の軸受装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のガスタービン発電設備の軸受装置において、前記軸受ハウジングの給水孔は、前記発電機の軸方向内側に設け、前記スリーブの排水孔は、前記発電機の軸方向外側に設けたことを特徴とするガスタービン発電設備の軸受装置。
  5. ガス熱エネルギを機械的エネルギに変換するタービンの羽根車と、前記タービンの羽根車に同軸連結された回転子を有し、機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電機と、前記発電機の回転子を回転可能に支持する水潤滑式の軸受本体、前記軸受本体のケースの外周側に設けたスリーブ、及び前記スリーブの外周面との間に環状の隙間流路を形成しつつ、Ｏリングを介し前記スリーブを保持する軸受ハウジングを有する軸受装置とを備えたガスタービン発電設備であって、
    前記軸受ハウジングは、前記隙間流路に連通して給水する給水孔を有し、
    前記スリーブは、前記隙間流路に連通して、前記給水孔から給水された水の一部を前記軸受本体へ導水する導水孔、及び前記隙間流路における前記給水孔の連通位置から軸方向に所定距離離れた位置で連通して排水する排水孔を有し、
    前記隙間流路から前記スリーブの排出孔を経て排水する排水経路における流路断面積の最小値を、前記隙間流路から前記スリーブの導水孔を経て前記軸受本体へ導水する導水経路における流路断面積の最小値より小さくすることを特徴とするガスタービン発電設備。
  6. 請求項５記載のガスタービン発電設備において、前記排水経路における流路断面積の最小値を、前記導水経路における流路断面積の最小値の３０％以下とすることを特徴とするガスタービン発電設備。
  7. 請求項５又は６記載のガスタービン発電設備において、前記軸受ハウジングの給水孔は、前記隙間流路の下方側位置で連通し、前記スリーブの排水孔は、前記隙間流路の上方側位置で連通することを特徴とするガスタービン発電設備。
  8. 請求項５〜７のいずれか１項記載のガスタービン発電設備において、前記軸受ハウジングの給水孔は、前記発電機の軸方向内側に設け、前記スリーブの排水孔は、前記発電機の軸方向外側に設けたことを特徴とするガスタービン発電設備。
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