JP4859688B2 - ガスタービン - Google Patents
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Description
このようなガスタービンの外殻を形成するケーシングは、内部の圧縮空気や燃焼ガスの熱による熱変形・内圧による変形が軸方向、径方向に生じる。このケーシングの軸方向、径方向への変形を吸収するために、ケーシングを、軸方向の一端側で固定支持し、他端側で変位可能に支持する構造が従来より用いられている。
リンクプレート8は、ガスタービン1の停止状態において基礎4に対して垂直に設けられ、その上下がケーシング2と基礎4に対しピン8a、8bによって回動可能に連結されている。これにより、ケーシング2が軸方向に変形すると、リンクプレート8がピン8a、8bの部分でケーシング2、基礎4に対して相対的に回動し、リンクプレート8は下端部のピン8bを中心として倒れる方向に傾斜する。これによってケーシング2の軸方向の変形を許容する。
また、このリンクプレート8は、リンクプレート8自体が図5において横方向に弾性変形することで、ケーシング2の径方向の変形を許容して支持する。
このサポート部材9は、シャフト9aの一端側に有底筒状のスリーブ9bが一体に設けられ、他端側に同様の形状のスリーブ9cが一体に設けられている。そして、一方のスリーブ9bにケーシング2の下部が接合され、他方のスリーブ9cは基礎4側に固定されている。スリーブ9b、9cの内径はシャフト9aよりも大きく、スリーブ9b、9cの内周面とシャフト9aの外周面との間にはクリアランスが形成されている。また、スリーブ9bとスリーブ9cも互いに接触しないよう、双方の間にクリアランスが形成されている。
このようなサポート部材9によれば、ケーシング2の径方向の変形やケーシング2の揺れによって基礎4とケーシング2の間隔が変位する場合、シャフト9aが弾性変形し、スリーブ9b、9cが上下方向に相対的に変位する。これによってケーシング2の径方向の変形や、ケーシング2の上下方向の揺れを吸収できる。このときのシャフト9aの弾性変形に比較すると、シャフト9aは軸方向に変形しにくいため、ケーシング2は横方向に拘束されるようになっている。
このような構成においては、下部ケーシング2bの径方向の変形がリンクプレート8の上端部(ピン8aにより連結された部分)と下部ケーシング2bの上面との間においても生じている。このため、ガスタービン1が停止状態から稼動状態に移行し、ケーシング2の温度が上昇すると、結果的に、図6に示すように主軸10の中心軸Cが基礎4に対して上方に変位してしまう。
ここで、ガスタービン1内においては、圧縮機3側からタービン6側に向けて内部の空気の温度、圧力が高くなり、ケーシング2に生じる変形量も、圧縮機3よりもタービン6側において顕著となる。このため、固定支持脚5によって支持された圧縮機3側に対し、可動支持脚7によって支持されたタービン6側において、主軸10の中心軸Cの位置が高くなる。その結果、主軸10には曲げ応力が作用する。この曲げ応力は、主軸10の回転に伴い、主軸10に引張方向・圧縮方向の繰返し応力を入力することになり、主軸10の耐久性に影響を及ぼす。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、ケーシングの熱・圧力による変形を吸収し、主軸に作用する応力を抑えて主軸の耐久性を向上させることのできるガスタービンを提供することを目的とする。
ガスタービンにおいて、ケーシングは圧縮機側よりタービン側の方が高温となるため、ガスタービンが稼動することによってケーシングの温度上昇が生じたとき、ケーシングの熱による変形は、第二の支持脚で支持するタービン側に集中する。
ここで、第二の支持脚は、その上下の端部が基礎およびケーシングに対しピンによって回動可能に連結することによって、ケーシングの軸方向および径方向への変形・変位が生じたときには第二の支持脚の傾斜角度が変わり、これによってケーシングの軸方向および径方向への変形・変位を許容することができる。
θ=tan−1(ΔH/ΔL)
とするのが好ましい。ここでΔLは、第二の支持脚側における、停止状態から運転状態に移行したときの温度変化に伴うケーシングの軸方向の変位であり、ΔHは、第二の支持脚側における、停止状態から運転状態に移行したときの温度変化に伴うケーシングの軸中心高さの変位である。なお、この式は近似式であるため、ケーシングや支持脚の寸法にもとづいて、より厳密な計算を行って求めても良い。
また、ケーシングに作用する転倒モーメントに抗するため、第一の支持脚の座面には偏りを設けても良い。
図1は、本実施の形態におけるガスタービン20の全体構成を説明するための図である。
この図1に示すように、ガスタービン20には、空気の流れの上流側から下流側に向かって空気取入口21、圧縮機22、燃焼器23、タービン24が設けられている。
空気取入口21から取り込まれた空気は圧縮機22によって圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器23へ送り込まれる。燃焼器23では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、或いは軽油や軽重油等の液体燃料を供給して燃料を燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスはタービン24に噴射され、タービン24内で膨張してタービン24を回転させる。タービン24の回転エネルギーにより、ガスタービン20の主軸25に連結された発電機等が駆動される。
リンクプレート31は、その上下がケーシング26と基礎27に対し、ピン31a、31bによって回動可能に連結されている。下部ケーシング26Lに対するリンクプレート31の連結強度を確保するため、図5に示すように、下部ケーシング26Lの外周面には、下部ケーシング26Lの上面よりも下方において肉厚部32が形成され、この肉厚部32において、リンクプレート31の上端部がピン31aにより連結されている。このため、リンクプレート31の上端部は、上部ケーシング26Uと下部ケーシング26Lの合わせ面、すなわち主軸25の中心軸Cよりも下方にオフセットしている。
そして、ケーシング26側のピン31aの周囲には、冷却媒体を流す流路(図示省略)が形成されており、ピン31aを介してリンクプレート31にケーシング26の熱が伝わるのを抑えるようになっている。
なお、ケーシング26の径方向への変形は、図5に示した場合と同様、リンクプレート31およびサポート部材9の弾性変形によって吸収する。
このようにリンクプレート31を、ガスタービン20の停止状態において角度θ1だけ傾斜させておくと、ガスタービン20が稼動状態に移行して内部の温度が上昇することによってケーシング26が軸方向に変位し、リンクプレート31が下端側のピン31bを中心として角度θ2だけ回転して傾く。このとき、リンクプレート31が角度θ2だけ回転して傾くと、上端側のピン31aの位置において、ケーシング26が軸方向にΔLだけ変位し、高さ方向にΔHだけ変位する。この高さ方向における変位ΔHが、ガスタービン20が停止状態である状態から稼動状態に移行したときにリンクプレート31の上端部のピン31aと下部ケーシング26Lの上面(すなわち主軸25の中心軸Cの高さ)との間において生じている下部ケーシング26Lの高さ方向の変位Xに相当するように、角度θ1を設定するのである。
θ1=tan−1(ΔH/ΔL)
と定めることができる。
これは、図2中において、点B2、B3、B5を結ぶ角度θ3は90°をわずかに超えるものの、可動支持脚30の長さAB1に対し、変位ΔL、ΔHは十分に小さいため、近似的に概ね90°であるとみなすことによって定められる。すると、点B4、B3、B5を結ぶ角度θ4は、点B1、A、B3を結ぶ角度θ1とほぼ等しく、
θ1≒θ4
とすることができ、これによって上記近似式が得られるのである。
ガスタービン20は、稼動状態にあるときのケーシング26内の各部における温度は、それぞれ常時ほぼ一定であるため、上記の軸方向のΔL、径方向の変位ΔHの比は、一定に定めることができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
Claims (5)
- 空気を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された空気中に燃料を供給して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、および前記燃焼器で生成された前記燃焼ガスが膨張することで回転駆動されるタービンを含むガスタービンであって、
前記ガスタービンの外殻をなすケーシングが、前記圧縮機側を支持する第一の支持脚と、前記タービン側を支持する第二の支持脚とにより基礎上に支持され、
前記第一の支持脚は、前記ケーシングを前記基礎に対して固定状態に支持するとともに、
前記第二の支持脚は、その上下の端部が前記基礎および前記ケーシングに対しピンによって回動可能に連結されて前記ケーシングの軸方向および径方向への変形・変位を許容するよう前記ケーシングを可動状態に支持するとともに、前記ガスタービンが停止している状態にて前記ケーシングの軸線に直交する面に対して予め定められた角度θだけ前記燃焼ガスの流れ方向下流側に傾斜して設置されていることを特徴とするガスタービン。 - 前記第二の支持脚は、その上端部が、前記ケーシングの中心軸よりも下方の位置にて前記ケーシングに連結されていることを特徴とする請求項1に記載のガスタービン。
- 前記第二の支持脚は、前記ガスタービンが停止状態から運転状態に移行したときにその傾斜角度がさらに大きくなる方向に傾くことで、前記ガスタービンが停止状態から運転状態に移行したときの温度変化にともなう前記ケーシングの軸方向の変位と、前記ケーシングの前記中心軸の高さの変位とを吸収することを特徴とする請求項2に記載のガスタービン。
- 前記第二の支持脚側における、停止状態から運転状態に移行したときの温度変化に伴う前記ケーシングの軸方向の変位をΔL、前記温度変化に伴う前記ケーシングの軸中心高さの変位をΔHとしたとき、前記角度θは、
θ=tan−1(ΔH/ΔL)
であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のガスタービン。 - 前記第一の支持脚の座面に偏りを設けたことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のガスタービン。
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