JP5834173B2 - ガスタービン発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン発電装置に関する。

従来から、例えば定置式コージェネレーション装置などでは、圧縮機、燃焼器、タービンが直列に接続され、タービンの出力を利用して圧縮機および発電機を作動させるガスタービン発電装置が使用されている。このガスタービン発電装置に使用される作動流体は主として空気であり、圧縮された作動流体を燃焼器において加熱するために液体または気体燃料が使用される。

上記のようなガスタービン発電装置では、例えば５ｋＷ未満の発電を行う場合、圧縮機とタービンをつなぐシャフト上に発電機が構築されることが多い。しかし、より大きな出力の発電を行う場合には、発電機のロータが圧縮機とタービンをつなぐシャフトと別体として構成され、それらが連結シャフトにより連結される。

例えば、特許文献１には、図６に示すような、圧縮機とタービンをつなぐ駆動シャフト３００と発電機のロータ２００とを連結する連結シャフト１００が開示されている。駆動シャフト３００には圧縮機インペラ３１０およびタービンインペラ３２０が取り付けられている。一方、ロータ２００は中空であり、その内部には永久磁石２１０が挿入されている。

連結シャフト１００は、駆動シャフト３００およびロータ２００と嵌合するディスク状の一対のダイアフラム１２０と、これらを接続する細い棒状のクイルシャフト１１０で構成されている。連結シャフト１００は、この構成により、駆動シャフト３００とロータ２００の不整列を許容しつつ、それらの動作速度にフレキシビリティを与える。

特開平１１−１５９５２０号公報

しかしながら、図６に示すような軸構造では、圧縮機およびタービンを含むガスタービン部と発電機との間に連結シャフト１００が介在するため、発電機とガスタービン部とを連結シャフト１００の長さ分だけ離して配置する必要がある。これにより、ガスタービン装置の小型化が制約される。

本発明は、このような事情に鑑み、発電機とガスタービン部とを近づけて配置することができるガスタービン発電装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、圧縮機インペラおよびタービンインペラならびにそれらが取り付けられた第１シャフトで構成されたガスタービンロータを含むガスタービン部と、前記第１シャフトと同軸上に配置された、永久磁石が取り付けられた中空の第２シャフトを含む電動発電機と、前記第１シャフトから前記第２シャフトの内部を通って延び、その先端で前記第２シャフトに結合された連結シャフトと、を備えた、ガスタービン発電装置を提供する。

前記の構成によれば、電動発電機の第２シャフトの内部空間を合理的に利用して連結シャフトを配置することができるため、電動発電機とガスタービン部とを近づけて配置することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービン発電装置の概略構成図 図１のガスタービン発電装置の軸構造を示す断面図 連結シャフトが発電機の第２シャフトに結合される部分を拡大した分解断面図 変形例の軸構造を示す断面図 振れ止め板の正面図 従来のガスタービン発電装置の軸構造を示す分解図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係るガスタービン発電装置１を示す。このガスタービン発電装置１は、圧縮機５およびタービン６を含むガスタービン部４と、電動発電機２とを備えている。ガスタービン部４は内側ケーシング９１に収容されており、内側ケーシング９１は外側ケーシング９２に収容されている。外側ケーシング９２は、タービン６から吐出された作動流体の向きを反転させる役割を果たす。

内側ケーシング９１とタービン６の間には燃焼器８がタービン６を取り巻くように配置されており、内側ケーシング９１と外側ケーシング９２の間には内側ケーシング９１を取り巻くように再生熱交換器７が配置されている。なお、図示は省略するが、燃焼器８には着火器および燃料噴射器が設けられている。

圧縮機５は、再生熱交換器７と内側ケーシング９１との間に形成された流路および燃焼器８を介してタービン６と接続されており、タービン６は、内側ケーシング９１と外側ケーシング９２の間に形成された流路および外側ケーシング９２と再生熱交換器７との間に形成された流路を介して排気口９と接続されている。すなわち、再生熱交換器７は、内側ケーシング９１と外側ケーシング９２の間で、圧縮機５から吐出された作動流体が流れる流路とタービン６から吐出された作動流体が流れる流路とを仕切っている。

圧縮機５とタービン６とは、第１シャフト４１によって互いにつながれている。圧縮機５は、外部と連通する吸入口５ａと、圧縮機インペラ５１と、再生熱交換器７と内側ケーシング９１との間に形成された流路と連通するディフューザ５ｂとを有している。タービン６は、燃焼器８と連通する吸入口６ａと、タービンインペラ６１と、内側ケーシング９１と外側ケーシング９２との間に形成された流路と連通するディフューザ６ｂとを有している。そして、圧縮機インペラ５１とタービンインペラ６１とが第１シャフト４１に取り付けられている。すなわち、圧縮機インペラ５１、タービンインペラ６１および第１シャフト４１は、ガスタービンロータを構成する。

一方、電動発電機２は、第１シャフト４１と同軸上に配置された第２シャフト２３と、第２シャフト２３に貫通されたロータ２２と、ロータ２２を囲繞するステータ２１とを含む。ロータ２２には永久磁石２５（図２参照）が埋め込まれている。

ガスタービン部４の第１シャフト４１と電動発電機２の第２シャフト２３とは、連結シャフト３によって互いに連結されている。以下、図２を参照して、ガスタービン発電装置１の軸構造を詳細に説明する。

タービンインペラ６１は、第１シャフト４１の一方の端部に挿通された状態で固定されている。第１シャフト４１は、タービンインペラ６１から圧縮機インペラ５１に向かって段々と径が小さくなるように構成されており、圧縮機インペラ６１側の最も径が小さい端部にはネジ山が形成されている。圧縮機インペラ５１は、第１シャフト４１に挿通された状態で、ネジ山に螺合するナット４２によって第１シャフト４１に固定されている。第１シャフト４１は、圧縮機インペラ５１とタービンインペラ６１の間で一対の玉軸受Ｂ１によって支持されている。

電動発電機２の第２シャフト２３は中空であり、その内部空間は軸方向の両側に開口している。第２シャフト２３は、ロータ２２の両側で一対の玉軸受Ｂ２，Ｂ３によって支持されている。

連結シャフト３は、第１シャフト４１から第２シャフト２３の内部を通って延び、その先端で第２シャフト２３に結合されている。本実施形態では、連結シャフト３が第１シャフト４１と一体に形成されている。ただし、連結シャフト３は、第１シャフト４１と別体として構成され、第１シャフト４１に例えばスプライン構造や単純なしまり嵌めによって結合されていてもよい。

より詳しくは、第２シャフト２３の内周面には、連結シャフト４１との結合用のトルク伝達部２６が設けられている。本実施形態では、トルク伝達部２６が一対の玉軸受Ｂ２，Ｂ３の外側に配置されているが、一対の玉軸受Ｂ２，Ｂ３の間に配置されていてもよい。第２シャフト２３は、圧縮機５側の端部からトルク伝達部２６近傍まで一定の内径Ｄを有している。

一方、連結シャフト３は、トーションバー３１、摺動部３３、テーパー部３４および嵌合部３２を含み、これらは第１シャフト４１側からこの順に並んでいる。また、連結シャフト３の端面には、エンドキャップ３５が取り付けられている。

トーションバー３１は、第１シャフト４１の最小径よりも小径で、第２シャフト２３の内周面から離間している。トーションバー３１は、曲げおよびねじりに対する適度な可撓性を有するように構成された長尺状のバーである。具体的に、トーションバー３１の直径は、ガスタービン発電装置１の全作動条件において発生するトルク（電動発電機２からガスタービン部４に伝達されるトルクまたはガスタービン部４から電動発電機２に伝達されるトルク）に耐え得るねじり強度をトーションバー３１に付与する一方で、トーションバー３１のねじり剛性および撓み剛性を十分に低下させるように適合されている。

このようなトーションバー３１は、第１シャフト４１と第２シャフト２３の間で中心軸がずれていたとしてもそのずれをオフセットするように変形する。しかも、トーションバー３１自身がねじり変形することにより、一端で生じたトルク変動が直ちに他端に伝達されることが防止される。すなわち、トーションバー３１によって、第１シャフト４１と第２シャフト２３の中心軸ずれを許容しつつ、電動発電機２が電動機として動作する際の磁力に起因するトルク変動または燃焼器８内での燃焼に起因するタービン６でのトルク変動を吸収することができる。

トーションバー３１は、運転に起因するトルクおよびその変動成分が重畳して作用した際に発生するねじり応力が許容できるように寸法が設計されている。これはトーションバーがねじれることによりねじり変位を吸収し、ガスタービンロータの回転変動を防止するためである。

嵌合部３２は、図３に示すように、トルク伝達部２６に嵌合する。本実施形態では、嵌合部３２がスプライン構造によって互いに噛み合った状態でトルク伝達部２６に軸方向に変位可能に嵌合する。ただし、嵌合部３２がトルク伝達部２５に嵌合する態様は、それらの相対的な回転が規定されるものであればどのようなものであってもよい。例えば、嵌合部３２が単純なしまり嵌めによってトルク伝達部２６に嵌合していてもよい。

摺動部３３は、第２シャフト２３の上記内径Ｄと等しい直径を有する円柱状をなしており、第２シャフト２３に軸方向に摺動可能にガイドされる。トーションバー３１の一端は、拡径しながら摺動部３３につながっており、摺動部３３からはテーパー部３４が延びている。

テーパー部３４は、嵌合部３４からトーションバー３１に向かって拡径している。テーパー部３４の最大径は摺動部３３の直径と等しい。なお、摺動部３３は必ずしも設けられている必要はなく、テーパー部３４の最大径が第２シャフト２３の上記内径Ｄよりも僅かに小さくなっていてもよい。

エンドキャップ３５は、ネジ軸３５ｂを有しており、このネジ軸３５ｂが連結シャフト３の端面に設けられたネジ穴にねじ込まれることにより連結シャフト３に取り付けられる。また、エンドキャップ３５は、嵌合部３２を挟んでテーパー部３４と対向する、換言すれば嵌合部３２からトーションバー３１と反対側に向かって拡径する逆テーパー部３５ａを有している。

また、第２シャフト２３の内周面は、テーパー部３４および逆テーパー部３５ａと面接触することにより連結シャフト３の中心軸を当該第２シャフト２３の中心軸に合致させる一対のテーパー面２７，２８を有している。圧縮機５側のテーパー面２７は、連結シャフト３が第２シャフト２３内に挿入されるときに、嵌合部３２をトルク伝達部２６に誘導する役割も果たす。

さらに、第２シャフト２３には、圧縮機５に吸入される作動流体の少なくとも一部がトーションバー３１に沿って当該第２シャフト２３内を流れるように当該第２シャフト２３の外部と内部を連通する貫通孔２３ａが設けられている。貫通孔２３ａは、第２シャフト２３の内部に導入される比較的に低温の作動流体によって、第２シャフト２３の電磁気的損失に基づく発熱による温度上昇を防止する役割を果たす。これにより、一対の玉軸受Ｂ２，Ｂ３が過度に加熱されることを防ぐことができる。本実施形態では、貫通孔２３ａは、永久磁石２５から見て圧縮機５と反対側に配置されている。この構成であれば、第２シャフト２３の電気的損失が生じる部分を全体的に冷却することができる。

なお、貫通孔２３ａを通じて第２シャフト２３の内部に作動流体を導入するには、例えば電動発電機２のハウジングの一部に内部空間と圧縮機５の吸入口５ａとを連通する開口を設ければよい。

本実施形態のように摺動部３３が設けられている場合は、貫通孔２３ａは、摺動部３３よりも圧縮機５側であればどのような位置に配置されていてもよい。例えば、図２に示すように摺動部３２が圧縮機５と反対側の玉軸受Ｂ３の近傍に位置している場合は、貫通孔２３ａが玉軸受Ｂ３よりも圧縮機５側に配置されていてもよい。あるいは、摺動部３２が玉軸受Ｂ３から圧縮機５と反対側に離れている場合には、貫通孔２３ａが一対の玉軸受Ｂ２，Ｂ３の外側に配置されていてもよい。

次に、ガスタービン発電装置１の動作について説明する。

まずガスタービン発電装置１の起動時には、電動発電機２は電動機として回転動力の出力を行い、第１シャフト４１を回転させる。第１シャフト４１が電動発電機２の第２シャフト２３の回転に従動することで、圧縮機５が駆動され、作動流体の吸い込み、圧縮が開始される。第１シャフト４１が所定の回転数に到達し、それによる圧縮機５の吐出圧力が規定の圧力に到達したところで、着火器より放電を行い、放電出力の安定を待って燃料噴射器より燃料を燃焼器８内の圧縮された作動流体中に噴射し、燃料と作動流体の混合気に着火する。着火後、燃焼ガスの温度および第１シャフト４１の回転数が上昇するため、第１シャフト４１上のタービン６が出力を発生し得る条件において、電動発電機２を電動機作動から発電機作動へと切り替える。以後、第１シャフト４１が電動発電機２の第２シャフト２３を回転させ、発電が行われる。

以上説明した本実施形態のガスタービン発電装置１では、電動発電機２の第２シャフト２３の内部空間を合理的に利用して連結シャフト３を配置することができるため、電動発電機２とガスタービン部４とを近づけて配置することができる。これにより、ガスタービン装置１を小型化することができる。

また、連結シャフト３にはトーションバー３１が設けられているので、第１シャフト４１と第２シャフト２３の中心軸ずれを許容しつつ、電動発電機２またはタービン６でのトルク変動を吸収することができる。

さらに、連結シャフト３には第２シャフト２３にガイドされる摺動部３３が嵌合部３２とトーションバー３１の間に設けられているため、高速回転の際に連結シャフト３が振動することを防止することができる。

また、連結シャフト３のテーパー部３４およびエンドキャップ３５の逆テーパー部３５ａは、たとえ第１シャフト４１または第２シャフト２３が軸方向に変位したとしても、一対のテーパー面２７，２８に当接する。これにより、嵌合部３２とトルク伝達部２６との噛み合い状態が解除されることが防止されるだけでなく、嵌合部３２をトルク伝達部２６の中心に維持することができる。

さらに、第２シャフト２３には貫通孔２３ａが設けられているので、圧縮機５の吸入口５ａの負圧を利用して比較的低温の作動流体を第２シャフト２３内に導入することができる。すなわち、外部動力を使用することなく電動発電機２を内部から冷却することができ、発電効率を向上させることができる。しかも、図６に示すような従来の軸構造と異なり、電動発電機２の第２シャフト２３の一端を圧縮機５の直ぐ近くに配置することが可能であるため、負圧を利用する際の圧力損失を小さく抑えることができる。

（変形例）
ところで、トーションバー３１は、撓み剛性が小さく抑えられているために、ガスタービン発電装置１の運転条件によっては曲げ振動を生じ、トーションバー３１が塑性変形することがある。これを防止するために、例えば図４および図５に示すように、トーションバー３１における励起される振動モードの最大振幅位置に、第２シャフト２３の内周面に当接する振れ止め板３６を取り付けてもよい。

振れ止め板３６は、作動流体が通過可能な形状を有することが好ましい。例えば、振れ止め板３６は、円形の環状板に複数の貫通孔が設けられた形状を有していてもよいし、図５に示すように略十字状の形状を有していてもよい。

前記実施形態では、連結シャフト３が第２シャフト２３内で第２シャフト２３に結合されていたが、連結シャフト３は必ずしも第２シャフト２３内で第２シャフト２３に結合されている必要はない。例えば、連結シャフト３は、第２シャフト２３を貫通して延び、第２シャフト２３の外側で第２シャフト２３とフランジによって結合されていてもよい。ただし、前記実施形態のように、連結シャフト３が第２シャフト２３内で第２シャフト２３に結合されていれば、ガスタービン発電装置１をより小型化することができる。

本発明のガスタービン発電装置は、ガスタービンロータと電動発電機のロータを連結する軸構造においてそれらの間の距離を最小限にすることが可能であり、従来技術に比べてガスタービン発電装置全体の長さを短縮することができる。そのため、本発明は、その適用対象が特に小型かつ軽量であることを求められる自動車用途においては、車両に搭載することが容易となり、かつ自動車の積載物量に与える影響を極限化できることから、多大な利用価値を有する。

１ ガスタービン発電装置
２ 電動発電機
２１ ステータ
２２ ロータ
２３ 第２シャフト
２３ａ 貫通孔
２５ 永久磁石
２６ トルク伝達部
２７，２８ テーパー面
３ 連結シャフト
３１ トーションバー
３２ 嵌合部
３３ 摺動部
３４ テーパー部
３５ エンドキャップ
３５ａ 逆テーパー部
３６ 振れ止め板
４ ガスタービン部
４１ 第１シャフト
５ 圧縮機
５１ 圧縮機インペラ
６ タービン
６１ タービンインペラ

Claims (7)

1. 圧縮機インペラおよびタービンインペラならびにそれらが取り付けられた第１シャフトで構成されたガスタービンロータを含むガスタービン部と、
   前記第１シャフトと同軸上に配置された、永久磁石が取り付けられた中空の第２シャフトを含む電動発電機と、
   前記第１シャフトから前記第２シャフトの内部を通って延び、その先端で前記第２シャフトに結合された連結シャフトと、を備え、
   前記第２シャフトの内周面には、前記連結シャフトとの結合用のトルク伝達部が設けられており、
   前記連結シャフトは、前記第１シャフトの最小径よりも小径で前記第２シャフトの内周面から離間するトーションバーと、前記トルク伝達部に嵌合する嵌合部とを含む、ガスタービン発電装置。
2. 前記トーションバーには、前記第２シャフトの内周面に当接する振れ止め板が取り付けられている、請求項１に記載のガスタービン発電装置。
3. 前記嵌合部は、前記トルク伝達部に軸方向に変位可能に嵌合している、請求項１または２に記載のガスタービン発電装置。
4. 前記連結シャフトは、前記トーションバーと前記嵌合部との間に、前記第２シャフトに軸方向に摺動可能にガイドされる摺動部を含む、請求項３に記載のガスタービン発電装置。
5. 前記連結シャフトは、前記嵌合部から前記トーションバーに向かって拡径するテーパー部を含み、
   前記連結シャフトには、前記嵌合部を挟んで前記テーパー部と対向する逆テーパー部を有するエンドキャップが取り付けられており、
   前記第２シャフトの内周面は、前記テーパー部および前記逆テーパー部と面接触することにより前記連結シャフトの中心軸を当該第２シャフトの中心軸に合致させる一対のテーパー面を有する、請求項３または４に記載のガスタービン発電装置。
6. 前記第２シャフトには、前記圧縮機インペラを有する圧縮機に吸入される作動流体の少なくとも一部が前記トーションバーに沿って当該第２シャフト内を流れるように当該第２シャフトの外部と内部を連通する貫通孔が設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスタービン発電装置。
7. 前記発電機は、前記第２シャフトに貫通されたロータを含み、このロータに前記永久磁石が埋め込まれている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスタービン発電装置。

Images