JP6022078B2 - 回転システム - Google Patents

Description

本発明は、回転システムに関する。

回転機械の一例として、例えばガスタービンは、空気を吸気して圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を噴射して高温・高圧のガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成されたガスで駆動されるタービンと、から構成される。さらに、圧縮機とタービンは同一の回転軸で接続されている。
一般的に、回転軸にねじれやたわみが生じる可能性を回避するために、圧縮機とタービンとの間の距離は可能な限り短く設定されることが望ましい。

このような事情に鑑みて、例えば特許文献１に示す技術がこれまでに知られている。すなわち、特許文献１に記載された技術では、モーターと圧縮機、及びクラッチにおけるそれぞれの出力軸をカップリングで互いに接続し、回転駆動力を伝搬する構成とされている。

特開２０１２−２１１６２３号公報

しかしながら、保守上の要請や、スペース等の制約から、圧縮機とタービンとの間の離間距離を長く確保せざるを得ない場合が考えられる。そのような場合、特許文献１のように、延長された回転軸をカップリングで接続するのみでは、回転軸で発生する振動が過大になり、機器の動作に不具合を生じる可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、２つの回転機械の間の離間距離を保つとともに、２つの回転機械の回転軸同士を接続する中間軸に生じる振動を抑制することができる回転システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用する。
本発明の一の態様に係る回転システムは、第一回転軸を有する第一回転機械と、第二回転軸を有する第二回転機械と、前記第一回転軸に接続される第一端部と前記第二回転軸に接続される第二端部とを有して軸線回りに回転する中間軸本体、及び、該中間軸本体を摺動可能に支持する複数の軸受装置と、を有する中間軸装置と、潤滑油を供給する潤滑油供給部と、備え、前記潤滑油供給部は前記第一回転機械、前記第二回転機械における他の潤滑油供給部と互いに接続されている。

このような構成によれば、第一回転軸と第二回転軸を中間軸本体を介して互いに接続することで、第一回転機械と第二回転機械との間の離間距離を維持することができる。
さらに、このような構成であれば、第一回転機械、及び第二回転機械が備える既存の潤滑油供給系統を利用することができる。

さらに、本発明の他の態様に係る回転システムでは、前記中間軸本体における前記複数の軸受装置の間の部分は、前記中間軸本体における他の部分よりも径方向の寸法が大きい構成であってもよい。

このような構成であれば、軸受装置で生じる不安定振動を抑制することができる。

さらに、本発明の他の態様に係る回転システムは、前記中間軸本体と、前記軸受装置とを一体に覆うように設けられた外装部材をさらに備える。

このような構成であれば、中間軸本体から潤滑油が飛散することを抑止することができる。加えて、回転する中間軸本体を外部に露出させずに済むため、機器の安全性を向上することができる。

さらに、本発明の他の態様に係る回転システムは、前記複数の軸受装置は、前記軸線方向に離間して設けられた一対のラジアル軸受からなる構成としてもよい。

このような構成であれば、径方向の振動をラジアル軸受が受け止めることにより、中間軸本体を安定的に支持することができる。

さらに、本発明の他の態様に係る回転システムは、前記第二回転機械はタービンであって、前記第二端部に近接する位置に設けられたスラスト軸受をさらに有する構成であってもよい。

このような構成であれば、第二回転機械であるタービンの回転によって、第二回転軸に軸線方向の振動が生じた場合であっても、スラスト軸受によって該振動を受け止めることにより、中間軸本体を安定的に支持することができる。

本発明の回転システムによれば、第一回転機械と第二回転機械との間の離間距離を保つとともに、回転軸に生じる振動を抑制することができる。

本実施形態に係る回転システムの概略図である。 本実施形態に係る回転システムの構成を示す模式図である。

以下、この発明の一実施形態に係る中間軸装置１、及び回転システム１００の構成を、図面に基づいて説明する。

本実施形態における回転システム１００としては、例としてガスタービンが挙げられる。
図１は、ガスタービンとしての回転システム１００の構成を示す模式図である。図１に示すように、回転システム１００は、空気を吸気して圧縮する圧縮機８０（第一回転機械）と、圧縮された空気に燃料を噴射して高温・高圧のガスを生成する燃焼器（不図示）と、燃焼器で生成されたガスで駆動されるタービン９０（第二回転機械）と、圧縮機８０とタービン９０のそれぞれの回転軸を互いに接続する中間軸装置１と、を備えている。

中間軸装置１は、回転システム１００を設置するに当たって、圧縮機８０とタービン９０とを互いに所定の距離だけ離間させる目的で設けられるものである。すなわち、保守作業上の要請や、設置スペースの制約等から、圧縮機８０とタービン９０の間に一定の距離を維持したい場合等がこれに該当する。

圧縮機８０は、軸線回りに回転する第一回転軸８１を備えている。第一回転軸８１は、圧縮機８０の内部で、軸線方向における互いに異なる位置に設けられた２つのラジアル軸受８２，８３と、１つのスラスト軸受８４とによって軸線回りに回転可能に支持されている。

タービン９０は、軸線回りに回転する第二回転軸９１を備えている。第二回転軸９１は、タービン９０の内部で、軸線方向における互いに異なる位置に設けられた２つのラジアル軸受９２，９３と、１つのスラスト軸受９４とによって軸線回りに回転可能に支持されている。

中間軸装置１は、軸線回りに回転する中間軸本体１０を備えている。中間軸本体１０は、中間軸装置１の内部で、軸線方向における互いに異なる位置に設けられた一対のラジアル軸受１３，１４（軸受装置）と、タービン９０側に近接する位置に設けられた１つのスラスト軸受１５（軸受装置）とによって軸線回りに回転可能に支持されている。
上述の第一回転軸８１と、第二回転軸９１と、中間軸本体１０とは、いずれも同一の直線状に延在している。

さらに、圧縮機８０の第一回転軸８１と、中間軸装置１の中間軸本体１０との間には、第一緩衝軸１１が設けられている。同様にして、中間軸装置１の中間軸本体１０と、タービン９０の第二回転軸９１との間には、第二緩衝軸１２が設けられている。

圧縮機８０の第一回転軸８１と、タービン９０の第二回転軸９１と、中間軸装置１の中間軸本体１０とは、上述の第一緩衝軸１１、第二緩衝軸１２を介して互いに一体に接続されて回転体Ｓを形成している。

回転体Ｓの構成について、以下に詳述する。
圧縮機８０の第一回転軸８１と、第一緩衝軸１１とは、第一カップリング７１によって互いの軸線方向に接続されている。第一カップリング７１は、第一回転軸８１におけるタービン９０側の端部と、該端部に軸線方向に対向するように配置された第一緩衝軸１１における圧縮機８０側の端部とを接続している。第一カップリング７１としては、それぞれ軸カップリングの態様として一般的に知られた、筒型軸カップリングやフランジ型軸カップリングが好適である。これら筒型軸カップリングやフランジ型軸カップリングは、互いに接続される２つの軸の軸線が概ね同一直線状に配置される場合に頻繁に用いられる。

さらに、第一緩衝軸１１におけるタービン９０側の端部は、中間軸装置１の中間軸本体１０における圧縮機８０側の端部に対して、第二カップリング７２を介して接続されている。第二カップリング７２は、公知のダイヤフラムカップリングによって構成されている。ダイヤフラムカップリングは、互いに接続される２つの軸の軸心が、回転中に互いにずれる可能性が想定される場合に、該ずれを吸収することを目的として用いられる。

同様にして、タービン９０の第二回転軸９１における圧縮機８０側の端部と、第二緩衝軸１２におけるタービン９０側の端部とは、第四カップリング７４によって互いの軸線方向に接続されている。第四カップリング７４は、第一カップリング７１と同様に、筒型軸カップリングやフランジ型軸カップリングによって構成される。

さらに、第二緩衝軸１２における圧縮機８０側の端部は、中間軸装置１の中間軸本体１０におけるタービン９０側の端部に対して、第三カップリング７３を介して接続されている。第三カップリング７３は、第二カップリングと同様に、ダイヤフラムカップリングによって構成されている。

第一回転軸８１，第二回転軸９１，中間軸本体１０，第一緩衝軸１１，第二緩衝軸１２は、以上のように互いに接続されて回転体Ｓを形成する。回転体Ｓは、軸線方向、及び径方向のずれを許容しながら、一体となって所定の方向に回転する。これにより、圧縮機８０における第一回転軸８１の回転運動は、中間軸装置１の中間軸本体１０を介して、タービン９０における第二回転軸９１に伝搬される。

次に、回転システム１００に設けられた潤滑油供給部６０について説明する。図１に示すように、潤滑油供給部６０は、注油管６１と、排油管６２とによって構成されている。さらに、注油管６１は、注油管路６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ，６１Ｅ，６１Ｆを介して、それぞれラジアル軸受１３，１４，８２，８３，９２，９３に接続されている。すなわち、潤滑油供給部６０は、圧縮機８０と，タービン９０と，中間軸装置１との間で共用される。

注油管６１には上述の軸受をそれぞれ潤滑するための潤滑油が流通している。注油管６１を流通した潤滑油は、それぞれの軸受に接続された注油管路６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ，６１Ｅ，６１Ｆを介して、それぞれラジアル軸受１３，１４，８２，８３，９２，９３に到達する。これにより、ラジアル軸受１３，１４，８２，８３，９２，９３は潤滑される。

ラジアル軸受１３，１４，８２，８３，９２，９３の潤滑に使用された潤滑油は、排油管路６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ，６２Ｅ，６２Ｆを介して、排油管６２に向かって流通する。排油管６２に到達した潤滑油は、不図示のオイルフィルター等によって濾過される。該オイルフィルターによって濾過された潤滑油は、再び注油管６１に流通されて、それぞれの軸受の潤滑に供される。言い換えると、回転システム１００の潤滑油供給部６０は、所定の一方向に循環する管路を構成している。

続いて、中間軸装置１の詳細な構成について、図２を参照して説明する。なお、図２中における図示左方は圧縮機８０側であり、図示右方はタービン９０側である。

図２に示すように、中間軸装置１は、中間軸本体１０と、中間軸本体１０を軸線回りに回転可能に支持する２つのラジアル軸受１３，１４と、タービン９０側にスラスト軸受１５と、これらを下方から支持する基台１６と、基台１６に固定されるとともに中間軸本体１０の全体を上方から覆うように形成された概ね箱体状の外装部材１７と、を有している。

中間軸本体１０は、圧縮機８０側の端部（第一端部）を含むとともに、ラジアル軸受１３によって支持される第一軸部１０Ａと、タービン９０側の端部（第二端部）を含むと共に、ラジアル軸受１４とスラスト軸受１５とによって摺動可能に支持される第二軸部１０Ｂと、第一軸部１０Ａと第二軸部１０Ｂとの間に設けられた大径部１０Ｃと、を有している。

第一軸部１０Ａは、外形視で概ね円柱状に形成されている。第一軸部１０Ａにおける圧縮機８０側の端部は、前述の第二カップリング７２を介して第一緩衝軸１１と接続されている。

第二軸部１０Ｂは、第一軸部１０Ａと同様に構成された部材である。第二軸部１０Ｂにおけるタービン９０側の端部は、前述の第三カップリング７３を介して第二緩衝軸１２と接続されている。

大径部１０Ｃは、第一軸部１０Ａ、及び第二軸部１０Ｂに比して、径方向の寸法が大きく設定された円柱状の部材である。大径部１０Ｃは、中間軸本体１０の延在方向における中央領域の重量を大きくするために設けられている。すなわち、大径部１０Ｃは中実に形成されている。また、大径部１０Ｃの径方向の寸法は、軸線方向にわたって一定となるように形成されている。

このように構成された第一軸部１０Ａと、第二軸部１０Ｂと、大径部１０Ｃとは、一体に形成されて中間軸本体１０をなしている。

中間軸本体１０の第一軸部１０Ａを支持するラジアル軸受１３は、第一軸受支持部２０と、支持部材１８とによって、一体に支持されている。

第一軸受支持部２０は外形視で円筒状の部材である。第一軸受支持部２０の径方向内側は中空の領域となっており、該領域にはラジアル軸受１３が配置されている。

支持部材１８は、基台１６から上方に向かって延在する厚肉板状の部材である。支持部材１８の上側の端部近傍には、上述の第一軸受支持部２０を支持するための開孔が設けられている。該開孔の径方向寸法は、第一軸受支持部２０の外周における径方向寸法と概ね同一となるように設定されている。すなわち、該開孔の内周面に対して、第一軸受支持部２０の外周面が概ね当接するように配置されるとともに、不図示の固定部材を設けることによって、第一軸受支持部２０と支持部材１８は互いに脱落不能に支持されている。

同様にして、中間軸本体１０の第二軸部１０Ｂを支持するラジアル軸受１４とスラスト軸受１５とは、第二軸受支持部２１と、支持部材１９とによって、一体に支持されている。

第二軸受支持部２１は、第一軸受支持部２０と同様に、外形視で円筒状に形成された部材である。第二軸受支持部２１の径方向内側における領域は中空となっており、該領域にはラジアル軸受１４とスラスト軸受とが配置されている。なお、第二軸受支持部２１の軸線方向における寸法は、第一軸受支持部２０の軸線方向における寸法よりも大きく設定されている。

支持部材１９は、支持部材１８と同様に、基台１６から上方に向かって延在する厚肉板状の部材である。支持部材１９の上側の端部近傍には、第二軸受支持部２１を支持するための開孔が設けられている。該開孔の径方向寸法は、第二軸受支持部２１の外周における径方向寸法と概ね同一となるように設定されている。これにより、該開孔の内周面と、第二軸受支持部２１の外周面が当接するように配置されるとともに、不図示の固定部材を設けることによって、第二軸受支持部２１と支持部材１９は互いに脱落不能に支持されている。

また、図１に基づいて前述したように、ラジアル軸受１３，１４には、潤滑油を流通させるための注油管６１が接続されている。注油管６１は、中間軸本体１０の下方で、概ね水平方向に沿って延在している。さらに、注油管６１における一方の端部は、注油管路６１Ｃを介してラジアル軸受１３に接続されている。同様にして、注油管６１における他方の端部は、注油管路６１Ｄを介してラジアル軸受１４に接続されている。

したがって、上述の注油管路６１Ｃ，６１Ｄを介してラジアル軸受１３，１４に潤滑油が供給される。ラジアル軸受１３，１４を潤滑した後、潤滑油はこれらラジアル軸受１３，１４の外部に排出される。排出された潤滑油は、後述の外装部材１７の壁面に接続された排出管６２に向かって流通する。

上述のように構成された中間軸本体１０、及び基台１６は、外形視で箱体状の外装部材１７によって覆われている。外装部材１７は、中間軸本体１０の上方に設けられた天板１７Ａと、天板１７Ａの両端縁に概ね直角に接続されるとともに、基台１６に向かって延在する第一側壁部１７Ｂと、第二側壁部１７Ｃと、を有している。さらに、天板１７Ａの長手方向における端縁と、第一側壁部１７Ｂ、第二側壁部１７Ｃの高さ方向におけるそれぞれの端縁とによって囲まれる平面には、壁面がそれぞれ設けられている。該壁面のいずれか一方には、図示手前方向に向かって延在する排出管６２が接続されている。

さらに、天板１７Ａには、保守を行う際に開閉される２つのアクセス孔Ｈ１，Ｈ２、及びベント孔Ｈ３が設けられている。アクセス孔Ｈ１，Ｈ２は天板１７Ａの長手方向における両端縁の近傍に設けられた開孔部である。アクセス孔Ｈ１，Ｈ２は、外装部材１７Ａの内外を連通している。さらに、アクセス孔Ｈ１，Ｈ２には、その開孔寸法と概ね同じ寸法を有するハッチＬ１，Ｌ２によって閉塞される。ハッチＬ１，Ｌ２は、ボルト等を介してアクセス孔Ｈ１，Ｈ２の端縁に対して固定される。アクセス孔Ｈ１，Ｈ２は主として、第一軸受支持部２０，２１の保守、点検等に際して使用される。

ベント孔Ｈ３は、天板１７Ａの長手方向における中央に設けられた開孔部である。ベント孔Ｈ３は、外装部材１７Ａの内外を連通している。ベント孔Ｈ３は、その開孔寸法と概ね同じ寸法を有するハッチＬ３によって閉塞される。ハッチＬ３は、ボルト等を介してベント孔Ｈ３の端縁に対して固定される。ベント孔Ｈ３は主として、中間軸装置１の内部の圧力が上昇した際に、潤滑油の漏洩が生じることを抑制するために開放される。

次に、以上のように構成された回転システム１００、及び中間軸装置１の作用について説明する。
まず、不図示の外部動力源によって圧縮機８０が始動すると、圧縮機８０に設けられた第一回転軸８１が回転を開始する。第一回転軸８１の回転は、第一カップリング７１を介して、第一緩衝軸１１に伝達される。

第一緩衝軸１１に伝達された第一回転軸８１の回転は、第二カップリング７２を介して中間軸本体１０に伝達される。続いて、中間軸本体１０の回転は、第三カップリング７３を介して、タービン９０の第二回転軸９１に伝達される。これにより、タービン９０は回転し、不図示の外部機器に対して出力を供給する。すなわち、圧縮機８０の回転はタービン９０に対して、概ね機械損失を伴うことなく伝達される。

以上のように、本実施形態に係る回転システム１００では、圧縮機８０の第一回転軸８１と、タービン９０の第二回転軸９１を、中間軸本体１０を介して互いに接続することができる。したがって、圧縮機８０とタービン９０との間の離間距離を適切に維持することができる。

ここで、例えば圧縮機８０とタービン９０とを、中間軸装置１を介さずに接続した場合は、両者の間に適切な距離を保つことができない。これにより、外部のケーブルや配管を敷設するに当たって、十分なスペースが確保できない等、機器の配置や保守性に制約が生じる。

しかしながら、本実施形態では、中間軸装置１を圧縮機８０とタービン９０との中間に設けることによって、適切なスペースを得ることができる。
加えて、中間軸装置１における中間軸本体１０は、ラジアル軸受１３，１４、及びスラスト軸受１５からなる軸受装置によって支持されている。したがって、中間軸本体１０に生じる不安定振動が効果的に抑制される。

さらに、本実施形態における中間軸装置１では、中間軸本体１０におけるラジアル軸受１３，１４の間の領域には、大径部１０Ｃが設けられている。加えて、大径部１０Ｃは中実に形成されている。これにより、中間軸本体１０の重量を大きくすることができる。
ここで、中間軸本体１０の重量が軽すぎる場合には、中間軸本体１０を支持するラジアル軸受１３，１４、及びスラスト軸受１５に作用する重力負荷が小さくなりすぎる。これによって、ラジアル軸受１３，１４、スラスト軸受１５の近傍領域で、中間軸本体１０に不安定振動が生じる可能性がある。
しかしながら、本実施形態における中間軸本体１０には上述のような大径部１０Ｃが設けられていることから、軸受装置の近傍で生じる中間軸本体１０の不安定振動が抑制される。
さらに、中間軸装置１における潤滑油供給部６０は、上述のように注油管６１、及び排油管６２を介して圧縮機８０、タービン９０における他の潤滑油供給部と接続されている。これにより、中間軸装置１に固有の潤滑油供給部を設けることなく、効果的、かつ経済的に中間軸装置１に潤滑油を供給することができる。
さらに、本実施形態における中間軸装置１は、外装部材１７を有している。外装部材１７は中間軸装置１の全体を覆うように形成されている。これにより、中間軸本体１０や、軸受装置における潤滑油が外部に飛散する可能性が抑制される。加えて、回転する中間軸本体１０を外部に露出させずに済むため、保守作業時等における安全性をさらに向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、回転システム１００における第一回転機械、第二回転機械として、本実施形態では圧縮機８０とタービン９０とを用いた例を説明した。しかし、中間軸装置１の適用対象はこれに限定されず、第一回転機械、又は第二回転機械として、電動モータ等を用いることも可能である。

本発明に係る中間軸装置は、ガスタービン等の回転機械からなる回転システムに適用することができる。

１ 中間軸装置
１０ 中間軸本体
１０Ａ 第一軸部
１０Ｂ 第二軸部
１１ 第一緩衝軸
１２ 第二緩衝軸
１３ ラジアル軸受（軸受装置）
１４ ラジアル軸受（軸受装置）
１５ スラスト軸受（軸受装置）
１６ 基台
１７ 外装部材
１７Ａ 天板
１７Ｂ 第一側壁部
１７Ｃ 第二側壁部
１８ 支持部材
１９ 支持部材
２０ 第一軸受支持部
２１ 第二軸受支持部
６０ 潤滑油供給部
６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ、６１Ｄ、６１Ｅ、６１Ｆ 注油管路
６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄ、６２Ｅ、６２Ｆ 排油管路
７１ 第一カップリング
７２ 第二カップリング
７３ 第三カップリング
７４ 第四カップリング
８０ 圧縮機
８１ 第一回転軸
８２ ラジアル軸受
８３ ラジアル軸受
８４ スラスト軸受
９０ タービン
９１ 第二回転軸
９２ ラジアル軸受
９３ ラジアル軸受
９４ スラスト軸受
１００ 回転システム
Ｈ１、Ｈ２ アクセス孔
Ｈ３ ベント孔
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ ハッチ
Ｓ 回転体

Claims (5)

1. 第一回転軸を有する第一回転機械と、
   第二回転軸を有する第二回転機械と、
   前記第一回転軸に接続される第一端部と前記第二回転軸に接続される第二端部とを有して軸線回りに回転する中間軸本体、及び、該中間軸本体を摺動可能に支持する複数の軸受装置と、を有する中間軸装置と、
   潤滑油を供給する潤滑油供給部と、備え、
   前記潤滑油供給部は前記第一回転機械、前記第二回転機械における他の潤滑油供給部と互いに接続されている回転システム。
2. 前記中間軸本体における前記複数の軸受装置の間の部分は、前記中間軸本体における他の部分よりも径方向の寸法が大きい請求項１に記載の回転システム。
3. 前記中間軸本体と、前記軸受装置とを一体に覆うように設けられた外装部材をさらに備える請求項１又は２に記載の回転システム。
4. 前記複数の軸受装置は、前記軸線方向に離間して設けられた一対のラジアル軸受からなる請求項１から３のいずれか一項に記載の回転システム。
5. 前記第二回転機械はタービンであって、前記第二端部に近接する位置に設けられたスラスト軸受をさらに有する請求項１から４のいずれか一項に記載の回転システム。

Images