JPWO2006077642A1

JPWO2006077642A1 - ガスタービンのバランス修正方法

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Publication number: JPWO2006077642A1
Application number: JP2006553800A
Authority: JP
Inventors: 早坂　靖; 靖早坂; 和幸山口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: US20090010760A1; JP4685801B2; WO2006077642A1

Abstract

使用回転数範囲において，ロータの発電機側軸端とガスタービン軸端をバランス修正できる，ガスタービン構造とした。これによりロータをケーシングに組み込んだ後に，使用回転数の高回転数まで回転させながら，バランス修正することができ，ロータの弾性変形による不釣合いが発生する高回転数の残留アンバランスを除去し，不釣合い振動を低減することができる。ガスタービンを組み立てる際に，同一回転軸上に構成されるガスタービン，圧縮機，発電機の組立に起因する残留アンバランスを低減することができ，危険速度における振動を増加させないガスタービンを提供することができる。

Description

本発明は，ガスタービンのバランス修正方法に関する。

ガスタービンロータは，発電機，圧縮機，ガスタービンが同一回転軸上に配置される構造が一般的である。このとき，軸受は，発電機の両軸端に配置され，ガスタービンと圧縮機は隣り合い，オーバーハングロータとなることが多い。このようなロータでは，ガスタービン，圧縮機，発電機を組み立てる際の，組立公差が残留アンバランス量となる。

残留アンバランスが過大であると，ロータが危険速度を通過する際に，ロータの振動が大きくなり，ロータとケーシングが接触し，軸受が損傷することが懸念される。このような問題を解決するために，例えば，特許文献１（WO01/86130 A1）では，発電機，圧縮機，ガスタービンの組み合わせロータの低速残留アンバランス除去方法が示されている。

WO01/86130 A1

従来のガスタービンでは，発電機，圧縮機，ガスタービンを組み合わせたロータの残留アンバランスをつりあい試験を用いて，使用回転数の1/10以下の回転数で除去する。つまり，ロータの変形を考慮しない，剛性ロータの残留アンバランスを低減するものの，使用回転数である高回転数における，ロータの変形を考慮した残留アンバランスの除去を行っていない。このため，高回転数において，ロータの弾性変形により，不釣合い振動が大きくなる恐れがあった。

本発明の目的は，ロータをケーシングに組み入れた後に，使用回転数範囲において，ロータの発電機側軸端とガスタービンの軸端をバランス修正することによって，ロータの弾性変形による不釣合いが発生する高回転数の残留アンバランスを除去し，不釣合い振動を増加させないガスタービンのバランス修正方法を実現することである。

本発明は，ガスタービンと，圧縮機と，前記ガスタービンと前記圧縮機と同一軸上に配置される発電機とから構成されるガスタービンロータと、前記圧縮機からの吐出空気と燃料とを混合させ燃焼させる燃焼器と、発生した燃焼ガスを前記ガスタービンに供給するトランジションピースとガスタービンノズル，ガスタービンと圧縮機と発電機を内包するケーシングとから構成される非回転部材とより構成されるガスタービン発電装置のバランス修正方法において，使用回転数範囲において，前記ガスタービンロータの発電機側軸端とガスタービン軸端をバランス修正することである。

本発明によれば，ガスタービンロータの発電機側軸端とガスガスタービン側軸端でバランス修正することができるので，ガスタービンロータをケーシングに組み込んだ後に，使用回転数の高回転数まで回転させながら，バランス修正することができ，ガスタービンロータの弾性変形による不釣合いが発生する高回転数の残留アンバランスを除去し，不釣合い振動を低減することができる。

本発明の第１の実施例を示すガスタービンの断面図である。本発明の第１の実施例を示すガスタービンの断面図である。本発明の第１の実施例を示すガスタービンの断面図である。本発明の第１の実施例を示すガスタービンの断面図である。本発明の第１の実施例を示すガスタービンの断面図である。本発明の第１の実施例を示すガスタービンの断面図である。本発明の第１の実施例を示すガスタービンの断面図である。

符号の説明

１０…ガスタービンロータ、１２…ガスタービン外ケーシング、１４…ガスタービン、１６…ロータシャフト、１８…圧縮機、２０…発電機、２２…円盤、２２ａ…ねじ穴、２２ｂ…修正用ねじ、２４…タイボルト、２６…通し穴、２８…ガスタービン翼部、３０…バランス修正部、３２…燃焼器、３４…圧縮機翼部、３６…発電機コア、３８…永久磁石、４０…カバー、４２…発電機後リング、４４…ガスタービン外ケーシング、４６…トランジションピース、４８…ノズル、４９…再生熱交換器、５０…圧縮機ケーシング、５０ａ…圧縮機ケーシング下半部、５０ｂ…圧縮機ケーシング上半部、５２…発電機後ケーシング、５３…発電機コイル、５４…冷却ジャケット、５６…発電機ケーシング、５８…発電機前ケーシング、５９…ボルト、６０…ストラット、６２…スペーサ、６４…ガスタービンノズル固定構造体、６６…ラビリンスシール、６８…圧縮機ディフーザ、７０…ボルト、７２…締結ナット、７４…ボルト、７６…ラジアルベアリング、７８…スラストベアリング、８０…前側ラジアルベアリング、８２…ガスタービンサポート、８４…ベアリングカラー、８６…ベアリングカラー、８８…軸端、９０…流路、９２…グラインダ、９４…グラインダ砥石、９６…ナット、９８…ガスタービンロータ端、１００…シールリング、１０２ａ、１０２ｂ…フランジ、１０４…ボルト、１０５…アクセスホール、１０６…質量、１０８…プラグねじ穴、１１０…プラグねじ、１１２…着脱可能な流路、１１４…ボルト、１１６…フランジ、１１８…排気出口部、１２２…排気ダクト、１２４…アクセスホール、１２６…ボルト、１２８…ガスタービン本体を把持する機構、１３０…バランス修正する装置、１３２…バランス修正する装置を駆動する装置。

以下，本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は本発明の1実施例を示すガスタービンロータ１０およびガスタービン外ケーシング１２の断面図である。ガスタービンロータ１０は，ガスタービン１４と，ロータシャフト１６と，圧縮機１８と，ガスタービン１４と圧縮機１８と同一軸上に配置される発電機２０と発電機２０の軸端に取りつけられた円盤２２より構成されている。

円盤２２は、詳細図に示すように、たとえば、円周上に多数のねじ穴２２ａがあけられている。このねじ穴２２ａへ修正用ねじ２２ｂを必要に応じてねじ込むことによってバランス修正が行われる。ガスタービン１４の回転中心にタイボルト２４が接合され，タイボルト２４を，圧縮機１８とロータシャフト１６と発電機２０と円盤２２の回転中心に設けた通し穴２６を通して，圧縮機１８，ロータシャフト１６，発電機２０と円盤２２を積み重ね，タイボルト２４の端部をナットで締め付けることにより構成される。

ガスタービン１４は半径流ガスタービンであり，翼部２８，ガスタービン端に設けたバランス修正部３０を備えている。燃焼器３２から導入された燃焼ガスは，ガスタービン翼部２８で膨張しガスタービン１４を回転させる。圧縮機１８は，遠心圧縮機であり，翼部３４で空気を圧縮する。発電機２０はロータシャフト１６に重ね合わされる。発電機２０は，発電機コア３６，永久磁石３８，カバー４０,発電機後端リング４２から構成される。発電機コア３６は磁性材料により構成された円筒であり，中心孔にタイボルト２４を通す。

永久磁石３８も，円筒，または，分割された円筒形状であり，発電機コア３６の外周にはめ込まれる。次に，永久磁石３８の外側にカバー４０をはめ込み，永久磁石３８が回転により飛散したり，発電機コア３６との間でスリップすることを防止する。カバー４０を締まり嵌めの嵌合構造とすることにより，永久磁石３８を発電機コア３６に径方向の圧縮応力により押し付ける。この発電機２０が発電機静止体内を回転することにより，発電する。

ガスタービン１４は，ガスタービン外ケーシング１２とトランジションピース４６で構成されるガスタービンケーシング内で回転する。燃焼器３２より流出した燃焼ガスは，矢印Ａにのように流れ，ノズル４８にて整流され，ガスタービン１４のガスタービン翼２８を通過しながら膨張し，矢印Ｂの方向に流出する。矢印Ｂに従って流出した燃焼ガスは，再生熱交換器49導かれる。

圧縮機１８は，矢印Ｃのように空気を吸い込み，圧縮機１８の圧縮機翼部３４により圧縮し，矢印Ｄの方向に吐出する。矢印Ｄに従い吐出された圧縮空気は，再生熱交換器４９に導かれ，予熱され，燃焼器３２に導かれる。発電機２０は，圧縮機ケーシング５０，発電機後ケーシング５２，発電機コイル５３，冷却ジャケット５４，発電機ケーシング５６，発電機前ケーシング５８にて構成される発電機２０の非回転部体内で回転し，発電する。発電機後ケーシング５２は、ボルト５９によって着脱可能である。圧縮機ケーシング５０と発電機ケーシング５６は、ストラット６０によって接続されている。ストラット６０は、圧縮機ケーシング５０ａと５０ｂ、発電機ケーシング５２の間に渡されたはりである、これらを一体にする機能を持つ。発電機コイル５３に誘起された交流電流は，図示しないが整流器により直流電流に変換され，インバータにより交流電流に変換される。

ガスタービン１４を運転する際の危険速度におけるガスタービンロータ１０のアンバランス振動を低減するために，ガスタービンロータ１０は組み立てられた状態で，残留アンバランスを低減しておく必要がある。残留アンバランスの低減は，バランサを用いて行う。ガスタービンロータ１０の残留アンバランスは，部材を切削し,質量を除去したり，質量を付加することにより低減させる。このバランサを用いたバランス修正により，ガスタービンロータ１０の剛性ロータとしての不釣合いを修正する。

次に，ガスタービン１４の非回転部材を説明する。前述のガスタービンロータ１０は，ガスタービン外ケーシング１２，トランジションピース４６，ガスタービンノズル４８，スペーサ６２，ガスタービンノズル固定構造体６４，ラビリンスシール６６，圧縮機ディフューザ６８，分割されたガスタービン外ケーシング１２を結合する締結ボルト７０，締結ナット７２，圧縮機ケーシング５０，発電機前ケーシング５８，発電機コイル５３，冷却ジャケット５４、発電機前ケーシング５８，ボルト74，ラジアルベアリング７６,スラストベアリング７８，前側ラジアルベアリング８０，ガスタービンサポート８２により構成される静止体内で回転する。タービンサポート８２は、ガスタービン外ケーシング１２を支持する。

ガスタービンロータ１０は，ガスタービンロータ１０の先端のバランス修正面Ｘと発電機２０の軸端のバランス修正面Ｚと圧縮機１８と発電機２０間のバランス修正面Ｙを用いて，使用回転数までの高回転数でバランスする。バランスの手順としては，発電機20に電流を供給し，発電機２０をモータとして働かせ，ガスタービンロータ１０を回転させる。そして，ベアリングカラー８４，８６の近傍で，ガスタービンロータ１０の振動振幅を計測する。振動の計測は，非回転部材に固定した変位形などを用いる。ガスタービンロータ１０を低速から回転させ，振動振幅を計測し，タービンロータ１０の振動応答を計測しながら，回転数を上げ，使用回転数まで昇速する。

測定された振動応答をもとに，バランス修正面Ｘ，Ｙ，Ｚの位置に，質量を付加したり，除去したりして，振動応答を低減させる。不釣合い修正の方法としては，影響係数法などがある。このバランス修正の際，当然，ガスタービンロータ１０の振動振幅の測定信号を用いて，この振動振幅があらかじめ定められた閾値を超えた場合は，警報やガスタービンロータ１０の緊急停止を行うものとする。

バランス修正に際して，修正面Ｘのバランス修正は，ガスタービンロータ１０の停止時に，ガス流路方向Ｂの逆方向から，アクセスする。本発明の実施例のガスタービンは，ガスタービン１４が，ガスタービン外ケーシング１２とトランジションピース４６にその周囲を囲まれた構造である。このため，ガスタービンロータ１０のガスタービン１４部に存在する残留アンバランスの修正が困難である。

本発明の実施例のガスタービン発電装置では，ガスタービン軸端８８に，バランス修正面Ｘを設けてあるので，図２に示すように，ガスタービンガス流路方向Ｂと逆方向に，ガスタービンの排気ガスの流路９０の空間からアクセスし，ガスタービン軸端８８に設けたバランス修正面Ｘで，残留アンバランスの修正が可能である。残留アンバランスの修正は，ガスタービン軸端８８の質量をグラインダ９２，９４等の工作機具や放電加工装置で取り除いたり，質量を,例えば，ねじなどを埋め込んだりして質量を付加することで行う。

本発明の実施例では，発電機軸端にもバランス修正面Ｚを設けてある。発電機２０は，発電機ケーシング５６，発電機前ケーシング５８に囲まれ，回転している。このため，発電機２０の残留アンバランス修正は，一般に困難である。しかし、本発明の実施例では，発電機２０の軸端にもバランス修正面Ｚを設けた構造である。バランス修正が必要なときは，ボルト74をはずし，発電機２０の前ケーシング５８を外し，バランス修正面Zにアクセスすることができる。

このため容易にガスタービンロータ１０の残留アンバラスを低減し，不釣合い振動を下げることができる。図１では，発電機２０の軸端に円盤２２をタイボルト２４により，取り付けている。発電機２０の軸端においては，円盤２２，タイボルト２４の先端，ナット９６，ベアリングカラー８６，ガスタービンロータ端９８がバランス修正面として考えられる。円盤２２は，タイボルト２４の先端，ナット９８，ベアリングカラー８６，ガスタービンロータ端９８にくらべて，残留アンバランスを修正する半径が大きく取れ，かつ，ガスタービンロータ１０に及ぼす性能，信頼性上の影響が小さいので，バランス修正面Zとして使用するには，好適である。バランス修正の方法は，ガスタービン側バランス修正面Xにおける方法と同じである。ロータ端９８には、シールリング１００がはめ合いに取り付けられている。

また，円盤２２は，その大きさを調節することにより，ベアリング７６,８０の荷重の分担を調節できるものとする。すなわち，オーバーハングにより，発電機軸端のベアリング８０の荷重が小さすぎ，軸受け荷重が小さいことに起因すると想定される振動が発生するときは，円盤２２の重量を大きくし，ベアリング８０の荷重を高めるのである。

図１の実施例においては，圧縮機と発電機の間にバランス修正面Ｙを設けた。これにより，ガスタービンロタータ1の全体の中央部が腹となる振動モードの残留アンバランス修正が容易となる。なぜななら，圧縮機と発電機の間のバランス修正面Ｙは，ガスタービンロータ１０のほぼ，中央部に位置するためである。バランス修正面Yへのアクセスは，図１の場合においては，圧縮機ケーシング下半部５０ａと圧縮機ケーシング上半部５０ｂに分割されている圧縮機ケーシング５０を分解する。まず、フランジ１０２ａ，１０２ｂのボルト１０４を外し，圧縮機ケーシング上半部５０ｂを取り外す。

バランス修正面Yにおいては，ロータシャフト１６，ベアリングカラー８４，発電機後端リング４２を用い，前述の修正面Xと同等な手法で，残留アンバランスを修正することができる。ただし，バランス面Yに関しては，バランス修正位置を矢印Cに示す圧縮機吸い込み空気の流路に曝される面に入れないことにより，バランス修正により付加した質量が，圧縮機に吸い込まれる事象を防止することができる。

また，修正面Yにおいては，ガスタービンロータ１０の軸方向と直角方向に設けたねじ穴に質量をねじ込む方法が切削などにより，質量を取り除く方法よりも，応力集中の発生を防止することができるので望ましい。

また，バランス修正面Yへのアクセス方法として，圧縮機ケーシング５０に水平分割面が無い場合は，図３に示す方法で圧縮機ケーシングにアクセスホール１０５を設けておき，アクセスホール１０５を開放して，ガスタービンロータ１０の軸方向と直角方向に設けたねじ穴に質量１０４をねじ込む方法が考えられる。ガスタービンの運転時における，アクセスホール１０５の閉止は，圧縮機ケーシング５０にプラグねじ穴１０８を開け，プラグねじ１１０を締めることにより行う。

図１に示した発明の実施例の効果の模式図を図4に示す。オーバーハングを有するガスタービンロータ１０の不釣合い振動では，図４に示す，振動振幅と回転数の関係となる。振幅の大きくなるピークとしては，軸受剛性に起因するピークと軸の曲げ1次モード振動によるピークが存在し，定格回転数では場合によっては，2次曲げモードのすそにかかる可能性がある。

つまり，３つのピークを低減する必要があるが，図1の構造では，バランス修正面も３個所もうけてあり，かつ，回転数も使用回転数で回転させることができるので，図４に示した全てのピークに関して，振動振幅を低減することが可能となる。修正面が3つあるので，3つのピークを容易に低減することができる。これにより，信頼性の高いガスタービンの提供が可能となる。なお，各バランス修正面X,Y,Zにおいて，おのおの複数の修正面をもたせるものも，本発明の実施例のバリエーションである。

以上は，発電機２０をモータとして働かせ，ガスタービンロータ１０を定格回転数のような，高回転数まで，回転を増加させ，定格回転数まで，残留アンバランスを低減する方法を示した。この手法では,ガスタービン翼部２８や圧縮機翼部３４が空気を撹拌し，これが抵抗となる。このため，発電機２０のモータ駆動では，ガスタービンロータ１０を定格回転数まで回転数を増加できない恐れがある。

このような場合は，燃焼器３２に燃料を投入し，ガスタービン１４の軸回転トルクを用いることにより，ガスタービン１４を定格回転数まで回転数を増加させる。なお，このとき，図５に示すように，ガスタービン１４の排気部に，着脱可能な流路１１２をもけることにより，ガスタービンロータ１０のバランス修正が容易になる。この流路１１２は、ボルト１１４を外すことによって着脱可能である。

すなわち，ガスタービンロータ１０の燃焼器３２に燃料を投入した状態で，着脱可能な流路１１２を取り付け，高温のガスタービン排気ガスを安全な箇所に放出する。ガスタービン側バランス修正面Xにおいて，バランス修正が必要となった場合は，ボルト１１４，着脱可能な流路１１２のフランジ１１４をはずして，流路１１２をはずし，修正面Xにアクセスし，残留アンバランスの修正を行う。バランス修正の方法は，図１の説明にて，前述した方法と同様である。

バランス修正に際しては，ガスタービンの排気出口部１１８に断熱材を設けた冶具を設けることにより,バランス修正を行う作業者や工作機器を高温にさらすことなく，また，ガスタービン１４の冷却を待つことなく，バランス修正ができる。流路１１２は，配管やベローズなどを用い，フランジ面には，ガスケットを設けてもよい。

ガスタービン排気の圧力は，ほぼ大気圧に近いため，少ない数のボルト締結や継ぎ手による締結で十分である。流路１１２を設けることにより，ガスタービン排気のガスタービン直後における大気への放出を防止し，安全にバランス修正することができる。なお，バランス修正面Y,Zのバランス修正方法は，図１の説明にて示した方法と同様である。

図６には，ガスタービン排気を再生熱交換器４９に導く，排気ダクト１２２を組み立てた状態における，バランス修正面Xのバランス修正方法を示す。これは運転する際に容易にバランスを修正する方法を示している。本発明のガスタービン１０では，ガスタービンに排気ガスは，矢印Gのごとく，再生熱交換器４９に導かれる。このとき，ガスタービン排気部と再生熱交換器１２０の間には，ダクト１２２が設けられる。ダクト１２２にアクセスホール１２４を設け，アクセスホール１２４より，工作機器を挿入して，図2に示したように,バランス修正面Xのバランス修正を行う。アクセスホール１２４の着脱は、ボルト１２６により行う。アクセスホール１２４は，視認性や作業性から，タービンロータ１０の軸心上にあることが望ましい。

図7は，ガスタービン側のバランスを行う工具を示した。図に示すように，ガスタービン本体を把持する機構１２８と，バランス修正する装置１３０と，バランス修正する装置を駆動する装置１１３２を有したバランス修正装置を用いて，バランス修正を行ってもよい。ガスタービン本体を把持する機構１２８としては，ガスタービン１４の軸端に設けた穴に，棒状の構造を挿入したり，ねじ込んだり，吸盤，磁石，クランプ機構などがある。また，バランス修正する装置１３０は，グラインダなどの工作機器や放電加工装置などがある。バランス修正する装置を駆動する装置１３２は，リンク機構，ピニオン，モータ，空気圧シリンダなどを用いればよい。

本発明は，ガスタービンを用いた発電設備に利用することが出来る。

Claims

ガスタービンと，圧縮機と，前記ガスタービンと前記圧縮機と同一軸上に配置される発電機とから構成されるガスタービンロータと、前記圧縮機からの吐出空気と燃料とを混合し、燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスを前記ガスタービンに供給するトランジションピースおよびガスタービンノズル，前記ガスタービンと圧縮機と発電機を内包するケーシングとから構成される非回転部材と、前記ガスタービンロータを支持するサポートより構成されるガスタービン発電装置のバランス修正方法において，実際の運転回転数範囲において，前記ガスタービンの発電機側軸端と前記ガスタービンの他端側軸端をバランス修正することを特徴とするガスタービン発電装置のバランス修正方法。
請求項１に記載のガスタービン発電装置のバランス修正方法において，前記圧縮機と前記発電機間でバランス修正するガスタービン装置のバランス修正方法。
請求項１に記載のガスタービン発電装置のバランス修正方法において，発電機軸外端に円盤を取り付け，前記円盤を残留アンバランスのバランス修正に用いるガスタービン装置のバランス修正方法。
ガスタービンと，圧縮機と，前記ガスタービンと前記圧縮機と同一軸上に配置される発電機とから構成されるガスタービンロータと、前記圧縮機からの吐出空気と燃料とを混合し、燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスを前記ガスタービンに供給するトランジションピースおよびガスタービンノズル，前記ガスタービンと圧縮機と発電機を内包するケーシングとから構成される非回転部材と、前記ガスタービンロータを支持するサポートより構成されるガスタービン発電装置のバランス修正方法において，実際の運転回転数範囲において，前記ガスタービンの発電機側軸端と前記ガスタービンの他端側軸端, 前記圧縮機と前記発電機間,前記発電機軸外端に取り付けられた円盤をバランス修正することを特徴とするガスタービン発電装置のバランス修正方法。
請求項１に記載のガスタービン装置のバランス修正方法において，前記ガスタービンの排気部に着脱可能な流路を設け，ガスタービン回転時は，前記流路を通して排気ガスを放出し，バランス修正時は前記流路を取り外し，前記ガスタービンの軸端でバランス修正するガスタービン装置のバランス修正方法。