JPWO2006117847A1

JPWO2006117847A1 - マイクロガスタービン

Info

Publication number: JPWO2006117847A1
Application number: JP2007514418A
Authority: JP
Inventors: 浩太長埜; 傑関原; 早坂　靖; 靖早坂; 学八木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2008-12-18
Also published as: WO2006117847A1

Abstract

本発明は、ニッケル基合金材の鋳造によって製造されたタービンホィールに鋳造欠陥が存在していても、疲労強度を維持できるマイクロガスタービンを提供するために、ニッケル基合金材の鋳造によって製造されたタービンホィールの径方向中心部に、中空部を設けたり残留圧縮応力を付与したりして疲労強度維持手段を設けたのである。

Description

本発明はマイクロガスタービンに係り、特に、タービンロータを工夫したマイクロガスタービンに関する。

近年、マイクロガスタービンは、高効率，高出力化が進められており、用いられるタービンロータのタービンホィール径寸法も大径化が進められている。また、高効率化に対応してマイクロガスタービンに供給される燃焼ガス温度も上昇の傾向にあり、そのためにタービンホィールに使用される材料は、高温強度に優れたニッケル基合金材が用いられている。しかしながら、ニッケル基合金材は、機械加工性が悪いので、タービンホィールをニッケル基合金材の鋳造により形成し、これらタービンホィールとタービン軸とを連結してタービンロータを構成している。

尚、タービンホィールとタービン軸とを連結したマイクロガスタービンのタービンロータは、例えば特許文献１等で、既に提案されている。

特開２００２−２３５５４７号公報

タービンホィールをニッケル基合金材の鋳造により形成する場合、外径が約１００ｍｍ程度の小径のタービンホィールでは、鋳込み後の冷却が略均等となるので、タービンホィール各部における冷却速度に大きなばらつきはなく、鋳造欠陥である引け巣の発生は殆どない。しかし、高効率，高出力化の要求に対応するために、タービンホィールを大径化、例えば、外径が約２００ｍｍを超えて大径すると、タービンホィール各部における鋳込み後の冷却速度にバラツキが生ずるので、引け巣が発生し易く、タービンホィール外径が約２５０ｍｍを超えると引け巣の発生は顕著となる。そして、タービンホィールの鋳湯における湯口の設置位置は、鋳込みと凝固を考慮して殆どが、タービンホィールの径方向中心部で軸方向の一端側に設けられるので、引け巣の発生位置も、タービンホィールの径方向中心部で軸方向の一端側に集中する。

このように、タービンホィールを大径にすると、鋳造欠陥が発生し、この鋳造欠陥の存在によりタービンホィールの疲労強度が低下する問題があるので、５００００ｒｐｍもの高速で回転するタービンホィールの大径化を妨げていた。

本発明の目的は、ニッケル基合金材の鋳造によって製造されたタービンホィールに鋳造欠陥が存在していても、疲労強度を維持できるマイクロガスタービンを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、ニッケル基合金材の鋳造によって製造されたタービンホィールの径方向中心部に、中空部を設けたり、残留圧縮応力を付与したりして、疲労強度維持手段を設けたのである。

このように、タービンホィールの径方向中心部に、中空部を設けことで、疲労強度を低下させる要因となる鋳造欠陥を撤去することができるので、疲労強度の低下はなく、疲労強度を維持することができる。また、タービンホィールの径方向中心部に、残留圧縮応力を付与することで、疲労強度を向上させることができ、この疲労強度の向上が鋳造欠陥部における疲労強度の低下を抑制するので、疲労強度を維持できるのである。

以上説明したように本発明によれば、ニッケル基合金材の鋳造によって製造されたタービンホィールに鋳造欠陥が存在していても、疲労強度を維持できるマイクロガスタービンを得ることができる。

本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータを示す一部縦断側面図。図１のマイクロガスタービンを用いたマイクロガスタービン発電設備を示すブロック図。本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第１の変形例を示す図１相当図。本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第２の変形例を示す図１相当図。本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第３の変形例を示す図１相当図。本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第４の変形例を示す図１相当図。本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第５の変形例を示す図１相当図。

符号の説明

１…マイクロガスタービン、２…圧縮機、３…発電機、８…タービンローラ、９…タービンホィール、１０…タービン軸、１１…貫通穴（中空部）、１３…ボルト、１４…ナット、１５…有底穴（中空部）、１６…受け穴、１７…連結突起部、１８…先端穴、１９…残留圧縮応力付与部。

以下本発明によるマイクロガスタービンの一実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。

本発明によるマイクロガスタービン１が適用されるマイクロガスタービン発電設備は、図２に示すように、マイクロガスタービン１と圧縮機２と発電機３とが同軸となるように連結されている。そして、圧縮機２によって外気ａを圧縮し、圧縮空気ｂとして吐出する。圧縮機２から吐出された圧縮空気ｂは、昇温するために再生熱交換器４を通され、ここで昇温された昇温圧縮空気ｃは、燃焼器５内に供給される。燃焼器５内に供給された昇温圧縮空気ｃは、燃料供給装置（図示せず）から供給された燃料と混合されて燃焼する。燃焼器５からの燃焼ガスｄは、マイクロガスタービン１に供給されてタービンロータ８を回転駆動する。マイクロガスタービン１のタービンロータ８を駆動した後の排ガスｅは、前記再生熱交換器４にて前記圧縮機２から吐出される圧縮空気ｂを昇温させた後、排出される。前記マイクロガスタービン１のタービンロータ８が駆動されることで、発電機３の例えば永久磁石型ロータが駆動され、発電が開始される。発電された電力は、整流器６及びインバータ７を経由して負荷（図示せず）に供給される。

上記構成のマイクロガスタービン発電設備に用いられるマイクロガスタービン１のタービンロータ８は、図１に示すように、タービンホィール９とこれに連結されるタービン軸１０とで構成され、タービンホィール９は、ニッケル基合金材の鋳造によって形成されている。

そして、ニッケル基合金材の鋳造によって形成されたタービンホィール９は、径方向中心部に、タービン軸１０と同心となるように、中空部である貫通穴１１が軸方向全長に亘って設けられている。この貫通穴１１は、ニッケル基合金材の鋳造時にタービンホィール９の軸芯となる位置に中子を配置して鋳湯し、凝固後中子を撤去することで形成してもよく、また、加工性は悪いが工作機での切削により形成してもよい。尚、タービンホィール９の全長に亘って貫通穴１１を設ける場合、ニッケル基合金材の鋳込み時の湯口は、軸方向のどちらに設けてもよいが、鋳込み後の凝縮を考慮すると、タービン翼９Ｗとは反対側のタービン軸１０と連結部側に設けることが望ましい。

このようにして形成されたタービンホィール９の一端、例えばタービン翼９Ｗとは反対側となる端部に、タービン軸１０の連結端部１０Ｃを摩擦圧接や溶接等の周知の連結手段によって連結することで、タービンロータ８を形成する。タービンホィール９とタービン軸１０との連結手段としては、信頼性があり、経済的な摩擦圧設による連結が望ましい。また、摩擦圧接により、摩擦圧接部に欠陥が生じた時には、欠陥を旋盤等で削り取りとればよい。その際に、削り取った部分に応力が集中しないように曲線状に削り取るなどの工夫必要である。

上記のようにタービンロータ８を構成したので、仮に外径が約２００ｍｍを超える大径のタービンホィールをニッケル基合金材の鋳造によって形成して鋳造欠陥が生じても、貫通穴１１を設けることで疲労強度を低下させる要因となっている鋳造欠陥部を撤去できるので、タービンホィール９としての疲労強度の低下を防止することができる。

また、タービンホィール９に貫通穴１１を設けることで、タービンホィール９が軽量化できると共に、その貫通穴１１が断熱作用を呈するので、高温に曝されるタービンホィール９表面の熱をタービン軸１０に伝達し難くなり、軸周辺の機器を熱から保護することができる。

さらに、タービン軸１０の連結端部１０Ｃが連結されるタービンホィール９の端部は、貫通穴１１が開口しているので、連結端部１０Ｃとの摩擦圧接面積を必要最小限とすることができ、その結果、摩擦圧接時の駆動力を小さくすることができる。

図３は、本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ８の第１の変形例を示すもので、図１と同符号は同一部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本第１の変形例において、図１と異なるのは、タービンホィール９とタービン軸１０との連結構成である。即ち、図１においては、タービンホィール９とタービン軸１０の連結端部１０Ｃとを摩擦圧接等により連結しているが、本第１の変形例においては、タービン軸１０のタービンホィール９の端部に対向する部分に、ホイール受け部１２を設けると共に、このホイール受け部１２から前記タービンホィール９の貫通穴１１を貫通するボルト１３を設けている。そして、貫通穴１１を貫通したボルト１３の貫通端にナット１４を捻じ込んで締付けることで、タービンホィール９をホイール受け部１２とナット１４とで締結し、両者を連結している。

上記構成とすることで、本第１の変形例においては、図１に示す構成と同様に、鋳造欠陥による疲労強度の低下を貫通穴１１によって防止することができると共に、貫通穴１１の断熱作用により軸周辺の機器を熱から保護することができる。さらに、図１に示す構成に比べて、ボルト１３とナット１４による連結のために、摩擦圧接作業の必要がなく、摩擦圧接設備や摩擦圧接作業を不要にすることができる。

図４は、本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ８の第２の変形例を示すもので、図１、図３と異なるのは、貫通穴１１ではなく、タービンホィール９の軸芯と同心となる有底穴（中空部）１５を設けたのである。そして、タービン軸１０とタービンホィール９との連結は、図１に示すタービンロータ８と同じである。

ところで、前記有底穴１５は、タービン軸１０との連結側となるタービンホィール９の反タービン翼９Ｗ側端部に、タービン翼９Ｗ側に向かって延在して設けたものであるが、この位置に有底穴１５を設けたのは、ニッケル基合金材の鋳込み用湯口をタービン翼９Ｗから離れた側に設けて凝固時の凝縮の影響をタービン翼９Ｗが受けないように配慮したものであり、本発明においては、ニッケル基合金材の鋳込み用湯口がタービンホィール９の反タービン翼９Ｗ側の径方向中心部近傍に形成されたものであることを前提としている。

上記第２の変形例によれば、略図１に示すタービンロータ８と同じ効果を相することができる。即ち、有底穴１５を設けることで、タービンホィール９の径方向中心部に発生した鋳造欠陥を撤去できるので、鋳造欠陥による疲労強度の低下を防止することができる。さらに、タービンホィール９からタービン軸１０へ伝わる熱を有底穴１５で抑制できるので、タービン軸１０周辺の機器を高温から保護することができる。また、タービン軸１０が連結されるタービンホィール９の端部には有底穴１５が開口しているので、摩擦圧接面積が必要最小限となり、摩擦圧接時の駆動力を小さくすることができるのである。

図５は、本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ８の第３の変形例を示すものである。この第３の変形例においては、タービンホィール９のタービン軸１０との連結部に、軸芯と同心となる円弧状の受け穴（中空部）１６を設け、対向するタービン軸１０端に半球状の連結突起部１７を設けたものである。そして、タービンホィール９の受け穴１６にタービン軸１０の連結突起部１７を挿入して位置決めした後、受け穴１６と連結突起部１７とを摩擦圧接により連結したのである。

尚、前記受け穴１６と連結突起部１７とは同じ曲率を有するように形成してもよいが、効率よい摩擦圧接を行うために、両者の曲率を変化させるようにしてもよい。

上記構成とすることで、図１に示すタービンロータ８と同じように、タービンホィール９の径方向中心部に発生した鋳造欠陥を、受け穴１６を設けることで撤去できるので、鋳造欠陥による疲労強度の低下を防止することができる。

図６は、本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ８の第４の変形例を示すもので、図５に示す第３の変形例と同一符号は同一物を示すので、再度の説明は省略する。

図５に示す第３の変形例と異なるのは、連結突起部１７の先端部に先端穴１８を設けた点である。

このように構成したことで、図５に示す第３の変形例と同じ効果を奏する外、先端穴１８を設けたことにより、タービンホィール９からの伝熱を先端穴１８で抑制でき、さらに、タービンホィール９内に先端穴１８による空間部が存在することで、タービンロータ８を軽量化することができる。さらにまた、先端穴１８による空間部が存在することで、受け穴１６に対する連結突起部１７の摩擦圧接面積を必要最小限とすることができ、摩擦圧接時の駆動力を小さくすることができる。

以上説明したように、図１〜図６に示すタービンロータ８は、タービンホィール９の径方向中心部に空間部を積極的に形成することで、径方向中心部で鋳湯用湯口に生じ易い鋳造欠陥を撤去して疲労強度の低下をなくしたものである。

しかしながら、ニッケル基合金材は機械加工性に優れたものではないので、ニッケル基合金材を鋳造により形成したタービンホィール９に中空部等の機械加工を施すことは厄介である。

そこで、機械加工を施さずに、鋳造欠陥による疲労強度の低下を抑制したのが、図７に示す本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ８の第５の変形例である。

この第５の変形例では、タービンホィール９の鋳造欠陥による疲労強度の低下を、熱処理を施すことで抑制したのである。具体的には、タービンホィール９の径方向中心部、特に、タービン軸１０が連結される部位、云い代えれば鋳湯用湯口が設けられていた側の部位以外を加熱し、その後、タービン軸１０が連結される部位を急速に冷却するのである。このような熱処理を行うことで、タービン軸１０が連結される部位に、当初、熱応力による引張応力が発生し、それが急速冷却されることで残留圧縮応力となって残り、残留圧縮応力付与部１９が形成されるのである。一般的に、金属材料は、残留圧縮応力が付与されることで、疲労強度が向上するので、鋳造欠陥によって疲労強度が低下したタービンホィール９に対し、同様な熱処理を行うことで、低下した疲労強度を向上させることができ、結果的に、鋳造欠陥が存在していても疲労強度の低下を抑制して維持できるのである。

上記タービンホィール９の熱処理後に、タービン軸１０を周知の連結手段によって連結してタービンロータ８を構成するのである。尚、連結手段として、熱を伴う摩擦圧接や溶接によって、残留圧縮応力付与部１９の疲労強度の向上が望めない場合には、タービンホィール９の熱処理前に、摩擦圧接や溶接によってタービン軸１０を予め連結しておいても差支えない。

以上説明したように、本第５の変形例によれば、タービンホィール９に中空部形成のような機械加工を施すことなく、鋳造欠陥による疲労強度の低下を抑制して維持することができる。

本発明は、マイクロガスタービンの出力向上に伴って大型化するニッケル基合金材鋳造製のタービンホィールに必須のものである。

Claims

ニッケル基合金材を鋳造して形成したタービンホィールと、このタービンホィールに連結したタービン軸とで構成したタービンロータを備えたマイクロガスタービンにおいて、前記タービンホィールの径方向中心部に、疲労強度維持手段を設けたことを特徴とするマイクロガスタービン。
ニッケル基合金材を鋳造して形成したタービンホィールと、このタービンホィールに連結したタービン軸とで構成したタービンロータを備えたマイクロガスタービンにおいて、前記タービンホィールの径方向中心部に、中空部を形成して疲労強度維持手段としたことを特徴とするマイクロガスタービン。
前記中空部は、前記タービンホィールの軸方向全長に亘って形成された貫通穴である請求項２記載のマイクロガスタービン。
前記中空部は、前記タービン軸との連結部から軸方向に向かって形成された有底穴である請求項２記載のマイクロガスタービン。
ニッケル基合金材を鋳造して形成したタービンホィールと、このタービンホィールに連結したタービン軸とで構成したタービンロータを備えたマイクロガスタービンにおいて、前記タービンホィールの径方向中心部に、残留圧縮力を付与して疲労強度維持手段としたことを特徴とするマイクロガスタービン。
前記タービンホィールとタービン軸とは、摩擦圧接により連結されていることを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載のマイクロガスタービン。
ニッケル基合金材を鋳造して形成したタービンホィールと、このタービンホィールに連結したタービン軸とで構成したタービンロータを備えたマイクロガスタービンにおいて、前記タービンホィールの径方向中心部の前記タービン軸との連結部に、軸芯と同心となる円弧状の受け穴を設け、この受け穴に前記タービン軸の連結突起部を挿入して連結したことを特徴とするマイクロガスタービン。
空気圧縮機と、この空気圧縮機で圧縮された空気を燃料と混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生する燃焼ガスにより駆動されるマイクロガスタービンと、このマイクロガスタービンの駆動により回転されて電力を発生する発電機とを備えたマイクロガスタービン発電設備において、前記マイクロガスタービンとして、請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロガスタービンを採用したことを特徴とするマイクロガスタービン発電設備。