JPWO2008026268A1 - Generator and gas turbine power generation equipment using the same - Google Patents
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Abstract
本発明は、スラスト軸受に作用する推力を低減して効率の向上を図ることができる発電機及びそれを用いたガスタービン発電設備を提供するために、発電機の固定子をスラスト軸受に対して軸方向に移動できるように構成し、例えば、発電機の固定子と回転子との磁気的中心の変位によってスラスト軸受に推力が発生した場合には、回転子と固定子との磁気的中心を接近させるように固定子を軸方向に移動させ、また、ガスタービンと空気圧縮機のスラスト力の差異によりスラスト軸受に推力が発生した場合には、発電機の固定子と回転子間の磁気吸引力を利用して推力を抑制し、結果的に、スラスト軸受に作用する推力を低減させて、軸受損失の低減を図り、効率の低下を抑制するのである。In order to provide a generator capable of reducing the thrust acting on the thrust bearing and improving the efficiency, and a gas turbine power generation facility using the generator, the stator of the generator is attached to the thrust bearing. For example, when thrust is generated in the thrust bearing due to displacement of the magnetic center between the stator and rotor of the generator, the magnetic center between the rotor and stator is set. If the stator is moved in the axial direction so that they approach each other, and thrust is generated in the thrust bearing due to the difference in thrust force between the gas turbine and the air compressor, magnetic attraction between the stator and rotor of the generator The thrust is suppressed using the force, and as a result, the thrust acting on the thrust bearing is reduced to reduce the bearing loss and suppress the decrease in efficiency.
Description
本発明は発電機及びそれを用いたガスタービン発電設備に係り、特に、スラスト軸受を備えた発電機及びそれを用いたガスタービン発電設備に関する。 The present invention relates to a power generator and a gas turbine power generation facility using the same, and more particularly to a power generator equipped with a thrust bearing and a gas turbine power generation facility using the same.
近年、ガスタービン発電設備として、ガスタービンと空気圧縮機と発電機の回転部分を一軸上あるいは同軸上に連結しマイクロガスタービン発電設備が普及している。そして、この種ガスタービン発電設備は、例えば特許文献1に開示されているように、例えば運転中の磁気的影響や熱的影響等の理由で、回転軸に対して軸方向の力、云い代えれば推力が発生し、この推力を受けるために少なくとも一箇所にスラスト軸受を備え、容易に回転軸が推力によって軸方向に変位しないようにしている。
In recent years, as a gas turbine power generation facility, a micro gas turbine power generation facility has become widespread by connecting a rotating portion of a gas turbine, an air compressor, and a generator on one axis or the same axis. In this kind of gas turbine power generation facility, as disclosed in, for example,
上記特許文献1に開示のガスタービン発電設備においては、スラスト軸受を備えることで、推力発生時に回転軸の軸方向の変位を抑制することができる。しかし、スラスト軸受に推力が作用することは、スラスト軸受に大きな摩擦力が発生することであり、これがガスタービン発電機設備の効率を低下させる要因の一つになっていた。さらに、摩擦力を低減するためにスラスト軸受に潤滑材を強制的に供給したりする必要があり、そのための専用の潤滑設備や潤滑材供給動力を確保しなければならず、これもガスタービン発電機設備の効率を低下させる要因となっていた。このように、この種、ガスタービン発電設備では、スラスト軸受に発生する摩擦などによる僅かな軸受損失でも、効率を大きく左右するので大きな推力を作用させないことが望ましい。
In the gas turbine power generation facility disclosed in
本発明の目的は、スラスト軸受に作用する推力を低減して効率の向上を図ることができる発電機及びそれを用いたガスタービン発電設備を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a generator capable of reducing the thrust acting on the thrust bearing and improving the efficiency, and a gas turbine power generation facility using the generator.
本発明は上記目的を達成するために、発電機の固定子をスラスト軸受に対して軸方向に移動できるように構成したのである。 In order to achieve the above object, the present invention is configured so that the stator of the generator can be moved in the axial direction with respect to the thrust bearing.
このように、発電機の固定子をスラスト軸受に対して軸方向に移動させることで、例えば、固定子と回転子との磁気的中心が変位することで発生する磁気吸引力によってスラスト軸受に推力が発生した場合には、回転子と固定子との磁気的中心を接近させるように固定子を軸方向に移動させて磁気吸引力を低下させて推力を抑制し、また、ガスタービンと空気圧縮機のスラスト力の差異によりスラスト軸受に推力が発生した場合には、固定子と回転子間の磁気吸引力を利用して推力を低減させる方向に回転子を引っ張ることで推力を抑制し、結果的に、スラスト軸受に作用する推力を低減させて、軸受損失の低減を図り、効率の低下を抑制するのである。 Thus, by moving the stator of the generator in the axial direction with respect to the thrust bearing, for example, the thrust force is applied to the thrust bearing by the magnetic attractive force generated by the displacement of the magnetic center between the stator and the rotor. If this occurs, the stator is moved in the axial direction so that the magnetic centers of the rotor and the stator are close to each other, and the magnetic attractive force is reduced to suppress the thrust force. When thrust is generated in the thrust bearing due to the difference in the thrust force of the machine, the thrust is suppressed by pulling the rotor in the direction that reduces the thrust using the magnetic attraction between the stator and the rotor. In particular, the thrust acting on the thrust bearing is reduced to reduce the bearing loss and suppress the decrease in efficiency.
1…ガスタービン発電設備、2…ガスタービン、3…圧縮機、4…発電機、5…回転軸、6…タービン翼、7…タービン内側ケーシング、8…タービン外側ケーシング、9…圧縮翼、10…圧縮機ケーシング、11…支持台。12…地盤、13…シャフトカラー、14…回転子、15…固定子、16…回転子鉄心、17…永久磁石、18…保持筒、19A,19B,24A,24B…端板、20…ナット、21…固定子鉄心、22…固定子巻線、23…固定子枠、25A,25B…エンドブラケット、26…ボルト、27…ナット、28…スラスト軸受、29…ラジアル軸受、30…内側軸受部材、31A,31B…スラスト部材、32…ラジアル部材、33…内側ラジアル部材、34…外側ラジアル部材、35…連結部材、36A,36B…弾性体、37A,37B…減衰手段、38…低摩擦材、39,47,50…位置調整機構、40…ねじ孔、40A…貫通穴、41…調整ボルト、42…ダブルナット、43A,43B…加重センサ、44A,44B…温度センサ、45…演算処理装置、46…表示装置、48…ピストン、49…駆動手段、51…可撓性容器、52…管路、53…加圧手段、54…電磁弁。
DESCRIPTION OF
以下本発明によるガスタービン発電設備の第1の実施の形態を図1に基づいて説明する。 Hereinafter, a first embodiment of a gas turbine power generation facility according to the present invention will be described with reference to FIG.
本実施の形態におけるガスタービン発電設備1は、ガスタービン2と圧縮機3と発電機4とが共通の回転軸5を中心として軸方向に並んで構成されている。
In the gas turbine
ガスタービン2は、回転軸5上に固定されたタービン翼6と、このタービン翼6に、図示しない燃焼器によって燃焼された燃焼ガスを案内して供給し、排気を案内して排出するタービン内側ケーシング7及びタービン外側ケーシング8を備えている。
The
前記圧縮機3は、回転軸5上に固定された圧縮翼9と、この圧縮翼9に燃焼用空気を供給し、圧縮された燃焼用空気を排出する圧縮機ケーシング10を備えている。
The compressor 3 includes a
これらタービン内側ケーシング7及びタービン外側ケーシング8と圧縮機ケーシング10とは、ボルト及びナット等の周知の締結手段で一体に連結されており、共通の支持台11によって前記回転軸5が水平となるように、地盤12に固定されている。
The turbine
一方、前記発電機4は、前記回転軸5の外周部に、前記圧縮翼9に一端が当接されたシャフトカラー13の他端に当接された回転子14と、この回転子14の外周側に空隙を介して配置された固定子15とを有している。
On the other hand, the generator 4 includes a
前記回転子14は、珪素鋼板を軸方向に積層して形成した回転子鉄心16と、その外周に周方向に複数の磁極を形成するように設置された複数の永久磁石17と、これら永久磁石17を回転子鉄心16上に保持するために装着されるニッケル基合金製の非磁性金属筒や繊維強化プラスチック製の絶縁筒などの保持筒18と、これらを軸方向の両側から挟持する端板19A,19Bとを有している。
The
そして、タービン翼6と、圧縮翼9と、上記構成の回転子14とは、前記回転軸5の一端にナット20をねじ込んで締結することで、連結される。
The turbine blade 6, the
前記固定子15は、固定子鉄心21と、この固定子鉄心21に装着された固定子巻線22とを有している。
The
そして、前記固定子鉄心21は、その外周を固定子枠23で覆われており、この固定子枠23に対して周方向には回らないように支持され、軸方向には移動できるように支持されている。このような固定子枠23の両側は端板24A,24Bで塞がれ、さらにその外側にはエンドブラケット25A,25Bが位置し、これら固定子枠23と、端板24A,24Bと、エンドブラケット25A,25Bとは、ボルト26及びナット27で一体に固定されている。
The outer periphery of the
また、前記端板24A及びエンドブラケット25Aとシャフトカラー13との間には、スラスト軸受28が形成され、前記端板24B及びエンドブラケット25Bと端板19Bの外周との間には、ラジアル軸受29が形成されている。前記スラスト軸受28は、回転軸5と同心の外周面と、この外周面から回転軸5と直行する方向に突出する円盤を有する内側軸受部材30と、前記端板24A及びエンドブラケット25Aに支持され前記内側軸受部材30に形成した円盤の両側の盤面に対向するスラスト部材31A,31Bと、前記エンドブラケット25Aに支持され前記内側軸受部材30外周面と対向するラジアル部材32とを有している。前記ラジアル軸受29は、前記端板19Bの外周面に設けられた内側ラジアル部材33と、この内側ラジアル部材33の外周面に対向し前記端板24Bに支持される外側ラジアル部材34とを有している。
A
そして、前記エンドブラケット25Aと前記圧縮機ケーシング10とを連結部材35で連結することで、発電機4は、支持台11に片持ち支持される。
The generator 4 is cantilevered on the
上記構成のガスタービン発電設備1の運転中は、圧縮機3は矢印Aのように燃焼空気を吸い込んで圧縮翼9で圧縮し、圧縮燃焼空気を矢印Bのように別置の再生器に供給して加熱する。再生器で加熱された圧縮燃焼空気は、矢印Cのように、ガスタービン2のタービン内側ケーシング7及びタービン外側ケーシング8間に導入された後、燃焼器で圧縮燃焼空気と燃料が混合されて燃焼され、矢印Dのようにタービン内側ケーシング7内に供給されてタービン翼6を回転させ、矢印Eのように排気される。
During operation of the gas turbine
タービン翼6の回転により、タービン翼6と同軸の圧縮翼9及び発電機4の回転子14も回転する。発電機1は、回転子14の回転により、固定子巻線22に交流電流を誘起する。誘起された交流電流は、例えば、変換手段により一旦直流電流に変換した後、再度別の変換手段で交流電流に変換されて需要側に供給される。
Due to the rotation of the turbine blade 6, the
このようなガスタービン発電設備1において、例えば、発電機4の製造上及び組立上の誤差で、回転子14の軸方向の磁気中心C1と、スラスト軸受28により規定された回転子14の磁気中心C2とがずれた状態で組み立てられる場合がある。このような場合、ガスタービン発電設備1の運転中に、回転子14と固定子15との間には、軸方向の磁気吸引力が働く。磁気吸引力Gは、回転子14に働く磁気吸引力であり、磁気吸引力Hは、固定子15に働く磁気吸引力である。
In such a gas turbine
このような磁気吸引力H,Gが作用すると、本来なら、回転子14は図中右方向に推力が作用して内側軸受部材30の円盤をスラスト部材31Aに押し付ける力、即ち、推力が大きくなり、摩擦力が大きくなって軸受損失を増大させることになる。
When such magnetic attraction forces H and G are applied, the
しかしながら、本実施の形態においては、固定子鉄心21が固定子枠23に対して軸方向に移動できるように構成されているので、前記磁気吸引力が発生した場合には、その磁気吸引力によって固定子15全体が図中左方向に変位する。この固定子15の軸方向の変位により、回転子14との間に磁気吸引力は小さくなり、その結果、前記内側軸受部材30の円盤をスラスト部材31Aに押し付ける推力も小さくなる。それに伴って、スラスト軸受28の摩擦力も低減するので、軸受損失を低減でき、発電機4の効率の低下を防止できるのである。
However, in the present embodiment, since the
尚、上記実施の形態においては、発電機4の運転開始とともに、固定子15が磁気吸引力によって急激に変位するので、その惰性で端板14Aに固定子鉄心21が激突する恐れがある。その場合には、固定子鉄心21の軸方向両端と端板24A,24Bとの間に、夫々例えば、ばね定数の小さい板ばねやコイルばね等の弾性体36A,36Bを介在させることで、固定子15の軸方向の変位を妨げることなく、固定子鉄心21の端板24A,24Bへの激突を防止することができる。
In the above embodiment, since the
ところで、弾性体36A,36Bのばね定数は、上述の磁気吸引力と、回転子14と固定子15の軸方向の磁気中心の偏差によって決めることができ、k1+k2≦F/dで表すことができる。ここで、k1は弾性体36Aのばね定数、k2は弾性体36Bのばね定数、Fは磁気吸引力、dは回転子14と固定子15の軸方向の磁気中心の偏差である。
By the way, the spring constants of the
図2は、本発明によるガスタービン発電設備の第2の実施の形態を示すもので、図1と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。 FIG. 2 shows a second embodiment of the gas turbine power generation facility according to the present invention, and the same reference numerals as those in FIG.
第2の実施の形態において、第1の実施の形態と異なる構成の一つ目は、固定子鉄心21の軸方向両端と端板24A,24Bとの間に、弾性体36A,36Bを介在させるほか、例えば粘度の高い流体を封入した柔軟性の容器やオイルダンパーなどの減衰手段37A,37Bを介在させた構成である。減衰手段37A,37Bを介在させることで、ばね定数が小さい弾性体36A,36Bで両側を支持された固定子15が、回転子14の回転に伴って軸方向に振動するのを防止することができる。
In the second embodiment, the first configuration different from the first embodiment is that
第1の実施の形態と異なる構成の二つ目は、固定子鉄心21と固定子枠23との間に、低摩擦材38を介在させて、固定子15の軸方向の変位を容易にした構成である。そして、低摩擦材38としては、フッ素系樹脂や繊維強化プラスチックで成型され固定子鉄心21の外周面を接触させて滑らす筒体や、同材料で成型され固定子鉄心21の外周面の複数箇所を接触させて滑らすレール体などがあり、レール体は固定子枠23の軸方向全長にわたって設置され、固定子枠23の内径側に周方向に間隔を置いて複数本設置されるものである。
The second configuration different from the first embodiment is that the
第1の実施の形態と異なる構成の三つ目は、固定子15の軸方向の位置を調整する位置調整機構39を設けた構成である。位置調整機構39は、端板24Bに軸方向に設けたねじ孔40と、このねじ孔40にねじ込まれ先端を固定子鉄心21に連結した調整ボルト41と、前記ねじ孔40の外側に突出した前記調整ボルト41にねじ込んだダブルナット42とで構成したものである。調整ボルト41を左右に回転させることで、固定子鉄心21を軸方向に移動させて位置を調整することが可能であり、位置調整後、ダブルナット42をねじ込むことで、調整位置を固定することができる。
A third configuration different from the first embodiment is a configuration in which a
ところで、固定子15の軸方向の位置調整方法として、スラスト部材31A,31Bに加重センサ43A,43Bや温度センサ44A,44Bを設けて、その出力信号を図3に示すように、演算処理装置45に導いて、スラスト部材31A,31Bが受ける推力を測定し、また温度によってスラスト軸受28に作用している推力を推定する。ここで、前記加重センサ43A,43Bや温度センサ44A,44B及び演算処理装置45が本発明による推力測定手段を構成する。
By the way, as a method for adjusting the axial position of the
そして、その推力を表示装置46に表示し、操作員は表示装置46を見ながら測定値が適正範囲内になるように、前記調整ボルト41を回転させ、固定子15を軸方向に移動させて位置を決め、ダブルナット42で固定するのである。具体的には、演算した推力が「ゼロ」近傍になるように、固定子15の軸方向の位置を調整する。そして、前記位置調整機構39は、固定子鉄心21が固定子枠23内で傾くことなく円滑に軸方向に移動できるように、少なくとも周方向に間隔を空けて3組設けることが望ましい。さらに、前記位置調整機構39を設ける場合には、弾性体36A,36Bや減衰手段37A,37Bを設ける必要はない。
Then, the thrust is displayed on the
以上説明したように、固定子15を固定子枠23に対して操作員が手動で軸方向に調整して、スラスト軸受28のスラスト部材31A,31Bに作用する推力を低減させることで軸受損失を低減させることができ、その結果、発電機及びそれを用いたガスタービン発電設備の効率を向上することができる。
As described above, the operator manually adjusts the
次に、本発明によるガスタービン発電設備の第3の実施の形態を図4に基づいて説明する。尚、図1及び図2と同符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。 Next, a third embodiment of the gas turbine power generation facility according to the present invention will be described with reference to FIG. The same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same components, and detailed description thereof will not be repeated.
本実施の形態は、上記第2に実施の形態における調整ボルト41とダブルナット42による位置調整機構39を、ピストン48とその駆動手段49による位置調整機構47に置換した構成である。そして、前記ピストン48は、その一端を端板24Bに設けた貫通孔40Aを通して固定子鉄心21の端部に連結し、駆動手段49でそのピストン48を軸方向に進退させて、スラスト部材31A,31Bが受ける推力の値が適正範囲内になるように固定子15の軸方向の位置を調整している。ところで、前記駆動手段49は、ピストン48を軸方向に駆動して進退させるものであれば、その種類は限定されるものではなく、例えば、水,空気,油などの流体を供給・排出してピストン48を駆動する流体シリンダや、磁気的にピストン48を駆動する磁気駆動手段や、ねじを回転させてピストン48を駆動する回転駆動手段など周知の駆動手段を用いることができる。
In this embodiment, the
そして、このような駆動手段49を、図3に示すように、スラスト部材31A,31Bに設けた加重センサ43A,43Bや温度センサ44A,44Bと演算処理装置45に基づいて駆動することで、自動的に固定子15の軸方向の位置調整を行なうことができる。具体的には第2の実施の形態と同じように、加重センサ43A,43Bや温度センサ44A,44Bからの出力信号の処理を演算処理装置45によって行い、スラスト部材31A,31Bが受ける推力を測定し、また温度によってスラスト軸受28に作用している推力を推定する。そして、その推力の値が「ゼロ」近傍になるように、前記駆動手段49に駆動指令を与えてピストン48を進退させ、固定子15の軸方向の位置調整を自動的に行なうのである。
Then, as shown in FIG. 3, the driving means 49 is driven automatically based on the
さらに、本発明によるガスタービン発電設備の第4の実施の形態を図5に基づいて説明する。尚、図1〜図3と同符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。 Furthermore, a fourth embodiment of the gas turbine power generation facility according to the present invention will be described with reference to FIG. The same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 indicate the same components, and thus detailed description thereof is omitted.
本実施の形態では、第2及び第3の実施の形態による位置調整機構39,47に代えて、別の位置調整機構50を設けたのである。この位置調整機構50は、固定子鉄心21の端部と端板24Bとの間に跨って接続され、流体の供給・排出により体積を変化させるダイヤフラム等の可撓性容器51と、この可撓性容器51に対して例えば空気や油や水などの流体を供給・排出する管路52と、この管路52に接続され供給する流体を加圧する加圧手段53と、前記管路52の途中に設けられ供給及び排出される流体に対してその圧力を調整する例えば二方向切り替え機能を有する電磁弁54とを備えている。
In this embodiment, instead of the
そして、前記電磁弁54の開度を、前記第2及び第3の実施の形態と同じように、スラスト部材31A,31Bに設けた加重センサ43A,43Bや温度センサ44A,44Bからの出力信号に基づいて変化させることで、前記可撓性容器51に対して流体を供給及び排出する。可撓性容器51内への流体の供給及び排出によって固定子15は軸方向に稼動されて位置調整を行なうことができる。
Then, the opening degree of the electromagnetic valve 54 is set to output signals from the
加重センサ43A,43Bや温度センサ44A,44Bからの出力信号の処理は、第2及び第3の実施の形態と同じように行われる。即ち、図3に示すように、加重センサ43A,43Bや温度センサ44A,44Bからの出力信号に基づいて演算処理装置45によってスラスト部材31A,31Bが受ける推力を測定し、また温度によってスラスト軸受28に作用している推力を推定する。そして、その推力の値が「ゼロ」近傍になるように、前記電磁弁54に二方向の切り替え指令または開度指令を与えて可撓性容器51へ流体の供給あるいは排出を行い、固定子15の軸方向の位置調整を自動的に行なうのである。
Processing of output signals from the
ところで、上記各実施の形態においては、発電機4の磁気的不都合によって発生するスラスト軸受28の推力を低減させるようにしたものである。しかし、ガスタービン発電設備1全体を見ると、ガスタービン2と圧縮機3にも、タービン翼6と圧縮翼9の向きや形状の違いから異なった向きの異なった大きさの推力が働く。このようなガスタービン2と圧縮機3による推力の差によっても前記スラスト軸受28に推力が作用するので、ガスタービン2と圧縮機3による推力を含めてスラスト軸受28に作用する推力を低減させることが望ましい。
By the way, in each said embodiment, the thrust of the
そこで、第2〜第5の実施の形態に示すように、加重センサ43A,43Bや温度センサ44A,44Bを設け、これらの測定値からスラスト軸受28に作用するガスタービン2と圧縮機3による機械的推力と発電機4による磁気的推力の総和を演算処理装置45によって計測し、これら推力の総和を低減するように、手動あるいは自動的に固定子15を軸方向に調整すればよい。尚、ガスタービン2と圧縮機3による機械的推力は、回転数,発電機出力,外気温度の変化によって変化するので、単純に推力の総和が許容値を超えた場合に固定子15の位置を調整して推力の総和を許容値内に低減させたり、最も頻度の高い運転時における推力の総和を固定子15の位置を調整して低減させたりしてもよい。
Therefore, as shown in the second to fifth embodiments,
以上説明したように本実施の形態によれば、スラスト軸受に作用する推力を低減して効率の向上を図ることができる発電機及びそれを用いたガスタービン発電設備を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, a generator capable of reducing the thrust acting on the thrust bearing and improving the efficiency, and a gas turbine power generation facility using the generator can be obtained.
ところで、上記実施の形態において、発電機4の回転子14として永久磁石17を用いた構成とした。しかし、永久磁石17を用いる代わりに、回転子鉄心16に回転子巻線を巻付け、この回転子巻線に励磁電流を供給するように構成してもよい。
By the way, in the said embodiment, it was set as the structure which used the
本発明は、スラスト軸受を備えた発電機やガスタービン発電設備の効率を向上させるのに必須のものである。 The present invention is essential for improving the efficiency of a generator or a gas turbine power generation facility equipped with a thrust bearing.
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