JP2010071120A - ガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
潤滑剤の循環に必要な補機動力を低減して、発電設備の発電効率を増加でき、しかも潤滑剤の良好な排出状態を維持できるガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置を提供する。
【解決手段】
共に大気圧に開放されるサブタンク１１とメインタンク１０の２つのタンクから構成される排出流路を設けることで、軸受部からサブタンク１１までは排出管長を短くできて管路抵抗の影響を少なくでき軸受部からの良好な潤滑剤排出が実現でき、また、サブタンク１１とメインタンク１０とは２つのタンク間のヘッド差で決まる流速から、循環ポンプで軸受部に供給する流量と同じ流量が確保できる配管径の配管で連結することで、サブタンク１１内の潤滑剤の液位を一定に保て、潤滑剤排出のための補機を用いないで良好な排出状態を維持できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置に係り、特に、店舗や病院等に設置される自家発電設備として好適なガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置に関する。

一般に自家発電設備として用いられるガスタービン発電設備のうち、１００ｋＷから２５０ｋＷクラスの容量のガスタービン発電設備は、特許文献１に開示されているように、発電機の軸受として油潤滑軸受を用いている。

特開２００２−２２１０９０号公報（明細書の段落番号〔０００７〕）

特許文献１に開示のガスタービン発電設備は、軸受潤滑剤としての油をポンプで圧送して軸受部に供給する。軸受部では、通常は大気圧に開放されるため、軸受を潤滑した油を再びポンプ上流の油タンクまで戻し、しかも、潤滑剤の軸受部からの排出を完全にするため、油タンクは排煙ファンによってタンク内の空気を外部に排気してタンク内圧を大気よりも低減させている。軸受を潤滑した油は、上記の油タンクでの排煙によるタンク内負圧と軸受部の大気圧との圧力差を利用して軸受部分からの排出が行われる。ここで、軸受部の潤滑剤の排出を良好に行うためには、油タンクでの減圧を大きくする必要があり、発電装置の補機動力の消費が増すため、発電量の一部がその動力に消費され、結果として発電効率の低下を招くことになる。また、油タンクまでの戻りの排出配管長が長くなると、管路抵抗の増加分、潤滑剤の排出が悪くなり、結果として排煙ファンの容量が増加し補機動力が増し発電効率が低下する。

本発明の目的は、ガスタービン発電設備（例えば、自家発電設備で１００〜２５０ｋＷクラスのガスタービン発電設備）に適用する軸受潤滑剤循環装置での、潤滑剤の循環に必要な補機動力を低減して、発電設備の発電効率を増加でき、しかも潤滑剤の良好な排出状態を維持できる軸受潤滑剤循環装置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、潤滑剤タンクを大気圧に開放された２つのタンクで構成し、この２つのタンクを、軸受部の下方に設置した潤滑剤排出タンク（サブタンク）とこの潤滑剤排出タンクより低位置に設置された潤滑剤供給タンク（メインタンク）とから構成し、サブタンクで軸受から排出される潤滑剤を一旦受け入れ、サブタンクからメインタンクに潤滑剤を重力作用で流すようにしたものである。

潤滑剤排出タンク（サブタンク）は軸受部の直下に設置することが好ましく、また、軸受部から潤滑剤排出タンクに潤滑剤を排出する潤滑剤排出配管を直管とするのが好ましい。

また、潤滑剤排出タンク（サブタンク）は、潤滑剤排出管よりも断面積が十分大きく大気圧に開放された配管としても良い。

本発明によれば、軸受部の下方に潤滑剤を受け止める大気に開放されたサブタンクを設け、このタンクで受けた潤滑剤を、サブタンクよりも低位置に設置される大気圧に開放されたメインタンクに重力作用のみで流すようにしている。その結果、第一に補機動力を低減するため排煙ファンを取り除くことができ、かつ、第二に位置エネルギーの差、つまりヘッド差だけで良好な排出が実現できる。従って、発電機軸受部下流の潤滑剤排出部に潤滑剤排出のための補機動力を必要とせず、潤滑剤の排出を良好に行えることができるため、さらに補機動力を低減できるガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置を提供することができる。

特に、軸受部の直下にサブタンクを設置し、軸受部とサブタンク間の潤滑剤排出管距離を短く、また、直線状に配管することで、軸受部とサブタンク間の配管抵抗を減少して潤滑剤の排出を良好にできる。

このように軸受の潤滑剤の排出経路を、共に大気圧に開放されるサブタンクとメインタンクの２つのタンクから構成される排出流路を設けることで、軸受部からサブタンクまでは排出管長を短くできて管路抵抗の影響を少なくでき、軸受部からの良好な潤滑剤の排出が実現できる。また、サブタンクとメインタンクとは２つのタンク間のヘッド差で決まる流速から、循環ポンプで軸受部に供給する流量と同じ流量が確保できる配管径の配管で連結することで、サブタンク内の潤滑剤の液位を一定に保て、結果として、排出のための補機を用いないで良好な排出状態を維持できる。

以下、本発明による第１の実施の形態を図１に示すガスタービン発電設備の軸受潤滑剤の循環システムを用いて説明する。

図１には、発電機本体と軸受潤滑剤循環装置を示す。発電機本体は、発電機１と、発電機ロータ５と、そのロータを指示する軸受４と、発電機ロータに取り付けられた圧縮機２とタービン３からなる。図１では、発電機本体を模式的に示したもので、発電機，圧縮機、及びタービンの詳しい構造と、ケーシング等の構成要素は省いている。軸受潤滑剤は、メインタンク１０に貯えられていて、循環ポンプ７によって、潤滑剤供給管６を通して発電本体１に供給される（本実施例では、循環ポンプ７及び潤滑剤供給管６が、タンクから軸受に軸受潤滑剤を供給する系統ということになる。）。循環ポンプの下流側には、ラジエータ８が設置されていて、ラジエータファン９からの冷却風１５によって熱交換され、軸受部で吸収した熱を放出する。潤滑剤排出管１３Ａ，１３Ｂは、軸受部と直下に設置されたサブタンク１１と繋がり、軸受潤滑剤をサブタンクに排出する（本実施例では、潤滑剤排出管１３Ａ，１３Ｂが、軸受からタンクに軸受潤滑剤を排出する系統ということになる。）。軸受部とサブタンクは共に大気開放されているため、潤滑剤は軸受部とサブタンクのヘッド差だけで排出されるが、サブタンクが軸受直下に設置されているため、配管抵抗の影響はほとんど受けず、軸受部に潤滑剤を澱ますことなく、良好に排出させる。また、サブタンク１１とメインタンク１０は接続管１２で連結されている。連結管の管径を適切に選定することで、つまり、両タンクのヘッド差で決まる流出速度と、循環ポンプ７の吐出流量に等しくなる管径の配管を設置することで、サブタンクに溜まった潤滑剤は、サブタンクをあふれることなく、メインタンクに流す。本実施例によれば、潤滑剤の貯留タンクには内圧を負圧に維持する排煙ファンを必要としないため、補機動力が低減でき、さらに、軸受下流側は、短管によって、潤滑剤はサブタンクに落とされるため、軸受部に不要な潤滑剤の溜まりが発生せず発電機内部への潤滑剤の漏れ等の不具合の発生を防止でき、良好な排水状態を得ることができるという効果がある。

図２は図１に示した発電機と軸受装置部を示したものである。発電機ロータ５は２個の軸受４で支えられている。また、発電機ステータ２９は中心部が開放されたドーナツ状の形状を有しており、その中心部に発電機ロータ５を囲むように設置されている。軸受ブラケット２０側に設置される軸受４はスラスト軸受とジャーナル軸受が一体化されたコンバインド軸受である。発電機ロータ５の突起部２７はスラスト軸受の当たり面となるスラストカラーで、軸受ブラケット２０には、軸受潤滑剤の供給孔２１が設けられており、潤滑剤供給孔２１を通して供給された潤滑剤は軸受４を潤滑した後、図２の軸受の左側から排出される潤滑剤は軸受ブラケット２０の空洞部２４に流出して潤滑剤排出孔２２を通して潤滑剤排出管１３からサブタンク１１に排出される。サブタンク１１には、大気に開放する空気孔３８が設けられている。軸受４の右側から排出される潤滑剤は軸受ブラケット２０の空洞部２８に流出して潤滑剤排出孔２３を通して軸受ブラケットの空洞部２４に流出し、潤滑剤排出孔２２を通して潤滑剤排出管１３からサブタンク１１に排出される。軸受ブラケットには、潤滑剤が発電機ステータ側に漏れこまないようラビリンスシール２５が、また、発電機外部に漏れ出さないようラビリンスシール２６が設置されている。同様に、軸受ブラケット３０側に設置される軸受４はジャーナル軸受である。軸受ブラケット３０には、軸受潤滑剤の潤滑剤供給孔３１が設けられており、潤滑剤供給孔３１を通して供給された潤滑剤は軸受４を潤滑した後、図２の軸受の左側から排出される潤滑剤は軸受ブラケット３０の空洞部３４に流出して潤滑剤排出孔３２を通して潤滑剤排出管１３からサブタンク１１に排出される。また、軸受４の右側から排出される潤滑剤は軸受ブラケット３０の空洞部３６に流出して潤滑剤排出孔３３を通して軸受ブラケットの空洞部３４に流出し、潤滑剤排出孔３２を通して潤滑剤排出管１３からサブタンク１１に排出される。軸受ブラケットには、潤滑剤が発電機ステータ側に漏れこまないようラビリンスシール３５が設置されている。本実施例によれば、潤滑剤排出管径は、潤滑剤供給孔と同等以上に大きく取れ、しかも、大気開放されたサブタンクとは、直線的に短距離で繋がれており、潤滑剤の排出に伴う管路抵抗は少なく、潤滑剤の排出が良好に実施できるという効果がある。

図３の実施例では、１００ｋＷ〜２００ｋＷ容量の再生サイクルガスタービン発電設備のパッケージに潤滑剤循環装置を設置した状態を示す。発電機１，圧縮機２，タービン３及び燃焼器４０から成る発電機本体は、パッケージフレーム４６の仕切り床板４７の上側に設置されている。また本体は、上流側が、圧縮機の吸気側に大気と連通する吸気ダクト４１と、下流側が、排気ダクト４２，再生熱交換器４３，排気サイレンサー４４、及び排出ダクト４５に接続されている。仕切り床板４７の下側には、発電機ロータの回転数を制御し、発電機の出力制御を行う電力変換器４８が設置されている。タービン本体に取り込まれる空気は、吸気ダクト４１から入り（矢印５０）、排出ダクト４５から大気に放出される（矢印５１）。一方、潤滑剤の冷却に使用される空気は、仕切り床板４７の下段に設置されたラジエータファン９によって、大気から矢印５２でパッケージ内に取り込まれ、電力変換器４８を冷却して矢印５３で示される部位を通ってパッケージ外（矢印５４）で大気に排出される。図３で、潤滑剤排出用のサブタンク１１を仕切り床板４７上の発電機１の直下に配置して、直線状の潤滑剤排出管１３Ａ，１３Ｂと接続している。また、メインタンク１０を仕切り床板４７の下段に設置して、サブタンク１１とは接続管１２で連結されている。サブタンク１１が大気開放されているため、発電機内の軸受部とサブタンク１１間は両者のヘッド差によって潤滑剤が排出されるが、排出管が直線状であり、かつ距離が短いため、管路抵抗は少なく、潤滑剤の排出は良好に行われる。また、サブタンク１１とメインタンク１０間も同様に両者のヘッド差による重力作用のみで、潤滑剤はメインタンクに戻される。ヘッド差で決まる流速から、接続管１２の断面積の積が、潤滑剤供給体積流量と同等以上になるように接続管の管径を選ぶことにより、サブタンクとメインタンク間の潤滑剤の排出を良好に行うことができる。本実施例によれば、潤滑剤の排出側に排煙ファン等の補機を設置しなくても潤滑剤の排出は良好に行え、補機動力が低減できる分、発電効率が向上するという効果がある。

図４は本発明の他の実施例を示す図である。図４の実施例では、仕切り床板４７上に設置されるサブタンクの代わりに、断面積の大きな配管５５を設置して、この配管５５と潤滑剤排出管１３Ａ，１３Ｂ、及び接続管１２を繋いだものである。配管５５には空気孔３８が設けられていて配管５５内を大気圧状態に保っている。配管５５は断面積が十分大きいため、容積も図３の実施例で示したサブタンクと同様に十分あり、しかも、配管内は大気圧状態のため、発電機軸受部からの潤滑剤の排出は図３に示した実施例と同様な効果をもたらす。

なお、本実施例では、潤滑剤として油を想定した場合で記載したが、潤滑剤は液体あればよく、例えば、潤滑剤として水を用いた場合（例えば、特開２００５−５４７７９号公報に開示されたガスタービン発電設備に適用した場合）にも同様な効果が得られる。

本発明によるガスタービン発電設備の第１の実施の形態を示す図。 本発明によるガスタービン発電設備の第１の実施の形態の発電機部分を示す断面図。 本発明によるガスタービン発電設備の第１の実施の形態のパッケージ内設置状態を示す図。 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図。

符号の説明

１ 発電機
２ 圧縮機
３ タービン
４Ａ コンバインド型軸受
４Ｂ ジャーナル軸受
５ 発電機ロータ
６ 潤滑剤供給管
７ 循環ポンプ
８ ラジエータ
９ ラジエータファン
１０ メインタンク
１１ サブタンク
１２ 接続管
１３Ａ，１３Ｂ 潤滑剤排出管
１４ 潤滑剤
１５ 冷却風（ラジエータファンからの風）
２０，３０ 軸受ブラケット
２１，３１ 潤滑剤供給孔
２２，２３，３２，３３ 潤滑剤排出孔
２４，２８，３４，３６ 空洞部
２５，２６，３５ ラビリンスシール
２７ 突起部（スラストカラー）
３７ 軸受ブラケット軸端蓋
３８ 空気孔
４０ 燃焼器
４１ 吸気ダクト
４２ 排気ダクト
４３ 再生熱交換器
４４ 排気サイレンサー
４５ 排出ダクト
４６ パッケージフレーム
４７ 仕切り床板
４８ 電力変換器
５０，５１ タービン内に取り込まれる風の流れを示す矢印
５２，５３，５４ パッケージ内に取り込まれる風の流れを示す矢印
５５ 配管

Claims (7)

1. 発電機の回転子を支持する軸受の潤滑剤循環装置であって、
   軸受潤滑剤を収容するタンクと、
   前記タンクから前記軸受に軸受潤滑剤を供給する系統と、
   前記軸受から前記タンクに軸受潤滑剤を排出する系統とから潤滑剤循環経路を形成し、
   前記タンクを、大気圧に開放された２つのタンクであって、前記軸受潤滑剤を排出する系統に接続された潤滑剤排出タンクと、該潤滑剤排出タンクの下方に設置され、前記軸受潤滑剤を供給する系統に接続された潤滑剤供給タンクとから構成すると共に、前記潤滑剤排出タンクと前記潤滑剤供給タンクとを接続する配管を設けたことを特徴とするガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置。
2. 発電機の回転子を支持する軸受の潤滑剤循環装置において、
   軸受潤滑剤を収容するタンクを、
   前記発電機のケーシング外の直下に配置され大気圧に開放された潤滑剤排出タンクと、
   前記潤滑剤排出タンクより低位置に設置され、該潤滑剤排出タンクから軸受潤滑剤を受け入れる潤滑剤供給タンクとから構成し、
   前記軸受からの潤滑剤排出管を前記潤滑剤排出タンクと接続したことを特徴とするガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置。
3. 請求項１において、
   前記軸受と前記潤滑剤排出タンクを直線状の潤滑剤排出配管で接続することを特徴とするガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置。
4. 請求項２において、
   前記潤滑剤排出管を直線状の配管としたことを特徴とするガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置。
5. 請求項１〜４の何れかにおいて、
   ガスタービン発電設備はパッケージ内に配置され、
   前記パッケージは仕切り床板によって二段に構成されており、
   前記発電機及び前記潤滑剤排出タンクは、前記仕切り床板の上側に設置され、かつ、前記潤滑剤排出タンクは、前記発電機直下の前記仕切り床板上に設置され、
   前記潤滑剤供給タンクは、前記仕切り床板の下側に設置されていることを特徴とするガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置。
6. 請求項３〜５の何れかにおいて、
   前記潤滑剤排出タンクにかえて、前記潤滑剤排出管よりも断面積が十分大きく大気圧に開放された配管を用いたことを特徴とするガスタービン発電設備の軸受潤滑剤循環装置。
7. 圧縮機とタービンと発電機を同軸のロータで支持するようにしたガスタービン設備であって、
   前記ロータを発電機の両側で支持する軸受と、
   前記軸受に潤滑剤を供給する潤滑剤供給配管と、
   前記軸受から排出された潤滑剤を受け入れるタンクと、
   前記潤滑剤供給配管の経路に設けられ前記タンク内の潤滑剤を送液する循環ポンプとを有し、
   前記タンクは、前記軸受から排出された潤滑剤を受け入れる大気圧に開放された潤滑剤排出タンクと、前記潤滑剤排出タンクよりも下方に設置され、前記潤滑剤排出タンクからの潤滑剤を受け入れる潤滑剤供給タンクとを有するガスタービン設備。

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