JP4331754B2 - ガスタービンロータの軸方向支持用軸受とガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ロータを第１運転位置から第２運転位置へ軸方向に変位すべく液圧ピストンシリンダ装置を有する固定配置の軸受体と、前記液圧ピストンシリンダ装置に流体的に接続された液圧供給系とを備えたガスタービンにおけるロータを軸方向に支持するための軸受に関する。また本発明はそのような軸受を備えたガスタービンに関する。

上述の形式の軸受は公知である。特に環状に形成され、ガスタービンのロータを取り囲む軸受体は、複数の液圧ピストンに用いられている。該液圧ピストンはロータに形成されたストッパ面に突き当てられ、この結果ロータの軸方向における接触支持が行われる。

ガスタービンのロータを変位するためのこの種軸受は、米国特許２００２／０００９３６１号明細書で公知である。ガスタービンとロータが完全に暖まり、従って材料の熱膨張が終了した後、軸受により、ロータが高温作動媒体の流れ方向と逆向きに第１運転位置から第２運転位置に変位される。この結果、タービン装置において動翼先端とこれに対向して位置する案内輪との間に形成されたラジアル隙間が最小になり、動翼先端における損失が最小になって、ガスタービンの大きな出力発生が得られる。

ロータが第２運転位置に置かれた状態で既に液圧媒体が喪失すると、ロータは作動媒体の軸方向突き押し力により第１運転位置に押し戻され、このためスラスト軸受、ロータおよびガスタービンがひどく損傷されることがある。

ロータの位置は、液圧ピストンの位置により調節される。即ち調節されたピストン行程に応じ、ガスタービンロータの軸方向の位置が調節される。従って液圧ピストンシリンダ装置は、ガスタービンのロータを軸受に関し必要に応じた適切な位置に置き、かつロータを第１運転位置から第２運転位置に変位させることができる。しかしロータの変位時に生ずるロータの軸方向速度は、軸受体、軸受ハウジングおよびガスタービンに過負荷を生じさせる大きな動力を発生する問題がある。このため、ロータの軸方向変位が軸受の全損を生じさせることがある。特に、作動媒体の流れ方向におけるロータの変位挙動は、この変位方向で、非常に大きな突き押し力がロータに作用する問題がある。

また、独国特許出願公開第２３５７８８１号や米国特許第４９１５５１０号明細書で、各々変動する軸方向突き押し力により引き起こされる、意図しないロータの軸方向変位を補償するスラスト軸受が公知である。更に独国特許出願公開第３９２６５５６号明細書には、ロータの非対称的な軸方向変位時における自己平衡スラスト軸受が示されている。

本発明の課題は、上述の欠点を除去し、ロータの大きな動的突き押し力のために生ずる軸受力を受け、ロータの安全な支持を保証する軸受を提供することにある。更なる本発明の課題は、そのためのガスタービンを提供することにある。

最初に挙げた課題を解決すべく、本発明は、冒頭に述べた形式の軸受において、ロータの変位速度を制限するため、液圧ピストンシリンダ装置と液圧供給系との間に、液圧媒体に対する少なくとも１つの絞りを設ける。

本発明に基づく絞りの挿入接続は、個々のピストンにより押し出した液圧媒体をまず絞りを通して導くように作用し、もって運動エネルギを消滅させ、ロータを比較的ゆっくり変位させる。軸受体に作用する荷重はかくして減少し、この結果過負荷の恐れが最小になる。仮にロータに最大の力が作用しても、液圧ピストンシリンダ装置と液圧供給系の間に配置した絞りで運動エネルギを十分に消散させ、もってロータの動力による軸受の過負荷を防止できる。この結果、仮に大きな動的突き押し力が生じた際も、ガスタービンのロータの安全な支持を保証する。

絞りは軸受体内に配置するとよい。液圧供給系の配管が破損した異常時でも、液圧媒体は限られた速さでしか流出せず、この結果、ロータはゆっくりと、従って破損の恐れのない速度で変位する。かくして、軸受、ロータおよびガスタービンを、ロータの過大な変位速度により生ずる損傷から保護できる。絞りは流れ狭隘路により形成できる。

他の実施態様では、軸受に、液圧ピストンシリンダ装置と液圧供給系との間の絞りとして形成した少なくとも１つの流れ制御弁を設ける。この対策は系統全体の安全性を高め、更に場合により液圧媒体の流速の調節、従ってロータの変位速度の調節を可能にする。

本発明の他の特徴に従い、液圧ピストンシリンダ装置は、各々対応するシリンダ室内に配置した複数のピストンを有する。複数の液圧ピストンの配置により、ガスタービンのロータの直線的で位置精確な変位挙動を可能にする一様な力の導入が行える利点がある。

更に本発明に従い、シリンダ室を水力学的に形成した孔となし得る。他の幾何学形状も勿論考えられるが、特に円筒状に形成したシリンダ室が最良の力分布を可能にする。

本発明の特別な利点に基づき、シリンダ室は流体的に互いに接続される。これに伴い、各シリンダ室間の圧力平衡が達成され、このため、一方でガスタービンのロータの一様な荷重分布、他方でロータの一様な直線的変位が可能となる。各シリンダ室は流体的に相応して形成された孔を経て共通の圧力室に、或いは相応した形成された孔を経て流体的に直接接続される。重要なのは各シリンダ室間の圧力平衡が可能ことである。

本発明の他の特徴に従い、液圧ピストンシリンダ装置を環状に形成し、横断面円形に形成したガスタービンのロータを取り囲む。液圧ピストンがロータに最良の力伝達を行うよう、ピストンを環状に形成した液圧ピストンシリンダ装置に対し互いに等間隔で配置し、もって一様な力分布を得る。環状に形成した液圧ピストンシリンダ装置の形状と大きさに応じ、シリンダ室を互いに接続する共通の圧力室も同様に環状とし、液圧ピストンシリンダ装置を取り囲む。

本発明の他の特徴に基づき、互いに別個に形成した２つの液圧ピストンシリンダ装置を設け、該ピストンシリンダ装置を軸受体の両側に配置する。本発明による軸受のこの実施態様では、軸受体は全部で２つの液圧ピストンシリンダ装置を利用し、これら液圧ピストンシリンダ装置は、実施態様に応じて複数のピストンを利用する。第１液圧ピストンシリンダ装置のピストンはロータの第１ストッパ面と共働し、第２液圧ピストンシリンダ装置のピストンはロータの第２ストッパ面と共働する。この配置構造に伴い、ガスタービンのロータの変位時、一方の液圧ピストンシリンダ装置のピストンが繰り出され、他方の液圧ピストンシリンダ装置のピストンが引き込まれる。ロータの逆向きの変位時、両液圧ピストンシリンダ装置のピストン変位は同様に逆方向となる。ロータの突き押し方向に応じ、一方の液圧ピストンシリンダ装置は主段付軸受、他方の液圧ピストンシリンダ装置は副段付軸受と呼ぶこととする。

本発明の他の特徴に基づき、両液圧ピストンシリンダ装置、即ち主段付軸受および副段付軸受が流体的に互いに接続されている。かくして、ロータの変位のために一方の液圧ピストンシリンダ装置から押し出された液圧媒体は、他方の液圧ピストンシリンダ装置の内部における圧力発生に利用される。

ガスタービンのロータが突き押し方向と逆方向に変位する際、例えば配管破損等による液圧媒体供給系の故障時、ガスタービンの制御下でのロータ変位停止はもはや保証されない。それは、軸受体の副フランジ側の液圧ピストンシリンダ装置、即ち副段付軸受にもはや液圧媒体が供給されないためである。液圧媒体供給系の故障時でもガスタービンの的確なロータ変位停止を可能にすべく、本発明の他の特徴に基づき、両液圧ピストンシリンダ装置を、２位置４ポート切換弁を経て流体的に互いに接続するとよい。この切換弁の配置は、液圧媒体供給系の故障時でも、液圧媒体を軸受体の主フランジ側のシリンダ室から副フランジ側のシリンダ室に搬送することを可能にする。この目的のため、２位置４ポート切換弁を死位置に切り替えるだけで済む。ガスタービンのロータの突き押し力が主段付軸受のピストンにかかるので、液圧媒体は主フランジ側の液圧ピストンシリンダ装置のシリンダ室から副段付軸受のシリンダ室に搬送される。かくして、液圧媒体供給系の故障時でも、ガスタービンの制御してのロータ変位停止を保証できる。

ガスタービンが、上述の特徴を持つ軸受を備えると特に有利である。

本発明の他の利点および特徴を、以下の図を参照した実施例の説明で明らかにする。

図１は本発明に基づく軸受１を部分断面側面図で示す。軸受１はガスタービン８のロータを軸方向に支持および変位すべく用い、第１液圧ピストンシリンダ装置３を受けかつ第２液圧ピストンシリンダ装置４を受けるべく軸受体２を備える。ロータ８の突き押し方向７に関し、第１液圧ピストンシリンダ装置３はロータ８の主フランジ側５、第２液圧ピストンシリンダ装置４は副フランジ側６に各々配置されている。

第１液圧ピストンシリンダ装置３並びに第２液圧ピストンシリンダ装置４は、各々シリンダ室２２内を案内される複数のピストン２３で形成されている。第１液圧ピストンシリンダ装置３のピストン２３は、ロータ８に形成されたストッパ面２４に、第２液圧ピストンシリンダ装置４は、同様にロータ８に形成されたストッパ面２５に、各々別個に配置された中間要素を介して作用し、この結果全体としてロータ８の軸方向に変位可能な軸受を形成している。軸受体２への第１および第２液圧ピストンシリンダ装置３、４の配置に伴い、例えばガスタービンのロータ８を軸方向の異なる位置に位置付けできる。この目的のため、いずれかのシリンダ室２２に選択的に液圧媒体、例えば圧油を供給する。第１液圧ピストンシリンダ装置３並びに第２液圧ピストンシリンダ装置４は、配管１０、１１を介して共通の液圧供給系９に接続している。

液圧供給系９の部品として、タンク１２、アキュムレータ１３、液圧ポンプ１４、逆止め弁１５、１６、１７、２位置２ポート切換弁１８、２位置４ポート切換弁１９および可調整流れ制御弁２０、２１が存在する。第１、第２液圧ピストンシリンダ装置３、４と液圧供給系９の間に各々絞り２６、２７を設けている。これら絞り２６、２７は、液圧媒体用の配管を中間接続する必要なしに、軸受体２内に配置された液圧媒体用の流れ狭隘路により形成している。また流れ制御弁２０、２１が、第１から第２液圧ピストンシリンダ装置３、４と液圧供給系９との間のもう１つの絞りとして用いられる。

ロータ８の変位は、液圧媒体を第１液圧ピストンシリンダ装置３又は第２液圧ピストンシリンダ装置４に圧送し、ロータ８の軸受体２に対し軸方向に変位させることで達成される。液圧媒体を第１液圧ピストンシリンダ装置３に圧送した際、ピストン２３が充填された液圧媒体量に応じて変位し、中間要素を経てロータ８のストッパ面２４に作用する。このため突き押し方向７と逆向きのロータ変位が生じ、上述のラジアル隙間を減少すべく、第１運転位置から第２運転位置、即ち紙面において左方向への変位が起る。ロータ８の変位に伴い、ストッパ面２５が液圧ピストンシリンダ装置４に作用し、その結果対応したシリンダ室２２から液圧媒体が押し出され、配管１１を介して液圧供給系９に導かれる。

ロータ８の変位時に生ずるロータ８の軸方向速度が、軸受体２に過負荷を生じさせる過度の動力を発生するのを防止すべく、本発明に基づき、一方では第１液圧ピストンシリンダ装置３、他方では第２液圧ピストンシリンダ装置４と液圧供給系９との間に、各々流れ制御弁２０、２１と、軸受体２内に埋設した絞り２６、２７を直列接続している。これらの部品は、運転中にロータに最大の力が生じた際も運転エネルギを十分に消散し、これに伴いロータ８の動力による軸受１の過負荷を防止する。

ガスタービンの正常運転中、ロータ８の所定の変位時に生ずる負荷において、可調整流れ制御弁２０、２１が液圧媒体の流速を所定値に制限する。燃焼ガスの突き押し方向並びにその逆方向へのロータ８の変位は、かくして、比較的遅い所定の速度で起る。

液圧供給系９での欠陥発生時、流れ制御弁２０、２１の故障時或いは軸受体２に接続された液圧供給系９の配管１０、１１の破損時でも、軸受体２内に設けられた絞り２６、２７が液圧媒体の流速を制限する。ロータ８の第２運転位置から第１運転位置への突き押し方向７における予測されなかった変位は、軸受体２の損傷を防護する速度で起り、その速度は、流れ制御弁によって調整される正常運転中の所望速度より大きい。

絞り２６、２７を形成する軸受体内の流れ狭隘路は、運転負荷より大きな仮定最大負荷に対し設計されている。

絞り２６、２７は、異常時だけロータの変位速度を制限し、これに対して流れ制御弁２０、２１は、ロータの所定の変位中にその許容変位速度を制限する。

本発明に基づき、第１および第２液圧ピストンシリンダ装置３、４は、２位置４ポート切換弁１９を介在した状態で、互いに液圧供給系９を経て流体的に接続されている。

また、従来公知の軸受装置で、液圧媒体供給系の故障時にロータが突き押し方向に向かって変位する際、軸受１の副フランジ側６の第２液圧ピストンシリンダ装置４に液圧媒体が供給されないため、ガスタービンの制御してのロータ変位停止を保証し得ない。ここでは、本発明に基づきその対策として、主フランジ側５と副フランジ側６との間に挿入配置した２位置４ポート切換弁を設けている。即ち該切換弁を、液圧供給系の故障時に死位置に切り替える。ロータ８の突き押し力が第１液圧ピストンシリンダ装置３のピストン２３にかかるため、液圧媒体が主フランジ側５のシリンダ室２２から液圧供給系９を介して副フランジ側６のシリンダ室２２に搬送される。この結果副フランジ側に圧力が生じ、そのため圧力降下時、ロータはその位置に止まり、軸受が液圧で調整できないとき、ロータは同様にその位置に留まる。この結果、液圧供給系の中断時でも、ロータ８の緊急変位が達成され、従ってガスタービンの制御してのロータ変位停止が可能となる。

本発明に基づく軸受の一部断面側面図。

符号の説明

１ 軸受、２ 軸受体、３、４ ピストンシリンダ装置、８ ロータ、９ 液圧供給系、１９ ２位置４ポート切換弁、２０、２１ 流れ制御弁、２２ シリンダ室、２３ ピストン、２６、２７ 絞り

Claims (12)

1. ロータ（８）を第１運転位置から第２運転位置に軸方向に変位すべく液圧ピストンシリンダ装置（３、４）を有する固定配置の軸受体（２）と、前記液圧装置（３、４）に流体的に接続された液圧供給系（９）とを備えたガスタービンのロータ（８）を軸方向に支持するための軸受（１）において、
   液圧ピストンシリンダ装置（３、４）と液圧供給系（９）との間に、ロータの変位速度を制限すべく、液圧媒体に対する少なくとも１つの絞りを備えることを特徴とする軸受。
2. 軸受体（２）内に絞り（２６、２７）が配置されたことを特徴とする請求項１記載の軸受。
3. 配管を中間接続することなく、絞り（２６、２７）が軸受体（２）内に配置された流れ狭隘路により形成されたことを特徴とする請求項２記載の軸受。
4. 流れ制御弁（２０、２１）により絞りが形成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の軸受。
5. 液圧ピストンシリンダ装置（３、４）が、各々対応したシリンダ室（２２）内に配置された複数のピストン（２３）を有することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の軸受。
6. シリンダ室（２２）が円筒状に形成された孔であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の軸受。
7. シリンダ室（２２）が流体的に互いに接続されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の軸受。
8. 液圧ピストンシリンダ装置（３、４）が環状に形成されたことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の軸受。
9. 互いに別個に形成された２つの液圧ピストンシリンダ装置（３、４）を備え、該両液圧ピストンシリンダ装置（３、４）が軸受体（２）の両側に配置されたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の軸受。
10. 両液圧ピストンシリンダ装置（３、４）が、流体的に互いに接続されたことを特徴とする請求項１から９の１つに記載の軸受。
11. 両液圧ピストンシリンダ装置（３、４）が、２位置４ポート切換弁（１９）を介して流体的に互いに接続されたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の軸受。
12. 請求項１から１１の１つに記載の軸受（１）を備えることを特徴とするガスタービン。

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