JP4684097B2 - 縦型の高温高速回転大容量原動機 - Google Patents

Description

この発明は、回転部分（以下、ロータと称す）とこれを収める静止部分（以下、ケーシングと称す）とから成り、その回転軸を鉛直方向に配置されたガスタービン、蒸気タービン、発電機などの高温高速回転大容量原動機の技術分野に属する。

従来、ロータとこれを収めるケーシングとから成るガスタービン、蒸気タービン、発電機などの高温高速回転大容量原動機は、約１００年の技術史の中で伝統的に、その回転軸を水平方向に配置する横型の原動機として設計製作され使用されている（例えば、特許文献１を参照）。

横型の高温高速回転大容量原動機の欠点としては、大きな据付設置面積を必要とすること、ラジアル軸受がロータ重量支持とロータ振動制御の両役を果たさねばならないこと、及びロータ重量支持とロータ振動制御との間に干渉があるので据付とアラインメント管理上の制約が極めて厳しいこと、が挙げられる。

そこで、本出願人は、下記の特許文献２及び特許文献３に開示しているように、高温高速回転大容量原動機であるガスタービン、蒸気タービン、発電機をそれぞれ鉛直方向に配置した縦型のコンバインドサイクル発電プラントを提案している。

特開平９−１３３０２６号公報 特開２０００−１６１０１３号公報 特開２００４−２０４８２５号公報

上記特許文献２、３に係る技術は、コンバインドサイクル発電プラントの縦型化を提案し、従来の横型の同発電プラントの上記欠点を解決する手段として有益である。

しかしながら、高温高速回転大容量原動機であるガスタービンを縦型化すると、ロータ全重量とケーシング重量の合計総重量が鉛直荷重としてケーシングの各部分に大圧縮荷重として作用する。一方、ガスタービンの高効率化を図るには、タービン入口温度の高温化が必要で、熱応力低減上、ガスタービンケーシングの特に燃焼器側の板厚を大きくできない。

そのため、横型のガスタービンを単に縦型化にしただけでは、ケーシング薄肉高温部の過大圧縮応力による座屈の虞が大で、ガスタービンケーシングの強度と信頼性を維持することができない。

ガスタービン等の高温高速回転大容量原動機を縦型化する技術を実現することができれば、据付面積の容易化、および最新軸受技術採用の可能化による機器信頼性と軸受損失低減等のメリットが期待できるものの、現状の技術ではケーシングの座屈を回避する手段がなかった。

したがって、本発明の目的は、縦型ガスタービン等の縦型の高温高速回転大容量原動機について、ロータ全重量とケーシング重量の合計総重量が鉛直荷重としてケーシングの各部分に大圧縮荷重として作用することを回避し、もって、ケーシングの各部分の鉛直方向応力の大きさと正負（圧縮又は引張り）の分布を最適化することによって、ケーシングの座屈の問題を解決した縦型の高温高速回転大容量原動機を実現することにある。

上記従来技術の課題を解決するための手段として、ロータとこれを収めるケーシングとから成るガスタービン、蒸気タービン、発電機などの高温高速回転大容量原動機は、その回転軸（ロータ）を鉛直方向に配置し、そのケーシングを軸受台によって架台に取り付けた所謂縦型の構造で、支持状態と回転状態とを高度に安定させる技術的思想に立脚している。

そのため、前記ロータは、その上下の端部がケーシングに設置したラジアル軸受で回転自在に位置決め支持され、ロータに作用する鉛直荷重は、ロータの上端部に設けたスラストカラーを通して、前記ケーシングの上端部に設置されたスラスト軸受により吊り下げ支持されている。

また、ケーシングの上部は、ケーシングの鉛直方向熱膨張を許容するフレキシブル軸受台によって（建屋）架台に取り付けられ、下部は、機器据付時に前記ロータおよびケーシングの合計総重量の一部又は全部を十分に支持可能な構造の高剛性軸受台によって架台に受け支持されている。

さらに、前記高剛性軸受台で支持されたケーシングの各部分に作用する鉛直方向圧縮応力の大きさおよび正負をコントロールするため、前記ケーシングの上端部もしくは上半部分に、前記ロータおよびケーシングの総重量の一部を支持（相殺）する機械式又は油圧式の分散式補助受け支持装置が架台との間に取り付けられている。

例えば、前記高温高速回転大容量原動機をガスタービンで実施する場合には、同ガスタービンの上部の燃焼器側タービンケーシングを、同燃焼器側タービンケーシングの燃焼器による鉛直方向の熱膨張を許容するフレキシブル軸受台で架台に取り付け、下部の圧縮機側ケーシングを、前記ロータおよびケーシングの合計総重量の一部又は全部を支持可能な高剛性軸受台によって架台に取り付けて実施する。

請求項１に記載した縦型の高温高速回転大容量原動機によれば、ロータ全重量とケーシング重量の合計総重量が鉛直荷重として、ケーシングの各部分に大圧縮荷重として作用することを分散式補助受け支持装置の採用によって回避し、もって、ケーシングの各部分の鉛直方向応力の大きさと正負（圧縮又は引張り）の分布を最適化することによって、ケーシングの座屈の問題を解決することができるので、縦型の高温高速回転大容量原動機を理想的な構造として実現することができる。従って、ガスタービン、蒸気タービン、発電機などの回転軸を鉛直方向に一連に連結した縦型のコンバインドサイクル発電プラントの実現に飛躍的に寄与することができる。

図１は、請求項１に記載した発明に係る縦型の高温高速回転大容量原動機の実施形態を示している。この図１は、ロータ重量の全部とケーシング重量の一部を合計した重量を、単段の重量相殺機構９で相殺する場合を示している。

ちなみに、図示例では、前記単段の重量相殺機構９を、スラスト軸受箱１２に取り付けたカウンタウエイト９で実施しているが、スラスト軸受箱１２とケーシング２の上半部分に、数段（単段の場合を含む）の分散式補助受け支持装置（機械式、油圧式を問わない）を、架台４との間に設置して実施してもよい。

この縦型の高温高速回転大容量原動機１は、ロータ３と、ロータ３を内包するケーシング２とから成り、当該ケーシング２内に前記ロータ３が支持されて成るガスタービン、蒸気タービン、発電機などであり、ロータ３が鉛直方向に配置され、ケーシング２が軸受台５、６によって架台４に取り付けられている。

前記ロータ３は、その上下の端部が、ケーシング２に設置したラジアル軸受７、７で回転自在に支持されている。更に前記ロータ３の上端部に設けたスラストカラー１１を通してロータ３の鉛直方向重量が前記ケーシング２の上端部に設置されたスラスト軸受８に印加される。

前記スラストカラー１１とスラスト軸受８によりロータ３の上端部でロータ重量を支持する理由は、当該ロータ３が多少横振れしても、自重によるモーメントが復元モーメントとして作用し、横振れを安定的に抑制する作用（負のフィードバック）を期待できるからである。その結果、ロータ３の全重量はスラスト軸受８に印加される。

前記ケーシング２の上部は、同ケーシング２の上下方向の熱膨張を許容するフレキシブル軸受台５によって架台４に取り付けられている。下部は、機器据付時に当該ケーシング２が負担する総重量、即ち前記ロータ３とラジアル軸受７、７、スラスト軸受８、及びケーシング２などの各重量の合計総重量を十分に支持可能な構造の高剛性軸受台６によって架台４に取り付けられている。

前記フレキシブル軸受台５は、水平方向の支持剛性は十分大きいが、縦軸方向の抵抗力は極力小さい構成とされている。一方、前記高剛性軸受台６は、縦軸方向の支持剛性も十分大きいものである。これらの軸受台５、６を支持する前記架台４は、鉄骨鉄筋コンクリート造、或いは鉄骨構造の強固な構造体である。

次に、前記スラスト軸受箱１２の上端部には、前記高剛性軸受台６で支持した当該ケーシング２に作用する鉛直方向の圧縮力を低減するべく、ロータ３の重量の全部とケーシング２の重量の一部を合計した重量を相殺するカウンタウエイト９が上向きに連結されている。

なお、上述したように、図１では、カウンタウエイト９を上向きに連結して実施しているが、実際の機械においては、スラスト軸受箱１２とケーシング２の上半部分に、数段（単段の場合を含む）の分散式補助受け支持装置（機械式、油圧式を問わない）を、架台４との間に設置して実施してもよい。

また、本実施形態に係る高温高速回転大容量原動機１は、一例として、燃焼器側タービンケーシング２ａと圧縮機側ケーシング２ｂとでケーシング２を構成するガスタービン１で実施されているが、ガスタービン１に限定されず、蒸気タービンで実施することもできるし、発電機で実施することもできる（図示省略）。

前記分散式補助受け支持装置（カウンタウエイト９）による方式は、以下の理由で採用される。

前記ガスタービン（高温高速回転大容量原動機）１のケーシング２のうち、上方の燃焼器側タービンケーシング２ａ内の温度は、通常１４００〜１５００℃程度にも達する。このような使用条件下の燃焼器側タービンケーシング２ａの板厚は、熱応力低減のために極力薄く設計製作することが望まれる。また、内部に高圧が作用する圧縮機側ケーシング２ｂにしても、自重を軽減するために極力薄く設計製作することが望まれる。

しかしながら、前記ケーシング２の頂部、即ち、前記燃焼器側タービンケーシング２ａの頂部のスラスト軸受８には、ロータ３の上端部に設けたスラストカラー１１を通してロータ３の鉛直方向自重が印加される。その結果、前記ケーシング２内の鉛直方向の初期圧縮荷重分布は、図２Ａ、Ｂに示したように、ロータ３の重量をスラスト軸受８で吊り支持した重量をｐトン、燃焼器側タービンケーシング２ａの自重量をｑトン、圧縮機側ケーシング２ｂの自重量をｒトンとすると、この場合、前記燃焼器側タービンケーシング２ａの頂部にｐトンが負荷し、圧縮機側ケーシング２ｂの底部にはｐ＋ｑ＋ｒトンの鉛直荷重が負荷する。これらの全荷重を前記高剛性軸受台６だけで集中支持するときは、燃焼器側ケーシング２ａの下部では鉛直方向圧縮応力が許容限度を超えて座屈することを避けられない。

これに対して、ロータ３およびケーシング２の総重量の一部を支持する分散式補助受け支持装置（カウンタウエイト９）を採用し、当該分散式補助受け支持装置により、支持重量を、前記スラスト軸受８が負担するｐトンに、燃焼器側タービンケーシング２ａの自重量ｑトンを加えた重量に設定して実施すると、図３Ａ、Ｂに示したように、燃焼器側タービンケーシング２ａの頂部ではｑトンの引張力が作用することになり、高剛性軸受台６は圧縮機側ケーシング２ｂの自重（ｒトン）のみ支持すればよいことになる。そして、最も高温になる燃焼器側タービンケーシング２ａの初期圧縮荷重をほぼゼロに近づくようにキャンセルすることができる。

斯くして、前記ケーシング２の特に燃焼器側タービンケーシング２ａは高温に十分耐えられる条件が整い、圧縮機側ケーシング２ｂは鉛直方向の大荷重の負担を回避でき、座屈する虞が一切なくなり、理想的な構造設計を実現することができる。

上記構成の縦型の高温高速回転大容量原動機１によれば、設計製作上、ケーシング２の厚さを薄型とすることが望まれるケーシング２の上端部もしくは上半部分（燃焼器側タービンケーシング２ａ）に、ロータ３およびケーシング２の総重量の一部を支持する分散式補助受け装置（カウンタウエイトによる方式）で所望の上向き引張力を作用させることにより、最も高温になる燃焼器付近の鉛直方向の初期圧縮荷重をほぼゼロにすることができる。

すなわち、ロータ３の全重量とケーシング２の重量の合計総重量が鉛直荷重としてケーシング２の各部分に大圧縮荷重として作用することを分散式補助受け支持装置の採用によって回避し、もって、ケーシング２の各部分の鉛直方向応力の大きさと正負（圧縮又は引張り）の分布を最適化することによって、ケーシング２の座屈の問題を解決することができるので、縦型の高温高速回転大容量原動機１を理想的な構造として実現することができる。

以上に実施形態を図面に基づいて説明したが、本発明は、図示例の実施形態の限りではなく、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。例えば、上記分散式補助受け支持装置は、前記スラスト軸受８が負担する荷重に燃焼器タービンケーシング２ａの自重量を加えた大きさに設定して実施することに限定されるものではなく、同ケーシング２の自重による座屈を生じさせないことを条件に、ケーシング２の各部分に作用する鉛直方向応力の大きさ及び正負（圧縮又は引張り）の分布を最適化するための支持重量にフレキシブルに対応できるように制御可能な構造で実施することもできる。

本発明に係る縦型の高温高速回転大容量原動機の実施形態を模式的に示した立面図である。 Ａは、分散式補助受け支持装置（カウンタウエイト方式）を採用しない縦型の高温高速回転大容量原動機の立面図であり、Ｂはその鉛直方向の初期荷重分布図である。 Ａは、本発明に係る縦型の高温高速回転大容量原動機の立面図であり、Ｂはその鉛直方向の初期荷重分布図である。

符号の説明

１ 高温高速回転大容量原動機
２ ケーシング
２ａ 燃焼器側タービンケーシング
２ｂ 圧縮器側ケーシング
３ ロータ
４ 架台
５ フレキシブル軸受台
６ 高剛性軸受台
７ ラジアル軸受
８ スラスト軸受
９ カウンタウエイト
１０ 基礎
１１ スラストカラー
１２ スラスト軸受箱

Claims (1)

1. ロータとこれを収めるケーシングとから成るガスタービン、蒸気タービン、発電機などの高温高速回転大容量原動機が、その回転軸を鉛直方向に配置されていること、
   前記ロータは、その上下の端部がケーシングに設置されたラジアル軸受で位置決め支持され、更にロータに作用する鉛直荷重は、ロータの上端部に設けたスラストカラーを通して、前記ケーシングに設置されたスラスト軸受により吊り下げ支持されていること、
   前記ケーシングの上部は、ケーシングの鉛直方向熱膨張を許容するフレキシブル軸受台で架台に取り付けられ、下部は前記ロータおよびケーシングの合計総重量の一部又は全部を支持可能な高剛性軸受台で架台に受け支持されていること、
   前記高剛性軸受台で支持されたケーシングの各部分に作用する鉛直方向応力の大きさおよび正負をコントロールするため、前記ケーシングの上端部もしくは上半部分に、前記ロータおよびケーシングの総重量の一部を支持する分散式補助受け支持装置が架台との間に設けられていることを特徴とする、縦型の高温高速回転大容量原動機。

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