JP5512893B2 - アキシアル方向に移動可能なタービンロータ軸を備えているガスタービンロータ - Google Patents
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Description
本発明は、請求項1に記載の前提部分に基づくガスタービンロータ、請求項4に記載の対応するガスタービン、及び、このようなガスタービンの圧縮機及びタービンのための対応するロータ軸に関する。
ガスタービンは、1つ以上の燃焼室に加えて、共通するロータ軸を介してアキシアル方向において接続されている圧縮機及び下流タービン(downstream turbine)をさらに備えている。エネルギを発生させるための任意の機械装置と同様に、実現可能な最も高い効率が、すなわち、使用されたエネルギに対する発生されたエネルギの比が、重要な因子である。
従って、特許文献1に開示されるように、流体間隙を最適化するための既知の方法が、ガスタービンの全体効率を最適化するためにガスタービン内で利用されている。この場合には、ガスタービンロータは、錘状に構成されている高温ガス流路の場合に、ロータブレードの先端部分と高温ガス流路の壁との間におけるラジアル方向間隙を最適化するために、高温ガスの流れ方向に対して逆方向に移動される。この場合には、タービンロータを圧縮ロータに接続するタイボルトは、タービンロータがアキシアル方向に移動可能とされるように取り付けられている。その結果として、タービンの間隙が、タービンの運転効率のために最適化されるように移動可能とされる。しかしながら、同時に、圧縮機のラジアル方向間隙も正しい位置から外れてしまうので、圧縮機ロータの関連する移動によって圧縮機の効率が損なわれる。このような逆効果を回避するために、ひいては全体効率をさらに最適化するために、圧縮機とタービンとの接触面において共通するロータを分離させること、及び、アキシアル方向カップリングによって圧力嵌めで2つのロータ部品を結合することが考えられる。しかしながら、この点において、カップリングは、タービンロータ軸がアキシアル方向において圧縮機ロータ軸に対して相対的に移動された場合に圧力嵌めが有効であるように構成されている。従って、圧縮機ロータを同時に移動させる必要なく、タービンロータを移動させ、タービンの効率を最適化することができる。従って、流体間隙を最適化してタービンの運転効率を高めることによっては、同時に、実際の目的を阻害する圧縮機の運転効率の低減には至らない。
さらに、特許文献2には、ガスタービンロータ内においてタービンロータ部分に対してアキシアル方向に移動可能な圧縮機ロータ部分を構成することが開示されている。この目的を達成するために、2つのロータ部分が、プラグソケットカップリングの態様で互いに接続されている。このことは、2つのロータ部分を支持するために3つのラジアル軸受を必要とする点において不利である。
本発明の目的は、ガスタービンのためのガスタービンロータをさらに改善することである。
当該目的は、ガスタービンのためのガスタービンロータであって、圧縮機ロータ軸と、圧縮機ロータ軸に対して相対的にアキシアル方向に移動可能とされるタービンロータ軸と、圧縮機ロータ軸及びタービンロータ軸に常時接続しているカップリング装置とを備えているガスタービンロータにおいて、圧縮機ロータ軸が中空軸として構成されており、タービンロータ軸が圧縮機ロータ軸を通じて案内される、ガスタービンロータによって達成される。
タービンロータ軸を圧縮機ロータ軸の全軸長を越えて延長することによって、特に大きな接触面をカップリング装置に形成することができるので、トルクをタービンロータから圧縮機ロータに伝達させることができる。圧縮機ロータ軸は中空軸として形成されている場合には、タービンロータ軸の延長部分が圧縮機ロータ軸を通じて案内されるので、圧縮機ロータ軸及びタービンロータ軸の両方が、ガスタービン内において共通する軸線を有している。カップリング装置が、圧縮機ロータ軸の2つの端部に配置されている2つの領域に分割されている場合には、カップリング装置は特に堅牢である。
アキシアル方向において圧縮機ロータ軸を位置決めするための軸受とアキシアル方向においてタービンロータ軸を位置決めするための軸受とから成る、2つの軸受がガスタービン内に設けられている場合には、圧縮機ロータ及びタービンロータの両方が、互いから独立してガスタービンのハウジングに対して相対的に移動可能とされる。従って、両方の部品―タービン及び圧縮機―について、互いから独立して間隙を最適化することができるので、ガスタービンの最適な全体効率を達成することができる。従って、既知の高剛性なカップリングが2つの軸の間に配置された場合に、タービンの効率のためにアキシアル方向において移動されることに起因して発生する、圧縮機の効率の損失を回避することができる。2つのロータ軸とアキシアル方向における移動のためのカップリング装置とから成る、本発明における実施例を2つの軸受と組み合わせることによって、圧縮機及びタービンにおける間隙が、ガスタービンロータの運転モードに制限されることなく、互いから独立して最適化される。このような個々の調整によって、ガスタービンも、例えば部分負荷運転やホットスタート運転のような拡張された動作範囲において動作可能となる。特にホットスタート運転の場合には、圧縮機ブレードが臨界状態においてハウジングに擦れることを防止するために、間隙を大きくすることさえ必要とされる場合がある。
一例として図面を参照して、本発明について説明する。
図1は、ガスタービンのための従来技術に基づくガスタービンロータを表わす。ガスタービンは、高温ガスを発生させるための燃焼装置1に加えて、圧縮機10及びタービン20を備えており、圧縮機10は、圧縮機ロータ軸100を有しており、タービン20は、タービンロータ軸200と、圧縮機ロータ軸100とタービンロータ軸200との間に配置された圧力嵌めカップリング装置300とを有している。圧縮機ロータ軸100及びタービンロータ軸200は、圧縮機ロータ軸100及びタービンロータ軸200の両方がアキシアル方向において移動可能とされるように、(概略的に図示する)適切な軸受を介して取り付けられている。当該実施形態では、圧力嵌めカップリング装置300は、圧縮機ロータ軸100及びタービンロータ軸200が所定の態様で共に又は互いに対して移動される場合であっても圧力嵌めが常に有効であるように形成されている。
図2は、本発明におけるガスタービンロータの第1の実施例の概略図である。当該実施例では、タービン20のタービンロータ軸200は、延長端部210が圧縮機ロータ軸100に完全に重なる程度に圧縮機10に向かって延長されている。このように延長されたタービンロータ軸200は、単純に図示するにすぎない軸受Rを介して、既知の態様でラジアル方向に取り付けられている。さらに、タービン20内において流体間隙を最適化するために、タービンロータ軸200が、アキシアル軸受T−HSOを介してアキシアル方向に移動可能とされる。図2に表わす典型的な実施例では、圧縮機ロータ軸100は、中空軸として構成されており、圧縮機10内において流体間隙を最適化するために、圧縮機ロータ軸100をアキシアル方向において移動可能とするためのアキシアル軸受V−HSOを付加的に有している。タービンロータ軸200は、圧縮機ロータ軸100を越えて延長されているので、カップリング装置300は、タービンロータ軸延長部分210の全周に亘って広範囲に形成されている。従って、当該実施例では、タービンロータ軸延長部分210は、圧縮機のためのラジアル軸受を形成している。
この場合には、2つのアキシアル軸受T−HSO,V−HSOは、圧縮機10の低温側の流入端部に配置されている。2つのアキシアル軸受T−HSO,V−HSOによって、圧縮機ロータ軸100及びタービンロータ軸200を互いから独立して位置決めすることができ、圧縮機ロータ軸100及びタービンロータ軸200を互いから独立して移動させることができる。
ガスタービンロータの断面図を示す図3に表わすように、カップリング装置が、例えばスプライン軸接続部分310として形成されている。スプライン軸接続部分310の第1のスプライン軸縁部は、中空軸として形成された圧縮機ロータ軸100の内面に亘って延在している。そして、第2のスプライン軸縁部は、第1のスプライン軸縁部に対応しており、タービンロータ軸200のタービンロータ軸延長部分210の外面に亘って延在している。第1のスプライン軸縁部及び第2のスプライン軸縁部の両方が、圧縮機ロータ軸100とタービンロータ軸200との間における圧力嵌めカップリングが確実となるように、互いに嵌入される。ガスタービン内部の構成を良好に理解するために、図2及び図4は、収束流ダクトとして機能する圧縮機10と、分岐流ダクトとして機能するタービン20とを表わす。ここで、ロータブレードが、タービン20内においてロータ軸に配設されている。
図4は、代替的な実施例を表わす。代替的な実施例では、カップリング装置が、圧縮機ロータ軸100の2つの側面において2つの領域321,322に分割されている。この場合には、圧縮機ロータ軸100とタービンロータ軸200との間におけるインターロックひいては圧力嵌めカップリングは、図3に表わすように形成されている。そうでなければ、当該インターロックひいては圧力嵌めカップリングは、図2に表わす実施例と同一の特徴を有している。
本発明は、上述の実施例に限定される訳ではない。その代りに、個々の特徴の組み合わせが、又は、個々の特徴に対する変更若しくは追加が、本願発明の技術的思想に基づくらなる実施可能な実施例を導くが、当業者であれば想到可能である。従って、例えば圧縮機ロータ軸が、適切な態様で延長されており、中空軸として形成されているタービンロータ軸内に係止されている場合もある。さらに、図示した2つの実施例におけるカップリング装置が、さらに良好なトルク伝達を達成するために組み合わされる場合がある。本発明では、本発明におけるガスタービンロータは、流体間隙を最適化する場合に、圧縮機の運転効率の損失が高まらないように形成されていることが常に肝心であり、圧縮機10の別の移動によって改善される場合がある。従って、圧縮機の一部分について流体間隔をこのように別個に最適化することによって、ガスタービンの運転効率及び拡張された動作範囲を全体として通常状態を越えてさらに高めることができる。ガスタービンのハウジングに対して圧縮機及びタービンを別々に移動させることによって、及び、このようにして得られた別々の流体間隔を最適化することによって、ガスタービンは、流れ状態それぞれに適用可能となり、これにより部分負荷運転でも利用可能となる。
1 燃焼装置
10 圧縮機
20 タービン
100 圧縮機ロータ軸
200 タービンロータ軸
210 タービンロータ軸延長部分
300 圧力嵌めカップリング装置
310 スプライン軸接続部分
321 領域
322 領域
10 圧縮機
20 タービン
100 圧縮機ロータ軸
200 タービンロータ軸
210 タービンロータ軸延長部分
300 圧力嵌めカップリング装置
310 スプライン軸接続部分
321 領域
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Claims (8)
- ガスタービンのためのガスタービンロータであって、
圧縮機ロータ軸(100)と、前記圧縮機ロータ軸(100)に対して相対的にアキシアル方向に移動可能とされるタービンロータ軸(200)と、前記圧縮機ロータ軸(100)及び前記タービンロータ軸(200)に常時接続しているカップリング装置(300)とを備えている前記ガスタービンロータにおいて、
前記圧縮機ロータ軸(100)が、中空軸として構成されており、
前記タービンロータ軸(200)が、前記圧縮機ロータ軸(100)を通じて案内され、これにより前記圧縮機ロータ軸(100)に完全に重なることを特徴とするガスタービンロータ。 - 前記カップリング装置が、スプライン軸接続部分(310)とされ、
前記スプライン軸接続部分の第1のスプライン軸縁部が、中空軸として形成された圧縮機ロータ軸の内面全体に亘って周方向に延在しており、
前記スプライン軸接続部分の第2のスプライン軸縁部が、前記第1のスプライン軸縁部に対応しており、前記タービンロータ軸(200)の延長部分(210)の外面全体に亘って周方向に延在していることを特徴とする請求項1に記載のガスタービンロータ。 - 前記カップリング装置が、前記圧縮機ロータ軸(100)と前記タービンロータ軸(200)とを圧力嵌めで接続するための2つの領域(321,322)を備えており、
第1の領域(321)が、前記圧縮機ロータ軸(100)の第1の端部に配置されており、
第2の領域(322)が、前記圧縮機ロータ軸(100)の第2の端部に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスタービンロータ。 - 圧縮機(10)と、タービン(20)と、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスタービンロータとを有しており、
前記タービンロータ軸(200)が、前記ガスタービンロータ内においてラジアル方向に取り付けられていることを特徴とするガスタービン。 - 第1のアキシアル軸受(V−HSO)が、アキシアル方向において前記圧縮機ロータ軸(100)を位置決めするために設けられており、
第2のアキシアル軸受(T−HSO)が、アキシアル方向において前記タービンロータ軸(200)を位置決めするために設けられていることを特徴とする請求項4に記載のガスタービン。 - 前記第1のアキシアル軸受(V−HSO)と前記第2のアキシアル軸受(V−HSO)とが、前記圧縮機(10)の流入端部に配置されていることを特徴とする請求項5に記載のガスタービン。
- ガスタービンのための圧縮機ロータ軸(100)であって、
前記圧縮機ロータ軸(100)が、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスタービンロータ内においてカップリング装置(310,321,322)の一部分として利用されるように、中空軸として形成されていることを特徴とする圧縮機ロータ軸。 - ガスタービンのためのタービンロータ軸(200)であって、
前記タービンロータ軸(200)が、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスタービンロータ内においてカップリング装置(310,321,322)の一部分として利用されるように、前記タービンロータ軸(200)が、一方の端部において延長されていることを特徴とするタービンロータ軸。
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