JP4808256B2 - 発電機及びそれを用いたガスタービン発電設備 - Google Patents

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。

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。

ＷＯ ０１/８６１３０ Ａ１

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。

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。

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。

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。

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一部縦断側面図。 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発電機の一部縦断側面図。 スラスト軸受に発生する推力の推定に基づいて固定子を駆動するための制御ブロック図。 本発明によるガスタービン発電設備の第３の実施の形態を示す発電機の一部縦断側面図。 本発明によるガスタービン発電設備の第４の実施の形態を示す発電機の一部縦断側面図。

符号の説明

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (10)

1. 軸受を介して軸方向の両側を回転自在に支持された回転子と、この回転子の外周に周方向の隙間を介して配置された固定子と、この固定子を支持する固定子枠とを有し、前記軸受の一方にスラスト軸受を用いた発電機において、前記固定子を前記固定子枠に対し軸方向に移動可能に支持すると共に、前記スラスト軸受に作用する推力を測定する推力測定手段を設け、この推力測定手段の測定結果に基づいて前記固定子の軸方向の位置を調整させる位置調整機構を設けたことを特徴とする発電機。
2. 請求項１において、前記固定子は前記固定子枠に対して軸方向に弾性支持されていることを特徴とする発電機。
3. 請求項１において、前記固定子は減衰手段によって軸方向の移動を減衰されていることを特徴とする発電機。
4. 請求項１において、前記固定子は、前記固定子枠に対して軸方向に弾性支持されていると共に前記固定子枠に対し減衰手段によって軸方向の移動を減衰されていることを特徴とする発電機。
5. 請求項１において、前記固定子は低摩擦材を介して前記固定子枠に支持されていることを特徴とする発電機。
6. 軸受を介して軸方向の両側を回転自在に支持された回転子と、この回転子の外周に周方向の隙間を介して配置された固定子と、この固定子を支持する固定子枠とを有し、前記軸受の一方にスラスト軸受を用いた発電機と、この発電機とガスタービンと圧縮機と発電機との回転部分が共通軸に装着されたガスタービン発電設備において、前記発電機の固定子を前記固定子枠に対し軸方向に移動可能に支持すると共に、前記スラスト軸受に作用する推力を測定する推力測定手段を設け、この推力測定手段の測定結果に基づいて前記固定子の軸方向の位置を調整させる位置調整機構を設けたことを特徴とするガスタービン発電設備。
7. 請求項６において、前記固定子は前記固定子枠に対して軸方向に弾性支持されていることを特徴とするガスタービン発電設備。
8. 請求項６において、前記固定子は減衰手段によって軸方向の移動を減衰されていることを特徴とするガスタービン発電設備。
9. 請求項６において、前記固定子は、前記固定子枠に対して軸方向に弾性支持されていると共に前記固定子枠に対し減衰手段によって軸方向の移動を減衰されていることを特徴とするガスタービン発電設備。
10. 請求項６において、前記固定子は低摩擦材を介して前記固定子枠に支持されていることを特徴とするガスタービン発電設備。

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