JPH02199228A - ２軸式ガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は２軸式ガスタービンに関するものである。

（従来の技術） 従来の２軸式ガスタービンは、航空機転用型が多く、パ
ワーモジュールと減速機とをフレキシブルなカップリン
グで接続しており、全長が長くなる。このため小形のガ
スタービンでは、パワーモジュールと減速機とを一体に
したものがあるが、パワーモジュールと減速機とのつな
ぎ部分が排気ガスの通路中に位置しており、熱による変
形が軸系に悪影響を及ぼす。そこで一部にはパワーモジ
ュールと減速機とのつなぎ部分を排気ガス通路の外に出
したものもあったが、減速機と一体化されていた。

また従来の２軸式ガスタービンは、血圧の関係からパワ
ータービン軸の両端部を滑り軸受により支持していた。

また一部には、パワータービン軸と高速ピニオンギヤと
の両端部を各々軸受により支持し、両者を継手により連
結したものもあった。

また従来の２軸式ガスタービンは、ガス発生機における
遠心圧縮機のロータ部分を構成するインペラとインペラ
駆動用タービンロータとからなる回転体の１次固有振動
数を高くするために、インペラとインペラ駆動用タービ
ンロータとの接合部の直径を極端に大きくすることによ
り軸剛性を上げていた。また低剛性のまま、軸受を特種
な構造にして振動の吸収を図９たり、軸受として滑り軸
受を用いたりしたものもあった。

（発明が解決しようとする課８） 従来のように、パワーモジュールと減速機とのつなぎ部
分が減速機と一体化された構造では、製作後に排気方向
を変更することができず、製作前に排気方向を決定して
おく必要があり、量産性が悪かった。

また従来のように、パワータービン軸の両端部を滑り軸
受により支持する構造では、抵抗が太きく、急発進がで
きないので、例えば非常用のガスタービンとしては不適
当であった。またパワータービン軸と高速ピニオンギヤ
との両端部を各々軸受により支持し、両者を継手により
連結する構造では、構成が複雑で製作費が高価になり、
しかも軸芯方向の大きさが大きくなる。

また従来のように、インペラとインペラ駆動用タービン
ロータとの接合部の直径を極端に大きくすることにより
軸剛性を上げる構造では、構成が複雑で高価なものにな
る。また低剛性のまま、軸受を特種な構造にして振動の
吸収を図る構造では、構成が複雑で高価なものになると
同時に、充分に振動を吸収することができず、このため
インペラ駆動用タービンロータの翼先端隙間を大きくす
る必要があり、効率が悪かった。また滑り軸受を用いる
構造では、充分に振動を吸収することができず、効率が
悪いと同時に、抵抗が大きいので急発進ができず、例え
ば非常用のガスタービンとしては不適当であった。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するため、本発明の２軸式ガスタービン
は、減速機のギヤボックスとガス発生機のメインケーシ
ングとの間に多数の窓孔を有する半円筒状のサポートを
設け、このサポートと前記ギヤボックスおよびメインケ
ーシングとを円周方向所定間隔おきに互いに等ピッチで
配置された複数のボルトにより連結し、前記メインケー
シングに固定された排気ディフューザにボルト止めされ
た排気ダクトを前記サポートの内周側に位置させて、前
記排気ダクトおよびサポートのボルト止め位置を円周方
向に変更することにより排気ダクトの排気方向を円周方
向に所定角度の範囲内で変更可能に構成したものである
。

また本発明の別の２軸式ガスタービンは、パワータービ
ン軸の一端部を第１の転がり軸受により回動自在に支持
し、前記パワータービン軸の他端部外周に、軸芯方向中
央部外周に歯を有する歯車筒をスプライン嵌合させ、こ
の歯車筒の両端部内周と前記パワータービン軸の他端部
外周との間に各々いんろう部を形成し、前記歯車筒の両
端部外周を第２の転がり軸受により各々回動自在に支持
したものである。

また本発明のさらに別の２軸式ガスタービンは、ガス発
生機における遠心圧縮機のロータ部分を構成するインペ
ラを、中実の回転軸と一体に構成し、このインペラにイ
ンペラ駆動用タービンロータを連結し、前記インペラ駆
動用タービンロータの下流側に位置するパワータービン
ロータにパワータービン軸を連結し、前記インペラおよ
びパワータービン軸の両端部を各々軸受により回動自在
に支持し、前記インペラとインペラ駆動用タービンロー
タとからなる第１の回転体および前記パワータービンロ
ータとパワータービン軸とからなる第２の回転体の１次
固有振動数を各々実用最高回転速度の１２０％以上に設
定したものである。

（作用） 排気方向の変更に際しては、ボルトを取外し、サポート
および排気ダクトを円周方向に回転させ、排気方向を所
望の方向に設定した状態で、ボルトを締付ける。この作
業により排気方向を所定の範囲内で任意に変更すること
ができる。このとき、サポートに多数の窓孔が形成され
ているので、ボルトの着脱作業を容易に行なえる。また
排気ダクトは排気ガスにより加熱されて高温になるが、
サポートに多数の窓孔が形成されているので、放熱効果
に優れており、排気ダクトの温度上昇は小さい。

また燃焼ガスによりパワータービンロータが高速で回動
し、パワータービンロータと一体にパワータービン軸が
回動して、その回動がスプラインにより歯車筒に伝達さ
れるが、歯車筒の両端部内周とパワータービン軸の他端
部外周との間には各々いんろう部が形成されているので
、パワータービン軸の軸芯と歯車筒の軸芯とが良好に一
致しており、歯車筒の高速回動による振動は小さい。ま
たパワータービン軸を第１および第２のころがり軸受に
より３点支持しているので、パワータービン軸の高速回
動による振動が小さいと同時に、荷重が分散されること
から、軸受として転がり軸受を用いることができる。

またガスタービンの運転により第１の回転体と第２の回
転体とが高速回動するが、これらの１次固有振動数を実
用最高回転速度の１２０％以上に設定しているので、任
意の回転速度で使用しても共振による振動の発生がない
。すなわちインペラを、中実の回転軸を一体にした形状
にすることにより、インペラ駆動用タービンロータとの
接合部の直径を大きくすることなく軸剛性を上げて、第
１の回転体の１次固有振動数を実用最高回転速度の１２
０％以上に設定することを実現している。また第１およ
び第２のころがり軸受を充分大きくすることにより軸剛
性を上げて、第２の回転体の１次固有振動数を実用最高
回転速度の１２０％以上に設定することを実現している
。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第５図に基づいて説
明する。

第５図は本発明の一実施例における２軸式ガスタービン
の正面図で、１は潤滑油を貯溜するオイルパンを兼用し
た台床であり、この台床１上には、空気を吸入して高温
・高圧の燃焼ガスを発生するガス発生機２と、ガス発生
機２で発生した燃焼ガスから回転動力を取出す出力ター
ビン３と、出力タービン３で取出した回転動力を所定の
回転数に減速する減速機４とが左側から右側にこの順に
配置されている。ガス発生機２の左側の側面には各種補
機類の軸受や歯車等を収容する補機ギヤボックス５が取
付けられている。

第１図は本発明の一実施例における２軸式ガスタービン
の縦断正面図で、ガス発生機２は、空気を圧縮する遠心
圧縮機のロータ部分を構成するインペラ７や、圧縮され
た空気と燃料とを混合して燃焼させることにより高温・
高圧の燃焼ガスを作出する燃焼器８や、燃焼ガスにより
回転駆動されてインペラ７を回転させる高圧タービンロ
ータ９や、高圧タービンロータ９の下流側に位置して高
圧タービンロータ９と同様の動作をする低圧タービンロ
ータ１０等を備えている。出力タービン３は、低圧ター
ビンロータ１０の下流側に位置して燃焼ガスにより回転
駆動されるパワータービンロ−夕１２や、パワータービ
ンロータ１２を駆動した後の燃焼ガスすなわち排気ガス
を渦を発生させずに減速させる排気ディフューザ１３や
、排気ガスを放出する排気ダクト１４や、パワータービ
ンロータ１２と一体に回転するパワータービン軸１５等
を備えている。減速機４は、出力軸１７や、パワーター
ビン軸１５の回転動力を所定の回転速度に減速させて出
力軸１７に伝達する複数の歯車等を備えている。補機ギ
ヤボックス５の内部には、燃料ポンプ１９やカバチアク
チエータ２０等の各種補機類を駆動するための複数の歯
車等が配置されている。

減速機４の外殻はギヤボックス２２により構成されてお
り、ギヤボックス２２は台床１の天壁に螺設された複数
のボルト孔２３に螺合するボルト（図示せず）により台
床１に強固に固定されている。ガス発生機２の外殻は、
高圧タービンロータ９および低圧タービンロータ１０を
覆うメインケーシング２５と、インペラ７を覆うインテ
ークハウジング２６と、燃焼器８を覆う燃焼器外筒２７
とにより構成されており、燃焼器外筒２７は複数のボル
トによりメインケーシング２５に固定されている。メイ
ンケーシング２５とギヤボックス２２とは多数の孔が形
成された半円筒状のサポート２９を介して多数のボルト
により連結されており、排気ダクト１４はサポート２９
の内周側に位置している。台床１の左側面には支持部材
としての幅広の鋼板３２の下端部が複数のボルト３３に
より固定されており、鋼板３２の上端部は複数のボルト
３４によりインテークハウジング２６およびメインケー
シング２５の下端部に固定されている。

すなわち鋼板３２はタービン軸芯方向と直交する方向に
配置されており、ガス発生機２と出力タービン３とから
なる高温部３５が、鋼板３２によりタービン軸芯方向に
のみ変位可能に弾性的に支持されている。

サポート２９は、第２図および第３図に詳細に示すよう
に、はぼ半円筒状で、はぼ楕円形の多数の窓孔３７が形
成されている。サポート２９の左端側は、円周方向等間
隔おきに配置された複数のボルト３８によりガス発生機
２のメインケーシング２５および排気ディフューザ１３
に連結されており、サポート２９の右端側は、円周方向
等間隔おきに配置された複数のボルト３９により減速機
４のギヤボックス２２に連結されている。すなわちサポ
ート２９を介して高温部３５が減速機４に連結されてお
り、メインケーシング２５と排気ディフューザ１３とは
ボルト３８によりサポート２９に共線めされている。メ
インケーシング２５および排気ディフューザ１３にはボ
ルト３８用の多数のボルト孔が円周方向はぼ全長にわた
って等間隔おきに形成され、ギヤボックス２２にはボル
ト３９用の多数のボルト孔が円周方向はぼ全長にわたっ
て等間隔おきに形成されており、ボルト３８用のボルト
孔とボルト３９用のボルト孔とは互いに等しいピッチで
形成されている。排気ダクト１４は左端側を複数のボル
ト４０により排気ディフューザ１３に連結されており、
ボルト４０は円周方向等間隔おきに配置されている。し
たがってサポート２９および排気ダクト１４のボルト止
め位置を円周方向に変更することにより、排気ダクト１
４の排気口４１の向きをほぼ１８０度の範囲内で変更可
能であり、第１図では排気口４１は上向きで、第５図で
は排気口４１は背面側を向いている。

パワータービン軸１５は、第４図に詳細に示すように、
左端部外周を第１の転がり軸受としての球軸受４３によ
り回動自在に支持されており、右端部外周には、軸芯方
向中央部外周に歯４４を有する歯車筒としての高速ピニ
オンギヤ４５がスプライン嵌合している。高速ピニオン
ギヤ４５は硬度の大きな材質からなり、精密に仕上げら
れている。高速ピニオンギヤ４５の両端部内周とパワー
タービン軸１５の右端部外周との間には各々いんろう部
４６．４７が形成されており、右側のいんろう部４７は
、高速ピニオンギヤ４５の右端部内周の溝に圧入された
リング状のスペーサ４８の内周とパワータービン軸１５
の外周との間に形成されている。高速ピニオンギヤ４５
は両端部外周を第２の転がり軸受としてのころ軸受４９
．５０により回動自在に支持されており、球軸受４３お
よびころ軸受４９．５０はほぼ円筒状のベアリングケー
ス５１により支持されている。球軸受４３の外輪４３ａ
およびころ軸受４９．５０の外輪４９ａ、５０ａとベア
リングケース５１との間には３０〜６０μｍ程度のクリ
アランスが設けられ、そこにオイルが充填されてオイル
フィルムが形成されている。ベアリングケース５１は、
はぼ円筒状の筒状部５２と、筒状部５２の右端部にボル
ト止めされたほぼ円環状の環状部５３と、環状部５３に
ボルト止めされた蓋部５４とにより構成されている。筒
状部５２の左端部は排気ディフューザ１３にボルト止め
されており、筒状部５２の右端部はギヤボックス２２に
摺動可能に嵌合し、この嵌合部分にはＯリング５５．５
６が装着されている。

高速ピニオンギヤ４５の歯４４は歯車５７に噛合してお
り、パワータービンロータ１２と一体に回動するパワー
タービン軸１５の回動力はまず高速ピニオンギヤ４５に
伝達され、さらに高速ピニオンギヤ４５から歯車５７等
の複数の歯車を介して出力軸１７に伝達される。

ガス発生機２における遠心圧縮機のロータを構成するイ
ンペラ７は、中実の回転軸が一体に形成された形状をし
ており、両端部をころがり軸受である玉軸受６１および
コロ軸受６２により回動自在に支持されている。インペ
ラ７の右端にはボルト６３によりインペラ駆動用ロータ
としての高圧タービンロータ９および低圧タービンロー
タ１０が連結されており、これらインペラ７と高圧ター
ビンロータ９と低圧タービンロータ１０とにより第１の
回転体６４が構成されている。パワータービンロータ１
２の右端にはボルト６５によりパワータービン軸１５が
連結されており、これらパワータービンロータ１２とパ
ワータービン軸１５とにより第２の回転体６６が構成さ
れている。第１の回転体６４および第２の回転体６６は
、１次固有振動数が実用最高回転速度の１２０％以上に
なるように設定されており、高圧タービンロータ９と低
圧タービンロータ１０とパワータービンロータ１２との
翼９　ａ、　　１０　ａ、　　１２　ａは、それらの先
端と筒体６７の内周とのクリアランスが可及的に小さく
なるように設定されている。

次に動作を説明する。排気方向の変更に際しては、ボル
ト３８．３９．４０を取外し、サポート２９および排気
ダクト１４を円周方向に回転させ、排気口４１を所望の
方向に向けた状態で、ボルト３８．３９．４０を締付け
る。この作業により排気方向をほぼ１８０度の範囲で任
意に変更することができる。このとき、サポート２９に
多数の窓孔３７が形成されているので、ボルト３８．３
９の着脱作業を容易に行なえる。また排気ダクト１４は
排気ガスにより加熱されて高温になるが、サポート２９
に多数の窓孔３７が形成されているので、放熱効果に優
れており、排気ダクト１４の温度上昇は小さい。

このように、排気方向を一定の範囲で任意に変更できる
ので、製作前に排気方向を決定しておく必要がなく、量
産性に優れている。またサポート２９に多数の窓孔３７
を形成したので、放熱効果に優れており、排気ダクト１
４の温度上昇を比較的低く抑えることができる。

また燃焼ガスによりパワータービンロータ１２が高速で
回動し、パワータービンロータ１２と一体にパワーター
ビン軸１５が回動して、その回動がスプラインにより高
速ピニオンギヤ４５に伝達されるが、高速ピニオンギヤ
４５の両端部内周とパワータービン軸１５の右端部外周
との間にはいんろう部４６．４７が形成されているので
、パワータービン軸１５の軸芯と高速ピニオンギヤ４５
の軸芯とが良好に一致しており、高速ピニオンギヤ４５
の高速回動による振動は小さい。またパワータービン軸
１５を球軸受４３ところ軸受４９゜５０とにより３点支
持しているので、パワータービン軸１５の高速回動によ
る振動が小さいと同時に、荷重が分散されることから、
軸受として球軸受４３およびころ軸受４９．５０等の転
がり軸受を用いることができる。

このように、いんろう部４６．４７を設けることにより
、高速ピニオンギヤ４５の高速回動に振動等の支障を来
すことなく、パワータービン軸１５の右端部外周に高速
ピニオンギヤ４５をスブライン嵌合させる構造を採用す
ることができ、したがってパワータービン軸と高速ピニ
オンギヤとの両端部を各々軸受により支持し、両者を継
手により連結するという従来構造と比較して、構成が簡
単で製作費が安価になり、しかも軸芯方向の大きさを小
さくできる。また３点支持によりパワータービン軸１５
の振動を小さく抑えることができると同時に、軸受とし
て球軸受４３およびころ軸受４９．５０等の転がり軸受
を用いることができるので、抵抗が小さく、急発進がｎ
Ｊ能であることから、例えば非常用のガスタービンとし
て最適である。また球軸受４３およびころ軸受４９．５
０をベアリングケース５１により支持しているので、運
転時にパワータービン軸１５とベアリングケース５１と
が一体に熱膨張し、したがって球軸受４３およびころ軸
受４９．５０に無理な力が作用して損傷するというよう
なことがない。また本実施例のように、外輪４３ａ、４
９ａ、５０ａとベアリングケース５１との間にオイルフ
ィルムを形成すれば、パワータービン軸１５および高速
ピニオンギヤ４５の高速回動による振動をより小さくで
きるので好ましい。

またガスタービンの運転により第１の回転体６４と第２
の回転体６６とが高速回動するが、これらの１次固有振
動数を実用最高回転速度の１２０９６以上に設定してい
るので、任意の回転速度で使用しても共振による振動の
発生がない。すなわちインペラ７を、中実の回転軸を一
体にした形状にすることにより、高圧タービンロータ９
および低圧タービンロータ１０との接合部の直径を大き
くすることなく軸剛性を上げて、第１の回転体６４の１
次固有振動数を実用最高回転速度の１２０％以上に設定
することを実現している。また球軸受４３およびころ軸
受４９．５０を充分大きくすることにより軸剛性を上げ
て、第２の回転体６６の１次固有振動数を実用最高回転
速度の１２０％以上に設定することを実現している。

このように、簡単な構成により第１の回転体６４および
第２の回転体６６の１次固有振動数を実用最高回転速度
の１２０％以上に設定することを実現しているので、安
価に製作できる。また共振の発生がないので、翼９ａ、
１０ａ、１２ａの先端と筒体６７との間のクリアランス
を可及的に小さくでき、したがって効率の向上を図るこ
とができる。また軸受として転がり軸受を使用できるの
で、抵抗が小さいことから急発進が可能であり、例えば
非常用のガスタービンとして最適である。

（別の実施例） 上記実施例においては、インペラ駆動用タービンロータ
として高圧タービンロータ９と低圧タービンロータ１０
との２つのタービンロータを設けたが、本発明はこのよ
うな構成に限定されるものではなく、インペラ駆動用タ
ービンロータは１つであってもよい。

また上記実施例においては、第１の転がり軸受として球
軸受４３を用い、第２の転がり軸受としてころ軸受４９
．５０を用いたが、本発明はこのような構成に限定され
るものではなく、第１および第２の転がり軸受の全部を
球軸受にしてもよいし、あるいは全部をころ軸受にして
もよい。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、サポートおよび排
気ダクトのボルト止め位置を円周方向に変更することに
より、排気方向を一定の範囲で任意に変更できるので、
製作前に排気方向を決定しておく必要がなく、量産性に
優れている。またサポートに多数の窓孔を形成したので
、排気方向の変更作業を容易に行なえると同時に、放熱
効果に優れており、排気ダクトの温度上昇を比較的低く
抑えることができる。

またいんろう部を設けることにより、歯車筒の高速回動
に振動等の支障を来すことなく、パワータービン軸の他
端部外周に歯車筒をスプライン嵌合させる構造を採用す
ることができ、したがってパワータービン軸と高速ピニ
オンギヤとの両端部を各々軸受により支持し、両者を継
手により連結するという従来構造と比較して、構成が簡
単で製作費が安価になり、しかも軸芯方向の大きさを小
さくできる。また３点支持によりパワータービン軸の振
動を小さく抑えることができると同時に、軸受として転
がり軸受を用いることができるので、抵抗が小さく、急
発進が可能であることから、例えば非常用のガスタービ
ンとして最適である。

また第１および第２のころがり軸受をベアリングケース
により支持するように構成すれば、運転時にパワーター
ビン軸とベアリングケースとが一体に熱膨張し、したが
って第１および第２のころがり軸受に無理な力が作用し
て損傷するというようなことがない。

また簡単な構成により第１の回転体および第２の回転体
の１次固有振動数を実用最高回転速度の１２０％以上に
設定することを実現しているので、安価に製作できる。

また共振の発生がないので、インペラ駆動用タービンロ
ータおよびパワータービンロータの翼先端のクリアラン
スを可及的に小さくでき、したがって効率の向上を図る
ことができる。また軸受として転がり軸受を使用できる
ので、抵抗が小さいことから急発進が可能であり、例え
ば非常用のガスタービンとして最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における２軸式ガスタービン
の縦断正面図、第２図は同２軸式ガスタービンのサポー
トの正面図、第３図は同側面図、第４図は同２軸式ガス
タービンのパワータービン軸付近の拡大縦断正面図、第
５図は同２軸式ガスタービンの正面図である。 ２・・・ガス発生機、４山減速機、７・・・インペラ、
９・・・高圧タービンロータ（インペラ駆動用タービン
ロータ）、１０・・・低圧タービンロータ（インペラ駆
動用タービンロータ）、１２・・・パワータービンロー
タ、１３・・・排気ディフューザ、１４・・・排気ダク
ト、１５・・・パワータービン軸、２２・・・ギヤボッ
クス、２５・・・メインケーシング、２９・・・サポー
ト、３７・・・窓孔、３８．３９・・・ボルト、４３・
・・球軸受（第１のころがり軸受）　、４３　ａ・・・
外輪、４４・・・歯、４５・・・高速ピニオンギヤ（歯
車筒）、４６．４７・・・いんろう部、４９．５０・・
・ころ軸受（第２のころがり軸受）　、４９ａ、５０ａ
・・・外輪、５１・・・ベアリングケース、６１，６２
・・・軸受、６４・・・第１の回転体、６６・・・第２
の回転体第２図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、減速機のギヤボックスとガス発生機のメインケーシ
   ングとの間に多数の窓孔を有する半円筒状のサポートを
   設け、このサポートと前記ギヤボックスおよびメインケ
   ーシングとを円周方向所定間隔おきに互いに等ピッチで
   配置された複数のボルトにより連結し、前記メインケー
   シングに固定された排気ディフューザにボルト止めされ
   た排気ダクトを前記サポートの内周側に位置させて、前
   記排気ダクトおよびサポートのボルト止め位置を円周方
   向に変更することにより排気ダクトの排気方向を円周方
   向に所定角度の範囲内で変更可能に構成したことを特徴
   とする２軸式ガスタービン。 ２、パワータービン軸の一端部を第１の転がり軸受によ
   り回動自在に支持し、前記パワータービン軸の他端部外
   周に、軸芯方向中央部外周に歯を有する歯車筒をスプラ
   イン嵌合させ、この歯車筒の両端部内周と前記パワータ
   ービン軸の他端部外周との間に各々いんろう部を形成し
   、前記歯車筒の両端部外周を第２の転がり軸受により各
   々回動自在に支持したことを特徴とする２軸式ガスター
   ビン。 ３、第１および第２の転がり軸受の外輪をほぼ円筒状の
   ベアリングケースにより支持したことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載の２軸式ガスタービン。 ４、ガス発生機における遠心圧縮機のロータ部分を構成
   するインペラを、中実の回転軸と一体に構成し、このイ
   ンペラにインペラ駆動用タービンロータを連結し、前記
   インペラ駆動用タービンロータの下流側に位置するパワ
   ータービンロータにパワータービン軸を連結し、前記イ
   ンペラおよびパワータービン軸の両端部を各々軸受によ
   り回動自在に支持し、前記インペラとインペラ駆動用タ
   ービンロータとからなる第１の回転体および前記パワー
   タービンロータとパワータービン軸とからなる第２の回
   転体の１次固有振動数を各々実用最高回転速度の１２０
   ％以上に設定したことを特徴とする２軸式ガスタービン
   。