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JP2000356112A - クラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造 - Google Patents

クラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造

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Publication number
JP2000356112A
JP2000356112A JP11168480A JP16848099A JP2000356112A JP 2000356112 A JP2000356112 A JP 2000356112A JP 11168480 A JP11168480 A JP 11168480A JP 16848099 A JP16848099 A JP 16848099A JP 2000356112 A JP2000356112 A JP 2000356112A
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JP
Japan
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shaft
clutch
steam turbine
generator
bearing
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JP11168480A
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Ryutaro Umagoe
龍太郎 馬越
Satoru Konishi
哲 小西
Tatsuji Takahashi
達治 高橋
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/12—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engines being mechanically coupled
    • F01K23/16—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engines being mechanically coupled all the engines being turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービ
ン一体型軸構造に関し、軸受間の軸長を短くして固有振
動の共振をなくする。 【解決手段】 発電機側軸１と蒸気タービン側軸１１と
は一軸用クラッチ３３で連結され、発電機側軸１は一軸
用クラッチ３３と一体的構造で、油供給用溝２が軸内部
に設けられ、外部からの油供給管をなくし、全長を短く
する。又、蒸気タービン側軸１１も軸受３７、スラスト
軸受１３、カップリング１４とがそれぞれ接して、独立
のスラストカラーをなくし、又油供給用溝１２も同様に
カップリング１４内に設けたので軸長を短くできる。従
って一軸用カップリング３３両側の軸受３７，３８間の
軸長を短くできるので振動が小さくなり共振による振動
不安定が回避される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はクラッチを用いた蒸
気タービン、ガスタービン一体型軸構造に関し、クラッ
チを介した軸系の軸長を短くしてコンパクトな軸系と
し、軸の振動を回避する構造としたものである。
【０００２】
【従来の技術】蒸気タービンとガスタービンの間にクラ
ッチを介して一軸結合したコンバインドサイクル発電プ
ラントが開発されているが、このような一軸結合のプラ
ントではガスタービンと蒸気タービンをクラッチを離脱
させることにより、それぞれ独立で運転させることがで
き、ガスタービンを起動し、蒸気タービンは適切な昇速
で加速することができ、蒸気タービンが発電機回転数に
達するとクラッチが自動的に作動し、蒸気タービンとガ
スタービンとは一軸に結合され、コンバインドサイクル
運転がなされる。
【０００３】図２は上記に説明した一軸結合のコンバイ
ンドサイクル発電プラントの概念図であり、図におい
て、蒸気タービン３０とガスタービン３１は発電機３２
と一軸用クラッチ３３とで一軸に連結されている。３４
は排熱回収ボイラ、３５は煙突であり、３６は復水器で
ある。このような構成のコンバインドサイクル発電プラ
ントにおいては、ガスタービン３１で燃焼し、ガスター
ビンを駆動した後の排ガスは排熱回収ボイラ３４へ導か
れ、復水器３６からの水を加熱して排熱を与え、煙突か
ら大気へ放出される。一方排ガスにより加熱された水は
蒸気となって蒸気タービン３０に導かれ、蒸気タービン
３０を駆動し、膨張することにより仕事した低温の蒸気
は復水器３６に戻され、復水する。
【０００４】上記構成の一軸結合のコンバインドサイク
ル発電プラントにおいて、まず一軸用クラッチ３３は離
脱状態としておく。一軸用クラッチ３３は後述するよう
にスライダ３９が左右に移動することにより、ケーシン
グ３３ａ側と３３ｂ側とを嵌合したり、離脱させたりで
きる構造となっている。起動に際しては、ガスタービン
３１で発電機３２を運転し、その排ガスの温度を上昇さ
せて排熱回収ボイラ３４が充分に立上り、高温の蒸気が
発生できるようになるまで運転する。その後排熱回収ボ
イラ３４が立上り、蒸気タービン３０に蒸気が充分供給
され、蒸気タービン３０の回転数が発電機３２の回転数
に達し、同期がとれるようになると、一軸用クラッチ３
３のスライダ３９が移動して自動的に嵌合状態となり、
クラッチの左右３３ａ，３３ｂを連結して蒸気タービン
３０とガスタービン３１とで発電機３２を運転するよう
になる。
【０００５】図３は上記に説明の一軸用クラッチ３３の
作動を説明するための要領図である。この種のクラッチ
は、既に、Synchro −Self−Shiftingクラッチとして商
品化されており、公知の技術であるので、この嵌合、離
脱の要点のみ説明する。図において、（ａ）は離脱時の
状態、（ｂ）は嵌合時の状態を示す断面図である。
（ａ）において、スライダ３９は左右に移動可能であ
り、ケーシング３３ｂの側に歯車４２、ケーシング３３
ａの側に歯車４５をそれぞれ有している。一方ケーシン
グ３３ａには内側に歯車４５が、ケーシング３３ｂにも
端部内側に歯車４４がそれぞれ設けられている。（ａ）
図においては、発電機側軸４０と蒸気タービン側軸４１
とは回転数が異なり、非同期状態であって、このような
状態ではスライダ３９の両端の歯車４２，４３はケーシ
ング３３ｂ，３３ａとは噛み合わず、離脱状態であり、
ケーシング３３ａと３３ｂとは互に拘束されずに自由に
回転する。
【０００６】図３（ｂ）において、発電機側軸４０と蒸
気タービン側軸４１が同期状態となると、スライダ３９
は図中左側に移動し、スライダ３９の歯車４２，４３が
それぞれ、ケーシング３３ｂの歯車４４とケーシング３
３ａの歯車４５とに係合し、ケーシング３３ａと３３ｂ
とは嵌合状態となる。従って発電機側軸４０と蒸気ター
ビン側軸４１とは同期して一体的に回転することができ
る。
【０００７】図４は図２に示した一軸用クラッチ３３に
連結する軸を示す図である。図において、一軸用クラッ
チ３３のケーシング３３ｂ側には発電機側軸４０が、ケ
ーシング３３ａ側には蒸気タービン側軸４１がそれぞれ
焼嵌めにより取付けられている。発電機側軸４０には複
数の油供給管５２が装備されており、軸受３８及び一軸
用クラッチ３３に油を供給する構成である。又軸受３７
の発電機側軸４０にはスラストカラー５１が設けられて
いる。一方、蒸気タービン側軸４１は軸受３７で支承さ
れると共に、一軸用クラッチ３３との間にはスラストカ
ラー５０が設けられスラストを受ける構造となってい
る。
【０００８】上記のような一軸用クラッチ３３で連結さ
れた軸においては、スラストカラー５０，５１や一軸用
クラッチ３３に油を供給するための油供給管５２を備
え、又軸を焼嵌めにしているために嵌入部の構造を長く
する必要があり、これらの要因により軸長Ｌが長くなっ
ている。軸長Ｌが長いと、軸受３７，３８間での曲げ振
動の固有値が定格回転数より低い回転数で存在し、この
モードが低回転数で共振すると不安定な軸振動を発生す
る。又、このような軸振動が発生すると、発電機側軸４
０の軸受３８の面圧の反力が小さく、運転中のミスアラ
イメント（油膜上昇、油膜温度上昇、基礎面の誤差等）
に対して充分な面圧確保がなされず、軸振動が安定しな
い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】前述のように従来の一
軸用クラッチを用いた蒸気タービンとガスタービン一体
型軸構造においては、一軸用クラッチ３３が結合する両
側を支承する軸受３７，３８の軸間の長さＬが、スラス
トカラー５０や油供給管５２の存在、又は軸の焼嵌め構
造、等により長くなり、そのために軸受間に低速回転時
に固有振動モードが発生して共振し、不安定な振動が発
生する。このような不安定な振動が発生するとプラント
の安全運転上問題であり、軸振動を回避しなければなら
ない。
【００１０】そこで本発明では、一軸用クラッチを用い
た蒸気タービンとガスタービン一体型軸構造において、
一軸用クラッチの両側の軸受間の長さを出来るだけ従来
より短くするような軸構造として軸振動の共振を回避
し、不安定な軸振動が発生しないような軸構造を提案す
ることを課題としてなされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決するために次の（１）乃至（３）の手段を提供する。
【００１２】（１）蒸気タービン側軸と発電機側軸との
間にクラッチを介在させ、同発電機とガスタービンとを
連結して構成される蒸気タービン、ガスタービン一体型
軸構造において、前記発電機の軸端と連結する前記発電
機側軸は前記クラッチ側と一体的構造の軸とし、前記蒸
気タービン側軸のスラスト軸受はラジアル軸受側面と前
記クラッチ側に固定された軸カップリング側面間で両側
に接していることを特徴とするクラッチを用いた蒸気タ
ービン、ガスタービン一体型軸構造。
【００１３】（２）前記発電機側軸及び蒸気タービン側
軸内には、それぞれ一端がラジアル軸受の油供給源に、
他端が前記クラッチ内に連通する複数の油供給用穴が設
けられていることを特徴とする（１）記載のクラッチを
用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造。
【００１４】（３）前記蒸気タービン側のラジアル軸受
は、前記スラスト軸受側面と摺動することにより前記発
電機側のスラスト軸受よりも低く配設するオフセットの
設定が可能であることを特徴とする請求項１又は２記載
のクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型
軸構造。
【００１５】本発明のクラッチを用いた蒸気タービンと
ガスタービン一体型軸構造は、発電機側軸がクラッチと
一体構造であり、従来は軸の焼嵌め構造で焼嵌め部構造
を長く必要としていたが、これを短くすることができ
る。又、蒸気タービン側軸では、スラスト軸受がラジア
ル軸受側面とカップリング側面との間で接し、摺動して
スラスト力を受ける構造であり、従来のように独立して
存在していたスラストカラーをなくすることができ、そ
の分軸長を短くすることができる。
【００１６】上記のように発電機側軸と蒸気タービン側
軸とを従来よりも短くすることができるので、クラッチ
両側のラジアル軸受間の軸長が短くなり、これにより軸
受間での軸の曲げ振動を小さくし、振動に伴う固有値の
低速回転時での共振を回避し、振動不安定を抑えること
ができる。
【００１７】又、本発明の（２）では、油供給用穴が発
電機側軸、蒸気タービン側軸共、軸内に設けられてお
り、クラッチで必要とする油はラジアル軸受へ供給され
る油供給源から軸内を通りクラッチへ導かれる。従来は
クラッチへの油供給管が外部より接続していたのでその
接続部を必要とし、その分軸長が長かったが、本発明の
（２）では油供給管が不要となり、その分軸長を短くす
ることができる。
【００１８】本発明の（３）では、ラジアル軸受の側面
とスラスト軸受側面とが接しており、互に摺動してもス
ラスト軸受の構造に影響を与えないので、発電機側のラ
ジアル軸受と蒸気タービン側のラジアル軸受間での荷重
の調整を行うために、蒸気タービン側軸のラジアル軸受
を発電機側軸のラジアル軸受よりも下げるセッティング
時のオフセットが容易に可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基いて具体的に説明する。図１は本発明の実施
の一形態に係るクラッチを用いた蒸気タービン、ガスタ
ービン一体型軸構造の断面図である。図において一軸用
クラッチ３３は従来例と同じ構成であるので、詳しい説
明は省略し、従来の符号をそのまま引用して説明する
が、図では上側がクラッチ離脱時の状態、下側が嵌合時
の状態で図示しており、下側ではスライダ３９が移動し
てスライダ３９の歯車４２，４３がそれぞれケーシング
３３ｂの歯車４４、ケーシング３３ａの歯車４５へ係合
した状態を示している。
【００２０】図１において、一軸用クラッチ３３の一方
（図中右側）には、ケーシング３３ｂと一体的に組み込
まれた発電機側軸１が取付けられている。又一体型の発
電機側軸１には、一端が一軸用クラッチ３３のケーシン
グ３３ｂに連通する油供給用穴２が周囲軸方向に複数本
設けられており、この油供給用穴２の他端は軸受３８の
周囲の溝３８ａに連通し、軸受３８の油供給系統から一
軸用クラッチ３３のケーシング３３ｂ側に油を供給する
構成である。
【００２１】従来のケーシング３３ｂ側には軸部に油供
給管が別に装備されていたので、この装備のためのスペ
ースを必要としていたが、本発明では、油供給管を取除
き、その代りに軸受３８から軸１内に穿設された油供給
用穴２を通して油を一軸用クラッチ３３のケーシング３
３ｂ内に供給するような構成とし、油供給管がない分、
軸長を短くすることができる。
【００２２】又、発電機側軸１は一軸用クラッチ３３の
ケーシング３３ｂと一体的構造としたので、従来の焼嵌
めによる構造と比べ、焼嵌め嵌入部の構造を不要とし、
その分も軸長を短くすることができる。このように発電
機側軸１は、従来の油供給管をなくし、その代りに軸１
内に油供給用穴２を設け、又、軸１を一軸用クラッチ３
３に焼嵌め方式から一体型軸構造としたので、従来より
も軸長を短くすることができる。
【００２３】発電機側軸１の反対側端部にはフランジ１
ａが形成され、このフランジ１ａにはフランジ６１が接
合し、ボルト／ナット６２で連結し、カップリングを構
成している。フランジ６１には発電機３２側の軸端部６
０が焼嵌めにより嵌入されており、この焼嵌め部は軸受
３８の発電機側の外となっているため、一軸用クラッチ
３３の両側の軸受３７，３８間の距離Ｌ（図２参照）を
長くする要因とはならない。
【００２４】又、一軸用クラッチ３３と一体的に構成さ
れた発電機側軸１の材料は３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼を用
いて燃戻し温度を下げて加工し、強度を上げている。そ
のために、軸の径を従来よりも小さくすることができ、
又、これにより発電機側軸１も全体として小型にするこ
とができる。
【００２５】一軸用クラッチ３３の他方（図中左側）に
は、ケーシング３３ａにカップリング１４を介して結合
された蒸気タービン側軸１１が設けられている。蒸気タ
ービン側軸１１は軸受３７により支承されており、スラ
スト軸受１３が設けられ、更に、軸１１内には油供給用
穴１２が軸方向周囲に複数本設けられている。
【００２６】この油供給用穴１２は一端が一軸用クラッ
チ３３のケーシング３３ａ内に連通し、他端が軸受３７
の周囲の溝３７ａに連通し、軸受３７の油供給系統から
一軸用クラッチ３３のケーシング３３ａ側に油を供給す
る構成となっている。
【００２７】又、軸受３７の側面にはスラスト軸受１３
の一方の側面が密着して摺動している。又スラスト軸受
１３の他方の側面はカップリング１４に接し、同じく摺
動してスラスト力を受ける構成としている。即ち、本発
明の蒸気タービン側軸１１の軸受３７、スラスト軸受１
３及びカップリング１４とは互に密着した構成となって
おり、そのために従来のような独立して設けられたスラ
ストカラー５０が不要となり、本発明のスラスト軸受１
３の両側面はそれぞれ軸受３７とカップリング１４とに
密着しているので、その分軸長を短くすることができ
る。又、このような構成は図示のように軸受３７の両側
に設けられている。
【００２８】又、組立時に発電機側軸１の軸受３８と蒸
気タービン側軸１１の軸受３７とで受ける荷重差に伴う
軸受間の面圧のアンバランスを調整するために蒸気ター
ビン側軸１１の軸受３７を軸受３８よりも受け面を０．
１〜０．２mm程度下げてオフセットを与えることもでき
る。これは軸受３７とスラスト軸受１３とが側面で接し
てスラスト力を受ける構造であり、側面が摺動できるの
でこのようなセッティングが可能となるものである。
【００２９】以上説明したように本発明の実施の形態に
よれば、一軸用クラッチ３３の発電機側のカップリング
を、一軸用クラッチ３３のケーシング３３ｂと一体的な
構造の発電機側軸１として従来のようなクラッチへの焼
嵌め構造をなくすと共に、油供給用穴２を軸１内に設け
て一軸用クラッチ３３への油を軸受３８から供給するよ
うにして従来の油供給管をなくする構造とする。これに
より発電機側軸１を従来より短い構造とすることができ
る。
【００３０】又、更に蒸気タービン側軸１１では、軸受
３７とスラスト軸受１３及びカップリング１４とを接合
させ、従来のようなスラストカラー５０をなくする構造
とし、又油供給用穴１２も同様に軸１１のカップリング
１４内に穿設して軸受３７から一軸用クラッチ３３側に
油を供給する構成とし、これにより蒸気タービン側軸１
１も従来よりも軸長が短い構造とすることができる。
【００３１】上記のように発電機側軸１と蒸気タービン
側軸１１とが共に従来よりも軸長が短くなることによ
り、一軸用クラッチ３３両側の軸受３７，３８間の軸長
を従来よりも短くすることができる。これにより軸受３
７，３８間の軸の曲げを小さくし、低回転数で発生して
いた軸の曲げ振動の固有モードでの共振現象が回避さ
れ、軸振動の不安定現象を抑えることができる。具体的
数値で示せば、振動の振幅において１５／１００mm以内
とすることができ、この値以内では振動の不安定現象は
生じない。
【００３２】
【発明の効果】本発明の（１）のクラッチを用いた蒸気
タービン、ガスタービン一体型軸構造は、（１）蒸気タ
ービン側軸と発電機側軸との間にクラッチを介在させ、
同発電機とガスタービンとを連結して構成される蒸気タ
ービン、ガスタービン一体型軸構造において、前記発電
機の軸端と連結する前記発電機側軸は前記クラッチ側と
一体的構造の軸とし、前記蒸気タービン側軸のスラスト
軸受はラジアル軸受側面と前記クラッチ側に固定された
軸カップリング側面間で両側に接していることを特徴と
している。このような構成により、発電機側軸がクラッ
チと一体構造であり、従来は軸の焼嵌め構造で焼嵌め部
構造が長く必要としていたが、これを短くすることがで
きる。又、蒸気タービン側軸では、スラスト軸受がラジ
アル軸受側面とカップリング側面との間で接し、摺動し
てスラスト力を受ける構造であり、従来のように独立し
て存在していたスラストカラーをなくすることができ、
その分軸長を短くすることができる。上記のように発電
機側軸と蒸気タービン側軸とを従来よりも短くすること
ができるので、クラッチ両側のラジアル軸受間の軸長が
短くなり、これにより軸受間での軸の曲げ振動を小さく
し、振動に伴う固有値の低速回転時での共振を回避し、
振動不安定を抑えることができる。
【００３３】又、本発明の（２）では、油供給用穴が発
電機側軸、蒸気タービン側軸共、軸内に設けられてお
り、クラッチで必要とする油はラジアル軸受へ供給され
る油供給源から軸内を通りクラッチへ導かれる。従来は
クラッチへの油供給管が外部より接続していたのでその
接続部を必要とし、その分軸長が長かったが、本発明の
（２）では油供給管が不要となり、その分軸長を短くす
ることができる。
【００３４】本発明の（３）では、ラジアル軸受の側面
とスラスト軸受側面とが接しており、互に摺動してもス
ラスト軸受の構造に影響を与えないので、発電機側のラ
ジアル軸受と蒸気タービン側のラジアル軸受間での荷重
の調整を行うために、蒸気タービン側軸のラジアル軸受
を発電機側軸のラジアル軸受よりも下げるセッティング
時のオフセットが容易に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るクラッチを用いた
蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造の断面図であ
る。
【図２】一軸結合のコンバインドサイクル発電プラント
の一般的な構成図である。
【図３】図２に示す一軸用クラッチの作動を示し、
（ａ）はクラッチ離脱、（ｂ）はクラッチ嵌合の状態を
示す説明図である。
【図４】従来のクラッチを用いた一体型軸構造の断面図
である。
【符号の説明】
１ 発電機側軸 ２，１２ 油供給用溝 １１ 蒸気タービン側軸 １３ スラスト軸受 １４ カップリング ３０ 蒸気タービン ３１ ガスタービン ３２ 発電機 ３３ 一軸用クラッチ ３７，３８ 軸受 ３９ スライダ ４２，４３，４４，４５ 歯車
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 達治 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 Ｆターム(参考） 3G081 BA02 BA11 BB00 BC07 BD00 DA30

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蒸気タービン側軸と発電機側軸との間に
    クラッチを介在させ、同発電機とガスタービンとを連結
    して構成される蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構
    造において、前記発電機の軸端と連結する前記発電機側
    軸は前記クラッチ側と一体的構造の軸とし、前記蒸気タ
    ービン側軸のスラスト軸受はラジアル軸受側面と前記ク
    ラッチ側に固定された軸カップリング側面間で両側に接
    していることを特徴とするクラッチを用いた蒸気タービ
    ン、ガスタービン一体型軸構造。
  2. 【請求項２】 前記発電機側軸及び蒸気タービン側軸内
    には、それぞれ一端がラジアル軸受の油供給源に、他端
    が前記クラッチ内に連通する複数の油供給用穴が設けら
    れていることを特徴とする請求項１記載のクラッチを用
    いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造。
  3. 【請求項３】 前記蒸気タービン側のラジアル軸受は、
    前記スラスト軸受側面と摺動することにより前記発電機
    側のスラスト軸受よりも低く配設するオフセットの設定
    が可能であることを特徴とする請求項１又は２記載のク
    ラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構
    造。
JP16848099A 1999-06-15 1999-06-15 クラッチを用いた蒸気タービン、ガスタービン一体型軸構造 Expired - Lifetime JP4209040B2 (ja)

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