WO2006117847A1

WO2006117847A1 - マイクロガスタービン

Info

Publication number: WO2006117847A1
Application number: PCT/JP2005/008016
Authority: WO
Inventors: Kouta Nagano; Masaru Sekihara; Yasushi Hayasaka; Manabu Yagi
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-09
Also published as: JPWO2006117847A1

Abstract

　本発明は、ニッケル基合金材の鋳造によって製造されたタービンホィールに鋳造欠陥が存在していても、疲労強度を維持できるマイクロガスタービンを提供するために、ニッケル基合金材の鋳造によって製造されたタービンホィールの径方向中心部に、中空部を設けたり残留圧縮応力を付与したりして疲労強度維持手段を設けたのである。

Description

明細書

マイクロガスタービン技術分野

[0001] 本発明はマイクロガスタービンに係り、特に、タービンロータを工夫したマイクロガスタービンに関する。

背景技術

[0002] 近年、マイクロガスタービンは、高効率，高出力化が進められており、用いられるタ一ビンロータのタービンホイール径寸法も大径ィ匕が進められている。また、高効率ィ匕に対応してマイクロガスタービンに供給される燃焼ガス温度も上昇の傾向にあり、そのためにタービンホイールに使用される材料は、高温強度に優れたニッケル基合金材が用いられている。しカゝしながら、ニッケル基合金材は、機械加工性が悪いので、タービンホイールをニッケル基合金材の铸造により形成し、これらタービンホイールとタービン軸とを連結してタービンロータを構成してヽる。

[0003] 尚、タービンホイ一ノレとタービン軸とを連結したマイクロガスタービンのタービンロータは、例えば特許文献 1等で、既に提案されている。

[0004] 特許文献 1：特開 2002— 235547号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] タービンホイールをニッケル基合金材の铸造により形成する場合、外径が約 100m m程度の小径のタービンホイールでは、铸込み後の冷却が略均等となるので、タービンホイール各部における冷却速度に大きなばらつきはなぐ铸造欠陥である弓 Iけ巣の発生は殆どない。しかし、高効率，高出力化の要求に対応するために、タービンホイールを大径化、例えば、外径が約 200mmを超えて大径すると、タービンホイール各部における铸込み後の冷却速度にバラツキが生ずるので、引け巣が発生し易ぐタ一ビンホイール外径が約 250mmを超えると引け巣の発生は顕著となる。そして、タ一ビンホイールの铸湯における湯口の設置位置は、铸込みと凝固を考慮して殆どが、タービンホイールの径方向中心部で軸方向の一端側に設けられるので、引け巣の発生位置も、タービンホイールの径方向中心部で軸方向の一端側に集中する。

[0006] このように、タービンホイールを大径にすると、铸造欠陥が発生し、この铸造欠陥の存在によりタービンホイールの疲労強度が低下する問題があるので、 50000rpmもの高速で回転するタービンホイールの大径ィ匕を妨げていた。

[0007] 本発明の目的は、ニッケル基合金材の铸造によって製造されたタービンホイールに铸造欠陥が存在して、ても、疲労強度を維持できるマイクロガスタービンを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明は上記目的を達成するために、ニッケル基合金材の铸造によって製造されたタービンホイールの径方向中心部に、中空部を設けたり、残留圧縮応力を付与したりして、疲労強度維持手段を設けたのである。

[0009] このように、タービンホイールの径方向中心部に、中空部を設けことで、疲労強度を低下させる要因となる铸造欠陥を撤去することができるので、疲労強度の低下はなく、疲労強度を維持することができる。また、タービンホイールの径方向中心部に、残留圧縮応力を付与することで、疲労強度を向上させることができ、この疲労強度の向上が铸造欠陥部における疲労強度の低下を抑制するので、疲労強度を維持できるのである。

発明の効果

[0010] 以上説明したように本発明によれば、ニッケル基合金材の铸造によって製造されたタービンホイールに铸造欠陥が存在して、ても、疲労強度を維持できるマイクロガスタービンを得ることができる。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータを示す一部縦断側面図。

[図 2]図 1のマイクロガスタービンを用いたマイクロガスタービン発電設備を示すブロック図。

[図 3]本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第 1の変形例を示す図 1 相当図。

[図 4]本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第 2の変形例を示す図 1 相当図。

[図 5]本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第 3の変形例を示す図 1 相当図。

[図 6]本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第 4の変形例を示す図 1 相当図。

[図 7]本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータの第 5の変形例を示す図 1 相当図。

符号の説明

[0012] 1…マイクロガスタービン、 2· "圧縮機、 3…発電機、 8…タービンローラ、 9…タービンホイール、 10· · ·タービン軸、 11 · · ·貫通穴（中空部）、 13· · ·ボルト、 14· · ·ナット、 15 …有底穴（中空部）、 16· · ·受け穴、 17· · ·連結突起部、 18· · ·先端穴、 19…残留圧縮応力付与部。

発明を実施するための最良の形態

[0013] 以下本発明によるマイクロガスタービンの一実施の形態を図 1及び図 2に基づいて説明する。

[0014] 本発明によるマイクロガスタービン 1が適用されるマイクロガスタービン発電設備は、図 2に示すように、マイクロガスタービン 1と圧縮機 2と発電機 3とが同軸となるように連結されている。そして、圧縮機 2によって外気 aを圧縮し、圧縮空気 bとして吐出する。圧縮機 2から吐出された圧縮空気 bは、昇温するために再生熱交翻4を通され、ここで昇温された昇温圧縮空気 cは、燃焼器 5内に供給される。燃焼器 5内に供給された昇温圧縮空気 cは、燃料供給装置（図示せず)から供給された燃料と混合されて燃焼する。燃焼器 5からの燃焼ガス dは、マイクロガスタービン 1に供給されてタービン口ータ 8を回転駆動する。マイクロガスタービン 1のタービンロータ 8を駆動した後の排ガス eは、前記再生熱交 4にて前記圧縮機 2から吐出される圧縮空気 bを昇温させた後、排出される。前記マイクロガスタービン 1のタービンロータ 8が駆動されることで、発電機 3の例えば永久磁石型ロータが駆動され、発電が開始される。発電された電力は、整流器 6及びインバータ 7を経由して負荷（図示せず）に供給される。

[0015] 上記構成のマイクロガスタービン発電設備に用いられるマイクロガスタービン 1のタ一ビンロータ 8は、図 1に示すように、タービンホイール 9とこれに連結されるタービン軸 10とで構成され、タービンホイール 9は、ニッケル基合金材の铸造によって形成されている。

[0016] そして、ニッケル基合金材の铸造によって形成されたタービンホイール 9は、径方向中心部に、タービン軸 10と同心となるように、中空部である貫通穴 11が軸方向全長に亘つて設けられている。この貫通穴 11は、ニッケル基合金材の铸造時にタービンホイール 9の軸芯となる位置に中子を配置して铸湯し、凝固後中子を撤去することで形成してもよぐまた、加工性は悪いが工作機での切削により形成してもよい。尚、タ一ビンホイール 9の全長に亘つて貫通穴 11を設ける場合、ニッケル基合金材の铸込み時の湯口は、軸方向のどちらに設けてもよいが、铸込み後の凝縮を考慮すると、タ一ビン翼 9Wとは反対側のタービン軸 10と連結部側に設けることが望ましい。

[0017] このようにして形成されたタービンホイール 9の一端、例えばタービン翼 9Wとは反対側となる端部に、タービン軸 10の連結端部 10Cを摩擦圧接や溶接等の周知の連結手段によって連結することで、タービンロータ 8を形成する。タービンホイール 9とタ一ビン軸 10との連結手段としては、信頼性があり、経済的な摩擦圧設による連結が望ましい。また、摩擦圧接により、摩擦圧接部に欠陥が生じた時には、欠陥を旋盤等で削り取りとればよい。その際に、肖 ijり取った部分に応力が集中しないように曲線状に削り取るなどの工夫必要である。

[0018] 上記のようにタービンロータ 8を構成したので、仮に外径が約 200mmを超える大径のタービンホイールをニッケル基合金材の铸造によって形成して铸造欠陥が生じても、貫通穴 11を設けることで疲労強度を低下させる要因となっている铸造欠陥部を撤去できるので、タービンホイール 9としての疲労強度の低下を防止することができる。

[0019] また、タービンホイール 9に貫通穴 11を設けることで、タービンホイール 9が軽量化できると共に、その貫通穴 11が断熱作用を呈するので、高温に曝されるタービンホイール 9表面の熱をタービン軸 10に伝達し難くなり、軸周辺の機器を熱力も保護することがでさる。

[0020] さらに、タービン軸 10の連結端部 10Cが連結されるタービンホイール 9の端部は、貫通穴 11が開口しているので、連結端部 10Cとの摩擦圧接面積を必要最小限とすることができ、その結果、摩擦圧接時の駆動力を小さくすることができる。

[0021] 図 3は、本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ 8の第 1の変形例を示すもので、図 1と同符号は同一部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

[0022] 本第 1の変形例において、図 1と異なるのは、タービンホイール 9とタービン軸 10との連結構成である。即ち、図 1においては、タービンホイール 9とタービン軸 10の連結端部 10Cとを摩擦圧接等により連結しているが、本第 1の変形例においては、タービン軸 10のタービンホイール 9の端部に対向する部分に、ホイール受け部 12を設けると共に、このホイール受け部 12から前記タービンホイール 9の貫通穴 11を貫通するボルト 13を設けている。そして、貫通穴 11を貫通したボルト 13の貫通端にナット 14を捻じ込んで締付けることで、タービンホイール 9をホイール受け部 12とナット 14とで締結し、両者を連結している。

[0023] 上記構成とすることで、本第 1の変形例においては、図 1に示す構成と同様に、铸造欠陥による疲労強度の低下を貫通穴 11によって防止することができると共に、貫通穴 11の断熱作用により軸周辺の機器を熱力も保護することができる。さらに、図 1 に示す構成に比べて、ボルト 13とナット 14による連結のために、摩擦圧接作業の必要がなぐ摩擦圧接設備や摩擦圧接作業を不要にすることができる。

[0024] 図 4は、本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ 8の第 2の変形例を示すもので、図 1、図 3と異なるのは、貫通穴 11ではなぐタービンホイール 9の軸芯と同心となる有底穴（中空部） 15を設けたのである。そして、タービン軸 10とタービンホイ一ル 9との連結は、図 1に示すタービンロータ 8と同じである。

[0025] ところで、前記有底穴 15は、タービン軸 10との連結側となるタービンホイール 9の反タービン翼 9W側端部に、タービン翼 9W側に向力つて延在して設けたものである力この位置に有底穴 15を設けたのは、ニッケル基合金材の铸込み用湯口をタービン翼 9Wから離れた側に設けて凝固時の凝縮の影響をタービン翼 9Wが受けな、ように配慮したものであり、本発明においては、ニッケル基合金材の铸込み用湯口がタービンホイール 9の反タービン翼 9W側の径方向中心部近傍に形成されたものであることを前提としている。

[0026] 上記第 2の変形例によれば、略図 1に示すタービンロータ 8と同じ効果を相することができる。即ち、有底穴 15を設けることで、タービンホイール 9の径方向中心部に発生した铸造欠陥を撤去できるので、铸造欠陥による疲労強度の低下を防止することができる。さらに、タービンホイール 9からタービン軸 10へ伝わる熱を有底穴 15で抑制できるので、タービン軸 10周辺の機器を高温力も保護することができる。また、タービン軸 10が連結されるタービンホイール 9の端部には有底穴 15が開口して!/、るので、摩擦圧接面積が必要最小限となり、摩擦圧接時の駆動力を小さくすることができるのである。

[0027] 図 5は、本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ 8の第 3の変形例を示すものである。この第 3の変形例においては、タービンホイール 9のタービン軸 10との連結部に、軸芯と同心となる円弧状の受け穴（中空部） 16を設け、対向するタービン軸 10端に半球状の連結突起部 17を設けたものである。そして、タービンホイール 9の受け穴 16にタービン軸 10の連結突起部 17を挿入して位置決めした後、受け穴 16と連結突起部 17とを摩擦圧接により連結したのである。

[0028] 尚、前記受け穴 16と連結突起部 17とは同じ曲率を有するように形成してもよいが、効率よ、摩擦圧接を行うために、両者の曲率を変化させるようにしてもょ、。

[0029] 上記構成とすることで、図 1に示すタービンロータ 8と同じように、タービンホイール 9 の径方向中心部に発生した铸造欠陥を、受け穴 16を設けることで撤去できるので、铸造欠陥による疲労強度の低下を防止することができる。

[0030] 図 6は、本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ 8の第 4の変形例を示すもので、図 5に示す第 3の変形例と同一符号は同一物を示すので、再度の説明は省略する。

[0031] 図 5に示す第 3の変形例と異なるのは、連結突起部 17の先端部に先端穴 18を設けた点である。

[0032] このように構成したことで、図 5に示す第 3の変形例と同じ効果を奏する外、先端穴 18を設けたことにより、タービンホイール 9からの伝熱を先端穴 18で抑制でき、さらに、タービンホイール 9内に先端穴 18による空間部が存在することで、タービンロータ 8 を軽量ィ匕することができる。さらにまた、先端穴 18による空間部が存在することで、受け穴 16に対する連結突起部 17の摩擦圧接面積を必要最小限とすることができ、摩擦圧接時の駆動力を小さくすることができる。

[0033] 以上説明したように、図 1〜図 6に示すタービンロータ 8は、タービンホイール 9の径方向中心部に空間部を積極的に形成することで、径方向中心部で铸湯用湯口に生じ易い铸造欠陥を撤去して疲労強度の低下をなくしたものである。

[0034] し力しながら、ニッケル基合金材は機械カ卩ェ性に優れたものではないので、 -ッケル基合金材を铸造により形成したタービンホイール 9に中空部等の機械力卩ェを施すことは厄介である。

[0035] そこで、機械加工を施さずに、铸造欠陥による疲労強度の低下を抑制したのが、図 7に示す本発明によるマイクロガスタービンのタービンロータ 8の第 5の変形例である

[0036] この第 5の変形例では、タービンホイール 9の铸造欠陥による疲労強度の低下を、熱処理を施すことで抑制したのである。具体的には、タービンホイール 9の径方向中心部、特に、タービン軸 10が連結される部位、云い代えれば铸湯用湯口が設けられていた側の部位以外を加熱し、その後、タービン軸 10が連結される部位を急速に冷却するのである。このような熱処理を行うことで、タービン軸 10が連結される部位に、当初、熱応力による引張応力が発生し、それが急速冷却されることで残留圧縮応力となって残り、残留圧縮応力付与部 19が形成されるのである。一般的に、金属材料は、残留圧縮応力が付与されることで、疲労強度が向上するので、铸造欠陥によって疲労強度が低下したタービンホイール 9に対し、同様な熱処理を行うことで、低下した疲労強度を向上させることができ、結果的に、铸造欠陥が存在していても疲労強度の低下を抑制して維持できるのである。

[0037] 上記タービンホイール 9の熱処理後に、タービン軸 10を周知の連結手段によって連結してタービンロータ 8を構成するのである。尚、連結手段として、熱を伴う摩擦圧接や溶接によって、残留圧縮応力付与部 19の疲労強度の向上が望めない場合には、タービンホイール 9の熱処理前に、摩擦圧接や溶接によってタービン軸 10を予め連結してお!、ても差支えな!/、。

[0038] 以上説明したように、本第 5の変形例によれば、タービンホイール 9に中空部形成のような機械加工を施すことなぐ铸造欠陥による疲労強度の低下を抑制して維持することができる。

産業上の利用可能性

本発明は、マイクロガスタービンの出力向上に伴って大型化するニッケル基合金材铸造製のタービンホイールに必須のものである。

Claims

請求の範囲

[1] ニッケル基合金材を铸造して形成したタービンホイールと、このタービンホイールに連結したタービン軸とで構成したタービンロータを備えたマイクロガスタービンにおいて、前記タービンホイールの径方向中心部に、疲労強度維持手段を設けたことを特徴とするマイクロガスタービン。

[2] ニッケル基合金材を铸造して形成したタービンホイールと、このタービンホイールに連結したタービン軸とで構成したタービンロータを備えたマイクロガスタービンにおいて、前記タービンホイールの径方向中心部に、中空部を形成して疲労強度維持手段としたことを特徴とするマイクロガスタービン。

[3] 前記中空部は、前記タービンホイールの軸方向全長に亘つて形成された貫通穴である請求項 2記載のマイクロガスタービン。

[4] 前記中空部は、前記タービン軸との連結部から軸方向に向かって形成された有底穴である請求項 2記載のマイクロガスタービン。

[5] ニッケル基合金材を铸造して形成したタービンホイールと、このタービンホイールに連結したタービン軸とで構成したタービンロータを備えたマイクロガスタービンにおいて、前記タービンホイールの径方向中心部に、残留圧縮力を付与して疲労強度維持手段としたことを特徴とするマイクロガスタービン。

[6] 前記タービンホイールとタービン軸とは、摩擦圧接により連結されていることを特徴とする請求項 1, 2, 3, 4または 5記載のマイクロガスタービン。

[7] ニッケル基合金材を铸造して形成したタービンホイールと、このタービンホイールに連結したタービン軸とで構成したタービンロータを備えたマイクロガスタービンにおいて、前記タービンホイールの径方向中心部の前記タービン軸との連結部に、軸芯と同心となる円弧状の受け穴を設け、この受け穴に前記タービン軸の連結突起部を挿入して連結したことを特徴とするマイクロガスタービン。

[8] 空気圧縮機と、この空気圧縮機で圧縮された空気を燃料と混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器で発生する燃焼ガスにより駆動されるマイクロガスタービンと、このマイク口ガスタービンの駆動により回転されて電力を発生する発電機とを備えたマイクロガスタービン発電設備において、前記マイクロガスタービンとして、請求項 1〜7のいずれかに記載のマイクロガスタービンを採用したことを特徴とするマイクロガスタービン発電設備。