JP2014020320A - 軸流タービン及び発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】タービンロータを十分に冷却し、プラントの効率低下を抑制する軸流タービン及び発電プラントを提供する。
【解決手段】ダイアフラム外輪、内輪の間に周方向、回転中心軸方向に配設したタービンノズル１、内輪の筒状流路の回転中心軸方向に設けたタービンロータ１３のロータディスク２１に周方向に植設したタービン動翼５、隣接する二つのロータディスク間のタービンロータの外表面との間に空間部９を経て設けた遮熱板３、タービンロータ内に形成し冷却媒体が流入し空間部と接続した連通孔２、空間部と接続し二つのロータディスクの少なくともいずれか一方に形成した開口部６、空間部と開口部６を経て接続し植え込み部を連通する第２の連通孔と接続しタービン動翼５の有効長部に沿って連通する連通孔５、連通孔に接続しタービン動翼の側面に開口した開口部７ａ、または、連通孔に接続しタービン動翼の外周端面に開口した開口部７ｂを備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、軸流タービン及び発電プラントに関する。

近年、地球温暖化の抑制が強く望まれる中、発電プラントにおいても発電効率の改善により発電用の燃料消費を減らし、ＣＯ_２、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ等の発生量を抑制することが望まれている。

蒸気タービンやガスタービン等を用いる火力発電プラントでは、高効率化の有効な手法として、タービン入口温度を上昇させることが行われている。

一方で、タービンは静止部品と、ロータや動翼等の回転部品とを備えており、静止部品と回転部品との間で接触を避けるために隙間を設けることは、必要不可欠である。

そのため、タービン翼列以外の隙間に作動流体が必ず漏れることになり、作動流体の温度で金属表面が曝されることになる。従って、高温作動流体の場合では、耐熱合金においても要求される強度特性を満足出来ない場合が起こり得る。

そこで、必要に応じて部分的に冷却する構造が提案されている。例えば、以下に記載する特許文献１では、タービン段落の途中の下流で仕事を終えて、温度が低下した作動流体の一部を上流段落のタービンロータの外表面または動翼先端の外周壁に導いて冷却を行い、冷却した作動流体をグランドから排出する構造が提案されている。この構成では、主流の温度が６００℃程度となる蒸気タービンでは支障はないと考えられるが、ガスタービン等主流のガス温度が１０００℃を越える場合は、タービン段落下流においても高温となるため十分な冷却を得ることができない。また、途中段落から作動流体を抜き取って冷却に適用してグランドに排出するため、動力として回収することができないまま排出することになり効率低下を余儀なくされる。

また、例えば特許文献２では、通路部の主流が接する外面と、翼が保持された外面に作られる空間を有し、かつ動翼の植込み部で導通部を備えている。この構成によれば、動翼の上流と下流の空間が連通しており、冷却媒体が通過して冷却することとなる。このように連通した構成では、冷却空間の下流になればなるほど冷却媒体の温度が上昇し、冷却効率が低下することは明らかである。主流の作動流体の温度が高くない場合は、冷却媒体の温度上昇が少ないため特に支障はないと考えられる。しかし、高温の作動流体においては十分な冷却を行うことは困難である。

このように、主流の作動流体の温度が高温となる場合は、従来の技術では十分な冷却効果を得ることが困難であった。このため、冷却媒体の量を多くすることで冷却を行っていた。しかし、冷却媒体を多く使用することは、プラント全体の効率低下を招くこととなり、高温化によって発電効率を向上させることの妨げとなっていた。

特許第４５２５９７６号 特許第４５４０３５７号

上述したように、従来は主流の作動流体が高温となる場合、タービンロータを十分に冷却するためには多量の冷却媒体を必要し、プラント全体の効率低下を招いていた。

本発明は上記事情に鑑み、作動流体が高温であっても、多量の冷却媒体を用いることなくタービンロータを十分に冷却することで、冷却媒体による効率低下を抑制することが可能な軸流タービン及び発電プラントを提供することを目的とする。

本発明の実施の形態による軸流タービンは、
ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成される環状流路の周方向に沿って列状に配置され、回転中心軸方向に沿ってタービン段落毎に配置されたタービンノズルと、
前記ダイアフラム内輪により形成される筒状流路の前記回転中心軸方向に沿って設けられたタービンロータのロータディスクに、前記周方向に沿って列状に植設され、前記回転中心軸方向に沿って各々の前記タービンノズルの下流側に前記タービン段落毎に配置されたタービン動翼と、
前記回転中心軸方向に沿って隣接する二つの前記ロータディスク間の前記タービンロータの外表面との間に空間部を有するように設けられた遮熱板と、
前記タービンロータ内に形成されて冷却媒体が流入し、前記空間部と接続された第１の連通孔と、
前記空間部と接続するように、隣接する二つの前記ロータディスクの少なくともいずれか一方に形成された第１の開口部と、
前記空間部と前記第１の開口部を介して接続され、前記ロータディスクにおける前記タービン動翼の植え込み部を連通する第２の連通孔と、
前記第２の連通孔と接続され、前記タービン動翼の有効長部に沿って連通する第３の連通孔と、
前記第３の連通孔に接続され、前記タービン動翼の側面に開口された第２の開口部と、
前記第３の連通孔に接続、または、前記タービン動翼の外周端面に開口された第３の開口部と、
を備えることを特徴する。

また本発明の実施の形態による発電プラントは、
空気に含まれる窒素を除去して、酸素のみを抽出する酸素製造装置と、
燃料と、ＣＯ_２と、前記酸素製造装置により抽出された酸素とを与えられ、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼ガスを与えられ、回転駆動する上記軸流タービンと、
前記軸流タービンから回転駆動力を与えられ、発電を行う発電機と、
ＣＯ_２と前記軸流タービンから排出された排気とを与えられ、この排気と熱交換を行ったＣＯ_２を前記燃焼器に与える再生熱交換器と、
前記再生熱交換器により熱交換が行われた前記排気を冷却する冷却器と、
前記冷却器により冷却された前記排気から水分を分離除去してＣＯ_２を排出する湿分分離器と、
前記湿分分離器から排出されたＣＯ_２を昇圧し、前記再生熱交換器に供給する圧縮ポンプと、
を備えることを特徴とする。

本発明の実施の形態１による軸流タービンのタービン段落の概略構成を示す縦断面図である。 同実施の形態１による軸流タービンのタービン段落の構成を部分的に拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２による軸流タービンのタービン段落の構成を部分的に拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態３による軸流タービンのタービン段落の構成を部分的に拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態４による軸流タービンのタービン段落の構成を部分的に拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態５による軸流タービンのタービン段落の構成を部分的に拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態６による軸流タービンのタービン段落の構成を部分的に拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態７による軸流タービンのタービン段落の構成を部分的に拡大して示す縦断面図である。 ＣＯ_２を作動流体とするＣＯ_２タービンの主要な構成を示す縦断面図である。 上記実施の形態１〜７による軸流タービンの適用が可能なＣＯ_２を作動流体とする火力発電プラントの構成を示す系統図である。 上記実施の形態１及び２の変形例による軸流タービンのタービン段落の構成を部分的に拡大して示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態による軸流タービンについて、図面を参照して説明する。

（１）実施の形態１
本発明の実施の形態１による軸流タービンにおけるタービン段落の概略構成を図１に示す。

ダイアフラム外輪１７とダイアフラム内輪１６との間に形成された環状流路の周方向に複数枚のタービンノズル１が列状に配置され、かつ回転中心軸に沿って複数段落で配設されている。ダイアフラム内輪１６とロータ１３との間には、作動流体の漏洩を減らすためにラビリンスパッキン１８が周方向に取り付けられている。

このように形成された各タービンノズル１のそれぞれの下流側には、各タービンノズル１に対向してタービン動翼５が段落毎に配設されている。このタービン動翼５は、タービン動翼５の植え込み部２３が設けられたロータディスク２１の外周の周方向に所定間隔で列状に植設されており、作動流体から回転エネルギを得ることで出力を取り出している。タービン動翼５の先端には振動抑制用にスナッバ２０が設けられ、スナッバ２０とダイアフラム外輪１７との間には作動流体の漏洩を減らすためシールフィン４が周方向に取り付けられている。回転中心軸に沿って、図中左から右へ向って、第１段落のタービンノズル、第１段落のタービン動翼、第２段落のタービンノズル、第２段落のタービン動翼の順にそれぞれ配設されている。

図１において、第１段落のタービン動翼５の半径方向に沿う断面構造、並びに第２段落のタービンノズル１のダイアフラム内輪１６と対向する第１段落のタービン動翼５と第２段落のタービン動翼５との間の部分の点線で囲まれた部分２０１を拡大して図２に示す。

本実施の形態１では、第１段落のタービン動翼５と第２段落のタービン動翼５との間において、タービンロータ１３の外表面との間に空間部９を形成するように遮熱板３が全周に渡って設けられている。この遮熱板３が、主流から漏れる高温の漏洩流体２２をタービンロータ１３から隔離し、タービンロータ１３の外表面が加熱されないようにしている。

この遮熱板３は、回転中心軸方向に沿って隣接する二つのロータディスク２１に、回転中心軸方向に沿う両端部が接続されて設けられている。

タービンロータ１３の内部には、外部から冷却媒体が供給される連通孔２が形成されている。連通孔２は、遮熱板３とタービンロータ１３の外表面との間に形成された空間部９と接続されている。

また空間部９は、ロータディスク２１の開口部６と接続されており、さらにタービン動翼５の植え込み部２３を通過してタービン動翼５内の有効長部に渡って形成された連通孔７に接続されている。連通孔７は、タービン動翼５の側面に開口された開口部７ａに接続、または、連通孔７は、タービン動翼５の外周端面のスナッバ２０に開口された開口部７ｂに接続されている。

冷却媒体がタービンロータ１３の連通孔２を通過し、空間部９、ロータディスク２１の開口部６、タービン動翼５内の連通孔７を順次通過していく。最終的に連通孔７から開口部７ａまたは、開口部７ｂを通過して主流へ流出する。そのため、冷却媒体の流体圧力を、主流の流体圧力より高くする必要がある。

外部から供給された冷却媒体が、遮熱板３とタービンロータ１３の外表面の空間部９を通ることでタービンロータ１３の外表面が冷却保護される。さらに、タービン動翼５の植え込み部２３、タービン動翼５内部の連通孔７を有効長に渡って冷却媒体が通過することで、この部分も冷却保護される。

そして最終的には、温度が上昇した冷却媒体を主流へ流入させることで、作動流体として活用することができる。ここで、連通孔２の出口は空間部９における作動流体の下流側に接続され、作動流体の流れと逆方向に沿って冷却媒体が流れ、開口部６を通過して第２段落のタービンノズル１の前段に位置する第１段落のタービン動翼５の連通孔７に流れた後、主流へ流入する。これにより、温度が上昇した冷却媒体を冷却した箇所よりさらに上流側から作動流体として主流へ流入することで、より効率よく仕事をさせることができる。

本実施の形態１によれば、外部からの冷却媒体の流入により各段落の冷却が可能であり、そのため作動流体が高温の場合であってもタービンロータ１３の外表面、特にタービン動翼５の有効長部、タービン動翼５の植え込み部２３を十分に冷却保護することが可能である。

同時に冷却媒体は、タービン動翼５と植え込み部２３を冷却して温度上昇した冷却媒体を主流に流入させることでタービン出力を増加させることができる。この結果、冷却媒体を冷却のみでなく出力に再利用することで効率低下を抑制することが可能である。

ここで、図２に示されていない第１段落のタービンノズル１と対向するタービンロータ１３には、連通孔２が設けられておらず、またこの第１段落のタービンノズル１に対向する位置には遮熱板３による空間部９も形成されていない。この領域のタービンロータ１３は、図９を用いて後述する前方のグランド１１１から、主流より高圧で供給されて主流と混合する冷却媒体により冷却する。

なお、例えば５段落構成の場合は、上流から下流に向って交互に、第１段落のタービンノズル１、第１段落のタービン動翼５、第２段落のタービンノズル１、第２段落のタービン動翼５、…、第５段落のタービンノズル１、第５段落のタービン動翼５が配設されている。

本実施の形態１では、第１段落のタービンノズル１と第５段落のタービン動翼５を除いて、第１段落のタービン動翼５及び第２段落のタービンノズル１、第２段落のタービン動翼５及び第３段落のタービンノズル１、…、第４段落のタービン動翼５及び第５段落のタービンノズル１のそれぞれの組み合わせに対して、図２に示された構成が設けられている。しかし、少なくとも第１段落のタービン動翼５及び第２段落のタービンノズル１に図２に示された構成が設けられていればよい。

（２）実施の形態２
本発明の実施の形態２による軸流タービンについて、その構成を示した図３を用いて説明する。なお、上記実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

上記実施の形態１では、上述したようにタービンロータ１３内部の連通孔２の出口の回転中心軸方向の位置が、ロータディスク２１間におけるタービンノズル１の下流側に設置されている。これにより、遮熱板３を冷却した冷却媒体がタービン上流側のタービン動翼５の植え込み部２３とタービン動翼５とを冷却した後、上流側の主流に流入することでタービン回転駆動においてより多くの仕事に寄与することになる。

これに対し本実施の形態２では、タービンロータ１３内部の連通孔２が分岐している。分岐した一方の連通孔２ａは、第１段落のタービン動翼５の植え込み部２３を通過してタービン動翼５の内部の連通孔７に直接接続される。分岐した他方の連通孔２ｂは、ロータディスク２１間に設けられた空間部９に接続されている。

この構成によれば、タービン動翼５の植え込み部２３とタービン動翼５の冷却に必要な冷却媒体と、遮熱板３の冷却に必要な冷却媒体とを連通孔２から供給することができる。

また本実施の形態２では、連通孔２から分岐した他方の連通孔２ｂの出口が空間部９に接続された回転中心軸方向の位置が、ロータディスク２１間における上流側にある。この空間部９に流れ込んだ冷却媒体は、空間部９を主流と同一方向に流れた後、下流側に設けられた開口部６を経由して第２段落のタービン動翼５が植え込まれたロータディスク２１の内部に設けられた貫通孔２ａに接続されている。

第２段落のタービン動翼５が植え込まれたロータディスク２１においても、図３に示された第１段落のタービン動翼５が植え込まれたロータディスク２１と同様に、タービンロータ１３内部の他の連通孔２から分岐した一方の連通孔２ａが設けられており、他の連通孔２から供給された冷却媒体と、空間部９を通過して開口部６を経由してきた冷却媒体とが合流する。そしてこの連通孔２ａは植え込み部２３を通過して、第２段落のタービン動翼５の有効長に渡る連通孔７に接続されている。

以降の段落においても同様に、タービンロータ１３内部の連通孔２から分岐した一方の連通孔２ａが第３段落のタービン動翼５内部の連通孔７に接続され、分岐した他方の連通孔２ｂが、第３段落のタービン動翼５のロータディスク２１と第４段落のタービン動翼５のロータディスク２１との間に設けられた空間部９に接続される。

また上記実施の形態１と同様に、本実施の形態２においても第１段落のタービンノズル１と対向するタービンロータ１３の冷却は、前方のグランド１１１からの冷却媒体で行われる。

本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、遮熱板３とタービンロータ１３の外表面の空間部９を冷却媒体が通過することでタービンロータ１３の外表面が冷却保護され、さらにはタービン動翼５の植え込み部２３、タービン動翼５内部の連通孔７を有効長に渡って冷却媒体が通過することでタービン動翼５が冷却保護される。また温度が上昇した冷却媒体を主流へ流入させて作動流体としても活用することにより、冷却媒体を冷却のみに使用するだけでなく再利用することで効率低下を抑制することが可能である。

さらに本実施の形態２では、タービンロータ１３内部の貫通孔２に供給された冷却媒体を、分岐した二つの貫通孔２ａ、２ｂにそれぞれ流すことにより、連続する二つのタービン動翼５の植え込み部２３、タービン動翼５内部の連通孔７を有効長に渡って冷却媒体が通過することで効率良くタービン動翼５が冷却保護される。

（３）実施の形態３
本発明の実施の形態３による軸流タービンについて、その構成を示した図４を用いて説明する。なお、上記実施の形態１、２と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態３では、隣接する二つのタービン動翼５が植え込まれたロータディスク２３間のタービンロータ１３の外表面に設けられた遮熱板３の外周側の表面に、遮蔽板３より低い熱伝導率を有する熱絶縁層８を備える。

この熱絶縁層８には、サーマルバリアコーティング（断熱被膜、高温耐蝕被膜）に使用される各種材料、例えばＭ（ニッケル、コバルト、鉄又はこれらの組み合わせ）Ｃｒ（クロム）Ａｌ（アルミニウム）Ｙ（イットリウム）材料、あるいはＭＣｒＡｌＹ材料にセラミックス系材料を組み合わせたもの等を用いることができる。

これにより、高温の漏洩流体２２と遮熱板３とが熱的に絶縁されるため、外部から流入する冷却媒体の使用量をより少なくすることが可能となる。この結果、より少ない冷却媒体でタービンロータ１３の外表面を冷却保護することができタービン効率が向上する。

（４）実施の形態４
本発明の実施の形態４による軸流タービンについて、その構成を示した図５を用いて説明する。なお、上記実施の形態１〜３と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態４では、隣接する第１段落、第２段落のタービン動翼５が植え込まれたロータディスク２１間におけるタービンロータ１３の外表面を覆う遮熱板３の内周側に、遮熱板３を支持する脚構造体１４を備え、かつ脚構造体１４の内周部分がタービンロータ１３に取り付け可能なように植え込み部２３と同様な形状を有する点に特徴がある。なお、本実施の形態４では、タービンロータ１３に取り付け可能な形状の一例として、植え込み部２３と同様な形状としているが、この形状には限定されず他の形状であっても取り付けが可能であればよい。

冷却媒体がタービンロータ１３の連通孔２を通過し、空間部９、ロータディスク２１の開口部６、タービン動翼５内の連通孔７を順次通過していく。最終的に連通孔７から、タービン動翼５の側面に開口された開口部７ａを通過して主流へ流出、または、タービン動翼５の外周端面のスナッバ２０に開口された開口部７ｂを通過して主流へ流出する。

遮熱板３には、漏洩流体２２と冷却媒体との圧力差により外周方向に応力が印加される。さらに、遮蔽板３はロータディスク２１間に接続されているため、タービンロータ１３と一体に回転する。これにより、遮熱板３に遠心力が加わり外周方向に変形する可能性がある。遮熱板３とラビリンスパッキン１８との接触を防ぐためには、間隙を確保する必要がある。しかし、間隙が大きいと漏洩流体２２の漏洩量が増加しタービン効率が低下する。

そこで、遮熱板３の内周側に脚構造体１４を設けることで、漏洩流体２２と冷却媒体との圧力差と、遠心力による遮熱板３の変形を防止することが可能となる。さらに、遮熱板３の変形を防止することで、遮熱板３とラビリンスパッキン１８との間隙を適正な値に確保することができので、タービン効率の低下を抑制することができる。

（５）実施の形態５
本発明の実施の形態５による軸流タービンについて、その構成を示した図６を用いて説明する。なお、上記実施の形態１〜４と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態５では、遮熱板３が、半径方向に空間を空けて対向するように配設された、内周側の遮熱板１１と外周側の遮熱板１０とから成る二重構造を有する。この遮熱板１１、１０の少なくともいずれか一方の両端面は、ロータディスク１３に接続されている。そして、内周側の遮熱板１１に開口部１２が形成され、遮熱板１１と１０との間の空間とロータディスク２１の開口部６とが接続されて通路が形成されている。

タービンロータ１３の連通孔２を通過した冷却媒体は、内周側の遮熱板１１の開口部１２を通り、内周側の遮熱板１１と外周側の遮熱板１０との間に形成された空間に流入する。この空間に流入した冷却媒体は所定の流速で通過し、ロータディスク２１の開口部６を経てタービン動翼５の連通孔７を通過し、最終的に主流へ流入する。遮熱板１１と１０との間の幅の狭い空間内を通過するときの流速は、遮熱板１１の外表面の温度及び空間の幅に基づいて設計者が任意に設定することが可能である。この流速を高速化することで、対流冷却による効率的な冷却が可能となる。即ち、少ない冷却媒体を用いて効率的に冷却することができる。

なお、本実施の形態５では遮熱板１１、１０が二重構造を有するが、遮熱板１１、１０の枚数には限定されず三重構造等、任意に設定することができる。

また、二枚の遮熱板１１、１０のうち、例えば内周側の遮熱板１１は一方の端面がロータディスク２１に片持ち梁の状態で接続され、外周側の遮熱板１０は両方の端面がロータディスク２１に接続されていてもよい。この場合は、ロータディスク２１に接続されていない遮熱板１１の他方の端面とロータディスク２１との隙間を冷却媒体が通過して、遮熱板１１と１０との間の空間に流入する。この場合は、遮熱板１１に開口部１２が形成されていなくともよい。

（６）実施の形態６
本発明の実施の形態６による軸流タービンについて、その構成を示した図７を用いて説明する。なお、上記実施の形態１〜５と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態６では、遮熱板が内周側の遮熱板１１と外周側の遮熱板１０とから成る二重構造を有し、さらに遮熱板１１と１０との間に少なくとも一つの構造体１９が設けられている。また、遮熱板１１と１０との間の空間を通過する冷却媒体は、内周側の遮熱板１１の開口部１２から矢印２２ｃのように通過する。

上記実施の形態５において述べたように、遮熱板１１、１０が二重構造を有するため、漏洩流体２２と冷却媒体との圧力差による外周方向の応力と遠心力とが加わり外周方向に変形する可能性がある。このような遮蔽板１１、１０の形状変形を抑制するために、両者の間を接続する構造体１９が設置されている。

さらに、遮蔽板１１、１０の間の空間に構造体１９が複数個設置されていることにより、空間内部を冷却媒体が通過する際に構造体１９により流れに乱れが生じる。このため、空間内部の対流熱伝達が促進され、特に外周側の遮熱板１０の冷却がより促進されることになる。

なお、遮熱板１１と１０との間に設けられた構造体１９の形状は、図７に示された円柱状の形状に限定されるものではなく、角柱状、円錐状等、任意の形状とすることができる。

上記実施の形態５において述べたように、遮熱板１１、１０は二重構造には限定されず、三重構造等任意の枚数に設定することができる。この場合に、少なくとも対向する二枚の遮熱板１１、１０の間に構造体が設置されていればよい。あるいは、対向する２枚の遮熱板１１、１０の間の空間に一体型の構造体１９を設け、この構造体１９に複数の流路を形成してもよい。

（７）実施の形態７
本発明の実施の形態７による軸流タービンについて、その構成を示した図８（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。なお、上記実施の形態１〜６と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態７は、図８（ａ）に示されたように遮熱板が内周側の遮熱板１１と外周側の遮熱板１０とから成る二重構造を有し、内周側の遮熱板１１に開口部１２が形成され、外周側の遮熱板１０に開口部１５が形成されている。この開口部１２、１５は、図８（ａ）においては１箇所形成されている。しかし、開口部１２、１５が外周方向に沿って複数形成されていてもよく、回転中心軸方向に沿って複数形成されていてもよく、あるいは外周方向及び回転中心軸方向に沿って複数形成されていてもよい。

また開口部１２、１５の形状は、図８（ａ）に示されたように半径方向に沿って平行に形成されてもよく、あるいは半径方向に対して斜めに開口された形状を有してもよい。

本実施の形態７によれば、内周側の遮熱板１１の開口部１２と、遮熱板１１と１０との間の空間を通過する冷却媒体の一部を、外周側の遮熱板１０の開口部１５から矢印２２ａのように通過させて漏洩流体２２に対して噴出させる。これにより、図８（ｂ）に示された矢印２２ｂのように、漏洩流体２２の流れの妨げとなり、漏洩流量を低減することが可能となる。

また、高温の漏洩流体２２と冷却媒体とが混合するため、漏洩流体２２の温度が低下し、外周側の遮熱板１０の温度が低下することで十分な冷却が可能となる。このような冷却効果は、外周側の遮熱板１０の外周側表面において、漏洩流体２２の上流側に開口部１５を形成するとより有効である。

次に、上記実施の形態１〜７による軸流タービンの適用が可能なＣＯ_２を作動流体とするＣＯ_２タービン１０１の主要部の回転中心軸方向の断面を図９に示す。

タービンロータ１０３から径方向外側に、環状に一定間隔でタービン動翼１０５が列状に配設されている。これらのタービン動翼１０５は、回転中心軸方向にも所定間隔で段落毎に配設され、回転中心軸方向に隣接するタービン動翼１０５の間には、タービンノズル１０６が配設されている。タービンノズル１０６は、環状に一定間隔で段落毎に配設されている。タービン動翼１０５の植え込み部はタービンロータ１０３の外周面に植設さる。

図９では、タービン動翼１０５とタービンノズル１０６を回転中心軸方向に交互に５個ずつ配設した５段落構成の例を示しているが、タービン動翼１０５とタービンノズル１０６の段落の数に制限はない。

図９に示されたＣＯ_２タービン１０１は、超臨界状態のＣＯ_２を流体として用いてタービンロータ１０３を駆動するとともに、ＣＯ_２タービン１０１から排気されたＣＯ_２を循環させてＣＯ_２タービン１０１内に注入し、各部の冷却に用いている。

ＣＯ_２は３１℃、７．４ＭＰａに臨界点があり、図９に示されたＣＯ_２タービン１０１は、この臨界点よりも高温かつ高圧でＣＯ_２を使用することを前提としている。

図９に示されたＣＯ_２タービン１０１の上流側には、スリーブ管１０７が設けられており、このスリーブ管１０７から超臨界状態のＣＯ_２ガスが流体としてタービン内に注入される。注入されたＣＯ_２ガスは、回転中心軸方向に沿って、上流側から下流側に流れ、図示されない排気管から排気される。

タービンロータ１０３は、タービン動翼１０５に流体が衝突した力を利用して回転駆動するものであり、タービン動翼１０５の外周面側の隙間とタービンノズル１０６の内周面側の隙間を通って漏れてしまう。この漏れを抑制するために、タービン動翼１０５の外周面、及びタービンノズル１０６の内周面にはそれぞれシール構造体１０８が配設されている。

シール構造体１０８は、タービン動翼１０５外周面、及びタービンノズル１０６の内周面に所定間隔でシールフィン１０９を配設したものであり、これにより、隙間を狭くして流体が漏れにくくしている。

シール構造体１０８は、タービン動翼１０５の外周面およびタービンノズル１０６の内周面だけでなく、最上段のタービンノズル１０６よりも上段側にあるグランド１１１にも設けられている。

シール構造体１０８を設けても、タービン動翼１０５の外周面とタービンノズル１０６の内周面を高温の流体が流れるため、タービン動翼１０５とタービンノズル１０６は高温に晒されることになる。そこで、図９に示されたＣＯ_２タービン１０１では、外部から供給された低温のＣＯ_２ガス（以下、冷却ＣＯ_２ガス）を用いて、タービン動翼１０５とタービンノズル１０６を冷却しても良い。

図９に示されたＣＯ_２タービン１０１で用いられるタービンロータ１０３の一部は中空構造であり、その両端側が中実構造になっている。より具体的には、タービン動翼１０５とタービンノズル１０６が交互に配設された領域に対向するタービンロータ１０３の領域１１５は中空であり、この中空領域１１５には、この中空領域１１５から径方向外側の方向に、所定間隔で複数の流体経路１１６が配設されている。

このようなＣＯ_２タービン１０１は、発電とＣＯ_２の分離および回収とが同時に可能な火力発電システムに組み込むことができる。

図１０に、図９に示されたＣＯ_２タービン１０１を利用する火力発電プラントの一例における概略構成を示す。図１０に示された火力発電プラント１２０は、酸素製造装置１２１と、燃焼器１２２と、図９に示されたＣＯ_２タービン１０１と、発電機１２３と、再生熱交換器１２４と、冷却器１２５と、湿分分離器１２６と、ＣＯ_２ポンプ１２７とを備える。

酸素製造装置１２１は、空気に含まれる窒素を除去して、酸素のみを抽出する。燃焼器１２２は、酸素製造装置１２１で抽出した酸素と、燃料と、ＣＯ_２とを用いて高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスの成分は、ＣＯ_２と水である。燃焼器１２２が用いる燃料は、メタンガス等の窒素を用いない天然ガスが用いられる。

燃焼器１２２で生成された高温かつ高圧のＣＯ_２ガスは図９に示されたＣＯ_２タービン１０１に注入されて、タービンロータ１０３の回転駆動に用いられる。タービンロータ１０３の回転中心軸には発電機１２３が接続されており、発電機１２３はタービンロータ１０３の回転駆動力を利用して発電を行う。

ＣＯ_２タービン１０１から排出されたＣＯ_２と水蒸気は、再生熱交換器１２４で冷却された後、さらに冷却器１２５にて冷却される。その後、湿分分離器１２６で水が除去されて、ＣＯ_２のみが抽出される。このＣＯ_２はＣＯ_２ポンプ１２７にて圧縮されて昇圧される。

ＣＯ_２ポンプ１２７で昇圧されたＣＯ_２の一部は、再生熱交換器１２４で昇温される。再生熱交換器１２４から排出されたＣＯ_２は、冷却ＣＯ_２としてＣＯ_２タービン１０１の冷却に用いられるとともに、燃焼器１２２にも供給される。

ＣＯ_２ポンプ１２７で昇圧された高圧のＣＯ_２のうち、再生熱交換器１２４を介して発電に再利用されるＣＯ_２以外の余剰のＣＯ_２は、貯蔵したり、他の用途での利用（例えば、石油掘削量増大のための利用）のために回収される。

このように、図１０に示された発電プラントは、燃焼によって生成したＣＯ_２と水のみを用いて発電を行い、ＣＯ_２の大部分は循環させて再利用するため、有害ガスであるＮＯｘを排出するおそれがなく、またＣＯ_２を分離および回収する設備を別個に設ける必要もない。さらに、余剰のＣＯ_２は、そのまま高純度の状態で回収でき、発電以外の種々の用途に用いることが容易である。

またＣＯ_２タービン１０１は、燃焼器１２２から発生した高温高圧のＣＯ_２ガスにより動作する。このため、ＣＯ_２タービン１０１の内部ではロータの冷却が必要となる。効率的に冷却が可能な上記実施の形態１〜６による軸流タービンをＣＯ_２タービン１０１として用いることで、プラント効率の低下を抑制することが可能となる。

本発明の幾つかの実施の形態について説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の技術的範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の技術的範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図１１に上記実施の形態１及び２の変形例による軸流タービンの構成を示す。

上記実施の形態１では、図２に示されたように、タービンロータ１３内部の連通孔２の出口が空間部９に接続された位置は、回転中心軸方向において、ロータディスク２１間の下流側にある。これにより、作動流体の流れと逆方向に沿って冷却媒体が流れて、開口部６を通過して第２段落のタービンノズル１の前段に位置する第１段落のタービン動翼５の連通孔７に流れた後、主流へ流入する。

また上記実施の形態２では、図３に示されたように、タービンロータ１３内部の連通孔２の出口が空間部９に接続された位置は、回転中心軸方向において、ロータディスク２１間の上流側にある。これにより、作動流体の流れと同じ方向に沿って冷却媒体が流れて、下流側の開口部６を通過して第２段落のタービンノズル１の下流に位置する第２段落のタービン動翼５の連通孔７に流れた後、主流へ流入する。

これに対しこの変形例は、上記実施の形態１と２とを組み合わせたものに相当する。即ち、図１１に示されたように、タービンロータ１３内部の連通孔２の出口が空間部９に接続された位置は、回転中心軸方向において、ロータディスク２１間の中間付近にある。これにより、作動流体の流れと同じ方向及び逆方向にそれぞれ沿って冷却媒体が流れる。この後、冷却媒体は、図中左側の開口部６を通過して、第２段落のタービンノズル１より上流に位置する第１段落のタービン動翼５の連通孔７に流れて主流へ流入すると共に、図中右側の開口部６を通過して、第２段落のタービンノズル１より下流に位置する第２段落のタービン動翼５の連通孔７に流れて主流へ流入する。このような構成を備えたことで、この変形例によれば、一本の連通孔２に供給された冷却媒体により二つのタービン動翼５の冷却を行うことができる。

１、１０６ タービンノズル
２、２ａ、２ｂ、７ 連通孔
３、１０、１１ 遮熱板
４、１０９ シールフィン
５、１０５ タービン動翼
６、１２、１５ 開口部
８ 熱絶縁層
９ 空間部
１３、１０３ タービンロータ
１４ 脚構造体
１６ ダイアフラム内輪
１７ ダイアフラム外輪
１８ ラビリンスパッキン
１９ 構造体
２０ スナッバ
２１ ロータディスク
２２ 漏洩流体
２３ 植え込み部
１０１ ＣＯ_２タービン
１０４ ステータ
１０７ スリーブ管
１０８ シール構造体
１１１ グランド
１１５ 中空領域
１１６ 流体経路
１２０ 火力発電プラント
１２１ 酸素製造装置
１２２ 燃焼器
１２３ 発電機
１２４ 再生熱交換器
１２５ 冷却器
１２６ 湿分分離器
１２７ ＣＯ_２ポンプ

Claims (12)

1. ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成される環状流路の周方向に沿って列状に配置され、回転中心軸方向に沿ってタービン段落毎に配置されたタービンノズルと、
   前記ダイアフラム内輪により形成される筒状流路の前記回転中心軸方向に沿って設けられたタービンロータのロータディスクに、前記周方向に沿って列状に植設され、前記回転中心軸方向に沿って各々の前記タービンノズルの下流側に前記タービン段落毎に配置されたタービン動翼と、
   前記回転中心軸方向に沿って隣接する二つの前記ロータディスク間の前記タービンロータの外表面との間に空間部を有するように設けられた遮熱板と、
   前記タービンロータ内に形成されて冷却媒体が流入し、前記空間部と接続された第１の連通孔と、
   前記空間部と接続するように、隣接する二つの前記ロータディスクの少なくともいずれか一方に形成された第１の開口部と、
   前記空間部と前記第１の開口部を介して接続され、前記ロータディスクにおける前記タービン動翼の植え込み部を連通する第２の連通孔と、
   前記第２の連通孔と接続され、前記タービン動翼の有効長部に沿って連通する第３の連通孔と、
   前記第３の連通孔に接続され、前記タービン動翼の側面に開口された第２の開口部と、
   前記第３の連通孔に接続、または、前記タービン動翼の外周端面に開口された第３の開口部と、
   を備えることを特徴する軸流タービン。
2. 前記遮熱板は、前記回転中心軸方向に沿って隣接する二つの前記ロータディスクに、前記回転中心軸方向に沿う両端部が接続されていることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
3. 前記第１の連通孔の前記空間部に対する出口が、前記回転中心軸方向に沿って隣接する前記ロータディスク間における中心より下流側に位置し、
   前記第１の開口部は、隣接する二つの前記ロータディスクのうち上流側の前記ロータディスクに形成され、前記第１の開口部は、前記第１の連通孔の出口より上流側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の軸流タービン。
4. 前記遮熱板は、少なくとも第２段落の前記タービンノズルを間に隣接する二つの前記ロータディスク間の前記タービンロータの外表面において前記空間部を有するように設けられ、
   前記第３の連通孔は、少なくとも第１段落の前記タービン動翼に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸流タービン。
5. 前記タービンロータ内に形成され、前記第１の連通孔と前記第２の連通孔とを直接接続する第４の連通孔をさらに備え、
   前記第１の連通孔の前記空間部に対する出口が、前記回転中心軸方向に沿って隣接する前記ロータディスク間における中心より上流側に位置し、
   前記第１の開口部は、隣接する二つの前記ロータディスクのうち下流側の前記ロータディスクに形成され、このロータディスクに形成された前記タービン動翼の前記植え込み部を連通する前記第２の連通孔に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
6. 前記第１の連通孔の前記空間部に対する出口が、前記回転中心軸方向に沿って隣接する前記ロータディスク間における中心付近に位置し、
   前記第１の開口部は、隣接する二つの前記ロータディスクにそれぞれ形成され、これらの二つのロータディスクに形成された前記タービン動翼の前記植え込み部を連通するそれぞれの前記第２の連通孔に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
7. 前記遮熱板における外周側の表面に設けられ、前記遮蔽板より低い熱伝導率を有する熱絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の軸流タービン。
8. 前記遮熱板を前記タービンロータに取り付けるための脚構造体をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の軸流タービン。
9. 前記遮熱板は、半径方向に沿って空間を空けて対向するように、外周側の第１の遮熱板と内周側の第２の遮熱板とが配設された二重構造を有し、
   前記第１の遮熱板は、前記回転中心軸方向に沿う両端部が前記ロータディスクに接続され、前記第２の遮熱板は、前記回転中心軸方向に沿う両端部の少なくともいずれか一方が前記ロータディスクに接続され、前記第１の連通孔と、前記第１の遮熱板と前記第２の遮熱板との間の前記空間とが、前記第２の遮熱板に形成された少なくとも一つの開口部又は前記第２の遮熱板と前記ロータディスクとの間の隙間を介して、あるいはこの開口部及びこの隙間を介して連通していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の軸流タービン。
10. 前記第１の遮熱板及び前記第２の遮熱板の表面には、それぞれ少なくとも一つの開口部が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の軸流タービン。
11. 前記第１の遮熱板と前記第２の遮熱板との間の前記空間に設置された少なくとも一つの構造体をさらに備えることを特徴とする請求項９又は１０に記載の軸流タービン。
12. 空気に含まれる窒素を除去して、酸素のみを抽出する酸素製造装置と、
    燃料と、ＣＯ_２と、前記酸素製造装置により抽出された酸素とを与えられ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼ガスを与えられ、回転駆動する請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の前記軸流タービンと、
    前記軸流タービンから回転駆動力を与えられ、発電を行う発電機と、
    ＣＯ_２と前記軸流タービンから排出された排気とを与えられ、この排気と熱交換を行ったＣＯ_２を前記燃焼器に与える再生熱交換器と、
    前記再生熱交換器により熱交換が行われた前記排気を冷却する冷却器と、
    前記冷却器により冷却された前記排気から水分を分離除去してＣＯ_２を排出する湿分分離器と、
    前記湿分分離器から排出されたＣＯ_２を昇圧し、前記再生熱交換器に供給する圧縮ポンプと、
    を備えることを特徴とする発電プラント。

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