JP2015117640A - 調整弁駆動機構、蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】長期間にわたって使用してもメンテナンスの手間がかからず、開度調整の自由度を高める。【解決手段】蒸気タービンの調整弁駆動機構１５は、蒸気タービンの作動流体としての蒸気の流量を調整するため、蒸気が流通する蒸気流路を弁体１３２により開閉する調整弁１３を駆動する調整弁駆動機構１５であって、回転モータ１５１と、回転モータ１５１によって回転する正歯車１５４と、正歯車１５４の歯と噛み合って、正歯車１５４の回転に応じて正歯車１５４の接線方向となる所定の進退方向Ｓに進退して調整弁１３を進退させるチェーン１５５と、を備えている。【選択図】図２

Description

この発明は、蒸気によって回転駆動する蒸気タービンの調整弁駆動機構、および蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、機械駆動用などに用いられ、回転可能に支持されたロータを有するタービン本体を備えている。ロータは、タービン本体に対して作動流体としての蒸気が供給されることによって回転駆動される。蒸気タービンの蒸気流路には、タービン本体へ供給する蒸気やタービン本体から抽気した蒸気が流れる。蒸気流路には、調整弁が設けられている。この調整弁の開度を調整することによって、タービン本体に供給する蒸気の流量が調整可能となっている。

調整弁は、調整弁駆動機構により駆動される。この調整弁駆動機構としては、例えば特許文献１に記載されているように、油圧アクチュエータが一般的に用いられている。

また、特許文献２には、電動モータにより、リンクを介して調整弁の開度を調整する構成が開示されている。

さらに、例えば特許文献３、４には、電動モータと、電動モータの回転運動を調整弁の直線運動に変換するボールネジ等の変換機構と、を備える調整弁駆動機構が開示されている。

特開平８−２１９３２２号公報 実開平２−２９３６８号公報 特開２０１３−７２３４９号公報 特開平５−２５７５３８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているように、油圧アクチュエータを用いた構成では、長期間にわたって蒸気タービンを運転していると、油圧アクチュエータの摺動部に設けられたパッキンが劣化してくる。その結果、パッキンの部分から作動油が漏れる可能性がある。また、油圧アクチュエータは、油圧で駆動するための油圧回路が複雑であるため、メンテナンスに手間がかかる。

特許文献２に記載の機構は、電動モータでリンクを介して調整弁の開度を調整している。そのため、電動モータの回転量と調整弁の開度変化は、リンクのレバー比によって決まる。この場合、設定したレバー比によっては、リンクの回動範囲が規制され、大きな開度調整を行うのが困難になったり、微小な開度調整が困難になったりする場合がある。

特許文献３、４に記載の構成では、特許文献１、２に開示された構成における課題は回避できるものの、ボールネジを用いている。ボールネジは、螺旋状のネジ溝において所定の接触角を有した噛み合い部があるため、長期間にわたって調整弁の開閉動作を繰り返し行っていると、ボールネジの噛み合い部の特定部分のみが摩耗してくる。そのため、定期的なボールネジのメンテナンスが必要となってしまう。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、長期間にわたって使用してもメンテナンスの手間がかからず、開度調整の自由度を高めることができる調整弁駆動機構、蒸気タービンを提供することを目的とする。

この発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
この発明に係る調整弁駆動機構は、蒸気タービンの作動流体としての蒸気の流量を調整するため、前記蒸気が流通する蒸気流路を弁体により開閉する調整弁の調整弁駆動機構であって、回転モータと、前記回転モータによって回転する正歯車と、前記正歯車の歯と噛み合って、前記正歯車の回転に応じて前記正歯車の接線方向となる所定の進退方向に進退し、前記調整弁を開閉させる直動部と、を備えていることを特徴とする。

このように、回転モータを駆動源とすることで、油圧アクチュエータのように油漏れ防止のためのシールのメンテナンスが不要であるため、メンテナンスの負荷が軽減される。また、複雑な油圧回路も不要であるため、機構の構成も簡易なものとなる。
また、正歯車と直動機構の噛み合いは、進退方向に直交した方向となるため、ボールネジの螺条やはすば歯車のように、噛み合い方向が進退方向に傾斜した場合に比較し、噛み合い部の摩耗を抑えることができる。
さらに、回転モータで正歯車を介して直動部を駆動するので、回転モータの回転量を変えることによって調整弁の開度を自在に調整できる。

ここで、前記直動部は、前記正歯車の歯に噛み合い、前記正歯車から前記進退方向に延びるチェーンであるようにしてもよい。
このように構成することで正歯車によりチェーンを進退させて調整弁を進退させることができる。

また、前記直動部は、前記正歯車の歯に噛み合うラックギヤであるようにしてもよい。
このように構成することで、正歯車とラックギヤとにより、いわゆるラックアンドピニオン機構を構成することができ、正歯車によりラックギヤを進退させて調整弁を開閉させることができる。

また、前記正歯車と前記直動部とを支持するステージと、前記ステージを前記進退方向に沿って位置調整する位置調整機構と、をさらに備えるようにしてもよい。
このように構成することで、正歯車と直動部とによる調整弁の進退動作に加え、ステージごと正歯車と直動部とを進退させることによる調整弁の進退動作を行うことができる。さらに、正歯車の直動部による進退動作によって、調整弁の位置を大まかに調整し、ステージの進退動作によって、調整弁の位置の微調整を行うことができる。

ここで、前記ステージは、前記進退方向に対して傾斜した傾斜面を有し、前記位置調整機構は、前記傾斜面に対向する対向面を有した駆動ブロックと、前記駆動ブロックを前記進退方向に直交する方向に移動させる移動機構と、を備えてもよい。
このように構成することで、駆動ブロックを進退方向に直交する方向に移動させると、駆動ブロックの対向面に沿って傾斜面が摺動し、ステージが進退方向に移動する。これにより、調整弁の位置を調整できる。

また、前記位置調整機構は、前記回転モータにより前記ステージを位置調整するようにし、前記回転モータの回転駆動力の伝達を、前記正歯車側と前記位置調整機構側との間で切り替える切替部を備えていてもよい。
このように構成することで、直動部を進退動作させる駆動源とステージを進退動作させる駆動源とを共有することができる。

さらに、前記回転モータの回転を強制的に停止させるブレーキをさらに備えるようにしてもよい。これにより、例えば何らかの緊急事態が発生した場合等には、ブレーキにより回転モータの回転を停止させることができる。

また、前記回転モータの回転力の前記正歯車への伝達を断続するクラッチをさらに備えているようにしてもよい。これにより、回転モータの回転力の正歯車への伝達を断続することができる。

この発明に係る蒸気タービンは、回転可能に支持されたブレードを有するタービン本体と、前記タービン本体に接続されて蒸気が流通する蒸気流路と、直線運動することで前記蒸気流路の開閉を調整する調整弁と、前記調整弁を駆動する上記したような調整弁駆動機構と、を備えることを特徴とする。

このように構成することで、蒸気タービンの調整弁駆動機構のメンテナンスの負荷が軽減され、機構の構成も簡易なものとなり、噛み合い部の摩耗を抑えることができる。

この発明に係る調整弁駆動機構、蒸気タービンによれば、長期間にわたって使用してもメンテナンスの手間がかからず、開度調整の自由度を高めることが可能となる。

この発明の一実施形態に係る蒸気タービンの全体構成を示す模式図である。 上記蒸気タービンの第一実施形態における調整弁駆動機構の構成を示す模式図である。 上記蒸気タービンの第二実施形態における調整弁駆動機構の構成を示す模式図である。 上記蒸気タービンの第二実施形態の変形例における調整弁駆動機構の構成を示す模式図である。 上記調整弁駆動機構の第一変形例の構成を示す模式図である。 上記調整弁駆動機構の第二変形例の構成を示す模式図である。 上記調整弁駆動機構の第三変形例の構成を示す模式図である。 上記調整弁駆動機構の第四変形例の構成を示す模式図である。

以下、この発明の一実施形態に係る蒸気タービンを図面に基づき説明する。
（第一実施形態）
図１は、この実施形態の蒸気タービン１０の構成を示す模式図である。図２は、蒸気タービン１０の第一実施形態における調整弁駆動機構の構成を示す模式図である。
図１に示すように、この実施形態の蒸気タービン１０は、タービン本体１１と、作動流体としての蒸気が流通する蒸気流路１２と、調整弁１３と、レバー部材（弁体進退機構）１４と、調整弁駆動機構１５と、調整弁駆動機構１５を制御する制御部１７と、を備えている。

タービン本体１１は、筒状のケーシング１１１と、ケーシング１１１に設けられた軸受１１２と、軸受１１２に回転可能に支持されてケーシング１１１内部に配されたロータ１１３と、このロータ１１３の回転速度を検出する速度検出センサ１１４と、を有している。ロータ１１３は、回転軸１１５と、この回転軸１１５に固定された複数枚のブレード１１６とを備えている。
このように構成されるブレード１１６が蒸気により回転し、その回転力により、圧縮機１８が駆動される。

蒸気流路１２は、タービン本体１１に対して作動流体としての蒸気を供給する流路である。
蒸気流路１２は、その一端側の蒸気導入口１２１から蒸気が導入される。蒸気流路１２の他端側の蒸気供給口１２２は、タービン本体１１に接続されている。また、蒸気導入口１２１と蒸気供給口１２２との間には、その流路幅が狭く絞られた絞り穴１２３が設けられている。なお、この実施形態では、この発明に係る「蒸気流路」として、タービン本体１１に対して供給する蒸気が流通する流路を例に説明するが、蒸気流路１２は、これに限られず、例えばタービン本体１１から抽気した蒸気が流通する流路であってもよい。

調整弁１３は、タービン本体１１に供給する蒸気の量を調整する。この調整弁１３は、棒状のアーム部材１３１と、アーム部材１３１の先端部に設けられた略半円形状の封止部材（弁体）１３２とを備えている。アーム部材１３１は、その基端部が、レバー部材１４の長手方向の一端部に回動可能に取り付けられている。調整弁１３が上記構成を備えることで、蒸気流路１２に沿ってアーム部材１３１が直線運動することに伴って、その先端部の封止部材１３２が蒸気流路１２の絞り穴１２３に対して嵌合または離間する。これにより、絞り穴１２３と封止部材１３２との間の開口の大きさが変化する。そのため、この絞り穴１２３を介してタービン本体１１に供給される蒸気の流量が変化する。

レバー部材１４は、調整弁駆動機構１５の出力を調整弁１３に伝達し、封止部材１３２を蒸気流路１２に対して進退させる部材である。このレバー部材１４は、その長手方向の中間部が回動可能に支持されている。
さらに、レバー部材１４の一端部には、付勢バネ２０の一端が取り付けられている。この付勢バネ２０は、強制的に調整弁１３を閉塞させる強制閉塞手段として機能する。付勢バネ２０の他端は、蒸気流路１２のフレーム（図示せず）等に固定され、移動不能とされている。つまり、付勢バネ２０は、外力が作用しない状態では、レバー部材１４を図１における時計回りに回動させる押圧力を付与している。

調整弁駆動機構１５は、上述した調整弁１３を駆動する機構である。
図２に示すように、調整弁駆動機構１５は、レバー部材１４の他端部に接続されている。調整弁駆動機構１５は、レバー部材１４を回動させることで、調整弁１３を構成するアーム部材１３１を軸方向に変位させ、調整弁１３の開度を調整する。

調整弁駆動機構１５は、サーボモータ（回転モータ）１５１と、サーボモータ１５１の駆動軸１５１ｓに連結されたブレーキ１５２およびクラッチ１５３と、サーボモータ１５１の駆動軸１５１ｓに連結された駆動歯車（正歯車）１５４と、駆動歯車１５４に巻き回されたチェーン（直動部）１５５と、を備えている。

ブレーキ１５２は、電磁ディスクブレーキからなる。ブレーキ１５２は、電力の供給が断たれときに作動して、サーボモータ１５１の回転に制動をかけるようになっている。ブレーキ１５２は、制御部１７（図１参照）によってその動作が制御されている。制御部１７は、駆動軸１５１ｓの周速が閾値を超えて大きくなった場合に、ブレーキ１５２を作動させることもできる。つまり、ブレーキ１５２を作動させることでサーボモータ１５１の回転に制動をかける。

クラッチ１５３は、サーボモータ１５１の駆動軸１５１ｓと、駆動歯車１５４の回転軸１５４ｓとの間に介在して設けられている。このクラッチ１５３は、駆動軸１５１ｓと回転軸１５４ｓとの間の回転力の伝達を断続できるようになっている。
クラッチ１５３は、制御部１７によりその作動が制御され、制御部１７において何らかの異常を検知した場合等に、駆動軸１５１ｓと回転軸１５４ｓとの間の回転力の伝達を中止する。

駆動歯車１５４は、チェーン１５５との噛み合い部が、チェーン１５５の進退方向Ｓに直交した方向となる正歯車により形成されている。駆動歯車１５４は、レバー部材１４の他端部に対し、レバー部材１４の一端部と他端部とを結ぶ長手方向に直交する上下方向に離間した位置に配置されている。
チェーン１５５は、その一端が、レバー部材１４の他端部に連結されている。このチェーン１５５は、駆動歯車１５４の接線方向に延びるよう、駆動歯車１５４に巻き回されている。チェーン１５５は、駆動歯車１５４の回転に応じて駆動歯車１５４の接線方向となる所定の進退方向Ｓに進退する。このチェーン１５５の進退により、レバー部材１４が揺動し、調整弁１３のアーム部材１３１が直線運動することに伴って、その先端部の封止部材１３２が蒸気流路１２の絞り穴１２３に対して嵌合または離間する。これにより、絞り穴１２３を介してタービン本体１１に供給される蒸気の流量が変化する。

制御部１７では、不図示のセンサ等によって検出される圧縮機１８の圧力や温度、サーボモータ１５１の駆動軸１５１ｓの回転速度、ユーザからの指示等に基づいて調整弁駆動機構１５を制御し、タービン本体１１に供給される蒸気量を調整する。

したがって、上述した第一実施形態の調整弁駆動機構１５、蒸気タービン１０によれば、サーボモータ１５１を駆動源とすることで、油圧アクチュエータに比較し、油漏れ防止のためのシールを備えないため、メンテナンスの頻度を抑えることができる。また、油圧アクチュエータのように複雑な油圧回路も備えないため、調整弁駆動機構１５の構成が単純なものとなる。これにより、調整弁駆動機構１５、蒸気タービン１０のメンテナンスが容易となり、機械的信頼性も高まる。その結果、メンテナンス性を高め、製作コスト、維持コストを抑えることが可能となる。
また、駆動歯車１５４と直動機構の噛み合いは、進退方向Ｓに直交した方向となるため、ボールネジの螺条やはすば歯車のように、噛み合い方向が進退方向Ｓに傾斜した場合に比較し、噛み合い部の摩耗を抑えることができる。
さらに、サーボモータ１５１で駆動歯車１５４を介してチェーン１５５を駆動するので、サーボモータ１５１の回転量を変えることによって調整弁１３の開度を自在に調整できる。これにより、モータによりリンクを回動させる構成に比較し、調整弁１３の開度調整の自由度が高まる。

（第二実施形態）
次に、この発明にかかる調整弁駆動機構１５、蒸気タービン１０の第二実施形態について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態と調整弁駆動機構１５の構成のみが異なるので、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図３は、上記蒸気タービン１０の第二実施形態における調整弁駆動機構１５の構成を示す模式図である。
図３に示すように、この実施形態における調整弁駆動機構１５は、第一実施形態と同様の調整弁駆動機構１５を備えている。この調整弁駆動機構１５は、ステージ１５６と、位置調整機構１６と、をさらに備えている。

調整弁駆動機構１５を構成するサーボモータ１５１、ブレーキ１５２、クラッチ１５３、駆動歯車１５４は、ステージ１５６上に設けられている。ステージ１５６は、下面に、進退方向Ｓに対して傾斜した傾斜面１５６ｔを有している。

位置調整機構１６は、ステージ１５６を進退方向Ｓに沿って位置調整する。この位置調整機構１６は、ステージ１５６の下側に配置され、傾斜面１５６ｔに対向する対向面１６５ｔを有した駆動ブロック１６５と、駆動ブロック１６５を進退方向Ｓに直交する方向Ｈに移動させる、サーボモータ１６１、ブレーキ１６２、駆動ギヤ１６３からなる移動機構と、を備えている。
ここで、サーボモータ１５１による調整弁駆動機構１５における調整弁１３の調整量（調整速度）よりも、サーボモータ１６１による位置調整機構１６における調整弁１３の調整量（調整速度）の方が小さくなるよう、駆動歯車１５４の減速比、傾斜面１５６ｔの傾斜角度、駆動ギヤ１６３の減速比等が設定されている。駆動ギヤ１６３は、例えばウォームギヤを用いることができる。

したがって、上述した第二実施形態の調整弁駆動機構１５によれば、駆動歯車１５４とチェーン１５５とによる調整弁１３の進退動作に加え、駆動歯車１５４とチェーン１５５とをステージ１５６ごと進退させることによる調整弁１３の進退動作が行える。その結果、駆動歯車１５４のチェーン１５５による進退動作によって、調整弁１３の位置を大まかに調整し、ステージ１５６の進退動作によって、調整弁１３の位置の微調整を行うことができる。

また、上記第一実施形態と同様、サーボモータ１５１、１６１を駆動源とすることで、長期間にわたって使用してもメンテナンスの手間がかからず、低コストで、調整弁１３の開度調整の自由度を高めることができる。
しかも、調整弁１３の開度調整を、粗調整と微調整の２段階に行うことで、より迅速かつ高精度に行うことが可能となる。

（第二実施形態の変形例）
ここで、第二実施形態では、ステージ１５６を、サーボモータ１５１とは別に設けたサーボモータ１６１で駆動するようにしたが、これに限るものではない。
図４は、上記蒸気タービンの第二実施形態の変形例における調整弁駆動機構の構成を示す模式図である。
この図４に示すように、ステージ１５６を、チェーン１５５を駆動するサーボモータ１５１によって駆動する構成としてもよい。すなわち、サーボモータ１５１には、クラッチ（切替部）１６６、伝達ギヤ１６７，１６８、ブレーキ１６２を介し、駆動ギヤ１６３が連結されている。また、サーボモータ１５１には、駆動歯車１５４側にも、クラッチ（切替部）１５８が設けられている。

このような構成においては、クラッチ１５８、１６６を断続することによって、サーボモータ１５１の回転駆動力の伝達先を、駆動歯車１５４と駆動ギヤ１６３とに選択的に切り替えることができる。

このように構成することで、チェーン１５５を進退動作させる駆動源とステージ１５６を進退動作させる駆動源とを共有することができ、構成の簡素化、およびそれによる低コスト化を図ることが可能となる。

（その他の変形例）
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、図５は、上記調整弁駆動機構の第一変形例の構成を示す模式図である。
この図５に示すように、駆動歯車１５４とチェーン１５５に代えて、ピニオンギヤ１７１とラックギヤ１７２とを、正歯車と直動部として用いることもできる。この場合、ラックギヤ１７２は、レバー部材１４の揺動に追従するため、上端部がピン１７３によりレバー部材１４に連結されている。この第一変形例の調整弁駆動機構１５は、レバー部材１４をピニオンギヤ１７１に押し付けるために、例えば、スプリング等の押圧部材１７４を備えるのが好ましい。

また、レバー部材１４が、その長手方向の一端部が回動可能に支持され、調整弁１３がレバー部材１４の長手方向中間部に設けられている場合等には、例えば図６に示す第二変形例のように、チェーン１５５を折り返し、レバー部材１４の先端部を上方から進退させるよう、折り返し歯車１８０を上方に設けてもよい。

さらに、図７に示す第三変形例のように、レバー部材１４の先端部に、自由滑車として機能する滑車歯車１８１を設け、チェーン１５５の一端１５５ａおよび駆動歯車１５４を滑車歯車１８１よりも上方に固定し、チェーン１５５の中間部を滑車歯車１８１に掛けるようにしてもよい。これにより、サーボモータ１５１における回転力を抑えることが可能となる。
また、図８に示す第四変形例のように、駆動歯車１５４と、チェーン１５５との間に、径が異なる変速歯車１８３を介在させることで、サーボモータ１５１の回転力を減速または増速して駆動歯車１５４に伝達するようにしてもよい。
これにより、サーボモータ１５１における付加トルクを軽減でき、サーボモータ１５１の容量を最適に設定することができる。

これ以外にも、調整弁駆動機構１５や蒸気タービン１０の全体構成等については、この発明の主旨の範囲内であれば、その構成を適宜変更することが可能である。

１０ 蒸気タービン
１１ タービン本体
１２ 蒸気流路
１３ 調整弁
１４ レバー部材
１５ 調整弁駆動機構
１６ 位置調整機構
１７ 制御部
１１６ ブレード
１３１ アーム部材
１３２ 封止部材（弁体）
１５１ サーボモータ（回転モータ）
１５１ｓ 駆動軸
１５２ ブレーキ
１５３ クラッチ
１５４ 駆動歯車（正歯車）
１５５ チェーン（直動部）
１５６ ステージ
１５６ｔ 傾斜面
１６５ 駆動ブロック
１５８，１６６ クラッチ（切替部）
１７１ ピニオンギヤ（正歯車）
１７２ ラックギヤ（直動部）

Claims (9)

1. 蒸気タービンの作動流体としての蒸気の流量を調整するため、前記蒸気が流通する蒸気流路を弁体により開閉する調整弁の調整弁駆動機構であって、
   回転モータと、
   前記回転モータによって回転する正歯車と、
   前記正歯車の歯と噛み合って、前記正歯車の回転に応じて前記正歯車の接線方向となる所定の進退方向に進退し、前記調整弁を開閉させる直動部と、
   を備える調整弁駆動機構。
2. 前記直動部は、前記正歯車の歯に噛み合い、前記正歯車から前記進退方向に延びるチェーンである請求項１に記載の調整弁駆動機構。
3. 前記直動部は、前記正歯車の歯に噛み合うラックギヤである請求項１に記載の調整弁駆動機構。
4. 前記正歯車と前記直動部とを支持するステージと、
   前記ステージを前記進退方向に沿って位置調整する位置調整機構と、
   をさらに備える請求項１から３の何れか一項に記載の調整弁駆動機構。
5. 前記ステージは、前記進退方向に対して傾斜した傾斜面を有し、
   前記位置調整機構は、前記傾斜面に対向する対向面を有した駆動ブロックと、
   前記駆動ブロックを前記進退方向に直交する方向に移動させる移動機構と、
   を備える請求項４に記載の調整弁駆動機構。
6. 前記位置調整機構は、前記回転モータにより前記ステージを位置調整し、
   前記回転モータの回転駆動力の伝達を、前記正歯車側と前記位置調整機構側との間で切り替える切替部が設けられている請求項４又は５に記載の調整弁駆動機構。
7. 前記回転モータの回転を強制的に停止させるブレーキをさらに備えていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の調整弁駆動機構。
8. 前記回転モータの回転力の前記正歯車への伝達を断続するクラッチをさらに備えていることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の調整弁駆動機構。
9. 回転可能に支持されたブレードを有するタービン本体と、
   前記タービン本体に接続されて蒸気が流通する蒸気流路と、
   直線運動することで前記蒸気流路の開閉を調整する調整弁と、
   前記調整弁を駆動する請求項１から８の何れか一項に記載の調整弁駆動機構と、
   を備える蒸気タービン。

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