JP2017155665A - タービンのターニング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンロータへの伝動に歯車の噛み合いをなくし、円滑かつ安全にターニング運転を投入することができるタービンのターニング装置を提供する。【解決手段】実施形態によるターニング装置は、タービンのタービンロータを低速で回転させるターニング運転を実施するためのターニング装置であって、ターニング運転に必要なトルクを発生するモータ１５と、モータ１５とタービンロータ１４とを直接接続し、タービンロータ１４の低速域から高速域までタービンロータ１４とモータ１５との間の速度比を変化させる変速装置１６と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、タービンのタービンロータを、タービンの起動前および停止後に低速で回転させるのに利用されるタービンのターニング装置に関する。

発電プラントで用いられている蒸気タービンには、タービンロータを低速で回転させるターニング装置が設けられている。ターニング装置は、蒸気タービンの起動前や、蒸気タービンの停止後にタービンロータを低速回転させることにより、タービンロータの曲がりを直すのに使用される装置である。今回では主に蒸気タービンを例として挙げる。

停止している蒸気タービンでは、動翼などの重量を受けて、タービンロータには僅かながら曲がりが生じている。この状態で蒸気タービンをいきなり起動すると、大きな振動が発生するなどの問題がある。そこで、ターニング装置は、蒸気タービンの起動に際して、あらかじめタービンロータを低速回転させる。これによって、タービンロータの曲がりが修正され、円滑な回転上昇がもたらされる。

また、蒸気タービンが停止した後は、タービンロータの偏心が生じケーシングとタービンロータの間隙が正常値からずれる可能性があるが、これを防止するためにも、ターニング装置が用いられる。

すなわち、蒸気タービンが停止した後は、ケーシングの内部では上下に温度差が生じており、その中にタービンロータが静止したまま置かれると、温度差によってタービンロータの偏心が大きくなる。

蒸気タービンが停止した後においても、ターニング装置によってタービンロータを低速で回転させると、タービンロータ全周の温度分布を均一化することができ、また、羽根の撹拌効果により、ケーシング内部の温度を均一化することができるので、タービンロータの偏心を未然に防止することができる。
その他にも、ターニング装置は、タービンロータからの熱伝達による、軸受損傷の防止の役割も果たす。

ところで、従来のターニング装置は、タービンロータと歯車伝動機構を介して接続される形式のものが一般的である。
ターニング運転を投入する場合には、ターニング装置側の歯車と、タービンロータ側の歯車とを噛み合わせ、タービンロータに低速回転させるトルクを伝達する。この種のターニング装置についての従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。

また、特許文献２は、歯車伝動式のターニング装置に替えて、ターニング専用の蒸気タービンを別途設置し、このターニング用蒸気タービンに蒸気を供給して、タービンロータを低速回転させるようにしたターニング装置を提案している。

特開２０１５−１６１２５７号公報 特開２００８−２４０７２０号公報

しかしながら、機械的な歯車の噛み合いによってターニング運転の投入を行うターニング装置では、ターニング装置側の歯車が、静止しているタービンロータ側の歯車に噛み合うことになるため、そのときの衝撃で歯車に過大な応力が発生し、破損が発生する虞がある。
ところで、蒸気タービンでは、タービンロータが停止するまで、タービンロータを支持する軸受に潤滑油を供給する必要がある。何らかの事故によって、蒸気タービンが停止した場合も同様である。
電源喪失のような重大な事故の場合には、潤滑油を供給するポンプも停止してしまい、軸受への油の供給も止まってしまうという問題がある。

本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、タービンロータへの伝動に歯車の噛み合いをなくし、円滑かつ安全にターニング運転を投入することができるタービンのターニング装置を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、本発明の実施形態は、タービンのタービンロータを低速で回転させるターニング運転を実施するためのターニング装置において、前記ターニング運転に必要なトルクを発生するモータと、前記モータと前記タービンロータとを直接接続し、前記タービンロータの低速域から高速域まで前記タービンロータと前記モータとの間の速度比を変化させる変速装置と、を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、タービンロータへの伝動に歯車の噛み合いをなくして、円滑かつ安全にターニング運転を投入することができる

本発明の第１実施形態によるタービンのターニング装置を示す模式図である。 本発明の第２実施形態によるタービンのターニング装置を示す模式図である。 電源喪失時のタービンロータと主油ポンプモータの回転数の時間的変化を示すグラフである。 本発明の第３実施形態によるタービンのターニング装置を示す模式図である。 本発明の第４実施形態によるタービンのターニング装置を示す模式図である。 本発明の第５実施形態によるタービンのターニング装置を示す模式図である。 本発明の第５実施形態の他の例によるタービンのターニング装置を示す模式図である。

以下、本発明によるタービンのターニング装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
本実施の形態では、主にタービンの中でも蒸気タービンのターニング装置を例として挙げて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるタービンのターニング装置の概要を示す図である。図１において、参照番号１０は、本実施形態によるターニング装置１２が適用される発電プラントの蒸気タービンを示している。参照番号１４はタービンロータを示している。

本実施形態に係るターニング装置１２は、ターニングモータ１５と、このターニングモータ１５とタービンロータ１４とを連結する無段変速装置１６と、を備えている。ターニングモータ１５は、発電プラントの常用電源１７から電力が供給される交流電動機である。この実施形態では、無段変速装置１６には、２つ１組の軸が平行な円すい形ローラ１８ａ、１８ｂにベルト２０が巻き掛けられている変速装置が適用されている。この無段変速装置１６は、ベルト２０の位置を変化させることによって、ターニングモータ１５とタービンロータ１４の間の回転速度比をタービンロータ１４の低速域から高速域まで連続的に変化させながら動力伝達を行うように構成されている。

次に、本実施形態によるタービンのターニング装置の作用及び効果について説明する。
ターニング装置１２によって、タービンロータ１４を低速回転させるターニング運転は、蒸気タービン１０を起動する前と、蒸気タービン１０の停止後に実施される。

まず、蒸気タービン１０の起動前のターニング運転について説明する。
ターニング運転では、ターニングモータ１５の回転数は、タービンロータ１４の回転数との比がある値に一定になるように、無段変速装置１６によって減速されてタービンロータ１４に回転が伝達される。

本実施形態によれば、ターニングモータ１５は、タービンロータ１４と無段変速装置１６を介してターニング運転前からあらかじめ接続されているので、ターニング運転に必要な動力を伝達するのに、従来のように、ターニングモータとタービンロータ１４を、歯車機構を介して接続する必要がなくなり、円滑にターニング運転を投入することができる。
ターニング運転は、所定時間続けられ、この間、ターニングロータ１４は、低速での回転を継続し、タービンロータ１４の曲がりが修正される。

ターニング運転が十分に行われると、次に、蒸気が供給されて蒸気タービン１０が起動される。タービンロータ１４の回転数は、次第に上昇し、蒸気タービン１０の通常運転では、例えば、１５００rpm程度に到達する。

本実施形態によるターニング装置１２は、蒸気タービン１０の運転中もタービンロータ１４と接続されたままであるが、タービンロータ１４の回転数の上昇に追従して、ターニングモータ１５の回転数も変化していく。このような回転数の変化は、無段変速機１６によって円滑に進行する。
蒸気タービン１０が通常運転されている間、ターニングモータ１５はタービンロータ１４の回転に追従して回転するだけである。

次に、蒸気タービン１０が停止した後のターニング運転について説明する。
蒸気タービン１０は、蒸気の供給が止まっても、タービンロータ１４はしばらくの間慣性で回転を続けることになる。タービンロータ１４の回転数が、十分低下したら、常用電源１７からターニングモータ１５に電力が供給され、ターニング運転が開始される。

ターニングモータ１５にタービンロータ１４と無段変速装置１６を介して接続されている状態のままなので、ターニング運転に必要な動力を伝達するのに、従来のように、ターニングモータとタービンロータ１４を歯車機構を介して接続する必要がなくなり、円滑にターニング運転を投入することができる。

このようなターニング運転の投入によって、タービンロータ１４が低速回転を続けると、タービンロータ１４全周の温度分布を均一化することができ、また、羽根の撹拌効果により、図示しないケーシング内部の温度を均一化することができるので、タービンロータ１４の偏心を未然に防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるタービンのターニング装置について、図２を参照して説明する。なお、図１の第１実施形態と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。

この第２実施形態に係るターニング装置３０では、ターニングモータが無段変速装置１６を介してタービンロータ１４と常時連結されている点は第１実施形態と同様である。

第１実施形態と異なる点は、ターニングモータ１５の替わりに、電動機の機能とともに発電機能を有するモータ発電機３２を適用し、発電した電力を充電式バッテリ３３に充電し、その電力を利用して、蒸気タービン１０の軸受等に潤滑油を供給できるようにした点にある。

モータ発電機３２は、制御装置３４と接続されている。制御装置３４は、電源周波数の制御によって、モータ発電機３２の回転数を制御することが可能であり、モータ発電機３２が発電する場合には、発電した交流電力を直流に変換して充電式バッテリ３３に蓄電させる機能を有している。さらに、制御装置３４は、モータ発電機３２の電源に常用電源１７を利用しない場合には、充電式バッテリ３３から送電された直流電力を交流に変換してモータ発電機３２に供給する機能を有している。なお、モータ発電機３２には、常用電源１７からの電力供給も可能である。

この実施形態では、充電式バッテリ３３は、ターニングモータとして作動するモータ発電機３２に電力を供給するだけでなく、潤滑油をタービンロータ１４の軸受等に供給する主油ポンプ３５の電源としても利用されている。

図２に示されるように、各主油ポンプ３５は、主油ポンプモータ３６によって駆動される。各主油ポンプモータ３６は、給電配線３７によって、充電式バッテリ３３と接続され、また、給電配線３８を介して常用電源１７と接続されている。

第２実施形態に係るターニング装置３０は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用および効果について説明する。
まず、蒸気タービン１０を起動する前に実施されるターニング運転について説明する。

ターニングモータとして働くモータ発電機３２は、常用電源１７あるいは充電式バッテリ３３から供給される電力によって回転する。充電式バッテリ３３から電力が供給される場合には、制御装置３４によって、モータ発電機３２は定格ターニング回転数に維持される。

こうしてモータ発電機３２の回転数は、タービンロータ１４の回転数との比がある値に一定になるように、無段変速装置１６によって減速されてタービンロータ１４に回転が伝達される。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、モータ発電機３２は、タービンロータ１４と無段変速装置１６を介してターニング運転前からあらかじめ接続されているので、ターニング運転に必要な動力を伝達するのに、従来のように、ターニングモータとタービンロータ１４を歯車機構を介して接続する必要がなくなり、円滑にターニング運転を投入することができる。

ターニング運転は、所定時間続けられ、この間、ターニングロータ１４は、低速での回転を継続し、タービンロータ１４の曲がりが修正される。

ターニング運転が十分に行われると、次に、蒸気が供給されて蒸気タービン１０が起動される。タービンロータ１４の回転数は、次第に上昇し、やがて通常運転の定格回転数に到達する。

本実施形態では、蒸気タービン１０が通常運転されている間、モータ発電機３２は、タービンロータ１４の回転エネルギーを電力に変換する発電機として機能する。発電された電気は、充電式バッテリ３３に蓄電される。

次に、蒸気タービン１０の通常運転が停止した後のターニング運転について説明する。この場合には、モータ発電機３２は、ターニングモータとして機能することになる。
蒸気タービン１０への蒸気の供給が止まり、タービンロータ１４の回転数が十分に低下したら、常用電源１７または充電式バッテリ３３からモータ発電機３２に電力が供給され、ターニング運転が開始される。

モータ発電機３２は、タービンロータ１４と無段変速装置１６を介して接続されている状態のままなので、ターニング運転に必要な動力を伝達するのに、モータ発電機３２とタービンロータ１４を歯車機構を介して接続する必要はなくなり、円滑にターニング運転を投入することができる。

このようなターニング運転の投入によって、第１実施形態と同様に、タービンロータ１４が低速回転を続けると、タービンロータ１４全周の温度分布を均一化することができ、また、羽根の撹拌効果により、図示しないケーシング内部の温度を均一化することができので、タービンロータの偏心を未然に防止することができる。

以上は、蒸気タービン１０が正常に運転されている場合のターニング装置の動作の説明である。
発電プラントでは、大地震、津波等の重大な災害によって、電源を喪失してしまう事態が十分に想定される。

蒸気タービン１０では、タービンロータ１４を支持している軸受には、主油ポンプ３５によって潤滑油が常時供給されており、この潤滑油の供給は、タービンロータ１０が回転している限り、停止するまで継続しなければならない。
平時には、主油ポンプ３５を駆動する主油ポンプモータ３６には、常用電源１７から電力が安定供給されるもので、潤滑油の供給は維持される。

ところが、電源喪失のような事故が万一発生すると、主油ポンプ３５が止まり、潤滑油を軸受等に供給できなくなる虞がある。
本実施形態では、万一、電源喪失という事態が発生したとしても、モータ発電機３２と充電式バッテリ３３の組み合わせにより、次のようにして潤滑油の供給を維持することができる。

ここで、図３は、電源喪失のような大事故が発生した場合のタービンロータ１４と主油ポンプモータ３６の回転数の時間的変化を示すグラフである。
時間Ｔ1は、電源喪失時点を示し、時間Ｔ2は、その後のタービントリップの時点を示し、蒸気タービン１０への蒸気の供給は強制的に直ちに停止されたものとする。
通常運転時には、タービンロータ１４は一定の回転数で回転しているが、タービントリップ後は徐々に回転数が低下していく。この間の過程では、正常運転している時も含めて、モータ発電機３２によってタービンロータ１４の回転エネルギーが電気エネルギーに変えられ、この電力を使って主油ポンプモータ３６が駆動されるので、タービンロータ１４の軸受への給油が行われる。タービンロータ１４の回転がさらに低下していくと、モータ発電機３２での発電量が主油ポンプ３５を駆動するのに不足してしまう可能性がある。

そこで、タービンロータ１４の回転数が主油ポンプの運転を継続するのに必要な最小回転数まで低下すると(時間Ｔ3)、制御装置３４は、充電式バッテリ３３から供給される電力によって主油ポンプモータ３６を駆動するように切り換える。以後、主油ポンプ３５は、充電式バッテリ３３によって安定的に駆動されるので、タービンロータ１４が安全に停止するまで、軸受への給油は継続されるものになる。

なお、以上は、主油ポンプモータ３６への電力供給を例に説明したが、タービンロータ１４の安全な停止には、様々な機器、装置(周辺機器)が関与している。この周辺機器としては、主油ポンプ３５の他に、例えば、軸受から戻ってきた温度の上がった潤滑油の冷却に用いられる油冷却ポンプの電源に、上述のようなモータ発電機３２と充電式バッテリ３３を組み合わせるようにしてもよい。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態によるタービンのターニング装置について、図４を参照して説明する。なお、第２実施形態の図２と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。

この第３実施形態によるターニング装置４０が第２実施形態と異なる点は、モータ発電機３２と制御装置３４を含む電気回路に抵抗器(制動装置)４１を設けた点にある。抵抗器４１は、モータ発電機３２と制御装置を接続する配線と並列にスイッチ４２を介して配置されている。

次に、以上のように構成される第３実施形態の作用および効果について説明する。
蒸気タービン１０が運転されている時に、タービンロータ１４の回転エネルギーをモータ発電機３２で電気に替えて充電式バッテリ３３に蓄える点、および電源喪失時には、主油ポンプ３５等の電源に充電式バッテリ３３を利用できる点も、第２実施形態と同様であるので、ここでは説明は省略する。

この第３実施形態では、蒸気タービン１０への蒸気の供給が止まった後、タービンロータ１４の回転数が低下するまで時間がかかることに鑑み、その時間を短縮することを目的に抵抗器４１を設けている。図４に示されるように、スイッチ４２の接点は、抵抗器４１側に切り換えられると、タービンロータ１４の回転エネルギーは抵抗器４１で熱になって消費されるので、タービンロータ１４を早期に停止させることができる。また、この過程では、モータ発電機３２は回生ブレーキとなり、タービンロータ１４の停止を促進する。
タービンロータ１４の回転数が十分に低下したら、常用電源１７または充電式バッテリ３３からモータ発電機３２に電力が供給され、ターニング運転が開始されることになる。なお、抵抗器４１を利用する場面としては、タービンロータ１４の停止までの時間短縮の他に、蒸気タービン１０の運転中に負荷の変動によるオーバースピードの発生を防止するのに利用することも可能である。

（第４実施形態）
次に、図５は、本発明の第４実施形態によるタービンのターニング装置を示す。なお、第２実施形態の図２と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。
この第４実施形態によるターニング装置５０が第２実施形態と異なる点は、主復水器５２内部の負圧を開放する真空破壊弁５４の電源に充電式バッテリ３３を用いた点である。
図５に示されるように、真空破壊弁５４の駆動部は、配線５５を介して充電式バッテリ３３と接続され、真空破壊弁５４を開くのに必要な電力が充電式バッテリ３３から供給されるようになっている。

以上のように構成される第４実施形態においても、蒸気タービン１０が運転されている時に、タービンロータ１４の回転エネルギーをモータ発電機３２で電気に替えて充電式バッテリ３３に蓄える点、および電源喪失時には、主油ポンプ３５等の電源に充電式バッテリ３３を利用できる点も、第２実施形態と同様であるので、ここでは説明は省略する。

この第４実施形態では、第３実施形態と同様に、蒸気タービン１０への蒸気の供給が止まった後、タービンロータ１４の回転数が低下しターニングを投入できるようになるまで時間の短縮化を図っている。

蒸気タービン１０の運転中は、仕事を終えた蒸気が主復水器５２で凝縮するため、主復水器５２の内部は負圧状態になっており、蒸気タービン１０のケーシング内部も同様に負圧になっている。この状態では、蒸気タービン１０に蒸気の供給が止まった後も、タービンロータ１４が回転を低下するまでに時間がかかることになる。

そこで、蒸気タービン１０の運転が停止されると、充電式バッテリ３３に蓄えられた電力を使って、真空破壊弁５４が開放される。この結果、蒸気タービン１０のケーシング内部には空気が流れ込み、羽根との間に生じる空気抵抗によって、タービンロータ１４の回転数の低下が促進され、より早期に停止させることができる。また、この過程では、モータ発電機３２は回生ブレーキとなり、タービンロータ１４の停止を促進する。
タービンロータ１４の回転数が十分に低下したら、常用電源１７または充電式バッテリ３３からモータ発電機３２に電力が供給され、ターニング運転が開始されることになる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態によるタービンのターニング装置について、図６、図７を参照して説明する。
図６は、図１の第１実施形態によるターニング装置１０において、ターニングモータ１５と無段変速装置１６とをクラッチ６０で接続する実施形態を示し、図７は、図２の第２実施形態によるターニング装置３０において、モータ発電機３２と無段変速装置１６とをクラッチ６０で接続する実施形態を示す。ターニング運転を実施する際には、ターニングモータ１５またはモータ発電機３２は、クラッチ６０によって、無段変速装置１６と接続される。なお、なお、ここで適用されるクラッチには、機械的な噛み合いや摩擦によって回転を伝達するクラッチの他、流体や磁気を利用したクラッチも含まれる。

以上のように構成される第５実施形態によれば、蒸気タービン１０の運転中には、ターニングモータ１５あるいはモータ発電機３２は、クラッチ６０を切ることによって、蒸気タービン１０からから切り離すことができるようになる。したがって、蒸気タービン１０の運転中にターニングモータ１５あるいはモータ発電機３２のメンテナンスを実施することが可能になる。

以上、本発明に係るタービンのターニング装置について、好適な実施形態を挙げて説明したが、これらの実施形態は、例示として挙げたもので、発明の範囲の制限を意図するものではない。もちろん、明細書に記載された新規な装置、方法およびシステムは、様々な形態で実施され得るものであり、さらに、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、種々の省略、置換、変更が可能である。請求項およびそれらの均等物の範囲は、発明の主旨の範囲内で実施形態あるいはその改良物をカバーすることを意図している。

１０…蒸気タービン、１２…ターニング装置、１４…タービンロータ、１５…ターニングモータ、１６…無段変速装置、２０…ベルト、３０…ターニング装置、３２…モータ発電機、３３…充電式バッテリ、３４…制御装置、３５…主油ポンプ、３６…主油ポンプモータ、４０…ターニング装置、４１…抵抗器、４２…スイッチ、５０…ターニング装置、５２…主復水器、５４…真空破壊弁、６０…クラッチ

Claims (7)

1. タービンのタービンロータを低速で回転させるターニング運転を実施するためのターニング装置において、
   前記ターニング運転に必要なトルクを発生するモータと、
   前記モータと前記タービンロータとを直接接続し、前記タービンロータの低速域から高速域まで前記タービンロータと前記モータとの間の速度比を変化させる変速装置と、を備えることを特徴とするタービンのターニング装置。
2. 前記変速装置は、前記タービンロータと前記モータとの間の速度比を連続的に変化させる無段変速装置からなることを特徴とする請求項１に記載のタービンのターニング装置。
3. 前記モータとしての機能と発電機能とを有するモータ発電機と、
   前記モータ発電機で発電された電気を蓄電し、前記モータ発電機の補助電源でもある充電式バッテリと、を有し、
   前記タービンロータが停止するまでの間、動作の維持が必要とされるタービン周辺機器の電源として、前記充電式バッテリを利用可能にしたことを特徴とする請求項１に記載のタービンのターニング装置。
4. 前記タービン周辺機器は、前記タービンロータを支持する軸受に潤滑油を供給する主油ポンプを駆動するモータであることを特徴とする請求項３に記載のタービンのターニング装置。
5. 前記タービンロータの回転エネルギーを熱エネルギーに変換し、前記タービンロータを制動する制動装置を有することを特徴とする請求項３に記載のタービンのターニング装置。
6. 前記充電式バッテリは、主復水器に設けられる真空破壊弁の開放操作用電源となることを特徴とする請求項３に記載のタービンのターニング装置。
7. 前記無段変速装置と前記モータとは、クラッチを介して接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載のタービンのターニング装置。

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