JP2022003244A - 超臨界co2タービン - Google Patents
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Abstract
【課題】起動時におけるラビングの発生を防止して、タービン効率の向上を実現可能な超臨界CO2タービンを提供する。【解決手段】実施形態の超臨界CO2タービンは、回転体と、回転体を内部に収容している静止体と、複数の静翼41が静止体の内部において支持された静翼翼列、および、静止体の内部において複数の動翼42が回転体に支持された動翼翼列を含むタービン段落とを備え、超臨界の作動CO2媒体が静止体の内部に導入され、回転体の軸方向においてタービン段落を介して流れることによって前記回転体が回転する。ここでは、回転体を構成する材料の熱伝導率k1および比熱c1と、静止体を構成する材料の熱伝導率k2および比熱c2が、下記式(A)に示す関係を満たす。k1/c1≦k2/c2・・・式(A)【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、超臨界CO2タービンに関する。
超臨界CO2タービンは、超臨界状態の作動CO2媒体がタービン車室に導入されることによってタービンロータが回転するように構成されている。
超臨界CO2タービンにおいては、蒸気タービンの場合と同様に、作動CO2媒体が高い圧力で導入されるので、タービンロータなどの回転体とタービン車室などの静止体との間に設けられたシール部から作動CO2媒体がリークしやすく、タービン性能の低下が問題になる。また、超臨界CO2タービンを含む超臨界CO2タービン発電システムは、クローズドサイクルを構成しているので、ブレイトンサイクルであるガスタービン発電システムの場合よりも、冷却流量の増加によるプラント効率の低下の影響が大きい。タービン性能の向上のためには、シール部の圧力損失を大きくする必要があるので、これに伴って、回転体と静止体との間の間隙を狭くする必要がある。
超臨界CO2タービンの起動時または停止時には、タービンロータの回転数が大きく変化し、振動が発生する。その結果、ラビングによってシール部が削れる場合があるため、定格運転の際に作動CO2媒体のリーク量が増加する場合がある。
また、超臨界CO2タービンの起動時に、内部車室と外部車室とを含む二重構造のタービン車室において静翼を支持する内部車室よりもタービンロータが先に膨張した場合には、タービンロータが静翼に接近すると共に、タービンロータに支持された動翼が内部車室に接近する。その結果、タービンロータと静翼との間および動翼と内部車室との間の間隙が狭くなるので、回転体と静止体との間の間隙に設けられたシール部がラビングによって破損する場合がある。
このように、従来の超臨界CO2タービンにおいては、起動時などの過渡状態におけるラビングの発生に起因して、定格運転時の作動CO2媒体のリーク量を低減させることが困難であるため、タービン効率を向上させることが容易でない。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、起動時におけるラビングの発生を防止して、タービン効率の向上を実現可能な超臨界CO2タービンを提供することである。
実施形態の超臨界CO2タービンは、回転体と、回転体を内部に収容している静止体と、複数の静翼が静止体の内部において支持された静翼翼列、および、静止体の内部において複数の動翼が回転体に支持された動翼翼列を含むタービン段落とを備え、超臨界の作動CO2媒体が静止体の内部に導入され、回転体の軸方向においてタービン段落を介して流れることによって前記回転体が回転する。ここでは、回転体を構成する材料の熱伝導率k1および比熱c1と、静止体を構成する材料の熱伝導率k2および比熱c2が、下記式(A)に示す関係を満たす。
k1/c1≦k2/c2 ・・・式(A)
k1/c1≦k2/c2 ・・・式(A)
[超臨界CO2タービン発電システムの構成]
実施形態にかかる超臨界CO2タービン発電システムについて、図1を用いて説明する。
実施形態にかかる超臨界CO2タービン発電システムについて、図1を用いて説明する。
図1に示すように、本実施形態の超臨界CO2タービン発電システムは、超臨界の作動CO2媒体を作動媒体として用いたクローズドサイクルを構成するように各部が構成されている。本実施形態の超臨界CO2タービン発電システムを構成する各部に関して順次説明する。
本実施形態の超臨界CO2タービン発電システムにおいて、超臨界CO2タービン10は、燃焼器81から超臨界状態の作動CO2媒体が供給される。そして、超臨界CO2タービン10において、作動CO2媒体が膨張し仕事を行うことによって、超臨界CO2タービン10の回転軸が回転する。超臨界CO2タービン10から排気された媒体は、再生熱交換器82へ流れる。
発電機11は、超臨界CO2タービン10の駆動によって発電を行うように構成されている。ここでは、発電機11の回転軸は、超臨界CO2タービン10の回転軸に連結されており、超臨界CO2タービン10の回転軸が回転することで、発電機11の回転軸が回転し、発電機11において発電が行われる。
再生熱交換器82では、超臨界CO2タービン10から排気された媒体と、CO2ポンプ86から排出された媒体とが流入し、両者の間において熱交換が行われるように構成されている。ここでは、超臨界CO2タービン10から排気された媒体は、再生熱交換器82での熱交換によって冷却される。この一方で、CO2ポンプ86から排出された媒体は、再生熱交換器82での熱交換によって加熱され、燃焼器81へ供給される。
冷却器83においては、超臨界CO2タービン10から排気された後に再生熱交換器82で熱交換が行われた媒体が冷却される。これにより、冷却器83では、再生熱交換器82から排出された媒体に含まれる水蒸気が凝縮される。
湿分分離器85においては、冷却器83から排出された媒体が供給される。湿分分離器85では、その供給された媒体から、冷却器83での凝縮によって生じた水(液相水)を分離する。その分離された水は、湿分分離器85から外部へ排出される。このため、湿分分離器85では、高純度のCO2を含む媒体が得られる。
CO2ポンプ86は、高純度のCO2である媒体が湿分分離器85から供給され、その供給された媒体を超臨界圧に昇圧する。CO2ポンプ86で昇圧された媒体のうち、一部は、外部へ排出され、たとえば、貯留や、石油増進回収などに利用される。ここでは、たとえば、燃焼器81における燃焼で増加したCO2の量に相当するCO2が外部へ排出される。そして、CO2ポンプ86で昇圧された媒体のうち、残部は、上述したように、再生熱交換器82に供給され、加熱される。
再生熱交換器82の途中から抽出された一部の媒体は、冷却CO2媒体として超臨界CO2タービン10に供給される。そして、再生熱交換器82を通過した媒体の残部は、燃焼器81に導かれる。つまり、再生熱交換器82において、CO2ポンプ86で昇圧された媒体が、超臨界CO2タービン10から排気された媒体との熱交換によって加熱された後に、燃焼器81に流入する。
[超臨界CO2タービン10の構成]
実施形態にかかる超臨界CO2タービン10の一例に関して、図2および図3を用いて説明する。
実施形態にかかる超臨界CO2タービン10の一例に関して、図2および図3を用いて説明する。
図2は、超臨界CO2タービン10の側面を模式的に示している。図3は、超臨界CO2タービン10の一部断面を模式的に示している。図3において、縦方向は鉛直方向zであり、横方向は第1水平方向xであり、紙面に垂直な方向は第2水平方向yである。図3では、鉛直面(xz面)の一部断面(主に上半側の断面)を模式的に示している。
実施形態に係る超臨界CO2タービン10においては、図2に示すように、作動CO2媒体Fが燃焼器ケーシング811を介して内部に導入される。
図3に示すように、超臨界CO2タービン10は、タービンロータ20とタービン車室30とタービン段落40とを備える。超臨界CO2タービン10は、多段式であって、タービンロータ20の回転中心軸AXに沿った軸方向(x)に複数のタービン段落40が並ぶように配置されている。超臨界CO2タービン10において、作動CO2媒体Fは、タービン車室30のうち外部車室32に収容された内部車室31の内部に、トランジションピース311を介して導入される。そして、その導入された作動CO2媒体Fは、上流側Usから下流側Dsに並ぶ複数のタービン段落40において、順次、仕事を行う。
その後、作動CO2媒体Fは、図2に示すように、排気管90を介して、タービン車室30の外部へ排出される。
実施形態に係る超臨界CO2タービン10を構成する各部の詳細に関して順次説明する。
タービンロータ20は、棒状体であって、回転中心軸AXが第1水平方向xに沿うように、軸受(図示省略)によって回転可能に支持されている。タービンロータ20には、複数のロータホイール21が外周面に設けられている。複数のロータホイール21は、回転中心軸AXに沿った軸方向(x)に並ぶように配列されている。図3では図示を省略しているが、タービンロータ20は、発電機に連結されている。
タービン車室30は、二重車室構造であって、内部車室31と外部車室32とを有する。
タービン車室30において、内部車室31は、複数のタービン段落40を囲うように、タービンロータ20の周囲に設置されている。
タービン車室30において、外部車室32は、内部車室31を介して、タービンロータ20を収容するように構成されている。
また、外部車室32には、最終段のタービン段落40よりも下流側Dsであって径方向の内側部分にパッキンヘッド321が設置されている。ここでは、軸方向においてパッキンヘッド321と最終段のロータホイール21との間には、最終段ホイールスペースRWが介在している。
タービン段落40は、複数の静翼41(ノズル翼)で構成された静翼翼列、および、複数の動翼42で構成された動翼翼列を含む。タービン段落40は、静翼翼列と、静翼翼列の下流側Dsにおいて隣接する動翼翼列とによって構成されており、複数が回転中心軸AXに沿った軸方向に並んでいる。
静翼翼列を構成する複数の静翼41(ノズル翼)は、内部車室31の内部において支持されている。複数の静翼41は、内側シュラウド411と外側シュラウド412との間において、タービンロータ20の周りを囲うように、回転方向Rに配列されている。
動翼翼列を構成する複数の動翼42は、内部車室31の内部においてタービンロータ20の周りを囲うように、回転方向Rに配列されている。動翼42は、径方向において内側部分に植込部422が設けられている。植込部422は、タービンロータ20のロータホイール21の外周面に嵌合されている。動翼42の外周は、シュラウドセグメント421で包囲されている。シュラウドセグメント421は、外側シュラウド412によって支持されている。
タービンロータ20の外周面のうち静翼41に対面する部分には、たとえば、遮熱ピース70が設けられている。ここでは、遮熱ピース70は、タービンロータ20の外周面において内側シュラウド411の内周面に対面する部分に支持されている。遮熱ピース70は、タービン車室30の内部において作動CO2媒体Fが流れる主流路と、タービンロータ20との間を遮熱するために設けられている。
遮熱ピース70は、遮熱板71と脚部72とを備えており、タービンロータ20の径方向において外側から内側へ向かうに伴って、遮熱板71と脚部72とが順次設けられている。
遮熱ピース70において、遮熱板71は、タービンロータ20の回転中心軸AXに沿って延在する部分を含む。遮熱板71は、遮熱板71の外周面と内側シュラウド411の内周面との間に隙間が介在していると共に、遮熱板71の内周面とタービンロータ20の外周面との間に空間が介在するように設置されている。脚部72は、タービンロータ20の径方向に延在しており、脚部72において径方向の内側には係合部72aが形成されている。係合部72aは、タービンロータ20に係合されている。
静翼41の内周面と遮熱板71外周面との間を密封するために、適宜、シールフィン43が設けられている。また、動翼42の外周面と内部車室31に設けられたシュラウドセグメント421の内周面との間を密封するために、シールフィン43が設けられている。
超臨界CO2タービン10は、上流側グランド部G1と下流側グランド部G2とを含む。
上流側グランド部G1は、超臨界CO2タービン10において軸方向でタービン段落40が配置されていない両端部のうち、作動CO2媒体Fの上流側Usに位置する一端部である。下流側グランド部G2は、超臨界CO2タービン10において軸方向でタービン段落40が配置されていない両端部のうち、作動CO2媒体Fの下流側Dsに位置する一端部である。つまり、超臨界CO2タービン10においては、軸方向でタービン段落40が配置された部分が上流側グランド部G1と下流側グランド部G2とによって挟まれている。
上流側グランド部G1および下流側グランド部G2においては、グランドシール部35a,35b,35cが設置されている。グランドシール部35a,35b,35cは、タービンロータ20を含む回転体とタービン車室30を含む静止体との間を密封するために設けられている。
具体的には、グランドシール部35aは、上流側グランド部G1において、外部車室32の内周面とタービンロータ20の外周面との間を密封するように、外部車室32の内周面に複数が設置されている。グランドシール部35bは、上流側グランド部G1において、内部車室31の内周面とタービンロータ20の外周面との間を密封するように、内部車室31の内周面に複数が設置されている。そして、グランドシール部35cは、下流側グランド部G2において、内部車室31に設置されたパッキンヘッド321の内周面とタービンロータ20の外周面との間を密封するように、パッキンヘッド321の内周面に複数が設置されている。
グランドシール部35a,35b,35cは、たとえば、ラビリンスフィンを含むように構成されている。この他に、ブラシシール、リーフシール、アブレイダブルシール、ハニカムシールなどのように種々のシール構造でグランドシール部35a,35b,35cを構成してもよい。
トランジションピース311は、タービン車室30の上方から外部車室32と内部車室31とを貫通するように径方向に延在する部分を含む。トランジションピース311は、作動CO2媒体Fを初段のタービン段落40に導入するように、初段のタービン段落40に連結されている。
冷却媒体導入管313は、トランジションピース311と同様に、タービン車室30の上方から外部車室32と内部車室31とを貫通するように径方向に延在している。冷却媒体導入管313は、トランジションピース311において径方向に延在する部分を囲うように設置されている。冷却媒体導入管313の内径は、トランジションピース311において径方向に延在する部分の外径よりも大きく、冷却媒体導入管313の内周面とトランジションピース311において径方向に延在する部分の外周面との間を、冷却CO2媒体CFが流れる。冷却媒体導入管313とトランジションピース311との間を流れた冷却CO2媒体CFは、内部車室31の内部においてタービンロータ20の周りを回転方向Rに囲うように形成された冷却室R31aに導入される。
内部車室31には、冷却CO2媒体CFが流れる内部車室冷却媒体流路H31が形成されている。内部車室冷却媒体流路H31は、冷却CO2媒体CFをタービン段落40の静翼41へ供給するために設けられている。ここでは、内部車室冷却媒体流路H31は、第1の内部車室冷却媒体流路部H311と第2の内部車室冷却媒体流路部H312とを含む。
第1の内部車室冷却媒体流路部H311は、タービンロータ20の軸方向に沿った孔であって、作動CO2媒体Fの上流側Usに位置する一端が冷却室R31aに連通している。
第2の内部車室冷却媒体流路部H312は、タービンロータ20の径方向に沿った孔であって、径方向において第1の内部車室冷却媒体流路部H311よりも内側に形成されている。第2の内部車室冷却媒体流路部H312は、径方向において外側の一端が第1の内部車室冷却媒体流路部H311に連通している。これに対して、第2の内部車室冷却媒体流路部H312のうち径方向において内側の他端は、外側シュラウド412を介して、静翼41に連通している。
内部車室冷却媒体流路H31は、たとえば、超臨界CO2タービン10において上半側と下半側とのそれぞれに1つずつ設けられている。内部車室冷却媒体流路H31は、回転方向Rにおいて複数が等間隔で設けられていることが好ましい。
タービンロータ20は、冷却CO2媒体CFが流れるロータ冷却流路H21が形成されている。ロータ冷却流路H21は、遮熱板71の内周面とタービンロータ20の外周面との間に位置する空間へ、冷却室R31aから冷却CO2媒体CFが流れるように構成されている。ここでは、ロータ冷却流路H21は、第1のロータ冷却流路部H211と第2のロータ冷却流路部H212と第3のロータ冷却流路部H213とを含む。
第1のロータ冷却流路部H211は、タービンロータ20の径方向に沿った孔である。第1のロータ冷却流路部H211は、径方向において外側の一端が冷却室R31aに連通している。これに対して、第1のロータ冷却流路部H211のうち径方向において内側の他端は、第2のロータ冷却流路部H212に連通している。
第2のロータ冷却流路部H212は、タービンロータ20の軸方向に沿った孔であって、タービンロータ20の回転中心軸AXに対して同軸に設けられている。
第3のロータ冷却流路部H213は、タービンロータ20の径方向に沿った孔である。第3のロータ冷却流路部H213は、径方向において内側の一端が第2のロータ冷却流路部H212に連通している。これに対して、第3のロータ冷却流路部H213のうち径方向において外側の他端は、遮熱板71の内周面とタービンロータ20の外周面との間に位置する空間に連通している。第3のロータ冷却流路部H213は、複数のタービン段落40のそれぞれに対応して設けられている。
上記の超臨界CO2タービン10における冷却CO2媒体CFの流れに関して説明する。
超臨界CO2タービン10においては、図2に示すように、冷却CO2媒体CFが燃焼器ケーシング811を介して外部からタービン車室30の内部に導入される。ここでは、冷却CO2媒体CFは、図1で示したように、超臨界CO2タービン10から排気された後に冷却等が行われた媒体であって、作動CO2媒体Fよりも温度が低く、作動CO2媒体Fよりも圧力が高い状態で超臨界CO2タービン10に導入される。
具体的には、冷却CO2媒体CFは、図3に示すように、冷却媒体導入管313を通って内部車室31の内部に流入する。冷却CO2媒体CFは、トランジションピース311の外周面と冷却媒体導入管313の内周面との間を経由して、内部車室31の内部に設けられた冷却室R31aに導入される。
冷却室R31aに導入された冷却CO2媒体CFは、内部車室31に形成された内部車室冷却媒体流路H31を経由して、複数のタービン段落40のそれぞれにおいて静翼41へ供給される。具体的には、内部車室冷却媒体流路H31に流入した冷却CO2媒体は、外側シュラウド412において径方向の外側に設けられた空間に導入される。外側シュラウド412において径方向の外側に設けられた空間は、回転方向Rにリング状に連通した空間であって、たとえば、静翼41と内側シュラウド411とのそれぞれの内部に形成された冷却孔(図示省略)に連通している。冷却媒体CFは、外側シュラウド412から静翼41と内側シュラウド411とのそれぞれに形成された冷却孔を順次流れる。これにより、静翼41などが冷却される。そして、静翼41の冷却で用いられた冷却CO2媒体CFは、たとえば、内部車室31の内部において作動CO2媒体Fが流れる主流路へ排出される。
また、冷却室R31aに導入された冷却CO2媒体CFは、タービンロータ20に形成されたロータ冷却流路H21に導入される。ここでは、冷却CO2媒体CFは、ロータ冷却流路H21において、第1のロータ冷却流路部H211と第2のロータ冷却流路部H212と第3のロータ冷却流路部H213とを順次流れる。そして、冷却CO2媒体CFは、遮熱ピース70を構成する遮熱板71の内周面とタービンロータ20の外周面との間に位置する空間へ流れる。そして、たとえば、動翼42の植込部422とロータホイール21との間を通過して、冷却CO2媒体CFが動翼42へ導入される。これにより、タービンロータ20および動翼42が冷却される。動翼42へ導入された冷却CO2媒体CFは、たとえば、内部車室31の内部において作動CO2媒体Fが流れる主流路へ排出される。
最終段のタービン段落40において、遮熱板71の内周面とタービンロータ20の外周面との間に位置する空間へ流入した冷却CO2媒体CFは、動翼42へ導入される他に、軸方向において最終段のロータホイール21よりも下流側Dsに位置する最終段ホイールスペースRWに流れる。最終段ホイールスペースRWに流れた冷却CO2媒体CFは、下流側グランド部G2において、タービン車室30の内部から外部へリークする。具体的には、下流側グランド部G2において、冷却CO2媒体CFは、グランドシール部35cが設けられたパッキンヘッド321の内周面とタービンロータ20の外周面との間へ流れる。
上記の他に、冷却室R31aに導入された冷却CO2媒体CFは、上流側グランド部G1において、タービン車室30の内部から外部へリークする。具体的には、上流側グランド部G1において、冷却CO2媒体CFは、冷却室R31aから、グランドシール部35bが設けられた内部車室31の内周面とタービンロータ20の外周面との間へ流れる。その後、冷却CO2媒体CFは、グランドシール部35aが設けられた外部車室32の内周面とタービンロータ20の外周面との間を流れる。
[タービンロータ20および内部車室31を構成する材料について]
(熱伝導率/比熱)
本実施形態の超臨界CO2タービン10は、回転体であるタービンロータ20を構成する材料の熱伝導率k1および比熱c1と、静止体である内部車室31を構成する材料の熱伝導率k2および比熱c2が、下記式(A)に示す関係を満たす。
(熱伝導率/比熱)
本実施形態の超臨界CO2タービン10は、回転体であるタービンロータ20を構成する材料の熱伝導率k1および比熱c1と、静止体である内部車室31を構成する材料の熱伝導率k2および比熱c2が、下記式(A)に示す関係を満たす。
k1/c1≦k2/c2 ・・・式(A)
熱伝導率k1,k2は、単位時間当たりの熱の伝わりやすさ(拡散しやすさ)を示しており、単位時間当たりに流れる熱量を単位長さ当たりの温度勾配で割った値である。比熱c1,c2は、単位質量当たりに温度を1℃上昇させるのに必要な熱量を示している。このため、熱伝導率k1,k2を比熱c1,c2で割った値(k1/c1,k2/c2)は、単位時間当たりの温度の上がりやすさの尺度を示している。
式(A)においては、単位時間当たりに温度が上昇する割合は、内部車室31を構成する材料の場合(k2/c2)が、タービンロータ20を構成する材料の場合(k1/c1)以上であることを示している。つまり、本実施形態では、内部車室31は、タービンロータ20と同じ割合で温度が上昇する、または、タービンロータ20よりも高い割合で温度が上昇する。
内部車室31の温度がタービンロータ20の温度と同じ割合で上昇する場合には、タービンロータ20と静翼41との間および動翼42と内部車室31のとの間の間隙は、同じ幅であって、狭くならない。
内部車室31の温度がタービンロータ20の温度よりも先に上昇する場合には、タービンロータ20と静翼41との間および動翼42と内部車室31のとの間の間隙は、広がり、狭くならない。
その結果、本実施形態では、超臨界CO2タービン10の起動時のように温度が上昇する状態では、内部車室31よりもタービンロータ20が先に膨張しない。それゆえ、タービンロータ20が静翼41に接近しないと共に、タービンロータ20に支持された動翼42が内部車室31に接近しない。つまり、超臨界CO2タービンの起動時に、タービンロータ20と静翼41との間および動翼42と内部車室31との間の間隙が狭くなりにくい。
したがって、本実施形態では、タービンロータ20と静翼41との間および動翼42と内部車室31との間の間隙においてシールフィン43などのシール部がラビングによって破損しにくいので、タービン性能の低下を効果的に防止可能である。なお、本実施形態の冷却構造では、タービンロータ20と内部車室31の冷却源が同じであって同じ温度に冷却されるため、冷却温度の違いによる熱伸び差が生じないので、式(A)の関係が重要になる。
(線膨張係数)
さらに、本実施形態の超臨界CO2タービン10は、回転体であるタービンロータ20を構成する材料の線膨張係数α1と、静止体である内部車室31を構成する材料の線膨張係数α2とが、下記式(B)に示す関係を満たすことが好ましい。
さらに、本実施形態の超臨界CO2タービン10は、回転体であるタービンロータ20を構成する材料の線膨張係数α1と、静止体である内部車室31を構成する材料の線膨張係数α2とが、下記式(B)に示す関係を満たすことが好ましい。
α2≦α1 ・・・式(B)
式(B)では、温度の上昇に対して膨張する割合は、内部車室31を構成する材料の場合(α2)が、タービンロータ20を構成する材料の場合(α1)以下であることを示している。つまり、本実施形態では、内部車室31は、タービンロータ20と同じ割合で膨張する、または、タービンロータ20よりも低い割合で膨張する。
このため、超臨界CO2タービン10の定格運転時には、内部車室31よりもタービンロータ20の方が膨張するため、タービンロータ20が静翼41に接近すると共に、タービンロータ20に支持された動翼42が内部車室31に接近する。つまり、タービンロータ20と静翼41との間および動翼42と内部車室31との間の間隙が狭くなる。
したがって、本実施形態の超臨界CO2タービン10では、定格運転の際に作動CO2媒体のリーク量が減少するため、タービン性能を向上可能である。なお、超臨界CO2タービン10の定格運転時に間隙が狭くなることを考慮して間隙の幅を設定することで、タービンロータ20と静翼41との間の接触および動翼42と内部車室31との間の接触を防止可能である。なお、タービンロータ20の方が内部車室31よりも線膨張係数が小さい材料で形成する場合、式(B)を満たす場合と定格運転時の間隙を同じにするためには、据付時の間隙を狭くする必要がある。そうすると、式(B)を満たさない場合には、起動時の間隙も狭いことになるので、ラビングリスクが増すことになる。
(具体的な材料)
タービンロータ20を構成する材料、および、内部車室31を構成する材料は、たとえば、Cr成分を含有する耐熱鋼であることが好ましい。たとえば、9質量%以上12質量%以下のCr成分を含む高Cr鋼、1.25質量%以上2.25質量%以下のCr成分を含む低合金鋼を用いて、タービンロータ20および内部車室31を形成することが好ましい。
タービンロータ20を構成する材料、および、内部車室31を構成する材料は、たとえば、Cr成分を含有する耐熱鋼であることが好ましい。たとえば、9質量%以上12質量%以下のCr成分を含む高Cr鋼、1.25質量%以上2.25質量%以下のCr成分を含む低合金鋼を用いて、タービンロータ20および内部車室31を形成することが好ましい。
タービンロータ20および内部車室31などを構成する金属材料は、特定の圧力および温度の条件で、作動CO2媒体として導入されるCO2によって酸化される。しかし、上記のように、Cr成分を含有する金属材料を用いてタービンロータ20および内部車室31などを形成した場合には、CO2による酸化の発生を抑制可能である。
さらに、超臨界CO2タービン10に導入される作動CO2媒体は、圧力が高く、密度が大きいので、シール部での不安定化力が大きい。高Cr鋼を用いることで、中実率が高く大型のモノブロック構造のタービンロータ20を容易に作製可能である。それゆえ、剛性を高く、安定性に優れるタービンロータ20を得ることができる。
なお、タービンロータ20については、Ni基合金を用いて作製しても好適である。タービンで使用される耐熱合金の中で、Ni基合金は、耐熱鋼と比較して線膨張係数が大きく熱伝導率が小さいので、式(A)および式(B)の条件を満足しやすく、高温での強度に優れる。
<その他>
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の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。これら実施形態やその変形は、発明の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。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の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。これら実施形態やその変形は、発明の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。
たとえば、上記の実施形態では、回転体であるタービンロータ20を構成する材料と、静止体である内部車室31を構成する材料とに関して、上述した式(A)および式(B)に示す関係を満たす場合について説明したが、これに限らない。タービン車室30が二重車室構造のように複数で構成されずに、単数で構成される場合には、その単数のタービン車室30を構成する材料に関して、上述した式(A)および式(B)に示す関係を満たすことで、同様な効果を奏することができる。
10…タービン、11…発電機、12…タービン、20…タービンロータ、21…ロータホイール、30…タービン車室、31…内部車室、32…外部車室、35a…グランドシール部、35b…グランドシール部、35c…グランドシール部、40…タービン段落、
41…静翼、42…動翼、43…シールフィン、70…遮熱ピース、71…遮熱板、72…脚部、72a…係合部、80…酸素製造装置、81…燃焼器、82…再生熱交換器、83…冷却器、85…湿分分離器、86…CO2ポンプ、90…排気管、311…トランジションピース、313…冷却媒体導入管、321…パッキンヘッド、411…内側シュラウド、412…外側シュラウド、421…シュラウドセグメント、422…植込部、811…燃焼器ケーシング、AX…回転中心軸、CF…冷却媒体、Ds…下流側、F…作動CO2媒体、G1…上流側グランド部、G2…下流側グランド部、H21…ロータ冷却流路、H211…第1のロータ冷却流路部、H212…第2のロータ冷却流路部、H213…第3のロータ冷却流路部、H31…内部車室冷却媒体流路、H311…第1の内部車室冷却媒体流路部、H312…第2の内部車室冷却媒体流路部、R…回転方向、R31a…冷却室、RW…最終段ホイールスペース、Us…上流側
41…静翼、42…動翼、43…シールフィン、70…遮熱ピース、71…遮熱板、72…脚部、72a…係合部、80…酸素製造装置、81…燃焼器、82…再生熱交換器、83…冷却器、85…湿分分離器、86…CO2ポンプ、90…排気管、311…トランジションピース、313…冷却媒体導入管、321…パッキンヘッド、411…内側シュラウド、412…外側シュラウド、421…シュラウドセグメント、422…植込部、811…燃焼器ケーシング、AX…回転中心軸、CF…冷却媒体、Ds…下流側、F…作動CO2媒体、G1…上流側グランド部、G2…下流側グランド部、H21…ロータ冷却流路、H211…第1のロータ冷却流路部、H212…第2のロータ冷却流路部、H213…第3のロータ冷却流路部、H31…内部車室冷却媒体流路、H311…第1の内部車室冷却媒体流路部、H312…第2の内部車室冷却媒体流路部、R…回転方向、R31a…冷却室、RW…最終段ホイールスペース、Us…上流側
Claims (2)
- 回転体と、
前記回転体を内部に収容している静止体と、
複数の静翼が前記静止体の内部において支持された静翼翼列、および、前記静止体の内部において複数の動翼が前記回転体に支持された動翼翼列を含むタービン段落と
を備え、超臨界の作動CO2媒体が前記静止体の内部に導入され、前記回転体の軸方向において前記タービン段落を介して流れることによって前記回転体が回転する超臨界CO2タービンであって、
前記回転体を構成する材料の熱伝導率k1および比熱c1と、前記静止体を構成する材料の熱伝導率k2および比熱c2が、下記式(A)に示す関係を満たす、
超臨界CO2タービン。
k1/c1≦k2/c2 ・・・式(A) - 前記回転体を構成する材料の線膨張係数α1と、前記静止体を構成する材料の線膨張係数α2とが、下記式(B)に示す関係を満たす、
請求項1に記載の超臨界CO2タービン。
α2≦α1 ・・・式(B)
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