JP2022003244A - 超臨界ｃｏ２タービン - Google Patents

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武久 日野
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駿 生沼
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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。
特開2014-037825号公報
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）
図１は、実施形態にかかる超臨界ＣＯ２タービン発電システムの全体構成について模式的に示す図である。 図２は、実施形態にかかる超臨界ＣＯ２タービン発電システムにおいて、超臨界ＣＯ２タービン１０の側面を模式的に示す側面図である。 図３は、実施形態にかかる超臨界ＣＯ２タービンの一部断面を模式的に示す断面図である。
［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。
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。
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。
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。
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。
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

Claims (2)

  1. 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）
  2. 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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