JP2024061078A - 膨張タービン - Google Patents

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Abstract

【課題】コールドボックスの外側からストレーナへのアクセスが可能な膨張タービンを提供する。【解決手段】本開示の一態様に係る膨張タービンは、コールドボックスに取り付けられる膨張タービンであって、冷却ガスを膨張させて前記冷却ガスの温度を低下させるタービンロータと、メインシャフトを介して前記タービンロータに連結されたブレーキ機構と、前記タービンロータを収容するとともに、前記タービンロータに前記冷却ガスを供給する冷却ガス供給流路を含むタービンケーシングと、前記ブレーキ機構の少なくとも一部を収容するとともに、前記タービンケーシングに着脱可能に取り付けられ、前記タービンケーシングの前記冷却ガス供給流路を含む領域をコールドボックス外側から覆うハウジングと、前記冷却ガス供給流路内に位置するストレーナと、を備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、膨張タービンに関する。
下記の特許文献１には、圧縮された冷媒水素を膨張させ、冷媒水素の温度を低下させる膨張タービンが開示されている。この膨張タービンは、極低温に維持されたコールドボックスに設置されている。
特開２０２０－２４０６７号公報
膨張タービンのタービンロータへの異物の流入を防ぐには、膨張タービンよりも上流にストレーナを設置することが考えられる。しかしながら、この場合には、コールドボックスの外側からストレーナへアクセスすることができないため、膨張タービンのメンテナンス時等にストレーナへアクセスすることができない。
そこで、本開示は、コールドボックスの外側からストレーナへのアクセスが可能な膨張タービンを提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る膨張タービンは、コールドボックスに取り付けられる膨張タービンであって、冷却ガスを膨張させて前記冷却ガスの温度を低下させるタービンロータと、メインシャフトを介して前記タービンロータに連結されたブレーキ機構と、前記タービンロータを収容するとともに、前記タービンロータに前記冷却ガスを供給する冷却ガス供給流路を含むタービンケーシングと、前記ブレーキ機構の少なくとも一部を収容するとともに、前記タービンケーシングに着脱可能に取り付けられ、前記タービンケーシングの前記冷却ガス供給流路を含む領域をコールドボックス外側から覆うハウジングと、前記冷却ガス供給流路内に位置するストレーナと、を備えている。
この構成によれば、コールドボックスの外側からストレーナへアクセスすることができる。
図１は、膨張タービンの断面図である。 図２は、ストレーナをコールドボックス内側から見た図である。 図３は、変形例に係る膨張タービンの断面図である。 図４は、他の変形例に係る膨張タービンの断面図である。
以下、実施形態に係る膨張タービン１００について説明する。図１は、膨張タービン１００の断面図である。本実施形態に係る膨張タービン１００は、冷却ガスを冷却する装置である。本実施形態の冷却ガスは水素ガスであって、液体水素の生成に利用される。ただし、冷却ガスは水素ガスに限定されない。
本実施形態に係る膨張タービン１００は、内部が極低温に維持されたコールドボックス１０１の外壁１０２に取り付けられている。図１において、コールドボックス１０１の外壁１０２よりも紙面下側がコールドボックス１０１の内部であり、外壁１０２よりも紙面上側がコールドボックス１０１の外部である。また、以下では、コールドボックス１０１の内部中央に近い側（図１の紙面下側）を「コールドボックス内側」と称し、コールドボックス１０１の内部中央から遠い側（図１の紙面上側）を「コールドボックス外側」と称する。
図１に示すように、本実施形態に係る膨張タービン１００は、タービンロータ１０と、ブレーキ機構１１と、タービンロータ１０を収容するタービンケーシング１２と、ブレーキ機構１１を収容するハウジング１３と、ストレーナ１４と、ストレーナ１４を保持するリテーナ１５と、ストレーナ１４に接する中間部材１６と、を備えている。以下、これらの構成要素について順に説明する。
タービンロータ１０は、冷却ガスを膨張させて冷却ガスの温度を低下させる部分である。本実施形態のタービンロータ１０は遠心型のタービンである。タービンロータ１０は、図１に示す中心軸９０まわりに回転する。冷却ガスは、タービンロータ１０に半径方向（中心軸９０に対して垂直な方向）から流入し、軸方向（中心軸９０の延在方向）に流出する。冷却ガスがタービンロータ１０を通過するのに伴って、タービンロータ１０は冷却ガスのエネルギによって回転駆動される。
ブレーキ機構１１は、メインシャフト２０を介してタービンロータ１０に連結されており、タービンロータ１０のエネルギを吸収する部分である。具体的には、ブレーキ機構１１は、制動ガスを昇圧することにより、タービンロータ１０のエネルギを吸収するブレーキインペラである。本実施形態のブレーキ機構１１であるブレーキインペラは遠心型の圧縮機であって、タービンロータ１０と同じく中心軸９０まわりに回転する。制動ガスは、ブレーキインペラに軸方向から流入し、半径方向に流出する。なお、制動ガスとして、冷却ガスと同じ気体を使用してもよく、別の気体を使用してもよい。なお、ブレーキ機構１１はブレーキインペラに限定されず、例えば発電機等であってもよい。
タービンケーシング１２は、タービンロータ１０を収容する部分である。タービンケーシング１２は、コールドボックス１０１の外壁１０２に溶接によって固定されている。タービンケーシング１２は、内部に冷却ガスを取り込む冷却ガス入口流路２１と、冷却ガス入口流路２１から取り込んだ冷却ガスをタービンロータ１０に供給する冷却ガス供給流路２２と、タービンロータ１０を通過した冷却ガスを下流へ排出する冷却ガス排出流路２３と、を含んでいる。
上述した各流路のうち、冷却ガス入口流路２１は、中心軸９０に対して垂直に延びている。また、冷却ガス供給流路２２は、中心軸９０を中心とする円筒状であって、中心軸９０の延在方向に沿って延びっている。さらに、冷却ガス排出流路２３は、中心軸９０上であって冷却ガス供給流路２２の径方向内側に位置している。図１の黒矢印で示すように、冷却ガス入口流路２１を通過した冷却ガスは、冷却ガス供給流路２２内をコールドボックス外側に向かって流れた後、ノズルベーン２４を介してタービンロータ１０に流入する。そして、タービンロータ１０から流出した冷却ガスは冷却ガス排出流路２３内をコールドボックス内側に向かって流れる。
ハウジング１３は、ブレーキ機構１１の少なくとも一部を収容する部分である。ハウジング１３は、タービンケーシング１２に着脱可能に取り付けられている。さらに、ハウジング１３は、タービンケーシング１２よりもコールドボックス外側に位置しており、コールドボックス外側からタービンケーシング１２の冷却ガス供給流路２２を含む領域を覆っている。なお、図１の黒矢印で示すように、ハウジング１３には制動ガスが流入し、流入した制動ガスはブレーキ機構１１であるブレーキインペラを通って、膨張タービン１００よりも下流の設備に向かって流れる。
ストレーナ１４は、冷却ガスから異物を取り除く部分である。本実施形態では、ストレーナ１４は、膨張タービン１００よりも上流ではなく、膨張タービン１００内に位置している。具体的には、ストレーナ１４は、タービンケーシング１２の冷却ガス供給流路２２内に位置している。本実施形態のストレーナ１４は、円筒状であって網目を有するストレーナ本体３１と、ストレーナ本体３１よりもコールドボックス内側に位置する円環状の内側取付リング３２と、ストレーナ本体３１よりもコールドボックス外側に位置する円環状の外側取付リング３３と、を含んでいる。
ストレーナ１４は、タービンケーシング１２に着脱可能に取り付けられている。本実施形態では、ストレーナ１４の内側取付リング３２が、冷却ガス供給流路２２のコールドボックス内側端部付近に位置する円管状の取付溝３４に挿入されている。また、ストレーナ１４の外側取付リング３３は、後述するリテーナ１５に着脱可能に保持されている。本実施形態のストレーナ１４は、冷却ガスがストレーナ１４の径方向外側から径方向内側に流れる際に、冷却ガスから異物を取り除くことができる。
ここで、図２は、ストレーナ１４をコールドボックス内側から見た図である。図２に示すように、内側取付リング３２は、径方向内側に突出する回転防止キー３５を有している。この回転防止キー３５は、取付溝３４に形成されたキー溝に挿入されており、タービンケーシング１２に係止している。本実施形態のように、ストレーナ１４の断面が円状である場合は、ストレーナ１４が中心軸９０まわりに回転するおそれがある。ただし、上記のとおりストレーナ１４がタービンケーシング１２に係止する回転防止キー３５を有すれば、ストレーナ１４が回転するのを防ぐことができる。なお、回転防止キー３５は、内側取付リング３２の半径方向外側に突出するように形成されていてもよい。また、外側取付リング３３が、回転防止キー３５を有していてもよい。この場合、リテーナ１５にキー溝を形成すればよい。
リテーナ１５は、ストレーナ１４を保持する部分である。本実施形態のリテーナ１５は、円筒状であって、ストレーナ１４の外側取付リング３３を保持している。さらに、リテーナ１５は、タービンケーシング１２に着脱可能に取り付けられている。そのため、本実施形態によれば、ハウジング１３をタービンケーシング１２から取り外し、さらにリテーナ１５をタービンケーシング１２から取り外せば、ストレーナ１４をタービンケーシング１２から取り外すことができる。つまり、コールドボックス外側からストレーナ１４にアクセスすることができる。その結果、通常、コールドボックス１０１は真空状態に保持されているところ、本実施形態によれば、コールドボックス１０１の真空状態を解除することなく、ストレーナ１４を取り外すことができる。
中間部材１６は、ストレーナ１４とタービンケーシング１２の間に位置する部材である。本実施形態の中間部材１６は、内側取付リング３２と取付溝３４の間、及び、外側取付リング３３とリテーナ１５の間に位置している。中間部材１６は、円環状であって、弾性変形可能に形成されている。このように、本実施形態では、ストレーナ１４が中間部材１６を介してタービンケーシング１２に取り付けられているため、ストレーナ１４が温度変化により変形したとしても、中間部材１６がその変形に追従し、ストレーナ１４がタービンケーシング１２から脱落するのを防ぐことができる。
（変形例）
以上では、ストレーナ１４が円筒状である場合について説明したが、ストレーナ１４の形状はこれに限定されない。例えば、図３に示すように、ストレーナ１４は円環状であって、ストレーナ１４を軸方向に通過する冷却ガスから異物を取り除くように構成されていてもよい。また、図４に示すように、ストレーナ１４はドーム状であって、冷却ガス入口流路２１から冷却ガス供給流路２２に流入する冷却ガスから異物を取り除くように構成されていてもよい。これらの構成であっても、ストレーナ１４は冷却ガス供給流路２２内に位置している。そのため、ハウジング１３をタービンケーシング１２から取り外せば、コールドボックス外側からストレーナ１４にアクセスすることができる。
（まとめ）
本明細書で開示する第１の項目は、コールドボックスに取り付けられる膨張タービンであって、冷却ガスを膨張させて前記冷却ガスの温度を低下させるタービンロータと、メインシャフトを介して前記タービンロータに連結されたブレーキ機構と、前記タービンロータを収容するとともに、前記タービンロータに前記冷却ガスを供給する冷却ガス供給流路を含むタービンケーシングと、前記ブレーキ機構の少なくとも一部を収容するとともに、前記タービンケーシングに着脱可能に取り付けられ、前記冷却ガス供給流路をコールドボックス外側から覆うハウジングと、前記冷却ガス供給流路内に位置するストレーナと、を備えている、膨張タービンである。
この構成によれば、ハウジングをタービンケーシングから取り外せば、コールドボックス外側からストレーナにアクセスすることができる。
本明細書で開示する第２の項目は、前記タービンケーシングに着脱可能に取り付けられ、前記ストレーナを保持するリテーナをさらに備え、前記ストレーナは前記リテーナを介して前記タービンケーシングに取り付けられている、第１の項目に記載の膨張タービンである。
この構成によれば、リテーナをタービンケーシングから取り外すことで、ストレーナをタービンケーシングから容易に取り外すことができる。
本明細書で開示する第３の項目は、前記ストレーナと前記タービンケーシングの間に位置する弾性変形可能な中間部材をさらに備え、前記ストレーナは前記中間部材を介して前記タービンケーシングに取り付けられている、第１又は第２の項目に記載の膨張タービンである。
この構成によれば、ストレーナが温度変化によって変形した場合に、中間部材がその変形に追従することにより、ストレーナがタービンケーシングから脱落するのを防ぐことができる。
本明細書で開示する第４の項目は、前記ストレーナは断面が円状であって、径方向に突出し前記タービンケーシングに係止する回転防止キーを含んでいる、第１乃至第３の項目のうちいずれか一の項目に記載の膨張タービンである。
この構成によれば、ストレーナが回転するのを防ぐことができる。
１０ タービンロータ
１１ ブレーキ機構
１２ タービンケーシング
１３ ハウジング
１４ ストレーナ
１５ リテーナ
１６ 中間部材
２０ メインシャフト
２２ 冷却ガス供給流路
３５ 回転防止キー
１００ 膨張タービン
１０１ コールドボックス

Claims (4)

  1. コールドボックスに取り付けられる膨張タービンであって、
    冷却ガスを膨張させて前記冷却ガスの温度を低下させるタービンロータと、
    メインシャフトを介して前記タービンロータに連結されたブレーキ機構と、
    前記タービンロータを収容するとともに、前記タービンロータに前記冷却ガスを供給する冷却ガス供給流路を含むタービンケーシングと、
    前記ブレーキ機構の少なくとも一部を収容するとともに、前記タービンケーシングに着脱可能に取り付けられ、前記タービンケーシングの前記冷却ガス供給流路を含む領域をコールドボックス外側から覆うハウジングと、
    前記冷却ガス供給流路内に位置するストレーナと、を備えている、膨張タービン。
  2. 前記タービンケーシングに着脱可能に取り付けられ、前記ストレーナを保持するリテーナをさらに備え、前記ストレーナは前記リテーナを介して前記タービンケーシングに取り付けられている、請求項１に記載の膨張タービン。
  3. 前記ストレーナと前記タービンケーシングの間に位置する弾性変形可能な中間部材をさらに備え、前記ストレーナは前記中間部材を介して前記タービンケーシングに取り付けられている、請求項１に記載の膨張タービン。
  4. 前記ストレーナは断面が円状であって、径方向に突出し前記タービンケーシングに係止する回転防止キーを含んでいる、請求項１に記載の膨張タービン。
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JPH0783527A (ja) * 1993-09-17 1995-03-28 Hitachi Ltd 可変容量制動ファン式膨張タービン
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