JP3697220B2 - ターニング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービン、ガスタービン、またはこれらを組み合わせたコンバインドサイクルの発電プラント等に適用されるターニング装置及びターニング装置の運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービン、ガスタービン、またはこれらを組み合わせたコンバインドサイクルに適用される発電プラント等には、通常、モータの動力によってタービンロータを回転させるターニング装置が備えられている。
【０００３】
蒸気タービン装置等に備わるタービンロータは、運転停止中にて回転させない状態のままに放置すると、タービン内部のガス（蒸気）温度が低下するのにともなってタービン車室内上下方向で温度差が生じる。これによって、タービンロータは熱伸びによって曲がりが生じたり、あるいはロータの自重で微少なロータ曲がりが生じたりする。
【０００４】
このようなタービンロータのアンバランス状態を回避するため、ターニング装置は、蒸気タービン装置の運転停止時にタービンロータを所定時間、低速度にて回転させ、タービンロータの曲がりを生じないようにするためのものである。
また、このようにタービンロータを回転させることは、一般にターニングと呼ばれるものである。
【０００５】
タービンロータの曲がりを防止するためのターニングは、通常５〜２０ｒｐｍ程度の低い回転数で行われる。このような回転数でタービンロータが回転することにより、タービンロータの曲がりは防止され、また、ロータの軸受では油膜形成が保持されることになる。
【０００６】
さて、蒸気タービン装置等に備わる従来からターニング装置の構成及び機能について図３を参照しながら説明する。
図において、符号１は蒸気タービン装置、２はタービンロータ、４は蒸気タービン、１０はターニング装置を示している。また、符号１１にはターニングモータ（モータ）、１２はギヤユニット、２０はコントローラを示している。
【０００７】
タービンロータ２は、図示しないボイラ等から蒸気を導き入れることによって回転する蒸気タービン４を備えて構成され、該蒸気タービン４が回転することにともなって同様に回転するものである。タービンロータ２には、カップリング（図示せず）等によって例えばコンプレッサ５等が接続され、タービンロータ２の回転により該コンプレッサ５は駆動することになる。
また、タービンロータ２の外周にはロータ側ギヤ３が設けられている。このロータ側ギヤ３は、後述するターニング装置１０から出力される動力、つまりは回転をタービンロータ２に伝達するの役目を担っている。
【０００８】
ターニング装置１０は、ターニングモータ１１と、ギヤユニット１２と、コントローラ２０とを主として備えて構成されている。
ターニングモータ１１は、コントローラ２０と接続されており、供給される電力によって一定回転数で駆動するものである。ターニングモータ１１の出力軸１１ａには、ベベルギヤ１１ｂが設けられており、後述するギヤユニット１２に組み込まれて回転を伝達する役目を担っている。
【０００９】
本図で示されるギヤユニット１２は、３つのシャフト（１２０，１２１，１２２）と、これらシャフトのそれぞれに備わる歯数の異なるギヤ（１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ，１２２ｂ）と、移動ギヤ体１２３と、移動ギヤ体１２３を動かすレバー１３及びアクチュエータ１４とによって構成されている。
【００１０】
ギヤユニット１２内では、上述した異なる歯数のギヤどうしを個別に噛み合わせることにより、ターニングモータ１１から出力された回転を減速させてタービンロータ２に伝達させている。これにより、ターニングモータ１１が出力する回転トルクが増大するので、慣性モーメントの大きいタービンロータ２を比較的小型のターニングモータ１１で回転させることが可能となっている。
【００１１】
また、このギヤユニット１２には、タービンロータ２に伝達する回転を断続するための移動ギヤ体１２３が備えられている。この移動ギヤ体１２３は、図において３段目に位置するシャフト１２２に備わり、この軸線に沿って移動可能とされている。また、移動ギヤ体１２３を移動させるレバー１３と、該レバー１３を回動させるアクチュエータ１４とがギヤユニット１２の一構成要素として備えられている。
【００１２】
レバー１４は、アクチュエータ１４が動作することによって回動するので、該レバー１４の一端部に連結された移動ギヤ体１２３は、シャフト１２２の軸線に沿って破線で示される位置に矢印で示すように移動することができる。移動ギヤ体１２３が破線の位置に移動すると、ロータ側ギヤ３と、移動ギヤ体１２３のギヤ１２３ａとの噛み合わせが解除されることになり、この場合、ターニングモータ１１の回転がタービンロータ２に伝達されなくなる。
【００１３】
蒸気タービン４によるタービンロータ２の定格回転時では、上記説明したような動作が既に行われた状態であり、ターニングモータ１１及びギヤユニット１２に高い負荷や回転数が加わらなくなってターニングモータ１１及びギヤユニット１２の破損が防止されることになる。
【００１４】
なお、レバー１３を回動させるためのアクチュエータ１４の動力源には圧縮空気を用いることとしているので、アクチュエータ１４は図に示すように圧縮空気を供給する空気圧縮機１６に接続されている。そして、アクチュエータ１４に供給する圧縮空気の流量は、空気圧縮機１６とアクチュエータ１４との間に備わる各バルブ１７，１８の開弁度がコントローラ２０の制御によって調整されている。これによってアクチュエータ１４はコントローラ２０の指示に従って適宜動作することになる。なお、符号１５はアクチュエータ１４の動作を監視するリミットスイッチである。
【００１５】
このように、蒸気タービン装置１等に従来から備えられているターニング装置１０は、一定な減速比（速度比）にて構成されたギヤユニット１２と、一定出力のターニングモータ１１とで構成されている。また、ターニングモータ１１を許容最大電流以下で使用するために、コントローラ２０内にはインターロック回路が組まれ、ターニング装置の保護がなされている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
さて、ターニングの回転開始前は、タービンロータ２、タービン４、さらにはタービンロータ２に接続されたコンプレッサ５等がすべて静止状態であるため、運動摩擦係数に比べて大きな静止摩擦係数による摩擦力が生じている。そのため、ターニングの回転開始の瞬間には、ターニングモータ１１の出力に大きな初期トルクが必要である。
その結果、ターニングモータ１１には、初期トルクを確保するための過大な電流が流れることになり、ターニングモータ１１のトリップが引き起こされてターニングを行えない状況に陥ることがある。
【００１７】
特に、蒸気タービン装置１にコンプレッサ５やポンプ（図示せず）などが接続された状態であると、これらも一緒に回転させることによって必要とされる初期トルクは変化する。つまり、ギヤユニット１２にて伝達する回転速度を減速させて回転トルクを確保したにもかかわらず、初期トルクが使用状況によって増大すると、ターニングモータ１１が出力できる回転トルクの能力を越えてしまう恐れがある。
【００１８】
この問題については、ギヤユニット１２の減速比を高めることで回避することが可能と考えられる。しかし、ギヤユニット１２は一定な減速比で構成されているため、減速による回転トルクの増大が図られても、ターニングに必要とされる回転数を確保することが困難となる。
【００１９】
次に、ターニングモータ１１の大型化を図ることにより、ギヤユニット１２の減速比を変更させずにターニングモータ１１のトリップを回避する構成が考えられる。ターニングモータ１１の出力増大によって回転トルクも増大するので初期トルクに十分対応することができる。もちろん、出力する回転トルクに余裕があるので、ターニングモータ１１に過電流が流れることはほとんどなく、トリップは大幅に回避される。
【００２０】
しかし、ターニングモータ１１の出力増大に伴ってギヤユニット１２等に加わるロックアップトルクは大幅に増大するので、各ギヤ（１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ，１２２ｂ）や各シャフト（１２０，１２１，１２２）等の剛性を高める必要がある。このことは大型化したターニングモータ１１を採用したこととに加えてさらなるコストの上昇と重量の増大とを招いてしまうことになる。
【００２１】
また、上記に反してギヤユニット１２の剛性を高めないでいると、衝撃的に加わるロックアップトルクによってギヤユニット１２内では低サイクル疲労が生じ、各ギヤや各シャフトの強度が低下して破損する可能性が高まることは言うまでもない。
【００２２】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、モータの出力を抑えてトリップを防止するとともに、ターニングにおける必要回転数を確保できるターニング装置及びターニング装置の運転制御方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
請求項１に記載の発明は、タービンロータの定格回転前後に、モータの動力を用いて該タービンロータを回転させるターニング装置において、前記モータと前記タービンロータとの間には、前記モータに対する前記タービンロータの回転速度を変更する可変速伝導手段が備えられるとともに、前記可変速伝導手段と入力した回転を減速して前記タービンロータに伝達するギアユニットとの間には、所定の回転トルクにて回転伝達を遮断する回転伝達遮断手段が備えられていることを特徴としている。
【００２４】
このような構成とすることで、モータから出力される回転トルクは、タービンロータの回転に必要とされる回転トルクに応じて出力されることになる。
従って、タービンロータの回転開始時にて大きな回転トルクが必要とされた場合、モータの回転数が増すことで初期の回転トルクが確保されることになり、また、タービンロータにてターニングを行うための所定の回転数が確保されると、回転トルクを大きく必要としないことからモータの回転数は低く抑えられることになる。
また、タービンロータを回転させるために伝達された回転トルクが所定値に達した場合に、タービンロータへの回転伝達は遮断されることになる。従って、回転伝達を行う可変速伝導手段等には、所定の回転トルク以上の負荷が作用しなくなって過大な負荷から保護され、また、モータに対しても、過電流が流れることが回避される。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のターニング装置において、
前記可変速伝導手段が、回転速度を無段階に変速する無段変速機とされていることを特徴としている。
【００２６】
このような構成とすることで、タービンロータに伝達する回転速度の変速によって生じるロックアップトルクが減少することとなり、モータからタービンロータに伝達される回転トルクの安定が図られることになる。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２記載のターニング装置において、
前記可変速伝導手段が、前記モータに取り付けられていることを特徴としている。
【００２８】
このような構成とすることで、モータの内部にてタービンロータに伝達する回転速度が変速されることになり、構成の簡略化が図られることになる。また、例えば、モータに供給する電力や消費電力に応じて変速を行うことが可能となり、モータの出力と回転速度の変速とを容易に関連させてターニングを行うことが可能となる。なお、このような構成は、一般にギヤードモータと称するものである。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項記載のターニング装置において、
前記モータが、周波数を制御して電力を供給するインバータに接続されていることを特徴としている。
【００３０】
このような構成とすることで、モータはインバータの制御に応じて出力が変更されることになり、例えば、回転開始時の回転トルクが必要とされる場合であれば、モータの回転数を抑えることができ、過電流を回避しつつターニングを開始させることが可能となる。また、インバータにより低速でモータを起動させることによって、モータとタービンロータとの間での回転伝達にて生じるロックアップトルクが減少することになる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態におけるターニング装置の構成及び機能を説明する概略構成図である。図１において、符号１０ａはターニング装置、１１はターニングモータ、２０’はコントローラ、２１は無段変速機、２２は無段変速機２１の変速動作を行うアクチュエータ、２３はトルクリミッタ、２４はインバータを示している。なお、本図に示すその他の符号については、従来のターニング装置１０（図３参照）の構成と同様であるため、同一符号を用いてその説明を一部省略する。
【００３８】
ターニング装置１０ａは、ターニングモータ１１と、ギヤユニット１２と、コントローラ２０’と、無段変速機２１と、トルクリミッタ２３と、インバータ２４とを主として備えて構成されている。
ターニングモータ１１は、供給される電力の周波数を変更するインバータ２４を介してコントローラ２０’と接続されている。従って、インバータ２４の出力に応じてターニングモータ１１は駆動する。
インバータ２４は、コントローラ２０’と接続されており、コントローラ２０’による指示に従って周波数を変更している。
【００３９】
無段変速機は、本発明にいう可変速伝導手段をいうものであり、ターニングモータ１１の出力軸１１ａに接続されて、該ターニングモータ１１から出力された動力、つまり回転を無段階に変速している。また、無段変速機２１の変速動作は、これに隣接して設置されたアクチュエータ２２によってなされている。
変速動作を担うアクチュエータ２２は、コントローラ２０’と接続されることによって該コントローラ２０’の指示に従って動作するので、無段変速機２１はコントローラ２０’の制御によって変速する構成である。
【００４０】
トルクリミッタ２３は、無段変速機２１とギヤユニット１２との間に備わり、この間で伝達される回転トルクが所定値に達した場合に、タービンロータ２への回転伝達を遮断する機能を有している。なお、トルクリミッタ２３は、定トルククラッチあるいは安全クラッチとも呼ばれるものである。
トルクリミッタ２３の出力軸２３ａの端部には、ベベルギヤ２３ｂが設けられ、ギヤユニット１２に組み込まれて回転を伝達している。
【００４１】
ギヤユニット１２は、従来のターニング装置１０と同様な構成とされ、入力した回転を減速してタービンロータ２に伝達している。
ギヤユニット１２について簡単に説明すると、本図では３本のシャフト１２０，１２１，１２２のそれぞれに異なる歯数のギヤ（１２０ａ，１２０ｂ，１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ）を設け、隣接するシャフトに備わるギヤどうしを互いに噛み合わせることで伝達する回転を減速させている。
従って、伝達する回転速度が減速されることで伝達される回転トルクは増大するので、慣性の大きなタービンロータ２等を回転させることができる。もちろん、伝達される回転トルクの増大が図られることに対して、タービンロータ２への回転は順次減速されるので、タービンロータ２の回転に対してターニングモータ１１の回転は大きくなる。
【００４２】
また、ギヤユニット１２の３段目のシャフト１２２には、移動ギヤ体１２３が従来と同様に備わり、レバー１３及びレバー１３を回動させるアクチュエータ１４とによって伝達する回転の断続を行っている。
【００４３】
さて、以上の構成からなる本実施の形態のターニング装置１０ａは、以下のように動作する。
ターニングを開始する場合、タービンロータ２、タービン４、さらにはタービンロータ２に接続されたコンプレッサ５等はすべて静止状態であるため、運動摩擦係数に比べて大きな静止摩擦係数による摩擦力が生じている。そのため、ターニングの回転開始の瞬間には、ターニングモータ１１の出力に大きな初期回転トルクが必要である。
【００４４】
コントローラ２０’ではこの初期回転トルクを得るために、アクチュエータ２２に対して無段変速機の減速比（速度比）を高く移行させる指示を出す。すると、無段変速機２１では、アクチュエータ２２の変速動作によってギヤユニット１２に伝達する減速比が、例えば１．００から３．００に変更され、ターニングモータ１１から出力された回転トルクは大幅に増大する。
また、このようなタービンロータ２の回転開始時では、該タービンロータ２自体の回転は低速であるので、初期に発生するロックアップトルクについても低下する。
【００４５】
また、コントローラ２０’では、上記説明した無段変速機２１の変速動作とともにインバータ２４に対して低周波数からターニングモータ１１を駆動させるように指示を出す。これにより、ターニングモータ１１はインバータ２４の制御に応じて出力が変更されることにより、ターニングモータ１１とタービンロータ２との間での回転伝達にて生じるロックアップトルクは減少する。
【００４６】
そして、タービンロータ２が回転を開始すると、運動摩擦係数に移行するため摩擦力は低下するので、タービンロータ２を回転させるために必要な回転トルクは低下してくる。従って、コントローラ２０’では、インバータ２４での出力周波数を次第に増大させる指示を出し、また、アクチュエータ２２を介して無段変速機２１の減速比を低く移行させるように指示を出すことになる。
【００４７】
このように、コントローラ２０’がタービンロータ２の回転に伴ってインバータ２４の出力周波数を増大させたり、無段変速機２１の減速比を低く移行させたりすることにより、回転開始時ではターニングに必要な回転数が確保されていない状態から確保された状態に移行することになる。
【００４８】
次に、ターニング装置１０ａの運転制御における保護回路及び保護機構について説明する。
先に説明した構成により、初期回転トルク及びロックアップトルクの低減が図られたことを既に説明した。しかし、蒸気タービン装置１に接続されるコンプレッサ５等の状態や、その他の要因による回転伝達での回転トルクまたはロックアップトルクの急激な増大は時として発生しうるものである。
そして、この一時的な負荷の増大に伴い、ターニングモータ１１には過電流が流れたり、回転を伝達する部分には過大な応力が生じたりする。
【００４９】
このような回転伝達における負荷の急激な変化に対応すべく、本実施の形態のターニング装置１０ａには、保護機構として機能するトルクリミッタ２３と、保護回路として機能する過電流検知モニタ２０ａ（電流検知手段）を有するコントローラ２０’とを備えて構成されている。
【００５０】
トルクリミッタについて説明する。
回転伝達において生じるロックアップトルクは、本実施の形態で示す無段変速機２１であるならば、その値は比較的低く抑えられる。しかし、この無段変速機１１を含めて数段に変速する可変速伝導手段では大きなロックアップトルクが生じる場合がある。従来の場合でも述べたように、ロックアップトルクが生じるとギヤユニット１２や、その他回転を伝達する部分の破損を招く恐れがある。
【００５１】
従って、トルクリミッタ２３は、破損につながるような回転トルクが発生した場合に伝達する回転を遮断し、ターニングモータ１１からの出力をタービンロータ２に伝達しないように機能することになる。
【００５２】
次に、保護回路として機能する過電流検知モニタ２０ａを有するコントローラ２０’について説明する。
回転の伝達によって過大な回転トルクがターニングモータ１１に作用すると、過電流が流れるので、この電流値を常に過電流検知モニタ２０ａにて自動で監視する。そして、過電流検知モニタ２０ａにて過電流が検知された場合、アクチュエータ２２に対して無段変速機２１の減速比を高く移行させる指示を出す。すると、無段変速機２１では、アクチュエータ２２の変速動作によってギヤユニット１２に伝達する減速比が変更され、ターニングモータ１１から出力された回転トルクは無段変速機２１から出力される段階で増大する。
この結果、ターニングモータ１１の負荷が減少して過大な電流が流れなくなり、ターニングモータ１１のトリップの発生が未然に回避されることになる。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態におけるターニング装置１０ａによれば、ターニングモータ１１の必要電力が小さくなるので、ターニングモータ１１の小型化を実現することも可能となり、低コスト化を実現することができる。
また、ターニングモータ１１に過電流が流れることがないので、ターニングモータ１１の破損が回避され、ターニング装置１０ａの信頼性が向上する。
また、ギヤユニット１２に対する負荷の軽減がなされるので、ターニング装置１０ａの使用寿命を向上させることができる。そして、このことによるメンテナンスコストの低減を図ることができる。
さらに、無段変速機の減速比の仕様範囲を変更することにより、予想以上の初期回転トルクが必要とされる場合でも、柔軟に対応してターニングを実施することが可能となる。
【００５４】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態におけるターニング装置について図２を用いて説明する。図２は本実施の形態におけるターニング装置の構成及び機能を説明する概略構成図である。図２において、符号１０ｂはターニング装置、１１’はギヤードモータを示している。なお、本図に示すその他の符号については、第１の実施の形態に示したターニング装置１０ａ（図１参照）の構成と同様であるため、同一符号を用いてその説明を省略する。
【００５５】
ターニングを行うための回転をタービンロータ２に出力するモータは、この内部に可変速伝導手段を備えたギヤードモータ１１’とされ、電力の供給においてはインバータ２４が接続されており、内部に備わる可変速伝導手段においてはコントローラ２０’に接続されている。
【００５６】
従って、ギヤードモータ１１’の内部にてタービンロータ２に伝達する回転速度が変速されることになり、構成の簡略化が図られることになる。また、ギヤードモータ１１’に供給される電力や消費電力に応じて変速を行うことも可能とされ、ギヤードモータ１１’の出力と回転速度の変速とを容易に関連させてターニングを行うことが可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した本発明のターニング装置においては以下の効果を奏する。
請求項１記載の発明は、モータとタービンロータとの間に、モータに対するタービンロータの回転速度を変更する可変速伝導手段を備えた構成とされているので、モータに対する負荷の軽減がなされて過電流が流れることがなくなり、モータのトリップが防止される。従って、ターニング装置の信頼性を向上させることができる。また、変速を行うことでターニングの必要回転数を確実に確保することができるとともに、ターニングの回転数に幅を持たせることが可能となる。また、回転トルクを抑えることができるので、モータの能力を抑えることができ、モータの小型化を図って低コスト化を実現することができる。
また、モータとタービンロータとの間に、所定の回転トルクにて回転伝達を遮断する回転伝達遮断手段が備えられているので、ターニング装置の破損につながる負荷が生じなくなり、ターニング装置の信頼性および耐久性の向上を図ることができる。
【００５８】
請求項２記載の発明は、可変速伝導手段が回転速度を無段階に変速する無段変速機とされているので、ロックアップトルクの低減が図られてターニング装置にかかる負荷が減り、使用寿命を大幅に向上させることが可能となる。また、使用寿命の向上にともない、メンテナンスコストを低減させることが可能となる。
【００５９】
請求項３記載の発明は、可変速伝導手段がモータに取り付けられているので、構成の簡略化を図ることができる。また、モータの出力と回転速度の変速とを容易に関連させてターニングを行うことができ、モータ制御の簡略化を図ることができる。
【００６０】
請求項４記載の発明は、モータが、周波数を制御して電力を供給するインバータに接続されているので、モータの回転数を的確に制御して回転トルクを抑えることができ、過電流によるトリップを回避してターニング装置の信頼性を向上させることが可能となる。
【００６１】
請求項５記載の発明は、モータとタービンロータとの間に、所定の回転トルクにて回転伝達を遮断する回転伝達遮断手段が備えられているので、ターニング装置の破損につながる負荷が生じなくなり、ターニング装置の信頼性および耐久性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態におけるターニング装置の構成及び機能を説明する概略構成図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態におけるターニング装置の構成及び機能を説明する概略構成図である。
【図３】 従来のターニング装置の構成及び機能を説明する概略構成図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ ターニング装置
１１ ターニングモータ（モータ）
１１’ ギヤードモータ（モータ）
１２ ギヤユニット
２０’ コントローラ
２０ａ 過電流検知モニタ（電流検知手段）
２１ 無段変速機（可変速伝導手段）
２３ トルクリミッタ（回転伝達遮断手段）
２４ インバータ

Claims (4)

1. タービンロータの定格回転前後に、モータの動力を用いて該タービンロータを回転させるターニング装置において、前記モータと前記タービンロータとの間には、前記モータに対する前記タービンロータの回転速度を変更する可変速伝導手段が備えられるとともに、
   前記可変速伝導手段と入力した回転を減速して前記タービンロータに伝達するギアユニットとの間には、所定の回転トルクにて回転伝達を遮断する回転伝達遮断手段が備えられていることを特徴とするターニング装置。
2. 請求項１に記載のターニング装置において、前記可変速伝導手段は、回転速度を無段階に変速する無段変速機とされていることを特徴とするターニング装置。
3. 請求項１または請求項２記載のターニング装置において、前記可変速伝導手段は、前記モータに取り付けられていることを特徴とするターニング装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項記載のターニング装置において、前記モータは、周波数を制御して電力を供給するインバータに接続されていることを特徴とするターニング装置。

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