JP4213862B2 - 蒸気タービンと電流を発生するための被駆動機械とを備えた蒸気タービン発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、蒸気タービン装置とこれに接続された電流を発生するための作動機装置とを備えた蒸気タービン発電機に関する。
【０００２】
タービン発電機はたいてい５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの周波数の電源系統に給電するために利用される。出力が大きい場合（例えば３０ＭＶＡ以上の場合）、蒸気タービンは、二極発電機を利用して、３０００ｒｐｍ（ないしは３６００ｒｐｍ）の回転数で運転することが経済的である。しかし出力が小さい場合、蒸気タービンは、（出力に応じて）３０００ｒｐｍより高く１６０００ｒｐｍまでの高い回転数で運転することが経済的である。高速回転する蒸気タービンと所望の電流周波数に応じて回転する発電機との間で、変速装置によって減速する必要がある。
【０００３】
その場合、軸受および変速装置の潤滑および冷却について特に問題が生ずる。
【０００４】
変速装置において、変速装置軸の軸受を特別に潤滑する必要があるだけでなく、変速装置の互いにかみ合う歯の強く荷重される歯面も、入念に、潤滑し冷却しなければならない。高速回転および大きな荷重はそれぞれえり抜きの冷却・潤滑材を必要とし、そのために従来は実際には油しか利用されていない。
【０００５】
通常、蒸気タービン発電機は、主に次の３つの任務を満足する油回路を利用している。即ち、まず第１に、その油は蒸気タービンおよび発電機の軸受に対する潤滑・冷却材として使われる。第２に、蒸気タービンの調整弁は圧油調整シリンダを介して作動される。第３に、その油は変速装置の冷却および潤滑に使われる。それぞれで生ずる損失熱は油回路に放出され、油／水熱交換器において排出される。全体として、これらの３つの任務を満足するために、非常に多量の油が必要とされる。その潤滑油と制御油と変速装置油との比率は約１：６：２となっている。
【０００６】
この油量は多くの問題を生ずる。油回路に漏洩が生じた場合、流出する油により、環境汚染が生じてしまう。このために、例えば漏れ油受けないし油槽に対する囲壁のような予防措置を講じなければならない。更に、漏れ油は重大な火災事故をひき起こす恐れがある。漏れ油が蒸気タービンの５００℃程の高温部品に接触した場合、発火する可能性が高い。油に代わって利用される不燃液はたいていは有毒である。特に軸流排気室を備えた蒸気タービン装置の場合、その排気室内に軸受が存在し、これによって、蒸気回路が多面的な障害を生ずる異種媒体で汚染されることがある。これを防止するために、蒸気タービンの排気室に油が到達しないようにするために、高度で高価な処置を施す必要がある。
【０００７】
なお蒸気調整弁に対して圧油調整シリンダの利用を避け、（固有の回路を必要とする）別の媒体に、あるいは別の作動原理（例えば場合によっては冷却も必要とするリニア駆動装置）に代えることによって、油回路内における油量はかなり減少できる。しかしこれでも、蒸気タービンの排気室において軸受油が蒸気内に流出して汚染を生ずること、あるいは油が大気に流出することは防止できない。そのために、多くの特許出願明細書（例えばヨーロッパ特許第０３０６６３４号明細書、国際公開第９４／０１７１３号明細書、ドイツ特許出願第１９６０６０８８．５号明細書）で特に明らかであるような高度な技術的処置が必要とされる。この問題は、磁気軸受の採用（例えばドイツ特許第４２２７２８０号明細書あるいは同第３１４６３５４号明細書）によって、あるいは永久磁気式及び／又は超伝導構成要素を備えた磁気軸受（ドイツ特許出願公開第４４４４５８７号明細書）によって解決できる。もっともこれらの磁気軸受は高い経費を必要とする。しかし変速装置に対してはなお、冷却材なしに巧く作動する装置は知られていない。
【０００８】
本発明の課題は、蒸気タービン装置と被駆動機械装置とを備えた蒸気タービン発電機において、潤滑材及び／又は冷却材によってひき起こされる上述の問題を除去することにある。
【０００９】
本発明は、まず、蒸気の供給を制御あるいは調整する弁に水圧調整シリンダを利用すること、あるいはこの弁に対して他のオイルレス操作部を利用することによって、油に由来する危険および問題を防止する、という考えから出発している。このことは、発電機のオイルレス軸受に対しても、ないしは被駆動機械装置に存在する機器（発電機、ポンプ、圧縮機など）に対しても当てはまる。本発明は特に、弁の調整駆動装置としてリニアモータを利用することを提案する。被駆動機械装置には、潤滑および冷却のために必要な水量を十分な圧力で軸受に供給できる限り、水冷軸受が適している。
【００１０】
更に本発明は、蒸気タービンで駆動される軸で回転数の減少あるいは増加が行われるときにしか、変速装置は必要とされない、という考えから出発している。蒸気タービンおよび作業機械を同じ回転数で運転できるとき、変速装置は要らず、変速装置の冷却に伴う問題も生じない。電源系統あるいは負荷へ所定の周波数の電流を供給することを保証するために、発電機回転数（即ち高速回転蒸気タービンの回転数）を電流あるいは系統の低い周波数へ整合させることは、発電機に接続された周波数変換器によって行われる。被駆動機械装置がポンプや圧縮機などを含んでいる場合、これらの機械が蒸気タービンの高い回転数に設計されるときも、変速装置は不要である。即ち特に、蒸気タービン装置の蒸気タービンおよび被駆動機械装置の発電機は継手あるいはフランジを介して互いに直結される。
【００１１】
更に本発明は、蒸気タービン装置において潤滑・冷却材として水が利用され、これにより、油の利用に伴う火災の危険および油の漏洩による環境汚染の恐れが防止される、という考えから出発している。従ってタービン発電機全体において、油などの利用を実際に断念できる。軸受が蒸気タービンの軸流排気室内に存在し、その潤滑用ないし冷却用の水が蒸気発電所の水回路から取り出されることによっても、蒸気タービンの排気室に異種媒体が侵入することはなくなる。
【００１２】
本発明の課題は、本発明に基づいて、請求項１に記載の方法および請求項４に記載の蒸気タービン発電機によって解決される。本発明の有利な実施態様はそれらの各従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明に基づいて、蒸気タービン装置と発電機を含んだ被駆動機械装置とを備えた蒸気タービン発電機において、両装置が変速装置を介在せずに互いに直結されている。即ち、蒸気タービンで駆動される部分軸および発電機を駆動する部分軸は、両装置間の範囲において、共通の軸を形成するために、例えばフランジによって互いに直結されているか、あるいは堅固な（例えば単一品の）軸を形成し、その場合、蒸気タービンと発電機との間に存在する２つの軸受は単一の軸受に置き換えられる。
【００１４】
蒸気タービンにおける軸受を潤滑および冷却するために、オイルレス回路、つまり水回路が利用されている。また、被駆動機械装置における軸の軸受に対しても、オイルレス軸受しか利用しない。その場合、発電機は所望の周波数の電流を発生するために用意され、このために、発電機に周波数変換器が後置接続される。蒸気タービンの調整弁を作動するために、特にリニア駆動装置が利用されるか、あるいは類似したオイルレス駆動装置が（特に電気ないし電子調整装置と組み合わせて）利用される。
【００１５】
蒸気タービン発電機は種々に形成でき、例えば上向きあるいは下向きに流れる排気室（全般的に横流排気室）あるいは軸方向に流れる排気室（軸流排気室）を有する１つあるいは複数の蒸気タービンを有する。軸流排気室はたいていは蒸気タービンを発電機と同一階に設置する際に必要とされる。この場合、発電機は蒸気入口室側に連結される。
【００１６】
従って、蒸気タービン発電機全体における油あるいは別の潤滑材を水と置き換えることができる。静止部分（例えば周波数変換器）の冷却も別の媒体（例えば空気あるいは水）によって行えるので、タービン発電機は、好適には、オイルレス構成要素しか持たない。
【００１７】
軸受を冷却および潤滑するために、１つ（あるいは複数の）水回路が設けられ、この水回路から個々の軸受に送水路が出ている。また、複数の部分軸及び／又は軸受を蒸気タービン装置内に設け、これらに共通の水回路を通して送水することもできる。冷却材および潤滑材として利用された水は、軸受から排水路を通して、水回路に有利に戻される。同時にこの水回路によって、好適には、発電機装置あるいは他の被駆動機械の冷却系を運転すること、および蒸気タービン装置への蒸気の供給を行うこともできる。これと同じことは、冷却を必要とする周波数変換器が設けられている場合には、この周波数変換器に対しても当てはまる。蒸気タービンの調整弁を作動するためのリニア駆動装置は、それが冷却を必要とする場合には、水回路を通して水を供給される。これによって、単一の水回路でタービン発電機のすべての損失熱を放出することができる。回路水に伝達された熱エネルギは、好適には、熱交換器によって取り出される。この熱交換器は開放形水回路によって運転されるが、空冷式熱交換器でもよい。
【００１８】
水は比較的大きな熱容量を有しているので、個々の冷却構成要素は比較的小さくなる。更に、蒸気タービンの調整弁に対する調整シリンダを制御するために利用する制御油および変速装置油における従来通常の容積は節約されるので、小さく寸法づけられた構成要素を利用できる。従って全体として、循環する媒体量も減少される。これは、配管および冷却器のような構成要素の大きさ並びに水回路を運転するポンプの必要な動力にも好影響を与える。水回路における水損失分は発電所においてもともと用意されている処理済み水から補充され、この水が蒸気タービンに蒸気を供給するために水回路内に導入されると好ましい。
【００１９】
潤滑材回路および冷却材回路が蒸気タービンと同じ媒体で運転されるので、必要な回路水は発電所の蒸気／水回路からも取り出せる。その場合、有利には、回路水は同時に処理される。場合によって生ずる摩耗粒子あるいは例えば軸受に由来する他の不純物はその際にろ過される。
【００２０】
軸受の冷却・潤滑材に対して並びに蒸気タービンの蒸気発生に対して同じ媒体が利用されるので、特に軸流排気室を備えた蒸気タービンにおいて、軸受シールに漏洩が生じた場合でも、蒸気回路が異種媒体で汚染される恐れなしに、蒸気タービンの排気室内に軸受を配置することができる。
【００２１】
以下図を参照して、潤滑材および冷却材として水を利用するオイルレス式蒸気タービン発電機の２つの実施例を詳細に説明する。
【００２２】
図１には全体を符号１で表した蒸気タービン発電機が概略的に示されている。この蒸気タービン発電機１は、蒸気タービン装置２および他の被駆動機械装置としての発電機装置３を含んでいる。これらの両装置２、３は互いに軸４によって結合されている。この軸４は同じ回転数で回転する複数の部分軸（２つの部分軸４１、４２）から成っている。部分軸４１は蒸気タービン装置２を貫通して延びている。この部分軸４１には蒸気タービン２０の内部において蒸気タービン２０の動翼２１１が設けられている。ここでは分かり易くするために２つの動翼しか示されていない。蒸気タービン２０の車室壁に動翼２１１間に位置する静翼２１２が設けられている。ここでは同様に分かり易くするために２つの静翼しか示されていない。部分軸４２は発電機３０を貫通して延びている。この部分軸４２には発電機３０の電機子３１が設けられている。発電機３０の固定子３２は電機子３１を円周方向において包囲し、発電機３０のハウジング内に存在している。軸４の両部分軸４１、４２は互いにフランジ４３によって直結されている。発電機３０で発生された電流は、そこから配線５１を介して周波数変換器５に導かれる。この周波数変換器５は、軸４の回転数および極数で決定される発電機電流の出力周波数を、給電すべき電源系統の必要な系統周波数に相当する周波数に変換する。電源系統への電流の送電は配線５２を通して行われる。
【００２３】
蒸気タービン２０を駆動する蒸気は蒸気入口室２２を通して供給される。この蒸気の導入は調整弁２２１を介して調整される。この調整弁２２１は１つあるいは複数のリニア駆動装置２２２および電気調整器２２３を介して作動される。
【００２４】
蒸気タービン２０からの排気蒸気は、この実施例の場合、下向きに流れる排気室２３を通して排出される。このような下向きに流れる横流排気室の場合、軸流排気室（図２参照）の場合と異なって、軸４の軸受を排気室２３の内部に設ける必要がない、という利点がある。
【００２５】
軸４は複数の軸受６によって支持されている。これらの軸受６はここでは滑り軸受として形成されている。これらの軸受６に対する潤滑・冷却材として水が使われている。この水は送水管７０および還流管７１によって用意される。この水回路はポンプ８０によって運転される。冷却・潤滑材として作用する回路水は、水回路から出ている送水路７２を通して軸受６に供給される。この回路水は軸受６において冷却・潤滑材として作用する。これによって、軸受において滑り摩擦によって生ずる熱エネルギは回路水によって放出される。その回路水は軸受６から排水路７３を介して還流管７１に導かれる。
【００２６】
水回路（７０、７１）の回路水が、タービン発電機の他の構成要素を冷却するために利用されることが有利である。図１の実施例において、回路水は発電機３０を冷却するためにも利用される。回路水は送水路７４を介して発電機３０の冷却系３３に供給され、そこから排水路７５を介して還流管７１に導かれる。同じようにして、場合によって必要なリニア駆動装置２２２が冷却される。即ち、リニア駆動装置２２２に回路水が送水路７６を介して導かれ、排水路７７を介して還流管７１に導かれる。同じようにして有利に、周波数変換器５の冷却が行われる。その冷却系（図示せず）に回路水が送水路７８を通して導かれ、排水路７９を介して還流管７１に戻される。
【００２７】
回路水（７０、７１）は、その熱エネルギを開放形熱交換水回路８１に熱交換器８によって放出することによって、冷却される。それに代わってあるいはそれと組み合わせて、回路水を空冷式熱交換器９によって冷却することもできる。
【００２８】
冷却水がタービン蒸気を発生するための水も供給する発電所の水回路（図示せず）から取り出されることが、特に有利である。その場合の特別な利点は、回路水が蒸気回路の水と一緒に処理されることにある。
【００２９】
図２には、軸流排気室を備え潤滑・冷却材として水を利用しているオイルレス式蒸気タービン発電機の実施例が示されている。図１の実施例に相当する構成要素には、図１と同一符号が付されている。特に蒸気タービン発電機に符号１が付されている。ここでも、蒸気タービン装置２は発電機装置３に軸４（つまり２つの部分軸４１、４２）によって結合されている。両部分軸４１、４２はフランジ４３によって互いに直結されている。部分軸４２は発電機３０における電機子３１を支持している。発電機３０内にある固定子３２はこの電機子３１に隣接して位置している。発電機３０で発生した電流は配線５１を介して周波数変換器５に導かれ、この周波数変換器５は周波数変換後に配線５２を介して電源系統に電流を供給する。部分軸４１は蒸気タービン２０の内部において動翼２１１を有している。蒸気タービン２０の静止部分に、動翼２１１間に位置する静翼２１２が存在している。
【００３０】
この実施例の場合、図１の実施例と異なって、蒸気タービン２０は軸線方向に排気する軸流排気室２３′を有している。このような軸流排気室は特に蒸気タービンを発電機と同一階に設置する場合（例えばガスタービンと結合する場合にも）必要とされる。図から明らかに理解できるように、発電機３０は蒸気タービン２０の蒸気入口室２２側に連結されている。排気室２３′に通常復水器（図示せず）あるいは背圧室（図示せず）が続いている。下向きあるいは横向きの排気室を備えた蒸気タービンの実施例と異なって、軸流排気室を備えた蒸気タービンは蒸気の流れの中に軸受を設置する必要がある。その配置は図２の右側部分から理解できる。そこには、排気室２３′の内部に軸４を包囲する軸受６が存在している。この配置のために、冷却・潤滑材が軸受６から蒸気回路に到達する重大な危険がある。ここでも本発明に基づいて、軸受６を潤滑および冷却するために送水管７０からの回路水を利用することによって、排気室２３′の内部に存在する軸受６に対する異種の冷却・潤滑材による蒸気回路の汚染は、実際に生じなくなる。
【００３１】
その回路水は軸受６に送水路７２を通して供給され、排水路７３を通して還流管７１に送られる。図１の実施例と同様に、ここでも、発電機３０の冷却系統３３に送水路７４および排水路７５を介して回路水を供給することが有利である。同様に、（必要な場合には）リニア駆動装置２２２の冷却および周波数変換器５が必要である場合にはその冷却も、水回路（７０／７１）からの回路水で行うことが有利である。
【００３２】
勿論、上述の２つの実施例において、２分割構造の軸４を単一軸にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 潤滑・冷却材として水が利用される横流排気室（つまり下向きに流れる排気室）を備えたオイルレス蒸気タービン発電機の概略構成図。
【図２】 潤滑・冷却材として水が利用される軸流排気室を備えたオイルレス蒸気タービン発電機の概略構成図。
【符号の説明】
１ 蒸気タービン発電機
２ 蒸気タービン装置
３ 被駆動機械装置
４ 軸
５ 周波数変換器
６ 軸受
２０ 蒸気タービン
３０ 発電機
４１ 部分軸
４２ 部分軸
７０ 送水管
７１ 還流管
２２１ 調整弁
２２２ リニア駆動装置

Claims (10)

1. 蒸気タービン装置（２）と発電機（３０）を含む被駆動機械装置（３）とを備えた蒸気タービン発電機の運転方法において、蒸気タービン装置（２）にオイルレス作動弁（２２１）によって蒸気が供給され、蒸気タービン装置（２）内において軸受（６）で支持されている軸（４）の部分軸（４１）が蒸気タービン（２０）によって回転させられ、軸の同じ回転が、被駆動機械装置（３）内においてオイルレス式に軸受で支持されている部分軸（４２）によって発電機（３０）に変速装置を介在せずに伝達され、軸受（６）に冷却・潤滑材として水が供給され、発電機（３０）からの電流が周波数変換器（５）を介して予め設定された系統周波数で負荷系統（５２）に供給される蒸気タービン発電機の運転方法。
2. 回転部分に対するすべての軸受（６）が、水回路（７０／７１）からの処理済み水で潤滑および冷却される請求項１記載の方法。
3. 水回路から、蒸気タービン用の蒸気を発生するための水も取り出される請求項２記載の方法。
4. 蒸気タービン装置（２）と被駆動機械装置（３）とを備えた蒸気タービン発電機において、蒸気タービン（２０）に調整弁（２２１）を介して蒸気が供給され、この蒸気によって、蒸気タービン装置（２）の軸受（６）で支持されている部分軸（４１）を持つ軸（４）が回転させられ、軸（４）によって被駆動機械装置（３）の発電機（３０）が駆動され、軸受（６）と、蒸気タービン（２０）によって変速装置を介在することなしに駆動されオイルレス式に軸受で支持されている発電機（３０）の部分軸（４２）と、蒸気調整弁（２２１）のオイルレス作動装置とに対する潤滑・冷却材としての水の回路（７０／７１）が設けられ、発電機（３０）に、負荷系統に供給するために所望の周波数の電流を発生する周波数変換器（５）が後置接続されている蒸気タービン発電機。
5. 軸（４）が、蒸気タービン装置の部分軸（４１）、被駆動機械装置の部分軸（４２）および両部分軸の堅固な継手（４３）から形成されている請求項４記載の蒸気タービン発電機。
6. 蒸気タービン装置（２）の部分軸（４１）および被駆動機械装置（３）の部分軸（４１）とを備えた軸が単一品から成り、軸受（６）だけで支持されている請求項４又は５記載の蒸気タービン発電機。
7. 蒸気タービン装置（２）が軸流排気室を有し、この軸流排気室内に軸受（６）が配置されている請求項４ないし６のいずれか１つに記載の蒸気タービン発電機。
8. 被駆動機械装置（３）の被駆動部分軸（４２）に対する少なくとも１つの軸受が、潤滑・冷却材として水を供給される請求項４ないし７のいずれか１つに記載の蒸気タービン発電機。
9. 調整弁（２２１）がオイルレス式リニア駆動装置（２２２、２２３）を有している請求項４ないし８のいずれか１つに記載の蒸気タービン発電機。
10. 水回路（７０／７１）が、発電所の水回路、特に蒸気タービン装置（２）用の蒸気を供給する水回路からの処理済み水を供給される請求項４ないし９のいずれか１つに記載の蒸気タービン発電機。

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