JP4347269B2

JP4347269B2 - タービン

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Publication number: JP4347269B2
Application number: JP2005188510A
Authority: JP
Inventors: 智之大西; 民暁中澤; 西本　　慎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: JP2007009731A

Description

本発明は、蒸気タービンやガスタービンといったように、蒸気や燃焼ガス等の作動流体により主軸を回転させて動力を得るタービンに関する。

一般のタービンにおいては、外形を構成するタービン車室内に、これに対して軸回転可能に主軸が設けられている。この主軸には、これと同軸上で複数段に亘ってロータディスクが設けられ、各ロータディスクの外周からは複数の動翼が放射状に延出している。このロータディスクと動翼とは、主軸と一体で回転する。また、タービン車室の内壁には、主軸に沿って動翼と交互に配置される態様で静翼が取り付けられている。

このようなタービンでは、タービン車室の一端からその内部へ作動流体が送り込まれ、この作動流体が動翼と静翼とを交互に経てタービン車室の他端へ向けて流動する過程で、動翼（ロータディスク）に回転力を与える。これにより、主軸が回転駆動されて回転の動力が得られる。この回転の動力は発電等に活用される。ここでの作動流体としては、蒸気タービンの場合は、ボイラ等で生成された高圧蒸気であり、ガスタービンの場合は、燃焼器において圧縮空気と燃料との燃焼により生じた高温高圧の燃焼ガスである。

続いて、従来のタービンの具体的な構造について、図面を参照しながら説明する。先ず図７〜図９に示すように、その一例であるタービン車室１は、概ね円筒状であり、上下に分割された下半車室２と上半車室３とより成る。下半車室２と上半車室３とは、共に鋳鉄品や鋳鋼品であって、下半車室２の上に上半車室３が載せられ、両者がボルト（不図示）等で締結されることにより接合される。ここでの下半車室２と上半車室３との接合面Ｃ（分割面）上に、主軸（不図示）の中心軸が含まれる。

また、下半車室２の両端からは、それぞれ一対の突出部４が張り出している。これらの各突出部４の上面は、下半車室２と上半車室３との接合面Ｃと同一平面上にある。一方、上半車室３の両端からは、下半車室２の各突出部４のつけ根付近にそれぞれ接合される突出部５が張り出している。

下半車室２の各突出部４の下方には、地盤の基礎に固定された支柱６がそれぞれ配置されており、タービン車室１は、それらの各支柱６の上に各突出部４が載せられて支持される。この支持にあたっては、図９に示すように、支持する側である各支柱６の上面と、支持される側である各突出部４の被支持面４ａと、の間にそれぞれ敷板７が挟み込まれており、それぞれ上方から突出部４及び敷板７を貫通するボルト８が支柱６にねじ込まれることにより、各突出部４と各支柱６とが各敷板７を介在した状態で締結されて固定される。なお、支持される側の下半車室２の各突出部４は、その形状から猫足と呼ばれ、支持する側の各支柱６は猫足台と呼ばれることがある。

このような図７〜図９に示すタービンでは、タービン車室１の支持される面、すなわち下半車室２の突出部４における被支持面４ａが、下半車室２と上半車室３との接合面Ｃより、下方に高さＨずれている。つまり、タービン車室１が、その中心軸から高さＨの分低い面（被支持面４ａ）で支持されている。このような支持方式は、その態様から非センターサポート式と呼ばれることがある。

こういった非センターサポート式のタービンとは別に、図１０〜図１２に示すようなタービンがある。このタービンは、上記した図７〜図９に示すタービンと比較して、下半車室２の各突出部４の形状が異なる以外は同じである。つまり、図１０〜図１２に示すように、下半車室２の両端からの各突出部４は、つけ根付近ではそれらの各上面が下半車室２と上半車室３との接合面Ｃと同一平面上となるように突出しつつ、その後上方へ折れ曲がって更に張り出している。

このような図１０〜図１２に示すタービンでは、タービン車室１の支持される面、すなわち下半車室２の突出部４における被支持面４ａが、下半車室２と上半車室３との接合面Ｃと同一平面上にある。つまり、タービン車室１が、その中心軸を含む面（被支持面４ａ）で支持されている。このような支持方式は、その態様からセンターサポート式と呼ばれることがある。

ところで、運転中のタービンを停止させたときには、次第に、タービン車室１内の空気の対流によって温度の高い空気が上半車室３内に移り、上半車室３の温度が下半車室２の温度よりも高くなる。すると、その上下温度差の影響で、上半車室３の方が下半車室２よりも熱伸びした様相になり、その結果、タービン車室１が下半車室２の各突出部４における被支持面４ａを支点に猫の背のように反る現象、いわゆるキャットバックが発生する。キャットバックが生じると、タービン車室１が鉛直上方へ変位して回転系と静止系との鉛直方向での隙間が下側で狭まるため、この狭まった個所で両者が干渉してしまい損傷に至る危険性がある。

特に、上記した非センターサポート式のタービンでは、キャットバックによるタービン車室１の鉛直上方への変位が大きくなる傾向にある。下半車室２の各突出部４における高さＨの部分にも被支持面４ａから鉛直上方への熱伸びが生じるため、これがキャットバックによるタービン車室１の鉛直上方への変位に加算されるからである。従って、センターサポート式のタービンの方が非センターサポート式のタービンよりもキャットバックの変位低減に優れると言える。

ここで、上記のセンターサポート式、非センターサポート式のタービンに対して、キャットバックが発生しても、回転系と静止系との鉛直方向下側での隙間を確保すべく、運転中のタービンを停止させたとき、下半車室２の各突出部４を強制冷却し、これによりタービン車室１全体を鉛直下方へ下げるように工夫したものがある（例えば特許文献１、２参照）。これとは別に、下半車室２の各突出部４に対して上半車室３の各突出部５から放射される熱を遮断して、下半車室２の各突出部４からの放熱を促進させるように工夫したものもある（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開平１０−１８８０６号公報特開平１０−５４２０９号公報特開平４−２６２００６号公報

しかし、上記した従来のタービンでは、下半車室２と上半車室３との温度差が生じることには変わりはなく、キャットバックは依然発生してしまう。特に、下半車室２の各突出部４を強制冷却したり、それらの各突出部４からの放熱を促進させたりした場合、下半車室２の保有する熱が積極的に各突出部４に伝わって、下半車室２の温度が低下していくことが想定されため、下半車室２と上半車室３との温度差がより顕著になって、キャットバックによる変位が大きくなるおそれがある。

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、キャットバックの発生を抑制できるタービンを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明によるタービンは、下半車室と上半車室とが互いに上下に接合されて成るタービン車室が、前記下半車室の両端それぞれから突出する突出部を支柱で支持されており、前記突出部における被支持面が前記下半車室と前記上半車室との接合面と同一平面上にあるタービン、すなわちセンターサポート式のタービンにおいて、前記突出部を含む前記下半車室、及び前記上半車室の表面が、保温材で覆われている。

このようにすると、運転中のタービンを停止させた後は、保温材により、タービン車室、すなわち下半車室及び上半車室から外部へ放射される熱は著しく抑えられ、上半車室の温度と下半車室の温度とがほぼ同等になる。もっとも、下半車室の各突出部、及び上半車室の各突出部を含めて外部への放熱が著しく抑えられ、各突出部を含めた全域に亘って上半車室の温度と下半車室の温度とがほぼ同等になる。従って、キャットバックの発生を抑えることが可能になる。

ここで、実用性を踏まえ、前記突出部における被支持面と前記支柱との間に敷板が挟み込まれている。

この場合、タービン車室の鉛直上方への変位を抑える観点から、前記敷板の熱伝導率が前記突出部の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。同様の観点から、前記敷板の線膨張係数が前記突出部の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。

また、同じくタービン車室の鉛直上方への変位を抑える観点から、前記支柱の線膨張係数が前記突出部の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。

また、同様の観点から、前記支柱の表面に、放熱フィンが取り付けられていることが好ましい。

また、同様の観点から、前記支柱の表面が、放熱膜で被覆されていることが好ましい。

また、同様の観点から、前記支柱の内部に、冷却流体を流通する通路が形成されていることが好ましい。

また、同様の観点から、前記支柱に対し、前記保温材を通じた前記突出部からの熱を遮る遮熱板が設けられていることが好ましい。

本発明のタービンによれば、運転中のタービンを停止させた後、上半車室の温度と下半車室の温度とが全域に亘ってほぼ同等になるため、キャットバックの発生を抑えることが可能になる。

以下に、本発明のタービンの実施形態について、図面を参照しながら詳述する。先ず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態のタービンにおける支持部付近を示す側面図である。なお、図中で図７〜図１２と同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。後述する第２〜第６実施形態においても同様とする。

本実施形態のタービンは、上記したセンターサポート式のタービン（図１０〜図１２参照）であって、図１に示すように、タービン車室１の支持される面、すなわち下半車室２の突出部４における被支持面４ａが、下半車室２と上半車室３との接合面Ｃと同一平面上にある。従って、キャットバックの変位低減には、非センターサポート式のタービン（図７〜図９参照）よりも、基本的に優れたタービンである。なお、後述する第２〜第６実施形態のタービンも同様である。

特に本実施形態では、タービン車室１を形成する各突出部４を含む下半車室２、及び各突出部５を含む上半車室３について、外部に表出する素材の表面が全域に亘って保温材１０（図１中の太い破線参照）で覆われている。ここでの保温材１０としては、耐熱性にも優れた、グラスウール、ロックウール、ケイ酸カルシウム板、アルミナ・シリカを主成分とするセラミックファイバー等が例示される。

このようにすると、運転中のタービンを停止させた後は、タービン車室１内の空気の対流によって上半車室３の温度が下半車室２の温度よりも高くなる様相となるが、タービン車室１が保温材１０によって保温されるため、タービン車室１、すなわち下半車室２及び上半車室３から外部へ放射される熱は著しく抑えられる。これにより、上半車室３の保有する熱が下半車室２に伝わって、上半車室３の温度と下半車室２の温度とがほぼ同等になる。もっとも、上半車室３の各突出部５は勿論のこと、下半車室２の各突出部４を含めた保温材１０による保温によって、各突出部４、５からの外部への放熱も著しく抑えられることから、各突出部４、５を含めた全域に亘って上半車室３の温度と下半車室２の温度とがほぼ同等になる。従って、キャットバックの発生を抑えることが可能になる。

また、本実施形態では、各支柱６の上面と、下半車室２の各突出部４の被支持面４ａと、の間に挟み込まれた各敷板７が、それらの各突出部４すなわち下半車室２よりも熱伝導率の小さい材料から成る。ここでの敷板７の材料としては、アルミナや炭化ケイ素や窒化ケイ素等のセラミックが例示される。

このようにすると、下半車室２の突出部４の保有する熱の支柱６への熱伝導が敷板７によって著しく遮断される。そのため、タービン車室１の温度、特に下半車室２の突出部４の温度をより十分に確保できる。しかも、支柱６の不用意な昇温が防止され、その結果として、支柱６の熱膨張によるタービン車室１の鉛直上方への変位を抑えることができる。

また、各敷板７が、下半車室２の突出部４よりも熱膨張係数の小さい材料から成るものでもよい。ここでの敷板７の材料としては、アルミナや炭化ケイ素や窒化ケイ素等のセラミックの他に、線膨張係数が５×１０^-6［Ｋ^-1］程度である金属クロム（Ｃｒ）等が例示される。

このようにすると、敷板７に下半車室２の突出部４から熱が伝わったとしても、敷板７の熱膨張が抑えられるため、その結果として、敷板７の熱膨張に伴うタービン車室１の鉛直上方への変位を抑えることができる。

また、各支柱６が、下半車室２の突出部４よりも熱膨張係数の小さい材料から成るものでもよい。ここでの支柱６の材料としては、線膨張係数が５×１０^-6［Ｋ^-1］程度である金属クロム（Ｃｒ）等が例示される。

このようにすると、支柱６に敷板７を経て下半車室２の突出部４から熱が伝わったとしても、支柱６の熱膨張が抑えられるため、その結果として、支柱６の熱膨張に伴うタービン車室１の鉛直上方への変位を抑えることができる。

また、下半車室２の各突出部４と各支柱６とを締結する各ボルト８が、それらの各突出部４すなわち下半車室２よりも熱伝導率の小さい材料から成る。ここでのボルト８の材料としては、下半車室２が例えば鋳鉄品（熱伝導率：４３［Ｗ／ｍＫ］程度）である場合、熱伝導率が１６［Ｗ／ｍＫ］程度であるステンレスが例示される。

このようにすると、下半車室２の突出部４の保有する熱が、ボルト８に伝わり難くなるため、支柱６の不用意な昇温が防止され、その結果として、支柱６の熱膨張によるタービン車室１の鉛直上方への変位を抑えることができる。

次に、本発明の第２実施形態について、図２を参照しながら説明する。本第２実施形態の特徴は、上記した第１実施形態のタービンに対して、タービン車室１の鉛直上方への変位をより抑えるように図った点にある。

本実施形態では、図２に示すように、各支柱６について、外部に表出する素材の表面に放熱フィン１１が溶接等によって取り付けられている。この放熱フィン１１は、熱伝導率の大きい複数枚の金属薄板が互いに間隔をあけて順に対向配置されたものである。

このようにすると、支柱６に伝わった熱は放熱フィン１１より積極的に放射される。これにより、支柱６の不用意な昇温が防止されるため、支柱６の熱膨張を抑えることができ、その結果として、タービン車室１の鉛直上方への変位の抑制につながる。

次に、本発明の第３実施形態について、図３を参照しながら説明する。本第３実施形態の特徴は、上記の第２実施形態と同様の観点から、上記した第１実施形態のタービンに対して、タービン車室１の鉛直上方への変位をより抑えるように図った点にある。

本実施形態では、図３に示すように、各支柱６について、外部に表出する素材の表面が全域に亘って放熱膜１２（図３中の太い点線参照）で被覆されている。ここでの放熱膜１２は、被覆対象物の保有する熱を吸収して外部へ放射する特質を有するものであって、放射率の高い黒体塗料や黒体スプレー、つや消し黒の塗料等が例示される。ちなみに、支柱６が鋳鉄品である場合、その表面が素材のままでは放射率が０．８程度であるが、黒体塗料や黒体スプレーを被覆することで放射率が約０．９５、つや消し黒の塗料を被覆することで放射率が０．９以上に達する。

このようにすると、支柱６に伝わった熱は放熱膜１２より積極的に放射される。これにより、支柱６の不用意な昇温が防止されるため、支柱６の熱膨張を抑えることができ、その結果として、タービン車室１の鉛直上方への変位の抑制につながる。なお、上記の第２実施形態に適用するとより効果的である。

次に、本発明の第４実施形態について、図４を参照しながら説明する。本第４実施形態の特徴は、上記の第２、第３実施形態と同様の観点から、上記した第１実施形態のタービンに対して、タービン車室１の鉛直上方への変位をより抑えるように図った点にある。

本実施形態では、図４に示すように、各支柱６について、その内部に通路１３が形成されている。この通路１３内には、空気や水等の冷却流体が一端から送り込まれ、他端から排出されるようになっている。

このようにすると、支柱６に伝わった熱は通路１３内を流通する冷却流体との間で熱交換される。これにより、支柱６が冷却されるため、支柱６の熱膨張を抑えることができ、その結果として、タービン車室１の鉛直上方への変位の抑制につながる。なお、上記の第２、第３実施形態に適用するとより効果的である。

次に、本発明の第５実施形態について、図５を参照しながら説明する。本第５実施形態の特徴は、上記の第２〜第４実施形態と同様の観点から、上記した第１実施形態のタービンに対して、タービン車室１の鉛直上方への変位をより抑えるように図った点にある。

本実施形態では、図５に示すように、各支柱６に対して、保温材１０を通じた下半車室２の各突出部４からの熱を遮る遮熱板１４が設けられている。ここでの遮熱板１４としては、鉄板が用いられ、各支柱６の側面のうちの各突出部４と向き合う側面に溶接等によって取り付けられる。

このようにすると、下半車室２の各突出部４から保温材１０を通じて外部へ漏れた熱は、各支柱６に至る前に遮熱板１４によって遮断される。これにより、支柱６の不用意な昇温が防止されるため、支柱６の熱膨張を抑えることができ、その結果として、タービン車室１の鉛直上方への変位の抑制につながる。なお、上記の第２〜第４実施形態に適用するとより効果的である。

次に、本発明の第６実施形態について、図６を参照しながら説明する。本第６実施形態の特徴は、上記した第１実施形態のタービンに対して、タービン車室１の温度の安定化、特に、温度が低下しやすい状況下にある下半車室２の各突出部４、及び上半車室３の各突出部５における温度の安定化を図った点にある。

本実施形態では、図６に示すように、上半車室３の各突出部５について、下半車室２の各突出部４に接合される部分が増すように、体積Ｖ（図６中の網掛け部参照）を付加している。そして、この体積Ｖも含めて保温材１０で覆う。

このようにすると、増した体積Ｖの分だけ下半車室２の各突出部４、及び上半車室３の各突出部５に蓄え得る熱量が増える。これにより、下半車室２の各突出部４、及び上半車室３の各突出部５がより温度低下し難くなるため、各突出部４、５を含めたタービン車室１全域に亘って温度が安定し、その結果として、キャットバックの発生をより抑えることが可能になる。なお、上記の第２〜第５実施形態に適用しても構わない。また、本実施形態では、体積Ｖを上半車室３の各突出部５に付加したが、下半車室２の各突出部４に付加しても同様の効果を得ることができる。

その他本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明は、作動流体により主軸を回転させて動力を得るタービンに有用である。

本発明の第１実施形態のタービンにおける支持部付近を示す側面図である。本発明の第２実施形態のタービンにおける支持部付近を示す側面図である。本発明の第３実施形態のタービンにおける支持部付近を示す側面図である。本発明の第４実施形態のタービンにおける支持部付近を示す一部に断面を含む側面図である。本発明の第５実施形態のタービンにおける支持部付近を示す側面図である。本発明の第６実施形態のタービンにおける支持部付近を示す側面図である。従来のタービンの一例である非センターサポート式のタービンの外観を示す側面図である。図７のタービンの上面図である。図７のタービンにおける支持部付近を示す側面視での断面図である。本発明にも共通するセンターサポート式のタービンの外観を示す側面図である。図１０のタービンの上面図である。図１０のタービンにおける支持部付近を示す側面視での断面図である。

符号の説明

１タービン車室
２下半車室
３上半車室
４突出部
４ａ被支持面
５突出部
６支柱
７敷板
８ボルト
１０保温材
１１放熱フィン
１２放熱膜
１３通路
１４遮熱板
Ｃ接合面

Claims

下半車室と上半車室とが互いに上下に接合されて成るタービン車室の前記下半車室の両端それぞれから突出する突出部が支柱で支持されており、前記突出部における被支持面が前記下半車室と前記上半車室との接合面と同一平面上にあるタービンにおいて、
前記突出部を含む前記下半車室、及び前記上半車室の表面が、保温材で覆われていることを特徴とするタービン。
前記突出部における被支持面と前記支柱との間に敷板が挟み込まれていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
前記敷板の熱伝導率が前記突出部の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載のタービン。
前記敷板の線膨張係数が前記突出部の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項２又は３に記載のタービン。
前記支柱の線膨張係数が前記突出部の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のタービン。
前記支柱の表面に、放熱フィンが取り付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のタービン。
前記支柱の表面が、放熱膜で被覆されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のタービン。
前記支柱の内部に、冷却流体を流通する通路が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のタービン。
前記支柱に対し、前記保温材を通じた前記突出部からの熱を遮る遮熱板が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のタービン。