JP4974269B2 - 回転装置駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、タービンなどの回転装置に関し、特に、蒸気タービンの回転装置において使用するためのクラッチアセンブリに関する。

蒸気タービンは、一般に、発電所において発電機を駆動するために使用される。典型的な蒸気タービンは、蒸気タービンの数多くの構成要素の各々を熱応力による損傷から保護するために、始動及び停止が制御されなければならない大型で複雑な機械装置である。多くの場合、熱応力に起因する損傷は、動作停止中の構成要素の冷却が不均一になること、又は始動中の構成要素の加熱が不均一になることによって起こる。

動作停止中又は始動中に特に熱応力の影響を受けやすい蒸気タービンの構成要素の一例は、タービン回転子である。例えば、グランドシール蒸気カットインを伴って始動される蒸気タービンのタービン回転子は、わずか数分間、静止状態に放置されただけであっても、湾曲又はひずみを発生する。同様に、動作停止後に冷却中である静止状態のタービン回転子も、短時間で湾曲することがある。しかし、始動中又は動作停止中の蒸気タービンのタービン回転子を、始動手順又は動作停止手順の間に、低速で強制的に回転させると、タービン回転子は湾曲しない。始動中又は動作停止中に、タービン回転子を低速で回転させることにより、タービン回転子は、ひずみ又は湾曲を起こさずに、熱応力に耐えられるようになる。始動中及び動作停止中に、タービン回転子を回転させるために、通常、回転装置が設置される。回転装置は、始動手順又は動作停止手順の間に、タービン回転子を低速で（例えば、毎分３〜５回転（３〜５ｒｐｍ）の速度で）回転する状態に保持する。

通常、回転装置は、電動機、減速装置及び係合機構を含む。電動機は、通常、１，１００ｒｐｍ程度の速い回転速度で動作し、従って、タービン回転子を約３〜５ｒｐｍの回転速度に減速するために、減速装置が必要である。減速装置は、例えば、電動機の回転速度とタービン回転子の回転速度の比を２００対１にする一連の歯車を介して、電動機の出力軸からタービン回転子へトルクを伝達する。係合機構は、減速装置をタービン回転子に係合させる又はその係合を解除するための機構を構成する。

蒸気タービンにおいては、ある量の蒸気漏れが起こるのが一般的である。場合によっては、蒸気漏れの量は、タービン回転子の回転速度を増すほどに多くなる。従来のタービンにおいては、タービン回転子の回転速度が、回転装置からのトルクの結果として得られる回転速度を超えるまで速くなると、タービン回転子から減速装置へ、トルクが伝達されていた。そこで、減速装置は、電動機の出力軸を、例えば、タービン回転子の速度の２００倍の速度で回転させることにより、電動機にトルクを供給する。多くの場合、電動機に供給されるトルクは、過速度を引き起こし、電動機に最も近接する減速装置、従って、回転装置をも損傷又は破壊するほど大きいものであった。
米国特許第５，４３３，０７９号公報 米国特許第５，６０６，８５９号公報 回転装置の損傷又は破壊を防止するために、タービン回転子の回転速度が所定のレベルに到達した場合に、回転装置とタービン回転子との係合を解除させる過速度保護手段が開発された。そのような過速度保護は、回転装置の損傷又は破壊を防止するという点では有用であったが、保護に際して、障害を伴っていた。操作担当者が回転装置の係合解除に気づかないと、その後に、蒸気漏れが減少し、それにより、タービン回転子が湾曲状態又はひずんだ状態になった場合に、最終的には、回転子は惰力で回転して、停止するに至る。操作担当者が回転装置の係合解除に気づいた場合には、回転装置を再度係合させることができるであろうが、このプロセスが長時間繰り返されていると、操作担当者の他の重要な操作への注意力が散漫になってしまうおそれがある。更に、操作担当者が、再係合を防止する安全制御装置を無視して、強制的にタービン回転子を回転させることにより、回転装置の損傷を招く事態も起こるであろう。

従って、上述の欠点を克服する回転装置を開発することが望まれる。

本発明の実施形態は、回転装置のクラッチアセンブリを含む。クラッチアセンブリは、過回転クラッチ、出力軸、及び遠心クラッチを含む。過回転クラッチは、入力軸に配置される。出力軸は、過回転クラッチを介して入力軸と機械的に連係する。遠心クラッチは、出力軸の一部に配置される。

本発明の別の実施形態は、タービン回転子の回転装置アセンブリを含む。回転装置アセンブリは、電動機と、クラッチアセンブリと、減速装置アセンブリと、係合解除アセンブリとを含む。電動機は、第１の速度で第１の回転出力を発生するように構成される。クラッチアセンブリは、電動機と機械的に連係する。減速装置アセンブリは、クラッチアセンブリと機械的に連係する。減速装置アセンブリは、クラッチアセンブリを介して電動機から第１の回転出力を受け取るのに応答して、第２の速度で第２の回転出力を発生するように構成される。第２の速度は、第１の速度より遅い。減速装置アセンブリは、減速装置アセンブリがタービン回転子に係合するのに応答して、第２の回転出力をタービン回転子へ伝達するように構成される。係合解除アセンブリは、減速装置アセンブリとタービン回転子との係合を解除するように構成される。

本発明の上記の目的、特徴及び利点、並びにその他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と関連させて以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。図中、同一の図中符号は、同一の要素を示す。

そこで、図面を参照して説明する。いくつかの図において、同一の要素は、同一の図中符号により示される。

図１は、一実施形態による回転装置アセンブリのブロック図を示す。回転装置アセンブリ１００は、電動機１０と、クラッチアセンブリ１２と、第１の減速歯車装置１４と、第２の減速歯車装置１６と、係合解除アセンブリ１８と、タービン回転子２０とを含む。尚、本明細書の開示は、電動機を有する回転装置アセンブリを説明するが、回転出力を供給するのに適する他のあらゆる手段も想定される。

一実施形態の電動機１０は、同期交流（ＡＣ）電動機であるが、直流（ＤＣ）電動機を含めて、適切なあらゆる電動機が想定される。電動機１０は、電気エネルギーを、電動機軸２２（図２を参照）に加えられるトルクの形をとる機械エネルギーに変換し、それにより、電動機軸２２を第１の速度で回転させる。電動機軸２２は、電動機１０の出力を、クラッチアセンブリ１２を介して第１の減速歯車装置１４へ伝達する。

第１の減速歯車装置１４は、クラッチアセンブリ１２を介して、電動機１０と機械的に連係する。従って、第１の速度の電動機軸２２の回転は、第１の減速歯車装置１４へ回転入力として伝達される。第１の減速歯車装置１４は、第１の速度の回転入力を第２の速度の回転出力に変換するように構成された複数の歯車（図示せず）を具備する。第２の速度は、第１の速度より遅い。一実施形態においては、第１の減速歯車装置１４は、遊星歯車減速装置（図示せず）を含むが、ハイポイド歯車減速装置又は他の何らかの適切な減速歯車装置も想定される。第１の減速歯車装置１４は、第２の減速歯車装置１６と機械的に連係し、第２の速度の回転出力を第２の減速歯車装置１６に入力として供給する。

第２の減速歯車装置１６は、第１の減速歯車装置１４からの第２の速度の回転出力を、第２の速度より遅い第３の速度の回転装置回転出力に変換するように構成された複数の歯車を含む。回転装置回転出力がタービン回転子２０に伝達されることにより、タービン回転子２０が低速で回転されるように、第２の減速歯車装置１６は、タービン回転子２０と機械的に連係可能である。

係合解除アセンブリ１８は、クラッチアセンブリ１２及び第２の減速歯車装置１６と機械的に連係する。係合解除アセンブリ１８は、クラッチアセンブリ１２からの過速度信号１９による機械トルクに応答して、第２の減速歯車装置１６とタービン回転子２０との係合を解除させるように構成される。

図２は、一実施形態によるクラッチアセンブリ１２の部分横断面図を示す。クラッチアセンブリ１２は、撓み継手３０、入力軸３２、フランジ３４、保持ボルト３６、オーバーランクラッチ４０、遠心クラッチ４２、ハウジング４４、摩擦板４６、及び出力軸４８を含む。

図１及び図２を参照して説明すると、入力軸３２は、撓み継手３０を介して、電動機軸２２と機械的に連係する。撓み継手３０は、第１の速度の電動機軸２２の回転を入力軸３２に伝達する。入力軸３２は、フランジ３４と機械的に連係する。一実施形態においては、入力軸３２及びフランジ３４は、単一の構成要素として一体に形成される。フランジ３４は、保持ボルト３６を介して、オーバーランクラッチ４０と機械的に連係する。保持ボルト３６は、フランジ３４をオーバーランクラッチ４０と組み合わせる。オーバーランクラッチ４０は、出力軸４８の一部を受け入れるように構成される。一実施形態においては、オーバーランクラッチ４０は、中空の円筒形空隙を有するスプラグクラッチであり、その空隙の中に、出力軸４８が挿入される。オーバーランクラッチ４０は、入力軸３２から出力軸４８へトルクを伝達するが、出力軸４８から入力軸３２へはトルクを伝達しないように構成される。換言すると、蒸気の漏れによって、電動機１０により与えられる速度より速い速度でタービン回転子が回転された場合、オーバーランクラッチ４０が出力軸４８を入力軸３２の速度より速い速度で回転させるため、タービン回転子２０から第１の減速歯車装置１４及び第２の減速歯車装置１６へ伝達されるトルクは、電動機１０に伝達されないということになる。

遠心クラッチ４２及びオーバーランクラッチ４０は、共に、ハウジング４４の内部に配置される。遠心クラッチ４２及びオーバーランクラッチ４０に対応するハウジング４４の部分は、ほぼ、中空の円筒として形成される。遠心クラッチ４２は出力軸４８のある部分に配置され、この部分はオーバーランクラッチ４０の空隙の中に挿入されていない部分である。一実施形態においては、遠心クラッチ４２に対応するハウジング４４の部分に、ハウジング４４の内面の周囲部分に沿うように、摩擦板４６が配置される。摩擦板４６は、遠心クラッチ４２の一部が摩擦板４６と接触したときに、遠心クラッチ４２に摩擦抵抗を与える材料、例えば、ケブラーから形成される。

一実施形態においては、遠心クラッチ４２は、複数のクラッチパッド５０及びコイルばね５２を含む。クラッチパッド５０は、出力軸４８の外面の周囲に沿って間隔をおいて配置される。一実施形態においては、出力軸４８の外面に、６つのクラッチパッド５０が配置される。コイルばね５２は、クラッチパッド５０の周囲に配置され、クラッチパッド５０に力を加える。この力は、クラッチパッド５０を出力軸４８と接触する状態に保持しようとする。コイルばね５２は、出力軸４８の速度が所定のレベルを下回っているとき、クラッチパッド５０を摩擦板４６と接触しない関係に維持するように構成される。出力軸４８の速度が所定のレベルを超えると、コイルばね５２によりクラッチパッド５０に加えられる力は、クラッチパッド５０を摩擦板４６に向かって延出させようとする遠心力より小さくなり、クラッチパッド５０は、摩擦板４６と接触する。一実施形態においては、所定のレベルは、タービン回転子２０の約１６ｒｐｍに相当する。しかし、任意の適切なレベルが選択されてもよい。クラッチパッド５０が摩擦板４６に接触すると、その結果、抗力が発生し、出力軸４８の回転は遅くなる。抗力は、過速度信号１９として作用し、過速度信号１９は、係合解除アセンブリ１８へ送信される。過速度信号１９は、抗力のみに依存して作用する機械信号であり、そのため、回転装置アセンブリ１００の信頼性は向上する。

出力軸４８は、フランジボルト５７により、キー結合フランジ５６に機械的に結合される。キー結合フランジ５６は、第１の減速歯車入力軸５８に機械的に結合される。第１の減速歯車入力軸５８は、クラッチアセンブリ１２から第１の減速歯車装置１４に入力を供給する。

図３は、一実施形態に従ってタービン回転子と係合された平歯車アセンブリ６０の概略図を示す。平歯車アセンブリ６０は、第１の平歯車６２、第２の平歯車６４、第３の平歯車６６、クラッシュピニオン６８、ピニオン係合フレーム７０、アセンブリ入力軸７２、及びピボットポイント７４を含む。

図１、図２及び図３を参照して説明すると、第２の減速歯車装置１６は、平歯車アセンブリ６０を含む。正常動作条件の下では、平歯車アセンブリ６０は、第１の減速歯車装置１４の出力端から、アセンブリ入力軸７２を介して、第１の平歯車６２で入力を受け取る。入力は、クラッシュピニオン６８に供給される。クラッシュピニオン６８は、第１の平歯車６２、第２の平歯車６４及び第３の平歯車６６を介して、タービン回転子２０のリングギヤ７６と係合する。クラッシュピニオン６８とリングギヤ７６との係合は、ピニオン係合フレーム７０により維持される。ピニオン係合フレーム７０は、ピボットポイント７４に対して、２つの位置を有する。ピニオン係合フレーム７０は、図３に示されるような係合位置、又は係合解除位置のいずれかにある。ピニオン係合フレーム７０が係合位置にあるとき、クラッシュピニオン６８は、タービン回転子２０のリングギヤ７６と係合する。ピニオン係合フレーム７０が係合解除位置にあるときには、クラッシュピニオン６８は、ピボットポイント７４に関して矢印８０の方向に回動することにより、タービン回転子２０のリングギヤ７６との係合からはずれる。一実施形態においては、ピニオン係合フレーム７０は、過速度信号１９により発生されたトルクが係合解除アセンブリ１８へ伝達されるのに応答して、ピボットポイント７４に関して係合解除位置へ回動する。

尚、この実施形態の平歯車アセンブリ６０は、４つの歯車を有し、ピボットポイント７４は、第１の平歯車６２の軸に配置されるが、平歯車の個数はどのような数であってもよく、ピボットポイント７４は、ピニオン係合フレーム７０に沿った任意の適切な位置に配置されてもよい。また、クラッチアセンブリ１２は、電動機１０と第１の減速歯車装置１４との間に配置されているが、クラッチアセンブリ１２は、任意の適切な位置に配置されてもよい。

以上説明したクラッチアセンブリ１２は、タービン回転子２０の回転速度が、オーバーランクラッチ４０を介して電動機１０により提供される回転速度を超えるまで増加した場合であっても、減速装置アセンブリとタービン回転子２０との係合を維持できる。更に、タービン回転子２０の回転速度が所定のレベルに到達し、タービン回転子２０の始動が指示されると、遠心クラッチ４２は、電気制御信号なしに、減速装置アセンブリとタービン回転子２０との係合を解除する。

更に、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の趣旨から逸脱せずに、様々な変更を実施でき、実施形態の要素を等価の要素と置き換えてもよいことは、当業者には理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、数多くの変形が実施されてもよい。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の態様であると考えられ、ここに開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入るあらゆる実施形態を含むことが意図される。更に、第１、第２等々の用語は、順序又は重要度を示すのではなく、第１、第２等々の用語は、１つの要素を別の要素と区別するために使用される。また、１つの（a, an）等々の用語が使用される場合、それは、量の限定を示すのではなく、言及される品目が少なくとも１つ存在することを示す。

一実施形態による回転装置アセンブリのブロック図である。 一実施形態によるクラッチアセンブリの部分横断面図である。 一実施形態によるタービン回転子に係合された平歯車アセンブリの概略図である。

符号の説明

１０…電動機、１２…クラッチアセンブリ、１４…第１の減速歯車装置、１６…第２の減速歯車装置、１８…係合解除アセンブリ、１９…過速度信号、２０…タービン回転子、３２…入力軸、４０…オーバーラン（過回転）クラッチ、４２…遠心クラッチ、４６…摩擦板、５０…クラッチパッド、５２…コイルばね、６０…平歯車アセンブリ、１００…回転装置アセンブリ

Claims (10)

1. タービン回転子（２０）を回転させる回転装置アセンブリ（１００）において、
   第１の速度で第１の回転出力を発生するように構成された電動機と；
   前記電動機と機械的に連係するクラッチアセンブリ（１２）と；
   前記クラッチアセンブリ（１２）と機械的に連係する減速装置アセンブリであって、前記電動機から前記クラッチアセンブリ（１２）を介して前記第１の回転速度出力を受信するのに応答して、前記第１の速度より遅い第２の速度で、第２の回転出力を発生するように構成され、前記減速装置アセンブリが前記タービン回転子（２０）と係合するのに応答して、前記第２の回転出力を前記タービン回転子（２０）へ伝達するように構成された減速装置アセンブリと；
   前記減速装置アセンブリと前記タービン回転子（２０）との係合を解除するように構成された係合解除アセンブリ（１８）とを具備し、
   前記クラッチアセンブリ（１２）が、
   入力軸（３２）に配置された過回転クラッチ（４０）と；
   前記過回転クラッチ（４０）を介して前記入力軸（３２）と機械的に連係する出力軸（４８）と；
   前記出力軸（４８）の一部に配置された遠心クラッチ（４２）と；
   前記遠心クラッチ（４２）の少なくとも一部に近接して配置されたハウジング（４４）と；
   を備えた、回転装置アセンブリ（１００）。
2. 前記クラッチアセンブリ（１２）の前記ハウジング（４４）が、前記遠心クラッチ（４２）に近接して配置された摩擦板（４６）を更に具備する請求項１記載の回転装置アセンブリ（１００）。
3. 前記遠心クラッチ（４２）は、クラッチパッド（５０）及びコイルばね（５２）を具備する請求項１記載の回転装置アセンブリ（１００）。
4. 前記コイルばね（５２）は、前記出力軸（４８）の回転速度が所定のレベルを下回るのに応答して、前記クラッチパッド（５０）を、前記遠心クラッチ（４２）に近接して配置された摩擦板（４６）と接触しない関係に維持するように構成される請求項３記載の回転装置アセンブリ（１００）。
5. 前記コイルばね（５２）は、前記出力軸（４８）の回転速度が所定のレベルを超えるのに応答して、前記クラッチパッド（５０）を、前記遠心クラッチ（４２）に近接して配置された摩擦板（４６）と接触させるように構成される請求項３記載の回転装置アセンブリ（１００）。
6. 前記遠心クラッチ（４２）は、前記出力軸（４８）の回転速度が前記所定のレベルを超えるのに応答して、機械過速度信号（１９）を発生する請求項５記載の回転装置アセンブリ（１００）。
7. 前記係合解除アセンブリ（１８）は、前記機械過速度信号（１９）に応答して、前記減速装置アセンブリを前記タービン回転子（２０）から係合解除する請求項６記載の回転装置アセンブリ（１００）。
8. 前記過回転クラッチは、前記入力軸（３２）から前記出力軸（４８）へトルクを伝達し且つ前記出力軸（４８）から前記入力軸（３２）へのトルクの伝達を阻止するように構成される請求項１記載の回転装置アセンブリ（１００）。
9. 前記減速装置アセンブリは、
   前記クラッチアセンブリ（１２）と機械的に連係する第１の減速歯車装置と；
   前記第１の減速歯車装置と機械的に連係し、前記タービン回転子（２０）から係合可能な第２の減速歯車装置と；
   を備える請求項１記載の回転装置アセンブリ（１００）。
10. 前記クラッチアセンブリ（１２）は、前記電動機からのトルクを前記減速装置アセンブリに伝達し且つ前記減速装置アセンブリから前記電動機へのトルク伝達を阻止するように構成される請求項１記載の回転装置アセンブリ（１００）。
    

Images