JP5002610B2 - タービン支持架台及びそれを用いた蒸気タービン設備 - Google Patents

Description

本発明は、タービンを支持するタービン支持架台に関する。

蒸気タービンにおいては、タービンおよび発電機などは鉄筋コンクリート製の架台脚柱の上に追加して設けられる架台（鉄筋コンクリートあるいは鋼鉄製）に、ロータ中心よりやや下方の水平断面位置で支えられるようにして設置される。

ここで、低圧タービンの支持方法については、大きく分けて、（１）タービンロータを支承する軸受をタービン外車室下半部の内壁面から車室内側に張り出すように設けられた軸受支持部材の上に設置し、タービンを支承させる方法（特許文献１参照）と、（２）タービンロータを支承する軸受を建屋基礎の上に設置された鉄筋コンクリート製の架台上に設置し、タービンを支承させる方法とがある（特許文献２，非特許文献１参照）。

（１）の場合、軸受自体はタービン外車室の内部に置かれることになるため、軸受間距離は比較的短く保つことが可能である。しかしながら、タービン外車室には、車室の自重とその周囲にかかる真空荷重の外に、内車室およびタービンロータの重量も加わるため、軸受支持部にひずみを生じ、ロータ軸振動特性に影響を与えやすい。そのため、ロータ軸振動特性を良好に保つにはタービン外車室を非常に堅牢に作る必要があり、材料コストが増加するだけでなく、車室内部の補強部材の影響で排気室と呼ばれるタービン出口と復水器を結ぶ流路の流動抵抗が増加し、プラント性能が低下する可能性が高まる。

一方、（２）の場合、剛体とみなせる架台で軸受およびタービンロータを支えるため、タービン外車室は自重と真空荷重および内車室の荷重に抗する程度の強度を持てばよく、その剛性がタービンロータの軸振動特性に直接影響を与えることはない。しかし、軸受を架台に直接載せる場合、特許文献２に記載された態様のように、タービンロータの軸受設置位置をタービン外車室の外にまで伸ばす必要がある。そのため、タービン外車室の寸法を維持した場合、軸受をタービン外車室で直接支えた場合よりもタービンロータが長くなり、タービンロータのたわみを軸系に関する設計許容値内に収めることは困難となる。
そこで、タービン外車室の軸方向長さを短縮するか、あるいは、非特許文献１に記載された態様のように架台の軸受設置部分がタービン外車室側に突き出た構造に施工し、その上に軸受を載せることにより、ロータ長の過度の増加を抑え、ひずみが許容値内に収まるようにしている。

しかしながら、上記（２）の方法を採用する際に、同時にタービン外車室の軸方向長さを短縮すると、低圧タービンの最終段落からロータ軸方向に流出した蒸気を、より短い距離で復水器の設置された下方に転向させる必要があるため、圧力損失を増加させ性能低下要因となる。

一方、架台の軸受設置部分がタービン外車室側に突き出た構造は、性能・振動・強度上、最も有利と考えられる。しかしながら、タービン外車室下半体を所定の位置に設置する際に、架台の突き出し部分との干渉を避ける必要があり、作業工程の増加や、施工性の低下などの問題が生じる。そのため、ごく一部の原子力プラントを除いて一般的には採用されていない。

特公昭５９−３８４０２号公報 特開２００３−５６３０８号公報

Alexander Leyzerovich著,「Large Power Steam Turbines: Design and Operation Volume I」PennWell Books, p.293

本発明の目的は、排気室性能の低下や工期の延長を抑制しながら、ロータ軸振動を抑制できるタービン支持架台を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、タービン支持架台において、軸受機器を支持する
軸受支持架台を、外車室を支持するタービン支持架台本体と分離して別体として構成し、
軸受支持架台に、外車室の下半部上に突き出し、軸受機器を支持する突起部を形成する。
また、タービン支持架台本体には、上面に開口し、軸受支持架台を嵌設する嵌合溝を設け
る。また、嵌合溝は軸受支持架台をタービンロータの軸方向で挟持する架台支持壁を有する。より具体的には特許請求の範囲の各請求項に記載した構成のように形成する。

本発明によれば、排気室性能の低下や工期の延長を抑制しながら、ロータ軸振動を抑制できるタービン支持架台を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る蒸気タービン設備の要部構造を示す側面図である。 本発明の一実施の形態に係る蒸気タービン設備の要部構造を示す正面図である。 本発明の一実施の形態に係る蒸気タービン設備の要部構造を示す上面図である。 本発明の一実施の形態に係る低圧蒸気タービンの外車室の要部構造を示す斜視図である。 蒸気タービン用軸受支持構造の一例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態に係るタービン支持架台の軸受支持部分の要部構造を示す側面図である。 本発明の一実施の形態に係る軸受支持架台の要部構造を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係るタービン支持架台本体の要部構造を示す上面図である。 本発明の一実施の形態に係るタービン支持架台本体に外車室下半体を設置した状態を示す上面図である。 本発明の一実施の形態に係るタービン支持架台本体に軸受支持架台を設置した状態を示す上面図である。 本発明の一実施の形態に係るタービン支持架台本体に設けられた嵌合溝の要部構造を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る軸受支持架台をタービン支持架台本体に嵌合した状態を示す組立図である。 本発明の一実施の形態に係るタービン支持架台本体と軸受支持架台とを接合する接合構造の一例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るタービン支持架台本体と軸受支持架台とを接合する接合構造の他の一例を示す断面図である。

本実施の形態に係る蒸気タービン設備の全体構成を図１（側面図），図２（正面図）、および図３（上面図）を用いて説明する。ボイラー（図示せず）などにより加熱された高温・高圧の蒸気は、高圧タービン１に導入されて仕事をした後、クロスオーバー管４を通って低圧タービン２へ流入する。蒸気は低圧タービン２で仕事を行った後、復水器６で水へと凝縮され再びボイラーなどの蒸気発生装置へと戻される。高圧タービン１および低圧タービン２はタービンロータ５にて連結され、その回転エネルギーは発電機３にて電気に変換される。これらタービン１，２および発電機３などは鉄筋コンクリート製のタービン架台脚柱１０の上に追加して設けられるタービン支持架台１１（鉄筋コンクリートあるいは鋼鉄製）に、ロータ中心よりやや下方の水平断面位置で支えられるようにして設置される。以上は原子力発電向けなど、中圧タービンを要しない構成で説明したが、火力発電向けなど中圧タービンを要する構成の場合でもほぼ同様である。

次に、本実施の形態に係る低圧タービン２の外車室の構成について説明する。

図４は低圧タービン２を覆う外車室の要部構造を示す図である。図４では、外車室をロータ中心軸を通る鉛直面と車室中央を通る鉛直面で切断して、４分の１対称にして示している。低圧タービン２の外車室は、外車室下半体２２、および外車室上半体２１を有する。外車室下半体２２の外壁面には、タービン支持架台１１の上面上に設置されて外車室を支持するフート２３が設けられている。また、外車室下半体２２には、タービンロータ５を支承する軸受機器を覆うベアリングコーン部２４が設けられている。

タービン支持架台１１には外車室下半体２２を設置するための設置口が設けてあり、架台を完成させた後、その上方よりクレーンにて外車室下半体２２を設置口に吊り降ろして設置する。その際、外車室下半体２２はその外壁面に設けられたフート２３により支えられる。外車室下半体２２をタービン支持架台１１上に設置した後、外車室下半体２２内にタービン内車室下半体（図示せず），タービンロータ５などを設置してタービン本体を組み立て、さらに内車室上半体（図示せず），外車室上半体２１の順に設置する。

ここで、図５に示した態様のようにタービン支持架台１１の軸受設置部分がタービン外車室側に突き出た構造を採用した場合について説明する。外車室の水平断面形状は基本的に矩形であるため、車室設置時にクレーンにより吊り降ろされる外車室下半体２２とタービン支持架台１１の車室側に突き出た突起部２７とが干渉する。この干渉を避けて外車室下半体２２を所定の位置に設置するには、例えば、外車室下半体２２をあらかじめ３つ以上に分割し、別々に挿入設置した後、その場で溶接・結合する必要がある。しかしながら、現地での外車室溶接は、工期延長につながり、また当然、発電所建設所は製造設備が限られた場所であるため、高い溶接精度を維持したり、残留応力を除去したりする際の技術的困難が生じる。

あるいは、外車室下半体２２をクレーンにて最終設置位置に吊り下げた状態で脚柱上部の架台のコンクリート打設・養生を行うことなども考えられる。しかしながら、この方法では、車室自体の存在がコンクリート型枠設置などの障壁になり、工期延長，架台完成精度の低下につながる可能性がある。

よって、性能・振動・強度上、最も有利と考えられる図５に示した架台構造は、ごく一部の原子力プラントを除いて一般的には採用されていない。

本発明の実施の形態について説明を続ける。図６は、本実施の形態に係るタービン支持架台の軸受支持部分の要部構造を示す図であり、タービンロータ５の中心軸を通る鉛直面における断面を示している。図７は、図６に示した軸受支持架台２６の要部構造を示す斜視図である。

図６に図示するように本発明では、タービン支持架台１１を、外車室を支持するためのタービン支持架台本体２８と、タービンロータ５を支承する軸受機器２５を支持する軸受支持架台２６とに分離し、別体として製作している。軸受支持架台２６は、図７に示すように、軸受機器２５を支持する突起部２７と、突起部２７を支持する基部２９とを有する。軸受支持架台２６は、全体が鉄筋コンクリート製であり、基部２９を構成する鉄筋構造体（図示せず）と突起部２７を構成する鉄筋構造体（図示せず）とが互いに接合された一体構造を有する。突起部２７は、図６に示すようにタービン支持架台本体２８に据付けた際に、外車室下半体２２のベアリングコーン部２４上まで突き出すよう構成されている。

突起部２７は、上面２７ａが基部２９の上面２９ａと同じ高さとなるよう形成されている。よって、軸受支持架台２６の上面は略平坦になるよう形成されている。一方、突起部２７の下面は、傾斜面２７ｂと水平面２７ｃとで構成されているが、突起部２７に加わる荷重条件によっては、傾斜面２７ｂのみ、または水平面２７ｃのみで構成しても良い。なお、本実施例では、水平面２７ｃと基部２９の下面２９ｂとが同じ高さとなるように形成されているが、必ずしも同じ高さとしなくても良い。

一方、基部２９は、幅Ｙ１が、突起部２７の幅Ｙ２よりも大きい直方体状に形成されている。また、基部２９の高さ（厚み）Ｚ１は、タービン支持架台本体２８の高さ（厚み）Ｚ２が、比較的寸法の小さいコンバインドサイクル用で２〜３ｍ程度となるため、例えばその３分の１程度の５０cm〜１ｍ程度を厚みとして割り当てればよい。基部２９および突
起部２７は、軸受支持架台２６の中心を通る中心線３７に対して左右対称に構成されている。なお、基部２９の長さＸ１は、タービン支持架台本体２８における軸受支持架台２６に割当可能なスペースや、要求される強度などを考慮して決まる。

次にタービン支持架台本体２８の構造について説明する。図８は、本実施の形態にかかるタービン支持架台本体２８を上方からみた上面図を示している。本実施の形態では、外車室を設置する設置口３２の架台長手方向両側近傍で、タービン支持架台本体２８上面を所定量掘り下げ、軸受支持架台２６を嵌設するための嵌合溝２８ａを設けている。

図１１は、図８において破線Ａで囲んだ部分における嵌合溝２８ａの斜視図である。図１２は図１１に示した嵌合溝２８ａに軸受支持架台２６を嵌合した状態を示す組立図である。なお、軸受支持架台２６とタービン支持架台本体２８との接合構造については、図１３および図１４を用いて後述し、図１１での図示は省略している。嵌合溝２８ａは、上方から軸受支持架台２６を嵌挿できるよう、幅Ｙ３を基部２９の幅Ｙ１に合わせて形成し、また架台長手方向長さＸ２を基部２９の長さＸ１に合わせて形成している。また、嵌合溝２８ａの高さ（深さ）Ｚ３は、基部２９の高さＺ１と同一となるように形成されている。
従って、嵌合溝２８ａに軸受支持架台２６を嵌挿した際、タービン支持架台本体２８と軸受支持架台２６とは上面が略平坦になるよう構成されている。

図１１に示すように、嵌合溝２８ａは、軸受支持架台２６の突起部２７と嵌合する切り欠き部３４を有する。切り欠き部３４の幅Ｙ４は突起部２７と嵌合できるよう突起部２７の幅Ｙ２に合わせて形成されている。また、嵌合溝２８ａは、架台短手方向に設置され、軸受支持架台２６を架台短手方向で挟持する架台支持壁３６，３７と、架台長手方向に設置され、軸受支持架台２６を架台長手方向（タービンロータ軸方向）で挟持する架台支持壁３３，３５とを有する。タービンロータ５を支承する軸受機器２５には、ロータ軸の中心を通る水平面上の２力、すなわち、ロータ軸方向に平行な力とロータ軸に直交する力が作用するため、軸受機器２５を直接支持する軸受支持架台２６にも同様の方向に力が作用する。しかしながら、本発明では嵌合溝２８ａの軸受支持壁３３，３５とによって、軸受支持架台に作用するロータ軸方向（架台長手方向）に平行な力に対抗することができる。
架台支持壁３３，３５は、鉄筋構造からタービン支持架台本体と一体形成された鉄筋コンクリート製であり、軸受支持架台２６を介して作用する軸方向に平行な力にも十分耐える強度を保障することができる。また本発明では、嵌合溝２８ａの軸受支持壁３６，３７とによって、軸受支持架台に作用するロータ軸に直交する方向（架台短手方向）に平行な力にも対抗することができる。架台支持壁３６，３７も、鉄筋構造からタービン支持架台本体と一体形成された鉄筋コンクリート製であり、軸受支持架台２６を介して作用するロータ軸方向に直交する方向に平行な力にも十分耐える強度を保障するがことできる。

次にタービン支持架台本体２８と軸受支持架台２６との接合方法について説明する。例えば図１３に示すように、嵌合溝２８ａ側の接合面にＨ鋼などの鋼材で構成される嵌合部材３０を突き出した状態で配設する。一方、軸受支持架台２６の基部２９内部には嵌合孔３３を設ける。このような構成により、タービン支持架台本体２８と軸受支持架台２６は、嵌合部材３０を嵌合孔３３に嵌挿したあと、軸受支持架台２６内部で嵌合部材３０と軸受支持架台２６本体とをボルトを介して、あるいは溶接などにより接合される。必要であれば鋼材同士の接合後、さらに鋼材の隙間にコンクリートを打設してさらに強度向上を図っても良い。

また他の接合方法としては、図１４に示すように、嵌合溝２８ａの接合面と軸受支持架台２６の基部２９に雌ネジ孔を形成し、嵌合溝２８ａの接合面と軸受支持架台２６の接合面とを合わせたあと、締結ボルト３１を螺挿して直接接合する方法でも良い。このような構造を採用した場合は必要に応じて分解することも可能である。

次に図８乃至図１０を用いて本発明に係るタービン支持架台を用いた蒸気タービン設備の組立方法について説明する。

タービン架台柱脚部１０上に打設されたタービン支持架台本体２８の設置口３２に、タービン建屋に備えられたクレーンなど（図示せず）によって外車室下半体２２を吊り降ろし、タービン支持架台本体２８に外車室下半体２２を設置する。外車室下半体２２は、外壁面に設けられたフート２３を介してタービン支持架台本体２８に支えられ、固定される。図９は、外車室下半体２２を設置口３２に設置した後のタービン架台全体を、タービン上方から見た概略図を示している。

さらに、あらかじめ工場で製造した軸受支持架台２６をクレーンで嵌合溝２８ａ上に吊り降ろし、嵌合溝２８ａに嵌挿する。軸受支持架台２６とタービン支持架台本体２８とは前述した接合方法などにより互いに接合する。図１０は、軸受支持架台２６を嵌合溝２８ａに設置した後のタービン架台全体を、タービン上方から見た概略図を示している。

軸受支持架台２６と外車室下半体２２をタービン支持架台本体２８に設置し、固定した後、軸受支持架台２６上に軸受台座や軸受本体などの軸受機器２５を設置し、外車室下半体２２内に内車室などを設置する。軸受機器２５にタービンロータ５を支承させ、その他のタービン構成機器や、内車室上半部などを設置などした後、外車室上半体２１をクレーンにて吊り降ろし、外車室下半体２２と接合して設置する。

本発明によれば、タービン支持架台の軸受設置部分がタービン外車室側に突き出た構造を採用した場合でも、外車室設置時に外車室下半体２２とタービン支持架台１１の車室側に突き出た突起部２７との干渉を簡易な方法で回避でき、外車室の現地溶接や外車室設置後の本格的な架台工事を必要としないので、工期延長を抑制してコスト増を抑制し、架台完成精度の低下を抑制できる。

また、本発明によれば、タービンロータの軸長を長くせずとも、剛体であるタービン支持架台上で支持できる。よって、タービンロータのたわみを軸系に関する設計許容値内に収めることが容易となり、ロータ軸振動を抑制して高いロータ軸振動特性を得ることができる。

また、本発明によれば外車室の軸方向長さを短縮する必要がなく、より短い距離で復水器６の設置された下方に転向させる必要がないため、圧力損失の増加を防いで低圧排気室の性能低下を抑制できる。

また、本発明によれば、タービン支持架台本体２８と分割製作される軸受支持架台２６は事前に工場などにて製作されるため、強度・寸法など、設計精度を保つことが容易である。また軸受支持架台２６は、タービン支持架台本体２８の嵌合溝２８ａ内に嵌合し、埋設されるため、軸ロータの回転に起因する方向（架台長手方向）に作用する力および架台短手方向に作用する力に対して、十分な強度を保障できる。

ところで、近年の蒸気タービンは、高効率・高出力化に伴い、低圧タービン車室の大型化と低圧タービン最終段落動翼の長翼化が進んでいる。車室の大型化はタービンロータの軸受間距離を伸ばし、ロータ重量を増加させる。長翼化も同様にロータ重量の増加に繋がる。軸受間距離の長大化やロータ重量の増加は、ロータの軸振動特性を低下させる要因となる。しかしながら、本発明に係るタービン支持架台を用いれば、大型化・長翼化した蒸気タービンにおいても、同様に高いロータ軸振動特性を得ることができる。

２ 低圧タービン
５ タービンロータ
１１ タービン支持架台
２１ 外車室上半体
２２ 外車室下半体
２５ 軸受機器
２６ 軸受支持架台
２７ 突起部
２８ タービン支持架台本体
２８ａ 嵌合溝
３０ 嵌合部材
３１ 締結ボルト
３３ 嵌合孔

Claims (7)

1. タービンロータを支承する軸受機器と、下半体と上半体とでタービンを覆う外車室とを支持するタービン支持架台であって、
   前記タービン支持架台は、前記外車室を支持するタービン支持架台本体と、前記軸受機器を支持する前記タービン支持架台本体と別体の軸受支持架台とを備え、
   前記軸受支持架台は、前記外車室の下半体上に突き出し、前記軸受機器を支持する突起
   部と、該突起部を支持する基部とを有し、
   前記タービン支持架台本体は、上面に開口し、前記軸受支持架台を嵌設する嵌合溝を有し、
   前記嵌合溝は、前記軸受支持架台を前記タービンロータの軸方向で挟持する架台支持壁
   を有することを特徴とするタービン支持架台。
2. 請求項１記載のタービン支持架台であって、
   前記軸受支持架台は、前記基部の鉄筋構造と前記突起部の鉄筋構造とが接合されて一体
   構成されていることを特徴とするタービン支持架台。
3. 請求項１記載のタービン支持架台であって、
   前記嵌合溝および前記基部はそれぞれ雌ネジ孔を有し、
   前記タービン支持架台は、前記雌ネジ孔に螺挿されて、前記タービン支持架台本体と前
   記軸受機器とを締結する締結ボルトを有することを特徴とするタービン支持架台。
4. タービンロータを支承する軸受機器と、下半体と上半体とでタービンを覆う外車室とを支持するタービン支持架台であって、
   前記タービン支持架台は、前記外車室を支持するタービン支持架台本体と、前記軸受機器を支持する前記タービン支持架台本体と別体の軸受支持架台とを備え、
   前記軸受支持架台は、前記外車室の下半体上に突き出し、前記軸受機器を支持する突起
   部と、該突起部を支持する基部とを有し、
   前記タービン支持架台本体は、上面に開口し、前記軸受支持架台を嵌設する嵌合溝を有
   し、
   前記嵌合溝は、前記基部に嵌挿する嵌合部材を有し、
   前記基部は、前記嵌合部材を嵌入する嵌合孔を有することを特徴とするタービン支持架
   台。
5. 請求項４に記載のタービン支持架台であって、
   前記嵌合部材は鉄筋部材であり、前記軸受支持架台を構成する鉄筋と締結するための締
   結構造を有することを特徴とするタービン支持架台。
6. 蒸気タービンと、発電機と、前記蒸気タービンのタービンロータを支承する軸受機器と
   、下半体と上半体とで前記蒸気タービンを覆う外車室と、前記軸受機器および前記外車室を支持するタービン支持架台とを備える蒸気タービン設備であって、
   前記タービン支持架台は、前記外車室を支持するタービン支持架台本体と、
   前記軸受機器を支持する前記タービン支持架台本体と別体の軸受支持架台とを備え、
   前記軸受支持架台は、前記外車室の下半体上に突き出し、前記軸受機器を支持する突起
   部と、該突起部を支持する基部とを有し、
   前記タービン支持架台本体は、上面に開口し、前記軸受支持架台を嵌設する嵌合溝を有
   し、
   前記嵌合溝は、前記軸受支持架台を前記タービンロータの軸方向で挟持する架台支持壁
   を有することを特徴とする蒸気タービン設備。
7. 請求項６記載の蒸気タービン設備であって、
   前記軸受支持架台は、前記基部の鉄筋構造と前記突起部の鉄筋構造とが接合されて一体
   構成されていることを特徴とする蒸気タービン設備。

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