JP6021302B2 - 伸縮継手およびこれを備えた蒸気タービン設備 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンと復水器との間の相対変位を吸収する伸縮継手およびこれを備えた蒸気タービン設備に関するものである。

蒸気タービン設備の蒸気タービンと復水器とを接続する蒸気流路には、蒸気タービンと復水器との相対変位を吸収するために伸縮継手が採用されている。この伸縮継手としては、例えば特許文献１及び２に示されているように、ベローズが多用されている。当該用途のベローズは、内部が負圧となり例えば６０〜８０℃といった常温よりも高い温度の蒸気が流れるため、高い気密性および信頼性を確保する観点からステンレス製とされている。

特開２００８−２５５９６７号公報 特開平１０−１９６３１３号公報

ステンレス製ベローズは、その軸線に対する直角方向の可動量が小さく、所望の可動量を得るためには軸線方向に直列に接続して複数本のベローズを用いざるを得ない。例えば、軸線方向に２０mmの可動量を得たい場合には、可動量１０mmのベローズを２本直列接続して用いることになる。または、要求される軸直角方向の可動量を得るために、可動量に相当する変位角度を吸収できる中間筒体を配置し、前後をステンレス製ベローズで狭持することにより、可動量を得ることになる。しかし、複数本のベローズを直列接続すると全体の軸線方向の長さが長くなり、また重量も増大してしまう。

また、ＬＮＧ（液化天然ガス）を受け取り、貯蔵して輸送するＬＮＧ船や、ＬＮＧを受け取り、貯蔵し、再ガス化する洋上浮体であるＦＳＲＵ（Floating Storage and Regasification Unit）やＦＰＳＯ（Floating Production, Storage and Offloading）には、ＬＮＧを輸送する際、ＬＮＧを再ガス化する際、あるいはＢＯＧ（ボイルオフガス）を再液化する際などに、圧縮機や膨張機を駆動する設備が必要となる。このような圧縮機や膨張機を駆動するために、機械駆動用の蒸気タービン設備が利用される。しかし、機械駆動用の蒸気タービン設備は、船舶推進用の蒸気タービン設備が船底側に設けられるのに対して、一般に船舶の上方のデッキ側に設けられるので、船舶の動揺による影響を大きく受けてしまう。したがって、ＦＳＲＵやＦＰＳＯといった洋上浮体やＬＮＧ船等の船舶に用いられる機械駆動用の蒸気タービン設備では、タービン低圧車室と復水器との相対変位が極めて大きくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、変形量が大きく、コンパクトで軽量化された伸縮継手およびこれを備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の伸縮継手およびこれを備えた蒸気タービン設備は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる伸縮継手は、蒸気タービン出口と復水器入口との間に設けられた伸縮継手であって、上流側固定端に一端が固定されるとともに他端が自由端とされ、蒸気流路を形成する内側金属製筒体と、下流側固定端に一端が固定されるとともに他端が自由端とされ、該自由端が前記内側金属製筒体の前記自由端の外側にて相対移動可能とされた外側金属製筒体と、樹脂シートを用いた非金属材料によって形成されるとともに、前記内側金属製筒体および前記外側金属製筒体の外側を気密に包囲しつつ変形可能とされた可撓性筒体と、前記内側金属製筒体と前記可撓性筒体との間に充填され、前記内側金属製筒体の外面と前記可撓性筒体の内面とに接触する充填部材と、前記内側金属製筒体の自由端と、前記外側金属製筒体の自由端との間の空間を封止する、可撓性のある封止部材と、を備えていることを特徴とする。

内側金属製筒体の外側を外側金属製筒体が相対移動する構成としたので、金属製筒体によって変位が規制されることがない。そして、これら金属製筒体の外側を気密に包囲するように、樹脂シートを用いた非金属材料によって形成された可撓性筒体を配置することとしたので、ステンレス製ベローズに比べて変形量を大きくすることができる。このように、大きな変形量が可能となるので、従来のステンレス製ベローズのように複数を直列接続する必要がなく、コンパクトにかつ軽量化することができる。
また、蒸気流路側に金属製筒体を配置した上で、その外側に可撓性筒体を配置して気密性を高める構成としたので、信頼性を向上させることができる。
また、蒸気流路を形成する内側金属製筒体の下流側に外側金属製筒体を配置し、かつ、外側金属製筒体の自由端が内側金属製筒体の自由端の外側に位置するようになっているので、各金属製筒体の自由端間に蒸気が流れ込むことができない構造とした。したがって、蒸気流れが内側金属製筒体と外側金属製筒体との間を通って可撓性筒体へと到達することを抑制でき、さらに信頼性を向上させることができる。
なお、樹脂シートとしては、テフロン（登録商標）等のＰＴＦＥ樹脂シートが好適に用いることができる。
また、本発明の伸縮継手では、前記充填部材は、前記外側金属製筒体の前記自由端によって下方から支持されていることを特徴とする。

さらに、本発明の伸縮継手では、前記可撓性筒体は、前記樹脂シートに対してガラスクロスが積層されていることを特徴とする。

樹脂シートに対してガラスクロスを積層することとしたので、可撓性筒体の強度を高めることができる。これにより、例えば伸張して過剰な引張り力が加わったとしても、可撓性筒体が破れてしまうことを回避できる。

さらに、本発明の伸縮継手では、前記蒸気タービンおよび前記復水器は、液化ガスを処理する洋上浮体または船舶に搭載された機械駆動用の蒸気タービン設備とされていることを特徴とする。

ＦＳＲＵやＦＰＳＯといった洋上浮体やＬＮＧ船等の液化ガス（例えば液化天然ガス（ＬＮＧ））を処理する船舶に搭載する機械駆動用の蒸気タービン設備は、船舶の上方のデッキ側に設けられるので船舶の動揺の影響が大きく、蒸気タービンと復水器との相対変位が大きくなる。この位置に上記の伸縮継手を設けることにより、大きな相対変位も許容することができる。さらに、上記の伸縮継手は変形量が大きく、コンパクトにかつ軽量化できるので、積載量や設置スペースが限られた船舶には特に好適である。

また、本発明の蒸気タービン設備は、蒸気によって回転駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービンから排気された蒸気を復水する復水器と、前記蒸気タービンと前記復水器との間に設けられた請求項１から４のいずれかに記載された伸縮継手とを備えていることを特徴とする。

上記の伸縮継手を備えているので、コンパクトで軽量化された蒸気タービン設備を提供することができる。

内側金属製筒体の外側を外側金属製筒体が相対移動する構成とし、かつ、これら金属製筒体の外側を気密に包囲するように、樹脂シートによって形成された可撓性筒体を配置することとしたので、大きな変形量が可能となり、伸縮継手をコンパクトにかつ軽量化することができる。

本発明の一実施形態である蒸気タービン設備を示した正面図である。 図１の伸縮継手の一実施形態を示した要部縦断面図である。 図２の可撓性筒体の一実施形態を示した拡大部分縦断面図である。 筒体が吸収する変位のパターンを模式的に示し、（ａ）は軸方向変位、（ｂ）は軸直角方向変位、（ｃ）は曲げ変位を示したものである。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる伸縮継手（エキスパンション・ジョイント）１が適用される蒸気タービン設備が示されている。
蒸気タービン設備は、例えば、ＦＳＲＵやＦＰＳＯといった洋上浮体やＬＮＧ船等の液化ガス（例えば液化天然ガス（ＬＮＧ））を処理する船舶のデッキ側に搭載されており、圧縮機や膨張機等の機械駆動用とされている。この蒸気タービン設備は、図示しないボイラから過熱蒸気が供給されて駆動される蒸気タービン３と、蒸気タービン３の下方に接続された復水器５とを備えている。
蒸気タービン３の回転駆動出力は、圧縮機や膨張機等の各種機械に供給される。復水器５では、蒸気タービン３にて仕事を終えた低圧蒸気を冷却して凝縮液化するようになっている。復水器５内は、例えば１００Torr程度の真空状態とされている。
蒸気タービン３出口と復水器５入口との間には、蒸気が流れる排気管７が接続されている。この排気管７の中途位置に、伸縮継手１が設けられている。伸縮継手１によって、熱伸び差や船舶の動揺によって生じる蒸気タービン３と復水器５との間の相対変位が吸収されるようになっている。

図２には、伸縮継手１の要部縦断面が示されている。
伸縮継手１は、最内周位置に設けられ蒸気流路を形成する上流バッフル管（内側金属製筒体）１１と、この上流バッフル管１１の下流側でかつ外側に設けられた下流バッフル管（外側金属製筒体）１３と、これらバッフル管１１，１３の外側を気密に包囲しつつ変形可能とされた可撓性筒体１５とを備えている。

上流バッフル管１１は、ステンレス製とされており、一端１１ａが排気管７（図１参照）の上流側に固定されるとともに、他端１１ｂが自由端とされている。上流バッフル管１１の一端１１ａには、外側に折り曲げられた平板状の固定部が設けられており、この固定部が可撓性筒体１５の上流端１５ａと共締めされるようになっている。
上流バッフル管１１は、蒸気流れの上流側から下流側に向かって内径が漸次縮小する形状とされ、図２ではテーパ形状とされている。ただし、上流バッフル管は、このテーパ形状に限定されるものではない。

下流バッフル管１３は、ステンレス製とされており、一端１３ａが排気管７（図１参照）の下流側に固定されるとともに、他端１３ｂが自由端とされている。下流バッフル管１３の一端１３ａには、外側に折り曲げられた平板状の固定部が設けられており、この固定部が可撓性筒体の下流端１５ｂと共締めされるようになっている。
なお、下流バッフル管１３は、図２では軸線方向に一定の内径を有する円筒形状とされているが、筒形状とされていれば良い。

上流バッフル管１１の自由端１１ｂと下流バッフル管１３の自由端１３ｂとの間には、空間が形成されており、この空間には封止部材１７が設けられている。封止部材１７は、自由端１１ｂ，１３ｂ間の空間を埋めるように配置され、ガラスクロス（glass cloth）をＰＴＦＥ（ポリテトラフルロエチレン）シートとステンレス製メッシュで積層したものである。この封止部材１７によって、主流方向の反対方向に向けて逆流して回り込み、自由端１１ｂ，１３ｂ間に入り込んできた蒸気を一次的に遮るとともに、蒸気中のミストやダスト分を捕捉するようになっている。

上流バッフル管１１と可撓性筒体１５との間には、充填部材１９が充填されている。充填部材１９の下方には、下流バッフル管１３の自由端１３ｂが位置しており、この下流バッフル管１３によって充填部材１９は下方から支持されている。この充填部材１９は、ガラスフェルトをテフロンシートで覆ったものとなっている。この充填部材１９によって、各バッフル管１１，１３の自由端１１ｂ，１３ｂ間を通り、封止部材１７を通過した蒸気を二次的に遮るとともに、可撓性筒体１５の軸方向中央部が外周側に凸となるように形状を保持するものである。

可撓性筒体１５は、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）、シリコン等の樹脂やガラスクロスといった非金属材料から構成されている。可撓性筒体は、軸方向中央部が外周側に膨らんだ円筒形状とされている。可撓性筒体１５の上流端１５ａ及び下流端１５ｂのそれぞれには、固定のためのフランジ部が外周側に張り出した状態で設けられている。各フランジ部では、その両面にガスケットを介挿した後に、ボルト２１ａ及びナット２１ｂによって、上述した上流バッフル管１１及び下流バッフル管１３とともに共締めされている。
可撓性筒体１５の中央部の上下２カ所には、形状保持のためのワイヤリング２２，２３が設けられている。各ワイヤリング２２，２３は、上流側および下流側の固定端に一端が取り付けられた支持プレート２５等を用いることによって定位置に固定されている。

図３には、可撓性筒体１５の拡大部分縦断面が示されている。
同図に示されているように、可撓性筒体１５は、内周側から外周側に向けて、ＰＴＦＥ製の第１テフロンシート２７（「テフロン」は登録商標）と、第１シリコン樹脂層２８と、第２シリコン樹脂層２９と、第２テフロンシート３０と、内周側にテフロンを含浸させたガラスクロス３１とから構成されている。
気密性は、主として、第１テフロンシート２７及び第２テフロンシート３０によって確保されている。
テフロンシート２７，３０間に挟まれた第１シリコン樹脂層２８及び第２シリコン樹脂層２９は、断熱層としての機能を有している。シリコン樹脂層２８，２９としては、例えば、コーネックスシリコン（商品名）が好適に用いられる。ただし、断熱層としての機能を有すれば、他の材料を用いても良い。
このように、可撓性筒体１５は、テフロンシート２７，３０及びシリコン樹脂層２８，２９によって、樹脂層を構成している。この樹脂層に積層されたガラスクロス３１は、樹脂層を補強するために設けられている。これにより、例えば、可撓性筒体１５が伸張して過剰な引張り力が加わったとしても、可撓性筒体１５の樹脂層が破れてしまうことを回避できるようになっている。

次に、上述した伸縮継手１の動作について説明する。
蒸気タービン３から排出された蒸気は、排気管７へと流れ込み、上方から下方へと流れる。伸縮継手１へと導かれた蒸気は、図２に示すように、上流バッフル管１１によって形成された蒸気流路を流れる。伸縮継手１を通過する際の蒸気温度は６０〜８０℃とされており、真空度は１００Torr程度とされている。伸縮継手１を通過した蒸気は、復水器５へと導かれる。
熱伸び差または船舶の動揺によって蒸気タービン３と復水器５との間に相対変位が生じると、この相対変位を吸収するように伸縮継手１が機能する。すなわち、上流バッフル管１１に対して外側に配置された下流バッフル管１３は、上流バッフル管１１に拘束されることなく相対変位する。そして、相対変位に応じて、可撓性筒体１５が変形する。
図４には、筒体の変位のパターンが模式的に示されている。図４（ａ）は筒体３２の軸方向に伸び縮みする軸方向変位、図４（ｂ）は両端の接続フランジ３３が互いに軸直角方向に平行に移動する軸直角方向変位、図４（ｃ）は両端の接続フランジ３３面同士が角度を持つように変位して筒体３２の軸線が円弧状となる曲げ変位が示されている。
図４に示したような変位が生じても、可撓性筒体１５は非金属製とされており主として樹脂によって構成されているので、大きな反力を与えることなく大きく変形する。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
上流バッフル管１１の外側を下流バッフル管１３が相対移動する構成としたので、これら金属製のバッフル管１１，１３によって相対変位が規制されることがない。そして、これらバッフル管１１，１３の外側を気密に包囲するように、主として樹脂層とされた非金属材料によって形成された可撓性筒体１５を配置することとしたので、ステンレス製ベローズに比べて変形量を大きくすることができる。このように、大きな変形量が可能となるので、従来のステンレス製ベローズのように複数を直列接続する必要がなく、コンパクトにかつ軽量化することができる。

また、蒸気流路側に金属製のバッフル管１１，１３を配置した上で、その外側に可撓性筒体１５を配置して気密性を高める構成としたので、信頼性を向上させることができる。

また、蒸気流路を形成する上流バッフル管１１の下流側に下流バッフル管１３を配置し、かつ、下流バッフル管１３の自由端１３ｂが上流バッフル管１１の自由端１１ｂの外側に位置するようにしたので、蒸気流れがＵターンしないかぎり各バッフル管１１，１３の自由端１１ｂ、１３ｂ間に蒸気が流れ込むことができない構造とした。したがって、蒸気流れが自由端１１ｂ，１３ｂ間を通って可撓性筒体１５へと到達することを抑制でき、さらに信頼性を向上させることができる。さらに、本実施形態では、封止部材１７及び充填部材１９を設けているので、さらに蒸気を遮ることができる構造となっている。

また、樹脂層２７，２８，２９，３０に対してガラスクロス３１を積層することとしたので、可撓性筒体１５の強度を高めることができる。これにより、例えば伸張して過剰な引張り力が加わったとしても、可撓性筒体１５の樹脂層が破れてしまうことを回避できる。

ＦＳＲＵやＦＰＳＯといった洋上浮体やＬＮＧ船等の液化ガス（例えば液化天然ガス（ＬＮＧ））を処理する船舶に搭載する機械駆動用の蒸気タービン設備は、船舶の上方のデッキ側に設けられるので船舶の動揺の影響が大きく、蒸気タービンと復水器との相対変位が大きくなる。本実施形態では、この位置に上記の伸縮継手１を設けることとしたので、大きな相対変位を許容することができる。さらに、伸縮継手１は変形量が大きく、コンパクトにかつ軽量化できるので、積載量や設置スペースが限られた船舶に特に好適である。

１ 伸縮継手
３ 蒸気タービン
５ 復水器
１１ 上流バッフル管（内側金属製筒体）
１３ 下流バッフル管（外側金属製筒体）
１５ 可撓性筒体
１７ 封止部材
１９ 充填部材

Claims (5)

1. 蒸気タービン出口と復水器入口との間に設けられた伸縮継手であって、
   上流側固定端に一端が固定されるとともに他端が自由端とされ、蒸気流路を形成する内側金属製筒体と、
   下流側固定端に一端が固定されるとともに他端が自由端とされ、該自由端が前記内側金属製筒体の前記自由端の外側にて相対移動可能とされた外側金属製筒体と、
   樹脂シートを用いた非金属材料によって形成されるとともに、前記内側金属製筒体および前記外側金属製筒体の外側を気密に包囲しつつ変形可能とされた可撓性筒体と、
   前記内側金属製筒体と前記可撓性筒体との間に充填され、前記内側金属製筒体の外面と前記可撓性筒体の内面とに接触する充填部材と、
   前記内側金属製筒体の自由端と、前記外側金属製筒体の自由端との間の空間を封止する、可撓性のある封止部材と、
   を備えていることを特徴とする伸縮継手。
2. 前記充填部材は、前記外側金属製筒体の前記自由端によって下方から支持されていることを特徴とする請求項１に記載の伸縮継手。
3. 前記可撓性筒体は、前記樹脂シートに対してガラスクロスが積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載の伸縮継手。
4. 前記蒸気タービンおよび前記復水器は、液化ガスを処理する洋上浮体または船舶に搭載された機械駆動用の蒸気タービン設備とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の伸縮継手。
5. 蒸気によって回転駆動される蒸気タービンと、
   該蒸気タービンから排気された蒸気を復水する復水器と、
   前記蒸気タービンと前記復水器との間に設けられた請求項１から４のいずれかに記載された伸縮継手と、
   を備えていることを特徴とする蒸気タービン設備。

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