JP6235772B2 - タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービンに関する。

例えば発電プラントなどに用いられるタービンは、回転体であるタービンロータが、タービン本体のケーシング端部から露出する構造となることがあるが、当該部からの蒸気やガスの漏洩によるプラントの性能低下等が問題となる。

ケーシングの端部において、媒体の漏洩を抑えるシール構造としては、例えばラビリンス構造を用いたグランドシールまたはメカニカルシールなどがある。

特開２００３−３２８７７１号公報

ケーシングの端部にラビリンス構造を用いたグランドシールを適用する場合、媒体の漏洩量低減のため、ラビリンス構造を多段にする必要があり、段数が増えるだけコストアップになると共にタービンロータの軸長を段数に応じて長くせざるを得ない。

一方、メカニカルシールを適用する場合は、ラビリンス構造に比べて媒体の漏洩量が極めて少ない反面、タービンの種類に応じて温度条件および圧力条件を満たすようシール素材を選定するなどのカスタム化が必要でありコストアップになる。またタービンの種類によっては使用条件を満たさず、ケーシングの端部には使用できないという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、ケーシングの端部からの媒体の漏洩低減を低コストに実現することができるタービンを提供することにある。

実施形態のタービンは、タービンロータを回転させるための作動媒体および冷却あるいはシール用の媒体としてＣＯ_２を用いるタービンであって、ケーシング、メカニカルシールを有する。前記ケーシングは、タービンの冷却あるいはシール用のＣＯ_２が所定の温度および所定の圧力で注入される第１の冷却室と、この第１の冷却室の圧力よりも減圧されて前記冷却媒体が注入される第２の冷却室と、前記タービンロータを前記第２の冷却室を通じて外部へ貫通させる貫通孔とを有する。前記メカニカルシールは前記貫通孔を貫通させた前記タービンロータと前記ケーシングの前記貫通孔の外部への開口部との間隙を前記タービンロータが回転可能にシールする。

本発明によれば、ケーシングの端部からの媒体の漏洩低減を低コストに実現することができるタービンを提供できる。

実施形態の火力発電システムのシステム構成を示す図である。 火力発電システムに用いるＣＯ２タービンの第１実施形態を示す図である。 ＣＯ２タービンに用いられるメカニカルシールの一例を示す図である。 ＣＯ２タービンの第２実施形態を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
図１は１つの実施の形態の火力発電システムの構成を示す図である。
図１に示すように、この実施形態の火力発電システムは、ＣＯ_２ポンプ１、再生熱交換器２、酸素製造装置３、燃焼器４、ＣＯ_２タービン５、発電機６、冷却器７、湿分分離器８などを備える。ＣＯ_２は二酸化炭素である。

ＣＯ_２ポンプ１は、湿分分離器８により燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）から水分が分離された高純度のＣＯ_２を圧縮し、高圧のＣＯ_２を、再生熱交換器２を通じて燃焼器４およびＣＯ_２タービン５へ分岐して供給する。

なお、ＣＯ_２ポンプ１で発生した高純度で高圧のＣＯ_２を貯留、または石油増進回収などに利用してもよい。つまりＣＯ_２ポンプ１は一台で作動用ＣＯ_２（以下「作動ＣＯ_２」という）および冷却用ＣＯ_２（以下「冷却ＣＯ_２」という）の供給源となる。作動ＣＯ_２を作動ガスまたは作動流体、冷却ＣＯ_２を冷却ガスまたは冷却流体と呼ぶ場合もある。

再生熱交換器２は、熱交換により温度を高めたＣＯ_２を燃焼器４およびＣＯ_２タービン５へ供給する。燃焼器４へのＣＯ_２は作動用として供給される。ＣＯ_２タービン５へのＣＯ_２は冷却あるいはシール用として供給される。また再生熱交換器２は、ＣＯ_２タービン５から排出された燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）を熱交換により冷却する。

酸素製造装置３は、酸素を製造し、製造した酸素を燃焼器４へ供給する。燃焼器４は、注入されたメタンガスなどの天然ガス、ＣＯ_２および酸素を燃焼させて高温および高圧の燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）を発生し、作動ＣＯ_２としてＣＯ_２タービン５へ供給する。

ＣＯ_２タービン５は、高温および高圧の作動ＣＯ_２によりタービン内の動翼１３（図２参照）とこの動翼１３を支持するタービンロータ１１を回転させて発電機６に回転力を伝達する。タービンロータ１１は車軸ともいう。

すなわち、このＣＯ_２タービン５は、一台のＣＯ_２ポンプ１から供給されるＣＯ_２を主として、タービンロータ１１を回転させるための作動媒体（作動流体）および冷却用の媒体（冷却流体）として用いるタービンである。

発電機６は、ＣＯ_２タービン５の車軸の回転力により発電する。ＣＯ_２タービン５と発電機６を合わせてＣＯ_２タービン発電機という場合もある。
冷却器７は、再生熱交換器２を通じた燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）をさらに冷却し湿分分離器８へ出力する。

湿分分離器８は、冷却器７から出力された低温の燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）から水分を分離し、高純度のＣＯ_２をＣＯ_２ポンプ１へ戻す。

（第１実施形態）
図２に示すように、第１実施形態のＣＯ_２タービン５は、軸受１０、タービンロータ１１、バランスピストン１１ａ、メカニカルシール１２ａ，１２ｂ、動翼１３、外部ケーシング１４、内部ケーシング１５ａ，１５ｂ、静翼１６、仕切壁１８ａ，１８ｂ、仕切壁孔１９、バランスピストンシール２３，ラビリンスシール２４、孔２７、ホイールスペースシール２８ａ，２８ｂ、バランスピストン注気孔２９、作動ＣＯ_２注入管３１、ＣＯ_２排出管３２、冷却あるいはシール用のＣＯ_２注入管３３（以下「冷却ＣＯ_２注入管３３」と称す）などを備える。なお図中「高」は高圧を示し、「低」は低圧を示す。

軸受１０は、タービンロータ１１の両側の軸端を回転自在に支持する。
タービンロータ１１には、そのほぼ中央部に複数の動翼１３が周方向に植設されている。またタービンロータ１１には、バランスピストン１１ａが設けられている。

バランスピストン１１ａと対向する内部ケーシング１５ａの内周には、ラビリンス構造のバランスピストンシール２３が設けられている。バランスピストンシール２３は、複数のフィンによりＣＯ_２の流れを抑止し減圧するものであり、バランスピストンシール２３が配置された間隙（クリアランス）の右側と左側で気圧差が生じる。この例では、バランスピストンシール２３の右側は圧力が高く「高」、左側は圧力が低い「低」。

このバランスピストンシール２３により、バランスピストンシール２３で区分された空間（冷却室Ａに続く間隙部分と冷却室Ｂ）における気圧差を生じさせ、作動ＣＯ_２の軸方向の流れ（気圧差）とのバランスが取られ、タービンロータ１１の軸方向のスラスト荷重が適正化される。

バランスピストン１１ａの位置よりも内側の内部ケーシング１５ａの内周には、ラビリンス構造のラビリンスシール２４が設けられている。このラビリンスシール２４は冷却・シールＣＯ_２を適切な圧力に調整してホイールスペースシール２８ａに供給し、最小限流量にて作動流体がケーシング側に漏洩しない様にシールする。

外部ケーシング１４は、タービン本体の外郭をなすものであり、軸方向の両端に貫通孔１４ａ，１４ｂを有している。貫通孔１４ａとタービンロータ１１との間の隙間には、メカニカルシール１２ａが配設されている。貫通孔１４ｂとタービンロータ１１との間の隙間には、メカニカルシール１２ｂが配設されている。

メカニカルシール１２ａ，１２ｂは、外部ケーシング１４の貫通孔１４ａ，１４ｂを貫通させたタービンロータ１１と貫通孔１４ａ，１４ｂの開口部との間隙を、タービンロータ１１が回動可能にシールする。

つまりメカニカルシール１２ａ，１２ｂは、タービンロータ１１を回転自在にシール（封止）しつつタービンロータ１１の端部を外部ケーシング１４の外へ露出させている。これによって外部ケーシング１４とタービンロータ１１との間における、冷却ＣＯ_２の外部への漏洩が低減（防止）される。

内部ケーシング１５ａ，１５ｂは、タービンロータ１１との間に冷却室Ａ、排気室Ｅを作るように屈曲した形状で設けられている。

内部ケーシング１５ａ，１５ｂとその外側に設けられた外部ケーシング１４とから二重のケーシング構造が構成されている。ここでは、二重のケーシング構造を一例としたが、ケーシングは、一重の単ケーシングであってもよい。

内部ケーシング１５ａ，１５ｂには、タービンロータ１１側の動翼１３と入れ子になるように静翼１６が設けられている。動翼１３と静翼１６との一つの組を段落と呼び、作動ＣＯ_２注入管３１に近い方から１段落、２段落…と呼ぶ。

また内部ケーシング１５ａ，１５ｂと外部ケーシング１４との間には仕切壁１８ａ，１８ｂが設けられており、これらの仕切壁１８ａ，１８ｂにより内部ケーシング１５ａ，１５ｂと外部ケーシング１４との間に冷却室Ｂ，Ｃ，Ｄが形成されている。

すなわち、この例のケーシング（外部ケーシング１４、内部ケーシング１５ａ，１５ｂ）は、タービンの冷却あるいはシール用のＣＯ_２が所定の温度および所定の圧力で注入される第１の冷却室としての冷却室Ａと、この冷却室Ａの圧力よりも減圧されて冷却ＣＯ_２が注入される第２の冷却室としての冷却室Ｂ，Ｄと、タービンロータ１１を冷却室Ｂ，Ｄを通じて外部へ貫通させる貫通孔１４ａ，１４ｂとを有している。

冷却ＣＯ_２注入管３３に注入された冷却ＣＯ_２は、冷却室Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの順に流れる。具体的には、破線の矢印６０〜７０の順がケーシング部分を冷却する流れである。なおバランスピストンシール２３の部分で低圧にされた冷却ＣＯ_２は、冷却室Ｂと冷却室Ｃに分岐して流れる。

この他、冷却ＣＯ_２の流路としては、破線の矢印７１，７２で示すタービンを冷却あるいはシールする流れもある。例えば矢印７２の流路は、内部ケーシング１５ａ，１５ｂ内に設けた筒状の流路であり、静翼１６を冷却する。

ここで、各冷却室Ａ〜Ｄと排気室Ｅについて説明する。
冷却室Ａには、冷却ＣＯ_２注入管３３から冷却ＣＯ_２が注入される。この冷却室Ａの温度は、高温となるタービン構成部品を適切に冷却する温度で注入される。

この冷却室Ａの圧力は高温の作動ＣＯ_２の流出を防ぐため、作動ＣＯ_２注入管３１内の圧力よりも若干高めに維持されている。

冷却室Ｂには、冷却室Ａから孔２７を通じ、バランスピストンシール２３にて減圧された冷却ＣＯ_２が注入される。この冷却室Ｂはメカニカルシール１２ａが受ける温度および圧力の影響を低減するための空間である。

この冷却室Ｂの温度は、冷却室Ａとほぼ同じ温度である。冷却室Ｂの圧力は、バランスピストンシール２３により冷却室Ａよりも格段に減圧され、冷却室Ｄとほぼ同じの圧力（作動ＣＯ_２注入管３１内の圧力の１／１０程度の低圧）にされている。

冷却室Ｃには、バランスピストンシール２３の位置にあるバランスピストン注気孔２９へ分流した低圧の冷却ＣＯ_２が注入され、内部ケーシング１５ａ，１５ｂと外部ケーシング１４との間を破線の矢印６３〜６５の向きに流れる。

冷却室Ｃと冷却室Ｄとを区画する仕切壁１８ｂには貫通孔である仕切壁孔１９が設けられており、冷却室Ｃからの冷却ＣＯ_２が仕切壁孔１９を通じて冷却室Ｄに注入される（破線の矢印６６）。このため、冷却室Ｄは冷却室Ｃとほぼ同様の温度および圧力とされる。

冷却室Ｄは、排気室Ｅを形成する内部ケーシング１５ｂを冷却するための空間であり、この冷却室Ｄ内にメカニカルシール１２ｂの一部が配置されている。冷却室Ｄでは、低温および低圧の冷却あるいはシール用のＣＯ_２が破線の矢印６７〜７０の向きに流れる。

この冷却室Ｄの温度は、冷却室Ａの温度よりも若干低くされている。この冷却室Ｄ内の圧力は、排気室Ｅの排気ＣＯ_２がホイールスペースシール２８ｂの部分から冷却室Ｄへ流入（漏れ）することを防ぐため、排気室Ｅ内の排気ＣＯ_２の圧力よりも若干高め（作動ＣＯ_２注入管３１内の圧力の１／１０程度＋ΔＰ）に維持される。このため、冷却あるいはシール用のＣＯ_２は、若干ではあるが、冷却室Ｄ側からホイールスペースシール２８ｂを通じて排気室Ｅへ流れ込む。

排気室Ｅには、作動ＣＯ_２注入管３１から注入された作動ＣＯ_２が静翼１６と動翼１３を通過した排気ＣＯ_２が流入し、ＣＯ_２排出管３２から排出される。この排気室Ｅの排気ＣＯ_２の温度は、作動ＣＯ_２注入管３１から注入される作動ＣＯ_２の温度の半分強程度（例えば５００°Ｃ−１０００°Ｃの間）である。この排気室Ｅ内の圧力は、作動ＣＯ_２注入管３１内の圧力の１／１０程度である。つまり排気室Ｅ内は中温、低圧といえる。

図３に示すように、メカニカルシール１２ａ，１２ｂは、静止外郭リング４１、回転外郭リング４２、スプリング４３、静止リング４４、回転リング４５を有している。
静止外郭リング４１は、ケーシング１４に固定されている。回転外郭リング４２は、タービンロータ１１に固定されており、タービンロータ１１と共に回転する。

静止リング４４は、スプリング４３を介して回転外郭リング４２の内側に固定されている。回転リング４５は、回転外郭リング４２の側壁に内側に向けて、回転外郭リング４２に固定されている。

スプリング４３は、静止外郭リング４１の内壁面と静止リング４４との間に配置され、静止リング４４の面４４ａと回転リング４５の面４５ａの間にミクロン単位の隙間を作り、その隙間には流体が浸潤して潤滑の役割を果たすことにより、流体の外部への漏洩が極めて小さい状態で、回転を可能としている。

すなわち、この火力発電システムは、超臨界圧のＣＯ_２を用いた酸素燃焼の循環システムで構成され、ＣＯ_２を有効活用でき、ＮＯｘを排出しないゼロエミッションの発電システムである。このシステムを用いることで、ＣＯ_２を分離・回収する設備を別に設置することなく、高純度の高圧ＣＯ_２を回収してリサイクル運用を図ることができる。

以下、この第１実施形態の火力発電システムの動作を説明する。
この第１実施形態の場合、ＣＯ_２、天然ガスおよび酸素を注入して燃焼させて発生した高温のＣＯ_２（作動ＣＯ_２）でＣＯ_２タービン５（の動翼）を回転させて発電する。

その後、ＣＯ_２タービン５から排出された燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）は、再生熱交換器２および冷却器７を経て冷却され、湿分分離器８にて水分を分離した後、ＣＯ_２ポンプ１に環流されて圧縮される。このシステムでは、大部分のＣＯ_２が燃焼器４へ循環されるが、燃焼により発生したＣＯ_２分はそのまま回収することができる。

次に、メカニカルシール１２ａ，１２ｂについて説明する。
ＣＯ_２タービン５のように、高温および高圧で動作するタービンの場合、一般のメカニカルシールでは、使用することができない。

そこで、このＣＯ_２タービン５では、冷却ＣＯ_２注入管３３から供給される冷却あるいはシール用のＣＯ_２でタービン内の部品を冷却あるいはシールするための高圧および低温の空間である冷却室Ａの他に、外部ケーシング１４と内部ケーシング１５ａ，１５ｂとを仕切壁１８ａ，１８ｂで縦（タービンロータ１１の軸方向）に仕切って外部ケーシング１４の内側の端部に、低温および低圧の冷却室Ｂ，Ｄを形成し、この冷却室Ｂ，Ｄにメカニカルシール１２ａ，１２ｂの一端（一部）を配置している。

このため、低温および低圧の環境下で動作保証されている低価格のメカニカルシールを用いることができる。

このようにこの第１の実施形態によれば、ＣＯ_２タービン５の外部ケーシング１４と内部ケーシング１５ａ，１５ｂとを仕切壁１８ａ，１８ｂで仕切って形成した外部ケーシング１４の内側両端部の、低温および低圧の冷却室Ｂ，Ｄにメカニカルシール１２ａ，１２ｂの一端を配置することで、動作条件が緩い低価格のメカニカルシールを用いることができ、ＣＯ_２の漏洩低減を低コストに実現することができる。

（第２実施形態）
続いて、図４を参照して火力発電システムに用いるＣＯ_２タービン５の第２実施形態を説明する。なおこの第２実施形態において第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付しその説明は省略する。

図４に示すように、この第２実施形態のＣＯ_２タービン５は、メカニカルシール１２ａの内側にタービンロータ１１の軸に沿ってシール構造体であるメカニカルシール１２ｃを併設した例であり、メカニカルシール１２ａ，１２ｃをタービンロータ１１の軸方向に２列配置している。

メカニカルシール１２ａとメカニカルシール１２ｃとの間の隙間（空間）には、排気側への配管３５が接続されており、その空間の圧力を排気側の圧力と同程度としている。

なお、メカニカルシール１２ａの内側に配置するメカニカルシール１２ｃについては、シール目的のメカニカルシール１２ａとは異なり、圧力差を生じさせること（減圧）が目的であり、ラビリンス構造のグランドシールであってもよい。

このようにこの第２の実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、メカニカルシール１２ａ，１２ｃを軸方向に２列配置し、シール構造を２段構成としたことで、第１実施形態に比べてタービンロータ１１の軸長が若干長くなるものの、ＣＯ_２の漏洩を、より低減したＣＯ_２タービン５を実現することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ＣＯ_２ポンプ、２…再生熱交換器、３…酸素製造装置、４…燃焼器、５…ＣＯ_２タービン、６…発電機、７…冷却器、８…湿分分離器、１０…軸受、１１…タービンロータ、１１ａ…バランスピストン、１２ａ，１２ｂ…メカニカルシール、１３…動翼、１４…外部ケーシング、１４ａ，１４ｂ…貫通孔、１５ａ，１５ｂ…内部ケーシング、１６…静翼、１８ａ，１８ｂ…仕切壁、１９…仕切壁孔、２３…バランスピストンシール、２４…ラビリンスシール、３１…作動ＣＯ_２注入管、３２…ＣＯ_２排出管、３３…冷却あるいはシール用のＣＯ_２注入管（冷却ＣＯ_２注入管）、３５…配管、４１…静止外郭リング、４２…回転外郭リング、４３…スプリング、４４…静止リング、４４ａ…静止リングの面、４５…回転リング、４５ａ…回転リングの面、Ａ-Ｄ…冷却室、Ｅ…排気室。

Claims (3)

1. タービンロータを回転させるための作動媒体および冷却用の媒体としてＣＯ_２を用いるタービンであって、
   前記タービンを冷却またはシールするＣＯ_２冷却媒体が所定の温度および所定の圧力で注入される第１の冷却室、前記第１の冷却室の圧力よりも低い圧力で前記ＣＯ_２冷却媒体が注入される第２の冷却室、および前記タービンロータを前記第２の冷却室を通じて外部へ貫通させる貫通孔を有するケーシングと、
   前記タービンロータと前記ケーシングとの間にある間隙を通じる前記ＣＯ_２冷却媒体の漏洩を低減するように、前記タービンロータが前記ケーシングの外側へ延在する貫通孔において前記間隙を回転可能にシールするメカニカルシールであって、前記メカニカルシールは、前記ケーシングと係合された静止外郭リング、および、前記静止外郭リングに対して前記タービンロータと共に回転する、前記タービンロータと係合された回転外郭リングを有する、メカニカルシールと、
   を具備する、タービン。
2. 前記タービンが、シール構造体をさらに具備し、前記メカニカルシールが、前記タービンロータの軸に沿って前記シール構造体と前記ケーシングの外側との間に配置される、請求項１に記載のタービン。
3. 前記シール構造体が、追加のメカニカルシールまたはラビリンス構造のグランドシールである、請求項２に記載のタービン。

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