JP6235772B2 - タービン - Google Patents

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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ポンプ1、再生熱交換器2、酸素製造装置3、燃焼器4、CO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は二酸化炭素である。
COポンプ1は、湿分分離器8により燃焼ガス(COと蒸気)から水分が分離された高純度のCOを圧縮し、高圧のCOを、再生熱交換器2を通じて燃焼器4およびCOタービン5へ分岐して供給する。
なお、COポンプ1で発生した高純度で高圧のCO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ポンプ1は一台で作動用CO(以下「作動CO」という)および冷却用CO(以下「冷却CO」という)の供給源となる。作動COを作動ガスまたは作動流体、冷却CO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を燃焼器4およびCOタービン5へ供給する。燃焼器4へのCOは作動用として供給される。COタービン5へのCO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タービン5から排出された燃焼ガス(CO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および酸素を燃焼させて高温および高圧の燃焼ガス(COと蒸気)を発生し、作動COとしてCOタービン5へ供給する。
COタービン5は、高温および高圧の作動CO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タービン5は、一台のCOポンプ1から供給されるCO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タービン5の車軸の回転力により発電する。COタービン5と発電機6を合わせてCO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と蒸気)から水分を分離し、高純度のCOをCO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注入管31、CO排出管32、冷却あるいはシール用のCO注入管33(以下「冷却CO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注入管33に注入された冷却CO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は、冷却室Bと冷却室Cに分岐して流れる。
この他、冷却CO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注入管33から冷却CO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の流出を防ぐため、作動CO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の圧力よりも若干高め(作動CO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注入管31から注入された作動COが静翼16と動翼13を通過した排気COが流入し、CO排出管32から排出される。この排気室Eの排気COの温度は、作動CO注入管31から注入される作動CO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を用いた酸素燃焼の循環システムで構成され、CO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、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(作動CO)でCOタービン5(の動翼)を回転させて発電する。
その後、COタービン5から排出された燃焼ガス(CO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が燃焼器4へ循環されるが、燃焼により発生したCO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タービン5では、冷却CO注入管33から供給される冷却あるいはシール用のCO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の漏洩を、より低減したCO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ポンプ、2…再生熱交換器、3…酸素製造装置、4…燃焼器、5…CO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注入管、32…CO排出管、33…冷却あるいはシール用のCO注入管(冷却CO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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