JP6253489B2 - 軸流タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、軸流タービンに関する。

近年、蒸気タービンやガスタービン等の軸流タービンを用いる火力発電プラントにおいては、発電効率を改善するための有効な手法として、軸流タービンに供給される作動流体の温度、すなわちタービン入口温度を上昇させることが行われている。例えば、特許文献１に記載のＣＯ２タービンでは、１０００℃以上の作動流体を用いる。

一方、タービン入口温度の上昇に伴って、タービン動翼およびタービンロータを高温の作動流体から保護するために冷却媒体で十分に冷却することが必要となる。冷却媒体の使用量は、タービン入口温度の上昇に伴って増加する。

特開２０１４−２０３２０号公報

冷却媒体の使用量が増加するにつれて、冷却媒体が流れる軸流タービンの冷却空間から作動流体の主流に漏出する冷却媒体が増加する。漏出した冷却媒体は、作動流体の温度を低下させる。その結果、発電プラントの効率低下を招き、作動流体の高温化による発電効率の向上を妨げてしまうという課題があった。

本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、その目的は、冷却媒体の使用量を減らし、発電プラントの発電効率を向上させることが可能な軸流タービンを提供することである。

実施形態に係る軸流タービンは、タービンロータと、タービン動翼と、ケーシングと、タービンノズルと、遮熱板および区画壁を有する遮熱部材とを備える。前記タービンロータは、回転中心軸に沿って延びるロータ本体部、および、前記ロータ本体部の外周面に前記回転中心軸方向に所定の間隔で凸設された複数のロータディスク部を有する。タービン動翼は、前記各ロータディスク部に設けられている。ケーシングの内部には前記タービンロータが回転自在に設けられている。タービンノズルは、互いに隣り合う前記タービン動翼の間に位置し、前記ケーシングの内周面に設けられている。前記遮熱部材の遮熱板は、前記タービンノズルと前記ロータ本体部との間に設けられ、前記ロータディスク部間における前記ロータ本体部の外周面を環状の冷却空間を介して包囲する。前記遮熱部材の区画壁は、前記遮熱板に一端部が接続され、前記ロータディスク部間のロータ本体部に他端部が接続され、前記環状の冷却空間を第１の冷却室と第２の冷却室に区画する。前記タービンロータには、前記第１の冷却室に冷却媒体を導入する導入流路、および、前記第２の冷却室から冷却媒体を排出する排出流路が設けられている。前記遮熱板の内部には、前記第１の冷却室と前記第２の冷却室を連通させる冷媒流通孔が設けられている。

一実施形態に係る発電プラント１００の全体構成を示す図である。 図１の発電プラント１００で使用される軸流タービン１の全体図である。 本発明の第１の実施形態に係る軸流タービンにおける最上流のタービン段落の断面図である。 軸流タービンの遮熱部材４０をタービンロータの回転中心軸方向から見た図である。 （ａ）はロータ本体部１１に形成されたロータ溝１１ｂの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。 （ａ）は、ロータ溝１１ｂの切り欠き部１１ｂ１に遮熱部材構成部材Ｒ１を挿入した状態における、図５（ａ）のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図であり、（ｂ）は、当該状態における図５（ａ）のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る軸流タービンにおける最上流のタービン段落の断面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る軸流タービンの部分断面図であり、（ｂ）は、シール部材設置溝２１の断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る軸流タービンの部分断面図である。 （ａ）は互いに隣り合う遮熱部材構成部材Ｒ１，Ｒ２の部分断面図であり、（ｂ）はシール部材設置溝４６の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る軸流タービンにおける最上流のタービン段落の断面図である。 （ａ）はロータ本体部１１に形成されたロータ溝１１ｃ，１１ｄの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ３−Ｘ３線に沿う断面図である （ａ）は、ロータ溝１１ｃ，１１ｄの切り欠き部１１ｃ１，１１ｄ１に遮熱部材構成部材Ｒ１Ｌ，Ｒ１Ｒを挿入し回転中心軸方向にスライドさせた状態における、図１２（ａ）のＸ３−Ｘ３線に沿う断面図であり、（ｂ）は、当該状態における図１２（ａ）のＸ４−Ｘ４線に沿う断面図である。 本発明の第３の実施形態の変形例に係る軸流タービンにおける最上流のタービン段落の断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して具体的に説明する。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、同一符号の構成要素の詳しい説明は繰り返さない。

まず、本発明の実施形態に係る軸流タービンを説明する前に、図１を用いて、軸流タービンが設けられた発電プラント１００について説明する。

図１に示すように、発電プラント１００は、窒素を除去することにより空気から酸素を抽出する酸素製造装置１１０と、燃焼ガスを生成する燃焼器１２０と、燃焼器１２０により生成された燃焼ガスが作動流体として供給されて回転駆動するタービンロータ１０を有する軸流タービン１と、を備えている。

このうち、燃焼器１２０には、酸素製造装置１１０により抽出された酸素が供給される。燃焼器１２０は、この酸素と、燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する。燃焼器１２０において使用される燃料としては、例えば、メタンガス等の窒素を含まない天然ガスが挙げられる。燃料の燃焼には、窒素を除去した空気、すなわち酸素が使用されることから、燃焼器１２０において生成される燃焼ガスは、ＣＯ２ガスと水蒸気とを含んでいる。なお、燃焼器１２０には、後述する再生熱交換器１４０から、当該再生熱交換器１４０において加熱された再生ガス（具体的には、ＣＯ２ガス、すなわち、ＣＯ２を成分とするガス）の一部が供給され、この供給された再生ガスとともに燃料の燃焼が行われる。

燃焼器１２０により生成された燃焼ガスは、作動流体として軸流タービン１に供給され、後述するタービン動翼２０に対して仕事を行い、タービンロータ１０を回転駆動する。軸流タービン１のタービンロータ１０には、発電機１３０が連結されており、タービンロータ１０が回転駆動することによって発電機１３０が発電を行う。

軸流タービン１において仕事を行った燃焼ガスは、排出ガスとして軸流タービン１から排出される。なお、排出ガスは、ＣＯ２ガスと水蒸気とを含んでいる。この排出ガスは、軸流タービン１の下流側に設けられた再生熱交換器１４０に供給される。また、再生熱交換器１４０には、後述するＣＯ２ポンプ（圧縮機）１７０から、比較的低温の再生ガスが供給されるようになっている。再生熱交換器１４０において、再生ガスと排出ガスとが熱交換を行い、比較的高温の排出ガスは冷却される。

再生熱交換器１４０の下流側には、冷却器１５０が設けられている。この冷却器１５０には、再生熱交換器１４０から冷却された排出ガスが供給され、冷却器１５０は、この排出ガスを更に冷却する。

冷却器１５０の下流側には、湿分分離器１６０が設けられている。この湿分分離器１６０には、冷却器１５０により冷却された排出ガスが供給され、湿分分離器１６０は、この排出ガスの水分を分離して除去する。これにより、ＣＯ２と水とを成分とする排出ガスから水分が除去され、排出ガスが再生される。

湿分分離器１６０の下流側には、ＣＯ２ポンプ１７０が設けられている。このＣＯ２ポンプ１７０には、湿分分離器１６０により再生された再生ガスが供給され、ＣＯ２ポンプ１７０は、この再生ガスを圧縮して、再生ガスの圧力が高められる。

圧縮された再生ガスは、上述した再生熱交換器１４０に供給される。再生熱交換器１４０においては、上述したように、ＣＯ２ポンプ１７０により圧縮された再生ガスと、軸流タービン１から冷却器１５０に向う排出ガスとの間で熱交換が行われる。これにより、比較的低温の再生ガスは加熱される。なお、ＣＯ２ポンプ１７０により圧縮された再生ガスの一部は、再生熱交換器１４０に供給されることなく回収される。回収された再生ガスは、貯蔵されたり、他の用途（例えば、石油掘削量増大のための用途）で利用されたりする。

再生熱交換器１４０により加熱された再生ガスの一部は、燃焼器１２０に供給される。残りは、後述する軸流タービン１に供給され、冷却媒体として使用される。

上記のように、図１に示す発電プラント１においては、燃焼によって生成されたＣＯ２と水を成分とする１０００℃以上の燃焼ガスを用いて発電が行われ、ＣＯ２の大部分は循環されて再利用される。

次に、図２を参照して、軸流タービン１の全体構成について説明する。ここでは、軸流タービン１として、燃焼ガスの圧力が比較的高い高圧タービンの例を示す。

図２に示すように、軸流タービン１は、二重ケーシング３６と、タービンロータ１０と、を備えている。このうち、二重ケーシング３６は、内側のケーシング３０と、このケーシング３０の外側に設けられた外部ケーシング３５と、を有しており、二重構造のケーシングとなっている。ケーシング３０の内部には、タービンロータ１０が回転自在に設けられている。

外部ケーシング３５には、ガス供給管２が連結されており、燃焼器１２０において生成された燃焼ガスが、作動流体として、軸流タービン１に供給されるようになっている。軸流タービン１に供給された作動流体は、二重ケーシング３６内に設けられたインレットスリーブ３ａおよびノズルボックス３ｂによって、後述する複数のタービン段落５のうちの最も上流側のタービン段落５に案内されるようになっている。タービンロータ１０には、上述した発電機１３０が連結されている。

二重ケーシング３６（より詳細には、ケーシング３０）には、複数のタービンノズル３１が固定されている。タービンロータ１０には、複数のタービン動翼２０が固定されている。タービンノズル３１とタービン動翼２０は、タービンロータ１０の回転中心軸方向に交互に配置されている。そして、一のタービンノズル３１と、当該一のタービンノズル３１の下流側に隣り合って配置された一のタービン動翼２０とにより、一のタービン段落５が構成されている。軸流タービン１は、このようなタービン段落５が、タービンロータ１０の回転中心軸方向に複数設けられている。ガス供給管２を介して供給された作動流体が複数のタービン段落５を通過する間にタービン動翼２０に対して仕事を行うことで、タービンロータ１０が回転駆動される。

最終段落のタービン動翼２０を通過した作動流体は、排気流路４を通って軸流タービン１の外部へと排出される。

次に、本発明の実施形態に係る軸流タービンの詳細構成について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る軸流タービンについて、図３〜図６を参照して説明する。図３は、第１の実施形態に係る軸流タービンにおける最上流のタービン段落の断面図を示している。

第１の実施形態に係る軸流タービンは、図３に示すように、タービンロータ１０と、タービン動翼２０と、ケーシング３０と、タービンノズル３１と、遮熱部材４０とを備えている。

次に、軸流タービンの各構成要素について詳しく説明する。

タービンロータ１０は、図３に示すように、回転中心軸に沿って延びるロータ本体部１１と、ロータ本体部１１の外周面１１ａに、回転中心軸方向に所定の間隔で凸設された複数のロータディスク部１２とを有する。

タービン動翼２０は、図３に示すように、各ロータディスク部１２に設けられている。より詳しくは、タービン動翼２０の基端には植え込み部２０ｂが設けられ、この植え込み部２０ｂがロータディスク部１２の外周面に設けられた取り付け溝と嵌合することにより、タービン動翼２０はロータディスク部１２に固定されている。

また、タービン動翼２０の先端には振動抑制用のスナッバ２０ｃが設けられている。このスナッバ２０ｃと対向するケーシング３０の内周面には、作動流体の漏洩を減らすためのシールフィン３２が設けられている。

タービンノズル３１は、図３に示すように、互いに隣り合うタービン動翼２０の間に位置し、ケーシング３０の内周面に設けられている。タービンノズル３１は、タービン動翼２０とともに作動流体の環状の主流路を形成する。

また、遮熱板４１（後述）と対向するタービンノズル３１の先端部には、作動流体の漏洩を減らすためのシールフィン３３が設けられている。

遮熱部材４０は、タービンノズル３１とロータ本体部１１との間に設けられた遮熱板４１と、遮熱板４１およびロータ本体部１１を接続する区画壁４２とを有する。

遮熱板４１は、互いに隣り合うロータディスク部１２間におけるロータ本体部１１の外周面１１ａを環状の冷却空間の冷却室Ｓ１，Ｓ２を介して包囲する。これにより、遮熱板４１は、主流路から漏れた高温の作動流体を、タービンロータ１０（ロータ本体部１１の外周面１１ａ）から隔離する。

遮熱板４１の内部には、図３に示すように、冷却媒体が流通するための冷媒流通孔Ａが設けられている。冷媒流通孔Ａは、回転中心軸方向に直線状に走るように設けられてもよいし、あるいは、回転中心軸方向に蛇行するように設けられてもよい。また、冷却流通孔Ａは、後述の遮熱板構成部Ｒ１ａ〜Ｒ８ａに、回転中心軸の周方向に沿って複数本並べて設けられてもよい（図４参照）。また、冷却流通孔Ａの断面形状は、円形に限らず、他の形状（楕円形状、多角形状等）であってもよい。

区画壁４２は、遮熱板４１の内表面４１ｃに一端部が接続され、ロータディスク部１２間におけるロータ本体部１１に他端部が接続されている。

区画壁４２は、ロータ本体部１１の外周面１１ａの全周にわたって設けられており、タービンロータ１０と遮熱板４１によって形成される環状の冷却空間を、冷却室Ｓ１と冷却室Ｓ２に区画する。遮熱板４１の内部に設けられた冷媒流通孔Ａは、冷却室Ｓ１と冷却室Ｓ２を連通させる。

また、タービンロータ１０には、図３に示すように、冷却室Ｓ１に高圧の冷却媒体を導入する導入流路Ｂ、および、冷却室Ｓ２から冷却媒体を排出する排出流路Ｃが設けられている。導入流路Ｂは、外部と冷却室Ｓ１を連通させるものであり、例えば、図１を参照して説明した再生熱交換器１４０から供給された冷却媒体を冷却室Ｓ１に導入する。冷却室Ｓ１，Ｓ２の冷却媒体は、タービンロータ１０（ロータ本体部１１の外周面１１ａ）を冷却する。

排出流路Ｃは、冷却室Ｓ２とタービン動翼冷却流路Ｅとを連通させる。冷却室Ｓ２から排出流路Ｃに流出された冷却媒体は、次段のタービン動翼２０内に設けられたタービン動翼冷却流路Ｅを通って当該タービン動翼２０を冷却した後、作動流体の主流路に排出される。

なお、使用する冷却媒体は、ＣＯ２に限るものではなく、他の媒体（空気など）であってもよい。

また、図３に示すように、冷却室Ｓ１と作動流体の主流路を連通させるタービン動翼冷却流路Ｄがタービン動翼２０内に設けられてもよい。これにより、ノズルボックス３ｂから供給された高温の作動流体により最も加熱される最上流のタービン動翼２０を十分に冷却することができる。

次に、図４を参照して、遮熱部材４０の構成について詳しく説明する。図４は、遮熱部材４０をタービンロータ１０の回転中心軸方向から見た側面図を示している。遮熱部材４０は、複数の（図４の場合は８個の）遮熱部材構成部材Ｒ１〜Ｒ８をタービンロータ１０の回転中心軸の周方向に組み合わせたものとして構成されている。遮熱部材構成部材Ｒ１〜Ｒ８は、遮熱部材４０をタービンロータ１０の周方向に分割した形状を有する。

各遮熱部材構成部材Ｒ１〜Ｒ８は、遮熱板構成部Ｒ１ａ〜Ｒ８ａと、区画壁構成部（以下、「脚部」ともいう。）Ｒ１ｂ〜Ｒ８ｂと、を有している。図４に示すように、遮熱板構成部Ｒ１ａ〜Ｒ８ａが回転中心軸の周方向に組み合わさることで遮熱板４１が構成され、脚部Ｒ１ｂ〜Ｒ８ｂが回転中心軸の周方向に組み合わさることで区画壁４２が構成される。

各脚部Ｒ１ｂ〜Ｒ８ｂの基端には係合部Ｒ１ｃ〜Ｒ８ｃがそれぞれ設けられている。係合部Ｒ１ｃ〜Ｒ８ｃの形状は矩形に限らず、他の形状であってもよい。また、係合部Ｒ１ｃ〜Ｒ８ｃは、脚部Ｒ１ｂ〜Ｒ８ｂの全幅にわたって設けられず、複数に分割されていてもよい。係合部Ｒ１ｃ〜Ｒ８ｃがロータ本体部１１の外周面１１ａに形成されたロータ溝１１ｂ（後述）に係合することにより、遮熱部材構成部材Ｒ１〜Ｒ８はタービンロータ１０に固定される。

図５および図６を参照して、遮熱部材構成部材Ｒ１〜Ｒ８をタービンロータ１０に固定する方法について説明する。図５（ａ）はロータ溝１１ｂの平面図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図を示している。ロータ溝１１ｂには、切り欠き部１１ｂ１が設けられている。切り欠き部１１ｂ１におけるロータ溝１１ｂの幅は、係合部Ｒ１ｃ〜Ｒ８ｃの幅（回転中心軸方向の長さ）とほぼ同じである。また、切り欠き部１１ｂ１におけるロータ溝１１ｂの数は、係合部Ｒ１ｃ〜Ｒ８ｃの数（一つの脚部に設けられた係合部の数）と同じである。

遮熱部材構成部材Ｒ１〜Ｒ８は、タービンロータ１０に順番に固定される。

まず、図６（ａ）に示すように、遮熱部材構成部材Ｒ１の係合部Ｒ１ｃを切り欠き部１１ｂ１からロータ溝１１ｂに挿入し、係合部Ｒ１ｃをロータ溝１１ｂの底面に接触させる。その後、図６（ｂ）に示すように、遮熱部材構成部材Ｒ１を回転中心軸の周方向にスライドさせて係合部Ｒ１ｃをロータ溝１１ｂに係合させる。これにより、遮熱部材構成部材Ｒ１はタービンロータ１０に脱落不能に取り付けられる。遮熱部材構成部材Ｒ２〜Ｒ８についても、遮熱部材構成部材Ｒ１と同様にしてタービンロータ１０に脱落不能に取り付けられる。

なお、ロータ溝１１ｂの切り欠き部１１ｂ１は、ロータ溝１１ｂの複数箇所に設けられてもよい。

第１の実施形態に係る軸流タービンにおいては、区画壁４２がタービンロータ１０と遮熱板４１によって形成される環状の冷却空間を冷却室Ｓ１と冷却室Ｓ２に区画している。このため、導入流路Ｂを通って冷却室Ｓ１に導入された高圧の冷却媒体は、遮熱板４１内に設けられた冷媒流通孔Ａを通って冷却室Ｓ２に流れ込むことになる。

冷却媒体は、冷媒流通孔Ａによって流量が絞られ、遮熱板４１の内部を集中的に流れる。また、冷却媒体が冷媒流通孔Ａを通る際、冷却媒体の流速が上昇する。これにより、冷却媒体により遮熱板４１を十分に冷却保護しつつ、冷却媒体の使用量を減らすことができる。また、タービンロータ１０およびタービン動翼２０の冷却については、冷却室Ｓ１，Ｓ２および各種流路（導入流路Ｂ、排出流路Ｃ、タービン動翼冷却流路Ｄ，Ｅ）を流れる冷却媒体により十分に冷却される。

さらに、上記のように冷却媒体の使用量を減少させることができるため、冷却室Ｓ１および冷却室Ｓ２から主流路に漏出する冷却媒体の量を減らすことができる。より詳しくは、タービン動翼２０の側面（遮熱板４１に対向する面）２０ａと、遮熱板４１の側面４１ｂとの間を通って主流路に漏出する冷却媒体の量を減らすことができる。これにより、主流路に流れる高温の作動流体が冷却媒体によって冷却されることを抑制し、その結果、発電プラントの発電効率を向上させることができる。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、冷却媒体の使用量を減らし、発電プラントの発電効率を向上させることができる。

なお、第１の実施形態の変形例として、図７に示すように、熱絶縁層４３を設けてもよい。より詳しくは、第１の実施形態の変形例に係る軸流タービンは、遮熱板４１の外表面４１ａに設けられた熱絶縁層４３をさらに備えている。この熱絶縁層４３は、遮熱板４１よりも熱伝導率が低い材料からなる。熱絶縁層４３の材料としては、サーマルバリアコーティング（断熱被膜、高温耐蝕被膜）に使用される各種材料が使用可能である。例えば、Ｍ（ニッケル、コバルト、鉄又はこれらの組み合わせ）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｙ（イットリウム）材料、あるいはＭＣｒＡｌＹ材料にセラミックス系材料を組み合わせたもの等を用いることが可能である。

上記のように熱絶縁層４３を遮熱板４１に設けることにより、高温の作動流体と遮熱板４１とが熱的に絶縁される。このため、遮熱板４１の温度上昇が抑制され、冷却媒体の使用量をさらに少なくすることができる。また、冷却媒体の主流路への漏出量をより減少させることができるため、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る軸流タービンについて図８を参照して説明する。第１の実施形態との相違点の一つは、第２の実施形態では、冷却室Ｓ１，Ｓ２から主流路に漏出する冷却媒体の量をさらに減らすためのシール構造が設けられる点である。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図８に示すように、第２の実施形態に係る軸流タービンでは、タービン動翼２０の側面２０ａに、回転中心軸の周方向に延びるシール部材設置溝２１が形成されている。このシール部材設置溝２１内には、シール部材として、シールピン５１が配置されている。

なお、シール部材設置溝２１は、タービン動翼２０の側面２０ａではなく、遮熱板４１の側面４１ｂに形成されていてもよい。

シールピン５１の平面形状（即ち、タービンロータ１０の回転中心軸方向から見た形状）は、環状（円状、多角形状等）であるがこれに限るものではない。例えば、棒状のシールピンを複数用いてもよい。なお、シールピン５１の断面形状は、図８（ａ）では円形であるがこれに限るものではなく、例えば、楕円形状であってもよい。

シール部材設置溝２１は、図８（ｂ）に示すように、底部からケーシング３０側（図中上側）に向かって広がるように傾斜した傾斜面２１ａを有し、このシール部材設置溝２１内にはシール部材としてシールピン５１が配置されている。これにより、シールピン５１は、タービン運転時にタービンロータ１０が回転することにより発生する遠心力を受けて、シール部材設置溝２１内をケーシング３０側に移動する。そして、シールピン５１は、傾斜面２１ａに沿って遮熱板４１に向けて移動し、遮熱板４１の側面４１ｂに当接してシール部を形成する。

これにより、冷却媒体の主流路への漏れ量をより減少させ、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。さらに、タービン停止時においてシールピン５１全体がシール部材設置溝２１内に収納され、タービン動翼２０の側面２０ａからシールピン５１が突出しないようにできる。このため、遮熱板４１の両側のタービン動翼２０が遮熱部材４０よりも先にタービンロータ１０に取り付けられた場合であっても、その後に遮熱部材４０をタービンロータ１０に取り付けることができる。このため、組立手順の制限が緩和され、軸流タービンの製造性を向上させることができる。

なお、図８（ａ）に示すように、シール部材設置溝２１とシールピン５１との間に、弾性部材（つる巻バネ、板バネ等）５２が設けられていてもよい。シールピン５１は、弾性部材５２の復元力により遮熱板４１側に押圧され、遮熱板４１の側面４１ｂに当接してシール部を形成する。これにより、冷却媒体の使用量をより減らすことができ、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。

また、第２の実施形態の変形例として、図９に示すように、シール部材設置溝２１内にはシール部材として、シールバネ（Ｃシール）５５またはシールバネ（Ｅシール）５６が配置されていてもよい。この場合のシール部材設置溝２１に傾斜面２１ａはなくてよい。シールバネ５５，５６は、自身が有する復元力により遮熱板４１の側面４１ｂに当接してシール部を形成する。これにより、冷却媒体の使用量をより減らすことができ、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。さらに、遮熱板４１の両側のタービン動翼２０が遮熱部材４０よりも先にタービンロータ１０に取り付けられた場合であっても、その後に遮熱部材４０をタービンロータ１０に取り付けることができる。このため、組立手順の制限が緩和され、軸流タービンの製造性を向上させることができる。

また、互いに隣り合う遮熱部材構成部材Ｒ１〜Ｒ８間に上述のシール構造を適用することも可能である。例えば、図１０（ａ）に示すように、遮熱部材構成部材Ｒ１の遮熱板構成部Ｒ１ａの対向面（遮熱板構成部Ｒ２ａに対向する面）にシール部材設置溝４６を形成し、このシール部材設置溝４６内にシールピン５３を配置してもよい。シール部材設置溝４６は、タービンロータ１０の回転中心軸方向に延びるように形成される。なお、シール部材設置溝４６は遮熱板構成部Ｒ２ａ側に形成されてもよい。

シール部材設置溝４６は、図１０（ｂ）に示すように、底部からケーシング３０側（図中上側）に向かって広がるように傾斜した傾斜面４６ａを有する。これにより、シールピン５３は、タービン運転時にタービンロータ１０が回転することにより発生する遠心力を受けて、シール部材設置溝４６内をケーシング３０側に移動し、遮熱板構成部Ｒ２ａの対向面に当接してシール部を形成する。よって、冷却媒体が作動流体の主流路に漏出する量をより減少させ、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。

なお、シール部材設置溝４６とシールピン５３との間に弾性部材（図示せず）が設けられていてもよい。シールピン５３は、この弾性部材の復元力により遮熱板構成部Ｒ２ａ側に押圧され、遮熱板構成部Ｒ２ａの対向面に当接してシール部を形成する。これにより、冷却媒体の使用量をより減らすことができ、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。

また、シール部材として、シール部材設置溝４６内にＣシールまたはＥシール等のシールバネを配置してもよい。この場合のシール部材設置溝４６に傾斜面４６ａはなくてよい。このシールバネは、自身が有する復元力により遮熱板構成部Ｒ２ａの対向面に当接してシール部を形成する。これにより、冷却媒体の使用量をより減らすことができ、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る軸流タービンについて図１１を参照して説明する。第２の実施形態との相違点の一つは、第３の実施形態では、シールピン等のシール部材を用いずに、冷却室Ｓ１，Ｓ２から主流路に漏出する冷却媒体の量をさらに減らすためのシール構造を形成する点である。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１１に示すように、第３の実施形態に係る軸流タービンでは、タービン動翼２０の側面２０ａに環状突起部２２が設けられている。この環状突起部２２は、遮熱板４１の端部４１ｄの外表面４１ａを覆っている。なお、軸流タービン停止時において、環状突起部２２と遮熱板４１との間に隙間が存在してもよい。

タービン運転時、遮熱板４１の端部４１ｄは、タービンロータ１０が回転することにより発生する遠心力、および冷却媒体の流通に伴う冷却室Ｓ１，Ｓ２の圧力を受けて、ケーシング３０側に反り返る。これにより、遮熱板４１の端部４１ｄは、タービン動翼２０の環状突起部２２に当接してシール部を形成する。よって、第３の実施形態によれば、冷却媒体の使用量をより減らすことができ、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。

好ましくは、遮熱部材４０は、図１１に示すように、遮熱部材４０Ｌと遮熱部材４０Ｒとを、タービンロータ１０の回転中心軸方向に組み合わせたものとして構成される。これら遮熱部材４０Ｌおよび遮熱部材４０Ｒは、遮熱部材４０と同様、図４で説明したように、複数の遮熱部材構成部材から構成される。

遮熱部材４０Ｌは、遮熱板４１Ｌおよび区画壁４２Ｌを有し、遮熱部材４０Ｒは、遮熱板４１Ｒおよび区画壁４２Ｒを有する。図１１に示すように、遮熱板４１Ｌ，４１Ｒの内部には各々、冷却媒体が流通するための冷媒流通孔が設けられている。

遮熱板４１Ｌと遮熱板４１Ｒとが組み合わさることにより、互いに隣り合うロータディスク部１２間におけるロータ本体部１１の外周面１１ａを環状の冷却空間の冷却室Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を介して包囲し、前述の遮熱板４１に相当するものとなる。

互いに隣り合う一対のタービン動翼２０のうちの一方のタービン動翼（例えば、図１１の左側のタービン動翼２０）に設けられた環状突起部２２が遮熱板４１Ｌの端部４１ｄを覆う。また、他方のタービン動翼（例えば、図１１の右側のタービン動翼２０）に設けられた環状突起部２２が遮熱板４１Ｒの端部４１ｄを覆う。

次に、遮熱部材４０Ｌおよび遮熱部材４０Ｒのタービンロータ１０への固定手順について図１２および図１３を参照して説明する。

図１２（ａ）は、タービンロータ１０のロータ本体部１１に形成されたロータ溝１１ｃ，１１ｄの平面図を示している。この図１２（ａ）において、投影線Ｆ１およびＦ２は、タービン動翼２０の環状突起部２２のロータ本体部１１への投影線である。投影線Ｇ１は、遮熱板４１Ｌの端部４１ｄのロータ本体部１１への投影線であり、投影線Ｇ２は、遮熱板４１Ｒの端部４１ｄのロータ本体部１１への投影線である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＸ３−Ｘ３線に沿う断面図を示している。

図１２（ａ）に示すように、ロータ本体部１１には２本のロータ溝１１ｃ，１１ｄが平行に設けられている。ロータ溝１１ｃおよびロータ溝１１ｄには、切り欠き部１１ｃ１および切り欠き部１１ｄ１がそれぞれ設けられている。なお、切り欠き部１１ｃ１におけるロータ溝１１ｃの幅は、遮熱部材４０Ｌの遮熱部材構成部材Ｒ１Ｌの係合部Ｒ１Ｌｃの幅（回転中心軸方向の長さ）よりも、環状突起部２２との干渉幅分だけ広い。ロータ溝１１ｄについても、切り欠き部１１ｄ１におけるロータ溝１１ｄの幅は、遮熱部材４０Ｒの遮熱部材構成部材Ｒ１Ｒの係合部Ｒ１Ｒｃの幅よりも、環状突起部２２との干渉幅分だけ広い。

まず、図１３（ａ）に示すように、遮熱部材４０Ｌの遮熱部材構成部材Ｒ１Ｌの係合部Ｒ１Ｌｃを、係合部Ｒ１Ｌｃの側面（図１３（ａ）の場合、右側面）がロータ溝１１ｃの側壁に接した状態で切り欠き部１１ｃ１からロータ溝１１ｃに挿入し、係合部Ｒ１Ｌｃをロータ溝１１ｃの底面に接触させる。

次に、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、遮熱部材構成部材Ｒ１Ｌを回転中心軸方向にスライドさせた後、回転中心軸の周方向にスライドさせて係合部Ｒ１Ｌｃをロータ溝１１ｃに係合させる。これにより、遮熱部材構成部材Ｒ１Ｌは、タービンロータ１０に脱落不能に取り付けられる。その後、前述の遮熱部材構成部材Ｒ２〜Ｒ８に相当する他の遮熱部材構成部材についても同様にしてタービンロータ１０に取り付ける。これにより、遮熱部材４０Ｌがタービンロータ１０の全周にわたって設けられる。

次に、遮熱部材４０Ｒの遮熱部材構成部材Ｒ１Ｒの係合部Ｒ１Ｒｃを、係合部Ｒ１Ｒｃの側面（図１３（ａ）の場合、左側面）がロータ溝１１ｄの側壁に接した状態で切り欠き部１１ｄ１からロータ溝１１ｄに挿入し、係合部Ｒ１Ｒｃをロータ溝１１ｄの底面に接触させる。そして、遮熱部材構成部材Ｒ１Ｒを回転中心軸方向にスライドさせた後、回転中心軸の周方向にスライドさせて係合部Ｒ１Ｒｃをロータ溝１１ｄに係合させる。これにより、遮熱部材構成部材Ｒ１Ｒは、タービンロータ１０に脱落不能に取り付けられる。その後、前述の遮熱部材構成部材Ｒ２〜Ｒ８に相当する他の遮熱部材構成部材についても同様にしてタービンロータ１０に取り付ける。これにより、遮熱部材４０Ｒがタービンロータ１０の全周にわたって設けられる。

上記の取り付け工程において、遮熱部材構成部材Ｒ１Ｌ（Ｒ１Ｒ）をタービン動翼２０の環状突起部２２に当接させる必要がないことから、遮熱部材構成部材Ｒ１Ｌ（Ｒ１Ｒ）を容易に回転中心軸の周方向にスライドさせることができる。

上記のようにすることで、遮熱部材構成部材Ｒ１Ｌ，Ｒ１Ｒをタービンロータ１０に取り付ける際、タービン動翼２０の環状突起部２２との干渉を回避することができる。これにより、タービン動翼２０が遮熱部材４０Ｒ，４０Ｌよりも先にタービンロータ１０に取り付けられた場合であっても、その後に遮熱部材４０Ｒ，４０Ｌを、タービン動翼２０の環状突起部２２が遮熱板４１Ｒ，４１Ｌの端部４１ｄを覆うようにタービンロータ１０に取り付けることができる。よって、組立手順の制限が緩和され、軸流タービンの製造性を向上させることができる。

なお、図１１に示すように、遮熱部材４０Ｌの端部４１ｅが遮熱部材４０Ｒにより覆われるようにしてもよい。これにより、タービン運転時、遮熱板４０Ｌの端部４１ｅは、タービンロータ１０が回転することにより発生する遠心力、および冷却媒体の流通に伴う冷却室Ｓ３の圧力を受けてケーシング３０側に反り返ることで、遮熱部材４０Ｒに当接してシール部を形成する。これにより、遮熱部材４０を２つの遮熱部材４０Ｌと遮熱部材４０Ｒに分割した場合であっても、継ぎ目から作動流体の主流路に漏出する冷却媒体を減らすことができる。

また、好ましくは、シール部の形成に寄与する遮熱板の一部分に、質量を大きくするための重りが設けられる。具体的には、図１４に示すように、遮熱板４１Ｌ，４１Ｒの端部４１ｄに、重り４４が設けられる。この重り４４により、タービンロータ回転時に端部４１ｄに作用する遠心力が増大する。これにより、タービン運転時における端部４１ｄの反り返りが大きくなり、端部４１ｄはタービン動翼２０の環状突起部２２により密着するようになる。あるいは、タービンロータ１０が比較的低速で回転している時においても、端部４１ｄは十分に反り返り、環状突起部２２に当接してシール部を形成することになる。これにより、冷却媒体の使用量をより減らすことができ、発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。なお、図１４に示すように、遮熱板４１Ｌの端部４１ｅに重り４５を設けてもよい。

上記の重り４４，４５は、遮熱板４１Ｌ，４１Ｒの内表面の全周にわたって環状に設けられてもよいし、あるいは、遮熱板４１Ｌ，４１Ｒの内表面に所定の間隔で設けられてもよい。また、重り４４，４５は遮熱板４１Ｌ，４１Ｒに一体的に設けられてもよい。

以上、本発明に係る実施形態について説明した。上述した遮熱構造は、最上流のタービン段落に適用する場合に限らず、その他のタービン段落に対して適用してもよい。その場合、タービンロータ１０の導入流路Ｂは、途中で分岐し、各タービン段落の冷却室Ｓ１に接続するように設けられる。また、上述した遮熱構造は、ＣＯ２タービンに限らず、蒸気タービン等の他の軸流タービンに対しても適用可能であり、また、高圧タービンに限らず、低圧タービンにも適用可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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同様に、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ものである。

１ 軸流タービン、２ ガス供給管、３ａ インレットスリーブ、３ｂ ノズルボックス、４ 排気流路、５ タービン段落、１０ タービンロータ、１１ ロータ本体部、１１ａ 外周面、１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ ロータ溝、１１ｂ１ 切り欠き部、１２ ロータディスク部、２０ タービン動翼、２０ａ 側面、２０ｂ 植え込み部、２０ｃ スナッバ、２１ シール部材設置溝、２１ａ 傾斜面、２２ 環状突起部、３０ ケーシング、３１ タービンノズル、３２，３３ シールフィン、３５ 外部ケーシング、３６ 二重ケーシング、４０，４０Ｌ，４０Ｒ 遮熱部材、４１，４１Ｌ，４１Ｒ 遮熱板、４１ａ 外表面、４１ｂ 側面、４１ｃ 内表面、４１ｄ，４１ｅ 端部、４２，４２Ｌ，４２Ｒ 区画壁、４３ 熱絶縁層、４４，４５ 重り、４６ シール部材設置溝、４６ａ 傾斜面、５１，５３ シールピン、５２ 弾性部材、５５，５６ シールバネ、１００ 発電プラント、１１０ 酸素製造装置、１２０ 燃焼器、１３０ 発電機、１４０ 再生熱交換器、１５０ 冷却器、１６０ 湿分分離器、１７０ ＣＯ２ポンプ、Ａ 冷媒流通孔、Ｂ 導入流路、Ｃ 排出流路、Ｄ，Ｅ タービン動翼冷却流路、Ｆ１，Ｆ２ （環状突起部の）投影線、Ｇ１，Ｇ２ （遮熱板の端部の）投影線、Ｒ１〜Ｒ８，Ｒ１Ｌ，Ｒ１Ｒ 遮熱部材構成部材、Ｒ１ａ〜Ｒ８ａ 遮熱板構成部、Ｒ１ｂ〜Ｒ８ｂ 区画壁構成部（脚部）、Ｒ１ｃ〜Ｒ８ｃ，Ｒ１Ｌｃ，Ｒ１Ｒｃ （脚部の）係合部、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 冷却室

Claims (13)

1. 回転中心軸に沿って延びるロータ本体部、および、前記ロータ本体部の外周面に前記回転中心軸方向に所定の間隔で凸設された複数のロータディスク部を有するタービンロータと、
   前記各ロータディスク部に設けられたタービン動翼と、
   内部に前記タービンロータが回転自在に設けられたケーシングと、
   互いに隣り合う前記タービン動翼の間に位置し、前記ケーシングの内周面に設けられたタービンノズルと、
   前記タービンノズルと前記ロータ本体部との間に設けられ、前記ロータディスク部間における前記ロータ本体部の外周面を環状の冷却空間を介して包囲する遮熱板、および、前記遮熱板に一端部が接続され、前記ロータディスク部間のロータ本体部に他端部が接続され、前記環状の冷却空間を第１の冷却室と第２の冷却室に区画する区画壁を有する遮熱部材と、
   を備え、
   前記タービンロータには、前記第１の冷却室に冷却媒体を導入する導入流路、および、前記第２の冷却室から冷却媒体を排出する排出流路が設けられ、
   前記遮熱板の内部には、前記第１の冷却室と前記第２の冷却室を連通させる冷媒流通孔が設けられていることを特徴とする軸流タービン。
2. 前記遮熱板の外表面に設けられ、前記遮熱板よりも熱伝導率が低い熱絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
3. 前記タービン動翼の前記遮熱板に対向する側面、または前記遮熱板の側面には、前記回転中心軸の周方向に延びる第１のシール部材設置溝が形成され、前記第１のシール部材設置溝内にはシール部材が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流タービン。
4. 前記第１のシール部材設置溝は、底部から前記ケーシング側に向かって広がるように傾斜した傾斜面を有し、前記第１のシール部材設置溝内には前記シール部材としてシールピンが配置されていることを特徴とする請求項３に記載の軸流タービン。
5. 前記第１のシール部材設置溝内には前記シール部材としてシールピンが配置され、前記第１のシール部材設置溝と前記シールピンとの間に弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の軸流タービン。
6. 前記第１のシール部材設置溝内には前記シール部材として、自身が有する復元力により前記遮熱板の側面に当接するシールバネが配置されていることを特徴とする請求項３に記載の軸流タービン。
7. 前記タービン動翼の前記遮熱板に対向する側面には、前記遮熱板の端部の外表面を覆う環状突起部が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の軸流タービン。
8. 前記遮熱部材は、第１の遮熱板および第１の区画壁を有する第１の遮熱部材と、第２の遮熱板および第２の区画壁を有する第２の遮熱部材とを、前記タービンロータの回転中心軸方向に組み合わせたものとして構成され、
   互いに隣り合う一対の前記タービン動翼のうちの一方のタービン動翼に設けられた環状突起部が前記第１の遮熱板の端部を覆い、他方のタービン動翼に設けられた環状突起部が前記第２の遮熱板の端部を覆うことを特徴とする請求項７に記載の軸流タービン。
9. 前記遮熱板の前記端部には、タービンロータ回転時における前記端部に作用する遠心力を増大させるための重りが設けられていることを特徴とする請求項７または８に記載の軸流タービン。
10. 前記遮熱部材は、各々が遮熱板構成部および区画壁構成部を有する複数の遮熱部材構成部材を、前記タービンロータの回転中心軸の周方向に組み合わせたものとして構成され、
    互いに隣り合う前記遮熱板構成部間の対向面の一方の面には、前記回転中心軸の方向に延びる第２のシール部材設置溝が形成され、前記第２のシール部材設置溝内にはシール部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の軸流タービン。
11. 前記第２のシール部材設置溝は、底部から前記ケーシング側に向かって広がるように傾斜した傾斜面を有し、前記第２のシール部材設置溝内には前記シール部材としてシールピンが配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の軸流タービン。
12. 前記第２のシール部材設置溝内には前記シール部材としてシールピンが配置され、前記第２のシール部材設置溝と前記シールピンとの間に弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の軸流タービン。
13. 前記第２のシール部材設置溝内には前記シール部材としてシールバネが配置され、前記シールバネは自身が有する復元力により、互いに隣り合う前記遮熱板構成部間の対向面の他方の面に当接することを特徴とする請求項１０に記載の軸流タービン。

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