JP7106440B2 - タービン車室の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、タービン車室の製造方法に関する。
超臨界CO発電システムは、超臨界状態の二酸化炭素(CO)を主成分として含む作動流体を用いる発電システムであって、環境への配慮から注目が高まっている。この発電システムは、発電時に生じる超臨界COを随時回収することが可能であって、CCS(Carbon dioxide Capture and Storage)やCCU(Carbon dioxide Capture and Utilization)を組み合わせて用いることで、大気中へ放出されるCOを劇的に削減することができる。
超臨界CO発電システムを構成する超臨界COタービン10の構造の一例について、図7を用いて説明する。図7は、鉛直面(xz面)の一部断面を示しており、縦方向が鉛直方向zであり、横方向が第1水平方向xであり、紙面に直交する方向が第2水平方向yである。また、図7では、作動媒体F1,F2,F3の流れに関して太い実線の矢印で示しており、左側が上流側Usであって右側が下流側Dsである。さらに、図7では、冷却媒体CF1,CF2,CF3,CF4の流れに関して太い破線の矢印で示している。
図7に示すように、超臨界COタービン10は、タービン車室20とタービンロータ40とを備えており、超臨界状態の二酸化炭素(CO)を主成分として含む作動媒体F1が供給されることによって、タービン車室20の内部においてタービンロータ40が回転するように構成されている。ここでは、超臨界COタービン10は、多段式の軸流タービンであって、タービンロータ40の回転中心軸AXに沿った軸方向(第1水平方向x)に、複数のタービン段落60が並んでいる。
超臨界COタービン10を構成する各部の具体的内容について順次説明する。
タービン車室20は、内部車室21と外部車室22とを有し、内部車室21が外部車室22の内部に収容された二重構造である。
タービン車室20は、内部車室21として、第1内部車室211、第2内部車室212、および、第3内部車室213を含み、上流側Usから下流側Dsへ向かって第1内部車室211と第2内部車室212と第3内部車室213とが順次並んでいる。
タービン車室20の内周面には、グランド部23が設けられている。グランド部23は、第1パッキンヘッド231と第2パッキンヘッド232とを含む。第1パッキンヘッド231は、第3内部車室213の内周面に設けられている。第2パッキンヘッド232は、外部車室22の内周面であって第3内部車室213が位置する側の端部に設けられている。第1パッキンヘッド231と第2パッキンヘッド232との間には、軸方向シール部材233が設けられている。
そして、外部車室22、第1内部車室211、第1パッキンヘッド231、および、第2パッキンヘッド232のそれぞれの内周面には、パッキンリング24が設けられている。パッキンリング24は、フィンを有しており、タービンロータ40との間に介在する隙間を狭めることによってリークを抑制するために設置されている。
第3内部車室213と第1パッキンヘッド231との間には、環状の排気室S213が介在している。排気室S213の内部にはディフューザ25が設けられている。ディフューザ25は、第2内部車室212に固定されている。また、第3内部車室213とディフューザ25との間には、径方向シール部材251が設けられている。
タービンロータ40は、円柱状の棒状体であって、回転中心軸AXが第1水平方向xに延在するように、タービン車室20の内部に収容されている。タービンロータ40は、発電機(図示省略)に連結されており、タービンロータ40の回転によって発電機(図示省略)が駆動し、発電が行われる。
タービン段落60は、静翼61と動翼62とを含む。
静翼61は、内部車室21において、第1内部車室211の内周面と第2内部車室212の内周面とのそれぞれに設置されている。静翼61は、タービンロータ40の回転方向R(周方向)に複数が配置されており、複数の静翼61が静翼翼列を構成している。静翼翼列は、複数段であって、複数段の静翼翼列がタービンロータ40の回転中心軸AXに沿った軸方向(x)に沿って並んでいる。
動翼62は、タービンロータ40の回転方向Rに複数が配置されており、複数の動翼62が動翼翼列を構成している。動翼翼列は、静翼翼列と同様に、複数段であって、複数段の動翼翼列がタービンロータ40の回転中心軸AXに沿った軸方向(x)に沿って並んでいる。つまり、静翼翼列と動翼翼列とが軸方向(x)に沿って交互に並んでいる。
超臨界COタービン10は、燃焼器(図示省略)を構成する燃焼器ケーシング80がボルト81を用いて外部車室22の入口部分に接合されている。
そして、超臨界COタービン10には、入口案内管801が設けられている。入口案内管801は、一端が燃焼器(図示省略)に連結され他端が初段のタービン段落60に連結されている。入口案内管801は、燃焼器ケーシング80の内部を貫通すると共に、外部車室22の入口部分に形成された貫通孔、および、第1内部車室211に形成された貫通孔の内部を貫通するように設置されている。ここで、外部車室22の入口部分に形成された貫通孔および第1内部車室211に形成された貫通孔には、入口スリーブ802が設けられており、入口案内管801は、入口スリーブ802の内部を貫通している。
超臨界COタービン10は、外部車室22の出口部分に設けられた管胴部22aに、排気管90が溶接部91を介して接合されている。排気管90は、外部車室22に接合された一端に対して反対側に位置する他端が、溶接部92を介して、現地配管93に接合されている。
そして、超臨界COタービン10には、出口スリーブ901が設けられている。出口スリーブ901は、外部車室22の管胴部22aを貫通しており、一端が第3内部車室213の管胴部213aに連結され、他端が排気管90に連結されている。
以下より、上記の超臨界COタービン10において、作動媒体F1,F2,F3が流れる動作、および、冷却媒体CF1,CF2,CF3,CF4が流れる動作に関して順次説明する。
超臨界COタービン10において、作動媒体F1は、超臨界状態の二酸化炭素(CO)を主成分として含む媒体であって、燃焼器(図示省略)から入口案内管801を介してタービン段落60へ導入される。そして、作動媒体F1は、回転中心軸AXに沿った軸方向に流れることによって、複数のタービン段落60のそれぞれにおいて仕事を行う。そして、タービン段落60の最終段落を流れた作動媒体F2が排気室S213へ排出される。その後、排気室S213から作動媒体F3が出口スリーブ901および排気管90を介して現地配管93へ排出される。
超臨界COタービン10において、冷却媒体CF1は、たとえば、二酸化炭素であって、作動媒体F1よりも温度が低い媒体である。冷却媒体CF1は、燃焼器ケーシング80の内周面と入口案内管801の外周面との間に設けられている流路に導入される。そして、冷却媒体CF1は、入口スリーブ802の内周面と入口案内管801の外周面との間に設けられている流路を流れる。そして、図示を省略しているが、冷却媒体CF1は、静翼61と動翼62とのそれぞれに設けられた孔に導入され、静翼61、動翼62、および、タービンロータ40を冷却した後に、たとえば、排出口(図示省略)を介して超臨界COタービン10の外部へ排出されるか、作動媒体F1や冷却媒体CF2に混流させる。
上記の他に、超臨界COタービン10においては、第3内部車室213と外部車室22との間に介在する空間を冷却媒体CF2が流れる。この冷却媒体CF2は、たとえば、二酸化炭素であって、作動媒体F2よりも温度が低い媒体である。また、この冷却媒体CF2は、第3内部車室213と外部車室22との間に介在する空間に連通する導入管(図示省略)から導入される。これにより、対流や輻射による熱に起因して外部車室22の温度が上昇することが防止される。
その後、外部車室22の出口部分に設けられた管胴部22aの内周面と出口スリーブ901の外周面との間に位置する流路を冷却媒体CF3が流れる。これにより、対流や輻射による熱に起因して外部車室22の温度が上昇することが防止される。そして、排気管90の内周面と出口スリーブ901の外周面との間に位置する流路を冷却媒体CF4が流れた後に、たとえば、排気管90に形成された排出口(図示省略)を介して冷却媒体CF4が超臨界COタービン10の外部へ排出される。
なお、外部車室22の出口部分に設けられた管胴部22aの内周面と、出口スリーブ901の外周面との間に位置する流路に、冷却媒体(図示省略)を外部から導入してもよい。
以下より、上記の超臨界COタービン10において使用される材料などに関して説明する。
タービン車室20において、外部車室22は、内部の圧力を考慮して、大きな強度を得るために、厚くする必要がある。また、外部車室22は、サイズが大きい。このため、外部車室22は、一般に、鋳造で製造される。
超臨界COタービン10において、燃焼器から供給される入口に導入される作動媒体F1は、温度が800℃以上であって、圧力が20MPa以上である。そして、外部車室22の出口から排出される作動媒体F3は、温度が650℃以上であって、圧力が2MPa以上である。650℃以上の温度において高い強度と優れた耐酸化性を得るためには、フェライト系耐熱鋼でなく、Ni基合金などのオーステナイト系耐熱鋼を使用して各部を形成することが考えられる。
しかし、Ni基合金などのオーステナイト系耐熱鋼でサイズが大きな鋳物を製造する場合には、鋳造の欠陥が発生する可能性が高く、かつ、金属組織の偏析や異方性が問題になる場合がある。この場合には、結晶粒の肥大化が生ずるために、内部欠陥検査が困難になるので、製品品質を確保することが容易でない。材質によっては、製造を行うことが技術的に不可能な場合がある。さらに、材料の単価が高い。これらの点を考慮すると、外部車室22の全体について、Ni基合金などのオーステナイト系耐熱鋼を用いて形成することは、現実的でない。
上記のような事情により、上記の超臨界COタービン10では、外部車室22は、フェライト系耐熱鋼を用いて鋳造を行うことによって製造されている。そして、高温な排気に直接触れる部分(第3内部車室213、第1パッキンヘッド231、出口スリーブ901、排気管90、ディフューザ25)については、Ni基合金などのオーステナイト系耐熱鋼を用いて鋳造を行うことによって製造されている。そして、上述したように、外部車室22が耐熱温度を超える温度になることを防止するために、冷却媒体CF1,CF2,CF3,CF4を用いて冷却を行っている。
特許第5917324号 特許第6013288号
上記の超臨界COタービン10において、第3内部車室213の内部に設けられた排気室S213では、温度が650℃以上である作動媒体F3が流れる。排気室S213においては、作動媒体F3の流れが速く、熱伝達率が高い。このため、第3内部車室213の内面は、作動媒体F3の温度に近い高温状態になる。
これに対して、第3内部車室213の周囲には、外部車室22の温度が作動媒体F3などの熱によって高くなることを防止するために、冷却媒体CF2が流れる。このため、第3内部車室213の外面は、低温状態になる。
このように、第3内部車室213は、高温状態の内面と低温状態の外面との間で温度差があるために、大きな熱応力が発生する。そして、その熱応力に起因して、第3内部車室213に熱変形が生ずる場合がある。
第3内部車室213において他の部品(第1パッキンヘッド231や径方向シール部材251など、以下シール部品という)を支持する部分に大きな熱変形が生じた場合には、熱変形したこれらシール部品と、シール部品と向かい合う部品との間から作動媒体が漏れてタービン性能の悪化や、タービンロータ40とパッキンリング24のフィンとの間が接触するラビングの発生などの問題が生ずる場合がある。
熱応力による変形が塑性変形を伴う場合には、疲労破壊が引き起こされ、割れが発生する場合がある。これに伴い、補修のために溶接作業が必要になり、長期的な品質が悪化する場合がある。
発電システムについて高効率化を実現するために作動媒体の高温高圧化が行われた場合には、第3内部車室213の内面と外面との間の温度差は、より大きくなる。その結果、上記のように熱応力に起因する問題は、さらに深刻になる。
一般に、肉厚を薄くすることで、内面と外面との間の温度差が小さくなるので、熱応力を低減させることができる。
第3内部車室213の内部に設けられた排気室S213において、作動媒体F3は、圧力が高い場合がある(2MPa以上)。そして、第3内部車室213は、サイズが比較的大きい。このため、一般的には、第3内部車室213は、鋳造で製造される。しかしながら、Ni基合金などのオーステナイト系耐熱鋼は、材料組織が偏析しやすく、湯流れも悪い。このため、Ni基合金などのオーステナイト系耐熱鋼を用いて、肉厚が薄い第3内部車室213を鋳造で製造することは、困難である。
上記の他に、熱応力の低減のためには、第3内部車室213に遮熱コーティングを形成することや、第3内部車室213に防熱板を設置することなどの方策が考えられる。しかしながら、第3内部車室213を鋳造で製造した場合には、製造された鋳物の表面に凹凸が形成され、自由曲線が多い状態になるので、上記方策を適用することが容易でない。
更に他の冷却構造として、ガスタービンのように、外部から多数の冷却孔を介して内部へ冷却媒体を押し込んで染み込ませるフィルム冷却(染み出し冷却)構造がある。こうすると、第3内部車室213の温度を全体的に下げることが出来る。内外面の温度差が小さくなって熱応力も小さくし易いが、第3内部車室213が比較的大きいため、冷却媒体流量が非常に大きくなり、性能へのインパクトが大きくなるデメリットがある。
このような事情により、超臨界COタービン10を構成するタービン車室20では、第3内部車室213などの内部車室において熱応力を低減させることが容易でないので、信頼性を十分に向上させることが容易でない。
超臨界COタービン10以外のタービン(蒸気タービン、ガスタービン、媒体タービンなど)においても同様に、熱応力に起因して、信頼性が不十分になる場合がある。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、信頼性を向上させることを容易に実現が可能なタービン車室の製造方法を提供することである。
実施形態に係るタービン車室の製造方法は、フェライト系耐熱鋼で形成されている外部車室と、外部車室の内部に設置されており、オーステナイト系耐熱鋼で形成されている内部車室と備え、内部車室は、タービンロータを収容し、前記タービンロータの軸方向に複数のタービン段落が並ぶタービン車室の製造方法である。内部車室は、複数のタービン段落で仕事をした作動媒体が排気される排気室が内部に設けられている排気室部を有し、外部車室と排気室部との間に介在する空間に、排気室の内部を流れる作動媒体よりも温度が低い冷却媒体が流れるように構成されている。排気室部は、円筒形状の管状体であって、管軸が軸方向に沿うように設置されるラッパー部と、ラッパー部において軸方向の一端に設けられる第1の側壁部と、ラッパー部において軸方向の他端に設けられる第2の側壁部とを含む。ここでは、鍛造と圧延との少なくとも一方により、ラッパー部と第1の側壁部と第2の側壁部との少なくも1つを製造する。
図1は、第1実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図2は、第2実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図3は、第3実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図4は、第4実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図5Aは、第5実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図5Bは、第5実施形態に係るタービンにおいて、第3内部車室の一部を拡大して示す図である。 図6Aは、第6実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図6Bは、第6実施形態に係るタービンにおいて、第3内部車室の一部を拡大して示す図である。 図7は、関連技術に係るタービンの要部を示す図である。
<第1実施形態>
第1実施形態に係る超臨界COタービン10について、図1を用いて説明する。図1は、図7と同様に、鉛直面(xz面)の一部断面を示している。
図1に示すように、本実施形態においては、外部車室22と、外部車室22の内部に設置された内部車室21(図1では、第2内部車室212と第3内部車室213とが図示)とを含み、タービン段落で仕事をした作動媒体F2が排気される排気室S213が、第3内部車室213によって覆われている。外部車室22は、フェライト系耐熱鋼で形成されている。第3内部車室213は、Ni基合金などのオーステナイト系耐熱鋼で形成されている。また、外部車室22と第3内部車室213との間に介在する空間に、排気室S213の内部を流れる作動媒体F2よりも温度が低い冷却媒体CF2が流れるように構成されている。
しかしながら、本実施形態では、第3内部車室213の形状が、上記した関連技術の場合(図7参照)と相違している。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、上記の関連技術の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。
本実施形態では、第3内部車室213は、図1に示すように、複数の部材213a~213eを用いて作製されている。各部材213a~213eは、上述したように、Ni基合金などのオーステナイト系耐熱鋼で形成されている。ここでは、管胴部213a、ラッパー部213b、第1の側壁部213c、第2の側壁部213d、および、連結部213eが、第3内部車室213を構成する部材の一例として用いられている。
具体的には、管胴部213aは、円筒形状の管状体である。管胴部213aは、管軸がタービンロータ40の径方向(図1では鉛直方向zに相当)に沿うように、ラッパー部213bの外周面に設置されている。
ラッパー部213bは、円筒形状の管状体であって、タービンロータ40と同軸になるように設置されている。つまり、ラッパー部213bは、管軸がタービンロータ40の軸方向(図1では水平方向xに相当)に沿うように設置されている。ラッパー部213bは、タービンロータ40の径方向に貫通する貫通孔を備えており、その貫通孔に管胴部213aが設置されている。
第1の側壁部213cは、円環状の板状体であって、タービンロータ40と同軸になるように設置されている。第1の側壁部213cは、ラッパー部213bにおいて下流側Ds(図1では右側)に位置する一端に設置されている。第1の側壁部213cは、外周側の部分がラッパー部213bに接合されている。そして、第1の側壁部213cの内周側には、第1パッキンヘッド231に形成された凹部に嵌合するために、凸部が形成されている。
第2の側壁部213dは、第1の側壁部213cと同様に、円環状の板状体であって、タービンロータ40と同軸になるように設置されている。第2の側壁部213dは、ラッパー部213bにおいて上流側Us(図1では左側)に位置する他端に設置されている。つまり、第1の側壁部213cと第2の側壁部213dとがタービンロータ40の軸方向において対面している。第2の側壁部213dは、外周側の部分がラッパー部213bに接合されている。そして、第2の側壁部213dの内周側には、径方向シール部材251が設けられている。
連結部213eは、柱状体であって、径方向の内周側がラッパー部213bの外周面に接合されている。そして、連結部213eの外周側には、外部車室22の内周面に形成された凸部が嵌合するように、凹部が形成されている。
第3内部車室213の作製を行う際には、管胴部213a、ラッパー部213b、第1の側壁部213c、第2の側壁部213d、および、連結部213eの各部材213a~213eを準備する。本実施形態では、各部材213a~213eは、鍛造で作製された鍛造部品と圧延で作製された圧延部品との少なくとも一方である。
そして、その準備した各部材213a~213eを組み立てる。ここでは、各部材213a~213eについて溶接で接合することによって、第3内部車室213を作製する。
具体的には、ラッパー部213bにおいて貫通孔が形成された部分に、管胴部213aを溶接で接合する。また、第1の側壁部213cの外周側の部分および第2の側壁部213dの外周側の部分を、たとえば、隅肉溶接や開先溶接などの溶接によってラッパー部213bに接合する。この他に、連結部213eにおいて径方向の内周側をラッパー部213bの外周面に溶接で接合する。ラッパー部213b、第1の側壁部213c、および、第2の側壁部213dのそれぞれは、たとえば、上半部分と下半部分とを組み合わせることで構成される。
以上のように、本実施形態では、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材213a~213eを用いて第3内部車室213を製造する。このため、本実施形態では、関連技術の場合のように第3内部車室213を鋳造で製造した場合よりも、第3内部車室213の肉厚を薄くすることが可能である。
したがって、本実施形態においては、第3内部車室213に加わる熱応力を低減させることができるので、信頼性を十分に向上させることが可能である。
なお、各部材213a~213eは、全てを同一の材料で形成する必要はない。必要な機能に応じて、適宜、好適な材料を用いることができる。たとえば、変形、酸化、強度などに関して各部位で要求されるレベルに応じて、適宜、材料を選択して用いることができる。
<第2実施形態>
第2実施形態に係る超臨界COタービン10について、図2を用いて説明する。図2は、鉛直面(xz面)の一部断面を示しており、図1の一部を拡大した図に相当する。
図2に示すように、本実施形態においては、第3内部車室213の一部が、上記した第1実施形態の場合(図1参照)と相違している。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第1実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。
本実施形態の第3内部車室213では、第1の側壁部213cは、第1実施形態の場合(図1参照)と異なり、側壁本体部31と嵌合部32とを含む。側壁本体部31は、円環状の板状体であって、外周側の部分がラッパー部213bに接合されている。そして、側壁本体部31の内周側の部分に、嵌合部32が接合されている。嵌合部32は、第1パッキンヘッド231に形成された凹部に嵌合する凸部を含むように形成されている。当然ながら、嵌合部32は、第1パッキンヘッド231に形成された凸部が嵌合する凹部を含むように形成されていてもよい。
本実施形態において、側壁本体部31は、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である。これに対して、嵌合部32は、鋳造で作製された鋳造部品である。
以上のように、本実施形態において第3内部車室213を製造する際には、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である側壁本体部31の他に、鋳造部品(鋳物)である嵌合部32を用いる。
上記の嵌合部32は、圧力損失の低減などの目的で、流れを考慮した自由曲線を含む形状である。鋳造では、自由曲線を含む形状の物品を容易に作製することができる。
したがって、本実施形態では、第1実施形態で奏される作用および効果に加えて、圧力損失の低減などを容易に実現可能であるので、タービン性能の向上を更に容易に実現可能である。
なお、上記の実施形態は、一例であって、別の部位に関して同様に構成してもよい。
<第3実施形態>
第3実施形態に係る超臨界COタービン10について、図3を用いて説明する。図3は、鉛直面(xz面)の一部断面を示しており、図1の一部を拡大した図に相当する。
図3に示すように、本実施形態においては、上記した第1実施形態の場合(図1参照)と異なり、第3内部車室213に遮熱コーティング50が形成されている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第1実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。
遮熱コーティング50は、図3に示すように、第3内部車室213において内側の面を被覆するように設けられている。ここでは、遮熱コーティング50は、第3内部車室213において鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材213a~213dの内面に形成されている。
図示を省略しているが、遮熱コーティング50は、たとえば、ボンド層とトップ層とを順次積層した積層体である。ボンド層は、たとえば、MCrAlY(M:NiやCoが主成分)などの金属材料で形成されている。これに対して、トップ層は、たとえば、イットリア部分安定化ジルコニア(Y-ZrO)などのセラミック材料で形成されている。
本実施形態では、第1実施形態の場合と同様に、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材213a~213eを用いて第3内部車室213を製造している。このため、本実施形態では、第3内部車室213において内側の面は、鋳造で形成された部材の面と異なり、自由曲線がない、単純な平面または曲面である。その結果、本実施形態では、遮熱コーティング50の膜厚を容易に均一化することができる。特に、機械による自動的な塗布でも膜厚の均一化が容易である。
したがって、本実施形態では、第1実施形態で奏される作用および効果に加えて、遮熱コーティング50の施工が容易であるので、遮熱機能の向上を実現可能である。
なお、上記実施形態では、第3内部車室213の内面に遮熱コーティング50を形成する場合について説明したが、これに限らない。第3内部車室213の外面に遮熱コーティング50を形成してもよい。ただし、塗布に対して障害になる障害物(フランジなど)が第3内部車室213の外面に設けられている場合には、第3内部車室213の内面に遮熱コーティング50を形成する方が好ましい。遮熱の効果も高温側に実施した方が高い。
<第4実施形態>
第4実施形態に係る超臨界COタービン10について、図4を用いて説明する。図4は、鉛直面(xz面)の一部断面を示しており、図1の一部を拡大した図に相当する。
図4に示すように、本実施形態においては、上記した第1実施形態の場合(図1参照)と異なり、第3内部車室213に防熱板51が設置されている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第1実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。
防熱板51は、図4に示すように、第3内部車室213において外側の面に設けられている。ここでは、防熱板51は、第3内部車室213において鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材213a~213dの外面にギャップを隔てて支持されている。
防熱板51は、たとえば、オーステナイト系耐熱鋼で形成された板状体であって、たとえば、リベット、ボルトなどの締結部材を用いて第3内部車室213に固定されている。その他、溶接によって防熱板51を固定してもよい。
本実施形態では、第1実施形態の場合と同様に、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材213a~213eを用いて第3内部車室213を製造している。このため、本実施形態では、第3内部車室213において内側の面は、鋳造で形成された部材の面と異なり、自由曲線がない、単純な平面または曲面である。その結果、本実施形態では、防熱板51を容易に取り付けることができる。
したがって、本実施形態では、第1実施形態で奏される作用および効果に加えて、防熱板51の施工が容易であるので、遮熱機能の向上を実現可能である。
なお、上記実施形態では、第3内部車室213の外面に防熱板51を設置する場合について説明したが、これに限らない。第3内部車室213の内面に防熱板51を設置してもよい。ただし、第3内部車室213の内面に防熱板51を設置したときに防熱板51の脱落が生じた場合のリスクを考慮すると、第3内部車室213の外面に防熱板51を設置した方が好ましい。
<第5実施形態>
第5実施形態に係る超臨界COタービン10について、図5A,図5Bを用いて説明する。図5Aは、鉛直面(xz面)の一部断面を示しており、図1の一部を拡大した図に相当する。そして、図5Bは、第3内部車室213の一部(上半部分)の断面を拡大して示している。
本実施形態では、第3内部車室213は、図5A,図5Bに示すように、第1実施異形態の場合と同様に、複数の部材213a~213eを用いて作製されている。しかしながら、本実施形態では、ラッパー部213bと第1の側壁部213cとを連結する方法、および、ラッパー部213bと第2の側壁部213dとを連結する方法が、上記した第1実施形態の場合(図1参照)と相違している。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第1実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。
図5A,図5Bに示すように、ラッパー部213bは、内周面(図5Bでは下側の面)に、被挿入部551,552が設けられている。
ここでは、ラッパー部213bにおいて下流側Ds(図5Bでは右側)に位置する一端部分に、被挿入部551が設けられている。被挿入部551は、凹部を備えており、第1の側壁部213cの外周部分が挿入されることによって第1の側壁部213cを嵌合する。
また、ラッパー部213bにおいて上流側Us(図5Bでは左側)に位置する他端部分に、被挿入部552が設けられている。被挿入部552は、凹部を備えており、第2の側壁部213dの外周部分が挿入されることによって第2の側壁部213dを嵌合する。
このように、第3内部車室213は、複数の部材213a~213eの全てが一体的に連結した構造でなくてもよい。
以上のように、本実施形態では、ラッパー部213bと第1の側壁部213cとの間が、溶接でなく、嵌合によって接合されている。同様に、ラッパー部213bと第2の側壁部213dとの間が、溶接でなく、嵌合によって接合されている。このため、本実施形態では、溶接部の近傍において硬化が生じて割れが発生することを抑制可能である。また、ラッパー部213bと第1および第2の側壁部213c,213dとの間を異なる材料で形成した場合には、溶接境界面において組織の安定性が低下する場合があるが、本実施形態では、この問題の発生を防止することができる。
その結果、溶接作業の工数を低減可能であって、溶接部の検査作業および補修作業の低減などを実現可能である。したがって、本実施形態では、工期の短縮と長期的な信頼性の向上を実現することができる。
なお、第1の側壁部213cに凹部が形成され、その凹部に挿入される凸部がラッパー部213bに形成されていてもよい。また、当然ながら、第2の側壁部213dに凹部が形成され、その凹部に挿入される凸部がラッパー部213bに形成されていてもよい。
<第6実施形態>
第6実施形態に係る超臨界COタービン10について、図6A,図6Bを用いて説明する。図6Aは、図5Aと同様に、鉛直面(xz面)の一部断面を示している。そして、図6Bは、図5Bと同様に、第3内部車室213の一部(上半部分)の断面を拡大して示している。
本実施形態では、第3内部車室213は、図6A,図6Bに示すように、第5実施異形態の場合と同様に、複数の部材213a~213eを用いて作製されている。しかしながら、本実施形態では、ラッパー部213bと第1の側壁部213cとを連結する方法、および、ラッパー部213bと第2の側壁部213dとを連結する方法が、上記した第5実施形態の場合(図5A,図5B参照)と相違している。更に、第3内部車室213の作製では、他の部材213h,213gが用いられている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第5実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。
図6A,図6Bに示すように、ラッパー部213bは、内周面(図6Bでは下側の面)に、挿入部561,562が設けられている。ここでは、ラッパー部213bにおいて下流側Ds(図5Bでは右側)に位置する一端部分に、挿入部561が設けられている。そして、ラッパー部213bにおいて上流側Us(図5Bでは左側)に位置する他端部分に、挿入部562が設けられている。挿入部561,562は、凸部を備えている。
第1の側壁部213cは、外周部分(図6Bでは上側部分)に被挿入部571が設けられている。第1の側壁部213cに設けられた被挿入部571は、ラッパー部213bに設けられた挿入部561に挿入される。
また、第2の側壁部213dは、第1の側壁部213cと同様に、外周部分に被挿入部572が設けられている。第2の側壁部213dに設けられた被挿入部572は、ラッパー部213bに設けられた挿入部562に挿入される。
第1の側壁部213cの被挿入部571には、第3の側壁部213hが設けられている。第3の側壁部213hは、円環状の板状体であって、タービンロータ40と同軸になるように設置されている。第3の側壁部213hは、第1の側壁部213cの被挿入部571において下流側Ds(図6Bでは右側)に位置する一端に設置されている。第3の側壁部213hにおいて外周側の部分は、外部車室22の内周面に形成された凹部に挿入されて嵌合されている。第3の側壁部213hにおいて内周側の部分は、第1の側壁部213cの被挿入部571に溶接で接合されている。そして、第3の側壁部213hには、軸方向に貫通する貫通孔581が形成されている。貫通孔581は、回転方向に複数設けられている。
第2の側壁部213dの被挿入部572には、第4の側壁部213gが設けられている。第4の側壁部213gは、円環状の板状体であって、タービンロータ40と同軸になるように設置されている。第4の側壁部213gは、第2の側壁部213dの被挿入部572において上流側Us(図6Bでは左側)に位置する他端に設置されている。第4の側壁部213gにおいて外周側の部分は、外部車室22の内周面に形成された凹部に挿入されて嵌合されている。第4の側壁部213gにおいて内周側の部分は、第2の側壁部213dの被挿入部572に溶接で接合されている。そして、第4の側壁部213gには、軸方向に貫通する貫通孔582が形成されている。貫通孔582は、回転方向に複数設けられている。
本実施形態では、冷却媒体CF2は、第3内部車室213と外部車室22との間に介在する空間において、第4の側壁部213gの貫通孔582と、第3の側壁部213hの貫通孔581とを順次介して流れる。
さらに、冷却媒体CF3は、第4の側壁部213gの貫通孔582および第3の側壁部213hの貫通孔581を介して、外部車室22の出口部分に設けられた管胴部22aの内周面と出口スリーブ901の外周面との間に位置する流路を流れる。
以上のように、本実施形態では、第5実施形態の場合と同様に、ラッパー部213bと第1の側壁部213cとの間が、溶接でなく、嵌合によって接合されている。また、ラッパー部213bと第2の側壁部213dとの間が、溶接でなく、嵌合によって接合されている。このため、本実施形態では、溶接部の近傍において硬化が生じて割れが発生することを抑制可能である。また、ラッパー部213bと第1および第2の側壁部213c,213dとの間を異なる材料で形成した場合には、溶接境界面において組織の安定性が低下する場合があるが、本実施形態では、この問題の発生を防止することができる。
その結果、溶接作業の工数を低減可能であって、溶接部の検査作業および補修作業の低減などを実現可能である。したがって、本実施形態では、工期の短縮と長期的な信頼性の向上を実現することができる。
なお、図示を省略しているが、上記と異なり、ラッパー部213bに被挿入部が設けられ、第1の側壁部213cおよび第2の側壁部213dに挿入部が設けられていてもよい。また、冷却媒体CF2の流れは、上記の場合に対して逆であってもよい。
<その他>
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。
たとえば、上記の実施形態においては、超臨界CO発電システムを構成する超臨界COタービン10に関して説明したが、これに限らない。超臨界CO発電システムを構成する超臨界COタービン10以外のタービン(蒸気タービン、ガスタービン、媒体タービンなど)においても同様に、排気室を覆う内部車室に関して鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材を用いて製造すること等を適用可能である。これにより、上記の実施形態と同様な作用および効果を奏することができる。上述した作動媒体の温度条件および圧力条件は、作動媒体が超臨界状態の二酸化炭素(CO)を主成分として含む場合の値であり、作動媒体に応じて任意に設定可能である。
10…超臨界COタービン、20…タービン車室、21…内部車室、22…外部車室、22a…管胴部、23…グランド部、24…パッキンリング、25…ディフューザ、31…側壁本体部、32…嵌合部、40…タービンロータ、50…遮熱コーティング、51…防熱板、60…タービン段落、61…静翼、62…動翼、80…燃焼器ケーシング、81…ボルト、90…排気管、91…溶接部、92…溶接部、93…現地配管、211…第1内部車室、212…第2内部車室、213…第3内部車室、213a…管胴部、213b…ラッパー部、213c…第1の側壁部、213d…第2の側壁部、213e…連結部、213g…第3の側壁部、213h…第4の側壁部、231…第1パッキンヘッド、232…第2パッキンヘッド、233…軸方向シール部材、251…径方向シール部材、551…被挿入部、552…被挿入部、561…挿入部、562…挿入部、571…被挿入部、572…被挿入部、581…貫通孔、582…貫通孔、801…入口案内管、802…入口スリーブ、901…出口スリーブ、AX…回転中心軸、CF1,CF2,CF3,CF4…冷却媒体、Ds…下流側、F1,F2,F3…作動媒体、S213…排気室、Us…上流側

Claims (6)

  1. フェライト系耐熱鋼で形成されている外部車室と、前記外部車室の内部に設置されており、オーステナイト系耐熱鋼で形成されている内部車室と備え、前記内部車室は、タービンロータを収容し、前記タービンロータの軸方向に複数のタービン段落が並ぶタービン車室の製造方法であって、
    前記内部車室は、
    前記複数のタービン段落で仕事をした作動媒体が排気される排気室が内部に設けられている排気室部
    を有し、前記外部車室と前記排気室部との間に介在する空間に、前記排気室の内部を流れる前記作動媒体よりも温度が低い冷却媒体が流れるように構成されており、
    前記排気室部は、
    円筒形状の管状体であって、管軸が前記軸方向に沿うように設置されるラッパー部と、
    前記ラッパー部において前記軸方向の一端に設けられる第1の側壁部と、
    前記ラッパー部において前記軸方向の他端に設けられる第2の側壁部と
    を含み、
    鍛造と圧延との少なくとも一方により、前記ラッパー部と前記第1の側壁部と前記第2の側壁部との少なくも1つを製造する、
    タービン車室の製造方法。
  2. 前記排気室部は、
    円筒形状の管状体である管胴部
    を含み、
    前記ラッパー部は、前記タービンロータの径方向に貫通する貫通孔が形成されており、
    前記管胴部は、管軸が前記径方向に沿うように、前記ラッパー部の外周面において前記貫通孔が形成された部分に設けられており、
    鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材を用いて、前記管胴部を製造する、
    請求項1に記載のタービン車室の製造方法。
  3. 鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材の他に、鋳造で製作された部材を用いて前記内部車室を製造する、
    請求項1または2に記載のタービン車室の製造方法。
  4. 鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材に遮熱コーティングを設ける、
    請求項1から3のいずれかに記載のタービン車室の製造方法。
  5. 鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材に防熱板を設ける、
    請求項1から4のいずれかに記載のタービン車室の製造方法。
  6. 前記タービン車室において、前記作動媒体は、超臨界状態のCOガスを含む、
    請求項1から5のいずれかに記載のタービン車室の製造方法。
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