(57)【要約】【課題】タービンと負荷を接続する回転軸にブレーキ装置が設けられているタービン設備について、そのブレーキ装置を用いることで、低速回転時における回転軸の制動とは別に、高速回転状態での回転軸の過回転防止もできるようにする。【解決手段】タービン発電設備１は、タービン２と発電機３を接続する回転軸７に制動力を加えるブレーキ装置５を備えており、そのブレーキ制御装置６は、過回転防止制動制御部１７を備えるとともに、回転軸に過回転が発生する状態について判定する過回転判定部１９を備え、その過回転判定部で過回転発生状態と判定された場合に過回転防止制動制御部による制動制御をなすようにされている。【選択図】  図１
2010019173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンと負荷を接続する回転軸に制動力を加えるブレーキ装置が設けられたタービン設備において、
前記ブレーキ装置を制御するブレーキ制御装置は、過回転防止制動制御部を備えるとともに、前記回転軸に過回転が発生する状態について判定する過回転判定部を備え、前記過回転判定部で過回転発生状態と判定された場合に前記過回転防止制動制御部による制動制御をなすようにされていることを特徴とするタービン設備。
【請求項２】
前記過回転判定部は、負荷遮断について判定し、負荷遮断が発生した場合に過回転発生状態と判定する負荷遮断判定部とされていることを特徴とする請求項１に記載のタービン設備。
【請求項３】
前記ブレーキ装置は加圧された作動流体で作動するようにされ、前記作動流体の供給系として、低圧作動流体供給系と、この低圧作動流体供給系よりも高い圧力の作動流体を供給する高圧作動流体供給系が設けられ、そして前記過回転防止制動制御部による制動制御時には前記高圧作動流体供給系を用いるようにされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタービン設備。
【請求項４】
前記ブレーキ制御装置は、前記回転軸に取り付けられたディスクブレーキロータ、前記ディスクブレーキロータに押接して制動力を発生させるブレーキパッド、及び前記ブレーキパッドに前記押接動作をなさせるために前記ブレーキパッドを挟圧するブレーキキャリパを備えてなり、そして前記ブレーキキャリパは、前記タービンの温度変化に伴って前記回転軸に生じる膨張・収縮による前記ディスクブレーキロータの軸方向変位と同一な軸方向変位を前記タービンの温度変化に伴って生じるようにして設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のタービン設備。
【請求項５】
前記膨張・収縮における熱伸び・熱縮みについての基点を前記回転軸に与える基点部材が取り付けられている部材に前記ブレーキキャリパが取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン設備に係り、特に発電プラントに好適なタービン設備であり、タービンと負荷を接続する回転軸に制動力を加えるブレーキ装置が設けられているタービン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントで用いられるタービン設備では、ターニング調整やターニング時の空転防止あるいは運転停止動作の迅速化のためにブレーキ装置が設けられている場合がある。すなわち、タービンと負荷（発電機）を接続する回転軸（タービン軸と負荷軸）にブレーキ装置を設け、ターニング時の軸回転数調整やターニング時の空転防止あるいは運転停止時に回転軸を迅速に停止させるためにそのブレーキ装置で回転軸に制動を加えることができるようにする場合である（例えば特許文献１や特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０―１０２８４４号公報
【特許文献２】特開昭５９―７７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発電プラントのタービン設備では、タービンの負荷である発電機に対する界磁電流の供給を遮断するなどして負荷遮断がなされることがある。タービンの負荷遮断がなされると、タービンは急激に無負荷状態あるいはそれに近い状態になる一方で、蒸気などの作動流体は漸減することになる。このために回転軸の回転数が定格回転数を超えるなどして過剰となる過回転を招くことがあるが、従来では、こうした負荷遮断時の過回転について、作動流体を抽気するなど、作動流体を制御することで、これを抑制する対処がなされていた。
【０００５】
ところで、発電プラントのタービン設備には、上述のようにターニング調整や運転停止動作の迅速化などのために用いるブレーキ装置が設けられている場合がある。このようなタービン設備では、作動流体の制御による過回転抑制に加えて、そのブレーキ装置を活用すれば、特別な機構をさほど追加せずとも、負荷遮断時の過回転をより効果的に防止することが可能となり、これによりタービンの安全性をより高めることが可能となる。
【０００６】
ただしこれについては１つの課題がある。それはブレーキ装置の制動動作能力に関する課題である。従来におけるブレーキ装置の使用目的であるターニング調整などのための制動は、回転軸が低速回転にある状態でなされる制動であり、したがってブレーキ装置に求められる制動動作は比較的緩やかなものである。そのため過回転防止のような非常事態で求められる制動を必ずしも十分に発揮させることができない可能性があり、より効果的な過回転防止をなせるようにするには、制動動作の適切化を図る必要があり、これがブレーキ装置の制動動作能力に関する課題となる。
【０００７】
またブレーキ装置の構造に関する課題もある。ターニング調整などのための制動に用いるブレーキ装置は、回転軸に取り付けられるディスクブレーキロータ、このディスクブレーキロータに押接して制動力を発生させるブレーキパッド、及びこのブレーキパッドをディスクブレーキロータへの押接動作のために挟圧するブレーキキャリパを備えた構造とされるのが通常である。このようなブレーキ装置構造におけるディスクブレーキロータには回転軸の軸方向で変位を生じる。つまり発電プラントのタービン設備の場合、高温高圧の作動流体が用いられることからタービンの温度が大きく変化し、それに伴って回転軸に発生する膨張・収縮によりディスクブレーキロータに軸方向での変位を生じる。
【０００８】
そしてこのディスクブレーキロータの変位は、過回転防止のような非常事態で求められる高い制動力を安定的に発揮させる上で必要となる適正な制動間隙（制動解除状態におけるディスクブレーキロータとブレーキキャリパの間隙、より具体的にはディスクブレーキロータとブレーキパッドの間隙）を保てなくするような場合を招く可能性がある。つまりディスクブレーキロータの変位により制動間隙が変化してしまい、そのために過回転防止制動で必要な高い制動力を効果的に発揮することができずに過回転防止制動を安定的に行えなくなる場合を招く可能性があるということである。こうしたことから、ブレーキ装置の構造に起因する過回転防止制動の不安定化を効果的に避けることができるようにする対応が１つの課題となっている。
【０００９】
本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、タービンと負荷を接続する回転軸にブレーキ装置が設けられているタービン設備について、そのブレーキ装置を用いることで、低速回転時における回転軸の制動とは別に、高速回転状態での回転軸の過回転防止もできるようにすることを第１の課題とし、また低速回転時における制動動作とは別な制動動作をブレーキ装置に行わせることができるようにすることで、より効果的な過回転防止をなせるようにすることを第２の課題とし、さらにブレーキ装置の構造に起因する過回転防止制動の不安定化を効果的に避けることができるようにすることを第３の課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では上記第１の課題を解決するために、タービンと負荷を接続する回転軸に制動力を加えるブレーキ装置が設けられたタービン設備において、前記ブレーキ装置を制御するブレーキ制御装置は、過回転防止制動制御部を備えるとともに、前記回転軸に過回転が発生する状態について判定する過回転判定部を備え、前記過回転判定部で過回転発生状態と判定された場合に前記過回転防止制動制御部による制動制御をなすようにされていることを特徴としている。
【００１１】
このようなタービン設備では、過回転防止に必要となる制動動作をブレーキ装置に行わせる過回転防止制動制御モードを過回転防止制動制御部に設定することで、低速回転時における回転軸の制動とは別に回転軸の過回転防止も行えるようになる。
【００１２】
タービン設備で過回転防止を必要とするのは主に負荷遮断時である。こうしたことから本発明では上記のようなタービン設備について、前記過回転判定部は、負荷遮断について判定し、負荷遮断が発生した場合に過回転発生状態と判定する負荷遮断判定部として構成することを好ましい形態としている。
【００１３】
また本発明では上記第２の課題を解決するために、上記のようなタービン設備について、前記ブレーキ装置は加圧された作動流体で作動するようにされ、前記作動流体の供給系として、低圧作動流体供給系と、この低圧作動流体供給系よりも高い圧力の作動流体を供給する高圧作動流体供給系が設けられ、そして前記過回転防止制動制御部による制動制御時には前記高圧作動流体供給系を用いるようにされていることを特徴としている。
【００１４】
このようなタービン設備では、過回転防止制動の際に高圧作動流体供給系によりブレーキ装置を作動させるようにしているので、低速回転時における制動動作とは別な制動動作をブレーキ装置に行わせることができ、これにより、より効果的な過回転防止を行えるようになる。
【００１５】
また本発明では上記第３の課題を解決するために、前記ブレーキ制御装置は、前記回転軸に取り付けられたディスクブレーキロータ、前記ディスクブレーキロータに押接して制動力を発生させるブレーキパッド、及び前記ブレーキパッドに前記押接動作をなさせるために前記ブレーキパッドを挟圧するブレーキキャリパを備えてなり、そして前記ブレーキキャリパは、前記タービンの温度変化に伴って前記回転軸に生じる膨張・収縮による前記ディスクブレーキロータの軸方向変位と同一な軸方向変位を前記タービンの温度変化に伴って生じるようにして設けられていることを特徴としている。
【００１６】
このようなタービン設備では、回転軸の膨張・収縮に関してディスクブレーキロータとブレーキキャリパに同一な軸方向変位を生じることになるので、常に適正な制動間隙を保つことができ、したがってブレーキ装置の構造に起因する過回転防止制動の不安定化を効果的に避けることができる。
【００１７】
回転軸の膨張・収縮に関してディスクブレーキロータとブレーキキャリパに同一な軸方向変位を生じさせるには、膨張・収縮における熱伸び・熱縮みについての基点を回転軸に与える基点部材に着目するのが有効である。こうしたことから本発明では上記のようなタービン設備について、前記膨張・収縮における熱伸び・熱縮みについての基点を前記回転軸に与える基点部材が取り付けられている部材に前記ブレーキキャリパを取り付けることを好ましい形態としている。
【発明の効果】
【００１８】
以上のような本発明によれば、タービンと負荷を接続する回転軸にブレーキ装置が設けられているタービン設備について、第１に、そのブレーキ装置を用いることで、低速回転時における回転軸の制動とは別に、高速回転状態での回転軸の過回転防止もできるようになり、第２に、低速回転時における制動動作とは別な制動動作をブレーキ装置に行わせることができ、このことでより効果的な過回転防止をなせるようになり、第３に、ブレーキ装置の構造に起因する過回転防止制動の不安定化を効果的に避けることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１に、一実施形態によるタービン設備として発電プラントで用いられるタービン発電設備１の構成を模式化して示す。タービン発電設備１は、タービン２、発電機３、タービンケーシング４、ブレーキ装置５、及びブレーキ制御装置６を備えている。なお、タービン設備はこれらの他にターニング装置なども備えているが、それらの図示は省略してある。
【００２０】
タービン２は、例えば蒸気タービンやガスタービンであり、高温高圧の作動流体である蒸気や燃焼ガスにより回転駆動されて回転力を発生させる。このためタービン２は、作動流体による高温に曝されて大きな温度変化を生じる。
【００２１】
タービン２で発生した回転力は回転軸７を介して発電機３に伝えられ、これにより発電機３が回転駆動される。発電機３は、例えば誘導発電機であり、その界磁巻線（図示を省略）に図外の発電機励磁装置から界磁電流を供給された状態において回転駆動されることで発電する。したがって発電機３は、界磁電流が遮断されると、発電をなさずに回転子（図示を省略）が空回りする状態となってタービン２に対して負荷遮断の状態となる。
【００２２】
タービンケーシング４は、タービン側ケーシング部４ｔと回転軸側ケーシング部４ｓからなり、タービン側ケーシング部４ｔでタービン２の外周を全体的に覆うとともに、回転軸側ケーシング部４ｓで回転軸７のほぼ全体を覆うようにされている。このようなタービンケーシング４は、熱的にタービン２と密接する状態とされるのが通常であり、したがってタービン２と同様な温度に曝されて大きな温度変化を生じ、それに伴って一定の膨張・収縮を発生させる。
【００２３】
ここで、回転軸７は、タービン２のロータであるタービン軸２ｓと発電機３の回転子軸３ｓをカップリング部８で接続して形成されている。このため回転軸７は、タービン２と同様な温度に曝されて大きな温度変化を生じ、それに伴って一定の膨張・収縮を発生させる。また回転軸７は、スラストつば７ｆが設けられ、タービンケーシング４の回転軸側ケーシング部４ｓに固定して設けられたスラスト軸受９にスラストつば７ｆを係合させることで軸方向について拘束されている。このため回転軸７は、その膨張・収縮における熱伸び・熱縮みについてスラスト軸受９が基点となる。つまり回転軸７は、スラスト軸受９に係合しているスラストつば７ｆを基点にして熱伸びや熱縮みを生じることになる。
【００２４】
ブレーキ装置５は、ディスクブレーキロータ１１、ブレーキパッド１２、ブレーキキャリパ１３、及び作動流体供給系１４を備えている。
【００２５】
ディスクブレーキロータ１１は、カップリング部８を利用して回転軸７に取り付けられており、カップリング部８の周縁から一部がパッド押接部１１ｆとして突出するようにされている。
【００２６】
ブレーキパッド１２は、パッド押接部１１ｆを左右から挟む状態で対にして設けられている。また左右の各ブレーキパッド１２、１２は、制動解除状態においてパッド押接部１１ｆの左右各側面に対して一定の制動間隙を以って対向するようにして設けられており、制動時にパッド押接部１１ｆに押接することで制動力を発生させる。
【００２７】
ブレーキキャリパ１３は、左右の各ブレーキパッド１２、１２を例えば油圧駆動で挟圧できる構造とされており、制動時にブレーキパッド１２、１２を挟圧することでブレーキパッド１２、１２にディスクブレーキロータ１１への押接動作を行わせる。
【００２８】
ここで、ブレーキキャリパ１３とブレーキパッド１２は一体的に組み合わされ、キャリパ・パッドユニット１５を構成するようにされている。そしてこのキャリパ・パッドユニット１５は、タービンケーシング４の回転軸側ケーシング部４ｓに固定的に取り付けられている。つまりキャリパ・パッドユニット１５は、回転軸７の熱伸び・熱縮みについての基点となる基点部材であるスラスト軸受９が取り付けられている基点部材取付け部材であるタービンケーシング４の回転軸側ケーシング部４ｓに取り付けられている。この場合、回転軸７とタービンケーシング４は、熱膨張率が実質的に同等な材料で形成されるのが通常であることから、回転軸７やタービンケーシング４の膨張・収縮に伴うディスクブレーキロータ１１とキャリパ・パッドユニット１５（ブレーキキャリパ１３とブレーキパッド１２）の軸方向変位は実質的に同一になり、その結果、常に適正な制動間隙を保つことができ、したがってブレーキ装置５の構造に起因する過回転防止制動の不安定化を効果的に避けることができる。
【００２９】
ブレーキ制御装置６は、低速回転時制動制御モードと過回転防止制動制御モードを選択的に用いることができるようにされている。ここで、低速回転時制動制御モードとは、回転軸７がターニング時や運転停止動作時におけるような低速回転にある状態でなされる制動についての制御であり、過回転防止制動制御モードは、回転軸７が定格運転時におけるような高速回転にある状態で過回転を防止するためになされる制動についての制御である。
【００３０】
こうした両モードの選択的実行のためにブレーキ制御装置６は、低速回転時制動制御モードでの制動制御を実行する低速回転時制動制御部１６と過回転防止制動制御モードでの制動制御を実行する過回転防止制動制御部１７を有し、またブレーキ操作判定部１８と負荷遮断判定部１９を有している。なお、これらの各機能部はプログラムとして形成されるのが通常である。
【００３１】
ブレーキ操作判定部１８は、図外の制御盤に設けられているブレーキ操作ボタン２０が運転員により操作されることで入力するブレーキ操作信号の有無判定し、ブレーキ操作信号が入力した場合に低速回転時制動制御部１６を起動させる。低速回転時制動制御部１６による低速回転時制動制御モードでは、後述の低圧作動流体供給系２１を用いることで、ブレーキ操作信号の種類に応じてターニング調整のための制動や運転停止時の制動などが低速回転状態で比較的緩やかな制動動作でなされる。
【００３２】
一方、負荷遮断判定部１９は、回転軸７に過回転が発生する状態について判定する過回転判定部であり、発電機３のタービン２に対する上述のような負荷遮断について判定し、負荷遮断が発生した場合に過回転発生状態として過回転防止制動制御部１７を起動させる。過回転防止制動制御部１７による過回転防止制動制御モードでは、後述の高圧作動流体供給系２２を用いることで、定格回転のような高速回転にある状態での過回転防止のためになされる制動が高速な制動動作でなされる。
【００３３】
このように過回転判定部を負荷遮断判定部１９として構成したのは、タービン発電設備１で過回転防止を必要とするのが実質的に負荷遮断時だけであることによる。ただ、必要に応じて回転軸７の回転数を基準とするようにしてもよい。つまり、回転軸７の現在回転数を所定の上限回転数について判定し、現在回転数が上限回転数を超えたと判定された場合に過回転発生状態として過回転防止制動制御部１７を起動させる方式である。
【００３４】
作動流体供給系１４は、ブレーキキャリパ１３が油圧駆動の場合であれば、作動流体として加圧された作動油をブレーキキャリパ１３に供給する。また作動流体供給系１４は、低圧作動流体供給系２１と高圧作動流体供給系２２が設けられ、これらをブレーキ制御装置６からの制御指令に応じて選択的に作動させることで、共通配管２３を介して低圧の作動流体又は高圧の作動流体を選択的にブレーキキャリパ１３に供給できるようにされている。
【００３５】
このような作動流体供給系１４における低圧作動流体供給系２１は、回転軸７が低速回転にある状態で必要となる比較的緩やかな制動動作に適する圧力Ｐｘの作動流体を発生させる低圧ポンプ２４と逆止弁２５を備え、低圧ポンプ２４が発生させる圧力Ｐｘの作動流体を逆止弁２５を介して共通配管２３に送出できるようにされている。一方、高圧作動流体供給系２２は、過回転防止をより効果的になせるような高速な制動動作に適する圧力Ｐｙ（Ｐｙ≫Ｐｘ）の作動流体を発生させる高圧ポンプ２６と逆止弁２７を備え、高圧ポンプ２６が発生させる圧力Ｐｙの作動流体を逆止弁２５を介して共通配管２３に送出できるようにされている。なお、図の例では低圧ポンプ２４と高圧ポンプ２６をシリンダ型の往復ポンプとしてあるが、その他の種類のポンプを用いることも可能である。
【００３６】
このように、低圧作動流体供給系２１と高圧作動流体供給系２２を設け、これらを低速回転時制動制御モードと過回転防止制動制御モードに応じて使い分けするようにしたことにより、それぞれのモードに最適な制動動作を実行させることができ、したがってそれぞれにおける制動をより安定的に行え、特に過回転防止をより効果的に行えるようになる。
【００３７】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、これは代表的な例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば上記実施形態はタービン発電設備に関する場合であったが、本発明は発電プラント以外のタービン設備にも適用することができる。また上記実施形態ではディスクブレーキロータとキャリパ・パッドユニットを一組で設ける場合であったが、必要に応じて複数組設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施形態によるタービン発電設備の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    タービン発電設備（タービン設備）
２    タービン
３    発電機（負荷）
４    タービンケーシング（基点部材取付け部材）
５    ブレーキ装置
６    ブレーキ制御装置
７    回転軸
９    スラスト軸受（基点部材）
１１    ディスクブレーキロータ
１２    ブレーキパッド
１３    ブレーキキャリパ
１７    過回転防止制動制御部
１９    負荷遮断判定部（過回転判定部）
２１    低圧作動流体供給系
２２    高圧作動流体供給系
【図１】
2010019173.tif 000003