(57)【要約】タービン（１０）は、冷却流体（ｃｆ）が流入する空洞部（４２）をもつロータ本体（４１）、及び、当該ロータ本体の軸線方向（ａｄ）に配列されロータ本体から突出した複数のロータホイール（４６）を有するタービンロータ（４０）と、各々が対応するロータホイールに支持された複数の動翼翼列（５０）であって、作動流体流路（ｗｐ）を通る作動流体（ｗｆ）によって駆動させられる複数の動翼翼列と、を備える。ロータ本体には、空洞部から当該ロータ本体の軸線方向に交差する方向に延びる冷却流体導入路（６０）が形成されていて、空洞部内の冷却流体が、冷却流体導入路を通過した後、ロータホイールの周り及び／または隣り合う２つのロータホイールの間を通って作動流体流路に導かれる。冷却流体導入路に、当該冷却流体導入路を通過する冷却流体の流量を規制する流量調整プラグ（７０）が配置されている。
2016143103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却流体が流入する空洞部をもつロータ本体、及び、当該ロータ本体の軸線方向に配列され前記ロータ本体から突出した複数のロータホイールを有するタービンロータと、  各々が対応するロータホイールに支持された複数の動翼翼列であって、作動流体流路を通る作動流体によって駆動させられる複数の動翼翼列と、を備え、  前記ロータ本体には、前記空洞部から当該ロータ本体の軸線方向に交差する方向に延びる冷却流体導入路が形成されていて、前記空洞部内の冷却流体が、前記冷却流体導入路を通過した後、前記ロータホイールの周りを通って前記作動流体流路に導かれるようになっており、  前記冷却流体導入路に、当該冷却流体導入路を通過する冷却流体の流量を規制する流量調整プラグが配置されている、タービン。
【請求項２】
前記流量調整プラグは、前記空洞部内の冷却流体が流動する貫通孔が形成された筒状体を有し、  前記貫通孔は、大径孔と、当該大径孔よりも小径の小径孔と、を含んでいて、  前記筒状体の外面に、前記ロータ本体の、前記冷却流体導入路を規定する壁面に設けられたネジ部に螺合するネジ部が設けられている、請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記筒状体の軸方向に沿った前記小径孔の長さは、前記筒状体の軸方向に沿った前記大径孔の長さよりも短い、請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
前記筒状体の軸方向に沿った前記小径孔の長さは、前記筒状体の軸方向に沿った前記大径孔の長さよりも長い、請求項２に記載のタービン。
【請求項５】
前記筒状体に形成された前記貫通孔は、前記小径孔よりも大径の追加大径孔と、前記追加大径孔及び前記大径孔よりも小径の追加小径孔と、をさらに含み、  前記大径孔、前記小径孔、前記追加大径孔及び前記追加小径孔がこの順で並んでいる、請求項２乃至４のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項６】
前記筒状体の軸方向に沿った前記小径孔の長さが前記筒状体の軸方向に沿った前記大径孔の長さよりも短い一の流量調整プラグと、前記筒状体の軸方向に沿った前記小径孔の長さが前記筒状体の軸方向に沿った前記大径孔の長さよりも長い二の流量調整プラグとが、１つの冷却流体導入路に配置されている、請求項２乃至５のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項７】
前記筒状体の軸方向に沿った前記小径孔の長さが前記筒状体の軸方向に沿った前記大径孔の長さよりも短い一の流量調整プラグが、一の冷却流体導入路に配置されていて、  前記筒状体の軸方向に沿った前記小径孔の長さが前記筒状体の軸方向に沿った前記大径孔の長さよりも長い二の流量調整プラグが、二の冷却流体導入路に配置されている、請求項２乃至６のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項８】
複数の冷却流体導入路が前記ロータ本体の前記軸線方向に配列されていて、  各冷却流体導入路は、前記空洞部と境界をなす流入口を含み、  少なくとも１つの冷却流体導入路の前記流入口と前記ロータ本体の軸線との距離は、他の少なくとも１つの冷却流体導入路の前記流入口と前記ロータ本体の軸線との距離と等しい、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項９】
前記タービンロータは、互いに溶接することで連結された２つのロータ構成部材からなり、  前記２つのロータ構成部材により前記空洞部が形成されていて、  前記空洞部は、前記２つのロータ構成部材のうちのいずれかを前記軸線方向に沿って貫通する中心貫通孔を含んでいる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項１０】
２つのロータ構成部材のうちの一方は、他方のロータ構成部材よりも耐熱性があり、  当該他方のロータ構成部材に、前記空洞部に冷却流体を供給する供給路が形成されている、請求項９に記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明の実施の形態は、タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】  タービンは、タービンロータと、タービンロータに支持された複数の動翼と、を有し、作動流体によって動翼を回転させることで、タービンロータが駆動される。昨今では、タービン効率を向上させるべく、作動流体を高温化する試みがなされてきている。作動流体が高温になると、構成部品によっては耐熱合金で構成せねばならなくなる。【０００３】  とりわけ、動翼を支持するタービンロータの部分つまりロータホイールのような大きな応力が発生する部位では、耐熱合金による耐熱性の確保に加えて高温による強度の低下を抑制する必要が生じる。この点、タービンロータのロータホイールを冷却することで、ロータホイールの強度の低下を抑制する技術も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  ロータホイールを冷却流体にて冷却する場合には、典型的には、冷却流体を流動させる複数の冷却流体導入路をタービンロータに形成し、冷却流体導入路を通過した冷却流体にてロータホイールを冷却する。ロータホイールを冷却した冷却流体は、動翼を駆動させる作動流体に合流する。このことから、冷却流体の流量が多くなるほど作動流体の温度に影響を及ぼし、タービン効率を低下させてしまう要因となる。【０００６】  そこで、作動流体の流量やタービンロータから取り出される出力に応じて、冷却流体の流量が必要最低限となるように制御することが求められる。しかしながら、一度、タービンロータに冷却流体導入路を形成してしまうと、冷却流体の流量を変更するためには、タービンを分解してタービンロータを取り出した後、タービンロータに形成された冷却流体導入路を再加工する必要があり、多大な手間がかかる。【０００７】  本発明が解決しようとする課題は、冷却流体の流量を容易に調整可能なタービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  実施の形態によるタービンは、冷却流体が流入する空洞部をもつロータ本体、及び、当該ロータ本体の軸線方向に配列され前記ロータ本体から突出した複数のロータホイールを有するタービンロータと、各々が対応するロータホイールに支持された複数の動翼であって、作動流体流路を通る作動流体によって駆動させられる複数の動翼と、を備える。前記ロータ本体には、前記空洞部から当該ロータ本体の軸線方向に交差する方向に延びる冷却流体導入路が形成されていて、前記空洞部内の冷却流体が、前記冷却流体導入路を通過した後、前記ロータホイールの周りを通って前記作動流体流路に導かれるようになっている。前記冷却流体導入路に、当該冷却流体導入路を通過する冷却流体の流量を規制する流量調整プラグが配置されている。【０００９】  また、実施の形態による発電プラントは、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と、燃料と、前記酸素製造装置により抽出された酸素とを燃焼させて、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器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前記特徴をもつタービンと、前記タービンの回転駆動によって発電を行う発電機と、前記タービンから排出された排出ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器により冷却された排出ガスの水分を分離して除去し、排出ガスを再生する湿分分離器と、前記湿分分離器により再生された再生ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された再生ガスと、前記軸流タービンから前記冷却器に向う排出ガスとの間で熱交換を行う再生熱交換器と、を備える。前記再生熱交換器により熱交換された再生ガスは、前記燃焼器に供給される。【００１０】  実施の形態によるタービン及び発電プラントによれば、流量調整プラグによって冷却流体導入路を通過する冷却流体の流量を規制することができるため、ロータの再加工をすることなく流量調整プラグを交換することで、冷却流体の流量を容易に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施の形態によるタービンが据え付けられる発電プラントの全体構成を示す模式図。
【図２】図１に示すタービンを示す縦断面図。
【図３】図２に示す一点鎖線で囲まれた領域Ａを拡大して示す縦断面図。
【図４】図３に示す線ＩＶ−ＩＶに沿ったロータ本体の断面を示す断面図。
【図５】図２に示す冷却流体導入路に配置された流量調整プラグの一例を示す斜視図。
【図６】図５に示す線ＶＩ−ＶＩに沿った流量調整プラグの断面図。
【図７】図３に示す冷却流体導入路に配置された流量調整プラグを冷却流体が通過するようすを示す縦断面図。
【図８】図５に示す流量調整プラグの他の例を示す斜視図。
【図９】図８に示す線ＩＸ−ＩＸに沿った流量調整プラグの断面図。
【図１０】図５に示す流量調整プラグの他の例を示す断面図。
【図１１】図８に示す冷却流体導入路に流量調整プラグを配置する他の例を示す縦断面図。
【図１２】図８に示す冷却流体導入路に流量調整プラグを配置するさらに他の例を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  以下、図面を参照して一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。図１乃至図１１は、一実施の形態を説明するための図である。このうち、図１は、一実施の形態によるタービン１０が据え付けられる発電プラント１の全体構成を示す模式図である。
【００１３】  図１に示す発電プラント１は、燃料を酸素燃焼して発生した高温高圧のＣＯ２でタービン１０を駆動する発電プラントである。このような発電プラント１は、発電とＣＯ２回収とを行うことができ、ＣＯ２の排出を抑制する技術として近年注目を集めている。
【００１４】  図１に示すように、発電プラント１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２と、燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼器３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駆動されるタービン１０と、を有している。
【００１５】  このうち、燃焼器３には、酸素製造装置２により抽出された酸素が供給されるようになっており、燃焼器３は、この酸素と、燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成するようになっている。燃焼器３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を挙げることができる。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３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。すなわち、燃焼ガスの成分は、ＣＯ２（二酸化炭素）と水になる。このため、燃焼ガスに、ＳＯｘ（硫黄酸化物）やＮＯｘ（窒素酸化物）等のガスが含まれることを抑制できる。
【００１６】  燃焼器３においては、高温の燃焼ガスが生成されるようになっており、例えば、６００℃以上の燃焼ガスが生成されることが好適である。このことにより、発電効率の改善とＣＯ２等のガスの発生量の抑制を図ることができる。なお、燃焼器３には、後述する再生熱交換器５から、当該再生熱交換器５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）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ようになっている。
【００１７】  燃焼器３により生成された燃焼ガスは、作動流体としてタービン１０に供給され、当該タービン１０を駆動する。タービン１０には、発電機４が連結されており、タービン１０が駆動することによって発電機４が発電を行う。
【００１８】  タービン１０において仕事を行った燃焼ガスは、排出ガスとしてタービン１０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。すなわち、排出ガスの成分も、ＣＯ２と水になる。排出ガスは、タービン１０の下流側に設けられた再生熱交換器５に供給される。また、再生熱交換器５には、後述するＣＯ２ポンプ（圧縮機）８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。このことにより、再生熱交換器５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。
【００１９】  再生熱交換器５の下流側には、冷却器６が設けられている。この冷却器６には、再生熱交換器５から冷却された排出ガスが供給され、冷却器６は、この排出ガスを更に冷却する。
【００２０】  冷却器６の下流側には、湿分分離器７が設けられている。この湿分分離器７には、冷却器６により冷却された排出ガスが供給され、湿分分離器７は、この排出ガスの水分を分離して除去する。このことにより、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。すなわち、排出ガスは、ＣＯ２を成分とするガスとして再生ガスに再生される。
【００２１】  湿分分離器７の下流側には、ＣＯ２ポンプ８が設けられている。このＣＯ２ポンプ８には、湿分分離器７により再生された再生ガスが供給され、ＣＯ２ポンプ８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。
【００２２】  圧縮された再生ガスは、上述した再生熱交換器５に供給される。再生熱交換器５においては、上述したように、ＣＯ２ポンプ８により圧縮された再生ガスと、タービン１０から冷却器６に向う排出ガスとの間で熱交換が行われる。このことにより、比較的低温の再生ガスは加熱される。なお、ＣＯ２ポンプ８により圧縮された再生ガスの一部は、再生熱交換器５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。
【００２３】  再生熱交換器５により加熱された再生ガスは、燃焼器３に供給される。なお、再生ガスの一部は、冷却媒体としてタービン１０にも供給される。
【００２４】  このように、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６００℃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。このことにより、作動流体の体積流量を増大させることができるとともに、有害ガスであるＮＯｘやＳＯｘが生成されることを防止できる。また、排出ガスからＣＯ２を分離して回収するための設備を不要とすることができる。さらに、回収されるＣＯ２の純度を高めることができ、発電以外の種々の用途に利用することが可能となる。
【００２５】  次に、図２及び図３を参照して、本実施の形態におけるタービン１０について説明する。図２は、図１に示す発電プラント１に据え付けられたタービン１０を示す縦断面図であり、図３は、図２に示すタービン１０の一部を拡大して示す縦断面図である。
【００２６】  図２に示すように、タービン１０は、ケーシング２０と、ケーシング２０に対して回転可能に設けられたタービンロータ４０と、を備えている。タービンロータ４０は、軸線ａｌに沿って延びるロータ本体４１と、ロータ本体４１の周りに配置された複数のロータホイール４６と、を有している。なお、以下の説明では、軸線ａｌの延びる方向を軸線方向ａｄとし、当該軸線方向ａｄに直交する方向を径方向ｒｄとし、軸線ａｌを中心とした回転方向を周方向ｃｄとする。
【００２７】  複数のロータホイール４６は、ロータ本体４１の軸線ａｌに沿って間隔を開けて配置されている。各ロータホイール４６は、ロータ本体４１からロータ本体４１の径方向ｒｄ外側に突出し、対応する動翼翼列５０を支持している。各動翼翼列５０は、周方向ｃｄに互いに間隔を開けて配置された複数の動翼５１を有しており、図３に示すように、各動翼５１は、ロータホイール４６に形成された動翼植込溝４７に挿入されて支持されている。
【００２８】  ケーシング２０には、複数の動翼翼列５０に対応した複数の静翼翼列３０が設けられている。各静翼翼列３０は、周方向ｃｄに互いに間隔を開けて配置された複数の静翼３１を有している。図３に示すように、各静翼３１は、その外周側端部にてダイアフラム外輪２１によって支持され、その内周側端部にてダイアフラム内輪２２によって支持されている。ダイアフラム内輪２２の内周面つまりタービンロータ４０側を向く面には、ラビリンスシール装置２３が設けられている。ラビリンスシール装置２３は、ダイアフラム内輪２２とロータ本体４１との間の間隙を、作動流体ｗｆが下流側（図２の右側）に流れて漏洩することを抑制するためのものである。
【００２９】  静翼翼列３０と動翼翼列５０は、軸線方向ａｄに沿って交互に配置されている。そして、一の静翼翼列３０と、当該一の静翼翼列３０の下流側に隣り合って配置された一の動翼翼列５０とにより、一のタービン段落１１が構成されている。ゆえに、複数の静翼翼列３０と複数の動翼翼列５０とにより、複数のタービン段落１１が構成される。
【００３０】  各タービン段落１１を通過する作動流体流路ｗｐに沿って作動流体ｗｆが流れるようになっている。本実施の形態では、燃焼器３において生成された燃焼ガスが、作動流体ｗｆとして、作動流体入口管３１から最も上流側の第１タービン段落１１内に導かれるようになっている。第１タービン段落１１に導かれた作動流体ｗｆは、各タービン段落１１を順次通過して、各タービン段落１１の動翼５１に対して仕事を行い、タービンロータ４０を回転駆動させる。その後、作動流体ｗｆは、最も下流側の最終タービン段落１１を通過してタービン１０外に排出される。なお、図２に示す例では、作動流体流路ｗｐに導かれる作動流体ｗｆは、ケーシング２０に連結された作動流体入口管２４から供給される。
【００３１】  ここで、動翼翼列５０を支持するロータホイール４６には、回転による遠心力により大きな応力が発生するため、高温による強度の低下を抑制する必要が生じる。そこで、本実施の形態では、ロータホイール４６を冷却する機構がタービンロータ４０に設けられている。
【００３２】  具体的には、図２に示すように、タービンロータ４０は、軸線方向ａｄに並べて配置された２つのロータ構成部材４０ａ、４０ｂを互いに溶接することによって構成され、２つのロータ構成部材４０ａ、４０ｂの内部に跨がって空洞部４２が形成されている。空洞部４２には、冷却流体ｃｆが流入する。図２に示す例では、２つのロータ構成部材４０ａ、４０ｂを溶接することで継ぎ目４８が形成され、この継ぎ目４８が空洞部４２の周りをリング状に取り囲んでいる。
【００３３】  本実施の形態において、空洞部４２は、相対的に大きな径をもつ貯留空間４２ａと、貯留空間４２ａよりも小さな径をもつ中心貫通孔４２ｂと、を含んでいる。貯留空間４２ａは、一方のロータ構成部材４０ａから他方のロータ構成部材４０ｂに跨がって形成され、中心貫通孔４２ｂは、他方のロータ構成部材４０ｂ内で、当該他方のロータ構成部材４０ｂを軸線方向ａｄに貫通している。この中心貫通孔４２ｂは、ロータ構成部材４０ａ、４０ｂに後述する冷却流体導入路６０を加工する際に利用される作業孔としての機能ももつ。
【００３４】  なお、中心貫通孔４２ｂの貯留空間４２ａとは反対側となる端部は、不図示のキャップ等により封止可能になっていてもよい。この場合、貯留空間４２ａから中心貫通孔４２ｂを通って冷却流体ｃｆが外部に流出するのを防ぐことができる。
【００３５】  また、一方のロータ構成部材４０ａには、貯留空間４２ａに冷却流体ｃｆを供給する供給路４５が形成されている。この供給路４５は、ケーシング２０に形成されたケーシング供給路２５に繋がっていて、ケーシング供給路２５から溝２６を介して冷却流体ｃｆを供給されるようになっている。なお、供給路４５及びケーシング供給路２５は、周方向ｃｄに並べて複数設けられているのがよい。この場合、貯留空間４２ａに冷却流体ｃｆを均等に供給することに寄与する。
【００３６】  また、供給路４５が形成されたロータ構成部材４０ａと、ケーシング２０の内周面との間に、複数のグランドラビリンスシール２７が設けられている。グランドラビリンスシール２７は、ロータ構成部材４０ａとケーシング２０との間の間隙で、冷却流体ｃｆが漏洩することを抑制する。
【００３７】  とりわけ、本実施の形態では、供給路４５が形成されたロータ構成部材４０ａには、ロータホイール４６が設けられておらず、高温の作動流体ｗｆに曝され難い。このため、このロータ構成部材４０ａは、相対的に耐熱性の低い材料、例えばＣｒＭｏＶ鋼などで構成され得る。
【００３８】  その一方で、中心貫通孔４２ｂが形成されたロータ構成部材４０ｂには、ロータホイール４６が設けられていて、作動流体ｗｆにて回転させられる複数の動翼翼列５０を支持している。このため、このロータ構成部材４０ｂは、高温の作動流体ｗｆに曝され易く、相対的に耐熱性の高い材料、例えば、１２Ｃｒ鋼などの耐熱鋼やＮｉ基合金などの耐熱合金で構成され得る。
【００３９】  さて、図３に示すように、ロータ本体４１には、空洞部４２内の冷却流体ｃｆを作動流体流路ｗｐに導いてロータホイール４６を冷却する冷却流体導入路６０が形成されている。本実施の形態の冷却流体導入路６０は、空洞部４２から当該ロータ本体４１の軸線方向ａｄに交差する方向、より詳細には軸線方向ａｄに直交する径方向ｒｄに沿って形成されている。
【００４０】  冷却流体導入路６０は、空洞部４２と境界をなす流入口６１を含み、空洞部４２からの冷却流体ｃｆが流入口６１を介して冷却流体導入路６０内に進入するようになっている。さらに、冷却流体導入路６０は、ロータ本体４１の外周面に設けられた流出口６２を含み、流入口６１からの冷却流体ｃｆが流出口６２から作動流体流路ｗｐに向かって噴出するようになっている。
【００４１】  図４に、ロータ本体４１の軸線方向ａｄに直交するロータ本体４１の断面を示す。図４に示すように、ロータ本体４１の軸線方向ａｄに直交する断面において、複数の冷却流体導入路６０が、軸線ａｌを中心として放射状に配置されている。すなわち、複数の冷却流体導入路６０がロータ本体４１の周方向ｃｄに並べて配列され、各冷却流体導入路６０は径方向ｒｄに沿って直線状に延びている。そして、この周方向ｃｄに並べられた複数の冷却流体導入路６０からなる列が、軸線方向ａｄに沿って複数配列されている。
【００４２】  各冷却流体導入路６０を通過した冷却流体ｃｆは、ロータホイール４６の周り及び／または隣り合う２つのロータホイール４６の間を通って作動流体流路ｗｐに導かれる。図３に示す例では、各冷却流体導入路６０を通過した冷却流体ｃｆは、以下の３つの経路のいずれかを通って作動流体流路ｗｐに流れ込むようになっている。第１の経路は、ダイアフラム内輪２２とロータホイール４６との間を径方向ｒｄに沿って通過した後、動翼５１の上流側を通り抜ける主流路６５である。第２の経路は、主流路６５から動翼５１の下流に向かって分岐した後、当該動翼５１の下流側を通り抜ける第２分路６６である。第３の経路は、主流路６５から動翼５１の下流に向かって分岐した後、下流に位置するダイアフラム内輪２２に支持されたラビリンスシール装置２３に向かう第３分路６７である。
【００４３】  また、図３に示す例では、１つのタービン段落１１に対応して１つの冷却流体導入路６０が設けられている。ただし、動翼翼列５０を回転させる作動流体ｗｆは、第１タービン段落１１を通過するときに最も温度が高く、下流側に位置するタービン段落１１を通過するにつれて温度が低下していく。このため、上流側に位置するタービン段落１１に対しては、１つのタービン段落１１に対応して１つの冷却流体導入路６０が設けられているが、下流側に位置するタービン段落１１に対しては、冷却流体導入路６０が設けられていない。
【００４４】  上述のように、上流側に位置するタービン段落１１ほど、作動流体ｗｆの温度が高く、暖められやすいことから、上流側に位置するロータホイール４６ほど、高温になり易く且つ強度が低下し易い。このような観点から、ロータホイール４６の位置に応じて、当該ロータホイール４６を冷却する冷却流体ｃｆの流量を調整すべきである。そこで、本実施の形態では、冷却流体導入路６０に流量調整プラグ７０が配置されている。
【００４５】  流量調整プラグ７０は、冷却流体導入路６０を通過する冷却流体ｃｆの流量を規制するためのものである。図５及び図６に、それぞれ、流量調整プラグ７０の斜視図及び断面図を示す。
【００４６】  図５及び図６に示すように、流量調整プラグ７０は、空洞部４２内の冷却流体ｃｆが流動する貫通孔７２が形成された筒状体７１を含んでいる。貫通孔７２は、筒状体７１を、当該筒状体７１の軸方向Ｘに貫通している。とりわけ、貫通孔７２は、大径孔７２ａと、当該大径孔７２ａよりも小径の小径孔７２ｂと、を含んでいる。貫通孔７２が大径孔７２ａよりも小径の小径孔７２ｂを含むことにより、流量調整プラグ７０を通過する冷却流体ｃｆの流量を規制する程度を高めることができる。
【００４７】  本実施の形態では、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った小径孔７２ｂの長さＬ２は、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った大径孔７２ａの長さＬ１よりも短い。なお、上流側に位置するロータホイール４６ほど、高温となる傾向があることから、流量調整プラグ７０が配置される位置に応じて、小径孔７２ｂの長さＬ２と大径孔７２ａの長さＬ１とを適宜変更してもよい。典型的には、高温となる上流側に位置するロータホイール４６ほど、大きく冷却する必要があることから、上流側に配置される流量調整プラグ７０ほど、小径孔７２ｂの長さＬ２を短くするのがよい。
【００４８】  同様に、上流側ほど作動流体ｗｆの圧力は大きくなることから、上流側に位置する冷却流体導入路６０ほど、作動流体ｗｆからの押し戻す圧力が大きい。このことからも、上流側に配置される流量調整プラグ７０ほど、小径孔７２ｂの長さＬ２を短くして流量調整プラグ７０を通過する冷却流体ｃｆの圧力を大きく確保するのがよい。
【００４９】  筒状体７１の外面７１ａに、ネジ部７３が設けられている。ネジ部７３は、ロータ本体４１の、冷却流体導入路６０を規定する壁面に設けられたネジ部４３（図７参照）に螺合する。本実施の形態では、筒状体７１のネジ部７３が雄ネジとして構成され、ロータ本体４１のネジ部４３は雌ネジとして構成されている。とりわけ、図５及び図６に示す例では、大径孔７２ａを取り囲む筒状体７１の外面７１ａの部分に、ネジ部７３が設けられていて、小径孔７２ｂを取り囲む筒状体７１の外面７１ａの部分には、ネジ部７３が設けられていない。
【００５０】  なお、図４に示す流量調整プラグ７０は、中空円筒状に形成されているが、このような例に限定されない。流量調整プラグ７０の形状は、冷却流体導入路６０の形状に対応している限り、種々の形状を採用し得る。
【００５１】  次に、以上のような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００５２】  図２に示すように、タービン１０に、燃焼器３から供給された作動流体ｗｆが流入することによりタービン１０が動作する。この間、作動流体ｗｆは、第１タービン段落１１に流入して、各タービン段落１１を順次通過して各動翼５１に対して仕事を行い、タービンロータ４０を回転駆動させる。その後、作動流体ｗｆは、最終タービン段落１１を通過し、タービン１０から排出されて、再生熱交換器５に供給される。
【００５３】  作動流体ｗｆの流入に伴い、動翼翼列５０及び当該動翼翼列５０を支持するロータホイール４６が暖められ高温になっていく。この点、ロータホイール４６を冷却すべく、タービン１０の動作中、再生熱交換器５から排出された再生ガスが、冷却流体ｃｆとしてケーシング供給路２５から空洞部４２に供給される。
【００５４】  本実施の形態では、空洞部４２の圧力は、作動流体流路ｗｐを通る作動流体ｗｆの圧力よりも高くなっている。このため、空洞部４２に供給された冷却流体ｃｆは、冷却流体導入路６０を通って作動流体流路ｗｐに向かっていく。
【００５５】  図７に、冷却流体導入路６０に配置された流量調整プラグ７０を冷却流体ｃｆが通過するようすを示す。図７に示すように、流量調整プラグ７０には、相対的に小さい径をもつ小径孔７２ｂが形成されているため、空洞部４２からの冷却流体ｃｆは、流量調整プラグ７０にて流量を調整された後、作動流体流路ｗｐに向かっていく。
【００５６】  各冷却流体導入路６０から作動流体流路ｗｐに向かう冷却流体ｃｆは、ロータホイール４６の周り及び／または隣り合う２つのロータホイール４６の間を通って作動流体流路ｗｐに導かれる。これにより、ロータホイール４６が冷却流体ｃｆによって冷却される。
【００５７】  なお、冷却流体ｃｆの温度は、冷却するロータホイール４６に大きな熱応力が発生しない程度の温度に設定され得る。冷却流体ｃｆの温度は、タービンの仕様に大きく依存するが、一例として、蒸気タービンでは、４００℃程度に設定されてもよい。
【００５８】  作動流体流路ｗｐに案内された冷却流体ｃｆは、作動流体ｗｆと混合される。
【００５９】  以上のように、本実施の形態によれば、冷却流体ｃｆが流入する空洞部４２をもつロータ本体４１、及び、当該ロータ本体４１の軸線方向ａｄに配列されロータ本体４１から突出した複数のロータホイール４６を有するタービンロータ４０と、各々が対応するロータホイール４６に支持された複数の動翼翼列５０であって、作動流体流路ｗｐを通る作動流体ｗｆによって駆動させられる複数の動翼翼列５０と、を備え、ロータ本体４１には、空洞部４２から当該ロータ本体４１の軸線方向ａｄに交差する方向に延びる冷却流体導入路６０が形成されていて、空洞部４２内の冷却流体ｃｆが、冷却流体導入路６０を通過した後、ロータホイール４６の周りを通って作動流体流路ｗｐに導かれるようになっており、冷却流体導入路６０に、当該冷却流体導入路６０を通過する冷却流体ｃｆの流量を規制する流量調整プラグ７０が配置されている。
【００６０】  このような形態によれば、冷却流体導入路６０に流量調整プラグ７０を配置することで、冷却流体導入路６０を通過する冷却流体ｃｆの流量が必要最低限となるように容易に調整することができる。この結果、冷却流体ｃｆと作動流体ｗｆとが合流することによる作動流体ｗｆの温度の低下をできるだけ抑え、タービン効率の低下を容易に抑制することが可能となる。
【００６１】  また、本実施の形態によれば、流量調整プラグ７０は、空洞部４２内の冷却流体ｃｆが流動する貫通孔７２が形成された筒状体７１を有し、貫通孔７２は、大径孔７２ａと、当該大径孔７２ａよりも小径の小径孔７２ｂと、を含んでいて、筒状体７１の外面７１ａに、ロータ本体４１の、冷却流体導入路６０を規定する壁面に設けられたネジ部４３に螺合するネジ部７３が設けられている。このような形態によれば、貫通孔７２が大径孔７２ａよりも小径の小径孔７２ｂを含むことにより、流量調整プラグ７０を通過する冷却流体ｃｆの流量を規制する程度を高めることができる。また、筒状体７１の外面７１ａに設けられたネジ部７３をロータ本体４１のネジ部４３に螺合させることで、流量調整プラグ７０を冷却流体導入路６０内に容易に配置することができる。
【００６２】  また、本実施の形態によれば、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った小径孔７２ｂの長さＬ２は、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った大径孔７２ａの長さＬ１よりも短い。この場合、小径孔７２ｂによる流量調整プラグ７０を通過する冷却流体ｃｆの流量を規制する程度を十分に確保しつつ、流量調整プラグ７０内を十分な流量で冷却流体ｃｆを流動させることが可能となる。
【００６３】  また、本実施の形態によれば、タービンロータ４０は、互いに溶接することで連結された２つのロータ構成部材４０ａ、４０ｂからなり、２つのロータ構成部材４０ａ、４０ｂにより空洞部４２が形成されていて、空洞部４２は、２つのロータ構成部材４０ａ、４０ｂのうちのいずれかを軸線方向ａｄに沿って貫通する中心貫通孔４２ｂを含んでいる。この場合、中心貫通孔４２ｂを作業孔として利用することで、ロータ構成部材４０ａ、４０ｂに冷却流体導入路６０を容易に加工することができる。
【００６４】  また、本実施の形態によれば、２つのロータ構成部材４０ａ、４０ｂのうちの上流側のロータ構成部材４０ａに、空洞部４２に冷却流体ｃｆを供給する供給路４５が形成されている。供給路４５は、高い圧力で冷却流体ｃｆを空洞部４２に供給することから、ロータホイール４６との熱交換により暖められた冷却流体ｃｆや動翼翼列５０を回転させる作動流体ｗｆが、上流側のロータ構成部材４０ａには逆流し難くなる。結果として、上流側のロータ構成部材４０ａ が、暖められた冷却流体ｃｆや作動流体ｗｆによって暖められ難くなり上流側のロータ構成部材４０ａが耐熱性の低い材料で製造されていても熱による劣化を抑制することができる。
【００６５】  また、本実施の形態によれば、複数の冷却流体導入路６０の径を同径とし、上流側に配置される流量調整プラグ７０ほど、小径孔７２ｂの長さＬ２が短い。この場合、流量調整プラグ７０の配置される位置に応じて流量調整プラグ７０の小径孔７２ｂの長さＬ２を変化させるだけで、高温になり易い上流側に位置するロータホイール４６ほど大きく冷却することができる。すなわち、このような形態によれば、ロータホイール４６を最適に冷却する流量調整プラグ７０の配置を容易に実現することができる。
【００６６】  なお、図３に示すように、本実施の形態によるタービン１０において、複数の冷却流体導入路６０がロータ本体４１の軸線方向ａｄに配列されていて、各冷却流体導入路６０は、空洞部４２と境界をなす流入口６１を含み、少なくとも１つの冷却流体導入路６０の流入口６１とロータ本体４１の軸線ａｌとの距離は、他の少なくとも１つの冷却流体導入路６０の流入口６１とロータ本体４１の軸線ａｌとの距離と等しい。具体的には、貯留空間４２ａとの境界をなす各流入口６１とロータ本体４１の軸線ａｌとの距離は、貯留空間４２ａとの境界をなす他の任意の流入口６１とロータ本体４１の軸線ａｌとの距離と等しい。また、中心貫通孔４２ｂとの境界をなす各流入口６１とロータ本体４１の軸線ａｌとの距離は、中心貫通孔４２ｂとの境界をなす他の任意の流入口６１とロータ本体４１の軸線ａｌとの距離と等しい。
【００６７】≪変形例≫  なお、上述した実施の形態では、図１に示すように、タービン１０に供給される作動流体としての燃焼ガスを生成する燃焼器３が、酸素製造装置２から供給される酸素と、燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、燃焼器３は、空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成するようにしてもよい。また、上述した実施の形態におけるタービン１０は、図１に示すような発電プラント１に限らず、任意の構成の発電プラントに適用することができる。
【００６８】  また、上述した実施の形態では、図６に示すように、流量調整プラグ７０は、小径孔７２ｂの長さＬ２が大径孔７２ａの長さＬ１よりも短いオリフィス型流量調整プラグ７０ａからなる例を示したが、流量調整プラグ７０の形態は、上述した例に限定されない。図８及び図９に、流量調整プラグ７０の他の一例を示し、図１０に、流量調整プラグ７０のさらに別の例を示す。
【００６９】  図８及び図９に示す例では、流量調整プラグ７０は、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った小径孔７２ｂの長さＬ２が筒状体７１の軸方向Ｘに沿った大径孔７２ａの長さＬ１よりも長い細孔管型流量調整プラグ７０ｂからなる。筒状体７１の外面７１ａに設けられたネジ部７３は、大径孔７２ａを取り囲む筒状体７１の外面７１ａの部分及び小径孔７２ｂを取り囲む筒状体７１の外面７１ａの部分の両方に渡っている。細孔管型流量調整プラグ７０ｂによれば、小径孔７２ｂによる流量調整プラグ７０を通過する冷却流体ｃｆの流量を規制する程度を大きく確保することができる。
【００７０】  図１０に示す例では、流量調整プラグ７０を構成する筒状体７１に形成された貫通孔７２は、小径孔７２ｂよりも大径の追加大径孔７２ｃと、追加大径孔７２ｃ及び大径孔７２ａよりも小径の追加小径孔７２ｄと、をさらに含んでいる。大径孔７２ａ、小径孔７２ｂ、追加大径孔７２ｃ及び追加小径孔７２ｄがこの順で並んでいる。
【００７１】  とりわけ、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った小径孔７２ｂの長さＬ２及び筒状体７１の軸方向Ｘに沿った追加小径孔７２ｄの長さＬ４は、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った大径孔７２ａの長さＬ１及び筒状体７１の軸方向Ｘに沿った追加大径孔７２ｃの長さＬ３よりも短い。
【００７２】  また、図１０に示す例では、筒状体７１の外面７１ａに設けられたネジ部７３は、大径孔７２ａを取り囲む筒状体７１の外面７１ａの部分に配置されていて、小径孔７２ｂ、追加大径孔７２ｃ及び追加小径孔７２ｄを取り囲む筒状体７１の外面７１ａの部分には配置されていない。
【００７３】  図１０に示す流量調整プラグ７０によれば、大径孔７２ａ、小径孔７２ｂ、追加大径孔７２ｃ及び追加小径孔７２ｄがこの順で並んでいることで、急拡損失及び急縮損失を利用して、流量調整プラグ７０を通過する冷却流体ｃｆの流量を大幅に規制することが可能となる。
【００７４】  また、上述した実施の形態では、図７に示すように、１つの冷却流体導入路６０に１つの流量調整プラグ７０が配置された例を示したが、冷却流体導入路６０に配置される流量調整プラグ７０の数は、上述した例に限定されない。図１１に、１つの冷却流体導入路６０に複数の流量調整プラグ７０を配置した例を示す。
【００７５】  図１１に示す例では、１つの冷却流体導入路６０に、図５に示すオリフィス型流量調整プラグ７０ａと、図８に示す細孔管型流量調整プラグ７０ｂと、が配置されている。ロータ本体４１の１つのネジ部４３に、オリフィス型流量調整プラグ７０ａのネジ部７３と細孔管型流量調整プラグ７０ｂのネジ部７３とが螺合している。
【００７６】  図１１に示す形態によれば、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った小径孔７２ｂの長さＬ２が筒状体７１の軸方向Ｘに沿った大径孔７２ａの長さＬ１よりも短い一の流量調整プラグ７０ａと、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った小径孔７２ｂの長さＬ２が筒状体７１の軸方向Ｘに沿った大径孔７２ａの長さＬ１よりも長い二の流量調整プラグ７０ｂとが、１つの冷却流体導入路６０に配置されている。このような形態によれば、１つの冷却流体導入路６０を通過する冷却流体ｃｆの流量をさらに高い自由度で調整することができるため、より綿密な最適な流量制御を実現することが可能となる。
【００７７】  また、上述した実施の形態では、上流側に位置する流量調整プラグ７０ほど小径孔７２ｂの長さＬ２が短くなる例を示したが、流量調整プラグ７０の配置は、上述した例に限定されない。図１２に、流量調整プラグ７０の他の配置例を示す。
【００７８】  図１２に示す例においても、上流側に位置する流量調整プラグ７０ほど、流量調整プラグ７０を通過する冷却流体ｃｆの流量を規制する程度が小さくなっている。具体的には、上流側に位置する流量調整プラグ７０を、冷却流体ｃｆの流量を規制する程度が小さいオリフィス型流量調整プラグ７０ａとし、下流側に位置する流量調整プラグ７０を、冷却流体ｃｆの流量を規制する程度が大きい細孔管型流量調整プラグ７０ｂとしている。
【００７９】  図１２に示す形態によれば、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った小径孔７２ｂの長さＬ２が筒状体７１の軸方向Ｘに沿った大径孔７２ａの長さＬ１よりも短い一の流量調整プラグ７０ａが、一の冷却流体導入路６０に配置されていて、筒状体７１の軸方向Ｘに沿った小径孔７２ｂの長さＬ２が筒状体７１の軸方向Ｘに沿った大径孔７２ａの長さＬ１よりも長い二の流量調整プラグ７０ｂが、二の冷却流体導入路６０に配置されている。このような形態によれば、異なるタイプの流量調整プラグ７０ａ、７０ｂを組み合わせることにより、流量調整プラグ７０ａ、７０ｂが配置される位置に応じた最適な冷却流体ｃｆの流量の制御を実現することが可能となる。
【００８０】  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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００８１】１：発電プラント、２：酸素製造装置、３：燃焼器、４：発電機、５：再生熱交換器、６：冷却器、７：湿分分離器、８：ＣＯ２ポンプ、１０：タービン、１１：タービン段落、２０：ケーシング、２１：ダイアフラム外輪、２２：ダイアフラム内輪、２３：ラビリンスシール装置、２４：作動流体入口管、２５：ケーシング供給路、２６：溝、２７：グランドラビリンスシール、３０：静翼翼列、３１：静翼、４０：タービンロータ、４０ａ：ロータ構成部材、４０ｂ：ロータ構成部材、４１：ロータ本体、４２：空洞部、４２ａ：貯留空間、４２ｂ：中心貫通孔、４３：ネジ部、４５：供給路、４６：ロータホイール、４７：動翼植込溝、５０：動翼翼列、５１：動翼、６０：冷却流体導入路、６１：流入口、６２：流出口、６５：主流路、６６：第１分路、６７：第２分路、７０：流量調整プラグ、７０ａ：オリフィス型流量調整プラグ、７０ｂ：細孔管型流量調整プラグ、７１：筒状体、７１ａ：外面、７２：貫通孔、７２ａ：大径孔、７２ｂ：小径孔、７２ｃ：追加小径孔、７２ｄ：追加大径孔、７３：ネジ部、ｃｆ：冷却流体、ａｌ：軸線、ａｄ：軸線方向、ｒｄ：径方向、ｗｐ：作動流体流路、ｗｆ：作動流体、Ｘ：軸方向、ｃｄ：周方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2016143103.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2016143103.tif 000016
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