(57)【要約】【課題】特に発電用のタービンにおいて、回転軸が略鉛直方向となる縦型設置を行うことにより敷地面積を少なくした縦型タービン、及びこれに良好に使用することが可能な軸受装置を提供する。【解決手段】縦型タービンにおいて、略鉛直方向に設置された回転軸の外周に、パッド軸受を配置した構成とする。また、前記回転軸と前記パッド軸受のクリアランスが、以下の条件式範囲を満足する構成とする。Ｃｄ＝（０．１〜１）Ｄ／１０００但し、Ｃｄは直径すきまであり、Ｄは軸受直径である。【選択図】　　　図３
2004084557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸が略鉛直方向に設置された縦型タービンの前記回転軸の外周に、パッド軸受を配置したことを特徴とする軸受装置。
【請求項２】
前記回転軸と前記パッド軸受のクリアランスが、以下の条件式範囲を満足することを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
Ｃｄ＝（０．１〜１）Ｄ／１０００
但し、
Ｃｄ：直径すきま
Ｄ：軸受直径
である。
【請求項３】
前記回転軸の外周面に油膜を介して当接する前記パッド軸受の内周面に油溝を設け、該油溝に高圧の潤滑油を供給することを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
【請求項４】
回転軸が略鉛直方向に設置された縦型タービンの前記回転軸の外周に、磁気軸受を配置したことを特徴とする軸受装置。
【請求項５】
略鉛直方向に設置された回転軸の外周にパッド軸受を配置した軸受装置を備えたことを特徴とする縦型タービン。
【請求項６】
前記回転軸と前記パッド軸受のクリアランスが、以下の条件式範囲を満足することを特徴とする請求項５に記載の縦型タービン。
Ｃｄ＝（０．１〜１）Ｄ／１０００
但し、
Ｃｄ：直径すきま
Ｄ：軸受直径
である。
【請求項７】
前記回転軸の外周面に油膜を介して当接する前記パッド軸受の内周面に油溝を設け、該油溝に高圧の潤滑油を供給することを特徴とする請求項５に記載の縦型タービン。
【請求項８】
略鉛直方向に設置された回転軸の外周に磁気軸受を配置した軸受装置を備えたことを特徴とする縦型タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば蒸気タービンやガスタービンを縦型設置する構成の縦型タービン、及びこれに用いられる軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、発電所その他における発電用として、蒸気タービンやガスタービンが用いられている。このような発電用のタービンの殆どは、回転軸が略水平方向となる横型設置が行われるタイプとなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように、発電用のタービンの横型設置が主流となっているため、装置が大型になればなるほど、それだけ敷地面積も多くとることになる。特に原子力発電所の場合、用地取得が困難になっているため、敷地面積を少なくして設置場所を確保することは急務である。
【０００４】
本発明は、このような問題点に鑑み、特に発電用のタービンにおいて、回転軸が略鉛直方向となる縦型設置を行うことにより敷地面積を少なくした縦型タービン、及びこれに良好に使用することが可能な軸受装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、縦型タービンにおいて、略鉛直方向に設置された回転軸の外周に、パッド軸受を配置したことを特徴とする。
【０００６】
また、前記回転軸と前記パッド軸受のクリアランスが、以下の条件式範囲を満足することを特徴とする。
Ｃｄ＝（０．１〜１）Ｄ／１０００
但し、
Ｃｄ：直径すきま
Ｄ：軸受直径
である。
【０００７】
或いは、前記回転軸の外周面に油膜を介して当接する前記パッド軸受の内周面に油溝を設け、その油溝に高圧の潤滑油を供給することを特徴とする。
【０００８】
その他、略鉛直方向に設置された回転軸の外周に、磁気軸受を配置したことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の縦型タービンに係る、縦型タービン発電機の構成を模式的に示す図である。同図において、１はパワータービンであり、その上方に設けられた２は発電機である。パワータービン１と発電機２は略鉛直方向に設置された回転軸３により同軸に連結されている。そして、パワータービン１の回転力が回転軸３により発電機２に伝達され、発電が行われる仕組みである。
【００１０】
パワータービン１には、これを挟んで上下にジャーナル軸受４が配設されており、また発電機２にも、これを挟んで上下にジャーナル軸受４が配設されていて、それぞれ回転軸３をラジアル方向に支持している。また、パワータービン１と発電機２との間には、スラスト軸受６が配置されており、回転軸３の周りに固定された例えば円板状のカラー７を受けて、回転軸３をアキシャル方向に支持している。
【００１１】
図２は、本発明の縦型タービンを使用した原子力発電プラントの概略構成を模式的に示す図である。ここでは原子炉内で発生した高温ヘリウムガスがタービンを直接駆動する、直接サイクル方式の場合を例示している。同図において、８は原子炉、９は縦型の高圧ターボユニット、１０は縦型の低圧ターボユニット、５は上述した縦型タービン発電機である。
【００１２】
高圧ターボユニット９は、主として高圧タービン１２とその下方に設けられた圧縮機１３とで構成され、回転軸３により同軸に連結されている。そして、高圧タービン１２及び圧縮機１３を挟んで上下にジャーナル軸受４が配設されており、回転軸３をラジアル方向に支持している。また、下方にはスラスト軸受６が配設されており、回転軸３の周りに固定された例えば円板状のカラー７を受けて、回転軸３をアキシャル方向に支持している。
【００１３】
同様にして、低圧ターボユニット１０は、主として低圧タービン１４とその下方に設けられた圧縮機１５とで構成され、回転軸３により同軸に連結されている。そして、低圧タービン１４及び圧縮機１５を挟んで上下にジャーナル軸受４が配設されており、回転軸３をラジアル方向に支持している。また、下方にはスラスト軸受６が配設されており、回転軸３の周りに固定された例えば円板状のカラー７を受けて、回転軸３をアキシャル方向に支持している。
【００１４】
さて、同図に示すように、原子炉８で発生した高温高圧のヘリウムガスは、矢印ａで示すように高圧ターボユニット９へ送られ、高圧タービン１２を駆動する。そして、矢印ｂで示すように高圧ターボユニット９から低圧ターボユニット１０へ送られ、低圧タービン１４を駆動する。さらに、矢印ｃで示すように低圧ターボユニット１０から縦型タービン発電機５へ送られ、パワータービン１を駆動する。
【００１５】
パワータービン１を駆動したヘリウムガスは、矢印ｄで示すように縦型タービン発電機５から低圧ターボユニット１０へ戻され、圧縮機１５で圧縮される。そして、矢印ｅで示すように低圧ターボユニット１０から高圧ターボユニット９へ戻され、圧縮機１３で更に圧縮される。最後に、矢印ｆで示すように高圧ターボユニット９から原子炉８へと戻される。このようにして、縦型タービンを使用した原子力発電プラントの熱サイクルを構成している。
【００１６】
図３は、本発明の縦型タービンに使用される軸受装置の第１の実施形態を模式的に示す縦断面図である。また図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。但し、便宜上、方向を４５゜変えて示している。これらの図に示すように、本実施形態におけるジャーナル軸受４では、いわゆるパッド型軸受装置が用いられている。そして、回転軸３の周囲には、潤滑油が注入される油槽２１が配置されている。油槽２１は図示しない固定側のケーシングに固定されている。また、油槽２１の底板２１ａ内周より、円筒状の内筒２１ｂが上方に延びている。
【００１７】
一方、回転軸３の外周より下方に向かって、円筒状のガイドスリーブ３ａが延びており、その内周面と前記内筒２１ｂの外周面が対置している。また、油槽２１の内周面には、断面が略コの字状の支持環２２が設けられており、回転軸３の周囲に配置されている。そして、支持環２２の内側面２２ａにはピボット２３が設けられており、その内側には内周面が回転軸３の外周面に油膜を介して当接した、部分円筒状のパッド軸受２４が設けられている。
【００１８】
また、支持環２２の内周２２ｂは油切りとなっており、回転軸３の外周に当接して外部への油漏れを防いでいる。このように構成された本実施形態の軸受装置においては、回転軸３の外周を、油膜を介して複数のパッド軸受２４で支持している。なお、図４では回転軸３の周囲に等角度間隔で計４個のパッド軸受２４が使用された構成を示している。
【００１９】
一般に、タービンのジャーナル軸受は、以下に示す条件式範囲で設計される。
Ｃｄ＝（１．５〜２）Ｄ／１０００
但し、
Ｃｄ：直径すきま
Ｄ：軸受直径
である。
【００２０】
本実施形態では、上記条件範囲で設計したジャーナル軸受４において、更にピボット２３に例えばライナー（薄いスペーサ）を重ねることにより、
Ｃｄ＝（０．１〜１）Ｄ／１０００
の条件式範囲となるように、図３に矢印で示したように、回転軸３とパッド軸受２４の隙間を詰める構成としている。これにより、回転軸３が偏心することなく、いわゆるくさび効果で潤滑を行うことができる。
【００２１】
ちなみに、回転軸の周速は５０〜８０ｍ／ｓを基準としているが、このような低速回転においても、上述したような構成とすることにより、油膜によるバネ効果、即ちダンピング性能を確保することができる。
【００２２】
図５は、本発明の縦型タービンに使用される軸受装置の第２の実施形態を示す図であり、パッド軸受の構造を模式的に示す斜視図である。本実施形態では、同図に示すように、上述した部分円筒状のパッド軸受２４の内周面中央付近に、リング状の高圧油溝２４ａを設けている。但し、溝の形状はリング状に限定されるものではなく、潤滑が効果的に行われるのであれば、直線状や８の字状等、様々な形状とすることができる。
【００２３】
この高圧油溝２４ａの底面には、油供給孔２４ｂが開けられており、これがパッド軸受２４の例えば外周面或いは側面等まで貫通していて、ここからチューブ等により高圧（例えば１５０ｋｇｆ／ｃｍ２程度）の潤滑油が高圧油溝２４ａに供給される。これにより、静圧ジャーナル軸受を構成している。この場合、パッド軸受２４と回転軸３の隙間からは、潤滑油が流れ出にくいので圧力が落ちず、回転軸３に対する反力が確保される。
【００２４】
なお、パッド軸受２４の内周面で周方向両端には、複数の油供給孔２４ｃが開けられている。これらもそれぞれパッド軸受２４の例えば外周面或いは側面等まで貫通していて、ここから低圧（例えば２〜３ｋｇｆ／ｃｍ２程度）の潤滑油が内周面に供給される。これにより、より確実な潤滑を行うことができる。軸受装置についてのその他の構成は、上記第１の実施形態で示したものと同様である。
【００２５】
図６は、回転数とバネ効果の関係を模式的に示すグラフである。同図では横軸に回転軸の回転数を取っており、縦軸に軸受油膜によるバネ効果（例えばバネ定数）を取っている。同図において、高圧油を供給しない構成の場合は、線αで示すように、回転数が低いうちはバネ効果が生じず、回転数が増加するに従い、途中から急速に立ち上がって、その後徐々に効果が大きくなることが分かる。また、高圧油を供給する構成の場合は、線βで示すように、回転数にかかわらず、常に大きな一定のバネ効果が得られることが分かる。
【００２６】
図７は、上記第２の実施形態における構成を、スラスト軸受６に応用した例を示す図であり、パッド軸受の構造を模式的に示す斜視図である。ここでは同図に示すように、扇形状のパッド軸受２５の表面（当接面）中央付近に、リング状の高圧油溝２５ａを設けている。但し、溝の形状はリング状に限定されるものではなく、潤滑が効果的に行われるのであれば、直線状や８の字状等、様々な形状とすることができる。
【００２７】
この高圧油溝２５ａの底面には、油供給孔２５ｂが開けられており、これがパッド軸受２５の例えば裏面或いは外周面等まで貫通していて、ここからチューブ等により高圧（例えば１５０ｋｇｆ／ｃｍ２程度）の潤滑油が高圧油溝２５ａに供給される。扇形状のパッド軸受２５は、図示しないが、回転軸３の周りに複数配置されて略リング状を成す。そして、この略リング状のパッド軸受群を、回転軸３の周りに固定された例えば円板状の上記カラー７の上下に配置し、カラー７の上面及び下面に、それぞれ表面を油膜を介して当接させている。これにより、静圧スラスト軸受を構成している。
【００２８】
この場合、パッド軸受２５と回転軸３の隙間からは、潤滑油が流れ出にくいので圧力が落ちず、回転軸３に対する反力が確保される。なお、パッド軸受２５の表面で周方向両端には、複数の油供給孔２５ｃが開けられている。これらもそれぞれパッド軸受２５の例えば裏面或いは外周面等まで貫通していて、ここから低圧（例えば２〜３ｋｇｆ／ｃｍ２程度）の潤滑油が表面に供給される。これにより、より確実な潤滑を行うことができる。
【００２９】
図８は、本発明の縦型タービンに使用される軸受装置の第３の実施形態を模式的に示す縦断面図である。また図９は、図８のＢ−Ｂ断面図である。但し、便宜上、方向を４５゜変えて示している。これらの図に示すように、本実施形態におけるジャーナル軸受４では、いわゆる磁気軸受装置が用いられている。そして、回転軸３の周囲には、磁気軸受２６が配置されている。
【００３０】
磁気軸受２６は、それぞれ固定側のケーシング２７の内周面に固定されており、その磁気力で回転軸３をラジアル方向に非接触で支持している。なお、図９では回転軸３の周囲等角度間隔の４箇所に２個ずつ、計８個の磁気軸受が使用された構成を示している。
【００３１】
図１０は、上記第３の実施形態における構成を、スラスト軸受６に応用した例を模式的に示す縦断面図である。ここでは同図に示すように、回転軸３の周りに固定された円板２８の上下に磁気軸受２９を配置し、その磁気力で円板２８を非接触で受け、回転軸３をアキシャル方向に浮上支持している。また、必要とされる支持力に応じて、スラスト軸受６を回転軸３に沿って複数段設けることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特に発電用のタービンにおいて、回転軸が略鉛直方向となる縦型設置を行うことにより敷地面積を少なくした縦型タービン、及びこれに良好に使用することが可能な軸受装置を提供することができる。また、タービンを縦型とすることにより、敷地面積が少なくなるのみならず、発電所の建物そのものをコンパクトにすることができる。
【００３３】
また、略鉛直方向に設置された回転軸の外周に、パッド軸受或いは磁気軸受を配置し、実施形態で述べたような構成として、動特性を確保し軸振動を安定させることにより、軸受の荷重を減らすことができ、メカニカルロスを小さくすることができる。またこれにより、スペースが小さくなり、さらにはコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】縦型タービン発電機の構成を模式的に示す図。
【図２】原子力発電プラントの概略構成を模式的に示す図。
【図３】軸受装置の第１の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図。
【図５】軸受装置の第２の実施形態を示す図であり、パッド軸受の構造を模式的に示す斜視図。
【図６】回転数とバネ効果の関係を模式的に示すグラフ。
【図７】第２の実施形態における構成を、スラスト軸受に応用した例を示す図であり、パッド軸受の構造を模式的に示す斜視図。
【図８】軸受装置の第３の実施形態を模式的に示す縦断面図。
【図９】図８のＢ−Ｂ断面図。
【図１０】第３の実施形態における構成を、スラスト軸受に応用した例を模式的に示す縦断面図。
【符号の説明】
１　　パワータービン
２　　発電機
３　　回転軸
４　　ジャーナル軸受
５　　縦型タービン発電機
６　　スラスト軸受
７　　カラー
８　　原子炉
９　　高圧ターボユニット
１０　　低圧ターボユニット
１２　　高圧タービン
１３　　圧縮機
１４　　低圧タービン
１５　　圧縮機
２１　　油槽
２２　　支持環
２３　　ピボット
２４，２５　　パッド軸受
２６，２９　　磁気軸受
２７　　ケーシング
２８　　円板
【図１】
2004084557.tif 000003
【図２】
2004084557.tif 000004
【図３】
2004084557.tif 000005
【図４】
2004084557.tif 000006
【図５】
2004084557.tif 000007
【図６】
2004084557.tif 000008
【図７】
2004084557.tif 000009
【図８】
2004084557.tif 000010
【図９】
2004084557.tif 000011
【図１０】
2004084557.tif 000012