(57)【要約】  【課題】  タービン容器に格納されたガスタービンの作動ガスを供給するガス供給配管とタービン入口ノズルの隙間を、定格運転時にはできるだけ小さくしてプラント効率の低下を防止する一方、メンテナンス時にはできるだけ大きくして機器の引き出しを簡単に行えるようにした構造を備えたガス供給配管を提供する。  【解決手段】  ガス供給配管５の先端部にスリーブリング９とこのスリーブリングをガス供給配管に沿って摺動させる駆動機構８を備え、駆動機構８がガス供給配管５から作動ガスを導入する通路１０を備えて、駆動機構８が導入した作動ガスの圧力が低いときにガス入口ノズル３とスリーブリング９の隙間を拡げ、圧力が高いときに隙間を縮めるように構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン容器に格納されたガスタービンのガス入口ノズルに作動ガスを供給するガス供給配管において、該ガス供給配管の先端と前記ガス入口ノズルの先端の間に熱膨張によっては接触しない程度の隙間を設け、該ガスタービンの運転中には該隙間を塞ぎ休止中には該隙間を現すような被覆部材を設けたことを特徴とするガスタービン作動ガス供給配管。
【請求項２】
タービン容器に格納されたガスタービンのガス入口ノズルに作動ガスを供給するガス供給配管において、該ガス供給配管の先端にスリーブリングを備え、さらに該スリーブリングを該ガス供給配管に沿って摺動させる駆動機構を備えて、該駆動機構が前記ガス供給配管と連通する通路を通して作動ガスを導入し該作動ガスの圧力により前記ガス入口ノズルと該スリーブリングの隙間を拡縮することを特徴とするガスタービン作動ガス供給配管。
【請求項３】
前記駆動機構がベローズであって、該ベローズの運転状態における内外圧力差により前記スリーブリングを摺動させることを特徴とする請求項２記載のガスタービン作動ガス供給配管。
【請求項４】
前記駆動機構がシリンダとピストンで構成され、該ピストンが前記スリーブリングと連動すると共に前記作動ガスの圧力が低下すると前記隙間が拡大するように付勢されていることを特徴とする請求項２記載のガスタービン作動ガス供給配管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに作動ガスを供給する配管に関し、特に、高温ガス炉やガス高速炉などを用いた直接ガスタービン発電プラントにおいて容器内に設置するガスタービンのガス入口ノズルとガス供給配管の間の隙間を自動調整するガス供給配管に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘリウムを冷却材とする高温ガス炉やガス高速炉では、高効率化のため冷却材ヘリウムを直接利用した直接ガスタービン発電プラントを用いることが検討されている。発電プラントは、炉心冷却材の大気雰囲気への漏出を無くすためクローズドタイプのガスタービンが用いられる。熱輸送性の向上、冷却性能の向上、機器のコンパクト化などを考慮して冷却材を高圧にするため、冷却材バウンダリには単純な容器構造を使用している。
このため、発電用タービン、ガス圧縮機、熱交換器などは、原子炉容器とは別の容器内に収納するように構成される。
【０００３】
図３に、非特許文献１に記載された従来のタービン容器内機器配置例を示す。このタービン容器はヘリウムガス冷却高速増殖炉に用いるもので、発電機、タービン、高圧圧縮機、低圧圧縮機、中間冷却器が収納されている。
タービンの入口ヘッダに接続される配管は２重壁構造になっていて、運転時には内管内を図外の原子炉から供給される８５０℃、約６MPaのヘリウムガスが流れる。内管はタービン入口ノズルに隙間を介して接続されている。ガスタービンはこの高温高圧ガスにより回転し、軸が繋がっている発電機を駆動して発電する。外管には図外の再生熱交換器から原子炉に供給する高温高圧ガス、高速増殖炉ではたとえば、４６０℃、６．４MPaのヘリウムガスを流している。
【０００４】
また、タービンの出口ヘッダ側の配管は３重管構造となっていて、最内管と中間の管が図外の再生熱交換器に繋がり、最外管が図外の前置冷却器に繋がっている。
最内管にタービンから排出された約４８０℃、２MPaのヘリウムガスが流れ、中間の管に高圧圧縮機で昇圧された約１３０℃、６．４MPaのヘリウムガスが流れる。また、前置冷却器で冷却された３５℃、２MPaのヘリウムガスが最外管からタービン容器内に流れ込む。
タービン容器内のヘリウムガスは低圧圧縮機で３．５MPaまで昇圧され、容器内の中間冷却器で３５℃まで冷却されてから、高圧圧縮機で６．４MPaまで昇圧されて、上記中間の管を通って再生熱交換器に送られる。
【０００５】
容器内の機器のメンテナンスは、タービンのノズルフランジと中間冷却器の冷却水ノズルのフランジを外し、容器の発電機側の蓋を外して、発電機以下の回転機器を一体で開口から引き出して容器の外で保全作業を行う。このため、メンテナンス時には、タービン容器から機器を簡単に引き抜けるようにすることが好ましい。
【０００６】
そこで、従来はタービンに高温ガスを導くガス供給配管はタービンのガス入口ノズルに対して固定的に接続せずに、接近させて隙間を残す構造を採用していた。
図４は従来の構造例についてその要部を説明する模式図である。タービンの入口ヘッダに設けられたノズルに対して、極めて小さい隙間をおいて作動ガス供給配管の先端を位置させている。この隙間により、メンテナンス時にタービン等の機器がタービン容器から容易に引き抜けるようになる。
【０００７】
この隙間の大きさは、機器のハウジングや容器壁に溶着された配管が高温運転時に呈する熱膨張によっても干渉しない程度でなければならない。しかし、隙間から高圧ガスが漏れてプラント効率に影響を及ぼすことは避けられず、定格運転時に５ｍｍ程度の隙間があってもプラント効率は大幅に低下するため、隙間はできるだけ小さくすることが好ましい。一方、定格運転時の隙間を小さくし過ぎるとメンテナンス時に機器を動かすための余裕が小さくなり機器の引き抜きが難しくなる。
このように、ガス供給配管と入口ノズルの隙間は、相反する要求に応えなければならず、適切な構造を一義的に決定することが難しい。
【０００８】
【非特許文献１】「高温ガス炉ガスタービンシステムの技術的課題とその解決方法」日本原子力学会誌  vol.４２，No.１０（２０００）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ガス供給配管と入口ノズルの隙間を、定格運転時にはできるだけ小さくしてプラント効率の低下を防止する一方、メンテナンス時にはできるだけ大きくして機器の引き出しを簡単に行えるようにした構造を備えたガス供給配管を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、タービン容器に格納されたガスタービンのガス入口ノズルに作動ガスを供給する本発明のガス供給配管は、ガス供給配管の先端とガス入口ノズルの先端の間に熱膨張によっては接触しない程度の隙間を設け、ガスタービンの運転中にはこの隙間を塞ぎ休止中にはこの隙間を現すような被覆部材を設けたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のガス供給配管を備えたタービン容器にガスタービン等を設置したものでは、ガスタービン稼働中は作動ガスの漏洩を抑制し、メンテナンス時には容器側に固定されたガス供給配管と内部に収納されたガスタービン等の回転機器の間が分離して容易に引き抜けるようになる。
【００１２】
また、上記課題を解決するため、本発明のガス供給配管は、ガス供給配管の先端にスリーブリングとこのスリーブリングをガス供給配管に沿って摺動させる駆動機構を備えるものである。この駆動機構はガス供給配管と連通する通路を通して作動ガスを導入して、作動ガスの圧力によりガス入口ノズルとスリーブリングの隙間を拡げたり縮めたりすることを特徴とする。
【００１３】
本発明のガス供給配管を備えたタービン容器にガスタービン等を設置したものでは、ガス供給配管に作動流体が供給されタービンなどの機器が運転状態になると、連通管を通して高圧の作動流体が駆動機構に供給されて容器内圧力との圧力差によりガス供給配管先端のスリーブリングがガスタービンの入口ノズルに当たるところまで伸びて、入口ノズルとガス供給配管先端の間にある隙間を覆い、ガスの漏洩を抑制する。
【００１４】
メンテナンス時には、ガス供給配管内のガス圧力と容器内圧力の差がなくなるので、駆動機構はスリーブリングを押し出す力を失って、スリーブリングが後退し、入口ノズルとの間の隙間は拡大する。
このように、本発明によれば、ガス入口部分に形成される隙間が運転時と停止時で自動的に適切な大きさに調整されるようになる。
なお、ガス供給配管の実質的な先端はスリーブリングの先端になるので、ガス供給配管自体の先端は入口ノズルから適当に離れたところに配置しておけばよい。
【００１５】
なお、タービンノズルが回転軸方向に変位する場合には、スリーブリングが入口ノズルのところまで伸びると、スリーブリングの縁と入口ノズルの縁が近づいて隙間が小さくなるような構造が好ましい。
しかし、タービンノズルの変位が問題にならない場合は、スリーブリングが入口ノズルの内側に入り込むことにより隙間のガス流路抵抗が大きくなってガスの漏洩を抑制するようにしてもよいことはいうまでもない。スリーブリングが入口ノズル内に挿入される構造は、スリーブリングの行程を長くする必要があるが、作動時の位置精度に対する要求が緩いため機構が簡単になる利点がある。
【００１６】
駆動機構にはベローズを使用することができる。ベローズの内側にガス供給配管から作動ガスを供給すると、ガス圧力差が大きいときにはベローズが伸びてベローズに連結されたスリーブリングが配管表面に沿って伸びて隙間を縮める。一方、ガス供給配管中のガスと雰囲気の圧力差が低下すると、ベローズは元の形状に戻ろうとして縮みスリーブリングも後退して入口ノズルから離れる。
【００１７】
また、駆動機構はスリーブリングと連動するピストンとシリンダで構成されてもよい。なお、バネなどを仕込むことにより、作動ガスとの圧力差が低下すると隙間が拡大する方向に付勢されるようにしておくことが好ましい。
運転中はピストンに押されてスリーブリングが前進して隙間を塞ぎガスの漏れを押さえ、メンテナンス時はピストンが押し戻されてスリーブリングが後退し隙間を拡大してタービン等の機器類の引き抜きを容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のガスタービン作動ガス供給配管について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例におけるガス供給配管の構成を説明する図面、図２は第２実施例について説明する図面である。
【実施例１】
【００１９】
本実施例は、スリーブリングの駆動機構にベローズを用いたガスタービン作動ガス供給配管である。
図１に示すように、本実施例においては、タービン１の入口ヘッダ２に設けられたノズル３の開口に、隙間４をおいてガス供給配管５の先端６が位置している。ガス供給配管５は、外管と内管の二重構造になっていて、外管の表面をタービン容器の外壁７に溶接することにより固定されている。
【００２０】
ガス供給配管５の先端位置には、配管の外側を囲むようにベローズ８が設けられている。ベローズ８の元の方の端はガス供給配管５の外周に密着固定され、先の方の端は自由になっていてスリーブリング９が固定されている。スリーブリング９はガス供給配管５の先端を取り囲むような円筒で、配管の軸方向に摺動可能な構造になっている。ベローズ８のガス供給配管５の方の壁には連通孔１０が設けられていて、ガス供給配管５内のタービン作動ガスを常時ベローズ８内に取り込むようになっている。
【００２１】
なお、タービン入口ヘッダ２のノズル３の内径はスリーブリング９の外径より僅かに大きくなっていて、スリーブリング９が前進すると先端がノズル３の内に挿入されて隙間４の開口は完全に無くなるように構成されている。
また、ガス供給配管５の先端６とノズル３の先端は十分離れるように配置される。
【００２２】
タービン運転時には、ガス供給配管内の圧力がたとえば６MPaまで上昇するのに対して、タービン容器内のガス圧力はたとえば２MPaと低い。したがって、ガスタービンのガス入口部分に、本実施例のスリーブリング付きガス供給配管を適用したものでは、ガス供給配管５内の高圧ガスが連通孔１０を介してベローズ８内に供給されるのに対して、ベローズ８の外部の圧力が低いため、内外圧力差が大きくなってベローズ８が伸張する方向に荷重が作用する。すると、スリーブリング９が前進してノズル３内に侵入し、隙間４を完全に覆うので、配管内のガスが容器内部に漏れる量は極めて小さくなり、タービン効率が低下することを防止することができる。また、配管やタービン機器に熱膨張が生じても干渉が起こらないため、衝突を原因とする変形や変位は生じない。
【００２３】
また、メンテナンス時には、ガス供給系が停止するためガス供給配管５内のガス圧力が低下し、ベローズ８内外の圧力差が小さくなるので、ベローズ８は弾性変形によって元の形状に戻りそれに連れてスリーブリング９も後退し、ノズル３とスリーブリング９先端の間に十分大きな隙間を形成する。
このように、本実施例のスリーブリング付きガス供給配管を使用することにより、入口ノズル先端とガス供給配管先端の間の隙間がタービン運転時とメンテナンス時とで自動的に変化して、運転時には隙間を小さくしてガスの漏洩を最小限に抑制し、メンテナンス時には隙間を十分大きくして引き出しを容易にすることができる。
【００２４】
なお、入口ノズル３の縁にスリーブリング９が当たるようにしても、隙間が各段に小さくなるためガス漏れ量は従来と比較して効果的に抑制することができ、またガス圧で駆動するベローズを使用するため配管や機器の熱膨張による変形が与える影響も回避することができることは言うまでもない。
また、ガス供給配管５から作動ガスを導く通路はベローズ８内の管壁に設けた連通孔１０に代えて、ガス供給配管５の別の位置に設けたタップから配管でベローズ８に導くようにしても良い。
【実施例２】
【００２５】
本実施例は、スリーブリングの駆動にピストンシリンダ機構を用いたガスタービン作動ガス供給配管である。
本実施例は、第１の実施例で用いたベローズに代えてピストンシリンダ機構を用いた点が異なるだけであるため、以下では相違する部分に係わるところのみを取り上げて説明することとする。
【００２６】
図２は、スリーブリングの駆動機構に係わる部分を示す断面図である。
ガス供給配管５の先端部にシリンダ１１とピストン１２が設けられている。シリンダ１１は内壁をガス供給配管５の外壁とするトーラス状をしており、ピストン１２はシリンダ１１のリング状の空間を頭部と脚部に仕切り、ガス供給配管５の軸方向に摺動する。スリーブリング９はピストン１２に固定されていて、ピストン１２の運動に伴ってガス供給配管５の先端方向に延び出したり根元方向に後退したりする。
【００２７】
シリンダ１１の脚部には、ピストン１２をガス供給配管５の根元側に付勢する複数のバネ１３が円周方向に適当な間隔をもって仕込まれている。また、シリンダ１１の脚部にできる隙間を介して外部のガスが侵入し、ピストン１２のバネ１３が当たる面に外部ガスの圧力が作用するようになっている。なお外部との通気は通気孔やスリットによっても、さらにシリンダ１１の脚部をスカート状に外気に開放しておくことによって行っても良い。
【００２８】
タービン運転時には、ガス供給配管内の圧力が上昇するのでピストン１２は配管先端方向に押され、スリーブリング９が延伸して図外のタービン入口ヘッダに設けられたノズルに到達し、ガス供給配管５の先端との間にできる隙間を覆ってガス漏洩を抑制する。なお、スリーブリング９がノズル先端面に当たって止まるように構成されているときにも、ピストン１２を挟む圧力差以上の力が掛かることがないので、配管等が熱膨張しても変形や変位によってガスタービンケーシングが変形するような影響を及ぼす心配がない。
【００２９】
また、メンテナンス時には、ガス供給配管５内外のガス圧力差が低下し、ピストン１２はバネ１３に押し戻されてスリーブリング９が後退し、ノズルとスリーブリング９先端の間に適当な隙間を形成するので、保全のためタービン容器から機器類を引き出すときに障害にならない。なお、ノズルとスリーブリング間の隙間は大きすぎると、プラント起動時に作動が困難になるおそれがあり、また変位が大きいと材料の弾性限界を越えるおそれがあるので、適切な値を選択する必要がある。
【００３０】
なお、上記実施例では、シリンダをガス供給配管５の周囲に一体に形成したが、通常良く用いられる独立したシリンダ駆動装置を配管の周囲に取り付けて、そのピストンにスリーブリングを固定し、ガス供給配管５内のガスを供給して駆動するようにしても良い。独立したシリンダ駆動装置はガス供給配管５の周囲にほぼ等間隔に適当な数を配置してスリーブリングが円滑に運動できるようにすることが好ましい。
【００３１】
以上説明した通り、本発明のガスタービン作動ガス供給配管を用いれば、ガス供給配管と入口ノズルの隙間を、定格運転時にはできるだけ小さくしてプラント効率の低下を防止する一方、メンテナンス時には適当な大きさにして機器の引き抜きを簡単に行えるようにすることができる。特に、ガス炉を利用した発電プラントなどにおけるガスタービンのように、作動ガス系をクローズドシステムにし、かつメンテナンス対応を要求され機器容器をコンパクトにすることが要請される場合に効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明第１実施例のガス供給配管の構成を模式的に説明する断面図である。
【図２】本発明第２実施例のガス供給配管の構成を模式的に説明する一部拡大断面図である。
【図３】従来のタービン容器内機器配置例を示す断面図である。
【図４】従来のガス供給配管の構成を概念的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  タービン
２  入口ヘッダ
３  入口ノズル
４  隙間
５  ガス供給配管５
６  ガス供給配管の先端
７  タービン容器の外壁
８  ベローズ
９  スリーブリング
１０  連通孔
１１  シリンダ
１２  ピストン
１３  バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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