(57)【要約】【課題】  タービン入口ヘッドにガス供給配管を接続するようにしたガスタービンであって、配管内圧力によって圧力荷重がケーシングノズル部に作用する配管構造において、タービンケーシングが変形しないようにケーシングを支持するとともにメンテナンス時にタービン等の引き抜きが可能な新規な支持構造体を提供する。【解決手段】  タービンケーシングを格納するタービン容器において、タービン入口ヘッダ１にタービン作動流体を供給する配管３に対向する内壁１１に固定されてタービンケーシングを支持する支持構造体１２であって、タービン容器の内壁１１に固定する支柱１３の先端にタービンケーシングの外壁９に設けたパッド１０に当接するベローズ１４を備え、さらにベローズ１４にタービン作動流体供給配管３と通気させる通気管１６を備え、作動流体によりベローズ１４を駆動してタービンケーシングを支持する。【選択図】  図１
2005248867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンケーシングを格納するタービン容器において、タービン入口ヘッダに作動流体を供給する配管に対して軸を挟む反対側の内壁に固定され該タービンケーシングを支持する支持構造体であって、該内壁に固定する支柱を備え、該支柱の先端に前記タービンケーシングの外壁に設けたパッドに当接するベローズを備え、さらに該ベローズに前記配管と通気する通気管を備えることを特徴とする支持構造体。
【請求項２】
前記ベローズの前記パッドに当接する部分の面積が前記配管の断面積とほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の支持構造体。
【請求項３】
前記ベローズの内圧と外圧に差が無くなると縮小して前記パッドから離れるように構成されることを特徴とする請求項１または２記載の支持構造体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の支持構造体において、前記ベローズに代えて、シリンダ構造を使用することを特徴とする支持構造体。
【請求項５】
さらに、前記配管が別のベローズを介して前記入口ヘッダに設けられる入口ノズルに接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の支持構造体。
【請求項６】
タービンケーシングを格納するタービン容器において、タービン入口ヘッダに作動流体を供給する配管に対して軸を挟む反対側の内壁に固定され該タービンケーシングを支持する支持部材を備えた支持構造体であって、前記作動流体の圧力で該支持部材を作動させることにより、該支持構造体と該タービンケーシングの熱膨張の差または熱膨張差の変化の影響を排除することを特徴とする支持構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に向けて作動流体を供給するノズル等の圧力荷重を支持する新規な構造体に関し、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ガスタービンに作動ガスを導くノズル等の圧力荷重のバ
ランスを確保する支持構造体に関する。
【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、伝熱性能の向上、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必要から、冷却材バウンダリの信頼性向上のため単純な容器構造としている。
【０００３】
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し、原子炉容器で加熱された高温の冷却材を導いて発電に使用し、低温になった冷却材を原子炉容器に戻すように構成される。
なお、冷却材バウンダリの構造を単純化しかつバウンダリ表面を低温化するため、容器間を繋ぐ配管は二重構造として内側に高温流体を流し外側に低温流体を流すようにしている。内側配管と外側配管の間に生じる熱膨張差を吸収するため、ベローズなどの伸縮継手を用いている。このため、配管軸方向の荷重はベローズ部分で分断され、配管軸方向には荷重が殆ど伝達しない。
【０００４】
通常のガスタービンは床に水平に設置され、メンテナンスを容易に行うためケーシングは一方が床に固定された２つ割構造になっている。このような構造では、配管やノズルに作用する圧力荷重や熱膨張によって生じる荷重などは床で支えるため、ケーシングの変形は小さく、タービン性能に影響を与えないようにすることができる。
しかし、高温ガス炉などでは、発電機器を原子炉容器と別の高圧容器に収納するため、タービンケーシングの支持は床から取るのではなく容器壁を使用する。また、タービンや圧縮機を支持する軸受けの支持も容器壁を用いる。これらの機器には高温流体が流通するため、支持構造は熱変形が少なく低温部で支持されるようにすることが好ましく、また、メンテナンス時にタービン等が容易に取り出せるような構造とする必要がある。
【０００５】
メンテナンス時にタービンケーシングを引き抜くためには、高温冷却材ガスをタービンの回転軸に対して垂直に導入する構造としてガス入口ノズルが邪魔にならないようにする必要がある。一方、高温部での支持は高度な熱膨張対策が要求されることからできるだけ低温部で支持することが好ましい。
したがって、ケーシング支持部をガス入口ヘッダの近傍に設置できないため、配管断面に発生し回転軸に対して垂直に掛かる圧力荷重成分によるケーシングの曲げ変形を無視することができない可能性がある。
【０００６】
また、メンテナンス時にタービンを引き抜きやすいように、熱膨張をべローズで吸収する構造の配管とノズルをフランジで接続するものや、配管とノズルの間に隙間を設けたものもあるが、これらについても冷却材ガスが供給されるタービンケーシング側に生ずる圧力荷重が問題になる。
このため、タービンケーシングの支持構造は、熱膨張による変位や圧力荷重による回転機器への影響にも配慮しなければならない。熱膨張の影響を避けるために温度の低い部位で支持する一方、冷却材ガスの供給部は高温であるため支持部から離れており、ガス圧力がバランスしていないことから大きな曲げモーメントが発生する要因となる。
【０００７】
図５に、非特許文献１に記載された従来の冷却材供給方法の例を説明するタービン容器内機器配置を示す。このタービン容器はヘリウムガス冷却炉に用いるもので、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。
ヘリウムガス冷却高速増殖炉の場合、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、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。内管はベローズを介してタービン入口ノズルのフランジに接続されている。外管には図外の再生熱交換器から原子炉に供給する４６０℃、６．４MPaのヘリウムを流している。
また、タービンの出口ヘッダ部分には３重管が接続されていて、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。最内管はベローズを介してタービン出口ノズルのフランジに接続されている。
【０００８】
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。
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行うことができる。
【０００９】
このタービン容器では、ベローズを用いた熱膨張変位を吸収する構造を備えるので、配管や機器の熱膨張と回転軸方向の変位の影響を十分吸収することができる。しかし、ガス圧力に起因する圧力荷重がタービンケーシングおよびタービン軸に与える影響を無視することはできない。タービン入口ヘッダ部とタービン出口ヘッダ部に高圧ガス源と繋がったノズルが存在するため、ノズル側から圧力荷重が作用してタービン軸を挟んだ荷重の対称性が損なわれることになる。
タービン出口ヘッダにおけるケーシング内外の圧力差は小さいのでそれ程問題にならないが、入口ヘッダについては検討を要する。
【００１０】
このタービン容器で高温ヘリウム入口ノズルの口径を１．７ｍとすれば、タービンケーシング内圧６MPa、ケーシング外圧２MPaであるから、タービンのケーシングに作用する圧力荷重は、約９×１０６N、すなわちほぼ９００tとなる。したがって、ケーシングに変形や変位が生じる可能性が十分ある。
ケーシングが変形する場合には、ケーシングと動翼および静翼と回転軸との隙間を大きく設定せざるを得なくなり、漏れ流量を増大させて効率を低下させる。ケーシング変形が大きくなりすぎると、回転軸を適正な位置に保持できなくなって、タービンや圧縮機の回転機器の運転ができなったり故障したりするおそれもある。
【００１１】
これに対して、単純にノズルの反対側の壁にタービンケーシングを剛的に支持する構造が考えられるが、以下の問題が生ずる。
１．タービン側の半径方向熱膨張量が運転の条件により変化するため、タービンケーシングを支えるべき位置が変化するので、支持構造物を容器に据え付け固定すると対処できない。
２．タービンケーシングを支持する部分の近傍は高温になるため、直接支持すると支持構造物の温度が上昇し、熱膨張によりタービンケーシングに変位を生じさせる。
３．タービンケーシングを引き抜いてメンテナンスするため、メンテナンス時に支持部とタービンケーシングの間にギャップが生じるようにする必要がある。
【００１２】
【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】
【００１３】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、タービン入口ヘッドにガス供給配管を接続するようにしたガスタービンにおいてタービンケーシングが変形しないようにケーシングを支持するものであって、メンテナンス時にタービン等の引き抜きが可能な新規な支持構造体を提供するところにある。
また、支持構造物を支持する容器の熱変形等が支持対象のタービンケーシング支持部に変形を与えるなどの影響のない支持構造を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明の支持構造体は、タービンケーシングを格納するタービン容器において、タービン入口ヘッダに作動流体を供給する配管に対してタービン軸を挟む反対側の内壁に固定されてタービンケーシングを支持するものである。本発明の支持構造体は、タービン容器の内壁に固定する支柱を備え、タービンケーシングの外壁に設けたパッドに当接するベローズを支柱の先端に備え、さらにベローズに作動流体用配管と通気させる通気管を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の支持構造体は、タービンなどの機器が稼働状態になって供給配管に作動流体が供給されると、通気管を通して高圧の作動流体がベローズに供給されて伸び、タービンケーシングの表面に当たって支持する。このとき、ケーシングに押し付ける力は、流体圧力に当接面面積を掛けた値からベローズの伸張に対する抵抗力を引いた値になる。ベローズの抵抗力は比較的小さくすることができるから、配管がタービンケーシングに接続されているため作動流体が原因となって生じる圧力荷重を相殺して荷重バランスを平衡する方向に戻して、タービンケーシングの変形や変位を防止することができる。
また、ベローズは、タービンケーシングやこれを支える構造物が高温流体の影響で加熱され熱膨張し形状を変化させても、その変化分を完全に吸収することができるので、この支持構造体を使用することによりタービン性能に対する熱膨張の影響を排除することができる。
【００１６】
なお、ベローズのパッドに当接する部分の面積を流体供給配管の断面積とほぼ等しくなるようにして、作動流体によって生じる圧力荷重と支持構造体が相殺しようとする荷重がほぼ拮抗するようにすることが好ましい。
また、タービンが休止状態にあって高圧の作動流体が配管内に供給されていないときには、ベローズの内圧と外圧に差が無くなるが、このようなときにはベローズが縮んでパッドから離れるようにすることが好ましい。
メンテナンス時には、タービンケーシングをタービン容器から引き出す作業を行うため、自動的に支持構造体がケーシングから切り離されるようにすると便利だからである。
【００１７】
なお、同様の機能は、ベローズに代えて作動流体用配管中の高圧流体を駆動流体として利用するシリンダ機構によっても備えることができる。
また、さらに流体供給配管がベローズを備え、ベローズを介してタービン入口ヘッダの入口ノズルに接続されるようにすることができる。このベローズは高温流体が流通するときの熱膨張による変位の影響を排除すると共に、特に配管から切り離すと縮んで後退しするように構成することにより、タービンケーシングを容器から引き出すときに配管が邪魔にならないようにすることができる。
【００１８】
さらに、本発明の支持構造体は、タービンケーシングを格納するタービン容器において、タービン入口ヘッダに作動流体を供給する配管に対して軸を挟む反対側の内壁に固定されタービンケーシングを支持する支持部材を備えて、作動流体の圧力で支持部材を作動させることを特徴とするもので、支持構造体とタービンケーシングの熱膨張の差または熱膨張差の変化の影響を排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の圧力荷重支持構造体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から図３は本発明の第１実施例における圧力荷重支持構造体を用いたタービン入口ヘッダ部分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】
【００２０】
本実施例は、ガスタービンのガス入口ヘッダに設けたノズルに対して極く僅かな間隙を開けてガス供給配管の先端が位置するように配置した場合に適合した圧力荷重相殺用の支持構造体である。
図１に示すように、本実施例においては、タービンの入口ヘッダ１に設けられたノズル２の開口に、極めて小さい間隙をおいて作動流体の供給配管３の先端４が位置している。この間隙により、配管や機器が熱膨張によって変形したときの影響を除去し、またメンテナンス時に容器から機器を容易に取り外すことができる。
作動流体供給配管３は二重管になっていてタービン容器の外壁５に固定されており、内管６には原子炉から供給される高温のヘリウムが流れ、外管７には図外の再生熱交換器から図外の原子炉に供給されるヘリウムが流れるようになっている。内管６の高温流体を外管７のより低温の流体で囲い、内管内側に断熱構造を設置して内管・外管の温度差を小さくすることにより、配管内外における熱膨張差を容易に減少させることができる。
【００２１】
内管６から供給される高温ヘリウムは入口ヘッダ１からタービンに供給され、タービンブレードの部分８を通ってタービンを回転させる。
供給配管３に対してタービンの軸を挟んだ反対側には、入口ヘッダ１の外壁９にパッド１０が設けられていて、さらにその外側のタービン容器外壁１１に支持構造体１２が設けられている。
支持構造体１２は、図２に拡大断面図として示すように、容器外壁１１の内側に固定する支柱１３と、支柱の先端に設けられるベローズ１４からなる。ベローズ１４にはベローズを駆動する流体を導入するノズル１５が設けられ、通気配管１６が接続されていて、供給配管内管６に設けられたノズルから通気配管１６を通して高圧の作動流体を供給するようになっている。
【００２２】
ベローズ１４の先端面１７は入口ヘッダ壁９の表面に設けられたパッド１０に適合した形に形成されていて押し付けられたときに密着するようになっている。
図２は、タービンが休止しているときで、作動流体供給配管３の中のヘリウムガスの圧力が運転状態におけるより低い状態、すなわち容器内と同じ圧力となった状態を示す。ベローズ１４の中はケーシング外の圧力と差がないため、ベローズの先端面１７はパッド１０から離れている。
しかし、図３の運転状態における断面図に示すように、タービンが運転状態になると、通気配管１６を通して作動流体供給配管３内に高圧ヘリウムが供給されるので、ベローズ１４の内圧が上昇し先端面１７がパッド１０に当接して入口ヘッダ壁９の外壁を支える。なお、ベローズ１４の変形に対する抗力は十分に小さい。
【００２３】
したがって、作動流体供給配管３の中の高圧ヘリウムガスが入口ヘッダ壁９を押す力は、同じ圧力のヘリウムガスによりベローズ１４の先端面１７が押す力と相殺されて、圧力加重のバランスを取ることができる。
また、原子炉から供給されるヘリウムガスは８５０℃程度と極めて高温であるが、ベローズ１４はヘリウムガスの圧力により作動する荷重バランス型荷重であるため、熱膨張によるヘッダや構造物の変位は吸収されてタービンケーシングに影響を及ぼすような実質的な変形・変位として作用することがない。
【００２４】
また、作動流体供給配管３の圧力が低下すると、ベローズ１４の内圧が低下し、図２に示す状態になってベローズの先端面１７がパッド１０から離れて後退する。したがって、タービンが作動していないときには入口のノズル２と作動流体供給配管の先端４の間が離れていると共にベローズ先端面１７とパッド１０の間も隔離しているため、メンテナンスのために容易にタービンケーシングを引き出すことができる。
【実施例２】
【００２５】
本実施例は、本発明の圧力荷重支持構造体を、ガスタービンの入口ノズルに設けたベローズを介してガス供給配管を接続するようにした場合に適用したものである。圧力荷重支持構造体は図２と図３に示した通り入口ノズルと反対側に設けられ、通気管を供給配管内管と接続して、入口ノズルの圧力荷重を相殺するようになっている。
支持構造体自体の構成は実施例１において説明したものと同じであるので、ここでは、ベローズを介して接続したガス供給配管部について説明する。
【００２６】
図４は、作動流体であるヘリウムガスを導入する入口ノズルの例を示す部分拡大断面図である。タービンの入口ヘッダ１に設けられたノズル２にはベローズ１８が設けられ、さらに先端にフランジ１９が設けられている。
一方、作動流体の供給配管３はタービン容器外壁５に固定され、先端に設けられたフランジ２０によりノズル２のフランジ１９と接続される。なお、入口ノズル２の反対側に設けた支持構造体のベローズに駆動流体を供給するためのノズル２１が配管３の内管６に設けられている。
なお、ノズル２の反対側に設けられる支持構造体の構成は第１実施例と異なるところがない。
【００２７】
作動流体供給用の配管３やタービン入口ヘッダ１は高温ヘリウムに囲繞されるため熱膨張が生じるが、ベローズ１８が介在するため熱膨張による変位や変形を容易に吸収することができる。
フランジ１９と２０を切り離しベローズ１８を縮めれば、タービンケーシングとタービン容器の間に隙間ができる。また、内管６内のヘリウムの圧力が低下すれば支持構造体のベローズが縮んでパットの間に隙間ができる。
こうして、タービンケーシングの両側でタービン容器との結合を断ち隙間を形成するので、タービンケーシングをタービン容器から簡単に引き出すことができる。
【００２８】
なお、上記実施例では、ベローズを使用したが、ベローズに代えシリンダとピストンを用いてタービン入口に供給する高圧ヘリウムで駆動するようにしても、同じような作用効果を得ることができる。
【００２９】
以上説明した通り、本発明の圧力荷重支持構造体を用いれば、ガス炉を利用した発電プラントなどにおけるタービンのノズル等で発生する圧力荷重を適当に相殺して、タービンケーシングの変形や変位による影響を防止することができると共に、タービン等の機器を補修したりするときにタービン容器から簡単に抜き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明第１実施例の圧力荷重支持構造体を適用したタービン入口ヘッダ部分の構成を説明する図面である。
【図２】図１における圧力荷重支持構造体部分の拡大断面図である。
【図３】図１における圧力荷重支持構造体部分が高圧ヘリウムで駆動されている状態を表す拡大断面図である。
【図４】本発明第２実施例におけるタービン入口ノズル部分の構成を説明する断面図である。
【図５】従来の冷却材供給方法の例を説明するタービン容器内機器配置図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  タービン入口ヘッダ
２  ノズル
３  作動流体供給配管
４  供給配管先端
５  タービン容器外壁
６  供給配管内管
７  供給配管外管
８  タービンブレード部分
９  タービン入口ヘッダ外壁
１０  パッド
１１  タービン容器外壁
１２  支持構造体
１３  支持構造体支柱
１４  ベローズ
１５  ノズル
１６  通気配管
１７  支持構造体先端面
１８  ベローズ
１９、２０  フランジ
２１  ベローズ駆動流体用ノズル
【図１】
2005248867.tif 000003
【図２】
2005248867.tif 000004
【図３】
2005248867.tif 000005
【図４】
2005248867.tif 000006
【図５】
2005248867.tif 000007