JPH0658109A - 昇圧機一体型膨張タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 タービンランナ緊急停止時のスラスト荷重を
軽減し、通常のスラスト軸受が使用されていても、膨張
タービンを高膨張比で使用可能にする。 【構成】 タービンケーシング２１には圧縮気体の導入
口５１と上記圧縮気体の断熱膨張によって発生する膨張
気体の排出口５２排出口とが設けられ、上記タービンケ
ーシング２１の内部には圧縮流体の断熱膨張によって発
生する膨張気体で駆動するタービンランナ３１が設けら
れ、昇圧機ケーシング２２の内部には供給された流体を
昇圧するインペラ３２が設けられ、上記タービンランナ
３１と上記インペラ３２とは同じ回転軸４に一体に連結
されてなる昇圧機一体型膨張タービン１において、上記
タービンランナ３１が緊急停止したときに閉止する緊急
遮断弁が、上記タービンケーシング２１の膨張気体の排
出口５２に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮流体の断熱膨張を
利用して駆動する昇圧機一体型膨張タービンに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】圧縮された気体を膨張タービンで膨張さ
せることにより動力を取り出すことができる。このよう
な膨張タービンのうち、取り出された動力を昇圧機に使
用下ものが昇圧機一体型膨張タービンである。図３は従
来の昇圧機一体型膨張タービンの一例を示す一部切欠き
説明図である。この図に示すように、昇圧機一体型膨張
タービン１は、一つの軸の一端にタービン部１１が、と
昇圧機部１２が取り付けられている。

【０００３】またケーシングはタービンケーシング２１
と、昇圧機ケーシング２２と、軸受ケーシング２３とに
分けられ、タービンケーシング２１内には回転羽根であ
るタービンランナ３１が内設されている。また、昇圧機
ケーシング２２内には昇圧機用の回転羽根であるインペ
ラ３２が内設されている。

【０００４】上記タービンケーシング２１には圧縮流体
導入口５１と膨張気体排出口５２とが設けられており、
圧縮流体導入口５１から導入された圧縮流体の等エント
ロピーによって生成する膨張気体の気流によって上記タ
ービンランナ３１は回転するようにされている。上記圧
縮流体導入口５１には緊急遮断弁５４が設けられてい
る。この緊急遮断弁５４はなんらかの原因で膨張タービ
ンが緊急停止する場合、閉止してタービンケーシング２
１への流通が遮断されるようになっている。同時にバイ
パス弁６６も昇圧機のサージングを回避するため全閉と
する。

【０００５】一方、昇圧機室ケーシング２２には被昇圧
気体導入口６１と昇圧気体排出口６２とが設けられてお
り、被昇圧気体導入口６１から導入された被昇圧気体は
インペラ３２の回転に伴って昇圧され、昇圧気体となっ
て昇圧気体排出口６２から排出されるようになってい
る。

【０００６】そして、上記タービンランナ３１とインペ
ラ３２とは一つの軸４によって一体に結合されているジ
ャーナル軸受４１ａおよび軸受４２ａに軸支されてい
る。

【０００７】軸方向の荷重に対してはスラスト軸受４４
ａ、４４ｂに軸支されている。なお、第一遮断壁４１と
第二遮断壁４２とに設けられた回転軸４を嵌挿する貫通
孔の内周面にはラビリンスシールＳが設けられており、
タービン室１１ａと昇圧機室１２ａと軸受部との連通を
遮断している。

【０００８】このように構成された昇圧機一体型膨張タ
ービン１において、圧縮流体配管５３から圧縮流体導入
口５１を介してタービンケーシング２１に圧縮流体が導
入されると、圧縮流体は断熱膨張して膨張気流が発生す
るため、この気流によってタービンランナ３１は回転す
る。そしてこの回転は回転軸４を介して昇圧機部１２の
インペラ３２に伝えられるため、インペラ３２は回転
し、この回転に伴って被圧縮気体を被昇圧気体導入口６
１から昇圧機室ケーシング２２に導入するとともに、そ
れを昇圧して昇圧気体排出口６２から系外に圧送する。

【０００９】このように昇圧機一体型膨張タービンにお
いては、膨張タービンと昇圧機とが同軸で連結されて構
成されているため、大きなエネルギーロスを伴うことな
く膨張タービンのタービンランナ３１の回転が昇圧機の
駆動にそのまま利用され好都合である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の上記
のような昇圧機一体型膨張タービン１においては、それ
が正常に運転されている場合には、タービンランナ３１
の圧力差によって生じるスラスト荷重と昇圧機インペラ
３２とは巨視的にみた場合ほぼ拮抗したものになってお
り、回転軸４に働く軸方向のいわゆるスラスト力はそれ
ほど大きなものではない。

【００１１】そのようなことから、回転軸４に生じるス
ラスト力に対処するためのスラスト軸受４４ａ、４４ｂ
は、通常あまり過大なものは設けられておらず、昇圧機
一体型膨張タービン１が正常に運転されている場合を想
定して、それに対応することができる程度の強度が設定
されている。そしてまた、昇圧機一体型膨張タービン１
が正常に運転されている限り、上記のようなスラスト軸
受で充分であり、特に問題は生じない。

【００１２】ところが、膨張タービンをなんらかの原因
によって緊急停止したような場合、従来、圧縮流体配管
５３に設けられている緊急遮断弁５４が自動的に遮断さ
れるようになっている。これと同時に、昇圧機部１２の
サージングを防止するために、被昇圧気体導入管６３と
昇圧気体排出管６４を連結するように設けられたバイパ
ス管６５に付設されているバイパス弁６６は全開され、
被昇圧気体導入管６３の内圧と昇圧気体排出管６４の内
圧とが同じになるように調節される。

【００１３】しかしながら、上記のような状態になる
と、タービン室１１ａ内の圧力は低圧に、昇圧機室１２
ａ内の圧力は高圧に保たれるため、回転軸４には昇圧機
室１２ａからタービン室１１ａに向かう方向の過大なス
ラスト力が発生し、そのような状態を想定して取り付け
られていないスラスト軸受４４ａに過大な力が加わるこ
とになる。そして、最悪の場合は上記軸受４４ａは破壊
されてしまうという事態にいたる。

【００１４】そこで、当初から上記のような緊急時を想
定したスラスト軸受を装備することが考えられるが、緊
急時を想定したスラスト軸受を採用すれば正常操業時に
は過大装備となり、設備費の面から不利である。

【００１５】また、逆に現状のスラスト軸受が、上記の
ような緊急時にも耐え得るように設計膨張比を下げるこ
ともある。つまり、通常の操業時において、膨張タービ
ンを高膨張比では使用しないようにし、タービンランナ
３１が停止してもそれほど大きなスラスト力が発生しな
いように予め設定してしまうのである。しかしこのよう
にすることは、膨張タービンとしての能力を最大限に引
き出すことができないということを表しており、エネル
ギーの有効活用の面から不都合である。

【００１６】本発明は、従来の上記のような問題点を解
決するためになされたものであり、昇圧機一体型膨張タ
ービンのタービンランナが緊急停止したときのスラスト
荷重を軽減し、かつ、通常のスラスト軸受が使用されて
いても、膨張タービンを高膨張比で使用可能にする昇圧
機一体型膨張タービンを提供することを目的としてい
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
に係る昇圧機一体型膨張タービンは、タービンケーシン
グに圧縮気体の導入口と上記圧縮気体の断熱膨張によっ
て発生する膨張気体の排出口とが設けられ、上記タービ
ンケーシングの内部には圧縮流体の断熱膨張によって発
生する膨張気体で駆動するタービンが設けられ、昇圧機
ケーシングの内部には供給された流体を昇圧する昇圧機
が設けられ、上記タービンのタービンランナと上記昇圧
機のインペラとは同軸で一体に連結されてなる昇圧機一
体型膨張タービンにおいて、上記タービンランナが緊急
停止したときに閉止する緊急遮断弁が、上記タービンケ
ーシングの膨張気体の排出口に設けられていることを特
徴とするものである。

【００１８】本発明の請求項２記載の昇圧機一体型膨張
タービンは、請求項１記載の昇圧機一体型膨張タービン
において、上記タービンランナが緊急停止したとき閉止
する第二緊急遮断弁が上記圧縮流体をタービンケーシン
グ内に導入する圧縮流体配管に設けられ、タービンケー
シングと昇圧機ケーシングとの間に連絡配管が設けら
れ、この連絡配管に上記タービンランナが緊急停止した
とき開通する緊急昇圧弁が設けられていることを特徴と
するものである。

【００１９】

【作用】上記請求項１記載の昇圧機一体型膨張タービン
によれば、膨張タービンの緊急停止時に閉止する緊急遮
断弁が上記タービンケーシングの膨張気体の排出口に設
けられているため、上記タービンランナが停止しても、
上記緊急遮断弁の遮断によってタービン室内は高圧に保
たれ、その結果タービン室内と昇圧機部の昇圧機室内と
の圧力差はそれほど大きなものとはならず、その結果回
転軸にはそれほど大きなスラスト荷重はかからず、通常
のスラスト軸受であってもその破損を回避することがで
きる。

【００２０】従って、スラスト軸受の強度を上記タービ
ンランナが緊急停止したときに対応することができる程
度までの耐圧強度の低いものにすることが可能であると
ともに、スラスト軸受の耐圧強度を現状のままにするの
であれば、流体の膨張比を上昇させて膨張タービンの出
力を大きくすることが可能になる。

【００２１】上記請求項２記載の昇圧機一体型膨張ター
ビンのスラスト荷重軽減方法によれば、上記タービンラ
ンナが緊急停止したとき閉止する第二緊急遮断弁が上記
圧縮流体をタービンケーシング内に導入する圧縮流体配
管に設けられ、タービンケーシングと昇圧機ケーシング
との間に連絡配管が設けられ、この連絡配管に上記ター
ビンランナが緊急停止したとき開通する緊急昇圧弁が設
けられているため、タービンランナが緊急停止したとき
には上記遮断弁および第二遮断弁が閉止された状態でタ
ービンケーシング内と昇圧機ケーシング内とは上記連絡
配管によって連通され、タービンケーシング内の圧力は
昇圧機ケーシング内の圧力と同等になり、その結果上記
回転軸にはスラスト荷重はかからない。

【００２２】

【実施例】図１は本発明に係る昇圧機一体型膨張タービ
ンの一例を示す一部切欠き説明図である。この図に示す
ように、昇圧機一体型膨張タービン１は、タービン部１
１と昇圧機部１２と、軸受ケーシング２３とから基本構
成されている。

【００２３】このケーシング２は同図の左半分がタービ
ンケーシング２１とされ、右半分が昇圧機ケーシング２
２とされている。タービンケーシング２１内にはタービ
ン室１１ａが形成され、このタービン室１１ａにはター
ビン用の回転羽根であるタービンランナ３１が内設され
ており、昇圧機ケーシング２２内には昇圧機室１２ａが
形成され、この昇圧機室１２ａには昇圧機用の回転羽根
であるインペラ３２が内設されている。

【００２４】そして、タービンケーシング２１がつくる
その内部のタービン室１１ａとタービンランナ３１とで
上記タービン部１１が形成され、昇圧機ケーシング２２
がつくるその内部の昇圧機室１２ａとインペラ３２とで
上記昇圧機部１２が形成されている。

【００２５】上記タービン室１１ａにはタービンランナ
３１の周方向に対向した位置に圧縮流体導入口５１が設
けられ、タービンランナ３１の回転軸が延びる方向に膨
張気体排出口５２が設けられている。そして圧縮流体導
入口５１から導入された圧縮流体の断熱膨張によって生
成する膨張気体の気流によって上記タービンランナ３１
は回転するようにされている。上記圧縮流体導入口５１
には圧縮流体配管５３が接続されており、この圧縮流体
配管５３を介して圧縮流体はタービン室１１ａ内に導入
されるようなっている。膨張気体排出口５２には緊急遮
断弁５５が設けられている。

【００２６】この緊急遮断弁５５は、なんらかの原因で
膨張タービンが緊急に停止した場合、自動的に弁が閉止
して圧縮流体配管５３とタービン室１１ａとの流通が遮
断されるようになっている。従って、緊急遮断弁５５が
閉止されたときには、タービン室１１ａ内には圧縮流体
が充満し、タービン室１１ａ内は相当の圧力が保たれる
状態になる。

【００２７】一方、昇圧機室１２ａにはインペラ３２の
回転軸が延びる方向に被昇圧気体導入口６１が設けられ
ており、インペラ３２の周方向に昇圧気体排出口６２が
設けられている。そして、被昇圧気体導入管６３を介し
て被昇圧気体導入口６１から昇圧機室１２ａに導入され
た被昇圧気体はインペラ３２の回転に伴って昇圧され、
昇圧気体となって昇圧気体排出口６２から昇圧気体排出
管６４に向かって排出されるようになっている。

【００２８】昇圧気体排出管６４には熱交換によるアフ
タクーラ６７が設けられており、このアフタクーラ６７
の下流側と被昇圧気体導入管６３とはバイパス管６５で
連通されている。このバイパス管６５にはバイパス弁６
６が設けられており、このバイパス弁６６は普段は閉止
されている。

【００２９】上記タービンランナ３１とインペラ３２と
は一本の回転軸４によって一体に結合され、両者は回転
軸４周りに共回りするようにされている。すなわち、上
記回転軸４はジャーナル軸受４１ａおよび軸受４２ａに
軸支されている。また、軸方向の荷重に対してはスラス
ト軸受４４ａ、４４ｂによって支持されている。

【００３０】なお、第一遮断壁４１と第二遮断壁４２と
に設けられた回転軸４を嵌挿する貫通孔の内周面にはラ
ビリンスシールＳが設けられており、タービン室１１ａ
と昇圧機室１２ａと軸受部との連通を遮断している。

【００３１】本実施例の昇圧機一体型膨張タービン１は
以上のように構成されているので、通常の正常な運転に
おいては、圧縮流体配管５３から圧縮流体導入口５１を
介してタービンケーシング２１に圧縮流体が導入され
る。そうすると、圧縮流体は断熱膨張して膨張気流が発
生するため、この気流によってタービンランナ３１は回
転する。そしてこの回転は回転軸４を介して昇圧機部１
２のインペラ３２に伝えられるため、インペラ３２は回
転し、この回転に伴って被昇圧気体導入管６３内の被圧
縮気体を被昇圧気体導入口６１から昇圧機ケーシング２
２に導入するとともに、それを昇圧して昇圧気体排出口
６２から昇圧気体排出管６４に圧送する。

【００３２】以上のような昇圧機一体型膨張タービン１
において、それが正常に運転されている場合には、ター
ビン部１１のタービンランナ３１前後の圧力差によって
生じるスラスト荷重と、昇圧機インペラ３２前後の圧力
差によって生じるスラスト荷重とはほぼ拮抗したものに
なっており、その結果回転軸４に働く軸方向のいわゆる
スラスト荷重はそれほど大きなものではないため、スラ
スト軸受４４ａ、４４ｂは充分対応することができ特に
問題はない。

【００３３】そして、なんらかの原因によって突然ター
ビンランナ３１が停止すると、前記のように自動的に緊
急遮断弁５５は閉止されるため、タービン室１１ａ内は
圧縮気体で充満し、それに見合った相当の圧力になって
おり、従来起こっていたタービン室１１ａ内と昇圧機室
１２ａ内との間の大きな圧力差による過大なスラスト荷
重がスラスト軸受４４ａにかかるようなことはないた
め、スラスト軸受４４ａが破損することはない。

【００３４】なお、タービンランナ３１が緊急停止した
ときは、昇圧機部１２のサージングを防止するために、
被昇圧気体導入管６３と昇圧気体排出管６４を連結する
バイパス管６５に設けられたバイパス弁６６は全開され
被昇圧気体導入管６３の内圧と昇圧気体排出管６４の内
圧とが同じになるように調節される。

【００３５】上記の実施例においては、膨張タービンが
緊急停止した場合、以上のように緊急遮断弁５５を緊急
遮断することにより、圧縮流体配管５３から供給される
流体でタービン室１１ａ内が昇圧されるように構成され
ているが、このように圧縮流体配管５３からの流体のみ
によって昇圧するのではなく、積極的に昇圧機室１２ａ
内とタービン室１１ａ内とを同圧にするように構成する
こともできる。

【００３６】すなわち、図２は積極的に昇圧機室１２ａ
内とタービン室１１ａ内とを同圧にするようにした本発
明の他の例を示す一部切欠き説明図である。この例の場
合は、同図に示すように、圧縮流体配管５３には第二緊
急遮断弁７が設けられ、この第二緊急遮断弁７の下流側
または緊急遮断弁５５の上流側と、昇圧気体排出管６４
のアフタクーラ６７の上流側とは連絡配管５７によって
連結され、この連絡配管５７には普段は閉止している緊
急昇圧弁８が設けられている。

【００３７】そしてこの例の場合は、膨張タービンが緊
急停止したときには、緊急遮断弁５５と第二緊急遮断弁
７とが同時に閉止されるとともに、緊急昇圧弁８が開通
させられる。従って、昇圧機室１２ａとタービン室１１
ａとは連通状態になり、タービン室１１ａは昇圧機室１
２ａの圧力まで昇圧され、両者は同圧になるから回転軸
４にはスラスト荷重は発生しない。

【００３８】以上のように、タービンランナ３１が緊急
停止したときに、タービン室１１ａ内を昇圧することに
よって、スラスト軸受の破損が防止されるという効果を
得ることができるが、その他昇圧機一体型膨張タービン
１のより効率的運転が可能になるという大きな効果を引
き出すことができる。

【００３９】すなわち、タービンランナ３１の回転数
は、それに供給される圧縮流体の膨張比が大きければ大
きいほど大きくなり、この回転数が大きければそれと一
体に回転する昇圧機部１２のインペラ３２の回転数も大
きくなり、それに供給される被圧縮気体が昇圧される圧
力も大きくなる。

【００４０】従って、インペラ３２のより高速な回転に
よってより昇圧機室１２ａ内がより高圧にされた状態で
膨張タービンが突然停止すれば、従来であればタービン
室１１ａ内と昇圧機室１２ａ内との圧力差はより大きく
なり、その分回転軸４には多くのスラスト荷重がかかる
ことになるため、スラスト軸受はそれに耐えることがで
きなくなる。

【００４１】逆の見方をすれば、従来は、スラスト軸受
の耐圧強度に制限されて、上記膨張比を大きくすること
ができない、すなわち、膨張タービンがその能力を充分
に発揮することができないという欠点が存在したのであ
る。

【００４２】これに対し、本発明はタービン室１１ａ内
を昇圧してスラスト荷重を少なくするものであるため、
その分上記膨張比を大きくし膨張タービンの能力を充分
に引きだすことが可能であり、運転コスト低減上好都合
である。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の昇圧機一
体型膨張タービンによれば、タービン部のタービン室に
設けられた膨張タービンが緊急停止したときにはタービ
ンケーシング内は昇圧されるため、上記タービンランナ
が停止しても、タービン室内はある程度高圧に保たれ
る。その結果タービン室内と昇圧機部の昇圧機室内との
圧力差はそれほど大きなものとはならず、そのため回転
軸にはそれほど大きなスラスト荷重はかからないから、
特に過大なものではない通常のスラスト軸受であっても
その破損を回避することができる。

【００４４】従って、スラスト軸受の強度を上記タービ
ンランナが緊急停止したときに対応することができる程
度までの耐圧強度の低いものにすることが可能であり、
その分従来よりも設備費を節約することができ、設備コ
スト低減上有利である。

【００４５】また、スラスト軸受の耐圧強度を現状の標
準のものにするのであれば、流体の膨張比を上昇させて
膨張タービンの出力を大きくすることが可能になるた
め、その分従来よりも膨張タービンの能力が向上し、運
転コスト低減上好都合である。

【００４６】また、上記タービンランナが緊急停止した
とき閉止する第二緊急遮断弁を上記圧縮流体をタービン
ケーシング内に導入する圧縮流体配管に設け、タービン
ケーシングと昇圧機ケーシングとの間に連絡配管を設
け、この連絡配管に上記タービンランナが緊急停止した
とき開通する緊急昇圧弁を設ければ、タービンランナが
緊急停止したときには上記遮断弁および第二遮断弁が閉
止された状態でタービンケーシング内と昇圧機ケーシン
グ内とは上記連絡配管によって連通され、タービンケー
シング内の圧力は昇圧機ケーシング内の圧力と同等にな
り、その結果上記回転軸にはスラスト荷重はほとんどか
からず、より有効にタービンランナの緊急停止に対応す
ることができ極めて好都合である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る昇圧機一体型膨張タービンの一例
を示す一部切欠き説明図である。

【図２】本発明に係る昇圧機一体型膨張タービンの他の
例を示す一部切欠き説明図である。

【図３】従来の昇圧機一体型膨張タービンの一例を示す
一部切欠き説明図である。

【符号の説明】

１ 昇圧機一体型膨張タービン １１ タービン部 １１ａ タービン室 １２ 昇圧機部 １２ａ 昇圧機室 ２ ケーシング ２１ タービンケーシング ２２ 昇圧機ケーシング ３１ タービンランナ ３２ インペラ ４ 回転軸 ４４ａ、４４ｂ スラスト軸受 ５５ 緊急遮断弁 ７ 第二緊急遮断弁 ８ 緊急昇圧弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三好 義明 神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 株式 会社神戸製鋼所神戸本社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービンケーシングに圧縮気体の導入口
   と上記圧縮気体の断熱膨張によって発生する膨張気体の
   排出口とが設けられ、上記タービンケーシングの内部に
   は圧縮流体の断熱膨張によって発生する膨張気体で駆動
   するタービンが設けられ、昇圧機ケーシングの内部には
   供給された流体を昇圧する昇圧機が設けられ、上記ター
   ビンのタービンランナと上記昇圧機のインペラとは同軸
   で一体に連結されてなる昇圧機一体型膨張タービンにお
   いて、上記タービンランナが緊急停止したときに閉止す
   る緊急遮断弁が、上記タービンケーシングの膨張気体の
   排出口に設けられていることを特徴とする昇圧機一体型
   膨張タービン。
2. 【請求項２】 上記タービンランナが緊急停止したとき
   閉止する第二緊急遮断弁が上記圧縮流体をタービンケー
   シング内に導入する圧縮流体配管に設けられ、タービン
   ケーシングと昇圧機ケーシングとの間に連絡配管が設け
   られ、この連絡配管に上記タービンランナが緊急停止し
   たとき開通する緊急昇圧弁が設けられていることを特徴
   とする請求項１記載の昇圧機一体型膨張タービン。