特許 6013288 タービン、及び発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6013288

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】タービン、及び発電システム

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/12 20060101AFI20161011BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20161011BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20161011BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20161011BHJP

   F02C 7/28 20060101ALI20161011BHJP

   F01D 25/26 20060101ALI20161011BHJP

【ＦＩ】

   F01D25/12 B

   F01D25/00 L

   F01D25/00 M

   F01D25/12 E

   F01D25/24 T

   F01D25/24 D

   F01D25/24 K

   F01D25/24 P

   F01D25/24 N

   F02C7/18 E

   F02C7/28 E

   F02C7/28 C

   F01D25/26 E

【請求項の数】8

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-149069(P2013-149069)

(22)【出願日】2013年7月18日

(65)【公開番号】特開2014-37825(P2014-37825A)

(43)【公開日】2014年2月27日

【審査請求日】2015年3月6日

(31)【優先権主張番号】特願2012-161309(P2012-161309)

(32)【優先日】2012年7月20日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田島 嗣久

(72)【発明者】

【氏名】岩井 章吾

(72)【発明者】

【氏名】伊東 正雄

(72)【発明者】

【氏名】高江 俊介

【審査官】 佐藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−２２９００３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１２６４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５５５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０６４５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３２９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２６６８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３８４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１０４９５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ２５／００、１２、２４−２６

Ｆ０１Ｄ ９／００−０６

Ｆ０２Ｃ ７／００、１８、２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器における導入管が貫通するように前記燃焼器が設けられるタービンケーシングと、
前記タービンケーシングの内部に収容されるタービン翼と、
前記タービンケーシングの内部に収容されており、前記燃焼器の導入管から直接前記タービン翼に供給される作動媒体としての燃焼ガスによって回転するタービンロータと、
前記タービンケーシングに設けられており、前記導入管を内部に収容しているスリーブと
を備え、
前記スリーブは、前記導入管よりも厚く、
前記作動媒体としての燃焼ガスよりも温度が低く圧力が高い冷却媒体としての燃焼ガスが外部から導入され、前記導入管の外周面と前記スリーブの内周面との間を通り、前記タービン翼に供給されることを特徴とする、
タービン。

【請求項2】

前記タービンケーシングと前記スリーブとの間に設けられているシール部
を備え、
前記シール部は、
内周面が前記スリーブに接し、外周面が前記タービンケーシングから離れている第１シールリングと、
内周面が前記スリーブから離れており、外周面が前記タービンケーシングに接している第２シールリングと
を有し、
前記第１シールリングと前記第２シールリングとが積み重ねられて設置されていることを特徴とする、
請求項１に記載のタービン。

【請求項3】

前記タービンケーシングは、
前記タービンロータを収容する内部ケーシングと、
前記内部ケーシングを介して前記タービンロータを収容する外部ケーシングと
を有することを特徴とする、
請求項２に記載のタービン。

【請求項4】

前記スリーブは、前記外部ケーシングに固定されており、
前記シール部は、前記内部ケーシングと前記スリーブとの間に設けられている、
請求項３に記載のタービン。

【請求項5】

前記スリーブは、前記内部ケーシングに固定されており、
前記シール部は、前記外部ケーシングと前記スリーブとの間に設けられている、
請求項３に記載のタービン。

【請求項6】

前記燃焼器のヒートシールド管が、前記導入管を内部に収容していると共に、前記スリーブの内部に収容されており、
前記ヒートシールド管と前記導入管との間には、前記作動媒体としての燃焼ガスよりも温度が低い前記冷却媒体としての燃焼ガスが流れることを特徴とする、
請求項１から５のいずれかに記載のタービン。

【請求項7】

前記作動媒体としての燃焼ガスは、当該タービンの入口において温度が８００℃以上であって、圧力が２０ＭＰａであることを特徴とする、
請求項１から６のいずれかに記載のタービン。

【請求項8】

請求項１から７のいずれかに記載のタービンを備えることを特徴とする、
発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、タービン、及び発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

発電システムにおいて、燃焼器は、タービンの上流側に設置され、燃焼器から高温の作動流体がタービンへ流れる。タービンは、タービンケーシングの内部にタービンロータが収容されており、供給された作動流体によってタービンロータが回転する。そして、発電システムでは、タービンロータの回転によって発電機が駆動することにより、発電が行われる。

【0003】

発電システムは、発電効率を向上させるために、高温高圧な作動流体を用いてタービンの運転が行なわれている。たとえば、発電システムにおいて、ガスタービンを用いる場合には、１７００℃の燃焼ガスが作動流体として用いられる場合がある。また、タービンの入口での温度が８００℃以上であって圧力が２０ＭＰａ以上である二酸化炭素（ＣＯ_２）を、作動流体として用いることが提案されている。

【0004】

上記のように高温高圧な作動流体を用いた場合、長期間の運転によってタービンケーシングの機械的強度が低下する場合がある。このため、タービンケーシングの信頼性を向上させるために、冷却流体を用いて、タービンケーシングにおいて作動流体が導入される部分等を冷却することが提案されている（たとえば、特許文献１，２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平８−２７７７０３号公報

【特許文献2】特開２００９−４７１２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記においては、タービンケーシングを十分に冷却できずに、高い信頼性を実現することが容易でない場合がある。

【0007】

また、高温高圧な作動流体で運転されるタービンの安全性を高めるために、Ｎｉ基合金などの材料でタービンケーシングを形成することが考えられる。しかし、Ｎｉ基合金などの材料は、高価であり、製造コストが上昇する。また、タービンケーシングのように大型の構造物をＮｉ基合金で製造した場合には、引け巣（shrinkage cavity）などの欠陥が、多数生ずる場合がある。このような事情により、信頼性を向上させることが困難な場合がある。

【0008】

したがって、本発明が解決しようとする課題は、高い信頼性を実現することができる、タービン、及び発電システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態のタービンは、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器における導入管が貫通するように燃焼器が設けられるタービンケーシングと、タービンケーシングの内部に収容されるタービン翼と、タービンケーシングの内部に収容されており、燃焼器の導入管から直接タービン翼に供給される作動媒体としての燃焼ガスによって回転するタービンロータと、前記タービンケーシングに設けられており、導入管を内部に収容しているスリーブとを備える。スリーブは、導入管よりも厚く、作動媒体としての燃焼ガスよりも温度が低く圧力が高い冷却媒体としての燃焼ガスが外部から導入され、前記導入管の外周面と前記スリーブの内周面との間を通り、前記タービン翼に供給されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、高い信頼性を実現することができる、タービン、及び発電システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第１実施形態に係る発電システムを模式的に示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。

【図3】図３は、第２実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。

【図4】図４は、第３実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。

【図5】図５は、第４実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。

【図6】図６は、第５実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

実施形態について、図面を参照して説明する。

【0013】

＜第１実施形態＞
［Ａ］全体構成
図１は、第１実施形態に係る発電システムを模式的に示す図である。

【0014】

発電システム１は、図１に示すように、酸素製造装置２、燃焼器３、タービン４、発電機５、再生熱交換器６、冷却器７、湿分分離器８、及びポンプ９を備えている。

【0015】

発電システム１において、酸素製造装置２は、外部から供給された空気から酸素を製造する。

【0016】

燃焼器３は、酸素製造装置２から酸素が供給されると共に、外部から燃料が供給される。そして、燃焼器３は、燃料が酸素と反応して燃焼することによって、高温高圧なＣＯ_２ガス（燃焼ガス）を生成する。

【0017】

タービン４は、ケーシング（図１では図示省略）の内部にタービンロータ（図１では図示省略）が収容されており、燃焼器３から高温かつ高圧なＣＯ_２ガスが供給されることによって、タービンロータが回転する。つまり、タービン４は、ＣＯ_２タービンである。

【0018】

発電機５は、タービン４のタービンロータ（図１では図示省略）の回転により回転軸が回転することによって駆動し、発電を行う。

【0019】

再生熱交換器６は、タービン４から排出された流体が供給されると共に、ポンプ９から排出された流体の一部が供給され、両者の流体の間において熱交換が行われる。ポンプ９から排出された流体の一部は、再生熱交換器６を通過後に、燃焼器３に供給される。

【0020】

冷却器７は、タービン４から再生熱交換器６を介して排出された流体を冷却する。

【0021】

湿分分離器８は、冷却器７から排出された流体をＣＯ_２と水とに分離する。

【0022】

ポンプ９は、冷却器７から排出されたＣＯ_２が供給される。ポンプ９から排出されたＣＯ_２は、一部が再生熱交換器６に供給され、他の一部が外部で貯留される。

【0023】

［Ｂ］燃焼器３とタービン４の構成
図２は、第１実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。図２では、垂直面の断面の一部を示している。

【0024】

図２に示すように、燃焼器３は、燃焼器ケーシング３０１、及び導入管３４５を備えている。また、タービン４は、タービンケーシング４１、静翼４２、タービンロータ４３、動翼４４、スリーブ４６、及びラビリンスシール４７を備えている。各部は、金属材料によって形成されている。

【0025】

本実施形態の発電システムでは、燃焼器３の導入管３４５の内部をＣＯ_２ガスＦ１（燃焼ガス）が流れる。そして、ＣＯ_２ガスＦ１（燃焼ガス）が作動流体としてタービン４に導入され、タービン４の内部を流れる。ここでは、タービン４の入口での温度が８００℃以上であって圧力が２０ＭＰａ以上であるＣＯ_２ガスＦ１が作動流体として流れる。そして、タービン４において、ＣＯ_２ガスＦ１が静翼４２を介して動翼４４に供給されることによって、タービンロータ４３が軸方向Ｃを回転軸として回転する。そして、タービン４の出口（図示省略）から作動流体が排出される。

【0026】

以下より、燃焼器３とタービン４とを構成する各部について、順次説明する。

【0027】

［Ｂ−１］燃焼器ケーシング３０１
燃焼器ケーシング３０１は、図２に示すように、タービンケーシング４１の外周面に、ボルト３０２を用いて結合されている。

【0028】

［Ｂ−２］導入管３４５
導入管３４５は、図２に示すように、燃焼器ケーシング３０１に設置されている。導入管３４５は、管状体であって、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａに設置されている。

【0029】

また、導入管３４５は、タービンケーシング４１の外周面と内周面との間を貫通するように設置されており、燃焼器３で生成したＣＯ_２ガスＦ１をタービンケーシング４１の内部に導入する。

【0030】

具体的には、導入管３４５は、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａ、および、タービンケーシング４１の導入口４１１Ｃ，４１２Ｃの内部では、タービンロータ４３の径方向（軸方向Ｃに垂直な方向）に沿って延在している。この部分では、導入管３４５は、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａ、および、タービンケーシング４１の導入口４１１Ｃ，４１２Ｃに対して同軸に設けられている。

【0031】

そして、導入管３４５は、タービンケーシング４１の内側においては、タービンロータ４３の軸方向Ｃに沿って延在している。導入管３４５においてタービンロータ４３の軸方向Ｃへ延在する部分は、一端が、径方向の延在部分に湾曲部分を介して連結されており、他端が、初段の静翼４２に連結されている。つまり、導入管３４５は、作動流体であるＣＯ_２ガスＦ１を外部から初段の静翼４２に供給する。

【0032】

本実施形態では、導入管３４５は、導入管３４５の外径が、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａの内径よりも小さい。導入管３４５は、導入管３４５の外周面と、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａの内周面との間に、冷却流体通路４６１が介在するように、内部空間３０１Ａに収容されている。

【0033】

この冷却流体通路４６１においては、外部に設置された冷却流体供給部（図示省略）から冷却流体Ｆ２が供給され、内部を流れる。

【0034】

［Ｂ−３］タービンケーシング４１
タービンケーシング４１は、図２に示すように、二重構造であって、内部ケーシング４１１と外部ケーシング４１２とを有し、タービンロータ４３を内部に収容している。

【0035】

［Ｂ−３−１］内部ケーシング４１１
タービンケーシング４１のうち、内部ケーシング４１１は、タービンロータ４３の外周面を囲っている。そして、内部ケーシング４１１は、円筒部分を含み、外周面には、凸部４１１Ａが外側へ突き出るように設けられている。

【0036】

また、内部ケーシング４１１においては、入口部４１１Ｂが外周面から外側へ突き出るように設けられている。入口部４１１Ｂは、管状であって、その内部には、導入口４１１Ｃが形成されている。導入口４１１Ｃは、入口部４１１Ｂにおいて内部ケーシング４１１の外周面と内周面との間を貫通するように形成されている。

【0037】

内部ケーシング４１１の導入口４１１Ｃは、第１導入口部４１１ＣＡと第２導入口部４１１ＣＢとを有する。第１導入口部４１１ＣＡと第２導入口部４１１ＣＢとの両者は、内部ケーシング４１１の内側から外側に向かって順次形成されており、互いに連通している。第１導入口部４１１ＣＡと第２導入口部４１１ＣＢとの両者は、円柱形状であって、互いに同軸に並んでおり、第１導入口部４１１ＣＡの内径よりも第２導入口部４１１ＣＢの内径の方が大きい。

【0038】

［Ｂ−３−２］外部ケーシング４１２
タービンケーシング４１のうち、外部ケーシング４１２は、内部ケーシング４１１を内部に収容している。つまり、外部ケーシング４１２は、内部ケーシング４１１を介して、タービンロータ４３の外周面を囲うように設置されている。そして、外部ケーシング４１２は、円筒部分を含み、内周面に凹部４１２Ａが設けられている。外部ケーシング４１２の凹部４１２Ａは、内部ケーシング４１１の凸部４１１Ａが内部に嵌め込まれている。

【0039】

外部ケーシング４１２においては、導入口４１２Ｃが外部ケーシング４１２の外周面と内周面との間を貫通するように形成されている。外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃは、円柱形状であって、内部ケーシング４１１の導入口４１１Ｃと同軸に並んでおり、内部ケーシング４１１の導入口４１１Ｃに連通するように設けられている。また、外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃは、内部ケーシング４１１の導入口４１１Ｃよりも内径が大きい。

【0040】

［Ｂ−４］静翼４２
静翼４２は、図２に示すように、タービンケーシング４１を構成する内部ケーシング４１１の内周面に設置されている。ここでは、静翼４２は、複数の段落が設けられている。複数段落の静翼４２は、タービンロータ４３の軸方向Ｃに沿って並んでいる。

【0041】

静翼４２は、内側リング４２１と外側リング４２２とがタービンロータ４３の外周面を円形に囲っており、その内側リング４２１と外側リング４２２との間にノズル板４２３がタービンロータ４３の回転方向に間を隔てて複数並んでいる。そして、静翼４２は、その複数のノズル板４２３の間の間隙から作動流体を動翼４４に供給し、タービンロータ４３を回転させる。

【0042】

［Ｂ−５］タービンロータ４３
タービンロータ４３は、図２に示すように、ロータディスク４３１が外周面に設けられている。

【0043】

タービンロータ４３において、ロータディスク４３１は、タービンロータ４３の外周面を円形に囲っており、複数がタービンロータ４３の軸方向Ｃに沿って間を隔てて並ぶように設けられている。各ロータディスク４３１は、各段落の静翼４２において下流側に位置している。

【0044】

タービンロータ４３は、ロータ軸受（図示省略）によって回転可能に支持されており、軸方向Ｃを回転軸として回転する。また、タービンロータ４３は、発電機５（図１参照）に連結されている。

【0045】

［Ｂ−６］動翼４４
動翼４４は、図２に示すように、タービンロータ４３に設けられたロータディスク４３１の外周面に設置されている。ここでは、動翼４４は、複数段落の静翼４２に対応して、複数段落が設けられている。複数段落の動翼４４は、タービンロータ４３の軸方向Ｃに沿って並んでいる。

【0046】

図示を省略しているが、各段落において、動翼４４は、タービンロータ４３の回転方向にて複数の羽根が間を隔てて設置されている。各段落において、動翼４４は、上流側に設置された静翼４２から作動流体が供給される。

【0047】

［Ｂ−７］スリーブ４６
スリーブ４６は、図２に示すように、タービンケーシング４１に設置されている。

【0048】

具体的には、スリーブ４６は、管状体であって、タービンケーシング４１の導入口４１１Ｃ，４１２Ｃの内部に設置されている。ここでは、スリーブ４６は、外周面の下側部分が、内部ケーシング４１１の導入口４１１Ｃにおいて第２導入口部４１１ＣＢの内周面に接している。また、スリーブ４６は、外周面の上側部分が、外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃの内周面に接している。

【0049】

本実施形態では、スリーブ４６は、導入管３４５よりも厚くなるように形成されている。

【0050】

また、スリーブ４６は、内径が、導入管３４５の外径よりも大きい。スリーブ４６は、導入管３４５との間に冷却流体通路４６１が形成されるように、導入管３４５を内部に収容している。

【0051】

スリーブ４６の冷却流体通路４６１においては、外部に設置された冷却流体供給部（図示省略）から、冷却流体Ｆ２が供給され、内部を流れる。冷却流体Ｆ２は、導入管３４５の外周面と、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａの内周面との間に設けられた冷却流体通路４６１を流れた後に、導入管３４５の外周面とスリーブ４６の内周面との間に設けられた冷却流体通路４６１を流れる。

【0052】

［Ｂ−８］ラビリンスシール４７について
ラビリンスシール４７は、図２に示すように、タービンケーシング４１の内周面に設置されている。ラビリンスシール４７は、内周面とタービンロータ４３の外周面との間をシールし、作動流体であるＣＯ_２ガスＦ１及び冷却流体Ｆ２が外部へ漏洩することを防止している。

【0053】

具体的には、ラビリンスシール４７は、内部ケーシング４１１の内周面に複数がタービンロータ４３の軸方向Ｃに並んで設置されている。また、ラビリンスシール４７は、外部ケーシング４１２の内周面に複数がタービンロータ４３の軸方向Ｃに並んで設置されている。

【0054】

［Ｃ］作用
以下より、上記のタービン４において、スリーブ４６の冷却流体通路４６１を流れる冷却流体Ｆ２の作用について、図２を参照して説明する。

【0055】

図２に示すように、冷却流体Ｆ２は、導入管３４５の外周面と、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａの内周面との間に設けられた冷却流体通路４６１を流れる。その後、冷却流体Ｆ２は、導入管３４５の外周面とスリーブ４６の内周面との間に設けられた冷却流体通路４６１を流れる。冷却流体Ｆ２は、外部に設置された冷却流体供給部（図示省略）から供給され、冷却流体通路４６１を流れる。たとえば、冷却流体Ｆ２は、ＣＯ_２ガスであって、導入管３４５を作動流体として流れるＣＯ_２ガスＦ１よりも圧力が高く、温度が低い。このため、本実施形態では、導入管３４５からタービンケーシング４１へ伝達する熱は、冷却流体通路４６１が無い場合よりも低く、冷却流体Ｆ２によってタービンケーシング４１が冷却される。

【0056】

その後、冷却流体Ｆ２は、第１導入口部４１１ＣＡの内周面と導入管３４５の外周面との間の空間を介して、冷却流体通路４６１からタービンケーシング４１の内部へ流れる。そして、冷却流体Ｆ２は、タービンケーシング４１の内部において、静翼４２に設けられた孔（図示省略）の内部に導入されて、静翼４２を冷却する。また、冷却流体Ｆ２は、動翼４４に設けられた孔（図示省略）の内部に導入されて、動翼４４を冷却する。この後、冷却流体Ｆ２は、タービン４の外部へ排出される。

【0057】

［Ｄ］まとめ
以上のように、本実施形態の発電システム１において、タービン４は、タービンロータ４３を回転させる作動流体をタービンケーシング４１の内部に導入する導入管３４５を、スリーブ４６が内部に収容している。そして、導入管３４５とスリーブ４６との間には、作動流体であるＣＯ_２ガスＦ１よりも温度が低い冷却流体Ｆ２が流れる。

【0058】

このため、本実施形態では、冷却流体Ｆ２によってタービンケーシング４１の温度が上昇することを抑制し、タービンケーシング４１の温度を許容範囲内にすることができる。その結果、タービンケーシング４１の機械的強度が低下することを防止し、高い信頼性を実現することができる。

【0059】

更に、本実施形態では、タービンケーシング４１の温度上昇を抑制できるので、タービンケーシング４１について、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金を用いずに、フェライト系材料を用いて形成することができる。その結果、安価なフェライト系材料を用いて、重量が大きく厚みが厚いケーシングを製作可能であるので、コストダウンを容易に実現することができる。さらに、本実施形態では、タービンケーシング４１を構成する外部ケーシング４１２に直接接触する部分の圧力が低下するので、外部ケーシング４１２を厚くする必要がなく、コストダウンを、さらに容易に実現することができる。

【0060】

また、本実施形態においては、静翼４２及び動翼４４は、冷却流体Ｆ２が導入管３４５とスリーブ４６との間を流れた後に供給されて冷却される。このため、別の系統から冷却流体Ｆ２を静翼４２及び動翼４４へ導入する必要がなくなり、効率を向上できる。

【0061】

本実施形態では、導入管３４５において、作動流体であるＣＯ_２ガスＦ１が流れる内部と、冷却流体Ｆ２が流れる外部との間は、温度差が大きい。たとえば、３００℃以上の温度差がある。また、本実施形態では、スリーブ４６において、冷却流体Ｆ２が流れる内部と、スリーブ４６の外部（内部ケーシング４１１と外部ケーシング４１２との間）との間は、圧力差が大きい。たとえば、５０ａｔａ以上の圧力差がある。

【0062】

本実施形態では、導入管３４５が薄く、スリーブ４６が厚い。両者を比較すると、一方が他方より薄い関係にある。このように、本実施形態では、導入管３４５が薄いため、上記の温度差を吸収して導入管３４５の熱応力を小さくすることができるので、信頼性を向上させることができる。また、本実施形態では、スリーブ４６が厚いため、上記の圧力差を吸収し、スリーブ４６のフープ応力を小さくすることができるので、信頼性を向上させることができる。すなわち、薄い導入管３４５と厚いスリーブ４６とを組み合わせることにより、課題を解決することができる。

【0063】

［Ｅ］変形例
上記の実施形態の発電システム１では、燃焼器３がタービン４の外部に設置されているが（図１参照）、これに限らない。燃焼器３をタービン４の内部に設置してもよい。燃焼器３は、単数でも、複数でもよい。

【0064】

上記の実施形態において、タービン４は、タービンケーシング４１が内部ケーシング４１１と外部ケーシング４１２とを有する二重構造であるが、これに限らない。タービンケーシング４１については、たとえば、単一で構成してもよい。

【0065】

上記の実施形態においては、導入管３４５が単一の管状体によって形成されている場合について説明したが、これに限らない。たとえば、複数の管状体を連結させることによって、導入管３４５を構成してもよい。

【0066】

＜第２実施形態＞
［Ａ］構成
図３は、第２実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。図３では、図２のうち、作動流体であるＣＯ_２ガスＦ１がタービンケーシング４１の内部に導入される部分を示している。

【0067】

図３に示すように、本実施形態においては、シール部４８が更に設けられている。本実施形態は、上記の点、および、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

【0068】

シール部４８は、図３に示すように、第１シール部４８１及び第２シール部４８２を備えており、タービンケーシング４１の導入口４１１Ｃ，４１２Ｃの内周面と、スリーブ４６の外周面との間に設置されている。以下より、シール部４８を構成する各部について順次説明する。

【0069】

［Ａ−１］第１シール部４８１
シール部４８のうち、第１シール部４８１は、第１シールリング４８１Ａと、第２シールリング４８１Ｂとを有し、第１シールリング４８１Ａと、第２シールリング４８１Ｂとが交互に積み重ねられている。

【0070】

本実施形態においては、内部ケーシング４１１の導入口４１１Ｃは、第２導入口部４１１ＣＢの上方に、第２導入口部４１１ＣＢよりも内径が大きい第３導入口部４１１ＣＣが形成されており、第１シール部４８１は、その第３導入口部４１１ＣＣの内周面と、スリーブ４６の下側部分の外周面との間に設置されている。

【0071】

第１シール部４８１において、第１シールリング４８１Ａは、内径がスリーブ４６の下側部分の外径と同一であり、第１シールリング４８１Ａの内周面がスリーブ４６の下側部分の外周面に接している。また、第１シールリング４８１Ａは、外径が第３導入口部４１１ＣＣの内径よりも小さく、第１シールリング４８１Ａの外周面が、第３導入口部４１１ＣＣの内周面から離れている。ここでは、第１シールリング４８１Ａは、スリーブ４６に固定されていない。複数の第１シールリング４８１Ａのうち、最下段の第１シールリング４８１Ａは、内部ケーシング４１１によって下面が支持されており、他の第１シールリング４８１Ａは、第２シールリング４８１Ｂに下面が支持されている。

【0072】

第１シール部４８１において、第２シールリング４８１Ｂは、内径がスリーブ４６の下側部分の外径よりも大きく、第２シールリング４８１Ｂの内周面が、スリーブ４６の下側部分の外周面から離れている。また、第２シールリング４８１Ｂは、外径が第３導入口部４１１ＣＣの内径と同一であり、第２シールリング４８１Ｂの外周面が、第３導入口部４１１ＣＣの内周面に接している。ここでは、第２シールリング４８１Ｂは、第３導入口部４１１ＣＣの内周面に固定されている。

【0073】

［Ａ−２］第２シール部４８２
シール部４８のうち、第２シール部４８２は、第３シールリング４８２Ａと、第４シールリング４８２Ｂとを有し、第３シールリング４８２Ａと第４シールリング４８２Ｂとが交互に積み重ねられている。

【0074】

第２シール部４８２は、外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃの内周面と、スリーブ４６の上側部分の外周面との間に設置されている。

【0075】

第２シール部４８２において、第３シールリング４８２Ａは、内径がスリーブ４６の上側部分の外径と同一であり、第３シールリング４８２Ａの内周面がスリーブ４６の上側部分の外周面に接している。また、第３シールリング４８２Ａは、外径が外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃの内径よりも小さく、第３シールリング４８２Ａの外周面が、外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃの内周面から離れている。ここでは、第３シールリング４８２Ａは、スリーブ４６に固定されておらず、外部ケーシング４１２によって下面が支持されている。

【0076】

第２シール部４８２において、第４シールリング４８２Ｂは、内径がスリーブ４６の上側部分の外径よりも大きく、第４シールリング４８２Ｂの内周面が、スリーブ４６の上側部分の外周面から離れている。また、第４シールリング４８２Ｂは、外径が外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃの内径と同一であり、第４シールリング４８２Ｂの外周面が、外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃの内周面に接している。ここでは、第４シールリング４８２Ｂは、外部ケーシング４１２の導入口４１２Ｃの内周面に固定されている。

【0077】

［Ｂ］作用
以下より、本実施形態において、シール部４８の作用について、図３を参照して説明する。

【0078】

高温高圧なＣＯ_２ガスＦ１が導入管３４５を流れると、タービンケーシング４１とスリーブ４６との間には、両者の熱膨張の差異に起因して、隙間が発生する場合がある。このため、その隙間からＣＯ_２ガスが漏洩する場合がある。

【0079】

しかし、本実施形態では、タービンケーシング４１とスリーブ４６との間には、シール部４８が設けられており、タービンケーシング４１とスリーブ４６との間をシールしている。このため、本実施形態では、隙間からＣＯ_２ガスが漏洩することを防止できる。

【0080】

具体的には、内部ケーシング４１１とスリーブ４６との間が熱膨張の差異によって離れた場合であっても、第１シール部４８１においては、第１シールリング４８１Ａと第２シールリング４８１Ｂとが互いに積層された状態を保持する。このため、内部ケーシング４１１とスリーブ４６との間を第１シール部４８１がシールすることができる。

【0081】

また、外部ケーシング４１２とスリーブ４６との間が熱膨張の差異によって離れた場合であっても、第２シール部４８２においては、第３シールリング４８２Ａと第４シールリング４８２Ｂとが互いに積層された状態を保持する。このため、外部ケーシング４１２とスリーブ４６との間を第２シール部４８２がシールすることができる。

【0082】

［Ｃ］まとめ
以上のように、本実施形態においては、タービンケーシング４１とスリーブ４６との間がシール部４８によってシールされている。このため、タービンケーシング４１とスリーブ４６との間から、ＣＯ_２ガスが漏洩することを防止できる。

【0083】

その結果、本実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、高い信頼性を実現することができる他に、タービン４の効率を向上することができる。

【0084】

＜第３実施形態＞
［Ａ］構成
図４は、第３実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。図４では、図３と同様に、図２のうち、作動流体であるＣＯ_２ガスＦ１がタービンケーシング４１の内部に導入される部分を示している。

【0085】

図４に示すように、本実施形態においては、スリーブ４６とシール部４８との形態が、第２実施形態の場合と異なる。本実施形態は、上記の点、および、関連する点を除き、第２実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

【0086】

スリーブ４６は、図４に示すように、上端部にフランジ４６Ｆが設けられている。スリーブ４６は、ボルトなどの締結部材（図示省略）がフランジ４６Ｆを貫通して外部ケーシング４１２に取付けられることによって、外部ケーシング４１２に固定される。

【0087】

シール部４８は、図４に示すように、内部ケーシング４１１とスリーブ４６との間に設けられている。つまり、シール部４８は、第１シール部４８１のみが設置されており、第２シール部４８２（図３参照）については設置されていない。

【0088】

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態においては、スリーブ４６は、外部ケーシング４１２に固定されており、シール部４８は、内部ケーシング４１１とスリーブ４６との間に設けられている。

【0089】

本実施形態においては、タービンケーシング４１を組立後に、タービンケーシング４１の導入口４１１Ｃ，４１２Ｃにスリーブ４６を挿入することによって、タービン４を組み立てることができる。

【0090】

このため、本実施形態では、上記の実施形態の場合と同様に、高い信頼性を実現でき、かつ、タービン４の効率の向上が可能である他に、タービン４の組立てを効率良く行うことができる。

【0091】

＜第４実施形態＞
［Ａ］構成
図５は、第４実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。図５では、図３と同様に、図２のうち、作動流体であるＣＯ_２ガスＦ１がタービンケーシング４１の内部に導入される部分を示している。

【0092】

図５に示すように、本実施形態においては、スリーブ４６とシール部４８との形態が、第２実施形態の場合と異なる。本実施形態は、上記の点、および、関連する点を除き、第２実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

【0093】

スリーブ４６は、図５に示すように、上端部と下端部との間の中央部分にフランジ４６Ｆが設けられている。スリーブ４６は、ボルトなどの締結部材（図示省略）がフランジ４６Ｆを貫通して内部ケーシング４１１の入口部４１１Ｂの上端に取付けられることによって、内部ケーシング４１１に固定される。

【0094】

シール部４８は、図５に示すように、外部ケーシング４１２とスリーブ４６との間に設けられている。つまり、シール部４８は、第２シール部４８２のみが設置されており、第１シール部４８１（図３参照）については設置されていない。

【0095】

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態においては、スリーブ４６は、内部ケーシング４１１に固定されており、シール部４８は、外部ケーシング４１２とスリーブ４６との間に設けられている。

【0096】

このため、本実施形態では、上記の実施形態の場合と同様に、高い信頼性を実現することができる他に、タービン４の効率の向上が可能である。

【0097】

＜第５実施形態＞
［Ａ］構成
図６は、第５実施形態に係る発電システムにおいて、燃焼器の要部とタービンの要部を示す断面図である。図６では、図２のうち、作動流体であるＣＯ_２ガスＦ１がタービンケーシング４１の内部に導入される部分を示している。

【0098】

図６に示すように、本実施形態においては、ヒートシールド管３４９が更に設置されている。本実施形態は、上記の点、および、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

【0099】

ヒートシールド管３４９は、図６に示すように、燃焼器ケーシング３０１に設置されている。ヒートシールド管３４９は、管状体であって、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａに設置されている。

【0100】

また、ヒートシールド管３４９は、タービンケーシング４１の外周面と内周面との間を貫通する部分を含むように設置されている。

【0101】

具体的には、ヒートシールド管３４９は、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａ、および、タービンケーシング４１の導入口４１１Ｃ，４１２Ｃの内部では、タービンロータ４３の径方向（軸方向Ｃに垂直な方向）に沿って延在している。この部分では、ヒートシールド管３４９は、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａ、および、タービンケーシング４１の導入口４１１Ｃ，４１２Ｃに対して同軸に設けられている。

【0102】

そして、ヒートシールド管３４９は、タービンケーシング４１の内側においては、タービンロータ４３の軸方向Ｃに沿って延在している。ヒートシールド管３４９においてタービンロータ４３の軸方向Ｃへ延在する部分は、一端が、径方向の延在部分に湾曲部分を介して連結されており、他端が、初段の静翼４２に連結されている。

【0103】

ヒートシールド管３４９は、内径が、導入管３４５の外径よりも大きく、ヒートシールド管３４９の内周面と導入管３４５の外周面との間には、冷却流体通路４９１が形成されている。ヒートシールド管３４９は、たとえば、Ｎｉ基合金、ステンレス鋼で形成されており、内部に収容している導入管３４５は、たとえば、Ｎｉ基合金で形成されている。なお、両者を同じ金属材料で形成してもよい。

【0104】

また、ヒートシールド管３４９は、外径が、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａの内径よりも小さい。これと共に、ヒートシールド管３４９は、外径が、スリーブ４６の内径よりも小さい。ヒートシールド管３４９の上側部分においては、ヒートシールド管３４９の外周面と、燃焼器ケーシング３０１の内部空間３０１Ａの内周面との間に、冷却流体通路４６１が形成されている。また、ヒートシールド管３４９の外周面と、スリーブ４６の内周面との間には、冷却流体通路４６１が形成されている。ヒートシールド管３４９は、フランジ３４９Ｆが外周面に設けられており、フランジ３４９Ｆがスリーブ４６の上端部に接して支持されている。

【0105】

［Ｂ］作用
以下より、本実施形態において、冷却流体通路４６１，４９１を流れる冷却流体Ｆ２の作用について、図６を参照して説明する。

【0106】

図６に示すように、冷却流体Ｆ２のうち、第１冷却流体Ｆ２１は、燃焼器ケーシング３０１とヒートシールド管３４９との間を流れる。その後、第１冷却流体Ｆ２１は、ヒートシールド管３４９のフランジ３４９Ｆに設けられた孔を介して、スリーブ４６の内部においてヒートシールド管３４９との間に設けられた冷却流体通路４６１に供給される。一方で、冷却流体Ｆ２のうち、第２冷却流体Ｆ２２は、ヒートシールド管３４９の内部において導入管３４５との間に設けられた冷却流体通路４９１に供給される。第１冷却流体Ｆ２１及び第２冷却流体Ｆ２２は、外部に設置された冷却流体供給部（図示省略）から各冷却流体通路４６１，４９１に供給され、各冷却流体通路４６１，４９１を流れる。たとえば、第１冷却流体Ｆ２１及び第２冷却流体Ｆ２２は、ＣＯ_２ガスであって、導入管３４５を作動流体として流れるＣＯ_２ガスＦ１よりも圧力が高く、温度が低い。また、第２冷却流体Ｆ２２は、ＣＯ_２ガスＦ１よりも温度が低く、第１冷却流体Ｆ２１よりも温度が高い。このため、本実施形態では、導入管３４５からタービンケーシング４１へ伝達する熱は、冷却流体通路４６１，４９１が無い場合よりも低く、冷却流体Ｆ２によってタービンケーシング４１が冷却される。

【0107】

その後、第１冷却流体Ｆ２１及び第２冷却流体Ｆ２２は、第１実施形態の場合と同様に、タービンケーシング４１の内部を流れて外部へ排出される。

【0108】

［Ｃ］まとめ
以上のように、本実施形態においては、ヒートシールド管３４９が導入管３４５を内部に収容していると共に、スリーブ４６の内部にヒートシールド管３４９が収容されている。そして、ヒートシールド管３４９と導入管３４５との間には、作動流体Ｆ１よりも温度が低い冷却流体Ｆ２が流れる。

【0109】

このため、本実施形態では、冷却流体Ｆ２によってスリーブ４６の内面と外面との間の温度差が緩和されるので、スリーブ４６が熱によって膨張することを抑制できる。その結果、スリーブ４６とタービンケーシング４１との間に隙間が発生することを低減し、発電効率を向上することができる。

【0110】

＜その他＞
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。

【符号の説明】

【0111】

１…発電システム、２…酸素製造装置、３…燃焼器、４…タービン、５…発電機、６…再生熱交換器、７…冷却器、８…湿分分離器、９…ポンプ、４１…タービンケーシング、４２…静翼、４３…タービンロータ、４４…動翼、４６…スリーブ、４７…ラビリンスシール、４８…シール部、３０１…燃焼器ケーシング、３４５…導入管、３４９…ヒートシールド管、４１１…内部ケーシング、４１２…外部ケーシング、４３１…ロータディスク、４６１…冷却流体通路、４８１…第１シール部、４８１Ａ…第１シールリング、４８１Ｂ…第２シールリング、４８２…第２シール部、４８２Ａ…第３シールリング、４８２Ｂ…第４シールリング、４９１…冷却流体通路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】