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乙川 義憲; 松田 誠; 阿部 信市
JAEA-Technology 2022-037, 23 Pages, 2023/03
JAEA-Technology-2022-037.pdf:5.38MB
原子力機構-東海タンデム加速器の発電用回転シャフト装置の軸受ユニットは、加速器の設置当初からベアリングの運転寿命が短く、交換整備後も初期故障が多発していた。そのため交換整備の数量や頻度が多く、加速器圧力容器を開放して行う定期整備において多くの時間を費やしており、これを解決することが長年の懸案事項であった。この初期故障の原因を考察した結果、軸受ユニットが軸方向変位に対し自由度がないこと、および上下の軸受ユニットの回転軸を一致させることが困難であることが主な原因であり、そのためベアリングに過度な負担が生じていると推察した。これを解決するため、軸受ユニットのフランジに軸方向変位と偏角の自由度を持たせるように金属板ばねによるカップリング(軸継手)を有した軸受ユニットを開発した。この結果、キャスティング間の距離のばらつきや、上下の軸受ユニットの回転軸のずれを許容できるようになった。開発した新型軸受ユニットを実機に設置し、実運転で使用を継続しつつ改良を加えることでベアリングの初期故障の数を減らし、運転寿命を約2倍以上に延ばすことに成功した。この開発により、軸受ユニットの交換整備数が減ったことで整備時間を1週間に短縮できた。また、年間で3回程度実施していた加速器圧力容器を開放して行う定期整備の1回化を実現し、その恩恵として温暖化ガスである六フッ化硫黄(SF
)ガスの放出量を年間で約33
50%に削減できた。本報告書では、新型軸受ユニットの開発および2006年から2020年までの整備状況について報告する。
宮川 進*; 伊藤 登志政*; 岩堀 恵介*; 青山 喜彦*; 久保 亮佑*; 村田 慎治*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美*; 梶原 堅太郎*
材料, 69(4), p.308 - 314, 2020/04
数GPaの高い接触応力が繰り返し加えられる転がり軸受のフレーキング部分で、ナイタール腐食液で白く見える白色組織が認識される場合がある。これまで、ボールの白色組織の研究は、内輪と外輪の白色組織の研究よりも少なかった。本研究では、ボールの白色組織によるフレーキングメカニズムの説明の一環として、SPring-8の高エネルギー白色X線(A法)と実験室X線測定装置(B法)を使用したボールの内部残留応力分布を調査した。前者は、B法に準拠した表面残留応力によって修正された。後者は、電解研磨の形で応力を解放することによって変更された。結果は、修正された残留応力分布がほぼ定性的に一致することを示した。
高田 昌二; 滝塚 貴和; 國富 一彦; 小杉山 真一; Yan, X.; 松本 岩男*
日本原子力学会和文論文誌, 2(4), p.525 - 531, 2003/12
GTHTR300のターボマシンを支持する磁気軸受設計の妥当性を検証するために、試験装置を設計するとともに試験計画を作成した。ターボマシンは、フレキシブルカップリングにより接続したターボ圧縮機と発電機ロータで構成され、それぞれ2個のラジアル磁気軸受で支持する。両ロータは、定格回転数以下に曲げモード危険回転数を持つ弾性ロータである。磁気軸受負荷容量は、弾性ロータを支持する既存の軸受に比べ10倍程度大きい。試験装置は、フレキシブルカップリングにより接続した実機の1/3スケールの試験ロータにより構成される。磁気軸受負荷容量は、既存技術で製作可能な値として、実機の1/10とした。試験ロータは実機の危険速度と振動モードを模擬できるように設計した。本件は、文部科学省から原研への委託により実施している電源特会「核熱利用システム技術開発」の「高温発電システム」の内容に関するものである。
高田 昌二; 滝塚 貴和; 國富 一彦; Yan, X.; 皆月 功*
第31回ガスタービン定期講演会論文集, p.55 - 60, 2003/06
ヘリウムガス冷却高温ガス炉ガスタービン発電プラント(GTHTR300)の設計研究を行った。再生式閉サイクルにより、850
C,7MPaのタービン入口条件で45.8%の発電効率を得た。ターボマシンは、単軸,磁気軸受支持とした。タービン及び圧縮機は、各々93%,90%のポリトロープ効率を達成した。再生熱交換器は、プレートフィン型とした。効率が高く、安全性に優れた原子力発電プラントの成立性の見込みが得られた。本報告では、GTHTR300ターボ圧縮機の空力設計,動力変換系統設計及びターボ圧縮機の保守補修方針について報告する。なお、本件は文部科学省から原研への委託により実施している電源特会「核熱利用システム技術開発」の「高温発電システム」の内容に関するものである。
頼経 勉; 石田 紀久
JAERI-Tech 2003-022, 118 Pages, 2003/03
JAERI-Tech-2003-022.pdf:18.03MB
これまで原研は舶用炉用として、高温・高圧水環境下で動作するモーター駆動方式の内装型制御棒駆動装置を開発している。この研究成果をもとに、革新的小型炉に過酷な条件の高温蒸気中で使用できるように、駆動モーターのコイル及び軸受けを開発した。駆動モーターについては、高温蒸気中用駆動モーターを製作し、性能試験を実施し、試験結果及びこれまでの高温水中性能評価試験結果に基づき、高温蒸気中での電磁特性及び冷却特性を解析・評価した。その結果、高温蒸気中駆動モーターの駆動コイル性能を確認し、本モーターが高温蒸気中においても十分性能を発揮できることを確認した。また、軸受については、複数の材料特性試験用試験片を製作し、高温蒸気中での転がり摩耗試験を実施し、軸受材としての性能を評価するとともに、蒸気中雰囲気で使用可能な軸受材料を選定した。
高田 昌二; 滝塚 貴和; 國富 一彦; Yan, X.; 片西 昌司; 小杉山 真一; 塩沢 周策
日本機械学会第8回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.189 - 192, 2002/00
本論文では、GTHTR300実証プラントの発電系設計により得られた成果について報告する。本プラント設計では、経済性を高めるために、主要機器の物量を低減することと高性能化を目指した。本プラントでは、ターボマシン,発電機及び再生熱交換器,前置冷却器を動力変換容器及び熱交換機収容器内に収納する。これらの機器や容器の寸法を最小化させて物量を低減する必要がある。本プラントでは中間冷却器のないサイクルを採用するとともに、前置冷却器はコンパクトなローフィン質ヘリカルコイル型として物量を低減した。タービンと圧縮機のポリトロープ効率の設計目標値をそれぞれ93%,90%まで高くして、翼形状を3次元化するなどして設計目標値を満足できるようにした。なお、本件は文部科学省から原研への委託により実施している電源特会「核熱利用システム技術開発」の「高温発電システム」の内容に関するものである。
布川 浩*; 頼経 勉; 今吉 祥*; 笠原 芳幸*; 落合 政昭; 石田 紀久
JAERI-Tech 2001-040, 115 Pages, 2001/06
JAERI-Tech-2001-040.pdf:10.18MB
改良舶用炉MRXで採用している原子炉容器内装型制御棒駆動装置の重要な要素技術の一つである高温水中軸受の開発を完了した。本報告書は、軸受けの開発の成果として軸受材料の調査検討から始まって、オートクレーブによる材料浸漬試験、小型試験片での各種転がり摩耗試験、そして、実機軸受による高温水中耐久試験についてまとめたものである。実機高温水中軸受の材料としては、内外輪にステライトNo.1、玉にサーメット、保持器にグラファイトを用いた組み合わせが有望であることがわかった。
武藤 康; 石山 新太郎; 猪亦 麻子*; 岸部 忠晴*; 皆月 功*; 松本 岩男*; Levet, F.*
Proceedings of ASME Turbo Expo 2001 (CD-ROM), 8 Pages, 2001/00
本報告は科学技術庁から原研に委託された「高温発電システムフィージビリティスタディ」の成果をまとめたものである。熱出力600MW、原子炉出口温度850
、圧力6MPaの高温ガス炉に接続するヘリウムガスタービン発電系統についての予備設計からの改良点につきまとめた。改良の目標はガスタービンロータのコンパクト化であり、タービンについては負荷係数とコード長さの変更により、圧縮機については詳細な応力解析によりコンパクト化に成功した。また軸系についても、磁気軸受の設計による改良を行い、高圧圧縮機とタービン間の軸受の削除及び発電機ロータの応答倍率の縮少に成功した。さらに、遠隔保守により、ガスタービンロータを収納容器から引抜き、検査の上、再組立できることを示した。これらの改良設計の結果、正味46%の高い熱効率の魅力的な設計概念を構築できた。
武藤 康; 石山 新太郎; 福山 佳孝*; 納本 淳司*; 岸部 忠晴*; 山田 誠也*
Proceedings of 45th ASME International Gas Turbine & Aeroengine Technical Congress, Exposition and Users Symposium (CD-ROM), 8 Pages, 2000/00
本報告は科学技術庁から原研に委託された高温ガス炉ガスタービンのフィージビリティスタディの中で実施された熱出力300MW発電プラントの設計結果をまとめたものである。ヘリウムガスの比熱が空気の5倍と大きいことに起因して、ヘリウムタービンの段数が多く翼長が短くなる傾向がある。特に300MWクラスの比較的小容量機では、このことが設計上の大きな課題となっている。これに関し、まず回転数を高くして周波数変換器をつけた場合と同期回転数の設計結果の予備検討につき記し、後者について詳しい設計結果を述べる。得られた効率は、タービン、低圧圧縮機、高圧圧縮機に対して、各々93.09%,89.92%,90.25%であり、十分高性能であった。発電機設計及び軸系設計とも問題はなく、本プラントの技術的成立性及び熱効率が48.2%の高い値が期待できることが確認された。
武藤 康; 石山 新太郎; 田沼 唯士*; 岸部 忠晴*; 松本 岩男*
Proceedings of International Gas Turbine Congress 1999 Kobe, I, p.313 - 320, 1999/00
本報告は、電源特別会計予算として科学技術庁より原研に委託された高温発電フィージビリティスタディの成果である。熱出力600MWtの高温ガス炉(原子炉出入口ガス温度=850/460)に直接再生サイクルヘリウムガスタービンを接続した発電プラントのガスタービン系統の設計結果について述べる。タービンについては、段数、負荷係数及び流量係数の選定、圧縮機については、段数の選定及び設計結果としてのディフュージョンファクター及び負荷係数について述べる。設計の結果、タービン、低圧圧縮機及び高圧圧縮機の断熱効率は、それぞれ93.3%、89.3%、89.2%となった。発電機については本体の設計及び起動用電動機としての役割について記す。さらに、ダイアフラムカップリングにより3分割されたローターの軸系計算結果を記す。以上の設計結果として、正味発電効率として46.7%の値が得られた。
*
PNC TJ1556 97-001, 480 Pages, 1997/03
超電導を応用した磁気軸受を再処理施設機器へ適用する可能性とその要件を検討することを目的に磁気軸受動作の基本、高温超電導磁気軸受の研究・設計内容、技術の現状を調査した。この結果を総合して、再処理施設の非接触技術として高温超電導体バルク磁気軸受の可能性、有用性は非常に高いと判断した。これに実証し、再処理施設用の磁気軸受を開発するための設計データを集めるような実験研究は、これまで全く行われていない。ここでは再処理施設内機器用の磁気軸受の開発研究、具体的には高温超電導バルク磁気軸受を使った清澄機、遠心抽出機の原型モデル機の開発を提案したい。そのための第一段階として具体的な実証実験機の設計検討のための研究会ないしは委員会の発足を提案したい。更に、これまでは試作機器に即して考えられてきていた補助技術、特に、磁気軸受、高温超電導体の冷凍維持構造の設計、長時間運転液体窒素冷凍システム、高温超電導体バルクの励磁技術と装置開発および磁束フローによる磁場変動に対する捕捉磁場追加技術・装置の開発も実施することを提案する。
宮地 謙吾
プラズマ・核融合学会誌, 73(4), p.427 - 433, 1997/00
臨界プラズマ試験装置(JT-60)は本体各種コイルや第二段加熱装置などの負荷に約130万kVAの電力を瞬間的かつ間欠的に必要とするが、商用電力系統からは系統の安定上、全電力を受電することはできない。そこで実験を行う際には、パルス電力として受電可能な電力約20万kVAを除き、残りの所要電力はフライホイール効果を持つ電動発電機(MG)を加速し、回転体に蓄えた機械的エネルギーを放電時に電気エネルギーとして利用する電力システムとなっている。JT-60電源の3種類のフライホイール電動発電機(MG)の構造、運転方式、運転実績等について記述する。
大内 義弘; 藤崎 勝夫; 小林 敏明; 加藤 道雄; 太田 幸丸; 渡辺 周二; 小林 秀樹*; 茂木 春義
JAERI-Tech 96-030, 244 Pages, 1996/07
大型構造機器実証試験ループ(HENDEL)は、HTTRの炉内構造物及び高温機器に関する性能及び信頼性を実証するための大型試験装置である。主要設備は、M+Aループ(高温ヘリウムガス供給系)、T
試験部及びT
試験部であり、1995年2月までの通算運転時間は、M+Aループで22900時間、T試験部で19400時間、T試験部で16700時間である。実証試験は当初の目的を果し、HTTRの設計、安全審査及び建設に活用された。また、10年以上の運転経験により、大型ガスループの運転技術、ヘリウムガスの取扱技術及び高温機器の保守技術を確立した。本報告書は、HENDELの設備の概要、1982年3月から1995年2月までの運転実績及び保守管理の内容についてまとめたものである。
廣木 成治; 阿部 哲也; 岡本 正智*; 井口 昌司*; 中村 順一*; 中関 嗣人*; 村上 義夫
真空, 38(4), p.458 - 462, 1995/00
核融合炉の真空排気システムに使われる真空ポンプとしては、連続排気が可能で、トリチウムの滞留量を少なくすることができるターボ分子ポンプや複合分子ポンプ等の機械式ポンプが有望である。これらの真空ポンプとしては、トリチウムの滞留を減らし、据付面積を減らして、できるだけ炉の近くに設置するために、単機あたりの排気容量のできるだけ大きな、磁気軸受を用いた機械式ポンプが求められている。大型の磁気軸受型機械式ポンプの開発においては、誤操作等による大気突入で回転翼に発生する大きな揚力に耐えうる保護軸受の開発が重要である。そこで、高耐荷重を目指して試作した保護軸受を、排気速度が0.32m
/sの複合分子ポンプに組込んで大気突入試験を行い、最大揚力が6.9
10Nの大気突入に10回以上耐えうることを確認した。
下村 寛昭; 加藤 道雄
4th Int. Symp. on Magnetic Bearings,Proc., 0, p.383 - 387, 1994/00
高温ガス炉を熱源とする閉サイクルガスタービン開発にとって磁気軸受技術がキーテクノロジとなり、ヘリウムを作動流体とする場合、ロータの高速化の結果、不釣合力と固有振動数の関係から、大きな支持力と減衰特性が求められる結果、巨大な駆動電力が必要となり、静電誘導トランジスタの応用と回路の改善で大電力化、高効率化とシステムの信頼性向上等が達成できるこを述べる。次に、予想されるガスタービン用磁気軸受の要目と静電誘導トランジスタの要点を示し、開発した増幅器主要部の構成と作用を解析し、直流及び模擬交流入力に対する基本特性について、負荷のインダクタンス、並列容量等と電気的特性との関係を検討した。また、電磁石インピーダンスと制御デバイスの等価インピーダンスとの整合の必要性、スイッチング周波数及び制御ロータ回転数と並列容量の関係等を明らかにした他、より高効率化を図るための概念に言及している。
中島 一也; 安 隆己; 河田 東海夫
PNC TN8410 91-325, 68 Pages, 1991/11
目 的高性能型(6000rpm型)遠心清澄モックアップ装置は,清澄運転後,不溶解残渣(約2Kg)を保持した状態での降速時(定格6000rpmから回転数を下げる時)に装置本体,設置架台に不安定振動が生じることが確認された。本報告書は,不安定振動の原因究明と振動低減のための対策を施した後,降速時の振動特性等を把握する。方 法 不安定振動の発生要因として,下記に示す4項目が考えられる。1. 下部軸受ダンパの振動吸収力と回転ボウルが発生する振動力の不釣り合い2. 給液条件の影響3. ボウル内液自由表面下の流体振動の影響4. 設置架台強度の影響本試験は,上記の項目の内,13に対する対策を実施し,清澄運転後,不溶解残渣(アルミナ約2Kg)を保持した状態の降速時のボウル・軸振動幅を定量測定し,振動低減に最も効果があり,清澄性能(捕集効率),給液リーク率,スラッジ洗浄に影響を及ぼさない対策を選定する。結 果1.下部軸受緩衝体のダンピング係数をバネ定数k=9kgf/cm,減衰係数c=20kgf・s/cmに定した場合と従来の場合(k=600kgf/cm,c= 0.3kgf・s/cm)と比較しても,振動低減の効な効果は確認できなかった。2. ボウル内壁に対するスラッジ付着位置を変えること,すなわち,給液ノズル高さを変え,給液することによりスラッジの付着位置を変え,スラッジ自体をボウルの回転中のバランスをとるバランサとして作用させるという対策の場合,給液ノズルをボウル下面より55mm上に設置した場合と従来の場合(ボウル下面より25mm上)を比較すると,降速時の振動が約1/3,給液リーク率が約1/6に低減できることが確認出来た。3. 回転ボウル内液自由表面上の流体振動による不安定振動低減のため,横バッフル板を回転ボウル内壁にボウル下面より 150mm上に設置した場合,給液条件を変える対策の場合と比較しても顕著な効果は確認できなかったが,清澄運転時の回転数を40006000rpmの間に設定した試験でも安定した運転が確認できた。結 論 今回実施した試験範囲の結果より,高性能型機(6000rpm型機)の振動低減に最も効果があり,さらに,清澄性能の低下,給液リーク率の増加,スラッジ洗浄性能の低下をもたらさない条件を下記に示す。給液ノズル条件--ボウル下面より55mm上で給液する横バッフル板設置
下村 寛昭; 川路 さとし; 太田 幸丸
Proc. of the 2nd Int. Symp. on Magnetic Bearings, p.93 - 99, 1990/00
HENDELにおけるヘリウムガス循環機及び同往復動式圧縮機に関する運転経験と各種試験結果から、これらの機能向上がHTTRを始めとする高温ガス炉の開発と信頼性あるいは安全性の向上にとって極めて重要であることが明らかになった。これら機器の大幅な性能向上を図るため、能動式磁気軸受を応用したHENDEL用ヘリウムガス循環機(ガス軸受式)と同規模な循環機に相当する高速模擬ローター試験装置及び高速無摺動ピストン式往復動圧縮機を試作開発し、各種試験を実施した。これらの作動特性と検討結果から、各々の機器に関する実用機開発への見通しが得られると同時に、能動式磁気軸受システムの問題点も明らかになった。より高性能なシステムを実現する上で制御安定性を広い領域で実現することが大切であり、現状は必ずしも満足でないことも判った。高性能化するための解析的計算例を示すとともに原理的改善策にも言及した。
下村 寛昭; 川路 さとし; 藤崎 勝夫; 飯塚 隆行
JAERI-M 89-064, 90 Pages, 1989/06
大型構造機器実証試験装置(HENDEL)に使用中のガス軸受機械としては最大級のヘリウムガス循環機、計5台のうち、代表的機種について実施した軸振動に関する試験結果を中心として報告する。また、過去のティルティングパッド及びガス軸受に関するいくつかの研究結果と本試験結果を比較検討した。試験結果からガス軸受機械の軸系における不安定振動又は振れ回りを防止するためには高度なバランシング、軸受パッドの追従性及び軸受部の気膜厚さの調整が極めて重要であることが判った。しかしながら、これらの要求を実際に、特に大型ガス軸受機械において満足するには多くの困難が存在するため、微弱なハーフスピードホワールが発生し始めた状態を高感度に検出し、自動的にこれに対処することが装置を含むプラントの安全を保つ上に重要であるとの結論に達した。
下村 寛昭; 奥山 邦人; 近藤 康雄; 加治 芳行; 根小屋 真一; 国玉 武彦; 藤崎 勝夫; 川路 哲; 小林 敏明; 加藤 道雄
JAERI-M 87-058, 48 Pages, 1987/04
1986年3月~1987年2月に至る期間中、HENDELの運転を通して その技術的な主要事項とTおよびT試験部を除く試験内容、障害等を含めて要約した。当期間においてTおよび新たに設置したT試験部を含めてM+Aル-プは比較的安定に運転された。T試験部に関連して、既設高温配管を解体、検査すると共にM+Aル-プとT試験部との間に新たに高温配管および中温配管を設置した。運転及び改造の外に官庁検査及び安全対策の為の調整、整備を実施した。当該期間内にはガス循環機及び電気系統に関する障害等も発生した。これらに対する対策及び試験を通してガス循環機及び圧力容器等に関する有用な技術情報が得られた。これらは高温ガス試験研究炉 或いは一般産業機械技術にとって有益なものとなろう。尚、本報の主用内容についてはHENDEL/KVK協定に基づいて62年3月の定期協議においてドイツ側に報告した。
根本 政明*; 岡本 芳三
JAERI-M 7214, 54 Pages, 1977/08
多目的高温ガス実験炉(VHTR,50MWt)の開発にあたり高精度の試験や環境への安全性等の要求事項を満す有力な方法の1つにガス軸受循環機の適用がある。そこで今迄に高温ガス冷却炉用のブロアとして実用ないしは計画されたガス軸受循環機につき調査を行ない次のような事実を明らかにした。(1)すでにテストループや原子炉補機には多数の小型ガス軸受循環機が用いられている。(2)現在では熱出力20MWt程度の実験炉用サーキュレータへジャッキアッブガス機構付きガス軸受の応用開発がなされている。(3)実証炉級の2000~3000HPの出力を必要とする大型ガス軸受循環機は基礎研究の段階にある。
