火力発電における連携：英国のエネルギーグリッドの中核を担うエンジニアリング

主要機能要件

• G2.5動的バランス仕様内のねじり剛性
• ミスアライメント許容範囲：角度0.5°以上、軸方向±3mm
• 通常同期運転中はバックラッシュはゼロです
• 突然の負荷遮断事象発生時のフェイルセーフ機能
• オイルミスト潤滑システムまたはドライ潤滑システムに対応
• EN/BS材料規格への完全なトレーサビリティ

火力発電所では、天然ガスを複合サイクル方式で燃焼させる場合でも、石炭を従来のランキンサイクル方式で燃焼させる場合でも、英国の再生可能エネルギー義務プログラムの一環としてバイオマス燃料ペレットを燃焼させる場合でも、原動機と発電機間の機械的接続は、駆動系全体の中で最も重要な伝達ポイントです。2010年代半ばに段階的な廃止措置が始まるまで、コッタム、ラトクリフ・オン・ソアー、ウェスト・バートンなどの場所でイングランドの発電設備の基幹を成していたような、定格出力400～660MWの大型発電ユニットでは、このカップリングは、3,000rpmの軸回転速度で1,000～2,500kNmのトルクを連続的に伝達します。

この用途における熱膨張の課題は容易ではありません。耐クリープ性Cr-Mo-V合金鋼で製造された大型蒸気タービンのローターは、蒸気エネルギーを吸収し、500℃を超える運転温度で熱平衡に達すると、冷間状態と高温状態の間で数ミリメートルの軸方向の伸びが生じます。低圧タービン排気端（通常は発電機との接続点）に配置されたカップリングは、タービンケーシングを拘束したり、発電機のスラストベアリングに過度の推力を加えたりすることなく、この膨張に対応する必要があります。英国の発電所で使用されているギアカップリングの設計では、ギアのかみ合い形状に軸方向の自由度を持たせたフローティングシャフト配置によって、この課題が解決されています。

イングランドとスコットランド全域で稼働している最新のCCGT発電所（ノースヨークシャー、リンカンシャー、フォース湾回廊に主要施設がある）では、課題はやや異なるものの、要求水準は劣らない。単軸CCGT構成で高速発電機に接続されたガスタービンは、3,000rpmを超える速度で回転する可能性があり、系統同期速度を達成するためにギアボックスが必要となる。このような構成では、ガスタービンとギアボックスの入力軸間のカップリングは、定格トルクだけでなく、燃焼室内の周期的な点火イベントから生じる激しいねじり励振にも対処しなければならない。ガスタービンの各燃焼行程は測定可能なトルクリップルを生成し、カップリングのねじりコンプライアンス設計で適切に考慮されていない場合、特定の回転速度では、シャフトシステムのねじり固有振動数を励起する可能性がある。

英国で成長を続けるバイオマス発電部門は、特にノースヨークシャーのドラックス発電所（元々は石炭火力発電所だったが、現在は完全にバイオマス発電所に転換され、世界最大級のバイオマス発電施設の一つとなっている）を中心に発展しており、独自の要求事項を抱えている。バイオマス発電所は、従来のベースロード石炭火力発電所よりも起動・停止のサイクルが頻繁である。これは、電力需給調整市場に積極的に参加し、再生可能エネルギーの供給パターンに対応するためである。このサイクル頻度の高さは、カップリングが年間に蓄積する熱過渡サイクル数の増加を意味し、単純な定常状態での耐久性よりも、温度勾配領域における疲労寿命に重点が置かれることになる。そのため、このような用途向けのカップリングは、ハブのキー溝付近の疲労亀裂に対する安全率を高く設計する必要がある。

運用状況 — 英国火力発電艦隊

アプリケーションシナリオ

英国洋上風力発電所向けギアボックス駆動装置

北海やアイリッシュ海に展開する洋上風力タービン（ホーンジー・ワン、ダジョン、ベアトリスなどの風力発電所を含む）は、突風による変動トルク負荷、モノパイル基礎への波浪作用による継続的な振動、腐食性の高い海洋大気といった、他に類を見ない過酷な複合的な負荷に駆動系カップリングをさらしています。主軸とギアボックスの接合部、およびギアボックスと発電機の接続部にあるカップリングは、空力負荷によってナセルがたわむ際に発生する大きな角度ずれに対応すると同時に、密閉性の高いナセル筐体にも侵入する塩水霧にも耐えなければなりません。

アプリケーションシナリオ

製鉄圧延工場の駆動装置 ― シェフィールドおよびロザラム

シェフィールドとロザラムを中心とするサウスヨークシャーの鉄鋼業界は、英国で最も歴史が古く、駆動カップリングに対する要求が最も厳しい産業環境の一つです。圧延機の主駆動装置では、鋼片がロールギャップに入るたびに、カップリングに激しいねじり衝撃荷重がかかります。鋼片が圧延機に食い込む瞬間、圧延力が急激に上昇し、定常状態の3～5倍にも達する急激なトルクスパイクが発生します。このような用途のカップリングには、非常に高いピークトルク容量、圧延機の稼働期間中に数百万回もの衝撃サイクルに耐える堅牢な構造、そして熱間圧延中に発生する相当な熱による圧延機ハウジングの熱膨張によって生じるミスアライメントに対応できる能力が求められます。

アプリケーションシナリオ

水処理におけるポンプ駆動装置 ― バーミンガムおよびミッドランズ

セヴァーン・トレント・ウォーター社をはじめとするミッドランズ地方の水道事業者は、バーミンガムおよびウェスト・ミッドランズ地域に広がるポンプ場のネットワークを運営しており、セヴァーン川とトレント川の水系から原水を取水し、最終的な配水加圧を行っています。これらの設備では、大型の遠心ポンプがフレキシブルカップリングを介して電動モーターで駆動されます。このカップリングには、水道事業者に求められる一般的な要件、すなわち、ポンプ室の湿度が高く、時には化学物質で汚染された環境への耐性、モーターとポンプのシャフトシステム間の熱膨張差への対応、バルブの閉鎖時やポンプの停止時に発生する油圧ショック荷重への耐性などが含まれます。

アプリケーションシナリオ

船舶推進用ギアボックス ― 英国造船業

スコットランドのクライド川沿いの造船所や、南海岸にあるBAEシステムズの施設など、英国の造船所は、海軍艦艇の推進システム向けに高信頼性カップリングを指定している。この文脈において、ディーゼルエンジンまたはガスタービン原動機と推進ギアボックス間のカップリングは、数千キロワットにも及ぶエンジンの定格出力だけでなく、プロペラのキャビテーション現象、ブレードが波で乱された水面に突入する際、および緊急後進操作によって生じるねじり衝撃荷重にも耐えなければならない。海軍の仕様では、音響特性に関する要求も追加されており、カップリングが船舶のソナー特性を損なう可能性のある振動高調波を伝達したり、受動音響センサーで検出されたりしないことが求められている。

フレキシブルビームカップリング

サーボモーターや精密機器の駆動に最適な、コンパクトでメンテナンスフリーのソリューションです。らせん状のビーム形状により、バックラッシュゼロを維持しながらねじり剛性を確保できるため、エンコーダ、ステッピングモーター駆動装置、ラボオートメーションシステムに最適です。内径とトルク要件に応じて、高強度アルミニウム合金またはステンレス鋼で製造されます。

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ディスクカップリング

ディスクカップリングは、タービン発電機駆動装置、コンプレッサ列車、高速回転機械向けの高トルクかつメンテナンスフリーの動力伝達における最先端技術です。ステンレス鋼製のディスクパックは、ディスク形状の弾性変形によって角度および軸方向のずれを吸収し、エラストマー製のものよりもはるかに高いねじり剛性でトルクを伝達します。摩擦はゼロで、潤滑も不要です。必要なずれ補正の程度に応じて、シングルディスク構成とダブルディスク構成を選択できます。

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ノースヨークシャー州セルビーにある大規模バイオマス発電所のエンジニアリングチームは、2024年の計画停電期間中に、エバーパワー社に緊急の要望を伝えました。同社の660MW蒸気タービンユニットの1基で、振動監視分析の結果、タービンと発電機のカップリングの劣化が原因で、振動の問題が進行していることが判明したのです。既存のギアカップリングは、前回の大規模オーバーホール以来、約85,000時間の運転時間を経過しており、運転速度の2倍の周波数で高い振動特性を示していました。これは、カップリングの角度ずれの蓄積と歯の摩耗によるギアのかみ合い接触率の低下が組み合わさった典型的な兆候です。

課題は、発電所の運転サイクルによってさらに複雑化していた。石炭火力発電所からバイオマス火力発電所に転換されたこのユニットは、現在では英国の電力供給市場に大きく関与し、ナショナル・グリッドESOの指令に定期的に対応しており、当初のベースロード石炭火力発電所としての運転期間よりも年間起動・停止サイクルが著しく多くなっていた。エンジニアリングチームは、ギアカップリングを同等のものに交換することは簡単ではあるものの、現在の劣化状態の一因となったメンテナンス要求を再現してしまうことを認識していた。そこで、メンテナンスフリーのディスクカップリング構成へのアップグレードの実現可能性を評価するよう、エバー・パワー社に依頼した。

Ever Power社のアプリケーションエンジニアリングチームは、発電所から提供されたシャフト図面と過去の振動データを基に、ローター列のねじり解析を徹底的に実施しました。解析の結果、提案されたディスクカップリング構成は、バランス品質を大幅に向上させつつ、十分なねじりコンプライアンスを維持できることが確認されました。特注のディスクカップリングは製造、組み立て、G2.5の動的バランス調整を経て、計画された停止期間内に納入されました。設置後の振動測定では、シャフト全体の振動振幅が40%以上低減され、タービンと発電機のベアリングハウジングはいずれも発電所の運転ガイドライン内で安定して稼働していることが確認されました。