DE102021207523A1

DE102021207523A1 - Leitschaufelheizsystem, Dampfturbine mit einem Leitschaufelheizsystem, Leitschaufelsegment und Leitschaufelheizverfahren

Info

Publication number: DE102021207523A1
Application number: DE102021207523.1A
Authority: DE
Inventors: Yurika Seo; Yasuhiro Sasao; Takeshi Kudo
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2041-07-16
Also published as: JP2022019381A; DE102021207523B4; JP7212010B2; US20220018263A1

Abstract

Ein Leitschaufelheizsystem 20 soll eine hohle Leitschaufel 10 einer Dampfturbine heizen und umfasst: eine elektromagnetische Spule 21, die innerhalb eines hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist; und eine Heizvorrichtung 22, die mit der elektromagnetischen Spule 21 elektrisch verbunden ist und in der Lage ist, einen Wechselstrom zur elektromagnetischen Spule 21 zuzuführen. Ein Kern 24, der mit der elektromagnetischen Spule 21 umwickelt ist, ist innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet. Das Leitschaufelheizsystem umfasst ferner einen Regulierer 26, der die Ausgabe des Wechselstroms der Heizvorrichtung 22 reguliert, und einen Temperatursensor 25, der die Temperatur der Leitschaufel 10 detektiert. Der Regulierer 26 reguliert die Ausgabe der Heizvorrichtung 22 auf der Basis der durch den Temperatursensor 25 detektierten Temperatur.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leitschaufelheizsystem, das für eine Dampfturbine verwendet wird, eine Dampfturbine mit dem Leitschaufelheizsystem, ein Leitschaufelsegment, das für eine Dampfturbine verwendet wird, und ein Leitschaufelheizverfahren, das für eine Dampfturbine verwendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In einer Dampfturbine, die in einem Kernkraftwerk, einem Wärmekraftwerk oder dergleichen verwendet wird, sind abwechselnd Kaskaden von Leitschaufeln und Laufschaufeln angeordnet und bilden mehrere Turbinenstufen. Dampf mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck als Arbeitsfluid der Dampfturbine wird durch die Kaskaden von Leitschaufeln rektifiziert und treibt einen Läufer mit den Kaskaden von Laufschaufeln rotatorisch an.
Die Temperatur und der Druck dieses Dampfes nehmen jedes Mal ab, wenn der Dampf durch eine Turbinenstufe hindurchtritt. Der Dampf befindet sich in einer Niederdruckturbinenstufe in einem Zustand von nassem Dampf, der winzige Wassertropfen enthält. Viele der winzigen Wassertropfen treten zwischen den Schaufeln der Kaskaden zusammen mit dem Dampf hindurch. Ein Teil der winzigen Wassertropfen haftet jedoch an den Schaufeloberflächen von Leitschaufeln. Außerdem können an einem Teil mit einer niedrigeren Temperatur als der nasse Dampf in den Schaufeloberflächen der Leitschaufeln Wassertropfen durch Kondensation des Dampfs aufgrund von Unterkühlung erzeugt werden. Solche Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen der Leitschaufeln werden angesammelt und bilden dadurch einen Flüssigkeitsfilm. Wenn sich der Flüssigkeitsfilm durch die Strömung des Dampfs in die Nähe der Austrittskanten der Leitschaufeln bewegt und sich in die Strömung des Dampfs verteilt, kann der Flüssigkeitsfilm als großer Wassertropfen nach unten strömen. Es ist bekannt, dass dieser große Wassertropfen eine Erosion auf den Oberflächen von Laufschaufeln, die sich mit hoher Drehzahl drehen, und einem stationären Element auf der Stromabwärtsseite der Leitschaufeln durch Kollidieren mit den Laufschaufeln und dem stationären Element verursacht.
Als Verfahren zum Unterdrücken einer Oberflächenerosion der Laufschaufeln ist eine Struktur bekannt, in der Schlitze an der Schaufeloberfläche einer Leitschaufel mit einer hohlen Struktur vorgesehen sind, so dass sie mit einem hohlen Abschnitt der Leitschaufel in Verbindung stehen (siehe beispielsweise JP-2015-7379-A ). Ein Flüssigkeitsfilm, der auf der Schaufeloberfläche der Leitschaufel gebildet wird, wird entfernt, indem er über die Schlitze in den hohlen Abschnitt der Leitschaufel gesaugt wird, der mit einer Auslasskammer oder dergleichen in Verbindung steht und auf einem relativ niedrigen Druck liegt.
Außerdem ist bekannt, dass ein anderes Verfahren zum Unterdrücken einer Oberflächenerosion der Laufschaufeln eine Leitschaufel selbst durch Ermöglichen, dass Hochtemperaturdampf in einem hohlen Abschnitt der Leitschaufel mit einer hohlen Struktur zirkuliert, heizt (siehe beispielsweise JP-1998-103008-A ). In dem Verfahren zum Heizen der Leitschaufel der Dampfturbine, wie es in JP-1998-103008-A beschrieben ist, wird ermöglicht, dass Abzweigdampf mit einer hohen Temperatur und einem niedrigen Druck, der von einer Wellendichtungspackung auf einer Hochdruckseite der Dampfturbine extrahiert wird, durch den hohlen Abschnitt der Leitschaufel strömt, wird dadurch verwendet, um die Leitschaufel zu heizen, und wird danach an eine Niederdruckstufe der Dampfturbine abgegeben.
In einem Fall, in dem eine Erosion der Laufschaufeln oder dergleichen durch Vorsehen von Schlitzen an der Schaufeloberfläche der Leitschaufel mit einer hohlen Struktur unterdrückt werden soll, wie in der in JP-2015-7379-A beschriebenen Technologie, wird ein Bohrer oder eine Bearbeitung mit elektrischer Entladung im Allgemeinen für die Schlitzbearbeitung eines Schaufelmaterials verwendet. Folglich ist die Bearbeitungsgenauigkeit gering und die Kosten sind gewöhnlich hoch. Ferner besteht auch ein Problem einer geringeren Flexibilität bei der Anordnung der Schlitze. Dies liegt daran, dass die Schlitze aufgrund eines Problems der Festigkeit der Leitschaufel intermittierend angeordnet werden müssen. Außerdem ist es schwierig, die Schlitze an einem dünnen Abschnitt in der Nähe der Austrittskante der Leitschaufel zu bearbeiten. Aus dem Obigen besteht ein Bedarf an einer leichteren Herstellung der Leitschaufeln.
In einem Fall, in dem die Erosion der Laufschaufeln oder dergleichen durch Heizen der Leitschaufeln mit Hochtemperaturdampf unterdrückt werden soll, wie in der in JP-1998-103008-A beschriebenen Technologie, ist eine groß angelegte Ausrüstung zum Zuführen von Dampf zu den Leitschaufeln erforderlich. Die in JP-1998-103008-A beschriebene Technologie benötigt beispielsweise eine Abzweigdampfzufuhrleitung von der Wellendichtungspackung auf der Hochdruckseite der Dampfturbine zu den Leitschaufeln in einer Niederdruckstufe und ein an der Leitung angeordnetes Steuerventil. Außerdem hängen die Temperatur und die Durchflussrate des Dampfs als Heizquelle von der Zufuhrquelle des Dampfs ab. Um die Leitschaufeln mit erhitztem Dampf mit einer festen Temperatur und einer festen Durchflussrate zu versorgen, muss daher dem Sicherstellen einer geeigneten Zufuhrquelle, Aufrechterhalten der Temperatur einer Rohrleitung und dergleichen Beachtung geschenkt werden. Dies kann eine Komplikation des Systems hervorrufen. in Abhängigkeit von der sichergestellten Zufuhrquelle kann eine Ausrüstung zum Einstellen der Dampftemperatur erforderlich sein. Dies kann eine weitere Komplikation des Systems hervorrufen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leitschaufelheizsystem, eine Dampfturbine mit dem Leitschaufelheizsystem, ein Leitschaufelsegment, das für eine Dampfturbine verwendet wird, und ein Leitschaufelheizverfahren zu schaffen, die die Herstellung einer Leitschaufel erleichtern und ohne Verwendung einer groß angelegten Ausrüstung eine Erosion unterdrücken können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung umfasst mehrere Mittel zum Lösen der vorstehend beschriebenen Probleme. Um ein Beispiel der Mittel anzuführen, wird ein Leitschaufelheizsystem zum Heizen einer hohlen Leitschaufel einer Dampfturbine geschaffen. Das Leitschaufelheizsystem umfasst: eine elektromagnetische Spule, die innerhalb eines hohlen Abschnitts der Leitschaufel angeordnet ist; und eine Heizvorrichtung, die mit der elektromagnetischen Spule elektrisch verbunden ist und in der Lage ist, einen Wechselstrom zur elektromagnetischen Spule zuzuführen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Leitschaufel durch einen Wirbelstrom geheizt werden, der durch Zuführen eines Hochfrequenzstroms zur elektromagnetischen Spule induziert wird, die innerhalb des hohlen Abschnitts der Leitschaufel angeordnet ist. Daher ist es möglich, Wassertropfen auf der Schaufeloberfläche der Leitschaufel zu verdampfen und zu verhindern, dass Wassertropfen aufgrund der Kondensation des Dampfs auf der Schaufeloberfläche erzeugt werden. In diesem Fall müssen Strukturen zum Entfernen von Wassertropfen wie z. B. Schlitze oder dergleichen nicht an der Leitschaufel mit einer hohlen Form bearbeitet werden und es besteht kein Bedarf für eine groß angelegte Ausrüstung zum Zuführen von erhitztem Dampf zum hohlen Abschnitt der Leitschaufel. Das heißt, es ist möglich, die Herstellung der Leitschaufel zu erleichtern und ohne Verwendung einer groß angelegten Ausrüstung eine Erosion zu unterdrücken.
Andere Probleme, Konfigurationen und Effekte als die vorstehend beschriebenen gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen hervor.
Figurenliste

1 ist eine schematische Längsschnittansicht, die eine Dampfturbine mit einem Leitschaufelheizsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine schematische Vorderansicht, die einen Düsenleitschaufelkranz, der einen Teil der Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, zeigt, wobei die Dampfturbine in 1 gezeigt ist;
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und eine Struktur einer Leitschaufel zeigt, die einen Teil der Dampfturbine bildet;
4 ist eine schematische Schnittansicht der Leitschaufel, die einen Teil der Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, aus der Richtung von in 3 gezeigten Pfeilen IV-IV betrachtet;
5 ist ein Blockdiagramm, das Funktionen eines Regulierers zeigt, der einen Teil des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, wobei das Leitschaufelheizsystem in 3 gezeigt ist; und
6 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Prozedur für die Temperatursteuerung durch den Regulierer darstellt, der einen Teil des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, wobei der Regulierer in 5 gezeigt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen wird nachstehend eine Beschreibung eines Leitschaufelheizsystems, einer Dampfturbine mit dem Leitschaufelheizsystem, eines Leitschaufelsegments, das in der Dampfturbine verwendet wird, und eines Verfahrens zum Heizen von Leitschaufeln der Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Die vorliegende Ausführungsform stellt ein Beispiel der Anwendung auf eine Niederdruckturbine dar.
[Eine Ausführungsform]
Eine Konfiguration einer Dampfturbine mit einem Leitschaufelheizsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zuerst mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. 1 ist eine schematische Längsschnittansicht, die eine Dampfturbine mit einem Leitschaufelheizsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine schematische Vorderansicht, die einen Düsenleitschaufelkranz zeigt, der einen Teil der Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, wobei die Dampfturbine in 1 gezeigt ist. In 1 bezeichnet A eine axiale Richtung und R bezeichnet eine radiale Richtung.
In 1 ist die Dampfturbine beispielsweise von einem Doppelströmungsauslasstyp, in dem zwei Niederdruckturbinen in Tandem miteinander kombiniert sind, und ein Dampfeinlass befindet sich an einem zentralen Abschnitt in der axialen Richtung und Dampfauslässe befinden sich an beiden Endabschnitten in der axialen Richtung. Die Dampfturbine umfasst einen Turbinenläufer 1, der drehbar um eine Achse abgestützt ist, und ein Gehäuse 2, das den Turbinenläufer 1 von der Außenseite bedeckt.
Der Turbinenläufer 1 umfasst: eine Läuferwelle 5 mit mehreren Radabschnitten 5a (sechs Radabschnitten 5a in 1), die in Intervallen in der axialen Richtung A angeordnet sind; und mehrere Laufschaufeln 6, die an einem Außenumfangsabschnitt jedes Radabschnitts 5a der Läuferwelle 5 in Intervallen in einer Umfangsrichtung angeordnet sind. Die mehreren Laufschaufeln 6, die in der Umfangsrichtung am Radabschnitt 5a angeordnet sind, bilden eine Läuferkaskade.
Wie in 1 und 2 gezeigt, sind an einer Innenumfangsseite des Gehäuses 2 ringförmige Düsenleitschaufelkränze 3 befestigt, so dass sie abwechselnd mit Kaskaden von Laufschaufeln 6 in Intervallen in der axialen Richtung angeordnet sind. Wie in 2 gezeigt, ist jeder Düsenleitschaufelkranz 3 durch Koppeln von mehreren Leitschaufeln 10, die in Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind, miteinander gebildet. Die mehreren Leitschaufeln 10 jedes Düsenleitschaufelkranzes 3 bilden eine Leitradkaskade. Wie in 1 gezeigt, ist die Kaskade der Leitschaufeln 10 jedes Düsenleitschaufelkranzes 3 auf einer Stromaufwärtsseite einer Strömung (dicker Pfeil) von Dampf (Arbeitsfluid) entgegengesetzt zu einer Kaskade von Laufschaufeln 6. Die Kaskade von Leitschaufeln 10 bildet eine Turbinenstufe in Kombination mit der Kaskade der Laufschaufeln 6. Jede Niederdruckturbine der in 1 gezeigten Dampfturbine weist beispielsweise sechs Turbinenstufen auf.
Wie in 2 gezeigt, umfasst beispielsweise jeder Düsenleitschaufelkranz 3: einen ringförmigen äußeren Ring 8, der am Gehäuse 2 befestigt ist, einen ringförmigen inneren Ring 9, der auf der Innenumfangsseite des äußeren Rings 8 angeordnet ist; und mehrere Leitschaufeln 10, die so vorgesehen sind, dass sie in Intervallen in der Umfangsrichtung zwischen dem äußeren Ring 8 und dem inneren Ring 9 angeordnet sind. Wegen der Zweckmäßigkeit der Montage ist jeder Düsenleitschaufelkranz 3 in der Umfangsrichtung als mehrere Leitschaufelsegmente 3a unterteilt. Das heißt, jedes Leitschaufelsegment 3a ist eine von mehreren Strukturen, in die der Düsenleitschaufelkranz 3 in der Umfangsrichtung unterteilt ist. Der in 2 gezeigte Düsenleitschaufelkranz 3 ist in ein Leitschaufelsegment 3a als unterer halber Abschnitt und ein Leitschaufelsegment 3a als oberer halber Abschnitt unterteilt. Das Leitschaufelsegment 3a umfasst mehrere Leitschaufeln 10, einen bogenförmigen unterteilten äußeren Ringabschnitt 8a, der radial äußere Endabschnitte der mehreren Leitschaufeln 10 miteinander koppelt, und einen bogenförmigen unterteilten inneren Ringabschnitt 9a, der radial innere Endabschnitte der mehreren Leitschaufeln 10 miteinander koppelt.
Wie in 1 gezeigt, ist ein ringförmiger Strömungsdurchgang P, durch den Dampf strömt, durch die Außenumfangsoberfläche der Läuferwelle 5, einen Innenumfangsabschnitt des Gehäuses 2 und die inneren Ringe 9 und die äußeren Ringe 8 des Düsenleitschaufelkranzes 3 definiert. Die Kaskaden der Leitschaufeln 10 und die Kaskaden der Laufschaufeln 6 sind innerhalb des ringförmigen Strömungsdurchgangs P angeordnet.
Mit Bezug auf 3 und 4 wird als nächstes eine Beschreibung einer Struktur einer Leitschaufel, die einen Teil eines Leitschaufelsegments bildet, und einer Konfiguration des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt. 3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und eine Struktur einer Leitschaufel, die einen Teil der Dampfturbine bildet, zeigt. 4 ist eine schematische Schnittansicht der Leitschaufel, die einen Teil der Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, aus der Richtung von Pfeilen IV-IV in 3 betrachtet.
Wie in 3 und 4 gezeigt, ist die Leitschaufel 10 ein metallisches Element (Leiter), dessen Querschnitt orthogonal zu einer Spannrichtung S der Leitschaufel 10 (radialen Richtung der Dampfturbine) in einer hohlen Tragflächenform ausgebildet ist. Das heißt, die Leitschaufel 10 weist intern einen hohlen Abschnitt 10e auf. Die Schaufeloberfläche der Leitschaufel 10 umfasst: eine Anströmkante 10a als Kante auf einer Stromaufwärtsseite in einer Strömungsrichtung von Dampf; eine Austrittskante 10b als Kante auf einer Stromabwärtsseite; eine konvexe Saugoberfläche 10c, die sich auf einer Saugseite zwischen der Anströmkante 10a und der Austrittskante 10b erstreckt; und eine konkave Druckoberfläche 10d, die sich auf einer Druckseite zwischen der Anströmkante 10a und der Austrittskante 10b erstreckt.
In der Leitschaufel 10, wie in 4 gezeigt, sind beispielsweise eine erste Metallplatte 11, die in einer gekrümmten Form bearbeitet ist, und eine zweite Metallplatte 12, die in einer gekrümmten Form bearbeitet ist, über einen ersten Verbindungsabschnitt 13 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 14 miteinander verbunden und bilden dadurch eine Tragflächenform, während sie einen Innenraum 10e zwischen der ersten Metallplatte 11 und der zweiten Metallplatte 12 bilden. Die erste Metallplatte 11 ist derart ausgebildet, dass die äußere Oberfläche der ersten Metallplatte 11 einen großen Teil der Saugoberfläche 10c auf der Saugseite bildet, die sich von der Anströmkante 10a in die Nähe der Austrittskante 10b erstreckt, umfasst jedoch keinen Teil der Saugoberfläche 10c, der sich zur Austrittskante 10b erstreckt. Die äußere Oberfläche der zweiten Metallplatte 12 bildet die ganze Druckoberfläche 10d auf der Druckseite, die sich von der Anströmkante 10a zur Austrittskante 10b erstreckt, und bildet einen Teil der Saugoberfläche 10c auf der Saugseite, der sich zur Austrittskante 10b erstreckt. Der erste Verbindungsabschnitt 13 verbindet Endabschnitte auf der Seite der Anströmkante 10a beider Metallplatten miteinander. Der erste Verbindungsabschnitt 13 ist ein Abschnitt, der durch Hartlöten oder Schweißen ausgebildet wird. Der zweite Verbindungsabschnitt 14 verbindet einen Endabschnitt auf der Seite der Austrittskante 10b der ersten Metallplatte 11 und einen Abschnitt der zweiten Metallplatte 12, der von der Austrittskante 10b entfernt ist, zur Seite der Anströmkante 10a. Der zweite Verbindungsabschnitt 14 ist ein Abschnitt, der durch Hartlöten oder Schweißen ausgebildet wird. Der hohle Abschnitt 10e ist durch die innere Oberfläche der ersten Metallplatte 11, die sich auf einer entgegengesetzten Seite von der äußeren Oberfläche der ersten Metallplatte 11 befindet (Saugoberfläche 10c auf der Saugseite) und der Seite der zweiten Metallplatte 12 zugewandt ist, die innere Oberfläche der zweiten Metallplatte 12, die sich auf einer entgegengesetzten Seite von der äußeren Oberfläche der zweiten Metallplatte 12 befindet (Druckoberfläche 10d auf der Druckseite) und der Seite der ersten Metallplatte 11 zugewandt ist, den ersten Verbindungsabschnitt 13 auf der Seite der Anströmkante 10a und den zweiten Verbindungsabschnitt 14 auf der Seite der Austrittskante 10b definiert.
Wie in 3 gezeigt, weist die Dampfturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Leitschaufelheizsystem 20 auf, das die Leitschaufel 10 in einer hohlen Form heizt. Das vorliegende Leitschaufelheizsystem 20 umfasst: eine elektromagnetische Spule 21, die innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist; und eine Heizvorrichtung 22, die mit der elektromagnetischen Spule 21 über eine Verdrahtung 23 elektrisch verbunden ist. Das Leitschaufelheizsystem 20 vermeidet einen Bedarf an Strukturen auf der Schaufeloberfläche der Leitschaufel 10 wie z. B. Schlitze, Durchgangslöcher oder dergleichen, die mit dem hohlen Abschnitt 10e in Verbindung stehen.
Die elektromagnetische Spule 21 weist beispielsweise ein Verbindungselement 21a auf, das mit einem Verbindungselement 23a auf der Seite der Verdrahtung 23 verbindbar ist. Die Heizvorrichtung 22 funktioniert als Wechselstromleistungsversorgung, die einen Wechselstrom mit hoher Frequenz zur elektromagnetischen Spule 21 zuführt. Die elektromagnetische Spule 21 erzeugt einen Hochfrequenzmagnetfluss, indem sie mit dem Wechselstrom mit der hohen Frequenz von der Heizvorrichtung 22 versorgt wird, und induziert einen Wirbelstrom durch den Hochfrequenzmagnetfluss in der Leitschaufel 10 als zu heizendem Leiter. Wenn der Wirbelstrom in der Leitschaufel 10 induziert wird, wird Wärme in der Leitschaufel 10 erzeugt und die Leitschaufel 10 steigt in der Temperatur an (Induktionsheizung). Die Heizvorrichtung 22 ist auf der Außenseite des Gehäuses 2 angeordnet.
Wie in 3 und 4 gezeigt, ist ein Kern 24 innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 zusammen mit der elektromagnetischen Spule 21 angeordnet. Der Kern 24 ist mit der elektromagnetischen Spule 21 umwickelt. Der Kern 24 konvergiert und verstärkt einen Magnetfluss, der durch die elektromagnetische Spule 21 erzeugt wird. Der Kern 24 kann auch dazu konfiguriert sein, die Leitschaufel 10 von innen unter Verwendung dessen zu heizen, dass er selbst durch den Wirbelstrom geheizt wird, der aufgrund des Hochfrequenzmagnetflusses induziert wird, der durch die elektromagnetische Spule 21 erzeugt wird. Der Kern 24 ist beispielsweise in der Position eines äußeren Endabschnitts (Außenumfangsseitenendabschnitts) in der radialen Richtung der Dampfturbine (Spannrichtung S) in der Leitschaufel 10 angeordnet. Der Kern 24 kann in einer Position angeordnet sein, die einem Bereich entspricht, in dem Wassertropfen auf der Schaufeloberfläche der Leitschaufel 10 angesammelt werden.
Ein Thermoelement als Temperatursensor 25, der die Temperatur der Leitschaufel 10 detektiert, ist an einer inneren Oberfläche innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 befestigt. Der Temperatursensor 25 ist mit einem Regulierer 26 elektrisch verbunden. Der Temperatursensor 25 gibt die detektierte Temperatur der Leitschaufel 10 an den Regulierer 26 aus. Der Temperatursensor 25 ist beispielsweise in der Nähe des Kerns 24 angeordnet.
Der Regulierer 26 ist mit der Heizvorrichtung 22 elektrisch verbunden. Der Regulierer 26 steuert die Temperatur der Leitschaufel 10 durch Regulieren der Ausgabe des Wechselstroms der Heizvorrichtung 22 auf der Basis der durch den Temperatursensor 25 detektierten Temperatur. Der Regulierer 26 ist auf der Außenseite des Gehäuses 2 angeordnet und ist von einer Steuereinheit separat, die den Betrieb der Dampfturbine steuert.
Mit Bezug auf 5 wird als nächstes eine Beschreibung einer Hardware-Konfiguration und von Funktionen des Regulierers durchgeführt, der einen Teil des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet. 5 ist ein Blockdiagramm, das Funktionen des Regulierers, der einen Teil des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, zeigt, wobei das Leitschaufelheizsystem in 3 gezeigt ist.
In 5 führt der Regulierer 26 eine Rückkopplungssteuerung auf der Basis einer Temperatur Td durch, die durch den Temperatursensor 25 detektiert wird, so dass die Temperatur der zu heizenden Leitschaufel 10 (siehe 3) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Beispielsweise wird eine Proportional-Integral-Differential-Regelung (PID-Regelung) als Rückkopplungssteuerung übernommen.
Der Regulierer 26 umfasst als Hardware-Konfiguration beispielsweise eine Speichervorrichtung 28 mit einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Festwertspeicher (ROM) und dergleichen und eine Verarbeitungsvorrichtung 29 mit einer Zentraleinheit (CPU), einer Mikroverarbeitungseinheit (MPU) oder dergleichen. Die Speichervorrichtung 28 speichert im Voraus ein Programm und verschiedene Arten von Informationen, die für die Temperatursteuerung der Leitschaufel 10 erforderlich sind. Die Verarbeitungsvorrichtung 29 implementiert die folgenden verschiedenen Arten von Funktionen durch Lesen des Programms und der verschiedenen Arten von Informationen aus der Speichervorrichtung 28, wie geeignet, und Durchführen einer Verarbeitung gemäß dem Programm.
Der Regulierer 26 umfasst einen Überhitzungsbestimmungsabschnitt 31, einen Abweichungsberechnungsabschnitt 32, einen Zielausgabeberechnungsabschnitt 33 und einen Ausgaberegulierungsabschnitt 34 als Funktionsabschnitte, die durch die Verarbeitungsvorrichtung 29 implementiert werden.
Der Überhitzungsbestimmungsabschnitt 31 erfasst die detektierte Temperatur Td der Leitschaufel 10 vom Temperatursensor 25 und bestimmt, ob die detektierte Temperatur Td gleich oder niedriger als ein Schwellenwert Tt, der im Voraus festgelegt wird, ist oder nicht. Wenn die detektierte Temperatur Td gleich oder niedriger als der Schwellenwert Tt ist, bestimmt der Überhitzungsbestimmungsabschnitt 31, dass die Heizung der Leitschaufel 10 sich in einem normalen Zustand befindet, und gibt den normalen Zustand als Ergebnis der Bestimmung an den Ausgaberegulierungsabschnitt 34 aus. Wenn die detektierte Temperatur Td den Schwellenwert Tt überschreitet, bestimmt andererseits der Überhitzungsbestimmungsabschnitt 31, dass die Heizung der Leitschaufel 10 sich in einem Überhitzungszustand befindet, als anomalen Zustand, und gibt den Überhitzungszustand als Ergebnis der Bestimmung an den Ausgaberegulierungsabschnitt 34 aus. Der Schwellenwert Tt wird in der Speichervorrichtung 28 im Voraus gespeichert und ist eine Temperatur zum Verhindern, dass eine Verschlechterung der Leitschaufel 10 durch mehr als erforderliches Heizen der Leitschaufel 10 verursacht wird.
Der Abweichungsberechnungsabschnitt 32 erfasst die detektierte Temperatur Td der Leitschaufel 10 vom Temperatursensor 25 und berechnet eine Temperaturabweichung ΔT, die durch Subtrahieren der detektierten Temperatur Td von einer Zieltemperatur Ts, die im Voraus festgelegt wird, erhalten wird. Die Zieltemperatur Ts wird in der Speichervorrichtung 28 im Voraus gespeichert und ist eine Temperatur, die Wassertropfen und einen Flüssigkeitsfilm, der an der Schaufeloberfläche der Leitschaufel 10 haftet, verdampfen kann.
Der Zielausgabeberechnungsabschnitt 33 berechnet einen Zielstromwert Is (Zielausgabewert) des Wechselstroms der Heizvorrichtung 22 auf der Basis der Temperaturabweichung ΔT als Ergebnis der Berechnung des Abweichungsberechnungsabschnitts 32. Der Zielausgabeberechnungsabschnitt 33 ist beispielsweise durch einen PID-Regler mit einem Proportional-Term, einem Integral-Term und einem Differential-Term gebildet. Der Zielausgabeberechnungsabschnitt 33 gibt den Zielstromwert Is als Ergebnis der Berechnung an den Ausgaberegulierungsabschnitt 34 aus.
Wenn das Bestimmungsergebnis des Überhitzungsbestimmungsabschnitts 31 der Überhitzungszustand ist, gibt der Ausgaberegulierungsabschnitt 34 an die Heizvorrichtung 22 einen Ausgabestoppbefehl Cs aus, um die Ausgabe der Heizvorrichtung 22 zu stoppen. Wenn das Bestimmungsergebnis des Überhitzungsbestimmungsabschnitts 31 der normale Zustand ist, gibt andererseits der Ausgaberegulierungsabschnitt 34 an die Heizvorrichtung 22 einen Ausgabebefehl Ci, um den Zielstromwert Is auszugeben, als Berechnungsergebnis des Zielausgabeberechnungsabschnitts 33 aus.
Von den Funktionsabschnitten des Regulierers 26 funktionieren der Überhitzungsbestimmungsabschnitt 31 und der Ausgaberegulierungsabschnitt 34 als Sicherheitsfunktionsabschnitt, der einen übermäßigen Anstieg der Temperatur der Leitschaufel 10 verhindert. Außerdem funktionieren der Abweichungsberechnungsabschnitt 32, der Zielausgabeberechnungsabschnitt 33 und der Ausgaberegulierungsabschnitt 34 als Rückkopplungssteuerabschnitt, der eine Rückkopplungssteuerung durchführt, so dass die Temperatur der Leitschaufel 10 innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Mit Bezug auf 6 wird als nächstes eine Beschreibung einer Prozedur für die Temperatursteuerung an der Leitschaufel durch den Regulierer, der einen Teil des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, durchgeführt. 6 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Prozedur für die Temperatursteuerung durch den Regulierer, der einen Teil des Leitschaufelheizsystems bildet, das in 5 gezeigt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
In 6 erfasst der Regulierer 26 zuerst Daten über die Temperatur der Leitschaufel 10, die durch den Temperatursensor 25 detektiert wird (Schritt S10).
Als nächstes bestimmt der Überhitzungsbestimmungsabschnitt 31 des Regulierers 26, ob die erfasste detektierte Temperatur Td gleich oder niedriger als der in der Speichervorrichtung 28 im Voraus gespeicherte Schwellenwert Tt ist oder nicht (Schritt S20). Wenn die detektierte Temperatur Td gleich oder niedriger als der Schwellenwert Tt ist (Fall von JA), geht der Regulierer 26 zu Schritt S30 weiter. Ansonsten, das heißt wenn die detektierte Temperatur Td den Schwellenwert Tt überschreitet (Fall von NEIN), geht der Regulierer 26 zu Schritt S60 weiter.
Wenn JA in Schritt S20 bestimmt wird, berechnet der Abweichungsberechnungsabschnitt 32 des Regulierers 26 die Temperaturabweichung ΔT durch Subtrahieren der vorstehend beschriebenen detektierten Temperatur Td von der in der Speichervorrichtung 28 im Voraus gespeicherten Zieltemperatur Ts (Schritt S30). Als nächstes berechnet der Zielausgabeberechnungsabschnitt 33 des Regulierers 26 den Zielstromwert Is der Heizvorrichtung 22 auf der Basis der Temperaturabweichung ΔT als Berechnungsergebnis des Abweichungsberechnungsabschnitts 32 (Schritt S40). Als nächstes gibt der Ausgaberegulierungsabschnitt 34 des Regulierers 26 an die Heizvorrichtung 22 den Ausgabebefehl Ci, um den Zielstromwert Is auszugeben, als Berechnungsergebnis des Zielausgabeberechnungsabschnitts 33 aus (Schritt S50). Folglich führt die Heizvorrichtung 22 einen Hochfrequenzstrom des Zielstromwerts Is zur elektromagnetischen Spule 21 auf der Basis des Ausgabebefehls Ci zu.
Nach dem Durchführen der Prozedur von Schritt S50 kehrt der Regulierer 26 zu einem Start zurück. Danach führt der Regulierer 26 wiederholt die Prozedur der Schritte S10 bis S50 durch, wenn nicht in Schritt S20 NEIN bestimmt wird.
Wenn in Schritt S20 NEIN bestimmt wird, gibt andererseits der Ausgaberegulierungsabschnitt 34 des Regulierers 26 an die Heizvorrichtung 22 den Ausgabestoppbefehl Cs aus, um die Ausgabe der Heizvorrichtung 22 zu stoppen (Schritt S60). Folglich stoppt die Heizvorrichtung 22 die Zufuhr des Wechselstroms zur elektromagnetischen Spule 21 auf der Basis des Ausgabestoppbefehls Cs.
Mit Bezug auf 1 und 3 wird als nächstes eine Beschreibung von Handlungen und Effekten des Leitschaufelheizsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und der Dampfturbine mit demselben durchgeführt. In 1 geben dicke Pfeile Strömungen von Dampf an.
In der Dampfturbine gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, tritt Hochtemperatur- und Hochdruckdampf, der in den ringförmigen Strömungsdurchgang P eingeführt wird, von einer ersten Stufe zu einer Endstufe der Reihe nach hindurch. Zu dieser Zeit wird die Wärmeenergie des Dampfs in Rotationsenergie des Turbinenläufers 1 umgewandelt und die Temperatur und der Druck des Dampfs werden dadurch verringert. Daher befindet sich der Dampf, der durch Turbinenstufen auf einer Stromabwärtsseite hindurchtritt, in einem Zustand von nassem Dampf, der winzige Wassertropfen enthält. Insbesondere werden die winzigen Wassertropfen gewöhnlich in der Nähe der Endstufe erzeugt, die auf einer ganz stromabseitigen Seite angeordnet ist.
In einer herkömmlichen Dampfturbine treten viele der winzigen Wassertropfen, die im Dampf in einem nassen Zustand enthalten sind, zwischen den Schaufeln einer Leitschaufelkaskade zusammen mit dem Dampf hindurch. Ein Teil der winzigen Wassertropfen haftet jedoch an den Schaufeloberflächen der Leitschaufeln. Außerdem können an einem Teil mit einer niedrigeren Temperatur als der nasse Dampf in den Schaufeloberflächen der Leitschaufeln Wassertropfen durch Kondensation des Dampfs aufgrund von Überkühlung erzeugt werden. Wenn solche Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen der Leitschaufeln angesammelt werden, wird ein Flüssigkeitsfilm gebildet. Wenn sich der Flüssigkeitsfilm durch die Strömung des Dampfs in die Nähe der Austrittskanten der Leitschaufeln bewegt und sich in die Strömung des Dampfs verteilt, kann der Flüssigkeitsfilm als großer Wassertropfen nach unten geleitet werden. Dieser große Wassertropfen verursacht eine Erosion auf den Oberflächen eines stationären Elements und von Laufschaufeln, die sich mit hoher Drehzahl drehen, auf der Stromabwärtsseite der Leitschaufeln durch Kollidieren mit dem stationären Element und den Laufschaufeln.
Als eine von herkömmlichen Maßnahmen, um eine Erosion zu unterdrücken, ist eine Struktur bekannt, in der Schlitze, die mit einem hohlen Abschnitt in Verbindung stehen, an der Schaufeloberfläche einer Leitschaufel mit einer hohlen Struktur vorgesehen sind, und der hohle Abschnitt der Leitschaufel mit einem Niederdruckabschnitt wie z. B. einer Auslasskammer oder dergleichen in Verbindung steht. In dieser Struktur werden Wassertropfen, die an der Schaufeloberfläche der Leitschaufel haften oder kondensiert sind, entfernt, indem sie über die Schlitze in den hohlen Abschnitt der Leitschaufel gesaugt werden.
Da jedoch ein Bohrer oder eine Bearbeitung mit elektrischer Entladung im Allgemeinen für die Bearbeitung von Schlitzen an einem Schaufelmaterial verwendet wird, ist die Bearbeitungsgenauigkeit gering und die Kosten sind gewöhnlich hoch. Außerdem besteht ein Problem von geringerer Flexibilität in der Anordnung der Schlitze. Dies liegt daran, dass von einem Blickpunkt der Festigkeit der Leitschaufel die Schlitze intermittierend angeordnet werden müssen, und es schwierig ist, die Schlitze in einem dünnen Abschnitt in der Nähe der Austrittskante der Leitschaufel zu bearbeiten.
Als andere herkömmliche Maßnahme, um eine Erosion zu unterdrücken, ist eine Struktur bekannt, in der Hochtemperaturdampf im hohlen Abschnitt der Leitschaufel mit einer hohlen Struktur zirkulieren lassen wird. Diese Maßnahme soll durch Heizen der Leitschaufel von innen durch den Hochtemperaturdampf Wassertropfen verdampfen, die an der Schaufeloberfläche der Leitschaufel haften, und eine Kondensation des Dampfs auf der Schaufeloberfläche unterdrücken.
Diese Maßnahme benötigt jedoch eine groß angelegte Ausrüstung wie z. B. eine Zufuhrleitung zum Zuführen des erhitzten Dampfs zur Leitschaufel, ein Steuerventil zum Steuern einer Menge des Dampfs und dergleichen. Außerdem hängen die Temperatur und Durchflussrate des Dampfs als Heizquelle für die Leitschaufel von einer Zufuhrquelle des Dampfs ab. Um die Leitschaufel mit dem erhitzten Dampf mit einer festen Temperatur und einer festen Durchflussrate zu versorgen, muss daher dem Sicherstellen einer geeigneten Zufuhrquelle, Aufrechterhalten der Temperatur einer Rohrleitung und dergleichen Beachtung geschenkt werden. Diese können eine Komplikation des Heizsystems hervorrufen. In Abhängigkeit von der sichergestellten Zufuhrquelle kann eine zusätzliche Ausrüstung zum Einstellen der Dampftemperatur erforderlich sein. Dies kann eine weitere Komplikation des Heizsystems hervorrufen. Wenn die Durchflussrate des Dampfs, der zur Leitschaufel zugeführt wird, durch das Steuerventil eingestellt wird, kann ferner eine tatsächliche Ansprechverzögerung des Steuerventils einen Nachteil eines zusätzlichen Verbrauchs des erhitzten Dampfs verursachen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird andererseits, wie in 3 gezeigt, ein Hochfrequenzstrom von der Heizvorrichtung 22 zur elektromagnetischen Spule 21, die innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist, während des Betriebs der Dampfturbine zugeführt. Ein Hochfrequenzmagnetfluss durchdringt dadurch die Leitschaufel 10 als Leiter. Daher wird ein Wirbelstrom als Strom mit hoher Dichte in der Leitschaufel 10 induziert, so dass die Leitschaufel 10 geheizt wird (Induktionsheizung). Die Temperatur der Schaufeloberfläche der Leitschaufel 10 steigt dadurch an. Folglich können viele der Wassertropfen, die an den Schaufeloberflächen 10c und 10d der Leitschaufel 10 haften, verdampft werden und es kann verhindert werden, dass der nasse Dampf auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d kondensiert wird. Daher kann das Auftreten von großen Wassertropfen, die von der Leitschaufel 10 verteilt werden, unterdrückt werden. Folglich ist es möglich, eine Erosion zu verhindern, die in den Laufschaufeln 6 und dem stationären Element verursacht wird, die auf der Stromabwärtsseite der Leitschaufel 10 angeordnet sind.
Das Leitschaufelheizsystem 20 zum Heizen der Leitschaufel 10 weist die elektromagnetische Spule 21 und die Heizvorrichtung 22 als Basiskonfiguration auf. Daher vermeidet das vorliegende Leitschaufelheizsystem 20 einen Bedarf an einer groß angelegten Ausrüstung wie in der herkömmlichen Technologie wie z. B. eine Dampfzufuhrleitung, ein Steuerventil und dergleichen zum Heizen der Leitschaufel 10 und ist folglich ein einfaches System im Vergleich zur herkömmlichen Technologie. Außerdem müssen im vorliegenden Leitschaufelheizsystem 20 Strukturen zum Entfernen von Wassertropfen wie z. B. die Schlitze wie in der herkömmlichen Technologie oder dergleichen nicht an den Schaufeloberflächen 10c und 10d der Leitschaufel 10 mit einer hohlen Struktur bearbeitet werden. Entsprechend ist die Struktur der Leitschaufel 10 vereinfacht und die Herstellung der Leitschaufel 10 ist leichter gemacht.
Außerdem heizt in der vorliegenden Ausführungsform das Leitschaufelheizsystem 20 die Leitschaufel 10 durch Zuführen eines Hochfrequenzstroms zur elektromagnetischen Spule 21 von der Heizvorrichtung 22. Daher kann das Starten und Stoppen der Heizung der Leitschaufel 10 durch EIN- oder AUS-Schalten der Ausgabe der Heizvorrichtung 22 gesteuert werden. Im Vergleich zu einer Konfiguration, die eine Menge der Zufuhr des erhitzten Dampfs durch Öffnen und Schließen des Steuerventils im System der herkömmlichen Technologie steuert, die die Leitschaufel durch den erhitzten Dampf heizt, weist die Heizvorrichtung 22 ein ausgezeichnetes Reaktionsvermögen auf und das Leitschaufelheizsystem 20 verbraucht nicht verschwenderisch Energie (elektrische Leistung).
Das Leitschaufelheizsystem 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist besonders geeignet für die Kaskade der Leitschaufeln 10 in der Endstufe, in der gewöhnlich eine Erosion auftritt. Das vorliegende Leitschaufelheizsystem 20 ist auch zum Verhindern des Auftretens einer Korrosion (Erosion) der Laufschaufeln 6 in einer Stromaufwärtsstufe einer Niederdruckturbine in einem Siedewasserkernreaktor (BWR) unter Verwendung von radioaktivem Dampf mit hoher Feuchtigkeit als Arbeitsfluid geeignet. Wenn erforderlich, kann das vorliegende Leitschaufelheizsystem 20 auch auf die Leitschaufeln 10 in allen der Stufen angewendet werden.
Außerdem kann das Leitschaufelheizsystem 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf eine andere Schaufelprofilform der Leitschaufel 10 durch Ändern der Form der elektromagnetischen Spule 21 gemäß der Schaufelprofilform angewendet werden. Das heißt, das vorliegende Leitschaufelheizsystem 20 ist auf Leitschaufeln 10 mit beliebigen Schaufelprofilformen anwendbar.
Wie vorstehend beschrieben, soll das Leitschaufelheizsystem 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die hohle Leitschaufel 10 der Dampfturbine heizen und umfasst die elektromagnetische Spule 21, die innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist, und die Heizvorrichtung 22, die mit der elektromagnetischen Spule 21 elektrisch verbunden ist und in der Lage ist, einen Wechselstroms zur elektromagnetischen Spule 21 zuzuführen.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Leitschaufel 10 mit einem Wirbelstrom geheizt werden, der durch Zuführen eines Hochfrequenzstroms zur elektromagnetischen Spule 21 induziert wird, die innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist. Daher ist es möglich, Wassertropfen, die an den Schaufeloberflächen 10c und 10d der Leitschaufel 10 haften, zu verdampfen und zu verhindern, dass Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d aufgrund der Kondensation des Dampfs erzeugt werden. In diesem Fall müssen Strukturen zum Entfernen von Wassertropfen wie z. B. Schlitze oder dergleichen nicht an der Leitschaufel 10 mit einer hohlen Form bearbeitet werden und es besteht kein Bedarf an einer groß angelegten Ausrüstung zum Zuführen von erhitztem Dampf zum hohlen Abschnitt 10e der Leitschaufel 10. Das heißt, es ist möglich, die Herstellung der Leitschaufel 10 zu erleichtern und die Erosion ohne Verwendung einer groß angelegten Ausrüstung zu unterdrücken.
Außerdem ist das Leitschaufelsegment 3a gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine von mehreren Strukturen, in die der ringförmige Düsenleitschaufelkranz 3, der durch Koppeln von mehreren hohlen Leitschaufeln 10 erhalten wird, die in der Umfangsrichtung angeordnet sind, in der Umfangsrichtung unterteilt ist, und die elektromagnetische Spule 21, die mit der Heizvorrichtung 22 elektrisch verbindbar ist, die in der Lage ist, einen Wechselstrom auszugeben, ist innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Leitschaufel 10 mit einem Wirbelstrom geheizt werden, der durch lediglich Zuführen eines Hochfrequenzstroms zur elektromagnetischen Spule 21 induziert wird, die innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist. Daher ist es möglich, Wassertropfen, die an den Schaufeloberflächen 10c und 10d der Leitschaufel 10 haften, zu verdampfen und zu verhindern, dass Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d aufgrund der Kondensation des Dampfs erzeugt werden. In diesem Fall müssen Strukturen zum Entfernen von Wassertropfen wie z. B. Schlitze oder dergleichen nicht an der Leitschaufel 10 mit einer hohlen Form bearbeitet werden und es besteht kein Bedarf an einer groß angelegten Ausrüstung zum Zuführen von erhitztem Dampf zum hohlen Abschnitt 10e der Leitschaufel 10. Das heißt, es ist möglich, die Herstellung der Leitschaufel 10 zu erleichtern und eine Erosion ohne Verwendung einer groß angelegten Ausrüstung zu unterdrücken.
Außerdem umfasst das Leitschaufelheizsystem 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner den Kern 24, der innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist und mit der elektromagnetischen Spule 21 umwickelt ist. In dem Leitschaufelsegment 3a gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kern 24, der mit der elektromagnetischen Spule 21 umwickelt ist, innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet.
Gemäß dieser Konfiguration kann der Kern 24 einen Magnetfluss konvergieren und verstärken, der durch die elektromagnetische Spule 21 erzeugt wird. Folglich kann die Temperatur der Schaufeloberflächen 10c und 10d in einem Teil, der der Position des Kerns 24 in der Leitschaufel 10 entspricht, effizient mehr als in anderen Teilen erhöht werden. Daher können Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d in der Position weiter verdampft werden und die Erzeugung von Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d in der Position aufgrund der Kondensation des Dampfs kann weiter unterdrückt werden. Da die Temperatur der Leitschaufel 10 effizient erhöht werden kann, ist es außerdem auch möglich, den Leistungsverbrauch der Heizvorrichtung 22 zu verringern.
Außerdem ist in dem Leitschaufelheizsystem 20 und dem Leitschaufelsegment 3a gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Kern 24 in der Position eines äußeren Endabschnitts in der radialen Richtung der Dampfturbine (Außenumfangsseitenendabschnitt) in der Leitschaufel 10 angeordnet.
Gemäß dieser Konfiguration werden die Schaufeloberflächen 10c und 10d des Außenumfangsseitenendabschnitts der Leitschaufel 10 mehr als andere Teile geheizt. Folglich können Wassertropfen, die an der Position auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d haften, mehr verdampft werden und die Erzeugung von Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d in der Position aufgrund der Kondensation des Dampfs durch Überkühlung kann weiter unterdrückt werden. Ein Außenumfangsseitenendabschnitt (Spitze) einer Laufschaufel 6 weist eine relativ hohe Geschwindigkeit in der Umfangsrichtung gegenüber einem Innenumfangsseitenendabschnitt (Stamm) davon auf und befindet sich folglich in einer Umgebung, in der eine Erosion entsprechend leicht auftritt. Durch weiteres Unterdrücken der Erzeugung von Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d des Außenumfangsseitenendabschnitts der Leitschaufel 10 ist es möglich, die Kollision von großen Wassertropfen mit dem Außenumfangsseitenendabschnitt (Spitze) der Laufschaufel 6 auf der Stromabwärtsseite der Leitschaufel 10 weiter zu unterdrücken und somit die Erosion weiter zu unterdrücken.
Im Übrigen kann in der vorliegenden Ausführungsform der Kern 24 auch in einer Position angeordnet sein, die einem Bereich entspricht, in dem Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d der Leitschaufel 10 angesammelt werden. Dadurch ist es möglich, den Bereich, in dem Wassertropfen angesammelt werden, in einer konzentrierenden Weise zu heizen. Große Wassertropfen, die von der Leitschaufel 10 verteilt werden, können daher weiter unterdrückt werden. Folglich kann die Erosion der Laufschaufeln 6 und des stationären Elements, die auf der Stromabwärtsseite der Leitschaufel 10 angeordnet sind, weiter unterdrückt werden.
Außerdem umfasst das Leitschaufelheizsystem 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner den Regulierer 26, der die Ausgabe des Wechselstroms der Heizvorrichtung 22 reguliert, und den Temperatursensor 25, der die Temperatur der Leitschaufel 10 detektiert. Der Regulierer 26 reguliert die Ausgabe der Heizvorrichtung 22 auf der Basis der durch den Temperatursensor 25 detektierten Temperatur.
Gemäß dieser Konfiguration kann der Regulierer 26 die Temperatur der Leitschaufel 10 über die Heizvorrichtung 22 steuern. Die Temperatur der Leitschaufel 10 kann daher auf einer geeigneten Temperatur gehalten werden. Daher kann die Zuverlässigkeit der Leitschaufel 10 sichergestellt werden.
Außerdem ist im Leitschaufelheizsystem 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Regulierer 26 dazu konfiguriert, eine Rückkopplungssteuerung der Ausgabe der Heizvorrichtung 22 durchzuführen, so dass die Temperatur Td, die durch den Temperatursensor 25 detektiert wird, innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Gemäß dieser Konfiguration wird die Temperatur der Leitschaufel 10 durch die Rückkopplungssteuerung des Regulierers 26 auf einer geeigneten Temperatur gehalten. Daher ist es möglich, die Erzeugung von großen Wassertropfen zuverlässig zu unterdrücken, die von der Leitschaufel 10 verteilt werden, während ein Leistungsverbrauch der Heizvorrichtung 22 unterdrückt wird.
Außerdem ist im Leitschaufelheizsystem 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Regulierer 26 dazu konfiguriert, die Ausgabe der Heizvorrichtung 22 zu stoppen, wenn die durch den Temperatursensor 25 detektierte Temperatur Td den im Voraus festgelegten Schwellenwert Tt überschreitet.
Gemäß dieser Konfiguration können eine Verschlechterung und eine Beschädigung der Leitschaufel 10 aufgrund übermäßiger Heizung verhindert werden und die Sicherheit des Leitschaufelheizsystems 20 kann verbessert werden.
Außerdem ist im Leitschaufelheizsystem 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Temperatursensor 25 ein Thermoelement, das an der inneren Oberfläche der Leitschaufel 10 befestigt ist.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Temperatur der Leitschaufel 10 durch eine einfache Konfiguration und Struktur detektiert werden. Folglich können die Kosten des vorliegenden Systems 20 unterdrückt werden.
Wie vorstehend beschrieben, weist außerdem die Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Leitschaufelheizsystem 20 auf. Daher ist es möglich, die Herstellung der Leitschaufel 10 zu erleichtern und die Erosion ohne Verwendung einer groß angelegten Ausrüstung zu unterdrücken.
Wie vorstehend beschrieben, soll außerdem ein Leitschaufelheizverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die hohle Leitschaufel 10 der Dampfturbine heizen und umfasst: Zuführen eines Wechselstroms zur elektromagnetischen Spule 21, die innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist; Detektieren der Temperatur der Leitschaufel 10; und Regulieren der Ausgabe des Wechselstroms für die elektromagnetische Spule 21 auf der Basis der detektierten Temperatur Td.
Gemäß diesem Verfahren kann die Leitschaufel 10 mit einem Wirbelstrom geheizt werden, der durch Zuführen eines Hochfrequenzstroms zur elektromagnetischen Spule 21 innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 induziert wird. Daher ist es möglich, Wassertropfen, die an den Schaufeloberflächen 10c und 10d der Leitschaufel 10 haften, zu verdampfen und zu verhindern, dass Wassertropfen sich auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d aufgrund der Kondensation des Dampfs erzeugen. In diesem Fall müssen Strukturen zum Entfernen von Wassertropfen wie z. B. Schlitze oder dergleichen nicht an der Leitschaufel 10 mit einer hohlen Form bearbeitet werden und es besteht kein Bedarf an einer groß angelegten Ausrüstung zum Zuführen von erhitztem Dampf zum hohlen Abschnitt 10e der Leitschaufel 10. Das heißt, es ist möglich, die Herstellung der Leitschaufel 10 zu erleichtern und die Erosion ohne Verwendung einer groß angelegten Ausrüstung zu unterdrücken. Ferner kann die Temperatur der Leitschaufel 10 durch Regulieren der Ausgabe des Stroms gesteuert werden, der zur elektromagnetischen Spule 21 zugeführt wird. Folglich kann die Temperatur der Leitschaufel 10 auf einer geeigneten Temperatur gehalten werden. Daher kann die Zuverlässigkeit der Leitschaufel 10 sichergestellt werden.
[Andere Ausführungsformen]
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorangehende eine Ausführungsform begrenzt ist und verschiedene Modifikationen umfasst. Die vorangehende Ausführungsform ist im Einzelnen beschrieben, um die vorliegende Erfindung in einer leicht verständlichen Weise zu beschreiben, und ist nicht notwendigerweise so begrenzt, dass sie alle beschriebenen Konfigurationen umfasst.
Obwohl beispielsweise eine Dampfturbine, in der zwei Niederdruckturbinen in Tandem miteinander verbunden sind, als Beispiel in der vorangehenden einen Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auf Dampfturbinen mit optionalen Strukturen mit Leitschaufeln in einer hohlen Form unter Dampfturbinen, in denen eine Erosion auftritt, anwendbar.
Außerdem stellt die vorangehende eine Ausführungsform ein Beispiel einer Konfiguration dar, in der das Leitschaufelheizsystem 20 den Kern 24 umfasst. Ein Leitschaufelheizsystem einer Konfiguration, in der nur die elektromagnetische Spule 21 im hohlen Abschnitt 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist, ist jedoch auch möglich. Auch in diesem Fall kann die Leitschaufel 10 mit einem Wirbelstrom geheizt werden, der durch Zuführen eines Hochfrequenzstroms von der Heizvorrichtung 22 zur elektromagnetischen Spule 21, die innerhalb des hohlen Abschnitts 10e der Leitschaufel 10 angeordnet ist, induziert wird. Daher ist es möglich, Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d der Leitschaufel 10 zu verdampfen und die Erzeugung von Wassertropfen auf den Schaufeloberflächen 10c und 10d aufgrund von Kondensation zu unterdrücken.
Außerdem stellt die vorangehende eine Ausführungsform ein Beispiel dar, in dem jedes Leitschaufelsegment 3a, das den Düsenleitschaufelkranz 3 bildet, durch mehrere Leitschaufeln 10 und den unterteilten äußeren Ringabschnitt 8a und den unterteilten inneren Ringabschnitt 9a in einer bogenförmigen Form gebildet ist, die diese Leitschaufeln 10 miteinander koppeln. Eine Konfiguration ist jedoch auch möglich, in der jedes Leitschaufelsegment durch eine Leitschaufel 10 und einen unterteilten äußeren Ringabschnitt und einen unterteilten inneren Ringabschnitt in einer bogenförmigen Form gebildet ist, die für beide Enden in der Spannrichtung S der Leitschaufel 10 vorgesehen sind.
Außerdem stellt die vorangehende eine Ausführungsform ein Beispiel einer Konfiguration dar, in der der Regulierer 26 die Ausgabe der Heizvorrichtung 22 reguliert. Eine Konfiguration ist jedoch auch möglich, in der eine Steuereinheit, die den Betrieb der Dampfturbine steuert, die Ausgabe der Heizvorrichtung 22 reguliert.
Außerdem stellt die vorangehende eine Ausführungsform ein Beispiel einer Konfiguration dar, in der ein Thermoelement als Temperatursensor 25 verwendet wird. Eine Konfiguration ist jedoch auch möglich, in der ein Strahlungsthermometer als Temperatursensor 25 verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015007379 A [0004, 0006]
JP 10103008 A [0005, 0007]

Claims

Leitschaufelheizsystem zum Heizen einer hohlen Leitschaufel (10) einer Dampfturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitschaufelheizsystem (20) umfasst: eine elektromagnetische Spule (21), die innerhalb eines hohlen Abschnitts (10e) der Leitschaufel (10) angeordnet ist, und eine Heizvorrichtung (22), die mit der elektromagnetischen Spule (21) elektrisch verbunden ist und in der Lage ist, einen Wechselstrom zur elektromagnetischen Spule (21) zuzuführen.
Leitschaufelheizsystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: einen Kern (24), der innerhalb des hohlen Abschnitts (10e) der Leitschaufel (10) angeordnet ist und mit der elektromagnetischen Spule (21) umwickelt ist.
Leitschaufelheizsystem nach Anspruch 2, wobei der Kern (24) in einer Position eines äußeren Endabschnitts in einer radialen Richtung der Dampfturbine in der Leitschaufel (10) angeordnet ist.
Leitschaufelheizsystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: einen Regulierer (26), der die Ausgabe des Wechselstroms der Heizvorrichtung (22) reguliert; und einen Temperatursensor (25), der eine Temperatur der Leitschaufel (10) detektiert, wobei der Regulierer (26) dazu konfiguriert ist, die Ausgabe der Heizvorrichtung (22) auf einer Basis der durch den Temperatursensor (25) detektierten Temperatur zu regulieren.
Leitschaufelheizsystem nach Anspruch 4, wobei der Regulierer (26) dazu konfiguriert ist, eine Rückkopplungssteuerung der Ausgabe der Heizvorrichtung (22) durchzuführen, so dass die durch den Temperatursensor (25) detektierte Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Leitschaufelheizsystem nach Anspruch 4, wobei der Regulierer (26) dazu konfiguriert ist, die Ausgabe der Heizvorrichtung (22) zu stoppen, wenn die durch den Temperatursensor (25) detektierte Temperatur einen im Voraus festgelegten Schwellenwert überschreitet.
Leitschaufelheizsystem nach Anspruch 4, wobei der Temperatursensor (25) ein Thermoelement ist, wobei das Thermoelement an einer inneren Oberfläche der Leitschaufel (10) befestigt ist.
Dampfturbine mit dem Leitschaufelheizsystem (20) nach Anspruch 1.
Leitschaufelsegment, das eine von mehreren Strukturen ist, in die ein ringförmiger Düsenleitschaufelkranz (3) in der Umfangsrichtung unterteilt ist, wobei der ringförmige Düsenleitschaufelkranz (3) durch Koppeln von mehreren hohlen Leitschaufeln (10), die in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitschaufelsegment (3a) umfasst: eine elektromagnetische Spule (21), die innerhalb eines hohlen Abschnitts (10e) der Leitschaufel (10) angeordnet ist, wobei die elektromagnetische Spule (21) mit einer Heizvorrichtung (22) elektrisch verbindbar ist, die dazu konfiguriert ist, einen Wechselstrom auszugeben.
Leitschaufelsegment nach Anspruch 9, wobei ein Kern (24), der mit der elektromagnetischen Spule (21) umwickelt ist, innerhalb des hohlen Abschnitts (10e) der Leitschaufel (10) angeordnet ist.
Leitschaufelsegment nach Anspruch 10, wobei der Kern (24) in einer Position eines Außenumfangsseitenendabschnitts in der Leitschaufel (10) angeordnet ist.
Leitschaufelheizverfahren zum Heizen einer hohlen Leitschaufel (10) einer Dampfturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitschaufelheizverfahren umfasst: Zuführen eines Wechselstroms zu einer elektromagnetischen Spule (21), die innerhalb eines hohlen Abschnitts (10e) der Leitschaufel (10) angeordnet ist; Detektieren einer Temperatur der Leitschaufel (10); und Regulieren einer Ausgabe des Wechselstroms für die elektromagnetische Spule (21) auf einer Basis der detektierten Temperatur.
Leitschaufelheizverfahren nach Anspruch 12, wobei die Ausgabe des Wechselstroms an die elektromagnetische Spule (21) derart reguliert wird, dass die detektierte Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Leitschaufelheizverfahren nach Anspruch 12, wobei die Zufuhr des Wechselstroms zur elektromagnetischen Spule (21) gestoppt wird, wenn die detektierte Temperatur einen im Voraus festgelegten Schwellenwert überschreitet.