JP2000502775A - 内部冷却形蒸気タービンのタービン軸 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、特に共通ハウジング（２２）内に収容された高圧・中圧複合蒸気タービンのタービン軸（１）に関する。タービン軸（１）はその内部（１４）に冷却蒸気（６）を案内するための冷却管（５）を有している。この冷却管（５）は一方では流出管（７）と接続され、他方では流入管（８）と接続されている。これにより、高圧部からの蒸気を流入管（８）を介して中圧部（２５）に導き、流出管（７）を通して導くことによって、高圧・中圧複合蒸気タービンのタービン軸（１）が蒸気冷却される。本発明は更に蒸気タービンのタービン軸（１）の冷却方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 内部冷却形蒸気タービンのタービン軸 本発明は、特に高圧タービン翼および中圧タービン翼を複合して収容するため の蒸気タービンのタービン軸並びにこの蒸気タービンのタービン軸の冷却方法に 関する。 蒸気タービンの効率を高めるためにはより高い圧力、より高い温度の蒸気の利 用が寄与する。そのような状態の蒸気の利用は対応する蒸気タービンにより厳し い要件を課す。例えば３００〜６００ＭＷの低出力から中出力の蒸気タービンの 場合、高圧・中圧複合蒸気タービンが適している。この場合、タービン軸によっ て高圧動翼および中圧動翼が支持されている。このタービン軸は所属の静翼を有 する単一のハウジングの中に収容されている。共通ハウジングの中に高圧タービ ン翼および中圧タービン翼が配置されている蒸気タービンの利点は、例えば複雑 な構造にもかかわらず全長が短く軸受が省かれることにある。その共通ハウジン グは内部ハウジングと外部ハウジングとを有することができ、これらはそれぞれ 水平方向に二分割され、互いにボルト結合されている。高圧蒸気で特徴づけられ る生蒸気状態は今日において約１７０バールで５４０°Ｃである。効率を高める ことに関連して２７０バールで６００°Ｃの生蒸気が切望される。高圧蒸気はタ ービン軸の中央部位において高圧タービン翼に導かれ、これを排気管まで貫流す る。そのようにして膨張し冷却した蒸気はボイラに導かれ、そこで再び加熱され る。高圧部の終端における蒸気状態は以下において低温再熱蒸気と呼び、ボイラ から出た蒸気状態は高温再熱蒸気と呼ぶ。ボイラから出た蒸気は中圧タービン翼 に導かれる。その蒸気状態は３０〜５０バールで５４０°Ｃであり、その場合、 約５０〜６０バールで６００°Ｃの蒸気状態に高めることが切望される。対応す るタービン軸およびタービンハウジングを製造するために従来利用されている材 料、特にクロム成分が９〜１２重量％のＣｒ鋼から成る材料が、より高い蒸気状 態における要求を適えることができるかについて一層の研究を必要とする。高圧 部並びに中圧部の蒸気入口範囲における動翼はニッケル基合金で製造することが できる。更に蒸気入口範囲に、軸遮蔽装置によってタービン軸が蒸気との直接接 触から保護される構造的な処置を施すことは可能である。 本発明の課題は、特に局所的に生ずる大きな運転上の熱負荷に長期に安定して 耐えるような蒸気タービンのタービン軸を提供することにある。更に本発明の課 題は蒸気タービンのタービン軸の冷却方法を提供することにある。 本発明によれば蒸気タービンのタービン軸に向けられた課題は、回転中心軸線 に沿って延び外周面を有するタービン軸がその内部に冷却蒸気を回転中心軸線の 方向に案内する冷却管を有し、この冷却管が一方では冷却蒸気をタービン軸外周 面に導くためにそのタービン軸外周面に通じている流出管に接続され、他方では 冷却蒸気を冷却管に供給するための流入管に接続されていることによって解決さ れる。 タービン軸の内部を延びる冷却管を通して、冷却蒸気が回転中心軸線の方向に タービン軸を貫流して導かれ、流出管を通して外周面に導くことができるので、 強く熱負荷される部位においてタービン軸はその内部並びに外周面で冷却され得 る。その冷却管は回転中心軸線に対して傾斜してあるいはこれに対してねじれて 延び、その場合冷却管は回転中心軸線の方向への冷却蒸気の搬送を可能にする。 更にタービン軸に固着される動翼特にその翼脚の冷却も行うことができる。なお 冷却管の製造に応じて流出管および流入管は冷却管の一部を形成し得ることは明 らかである。更にまた、冷却管を複数設けることができ、それらの冷却管は互い に接続され、それぞれ一つあるいは複数の流出管ないし流入管と接続することが できることも明らかである。同様に、回転中心軸線の方向において隣接する複数 の流出管を所定の間隔を隔てて配置し冷却管と接続することができる。従って強 く熱負荷される軸部分の冷却は、配管、ハウジング貫通部およびタービン制御装 置への結び込みについて高い経費を必要とせずに行える。この高い構造的な経費 は例えば、タービン軸の外周面を直接冷却できるようにするために、冷たい蒸気 を外からハウジングおよび静翼を通してタービン軸まで導いてタービン軸を冷却 する際に必要であった。 本発明に基づくタービン軸は特に蒸気タービンの高圧・中圧複合タービン軸を 形成するために適している。これは特に、蒸気タービンの中圧部の蒸気入口範囲 がタービン設計の際に重大な箇所であるためである。中圧部においては高圧部に 比べて低い蒸気圧力のためにかなり大きな容積流及び従って大きな軸径と長い翼 長が必要とされるので、中圧部における動翼脚およびタービン軸の熱応力は高圧 部におけるそれより大きい。更に高圧部および中圧部にそれぞれ類似した温度が かかっているので、タービン軸の例えば時間に基づくクリープ強度および切欠き じん性のような材料特性も類似し、これによって中圧部の高い熱応力に基づいて 、この中圧部は高圧部よりも危険であると判断しなければならない。この問題は 本発明に基づくタービン軸によって、タービン軸が中圧部においてその内部特に 軸中心において並びにその外周面特に動翼脚の範囲において冷却蒸気で冷却され ることによって解決される。特に高圧部からの冷却蒸気は冷却管を通って中圧部 に導かれ、その場合、蒸気の流れは高圧部と中圧部との圧力差ではやくも行われ る。この圧力差は例えば高圧部の蒸気出口範囲と中圧部の蒸気入口範囲との間で ４〜６バールである。蒸気タービンの広い出力範囲にわたっても十分な冷却能力 が保証されるように、冷却管の横断面積を適当な大きさにすることによって蒸気 流を調整することができる。 冷却管は好適には回転中心軸線に対して平行に延びる孔特に中央孔である。孔 として形成された冷却管は特に単純に且つ正確にタービン軸に後から作ることが できる。この孔は好適には流出管との結合部の下流で特に閉塞プラグによって閉 鎖されている。これによって、流入管を通して流入する冷却蒸気が完全に流出管 を通してタービン軸から再び排出されることが保証される。高圧・中圧複合ター ビン軸の場合、流出管は中圧部の蒸気入口範囲の近くに位置し、これによって特 に熱負荷される動翼の翼脚の冷却が保証される。 流入管は好適には流出管と同じように外周面を冷却管と接続する。これによっ て冷却蒸気特に蒸気タービンの蒸気はタービン軸の一端における外周面からター ビン軸の内部を通ってタービン軸の中央部位まで導くことができる。これは特に 高圧・中圧複合タービン軸において、高圧部の蒸気出口範囲からの蒸気を中圧部 の蒸気入口範囲に導くことができるので有利である。 流入管および又は流出管は好適にはほぼ径方向に延びる孔である。そのような 孔はタービン軸の製造後でも簡単に形成でき、そのような孔は軸方向孔として形 成された冷却管と精確に接続できる。流入管および流出管における孔の直径およ び孔の数は冷却用に用意された蒸気量に応じて決められる。 タービン軸は外周面にタービン翼を受けるための凹所を有し、流出管はその凹 所に開口しているのが有利である。その開口はその都度の動翼の脚より幾分大き くすることができ、その結果対応する翼脚とタービン軸との間に、動翼脚を冷却 するための蒸気が流入できる空間が形成される。この空間は流出管とおよび又は 相互に接続される通路によっても形成できる。流出管が開口する凹所から、ター ビン軸の外周面まで連絡路が通じていると有利である。これによって翼脚の冷却 のほかに更に外側からの外周面の冷却及び従ってタービン軸の冷却が達成される 。これは特に中圧・高圧複合タービン軸の中圧部の蒸気入口範囲において有利で ある。これによって、高圧部の範囲、高圧部と中圧部との間に位置する軸封装置 の範囲並びに中圧部の第１の動翼列の翼脚を含む中圧部の特に負荷される蒸気入 口範囲において、タービン軸の内側からの冷却が行われる。従ってタービン軸は 特に、高圧部および中圧部が共通ハウジングの中に収容されている蒸気タービン に適している。流出管は中圧動翼の蒸気入口範囲に開口しているので、この範囲 においてタービン軸の冷却並びに動翼脚を含む動翼の冷却が行われる。流入管は 好適には高圧動翼の蒸気出口範囲を冷却管に接続し、これによって高圧部の蒸気 出口範囲からの蒸気がタービン軸の内部を通って中圧部に導かれ得る。 蒸気タービンのタービン軸を冷却するための方法に向けられた課題は、高圧動 翼並びに中圧動翼を支持しているタービン軸に対して、高圧動翼の蒸気範囲から の蒸気即ち高圧部からの蒸気がタービン軸の内部を通って中圧動翼の蒸気入口範 囲に導かれることによって解決される。この場合、タービン軸の内部における蒸 気流は特に孔として形成されている対応する冷却管の適切な寸法選定によって、 広い出力範囲にわたっても十分な冷却が保証されるように調整できる。 蒸気タービンの部分負荷運転でも高圧部と中圧部との間の圧力差が生ずるので 、部分負荷範囲でも本発明に基づく方法の申し分のない機能が保証される。冷却 管が軸方向に延びる特に中央孔として形成されていることによって、タービン軸 の内部における接線方向応力は孔を持たないタービン軸に対して約２倍に上昇す る。もっとも場合によって存在するこのタービン軸の高い応力は、タービン軸の 内部冷却に基づいて著しく改善された材料特性によってあらたに補償される。 以下図に示した実施例を参照してタービン軸並びにこのタービン軸の冷却方法 について詳細に説明する。 図１はタービン軸を備えたハウジング内における高圧・中圧複合タービンの縦 断面図、 図２は中圧部の蒸気流入範囲におけるタービン軸の部分拡大断面図を示す。 図１には回転中心軸線２に沿って延びるタービン軸１が示されている。このタ ービン軸１は内部ハウジング２１を包囲する外部ハウジング２２内に配置されて いる。タービン軸１は中央部位２８を有し、これは内部ハウジング２１と共に軸 封装置２４を含んでいる。図１において中圧部位２８の左に蒸気タービンの高圧 部２３が続き、中圧部位２８の右に蒸気タービンの中圧部２５が続いている。高 圧タービン翼１３を備えた高圧部２３は軸封装置２４に直接続いている高圧蒸気 入口範囲２７を有し、ここから流入する高圧蒸気が高圧タービン翼１３の蒸気範 囲１７を通って流れ、外部ハウジング２２の蒸気出口範囲１６を通ってボイラ（ 図示せず）に流れ出て、そのボイラ内で蒸気は再熱される。再熱された蒸気６は 、軸封装置２４の直ぐ右に続いている中圧部２５の蒸気入口範囲１５を通って再 び外部ハウジング２２および内部ハウジング２１の中に到達する。この蒸気は中 圧部２５の蒸気入口範囲１５の右に続いている中圧タービン翼１４を貫流する。 中圧タービン翼１４に排気管２６が続き、蒸気６はこの排気管２６を通して低圧 蒸気タービン（図示せず）に導かれる。蒸気６の上述した流れは流れ矢印２９に よって示されている。 タービン軸１は回転中心軸線２と一致している中央孔５ａを有している。この 中央孔５ａは中圧部２５を貫通して高圧部２３まで達している。中央孔５ａは高 圧部２３の蒸気出口範囲１６においてタービン軸１の外周面３に多数の流入管８ によって接続されている。流入管８は径方向孔８ａとして形成され、これによっ て高圧部２３からの「冷たい」蒸気が中央孔５ａに流入することができる。中央 孔５ａは更に中圧部２５における第１の動翼列の範囲において多数の流出管７に 接続されている。これらの流出管７はそれぞれ動翼１１を受けるための外周面３ にある凹所１０から中央孔５ａまで延びている。流出管７は同様にほぼ径方向に 延びる孔７ａである。中央孔５ａは流出管７の下流において閉塞プラグ９によっ て気密に閉鎖されている。従って中央孔５ａの流出管７と流入管８との間の部分 は、蒸気６を高圧部２３から中圧部２５の蒸気流入範囲１５に流す冷却管５を形 成している。この蒸気６は蒸気入口範囲１５に流入する再熱蒸気より明らかに低 い温度を有しているので、中圧部２５の第１の動翼列並びにこの動翼列の範囲に おける外周面３が効果的に冷却される。 図２は中圧部２５の蒸気入口範囲１５を拡大して示している。タービン軸１の 凹所１０の中にそれぞれ対応する動翼１１の翼脚１８が配置されている。その凹 所１０はそれぞれ翼脚１８の周りをめぐる通路２０を有し、その通路２０は一方 では回転中心軸線２に対して径方向に延びる流出管７に、他方ではそれぞれ連絡 路１２に接続されている。この連絡路１２は凹所１０から外周面１３に通じ、従 って連絡路１２には蒸気タービンの静翼１９が対向して位置している。高圧部２ ３から流出管７を通って流れる蒸気６は凹所１０の通路２０に到達し、これによ ってその凹所１０の中に配置されている翼脚１８を冷却する。蒸気６は通路２０ からそれぞれの連絡路１２を通ってタービン軸１の外周面３に流れ、これによっ て回転中心軸線２の方向に隣接している動翼１１間の外周面３をも冷却する。 本発明は、蒸気タービンの高圧部の動翼並びに中圧部の動翼を支持しているタ ービン軸によって特徴づけられる。そのタービン軸は、少なくとも一つの流入管 を介して高圧部に接続され、少なくとも流出管を介して中圧部の蒸気入口範囲に 接続されている少なくとも一つの冷却管を有している。流入管、冷却管並びに流 出管はタービン軸の内部において、高圧部からの「冷たい」蒸気を中圧部の熱力 学的に高く負荷される蒸気入口範囲に導き得る配管系を形成している。これによ って高価な構造的経費を必要とせずに、特に強く負荷される中圧部の蒸気入口範 囲における動翼特に動翼脚並びにタービン軸の外周面の冷却が行われる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回転中心軸線（２）に沿って延び外周面（３）を有するタービン軸（１）が その内部に冷却蒸気（６）を回転中心軸線（２）の方向に案内するための冷却管 （５）を有し、この冷却管（５）が一方では冷却蒸気（６）を外周面（３）に導 くために外周面（３）に通じている流出管（７）と接続され、他方では冷却蒸気 （６）を冷却管（５）に流入させるための少なくとも１つの流入管（８）と接続 されていることを特徴とする蒸気タービンのタービン軸（１）。 ２．冷却管（５）が回転中心軸線（２）に対して平行に延びる孔（５ａ）である ことを特徴とする請求項１記載のタービン軸（１）。 ３．冷却管（５）が中央孔（５ａ）であることを特徴とする請求項２記載のター ビン軸（１）。 ４．孔（５ａ）が流出管（７）の下流で特に閉塞プラグ（９）によって閉鎖され ていることを特徴とする請求項２又は３記載のタービン軸（１）。 ５．流入管（８）が外周面（３）から冷却管（５）まで延びていることを特徴と する請求項１ないし４のいずれか１つに記載のタービン軸（１）。 ６．流入管（８）および又は流出管（７）がほぼ径方向に延びる孔（８ａ、７ ａ）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のタービン 軸（１）。 ７．外周面（３）にタービン翼を受けるための凹所（１０）を有し、流出管（８ ）がその凹所（１０）に開口していることを特徴とする請求項１ないし６のいず れか１つに記載のタービン軸（１）。 ８．流出管（７）を有する凹所（１０）が更に連絡路（１２）を介して外周面 （３）に接続されていることを特徴とする請求項７記載のタービン軸（１）。 ９．中圧・高圧複合蒸気タービンの高圧動翼（１３）並びに中圧動翼（１４）を 受けるために使用され、流出管（７）が中圧動翼（１４）の蒸気入口範囲（１ ５）に開口していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の タービン軸（１）。 １０．流入管（８）が高圧動翼（１４）の蒸気出口範囲（１５）に開口している ことを特徴とする請求項９記載のタービン軸（１）。 １１．タービン軸（１）が高圧動翼（１３）並びに中圧動翼（１４）を支持し、 高圧動翼（１４）の蒸気範囲（１７）からの蒸気（６）がタービン軸（１）の内 部（４）を通って中圧動翼（１４）の蒸気入口範囲（１５）に導かれることを特 徴とする蒸気タービンのタービン軸（１）の冷却方法。