JP2001501700A - 蒸気タービン並びに通風運転における蒸気タービンの冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、複数の静翼（５）を有し、その少なくとも１つの静翼（５ａ）が空洞（６）を持っている蒸気タービン（１）に関する。空洞（６）は流体（８）を供給するための流体配管（７）と、静翼（５ａ）の外表面（１０）に開口する開口通路（９ａ、９ｂ）とに接続されている。さらに、本発明は、通風運転における蒸気タービン（１）の冷却方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 蒸気タービン並びに通風運転における蒸気タービンの冷却方法 本発明は、主軸線に沿って向けられ内部ケーシングによって取囲まれているタ ービンロータを備えた蒸気タービンに関する。内部ケーシングの中にはタービン ロータを周囲方向に取囲む静翼構造体が配置されている。さらに、本発明は、通 風運転における蒸気タービン、特に低圧蒸気タービンの冷却方法に関する。 例えばＫ．メニーの著書「ストロームングスマシーネン（流れ機械）」（トイ ブナー出版社、シュツュットガルト、１９８５年発行）の第３．４．６節に掲載 された「湿り蒸気段」によって、蒸気タービン、特にいわゆる湿り蒸気段におい て作用蒸気の凝縮が起こることが知られている。蒸気タービンにおいて蒸気が膨 張する際、例えば復水タービンにおける湿り蒸気領域に対する限界曲線を上回る と、蒸気点に関係する飽和温度より低い温度の過冷却された蒸気が現れる。特定 の過冷却の場合、小さな霧滴を生成する凝縮が自然に発生し、この霧滴が水膜な いし個々の水滴の形態で静翼上に沈積する。静翼の後縁部から水膜が剥離し、約 ４００μｍに至るほどの直径の副滴を形成する。この剥離した蒸気滴は動翼に激 突し、特に滴が５０〜４００μｍの大きさの直径を持つ場合、材料の消耗を生ぜ しめる（いわゆる滴衝撃浸食）。この滴衝撃浸食を防止するために、しばしば水 膜が静翼のところで直接吸引される。このために中空の静翼がスリットを有し、 これが静翼内部を蒸気タービンの復水器に接続している。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５１９２２号明細書には、蒸気タービン の低圧段の中に滴が形成されるのを阻止する装置が示されている。滴の形成は、 過熱蒸気が外側環状室を介して最後の静翼列の静翼に供給され、中空に形成され た静翼を通って内側環状室に導かれ、この内側環状室から鉛直方向に見て低位置 の流出配管を介して再び導出されることによって阻止される。過熱蒸気を供給す ることによって、静翼は凝縮が全く起こらないように加熱される。 オーストリア特許第２５０４０２号明細書には、蒸気が静翼の中に上述の段か ら導入され、静翼のスリットを通って再び蒸気流の中に供給されることが記載さ れている。静翼に復水が形成されるのを防止することは同様に米国特許第３３０ ６５７６号明細書でも扱われており、過熱蒸気が中空の静翼の中に供給され、こ こから孔を介して蒸気流の中に到達する。過熱蒸気は、飽和温度を少なくとも局 部的に上回り凝縮が起こらないように蒸気流を加熱する。 蒸気タービンのタービン翼が中空に形成され、主蒸気流の中へ蒸気を導出する ための開口部を有することは、同様に１９８０年１月１８日発行の日本の特許ア ブストラクト第４号に掲載された特願昭５４−１４１９０８号の抄録に記載され ている。 ヨーロッパ特許第０６０２０４０号明細書ならびに対応ドイツ連邦共和国特許 出願公開第４１２９５１８号明細書には、蒸気タービンのロータが膨張した蒸気 を与えられることなく回転させられる通風運転における低圧蒸気タービンの冷却 方法が記載されている。通風運転において動作する低圧蒸気タービンの中は、こ れに接続された復水器の静圧に相当する蒸気雰囲気の静圧になっている。タービ ン翼と蒸気（通風）との摩擦は相当の熱を発生し、これによってタービンは強く 、それどころか場合によっては許容できない程高く加熱されることがある。これ を防止するために、例えばタービンの出口で、又は、使用される冷却能力が特に 高くなければならない場合タービンの入口で、復水を飛散させながら噴射する冷 却手段が適用される。復水は温度低下と共に蒸発し、これによって通風されるタ ービンが冷却される。噴射が出口で行われる場合、冷却作用は出口近傍のタービ ン部分にしばしば制限される。噴射が入口で行われる場合、入口領域で塊りにさ れた復水は大量に流れ出してタービンの翼を危険にさらすことがある。従って、 ヨーロッパ特許第０６０２０４０号明細書によれば、蒸気タービンの出口と入口 との間に位置する抽気口を介して蒸気タービンの中へ蒸気が供給される。翼の半 径方向の外側に位置する端部はタービンの中に存在する蒸気との摩擦によって最 高に負荷を受けるが、このようにしてタービンの中の冷却は先ずこの端部で効果 的に行われる。従って、冷却作用は冷却を所望されたタービン領域だけに制限さ れる。タービンの他の部品、例えばタービン軸の冷却は回避される。 抽気口に接続された抽気配管には蒸気を除いて、特に復水配管を通って復水を 蒸気配管及び／又は抽気配管の中に噴射することによって追加的に復水が送入さ れる。復水は好適に噴霧ノズルの中で蒸気に混合され、この噴霧ノズルから抽気 配管の中に噴射される。滴直径が約０．１ｍｍより小さい微細な滴に分割された 復水によって、特に高い冷却作用が達成される。冷却挙動の制御は抽気口と出口 との間に位置する温度測定部を介して行われ、測定された温度に応じて抽気口へ の蒸気の送入ないし蒸気・復水混合物の送入が調節される。抽気配管に供給され た蒸気ないし蒸気・復水混合物の量は蒸気タービンの負荷時運転における蒸気流 の約１％のオーダである。冷却に使用された蒸気は復水の集合、加熱及び脱気に 使われる復水タンクから送られる。この復水タンクには通常復水の脱気の目的で 加熱蒸気を供給されるが、この復水タンクがら送られた蒸気は蒸気と復水とが共 存しているために飽和し、場合によっては微細に分割された復水に置き換えられ 、従って通風されるタービンの中に噴射注入するのに特に適している。さらに、 通風運転の際に蒸気を低圧蒸気タービンの傍を通って導く蒸気排出管から蒸気が 取出される。このような蒸気排出管は例えば蒸気を低圧蒸気タービンに前置接続 された高圧蒸気タービンないし高圧蒸気タービンと中圧蒸気タービンとから成る 装置から低圧蒸気タービンを回って加熱装置等へ導き、そこで蒸気が冷却され、 凝縮される。蒸気・復水混合物を得るために、抽気口に送入すべき蒸気はその加 熱装置から取出される。蒸気は同様に低圧蒸気タービンに前置接続された高圧又 は中圧蒸気タービンがら、又はこれから供給される予熱器等から、直接的に又は 間接的に取出すこともできる。このような蒸気は通常十分に高い固有圧力を有し 、それゆえ別個のポンプ等を設けずに通風される蒸気タービンの中へ供給するこ とができる。 本発明の課題は、簡単かつ効果的なやり方で通風運転において冷却することが でき及び／又は静翼での凝縮を簡単かつ有効に防止することができる、少なくと も減少させることができる蒸気タービンを提供することにある。本発明の他の課 題は、通風運転における蒸気タービンの冷却方法を提供することにある。 本発明によれば、蒸気タービンに関する課題は、蒸気タービンの少なくとも１ つの静翼が空洞を有し、この空洞が冷却流体を供給するための流体配管に接続さ れ、空洞から少なくとも１つの開口通路が分岐されて静翼の外表面に開口してい ることによって解決される。 無負荷運転及び／又は軽負荷時運転（通風運転）では、低圧蒸気タービンの最 後の静翼列の静翼が特に加熱される。この通風運転においては僅かな効果的な逆 流を有する蛇行流が形成される。蒸気タービンの中に開口通路を介して微細に噴 霧された水又は湿り蒸気、一般的に冷却流体を供給することは出口の上流へ向か って静翼及び動翼の冷却を生ぜしめる。従って、水滴の蒸発は通風運転において 最高に加熱される特に最後の低圧翼列の効果的な冷却を生ぜしめる。その場合、 蒸気タービンは、流体配管への流体の供給を切換えることによって、一方では流 体配管に接続された静翼での作用蒸気の凝縮を防止するために正規の負荷時運転 において高温流体を与えることにより局部的に加熱され、他方では通風運転にお いて冷却流体、例えば水又は湿り蒸気を与えることにより冷却される。開口通路 は外表面に好ましくは孔として形成され、特にほぼ円形又は楕円形の横断面を持 つ孔として形成される。 冷却流体、好ましくは過熱された蒸気は空洞を介して開口通路、特に孔を通っ て作用蒸気流の中に供給される。多数の微細な開口通路を介して蒸気を供給する ことによって、しかもそれによって静翼の加熱を制限することによって、蒸気ク ッショクが形成され、これは翼表面上に大きな滴の塊りが作成されるのを阻止す る。静翼の外表面の周囲において高温蒸気を混入させることは特に湿り蒸気量を 減少させることになるが、この湿り蒸気量はもしそのことを行わなければ例えば 低圧蒸気タービンの最後の低圧静翼列では相当多くなる。湿り蒸気量の減少によ って滴衝撃浸食の虞は少なくとも明らかに減少する。中空の静翼が最後の静翼列 の１つに、特に最後から３つ目、最後から２つ目又は最後の静翼列に配置される と好ましい。 蒸気タービンの静翼がそれぞれの必要な流体を導くための外側環状室に接続さ れ、この中に流体配管が開口していると好ましい。これによって簡単なやり方で 静翼列の静翼全体に流体を供給することができる。凝縮水を排出するために外側 環状室は低位置範囲に好ましくは排水管を有する。流体配管はそれに対して鉛直 方向に見た高位置範囲で外側環状室に接続されていると好ましい。構造を簡単化 し、熱機械的安定性を高め、冷却流体ないし加熱流体を導くために、静翼は内側 環状室に接続される。従って、特に空洞が外側環状室から内側環状室へ延びてい る静翼においては、個々の静翼の中に内側環状室からも及び外側環状室からも流 体を供給することが可能である。 蒸気タービンが負荷時運転中に過熱蒸気を導く設備構成要素（例えば高圧蒸気 タービン）及び／又は通風運転中に水、特に復水又は湿り蒸気を導く設備構成要 素（例えば復水器、予熱器、熱交換器等）に接続可能であると好ましい。流体配 管と対応する設備構成要素との間のそれぞれの接続配管は調整手段、逆止め弁を 介して接続又は切離し可能である。中央の調整手段を設け、これを高温流体及び 冷却流体用の種々の配管に接続し、しかも流体配管に接続することは同様に可能 である。要求に応じて、この調整手段は１つの配管又は複数の配管から所望の圧 力及び温度状態の流体を流体配管に供給可能である。 開口通路は好ましくは静翼の外表面で前縁部の周囲の吸込み面に開口し、これ により通風運転において冷却流体は前縁部から静翼の吸込み面の表面全体に亘っ て後縁部に向かっていわゆる冷却膜として広がる。負荷時運転において高温流体 は同様に静翼の表面の周りの範囲で作用蒸気に混入され、これにより大きな復水 滴の形成が有効に防止される、少なくとも明らかに減少する。 通風運転における蒸気タービンの冷却方法に関する課題は、静翼の空洞の中に 冷却流体、特に湿り蒸気又は復水が導入され、これが開口通路、特に多数の微小 孔を通って静翼の外表面に流出することによって解決される。これによって特に 低圧蒸気タービンの最後の静翼列においては翼の効果的な冷却が生ずる。この方 法の実施に関してはヨーロッパ特許第０６０２０４０号明細書も参照されたい。 中空の静翼が最後の３つの静翼列の１つに配置されていると好ましい。 さらに、負荷時運転において蒸気タービンの静翼で作用蒸気が凝縮するのを減 少させることは、この場合静翼の空洞に高温流体、特に過熱蒸気が供給され、こ の高温流体が開口通路を通って静翼の外表面に流出し、そこでならびに場合によ っては静翼の外表面全体で作用蒸気に混合されることによって可能になる。一方 では高温流体が静翼を加熱し、他方では作用蒸気との混合によりその作用蒸気が 加熱される。この両作用は静翼での復水滴の形成を明らかに減少させる、それど ころか完全に防止するのに貢献する。これによって、静翼の下流に配置された動 翼への滴衝撃浸食が実際上除かれる。 次に、図面に示された実施例に基づいて、蒸気タービン、通風運転における冷 却方法、並びに負荷時運転における凝縮低減方法を詳細に説明する。なお、図面 には一部が概略的に示され、寸法通りになっていない。 図１は低圧蒸気タービンの発電所システムを、 図２は低圧蒸気タービンの縦断面を、 図３は低圧蒸気タービンの最後の静翼列の横断面を、 図４は斜めに見た静翼の一部を、 図５は図４に示された静翼の横断面を示す。 図１は高圧蒸気タービン１７ａと、低圧蒸気タービン１と、復水器１８ａと、 復水タンク３６とを備えた火力発電所の一部を概略的に示す。この火力発電所の 他の構成要素、例えばボイラ又は発電機は示されていない。火力発電所の図示さ れている構成要素は互いに蒸気接続配管２８ないし復水配管２９によって接続さ れている。復水配管２９には復水ポンプ３７が配置されている。高圧蒸気タービ ン１７ａと低圧蒸気タービン１との間の蒸気接続配管２８には、通常弁によって 形成されている切換器が設けられており、この切換器によって高圧蒸気タービン １７ａから流出する過熱蒸気を別の蒸気接続配管２８を通って熱交換器３１へ誘 導可能になる。従って、この切換器３０の設定に応じて低圧蒸気タービン１は過 熱蒸気を与えられなくなる。低圧蒸気タービン１の傍を通り過ぎた蒸気は熱交換 器３１で凝縮され、復水として復水タンク３６の中に流入する。 低圧蒸気タービン１は高圧蒸気タービン１７ａに強固に結合されており、それ ゆえ両蒸気タービン１、１７ａの図示されていないロータは同期して回転する。 高圧蒸気タービン１７ａから流出する蒸気が低圧蒸気タービン１の傍を通り過ぎ るとき、すなわちこの低圧蒸気タービンが無負荷で回転するとき、低圧蒸気ター ビン１の中は復水タンク３６の中の蒸気圧に相当する静圧となり、この静圧に基 づいて摩擦が発生する。低圧蒸気タービンの中へ流体を導入するために、作用蒸 気を与えるのに使われる入口３３と、低圧蒸気タービン１の中で膨張した蒸気を 復水器１８ａへ導く出口３４との間には流体配管７が配置されており、これは静 翼５ａ（図２、３参照）の空洞６に接続されている。復水タンク３６の中で復水 が高圧蒸気タービン１７ａから加熱蒸気配管３２を通って供給された蒸気によっ て加熱される。復水タンクの中において復水面の上側には蒸気を満たされた蒸気 空間４２がある。この蒸気空間４２から蒸気が取出され、蒸気配管３８を通って 流体配管７に供給される。さらに、この流体配管７には復水が復水タンク３６か ら復水配管３９を通って供給される。加熱蒸気配管３２の分岐管は弁２７を介し て流体配管７に接続されている。蒸気配管３８および復水配管３９はそれぞれ同 様に弁２７を有し、流体配管７に接続されている。全ての弁２７は制御線４１を 介して低圧蒸気タービン１の温度測定部４０に接続されている。これによって、 供給された復水の量と、蒸気空間４２から供給された蒸気の量と、高圧蒸気ター ビン１７ａから供給された過熱蒸気の量とが制御されて流体配管７の中へ供給さ れ、静翼５ａを介して低圧蒸気タービン１の中へ供給される。従って、通風運転 時の低圧蒸気タービンの制御された冷却を、動作出力を出すことなく、実施する ことができ、しかも作用蒸気の凝縮を減少させるために静翼の中に過熱蒸気を供 給することができる。 蒸気ないし復水を取出すための復水タンク３６を利用できない場合、蒸気は例 えば熱交換器３１又は高圧蒸気タービン１７ａに付設された図示されていない予 熱器から取出すことができる。 図２は主軸線２に沿って向けられ動翼２４を支持するタービンロータ３を備え た復流形低圧蒸気タービン１の一部を示す。タービンロータ３はタービン軸受２ ２の中に軸支され、ロータ密封装置２３によって蒸気タービン１の内部ケーシン グ４に対して密封されている。軸線方向に交互に、内部ケーシング４に結合され た静翼５とロータ３の動翼２４とが配置されている。静翼５、特に最後の低圧静 翼列（静翼構造体１１）の静翼５ａは例えば軸線方向に傾けられ周囲方向に湾曲 した中空静翼として構成されている。静翼列の静翼５、５ａは内部ケーシンク４ の外側環状室１２（これは同様に中空である）に溶接され、しかもロータ３に隣 接してこれを取囲む内側環状室１６に溶接され、さらに互いに結合されている。 低圧蒸気タービン１には軸線方向に作用蒸気１９が貫流し、排気管２０によって 垂直に向けられ、蒸気タービン１から導出される。静翼５ａはその作用蒸気に向 き合う前縁部２６の周囲で吸込み面に、好ましくは外側環状室１２側に開口通路 ９ｂを、圧縮面に開口通路９ａ（図４、５参照）を有し、これを通して流体８を 作用蒸気１９の流れ範囲に供給することができる。 図３は蒸気タービン１の最後の静翼列の静翼構造体１１の横断面を示す。外側 環状室１２の鉛直方向に見た高位置範囲１５の中に、弁２７によって遮断可能で ある流体配管７が開口している。外側環状室１５に溶接された静翼５ａはタービ ンロータ３の主軸線２に向かって半径方向に延びている。これらの静翼はタービ ンロータ３を取囲む内側環状室１６に溶接されている。静翼構造体１１は接合部 ２５で互いに接合された２つのぴったり合う半部から構成されている。外側環状 室１２の鉛直方向に見た低位置範囲１３には排水管１４が設けられている。通風 運転中、流体配管７を介して復水及び／又は湿り蒸気を外側環状室１２の中に導 入することができる。この蒸気８は空洞６（図４、５参照）を介して静翼５ａの 中に到達する。この空洞６は好適に外側環状室１２から中心線２１に沿って静翼 ５ａの全体を通って内側環状室１６にまで達している。吸込み面及び圧縮面（図 ４、５参照）には、静翼５ａの空洞６をその外表面１０に連通させる開口通路９ ａないし９ｂ、特に孔が設けられている。流体８、すなわち湿り蒸気及び／又は 復水はこの開口通路９ａ、９ｂを通って静翼５ａから流出する。蒸気タービン１ の通風運転において、流出した流体８は静翼5aを冷却する、特にその外表面１０ 上に冷却膜を形成する。蒸気タービン１の負荷時運転において、空洞６には過熱 蒸気が流体配管７を介して供給される。この過熱蒸気は外表面１０で作用蒸気１ ９に混合され、特に作用蒸気１９が飽和蒸気である場合作用蒸気１９の明らかな 温度上昇を生ぜしめる。しかも、供給された過熱蒸気は静翼５ａを加熱し、それ により特に静翼５ａの後縁部に復水滴が形成されるのが明らかに減少するか、完 全に防止される。 本発明は、静翼、特に低圧蒸気タービンの最後の３つの静翼列の１つ又は複数 の静翼列の静翼が空洞を有し、この空洞から開口通路が各静翼の表面へ導かれて いることを特徴とする。この空洞には流体配管を介して通風運転中に冷却流体、 特に湿り蒸気又は復水が供給され、負荷時運転において過熱蒸気が供給される。 これによって、簡単な手段により有効なやり方で通風運転においては静翼の冷却 が達成され、負荷時運転においては静翼の加熱ならびに作用蒸気の加熱が、静翼 に復水が形成されるのを防止しながら、達成される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．主軸線（２）に沿って向けられ内部ケーシング（４）によって取囲まれてい るタービンロータ（３）を備え、内部ケーシング（４）の中に静翼（５）を有し タービンロータ（３）を周囲方向に取囲む静翼構造体（１１）が配置され、少な くとも１つの静翼（５ａ）が空洞（６）を有し、この空洞が冷却流体（８）を供 給するための流体配管（７）に接続され、空洞から少なくとも１つの開口通路（ ９ａ、９ｂ）が分岐されて静翼（５ａ）の外表面（１０）に開口している蒸気タ タービン（１）。 ２．静翼（５、５ａ）が外側環状室（１２）に接続され、この外側環状室の中に 流体配管（７）が開口している請求項１に記載の蒸気タービン（１）。 ３．外側環状室（１２）の鉛直方向に見た低位置範囲（１３）から分岐した排水 管（１４）を有する請求項２に記載の蒸気タービン(1)。 ４．流体配管（７）が外側環状室（１２）の鉛直方向に見た高位置範囲（１５） に開口している請求項２又は３に記載の蒸気タービン（１）。 ５．静翼（５、５ａ）が内側環状室（１６）に接続されている請求項２乃至４の １つに記載の蒸気タービン（１）。 ６．静翼構造体（１１）の静翼（５、５ａ）が曲げられている、特に軸線方向に 傾けられ周囲方向に湾曲している請求項１乃至５の１つに記載の蒸気タービン（ １）。 ７．負荷時運転中に過熱蒸気を導く設備構成要素（１７ａ）及び／又は通風運転 中に水、特に復水又は湿り蒸気を導く設備構成要素（１８ａ、１８ｂ）に接続さ れる請求項１乃至６の１つに記載の蒸気タービン（１）。 ８．空洞（６）が内部ケーシング（４）からタービンロータ（３）へ向けられた 静翼（５ａ）の中心線（２１）に沿って静翼（５ａ）の全体を通って延びている 請求項１乃至７の１つに記載の蒸気タービン（１）。 ９．吸込み面における開口通路（９ｂ）が静翼（５ａ）の前縁部（２６）の範囲 に開口している請求項１乃至８の１つに記載の蒸気タービン（１）。 １０．静翼の外表面（１０）における開口通路（９ａ、９ｂ）がほぼ円形又は楕 円形の孔として形成されている請求項１乃至９の１つに記載の蒸気タービン（１ ）。 １１．主軸線（２）に沿って向けられ内部ケーシング（４）によって取囲まれて いるタービンロータ（３）を備え、内部ケーシング（４）の中に静翼（５）を有 しタービンロータ（３）を周囲方向に取囲む静翼構造体（１１）が配置され、少 なくとも１つの静翼（５ａ）が空洞（６）を有し、この空洞に流体、特に湿り蒸 気又は復水が供給され、これが開口通路（９ａ、９ｂ）を通って静翼（５ａ）の 外表面（１０）に流出する通風運転における蒸気タービン（１）、特に低圧蒸気 タービンの冷却方法。 １２．流体（８）が流れ方向において最後の静翼構造体（１１）に供給される請 求項１１に記載の方法。