JP2002504641A - タービン車室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 外部車室（３）で包囲された内部車室（２）を備え、内部車室（２）と外部車室（３）とがそれぞれ第１の上側部分部位（５）と第２の下側部分部位（６）を有し、内部車室外側面（７）および外部車室内側面（８）が互いに間隔を隔てられているタービン車室（１）に関する。内部車室外側面（７）は第１部分部位（５）の少なくとも一部の、それに対向して位置する外部車室内側面（８）への放射熱伝達率が、内部車室外側面（７）の第２部分部位（６）の少なくとも一部の、それに対向して位置する外部車室内側面（８）への放射熱伝達率より小さい。これは、それぞれの部分部位に異なった吸収率（ａ１、ａ２）および／又は放射率（ｅ１、ｅ２）の材料を適当に被着することによって達成される。これによって、車室が冷える際の内外両車室（２、３）の上側と下側との温度が平衡し、車室のゆがみを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、外部車室で包囲された内部車室を備えた、特に蒸気タービン用のタ
ービン車室に関する。その内部車室および外部車室はそれぞれ第１の上側部分部
位および第２の下側部分部位を有している。これらの部分部位はしばしば別個の
車室半部として形成されている。その内部車室外側面は外部車室内側面に対して
間隔を隔てられている。

【０００２】 １９５９年発行の刊行物「アルゲマイネ ベルメテヒニーク、ツァイトシュリ
フト フュア ベルメ−、ケルテ− ウント フェアフアーレンステヒニーク（
Allgemeine Warmetechnik、Zeitschrift fur Warme-、Kalte- und Verfahrenste
chnik）、第９巻、第１６３〜１８２頁に掲載のロバート エリヒ氏著の論文“ タービン車室における温度探究”に、蒸気タービンの始動時並びに運転中の負荷
変動時における個々の構成要素の異なった加熱が記載されている。そのような異
なる加熱により材料が変形し、応力が発生し、その応力は蒸気圧によりひき起こ
される応力に重畳する。この論文は、計算で求めた温度分布を参照して使用すべ
き鋼に対する選択規準を得ることを目的としている。求められた熱膨張から次い
で必要な合計の遊びおよび隙間が適切に設計される。これは特に異なった熱膨張
率の２つの部材を互いに組み合わせる場合に特に重要である。更にまたそのよう
にして求めた温度分布から、過大応力によって材料にクリープがひき起こされる
ことがないように、公知のタービンを低温からどのように暖機するかそして負荷
変動をどのような速度で行うかの指針が導き出される。

【０００３】 本発明の課題は、冷却中のタービン車室のゆがみを小さく抑えることにある。

【０００４】 この課題は本発明に基づき、請求項１に記載のタービン車室によって解決され
る。本発明の有利な実施形態および発展形態は従属請求項に記載されている。

【０００５】 本発明は、外部車室および内部車室あるいは静翼ホルダを有する蒸気タービン
において、タービンの停止後に内、外部車室間ないしは外部車室と静翼ホルダと
の間に温度差が生ずるという認識から出発している。このため内外部両車室がゆ
がみ、不所望の応力が生じ、隙間が無くなってしまう。最悪の場合には、タービ
ン翼が車室に触れ、接触損傷がひき起こされる。外部車室が自然に冷える際に生
ずるゆがみは、その現象形状のために「猫背曲がり」とも呼ばれる。

【０００６】 タービン車室は外部車室で包囲された内部車室を有する。以下において「内部
車室」は静翼ホルダをも意味することとする。内部車室および外部車室はそれぞ
れ第１の上側部分部位と第２の下側部分部位とに分割されている。内部車室外側
面および外部車室内側面は互いに間隔を隔てている。内部車室外側面およびそれ
に対向して位置する外部車室内側面は、それぞれそれらの第１部分部位における
少なくとも一部が、それらの第２部分部位における少なくとも一部より小さな放
射熱伝達率を有するように形成されている。これによって、タービンの停止後に
外部車室が内部車室に比べて過度に速く冷却されるのを防止できる。と言うのは
、内部車室外側面が第１部分部位および第２部分部位においてそれに対向して位
置する外部車室内側面に対しほぼ一様な熱伝達率を有している場合、第１部分部
位において互いに対向して位置する面で形成された中間室内に、大きな上昇気流
が発生するからである。この上昇気流は外部車室の第１の上側部分部位に大きな
入熱量を生じる。しかし本発明に基づいて第１部分部位における熱伝達率を小さ
くすることにより、自然対流によって冷える際、温度が平衡される。これによっ
て、自然冷却時第１の上側部分部位と第２の下側部分部位との温度差は従来の場
合よりもかなり小さくなる。本発明に基づく補助的の処置を講じない従来の場合
、その温度差は非常に大きく５０Ｋを越える。

【０００７】 放射による熱伝達率を小さくするための特に有利な第１の実施形態において、
内部車室の第１部分部位における内部車室外側面は、第２部分部位における内部
車室外側面の第２放射率より小さな値を持つ第１放射率を有する。温度を平衡す
るために、第１放射率が０．５より小さな値を有し、第２放射率が０．５より大
きな値を有していると有利である。このため内部車室ないし外部車室に使用する
材料に関しても考慮しなければならない。つまり内、外両車室は、車室自体に応
力が発生するのを防止するために、通常同種の材料から成っている。それぞれの
材料の放射率は、適当な表面処理により、例えば適当な放射率を得るための表面
の的確なバフ磨きによって、なお大きく影響される。好適にはその表面処理は、
強度および腐食性のような材料特性が殆ど影響されないように行われる。

【０００８】 第１の上側部分部位および第２の下側部分部位における異なった放射率を利用
する好適な方式においては、内部車室外側面の第１部分部位における材料が、第
２部分部位における内部車室外側面に本発明に基づいて被覆された材料よりも小
さな放射率を有する。これによって、内部車室ないし外部車室に対して従来利用
していた材料を依然として利用することができる。その被覆材料として内部車室
に比べて大きな放射率を有する材料が利用される。このようにして所望の積極的
放射効果が強められる。好適には被覆材料として酸化セラミックス、例えば酸化
ジルコニウムが使用される。更に適当な放射特性および車室の材料との接着性を
有する別の被覆材料も利用できる。被覆材料が水蒸気内で耐食性も有すると望ま
しい。被覆材料の層厚は、例えば５０〜１００μｍである。これは一方では、例
えばｅ＝０．８あるいはそれ以上の特に高い放射率の特性を提供する。他方では
、酸化セラミックスは通常の車室材料、例えば球状黒鉛鋳鉄（ＧＧＧ−４０）に
確実に且つ耐久的に被着される。酸化セラミックスを薄い層の形に被着するため
に適した技術は、例えばプラズマ溶射法である。更にその被着方式並びに酸化セ
ラミックス自体が、タービン車室内で生ずる媒体に対する大きな化学的強度が保
証されることを提供する。この場合被着材料は好適には、車室材料から剥離する
恐れを小さく抑える遷移温度状態に適する熱膨張率を有する。

【０００９】 内部車室外側面の第１部分部位の一部に対向する外部車室内側面への放射熱伝
達率を、内部車室外側面の第２部分部位の一部に対向して位置する外部車室内側
面への放射熱伝達率より小さくする有利な方式によれば、外部車室内側面の第２
部分部位の少なくとも一部が、外部車室内側面の第１部分部位の一部よりも大き
な吸収率を与えられる。これによって、外部車室の第２の下側部分部位への入熱
量を増大することができる。これは同様に外部車室温度を平衡する。これによっ
て自然対流における内部車室と外部車室との間の駆動温度落差が小さくなるので
、この実施形態も自然対流の発生を阻止する。

【００１０】 外部車室内側面の第２部分部位の吸収率を増大させる別の方式では、外部車室
内側面の第２部分部位に第３材料を設ける。この第３材料は、外部車室内側面の
第１部分部位における第４材料より大きな吸収率を有する。この第３材料は表面
が相応して処理された第２部分部位における外部車室内側面の材料であるか、あ
るいは第２部分部位における外部車室内側面に被覆された追加的な材料である。
第１の上側部分部位と第２の下側部分部位との吸収率を異ならせる別の方式によ
れば、第１の上側部分部位における外部車室内側面が、第２の下側部分部位の外
部車室内側面より小さな吸収率を有する。

【００１１】 以下図を参照して本発明の実施例、他の利点および特徴を詳細に説明する。

【００１２】 図１はタービン車室１を概略断面図で示す。タービン車室１は内部車室２と、
これに対し同心的に配置された外部車室３とを有する。内部車室２は静翼ホルダ
とも考えられる。内部車室２および外部車室３は、両者間に中間室４が存在する
よう互いに間隔を隔てられている。この中間室４には対流性を有する気体状媒体
、特に蒸気タービンの場合は蒸気が封入される。内部車室２および外部車室３は
それぞれ第１の上側部分部位５と第２の下側部分部位６に分割されている。

【００１３】 いまタービン車室を横切る熱流を観察すると、内部車室２を横切る内側熱流Ｑ
ｉおよび外部車室３を横切る外側熱流Ｑａが生じている。内外両車室２、３の内
部において、それぞれ熱伝導率に関係する伝導熱流が生ずる。例えば外部車室３
は球状黒鉛鋳鉄（ＧＧＧ−４０）を利用して作られた鋳造車室である。その熱伝
導率は約３０Ｗ／ｍＫである。外部車室３の厚さは約１００〜１５０ｍｍである
。内部車室２と外部車室３との間で対流熱流ＱＫ並びに放射熱流ＱＳによる熱伝
達が生ずる。その放射熱流ＱＳは内部車室２の外側面７から外部車室３の内側面
８に作用する。第１の上側部分部位５における外部車室内側面８は第１吸収率ａ ₁ を有し、この第１吸収率ａ₁は第２の下側部分部位６の一部における第２吸収率
ａ₂より小さい。

【００１４】 そのために第２の下側部分部位６あるいは第１の上側部分部位５のいずれかに
おける外部車室内側面８が特別に処理される。ここに示す特別有利な処理方式に
よれば、第２部分部位６の外部車室内側面に第１材料９が被着される。この第１
材料９は、第１吸収率ａ₁に比べて大きな第２吸収率ａ₂を有することによる良好
な放射熱吸収が、過大な熱伝導抵抗によって相殺されないように、小さな材料厚
さの薄い層を形成する。ここで第１材料９は約９０°の角度範囲にわたって広が
っている。しかしこの角度範囲は、例えばタービンの長さに関する熱落差に応じ
てかなり小さくも、あるいは大きくもできる。第１材料９が第１部分部位５にお
ける第２材料１０よりも放射熱を良好に吸収することによって、第２部分部位６
は第１材料９が無い場合よりもかなり多量の熱流を吸収する。第１材料９は第１
部分部位５における対流熱流ＱＫを阻止し、タービンが停止した際の第１部分部
位５と第２部分部位６との温度差を小さくする。

【００１５】 非常に大きな負荷に耐える第１材料９として、プラズマ溶射によって被着した
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）が最適である。その層は小さな厚さにもかかわら ず、中間室４内の腐食性媒体に対しても耐久性を有する。更にこの酸化セラミッ
クスは、タービンを停止した際に長時間にわたって生ずる、約３５０℃の放射温
度においても約０．９の吸収率を有する。この値は上述の材料から成る外部車室
３における約０．２５の吸収率よりかなり高い。なお、第１吸収率ａ₁および第 ２吸収率ａ₂は温度にも左右される。酸化ジルコニウムは、タービンが停止し後 の冷却過程中に温度が時間的に変化する間、幅広い時間範囲にわたって高い吸収
率を有していなければならないという要件をも満足する。

【００１６】 図２にはＸ−Ｙ座標系が示され、そのＸ軸に図１における外部車室内側面８の
測定温度が記され、Ｙ軸に測定場所の位置が角度で記されている。その測定場所
を明瞭にするため、図３に外部車室３における計算格子に応じた区分が概略的に
示されている。図２のＹ軸において、−９０°の角度は図１における第２の下側
部分部位の最下端の場所であり、そこから出発して上に向けて、図１における第
１の上側部分部位５の最上端の場所である＋９０°の角度まで記されている。外
部車室内側面８の第１部分部位５および第２部分部位６における吸収率が異なら
され、放射条件が変更されていることだけで、第１部分部位５と第２部分部位６
との間に最大ΔＴ＝２７Ｋの温度差が生ずる。この放射に基づいてひき起こされ
た温度差ΔＴが、さもなければ異なった吸収率を利用しない場合に生ずる第１部
分部位５と第２部分部位６との間の少なくとも５０Ｋ大きな温度差を、少なくと
も部分的に相殺する。この作用効果を保証するために、第１部分部位５における
吸収率ａ₁が０．５より小さな値を有し、第２部分部位６における第２吸収率ａ₂ が０．５より大きな値を有していることが有利である。

【００１７】 図４は、温度差を平衡するために熱放射を利用する別の方式を示す。図４には
その説明を簡単にするため、図１と同一の部分に同一符号が付されている。一方
では、第１部分部位５における外部車室内側面８は第３材料１１を有している。
この第３材料１１の第３吸収率ａ₃は、第２部分部位６における外部車室内側面 ８の吸収率ａ₄より小さい。他方では、第２部分部位６における内部車室外側面 ７は第４材料１２を有している。第１部分部位５における内部車室内側面７は第
１放射率ｅ₁を有している。この第１放射率ｅ₁は第４材料１２の第２放射率ｅ₂ より小さい値を持つ。第１放射率ｅ₁が０．５より小さな値を有し、第２放射率 ｅ₂が０．５より大きい値を有していると有利である。このようにして、第２部 分部位６において第１部分部位５におけるよりも大きな放射熱流ＱＳが、内部車
室外側面７から外部車室内側面８に向かって流れる。またこれは、外部車室３に
おける温度を均一にすることによって対流熱流ＱＫを阻止する働きをする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 外部車室内側面に材料が被覆されている本発明のタービン車室の有利な実施例
の概略断面図。

【図２】 図１の実施例におけるタービン停止後の自然対流を無視した状態の放射効果に
よる温度分布を示した線図。

【図３】 外部車室における設計格子に対応した区分の概略斜視図。

【図４】 外部車室内側面および内部車室外側面に材料が被覆されている本発明のタービ
ン車室の実施例の断面図。

【符号の説明】

１ タービン車室 ２ 内部車室 ３ 外部車室 ５ 第１の上側部分部位 ６ 第２の下側部分部位 ７ 内部車室外側面 ８ 外部車室内側面 ９ 第１材料 １０ 第２材料 １１ 第３材料 １２ 第４材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴブレヒト、エドウィン ドイツ連邦共和国 デー‐40885 ラチン ゲン ロスブルッフリング 50

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部車室（３）で包囲された内部車室（２）を備え、内部車
   室（２）と外部車室（３）がそれぞれ第１の上側部分部位（５）と第２の下側部
   分部位（６）を有し、内部車室外側面（７）および外部車室内側面（８）が互い
   に間隔を隔てられているタービン車室（１）において、 内部車室外側面（７）とそれに対向する外部車室内側面（８）とが、それぞれ
   それらの第１部分部位（５）の少なくとも一部において、それら部位が第２部分
   部位（６）の少なくとも一部より小さな放射熱伝達率を有するように形成されて
   いることを特徴とするタービン車室。
2. 【請求項２】 外部車室内側面（８）の第２部分部位（６）の少なくとも一
   部が、外部車室内側面（８）の第１部分部位（５）の一部より大きな吸収率（ａ ₂ ）を有していることを特徴とする請求項１記載のタービン車室。
3. 【請求項３】 第２部分部位（６）における外部車室内側面（８）が、第１
   部分部位（５）における外部車室内側面（８）の第２材料（１０）の吸収率（ａ ₁ ）より大きな吸収率（ａ₂）を持つ第１材料（９）を備えていることを特徴とす
   る請求項２記載のタービン車室。
4. 【請求項４】 第１材料（９）が外部車室内側面（８）に被着されているこ
   とを特徴とする請求項３記載のタービン車室。
5. 【請求項５】 第１材料（９）が酸化物セラミックスであることを特徴とす
   る請求項４記載のタービン車室。
6. 【請求項６】 第１部分部位（５）の外部車室内側面（８）上に、第２部分
   部位（６）の外部車室内側面（８）の吸収率（ａ₁）より小さい吸収率（ａ₃）を
   有する第３材料（１１）が被着されていることを特徴とする請求項２記載のター
   ビン車室。
7. 【請求項７】 材料（９、１１）がプラズマ溶射によって被着されているこ
   とを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載のタービン車室。
8. 【請求項８】 第１部分部位（５）における第１吸収率（ａ₁）が０．５よ り小さな値を有し、第２部分部位（６）における第２吸収率（ａ₂）が０．５よ り大きな値を有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記
   載のタービン車室。
9. 【請求項９】 第１部分部位（５）の内部車室外側面（７）が、第２部分部
   位（６）の内部車室外側面（７）の第２放射率（ｅ₂）より小さな値を持つ第１ 放射率（ｅ₁）を有す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 載のタービン車室。
10. 【請求項１０】 第１放射率（ｅ₁）が０．５より小さな値を有し、第２放 射率（ｅ₂）が０．５より大きな値を有することを特徴とする請求項９記載のタ ービン車室。
11. 【請求項１１】 内部車室外側面（７）に第４材料（１２）が被着されてい
    ることを特徴とする請求項９又は１０記載のタービン車室。