JP2003508665A - タービンとその漏れ流体の排出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 動翼（４）用の翼部位（３）とスラスト平衡ピストン（５）とを有するロータ（２）を備えたタービン（１）に関する。スラスト平衡ピストンは、翼部位側の高温側面（６）と、翼部位と反対側の低温側面（７）とを備える。低温側面に付属する封じ流体（１５）の供給路（１４）および翼部位に流体的に接続された漏れ流体導入路（１２）が各々混合室（１３）に開口し、この混合室から排出路（１６）が出ている。本発明はまた高温漏れ流体（１７）の排出方法に関する。本発明に基づき、高温漏れ流体は、ロータのスラスト平衡ピストンと固定タービン部分（１１）との間の半径方向隙間を通って流れ、その高温漏れ流体は低温封じ流体と混合されて排出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、動翼用の翼部位とスラスト平衡ピストンとを有するロータを備え、
スラスト平衡ピストンが翼部位の側の高温側面と翼部位と反対側の低温側面とを
有するタービン、特に蒸気タービンに関する。本発明はまた、スラスト平衡ピス
トンを越えて流れる漏れ流体の排出方法に関する。

【０００２】 ドイツ実用新案登録第６８０９７０８号明細書（１９６８年１２月３日）に、
高温高圧用の多重殻構造の絞り調整式軸流蒸気タービンが記載されている。この
蒸気タービンは内部車室部分と静翼ホルダを有し、これらは水平二分割構造の唯
一の内部殻形状にまとめられている。内部殻は壺形構造に形成された外部車室に
より包囲されている。内部殻は動翼付き翼部位を有するロータとも呼ばれるター
ビン軸を包囲する。ロータの両側端に、ロータと外部車室との間の軸封装置が設
けられている。蒸気タービンを貫流する蒸気はロータの一端で翼部位に流入し、
ロータをその回転中心軸線を中心として回転させる。そして少なくとも部分的に
膨張した蒸気は、ロータの反対側端で翼部位および蒸気タービンから流出する。
この場合、蒸気はロータにスラストを与える。このスラストに対抗して作用する
ために、ロータ２はその蒸気が流入する側の端部にスラスト平衡ピストン装置を
備える。このピストン装置は、翼部位の側にあり、翼部位と反対側の端面より大
きな面積を有する端面で特徴づけられる。壺形構造の類似した蒸気タービンは米
国特許第３７５４８３３号明細書に記載されている。

【０００３】 ドイツ特許第２８１２５３号明細書に、船舶用タービンの平衡装置が記載され
ている。そのタービンは衝動・反動段付きの前進用タービンと後進用タービンと
を有する。これは唯一の車室内に収納され、円胴壁により平衡されている。ター
ビンの平衡のため、前進用タービンと軸受の間に分割構造の平衡面が設けられ、
これによって、船舶の前進中および後進中、翼スラスト並びに船舶プロペラのス
ラストを平衡することができる。

【０００４】 ドイツ特許出願公開第１９７０１０２０号明細書に、タービン段にわたり反応
度が変化する高圧部分タービンと中圧部分タービンとを備えた蒸気タービンが記
載されている。その中圧部分タービンと高圧部分タービンは唯一の車室内に収納
され、各部分タービンは単流式に形成されている。ドラム構造に形成された中圧
部分タービンの軸方向スラストを受けるため、スラスト平衡ピストンが設けられ
ている。該ピストンは、軸受と高圧部分タービン間に配置されている。スラスト
平衡ピストンは、軸受側の面に中圧部分タービンの排気室から蒸気を供給され、
高圧タービン側の面に、高圧タービンの排気室から蒸気を供給される。各部分タ
ービンは各々別個の車室に収納することもできる。その場合、単流構造の場合に
は、同様にスラスト平衡ピストンが設けられる。

【０００５】 本発明の課題は、タービンを駆動する作動媒体のスラスト平衡装置を備えた高
温用タービンを提供することにある。本発明のもう１つの課題は、スラスト平衡
装置の漏れ蒸気の排出方法を提供することにある。

【０００６】 タービンに関する課題は、本発明に基づき、動翼用の翼部位とスラスト平衡ピ
ストンとを有するロータを備え、スラスト平衡ピストンが翼部位側の高温側面と
翼部位と反対側の低温側面とを備えるタービンにおいて、スラスト平衡ピストン
の低温側面に付属された封じ流体の供給路および翼部位に流体的に接続された漏
れ流体導入路が各々開口する混合室が設けられ、この混合室から排出路が出てい
ることにより解決される。

【０００７】 ここでスラスト平衡ピストンとは、タービンロータに機械的に結合したスラス
ト平衡装置、例えばタービンロータと一体に製造され、特に鍛造又は鋳造され或
はタービンロータと溶接、ボルト或は別の方式で機械式に固く結合されたスラス
ト平衡装置を意味する。特にスラスト平衡ピストンは、作動媒体によりロータに
その回転中心軸線の方向に加わるスラストに対抗して作用する合力がスラスト平
衡ピストンに発生するよう、蒸気やガス等の媒体で付勢される面を備える。

【０００８】 ２つの部分又は部位間の流体的な接続とは、流体が一方の部位（部分）から他
方の部位（部分）に向けて流れ得ることを意味する。流体的な接続は、例えば配
管、開口等で行われる。

【０００９】 本発明は、スラスト平衡ピストン（以下単にピストンと呼ぶ）が作動媒体と接
触するという考えから出発する。作動媒体はピストンと固定タービン部分、例え
ば内部車室との間を貫流する。この結果、作動媒体の漏れ流が生ずる。この漏れ
流はパッキンにより減少するが、非接触パッキンで完全な漏れ止めはできない。
漏れ流は高い温度を有し、蒸気タービンの場合で６００℃に達し、ガスタービン
の場合はより高温になる。従ってその高温漏れ流は、かかる高温に対し設計され
ていないタービン部分に当たる。これを防止するため、高温媒体の流れ範囲外に
あるタービン部分も、そのような高温で使用可能な、しばしば高価で且つ加工し
難い材料で作らねばならない。或はその代わりに、ピストンの高温作動媒体の流
れ範囲と反対の側端（以下低温側面と呼ぶ）にも、補助的なパッキン部位を配置
する。これに加えて或はその代わりに、漏れ流を吸引するための吸込み装置を設
ける。この場合、ピストンを越える漏れ流は、補助パッキン部位および吸込み装
置に存在する吸込み管における流れ抵抗に反比例する。これによっても、完全な
漏れ止め、従って高温漏れ流体が作動媒体の流れ範囲の外側におけるタービン構
造部品に当たるのを完全には防止できない。

【００１０】 本発明に基づき、高温漏れ流体と低温封じ流体との混合が行われ、これにより
両流体の混合後に混合流体が生ずる。混合流体は排出路を介して混合室から流出
する。この場合、漏れ流体に比べ低温の混合流体を的確に相応のタービン部位に
排出することが保障される。このため、漏れ流体に関してピストンの完全な漏れ
止めが得られる。その結果、ピストンの外側における、例えばロータに沿った漏
れ流体を完全に防止できる。混合流体の温度は、特に高温作動媒体の流れ範囲の
外側におけるタービン部分の許容温度以下である。

【００１１】 好適には、混合室はピストンの低温側面に配置される。これにより、ピストン
の高温側面と混合室との間において漏れ流体排出路に、例えば非接触パッキンを
備えたパッキン部位を設けることができる。

【００１２】 好適には、スラスト平衡ピストンの低温側面に、封じ流体の半径方向外向きの
流れを発生する搬送装置を設け、この搬送装置を流体的に封じ流体の供給路に接
続する。特に搬送装置は、半径方向溝、半径方向孔や案内羽根や同じ作用をする
形状および幾何学形状の多数の流れ案内要素を備える。そのような搬送装置は半
径流通風機として働く。

【００１３】 この搬送装置、特にロータの回転により、混合室の方向への封じ流体の搬送が
行われる。従って、別の補助装置なしに封じ流体は混合室に到達する。搬送装置
で発生した封じ流体の流れは、好適には漏れ流体の流れと逆向きにされる。

【００１４】 好適には、搬送装置はスラスト平衡ピストンと一体に形成される。特に流れ案
内要素はピストンの低温側面に、溶接や同様の方式で取り付けられる。

【００１５】 タービンは蒸気タービン、特に中圧部分タービンとして形成するとよい。また
好適には、タービンは単流式に形成される。

【００１６】 好適には、タービンは外部車室を有し、この車室内に内部車室が配置される。
内部車室はロータを包囲し、スラスト平衡ピストンと内部車室の間に半径方向隙
間付きの漏れ流体導入路が形成される。好適には、その隙間内に非接触パッキン
が配置される。

【００１７】 方法に関する課題は、本発明に基づき、タービンの高温漏れ流体を、ロータの
スラスト平衡ピストンと固定タービン部分間の半径方向隙間を通して流し、該高
温漏れ流体を低温封じ流体と混合して排出することで解決できる。この方法の利
点と作用に関しては、タービンの構造形成に関する上述の説明を参照されたい。

【００１８】 漏れ流体と封じ流体との混合に伴い、漏れ流体より低温の混合流体が生ずる。
混合場所を適当に選定すれば、ピストンの完全な漏れ止めができる。この際漏れ
流体は、スラスト平衡ピストンの、特に低温側面で封じ流体と混合される。

【００１９】 封じ流体の流れは、ロータの回転により発生するとよい。これは特に、スラス
ト平衡ピストンに配置した搬送装置により行う。封じ流体の流れは、好適には半
径方向外側に向ける。搬送装置により、封じ流体を半径方向外側に搬送する。

【００２０】 漏れ流体が高温蒸気であるとき、封じ流体として低音蒸気を利用するとよい。
これは特に蒸気タービンに当てはまる。ガスタービンの場合、封じ流体として好
適にはガス、例えば冷却空気が利用される。

【００２１】 以下、図示の実施例を参照して本発明に基づくタービンおよび漏れ流体の排出
方法を説明する。図１〜３において同一部分には同一符号を付してある。

【００２２】 図１は、タービン１、この例では壺形構造の高圧蒸気タービンを縦断面図で示
す。このタービン１は回転中心軸線１９に沿って延びるロータ２を有する。ロー
タ２は内部車室１１で包囲され、内部車室１１自体は外部車室１０で包囲されて
いる。ロータ２は外部車室１０の両側で各々軸受２２により支持されている。ロ
ータ２が突出する外部車室１０の両側終端部位２５に軸封装置２４が存在する。
ロータ２は高温活動媒体２６、ここでは高温蒸気の入口室２１と排気室２０の間
に翼部位３を有する。ロータ２はこの翼部位３に軸方向に互いに間隔を隔てて配
置された動翼４を備える。軸方向に隣接する動翼４間に各々一列の静翼２３が配
置され、内部車室１１に取り付けられている。

【００２３】 ロータ２はスラスト平衡ピストン５を備える。その場合、入口室２１は軸方向
において翼部位３とスラスト平衡ピストン５との間に配置されている。スラスト
平衡ピストン（以下単にピストンと呼ぶ）５は、入口室２１側に高温側面６を有
し、入口室２１と反対側に低温側面７を有している。

【００２５】 タービン１の運転中、活動媒体２６は入口室２１に流入し、翼部位３を貫流し
、排気室２０を通りタービン１から出る。活動媒体２６は翼部位３の貫流中に動
翼４、従ってロータ２に力を与える。この結果、回転中心軸線１９の軸方向にス
ラストが生ずる。このスラストはスラスト平衡ピストン５により相殺される。こ
のため、ピストン５は低温側面７と高温側面６に、各々同じ或は異なる圧力が加
わる同一又は異なる大きさの面（図示せず）を持つ。低温側面７と高温側面６で
の圧力と面積との積の差から、スラストに対抗する軸方向力が生ずる。タービン
１の運転中、特に低温側面７と高温側面６の間に圧力差があると、活動媒体２６
の一部がピストン５を越え、漏れ流体１７（図２参照）として軸方向に流れる。
漏れ流体１７の量は、非接触パッキン（図示せず）により減少する。

【００２６】 図２は、タービン１、特に単流中圧蒸気タービンの一部を縦断面図で示す。回
転中心軸線１９に沿って延びるロータ２はスラスト平衡ピストン５を備える。そ
の作用については図１の説明を参照されたい。ロータ２、従ってピストン５も又
内部車室１１で包囲されている。ピストン５は図示しない翼部位３側の高温側面
６と、これと反対側の低温側面７とを備える。高温側面６には、内部車室１１と
ピストン５との間に漏れ流体導入路１２が存在する。この導入路１２は少なくと
も部位的に、ピストン５と内部車室１１の間に半径方向隙間を形成する。また低
温側面７に、封じ流体１５の供給路１４が設けられている。ピストン５の低温側
面７の端部に混合室１３或は混合部位等が存在する。この混合室１３に、漏れ流
体導入路１２および封じ流体１５の供給路１４が開口する。混合室１３から内部
車室１１内に排出路１６が入り込んでいる。ピストン５の低温側面７に、多数の
流れ案内要素９を備えた搬送装置８（図３参照）が配置されている。

【００２７】 ロータ２の回転中、搬送装置８は半径流通風機として作用する。これに伴い、
別の補助装置なしに混合室１３に向かう封じ流体１５の流れが得られる。この結
果、混合室１３内で、高温漏れ流体１７、即ち高温蒸気と、低温封じ流体１５、
即ち低温蒸気との混合が行われる。従って、混合室１３から排出路１６を通して
流出する漏れ流体１７と封じ流体１５との混合流体は、漏れ流体１７よりも低温
である。この結果次の２点が達成される。即ち、一方では、封じ流体１５が漏れ
流体１７と逆向きに流れるので、高温漏れ流体がピストン５を越えて流出するこ
とがない。他方では、漏れ流体１７より低温の混合流体１８が内部車室１１に流
入する結果、混合流体１８と接触するタービン部分は、活動媒体２６と接触する
タービン部分の如く熱的に強く負荷されない。そのため、混合流体１８と接触す
るタービン部分に対し、熱的に弱くしか負荷できない材料、即ち安価で、更に容
易に加工できる材料を問題なく採用できる。

【００２８】 図３は、図２のタービン１のピストン５を一部斜視図で示す。ピストン５の低
温側面７に、搬送装置８の流れ要素９を形成する半径方向凹所が存在する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 高圧蒸気タービンの縦断面図。

【図２】 スラスト平衡ピストンの範囲における蒸気タービンの一部縦断面図。

【図３】 スラスト平衡ピストンの範囲における蒸気タービンの一部斜視図。

【符号の説明】

１ タービン ２ ロータ ３ 翼部位 ４ 動翼 ５ スラスト平衡ピストン ６ 高温側面 ７ 低温側面 ８ 搬送装置 ９ 流れ案内要素 １０ 外部車室 １１ 内部車室 １２ 漏れ流体導入路 １５ 封じ流体 １７ 漏れ流体

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動翼（４）用の翼部位（３）とスラスト平衡ピストン（５）
   とを有するロータ（２）を備え、スラスト平衡ピストン（５）が翼部位（３）の
   側の高温側面（６）と翼部位（３）と反対側の低温側面（７）とを有しているタ
   ービン（１）において、スラスト平衡ピストン（５）の低温側面（７）に付属さ
   れた封じ流体（１５）の供給路（１４）および翼部位（３）に流体的に接続され
   た漏れ流体導入路（１２）が各々開口している混合室（１３）が設けられ、該混
   合室（１３）から排出路（１６）が出ていることを特徴とするタービン。
2. 【請求項２】 スラスト平衡ピストン（５）の低温側面（７）に、封じ流体
   （１５）の半径方向外向きの流れを発生するための搬送装置（８）が設けられ、
   この搬送装置（１８）が流体的に封じ流体（１５）の供給路（１４）に接続され
   たことを特徴とする請求項１記載のタービン。
3. 【請求項３】 搬送装置（８）が、半径方向溝、半径方向孔或は案内羽根の
   ような多数の流れ案内要素（９）を備えることを特徴とする請求項１又は２記載
   のタービン。
4. 【請求項４】 搬送装置（８）がスラスト平衡ピストン（５）と一体に形成
   されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のタービン。
5. 【請求項５】 蒸気タービン、特に中圧部分タービンとして形成されたこと
   を特徴とする請求項１から４の１つに記載のタービン。
6. 【請求項６】 外部車室（１０）を備え、該車室（１０）内に内部車室（１
   １）が配置され、内部車室（１１）がロータ（２）を包囲し、スラスト平衡ピス
   トン（５）と内部車室（１１）との間に、半径方向隙間付きの漏れ流体導入路（
   １２）が形成されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載のタービン。
7. 【請求項７】 単流形に形成されたことを特徴とする請求項１から６の１つ
   に記載のタービン。
8. 【請求項８】 タービン（１）における高温漏れ流体（１７）を、ロータ（
   ２）のスラスト平衡ピストン（５）と固定タービン部分（１１）との間の半径方
   向隙間（１２）を通って流し、該高温漏れ流体（１７）を低温封じ流体（１５）
   と混合して排出することを特徴とする高温漏れ流体の排出方法。
9. 【請求項９】 漏れ流体（１７）をスラスト平衡ピストン（５）において封
   じ流体（１５）と混合することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】 封じ流体（１５）を、ロータ（２）の回転中、スラスト平
    衡ピストン（５）に配置した搬送装置（８）により半径方向外側に搬送すること
    を特徴とする請求項８又は９記載の方法。
11. 【請求項１１】 漏れ流体（１７）が高温蒸気であり、封じ流体（１５）が
    低温蒸気であることを特徴とする請求項８から１０の１つに記載の方法。