JP2004138060A

JP2004138060A - 蒸気タービンを改造する方法及び装置、並びに改造された蒸気タービン

Info

Publication number: JP2004138060A
Application number: JP2003353057A
Authority: JP
Inventors: James Harvey Vogan; ジェームズ・ハーヴェイ・ボーガン; David Alan Caruso; デビッド・アラン・カルーソー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2004-05-13
Also published as: RU2003130432A; RU2333367C2; CN1497134A; CN100419222C; KR100851102B1; US6752589B2; KR20040034448A; US20040071544A1

Abstract

【課題】　反動段型設計の第１の蒸気タービンが改造されて、第１のタービンと共通の構成部品を用いて実質的に衝動段型設計の第２のタービンを形成する。
【解決手段】　新しい蒸気流路を第１のタービン内に改造するために、第１のタービンの上部外側17及び内側シェル14並びにロータ12が、下部外側シェル19を残して取外される。下部支持体セクション40が、下部外側シェル19内に取付けられる。そして、下部内側シェルが下部支持体リング上に取付けられ、ロータが取付けられる。上部内側シェルが、ロータを囲んで下部内側シェルにボルト止めされ、また上部支持体セクション38が、下部支持体セクション40にボルト止めされる。最後に、上部外側シェルが、下部外側シェルにボルト止めされる。その結果、縮小された直径の新しい蒸気流路が、従来のタービン外側シェルを用いて従来のタービン内に改造される。
【選択図】　　　図８

Description

　本発明は、蒸気タービンを改造する装置及び方法並びに改造された蒸気タービンに関する。具体的には、本発明は、元のタービンの外側シェルを含む一部の構成部品を改造されたタービン内に維持しながら、例えば実質的に反動段型設計の大径の蒸気流路を、例えば実質的に衝動段型設計の小径の蒸気流路で置き換える方法に関する。

　蒸気タービン技術においては、２つの異なる蒸気流路設計が一般に行われている。反動段型タービン設計では、段圧力降下の一部分、例えば約５０％が回転ブレードを横切るその両側で発生し、蒸気の速度を上昇させ、運動量変動（ｍｏｍｅｎｔｕｍ　ｅｘｃｈａｎｇｅ）だけでなく反動によりブレードにエネルギーを与える。衝動段型タービン設計では、理論的には段圧力降下全体が、ノズル内で速度に変換される。圧力降下は、回転バケットを横切るその両側では全く発生せず、該回転バケットは蒸気の方向を変え、運動量変動によりエネルギーを吸収する。

　ホイール・ダイアフラム式機械構造が、衝動段型設計の蒸気流路では一般的であるが、一方、ドラム式構造が、反動段型設計の蒸気流路の特徴となっている。しかしながら、衝動段型設計は、ホイール・ダイアフラム式構造又はドラム式構造のいずれかを利用することができることが分かるであろう。重要なことは、蒸気タービンの設計及び効率の改善により、段反動を著しく増大させることなく、結果として衝動段型設計の根元反動の増大をもたらしたことである。つまり、蒸気タービンの効率の向上は、衝動段型設計において反動が増大したことにより起こったが、反動レベルは反動段型設計より実質的に小さい状態であった。反動段型設計の蒸気流路と比較して、改良された衝動段型設計の蒸気流路には寸法及び設計における大きな相違がある。例えば、改良された衝動段型設計は、反動段型設計を用いる対応する寸法よりも約５０％程度小さい、バケットの根元直径と長さとの組合せとなる。従って、改良された衝動段型設計の蒸気流路は、反動段型設計の蒸気流路の内側シェルの対応する直径よりも遙かに小さい直径の内側シェルを有する。同様に、衝動段型設計の蒸気流路は、一般的により小さい直径の外側シェルを有する。

　寸法及び設計にこのような相違があるにもかかわらず、改良された衝動段型設計の蒸気流路を用いて現用の反動段型蒸気流路を有する蒸気タービンを改造して、より高い効率を有する改造されたタービンを得ることが望ましい。

　本発明の好ましい実施形態によると、大径の蒸気流路、例えば反動段型設計の蒸気流路の特徴となる流路を、より小径の蒸気流路、例えば改良されてより効率的な衝動段型蒸気流路設計が特徴である流路を用いて改造する方法が提供される。改良された衝動段型蒸気流路設計に特有なより小径のロータ及び内側シェルが、反動段型蒸気流路設計の対応する内部部品と置き代わることが分かるであろうが、改良された衝動設計段型の蒸気流路と共に現用のタービンの外側シェル及び他の構成部品を用いることが望ましいという問題が残っている。つまり、反動段型設計の蒸気流路を改良された衝動段型設計の蒸気流路と単に置き換えることは、現存するタービンのより大きい外側シェルに合わせるために長くて厚い支持延長部を有する内側シェルの設計を望ましくはないが必要とすることになる。厚い延長部は、鋳造するのが難しいであろうし、また改造された蒸気流路のウオームアップ及びクールダウンの間に過大な熱応力を生じる可能性がある。従って、本発明は、改良された衝動段型設計の交換蒸気流路と反動段型設計の蒸気流路を以前は納めていたタービンの外側シェルとの間のインタフェースを提供する。このインタフェースはまた、過渡運転の間の熱応力を回避するために内側シェル厚さを最小に維持しながら、軸方向、垂直方向及び半径方向の位置決めが維持されることを可能にする。

　本発明の好ましい実施形態による衝動段型設計の蒸気流路を用いて反動段型設計の蒸気流路を改造するために、反動段型設計の内側シェル及びロータは、取外されて、改良された衝動段型設計の内側シェル及びロータと置き換えられる。元のタービンの外側シェルと衝動段型設計の取り換えられた蒸気流路の内側シェルとの間の間隙のために、新しい内側シェルと元の外側シェルとの間にインタフェースすなわちブリッジ部材が設けられる。具体的には、支持体セクションすなわちリング半体が、新しい内側シェルと元の外側シェルとの間に挿置され、縮小された直径の蒸気流路を以前はより大きい直径の蒸気流路を有していたタービンの外側シェル内に組入れることを可能にする。

　本発明による好ましい実施形態では、一対の上部及び下部外側シェル半体を含む外側シェルと、第１内側シェル及び第１ロータにより一部が形成された第１の直径の第１蒸気流路とを有する第１の蒸気タービンを改造して、改造された第２の蒸気タービンを構成する方法が提供され、該方法は、（ａ）上部外側シェル半体、第１内側シェル及び第１ロータを第１のタービンの下部外側シェル半体から取外す段階と、（ｂ）下部支持体セクションを下部外側シェル半体内に挿入する段階と、（ｃ）第１蒸気流路の第１の直径よりも小さい第２の直径の第２蒸気流路の一部を形成する第２ロータ及び第２内側シェルを準備する段階と、（ｄ）第２内側シェルの下部内側シェル半体を下部支持体セクション内に配置する段階と、（ｅ）第２ロータを第２内側シェルの下部内側シェル半体内に配置する段階と、（ｆ）第２内側シェルの上部内側シェル半体を第２ロータの周りに配置する段階と、（ｇ）上部支持体セクションを第２内側シェルの上部内側シェル半体の周りに配置する段階と、（ｈ）上部外側シェル半体を第１のタービンの下部外側シェル半体に固定し、それによって縮小した直径の第２蒸気流路を有する改造された第２の蒸気タービンを構成する段階とを含む。

　本発明による別の好ましい実施形態では、実質的に反動段型設計の第１蒸気流路を有する第１の蒸気タービンを改造して、実質的に衝動段型設計の第２蒸気流路を有する第２のタービンを構成する方法が提供され、該方法は、実質的に反動段型の第１のタービンの第１蒸気流路の一部を形成する第１内側シェル及び第１ロータを、第１のタービン設計の外側シェルから取外す段階と、第２内側シェル及び第２ロータを含む第２のタービンの衝動段型設計を有する蒸気流路を、該第２内側シェルと第１のタービンの外側シェルとの間に支持体セクションが設置されてそれらの間の間隙を橋絡した状態で、該第１のタービンの外側シェル内に配置する段階とを含む。

　本発明による更に別の好ましい実施形態では、改造されたタービンが提供され、該タービンは、ロータを囲みかつ蒸気流路を形成する内側シェルと、内側シェル及びロータを囲む外側シェルと、内側シェルと外側シェルとの間の間隙を橋絡する、該シェル間の構造ブリッジ部材とを含む。

　ここで図面、特に図１及び図２を参照すると、タービンブレードすなわちバケット１３を支持するロータ１２と、静翼１５を支持する内側シェル１４と、それぞれ上部及び下部外側シェル半体１７及び１９を備える外側シェル１６とを含む、全体を１０で表した蒸気タービンが示されている。蒸気タービン１０は複流式であり、該複流式においては、半径方向の入口を通しての蒸気流が、ほぼ軸方向の流れに変わり、矢印１８で示すように蒸気流路に沿って対向する方向に流れる。この蒸気タービン１０は、概略的に示すように、ドラムロータ式構造を有する反動段型に属するものである。一般的に反動型の蒸気タービン段は、ブレードの根元直径からブレードの外側先端までの半径方向の長さが、衝動段型タービン設計における同様の寸法と比較して大きい長さを有する。ロータは、複流タービンの対向するタービンセクション、例えば２２及び２４で示す対向する第１及び第２のタービンセクションに沿って延びる中実の一体構造の細長いシャフトから形成されていることが分かるであろう。その上に、内側シェル１４は、一般的には互いにボルト止めされた上部内側シェル半体２１及び下部内側シェル半体２３（図２）からなる。更に、外側シェル１６は、一般的に内側シェルを完全に囲み互いにボルト止めされた、上部外側シェル半体及び下部外側シェル半体からなる。

　明らかなように、蒸気流路は、ロータ、ロータブレード、及び静翼を支持する内側シェルを含むものとして形成される。従って、図１に示す反動型タービンの蒸気流路２６は、ロータ１２、バケット１３、内側シェル１４及び静翼１５を含む。蒸気タービン１０（反動段型）を、主として衝動型であるが、増大された反動段も有する新しい改良された蒸気流路設計を用いて改造するのが望ましいことが判ってきた。この改良された蒸気流路は、図１に示す従来技術の反動型蒸気タービンの蒸気流路と比較して実質的に縮小された直径となっている。根元直径とその先端までのブレード長さとの組合せにより、従来技術のタービンの蒸気流路直径よりも遙かに小さい、例えば約５０％程度の蒸気流路直径を構成する。前述の通り、蒸気タービン１０をより小径の蒸気流路を用いて改造するためには、外側シェルと蒸気流路との間の間隙を埋める（橋絡する）ために内側シェルを半径方向に拡大することを必要とすることになる。蒸気流路における寸法及び設計の相違は、結果として外側シェルの内径よりも遙かに小さい外径の内側シェルをもたらすこととなった。従来の蒸気タービンの外側シェルとその蒸気流路との間の間隙を埋めるような厚い内側シェルの設計は、蒸気流路のウオームアップ及びクールダウンの間に過大な熱応力を生じさせることになる。

　本発明の好ましい実施形態によると、スペーサすなわち支持体が、内側シェルと外側シェルとの間に設けられる。このスペーサすなわち支持体は、内側シェル厚さを、改良された実質的に衝動型の蒸気タービン設計の蒸気流路に必要とされる最小厚さに維持しながら、軸方向及び半径方向の位置決めを維持することを可能にする。

　改良された蒸気流路を用いる、全体を２８で表す改造されたタービンを示す図９を参照すると、蒸気流路が改造されて従来の蒸気タービン１０の外側シェル１６内に設置されることを可能にしながら、改良された蒸気流路の内側シェルの適度な厚さを維持するタービン設計が提供される。一般的に、改良されたタービン設計は、ロータブレードすなわちバケット３１を支持するロータ３０と、上部及び下部内側シェル半体３４及び３６からなりかつ静翼３３を支持する内側シェル３２と、それぞれ少なくとも一対の上部及び下部支持体セクション半体３８及び４０を含む支持体セクションすなわち構造ブリッジ部材３７と、それぞれ上部及び下部シェル半体１７及び１９を含む従来技術のタービン１０の外側シェル１６からなる外側シェルとを含む。改造されたタービン２８は、全体を４４で示す改良された蒸気流路を含み、該蒸気流路は、ロータ３０と、ロータブレードすなわちバケット３１と、内側シェル３２と、静翼３３とを含む。改造された蒸気タービン２８は、蒸気が、それぞれ第１及び第２のタービンセクション４６及び４８を通して矢印４５により示すように互いに対向する方向に流れる複流式にすることができるが、本発明は、複流タービン以外のタービンの型式においても用いることができる。

　蒸気流路４４を用いて蒸気タービン１０を改造するために、図２から図８までを参照する。図２には、蒸気タービン１０が、蒸気流路２６を蒸気流路４４で置き換える方法を示す横断面図で示されている。従来の蒸気タービン１０の外側シェル１６の上部外側シェル半体１７が、最初に取外される。次に内側シェル１４の上部内側シェル半体２１が取外される。

　上部外側及び上部内側シェル半体を取外すことにより、ロータ１２が露出され、該ロータ１２がタービンから取外される。次に下部内側シェル半体２３が、下部外側シェル半体１９から取外される。取外された部品は、図２に破線により示されており、下部外側シェル半体１９が蒸気流路４４を挿入するための出発点として残される。

　新しい蒸気流路４４を取付けるために、下部内側支持体セクション４０が、図３に示すようにタービン１０の下部外側シェル半体１９内に配置される。図示した実施例では、改造されたタービンは、元のタービン１０と同じ複流式のものとなるので、２つの下部支持体セクション４０が、タービン１０の第１及び第２のタービンセクション２２及び２４の軸方向位置にほぼ軸方向に対応する軸方向に間隔を置いた位置においてタービン１０の下部外側シェル１９内に配置される。次に、蒸気流路４４の静翼３３を含む下部内側シェル半体３６が、図４に示すように下部支持体セクション４０内に下ろされる。次に図５に示すような蒸気流路４４のロータ３０が、組立体内に下ろされる。最終組立に備えてのロータの位置合わせ及び他の整備の後に、上部内側シェル半体３４が、図６に示すように、シェル半体を互いにボルト止めすることにより下部シェル半体３６上に組み付けられる。次に２つの支持体上部半体３８が、上部内側シェル半体３４の周りに組立てられ、下部支持体半体３６にボルト止めされて、剛性のある組立体を形成する。図示されてはいないが、位置決めキーを用いて内側シェル３２を支持体セクション３８及び４０に対して位置決めし、また支持体セクションを外側シェル１６に対して位置決めする。次に蒸気タービン１０の上部外側シェル半体１７が、図８に示すように組立てられ、下部外側シェル半体１９にボルト止めされる。その結果、支持体セクション３８及び４０は、従来の蒸気タービン１０の外側シェル１６の内径と蒸気流路４４の一部を形成する内側シェル３２の外径との間のインタフェースを形成する。改造されたタービンは、図１０に部分的に示されているが、例示の目的で上部外側シェルが取外されている。

　本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられているものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

従来技術による複流蒸気タービンの一部分の部分断面図。本発明の好ましい実施形態により図１の蒸気タービンの改造を可能にするために、該タービンから取外された該タービンの部分を破線で示す、図１の蒸気タービンの横断面図。図１の蒸気タービンを改造する際の段階を示す図。図１の蒸気タービンを改造する際の段階を示す図。図１の蒸気タービンを改造する際の段階を示す図。図１の蒸気タービンを改造する際の段階を示す図。図１の蒸気タービンを改造する際の段階を示す図。図１の蒸気タービンを改造する際の段階を示す図。改造された蒸気タービンを示す図１に類似の図。本発明により改造された蒸気タービンの上部外側シェルが取外された状態の斜視図。

符号の説明

　１６　外側シェル
　１７　上部シェル半体
　１９　下部シェル半体
　３０　ロータ
　３１　バケット
　３３　静翼
　３４　上部内側シェル半体
　３６　下部内側シェル半体
　３７　構造ブリッジ部材
　３８　上部支持体セクション半体
　４０　下部支持体セクション半体

Claims

一対の上部及び下部外側シェル半体（１７、１９）を含む外側シェル（１６）と、第１内側シェル（１４）及び第１ロータ（１２）により一部が形成された第１の直径の第１蒸気流路（１８）とを有する第１の蒸気タービン（１０）を改造して、改造された第２の蒸気タービン（２８）を構成する方法であって、
　（ａ）前記上部外側シェル半体（１７）、前記第１内側シェル（１４）及び前記第１ロータ（１２）を前記第１のタービンの前記下部外側シェル半体（１９）から取外す段階と、
　（ｂ）下部支持体セクション（４０）を前記下部外側シェル半体内に挿入する段階と、
　（ｃ）前記第１蒸気流路の前記第１の直径よりも小さい第２の直径の第２蒸気流路（４４）の一部を形成する第２ロータ（３０）及び第２内側シェル（３２）を準備する段階と、
　（ｄ）前記第２内側シェルの下部内側シェル半体（３６）を前記下部支持体セクション内に配置する段階と、
　（ｅ）前記第２ロータを前記第２内側シェルの前記下部内側シェル半体内に配置する段階と、
　（ｆ）前記第２内側シェルの上部内側シェル半体（３４）を前記第２ロータの周りに配置する段階と、
　（ｇ）上部支持体セクション（３８）を前記第２内側シェルの前記上部内側シェル半体の周りに配置する段階と、
　（ｈ）前記上部外側シェル半体（１７）を前記第１のタービンの前記下部外側シェル半体（１９）に固定し、それによって縮小した直径の第２蒸気流路を有する改造された第２の蒸気タービンを構成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記第２内側シェルの前記上部内側シェル半体（３４）と前記下部内側シェル半体（３６）とを互いに固定する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記上部及び下部支持体セクションが、それぞれ支持体セクション半体（３８、４０）を含み、前記上部支持体セクション半体と前記下部支持体セクション半体とを互いに固定する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記第１のタービンが、該第１のタービンの取外し可能な第１及び第２の別個の軸方向に間隔を置いたタービンセクション（２２、２４）を通る対向する軸方向の流れのための中央蒸気入口を有する複流蒸気流路を含み、前記段階（ｂ）が、別個の下部支持体セクション（４０）を、前記取外した第１及び第２の別個のタービンセクションの軸方向位置にほぼ対応する、前記下部外側シェル半体（１９）に沿った軸方向に間隔を置いた位置において該下部外側シェル半体（１９）内に挿入する段階を含み、また前記段階（ｇ）が、別個の軸方向に間隔を置いた上部支持体セクション（３８）を前記下部支持体セクションと整合させて前記第２内側シェルの前記上部内側シェル半体（３４）の周りに配置する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記段階（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）を順次実施することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
実質的に反動段型設計の第１蒸気流路（１８）を有する第１の蒸気タービン（１０）を改造して、実質的に衝動段型設計の第２蒸気流路（４４）を有する第２のタービン（２８）を構成する方法であって、
　前記実質的に反動段型の第１のタービンの第１蒸気流路の一部を形成する第１内側シェル（１４）及び第１ロータ（１２）を、前記第１のタービン設計の外側シェル（１６）から取外す段階と、
　第２内側シェル（３４、３６）及び第２ロータ（３０）を含む前記第２のタービン（２８）の前記衝動段型設計を有する蒸気流路（４４）を、該第２内側シェルと前記第１のタービンの前記外側シェルとの間に支持体セクションが設置されてそれらの間の間隙を橋絡した状態で、該第１のタービンの該外側シェル（１６）内に配置する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
ロータ（３０）を囲みかつ蒸気流路（４４）を形成する内側シェル（３４、３６）と、
　前記内側シェル及び前記ロータ（３０）を囲む外側シェル（１６）と、
　前記内側シェルと前記外側シェルとの間の間隙を橋絡する、該シェル間の構造ブリッジ部材（３８、４０）と、
を含むことを特徴とする改造されたタービン。
前記内側シェルが、上部及び下部内側シェル半体（３４、３６）を含み、前記外側シェルが、上部及び下部外側シェル半体（１７、１９）を含み、前記ブリッジ部材が、前記上部内側シェル半体と前記上部外側シェル半体との間に上部支持体セクション半体（４０）を含み、また前記下部内側シェル半体と前記下部外側シェル半体との間に下部支持体セクション半体（４０）を含むことを特徴とする、請求項７に記載のタービン。
前記タービンは、中央蒸気入口と該入口の両側にある一対の軸方向に間隔を置いたタービンセクション（２２、２４）とを有する複流蒸気流路を含み、前記上部支持体セクション半体が、それぞれのタービンセクションとほぼ半径方向に整合する一対の軸方向に間隔を置いた上部支持体半体（３８）を含み、また前記下部支持体セクション半体（４０）が、それぞれのタービンセクションとほぼ半径方向に整合する一対の軸方向に間隔を置いた下部支持体半体を含むことを特徴とする、請求項８に記載のタービン。