JP2005538284A

JP2005538284A - 蒸気タービン

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Publication number: JP2005538284A
Application number: JP2004516410A
Authority: JP
Inventors: ライグル・マルティン
Original assignee: General Electric Technology GmbH; Alstom Technolgoy AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP4525976B2; EP1378630A1; AU2003240366A1; DE10392802B4; JP2010138916A; DE10392802D2; WO2004003346A1; JP5008735B2

Abstract

【課題】蒸気タービン１０は、内側ケーシング１１を有しており、この内側ケーシング内において、軸線１３を中心として回転可能なローター１２が配設されており、その際、このローター１２と内側ケーシング１１との間に、蒸気通路１４が形成されており、この蒸気通路内において、この内側ケーシング１１に固定された案内ベーン１６、および、このローター１２に固定されたローターブレード１７の多段の配設が設けられており、この配設内において、流入口１５から来た高温の蒸気が、作業出力のもとで解放される。
【解決手段】このような蒸気タービンの場合、ローター及び／または内側ケーシングの熱的な負荷は、特に始動の際に、少なくとも、蒸気通路１４内において、ローター１２の表面に対して平行に且つ近傍に、及び／または、内側ケーシング１１の内側の表面に対して平行に且つ近傍に、このローター１２、もしくは内側ケーシング１１のそれらの下に位置する表面を、この蒸気通路１４を通って流動する高温の蒸気の、直接的な作用から保護する、板形状の保護シールド１８、１９、２０が配設されていることによって低減される。

Description

本発明は、蒸気タービンの分野に関連している。本発明は、請求項１の上位概念による蒸気タービンに関する。

蒸気タービンのローター、および内側ケーシングは、始動の際、特に流入口の領域内において、傍らを通り過ぎて流れる高温の蒸気によって、構造部材の耐用期間および始動時間を制限する大きな熱的な諸応力を受ける。

従って、過去において既に、蒸気タービンのローターおよび内側ケーシングが、重要な領域内において、付加的な外部の装置無しに冷却され得るような、種々の提案が成されている。

米国特許第４，５５１，０６３号明細書（特許文献１）において、中圧蒸気タービンが開示されており、この中圧蒸気タービン内において、冷却用蒸気は、高圧タービンの出口において、中間加熱の手前で取出され、且つ、蒸気通路の外側に位置する環状スペースから、ローター内における軸線方向の穿孔を介して、このタービンの第１の両方の段内へと案内され、且つそこで、ブレード脚部から蒸気通路内へと送り込まれる。このような解決策は、ただ高圧タービンにおいてだけ使用可能であり、しかしながら、中圧タービンにおいては使用可能ではない。

米国特許第５，１４９，２４７号明細書（特許文献２）に、組み合わされた高圧−中圧蒸気タービンにおいて、ステータが、中間スペースによって分離されている、外側および内側のステータに分割されている。冷却のために、冷却用蒸気は、高圧部の最終の段から取出され、且つ、中間スペース内へと導入される。類似の解決策は、同様に米国特許第６，３４１，９３７号明細書（特許文献３）においても開示されている。これら両方の解決策は、内側のステータが、生蒸気に、全面的に曝されることを防止していない。

米国特許第６，０１０，３０２号明細書（特許文献４）において、最後に述べれば、ローターが中心の穿孔を備えており、この穿孔を通って、冷却用蒸気は案内され、この冷却用蒸気が、高圧段の出口において取出されている。内側ケーシングの冷却は、この解決策の場合に行われず、且つ可能でない。
米国特許第４，５５１，０６３号明細書米国特許第５，１４９，２４７号明細書米国特許第６，３４１，９３７号明細書米国特許第６，０１０，３０２号明細書

従って、本発明の課題は、
比較的に簡単な手段でもって、柔軟な方法で、ローター、及び／または内側ケーシングの内部の冷却を可能とし、および従って、始動時間、およびローターおよび内側ケーシングの耐用期間が改善される、蒸気タービンを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴の全体によって解決される。本発明の核心は、少なくとも、蒸気通路内において、ローターの表面に対して平行に且つ近傍に、及び／または、内側ケーシングの内側の表面に対して平行に且つ近傍に、このローター、もしくは内側ケーシングのそれらの下に位置する表面を、この蒸気通路を通って流動する高温の蒸気の、直接的な作用から保護する、板形状の保護シールドを配設することにある。

第１の有利な実施形態は、保護シールドが、消極的な保護シールドとして、直接的に、ローターまたは内側ケーシングの保護されるべき表面上に載置し、または、この保護されるべき表面から、ただ間隙だけによって分離されていることによって特徴付けられている。これら空気案内管路は、積極的に冷却されず、むしろ、蒸気通路の高温の蒸気が、もはや高い速度でもって傍らを通り過ぎて流れないことによって作用し、且つここで、従って、「消極的な」保護シールド、または「消極的な」保護板と称される。この高い速度は、ローター回転、および、この内側ケーシングに対して相対的に存在する蒸気流動によって引き起こされ、且つ、高温の蒸気から構造部材表面に対しての熱伝達が、増大されることを生起する。保護シールドであるという理由で、確かに、まだ高温の蒸気温度は作用するが、しかしながら、蒸気と構造部材表面との間の如何なる相対的な速度も、もはや存在しないことによって、熱伝達は著しく低減される。これら保護シールドは、その際、（ローター側で）ローターに固定されたローターブレードの一部として形成され得る。

本発明の第２の有利な実施形態は、保護シールドが、比較的に幅広の中間スペースの形成のもとで、ローター、または内側ケーシングの保護されるべき表面に対して間隔を有して配設されていること、および、蒸気タービンが、冷却用蒸気が、この中間スペースを通って流動するように形成されていることによって特徴付けられている。有利には、第１の保護シールドは、流動方向において前方の、蒸気通路の段内において設けられており、且つ、冷却用蒸気が、これら更に下流側に位置する段の内の１つの段内において、蒸気通路から取出され、且つ、中間スペースを通って、この流動方向とは逆に導き戻される。

従って、蒸気が既に圧力落差を経過した時に、蒸気通路から初めて取出された、加熱蒸気が使用される。このことによって、この蒸気は、流入口内における蒸気よりも、より冷たい。このより冷たい蒸気は、ここで、方向転換され、且つ、中間スペース内へと、ローター表面、またはケーシング表面に沿って、最も高温の蒸気でもって負荷される、第１の段へと導かれる。冷却用蒸気、即ち冷却蒸気（kuelende oder Kueldampf）が、この方向に流動可能であるために、この蒸気は、１つの位置へと、比較的に低い圧力レベルでもって導かれる。この位置は、例えば、ピストン−またはケーシング軸封隙部の封隙チャンバーであり、または、ダブルフロー式の機械の場合、第２のフロー内における後方の段である。この位置は、しかしながら同様に、この機械の排気部であっても良い。如何なる高温の蒸気も、これら冷却中間スペース内へと流動しないために、これら冷却中間スペースを、比較的に高い圧力のもとにある高温の蒸気に対して封隙することは必要である。この目的で、圧密の保護シールド、もしくは保護板が使用される。

特に、蒸気タービンが、シングルフローに構成されており、且つ、流入口の領域内において、蒸気通路に対して反対の側で、ローターと内側ケーシングとの間に、封隙部が、特にピストン−またはケーシング軸封隙部の様式で設けられている場合、
有利には、この封隙部の領域内において、第２の保護シールドが、比較的に幅広の中間スペースの形成のもとで、このローター、またはこの内側ケーシングの保護されるべき表面に対して間隔を有して配設されており、
且つ、これら第１の保護シールドの後ろの中間スペースを通って流動する、冷却用蒸気が、引き続いて、これら第２の保護シールドの後ろの中間スペースを通って導かれる。

第１の、および第２の保護シールドが、その際に、ローターの表面を保護するために設けられている場合、これら第１の、および第２の保護シールドの後ろで、流入口の領域を通り抜ける、共通の中間スペースが形成されている。

第１の、および第２の保護シールドが、内側ケーシングの表面を保護するために設けられている場合、これら第１の、および第２の保護シールドの後ろで、中間スペースが形成されており、これら中間スペースは、有利には、流入口の領域の周りを巡らされている通路、または、周りを巡らされている穿孔によって、この内側ケーシング内において互いに結合されている。

更なる構成は、従属請求項から与えられる。

次に本発明を、図との関連において、実施例に基づいて詳しく説明する。

図１に、長手方向断面図において、ローターを保護するための、積極的に（aktiv）蒸気冷却された保護シールドを有する、本発明の第1の有利な実施例が描写されている。この図１は、シングルフローの内側ケーシング１１を有する蒸気タービン１０の配設を示している。高温の蒸気は、流入口１５から蒸気通路１４を通って流動し、この蒸気通路が、この蒸気タービン１０の、内側ケーシング１１と、軸線１３を中心にして回転可能なローター１２との間に形成されており、且つ、この蒸気通路内に、多数の相前後して切替えられた段において、案内ベーン１６、およびローターブレード１７が設けられている。この蒸気の圧力および温度は、その際に、段から段へと低下する。示された実施例において、第２の段の後、蒸気は、取出され（記入された矢印を参照）、且つ、保護シールド１８および１９の下に位置している中間スペース２１内における冷却用蒸気として、このローター１２の表面に沿って、このローター１２と内側ケーシング１１との間に、この蒸気通路１４に対して反対の流入口の側に設けられているピストン封隙部２２の、後方の３分の１内に至るまで導かれている。この中間スペース２１を離れた後、この冷却用蒸気は、この流入口１５からの、ピストン封隙部２２の最初の３分の２を経て解放された蒸気と混合される。このピストン封隙部２２の最後の３分の１内において、消極的な（passive）保護シールド２０が、このローター１２に装着されており、この保護シールドは、確かに、例えばこの保護シールド２０内における間隙を経てローター表面に至るまで進入可能である、高い温度を有する上記の混合蒸気を、このローターから遠ざけはしないが、しかしながら、この混合蒸気が、このローター表面に対する高い相対的な速度を、および従って、このローター内における高い熱注入を誘起することを防止する。

図２内に、図１に相応する図示における、１つの配設における蒸気タービン１０が図示されており、この配設の場合、蒸気通路１４の第３の段からの蒸気は、内側ケーシング１１を冷却するために使用される（記入された矢印を参照）。その際に、冷却用蒸気は、中間スペース２７を通って導かれ、この中間スペースが、内側ケーシング１１の内側の表面と、蒸気通路内におけるこの上方に間隔をおいて配設された保護シールド２３との、もしくは、封隙部即ちピストン封隙部２２内における保護シールド２４との間に形成されている。冷却用蒸気を、流入口１５の傍らを通って、ピストン封隙部２２内へと運ぶために、ここで、この内側ケーシング１１内において、通路または穿孔２６が設けられている。この冷却用蒸気は、この蒸気通路１４内における保護シールド２３、および、ピストン封隙部２２内における保護シールド２４によって、高温の蒸気から分離されている。ピストン封隙部２２の最後の３分の１内において、冷却用蒸気、即ち冷却蒸気は、流入口１５から封隙部２２を経て来た封隙蒸気と混合される。前記のことに引き続いて、この封隙部２２の内側で、この内側ケーシング１１は、消極的な保護シールド２５を備えている。

図７内に、図２に相応する図示における、１つの配設における蒸気タービン１０が図示されており、この配設の場合、内側ケーシング１１と外側ケーシング４０との間に、封隙部４２、４３によって、付加的な中間スペース４１が形成されている。冷却用蒸気を、流入口１５の傍らを通って、ピストン封隙部２２内へと運ぶために、ここで、この内側ケーシング１１内において、２つの通路２６ａおよび２６ｂが設けられている。この冷却用蒸気は、蒸気通路に接しての中間スペース２７から、通路２６ａを通ってこの中間スペース４１内へと、および、そこから、この通路２６ｂを通ってこのピストン封隙部２２内へと流動する。

図３において、ピストン−または、回転軸封隙部２２内における、消極的な保護シールド、もしくは消極的な保護板２０ａ、２０ｂ、および２０ｃに関する有利な実施例が図示されている。これら保護板２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、この実施例において、ハンマーヘッド形状の脚部でもってローター１２内において固定されている。幅ａを有する幅の狭い間隙２９は、これら保護板２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、ローター表面との間に、これら保護板２０ａ、２０ｂ、２０ｃからこのローター１２への熱伝達を減少させるために設けられることが許され、且つ設けられるべきである。これら保護板２０ａ、２０ｂ、２０ｃの上に、封隙条片３０が装着されており、これら封隙条片は、内側ケーシング１１における封隙条片３１との協働で、蒸気を抑制する。

図４は、積極的な保護シールド、もしくは積極的な保護板１９ａ、１９ｂ、即ち、封隙部２２内における蒸気流を保護シールド１９ａ、１９ｂとローター１２との間の中間スペース２１内における冷却蒸気流に対して気密に分離する、保護シールドを示している。これら積極的な保護シールド１９ａ、１９ｂは、ピストン−または、回転軸封隙部２２内において設けられている。これら積極的な保護シールド１９ａ、１９ｂは、同様にこの実施例においても、ハンマーヘッド形状の脚部２８でもって、このローター１２内において固定されている。これら積極的な保護シールド１９ａ、１９ｂは、それぞれに、軸線方向の穿孔３２を有しており、従って、冷却蒸気が、これら保護シールド１９ａ、１９ｂの脚部２８を、妨害されずに通過可能である。同様にここでも、更に交互に、封隙条片３０、３１が、これら保護シールド１９ａ、１９ｂと、内側ケーシング１１との間に設けられており、これら封隙条片の間で、高温の蒸気が流動する。

図５は、蒸気通路１４内における保護シールド３３を示しており、これら保護シールドが、ローターブレード１７の一部であり、且つ選択的に、積極的、または消極的な保護シールドである。これら保護シールド３３は、向上された封隙性を達成するために、縁部において重なり合っている。これら保護シールドの上に、封隙条片３５が設けられており、これら封隙条片は、蒸気を案内ベーン１６の前、および後ろで分離する。更に別の封隙条片３４は、これらローターブレード１７と内側ケーシング１１との間に配設されている。

図６は、最後に述べれば、蒸気通路１４内における、積極的な保護シールド、もしくは積極的な保護板１８を示しており、これら積極的な保護シールド、もしくは積極的な保護板の下に、これまた同様に中間スペース２１が設けられており、これら中間スペース内において、冷却蒸気が流動する（記入された矢印を参照）。これら保護シールド１８は、同様にここでも、ハンマーヘッド形状の脚部２８でもって、ローター１２に固定されている。
１つの中間スペース２１からその次の中間スペースへと到達するために、穿孔３６が保護シールド１８内において、および、穿孔３８がローターブレード１７の脚部内において設けられている。これら案内ベーン１６と保護シールド１８との間に、案内ホイール（Leitrad）における圧力降下を封隙するために、封隙条片３５が設けられている。内側ケーシング１１とローターブレード１７との間に、同様に、封隙条片３４が配置されている。

長手方向断面図における、ローターを保護するための、積極的に蒸気冷却された保護シールドを有する、本発明の第1の有利な実施例の図である。図１に相応する図示における、内側ケーシングを保護するための、積極的に蒸気冷却された保護シールドを有する、本発明の第２の有利な実施例の図である。拡大された部分図における、「消極的な」蒸気冷却されない保護シールドに関する、有利な実施例の図であり、これら保護シールドが、ハンマーヘッド形状の脚部によって、封隙部の領域内において、ローターに組み付けられている。拡大された部分図における、積極的な蒸気冷却された保護シールドに関する、有利な実施例の図であり、これら保護シールドが、ハンマーヘッド形状の脚部によって、封隙部の領域内において、ローターに組み付けられている。拡大された部分図における、「消極的な」蒸気冷却されない保護シールドに関する、有利な実施例の図であり、これら保護シールドが、ローターブレードの一部として形成されている。拡大された部分図における、積極的な蒸気冷却された保護シールドに関する、有利な実施例の図であり、これら保護シールドが、ローターブレードの間に、ハンマーヘッド形状の脚部によって、ローターに組み付けられている。図１に相応する図示における、内側ケーシングを保護するための、積極的に蒸気冷却された保護シールドを有する、本発明の第３の有利な実施例の図である。

符号の説明

１０蒸気タービン
１１内側ケーシング
１２ローター
１３（タービンの）軸線
１４蒸気通路
１５流入口
１６案内ベーン
１７ローターブレード
１８（積極的な）保護シールド
１９（積極的な）保護シールド
２０（消極的な）保護シールド
２１中間スペース
２２封隙部（ピストン封隙部）
２３（積極的な）保護シールド
２４（積極的な）保護シールド
２５（消極的な）保護シールド
２６、２６ａ、２６ｂ穿孔、通路
２７第１の中間スペース
２８（ハンマーヘッド形状の）脚部
２９間隙
３０、３１封隙条片
３２穿孔
３３保護シールド
３４、３５封隙条片
３６、３７穿孔
４０蒸気タービンの外側ケーシング
４１第２の中間スペース
４２封隙部
４３封隙部

Claims

内側ケーシング（１１）を有する蒸気タービン（１０）であって、
この内側ケーシング内において、軸線（１３）を中心として回転可能なローター（１２）が配設されており、その際、このローター（１２）と内側ケーシング（１１）との間に、蒸気通路（１４）が形成されており、
この蒸気通路内において、この内側ケーシング（１１）に固定された案内ベーン（１６）、および、このローター（１２）に固定されたローターブレード（１７）の多段の配設が設けられており、
この配設内において、流入口（１５）から来た高温の蒸気が、作業出力のもとで解放される様式の上記蒸気タービンにおいて、
少なくとも、蒸気通路（１４）内において、ローター（１２）の表面に対して平行に且つ近傍に、及び／または、内側ケーシング（１１）の内側の表面に対して平行に且つ近傍に、このローター（１２）、もしくは内側ケーシング（１１）のそれらの下に位置する表面を、この蒸気通路（１４）を通って流動する高温の蒸気の、直接的な作用から保護する、板形状の保護シールド（１８、１９、１９ａ、１９ｂ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ；２３、２４、２５；３３）が配設されていることを特徴とする蒸気タービン。
保護シールド（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ；２５；３３）は、消極的な保護シールドとして、直接的に、ローター（１２）または内側ケーシング（１１）の保護されるべき表面上に載置し、または、この保護されるべき表面から、ただ間隙（２９）だけによって分離されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
これら保護シールド（３３）は、ローター（１２）に固定されたローターブレード（１７）の一部として形成されていることを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン。
保護シールド（１８、１９、１９ａ、１９ｂ；２３、２４）は、比較的に幅広の中間スペース（２１、２７）の形成のもとで、ローター（１２）、または内側ケーシング（１１）の保護されるべき表面に対して間隔を有して配設されていること、および、
蒸気タービン（１０）が、冷却用蒸気が、この中間スペース（２１、２７）を通って流動するように形成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
第１の保護シールド（１８、２３）は、流動方向において前方の、蒸気通路（１４）の段内において設けられていること、および、
冷却用蒸気が、これら更に下流側に位置する段の内の１つの段内において、蒸気通路（１４）から取出され、且つ、中間スペース（２１、２７）を通って、この流動方向とは逆に導き戻されるように構成されていること、
を特徴とする請求項４に記載の蒸気タービン。
蒸気タービン（１０）は、シングルフローに構成されていること、
流入口（１５）の領域内において、蒸気通路（１４）に対して反対の側で、ローター（１２）と内側ケーシング（１１）との間に、封隙部（２２）が、特にピストン−またはケーシング軸封隙部の様式で設けられていること、
この封隙部（２２）の領域内において、第２の保護シールド（１９、２４）が、比較的に幅広の中間スペース（２１、２７）の形成のもとで、このローター（１２）、またはこの内側ケーシング（１１）の保護されるべき表面に対して間隔を有して配設されていること、および、
且つ、これら第１の保護シールド（１８、２３）の後ろの中間スペース（２１、２７）を通って流動する、冷却用蒸気が、引き続いて、これら第２の保護シールド（１９、２４）の後ろの中間スペース（２１、２７）を通って導かれること、
を特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン。
第１の、および第２の保護シールド（１８、１９）が、ローター（１２）の表面を保護するために設けられていること、および、
これら第１の、および第２の保護シールド（１８、１９）の後ろで、流入口（１５）の領域を通り抜ける、共通の中間スペース（２１）が形成されていること、
を特徴とする請求項６に記載の蒸気タービン。
第１の、および第２の保護シールド（２３、２４）が、内側ケーシング（１１）の表面を保護するために設けられていること、および、
これら第１の、および第２の保護シールド（２３、２４）の後ろで、中間スペース（２７）が形成されており、これら中間スペースが、有利には、流入口（１５）の領域の周りを巡らされている通路（２６）によって、この内側ケーシング（１１）内において互いに結合されていることを特徴とする請求項６に記載の蒸気タービン。
第１の、および第２の保護シールド（２３、２４）が、内側ケーシング（１１）の表面を保護するために設けられていること、および、
これら第１の、および第２の保護シールド（２３、２４）の後ろで、第１の中間スペース（２７）が形成されており、
これら中間スペースが、２つの通路（２６ａ、２６ｂ）、および、
蒸気タービン（１０）の内側ケーシング（１１）、この蒸気タービン（１０）の外側ケーシング（４０）、および、封隙部（４２、４３）によって形成されている、第２の中間スペース（４１）を介して、互いに結合されており、
その際、これら通路（２６ａ、２６ｂ）、および、この第２の中間スペース（４１）が、流入口（１５）の領域の周囲を案内されていること、
を特徴とする請求項６に記載の蒸気タービン。
第２の保護シールド（１９、２４）が、封隙部（２２）の長さのただ一部分、特にほぼ最初の３分の２にわたってだけ延在していること、
この封隙部（２２）の長さの残りの部分にわたって、ローター（１２）、もしくは内側ケーシング（１１）の表面が、第３の保護シールド（２０、２５）によって保護されており、この第３の保護シールドが、消極的な保護シールドとして、直接的に、このローター（１２）、もしくはこの内側ケーシング（１１）の保護されるべき表面上に載置しており、または、この保護されるべき表面から、ただ間隙（２９）によってだけ分離されていること、
を特徴とする請求項６から９のいずれか一つに記載の蒸気タービン。
保護シールド（１９ａ、１９ｂ；２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）は、ローター（１２）、もしくは内側ケーシング（１１）内において、ハンマーヘッド形状の脚部（２８）でもって固定されていることを特徴とする請求項１または２、または、４から９のいずれか一つに記載の蒸気タービン。
蒸気タービン（１０）は、ダブルフロー式に構成されていること、および、
一方のフローのための冷却用蒸気が、他方のフロー内へと導かれ、且つ、
そこで、低減された圧力を有する１つの段内へと、または、このケーシングの流出部内へと流れ込むように構成されていること、
を特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン。