JP2006016976A - タービンノズル支持装置および蒸気タービン - Google Patents
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Abstract
【課題】蒸気リークの低減化を図る一方、継手面としてのフランジを水密的に接続させるボルトの締付力に頼ることがないようにするとともに、タービンノズル支持装置の周方向に沿って均一な剛性を持たせる構成のタービンノズル支持装置および蒸気タービンを提供する。
【解決手段】本発明に係るタービンノズル支持装置は、複数のタービンノズルを係合・固定する筒体と、この筒体をタービンケーシングに固定してその前後の雰囲気を隔離する固定用隔離板8とからなり、この固定用隔離板8の接続後端部点11をタービンノズル支持装置7の軸方向中央位置よりも下流側の位置に設定したものである。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明に係るタービンノズル支持装置は、複数のタービンノズルを係合・固定する筒体と、この筒体をタービンケーシングに固定してその前後の雰囲気を隔離する固定用隔離板8とからなり、この固定用隔離板8の接続後端部点11をタービンノズル支持装置7の軸方向中央位置よりも下流側の位置に設定したものである。
【選択図】 図1
Description
本発明は、蒸気タービンのタービンノズル(静翼)の支持に関し、特にタービンノズルを複数枚支持してタービンケーシング固定するタービンノズル支持装置の構造に関する。
蒸気タービンは、タービンケーシング内に設けられ、タービンロータ(回転軸)の周方向に植設されたタービン動翼と、この動翼と対をなしその上流側にタービンロータ周方向に沿って配設されるタービンノズル(静翼)とからなるタービン段落からなり、このようなタービン段落を複数段設けることで構成されている。
このうち、タービンノズル(静翼)は、ノズルダイアフラム内輪とダイアフラム外輪との間にノズル板(静翼本体)が挟持されたノズルダイアフラムと呼ばれるドーナツ状の構造をしている。そして、前記ノズルダイアフラム外輪をタービンケーシングで支持することにより、タービンノズル(静翼)を固定している。
さらに最近は、複数のノズルダイアフラムのノズルダイアフラム外輪を1つのタービンノズル支持装置と呼ばれる支持装置で支持し、このタービンノズル支持装置をタービンケーシングで支持する構造を採用するものも出てきた。
図11は、従来のタービンノズル支持装置の上半部断面を示したものである。
タービンノズル支持装置57は、タービンロータ52と略平行に軸方向に伸びる筒体56と、この筒体56をタービンケーシング51に係合/支持させるための支持フランジ58とから構成される。そして、筒体56の内面にはノズルダイアフラム外輪(図示せず)と係合する溝が支持するノズル板53の数(図11の例では4箇所)だけ設けられている。さらに、筒体56は、組立作業の関係から半円筒状の2分割構造となっており、分割面に設けたフランジ等の継手によりボルト等により機械的に結合されている。
そして、このように構成されたタービンノズル支持装置57は、支持フランジ58とタービンケーシング51との位置決め作業等の組立作業の容易性の関係から、タービンケーシング51の比較的上流側に係合/支持されていた。
ところで、タービンノズル支持装置57内の各段落55を通過する高温高圧の蒸気は、動翼54に回転力を付与するとともに、蒸気自体は圧力と温度を低下しつつ下流側に向う。一方、タービンケーシング51とタービンノズル支持装置57(筒体56外側)との間の空間は、蒸気タービンの上流側では段落に挿入される前の高圧の蒸気が、下流側では全ての段落を通過して圧力を失った低圧の蒸気でそれぞれ満たされる。そのため、互いに圧力の異なる蒸気の流通を防止するために前記支持フランジ58には圧力隔壁としての役目を兼ねている。
このようなタービンノズル支持装置57内外と支持フランジ58前後の各々の圧力分布の関係を示したものが図12である。ここで、点線で示したカーブはタービンノズル支持装置57の内周側の各段落を通過する蒸気の圧力分布であり、段落を通過する毎に圧力が順次低下してゆく様子を示している。一方、実線で示したラインは圧力隔壁を兼ねる支持フランジ58の上流側雰囲気59の圧力、下流側雰囲気60の圧力をそれぞれ示している。そして、斜線で示した部分(面積)が、内外の圧力差によりタービンノズル支持装置57(筒体56)が受ける力と言える。すなわち、斜線部面積A1では、筒体56の外周側圧力が内周側圧力より大きいため、筒体56としては外側から力を受ける一方、斜線部面積A2では、筒体56の内周側圧力が外周側圧力より大きいため、筒体56としては内側から力を受けることとなる。そしてこの場合、斜線部面積はA2のほうがA1より圧倒的に大きいため、タービンノズル支持装置57は全体として内圧を支持しなければならないことが分かる。
ところで、このようなタービンノズル支持装置に生じる上流側と下流側の圧力差を用いてタービンノズル支持装置をケーシングに支持させる例として、タービンノズル支持装置外周に凹溝部を設けるとともに、タービンケーシング内面には凸状のリブを形成してこの凹溝と嵌合させることにより、タービンノズル支持装置を支持するとともに、このリブ前後に生じる圧力差によるスラスト力によりタービンノズル支持装置凹溝部側面をタービンケーシングの凸状リブ側面に押付けて固定するものがある(例えば特許文献1参照)。
特開平10−103009号公報
ところで、タービンノズル支持装置57のうち、筒体56には幾つかの改善すべき点があった。その1つに筒体内側、すなわち段落を通過する蒸気のリーク(漏洩)がある。
前記したように、タービンノズル支持装置57(筒体56)は常に内圧を支持しており、その支持は、通常、分割構造の筒体56の接合面に設けた継手(接続フランジ)部における複数の締付ボルトである。そして、蒸気タービン運転時にはこの締付ボルトの温度が、段落を通過する蒸気とほぼ同じ温度となる。最新の蒸気タービンでは、その蒸気温度(入口温度)は600℃前後に達している。そのため、長期間の運転に伴い締付ボルトにはいわゆるクリープ変形が徐々に生じ、運転初期の締付力が維持できなくなり、その結果、蒸気のリークが生じてしまう可能性があった。
さらに、1つのタービンノズル支持装置57に支持させるタービンノズル53の数が多くなると、その軸方向の長さも長くなるため、前記の締付ボルトのクリープ変形に加え、タービンノズル支持装置57自体の温度分布による熱膨張による変形、段落55を通過する蒸気の圧力分布、締付ボルトの数、等が複雑にからみあい、筒体56の接合面全体に亘って均一な締付力を得ることは難しく、微小な蒸気のリークは避けられなかった。
上記のようなリークを避けるための対策として、締付ボルトの径の増大や筒体56の継手(接続フランジ)部面積の増大等が考えられるが、いずれもタービンノズル支持装置57の大型化につながり、必然的にタービンケーシング51の容積が大型化し、コスト高や蒸気タービンの設置面積確保等の問題につながる。
さらに、筒体56は、継手(接続フランジ)部のみを多数の締付けボルトにより強固に固定しているため、例えば、内圧や熱膨張による変形が強度的に弱い他の円筒部分に集中する可能性がある。しかし、このような不均一な変形は、タービンケーシング51のグランド部に設けたシールフィン、タービンノズル53とタービンロータ52との間に設けたシールフィン、あるいはタービン動翼54先端部とタービンノズル支持装置57との間に設けたシールフィン等の隙間を変化させ、隙間が狭くなると、ラビング(接触)を発生させて運転停止を余儀なくさせ、逆に隙間が広くなると、蒸気リークが大きくなり、タービン内部効率の低下の要因になる。
このように、タービンノズル支持装置の変形に伴う蒸気リークは、タービン内部効率の低下につながり、逆に、蒸気リークの防止を強化すると、締付ボルトの大型化につながり、ひいてはタービンノズル支持装置を係合させるタービンケーシングの大型化を招く等の問題があった。
本発明は、このような問題点の解決を図るべくなされたもので、継手(接続フランジ)部の締付ボルトの締付力に頼ることなく継手(接続フランジ)部を密に接続させ蒸気リークの低減化を図るとともに、周方向に均一な剛性を持つタービンノズル支持装置の提供することを目的とする。
本発明に係るタービンノズル支持装置は、上述の目的を達成するために、請求項1に記載したように、タービンケーシングとほぼ同心に形成された筒体と、この筒体内部の軸方向に係合固定された複数のタービンノズルと、前記タービンケーシングにその外周部が固定されるとともにその内周部には前記筒体の外周部が固定される固定用隔離板と、からなるタービンノズル支持装置において、前記固定用隔離板はこの隔離板を境にした上流側と下流側の雰囲気を遮断するとともに、その設置位置を前記筒体の軸方向中央よりも下流側に設けたことを特徴とする。
また、本発明に係るタービンノズル支持装置は、上述の目的を達成するために、請求項2に記載したように、前記筒体は、その軸方向に沿って2分割されていることを特徴とする。
さらに、本発明に係るタービンノズル支持装置は、上述の目的を達成するために、請求項3に記載したように、前記筒体は、その軸方向に沿って2分割され、互いに対向する分割面には接続フランジがそれぞれ設けられるとともに、それらの接続フランジを介して互いに接続させる締付ボルトを備えたことを特徴とする。
また、本発明に係るタービンノズル支持装置は、上述の目的を達成するために、請求項4に記載したように、前記筒体には分割面に設けた接続フランジに加え、その外周部に凸状のダミーフランジを設けたことを特徴とする。
加えて、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項6に記載したように、本発明のタービンノズル支持装置を備えたことを特徴とする。
本発明に係るタービンノズル支持装置および蒸気タービンでは、その分割面の接続用締付ボルトを小さく構成でき、あるいはその本数を削減できるとともに、タービンノズル支持装置内外の蒸気圧力差によりその分割面が強固に固定されるため、段落を通過する蒸気のリークが低減でき、タービン内部効率をより一層向上させることができる。
以下、本発明に係るタービンノズル支持装置および蒸気タービンの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
図1は、本発明に係るタービンノズル支持装置および蒸気タービンの第1実施形態を示す概念図で、水平面で軸方向に沿って2分割した上半部分と下半部分のうち、上半部分のタービンノズル支持装置および蒸気タービンを示している。
蒸気タービンは、タービンケーシング1内に設けられ、タービンロータ(回転軸)2の周方向に植設されたタービン動翼4と、この動翼4と対をなしその上流側にタービンロータ周方向に沿って配設されるタービンノズル(静翼)3とからなるタービン段落5からなり、このようなタービン段落5を複数段設けることにより構成されている。
一方、タービンノズル支持装置7は、タービンロータ2と略平行に軸方向に伸びる筒体6と、この筒体6をタービンケーシング1に係合/支持させるとともにタービンケーシング1の内側と筒体6の外側で形成される空間の雰囲気をその上流側9と下流側10に隔離遮断する固定用隔離板8とから構成される。また、筒体6の内面にはタービンノズル(静翼)3と係合する溝(図示せず)が支持するタービンノズル(静翼)3の数(図1の例では4箇所)だけ設けられている。
そして、高温高圧の蒸気は、蒸気タービン軸方向に上流側から下流側(図面右手INから左手EXへ)に向って段落5内を次々に通過し、その都度、そのエネルギを動翼5の回転エネルギに変換し、蒸気自体は圧力と温度を低下させて蒸気タービンから排出される。
このような構成のタービンノズル支持装置および蒸気タービンにおいて、本実施形態では、図1に示すように、タービンノズル支持装置7のタービンケーシング1に係合し固定支持する固定用隔離板8を、タービンノズル支持装置7(筒体6)の軸方向中心位置C(タービンノズル支持装置7の全長をLとすると、長さL/2の位置)よりも下流側に設定したものである。より具体的には、図1に示すように固定用隔離板8と筒体6との接続部下流側の接続後端部点11をタービンノズル支持装置7(筒体6)の軸方向中心位置Cよりも下流側に設定したものである。
図2は、固定用隔離板8をこのような位置に設定した際の、タービンノズル支持装置7の内外に負荷される蒸気圧力を示したものである。
ここで、点線で示したカーブは、タービンノズル支持装置7の内側の各段落を通過する蒸気の圧力分布であり、段落を通過する毎に圧力が順次低下してゆく様子を示している。一方、実線で示したラインは、固定用隔離板8(接続後端部点11)を境にしたタービンケーシング1の内側と筒体6の外側で形成される空間における上流側9圧力と下流側10圧力とを示している。そして、斜線で示した部分がタービンノズル支持装置7が内外圧力差により受ける力を示している。
ここで、固定用隔離板8(接続後端部点11)より上流側の斜線部A1を見ると、外周側圧力(実線)が内周側圧力(点線)よりも大きい。すなわち、この部分ではタービンノズル支持装置7は、外周側からの圧力を受けていることが分かる。一方、固定用隔離板8(接続後端部点11)より下流側の斜線部A2を見ると、内周側圧力(点線)が外周側圧力(実線)よりも大きい。すなわち、この部分ではタービンノズル支持装置7は、内周側からの圧力を受けていることが分かる。そして、上流側の斜線部面積A1と下流側の斜線部面積A2を比較すると、上流側の斜線部面積A1の方が広いことがわかる。このことは、タービンノズル支持装置7全体としてみた場合には、外周側からの力を受けることになる。
そして、このようにタービンノズル支持装置7全体が外周側から力を受けているということは、分割構造のタービンノズル支持装置7あっても、分割面さえ正確に位置決め出来ていれば特にボルト等の固定具を必要としないことを意味する。
図3(b)は、このことを適用した本実施の形態を具体的に示すもので、タービンノズル支持装置7の筒体6は水平面HLで軸方向に沿って2分割された構造をしているが、特にフランジ、締付ボルト等は設ける必要がなくなる。
一方、図3(a)は本実施の形態と同一径の筒体56を有する従来構造のタービンノズル支持装置57であるが、水平分割面HLには接合フランジ63a、63bや締付ボルト64が設けられている。そして、これらを収容するためにタービンケーシング51は、明らかに本実施の形態のタービンケーシング1と比較して径が大きくなっている。
このように、本実施の形態では、固定用隔離板8の接続後端部点11をタービンノズル支持装置7の軸方向中心の位置Cよりも下流側に配置させ、タービンノズル支持装置7の外周側に負荷される圧力をその内周側から負荷される圧力に較べて高くするように構成したので、分割構造であるタービンノズル支持装置にはフランジや締付ボルトを設ける必要が無くなるとともに、締付ボルトが無いためにタービンノズル支持装置7が例え長期間高温に曝されても、ボルトのクリープ変形に伴う分割面からの蒸気のリークは無くなる。その結果、蒸気タービンは長期間に亘り常に内部効率を高く維持させることができる。
なお、本実施の形態のタービンノズル支持装置7では、筒体6が水平面HLで軸方向に沿って2分割された構造をしており、その分割面には特にフランジ、締付ボルト等は設けていないが、図2に示すように、外周側から力を受ける領域(接続後端部点11からの上流側の筒体長さ)が必ずしも十分ではない。よって、蒸気条件によっては筒体6の内周側から圧力を受ける接続後端部点11から下流側の筒体6の分割面からの蒸気のリークも考えられる。よって、補助的にリーク対策として従来のような接続フランジと締付ボルトの組合わせを併用しても良い。また、蒸気振動等による筒体6の分割面の位置ずれを防止するために、常設の接続フランジを設けて締付ボルトで接続するようにしても良い。この場合には、従来の接続フランジや締付ボルトに比較してその大きさ、径および数を低減したものでも良い。
図4は、本発明に係るタービンノズル支持装置および蒸気タービンの第1実施形態の別の変形例を示す概念図である。なお、第1実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付す。
本変形例では、図4に示すように、タービンノズル支持装置7のタービンケーシング1に係合し固定支持する固定用隔離板8を、タービンノズル支持装置7(筒体6)の軸方向中心位置C(タービンノズル支持装置7の全長をLとすると、長さL/2の位置)よりも大きく下流側に設定(例えば、タービンノズル支持装置7の全長をLとすると、長さ3L/4の位置)したものである。
このような位置に固定用隔離板8を設定することにより、図2に示した固定用隔離板8(接続後端部点11)より上流側の斜線部面積A1が大きく増加、下流側面積A2が減少することによりタービンノズル支持装置7全体としては外周側から受ける力が第1実施形態よりもさらに大きくなる。よって、第1実施形態のようにリーク対策用の接続フランジや締付ボルトを設ける必要が無くなる。
このように、本変形例では、固定用隔離板8の接続後端部点11をタービンノズル支持装置7の軸方向中心の位置Cよりも大幅に下流側に配置させ、タービンノズル支持装置7の外周側に負荷される圧力をその内周側から負荷される圧力に較べて高くするように構成したので、分割構造であるタービンノズル支持装置にはフランジや締付ボルトを設ける必要が無くなるとともに、締付ボルトが無いためにタービンノズル支持装置7が例え長期間高温に曝されても、ボルトのクリープ変形に伴う分割面からの蒸気のリークは低減できる。その結果、蒸気タービンは長期間に亘り常に内部効率を高く維持させることができる。
なお、具体的な固定用隔離板8のタービンノズル支持装置7における位置については、適用する蒸気タービンの蒸気条件や運転条件、タービンノズル支持装置7が支持するタービンノズルの数、等を考慮して決定される。
この場合においても、第1実施形態のように蒸気振動等による分割面のずれを防止するために接続フランジおよび締付ボルトを設けても良い。
図5および図6は、本発明に係るタービンノズル支持装置および蒸気タービンの第2実施形態を示す概念図である。
本実施形態に係るタービンノズル支持装置7は、複数のタービンノズル3が係合、支持される筒体6の外周部に、この筒体の分割面に設けた接続フランジ13a、13bとは別にダミーフランジ15を設けたものである。
図7と図8はダミーフランジの効果を説明する図であり、タービンノズル支持装置7のうち同一径の筒体6を有する蒸気タービン断面を示したものである。このうち、図7はダミーフランジの無い場合、図8はダミーフランジを有する本実施形態の場合を、その変形量を図式的に示している。
図7に示す従来の場合、接続フランジ13a、13bは締付ボルト14で強固に固定されているため、筒体6が、例えば内圧で外側に膨張しようとした場合、筒体6全体としてはその径が均等に膨張する方向、すなわち、具体的には筒体6の内周面の垂直方向に均等に力が働く。しかし、接続フランジ13a、13bのある接続面(HL線)方向は、接続フランジの厚みや締付ボルトの締付力により、筒体6の他の部分とは剛性高くなっているため、その変形は拘束される。よって、この部分と比較して剛性の弱い、例えば垂直方向に変形が大きくなる。よって、筒体6全体としては楕円形に変形する可能性がある。
これに対して、図8に示すように剛性が弱いと思われる部分に接続フランジ13a、13bと略同一形状のダミーフランジ15を設けることにより、この部分の剛性が確保され、変形量がほぼ均等になる。
本実施形態は、このような事象を踏まえてなされたものである。具体的には、図6に示すように、筒体6は軸方向水平面HLで分割され、分割面には接続フランジ13a,13bと締付ボルト14を設けるとともに、接続フランジ13a,13bから最も遠く離れた位置にダミーフランジ15を設け、タービンノズル支持装置7(筒体6)の剛性をより一層高くしたものである。
そして、このようなダミーフランジ15を有する筒体6で構成されたタービンノズル支持装置7を蒸気タービンに採用することにより、図5に示すような動翼4の先端部やタービンノズル4の内周側にはシールフィン16、17の間隙16a、17aを、蒸気タービンの運転状態(タービンノズル支持装置の内外圧力差の変動の大小)に拘わらず一定に保つことが可能となる。
このように、本実施形態では、タービンノズル支持装置7に接続フランジ13a,13bのほかに、ダミーフランジ15を設け、タービンノズル支持装置7の高い剛性の下、動翼先端部側のシールフィン16の隙間16aおよびタービンノズル内周面側シールフィン17の隙間17aの隙間距離をほぼ一定に維持させたので、タービンノズル3および動翼4の各シールフィン16,17からの蒸気リークを少なくさせることができ、タービン内部効率を向上させることができる。
なお、ダミーフランジ15の形状は前記したように接続フランジ13a、13bとほぼ同一形状が望ましいが、タービンノズル支持装置7(筒体6)の変形状態を解析して、筒体6が均等に変形するような形状のダミーフランジ15であれば特にその形状は問わない。また、タービンノズル支持装置7(筒体6)軸方向全長に亘ってダミーフランジ15を設けなくても、長さ方向の変形量を考慮してその一部分に設けるだけでも良い。
加えて、本実施形態は、軸方向水平面HLでタービンノズル支持装置7(筒体6)を分割し、分割した分割面に接続フランジ13a,13bを設けたが、タービンノズル支持装置7(筒体6)の分割の位置を垂直面(軸方向水平面に対して90°方向)で分割しても良い。
図9および図10は、本発明に係るタービンノズル支持装置および蒸気タービンの第2実施形態の別の変形例をそれぞれ示す概念図である。
図9の本変形例に係るタービンノズル支持装置および蒸気タービンは、軸方向水平面HLで分割した分割面に接続フランジ13a,13bと締付ボルト14をタービンノズル支持装置7に設けるとともに、水平面HLから角度45°毎に等配分に振り分けてダミーフランジ15a,15b,15c,…を設けたものである。
このように、本変形例では、タービンノズル支持装置7にフランジ13a,13bに加え、水平分割面HLから角度45°毎に等配分に振り分けてダミーフランジ15a,15b,15c,…を設け、タービンノズル支持装置7の内外周側の圧力差等に基づく変形量をより一層少なくさせる構成にしたので、タービンノズルおよび動翼の等に設けたシールフィンからの蒸気リークを抑制してタービン内部効率を高く維持させることができる。
一方、図10はタービンノズル支持装置7を軸方向垂直断面VLで分割し、分割した面に接続フランジ13a,13bと締付ボルト14を設けるとともに、垂直断面VLから角度60°毎に等配分に振り分けてダミーフランジ15a,15b,15c,…を設けてもよい。
1 タービンケーシング
2 タービンロータ
3 タービンノズル
4 タービン動翼
5 タービン段落
6 筒体
7 タービンノズル支持装置
8 固定用隔離板
9 上流側雰囲気
10 下流側雰囲気
11 接続後端部点
12 タービン初段落
13a,13b 接続フランジ
14 締付ボルト
15a,15b,15c,… ダミーフランジ
16 動翼先端部シールフィン
16a 間隙
17 タービンノズル内周側シールフィン
17a 間隙
2 タービンロータ
3 タービンノズル
4 タービン動翼
5 タービン段落
6 筒体
7 タービンノズル支持装置
8 固定用隔離板
9 上流側雰囲気
10 下流側雰囲気
11 接続後端部点
12 タービン初段落
13a,13b 接続フランジ
14 締付ボルト
15a,15b,15c,… ダミーフランジ
16 動翼先端部シールフィン
16a 間隙
17 タービンノズル内周側シールフィン
17a 間隙
Claims (6)
- タービンケーシングとほぼ同心に形成された筒体と、
この筒体内部の軸方向に係合固定された複数のタービンノズルと、
前記タービンケーシングにその外周部が固定されるとともにその内周部には前記筒体の外周部が固定される固定用隔離板と、
からなるタービンノズル支持装置において、
前記固定用隔離板はこの隔離板を境にした上流側と下流側の雰囲気を遮断するとともに、その設置位置を前記筒体の軸方向中央よりも下流側に設けたこと
を特徴とするタービンノズル支持装置。 - 前記筒体は、その軸方向に沿って2分割されていることを特徴とする請求項1記載のタービンノズル支持装置。
- 前記筒体は、その軸方向に沿って2分割され、互いに対向する分割面には接続フランジがそれぞれ設けられるとともに、それらの接続フランジを介して互いに接続させる締付ボルトを備えたことを特徴とする請求項1記載のタービンノズル支持装置。
- 請求項3記載のタービンノズル支持装置において、前記筒体には分割面に設けた接続フランジに加え、その外周部に凸状のダミーフランジを設けたことを特徴とするタービンノズル支持装置。
- 請求項4記載のタービンノズル支持装置において、前記凸状のダミーフランジはこの筒体に設けられた2つの接続フランジ間に均等に配置されていることを特徴とするタービンノズル支持装置。
- 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のタービンノズル支持装置を備えたことを特徴とする蒸気タービン。
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