JP2008075655A - 蒸気タービンの動作を制御する装置及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気タービン（１０）を提供する
【解決手段】 蒸気タービン（１０）は、回転翼及び複数のバケット段（４６）を含む。各バケットは根元部分及び先端部分（７２）を含む。蒸気タービン（１０）は、回転翼及びバケット段を取り囲むダイアフラム組立体（５０）と、回転翼及びダイアフラム組立体の周囲に配置された外側ケーシング（２２）とを更に含む。ダイアフラム組立体は、バケット段の間に配置されたノズル段（４４）と周方向に延出し１つのバケット段の上流側でそのバケット段と隣接するノズル段との間の位置に配置された溝（５４）とを含む。ダイアフラム組立体は、周方向に延びる抽気チャンバ（５６）と、溝から抽気チャンバまで延びて流体連通させる第１の孔（５８）とを含む。ダイアフラム組立体は、抽気チャンバからダイアフラム組立体の外面（６２）を貫通して抽気チャンバと流体連通させる少なくとも１つの第２の孔（６０）を更に含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般に蒸気タービンに関し、特に、低流量バケット先端部冷却及び水分除去のための方法及び装置に関する。

周知の蒸気タービンにおいては、始動時及び高背圧動作中に低流量状態（低ＶＡＮ）が発生する場合がある。蒸気タービンの最終段（Ｌ‐０段）における流れ構造は、低ＶＡＮ動作中に著しく変化する。この変化は、バケットに作用する遠心力によるものである。遠心力は蒸気を上方へ送り出し、主蒸気流れと共に先端部再循環ゾーン及び根元部再循環ゾーンを形成する。バケットの根元ゾーンにおいては、流れは逆方向であり、復水器から蒸気流路の中へ低温の湿った蒸気を送り込む。先端部（外側流路）では、蒸気再循環により「風損」が発生するため、バケット先端部に対して著しく大きな加熱衝撃が加わる。低流量高速動作中、バケット先端部付近の流れは捕捉された状態になり、その後、バケット先端部が捕捉された蒸気に対して仕事を実行することにより、蒸気は加熱される。この「風損」加熱は、始動時の低ＶＡＮ状態で主に起こる。

低ＶＡＮ動作が高い背圧の結果である場合、この先端部ゾーンにおける流れは、流れの不安定状態（非定常状態）及び圧力脈動の作用にさらされる可能性があり、その結果、Ｌ‐０バケットの動応力は増加する。定常状態動作にあるとき、Ｌ‐０ノズルの外側壁に水分が蓄積する。この水分を除去することにより、最終段バケット（ＬＳＢ）の浸食を減少できる。

上述した低ＶＡＮ状態は、最終段バケットに対して不都合な影響を及ぼす。バケットの先端部領域が加熱されると、バケットの寿命は短くなり、信頼性は低下する。また、ハイブリッドバケット構成（外側バケット領域のポリマー充填材）を使用する能力が低下する可能性もある。更に、低ＶＡＮ状態に起因する不安定状態は、バケットの信頼性に影響を与える圧力脈動を引き起こす。加えて、場合によっては過剰な水分が最終段の外側壁、特に最終段ノズルの外側壁に蓄積し、その結果、ノズルが浸食される。
米国特許第６，９７１，８４４号公報 米国特許第５，９８４，６２８号公報 米国特許第５，４９４，４０５号公報 米国特許第５，５７３，３７０号公報

１つの面においては、回転翼及び回転翼に結合された複数のバケット段を含む蒸気タービンが提供される。各バケット段は、回転翼に結合され且つ周方向に互いに離間して配置された複数のバケットを含み、各バケットは根元部分及び先端部分を有する。蒸気タービンは、回転翼及びバケット段を取り囲むダイアフラム組立体と、回転翼及びダイアフラム組立体の周囲に配置された外側ケーシングとを更に含む。ダイアフラム組立体は、バケット段の間に配置された複数のノズル段と、周方向に延び、バケット段のうち１つのバケット段の上流側でそのバケット段と隣接するノズル段との間の位置に配置された溝と、周方向に延在する抽気チャンバと、溝から抽気チャンバまで延びる少なくとも１つの第１の孔とを含む。少なくとも１つの第１の孔は、溝と抽気チャンバとを流体連通させる。ダイアフラム組立体は、抽気チャンバからダイアフラム組立体の外面を貫通して延びる少なくとも１つの第２の孔を更に含み、少なくとも１つの第２の孔は、ダイアフラム組立体の外面及びと外側ケーシングとの間の領域と抽気チャンバとを流体連通させる。

別の面においては、蒸気タービンのダイアフラム組立体が提供される。蒸気タービンは、回転翼及び回転翼に結合された複数のバケット段を含む。ダイアフラム組立体は、バケット段の間に配置されるように構成された複数のノズル段と、周方向に延び、１つのバケット段とそのバケット段に隣接して配置されたノズル段との間に配置された溝と、周方向に延在する抽気チャンバと、溝から抽気チャンバまで延びる少なくとも１つの第１の孔とを含む。少なくとも１つの第１の孔は、溝と抽気チャンバとを流体連通させる。ダイアフラム組立体は、抽気チャンバからダイアフラム組立体の外面を貫通して延びる少なくとも１つの第２の孔を更に含む。少なくとも１つの第２の孔は、抽気チャンバと前記ダイアフラム組立体の外側の領域とを流体連通させる。

またここでは、蒸気タービンの動作を制御する方法が開示される。蒸気タービンは、回転翼と、回転翼に結合された複数のバケット段と、回転翼の周囲に配置された外側ケーシングとを含む。各バケット段は、回転翼に結合され且つ周方向に互いに離間して配置された複数のバケットを含み、各バケットは根元部分及び先端部分を有する。方法は、回転翼及びバケット段を取り囲むようにダイアフラム組立体を設けることを含む。ダイアフラム組立体は、バケット段の間に配置された複数のノズル段と、周方向に延び、バケット段のうち１つのバケット段の上流側でそのバケット段と隣接するノズル段との間の位置に配置された溝と、周方向に延在する抽気チャンバと、溝から抽気チャンバまで延びる少なくとも１つの第１の孔とを含む。少なくとも１つの第１の孔は、溝と抽気チャンバとを流体連通させる。ダイアフラム組立体は、抽気チャンバからダイアフラム組立体の外面を貫通して延びる少なくとも１つの第２の孔を更に含み、少なくとも１つの第２の孔は、ダイアフラム組立体の外面と外側ケーシングとの間の領域と抽気チャンバとを流体連通させる。

周方向に延びる溝と、抽気チャンバと、溝を抽気チャンバと接続する少なくとも１つの孔と、抽気チャンバをダイアフラムとタービンの外側ケーシングとの間の領域に接続する少なくとも１つの孔とを有する蒸気タービンのダイアフラムを以下に詳細に説明する。始動動作中の「風損」加熱状態を軽減するために、ダイアフラムは、低温の蒸気を最終段バケットの先端部再循環ゾーンの中へ送り出す。また、高背圧動作中、先端部付近の流れの不安定状態を軽減して最終段バケットの動応力を減少するために、ダイアフラムは外側領域の蒸気を先端部再循環ゾーンから排気する。更に、定常状態動作中には、最終段バケットの浸食を減少するために、ダイアフラムは最終段バケット領域から水分を除去する。

図面を参照すると、図１は、対向流低圧（ＬＰ）蒸気タービン１０の一例を示した概略図である。タービン１０は、第１の低圧部分１２及び第２の低圧部分１４を含む。当該技術において周知のように、各タービン部分１２及び１４は、複数のノズル段及び複数のバケット段（図１には図示せず）を含む。回転翼軸１６は低圧部分１２及び１４を貫通する。ＬＰ部分１２は入力ノズル１８を含み、ＬＰ部分１４は入力ノズル２０を含む。単一の外側シェル又はケーシング２２は、水平面に沿って軸方向に上部半体部分２４及び下部半体部分２６にそれぞれ分割され、２つのＬＰ部分１２及び１４にまたがって延在する。シェル２２の中央部分２８は低圧蒸気入口３０を含む。外側シェル又はケーシング２２の内部において、ＬＰ部分１２及び１４は、ジャーナル軸受３２及び３４により支持された単一の軸受スパンとして配列される。流れ分割器４０は、第１のタービン部分１２と第２のタービン部分１４との間に延在する。

図２は、本発明の一実施形態に従った蒸気タービン１０の最終段４２を示した概略横断面図である。最終段４２は、固定ノズル段４４と、それに隣接する回転バケット段４６とを含む。ノズル段４４は、ダイアフラム組立体５０に装着され且つ周方向に互いに離間して配置された複数のノズル４８を含む。バケット段４６は、回転翼軸１６に結合され且つ周方向に互いに離間して配置された複数のバケット５２を含む。ダイアフラム組立体５０はノズル段４４及びバケット段４６を取り囲む。

更に図３を参照すると、ダイアフラム組立体５０は、周方向に延び、バケット段４６の上流側でバケット段４６と隣接するノズル段４４との間の位置に配置された溝５４と、周方向に延在する抽気チャンバ５６とを含む。少なくとも１つの第１の孔５８は、溝５４から抽気チャンバ５６まで延びる。第１の孔５８は、溝５４と抽気チャンバ５６とを流体連通させる。少なくとも１つの第２の孔６０は、抽気チャンバ５６からダイアフラム組立体５０の外面６２を貫通して延びる。第２の孔６０は、ダイアフラム組立体５０の外面６２と外側ケーシング２２（図１に示される）との間の領域６４と抽気チャンバ５６とを流体連通させる。本実施形態においては、溝５４はスクープ形状の横断面を有する。

溝５４は、抽気チャンバ５６、第１の孔５８及び第２の孔６０と組合わされて、始動動作中の「風損」加熱状態を軽減するために低温の蒸気を最終段バケット５２の先端部再循環ゾーン６８へ送り出す。図４は、「風損」加熱を減少するために、ダイアフラム組立体５０と外側ケーシング２２との間の領域６４から先端部再循環ゾーン６８の中へ向かう低温蒸気流れ７０を示す。また、高背圧動作中には、溝５４は、抽気チャンバ５６、第１の孔５８及び第２の孔６０と組合わされて、バケット５２の先端部７２付近の流れの不安定状態を軽減するために先端部再循環ゾーン６８から蒸気を排気させる。これにより、最終段バケットの動応力を減少できる。更に、定常状態タービン動作中、溝５４は、抽気チャンバ５６、第１の孔５８及び第２の孔６０と組合わされて、最終段バケット５２の浸食を減少するために最終段バケット領域から水分を除去する。溝５４の横断面がスクープ形状であるため、ダイアフラム組立体５０からの水分除去は促進されると考えられる。

図５に示される別の実施形態においては、溝５４は、ダイアフラム組立体５０の周囲に沿って延びる溝穴の形状を有する。先に説明したように、少なくとも１つの第１の孔５８は溝穴形状の溝５４から抽気チャンバ５６まで延び、少なくとも１つの第２の孔６０は抽気チャンバ５６からダイアフラム組立体５０の外面６２を貫通して延びる。

図６に示される更に別の実施形態においては、溝５４は、外側ポケット７６に接続された溝穴部分７４を含む。外側ポケット７６の幅は溝穴部分７４の幅より広い。第１の孔５８は外側ポケット７６から抽気チャンバ５６まで延び、第２の孔６０は抽気チャンバ５６からダイアフラム組立体５０の外面６２を貫通して延びる。

低ＶＡＮ始動状態の間にタービン１０が動作しているとき、「低温」蒸気は、ダイアフラム組立体５０と外側ケーシング２２との間の領域６４から第２の孔６０を通って抽気チャンバ５６に入り、そこから第１の孔５８を通って溝５４に入り、その後、先端部再循環ゾーン６８の中へ流入する。「低温」蒸気は、低ＶＡＮ始動状態の間の「風損」加熱状態を軽減する。

タービン１０の高背圧動作中には、背圧状態を解放するために、主蒸気流れからの蒸気は復水器へ搬送される。蒸気は溝５４に流入し、第１の孔５８を通って抽気チャンバ５６に入り、更に第２の孔６０を通ってダイアフラム組立体５０と外側ケーシング２２との間の領域６４に入る。領域６４において、排出された蒸気は復水器へ搬送される。

定常状態動作中には、蓄積した水分を最終段４２から除去するために、蓄積した水分は最終段４２から復水器へ排出される。水分は溝５４に流入し、第１の孔５８を通って抽気チャンバ５６に入り、更に第２の孔６０を通ってダイアフラム組立体５０と外側ケーシング２２との間の領域６４に入る。領域６４において、排出された水分は復水器へ搬送される。

種々の特定の実施形態によって本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは当業者には認識されるであろう。

対向流蒸気タービンの一例を示した概略横断面図である。 本発明の一実施形態に従った図１に示される蒸気タービンの最終段を示した概略横断面図である。 図２に示されるダイアフラム組立体を示した概略拡大図である。 冷却蒸気噴射流路を示した図３に示される最終段を示した概略横断面図である。 本発明の別の実施形態に従った図１に示される蒸気タービンの最終段を示した概略横断面図である。 本発明の別の実施形態に従った図１に示される蒸気タービンの最終段を示した概略横断面図である。

符号の説明

１０…蒸気タービン、１６…回転翼軸、２２…外側シェル又はケーシング、４２…最終段、４４…ノズル段、４６…バケット段、４８…ノズル、５０…ダイアフラム組立体、５２…バケット、５４…溝、５６…抽気チャンバ、５８…第１の孔、６０…第２の孔、６２…ダイアフラム組立体の外面、６８…先端部再循環ゾーン、７２…先端部分、７４…溝穴部分、７６…外側部分

Claims (10)

1. 回転翼と；
   各々が前記回転翼に結合され、周方向に互いに離間して配置された複数のバケットを具備し、前記バケットの各々が根元部分及び先端部分（７２）を具備する前記回転翼に結合された複数のバケット段（４６）と；
   前記回転翼及び前記バケット段を取り囲むダイアフラム組立体（５０）と；
   前記回転翼及び前記ダイアフラム組立体の周囲に配置された外側ケーシング（２２）とを具備し、
   前記ダイアフラム組立体は、
   前記バケット段の間に配置された複数のノズル段（４４）と；
   前記バケット段のうち１つのバケット段の上流側で該１つのバケット段と隣接するノズル段との間の位置に配置された、周方向に延びる溝（５４）と；
   周方向に延在する抽気チャンバ（５６）と；
   前記溝から前記抽気チャンバまで延出し、前記溝と前記抽気チャンバとの間を流体連通させる少なくとも１つの第１の孔（５８）と；
   前記抽気チャンバから前記ダイアフラム組立体の外面（６２）を貫通して延出し、前記抽気チャンバと、前記ダイアフラム組立体の前記外面と前記外側ケーシングとの間の領域とを流体連通させる少なくとも１つの第２の孔（６０）とを具備する蒸気タービン（１０）。
2. 前記溝（５４）は溝穴（７４）を具備する請求項１記載の蒸気タービン（１０）。
3. 前記溝（５４）はほぼスクープ形状を有する請求項１記載の蒸気タービン（１０）。
4. 前記溝（５４）は外側ポケット（７６）に接続された溝穴（７４）を具備し、前記少なくとも１つの第１の孔（５８）は前記外側ポケットから前記抽気チャンバ（５６）まで延出する請求項１記載の蒸気タービン（１０）。
5. 前記溝（５４）は最終バケット段（４６）の上流側に配置される請求項１記載の蒸気タービン（１０）。
6. 前記ダイアフラム組立体（５０）の前記外面と前記外側ケーシングとの間の領域は、復水器と流体連通する請求項１記載の蒸気タービン（１０）。
7. 回転翼（１６）及び前記回転翼に結合された複数のバケット段（４６）を含む蒸気タービン（１０）のダイアフラム組立体（５０）において、
   前記バケット段の間に配置されるように構成された複数のノズル段（４４）と；
   １つのバケット段と前記バケット段に隣接して配置されるノズル段との間に位置する、周方向に延びる溝（５４）と；
   周方向に延在する抽気チャンバ（５６）と；
   前記溝から前記抽気チャンバまで延び、前記溝と前記抽気チャンバとを流体連通させる少なくとも１つの第１の孔（５８）と；
   前記抽気チャンバから前記ダイアフラム組立体の外面（６２）を貫通して延び、前記抽気チャンバと前記ダイアフラム組立体の外側の領域とを流体連通させる少なくとも１つの第２の孔（６０）とを具備するダイアフラム組立体（５０）。
8. 前記溝（５４）は溝穴（７４）を具備する請求項７記載のダイアフラム組立体（５０）。
9. 前記溝（５４）はほぼスクープ形状を有する請求項７記載のダイアフラム組立体（５０）。
10. 前記溝（５４）は外側ポケット（７６）に接続された溝穴（７４）を具備し、前記少なくとも１つの第１の孔（５８）は前記外側ポケットから前記抽気チャンバ（５６）まで延びる請求項７記載のダイアフラム組立体（５０）。

Images