JP2010285990A - 下流タービンに導入するための高温蒸気と低温蒸気との混合 - Google Patents

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Abstract

【課題】 上流タービンから漏洩した高温蒸気を低温の下流タービンからの低温蒸気と混合し、混合蒸気を下流タービンに導入する、装置及び方法を提供する。
【解決手段】 蒸気タービンは、回転シャフトと作動可能に結合して第1の温度で作動し得る第1のタービンと、第1のケーシングを回転シャフトに対して部分的に封止するエンドパッキンとを含む第1のケーシング、エンドパッキンからの蒸気流を受け入れる蒸気シールレギュレータ、回転シャフトと作動可能に結合して第1の温度よりも低い第2の温度で作動し得る第2のタービンを含む第2のケーシング、及び蒸気シールレギュレータからの蒸気流の少なくとも一部分と第2のタービンの所定の段の上流チャンバから取り出した蒸気の一部分との混合蒸気を形成して該混合蒸気を第2のタービンに導入するエゼクタを備える
【選択図】 図2

Description

本発明は広義には蒸気タービンに関する。具体的には、本発明は、第1のタービンから漏洩した高温蒸気流の少なくとも一部分を第2のタービンからの低温蒸気と混合して、この混合蒸気を第2のタービンに導入することに関する。
蒸気タービンのような現在のターボ機械では、共通の回転シャフトに結合し、異なる温度及び圧力で作動できるタービンを有する複数のケーシングを用いることが多い。例えば、蒸気タービンには、高圧(HP)ケーシング、中圧(IP)ケーシング及び低圧(LP)ケーシングを含むものがある。各ケーシングは、複数の段を有するタービンを備えていて、各段は回転シャフトに動翼の列が結合している。加圧蒸気が動翼に当たって次の段へと移動する際に、動翼を回転させる。蒸気を各ケーシング内に封じ込めるため、各ケーシングは、エンドパッキンと呼ばれる一連の非接触式グランドシールを備える。各エンドパッキンは、蒸気タービンの回転シャフトに対して部分的に封止する複数の非接触式シール(例えば、リーフシール、ブラシシール、ラビリンスシールなど)を含む。これらのシールの有限クリアランス(間隙)のため、蒸気の漏れは不可避である。漏れの速度は、シールの幾何形状、クリアランス及びケーシング内の蒸気とケーシング外の空気との温度差に依存する。
HPケーシングを有する蒸気タービンでは、蒸気シールレギュレータで必要とされる量を超えてHPエンドパッキンから漏れる蒸気の一部分は復水器に投棄されるので、シャフトの回転仕事を生じする潜在性が失われる。理論的には、蒸気をLPケーシングのタービンに送れば有効な仕事を生じさせることができる。しかし、実際には、この蒸気は温度が高すぎてLPタービンに直接流すことはできない。LPタービンの材料限界を超えてしまい、HPセクション蒸気の温度に対処できないからである。
米国特許第6782703号明細書
本発明の第1の態様では、蒸気タービンであって、回転シャフトと作動可能に結合して第1の温度で作動し得る第1のタービンと、第1のケーシングを回転シャフトに対して部分的に封止するエンドパッキンとを含む第1のケーシング、エンドパッキンからの蒸気流を受け入れる蒸気シールレギュレータ、回転シャフトと作動可能に結合して第1の温度よりも低い第2の温度で作動し得る第2のタービンを含む第2のケーシング、及び蒸気シールレギュレータからの蒸気流の少なくとも一部分と第2のタービンの所定の段の上流チャンバから取り出した蒸気の一部分との混合蒸気を形成して該混合蒸気を第2のタービンに導入するエゼクタを備える蒸気タービンを提供する。
本発明の第2の態様では、第1の温度を有する蒸気源からの蒸気と第1の温度よりも低い第2の温度で作動し得るタービンの所定の段の上流チャンバから取り出した蒸気の一部分との混合蒸気を形成して、該混合蒸気をタービンに導入するエゼクタを備える装置を提供する。
本発明の第3の態様は、第1の温度で作動し得るタービンと、第1の温度よりも高い第2の温度を有する蒸気源と、該蒸気源からの蒸気流の少なくとも一部分とタービンの所定の段の上流チャンバから取り出した蒸気の一部分との混合蒸気を形成して、該混合蒸気をタービンに導入するエゼクタを備える蒸気タービンを対象とする。
蒸気タービンの部分切欠き斜視図。 例示的な蒸気タービンの概略図。 本発明の一実施形態に係るエゼクタを含む蒸気タービンの部分断面図。 図3のエゼクタの概略断面図。 本発明の別の実施形態に係るエゼクタを含む蒸気タービンの部分断面図。 図5のエゼクタの概略断面図。 本発明の別の実施形態に係るエゼクタの概略断面図。 本発明の別の実施形態に係るエゼクタの概略断面図。
以下、蒸気タービンの作動を例にとって、本発明の1以上の実施形態を説明する。ただし、本明細書の教示内容に接した当業者には明らかであろうが、本発明は、適当なタービン及び/又はエンジンにも同様に適用できる。本発明の実施形態では、高温蒸気を低温タービンからの低温蒸気と混合して温度差の問題を軽減する装置及び方法を提供する。混合は、流体駆動ポンプの形態のエゼクタ、例えば、従来のエゼクタ又はコアンダ効果(つまり、流体の流れが近傍の曲面に付着したまま残る傾向)に基づく流量増幅器を用いて達成し得る。注入位置からの蒸気を高温流入蒸気と混合して冷却するのに用いる場合には、必要な圧力上昇は非常に少なく、エゼクタで大きな混合比を達成することができる。混合流の所要量が少ない場合には、エゼクタを用いて低圧段から蒸気を抽出して、前段(上流)に再導入すれば、追加の性能向上に資することができる。いずれの場合も、高温蒸気をLPタービンからの低温蒸気と混合するので、温度が低下する。
図面を参照すると、図1は、蒸気タービン10の部分切欠き斜視図を示す。蒸気タービン10は、回転シャフト14と複数の軸方向に離隔したローターホイール18とを含むローター12を備える。複数の動翼20が、各ローターホイール18に機械的に結合される。具体的には、動翼20は、各ローターホイール18の周方向列として配設される。複数の静翼22がシャフト14の周方向に配設され、軸方向には動翼20の隣り合った列の間に位置する。静翼22は動翼20と協働して段を形成してタービン10を通過する蒸気流路の一部分を画成する。
作動中に、蒸気24は、タービン10の入口26に流入しかつ静翼22を通して送られる。静翼22は蒸気24を下流の動翼20に向ける。蒸気24は残りの段を通過し、動翼20に力を与えてシャフト14を回転させる。タービン10の少なくとも一端は軸方向にロータ12から遠位方向に延在していてもよく、特に限定されないが、発電機その他のタービンのような負荷又は機械(図示せず)に取り付けることができる。
図1に示す本発明の一実施形態では、タービン10は5つの段からなる。これらの5段を、L0、L1、L2、L3及びL4として示す。段L4は第1段であって5段のうちで最小(半径方向に)のものである。段L3は、第2段であって軸方向における次の段である。段L2は、第3段であって5段のうちの中央に位置するものとして示す。段L1は、第4段であって最後から2番目の段である。段L0は、最終段であって最大(半径方向に)のものである。5つの段は一例にすぎず、低圧タービンの段の数は4以下でも、6以上でもよい。また、本明細書で説明する通り、本発明の教示内容は多段タービンを必須とはしない。
図2A〜図2Cに、本発明の実施形態に係る例示的な蒸気タービン100の概略図を示す。図2Aに示すように、大型蒸気タービン装置には実際に同一の回転シャフト114にすべて同軸に結合した複数のタービンを備えているものがある。或いは、図2Bに示すように、1以上のタービンが、異なる回転シャフト114A,114Bに結合していてもよい。いずれにせよ、かかる装置には、例えば高圧(HP)タービン102、中圧(IP)タービン104及び低圧(LP)タービン106を含むものがある。具体的には、図2Aに示すように、蒸気タービン100は、回転シャフト114と作動可能に結合して第1の温度T1で作動し得る第1の(HP)タービン102を含む第1のケーシング110を備える。第1の温度T1は、例えば700°F(約370℃)を超える高温であってもいが、その他の温度を用いることもできる。明らかであろうが、ケーシング110は、第1のケーシング110を回転シャフト114に対して部分的に封止するためのエンドパッキン112を含む。同様のエンドパッキンを、他のケーシングで回転シャフト114又は回転シャフト114A,114B(図2B)に対して適宜用いてもよい。ケーシングは、ステンレス鋼、或いは高温強度を高めるためクロム、モリブデン、バナジウム及び/又はその他の合金元素を添加した鋼のような材料から構成し得る。なお、図面は縮尺通りではなく、LP蒸気タービンはHPタービン又はIPタービンよりも大きくてもよい。別の実施形態では、図2Cに示すように、同じケーシング111内に1以上のタービン102,106を配置してもよい。
タービン102,104,106は類似した構造を有するが、異なる温度及び圧力で作動する。例えば、第2のケーシング116は、回転シャフト114(図2A)又は回転シャフト114A(図2B)と作動可能に結合して第1の温度T1よりも低い第2の温度T2で作動し得る2の(LP)タービンを含んでいてもよい。第2の温度T2は、例えば約200°F(約90℃)〜約300°F(約150℃)の範囲の比較的低温であればよいが、その他の温度も用いることができる。ケーシング116も、ケーシング116を回転シャフト114(図2A)又は回転シャフト114A(図2B)に対して部分的に封止するためのエンドパッキン118を含む。ケーシング116は、例えば約700°F(約370℃)の温度限界を有する炭素鋼から構成し得る。タービン104は、例えば約350℃〜600℃の範囲の中間温度で作動し得る。タービン104も、(HPケーシングと同様に)高温性能をもつ高合金成分鋼で構築し得る。図2Cに示す別の実施形態では、1つのケーシング111に、回転シャフト114と作動可能に結合した第1のタービン102及び第2(LP)タービン106を1つのエンドパッキン119と共に配設してもよい。第2のタービン106は、第1のタービン102の第1の温度T1よりも低い第2の温度T2で作動し得る。第2の温度T2は約200°F(約90℃)〜約300°F(約150℃)の範囲の比較的低温とし得るが、その他の温度を用いることもできる。ケーシング111は上述のものと同様の材料から構成し得る。
エンドパッキン112,118,119としては、リーフシール、ブラシシール、ラビリンスシールなど、蒸気タービンの回転シャフトに対して部分的に封止する多数の非接触式シールが挙げられる。これらのシールでは有限クリアランスのため、蒸気の漏れは避けられず、シャフトの回転仕事を生じる潜在力が失われる。漏れの速度は、シール幾何形状、クリアランス、及びケーシング内の蒸気とケーシング外の空気との圧力差に依存する。
図2A〜図2Bに示すように、エンドパッキン112から漏れる蒸気流130は、蒸気の供給源132(以下、「蒸気源132」という。)として捕集される。図2A〜図2Bの例では、蒸気源132は蒸気シールレギュレータ133として構成される。蒸気シールレギュレータ133は漏洩蒸気を取り込んで、他のエンドパッキン用のシール蒸気として供給するのに適したレベルまでその圧力を下げる。ただし、図2Cに示すように、蒸気源132としては、第2の(LP)タービン106に適した温度よりも温度が高く、第2の(LP)タービン106に適した圧力よりも圧力の低い蒸気の供給源であれば、現在公知のもの及び将来開発されるものすべてが可能である。蒸気シールレギュレータの実施形態(図2A〜図2B)では、通例、蒸気シールレギュレータで他のエンドパッキンにシール蒸気を供給するのに必要とされるシール蒸気を超過する過剰なシール蒸気は復水器(図示せず)へと投棄される。こうした投棄がなされるのは、蒸気の圧力が第2の(LP)タービン106以外で使用するには低すぎ、温度が第2の(LP)タービンの慣用材料には高すぎるためである。いずれにせよ、蒸気源132からの蒸気は、第2のタービン106及びケーシング116の材料での使用するには適合しない温度と、第1の(HP)タービン及びIPタービン104での使用には適合しない圧力を有する。これに対して、本発明の一実施形態では、蒸気源132からの蒸気流の少なくとも一部分134は、第2のタービン106からの低温蒸気と混合した後で、エゼクタ140(図3〜図6),240(図7〜図8)によって第2のタービン106へと導入される。
図2A〜図4を参照すると、エゼクタ140の一実施形態が示してある。図3は第2のタービン106の部分断面図を示し、図4はエゼクタ140の概略断面図を示す。この実施形態では、エゼクタ140は、圧力降下をできるだけ小さくするため、第2のタービン106のケーシング116の外部に取り付けられる。エゼクタ140は、所要に応じて、第2のタービン106からさらに離れた位置に取り付けてもよい。図4に最も分かり易く示してある通り、エゼクタ140は、蒸気源132からの蒸気流の少なくとも一部分134と、第2のタービン106の所定の段(例えばL0、L1、L2、L3、L4、図ではL1)の上流チャンバ146から取り出した蒸気の一部分144との混合蒸気142を形成して、混合蒸気142を第2のタービン106に導入する。部分134としては、蒸気シールレギュレータ133からの過剰流その他の蒸気源からの蒸気が挙げられる。
エゼクタ140は、現在公知の又は将来開発される構造を用いて、第2のケーシング116の外部に取り付けられたチャンバ150を含む。チャンバ150は、第2のケーシング116の内部及び蒸気源132(図2A〜図2C)と(適宜、通路を介して)流体連通した開口152を含む。エゼクタ140は、蒸気源132(図2A〜図2C)からの蒸気流の少なくとも一部分134と第2のタービン106の所定の段から取り出される蒸気の一部分144を受け入れる入力部156を有するチャンバ150に取り付けられたディフューザ154を含む。エゼクタ140は、ディフューザ154を形成するように形作られたチャンバ150をもつものとして示してあるが、ディフューザ154は、別個の構造体として設けてもよい。エゼクタ140は、蒸気源132(図2A〜図2C)からの蒸気流の少なくとも一部分134をディフューザ154の入力部156に導入するため、チャンバ150に取り付けられたノズル160をさらに含んでいてもよい。こうすると、ノズルからの蒸気流は、第2のタービンの所定の段の上流チャンバ146(ボウル)からの蒸気の一部分144を引き寄せ、流体ポンプを形成する。別の実施形態では、ノズル160をなくし、所定の段の上流チャンバ146からの蒸気部分144を引き寄せるため、機械式ポンプ166(破線で示す、例えばファン又は圧縮機)を用いてもよい。
蒸気源132からの高温蒸気部分134は、例えば約700°F(約370℃)を超える温度を有し、第2のタービン106からの低温部分144は、例えば約200°F(約90℃)〜約300°F(約150℃)の温度を有する。蒸気部分134と144がエゼクタ140内で混合されると、混合蒸気が第2のタービン106に導入される位置に元々存在していた温度よりも高い温度を有する混合蒸気142が生じる。従って、エゼクタ140は、高温蒸気部分134と第2のタービン106から抽出した低温蒸気部分144とを第2のタービン106の局所温度に近い混合蒸気が得られるように混合することによって、材料の温度限界の問題を軽減する。
図3〜図4では、混合蒸気142は、蒸気部分144が抽出される所定の段の上流チャンバ146へと導入される。つまり、混合蒸気142は、蒸気部分144が抽出された同じ段の上流チャンバ146に導入される。この実施形態では、多段タービンである必要はない。別の実施形態では、図5〜図6に示すように、混合蒸気142は、第2のタービン106の所定の段とは異なる前段の上流チャンバ148(ボウル)に導入される。例えば、図に示す通り、蒸気部分144を段L0の上流チャンバ146から抽出し、高温蒸気流130と混合して混合蒸気142を形成して、その前の異なる段L1の上流チャンバ148に導入する。この場合、第2のタービン106は、複数の段を含んでいなくてはならない。この実施形態は、必要な混合量が小さい場合に有用であろう。図では、混合蒸気142は直前の段に導入されているが、先行する1以上の段に導入し得る。
図7〜図8に示す別の実施形態では、エゼクタ240は、第2のケーシング116の内部に取り付けることもできる。エゼクタ240は、チャンバ150が必ずしも必要ではなく、蒸気部分134の温度からケーシング116を保護するための断熱部材241(バッフル、ブッシュなど)が必要とされることがあること以外は、上述したものと同様の構造を有する。図7は、タービンの1つの段の上流チャンバ246内部にエゼクタ240が配置された実施形態を示す。図8は、所定の段の上流チャンバ246内部にエゼクタ240が配置され、所定の段とは異なる先行する段の上流チャンバ248に混合蒸気142が導入される別の実施形態を示す。この場合、出力部262から第2のタービン106の第2のケーシング116を通して先行する異なる段248へと通ずる通路260を設けてもよい。
エゼクタ140,240は、その内部を通過する蒸気の温度及び圧力に十分耐えることのできるステンレス鋼などの材料で形成すればよい。
以上、低圧の第2のタービン106からの蒸気部分144と混合される高温蒸気部分134を供給する高圧の第1のタービン102を参照して、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明の教示はこれに限定されるものではい。換言すれば、任意の蒸気源からの低圧の高温蒸気を、下流の低温タービンからの蒸気と混合して、その下流タービンに戻せばよい。従って、本発明の実施形態に係る方法は、第1の温度T1で作動する第1のタービン102を囲繞する第1のケーシング110のエンドパッキン112からの蒸気流130を捕集すること、或いは同様の条件の蒸気が得られる別の場所から蒸気源132を得ることを包含する。混合蒸気142は、蒸気流130の少なくとも一部分134と、第1の温度T1よりも低い第2の温度T2で作動する第2のタービン106の所定の段の上流チャンバ146から取り出した蒸気の一部分144から形成し得る。混合蒸気142は、第2のタービン106(同じ所定の段又は先行する段)に導入される。
本明細書における「第1」、「第2」などの用語は順序、数量又は重要性を意味するものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いられる。単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも1つ存在することを意味する。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ(例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む)。本明細書に開示した範囲はすべてその上下限を含み、独立に結合可能である(例えば、「約25重量%以下、具体的には約5〜約20重量%」という範囲は、「約5〜25重量%」の上下限とその範囲内のすべての中間値を含む)。
本発明を様々な実施形態を参照して説明してきたが、本明細書の記載から、構成要素の様々な組合せ、変更、修正を当業者がなすことができ、本発明の技術的範囲に属することは明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

Claims (10)

  1. 蒸気タービン(100)であって、
    回転シャフト(114)と作動可能に結合して第1の温度で作動し得る第1のタービン(102)と、第1のケーシング(110)を回転シャフト(114)に対して部分的に封止するエンドパッキン(112)とを含む第1のケーシング、
    エンドパッキン(112)からの蒸気流(130)を受け入れる蒸気シールレギュレータ(113)、
    回転シャフト(114)と作動可能に結合して第1の温度よりも低い第2の温度で作動し得る第2のタービン(106)を含む第2のケーシング(116)、及び
    蒸気シールレギュレータ(133)からの蒸気流(130)の少なくとも一部分(134)と第2のタービン(106)の所定の段の上流チャンバ(146)から取り出した蒸気の一部分(134)との混合蒸気(142)を形成し、該混合蒸気(142)を第2のタービン(106)に導入するエゼクタ(140)
    を備える蒸気タービン(100)。
  2. 混合蒸気(142)が前記所定の段の上流チャンバ(146)に導入される、請求項1記載の蒸気タービン(100)。
  3. 第2のタービン(106)が複数の段を含んでおり、混合蒸気(142)が前記所定の段とは異なる第2のタービン(106)の先行する段の上流チャンバ(146)に導入される、請求項1記載の蒸気タービン(100)。
  4. 前記エゼクタ(140)が、第2のケーシング(116)の外に取り付けられたチャンバ(150)を含んでいて、該チャンバ(150)が、第2のケーシング(116)の内部及び蒸気シールレギュレータ(133)と流体連通した開口(152)を含む、請求項1記載の蒸気タービン(100)。
  5. 前記エゼクタ(140)が、蒸気シールレギュレータ(133)からの蒸気流(130)の少なくとも一部分(134)と第2のタービン(106)の所定の段から取り出された蒸気の一部分(134)とを受け入れるための入力部(156)を有するチャンバ(150)に取り付けられたディフューザ(154)を含む、請求項4記載の蒸気タービン(100)。
  6. 前記エゼクタ(140)が、蒸気シールレギュレータ(133)からの蒸気流(130)の少なくとも一部分(134)をディフューザ(154)の入力部(156)に導入するためチャンバ(150)に取り付けられたノズル(160)をさらに含み、ノズル(160)からの蒸気流(130)が第2のタービン(106)の所定の段の上流チャンバ(146)からの蒸気の一部分(134)を引き寄せる、請求項5記載の蒸気タービン(100)。
  7. 前記エゼクタ(140)が、第2のタービン(106)の所定の段の上流チャンバ(146)からの蒸気の一部分(134)を引き寄せて、該部分を蒸気シールレギュレータ(133)からの蒸気流(130)の少なくとも一部分(134)と共にディフューザ(154)の入力部(156)に導入する、請求項5記載の蒸気タービン(100)。
  8. 前記エゼクタ(140)が第2のケーシング(116)の内部に取り付けられる、請求項1記載の蒸気タービン(100)。
  9. 前記エゼクタ(140)が、蒸気シールレギュレータ(133)からの蒸気流(130)の少なくとも一部分(134)と第2のタービン(106)の所定の段から取り出された蒸気の一部分(134)とを受け取るための入力部(156)を有するディフューザ(154)を含む、請求項8記載の蒸気タービン(100)。
  10. 前記エゼクタ(140)が、蒸気シールレギュレータ(133)からの蒸気流(130)の少なくとも一部分(134)をディフューザ(154)の入力部(156)に導入するためのノズル(160)をさらに含み、ノズル(160)からの蒸気流(130)が第2のタービン(106)の所定の段の上流チャンバ(146)からの蒸気の一部分(134)を引き寄せる、請求項9記載の蒸気タービン(100)。
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