JP2011038420A - 蒸気タービン - Google Patents
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Abstract
【課題】600℃以上の高温で稼働される蒸気タービンであって、組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供すること。
【解決手段】ロータ1と、ロータ1の外周側に間隔を介して設置された内ケーシング2と、内ケーシング2に固定された静翼4と、ロータ1の外周に設けられたディスク部11と、ディスク部11の外周に取り付けられた動翼2と、動翼3のプラットフォーム部32からロータ軸方向の上流側及び下流側に突出したフィン33,34とを備え、フィン33,34は、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィン33,34と接触し、ロータの外周面を蒸気流路から遮断している。
【選択図】図1
【解決手段】ロータ1と、ロータ1の外周側に間隔を介して設置された内ケーシング2と、内ケーシング2に固定された静翼4と、ロータ1の外周に設けられたディスク部11と、ディスク部11の外周に取り付けられた動翼2と、動翼3のプラットフォーム部32からロータ軸方向の上流側及び下流側に突出したフィン33,34とを備え、フィン33,34は、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィン33,34と接触し、ロータの外周面を蒸気流路から遮断している。
【選択図】図1
Description
本発明は600℃を超える高温の雰囲気にさらされる蒸気タービンに関する。
一般に蒸気タービンは、さらされる蒸気の圧力及び温度に応じて、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの3種に大別される。そのうち、超々臨界圧条件で用いられる高圧タービンでは、最も高温高圧の25MPa,600℃程度の蒸気がボイラから流入し、そのほぼ半分の圧力で400℃程度の蒸気が当該高圧タービンの出口から流出する。一般に、動翼がはめ込まれるロータ外周は、蒸気雰囲気にむき出しにさらされるので、動翼とほぼ同じ温度の蒸気にさらされる。そのため、ロータ外周は高温に対するクリープ強度が設計上重要となる。そのため、超々臨界圧条件で用いられる高圧タービンのロータには、400℃から600℃の高温クリープに耐え得る材料を採用する必要がある。
このような高温クリープに耐え得るロータを安価に製造する技術としては、例えば、(1)異種材料で製造された複数のロータを溶接で接合して1本のロータとするもの(特開2000−64805号公報参照)や、(2)軸方向に間隔を介して設置された複数の動翼の間にロータと同心の円筒状部材を設置し、当該円筒状部材でロータを外周から覆ったものがある(特開昭60−93101号公報参照)。
前者の技術のような溶接ロータ構造を採用すると、クリープ強度を考慮しなければならない高温領域には高強度Cr鋼等の高温用の素材を用いることができ、また、クリープ強度を考慮しなくても良い低温領域には比較的安価なCrMoV鋼等を用いることができる。したがって、温度に応じた異種材料を用いることができるので、クリープ強度を考慮しなければならない部分にのみ高価な材料を用いることができ、ロータ全体の製造コストを抑制することが可能となる。一方、後者の技術のように円筒状部材を設置すると、ロータ外周面が高温蒸気から遮蔽されるのでロータ外周面の温度上昇を抑制することができ、安価な素材をロータに利用できたりロータ径を小さくしたりすることができる。
ところで、先述のような400℃から600℃程度までの超々臨界圧条件では、ロータの素材としてフェライト鋼を適用すればクリープ強度が充分耐えられるものであったが、600℃を超える700℃級の蒸気を利用する先進超々臨界圧条件では、必要とされるクリープ強度は10万時間で100MPaにも及ぶ。そのため、先進超々臨界圧条件で利用される蒸気タービンでは、従来のフェライト鋼に比べてクリープ強度が高いニッケル基合金(Ni基合金)によってロータを製造することが考えられている。しかし、Ni基合金は、フェライト鋼に比べて大型鋼隗製造性に乏しく、高々10トン程度のロータしか製造することができない。そのため、例えば、シャフト部がφ800mmのロータを製造するとすれば、その軸長は2.5m程度しか確保できない。
この場合、先述の前者の技術を利用して、Ni基合金とフェライト鋼という異種材料からなる溶接ロータを適用することも考えられる。しかし、Ni基合金素材やフェライト鋼素材は、ロータの基本機械特性を維持するためにハンマーやプレスで鍛造され靭性が高められているのに対し、溶接部は高温熱処理された無垢の状態であるので、靭性に乏しく、著しく強度が低下するおそれがある。そのため、先進超々臨界圧条件で用いられるロータを構成するにあたり、信頼性に問題がある。
また、超々臨界圧条件で用いられる蒸気タービンでは、ロータの外周に設けられる部分であって動翼が取り付けられるディスク(車盤)は、軸方向の複数段落に亘って一体削りだし成型されることがある。そのため、先述の後者の技術に係る円筒状部材を適用する場合には、当該円筒状部材はディスクが一体成型された後に取り付けることになる。この点に関し、当該技術には、円筒状部材を、a)一体の環状のもの、b)上下に2分割したもの、c)複数の素片からなるもので形成する旨が開示されているが、上記a)及びb)の方法で形成した場合には、一体成型したディスク間には円筒状部材を架け渡すことができないので、適用することができない。また、c)の方法で形成した場合には、素片挿入溝(素片をディスク間に挿入する際に利用する溝)やボルト孔(素片挿入孔を塞ぐ部材を固定するためのボルト孔)を設けた場所に応力集中が発生するので、信頼性が著しく劣る構造になる。
本発明の目的は、600℃以上の高温で稼働される蒸気タービンであって、組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために、ロータと、前記ロータの外周側に間隔を介して設置された内ケーシングと、前記内ケーシングに固定された静翼と、前記ロータの外周に設けられたディスク部と、前記ディスク部の外周に取り付けられた動翼と、ロータ軸方向の上流側及び下流側の少なくとも一方に向かって前記動翼のプラットフォーム部から突出したフィンとを備え、前記フィンは、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィンと接触し、前記ロータの外周面を蒸気流路から遮断しているものとする。
本発明によれば、600℃以上の高温で稼働される場合にも組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る蒸気タービンの概略構成図であり、図2は図1に示した蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図である。これらの図に示す蒸気タービンは、600℃以上の高温で稼働されるもので、ロータ1と、内ケーシング2と、動翼3と、静翼4を主に備えている。また、蒸気タービン段落は、性能の向上を図るため、軸方向に多数形成されている。これを蒸気タービンの多段落構造という。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る蒸気タービンの概略構成図であり、図2は図1に示した蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図である。これらの図に示す蒸気タービンは、600℃以上の高温で稼働されるもので、ロータ1と、内ケーシング2と、動翼3と、静翼4を主に備えている。また、蒸気タービン段落は、性能の向上を図るため、軸方向に多数形成されている。これを蒸気タービンの多段落構造という。
ロータ1は、シャフト部11と、シャフト部11の外周に設けられたディスク部12を備えている。ディスク部12は、ロータ軸方向に間隔を介して複数配置されている。ロータ1の外周側には、ロータ1と間隔を介して内ケーシング2が設置されている。
動翼3は、翼部31と、プラットフォーム部32と、上流側フィン33と、下流側フィン34と、翼根元部35(図2参照)と、カバー部36を備えており、翼根元部35を介してディスク部12の外周に放射状に複数取り付けられている。また、動翼3のカバー部36と外輪41(後述)の間には、水蒸気の漏洩を抑制する動翼先端漏洩シール51が設置されている。
上流側フィン33は、ロータ軸方向における蒸気流通方向の上流側(以下において、ロータ軸方向の上流側と称することがある)に向かってプラットフォーム部32から庇状に突出しており、下流側フィン34は、ロータ軸方向における蒸気流通方向の下流側(以下において、ロータ軸方向の下流側と称することがある)に向かってプラットフォーム部32から庇状に突出している。例えば、ロータ軸方向に並んで配置される2つのディスク部12によって形成される間隙の距離が40〜60mm程度であれば、上流側フィン33及び下流側フィン34をそれぞれ20〜30mm程度突出させれば良い。
各動翼3における上流側フィン33は、そのロータ軸方向の上流側に位置する他の動翼3の下流側フィン34と接触しつつ(図1参照)、そのロータ周方向の両側に位置する2つの動翼3の上流側フィン33と接触している(後の図4参照)。また、これと同様にして、各動翼3における下流側フィン34は、そのロータ軸方向の下流側に位置する他の動翼3の上流側フィン33と接触しつつ、そのロータ周方向の両側に位置する2つの動翼3の下流側フィン34と接触している。これにより、ロータ1の外周面は複数の上流側フィン33及び下流側フィン34によって覆われ、ロータ1の外周面とフィン33,34との間には環状の空隙5が形成される。すなわち、上流側フィン33及び下流側フィン34は、ロータ1の外周面を蒸気(主蒸気)から完全に遮断している。
なお、動翼3は、600℃を超える700℃級の先進超々臨界圧条件で用いられる点を鑑みて、Ni基合金で製造することが好ましい。このように動翼3をNi基合金とする場合には、Ni基合金の使用量を抑制する観点等から、プラットフォーム部32の内部に中空部37(図1参照)を設けることが好ましい。また、本実施の形態におけるディスク12の翼溝構造は、図2に示すように、ロータ軸方向から動翼3を挿入して固定するタイプ(アキシャルエントリー型翼溝構造)であるが、ロータ周方向から動翼3を挿入して固定するタイプ(例えば、鞍型翼溝構造)を利用しても同様の発明の効果を期待できる。
静翼4は、そのロータ径方向外側に位置する外輪41を介して内ケーシング2に固定されている。静翼4は、外輪41の内側に設置された内輪42と外輪41との間に架け渡されており、ロータ周方向に間隔を介して複数設置されている。また、内輪42とフィン33,34の間には、水蒸気の漏洩を抑制する静翼先端漏洩シール52が設置されている。なお、静翼4も、動翼3と同様の観点からNi基合金で製造することが好ましく、さらには、静翼4と同様に蒸気にさらされる内輪42及び外輪41もNi基合金で製造することが好ましい。
上記の蒸気タービンは、ロータに比べて小さな部材である動翼の一部を拡大し、600℃以上の高温蒸気にロータをさらすことなく完全に覆うことにより、Ni基合金を用いたロータの製造上の限界を克服するという着想に基づき創作されたものである。そこで、本実施の形態では、この着想に基づき、動翼3のプラットフォーム部32から上流側フィン33及び下流側フィン34を突出させ、これらを隣接する他の動翼3のフィン33,34と接触させることでロータ1の外周にカバーを形成している。
このようにロータ1の外周にフィン33,34によるカバーを形成すると、ロータ1の周囲に形成された蒸気流路を流通する蒸気からロータ1を完全に遮断することができるので、先進超々臨界圧条件で使用されるロータのシャフト部及びディスク部をNi基合金で製造する必要性を著しく低減することができる。しかも、このとき、フィン33,34とロータ1の間に形成される空隙5は断熱作用を発揮する。また、本実施の形態によれば、特許文献2記載の技術における円筒状部材のように、ロータ外周面を蒸気から遮断する部材を別途取り付ける必要も無いので、タービンの組立も容易で、組立に伴う信頼性の低下の心配も無い。したがって、本実施の形態によれば、600℃以上の高温で稼働される場合にも組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供することができる。
また、本実施の形態によれば、フィン33,34の外周面を一般的なロータにおけるシャフト部の外周面とすることができるので、ロータ1のシャフト部11の直径を一般的なものよりも小さくすることができる。例えば、シャフト部がφ800mmの一般的なロータに相当するものを製造することを想定した場合、本実施の形態において、シャフト部11の外周面からフィン33,34の外周面までの距離が100mmであれば、そのシャフト部11はφ600mmで足りる。なお、シャフト部11の直径を小さくするには、シャフト部11の外周面からフィン33,34の外周面までの距離を大きくすることが有効であり、当該距離を大きくするには、プラットフォーム部32のロータ径方向における長さを大きくすることが有効である。また、このようにプラットフォーム部32のロータ径方向における長さを大きくする場合には、プラットフォーム部32の内部に中空部37を設けることが好ましい。
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。図3は本発明の第2の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図であり、図4は図3に示した動翼をロータ周方向に複数取り付けた状態の斜視図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する(後の図も同様とする)。
図3に示す動翼3Aのプラットフォーム部32にはピン溝6が穿たれている。ピン溝6は、ロータ軸方向に沿って穿たれており、プラットフォーム部32上の側面のうちロータ周方向に位置する2つの側面に設けられている。この動翼3Aを図4に示すようにロータ周方向に複数配置すると、ロータ周方向において隣り合う2つのプラットフォーム部32によってピン7を挿入するための貫通孔がピン溝6によって形成される。すなわち、図4に示す蒸気タービンは、ロータ周方向において隣り合う2つのプラットフォーム部32の間にロータ軸方向から挿入されたピン7を備えている。
このようにロータ周方向において隣り合う2つのプラットフォーム部32の間にピン7を挿入することで、当該2つのプラットフォーム部32をピン7を介して接触連結させると、動翼3Aの減衰効果を向上させることができる。特に、Ni基合金は、高温クリープ強度が高い利点がある反面、減衰効果は動翼の素材として従来から適用されてきた高Cr鋼に比べて小さい。そのため、動翼3AをNi基合金で製造したときには、蒸気変動流れによる励振力によって動翼3Aがランダムな励振を受けた場合、振動応答が大きくなって疲労強度が設計上の課題となることがある。しかし、本実施の形態のようにピン7を挿入すれば、たとえ動翼3AにNi基合金を適用しても動翼間に減衰効果が高まる構造となるので、動翼3Aに作用する蒸気変動流れによるランダムな励振による疲労問題を回避することができる。
次に本発明の第3の実施の形態について説明する。
図5は本発明の第3の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図である。この図に示す動翼3Bのプラットフォーム部32には、パッキン固定溝8が設けられている。パッキン固定溝8は、ロータ周方向に沿って設けられた溝であり、プラットフォーム部32上の側面のうちロータ軸方向に位置する2つの側面に設けられている。この動翼3Bをロータ軸方向に複数配置すると、ロータ軸方向において隣り合う上流側フィン33及び下流側フィン34によってリング状のパッキン(接触介在部材)9を挿入するための環状溝がパッキン固定溝8によって形成される。すなわち、図5に示す蒸気タービンは、ロータ軸方向において隣り合う2つのフィン33,34が接触する部分に取り付けられたパッキン9を備えている。
このように2つのフィン33,34がロータ軸方向で接触する部分にパッキン9を挿入すると、段落間の動翼3B同士の接触面間の減衰効果を向上させることができる。さらに、パッキン9により段落間の接触が密になるので、高温蒸気流れが空隙5に漏洩することが抑制され、ロータ1が高温にさらされることを防止できる。
なお、本実施の形態のように段落間にパッキン9を取り付ける場合の動翼とロータの接合構造は、その組立性を向上させる観点から、図5に示すようなアキシャルエントリー型翼溝構造を採用することが好ましい。
次に本発明の第4の実施の形態について説明する。
図6は本発明の第4の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図である。この図に示す動翼3Cは、プラットフォーム部32からロータ軸方向の上流側に突出した上流側フィン33のみを備えている点で第1の実施の形態のものと異なる。この上流側フィン33は、ロータ軸方向の上流側に位置する他の動翼のプラットフォーム部32及びロータ周方向において隣り合う他の動翼の上流側フィン33と接触し、ロータ1の外周面を蒸気流路から遮断している。
また、図6に示した例では、上流側フィン33のみをプラットフォーム部32に設けた場合について説明したが、これに代えて、下流側フィン34のみを設けても良い。この場合には、当該下流側フィン34は、ロータ軸方向の下流側に位置する他の動翼のプラットフォーム部32及びロータ周方向において隣り合う他の動翼の下流側フィン34と接触し、ロータ1の外周面を蒸気流路から遮断する。
上記のようにプラットフォーム部32にフィンを、ロータ軸方向の上流側だけ又は下流側だけに備えても、ロータ1の外周面を蒸気流路から遮断することができるので、第1の実施の形態と同様に、600℃以上の高温で稼働される場合にも組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供することができる。
なお、本実施の形態で示した動翼3Cにも、第2の実施の形態で説明したピン7や、第3の実施の形態で説明したパッキン9を取り付けても良いことは言うまでもない。また、後者の場合のパッキン9は、上流側フィン33(又は下流側フィン34)がロータ軸方向において隣り合う他の動翼のプラットフォーム部32と接触する部分に取り付けられることとなる。
次に本発明の第5の実施の形態について説明する。
図7は本発明の第5の実施の形態に係る蒸気タービンの概略構成図である。この図に示す蒸気タービンは、フィン33,34を備える動翼を部分的に備えている点にその特徴を有する。すなわち、図7に示す蒸気タービンのタービン段落は14段で構成されているが、このうち、600℃以上の蒸気が流通する初段から5段までの動翼にフィン33,34を設けている。なお、初段及び5段には、ロータ軸方向の一方に突出したフィン(上流側フィン33又はかりゅうが)を有する動翼3Cが利用されており、2段から4段には、ロータ軸方向の両方に突出したフィン(上流側フィン33及び下流側フィン34)を有する動翼3が利用されている。
タービン段落は、入り口が最も蒸気温度が高く、下流になるほど蒸気温度が低くなる。このため、700℃級の蒸気タービンを構成する場合、入り口温度が700℃であっても、タービン出口は500℃以下になる。このため、600℃以上の蒸気が流通する上流側の段落(本実施の形態における初段から5段)にのみNi基合金を適用し、下流側の段落には従来と同様にフェライト鋼を適用することができる。これにより、すべてのタービン段落をNi基合金で製造する必要がなくなるので、蒸気タービンの製造コストを抑制することができる。
1 ロータ
2 内ケーシング
3 動翼
4 静翼
5 空隙
6 ピン溝
7 ピン
8 パッキン固定溝
9 パッキン
11 シャフト部
12 ディスク部
31 翼部
32 プラットフォーム部
33 上流側フィン
34 下流側フィン
37 中空部
41 外輪
42 内輪
51 動翼先端漏洩シール
52 静翼先端漏洩シール
2 内ケーシング
3 動翼
4 静翼
5 空隙
6 ピン溝
7 ピン
8 パッキン固定溝
9 パッキン
11 シャフト部
12 ディスク部
31 翼部
32 プラットフォーム部
33 上流側フィン
34 下流側フィン
37 中空部
41 外輪
42 内輪
51 動翼先端漏洩シール
52 静翼先端漏洩シール
Claims (7)
- ロータと、
前記ロータの外周側に間隔を介して設置された内ケーシングと、
前記内ケーシングに固定された静翼と、
前記ロータの外周に設けられたディスク部と、
前記ディスク部の外周に取り付けられた動翼と、
前記動翼のプラットフォーム部からロータ軸方向の上流側及び下流側に突出したフィンとを備え、
前記フィンは、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィンと接触し、前記ロータの外周面を蒸気流路から遮断していることを特徴とする蒸気タービン。 - ロータと、
前記ロータの外周側に間隔を介して設置された内ケーシングと、
前記内ケーシングに固定された静翼と、
前記ロータの外周に設けられたディスク部と、
前記ディスク部の外周に取り付けられた動翼と、
前記動翼のプラットフォーム部からロータ軸方向の上流側又は下流側に突出したフィンとを備え、
前記フィンは、ロータ軸方向において隣り合う他の動翼のプラットフォーム部及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィンと接触し、前記ロータの外周面を蒸気流路から遮断していることを特徴とする蒸気タービン。 - 請求項1又は2記載の蒸気タービンにおいて、
前記動翼のプラットフォーム部と、当該プラットフォーム部とロータ周方向において隣り合う他の動翼のプラットフォーム部との間にロータ軸方向から挿入されたピンをさらに備えることを特徴とする蒸気タービン。 - 請求項1から3いずれかに記載の蒸気タービンにおいて、
前記フィンがロータ軸方向において前記他の動翼のフィン又は前記他の動翼のプラットフォーム部と接触する部分に取り付けられた接触介在部材をさらに備えることを特徴とする蒸気タービン。 - 請求項1から3いずれかに記載の蒸気タービンにおいて、
前記動翼及び前記静翼は、Ni基合金で製造されていることを特徴とする蒸気タービン。 - 請求項1から3いずれかに記載の蒸気タービンにおいて、
前記動翼のプラットフォーム部の内部には、中空部が設けられていることを特徴とする蒸気タービン。 - ロータと、
前記ロータの外周側に間隔を介して設置された内ケーシングと、
前記内ケーシングに固定された複数の静翼と、
前記ロータの外周に設けられ、ロータ軸方向に間隔を介して配置された複数のディスク部と、
前記複数のディスク部のそれぞれの外周に放射状に取り付けられた複数の動翼と、
前記複数の動翼のうち600℃以上の蒸気が流通するもののプラットフォーム部から、ロータ軸方向の一方又は両方に突出したフィンとを備え、
前記フィンは、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィンと接触し、前記ロータの外周面を蒸気流路から遮断していることを特徴とする蒸気タービン。
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Publication Number | Publication Date |
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