JP2011074920A - ロータに応力緩和溝を有する蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータに応力緩和溝を有する蒸気タービンを提供する。
【解決手段】 蒸気タービン１が、つり合いピストン６の領域に配置される応力緩和溝８であって、ロータ２の周囲方向に延びる応力緩和溝８を有する。この応力緩和溝８は、それが、蒸気流れ１１が流入流路から翼列流路１’に流入する領域の外側でロータ２に配置されるように、特に流入流路５に関して軸方向の上流側に配置される。さらに、この応力緩和溝は、最初の翼列１２に関して、ロータ２に最大熱応力が発生し得る領域に配置される。この応力緩和溝８は、場合によって、渦流れを低減するためのカバーと、溝の加熱を抑えるための装置または能動冷却するための装置とを有する。本発明による蒸気タービンによって、タービンの性能低下を最小限に抑えて、リスクを伴わない蒸気タービンの起動および停止操作の回数を増やすことが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロータに、熱応力を緩和するための応力緩和溝を有する蒸気タービンに関する。

蒸気タービンのロータには、タービンの起動時および停止時に、高温ガス流れの急速な変化に起因する局所的な熱応力が発生する。このような応力は、特に、高圧および中圧蒸気タービンの蒸気流入部の領域に発生し、翼溝の領域、特に第１翼列の領域に亀裂を発生させることが多い。これは、ロータの耐用寿命、特にリスクを伴わないタービンの起動操作の回数を制限する可能性がある。

特許文献１は、隣接する翼間において半径方向の内側に延びる溝を備えたタービンのロータディスクを開示している。この溝は、ロータの熱膨張によって生じる可能性があるロータディスク端部の円周方向の応力を避ける機能を有する。各溝の基部には、それぞれドリル穿孔が設けられ、その中にリベットが挿入される。

特許文献２は、タービンロータ上に動翼用の固定（ｆａｓｔｅｎｉｎｇ）領域を有する蒸気タービンであって、その固定領域のロータ軸からの半径方向の距離が、動翼の軸方向スラストの方向に低減している蒸気タービンを開示している。ロータは、動翼の固定領域とつり合いピストン（ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ ｐｉｓｔｏｎ）との間に、ロータ全周に及ぶ連続凹部（２８）を有しており、この連続凹部（２８）は、内部ケーシング内の流入チャンバからつり合いピストンへの蒸気の流入を確実にし、同時に、初期の動翼スラストに対する応力緩和ノッチとして作用する。

ＤＥ第２４２３０３６号明細書 ＥＰ第１７２４４３７号明細書

本発明の目的は、蒸気タービン、特に高圧または中圧の蒸気タービンであって、そのタービンロータが熱応力を緩和する装置を備えた蒸気タービンを創出することにある。

高圧または中圧の蒸気で運転される蒸気タービンは、ロータと、ステータと、生蒸気用の流入流路とを有し、生蒸気は、その流入流路の下流側で、作用蒸気の流れの下流側への方向に、タービンの翼列流路（ｂｌａｄｅｄ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ）を通って流れる。タービンは、さらに、ロータとステータとの間のピストンシールと、つり合いピストンとを有する。本発明によれば、蒸気タービンが、そのロータに、熱応力を緩和するための応力緩和溝を有する。この応力緩和溝は、ロータのつり合いピストンの領域に配置され、かつ、ロータの円周方向に延びている。従って、応力緩和溝は、生蒸気の流入流路から一定距離を置いた位置であって、さらに、流入流路に関して、翼列流路を通る作用蒸気（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔｅａｍ）の流れの方向に反対向きの軸方向の位置に配置される。

応力緩和溝は、翼列流路における最初の翼列に関して、特にタービンの起動時および停止時あるいは負荷の変更時にタービンロータに最大熱応力が通常発生すると見られる領域に配置される。さらに、応力緩和溝は、蒸気の流れが流入流路からタービンの翼列流路に流入する領域の外側でタービンロータに配置される。溝のこの配置によって、熱応力は効果的に低減され、しかもその場合、蒸気の流入流れが損なわれることがなく、従って機械の性能が維持される。

本発明によるロータにおける応力緩和溝を備えた蒸気タービンは、先行技術の蒸気タービンに比較して耐用寿命が長くなる。この応力緩和溝によって、特に、タービンの性能低下をもたらすことなく、リスクを伴わない蒸気タービンの起動および停止操作の回数を増やすことが可能になる。さらに、応力緩和溝を本発明に従って位置決めすることによって、溝の冷却を僅かな冷却物質流量（ｃｏｏｌｉｎｇ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ）で行うことができる。最後に、本発明による蒸気タービンは、応力緩和溝のみにおける亀裂生成に関する検査によって、ロータの容易な検査をも可能にする。これにより、最初の翼列の溝の状態についての確実な情報をも提供するのである。特に、溝の領域における熱伝達が低減され、従って熱負荷の低下がもたらされる。

応力緩和溝は、ロータの全周にわたって同じ形状で延びることが望ましい。この場合、その断面形状は、対称的または非対称的な構成にすることができる。非対称的な構成の場合は、溝は、生蒸気の流入流路に向かって半径方向の深さが増大するように延びる。

１つの実施形態においては、応力緩和溝がピストンシールの領域に配置される。本発明の別の実施形態においては、応力緩和溝が、その開口部にカバーを有する。これは、ピストンシールにおける漏洩流れから生じる可能性がある溝内部の渦流れを低減する、もしくは完全に回避する効果を有する。本発明の別の実施形態においては、応力緩和溝をピストンシールの領域に配置すると共に、溝の開口部のカバーを設けることによって、カバー上に付加的なシール用ストリップを配置することが可能になる。このシール用ストリップは、カバーを備えない応力緩和溝の場合は装着不可能である。この措置の結果、応力緩和溝を設けても最適なシール効果が得られる。

応力緩和溝のカバーは、ステータの一体的な部分として実現できるか、あるいは、別個の部品として製造して例えば引っ掛けるようにしてステータに固定することが可能である。

本発明の別の実施形態においては、応力緩和溝が、付加的に、熱伝達を低減しかつロータの振動を制御するための装置を有する。応力緩和溝は、高温生蒸気の流入部の近傍に配置されるので、高い熱伝達によって、ロータが内部において好ましくない温度レベルに加熱される可能性がある。さらに、応力緩和溝の領域においては、ロータ振動の励振が生じる可能性がある。これらの問題を回避する、あるいは少なくとも低減するために、応力緩和溝のカバーは、ロータ表面の位置レベルで軸方向に延びる流路を有する。これによって、ピストンシールからの高温の漏洩流れは、応力緩和溝の中に流入しようとするのではなくこの流路を通って流れ得ることが保証される。

本発明の別の実施形態においては、蒸気タービンが、ステータ内に冷却流れの流路を有する。この冷却流れの流路は、漏洩流れの方向において応力緩和溝の上流側でピストンシールの領域に至る流路である。応力緩和溝は、ロータ表面の位置レベルの流路を備えるカバーを有する。

本発明の別の実施形態においては、蒸気タービンが、ステータを貫通する冷却流れの流路であってカバーなしの応力緩和溝に至る冷却流れの流路を有する。生蒸気の壁面を形成するステータ部分は、流入流路の曲り部の領域の中まで半径方向の内側に延びている。この曲り部の部分で、流路はタービンの翼列流路に繋がっている。ステータとロータとの間の間隙は、流入流路から、部分的には半径方向に、部分的には軸方向に、応力緩和溝まで延びている。冷却流れの流路を経由して溝の中に達する冷却蒸気は、応力緩和溝から、ステータおよびロータ間の流路を通って生蒸気流入流路に流れる。この冷却手段によって、ロータの過度な加熱を抑え、あるいは回避することが可能になる。

本発明の別の実施形態においては、ロータが、特に溶接構造のロータである。

本発明による応力緩和溝がつり合いピストンおよびピストンシールの領域に配置された蒸気タービンを、ロータ軸に沿う断面図で示す。 本発明による応力緩和溝の図１の指示部分ＩＩの詳細図を示す。 カバーを備える応力緩和溝がピストンシールの中に配置された本発明の詳細図を示す。 翼根部の構成のカバーを含む応力緩和溝を備えた本発明の別の実施形態を示す。 漏洩流れのための流路を含む応力緩和溝を備えた本発明の別の実施形態を示す。 応力緩和溝と、蒸気タービンのステータ内における付加的な冷却装置とを備えた本発明の別の実施形態を示す。 付加的な冷却路から応力緩和溝を冷却する本発明の別の実施形態を示す。 非対称的な断面形状と半径方向に範囲を定められたカバーとを有する応力緩和溝の別の実施形態を示す。 半径方向に延びるカバーを有する非対称的な応力緩和溝の別の実施形態を示す。 図７および７ａによるカバーを備える応力緩和溝のロータ軸に沿う断面図であって、特に、線ＶＩＩｂ−ＶＩＩｂに沿う、カバーを貫通する漏洩流れ用流路の内部領域の断面形状の断面図を示す。

異なる図面における同様の符号はそれぞれ同じ構成要素を表す。

図１は、蒸気タービン１、例えば高圧蒸気タービンを子午面の断面において示す。蒸気タービン１の、ロータ軸３を含むそのロータ２と、ステータまたは内部ケーシング４とが翼列流路１’を形成し、動翼および静翼３’、４’はロータまたはステータに固定される。蒸気タービン１は外部ケーシング１’’によって囲まれている。作用蒸気用の流入流路５は、流入渦巻き室９から軸方向に延びる翼列流路１’に至っている。流入流路５は、ステータ４およびつり合いピストン６によって形成される。作用蒸気は、流入流路の端部から翼列流路を通って軸方向の下流側に流れ、そこで膨張する。流入流路５から軸方向の上流側に、すなわち、下流方向と反対側の方向において、ステータ４とロータ２との間にピストンシール７が延びている。また、ロータ２には、周回応力緩和溝８が、流入流路から軸方向の上流側に一定距離を置いて、ピストンシール７内に設けられる。

図２は流入渦巻き室９を詳細に示す。その流入渦巻き室９から、生蒸気の流れ１１が、案内翼列１０を経由して流入流路５を通って流れ、そこから第１動翼列１２に衝突する。漏洩流れ１４は、生蒸気の流れ１１から、シール用ストリップ１３を含むピストンシール７を通って流出しようとする。応力緩和溝８は、流入流路５から軸方向に一定距離をおいて、つり合いピストン６の領域に配置される。応力緩和溝は、この領域において、熱応力の影響を特に強く受ける最初の動翼列１２にできるだけ近接して、かつ同時に高温の流入蒸気流れ１１から一定距離をおいて配置できる。この結果、流入流れおよび作用流れは、可能な限り応力緩和溝による障害なくかつ損失なしに、翼列流路１’内に流れることができる。

応力緩和溝８は、ロータ２の全周に延びると共に、ロータ表面上のその開口部からほぼ半径方向の内側に延びている。この溝は、例えば、半径方向において動翼１２の翼溝の深さの範囲内に延びている。応力緩和溝は、半径方向の内側のその端部において、ロータ表面におけるその開口部に比べて広がっている。半径方向の内側の端部におけるこの広がりは、基本的にノッチ効果をできる限り低減する機能を有する。ロータ表面における開口を相対的に狭くしているのは、高温蒸気が漏洩流れ１４から溝８の中に極力流入しないようにするため、従って、そこに渦流れが極力生じないようにするためである。この措置を講じなければ、ロータの局所加熱をもたらす可能性がある。

図２ａは、本発明による応力緩和溝８の１つの実施形態を示す。この応力緩和溝８は、渦流れをさらに低減するために、その開口部にカバー１５を有している。このカバーは、溝８の片側で溶接シームによってロータ２に結合されている。例えば、溝８は、その開口部の領域に、カバーが載せられる肩部１７を有する。カバーは、溝の開口部の大部分に広がっているが、カバー１５と開口部の端部との間には開放空隙１６が残されており、これによって自由な熱膨張が可能になる。カバー１５は、さらに、内部ケーシング４に固定されるシール用ストリップ１３がカバー１５まで延びて、それによりピストンシール７のシール効果を最適化することを可能にする。さらにまた、シール効果をさらに完全にするために、別のシール用ストリップ１３’をカバー１５に固定することができる。カバーの形状は、特に半径方向および軸方向の寸法に関して、発生し得る振動に耐え得るように定められる。例えば、カバーは、応力緩和溝の全半径方向深さの３／４以下の半径方向深さを有することができる。特に、カバーの半径方向深さは、応力緩和溝の全半径方向深さの１／２から３／４までとすることができる。

図３による本発明の別の実施形態においては、応力緩和溝８が、少なくともロータ表面の領域において、半径方向の内側において幅広にされた部分を有する翼溝１７の形態に具現化されている。さらに、応力緩和溝８の付属カバー１８は、その溝の中に適合して納まる翼根部の形態に具現化されている。この場合、カバー１８は溝よりも僅かに小さく設計されており、そのため、熱膨張によって誘起される動きは同様に自由に許容される。

さらに、この実施形態における翼根部の形態のカバー１８は、内部ケーシング４の方向に延びる１つ以上のシール用ストリップ１９を有することができる。

図４による本発明の実施形態においては、蒸気タービンが、同様に、応力緩和溝８と、ロータ表面の位置レベルの溝開口部のカバーとを有する。この場合、カバーは内部ケーシング４の一部分２０として構成され、それは、半径方向の内側に溝の中に延びている。この部分２０は、ロータ表面の位置レベルに流路２１を備えており、この流路２１は、漏洩流れ１４を、カバーを通り抜けるように案内する、および／または高温流れが溝の中に流入しないようにする役割を果たす。

１つの特別な実施形態においては、流路２１は、穿孔の流入部に第１の拡張部分２２を有する。流路２１は、場合によっては、流路の流れをさらに流れやすくするために、流出部に第２の拡張部分２３を有することも可能である。流路２１は、例えば、円形断面を有する穿孔として具現化できる。また、別の方式として、流路を削り出すことも可能である。この場合は、流体力学的により有利な他の断面形状によって構成することも可能である。さらに、このような流路は、この方法によって、よりコスト効率的に製造することも可能である。

図４による実施形態においては、カバーがステータの一体的な部分として示しているが、この構成形態の代わりに、カバーを別個に製造される部品とすることも考えられる。この場合、その部品は、閉リングを引っ掛るかまたは挿入することによってステータの溝の中に固定することができる。これは、製造技術的にはより簡単でかつコスト的に有利である。

図５は、図４に示すタイプのカバー２０を有する応力緩和溝８を備えた蒸気タービンを示す。この蒸気タービンは、さらに冷却流れの流路２５を有する。この流路２５は、例えば、図示されていない過熱器から内部ケーシング４を通って、ピストンシールの領域のかつカバー２０の上流側のチャンバ内に通じている。漏洩流れ１４は、ピストンシールを通り、かつカバー２０の流路２１を通って流れる。流路２５からの冷却流れは応力緩和溝の中に流れ込んでカバーの回りに流れることができ、その結果としてそれが冷却される。

図６は、応力緩和溝８と、溝の能動的冷却装置とを備えた蒸気タービンの別の実施形態を示す。但し、この応力緩和溝８は図１に示すものと同じタイプであって、カバーを有していない。特に、この蒸気タービンはピストンシール１３を有するが、このピストンシール１３は、応力緩和溝８の後ろにおいてのみ、タービンの翼列流路１’を通る蒸気流れの方向に反対側の軸方向に延びている。生蒸気の流入流路と応力緩和溝８との間にはピストンシールは存在しない。その代わりに、ステータの延長部分２８が、半径方向の内側に流入流路５の曲り部の領域まで延びている。冷却流れ流路２６は、適切な冷却蒸気源から内部ケーシング４を通って、ロータ表面上の応力緩和溝の開口部に延びている。冷却流れは応力緩和溝から生蒸気の流入流路５に達するが、この場合、冷却流れは、つり合いピストン６と、流入流路５まで延びているステータ部分２８との間の間隙２７を通過する。冷却蒸気の流れは、流入流路における蒸気流れ１１の蒸気圧力よりも高い蒸気圧力を有することが好適である。

図７は、断面形状において非対称的に形成される応力緩和溝８’の例を示す。特に、この応力緩和溝は、ロータ軸に向かう方向に、また流入流路５に向かう方向に深さが増大するように延びている。この断面形状は、一方に曲率半径を有する点で有利である。この曲率半径によって応力が低下する。さらに、応力緩和溝のこの形状の結果として、応力緩和溝とロータの第１翼列との間の距離が短縮され、これによって応力緩和が追加的に改善される。応力緩和溝８’はカバー付きまたはカバーなしとして設計できる。カバー１５’は、例えば、半径方向において応力緩和溝の半径方向深さの一部にのみ延びている。

図７ａは、溝の大部分に広がるカバー１５’’を備えたこの非対称的な応力緩和溝の変形形態を示す。カバーの半径方向寸法および軸方向寸法は、それぞれ、熱伝達と、応力緩和溝内部における質量流れの抵抗とに影響を及ぼす。

さらに、図７および７ａのカバー１５’または１５’’は、図７ｂによる断面形状を有する流路２１’を備えている。流路２１’の内壁の凸状の輪郭は、一方では削り出しによってコスト効率的に製造可能であり、また、ロータのダイナミックスおよび応力緩和溝内の熱伝達に有利に影響を及ぼすように作用する。

１ 蒸気タービン
１’ 翼列流路
１’’ 外部ケーシング
２ ロータ
２’ 動翼
３ ロータ軸
４ ステータ、内部ケーシング
４’ 静翼
５ 流入流路
６ つり合いピストン
７ ピストンシール
８ 応力緩和溝、対称的
８’ 応力緩和溝、非対称的
９ 流入渦巻き室
１０ 案内翼列
１１ 流入流路における蒸気流れ
１２ 第１動翼
１３ シール用ストリップ
１４ 漏洩流れ
１５ カバー
１５’ 「短い」カバー
１５’’ 「長い」カバー
１６ 空隙
１７ 翼溝の形態の溝
１８ 翼根部形態のカバー
１９ シール用ストリップ
２０ 内部ケーシングの部分
２１ 削り出された漏洩流れ流路
２１’ 削り出された漏洩流れ流路
２２ 第１拡張部分
２３ 第２拡張部分
２４ シール用ストリップ
２５ 冷却流れ流路
２６ 冷却流れ流路
２７ ロータとステータとの間の間隙
２８ 半径方向の内側に延びるステータ部分

Claims (18)

1. ロータ（２）と、ステータ（４）と、その流入流路（５）の下流側で蒸気タービン（１）の翼列流路（１’）を流れる生蒸気流れ（１１）のための流入流路（５）と、ロータ（２）とステータ（４）との間のピストンシール（７）と、つり合いピストン（６）とを有する蒸気タービン（１）において、
   前記蒸気タービン（１）がそのロータ（２）に応力緩和溝（８、８’）を有し、この応力緩和溝（８、８’）は、前記つり合いピストン（６）の領域に配置され、かつ、前記ロータ（２）の円周方向に延在していることを特徴とする蒸気タービン（１）。
2. 前記応力緩和溝（８、８’）が、前記翼列流路（１’）における最初の翼列（１２）に対して、前記ロータ（２）に最大熱応力が発生し得る領域に配置され、前記応力緩和溝（８、８’）は、蒸気の流れ（１１）が前記流入流路を介して前記翼列流路（１’）に流入する領域の外側で前記ロータ（２）に配置されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン（１）。
3. 前記応力緩和溝（８、８’）が前記ピストンシール（７）の領域に配置されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン（１）。
4. 前記応力緩和溝（８）が、前記蒸気タービン（１）のロータ軸（３）を通る断面において対称的な形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。
5. 前記応力緩和溝（８’）が、前記蒸気タービン（１）のロータ軸（３）を通る断面において非対称的な形状を有し、その応力緩和溝（８’）は、前記生蒸気の流入流路（５）に向かう方向に半径方向の深さが増大するように延在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。
6. 前記応力緩和溝（８、８’）が、その開口部にカバー（１５、１５’、１５’’、１８、２０）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。
7. 前記応力緩和溝（８）が翼溝の形態（１７）を有し、かつ、前記カバー（１８）が翼根部の形態を有することを特徴とする請求項４または６に記載の蒸気タービン（１）。
8. シール用ストリップ（１３’）が前記カバー（１５、１５’、１５’’、１８）上に配置されることを特徴とする請求項６または７に記載の蒸気タービン（１）。
9. 前記応力緩和溝（８、８’）が、前記ステータ（４）の一部分（２０）によって形成されるカバー（１５’、１５’’、２０）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。
10. 前記応力緩和溝（８、８’）が、前記ステータ（４）に固定される別個の部品として形成されるカバーを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。
11. 前記カバー（２０）が、前記ロータ（２）の表面の位置レベルに流路（２１、２１’）を有することを特徴とする請求項６〜１０いずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。
12. 前記流路（２１、２１’）が、その流入部に第１拡張部分（２２）を有することを特徴とする請求項１１に記載の蒸気タービン（１）。
13. 前記流路（２１、２１’）が、その流出部に第２拡張部分（２３）を有することを特徴とする請求項１２に記載の蒸気タービン（１）。
14. 前記応力緩和溝（８）を冷却する装置を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。
15. 冷却蒸気源から前記ステータ（４）を通って前記応力緩和溝（８）に至る冷却路（２５、２６）を有することを特徴とする請求項１４に記載の蒸気タービン（１）。
16. 前記ステータ（４）が、半径方向の内側の方向に前記生蒸気の流入流路（５）の曲り部まで延在しており、かつ、ステータ（４）とロータ（２）との間の空隙（２７）が、前記生蒸気の流入流路（５）から、部分的に、前記翼列流路（１’）における作用蒸気の流れの方向と反対側の軸方向に、かつ部分的に、半径方向の外側の方向に、前記応力緩和溝（８）まで延びていることを特徴とする請求項１４に記載の蒸気タービン（１）。
17. 前記カバー（１５、１５’、１５’’）が、前記応力緩和溝（８、８’）の全半径方向深さの３／４以下とすることができる半径方向深さを有することを特徴とする請求項６〜１２いずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。
18. 前記ロータ（２）が溶接構造のロータであることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１）。

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