JP2012107618A - 蒸気タービン外側ケーシング用の流路及び流れバリヤ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンを提供する。
【解決手段】蒸気タービン１００は、ロータ１０２を備えたタービンセクション１０１を含む。内側ケーシング１２２が、タービンセクション１０１の周りに設けられ、内側ケーシング１２２は、上流端部１３０、下流端部１３２及び下流端部１３２に配置されて排出蒸気が該内側ケーシング１２２から流出するのを可能にする内側ケーシング排出ポート１３４を備える。外側ケーシング１２０が、内側ケーシング１２２の周りに設けられ、外側ケーシング１２０は、内側ケーシング１２２の上流端部１３０に隣接して配置された外側ケーシング排出ポート１４０を備える。流路１４４が、内側ケーシング１２２及び外側ケーシング１２０間において延び、流路１４４を通って排出蒸気が上流方向に内側ケーシング排出ポート１３４から前記外側ケーシング排出ポート１４０に流れる。
【選択図】図１

Description

本開示は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には、蒸気タービンの外側ケーシング用の流路に関する。

蒸気タービンは多くの場合に、その寸法が非常に大型であり、その結果として大きな材料質量を有する。蒸気タービンはまた高温で運転され、このことは、多くの解決すべき課題を引き起こす。１つの課題は、外側ケーシングのような部分の適切な熱応答を保証することである。一般的に、蒸気タービンの外側ケーシングには、一部の蒸気漏洩及び特定段の蒸気条件に対処すること以外には、如何なる熱応答システムも行なわれない。しかしながら、これらの熱応答技術は、より高温の蒸気を使用している。より良好な熱応答を行なう１つの解決法では、外側ケーシング排出ポートを外側ケーシングの下部半体の中央部に配置しなければならなかった。この構成は、外側ケーシングの領域に影響を与えず、間隙を促進する不具合がある。

別の課題は、外側及び内側ケーシングが高い作動温度に上昇した時にそれらの部分の異なる熱膨張によって生じたそれら外側及び内側ケーシング間の間隙を適切な大きさになるようにして、それら外側及び内側ケーシング間の接触を回避することである。殆どの蒸気タービンは、ケーシング部分間にあらゆる最悪ケースの状況に適応するのに十分な間隙を設けることによって、異なる熱膨張に対処している。しかしながら、この後者の解決法は、機械寸法を増大させかつ機械材料質量を増大させる可能性がある。間隙問題に対する別の解決法は、加熱ブランケットを使用して、始動前に外側ケーシングを温度上昇させておくことであった。

米国特許第６５３３５４６号明細書

本開示の第１の態様は、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、ロータを備えたタービンセクションと、タービンセクションの周りに設けられかつ上流端部、下流端部及び下流端部に配置されて排出蒸気がそれから流出するのを可能にする内側ケーシング排出ポートを備えた内側ケーシングと、内側ケーシングの周りに設けられかつ内側ケーシング（１２２）の上流端部に隣接して配置された外側ケーシング排出ポートを備えた外側ケーシングと、内側ケーシング及び外側ケーシング間に設けられかつそれを通って排出蒸気が内側ケーシング排出ポートから外側ケーシング排出ポートに流れる流路とを含む。

本開示の第２の態様は、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、ロータを備えたタービンセクションと、タービンセクションを囲みかつ上流端部、下流端部及び下流端部に配置されて排出蒸気がそれから流出するのを可能にする内側ケーシング排出ポートを備えた内側ケーシングと、内側ケーシングの周りに設けられかつ内側ケーシングの上流端部に隣接して配置された外側ケーシング排出ポートを備えた外側ケーシングと、内側ケーシング及び外側ケーシング間に設けられかつそれを通って排出蒸気が内側ケーシング排出ポートから外側ケーシング排出ポートに流れる流路と、内側ケーシング及び外側ケーシング間において流路内に設けられた流れバリヤとを含み、内側ケーシング排出ポートに隣接する外側ケーシングの端部は、排出蒸気を該内側ケーシング排出ポートから流路に導くように構成された形状を有する。

本開示の第３の態様は、装置を提供し、本装置は、蒸気タービンの外側ケーシングの内側部分に結合するように構成された外延部及び蒸気タービンの内側ケーシングの外側部分に結合するように構成された内延部を有する弓形流れバリヤを含み、弓形流れバリヤは、蒸気の流れを内側ケーシング及び外側ケーシング間において特定の方向に導く。

本開示の例示した態様は、本明細書に記載した問題点及び／又は記載していないその他の問題点を解決するように設計されている。

本開示のこれらの及びその他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるようになるであろう。

本発明の実施形態による流路を備えた蒸気タービンの側面断面図。 本発明の実施形態による流れバリヤ装置を備えた蒸気タービンの側面断面図。 本発明の実施形態による流路及び流れバリヤ装置を備えた蒸気タービンの横断面図。 本発明の別の実施形態による流路及び流れバリヤ装置を備えた蒸気タービンの横断面図。

本開示の図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本開示の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面では、同じ参照符号付けが、図面間で同様の要素を表している。

図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１００の１つの実施形態の側面断面図を示している。蒸気タービン１００は、ロータ１０２を備えたタービンセクション１０１を含み、ロータ１０２は、回転シャフト１０４及び複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１０６を含む。良く知られているように、複数の回転ブレード（図示せず）が、内側ケーシング１２２内で各ロータホイール１０６に機械的に結合される。より具体的には、ブレードは、各ロータホイール１０６の周りで円周方向に延びる列として配置される。これもまた良く知られているように、複数の固定ベーン（図示せず）が、内側ケーシング１２２内でシャフト１０４の周りで円周方向に延び、またこれらベーンは、ブレードの隣接する列間に軸方向に配置される。固定ベーンは、ブレードと協働して、段を形成しかつタービンセクション１０１を通る作動蒸気流路の一部分を形成する。運転中に、蒸気が、タービンセクション１０１の蒸気入口１１０に流入しかつ固定ベーンを通して送られる。図示するように、蒸気入口１１０は、内側ケーシング１２２（及びまた、外側ケーシング１２０）の上流端部１３０及び下流端部１３２の中間に配置されて、作動蒸気を内側ケーシング１２２に送給する。ベーンは、蒸気を下流方向にブレードに対して導く。蒸気は、残りの段を通って流れて、ブレードに対して回転シャフト１０４を回転させる力を加える。蒸気タービン１００の少なくとも１つの端部は、ロータ１０２から離れるように軸方向に延びることができかつそれに限定されないが、発電機又はモータなどの電動機械並びに／或いは別のタービンのような負荷或いは機械装置（図示せず）に取付けることができる。

蒸気タービン１００はまた、内側ケーシング１２２の周りに延びる外側ケーシング１２０を含む。上述したように、内側ケーシング１２２は、タービンセクション１０１の周りに延びる。良く知られているように、各ケーシング１２０、１２２は、水平中間線に沿って接合された半円形セクションとして形成することができ、外側及び内側ケーシングの上部半体を図示している。内側ケーシング１２２は、外側ケーシング１２０に対して半径方向に収縮及び膨張するように取付けられた前部及び後部セクションを含むことができる。部分的に上述したように、内側ケーシング１２２は、上流端部１３０、下流端部１３２及び内側ケーシング排出ポート１３４を含む。内側ケーシング排出ポート１３４は、排出蒸気が内側ケーシング１２２から流出するのを可能にする該内側ケーシング１２２の下流端部１３２におけるあらゆる開口部とすることができる。本明細書で使用する場合に、「上流」及び「下流」と言うのは、図１及び図２では左側から右側であるタービンセクション１０１を通る作動蒸気流れに対する位置を表している。

従来型の蒸気タービンと対照的に、外側ケーシング１２０は、内側ケーシング１２２の上流端部１３０に隣接して配置された外側ケーシング排出ポート１４０を含む。従来技術では、外側ケーシング排出ポートは、内側ケーシング排出ポート１３４に隣接して、つまり該内側ケーシング排出ポート１３４の直ぐ下流に又は半径方向外側に配置される。上流端部１３０に隣接して外側ケーシング排出ポート１４０を配置することにより、それを通して排出蒸気が内側ケーシング排出ポート１３４から外側ケーシング排出ポート１４０の方向に流れる流路１４４が内側ケーシング１２２及び外側ケーシング１２０間に形成される。本明細書で使用する場合に、「隣接する」と言うのは、例えば上流端部１３０の上流又は直ぐ下流の何れかのような上流端部１３０付近にある又は近接していることを意味する。外側ケーシング排出ポート１４０は、内側ケーシング１２２の上流端部１３０の少なくとも一部に対して半径方向外側に位置させることができる。１つの実施形態では、内側ケーシング排出ポート１３４に隣接する外側ケーシング１２０の端部１４２は、排出蒸気を該内側ケーシング排出ポート１３４から流路１４４に導くように構成された形状、例えば湾曲した形状、つまり蒸気を流路１４４に向けて導く構造のベーン又はその他の構造を備えた湾曲形状を有する。

流路１４４内の蒸気流れの方向は、タービンセクション１０１内の作動蒸気流れに比べて上流方向である、つまり図１及び図２においてほぼ右側から左側であり、これはタービンセクション１０１内の作動蒸気流れに対向している。従って、流路１４４内の排出蒸気は、外側ケーシング１２０の内側表面１５０及び内側ケーシング１２２の外側表面１５２上全体にわたって流れて各ケーシングを冷却する。具体的には、流路１４４は、外側ケーシング１２０の温度及び内側ケーシング１２２の温度が各々ロータ１０２の温度に追随するのを可能にする。本明細書で使用する場合に、「追随する」と言うのは、ロータ温度が上昇した場合に外側ケーシング及び内側ケーシング温度もまた上昇してロータ及びケーシング間の相対移動が最小になることを意味する。同様に、ロータ温度が低下した場合には、外側及び内側ケーシング温度も低下する。技術的予測によると、生じたより低いケーシング温度は、外側ケーシング１２０に対する適用可能材料のより広い範囲を可能にする。本発明の実施形態はまた、実施するのが非常に簡単でありかつ付加的な部分を必要とせずまたそれらの固有の損傷リスクを生じない。さらに、より低級材料を使用することができることにより、製品コストの一層の低下が得られる。間隙に減少は、蒸気タービン１００の全体性能を向上させる。

図２〜図４を参照すると、任意選択的実施形態では、流れバリヤ１６０、２６０が、内側ケーシング１２２及び外側ケーシング１２０間において流路１４４内に配置される。流れバリヤ１６０、２６０は、蒸気の流れを内側ケーシング１２２及び外側ケーシング１２０間で特定の方向に導くのに十分なあらゆる形状を有することができるが、図２における線Ａ−Ａに沿った断面図である図３及び図４に示すようにほぼ弓形である。流れバリヤ１６０、２６０は、蒸気タービン１００の環境条件に耐えることができるあらゆる現在公知の又は今後開発される材料、例えば鋼で製作することができる。図２において最もよく分かるように、流れバリヤ１６０、２６０は、排出蒸気を内側ケーシング１２２及び外側ケーシング１２０間において流路１４４の下部部分１６４に向けて導く。外側ケーシング１２０の能動冷却により、固定及び回転部分間に必要な軸方向間隙が減少し、それにより性能が向上する。図示するように、１つの実施形態では、流れバリヤ１６０、２６０は、タービンセクション１０１内の作動流体流れの方向を使用して説明すると、外側ケーシング排出ポート１４０の直ぐ下流に位置している。しかしながら、この位置は、全てのケースにおいて必ずしも必要ではない。１つの実施形態では、流れバリヤ１６０、２６０は、内側ケーシング１２２及び外側ケーシング１２０間において円周方向に約１６０°〜約２２０°延びる弓形隔壁を含み、また１つの特定の実施形態では、隔壁１６０、２６０は、ケーシング間で円周方向に約２００°（図３及び図４において点線により示す）延びる。

図３及び図４に示すように、弓形流れバリヤ１６０、２６０は、外側ケーシング１２０の内側部分１７２（例えば、表面１５０（図２）又はその他の内部構造体）に結合するように構成された外延部１７０及び内側ケーシング１２２の外側部分１７６（例えば、表面１５２（図２）又はその他の外部構造体）に結合するように構成された内延部１７４を含む。従って、弓形流れバリヤ１６０、２６０は、外側ケーシング１２０の内側部分１７２及び内側ケーシング１２２の外側部分１７６間の空間にほぼ一致した半径方向長さＬ（図３のみに示す）を有する。その一部を蒸気タービン１００内に結合しかつ適切な熱膨張が可能な現在公知の又は今後開発される技術的方法、例えば機械的結合、溶接、滑り継手などを使用することができる。図３では、流れバリヤ１６０は、上述の技術的方法を使用して内側ケーシング１２２に結合される。図４に示す別の実施形態では、流れバリヤ２６０は、内側ケーシング１２２と一体であり、換言すると、流れバリヤ２６０は内側ケーシング１２２の一部として形成される。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合の「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。

提出した特許請求の範囲における全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する構造、材料、作用及び均等物は、明確に特許請求したその他の特許請求要素と組合せて機能を実行するためのあらゆる構造、材料又は作用を含むことを意図している。本開示の記載は、例示及び説明のために示したものであり、開示を網羅的なものにしようとする或いはこの開示を開示した形態に限定しようとするものではない。本開示の技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに当業者には多くの修正及び変更が明らかになるであろう。本実施形態は、本開示の原理及び実施可能な用途を最も良好に説明するようにまた当業者が様々な実施形態についての開示を意図した特定の用途に適合するような様々な修正と共に理解するのを可能にするように、選択しかつ説明している。

１００ 蒸気タービン
１０１ タービンセクション
１０２ ロータ
１０４ 回転シャフト
１０６ ロータホイール
１２２ 内側ケーシング
１１０ 蒸気入口
１３０ 上流端部
１３２ 下流端部
１２０ 外側ケーシング
１３４ 内側ケーシング排出ポート
１４０ 外側ケーシング排出ポート
１４４ 流路
１４２ 端部
１５０ 内側表面
１５２ 外側表面
１６０、２６０ 流れバリヤ
１６４ 下部部分
１７０ 外延部
１７２ 内側部分
１７４ 内延部
１７６ 外側部分

Claims (10)

1. 蒸気タービン（１００）であって、
   ロータ（１０２）を備えたタービンセクション（１０１）と、
   前記タービンセクション（１０１）の周りに設けられかつ上流端部（１３０）、下流端部（１３２）及び前記下流端部（１３２）に配置されて排出蒸気がそれから流出するのを可能にする内側ケーシング排出ポート（１３４）を備えた内側ケーシング（１２２）と、
   前記内側ケーシング（１２２）の周りに設けられかつ該内側ケーシング（１２２）の上流端部（１３０）に隣接して配置された外側ケーシング排出ポート（１４０）を備えた外側ケーシング（１２０）と、
   前記内側ケーシング（１２２）及び外側ケーシング（１２０）間に設けられかつそれを通って前記排出蒸気が前記内側ケーシング排出ポート（１３４）から前記外側ケーシング排出ポート（１４０）に流れる流路（１４４）と
   を備える蒸気タービン（１００）。
2. 前記内側ケーシング（１２２）及び外側ケーシング（１２０）間において前記流路（１４４）内に設けられた流れバリヤ（１６０、２６０）をさらに含む、請求項１記載の蒸気タービン（１００）。
3. 前記流れバリヤ（１６０、２６０）が、前記排出蒸気を前記内側ケーシング（１２２）及び外側ケーシング（１２０）間において前記流路（１４４）の下部部分（１６４）に向けて導く、請求項２記載の蒸気タービン（１００）。
4. 前記流れバリヤ（１６０、２６０）が、前記外側ケーシング排出ポート（１４０）の直ぐ下流に配置される、請求項２記載の蒸気タービン（１００）。
5. 前記流れバリヤ（１６０、２６０）が、前記内側ケーシング（１２２）及び外側ケーシング（１２０）間において円周方向に約１６０°〜約２２０°延びる隔壁を含む、請求項２記載の蒸気タービン（１００）。
6. 前記流れバリヤ（１６０、２６０）が、前記内側ケーシング（１２２）と一体形である、請求項２記載の蒸気タービン（１００）。
7. 前記外側ケーシング（１２０）の温度及び前記内側ケーシング（１２２）の温度が各々、前記ロータ（１０２）の温度に追従する、請求項１記載の蒸気タービン（１００）。
8. 前記内側ケーシング排出ポート（１３４）に隣接する前記外側ケーシング（１２０）の端部（１４２）が、前記排出蒸気を該内側ケーシング排出ポート（１３４）から前記流路（１４４）に導くように構成された形状を有する、請求項１記載の蒸気タービン（１００）。
9. 前記流路（１４４）を通り抜けて前記内側ケーシング（１２２）に通じた蒸気入口（１１０）をさらに含む、請求項１記載の蒸気タービン（１００）。
10. 蒸気タービン（１００）であって、
    ロータ（１０２）を備えたタービンセクション（１０１）と、
    前記タービンセクション（１０１）を囲みかつ上流端部（１３０）、下流端部（１３２）及び前記下流端部（１３２）に配置されて排出蒸気がそれから流出するのを可能にする内側ケーシング排出ポート（１３４）を備えた内側ケーシング（１２２）と、
    前記内側ケーシング（１２２）の周りに設けられかつ該内側ケーシング（１２２）の上流端部（１３０）に隣接して配置された外側ケーシング排出ポート（１４０）を備えた外側ケーシング（１２０）と、
    前記内側ケーシング（１２２）及び外側ケーシング（１２０）間に設けられかつそれを通って前記排出蒸気が前記内側ケーシング排出ポート（１３４）から前記外側ケーシング排出ポート（１４０）に流れる流路（１４４）と、
    前記内側ケーシング（１２２）及び外側ケーシング（１２０）間において前記流路（１４４）内に設けられた流れバリヤ（１６０、２６０）と
    を備えており、前記内側ケーシング排出ポート（１３４）に隣接する前記外側ケーシング（１２０）の端部（１４２）が、前記排出蒸気を該内側ケーシング排出ポート（１３４）から前記流路（１４４）に導くように構成された形状を有する、蒸気タービン（１００）。