JP2013531182A - 蒸気タービンおよび該蒸気タービンの冷却法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内部ハウジング（２１）と外部ハウジング（２２）とを備えるステータ（２）と、ロータ（３）と、ステータ（２）とロータ（３）との間に形成された流路（４）であって当該流路（４）内にはロータ（３）のロータブレード列（３３）とステータ（２）のガイドブレード列（２３）とが交互に設けられている流路（４）と、流路（４）内で生蒸気がロータブレード（３３）とガイドブレード（２３）の周囲を流れることができるように流路（４）の流入領域（４１）に生蒸気を供給するための生蒸気導管（５）と、ロータ（３）の大きな熱負荷のかかる領域（３４）に冷却蒸気を供給するための冷却蒸気導管（６）とを有する蒸気タービン（１）に関し、流路（４）と冷却蒸気導管（６）との間に圧力バランス横方向接続部（７）が備わっている。本発明に従えば、それによって、生蒸気の一部が流路（４）から冷却蒸気に供給される。

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載の蒸気タービンと、請求項６に記載の、当該蒸気タービンを冷却するための適切な方法とに関する。

蒸気タービンは、数百度の温度になり得る生蒸気によって、作業媒体として駆動される。そのために生蒸気は、ロータとステータとの間に形成されている流路に流入され、その結果として、この生蒸気は、この流路内に突き出ている、ステータのガイドブレードとロータのロータブレードの周囲を流される。それによって生蒸気は、より低圧に至るまで膨張し冷却される。その際に放出される熱エネルギーは、ロータの回転エネルギーに変換され、当該回転エネルギーは、ロータと連結されている発電機あるいは作業機械の駆動に利用される。

蒸気タービンの高い性能を実現するためには、それに応じて生蒸気の高い作業温度、ひいては蒸気タービンの構成要素それぞれの大きな熱負担を必要とする。しかし特に熱負荷が作用するこれら構成要素は、蒸気タービンの安全な駆動を保証するために、充分に冷却されなくてはならない。

これに関連して、特許文献１は、生蒸気に加えて冷却蒸気が外部から蒸気タービンに供給される装置を開示している。タービンのステータの外部ハウジングへの対応する導管と、外部ハウジング冷却孔と、ステータの外部ハウジングと内部ハウジングとの間の流れ空間と、内部ハウジング冷却孔とを介して、冷却蒸気が、特に熱負荷が作用する蒸気タービンの領域、当該装置ではロータのスラストバランスピストンに送り込まれ、当該スラストバランスピストンが意図的に冷却される。付加的な密封要素が、この冷却蒸気室と隣接する生蒸気室とを隔てている。その際には、一方で、密封要素は、負荷交替時に起こり得る蒸気の状態変化の場合であっても、冷却蒸気が生蒸気室に逆流することを防止するために、可能な限り密封している必要がある。しかしながら、他方で、密封要素は、タービンの電源を緊急遮断する場合に、圧力負荷を十分に早く且つ確実に低減するために、充分に密封されていない状態である必要もある。従って、密封要素は、相反する２つの要求を満たすように設計されなくてはならない。

さらに、特許文献１は、蒸気タービンの外部の生蒸気導管と冷却蒸気導管との間に外部の横方向導管が付加的に設けられている実施形態を開示している。この横方向導管は、生蒸気導管内において急激に圧力低下した場合に、生蒸気に加えて冷却蒸気を投入することによって、冷却されるべき領域と流路の流入領域との間における過大な差圧に起因する負荷を回避するために使用される。

欧州特許出願公開第２０６７９３３号明細書

本発明の課題は、改善された蒸気タービンと、そのような蒸気タービンを冷却するための改善された方法とを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する蒸気タービンと、請求項６の特徴を有する適切な方法とによって解決される。

本発明は、流路と冷却蒸気供給管との間に配設された付加的な圧力バランス横方向接続部によって、流路からの生蒸気の一部を冷却蒸気にも直接的に供給するように構成されている。これにより、この横方向接続部を介してタービンの生蒸気室と冷却蒸気室との間を熱力学的に連結すること、ひいては常に圧力バランスを取ることが可能となる。例えばステータに係合するロータのスラストバランスピストンのような、大きな熱負荷が作用する領域を、生蒸気を有する領域から画定する付加的な密封要素に対して、それほど高い要求をする必要が無くなる。なぜなら、両空間の圧力差が僅少だからである。

圧力バランス横方向接続部の端部がラジアル方向外側で流路に合流している場合には、タービンが定常的に駆動している間、ブレードの下流に向かって圧力バランスを取るために、ラジアル方向の圧力均衡を利用することができる。言い換えれば、流路内で物理的に作られた旋回が作用する流れでは、より高い静圧を流路のラジアル方向外側に有する圧力差が存在する。これによりガイドブレードの下流では、ロータに作用する圧力より高い圧力が、ステータの内部ハウジングに作用する。圧力バランス横方向接続部に接するこのような高い圧力は、圧力バランス横方向接続部を介して冷却蒸気室内の高圧も直接的に規定する。それによって、定常的に駆動している間に負荷が変化しても、流れ方向が局所的に逆転することはない。さらに、タービンの電源を緊急遮断する場合のために、圧力バランス横方向接続部と共に、生蒸気と冷却蒸気との間には、余剰冷却蒸気がそこを通って直接的に空にされ得る空間接続部が存在し、その結果密封要素に負荷があまり作用しない。

好ましくは、圧力バランス横方向接続部は、ステータの内部ハウジング内と、本発明では特に流路の流入領域近傍とに設けられているので、その結果として、流路の局所的最大圧力を分岐することができる。さらに、大きな熱負荷が作用する領域近傍において圧力バランス横方向接続部が冷却蒸気導管に合流している場合には、圧力バランス横方向接続部の通路を短縮することができる。

内部ハウジング及び外部ハウジングを具備するステータとロータとを有している、本発明における蒸気タービン１の断面図である。

本発明を図面に基づいて例示的に説明する。図１は、内部ハウジング２１及び外部ハウジング２２を具備するステータ２とロータ３とを有している蒸気タービン１の断面図である。ステータ２とロータ３との間には流路４が形成されており、流路４内には、ロータ３のロータブレード列３３とステータ２のガイドブレード列２３とがアキシアル方向に交互に設けられている。生蒸気が、生蒸気導管５を介して流路４の流入領域４１に供給される。このように流入された生蒸気は、その後に、流路４内において下流に向かってロータブレード列３３とガイドブレード列２３の周囲を流れ、膨張し冷却される。これにより放出される熱エネルギーによって、ロータ３が回転する。ロータ３が固定されたステータ２内で回転することによって、大きな熱負荷が局所的に作用する領域３４が発生する場合があり、この場合には領域３４を冷却する必要がある。そのような領域としては、例えば、ロータ３の回転に伴ってステータ２の対応する凹部内で動作すると共に、ロータに形成されたスラストバランスピストン３５である。

付加的な冷却蒸気導管６が、そのような大きな熱負荷が作用する領域３４を冷却するために設けられている。本実施例では、冷却蒸気導管６は、外部から外部ハウジング２２に流通している外部導管６１と、外部ハウジング冷却孔６２と、外部ハウジング２２と内部ハウジング２１との間に形成されている流れ空間６３と、少なくとも１つの内部ハウジング冷却孔６４とを備えている。内部冷却孔６４は、内部ハウジング２１内に設けられており、流れ空間６３と、スラストバランスピストン３５と内部ハウジング２１との間に設けられた間隙空間とを流体技術的に接続している。図示の如く、冷却蒸気導管も生蒸気導管も、それぞれの蒸気量を制御するための付加的なバルブを備えている場合がある。さらに、タービン１内の２つの蒸気室を隔離するために、生蒸気室と冷却蒸気室とが特に密接している箇所には、付加的な（図１では詳細に表わさない）密封要素が配設されている。しかしながら、冷却蒸気と生蒸気との間には圧力差が存在するので、これら密封要素に対して特に高い要求を課すべきである。一方、密封要素は、電源を緊急遮断する場合に余剰冷却蒸気を急速に減少させるために「透過性がある」ように設計されている必要がある。

本発明では、このような密封要素に対する要求を可能な限り下げるために、圧力バランス横方向接続部７が流路４と冷却蒸気導管６との間に設けられている。図示の実施例では、横方向接続部７は、流路４に向かう生蒸気の流入領域４１の近傍に且つ大きな熱負荷が作用する領域３４の近傍に配設されている。例えばステータ２の内部ハウジング２１内に孔として形成されている圧力バランス横方向接続部７を介して、生蒸気の一部を流路４から直接冷却蒸気に供給することができる。横方向接続部７によって、生蒸気室と冷却蒸気室との間における圧力バランスが取られる。同時に、横方向接続部７は、電源を緊急遮断する場合には、余剰の冷却媒体を冷却蒸気室から生蒸気室へ排出するための「バイパス」として利用することができる。密封要素に対する要求を総合的に下げることができるので、結果として材料コストを大幅に削減することができる。

本願発明は、上述の実施形態に限定される訳ではない。むしろ、発明的な思想に基づくさらなる実施形態となり得る特徴それぞれの組み合わせ、変更、及び補完を想到することもできる。圧力バランス横方向接続部７が、冷却蒸気が通過すると共に大きな熱負荷が作用する領域に直接流通していても良い。この場合には、流路からの生蒸気の一部が当該領域において冷却蒸気に初めて供給される。圧力バランス横方向接続部７は、図示の如く、ラジアル方向に方向付けられた領域とアキシアル方向に方向付けられた領域とから成る場合もあるが、直線の孔として形成されていても、流路から内部ハウジング冷却孔に至るまで内部ハウジングを貫通して斜めに形成されていても良い。

１ 蒸気タービン
２ ステータ
３ ロータ
４ 流路
５ 生蒸気導管
６ 冷却蒸気導管
７ 圧力バランス横方向接続部
２１ 内部ハウジング
２２ 外部ハウジング
２３ ガイドブレード列
３３ ロータブレード列
３４ 大きな熱負荷が作用する領域
３５ スラストバランスピストン
４１ 流入領域
６１ 外部導管
６２ 外部ハウジング冷却孔
６３ 流れ空間
６４ 内部ハウジング冷却孔

Claims (5)

1. 内部ハウジング（２１）及び外部ハウジング（２２）を具備するステータ（２）と、ロータ（３）と、前記ステータ（２）と前記ロータ（３）との間に形成された流路（４）であって、前記流路（４）内には前記ロータ（３）のロータブレード列（３３）と前記ステータ（２）のガイドブレード列（２３）とが交互に設けられている、前記流路（４）と、生蒸気が前記流路（４）内で前記ロータブレード（３３）及び前記ガイドブレード（２３）の周囲を流れるように前記流路（４）の流入領域（４１）に生蒸気を供給するための生蒸気導管（５）と、前記ロータ（３）の大きな熱負荷が作用する領域（３４）に冷却蒸気を供給するための冷却蒸気導管（６）とを有している蒸気タービン（１）であって、
   前記流路（４）と前記冷却蒸気導管（６）との間に圧力バランス横方向接続部（７）を有している蒸気タービン（１）において、
   前記冷却蒸気導管（６）が、前記外部ハウジング（２２）に通じている導管（６１）と、外部ハウジング冷却孔（６２）と、外部ハウジングと内部ハウジングとの間に形成された流れ空間（６３）と、少なくとも１つの内部ハウジング冷却孔（６４）とを備えており、前記圧力バランス横方向接続部（７）が、前記流路（４）から前記内部ハウジング冷却孔（６４）に到達する、前記内部ハウジング（２１）内の孔であり、
   前記圧力バランス横方向接続部（７）が、前記流路（４）の前記流入領域（４１）と前記内部ハウジング（２１）内の前記熱負荷が作用する領域（３４）との近傍に形成されている蒸気タービンにおいて、
   前記内部冷却孔（６４）が、前記内部ハウジング（２１）内に設けられており、前記内部冷却孔（６４）には、前記流れ空間（６３）と、前記ロータ（３）と前記内部ハウジング（２１）との間に形成された間隙空間との間で流通している接続部が設けられていることを特徴とする蒸気タービン。
2. 圧力バランス横方向接続部（７）が、ラジアル方向外側で前記流路（４）に接続していることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記熱負荷が作用する領域（３４）には、前記ロータ（３）のスラストバランスピストン（３５）が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービン。
4. 蒸気タービン（１）を冷却するための方法であって、ステータ（２）とロータ（３）との間に形成された流路（４）を貫流するための生蒸気と、前記ロータ（３）の熱負荷が作用する領域（３４）を冷却するための冷却蒸気とが、前記蒸気タービン（１）に供給される方法において、
   生蒸気の一部が、前記流路（４）から冷却蒸気に供給されることを特徴とする方法。
5. 前記流路（４）からの生蒸気が、前記流路（４）の前記流入領域（４１）の領域と、前記ステータ（２）の前記内部ハウジング（２１）内の前記ロータ（３）の前記熱負荷が作用する領域（３４）とにおいて供給されることを特徴とする請求項４に記載の方法。

Images