JP2014040800A

JP2014040800A - 蒸気タービン

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Publication number: JP2014040800A
Application number: JP2012183461A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kondo; 貴之近藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2014-03-06

Abstract

【課題】蒸気漏れを効果的に抑制可能な蒸気タービンを効率よく製造する。
【解決手段】本実施形態によれば、蒸気タービンは、ロータ等を収容する内部ケーシング２と、これらを収容する外部ケーシング１と、円環部材１５が取り付けられた蒸気連絡管１０と、を有する。蒸気連絡管１０は、一方が内部ケーシング２の第１の蒸気入口部２１内に積層されたシールリング８ａ、８ｂを貫通するように配置されて、反対側が外部ケーシング１の第２の蒸気入口部２２内のシールリング８ａ、８ｂを貫通するように配置された円環状である。円環部材１５は、蒸気連絡管１０の外周面のうちシールリング８ａ、８ｂに取り囲まれている部分を取り囲むように形成されて、外周面に嵌合する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンのケーシングは、一般に、ロータやノズルを収容する内部ケーシングと、この内部ケーシングを収容する外部ケーシングと、を有する二重構造のものが多い。また、内部ケーシングの内側に設けられたノズルボックスを含む三重構造のケーシングもある。

内部ケーシングには、蒸気を流入させるための内部ケーシング蒸気入口部が形成される。また、外部ケーシングには、外部から供給させる蒸気を内部ケーシングに流入させるための外部ケーシング蒸気入口部が形成される。

これらの蒸気入口部は、蒸気連絡管により連結される。この蒸気連絡管は、外部ケーシングの外から供給させる蒸気を内部ケーシングに流入させる。それぞれの蒸気入口部と蒸気連絡管との間は、蒸気漏れを抑制するためのシールがなされている。

各蒸気入口部には、小径シールリングとこれよりも外径が大きい大径シールリングとが開口方向に交互に積層されているものが知られている。この場合、蒸気連絡管は、これらのシールリングを貫通するように配置される。蒸気連絡管は、円環状の部材でシールリングに取り囲まれている部分は、本体とは別の金属材料が溶接されている。当該金属材料には、本体とは熱膨張係数の異なる金属材料が用いられている。

特開平５−３０７９１号公報特開２００１−２７１６０８号公報

上述の例では、当該金属材料を本体に肉盛り溶接する必要がある。当該金属材料の溶接量は、比較的多いため、製造時間を要する。また、溶接作業中に溶接材が溶接割れする等のトラブルが発生する可能性がある。

さらに、肉盛り溶接後の溶接表面は、表面形状を切削加工等により表面粗さ等を小さくする必要がある。これらの作業は、製造時間が増大し、生産効率が低下させてしまう。

本発明の実施形態は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、蒸気漏れを効果的に抑制可能な蒸気タービンを効率よく製造することである。

上記目的を達成するための本発明に係る蒸気タービンは、外周に複数の動翼が固定されたロータと、前記ロータの半径方向外側に配置されて、作動流体である蒸気を軸方向に流通させる蒸気流路を形成するノズルと、前記ノズルを固定するとともに前記ロータを回転可能に収容し、前記ノズル周りに流すための前記蒸気を内部に流入させるように貫通し内周面が円筒状の第１の蒸気入口部が形成された内部ケーシングと、前記内部ケーシングを収容し、前記第１の蒸気入口部に流し込む前記蒸気を流入させるように且つ前記第１の蒸気入口部の貫通方向に互いに連通するように同じ方向に貫通し内周面が円筒状の第２の蒸気入口部が形成された外部ケーシングと、前記第１の蒸気入口部および前記第２の蒸気入口部それぞれに複数ずつ配置されて、それぞれが前記貫通方向に互いに間隔をあけて配列されて、外周面は前記第１の蒸気入口部および前記第２の蒸気入口部それぞれの内周面に互いに径方向に間隔をあけて配置された複数の大径リングと、前記貫通方向に隣り合う前記大径リングに挟まれるように配置されて、外周が前記大径リングの外径よりも小さく且つ内径が前記大径リングの内径よりも小さくなるように形成された複数の小径リングと、一方が前記第１の蒸気入口部内の前記大径リングおよび前記小径リングを貫通するように配置されて、反対側が前記第２の蒸気入口部内の前記大径リングおよび前記小径リングを貫通するように配置された円環状の蒸気連絡管と、前記蒸気連絡管の外周面のうち前記大径リングおよび前記小径リングに取り囲まれている部分を半径方向外側から取り囲むように形成されて、前記外周面に嵌合するように構成された円環部材と、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、蒸気漏れを効果的に抑制可能な蒸気タービンを効率よく製造することが可能である。

本発明に係る第１の実施形態の蒸気タービンの概略正面図である。図１の蒸気タービンの蒸気連絡管等を拡大した拡大正面図である。図２の蒸気連絡管の外径寸法と円環部材の内径寸法との関係を示す概略正面図である。本発明に係る第２の実施形態の蒸気タービンの一部を示す概略部分正面図である。図４の蒸気タービンの蒸気連絡管等を拡大した拡大正面図である。図５の分割円環部材が分割された状態を示す概略側面図である。図６の分割円環部材が結合した状態を示す側面図である。図４の蒸気連絡管の概略正面図である。

以下、本発明に係る蒸気タービンの実施形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の蒸気タービンの概略正面図である。図２は、図１の蒸気タービンの蒸気連絡管１０等を拡大した拡大正面図である。図３は、図２の蒸気連絡管１０の外径寸法と円環部材１５の内径寸法との関係を示す概略正面図である。

先ず、本実施形態の蒸気タービンの構成について説明する。この例の蒸気タービンは軸流多段タービンである。

蒸気タービンは、水平軸周りを回転するロータ５と、ロータ５の半径方向外側に配置されたノズル６と、ノズル６等が取り付けられた内部ケーシング２と、内部ケーシング２等を収容する外部ケーシング１と、複数の小径シールリング８ａと、複数の大径シールリング８ｂと、蒸気入口管３と、蒸気連絡管１０と、円環部材１５と、を有する。

ロータ５の外周面には、図１に示すように、複数の動翼５ａが取り付けられている。これらの動翼５ａは、半径方向に複数個配列された一群の動翼５ａが、軸方向に複数段配列されて構成されている。

ノズル６は、ロータ５の半径方向外側に配置されて、作動流体である蒸気を軸方向に流通させる蒸気流路６ａを形成する。ロータ５の回転により動翼５ａが周方向に移動することで、当該蒸気が蒸気流路６ａを流通することができる。

内部ケーシング２は、ロータ５を収容する部材で、内側にはノズル６が固定されている。この内部ケーシング２には、ロータ５の両端が貫通するように貫通穴が形成される。この例では、図１における左右方向に貫通する。また、内部ケーシング２には、内部に蒸気を流入させるための第１の蒸気入口部２１が形成される。

第１の蒸気入口部２１は、壁面を貫通する円筒状の貫通穴である。第１の蒸気入口部２１は、後述する大径シールリング８ｂと、小径シールリング８ａが配置される。この例では、第１の蒸気入口部２１は、図１および図２における上下方向に貫通する。

外部ケーシング１は、内部ケーシング２を収容する部材で、ロータ５の両端が図１における左右方向に貫通する貫通穴が形成されている。また、この外部ケーシング１には、第２の蒸気入口部２２と、蒸気を排出する排気口７が形成されている。

第２の蒸気入口部２２は、壁面を貫通する円筒状の貫通穴で、蒸気入口管３が接続される。この第２の蒸気入口部２２には第１の蒸気入口部２１に流し込む蒸気を流入させるように且つ第１の蒸気入口部２１の貫通方向に直線的に互いに連通するように同じ方向に貫通する。すなわち、図１および図２の上下方向に壁面を貫通する。

図３に示すように、蒸気連絡管１０は、円環状で、両端の段差部１２と、これらの段差部１２よりも外径が大きい本体部１１とが一体形成されてなる。段差部１２には、後述する円環部材１５が嵌合される。この蒸気連絡管１０は、各端が第１の蒸気入口部２１および第２の蒸気入口部２２それぞれの内部にあるように配置される。

小径シールリング８ａは、第１の蒸気入口部２１および第２の蒸気入口部２２それぞれに複数ずつ配置される。また、大径シールリング８ｂも、第１の蒸気入口部２１および第２の蒸気入口部２２それぞれに複数ずつ配置される。

この例では、第１の蒸気入口部２１および第２の蒸気入口部２２は、それぞれ二箇所ずつ形成される。

先ず、第１の蒸気入口部２１内に配置される小径シールリング８ａおよび大径シールリング８ｂについて説明する。

小径シールリング８ａおよび大径シールリング８ｂは、第１の蒸気入口部２１の貫通方向（図２の上下方向）に交互に積層するように配置される。大径シールリング８ｂおよび小径シールリング８ａは、第１の蒸気入口部２１内の蒸気連絡管１０に嵌合された円環部材１５を半径方向外側から取り囲む。円環部材１５については後で説明する。

小径シールリング８ａは、蒸気連絡管１０に嵌合する円環部材１５が貫通可能で、当該円環部材１５を半径方向外側から取り囲むように構成される。小径シールリング８ａの内径は、円環部材１５の外径よりも若干大きめに、すなわち円環部材１５の外周面に対して所定の半径方向間隙を保ちながら取り囲む。

大径シールリング８ｂの外径は小径シールリング８ａの外径よりも大きく、且つ、大径シールリング８ｂの内径は小径シールリング８ａの内径よりも大きい。

大径シールリング８ｂは、小径シールリング８ａと同様に、蒸気連絡管１０に嵌合する円環部材１５を半径方向外側から所定の半径方向間隙を保ちながら取り囲む。この半径方向間隙は、小径シールリング８ａと当該円環部材１５の間に形成される半径方向間隙よりも大きい。

大径シールリング８ｂの外径は、第１の蒸気入口部２１の内径よりも若干小さく形成されている。大径シールリング８ｂの外周面と、第１の蒸気入口部２１の内周面との間の半径方向間隙は、小径シールリング８ａの外周面と、第１の蒸気入口部２１の内周面との間の半径方向間隙よりも大きい。

貫通方向に積層された大径シールリング８ｂおよび小径シールリング８ａは、内部ケーシング２の内側に配置される止めリング８ｃで固定される。

詳細な説明は省略するが、第２の蒸気入口部２２に配置される小径シールリング８ａおよび大径シールリング８ｂは、第１の蒸気入口部２１内にある小径シールリング８ａおよび大径シールリング８ｂと同様に配置される。

円環部材１５は、蒸気連絡管１０の外周面のうち大径シールリング８ｂおよび小径シールリング８ａに取り囲まれている部分を、半径方向外側から取り囲むように形成された円環状の部材である。この円環部材１５は、蒸気連絡管１０を形成する金属材料の熱膨張係数が異なる金属材料で形成されている。円環部材１５は蒸気連絡管１０の段差部１２にはめ込まれて固定される。

ここで、蒸気連絡管１０と円環部材１５の径方向寸法および軸方向寸法について図３を用いて説明する。図３の右方が第１の蒸気入口部２１で、左方が第２の蒸気入口部２２である。なお、図３に示す本体部１１の軸方向寸法は、図１および図２に比べて短く示している。

先ず、径方向寸法について説明する。

図３におけるＤ_１は、第１の蒸気入口部２１内にある蒸気連絡管１０の段差部１２の外径寸法である。Ｄ_２は、円環部材１５の内径寸法である。

Ｄ_１およびＤ_２は、所定温度下では、いわゆる締まり嵌めの関係にある。上述したように、円環部材１５および蒸気連絡管１０は、熱膨張係数が互いに異なるため、前述の所定温度よりも高温化では、熱膨張により外径に差（以下、熱膨張差という。）が生じる。このため、Ｄ_１およびＤ_２の間には、Ｄ_２はＤ_１から熱膨張差を差し引いた寸法よりも大きくなる。すなわち式（１）の関係が成り立つ。

Ｄ_２＞Ｄ_１−（熱膨張差） …（１）
図３におけるＤ_３は、第２の蒸気入口部２２内にある蒸気連絡管１０の段差部１２の外径寸法である。Ｄ_４は、円環部材１５の内径寸法である。Ｄ_３およびＤ_４の間には、Ｄ_１およびＤ_２と同様に、式（２）の関係が成り立つ。

Ｄ_４＞Ｄ_３−（熱膨張差） …（２）
軸方向寸法については、図３に示すように、段差部１２の軸方向外側に面する端面と、この端面に対向する円環部材１５の端部との間には、所定の軸方向間隙１２ａが形成される。この軸方向間隙１２ａにより熱膨張等により軸方向に変形して円環部材１５と本体部１１との間に圧縮荷重等が作用することが抑制される。

ここで、円環部材１５を蒸気連絡管１０に取り付ける手順について説明する。先ず、円環部材１５を所定の温度まで加熱する。このときの円環部材１５の内径は、蒸気連絡管１０の段差部１２の外径よりも大きくなる。加熱された円環部材１５を段差部１２に取り付ける。その後、常温まで冷却する。このときの円環部材１５の内径は、蒸気連絡管１０の段差部１２の外径よりも若干小さくなり、締り嵌めの状態になる。その結果、蒸気連絡管１０の段差部１２に円環部材１５が嵌合されることとなる。

続いて、本実施形態の蒸気タービンの作用について説明する。

高温高圧の蒸気は、蒸気入口管３から第２の蒸気入口部２２に流入し、蒸気連絡管１０内を通り、第１の蒸気入口部２１に流れ込む。第１の蒸気入口部２１を流れた蒸気は、ノズル６および動翼５ａ等により形成された蒸気流路６ａ内を流通する。詳細は省略するが、蒸気が蒸気流路６ａを流通することで、ロータ５が回転する。

高温高圧の蒸気は、蒸気入口管３から第２の蒸気入口部２２に流入した後に内部ケーシング２内へ流入するため、外部ケーシング１側の大径シールリング８ｂおよび小径シールリング８ａは、内部ケーシング２側の大径シールリング８ｂおよび小径シールリング８ａよりも高温になる。

このとき、蒸気連絡管１０の外周面が小径シールリング８ａの内周面よりも熱膨張して、円環部材１５が小径シールリング８ａの内周面に押し付けられて、互いに圧縮力が作用する。

仮に、蒸気連絡管１０が、段差部１２がない円筒状で、円環部材１５が取り付けられないものである場合、蒸気連絡管１０と小径シールリング８ａは同じような硬度を有する鋼材であるために、かじりが発生して固着する可能性がある。このかじりを防止するために、蒸気連絡管１０の外周面には硬度の高い円環部材１５を取り付けて、タービン運転中は円環部材１５と小径シールリング８ａとを、接触させている。

円環部材１５の線膨張係数は、蒸気連絡管１０に用いられる金属材料（鋼材）の線膨張係数よりも高いため、タービン運転中の高温度下における円環部材１５の内径は、蒸気連絡管１０の外径よりも熱膨張する。その結果、円環部材１５の内周面と蒸気連絡管１０の外周面との間に間隙が生じ、蒸気入口管３よりこの間隙を通して外部ケーシング１と内部ケーシング２との間の空間へ蒸気が仕事せずに流出してしまう可能性がある。この流出は、上述のＤ_１〜Ｄ_４のように径方向寸法を定めることで、抑制される。

また、大径シールリング８ｂおよび小径シールリング８ａを積層させることで、蒸気の漏れを最小限に抑えることができる。

また、内部ケーシング２および外部ケーシング１の運転中における位置のずれが発生することがある。当該半径方向間隙が形成されることで当該ずれを吸収できるため、軸方向の応力集中等の発生を抑制可能となる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、蒸気連絡管１０の外周面に蒸気連絡管１０とは熱膨張係数等が異なる金属材料の肉盛溶接作業を行う必要がなくなるため、製造時間の短縮が可能となり、さらに溶接作業中に溶接割れ等を防止できる。その結果、蒸気漏れを効果的に抑制可能な蒸気タービンを効率よく製造することが可能になる。

また、蒸気タービンを長期に使用することにより、蒸気連絡管１０が経年的に変形して、大径シールリング８ｂ等とのシール面の間に形成される間隙が設計値よりも大きくなり、微小な漏れ蒸気が漏洩する不具合が発生する可能性がある。このような不具合が発生したときであっても、当該蒸気タービンは、蒸気連絡管１０より円環部材１５を取り外して、蒸気連絡管１０の外径を修正加工した後に、新たな円環部材１５を取り付けることができる。すなわち、円環部材１５を用いることで、当該蒸気タービンのメンテナンス性が向上する。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について、図４〜図８を用いて説明する。図４は、本実施形態の蒸気タービンの一部を示す概略部分正面図である。図５は、図４の蒸気タービンの蒸気連絡管１０等を拡大した拡大正面図である。

図６は、図５の分割円環部材１６が分割された状態を示す概略側面図である。図７は、図６の分割円環部材１６が結合した状態を示す側面図である。図８は、図４の蒸気連絡管の概略正面図である。

なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態の蒸気タービンは、内部ケーシング２の内側に配置されたノズルボックス２７を有する。すなわち、タービンケーシングは三重ケーシング構造である。

ノズルボックス２７には、蒸気連絡管１０が貫通する第３の蒸気入口部２３が形成される。この第３の蒸気入口部２３には、第１の蒸気入口部２１等と同様に、大径シールリング８ｂおよび小径シールリング８ａが貫通方向に交互に積層されて、止めリング８ｃにより固定される。

この例では、蒸気連絡管１０に３個の円環部材１５が取り付けられる。蒸気連絡管１０の両端それぞれには、第１の実施形態と同様に、円環部材１５が固定される。図８に示すように、蒸気連絡管１０の軸方向中央には、中央段差部１４が形成されて、後述する分割円環部材１６が取り付けられる。

ここで、中央段差部１４に取り付けられる分割円環部材１６の構成について説明する。

分割円環部材１６は、図６に示すように、円環状の部材が、中心軸を含む平面で二つに分割可能に構成されるものである。分割された各部材は、図７に示すように、蒸気連絡管１０の中央段差部１４を半径方向外側から取り囲んだ状態で溶接により結合される。図７のＸで示す領域が溶接部となる。

図８に示すように、分割円環部材１６の内周面と、蒸気連絡管１０のうち分割円環部材１６により取り囲まれる部分の外周面とには、それぞれ半径方向に凹凸１８が形成される。この凹凸１８の半径方向深さは、上述の熱膨張差以上とする。また、分割円環部材１６および蒸気連絡管１０それぞれの凹凸１８は、互いに係合し密着するように形成される。当該凹凸１８を設けることで、接触面積を増加させて密着性を上げてシール性を高める。その結果、蒸気の漏洩が抑制される。

また、分割円環部材１６が溶接された状態の内径寸法（Ｄ_５）は、図８に示すＤ_６およびＤ_７よりも小さくなるように構成される。

軸方向寸法については、中央段差部１４の軸方向中央に面する端面と、この端面に対向する分割円環部材１６の端部との間には、軸方向間隙１２ａが形成される（図８）。

図５に示すように、中央段差部１４に固定された分割円環部材１６は、第１の蒸気入口部２１内にあるように配置される。このとき、円環部材１５の両端は、第２の蒸気入口部２２内および第３の蒸気入口部２３内にあるように配置される。

第２の蒸気入口部２２内および第３の蒸気入口部２３内に配置される円環部材１５は、第１の実施形態と同様にシール性が確保される。さらに、第１の蒸気入口部２１内に配置される分割円環部材１６についても、第１の実施形態と同様にシール性が確保される。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、蒸気連絡管１０の軸方向中央に円環部材１５の設置が必要となる３重ケーシングの蒸気タービンにおいても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、第１の実施形態で軸方向両端に配置される円環部材１５を、第２の実施形態で説明した分割円環部材１６を用いてもよい。同様に、第２の実施形態の円環部材１５を分割円環部材１６に替えてもよい。

また、第２の実施形態では、分割円環部材１６は二つに分割されているが、三つ以上に分割可能に構成してもよい。

１…外部ケーシング、２…内部ケーシング、３…蒸気入口管、５…ロータ、５ａ…動翼、６…ノズル、６ａ…蒸気流路、７…排気口、８ａ…小径シールリング、８ｂ…大径シールリング、８ｃ…止めリング、１０…蒸気連絡管、１１…本体部、１２…段差部、１２ａ…軸方向間隙、１４…中央段差部、１５…円環部材、１６…分割円環部材、１８…凹凸、２１…第１の蒸気入口部、２２…第２の蒸気入口部、２３…第３の蒸気入口部、２７…ノズルボックス

Claims

外周に複数の動翼が固定されたロータと、
前記ロータの半径方向外側に配置されて、作動流体である蒸気を軸方向に流通させる蒸気流路を形成するノズルと、
前記ノズルを固定するとともに前記ロータを回転可能に収容し、前記ノズル周りに流すための前記蒸気を内部に流入させるように貫通し内周面が円筒状の第１の蒸気入口部が形成された内部ケーシングと、
前記内部ケーシングを収容し、前記第１の蒸気入口部に流し込む前記蒸気を流入させるように且つ前記第１の蒸気入口部の貫通方向に互いに連通するように同じ方向に貫通し内周面が円筒状の第２の蒸気入口部が形成された外部ケーシングと、
前記第１の蒸気入口部および前記第２の蒸気入口部それぞれに複数ずつ配置されて、それぞれが前記貫通方向に互いに間隔をあけて配列されて、外周面は前記第１の蒸気入口部および前記第２の蒸気入口部それぞれの内周面に互いに径方向に間隔をあけて配置された複数の大径リングと、
前記貫通方向に隣り合う前記大径リングに挟まれるように配置されて、外周が前記大径リングの外径よりも小さく且つ内径が前記大径リングの内径よりも小さくなるように形成された複数の小径リングと、
一方が前記第１の蒸気入口部内の前記大径リングおよび前記小径リングを貫通するように配置されて、反対側が前記第２の蒸気入口部内の前記大径リングおよび前記小径リングを貫通するように配置された円環状の蒸気連絡管と、
前記蒸気連絡管の外周面のうち前記大径リングおよび前記小径リングに取り囲まれている部分を半径方向外側から取り囲むように形成されて、前記外周面に嵌合するように構成された円環部材と、
を有することを特徴とする蒸気タービン。
前記円環部材は、前記蒸気連絡管の熱膨張係数が異なる金属材料で形成され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。
前記蒸気連絡管のうち前記円環部材で取り囲まれる部分の外径が、前記円環部材で取り囲まれない部分の外径よりも小さくなるように段差が形成されていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気タービン。
所定温度下では、前記円環部材の内径が、前記蒸気連絡管のうち前記円環部材と係合する部分の外径よりも小さくなるように構成されて、
前記所定温度よりも高温の状態では、前記円環部材の内径が、前記蒸気連絡管のうち前記円環部材と係合する部分の外径よりも大きくなるように構成されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
前記円環部材は、中心軸を含む平面で分割可能に構成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
前記円環部材は、二つに分割されて、溶接により接合されることを特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン。
前記円環部材の内周面と、前記蒸気連絡管のうち前記円環部材と係合する部分の外周面と、それぞれに凹凸が形成されていること、を特徴とする請求項６に記載の蒸気タービン。