JP2014092064A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】シール部において、快削材層の耐侵食性を向上するとともに、蒸気の漏出を抑制することができる蒸気タービンを提供する。
【解決手段】実施形態の蒸気タービン１０は、タービンロータ２３およびこれととともに回転する動翼２２と、タービンロータ２３の外周に配設されたダイアフラム内輪２７および動翼２２の外周に配設されたダイアフラム外輪２６と、タービンロータ２３および動翼２２のシュラウド３１の外周面から突出させて設置されたシール部材５０、８０とを備える。また、シール部材５０、８０に対向するダイアフラム内輪２７およびダイアフラム外輪２６の内周面から突出させて設置された板状部材６０、９０と、板状部材６０、９０が突出するダイアフラム内輪２７およびダイアフラム外輪２６の内周面から、板状部材６０、９０の先端に至る部分に設けられた快削材層７０、１００とを備える。
【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。

発電プラントなどに使用される蒸気タービンにおける仕事効率は、動翼を回転させて動力（回転トルク）を発生させる蒸気の流量に影響される。そのため、蒸気タービンにおける静止部と回転部との間の隙間から漏出する蒸気の流量が増加すれば、仕事効率は低下する。そこで、蒸気タービンにおける静止部と回転部とのシール技術の向上が要求されている。

図５は、従来の蒸気タービンにおける一つのタービン段落の子午断面の一部を模式的に示した図である。なお、図５には、蒸気の流れを矢印で示している。

ダイアフラム内輪３１０とダイアフラム外輪３１１との間には、蒸気の流れを整流する複数の静翼３１２が周方向に支持されている。これらの構成部は、静止構造体として機能する。

タービンロータ３２０には、図５に示すように、ロータディスク３２１が形成されている。このロータディスク３２１には、複数の動翼３２２が周方向に植設されている。動翼３２２の先端には、シュラウド３２３が備えられている。これらの構成部は、回転構造体として機能する。

図５に示すように、ダイアフラム内輪３１０の内周面にシールフィン３３０を備え、ダイアフラム内輪３１０とタービンロータ３２０との間からの蒸気の漏出を抑制している。また、シュラウド３２３の外周面にシールフィン３３１を備え、シュラウド３２３とダイアフラム外輪３１１との間からの蒸気の漏出を抑制している。

上記した従来の蒸気タービンにおいて、運転中に発生する振動などにより、静止構造体と回転構造体が接触することがある。すなわち、シールフィン３３０がタービンロータ３２０に接触したり、シールフィン３３１がダイアフラム外輪３１１に接触することがある。

そこで、このような接触が生じた場合においても、構成部材の損傷を防止し、蒸気のシール構造を保持するために、例えば、シールフィン３３０、３３１の先端と対向する面に、被削性（削りやすさ）に優れたアブレイダブル層を被覆する技術が検討されている。

特開２００７−１７０３０２号公報

上記したようにアブレイダブル層などの快削材層を備えることで、蒸気タービンの運転中、振動などによって静止部と回転部とが抵触しても、シールフィン３３０、３３１の損傷は抑制できる。しかしながら、蒸気タービンの運転中、異物による快削材層の侵食や、経年的な快削材層の減肉が生じることがある。そのため、快削材層の耐侵食性を改善する必要がある。

本発明が解決しようとする課題は、シール部において、快削材層の耐侵食性を向上するとともに、蒸気の漏出を抑制することができる蒸気タービンを提供することにある。

実施形態の蒸気タービンは、タービンロータの回転軸を中心に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周に離間して配設された静止構造体と、前記回転構造体の外周面または前記静止構造体の内周面から突出させて周方向に設置されたシール部材とを備える。さらに、蒸気タービンは、前記シール部材に対向する前記回転構造体の外周面または前記静止構造体の内周面から前記シール部材の先端に接触しないように突出させて、周方向に設置された板状部材と、前記板状部材が突出する前記回転構造体の外周面または前記静止構造体の内周面から、前記板状部材の先端に至る部分に設けられた快削材層とを備える。

実施の形態の蒸気タービンの子午断面を示す図である。 実施の形態の蒸気タービンが作動していない状態における一つのタービン段落の子午断面の一部を模式的に示した図である。 実施の形態の蒸気タービンが作動している状態における一つのタービン段落の子午断面の一部を模式的に示した図である。 実施の形態の蒸気タービンが作動している状態において、シール部の快削材層の一部が侵食されたタービン段落の子午断面の一部を模式的に示した図である。 従来の蒸気タービンにおける一つのタービン段落の子午断面の一部を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面を示す図である。なお、以下の実施の形態において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図１に示すように、蒸気タービン１０は、内部ケーシング２０とその外側に設けられた外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２０内にタービンロータ２３が貫設されている。このタービンロータ２３は、ロータ軸受２４によって回転可能に支持されている。

タービンロータ２３には、例えば、ロータディスク２５が形成され、このロータディスク２５に、複数の動翼２２が周方向に植設されている。複数の動翼２２を周方向に備えた動翼翼列は、タービンロータ２３の軸方向に複数段構成されている。

内部ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２６が設置され、このダイアフラム外輪２６の内側には、ダイアフラム内輪２７が設置されている。また、ダイアフラム外輪２６とダイアフラム内輪２７との間には、周方向に複数の静翼２８が配置され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、タービンロータ２３の軸方向に動翼翼列と交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列と、その直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。また、ダイアフラム外輪２６の下流側の一部は、図１に示すように、動翼２２の外周に離間して下流方向に延設されている。

ダイアフラム外輪２６とダイアフラム内輪２７との間には、主蒸気が流れる環状の蒸気通路２９が形成されている。タービンロータ２３と内部ケーシング２０との間、およびタービンロータ２３と外部ケーシング２１との間には、蒸気の外部への漏出を防止するために、シール部３０が設けられている。なお、後に詳しく説明するが、タービンロータ２３とダイアフラム内輪２７との間、および動翼２２の先端を構成するシュラウド３１とダイアフラム外輪２６との間にも、蒸気の漏出を防止するシール部４０が設けられている。

外部ケーシング２１と内部ケーシング２０とを貫通するようにスリーブ管３２が設けられている。このスリーブ管３２は、主蒸気管３３からの蒸気をノズルボックス３４内へ導く。ノズルボックス３４は、内部ケーシング２０とタービンロータ２３との間に配置された環状の通路である。ノズルボックス３４の出口部には、第１段の静翼２８（第１段のノズル）を備える。ノズルボックス３４へ供給された蒸気は、第１段の静翼２８を通過して第１段の動翼２２へ導かれる。

最終段のタービン段落の下流側には、各タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気通路３５が設けられている。

なお、ここでは、高圧タービンを例示して説明するが、本実施の形態の構成は、例えば、超高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンなどに適用することができる。本実施の形態の構成は、超高圧タービン、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの少なくとも一つのタービン段落に設けられる。例えば、蒸気の圧力が高い、超高圧タービン、高圧タービンおよび中圧タービンにおいては、例えば、すべてのタービン段落を本実施の形態の構成にしてもよい。低圧タービンの場合には、例えば、蒸気の圧力が高い上流側のタービン段落に設けることが好ましい。

次に、タービンロータ２３とダイアフラム内輪２７との間、および動翼２２の先端を構成するシュラウド３１とダイアフラム外輪２６との間におけるシール部４０の構成について詳しく説明する。

図２は、実施の形態の蒸気タービン１０が作動していない状態における一つのタービン段落の子午断面の一部を模式的に示した図である。図３は、実施の形態の蒸気タービン１０が作動している状態における一つのタービン段落の子午断面の一部を模式的に示した図である。

実施の形態の蒸気タービン１０は、図２に示すように、タービンロータ２３と、タービンロータ２３のロータディスク２５に植設された動翼２２とを含む回転構造体を備えている。また、蒸気タービン１０は、静翼２８と、この静翼２８を外径側から支持するダイアフラム外輪２６と、静翼２８を内径側から支持するダイアフラム内輪２７とを含む静止構造体とを備えている。

まず、タービンロータ２３と、このタービンロータ２３の外周に離間して配設されたダイアフラム内輪２７との間に形成されるシール部４０について説明する。

図２に示すように、タービンロータ２３の外周面２３ａには、半径方向外側に突出するシール部材５０が形成されている。このシール部材５０は、タービンロータ２３の周方向に亘って連続して形成され、円環状の形状をなしている。シール部材５０は、タービンロータ２３の外周面２３ａに一体的に構成されもよいし、溶接肉盛りなどにより形成されてもよい。

なお、ここでは、隣り合うシール部材５０の半径方向外側への突出長さが異なる、いわゆるＨｉｇｈ−Ｌｏｗタイプの構造を示しているが、これに限られるものではない。例えば、隣り合うシール部材５０の半径方向外側への突出長さを同じとしてもよい。

シール部材５０は、所定の幅Ｍ１を有する板状の部材で構成される。シール部材５０は、例えば、図２に示すように、先端部において、先端に行くに伴ってその厚さを徐々に減少されるフィン形状としてもよい。シール部材５０は、例えば、タービンロータ２３を構成する材料と同じ材料などで構成される。

ここでは、タービンロータ２３の軸方向に、４段のシール部材５０を備えた一例を示しているが、シール部材５０は、タービンロータ２３の軸方向に、少なくとも１段形成されていればよい。

一方、シール部材５０に対向するダイアフラム内輪２７の内周面２７ａには、シール部材５０の先端に接触しないように、半径方向内側（タービンロータ２３側）に突出する板状部材６０が形成されている。この板状部材６０は、ダイアフラム内輪２７の周方向に亘って連続して形成され、円環状の形状をなしている。

板状部材６０の半径方向内側への突出長さは、シール部材５０の突出長さに対応して設定される。シール部材５０が、例えば、Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗタイプの構造の場合には、図２に示すように、ダイアフラム内輪２７の内周面２７ａは、凹凸に形成される。そして、板状部材６０とシール部材５０とを対向して配置したとき（タービンロータ２３の軸方向の位置を一致させて配置したとき）に、双方の先端が接触しないようにそれぞれの突出長さは、設定されている。具体的は、蒸気タービン１０を運転していない状態で、板状部材６０とシール部材５０とを対向させたときに、双方の先端の隙間が、例えば、製造交差や熱伸び量などを考慮して、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度となるように設定される。

板状部材６０は、例えば、内周面２７ａに周方向に亘って形成された溝部２７ｂに板状部材６０の一部を嵌合し、溝部２７ｂの開口部をかしめることで固定される。かしめは、例えば、上流側（図２では板状部材６０の左側）および下流側（図２では板状部材６０の右側）の少なくとも一方側から行われる。なお、板状部材６０の固定を強固とするため、かしめは、例えば、上流側および下流側の双方から行われることが好ましい。また、かしめ部は、周方向に亘って、例えば均等に複数個所に形成される。

板状部材６０は、シール部材５０の幅Ｍ１よりも薄い、幅Ｍ２を有する板状の部材で構成される。板状部材６０は、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼などで構成される。板状部材６０は、シール部材５０を構成する材料よりも硬度の低いものが好ましい。なお、板状部材６０の幅Ｍ２は、シール部材５０の幅Ｍ１よりも薄いため、板状部材６０を構成する材料として、シール部材５０を構成する材料と同程度の硬度を有するものを使用することもできる。

ここで、蒸気タービン１０が作動していない状態においては、図２に示すように、板状部材６０の先端のタービンロータ軸方向の位置は、シール部材５０の先端のタービンロータ軸方向の位置とずれている。板状部材６０の先端のタービンロータ軸方向の位置は、例えば、図２に示すように、対応するシール部材５０の先端のタービンロータ軸方向の位置よりも上流側にずれている。

このずれ幅は、蒸気タービン１０を作動させた状態における、タービンロータ２３とダイアフラム内輪２７のタービンロータ２３の軸方向の熱伸び量などに基づいて設定される。すなわち、このずれ幅は、蒸気タービン１０が作動している状態において、図３に示すように、板状部材６０の先端のタービンロータ軸方向の位置と、シール部材５０の先端のタービンロータ軸方向とが一致するように設定される。ここで、図３に示す状態は、蒸気タービン１０が作動され、熱的に安定した状態、例えば、定格運転時における状態である。

ここでは、板状部材６０は、シール部材５０の個数に対応させて、タービンロータ２３の軸方向に、４段設けられているが、これに限られるものではない。例えば、図２に示された板状部材６０において、最も上流側に位置する板状部材６０のみで構成されてもよい。さらに、例えば、図２に示された板状部材６０において、最も上流側および最も下流側に位置する板状部材６０のみで構成されてもよい。すなわち、板状部材６０として、少なくとも、最も上流側に位置する板状部材６０を備えていればよい。

板状部材６０が突出するダイアフラム内輪２７の内周面２７ａから、板状部材６０の先端に至る部分には、快削材で形成される快削材層７０が形成されている。この快削材層７０は、例えばアブレイダブル材で構成される。アブレイダブル材は、特に限定されるものではなく、一般に使用されている公知のものを使用することができる。アブレイダブル材として、例えば、固体潤滑剤ＢＮ（ベントナイト）を含む、被削性に優れた材料を使用することができる。例えば、ＮｉＣｒＡｌ合金およびＢＮからなる組成物、ＮｉＣｒＦｅＡｌ合金およびＢＮからなる組成物などが挙げられる。また、アブレイダブル材として、例えば、リン青銅や洋白などの軟質金属を適用してもよい。

快削材層７０は、板状部材６０を固定後、上記した材料をダイアフラム内輪２７の内周面２７ａに、例えば、溶射することなどで形成される。

次に、動翼２２と、この動翼２２の外周に離間して配設されたダイアフラム外輪２６との間に形成されるシール部４０について説明する。

図２に示すように、動翼２２の先端を構成するシュラウド３１の外周面３１ａには、半径方向外側に突出するシール部材８０が形成されている。このシール部材８０は、シュラウド３１の周方向に亘って連続して形成され、円環状の形状をなしている。シール部材８０は、シュラウド３１の外周面３１ａに一体的に構成されもよいし、溶接肉盛りなどにより形成されてもよい。

なお、ここでは、隣り合うシール部材８０の半径方向外側への突出長さが異なる、いわゆるＨｉｇｈ−Ｌｏｗタイプの構造を示しているが、これに限られるものではない。例えば、隣り合うシール部材８０の半径方向外側への突出長さを同じとしてもよい。

シール部材８０は、所定の幅Ｍ３を有する板状の部材で構成される。シール部材８０は、例えば、図２に示すように、先端部において、先端に行くに伴ってその厚さを徐々に減少されるフィン形状としてもよい。シール部材８０は、例えば、シュラウド３１を構成する材料と同じ材料などで構成される。

ここでは、タービンロータ２３の軸方向に、４段のシール部材８０を備えた一例を示しているが、シール部材８０は、タービンロータ２３の軸方向に、少なくとも１段形成されていればよい。

一方、動翼２２の外周に延設され、シール部材８０に対向するダイアフラム外輪２６の内周面２６ａには、シール部材８０の先端に接触しないように、半径方向内側（タービンロータ２３側）に突出する板状部材９０が形成されている。この板状部材９０は、ダイアフラム外輪２６の周方向に亘って連続して形成され、円環状の形状をなしている。

板状部材９０の半径方向内側への突出長さは、シール部材８０の突出長さに対応して設定される。シール部材８０が、例えば、Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗタイプの構造の場合には、図２に示すように、ダイアフラム外輪２６の内周面２６ａは、凹凸に形成される。そして、板状部材９０とシール部材８０とを対向して配置したとき（タービンロータ２３の軸方向の位置を一致させて配置したとき）に、双方の先端が接触しないようにそれぞれの突出長さは、設定されている。具体的は、蒸気タービン１０を運転していない状態で、板状部材９０とシール部材８０とを対向させたときに、双方の先端の隙間が、例えば、製造交差や熱伸び量などを考慮して、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度となるように設定される。

板状部材９０は、前述した板状部材６０と同様の方法で、ダイアフラム外輪２６の内周面２６ａに固定される。板状部材９０は、シール部材８０の幅Ｍ３よりも薄い、幅Ｍ４を有する板状の部材で構成される。板状部材９０は、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼などの低合金鋼で構成される。板状部材９０は、シール部材８０を構成する材料よりも硬度の低いものが好ましい。なお、板状部材９０の幅Ｍ４は、シール部材８０の幅Ｍ３よりも薄いため、板状部材９０を構成する材料として、シール部材８０を構成する材料と同程度の硬度を有するものを使用することもできる。

ここで、蒸気タービン１０が作動していない状態においては、図２に示すように、板状部材９０の先端のタービンロータ軸方向の位置は、シール部材８０の先端のタービンロータ軸方向の位置とずれている。板状部材９０の先端のタービンロータ軸方向の位置は、例えば、図２に示すように、対応するシール部材８０の先端のタービンロータ軸方向の位置よりも上流側にずれている。

このずれ幅は、蒸気タービン１０を作動させた状態における、シュラウド３１とダイアフラム外輪２６のタービンロータ２３の軸方向の熱伸び量などに基づいて設定される。すなわち、このずれ幅は、蒸気タービン１０が作動している状態において、図３に示すように、板状部材９０の先端のタービンロータ軸方向の位置と、シール部材８０の先端のタービンロータ軸方向とが一致するように設定される。

ここでは、板状部材９０は、シール部材８０の個数に対応させて、タービンロータ２３の軸方向に、４段設けられているが、これに限られるものではない。例えば、図２に示された板状部材９０において、最も上流側に位置する板状部材９０のみで構成されてもよい。さらに、例えば、図２に示された板状部材９０において、最も上流側および最も下流側に位置する板状部材９０のみで構成されてもよい。すなわち、板状部材９０として、少なくとも、最も上流側に位置する板状部材９０を備えていればよい。

板状部材９０が突出するダイアフラム外輪２６の内周面２６ａから、板状部材９０の先端に至る部分には、快削材で形成される快削材層１００が形成されている。この快削材層１００は、前述した快削材層７０と同様の材料および同様の方法で構成される。

ここで、蒸気タービン１０における上記したシール部４０の作用について説明する。なお、タービンロータ２３とダイアフラム内輪２７との間に形成されるシール部４０における作用は、動翼２２とダイアフラム外輪２６との間に形成されるシール部４０における作用と同様である。そのため、ここでは、動翼２２とダイアフラム外輪２６との間に形成されるシール部４０における作用について説明する。

図４は、実施の形態の蒸気タービン１０が作動している状態において、シール部４０の快削材層１００の一部が侵食されたタービン段落の子午断面の一部を模式的に示した図である。なお、図４には、蒸気の流れを矢印で示している。

図３に示した運転状態が維持され、シール部４０の快削材層１００の上流側が侵食されると図４に示す状態となる。すなわち、最上流側に位置する板状部材９０の上流側の快削材層１００の表面の一部が侵食されている。このような侵食を受けても、図４に示すように、最上流側に位置する板状部材９０が存在するため、それよりも下流側の快削材層１００が侵食されるのを防止することができる。

また、蒸気タービン１０が作動している状態において、板状部材９０の先端とシール部材８０の先端とが対向するため（それぞれの先端のタービンロータ２３の軸方向の位置が一致するため）、快削材層１００が侵食されても、蒸気の漏出を的確に抑制することができる。

上記した実施の形態では、静止構造体に、板状部材６０、９０および快削材層７０、１００を備え、回転構造体に、シール部材５０、８０を備えた一例を示しているが、この構成に限られるものではない。例えば、静止構造体に、シール部材５０、８０を備え、回転構造体に、板状部材６０、９０および快削材層７０、１００を備える構成としてもよい。

すなわち、タービンロータ２３と、ダイアフラム内輪２７との間に形成されるシール部４０においては、タービンロータ２３の外周面２３ａに、板状部材６０および快削材層７０を備え、ダイアフラム内輪２７の内周面２７ａに、シール部材５０を備えてもよい。また、動翼２２と、ダイアフラム外輪２６との間に形成されるシール部４０においては、動翼２２の先端を構成するシュラウド３１の外周面３１ａに、板状部材９０および快削材層１００を備え、動翼２２の外周に延設され、シール部材８０に対向するダイアフラム外輪２６の内周面２６ａに、シール部材８０を備えてもよい。

このような構成としても、上記した実施の形態における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

以上説明した実施形態によれば、シール部において、快削材層の耐侵食性を向上するとともに、蒸気の漏出を抑制することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…蒸気タービン、２０…内部ケーシング、２１…外部ケーシング、２２…動翼、２３…タービンロータ、２３ａ，３１ａ…外周面、２４…ロータ軸受、２５…ロータディスク、２６…ダイアフラム外輪、２６ａ，２７ａ…内周面、２７…ダイアフラム内輪、２７ｂ…溝部、２８…静翼、２９…蒸気通路、３０，４０…シール部、３１…シュラウド、３２…スリーブ管、３３…主蒸気管、３４…ノズルボックス、３５…排気通路、５０，８０…シール部材、６０，９０…板状部材、７０，１００…快削材層。

Claims (5)

1. タービンロータの回転軸を中心に回転する回転構造体と、
   前記回転構造体の外周に離間して配設された静止構造体と、
   前記回転構造体の外周面または前記静止構造体の内周面から突出させて周方向に設置されたシール部材と、
   前記シール部材に対向する前記回転構造体の外周面または前記静止構造体の内周面から前記シール部材の先端に接触しないように突出させて、周方向に設置された板状部材と、
   前記板状部材が突出する前記回転構造体の外周面または前記静止構造体の内周面から、前記板状部材の先端に至る部分に設けられた快削材層と
   を具備することを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記蒸気タービンが作動していない状態において、前記シール部材の先端のタービンロータ軸方向の位置が、前記板状部材の先端のタービンロータ軸方向の位置とずれていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記蒸気タービンが作動している状態において、前記シール部材の先端のタービンロータ軸方向の位置が、前記板状部材の先端のタービンロータ軸方向の位置と一致していることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
4. 前記板状部材の厚さが、前記シール部材の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン。
5. 前記回転構造体が、タービンロータ、および前記タービンロータの周方向に植設された複数の動翼であり、
   前記静止構造体が、前記タービンロータの外周に離間して配設され、複数の静翼を支持するダイアフラム内輪、および一部が前記動翼の外周に離間して下流方向に延設され、複数の静翼を支持するダイアフラム外輪であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蒸気タービン。

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