JP2014527597A - 流体機械のための冷却 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体機械に、特に、第２の流れダクト（９）の新鮮蒸気領域からスラスト釣合ピストン（１２）に蒸気を導くためのピストン釣合配管（１３）を有している蒸気タービン（１）であって、ピストン釣合配管（１３）の表面が拡大されており、ピストン釣合配管（１３）の内面が拡大されている、蒸気タービン（１）に関する。

Description

本発明は、回転軸線の周りに回転可能に取り付けられているロータと、ロータの周囲に配置されている内側ハウジングと、内側ハウジングの周囲に配置されている外側ハウジングとを備えているターボ機械であって、第１の流れ領域と、第１の流れ領域の流れ方向の反対方向に形成されている第２の流れ領域とが、ロータと内側ハウジングとの間に配置されており、ロータが、スラスト釣合ピストンを有しており、ピストン釣合配管が、内側ハウジングとスラスト釣合ピストンとの間に蒸気を導入するために形成されている、ターボ機械に関する。

例えば蒸気タービンのようなターボ機械では、比較的高い熱エネルギを有する高温の新鮮蒸気が、ロータの回転エネルギに変換される。このことは、案内ベーンとロータブレードとによって形成されている流れダクト内で発生する。近年の蒸気タービンは、６００℃を越える蒸気温度を有している。このような高い温度に起因して、利用するための材料に対する要求が高められている。蒸気タービンは、概略的に、回転可能に取り付けられているロータと、ロータの周囲に配置されている内側ハウジングと、内側ハウジングの周囲に配置されている外側ハウジングとを備えている。これら３つの構成部品に亘る温度分布は非常に困難である。従って、新鮮蒸気の流入領域は、特に高い熱負荷を受けるが、これら領域では、蒸気の熱負荷の大部分が既に回転エネルギに変換されているので、温度が低下し、熱負荷が小さくなる。

ロータと内側ハウジングとの間に単一の流れダクトを有している蒸気タービンの実施例が知られている。このような蒸気タービンは、一般に単流蒸気タービンと呼称されている。外側ハウジング内に２つの流れダクトを有している蒸気タービンの実施例が知られている。概して、このような蒸気タービンは、一の内側ハウジングを具備して構成されている。この場合には、流れダクトの流れ方向は、互いに対して逆向きになっているか（逆流）、又は同一の向きになっている（整流）。

動作中においては、蒸気圧力によって、ロータは一方向におけるスラスト力を受ける。このスラスト力は、スラスト釣合ピストンを設けることによって相殺される。蒸気が所定の地点においてスラスト釣合ピストンに作用するので、スラスト力の反対方向に作用する力が発生するからである。

第２の流れダクトの流入領域からの蒸気がピストン釣合配管を介して抽気され、スラスト釣合ピストンの領域内部に導入されることが知られている。しかしながら、これにより、第２の流れ領域からの高温の蒸気が部分的にスラスト釣合ピストンに亘って案内され、これにより外側ハウジングに衝突する。従って、この点において、外側ハウジングは高い熱負荷を受ける。この点において、外側ハウジングのために標準的な材料を利用することはできないだろう。従って、この点において、例えばＧＧＧＳＩＭＯのような一層高価な材料を利用する必要がある。一般に、このような材料は、比較的高価であり、さらには容易に鋳造することができないので、材料に欠陥が生じ易い。

従って、本発明の目的は、このようなことを防止することである。

当該目的は、回転軸線の周りに回転可能に取り付けられているロータと、ロータの周囲に配置されている内側ハウジングと、内側ハウジングの周囲に配置されている外側ハウジングとを備えているターボ機械であって、第１の流れ領域と、第１の流れ領域に対して反対の流れ方向に形成されている第２の流れ領域とが、ロータと内側ハウジングとの間に配置されており、ロータが、スラスト釣合ピストンを有しており、ピストン釣合配管が、内側ハウジングとスラスト釣合ピストンとの間に蒸気を導くために形成されている、ターボ機械において、ピストン釣合配管外面が、配管外面より大きく構成されており、及び／又は、ピストン釣合配管内面が、配管内面より大きく構成されている、ターボ機械によって達成される。

従って、本発明の実質的な課題は、第２の流れダクトから流出し、ピストン釣合配管を介して案内される高温の蒸気からのエネルギを取り出すことである。本発明では、このことは、ピストン釣合配管外面が同一直径の配管より大きく構成されていることによって実現されている。すなわち、ピストン釣合配管の拡大された表面領域によって、外部環境との熱交換が改善され、その結果として、ピストン釣合配管内の蒸気の温度を低下させることができる。同様に、ピストン釣合配管のピストン釣合配管内面は、既知のように従来技術に基づく滑らかに形成された配管内面より拡大されて構成されている。本発明では、拡大された表面領域によって、ピストン釣合配管内の蒸気とピストン釣合配管自体との熱的相互作用も改善される。

優位な発展形態は、従属請求項に示されている。

第１の優位な発展形態では、外部冷却リブが、ピストン釣合配管外面に配置されている。外部冷却リブを具備する実施例では、多くの外部冷却リブが可能な限り利用されるので、優れた熱の均一化を実現することができる。この場合には、外部冷却リブの表面積を大きくするに従って、熱的相互作用が良好になる。

さらなる優位な発展形態では、外部冷却リブが、ピストン釣合配管の長手方向において連なって配置されている。配設されている外部冷却リブの数量が多くなるに従って、熱的相互作用が良好になる。優位には、外部冷却リブが、ピストン釣合配管の方向に関するラジアル方向において延在している環状のディスクとして形成されている。環状のディスクは、互いに対して平行に配置されている２つの表面によって特徴づけられており、これにより製造が容易になる。優位な発展形態では、環状のディスクが等間隔で配置されている。

従って、熱の均一化が一様に実現され、さらには、このようなピストン釣合配管は、一層単純化され、低コストの構成となる。

さらに優位な実施形態では、内部冷却リブが、ピストン釣合配管内面に配置されている。内部冷却リブが、内部周方向において連なって配置されており、ピストン釣合配管内を流れる蒸気の流れ特性にほとんど影響を与えないように構成されている。この理由のために、内部冷却リブが、ピストン釣合配管の方向に関するアキシアル方向において延在しているプレート、突起、若しくはディスクとして構成されており、又はアキシアル方向の周りに捩じられていると共に、内部周方向において等間隔で配置されている。また、この場合には、内部冷却リブによって実現されている表面領域を大きくするに従って、ピストン釣合配管内を流れる蒸気とピストン釣合配管自体との間における熱の均一化を良好にすることができる。

本発明について、典型的な実施例を参照しつつ上述する。同一の参照符号は、実質的に同一の機能を有している。

蒸気タービンの断面図である。 ピストン釣合配管の斜視図である。

図１は、ターボ機械の一の実施例としての蒸気タービン１を表わす。実質的に、蒸気タービン１は、回転軸線３の周りに回転可能に取り付けられているロータ２を備えている。内側ハウジング４は、ロータ２の周囲に配置されており、高圧流れ領域として構成されている第１の流れダクト５を備えている。第１の流れダクト５が、内側ハウジング４とロータ２との間に形成されている。第１の流れダクト５の流れ方向は、図１において右から左に向かう方向である。動作中において、蒸気は、高圧新鮮蒸気領域６を介して、内側ハウジング４を通過して第１の流れダクト５に流入する。高圧新鮮蒸気領域６を介して第１の流れダクト５に流入する蒸気は、流れ方向において冷却され、高圧流出領域７を介して蒸気タービン１から流出し、中間過熱器段を通過した後に中圧流入領域８を介して蒸気タービンの内部に再導入され、第２の流れダクト９に至る。最後に、蒸気は、中圧流出領域１０を介して蒸気タービン１から流出する。外側ハウジング１１は、内側ハウジング４の周囲に配置されている。

ロータ２は、第１の流れダクト５の端部において、スラスト釣合ピストン１２を具備して形成されている。

動作中には、流体接続が、中圧流入領域８とスラスト釣合ピストン１２の領域との間においてピストン釣合配管１３を介して確立されている。第２の流入領域８から流出している当該蒸気は、比較的高温の蒸気であり、スラスト釣合ピストン１２と内側ハウジング４との間に案内される。しかしながら、本発明では、当該比較的高温の蒸気の一部分がスラスト釣合ピストン１２と内側ハウジング４との間を流れるので、この点において外側ハウジング１１に沿って流れる。従って、この点において、外側ハウジング１１は、特に高温の熱負荷を受ける。

図２は、本発明におけるピストン釣合配管１３を表わす。基本的に、ピストン釣合配管１３は、ピストン釣合配管外面１４が配管外面１５より大きいように構成されている。このために、図２に表わすように、パイプ外面１５は、外部冷却リブ１６を具備して形成されている（図２では、第１の外部冷却リブのみに参照符号が付されている）。この場合には、外部冷却リブ１６は、ラジアル方向１７に延在している環状のディスクとして構成されている。当該実施例では、ラジアル方向１７は、ピストン釣合配管１３の長手方向１８に対して略垂直とされる。当該実施例では、外部冷却リブ１６は、ピストン釣合配管１３の長手方向１８において連なって配置されている。特に優位には、外部冷却リブ１６は、ピストン釣合配管１３の長手方向１８において等間隔で配置されている。当該実施例では、外部冷却リブ１６は、可能な範囲で最大の表面領域がピストン釣合配管外面１９に形成されるように構成されている。

当該実施例では、ピストン釣合配管内面２０は、配管内面２１より大きく構成されている。このために、ピストン釣合配管内面２０は、内部周方向２３において等間隔で配設されている内部冷却リブ２２を具備して形成されている。内部冷却リブ２２は、ラジアル方向１７において延在している突起として形成されており、言わば、ディスク、長手方向リブ、又は流れ方向１８の周りに捩じられているリブとして構成されている。図２では、一の内部冷却リブ２２のみに参照符号が付されている。内部冷却リブ２２は、従って、ピストン釣合配管の長手方向１８において延在しているので、ピストン釣合配管１３内の蒸気とピストン釣合配管１３自体とを良好に熱接触させることができる。

本発明におけるピストン釣合配管１３のこのような構成によって、ピストン釣合配管１３内の蒸気の温度を低減することができる。

１ 蒸気タービン
２ ロータ
３ 回転軸線
４ 内側ハウジング
５ 第１の流れダクト
６ 高圧新鮮蒸気領域
７ 高圧流出領域
８ 中圧流入領域（第２の流入領域）
９ 第２の流れダクト
１０ 中圧流出領域
１１ 外側ハウジング
１２ スラスト釣合ピストン
１３ ピストン釣合配管
１４ ピストン釣合配管外面
１５ 配管外面
１６ 外部冷却リブ
１７ ラジアル方向
１８ ピストン釣合配管１３の長手方向（流れ方向）
１９ ピストン釣合配管外面
２０ ピストン釣合配管内面
２１ 配管内面
２２ 内部冷却リブ

Claims (10)

1. 回転軸線（３）の周りに回転可能に取り付けられているロータ（２）と、前記ロータ（２）の周囲に配置されている内側ハウジング（４）と、前記内側ハウジング（４）の周囲に配置されている外側ハウジング（１１）とを備えているターボ機械であって、
   第１の流れ領域と、前記第１の流れ領域に対して反対の流れ方向に形成されている第２の流れ領域とが、前記ロータ（２）と前記内側ハウジング（４）との間に配置されており、
   前記ロータ（２）が、スラスト釣合ピストン（１２）を有しており、
   ピストン釣合配管（１３）が、前記内側ハウジング（４）と前記スラスト釣合ピストン（１２）との間に蒸気を導くために形成されている、前記ターボ機械において、
   ピストン釣合配管外面（ＫＡＯ）が、配管外面より大きく構成されており、及び／又は、ピストン釣合配管内面（ＫＡＩ）が、配管内面（２１）より大きく構成されていることを特徴とするターボ機械。
2. 外部冷却リブ（ＡＫＲ）が、前記ピストン釣合配管外面（ＫＡＯ）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記外部冷却リブ（ＡＫＲ）が、前記ピストン釣合配管の方向（１８）において連なって配置されていることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械。
4. 前記外部冷却リブ（ＡＫＲ）が、前記ピストン釣合配管の方向（１８）に関するラジアル方向において延在している環状のディスクとして形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のターボ機械。
5. 前記環状のディスクが、等間隔で配置されていることを特徴とする請求項４に記載のターボ機械。
6. 内部冷却リブ（ＩＫＲ）が、前記ピストン釣合配管内面（ＫＡＩ）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
7. 前記内部冷却リブ（ＩＫＲ）が、内部周方向（２３）において連なって配置されていることを特徴とする請求項６に記載のターボ機械。
8. 前記内部冷却リブ（ＩＫＲ）が、前記ピストン釣合配管（１３）の方向に関するアキシアル方向において延在している突起として、又は前記アキシアル方向の周りに捩じられている突起として構成されていることを特徴とする請求項７に記載のターボ機械。
9. 前記突起が、ディスクとして構成されていることを特徴とする請求項８に記載のターボ機械。
10. 前記内部冷却リブ（ＩＫＲ）が、前記内部周方向において等間隔で配置されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載のターボ機械。

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