JP2015524543A - 封止液及び蒸気抽出システムを利用する蒸気タービンのシール構造体 - Google Patents

Abstract

本発明は、定置式ハウジングを貫通する、軸線の周りに回転するシャフト（１６）のダクトためのシール構造体（２２）に関しており、封止を行うためにシール蒸気の代わりに封止液が用いられる。

Description

本発明は、定置式ハウジングを貫通している軸線の周りに回転するシャフトのダクトためのシール構造体であって、定置式ハウジングが、流体の作用を受ける内部空間であって、シャフトが内部空間から露呈している、内部空間を包囲しており、シール構造体が、蒸気抽出システムを備えているシールを有している、シール構造体に関する。

さらに、本発明は、蒸気タービンのシャフト及びハウジングを封止するための方法に関する。

ターボ機械工学、特に蒸気タービン工学において当該機械は以下のように実施される。すなわち、外部環境空気が蒸気タービンに侵入できないように封止が実現される。このために多様な種類のシールが用いられる。例えば空気がタービンに進入するのを防止するためにシール蒸気が用いられる。しかしながらこのために用いられるシール蒸気は蒸気回路から取り出され、それによりエネルギー変換に寄与せず、これによりタービン列全体の効率が低下させられる。

図１は既知の従来技術を示している。低圧に対して形成されている蒸気タービン４には、流入開口部１０を介して生蒸気が供給される。図１において生蒸気の発生は、より詳細には表示されていない。生蒸気の一部は分岐点１１においてブリード管路７ａを介してシール９へとガイドされる。ブリード管路７ａは従ってシール蒸気管路１２として形成されており、それによりシール蒸気をシール蒸気領域１３内にガイドする。シール蒸気領域１３においてシール蒸気はシールを介して左及び右に向かって移動し、左に向かうシール蒸気の流れは蒸気室１４内にガイドされる。当該蒸気室１４においては外部環境よりもわずかに低い圧力が支配的であり、それにより蒸気抽出システム８では外部環境から吸引された空気とシール蒸気領域１３からガイドされた蒸気とから成る混合物が抽出される。これにより蒸気タービン４においてガイドされる蒸気は外部環境に流出し得ない。

蒸気であって、蒸気タービン４において当該蒸気の熱エネルギーが機械エネルギーに変換される蒸気は、流出開口部１５を介して凝縮器５へと流れる。凝縮器５において蒸気は凝縮して水となり、ポンプ６を介して再び水蒸気回路に供給される。シール蒸気の圧力は環境空気の圧力を上回っている。シール蒸気に対する必要性と、それに伴う損失とを最小限に保つために、可能な限り効率的であるシールが取り付けられている。当該シールの取り付けは構成上の長さが大きなシールによって、あるいは例えばブラシシールのような高効率のシールシステムによって行われる。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４には様々なシールの可能性が開示されている。

米国特許第６９１８２５２号明細書 独国特許第４３１３８０５号明細書 米国特許第４１９１０２１号明細書 独国特許第１０２００７０３７３１１号明細書

ここにおいて本発明により新しい方法が採られ、当該方法は必要なシール蒸気の放棄を可能にすべきものである。本発明の課題はこのように蒸気タービンの効率を高めることである。

上記の課題は、定置式ハウジングを貫通する、軸線の周りに回転するシャフトのダクトためのシール構造体によって解決され、当該定置式ハウジングは流体を供給可能である内部空間であって、当該内部空間からシャフトが外に出ている内部空間を包囲しており、前記シール構造体は蒸気抽出システムを含むシールを有しており、前記内部空間と蒸気抽出システムとの間に設けられているとともに、封止液の供給のために形成されている供給管路が設けられており、前記封止液は供給後に相転移する。

上記の課題はさらに、本発明に係るシール構造体を有する蒸気タービンを含む蒸気発電所によって解決される。

上記の課題はさらに、蒸気タービンのシャフトとハウジングを封止するための方法であって、蒸気抽出システムが設けられ、封止液が用いられる方法によって解決される。

これにより本発明は、シール蒸気の使用が完全に放棄されることにより、損失を最小限にすることを提案する。本発明はむしろ、シール蒸気に替えて封止液を使用することを提案する。封止液として例えば水が用いられる。従って、かつては必要とされた蒸気タービン列のシール蒸気システムが完全に省略され得る点が有利である。これにより、シール蒸気システムの配管工事から必然的に生じるコストが節約される。これにより、以前はエネルギー変換に関与しなかったシール蒸気が今や、エネルギー変換に関与し、それにより効率が高められる。

従属請求項には有利な発展的構成が記載されている。

第１の有利な発展的構成において、封止液の損失を最小限にするためにラビリンスシールが用いられる。

さらなる有利な発展的構成において、蒸気タービンは凝縮器と接続され、封止液のために必要とされる水は当該凝縮器から取り出され得る。従って水は水蒸気回路から直接的に取り出され得る。供給管路は好適に凝縮器の温水溜めと接続される。

特に有利な発展的構成において、蒸気発電所は以下のように発展的に構成されている。すなわち、水とシャフトは、水がシャフトに衝突する際に、もしくはシールを通過する際に蒸発するような温度を有している。これにより非常に良好な冷却及び封止の可能性が得られる。

本発明の実施の形態を以下に、図２及び図３に基づいて表示する。図に示すのは以下の通りである。

従来技術を示す図である。 概略的に表示された蒸気タービンの断面を示す図である。 本発明に係るシールを概略的に表示する図である。

図２は、蒸気タービン４のシャフト１６の概略図である。複数のロータブレード１７が、シャフト１６に配置されており、複数の案内ベーン１８が、ロータブレード１７同士の間において、ハウジング１９に固定状態で配置されている。第１のシール３は、流れチャネル２０内のプロセス蒸気が外部環境２１に流入しないように設けられている。第２のシール２と第３のシール１とが、外部環境２１に面した状態で離隔配置されている。

プロセス蒸気は、第１のシール３とシャフト１６との間から流出する場合がある。このために、封止液が、ブリード管路７から第２のシール２と第１のシール３との間に流れるようになっている。当該封止液は、外部環境２１に至るまで、及び流れチャネル２０に至るまで広がる。蒸気抽出システム８が、第３のシール１と第２のシール２との間に配置されている。その結果として、プロセス蒸気は、流れチャネル２０から外部環境２１に流入しなくなる。

図３に表わすように、本発明では、ブリード管路７がポンプ６の出口に接続されており、これにより封止液が、シール蒸気の代わりにシャフト１６に対して封止効果を発揮させることができる。

従って、第１のシール３と第２のシール２と第３のシール１とがシール構造体２２を形成している。シール構造体２２は、定置式ハウジング（詳細には図示しない）を貫通した状態において軸線の周りに回転するシャフト１６のダクト２３を実現するために利用される。流体の作用を受ける内部空間であって、当該内部空間の外側にシャフト１６が突出している内部空間が、定置式ハウジングに囲まれている。利用されるシールとしては、従来技術に基づくラビリンスシール、金属製の剛毛を有するブラシシール、天然繊維から成る剛毛を有するブラシシール、及び／又は合成繊維（アラミド）から成る剛毛を有するブラシシールが挙げられる。さらに、単なるリングギャップや円錐状のリングギャップがシールとして利用可能とされる。

脱イオン水又は供給用水が、封止液として利用される。いずれの場合であっても、封止液が蒸気発電所内に存在しているので、封止液源を別途用意する必要はない。

供給用水は、例えば凝縮器５の温水溜めのような蒸気タービン４の空間的な近傍において利用可能とされるので、供給用水を近場で利用することが優位である。補助的ユニットによって、又は凝縮器５に供給用水を送るための既存のポンプによって、シール領域に供給するために圧力水準を上昇させることができる。単純な制御機構によって、環境空気と封止液との圧力差を極僅かにすることができる。これにより、封止のために利用される流体の量を少なく維持することができる。例えば蒸気タービン４を封止するための領域のスタッフィングボックス内に合成繊維を利用する場合に、特別な優位点が実現される。この場合には、導入される水は、沸点近傍の所定の温度を有しており、封止液の圧力と真空下における封止すべき蒸気室の圧力との間の圧力で、温められたシャフトにおける圧力差によって蒸発される。これに付随する容積の増大は、繊維束全体に亘って均一であると共に、約１０００倍に達するので、スタッフィングボックスのシール効果が最適化され、封止液はあまり必要でなくなる。

この点において、合成繊維束の特性は、特に他の実施可能な解決策と比較して効果的とされる。合成繊維は、繊維直径が小さいことに起因して非常に大きい蒸発表面を有しており、毛管作用を介した良好な輸送特性を有しているからである。他の繊維と比較して小さい粘着性は、繊維のための適切なコーティングシステムを介してさらに改善可能とされる。

１ 第３のシール
２ 第２のシール
３ 第１のシール
４ 蒸気タービン
５ 凝縮器
６ ポンプ
７，７ａ ブリード管路
８ 蒸気抽出システム
９ シール
１０ 流入開口部
１１ 分岐点
１２ 蒸気管路
１３ シール蒸気領域
１４ 蒸気室
１５ 流出開口部
１６ シャフト
１７ ロータブレード
１８ 案内ベーン
１９ ハウジング
２０ 流れチャネル
２１ 外部環境
２２ シール構造体
２３ ダクト

Claims (10)

1. 定置式ハウジングを貫通している軸線の周りに回転するシャフト（１６）のダクトためのシール構造体（２２）であって、
   前記定置式ハウジングが、流体の作用を受ける内部空間であって、前記シャフト（１６）が前記内部空間から露呈している、前記内部空間を包囲しており、
   前記シール構造体が、蒸気抽出システム（８）を備えているシール（９）を有している、前記シール構造体において、
   供給管路が、前記内部空間と前記蒸気抽出システム（８）との間に配置されていると共に、封止液を供給するように構成されており、
   ラビリンスシール、金属製の剛毛を有するブラシシール、天然繊維から成る剛毛を有するブラシシール、又はアラミドから成る合成繊維から成るブラシシールが、前記内部空間及び前記蒸気抽出システム（８）に対して封止を行うために設けられていることを特徴とするシール構造体（２２）。
2. 前記供給管路が、前記封止液として水を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシール構造体（２２）。
3. 前記シール（９）が、スタッフィングボックスとして形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシール構造体（２２）。
4. 繊維、特に合成繊維が、前記スタッフィングボックスとして利用されていることを特徴とする請求項３に記載のシール構造体（２２）。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のシール構造体（２２）を具備する蒸気タービン（４）を備えている蒸気発電所において、
   前記蒸気発電所が、凝縮器（５）を有しており、
   前記供給管路が、前記凝縮器（５）に接続されていることを特徴とする蒸気発電所。
6. 前記供給管路が、前記凝縮器（５）の温水溜めに接続されていることを特徴とする請求項５に記載の蒸気発電所。
7. 水及び前記シャフト（１６）の温度が、前記水が前記シャフト（１６）に衝突した場合に前記水が蒸発する温度とされることを特徴とする請求項５又は６に記載の蒸気発電所。
8. 前記蒸気発電所が、前記供給管路と前記蒸気抽出システム（８）との間に、スタッフィングボックスの形態とされる前記シール（９）を有していることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の蒸気発電所。
9. 前記スタッフィングボックスが合成繊維を含んでいることを特徴とする請求項８に記載の蒸気発電所。
10. 蒸気タービン（４）のシャフト（１６）及びハウジングを封止するための方法において、
    蒸気抽出システム（８）が設けられていると共に、封止液が利用されることを特徴とする方法。

Images