JP2019199800A - 主蒸気入口装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特殊な部材を用いることなく、冷却蒸気の冷却効果を高める主蒸気入口装置を提供すること。【解決手段】本発明の実施形態によれば、ケーシングを貫通し、外部から導入された主蒸気をタービンロータに供給する内部蒸気管と、前記ケーシングに溶接され、前記内部蒸気管の外周の一部を囲う外部蒸気管と、を備え、前記内部蒸気管の外周面と前記外部蒸気管の内周面との間には、前記主蒸気よりも蒸気温度の低い冷却蒸気の流路が形成され、前記外周面および前記内周面のうち少なくとも一方の面が凹凸状である。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、主蒸気入口装置に関する。

蒸気タービンは、プラント熱効率と経済性を両立させるため、主蒸気の高温化が進んでいる。蒸気タービンの入口蒸気温度は、５３８℃級、５６６℃級が主流であるものの、より一層のプラント熱効率向上のため、入口蒸気温度が６００℃級、７００℃級の蒸気タービンも提案されている。

蒸気温度が６００℃以上の主蒸気を用いる場合、蒸気タービンを構成する各機器の熱変形をいかに防ぐかについて、検討がなされている。その一例として、主蒸気入口部を内部管および外部管からなる二重管構造とする主蒸気入口装置が知られている。この主蒸気入口装置について、図７および図８を用いて説明する。図７は、関連技術に係る蒸気タービンの主蒸気入口装置の模式図であり、図８は、関連技術に係る蒸気タービンの主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。

図７に示すように、関連技術に係る主蒸気入口装置１２０は、外部から蒸気タービン１００のタービン段落（図示していない）に主蒸気を導入する主蒸気の入口部であり、内部蒸気管１２１および外部蒸気管１２２からなる二重管構造を有する。内部蒸気管１１１の一端は、外部ケーシング１１、および内部ケーシング１２を貫通し、ノズルボックス１３に接続される。一方、内部蒸気管１２１の他端は外部ケーシング１１から突出し、突出した部分の外周面が、外部蒸気管１２２に囲われている。外部蒸気管１２２は、溶接によって外部ケーシング１１と接合部１２４で接合される。一般に、接合部１２４は、外部ケーシング１１および外部蒸気管１２２よりも熱に対する強度が弱く、高温になるほど強い負荷がかかる。

そこで、図８に示すように、内部蒸気管１２１の外周面と、外部ケーシング１１および外部蒸気管１２２との間には冷却蒸気流路１２３が設けられ、タービン段落からの抽気やタービン段落で仕事をした後の排気が冷却蒸気となって、この冷却蒸気流路１２３に導入される。冷却蒸気流路１２３に冷却蒸気が導入されると、この冷却蒸気によって接合部１２４の近傍が冷却され、接合部１２４にかかる熱応力を抑制することができる。

特許第３６１１３６５号公報 特開平１１−２２９８１７号公報

ところで、主蒸気入口装置においては、冷却の効果を高めるために冷却蒸気の蒸気量を増やそうとすると、タービン段落からの抽気量が増加し、蒸気タービンのタービン熱効率が低下する可能性がある。冷却蒸気の蒸気量を増加させることなく、外部ケーシングと外部蒸気管との接合部の冷却を効率良く行うため、例えば冷却蒸気流路に遮熱板や、冷却蒸気を旋回させる旋回装置を設けることが知られている。

しかしながら、上述した遮熱板や旋回装置のような新たな部材を用いる場合、これらの部材は外部ケーシングよりも主蒸気に近い側に位置するため、より高温になりやすく、耐熱性の高い高価な材料を用いて製造する必要がある。したがって、このような新たな部材を用いる場合には、蒸気タービンの製造に高い費用を要する可能性がある。さらに、新たな部材を用いるため、主蒸気入口装置の構造が複雑になる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、特殊な部材を用いることなく、冷却蒸気の冷却効果を高める主蒸気入口装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態の主蒸気入口装置は、ケーシングを貫通し、外部から導入された主蒸気をタービンロータに供給する内部蒸気管と、前記ケーシングに溶接され、前記内部蒸気管の外周の一部を囲う外部蒸気管と、を備え、前記内部蒸気管の外周面と前記外部蒸気管の内周面との間には、前記主蒸気よりも蒸気温度の低い冷却蒸気の流路が形成され、前記外周面および前記内周面のうち少なくとも一方の面が凹凸状である。

第一の実施形態に係る主蒸気入口装置を含む蒸気タービンの模式図である。 第一の実施形態に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。 第一の実施形態の変形例に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。 第二の実施形態に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。 第三の実施形態に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。 第四の実施形態に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。 関連技術に係る蒸気タービンの主蒸気入口装置の模式図である。 関連技術に係る蒸気タービンの主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。

本発明の第一から第四の実施形態について説明する。第一から第四の実施形態は、外部蒸気管の内周面と内部蒸気管の外周面の少なくとも一方の面を凹凸に形成し、冷却蒸気の冷却効果を高める。各実施形態では、どの面に凹部または凸部が設けられているかに違いがある。以降では、各実施形態について詳細に説明する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態に係る主蒸気入口装置および蒸気タービンについて図１を用いて説明する。図１は、第一の実施形態に係る主蒸気入口装置を含む蒸気タービンの模式図であり、図中に示す矢印は主蒸気の流れを示す。なお、図１において図７と同様の箇所には同じ図番を設けると共に、関連技術と同様の箇所については、その説明を省略する。

図１に示すように、蒸気タービン１は、外部ケーシング１１と、内部ケーシング１２と、ノズルボックス１３と、タービンロータ１４と、動翼１５と、静翼１６と、主蒸気入口装置２０と、から構成される。ここでは、蒸気タービン１として高圧タービンを例示して説明するが、この蒸気タービン１は、例えば中圧タービンでもよい。

外部ケーシング１１は、蒸気タービン１の筐体であり、内部ケーシング１２を収容する。

内部ケーシング１２は、ノズルボックス１３と、動翼１５が周方向に植え込まれたタービンロータ１４を収容する。このタービンロータ１４は、ロータ軸受（図示していない）によって回転可能に支持される。一方、内部ケーシング１２の内周面には、タービンロータ１４の軸ＡＸの方向に動翼１５と交互に静翼１６が配置され、動翼１５と静翼１６とを一つの段落とするタービン段落が軸ＡＸの方向に複数段落形成されている。

主蒸気入口装置２０は、外部から主蒸気を導入する主蒸気の入口部であり、内部蒸気管２１および外部蒸気管２２からなる二重管構造を有する。内部蒸気管２１の外周面と、外部蒸気管２２および外部ケーシング１１との間には、冷却蒸気流路２３が設けられる。外部蒸気管２２は、溶接により接合部２４を介して外部ケーシング１１に接合される。外部蒸気管２２の詳細な構造については、後ほど説明する。

外部から外部蒸気管２２の入口側に導入された主蒸気は、内部蒸気管２１を通過してノズルボックス１３に導かれる。この主蒸気は、ノズルボックス１３に設けられた静翼初段から軸ＡＸの方向に導出され、タービン段落の間の蒸気流路を通過しながら動翼１５およびタービンロータ１４を回転駆動させる。タービン段落の最終段を通過した後の主蒸気（排気）は、その一部が外部ケーシング１１と内部ケーシング１２との間に設けられた空間を通過し、冷却蒸気として冷却蒸気流路２３に導入される。この冷却蒸気は、冷却蒸気通路２３を通過した後に、冷却蒸気通路２３の周方向に設けられた出口から蒸気タービン１の外部に排出される。その他の排気は、タービン最終段側に設けられた排出管（図示していない）を介して外部に排出される。本実施形態では、冷却蒸気として、タービン最終段落を通過した後の排気の一部を例示して説明するが、この冷却蒸気は、主蒸気よりも蒸気温度が低く、かつその圧力が大気圧以上主蒸気圧力以下の条件を満たしていればよく、例えば蒸気タービン１のタービン段落からの抽気を用いてもよいし、外部から供給してもよい。

ここで、外部蒸気管２２の詳細な構造について、図２を用いて説明する。図２は、第一の実施形態に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。図２は、図１をＡ−Ａ方向から見た場合の断面図である。外部蒸気管２２は、その内周面から内部蒸気管２１の外周面の側に突出した環状の凸部２２ａを、冷却蒸気の流れ方向に沿って複数有する。つまり、外部蒸気管２２の内周面が、凸部２２ａを有することで凹凸状になる。この凸部２２ａは、少なくとも接合部２４の近傍に設けられることが好ましい。この理由は、接合部２４を特に効率的に冷却するためである。また、ここでいう冷却蒸気の流れ方向とは、冷却蒸気主流の方向を指す。

外部蒸気管２２が凸部２２ａを有することによって、冷却蒸気の流れ方向に対する流路断面積全体を大きくすることなく、冷却蒸気が外部蒸気管２２の内周面と直接触れる領域を増やし、外部蒸気管２２から冷却蒸気への熱伝達をより高めることができる。また、冷却蒸気が冷却蒸気流路２３を通過する際に、隣接する二つの凸部２２ａの間に渦流が発生し、冷却蒸気の渦流により外部蒸気管２２からの熱伝達をさらに高めることができる。さらに、冷却蒸気の流れ方向に対して、凸部２２ａが設けられた箇所での冷却蒸気流路２３の断面積が、凸部２２ａが設けられていない箇所での断面積よりも小さくなるため、凸部２２ａ近傍での冷却蒸気主流の流速が早くなり、冷却蒸気を効率的に供給できる。したがって、冷却蒸気を介して外部蒸気管２２の熱を効率的に奪い、外部蒸気管２２を冷却できると共に、外部蒸気管２２に隣接する接合部２４も効率的に冷却できる。

上述する第一の実施形態によれば、外部蒸気管２２が、その内周面から内部蒸気管２１の外周面の側に突出した凸部２２ａを有することにより、冷却蒸気の流れ方向に対する流路断面積全体を大きくすることなく、冷却蒸気が外部蒸気管２２の内周面と直接触れる領域を増やし、冷却蒸気による外部蒸気管２２の冷却効果をより高めることができる。外部蒸気管は、外部ケーシングよりも主蒸気の上流側に位置し、一般的に外部ケーシングよりも高温になりやすいため、外部蒸気管２２の冷却効果を高めることで、高価な材料を用いることなく、高温の主蒸気を導入できる主蒸気入口装置を提供できる。また、高価な材料を用いた特殊な部材等を用いずともよいので、安価な製造コストで冷却蒸気の冷却効果を高めることができる。

また、凸部２２ａは外部蒸気管２２と一体でもよいし、例えば既設の外部蒸気管に接合してもよい。ただし、既設の主蒸気入口装置に凸部を接合する場合、外部蒸気管と凸部とは同一の材料で構成されることが好ましい。これは、凸部と外部蒸気管とが異なる材料である場合、凸部と外部蒸気管との熱伸び差が生じ、これらの接合部に対して、熱伸び差に起因する応力が生じるからである。既設の主蒸気入口装置に凸部を接合する方法であれば、新規に主蒸気入口装置を製造するよりも安価な方法で、冷却蒸気による冷却効果を高めることが可能である。

なお、本実施形態では、凸部２２ａが環状の構造である場合を例示して説明するが、凸部２２ａは、冷却蒸気と外部蒸気管２２の内周面との接触領域を増加させる機能を有していればよく、必ずしも環状である必要はない。例えば、外部蒸気管２２の周方向で不連続な複数の凸部を設けてもよい。

また本実施形態の変形例として、例えば図３に示すように、外部蒸気管２２の内周面には、この内周面からさらに外側にくぼんだ凹部２２ｂが凸部２２ａと共に設けられてもよい。その場合、凸部２２ａおよび凹部２２ｂは、必ずしも図３のように交互に設けられる必要はない。

（第二の実施形態）
第二の実施形態に係る主蒸気入口装置および蒸気タービンについて図４を用いて説明する。図４は、第二の実施形態に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。第一の実施形態と同様の箇所はその説明を省略し、第一の実施形態と異なる箇所について説明する。

第二の実施形態に係る主蒸気入口装置３０は、第一の実施形態に係る外部蒸気管２２の凸部２２ａの代わりに、内部蒸気管２１が、その外周面から外部蒸気管２２の内周面の側に突出した環状の凸部２１ａを、冷却蒸気の流れ方向に沿って複数有する。つまり、内部蒸気管２１の外周面が、凸部２１ａを有することで凹凸状になる。その他の構造については、第一の実施形態または図２に記載された内容と同様である。

上述する第二の実施形態によれば、内部蒸気管２１に凸部２１ａを設けることにより、凸部２１ａが設けられた箇所での冷却蒸気流路２３の断面積が、凸部２１ａが設けられていない箇所での断面積よりも小さくなる。つまり、特に凸部２１ａ近傍での冷却蒸気の流速が早くなるので、冷却蒸気は、冷却蒸気流路２３へ効率的に供給される。したがって、冷却蒸気による外部蒸気管２２の冷却効果をより高めることができる。また、冷却蒸気と内部蒸気管２１の外周面とが接触する領域が増加するため、冷却蒸気による内部蒸気管２１の冷却効果をより高めることができる。

なお、本実施形態において、凸部２１ａは、その近傍における冷却蒸気流路２３の断面積を小さくできればよく、必ずしも環状である必要はない。例えば、内部蒸気管２１の周方向で不連続な複数の凸部を設けてもよい。また、本実施形態の変形例として、第一の実施形態における図３の場合と同様に、内部蒸気管２１の外周面には凸部２１ａだけでなく、凹部２１ｂを設けてもよい。

（第三の実施形態）
第三の実施形態に係る主蒸気入口装置および蒸気タービンについて図５を用いて説明する。図５は、第三の実施形態に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。ここでは、第一および第二の実施形態と同様の箇所に関する説明を省略し、第一および第二の実施形態と異なる箇所について説明する。

第三の実施形態に係る主蒸気入口装置４０は、第一の実施形態に係る外部蒸気管２２の凸部２２ａ、および第二の実施形態に係る内部蒸気管２１の凸部２１ａを共に備え、凸部２１ａと凸部２２ａとが、冷却蒸気の流れ方向に沿って互い違いに設けられる。その他の構造については、第一の実施形態および第二の実施形態と同様である。つまり、内部蒸気管２１の外周面および外部蒸気管２２の内周面の双方が凹凸状であり、凸部２１ａと凸部２２ａとが交互に設けられる。

上述する第三の実施形態によれば、凸部２１ａと凸部２２ａを互い違いに設けることにより、特に冷却蒸気の渦流が発生しやすくなり、外部蒸気管２２がより効率的に冷却される。なお、第三の実施形態の変形例として、第一および第二の実施形態と同様に、凸部だけでなく凹部を設けてもよい。

（第四の実施形態）
第四の実施形態に係る主蒸気入口装置および蒸気タービンについて図６を用いて説明する。図６は、第三の実施形態に係る主蒸気入口装置において、冷却蒸気流路の近傍を拡大した図である。ここでは、第一から第三のいずれかの実施形態と同様の箇所に関する説明を省略し、第一から第三のいずれかの実施形態と異なる箇所について説明する。

第四の実施形態に係る主蒸気入口装置５０は、第一の実施形態における凸部２２ａの代わりに、外部蒸気管２２が、その内周面からさらに外側にくぼんだ凹部２２ｂを有する。その他の構造については、第一の実施形態と同様である。

外部蒸気管２２が凹部２２ｂを有することによって、冷却蒸気の流れ方向に対する流路断面積全体を大きくすることなく、冷却蒸気が外部蒸気管２２の内周面と直接触れる領域を増やし、外部蒸気管２２から冷却蒸気への熱伝達をより高めることができる。また、冷却蒸気が冷却蒸気流路２３を通過する際に、凹部２２ｂに渦流が発生し、冷却蒸気の渦流により外部蒸気管２２からの熱伝達をさらに高めることができる。したがって、冷却蒸気を介して外部蒸気管２２の熱を効率的に奪い、外部蒸気管２２を冷却できると共に、外部蒸気管２２に隣接する接合部２４も効率的に冷却できる。

上述する第四の実施形態によれば、外部蒸気管２２に凹部２２ｂを設けることにより、特に凹部２２ｂで冷却蒸気の渦流を発生させ、冷却蒸気による外部蒸気管２２の冷却効果をより高めることができる。

なお、いずれかの実施形態に係る主蒸気入口装置を蒸気タービンに搭載する場合には、蒸気タービンの主蒸気入口の少なくとも一箇所が、実施形態のいずれかに係る主蒸気入口構造であればよい。例えば、蒸気タービン上半の主蒸気入口だけに実施形態に係る主蒸気入口装置を設け、下半の主蒸気入口は従来の主蒸気入口装置を設けてもよいし、上半に第一の実施形態に係る主蒸気入口装置を設け、下半に第二の実施形態に係る主蒸気入口装置を設けてもよい。

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、発明の趣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。

１．蒸気タービン、１１．外部ケーシング、１２．内部ケーシング、１３．ノズルボックス、１４．タービンロータ、１５．動翼、１６．静翼、１７．排気管、２０、３０、４０、５０．主蒸気入口装置、２１．内部蒸気管、２２．外部蒸気管、２１ａ、２２ａ．凸部、２２ｂ．外部蒸気管、２３．冷却蒸気流路、２４．接合部

Claims (2)

1. ケーシングを貫通し、外部から導入された主蒸気をタービンロータに供給する内部蒸気管と、
   前記ケーシングに溶接され、前記内部蒸気管の外周の一部を囲う外部蒸気管と、
   を備え、
   前記内部蒸気管の外周面と前記外部蒸気管の内周面との間には、前記主蒸気よりも蒸気温度の低い冷却蒸気の流路が形成され、
   前記外周面および前記内周面のうち少なくとも一方の面が凹凸状である主蒸気入口装置。
2. 前記外周面の凸部および前記内周面の凸部は、冷却蒸気の流れ方向に互い違いに設けられる請求項１に記載の主蒸気入口装置。

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