JP2022127756A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンの作動中にケーシングからの放熱を有効に抑えて作動効率を高める。【解決手段】蒸気タービン１は、軸線Ｏを中心として回転するロータ１４と、前記軸線を基準とする径方向の外側から前記ロータを覆うケーシング１２と、前記ケーシングの外部に配置され、前記ケーシングの外周面１２ｆとの間に中空の流路部Ｒを形成するカバー２０と、を備え、前記カバーは、前記流路部を真空状態とすることが可能な負圧源４０と接続され、前記流路部は、前記ケーシングの内部の空間に対して遮断された空間である。【選択図】図１

Description

本開示は、蒸気タービンに関する。

例えば、特許文献１に開示されているように、蒸気タービンは、ボイラから供給される蒸気によってケーシング内に設けられたロータを回転駆動させる。蒸気タービンは、ロータの回転を伝達することで発電機等を作動させる。

特許第４０４６７７４号公報

上記したような蒸気タービンは、作動中にケーシングの内部を流れる蒸気により、ケーシングが高温となる。蒸気タービンの作動効率を高めるには、ケーシングからの放熱を抑えることが望まれる。

このような課題に対し、例えば、ケーシングを保温材で覆うことも行われている。しかしながら、保温材は、保温材の損傷を抑えるために蒸気タービンの据付後に行われる。このため、蒸気タービンの据付工事の長期化に繋がるという課題がある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、施工性を向上させつつ、蒸気タービンの作動中にケーシングからの放熱を有効に抑えて作動効率を高めることができる蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る蒸気タービンは、軸線を中心として回転するロータと、前記軸線を基準とする径方向の外側から前記ロータを覆うケーシングと、前記ケーシングの外部に配置され、前記ケーシングの外周面との間に中空の流路部を形成するカバーと、を備え、前記カバーは、前記流路部を真空状態とすることが可能な負圧源と接続され、前記流路部は、前記ケーシングの内部の空間に対して遮断された空間である。

本開示の蒸気タービンによれば、施工性を向上させつつ、蒸気タービンの作動中にケーシングからの放熱を有効に抑えて作動効率を高めることができる。

本開示の実施形態に係る蒸気タービンの概略構成を示す断面図である。 上記蒸気タービンを起動させる状態を示す断面図である。 上記蒸気タービンを運転させる状態を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本開示による蒸気タービンを実施するための形態を説明する。しかし、本開示はこの実施形態のみに限定されるものではない。

（蒸気タービンの構成）
図１に示すように蒸気タービン１は、蒸気タービン本体１０と、カバー２０と、を備えている。

（蒸気タービン本体の構成）
蒸気タービン本体１０は、ケーシング１２と、ロータ１４と、を備えている。ケーシング１２は、ケーシング本体１２１と、入口ノズル１２２と、出口ノズル１２３とを一体に備えている。ケーシング本体１２１は、ロータ１４の軸線Ｏの延びる方向である軸方向Ｄａに延びる筒状に形成されている。ケーシング本体１２１の内部には、高温の蒸気が供給される。

入口ノズル１２２は、ケーシング本体１２１に対して軸方向Ｄａの第一側Ｄａ１に接続されている。入口ノズル１２２は、ケーシング本体１２１から、軸線Ｏを基準とした径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向かって延びている。入口ノズル１２２は、筒状に形成されている。入口ノズル１２２には、蒸気供給ラインＬ１が接続されている。入口ノズル１２２には、この蒸気供給ラインＬ１を通して、ボイラー（図示無し）で生成された高温の蒸気が供給される。入口ノズル１２２に供給された高温の蒸気は、ケーシング本体１２１の内部に供給される。

出口ノズル１２３は、ケーシング本体１２１に対して軸方向Ｄａの第二側Ｄａ２に接続されている。出口ノズル１２３は、ケーシング本体１２１から径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向かって延びている。出口ノズル１２３は、筒状に形成されている。出口ノズル１２３は、ケーシング本体１２１において、最も軸方向Ｄａの第二側Ｄａ２に形成された空間である出口流路部１２１ａと繋がっている。出口流路部１２１ａは、軸線Ｏ周りの周方向Ｄｃに連続する空間である。出口ノズル１２３には、蒸気排出ラインＬ２が接続されている。出口ノズル１２３は、ケーシング本体１２１の内部を通過した蒸気を、蒸気排出ラインＬ２を通してケーシング本体１２１の外部へ排出する。

ロータ１４は、軸線Ｏを中心として回転可能とされている。本実施形態のロータ１４は、回転軸１５と、動翼１６と、を備えている。ロータ１４は、ケーシング１２によって径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏから覆われている。ロータ１４は、ケーシング１２に対して、回転可能に支持されている。

回転軸１５は、軸線Ｏを中心として、軸方向Ｄａに延びる円柱状に形成されている。回転軸１５の軸方向Ｄａの両端部１５ａ，１５ｂは、ケーシング１２に対して軸線Ｏ回りに回転自在にそれぞれ支持されている。回転軸１５は、ケーシング本体１２１の内部に収容されている。

動翼１６は、回転軸１５の軸方向Ｄａに間隔をあけて複数に配置されている。各動翼１６は、回転軸１５の外周面から径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏに向かって延びている。

ケーシング本体１２１の内周面には、軸方向Ｄａに間隔をあけて配置された複数の静翼１８が固定されている。各静翼１８は、軸方向Ｄａにおいて各段の動翼１６と交互に配置されている。

このような蒸気タービン１は、ボイラー（図示無し）で生成された蒸気が、蒸気供給ラインＬ１を経て入口ノズル１２２からケーシング本体１２１の内部に導入される。ケーシング本体１２１の内部に導入された蒸気は、入口ノズル１２２から出口ノズル１２３に向かって流れる。この蒸気が静翼１８を通過して、ロータ１４の各段の動翼１６に衝突すると、動翼１６は回転軸１５とともに軸線Ｏ回りに回転する。出口流路部１２１ａに到達した蒸気は、出口ノズル１２３から蒸気排出ラインＬ２を通してケーシング１２の外部に排出される。ケーシング１２内において、蒸気の圧力は、上流側の入口ノズル１２２から下流側の出口ノズル１２３に向かって漸次低くなる。

（カバーの構成）
カバー２０は、ケーシング１２の全体を外側から覆うように配置されている。カバー２０は、ケーシング１２の外部に配置されている。カバー２０は、ケーシング１２に対して固定されている。カバー２０は、ケーシング１２の外周面１２ｆとの間に、中空の流路部Ｒを形成している。流路部Ｒは、ケーシング１２の内部の空間に対して遮断された空間である。つまり、流路部Ｒとケーシング１２の内部とは繋がっておらず、ケーシング１２の内部を流れる高温の蒸気がケーシング１２の内部から流路部Ｒに直接流れ込むことは無い。本実施形態のカバー２０は、カバー本体２１と、支持部材２２と、接続部２５とを備えている。

カバー本体２１は、ケーシング１２の外周面１２ｆに対して間隔をあけて配置されている。カバー本体２１は、ケーシング本体１２１、入口ノズル１２２、及び出口ノズル１２３を含んだケーシング１２の外周面１２ｆの全体を覆うように形成されている。本実施形態のカバー本体２１は、第一カバー部２１１と、第二カバー部２１２と、第三カバー部２１３と、を有している。第一カバー部２１１は、ケーシング本体１２１に対して、ケーシング本体１２１の外形に沿うようにほぼ一定の間隔をあけて形成されている。第二カバー部２１２は、入口ノズル１２２に対して、入口ノズル１２２の外形に沿うようにほぼ一定の間隔をあけて沿うように形成されている。第三カバー部２１３は、出口ノズル１２３に対して、出口ノズル１２３の外形に沿うようにほぼ一定の間隔をあけて沿うように形成されている。

支持部材２２は、ケーシング１２に対してカバー本体２１を移動不能な状態で支持している。支持部材２２は、カバー本体２１とケーシング１２の外周面１２ｆとを接続している。支持部材２２は、カバー本体２１においてケーシング１２を向くカバー内周面２１ｇからケーシング１２の外周面１２ｆに向けて延びている。支持部材２２は、カバー本体２１と一体に形成されている。支持部材２２は、ケーシング１２の外周面１２ｆに対して、例えば溶接等によって接続されている。

本実施形態において、カバー２０は、接続部２５として、第一接続口２５Ａと、第二接続口２５Ｂと、を有している。

第一接続口２５Ａは、第二カバー部２１２と一体に形成されている。第一接続口２５Ａには、加熱媒体供給源３０が第一接続配管２６を介して接続されている。加熱媒体供給源３０は、第一接続配管２６及び第一接続口２５Ａを通して流路部Ｒに加熱媒体Ｈを供給する。加熱媒体Ｈとしては、例えば、高温の蒸気を用いることができる。つまり、加熱媒体供給源３０は、例えば、蒸気タービン本体１０に蒸気を供給するボイラと同一の装置であってもよい。また、加熱媒体供給源３０は、蒸気タービン１が設置された工場等の施設内で用いる蒸気を供給する蒸気供給系統であってもよい。さらに、加熱媒体Ｈは、流路部Ｒを高温に加熱することが可能な流体であればよく、蒸気以外に、例えば温水等を用いてもよい。

第二接続口２５Ｂは、第三カバー部２１３と一体に形成されている。つまり、第二接続口２５Ｂは、第一接続口２５Ａに対して離れた位置に配置されている。第二接続口２５Ｂには、負圧源４０が第二接続配管２７を介して接続されている。負圧源４０は、第二接続配管２７及び第二接続口２５Ｂを通して流路部Ｒ内を真空状態まで減圧する。負圧源４０は、流路部Ｒを真空状態とすることが可能な装置であればよい。負圧源４０は、エアエジェクトコンデンサや真空ポンプ等の蒸気タービン本体１０とは独立して装置であってもよく、蒸気タービン本体１０のグランドコンデンサであってもよい。また、本実施形態における真空状態とは、ケーシング１２からカバー２０への熱伝達を遮断すること可能な大気圧より低い圧力の状態である。

第一接続配管２６の途中には、第一開閉弁２６ｖが配置されている。第二接続配管２７の途中には、第二開閉弁２７ｖが配置されている。蒸気タービン１は、第一開閉弁２６ｖを開放状態に切り替えることで、加熱媒体供給源３０から流路部Ｒに加熱媒体を供給可能とされている。また、蒸気タービン１は、第二開閉弁２７ｖを開放状態とすることで、負圧源４０によって流路部Ｒを真空状態とすることが可能とされている。

カバー２０は、蒸気によって加熱されたケーシング１２の熱が伝播されることから、ケーシング１２の温度に対する耐熱性を有した材料で形成するのが好ましい。また、カバー２０は、流路部Ｒが減圧されたときに変形しないような強度を備えるのが好ましい。また、流路部Ｒに蒸気等の高温の加熱媒体が供給される際に、カバー２０がケーシング１２よりも後から熱膨張して変形すると、ケーシング１２の熱膨張によってカバー２０に変形や損傷が生じる可能性がある。そのため、カバー２０は、ケーシング１２と同時又は先に変形する材料で形成されていることが好ましい。したがって、カバー２０は、ケーシング１２を形成する材料の熱膨張係数と同等以上の熱膨張係数を有した材料で形成することが好ましい。これらの条件から、カバー２０は、例えば、ステンレス等の金属材料で形成することが好ましい。

また、カバー２０は、カバー２０の形状やカバー２０のケーシング１２への取り付け等の都合から、複数に分割して製作してもよい。また、カバー２０は、例えば、鋳造や切削加工によって形成することもできるが、例えば、３次元（３Ｄ）プリンタ等の積層造形法によって形成してもよい。また、カバー２０は、ケーシング１２の外形形状を３Ｄ計測機で形成し、その計測データに基づいて形成するようにしてもよい。

図２に示すように、蒸気タービン１を起動する場合には、第一開閉弁２６ｖを開放された状態とし、第二開閉弁２７ｖを閉塞された状態とする。これにより、流路部Ｒと加熱媒体供給源３０とが接続される。その結果、加熱媒体供給源３０から流路部Ｒに加熱媒体Ｈが供給され、流路部Ｒが加熱媒体Ｈで満たされる。流路部Ｒが加熱媒体Ｈで満たされると、ケーシング１２が加熱媒体Ｈによって加熱される。

また、図３に示すように、蒸気タービン１の起動完了後、蒸気タービン１を定められた条件下で運転する（定格運転等）場合、第一開閉弁２６ｖを閉塞された状態とし、第二開閉弁２７ｖを開放された状態とする。これにより、負圧源４０によって流路部Ｒ内が減圧されて真空状態となる。その結果、カバー２０とケーシング１２との間（ケーシング１２の外側）に、真空状態の断熱層Ｖが形成される。これにより、ケーシング１２とカバー２０との間が断熱された状態となり、ケーシング１２の熱がカバー２０に伝わりづらくなる。

（作用効果）
上記構成の蒸気タービン１では、カバー２０とケーシング１２の外周面１２ｆとの間に、ケーシング１２の内部の空間に対して遮断された流路部Ｒが画成されている。また、第二接続部２５ｂを介して負圧源４０によって流路部Ｒ内が減圧されて真空状態となると、流路部Ｒが断熱層Ｖとなる。ケーシング１２の外部に断熱層Ｖが形成されることで、ケーシング１２からカバー２０への熱伝達が遮断される。これにより、蒸気タービン１の運転時に、内部を流れる高温の蒸気によって加熱されたケーシング１２の熱が、カバー２０に伝達されることが抑えられる。これにより、蒸気タービン１の作動中におけるケーシング１２から外部への放熱を抑えることができる。また、ケーシング１２にカバー２０を取り付けることによって、カバー２０とケーシング１２との間に流路部Ｒを容易に形成することができる。これにより、蒸気タービン１の作動中にケーシング１２からの放熱を有効に抑えて作動効率を高めることが可能となる。

また、蒸気タービン１の起動時には、高温の蒸気がケーシング１２内の上部に上昇するため、ケーシング１２の上部と下部とで温度差が生じやすい。この温度差によりケーシング１２の上部と下部とで熱伸び量に差異が生じ、ケーシング１２とロータ１４とのクリアランスが狭まってしまう場合がある。このため、蒸気タービン１の起動時に、ケーシング１２を、より均一に温度上昇することが望まれる。これに対し、本実施形態では、第一接続部２５ａを介して加熱媒体供給源３０から流路部Ｒ内に加熱媒体Ｈが供給される。流路部Ｒ内が加熱媒体Ｈで満たされることで、ケーシング１２が加熱媒体Ｈによって加熱される。したがって、蒸気タービン１の起動時に、ケーシング１２の内部に蒸気を供給する前に、予めケーシング１２を加熱することができる。これにより、蒸気タービン１の起動時に、ケーシング１２の温度上昇の均一化を図ることができる。

また、支持部材２２によって、カバー本体２１がケーシング１２の外周面１２ｆに対して間隔をあけて支持されている。これにより、ケーシング１２にカバー本体２１を取り付けることによって、ケーシング１２に対して、形状が崩れにくい形でカバー本体２１が取り付けられる。したがって、カバー２０とケーシング１２との間に安定した形状の流路部Ｒを容易に形成することができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、上記実施形態では、カバー２０のカバー本体２１を、ケーシング１２の外周面１２ｆに対してほぼ一定の間隔をあけて沿うように形成したが、このような構成に限定されるものではない。カバー本体２１は、ケーシング１２の外周面１２ｆとの間に流路部Ｒを画成するのであれば、その形状やケーシング１２の外周面１２ｆに対する間隔をいかなるものとしてもよい。

また、上記実施形態では、接続部２５として、加熱媒体供給源３０が接続される第一接続口２５Ａと、負圧源４０が接続される第二接続口２５Ｂと、を備えるようにしたが、このような構成に限定されるものではない。一つの接続口からなる接続部２５に対し、加熱媒体供給源３０と負圧源４０とを、切換弁等によって選択的に接続できるようにしてもよい。

＜付記＞
実施形態に記載の蒸気タービン１は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る蒸気タービン１は、軸線Ｏを中心として回転するロータ１４と、前記軸線Ｏを基準とする前記径方向Ｄｒの外側Ｄｒｏから前記ロータ１４を覆うケーシング１２と、前記ケーシング１２の外部に配置され、前記ケーシング１２の外周面１２ｆとの間に中空の流路部Ｒを形成するカバー２０と、を備え、前記カバー２０は、前記流路部Ｒを真空状態とすることが可能な負圧源４０と接続され、前記流路部Ｒは、前記ケーシング１２の内部の空間に対して遮断された空間である。
加熱媒体Ｈの例としては、蒸気、温水が挙げられる。
加熱媒体供給源３０の例としては、ボイラや蒸気タービン１が設置される施設で蒸気を供給する蒸気供給系統が挙げられる。
負圧源４０の例としては、グランドコンデンサ、エアエジェクトコンデンサ、真空ポンプが挙げられる。

これにより、負圧源４０によって流路部Ｒ内が減圧されて真空状態となると、流路部Ｒが断熱層Ｖとなる。ケーシング１２の外部に断熱層Ｖが形成されることで、ケーシング１２からカバー２０への熱伝達が遮断される。これにより、蒸気タービン１の運転時に、内部を流れる高温の蒸気によって加熱されたケーシング１２の熱が、カバー２０に伝達されることが抑えられる。これにより、蒸気タービン１の作動中におけるケーシング１２から外部への放熱を抑えることができる。これにより、蒸気タービン１の作動中にケーシング１２からの放熱を有効に抑えて作動効率を高めることが可能となる。

（２）第２の態様に係る蒸気タービン１は、（１）の蒸気タービン１であって、前記カバー２０は、前記流路部Ｒに加熱媒体Ｈを供給することが可能な加熱媒体供給源３０と接続されている。

これにより、加熱媒体供給源３０から流路部Ｒ内に加熱媒体Ｈが供給される。流路部Ｒ内が加熱媒体Ｈで満たされることで、ケーシング１２が加熱媒体Ｈによって加熱される。したがって、蒸気タービン１の起動時に、ケーシング１２の内部に蒸気を供給する前に、予めケーシング１２を加熱することができる。これにより、蒸気タービン１の起動時に、ケーシング１２の温度上昇の均一化を図ることができる。

（３）第３の態様に係る蒸気タービン１は、（１）又は（２）の蒸気タービン１であって、前記カバー２０は、前記ケーシング１２の外周面１２ｆに対して間隔をあけて配置されるカバー本体２１と、前記カバー本体２１において前記ケーシング１２を向くカバー内周面２１ｇから前記ケーシング１２の外周面１２ｆに向けて延び、前記ケーシング１２と前記カバー本体２１とに接続される支持部材２２と、を備える。

これにより、ケーシング１２にカバー本体２１を取り付けることによって、ケーシング１２に対して、形状が崩れにくい形でカバー本体２１が取り付けられる。したがって、カバー２０とケーシング１２との間に安定した形状の流路部Ｒを容易に形成することができる。

１…蒸気タービン
１０…蒸気タービン本体
１２…ケーシング
１２ｆ…外周面
１２１…ケーシング本体
１２１ａ…出口流路部
１２２…入口ノズル
１２３…出口ノズル
１４…ロータ
１５…回転軸
１５ａ、１５ｂ…端部
１６…動翼
１８…静翼
２０…カバー
２１…カバー本体
２１ｇ…カバー内周面
２１１…第一カバー部
２１２…第二カバー部
２１３…第三カバー部
２２…支持部材
２５…接続部
２５Ａ…第一接続口
２５Ｂ…第二接続口
２６…第一接続配管
２６ｖ…第一開閉弁
２７…第二接続配管
２７ｖ…第二開閉弁
３０…加熱媒体供給源
４０…負圧源
Ｄａ…軸方向
Ｄａ１…第一側
Ｄａ２…第二側
Ｄｃ…周方向
Ｄｒ…径方向
Ｄｒｏ…外側
Ｌ１…蒸気供給ライン
Ｌ２…蒸気排出ライン
Ｏ…軸線
Ｒ…流路部
Ｈ…加熱媒体
Ｖ…断熱層

Claims (3)

1. 軸線を中心として回転するロータと、
   前記軸線を基準とする径方向の外側から前記ロータを覆うケーシングと、
   前記ケーシングの外部に配置され、前記ケーシングの外周面との間に中空の流路部を形成するカバーと、を備え、
   前記カバーは、前記流路部を真空状態とすることが可能な負圧源と接続され、
   前記流路部は、前記ケーシングの内部の空間に対して遮断された空間である蒸気タービン。
2. 前記カバーは、前記流路部に加熱媒体を供給することが可能な加熱媒体供給源と接続されている請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記カバーは、
   前記ケーシングの外周面に対して間隔をあけて配置されるカバー本体と、
   前記カバー本体において前記ケーシングを向くカバー内周面から前記ケーシングの外周面に向けて延び、前記ケーシングと前記カバー本体とに接続される支持部材と、を備える請求項１又は２項に記載の蒸気タービン。

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