JP3573748B2 - ケーシングを貫通する軸の貫通部の軸封装置及びその作動方法 - Google Patents

Description

この発明は、流体が衝流する内部室を包囲する固定ケーシングから突出し、この固定ケーシングを貫通する軸心を持つ軸の貫通部の軸封装置であって、この軸を取り巻き、軸心に沿って両側で軸封部に隣接し、この軸封部の少なくとも１つを通って流体が流入し外部に向かって開放されている洩れ蒸気室を備えた軸封装置に関する。この発明はさらにこのような軸封装置の作動方法に関する。
この発明は、特に蒸気タービンに適用され、蒸気タービンのケーシングから突出する回転軸の貫通部を密封するための軸封装置に関する。この装置においては蒸気は軸封部を通って軸に沿ってケーシングから出て行き、洩れ蒸気室に集められ、外部に放出される。この蒸気は凝縮によって霧に変換し、それにより軸封装置においていわゆる「洩れ蒸気雲」として目視可能に形成される。このようにして蒸気は軸封装置に対する簡単な機能検査に資する。このような簡単な機能検査は、出力が通常約1MWから約50MWの間にある産業用の蒸気タービンにおいて特に有効であり、しばしば望まれている。このような蒸気タービンにおいては特に洩れ蒸気雲による環境の負担が通常受入れ可能な限界に維持される。
軸貫通部の軸封装置の公知技術として種々の形態のものが知られている。特に軸封装置の個々のコンポーネント、特に軸封部自体については極めて多くの実施形態が存在する。例えば蒸気タービンに適用される軸封装置はドイツ連邦共和国特許出願公開第2643484号明細書や同第3333530号明細書から明らかである。軸封装置のコンポーネントの種々の実施形態もまたこの文献に記載されている。ヨーロッパ特許出願公開第0463532号明細書は軸封装置から漏出した蒸気の処理に関するもので、これにおいて蒸気はいわゆる「洩れ蒸気復水装置」において復水される。この文献の主眼は洩れ蒸気復水装置自体の構成にある。この復水装置は特に無圧力の熱交換器として設計されており、即ちこの交換器内において洩れ蒸気の復水はほぼ通常の大気圧で行われる。洩れ蒸気の外部への放出は行われずに、洩れ蒸気は完全に復水される。
英国特許第1267548号明細書は、同様に、ヨーロッパ特許出願公開第0463532号明細書に記載されている様式の蒸気タービンにおける軸封装置に関する。この軸封装置は回転軸、特に蒸気タービンの被駆動軸の貫通部に対してだけでなく、その軸心に沿って摺動可能な、必然的には回転可能でない弁スピンドルの貫通部に対しても使用可能とする。この意味においてこの明細書においては、いわゆる「軸」の概念は、回転する軸及び摺動可能なスピンドルをも同様に含むものと解釈すべきものとする。
前述の様式の軸封装置の軸封部の機能及び構成は、ヴェー・トラウペル著「熱ターボ機械」シュプリンガー出版社発行、ベルリン1977年、第１巻、第10章に記載されている。ここでは特にラビリンスパッキングの形の軸封部が詳細に記載されている。他の形の軸封部、即ちグランドパッキング、特にカーボンリングを備えたグランドパッキングはついでにしか言及されておらず、火力発電所における蒸気タービンに対しては有利ではないとされている。しかしながらこの注釈は明らかに産業用の蒸気タービンの軸封部におけるグランドパッキング及び／又は炭素リングの適用に関するものでなく、ドイツ連邦共和国特許出願公開第2643484号明細書及び同第3333530号明細書によれば炭素リングパッキングはこのような蒸気タービンにおいて非常によく慣用されている。
冒頭に記載した様式の軸封装置においては、上述したように、常に洩れ蒸気によりある程度の環境の負担が生ずる。この負担は場合によっては空気を清浄化するための特別の対策を必要とする。さらに洩れ蒸気雲による機能検査は、洩れ蒸気の比較的小さな変化の識別が困難であるのでその信頼性に制約がある。従ってこの機能検査は実質的には軸封装置に損傷が既に始まっているかどうかの確認に限定せざるを得ない。軸封装置の機能の有効性に関する量的な判断を得て、損傷をその初期段階で既に検出するという目的を持った軸封装置の本格的な診断は不可能である。
従ってこの発明の課題は、環境の負担を制限するでけでなく、信頼性のある診断、即ち特に損傷が始まったことを確実に検出することのできる冒頭に挙げた種類の軸封装置を提供することにある。さらにまたこのような軸封装置の作動方法を提供しようとするものである。
この課題を解決するために、この発明によれば、流体が衝流する内部室を包囲する固定ケーシングから突出し、この固定ケーシングを貫通する軸心を持つ軸の貫通部の軸封装置であって、この軸を取り巻き、軸心に沿って両側で軸封部に隣接し、この軸封部の少なくとも１つを通って流体が流入し外部に向かって開放されている洩れ蒸気室を備えているケーシングを貫通する軸の貫通部 の軸封装置において、洩れ蒸気室が付加的に吸引装置に接続され、軸がケーシングを通る２つの貫通部を有し、 その各々が吸引装置に結合された１つの洩れ蒸気室を備 え、吸引装置と各洩れ蒸気室とをそれぞれ結合する個別 の吸気管にそれぞれ個別の調整弁が配置されている。
この吸引装置により洩れ蒸気室からの流体が部分的に吸引され、従って環境の負担を軽減することが可能になる。さらにこの吸引装置を適切に設計し設置することにより、洩れ蒸気室全体に流入した流体のうち正確に定められたほぼ一定の量が吸引されることになり、その結果軸封部を通る流体の流入の変動は外部に放出される残りにのみ影響する。従って洩れ蒸気室への流体の流入の変動は外部への流体の流出に大きな変動をもたらし、この流出量は問題なくかつ簡単な手段で、特に単なる目視観察により確かめられる。このようにして流体の洩れ蒸気室への流入の微細な制御、従って軸封装置の軸封作用の微細な制御が可能である。この場合洩れ蒸気室が洩れ蒸気管を介して外部に接続され、この洩れ蒸気管に吸引装置が接続されるものが特に良好である。このようにして軸封部及び洩れ蒸気室における流体の流れに対する吸引装置の反作用が小さく維持され、軸封装置の動作態様が改善される。
吸引装置としては特に、ケーシングに衝流する流体を駆動媒体とし、好ましくはケーシングの内部室から流体が供給される蒸気噴流ポンプの形式のエジェクタが考慮される。このように有能に構成された軸封装置はケーシングやケーシング内に設けられた装置と共に殆ど自給自足的に動作し、これによりその運転上の信頼性を著しく保証する。
吸引装置で形成される流動平衡を微細に調整するために吸引装置には調整弁を前置し、これにより吸引作用を調整するのが好ましい。
さらに洩れ軸封装置において蒸気室と内部室との間に、軸を取り巻き軸心に沿って両側に軸封部に隣接するトラップ室を配置し、このトラップ室にその属する供給管を介して流体を供給可能とするのが好ましい。この場合においてこのようなトラップ室は多くの機能を満たす。即ち、このトラップ室は洩れ蒸気室の前に内部室の状態とは無関係に規定される熱力学的関係、特に一定の圧力を準備し、洩れ蒸気室に通ずる軸封部に運転状態とは殆ど無関係に流体を流入させることができる。さらにそして場合によっては、付加的にトラップ室内の圧力を適当に調整することにより空気が内部室に流入するのを確実に阻止することができる。このためトラップ室に相応の過圧が設定される。トラップ室に属する配管は好ましくは内部室、特にトラップ室に合った圧力が存在する内部室の部分に接続する。なお、作動している蒸気タービンのケーシングの内部室内ではタービンに沿った蒸気の膨張により常に圧力勾配があることが認められている。その時々の状態に応じてこの配管は蒸気タービンの入口、出口或いは分岐部に接続することが可能である。
特に以上記載したトラップ室との関連において、洩れ蒸気室と内部室との間に軸を取り巻き軸心に沿って両側に軸封部を隣接した漏洩室を設け、この室からその属する排出管を介して流体を排出可能にすることも有効である。この排出管は特に漏洩復水器に接続し、この中で流体が復水されるようにすることができる。この漏洩復水器は好ましくは通常の大気圧にほぼ相当する圧力で流体を復水するように設計される。漏洩室は、その中に所定の必要に応じた圧力を維持することにより、軸封装置に沿った特定の圧力勾配を形成するために利用される。さらにまた漏洩室内の圧力を調整することにより洩れ蒸気室に達する流体の流れに影響させることができる。このことは、例えば蒸気タービンの流入部の範囲においてそうであるように、軸封装置がケーシングの内部室から非常に高い圧力を受ける場合に特に意義がある。
軸封装置はそれぞれ吸引装置と接続された洩れ蒸気室を備えた２つの貫通部を同時に軸封するように構成するのが特に有利である。このようにして簡単な手段で各貫通部における特に良好な軸封効果が得られる。好ましくは各洩れ蒸気室と吸引装置との間にそれぞれ１つの調整弁を設け、これにより各洩れ蒸気室に対してそれぞれ個別の吸引作用の調整を可能とする。これにより特に内部室から貫通部へ流体の衝流の差が補償される。製造技術的に定まる機能上の差もまた補償可能である。比較的大きい機能上の差は相応のトラップ室及び／又は漏洩室により補償するのが好ましい。
以上の構成の軸封装置においては、ケーシングに衝流する流体が少なくとも軸封部の１つを通して洩れ蒸気室に流入するが、この発明によればさらに洩れ蒸気室から流体が外部に排出される残り部分を除いて吸引されるように使用される。この場合好ましくは全体で洩れ蒸気室に流入する流体のうち所定の一定量が吸引され、その結果洩れ蒸気室に流入する流体の流れの変動が主として外部に放出される残り部分に、従って蒸気雲に伝わるようにされる。この残り部分は軸封装置に異変が生ずると著しく変動するので、簡単な点検手段に使うことができ、機能検査のための優れた可能性を提供する。この残り部分は量的にも制限されているので、環境に対してせいぜい僅かにしか負担をかけない。
各構成の軸封装置は、流体が蒸気特に水蒸気である場合に適用するのに好適である。特に流体が水蒸気である場合には、軸封装置から漏出する残りの流体はいわゆる「蒸気雲」と呼ばれる霧雲として目視可能となる。この霧雲は直接目視監視に使える。霧雲の大きさの変化は軸封装置内部の場合によっては不都合な異変の直接的な指標である。
各構成の軸封装置の適用は、ケーシングによって包囲され軸を回転させる蒸気タービンに対して特に重要である。特に軸がしばしば非常に高い回転周波数に達する産業用の蒸気タービンにおいては、軸封装置もそれだけ高い要求が課せられているのでその監視に大きな意味がある。この関連において、この発明による軸封装置は非常に僅かな機器コストで構成することができ、特に高価な診断機器を必要としないということもまた非常に大きな価値がある。従ってこの発明は産業用の蒸気タービンに関連して行われる価格設定に非常によく対処できる。
この発明の実施例を図面により説明する。
唯１つの図面である図はケーシング４の内部室５内に配置されている蒸気タービン16を概略的に示す。蒸気タービン16には給気管21を通して蒸気が供給され、蒸気タービン16において膨張した蒸気は排気管22を介して排気される。蒸気の膨張により蒸気タービン16はその軸３を軸心２を中心に回転させる。軸３は２つの貫通部１においてケーシング４から導出されている。なお特定の特徴を説明するために以後両貫通部１を共通に参照することにする。各貫通部１には洩れ蒸気室７が設けられている。この洩れ蒸気室は軸３を取り巻き、軸心２に沿ってそれぞれ２つの軸封部６に隣接している。この洩れ蒸気室７には軸３に沿って蒸気が流入し、それぞれ洩れ蒸気管９を通して排出される。洩れ蒸気管９から蒸気は外部に達し、そこで蒸気は復水し、霧としていわれる「洩れ蒸気霧」として可視状態になる。各洩れ蒸気管９には吸気管17が接続され、この吸気管は吸引装置、即ちエジェクタ８に接続されている。このエジェクタ８により洩れ蒸気管９から蒸気の一部が吸引される。これにより環境の負担が軽減されると共に貫通部１の状態を指示する非常に敏感な指標が形成される。なぜなら蒸気の洩れ蒸気室７への流入の僅かな変動でさへ洩れ蒸気雲のはっきりした量の変化として直接見ることができるからである。それ故軸封部６の機能障害は早期に、恐らく本格的な損傷に発展する前に検地することができる。各吸気管17には調整弁10が設けられ、洩れ蒸気管９から分岐される蒸気の量を微細に調整する。特に、軸封装置及びその監視について余り高い要求が課せられていない場合には、調整弁10の代わりに固定的に設定された絞り、例えば絞り弁を設けて簡略化を図ることもできる。
各洩れ蒸気室７と内部室５との間の貫通部１には漏洩室13が設けられている。この漏洩室も軸３を取り巻き、これに沿って軸封部６に隣接している。軸３に沿ってこの軸封部６を通って漏洩室13に達する蒸気は一部がそれに付設された排出管14を通って漏洩復水器15に導かれる。漏洩復水器15内の蒸気圧の選択により漏洩室13内の蒸気圧が規定される。これに関連して特に洩れ蒸気室７への通流の調整が可能となる。漏洩室13及び漏洩復水器15の必要性は必ずしも常にあるわけではない。特にケーシング４内の蒸気圧が比較的小さいときには、漏洩復水器15を設置しなくてもよい。その場合必要に応じて蒸気は選択的に存在する漏洩室13から排気管22を通して排気される。
左側の貫通部１は吸気管21の近くにおいてケーシング４に接続されているので、この貫通部１は内部室５から、非常に高い圧力下の蒸気を受ける。この圧力を少なくとも部分的に補償するために、内部室５から見て、軸封部６の背後に軸３を取り巻くトラップ室11が設けられ、このトラップ室は配管12を介して排気管22に、即ち比較的低い圧力下の内部室５の部分に接続されている。これにより左側の貫通部１のその他のコンポーネント、即ち漏洩室13及び洩れ蒸気室７の負担が軽減され、少なくとも部分的に、排気管22の近くにおいてケーシング４に接続され従ってはるかに負担の少ない右側の貫通部１の負担と平衡される。この理由から右側の貫通部１にはトラップ室が設けられていない。
吸気管17を介して洩れ蒸気室７から蒸気を吸気するエジェクタ８は、内部室５から排気管22及び吸気管12の一部を介して取り出される蒸気で操作される。図示の実施例では、これは蒸気タービン16が比較的高い圧力の蒸気を取り出すいわゆる背圧タービンであることを前提として設けられている。このような背圧タービンは産業用として多く使用されている。別の事例として排気管22内の圧力が蒸気タービン16の仕様に応じて充分高くないときは、エジェクタ８のための蒸気は他の位置で、特に蒸気タービン16の入口或いは分岐口から取り出される。作動媒体管18及び調整弁19を介して作動媒体としての蒸気はエジェクタ８に達し、そこで蒸気は洩れ蒸気管９から吸い出された蒸気を取り入れ、そこから配管20を介して放出される。この配管は図示の例では漏洩復水器15に導かれている。
上述の軸封装置は軸貫通部の簡単な機能点検を可能とし、さらにはその環境の負担を著しく軽減させる。この装置は蒸気タービン、特に出力が約1MWから40MWの産業用の蒸気タービンに適用して特に好適である。

Claims (11)

1. 流体が衝流する内部室（５）を包囲する固定ケーシング（４）から突出し、この固定ケーシング（４）を貫通する軸心（２）を持つ軸（３）の貫通部（１）の軸封装置であって、この軸（３）を取り巻き、軸心（２）に沿って両側で軸封部（６）に隣接し、この軸封部（６）の少なくとも１つを通って流体が流入し外部に向かって開放されている洩れ蒸気室（７）を備えて いるケーシングを貫通する軸の貫通部の軸封装置において、洩れ蒸気室（７）が付加的に吸引装置（８）に接続され、軸（３）がケーシング（４）を通る２つの貫通部 （１）を有し、その各々が吸引装置（８）に結合された １つの洩れ蒸気室（７）を備え、吸引装置（８）と各洩 れ蒸気室（７）とをそれぞれ結合する個別の吸気管（1 7）にそれぞれ個別の調整弁（10）が配置されていることを特徴とするケーシングを貫通する軸の貫通部の軸封装置。
2. 洩れ蒸気室（７）が洩れ蒸気管（９）を介して外部に接続され、この洩れ蒸気管（９）に吸気管 （17）を介して吸引装置（８）が接続されていることを 特徴とする請求項１記載の軸封装置。
3. 吸引装置（８）がエジェクタ（８）であり、作動媒体として作用する流体の供給のために内部室（５）に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の軸封装置。
4. 洩れ蒸気室（７）と内部室（５）との間に軸（３）を取り巻き軸心（２）に沿って両側で軸封部（６）に隣接するトラップ室（11）が接続され、このトラップ室に付設の供給管（12）を介して流体が供給されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の軸封装置。
5. 供給管（12）が内部室（５）に接続されていることを特徴とする請求項４記載の軸封装置。
6. 洩れ蒸気室（７）と内部室（５）との間に軸（３）を取り巻き軸心（２）に沿って両側で軸封部（６）に隣接する漏洩室（13）が配置され、この漏洩室から付設の配管（14）を介して流体が排出されることを 特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の軸封装置。
7. 配管（14）が漏洩復水器（15）に接続されていることを特徴とする請求項６記載の軸封装置。
8. ケーシング（４）は軸（３）を回転させる蒸気タービン（16）を包囲していることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の軸封装置。
9. 流体が衝流する内部室（５）を包囲する固定ケーシング（４）から突出し、この固定ケーシング（４）を貫通する軸心（２）を持つ軸（３）の貫通部（１）の軸封装置であって、この軸（３）を取り巻き、軸心（２）に沿って両側で軸封部（６）に隣接し、この軸封部（６）の少なくとも１つを通って流体が流入し外部に向かって開放されている洩れ蒸気室（７）を備え、かつこの洩れ蒸気室（７）が付加的に吸引装置（８）に接続されている軸封装置の作動方法において、流体は洩れ蒸気室（７）から外部に放出される残り部分を除いて吸引装置（８）によって吸引されることを特徴とするケーシングを貫通する軸の貫通部の軸封装置の作動方法。
10. 流体は蒸気であることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 軸（３）が回転することを特徴とする請求項９又は10記載の方法。

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