JP3889809B2 - Steam turbine component with throttle mechanism for adjusting steam flow and method for adjusting steam flow in a steam turbine - Google Patents
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Description
本発明は、蒸気タービンの構成要素並びに、主軸に対して垂直に延びる横断面内にこの面を塞いで配置されている隔壁要素に設けられている流路を通る蒸気流量を調整するための主軸特にタービンの主軸に沿って移動できる絞り機構を備えた蒸気タービンに関する。本発明は更に、絞り機構付きの蒸気タービンにおける蒸気流量の調整方法に関する。
蒸気タービンにおける蒸気流量を調整するために種々の調整装置が知られている。1966年発行の文献「機械設計技術(Maschienenbautechnik)」ベルリン、第15巻、第4号、第185〜190頁掲載のシュパイヒァー(K.Speicher)、ミーチュ(E.Mietsch)著の論文「抽気タービン用調整装置としての回転弁(Der Drehschiber als Regelorgan fuer Entnahme-Dampfturbinen)」に、弁並びに回転弁に基づく調整機構の比較が記載されている。別の調整機構はドイツ特許出願公開第1426792号明細書で知られている。
回転弁の可能な形式としては軸方向および半径方向に貫流されるスライド弁が挙げられる。このスライド弁は蒸気タービンの横断面にわたって延びるノズルカバーに設けられている開口を完全にあるいは部分的に閉鎖するために使用される。第1の形式のスライド弁は円周方向に回転可能なリングから成り、このリングはノズルカバーの開口に類似した開口を有し、軸方向に貫流され、その際スライド弁の開口は軸方向に即ち蒸気タービンの主軸の方向に貫流される。第2の形式でも同様に回転可能なリングが設けられ、これは特に半径方向に貫流され、このためにノズルカバーにおける開口は流れを半径方向から軸方向に転向させる。この場合のスライド弁はノズルカバーの相応する流れ転向部分に大きな面積で接している。従ってこのスライド弁の運動はかなり大きな摩擦抵抗に抗して行われなければならない。第3の形式においては、ノズルカバーにおける開口を閉鎖できる半径方向に移動可能なリングセグメントが設けられている。第4の形式としては、軸方向に移動可能なリングを備え半径方向に貫流されるスライド弁が挙げられ、その際ノズルカバーは同様に流れを転向する前部構造物を有し、この前部構造物上を軸方向に移動可能なリングが案内されている。この場合にも、克服しなければならない摩擦力が大きいという問題がある。上述のラジアル形回転弁の場合、絞り調整する際に完全に静的に負荷を軽減することが可能であるが、自由な熱膨張を保証するためには比較的大きな半径方向の間隙を設ける必要がある。これによってノズルカバーの開口を完全に閉鎖することができないので、望ましくない蒸気流による無駄な損失を甘受しなければならない。
公知のアキシャル形回転弁を使用する際には大きな押圧力および摩擦力が生じ、これは相対して滑る部品に相応する磨耗を生じさせる。この種のアキシャル形回転弁を作動するためにはさらに大きな調整駆動装置を用意しなければならない。この押圧力を減少するために緩圧面を備えた複雑で高価な構造物が知られている。もっともこれはそのための半径方向における相応の所要空間を必要とする。従って反動式タービンにおいてこの構造は実際には利用できない。この公知の欠点に基づいて、回転弁は現在では比較的低い抽気蒸気圧の場合にしか採用されていない。
本発明の課題は、タービンに採用される絞りプログラムが高い抽気蒸気圧に適するような蒸気流量を調整するための絞り機構付きの蒸気タービン構成要素を提供することにある。
蒸気タービン構成要素に向けられた課題は本発明によれば、蒸気タービン構成要素の主軸に対して垂直に延びる横断面においてこの面を塞いで配置され且つ蒸気が貫流するための少なくとも一つの流路を有している隔壁要素と、流路を通る蒸気流量を調整するための主軸に沿って移動可能な絞り機構が設けられ、この絞り機構が第1のシール面と第2のシール面とを有し、流路を閉鎖している位置においてシール面が隔壁要素に気密に当接し、流路を少なくとも部分的に開放する位置においてシール面が隔壁要素から離されることによって解決される。その際隔壁要素は横断面から離れる方向に主軸に沿って延びる流路を備え、この流路は横断面に対してほぼ平行に延びこれから隔てられた壁を有している。流路を閉鎖する位置においてこの壁に第1のシール面が当接する。さらにこの流路を閉鎖する位置において第2のシール面は横断面において隔壁要素に当接する。
特に隔壁要素がノズルカバーにおけるクロスピースで細かく仕切られているリング状開口である場合隔壁要素の流路を閉鎖する位置においては隔壁要素に当接し、流路を部分的あるいは完全に開放する別の位置においては隔壁要素から離される軸方向に移動可能な絞り機構によって、公知の回転弁の欠点は避けられる。特に隔壁要素との摩擦接触による摩耗が避けられ、流路の完全な閉鎖が達成されるか、複数の流路の場合にはそれらの完全な閉鎖が達成され、これによって望ましくない蒸気流の損失が避けられる。隔壁要素との摩擦接触の回避によって同様に大きな調整駆動装置も不要となる。蒸気タービン、特に蒸気タービンの低圧部分にこのような蒸気タービン構成要素を採用する場合、この蒸気タービン構成要素の主軸は蒸気タービンの主軸と一致する。
流路が横断面から軸方向に延び、横断面に対して平行に延びる壁を有していることによって、流路内において流れが半径方向から軸方向に転向される。絞り機構による流路の遮断は、流れが半径方向に向かう流路の終わりで行われる。流路を閉鎖する際、例えば僅かな残留蒸気圧によって絞り機構が流路を閉鎖する位置に押圧されることによって、確実な摩擦結合が得られる。
流路を軸方向における流れ形状をもってあるいは半径方向への転向をもって構成することによって、このためにそれぞれ適したシール面の配置が得られる。純粋に軸方向に貫流する流路の場合、両シール面は特に横断面において隔壁要素に直接当接する。蒸気の半径方向流れも生ずる流路の場合、好適には第1のシール面は上述の壁に当接し、第2のシール面は横断面において隔壁要素に直接当接する。シール面は有利には薄肉の円環として形成されている。これによってシール面は準直線状をしているので、ほとんど隔壁要素との摩擦接触は生ぜず、それにもかかわらず高い気密性が得られる。
従って絞り機構は主軸に対して同心的に配置された円形の二重座リングであると有利である。同心的な配置とは、横断面においてリングの中心が主軸と一致していることを意味する。これによって二重座リングを移動する回転リング並びにタービンハウジング内における隔壁要素の案内部を簡単に製造することができる。特に組立てを簡単にするために、二重座リングは二つの半円形セグメントで構成される。しかし二重座リングを複数の円セグメントで構成することも考えられる。二重座リングは特に流路の軸方向の広がりに相応した軸方向の広がりと、シール面が配置される半径方向に延びるウェブを有している。これによって蒸気温度に関係する非気密性は大幅に回避される。
絞り機構を正確に案内するために、それぞれタービンのハウジングに固定されている好適には二つの案内ボルトがそれぞれはまり込むような主軸に対して平行に延びる少なくとも二つ、特に三つの案内溝が設けられる。これら案内溝にはまり込む案内ボルトによって、絞り機構を正しく心出して整合することができ、絞り機構は軸方向に動く際に殆ど遊びなしに案内される。
案内ボルトは偏心ボルトであると有利である。偏心ボルトは例えば、それぞれの軸線に沿って延び隣接する端面において互いに固く結合された横断面が円形の二つの中実円筒を有している。これらの軸線の方向はその場合同一であり、ただし一方の中実円筒は他方の中実円筒に対してずらされ、即ち偏心して配置されている。これによって絞り機構をタービンハウジング内において正確に案内することができ、これによって例えば製造公差も補償することができる。
絞り機構は好適には、軸方向並びに円周方向に延び即ち主軸に対して斜めに延びる少なくとも一つ、特に三つの滑り案内溝を有する。この滑り案内溝に、好適には円周方向に回転できる一つの回転リングが特に制御ボルトを介して係合している。回転リングが円周方向に回転すると、主軸に対して傾斜して延びる滑り案内溝に基づいて、回転リングの回転運動が絞り機構の軸方向運動に変換される。これによってほんの僅かな力で簡単に絞り機構が軸方向に移動させられる。
好適にはこのような絞り機構付きの蒸気タービン構成要素は蒸気タービン、特に高い抽気蒸気圧の蒸気タービンに使用される。
図面に概略的に示されている実施例を参照して、移動可能な絞り機構を備えた蒸気タービン並びに蒸気タービンにおける蒸気流量を調整する方法を詳細に説明する。
図1は絞り機構付きの蒸気タービンの縦断面図、
図2は図1における絞り機構の平面図、および
図3は図1における蒸気タービンの横断面図である。
図1には蒸気タービンの低圧部分の先端における低圧翼列の範囲の前方が断面図で示されている。主軸1を中心とする回転対称の蒸気タービンはタービンランナ17を包囲するタービンハウジング9を有している。蒸気タービンにおけるタービンランナ17とタービンハウジング9との間の横断面2は隔壁要素3、いわゆる窓付きリングで塞がれている。隔壁要素3は流路4を有している。この流路は隔壁要素3におけるクロスピースで仕切られている円環状開口18、主軸1の方向に延びるスリーブ16および円環状壁8で形成されている。スリーブ16は開口18の周囲で隔壁要素3に直接タービンランナ17の側で固定されている。円環状壁8はスリーブ16のタービンランナ17と反対側に位置し、スリーブ16に気密に結合されている。従ってこの壁8はスリーブ16に環状フランジの形で設けられているので、隔壁要素3に対して平行に延びそこから間隔を隔てられた面が形成されている。流路4とタービンハウジング9との間に軸方向に移動可能な絞り機構5が配置されている。
タービンハウジング9にはそれぞれ主軸1に対して垂直な平面内を延びている案内ボルト11a、11bが取り付けられている。タービンハウジング9の周囲にはそれぞれ少なくとも少なくとも三対の案内ボルト11a、11bが取り付けられている。図示の案内ボルト11a、11bは、それらがそれぞれ絞り機構5の対応した案内溝10a、10bにはまり込むように互いにずらされている。絞り機構5は主軸1に沿って延びる絞りスリーブ19並びに互いに間隔を隔てられた両側の円環状フランジ20a、20bを有し、これらのフランジは絞りスリーブ19のタービンランナ17の側に固定され、ここから主軸1に向かって延びている。絞り機構5はタービンハウジング9の周囲に沿って延びる回転リング13を介して主軸1の方向に即ち軸方向に移動できる。フランジ20a、20bにはそれぞれ軸方向に隔壁要素3に向かって延びる絞りノーズ21a、21bが固定されている。絞り円胴21aは第1の円環状シール面6を、絞りノーズ21bは第2の円環状シール面7を形成している。第1のシール面6は壁8に当接し、第2のシール面7はタービンハウジング9と開口18との間の範囲において隔壁要素3に直接当接している。これによって流路4の気密閉鎖が達成される。壁8並びに隔壁要素3にそれぞれ、軸方向において横断面2から離れるように向けられているブッシュ状の絞りカラー15a、15bが固定されている。絞り機構5の絞りノーズ21a、21b並びに流路4に付設された絞りカラー15a、15bは従って互いに直接上下になり合っている。これによって蒸気流量および主軸1に沿って実施される絞り機構5のストロークとの関係が予め規定できる。特に蒸気流量および絞り機構のストロークとの関係に線形性が得られる。図1において絞り機構5は補助的に、第1のシール面6並びに第2のシール面7がそれぞれ壁8ないし隔壁要素3から離され、従って蒸気の流れに対する流路4が少なくとも部分的に開けられている状態が破線で示されている。回転リング13によって絞り機構5が軸方向に移動するので、流路4の完全閉鎖から流路4の完全開放まで隔壁要素3を通る蒸気流量が調整できる。案内溝10a、10bで案内されている案内ボルト11a、11bを介して絞り機構5を懸架することによって、絞り機構5を心合わせして、即ち主軸1に対して対称的に懸架することができ、且つその自由な熱膨張が保証される。第1のシール面6および第2のシール面7の大きさ並びにフランジ20a、20bの高さ即ち絞り機構5の半径方向の広がりはかなり自由に選定できるので、蒸気力を完全に放出することもできる。組立を簡単にするために流路4付きの隔壁要素3、回転リング13並びに絞り機構5はそれぞれぴったり整合する半円セグメントから構成されている。
図2は図1で説明したように二重座リング5aとして形成された絞り機構5を平面図で示している。二重座リング5aはそれぞれ主軸1に沿って即ち軸方向に延びている三対の案内溝10a、10bを有している。各対の案内溝10a、10bは二重座リング5aの円周面にわたって対称に分布され、ここでは図を簡単にするために一対の案内溝しか示されていない。案内溝10a、10b間にそれぞれ主軸1に対して傾斜して延びる滑り案内溝12が設けられている。円周面にわたって全部で三つの滑り案内溝12が設けられている。案内溝10a、10bは、これらにはめ込まれタービンハウジング9に取り付けられている案内ボルト11a、11bを介して絞り機構5aを懸架するために使用する。案内ボルト11a、11bは図3に示すように偏心ボルトとして形成され、これによって二重座リング5aを主軸1に対して正確に整合することができる。タービンハウジング9の円周面に沿って移動する回転リング13は滑り案内溝12に係合しているので、回転リング13の回転によって絞り機構5を軸方向に移動することができる。
図3は図1における蒸気タービンを横断面図で示しており、この図に偏心ボルトとして形成された案内ボルト11a、回転リング13、絞り機構5(二重座リング5a)並びに回転リング13に対する駆動装置14が示されている。
回転リング13は絞り機構5の滑り案内溝12に係合している半径方向に延びり制御ボルト22を有している。特に円周方向において三対の案内ボルト11a、11b並びに同じ数の案内溝10a、10bと滑り案内溝12が設けられている。
本発明は、流路の蒸気タービンの横断面方向に延びる互いに間隔を隔てられた二つの境界壁においてこの流路を気密に閉鎖する二つのシール面が得られる軸方向に移動可能な絞り機構によって特徴づけられる。シール面は、流路を開放する絞り機構の運動の際にほとんど摩擦力を克服する必要がないように設計されている。絞り機構は複数の案内ボルトを介して熱的に移動でき、蒸気タービンの主軸に対して同心的に懸架されている。絞り機構の円周面において主軸に対して傾斜して延びる滑り案内溝を介して、絞り機構が主軸の方向に移動することができる。これは、対応した滑り案内溝に係合している少なくとも一つ、特に三つの制御ボルトを有する円周方向に回転できる回転リングによって行われる。絞り機構は特に蒸気タービンの低圧部分の前方におけるタービン軸に対して同心的に配置された環状開口を通る蒸気流量を任意に調整可能に絞るのに適している。これは特に反動タービンの高い抽気蒸気圧に適している。The present invention relates to a steam turbine component and a main shaft for adjusting a steam flow rate through a flow path provided in a partition wall element that is disposed so as to close this surface in a cross section extending perpendicularly to the main shaft. More particularly, the present invention relates to a steam turbine provided with a throttle mechanism that can move along a main shaft of the turbine. The present invention further relates to a method for adjusting a steam flow rate in a steam turbine with a throttle mechanism.
Various regulators are known for regulating the steam flow in a steam turbine. The publication “Maschienenbautechnik” published in 1966, Berlin, Vol. 15, No. 4, pp. 185-190, paper by K. Speicher and E. Mietsch, A rotary valve as a regulating device (Der Drehschiber als Regelorgan fuer Entnahme-Dampfturbinen) describes a comparison of the regulating mechanism based on the valve and the rotary valve. Another adjustment mechanism is known from DE 1426792 A1.
Possible types of rotary valves include slide valves that flow axially and radially. This slide valve is used to completely or partially close the opening provided in the nozzle cover extending across the cross section of the steam turbine. The first type of slide valve consists of a circumferentially rotatable ring, which has an opening similar to the opening of the nozzle cover and flows through in the axial direction, with the opening of the slide valve in the axial direction. That is, it flows through in the direction of the main axis of the steam turbine. The second type is also provided with a rotatable ring, which is flowed through in particular in the radial direction, so that the opening in the nozzle cover diverts the flow from the radial direction to the axial direction. The slide valve in this case is in contact with the corresponding flow turning part of the nozzle cover in a large area. Therefore, the movement of this slide valve must be carried out against a considerably large frictional resistance. In the third type, a radially movable ring segment is provided that can close the opening in the nozzle cover. A fourth type includes a slide valve that is provided with an axially movable ring and flows radially, wherein the nozzle cover also has a front structure that redirects the flow. A ring is guided which is movable axially on the structure. Even in this case, there is a problem that the frictional force to be overcome is large. In the case of the above-mentioned radial type rotary valve, it is possible to reduce the load completely statically when adjusting the throttle, but it is necessary to provide a relatively large radial gap to ensure free thermal expansion. There is. This makes it impossible to completely close the nozzle cover opening, so that wasteful losses due to undesired steam flow must be accepted.
When using known axial rotary valves, large pressing forces and frictional forces are generated, which cause corresponding wear on the parts that slide relative to each other. In order to operate this type of axial rotary valve, a larger adjusting drive must be prepared. In order to reduce this pressing force, a complicated and expensive structure having a gentle pressure surface is known. However, this requires a corresponding space requirement in the radial direction. Therefore, this structure is not practically available in reaction turbines. Based on this known drawback, rotary valves are currently employed only for relatively low extraction vapor pressures.
An object of the present invention is to provide a steam turbine component with a throttle mechanism for adjusting the steam flow rate so that the throttle program employed in the turbine is suitable for high extraction steam pressure.
An object directed to a steam turbine component is according to the invention at least one flow path arranged in a cross-section extending perpendicular to the main axis of the steam turbine component, closing this surface and through which steam flows. And a throttle mechanism that is movable along a main shaft for adjusting the flow rate of steam passing through the flow path. The throttle mechanism has a first seal surface and a second seal surface. The sealing surface is hermetically abutted against the partition element at a position where the flow path is closed, and the sealing surface is separated from the partition element at a position where the flow path is at least partially opened. In this case, the partition element comprises a channel extending along the main axis in a direction away from the cross section, which channel extends substantially parallel to the cross section and has a wall separated therefrom. The first sealing surface comes into contact with the wall at a position where the flow path is closed. Furthermore, the second sealing surface abuts against the partition element in the cross section at a position where the flow path is closed.
In particular, when the partition element is a ring-shaped opening that is finely partitioned by a cross piece in the nozzle cover, in the position where the flow path of the partition element is closed, there is another contact that abuts the partition element and partially or completely opens the flow path The disadvantage of the known rotary valve is avoided by a throttle mechanism that is axially movable in position away from the bulkhead element. In particular, wear due to frictional contact with the bulkhead element is avoided and complete closure of the flow paths is achieved, or in the case of multiple flow paths, their complete closure is achieved, which results in an undesirable loss of vapor flow Can be avoided. By avoiding frictional contact with the bulkhead element, a similarly large adjustment drive is not required. When such a steam turbine component is employed in a steam turbine, particularly in the low pressure portion of the steam turbine, the main axis of the steam turbine component coincides with the main axis of the steam turbine.
Since the flow path extends in the axial direction from the cross section and has a wall extending parallel to the cross section, the flow is turned from the radial direction to the axial direction in the flow path. The blocking of the flow path by the throttle mechanism is performed at the end of the flow path where the flow is directed in the radial direction. When the flow path is closed, for example, the throttle mechanism is pressed to a position where the flow path is closed by a slight residual vapor pressure, so that a reliable frictional coupling is obtained.
By configuring the flow channel with a flow shape in the axial direction or with a turning in the radial direction, an arrangement of the sealing surfaces suitable for this can be obtained. In the case of a flow channel that flows purely in the axial direction, both sealing surfaces abut directly on the partition element, in particular in cross section. In the case of a flow path which also causes a radial flow of steam, preferably the first sealing surface abuts the aforementioned wall and the second sealing surface abuts directly on the septum element in cross section. The sealing surface is preferably formed as a thin annular ring. As a result, the sealing surface has a quasi-linear shape, so that almost no frictional contact with the partition wall element occurs, and nevertheless high airtightness is obtained.
It is therefore advantageous if the throttle mechanism is a circular double seat ring arranged concentrically with respect to the main shaft. The concentric arrangement means that the center of the ring coincides with the main axis in the cross section. This makes it possible to easily manufacture the rotating ring that moves the double seat ring and the guide part of the partition element in the turbine housing. In order to simplify the assembly in particular, the double seat ring consists of two semicircular segments. However, it is conceivable that the double seat ring is composed of a plurality of circular segments. The double seat ring has in particular an axial extent corresponding to the axial extent of the flow path and a radially extending web in which a sealing surface is arranged. This largely avoids non-hermeticity related to steam temperature.
In order to accurately guide the throttle mechanism, there are preferably at least two, in particular three guide grooves, each extending parallel to the main shaft, preferably fitted with two guide bolts, each fixed to the turbine housing. It is done. The guide bolts that fit into these guide grooves allow the throttle mechanism to be properly centered and aligned, and the throttle mechanism is guided with little play when moving axially.
The guide bolt is advantageously an eccentric bolt. The eccentric bolt has, for example, two solid cylinders with circular cross-sections that extend along their respective axes and are firmly connected to each other at their adjacent end faces. The directions of these axes are then the same, provided that one solid cylinder is offset relative to the other solid cylinder, i.e. arranged eccentrically. As a result, the throttle mechanism can be guided accurately in the turbine housing, which can compensate for manufacturing tolerances, for example.
The throttle mechanism preferably has at least one, in particular three sliding guide grooves, extending in the axial direction as well as in the circumferential direction, ie extending obliquely with respect to the main axis. A single rotating ring, preferably rotating in the circumferential direction, is engaged in this sliding guide groove, in particular via a control bolt. When the rotating ring rotates in the circumferential direction, the rotating motion of the rotating ring is converted into the axial motion of the diaphragm mechanism based on the sliding guide groove extending inclined with respect to the main shaft. As a result, the diaphragm mechanism can be easily moved in the axial direction with very little force.
Preferably such a steam turbine component with a throttling mechanism is used in a steam turbine, in particular a steam turbine with a high extraction steam pressure.
A steam turbine with a movable throttle mechanism and a method for adjusting the steam flow in the steam turbine will be described in detail with reference to the embodiments schematically shown in the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a steam turbine with a throttle mechanism,
2 is a plan view of the throttle mechanism in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the steam turbine in FIG.
In FIG. 1, the front of the range of the low-pressure blade row at the tip of the low-pressure part of the steam turbine is shown in a sectional view. A rotationally symmetric steam turbine about the
FIG. 2 is a plan view showing the diaphragm mechanism 5 formed as the
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the steam turbine in FIG. 1, in which the
The rotating ring 13 has a control bolt 22 that extends in the radial direction and engages with the sliding
The present invention provides an axially movable throttling mechanism that provides two sealing surfaces that hermetically close the flow path at two spaced apart boundary walls extending in the cross-sectional direction of the steam turbine of the flow path. Characterized. The sealing surface is designed so that little frictional force needs to be overcome during movement of the throttle mechanism that opens the flow path. The throttle mechanism can be thermally moved through a plurality of guide bolts and is concentrically suspended with respect to the main shaft of the steam turbine. The diaphragm mechanism can move in the direction of the main shaft through a sliding guide groove that extends at an inclination with respect to the main shaft on the circumferential surface of the diaphragm mechanism. This is done by means of a rotating ring which can be rotated in the circumferential direction with at least one, in particular three control bolts, engaged in corresponding sliding guide grooves. The throttle mechanism is particularly suitable for arbitrarily adjusting the steam flow rate through an annular opening concentrically arranged with respect to the turbine shaft in front of the low pressure portion of the steam turbine. This is particularly suitable for the high extraction steam pressure of reaction turbines.
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