JP3943135B2 - タービン軸およびタービン軸の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、主軸に沿って延び、流体の流入範囲を有し、この流入範囲に軸方向に相互に間隔を隔てられたそれぞれ少なくとも一つのタービン翼を収容するための少なくとも二つの凹所が続いているタービン軸に関する。本発明は更に、タービン特に蒸気タービンに配置されたタービン軸の流入範囲を冷却する方法に関する。
ドイツ特許出願公開第３２０９５０６号明細書には特に双流形の軸流蒸気タービンが記載されている。その場合、蒸気の流入範囲において軸と環状軸シールドとの間に環状通路が形成されている。軸は蒸気の流入範囲に回転対称の窪みを有する。この窪みの中に部分的に環状軸シールドが突出しており、この軸シールドは第１の静翼列を介してタービン車室に結合され、この車室で支持されている。軸シールドは蒸気を導入するために貫通部を有し、この貫通部は流入範囲に同心的に且つ第１の静翼間に配置され、回転軸と車室で支持されている固定軸シールドとの間の間隙の中に接線方向に開口している。
ドイツ特許出願公開第３４０６０７１号明細書には、第１の静翼列の内外輪間に配置されている環状軸シールドが示されている。この軸シールドによってタービン軸の外周面ないし表面が生蒸気に対してしゃ蔽されている。軸シールドは静翼列の内外輪の上流に、生蒸気の一部を絞って軸シールドとタービン軸との間の間隙に入れる入口を有している。この入口は生蒸気がタービン軸の円周方向における流れ成分を有するように傾斜されている。軸シールドの内周面並びにタービン軸に補助静翼ないし補助動翼が設けられる。
蒸気タービンの効率を高めるために、高温高圧の蒸気特に例えば５５０℃を超える温度のいわゆる超臨界蒸気状態の蒸気が使用される。このような蒸気状態の蒸気を使用することによって、蒸気が供給される蒸気タービン、特にそのタービン軸に一層厳しい要求が課せられる。
本発明の課題は、熱的に大きく負荷される範囲、特に活動媒体の流入範囲において冷却されるタービン軸を提供することにある。本発明のもう一つの課題は、タービンに配置されたタービン軸を特にその流入範囲において冷却する方法を提供することにある。
タービン軸に向けられた課題は本発明に基づいて、主軸に沿って延び、活動流体の流入範囲、相互に且つ流入範囲から軸方向に間隔を隔てられたそれぞれ少なくとも一つのタービン翼を収容するための少なくとも二つの凹所および流入範囲に付設された中空室を有し、この中空室が冷却流体としての活動流体の部分流の供給路および排出路に接続されていることによって解決される。その供給路は好適には第１の凹所の下流で軸表面から中空室に通じており、排出路は中空室から第２の凹所の下流で軸表面に開口している。この第２の凹所は第１の凹所より下流に位置している。これによって第２の凹所の範囲において第１の凹所の範囲におけるより低い圧力並びに低い温度が生ずることが保証される。タービン軸を冷却するための冷却流体としてタービン軸を駆動するための活動流体が利用されるとき、そのようにして温度勾配および／又は圧力勾配に基づいて中空室を通る流れが形成されることが保証される。中空室は好適には軸線に対して回転対称となっている。
軸材料を冷却することによってその負荷容量が著しく高められ、これによって合理的な構造、例えば極めて高い蒸気入口温度の範囲でも通常の経済的に有利な軸材料の使用が可能となる。
タービン軸が活動流体特に超臨界蒸気状態の蒸気を供給される場合、中空室の中に冷却流体を導入することによってタービン軸をその流入範囲において冷却することができる。この場合、タービン軸を冷却するために中空室に導入される冷却流体は、タービン軸の流入範囲に導入され既に冷却された活動流体、特に蒸気の一部である。中空室内において冷却に利用された冷却流体は熱伝達によって加熱される。冷却流体がタービン軸が配置されているタービンを駆動するための活動流体であるとき、中空室は再熱器となっている。その中で再加熱された冷却流体はタービン特に蒸気タービンに適当な個所で再び（活動流体として）供給されるか、抽気個所を通してそこから取り出される。
双流形タービン特に中圧蒸気タービンに対するタービン軸の場合、流入範囲は好適には軸方向においてタービン軸の中圧部位に配置されている。流入範囲は更にタービンを駆動する流入活動流体を分割するために使用される。中空室は半径方向には好適には深削り旋盤加工され、軸方向においてはそれぞれ第１の動翼列間に位置している。
単流形タービンの場合、流入範囲はタービン軸の終端部位に位置し、その場合本発明に基づいて排出路は車室を通して導かれ、例えば蒸気流れ範囲に戻され、しかも第１の凹所の下流に戻される。これによって同様に供給路の入口と排出路の出口との間の圧力差および／又は温度差が保証される。排出路は中空室から流出する冷却流体を蒸気タービンから直接取り出せるように抽出個所に導くこともできる。タービン軸終端部位は好適には直径が大きくされたピストンとして形成されている。このピストンはタービン軸と車室との間の蒸気の流れ範囲を密封する密封装置を有している。この場合中空室は好適には第１の動翼列用の凹所とピストンとの間に形成されている。排出路は好適には中空室からピストンに通じ、そこで密封装置の範囲で開口している。
好適には供給路および／又は排出路は軸方向孔および径方向孔を有している。この径方向孔は軸表面からタービン軸の中に通じ、中空室から軸方向に延びている軸方向孔に移行している。供給路および排出路の直径はそれぞれその蒸気状態および所望の冷却容量に合わせられている。同様に中空室の大きさも必要な冷却容量に合わせられている。
中空室は好適には特に軸線に対して回転対称のカバーによって閉じられ、このカバーは同時に流れ転向要素としても使用できる。このカバーは好適にはタービン軸に溶接され、これによって冷却流体および活動流体が流入範囲において互いに別々に案内されることが保証される。これによって両者の混合による流れ損失が防止される。冷却流体は中空室内においてカバーの外側面に衝突する高温の活動流体特に超臨界蒸気状態にある蒸気とは決して直接的に接触しない。カバーは伝熱体として作用するので、熱はタービン軸からカバー並びに中空室の壁を介して冷却流体に伝達される。
高温活動流体の流入範囲において冷却されるタービン軸は特に、超臨界蒸気状態の蒸気を供給される蒸気タービンに好適である。この蒸気タービンは双流形中圧部分タービンであるか単流形蒸気タービンである。蒸気タービンは第１の動翼列の後ろにおける生蒸気を導入することによって既に、５５０℃を超える温度の蒸気状態においてタービン軸の安全な運転が保証されるように冷却される。
タービン特に蒸気タービンに配置されたタービン軸の流入範囲を冷却する方法に向けられた課題は本発明に基づいて、第１の動翼列の下流で活動流体特に超臨界蒸気状態の蒸気が冷却流体として流入範囲に付設された中空室の中に流入し、そこから排出路を介してタービン軸から排出されることによって解決される。これによってタービン軸に与えられた流入活動流体からの熱は中空室の壁を介して中空室の中に導入された冷却流体に放出され、これによってタービン軸の冷却が保証される。冷却流体として作用する活動流体の部分流は流入範囲において第１の圧力レベルで取り出され、第１の圧力レベルに比べて低い第２の圧力レベルでタービン軸から排出される。この冷却は供給路および排出路付きの中空室を例えば深削り旋盤加工によって形成することによって構造的に簡単に製造できる。中空室の形成により考えられるタービン軸の熱力学的特性の影響は、本発明に基づいて実施される冷却によって補償される。従って流入範囲が冷却されるタービン軸は、５５０℃を超える温度の超臨界蒸気状態の蒸気に対しても特に好適である。
特に双流形中圧部分蒸気タービンの場合、冷却流体は第１の動翼列よりもっと下流に配置されている第２の動翼列の下流でタービン軸から排出される。供給路への流入流と排出路からの排出流との間に圧力勾配および又は温度勾配があるので、中空室を通る冷却流体の流れは強制送り処置なしに維持される。
単流形タービン特に中圧部分タービンの場合、中空室からの冷却流体はタービン軸の終端部位を介して排出路を通ってタービン軸を包囲する車室の中に導かれる。ここで冷却流体は直接抽気個所に、あるいは第１の動翼列よりもっと下流に位置する静翼列の下流で（活動流体として）車室とタービン軸との間の蒸気流の中に導入される。タービン軸を駆動する蒸気流から取り出された部分流は従ってあらためて利用され、これによってタービンの効率への影響が僅かになる。中空室の中に流入する冷却流体が加熱される（従って中空室が再熱器として作用する）ので、場合によっては更になお効率が高められる。
中空室には好適には、タービン軸を駆動する総生蒸気容積流量の１．０〜４．０％特に１．５〜３％の蒸気容積流量が導入される。冷却に使用する導入蒸気量は蒸気状態、使用された材料および蒸気タービン設備の出力量のような個々のパラメータに左右される。
以下図面に示した実施例を参照して本発明に基づくタービン軸およびタービン軸の冷却方法を詳細に説明する。図は概略的なもので実寸通りではない。
図１は双流形中圧部分タービンの縦断面図、
図２は単流形中圧蒸気タービンの縦断面図である。
図１および図２において同一符号はそれぞれ同じ意味を有している。
図１には蒸気タービン設備の双流形中圧部分タービン１５が縦断面図で示されている。車室１９の中にタービン軸１が配置されている。タービン軸１は主軸２に沿って延び、その中央部位１０に活動流体４ａ、特に超臨界蒸気状態の蒸気の流入範囲３を有している。車室１９は流入範囲３に付設された蒸気入口２２を有し、蒸気は車室１９とタービン軸１との間に流入する。蒸気は流れ矢印で示されているように流入範囲３において二つの部分流に分かれる。蒸気タービン１５はその中央部位１０に特に深削り旋盤加工で中空室７が設けられている。この中空室７はその蒸気入口２２に対向する側がカバー１１で閉じられている。このカバー１１はタービン軸１に溶接され、蒸気の二つの蒸気部分流４ａへの分割作用を助成するように蒸気入口２２の方向に湾曲されている。タービン軸１は軸方向に流入範囲３に続き相互に間隔を隔てられている複数の凹所５ａ、５ｂを有している。これらの凹所５ａ、５ｂはそれぞれ動翼列１６ないし１７を形成するタービン翼６ａ、６ｂを収容するために用いられる。分かり易くするためにそれ以上の凹所並びにその中に配置される動翼は示されていない。各動翼列１６、１７の前にそれに対応した静翼列２１が車室１９に設けられている。図１において右向きに流れる部分蒸気流の第１の凹所５ａの下流には半径方向に延びタービン軸１の内部に通じている孔１４が示されている。この孔１４は中空室７に開口している軸方向孔１３に移行している。これらの両孔１３、１４は軸表面１２を流れ的に中空室７に接続する供給路８を形成している。これによって蒸気４の一部は流れ矢印に応じて第１の動翼列１６の下流で中空室７の中に入り込む。中空室７からその供給路８と反対側において別の軸方向孔１３がタービン軸１の中に通じている。この軸方向孔１３は第２の凹所５ｂの下流で軸表面１２に開口している半径方向に延びる孔１４に移行している。これら後者の２つの孔１３、１４は、中空室７からの蒸気４ｂを図１において左向きに流れる蒸気部分流に戻す排出路９を形成している。
冷却流体として作用する蒸気４ｂはカバー１１で閉じられた中空室７の中で再び加熱され、これによってタービン軸１が冷却されるという効果のほかに、場合によっては蒸気タービン１５の効率の向上も達成される。供給路８、中空室７および排出路９を通して導かれる蒸気４ｂの容積流量は排出すべき熱量、蒸気タービン１５の出力量並びに別のパラメータに左右される。これは総生蒸気容積流量の１．５〜３．０％である。流入範囲３の左右に配置されたタービン翼６ａ、６ｂが場合によっては中空室７を通る蒸気流量のために非対称に蒸気を供給されることを防止するために、総生蒸気流を左右にそれぞれ流れるほぼ同じ二つの部分流に適切に分割するように考慮されている。流入範囲３においてタービン軸１が冷却されることによって、その熱力学的特性が改善され、５５０℃を超える高温負荷においてもタービン軸１の耐久性が保証される。
図２には単流形中圧蒸気タービンが縦断面図で示され、その際分かり易くするために主軸２の上側に位置する部分しか示されていない。蒸気タービン１５は車室１９を有し、その中に主軸２に沿って延びるタービン軸１が示されている。タービン軸１は終端部位１８において軸封装置２４によって車室１９に対して密封されている。タービン軸１を駆動するための蒸気４ａは蒸気タービン１５の蒸気入口２２を通って流入し、主軸２に沿って交互に配置された動翼列１６、１７および静翼列２１を通って排気管２３に向かって流れる。蒸気入口２２に流入範囲３が続き、これはタービン軸１の終端部位１８と第１の動翼列１６との間に位置している。タービン軸１はこの流入範囲３に中空室７を有し、この中空室はカバー１１によって流入範囲３に対して閉じられている。第１の動翼列１６の下流で供給路８がタービン軸１の中を通って中空室７に通じている。この中空室７から排出路９がタービン軸１の中を通って軸封装置２４に通じ、ここから車室１９を通って抽気個所２０に通じている。第１の動翼列１６と抽気個所２０との間に温度差および／又は圧力差があるので、蒸気４ｂは補助的な強制送り処置なしに供給路８を通って中空室７に流入し、ここから排出路９を通って抽気個所２０に流れる。この蒸気４ｂは壁特にカバー１１を介してタービン軸から熱を吸収し、これによってタービン軸１を冷却する。蒸気４ｂはこの熱の吸収によって中空室７内で再加熱され、これによって全蒸気プロセスに対して場合によっては効率を高めるように使用される。供給路８並びに排出路９は孔として構造的に簡単に形成される。
本発明は、熱的に大きく負荷される流入範囲に冷却用の流体が導入される中空室を有しているタービン軸によって特徴づけられる。好適には中空室に導入される冷却流体はタービン軸を駆動する蒸気あるいはガスの総流量から分岐される。中空室を蒸気あるいはガスの異なった圧力状態および／又は温度状態にある部位に流れ的に接続することによって、補助的な強制送り処置なしに絶え間なく中空室を通る流れが保証される。中空室の壁を通してタービン軸の熱が冷却作用を行う流体に伝達され、これによってタービン軸は確実に冷却され且つ冷却流体が再加熱される。

Claims (10)

1. 主軸（２）に沿って延び、活動流体（４ａ）の流入範囲（３）、相互に且つ流入範囲（３）から軸方向に間隔を隔てられたそれぞれ少なくとも一つのタービン翼（６ａ、６ｂ）を収容するための少なくとも二つの凹所（５ａ、５ｂ）および流入範囲（３）に付設された中空室（７）を有し、この中空室（７）が流れ転向要素によって閉じられ、中空室（７）が冷却流体（４ｂ）としての活動流体の部分流の供給路（８）および排出路（９）に接続され、この供給路（８）が第１の凹所（５ａ）の下流で、排出路（９）がもっと下流に位置する凹所（５ｂ）の下流で軸表面（１２）に開口していることを特徴とするタービン軸。
2. 流入範囲（３）が活動流体流の分割のために主軸（２）の方向において中央部位（１０）に配置されていることを特徴とする請求項１記載のタービン軸。
3. 蒸気タービン（１５）、特に双流形中圧部分タービンにおけるタービン軸であることを特徴とする請求項１又は２記載のタービン軸。
4. 供給路（８）が第１の動翼列（１６）の下流で、排出路（９）が第１の動翼列（１６）の下流に配置されている第２の動翼列（１７）の下流で軸表面（１２）に開口していることを特徴とする請求項３記載のタービン軸。
5. 主軸（２）に沿って延び、蒸気タービン特に単流形中圧部分タービンの車室（１９）の中に配置され、活動流体（４ａ）の流入範囲（３）、相互に且つ流入範囲（３）から軸方向に間隔を隔てられたそれぞれ少なくとも一つのタービン翼（６ａ、６ｂ）を収容するための少なくとも二つの凹所（５ａ、５ｂ）および流入範囲（３）に付設された中空室（７）を有し、この中空室が冷却流体（４ｂ）としての活動流体の部分流の供給路（８）および排出路（９）に接続され、この供給路（８）が第１の凹所（５ａ）の下流で軸表面（１２）に開口し、排出路（９）がタービン軸（１）の終端部位（１８）を介して車室（１９）に通じ、この車室（１９）の中でもっと下流に配置された凹所（５ｂ）の下流の個所まで導かれていることを特徴とするタービン軸。
6. 排出路（９）が第１の動翼列（１６）の下流に配置された抽気個所（２０）に開口していることを特徴とする請求項５記載のタービン軸。
7. 中空室（７）がカバー（１１）によって閉じられていることを特徴とする請求項５または６に記載のタービン軸。
8. 供給路（８）および／又は排出路（９）が軸方向孔（１３）および半径方向孔（１４）を有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のタービン軸。
9. タービン特に蒸気タービン（１５）に配置されたタービン軸（１）の流入範囲（３）を冷却する方法であって、第１の動翼列（１６）の下流で活動流体の部分流が冷却流体（４ｂ）として取り出され、第１の圧力レベルで流入範囲（３）に付設された中空室（７）に流入し、この中空室（７）が流れ転向要素によって閉じられており、中空室（７）から排出路（９）を介してタービン軸（１）から第１の圧力レベルに比べて低い第２の圧力レベルで排出されることを特徴とするタービン軸の冷却方法。
10. 蒸気タービン（１５）の中空室（７）に冷却流体（４ｂ）として、総生蒸気容積流量の１．０〜４．０％、特に１．５〜３％の蒸気容積流量が導入されることを特徴とする請求項９記載の方法。

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