JP3943136B2 - 双流形タービン用のタービン軸および双流形タービン用のタービン軸の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、主軸線に沿って延び外周面を有する双流形タービン用のタービン軸および双流形タービン用のタービン軸の冷却方法に関する。
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利用される。このような蒸気状態の蒸気を利用する場合、それが供給される蒸気タービンに一層厳しい要求が課せられる。
このために欧州特許第００８８９４４号明細書に対応した西独特許出願公開第３２０９５０６号明細書に、タービンに流入した直後の主蒸気に曝されるタービン軸部位に対する旋回流冷却式の軸しゃ蔽体が記載されている。この旋回流冷却法の場合、軸しゃ蔽体における四つの接線方向孔を通してタービン軸の回転方向に軸しゃ蔽体とタービン軸との間の範囲に蒸気が流入する。その蒸気はそこで膨張し、温度が下がり、これによってタービン軸が冷却される。その軸しゃ蔽体は静翼列に気密に結合されている。この旋回流冷却法によって、タービン軸の温度は軸しゃ蔽体の周囲において約１５Ｋだけ下げられる。その軸しゃ蔽体には旋回流冷却のために、タービン軸の回転方向に見てタービン軸と軸しゃ蔽体の間に形成された環状通路に接線方向に開口しているノズルが設けられている。
本発明の課題は、熱的に大きく負荷される部位を冷却できるタービン軸を提供することにある。本発明の別の課題は、タービンに配置されたタービン軸の冷却方法を提供することにある。
タービン軸に関する課題は、主軸線に沿って延び外周面を有し、主軸線に沿って軸線方向に並べて配置された複数の円筒状の部分軸を備え、これらの部分軸が共通の結合軸線に沿ってそれぞれ結合用開口を有し、この結合用開口を貫通して締付け結合要素が導かれ、締付け結合要素と少なくとも一つの部分軸との間に軸線方向隙間が形成され、軸線方向隙間に流れ技術的に接続されかつそれぞれ外周面に開口し軸線方向に互いに間隔を隔てられた二つの径方向通路が設けられている双流形タービン用のタービン軸において、二つの径方向通路間に軸線方向に配置され活動流体を流入および分割するための軸線方向中央部位を備え、中央部位に冷却流体で貫流される中空室が設けられ、中空室が軸線方向隙間に流れ技術的に接続されていることによって解決される。
従って、本発明のタービン軸の場合、タービン軸の外周面とその内部に存在する軸線方向隙間とが流れ技術的に接続されている。これによって冷却流体がタービン軸の内部に導入され、軸線方向隙間を通ってタービン軸を軸線方向に貫流して導かれるので、タービン軸はその軸線方向隙間の部位が冷却される。蒸気タービンの場合にその冷却流体は好適には、タービン軸に結合されている動翼を衝動してタービン軸を回転させる活動流体（プロセス蒸気）である。径方向通路は特にタービン軸の外周面に異なった圧力レベルで開口しているので、その圧力勾配によって自動的にタービン軸を貫流する流れが形成される。タービン軸の外周面への径方向通路の開口を幾何学的に配置することによって、活動流体から分岐される冷却流体の容積流量が必要な冷却力に合わされる。この場合、冷却用に取出された活動流体（プロセス蒸気）は径方向通路間に存在する差圧レベルに関してだけタービン軸を駆動する機械仕事をする。冷却流体として利用された活動流体は、径方向通路から流出した後低い圧力レベルで活動流体の流れに戻され、あらためて機械仕事をし、従って蒸気タービンの効率に貢献する。
以下においてタービン円板とも呼ぶ円筒状の部分軸は好適にはそれぞれ単一の結合要素、即ちタイロッドが貫通する中央結合用開口を有している。この結合用開口は好適には冷却流体が貫流するための環状の軸線方向隙間が部分軸とタイロッドとの間に形成されるようにタイロッドより大きな横断面積を有している。
同様に原理的には、複数、特に三つ以上の結合要素（タイロッド）を設けることもできる。その結合要素の各結合軸線はタービン軸の主軸線に対して平行に延びている。好適にはそれらの結合軸線は中心が主軸線と一致している円上に配置されている。
好適には互いに直接隣接する二つの部分軸間に少なくとも一つの径方向通路、特に二つの径方向通路が形成されている。これは例えば互いに隣接する部分軸に窪み、又は凹所、溝が設けられていることによって実現される。径方向通路はいずれにしても部分軸を貫通して外周面から結合用開口まで延びるほぼ径方向の孔によっても実現できる。ここで径方向とは特に主軸線に対して垂直であることをを意味するが、外周面と少なくとも部分的に主軸線の方向に延びている結合用開口との間のあらゆる接続をも含んでいる。
本発明のタービン軸は好適には双流形タービンに対して設けられ、従って活動流体がタービンに流入した直後に到達しそこでほぼ等しい二つの部分流に分割される軸線方向中央部位を有している。この軸線方向中央部位は好適には両径方向通路間に軸線方向に配置されている。最高温度の活動流体に曝される中央部位は好適には冷却流体によって貫流される中空室を有している。この中空室は好適には主軸線に対して回転対称に形成されている。これは流れを分割するために回転対称の隆起部を有するしゃ蔽要素によって閉じられている。中空室は流れ技術的に軸線方向隙間に接続できる。またタービンの車室としゃ蔽要素を車室に固定するサポートとを通して冷却流体を導入することもできる。
本発明のタービン軸は好適には蒸気タービン、特に双流形中圧蒸気タービンに配置される。軸線方向に互いに間隔を隔てて配置された二つの径方向通路とこれらに流れ技術的に接続されている軸線方向通路とを含んでいる中央部位を取り巻いて形成された流れ経路によって、タービン軸の中央部位を冷却することができる。特に片側の部分流からの冷却流体として機能する活動流体は、反対側の部分流に低い圧力レベルで流入する。これによって冷却流体として利用された活動流体は再び全蒸気プロセスに導入され、従って総プロセスの効率を高めるために貢献する。
タービン軸の冷却方法に関する課題は、主軸線に沿って延び軸線方向に並べて配置された複数の円筒状部分軸を備え、これらの部分軸が締付け結合要素で互いに締付け結合され、冷却流体が第１の径方向通路を通って締付け結合要素と部分軸との間の軸線方向隙間に導入され、第２の径方向通路を通してタービン軸から導出される双流形タービン用のタービン軸の冷却方法において、第１の径方向通路と第２の径方向通路との間に軸線方向に配置され活動流体を流入および分割するための軸線方向中央部位を備え、中央部位に冷却流体で貫流される中空室が設けられ、中空室が軸線方向隙間に流れ技術的に接続され、中空室を貫流した冷却流体が軸線方向隙間に導入されることによって解決される。これによって上述したように、タービン軸はその運転中に熱的に大きく負荷される部位を内側から冷却できる。このようなタービン軸は従って入口蒸気温度が６００℃を超える蒸気タービン設備でも採用できる。相応した冷却力を得るために軸線方向隙間には冷却流体として、全主蒸気容積流量の１．０〜４．０％、特に１．５〜３％の容積流量が導入される。
以下、図に示した実施例を参照して本発明のタービン軸並びにその冷却方法を詳細に説明する。
唯一の図はタービン軸を備えたタービンの一部縦断面図である。
図には蒸気タービン設備の双流形中圧蒸気タービン１０の一部が縦断面図で示されている。車室１８の中にタービン軸１が配置されている。タービン軸１は主軸線２に沿って延び、軸線方向に並べて配置された多数の部分軸４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを有している。各部分軸４ａ、４ｂは主軸線２を中心とするそれぞれ一つの結合用開口６を有している。これらの結合用開口６はそれぞれ同じ横断面積を有し、相互におよび主軸線２に対して同心的に配置されている。これらの結合用開口６を通って結合軸線５に沿って締付け結合要素７、即ちタイロッドが導かれている。図示の実施例において結合軸線５は主軸線２と一致している。原理的にはそれぞれ対応した結合用開口６を貫通して導かれる複数、特に４つ以上の結合要素７を設けることもできる。タイロッド７は部分軸４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを軸線方向に締め付ける両側端の図示されていない部分軸に作用する。このために好適にはタイロッド７は図示されていない締付けナットがねじ込まれる図示されていないねじを有している。互いに隣接する部分軸４ａ、４ｂの円周方向における相対移動を防止するために、これらの部分軸は平歯継手、特に平刻み歯（ハース形セレーション）によって互いに回り止めして結合される。部分軸４ａとタイロッド７との間に軸線方向隙間８、特に環状隙間が存在するように、結合用開口６はそれぞれタイロッド７の横断面積より大きな横断面積を有している。部分軸４ａ、４ｂ・・・によってタービン軸１の外周面３が形成されている。互いに隣接する部分軸４ａ、４ｄ；４ａ、４ｂは外周面の周囲においてそれぞれ流体を通さない漏止め溶接継ぎ目１６によって結合されている。好適には互いに隣接する２対の部分軸４ｄ、４ｅ；４ｂ、４ｃは両者間にそれぞれ径方向通路９ａ、９ｂが存在するように互いに間隔を隔てられて配置されている。
タービン軸１を包囲する車室１８は主蒸気１２の流入範囲１９を有している。タービン軸１はこの流入範囲１９に対応して中央部位１１を有し、この中央部位１１に中空室１３が形成されている。この中空室１３並びにタービン軸１の中央部位１１は流入範囲１９を通って流入する高温の活動流体１２（主蒸気）に対して、この活動流体１２と直接接触しないようにしゃ蔽要素１７によってしゃ蔽されている。このしゃ蔽要素１７は主軸線２に対して回転対称に形成され、主軸線２から離れる方向に向いた隆起部を有している。しゃ蔽要素１７は活動流体１２、即ち主蒸気を二つのほぼ等しい部分流に分割するために使われている。しゃ蔽要素１７は各主蒸気部分流の第１段目の静翼列１４によって車室１８に結合されている。冷却流体が図示されていない冷却流体導入路を通って車室１８、第１段目の静翼列１４およびしゃ蔽要素１７を貫流して中空室１３の中に到達し、そこでタービン軸１の中央部位１１を冷却する。この冷却流体は中空室１３内において活動流体１２との熱交換によって加熱され、図示されていない冷却流体排出管を通って蒸気プロセスに再び導入される。
蒸気タービンにおいて普通であるように、活動流体１２の流れ方向に、タービン軸１に結合された動翼列１５と車室１８に結合された静翼列１４とが軸線方向に交互に並べて配置されている。第１の径方向通路９ａを通って既に幾分膨張した活動流体１２がタイロッド７と部分軸４ｄ、４ａ、４ｂとの間の軸線方向隙間８に流入することによって、タービン軸１の特にその中央部位１１を内側から冷却することができる。活動流体１２のこの部分流は冷却流体１２ｂとして作用し、これはまず図において左向きの部分流の流れ方向とは逆向きに導かれる。冷却流体１２ｂは第２の径方向隙間９ｂを通って低圧の個所で右向きの部分流に到達し、これによって更になお貫流すべき動翼１５でもう一度仕事をする。図示のタービン１０の場合、冷却流体１２ｂは第１の径方向通路９ａを通って圧力約１１バール、温度約４００℃で左向きの部分流から取り出され、ｌｌバールより低い圧力レベルで右向きの部分流に再び導入される。また冷却目的で軸線方向隙間８を中空室１３に流れ技術的に接続することもできる。タービン軸を駆動する全主蒸気容積流量の好適には１〜４％、特に１．５〜３％の容積流量が軸線方向隙間８に導入される。
本発明は、軸線方向に並べて配置され互いに締付け結合され内部に軸線方向隙間が設けられている複数の部分軸を有するタービン軸を特徴としている。その軸線方向隙間は二つの異なった圧力レベルにある二つの径方向通路を介して、タービン軸を駆動する活動流体の流れに流れ技術的に接続されている。それらの径方向通路は好適にはそれぞれ二つの部分軸が互いに隣接する場所に存在している。それぞれの径方向通路がタービン軸の外周面に異なった圧力レベルで開口していることによって、差圧作動式に冷却流体流が活動流体（主蒸気）から分岐される。主蒸気流から分岐された冷却蒸気流は第１の径方向通路を通って軸線方向隙間に到達し、そこから第２の径方向通路を通って再び主蒸気流に戻る。これによってタービン軸の軸線方向隙間に隣接する部位が内側から冷却され、この冷却に利用された冷却流体は再び全蒸気プロセスに導入される。

Claims (7)

1. 主軸線（２）に沿って延び外周面（３）を有し、主軸線（２）に沿って軸線方向に並べて配置された複数の円筒状の部分軸（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）を備え、これらの部分軸が共通の結合軸線（５）に沿ってそれぞれ結合用開口（６）を有し、この結合用開口（６）を貫通して締付け結合要素（７）が導かれ、締付け結合要素（７）と少なくとも一つの部分軸（４ａ、４ｂ、４ｃ）との間に軸線方向隙間（８）が形成され、軸線方向隙間（８）に流れ技術的に接続されかつそれぞれ外周面（３）に開口し軸線方向に互いに間隔を隔てられた二つの径方向通路（９ａ、９ｂ）が設けられている双流形タービン（１０）用のタービン軸（１）において、二つの径方向通路（９ａ、９ｂ）間に軸線方向に配置され活動流体（１２）を流入および分割するための軸線方向中央部位（１１）を備え、中央部位（１１）に冷却流体（１２ｂ）で貫流される中空室（１３）が設けられ、中空室（１３）が軸線方向隙間（８）に流れ技術的に接続されていることを特徴とする双流形タービン用のタービン軸。
2. 結合要素（７）が主軸線（２）および結合軸線（５）と一致している中央タイロッドである請求項１記載のタービン軸。
3. 少なくとも三つの結合要素（７）が設けられ、それらの各結合軸線（５）がそれぞれ主軸線（２）に対して平行に延びている請求項１記載のタービン軸。
4. 互いに隣接する二つの部分軸（４ｂ、４ｃ；４ｄ、４ｅ）間に少なくとも一つの径方向通路（９ａ、９ｂ）が設けられている請求項１ないし３の１つに記載のタービン軸。
5. 双流形中圧蒸気タービンにおけるタービン軸（１）である請求項１ないし４の１つに記載のタービン軸。
6. 主軸線（２）に沿って延び軸線方向に並べて配置された複数の円筒状の部分軸（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）を備え、これらの部分軸が締付け結合要素（７）で互いに締付け結合され、冷却流体（１２ｂ）が第１の径方向通路（９ａ）を通って締付け結合要素（７）と部分軸（４ａ）との間の軸線方向隙間（８）に導入され、第２の径方向通路（９ｂ）を通してタービン軸（１）から導出される双流形タービン用のタービン軸（１）の冷却方法において、第１の径方向通路（９ａ）と第２の径方向通路（９ｂ）との間に軸線方向に配置され活動流体（１２）を流入および分割するための軸線方向中央部位（１１）を備え、中央部位（１１）に冷却流体（１２ｂ）で貫流される中空室（１３）が設けられ、中空室（１３）が軸線方向隙間（８）に流れ技術的に接続され、中空室（１３）を貫流した冷却流体（１２ｂ）が軸線方向隙間（８）に導入されることを特徴とする双流形タービン用のタービン軸の冷却方法。
7. 軸線方向隙間（８）に冷却流体（１２ｂ）として、全主蒸気容積流量の１．０〜４．０％、特に１．５〜３％の容積流量が導入される請求項６記載の冷却方法。

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