JP3970116B2 - Turbine and turbine temperature control system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転時に高温となる蒸気タービン等のタービン、およびその温度調整システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、蒸気タービンは、ハウジングによって形成された車室内に回転軸が設けられ、この回転軸とハウジングとの間に、高圧タービン部、低圧タービン部等が形成された構成となっており、各タービン部に蒸気が送り込まれることで回転軸を回転駆動するようになっている。
図17に示すように、この種の蒸気タービンの車室1を形成するハウジング2は、下部ハウジング3と上部ハウジング4を、それぞれに設けられたフランジ5、5をボルト締結することで構成されている。
これら下部ハウジング3と上部ハウジング4は、その外周面に断熱材6が設けられ、運転中における内部の熱の放散が抑えられるようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構造の蒸気タービンでは、運転の停止後、自然対流によってハウジング2の上方側よりも下方側が先に冷えるため、ハウジング2の上下に温度差が生じ、上方に反ってしまうという現象が生じる。
従来は、高圧タービン部、低圧タービン部における回転軸7とハウジング2とのクリアランスがハウジング2の変形量に対して大きかったために、上記の現象は特に問題にはならなかったが、近年の蒸気タービンの性能の向上に伴い、回転軸7とハウジング2とのクリアランスは縮小する傾向にある。このため、蒸気タービンの運転を停止させた後に生じるハウジング2の変形によって、回転軸7とハウジング2側に設けられたラビリンスシール等のシール部とが接触してしまい、その結果、再運転時に不具合が生じることになる。
これに対応するには、この部分における接触を防ぐためにクリアランスを大きくせざるを得ず、その結果、蒸気タービンの性能向上に限度があるのが現状となっている。
【0004】
このような問題を解決するために、ハウジング2の下方側にパネルヒータを設け、運転停止後に、先行して温度が低下するハウジング2の下方側をパネルヒータによって加熱する技術が考えられているが、この場合、設備が大掛かりとなってコストが嵩むという問題があった。
【0005】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、ハウジングの反りを抑えるとともに、タービンの性能向上を図ることを可能とするタービンおよびタービンの温度調整システムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明のタービンは、その外殻をなすハウジングと、ハウジング内に回転自在に設けられて周囲に翼列を備えた回転軸と、ハウジングの上部に、ハウジングの外周面に沿って設けられた冷却セルとを備えることを特徴とする。そして、この冷却セルには、タービンの運転停止後にハウジングの上部を冷却するための流体が外部から強制的に送給される。これにより、ハウジングは、その上部のみが冷却されることになる。
冷却セルは、ハウジングの周方向両側の下端部とハウジングの上部中央部とに開口部が形成され、流体は、ハウジングの周方向両側の下端部に形成された開口部から冷却セル内に送給され、ハウジングの上部中央部に形成された開口部から冷却セル外に排出される。このような冷却セルは、タービンの運転の停止後に自然対流によって生じるハウジングの上下の温度差によるハウジングの反りを抑えるためのものであり、自然対流に起因して発生するハウジングの反りによる変形量が大きい箇所に配置されるのが好ましい。また、冷却セルを、断面視略逆U字状の材料の開口側をハウジングの外周面に固定することによって設けるのが好ましい。
ところで、冷却セルに流体を強制的に送給するための手段としては、例えば、タービンが設置された工場内の各部に送給される工場エアーを用いることができる。工場エアーは、圧縮機で圧縮されて大気圧よりも高圧であり、また運転停止後のタービンのハウジングの温度よりも低温である。また、ファンにより、冷却セルに流体を強制的に導入する構成とすることもできる。
このような冷却セルに対する工場エアー等の流体の送給は、手動でバルブを開閉すること等で行っても良いが、コントローラを設け、流体の送給を自動的に制御することもできる。
また、冷却セルは、ハウジングの軸方向に間隔をあけて複数設けることもできる。さらに、冷却セルは、ハウジングの外周面に沿って設けられた第一冷却セルと、第一冷却セルの外周面側に積層された第二冷却セルとを備える、いわゆる積層構造とすることもできる。
さらには、複数の孔を有し、かつ冷却セル内を上下二層に仕切る板体を備えて、外部から冷却セル内に強制的に送給される流体を、板体の孔からハウジングの外周面に噴き付ける構成とすることもできる。さらには、冷却セル内において、外部から強制的に送給される流体に乱流促進部によって乱流の発生を促進させる構成とすることもできる。このような乱流促進部としては、ハウジングの外表面にディンプル等の凹凸を形成したり、壁状、柱(ピン)状の突起物等を設けることが考えられる。
【0007】
本発明のタービンの温度調整システムは、内部に回転軸が収容されたタービンのハウジングの上部においてその外周面に沿うように設けられた冷却セルと、冷却セルの流路に流体を供給する供給管と、冷却セルの流路から排出される流体を回収する排出管と、タービンが設置された工場内の各部に送給される工場エアーを供給管に供給するエアー供給装置と、タービンの作動に基づいて供給管から冷却セルの流路に対する流体の供給を制御するコントローラと、を備え、冷却セルは、ハウジングの周方向両側の下端部とハウジングの上部中央部とに開口部が形成され、流体は、ハウジングの周方向両側の下端部に形成された開口部から冷却セル内に送給され、ハウジングの上部中央部に形成された開口部から冷却セル外に排出されることを特徴とする。
このとき、コントローラは、タービンの作動停止後、ハウジングの上部と下部の温度差が所定設定値以上となったときに、冷却セルの流路内に工場エアーを供給するのが好ましい。
ここで、エアー供給装置は、工場エアーの供給源となる圧縮機等であり、供給管は、圧縮機から工場内の各種設備に工場エアーを送給する配管である。また、排出管では、冷却セルの流路を通った工場エアーを回収するわけであるが、回収した工場エアーは、工場エアーとして再利用、つまり他の設備に工場エアーとして送給することもできる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図1は、本実施の形態における蒸気タービンの全体構成を説明するための図である。
この図1に示すように、蒸気タービン(タービン)10は、その外殻をなすハウジング11と、ハウジング11の内方に形成された構造物12に収められ、蒸気タービン10による駆動力を取り出すため少なくともその一端がハウジング11から突出した回転軸13と、を備える。
回転軸13は、ハウジング11の両端側に設けられた支持部14にて、その軸線回りに回転可能に支持されている。
回転軸13には、その外周側に張り出す複数段の翼列13aが一体に形成されている。一方、ハウジング11側には、その内周側に張り出し、互いに前後する回転軸13の翼列13a、13a間に介在するラビリンスシール部11aが複数段に形成されている。
なお、回転軸13の翼列13aの外径、およびハウジング11によって形成される構造物12の内径は、回転軸13の一端側(図1において左側)から他端側(図1において右側)にいくに従い、徐々に小さくなる構成となっている。これに伴い、ハウジング11の外径も、回転軸13の一端側から他端側にいくに従い、徐々に小さくなっている。
【0009】
さて、本実施の形態では、上記のような蒸気タービン10には、ハウジング11の上方側の複数箇所に、冷却システム(温度調整システム)20の冷却セル21が一体に取り付けられている。
図2は、図1のA−A断面図であり、冷却セル21が設けられた部分においてハウジング11を断面視したものである。また、図3は、冷却セル21が設けられた部分におけるハウジング11の斜視断面図である。なお、図2および図3においては、ハウジング11内の回転軸13の図示を省略している。さらに、図3では、ハウジング11を覆うように配設される断熱材25の図示を省略している。
図2および図3に示すように、ハウジング11は、上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lとによって構成されている。上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lは、それぞれ略半円形の断面形状を有し、その両端部に側方に延びるフランジ部11fが形成されている。そして、上部ハウジング11Uのフランジ部11fと、下部ハウジング11Lのフランジ部11fとを対向させた状態で、双方を貫通するボルト(図示無し)、およびこのボルト(図示無し)に装着したナット(図示無し)によって、上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lとが締結され、一体化している。
【0010】
冷却セル21は、上部ハウジング11Uの外周面に沿って取り付けられている。この冷却セル21は、断面視略逆U字状の材料の開口側を上部ハウジング11Uの外周面に固定することによって、冷却セル21によって囲われた冷却流路22を形成するもので、この冷却セル21の両側端部と、中央部の上面とに開口部23、24が形成されている。
また、この冷却セル21の外周面には、断熱材25が設けられ、冷却流路22内の断熱を図る。
この冷却セル21は、蒸気タービン10の運転を停止したときに、自然対流に起因して発生するハウジング11の反りによる変形量が大きい箇所に配置するのが好ましい。本実施の形態では、図1に示した3ヶ所に冷却セル21が配置されている。
【0011】
さて、図4は、上記したような冷却セル21の上部ハウジング11Uへの具体的な取付構造を示すものである。
この図4(a)に示すように、断面視略逆U字状をなした冷却セル21には、断面方向において開口している両端部から、側方に延出するフランジ21cが、冷却セル21の長手方向に連続して形成されている。冷却セル21は、このフランジ21cにて、上部ハウジング11Uの外周面にビス26によって固定される。そして、フランジ21cは、シール材27によって覆われ、フランジ21cと上部ハウジング11Uの外周面との密閉性が高められている。
【0012】
このとき、図4(b)に示すように、冷却セル21のフランジ21cと上部ハウジング11Uとの間に、例えば高温用のパッキン材料と同材質からなる断熱シート50を介在させて設けることが好ましい。この断熱シート50によって、上部ハウジング11Uから冷却セル21に対する熱伝導を低減できるので、蒸気タービン10の運転停止後における冷却セル21自体の温度上昇を抑制でき、これによって冷却セル21内の雰囲気温度の上昇を抑えることができる。さらに、冷却セル21自体の温度上昇を抑制することによって、上部ハウジング11Uと冷却セル21との間の輻射伝熱も促進できる。これらの作用によって、冷却セル21による冷却性能が高まる。
【0013】
さて、図2に示したように、冷却システム20は、上記のような冷却セル21と、この冷却セル21の冷却流路22内に冷却用の流体を供給する供給システム30とから構成される。
供給システム30としては、流体の供給装置31と、一端が供給装置31側に接続され、他端が冷却セル21の開口部23に接続された流体供給管(供給管)32と、一端が冷却セル21の開口部24に接続され、他端が流体回収側に接続された流体排出管(排出管)33と、を備える。流体供給管32、流体排出管33のそれぞれの系には、開閉自在なバルブ34、35が設けられ、冷却セル21内への流体の供給の開始・停止をコントロールできるようになっている。
【0014】
このとき、バルブ34、35は、手動で開閉する構成としても良いが、バルブ34、35の開閉作動を電磁制御することも可能である。この場合、図2に示したように、バルブ34、35を電磁作動弁とし、これらバルブ34、35の開閉を制御するコントローラ36を設ける。さらに、上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lの所定箇所の温度を測定するセンサ37、38を設ける。
【0015】
コントローラ36では、蒸気タービン10の作動のON/OFFも検出する。このコントローラ36では、蒸気タービン10の作動がOFFとなり(停止し)、センサ37、38での検出値によって得られる上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lの所定箇所の温度差が、あらかじめ設定した設定値以上となったときに、バルブ34、35の開閉を制御するようになっている。
コントローラ36では、バルブ34、35の開閉のみならず、その開度を調整することで、より細かな制御を行う構成とすることもできる。
【0016】
本実施の形態では、流体の供給装置31として、蒸気タービン10が設置される工場の工場エアーを用いる。工場エアーは、工場内においてエアブローや各種設備を稼動させるエアシリンダの駆動源として、工場内の各部に配管を介して送給されるもので、ある程度以上の規模の工場であれば、通常に備えられているものである。この場合、工場エアーの供給装置31は、大型の圧縮機等となる。
また、流体排出管33は、最終的に大気解放されるものであっても良いが、そのまま工場エアーの配管系に回収される構成としても良いし、図2に示したように、供給装置31に循環する構成としても良い。
【0017】
このような冷却システム20では、供給装置31から供給される、大気圧以上に加圧された工場エアーが流体供給管32を介して開口部23から冷却セル21内に送給され、冷却流路22内を通り、開口部24から流体排出管33を介して冷却セル21外に排出される。このとき、流体が冷却セル21内の冷却流路22を通過することで、上部ハウジング11Uの外周面と流体の間で熱交換が行われる。当然のことながら、稼動停止直後の蒸気タービン10は高温であるため、常温に近い工場エアーの方が温度が低く、これによって上部ハウジング11Uが冷却されることになる。
【0018】
これにより、ハウジング11の上下での温度差を抑えることができ、ハウジング11の反りを抑制することができる。したがって、ハウジング11の反りを考慮して設定される、回転軸13とハウジング11の内周面側に設けられるラビリンスシール部11aとのクリアランスを、冷却システム20を採用しない場合に比較して大きく取る必要が無くなる。つまり、前記クリアランスを従来よりも小さく設定することが可能となるのである。
これにより、回転軸13側とハウジング11側の間におけるシール性能を大幅に向上させて蒸気タービン10の性能を高めることができる。例えば、本実施の形態における冷却システム20の採用によって上記クリアランスを小さく改善した場合、ある蒸気タービン10において、効率を0.2%程度向上させることができる。
【0019】
さらに、この冷却システム20は、冷却用の流体として工場エアーを用いる構成とした。工場エアーは、ある程度以上の工場であれば通常に備えられているものであり、蒸気タービン10の冷却のためにわざわざコンプレッサを新たに設置する必要もなく、流体供給管32、流体排出管33のみを設置すれば上記冷却システム20を構築することができる。これにより、簡略な設備で、低コストで上記効果を奏することが可能となる。
また、冷却セル21も、非常に簡易な構造であるので、この点においても低コストで良好な冷却効果を得ることができる。
【0020】
(他の実施の形態)
上記実施の形態において、流体排出管33から排出される工場エアーは、そのまま工場エアーの配管系に回収される構成、あるいは図2に示したように、供給装置31に循環する構成としたが、前述の如く、大気解放することも可能である。
このような構成とするには、図5(a)に示すように、流体排出管33の終端の開口部33aよりも上流側にバタフライ弁等の弁機構81を設け、この弁機構81を駆動するモータ等の駆動源82を、コントローラ36によって制御するのである。
このような構成において、上記実施の形態と同様、センサ37、38での検出値によって得られる上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lの所定箇所の温度差が、あらかじめ設定した設定値以上となったときに、コントローラ36によって供給装置31から工場エアーを送給するとともに、弁機構81を開き、冷却セル21を通った工場エアーを開口部33aから排出させるのである。
なおここで、弁機構81に代えて、図5(b)に示すように、流体排出管33の開口部33aに蓋82を設け、この蓋82をコントローラ36の制御によって開閉させる構成としても良い。
さらに、図5(c)に示すように、流体排出管33の終端外周面に複数の孔83を形成し、これら孔83を塞ぐように蓋84を装着する構成とすることもできる。このような構成では、蓋84をコントローラ36の制御によって前後動させることで、孔83を開閉する。
これら図5(b)、(c)に示した構成では、センサ37、38での検出値によって得られる上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lの所定箇所の温度差が、あらかじめ設定した設定値以上となったときに、コントローラ36によって供給装置31から工場エアーを送給するとともに、蓋82、84を開き、冷却セル21を通った工場エアーを排出させるのである。
なお、図5(a)、(b)、(c)に示したような弁機構81、蓋82、84は、コントローラ36によって自動的に開閉制御せず、手動で開閉することももちろん可能である。
【0021】
上記実施の形態において、冷却システム20に、冷却用の流体として工場エアーを用いる構成としたが、これに代えて、図6、図7に示すように、ファン80を用いることも可能である。
図6に示す例は、ファン80により、流体供給管32から冷却セル21に空気を強制的に送り込む構成となっている。この場合、冷却セル21を通った空気は流体排出管33から外部に排出される。そして、上記実施の形態と同様、センサ37、38での検出値によって得られる上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lの所定箇所の温度差が、あらかじめ設定した設定値以上となったときに、コントローラ36によってファン80が作動するよう制御する。これによって、ファン80が作動すると、冷却セル21内に空気が強制的に送り込まれ、上部ハウジング11Uが冷却される。
【0022】
また、図7に示す例は、ファン80により、流体排出管33から冷却セル21内の空気が強制的に吸引される構成となっている。この場合、冷却セル21には、開口部23から大気が導入される。そして、上記実施の形態と同様、センサ37、38での検出値によって得られる上部ハウジング11Uと下部ハウジング11Lの所定箇所の温度差が、あらかじめ設定した設定値以上となったときに、コントローラ36によってファン80が作動するよう制御する。これにより、ファン80で冷却セル21内の空気を吸引することで開口部23から冷却セル21内に大気が導入され、上部ハウジング11Uが冷却されるようになっている。
図6、図7に示したような構成では、工場エアーを利用するのが困難であるような状況においても、ファン80を設けることで、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【0023】
(冷却セル21の他の例)
以下に、冷却セル21の他の例を示す。なお、以下に示す例において、上記に説明したものと共通する構成については同符号を付し、その説明を省略することとする。
例えば、図8(a)に示すように、冷却セル21のフランジ21cと、上部ハウジング11Uとの間に断熱部材51を介在させることもできる。この断熱部材51は、断面視ロ字状で、その両端部が閉塞されて内部空間51aが略真空にひかれている。このような断熱部材51を用いる場合、冷却セル21のフランジ21cと断熱部材51は、押さえ部材52およびビス26によって、上部ハウジング11Uに固定される。
【0024】
また、図8(b)に示すように、冷却セル21のフランジ21c’の部分を断面視略ロ字状とし、その内部空間53を略真空にひいた構成とすることもできる。この場合も、冷却セル21のフランジ21c’は、押さえ部材52およびビス26によって上部ハウジング11Uに固定される。
これら略真空の内部空間51a、53を介在させることにより、この部分で自然対流による熱伝達がほとんど発生しないので、それだけ断熱効率を高くすることができる。
【0025】
また、図9に示すように、冷却セル21を、断面視略逆U字状ではなく、断面視略ロ字状のチューブ状とし、これを上部ハウジング11Uの外周面に密着固定することもできる。この場合も、冷却セル21と上部ハウジング11Uとの間に、図8(a)に示したような断熱部材51を介在させることも有効である。
【0026】
さらに、図10に示すように、上部ハウジング11Uに、外周側に突出し、ハウジング11の周方向に連続する一対の突条41、41を形成し、これら突条41の先端部にプレート42を固定し、これによって冷却セル21を構成することもできる。この場合、上部ハウジング11Uの外周面、一対の突条41、41、プレート42によって囲まれる部分が冷却流路22とされる。この場合も、突条41、41の先端部とプレート42との間に、図8(a)に示したような断熱部材51を介在させることもできる。
【0027】
[他の実施の形態]
図11は、冷却セル21を二重構造とする場合の例である。
図11に示すように、冷却セル21は、第一冷却セル70と、第二冷却セル71とをハウジング11の径方向に積層した構成となっている。
第一冷却セル70は、図4に示した冷却セル21と同様、断面視略逆U字状であり、その開口端側のフランジ部70aにて、ビス26によって上部ハウジング11Uの外周面に固定されている。また、第一冷却セル70のフランジ部70aと上部ハウジング11Uとの間には、図8(a)に示したような断熱部材51を介在させてもよい。
一方、第二冷却セル71は、断面視略ロ字状のチューブ材からなり、第一冷却セル70の外周面側に積層されている。
【0028】
そして、これら第一冷却セル70、第二冷却セル71のそれぞれには、図2に示した流体供給管32、流体排出管33が接続され、流体の供給装置31から供給された流体が第一冷却セル70、第二冷却セル71に流れ込み、流体排出管33から排出されるようになっている。
このような冷却セル21では、蒸気タービン10の運転の停止後、供給装置31から供給される、大気圧以上に加圧された工場エアーが流体供給管32を介して第一冷却セル70および第二冷却セル71内に送給され、流体排出管33を介して冷却セル21外に排出される。このとき、流体が第一冷却セル70内を通過することで、上部ハウジング11Uの外周面と流体の間で熱交換が行われ、上部ハウジング11Uが冷却されることになる。さらに、上部ハウジング11Uとの熱交換によって温度が上昇した第一冷却セル70に第二冷却セル71が接しているので、第一冷却セル70の熱は第二冷却セル71に伝わる。そして、この熱は、第二冷却セル71内を通る流体によって奪われ、冷却セル21外へと排出される。これによって、第一冷却セル70の第二冷却セル71側の壁面の温度を下げることができ、同時に上部ハウジング11Uから第一冷却セル70の壁面へ向かう輻射電熱も促進でき、これらの作用によって第一冷却セル70による冷却性能が一層向上する。
ここで、冷却セル21として、第一冷却セル70と第二冷却セル71を2段に積層する構成を示したが、3段以上に積層することもできる。
【0029】
また、このように積層構造を採用する冷却セル21においても、図12〜図13に示すような変形例が考えられる。
例えば、図12(a)に示すように、第一冷却セル70、第二冷却セル71の双方を断面視略ロ字状とし、これらを積層して冷却セル21を構成することもできる。この場合、第一冷却セル70、第二冷却セル71は、押さえ部材79およびビス26によって上部ハウジング11Uに固定される。
また、図12(b)に示すように、第一冷却セル70を断面視略ロ字状とし、これに積層する第二冷却セル71を断面視略逆U字状とすることもできる。この場合、第一冷却セル70と第二冷却セル71の継ぎ目にはシール材27を塗布し、第二冷却セル71内の気密を保つ。この場合も、第一冷却セル70、第二冷却セル71は、押さえ部材79およびビス26によって上部ハウジング11Uに固定される。
さらに、図12(c)に示すように、断面視略逆U字状の第一冷却セル70に、同じく断面視略U字状の第二冷却セル71を積層する構成とすることもできる。この場合、第二冷却セル71の開口端側の両端部が第一冷却セル70の外側面に当接するようにし、双方をビス26で連結するのが好ましい。
【0030】
この他、図13(a)に示すように、上部ハウジング11Uに、外周側に突出し、ハウジング11の周方向に連続する一対の突条41、41を形成し、これら突条41、41の先端部断面視ロ字状の第二冷却セル71を積層する構成とすることもできる。この場合、上部ハウジング11Uの外周面、一対の突条41、41、第二冷却セル71によって囲まれる部分が第一冷却セル70とされる。この場合も、突条41、41の先端部と第二冷却セル71との継ぎ目に、シール材27を塗布するのが好ましい。
また、図13(b)に示すように、突条41、41の先端部に段部41a、41aを形成し、ここに第二冷却セル71を積層し、突条41の外側からビス26によって突条41と第二冷却セル71を連結してもよい。この場合も、突条41と第二冷却セル71との継ぎ目にシール材27を塗布するのが好ましい。このような構成とすれば、第二冷却セル71の位置決めが容易となり、冷却セル21の設置の効率化が図れ、また保守や点検の際の作業性も向上する。
【0031】
また、冷却セル21における冷却効率を高めるには、図14、図15に示すような構成が有効である。
図14に示す例は、冷却セル21内に、多数の貫通孔90aを有した板体90を、冷却流路22を上下に二分して仕切るように取り付けた構成となっている。そして、冷却セル21内には、板体90の上面側に工場エアー等の冷却用の流体が導入され、貫通孔90aから流体を下方に噴出させ、下方の上部ハウジング11Uの外周面に噴き付ける(衝突させる)。これにより、上部ハウジング11Uは、いわゆるインピンジメント冷却(衝突噴流冷却)によって効率良く冷却され、冷却に要する流体の量を減少させることができる。
このような構成においては、図14に示したように、流体供給管32を、冷却セル21の上面側に接続するのが好ましい。これは、冷却セル21内において、板体90の上面側に冷却用の流体を送給するためである。この場合、送給する流体は、工場エアーのように、所定以上の圧力を有した圧縮流体であるのが好ましい。
【0032】
図15(a)〜(d)に示す例では、冷却セル21内を通る冷却用の流体に乱流を生じさせる構成となっている。
図15(a)では、上部ハウジング11Uの外周面の、冷却セル21内の冷却流路22に臨む位置に、多数のディンプル(乱流促進部)91が形成されている。このディンプル91によって、冷却セル21内を流れる流体の流れに乱流が生じることで、流体と上部ハウジング11Uとの間での熱伝達率が高められる。なお、ディンプル91の形状はいかなる形状であっても良い。
図15(b)、(c)では、冷却セル21内において、上部ハウジング11Uの外周面に、冷却セル21が連続する方向に所定間隔毎に乱流促進板(乱流促進部)92を設ける。この乱流促進板92は、所定の高さeを有しており、冷却セル21が連続する方向に直交する方向、つまり冷却セル21の幅方向に延在するよう設けられている。ここで、冷却セル21が連続する方向において互いに前後する2枚の乱流促進板92の間隔Pは、P/e=10程度となるように設定するのが好ましい。このような乱流促進板92を冷却セル21内に配置することで、冷却セル21内を流れる流体の流れに上部ハウジング11Uの外周面に沿う側で乱流が生じ、流体と上部ハウジング11Uとの間での熱伝達率が高められる。
図15(d)では、冷却セル21内に、冷却セル21の上面と上部ハウジング11Uの外周面とを結ぶ方向に延在する乱流促進ピン(乱流促進部)93を多数設けている。このような乱流促進ピン93によっても、冷却セル21内を流れる流体の流れに乱流が生じ、流体と上部ハウジング11Uとの間での熱伝達率が高められる。
このようにして、冷却セル21内において、流体と上部ハウジング11Uとの間の熱伝達効率を高めることで、より効率の良い冷却が行え、冷却に要する流体の量を減少させること等が可能となる。
【0033】
この他、例えば、流体供給管32として、図16に示すように、二重管61を採用することもできる。ここで、二重管61を構成する外管61aと内管61bとの間には隙間を有しており、流体の供給装置31から送給される流体は、内管61b内を通るようになっている。このような構成とすると、内管61bと外管61aとの隙間に存在する空気によって、断熱効果を高めることができ、内管61b内を通る流体の不用意な温度上昇を防いで、冷却効率を高めることができる。
このような構成において、内管61bと外管61aとの隙間に水等の冷却媒体を流し、内管61bを流れる流体を冷却するようにしたり、内管61bと外管61aとの隙間を略真空に引いて断熱効果を高めることで、さらに冷却効率を高めることもできる。
特にこのような二重管61は、流体供給管32において、高温となる蒸気タービン10や他の熱源の近傍にのみ設置するのが設置コストの面から好ましい。
【0034】
なお、上記に示した実施の形態では、冷却セル21の例として、様々なものを例示したが、上記したものに限らず、さらに他の構成を採用することも可能である。もちろん、冷却セル21の断面形状や設置位置、設置数等は、所望の効果が得られるよう、適宜設定すれば良い。
また、上記実施の形態では、タービンの一例として蒸気タービン10を例に挙げたが、ガスタービンや軸流式の空気圧縮機等、その他のタービンを備える機械にも同様の構成が適用できるのは言うまでも無い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、適宜組み合わせたり、他の構成に変更すること等が可能である。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蒸気タービンのハウジングの上部外周面に設けた冷却セルに、蒸気タービンの停止時に流体を強制的に供給することによって、ハウジングの上部を冷却する構成とした。これにより、蒸気タービンのハウジングの反りを抑えることができる。その結果、蒸気タービンの回転軸側とハウジング側のクリアランスの縮小化を図ることが可能となり、タービンの性能向上を図ることができる。しかも、冷却用の流体として工場エアーを使用することで、特に新たな設備を導入する必要もなく、低コストで上記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施の形態におけるタービンの全体構成を示す図である。
【図2】 タービンの冷却システムの構成を示す図である。
【図3】 タービンのハウジングに備えた冷却セルを示す斜視断面図である。
【図4】 冷却セルの具体的な構造の例を示す図である。
【図5】 タービンの冷却システムの他の実施の形態を示す図である。
【図6】 タービンの冷却システムの、さらに他の実施の形態を示す図である。
【図7】 タービンの冷却システムの、さらに他の実施の形態を示す図である。
【図8】 冷却セルの他の例を示す図である。
【図9】 冷却セルのさらに他の例を示す図である。
【図10】 冷却セルのさらに他の例を示す図である。
【図11】 冷却セルの他の実施の形態であり、積層構造とした冷却セルの例を示す図である。
【図12】 積層構造の冷却セルの他の例を示す図である。
【図13】 積層構造の冷却セルのさらに他の例を示す図である。
【図14】 インピンジメント冷却方式の冷却セルを示す図である。
【図15】 乱流を促進させる方式の冷却セルを示す図であって、(a)はディンプルを設けた例、(b)は乱流促進板を設けた例、(c)は(b)の側断面図、(d)は乱流促進ピンを設けた例である。
【図16】 流体供給管の他の例を示す図である。
【図17】 従来のタービンの構成を示す図である。
【符号の説明】
10…蒸気タービン(タービン)、11…ハウジング、11U…上部ハウジング、12…構造物、13…回転軸、20…冷却システム(温度調整システム)、21…冷却セル、22…冷却流路、30…供給システム、31…供給装置、32…流体供給管(供給管)、33…流体排出管(排出管)、34、35…バルブ、36…コントローラ、80…ファン、90…板体、90a…貫通孔、91…ディンプル(乱流促進部)、92…乱流促進板(乱流促進部)、93…乱流促進ピン(乱流促進部)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a turbine such as a steam turbine that becomes high temperature during operation, and a temperature adjustment system thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a steam turbine has a configuration in which a rotation shaft is provided in a vehicle compartment formed by a housing, and a high-pressure turbine portion, a low-pressure turbine portion, and the like are formed between the rotation shaft and the housing. The rotation shaft is driven to rotate by feeding steam into the turbine section.
As shown in FIG. 17, a
The
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the steam turbine having the above-described structure, the lower side of the
Conventionally, since the clearance between the
In order to cope with this, the clearance must be increased in order to prevent contact in this portion, and as a result, there is a limit in improving the performance of the steam turbine.
[0004]
In order to solve such a problem, a technique has been considered in which a panel heater is provided on the lower side of the
[0005]
The present invention has been made based on such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a turbine and a turbine temperature adjustment system that can suppress the warpage of the housing and improve the performance of the turbine. To do.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
For this purpose, the turbine of the present invention includes a housing that forms an outer shell thereof, a rotary shaft that is rotatably provided in the housing and includes a blade row around the housing, an upper portion of the housing, and an outer peripheral surface of the housing. And a cooling cell provided along. A fluid for cooling the upper part of the housing is forcibly supplied from the outside to the cooling cell after the operation of the turbine is stopped. Thereby, only the upper part of the housing is cooled.
The cooling cell is formed with openings at the lower end portions on both sides in the circumferential direction of the housing and the upper central portion of the housing, and fluid is fed into the cooling cells from the openings formed at the lower end portions on both sides in the circumferential direction of the housing. Then, it is discharged out of the cooling cell through an opening formed in the upper central portion of the housing. Such a cooling cell is for suppressing the warpage of the housing due to the temperature difference between the upper and lower sides of the housing caused by natural convection after the turbine operation is stopped, and the amount of deformation due to the warpage of the housing caused by the natural convection is small. It is preferable to arrange in a large place. Moreover, it is preferable to provide the cooling cell by fixing the opening side of the substantially U-shaped material in a sectional view to the outer peripheral surface of the housing.
By the way, as a means for forcibly feeding the fluid to the cooling cell, for example, factory air fed to each part in the factory where the turbine is installed can be used. The factory air is compressed by the compressor and has a pressure higher than atmospheric pressure, and is lower than the temperature of the turbine housing after shutdown. Moreover, it can also be set as the structure which forcibly introduces a fluid into a cooling cell with a fan.
The supply of fluid such as factory air to the cooling cell may be performed by manually opening and closing a valve or the like, but a controller may be provided to automatically control the supply of fluid.
A plurality of cooling cells may be provided at intervals in the axial direction of the housing. Further, the cooling cell may have a so-called stacked structure including a first cooling cell provided along the outer peripheral surface of the housing and a second cooling cell stacked on the outer peripheral surface side of the first cooling cell. .
Furthermore, a plate body having a plurality of holes and partitioning the inside of the cooling cell into two upper and lower layers is provided, and the fluid forcedly fed from the outside into the cooling cell is passed through the hole of the plate body to the outer periphery of the housing. It can also be set as the structure sprayed on a surface. Furthermore, it can also be set as the structure which accelerates | stimulates generation | occurrence | production of a turbulent flow by the turbulent flow promotion part to the fluid forcedly supplied from the outside in a cooling cell. As such a turbulent flow promoting portion, it is conceivable to form irregularities such as dimples on the outer surface of the housing, or provide wall-like or columnar (pin) -like projections.
[0007]
A turbine temperature adjustment system according to the present invention includes a cooling cell provided along an outer peripheral surface of an upper portion of a turbine housing in which a rotating shaft is accommodated, and a supply pipe for supplying fluid to a flow path of the cooling cell. A discharge pipe for collecting fluid discharged from the flow path of the cooling cell, an air supply device for supplying factory air supplied to each part in the factory where the turbine is installed to the supply pipe, and operation of the turbine And a controller for controlling the supply of fluid from the supply pipe to the flow path of the cooling cell, and the cooling cell has an opening formed at a lower end portion on both sides in the circumferential direction of the housing and an upper central portion of the housing. Is fed into the cooling cell from the openings formed at the lower ends on both sides in the circumferential direction of the housing, and is discharged out of the cooling cell through the openings formed in the upper central portion of the housing. To.
At this time, it is preferable that the controller supplies factory air into the flow path of the cooling cell when the temperature difference between the upper part and the lower part of the housing becomes equal to or greater than a predetermined set value after the operation of the turbine is stopped.
Here, the air supply device is a compressor or the like serving as a supply source of factory air, and the supply pipe is a pipe for supplying factory air from the compressor to various facilities in the factory. In the discharge pipe, factory air that has passed through the flow path of the cooling cell is recovered, but the recovered factory air can be reused as factory air, that is, sent to other equipment as factory air. .
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining the overall configuration of the steam turbine in the present embodiment.
As shown in FIG. 1, a steam turbine (turbine) 10 is housed in a
The
The rotating
The outer diameter of the
[0009]
Now, in the present embodiment, the
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and shows the
As shown in FIGS. 2 and 3, the
[0010]
The cooling
Further, a
The cooling
[0011]
FIG. 4 shows a specific attachment structure of the cooling
As shown in FIG. 4 (a), the cooling
[0012]
At this time, as shown in FIG. 4 (b), it is preferable to provide a
[0013]
As shown in FIG. 2, the
The
[0014]
At this time, the
[0015]
The
The
[0016]
In the present embodiment, factory air of a factory where the
The
[0017]
In such a
[0018]
Thereby, the temperature difference between the upper and lower sides of the
Thereby, the performance of the
[0019]
Further, the
In addition, since the cooling
[0020]
(Other embodiments)
In the above embodiment, the factory air discharged from the
To achieve such a configuration, as shown in FIG. 5A, a
In such a configuration, when the temperature difference between the predetermined positions of the
Here, instead of the
Further, as shown in FIG. 5C, a plurality of
In the configurations shown in FIGS. 5B and 5C, the temperature difference between the predetermined positions of the
It should be noted that the
[0021]
In the above embodiment, the factory system air is used as the cooling fluid in the
In the example shown in FIG. 6, air is forcibly sent from the
[0022]
In the example shown in FIG. 7, the air in the cooling
In the configuration as shown in FIGS. 6 and 7, even if it is difficult to use factory air, it is possible to obtain the same effect as in the above embodiment by providing the
[0023]
(Another example of the cooling cell 21)
Below, the other example of the cooling
For example, as shown in FIG. 8A, a
[0024]
Further, as shown in FIG. 8 (b), the
By interposing these substantially vacuum
[0025]
Further, as shown in FIG. 9, the cooling
[0026]
Further, as shown in FIG. 10, a pair of
[0027]
[Other embodiments]
FIG. 11 shows an example in which the cooling
As shown in FIG. 11, the cooling
The
On the other hand, the
[0028]
The
In such a
Here, as the cooling
[0029]
Moreover, also in the cooling
For example, as shown in FIG. 12A, both the
Further, as shown in FIG. 12B, the
Further, as shown in FIG. 12C, a configuration may be adopted in which a
[0030]
In addition, as shown in FIG. 13A, the
Further, as shown in FIG. 13 (b),
[0031]
Moreover, in order to improve the cooling efficiency in the cooling
The example shown in FIG. 14 has a configuration in which a
In such a configuration, it is preferable to connect the
[0032]
In the example shown in FIGS. 15A to 15D, a turbulent flow is generated in the cooling fluid passing through the cooling
In FIG. 15A, a large number of dimples (turbulence promoting portions) 91 are formed on the outer peripheral surface of the
15B and 15C, in the cooling
In FIG. 15D, a large number of turbulent flow promoting pins (turbulent flow promoting portions) 93 extending in the direction connecting the upper surface of the cooling
In this way, by increasing the heat transfer efficiency between the fluid and the
[0033]
In addition, for example, as the
In such a configuration, a cooling medium such as water is passed through the gap between the
In particular, it is preferable that such a
[0034]
In the above-described embodiment, various examples are given as examples of the cooling
Moreover, in the said embodiment, although the
In addition to this, as long as the gist of the present invention is not deviated, the configurations described in the above embodiments can be selected, appropriately combined, or changed to other configurations.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the structure is such that the upper part of the housing is cooled by forcibly supplying the fluid to the cooling cell provided on the upper outer peripheral surface of the housing of the steam turbine when the steam turbine is stopped. did. Thereby, the curvature of the housing of a steam turbine can be suppressed. As a result, the clearance between the rotating shaft side and the housing side of the steam turbine can be reduced, and the performance of the turbine can be improved. In addition, by using factory air as a cooling fluid, it is not necessary to introduce new equipment, and the above effects can be obtained at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a turbine in the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a turbine cooling system.
FIG. 3 is a perspective sectional view showing a cooling cell provided in a turbine housing.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a specific structure of a cooling cell.
FIG. 5 is a diagram showing another embodiment of a turbine cooling system.
FIG. 6 is a diagram showing still another embodiment of a cooling system for a turbine.
FIG. 7 shows still another embodiment of a turbine cooling system.
FIG. 8 is a diagram showing another example of a cooling cell.
FIG. 9 is a diagram showing still another example of the cooling cell.
FIG. 10 is a diagram showing still another example of the cooling cell.
FIG. 11 is a view showing another example of the cooling cell according to another embodiment of the cooling cell having a laminated structure.
FIG. 12 is a view showing another example of a cooling cell having a laminated structure.
FIG. 13 is a view showing still another example of a cooling cell having a laminated structure.
FIG. 14 is a view showing a cooling cell of an impingement cooling method.
FIGS. 15A and 15B are diagrams showing a cooling cell that promotes turbulent flow, in which FIG. 15A shows an example in which dimples are provided, FIG. 15B shows an example in which turbulent flow promotion plates are provided, and FIG. (D) is the example which provided the turbulent flow promotion pin.
FIG. 16 is a view showing another example of a fluid supply pipe.
FIG. 17 is a diagram showing a configuration of a conventional turbine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記ハウジング内に回転自在に設けられ、その周囲に翼列を備えた回転軸と、
前記ハウジングの上部に、当該ハウジングの外周面に沿って設けられ、前記タービンの運転停止後に当該ハウジングの上部を冷却するために外部から強制的に送給される流体の通路となる冷却セルと、を備え、
前記冷却セルは、前記ハウジングの周方向両側の下端部と前記ハウジングの上部中央部とに開口部が形成され、
前記流体は、前記ハウジングの周方向両側の下端部に形成された前記開口部から前記冷却セル内に送給され、前記ハウジングの上部中央部に形成された前記開口部から前記冷却セル外に排出されることを特徴とするタービン。A housing that forms the outer shell of the turbine;
A rotating shaft provided rotatably in the housing and provided with a blade row around it;
A cooling cell that is provided on the upper part of the housing along the outer peripheral surface of the housing, and serves as a passage for a fluid that is forcibly supplied from the outside in order to cool the upper part of the housing after the operation of the turbine is stopped; With
The cooling cell has an opening formed at a lower end portion on both sides in the circumferential direction of the housing and an upper central portion of the housing,
The fluid is fed into the cooling cell from the opening formed at the lower ends on both sides in the circumferential direction of the housing, and is discharged out of the cooling cell from the opening formed at the upper center portion of the housing. Turbine characterized by being made .
外部から前記冷却セル内に強制的に送給される流体が前記板体の前記孔から前記ハウジングの外周面に噴き付けられることを特徴とする請求項1に記載のタービン。The cooling cell includes a plate body having a plurality of holes and dividing the inside of the cooling cell into two upper and lower layers,
2. The turbine according to claim 1, wherein a fluid forcibly fed from the outside into the cooling cell is sprayed from the hole of the plate body to the outer peripheral surface of the housing.
前記冷却セルの流路に流体を供給する供給管と、
前記冷却セルの流路から排出される流体を回収する排出管と、
前記タービンが設置された工場内の各部に送給される工場エアーを前記供給管に供給するエアー供給装置と、
前記タービンの作動に基づいて前記供給管から前記冷却セルの流路に対する流体の供給を制御するコントローラと、を備え、
前記冷却セルは、前記ハウジングの周方向両側の下端部と前記ハウジングの上部中央部とに開口部が形成され、
前記流体は、前記ハウジングの周方向両側の下端部に形成された前記開口部から前記冷却セル内に送給され、前記ハウジングの上部中央部に形成された前記開口部から前記冷却セル外に排出されることを特徴とするタービンの温度調整システム。A cooling cell that is provided along the outer peripheral surface of the housing at the top of the turbine housing in which the rotating shaft is housed, and has a fluid flow path;
A supply pipe for supplying fluid to the flow path of the cooling cell;
A discharge pipe for collecting fluid discharged from the flow path of the cooling cell;
An air supply device for supplying factory air to be supplied to each part in the factory where the turbine is installed, to the supply pipe;
A controller for controlling the supply of fluid from the supply pipe to the flow path of the cooling cell based on the operation of the turbine ,
The cooling cell has an opening formed at a lower end portion on both sides in the circumferential direction of the housing and an upper central portion of the housing,
The fluid is fed into the cooling cell from the opening formed at the lower ends on both sides in the circumferential direction of the housing, and is discharged out of the cooling cell from the opening formed at the upper center portion of the housing. temperature control system of the turbine, characterized in that the.
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