JP4162724B2 - 内部冷却形蒸気タービンのタービン軸並びにタービン軸の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に高圧及び中圧翼植込部を収容するための蒸気タービンのタービン軸、並びに蒸気タービンのタービン軸の冷却方法に関する。
蒸気タービンの効率の向上のために、より高い圧力及びより高い温度の蒸気が使用されている。そのような蒸気の使用により対応する蒸気タービンに高度な要求が課せられる。数百ＭＷの出力範囲の蒸気タービンでは高圧タービン部、中圧タービン部並びに後続の低圧タービン部を有する単軸くし形タービンが好適である。場合によっては多数の部品から構成されたタービン軸に高圧動翼並びに中圧動翼が収容される。各タービン部は、それぞれ例えば水平に分割され互いにねじ締めされる内部ケーシング及び外部ゲージングを有することができる。高圧蒸気により特徴付けられる生蒸気状態は約１７０バール、５４０℃になる。更に効率を向上するために、生蒸気状態を２７０バール、６００℃にすることが求められている。高圧蒸気はタービン軸に導かれ、高圧翼植込部を貫流して出口接続管に到る。ここで膨張し冷却された蒸気は、ボイラに導かれそこで新たに加熱することができる。高圧タービン部出口での蒸気状態は、以下に“冷たい中間過熱”として、又ボイラの通過後の蒸気状態は“熱い中間過熱”と称する。ボイラから出た蒸気は中圧翼植込部に導かれる。その蒸気状態は３０及至５０バール、５４０℃であり、約５０及至６０バールで６００℃の蒸気状態への向上が望まれている。蒸気流入範囲、特に中圧タービン部においては、軸遮蔽部によりタービン軸を蒸気との直接接触から保護する構造的対策をとることができる。
ドイツ特許出願公開公報第１９５３１２９０Ａ１に、軸上に配置されたコンプレッサー部、中間部及びタービン部よりなる熱タービンのためのロータが示されている。このロータは好適には個別に互いに溶接された回転体より組み立てられており、その幾何学的形状がそれぞれ隣り合う回転体の間に軸対称な中空空間を形成する。ロータは、軸方向にロータの流入側終点から上流に向って最後の中空空間に到る迄の円筒状の中空空間を持っている。この円筒の中空空間には、互いに異なった直径と長さの少なくとも２本のパイプが取付けられている。これでもってタービンのロータは、ごく短時間でその運転状態にもたらされ、容易に熱的に調節可能となり、すなわち要求に対応し比較的少ない費用で加熱及び冷却が可能となろう。
米国特許第５、０５４、９９６明細書は、一本の軸方向のテンションロッドで互いに結合されたロータディスクから成るガスタービンロータに関する。ガスタービンロータを通って空気が導かれ、それによってロータとロータディスクがほぼ均等に加熱及び冷却される。
日本特許抄録Ｎ−３０３、Ｖｏｌ．８、Ｎｏ．１３２，１９８４年６月２０日号（特開昭５９−３４４０２号）には蒸気タービンのタービン軸が記載されている。この唯一の蒸気タービンのタービン軸はその内部に軸方向の孔を有し、孔の中央に冷却流体が流され、流体は孔の終点で両側に再び流出する。
本発明の課題は、特に局部的に発生する高い運転時の熱負荷に長時間安定に耐える蒸気タービンの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、蒸気タービンのタービン軸の冷却方法を提供することにある。
蒸気タービンのタービン軸に関する課題は、本発明により下記の手段で解決される。すなわちタービン軸はその回転軸に沿って配列され、タービン軸は、第一のタービン部の第一の翼植込部と第二のタービン部の第二の翼植込部、並びにその中間に軸受部、円筒表面及びその内部に回転軸の方向に冷却蒸気を導くための冷却配管を備え、冷却配管は、一方では冷却蒸気の排出のための少なくとも１つの流出配管と、他方では冷却蒸気の流入のための少なくとも１つの流入配管とに接続される。
タービン軸の内部に延びている冷却配管を通して、冷却蒸気は回転軸の方向へタービン軸を貫流可能であり、流出配管を通って導かれる。これによって、タービン軸の高い熱負荷にさらされる範囲、特に蒸気の流入範囲が内部から、並びに円筒表面及び動翼植込部において冷却可能となる。冷却配管は、回転軸に対して斜めに或はこの軸に巻きつくようにすることもでき、回転軸の方向に冷却蒸気の搬送を可能にする。更にまた、タービン軸に翼植される動翼、特にその翼脚部の冷却も可能である。冷却配管の製造方法次第で、流出配管と流入配管を冷却配管の一部として構成することも当然可能である。更に２本以上の冷却配管を設けることも勿論可能であり、その際多数の冷却配管を互いに結合し、それぞれ１本又は多数の流出配管もしくは流入配管と結合することもできる。回転軸の方向に予め設定可能な間隔で隣接する流出配管を配置し、冷却配管と接続することも同様に可能である。高い熱負荷にさらされる軸部分の冷却は、従って配管、ケーシング貫通部及びタービン制御装置に関して著しい費用を要さずに行うことができる。これに対し例えば外部からケーシングと静翼を通ってタービン軸迄冷却蒸気でタービン軸を冷却をする場合には、タービン軸の円筒表面を直接冷却するために、構造上非常に高い費用が必要となろう。
特に高圧タービン部と中圧タービン部を備えた単軸くし形蒸気タービンのタービン軸が好適である。この場合タービン軸は軸受部分で互いに結合された２つのタービン部品より成っており、その際それぞれのタービン軸部品は１本の冷却配管を有し、これらの冷却配管は軸受部分で互いに接続される。各タービン軸部品或はタービン軸全体は、それぞれ鍛造部品から製作される。これにより、高温にさらされ特に双流にされている中圧タービン部の蒸気流入部を高圧タービン部からの蒸気で冷却することが可能となる。高圧部に比較して中圧部は、低い蒸気圧のため明らかに多い体積流とそれに伴うより大きな軸直径とより長い翼が必要であるので、中圧タービン部の動翼脚部とタービン軸の熱機械的応力は高圧タービン部よりも大きくなる。その上高圧部と中圧部はそれぞれ同様の温度にさらされているので、タービン軸の材料特性値、例えば耐久性と切り欠き靭性は同様に等しく、それによって中圧部の熱機械的負荷がより高くなるために、中圧部は高圧部より危険にさらされる恐れがある。この問題は特に中圧部のタービン軸がその内部、特に軸の中心並びに円筒表面、特に動翼の脚部範囲で冷却蒸気で冷却されることによって解決される。好適には高圧タービン部から蒸気は排出蒸気部分から或いは２つの段の間の半径方向の孔を介して軸の内部に導入される。この冷却蒸気は圧力勾配のために高圧及び中圧軸の中空孔を介して中圧タービン部に流れる。特に中圧タービン部が双流形式の場合は、その蒸気は好適には中圧タービン部の蒸気流入範囲のタービン軸のカバープレート（軸遮蔽部）の下方でタービン軸から流出し、膜冷却効果により蒸気流入範囲と第一タービン段の範囲でタービン軸の温度の低下をもたらす。用途次第では冷却蒸気は軸方向に互いに間隔を持った２つのタービン段の間に流出させるか、動翼、特に少なくとも部分的に中空孔を持った動翼の冷却のために使用される。高圧タービン部の蒸気流出範囲と中圧タービン部の蒸気流入範囲の間の圧力差は例えば４〜６バールとすることができる。冷却配管の断面積の対応した寸法決めによって蒸気の流入は制御可能であるので、蒸気タービンの広範囲の出力範囲にわたって十分な冷却配管であることが保証される。
タービン軸が支持されている軸受部分に、半径方向の熱の流れを妨げるために断熱部が備えられると好適である。冷却蒸気からタービン軸材料への熱伝導の低下によって軸受の過熱は予防される。特にこの場合冷却配管とタービン軸材の間に中間室を設け、これをリング状の間隙として形成してもよい。この中間空間には流体、好適には冷却蒸気が存在し、それが断熱部となりそれでもって冷却配管を通して流れている冷却蒸気の強制対流によるタービン軸への強い熱伝導を妨げする。冷却配管はこの場合軸受の部分に特に断熱配管を備え、中空空間で囲まれるようにする。断熱配管は特に中空空間に通じる少なくとも１つの開口部を有する。開口部、特に孔を通して中空空間と冷却配管の間の圧力平衡が得られ、それによって蒸気タービンの定常運転において発生する冷却蒸気の高い圧力による断熱配管の変形が防がれる。
第二の翼植込部分は好適には双流になっており、中圧段の翼植込部の収容に用いられる。このようなタービン軸は、高圧タービン部及び双流の中圧タービン部を持った蒸気タービンに組み込まれる。第二の翼植込部分を単流にすることも同様に可能であり、この場合タービン軸は好適には単流中圧タービン部を持った蒸気タービンに組み込まれる。流出配管は好適には中圧動翼の蒸気流入部分、特にタービン軸の軸遮蔽部の範囲に通じている。
冷却配管は好適には回転軸にほぼ平行な孔、特に中心孔である。孔として形成された冷却配管は特に簡単且つ正確にタービン軸に後から加工可能である。合成によるタービン軸の場合は、それぞれのタービン部の軸に同じ直径の中心孔を施し、各タービン部の軸をつなぎ合せる際に同じ直径の唯１本の冷却配管を形成すると好適である。流入配管は好適には流出配管と同様に円筒表面を冷却導管に結合する。これによって冷却蒸気、特に高圧タービン部からの蒸気は、タービン軸の終段の円筒表面からタービン軸の内部を通って第二の翼植込部の蒸気流入部に導かれる。これは単軸くし形の高圧及び中圧タービン部軸の場合特に有利である。何故なら、高圧タービン部の出口部分からの蒸気は、それでもって中圧タービン部の蒸気流入部に導かれるからである。流入配管及び／又は流出配管はほぼ半径方向の孔とすると好適である。そのような孔は、タービン軸の製作後にも簡単に実現可能であり、又そのような孔は、軸方向の孔として形成された冷却配管と正確に結合可能である。流入及び流出配管のための孔の直径及び数は、冷却のために用意された蒸気の量に応じて決められる。
タービン軸はタービンの動翼を収容するのために切り欠きを有し、好適には流出配管がこの切り欠きの一つに通じている。この場合、タービン動翼の翼冷却のため冷却蒸気を導入することも又可能である。タービン動翼を収容するための切り欠きは、この際各動翼の翼脚部より少し大き目にし、それでもって対応する翼脚部とタービン軸の間に隙間を作り、その中に翼脚部冷却蒸気を流すことが可能である。この空間は、流出配管及び／又は相互に結合可能な流路によっても形成可能である。流出配管が通じている切り欠きからタービン軸の円筒表面に分岐配管が通じている。それでもって翼脚部の冷却の他に円筒表面の冷却とタービン軸の冷却も外部から達成される。流出配管は円筒表面で軸方向に互いに離れた切り欠き間に通じることも同様に可能である。第二の翼植込部が双流形式の場合は、流出配管は好適には軸遮蔽部により形成された中空空間に通じており、その際軸遮蔽部は、単流蒸気を双流に分割させるのに役立つ。好適には中圧タービン部の第一の動翼列、特にその翼脚と翼面の冷却が行われる。軸表面に通じている流出配管及び／又は分岐配管によって軸表面、特に蒸気流入範囲に一番近くにあるタービン翼（タービンの第一段）の部分の膜冷却が達成される。
流入配管は好適には高圧タービン部の蒸気出口部を冷却配管に結合し、蒸気がそこからタービン軸の内部を通って中圧タービン部に導かれる。流入配管は２つの軸方向に互いに離れた第一の翼植込部分の動翼翼列の間の円筒表面から冷却配管に通じるようにすることも同様に可能である。
蒸気タービンのタービン軸の冷却の方法についての課題は、高圧動翼を収容するための第一の翼植込部分と中圧動翼を収容するための双流の第二の翼植込部分とを持ったタービン軸において、第一の翼植込部分の蒸気範囲からの蒸気がタービン軸の内部を通り軸受部を経由して第二の翼植込部分に導かれることにより解決される。タービン軸内部の蒸気の流れは、特に孔として作られている対応する冷却配管の寸法を適当に設定することにより制御されるので、広い出力範囲にわたってタービン軸の十分な冷却が保証される。蒸気タービンの部分負荷範囲においても高圧タービン部と中圧タービン部の間に圧力差があるので、部分負荷範囲においてもまたこの冷却方法の申し分ない作用が保証される。軸方向の特に中心孔として作られている冷却配管によって、場合によっては接線方向の応力は孔のないタービン軸との比較においてタービン軸の内部で約２倍に上昇する。このタービン軸の場合によっては生じる高い応力は、タービン軸の内部冷却に基づいて、明らかに改良された材料特性でもってより多く補償される。この方法は少なくとも２本のタービン軸（タービン軸部品）から組立られているタービン軸の場合にも適している。その際タービン軸は軸受の部分で互いにつなぎ合される。
図に示された実施例に基づいて、タービン軸並びにタービン軸の冷却方法を詳細に説明する。図は下記の通り。
図１：１本のタービン軸を備えた高圧及び中圧タービン部を有する蒸気タービンの縦断面図。
図２：中圧タービン部の蒸気流入部分のタービン軸抜き出し図。
図３：軸受部分のタービン軸の抜き出し図。
図１に回転軸２に沿って延びている１本のタービン軸１を備えた蒸気タービン２３、２５が示されている。蒸気タービンはそれぞれ内部ケーシング２１とこれを取り囲む外部ケーシング２２を持った高圧タービン部２３と中圧タービン部２５とを有している。高圧タービン部２３は壷型に形成されている。中圧タービン部２５は双流形に作られている。中圧タービン部を単流に作ることも同様に可能である。回転軸２に沿って高圧タービン部２３と中圧タービン部２５の間に軸受２９ｂが配置されており、その際タービン軸１は軸受２９ｂに軸受部分３２を持っている。タービン軸１は高圧タービン部２３の隣りにあるもう一つの軸受２９ａにも支持されている。この軸受２９ａの範囲に高圧タービン部２３は軸封止部２４を有している。タービン軸１は中圧タービン部２５の外部ケーシング２２に対して２つの別の軸封止部２４によってシールされる。高圧蒸気流入部分２７と蒸気流出部分１６の間に、高圧タービン部２３のタービン軸１は高圧動翼植込部分１１、１３を有する。この高圧動翼植込部１１、１３は、詳細に描かれていない動翼でもって、第一の翼植込部分３０を示している。中圧タービン部２５は中央に蒸気流入部１５を持っている。タービン軸１は蒸気流入部１５に、一方では中圧タービン部２５の蒸気を双流に分けるために、そして又タービン軸１と熱い蒸気の直接接触を妨げるためのカバープレートである半径方向に対称な軸遮蔽部９を有している。タービン軸１は、中圧タービン部２５に中圧動翼１１、１４を備えた第二の翼植込部分３１を有している。第二の翼植込部分３１を通って流れる熱い蒸気は、中圧タービン部２５の流出接続管２６から流体的につながっている図示されていない低圧タービン部に流れる。
タービン軸１は２本のタービン部軸１ａ及び１ｂから構成されており、これらの軸は軸受２９ｂの範囲で互いに固く結合されている。それぞれの部分タービン軸１ａ、１ｂは、中心孔として回転軸２に沿って形成された冷却配管５を持っている。冷却配管５は蒸気流出部分１６と、半径方向の孔８ａを備えた流入配管８を介して結合されている。中圧タービン部２５では、冷却媒体配管５は軸遮蔽部９の下の詳しくは示されていない中空空間とつながっている。流入配管８は半径方向の孔８ａとして作られ、そこを通って高圧タービン部２３からの“冷たい”蒸気が中心孔５に流れ込むことができる。軸受部分３２を通り抜けた蒸気は、特に又半径方向に作られた孔７ａとして形成された流出配管７を介して中圧タービン部２５に達し、そこで蒸気は蒸気流入部１５にあるタービン軸１の円筒表面に到る。冷却配管５を通って流れる蒸気６は、蒸気流入部１５に流れ込む中間過熱蒸気より明らかに低い温度を示すので、中圧タービン部２５の第一の動翼列１４及びこの動翼列１４の範囲の円筒表面３の効果的な冷却が保証される。
図２に中圧タービン部２５の蒸気流入部１５の抜き出し図を拡大して示す。タービン軸１の切り欠き１０にそれぞれに対応する翼脚部１８を持った動翼１１、１４が配置されている。切り欠き１０はそれぞれ翼脚１８を囲んで流路２０を有し、その際流路２０は一方では回転軸２に対し半径方向に走る流出配管７と、他方ではそれぞれ分岐配管１２と結合されている。分岐配管１２は切り欠き１０から円筒表面３に導かれ、蒸気タービンの静翼１９に対向している。流出配管７から流出した蒸気６は切り欠き１０の流路２０に到り、それぞれ対応した切り欠きに配置された翼脚１８を冷却する。蒸気６は、流路２０から対応する分岐配管１２を通ってタービン軸１の円筒表面３に流れ、回転軸２の方向に隣合っている動翼１１の間の円筒表面も冷却する。翼冷却配管３８を持つ動翼１１の場合、蒸気６は同様に翼冷却配管３８を通って流れ、動翼１１を内部から冷却する。これは動翼１１に概略を示してある。
図３に高圧タービン部２３のタービン軸１ｂの軸受部３２の抜き出し図を示す。軸受部３２では、冷却配管５が予め与えられた軸方向の長さに沿ってより大きな直径に拡げられている。拡げられた冷却配管５には、断熱配管３６を有する断熱部３３が取付けられる。断熱配管３６は、拡げられていない冷却配管５の直径に一致する内径を持つ。断熱配管３６の外径は、冷却配管の拡げられた直径より小さいので、中空空間３４、特にリング状の隙間３４が断熱配管３６とタービン軸材３５の間に残る。断熱配管３６は、中空空間３４への開口部３７を持つ。タービン軸１の運転に際しては中空空間３４は冷却蒸気６で満たされ、タービン軸材３５と冷却配管５を通って絶えず流れている冷却蒸気６との間の断熱を行う。これによりタービン軸１の運転中の軸受２９ｂの加熱が低く抑えられる。
本発明は、少なくとも１本の流入配管を介して高圧タービン部と及び少なくとも１本の流出配管を介して中圧タービン部の蒸気流入部と結合されている冷却配管を持つタービン軸を特徴としている。流入配管、冷却配管並びに流出配管はタービン軸の内部の配管システムを構成し、そこを通って“より冷たい”蒸気が高圧タービン部から中圧タービン部の熱・機械的に高い負荷が掛かる蒸気流入部に導かれる。これによって高い費用のかかる構造にすることなしに、動翼特にその脚部並びにタービン軸の円筒表面、特に強い負荷を受ける特に双流形式の中圧タービン部の蒸気流入部が冷却される。高圧タービン部と中圧タービン部の間の軸受部には断熱部がタービン軸の内部に設けられ、それによってタービン軸の軸受の過剰な加熱が防止される。

Claims (10)

1. 回転中心軸（２）に沿って配置され、また回転中心軸（２）に沿って第一のタービン部（２３）の第一の翼植込部（３０）、第二のタービン部（２５）の第二の翼植込部（３１）、両者の間にある軸受部（３２）、円筒表面（３）を有し、その内部に回転軸（２）の方向に冷却蒸気（６）の導入のための冷却配管（５）を有し、その際冷却配管（５）は一方では冷却蒸気（６）の流出のための少なくとも１本の流出配管（７）と、他方では冷却蒸気（６）の流入のための少なくとも１本の流入配管（８）と結合されている蒸気タービンのタービン軸（１）において、
   前記冷却配管（５）が軸受部（３２）において半径方向の熱流を減少させるための断熱部（３３）を有し、前記断熱部（３３）が、冷却配管（５）とタービン軸材（３５）との間に断熱配管（３６）と中空空間（３４）とを有し、さらに、前記断熱配管（３６）が中空空間（３４）に通じる少なくとも１つの開口部（３７）を有することを特徴とする蒸気タービンのタービン軸（１）。
2. 複合高圧−中圧−蒸気タービンの高圧動翼（１３）と中圧動翼（１４）を収容するために用いられ、その際流出配管（７）が中圧動翼（１４）の蒸気流入部（１５）に通じていることを特徴とする請求項１記載のタービン軸（１）。
3. 第二の翼植込部（３１）が双流に作られたことを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン軸（１）。
4. 第二の翼植込部（３１）が単流に作られたことを特徴とする請求項２記載のタービン軸（１）。
5. 流入配管（８）が円筒表面（３）から冷却配管（５）に延びていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のタービン軸（１）。
6. 流入配管（８）が、第一の翼植込部（３０）の蒸気流出部（１６）及び／又はタービン動翼（１１）を収容するための２つの軸方向に離れている切り欠き（１０）の間の第一翼植込部（３０）に通じていることを特徴とする請求項５記載のタービン軸（１）。
7. 冷却配管（５）が回転軸（２）にほぼ平行な特に中心の孔（５）であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のタービン軸（１）。
8. 流入配管（８）及び／又は流出配管（７）がほぼ半径方向孔（８ａ、７ａ）であることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のタービン軸（１）。
9. 第二の翼植込部（３１）にタービン動翼（１１）を収容するための切り欠き（１０）を有し、その際流出配管（７）が２つの軸方向に離れている切り欠き（１０）の間の円筒表面（３）に又は１つの切り欠き（１０）に通じており、及び／又はタービン動翼（１１）の翼冷却配管（３８）に結合されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のタービン軸（１）。
10. 流出配管（７）を有している切り欠き（１０）が追加的に分岐配管（１２）を介して円筒表面（３）に結合されることを特徴とする請求項９記載のタービン軸（１）。

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