JP4306706B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンのクロスオーバー管の構造に関するものである。

蒸気タービンの中圧（或いは高圧）タービンから排出された蒸気を低圧タービンに流入させるための連絡管は、一般にクロスオーバー管と呼ばれている。なお、クロスオーバー管に関する従来技術としては、例えば特開平１１−２２９８１８号公報に記載の技術がある。

特開平１１−２２９８１８号公報（図１）

ところで、本来クロスオーバー管は単なる流路に過ぎず、クロスオーバー管内部で生じる損失（圧力損失）がタービン翼を含めたシステム全体での損失に対して比較的小さいうちは、無視することが可能であった。しかし、現在のようにタービン自体の性能が非常に高くなっている場合、発電所全体の発電効率を向上するためにはクロスオーバー管での損失も無視できなくなってきている。

配管内流れにおける主な損失の発生個所は、流れの急拡大，急収縮，急転向（曲り部）がある個所、あるいは合流や分岐など、流れを乱す要因がある個所である。また、分岐，合流部を含む場合、二つの中圧タービン排気出口部同士、及び二つの低圧タービン排気入口部同士の圧力に差異を生じ易いため、タービン内部での流量バランスが設計点からずれ、排気損失を増加させる恐れもある。

なお、前述の特開平１１−２２９８１８号公報の図３には、それぞれの排気の出口と入口を一対一につないだ構造が記載されている。このタイプのクロスオーバー管では、曲がり部がロータ軸上に垂直に伸びる換わりに軸に対して左右に広がる方向へ曲って伸びている。これにより同一構造を持った二本のクロスオーバー管を交差させることなく互い違いに配置することが可能な形状となり、結果的に損失を低減させることが可能である。

しかし、タービンロータの中心軸から左右に離れるようにクロスオーバー管を設置した場合、同時にクロスオーバー管の重心もロータの中心軸から離れることになる。タービン翼は非常に高速で回転しているため、軸の中心のわずかなずれであっても重大な故障に繋がる可能性がある。そのため、このような管構造とする場合には、ひずみが生じにくくなるように頑強なクロスオーバー管を用いるか、あるいは別途、支持補助構造物が必要となる。特に大型プラントの場合には、コストと信頼性において問題が生じる。

本発明の目的は、管内部で生じる圧力損失を低減すると共に、強度上優位な構造としたクロスオーバー管を備えた蒸気タービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の蒸気タービンは、中圧タービンから排出された蒸気を低圧タービンに供給するクロスオーバー管を備えた蒸気タービンにおいて、前記中圧タービンは排気を排出する流出口を２つ、前記低圧タービンは流入口を２つ有し、これらの流出口及び流入口を上面から見て同一直線上に配置し、互いに近い位置にある流出口と流入口、及び互いに遠い位置にある流出口と流入口同士をクロスオーバー管で各々接続し、該クロスオーバー管を上下２段に配置したことを特徴とするものである。

本発明によれば、管内部で生じる圧力損失を低減すると共に、強度上優位な構造としたクロスオーバー管を備えた蒸気タービンを提供することが可能となる。

蒸気タービンの中圧（あるいは高圧）タービンから排出された蒸気を低圧タービンに流入させるクロスオーバー管の基本的構造としては、中圧タービンと低圧タービンの車室数により幾つかの異なるタイプが存在する。本実施例では、中圧タービン（または高圧タービン）側排気出口数と低圧タービン側排気入口数が共に二つで、且つそれらが同一直線状に設置されているものを対象に説明する。

図１に、この場合の最も一般的な蒸気タービン系統図を模式的に示す。以下、この図１を用いて標準的なクロスオーバー管の形状と役割について説明する。

図１は、タンデム（くし型）コンパウンド４フローと呼ばれるタイプの蒸気タービンである。タービンは高圧タービン４，中圧タービン５，低圧タービン６ａ，６ｂの３つの要素で構成され、それらが一本のタービンロータ１でくし型に貫かれ発電機７と連結されている。そして、高圧タービン４，中圧タービン５，低圧タービン６ａ，６ｂと進むに従い、蒸気流路（フロー）数が１，２，４と増加するタイプである。

次に、図１における蒸気の流れについて説明する。ボイラー（図示せず）で加圧，加熱された蒸気は主蒸気配管２を通り、高圧タービン４へ送られる。高圧タービン４にて仕事をした蒸気は、ボイラー再熱器３で再び加熱された後、中圧タービン５へと送られる。ここで中圧タービン５は左右二つの主流路で構成されており、中圧タービン５の中心部から流入した蒸気は、左右に分かれ別々の中圧タービンでそれぞれ仕事を行う。中圧タービン５から排出された蒸気はクロスオーバー管１０を通り低圧タービン６ａ，６ｂに送られる。

クロスオーバー管１０はさらに、合流分岐があるタイプとないタイプに分かれる。図２は、合流分岐があるタイプの代表例である。中圧タービンの二つの中圧排気室出口部13ａ，１３ｂから排出された蒸気は、クロスオーバー管入口直管部１１ａ，１１ｂを通りクロスオーバー管１０に流入し、クロスオーバー管本体の水平配管内で合流する。そして、この蒸気は二つのクロスオーバー管出口直管部１２ａ，１２ｂに分かれ、低圧タービンの低圧排気室入口部１４ａ，１４ｂにそれぞれ流下する。なお、図中の両端曲がり部に接続された配管１５ａ，１５ｂはバランス管と呼ばれ、曲がり部に小さな穴（バランスホール）を設けることにより、タービン軸方向の圧力不均等で生じる力、蒸気反力を緩和する役割を持つ。

図３は、本発明の一実施例であるクロスオーバー管の概略構成を示す図である。なお、図３ではクロスオーバー管の部分のみを抜き出しており、タービン主要部は省略している。

本実施の形態では、まず一直線上に配置された二つの中圧排気室出口部１３ａ，１３ｂと二つの低圧排気室入口部１４ａ，１４ｂに対し、出口部と入口部を一対一に対応させる。その際、距離が近いもの同士と遠いもの同士を対にし、それぞれを上下二段の別々の配管で接続している。すなわち、距離が遠い中圧排気室出口部１３ａと低圧排気室入口部
１４ｂを接続する配管を上段クロスオーバー管１０ａとし、距離が近い中圧排気室出口部１３ｂと低圧排気室入口部１４ａを接続する配管を下段クロスオーバー管１０ｂとしている。また、それぞれの配管はエルボー部と直線部のみで構成し、合流や分岐を含まない構造としている。

更に、それぞれの配管のエルボー部は扁平構造をさせる。その際、配管のどの部分を扁平にするかによって、複数の組合せがあり得る。そこで、扁平部と円筒部の組み合わせについて図４および図５の表を用いて説明する。

本発明における一本のクロスオーバー管を取り上げると、図４に示す様に基本的に二つの垂直管１１０ａ，１１０ｂ、二つのエルボー管１２０ａ，１２０ｂ、及び一つの水平管１００で構成されている。管を扁平にすることによる圧力損失低減の効果を得るためには、図５の表に示す様に少なくとも一つのエルボー管が扁平になっていれば良く、その他の部分は、扁平であっても円筒であっても良いので、全体の形状としては多数の組み合わせがあり得る。図示する実施例は、水平管１００と二つのエルボー管１２０ａ，１２０ｂを扁平にし、垂直管１１０ａ，１１０ｂを円筒にした例に相当する。

また、これらの二つの配管を上下２段に配置する際、それら二つを重ねて下段クロスオーバー管が上段クロスオーバー管を支える構造にすることも可能である。

なお、この図ではバランス管は省略しているが、バランス管を付けた構造と付けない構造の両方があり得る。

ところで、クロスオーバー管は高温蒸気が流れる上流側の中圧タービン車室の中圧排気室出口部と、低温蒸気が流れる下流側の低圧タービン車室の低圧排気室入口部に固定されている。このため、一般的には両車室間の相対的な温度差による熱膨張を吸収するための伸縮継手（ベローズ）が設けられている（図３では省略）。この、熱伸び差を吸収するために用いられる伸縮継手（ベローズ）は、一般に、水平あるいは垂直な直管部分のどちらにも設置することが可能である。

図６は、クロスオーバー管に対する伸縮継手の設置例を図示したものである。本図では、上段クロスオーバー管１０ａの水平管部分と、下段クロスオーバー管１０ｂの垂直管部分に伸縮継手２０を設置している。

図７は、伸縮継手の他の設置例を図示したものである。本実施例では、上段クロスオーバー管１０ａ及び下段クロスオーバー管１０ｂの両方とも、水平管部分に伸縮継手２０を設置している。ただし、この場合、伸縮継手２０を設置する部分は配管外形が一部外側に飛び出した形状となる。そのため、上下段で配管が重なる部分に伸縮継手２０を設置する場合には、上下の配管の接触部分が伸縮継手２０より外側に飛び出すような工夫をする必要がある。本実施例では、下段クロスオーバー管１０ｂの水平管部分に、伸縮継手２０をまたぐようにガイドレール３０を設け、その上に上段クロスオーバー管１０ａを設置している。このように、上段クロスオーバー管１０ａと下段クロスオーバー管１０ｂの間にガイドレール３０を介在させることにより、伸縮継手２０が上段クロスオーバー管１０ａと直接接触しないようにすることができる。また、ガイドレール３０により下段クロスオーバー管１０ｂ（上段クロスオーバー管１０ａ）の伸縮方向を常に一定方向にすることができるため、水平方向から見て下段クロスオーバー管１０ｂを上段クロスオーバー管１０ａに水平状態に保持することが可能となる。

以上説明した実施例によれば、クロスオーバー管内には分岐・合流、あるいは流れの急拡大，急収縮が起きる個所がないため、速度や圧力の偏差を付きにくくすることができる。そのため、損失も小さく抑えることが可能である。

更に、クロスオーバー管の曲がり部の、流れに直行する断面形状を扁平にすることにより二次流れによる旋回損失も小さく抑えることができ、結果的に曲り部で生じる圧力損失を減らすことが可能である。

参考までに、図８に扁平（長方形断面）断面型曲がり管と円形断面型曲がり管の全損失係数ζの実験値を示す(文献：技術資料、管路・ダクトの流体抵抗、日本機会学会Ｐ.７４の表４.１８ より一部転載) 。ここで、レイノルズ数は１０⁶ で、配管内壁は流体的になめらかなものとしている。また、全損失係数ζとは全圧損失を動圧で除したもので、次の式で定義される。

ζ＝ΔＰ／（ｖ²／２ｇ）
ここに、ΔＰは全圧損失、ｖは流速、ｇは重力定数である。

数値は縦横比（ｈ／ｂ）が２で流れの方向が９０度変換される場合のみ示している。数値が小さいほど一般的に性能が良いことを意味する。この表から分かるように、ベンド部の曲率半径Ｒが共通の場合、円形断面よりも長方形断面の方が有利であることが読み取れる。

一方、このことを流れの面から説明したのが図９である。曲がり管では遠心力の影響で二次流れと呼ばれる主流と直交する流れが生じるが、この成分が大きいと損失も大きくなる。扁平した曲がり管では、円管に比べ一般的にこの二次流れ成分が小さく損失を小さくしやすい。

なお、曲り管部分での損失は曲率半径を大きく取ることにより減少する。しかし、単純に曲率半径を大きくすることは、配管自体の高さ方向のサイズを大きくすることを意味するため、タービン建てや内部でのクレーン吊り下げ高さ制限や、コストの面からも問題が残る。しかし、本実施例のように、流れに直行する断面を例えば長方形に近い形状に扁平させ、直管部分も含めて扁平させた配管を用いることにより、曲り部の局率半径を大きく保ちながら、高さ方向をある程度低く抑えることが可能である。

さらに、扁平させた上下二段のクロスオーバー管に対し、下段側のクロスオーバー管が上段側のクロスオーバー管を支える構造にすることにより、より一層高さを低く保つことが可能である。さらに下の段が上の段を支えることにより、直管長が長く通常であれば別途側面からの支持補助部材が必要となる上段側のクロスオーバー管に対して特別に支持補助部材を設置する必要がなくなる。したがって、材料費，建設費などのコストも低く抑えることが可能である。

さらに、二つの配管は非常に単純な構造をしているため、実験式などを用いることにより、上下それぞれの配管の入口出口部での圧力差を比較的簡単かつ正確に見積もることが可能である。そのため、必要に応じ、上下の管での圧力損失を同一になるように調節することが可能であるため、全体設計が容易になる。

また、クロスオーバー管の重心位置がタービン回転軸の中心になるように設置することが可能であるため、熱変形からくる重心のずれによるタービンの振動の発生リスクも低い。

以上の本実施例によれば、クロスオーバー管内部で生じる損失を低減しつつ、安価に構造の強度と信頼性を保てるような構造を持ったクロスオーバー管を提供することが可能となる。

本発明は、蒸気タービンの中圧タービンから排出された蒸気を低圧タービンに流入させる際の圧力損失を低減し、タービン熱効率の向上に寄与するのに好適な蒸気タービンのクロスオーバー管に関するものである。

一般的な蒸気タービンの系統図。 一般的なクロスオーバー管の概略図。 本発明の一実施例であるクロスオーバー管の概略図。 一つのクロスオーバー管の構成要素を示した図。 扁平および円筒管の組み合わせ例。 伸縮継手（ベロー）の適用例。 伸縮継手（ベロー）の他の適用例。 円形断面を持つ曲がり管と長方形断面を持つ曲がり管の全損失係数ζを示した表。 クロスオーバー管曲がり部の形状の違いによる二次流れへの影響を模式的に示した図。

符号の説明

１…タービンロータ、２…主蒸気配管、３…ボイラー再熱器、４…高圧タービン、５…中圧タービン、６ａ，６ｂ…低圧タービン、７…発電機、１０…クロスオーバー管、10ａ…上段クロスオーバー管、１０ｂ…下段クロスオーバー管、１１ａ，１１ｂ…クロスオーバー管入口直管部、１２ａ，１２ｂ…クロスオーバー管出口直管部、１３ａ，１３ｂ…中圧排気室出口部、１４ａ，１４ｂ…低圧排気室入口部、１５ａ，１５ｂ…バランス管、
２０…伸縮継手、３０…ガイドレール、１００…水平管、１１０ａ，１１０ｂ…垂直管、１２０ａ，１２０ｂ…エルボー管。

Claims (6)

1. 中圧タービンから排出された蒸気を低圧タービンに供給するクロスオーバー管を備えた
   蒸気タービンにおいて、
   前記中圧タービンは排気を排出する流出口を２つ、前記低圧タービンは流入口を２つ有
   し、これらの流出口及び流入口を上面から見て同一直線上に配置し、互いに近い位置にある流出口と流入口、及び互いに遠い位置にある流出口と流入口同士をクロスオーバー管で各々接続し、該クロスオーバー管を上下２段に配置したことを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記クロスオーバー管は、前記中圧タービン及び低圧タービンの軸線上に位置すること
   を特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記クロスオーバー管は、下段に位置するクロスオーバー管によって上段のクロスオー
   バー管を支持する構造としたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
4. 前記クロスオーバー管は、個々の管構造を分岐及び合流部のない曲がり管及び直管によ
   り構成されたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
5. 前記クロスオーバー管は、管の中心軸に垂直な断面の形状が、その断面の中心を通り互
   いに直交する二つの径の長さが互いに異なる扁平管を用いることを特徴とする請求項１に
   記載の蒸気タービン。
6. 前記クロスオーバー管は、前記扁平管の断面形状が楕円或いは長方形であることを特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン。

Images