JP4559781B2

JP4559781B2 - 蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービン

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Publication number: JP4559781B2
Application number: JP2004194616A
Authority: JP
Inventors: 勝康伊藤; 勝也山下; 良夫橋立; 真也藤塚
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2006017016A

Description

本発明は、蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンに係り、特に蒸気タービンケーシングの水平継手として設けたフランジに改良を加えた蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンに関する。

蒸気タービンでは、作動流体としての蒸気が膨張仕事を行う上で蒸気タービンケーシングの果す役割が非常に大きい。

この蒸気タービンケーシングは、一般に、水平部分で上下分割された構造になっており、それぞれの水平部分に継手としてのフランジを備え、この水平継手としてのフランジを数多くの締付ボルトで結合させる構成にしている。

ボルトの締付力は、蒸気タービンケーシング内部が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力に対し、気密性が充分に保持できるようにしている。このため、水平継手として設けたフランジは、高い剛性を確保する必要上、厚くなっている。

このような剛性の高い水平継手としてのフランジは、体積が蒸気タービンケーシングに較べて相対的に大きいため熱容量が大きい。したがって、起動時、蒸気による熱が加わると、フランジよりも蒸気タービンケーシングの方が早く暖められて温度差が生じフランジに熱応力が発生して変形の要因となったり、ボルトの熱膨張による締付力の低下が発生し、蒸気リーク等の問題が生じていた。

このような問題点に対処する手段として、例えば特開平１０−２０５３０６号公報（特許文献１）に見られるように、水平継手としてのフランジを備えた蒸気タービンケーシングの内面にハニカム等の断熱材を被着させ、フランジの温度上昇を抑える技術が提案されている。

また、他の手段として、例えば特開平７−８３００４号公報（特許文献２）に開示されているように、締付ボルトとボルト穴の空間との間に通路を設け、この通路に蒸気を供給して冷却することが提案されている。
特開平１０−２０５３０６号公報特開平７−８３００４号公報

蒸気タービンは、上述のとおり、高圧高温の作動蒸気に対処する必要上、蒸気タービンケーシングの板厚や水平継手としてのフランジの板厚を厚くして熱容量を大きくしている。

これに対し、蒸気タービンケーシングに収容するタービンロータ（回転軸）は、熱容量が比較的小さく、蒸気の熱による追従性が高くなっている。

このため、起動時や停止時、タービンロータと、蒸気タービンケーシングとの間で熱伸び差が生じている。特に、起動時、タービンロータは蒸気タービンケーシングやフランジに較べて蒸気の熱による伸びが大きく、逆に停止時、タービンロータは、蒸気タービンケーシングやフランジに較べて収縮が早くなっている。

このように、タービンロータと蒸気タービンケーシングやフランジとの間で熱による伸び差の相違が出ると、グランドシール部（軸封部）では、回転部と静止部との間にラビング（接触）が発生することがある。

ラビングを避けるために、タービンロータ、蒸気タービンケーシング、フランジを徐々に予熱し、起動時間を長くしたり、シール部分のクリアランス（隙間）を比較的広くして対処する手段が考えられる。

しかし、最近の火力発電プラントでは、ガスタービンに蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電プラントの普及により、起動時間の短縮が高く評価されているだけに、起動時間を長くすること自体、時代の要請に逆行する。

また、クリアランスの増加は、蒸気のリークにつながり、タービン性能の低下を招く。

一方、特許文献１および特許文献２は、ともに、蒸気タービンケーシング、フランジおよびボルトを冷却し、蒸気タービンケーシングからの蒸気リークの防止を図ったものであるが、タービンロータの蒸気による熱の伸びを考慮に入れていないため、上述に示したラビングの問題が残されている。

本発明は、このような問題点を考慮しつつなされたもので、水平継手としてのフランジの熱応力を抑え、ボルトの締付力を確保しつつ、蒸気タービンケーシングの蒸気の熱に対する追従性を良好にさせて起動時における熱伸び差を低く抑えて起動性に優れた蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち、前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記上半部フランジと前記下半部フランジとの接続面に通路を備えたものである。

本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち、前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記上半部フランジと前記下半部フランジとの接続面に半径方向通路と軸方向通路とを備えたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち、前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記上半部フランジおよび前記下半部フランジに半径方向通路と軸方向通路とを設けたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、上半部フランジおよび下半部フランジに設けた半径方向通路は軸方向通路に連通させるとともに、軸方向通路はフランジ外面に開口させ、開口させた部分に止めプラグを挿着したものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、半径方向通路および軸方向通路は、供給される流体のうち、蒸気タービンに供給される作動蒸気および蒸気タービンに一旦供給された作動蒸気を抽気する抽気蒸気のうち、いずれか一方を選択したものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち、前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記上半部フランジと前記下半部フランジとに半径方向通路と軸方向通路とを備えるとともに、この半径方向通路および軸方向通路に連通し、蒸気タービンに作動蒸気を供給する主蒸気管から分岐した蒸気供給管を接続させたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、蒸気供給管は、調整弁を備えたものである。

また、本発明にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記上半部フランジと前記下半部フランジとに半径方向通路と軸方向通路とを備え、蒸気タービンに作動蒸気を供給する主蒸気管から分岐し前記半径方向通路および前記軸方向通路に連通された蒸気供給管を接続させ、前記上半部ケーシングおよび前記下半部ケーシングのいずれかに備えたケーシングロータ伸び差計からの信号に基づいて開閉する調整弁を前記蒸気供給管に設けたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち、前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記締付ボルトを挿通させるボルト穴に、前記締付ボルトを包囲する筒体を備えたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち、前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記締付ボルトを挿通させるボルト穴に、前記締付ボルトを包囲する筒体を備えるとともに、前記一方のボルト穴と前記隣接する他方のボルト穴とを互いに接続させる連絡通路を備えたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、連絡通路は、上半部フランジおよび下半部フランジに対し、互い違いの蛇行状に形成したものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち、前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記上半部フランジおよび前記下半部フランジは、その厚みをタービンケーシング軸方向に沿って変化させたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンケーシングは、上述の目的を達成するために、上半部フランジおよび下半部フランジは、ともに、タービンケーシング軸方向の任意の位置における許容最小厚みをｔとし、前記タービンケーシング軸方向の最大厚みをｔ０とし、前記タービンケーシング軸方向の任意の位置における圧力をＰとし、前記タービンケーシング軸方向の最大圧力をＰ０とするとき、タービンケーシング軸方向の任意の位置における許容最小厚みｔを、
［数２］
ｔ０×（Ｐ／Ｐ０）１／２＜ｔ＜ｔ０
の範囲内に設定したものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、半径方向通路と軸方向通路のうち、いずれかの請求項記載の半径方向通路と軸方向通路とを備えたものである。

また、本発明にかかる蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、請求項１記載の蒸気タービンケーシングを備えたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、筒体および連絡通路を備えたものである。

また、本発明の実施形態にかかる蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、フランジ厚み範囲内に設定した厚みの上半部フランジおよび下半部フランジを備えたものである。

本発明にかかる蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンは、上半部フランジと下半部フランジに半径方向通路と軸方向通路を備えて作動蒸気を供給する構成にしたので、上下半部フランジと上半部ケーシングとの温度を低く抑えて熱応力の発生を抑制することができ、ボルトの高い締付力を維持させることができる。

以下、本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第１実施形態を示す概略縦断面図である。

本実施形態に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンは、中央に配置したタービンロータ２を収容する蒸気タービンケーシング１を備えている。

蒸気タービンケーシング１は、横断中心で二分割させた上半部ケーシング１ａ、下半部ケーシング１ｂと、各ケーシング１ａ，１ｂの水平継手としての上半部フランジ３ａ、下半部フランジ３ｂとを備え、締付ボルト４ａ，４ｂを介して互いを一体にして接続させている。

また、蒸気タービンケーシング１は、横断中心に沿って上半部フランジ３ａと下半部フランジ３ｂとの接続面に半径方向通路５ａ，５ｂを形成するとともに、図２に示すように、上半部ケーシング１ａ、下半部ケーシング１ｂの軸方向に沿って軸方向通路６ａ，６ｂを形成し、各ケーシング１ａ，１ｂ内から供給される蒸気を半径方向通路５ａ，５ｂ、軸方向通路６ａ，６ｂを介して通流させて再び各ケーシング１ａ，１ｂ内に戻している。

このように、本実施形態は、上半部ケーシング１ａ、下半部ケーシング１ｂのそれぞれに設けた上半部フランジ３ａ、下半部フランジ３ｂの接続部分に半径方向通路５ａ，５ｂおよび軸方向通路６ａ，６ｂを設け、各通路５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂを介して器内の作動蒸気（主蒸気）を流し、上半部フランジ３ａ、下半部フランジ３ｂを起動時、加熱させ、停止時、冷却させる構成にしたので、作動蒸気（主蒸気）の良好な熱追従性の下、起動時・停止時の非定常熱伸び差を抑えてグランド部等のラビリングを確実に防止することができ、上半部ケーシング１ａ、下半部ケーシング１ｂ、上半部フランジ３ａ、下半部フランジ３ｂの熱応力を低く抑えることができる。

なお、本実施形態は、半径方向通路５ａ，５ｂおよび軸方向通路６ａ，６ｂを、上半部フランジ３ａと下半部フランジ３ｂとの接続面に設けたが、この例に限らず、例えば、図３に示すように上半部フランジ３ａおよび下半部フランジ３ｂのうち、少なくとも一方のフランジの厚み方向中間部分に設けてもよい。この場合、半径方向通路５ａ，５ｂおよび軸方向通路６ａ，６ｂは、製造工程の容易性を考慮し、両縁端部を挿通・開口させた後、開口させた端部に止めプラグ７ａ，７ｂを挿着し、作動流体の器外へのリーク防止が行われる。

図４は、本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第３実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンは、タービンロータ２を収容する上半部ケーシング１ａ、下半部ケーシング１ｂの横断中心に沿う上半部フランジ３ａ、下半部フランジ３ｂのそれぞれの軸方向に沿って設けた軸方向通路６ａ，６ｂに、上半部ケーシング１ａ、下半部ケーシング１ｂに作動蒸気（主蒸気）を供給する主蒸気管８の途中から分岐し、途中で調整弁９を介装して軸方向通路６ａ，６ｂおよび半径方向通路５ａ，５ｂに作動蒸気を供給する蒸気供給管１０を接続させたものである。

また、調整弁９は、上半部ケーシング１ａの出口側および下半部ケーシング１ｂの出口側のうち、いずれかに設けたケーシングロータ伸び差計１１から検出された信号が予め定められた設定値、つまり、蒸気タービンケーシング１の伸びとタービンロータ２の伸びとの差が設定値を超えたとき、作動蒸気の流量を抑制し、上下半部フランジ３ａ，３ｂおよび締付ボルト４ａ，４ｂの熱による伸びを調整している。

このように、本実施形態は、主蒸気管８からの作動蒸気を、上下半部フランジ３ａ，３ｂに設けた軸方向通路６ａ，６ｂおよび半径方向通路５ａ，５ｂに直接供給するとともに、供給する作動蒸気を適正量にコントロールする構成にしたので、上下半部フランジ３ａ，３ｂや締付ボルト４ａ，４ｂの伸びを低く抑えてラビング等の発生を確実に防止することができる。

なお、本実施形態は、主蒸気管８から分岐した蒸気供給管１０の作動蒸気を軸方向通路６ａ，６ｂおよび半径方向通路５ａ，５ｂに供給したが、この例に限らず、蒸気タービンケーシング１から抽気した抽気蒸気を用い、この抽気蒸気管に調整弁を設けて、調整弁の開閉により抽気蒸気を軸方向通路６ａ，６ｂおよび半径方向通路５ａ，５ｂに供給してもよい。

図５は、本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第４実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンは、上半部フランジ３ａと下半部フランジ３ｂとを互いに接続させる締付ボルト４ａ，４ｂを挿通させるボルト穴１２で、その内径側の締付ボルト４ａ，４ｂを同心的に包囲する筒体１３を設けるとともに、図６に示すように、筒体１３の外側のボルト穴１２から上下半部フランジ３ａ，３ｂに対し、互い違いに蛇行させながら隣のボルト穴１２に作動蒸気を通流させる連絡通路１４を設け、蛇行する作動蒸気の輻射伝熱および対流伝熱を筒体１３で遮熱し、締付ボルト４ａ，４ｂの熱による伸びを低く抑えることができる。

なお、本実施形態は、ボルト穴１２および連絡通路１４に供給する作動蒸気を、第１実施形態のように、蒸気タービンケーシング１からの抽気蒸気を利用してもよく、また第３実施形態のように、作動蒸気（主蒸気）を利用してもよい。

図８は、本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第５実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンは、上半部ケーシング１ａおよび下半部ケーシング１ｂのそれぞれに設けた上半部フランジ３ａおよび下半部フランジ３ｂのそれぞれの許容最小厚みｔをタービンケーシング軸方向に向って変化させて求める際、最大フランジ厚みをｔ_０とし、任意の位置における圧力をＰとし、最大圧力をＰ_０とするとき、上半部フランジ３ａおよび下半部フランジ３ｂの許容最小厚みｔを、
［数３］
ｔ_０×（Ｐ／Ｐ_０）^１／２＜ｔ＜ｔ_０
の範囲内に設定したものである。

一般に、蒸気タービンは、タービンケーシング内の圧力分布が、図７に示すように、タービン初段落で最も高く、下流段落に向うに連れて低下し、タービン最終段落で作動蒸気の膨張仕事を終らせるようにしている。

本実施形態は、タービンケーシング内の圧力分布がタービン初段落からタービン最終段落に向って低下する事象をベースとするもので、タービン初段落からタービン最終段落に向う圧力変化に対応させ、許容される剛性を維持しつつ上半部フランジ３ａおよび下半部フランジ３ｂの厚みｔをタービンケーシング軸方向に向って変化させて求めたものである。

すなわち、上下半部フランジ３ａ，３ｂの任意の位置における許容最小厚さをｔとし、その最大厚さをｔ_０とし、上半部ケーシング１ａおよび下半部ケーシング１ｂの任意の位置における圧力をＰとし、その最大圧力をＰ_０とするとき、最小厚み比（ｔ／ｔ_０）は、図１０に示すように、任意の位置における圧力Ｐと最大圧力Ｐ_０との比（Ｐ／Ｐ_０）から求められる。

そして、求めた厚み比（ｔ／ｔ_０）は、図９に示すように、上半部フランジ３ａおよび下半部フランジ３ｂの任意の位置において発生する応力σと許容応力σａとの圧力比（σ／σａ）により決定される。

このように、本実施形態は、上下半部フランジ３ａ，３ｂの許容最小厚みｔをタービンケーシング軸方向に向って求める際、タービンケーシングの任意の位置における圧力Ｐと最大圧力Ｐ_０との圧力比（Ｐ／Ｐ_０）を基に、厚み比・圧力比線図および応力比・厚み比線図を用いて求めたので、上下半部フランジ３ａ，３ｂの許容最小厚みを高い剛性に維持させつつ、許容最小厚みを変化させ、熱容量をより一層少なくさせて作動蒸気による熱に良好に追従させ、グランド部等のシールのラビングを防止させることができる。

本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第１実施形態を示す概略縦断面図。図１のＡ−Ａ矢視方向から見た平面図。本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第２実施形態を示す概念図。本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第３実施形態を示す概念図。本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第４実施形態を示す概念図。図５のＢ−Ｂ矢視方向から見た平面図。タービンケーシングの軸方向に向う圧力変化を示す圧力分布線図。本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンの第５実施形態を示す概念図。本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンに適用する上下半部フランジの応力比を求める応力比・厚み比線図。本発明に係る蒸気タービンケーシングおよび蒸気タービンに適用する上下半部フランジの厚み比を求める厚み比・圧力比線図。

符号の説明

１蒸気タービンケーシング
１ａ上半部ケーシング
１ｂ下半部ケーシング
２タービンロータ
３ａ上半部フランジ
３ｂ下半部フランジ
４ａ，４ｂ締付ボルト
５ａ，５ｂ半径方向通路
６ａ，６ｂ軸方向通路
７ａ，７ｂ止めプラグ
８主蒸気管
９調整弁
１０蒸気供給管
１１ケーシングロータ伸び差計
１２ボルト穴
１３筒体
１４連絡通路

Claims

横断中心を境に分割した上半部ケーシングおよび下半部ケーシングのうち前記上半部ケーシングに設けた上半部フランジと前記下半部ケーシングに設けた下半部フランジとに締付ボルトを介装させて接続する構成の蒸気タービンケーシングにおいて、前記上半部フランジと前記下半部フランジとに半径方向通路と軸方向通路とを備え、蒸気タービンに作動蒸気を供給する主蒸気管から分岐し前記半径方向通路および前記軸方向通路に連通された蒸気供給管を接続させ、前記上半部ケーシングおよび前記下半部ケーシングのいずれかに備えたケーシングロータ伸び差計からの信号に基づいて開閉する調整弁を前記蒸気供給管に設けたことを特徴とする蒸気タービンケーシング。
請求項１記載の蒸気タービンケーシングを備えたことを特徴とする蒸気タービン。