JP4662562B2 - 蒸気タービンおよびその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、外部車室と内部車室が生蒸気供給路を有し、複数の動翼を有するつりあいピストン付きロータが内部車室の内部に回転可能に支持配置され、内部車室が複数の静翼を有し、この静翼が、動翼列と静翼列とを有する複数の翼段を備えた流路が流れ方向に沿って形成される、ように配置されている、外部車室と内部車室とを備えた蒸気タービンに関する。
また本発明は、外部車室と内部車室が生蒸気供給路を有し、複数の動翼を有するつりあいピストン付きロータが内部車室の内部に回転可能に支持配置され、内部車室に複数の静翼が、動翼列と静翼列とを有する複数の翼段を備えた流路が流れ方向に沿って形成されるように配置され、運転中に前記流路を通して蒸気が貫流する、外部車室と内部車室とを備えた蒸気タービンの運転方法に関する。
本発明において蒸気タービンとは、蒸気の形をした作動媒体で貫流される各タービンあるいは部分タービンを意味する。これに対して、ガスタービンは作動媒体として、蒸気タービンにおける蒸気とは全く異なった温度条件下および圧力条件下にあるガスおよび/又は空気で貫流される。蒸気タービンの場合、ガスタービンと異なって、例えば部分タービンに最高温度で流入する作動媒体は同時に最高圧力を有する。ガスタービンの場合、流路に向いて開いている開放冷却系は、部分タービンなしでも、冷却媒体の外部導入が実現できる。蒸気タービンに対して冷却媒体の外部導入が計画されることがある。しかし上述した理由から、ガスタービンに関連した従来技術は本件出願の発明対象に適用することができない。
蒸気タービンは、通常、翼が取り付けられ回転可能に支持されたロータを有し、このロータは車室ないしケーシングの内部に配置されている。ケーシングにより形成された流路の内部室を高温高圧蒸気が貫流する際、ロータがその蒸気により翼を介して回転される。ロータの翼は動翼とも呼ばれる。さらに通常、内部車室に静翼が取り付けられ、この静翼は、タービン本体の軸方向におけるロータ翼間の隙間の中に入り込んでいる。静翼は、通常、第1の箇所に蒸気タービン車室の内周面に沿って保持されている。その静翼は、通常、蒸気タービン車室の内周面における内周に沿って配置された複数の静翼から成る静翼列の一部である。各静翼はその翼形部(羽根)が半径方向内側に延びている。軸方向広がりにおける第1箇所の静翼列は、静翼格子あるいは静翼輪とも呼ばれる。通常、複数の静翼列が連続して配置されている。それに応じて、軸方向広がりにおける第1の箇所の下流の第2の箇所に、蒸気タービン車室の内周面に沿って第2の翼が保持されている。一対の静翼列と動翼列は翼段とも呼ばれる。
かかる蒸気タービンの車室は複数の車室セグメントで形成できる。蒸気タービンの車室とは特に、蒸気タービンの長手方向に沿って延びる流路の形をした内部室を有する蒸気タービンあるいは部分タービンの固定ケーシング構成部品を意味し、その流路は蒸気の形をした作動媒体の貫流のために利用される。この車室は、蒸気タービン形式に応じて、内部車室および/又は静翼ホルダである。しかし、内部車室あるいは静翼ホルダを持たないタービン車室も利用できる。
効率上の理由から、かかる蒸気タービンをいわゆる「高蒸気パラメータ」に対して、即ち、特に高い蒸気圧および/又は高い蒸気温度に対して設計することが望まれる。もっとも、特に温度の増大は材料技術上の理由から無制限にはできない。特に高温でも蒸気タービンの安全運転を可能にするために、個々の部品あるいは構成要素を冷却することが望まれる。つまり、その部品は温度強度が限られている。効果的冷却処置を講じない場合、温度の増大に伴って、非常に高価な材料(例えばニッケル基合金)が必要とされる。
特に蒸気タービン車室あるいはロータのような蒸気タービン本体に対する従来公知の冷却方式の場合、能動式冷却と受動式冷却に分けられる。能動式冷却の場合、冷却は、蒸気タービン本体に別個に、即ち、追加的に作動媒体に導入される冷却媒体によって実施される。これに対して受動式冷却は、作動媒体の適切な案内あるいは利用だけで行われる。従来、蒸気タービン本体は好適に受動式に冷却されている。
即ち、例えば独国特許第3421067号明細書で、蒸気タービンの内部車室を既に膨張し冷えた蒸気で還流することが知られている。しかしこれは、内部車室壁についての温度差を制限し続けねばならないという欠点があり、さもなければ、過大な温度差が生じた際、内部車室が過度に変形してしまう。内部車室に冷えた蒸気を導入した際、確かに熱放出が行われるが、その熱放出は、熱導入箇所からかなり離れた場所で行われる。熱導入箇所の直ぐ近くにおける熱放出は、従来、十分には実現されていない。他の受動式冷却は、いわゆる対角線的段における作動媒体の適当な膨張形態によって達成される。もっとも、これでは車室に対して非常に限られた冷却作用しか得られない。
米国特許第6102654号明細書に、蒸気タービン車室の内部における個々の構成要素の能動式冷却が記載されている。その冷却は高温作動媒体の入口部位に限られている。冷却媒体の一部が作動媒体に混入され、被冷却構成要素に流すことによって、冷却が達成されるようにしている。
国際公開第97/49901号パンフレットと国際公開第97/49900号パンフレットで、個々のロータ部位を保護するために個々の静翼輪に選択的に、ロータにおける中央空洞から分岐した別個の半径方向通路を通して媒体を供給することが知られている。その媒体は通路を介して作動媒体に混入され、静翼輪に選択的に流す。しかし、そのために設けられたロータの中央空洞に、増大された遠心応力が作用してしまい、これは設計上および運転上において大きな欠点となる。
つりあいピストンを有する蒸気タービンは、US−A3614255にて開示され、ここでつりあいピストンは翼列の流路下流を通る通路から流れる蒸気流にさらされる。つりあいピストンを有する単流蒸気タービンは、US−A4661043に開示され、ここではつりあいピストンは冷却される。つりあいピストンを有する単流蒸気タービンは、US−A2796231に開示され、ここでのつりあいピストンは、内部車室内に配置される通路を介した冷却流にさらされる。欧州特許第1154123号明細書に、蒸気系の他の部位からの冷却媒体を取り出して案内する方式及び作動媒体の入力部位における冷却媒体の供給が記載されている。
化石燃料による発電時に高い効率を得るために、タービンにおいて従来通常の場合よりも高い蒸気パラメータ、即ち、高い圧力と高い温度を利用する必要がある。高温蒸気タービンの場合、作動媒体としての蒸気において、一部で500℃よりかなり高く、特に540℃より高い温度が利用される。詳しくは、高温蒸気タービンに対するかかる蒸気パラメータは、雑誌「ファウゲーベー クラフトヴェルクステヒニーク(VGB Kraftwerkstechnik)、73巻(1993年)、5号に掲載のH.G.ネフト、G.フランコンビレ 共著の論文“ノイエ ダンプフテゥルビーネンコンツェプテ フュア ヘーヘレ アイントゥリッツパラメータ ウント レンゲレ エンドシャウフェルン(Neue Dampfturbinenkonzepte fur hohere Eintrittsparameter und langere Endschaufeln)”に挙げられている。この論文の公開内容は、高温蒸気タービンの異なった形態を得るために本件出願の明細書に取り入れられている。特に、高温蒸気タービンに対する例えば高い蒸気パラメータはこの論文の図13に挙げられている。上述の論文において、高温蒸気タービン車室の冷却を向上するために、第1静翼列を通しての冷却蒸気導入と冷却蒸気の継続案内が提案されている。これにより確かに、能動式冷却が用意される。しかしこれは、作動媒体の主流部位に限られ、なお改善することが望まれる。
即ち、蒸気タービン車室に対する従来公知のすべての冷却方法は、それが概して能動式冷却法である限りでは、せいぜい別個の被冷却タービン部分に的確に流すことを計画し、せいぜい第1静翼列を含めた作動媒体の入口部位に限られている。これは、通常の蒸気タービンを高い蒸気パラメータで負荷する際、タービン全体に作用する大きな熱的負荷を生じさせ、この熱的負荷は、車室の上述した通常の冷却では十分に低減できない。高い効率を得るために基本的に高い蒸気パラメータで作動する蒸気タービンは、蒸気タービンの大きな熱的負荷を十分に減少するために、特に車室および/又はロータの冷却を改善する必要がある。その場合、従来通常のタービン材料を利用する場合、例えば上述した「ネフト氏」論文に応じて蒸気パラメータの増大に伴い増大した蒸気タービン本体の負荷が、蒸気タービンに不利な熱的負荷を生じさせるという問題がある。その結果、この蒸気タービンを製作することは不可能である。
特に高温領域で運転される蒸気タービンにおいて、蒸気タービン構成要素に対する効果的な冷却が望まれる。
この点から本発明の課題は、蒸気タービンがたとえ高温領域でも特に効果的に冷却される蒸気タービンとその製造方法を提供することにある。
蒸気タービンに関するこの課題は、外部車室と内部車室が生蒸気供給路を有し、複数の動翼を有するつりあいピストン付きロータが内部車室の内部に回転可能に支持配置され、内部車室が複数の静翼を有し、この静翼が、動翼列と静翼列とを有する複数の翼段を備えた流路が流れ方向に沿って形成される、ように配置され、内部車室が、或る翼段の下流の流路と、ロータのつりあいピストンと内部車室との間のつりあいピストン前室との間における連通管として形成された連結路を有している、外部車室と内部車室とを備えた蒸気タービンにおいて、内部車室が、ロータと内部車室との間の封じ室と、流路において或る翼段の下流に配置された供給室との間における連通管として形成されているクロス再循環路を有し、クロス再循環路が、封じ室からまず流れ方向に対してほぼ垂直に延び、続いて、転向部を介して流れ方向に対してほぼ平行に延び、さらに続いて、第2の転向部を介して流れ方向に対してほぼ垂直に延びて形成されていることによって解決される。
有利な実施態様において、連結路が、内部車室と外部車室との間の空間と、或る翼段の下流の流路との間における連通管として形成された帰還路を有している。また有利な実施態様において、その連結路は、内部車室と外部車室との間の空間と、ロータのつりあいピストンと内部車室との間のつりあいピストン前室との間における連通管として形成された供給路を有している。
本発明は、流れ媒体、ここでは蒸気が、或る段数のタービン段の下流で取り出され、この膨張し冷えた蒸気がつりあいピストン前室に導入される、という考えに基づいている。本発明は、最高蒸気パラメータに対して設計された蒸気タービンにおいて、ロータを高い温度に対して設計し、且つ、内部車室や外部車室のような車室部分とそのねじ結合部を高い温度と高い圧力に対して設計することが重要である、という考えから出発している。
膨張し冷えた蒸気を内部車室と外部車室との間の空間に帰還させることによって、内部車室の外側面と、そのねじ結合部と、外部車室の内側面が受ける温度は低くなる。従って、外部車室と、内部車室と、そのねじ結合部に対して、場合によって安価な他の材料が利用できる。同様に、外部車室を薄肉構造に形成することも考えられる。その場合、帰還路と供給路は、常に蒸気が流路からつりあいピストン前室に流入するように形成されている。
有利な実施態様において、つりあいピストン前室は、軸方向において、つりあいピストンと内部車室との間に配置されている。これにより、つりあいピストン前室に流入する蒸気は、一方では、スラストをつりあわせるための力を与える目的を果たし、他方では、特に高圧部分タービンで特に熱的に負荷されるつりあいピストンを冷却する目的を果たす。
有利な実施態様において、帰還路と供給路は、内部車室の内部に流れ方向に対してほぼ垂直に形成されている。この場合、内部車室と外部車室との間の空間は、再循環路を供給路に接続するために形成されている。この配置構造は製造技術上の観点が前提となっている。さらに、内部車室と外部車室との間の空間の目的に適った強制貫流によって、自然対流を伴う手に負えない車室の温度差の発生が防止され、これにより、車室軸線とタービン軸線との垂直方向における角度変化が防止される。
蒸気タービンに流入する生蒸気は、大部分が流路を通って流れる。少量の生蒸気が流路を通って流れず、ロータと内部車室との間に配置された封じ室を通って流れる。この少量蒸気は漏れ蒸気とも呼ばれ、蒸気タービンの効率損失を生じさせる。ほぼ生蒸気温度と生蒸気圧力を有するこの漏れ蒸気は、封じ室においてロータと内部車室を熱的に強く負荷する。この高温高圧の封じ蒸気は、クロス再循環路を介して、封じ室から内部車室を通って再び、或る翼段の下流の流路に導かれ、続いて膨張する。
これにより、クロス再循環路を特に製造技術的に簡単に形成することができ、これは投資費用を著しく低減する。
他の有利な実施態様において、外部車室と内部車室を貫通する過負荷用供給路が供給室に通じている。蒸気タービンの運転中、通常、過負荷用供給路を通して短時間にわたり補助蒸気を蒸気タービンに導いて、大きな出力を得る。過負荷用供給路と同様に供給室に開口するクロス再循環路を通して、全体として蒸気タービンの効率を向上させる補助蒸気が供給される。
帰還路が帰還翼段の下流の流路と接続され、クロス再循環路がクロス再循環翼段の下流の流路と接続され、クロス再循環翼段が、流路の流れ方向において、帰還翼段の下流に配置されていることが有利である。
特に、帰還翼段が第4翼段であり、クロス再循環翼段が第5翼段である。蒸気タービンの形態に応じて、他の翼段にすることもできる。
方法に向けられた課題は、外部車室と内部車室が生蒸気供給路を有し、複数の動翼を有するつりあいピストン付きロータが内部車室の内部に回転可能に支持配置され、内部車室に複数の静翼が、動翼列と静翼列とを有する複数の翼段を備えた流路が流れ方向に沿って形成されるように配置され、運転中に前記流路を通して蒸気が貫流する、外部車室と内部車室とを備えた蒸気タービンの運転方法において、或る翼段の下流における蒸気が、連結路を介して、ロータのつりあいピストンと内部車室との間に存在するつりあいピストン前室に流入することによって解決される。
有利な実施態様において、或る翼段の下流における蒸気が、内部車室に存在する帰還路を介して、内部車室と外部車室との間の空間に流入し、そこから、内部車室に存在する供給路を介して、ロータのつりあいピストンと内部車室との間に存在するつりあいピストン前室に流入する。
この方法に関連づけられる利点は、蒸気タービンに関連づけられた上述した利点に相応して生ずる。
つりあいピストン前室内における蒸気により、スラストのつりあわせが達成されることが特に有利である。
生蒸気温度が550℃〜600℃であり、帰還路に流入する蒸気が520℃〜550℃であることが有利である。また、蒸気が550℃〜600℃の温度で過負荷用供給路に流入することが有利である。同様に、蒸気が、540℃〜560℃の温度で、クロス再循環路に流入することが有利である。
以下、概略的に図示した実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。
図1には、従来における蒸気タービン1が断面図で示されている。蒸気タービン1は外部車室2と内部車室3を有している。内部車室3と外部車室2は、詳細に図示されていない生蒸気供給路を有している。内部車室3の内部に、つりあいピストン4付きロータ5が回転可能に支持配置されている。通常、そのロータは回転軸線6を中心として回転対称に形成されている。ロータ5は複数の動翼7を有している。内部車室3は複数の静翼8を有している。内部車室3とロータ5との間に流路9が形成されている。流路9は、それぞれ動翼列(7)と静翼列(8)で形成された複数の翼段を有している。生蒸気は生蒸気供給路を通して入口室10に流入し、そこから、回転軸線6に対してほぼ平行に延びる流路9を通って流れ方向11に流れる。その際、生蒸気は膨張し冷える。この場合、熱エネルギが回転エネルギに変換され、ロータ5が回転させられ、電気エネルギを発生するための発電機を駆動する。
静翼8および動翼7の翼形式に応じて、ロータ5に程度の差こそあれ、流れ方向11に大きなスラストが生ずる。つりあいピストン4は、通常、つりあいピストン前室12が形成されるように形成されている。つりあいピストン前室12への蒸気導入によって、スラスト力13に対抗する反力が生ずる。
図2に蒸気タービン1の一部断面図が示されている。運転中、蒸気は図示されていない生蒸気供給路を通して入口室10に流入する。生蒸気供給は記号的に矢印13で示されている。この場合、生蒸気は、通常、600℃までの温度と、258バールまでの圧力を有している。生蒸気は流れ方向11に流路9を通って流れる。蒸気は、或る翼段を通過した後、流路9と、ロータ5のつりあいピストン4と内部車室3との間の空間における連通管としての連結路14、15、16を通って流れる。
特に、蒸気は、内部車室3と外部車室2との間の空間15と、或る翼段の下流における流路9との間の連通管として形成された帰還路14を通して、内部車室3と外部車室2との間の空間15に流入する。内部車室3と外部車室2との間の空間15に存在する蒸気は、いまや、532℃の温度と176バールの圧力を有する。その蒸気は、内部車室3と外部車室2との間の空間15と、ロータ5のつりあいピストン4と内部車室3との間のつりあいピストン前室12との間における連通管としての供給路16を通して、つりあいピストン前室12に流入する。
図2に示された実施例において、つりあいピストン前室12は、軸方向17において、つりあいピストン4と内部車室3との間に配置されている。入口室10に流入する生蒸気は、大部分が流れ方向11において流路9に流入する。少量が漏れ蒸気として封じ室18に流入する。この場合、漏れ蒸気は本質的に逆方向19に流れる。漏れ蒸気は、ロータ5と内部車室3との間の封じ室18と、流路9において或る翼段の下流に配置された供給室26との間における連通管としてのクロス再循環路20を通して流路9に流入する。この場合、クロス再循環路20は、封じ室18からまず流れ方向11に対してほぼ垂直に延び、続いて、転向部21を介して流れ方向11に対してほぼ平行に延び、さらに続いて、第2の転向部22を介して流れ方向11に対してほぼ垂直に延びて形成されている。
異なった実施例において、内部車室と外部車室が、図示されていない過負荷用供給路を備えて形成されている。この過負荷用供給路に、矢印23で記号的に示されている外部蒸気が流入する。
有利な実施例において、帰還路14が帰還翼段24の下流における流路9と接続され、クロス再循環路20がクロス再循環翼段25の下流における流路9と接続されている。このクロス再循環翼段25は、流路9の流れ方向11において、帰還翼段24の下流に配置されている。
特に有利な実施例において、帰還翼段24は第4翼段であり、クロス再循環翼段25は第5翼段である。
従来技術における蒸気タービンの断面図。 本発明に基づく実施例の蒸気タービンの断面図。
符号の説明
1 蒸気タービン
2 外部車室
3 内部車室
4 つりあいピストン
5 ロータ
7 動翼
8 静翼
9 流路
10 入口室(生蒸気供給路)
11 流れ方向
12 つりあいピストン前室
14 帰還路
15 空間
16 供給路
18 封じ室
20 クロス再循環路
21 転向部
22 第2の転向部
23 過負荷用供給路
26 供給室

Claims (14)

  1. 外部車室(2)と内部車室(3)が生蒸気供給路(10)を有し、複数の動翼(7)を有するつりあいピストン(4)付きロータ(5)が内部車室(3)の内部に回転可能に支持配置され、内部車室(3)が複数の静翼(8)を有し、この静翼(8)が、動翼列(7)と静翼列(8)とを有する複数の翼段を備えた流路(9)が流れ方向(11)に沿って形成されるように配置され、内部車室(3)が、或る翼段の下流の流路(9)と、ロータ(5)のつりあいピストン(4)と内部車室(3)との間のつりあいピストン前室(12)との間における連通管として形成された連結路(14、15、16)を有している、外部車室(2)と内部車室(3)とを備えた蒸気タービン(1)において、
    内部車室(3)が、ロータ(5)と内部車室(3)との間の封じ室(18)と、流路(9)において或る翼段の下流に配置された供給室(26)との間における連通管として形成されているクロス再循環路(20)を有し、前記連結路(14、15、16)が、内部車室(3)と外部車室(2)との間の空間(15)と、或る翼段の下流の流路(9)との間における連通管として形成された帰還路(14)を有し、前記連結路(14、15、16)が、内部車室(3)と外部車室(2)との間の空間(15)と、ロータ(5)のつりあいピストン(4)と内部車室(3)との間のつりあいピストン前室(12)との間における連通管として形成された供給路(16)を有していることを特徴とする蒸気タービン。
  2. つりあいピストン前室(12)が、軸方向(17)において、つりあいピストン(4)と内部車室(3)との間に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン。
  3. 帰還路(14)と供給路(16)が、内部車室(3)の内部に流れ方向(11)に対して垂直に配置され、内部車室(3)と外部車室(2)との間の空間(15)が、帰還路(14)を供給路(16)に接続するために形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の蒸気タービン。
  4. クロス再循環路(20)が、封じ室(18)からまず流れ方向(11)に対して垂直に延び、続いて、転向部(21)を介して流れ方向(11)に対して平行に延び、さらに続いて、第2の転向部(22)を介して流れ方向(11)に対して垂直に延びて形成されていることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の蒸気タービン。
  5. 外部車室(2)と内部車室(3)を貫通して供給室(26)に通じる過負荷用供給路(23)が設けられていることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の蒸気タービン。
  6. 帰還路(14)が帰還翼段(24)の下流の流路(9)と接続され、クロス再循環路(20)がクロス再循環翼段(25)の下流の流路(9)と接続され、クロス再循環翼段(25)が、流路(9)の流れ方向(11)において、帰還翼段(24)の下流に配置されていることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の蒸気タービン。
  7. 帰還翼段(24)が第4翼段であり、クロス再循環翼段(25)が第5翼段であることを特徴とする請求項に記載の蒸気タービン。
  8. 外部車室(2)と内部車室(3)が生蒸気供給路(10)を有し、複数の動翼(7)を有するつりあいピストン(4)付きロータ(5)が内部車室(3)の内部に回転可能に支持配置され、内部車室(3)に複数の静翼(8)が、動翼列(7)と静翼列(8)とを有する複数の翼段を備えた流路(9)が流れ方向(11)に沿って形成されるように配置され、運転中に前記流路(9)を通して蒸気が貫流する、外部車室(2)と内部車室(3)とを備え、或る翼段の下流における蒸気が、連結路(14、15、16)を介して、ロータ(5)のつりあいピストン(4)と内部車室(3)との間に存在するつりあいピストン前室(12)に流入した蒸気タービン(1)の運転方法において、ロータ(5)と内部車室(3)との間に在る封じ室(18)内に存在する蒸気が、クロス再循環路(20)を介して、或る翼段の下流に配置された供給室(26)に流入し、さらに、或る翼段の下流における蒸気が、内部車室(3)に存在する帰還路(14)を介して、内部車室(3)と外部車室(2)との間の空間(15)に流入し、そこから、内部車室(3)に存在する供給路(16)を介して、ロータ(5)のつりあいピストン(4)と内部車室(3)との間に存在するつりあいピストン前室(12)に流入することを特徴とすることを特徴とする蒸気タービン(1)の運転方法。
  9. つりあいピストン前室(12)内における蒸気により、スラストのつりあわせが達成されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  10. 過負荷蒸気が、過負荷用供給路(23)を介して、供給室(26)に流入することを特徴とする請求項に記載の方法。
  11. 蒸気が、550℃〜600℃の生蒸気温度で、生蒸気供給路(10)に流入することを特徴とする請求項ないし10のいずれか1つに記載の方法。
  12. 蒸気が、520℃〜550℃の温度で、帰還路(14)に流入することを特徴とする請求項ないし11のいずれか1つに記載の方法。
  13. 過負荷蒸気が、550℃〜600℃の温度で、過負荷用供給路(23)に流入することを特徴とする請求項10に記載の方法。
  14. 蒸気が、540℃〜560℃の温度で、クロス再循環路(20)に流入することを特徴とする請求項ないし13のいずれか1つに記載の方法。
JP2007524320A 2004-08-02 2005-07-14 蒸気タービンおよびその運転方法 Active JP4662562B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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