JP4674225B2 - 再熱式蒸気タービン - Google Patents

Description

請求項に係る発明は、高圧タービンと中圧タービンとが一体に設けられていて中圧タービンに再熱蒸気が供給される再熱式蒸気タービンに関するものである。

図５（ａ）・（ｂ）に、高圧タービンと中圧タービンとが一体に設けられた従来の再熱式蒸気タービン１’を示す。ロータ２が車室３内に配置されていて、図示右方に高圧タービン４が構成され、図示左方に中圧タービン５が構成されている。高圧タービン部分の車室４Ｃと中圧タービン部分の車室５Ｃとは一連に形成されており、高圧タービン車室４Ｃには主蒸気の流入管４Ａと排気管４Ｂとが設けられ、中圧タービン車室５Ｃには、高圧タービン車室４Ｂを出たのち再熱されて供給される再熱蒸気の流入管５Ａとその排気管５Ｂが設けられている。図５（ｂ）に示す中圧タービン車室５Ｃの構造から明らかなように、再熱蒸気は、流入管５Ａから直接に中圧タービン車室５Ｃの内側へ流入する。

なお、再熱式蒸気タービンは一般に、蒸気タービンであるがゆえに長期間安定して運転することができ、信頼性が高いうえ運転補修費が少なくてすむという利点を有するほか、再熱式であるために熱効率が高く燃費が改善されるという利点をも有している。

図５と同様の構造をもつ高中圧一体型の再熱式蒸気タービンについては、下記の特許文献１・２等に記載されている。
特開平１１−９３６０７号公報 特開２００１−８２１０７号公報

再熱式蒸気タービンでは、中圧タービンに供給する再熱蒸気の温度が、負荷の変動等に応じて変動するのが一般的である。再熱蒸気の温度が変動すると、中圧タービンにおいて車室の温度が変動し、車室が熱変形を引き起こす。蒸気タービンにおいては、蒸気の漏洩を防ぐため、ロータの各部に対し隙間をきわめて小さくしてラビリンスパッキンが配置されているため、車室が熱変形をするとラビリンスパッキンがロータに接触し、それに起因して振動が生じたり蒸気漏れが起きたりする等の不具合が発生しがちである。

そのため、再熱蒸気の温度が変動する場合にも車室の温度変動ないし熱変形が小さいことが望まれるが、図５の例（および特許文献１）のように流入管から再熱蒸気が中圧タービン車室の内側へ直接流入する場合には、当該車室が再熱蒸気の影響を受けて大きく温度変動を引き起こしやすい。なお、特許文献２にも車室の熱変形が採り上げられているが、当該文献２は、再熱蒸気の温度変動に起因する課題を解決するものではない。

請求項に係る発明は、再熱蒸気の温度変動にともなう車室の熱変形を小さくし、もってラビリンスパッキンとロータとの接触を防止できる好ましい再熱式蒸気タービンを提供しようとするものである。

請求項に係る発明は、一連に形成された車室内の同一軸心線上に高圧タービンと中圧タービンとが配置され中圧タービンに再熱蒸気が供給される再熱式蒸気タービンにおいて、中圧タービンに供給される再熱蒸気を、少なくとも１段のノズルを経由（したがって１段の回転羽根をも経由）したうえで車室（中圧タービンの車室）の内壁と接触するようにしたことを特徴とする。
蒸気タービンにおける各段のノズルや回転羽根を蒸気が経由すると、そのたびに蒸気の温度や圧力は低下する。そのため、再熱蒸気を、上記のとおり少なくとも１段のノズルを経由したうえで車室の内壁と接触するようにするなら、再熱蒸気に温度変動が生じる場合にも、車室の内壁と接触するときのその蒸気については温度変動幅が小さなものとなり、車室の温度変動、したがって車室の熱変形を小さくすることが可能になる。
高圧タービンと中圧タービンとを一連に有する長尺の車室は、比較的小さな温度変動によっても大きな熱変形を引き起こしやすいため、上記によって車室の熱変形が抑制されるとその効果はきわめて大きい。また、そうした効果によってタービンが円滑に運転されると、再熱式蒸気タービンによる前述した利点が最大限にもたらされることになる。

中圧タービンへの再熱蒸気の流入管が車室と分離不能な一体物であり、その流入管に、当該流入管と分離不能な一体物として形成された仕切り壁および第１段ノズルを介して車室（中圧タービンの車室）から隔てられた独立蒸気室を形成することとするのがよい。たとえば図１（ｂ）のように、仕切り壁６ａと第１段ノズル７ａとを設けて独立蒸気室６を形成するのである。
このように独立蒸気室を設けると、上記したように、中圧タービンに供給される再熱蒸気を少なくとも１段のノズルを経由したうえで車室の内壁と接触させることになる。そうすると、上述のとおり、再熱蒸気に温度変動が生じる場合にも、車室の温度変動および車室の熱変形を小さくすることが可能になる。
また、上記の車室を一重のものとするのが好ましい。

上記車室の両端部付近（タービンの軸心線に沿った両端部付近）と中ほどの部分とに、特定方向への車室の変位を拘束する車室保持手段（たとえば、車室の長手方向への変位を許容するとともに車室の幅方向への変位を拘束する、図３に示すキー８ａのような保持手段）を設けるとさらに好ましい。
再熱蒸気に温度変動が生じる場合等には、車室は多少でも温度変動をして熱変形を生じることとなるが、このように車室保持手段を設けるなら、車室の熱変形はとくに効果的に抑制され、ラビリンスパッキンがロータに接触する等の不都合が回避される。
車室保持手段は、従来、車室の両端部付近に設けられることはあったが中ほどの部分に設けられることはなかった。しかし、再熱蒸気が供給されるのは、中圧タービンの入口であって車室の中ほどの部分であるため、再熱蒸気の温度変動にともなう車室の変形はその中ほどの部分で発生しやすい。したがって、車室の両端部付近とともに中ほどの部分にも車室保持手段を設けることは、車室の変形を抑制してラビリンスパッキンとロータとの接触等を回避するうえで、きわめて効果的なのである。

高圧タービンに供給される主蒸気の流入管を、車室の軸心を含む鉛直な平面に関して対称な経路を有するものにするのも好ましい。図３に示す流入管４Ａは、そのようにした流入管の一例である。
主蒸気の流入管は、従来、車室の左右いずれかの方向から、つまり車室の軸心を含む鉛直な平面に関して対称でない一方の側のみから、車室に主蒸気を供給するものであった。しかし、主蒸気も再熱蒸気と同等程度以上の高温度のものであるため、いずれか一方のみから車室に供給されると、車室の温度は左右（上記の平面をはさんだ両側）で不均等になりやすく、それによって車室の熱変形が大きくなることも考えられる。
主蒸気の流入管を上記のとおり対称な経路を有するものにすると、車室の温度が上記とは違って左右均等になり、したがって熱変形が効果的に抑制されることとなる。
なお、同じ理由で、再熱蒸気の流入管も、車室の軸心を含む鉛直な平面に関して対称な経路を有するものにするのが好ましい。

上記車室が、ボルトを用いて上下の部分を接合することにより構成されている場合、少なくとも中圧タービンにおいては、当該ボルトと車室のボルト穴との間に熱伝導促進材（熱伝導率の高い固体や粉粒体または液体。たとえば銅板や銅粉）を入れるのが好ましい。
中圧タービンにおいては上述のように再熱蒸気の温度変動に基づいて車室の温度変動が生じるが、その温度変動が急激であって、上記のような接合用のボルトの温度変動が車室の温度変動から相当程度以上に遅れるときは、熱膨張量の差に起因してボルトによる車室の接合が緩くなることがあり得る。
その点、このようにボルトと車室のボルト穴との間に熱伝導促進材を入れておけば、ボルトの温度変動が車室の温度変動から大きく遅れることが避けられ、したがってボルトによる車室の接合が緩くなることが防止される。

発明による再熱式蒸気タービンをＬＮＧ（液化天然ガス）運搬船に搭載することとし、中圧タービンへの再熱蒸気および高圧タービンへの主蒸気を発生するためのボイラを、上記運搬船におけるＬＮＧタンク内の蒸発ガスを主な燃料とするものとするなら、燃費に関してとくに有利である。
ＬＮＧ運搬船におけるＬＮＧタンクは、断熱構造が採用されていてＬＮＧを十分低温度に保つものの、内部ではわずかずつＬＮＧが蒸発するため、その蒸発ガス（ボイルオフガス）を抜き出す必要がある。抜き出した蒸発ガスは大気中に放出することもできるが、それを燃料として利用すると、運搬船の燃費について大いに有利である。この蒸発ガスは、ディーゼルエンジン等の燃料にする場合には安定した燃焼を維持するのが難しい一方、ボイラの燃料とすることは容易であり、出力調整等のために重油と混焼させることも可能である。そこで、再熱式蒸気タービンをＬＮＧ運搬船に搭載する場合には、ＬＮＧタンク内の蒸発ガスを主な燃料とするボイラによって主蒸気および再熱蒸気を発生させることとすれば、ボイラにおける燃焼を安定的なものとしながら、航行に必要な燃費を効果的に改善することが可能になる。

請求項に係る発明は、中圧タービンに供給される再熱蒸気を、少なくとも１段のノズルを経由したうえで車室の内壁と接触させるもので、これによれば、再熱蒸気に温度変動が生じる場合にも、車室の温度変動および車室の熱変形を小さくすることができる。またそれには、中圧タービンへの再熱蒸気の流入管に、仕切り壁および第１段ノズルを介して車室から隔てられた独立蒸気室を形成することとするのがよい。

車室の両端部付近と中ほどの部分とに、特定方向への車室の変位を拘束する車室保持手段を設けるなら、車室の熱変形はさらに効果的に抑制される。
また、高圧タービンに供給される主蒸気の流入管を、車室の軸心を含む鉛直な平面に関して対称な経路を有するものにすると、車室の温度分布が対称的になり、その熱変形がさらに効果的に抑制される。

車室の上下部分を接合するためのボルトと車室のボルト穴との間に熱伝導促進材を入れるなら、当該ボルトによる車室の接合が緩くなることが防止される。
発明の再熱式蒸気タービンをＬＮＧ運搬船に搭載し、そのＬＮＧタンク内の蒸発ガスを主な燃料とするボイラにて同タービン用の蒸気を発生させるなら、航行用の燃費に関してとくに有利である。

発明の実施に関する一形態を図１〜図４に示す。図１（ａ）は再熱式蒸気タービン１を示す全体的な縦断面図で、同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ部詳細図である。図２は図１（ｂ）におけるII−II断面図であり、図３（ａ）は図１（ａ）におけるIII部詳細図、図３（ｂ）・（ｃ）は、同（ａ）に示す部分の正面図および底面図である。また図４は、蒸気タービン１とともにＬＮＧ運搬船における燃料および蒸気等の流れを示す系統図である。

図１（ａ）に示すとおり、再熱式蒸気タービン１では、ロータ２を内部に配置した車室３における同一軸心線上に高圧タービン４と中圧タービン５とが配置されている。車室３には、高圧タービン車室４Ｃと中圧タービン車室５Ｃとが一連に形成されており、高圧タービン車室４Ｃには主蒸気の流入管４Ａと排気管４Ｂとが設けられ、中圧タービン車室５Ｃには、高圧タービン車室４Ｂを出たのち再熱されて供給される再熱蒸気の流入管５Ａが長手方向の中ほど上部に形成されるとともに、その排気管５Ｂが、高圧タービン４から離れた側の端部の下方に形成されている。

車室３は台板８上に取り付けられており、ロータ２は、その車室３内に軸受２Ａ・２Ｂを介して回転可能に支持されている。すなわち、まずロータ２は、高圧タービン４の先にある図示右方の端部においてはラジアル荷重とスラスト荷重とを受ける推力軸受２Ａによって支持され、中圧タービン５の先にある図示左方の端部では、ラジアル荷重のみを受ける平軸受２Ｂにより支持された状態で、車室３内に配置されている。そして車室３は、上記した推力軸受２Ａの外側付近における１カ所では、軸心方向の変位と左右方向（車室の軸心を含む鉛直な平面をはさんだ左右の方向）への変位を拘束するとともに上下（鉛直）方向への変位を許容するキーおよびキー溝（図示省略）を介して台板８に取り付けられ、上記の平軸受２Ｂの外側付近における１カ所では、上記した左右方向への変位を拘束するとともに軸心方向等への変位を許容するようにキーおよびキー溝（図示省略）を介して台板８に取り付けられている。

図示の再熱式蒸気タービン１においては、流入管５Ａより中圧タービン５に供給される再熱蒸気の温度が、タービン負荷の変動に応じて３７０℃〜５４０℃程度の範囲で短時間内に変動する。このタービン１においても、前述のようにロータ２の各部に対しきわめて接近した位置にラビリンスパッキン（図示省略）が配置されているため、再熱蒸気の温度変動による車室の変形はできるだけ小さくすることが望まれる。そのような観点から、車室３の熱変形を最小限に抑えるべく、この再熱式蒸気タービン１では新たに以下の構成を採用している。

まず、流入管５Ａから中圧タービン車室５Ｃにかけての部分を、図１（ｂ）および図２のように構成している。すなわち、再熱蒸気の流入管５Ａのうち中圧タービン車室５Ｃに至る直前の部分に、仕切り壁６ａおよび第１段ノズル７ａによって車室５Ｃと分離された独立蒸気室６を設けている。ただし図２のように、車室３は上下の各部分をフランジ３Ｃａで接合することにより一体にしていることから、独立蒸気室６は車室３の上半部にのみ形成した。車室３の下半部には、流入管５Ａおよび独立蒸気室６は通じておらず第１段ノズル７ａも存在しない。
上記の構成により、流入管５Ａから車室５Ｃに供給される再熱蒸気は、第１段ノズル７ａとそれに隣接する回転羽根７ｂを経由したのちに、中圧タービン車室５Ｃに流入してその内壁と接触することになる。第１段ノズル７ａとその回転羽根７ｂとを経由すれば再熱蒸気の温度と圧力は相当程度低下するため、これによって、車室５Ｃに接触する再熱蒸気の温度変動は、流入管５Ａや独立蒸気室６の内部での再熱蒸気の温度変動よりも相当に小幅なものとなる。こうして再熱蒸気の温度変動が小さくなれば、車室５Ｃに生じる温度変化も小さくなり、したがって車室５Ｃの熱変形が抑制される。なお、図１（ｂ）において符号７ｃ・７ｄのそれぞれは、中圧タービン車室５Ｃに取り付けられた第２段のノズルおよびそれに隣接する回転羽根である。

再熱式蒸気タービン１における車室３と台板８との間には、上記のとおり両端部付近の２カ所にキーおよびキー溝が配置されているが、このたび新たに、車室３の長手方向中ほどの部分に、図３（ａ）〜（ｃ）のとおりキー８ａおよびキー溝５Ｃａを含む車室保持手段を追加した。図示の例では、車室３のうち高圧タービン車室４Ｃにおける主蒸気の流入管４Ａに続く一部（長期の出力調整のために開閉するノズル弁）４Ａａにブラケットを介してキー溝５Ｃａを設ける一方、台板８と一体につながる一部にキー８ａを設けている。キー８ａとキー溝５Ｃａとは、車室３の軸心線と平行に延びたもので、車室３が軸心線方向に変位することを許容するとともに、左右方向（図３（ｃ）における上下の方向）に変位することは許容しない。この車室保持手段を設けた車室３の長手方向中ほどの部分は、流入管４Ａを経て主蒸気が流入するとともに流入管５Ａを経て再熱蒸気が流入する箇所に近いため、同手段によって車室３の左右方向への変位を拘束するなら、ロータ２とラビリンスパッキンとの接触等を効果的に防止することができる。

またこの例では、同じ図３に示すように、高圧タービン４への主蒸気の流入管４Ａを、左右対称の形状にして車室３の下部に形成している。つまり、車室３の軸心を含む鉛直な平面に関して対称な経路を有するものとして流入管４Ａを形成したのである。主蒸気の温度は５６０℃程度と高温になるため、このように対称なものとすることにより、車室３の熱変形を最小限に抑えることができる。

ところで、先に図２によって説明したように、車室３は、上半部および下半部をフランジ３Ｃａで接合することにより一体化したものである。つまりフランジ３Ｃａは、複数箇所に設けた挿通孔３Ｃｂ内にボルト３Ｃｃを通し、ナットで締め付けることによって接合する。再熱蒸気の温度変動にともなって車室３とともにフランジ３Ｃａの温度が下降したとき、ボルト３Ｃｃの温度が高いままだと、ボルト３Ｃｃ等による上記の接合が緩くなることが考えられる。そこでこのタービン１では、挿通孔３Ｃｂとボルト３Ｃｃとの間に銅板（熱伝導促進材）を詰め込み、フランジ３Ｃａとボルト３Ｃｃとの間で熱が速やかに移動するようにした。ボルト３Ｃｃと銅板とが接触し、銅板とフランジ３Ｃａ（の挿通孔３Ｃｂの内面）との間も接触するようにするのがよい。こうしたことにより、フランジ３Ｃａとボルト３Ｃｃとの間で温度差の拡大することが防止され、上記の接合が緩むことが避けられる。

図４は、以上のような再熱式蒸気タービン１を搭載したＬＮＧ運搬船における燃料および蒸気等の流れを例示する系統図である。再熱式蒸気タービン１には２基のボイラ１２ａ・１２ｂから蒸気を供給することとし、まずは、供給経路１４を通して主蒸気を高圧タービン４へ送る。高圧タービン４を回転させた主蒸気は、回収経路１５にてボイラ１２ａ・１２ｂへ戻し、再加熱をしたうえ再熱蒸気として供給経路１６（太い線で表したもの。前述のとおり再熱蒸気の温度変動が大きい）より中圧タービン５へ供給する。中圧タービン５を回転させたその蒸気は、経路１７により導いて低圧タービン２０を回転させ、復水器２１で水に戻したうえ、ポンプ２２によって経路２３から再びボイラ１２ａ・１２ｂへ送る。その一方、上記した高圧・中圧のタービン４・５を含む再熱式蒸気タービン１と、別に配置した低圧タービン２０との各出力は、減速機２６を介して船尾の推進プロペラ２７および発電機２８への駆動力とする。

ボイラ１２ａ・１２ｂの燃料としては、同運搬船が搭載するＬＮＧタンク１０内でのボイルオフガス（自然気化ガス）を主として使用している。当該ボイルオフガスを、低圧コンプレッサー１１により加圧（および加熱）したうえボイラ１２ａ・１２ｂに送るのである。ボイラ１２ａ・１２ｂには重油の供給経路１３をも接続しており、ボイルオフガスのみでは不足の場合等に、当該経路１３から重油を供給しボイルオフガスと混焼させることとしている。

下記の表１に、従来型の非再熱式蒸気タービン（Conventional Plant）と上記した再熱式蒸気タービン（Kawasaki Reheat Plant）とについての比較を示す。すなわち表１では、１７万７０００ｍ³のタンク容量を有するＬＮＧ運搬船において、推進源として非再熱式の蒸気タービンを用いる場合と上記形式の再熱式蒸気タービン１を使用する場合とで、ボイラの仕様や燃費を比較している。燃料消費量は184ton/dayから160ton/dayに減少し、１３％以上の燃費改善がもたらされることが分かる。

発明の実施態様である再熱式蒸気タービン１を示すもので、図１（ａ）はタービン１の全体的な縦断面図、同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ部詳細図である。 図１（ｂ）におけるII−II断面図である。 図３（ａ）は図１（ａ）におけるIII部詳細図である。また、図３（ｂ）・（ｃ）は、同（ａ）に示す部分の正面図および底面図である。 蒸気タービン１とともに、ＬＮＧ運搬船における燃料および蒸気等の流れを示す系統図である。 図５（ａ）は、高・中圧のタービンが一体に設けられた従来の再熱式蒸気タービン１’を示す全体縦断面図で、同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ部詳細図である。

符号の説明

１ 再熱式蒸気タービン
２ ロータ
３ 車室
４ 高圧タービン
４Ａ 主蒸気の流入管
４Ｃ 高圧タービン車室
５ 中圧タービン
５Ａ 再熱蒸気の流入管
５Ｃ 中圧タービン車室
５Ｃａ キー溝（車室保持手段）
６ 独立蒸気室
６ａ 仕切り壁
７ａ 第１段ノズル
８ 台板
８ａ キー（車室保持手段）
１０ ＬＮＧタンク
１２ａ・１２ｂ ボイラ

Claims (6)

1. 一連に形成された車室内の同一軸心線上に高圧タービンと中圧タービンとが配置され、中圧タービンに再熱蒸気が供給される再熱式蒸気タービンであって、
   中圧タービンに供給される再熱蒸気が、少なくとも１段のノズルを経由したうえで車室の内壁と接触するよう、
   中圧タービンへの再熱蒸気の流入管が車室と分離不能な一体物であり、その流入管に、当該流入管と分離不能な一体物として形成された仕切り壁および第１段ノズルを介して車室から隔てられた独立蒸気室が形成されていることを特徴とする再熱式蒸気タービン。
2. 上記の車室が一重のものであることを特徴とする請求項１に記載した再熱式蒸気タービン。
3. 上記車室の両端部付近と中ほどの部分とに、特定方向への車室の変位を拘束する車室保持手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載した再熱式蒸気タービン。
4. 高圧タービンに供給される主蒸気の流入管が、車室の軸心を含む鉛直な平面に関して対称に形成された経路を有するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載した再熱式蒸気タービン。
5. 上記車室が、ボルトを用いて上下の部分を接合することにより構成されていて、少なくとも中圧タービンにおいては、当該ボルトと車室のボルト穴との間に熱伝導促進材が入れられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載した再熱式蒸気タービン。
6. ＬＮＧ運搬船に搭載されていて、
   中圧タービンへの再熱蒸気および高圧タービンへの主蒸気を発生するためのボイラが、上記運搬船におけるＬＮＧタンク内の蒸発ガスを主な燃料とするものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載した再熱式蒸気タービン。