JP4707956B2 - 蒸気タービンとその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、多数の案内羽根と共に多数のケーシングセグメントから形成されたケーシングジャケットの内部に配置された、多数の回転羽根を有するロータを備えた蒸気タービンに関する。本発明は、更にこの形式の蒸気タービンの運転方法に関する。

本発明に言う蒸気タービンとは、蒸気の形態の作動媒体が貫流するタービン又は部分タービン（Teilturbine）である。これと異なりガスタービンは作動媒体としてガスおよび／又は空気が貫流するが、これは蒸気タービンの場合の蒸気と全く異なる温度および圧力条件に支配される。ガスタービンと異なり蒸気タービンの場合、例えば部分タービンに流れ込む、最高温度をもつ作動媒体が同時に最高圧力を有する。即ちガスタービンの場合のような開放型冷却システムは、部分タービンの外付けなしには実現不可能である。

蒸気タービンは通例翼を装入し回動可能に軸支したロータを含み、前記ロータはケーシングジャケットの内部に配設されている。加熱されかつ加圧下にある蒸気がケーシングジャケットで形成された流れ空間の内部空間を貫流する際、ロータが翼を経て蒸気により回動される。ロータの翼は回転羽根とも呼ばれる。更にケーシングジャケットには、通常動翼の中間室に係合する固定案内羽根が吊り下げられる。案内羽根は普通第１箇所で蒸気タービンケーシングの内面に沿って保持される。この場合、前記案内羽根は通例内周に沿って蒸気タービンケーシングの内面に配置された多数の案内羽根を含む案内羽根リングの部分である。この場合、各案内羽根はその翼板と共に半径方向内方へ向く。軸方向拡張部に沿った前記第１箇所の案内羽根リングは、案内羽根列とも呼ばれる。通常多数の案内羽根列は、前後に接続されている。対応して第２箇所で軸方向拡張部に沿って第１箇所の後部にもう１つの第２翼が蒸気タービンケーシングの内面に沿って保持されている。

この形式の蒸気タービンのケーシングジャケットは、多数のケーシングセグメントから形成できる。蒸気タービンのケーシングジャケットは、特に蒸気タービンや部分タービンの固定ケーシング部材であり、前記部材は作動媒体による貫流のために蒸気を考慮した、蒸気タービンの軸方向拡張部に沿った内部空間を持つ。これは、各蒸気タービンの形式に応じ、内部ケーシングおよび／又は案内羽根支持体となし得る。しかしまた、内部ケーシングや案内羽根支持体を持たないタービンケーシングも考慮できる。

効率上の理由から前記形式の蒸気タービンの設計を、所謂「高い蒸気パラメータ」、即ち特に高い蒸気圧力および／又は温度に対して望ましいものにできる。但し特に温度上昇は材料技術上の理由から無制限に可能ではない。従ってその際、特に高い温度でも蒸気タービンの確実な運転を可能にすべく、個々の部材又は部品の冷却を最適化できる。

従来公知の冷却方法において、特に蒸気タービンケーシングに関しては、能動的冷却と受動的冷却が区別されている。能動的冷却では、蒸気タービンケーシングに独立の、即ち作動媒体に付加的に供給される冷却媒体により冷却する。それに対し受動的冷却では、単に作動媒体の好適な案内又は使用により行う。蒸気タービンケーシングの通常の冷却は受動的冷却に限られる。例えば蒸気タービンの内部ケーシングに、冷えて既に膨張した蒸気を循環させることが公知である。しかし、過大な温度差により内部ケーシングが熱的に大きく変形するので、前記温度差を内部ケーシング内壁全体にわたり抑制した状態にせねばならない欠点がある。内部ケーシングの循環時に排熱が行われるが、その箇所は比較的遠くに離れている。給熱の直接近傍での排熱は、従来充分な規模で実現されていない。もう１つの受動的冷却は、作動媒体の好適な膨張により所謂傾斜段で達成できる。但しこれに関しては、非常に限定されたケーシングの冷却作用しか達成できない。

特許文献１は蒸気タービンケーシング内部の各部品の能動的冷却を開示している。この冷却は高温の作動媒体の流入領域に制限される。この出願の図１に示された如く、ロータと第１案内羽根リングの温度負荷を低減するため、特許文献１では冷却媒体を、ケーシングを通り防護板および第１案内羽根リングに案内する。冷却媒体の一部は作動媒体に混合される。その際、この冷却は被冷却部品の流入により達成される。

各案内羽根リングを、各ロータ領域の遮蔽のために選択的に中央の中空を経て供給するロータ内の独立の半径方向通路を経て媒体で付勢することは公知である（特許文献２）。そのため通路を経て媒体を作動媒体に混合し、案内羽根リングに選択的に流し込む。しかしながら、そのために設けた管の中心の中空孔で増大する遠心力応力を受ける必要があり、これは設計および運転に関し著しい欠点となる。

特許文献３は、蒸気システムの他の領域からの冷却媒体の抽出、案内および作動媒体の流入領域での冷却媒体の供給の可能性を開示している。

化石燃料による発電で高い効率を達成するには、タービンに従来一般より高い蒸気パラメータ、即ちより高い圧力と温度を使用する必要がある。この際、作動媒体としての蒸気に部分的に２００ｂａｒをはるかに超える圧力と部分的に５００℃をはるかに超える温度が考慮される。かかる蒸気パラメータが非特許文献１に詳細に記載されている。この文献１の開示内容は、この明細書の一部をなすものとする。特により高い蒸気パラメータの例は、文献１の図１３に挙げられている。文献１では、蒸気タービンケーシングの冷却の改善のため、冷却蒸気供給と冷却蒸気の転送とを第１案内羽根列および必要なら第２案内羽根列により行っている。その結果、確かに能動的冷却が可能となる。しかしこれは作動媒体の主流動領域に制限され、更に改善の余地がある。

即ち蒸気タービンケーシングの従来公知の全ての冷却方法は、これがそもそも能動的冷却方法である限り、高々独立かつ被冷却タービン部分の目標指定の流れ込みを考慮し、第１案内羽根リングを含めて、作動媒体の流入領域に制限されている。この結果高い蒸気パラメータをもつ通常の蒸気タービンの負荷時に全タービンに作用する、増大した熱負荷を生ずることがあり、該熱負荷は上記の通常のケーシング冷却では充分に解消できない。より高い効率を達成すべく基本的により高い蒸気パラメータで作動する蒸気タービンは、蒸気タービンのより高い熱負荷を充分な規模で解消すべく改善した、特にケーシングの冷却が必要である。この際、従来通常のタービン材料の利用時にケーシングの増大する応力が増大した蒸気パラメータに伴いケーシングに不利な熱負荷を引き起こすことがあり、その結果前記利用が技術的にもはや実施不可能になる問題がある。
米国特許出願公開第６１０２６５４号明細書 国際公開第９７／４９９０１号パンフレット 欧州特許出願公開第１１５４１２３号明細書 雑誌ＶＧＢ発電所技術、第７３号（１９９３年）、第５号の中のハー・ゲー・ネフトおよびゲー・フランコヴィレの論文「より高い流入パラメータおよびより長い翼端に関する新規蒸気タービン概念」。

従って本発明の課題は、高い蒸気パラメータを持つ運転に適した上記の蒸気タービンを提供することである。そのため、蒸気タービンの運転に特に好適な方法をも開示する。

蒸気タービンに関し、前記課題は本発明によれば、複数の案内羽根を有するケーシングジャケットの内部に配置された、複数の回転羽根を有するロータを備え、前記ケーシングジャケットは、内部ケーシング又は前記案内羽根の保持部として構成され、かつ複数の内蔵冷却通路を備え、前記回転羽根および案内羽根が多数の翼列にまとめられた蒸気タービンであって、前記複数の内蔵冷却通路は、前記ロータの長手方向に見て少なくとも２つの連続する翼列を超えて延在することによって解決される。

本発明は、特に流動媒体の温度上昇時に、制限的な要因がケーシング内壁自体内に生ずると言う考察から出発する。従って蒸気タービンは確実に冷却可能なケーシングジャケットを備えるべきである。これは直接必要な冷却領域、即ち直接ケーシングジャケット又は前記ケーシングジャケットに必要な場合に形成されるケーシングセグメントの内部に多数の冷却通路を設けることで達成可能である。

ここに「冷却通路」とは、特に冷却媒体のための流動通路を意味する。この通路は冷却媒体の輸送又は移送に利用されるだけでなく、設計に応じて、冷却媒体の付勢時に周囲、特に各ケーシングセグメントの冷却作用を行う。

その際、特に信頼性がありかつ必要に応じた冷却作用を達成するため、冷却通路をケーシングジャケットの内部表面の比較的表面近傍に案内するとよい。この場合、比較的高温の流動媒体の案内時に、ケーシングジャケットの内部空間で熱負荷がその内部表面で特に高くなると言う認識を基礎とする。この結果、特に必要に応じた冷却を、各冷却通路を各ケーシングセグメントの壁の内部で該壁の中心面に対し相対的に内部表面の方向、即ち内部空間又は流動空間を仕切る表面に向けてずらして位置決めすることで達成できる。

冷却通路をケーシング壁の比較的大面積の冷却のために設計し、ロータの長手方向に見て一定最小長にわたり延在させる。そのためケーシングの輪郭にほぼ連続して、冷却通路を目的に応じほぼロータの長手方向に向ける。

最小長は、ロータの長手方向に見て、少なくとも２つの翼列を橋渡しする長さとする。

これは、蒸気タービンケーシングの冷却を複数の翼列を経て、即ち少なくとも第１箇所の手前に配置した第１領域と、第２箇所の後方に配置した第２領域との間で一貫して行える他に、排熱を給熱の直接近傍、即ちケーシング内部で行える長所も有する。この方法で通例の蒸気タービンの冷却を改善し、該タービンを低い材料費で製造できる。更に提案した冷却概念は、より高い流入パラメータ用の新規蒸気タービン概念の立案を可能にする。より高い蒸気パラメータの例は非特許文献１に見られる。作動媒体としての蒸気の、例示的な蒸気パラメータは、２５０ｂａｒと５４０℃又は３００ｂａｒと６００℃である。

本発明の好適な実施の形態を、蒸気タービンケーシングに関する従属請求項に示す。該請求項は、ケーシングを前記およびその他の長所に関し、更に改善する可能性を与える。

特に有利な発展形態では、第１箇所と第２箇所の間に夫々１つの翼を保持した多数の別の箇所を設ける。特に冷却通路は、関連するケーシングジャケット内に内蔵された蒸気タービンケーシングの軸方向拡張部に沿って延在する冷却システムの一部にするとよい。これは冷却蒸気を主流と平行に案内する可能性を与える。複数の翼列の冷却は、全ケーシングに沿って可能になる。冷却通路は、この場合好ましくは対応する導通部を経てケーシング内に係留した案内羽根により案内できる。その際付加的に又は別法として多数の第１導通部を設けることができ、該導通部は夫々貫通し、軸方向拡張部に沿って唯一又は複数の翼列から出る。これは別の第２導通部を経て、半径方向又は任意の別の方向に向く導通システムに接続できる。少なくとも１つの又は多数の第１導通部は、表面近傍に配置するとよい。別の第２導通部は内壁内に延在させ、又は該内壁から案内してもよい。

作動媒体のパラメータに冷却媒体のパラメータを適合する可能性を考慮した開放型冷却システムが好適である。これを、提案する方法により、以下で個別的に説明する。

以下、導通システムの別の有利な実施形態を記載するが、この部分は提案する概念に基づく冷却通路である。この導通システムは、表面近傍の、蒸気タービンケーシングの内面に配置するとよい。表面近傍とは、本明細書では、特に冷却システムが蒸気タービンケーシングの半径方向拡張部の領域に配置され、前記領域が一方でケーシングの内面、他方では案内翼溝の外部半径方向拡張部により制限されることを意味する。冷却通路は、個々の必要性に応じ、本来の通路又はケーシングの外面と内面間の中空空間の、任意の形式として設計するとよい。これは熱損失箇所における排熱の別の改善を可能にする。

本発明による蒸気タービンケーシング内部の冷却の概念は、低蒸気密度の膨張蒸気の循環によるケーシング内壁の外面で、内部ケーシングに作用する冷却よりも効率的に作用する。更に蒸気タービンケーシングの変形挙動に関し長所を生じる。本発明の概念による冷却は、ケーシングおよび／又は翼への熱絶縁層の利用も高める。この形式の層は比較的小さい熱伝導率を有し、充分な熱低減があることを前提に高い温度差を生ずる。その結果ケーシング、翼脚および部分的に翼板を熱絶縁層なしより低温に保持できる。別の絶縁層として、又はこの種絶縁層と組合せて、本発明の冷却概念の使用時、左程良好でない熱伝導性翼材の使用を有意義にできる。その好ましい例は、例えばオーステナイト系材料である。

冷却システムは、好適にはケーシングの円周拡張部に沿って少なくとも部分的に循環する分岐通路を有する。いずれにしても設ける冷却通路と共に、これは蒸気タービンケーシングの全円周冷却を、有利にはその内面近傍で可能にする。

冷却媒体のパラメータを、作動媒体のパラメータに応じ開放型冷却システム全体にわたり段階的に、作動媒体への冷却媒体の溢流が比較的低い差圧で起こるよう適合させるとよい。そのため、前記冷却通路又は各冷却通路を、目的に応じ多数の溢流開口部を経て流動媒体用のケーシングジャケットで取り囲まれた流動空間に接続する。通路システムと溢流開口部を前記設計基準に関して好適に寸法決めし、もって流動抵抗を冷却媒体内の圧力レベルに適合させるとよい。この寸法は、運転状態で冷却媒体が局所的に、即ち特に夫々同じタービン段で、流動媒体より例えば約０．１〜２５％だけ高い圧力を示すように選ぶ。そのため、第１領域が主流への第１開口部、第２領域が主流への第２開口部を持ち得る。この結果複数の翼列の冷却が可能になり、冷却媒体は夫々１つの主流に類似の、特に僅かに高い圧力を有し、その結果差圧負荷の極小化が図れる。

本発明を発展させ、ケーシングの内面を内壁の内面で形成できる。即ち冷却通路を孔、溝又は別の好適な方法で内壁内に組み込める。更にケーシングの内面を固定遮蔽板で形成すると特に好ましい。これは、蒸気タービンケーシングを冷却したブレード取付け領域内で主流に対し完全に遮蔽することを可能にする。これはケーシング材料の酸化に対し本質的な長所を持つ。固定遮蔽板は、好ましくは翼、特に翼脚で保持できる。

冷却通路は、各要求に応じ構成できる。即ち導通部を翼、特に翼脚で案内するとよい。この際、翼脚の溝を通路の一部にできる。必要なら、孔も個々の翼脚により、別法として又は付加的に、２つの隣接する翼脚により通路の一部となし得る。更に導通部と連続して接続した通路を翼板内に設けてもよい。この方法で、案内羽根板領域をフィルム冷却で実行可能となる利点がある。

好ましくは冷却媒体として蒸気が考慮され、これは冷却通路の運転、特に必要な動作圧力に関して好適な箇所から発電所の水−蒸気循環系から抽出できる。

本方法に関する前記課題は、流動媒体用の流動空間を仕切るケーシングジャケットを、少なくとも部分的にロータの長手方向に見て少なくとも２つの連続する翼列を超えて延在する複数の内蔵冷却通路を経て冷却媒体で付勢することで解決される。

蒸気タービンに流れ込む最高温度の作動媒体は同時に最高圧力をも有するので、冷却媒体を蒸気タービンケーシングに外部から供給するとよい。その際冷却媒体の圧力が主流内の作動媒体の局所的圧力を超えていると望ましい。

冷却媒体を主流の圧力に適合させ、特に冷却媒体流を低い圧力で案内すると特に有利である。この改良形態で、より高い蒸気パラメータに適合した開放型冷却システムが形成できる。主流への圧力適合のための冷却媒体の圧力低減は、段階的に好適に選択した流れ抵抗により、冷却システム内で少なくとも１つの導通部内の主流への対応する開口部と組合せて行うとよい。

更に、冷却媒体は主流の温度に適合した温度および／又は量で供給するとよい。これは好適にはタービン弁の急速閉鎖と調整過程に続く安全技術要件を満たす弁で制御できる。冷却媒体の不足時にタービンの運転は必要ならタービン弁を利用して遮断でき、これが急速閉鎖と呼ばれる。冷却媒体の温度は安全技術要件に基づき規定され、制御技術的に監視する必要がある。必要なら、低負荷時に過大な量の冷却媒体の作動媒体内に取り込むことができ、それにより主流の温度を冷却したブレード取付け領域により冷却媒体の増強した混加により充分に低く保持できる。

ケーシングに内蔵した、好ましくは表面近傍の導通システム内の冷却媒体の供給と冷却媒体の案内の上記概念は、前記要件に対応して設計および適合可能である。

本発明の概念は、本発明の一実施形態に従って、タービンの起動および／又は急速冷却にも使用できる。

同様に本発明は、今日の蒸気パラメータに関してより廉価な、より少ない耐熱材の使用を可能にする。

本発明の一実施例を、図面を参照しつつ詳しく説明する。

本発明の有利な実施形態を、ここに静的な付加部材、即ちケーシングおよび案内羽根を指定して冷却可能な、圧力適合した冷却蒸気質量流を提供する冷却システムとの関連で記載する。それにより、ここに提案した有利な実施形態は、本質的により高い蒸気パラメータとより高い効率のコスト的に有利な、実規模技術的な実現に貢献する。更に、ここに記載した又はそれと異なるおよび変形した本発明の実施形態は、コスト的により有利なケーシングおよび翼材料を現在の蒸気パラメータで使用するために同様に利用できる。

図面の各図は個別的に以下のとおりである。

図１は、特許文献１に基づく先行技術に記載された蒸気タービン１の断面図である。これは軸２に回動可能に配置された、回転羽根とも呼ばれる多数の動翼４を備えたロータ３を有する。前記動翼は、案内羽根取付け部６を備えた固定ケーシング５内に配置されている。ロータ３は動翼４を経て流入領域７内に流れ込む作動媒体８で駆動される。作動媒体８に加えて、独立の入口領域９を経て冷却媒体１０が作動媒体８に流れ込む。この際、冷却媒体１０は流れ込みによって専ら固定案内羽根取付部の第１案内羽根リング１１並びに遮蔽板１２を冷却する。その結果、流入領域内のロータ３と第１案内羽根リング１１の温度負荷が減少する。特に遮断管１３を経て冷却媒体１０が入口領域９から第１案内羽根リング１１を越えて直接ケーシング５と第１動翼１５の間にある領域１４に案内される。それに伴い冷却媒体１０の入口領域９は作動媒体８に対し密閉され、冷却媒体１０が遮断流体として作用する。この場合、遮断管１３は冷却管として作用しない。

それに対し図２は、本発明の特に有利な実施形態による蒸気タービン２０の断面図である。蒸気タービン２０は、該タービンに配置された多数の動翼又は回転羽根２２を備えるロータ２１を有し、該ロータは回動可能に多数の案内羽根２４を備えたケーシングジャケット２３内に軸支されている。ロータ２１とケーシングジャケット２３を備えた蒸気タービン２０は、この場合軸２５の軸方向拡張部に沿って延在する。回転羽根２２は、この場合指のように固定案内羽根２４の間の中空空間内に係合する。

ここに図示したケーシングジャケット２３は、内部ケーシング又は案内羽根支持体としておよび／又は多数のケーシングセグメントのセグメント化構造方式で形成できる。蒸気タービンケーシングの内壁２６は外面２３ａを有し、この場合これはケーシングジャケット２３の外面でもある。蒸気タービンケーシングは、更に内面２３ｂを有する。内面２３ｂは流体の作動媒体の主流２７を収容すべく設けた内部空間２７ａに境を接する。ケーシングジャケット２３は、内面２３ｂに夫々１つの案内羽根２４を保持する多数の箇所を持つ。この際、特に有利な実施形態により通路システム２８が冷却媒体の案内のために、外面２３ａと内面２３ｂの間に配置され、第１領域２８ａから案内羽根２４用の箇所に沿って第２領域２８ｂ迄貫通して延在する。

従って冷却システムとして設けた通路システム２８は、ケーシングジャケット２３内に内蔵した多数の冷却通路２９を含み、前記冷却通路はケーシングジャケット２３の内部表面の比較的近傍に伸長し、ほぼロータ２１の長手方向を向いている。

ここに通路システム２８は、軸２５に沿い主流２７のための多数の溢流開口部２９ａを持つ。これらは、通路システム２８の流出開口部と協働して主流２７と平行に冷却媒体の段階的な減圧を行う。案内羽根２４の段から段へ、冷却媒体を、図示しない流れ抵抗により絞るとよい。そのため、例えば各１つの案内羽根列において、孔を経て冷却媒体を流出させるとよい。この絞りで、圧力が技術的作業なしに低下する。冷却媒体は類似の圧力とより低い温度で流動媒体より高い密度を有し、そのためより良い熱移行挙動を生じる。絞りと温度上昇に伴う冷却媒体の体積の増大は、徐々に冷却媒体の一部を主流に溢流開口部２９ａを経て流出させることで補償できる。その結果、主流の圧力への冷却媒体圧力の良好な適合も達成できる。ここに述べた実施形態は、それ故開放型冷却システムである。冷却通路２９と溢流開口部２９ａの寸法は、この際、特に運転状態で冷却媒体が局所的に僅かに、例えば２５％だけ流動媒体よりも高い圧力を示すように選ばれる。

基本的に蒸気タービンケーシングの好適な実施形態では、ここに図示しない変形態様も閉鎖型冷却システムとして考慮できる。この際幾つかの欠点が生じるが、これらは夫々の必要性に応じ、所望の場合は甘受できる。閉鎖型冷却システムの主流２７への冷却媒体の流出は、冷却領域の終端でのみ行う。即ちその場合、図２の開放型システムの溢流開口部２９ａを廃止できる。冷却媒体は単に第１領域２８ａから第２領域２８ｂへ案内されることになり、主流への圧力適合は行われない。段階的な減圧は同様に絞りでも実現できる。

主流への冷却媒体の流出は、この場合翼列毎には行わない。このように閉鎖型冷却システムでは、例えば主流２７への冷却媒体の流出は全く行えず、第２領域２８ｂ又は大幅に減した段数でのみ実行できる。通路システム２８内の圧力は、そのため間接的にのみ主流２７に適合される。この際の欠点は、冷却媒体に必要な断面積が閉鎖型冷却システムで温度上昇と圧力低減に伴う通路システム２８の延長により明らかに増大することである。

これは、閉鎖型通路システム２８としての通路システム２８の形成が体積流の上昇を考慮すべく、第１領域２８ａから第２領域２８ｂに向けてその断面で増大させねばならないので、翼脚および／又はケーシングの支持断面の不所望の低減を引き起こす。これはケーシングと羽根固定領域内の固定要件に対立するが、補償可能である。冷却課題の引き受け後、例えば様々な圧力と温度パラメータに基づき冷却媒体を作動媒体に流出させ得ない場合、冷却媒体は領域２８ｂで作動媒体と無関係にケーシングジャケット２３から案内される。閉鎖型システムを備えた複数の段の冷却時、夫々カバーする膨張領域に応じ、図２の溢流開口部２９ａが無い場合、主流２７内の流動媒体と閉鎖型通路システム２８との間に高い差圧が設定される。これは夫々冷却媒体圧力の選択に応じた比較的劣悪な冷却作用又は高い冷却媒体圧力で比較的高い部材差圧負荷によって表される。即ちこれはより小さい冷却媒体密度で小さい熱容量を有し、その結果一層劣悪な熱伝達と排出が起る。それにも係わらず閉鎖型システムは能動的冷却システムであって、ケーシングジャケット２３を受動的冷却やケーシングの流入領域内の制限付きの冷却に比べ著しく良好に冷却できる。

開放型通路システム２８は、一方で軸２５に沿って貫通する導通部を有し、そこから複数の分岐部が溢流開口部２９ａに向けて分かれる。更にこれは可能な独立した、内壁から出る別の通路を回避する意味で関連する通路システム２８である。これは、冷却蒸気質量流と必要な温度差を段から段へ受け渡し、同じ冷却蒸気が複数の段を越えて作用する長所を持つ。即ち図１の先行技術から公知の、独立して案内したロータ又はケーシングにおける個別通路１６に比べ、必要な圧力が主流の最高圧力によって規定される。先行技術の独立の通路では、後続段の圧力はもはや適合していない。これはより高い差圧によるタービンの付加的な負荷を引き起こす。またより高い圧力は複数の翼列用の独立通路内に、例えば蒸気タービンケーシングの部分継目ねじ内に機械的要件の著しい上昇を引き起こす。また独立の通路のために、ブレード取付け領域内の異なる圧力段とその導入の準備に要する費用を付加せねばならない欠点がある。しかし基本的に、明細書の前段で説明した如く、変形の枠内で導通システムを柔軟に設計し、部分システムで構成してもよい。

図３に好ましい実施形態による冷却ブレード取付領域内のケーシングジャケット３０をより詳しく示す。更に対応する蒸気タービン３１は、回転羽根３２で形成された多数の回転羽根取付部を備えた図示しないロータを有する。ケーシングジャケット３０は、この場合第１箇所３０ａと第２箇所３０ｂを内面３３に沿って設け、軸方向拡張部１４に沿って第２箇所３０ｂを第１箇所３０ａの後方に配置している。内面３３は、この場合、作動媒体の主流３６を収めるための内部空間３５を仕切る。勿論この際、内面３３はケーシングジャケット３０の内壁３７ではなく、翼脚３９で保持された固定遮蔽板３８により形成される。翼脚３９ａ、３９ｂは、更に内壁３７内の翼溝４０ａ、４０ｂに係留されている。多数の羽根４１ａはケーシングジャケット３０の周囲に沿って並列にかつ夫々半径方向４２に向けて配置され、このように第１の、案内羽根列とも呼ばれる案内羽根リングを箇所３０ａに形成する。対応して多数の第２翼４１ｂが、第２箇所３０ｂで並列的に広範囲にわたって翼溝４０ｂ内に配置され、第２案内羽根リングを形成する。

図３に示す遮蔽板３８の補完的又は別法の変形は、翼脚３９ａ、３９ｂに取付けた遮蔽面によっても実行できる。この際付加的な材料と製造費用が必要になるが、遮蔽板３８と類似の遮蔽作用を達成し、夫々の必要性に応じて有利となし得る。

図３の通路システム４３は、少なくとも１つケーシングジャケット３０の外面と内面３３の間に配置され、少なくとも第１箇所３０ａの前に配置した第１領域と、第２箇所３０ｂの後方に配置した第２領域との間を貫通して延在する導通部４４を有する。導通部４４は、本実施形態ではケーシングの比較的高い温度で付勢される部分内の全ブレード取付け領域に沿って延在する。導通部４４は一方でケーシングジャケット３０の内壁３７、他方で遮蔽板３８により形成される。この多数の導通部４４は、軸方向拡張部３４で広範囲にケーシングジャケット３０の内面３３に沿って配置される。通路システム４３は、更に多数の広範囲に取り囲む溝４５を有し、該溝は、本実施形態では軸方向拡張部３４に沿って夫々回転羽根３２の高さに配置されている。回転羽根３２は覆板３２ａを持つ。通路システム４３の導通部を切削加工でケーシングジャケット３０の内壁３７に取付け、遮蔽板３８の平坦な部材で覆うことができる。この際通路システム４３は翼脚３９ａ、３９ｂ内の翼溝（図９、１０）および／又は孔４６ａ、４６ｂ（図５、６、９、１０）も同時に流動延長部に含まれる。

通路システム４３は、更に作動媒体流のパラメータへの、冷却媒体流のパラメータの適合のために溢流開口部４７、４８および４９を有する。これは通路システムの流れ抵抗と協働して主流への冷却媒体流の一部の流出により行われる。

ブレード取付領域内の遮蔽板３８による遮蔽は、ここに図示しないもう１つの遮蔽板を利用した冷却媒体の流入領域の遮蔽によっても達成でき、それに伴いタービンケーシング材料の酸化に関する別の長所も併せて提供する。

遮蔽板３８の別法として又は付加的に、冷却システム４３又は導通部４４は孔の形態又は別の好適な方法でケーシングジャケット３０の内壁３７内の表面近傍に取付け得る。

図４は、図３のＡ−Ａ断面図を示す。この場合、図３の環状の溝４５は点線で記載している。対応して、軸方向溝として形成された導通部４４を、凹所として蒸気タービンケーシングの内壁３７の表面に模式的に示している。

図５は翼脚３９ａ内への孔４６ａの形成法を示す。内部ケーシングに沿って広範囲に並設した、孔４６ａ、４６ａ’を備える多数の翼脚３９ａ、３９ａ’は、箇所３０ａに翼列を形成する。

図３の孔４６ａ、４６ａ’の別法による実施形態を、図６に孔４６ａ’’として示す。孔４６ａ’’は、夫々２つの隣接する翼脚３９ａ’’に設けている。

ガスタービンと異なり蒸気タービンでは、最高温度で部分タービンに流れ込む作動媒体が同時に最高圧力を有する。即ち特に蒸気タービン用の開放型冷却システムを実現するには、冷却媒体の供給のために好適な措置を講じねばならない。冷却媒体の供給は、水−蒸気循環系からこのような媒体の抽出後、一箇所でより高い圧力と充分に低い温度とを生じ得る。好適な抽出箇所は、特に次の箇所である。
・部分タービンに前置したボイラ過熱器部分への入口の手前
・ボイラへの入口の手前
・前置した部分タービンおよび前置した部分タービンからの出口の後
・冷却媒体を低圧の箇所で予熱区間から抽出し、必要な圧力を与える好適なポンプを利用して独立的に供給する。但しこの場合には、冷却喪失時、ポンプ故障に伴う付加的な費用と場合により冗長構造が必要になる。

図７は、第１案内羽根列７８手前の領域７２から軸方向拡張部７４に沿った案内羽根固定部のもう１つの領域７３への、冷却媒体７１の伝送の第１と第２の可能性を示す。好ましい実施形態による、蒸気タービン７７の外部ケーシング７６内に取付けた内部ケーシング７５を図示している。冷却媒体は供給部７０ａと第一案内羽根列７８を経て内部ケーシング７５内の表面近傍の通路システム７９内へ取り込むことができ、軸方向拡張部７４に沿って案内羽根取付部７５ａの領域に案内できる。別法として又は付加的に冷却媒体を直接内部ケーシング７５内で供給部７０ｂを経て通路システム７９内へ取り込め、初めに第１案内羽根列７８を経て案内する必要がない。

外部ケーシング７６内の冷却媒体７１の別の流れは、多数のシール６９、絞りおよび別の好適な手段で案内される。冷却媒体の向流は安全技術的要件を満たす弁で制御される。

図７の冷却媒体の導入法に加えて、冷却媒体は作動媒体の流入領域でもケーシング内蔵冷却通路システム７９内に導入できる。

主流への通路システム７９の端部で、冷却媒体の流出時に冷却媒体が圧力だけでなく、主流の温度にも広範囲に適合している。これは、冷却ブレード取付け領域内での冷却媒体の熱吸収の結果である。その場合、冷却媒体は主流中の別の膨張に加わる。これは開放型冷却システムの特別の長所であり、それによって冷却したブレード取付け領域から冷却しない領域へのエンタルピ輸送を生じる。

冷却媒体の安全技術上の監視は、ここに示す実施形態では、特に冷却媒体の温度を制御せねばならない。この際注意すべきは、部分負荷でも流れ内と通路システム内での事前の凝結／滴形成を排除していることである。更にケーシング、案内羽根又は羽根固定部のような部材の過熱は、全ての重要な負荷発生に対して除外されるべきである。技術的必要条件により、タービン弁と冷却媒体弁の間のバランスを考慮することができる。

好ましい実施形態の前記通路システムは、好適な媒体を起動過程に供給することで、予熱の目的にも有効に使用できる。これは後の本来の冷却媒体と異なる、水−蒸気循環系の箇所からも抽出できる。この場合、予熱媒体が通路システム内で絞られ、少なくともここでシャフト系列の立上げに寄与することが有利に影響する。同様にこの方法は、急速冷却にも使用できる。今後の内部ケーシング又は内部ケーシング材において、前記方式が起動時間および冷却時間に関する長所を提供するであろう。

図８に、衝撃箇所８２の領域の第１遮蔽板８０および第２遮蔽板８１の好適な配列を示す。ここに図示した詳細実施形態は、図８の溢流開口部８３、８４又は図３の４７、４８および４９を備えた遮蔽板３８で行うとよい。この遮蔽板は、例えば高耐熱性材料から製造するとよい。この実施形態の場合、これはその衝撃箇所８２に好適には様々な温度で動く覆体８５、８６を持った部分部材からなる。図３に示す実施形態では、遮蔽板は回転羽根覆板の領域にあり、対応するシール縁、即ち無接触シールを持つ。そのため、シール縁は衝撃箇所８２の領域又は翼脚に接して回転する。即ち全材料から製造され又はシート帯に孔が開けられる。これは有利と証明されているが、材料および構造の各々の強度および製造要件に応じ、個別的に指定できる。

冷却媒体が回転羽根の軸シールを経て主流に流入するとき、場合により効率損失を前記シールを経て流れ込む漏出質量流により低減できる。漏出質量流は主流の高温の媒体ではなく、低いエンタルピをもつ冷却媒体からなる。しかし場合によりこの効果は、冷却媒体を導入する所要スペースのため、少数のシール縁部により再び消滅する。ここでは、各要件の種類に応じ、好ましいと証明されている様々な実施形態が可能である。

図９は、タービンケーシング９２内の溝９１に係留された翼脚９０の領域に冷却媒体案内用のもう１つ別の通路システムを形成した例を示す。好適な実施形態の軸方向導通部９３は、動翼９４の領域でより深くタービンケーシング９２内に入り、例えば三角形状延長部を動翼９４の領域に持つ。その他のあらゆる延長が可能である。導通部９３は通路９９を経て主流のために開いている。導通部領域で付加的に翼溝９５が併せて考慮される。特に翼脚９０による導通部は、翼脚の胴部９７の上方により近く翼板９８に向けて配置した通路９６を利用して生じる。これは胴部９７の強度を損なわない長所を有する。

もう１つの形態を、図９と同様にして図１０に示す。図９と異なり導通部１０６は翼板１０８の領域でも生じる。翼板１０８の領域で導通部１０６から通路１１０が分かれ、該通路はフィルム冷却を可能とすべく、冷却媒体を導通部１０６から翼板１０８へ導く。

更に冷却媒体は通路１０９を経て動翼１０４の領域で作動媒体の主流に流入する。その他の詳細は図９に示したものと同じである。

要約すると、蒸気タービンケーシング、蒸気タービンおよび蒸気タービンケーシングの能動的冷却方法並びに前記冷却の好適な使用を提示した。

従来公知の蒸気タービン１では、ケーシングは受動的にのみ又は作動媒体の流入領域のみに限定して能動的に冷却される。作動媒体の増大する蒸気パラメータによるケーシングの応力の増大時には、蒸気タービンケーシングの充分な冷却がもはや保証されない。本発明のケーシングジャケット２３、３０又は内部ケーシング７５は、軸２５又は軸方向拡張部３４に沿って延在し、軸２５もしくは軸方向拡張部３４に沿う内壁２６、内壁２６の外面２３ａ、作動媒体８の流体主流２７、３６の収容のために設けた内部空間２７ａ、３５に境を接する内面２３ｂ、３３、第１翼４１ａを保持した内面２３ｂ、３３に沿った第１箇所３０ａおよび第２翼４１ｂを保持した内面２３ｂ、３３に沿った第２箇所３０ｂを備えている。ここで軸２５又は軸方向拡張部３４に沿って第２箇所３０ｂが、第１箇所３０ａの後方に配置されている。充分な冷却を保証すべく、この際少なくとも１つの導通部４４、９３、孔４６ａ、４６ｂ、通路９６が設けられ、これは外面２３ａと内面２３ｂ、３３との間に配置され、少なくとも第１箇所３０ａの手前に配置された第１領域２８ａ、７２と第２箇所３０ｂの後方に配置された第２領域２８ｂ、７３との間で貫通して延びる。本発明は、流体の冷却媒体１０を対応して案内する方法と利用法を提案する。

作動媒体の流入領域内の冷却および第１案内羽根リングの冷却に制限した蒸気タービンケーシングにおける公知の冷却概念図。 蒸気タービンケーシングにおける冷却概念の断面図。 ブレード取付領域内のケーシング内蔵した表面近傍の通路システム内の冷却媒体の供給および冷却媒体の案内図。 図３の通路システムにおける断面Ａ−Ａに沿った詳細図。 図３の通路システムにおける断面Ｂ−Ｂに沿った詳細図。 図３の冷却システムの一変形形態における断面Ｂ−Ｂに沿う詳細図。 案内羽根固定領域における冷却媒体の伝送可能性の断面図。 重畳領域における第１および第２遮蔽板の形成のための図。 冷却媒体案内用の通路システムのもう１つの形成可能性の図。 冷却媒体案内用の通路システムの更に他の形成可能性の図。

符号の説明

２０ 蒸気タービン、２１ ロータ、２２ 回転羽根、２３、３０ ケーシングジャケット、２４ 案内羽根、２９ 冷却通路

Claims (15)

1. 複数の案内羽根（２４）を有するケーシングジャケット（２３）の内部に配置された、複数の回転羽根（２２）を有するロータ（２１）を備え、前記ケーシングジャケット（２３）は、内部ケーシング又は前記案内羽根の保持部として構成され、かつ複数の内蔵冷却通路（２９）を備え、前記回転羽根および案内羽根（２２、２４）が多数の翼列にまとめられた蒸気タービンであって、
   前記複数の内蔵冷却通路（２９）は、前記ロータ（２１）の長手方向に見て少なくとも２つの連続する翼列を超えて延在することを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記複数の内蔵冷却通路（２９）を前記ケーシングジャケット（２３）の壁の内部で、前記ケーシングジャケットの外側表面よりも内側表面に近づけて位置決めした請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記複数の内蔵冷却通路（２９）が、ロータ（２１）の長手方向に向いた請求項１又は２記載の蒸気タービン。
4. 前記複数の内蔵冷却通路（２９）が、共通の、ケーシングジャケット（２３）内に内蔵された冷却システムにまとめられた請求項１から３の１つに記載の蒸気タービン。
5. 蒸気タービンの冷却システムが、前記ケーシングジャケット（２３）の円周方向に向いた複数の分岐通路を含む請求項４記載の蒸気タービン。
6. 蒸気タービンのケーシングジャケット（２３）に複数の案内羽根（２４）が吊り下げられ、前記案内羽根が夫々内蔵された、冷却システムに接続される分岐通路を経て冷却可能である請求項４又は５記載の蒸気タービン。
7. 前記複数の内蔵冷却通路（２９）が、複数の溢流開口部を経てケーシングジャケット（２３）によって取り囲まれた流動媒体用の流動空間と接続された請求項１から６の１つに記載の蒸気タービン。
8. 各々の冷却通路（２９）および溢流開口部が、運転状態で冷却媒体が流動媒体よりも少しだけ高い圧力を有する請求項７記載の蒸気タービン。
9. 前記複数の内蔵冷却通路（２９）が、各タービン段のために少なくとも１つの溢流開口部を有する請求項８記載の蒸気タービン。
10. 前記複数の内蔵冷却通路（２９）が、冷却媒体としての蒸気で付勢可能である請求項１から９の１つに記載の蒸気タービン。
11. 請求項１から９の１つに記載の蒸気タービンの運転方法において、流動媒体用の流動空間を仕切るケーシングジャケット（２３）を少なくとも部分的にロータ（２１）の長手方向に見て少なくとも２つの連続する翼列を超えて延在する複数の内蔵冷却通路（２９）を経て冷却媒体で付勢する方法。
12. 冷却媒体を、冷却通路（２９）によって形成された関連する冷却システム内に案内する請求項１１記載の方法。
13. 冷却媒体を、冷却通路（２９）から流動媒体に混合する請求項１１又は１２記載の方法。
14. 冷却媒体を、流動媒体中の各混合箇所に支配する圧力よりも大きい圧力で前記流動媒体に供給する請求項１３記載の方法。
15. 冷却媒体を、ロータ（２１）の長手方向に見て流動媒体の流動空間内に局所的に支配する圧力に適合させる請求項１１から１４の１つに記載の方法。

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