JP4745129B2 - 蒸気タービンおよび蒸気タービンプラント - Google Patents

Description

本発明は、ロータを冷却する手段を備えた蒸気タービンおよび蒸気タービンプラントに関する。

火力発電システムにおいて、オイルショック以来、省エネルギ化が強力に推進されており、更に近年は、地球環境保護の観点からＣＯ２の発生量を抑制する方向にあり、高効率化へのニーズが高まっている。

従来の蒸気タービン発電システムでは、蒸気温度が最高で６００℃程度であることから、蒸気タービンのタービンロータ、ケーシング等の主要部材には、フェライト系耐熱鋼が用いられている。上述した省エネルギ化や高効率化を達成するために、蒸気タービンシステムにおいては、蒸気タービンにおける蒸気温度を高温化し、発電効率を上げることが最も有効である。

蒸気温度が６００℃以下である蒸気タービンでは、ロータ材に１２Ｃｒ鋼のようなフェライト鋼をそのまま用いることができた。しかし蒸気温度が６５０℃を超える蒸気タービンでは、従来の構造でフェライト鋼を用いることができない。６５０℃を超える温度域に使用する材料としてはＮｉ基合金が考えられるが、大型鋼塊の製造が難しく、ロータを一体で製作することは極めて困難である。

蒸気タービンの作動流体に高温蒸気を想定した蒸気タービンのロータの案としては、例えば特許文献１乃至特許文献４がある。特許文献１は高温用ロータを分割及び溶接し、溶接部の検査を容易にする為の穴や空間部を設けている。特許文献２は高温用ロータを高温部と低温部に分割して溶接、ボルトなどの方法で接合する工夫がなされている。特許文献３は高温用ロータを高温部と低温部に分割した場合の溶接方法を示している。特許文献４は高温用ロータを高温部と低温部に細かく分割し、高温材料の組成を示している。
特開２０００−６４８０５号公報 特開２００１−５０００７号公報 特開２００３−４９２２３号公報 特開２００４−３６４６９号公報

火力発電システムとして今後建設される蒸気タービンは、高い発電効率を得るためにその蒸気温度が主蒸気、再熱蒸気ともにますます上昇する傾向にあると予想される。蒸気温度が６５０℃を超える蒸気タービンを実現するには、タービン各部位に従来と同じフェライト鋼をそのまま使用しては蒸気タービンが高温蒸気に耐えることができない。よって、蒸気タービンの部位にＮｉ基合金などの耐熱材料を使用する方策が多く採られるが、Ｎｉ基合金は、フェライト鋼に比べて高価であるため蒸気タービンのコスト増の要因になる。また、ロータのような大型部品を製造すると偏析が起こりやすくなるため、製作が困難である。

本発明の目的は、ロータを冷却させることにより、耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いずに製作されたロータ、もしくは、耐熱材料で製作される部分を小さくしたロータにて、高温高圧の蒸気に対応できる蒸気タービンを得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明においては、ロータと、ケーシングと、前記ロータと前記ケーシングの間に形成され、蒸気を通過させるタービン通路部と、前記ロータの内部に設けられた蒸気通路孔に蒸気を流入させて前記ロータを冷却させるロータ冷却手段とを備え、前記ロータは、低温部と、この低温部よりも上流側にありこの低温部に用いられる材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料が用いられる高温部とを有し、前記蒸気通路孔は、前記低温部のタービン段落後の前記タービン通路部に面した箇所から蒸気を流入させる蒸気入口と、前記蒸気入口よりも後段のタービン段落後に蒸気を流出させる蒸気出口と、前記蒸気入口から前記低温部の上流部に向かうとともに前記高温部手前で折り返して前記蒸気出口に通じる通路を有することを特徴とする蒸気タービン、および蒸気タービンプラントを提供する。

本発明によれば、ロータを冷却させたので、耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いずに製作されたロータ、もしくは、耐熱材料で製作される部分を小さくしたロータにて、高温高圧の蒸気に対応できる。

以下本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの断面図である。

ケーシング１２は、１２枚の静翼１５が取り付けられており、ロータ２０は、１２枚の動翼１６が植え込まれている。タービン通路部１４は、ケーシング１２とロータ２０の間に形成され、１枚の静翼１５と１枚の動翼１６によって構成されたタービン段落が１２段配置されている。

ロータ２０の内部に設けられた蒸気通路孔１７は、蒸気入口１８を第９段落後のタービン通路部１４に面した箇所に設け、ロータ２０の内部の上流部に向かって通路を形成し、上流部で折り返してタービン通路部１４に面した第１０段落後に設けられた蒸気出口１９まで貫通する。

６５０℃の高温高圧の作動蒸気１１は、蒸気タービンに流入され、タービン通路部１４を流れていく。動翼１６は、静翼１５によって加速された作動蒸気１１を受ける。これにより、ロータ２０は回転する。作動蒸気１１は、１つの段落を通過する毎に温度と圧力が低下する。第９段落後に低温になった作動蒸気１１の一部は、ロータ冷却用蒸気１３として、蒸気入口１８より蒸気通路孔１７へ流入し、ロータ２０の内部の上流部へ伸びている通路を通過する間にロータ２０を冷却して、折り返している通路を通過して第１０段落後の蒸気出口１９より流出する。

蒸気出口１９は、蒸気入口１８よりも後段の段落後に設けられているので、蒸気出口１９付近の作動蒸気は蒸気入口１８付近の作動蒸気よりも低温低圧となっている。このため、圧力の高い蒸気入口１８から圧力の低い蒸気出口１９まで自然に作動蒸気１１が流れる。
このロータ冷却手段は、冷却媒体が作動蒸気であるため、外部から冷却媒体を供給する必要のない簡素な構造とすることができる。また、ロータ２０は、ロータ冷却手段にて冷却されるので、耐熱性に優れた材料である耐熱材料、すなわち、Ｎｉ基合金などを用いずに、フェライト鋼などの材料で製作することができる。耐熱材料は、高価であり、大型部品の製造では偏析が起こりやすいので、耐熱材料によるロータの製作は困難であるが、本実施の形態においては、耐熱材料を用いないため、ロータの製造が容易となる。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンの断面図である。

ロータは、低温部４０と、この低温部４０よりも上流側にあり、低温部４０に用いられる材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料にて製作された高温部４１とに分割されており、これらが接合されて一体のロータを形成している。低温部４０の内部に設けられた蒸気通路孔１７は、蒸気入口１８を第９段落後のタービン通路部１４に面した箇所に設け、低温部４０の内部の上流部に向かって通路を形成し、高温部手前で折り返してタービン通路部１４に面した第１０段落後に設けられた蒸気出口１９まで貫通する。ロータが低温部４０と高温部４１に分割されていること以外は、第１の実施の形態と同じであるので、図１と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

耐熱材料は、高価であり、大型部品の製造では偏析が起こりやすいので、耐熱材料によるロータ全体の製作は困難であるが、本実施の形態においては、耐熱材料で製作される部分が高温部４１に限定できるので、ロータの製造が容易となる。

図３は、本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンプラントの概要図である。

蒸気タービンプラントは、上流側から順に、高圧タービン５１、中圧タービン５２、低圧タービン５３、発電機５４が並んでいる。蒸気は、ボイラ５６、主蒸気管５７、高圧タービン５１、低温再熱管５８、ボイラ５６、高温再熱管５９、中圧タービン５２、クロスオーバー管６０、低圧タービン５３、復水器５５、給水ポンプ６１、ボイラ５６と循環する。

ボイラ５６にて過熱された蒸気は、主蒸気管５７を通って高圧タービン５１に送られる。高圧タービン５１に流入した蒸気は膨張仕事を行った後、排気され、低温再熱管５８を通ってボイラ５６に戻されて、再熱される。再熱された蒸気は高温再熱管５９を通って中圧タービン５２に送られる。中圧タービン５２に流入した蒸気は膨張仕事を行った後、排気され、クロスオーバー管６０を通って低圧タービン５３に送られる。低圧タービン５３に流入した蒸気は、膨張仕事を行った後、復水器５５で復水され、ボイラ給水ポンプ６１で昇圧されてボイラ５６に還流される。発電機５４はそれぞれのタービンの膨張仕事によって回転駆動され、発電する。

高圧タービン５１のロータに、第１または第２の実施の形態のロータ冷却手段を設けることにより、ロータが冷却されるので、耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いずに製作されたロータ、もしくは、耐熱材料で製作される部分を小さくしたロータにて、高温高圧の蒸気に対応できる蒸気タービンを得ることができる。

なお、本実施の形態においては、ロータ冷却手段を高圧タービンのロータに設けているが、高圧、中圧、低圧タービンを備えた蒸気タービンプラントの高圧、中圧タービンの少なくともいずれかひとつのタービンのロータに設けることができる。

さらに、このロータ冷却手段は、超高圧、高圧、中圧、低圧タービンを備えた蒸気タービンプラントの超高圧、高圧、中圧タービンの少なくともいずれかひとつのタービンのロータに設けることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンの断面図。 本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンプラントの概要図。

符号の説明

１１…作動蒸気、１２…ケーシング、１３…ロータ冷却用蒸気、１４…タービン通路部、１５…静翼、１６…動翼、１７…蒸気通路孔、１８…蒸気入口、１９…蒸気出口、２０…ロータ、４０…低温部、４１…高温部、５１…高圧タービン、５２…中圧タービン、５３…低圧タービン、５４…発電機、５５…復水器、５６…ボイラ、５７…主蒸気管、５８…低温再熱管、５９…高温再熱管、６０…クロスオーバー管、６１…ボイラ給水ポンプ。

Claims (3)

1. ロータと、
   ケーシングと、
   前記ロータと前記ケーシングの間に形成され、蒸気を通過させるタービン通路部と、
   前記ロータの内部に設けられた蒸気通路孔に蒸気を流入させて前記ロータを冷却させるロータ冷却手段とを備え、
   前記ロータは、低温部と、この低温部よりも上流側にありこの低温部に用いられる材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料が用いられる高温部とを有し、
   前記蒸気通路孔は、前記低温部のタービン段落後の前記タービン通路部に面した箇所から蒸気を流入させる蒸気入口と、前記蒸気入口よりも後段のタービン段落後に蒸気を流出させる蒸気出口と、前記蒸気入口から前記低温部の上流部に向かうとともに前記高温部手前で折り返して前記蒸気出口に通じる通路を有することを特徴とする蒸気タービン。
2. 高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとを備えた蒸気タービンプラントにおいて、前記ロータ冷却手段は、高圧タービン、中圧タービンのうち、少なくともいずれかひとつのタービンのロータに設けら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を備えた蒸気タービンプラント。
3. 超高圧タービンと高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとを備えた蒸気タービンプラントにおいて、前記ロータ冷却手段は、超高圧タービン、高圧タービン、中圧タービンのうち、少なくともいずれかひとつのタービンのロータに設けら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を備えた蒸気タービンプラント。

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