JP5279893B2 - 冷却装置付蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、ロータと、該ロータの周りに配置された内部車室と、該内部車室の周りに配置された外部車室とを有し、内部車室部分の周りに密閉囲いが配置されている流体機械に関する。

ここでの流体機械は特に蒸気タービンを意味する。蒸気タービンはいわゆる高圧部分タービンと中圧部分タービンあるいは低圧部分タービンに分けられている。上述の部分タービンへの蒸気タービンの統一された分割方式は現在存在していない。一般に高圧部分タービンには６２０℃までの温度と３５０バールまでの圧力を有する蒸気が供給される。この高圧部分タービンから流出する蒸気は再熱器で再び６２０℃までの温度に加熱されて中圧部分タービンに送られ、そして中圧部分タービンからの蒸気は低圧部分タービンに送られる。蒸気タービンは通常内部車室を備え、いわゆる二重殻構造あるいは三重殻構造に形成されている。

例えば中圧部分タービンにおいて内部車室はその外側面が中圧排気蒸気で洗流される。この中圧排気蒸気は蒸気回路パラメータに関係して比較的低い温度を有し、これは内部車室内側壁と内部車室外側壁との間に比較的大きな温度差を生じさせる。その内部車室内側壁はいわゆる高温再熱蒸気で負荷され、内部車室外側壁は上述したように中圧排気蒸気で洗流される。中圧排気蒸気温度と再熱蒸気温度が比較的大きく異なり、このことは内部車室に種々の熱応力を生じさせる。その大きな温度差は例えば結合ボルトおよび内部車室に許容できない大きな応力を生じさせ、このために車室が大きく塑性変形および／又は弾性変形することがある。

この車室変形を防止するために今日では通常、中圧排気蒸気が内部車室外側面に直接触れないようにするために内部車室を鋼板で取り囲んでいる。その囲いは一般に遮熱ジャケットあるいは熱シールドと呼ばれ、内部車室全体の周りに配置されている。内部車室外側面における比較的一様な周辺条件、温度分布および中圧排気蒸気の一様ないし小さな流速を得るために、遮熱ジャケットはこれと内部車室との間に隙間が生ずるように配置されている。さらに遮熱ジャケットを通過して中圧排気蒸気が流れ得るようにするために、遮熱ジャケットに補助的に複数の開口が設けられている。

この場合、遮熱ジャケットの内部における実際の条件が全く変更できないという欠点がある。これは実際条件が内部車室の要件に合わせられないことを意味する。ここでは、遮熱ジャケットの内部における温度を調整できることが望ましい。これは、遮熱ジャケットの内部における温度を的確に上昇あるいは低下できることが有利であることを意味する。

本発明の課題は、流体機械をその内部車室における許容できない温度差の発生が防止されるように改良することにある。

この課題は、ロータと、該ロータの周りに配置された内部車室と、該内部車室の周りに配置された外部車室とを有する流体機械において、内部車室部分の周りに密閉囲いが配置され、該囲いが囲い内部室に蒸気を流入するための流入路と囲い内部室内の蒸気を排出するための排出路とを有し、前記流入路が環状流路を有していることによって解決される。

それに応じて本発明によれば、囲い部分に蒸気を的確に流すことを可能とする方式が得られる。これによって、囲い部分における温度をその範囲に流入する蒸気の質量流量によって変化させることができる。これは、内部車室の内部に種々の温度を現出させる種々の運転条件に対して、内部車室外側面における温度を変更することができることを意味する。

従って、内部車室の外側の運転条件、すなわち内部車室外側面に隣接する部分における運転条件を変更することができる。本発明のもう１つの利点は、始動過程中あるいは停止過程中に内部車室外側面における温度を調整することができ、これによって内部車室に、内部車室および結合ボルトに許容できない大きな応力が発生されないような温度勾配が形成されることにある。

この場合、環状流路は囲いの周りに配置されている。好適には、通し環状流路が実現され、即ち、外部供給管を介して蒸気が環状流路に導入され、その蒸気は環状流路内において囲い全周を取り囲み、囲い内部室への蒸気流入は流入孔を介して保証されている。異なった実施態様において、環状流路を２つの半円状流路に分割することができ、その一方の半円状流路は内部車室下半部に付設され、他方の半円状流路は内部車室車室上半部に付設される。もっともこの場合、各半円状流路に対してそれぞれ別個の供給管が設けられねばならない。勿論、蒸気の柔軟な供給性を得るために、環状流路に複数の供給路を設けることができる。

有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

例えば囲いが薄板で作られていることが有利である。これは本発明の目的を達成するために特に良好且つ迅速に製造できる方式である。ここでは特に鋼板が採用される。勿論、流体機械における温度条件は薄板ないし鋼板が採用できるようにされねばならない。特に中圧排気蒸気の温度が薄板ないし鋼板を損傷させないように注意を払わねばならない。

他の有利な発展形態において、囲いが内部車室に対して気密に形成されている。これは囲い内部室に流入する蒸気がやたら流出することがないという利点を有する。従って、囲い内部における条件を外から良好に形成することができる。その条件を外から調整する第１の方式は、囲い内部室に流入する蒸気の質量流量をこの囲いあるいは弁によって調整することにある。そのもう１つの方式は蒸気の温度を変更することにある。

囲い内部空間への蒸気の供給は複数の流入孔、特に半径方向孔によって達成される。その流入孔の配置、大きさと数によって、囲い内部室への的確で一様な流入が達成される。

他の有利な発展形態において、囲いが蒸気入口室部分に配置されている。中圧部分タービンにおいて、蒸気入口室の部位が最も熱負荷される部位である。これは、蒸気入口室の部位において内部車室が熱的に許容できないほど負荷されることを意味する。これに対して、内部車室の排気室部位は比較的僅かしか熱負荷されない。従って、内部車室全体を囲い込む必要はない。内部車室内側面と内側車室外側面との間に許容できない温度勾配が発生しないようにするために、熱的に大きく負荷される部位だけを取り囲むことが目的に適っている。その部位は正に蒸気入口室の部位であり、そのためにこの発展形態において、蒸気入口室の部位を取り囲むことが提案されている。

他の有利な発展形態において、排出路が囲いにおける複数の半径方向孔で形成されている。これによって、囲い内部室から蒸気が容易に排出できる。勿論その排出蒸気は、囲い内部室に流入する蒸気とは温度および圧力のような熱力学的量が異なっている。その半径方向孔の配置、大きさおよび数によって、囲い内部室からの的確で一様な流出が達成される。

他の有利な発展形態において、囲いと内部車室との間に熱膨張変位可能なシールが配置される。蒸気タービンは一般に蒸気が連続して供給され、これは蒸気タービンの内部に一様な温度分布を生じさせる。もっとも例えば蒸気タービンの始動時および停止時のような蒸気タービンの種々の構成要素に異なった熱膨張を生じさせる運転条件が存在する。特に鋼板から作られた囲いは内部車室と異なった熱膨張係数を有し、これは囲いに歪みを生じさせるか囲いと内部車室との間に望ましくない隙間を生じさせることがある。この望ましくない現象は熱膨張変位可能なシールによって防止される。

以下図１と図２を参照して本発明を詳細に説明する。

蒸気タービンにおける中圧部分タービンの横断面図。 蒸気タービンにおける中圧部分タービンの縦断面図。

図１は蒸気タービンにおける中圧部分タービン１１の横断面図である。この中圧部分タービン１１は回転中心軸線１２を中心としてほぼ回転対称に形成された内部車室６を有し、この内部車室６は上半部６ａと下半部６ｂから成っている。内部車室６の上半部６ａはその下半部６ｂにフランジ１３および図示されていないボルトを介して互いに結合されている。明瞭にするためにここでは例えばロータ１４のような他の構成要素は図示されていない。

内部車室６の周りに外部車室１５が配置されている。熱遮蔽するために内部車室６の周りに囲い１が配置されている。この囲い１は鋼板で形成することができ、熱膨張変位可能なシール１６を介して内部車室６（の半径方向外側）に配置されている。運転中において排気室９内に中圧排気蒸気が存在し、この中圧排気蒸気は中圧部分タービン１１に流入する蒸気に比べて本質的により低い温度と本質的により低い圧力を有する。中圧排気蒸気が内部車室外側面１７に直接当たることが囲い１によって防止されている。また囲い１は環状流路１８を有し、この環状流路１８によって環状空間２が形成され、この環状空間２は供給路１０に連通されている。その供給路１０を介して矢印１９で示されているように蒸気が環状空間２に流入し、内部車室６にわたって広く分配される。この蒸気は囲い１に在る複数の半径方向流入孔３を介して囲い１と内部車室外側面１７との間の囲い内部室５に流入する。

原理的には供給路１０を介して導入された蒸気は囲い内部室５の中に直接導入することもできる。円周にわたる分布を向上するために環状空間２が利用されている。

図１には囲い内部室５からの蒸気の排出経路は示されていない。

図２は蒸気タービンにおける中圧部分タービン１１の縦断面図である。この中圧部分タービン１１の最も強く熱負荷される部位は蒸気入口室２０の周辺部位である。図２から明らかなように、囲い１は内部車室全体にわたって配置されておらず、最も強く熱負荷される蒸気入口室２０の周辺部位だけに配置されている。環状流路１８も同様に囲い１の全軸方向長にわたっては延びておらず、その軸方向長の一部にわたってしか延びていない。図２の実施例では環状流路１８は排気室中心線２２の左側に囲い１の側縁に配置され、囲い１の軸方向長２１の約４分の１にわたって延びている。好ましくは半径方向の孔として形成された複数の流入孔３を介して流入した蒸気は、同様に好ましくは半径方向の孔として形成された複数の排出孔４を介して囲い内部室５から流出する。排出孔４から流出する蒸気は流入孔３に流入する蒸気とは異なった熱力学的量例えば温度および圧力を有する。これらの流入孔３および排出孔４の大きさと数の配置によって、的確で一様な流入流および排出流が得られる。供給路１０を介して環状空間２に流入する蒸気は例えばいわゆる低温再熱器から抽出することができる。囲い１を耐圧設計する必要がないようにするために、供給路１０、環状空間２および囲い内部室５における圧力は排気室９における圧力よりほんの僅かしか高くないように設計されている。蒸気の環状空間２への供給および続く囲い内部室５への供給は内部車室外側面１７における温度と流れ条件に影響を与え、これは供給路１０に導入される蒸気の温度と質量流量により制御される。これは選定された固定値による制御あるいは可変調整により行うことができる。さらに温度分布の一様性が得られる。囲い内部室５への蒸気の導入によって、内部車室６の変形挙動の改善が達成され、これによって、内部車室６とロータ１４との間の半径方向隙間を小さくすることができる。これによって、車室およびボルトにおける応力が減少され、従って、材料クリープによる塑性変形も最低となる。

１ 囲い
２ 環状流路
３ 流入孔
４ 排出孔
５ 囲い内部室
６ 内部車室
９ 排気室
１１ 蒸気タービン
１５ 外部車室
１６ シール
２０ 蒸気入口室

Claims (6)

1. ロータ（１４）と、該ロータ（１４）の周りに配置された内部車室（６）と、該内部車室（６）の周りに配置された外部車室（１５）とを有し、内部車室（６）部分の周りに密閉囲い（１）が配置され、該囲い（１）が蒸気を流入するための流入路と蒸気を排出するための排出路とを有している流体機械（１１）であって、
   前記流入路は、環状流路（１８）を有し、この環状流路（１８）から前記囲い（１）内に蒸気を流入するために、複数の流入孔を前記囲いの円周方向にわたって分布して設けてなることを特徴とする流体機械。
2. 囲い（１）が薄板で作られていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 囲い（１）が内部車室（６）に対して気密に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械。
4. 囲い（１）が蒸気入口室（２０）部分に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械。
5. 前記排出路が囲い（１）における複数の半径方向孔（４）で形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の流体機械。
6. 囲い（１）と内部車室（６）との間に熱膨張変位可能なシール（１６）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の流体機械。
   

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