JP5322664B2 - 蒸気タービン及びその冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン及びその冷却方法に係り、特に蒸気温度が７００〜７５０℃程度の高温蒸気を用いる蒸気タービンに適用される蒸気タービン及びその冷却方法に関する。

タービン効率向上の観点から、現在、温度が６００℃程度の主流蒸気を用いた蒸気タービンが実用化されている。更にタービン効率を向上させるため、主流蒸気の温度を７００〜７５０℃程度にすることが検討され、開発が進められている。

このような蒸気タービンにおいては、主流蒸気が高温であるため、ガスタービンのように耐熱合金の使用が必要であるが、高価であったり、大型部品の製作が困難である等の理由から、耐熱合金を使用できず、高温蒸気によって材料強度が不足する場合がある。その場合には、タービン構成要素を冷却することが必要になる。

図６に示すように、ロータ（不図示）に一体成形されたロータディスク５０にロータ側植込部５１が形成され、図示しない動翼に動翼側植込部５２が形成され、この動翼側植込部５２が、隣接するロータ側植込部５１間の溝５３にロータの軸方向から挿入されることで、動翼側植込部５２がロータ側植込部５１に係合される蒸気タービンが一般に知られている。

このような蒸気タービンのうちで、特許文献１には、図６の２点鎖線に示すように、隣接するロータ側植込部５１間の溝５３の溝底面５４と、動翼側植込部５２の下端部とに囲まれて冷却通路５５が形成されたものが開示されている。この冷却通路５５内を冷却蒸気が流れることで、ロータ側植込部５１及び動翼側植込部５２が冷却される。

特開平１１−２００８０１号公報

ところが、特許文献１に記載のように、隣接するロータ側植込部５１間の溝５３の溝底面５４と、動翼側植込部５２の下端部とに囲まれた冷却通路５５に冷却蒸気を流しただけでは、動翼の翼部（共に図示せず）から伝導されて侵入する熱を遮断することができず、実際には、ロータ側植込部５１及び動翼側植込部５２を好適に冷却することができない。この結果、これらのロータ側植込部５１及び動翼側植込部５２の強度が、高温蒸気の熱によって不足してしまう恐れがある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、高温蒸気を主流蒸気として使用する場合であっても、動翼とロータディスクとのそれぞれの植込部の強度を保証して、その健全性を確保できる蒸気タービン及びその冷却方法を提供することにある。

本発明に係る蒸気タービンは、ロータに一体成形されたロータディスクにロータ側植込部が形成され、動翼に動翼側植込部が形成され、この動翼側植込部が前記ロータ側植込部に係合することで、前記動翼が前記ロータディスクに、前記ロータの周方向に沿って複数枚植え込まれて構成された蒸気タービンであって、前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部は、前記ロータの軸方向に対し平行して直線状に、傾斜して直線状に、または平行して湾曲状に形成され、これらの直線または湾曲方向に相対移動することで互いに係合され、前記動翼側植込部と前記ロータ側植込部との間に形成される隙間のうち、少なくとも前記動翼の翼部側の隙間に冷却媒体を流動させるよう構成され、更に、前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部のそれぞれは、植込ネック部の両側に複数の植込フック部が突設されてクリスマスツリー状に形成され、前記植込ネック部及び前記植込フック部に、冷却媒体を流動させる冷却通路が形成されたことを特徴とするものである。

本発明に係る蒸気タービンの冷却方法は、ロータに一体成形されたロータディスクにロータ側植込部が形成され、動翼に動翼側植込部が形成され、この動翼側植込部が前記ロータ側植込部に係合することで、前記動翼が前記ロータディスクに、前記ロータの周方向に沿って複数枚植え込まれて構成された蒸気タービンの冷却方法であって、前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部は、前記ロータの軸方向に対し平行して直線状に、傾斜して直線状に、または平行して湾曲状に形成され、これらの直線または湾曲方向に相対移動することで互いに係合され、前記動翼側植込部と前記ロータ側植込部との間に形成される隙間のうち、少なくとも前記動翼の翼部側の隙間に冷却媒体を流動させ、更に、前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部のそれぞれは、植込ネック部の両側に複数の植込フック部が突設されてクリスマスツリー状に形成され、前記植込ネック部及び前記植込フック部に形成された冷却通路に冷却媒体を流動させることを特徴とするものである。

本発明に係る蒸気タービン及びその冷却方法によれば、高温蒸気を主流蒸気として使用する場合であっても、動翼とロータディスクにおけるそれぞれの植込部の強度を保証して、その健全性を確保できる。

本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す斜視図。 図１の動翼の植込部を拡大して示す部分正面図。 図１における動翼の翼列を展開して示す図１のＩＩＩ矢視図。 本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼の植込部を拡大して示す部分正面図。 本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼の植込部を拡大して示す部分正面図。 従来の蒸気タービンにおける動翼の植込部を拡大して示す部分正面図。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図３）
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一部を示す斜視図である。この図１に一部を示す蒸気タービン１０は、温度が７００〜７５０℃程度の高温の主流蒸気を、図示しない静翼を経て動翼１２へ導き、この動翼１２が植え込まれたロータディスク１１を備える図示しないロータを回転させ、このロータに連結された発電機（不図示）を回転駆動するものである。上述のように高温の主流蒸気を用いることで、タービン効率を向上させることが可能となる。

ロータディスク１１はロータに一体成形され、外周に複数のロータ側植込部１３を有する。このロータ側植込部１３は、図１及び図２に示すように、植込ネック部１３Ａの両側に植込フック部１３Ｂが複数突設されてクリスマスツリー状に形成される。

図１に示すように、動翼１２は、主流蒸気が衝突する翼部１４と、この翼部１４の下部に一体に設けられた動翼側植込部１５とを有してなる。この動翼側植込部１５も、図１及び図２に示すように、植込ネック部１５Ａの両側に植込フック部１５Ｂが複数突設されてクリスマスツリー状に形成される。

図１及び図３（Ａ）に示すように、ロータ側植込部１３及び動翼側植込部１５は、ロータの軸方向Ｏに対して平行に直線状に形成される。従って、ロータ側植込部１３及び動翼側植込部１５は、この直線方向に相対移動することで互いに係合される。即ち、動翼側植込部１５がロータ側植込部１３間の溝１６に、ロータの軸方向Ｏから挿入されることで、動翼側植込部１５の植込フック部１５Ｂとロータ側植込部１３の植込フック部１３Ｂとが係合される。このようにして、複数枚の動翼１２がロータディスク１１に、ロータの周方向に沿って植え込まれる。

ところで、図１及び図２に示すように、動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との間には、組付け用の隙間１７が設けられている。この隙間１７のうち、少なくとも動翼１２の翼部１４側の隙間１７、つまり本実施の形態では、動翼１２の翼部１４側の隙間である隙間１８及び１９と、ロータ側の隙間である隙間２０とが冷却通路として利用されて、蒸気タービンの冷却構造２１が構成され、これらの隙間１８、１９及び２０に冷却蒸気などの冷却媒体Ａ（図３（Ａ））が流動する。

ここで、前記隙間１８は、隣接する動翼１２の隣接する動翼側植込部１５とロータ側植込部１３の植込ネック部１３Ａ先端とにより形成される隙間である。また隙間１９は、隣接する動翼側植込部１５の植込フック部１５Ｂとロータ側植込部１３の植込フック部１３Ｂとの間に形成される隙間である。更に隙間２０は、隣接するロータ側植込部１３間の溝１６と動翼側植込部１５の植込ネック部１５Ａ先端とにより形成される隙間である。すなわち、本実施形態において、翼部１４側の隙間１７とは、翼部側植込部１５の凹部(フック部)に、ロータ側植込み部１３の凹部(ネック部)が係合する際に形成される隙間である。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）を奏する。

（１）動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との間に形成される組付け用の隙間１７のうち、動翼１２の翼部１４側の隙間１８及び１９を含めた全ての隙間１８、１９及び２０を冷却通路として利用し、これらの隙間１８、１９及び２０に冷却媒体Ａを流動させて、これらの隙間１８、１９及び２０の周囲を冷却している。このため、動翼１２の翼部１４から動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３へ伝導して侵入する熱を遮断し、これらの動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３の全体を冷却することができる。

一般に、動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３には、ロータの回転によって大きな応力が発生する。また、７００〜７５０℃程度の高温蒸気が使用される蒸気タービン１０においては、動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３の温度が高く、この動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３の材料強度が低下して強度不足が発生する恐れがある。

本実施の形態での動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との隙間１７（隙間１８、１９及び２０）に冷却媒体を流すことで、動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３全体を冷却できるので、高温蒸気を使用する場合であっても、上述の動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３の強度を保証できる。この結果、これらの動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３の健全性、ひいては蒸気タービン１０の健全性を確保できる。

尚、動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３は、図３（Ｂ）に示すように、ロータの軸方向Ｏに対し平行して湾曲状に形成され、この湾曲方向に相対移動することで互いに係合されてもよい。また、動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３は、図３（Ｃ）に示すように、ロータの軸方向Ｏに対し傾斜して直線状に形成され、この傾斜方向に相対移動することで互いに係合されてもよい。

動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３が上述のように、ロータの軸方向Ｏに対し平行に湾曲して、または傾斜して直線状に形成されることで、冷却通路として機能して冷却媒体Ａが流れる隙間１７（隙間１８、１９及び２０）の通路長さを、図３（Ａ）の場合よりも長く形成でき、動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３をより好適に冷却させることができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図４）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼の植込部を拡大して示す部分正面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態における蒸気タービンの冷却構造３１が前記実施の形態における蒸気タービンの冷却構造２１と異なる点は、動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との隙間１８、１９及び２０が冷却通路として利用されるほか、ロータ側植込部１３の植込ネック部１３Ａにおける根元箇所に冷却通路３２が、動翼側植込部１５の植込ネック部１５Ａにおける根元箇所に冷却通路３３がそれぞれ形成された点である。

これらの冷却通路３２及び３３も、動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との隙間１８、１９及び２０と同様に、ロータの軸方向Ｏに対し、平行して直線状に（図３（Ａ）参照）、平行して湾曲状に（図３（Ｂ）参照）、または傾斜して直線状に（図３（Ｃ）参照）それぞれ形成される。そして、これらの冷却通路３２及び３３にも、動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との隙間１８、１９及び２０と同様に、冷却蒸気などの冷却媒体Ａが流れて、動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３を冷却する。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様な効果を奏するが、その効果は、冷却通路３２及び３３にも冷却媒体が流れることで、一層向上する。

［Ｃ］第３の実施の形態（図５）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼の植込部を拡大して示す部分正面図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態における蒸気タービンの冷却構造４１が前記第１の実施の形態の蒸気タービンの冷却構造２１と異なる点は、動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との隙間１８、１９及び２０が冷却通路として利用されるほか、ロータ側植込部１３の植込ネック部１３Ａと植込フック部１３Ｂの少なくとも一方に冷却通路が形成され（本実施の形態では、植込ネック部１３Ａ、植込フック部１３Ｂに冷却通路４２、４３がそれぞれ形成され）、更に、動翼側植込部１５の植込ネック部１５Ａと植込フック部１５Ｂの少なくとも一方に冷却通路が形成された（本実施の形態では、植込ネック部１５Ａ、植込フック部１５Ｂに冷却通路４４、４５がそれぞれ形成された）点である。

冷却通路４２は植込ネック部１３Ａの、冷却通路４３は植込フック部１３Ｂのそれぞれの強度に支障のない範囲で形成される。また、冷却通路４４は植込ネック部１５Ａの、冷却通路４５は植込フック部１５Ｂのそれぞれの強度に支障のない範囲で形成される。このうち、植込ネック部１３Ａに形成される冷却通路４２は、植込ネック部１３Ａの長手方向を長軸方向Ｐとする長円形状断面に形成される。植込ネック部１５Ａに形成される冷却通路４４は、円形状断面の場合を示すが、冷却通路４２と同様な長円形状断面であってもよい。

これらの冷却通路４２、４３、４４及び４５も、動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との隙間１８、１９及び２０と同様に、ロータの軸方向Ｏに対し、平行して直線状に（図３（Ａ）参照）、平行して湾曲状に（図３（Ｂ）参照）、または傾斜して直線状に（図３（Ｃ）参照）それぞれ形成される。そして、これらの冷却通路４２、４３、４４及び４５にも、動翼側植込部１５とロータ側植込部１３との隙間１８、１９及び２０と同様に、冷却蒸気などの冷却媒体Ａが流れて、動翼側植込部１５及びロータ側植込部１３を冷却する。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様な効果を奏するが、その効果は、植込ネック部１３Ａ、１５Ａ及び植込フック部１３Ｂ、１５Ｂに形成された冷却通路４２、４３、４４及び４５にも冷却媒体Ａが流れることで、より一層向上する。

１０ 蒸気タービン
１１ ロータディスク
１２ 動翼
１３ ロータ側植込部
１３Ａ 植込ネック部
１３Ｂ 植込フック部
１４ 翼部
１５ 動翼側植込部
１５Ａ 植込ネック部
１５Ｂ 植込フック部
１７、１８、１９、２０ 隙間
２１ 蒸気タービンの冷却構造
３１ 蒸気タービンの冷却構造
３２、３３ 冷却通路
４１ 蒸気タービンの冷却構造
４２、４３、４４、４４ 冷却通路
Ａ 冷却媒体
Ｏ ロータの軸方向
Ｐ 長軸方向

Claims (5)

1. ロータに一体成形されたロータディスクにロータ側植込部が形成され、動翼に動翼側植込部が形成され、この動翼側植込部が前記ロータ側植込部に係合することで、前記動翼が前記ロータディスクに、前記ロータの周方向に沿って複数枚植え込まれて構成された蒸気タービンであって、
   前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部は、前記ロータの軸方向に対し平行して直線状に、傾斜して直線状に、または平行して湾曲状に形成され、これらの直線または湾曲方向に相対移動することで互いに係合され、
   前記動翼側植込部と前記ロータ側植込部との間に形成される隙間のうち、少なくとも前記動翼の翼部側の隙間に冷却媒体を流動させるよう構成され、
   更に、前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部のそれぞれは、植込ネック部の両側に複数の植込フック部が突設されてクリスマスツリー状に形成され、前記植込ネック部及び前記植込フック部に、冷却媒体を流動させる冷却通路が形成されたことを特徴とする蒸気タービン。
2. ロータに一体成形されたロータディスクにロータ側植込部が形成され、動翼に動翼側植込部が形成され、この動翼側植込部が前記ロータ側植込部に係合することで、前記動翼が前記ロータディスクに、前記ロータの周方向に沿って複数枚植え込まれて構成された蒸気タービンであって、
   前記動翼側植込部と前記ロータ側植込部との間に形成される隙間のうち、少なくとも前記動翼の翼部側の隙間に冷却媒体を流動させるよう構成され、
   更に、前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部のそれぞれは、植込ネック部の両側に複数の植込フック部が突設されてクリスマスツリー状に形成され、前記植込ネック部及び前記植込フック部に、冷却媒体を流動させる冷却通路が形成されたことを特徴とする蒸気タービン。
3. 前記植込ネック部に形成される冷却通路は、前記植込ネック部の長手方向を長軸方向とする長円形状に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気タービン。
4. ロータに一体成形されたロータディスクにロータ側植込部が形成され、動翼に動翼側植込部が形成され、この動翼側植込部が前記ロータ側植込部に係合することで、前記動翼が前記ロータディスクに、前記ロータの周方向に沿って複数枚植え込まれて構成された蒸気タービンの冷却方法であって、
   前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部は、前記ロータの軸方向に対し平行して直線状に、傾斜して直線状に、または平行して湾曲状に形成され、これらの直線または湾曲方向に相対移動することで互いに係合され、
   前記動翼側植込部と前記ロータ側植込部との間に形成される隙間のうち、少なくとも前記動翼の翼部側の隙間に冷却媒体を流動させ、
   更に、前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部のそれぞれは、植込ネック部の両側に複数の植込フック部が突設されてクリスマスツリー状に形成され、前記植込ネック部及び前記植込フック部に形成された冷却通路に冷却媒体を流動させることを特徴とする蒸気タービンの冷却方法。
5. ロータに一体成形されたロータディスクにロータ側植込部が形成され、動翼に動翼側植込部が形成され、この動翼側植込部が前記ロータ側植込部に係合することで、前記動翼が前記ロータディスクに、前記ロータの周方向に沿って複数枚植え込まれて構成された蒸気タービンの冷却方法であって、
   前記動翼側植込部と前記ロータ側植込部との間に形成される隙間のうち、少なくとも前記動翼の翼部側の隙間に冷却媒体を流動させ、
   更に、前記動翼側植込部及び前記ロータ側植込部のそれぞれは、植込ネック部の両側に複数の植込フック部が突設されてクリスマスツリー状に形成され、前記植込ネック部及び前記植込フック部に形成された冷却通路に冷却媒体を流動させることを特徴とする蒸気タービンの冷却方法。

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