JP5497055B2 - ターボ機械用内側筐体 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械に関し、このターボ機械は、回転軸回りで回転するように取り付けられたロータと、ロータの周囲に配置された内側内側筐体及び外側内側筐体と、内側及び外側内側筐体の周囲に配置された外側筐体と、を備え、外側内側筐体が、回転軸に沿って内側内側筐体の周囲に配置され、流動媒体を所定の流動方向で流動させる第１流動領域が、内側内側筐体とロータとの間に形成され、第２流動領域が、流動方向において第１流動領域から下流に、外側内側筐体とロータとの間に形成されている。

例として、ターボ機械は、蒸気タービンを意味する。蒸気タービンは、通常、回転可能に取り付けられたロータと、ロータの周囲に配置された筐体と、を有する。流動チャネルは、ロータと内側筐体との間に形成されている。蒸気タービン内の筐体は、複数の機能を実行できなければならない。一方、流動チャネル内のステータブレードは、筐体に配置されており、他方、内側筐体は、全負荷または特殊な動作状態のために流動媒体の圧力及び温度に耐えなければならない。蒸気タービンの場合、流動媒体は、蒸気である。さらに、筐体は、ブリード(bleed)とも称される入力及び出力が可能なように設計されなければならない。筐体が実行しなければならないさらなる機能は、シャフトの端部が筐体を貫通することを可能とすることである。

動作中に発生する高応力、高圧及び高温の状態において、材料を適切に選択することと、機械的完全性及び機能性を可能とするように設計を選択することと、が必要である。このため、特に流入領域及び第１ステータブレード溝部において、高品質の材料を使用する必要がある。

ニッケル基合金(nickel-based alloy)が高温で発生する負荷に耐えるので、ニッケル基合金は、新鮮蒸気(fresh steam)温度が６５０℃を超える、例えば７００℃である用途に適している。しかしながら、このようなニッケル基合金を使用することは、新たな要件に関連する。例えば、ニッケル基合金のコストは、比較的高く、さらに、例えば鋳造能力が制限されるので、ニッケル基合金を製造する能力は、制限される。これは、ニッケル基合金の使用を最小限にしなければならないことを意味する。さらに、ニッケル基合金は、熱伝導率が低い。したがって、壁厚を横断する温度勾配は、比較的大きい。さらに、注意すべきことは、ニッケル基合金を使用する場合に、蒸気タービンの入口と出口との間の温度差が生じることである。

高温及び高圧に適した蒸気タービンを製造するために、現在、さまざまなコンセプトを続行している。例えば、複数の部品を有する内側筐体の構造について、非特許文献１における外側筐体の構造に組み込むことが知られている。

同様に、特許文献１において、内側筐体について、２つの部品から形成することが知られている。

同様に、特許文献２は、特許文献３のように、複数の構成部材からなる内側筐体の構造を開示している。

独国特許出願公開第１０２００６０２７２３７号明細書 独国特許第３４２１０６７号明細書 独国特許出願公開第１０３５３４５１号明細書

Y. Tanaka et al. "Advanced Design of Mitsubishi Large Steam Turbines", Mitsubishi Heavy Industries, Power Gen Europe, 2003, Dusseldorf, May 06.-08., 2003.

本発明の目的は、高温及び高圧に適した内側筐体を設計するさらなる可能性のある方法を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴によって実現される。有利な展開は、従属請求項において具体化されている。

本発明の理念は、３筐体型の蒸気タービンを設計することである。内側筐体は、この場合において、内側内側筐体と外側内側筐体とから形成される。内側内側筐体は、流入領域の領域に配置されており、このため、高温及び高圧に耐えなければならない。したがって、内側内側筐体は、例えばニッケル基合金などの適切な材料から形成される。流動チャネルは、内側内側筐体とロータとの間に形成されている。したがって、内側内側筐体は、ステータブレードを取り付けるために、溝部のような器具を有する。外側内側筐体は、内側内側筐体の周囲に配置されている。基本的な特徴は、この場合において、冷却蒸気領域を内側内側筐体と外側内側筐体との間に形成することと、冷却媒体をこの領域に付与することと、である。外側内側筐体は、この場合において、流動方向で見て内側内側筐体に隣接し、流動チャネルの境界を示すように設計されており、この場合において、溝部のような器具は、同様に、ステータブレードを取り付けるために、外側内側筐体に設けられる。

低温かつ低圧の蒸気は、外側内側筐体に付与され、その結果、外側内側筐体は、内側内側筐体の材料よりも熱に対する耐性が低い。特に、外側内側筐体について、高品質ではない材料から形成しても差し支えない。外側筐体は、内側内側筐体及び外側内側筐体の周囲に配置されている。

１つの有利な展開において、流動接続部は、内側内側筐体と外側内側筐体との間に設けられ、冷却媒体が流動チャネルから冷却蒸気領域内に供給することを可能とする。したがって、この冷却蒸気は、流動チャネルから取り出され、このため、内側内側筐体内の第１応力及び第２応力を低いままとすることを可能とする。第１応力は、蒸気圧、加重力(weight force)などのような外部負荷を受けて発生する機械的応力である。一方、同様に熱応力と称される第２応力は、熱膨張時に平均化されないまたは変化する温度領域を受けて発生する機械的応力である。

冷却蒸気領域に位置する冷却蒸気は、同時に、外側内側筐体からの断熱材として使用される。さらに、静止時に発生する復水を放散させる水引出ラインを設ける。さらなる有利な展開において、蒸気タービンは、ツインフロー蒸気タービン(twin-flow steam turbine)の形態をなし、このため、対称である理由から、応力及び力を最適に一致させることを可能とする。

本発明の例示的な実施形態は、図面を参照しながら以下の文章で説明される。これら図面は、基準化せずに例示的な実施形態を示すことを意図しており、実際には、例示的な目的の図面は、概略的なかつ／または若干変形させた形状にある。図面から直接特定される教示に対する追加部分に関して、本明細書において、関連する従来技術について述べる。

ツインフロー蒸気タービンを通る断面図である。 流動方向から見た蒸気タービンを通る部分断面図である。

図１に示すターボ機械１を通る断面図は、基本的に、外側筐体２と、外側筐体２内に配置された外側内側筐体３と、外側内側筐体３内に配置された内側内側筐体４と、を備える。

ロータ５は、外側内側筐体３と内側内側筐体４との間に回転軸６回りで回転可能に取り付けられている。流動チャネル７は、外側内側筐体３とロータ５との間に、並びに内側内側筐体４とロータ５との間に形成されている。明確にする目的で、各ロータブレード及びステータブレードを詳細には図示しない。ステータブレードは、内側内側筐体４に及び外側内側筐体３に配置されている。ロータブレードは、ロータ５に配置されており、新鮮蒸気の熱エネルギーは、流動チャネル７において回転エネルギーに変換される。新鮮蒸気は、詳細には図示しない新鮮蒸気の入口領域を介して、まず最初に内側内側筐体４とロータ５との間に配置された第１流動領域８内に流入する。

内側内側筐体４は、ニッケル基合金から形成されている。外側内側筐体３は、高温に対する耐性が低い材料から形成されてもよい。１つの代替の実施形態において、内側内側筐体４は、９重量％から１０重量％のクロムを含む高クロム含有スチールから形成されてもよく、外側内側筐体３は、内側内側筐体４よりも高品質でない材料から形成されている。

第１流動領域８の蒸気流動は、流動方向９で流動チャネル７に沿って流動する。図１に示す蒸気タービン１は、ツインフロー機械(twin-flow machine)である、すなわち、蒸気は、第１流動領域８において第１経路及び第２経路双方に沿って流動する。外側内側筐体３は、内側内側筐体４に隣接している。第２流動領域１０は、外側内側筐体３と流動チャネル７との間に形成されている。外側内側筐体３は、ステータブレードを保持するための例えば溝部のような器具を備えている。内側内側筐体４は、詳細には図示しない方法で外側内側筐体３内に吊り下げられている。外側内側筐体は、第１流動領域８において内側内側筐体４の周囲に形成されている。外側内側筐体３は、この場合において、回転軸６に関して、内側内側筐体４の周囲に形成されている。第１流動領域８の外側において、外側内側筐体３は、回転軸６に関して、内側内側筐体４の周囲に配置されていない。第１流動領域８は、内側内側筐体４が終端する点まで流動チャネルを備える。 流動接続部１１は、第１流動領域８と第２流動領域１０との間の結合領域において内側内側筐体４と外側内側筐体３との間に配置されている。このため、流動チャネル７から広がる蒸気は、流動接続部１１を介して冷却蒸気領域１２内に流入し、この冷却蒸気領域は、内側内側筐体４と外側内側筐体３との間に位置する。したがって、流動接続部１１の位置は、適温適圧の冷却媒体が流動接続部１１を介して冷却蒸気領域１２内に流入することを確実にするように適切に選択されなければならない。冷却蒸気領域１２を流動するこの冷却媒体は、内側内側筐体４を外側内側筐体３から断熱させている。外側内側筐体３は、基本的に、第１外側内側筐体上部と第２外側内側筐体下部とを備える。外側内側筐体３は、基本的に、異なる形状をなす３つのセクションを備える。したがって、第１セクションにおいて、内側筐体は、基本的に流動方向９と平行となるように設計されている。この第１領域は、１つの経路及び他の経路の双方において、多かれ少なかれ対称に設計されている。流動接続部１１の近傍に配置された結合領域において、外側内側筐体３の第２中央領域は、隣接している。この中央領域は、冷却蒸気領域１２を内側内側筐体４と外側内側筐体３との間に形成することを可能とするために、まず最初に、径方向に位置合わせすることを特徴としている。

詳細には図示しないがタービンが静止している場合に発生する復水を放散する水引出ラインは、蒸気タービンを保護するために、とりわけ冷却蒸気領域１２に設けられている。図２は、流動方向で蒸気タービン１を示す図である。図２に示す断面は、蒸気タービン１のほぼ中心１３である。冷却蒸気領域１２に位置する冷却蒸気は、冷却蒸気送出ラインを介して冷却蒸気領域の外に排出される。この場合、冷却蒸気送出ラインは、外側内側筐体３にある穴部を用いて形成されている。冷却蒸気送出ライン１４は、特に、外側内側筐体３の上部に配置されている。

別の実施形態において、冷却蒸気送出ライン１４は、同様に、外側内側筐体３の下部に配置されてもよい。この別の冷却蒸気送出ライン１４の設計は、図２において結合部１５の下方に見える。

１ ターボ機械，蒸気タービン、２ 外側筐体、３ 外側内側筐体、４ 内側内側筐体、５ ロータ、６ 回転軸、７ 流動チャネル、８ 流動領域、９ 流動方向、１０ 流動領域、１１ 流動接続部、１２ 冷却蒸気領域、１４ 冷却蒸気送出ライン

Claims (11)

1. ターボ機械（１）であって、
   回転軸（６）回りに回転可能に取り付けられたロータ（５）と、前記ロータ（５）の周囲に配置された内側内側筐体（４）及び外側内側筐体（３）と、前記内側及び外側内側筐体（３、４）の周囲に配置された外側筐体（２）と、を備え、
   流動媒体を流動方向（９）で流動させるための第１流動領域（８）が、前記内側内側筐体（４）と前記ロータ（５）との間に形成され、第２流動領域（１０）が、前記流動方向で見て前記第１流動領域（８）の下流側において、前記外側内側筐体（３）と前記ロータ（５）との間に形成されており、ロータブレード及びステータブレードを有する流動チャネル（７）が、前記外側内側筐体（３）と前記ロータ（５）との間に並びに前記内側内側筐体（４）と前記ロータ（５）との間に形成されており、
   前記外側内側筐体（３）が、前記回転軸（６）に沿って前記第１流動領域（８）のみにおいて前記内側内側筐体（４）の周囲に配置されており、
   当該ターボ機械（１）が、ツインフロー機械であり、
   前記ステータブレードが、前記内側内側筐体（４）に及び前記外側内側筐体（３）に配置されており、
   冷却蒸気送出ライン（１４）が、外側内側筐体上部に配置されており、
   前記外側内側筐体（３）が、前記内側内側筐体（４）よりも高温に対する耐性が低い材料から形成されていることを特徴とするターボ機械。
2. 冷却蒸気領域（１２）が、前記内側内側筐体（４）と前記外側内側筐体（３）との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
3. 流動接続部（１１）が、前記内側内側筐体（４）と前記外側内側筐体（３）との間において、前記第１または第２流動領域（８、９）と前記冷却蒸気領域（１２）との間に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械。
4. 冷却蒸気送出ライン（１４）が、冷却蒸気領域（１２）に位置する冷却媒体を前記冷却蒸気領域（１２）から流出させるために形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のターボ機械。
5. 前記冷却蒸気送出ライン（１４）が、前記外側内側筐体に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械。
6. 前記外側内側筐体（３）が、前記外側内側筐体上部及び外側内側筐体下部を備えることを特徴とする請求項５に記載のターボ機械。
7. 前記内側内側筐体（４）が、ニッケル基合金から形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のターボ機械。
8. 前記内側内側筐体（４）が、９重量％から１０重量％のクロムを含む高クロム含有スチールから形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のターボ機械。
9. ステータブレードを保持する器具を前記内側内側筐体（４）に及び前記外側内側筐体（３）に設けることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のターボ機械。
10. 前記器具が、溝部の形態をなすことを特徴とする請求項９に記載のターボ機械。
11. 新鮮蒸気のための流入領域を有し、
    前記内側内側筐体（４）が、前記流入領域に配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のターボ機械。

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