JP5509012B2

JP5509012B2 - 蒸気タービン

Info

Publication number: JP5509012B2
Application number: JP2010208105A
Authority: JP
Inventors: 吉宏水谷; 正雄山崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: EP2431569A3; CN102418566A; JP2012062828A; EP2431569A2; EP2431569B1; US9133711B2; CN102418566B; US20120070269A1

Description

本発明の実施形態は、高温、高圧の蒸気が導入されるノズルボックスを備えた蒸気タービンに関する。

蒸気タービンにおいて、ボイラから供給された高温、高圧の蒸気は、蒸気入口管を通って円環状の蒸気通路を有するノズルボックスへ導入され、第１段のノズル（第１段の静翼）に導かれる。蒸気が導入されるノズルボックスの出口には、一般的に、蒸気タービンのケーシングに作用する力を小さくするため、第１段のノズルを備えている。また、蒸気タービンのケーシングに作用する力をさらに小さくするため、第１段のノズルおよび第２段のノズルを備えるノズルボックスもある。

図４は、第１段のノズル１１０および第２段のノズル１１１を備える従来のノズルボックス１００の水平方向の子午断面の一部を示した図である。第１段のノズルおよび第２段のノズルを備える従来のノズルボックスにおいて、図４に示すように、第２段のノズルを支持するためのノズルダイアフラム１１４を支持するため、外周側の壁部はタービンロータ軸方向に延設されている。

特開２００９−４７１２３号公報

上記したような、第１段のノズルおよび第２段のノズルを備える従来のノズルボックスにおいては、溶接棒を第１段のノズルの上流側から下流側に亘って導いて第１段のノズル１１０を溶接するため、外周側の溶接開先部１１２の深さ（溶接開先部１１２のタービンロータ軸方向の長さ）は、内周側の溶接開先部１１３の深さよりも深くなる。そのため、溶接量が膨大となる。また、外周側の溶接開先部１１２の深さが深いため、製造が困難となる。また、ノズルボックスを２分割構造にして、外周側の溶接開先部１１２の深さを浅くする構成も考えられるが、分割部からの蒸気の漏洩が問題となる。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、分割構造を有し、第１段のノズルを溶接するための溶接量を削減できるとともに、蒸気の漏洩を防止することができるノズルボックスを備える蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態の蒸気タービンは、蒸気入口管から蒸気が導入される円環状の蒸気通路を有し前記蒸気流路の下流部に第１段ノズルを備えるノズルボックスと、前記ノズルボックスと組み合わされるとともに、少なくとも第２段ノズルが備えられる第２段ノズル側構造体とを備えている。また、前記ノズルボックスおよび前記第２段ノズル側構造体のそれぞれには、タービンロータ軸に平行でなく、かつ互いに当接する、少なくとも一対のシール当接面が備えられている。さらに、前記ノズルボックスと前記第２段ノズル側構造体とを組み合わせることで両者間に形成される隙間の一部には、シール部材が設けられている。

本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの、鉛直方向から４５度傾いた位置における子午断面を示す図である。本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンに備えられるノズルボックス組立体の水平方向における子午断面の一部を示す図である。本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンに備えられるノズルボックス組立体の水平方向における子午断面の一部を示す図である。第１段ノズルおよび第２段ノズルを備える従来のノズルボックスの水平方向の子午断面の一部を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の、鉛直方向から４５度傾いた位置における子午断面を示す図である。

図１に示すように、蒸気タービン１０は、例えば、内部ケーシング２０とその外側に設けられた外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２０内に動翼２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅが植設されたタービンロータ２３が貫設されている。このタービンロータ２３は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

また、内部ケーシング２０の内周には、タービンロータ２３の軸方向に動翼２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅと交互になるようにノズル２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅが配設されている。ノズル翼列と動翼翼列とで一つのタービン段落が構成される。ここで、第１段のノズル２４ａおよび第２段のノズル２４ｂは、後述するノズルボックス組立体２５に備えられている。

タービンロータ２３と各ケーシングとの間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドラビリンス部２６が設けられている。

また、蒸気タービン１０には、蒸気入口管（図示しない）が、外部ケーシング２１および内部ケーシング２０を貫通して設けられ、蒸気入口管の端部が、ノズルボックス組立体２５の一部を構成するノズルボックス３０に連通して接続されている。このノズルボックス３０は、蒸気入口管から導入された蒸気が周方向に広がる円環状の蒸気通路２７を備えている。

また、ノズルボックス組立体２５は、内部ケーシング２０の内周に周方向に全周に亘って突出する隔壁２０ｂを介して固定されている。この隔壁２０ｂを設けることで、ノズルボックス組立体２５の周囲の空間を内側空間１５ａと外側空間１５ｂとに分割し、これらの間の蒸気の通流を遮断している。これによって、第１段のノズル２４ａを流出した蒸気の大部分を有効な仕事に変換することができる。

蒸気入口管を経て、ノズルボックス３０内に流入した蒸気は、蒸気通路２７内に広がり、この蒸気通路２７の下流部に設けられた第１段のノズル２４ａへ導かれ、第１段の動翼２２ａに向けて噴出される。噴出された蒸気は、各段落のノズル２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅと動翼２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅとの間の蒸気通路を通り、タービンロータ２３を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気され、例えば、低温再熱管（図示しない）を通りボイラ（図示しない）に流入する。

なお、蒸気タービン１０の構成は、上記した構成に限定されるものではなく、蒸気入口管を経てノズルボックス３０内に蒸気が流入される構成を備える蒸気タービンであればよい。

次に、本発明に係るノズルボックス組立体２５について説明する。

図２は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０に備えられるノズルボックス組立体２５の水平方向における子午断面の一部を示す図である。すなわち、図２には、上下二つ割り構造で構成されるノズルボックス組立体２５の下部側構造の上面側の断面が示されている。

図２に示すように、ノズルボックス組立体２５は、蒸気通路２７および蒸気通路２７の下流部に設けられた第１段のノズル２４ａを備えるノズルボックス３０と、第２段のノズル２４ｂを備える第２段ノズル側構造体４０とからなる分離構造体を組み合わせることで構成されている。ここでは、第２段ノズル側構造体４０に、一つのノズル（第２段のノズル２４ｂ）を備えた一例を示しているが、２以上のノズルを備えるように構成してもよい。

ノズルボックス３０において、円環状の蒸気通路２７を構成する外周側の壁部は、第１段のノズル２４ａよりも下流側に延設されている。その延設部３０ａの内周面の、タービンロータ中心軸からの半径方向への距離である半径方向距離Ｒａは、ノズルボックス３０の出口に第１段のノズル２４ａを溶接する際に形成される、外周側の溶接開先部３２の最外周における半径方向距離Ｒｂよりも大きい。すなわち、第１段のノズル２４ａをノズルボックス３０の出口に溶接する際、溶接棒などの移動の妨げにならないように、延設部３０ａの内周面の半径方向距離Ｒａは、外周側の溶接開先部３２の最外周における半径方向距離Ｒｂよりも大きく構成されている。

図２に示すように、外周側の溶接開先部３２の深さ（溶接開先部３２のタービンロータ軸方向の長さ）は、内周側の溶接開先部３３の深さ（溶接開先部３３のタービンロータ軸方向の長さ）とほぼ等しい。複数の第１段のノズル２４ａは、このような溶接開先部３２、３３によってノズルボックス３０の出口に、周方向に亘って固定されている。

また、延設部３０ａの内周側には、周方向に亘って溝状の嵌合溝部３１が形成されている。この嵌合溝部３１の底部には、この嵌合溝部３１に嵌合される、後述する第２段ノズル側構造体４０の嵌合突部４１との間からの蒸気の漏洩を防止するために、周方向に亘ってシール部材５０が設けられている。このシール部材５０は、第２段ノズル側構造体４０の嵌合突部４１に接触するシールフィン５０ａを備えている。

また、ノズルボックス３０は、前述したように、内部ケーシング２０の内周に周方向に全周に亘って突出する隔壁２０ｂを介して固定されている。この隔壁２０ｂを設けることで、ノズルボックス組立体２５の周囲の空間を内側空間１５ａと外側空間１５ｂとに分割し、これらの間の蒸気の通流を遮断している。

第２段ノズル側構造体４０は、円筒状形状を有し、一端部が、ノズルボックス３０の嵌合溝部３１に嵌合する嵌合突部４１で構成されている。また、第２段ノズル側構造体４０の内周側には、第２段のノズル２４ｂを外側から支持するノズルフラム外輪２７ｂの外周に形成された嵌合突部２９ｂと嵌合してノズルフラム外輪２７ｂの位置決めおよび固定をするための嵌合溝部４２ｂが形成されている。なお、第２段のノズル２４ｂは、内側からノズルフラム内輪２８ｂによって支持されている。また、第２段のノズル２４ｂよりも下流側のノズル２４ｃ、２４ｄ、２４ｅは、図１に示すように、従来と同様に、ノズルフラム外輪２７ｃ、２７ｄ、２７ｅと、ノズルフラム内輪２８ｃ、２８ｄ、２８ｅとの間に支持され、内部ケーシング２０に固定されている。

また、第２段ノズル側構造体４０は、外側面に形成された嵌合突部４３を、これに対応して内部ケーシング２０の内周側に形成された嵌合溝部２０ａに嵌合させることで、位置決めされている。なお、内部ケーシング２０、外部ケーシング２１、ノズルボックス組立体２５などは、上下二つ割り構造で構成されているため、例えば、下部側の第２段ノズル側構造体４０は、ノズルボックス３０が配置された内部ケーシング２０内に上方から挿入され、ノズルボックス３０と組み合わされる。

また、第２段ノズル側構造体４０の嵌合突部４１の下流側の側面４１ａは、ノズルボックス３０の嵌合溝部３１の下流側の側面３１ａと当接するように構成されている。これらの一対の側面３１ａ、４１ａが当接することで、蒸気の漏洩を防止することができ、これらの一対の側面３１ａ、４１ａは、それぞれシール当接面として機能している。なお、このようなシール当接面は、少なくとも一対備えられていればよく、複数箇所に備えられてもよい。

ここで、ノズルボックス３０は、蒸気入口管（図示しない）の端部に接続され、内部ケーシング２０の隔壁２０ｂに固定されているため、所定の位置に配設される。また、第２段ノズル側構造体４０は、上記したように、嵌合突部４３を、内部ケーシング２０の嵌合溝部２０ａに嵌合させることで位置決めされており、タービンロータ軸方向に若干移動可能となっている。ノズルボックス３０の出口における圧力（ノズルボックス３０の嵌合溝部３１の上流側の側面３１ｂと、第２段ノズル側構造体４０の嵌合突部４１の上流側の側面４１ｂとの間における圧力（内側空間１５ａの圧力））は、ノズルボックス組立体２５と内部ケーシング２０との間の空間（外側空間１５ｂ）の圧力よりも高いため、第２段ノズル側構造体４０をタービンロータ軸方向の下流側へ移動させる力が働く。そのため、第２段ノズル側構造体４０の嵌合突部４１の下流側の側面４１ａは、ノズルボックス３０の嵌合溝部３１の下流側の側面３１ａと当接する。

ここでは、シール当接面として機能する、第２段ノズル側構造体４０の嵌合突部４１の下流側の側面４１ａと、ノズルボックス３０の嵌合溝部３１の下流側の側面３１ａとが、タービンロータ軸方向に対して直交する方向に形成された一例を示しているが、これに限られるものではない。側面４１ａおよび側面３１ａは、タービンロータ軸の中心軸に対する円筒面、すなわちタービンロータ軸に平行な面として形成されなければよく、例えば、側面４１ａおよび側面３１ａが、タービンロータ軸方向と平行な方向に対して子午断面で所定の角度を有するシール当接面を構成してもよい。

上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、ノズルボックス組立体２５を、ノズルボックス３０と、第２段ノズル側構造体４０とからなる分離構造体を組み合わせることで構成することで、ノズルボックス３０の出口における第１段のノズル２４ａの外周側の溶接部である溶接開先部３２の深さを、内周側の溶接開先部３３の深さとほぼ等しい程度に、浅くすることができる。そのため、第１段ノズルを溶接するための溶接量を削減できることができる。

また、ノズルボックス３０の一部の面と、第２段ノズル側構造体４０の一部の面とがそれぞれが当接することで、蒸気の漏洩を防止することができる。また、シール部材５０を設けることで、蒸気の漏洩をさらに確実に防止することができる。

なお、上記した実施の形態では、ノズルボックス３０と第２段ノズル側構造体４０とを組み合わせることで、両者間に形成される隙間の一部である、嵌合溝部３１の底部と嵌合突部４１の突面との間に、シール部材５０を設けた一例を示したが、シール部材５０を設ける位置はこれに限られるものではない。シール部材５０は、ノズルボックス３０と第２段ノズル側構造体４０とを組み合わせることで、両者間に形成される隙間の一部に設けられていればよい。シール部材５０は、例えば、ノズルボックス３０と第２段ノズル側構造体４０との外周面が対向する、ノズルボックス組立体２５と内部ケーシング２０との間に形成される空間側に設けられてもよい。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１０に備えられるノズルボックス組立体２５の水平方向における子午断面の一部を示す図である。すなわち、図３には、上下二つ割り構造で構成されるノズルボックス組立体２５の下部側構造の上面側の断面が示されている。なお、第２の実施の形態の蒸気タービン１０に備えられるノズルボックス組立体２５の構成部分と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図３に示すように、ノズルボックス組立体２５は、蒸気通路２７および第１段のノズル２４ａを備えるノズルボックス６０と、第２段のノズル２４ｂを備える第２段ノズル側構造体７０とからなる分離構造体を組み合わせることで構成されている。ここでは、第２段ノズル側構造体７０に、一つのノズル（第２段のノズル２４ｂ）を備えた一例を示しているが、２以上のノズルを備えるように構成してもよい。

ノズルボックス６０において、円環状の蒸気通路２７を構成する外周側および内周側の壁部は、タービンロータ軸方向の長さがほぼ同じになるように構成されている。また、図３に示すように、外周側の溶接開先部３２の深さ（溶接開先部３２のタービンロータ軸方向の長さ）は、内周側の溶接開先部３３の深さ（溶接開先部３３のタービンロータ軸方向の長さ）とほぼ等しい。複数の第１段のノズル２４ａは、このような溶接開先部３２、３３によってノズルボックス６０の出口に、周方向に亘って固定されている。

また、ノズルボックス６０は、内部ケーシング２０の内周に周方向に全周に亘って突出する隔壁２０ｂを介して固定されている。この隔壁２０ｂを設けることで、ノズルボックス組立体２５の周囲の空間を内側空間１５ａと外側空間１５ｂとに分割し、これらの間の蒸気の通流を遮断している。

第２段ノズル側構造体７０は、円筒状形状を有し、一端部に、ノズルボックス６０の外周側の壁部の外周に沿ってタービンロータ軸方向に延設された延設部７０ａと、ノズルボックス６０の外周側の壁部の下流側の、タービンロータ軸方向に直交する端面６０ａに当接する端面７０ｂを備えている。これらの端面６０ａ、７０ｂが当接することで、蒸気の漏洩を防止することができ、これらの端面６０ａ、７０ｂは、それぞれシール当接面として機能する。また、第２段ノズル側構造体７０は、端面７０ｂをノズルボックス６０の端面６０ａに当接させて、ボルト８０によりノズルボックス６０に固定される。

ここでは、シール当接面として機能する、第２段ノズル側構造体７０の端面７０ｂと、ノズルボックス６０の端面６０ａとが、タービンロータ軸方向に対して直交する方向に形成された一例を示しているが、これに限られるものではない。端面７０ｂおよび端面６０ａは、タービンロータ軸の中心軸に対する円筒面、すなわちタービンロータ軸に平行な面として形成されなければよく、例えば、端面７０ｂおよび端面６０ａが、タービンロータ軸方向と平行な方向に対して子午断面で所定の角度を有するシール当接面を構成してもよい。

また、第２段ノズル側構造体７０には、第２段のノズル２４ｂを外側から支持するノズルフラム外輪２７ｂの外周に形成された嵌合突部２９ｂと嵌合してノズルフラム外輪２７ｂの位置決めおよび固定をするための嵌合溝部７１が形成されている。なお、第２段のノズル２４ｂは、内側からノズルフラム内輪２８ｂによって支持されている。また、第２段ノズル側構造体７０は、外側面に形成された嵌合突部７２を、これに対応して内部ケーシング２０の内周側に形成された嵌合溝部２０ａに嵌合させることで、位置決めされている。なお、ノズルボックス６０と第２段ノズル側構造体７０とをボルト締結により固定することで、第２段ノズル側構造体７０の位置決めなどを行える場合には、第２段ノズル側構造体７０を内部ケーシング２０の内周側に位置決めする構成を設けなくてもよい。

また、第２段ノズル側構造体７０の延設部７０ａの内周側には、周方向に亘ってシール部材５０が設けられている。このシール部材５０は、ノズルボックス６０の外周側の壁部の外周に接触するシールフィン５０ａを備えている。このシール部材５０を備えることで、第２段ノズル側構造体７０の延設部７０ａとノズルボックス６０の外周側の壁部との間の隙間からの蒸気の漏洩を防止することができる。

上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、ノズルボックス組立体２５を、ノズルボックス６０と、第２段ノズル側構造体７０とからなる分離構造体を組み合わせることで構成することで、ノズルボックス６０の出口における第１段のノズル２４ａの外周側の溶接部である溶接開先部３２の深さを、内周側の溶接開先部３３の深さとほぼ等しい程度に、浅くすることができる。そのため、第１段ノズルを溶接するための溶接量を削減できることができる。

また、ノズルボックス６０の一部の面と、第２段ノズル側構造体７０の一部の面とがそれぞれ当接することで、蒸気の漏洩を防止することができる。また、シール部材５０を設けることで、蒸気の漏洩をさらに確実に防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…蒸気タービン、１５ａ…内側空間、１５ｂ…外側空間、２０…内部ケーシング、２０ａ，３１，４２ｂ，７１…嵌合溝部、２０ｂ…隔壁、２１…外部ケーシング、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ…動翼、２３…タービンロータ、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ…ノズル、２５…ノズルボックス組立体、２６…グランドラビリンス部、２７…蒸気通路、２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ…ノズルフラム外輪、２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ…ノズルフラム内輪、２９ｂ，４１，４３，７２…嵌合突部、３０，６０…ノズルボックス、３０ａ，７０ａ…延設部、３１ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂ…側面、３２，３３…溶接開先部、４０，７０…第２段ノズル側構造体、５０…シール部材、５０ａ…シールフィン、６０ａ，７０ａ，７０ｂ…端面、８０…ボルト。

Claims

蒸気入口管から蒸気が導入される円環状の蒸気通路を有し前記蒸気流路の下流部に第１段ノズルを備えるノズルボックスと、
前記ノズルボックスと組み合わされるとともに、少なくとも第２段ノズルが備えられる第２段ノズル側構造体と、
前記ノズルボックスおよび前記第２段ノズル側構造体のそれぞれに備えられ、タービンロータ軸に平行でなく、かつ互いに当接する、少なくとも一対のシール当接面と、
前記ノズルボックスと前記第２段ノズル側構造体とを組み合わせることで両者間に形成される隙間の一部に設けられたシール部材と
を備えることを特徴とする蒸気タービン。
前記ノズルボックスと前記第２段ノズル側構造体とが嵌め合い構造によって組み合わされていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
前記ノズルボックスと前記第２段ノズル側構造体とがボルト締結によって組み合わされていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
前記第２段ノズル側構造体に備えられるノズルは、ダイアフラム外輪と、このダイアフラム外輪に対応して設けられたダイアフラム内輪との間に支持されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン。