JP5551268B2 - 三重構造を有している蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、回転軸線を中心として回転可能に取り付けられているロータと、ロータの周囲に配置されている内部内側ケーシングと、内部外側ケーシングと、内部内側ケーシング及び内部外側ケーシングの周囲に配置されている外部ケーシングとを備えているターボ機械であって、高圧蒸気のための第１の流れと中圧蒸気のための第２の流れとを有しているターボ機械において、第２の流れが第１の流れの反対向きになっている、ターボ機械に関する。

ターボ機械は、例えば蒸気タービンを意味すると理解すべきである。蒸気タービンは、通常、回転可能に取り付けられているロータと、ロータの周囲に配置されているケーシングとを有している。流れダクトは、ロータと内部ケーシングとの間に形成されている。蒸気タービンのケーシングは、複数の機能を実施可能とされることを要する。最初に、流れダクト内の案内翼はケーシングに配置されており、第二に、内部ケーシングは、いかなる荷重状況及び特別な運転状況であっても流れ媒体の圧力及び温度に耐える必要がある。蒸気タービンの場合には、流れ媒体は蒸気である。さらに、ケーシングは、ブリードとしても示されている供給及び排出が実施可能であるように構成されている必要がある。ケーシングが発揮しなくてはならない、さらなる機能は、シャフトの端部がケーシングを貫通することができることである。

運転中に発生する高応力、高圧力、及び高温下においては、機械的一体性及び機械的機能性が発揮可能となるように材料を適切に選択すれることが必要とされる。この目的を達成するために、特に流入する領域及び第１の案内翼の溝の近傍において高級材料を利用する必要がある。

新鮮な蒸気の温度が例えば７００℃のような約６５０℃より高い状況において利用するためには、高温で発生する負荷に対する耐性を有しているので、ニッケル基合金が適切である。しかしながら、このようなニッケル基合金を利用することは新しい挑戦を伴う。従って、ニッケル基合金のコストは比較的高く、さらには、例えば型成形をする際に制限があるので、ニッケル基合金の製造性には限界がある。この結果として、ニッケル基材料の利用は最小限度に抑えなくてはならない。さらに、ニッケル基材料の熱伝導性は低い。従って、壁厚に対する温度勾配は、熱応力が比較的高くなる程に堅調である。さらに、ニッケル基材料を利用する場合には、蒸気タービンの入口と出口との温度差が発生することを考慮する必要がある。

現在においては、様々な概念が高温及び高圧に適している蒸気タービンを提供するために利用されている。従って、非特許文献１によって、複数の部品を備えている内部ケーシング構造を外部ケーシング構造内部に組み込むことが知られている。

また、特許文献１には、２つの部品から成る内部ケーシングを製造することが開示されている。

同様に、特許文献２及び特許文献３には、多数の構成部品から成る内部ケーシング構造が開示されている。

特にターボ機械の実施例では、高圧部分と中圧部分とが外部ケーシング内に収納されている。高圧部分は、一般に例えば温度や圧力のような蒸気の最高限界を有していると共に蒸気発生器から高圧サブタービンに直接流れる、新鮮な蒸気を利用することによって機能する。

膨張後に高圧部分から流出する蒸気は、新鮮な蒸気の温度に対応する比較的高い温度に至るまで再加熱するために、蒸気タービンの外側に再び流れ、ボイラーの再熱器に導かれる。その後に、この再加熱された蒸気は、ターボ機械の中圧部分内に再び導入された後に、中圧翼列を通じて流れる。高圧部分と中圧部分とが、この場合には、互いに反対方向に流れる。このような実施例は、逆流ターボ機械と呼称されている。しかしながら、単方向流れ構造として知られているターボ機械であっても製造可能である。このような構成では、高圧部分と中圧部分とが交互に配置されており、流体は同一流れ方向において高圧部分及び中圧部分を通じて流れる。

独国特許出願公開第１０２００６０２７２３７号明細書 独国特許第３４３１０６７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、ターボ機械を設計するさらなる可能性を付与することである。

当該目的は、請求項１の特徴によって達成される。優位な発展形態は、従属請求項において特定されている。

本発明の本質的な概念は、三重構造を有している蒸気タービンを設計することである。この場合には、内部ケーシングは、内部内側ケーシングと内部外側ケーシングとに分けて形成されている。内部内側ケーシングは、流入領域の領域に配置されているので、高温及び高圧に耐える必要がある。従って、内部内側ケーシングは、適切な材料から、すなわち、例えばニッケル基合金から、又は９重量％〜１０重量％のクロムを含んでいる鋼のような比較的高級な材料から作られている。流れダクトが、内部内側ケーシングとロータとの間に形成されている。従って、内部内側ケーシングは、案内翼を内部内側ケーシング内に設けるための、例えば溝のような手段を有している。内部外側ケーシングは、内部内側ケーシングの周囲に配置されている。

この場合には、媒体を冷却することによって機能する冷却蒸気空間が、内部内側ケーシングと内部外側ケーシングとの間に形成されている。この場合には、内部外側ケーシングは、流れ方向で見ると、内部外側ケーシングが内部内側ケーシングに隣接しているように、且つ、内部外側ケーシングが流れダクトの境界を形成するように構成されている。例えば溝のような手段が内部外側ケーシングに設けられているので、案内翼が装着可能とされる。

内部外側ケーシングは、比較的低温且つ比較的低圧の蒸気になるまで蒸気を冷却蒸気空間内部に流入させることによって機能するので、内部外側ケーシングの材料は、内部内側ケーシングの材料ほど高い耐熱性を必要としない。それは、特に内部外側ケーシングが比較的低級の材料から作られている場合に十分である。外部ケーシングは、内部内側ケーシング及び内部外側ケーシングの周囲に配置されている。

ターボ機械は、高圧蒸気が第１の流れ方向に流れる第１の流れを有している。さらに、ターボ機械は、中圧蒸気が第２の流れ方向に流れる第２の流れを有している。第２の流れ方向は、第１の流れ方向の反対向きになっているので、当該ターボ機械は、既知の逆流構造を有している。高圧流入領域と中圧流入領域とは、内部内側ケーシングによって囲まれているか、又は内部内側ケーシングによって形成されている。内部内側ケーシングは、比較的高級な材料から作られており、温度及び強度の観点から必要不可欠な程度において、高圧流入領域、並びに、釣合ピストン及び案内翼の溝を含んでいる中圧流入領域のみを収容している。結果として、内部内側ケーシングは、小型に維持されると共に場所を取らない形態で製造可能とされ、さらには軽量化される。

冷却用蒸気流路が、冷却用蒸気を冷却蒸気空間に流入させるために設けられている。冷却用蒸気流路が、第２の流れに流体的に接続している。言い換えれば、主として中圧蒸気が、内部内側ケーシングを適切に冷却するための理想的な蒸気のパラメータを有している、冷却蒸気空間に流入する。

第１の流れは高圧流出領域を有しており、第２の流れは中圧流出領域を有しており、内部外側ケーシングは高圧流出領域から中圧流出領域に至るまで延在している。従って、内部外側ケーシングは、ロータの翼列領域全体に亘って垂直方向に延在している。内部外側ケーシングは、案内翼を装着するための手段を有している。しかしながら、流れ領域全体が、内部外側ケーシング内に形成されている案内翼を備えている訳ではない。内部内側ケーシングの領域では、内部外側ケーシングには案内翼が配置されていない。この領域では、内部内側ケーシングは内部外側ケーシングによって覆われている。この場合には、内部外側ケーシングは、上側部分及び下側部分から形成されている。上側部分及び下側部分それぞれが、一体に形成されており、第１の流れ及び第２の流れ全体に亘って延在している。

優位な発展形態では、内部外側ケーシングは、第１の流れ及び第２の流れに沿って形成されている。

優位な発展形態では、冷却蒸気空間は、内部内側ケーシングと内部外側ケーシングとの間に形成されている。内部内側ケーシングと内部外側ケーシングとの間に位置している冷却用蒸気は、運転中において、冷却蒸気空間及び内部内側ケーシングを囲んでいる内部外側ケーシングを遮断していると同時に、冷却用蒸気が排出される下流において膨張経路を形成している。

内部外側ケーシングは、冷却用蒸気と接触しているので、内部内側ケーシングよりも低級の材料から製造又は形成することができる。さらに、冷却蒸気空間内の蒸気の蒸気状態と中圧の排出蒸気の蒸気状態との差のみが、内部外側ケーシングに作用する一次応力及び二次応力に影響を及ぼす。一次応力は、例えば蒸気の圧力、重力、及び類する力に起因する外的負荷によって生じる機械的な応力である。二次応力は、例えば熱応力として理解されるべきであり、非平衡な温度場や熱膨張に対する阻害（容量制約（thermal constraints））の結果として生じる機械的応力を構成している。

ターボ機械は、とりわけ冷却蒸気空間内に、運転を停止又は開始する場合に発生している凝縮水を迂回させる脱水配管を、又は、例えば蒸気をニップルを介して冷却空間から排出するためのブリードが故障した場合に残差流の流れを十分且つ確実にする脱水配管を有しているように構成されている。

優位な発展形態では、冷却蒸気空間は、冷却用蒸気を冷却蒸気空間から排出させるための冷却用蒸気流出配管を備えているように構成されている。運転中に冷却用蒸気を冷却蒸気空間から連続的に流出させることによって、非常に良好な冷却性能を得るので、ターボ機械の材料の許容荷重（特に一次応力及び二次応力）を小さくすることができる。

優位な発展形態では、高圧流出領域が再熱配管に接続されている。結果として、高圧蒸気が再熱器に導かれ、低温から高温に至るまで加熱される。

この場合には、内部内側ケーシングは、内部外側ケーシングよりも高級な材料から形成されている。第１の実施例では、内部内側ケーシングは、９重量％〜１０重量％のクロムを含んでいる高クロム材料から形成されている。第２の優位な発展形態では、内部ケーシングは、ニッケル基材料から形成されている。内部外側ケーシングは、１重量％〜２重量％のクロムを含んでいる材料から形成されている。

本発明の典型的な実施例については、図面を利用することによって以下に説明する。図面は、典型的な実施例を実寸で表わすことを意図しておらず、概略的及び／又は僅かに歪んだ形態で描かれている。図面から明らかな直接事項については、関連する先行技術を参照すべきである。

複流タービンの断面図である。

図１に表わす蒸気タービン１は、ターボ機械の実施例である。蒸気タービン１は、外部ケーシング２と内部内側ケーシング３と内部外側ケーシング４と回転可能に取り付けられているロータ５とを備えている。ロータ５は、回転軸線６を中心として回転可能に取り付けられている。外部ケーシング２は、上側部分及び下側部分から形成されている。図面の紙面を基準として、上側部分は回転軸線６の上方に配設されており、下側部分は回転軸線６の下方に配設されている。内部内側ケーシング３及び内部外側ケーシング４の両方が、外部ケーシング２の場合と同様に、回転軸線６の上方及び下方に配置されている上側部分及び下側部分を有している。従って、内部内側ケーシング３と内部外側ケーシング４と外部ケーシング２とがそれぞれ、水平分割平面を有している。

運転中においては、高圧蒸気が高圧流入領域７に流入する。その後に、高圧蒸気が、詳細には図示しないが、案内翼及び可動翼を備えている翼列８（blading）を通じて、第１の流れ方向９に沿って流れる。この場合には、可動翼はロータ５に配置されており、案内翼は内部内側ケーシング３及び内部外側ケーシング４に配置されている。これにより、高圧蒸気の温度及び圧力が低減される。その後に、高圧蒸気は、高圧流出領域１０から流出し、ターボ機械から詳細には図示しない再熱器ユニットに至る。また、図示しないが、高圧流出領域１０と再熱器ユニットとの間が流通している。

高圧蒸気が、再加熱後に再び高温に至るまで加熱された後に、この高圧蒸気が、中圧蒸気として、第２の流れ方向１２において中圧翼列１３に沿って中圧流入領域１１を介して流れる。詳細には図示しないが、中圧翼列１３は案内翼及び可動翼を有している。この場合には、可動翼はロータ５に配置されており、案内翼は内部内側ケーシング３及び内部外側ケーシング４に配置されている。その後に、中圧翼列１３を通じて流れてきた中圧蒸気は、内部外側ケーシング４から中圧流出領域１４に流出した後に、流出ニップル１５を介してターボ機械１から流出する。内部内側ケーシング３及び内部外側ケーシング４は、ロータ５を囲むように配置されている。外部ケーシング２は、内部内側ケーシング３及び内部外側ケーシング４を囲むように配置されている。内部内側ケーシング３は、高圧流入領域７及び中圧流入領域１１の領域に形成されている。蒸気の温度が高圧流入領域７及び中圧流入領域１１内において最も高いので、内部内側ケーシング３は高級な材料から製造されている。

第１の実施例では、内部内側ケーシング３はニッケル基合金から形成されている。第２の実施例では、内部内側ケーシング３は９重量％〜１０重量％のクロムを含んでいる比較的高級な材料から形成されている。内部外側ケーシング４は比較的低級な材料から形成されている。一の実施例では、内部外側ケーシングは、１重量％〜２重量％のクロムを含んでいる鋼から形成されている。

内部外側ケーシング４は、少なくとも高圧流出領域１０から回転軸線６に沿って中圧流出領域１４に至るまで延在している。言い換えれば、内部内側ケーシング３が高圧流入領域７及び中圧流入領域１１の領域において内部外側ケーシング４の内部に配置されている。冷却蒸気空間１６は、内部内側ケーシング３と内部外側ケーシング４との間に形成されている。この冷却蒸気空間１６は、冷却用蒸気が流入するために冷却用蒸気流路を有しているように構成されている。冷却用蒸気１６は、適切な位置において中圧翼列１３から排出される。例えば、冷却用蒸気１６は、内部内側ケーシング３と内部外側ケーシング４との間の間隙１７から排出される。この場合には、冷却蒸気空間１６は、翼列８に対して密封されている必要がある。冷却用蒸気は、中圧翼列１３の間隙１７を介して又は翼列８の第２の間隙２２を介して選択的に供給可能とされる。他方の側面それぞれが、適切な第１のシール２３又は第２のシール２４によって閉じられている必要がある。

内部外側ケーシング４は、第１の流れ１８及び第２の流れ１９に沿って形成されている。冷却用蒸気流路が詳細に図示されていないことに留意すべきである。内部外側ケーシング４は、冷却用蒸気が冷却蒸気空間１６から流出するための、冷却用蒸気流出流路を有している。言い換えれば、内部内側ケーシング３は、温度及び強度の観点から必要不可欠な程度において、高圧流入領域７と、釣合ピストン２０及び図示しない案内翼用溝を含んでいる中圧流入領域１１とを収容している。従って、内部内側ケーシング３は、比較的小型であり、結果として高い費用効果を有しており、トン税（tonnage）が低くなるので、広範囲に亘る潜在的な供給を実現することができる。

冷却用蒸気が冷却蒸気空間１６から再び流出することによって、良好な冷却効果を得ることができる。このように流出された冷却用蒸気が、例えば内部外側ケーシング４を通じて排出蒸気空間２１内部に流れるか、又はブリードによって排出される場合がある。内部内側ケーシング３及び内部外側ケーシング４が、シールによって互いに対して密封されている。冷却蒸気空間１６では、詳細には図示しない脱水配管が配設されている。脱水配管は、蒸気タービン１の運転を停止又は開始する場合に復水を送るか、又はブリードが故障した場合に十分な残留流れを確実に導くことができる。

内部内側ケーシング３、内部外側ケーシング４、及び外部ケーシング２は耐圧構造になっている。

１ 蒸気タービン
２ 外部ケーシング
３ 内部内側ケーシング
４ 内部外側ケーシング
５ ロータ
６ 回転軸線
７ 高圧流入領域
８ 翼列
９ 第１の流れ方向
１０ 高圧流出領域
１１ 中圧流入領域
１２ 第２の流れ方向
１３ 中圧翼列
１４ 中圧流出領域
１５ 流出ニップル
１６ 冷却蒸気空間
１７ 間隙
１８ 第１の流れ
１９ 第２の流れ
２０ 釣合ピストン
２１ 排出蒸気空間
２２ 第２の間隙
２３ 第１のシール
２４ 第２のシール

Claims (8)

1. 回転軸線（６）を中心として回転可能に取り付けられているロータ（５）と、前記ロータ（５）の周囲に配置されている内部内側ケーシング（３）と、内部外側ケーシング（４）と、前記内部内側ケーシング（３）及び前記内部外側ケーシング（４）の周囲に配置されている外部ケーシング（２）と、を備えているターボ機械であって、高圧蒸気のための第１の流れ（１８）と、中間蒸気のための第２の流れ（１９）と、を有している前記ターボ機械において、
   前記第２の流れ（１９）が、前記第１の流れ（１８）の反対向きになっており、
   前記第１の流れ（１８）が、高圧流入領域（７）を有しており、
   前記第２の流れ（１９）が、中圧流入領域（１１）を有しており、
   前記内部内側ケーシング（３）が、前記高圧流入領域（７）及び前記中圧流入領域（１１）の周囲に配置されており、
   冷却用蒸気流路が、前記第２の流れ（１９）に流体的に接続しており、
   前記第１の流れ（１８）が、高圧流出領域（１０）を有しており、
   前記第２の流れ（１９）が、中圧流出領域（１４）を有しており、
   前記外部ケーシング（４）が、前記高圧流出領域（１０）から前記中圧流出領域（１４）に至るまで延在しており、
   冷却蒸気空間（１６）が、前記内部内側ケーシング（３）と前記内部外側ケーシング（４）との間に形成されており、
   冷却蒸気流路は、冷却用蒸気が前記冷却蒸気空間（１６）に流入するように構成されていることを特徴とするターボ機械。
2. 前記内部外側ケーシング（４）が、前記第１の流れ（１８）及び前記第２の流れ（１９）に沿って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. 前記冷却蒸気空間（１６）が、冷却用蒸気が前記蒸気冷却用空間（１６）から流出するための冷却蒸気流出流路を備えているように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ機械。
4. 前記高圧流出領域（１０）が、再熱配管に接続可能とされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボ機械。
5. 前記内部内側ケーシング（３）が、前記内部外側ケーシング（４）よりも高級な材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボ機械。
6. 前記内部内側ケーシング（３）が、９重量％〜１０重量％のクロムを含んでいる高クロム材料から形成されていることを特徴とする請求項５に記載のターボ機械。
7. 前記内部内側ケーシング（３）が、ニッケル基材料から形成されていることを特徴とする請求項５に記載のターボ機械。
8. 前記内部外側ケーシング（４）が、１重量％〜２重量％のクロムを含んでいる材料から形成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のターボ機械。

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