JP5610749B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、熱機械の分野に関し、特に請求項１の上位概念部に記載の蒸気タービン、すなわち、蒸気タービン、特に高圧領域又は中圧領域のための蒸気タービンであって、一軸を中心に回転可能に支承されたロータを備え、該ロータがインナーケーシングにより間隔を置いて同心的に包囲されており、前記ロータと前記インナーケーシングとの間に流動通路が形成されており、該流動通路が入口側で、軸方向で、前記ロータに配置されたバランスピストンにより画成され、該流動通路内に流動方向で交互に動翼及び導翼が半径方向で突入しており、該流動通路の始端において前記インナーケーシングにインレットスクロールが形成されており、該インレットスクロールを通して蒸気が半径方向で外側から内側に案内され、変向領域において軸方向に、前記流動通路の入口に向かって変向される形式のものに係る。

図１には、高圧（ＨＰ）領域及び中圧（ＩＰ）領域のための蒸気タービンの標準的な構造が、著しく簡略化された形で部分的に示されている。図１の蒸気タービン２６は、インナーケーシング１２により間隔を置いて同心的に包囲されている、一軸を中心に回転可能に支承されたロータ１１を有する。ロータ１１とインナーケーシング１２との間には、（軸方向の）環状の、一般的には羽根を備える流動通路１３が形成されている。流動通路１３によって、運転中、供給された蒸気は膨張される。流動通路１３は入口側で、軸方向で、ロータ１１に配置、特に一体成形されるバランスピストン１８により画成される。バランスピストン１８は、軸方向で作用する力を補償するために設けられている。バランスピストン１８は、インナーケーシング１２に対してピストンシール１９により封止されている。流動方向で交互に動翼（ｒｏｔｏｒ ｂｌａｄｅ）１５及び導翼（ｓｔａｔｏｒ ｂｌａｄｅ）１７の環が、半径方向で流動通路１３内に突入している。流動通路１３の始端には、インナーケーシング１２に、（周囲を取り巻くように延在する）インレットスクロール（ｉｎｌｅｔ ｓｃｒｏｌｌ）１４が形成されている。インレットスクロール１４により、蒸気は半径方向で外側から内側に向かって案内され、変向領域２７において軸方向に、流動通路１３の入口に向かって変向される。導翼１７は、詳細には説明しない形式でインナーケーシング１２に固定されている。動翼１５はそれぞれ翼根で以て、ロータ１１の周囲を取り巻くように延在する固定溝１６内に固定されている。

極めて高い動作温度時（例えばＵＳＣ（ｕｌｔｒａ−ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ：超々臨界圧）蒸気プロセス及び７００℃級機械において）、ロータ１１内、特に動翼１５の固定溝１６における熱応力は、極めて大きい。それゆえ、第１の固定溝１６の上流のロータ１１の変向領域２７に、この領域における応力を解消するために、いわゆる「応力除去溝２０（ｓｔｒｅｓｓ−ｒｅｌｉｅｆ ｓｌｏｔ；図２参照）」を設けることが既に思案されている。しかし、このような応力除去溝は、これが流動経路内に存在すると、高い空力学的な損失の原因となることが判っている。これに対して、応力除去溝をピストンシール１９の領域に移すと、シールの作用が減じられるか、又は機械全体が軸方向でより長大に構成されなければならないか、又は応力除去溝による応力除去が減少する。

ＷＯ２００６／０４８４０１Ａ１

それゆえ本発明の課題は、従来の解決策の上記欠点を回避した、中圧領域又は高圧領域のための蒸気タービンを提供することである。特に、ロータのインレット領域における熱応力の除去が、機械のその他の特性を悪化させることなく達成されることが望ましい。

上記課題を解決するために本発明の構成では、前記変向領域において第１の動翼列の上流に、前記ロータ内の第１の動翼列の固定溝内の応力を軽減するために、応力除去溝が設けられており、かつ高温から前記ロータを保護するために、前記応力除去溝の領域に遮熱板が配置されているようにした。

上記課題は、請求項１に記載の特徴の全体によって解決される。本発明にとって本質的なことは、変向領域において第１の動翼列の上流に、ロータ内の第１の動翼列の固定溝内の応力を軽減するために、応力除去溝が設けられており、かつ高温からロータを保護するために、応力除去溝の領域に遮熱板が配置されている点にある。応力除去溝と、応力除去溝の領域に設けられた遮熱板との組み合わせにより、熱応力が解消されると同時に、この領域におけるロータの表面は、高温から保護される。さらに、遮熱板の領域における付加的な封止及び冷却の可能性が開かれる。

本発明の一形態は、前記遮熱板が、蒸気を半径方向から軸方向に変向するために湾曲して形成されていることを特徴とする。

別の形態は、前記遮熱板が、前記インナーケーシングに固定されており、前記ロータの直接的な接触なしに前記応力除去溝内に進入することを特徴とする。特に、前記バランスピストンは前記インナーケーシングに対してピストンシールにより封止されており、かつ前記遮熱板は前記ロータに対して補助シールにより封止されている。遮熱板における補助シールによって、ピストンシールにおいて場合によっては起こり得る損失は、少なくとも補償され得る。

しかし、本発明の別の形態では、前記バランスピストンが前記インナーケーシングに対してピストンシールにより封止されており、かつ前記遮熱板が、環状ギャップを形成した状態で前記ロータに当接し、かつ前記応力除去溝の領域における前記ロータの冷却のために、冷却媒体、特に冷却蒸気を高圧下で前記バランスピストンと前記遮熱板との間の中間室内に噴射するための供給管路が設けられていてもよい。

本発明の別の形態は、前記遮熱板が、前記インレットスクロールから、前記応力除去溝の下流側の縁部まで延在しており、前記インレットスクロールの領域にも、前記流動通路の入口にも面一に接続し、前記遮熱板が、前記ロータの、前記応力除去溝により変更される周方向輪郭を再現することを特徴とする。

以下に、本発明について実施の形態を参照しながら図面との関連で詳説する。

高圧領域又は中圧領域のための蒸気タービンの標準的な構造の部分概略図である。 応力除去溝及び遮熱板を備える本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンを示す図１と比較可能な図である。 応力除去溝及び遮熱板を備える本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンを示す図１と比較可能な図である。

図２には、図１と比較可能な図で、本発明の第１の実施の形態が示されている。図２の蒸気タービン１０は、図１の蒸気タービン２６とは、動翼１５の第１列の上流の変向領域２７に、ロータ１１内に設けられた第１の動翼列の固定溝１６内の応力を軽減するために、周囲を取り巻くように延在する応力除去溝２０が設けられている点で相違する。応力除去溝２０内には遮熱板（ｈｅａｔ ｓｃｈｉｅｌｄ）２１が突入している。遮熱板２１は、流入する蒸気の高温からロータ１１を保護するために、かつ空力の改善のために設けられている。応力除去溝２０は、第１の動翼列の固定溝１６の領域における熱応力及び機械応力を解消するのに対し、湾曲した遮熱板２１は、応力除去溝２０にかかわらず、流入領域の幾何学形状をほぼ不変に維持し、かつロータ１１を応力除去溝２０の領域において高温から効果的に遮蔽する。

遮熱板２１は、図２に示すように、別体の部材として形成されて、ねじ等の手段によりインナーケーシング１２に固定されてもよい。しかし、遮熱板２１は、インナーケーシング１２の一体的に鋳造された部分として構成されてもよい。

遮熱板２１と応力除去溝２０の底との間に、図２に示すように、補助シール２２が設けられると、ピストンシール１９が遮熱板２１により短縮されるにもかかわらず、シール作用は、図１に示した形態と比較して変わらないか、それどころか改善されている。

有利には、遮熱板２１は、インレットスクロール１４から応力除去溝２０の下流側の縁部まで延在して、インレットスクロール１４の領域にも、流動通路１３の入口にも、面一に接続する。これにより、空力学的な特性の、図１に比較した変化は、最小であるか、又は一切生じない。

補助シール２２を通して応力除去溝２０内に流入する蒸気は、補助シール２２における膨張のためにより低温である。それゆえ、この領域におけるロータ表面の温度は低下する。これとは無関係に、応力除去溝２０の横断面輪郭は、固定溝１６内の応力の減少に関して最適化可能である。

付加的に入口領域に、例えばＷＯ２００６／０４８４０１Ａ１に開示されているように、半径方向段が設けられてもよい。このために、場合によってはインレットスクロールの直径が拡大されなければならない。しかし、その代わりに、ロータの入口段も、流動の付加的な均等性に適合するために相応に設計され得る。

図２に示した実施の形態は、以下の利点、すなわち：
・応力除去溝に基づくロータ内の応力の軽減
・変向領域及び応力除去溝におけるロータの温度の低下
・極めて良好なシール作用
を有する。

これに対して、付加的な部品の必要性、機械の拡大及びバランスピストンの再寸法設定が生じる。半径方向段の統合も付加的な手間を要する。

図３の実施の形態に係る蒸気タービン１０′では、図２に比較して、遮熱板２１と応力除去溝２０との間の補助シールが省略される。その結果、両者間には開いた環状ギャップ２５が生じる。これにより、再び、総蒸気圧がバランスピストン１８に到達する。その結果、バランスピストンの補償作用は、再寸法設定をしなくても完全に維持されたままである。しかし、その一方で、補助シールの省略により、応力除去溝２０の領域における温度は再び上昇する。この効果を緩和するために、図３に示すように、高圧下にある冷却蒸気２４を、インナーケーシング１２に設けられた供給管路２３を通して、応力除去溝２０内に噴射するようになっていてもよい。噴射された冷却蒸気２４によって、応力除去溝２０の領域及び後続の翼固定部の領域におけるロータ表面の特に良好な冷却が、冷却蒸気が環状ギャップ２５を通して流動通路１３内に流出可能であるために達成される。補助シール２２の省略にもかかわらず、図２の実施の形態と同じシール作用を達成するために、ピストンシール１９は軸方向で相応に延長されなければならない。

これにより、図３に示した実施の形態は、以下の利点、すなわち：
・応力除去溝に基づくロータ内の応力の軽減
・変向領域及び応力除去溝におけるロータの温度の低下
・良好なシール作用
・バランスピストンの寸法が同じであるとき、調整可能な軸方向圧
・軸方向圧により負荷されないので、薄肉に構成可能な遮熱板
・ラビリンスシールにおける温度の明確な低下
を有する。

これに対して、付加的な部品の必要性、機械の拡大が生じる。半径方向段の統合は、付加的な手間を要し、かつプロセス内で付加的に冷却蒸気が分岐又は供給されなければならない。

１０，１０′，２６ 蒸気タービン
１１ ロータ
１２ インナーケーシング
１３ 流動通路（環状通路）
１４ インレットスクロール
１５ 動翼
１６ 固定溝
１７ 導翼
１８ バランスピストン
１９ ピストンシール
２０ 応力除去溝
２１ 遮熱板（湾曲した）
２２ 補助シール
２３ 供給管路
２４ 冷却蒸気
２５ 環状ギャップ
２７ 変向領域

Claims (9)

1. 蒸気タービン（１０，１０′）であって、一軸を中心に回転可能に支承されたロータ（１１）を備え、該ロータ（１１）がインナーケーシング（１２）により間隔を置いて同心的に包囲されており、前記ロータ（１１）と前記インナーケーシング（１２）との間に流動通路（１３）が形成されており、該流動通路（１３）が入口側で、軸方向で、前記ロータ（１１）に配置されたバランスピストン（１８）により画成され、該流動通路（１３）内に流動方向で交互に動翼（１５）及び導翼（１７）が半径方向で突入しており、該流動通路（１３）の始端において前記インナーケーシング（１２）にインレットスクロール（１４）が形成されており、該インレットスクロール（１４）を通して蒸気が半径方向で外側から内側に案内され、変向領域（２７）において軸方向に、前記流動通路（１３）の入口に向かって変向される形式のものにおいて、前記ロータ（１１）の、前記変向領域（２７）内において第１の動翼列（１５）の上流部分に、前記ロータ（１１）内の第１の動翼列（１５）の固定溝（１６）内の応力を軽減するために、応力除去溝（２０）が設けられており、高温から前記ロータ（１１）を保護するための遮熱板（２１）の一部が、前記応力除去溝（２０）内に配置されて、該遮熱板（２１）が、蒸気を第１の動翼列（１５）に案内する前記流動通路（１３）の一部を形成していることを特徴とする、蒸気タービン。
2. 前記遮熱板（２１）が、蒸気を半径方向から軸方向に変向するために湾曲して形成されている、請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記遮熱板（２１）が、前記インナーケーシング（１２）に固定されており、前記ロータ（１１）の直接的な接触なしに前記応力除去溝（２０）内に進入する、請求項１又は２記載の蒸気タービン。
4. 前記バランスピストン（１８）が前記インナーケーシング（１２）に対してピストンシール（１９）により封止されており、かつ前記遮熱板（２１）が前記ロータ（１１）に対して補助シール（２２）により封止されている、請求項３記載の蒸気タービン。
5. 前記バランスピストン（１８）が前記インナーケーシング（１２）に対してピストンシール（１９）により封止されており、かつ前記遮熱板（２１）が、環状ギャップ（２５）を形成した状態で前記ロータ（１１）に当接し、かつ前記応力除去溝（２０）の領域における前記ロータ（１１）の冷却のために、冷却媒体（２４）を高圧下で前記バランスピストン（１８）と前記遮熱板（２１）との間の中間室内に噴射するための供給管路（２３）が設けられている、請求項３記載の蒸気タービン。
6. 前記冷却媒体（２４）は冷却蒸気である、請求項５記載の蒸気タービン。
7. 前記遮熱板（２１）が、前記インレットスクロール（１４）から、前記応力除去溝（２０）の下流側の縁部まで延在しており、前記インレットスクロール（１４）の領域にも、前記流動通路（１３）の入口にも面一に接続する、請求項２から６までのいずれか１項記載の蒸気タービン。
8. 前記遮熱板（２１）が、前記ロータ（１１）の、前記応力除去溝（２０）により変更される周方向輪郭を再現する、請求項７記載の蒸気タービン。
9. 蒸気タービン（１０，１０′）は、高圧領域又は中圧領域のための蒸気タービン（１０，１０′）である、請求項１から８までのいずれか１項記載の蒸気タービン。

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