JP5675086B2 - 対向流高圧−低圧蒸気タービン - Google Patents

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Description

本発明は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には、推力を最小にするような蒸気タービン内での蒸気流れ構成に関する。
今日、大型蒸気タービンは、負荷として発電機を共に駆動する蒸気タービン及びガスタービンを有する大型複合サイクル発電システムに用いられることが多い。複合サイクル内でのガスタービン及び蒸気タービンの多くの構成が提案されてきた。複合サイクルは、統合熱サイクルであり、ここでは燃焼ガスタービンからの高温排ガスが、蒸気タービン内で使用される蒸気を部分的に又は全て発生させるための熱エネルギーに活用される。
蒸気タービンは、加圧蒸気からエネルギーを取出しかつそのエネルギーを有用な仕事に変換する機械装置である。蒸気タービンは、タービンのロータに回転可能に取付けられたバケットに対して蒸気流れを導く多数の固定ノズルを通して入口圧力で蒸気流れを受ける。バケット上に衝突する蒸気流れはトルクを生成し、このトルクが、タービンのロータを回転させ、それによって発電機又は同様のものを回転させるための有用な動力源を形成する。蒸気タービンは、ロータの全長に沿って複数対のノズル(又は固定ブレード)及びバケットを含む。ノズル及びバケットの各対は、段と呼ばれる。各段は、蒸気流れから一定量のエネルギーを取出し、そのことにより、蒸気圧力が低下しかつ蒸気流れの比容積が膨張することになる。その結果として、ノズル及びバケット(段)の寸法及びロータからのそれらの距離は、後段ほど次第に大型になる。費用及び効率目的のため、排出蒸気流れを復水器内の空間に放出する前に、可能な限り最大のエネルギーを取出すことが一般的に望ましい。
大型出力蒸気タービンでは、段の数及び直径は大きくなる。通常、エネルギー取出し過程は、高圧蒸気タービン及び低圧蒸気タービンと呼ばれる2つの別個のタービンに分割されるのが望ましい。高圧蒸気タービンは、高圧で初期蒸気流れを受けかつエネルギー取出し過程を継続する低圧蒸気タービン内に排出する。高圧蒸気タービンは、高圧蒸気によって発生するより大きな力に耐えるように構成されなければならない。低圧蒸気タービンは、低圧の蒸気の大きな比容積に適応するようにより大型でなければならない。
蒸気タービンはさらに、熱から機械エネルギーへの変換における蒸気の作用に関して分類することができる。エネルギー伝達は、インパルス機構、反動機構又はそれら2つの組合せによって行なうことができる。インパルスタービンは、蒸気流れを高速ジェット内に配向する固定ノズルを有する。これらジェットは、大量の運動エネルギーを含み、蒸気ジェットがその方向を変えるにつれて、バケットがこの運動エネルギーをシャフト回転に変換する。固定ブレードのみにわたって、圧力低下が発生し、段にわたる蒸気速度の純増加が生じる。
反動タービンでは、ロータブレード自体が、収束ノズルを形成するように構成される。このタイプのタービンは、ロータによって形成されたノズルを通って蒸気が加速すると発生する反作用力を使用する。蒸気は、ステータの固定ベーンによってロータ上に導かれる。蒸気はジェットとしてステータを離れ、このジェットが、ロータの周囲全体を満たす。蒸気は次に、その方向を変え、かつブレードの速度に対するその速度を増加させる。圧力低下が、ステータ及びロータの両方にわたって発生し、蒸気はステータを通って加速しまたロータを通って減速し、段にわたる蒸気速度の純変化はないが、圧力及び温度の両方で低下があり、これはロータの駆動において行なわれる仕事を反映している。歴史的には、蒸気タービンからエネルギーを取出すのに反動機構の利点が最大限には活用されてこなかったが、それは1つにはタービン性能が適正であると考えられたからであり、また1つには運動ブレードの反作用力の増加により生じるロータシャフト上の軸推力の増加への対応が困難なためである。
燃料コストの増加及び蒸気タービン性能の改善に対する顧客の要望が、より高い反動出力による高効率での駆動への関心を高めた。例えば単流HP−LP蒸気タービンは、脱塩プラントに用いられることが多く、これらプラントは、燃料が相対的に安価な場所に設置される。それでもなお、最近の燃料価格では、これらの用途の場合でさえも、性能が重要なパラメータになってきている。これらのタイプのプラントの性能費は、最近2/3年で$300/kwから$800/kwになってきており、性能の改善に対する最近の重要性を際立たせている。
図1には、単流高圧−低圧(HP−LP)蒸気タービンの従来型の構成を示している。HP−LP蒸気タービンの流れ経路は、1対のジャーナル軸受間で支持されたタービンユニット間での蒸気流れとして形成することができる。単流HP−LP蒸気タービン5では、最近の構成配置は、最初のHPタービン10と、後続のLPタービン20とを有し、両方とも同じ方向に整列させかつ縦継手25によって接続されるものである。HP−LPタービン5の共通のロータシャフト30は、対向する端部においてジャーナル軸受35で支持することができる。軸方向HP蒸気流れ50は、縦継手25を貫通して流れまた軸方向LP蒸気流れ55は、HP−LP蒸気タービン5を通って同じ方向に流れて、HP推力60及びLP推力65を発生し、その結果、相加的正味推力70を生じる。さらに、共通ロータシャフト30の端部に1つの大型複合スラスト軸受40を設けて、HPタービン10及びLPタービン20の複合正味推力70を吸収することができる。多くのケースでは、複合スラスト軸受40は、その用途のために可能な限り大型の寸法とされる。
これ迄は、大きな軸推力の問題は、大型スラスト軸受を使用すること及び蒸気タービン設計における低い反動レベルによって解決されていた。これは、大型スラスト軸受は大きな軸受損失を意味しまた低反動は低い蒸気経路性能を意味するので、良好な性能の組合せではない。そのような構成は、性能を改善する余地は全くないか又は殆どない。
蒸気経路性能を改善する必要がある場合には、残された利用可能な主な改善源は、HP及びLPタービンのいずれか又は両方の段反動を増加させることである。しかしながら、段反動の増加は、より大きな推力処理能力(スラスト軸受の大きな寸法として反映される)を必要とする推力荷重の増加につながる。単流HP−LP蒸気タービンユニットの場合での幾つかの用途では、最新のユニットは既に、利用可能な最大寸法の特殊用途軸受を使用している。スラスト軸受の寸法は既に、低反動蒸気経路設計を強いてHP−LP単流ユニットの性能を5%近く制限している。
米国特許第4,961,310号公報 米国特許第5,411,365号公報 米国特許出願公開第2007/0258826 A1号公報 米国特許出願公開第2008/0050226 A1号公報
従って、段反動を増加させることによって蒸気経路効率全体を改善することができるように有利に推力を制限するHP蒸気タービン及びLP蒸気タービンの組合せのための構成を提供する必要性が存在する。
本発明は、段反動を増加させることによってその組合せの蒸気経路効率全体を改善することができるように有利に推力を制限するHP蒸気タービン及びLP蒸気タービンの組合せのための構成に関する。要約すると、1つの態様によると、対向流蒸気タービンを提供する。本対向流蒸気タービンは、高圧蒸気タービンと低圧蒸気タービンとを含む。高圧蒸気タービン及び低圧蒸気タービンに共通のロータシャフトが、設けられる。高圧蒸気タービンを通る第1の蒸気流れ経路が、設けられる。低圧蒸気タービンを通る反対方向の第2の蒸気流れ経路が、設けられる。高圧蒸気タービンからの第1の蒸気流れ経路を低圧蒸気タービンを通る反対方向の第2の蒸気流れ経路に導くための手段が、設けられる。
本発明の第2の態様によると、対向流高圧−低圧蒸気タービン内に蒸気流れ経路を構成する方法を提供する。本方法は、共通のロータシャフト上に高圧蒸気タービンと低圧蒸気タービンとを配置するステップを含む。本方法はさらに、高圧蒸気タービンを通して第1の蒸気流れ経路を導くステップと、低圧蒸気タービンを通して反対方向に第2の蒸気流れ経路を導くステップと、高圧蒸気タービンから出た蒸気流れ経路を低圧蒸気タービンを通る反対方向の第2の蒸気流れ経路の入口に導くステップとを含む。
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を示している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。
単流高圧−低圧(HP−LP)蒸気タービンの従来型の構成を示す図。 流れを導き直すためのクロスオーバ管を備えた対向流HP−LP蒸気タービンの第1の実施形態を示す図。 流れ導き直すためのHPタービン上の二重シェルを備えた対向流HP−LP蒸気タービンの第2の実施形態を示す図。 対向流高圧−低圧蒸気タービン内に蒸気流れ経路を構成するフローチャート。
本発明の以下の実施形態は、高圧蒸気タービンの推力を低圧蒸気タービンの推力とバランスさせてスラスト軸受の寸法の縮小を可能にする対向流高圧−低圧蒸気タービンを構成することを含む多くの利点を有する。両タービンのより高い段反動は対向流で相殺されるので、より高い段反動を組入れて、より高い蒸気経路効率を可能にすることができる。対向流は、クロスオーバ管を通して又は二重高圧シェルを利用して形成することができる。分析によると、少なくとも2%のHP蒸気経路効率の増加の可能性及び約40%の全体推力荷重の低減を示唆している。
図2は、対向流蒸気タービンの1つの実施形態を示している。対向流蒸気タービン105は、HP蒸気タービン110とLP蒸気タービン120とを含む。HP蒸気タービン及びLP蒸気タービンに共通のロータシャフト130が、設けられる。HP蒸気タービン110を通る第1の蒸気流れ経路150が、設けられる。LP蒸気タービン120を通る反対方向の第2の蒸気流れ経路155が、設けられる。HP蒸気タービン110からの第1の蒸気流れ経路150をLP蒸気タービン120を通る反対方向の第2の蒸気流れ経路155に導くための手段180がまた、設けられる。本発明のこの第1の実施形態では、手段は、HP蒸気タービン110のLP端部116からLP蒸気タービン120のHP端部125に蒸気を送給するためのクロスオーバ管を含むことができる。
HP蒸気タービン110の低圧端部116におけるジャーナル軸受135とLP蒸気タービン120の低圧端部126におけるジャーナル軸受136とを含む軸受支持体が、対向流蒸気タービン105のために設けられる。第1のスラスト軸受145が、HP蒸気タービン110の低圧端部116に設けられる。第2のスラスト軸受146が、LP蒸気タービン120の低圧端部126に設けられる。共通ロータシャフト130上でのHP蒸気タービン110によって生じた推力160とLP蒸気タービン120によって生じた推力165とが、名目上おおよそ同じ大きさのものかつ反対方向のものとなるように設計される。正味推力10は、理想的にはゼロの大きさを有することになるが、しかしながら2つのタービンによって生じた推力は、全負荷範囲にわたって完全にはバランスすることができず、そのため僅かなゼロではない正味推力10が存在する。従って、HP−LPタービンの対向する端部におけるスラスト軸受145、146は、単流HP−LPタービンの複合相加的推力荷重ではなく、僅かなゼロでない推力を受けるような寸法にする必要がある。
単流HP−LP蒸気タービンでは、追加推力に適応することができない。対向流蒸気タービンでは、HP蒸気タービンとLP蒸気タービンとの対向蒸気流での推力のバランス作用により、1つ又は両方の個々のタービンの推力の増加を受け入れることが可能になる。従って、個々のHP及びLP蒸気タービンは、より高い効率の蒸気経路を生じる高い反動を有するように設計することができる。
図3には、対向流HP−LP蒸気タービンの第2の実施形態を示している。HP−LP蒸気タービン205の第2の実施形態は、第1の実施形態のものと同様であるスラスト軸受245、246とジャーナル軸受235、236との構成を含む。HPタービンは、高圧蒸気タービンからの第1の蒸気流れ経路を低圧蒸気タービンを通る反対方向の第2の蒸気流れ経路に導くための手段を含む。これら手段は、HP蒸気タービン210を通る第1の蒸気流れ経路250を形成する、該HP蒸気タービン上の内側シェル211を含む。外側シェル212は、高圧側の第1の流れを高圧蒸気タービンを通して低圧側に導き直して、反対方向251にかつHP蒸気タービン及びLP蒸気タービン間の縦ケーシング継手290に戻す。
ケーシング継手290は、HP蒸気タービン210の外側シェル212からLP蒸気タービン220の蒸気流れ経路255内にクロスオーバ蒸気流れ251を受けるようになっている。
図2及び図3の両方の実施形態は両方とも、HP及びLPタービン間の蒸気流れの有益な監視を行なうことによって、単流HP−LP蒸気タービン5に勝る更なる利点をもたらす。単流HP−LP蒸気タービンの縦継手25(図1)内での計測器の配置の制限により、該継手を通過する流れの代表的測定を可能にすることができない。本発明の実施形態では、複数の蒸気流れパラメータを監視する計測器は、対向流HP−LP蒸気タービンのクロスオーバ蒸気流れ経路151、251上に設けることができる。温度、圧力、流量などのためのセンサ195、295は、クロスオーバ管180(図2)内に又はケーシング継手290(図2)に配置することができる。上流でのクロスオーバ管及び外側シェル212を通る流れの両方内で流れの広範な混合が発生し、蒸気が混合されることになりかつ蒸気経路拡大によって生じた温度プロファイルが排除又は減少されることになるので、HPセクションの排出口においてより正確な測定を行なうことが可能になる。これらのパラメータのより正確な測定によって、タービン運転全体のより良好な制御が可能になる。
図4は、対向流HP−LP蒸気タービン内に蒸気流れ経路を構成するフローチャートを示している。ステップ410では、共通ロータシャフト上にHP蒸気タービン及びLP蒸気タービンを配置する。ステップ420では、HP蒸気タービンを通して第1の蒸気流れ経路を導くように構成する。ステップ430において、第2の蒸気流れ経路が、LP蒸気タービンを通して反対方向に導かれる。ステップ440において、HP蒸気タービンの出口から反対方向にLP蒸気タービンの入口に、第1の蒸気流れ経路を導くことができる。
本方法はさらに、HP蒸気タービンのLP端部を第1のジャーナル軸受で支持しかつLP蒸気タービンのLP端部を第2のジャーナル軸受で支持するステップ450を含む。ステップ455は、HP蒸気タービンのLP端部において第1のスラスト軸受で推力を吸収しかつLP蒸気タービンのLP端部において第2のスラスト軸受で推力を吸収するステップを含む。
本方法はまた、対向流蒸気タービンの作動時にHPタービンによって発生したロータシャフト上の第1の推力とLPタービンによって発生したロータシャフト上の第2の推力とがおおよそバランスするように、作動時における推力をバランスさせるステップ460を行なう。ステップ470では、ロータシャフト上の推力の低下によって可能になった高反動及び高効率を蒸気流れ経路内に設計するステップを組込む。
ステップ480において、本方法は、HP蒸気タービンの第1の蒸気流れの出口流れをクロスオーバ管を通してLP蒸気タービン内の第2の蒸気流れに導くか、或いはそれに代えてHP蒸気タービン上の内側シェル及びHP蒸気タービン上の外側シェルを含む経路内でかつHP蒸気タービンの外側シェルからクロスオーバ蒸気流れを受ける該HP蒸気タービン及びLP蒸気タービン間のケーシング継手を通して、HP蒸気タービンからの第1の蒸気流れ経路をLP蒸気タービンを通る反対方向の第2の蒸気流れ経路に導く。
ステップ490では、HP蒸気タービン及びLP蒸気タービン間のクロスオーバ蒸気流れ経路上に据付けた計測器を使用して複数の蒸気流れパラメータを監視するステップを行なう。ステップ495は、クロスオーバ蒸気流れ経路上の計測器からの混成流情報のデータを蒸気タービン制御のために適用することによって、対向流高圧−低圧蒸気タービンの性能を増強するステップを含む。
本明細書では様々な実施形態を説明しているが、それら実施形態の要素の様々な組合せ、変更又は改善を行うことができかつそれらは本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。
5 単流HP−LP蒸気タービン
10 HP蒸気タービン
20 LP蒸気タービン
25 縦継手
30 ロータシャフト
35 ジャーナル軸受
40 大型スラスト軸受
50 HP蒸気流れ(経路)
55 LP蒸気流れ(経路)
60 HPタービン推力
65 LPタービン推力
70 正味推力
80 第1の蒸気流れ経路を第2の蒸気流れ経路に導くための手段
105 対向流HP−LP蒸気タービン
110 HP蒸気タービン
115 高圧端部
116 低圧端部
120 LP蒸気タービン
125 高圧端部
126 低圧端部
130 ロータシャフト
135 ジャーナル軸受
136 ジャーナル軸受
145 小型スラスト軸受
146 小型スラスト軸受
150 HP蒸気流れ(経路)
151 クロスオーバ蒸気流れ(経路)
155 LP蒸気流れ(経路)
160 HPタービン推力
65 LPタービン推力
170 正味推力
180 クロスオーバ管
195 クロスオーバ蒸気流れ計測器
205 対向流HP−LP蒸気タービン
210 HP蒸気タービン
20 LP蒸気タービン
30 ロータシャフト
235 ジャーナル軸受
236 ジャーナル軸受
245 小型スラスト軸受
246 小型スラスト軸受
250 HP蒸気流れ(経路)
251 クロスオーバ蒸気流れ(経路)
255 LP蒸気流れ(経路)
260 HPタービン推力
265 LPタービン推力
270 正味推力
290 ケーシング継手
295 クロスオーバ蒸気流れ計測器

Claims (7)

  1. 高圧蒸気タービン(210)と、
    低圧蒸気タービン(220)と、
    前記高圧蒸気タービン(210)及び低圧蒸気タービン(220)に共通のロータシャフト(230)と、
    前記高圧蒸気タービン(210)を通る第1の方向の第1の蒸気流れ経路(250)と、
    前記低圧蒸気タービン(220)を通る反対方向の第2の蒸気流れ経路(255)と、
    前記高圧蒸気タービン(210)からの前記第1の蒸気流れ経路(250)を前記低圧蒸気タービン(220)を通る反対方向の前記第2の蒸気流れ経路(255)に導くための手段と
    を含む対向流蒸気タービン(205)であって、
    前記高圧蒸気タービン(210)からの前記第1の蒸気流れ経路(250)を前記低圧蒸気タービン(220)を通る反対方向の前記第2の蒸気流れ経路(255)に導くための手段が、
    前記高圧蒸気タービン(210)を通る第1の方向の第1の蒸気流れ経路(250)を形成するようになっておりかつ該第1の蒸気流れ経路(250)がその中を通る前記第1の方向になる、該高圧蒸気タービン(210)上の内側シェル(211)と、
    前記高圧蒸気タービン(210)上の外側シェル(212)と、
    前記高圧蒸気タービン(210)上の前記外側シェル(212)を通して前記低圧蒸気タービン(220)に至るクロスオーバ蒸気流れ(251)と、
    前記高圧蒸気タービン(210)の外側シェル(212)からの前記クロスオーバ蒸気流れ(251)を受ける、前記高圧蒸気タービン(210)と低圧蒸気タービン(220)の間のケーシング継手(290)と、
    複数の蒸気流れパラメータを監視するために、前記高圧蒸気タービン(210)と低圧蒸気タービン(220)の間の前記クロスオーバ蒸気流れ経路(251)上に設けられた計測器(295)と
    を含んでいて、前記クロスオーバ蒸気流れ経路(251)上の前記計測器(295)からのデータが、蒸気タービン制御のための混成流情報を含む、対向流蒸気タービン(205)。
  2. 前記高圧蒸気タービン(210)の低圧端部におけるジャーナル軸受(235)と、
    前記低圧蒸気タービン(220)の低圧端部におけるジャーナル軸受(236)と、
    前記高圧蒸気タービン(210)の低圧端部における第1のスラスト軸受(245)と、
    前記低圧蒸気タービン(220)の低圧端部における第2のスラスト軸受(246)と
    をさらに含む、請求項1記載の対向流蒸気タービン(205)。
  3. 前記高圧蒸気タービン(210)によって発生した前記ロータシャフト(230)上の第1の推力(260)が、該対向流蒸気タービン(205)の作動時に前記低圧蒸気タービン(220)によって発生した前記ロータシャフト(230)上の第2の推力(265)とバランスする、請求項2記載の対向流蒸気タービン(205)。
  4. 前記第1のスラスト軸受(245)及び第2のスラスト軸受(246)が、前記高圧蒸気タービン(210)及び低圧蒸気タービン(220)の対向流によるおおよその推力バランス作用に基づいた推力の低下に合わせて定格される、請求項3記載の対向流蒸気タービン(205)。
  5. 前記おおよその推力バランス作用が、高反動かつ高効率蒸気流れ経路(250、255)を可能にする、請求項4記載の対向流タービン(205)。
  6. 高圧蒸気タービン(110)と、
    低圧蒸気タービン(120)と、
    前記高圧蒸気タービン(110)及び低圧蒸気タービン(120)に共通のロータシャフト(130)と、
    前記高圧蒸気タービン(110)を通る第1の方向の第1の蒸気流れ経路(150)と、
    前記低圧蒸気タービン(120)を通る反対方向の第2の蒸気流れ経路(155)と、
    前記高圧蒸気タービン(110)からの前記第1の蒸気流れ経路(150)を前記低圧蒸気タービン(120)を通る反対方向の前記第2の蒸気流れ経路(155)に導くための手段(180)と
    を含む対向流蒸気タービン(105)であって、
    前記高圧蒸気タービン(110)からの前記第1の蒸気流れ経路(150)を前記低圧蒸気タービン(120)を通る反対方向の前記第2の蒸気流れ経路(155)に導くための手段が、
    前記高圧蒸気タービン(110)の蒸気出口(116)から前記低圧蒸気タービン(120)の蒸気入口(125)へのクロスオーバ管(180)と、
    前記クロスオーバ管(180)を通して前記高圧蒸気タービン(110)から前記低圧蒸気タービン(120)に至るクロスオーバ蒸気流れ(151)と、
    複数の蒸気流れパラメータを監視するため、前記高圧蒸気タービン(110)と低圧蒸気タービン(120)の間の前記クロスオーバ蒸気流れ経路(151)上に設けられた計測器(195)と
    前記高圧蒸気タービン(110)の低圧端部(116)におけるジャーナル軸受(135)と、
    前記低圧蒸気タービン(120)の低圧端部(126)におけるジャーナル軸受(136)と、
    前記高圧蒸気タービン(110)の低圧端部(116)における第1のスラスト軸受(145)と、
    前記低圧蒸気タービン(120)の低圧端部(126)における第2のスラスト軸受(146)と
    を含んでいて、前記クロスオーバ蒸気流れ経路(151)上の前記計測器(195)からのデータが、蒸気タービン制御のための混成流情報を含む、対向流蒸気タービン(105)。
  7. 前記高圧蒸気タービン(110)によって発生した前記ロータシャフト(130)上の第1の推力(160)が、該対向流蒸気タービン(105)の作動時に前記低圧蒸気タービン(120)によって発生した前記ロータシャフト(130)上の第2の推力(165)とバランスする、請求項記載の対向流蒸気タービン(105)。
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