JP5756886B2 - スラストバランスピストンを備えている蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、外側ハウジングと内側ハウジングとを有している蒸気タービンであって、ロータが、複数のロータブレードを備えており、内側ハウジングの内部において回転可能に取り付けられた状態で配置されているスラスト力補償ピストンを有しており、内側ハウジングが、スラスト力補償ピストンの周囲に形成されている内側ハウジング端部領域を有しており、シールが、内側ハウジング端部領域と外側ハウジングとの間に配置されている第３の圧力室を密閉しており、内側ハウジングが、スラスト力補償ピストンと内側ハウジングとの間に配置されているスラスト力補償ピストン前室に第１の圧力室を接続するための供給チャネルを有している、蒸気タービンに関する。

本出願では、蒸気タービンが、蒸気の形態をした作動媒体が流れる際に通過するタービンのうち完全タービン又は部分タービンを意味することに留意すべきである。これに対して、ガス及び／又は空気が、作動媒体としてガスタービンを通じて流れるが、当該作動媒体は、蒸気タービンとは全く異なる温度状態及び圧力状態に曝されている。例えばガスタービンとは対照的に、部分タービンに流れる作動媒体は、蒸気タービン内において最大温度を有していると同時に最大圧力を有している。また、流れチャネルに対して開放されている開放冷却システムは、ガスタービン内に冷却媒体を外部供給することなく実現することができる。冷却媒体の外部供給装置が、蒸気タービンのために設けられる必要がある。従って、この理由によって、ガスタービンに関する従来技術は、本発明の主題を評価するために利用することができない。

一般に、蒸気タービンは、ブレードを具備すると共に回転可能に取り付けられたロータを備えており、ハウジング又はハウジングシェルの内側に配置されている。加熱及び加圧された蒸気が、その内側がハウジングシェルによって形成された流れチャネルを通じて流れる場合には、蒸気によって、ロータはブレードを介して回転開始する。ロータのブレードは、ロータブレードとも呼称される。さらに、一般に、固定式案内ブレードは、内側ハウジングに固定されており、本体のアキシアル方向延長部分に沿ってロータブレードの中間室の内部に到達している。一般に、案内ブレードは、蒸気タービンハウジングの内側に沿って第１の点で保持されている。ここでは、一般に、それは、内周に沿って蒸気タービンハウジングの内側に配置されている多数の案内ブレードを備えている案内ブレード列の一部分である。ここでは、案内ブレードそれぞれが、タービンブレードと共にラジアル方向内側に向かっている。第１の点においてアキシアル方向延長部分に沿っている案内ブレード列は、案内ブレードカスケードや案内ブレードリングとも呼称される。一般に、多数の案内ブレード列は、縦列に配置されている。従って、さらなる第２のブレードは、アキシアル方向延長部分に沿って第１の点の後方の第２の点において、蒸気タービンハウジングの内側に沿って保持されている。案内ブレード列とロータブレードとから成る一組は、ブレード段とも呼称される。

このタイプの蒸気タービンのハウジングシェルは、多数のハウジングセグメントから形成されている。蒸気タービンのハウジングシェルは、特に蒸気タービン又は部分タービンの固定式ハウジング構成部品であることに留意すべきである。ハウジング構成部品の内部は、蒸気の形態をした作動媒体が流れる際に通過する流れチャネルの形態で蒸気タービンの長手方向に沿って形成されている。蒸気タービンのタイプに依存して、蒸気タービンのハウジングシェルは、内側ハウジング及び／又は内側ハウジングを有していない案内ブレードキャリア若しくは案内ブレードキャリアとされる。

効率上の理由により、このタイプの蒸気タービンの構成は、特に高い蒸気圧力及び／又は高い蒸気温度である“高い蒸気パラメータ（high steam parameters）”として知られており、理想的である。しかしながら、特に材料特性の理由から、温度上昇は無制限に可能な訳ではない。従って、特に高温の場合であっても蒸気タービンを信頼を以って動作させるために、構造要素又は構造部品それぞれを冷却することが理想的である。構成要素の温度抵抗は、一般に材料の選択に依存して制限される。十分に冷却することができなければ、実質的に一層高価な材料（例えばニッケル基合金）が、温度を上昇させる場合には必要とされるだろう。

特に蒸気タービンハウジングの形態をした蒸気タービン本体又はロータのための既知の冷却方法の場合には、能動的冷却と受動的冷却とに大別される。能動的冷却の場合には、蒸気タービン本体に別個に供給される冷却媒体によって、すなわち作動流体に付加することによって、冷却が実現される。対照的に、受動的冷却は、単に適切な経路を決定することによって、又は作動媒体を利用することによって実現される。現在に至るまで、蒸気タービン本体は、好ましくは受動的に冷却されている。

化石燃料による発電の場合に効率を一層向上させるためには、タービンにおいて従来より高い蒸気パラメータ、すなわち、より高い圧力及びより高い温度を利用する必要があった。作動媒体が蒸気である場合には、部分的に５００℃の温度を越えている高温蒸気タービンが設けられている。

蒸気タービンハウジングのための既知の冷却方法は、能動的冷却方法である限りにおいては、冷却すべき独立したタービン部品の目標とされる流入流れを必然的に備えており、第１の案内ブレードリングを必然的に有している作動媒体の流入領域に制限されている。高い蒸気パラメータを有する一般的な蒸気タービンを負荷させる場合には、これにより、タービン全体に作用する熱負荷が大きくなり、ハウジングの上述の一般的な冷却機構によって不十分に冷却されるにすぎない。高い効率を達成させるために原則として高い蒸気パラメータで動作する蒸気タービンは、蒸気タービンの一層高い熱負荷を十分に補償するために、特にハウジング及び／又はロータの冷却の改善を必要とする。ここで、従来の一般的なタービンの材料が利用される場合には、蒸気パラメータが大きくなることによって蒸気タービン本体の負荷も大きくなるので、有益でない蒸気タービンの熱負荷となり、耐用寿命が縮まるという問題が存在する。その結果として、このタイプの蒸気タービンを経済的に製造することが不可能となる。

この問題を解消するためには、ロータとスクリューを含むハウジングとに加えて、高温及び高圧に耐えるバルブ接続部分を設けることが重要である。

本発明の目的は、高温の範囲であっても特に効果的に冷却可能とされる蒸気タービンを提供することである。

当該目的は、請求項１に規定される特徴を有している蒸気タービンによって達成される。

優位な発展形態は、従属請求項によって特定される。

一の優位な発展形態では、シールが、ピストンリングとして構成されているので、本発明における蒸気タービンを急速に且つ安価に製造することができる。

さらなる優位な発展形態では、蒸気タービンは、蒸気を流れチャネルの内部に供給するためのバルブを備えており、冷却チャネルが、第１の圧力室に流通しているバルブ接続部分内に形成されている。優位には、冷却チャネルは、第３の圧力室に流通可能に接続されている。

本発明は、目標とされる圧力流れが形成されるか、又は様々な圧力差に起因して強制されるように、構成部品を独特に冷却するという概念から生まれたものである。従って、第１の圧力室の圧力が第３の圧力室の圧力より大きい。冷却チャネルは、蓄熱された構成部品の周囲に流れるように配置されているので、一層低温の蒸気を強制的に当該構成部品の周囲に流すことができる。その結果として、バルブ接続部分の構成部品についての冷却効果が著しく向上する。当該冷却効果は、第３の圧力室がスラスト力補償ピストン前室に直接接続されていることによって達成される。

優位には、冷却チャネルは、バルブディフューザと外側ハウジングとの間に配置されている。

本発明について、典型的な実施例を利用して詳述する。同一の参照符号によって指示された構成部品は、略同一の動作方法を有している。

本発明における蒸気タービンの断面図である。 本発明における蒸気タービンの流入部の断面図である。

図１は、蒸気タービン１の断面図である。蒸気タービン１は、外側ハウジング２と内側ハウジング３とを有している。内側ハウジング３と外側ハウジング２とは、新鮮蒸気供給チャネルを有している。新鮮蒸気供給チャネルについては、図２に一層詳細に表わす。ロータ５は、スラスト力補償ピストン４を有しており、内側ハウジング３の内部に回転可能に取り付けられた状態で配置されている。一般に、ロータは、回転軸線６に関して回転対称になるように構成されている。ロータ５は、複数のロータブレード７を備えている。内側ハウジング３は、複数の案内ブレード８を有している。流れチャネル９は、内側ハウジング３とロータ５との間に形成されている。流れチャネル９は、複数のブレード段を備えており、ブレード段それぞれが、ロータブレード７から成る列と案内ブレード８から成る列とから形成されている。

新鮮蒸気は、新鮮蒸気供給チャネルを介して流入開口部１０の内部に流れ、回転軸線６に対して略平行に延在している流れチャネル９を通じて、流入開口部１０から流れ方向１１に流れる。新鮮蒸気は、当該プロセスにおいて膨張し冷却される。当該プロセスにおいて、熱エネルギは回転エネルギに変換される。ロータ５は、回転運動し始め、例えば発電機を発電のために駆動させることができる。

案内ブレード８及びロータブレード７のブレードタイプに依存して、ロータ５に作用する幾らかのスラスト力が流れ方向１１において発生する。一般に、スラスト力補償ピストン４は、スラスト力補償ピストン前室１２が形成されるように、及び、スラスト力補償ピストン前室１２には所定の圧力が充填されるように構成されている。当該実施例では、スラスト力補償ピストン前室１２は、流れ方向１１においてスラスト力補償ピストン４の上流に位置している。特定の圧力を有する蒸気がスラスト力補償ピストン前室１２の内部に供給されることによって、ブレード経路のスラスト力１３の反対に作用する反力が発生する。

動作中には、蒸気が流入開口部１０の内部に流入する。新鮮蒸気の供給は、矢印１３ａによって表わされている。当該実施例では、新鮮蒸気は、通常、例えば最大６２５℃の温度と最大３５０ｂａｒの圧力とを有している。新鮮蒸気は、流れ方向１１において流れチャネル９を通じて流れる。蒸気は、ブレード段を通過した後に、外向きチャネル１４と第１の圧力室１５と供給チャネル１６とを備えている接続部分を介して、スラスト力補償ピストン前室１２の内部に流入する。

特に、蒸気が、ブレード段の後方において第１の圧力室１５と流れチャネル９との間に連通管として形成されている外向きチャネル１４を介して、内側ハウジング３と外側ハウジング２との間に形成されている第１の圧力室１５の内部に流入する。第１の圧力室１５内の圧力は、圧力ｐ_１になっている。従って、内側ハウジング３と外側ハウジング２との間に形成された第１の圧力室１５内の蒸気は、より低い値の温度及び圧力を有している。当該蒸気は、第１の圧力室１５とスラスト力補償ピストン前室１２との間に連通管として形成されている供給チャネル１６を介して流れる。

スラスト力補償ピストン前室１２は、アキシアル方向１７においてスラスト力補償ピストン４と内側ハウジング３との間に配置されている。また、スラスト力補償ピストン前室１２は、第２の圧力室とも呼称される。当該第２の圧力室内の圧力は、圧力ｐ_２になっている。

流入開口部１０の内部に流入する新鮮蒸気の大部分は、流れ方向１１において流れチャネル９を通じて流れる。当該新鮮蒸気の残り部分は、漏出蒸気として、漏出防止空間１８の内部に流入する。当該漏出防止空間１８は、内側ハウジング３とロータ５との間に形成されている。当該実施例では、漏出蒸気は、概略的に反対方向１９に流れる。当該実施例では、反対方向１９は、流れ方向１１の逆方向に方向づけられている。漏出蒸気は、漏出防止空間１８と流入空間２６との間に連通管として形成されている横方向戻りチャネル２０を介して、流れチャネル９の内部に流れる。ここで、漏出防止空間１８は、ロータ５と内側ハウジング３との間に形成されており、流入空間２６は、ブレード段の後方に配置されている。当該実施例では、横方向戻りチャネル２０は、漏出防止空間１８から第１の圧力室１５に向かって、流れ方向１１に対して略垂直に、偏向部分２１の通過した後において流れ方向１１に対して略平行に、及び、第２の偏向部分２２を通過した後において流れ方向１１に対して略垂直に形成されているが、漏出防止空間１８は、第１の圧力室１５に接続されていない。

代替的な実施例では、内側ハウジング３と外側ハウジング２とが、過負荷流入配管２３（詳細には図示しない）を具備して構成されている。外部蒸気は、別の流入部を介して、過負荷流入配管２３の内部に流れる。

一の好ましい典型的な実施例では、外向きチャネル１４は、戻りブレード段２４の後方において流れチャネル９に接続されており、横方向戻りチャネル２０は、横方向戻りブレード段２５の後方において流れチャネル９に接続されている。当該実施例では、横方向戻りブレード段２５は、蒸気の膨張に関連して、流れチャネル９の流れ方向１１において戻りブレード段２４の後方に配置されている。

一の特に好ましい典型的な実施例では、戻りブレード段２４は、第４のブレード段とされ、横方向戻りブレード段２５は、第５のブレード段とされる。

シール２７は、スラスト力補償ピストン４の領域において内側ハウジング３と外側ハウジング２との間に配置されている。適切には、シール２７は、例えばピストンリングとして構成されており、内側ハウジング３に形成された溝２８に配置されている。その結果として、シール２７は、第１の圧力室１５を第３の圧力室２９から隔離している。第３の圧力室２９内の圧力は、圧力ｐ_３になっている。圧力ｐ_３は、圧力ｐ_１と略同一である。さらなるシール３０は、第３の圧力室２９の境界を形成している。さらなるシール３０は、内側ハウジング３と外側ハウジング２との間に配置されており、第３の圧力室２９を第４の圧力室３１から隔離している。第４の圧力室３１内の圧力は、圧力ｐ_４になっている。

第３の圧力室２９は、直接的な接続部分３２を介して、スラスト力補償ピストン前室１２に接続されている。スラスト力補償ピストン前室１２内の圧力は、圧力ｐ_２になっている。圧力ｐ_２は圧力ｐ_３より小さい。接続部分３２は、流れ接続部分としての役割を有しており、第３の圧力室２９内の蒸気を接続部分３２を介してスラスト力補償ピストン前室１２に流入させることができる。第４の圧力室３１内の蒸気は、内側ハウジング端部領域３３に流入し、スラスト力補償ピストン４のスラスト力補償ピストン表面３４に向かって流れる。

図２は、蒸気タービン１の、流入部３５を貫通した断面図である。流入部３５は、バルブディフューザ３６を備えている。図１に関連して説明したように、新鮮蒸気は、バルブディフューザ３６から流入開口部１０の内部に流入し、流入開口部１０から流れチャネル９通じて流れる。第１の圧力室１５の内部に流入した蒸気の一部分は、バルブディフューザ３６と外側ハウジング２との間に形成されている環状の冷却チャネル３７の内部に流入する。反転点３８において、蒸気は、外側ハウジング２に形成されたさらなる冷却チャネル３９を介して、第３の圧力室２９に流れる。蒸気が、接続部分３２を介して、第３の圧力室２９からスラスト力補償ピストン前室１２の内部に流れる。圧力の大小関係が、圧力ｐ_１＞圧力ｐ_３＞圧力ｐ_４を満たすので、このような構成要素領域によって、目標とされた強制流れが発生し、その結果として、優位にはバルブ接続部分４０が冷却される。従って、外部冷却蒸気を利用することなく、バルブ接続部分４０を有効に冷却させることができる。当該実施例では、バルブディフューザ３６が、内側ハウジング３に密接状態で配置されている。

例えばシールバンドのような非接触式シール要素は、圧力消散及び圧力室の隔離を実現するが、一般にスラスト力補償ピストン４の領域においてロータ５と内側ハウジング３との間に、特に漏出防止空間１８及び第２の漏出防止空間４１に配置されている。バルブ接続部分４０の冷却を確実にするためには、漏出防止空間１８の部分的な領域を介して、さらには横方向戻りチャネル２０を介して、スラスト力補償ピストン１２から流れチャネル９の流入室２６に至る蒸気の戻りが必要とされる。

１ 蒸気タービン
２ 外側ハウジング
３ 内側ハウジング
４ スラスト力補償ピストン
５ ロータ
６ 回転軸線
７ ロータブレード
８ 案内ブレード
９ 流路
１０ 流入開口部
１１ 流れ方向
１２ スラスト釣合ピストン前室
１３ ブレード経路のスラスト力
１３ａ 矢印
１４ 外向きチャネル
１５ 第１の圧力室
１６ 供給チャネル
１７ アキシアル方向
１８ 漏出防止空間
１９ 反対方向
２０ 横方向戻りチャネル
２１ 偏向部分
２２ 第２の偏向部分
２３ 過負荷流入配管
２４ 戻りブレード段
２５ 横方向戻りブレード段
２６ 流入室
２７ シール
２８ 溝
２９ 第３の圧力室
３０ さらなるシール
３１ 第４の圧力室
３２ 接続部分
３３ 内側ハウジング端部領域
３４ スラスト力補償ピストン表面
３５ 流入部
３６ バルブディフューザ
３７ 冷却チャネル
３８ 反転点
３９ 冷却チャネル
４０ バルブ接続部分
４１ 第２の漏出防止空間

Claims (8)

1. 外側ハウジング（２）と内側ハウジング（３）とを有している蒸気タービン（１）であって、
   複数のロータブレード（７）を備えており、前記内側ハウジング（３）の内部において回転可能に取り付けられた状態で配置されているスラスト力補償ピストン（４）を有しているロータ（５）と、
   前記スラスト力補償ピストン（４）の周囲に形成されている内側ハウジング端部領域（３３）を有している前記内側ハウジング（３）と、
   前記内側ハウジング端部領域（３３）と前記外側ハウジング（２）との間に配置されている第３の圧力室（２９）を密閉しているシール（２７）であって、前記内側ハウジング（３）が、前記スラスト力補償ピストン（４）と前記内側ハウジング（３）との間に配置されているスラスト力補償ピストン前室（１２）に第１の圧力室（１５）を接続するための供給チャネル（１６）を有している、前記シール（２７）と、
   前記内側ハウジング（３）と前記外側ハウジング（２）との間に配置されている前記第１の圧力室（１５）と、
   を備えている前記蒸気タービン（１）において、
   前記蒸気タービン（１）が、前記第３の圧力室（２９）を前記スラスト力補償ピストン前室（１２）に流通可能に接続させるための接続部分（３２）を有しており、
   さらなるシール（３０）が、前記内側ハウジング（３）と前記外側ハウジング（２）との間に配置された状態で設けられており、
   前記第３の圧力室（２９）が、前記シール（２７）と前記さらなるシール（３０）との間に配置されていることを特徴とする蒸気タービン（１）。
2. 前記シール（２７）が、ピストンリングとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン（１）。
3. 前記接続部分（３２）が、前記供給チャネル（１６）の内部に向かって開口していることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービン（１）。
4. 流れチャネル（９）が、前記内側ハウジング（３）と前記ロータ（５）との間に形成されている複数のブレード段を有しており、
   前記内側ハウジング（３）が、ブレード段の下流に位置する前記流れチャネル（９）と前記第１の圧力室（１５）との間において連通管として形成されている外向きチャネル（１４）を有してい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蒸気タービン（１）。
5. 前記蒸気タービン（１）が、蒸気を前記流れチャネル（９）の内部に供給するためのバルブを有しており、
   環状の冷却チャネル（３７）が、前記バルブ内に形成されており、
   環状の前記冷却チャネル（３７）が、前記第１の圧力室（１５）に流通していることを特徴とする請求項４に記載の蒸気タービン（１）。
6. 環状の前記冷却チャネル（３７）が、前記第３の圧力室（２９）に流通していることを特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン（１）。
7. 前記バルブが、バルブディフューザ（３６）を備えており、
   環状の前記冷却チャネル（３７）が、前記バルブディフューザ（３６）と前記外側ハウジング（２）との間に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の蒸気タービン（１）。
8. さらなる冷却チャネル（３９）が、前記第３の圧力室（２９）に対する接続空間として前記外側ハウジング（２）内に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の蒸気タービン（１）。

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