JP5840390B2 - 蒸気タービンにおけるスラスト制御システム - Google Patents

Description

本開示は全体的に、蒸気タービンに関し、より詳細には、蒸気タービンの正味スラストを制御して、スラストレベルを許容可能な値の範囲内に維持し、スラスト軸受に対する損傷を避けるようにするシステムに関する。本システムはまた、能動引込式シールに対する損傷を防ぐことができる。

回転ターボ機械において、スラストは、回転部品に作用する軸方向の力である。スラストは、等しくない圧力が不等の表面積にわたって作用することによって生じ、機械を循環する流体（蒸気）の運動量が変化する。タービンの回転構成部品に作用する全ての軸方向の力の合計は、「正味スラスト」と呼ばれる。この正味スラストは、通常、蒸気タービンの基盤に係止される固定スラスト軸受に伝達される。蒸気タービンにより構築されるスラストは２つの成分を有する。第１の成分である段スラストは、段バケット（ブレード）、カバー、ホイール、その他の周りの圧力分布から生じるスラストである。段スラストは、通常は蒸気流の方向である。第２の成分である段スラストは、バケットが装着される回転シャフトの直径の変動と、蒸気タービンの長さに沿った点での局所圧力により生じる。

蒸気タービンにおけるスラスト制御の従来の方法は、１）高圧（ＨＰ）セクションにてバランスピストンを用いる段階と、２）各セクションにおいてロータ直径を変化させる段階と、３）各セクションを含む段の数を変化させる段階と、４）蒸気タービンの低圧（ＬＰ）、中圧（ＩＰ）、及び高圧（ＨＰ）セクションの各々について適切な構成を構築する段階と、を含む。しかしながら、最新の利用可能な方法は、「正常」作動条件下でのみスラストを制御する。エンジン設計が完了し、その作動条件が固定されると、蒸気タービンの正味スラストが規定され、通常は、正常条件下で、或いは極端な、恐らくは故障に関連する作動条件の間の何れでも動的又は能動的に調整することはできない。

大きなスラスト力をもたらす可能性がある幾つかの極端な作動条件が存在する。その実施例には、限定ではないが、インタセプト弁が閉鎖する条件、全ての蒸気流がストップするトリップ条件、又は高圧タービンからの蒸気の抽出が蒸気タービンに放出されないときの高圧タービンの最大圧力蒸気の使用が含まれる。上述の状況の結果として、スラスト軸受は、稀で且つ極端なスラストの作動条件であっても、様々な作動条件の全てに対応するようなサイズにしなければならない。稀な作動条件に対処するようスラスト軸受を構成すると、コストが増大し、出力損失が生じる。スラスト軸受が全ての極端なスラスト作動条件に対応するよう構成されていない場合、蒸気タービンはこれらの作動条件で動作することができず、最適な価値コスト比率を得ることができない結果となる場合がある。この状況に対処する従来の手法は、蒸気入口ボウル圧力の活用又は低圧領域にまで圧力を減衰させてスラストを相殺することを含む。残念ながら、これらの方法は、大量の蒸気を無駄にすることなく多大なスラストを相殺することはできず、これはまた性能が大幅に低下することになる。

別の問題は、過渡状態時のシールの保護である。ロータの臨界速度を超えるような過渡特性時のシール歯の摩擦及びシール機能の劣化を避けるために、バネ付勢によりシールを引き込み、次いで、定常状態作動条件に達したときに圧力により閉鎖することができる。ほとんどの設計には、システムの利用可能な作動圧力により起動される受動的引き込み可能シールが含まれる。更に先進的な設計は、能動引込式シール（ＡＲＳ；active retractable seal）と呼ばれ、バイパス弁を用いて要求に応じたシールの開閉を能動的に制御する。ＡＲＳは、タービンが安定作動条件に達していない間は開放されており、タービン効率が問題となるときに閉鎖される。高レベル振動、過速度、又は何らかの異常運転が検出された場合、システムの圧力低下を待機するのではなくシールを引き込むことができる。従って、シールが摩擦から保護され、持続可能な性能を得ることができる。ＡＲＳリングは、複数の弓形セグメントからなることができる。開放（引き込み）及び閉鎖は、一部のセグメントに限定することができ、残りのセグメントは常時閉鎖するよう付勢される。

米国特許第７１９５４４３号明細書

本開示の第１の態様は、回転シャフトを有する蒸気タービンの正味スラストを制御するシステムであって、該システムが、タービンセクションにおいて回転シャフトの段付凸部に隣接した、回転シャフトに対してシールするための能動引込式シールと、第１の制御弁と第２の制御弁とを含み、タービンセクションの第１の段をＡＲＳに隣接するパッキン区域に流体結合する第１のリークオフラインと、第３の制御弁を含み、第１の段とは異なる圧力を有するタービンセクションの第２の段を段付凸部の直ぐ隣接する段差区域に流体結合する第２のリークオフラインと、第４の制御弁を含み、第１の制御弁及び第２の制御弁間で第１のリークオフラインを第２のリークオフラインに流体結合する接続ラインと、制御弁を能動的に制御し、段付凸部に作用するスラスト圧力を調節することによって正味スラストを制御するように構成されたコントローラと、を備える。

本開示の第２の態様は、回転シャフトを有する蒸気タービンの正味スラストを制御するシステムであって、該システムが、第１の制御弁と第２の制御弁とを含み、タービンセクションの第１の段を回転シャフト上の段付凸部に近接するパッキン区域に流体結合する第１のリークオフラインと、第３の制御弁を含み、第１の段とは異なる圧力を有するタービンセクションの第２の段を段付凸部の直ぐ隣接した段差区域に流体結合する第２のリークオフラインと、第４の制御弁を含み、第１の制御弁及び第２の制御弁間で第１のリークオフラインを第２のリークオフラインに流体結合する接続ラインと、タービンセクションの第１及び第２の段からの蒸気を用いて段付凸部に作用するスラスト圧力を調節することによって、制御弁を能動的に制御し正味スラストを制御するように構成されたコントローラと、を備える。

本開示の第３の態様は、蒸気タービンを提供し、該タービンは、蒸気をタービンセクションに供給する入力と、タービンセクションの段付回転シャフト上の正味スラスト、並びにタービンセクションの別個の段に流体結合されるリークオフラインのペアから蒸気を用いて段付回転シャフトをシールする能動的取り込み可能シールの抽出を制御するコントローラと、を備える。

本開示の例示的な態様は、本明細書で説明される問題及び／又は検討されていない問題を解決するよう設計される。

本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を詳細に検討することによって完全に理解され認識されるであろう。

本発明の図面は縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたって同じ要素を示している。

蒸気タービンの概略側面図。 本発明の実施形態による正味スラスト制御システムを含む高圧タービンセクションの部分断面図。 本発明の別の実施形態による正味スラスト制御システムを含む高圧タービンセクションの部分断面図。

本発明の実施形態によれば、蒸気タービンの高圧タービンセクションにおける回転シャフトの段付凸部にわたってスラスト圧力を調節し、従ってより小型のスラスト軸受を使用できるようにすることによる蒸気タービンの正味スラストを制御するシステムが記載される。本システムは、追加の蒸気又は主供給蒸気の活用を必要とすることなく、適用されるタービンセクションから漏出される蒸気を用いてこの機能を提供する。本システムはまた、過酷な作動条件中に能動引込式シール（ＡＲＳ）の引き込みを可能にすることができる。すなわち、ＡＲＳの作動を損なうことなく正味スラストが制御され、これは、スラストの変化の前又は後で、要求に応じて開閉するようＡＲＳを設定できることを意味する。この側面により効率が改善される。更に、ＡＲＳが開放から閉鎖へ、又は閉鎖から開放へなどステータスを切り替えたときに、スラストは影響を受けない。ＡＲＳが摩擦を避けるために引き込まれているときには、タービントリップ又はシャットダウン中のスラストバランスの突然の変化は望ましくないので、この側面によりタービン作動性が改善される。

図１を参照すると、蒸気タービン９０は、高圧（ＨＰ）タービンセクション９２、中圧（ＩＰ）タービンセクション９４、及び隣接する低圧（ＬＰ）タービンセクション９６を含むように図示されている。各セクションは、１つ又はそれ以上の段から構成することができる。これらの種々の段内に収容される回転要素は、通常、軸方向回転シャフト（又はロータ）９８上に装着される。図１に示すように、ＨＰタービンセクション９２は、蒸気タービン９０の中圧及び低圧タービンセクション９４、９６とは反対側に配置される。この配置により、段スラストの釣り合いが保たれる。更に、スラスト軸受１００は、ＨＰセクション９２とＩＰセクション９４との間に設置される。スラスト軸受１００のサイズ（面積）は、広範囲の作動条件（例えば、タービンシステムの負荷、作動速度、温度、及び蒸気タービン内部の圧力レベル、その他）下でスラスト圧力が確実に所定範囲の値を下回るように選択される。

図１の蒸気タービンにおいて、段スラストは通常、空気力学的、機械的、及び効率的条件に基づいた流路設計によって決まる。従って、スラスト平衡は、通常、端部パッキン領域における段スラストによって行われる。段スラストは、主として４つのパッキン領域、すなわち、ＬＰタービンセクション９６の下流側端部にあるパッキンＮ１、ＩＰタービンセクション９４の上流側端部にあるパッキンＮ２、並びにＨＰタービンセクション９２の上流側端部及び下流側端部にそれぞれあるパッキンＮ３及びＮ４において生じる。パッキン（又は蒸気シール）は通常、当該技術分野で公知のラビリンスタイプのシールであるが、他のタイプのシールを用いることもできる。蒸気タービン９０の特定のセクションの各パッキンは、ラビリンスシールのような幾つかのシール要素を含むことができる。

ＩＰ及びＬＰセクション９４、９６の圧力が比較的低い圧力（例えば、ＬＰセクションで準大気（真空）圧から約４，８００Ｐａ（〜０．７ｐｓｉ）、ＩＰセクションで最大約２４，０００Ｐａ（〜０．３５ｐｓｉ））であるので、これらのセクションで生成される段スラストは、比較的小さい。ＨＰセクションでの高圧力に起因して、ＨＰ入口パッキン（図１のＮ３）において最大の段スラストが生じる。パッキンＮ４における段スラストは、ＨＰタービンセクション９２の最終段からパッキンＮ４への移行時に回転シャフト９８の直径が急激に減少するため、同様のレベルのスラストを受ける。正味スラストは、スラスト軸受１００の能力を超えて増大する可能性があるので、蒸気タービン９０内の指定位置に存在する段スラストは、回転シャフト９８にわたるスラスト差違を平衡化するのに利用されている。これによりスラスト軸受１００を妥当なサイズのものにすることができる。

蒸気タービン９０において、パッキンＮ１〜Ｎ４は、高圧蒸気がタービンセクションからドレインポートに漏出するのを防ぐための圧力パッキンとして働くか、或いは、空気が蒸気タービン９０に漏出するのを防ぐための真空パッキンとして働く。蒸気タービン９０に作用する作動付加が増大すると、蒸気タービン９０のＨＰ及びＩＰタービンセクション９２、９４のそれぞれの圧力が増大する。これらのセクションの端部にあるパッキン（図１に示すパッキンＮ２〜Ｎ４）は、ここでは圧力パッキンとして働く。蒸気タービン９０が、ギアを転回させて真空引きするよう作動しているときには、パッキン（パッキンＮ１〜Ｎ４）の全ては、真空パッキンとして働き、蒸気漏出損失を最小限にするよう機能する。

図２及び３を参照すると、本発明の実施形態によるシステム１０２を含む、ＨＰタービンセクション９２の部分断面図が示される。システム１０２は、ＨＰタービンセクション９２と共に説明するが、本発明の教示はあらゆるタービンセクションにも適用できる点は理解されたい。回転シャフト９８が、公知の方式で延びる複数の段１０４と共に図２及び３の下部に図示されている。ＨＰタービンセクション９２に蒸気を供給するための高圧入口１０８は、全体的にボウル形を有する。漏出流が蒸気パッキン（例えば、パッキンＮ３〜１）の構成要素を通過すると、圧力差がパッキン要素にわたって増大する。例えば、蒸気タービン９０が入口１０８いのいて１３．３ＭＰａ（〜１９３０ｐｓｉ）のボウル圧力Ｐ_bouwlを有する場合、パッキン要素Ｎ３〜１の下流側に作用する圧力は、例えば、約１２．７ＭＰａ（〜１８４２ｐｓｉ）とすることができる。同様に、次のパッキン要素Ｎ３〜２の下流側に作用する圧力は、例えば、１２．０ＭＰａ（〜１７４０ｐｓｉ）とすることができる。更に、各パッキン要素の下流側に作用する圧力が、蒸気タービン９０のＨＰタービンセクション９２を通る同様の圧力変化を反映する点は、当業者であれば理解されるであろう。セクションの出口端部において、すなわちパッキンＮ３の下流側では、圧力Ｐ_atmはドレインポートでの圧力を反映している。

図２及び３はまた、回転シャフト９８上の段付凸部１１０を示している。従来、ＨＰタービンセクション９２の段付凸部１１０は、パッキンＮ−３及びＮ−４と連動して蒸気タービン９０のスラストを制御するのに利用されている。シールパッキンのペア（図２のＮ３−９及びＮ３−１０、図３のＮ３−５及びＮ３−６）は、段付凸部１１０に対するシールを示しているが、これよりも多い又は少ないパッキンを利用してもよい。段付凸部１１０の場所は、例えば、タービンのサイズ、使用される圧力、前述のシールパッキンの数など、様々な要因に応じて変わる可能性がある点は理解される。

システム１０２は、パッキン１１２を含むことができ、該パッキンは、一部の実施形態において、段付凸部１１４に隣接する回転シャフト９８に接してシールをするために、段付凸部１１０に隣接した能動引込式シール（ＡＲＳ）１１４の形態をとることができる。図示のように、パッキン１１２及びＡＲＳ１１４は、２つのシールパッキンＮ３−７、Ｎ３−８を含むが、これよりも多い又は少ないパッキンを利用してもよい。加えて、パッキン１１２及びＡＲＳ１１４の場所は、例えば、タービンのサイズ、使用される圧力、前述のシールパッキンの数など、様々な要因に応じて変わる可能性がある。例えば、図２において、パッキン１１２及びＡＲＳ１１４は、段付凸部１１０の上流側に位置付けられるが、図３では、これらは、段付凸部１１０の下流側に位置付けられる。ＡＲＳ１１４は、非シールの開放位置にバネ付勢される現在又は将来開発される能動引込式シールを含むことができ、該バネ付勢は、ＡＲＳ１１４にわたって加えられる圧力差が打ち勝って、ＡＲＳ１１４が回転シャフト９８に接してシールする閉鎖シール位置（図示）にまでパッキンシールを移動させることができる。ＡＲＳ１１４の詳細な構成は、当該技術分野で公知であり、本明細書ではこれ以上は検討しない。

図２及び３はまた、段付凸部１１０付近のパッキン区域１２４にＨＰタービンセクション９２の第１の段１２２を流体結合する第１のリークオフライン１２０を含むシステム１０２を示している。図２では、パッキン区域１２４は、パッキン１１２（並びに利用時にはＡＲＳ１１４）の上流側で且つ段付凸部１１０の上流側に位置付けられる。対照的に、図３では、パッキン区域１２４は、パッキン１１２（並びに利用時にはＡＲＳ１１４）の上流側で且つ段付凸部１１０の更に下流側に位置付けられる。パッキン１１２又はパッキン区域１２４での圧力はＰ_P-Aとして示される。図２の実施例において、第１の段１２２は、ＨＰタービンセクション９２の第２の段であり、図３の実施形態では、第１の段１２２は、ＨＰタービンセクション９２の第５の段である。しかしながら、第１の段１２２は、本明細書の他の箇所で説明される作動に必要な圧力に応じて、異なる段に位置付けることができる点は理解される。第１のリークオフライン１２０は、第１の制御弁Ｖ１と、従来システムとは対照的に、第２の制御弁Ｖ２とを含む。第２のリークオフライン１３０は、第１の段１２２とは異なる圧力を有する蒸気タービン（ＨＰ）の第２の段１２２を段付凸部１１０に直ぐ隣の段差区域１３４に、すなわち他のパッキンが間に存在せずに流体結合する。図２の実施形態では、第２の段１３２は、第１の段１２２に続き（すなわちより下流側にある）、段差区域１３４は、段付凸部１１０の直ぐ上流側にある。対照的に。図３の実施形態において、第２の段１３２は、第１の段１２２に先立ち（すなわち、更に上流側にあり）、段差区域１３４は、段付凸部１１０の直ぐ下流側にある。段差区域１３４の圧力は、Ｐ_stepとして示される。図２の実施形態において、第２の段１３２は、ＨＰタービンセクション９２の第５の段であり、図３の実施形態において、第２の段１３２は、ＨＰタービンセクション９２の第２の段である。しかしながら、第２の段１３２は、本明細書の他の箇所で説明される作動に必要な圧力に応じて、図２の実施形態における第１の段１２２に続く異なる段において、或いは、図３の実施形態における第１の段１２２に先行する異なる段において位置付けることができる点は理解される。第２のリークオフライン１３０はまた、第３の制御弁Ｖ３を含む。

システム１０２はまた、第１の制御弁Ｖ１と第２の制御弁Ｖ２との間にある第１のリークオフライン１２０を第２のリークオフライン１３０に流体結合する接続ライン１４０を含む。図示のように、接続ライン１４０は４つの制御弁Ｖ４を含む。

制御弁Ｖ１〜Ｖ４は、例えば、ソレノイド弁を電気的に制御可能な現在既知の又は将来開発される弁を含むことができる。当該技術分野で公知のように、ソレノイド弁は、蒸気タービン９０のパッキン構成要素の圧力を自動的に制御するのに使用される制御装置である。電気的に開閉されると、制御弁Ｖ１〜Ｖ４は、蒸気を流動又はストップすることができる。

図２及び３を引き続き参照すると、システム１０２はまた、制御弁Ｖ１〜Ｖ４を能動的に制御するよう構成されるコントローラ１５０を含み、入口ボウル１０８からパッキン（Ｎ３−１からＮ３−６）を通って漏出する蒸気を用いて段付凸部１１０に作用するスラスト圧力を調節し、漏出物をＨＰタービンセクション９２の第１及び第２の段１２２、１３２の何れかに戻して多少の多くの仕事を行わせることにより、正味スラストを調節する。本明細書で更に説明されるように、コントローラ１５０はまた、利用される場合、極端なスラスト作動条件及び過酷な作動条件のうちの少なくとも１つの間に、ＡＲＳ１１４の引き込みを可能にするよう構成される。「極端なスラスト作動条件」は、より大型のスラスト軸受１００が必要とされるスラストレベルを示す作動状態を含むことができる。実施例は、限定ではないが、最大蒸気圧力の使用、蒸気タービン９０からの蒸気抽出（蒸気タービン９０からの蒸気抽出の開始を含む）、又は蒸気放出を含む。「過酷な作動条件」は、必ずしも上述のようなスラストレベルを示さない作動状態であってもよいが、蒸気タービン９０の始動又はシャットダウン、振動に起因する熱的過渡又はトリップ事象、或いは蒸気タービン９０の過速度などの損傷を阻止するのにＡＲＳ１１４の抽出を必要とする可能性がある。「定常状態作動条件」は、タービンセクションが移行状態又は過渡状態ではない何れかの作動状態とすることができる。同様に、「非定常状態作動条件」は、例えば、ロータの臨界速度など、移行又は過渡状態が生じている作動状態とすることができる。上述の作動状態は、単独で又は共に発生する場合があり、或いは全く発生しない場合もある点は理解される。すなわち、極端なスラストでなく過酷な作動条件が存在する場合があり、或いは、極端なスラストで過酷でない作動条件が存在してもよく、これらの各々は、定常状態運転又は非定常状態運転中に発生する可能性がある。別個のコントローラ１５０として図示されているが、コントローラは、例えば、ハードウェア及び／又はソフトウェアの一部として、蒸気タービン９０の全体の制御システムに一体化できる点は理解される。

何れの実施形態が利用されるかに関わらず、システム１０２は、蒸気タービン９０の幾つかの作動条件に対応する幾つかの制御弁位置を生成できる。一般に、システム１０２は、調整可能なスラスト釣り合い機能を段付凸部１１０及び／又はＡＲＳ１１４に付加し、他の作動点に近接した蒸気抽出又は放出に伴う最大高圧（ＭＡＸ ＨＰ）などの極端なスラスト作動条件での正味スラストをもたらす。これらの特徴によりスラスト軸受１００の必要なサイズが小さくなり、このような高い正味スラスト用に設計されていないシステムで上述の機能を可能にする。加えて、システム１０２は、過酷な作動条件及び／又は極端なスラスト作動条件時の損傷を防ぐためにＡＲＳ１１４の引き込みを可能にする。段付凸部１１０のサイズ、すなわち、段付回転シャフト９８の隣接する外周部と比較して大きな直径は、極端なスラスト作動条件中に必要とされる相殺スラストの量に基づいている。１つの実施例において、段付凸部１１０は、回転シャフト９８の隣接部分と比較して約１５．２４センチメートル（〜６インチ）のより大きな直径を有することができる。

ここで、様々な作動条件に対応するためにシステム１０２のコントローラ１５０が提供できる様々な構成を説明する。極端なスラストでなく、過酷でない定常作動条件では、コントローラ１５０は、第１、第２、及び第３の制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を開放し、第４の制御弁Ｖ４を閉鎖する。この構成は、ＡＲＳ１１４の引き込みを必要とする問題のない正味スラスト及び過酷でない作動を有するとみなされる作動条件に合うものである。この構成において、第１の蒸気リークオフライン１２０は、第１の段１２２をパッキン区域１２４に流体結合し、パッキン区域１２４での圧力を制御する。パッキン（Ｂ３−１からＮ３−６）が下流側パッキン（Ｎ３−７及びそれ以降）よりも比較的良好にシールしている場合、高圧蒸気が第１の段１２２からパッキン区域１２４に流動し、ここで背圧を増大させて入口ボウル１０８からの高エネルギー蒸気の漏出を低減することができる。他の状況では、上流パッキンが良好にシールされていない場合、すなわち、上流側漏出が下流側漏出よりも多い場合には、入口ボウル１０８からの追加の漏出がパッキン区域１２４から第１の段１２２に戻され、より多くの仕事を行うようにする。何れにしても、パッキン区域１２４の圧力は、第１の段１２２の圧力と実質的に同じである。同様に、第２の蒸気リークオフライン１３０は、第２の段１３２を段差区域１３４に流体結合し、段差区域１３４の圧力が第２の段１３２の圧力と実質的に同じであるようになる。接続ライン１４０は、制御弁Ｖ４により閉鎖される。本質的に、パッキン区域１２４及び／又は段差区域１３４での圧力は、流れ圧力の維持に関連付けられ、シール性能又はシール劣化による影響を受けないので安定している。従って、段付凸部１１０からのスラストは既知であり、信頼性がある。正味スラスト（図１）は、第１の段１２２又は第２の段１３２からの圧力に段付凸部１１０を曝すことにより制御することができる。ＡＲＳ１１４がこの構成で提供された場合、パッキン区域圧力Ｐ_P-Aは、段差区域圧力Ｐ_stepとは異なるので、ＡＲＳ１１４は回転シャフト９８と閉鎖シール位置で維持される。すなわち、第１の段１２２の圧力が第２の段１３２の圧力とは十分に異なり、引き込みバネベースのＡＲＳ１１４の圧力に打ち勝つので、ＡＲＳ１１４は、回転シャフト９８と閉鎖シール位置で維持される。図２の実施形態において、第１の段１２２の圧力は、第２の段１３２の圧力よりも大きくなり、図３の実施形態では、第１の段１２２の圧力は、第２の段１３２の圧力よりも小さくなる。

上述のように、過酷な作動条件は、例えば、高レベルの振動又は過速度に起因するタービントリップ、或いは、蒸気タービン９０の始動又はシャットダウン時の熱過渡応答によって上述の構成の間に生じる可能性がある。過酷な作動条件は、提供される場合にはＡＲＳ１１４が、ロータ偏位及び熱ピンチによるパッキンシール歯の損傷を防ぐために引き込みを必要とする場合があるが、極端なスラストの不釣り合いは存在しない条件とすることができる。極端でないスラストで且つ過酷な作動条件が発生又は生成されたことに応答して、コントローラ１５０は、第１の制御弁Ｖ１を閉鎖し、第２、第３、及び第４の制御弁Ｖ２〜Ｖ４を開放する。この構成において、パッキン区域１２４は、第１の蒸気リークオフライン１２０（すなわち、図示のライン１２０の左側）を介して第２のリークオフライン１３０に流体結合し、この第２のリークオフライン１３０はまた、段差区域１３４を第２の段１３２に流体結合する。その結果として、パッキン区域１２４は、段差区域１３４と同じ圧力に曝され、すなわち、Ｐ_step＝Ｐ_P-Aであり、ＡＲＳ１１４は、回転シャフト９８から引き込まれ、従って、パッキンＮ３−７及びＮ３−８並びに回転シャフト９８などのＨＰタービンセクション部品への損傷を阻止する。上述の弁の作動は段差区域１３４での圧力を変化させない点は留意されたい。従って、他の場合には機械的不安定性の付加の原因となる、プロセス中の突然のスラスト変化が生じないことになる。

別の作動条件では、ＨＰタービンセクション９２が極端なスラストの定常状態作動条件で稼働する。この作動条件は、蒸気圧力が低い条件よりも高いＨＰ段スラスト（図１）を生成する。この場合、コントローラ１５０は、第１及び第４の制御弁Ｖ１、Ｖ４を開放し、第２及び第３の制御弁Ｖ２、Ｖ３を閉鎖する。この構成において、第１の段１２２は、段差区域１３４に流体結合され、より高い圧力蒸気が第１の段１２２から段差区域１３４に流動することができるようになる。圧力は、ここに第１の段１２２が位置付けられることに起因して図３の実施形態に比べて図２の実施形態における方がより高い点に留意されたい。また、パッキン区域１２４は、第２の弁Ｖ２が閉鎖されることにより第１のリークオフライン１２０から離れて閉鎖され、第２の段１３２は、制御弁Ｖ３が閉鎖されることにより第２のリークオフライン１３０から離れて閉鎖される。パッキン区域１２４はもはやあらゆる段圧力に接続されていないので、この圧力は、入口ボウル１０８からの上流側圧力と図２の段差区域１３４での比較的低い下流側圧力までを有する、パッキンＮ３−１からＮ３−８間の圧力分布により求められ、或いは、図３におけるパッキンＮ３−７、Ｎ３−８、及びその後の間の圧力分布により求められる。質量漏出釣り合いによるこれらのパッキンの各々にわたって圧力低下が存在する。すなわち、パッキン１１２前の圧力（図２のＰ_P-A、図３のＰ_step）は、パッキン１１２後の圧力（図２のＰ_P-A、図３のＰ_step）よりも大きい。従って、ＡＲＳ１１４は閉鎖したままであり、すなわち、回転シャフト９８に接してシールされている。同時に、第１の段１２２からの段差区域圧力Ｐ_stepの変化（図２では増大、図３では減少）は、段付凸部１１０に対して相殺スラストを提供し、最大高圧作動条件によってもたらされる高圧ＨＰ段スラストを相殺させ、従って、正味スラストを制御する。このような変化は、どのようなシールを無効にすることなく（又はどのようなパッキンも無駄にすることなく）行われる。パッキンは単に、異なる圧力ゾーンに再配備されるだけである。

上述のように、極端なスラスト作動条件は、例えば、ＨＰタービンセクション９２からの他の目的での蒸気抽出を開始することにより上述の構成の間に生じる可能性があり、結果として極端なスラストで且つ過酷な作動条件をもたらすことになる。この場合、段付凸部１１０に加えられる（すなわち、図２において段付凸部１１０の前、図３では段付凸部１１０の後の）圧力は、上述のような増大正味スラストを相殺し釣り合わせるために高い値に設定される。機械のこのようなスラスト設定、又は計画的運転停止又はシステムトリップに起因するこのような設定によるシャットダウンを開始するためには、ＡＲＳ１１４は、シール歯を摩擦から退避させるために後退させる必要がある。この場合、コントローラ１５０は、第１、第２、及び第４の制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４を開放し、第３の制御弁Ｖ３を閉鎖する。この構成において、第１の段１２２は、段差区域１３４及びパッキン区域１２４に流体結合され、それぞれの圧力（すなわち、Ｐ_P-A及びＰ_step）は実質的に等しいようにされる。その結果として、ＡＲＳ１１４は、回転シャフト９８から離れて引き込まれ、従って、例えば、パッキンＮ３−７及びＮ３−８などのＨＰタービンセクション９２及び回転シャフト９８への損傷を阻止する。同時に、第１の段１２２からの変更段差区域圧力Ｐ_stepは、引き続き段付凸部１１０に相殺スラストを提供し、最大高圧作動条件によってもたらされる高圧ＨＰ段スラストを相殺させ、従って、正味スラストを制御する。この場合も同様に、極端なスラスト作動条件にてＡＲＳ１１４を開閉させる弁の作動は、段差区域１３４での圧力を変化させない点に留意されたい。すなわち、他の場合には機械的不安定性の付加の原因となる、プロセス中の突然のスラスト変化が生じないことになる。

本明細書では詳細に説明しないが、システム１０２は、現在既知の又は将来開発されるセンサ１５２と協働して、どのような条件下で蒸気タービン９０が稼働しているかを判定することができる点は理解される。センサ１５２は、限定ではないが、スラスト軸受１００の各側部のスラスト、タービンセクションの何れかにおける増大作動圧力、抽出条件の変化（例えば、抽出弁（図示せず）の作動）、始動手順の開始、システムトリップ、シャットダウン手順の開始など、幾つかの作動パラメータの何れかを測定することができる。

上述のように、コントローラ１５０の技術的効果は、該コントローラがＨＰタービンセクション９２の段付回転シャフト９８に作用する正味スラストと、ＨＰタービンセクション９２の別個の段１２２、１３２に流体結合されたリークオフライン１２０、１３０のペアからの蒸気を用いて段付回転シャフト９８に対してシールするＡＲＳ１１４の引き込みとを制御することである。記載のシステム及び技術の一部の実施形態の実施において実現できる利点は、追加のライン及び弁調整と共に既存のリークオフラインを使用して、回転シャフトの段付凸部１１０における圧力を変化させ、ある極端なスラスト作動点についてのスラストを相殺し、正味スラスト変動が低減されるようにすることである。詳細には、ＨＰタービンセクション９２における最大高圧力中の抽出の開始は、スラスト軸受１００の必要な強度に関して稀な（外れ値）作動条件を提示する。システム１０２は、通常はスラスト軸受サイズを決定付ける当該特定の及び他の極端なスラスト作動点についての正味スラストを相殺することによって、スラスト軸受のサイズ低減及び消費電力低減（例えば、ある状況では３００ＫＷ）を可能にする。その結果、システム１０２は、このような作動用に設計されていなかった蒸気タービン９０において高圧力の抽出を可能にすることができる。更に、利用される場合、システム１０２は、ＡＲＳ１１４の作動性を維持し、すなわち、必要に応じて開閉することができ、回転シャフト９８がトリップしたときに乱流が付加されないように、ＡＲＳの引き込み又は閉鎖時の何れにおいても正味スラストの変化を伴わない。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示事項を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び／又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

特許請求の範囲における全ての手段又はステップ並びに機能要素の対応する構造、材料、作用及びその均等物は、特に特許請求したような他の特許請求した要素と組合せて機能を実行するあらゆる構造、材料又作用を含むことを意図している。本開示の記載は、例示及び説明の目的で示してきたが、本開示を網羅すること、或いはその開示の形態に限定することを意図するものではない。本開示の技術的範囲及び思想から逸脱せずに多くの修正及び変更を行えることは当業者には明らかであろう。本実施形態は、本開示の原理及び実施可能な用途を最も良く説明するように、更に、企図される特定の用途に好適であるような様々な修正を含む様々な実施形態の開示事項を当業者が理解できるように選択し説明してきた。

９０：蒸気タービンシステム
９２：高圧（ＨＰ）タービンセクション
９４：中圧（ＩＰ）タービンセクション
９６：低圧（ＬＰ）タービンセクション
９８：軸方向回転シャフト（又はロータ）
１００：スラスト軸受
１０２：システム
１０４：段
１０８：高圧入口
１１０：段付凸部
１１２：パッキン
１１４：能動的引き込みシール（ＡＲＳ）
１２０：第１のリークオフライン
１２２：第１の段
１２４：パッキン区域
１３０：第２のリークオフライン
１３２：第２の段
１３４：段差区域
１４０：接続ライン
１５０：コントローラ
１５２：センサ

Claims (10)

1. 回転シャフト（９８）を有する蒸気タービンシステム（９０）の正味スラストを制御するシステム（１０２）であって、
   タービンセクション（９２）において前記回転シャフト（９８）の段付凸部（１１０）に隣接した、前記回転シャフト（９８）に対してシールするための能動引込式シール（ＡＲＳ）（１１４）と、
   前記タービンセクション（９２）の第１の段（１２２）を前記ＡＲＳ（１１４）に隣接するパッキン区域（１２４）に流体結合する第１のリークオフライン（１２０）であって、第１の制御弁（Ｖ１）と第２の制御弁（Ｖ２）とを含む第１のリークオフライン（１２０）と、
   第１の段（１２２）とは異なる圧力を有する前記タービンセクション（９２）の第２の段（１３２）を前記段付凸部（１１０）に直ぐ隣接する段差区域（１３４）に流体結合する第２のリークオフライン（１３０）であって、第３の制御弁（Ｖ３）を含む第２のリークオフライン（１３０）と、
   第１のリークオフライン（１２０）を第２のリークオフライン（１３０）に流体結合する接続ライン（１４０）であって、該接続ライン（１４０）が、第３の制御弁（Ｖ３）の後で第２のリークオフライン（１３０）に結合しているとともに、第１の制御弁（Ｖ１）と第２の制御弁（Ｖ２）の間で第１のリークオフライン（１２０）に結合しており、第４の制御弁（Ｖ４）を含む接続ライン（１４０）と、
   前記段付凸部（１１０）に作用するスラスト圧力を調節することによって前記制御弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を能動的に制御し正味スラストを制御するように構成されたコントローラ（１５０）と
   を備えるシステム（１０２）。
2. 前記コントローラ（１５０）が更に、極端なスラスト作動条件又は過酷な作動条件のうちの少なくとも１つの間に前記ＡＲＳ（１１４）の引き込みを可能にしながら、前記段付凸部（１１０）に作用するスラスト圧力を調節することによって前記制御弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を能動的に制御し正味スラストを制御するように構成される、請求項１記載のシステム（１０２）。
3. 前記極端なスラスト作動条件が、最大蒸気圧力、蒸気タービンシステム（９０）からの蒸気抽出、及び蒸気放出からなる群から選択され、前記過酷な作動条件が、前記蒸気タービンシステム（９０）の始動、前記蒸気タービンシステム（９０）のシャットダウン、熱的過渡特性、及び前記蒸気タービンシステム（９０）のトリップ事象からなる群から選択される、請求項２記載のシステム（１０２）。
4. 極端でないスラストで過酷でない定常状態作動条件において、前記コントローラ（１５０）が、第１、第２及び第３の制御弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）を開放し、第４の制御弁（Ｖ４）を閉鎖する、請求項２記載のシステム（１０２）。
5. 極端でないスラストで過酷な作動条件の発生に応答して、前記コントローラ（１５０）が、第１の制御弁（Ｖ１）を閉鎖し、第２、第３及び第４の制御弁（Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を開放する、請求項４記載のシステム（１０２）。
6. 極端なスラストで且つ定常状態作動条件において、前記コントローラ（１５０）が、第１及び第４の制御弁（Ｖ１、Ｖ４）を開放し、第２及び第３の制御弁（Ｖ２、Ｖ３）を閉鎖する、請求項２記載のシステム（１０２）。
7. 極端なスラストで且つ過酷な作動条件の発生に応答して、前記コントローラ（１５０）が、第１、第２及び第４の制御弁（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４）を開放し、第３の制御弁（Ｖ３）を閉鎖する、請求項６記載のシステム（１０２）。
8. 前記パッキン区域（１２４）が前記ＡＲＳ（１１４）の上流側にあり、第２の段（１３２）が第１の段（１２２）に続き、前記段差区域（１３４）が前記段付凸部（１１０）の直ぐ上流側にある、請求項２記載のシステム（１０２）。
9. 前記パッキン区域（１２４）が前記ＡＲＳ（１１４）の下流側にあり、第２の段（１３２）が第１の段（１２２）に先行し、前記段差区域（１３４）が前記段付凸部（１１０）の直ぐ下流側にある、請求項１記載のシステム（１０２）。
10. 前記回転シャフト（９８）によって加えられる正味スラストを受け取るよう位置付けられたスラスト軸受（１００）を更に備え、前記タービンセクション（９２）が高圧（ＨＰ）タービンセクション（９２）を含み、前記スラスト軸受（１００）が、前記高圧（ＨＰ）タービンセクション（９２）と、蒸気タービン（９０）システムの低圧（ＬＰ）タービンセクション（９６）及び中圧（ＩＰ）タービンセクション（９４）のうちの少なくとも１つとの間に位置付けられる、請求項１記載のシステム（１０２）。