JP6129292B2

JP6129292B2 - 蒸気タービンシステム

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Publication number: JP6129292B2
Application number: JP2015500070A
Authority: JP
Inventors: 拓郎香田; 純平西岡; 健一西山; 臼井　弘明; 弘明臼井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: CN104956037B; US10184602B2; US20150377395A1; JPWO2014125634A1; WO2014125634A1; EP2942498B1; EP2942498A1; CN104956037A; EP2942498A4

Description

本発明は、蒸気タービンシステムに関する。

２部品を接続させる接続配管には、２部品それぞれへの接続位置の相対変位を吸収する構造を必要とするものがある。例えば蒸気タービンシステムにおいて蒸気タービンと復水器とを接続させる接続配管である。蒸気タービンおよび復水器は、それぞれ、熱膨張の状態が変化し接続配管への接続位置が変位してしまうことになる。よって、このような変位を吸収可能な接続配管が蒸気タービンシステムには用いられている。例えば、特許文献１には、復水器において、蒸気タービンに接続される接続フランジ部と本体との間にベローズを有する筒状体を設けたものが開示されている。

特開平１０−１９６３１３号公報

ベローズを用いた接続配管において、ある程度の長さが必要な場合、コストが増大してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コスト増を抑制することができる蒸気タービンシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る接続配管の第一態様は、蒸気タービンと、前記蒸気タービンの下方に配置されて該蒸気タービンから排出された蒸気が流入する復水器と、前記蒸気タービンから排出された上記を前記復水器に流入させる接続配管とを有し、前記接続配管は、上下方向に延びる軸線方向に延びる筒状をなし、外周面に少なくとも一つの環状のリブが設けられた本体部と、該本外部の前記軸線方向の上流側となる上方側に固定されて、ステンレス鋼材からなるとともに蛇腹部を有することで前記軸線方向および径方向に変形可能な第一のべローズで構成された第一の変形部と、該本外部の前記軸線方向の下流側となる下方側に固定されて、ステンレス鋼材からなるとともに蛇腹部を有することで前記軸線方向および前記径方向に変形可能な第二のべローズで構成された第二の変形部と、前記第一の変形部の前記軸線方向の上流側に固定された第一の接続部と、前記第二の変形部の前記軸線方向の下流側に固定された第二の接続部と、前記第一の変形部の内側に間隔をあけて配置される筒状をなして、前記上流側の端部のみが前記第一の接続部に固定されるとともに下流側の端部が前記本体部に対して径方向内側に離れて位置する前記第一のフローガイドと、前記第二の変形部の内側に間隔をあけて配置される筒状をなして、前記上流側の端部のみが前記本体部に固定されるとともに下流側の端部が前記第二の接続部に対して径方向内側に離れて位置する前記第二のフローガイドと、を備える。

本発明に係る接続配管の第二態様として、前記第一の変形部は、複数の前記第一のべローズが径方向に重ねられて構成されており、前記第二の変形部は、複数の前記第二のべローズが径方向に重ねられて構成されていてもよい。

本発明の上記態様に係る蒸気タービンシステムによれば、コスト増を抑制することができる。また、本体部を、リブにより剛性を確保した上で軽量化することができる。

本発明の一実施形態に係る接続配管および蒸気タービンシステムを示す正面図である。同実施形態に係る接続配管を示す中心から半分を断面とした正面図である。同実施形態に係る接続配管を示す側面図である。同実施形態に係る接続配管を示す部分拡大断面図であって、（ａ）は図２のＡ部、（ｂ）は図２のＢ部、（ｃ）は図２のＣ部をそれぞれ示すものである。

以下、本発明の実施形態に係る接続配管１０および蒸気タービンシステム１１について説明する。本実施形態に係る蒸気タービンシステム１１は、具体的には船舶および海洋構造物（以降、両者を海洋構造物と記載する）に搭載されるものである。

図１は、本実施形態に係る蒸気タービンシステム１１を示すものである。この蒸気タービンシステム１１は蒸気タービン１２と復水器１３と接続配管１０とを有している。蒸気タービン１２は、船体１４に設置された架台部１５に取り付けられている。架台部１５はＩ型鋼で構成されている。蒸気タービン１２は、図示略のボイラから供給される高温・高圧の蒸気で回転駆動されるタービン本体２０と、タービン本体２０からの蒸気を排気するタービンダクト２１とを有している。タービンダクト２１はタービン本体２０から下方に延出しており、その下端部が出口部２２となっている。この出口部２２には接続フランジ部２３が設けられている。接続フランジ部２３は水平に配置されている。

復水器１３は、蒸気タービン１２の下方に配置されており、例えば船体１４の船底２４に設置されている。復水器１３には、蒸気タービン１２から排出された蒸気が流入する。復水器１３は、蒸気を低圧水に戻す復水器本体２５と、蒸気タービン１２から排気された蒸気を受け入れる復水器ダクト２６とを有している。復水器ダクト２６は復水器本体２５から上方に延出しており、その上端が入口部２７となっている。この入口部２７には接続フランジ部２８が設けられている。接続フランジ部２８も水平に配置されている。

ここで、タービンダクト２１の接続フランジ部２３と、復水器ダクト２６の接続フランジ部２８とは、水平方向の位置を合わせて鉛直上下に離間して配置されている。そして、これら接続フランジ部２３および接続フランジ部２８に、本実施形態に係る接続配管１０の両端部が接続されている。これにより、接続配管１０は、タービンダクト２１の出口部２２と復水器ダクト２６の入口部２７とを繋いでいる。

図２に示すように、接続配管１０は、接続配管本体３１と、一対のフローガイド３２ａ，３２ｂとを有している。接続配管本体３１は、一対の接続部３５ａ，３５ｂと、一対の変形部３６ａ，３６ｂと、本体部３７とを含んでいる。

一対の接続部３５ａ，３５ｂは、同形状をなしており、それぞれ、図３に示すように、接続部本体４０と、複数（図示例では４カ所）の固定板部４１とを有している。

接続部本体４０は、円環状をなしている。接続部本体４０は、図２に示すように、軸方向一側に円環状の接続座部４２が形成され、軸方向他側に筒状部４３が形成されている。接続座部４２には、その径方向の中間位置に、軸方向に貫通する取付穴４４が、図３に示すように円周方向に等間隔で複数（図示例では５２カ所）形成されている。図２に示すように、筒状部４３は、その外径が接続座部４２の外径よりも小径となっており、接続座部４２の内周縁部から軸方向に突出している。筒状部４３は、その外径が接続座部４２から離れるほど小径となっており、テーパ状をなしている。

図３に示すように、固定板部４１は、複数のものが、接続部本体４０の円周方向に等間隔で取り付けられている。固定板部４１は、接続部本体４０の接続座部４２の外周面に接合されている。固定板部４１には、接続部本体４０の軸方向に沿って貫通する固定穴４６が形成されている。

図２に示す変形部３６ａ，３６ｂは、筒状をなしている。図４（ａ），（ｃ）に示すように変形部３６ａ，３６ｂは、それぞれ、軸線方向および径方向に変形可能な複数（図示例では３つ）のべローズ５０〜５２が径方向に重ねられて構成されている。つまり、変形部３６ａ，３６ｂは、外層側のベローズ５０と中間のベローズ５１と内層側のベローズ５２とからなる三層構造をなしている。これらベローズ５０〜５２は、隣り合うもの同士が径方向および軸方向に隙間なく密着するようにして例えば軸方向の両端部が接合されることで一体化されている。ベローズ５０〜５２は、ステンレス鋼材からなっている。

変形部３６ａ，３６ｂは、それぞれ、一対の接合端部５５，５５と、蛇腹部５６とを有している。蛇腹部５６は、一対の接合端部５５，５５の間に設けられている。接合端部５５，５５は、それぞれ、円筒状をなしており、外径が接続部本体４０の内径よりも若干小径となっている。蛇腹部５６は、複数（図示例では６カ所）の変形本体部５７，５７，…と、複数（図示例では５カ所）の連結部５８，５８，…とを有している。

変形本体部５７は、円環状をなしている。変形本体部５７，５７，…は、外周面が接合端部５５，５５の外周面よりも径方向外方に突出する形状をなしている。また、変形本体部５７，５７，…は、内周面が接合端部５５，５５の内周面よりも径方向外方に凹む形状をなしている。連結部５８，５８，…は、接合端部５５，５５と略同径の筒状をなしている。連結部５８は、隣り合う変形本体部５７と変形本体部５７との間に配置される。

図２に示すように、本体部３７は、筒状をなしており、胴部６１とリブ６２とを有している。胴部６１は、円筒状をなしており、その内径が変形部３６ａ，３６ｂの接合端部５５，５５の外径よりも若干大径となっている。

リブ６２は、円環状をなしており、その内径が、胴部６１の外径よりも若干大径となっている。リブ６２は、胴部６１の外周面の軸方向中央位置に取り付けられている。これにより、リブ６２は、胴部６１から径方向外方に突出している。リブ６２は、図４（ｂ）に示すように、軸方向両端面のそれぞれの内周側が、胴部６１の外周面に隅肉溶接により全周にわたって接合されて胴部６１と一体化されている。なお、図２に示すように、本体部３７の胴部６１には、センサ等を取り付けるための取付部６３が設けられている。本体部３７は、リブ６２が形成されていることによって、胴部６１の強度（断面係数）を向上させている。

フローガイド３２ａ，３２ｂは、それぞれ筒状をなしており、図４（ａ），（ｃ）に示すように、フローガイド本体６６と接合部材６７とを有している。フローガイド本体６６は、円筒状をなしており、その外径が、変形部３６ａ，３６ｂの最小内径よりも小径となっている。接合部材６７は、円環状をなしており、その外径が、接続部本体４０の内径および本体部３７の胴部６１の内径よりも若干小径となっている。また、接合部材６７は、その内径がフローガイド本体６６の外径よりも若干大径となっている。接合部材６７は、その内周側がフローガイド本体６６の軸方向の一端部に固定されている。

図４（ａ）に示すように、接続部３５ａの筒状部４３の内周面に、変形部３６ａの一端の接合端部５５が溶接により接合されている。この変形部３６ａの他端の接合端部５５は、本体部３７の胴部６１の一端の内周面に溶接により接合されている。図４（ｃ）に示すように、この胴部６１の他端の内周面に変形部３６ｂの一端の接合端部５５が溶接により接合されている。この変形部３６ｂの他端の接合端部５５は、接続部３５ｂの筒状部４３の内周面に溶接により接合されている。以上により、本体部３７の軸方向の両側に変形部３６ａ，３６ｂが設けられている。言い換えれば、変形部３６ａ，３６ｂが、間に本体部３７を挟んで直列に配置されている。

図４（ａ）に示すように、フローガイド３２ａは、接合部材６７において本体部３７の胴部６１の変形部３６ａ側の内周面に溶接により接合されている。この状態で、フローガイド３２ａは、フローガイド本体６６が変形部３６ａの内側に配置される。フローガイド３２ａは、本体部３７のみに固定されており、よって、接続配管本体３１に対し、軸方向の片側のみ固定されている。

図４（ｃ）に示すように、フローガイド３２ｂは、接合部材６７において接続部３５ｂの筒状部４３の内周面に溶接により接合されている。この状態で、フローガイド３２ｂは、フローガイド本体６６が変形部３６ｂの内側に配置される。フローガイド３２ｂは、接続部３５ｂのみに固定されており、よって、接続配管本体３１に対し、軸方向の片側のみ固定されている。

なお、図２に示すように、接続部３５ａ，３５ｂは、それぞれの円周方向において、固定板部４１，４１の固定穴４６，４６の位相を合わせている。そして、接続部３５ａ，３５ｂは、位相が合う固定穴４６，４６に挿通される固定具７０で互いに連結される。これにより、接続部３５ａ，３５ｂは、軸方向、径方向および円周方向のいずれの方向の相対移動も規制される。なお、固定具７０による接続部３５ａ，３５ｂの連結は、接続配管１０を運搬する際の各部の負荷を軽減するためのものである。よって、接続配管１０を図１に示す蒸気タービンシステム１１に組み込み後に固定具７０は取り外される。

上記の接続配管１０が、図１に示すように、蒸気タービン１２と復水器１３とを接続させる。このとき、接続配管１０は、接続部３５ｂの接続座部４２が蒸気タービン１２のタービンダクト２１の接続フランジ部２３に固定される。また、接続配管１０は、接続部３５ａの接続座部４２が復水器１３の復水器ダクト２６の接続フランジ部２８に固定される。この状態で、接続配管１０は、接続部３５ｂ、変形部３６ｂ、本体部３７、変形部３６ａ、接続部３５ａが、上から順に並べられた状態となる。また、この状態で、これら接続部３５ａ、変形部３６ａ、本体部３７、変形部３６ｂおよび接続部３５ｂのそれぞれの径方向が横方向に沿い、それぞれの軸方向が縦方向に沿う。

蒸気タービン１２のタービンダクト２１から排気された蒸気は、接続配管１０内を通って、復水器１３の復水器ダクト２６に導入される。つまり、接続配管１０は、蒸気タービン１２と復水器１３とを相対変位を許容しつつ接続させて、蒸気タービン１２の排気を復水器１３に導入する排気エクスパンションジョイントとなっている。

接続配管１０は、タービンダクト２１の接続フランジ部２３と復水器ダクト２６の接続フランジ部２８とが縦方向に相対変位すると、変形部３６ａ，３６ｂが軸方向に変形してこの相対変位を吸収する。接続配管１０は、タービンダクト２１の接続フランジ部２３と復水器ダクト２６の接続フランジ部２８とが横方向に相対変位すると、変形部３６ａ，３６ｂが径方向に変形してこの相対変位を吸収する。なお、相対変位は、ばね定数に比例し、タービン又は復水器側に反力として発生するが、多層構造を採用していのため、ばね係数が低減されるため、タービン又は復水器側に発生する反力を大幅に低減できる効果を有する。また、海洋構造物に設置される蒸気タービンシステム１１の場合、船体１４や架台部１５の撓みや海洋構造物の揺動等により、陸上設置の場合と比べて非常に大きな相対変位の吸収を求められるため、必然的に反力が大きくなるが、本構造はこの反力の低減に非常に有効である。

上述した実施形態の接続配管１０は、外周面に環状のリブ６２が設けられた筒状の本体部３７を有している。また、接続配管１０は、軸線方向および径方向に変形可能なべローズ５０〜５２で構成された変形部３６ａ，３６ｂを備えている。これらの構成により、接続配管１０は、全長に亘ってベローズで構成された変形部を備えるものと比べて、コスト増を抑制することができ、また、蒸気タービン１２と復水器１３にかかる接続配管１０による反力を軽減でき、変形部３６ａ，３６ｂ自身の応力も軽減することができる。特に接続配管１０の長さが長くなるほど、コスト増の抑制効果が高くなる。また、本体部３７の外周面に環状のリブ６２が設けられている。このため、本体部３７を、その剛性を確保した上で、胴部６１を薄肉化（例えば８ｍｍ）して軽量化することができる。つまり、本体部３７は、内側が負圧で外側が大気圧であるため径方向内方に荷重が加わることになる。これに対し、胴部６１を薄肉化して軽量化してもリブ６２によって本体部３７の剛性を確保でき、気圧による変形を防止できる。接続配管１０を上記のように縦向きに配置した場合、本体部３７が、上側の変形部３６ｂに引っ張り荷重をかけることになる。また、本体部３７が、下側の変形部３６ａに圧縮荷重をかけることになる。本体部３７を軽量化することで、変形部３６ａ，３６ｂにかかる荷重を低減できる。

また、変形部３６ａ，３６ｂは、複数のべローズ５０〜５２が径方向に重ねられて構成されている。このため、接続配管１０は、変形部３６ａ，３６ｂの変形量が大きくなっても、変形部３６ａ，３６ｂの強度を確保できる。つまり、接続配管１０は、単層の場合のベローズに比べて、両端の接続座部４２，４２間に繰り返し発生する相対的な高変位を吸収しつつ、変形部３６ａ，３６ｂに生じる疲労破壊を抑制できる。よって、熱膨張の状態が変化することで、接続フランジ部２３および接続フランジ部２８が変位してしまう蒸気タービン１２および復水器１３を、接続配管１０によって、高い信頼性で接続させることができる。また、海洋構造物に設置される蒸気タービンシステム１１の場合、船体１４や架台部１５の撓みや海洋構造物の揺動等により、陸上設置の場合と比べて、蒸気タービン１２および復水器１３の接続フランジ部２３および接続フランジ部２８がより高変位で且つ繰り返し何度も変位してしまう。従来のような単層構造の場合、反力が大きくなり且つ繰り返しの強度が小さくなるという問題があるが、本発明では反力の低減及び繰り返し強度の高強度化が実現でき、海洋構造物に設置される蒸気タービンシステムにて問題となる上記２つの課題を同時に解決することが可能となる。したがって、このような蒸気タービンシステム１１であっても、蒸気タービン１２と復水器１３とを、接続配管１０によって、高い信頼性で接続させることができる。特に、接続配管１０を上記のように縦向きに配置した場合に、船体１４や架台部１５の撓み等により、接続フランジ部２３および接続フランジ部２８の横方向の変位が大きくなる。このような横方向の高い変位があっても、蒸気タービン１２と復水器１３とを、接続配管１０によって、高い信頼性で接続させることができる。

また、接続配管１０は、本体部３７の両側に変形部３６ａ，３６ｂが設けられている。このため、変形部３６ａ，３６ｂの一つ当たりの変形量を半減できる。つまり、接続配管１０は、両端の接続座部４２，４２間の相対的な高変位を吸収しつつ変形部３６ａ，３６ｂに生じる疲労破壊を一層抑制できる。よって、蒸気タービン１２と復水器１３とを、接続配管１０によって、より高い信頼性で良好に接続させることができる。また、海洋構造物に設置される蒸気タービンシステム１１であっても、蒸気タービン１２と復水器１３とを、接続配管１０によって、より高い信頼性で接続させることができる。さらに、接続配管１０を上記のように縦向きに配置し、接続フランジ部２３および接続フランジ部２８の横方向の変位が大きくなる場合でも、蒸気タービン１２と復水器１３とを、接続配管１０によって、高い信頼性で接続させることができる。なお、接続配管１０では、両端の接続座部４２，４２間の距離および相対変位量と、変形部３６ａ，３６ｂのばね定数との関係に基づいて、上記のように二つの変形部３６ａ，３６ｂを直列に配置している。接続配管１０の蒸気タービン１２および復水器１３にかかる荷重Ｆと、変形部３６ａ，３６ｂのばね定数Ｋと、接続配管１０の許容変位Ｘとの関係は、Ｆ＝Ｋ＊Ｘとなる。荷重Ｆおよびばね定数Ｋは小さく、許容変位Ｘは大きくする。この条件を満足させるように、変形部３６ａ，３６ｂのばね定数と、本体部３７の重量との最適組み合わせを選定している。

また、接続配管１０は、変形部３６ａ，３６ｂの内側に、筒状のフローガイド３２ａ，３２ｂが設けられている。このため、蒸気の流れが変形部３６ａ，３６ｂによって乱されることを抑制できる。また、変形部３６ａ，３６ｂに生じるエロージョンを抑制することができる。

また、接続配管１０は、本体部３７および変形部３６ａ，３６ｂを含む接続配管本体３１に対し、フローガイド３２ａ，３２ｂが軸方向の片側のみ固定されている。これにより、フローガイド３２ａ，３２ｂを設けても変形部３６ａ，３６ｂを円滑に変形させることができる。

上述した実施形態の蒸気タービンシステム１１は、蒸気タービン１２と、蒸気タービン１２から排出された蒸気が流入する復水器１３とを有している。また、蒸気タービン１２と復水器１３とを上記した接続配管１０によって接続させている。これらの構成により、蒸気タービン１２と復水器１３とを、接続配管１０によって、高い信頼性で接続させることができる。また、海洋構造物に設置される蒸気タービンシステム１１であっても、蒸気タービン１２と復水器１３とを、接続配管１０によって、高い信頼性で接続させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

例えば、接続部３５ａ、変形部３６ａ、本体部３７、変形部３６ａ、本体部３７、変形部３６ｂ、接続部３５ｂをこの順に直列に配置しても良い。つまり、複数の本体部と、隣り合う本体部同士の間に設けられる変形部と、両端の本体部のそれぞれの外側に設けられる変形部とを有する接続配管としても良い。

また、例えば、本体部３７に、リブ６２を軸方向に間隔をあけて複数設けても良い。つまり、本体部３７には、外周面に環状のリブ６２が少なくとも一つ設けられていれば良い。

また、例えば、変形部３６ａ，３６ｂを、３つのべローズ５０〜５２からなる三層構造以外の多層構造としても良い。
また、例えば、接続配管１０は角形など円筒形以外であっても良い。

本発明は、両端の接続位置に相対変位が生じる接続配管を備えた蒸気タービンシステムについて広く適用可能である。

１０接続配管
１１蒸気タービンシステム
１２蒸気タービン
１３復水器
３２ａ，３２ｂフローガイド
３６ａ，３６ｂ変形部
３７本体部
４０接続部本体
５０〜５２べローズ
６２リブ

Claims

蒸気タービンと、
前記蒸気タービンの下方に配置されて該蒸気タービンから排出された蒸気が流入する復水器と、
前記蒸気タービンから排出された上記を前記復水器に流入させる接続配管とを有し、
前記接続配管は、
上下方向に延びる軸線方向に延びる筒状をなし、外周面に少なくとも一つの環状のリブが設けられた本体部と、
該本外部の前記軸線方向の上流側となる上方側に固定されて、ステンレス鋼材からなるとともに蛇腹部を有することで前記軸線方向および径方向に変形可能な第一のべローズで構成された第一の変形部と、
該本外部の前記軸線方向の下流側となる下方側に固定されて、ステンレス鋼材からなるとともに蛇腹部を有することで前記軸線方向および前記径方向に変形可能な第二のべローズで構成された第二の変形部と、
前記第一の変形部の前記軸線方向の上流側に固定された第一の接続部と、
前記第二の変形部の前記軸線方向の下流側に固定された第二の接続部と、
前記第一の変形部の内側に間隔をあけて配置される筒状をなして、前記上流側の端部のみが前記第一の接続部に固定されるとともに下流側の端部が前記本体部に対して径方向内側に離れて位置する前記第一のフローガイドと、
前記第二の変形部の内側に間隔をあけて配置される筒状をなして、前記上流側の端部のみが前記本体部に固定されるとともに下流側の端部が前記第二の接続部に対して径方向内側に離れて位置する前記第二のフローガイドと、
を備える蒸気タービンシステム。
請求項１に記載した蒸気タービンシステムであって、
前記第一の変形部は、複数の前記第一のべローズが径方向に重ねられて構成されており、
前記第二の変形部は、複数の前記第二のべローズが径方向に重ねられて構成されている蒸気タービンシステム。