JP6416382B2 - 蒸気タービン及び蒸気タービンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、内側ハウジングと、外側ハウジングと、内側ハウジングの内部に回転可能に支承されたロータと、を含む蒸気タービンに関するものであり、外側ハウジングは内側ハウジングの周囲に配置されており、ロータは、第１の流れ方向に沿って配置された高圧領域と、第２の流れ方向に沿って配置された中圧領域と、を有している。

さらに、本発明は、蒸気タービンの冷却方法に関するものであり、蒸気タービンは高圧領域と中圧領域とを有しており、ロータは、高圧領域と中圧領域との間に配置され、スラスト補償隔壁（Schubausgleichzwischenboden）を有している。

本出願において、蒸気タービンとは、蒸気の形態の作動媒体が貫流するタービン又はタービン部分であると理解される。それとは異なり、ガスタービンでは、ガス及び／又は空気が作動媒体として貫流するが、当該作動媒体は、蒸気タービンの場合の蒸気とは全く異なる温度条件及び圧力条件下にある。ガスタービンとは異なり、蒸気タービンの場合、例えばタービン部分に流れ込む、最高温度を有する作動媒体は、同時に最高圧力を有している。ガスタービンの場合、流路に対して開放された開放冷却システムは、タービン部分に外部から冷却媒体を供給せずとも実現可能である。蒸気タービンの場合は、外部から冷却媒体を供給した方が良い。従って、先行技術に係るガスタービンを、本出願の対象の評価を行う際に引き合いに出すことはすでに不可能である。

蒸気タービンは、一般的には、ブレードが取り付けられた、回転可能に支承されたロータを含んでおり、当該ロータは、ハウジング又はハウジングシェル内部に配置されている。ハウジングシェルによって形成されている流路の内部空間を、熱せられて圧力下にある蒸気が貫流する際、ロータは、ブレードを通じて、蒸気によって回転させられる。ロータのブレードは、ロータブレードとも呼ばれる。内側ハウジングには、さらに、一般的には固定されたガイドベーンが掛けられており、当該ガイドベーンは、本体の軸方向の延在部分に沿って、ロータブレードの隙間に係合している。ガイドベーンは、一般的に、蒸気タービンハウジングの内面に沿った、第１の位置で保持されている。その際、ガイドベーンは一般的に、蒸気タービンハウジングの内面の内周に沿って配置されている複数のガイドベーンを含むガイドベーン列の一部である。その際、各ガイドベーンは、そのタービンブレードで径方向内側を指している。軸方向の延在部分に沿った上述の第１の位置におけるガイドベーン列は、ガイドベーングリッド又はガイドベーンリングとも呼ばれる。一般的に、複数のガイドベーン列が相前後して接続されている。対応して、軸方向の延在部分に沿った第１の位置の後方の第２の位置には、別の第２のブレードが、蒸気タービンハウジングの内面に沿って保持されている。ガイドベーン列とロータブレード列とから成る対は、ブレード段とも呼ばれる。

このような蒸気タービンのハウジングシェルは、複数のハウジングセグメントから形成され得る。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タービン部分の固定されたハウジング部材であると理解され、当該ハウジング部材は、蒸気タービンの長手方向に沿って、流路の形で内側空間を有しており、当該内側空間は、蒸気の形態の作動媒体が貫流するために設けられている。これは、蒸気タービンの種類に応じて、内側ハウジング及び／又はガイドベーン担体であり得る。しかしまた、内側ハウジング又はガイドベーン担体を有さないタービンハウジングを設けることも可能である。

効率上の理由から、このような蒸気タービンの設計は、いわゆる「高い蒸気パラメータ」、すなわち特に高い蒸気圧及び／又は高い蒸気温度にとって望ましい。とは言え、特に温度の上昇は、材料技術上の理由から、無制限に可能ではない。その際、特に高い温度においても蒸気タービンの確実な運転を可能にするために、各部材又は構成要素の冷却が望ましい。効率的な冷却を行わない場合は、温度の上昇に際して、はるかに高価な材料（例えばニッケルベースの合金）が必要になる。

これまでに知られている冷却方法、特に蒸気タービンハウジング又はロータの形での蒸気タービン本体のための冷却方法では、能動冷却と受動冷却とが区別される。能動冷却の場合、蒸気タービン本体に別個に、すなわち作動媒体に追加して供給される冷却媒体によって冷却がもたらされる。それに対して、受動冷却は、単に作動媒体の適切な誘導又は使用によって行われる。従来は、蒸気タービン本体の冷却としては、受動冷却が好まれてきた。

すなわち、これまでに知られている蒸気タービンハウジングの全ての冷却方法は、能動冷却方法に関する限りにおいて、必要な場合には、別個の冷却すべきタービン部分の目標を定めた流入を規定しており、必要な場合には第１のガイドベーンリングも含め、作動媒体の流入領域に限定されている。これは、一般的な蒸気タービンに比較的高い蒸気パラメータの負荷が加えられる場合に、タービン全体に作用する熱的負荷の増大につながり得る。当該熱的負荷は、上述の一般的なハウジングの冷却によっては、不十分にしか軽減できないであろう。

第１の流路の他に、第２の流路を有する蒸気タービンの実施形態が知られており、当該実施形態では、第１の流路も第２の流路も、ハウジング内部に配置されている。このような構成は、コンパクトタービンとも呼ばれる。第１の流路が、高圧ブレード列のために形成され、第２の流路が、中圧ブレード列のために形成されている実施形態が知られている。このとき、第１の流路の流れ方向及び第２の流路の流れ方向は、反対の方向を示しており、その結果、スラスト補償が最小化される。このような構成は主に、高圧領域と中圧領域とで構成されたロータを含んでおり、当該ロータは、内側ハウジング内部に回転可能に支承されており、当該内側ハウジングの周囲には、外側ハウジングが配置されている。高圧領域は、生蒸気温度に合わせて設計されている。生蒸気が高圧領域を貫流した後、蒸気は、再熱器に流入し、再熱器内で高温になった後、蒸気タービンの中圧領域を通過して流れる。

このようなロータの使用限界は、熱応力の高い領域によって決定される。温度が上昇すると、重要な強度パラメータが不均衡に減少する。それによって、最大許容シャフト直径が生じ、最大許容シャフト直径は、特に６０Ｈｚにおける使用において制限に至るが、それは、ロータの細長さのロータ力学的程度に関してである。従って、使用限界に達した場合、通常、一体鋳造のロータでは、熱需要に耐え得る、次に良い材料に交換されるか、又は、ロータが溶接され、このとき、２つの材料はそれぞれ熱応力に合わせて設計される。

蒸気タービン構成要素において、特に高温で運転される蒸気タービンにおいて、効果的な冷却システムを有することが望ましい。

ここで、本発明の設定するところによると、本発明の課題は、高温領域であっても特に効果的に冷却されるような蒸気タービンと、当該蒸気タービンを製造するための方法と、を記載することにある。

本課題は、請求項１に記載の蒸気タービンと、請求項９に記載の方法と、によって解決される。

本発明の主な思想は、受動冷却を構成することにある。その際、本発明は、上述のコンパクトな構成の蒸気タービンを指向している。すなわち、蒸気タービンは、共通の外側ハウジング内部に、高圧領域と中圧領域とを有している。当該高圧領域は、生蒸気温度に合わせて設計されている。その際、生蒸気温度は、８０ｂａｒから３５０ｂａｒの圧力において、５３０℃から７２０℃の間である。当該中圧領域は、３０ｂａｒから１２０ｂａｒの圧力における、５３０℃から７５０℃の流入領域の温度に合わせて設計されている。

蒸気発電所では、高圧ブレード列と中圧ブレード列とは、以下のように区別される：生蒸気は、まず生蒸気に合わせて設計されたタービン部分を通過する。生蒸気が高圧領域を貫流した後、生蒸気は、再熱器に流入し、再熱器内で中圧入口温度にまで加熱された後、中圧領域を通過する。中圧領域を貫流した後、当該蒸気は、低圧領域に流入し、当該低圧領域では、より低い蒸気パラメータを有する。

本発明の主な思想は、スラスト補償隔壁が受動的に冷却され得るように蒸気タービンを構成することにある。そのために、高圧流路から、流路の適切な位置において、蒸気が分岐し、当該蒸気は、ある位置において、スラスト補償隔壁に誘導される。当該蒸気は、スラスト補償隔壁と内側ハウジングとの間の領域において拡散可能である。本発明のさらなる主な思想は、上述の蒸気を、生蒸気の一部と混合し、再循環交差流路を通じて、第１の流路に再び誘導することにある。

有利なさらなる発展形態は、下位請求項に記載されている。

有利な第１のさらなる発展形態では、第１の高圧ブレード段が、第１の流れ方向に沿って見て、第２の高圧ブレード段の上流に配置されている。

すなわち、第１の高圧ブレード段から取り出された蒸気は、第２の高圧ブレード段から取り出された蒸気よりも高い蒸気パラメータを有している。それによって、目標に向かう適切な蒸気が、高圧ブレード列領域から取り出され得る。

別の有利なさらなる発展形態では、第１のスラスト補償ピストン隔壁が、第１の流れ方向に沿って見て、第２のスラスト補償隔壁空間の上流に配置されている。スラスト補償隔壁の熱的負荷が異なるので、本発明は、第１のスラスト補償隔壁空間が、第１の流れ方向に沿って見て、第２のスラスト補償隔壁空間の上流に配置されている場合、より良い冷却可能性が存在し得るように規定している。

別の有利なさらなる発展形態では、内側ハウジングとスラスト補償隔壁との間に、第１のブラシシールが、第２の流れ方向に沿って、第２のスラスト補償隔壁空間の上流に配置されており、第２のブラシシールが、第２の流れ方向に沿って、第１のスラスト補償隔壁空間の下流に配置されている。

特別な有利なさらなる発展形態では、再循環管を有する第１の再循環交差流路が構成されている。それによって、熱補償が最適化され得る。

別の有利なさらなる発展形態では、接続管を有する接続部が形成され、それによって、同様に、有利な温度補償がもたらされる。

特別な有利なさらなる発展形態では、第２の再循環交差流路を有する蒸気タービンが形成されており、当該再循環交差流路は、スラスト補償隔壁と内側ハウジングとの間に形成された第３のスラスト補償隔壁空間と第３の高圧ブレード段の下流とを接続する管として配置されている。

それによって、隔壁と内側ハウジングとの間の空間に存在するさらなる蒸気を、冷却と作業の負荷軽減とに用いることが可能である。

有利には、第３の高圧ブレード段は、第１の流れ方向に見て、第２の高圧ブレード段の下流に配置されている。

従って、本発明によって、スラスト補償隔壁を最適に冷却することが可能である。

それによって、シャフト内部の温度低下を通じて、ロータの機械的使用限界を拡大することが可能である。さらに、ブラシシールの使用が可能である場合、スラスト補償隔壁の十分な冷却を確保することが可能である。さらに、本発明に係る設備によって、構成要素の熱的負荷が危機的な領域を、受動的システムによって冷却することが可能である。

本発明の上述した特性、特徴及び利点と、これらを得るための方法とは、以下の図面を用いて詳細に行われる実施例の説明との関連において明らかになり、明確に理解できるようになる。

本発明に係る実施例を、以下に図面を用いて記載する。図面は、実施例を決定的に描写するものではなく、むしろ、説明に役立つ場合には、概略的に、及び／又は、多少歪んだ形に仕上げられている。図面から直接に認識可能な教示の補足については、関連する先行技術が参照される。

蒸気タービンの概略的な横断面の図である。 本発明に係る設備を有する、図１で描写された蒸気タービンの一部を示す図である。

図１は、内側ハウジング２及び外側ハウジング３と、ロータ４と、を含む蒸気タービン１を示している。ロータ４は、内側ハウジング２の内部に回転可能に支承されている。軸受は、詳細には図示されていない。外側ハウジング３は、内側ハウジング２の周囲に配置されている。ロータ４は、略回転対称に、回転軸５の周囲に形成されている。回転軸５に対して略平行に延在する第１の流れ方向６に沿って、ロータ４は、高圧領域７を有している。第１の流れ方向６とは反対に配置されて、ロータ４は、第２の流れ方向８に沿って配置された中圧領域９を有している。

内側ハウジング２は、高圧領域７において、複数の高圧ガイドベーン（図示せず）を有しており、当該高圧ガイドベーンは、回転軸５の周囲に配置されている。第１の流れ方向６に沿って、高圧流路１０が、それぞれ一列の高圧ロータブレードと一列の高圧ガイドベーンとを有する複数の高圧ブレード段（図示せず）を有して形成されているように、高圧ガイドベーンが配置されている。

第１の高圧流入領域１１を通って、生蒸気が蒸気タービン１に流入し、引き続いて、高圧流路１０を通って流れる。高圧流路１０では、蒸気が膨張し、温度が低下する。蒸気の熱エネルギーは、ロータ４の回転エネルギーに変換される。蒸気が高圧流路１０を貫流した後、当該蒸気は、高圧流出領域１２から、蒸気タービン１を出て、再熱器（詳細には図示せず）へと流れる。再熱器内で、冷却された蒸気は再び、高圧流入領域における生蒸気温度と比較可能な高さの温度になる。とは言え、流入領域１１内の圧力は、明らかにより低い。

内側ハウジング２は、中圧領域９において、複数の中圧ガイドベーン（図示せず）を有しており、当該中圧ガイドベーンは、第２の流れ方向８に沿って、複数の中圧ブレード段（図示せず）を有する中圧流路１３が形成されているように配置されており、当該中圧ブレード段は、それぞれ一列の中圧ロータブレードと、一列の中圧ガイドベーンとを有している。

再熱器下流の蒸気は、中圧流入領域１４を経由して、中圧流路１３を通って流れる。蒸気の熱エネルギーは、ロータ４の回転エネルギーに変換される。中圧流路１３下流の蒸気は、出口１５を通って蒸気タービン１から流出する。次に、蒸気は、低圧タービン部分（図示せず）か、又は、プロセス蒸気としてプロセスに転送される。ロータ４は、高圧流路１０と中圧流路１３との間に、スラスト補償隔壁１６を有している。

スラスト補償隔壁１６は、ロータ４よりも大きい直径を有している。

生蒸気温度は、８０ｂａｒから３５０ｂａｒの圧力において、５３０℃から７２０℃の間である。中圧温度は、３０ｂａｒから１２０ｂａｒの圧力において、５３０℃から７５０℃の間である。

図２は、図１の蒸気タービン１の一部を示しており、本発明に係るさらなる特徴は、図２に示されている。内側ハウジング２は、接続部１７を有しており、当該接続部は、第１の高圧ブレード段１８下流の高圧流路１０と第１のスラスト補償隔壁空間１９との間を接続する管として配置されており、スラスト補償隔壁空間１９は、スラスト補償隔壁１６と内側ハウジング２との間に配置されている。内側ハウジング２は、スラスト補償隔壁１６の領域に、複数のセグメント２０を有している。セグメント２０は、それぞれラビリンスシール（図示せず）を有している。

内側ハウジング２は、さらに、第１の再循環交差流路２１を有しており、当該再循環交差流路は、第２のスラスト補償隔壁空間２２（スラスト補償隔壁１６と内側ハウジング２との間に配置されている）と第２の高圧ブレード段２３の下流との間を接続する管として配置されている。

第１の高圧ブレード段１８は、第１の流れ方向６に沿って見て、第２の高圧ブレード段２３の上流に配置されている。

第１のスラスト補償隔壁空間１９は、第１の流れ方向６に沿って見て、第２のスラスト補償隔壁空間２２の上流に配置されている。

内側ハウジング２とスラスト補償隔壁１６との間には、第１のブラシシール２４が、第２の流れ方向８に沿って、第２のスラスト補償隔壁空間２２の上流に配置されている。第２のブラシシール２５は、第２の流れ方向８に沿って、第１のスラスト補償隔壁空間１９の下流に配置されている。

第１の再循環交差流路２１は、管（図示せず）を有する代替的な実施形態で形成されていても良い。図２に示された実施例では、再循環交差流路２１は、内側ハウジング２内に配置されている。

接続部１７は、図２で選択された実施例では、内側ハウジング２内に形成されているが、代替的な実施形態では、接続部１７は、接続管を有して構成され得る。

蒸気タービン１は、第２の再循環交差流路２６を有しており、第２の再循環交差流路２６は、スラスト補償隔壁１６と内側ハウジング２との間に配置された第３のスラスト補償隔壁空間２７と、第３の高圧ブレード段２８の下流に配置された、高圧流路１０内の高圧流入空間とを接続する管として形成されている。

第３の高圧ブレード段２８は、第１の流れ方向６に見て、第２の高圧ブレード段２３の下流に配置されている。再循環交差流路２６は、内側ハウジング２内に形成され得る。代替的な実施形態では、第３の再循環交差流路２６が管として形成され得る。

本発明を、好ましい実施例によって、詳細に説明してきたが、本発明は、記載された実施例に限定されるものではなく、当業者は、本発明の保護範囲を離れることなく、その他の変型例を引き出すことができる。

１ 蒸気タービン
２ 内側ハウジング
３ 外側ハウジング
４ ロータ
５ 回転軸
６ 第１の流れ方向
７ 高圧領域
８ 第２の流れ方向
９ 中圧領域
１０ 高圧流路
１１ 第１の高圧流入領域
１２ 高圧流出領域
１３ 中圧流路
１４ 中圧流入領域
１５ 出口
１６ スラスト補償隔壁
１７ 接続部
１８ 第１の高圧ブレード段
１９ 第１のスラスト補償隔壁空間
２０ セグメント
２１ 第１の再循環交差流路
２２ 第２のスラスト補償隔壁空間
２３ 第２の高圧ブレード段
２４ 第１のブラシシール
２５ 第２のブラシシール
２６ 第２の再循環交差流路
２７ 第３のスラスト補償隔壁空間
２８ 第３の高圧ブレード段

Claims (9)

1. 内側ハウジング（２）と、外側ハウジング（３）と、前記内側ハウジング（２）の内部に回転可能に支承されたロータ（４）と、を含む蒸気タービン（１）であって、
   前記外側ハウジング（３）は、前記内側ハウジング（２）の周囲に配置されており、
   前記ロータ（４）は、第１の流れ方向（６）に沿って配置された高圧領域（７）と、第２の流れ方向（８）に沿って配置された中圧領域（９）と、を有しており、
   前記内側ハウジング（２）は、前記高圧領域（７）において、複数の高圧ガイドベーンを有しており、前記高圧ガイドベーンは、前記第１の流れ方向（６）に沿って、高圧流路（１０）が、それぞれ一列の高圧ロータブレードと一列の高圧ガイドベーンとを有する複数の高圧ブレード段を有して形成されているように配置されており、
   前記内側ハウジング（２）は、前記中圧領域（９）において、複数の中圧ガイドベーンを有しており、前記中圧ガイドベーンは、前記第２の流れ方向（８）に沿って、中圧流路が、それぞれ１列の中圧ロータブレードと１列の中圧ガイドベーンとを有する複数の中圧ブレード段を有して形成されているように配置されており、
   前記ロータ（４）は、前記高圧領域（７）と前記中圧領域（９）との間に、スラスト補償隔壁（１６）を有しており、
   前記内側ハウジング（２）は、接続部（１７）を有しており、前記接続部は、第１の高圧ブレード段（１８）下流の前記高圧流路（１０）と第１のスラスト補償隔壁空間（１９）との間を接続する管として形成されており、
   前記内側ハウジング（２）は、第１の再循環交差流路（２１）を有しており、前記第１の再循環交差流路は、前記スラスト補償隔壁（１６）と前記内側ハウジング（２）との間に配置された第２のスラスト補償隔壁空間（２２）と、第２の高圧ブレード段（２３）の下流に配置された、前記高圧流路（１０）内の高圧流入空間との間を接続する管として形成されており、
   前記蒸気タービン（１）が、前記スラスト補償隔壁（１６）と前記内側ハウジング（２）との間に配置された第３のスラスト補償隔壁空間（２７）と、第３の高圧ブレード段（２８）の下流に配置された、前記高圧流路（１０）内の高圧流入空間とを接続する管として形成された第２の再循環交差流路（２６）を有する蒸気タービン（１）。
2. 前記第１の高圧ブレード段（１８）が、前記第１の流れ（６）に沿って見て、前記第２の高圧ブレード段（２３）の上流に配置されている、請求項１に記載の蒸気タービン（１）。
3. 前記第１のスラスト補償隔壁空間（１９）が、前記第１の流れ方向（６）に沿って見て、前記第２のスラスト補償隔壁空間（２２）の上流に配置されている、請求項１又は２に記載の蒸気タービン（１）。
4. 前記内側ハウジング（２）と前記スラスト補償隔壁（１６）との間に、第１のブラシシール（２４）が、前記第２の流れ方向（８）に沿って、前記第２のスラスト補償隔壁空間（２２）の上流に配置されており、第２のブラシシール（２５）が、前記第２の流れ方向（８）に沿って、前記第１のスラスト補償隔壁空間（１９）の下流に配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気タービン（１）。
5. 前記第１の再循環交差流路（２１）が、管を有して構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の蒸気タービン（１）。
6. 前記接続部（１７）が、接続管を有して構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の蒸気タービン（１）。
7. 前記第３の高圧ブレード段（２８）が、前記第１の流れ方向（６）に見て、前記第２の高圧ブレード段（２３）の下流に配置されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の蒸気タービン（１）。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の蒸気タービン（１）を冷却するための方法であって、
   前記蒸気タービン（１）は、高圧領域（７）と中圧領域（９）とを有しており、ロータ（４）は、前記高圧領域（７）と前記中圧領域（９）との間に、スラスト補償隔壁（１６）を有しており、
   蒸気が、前記高圧領域（７）から取り出され、前記スラスト補償隔壁（１６）と前記内側ハウジング（２）との間の空間に供給され、
   蒸気が、前記スラスト補償隔壁（１６）と内側ハウジング（２）との間の空間から、前記第１の再循環交差流路（２１）を通じて、前記高圧領域（７）に供給される方法。
9. 前記スラスト補償隔壁（１６）と前記内側ハウジング（２）との間のさらなる蒸気が、第２の再循環交差流路（２６）を通じて、前記高圧領域（７）に供給される、請求項８に記載の方法。

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