JPH0711912A

JPH0711912A - 蒸気タービン冷却方法

Info

Publication number: JPH0711912A
Application number: JP15491793A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nomoto; 本秀雄野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-06-25
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 1995-01-13
Anticipated expiration: 2016-12-04
Also published as: JP3234679B2

Abstract

(57)【要約】【目的】強制空気冷却中のロータショータ側の伸び差
を極力小さくし、冷却中の回転部と静止部との接触の危
険性を回避し得るようにすること。【構成】蒸気タービンを系統から解列して回転数を下
降し、分解検査等を行なうため、その蒸気タービン内部
に冷却空気の流れを作ってその冷却を行なう蒸気タービ
ン冷却方法において、外部ケーシングの冷却空気をスラ
スト軸受側から供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸気タービンの運転中
にそのタービン内部に何らかの異常が認められた際に、
その運転を中止し内部の分解点検を実施する場合等にお
ける、蒸気タービンの冷却後の冷却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般、蒸気タービンにおける定期的な分
解点検は、信頼性の確保のために必要不可欠なものであ
る。また、運転中にタービン内部に何等かの異常が認め
られた際には運転を中止し、内部の分解点検を実施する
場合もある。

【０００３】ところで、上述のように予め計画された分
解点検であれ、異常時の分解点検であれ、タービン内部
を分解する場合には事前にタービンを冷却する必要があ
る。これは、タービンのロータの温度が高い状態で分解
すると内部温度の不均一のためにロータに永久変形を生
じ、以後の起動、負荷上昇で大きなアンバランスを生む
原因になり得るためである。また、蒸気タービンのケー
シングは、通常上半と下半が２分割されており、これら
が水平部のフランジでボルトによって締結されている
が、これらを緩ることはケーシングの温度が高い状態で
は危険を伴う作業であり、或程度まで温度が下がらない
と分解は困難である。

【０００４】また、蒸気タービンは非常に高い効率を要
求される熱機関であるため、通常運転中には大気への熱
放散を極力小さくするため、ケーシングの外表面には厚
い保温材を装着している。またこの保温材により運転中
の高温のケーシングが保護されており、人的危険性も取
り除かれている。

【０００５】このように、蒸気タービンは負荷運転中は
非常に良い、熱遮断性を有しているが、停止時にタービ
ンの冷却を行なう場合にはこれが当然逆の効果をもつこ
とになる。すなわち、蒸気タービンの停止時にはそれが
定期点検のような予め計画された停止作業であればボイ
ラの主蒸気の温度や圧力を次第に下げ、長時間にわたっ
て蒸気による冷却を行ない、系統から切り離し（解列
し）て停止するが、運転状態の異常により停止するよう
な緊急停止の場合にはこのような蒸気冷却は実施できな
いのが一般的である。

【０００６】また、蒸気による冷却を実施した場合で
も、タービン内部の温度はまだかなり高い状態にあり、
タービンを系統から切り離し、回転数を低下させた後は
タービンの冷却源はほとんどない。したがって、冷却期
間中はターニング運転と称する極めて低回転数（２ｒｐ
ｍ〜２０ｒｐｍ程度）でモータ等によりロータを回転さ
せて蒸気の通路部内部空気を攪拌させ、ロータ内部に温
度の不均一が生じないようにする。しかして、この場合
には軸受に潤滑油が供給されているので、ロータに対し
ては若干の冷却効果はある。

【０００７】しかし、ケーシングは外部が保温材で覆わ
れ、なおかつ内部の空気の流れは自然滞留しかないので
冷却効果は極めて小さく、蒸気タービンの冷却には非常
に長い時間が必要となり、短いものでも４〜５日、長い
ものでは一週間程度必要なものもある。

【０００８】そこで、最近これを改善するために、ター
ビン内部に圧縮器や送風機で積極的に空気を流したり、
もしくは真空ポンプ等でタービン内部の空気を吸引して
内部に空気の流れを作り冷却効果を高めようとする技術
も採用されつつある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、タービ
ン内部に空気の流れを作り冷却効果を高める場合には、
回転部であるロータと静止部であるケーシング間の伸び
差を十分注意する必要がある。

【００１０】すなわち、このような場合ロータは一般に
早く冷却され、その結果ケーシングより早く縮むことに
なり（ロータショートと称する）、ケーシングとの間に
伸び差を生じる。ところで、このロータがケーシングよ
り早く冷却される理由は次のことから明白である。

【００１１】まず、ロータはケーシングより質量が小さ
く、従って熱容量が小さく、またロータには羽根が装着
されており、これが一種のフイン効果を持っており、伝
熱面積が大きいという理由がある。しかも蒸気通路部は
ターニング運転により空気が攪拌されており、これが熱
伝達率を高めることになる。

【００１２】図７は、タービン内部の一段落部特に高圧
段部の概略構成を示す図であって、ロータ１にはそれと
一体に形成されたロータデイスク２の外周に動翼３が植
設配設されている。一方、上記動翼３の入り口側には、
ノズル内輪４及びノズル外輪５間に固定されたノズル翼
６が配設されており、このノズル翼６を固定したノズル
外輪５がケーシング７に固定されている。

【００１３】ところで、上記ノズル内輪４の内周面には
周方向に延びる復数列のフイン８が突設されており、こ
れと対向するロータ１の外周面には、上記フイン８の列
間に先端が若干突入する周方向の突起部９が形成され、
ロータ１とノズル内輪４の内周面との間隙から漏洩する
蒸気量が少なくなるようにしてある。

【００１４】また、ノズル外輪５から動翼３の外周方向
に突設されたノズルダイヤフラム１０の内周面にも、周
方向に延びる復数列のフイン１１が突設されており、こ
れと対向するシュラウドリング１２の外面には周方向に
延びる突条１３が形成されている。そして、このフイン
１１と突条１３によって外周部からの漏洩損失が極力小
さくなるようにある。

【００１５】しかして、回転部であるロータ１と静止部
であるケーシング７間に過大な伸び差が発生した場合、
例えばロータショートが図における矢印方向に発生した
場合にその伸び差がフイン８と突起部９との軸方向間隙
ｌ_１を越えると、フイン８と突起部９とが接触し、フイ
ン８や突起部９に損傷が起きる等の問題がある。逆にロ
ータロングが所定値ｌ_２以上になった場合も同様であ
る。

【００１６】本発明はこのような点に鑑み、強制空気冷
却中のロータショート側の伸び差を極力小さくし、冷却
中の回転部と静止部との接触の危険性を回避し得るよう
にした蒸気タービン冷却方法を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本願の第１の発明は、蒸
気タービンを系統から解列して回転数を降下し、分解検
査等を行なうため、その蒸気タービン内部に冷却空気の
流れを作ってその冷却を行なう蒸気タービン冷却方法に
おいて、外部ケーシングの冷却空気をスラスト軸受側か
ら供給することを特徴とする。

【００１８】また第２の発明は、スラスト軸受側から供
給する外部ケーシングの冷却空気の流量を反スラスト軸
受側から供給する外部ケーシングの冷却空気の流量より
も多くし、外部ケーシングのスラスト軸受側の冷却効果
を大きくしたことを特徴とする。

【００１９】第３の発明は、スラスト軸受側から供給す
る外部ケーシングの冷却空気の温度を反スラスト軸受側
から供給する外部ケーシングの冷却空気の温度よりも低
くし、外部ケーシングのスラスト軸受側の冷却効果を大
きくしたことを特徴とする。

【００２０】

【作用】外部ケーシングの冷却空気をスラスト軸受側か
ら供給し、或はスラスト軸受側から供給する外部ケーシ
ングの冷却空気の流量或は温度によってスラスト軸受側
の冷却効果を大きくしたので、蒸気通路部の静止部の伸
びである内部ケーシングの固定点で、外部ケーシングの
伸びを小さくすることができ、ロータショートの発生を
防止することができる。

【００２１】

【実施例】以下、図１乃至図６を参照して本発明の実施
例について説明する。

【００２２】図１は本発明を実施する蒸気タービンプラ
ントの概略構成を示す図であり、単流構造の高圧タービ
ン２０、複流構造の中圧タービン２１、複流構造の低圧
タービン２２を有し、これらが同一軸によって互いに連
結され、各タービンによって発電機２３を駆動するよう
にしてある。

【００２３】上記各タービン等を連結する主軸は、第１
〜第５の軸受２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ
によって軸支されており、第３の軸受２４ｃの軸受台が
基礎台２５に固定されており、高圧タービン２０及び中
圧タービン２１等の静止部はここを起点として高圧ター
ビン側に伸びることができるようにしてある。

【００２４】一方、第２の軸受２４ｂにはスラスト軸受
２６が設けられており、タービンロータはスラスト軸受
２６を基点として高圧タービン２０側及び発電機２３側
に伸びる。

【００２５】ところで、蒸気タービンのロータ及び外部
ケーシングを冷却する冷却空気は、圧縮機または送風機
２７によって供給され、熱交換器２８で温度を調整さ
れ、タービン内部に供給するようにしてある。すなわ
ち、上記熱交換器２８で温度が調整された冷却空気は、
高圧タービンの外部ケーシング用の冷却空気供給導管２
９ａ、中圧タービンの外部ケーシング用の冷却空気供給
導管２９ｂに分岐され、上記冷却空気供給導管２９ａの
先端部が高圧タービン２０のスラスト軸受２６側に接続
されている。

【００２６】また、中圧タービンの外部ケーシングの冷
却空気供給導管２９ｂは、さらに２つの導管２９ｂ１、
２９ｂ２に分岐されており、導管２９ｂ１は熱交換器３
０を介して中圧タービン２１のスラスト軸受２６側に接
続され、導管２９ｂ２は中圧タービン２１の反スラスト
軸受側に接続されている。また、冷却空気供給導管２９
ａ、及び導管２９ｂ１、２９ｂ２にはそれぞれ流量調整
弁３１ａ、３１ｂ、３１ｃが設けられている。

【００２７】しかして、高圧タービン２０の外部ケーシ
ング用の冷却空気は、冷却空気供給導管２９ａを介して
高圧タービン２０内にスラスト軸受２６側から流入し、
一方中圧タービン２１には、熱交換器３０で温度調節さ
れた冷却空気がスラスト軸受２６側から供給され、反ス
ラスト軸受側には熱交換器３０を経ない冷却空気が供給
される。

【００２８】このように、本実施例においては、高圧タ
ービンに入る高圧部の外部ケーシング用の冷却空気は必
ずスラスト軸受側から流入する。また、複流構造を持つ
中圧タービン２１では、中圧部の外部ケーシング用の冷
却空気は必ずスラスト軸受２６側から流入する空気の流
量を流量調整弁３１ｂ、３１ｃによって多くするか、熱
交換器３０によって温度を低くするかによって、反スラ
スト軸受側から流入する空気よりも大きな冷却効果を有
するようにする。勿論、反スラスト軸受側から流入する
空気の流量を零とすることもできる。

【００２９】なお、上記通路部を冷却する空気は、主蒸
気管もしくは再熱蒸気管を経由して、上流側から供給す
る冷却系統３２を設けてもよく、一旦外部ケーシングを
冷却した後下流側から通路部を冷却する系統３３として
もよい。

【００３０】また、必ずしも圧縮機もしくは送風機を用
いる必要はなく、真空ポンプ３４等により空気を吸引し
て冷却空気の流れを作ってもよい。

【００３１】図２は、回転部と静止部の伸び差を分かり
やすく説明する図であり、図１と同一部分については同
一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【００３２】すなわち、第３軸受２４ｃの軸受台が基礎
台２５に固定点３５で固定されている。したがって、静
止部は上記固定点３５を基礎として図において左方に伸
びていき、中圧外部ケーシング２１ａの伸びは第３軸受
２４ｃ部の伸びと自分自身の伸びを加えたもの、高圧外
部ケーシング２０ａの伸びは、第３軸受２４ｃ部、中圧
外部ケーシング２１ａ、第２軸受２４ｄ部の伸びに自分
自身の伸びを加えたものになる。これらの外部ケーシン
グと軸受部の伸びをタービン等の各位置に対応させて示
すと、線Ｃのようになる。

【００３３】一方、高圧内部ケーシング２０ｂ、中圧内
部ケーシング２１ｂはそれぞれ外部ケーシング２０ａ，
２１ａに対して固定点２０ｃ，２１ｃで接続されてお
り、両内部ケーシング２０ｂ，２１ｂはその固定点２０
ｃ，２１ｃを中心として左右に伸びるため、それらの伸
びは線Ｉｈ，Ｉｉに示すように変化する。

【００３４】また、ロータ３６はスラスト軸受２６を基
点として高圧タービン側では図中左方に、中圧タービン
側では外部ケーシング２０ａと同じ方向に延び、中圧タ
ービン側では中圧外部ケーシング２１ａと反対方向に延
び、線Ｒで示すように変化する。したがって、蒸気通路
部においては、ロータの伸びＲと高圧内部ケーシングＩ
_hとの差の伸び差Ｄ_h及びロータの伸びＲと中圧内部ケ
ーシングＩ_iとの差の伸び差Ｄｉが生じる。

【００３５】図２は、タービンの定格負荷の状態を示す
ものであるが、高圧タービン側では図中左方にロータの
伸びＲが高圧内部ケーシングの伸びＩ_hより大きく、い
わゆるロータロングになっている。また中圧タービン部
においても中圧内部ケーシング２１ｂに対してロータ３
６が右方に伸びこれもロータロングの状態になってい
る。

【００３６】一般には、前述のようにロータは熱容量熱
伝達率、伝熱面積の差のため定格負荷ではこのようなロ
ータロングの状態が現われているが、タービン停止後に
冷却空気をタービン内部に供給するとロータの縮みが相
対的に速くなり、ロータショートが発生する可能性が高
い。

【００３７】図３は、本発明の作用説明図であり、比較
のため従来の方法によるものも合わせて示す。

【００３８】図３（ａ）は高圧タービン部の各位置を示
すための概略構成図で、（ｂ）は（ａ）の各部に対応す
る冷却空気の温度変化図、（ｃ）は外部ケーシングにお
ける各部の冷却後の温度を示す図、（ｄ）は冷却後の外
部ケーシングの伸びの分布を示す図である。

【００３９】そこで、高圧タービン２０には前述と同様
に必ずスラスト軸受２６側から外部ケーシング用の冷却
空気が流入され、冷却空気は図中左方に流れる。また、
外部ケーシングには軸方向にも温度勾配が存在し、複雑
な温度分布となっているが、これは本発明にとって本質
的なことではないので、冷却開始前の温度を一様温度Ｔ
₃とし、冷却空気の供給温度を基準温度Ｔ_oの状態で与
えたものとする。

【００４０】しかして、スラスト軸受２６側から冷却空
気が流入すれば、冷却空気の温度は、（ｂ）で実線で示
すようにスラスト軸受から遠ざかるにつれて上昇してく
る。逆に従来行なわれているように反スラスト軸受側か
ら冷却空気が流入すれば、冷却空気の温度は（ｂ）で一
点鎖線で示すように、スラスト軸受に近づくにつれて上
昇してくる。

【００４１】ここで、簡単のため、或る一定時間が経過
し、外部ケーシングのスラスト軸受側が冷却空気の基準
温度Ｔ_oに到達した場合を考えてみると、冷却後の外部
ケーシングの温度分布は（ｃ）で実線で示すようにな
り、従来の方法による場合には一点鎖線で示すようにな
る。ここで温度分布がほぼ直線的になったとすると、外
部ケーシングの伸びは次の式で与えられる。

【００４２】本実施例の場合一定時間冷却後の外部ケーシングの軸方向温度分布Ｔ
（ｘ）は、Ｔ（ｘ）＝（Ｔ₁−Ｔ₀）ｘ／Ｌ＋Ｔ₀ ここにＬは外部ケーシングの長さ微小部分ｄの伸びｄＥはｄＥ＝α（Ｔ（ｘ）−Ｔ₀）ｄＸここにαは線膨張係数或る位置ｘでの伸びは上式をｘまで積分すればよいの
で、Ｅ（ｘ）＝１／２・（Ｔ₁−Ｔ₀）ｘ／Ｌ …（１）ｘ＝０でＥ（０）＝０ｘ＝ＬでＥ（Ｌ）＝１／２・（Ｔ₁−Ｔ₀）・Ｌ従来の実施例の場合一定時間冷却後の外部ケーシングの軸方向温度分布Ｔ
（ｘ）は、Ｔ（ｘ）＝−（Ｔ₁−Ｔ₀）ｘ／Ｌ＋Ｔ₁ 或る位置でｘでの伸びはＥ（ｘ）＝−１／２・（Ｔ₁−Ｔ₀）ｘ²／Ｌ＋（Ｔ₁−Ｔ₀）ｘ…(2) ｘ＝０でＥ（０）＝０ｘ＝ＬでＥ（Ｌ）＝１／２・（Ｔ₁−Ｔ₀）・Ｌそこで、（１）式と（２）式をプロットしてみると、本
発明の場合は図３の（ｄ）の実線で示すようになり、従
来の場合には一点鎖線で示すようになる。しかして、い
ずれも初期の伸びＣより小さくなるのは当然であるが、
本発明の場合はその分布線が下に凸で、従来のものでは
上に凸となり、特に蒸気通路部の静止部の伸びの基点で
ある内部ケーシングの固定点２０ｃでは、本発明の方が
必ず外部ケーシングの伸びを小さくすることができる。

【００４３】なお、簡単のため外部ケーシングの冷却前
の軸方向温度分布や冷却後の温度分布に或程度の仮定を
設けているが、複雑な温度分布が発生している場合でも
勿論傾向は同じである。

【００４４】図４は、上記ケーシングの伸びとロータの
伸びを合わせ伸び差の傾向を示す図であって、例えば蒸
気通路部に冷却空気を入れると一定時間経過後にロータ
の伸びは、初期の伸びＲから実線で示す５０のように移
行したものとする。この場合従来の方法での冷却後の外
部ケーシングの伸びは図中一点鎖線で示す５１のように
なり、ケーシングの伸びの方がロータの伸びより大きく
なる傾向にあり、ロータショートが発生し易い。一方、
本発明方法によれば、前述のように外部ケーシングの伸
びは線５２に示すように変位し、ロータショートが発生
しにくくなる。

【００４５】図５は、スラスト軸受２６と外部ケーシン
グの固定点３５の位置が同一位置にある場合を示す図で
あり、この場合も高圧部の外部ケーシング用の冷却空気
がスラスト軸受２６側から流入すれば、冷却後の外部ケ
ーシングの伸びは線５２に示すようになりロータの伸び
５０に比し小さくなる傾向となり、ロータショートが発
生しにくくなる。

【００４６】図６は、単流構造の高圧タービン部及び複
流構造の中圧タービン部から構成されている場合の例を
示す図である。高圧タービン部に関しては図４で説明し
たものと同一であるが、中圧タービン部に関してもスラ
スト軸受２６側から流入する冷却空気の流量を反スラス
ト軸受側から流入する冷却空気よりも大きくするか、或
はスラスト軸受側から流入する冷却空気の温度を反スラ
スト軸受側から流入する冷却空気よりも低くすると冷却
後の外部ケーシングの伸びは線５２のようになり、外部
ケーシングに対してロータが図において右方に伸びる傾
向にあり、ロータショートが発生しにくくなる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は外部ケー
シングの冷却空気をロータのスラスト軸受側から供給
し、或はスラスト軸受側から供給する冷却空気の量を多
くし、又はスラスト軸受側から供給する冷却空気の温度
を低くしたので、強制空気冷却中におけるロータショー
ト方向への外部ケーシング及びロータ間の伸び差を極力
小さくすることができ、ロータショートの発生を防止で
きて冷却中の回転部と静止部の接触の危険性を回避する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する蒸気タービンプラントの概略
構成を示す図。

【図２】回転部と静止部の伸び差説明図。

【図３】本発明の作用説明図。

【図４】ケーシングとロータの伸びの差の傾向を示す
図。

【図５】スラスト軸受と外部ケーシングの固定点が同一
位置にある場合における、図４と同様の図。

【図６】複流構造をもつ中圧部の伸び差の傾向を発明す
る図。

【図７】タービン内部の一段落部の概略構成を示す図。

【符号の説明】

２０高圧タービン２０ａ外部ケーシング２１中圧タービン２１ａ外部ケーシング２６スラスト軸受２７送風機２８、３０熱交換器３１ａ、３１ｂ、３１ｃ流量調整弁３６ロータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蒸気タービンを系統から解列して回転数を
降下し、分解検査等を行うため、その蒸気タービンに冷
却空気の流れを作ってその冷却を行う蒸気タービン冷却
方法において、外部ケーシングの冷却空気をスラスト軸
受側から供給することを特徴とする蒸気ダービン冷却方
法。
【請求項２】蒸気タービンを系統から解列して回転数を
降下し、分解検査を行なうため、その蒸気タービン内部
に冷却空気の流れを作ってその冷却を行う蒸気タービン
冷却方法において、スラスト軸受側から供給する外部ケ
ーシングの冷却空気の流量を反スラスト軸受側から供給
する外部ケーシングの冷却空気の流量よりも多くし、外
部ケーシングのスラスト軸受側の冷却効果を大きくした
ことを特徴とする、蒸気タービン冷却方法。
【請求項３】蒸気タービンを系統から解列して回転数を
降下し、分解検査を行うため、その蒸気タービン内部に
冷却空気の流れを作ってその冷却を行なう蒸気タービン
冷却方法において、スラスト軸受側から供給する外部ケ
ーシングの冷却空気の温度を反スラスト軸受側から供給
する外部ケーシングの冷却空気の温度よりも低くし、蒸
気タービンのスラスト軸受側の冷却効果を大きくしたこ
とを特徴とする、蒸気タービン冷却方法。