JPH11141302A - 蒸気タービンロータの冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高圧タービン初段翼の上流側と中圧タービン側
へまたがるロータの冷却を効率的に行うことにある。 【解決手段】抽気蒸気を一旦高圧段出口の低温蒸気と熱
交換させ、さらに低温にした後、ロータ冷却のために設
けられる通路２１ａと冷却通路２１に導き、さらにロー
タ中心孔２７を通し、２段動翼後に戻す冷却パスを形成
することによりロータを効果的に冷却できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蒸気タービンのロー
タの冷却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】省エネと環境保全（ＣＯ₂ の低減）の高
まりのなかで、蒸気タービン発電プラントにおいても大
容量化と熱効率向上への関心が更に高まって来ている。
熱効率向上は主蒸気の温度と圧力を高くすることによっ
て行われてきた。主蒸気の圧力温度及び再熱蒸気温度が
１９７０年代に２４６atg／５６６℃／５６６℃ にな
り、しばらくこの条件のプラントが続いたが、高温材料
の開発の進展によって、近年は主蒸気温度が６００℃を
超えるものも建設されており、更に今後高温化が図られ
る見通しである。

【０００３】この高温化の鍵を握るものが、タービンの
高温要素部に用いられる高温材料の開発である。特に、
回転ロータ材がその成否を握っている。現在の主流ロー
タ材は鉄に９〜１２％のＣｒと少量のＭｏ，Ｖ等を加え
たフェライト系合金が使われている。フェライト系材は
６５０℃付近が使用限界温度と考えられていて、その限
界温度に近づきつつある。これに代わるものとしては、
ＮｉやＣｏの含有量を増やしたオーステナイト系材が次
世代の候補として検討されてきているが、価格の問題や
熱伸び等の問題があって、まだ一般的に使われる状況に
は至っていない。そこで、従来のフェライト系ロータ材
を主蒸気の高温化の下で安全に、長寿命に使うには、ロ
ータの冷却技術が重要である。

【０００４】図１に高中圧一体型蒸気タービン１を示
す。この型のタービンにおいてはロータ温度が一番高く
なるのは、初段動翼６の高圧側から中圧タービン側への
蒸気漏洩１０を抑制するために設けられているラビリン
スパッキング部９に相対するロータ８部である。この部
分は、ノズルチェスト５からの高温高圧の主蒸気が初段
ディスク７の高圧側への漏洩やノズルチェスト５と内ケ
ーシング３の内壁側に沿ってロータ８側へ流れでる漏洩
蒸気によって最も高温に加熱される。

【０００５】ディスク７の高圧側へ流れ込む漏洩蒸気の
一部はディスク７に設けてあるバランスホール１１を通
って初段翼低圧側へ流れるが、一部はロータ８の表面と
接しながらラビリンスパッキング９を通って中圧タービ
ン側へ漏洩していく。この漏洩蒸気は主蒸気の圧力，温
度をほぼ保っているためこれにさらされるロータ温度は
この部分で最高温度に達する。ノズルチェスト５とロー
タ８の間には熱を遮蔽するものがないため、ノズルチェ
スト５からのロータ８への輻射伝熱もノズルチェスト５
のメタル温度の上昇と共に大きなロータ加熱の一因にな
っている。

【０００６】この部分のロータの冷却方法として、たと
えば特開昭59−206602号ではノズルチェスト下部のロー
タに面する側に新たにラビリンスパッキングを配置して
蒸気漏洩量を抑える方法などがあるが、ノズルチェスト
５の上面側からの漏洩蒸気もあり、また輻射伝熱の影響
もあって十分とは言えない。他にも、ノズルチェストと
ロータ間の蒸気漏洩の流路を変えて、輻射伝熱の影響を
軽減したもの等があるが、いずれも積極的にロータを冷
却しようとするものではない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高圧
タービン初段翼の上流側と中圧タービン側へまたがるロ
ータの冷却を効率的に行う蒸気タービンロータの冷却方
法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】ロータ温度の冷却効果を
高めるための必要条件は、冷媒として作用する蒸気の温
度はロータ温度に対して十分低めのものである必要があ
る。本発明では、初段動翼で仕事をし温度，圧力とも主
蒸気温度よりも低下した初段後からの抽気蒸気を用い
る。抽気蒸気は熱交換器に接続され、圧力を減少させな
い条件で蒸気の温度を、抽気時蒸気温度以下に制御する
ことができる。また、抽気蒸気ラインには流量制御バル
ブが設けてあり、タービンの運転条件に応じて、適切な
蒸気量が供給できる。

【０００９】主蒸気圧力より低下した抽気蒸気を初段翼
上流側の高圧部のロータに流すためには高い初段翼高圧
側の周囲圧力がロータ冷却流路部に及ばさないようにす
る必要がある。このためロータ表面と平行に配置したロ
ータ冷却流路部を設け、その初段ディスク寄りの端部に
ラビリンスパッキングをロータ表面と対峙させて配置し
てある。

【００１０】高圧タービン側から中圧タービン側への蒸
気漏洩を抑制するために用いられている複数個のラビリ
ンスパッキングの高圧側に入れられた低温抽気蒸気はロ
ータ冷却通路部を初段ディスク側へ流れ、冷却通路端部
のラビリンスパッキング部まで達した後、ロータの中心
孔に向けてロータ半径方向に開けられた蒸気通路を通っ
て、ロータ中心孔に入り、高圧タービンの下流側へと中
心孔を冷却しながら流れる。中心孔から２段動翼下流側
へ蒸気を流す蒸気孔が設けられており抽気蒸気はこれを
通り、再びタービン段落へ戻され動力エネルギ作動流体
として再利用される。

【００１１】即ち、本発明では、初段翼で仕事をして、
温度と圧力が低下した抽気蒸気を用いることにより、ロ
ータの冷却を効率良く行える。さらに抽気蒸気を圧力を
低下させないで抽気温度以下に温度制御ができる熱交換
器を備えており、さらにロータの冷却を効果的に実現で
きる。

【００１２】本冷却方式ではロータ表面からの冷却だけ
でなく、ロータ中心孔からの冷却も同時にできるので、
ロータ内外面の温度差を小さくできることから、特に初
段ディスクとロータの付根部に発生する最大熱応力値を
低位に抑制できる。それは結果的にロータの高温寿命を
延ばすことになる。

【００１３】本発明のもう一つの利点は、ロータ冷却通
路端部にラビリンスパッキングを新たに追加したことに
より、初段上流側からの中圧段側への蒸気漏洩を従来よ
りも低く抑えることができること、及び冷却抽気蒸気を
２段動翼下流側へ戻すことにより、冷却空気の昇温分の
エンタルピーの増加もあって、抽気蒸気を最大限作動流
体として利用できることがある。

【００１４】

【発明の実施の形態】図２と図３に本発明の実施例を示
す。図４は高中圧一体型蒸気タービンの高圧タービン側
を部分的に示した図である。主蒸気管４からノズルチェ
スト５に入った主蒸気は大きな矢印で示すように初段動
翼６，初段ノズル１２，２段動翼１３の順に流れ膨張し
てタービン側に仕事をする。

【００１５】本発明のロータ冷却用蒸気は初段動翼６後
の低温蒸気を抽気して使用する。内ケーシング３に設け
られた抽気孔１５を通して抽気され内ケーシングの外側
にでて、バイパスライン１８ａを介して高圧タービンと
中圧タービンの隔壁ケーシング部に設けられた内ケーシ
ング冷却通気孔１９へと接続されている。なおこのバイ
パスライン間には熱交換器１６と抽気蒸気流量調整用の
バルブ１７が設けられる。

【００１６】熱交換器は１６は非常に簡単な構造のもの
である。内ケーシングの外の蒸気は主蒸気温度を仮に６
００℃とすると高圧段出口部の温度すなわち２５０〜２
８０℃程度の低温で満たされている。抽気蒸気温度が約
５７０℃とすると、抽気蒸気温度とバイパスライン１８
の周囲温度の間に約３００℃の温度差がある。バイパス
ラインの長さを適切に確保し、ライン周上に一般に用い
られる円板状の放熱フィン等を設けるだけで抽気蒸気温
度を相当低温にできる。

【００１７】本発明の特徴の一つはノズルチェスト５の
ロータ側に抽気冷却蒸気を通す冷却パスを周囲の蒸気圧
力の影響を排除して設けたことである。これは高中圧隔
壁ステータ１８をノズルチェスト下部、更に初段ディス
ク７部近傍まで伸長させて形成される。すなわちステー
タ内面２０とロータ８の表面部は平行になるように、か
つ形成された冷却通路２１は抽気流量を考慮し、ロータ
への熱伝達が最大となるようにそのギャップが決められ
る。

【００１８】ステータ１８の初段ディスク７側は２重の
蒸気漏洩シール構造が施されている。ステータ１８の先
端側はクランク型突起２２を有し、初段ディスク７の側
面に突出したディスク側面突起２４との間にわずかな間
隙を有するように構成され、且つこの間隙部に櫛形パッ
キング２３をステータ１８側に取付け、ノズルチェスト
出口部からの主蒸気の漏洩を抑制する。

【００１９】一方、冷却通路２１へ入り込む蒸気漏洩を
なくするため、ステータの端部近くにラビリンスパッキ
ング２５を配置し、外部圧力の影響が及ばない有効な冷
却パスを確保している。内ケーシング冷却通気孔１９に
導かれた抽気蒸気はラビリンスパッキング９の高圧側に
排出され、冷却通路２１を中圧タービン側から高圧ター
ビン初段側に向けて流れる。

【００２０】ロータは３０００rpm乃至３６００rpmで高
速回転しているため、冷却通路２１を流れる蒸気はほぼ
一様な旋回速度成分を持っていると見なされるので周方
向には一様な冷却が行われるものと考えてよい。抽気蒸
気は圧力が低いので、従来のように初段ディスク７のバ
ランスホールを利用して段落の下流側へ抽気蒸気を流す
ことはできない。

【００２１】そこで本発明では、ロータ中心部に設けら
れている中心孔２７を用いる。すなわち、ラビリンスパ
ッキング２５の近傍に冷却通路２１と中心孔２７と連絡
するロータ上流側通気孔２６が複数個均等角ピッチで設
けられている。ロータに作用する遠心力のバランスの点
で最低４個は通気孔を設けるべきである。中心孔２７に
流入した抽気蒸気はタービンの下流段側へ中心部を冷却
しながら流れる。

【００２２】ロータ上流側通気孔２６と同一形状と員数
のロータ下流側通気孔２８が２段動翼１３の下流側に通
ずるように設けられており、抽気蒸気はこの通気孔２８
を通って再びタービン段落へ送られ、作動流体として有
効に利用される。なお中心孔には上流側閉止円板２９と
下流側閉止円板３０を設け、蒸気パスを限定し、蒸気露
結等による中心孔の酸化やスケールの堆積等よるロータ
の腐食の発生を抑制している。

【００２３】図３に本発明の変形例を示す。この例では
最も高温になるロータ部の冷却を更に効率良く行う方法
示す。高中圧隔壁ステータ１８に冷却通路２１と平行に
通路２１ａを設け、内ケーシング冷却通気孔１９と結合
し、さらに通路２１ａと冷却通路２１はラビリンスパッ
キング２５側で連絡するように冷却蒸気通路を形成す
る。

【００２４】さらにロータ上流側通気孔をラビリンスパ
ッキング９の上流部に持ってくることにより、冷却通路
をＵ字型に形成でき、抽気蒸気をロータ表面部は高圧タ
ービン側から中圧タービン側に向かって、またロータ中
心孔２７部は中圧タービン側から高圧タービン側に向か
って流すことにより、ロータ表面とロータ中心孔部を同
時に冷却することができるため、効率良いロータの冷却
が実現でき、主蒸気の高温化によっても、ロータの高温
強度が確保でき、ロータの寿命を延ばすことが可能とな
る。

【００２５】

【発明の効果】最も、高温になる高圧タービン初段上流
側のタービンロータの冷却を効率良く行うことができ、
初段ディスク根元部に発生する熱応力のレベルを低減で
きる。これにより、トータル応力（遠心力による応力＋
熱応力）をさげることができるので、ロータ寿命を延ば
すことが可能となり、さらに主蒸気温度の高温化にも対
処ができるため、一層の蒸気のタービン効率向上に寄与
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来形の高中圧一体型蒸気タービンの一般的な
構成図。

【図２】本発明のロータ冷却方法を示した基本となる
図。

【図３】本発明のロータ冷却方法の変形例を示した図。

【符号の説明】

１…高中圧一体型蒸気タービン、２…外ケーシング、３
…内ケーシング、４…主蒸気管、５…ノズルチェスト、
６…初段動翼、７…初段ディスク、８…ロータ、９…ラ
ビリンスパッキング、１０…蒸気漏洩、１１…バランス
ホール、１２…１段ノズル、１３…２段動翼、１４…２
段ノズル、１５…抽気孔、１６…熱交換器、１７…流量
バルブ、１８…ステータ、１８ａ…バイパスライン、１
９…内ケーシング冷却通気孔、２０…ステータ内面、２
１…冷却通路、２１ａ…通路、２２…クランク形突起、
２３…櫛形パッキング、２４…ディスク側面突起、２５
…ラビリンスパッキング、２６…ロータ上流側通気孔、
２７…中心孔、２８…ロータ下流側通気孔、２９…上流
側閉止円板、３０…下流側閉止円板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野田 武志 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 井上 茂道 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高中圧一体型蒸気タービンにおいて、最高
   温度になる高圧初段翼の高圧側から中圧タービン側にま
   たがるロータの冷却に関し、高圧タービンと中圧タービ
   ンを隔絶するステータからロータと同心をなす円筒状の
   冷却パス部を初段翼高圧側近傍まで形成し、ラビリンス
   パッキングを該冷却パス部の先端側に配置し、外圧の浸
   透のない冷却通路をロータ外周に近接して設け、ロータ
   冷却用の蒸気は該冷却通路を、高圧初段側から中圧ター
   ビン側へ流れ、ロータ表面を冷却した後、該冷却通路の
   中圧タービン側端から、ロータの表面とロータ中心孔を
   結ぶ複数本の通気孔を通して、ロータ中心孔に入った冷
   却蒸気は高圧タービンの低圧段側へと流れ、中心孔と２
   段動翼出口を連絡するやはり複数本の通気孔を通って冷
   却用蒸気を高圧段落に戻すように冷却パスを形成したこ
   とを特徴とする蒸気タービンロータ冷却方法。
2. 【請求項２】請求項１のロータ冷却用蒸気とは高圧初段
   動翼の後流部から抽気された抽気蒸気は、内ケーシング
   との外ケーシングの空間、即ち高圧タービン出口の低温
   低圧蒸気の雰囲気に置かれた熱交換器を通すことによっ
   て、抽気蒸気の圧力を保持した状態で、その蒸気温度を
   抽気部の蒸気温度よりも下げて、効果的なロータ冷却冷
   媒として使用することを特徴とする蒸気タービンロータ
   の冷却方法。