JPH11270306A - 蒸気タービンの強制冷却装置 - Google Patents

蒸気タービンの強制冷却装置

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JPH11270306A
JPH11270306A JP7249198A JP7249198A JPH11270306A JP H11270306 A JPH11270306 A JP H11270306A JP 7249198 A JP7249198 A JP 7249198A JP 7249198 A JP7249198 A JP 7249198A JP H11270306 A JPH11270306 A JP H11270306A
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JP
Japan
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temperature
turbine
cooling
temperature distribution
cooling air
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JP7249198A
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English (en)
Inventor
Tetsuhiko Kinoshita
哲彦 木下
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】温度勾配の少ない均一な状態でタービン高温部
品をより短時間に冷却する。 【解決手段】蒸気タービンの高圧タービン1に搭載され
た強制冷却装置TCは、高圧タービン1の車室1a内に
冷却空気CAを送入する複数の空気送入管53…53
と、この各空気送入管に個別に接続される複数の流量制
御弁52…52と、車室1aの温度を計測する複数の温
度計測器60…60と、この各温度計測器60…60に
よる計測信号に基づいて車室1a内の温度分布を演算
し、その温度分布に基づいて複数の流量制御弁52…5
2の開閉状態を操作する信号をその各流量制御弁52…
52に個別に供給する流量制御装置70とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、蒸気タービンの
強制冷却装置にかかり、とくに多重ケーシング構造の蒸
気タービンの車室内を安全かつ迅速に強制冷却するため
の空気送入管および空気排出管の配置構造とその流量制
御の工夫に関する。
【0002】
【従来の技術】蒸気タービン装置には、高圧タービン・
中圧タービン・低圧タービンの組み合わせでその全てを
同一軸に連結した構成、あるいはそれぞれ異なる軸に分
割して配置した構成、または高圧タービン・中圧タービ
ンの組み合わせでその両者を連結した構成、あるいは中
圧タービン・低圧タービンの組み合わせでその両者を連
結した構成等が知られている。
【0003】このような構成の蒸気タービン装置では、
一般に定期検査もしくは故障時にタービン車室を解放・
点検する必要がある。この際、装置を停止し、車室内の
高温部品が作業可能な温度まで低下するのを待ってから
分解作業が実施される。この装置停止の高温状態から作
業可能な温度に低下するまでの時間は、例えば2日ほど
要する。そこで従来、このようなタービンの点検の際に
タービン高温部品を冷却するための冷却装置が提案され
ている。
【0004】このような蒸気タービン冷却装置の一例を
挙げると、1)蒸気タービンの外部ケーシングおよびそ
の内部ケーシングの間の通路に相当する第1の冷却流路
と、通常の蒸気通路部に相当する第2の冷却流路とを利
用して冷却空気を導入(圧入)・排出する装置(例え
ば、特開平6−117204号公報参照)、2)高圧タ
ービンの排気管に設けられた安全弁から空気を吸出し、
これを主蒸気管から復水器に排出する装置(例えば、Fo
rced Cooling Operation on The LMG K-200-130Turbine
1976, Zwangabkuhlung von Turbine der 500MW Blocke
durch Ansangenvon Luft 1984)等がある。いずれの強
制冷却装置も、タービン高温部品の冷却時間を短縮化で
き、タービン点検作業効率の改善に寄与するといった利
点をもつ。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
蒸気タービン冷却装置では車室内で温度勾配が生じやす
く、これがタービン高温部品の熱歪や熱応力を増加させ
る要因になるといった問題があった。この問題は、特に
長期の運用を考慮に入れた場合にタービン本体にとって
決して望ましいものではない。
【0006】上記の温度勾配の発生要因としてはタービ
ン車室に対して空気の圧入方向あるいは吸出方向が固定
されていることが想定されるが、従来の強制冷却装置で
はこのような方向に発生する温度勾配の存在を意識した
具体的な構成は殆ど知られていない。
【0007】この発明は、このような従来の問題を改善
するものであり、温度勾配の少ない均一な状態でタービ
ン高温部品をより短時間に冷却することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者は、タービン内の温度勾配を少なくする条
件としてタービン車室に対する空気圧入管および排出管
の配置構造とその空気の流量の制御とに着目した。そし
て、これらの条件をいろいろと変えながらタービン内の
空気の流れを検討することにより、タービン内の温度勾
配を効果的に減らしてタービン高温部品をより均等に冷
却できる手段の知見を得た。
【0009】すなわち、この発明にかかる蒸気タービン
の強制冷却装置は、蒸気タービンの車室内を強制冷却す
る装置であって、車室内に冷却空気を送入する複数の空
気送入管と、車室内の温度分布を求める温度分布決定手
段と、この温度分布決定手段により決定された温度分布
に基づいて車室内の温度勾配を少なくするように複数の
空気送入管の流量を制御する流量制御手段とを備えたこ
とを特徴とする。
【0010】このように複数の冷却空気送入管を配置
し、それぞれの冷却空気の流量を車室の温度分布に基づ
いて制御する構成としたため、タービン高温部品を均等
に冷却することができる。
【0011】この発明の複数の空気送入管は、好ましく
は車室内の軸方向の異なる位置に均等に配置されるもの
とする。さらに好ましくは、複数の空気送入管は車室内
の軸方向の異なる位置でその周方向に沿って均等に配置
するものとする。より好ましくは、複数の冷却空気送入
管は車室内の軸方向及びそれに直交する方向の少なくと
も一方に沿って冷却空気を圧入する配管であるものとす
る。
【0012】このように蒸気タービン冷却用に空気圧入
方向または空気吸出方向がタービン回転軸に対して軸方
向または軸直角方向となる状態で複数の空気圧入口管ま
たは空気吸出管を配置し、それぞれの流量を車室の温度
分布に基づいて制御する手段を設ければ、タービン車室
に対して位置決めされた空気圧入口もしくは空気吸出口
をもつ複数の空気圧入管あるいは空気吸出管の流量を、
タービン外部車室の温度分布により調節することでター
ビン高温部品を均等に冷却することができる。
【0013】この発明の温度分布決定手段は、好ましく
は車室内の温度を計測する複数の温度計測器と、この複
数の温度計測器による計測信号に基づいて車室内の温度
分布を演算する演算手段とを備えるものとする。
【0014】この発明の流量制御手段は、好ましくは複
数の空気送入管に個別に接続される複数の流量制御弁
と、温度分布決定手段により求められた温度分布に基づ
いて複数の流量制御弁の開閉状態を操作する信号をその
複数の流量制御弁に個別に供給する手段とを備えるもの
とする。
【0015】この発明にかかる蒸気タービン強制冷却装
置は、蒸気タービンの車室内を強制冷却する装置であっ
て、車室内から空気を排出する複数の空気排出管と、車
室内の温度分布を求める温度分布決定手段と、この温度
分布決定手段により決定された温度分布に基づいて車室
内の温度勾配を少なくするように複数の空気排出管の流
量を制御する流量制御手段とを備えるものとする。
【0016】この発明の複数の冷却空気送入管は、好ま
しくは車室内の軸方向及びそれに直交する方向の少なく
とも一方に沿って空気を排出する配管であるものとす
る。
【0017】この発明にかかる蒸気タービン強制冷却方
法は、蒸気タービンの車室内を強制冷却する方法であっ
て、車室内の温度分布を求め、この温度分布に基づいて
車室内に送入すべき複数の冷却空気の流量を制御するも
のとする。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる蒸気ター
ビン強制冷却装置の実施の形態を図面を参照して説明す
る。
【0019】(第1の実施の形態)図1は、高圧タービ
ン1、中圧タービン2、および低圧タービン3を備えた
蒸気タービン装置を説明するものである。この蒸気ター
ビン装置は、ボイラ(図示しない)からの主蒸気ST1
を主蒸気管4、主蒸気止め弁5、蒸気加減弁6を介して
高圧タービン1に送ってその仕事を行わせると共に、そ
の排気蒸気ST2を高圧タービン排気管7、再熱器(図
示しない)、組合せ再熱弁8を介して中圧タービン2に
送ってその仕事を行わせ、さらにその排気蒸気ST3を
クロスオーバー管9を介して低圧タービン3に送ってそ
の仕事を行わせる。その後、低圧タービン3からの排気
蒸気ST4は復水器10で回収・復水される。この復水
器10の真空度は真空ポンプ11により維持される。
【0020】このような3つのタービン1…3を備えた
蒸気タービン装置において、この発明にかかる蒸気ター
ビン強制冷却装置TCが搭載されている。
【0021】図2及び図3は、高圧タービン1(図中の
符号1aは外部車室、符号1bは内部車室、符号1cは
高圧ロータをそれぞれ示す)の冷却空気管系統に適用し
た強制冷却装置TCを説明するものである。この図に示
す強制冷却装置TCは、冷却空気CAを図示しないフィ
ルタを介して高圧タービン1側に送る送風機20と、こ
の送風機20の圧縮作用にて昇温・昇圧された冷却空気
CAの温度を高圧タービン1の内部に過大な熱応力を発
生させない範囲で降下させる熱交換器30と、その熱交
換器30の出口側で分岐する第1および第2の冷却空気
管系統40、50とを備えている。
【0022】第1の冷却空気管系統40は、第1の冷却
空気止め弁41と、この止め弁41を介して接続される
第1の流量調節弁42とを備え、この調節弁42により
冷却空気CAの流量を調節し、これを高圧タービン蒸気
加減弁6の出口側の主蒸気管4を介して高圧タービン1
内に送る。
【0023】第2の冷却空気管系統50は、第2の冷却
空気止め弁51と、この止め弁51を介して分岐して接
続される第2の複数(図中の場合8個)の流量調節弁5
2…52と、この第2の各調節弁52…52に個別に接
続される複数本(図中の場合8本)の冷却空気導入管
(「冷却空気送入管」、「冷却空気圧入管」とも言う)
53…53とを備え、第2の調節弁52…52により個
別に冷却空気CAの流量を調節し、これを複数の冷却空
気導入管53…53を介して高圧タービン1内の外部車
室1aと内部車室1bとで形成される通路内に個別に送
り込む。
【0024】複数の冷却空気導入管53…53は、たと
えば図3および図4に示すようにタービン軸方向の異な
る2箇所(上流側1箇所と下流側1箇所)にそれぞれ周
方向に沿って所定間隔に均等に4箇所(上半側2箇所と
下半側2箇所)すなわち合計8箇所に配置されている。
この8本の空気圧入管53…53はそれぞれフランジ5
4…54により外部車室1aに穿孔された貫通孔55…
55を介して挿入固定されており、その車室1a内を臨
む先端部の空気噴出孔が、図5および図6に示すように
タービン回転軸方向AXとこれに直交する方向PXとに
沿ってそれぞれ同じ大きさで開けられている。
【0025】上記の強制冷却装置TCは、高圧タービン
1の外部車室1aおよび内部車室1bの軸方向とその周
方向とに沿ってそれぞれ均等に配置される複数本のメタ
ル温度検出用の温度検出器(熱電対など)60…60
と、この各検出器60…60により検出されるメタル温
度により外部車室1aおよび内部車室1bの温度分布を
求め、この温度分布に基づいて第1および第2の系統5
0、60における冷却空気CAの流量を制御する流量制
御装置70とを備えている。
【0026】流量制御装置70は、たとえばマイクロコ
ンピュータ及びその周辺機器を搭載してなり、データ処
理内容あるいはアルゴリズムに基づく処理ステップで分
類される機能上の各部として、図7に示すように各種の
信号を入力する信号入力部71と、この入力部71から
の信号に基づいて各種の流量調整弁操作信号を生成する
ためのデータ処理を行う第1〜第3の制御部72〜74
とを備えている。
【0027】信号入力部71は、各温度検出器60…6
0からの温度検出信号の内の高圧タービン上半メタル温
度検出信号T1を入力する入力部75、同じく高圧ター
ビン下半メタル温度検出信号T2を入力する入力部7
6、第1の制御部72からの強制冷却続行信号S3を入
力する入力部77、図示しないタービン高圧部伸び差検
出装置からの信号TTを入力する入力部78とで構成さ
れている。
【0028】第1の制御部72は、高圧タービン上半メ
タル温度検出信号入力部75からの信号T1と高圧ター
ビン下半メタル温度検出信号入力部76からの信号T2
とをそれぞれを予め設定された目標メタル温度と比較す
る比較部79と、この比較部79による比較結果により
目標値に到達したと判断される場合に強制冷却完了信号
S3を出力する出力部80aと、比較部79による比較
結果により未だ到達していないと判断される場合に強制
冷却続行信号S3を出力する出力部80bとを備え、こ
の各部79、80の処理により強制冷却の完了と続行と
を制御する。
【0029】第2の制御部73は、高圧タービン上半メ
タル温度検出信号入力部75からの信号T1、高圧ター
ビン下半メタル温度検出信号入力部76からの信号T
2、および第1の制御部72からの強制冷却続行信号S
3の全てを受けたときにその論理積を出力するAND回
路81を備えている。
【0030】また、この第2の制御部73は、このAN
D回路81の論理積信号を受けたときに上記2つの入力
部75、76からの信号に基づいてタービン軸方向とそ
の直角方向とでそれぞれの温度差を計算する計算部82
と、この計算部82による計算結果によりタービン軸方
向AXの温度差を判定する第1の判定部83と、同じく
計算部82による計算結果によりタービン軸直角方向P
Xの温度差を判定する第2の判定部84とを備えてい
る。
【0031】さらに、この第2の制御部73は、第1の
判定部83によりタービン上流側が高温である判定され
る場合にタービン上流側に接続される第2の4つの流量
調節弁52…52を開き、かつタービン下流側に接続さ
れる第2の4つの流量調節弁52…52を閉じるように
弁操作を制御する信号S1を出力すると共に、これとは
逆に第1の判定部83によりタービン下流側が高温であ
る判定される場合に上記とは逆の開閉動作を行うように
弁操作を制御する信号S1を出力する上流側弁制御信号
出力部85および下流側弁制御信号出力部86を備えて
いる。
【0032】加えて、この第2の制御部73は、第2の
判定部84によりタービン上半側が高温である判定され
る場合にタービン上半側に接続される第2の4つの流量
調節弁52…52を開き、かつタービン下半側に接続さ
れる第2の4つの流量調節弁52…52を閉じるように
弁操作を制御する信号S1を出力すると共に、これとは
逆に第2の判定部84によりタービン下半側が高温であ
る判定される場合に上記とは逆の開閉動作を行うように
弁操作を制御する信号S1を出力する上半側弁制御信号
出力部87および下半側弁制御信号出力部88を備えて
いる。
【0033】第3の制御部74は、第1の制御部72か
らの強制冷却続行信号S3と図示しないタービン伸び差
検出装置からの信号TTとの両方を受けたときに論理積
信号を出力するAND回路89と、このAND回路89
の論理積を受けたときに入力されたタービン高圧伸び差
信号と予め設定された値とを比較する比較部90と、こ
の比較部90による比較結果に基づいて第1の流量調節
弁42の開閉動作を操作するための制御信号S2を出力
する出力部91とを備えている。
【0034】ここで、この蒸気タービン強制冷却装置T
Cの動作を説明する。
【0035】まず、この蒸気タービン強制冷却装置TC
が高圧タービン1の強制冷却時に起動したとする。この
起動に際し、送風機20から熱交換器30を介して第1
および第2の冷却系統40、50を介して高圧タービン
1内に冷却空気CAが送り込まれる。この冷却空気CA
は、高圧タービン排気管7に接続された冷却空気排出用
弁100を開くことで冷却空気排出管101から排出さ
れる。
【0036】ここで、仮に高圧タービン1内で温度勾配
が生じた場合、その温度勾配が各温度検出器60…60
からの温度検出信号T1、T2を受ける流量制御装置7
0の前述の各部の処理にて認識され、そのタービン1内
の温度勾配を少なくするように上半側、下半側、上流
側、および下流側でそれぞれ対応する第2の流量調節弁
52…52の開閉状態が調節され、そこから冷却空気送
入管53…53を介してタービン1内に送入される冷却
空気CAの流量が制御される。
【0037】従って、この実施の形態によれば、タービ
ンの車室の温度分布により複数の冷却空気圧入管の流量
を制御したため、タービン高温部品を均等に冷却でき、
これにより熱歪や熱応力を有効に低減でき、この効果は
とくに長期の運用時に最大限に発揮させることができ
る。
【0038】なお、この実施の形態では送風機によって
昇圧された空気をタービン内に強制的に押し込むように
してあるが、この発明はこれに限定されるものではな
く、例えばタービン内部を負圧に保って空気を強制的に
冷却する場合には、送風機の代りに冷却空気排出口部を
真空ポンプあるいはエゼクタなどに接続する構成であっ
てもよい。
【0039】また、この実施の形態では蒸気タービン強
制冷却装置を高圧タービンに適用してあるが、この発明
は必ずしもこれに限定されるものではなく、中圧タービ
ン、低圧タービンにも適用可能である。
【0040】さらにまた、冷却空気圧入管の本数は8本
に限定されず、タービン軸方向及びその周方向に均等に
配置する構成であれば本数は問わない。
【0041】また、この実施の形態では、タービンの車
室の温度分布により冷却空気管系統の流量を制御する構
成としてあるが、この構成はそのまま空気排出管系統に
も適用できる。たとえば、空気排出管をタービン周方向
に均等に複数本設置し、それらに個別に流量調節弁を設
け、この調節弁の開閉状態を流量制御装置で制御するこ
とで上記効果と同様にタービン高温部品を均等に冷却で
きる。この場合、冷却空気送入管系統については従来構
成のままでもよいが、効果をより高めるためには上記構
成と併用するのが最もよい。
【0042】(第2の実施の形態)図8〜図10に示す
蒸気タービン強制冷却装置TCは、前述の構成に加え、
複数の冷却空気圧入管53…53をその空気圧入方向を
タービン回転軸方向AXに向いたもの、すなわち第1の
冷却空気圧入管530と、タービン回転軸AXに対して
直交する方向PXに向いたもの、すなわち第2の冷却空
気圧入管531とに個別に設け、これらを周方向に均等
に配置したものである。すなわち、第1の冷却空気圧入
管530からの冷却空気はタービン回転軸AXと直交す
る方向PXに圧入され、第2の冷却空気圧入管531は
タービン回転軸方向AXに空気が圧入される。
【0043】この装置において、タービン軸方向AXの
温度勾配が厳しい場合には、第2の冷却空気圧入管53
1側の流量調節弁52を開き、タービン回転軸方向AX
の流量を増加するように流量制御装置70で制御すれば
タービン軸方向AXの温度勾配を減らすことが可能とな
る。また、タービン回転軸AXと直交する方向PXの温
度勾配が厳しい場合には、第2の冷却空気圧入管530
側の流量調節弁52を開き、軸直交方向PXの流量を増
加するように流量制御装置70で制御すれば軸軸方向P
Xの温度勾配を減らすことが可能となる。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、タービンの強制冷却時にタービン車室内を均等に冷
却でき、車室に発生する熱歪および熱応力を低減するこ
とが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態にかかる蒸気タービン強制冷
却装置を搭載した蒸気タービン装置の概要図。
【図2】第1の実施の形態にかかる蒸気タービン強制冷
却装置の冷却空気管系統を示す全体構成図。
【図3】高圧タービンに適用した蒸気タービン強制冷却
装置を説明する概略断面図。
【図4】図3中のZ−Z線に沿った概略断面図。
【図5】図4中のX部の詳細を説明する部分断面図。
【図6】図5中のW−W線に沿って車室内壁側をみた概
略矢視図。
【図7】流量制御装置の各部を説明する概略ブロック
図。
【図8】第2の実施の形態にかかる蒸気タービン強制冷
却装置の冷却空気送入管の配置を説明する概略断面図。
【図9】図8中のX1−X1線に沿って車室内壁側をみ
た概略矢視図。
【図10】図8中のX2−X2線に沿って車室内壁側を
みた概略矢視図。
【符号の説明】
1 高圧タービン 1a 外部車室 1b 内部車室 2 中圧タービン 3 低圧タービン 4 主蒸気管 5 主蒸気止め弁 6 蒸気加減弁 7 高圧タービン排気管 8 組み合せ再熱弁 9 クロスオーバー管 10 復水管 11 真空ポンプ 20 送風機 30 熱交換器 40 第1の冷却空気管系統 41 第1の冷却空気止め弁 42 第1の流量調節弁 50 第2の冷却空気管系統 51 第2の冷却空気止め弁 52 第2の流量調節弁 53 冷却空気導入管 54 フランジ 55 貫通孔 60 温度検出器 70 流量制御装置 71 信号入力部 72 第1の制御部 73 第2の制御部 74 第3の制御部 75 高圧タービン上半メタル温度検出信号入力部 76 高圧タービン下半メタル温度検出信号入力部 77 強制冷却続行信号入力部 78 タービン高圧部伸び差検出信号入力部 79 比較部 80a、80b 出力部 81 AND回路 82 計算部 83 第1の判定部 84 第2の判定部 85 上流側弁制御信号出力部 86 下流側弁制御信号出力部 87 上半側弁制御信号出力部 88 下半側弁制御信号出力部 89 AND回路 90 比較部 91 第1の流量調節弁制御信号出力部 100 冷却空気排出用弁 101 冷却空気排出管

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 蒸気タービンの車室内を強制冷却する装
    置であって、前記車室内に冷却空気を送入する複数の空
    気送入管と、前記車室内の温度分布を求める温度分布決
    定手段と、この温度分布決定手段により決定された温度
    分布に基づいて前記車室内の温度勾配を少なくするよう
    に前記複数の空気送入管の流量を制御する流量制御手段
    とを備えたことを特徴とする蒸気タービンの強制冷却装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の発明において、前記複数
    の空気送入管は、前記車室内の軸方向の異なる位置に均
    等に配置されたことを特徴とする蒸気タービンの強制冷
    却装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の発明において、前記複数
    の空気送入管は、前記車室内の軸方向の異なる位置でそ
    の周方向に沿って均等に配置されたことを特徴とする蒸
    気タービンの強制冷却装置。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1項記載の発
    明において、前記複数の冷却空気送入管は、前記車室内
    の軸方向及びそれに直交する方向の少なくとも一方に沿
    って冷却空気を圧入する配管であることを特徴とする蒸
    気タービンの強制冷却装置。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の
    発明において、前記温度分布決定手段は、前記車室内の
    温度を計測する複数の温度計測器と、この複数の温度計
    測器による計測信号に基づいて前記車室内の温度分布を
    演算する演算手段とを備えたことを特徴とする蒸気ター
    ビンの強制冷却装置。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の
    発明において、前記流量制御手段は、前記複数の空気送
    入管に個別に接続される複数の流量制御弁と、前記温度
    分布決定手段により求められた温度分布に基づいて前記
    複数の流量制御弁の開閉状態を操作する信号をその複数
    の流量制御弁に個別に出力する手段とを備えたことを特
    徴とする蒸気タービンの強制冷却装置。
  7. 【請求項7】 蒸気タービンの車室内を強制冷却する装
    置であって、前記車室内から空気を排出する複数の空気
    排出管と、前記車室内の温度分布を求める温度分布決定
    手段と、この温度分布決定手段により決定された温度分
    布に基づいて前記車室内の温度勾配を少なくするように
    前記複数の空気排出管の流量を制御する流量制御手段と
    を備えたことを特徴とする蒸気タービンの強制冷却装
    置。
  8. 【請求項8】 請求項7記載の発明において、前記複数
    の冷却空気送入管は、前記車室内の軸方向及びそれに直
    交する方向の少なくとも一方に沿って空気を排出する配
    管であることを特徴とする蒸気タービンの強制冷却装
    置。
  9. 【請求項9】 蒸気タービンの車室内を強制冷却する方
    法であって、前記車室内の温度分布を求め、この温度分
    布に基づいて前記車室内に送入すべき複数の冷却空気の
    流量を制御することを特徴とする蒸気タービン強制冷却
    方法。
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