JPS60159310A - 蒸気タ−ビンの二重ケ−シングの熱応力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、蒸気タービンの二重ケーシングの熱応力制御
装置に係シ、特に高温、高圧の蒸気タービンで、かつ内
、外ケーシングを備えた二重ケーシングの蒸気タービン
でおって、しかも起動、停止を頻繁に行う蒸気タービン
に好適な蒸気タービンの二重クーシングの熱応力制御装
置に関する。

〔発明の背景〕

従来の蒸気タービンでは、主蒸気温度５３８　Ｇ。

圧力２４６　Ｂｔｇが最高で、これ以上の超高温、高圧
の蒸気タービンは比較的小規模なものが実線的に二、三
試みられているだけである。高温、高圧化をはばむ要因
の一つに、構造材料の耐熱性に限界がある点があげられ
る。従来の蒸気タービンの主要な耐熱材料は、少量のＣ
ｒ、ＭＯ等を合金元素としたフェライト系低合金鋼であ
シ、その使用限界温度は５９３Ｃであるとされている。

しかるに、近年のエネルギー事情が引き金となって、蒸
気条件を６４９Ｃ，３５２ａｔｇまで高温、高圧化する
ことによシ、蒸気タービンの熱効率を抜本的に改善しよ
うとする試みが進められている。

前述したように、５９３Ｃ以上では従来のごときフェラ
イト系耐熱鋼は使用できず、これに代わるものとして多
量のＮｉおよびＣｒ等を合金元素としたオーステナイト
系耐熱鋼の使用が検討されている。この種の材料は、高
温機器の構造材料とし、て原子力機器、化学装置等に幅
広く使用され、十分な実績を有するものであるが、これ
を超高温。

高圧蒸気タービンの構造材料として使用する場合は、次
の点が問題となる。

周知のように、オーステナイト系耐熱鋼は例えば８Ｕ８
３１６を採れば、その熱伝導率は１５ＫＣａｌ／ｍｈＣ
程度、熱膨張率は１７Ｘ１０−’　ｔ／Ｃ程度ト鋼の３
５ＫＣａｌ／ｍｈＣ程度、ｔａｘｚｏ−’　１／ｃ程度
の値と比較すると、熱伝導率が小さく熱膨張率の大きい
材料である。

一方、蒸気タービンは他の高温機器に比較して超高圧で
あるため、その構造部材はオーステナイト系耐熱鋼とし
ては、これまでに類を見ない厚肉構造となる。また、電
力需給事情から火力用蒸気タービンはピーク電力用とし
て、毎日１回ないし２回の起動、停止あるいは負荷変動
を受ける。

以上のように、材料の特性と蒸気タービンの特性とから
、超高温、高圧蒸気タービンでは起動。

停止あるいは負荷変動に伴う各部の熱応力が従来の蒸気
タービンに比較して、著しく大きくなることは容易に類
推できる。したがって、超高温、高圧蒸気タービンを実
現するためには、熱応力の制御、特に熱応力の抑制が重
要な課題となる。

従来、蒸気タービンの熱応力を制御する方法として、蒸
気温度を測定し、その値からタービンロータの表面温度
およびロータ中心孔の温度を推定してロータ表面および
中心孔の熱応力を計算し、熱応力の値が許容値以内にな
るように、蒸気温度および圧力の変化率を制御する方法
が知られている。また、ボイラの熱応力に関しては、蒸
気温度を測定し、その値から将来の蒸気温度を予測して
熱応力を計算し、熱応力が許容値内に納まる最大の温度
上昇率となるように蒸気温度を制御する試みも行われて
いる 以上のような従来の技術は、若干の修正を加えれば、そ
の基本的考え方はそのまま超高温、高圧蒸気タービンの
熱応力制御にも適用可能と思われる。しかし、前述の従
来技術はいずれも熱応力が許容値以内に納まるように、
蒸気の温度および圧力の変化率を制御するものである。

したがって、オーステナイト系耐熱鋼を使用する超高温
、高圧蒸気タービンでは熱応力を許容値以内に抑制しよ
うとすると、蒸気温度、圧力の変化率を著しく小さくし
なければならず、起動、停止や負荷変動の所要時間が長
くなるという問題が生じる。

第１図は超高温、高圧蒸気タービンの蒸気入口管の起動
時の熱応力変化をフェライト系耐熱鋼とオーステナイト
系耐熱鋼について比較したものである。熱応力の繰シ返
しに対する強度は、オーステナイト系耐熱鋼の方が７エ
ライト系耐熱鋼よシも若干優れているが、せいぜい１０
〜２０％上まわる程度である。したがって、従来の蒸気
タービンと同様の熱応力制御方法を超高温、高圧蒸気タ
ービンに適用するならば、第１図から明らかなように、
起動時間を５〜１０倍に伸ばさなければならない。

ところで、内ケーシングと外ケーシングとを備えた二重
ケーシングの蒸気タービンでは、一般にボイラから送ら
れる主蒸気は最初に内ケーシングに流入し、タービン各
段で仕事をし、温度、圧力の低下した排気蒸気は次のタ
ービンに送られる。

この排気蒸気の一部は冷却蒸気として外ケーシングと内
ケーシングの間の空間を通って、外ケーシングに設けら
れた貫通孔から外部配管に導かれるようになっている。

これは、主蒸気よシも温度の低い排気蒸気によって、内
ケーシングの外面と外ケーシングの内面の温度が主蒸気
温度近くまで上昇するのを防止するために行われている
。冷却蒸気は、そのエネルギーが蒸気タービンの仕事に
変換されないため、熱効率の点からはできる限シ少ない
量とすることが望ましい。

前記のごとき二重ケーシングの蒸気タービンにおいて、
起動、停止あるいは負荷変動などの過渡運転時には、主
蒸気の流入する内ケーシングの内面の温度変化率が最も
大きく、ついで冷却蒸気の流路に面した内ケーシングの
外面と、外ケーシングの内面の温度変化率が大きく、外
ケーシングの外面は通常保温材で断熱されるため、最も
温度変化率が小さい。したがって、内ケーシング、外ケ
ーシングとも、内面から外面に向かう温度勾配が大きく
なり、高い熱応力が発生することになる。

このように、過渡運転時の熱応力の発生メカニズムを分
析すると、過渡運転時においては内ケーシングの外面の
温度変化率を積極的に大きくし、外ケーシングの外面の
温度変化率は逆に小さくしてやることによって、両ケー
ジ／グの肉厚方向の温度勾配を緩和させることができ、
その結果過渡運転時の熱応力を軽減できることが理解さ
れる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、内、外ケーシングを備えた二重ケーシ
ングの蒸気タービンで、かつ高温、高圧蒸気タービンで
あって、しかも起動、停止を頻繁に行う蒸気タービンで
あっても、内、外ケーシングの熱応力を確実に抑制し得
る蒸気タービンの二重ケーシングの熱応力制御装置を提
供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、内ケーシングと外ケーシング間の空間部を区
画壁によシ、内ケーシングの外面に沿って主蒸気の一部
を流通させ得る第１の蒸気流路と、外ケーシングの内面
に沿って冷却蒸気を流通させ得る第２の蒸気流路とに区
画したこと、前記第１゜第２の蒸気流路にそれぞれ開閉
装置を設けたこと、蒸気タービンの過渡運転時には第１
の蒸気流路の開閉装置を開きかつ第２の蒸気流路の開閉
装置を閉じ、蒸気タービンの定常運転時には第１の蒸気
流路の開閉装置を閉じかつ第２の蒸気流路の開閉装置を
開くように構成したことに特徴を有するもので、この構
成によシ前記目的を確実に達成することができたもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図、第３図によシ説明す
る。

第２図は本発明の第１の実施例を示すもので、蒸気ター
ビンは内ケーシングｌと、外ケーシング２と、主蒸気管
３と、主蒸気入口管４と、ノズル箱５と、ノズル６ａ〜
６ｅと、ロータ７と、内ケーシング１に設けられた抽気
孔１１と、この抽気孔１１から内ケーシング１の外側に
向かって設けられた複数個の吹き出し孔１２と、外ケー
シング２に設けられた排気孔１３等を備えている。前記
内ケーシング１と、外ケーシング２とによｐに二重ケー
シングが構成されている。前記ロータ７は、ロータ軸８
と、これに設けられたディスク９ａ〜９ｅと、各ディス
ク９ａ〜９ｂに設けられかつ当該ノズル６８〜６ｅに対
応させて配置された羽根１０ａ〜１０ｅとを有して構成
されている。そして、前記ロータ７は前記内ケーシング
１と外ケーシング２とからなる二重ケーシングの中に保
持されている。

一方、二重ケーシングの熱応力制御装置は、内ケーシン
グ１と外ケーシング２間の空間部を区画壁１４により区
画することによって形成された第１、第２の蒸気流路１
５．１６と、前記吹き出し孔１２に設けられた開閉装置
１７と、外ケーシング２と主蒸気管３との接続部付近に
、円周方向に間隔をおいて設けられた複数個の蒸気出口
孔１９と、外ケーシング２に設けられた蒸気出口孔２０
と、前記各蒸気出口孔１９．２０の近傍に設けられた開
閉装置２１．２２とを有している。前記第１の蒸気流路
１５は、内ケーシング１の外面に沿って主蒸気の一部と
しての抽気蒸気２４を流通させ得るように形成されてお
シ、この第１の蒸気流路１５には軸方向にら旋状の旋回
羽根１８が設けられている。前記第２の蒸気流路１６は
、外ケーシング２の内面に沿って排気蒸気２５の一部を
冷却蒸気２６として流通させ得るように形成されている
。前記吹き出し孔１２に設けられた開閉装置１７は、圧
力上昇時には定常運転時の蒸気圧力より僅かに低い圧力
Ｐ１で閉じ、圧力降下時には部分負荷運転時の蒸気圧力
より僅かに高い圧力Ｐ。

で開くように構成されている。前記蒸気出口孔１９．２
０の近傍に設けられた開閉装置２１゜２２は、圧力上昇
時には定常運転時の蒸気圧力よシ僅かに低い圧力Ｐ３で
開き、圧力降下時には部分負荷運転時の蒸気圧力より僅
かに高い圧力Ｐ４で閉じるように構成されている。また
、前記蒸気出口孔１９．２０はそれぞれ外部配管（図示
せず）に接続されている。

前記第１の実施例の蒸気タービンおよび二重ケーシング
の熱応力制御装置は、次のように作用する。

すなわち、ボイラ（図示せず）から供給された主蒸気２
３は、主蒸気管３→主蒸気入ロ管４→ノズル箱５に流れ
、ノズル６ａ〜６ｅとロータ７の羽根１０ａ−１０６を
交互に通過し、前記主蒸気２３の熱エネルギーが回転エ
ネルギーに変換され、ロータ７を回転させ、仕事をする
。

仕事をした後の温度、圧力の低下した排気蒸気２５は、
外ケーシング２に設けられた排気孔１３を経て次の蒸気
タービン（図示せず）に送られる。

そして、蒸気タービンの起ＮＪＪ時における過渡運転時
には熱応力制御装置は、次のように作用する。

つ−！り、二重ケーシングの内部圧力が定常運転時の圧
力に達するまでは、吹き出し孔１２に設けられた開閉装
置１７が開き褥気出口孔１９．２０に設けられた開閉装
置２１．２２が閉じている。

したがって、主蒸気の一部としての抽気蒸気２４が抽気
孔１１→吹き出し孔１２→開閉装置１７を経て第１の蒸
気流路１５に流れ、ここで旋回羽根１８により内ケーシ
ング１の外面全体に均一に流れるように配分され、内ケ
ーシング１の外面に沿って第１の蒸気流路１５から外ケ
ーシング２に設けられた蒸気出口孔１９．２０を経て外
部配管に流入する。その結果、内ケーシング１の外面の
温度上昇率が大きくなるため、内ケーシング１の肉厚方
向の直置勾配が緩和され、熱応力が抑制される。

一方、蒸気出口孔１９．２０の近傍に設けられ開閉装置
２１．２２が閉じているので、第２の蒸気流路１６に冷
却蒸気２６は流れないため、外ケーシング２は区画壁１
４からの輻射によって加熱されるだけ（な９、外ケージ
ジグ２の温度上昇率が小さくなる。したがって、外ケー
シング２の肉厚方向の温度勾配が緩和され、熱応力が抑
制される。

ついで、定常運転状態に移行した時は、吹き出し孔１２
に設けられた開閉装置１７が閉じ、蒸気出口孔１９．２
０の近傍に設けられた開閉装置２１．２２が開かれる。

これにより、排気蒸気２５の一部が冷却蒸気２６として
第２の蒸気流路１６に入り、この冷却蒸気２６は外ケー
シング２の内面に沿って流れ、開閉装置ｔ２１，２２か
ら蒸気出口孔１９．２０を雌て外部配管に流れる。その
間、外ケーシング２の内面は前述の輻射によって加熱さ
れておシ、シたがって冷却蒸気２６による温度上昇率は
小さくなるので、外ケーシング２の肉厚方向の温度勾配
が緩和され、熱応力が抑制される。

この定常運転時には、吹き出し孔１２に設けられた開閉
装置１７は閉じられるので、第１の蒸気流路１５には抽
気蒸気２４が流れない。

さらに、定常運転状態から停止または部分負荷運転に移
行した場合には、前述の起動時と同様に作用する。した
がって、この場合にも内ケーシング１の熱応力が抑制さ
れる。

また、この第１の実施例では圧力によって開閉装置１７
，２１．２２を開閉するようにしているので、特別な開
閉手段を設けることな〈実施することができる。

なお、この第１の実施例において、外ケーシング２の内
面側にも旋回羽根１８と同じような旋回羽根を取シ付け
てもよい。

次に、第３図は本発明の第２の実施例を示すもので、こ
の実施例の二重ケーシングの熱応力制御装置は、主蒸気
入口配管３′と、主蒸気管３に設けられかつ第１の蒸気
流路１５に通じる蒸気入口孔３１と、主蒸気管３に設け
られかつ第２の蒸気流路１６に通じる蒸気出口孔３２と
、外ケーシング２に設けられかつ第２の蒸気流路１６に
通じる蒸気出口孔３２′と前記主蒸気入口配管２６と蒸
気入口孔３１とに接続されたバイパス管２７と、このバ
イパス管ｚ７に設けられた流量制御弁２８と温度制御装
ｒｌｔ、２９と圧力制御装置３０と、前記蒸気出口孔３
２．３２’と外部配管３４とを結ぶ蒸気出口配管３３．
３３’と、外部配管３４に設けられた流量制御弁３５と
を備えている。そして、前記流量制御弁２８．３５は第
１．第２の蒸気流路１５．１６の開閉装置を構成してい
る。

なお、この第２の実施例の他の構成については前記第１
の実施例と同様である。

この第２の実施例の二重ケーシングの熱応力制御装置は
、次のように作用する。

つま夛、蒸気タービンの起動時には、バイパス管２７に
設けられた流量制御弁２８を開け、外部配管３４に設け
られた流量制御弁３５を絞る。これによｐ１主蒸気配管
３′から主蒸気２３の一部がバイパス管２７に分岐され
、その蒸気３６は蒸気入口孔３１を通って第１の蒸気流
路１５に流入し、内ケーシング１の外面に沿って流れ、
蒸気タービンで仕事をした後の排気蒸気２５と合流し、
排気孔１３に流れる。その際、バイパス管２７から蒸気
入口孔３１に入る蒸気３６の温度は温度制御装置２９に
よυ主蒸気２３の温度と排気蒸気２５の温度のほぼ平均
温度程度に制御され、前記蒸気３６の圧力は排気蒸気２
５の圧力よりも僅かに高い圧力に制御される。また、前
述のごとく、外部配管３４に設けられた流量制御弁３５
が絞られているので、第２の蒸気流路１６には冷却蒸気
３７は流れない。その結果、前記第１の蒸気流路１５に
流入しかつ内ケーシング１の外面に沿って流れる蒸気３
６に＝９、内ケージング１の外面の温度上昇率が大きく
なり、シたがって内ケーシング１の肉厚方向の温度勾配
が緩和され、熱応力が抑制される。

一方、第２の蒸気流路１６には冷却蒸気３７が流れない
ため、外ケーシング２の内面は区画壁１４０輻射によっ
て加熱されるだけにな９、外ケーシング２の内面の温度
上昇率は小さくなる。したがって、外ケーシング２の肉
厚方向の温度勾配も緩和され、熱応力が抑制される。

起動時の過渡運転状態が終わって、定常運転に入った時
は、流量制御弁２８を絞シ、流量制御弁３５を開ける。

これＫよυ、第１の蒸気流路１５を流れる蒸気３６の流
量がなくなるが、それまでの間に内ケーシング１の外面
の温度は十分上昇しているので、内ケーシング１の内厚
方向の温度勾配が緩和され、熱応力が抑制される。

一方、冷却蒸気３７が外ケーシング２の内面に沿って流
れるが、それまでの間に区画壁１４からの輻射によって
外ケーシング２の内面の温度は徐徐に上昇しているので
、冷却蒸気３７による温度上昇率は小さく、シたがって
外ケーシング２の肉厚方向の温度勾配が緩和され、熱応
力が抑制される。

次に、定常運転状態から停止または部分負荷運転に移行
する場合には、前述の起動時と同様、流量制御弁２８を
開き、流量制御弁３５を絞る。これにより、内ケーシン
グ１の外面の温度降下率が大きくなり、この内ケーシン
グ１の肉厚方向の温度勾配が緩和されるので、熱応力が
抑制される。

この停止時または部分負荷への移行時に、外ケーシング
２の内面の温度降下率が小さくなり、外ケーシング２の
肉厚方向の温度勾配が緩和され、熱応力が抑制される。

また、この第２の実施例では流量制御弁２８゜３５と、
温度制御装置２９と、圧力制御装置３０とを備えている
ので、内ケーシング１の外面と外ケーシング２の内面に
沿って流れる蒸気の流量。

温度、圧力をそれぞれ積極的に制御することができるの
で、熱応力のきめ細かい制御が可能である。

なお、この第２の実施例の他の作用については、前記第
１の実施例と同様でめる。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、二重ケーシングの内ケー
シングと外ケーシング間の空間部を区画壁によシ、内ケ
ーシングの外面に沿って主蒸気の一部を流通させ得る第
１の蒸気流路と、外ケーシングの内面に沿って冷却蒸気
を流通させ得る第２の蒸気流路とに区画し、前記第１．
第２の蒸気流路にそれぞれ開閉装置を設けるとともに、
蒸気タービンの過渡運転時には第１の蒸気流路の開閉装
置を閉じ、蒸気タービンの定常運転時には第１の蒸気流
路の開閉装置を閉じかつ第２の蒸気流路の開閉装置を開
くように構成したことによシ、内。

外ケーシングを備えた二重ケーシングの蒸気タービンで
、かつ高温、高圧の蒸気タービンでおって、しかも起動
、停止を頻繁に行う蒸気タービンでおっても、各運転状
態における内、外ケーシングの肉厚方向の温度勾配を緩
和することができるので、熱応力を確実に抑制し得る効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は超高温、高圧蒸気タービンの蒸気入口管をフェ
ライト系耐熱鋼とオーステナイト系耐熱鋼で作った場合
の過渡運転時の熱応力変化を示す図、第２図は本発明の
第１の実施例を示す一部縦断面図、第３図は本発明の第
２の、実施例を示す一部縦断面図である。 ｌ・・・内ケーシング、２・・・外ケーシング、３・・
・主蒸気管、７・・・ロータ、１１・・・抽気孔、１２
・・・吹き出し孔、１３・・・排気孔、１４・・・内、
外ケーシング間の空間部の区画壁、１７・・・開閉装置
、１８・・・旋回羽根、１９．２０・・・蒸気出口孔、
２１．２２・・・開閉装置、２３・・・主蒸気、２４・
・・主蒸気の一部としての抽気蒸気、２５・・・排気蒸
気、２６・・・冷却蒸気、３′・・・主蒸気配管、２７
・・・バイパス管、２８゜３５・・・開閉装置としての
流量制御弁、３１・・・蒸気流入孔、３２．３２’・・
・蒸気出口孔、３３．３３’・・・蒸気出口配管、３４
・・・外部配管、３６・・・主蒸気の一部、３７・・・
冷却蒸気。 代理人　弁理士　秋本正実 高１図 弔２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内ケーシングと外ケーシングとを備えた蒸気タービ
   ンの二重ケーシングにおいて、前記内ケーシングと外ケ
   ー７／グ間の空間部を区画壁により、内ケーシングの外
   面に沿って主蒸気の一部を流通させ得る第１の蒸気流路
   と、外ケーシングの内面に沿って冷却蒸気を流通させ得
   る第２の蒸気流路とに区画し、前記第１．第２の蒸気流
   路にそれぞれ開閉装置を設けるとともに、蒸気タービン
   の過渡運転時には第１の蒸気流路の開閉装置を開きかつ
   第２の蒸気流路の開閉装置を閉じ、蒸気タービンの定常
   運転時には第１の蒸気流路の開閉装置を閉じかつ第２の
   蒸気流路の開閉装置を開くように構成したことを特徴と
   する蒸気タービンの二重ケーシングの熱応力制御装置。 λ　前記第１．第２の蒸気流路の開閉装置は、蒸気圧力
   によシ開閉するように構成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の蒸気タービンの二重ケーシ
   ングの熱応力制御装置。 ＆　前記第１．第２の蒸気流路は、旋回羽根を有してい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の蒸気タ
   ービンの二重ケーシングの熱応力制御装置。