JPS611809A - 蒸気タ−ビンのケ−シング - 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、高温蒸気によるケーシングの熱応力を低減し
得る蒸気タービンのケーシングに関する。

〔発明の背景〕

一般に、高温高圧蒸気にさらされる蒸気タービンのケー
シングは、上下ケーシングを相互に締着するための厚肉
の水平継手フランジを有する。また、最近、高効率発電
プラントの達成のためボイラよシの蒸気圧力、温度を高
くして熱落差を大きくする方向にあり、タービンケーシ
ングのシェル肉厚も増大する傾向にある。よって、材料
による熱伝導度を一定とすると肉厚増加によりケーシン
グ内外の温度差が木、きくなり過大熱応力が発生す　、
。

る。また、従来よりも高温となるため、ケーシング内外
の温度差は更に太きくなる。

蒸気タービンの起動時は流量が少ないためノズルボック
スの全周を・数分割した１部分から蒸気が噴出し、初段
翼を流過し次段落へと流れる。高温高圧の蒸気は動翼に
回転エネルギを伝達させるため段落ごとに温度、圧力共
に低下するが、タービンの起動停止時には主蒸気入口及
び初段近傍で最も大きな温度変化が生じる。

第１５図（ａ）は従来タービンの初段後の内部ケーシン
グにおける温度、熱応力を従来タービンの起動時におけ
る蒸気併入後の等温度分布を初段後の内部ケーシングに
ついて示したもので、ケーシングシェル及びフランジの
肉厚が大であるため、高温蒸気が流入した際、ケーシン
グ内側のみ温度差が大きくなり等温線が密になる。この
温度差による熱応力分布は、同図（ｂ）に示すように等
応力線は温度勾配の急なケーシング内側に集中している
。

これをタービン起動時間との関係で示すと第１６図とな
る。同図は主、平気流量ｆが増カルた場合のタービン第
１段後の蒸気温度θ１、タービンケーシング内壁及び外
壁温度θｉ、θ。変化であり、それによるケーシング内
外及び外壁の熱応力はσ魚σ。のように変化する。すな
わち、ケーシングの内壁および外壁の熱応力σｉ、σ。

は蒸気流量の変化によって大きく変化する。この熱応力
の最大値を熱疲労及び亀裂進展なとにより考慮された許
容値以内に収まるよう運転制御する方法は、特開昭５０
−１４３９０６で知られているが、この方法では、負荷
変化時間を長くする必要がありタービンの起動時間を短
かくできない。一方、ケーシングの内周側へ主蒸気の流
路と平行な遮へい板で空間を形成し、この空間内停留蒸
気によりケーシングの急激な温度上昇を防ぎ、もって熱
応力を抑制することが、特開５３−１２５５０４て知ら
れている。しかし、この方法では、停留蒸気の温度が上
昇するため十分な効果が得られないという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は、タービンの負荷が急速に変化してもケーシン
グに発生する熱応力を強制的に低減可能　　４な蒸気タ
ービンのケーシングを提供する。

〔・発明の概要〕

本発明によれば上記の目的は、ケーシング内局面側に設
けた空間へ主蒸気と異なる圧力、温度条件の別流体を流
入させる手段と、この別流体を流出させる開口部を備゛
え九ケーシングで達成される。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面をもとに説明する。

第１図は、蒸気タービンの主蒸気入口部付近の断面図で
ある。ロータ１に植込まれた動翼２のまわりに内部ケー
シング３及び外部ケーシング４が主蒸気５を外部へ漏洩
させないように配置しである。

また主蒸気５はノズルボックス６を通シ、動翼２に回転
エネルギに伝達し、後流の仕切板７及びノズル８を通っ
て次の段落の動翼へと流れる。

主蒸気５とは別に流入蒸気１９は別に配管２０を通り外
部ケーシング４内に入る。次に内部ケーシング３へは外
部とはよくシールされた連絡管２１を介し、内部ゲージ
ング内へ通ずる導入孔−２２を通って、空間２３へ入る
。空間２３は第１段後の内部ケーシング内周面側に設け
た分離板２４によシ主蒸気側と分離するよう形成される
。

この部分の詳細図を、第２図に示す。空間２３へ流入し
た流入蒸気１９は、分離板２４に沿って後流側へ流れ、
分離板２４に適切にあけられた噴出孔２５より主蒸気５
へ混入する。

空間２３及び噴出孔２５の位置については、上述した第
２図に示す実施例に限定されない。すなわち、第３図は
第２図で説明した分離板２４の代わシに断面４辺形の小
部屋を設けた例であり、流入蒸気１９は部屋２６から部
屋２７へと連絡されており、適当に開けられた噴出孔よ
り主流へ噴出する構造である。

第４図は、また分離板や、小部屋の代わりに耐圧性にす
ぐれた管２８をケーシング内側に配置し、主流蒸気を直
接ケーシングに接触させない構造としたものである。こ
の管２８は、タービンロータ軸方向又は円周方向に沿っ
て配置させたものである。

以上説明した、分離板２４、部屋の仕切、管２８などは
ケーシング内側に直接、溶接、ボルト締め、インローな
どて取りつけられる。

次に流入蒸気の導入法及びその制御方法について説明す
る。

第５図はそのシステムを示す。同図中２９は高圧タービ
ンであり　３０は中圧タービンを示す。

ここでは高圧タービンに適用した例について説明する。

ボイラからの主蒸気５は主蒸気止め弁３２及び加減弁３
３を通って高圧タービン２９に流入し、後流へ排出され
る。ケーシング内側への流入蒸気１９は、主蒸気系統か
ら一部分枝した蒸気４０を用い、これを制御弁４１及び
温度、圧力制御器３４を通すことによって作る。流入蒸
気１９は流量調整弁３５を介してケーシング内側へ流入
される。

ケーシング内外及び初段後の蒸気の温度はそれぞれ温度
計９，１０及び３６で検出し、熱伝達計算機３７へ取り
込む。ここでケーシング内面の熱伝達率を演算し、ケー
シングの熱応力演算機３Ｂへ出力を送る。熱応力演算機
３８ではケーシング断面モデルのシト定常な熱応力を演
幻すＳ。

演算された熱応力が、所定値以下となるよう流入蒸気１
９の蒸気条件すなわち流量、温度圧力を変える必要があ
るが、この実施例では温度、圧力は温度圧力制御器３４
て制御し、流量は制御器３９の出力信号で制御弁４１、
流量調整弁３５を操作することによ多制御する。例えば
、タービン起動時のようにケーシング冷機状態に高温主
蒸気が急激に流入する場合、演算された熱応力値は、大
きくなるので制御器３９では、温度、圧力制御器３４で
温度を下げられた多量の流入蒸気１９を流しつるような
信号が発生されるようになっている。これによリケーシ
ング内面は冷却され、ケーシング内面における過大な圧
縮応力が防止される。

次に前記熱伝達率αを引算する熱伝達率計算装置３７の
詳細について説明する。熱伝達率αは、検出された初段
後の蒸気の温度θ３、ケーシング内壁温度θ＄、ケーシ
ング外壁温度θ。及び予め入力設定されたケーシングの
熱伝導率λ、ケーシング厚みｄ１計算上必要なケーシン
グ厚さ方向等分ｎから求められる。

第６図は熱伝達率計算装置３７の処理の具体的例を示し
たもので加算器２０１．２０２でそれぞれ求められた（
θ髪−θ。）、（θ、−θＩ）は、割算器２０３に入力
され、割算器の出力（θ１−θ、）／（θ、−〇Ｉ）に
係数λｎ／ｄ（ｎ−１）が係数器２０６で掛けられ、伝
達率αが求められる。

ケーシング熱応力計算装置３８では、まずケーシングの
内外壁温度θ量、θ。及び熱伝達率０に基づいてケーシ
ング内の温度θｊが求められ、更に次式に基づいてケー
シング内面の熱応力σｌが求められる。

ここで、θ、＝Σ　θｒ／ｎ Ｅ：ヤング率 β：ケーシングの線膨張係数 ν：ボアソン比 ここで流入蒸気１９の温度、圧力の制御は、温度圧゛力
制御器３４にて行なっているが、これに限らず、高温蒸
気と低温蒸気をタービンプラント内又は補助蒸気などか
ら分枝した後、各々の制御弁にて流量を制御することに
より得る方法もある。

この方法は再熱蒸気高温型の中圧タービンに適用すると
都合がよい。この場合、高温蒸気はボイラよりの蒸気を
用い低温蒸気は高圧タービンよシ導くことによシ簡単に
得られ、温度圧力制御器３４のよつな付属設備は不要で
ある。

第６図に示した実施例の場合、タービン初段後のメタル
温度が検出された後、ケーシング内面に主流と別の蒸気
を導入してケーシング熱応力を制御するので多少の時間
遅れが発生し、熱応力が多少残ることになる。第７図は
、タービン運転状態を予測し、ケーシング内側への流入
蒸気１９を制御する方法を示す。

第５図と異なる点はまず主蒸気５の系統よシ、温度４２
、圧力４３、流量４４を検出し、その信号を初段麦の蒸
気温度を予測する初段後温度推定装置４５に取込む。こ
れによシ初段後蒸気温度を演算した後、ケーシング熱伝
達率計算装置３７へ送る。ケーシング初段後の内外壁温
度９，１０も３７へ取込まれ、ケーシング内壁の熱伝達
率が計算される。更に、すでに述べた方法により熱応力
演算機３８で熱応力が予測される。３８の出力は制御器
３９に送られケーシング内へ供給する蒸気の流量が、制
御器３９の出力に基づいて制御弁４１及び流量調整弁３
５によシ制御される。

上記の初段後温度推定装置４５の詳細なブロック図を第
８図に示す。同図において、５０はΔを時間後の主蒸気
の予測値、５２は主流蒸気のエンタルピー推定値、５３
は流量目標変化率５０と主蒸気流量信号４４を取込みΔ
を時間後の主蒸気流量の予測値５１を求める流量予測装
置、５番は主蒸気圧力信号４３と主蒸気温度信号４２を
取込み主蒸気のエンタルピーを計算するエンタルピー計
算装置、５５はΔを時間後の主蒸気流量の予測値５１と
主蒸気のエンタルピー５２を取込みΔ、を時間後におけ
るタービン初段後の蒸気温度θ。

（ｔ＋Δｔ）を推定する推定装置を示す。流量予測装置
５３における予測は次式によって行なわれる。

ここに、ｆ（ｔ）：現在流量値（４４に対応）−カエン
タルピー計算装置５４は蒸気光を用いて主蒸気エンタル
ピー２５を計算する。又、推定装置５５はエンタルピー
とタービン初段後の蒸気温度との関係を利用することに
よシー義的に行なわれる。

これによると、タービン主流条件を予測するのでケーシ
ング内外面の温度差が少なくなるように流ス蒸気１９を
制御できることになυ非定祁熱応力をきわめて小さくす
ることができる。

次に第１図に示すケーシングを第７図に示す系統で制御
した場合の蒸気温度、熱応力等の関係を述べる。尚他の
組合せについてもはｙ同様である。

まずタービンの負荷が急変した場合である。一般にター
ビンの負荷は蒸気流量ｆに比例する。第９図（ａ）のよ
、うに流量ｆが変化した場合、初段後蒸気温度θ、は追
従して高くなるが、ケーシングの温度θ１．θ。の上昇
は抑制されるので熱応力は荷変化前にケーシング内壁を
昇温す号ネ荷変化、時のケーシング内外壁の温度差を少
なくすることができ、ケーシング内外面の応力を更に少
なくすることができる。

第１０図（ａ）（ｂ）はタービン起動時の初段後メタル
変化を示す。タービン通気後初段後蒸気温度θ。

は少し上昇し、併入して流量ｆが多くなるとθ。

は急速に高くなる。この時初段後メタル内壁温度θ１は
初段後蒸気温度θ６に追従して上昇する。

また、初段後メタル外壁温度θ。は時間遅れをもって上
昇する。このためケーシング内面にはσ１、外面にはσ
。の過大熱応力が発生する。しかし、ケーシング内側は
冷却された蒸気でその温度が制御されるのでケーシング
内壁メタル温ｔ１９１　と外壁メタル温度θ０との差を
小さくすることができる。従ってケーシング内外の熱応
力はσＳ、＋７１：。

のようにきわめて小さくてきる。

第１１図（ａ）（ｂ）は、タービン停止時の状況を示す
。

流量ｆが低下すると、初段後蒸気温度θ６及び初段後内
壁メタル温度θ漠は時間と共に低下する。

またケーシング外壁メタル温豪θ。は時間遅れをもって
低下する。この時のケーシング熱応力ばσ１．σ、と大
きくなる。この場合、流入蒸気１９を高温に制御して流
入することにより、ケーシング内面を加温し０１ケーシ
ング内外壁の温度差を少なくすることができる。これに
よりケーシングの熱応力はσ（、σ５と小さくできる。

また、上記は高温域である初段後のケーシング熱応力を
低減する方法について示したが、更に温度が高い超高温
高圧タービンにおいては、初段以降も高温となるためケ
ーシングの熱応力が高くなる。第１３図は２段以降の断
面図でおる。仕切板７のノズル８と動翼２の間を主流蒸
気５が流れる。

この主流のりｊ側に分流板４７を設け、ケーシング３と
の間に空間を設ける。初段後からの流入蒸気１９′は仕
切板７の外周側を流れ溝４８を通って次の空間へ入る。

ここで動翼２の先端に設置されたシュラウドカバー１７
の外周に分流板４７に噴出孔４９を設は温度制御された
蒸気を７ユラウドカバー１７に噴出する。ここで流入蒸
気１９″より低温の蒸気をケーシング外部より導入管２
０て導き温度を低下することによりカバー１７の冷却を
行なう。これによりカバーはクリープ変形することがな
くなり、高温タービンにおいても信頼性が向上する。流
入蒸気１９／／／は更に後段に流れ同様の作用をする。

順次に適当な段落間に蒸気を導入することによシケーシ
ング３及び仕切板７の温度を制御することができ高温タ
ービンの信頼性は向上する。

第１３図は、仕切板７の間に空間を設けた例であり、後
流には流さずシュラウドカバー１７を冷却するものであ
る。また、仕切板７間に冷却蒸気１９“を導入すること
によりケーシング３を温度急変がら保睡することができ
る。

第１４図は第ｉ２，１３図の組合せてあり、ツユラウド
カバーの強度的に不安な段落のみ冷却するものである。

以上任意に冷却の必要な部位に本実施例を適用すること
がで巻る。また、ケーシング内部及び外部と流入蒸気１
９．１９’、１９“　１　ｇ／／／などは温度を適当な
位置にて検出すればよい。尚流入蒸気１９．１９’　、
１９″、１９”が、動翼先端部へ噴出する実施例におい
ては、シュラウドカバーのクリープ変形を有効に防止で
きる。

また、タービン内の他のセクションにも適用できるため
、特に再熱タービンなどには適用範囲が広い。ここでは
２重ケーシングについて例を示したが、もちろん１重ケ
ーシングに適用できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上本発明によればケーシングの熱応力を強制的に抑制
できるため、高温高圧タービンに対して信頼性を向上す
ることができ、プラントの急速起動、停止を可能にでき
る。またシュラウド７プバーのクリープ変形、仕切板の
信頼性を向上することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す蒸気タービン蒸気入口
近傍断面図、第２図は第１図の部分拡大図、第３，４図
は他の実施例金示す蒸気入口近傍断面図、第５図は流入
蒸気の制御系統図、第６図は熱伝達率引算ブロックを示
す図、第７図は１１０の制御系統を示す図、第８図は第
７図の制御原理を示す図、第９図（ａ）（ｔ））は本発
明の一実施例における熱応力、流儀特性を示す図、第１
０図（ａ）（ｔ））はタービン起動時における熱応力、
流量特性を示す図、第１１図（ａ）Φ）はタービン停止
時における熱応力、流量特性を示す図、第１２〜１４図
は更に他の実施例を示す図、第１５図（ａ）（ｂ）は従
来タービンケーシングの温度分布、熱応力分布を示す図
、第１６図は従来例における熱応力、流量特性を示す図
。 １・・・ロータ、２・・・動翼、３・・・内部ケーシン
グ、４・・・外部ケーシング、５・・・主流、９・・・
ケーシング内壁ｍ晩計、１０・・・ケーシング外塾温度
計、１１・・・ケーシングンエル、１９．１９’　、１
９“。 １９“′・・・流入蒸気、２０・・・配管、２１・・・
連絡管、２２・・・導入孔、２３・・・空間、２４・・
・分離板、２５・・・噴出孔、２６．２７・・・部屋、
３２・・・主蒸気止め弁、３３・・・加減弁、３４・・
・温度圧力制御器、３５・・・流量調整弁、３６・・・
流入蒸気温度、３７・・・熱伝達計算機、３８・・・熱
応力演算機、３９・・・制御器、４０・・・冷却水、４
１・・・冷却水制御弁、４２・・・主流温度、４３・・
・主流圧力、４４・・・主流流量、４５・・・初段後条
件推定装置、４６・・・ケーシング内壁条件子側装置、
θ、・・・初段後蒸気温度、ｆ・・・流量、θ１θ。′
・・・ケーシング内壁メタル温度、θ０・・・ケーシン
グ外壁メタル温度、σ量σ１・・・ケーシング内側応力
、σ、σｔ・・・ケーシング外側応力。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸気タービンのケーシング内を流過する主蒸気の温
   度がケーシングへ伝達するのを抑制するための空間をケ
   ーシング内周面側に設けた蒸気タービンのケーシングに
   おいて、前記空間へ主蒸気と異なる圧力、温度条件の別
   流体を流入させる手段と、前記別流体を前記空間から流
   出させる開口部を備えたことを特徴とする蒸気タービン
   のケーシング。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記開口部は、タ
   ービン動翼先端部へ対向する位置に設けたことを特徴と
   する蒸気タービンのケーシング。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記空間は主蒸気
   の流路を包囲するよう、前記ケーシングの円周方向に連
   続していることを特徴とする蒸気タービンのケーシング
   。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記別流体の圧力
   は、主蒸気より高く設定されることを特徴とする蒸気タ
   ービンのケーシング。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記空間はノズル
   ダイヤフラムとケーシングの間及びタービン動翼先端部
   とケーシングの間に配置されていることを特徴とする蒸
   気タービンのケーシング。 ６、特許請求の範囲第１項において、ケーシングの熱応
   力を低減させるような温度、圧力及び流量に前記別流体
   を制御する装置を備えたことを特徴とする蒸気タービン
   のケーシング。 ７、特許請求の範囲第６項において、前記制御装置はケ
   ーシング内部及び外部のメタル温度を検出する手段と、
   この検出手段の出力に基づいてケーシングの熱応力を計
   算する装置及びこの計算装置の出力に基づいて前記別流
   体の温度、圧力及び流量を制御する装置から成ることを
   特徴とする蒸気タービンのケーシング。 ８、特許請求の範囲第６項において、前記制御装置は主
   蒸気圧力、主蒸気温度及び主蒸気流量の出力を組込む手
   段と、この手段の出力に基づいてタービン初段後の蒸気
   温度をこの推定装置の出力に基づいてケーシングの熱応
   力を計算する熱応力予測計算装置及びこの予測計算装置
   の出力に基づいて前記別流体の温度、圧力、流量を制御
   する装置から成ることを特徴とする蒸気タービンのケー
   シング。