JPS6158641B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は火力用蒸気タービン、特に高圧、中圧
一体形タービンでかつ変圧運転を行なうタービン
のロータ冷却法に関する。

高圧、中圧一体形ロータを持つ蒸気タービンの
中間パツキング構造は、ロータの軸方向の一半部
に位置する高圧部と、他半部に位置する中圧部と
が互いに向い合つているため、蒸気圧力の高い部
分および蒸気温度の高い部分が車室の中央部にあ
り、車室の両端部に存するシヤフトグランド部か
らの蒸気漏洩量が少なく、熱効率が向上するとい
う特徴がある。

またこの中間パツキング構造においては高圧部
と中圧部の蒸気圧力によるスラスト力がつり合う
という特徴もあり、600MW級までの蒸気タービ
ン構造の主流をなしている。

さらにこの中間パツキング構造は、中間パツキ
ング部を通つて流れる高圧初段後の漏洩蒸気が再
熱蒸気および中圧初段後の蒸気に比較し、エンタ
ルピが低く、この中間パツキング部から中圧初段
前後付近のロータを自然に冷却しうる特徴もあ
る。

ところが最近頻繁に採用されるようになつた変
圧運転方式では、部分負荷時の冷却効果が著しく
減少する。

すなわち前述の自然冷却効果は、主蒸気温度お
よび再熱蒸気温度を一定としたとき、主蒸気圧力
が高い程大きい。通常の主蒸気圧力は246Kg/cm²・
ｇあるいは169Kg/cm²・ｇと高く、自然冷却の効果
も約28℃となり、かなり大きい。しかしながら変
圧運転方式では負荷に比較して主蒸気圧力が低下
し、最低圧力で70〜85Kg/cm²・ｇまで下げるような
運転となる。この場合、主蒸気のエンタルピが著
しく増加するため、高圧初段後からの漏洩蒸気に
よる冷却効果は著しく減少することになる。

また従来、蒸気タービンの設計は設計最大出力
時の条件が最も厳しいため、この時点を基に強度
を決定していたが、変圧運転方式では部分負荷時
にロータの温度が上昇するため、部分負荷時の条
件でロータ強度を設計しなければならないが、前
述の如く、設計最大出力時の温度条件よりも厳し
くなつてしまうため、従来技術によるロータ設計
が不可能になる。

本発明の目的は変圧運転方式の部分負荷時にお
いても、高圧抽気によりロータ（特に、その中圧
部初段）を確実に冷却しうる蒸気タービンのロー
タ冷却法を提供するにある。

そして本発明の特徴は高圧、中圧一体形ロータ
を有する蒸気タービンにおいて、中間パツキング
部に高圧抽気の一部を導入し、該高圧抽気により
ロータを冷却するところに存し、この構成により
変圧運転方式の部分負荷時にもロータを確実に冷
却できる蒸気タービンのロータ冷却法を得たもの
である。

以下本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施態様を示すもので、蒸
気タービンは高中圧外部車室１、高圧内部車室
２、高圧、中圧一体形ロータ３、中圧内部車室
４、主蒸気入口管５、ノズルボツクス６、高圧初
段７、中圧初段８および中間パツキング部等を備
えている。

前記主蒸気入口管５の上流には主蒸気止め弁お
よび蒸気加減弁が設けられており、蒸気流量が調
整され、蒸気タービンの負荷が決定されるように
なつているが、これらの弁は図面では省略されて
いる。

前記主蒸気入口管５は高圧、中圧タービンの中
央部に主蒸気を導入しうるように設けられてお
り、導入された蒸気は高圧部の入口に設けられた
ノズルボツクス６により加速され、その加速され
た蒸気は高圧初段７を駆動し、それ以降の数段の
高圧段落で膨張する。

高圧部から出た排気はボイラの再熱器（図示省
略）により再加熱された後、組み合せ再熱弁（図
示省略）で調整され、ついで再熱蒸気室２６に導
かれ、その蒸気は中圧初段８を駆動し、それ以降
の中圧段落で膨張し、低圧部に到る。

タービンの排気は復水器（図示省略）で凝縮さ
れ、ボイラ給水に還元される。

前記中間パツキング部は高圧初段７と中圧初段
８間に設けられており、第１パツキングヘツド９
と第２パツキングヘツド１０とを有している。第
１、第２各パツキングヘツド９，１０には数段の
パツキングリングが植え込まれ、漏洩蒸気をシー
ルしうるようになつている。

また高圧初段７と中圧初段８間には、第１パツ
キングヘツド９側に漏洩蒸気溜め１１が設けら
れ、第２パツキングヘツド１０側に冷却蒸気溜め
１２が設けられている。

前記漏洩蒸気溜め１１には高圧初段７後の漏洩
蒸気Ｓ_Kが排出されるようになつており、ロータ
冷却後の蒸気（混合蒸気）Ｓ_Mは高圧内部車室２
に設けられた漏洩蒸気通路２３から高中圧外部車
室１と高圧内部車室２間に流され、ついで該蒸気
Ｓ_Mは高圧排気室２４、高圧排気口２５を経て排
出される。

他方冷却蒸気溜め１２にはタービン車室の伸び
を吸収するためのエキスパンシヨンジヨイント１
３が連結され、該エキスパンシヨンジヨイント１
３にはブローダウン管１９とプローダウン弁２１
とを有するブローダウン系が接続されている。

前記高圧初段７以降の段落に高圧抽気段１４が
設けられ、該高圧抽気段１４には抽気溜め１５が
設けられており、抽気溜め１５にはエキスパンシ
ヨンジヨイント１６を介して連結された抽気管１
７を有する抽気系が接続されている。この抽気系
は抽気溜め１５に集められた高圧抽気Ｓ_Eを最終
給水加熱器（図示省略）に導くようになつてい
る。

前記抽気管１７とブローダウン管１９間には止
め弁２０を有するバイパス管１８が設けられ、高
圧抽気Ｓ_Eの一部を冷却蒸気Ｓ_Cとして分岐し、前
記バイパス管１８、ブローダウン管１９およびエ
キスパンシヨンジヨイント１３を通じて冷却蒸気
溜め１２に導き、該冷却蒸気Ｓ_Cによりロータ３
の漏洩蒸気溜め１１と中圧初段８の下流までの間
を冷却しうるようになつている。

前記止め弁２０とブローダウン弁２１とは、通
常運転時には止め弁２０開、ブローダウン弁２１
閉にセツトされ、タービンがトリツプした際には
ガバナ信号２２によりブローダウン弁２１が急速
に開かれ、これに伴い止め弁２０が閉じられ、ブ
ローダウン蒸気Ｓ_Bを冷却蒸気溜め１２およびブ
ローダウン系を通じて復水器に流すようになつて
いる。

前述の如く、変圧運転方式では部分負荷時に高
圧初段後の蒸気のエンタルピが漸増するため、中
間パツキング部を流れる蒸気による冷却効果が失
なわれる。従つて変圧運転方式は従来の定圧運転
用タービンに比較し、ロータの強度が著しく低下
する。

本発明は変圧運転方式で部分負荷時において
も、中間パツキン部およびロータ中心孔を有する
中圧初段近傍を、高圧初段後よりもさらにエンタ
ルピの小さい高圧抽気の一部を用いて効果的に冷
却するものである。

すなわち高圧抽気段１４から抽気され、抽気溜
め１５に集められかつ抽気系を通じて最終給水加
熱器に導入される高圧抽気Ｓ_Eの一部を冷却蒸気
Ｓ_Cとして分岐し、再び車室内に導入する。

通常運転時には止め弁２０開、ブローダウン系
のブローダウン弁２１閉とされており、前記冷却
蒸気Ｓ_Cはバイパス管１８、ブローダウン管１
９、エキスパンシヨンジヨイント１３を通つて中
間パツキング部の第２パツキングヘツド１０側に
設けられた冷却蒸気溜め１２に導かれる。

前記冷却蒸気溜め１２内に集められた冷却蒸気
Ｓ_Cはロータ表面に向つて流れ、その一部Ｓ_C1は
第２パツキングヘツド１０の上流側パツキングリ
ングでシールされた後、高圧初段７方向に流れ、
第２パツキングヘツド１０の上流側半部のロータ
を冷却した後、漏洩蒸気溜め１１内に流入する。
冷却蒸気Ｓ_Cの他の一部Ｓ_C2は第２パツキングヘ
ツド１０の下流側パツキングリングによりシール
された後、中圧初段８の前後を冷却し、バランス
ホール２７を通過して後続段に到る。

冷却蒸気Ｓ_Cが冷却する部分は、蒸気溜め１１
と、中圧初段８の下流までの間であるが、高圧、
中圧一体形ロータにおいて、最も応力の高くなる
中圧初段８のロータ表面および中心孔を確実に冷
却するので、ロータ強度は著しく向上する。

一方高圧初段７後からの漏洩蒸気Ｓ_Kは中間パ
ツキング部の第１パツキングヘツド９のパツキン
グリングによりシールされた後、中圧初段方向に
向つて流れ、この漏洩蒸気Ｓ_Kにより第１パツキ
ングヘツド９部分のロータが冷却され、ロータ冷
却後の漏洩蒸気は漏洩蒸気溜め１１に流入する。

前記漏洩蒸気溜め１１に集められた漏洩蒸気Ｓ
_Kと冷却蒸気Ｓ_C1の混合蒸気Ｓ_Mは高圧内部車室２
にあけられた蒸気通路２３を通つて高中圧外部車
室１と高圧内部車室２間に流出せしめられ、両車
室の間をぬつて流れ、高圧排気室２４、高圧排気
口２５から最終的に排出される。

なお運用法としては、通常運転時には前述の如
く止め弁２０が開かれ、ブローダウン弁２１は閉
じられているが、タービンがトリツプした際には
ガバナ信号２２により主蒸気止め弁、蒸気加減弁
ならびに組み合せ再熱弁は急閉される。このとき
高圧部およびボイラ再熱管にとじ込められた蒸気
が中間パツキングを通つて中圧部に流れ、タービ
ンを駆動することになるため、冷却溜め１２に連
なるエキスパンシヨンジヨイント１３、ブローダ
ウン管１９を通してブローダウン蒸気Ｓ_Bを復水
器に捨てなければならない。つまり、ガバナ信号
２２によりブローダウン弁２１が急開すると同時
に、同一の信号により止め弁２０を急閉すること
によつてタービンをオーバースピードから防止す
る。

また高負荷部に定圧運転域を持つ複合変圧運転
方式を採用するタービンにおいては、定圧運転を
行なつている間は、止め弁２０を閉じておき、冷
却蒸気Ｓ_Cによる熱効率の低下（約0.05％）を除
去することができる。この範囲の運転において
は、中間パツキング部の自然冷却効果は従来通り
行なわれているのでロータ強度上の問題は起らな
い。

ついで第２図は本発明によるロータ冷却効果を
説明するために、各部の運転曲線を比較したもの
である。

この第２図の上半分は、圧力の比較、下半分は
温度の比較を示している。

圧力の比較ではこのタービンが複合変圧運転方
式を採用しており、負荷Ｌ_Cまでは最低圧運転、
負荷Ｌ_C→Ｌ_Bは変圧運転を行ない、負荷Ｌ_B→Ｌ_A
の間は定圧運転を行なうことを示している。一方
高圧部初段後圧力Ｐ_f、高圧抽気圧力Ｐ_e、再熱圧
力Ｐ_r、中圧初段後圧力Ｐ_rfは負荷に比例して変化
する。

温度の比較では、主蒸気温度Ｔ_n再熱蒸気温度
Ｔ_rが変圧運転範囲を通じて一定となるため、他
の部分の温度はそれぞれ折れ線となる。なおＴ_f
と、Ｔ_eのＬ_B以下の負荷における破線は定圧運転
を続けた場合のカーブを示しているので、ここで
は参考とされたい。

さて漏洩蒸気Ｓ_Kの温度は、漏洩開始時（すな
わち高圧初段後）はＴ_fの如く変化するが、負荷
Ｌ_B以下では変圧運転による影響で低負荷になる
につれて上昇している。従つてこの漏洩蒸気Ｓ_K
により自然冷却されたロータ温度Ｔ_xfはロータの
回転摩擦による温度上昇を加わり、破線の如く急
上昇してしまう。従つて漏洩蒸気Ｓ_Kによる自然
冷却は定圧運転域でしか期待できない。

他方高圧抽気Ｓ_Eより分岐した冷却蒸気Ｓ_Cによ
つて冷却されたロータ温度はＴ_xeの如くなり低負
荷においても十分に低く保たれている。

従つて全域をＴ_xeのロータ温度で強度設計する
か、もしくは負荷Ｌ_B以下ではＴ_xeにし、負荷Ｌ_B
→Ｌ_A間はＴ_xfにより強度設計するか、いずれも
可能である。なおこの場合、負荷Ｌ_B→Ｌ_A間はＴ
_xfで設計した方が冷却蒸気による熱効率の低下
（約0.05％）をきたさないので有利であることは
言うまでもない。

蒸気条件には538／538℃、566／538℃、538／
566℃の如く種々の組み合せがある。前述の実施
例では538／538℃の場合について述べているが、
温度条件の組み合せに応じてＴ_xeとＴ_xfの使い分
けが行なわれる。第３図は具体例を示し、
700MW級蒸気タービンにおいて、主蒸気条件＝
246Kg/cm²・ｇ、566／563℃とした複合変圧運転タ
ービンの計画例の諸数値を、第２図の図表に書き
入れたものである。

本発明は以上説明した構成のものであつて、部
分負荷時にもロータの冷却が確実に行なわれるた
め、600MW級大容量タービンでも３車室形のま
まで変圧運転が可能であり、また従来技術ベース
でのロータ強度設計を可能ならしめうる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施態様を示す蒸気タービン
の縦断面図、第２図はタービン各部の圧力、温度
線図である。第３図は上記圧力、温度線図に具体
的計画例における数値を記入した図表である。 １……高中圧外部車室、２……高圧内部車室、
３……高圧、中圧一体形ロータ、４……中圧内部
車室、７……高圧初段、８……中圧初段、９……
中間パツキング部の第１パツキングヘツド、１０
……同第２パツキングヘツド、１１……漏洩蒸気
溜め、１２……冷却蒸気溜め、１４……高圧抽気
段、１５……抽気溜め、１７……高圧抽気管、１
８……バイパス管、１９……ブローダウン管、２
０……止め弁、２１……ブローダウン管、２３…
…漏洩蒸気通路、Ｓ_K……高圧初段からの漏洩蒸
気、Ｓ_E……高圧抽気、Ｓ_C……高圧抽気から分岐
された冷却蒸気、Ｓ_M……漏洩蒸気と冷却蒸気の
一部との混合蒸気。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高圧・中圧一体形ロータを有し、変圧運転が
   行われる蒸気タービンにおいて、高圧抽気の一部
   を中間パツキング部に導入し、上記高圧抽気の一
   部の内の更に一部によつてロータ中圧部の初段を
   冷却し、かつ、前記高圧抽気の一部の内の他の部
   分を、高圧初段リーク蒸気と合流させるととも
   に、この混合蒸気を高圧部の排気に合流させて、
   前記混合蒸気の中圧部への流入を防止することを
   特徴とする蒸気タービンのロータ冷却法。