JPS63124807A - 蒸気タ−ビンの内部ケ−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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、蒸気タービンケーシングに係わり、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あって、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内部
ケーシングに関する。

（従来の技術） 火力発電プラントの熱効率を向上させる基本的な方法は
、タービンに流入する蒸気をより高温・高圧にすること
である。近年では主蒸気圧力２４６ｋｇ／ａｌ　ａｔｇ
、蒸気温度５６６℃に到達し、プラント効率も実績値で
３９％に達している。しかしながら蒸気タービンやボイ
ラを構成する材料や、構造に関する技術的及び経済的制
約により、それ以上の主蒸気条件の向上は行われず、も
っばら機器単体での効率改善やプラントサイクル的な効
率改善によりプラント効率の向上がなされたきた。しか
るに。

最近のエネルギー事情による要請から、蒸気条件を３５
０に／ｃｄ　ａｔｇ、　６５０℃程度まで高温高圧化す
ることにより、タービンプラントの熱効率を３％以上向
上させようとする試みが進められている。

第４図に上記の試みの為に従来考えられていた超高圧高
温タービンの一例を示す、ボイラで３５０ｋｇ／ａＪ　
ａｔｇ、　６５０℃に加熱された高圧高温蒸気は、外部
ケーシング１に固定され、それを貫いている主蒸気管２
に導かれて、内部ケーシング３の内部にあるノズルボッ
クス４に流入する。蒸気はノズルボックス４と内部ケー
シング３に取り付けられたノズル５とロータ６に固定さ
れた羽根７とで構成される複数のタービン段落を通過し
、蒸気の持つ熱エネルギーの一部がロータを回転させる
仕事に変換される。排気蒸気は約１７０ｋｇ／ｄ　ａｔ
ｇ、　５３０℃であり、外部ケーシング１と内部ケーシ
ング３の内に形成された空間に充満した後、排気口８か
ら流出していく。

主蒸気管２と内部ケーシング３及びノズルボックス４と
は熱膨張による伸び差を吸収する為に固定されておらず
、メカニカルシール９によって主蒸気が漏れるのを防い
でいる。しかし一般にメカニカルシール９だけで完全に
蒸気の漏洩を防ぐことは難かしく、常時少量の高温蒸気
が漏れることになり外部ケーシング１の内側を加熱する
。このため、仕事をして温度の下った排気蒸気を、外部
ケーシング１と内部ケーシング３によって形成される空
間に充満させて、前記漏洩蒸気が外部ケーシング１と内
部ケーシング３を加熱するのをある程度防止している。

一方内部ケーシング３は主蒸気管２との接合部周辺で流
入蒸気の温度６５０℃と同程度の高温になるので、通常
の蒸気タービンケーシングに用いられるＣｒ−Ｍｏ−Ｖ
鋼を主体とする低合金鋼はもはや使用できず、より耐熱
性にすぐれたオーステナイト系ステンレス鋼を使用しな
ければならない。

内部ケーシング３は構造上、運転中に大きな温度勾配が
生ずる。前述した通り、主蒸気管２との接合部周辺で内
部ケーシング内側表面は６５０℃近くまで加熱されてお
り、主流蒸気が各タービン段落を流れて膨張し、温度が
下っていくのに対応し、内部ケーシング内側表面の温度
は、下流に行くに従って低くなり、出口近くでは排気温
度の５３０℃に近づく、更に、前述した通り、内部ケー
シング外側全体は排気蒸気で冷却されるので、内側から
外側に向って大きな温度変化が生ずる。

（発明が解決しようとする問題点） オーステナイト系ステンレス鋼は耐熱性にすぐれてはい
るものの、一般に熱伝導率が小さく熱膨張率が大きいこ
とが知られている。たとえばＳＵＳ　３１８材はフェラ
イト系の低合金鋼に比較して熱伝導率は半分以下、熱膨
張率は１．３倍程度となっている。また従来材に比べて
耐熱性が良いとはいえ、主流蒸気の高圧高温に耐える為
には通常の内部ケーシングより厚肉とせざるをえない、
この為。

前述した温度勾配に対応した熱応力が生じ、各部分の温
度差が大きいことにより熱変形が生じる。

特にタービン起動時には内部ケーシング各部分の温度差
が大きいためこの傾向は著しく１通常のタービンと同程
度の起動時間では、内部ケーシングの熱変形が大きくな
り、内部ケーシングによって支持されたシールフィンな
どの静止部がロータと接触してロータの振動を引き起こ
す危険がある。

これを回避するには通常の３倍以上の起動時間を取らな
ければならない。

一方、いかに高効率な超高温高圧タービンプラントと云
えども、電力消費が極端に減少する夜間には停止しなけ
ればならなず、タービン設計にあたっては、毎日１〜２
回の起動・停止、あるいは負荷変動は当然想定しておく
必要がある。高効率であっても起動に長時間を要するよ
うではプラント全体としてのメリットをそこなうことに
もなる。

このように、内部ケーシングの熱応力、熱変形を低減す
ることは、特に超高温高圧タービンにおいて重要な技術
的課題となっている。

本発明は、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あって、
しかも起動停止を頻繁に行う蒸気タービンにおいて、熱
応力、熱変形の小さな蒸気タービン内部ケーシングを提
供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 内部ケーシングにおける前述の熱応力、熱変形を低減す
るには、内部ケーシングの内部の温度勾配を小さくすれ
ばよい１本発明の内部ケーシングは、蒸気通路の各段落
ごとに内部ケーシングの内鍔から外側に貫通する抽気流
路を設け、主流蒸気の一部を抽気してここを流し、外側
を加熱して各部分の内外壁面の温度差を小さくする構造
となっている。抽気流路出口には噴出する抽気蒸気の向
きを変え内部ケーシング外側表面に沿いながら細流方向
下流側へ流すように構成されたバッフル板を取り付け、
これにより上流側から下流側の各部分で内部ケーシング
内外壁の温度差が減少し、熱応力、熱変形が緩和される
ようになっている。

（作用） 各段落に設けられた油気流路からは、それぞれの段落に
おける蒸気温度の蒸気が流出し、バッフル板で向きを変
えてタービンの軸流下流方向へ流れ、それぞれの段落に
応じた温度で内部ケーシングの外側表面を加熱する。こ
うしてそれぞれの位置で内部ケーシングの厚さ方向の温
度差が小さくなり、熱応力と熱変形が緩和される。

内部ケーシングを周方向にかこむように取り付けられた
バッフル板は断熱板の役割もはたし、内部ケーシングか
らの放射熱で外部ケーシングが加熱されることを防ぐと
同時に排気蒸気で内部ケーシングが過度に冷却されるこ
とを防ぐことができる。

（実施例） 第１図は本発明の蒸気タービン内部ケーシングの一実施
例を用いた超高圧高温タービンの断面図を示している。

タービンケーシングは外部ケーシング１と内部ケーシン
グ３からなる二重ケーシング構造となっており、主蒸気
管２はこれら外部ケーシング１と内部ケーシング３を貫
通してメカニカルシール９を介してノズルボックス４に
連結されている。内部ケーシング３と主蒸気管２の間に
もメカニカルシール９が設けられており、熱膨張による
両者の相対位置の変化を吸収できる構造になっている。

ロータ６には複数段の羽根７が植込まれ、それぞれの段
の羽根７に対応するノズル５が、初段ではノズルボック
ス４に、それ以降の段では内部ケーシング３に取り付け
られたノズルダイヤフラムに固定され、これによって複
数のタービン段落が形成されている。

ノズルボックス４と内部ケーシング３との間の空間と各
タービン段落の流路に一方が開口し、他の一方は内部ケ
ーシング外側表面に開口する抽気流路１０が内部ケーシ
ング３に設けられている。抽気流路１０は、それぞれの
段落位置において、周方向に複数個設けられている。そ
れぞれの油気流路１１の外表面開口部にはこれをおおう
ようにバッフル板１１が設けられている。

第２図下図に内部ケーシング３の抽気流路１０とバッフ
ル板１１取り付は部分の詳細を示す６バツフル板１１は
スペーサ１２によって内部ケーシング３から適当な間隔
を保って、ボルト１３で内部ケーシングに固定されてい
る。バッフル板１１とスペーサ１２及び内部ケーシング
３とで形成される空間（よタービン軸下流方向に開口し
ている。

上記のように構成された蒸気タービン内部ケーシングの
作用を以下に説明する。

ボイラから供給される３５０ｋｇ／　ｄ　ａｔｇ、　６
５０℃の超高圧高温蒸気は、外部ケーシング１と内部ケ
ーシング３を貫通する主蒸気管２を通ってノズルボック
ス４に導かれる。蒸気はノズルボックス４に取り付けら
れたノズル５を通過するときに膨張し、加速されて羽根
７を回転させる。以下法々とタービン段落を通過しなが
ら羽根７を介してロータ６を回転する仕事をし、圧力と
温度が下った蒸気が排気蒸気となって最終段より流出す
る。

排気蒸気は内部ケーシング３と外部ケーシング１の間の
空間に充満して排気口８から次のタービンへ送られてい
く。

主蒸気管２とノズルボックス４の間にあるメカニカルシ
ール９の間からは主蒸気の一部が漏れてノズルボックス
４と内部ケーシング３の間の空間に充満し、そのうちの
一部は抽気流路１０を通って内部ケーシング外側に流出
する。漏洩蒸気の更に一部は内部ケーシング３と主蒸気
管２の間にあるメカニカルシール９からも漏洩するが、
その量と比較して大量な排気蒸気が外側に充満しており
。

その温度は５３０℃と低くなっているので外部ケーシン
グ１がそれ以上高温に加熱されることはない。

各段落に開口した抽気流路１０からもそれぞれの段落を
流れる主流蒸気の一部が抽気され、内部ケーシング外側
へそれぞれの温度の蒸気が流出する。

流出した蒸気はバッフル板で向きを変え、タービン軸下
流側へ内部ケーシング外表面に沿って流れながらこの部
分を加熱する。またバッフル板１１は抽気蒸気の流れを
変えると同時に、内部ケーシング３から熱が逃げるのを
防ぎ、放射熱で外部ケーシング１の内表面が加熱される
のを防止する。

また排気蒸気と内部ケーシング３の間を隔てて、温度の
下った排気蒸気で内部ケーシング３の外表面が過度に冷
却されることを防止している。

次に第２図を用いて本実施例の効果を説明する。

第２図の下図は内部ケーシング３の一部を拡大したもの
であり、その上には内部ケーシング３の内外表面の温度
分布を示している。従来のものでは外表面は排気蒸気で
冷却されるので内表面との温度差が大きく、この傾向は
上流でケーシング肉厚が増大し、蒸気温度が高くなると
ともに大きくなることがわかる。

一方本実施例の内部ケーシングでは、各段落ごとに、内
側を通る主流蒸気で外側表面を加熱するので、内側温度
の高い上流側の段落はど高温の抽気蒸気で外側表面を加
熱することになり、各段落において内側と外側の温度差
を十分小さくしていることがわかる。

またバッフル板１１は、外表面の加熱を助長するのと同
時に、抽気蒸気を軸流方向下流に流すことによりこの方
向の温度勾配を滑らかにする効果がある。

この様に本実施例の蒸気タービン内部ケーシングは内外
表面の温度差が全体にわたって小さくなるので、熱応力
と熱変形が小さくなり、タービンの信頼性が増大し、寿
命が長くなる。

またタービン起動時においても温度差を小さくできるの
で単時間で負荷を増大させても内部ケーシングの変形が
小さく、内部ケーシングに取り付けているシールフィン
などがロータと接触することがない、従って単時間で起
動ができる蒸気タービンを提供することができる。

第３図は本発明の他の実施例を示しており、本実施例で
は内部ケーシング３の外側の油気流路１０の出口を周方
向に結んで周方向溝１４を設けである。

これにより油気流路１０を出た抽気蒸気は周方向に均一
に行き渡り、伝熱面積が増大したこととあいまって、温
度差を小さくする効果がさらに著しくなる。

バッフル板１１には流出する抽気蒸気に周方向旋回速度
成分を与えるように構成した旋回案内板１５を設けであ
る。これにより抽気流路１０の外側開口部より下流の部
分を周方向により均一に加熱することが可能となり、少
ない抽気蒸気で効果的に温度差を低減することができる
。

また１図示していないが、抽気流路に開閉装置を設け、
熱応力と熱変形が特に大きくなるタービン起動時や負荷
変動時のみこれを開けるように構成しても良いことは言
うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は蒸気タービンの内部ケー
シングの各部分に抽気流路とバッフル板を設けたので、
抽気蒸気で内部ケーシング外側を加熱し、これによって
それぞれの部分で内側と外側の温度差を少さくでき、本
発明によれば熱応力と熱変形の小さな蒸気タービン内部
ケーシングを提供できる。

更に熱応力と熱変形が小さいので、信頼性が高く、寿命
が長く、また起動停止を頻繁に行うのに適した蒸気ター
ビン内部ケーシングを提供できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係る蒸気タービン内部ケー
シングを用いた超高圧高温タービンの断面図、第２図は
第１図で示した内部ケーシングの詳細図と内部ケーシン
グ内外表面の温度分布線図を対応させて示した説明図、
第３図は本発明の他の実施例に係る内部ケーシングの断
面図、第４図は従来の超高圧高温タービンの断面図であ
る。 １・・・外部ケーシング　２・・・主蒸気管３・・・内
部ケーシング　４・・・ノズルボックス５・・・ノズル
　　　　　６・・・ロータ７・・・羽根　　　　　　８
・・・排気口９・・・メカニカルシール　　１０・・・
抽気流路１１・・・バッフル板　　　１２・・・スペー
サ１３・・・ボルト　　　　　１４・・・周方向溝１５
・・・旋回案内板 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　三俣弘文 第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）外部ケーシングの内部に適宜の空間を保持して設
   置される蒸気タービンの内部ケーシングに前記空間と内
   部ケーシングの内側を連通する抽気流路を形成したこと
   を特徴とする蒸気タービンの内部ケーシング。
2. （２）内部ケーシングの外側に、前記抽気流路の開口部
   に対応させたバッフル板を設置し、抽気蒸気が内部ケー
   シング外側表面に沿って流れるようにした特許請求の範
   囲第１項記載の蒸気タービンの内部ケーシング。
3. （３）バッフル板は蒸気流方向の上流側でスペーサを介
   して内部ケーシングに取着され、抽気蒸気が下流側へ流
   れるようなされている特許請求の範囲第２項記載の蒸気
   タービンの内部ケーシング。