JPS6318101A - 対向流蒸気タ−ビンのロ−タ過熱防止装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は対向流蒸気タービンのタービンロータを冷却す
る対向流熱気タービンのロータ冷却装置に係り、特に対
向流タービンロータの過熱を防止する対向流蒸気タービ
ンのロータ過熱防止装置に関する。

（従来の技術） 最近の大容量蒸気タービンは、タービン駆動蒸気が高温
高圧となり、かつ蒸気量も従来より増加している。この
ように蒸気条件が苛酷になると、タービンロータに対し
て熱応力等の諸問題が発生する。例えば、蒸気タービン
の長期間使用によりタービンロータが経年変化を起こし
、曲りが発生する現象がしばしば見られた。この曲り現
象は高温蒸気に晒されるタービンロータに特に著しい。

タービンロータの曲りの原因としては、ロータ材料の周
方向クリープ特性の不均一、製造時の残留応力、回転部
と静止部との接触による局部加熱、起動停止による過大
な熱応力の発生等によることが考えられ、いずれにして
もタービンロータ表面の異常な温度上昇に起因するもの
である。この種のタービンロータの経年的な曲りの防止
策としてタービンロータのロータ表面を冷却する技術が
提案されている。

一方、蒸気タービン１は第６図に示ずように高圧タービ
ン２、再熱タービン３および低圧タービン４に共通なタ
ービンロータ５を一体に連結して構成される。

このうち、再熱蒸気タービン３は、第７図に示すように
、外部ケーシング６内に内部ケーシング７が収容され、
この内部ケーシング７に再熱タービンロータ８が回転自
在に配置される。再熱蒸気タービン３は蒸気の流れが対
向流（複流）となっており、その中央部を境にして両側
が対称８１造となっている。

再熱蒸気タービン３は静翼としてのタービンノズルダイ
アフラム９ａ、９ｂと動翼としてのタービン羽根車１０
ａ、１０ｂとから多段構造のタービン段落が両側にそれ
ぞれ構成される。このうち、タービンロータ８の軸方向
中央部はノズルダイアフラム９ａ、９ｂによって囲まれ
た環状の空間構造となり、再熱蒸気タービン３を長時間
運転すると、タービンロータ８の回転摩擦によりタービ
ンロータ８とノズルダイアフラム９ａ、９ｂとによって
囲まれた空間１１の温度は次第に上昇し、再熱蒸気温度
以上にまで達することが実験により確認されている。

そこで、再熱タービンロータの初段タービン羽根車のタ
ービン羽根根元部に負の反動度（タービン羽根根元部の
上流側圧力をその下流側圧力より小さくすること）を与
え、この負の反動度を利用してタービン羽根後流側の膨
張蒸気を逆流させて冷却するために、ロータディスク１
２ａ、１２ｂにスクープ（図示せず）やバランスホール
１３ａ。

１３ｂを設ける冷却手段がある。この冷却手段は図示し
ないスクープやバランスホール１２ａ、１２ｂを通過し
た冷却蒸気が再熱蒸気の主流側に吸引されるために、タ
ービン羽根１５ａ、１５ｂの羽根植込部やタービン羽根
車１０ａ、１０ｂは積極的に冷却されるが、軸方向中央
部のタービンロータ８のロータ表面は冷却効果が期待で
きない。

このことは、タービンロータ８のロータ表面をクーリン
グ蒸気が流れず、クーリング蒸気が空間１１に？１ＩＳ
ＷＡすることによってタービンロータ８の回転Ｓ擦によ
る蒸気温度の上昇が生じ、その結果第８図に示すように
ロータ表面温度が次第に上昇して再熱蒸気温度以上に達
することがある。

タービンロータ８の異常過熱によってタービンロータ８
に曲りが発生すると、タービンロータ８等の回転体は異
常な振動増加となって表われ、そのまま蒸気タービン１
の運転をｍ続すると、重大な事故を誘発する恐れがある
。

この事故発生を防止するため、蒸気タービンはその都度
分解されてタービンロータ８が取り出さ″れ、タービン
ロータ８の曲りによる回転体の回転アンバランス修正を
行なわなければならなかった。

また、第９図に示すように蒸気タービンの途中段落から
タービンロータ冷却用の蒸気を取り出し、この蒸気をク
ーリング蒸気として再熱蒸気タービン３のタービンロー
タ８に供給するようにしたタービンロータの冷却構造が
存在する。この冷却構造は、クーリング蒸気を案内する
クーリングバイブ１７を、第７図に示すように外部ケー
シング６から内部ケーシング７を貫いてノズルダイアフ
ラム９ａ、９ｂのダイアフラム内輪に延設したものであ
り、上記クーリングバイブ１７内を案内されるクーリン
グ蒸気をタービンロータ８に向けて供給するようにした
ものである。なお、符号１８はドレンラインである。

しかし、上記クーリング蒸気は高圧タービン２のタービ
ン段落を通る間に減圧減温されており、タービンの運転
状況に適したタービンロータの過熱防止温度に自由に調
節できない難点がある。この結果、主流蒸気によって加
熱されたロータ表面温度と冷却用蒸気温度との差が大き
いと、タービンロータ８に過大な熱応力が発生し、蒸気
タービンの損傷を早めることとなる。

このため、最近では、第１０図に示すように高圧タービ
ン２の途中段落から抽出した一次のタービン蒸気に外部
から二次蒸気を混合させて所定温度のクーリング蒸気と
した後、このクーリング蒸気を再熱蒸気タービンのター
ビンロータ８に供給する冷却構造を採用したものもある
。

この冷却構造では、タービン起動時クーリング蒸気ブ１
７は冷態であり、クーリング蒸気もこれほど高温・高圧
になっていないために、クーリングバイブ１７によって
クーリング蒸気の保有熱が過度に吸収され、タービンロ
ータ８の過熱防止に適さない温度（過冷却温度）になっ
ている。

このことは第１１図に示すようにクーリング蒸気をター
ビンロータに供給することにより、ロータ表面温度は急
降下することからも明らかである。

ロータ表面温度の急降下が頻繁に繰り返されると、ター
ビンロータ８は曲りを誘発し、タービンの損傷を早める
欠点がある。

このタービンロータ８の曲りを防止づ′るため、特開昭
５０−１３０９０６号公報に蒸気タービンのロータ冷却
装置が開示されている。このロータ冷却装置は、第１２
図に示すように、蒸気タービン内のシェル圧力を高圧タ
ービン側と発電機側とで異にしてタービンロータ８の軸
方向中央部でのクーリング蒸気の滞溜を防止し、ロータ
表面を冷却してタービンロータ８の曲りを防止したもの
である。

（発明が解決しようとする問題点） 特開昭５０−１３０９０６号公報に示された従来の蒸気
タービンのロータ冷却装置では、シェル圧力を高圧ター
ビン側と発電機側とで異にすることによりクーリング蒸
気の滞溜を防止し、タービンロータ表面を冷却している
が、この冷却構造では対向流（複流）のタービン段落を
それぞれ流れる段落蒸気流量が異なり、アンバランスと
なっている。

段落流量のアンバランスにより、タービンロータ８に作
用するスラスト力がアンバランスとなり、スラスト設計
が複雑となったり、両側のタービン段落の蒸気通路設計
が異なるため、各側のタービン段落に適した蒸気通路設
計がその都度必要となり、その分蒸気通路設計が複雑で
面倒である。また、両側のタービン段落の蒸気通路設計
を同じにすると、タービン性能の劣化が著しい等の問題
があった。

さらに、段落流量のアンバランスにより途中のタービン
段落からのタービン油気が対称でないため、給水加熱器
に接続される抽気ラインの配管設計が複雑になる等の欠
点があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、対向
流蒸気タービンの各タービン段落を流れる段落流量を同
じにして蒸気通路設計を簡素化するとともに、クーリン
グ蒸気の滞溜をな（してタービンロータを冷却し、ター
ビンロータの過熱を確実に防止した対向流蒸気タービン
のロータ過熱防止装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る対向流蒸気タービンのロータ過熱防止装置
は、タービンケーシング内に多段構造をなす対向流のタ
ービン段落を軸方向に対向して備え、上記タービン段落
のタービン羽根車をタービンロータに設けたものにおい
て、相対向する第１段タービン羽根車にバランス孔をそ
れぞれ設け、上記バランス孔を介して上記第１段タービ
ン羽根車の出口側を、第１段タービン段落のノズルダイ
アフラムとタービンロータの間の空間に連通させるとと
もに、前記各第１段タービン羽根車のタービン羽根根元
部を互いに異なる負の反動度に設定し、かつ対向流ター
ビン段落を流れる段落流迅を同じに設定したものである
。

（作用） 本発明に係る対向流蒸気タービンのロータ過熱防止装置
においては、対向流第１段タービン段落を通過して膨服
した蒸気をクーリング蒸気として対向流第１段タービン
羽根車に設けられたバランス孔から、第１段タービン段
落のノズルダイアフラムとタービンロータとの間の空間
に案内するとともに、対向流第１段タービン羽根車のタ
ービン羽根根元部を互いに異なる負の反動度としだので
、クーリング蒸気は空間内に滞溜することなくスムーズ
に流れ、第１段タービン羽根車の入口側で第１段タービ
ン段落を流れる段落流ＩＡ（主流）に合流ぜしめられる
。したがって、タービンロータの過熱を有効的に防止で
きる。

また、この対向流蒸気タービンのロータ過熱防止装置は
、対向流タービン段落を流れる段落流迅を同じに設定し
たので、対向流蒸気タービンの蒸気流路設計やタービン
ロータのスラス１一般計が容易になる。

〈実施例） 以下、本発明に係る対向流蒸気タービンのロータ過熱防
止装置の一実施例について添付図面を参照して説明する
。

第１図は対向流蒸気タービンとしての再熱蒸気タービン
を示す部分断面図であり、この再熱蒸気タービンはター
ビンケーシング（内部ケーシング）２０内にタービンロ
ータ２１が回転自在に支持され、このタービンロータ２
１にタービン羽根車２２ａ、２２ｂが設けられる。各タ
ービン羽根車２２ａ、２２ｂはタービンケーシング２０
に固定された対向するノズルダイアフラム２３ａ、２３
ｂとから対向流をなすタービン段落が構成される。

このタービン段落は多段構造をなし、タービンケーシン
グ２０の中央部のノズル前部空間２５を境にして軸方向
に対向して両側に形成される。

一方、ノズルダイアフラム２３ａ、２３ｂはタービンケ
ーシングに固定されるノズルダイアフラム外輪２６ａ、
２６ｂとその内輪２７ａ、２７ｂとをノズル２８ａ、２
８ｂを介して連接したものであり、このうち、第１段タ
ービン段落の各ノズルダイアフラム内輪２７ａ、２７ｂ
同士は連接部２９を介して一体あるいは一体的に結合さ
れ、第１段タービン段落のノズルダイアフラム２３ａ。

２３ｂとタービンロータ２１との間に環状あるいはスリ
ーブ状の空間３０が形成される。

また、ターごン羽根車２２ａ、２２ｂはタービンロータ
２１に固定されたロータディスク３１ａ。

３１ｂとこのロータディスク３１８．３１ｂの外周部に
植設される多数のタービン羽根３２ａ、３２ｂとを備え
ており、第１段タービン段落のロータディスク３１ａ、
３１ｂにはバランス孔としてのバランスホール３３ａ、
３３ｂが穿設される。

バランスホール３３ａ、３３ｂは第１段タービン羽根車
２２ａ、２２ｂの出口側を前記空間３０に連通させ、バ
ランスホール３３ａ、３３ｂを介して第１段タービン羽
根車２２ａ、２２ｂ出口側のクーリング蒸気を前記空間
３０に案内している。

第１段タービン羽根車２２ａ、２２ｂのロータディスク
３１ａ、３１ｂに植設されるタービン羽根３２ａ、３２
ｂは、第２図（Ａ）および（Ｂ）に示すように構成され
、タービン羽根３２ａ、３２ｂの出口側羽根植設部３５
ａ、３５ｂにスチームスクープ（突起）３６ａ、３６ｂ
がそれぞれ設けられる。相対向する第１段タービン羽根
３２ａ。

３２ｂに形成されるスチームスクープ３６　ａ　＋’　
３６ｂは、高さｈａ、ｈｂが第３図（Ａ）および（Ｂ）
に示すようにそれぞれ異なる。スチームスクープの高さ
は第４図に示すように、高いほどバランスグループへ案
内される流入蒸気品が多くなる。このバランスグループ
３７ａ、３７ｂはバランス孔をなすもので、このバラン
スグループを介してもタービン羽根車２２ａ、２２ｂの
出口側は入口側（空間３０）に連通される。バランス孔
はバランスグループ３７ａ、３７ｂおよびバランスホー
ル３３ａ、３３ｂのいずれか一方であってもよい。

第１段羽根車２２ａ、２２ｂのタービン羽根根元部は反
動度が予め負になるように設定される。

この反動度はノズルダイアフラムのノズルおよびタービ
ン羽根の断面形状や断面積の比率により決定され、ター
ビン羽根根元部を負の反動度に設定することにより、タ
ービン羽根車２２ａ、２２ｂの羽根根元部は入口側圧力
が出口側圧力より小さくなる。

そして、タービン羽根根元部の負の反動度は、対向流を
なす左右両側の第１段タービン羽根車２２ａ、２２ｂの
一方が、その他方と異なるように設定される。例えば、
第１図において右側第１段タービン羽根車２２ｂの負の
反動度は左側第１段タービン羽根車２２ａの負の反動度
より大ぎな負の値となるように設定される。このため、
第１段タービン羽根車２２ａ、２２ｂの入口圧力Ｐ２ａ
。

Ｐ２ｂは羽根根元側でＰ２ａ＞Ｐ２ｂとなるように定め
られる。

一方、対向流蒸気タービンの各タービン段落を流れる段
落流量は、左右両側で同じになるように左右対称の蒸気
通路設計がなされる。この場合、段落流量が同じである
とは段落流ａが全く同一の場合のみならず、近似する場
合、すなわち実質的にほぼ同一の場合も含む概念である
。対向流蒸気タービンの各タービン段落を流れる段落流
量を同じにするため、対向流第１段タービン段落は入口
圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ３とがそれぞれ同一になるように
設定される。

次に、対向流蒸気タービンのロータ過熱防止装置の作用
について説明する。

蒸気タービンの駆動により、高圧タービンで仕事をした
蒸気は再熱器（図示せず）で再熱され、再熱蒸気となっ
て再熱蒸気タービンのノズル前部空間２５に案内される
。ノズル前部空間２５に流入された高温の再熱蒸気は左
右に分流して対向流の第１段のタービン段落に案内され
る。このとき、左右両側、すなわち高圧タービン側およ
び発電機側に流れる蒸気の段落流量が同じにされる。

ノズル前部空ＩＦＩ　２５に案内された蒸気が対向流の
第１段タービン段落を通過すると、蒸気圧力はＰｌから
Ｐ３　（Ｐｌ〉Ｐ３）に膨張し、この膨張に要した蒸気
の熱エネルギは運動エネルギとなってタービンロータ２
１に伝達され、タービンロータ２１を回転駆動される。

したがって、第１段タービン羽根車２２ａ、２２ｂの出
口において蒸気は熱エネルギが低下して低温の蒸気とな
る。

そして、左側（例えば高圧タービン側）の第１段タービ
ン羽根車２２ａより吐出された低温蒸気の一部はバラン
スグループ３７ａやバランスホール３３ａを通ってノズ
ルダイアフラム２７ａとタービンロータ２１との間の空
間３０ａに案内される。同様にして右側（例えば発電機
側）の第１段タービン羽根車２２ｂから吐出された低温
蒸気の−ｉもバランスグループ３７ｂやバランスホール
３３ｂを通って前記空間３０ｂに流れる。

その際、対向流第１段タービン羽根車２２ａ。

２２ｂのタービン羽根植設部に設けられたスチームスク
ープ３６ａ、３６ｂの高さは、例えば左側は右側より高
いため（逆であってもよい。）、空間３０内に流入され
る低温蒸気は、左側第１段タービン羽根車２２ａのバラ
ンス孔からの方が右側のバランス孔からの蒸気より多く
なる。

また、左側の第１段タービン羽根車２２ａのバランス孔
３３ａ、３７ａから空間３０ａに案内された低温のクー
リング蒸気は分流されて第１段タービン羽根車２２ａの
入口側にて主流（段落流量）と合流せしめられる。しか
し、対向流第１段タービン羽根車２２ａ、２２ｂのター
ビン羽根根元部の入口圧力Ｐ　　、Ｐ　　はＰ　　＞ｐ
　　に設定されて２ａ　　　２ｂ　　　２ａ　　　２ｂ いるので、空間３０ａに流入したクーリング蒸気の残り
は、空間流路３０を経由して他方の空間３ｏｂに案内さ
れ、ここでバランス孔３３ｂ、３７ｂを通って送られる
低温のクーリング蒸気と合流する。合流した蒸気は右側
第１段タービン羽根車２２ｂの入口部に案内されて段落
流量（主流）と合流せしめられる。

したがって、クーリング蒸気が空間３０に滞溜すること
なくスムーズに流れるので、タービンロータ２１のロー
タ表面温度は第５図に示す温度分布となり、ロータ表面
の過熱が有効にしかも確実に防止される。このため、タ
ービンロータ２１のロータ表面が再熱蒸気温度より上昇
する過熱現象は確実に解消され、ロータ表面温度は常に
再熱蒸気温度より低く、かつ再熱蒸気温度との間に一定
の温度差を保持することができる。また、第１段タービ
ン羽根車２２ａ、２２ｂ出口側の蒸気をクーリング蒸気
として利用しているので、タービン起動時においても温
度が急降下することがなく、熱応力的に何ら問題になら
ない。

なお、本発明は再熱蒸気タービンに適用した例について
説明したが、対向流蒸気タービンであればよく、再熱蒸
気タービンに限定されない。また、対向流第１段タービ
ン羽根車のバランス孔の孔形状や寸法を異にして設定す
れば、空間内を流通するクーリング蒸気ｍを調節でき、
タービンロータ表面の温度調整が容易になる。

また、タービンロータの過熱を防止するクーリング蒸気
は高圧タービンの途中段落等の外部から然気供給配管や
クーリングバイブ等を通して案内することがないので、
部品点数が少なくなり、構造の簡素化を図ることができ
る。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係る対向流蒸気タービンの
ロータ過熱防止装置においては、相対向する第１段ター
ビン羽根車にバランス孔をそれぞれ設け、上記バランス
孔を介して第１段タービン羽根車の出口側を、第１段タ
ービン段落のノズルダイアフラムとタービンロータの間
の空間に連通させるとともに、前記各第１段タービン羽
根車のタービン羽根根元部を互いに異なる負の反動度に
設定したので、各第１段タービン羽根車の羽根根元部の
圧力を異にすることができ、この結果、前記空間に案内
されるクーリング蒸気のｉｆｉ溜を有効的に防止し、上
記クーリング蒸気を空間内でスムーズに案内することが
でき、タービンロータのロータ表面の過熱を未然にしか
も確実に防止できる。

また、対向流タービン段落を流れる段落流量を同じに設
定したので、対向流蒸気タービンにおいて両側のタービ
ン段落の蒸気流路設計を共通化させることができ、蒸気
流路設計が簡素化されて容易になるとともに、対向流の
段落流量がバランスしているので、タービンロータにス
ラスト力が作用するのを防止でき、そのスラスト設計が
容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る対向流蒸気タービンのロータ過熱
防止装置の一実旋例を示寸図、第２図＜Ａ）および（Ｂ
）は上記対向流蒸気タービンの第１段タービン段落をそ
れぞれ構成するタービン羽根を示す斜視図、第３図（Ａ
）および（Ｂ）は第２図（Ａ）および（Ｂ）のＡ−Ａ線
およびＢ−Ｂ線にをそれぞれ沿う平断面図、第４図はス
チームスクープの高さとバランスグループ（バランス孔
）への流入蒸気量の関係を示す図、第５図は対向流蒸気
タービンとしての再熱蒸気タービンへ流入される再熱蒸
気温度と再熱タービンロータのロータ表面温度の関係を
示す図、第６図は従来の蒸気タービンの一般的な配置関
係を示す図、第７図は対向流蒸気タービンとして従来の
再熱蒸気タービンを対向流第１段タービン段落部分を示
す部分断面図、第８図は従来の再熱蒸気タービンの運転
による時間とタービンロータのロータ表面温度との関係
を示す図、第９図および第１０図は対向流再熱蒸気ター
ビンのタービンロータの過熱を防止する従来の冷却構造
をそれぞれ示す図、第１１図は従来の冷却構造を採用し
たときのタービン起動時のロータ表面温度とクーリング
蒸気温爪の湿度関係を示す図、第１２図は従来の蒸気タ
ービンのロータ冷却装置を示す部分断面図である。 ２０・・・タービンケーシング、２１・・・ターごンロ
ータ、２２ａ、２２ｂ・・・タービン羽根車、２３ａ、
　２３ｂ・・・ノズルダイアフラム、２５・・・ノズル
前部空間、２６ａ、２６ｂ・・・ノズルダイアフラム外
輪、２７ａ、２７ｂ・・・ノズルダイアフラム内輪、２
８ａ、２８ｂ・・・ノズル、３０．３０ａ、３０ｂ・・
・空間、３１ａ、３１ｂ・・・ロータディスク、３２ａ
、３２ｂ・・・タービン羽根、３３ａ、３３ｂ・・・バ
ランスホール、３５ａ、３５ｂ・・・羽根植設部、３６
ａ、３６ｂ−・・スチームスクープ、３７ａ、３７ｂ・
・・バランスグループ。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久＄　ｆ　図 （，４）　　　　　　　　　　　（ｔ３）其２日 回転方向　　　　　　　　　　　　ｒｉ３社方開方間）
　　　　　　　　　　　　　　ＣＢ）茶３　図 某４　図 奸　間 某７　図 料量 袈８　図 甚ｌＯ園 −聴慨

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タービンケーシング内に多段構造をなす対向流のタ
   ービン段落を軸方向に対向して備え、上記タービン段落
   のタービン羽根車をタービンロータに設けた対向流蒸気
   タービンのロータ過熱防止装置において、相対向する第
   １段タービン羽根車にバランス孔をそれぞれ設け、上記
   バランス孔を介して上記第１段タービン羽根車の出口側
   を、第１段タービン段落のノズルダイヤフラムとタービ
   ンロータの間の空間に連通させるとともに、前記各第１
   段タービン羽根車のタービン羽根根元部を互いに異なる
   負の反動度に設定し、かつ対向流タービン段落を流れる
   段落流量を同じに設定したことを特徴とする対向流蒸気
   タービンのロータ過熱防止装置。 ２、相対向する第１段タービン羽根車の出口側にスチー
   ムスクープが設けられる一方、一方のスチームスクープ
   は他方のスチームスクープと高さを異にした特許請求の
   範囲第１項に記載の対向流蒸気タービンのロータ過熱防
   止装置。 ３、スチームスクープは相対向する第１段タービン羽根
   車のタービン羽根植設部に設けられるとともに、上記タ
   ービン羽根植設部にバランス孔を形成するバランスグル
   ープが形成された特許請求の範囲第２項に記載の対向流
   蒸気タービンのロータ過熱防止装置。 ４、対向流タービン段落は第１段タービン段落の入口側
   圧力同士および出口側圧力同士を互いに等しくなるよう
   に設定した特許請求の範囲第１項に記載の対向流蒸気タ
   ービンのロータ過熱防止装置。 ５、バランス孔は第１段タービン羽根車のロータディス
   クに形成されるバランスホールである特許請求の範囲第
   １項に記載の対向流蒸気タービンのロータ過熱防止装置
   。