JPWO2018167907A1 - 蒸気タービン - Google Patents

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Abstract

軸線に沿って延びるロータ本体(18)と、複数段の動翼列(13)と、複数段の動翼列(13)の軸線方向一方側(Da1)に設けられたバランスピストン(20)と、を有するロータ(9)と、ロータ(9)を軸線の径方向外側から覆い、ロータ(9)との間に、動翼列(13)に対応して形成される複数の翼室(25)と、バランスピストン(20)の軸線方向他方側(Da2)に形成される第一の部屋(27)と、バランスピストン(20)の軸線方向一方側(Da1)に形成される第二の部屋(28)と、を形成するケーシング(7)と、ロータ(9)にかかるスラスト力を受けるスラスト軸受(10)と、第一の部屋(27)に蒸気を導入する蒸気入口(14)と、第二の部屋(28)と、複数の翼室のうち一の翼室(25e)と、を接続する第一配管(29)と、第一配管(29)に設けられた第一調整弁(31)と、第二の部屋(28)と、複数の翼室のうち一の翼室とは内部圧力の異なる他の翼室(25b)と、を接続する第二配管(30)と、第二配管(30)に設けられた第二調整弁(32)と、スラスト軸受(10)にかかるスラスト力に基づいて第一調整弁(31)と第二調整弁(32)とを制御する制御装置(12)と、を備える蒸気タービン(1)を提供する。

Description

本発明は、蒸気タービンに関する。
蒸気タービンは、運転中にロータにかかるスラスト力を受けるために、スラスト軸受を備えている。スラスト軸受の負荷能力には限界があるため、いかなる運転状態であってもロータにかかるスラスト力がスラスト軸受の負荷能力を超えないように、スラストバランスを考慮した設計を行う必要がある。
特許文献1には、ロータにバランスピストン(ダミーピストン)を設けて、このバランスピストンに蒸気タービンの運転に伴うスラスト力とは反対向きのスラスト力(バランススラスト力)を発生させる蒸気タービンが開示されている。
特許文献1に記載の蒸気タービンは、バランスピストンにかかる圧力を調整するために、バランスピストンの動翼側とは反対側の部屋とタービン車室内の翼室とを接続する配管に圧力調整弁を設けている。これにより、バランスピストンに作用するスラスト力を調整することができる。
特開平8−189302号公報
ところで、特許文献1に記載の蒸気タービンにおいては、バランススラスト力の調整幅が小さいという課題があった。即ち、最大のバランススラスト力は、配管が接続された翼室の内部圧力に依存するため、より大きなバランススラスト力を発生させる必要が生じた場合においても対応ができないという課題があった。
本発明は、スラスト軸受にかかるスラスト力が大きく変化した場合においても、バランスピストンを用いて対応することができる蒸気タービンを提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、蒸気タービンは、軸線に沿って延びるロータ本体と、複数段の動翼列と、前記複数段の動翼列の軸線方向一方側に設けられたバランスピストンと、を有するロータと、前記ロータを前記軸線の径方向外側から覆い、前記ロータとの間に、前記動翼列に対応して形成される複数の翼室と、前記バランスピストンの軸線方向他方側に形成される第一の部屋と、前記バランスピストンの軸線方向一方側に形成される第二の部屋と、を形成するケーシングと、前記ロータにかかるスラスト力を受けるスラスト軸受と、前記第一の部屋に蒸気を導入する蒸気入口と、前記第二の部屋と、前記複数の翼室のうち一の翼室と、を接続する第一配管と、前記第一配管に設けられた第一調整弁と、前記第二の部屋と、前記複数の翼室のうち前記一の翼室とは内部圧力の異なる他の翼室と、を接続する第二配管と、前記第二配管に設けられた第二調整弁と、前記スラスト軸受にかかるスラスト力に基づいて前記第一調整弁と前記第二調整弁とを制御する制御装置と、を備える。
このような構成によれば、バランスピストンにかかるスラスト力をより大きな調整幅で調整することができる。これにより、スラスト軸受にかかるスラスト力が大きく変化した場合においても、バランスピストンを用いて対応することができる。
上記蒸気タービンにおいて、前記制御装置は、蒸気タービンの運転点から蒸気タービンの排気流量を導く運転点マップに基づいて蒸気タービンの前記排気流量を推定し、前記排気流量に基づいて前記スラスト軸受にかかるスラスト力を推定してよい。
このような構成によれば、スラスト力を推定するのにあたって、スラスト軸受の温度を測定する装置などの測定装置が不要となるため、低コストでの運用が可能となる。
上記蒸気タービンにおいて、前記スラスト軸受のメタル温度を測定するメタル温度測定装置を有し、前記制御装置は、前記スラスト軸受のメタル温度に基づいて前記スラスト軸受にかかるスラスト力を推定してよい。
このような構成によれば、例えば、スラスト軸受のメタル温度が閾値より高くなった場合に、スラスト力が過剰であると推定することができる。
上記蒸気タービンにおいて、前記スラスト軸受にかかる荷重を測定する荷重測定装置を有し、前記制御装置は、前記スラスト軸受にかかる荷重に基づいて前記スラスト軸受にかかるスラスト力を推定してよい。
このような構成によれば、スラスト軸受にかかる荷重を参照することによって、直接的にスラスト力を推定することができる。
本発明によれば、バランスピストンにかかるスラスト力をより大きな調整幅で調整することができる。これにより、スラスト軸受にかかるスラスト力が大きく変化した場合においても、バランスピストンを用いて対応することができる。
本発明の実施形態の蒸気タービンの全体構成を示す概略図である。 本発明の実施形態の蒸気タービンの制御装置が参照する運転点マップである。 本発明の実施形態の蒸気タービンの制御方法を説明するフローチャートである。
図1に示すように、本実施形態の蒸気タービン1は、蒸気のエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。
本実施形態の蒸気タービン1は、高圧タービン2と低圧タービン3とを有し、中間段から蒸気を抽気することができる蒸気タービンである。蒸気タービン1は、高圧タービン2に供給する高圧蒸気の流量を加減する蒸気加減弁4と高圧タービン2から低圧タービン3に供給する蒸気の流量を加減する抽気調整弁5と、を有している。また、蒸気タービン1は、ロータ9の回転速度等に応じて蒸気加減弁4及び抽気調整弁5を制御する調速機(電子ガバナ、図示せず)を有している。
蒸気タービン1は、ケーシング7と、ケーシング7に固定されている複数の静翼列8と、軸線方向Daに沿って延びるロータ9と、ロータ9にかかるスラスト力を受けるスラスト軸受10と、ロータ9を回転自在に支持するジャーナル軸受11と、制御装置12を備えている。ロータ9は、軸線方向Daに隣り合う静翼列8の間に配置される動翼列13を有している。
静翼列8は、軸線方向Daに間隔をあけて形成されている。静翼列8は、周方向に間隔をあけて設けられている複数の静翼から構成されている。
なお、以下では、ロータ9の軸線Aが延びている方向を軸線方向Da、軸線Aに対する周方向を単に周方向、軸線Aに対する径方向を単に径方向とする。また、図1の左側を軸線方向一方側Da1、図1の右側を軸線方向他方側Da2とする。
高圧蒸気は、軸線方向一方側Da1(上流側)から導入されて軸線方向他方側Da2(下流側)に流れて排気される。
ケーシング7の内部には、蒸気の流路が形成されている。ケーシング7は、径方向の外側からロータ9を覆っている。ケーシング7は、高圧タービン2の外郭をなす高圧ケーシング7aと、低圧タービン3の外郭をなす低圧ケーシング7bと、を有している。
高圧ケーシング7aには、静翼列8及び動翼列13の上流側から高圧ケーシング7aの内部に高圧蒸気を導入する蒸気入口14が形成されている。高圧ケーシング7aの下流側部分には、高圧ケーシング7a内を通った蒸気を抽気する抽気出口15が形成されている。
低圧ケーシング7bの下流側部分には、低圧ケーシング7b内を通った蒸気を排気する排気出口16が形成されている。
動翼列13と静翼列8とは、軸線方向Daに交互に配置されている。高圧タービン2及び低圧タービン3は、それぞれ三段の動翼列13及び静翼列8を有している。
ロータ9は、軸線方向Daに沿って延びるロータ本体18と、スラストカラー19と、バランスピストン20と、複数のディスク21と、複数の翼本体22と、を有している。
ディスク21は、軸線方向Daに沿って間隔をあけて複数設けられている。各々のディスク21は、ロータ本体18から径方向外側に張り出すように形成されている。翼本体22は、ディスク21の外周面に周方向に間隔をあけて複数設けられている。
各々の動翼列13は、ディスク21及び複数の翼本体22によって構成されている。即ち、複数の動翼列13とバランスピストン20とは、同じロータ本体18に設けられている。
ロータ本体18は、ケーシング7を貫通するように軸線Aに沿って延びている。ロータ本体18は、軸線方向Daの中間部がケーシング7内に収容され、軸線方向Daの両端部が、ケーシング7の外部に突出している。ロータ9の両端部は、ジャーナル軸受11により軸線A回りに回転自在に支持されている。軸線方向一方側Da1のジャーナル軸受11の軸線方向一方側Da1には、ロータ9にかかるスラスト力を受けるスラスト軸受10が設けられている。
スラストカラー19は、ロータ9の軸線方向一方側Da1の端部に設けられている。スラストカラー19は、ロータ本体18の外周面から径方向外側に突出している。スラスト軸受10は、ロータ9に形成されているスラストカラー19に対応して設けられている。
スラスト軸受10は、軸線方向他方側Da2からスラストカラー19を支持する第一スラスト軸受10aと、軸線方向一方側Da1からスラストカラー19を支持する第二スラスト軸受10bと、を有している。高圧蒸気が上流側から下流側に流れることにより動翼列13に作用するスラスト力は、第一スラスト軸受10aによって支持される。
また、スラスト軸受10は、第一スラスト軸受10aのメタル温度を測定する温度測定装置23、及び第一スラスト軸受10aにかかる荷重を測定する荷重測定装置を備えるセンサーを有している。
ケーシング7の内部であって、ケーシング7とロータ9との間には、複数の翼室25が形成されている。蒸気タービン1は、最も上流側(軸線方向一方側Da1)に配置されている動翼列13に対応する第一翼室25aから、最も下流側に配置されている動翼列13fに対応する第六翼室25fまでの6つの翼室25を有している。蒸気タービン1の運転中では、第一翼室25a内の内部圧力が最も高く、第六翼室25f内の内部圧力が最も低い。即ち、下流側に向かうに従って、翼室25内の内部圧力は低くなる。
蒸気タービン1は、蒸気入口14から導入される蒸気がケーシング7のロータ貫通部分から漏出するのを防ぐグランド26を有している。グランド26は、例えば、ラビリンスシーリングによって構成されている。
蒸気タービン1には、軸線方向他方側Da2から軸線方向一方側Da1に向かって順に、HPグランド26a、MPグランド26b、LPグランド26cが設けられている。
バランスピストン20は、高圧ケーシング7aの内部であって、複数の動翼列13の軸線方向一方側Da1に設けられている。バランスピストン20は、ロータ本体18の外周面から径方向外側に突出している。即ち、バランスピストン20の外径は、ロータ本体18の外形よりも大きい。
ケーシング7の内部であって、ケーシング7とロータ9との間には、バランスピストン20の軸線方向他方側Da2(動翼列13側)に形成される第一の部屋27と、バランスピストン20の軸線方向一方側Da1に形成される第二の部屋28と、が設けられている。
バランスピストン20は、軸線方向他方側Da2(第一の部屋27)を向く第一面20aと軸線方向一方側Da1(第二の部屋28)を向く第二面20bとを有している。第一の部屋27の内部圧力は、第一面20aに作用する。第二の部屋28の内部圧力は、第二面20bに作用する。
バランスピストン20の外周面は、HPグランド26によって封止されている。
第一の部屋27と第五動翼列13eに対応する第五翼室25eとは、第一配管29で接続されている。第一配管29には、第一調整弁31が設けられている。
第二の部屋28と第二動翼列13bに対応する第二翼室25bとは、第二配管30で接続されている。第二配管30には、第二調整弁32が設けられている。
即ち、第二の部屋28と複数の翼室25のうちの一の翼室である第五翼室25eとは、第一配管29によって接続され、第二の部屋28と、第五翼室25eとは内部圧力が異なる他の翼室である第二翼室25bとは、第二配管30によって接続されている。
第二配管30は、第一配管29から分岐させてもよい。
第一調整弁31が開状態、かつ、第二調整弁32が閉状態である場合、第二の部屋28の内部圧力P2と第五翼室25eの内部圧力P4とが略同じになる。また、第一調整弁31が閉状態、かつ、第二調整弁32が開状態である場合、第二の部屋28の内部圧力P2と第二翼室25bの内部圧力P3とが略同じになる。
制御装置12は、スラスト軸受10のメタル温度に基づいて判定を行う軸受温度判定部12aと、蒸気タービン1の排気流量に基づいて判定を行う排気流量判定部12bと、を有している。
次に、蒸気タービン1の運転点マップについて説明する。本実施形態の蒸気タービン1の制御装置12の排気流量判定部12bは、運転点マップを参照して蒸気タービン1の排気流量を導出することができる。
図2に示すように、運転点マップは、横軸をタービン出力(蒸気タービン1の出力)、縦軸を入口蒸気流量(蒸気入口14から流入する蒸気の流量)とし、これらの相対関係に対応して、抽気流量について0%(図2の線分A1−A2)から100%(図2の線分A3−A4)まで、縦軸方向にスケールを刻み、排気流量について、最小排気運転点(図2の線分A4−A3)と最大排気運転点(図2の線分A2−A5)とを示したものである。
例えば、タービン出力が70%であり、抽気流量が75%であるとき、運転点マップ上で、運転点A7が定まり、運転点A7における入口蒸気流量、及び排気流量を導出することができる。
ここで、タービン出力は、ロータ9の回転速度制御出力信号に対応し、入口蒸気流量は蒸気加減弁4の操作信号に対応し、抽気流量は、抽気調整弁5の操作信号に対応している。よって、例えば、タービン出力の代わりにロータ9の回転速度制御出力信号を参照してもよい。また、入口蒸気流量を抽気出口15を流れる蒸気の流量、及び排気出口16を流れる蒸気の流量から求めてもよい。
このように、運転点マップを参照して蒸気タービン1の排気流量を導出する方法は、タービン出力及び抽気流量に限ることはなく、様々なパラメータを用いることができる。
次に、本実施形態の蒸気タービン1の制御方法について説明する。
図3に示すように、蒸気タービン1の制御方法は、第一調整弁31と第二調整弁32とを、通常運転モードに設定する通常運転モード設定工程S1と、第一スラスト軸受10aのメタル温度Tに基づいてスラスト力を推定する軸受温度判定工程S2と、メタル温度Tが閾値T1以上となった場合に、運転点マップに基づいて排気流量を導出し、排気流量に基づいてスラスト力を推定する排気流量判定工程S3と、運転点マップを参照することによって導出された排気流量が閾値F1以上となった場合に調整弁31,32を緊急モードに設定する緊急モード設定工程S4と、を有している。
図示しないボイラ等から蒸気入口14を介して高圧蒸気が導入されると、蒸気は、高圧タービン2の翼室25及び低圧タービン3の翼室25に流入し、ロータ9に回転力を与えながら、次第に、温度・圧力を低下させていく。仕事を終えた蒸気は、排気出口16を介して蒸気タービン1外に排出される。
蒸気タービン1の運転中においては、ロータ9に軸線方向他方側Da2に向かうスラスト力が発生する。軸線方向他方側Da2に向かうスラスト力は、例えば、翼本体22とディスク21とに発生する差圧によって生じる。このスラスト力は、第一スラスト軸受10aによって支持される。
一方で、第一の部屋27と第二の部屋28との差圧によって、バランスピストン20に軸線方向一方側Da1に向かうスラスト力(バランススラスト力)が発生する。本実施形態の蒸気タービン1は、第二翼室25bと第二の部屋28とを連通させて、第二翼室25bの内部圧力を第二の部屋28の内部圧力とを略同じにすることによってスラスト力とバランススラスト力とがバランスするように構成されている。
通常運転モード設定工程S1では、制御装置12は、蒸気タービン1の起動後に蒸気タービン1を通常運転モードに設定する。通常運転モードでは、第二調整弁32が開状態に設定され、第一調整弁31が閉状態に設定される。
ここで、第一の部屋27の内部圧力をP1、第二の部屋28の内部圧力をP2、第二翼室25bの圧力をP3、第五翼室25eの圧力をP4とする。
通常の蒸気タービン1の運転時においては、第二調整弁32は開状態であり、第一調整弁31は閉状態である。これにより、これにより、第二の部屋28の内部圧力P2と第二翼室25bの内部圧力P3は、略同じになる。
これにより、スラスト力とバランススラスト力とがバランスし、ロータ9全体として軸線方向Daに作用する力がバランスする。即ち、第一スラスト軸受10aにかかるスラスト力が、第一スラスト軸受10aの負荷能力範囲内に収まる。
軸受温度判定工程S2は、蒸気タービン1の運転中において、第一スラスト軸受10aのメタル温度を監視する工程である。制御装置12の軸受温度判定部12aは、第一スラスト軸受10aのメタル温度Tが閾値T1以上か否かを判定する。閾値T1は、例えば、100℃に設定することができる。
制御装置12の軸受温度判定部12aは、第一スラスト軸受10aのメタル温度Tが閾値T1より低い場合(NO)通常運転モードを続行する。
一方、第一スラスト軸受10aのメタル温度Tが閾値T1以上の場合(YES)、排気流量判定工程S3を実行する。排気流量判定工程S3は、運転点マップに基づいて蒸気タービン1の排気流量を導出し、排気流量に基づいてスラスト力を推定する工程である。
制御装置12の排気流量判定部12bは、運転点マップを参照して蒸気タービン1の排気流量を導出する。次いで、制御装置12の排気流量判定部12bは、蒸気タービン1の排気流量Fが閾値F1以上か否かを判定する。閾値F1は、最大排気運転点を排気流量100%、最小排気運転点を排気流量0%とすると、排気流量90%とすることができる。
制御装置12の排気流量判定部12bは、排気流量Fが閾値F1より小さい場合、通常運転モードを続行する。これは、第一スラスト軸受10aのメタル温度Tの上昇がスラスト軸受10の摩耗による現象であったり、油の性状の悪化による現象であると考えられるためである。即ち、バランスピストン20前後の差圧の調整を行っても、メタル温度Tの上昇は改善しないと考えられる場合は、通常運転モードを続行する。
一方、排気流量Fが閾値F1以上の場合は、排気流量Fの上昇に伴いスラスト力が過大になっていると考えられるため、制御装置12の排気流量判定部12bは、第一スラスト軸受10aの負荷を軽減するために、緊急モードに設定する。緊急モードでは、第二調整弁32が閉状態に設定され、第一調整弁31が開状態に設定される。
これにより、第二の部屋28の内部圧力P2と第五翼室25eとの内部圧力P4は、略同じになる。第五翼室25eの内部圧力P4は、第二翼室25bの内部圧力P3よりも低いため、第二の部屋28の内部圧力P2が減少し、軸線方向一方側Da1に向かうバランススラスト力は増大する。これにより、第一スラスト軸受10aの負荷が軽減される。
上記実施形態によれば、ロータ9にかかるスラスト力に応じて、第一配管29と第二配管30とを切り替えることによって、バランスピストン20にかかるスラスト力をより大きな調整幅で調整することができる。これにより、スラスト軸受10にかかるスラスト力が大きく変化した場合においても、バランスピストン20を用いて対応することができる。
また、スラスト軸受10のメタル温度Tに加え、運転点マップを用いてスラスト力を推定することによって、より正確にスラスト軸受10の状態を推定することができる。
なお、上記実施形態では、軸受温度判定部12aにおいて、メタル温度Tに基づいてスラスト力を推定する構成としたがこれに限ることはない。センサーが有する荷重測定装置24によって測定される荷重に基づいてスラスト力を推定してもよい。これにより、より直接的にスラスト力を推定することができる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、第二の部屋28と翼室25を連通させる配管を二本としたが、これに限ることはなく、例えば、三本以上の配管を第二の部屋28と連通させて、第二の部屋28の内部圧力P2の設定範囲を広げてもよい。
また、上記実施形態では、スラスト軸受10のメタル温度Tと運転点マップによって推定された蒸気タービン1の排気流量Fに基づいて調整弁31,32を開閉する構成としたが、これに限ることはない。例えば、運転点マップのみに基づいて調整弁31,32を制御してもよい。即ち、運転点マップによって排気流量Fが最大排気運転点の90%であると推定された場合に、調整弁31,32を切り替えてもよい。また、スラスト軸受10のメタル温度Tのみに基づいて調整弁31,32を制御したり、スラスト軸受10にかかる荷重のみに基づいて調整弁31,32を制御する構成としてもよい。
また、上記実施形態では、調整弁31,32を完全に開閉する構成としたが、これに限ることはなく、調整弁31,32の開度を調整して、第二の部屋28の内部圧力P2を調整する構成としてもよい。
1 蒸気タービン
2 高圧タービン
3 低圧タービン
4 蒸気加減弁
5 抽気調整弁
7 ケーシング
7a 高圧ケーシング
7b 低圧ケーシング
8 静翼列
9 ロータ
10 スラスト軸受
11 ジャーナル軸受
12 制御装置
12a 軸受温度判定部
12b 排気流量判定部
13(13a,13b,13c,13d,13e,13f) 動翼列
14 蒸気入口
15 抽気出口
16 排気出口
18 ロータ本体
19 スラストカラー
20 バランスピストン
20a 第一面
20b 第二面
21 ディスク
22 翼本体
23 温度測定装置
25(25a,25b,25c,25d,25e,25f) 翼室
26 グランド
27 第一の部屋
28 第二の部屋
29 第一配管
30 第二配管
31 第一調整弁
32 第二調整弁
A 軸線
Da 軸線方向
Da1 軸線方向一方側
Da2 軸線方向他方側

Claims (4)

  1. 軸線に沿って延びるロータ本体と、複数段の動翼列と、前記複数段の動翼列の軸線方向一方側に設けられたバランスピストンと、を有するロータと、
    前記ロータを前記軸線の径方向外側から覆い、前記ロータとの間に、前記動翼列に対応して形成される複数の翼室と、前記バランスピストンの軸線方向他方側に形成される第一の部屋と、前記バランスピストンの軸線方向一方側に形成される第二の部屋と、を形成するケーシングと、
    前記ロータにかかるスラスト力を受けるスラスト軸受と、
    前記第一の部屋に蒸気を導入する蒸気入口と、
    前記第二の部屋と、前記複数の翼室のうち一の翼室と、を接続する第一配管と、
    前記第一配管に設けられた第一調整弁と、
    前記第二の部屋と、前記複数の翼室のうち前記一の翼室とは内部圧力の異なる他の翼室と、を接続する第二配管と、
    前記第二配管に設けられた第二調整弁と、
    前記スラスト軸受にかかるスラスト力に基づいて前記第一調整弁と前記第二調整弁とを制御する制御装置と、を備える蒸気タービン。
  2. 前記制御装置は、蒸気タービンの運転点から蒸気タービンの排気流量を導く運転点マップに基づいて蒸気タービンの前記排気流量を推定し、前記排気流量に基づいて前記スラスト軸受にかかるスラスト力を推定する請求項1に記載の蒸気タービン。
  3. 前記スラスト軸受のメタル温度を測定する温度測定装置を有し、
    前記制御装置は、前記スラスト軸受のメタル温度に基づいて前記スラスト軸受にかかるスラスト力を推定する請求項1又は請求項2に記載の蒸気タービン。
  4. 前記スラスト軸受にかかる荷重を測定する荷重測定装置を有し、
    前記制御装置は、前記スラスト軸受にかかる荷重に基づいて前記スラスト軸受にかかるスラスト力を推定する請求項1又は請求項2に記載の蒸気タービン。
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