WO2011077872A1 - 単流型タービンにおける冷却方法及び装置 - Google Patents

Abstract

高温蒸気が導入される低圧タービンより高圧側の単流型タービンにおいて、ダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータの冷却効果を向上すると共に、ダミー環側に主蒸気が漏洩するのを防止して、熱効率の低下を抑制することを目的とする。単流型超高圧タービン１０Ａのダミー環２６に冷却蒸気供給管３２を設け、５７０℃以下のボイラの抽気蒸気を冷却蒸気Ｓ_４としてダミー環２６とタービンロータ１２間の隙間ｃに供給する。冷却蒸気Ｓ_４は主蒸気Ｓ_１のうちダミー環２６側に漏洩した漏洩蒸気Ｓ_２より低温でかつ高圧の圧力を有する。この冷却蒸気Ｓ_４を供給することで、主蒸気Ｓ_１から分離してダミー環２６側に漏洩してくる漏洩蒸気Ｓ_２の侵入を抑え、ダミー環２６とその内側の溶接部ｗ及び耐熱性の低い第２ロータ部１２ｂを冷却する。

Description

単流型タービンにおける冷却方法及び装置

　本発明は、蒸気タービン発電設備に組み込まれ、高温蒸気が導入される高圧側単流型タービンのダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータを冷却する方法及び装置に関する。

　近年、益々省エネと環境保全（ＣＯ_２の低減）の必要性が叫ばれる中で、蒸気タービン発電プラントにおいても、大容量化と熱効率向上の必要性が求められている。熱効率向上は、主蒸気の温度と圧力を高くすることによって行なわれてきた。蒸気タービンを含む石炭火力発電では、現状、最高６００℃前後の蒸気温度が採用されているが、今後、更なる熱効率向上のため、７００～７５０℃の高温蒸気を採用した発電プラントが求められている。

　一方、タービンロータには、タービンロータの回転により高い応力が発生する。そのため、タービンロータは高温、高応力に耐える必要があり、主蒸気の高温化の趨勢の中で、タービンロータの冷却技術が重要課題となっている。６００℃級の蒸気条件では、タービンロータ、動翼等の主要部材には、この蒸気条件に耐えられる１２％Ｃｒ鋼などの高クロム鋼（フェライト系耐熱鋼）が用いられている。

　しかし、７００℃級の蒸気条件を採用すると、１２％Ｃｒ鋼などの高クロム鋼では強度不足となる。そこで、タービンロータの材料として、更に高い高温強度を有するＮｉ基合金を適用することが考えられる。しかし、Ｎｉ基合金は大型塊の製造が難しく、かつ高価であるため、Ｎｉ基合金のみを用いてタービンロータを製造することは現実的でない。

　特許文献１には、Ｎｉ基合金で構成することが必須な高温部位にのみＮｉ基合金を用い、それ以外の部位をＣｒＭｏＶ鋼等の鉄鋼材料で構成したタービンロータが開示されている。このタービンロータは、６５０℃以上の高温蒸気が導入される部位をＮｉ基合金で構成し、それ以外の部位をＣｒＭｏＶ鋼で構成し、Ｎｉ基合金からなる部位とＣｒＭｏＶ鋼からなる部位とを溶着により連結し、該連結部及びＣｒＭｏＶ鋼からなる部位を５８０℃以下に維持するようにしている。ＣｒＭｏＶ鋼として、Ｃｒを９．０～１０重量％含有する高Ｃｒ鋼や、Ｃｒを０．８５～２．５重量％含有する低ＣｒＭｏＶ鋼が挙げられている。

　図４に従来の単流型超高圧タービンの一部の正面視断面を示す。図４において、単流型超高圧タービン１００は、タービンロータ１０２を囲んで内車室１０４が設けられ、内車室１０４の外側に、内車室１０４を囲んで外車室１０６が設けられている。内車室１０４の内側にノズル室１０８が設けられている。主蒸気供給管１１４が外車室１０６及び内車室１０４を貫通してラジアル方向に配置され、ノズル室１０８に接続されている。ノズル室１０８では、タービン翼列に向けて主蒸気噴射口１１０が設けられ、タービン翼列に向けて主蒸気Ｓ_１が噴射される。

　主蒸気噴射口１１０の直ぐ下流側において、初段動翼１１２がタービンロータ１０２の初段動翼部１０２ａに植設されている。主蒸気Ｓ_１の噴射により初段動翼１１２に回転力が与えられる。初段動翼１１２の下流側に、内車室１０４に植設された複数の静翼とタービンロータ１０２に植設された複数の動翼とが交互に配置された多段翼列（図示省略）が配置され、該多段翼列を通る主蒸気Ｓ_１によりタービンロータ１０２に回転力を与えている。

　ノズル室１０８の背後には、翼列部のスラストをバランスさせるためのダミー環１１６が設けられている。ダミー環１１６に対面してタービンロータ１０２のダミー部１０２ｂが設けられている。ダミー環１１６とダミー部１０２ｂとの間の隙間ｃに、蒸気の侵入を抑えるラビリンスシール１１８が設けられている。主蒸気噴射口１１０から噴射された主蒸気Ｓ_１の一部は、タービンロータ１０２とノズル室１０８外面との間の隙間からダミー環１１６側に漏洩する。

　外車室１０６及びダミー環１１６には、ラジアル方向に排気蒸気排出管１２０が貫通して配置され、排気蒸気排出管１２０の先端は隙間ｃに連通している。
　ダミー環１１６側に漏洩した漏洩蒸気Ｓ_２は、隙間ｃを通って排気蒸気排出管１２０に達し、排気蒸気排出管１２０を経て後段側の高圧タービンに蒸気を送る蒸気管１２２に合流する。この漏洩蒸気Ｓ_２が排気蒸気排出管１２０を通ることで、タービンロータ１０２に加わるスラスト力をバランスさせる役割もある。

　このように、単流型超高圧タービン１００など、高圧側の単流型タービンでは、タービンロータ１０２を回転させる仕事をしていない高温の蒸気がダミー環１１６側に漏洩し、ダミー環１１６とタービンロータ１０２のダミー部１０２ｂ間の隙間ｃを通るので、ダミー環１１６とタービンロータ１０２とが高温雰囲気に曝される。そのため、従来から、この部分を冷却する冷却手段が提案されてきた。

　例えば、特許文献２の図１に図示された単車室型蒸気タービンには、高圧タービン部から排出される排気蒸気の一部を、配管１０５を通して中圧タービン部の翼列入口部４４（特許文献２中での符号）に冷却蒸気として供給する構成が開示されている。
　また、特許文献３の図１に図示された単車室型蒸気タービンには、同様に、高圧タービン部から排出される排気蒸気の一部を、スラストバランス管１０６を通して中圧タービン部の入口部４４（特許文献３中での符号）に冷却蒸気として供給する構成が開示されている。

　特に、タービンロータ１０２が、Ｎｉ基合金やＣｒＭｏＶ鋼等の異種材料からなる部位を溶着等の手段で連結して構成されていると、この連結部は他の部位より高温強度が低下する。この連結部が隙間ｃに位置した場合、該連結部が高温の漏洩蒸気に曝される。これによって、該連結部の強度が低下するおそれがある場合は、特別の寿命管理が必要になる。

　この対策として、特許文献４の図１３には、タービンロータの連結部（ボルト結合部）を覆う遮蔽板２２（特許文献４中での符号）を設け、該遮蔽板２２に冷却蒸気を送る冷却蒸気供給管を接続し、該遮蔽板２２の内部に冷却蒸気を送ることで、該連結部を冷却する冷却手段が開示されている。

特開２００８－８８５２５号公報 実開平１－１１３１０１号公報（図１） 特開平９－１２５９０９号公報（図１） 特開２０００－２７４２０８号公報（図１３）

　特許文献２の図１や特許文献３の図１に図示された単車室型蒸気タービンの冷却手段は、いずれも中圧タービン部の入口部を冷却するものであり、ダミー環及び該ダミー環の内側に位置するタービンロータのダミー部を冷却するものではない。
　即ち、特許文献１や特許文献２に図示された単車室型蒸気タービンでは、高圧側タービン部の排気蒸気が高圧側タービン部と中圧タービン部とを仕切るダミー環と中圧タービン部との間に供給される。この排気蒸気は、高圧側タービン部に供給された主蒸気から分離してダミー環とタービンロータのダミー部との隙間に流れてくる漏洩蒸気より低圧とされているので、中圧タービン部側に流れる。

　そのため、該排気蒸気と該漏洩蒸気とが合流して中圧タービン部側へ流れ、中圧タービン部を冷却するようになっている。従って、ダミー環とタービンロータのダミー部とを、該漏洩蒸気の蒸気温度以下には冷却できない。

　また、特許文献４に開示された冷却手段は、冷却蒸気をどの蒸気源から供給するのか、あるいは冷却蒸気をどのような圧力で遮蔽板２２の内部に供給するのか、等につき具体的な記述が無く、単なるアイデアが開示されているだけにすぎない。
　このように、単流型タービンのダミー環及びこのダミー環の内側に配置されたタービンロータを冷却できる手段はなく、高温強度が要求される。また、ダミー環側に漏洩した主蒸気は、タービンロータに対して仕事をしないため、無駄な蒸気となり、単流型タービンの熱効率を低下させるという問題もある。

　本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、高温蒸気が導入される低圧タービンより高圧側の単流型タービンにおいて、該単流型タービンのダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータの効果的な冷却手段を実現すると共に、ダミー環側に主蒸気が漏洩するのを防止して、熱効率の低下を抑制することを目的とする。

　かかる課題を解決するため、本発明の単流型タービンにおける冷却方法は、蒸気タービン発電設備に組み込まれ低圧タービンより高圧側の単流型タービンであって、該単流型タービンのダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータを冷却する単流型タービンにおける冷却方法において、蒸気タービン発電設備内で発生し、該単流型タービンに供給される主蒸気のうちダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より低温でかつ高圧の冷却蒸気を、ダミー環に設けられた冷却蒸気供給路に供給する冷却蒸気供給工程と、冷却蒸気を冷却蒸気供給路を介してダミー環とロータとの間に形成される隙間に導入し、該隙間に流通させて、ダミー環及びロータを冷却する冷却工程と、からなるものである。

　本発明方法では、単流型タービンに供給される主蒸気のうちダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より低温でかつ高圧の冷却蒸気をダミー環に設けられた冷却蒸気供給路を介して、ダミー環とロータとの間の隙間に供給するようにする。これによって、ダミー環の周辺領域を高圧の冷却蒸気で満たし、この領域に主蒸気から分離した漏洩蒸気が侵入するのを抑制できる。そのため、ダミー環及びダミー環内側付近のロータの冷却効果を前述した従来の冷却手段より向上できる。

　これによって、ダミー環やタービンロータの温度上昇を防止し、ダミー環やロータを特別な寿命管理をすることなく、長寿命化できる。従って、ロータ等に用いられる素材の選択の自由度を増すことができる。また、ダミー環の付近で、ロータ材料として特に耐熱性に優れたＮｉ基合金の広領域での使用が不要になり、Ｎｉ基合金からなるロータの製作サイズを小さくできるため、ロータの製造が容易になる。
　本発明では、冷却蒸気として、蒸気タービン発電設備で発生する蒸気を適宜選択して用いることができるので、冷却蒸気の確保が容易になる。

　単流型タービンに供給される主蒸気はダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より高温でかつ高圧である。そのため、本発明方法において、冷却蒸気を主蒸気より低温でかつ主蒸気と同等圧又は主蒸気より高圧にするとよい。これによって、ダミー環の周辺領域を高圧の冷却蒸気で満たし、この領域に主蒸気から分離した漏洩蒸気が侵入するのを容易に抑制できる。

　又前記発明において、前記各工程に加えて、冷却工程で該ダミー環及びロータの冷却に供した後の冷却蒸気を、冷却蒸気供給路より主蒸気を供給するノズル室寄りの該ダミー環に形成された冷却蒸気排出路から該漏洩蒸気と共に、単流型タービンの翼列段間部又は後段側蒸気タービンに蒸気を供給する排気蒸気管に排出するようにした排出工程を付加するとよい。このように、ダミー環とロータの冷却に供した後の冷却蒸気を、冷却蒸気排出路を介して漏洩蒸気と共に、単流型タービンの翼列段間部又は排気蒸気管に排出するようにしたので、これらの蒸気を後流段及び中圧／低圧タービンの蒸気の一部として回収できる。

　従って、漏洩蒸気の流通領域以外の隙間領域を冷却蒸気で満たすことができるので、ダミー環及びロータの冷却効果を前述した従来の冷却手段より向上できる。
　また、漏洩蒸気及び冷却に供した後の冷却蒸気を該冷却蒸気排出路から排出させることにより、冷却蒸気を後流段及び中圧／低圧タービンの蒸気の一部として回収できる。

　本発明において、冷却蒸気を５７０℃以下の温度で冷却蒸気供給路に供給するようにするとよい。これによって、ロータがＮｉ基合金でなく、１２％Ｃｒ鋼、ＣｒＭｏＶ鋼等の耐熱鋼製材料からなるものであっても、特別な寿命管理をすることなく、ロータを長寿命化できる。

　本発明において、冷却蒸気が、超高圧タービン若しくは高圧タービンの排気蒸気若しくは翼列部の抽気蒸気であるか、又はボイラの抽気蒸気であるとよい。これによって、蒸気タービン発電設備内で、冷却蒸気を容易に確保できる。

　本発明において、単流型タービンの主蒸気温度が７００℃以上の高温である場合でも、冷却蒸気を冷却蒸気供給路に供給することで、ダミー環及びダミー環内側のロータを冷却して、ダミー環やロータの長寿命化を可能にする。

　ロータが、耐熱性材料からなる第１ロータ部と、該第１ロータ部より耐熱性が低い材料からなる第２ロータ部とが連結部を介して連結され、該連結部がダミー環の内側に配置されている場合がある。本発明によれば、第２ロータ部及び連結部の冷却効果を向上できるため、該第２ロータ部及び該連結部に対して特別な寿命管理をすることなく、これらの強度低下を防止して、長寿命化を達成できる。

　前記発明の実施に直接使用可能な単流型タービンにおける冷却装置は、蒸気タービン発電設備に組み込まれ低圧タービンより高圧側の単流型タービンであって、単流型タービンのダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータを冷却する単流型タービンにおける冷却装置において、ダミー環に形成され該ダミー環とロータとの間の隙間に開口する冷却蒸気供給路と、該冷却蒸気供給路に接続され、蒸気タービン発電設備内で発生し単流型タービンに供給される主蒸気のうちダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より低温でかつ高圧の冷却蒸気を該冷却蒸気供給路に供給する冷却蒸気管と、を備え、該冷却蒸気を該冷却蒸気供給路を介してダミー環とロータとの隙間に流通させて該ダミー環及びロータを冷却するように構成したものである。

　本発明装置では、単流型タービンに供給される主蒸気のうちダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より低温でかつ高圧の冷却蒸気を、ダミー環に設けられた冷却蒸気供給路を介して、ダミー環とロータとの間の隙間に供給する。これによって、ダミー環の周辺領域を高圧の冷却蒸気で満たし、この領域に主蒸気から分離した漏洩蒸気が侵入するのを抑制できる。そのため、ダミー環及びダミー環内側付近のロータの冷却効果を前述した従来の冷却手段より向上できる。従って、ロータ等に用いられる素材の選択の自由度を増すことができると共に、ダミー環やタービンロータの温度上昇を防止し、特別な寿命管理をすることなく、長寿命化できる。

　単流型タービンに供給される主蒸気はダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より高温でかつ高圧である。そのため、本発明装置において、冷却蒸気を主蒸気より低温でかつ主蒸気と同等圧又は主蒸気より高圧にするとよい。これによって、ダミー環の周辺領域を高圧の冷却蒸気で満たし、この領域に主蒸気から分離した漏洩蒸気が侵入するのを容易に抑制できる。

　前記装置において、冷却蒸気供給路より主蒸気を供給するノズル室寄りのダミー環に形成され、ダミー環とロータとの間の隙間に開口すると共に、単流型タービンの翼列段間部又は後段側蒸気タービンに蒸気を供給する排気蒸気管に接続された冷却蒸気排出路と、を備え、冷却蒸気を該隙間に流通させて該ダミー環及びロータを冷却した後、該冷却蒸気排出路から漏洩蒸気と共に該排気蒸気管に排出するように構成するとよい。

　これによって、ダミー環及びロータの冷却に供した後の冷却蒸気を、主蒸気から分離した漏洩蒸気と共に冷却蒸気排出路から排出するようにしたので、これらの蒸気を後流段及び中圧／低圧タービンの蒸気の一部として回収できる。そして、漏洩蒸気の流通領域以外の隙間領域を冷却蒸気で満たすことができるので、ダミー環及びロータの冷却効果を前述した従来の冷却手段より向上できる。

　本発明装置において、冷却蒸気が５７０℃を超える温度である場合に、冷却蒸気管に冷却蒸気を５７０℃以下の温度に冷却する冷却装置を介設し、該冷却蒸気を該冷却装置で５７０℃以下の温度に冷却して冷却蒸気供給路に供給するように構成するとよい。これによって、蒸気タービン発電設備から得た冷却蒸気が５７０℃を超える温度であっても、該冷却蒸気を５７０℃以下にして冷却蒸気供給路に供給できるので、ダミー環及びロータの冷却効果を確実に発揮させることができる。そのため、蒸気タービン発電設備から５７０℃以下の冷却蒸気源を得ることが容易になる。

　本発明方法によれば、蒸気タービン発電設備に組み込まれ低圧タービンより高圧側の単流型タービンであって、該単流型タービンのダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータを冷却する単流型タービンにおける冷却方法において、蒸気タービン発電設備内で発生し、該単流型タービンに供給される主蒸気のうちダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より低温でかつ高圧の冷却蒸気を、ダミー環に設けられた冷却蒸気供給路に供給する冷却蒸気供給工程と、冷却蒸気を該冷却蒸気供給路を介してダミー環とロータとの間に形成される隙間に導入し、該隙間に流通させて、ダミー環及びロータを冷却する冷却工程と、からなるので、主蒸気から分離した漏洩蒸気のダミー環側への侵入を抑えて、前記隙間の全域に冷却蒸気を行き渡らせることができるので、ダミー環及びロータの冷却効果を前述した従来の冷却手段より向上できる。

　これによって、ダミー環やタービンロータの温度上昇を防止し、ダミー環やロータを特別な寿命管理をすることなく、長寿命化できる。従って、ロータ等に用いられる素材の選択の自由度を増すことができると共に、特に耐熱性が優れたＮｉ基合金等からなるロータの製作サイズを小さくできるので、ロータの製造が容易になる。

　本発明によれば、蒸気タービン発電設備に組み込まれ低圧タービンより高圧側の単流型タービンであって、該単流型タービンのダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータを冷却する単流型タービンにおける冷却装置において、ダミー環に形成され該ダミー環とロータとの間の隙間に開口する冷却蒸気供給路と、該冷却蒸気供給路に接続され、蒸気タービン発電設備内で発生し単流型タービンに供給される主蒸気より低温でかつ該主蒸気と同等圧又は主蒸気より高圧の冷却蒸気を該冷却蒸気供給路に供給する冷却蒸気管と、を備え、冷却蒸気を冷却蒸気供給路を介してダミー環とロータとの隙間に流通させて該ダミー環及びロータを冷却するように構成したことにより、本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。

図１は、本発明を単流型超高圧タービンに適用した第１実施形態に係る超高圧タービンの一部の正面視断面図である。 図２は、本発明を単流型超高圧タービンに適用した第２実施形態に係る超高圧タービンの一部の正面視断面図である。 図３は、本発明を単流型超高圧タービンに適用した第３実施形態に係る超高圧タービンの一部の正面視断面図である。 図４は、従来の単流型超高圧タービンの一部の正面視断面図である。

　以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（第１実施形態）
　次に、本発明を単流型超高圧タービンに適用した第１実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る単流型超高圧タービン１０Ａの正面視断面図である。単流型超高圧タービン１０Ａは、蒸気タービン発電プラントに組み込まれている。図１において、単流型超高圧タービン１０Ａは、タービンロータ１２を囲んで内車室１４が設けられ、内車室１４の外側に、内車室１４を囲んで外車室１６が設けられている。内車室１４の内側に主蒸気を噴射するノズル室１８が設けられている。主蒸気供給管２４が外車室１６及び内車室１４を貫通してラジアル方向に配置され、その先端がノズル室１８に開口している。

　ノズル室１８には、タービン翼列に向けて主蒸気噴射口２０が設けられ、主蒸気供給管２４に供給された主蒸気Ｓ_１は、主蒸気噴射口２０からタービン翼列に向けて噴射される。

　主蒸気噴射口２０の直ぐ下流側において、初段動翼２２がタービンロータ１２の初段動翼部１２ｃに植設され、主蒸気噴射口２０から噴射された主蒸気Ｓ_１が初段動翼２２に回転力を与える。初段動翼２２の下流側に、内車室１４に植設された複数の静翼とタービンロータ１２に植設された複数の動翼とが交互に配置された反動式の多段翼列（図示省略）が配置され、該多段翼列を通る主蒸気Ｓ_１によりタービンロータ１２に回転力が与えられる。

　ノズル室１８の背後には、翼列部のスラストをバランスさせるためのダミー環２６が設けられている。ダミー環２６と、該ダミー環２６に対向するタービンロータ１２のダミー部１２ｄとの間の隙間ｃに、ラビリンスシール２８が設けられている。タービンロータ１２は、第１ロータ部１２ａと第２ロータ部１２ｂとが溶接部ｗで連結されてなる。７００℃以上の高温の主蒸気Ｓ_１に接する第１ロータ部１２ａは耐熱性に優れたＮｉ基合金で製造され、主蒸気Ｓ_１に直接接しない第２ロータ部１２ｂは、Ｎｉ基合金と比べてやや耐熱性の低い１２％Ｃｒ鋼等の耐熱鋼で製造されている。溶接部ｗはダミー環２６の内側で、冷却蒸気供給管３２の開口近傍に位置している。

　冷却蒸気供給管３２が外車室１６及び内車室１４を貫通してラジアル方向に配置され、隙間ｃに開口している。冷却蒸気供給管３２には蒸気管３４が接続され、図示省略のボイラから抽気した抽気蒸気が冷却蒸気Ｓ_４として蒸気管３４を介して冷却蒸気供給管３２に供給される。冷却蒸気Ｓ_４は、主蒸気Ｓ_１の蒸気圧Ｐ_１と同等又は該蒸気圧Ｐ_１より高圧の蒸気圧Ｐ_４を有し、かつ５７０℃以下の温度で冷却蒸気供給管３２に供給される。

　かかる構成において、主蒸気噴射口２０から噴射された主蒸気Ｓ_１の一部は、タービンロータ１２とノズル室１８との間の隙間から漏洩蒸気Ｓ_２としてダミー環２６側に漏洩してくるおそれがある。一方、冷却蒸気供給管３２から前述の圧力及び温度を有する冷却蒸気Ｓ_４が隙間ｃに供給されるので、冷却蒸気Ｓ_４は漏洩蒸気Ｓ_２に抗し、漏洩蒸気Ｓ_２のダミー環２６側への侵入を抑えて、隙間ｃの全域に流通する。

　このとき、各領域の圧力は、次式（１）の関係を有する。
　Ｐ_４≧Ｐ_１＞Ｐ_２＞Ｐ_５　　　　　　　　　　　　　（１）
　ここで、Ｐ_２は漏洩蒸気Ｓ_２の蒸気圧であり、Ｐ_５は外車室１６と内車室１４間の空間Ｓ_５の圧力である。冷却蒸気Ｓ_４の蒸気圧Ｐ_４は空間Ｓ_５の圧力Ｐ_５に対して高圧であるので、冷却蒸気供給管３２と空間Ｓ_５に通じる隙間ｃの出口との間に、複数のラビリンスシール２８を設け、蒸気の漏れを防止している。

　本実施形態によれば、冷却蒸気Ｓ_４を隙間ｃに供給し、冷却蒸気Ｓ_４がもつ蒸気圧Ｐ_４と漏洩蒸気Ｓ_２の圧力Ｐ_２との圧力差により、漏洩蒸気Ｓ_２がダミー環２６側に侵入するのを抑制できる。
　これによって、漏洩蒸気Ｓ_２からダミー環２６及びタービンロータ１２への熱伝導をなくすことができる。そのため、ダミー環２６及びダミー環２６内側のダミー部１２ｄを含むノズル室下部付近のタービンロータ１２を５７０℃以下に冷却できると共に、高温強度が劣る溶接部ｗをも効果的に冷却できる。

　従って、溶接部ｗ及び第２ロータ部１２ｂに対して特別な寿命管理が必要でなくなると共に、タービンロータ１２の回転に供さない無駄な漏洩蒸気Ｓ_２を低減できるので、単流型超高圧タービン１０Ａの熱効率を向上できる。

（第２実施形態）
　次に、本発明を単流型超高圧タービンに適用した第２実施形態を図２に基づいて説明する。図２に示す単流型超高圧タービン１０Ｂにおいて、冷却蒸気供給管３２が外車室１６及び内車室１４を貫通して、ラジアル方向に配置され、前記第１実施形態の冷却蒸気供給管３２と比べて、空間Ｓ_５寄りのダミー環２６に設けられ、その先端は隙間ｃに開口している。また、冷却蒸気排出管４２が外車室１６及び内車室１４を貫通して、ラジアル方向に配置され、冷却蒸気供給管３２よりノズル室１８側に位置するダミー環２６に設けられている。冷却蒸気供給管３２の先端は隙間ｃに開口している。

　冷却蒸気排出管４２は、排気蒸気管４４を介して図示省略の高圧タービンに主蒸気を供給する主蒸気管に接続されている。その他の構成は、前記第１実施形態と同一であるので、それら同一部分の説明を省略する。

　単流型超高圧タービン１０Ｂの翼列段部から抽気された５７０℃以下の抽気蒸気が、冷却蒸気Ｓ_４として蒸気管４０を介して冷却蒸気供給管３２に供給される。冷却蒸気Ｓ_４は冷却蒸気供給管３２から隙間ｃに達し、隙間ｃを流通する。これによって、ダミー環２６及び該ダミー環２６内側のダミー部１２ｄを含むタービンロータ１２を冷却する。冷却に供した後の冷却蒸気Ｓ_４は、冷却蒸気排出管４２から排気蒸気Ｓ_３として排出され、排気蒸気Ｓ_３は、排気蒸気管４４を介して、単流型超高圧タービン１０Ｂの翼列段間部、又は及び図示省略の高圧タービンに主蒸気を供給する主蒸気管に送られる。

　本実施形態では、冷却蒸気Ｓ_４は、次式（２）の圧力条件を満たすように設定されている。
　Ｐ_１＞Ｐ_４＞Ｐ_２＞Ｐ_３≧Ｐ_５　　　　　　　　　　　（２）
　ここで、Ｐ_１は主蒸気Ｓ_１の蒸気圧、Ｐ_２は主蒸気Ｓ_１から分岐し、タービンロータ１２とノズル室１８との間の隙間からダミー環２６側に分岐した漏洩蒸気Ｓ_２、Ｐ_３は冷却蒸気排出管４２内を流れる排出蒸気の蒸気圧、Ｐ_４は冷却蒸気供給管３２に供給される冷却蒸気Ｓ_４の蒸気圧、Ｐ_５は外車室１６と内車室１４間に形成される空間Ｓ_５の圧力である。これらの圧力関係を維持するために、隙間ｃにはラビリンスシール２８を適宜に配設して、隙間ｃのシール性能を確保している。

　本実施形態では、主蒸気噴射口２０から噴射された主蒸気Ｓ_１のうち、微少な一部は、漏洩蒸気Ｓ_２としてタービンロータ１２とノズル室１８間の隙間からダミー環２６側に漏洩する。この漏洩蒸気Ｓ_２は隙間ｃを通って冷却蒸気排出管４２から排出される。なお、第１ロータ部１２ａと第２ロータ部１２ｂとの溶接部ｗは、冷却蒸気供給管３２の開口と冷却蒸気排出管４２の開口の間で冷却蒸気供給管３２の開口近傍に位置している。

　本実施形態によれば、蒸気圧Ｐ_４を有する冷却蒸気Ｓ_４を冷却蒸気供給管３２から供給しているので、冷却蒸気排出管４２の開口から冷却蒸気供給管３２寄りの隙間ｃは、Ｐ_４＞Ｐ_２＞Ｐ_３≧Ｐ_５であることから冷却蒸気Ｓ_４のみにより充満される。そのため、この領域のダミー環２６及びタービンロータ１２の冷却効果を向上できる。また、溶接部ｗ及び第２ロータ部１２ｂはこの領域に位置しているので、これらの冷却効果を向上できる。主蒸気Ｓ_１から分離した漏洩蒸気Ｓ_２は、冷却に供した後の冷却蒸気Ｓ_４と共に、冷却蒸気排出管４２から排出されるので、これらの蒸気は後流段及び中圧／低圧タービンの蒸気の一部として回収できる。

　このように、冷却蒸気排出管４２の開口位置から冷却蒸気供給管３２寄りの領域の冷却効果を向上できるので、耐熱性の低い溶接部ｗ及び第２ロータ部１２ｂの冷却効果を向上できる。従って、タービンロータ１２に対して特別の寿命管理を必要とせず、タービンロータ１２の長寿命化を達成できる。

　また、冷却に供した後の冷却蒸気Ｓ_４及び漏洩蒸気Ｓ_２が、合流して排気蒸気Ｓ_３として冷却蒸気排出管４２から排出されるので、これらの蒸気は後流段及び中圧／低圧タービンの蒸気の一部として回収できる。

（第３実施形態）
　次に、本発明を単流型超高圧タービンに適用した第３実施形態を図３により説明する。本実施形態では、単流型超高圧タービン１０Ｃの冷却蒸気供給管３２に供給される冷却蒸気Ｓ_４は、蒸気タービン発電プラントで発生する蒸気を使用すればよい。例えば、ボイラの抽気蒸気や超高圧タービン１０Ｃの翼列段間から抽気した抽気蒸気、あるいは単流型超高圧タービン１０Ｃでタービンロータ１２を回転する仕事に供給した後の排気蒸気でもよい。冷却蒸気Ｓ_４に使用するこれらの蒸気Ｓ_６は、必ずしも５７０℃以下の温度でなくてもよい。

　図３に示すように、本実施形態では、冷却蒸気供給管３２に接続された蒸気管４０に冷却装置５０を介設している。そして、冷却蒸気Ｓ_４に供する蒸気Ｓ_６が５７０℃以下でない場合に、その蒸気Ｓ_６を冷却装置５０で冷却して５７０℃以下の温度にして冷却蒸気供給管３２に供給するようにしている。その他の構成は図２に示す前記第２実施形態と同一である。

　冷却装置５０の構成は、例えば、冷却蒸気Ｓ_６が通る配管を渦巻き形状の配管とし、この配管にファンで冷風を送るようにしてもよい。あるいは、渦巻き形状の配管の代わりにフィン付き配管としてもよい。あるいは、二重配管とし、この二重配管の一方に冷却水を通して冷却蒸気Ｓ_６を冷却するようにしてもよい。

　本実施形態によれば、図２に示す第２実施形態で得られる作用効果に加えて、冷却蒸気Ｓ_６が５７０℃を超えている場合であっても、冷却装置５０により５７０℃以下に冷却できるので、蒸気タービン発電プラント内での冷却蒸気Ｓ_６の供給源の選択肢を広げることができる。

　本発明によれば、蒸気タービン発電設備において、簡単な構成で単流型タービンのダミー環及びその内側に位置するタービンロータの冷却効果を向上させることができ、これら部材の長寿命化を達成できる。

Claims (13)

1. 　蒸気タービン発電設備に組み込まれ低圧タービンより高圧側の単流型タービンであって、該単流型タービンのダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータを冷却する単流型タービンにおける冷却方法において、
   　蒸気タービン発電設備内で発生し、前記単流型タービンに供給される主蒸気のうち前記ダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より低温でかつ高圧の冷却蒸気をダミー環に設けられた冷却蒸気供給路に供給する冷却蒸気供給工程と、
   　該冷却蒸気を該冷却蒸気供給路を介してダミー環とロータとの間に形成される隙間に導入し、前記漏洩蒸気に抗して該隙間に流通させ、ダミー環及びロータを冷却する冷却工程と、からなることを特徴とする単流型タービンにおける冷却方法。
2. 　前記単流型タービンに供給される前記主蒸気は前記漏洩蒸気より高温でかつ高圧であることを特徴とする請求項１に記載の単流型タービンにおける冷却方法。
3. 　前記冷却蒸気は前記主蒸気より低温でかつ主蒸気と同等圧又は主蒸気より高圧であることを特徴とする請求項1又２に記載の単流型タービンにおける冷却方法。
4. 　前記冷却工程でダミー環及びロータの冷却に供した後の冷却蒸気を、前記冷却蒸気供給路より主蒸気を供給するノズル室寄りのダミー環に形成された冷却蒸気排出路から前記漏洩蒸気と共に、単流型タービンの翼列段間部又は後段側蒸気タービンに蒸気を供給する排気蒸気管に排出するようにした排出工程がさらに付加されてなることを特徴とする請求項１～３のいずれかの項に記載の単流型タービンにおける冷却方法。
5. 　前記冷却蒸気が５７０℃以下の温度で前記冷却蒸気供給路に供給されることを特徴とする請求項１～４のいずれかの項に記載の単流型タービンにおける冷却方法。
6. 　前記冷却蒸気が、超高圧タービン若しくは高圧タービンの排気蒸気若しくは翼列部の抽気蒸気であるか、又はボイラの抽気蒸気であることを特徴とする請求項１～５のいずれかの項に記載の単流型タービンにおける冷却方法。
7. 　前記単流型タービンの主蒸気温度が７００℃以上であることを特徴とする請求項１～６のいずれかの項に記載の単流型タービンにおける冷却方法。
8. 　前記ロータが、耐熱性材料からなる第１ロータ部と、該第１ロータ部より耐熱性が低い材料からなる第２ロータ部とが連結部を介して連結され、該連結部が前記ダミー環の内側に配置されていることを特徴とする請求項１～７のいずれかの項に記載の単流型タービンにおける冷却方法。
9. 　蒸気タービン発電設備に組み込まれ低圧タービンより高圧側の単流型タービンであって、該単流型タービンのダミー環及び該ダミー環の内側に配置されるロータを冷却する単流型タービンにおける冷却装置において、
   　前記ダミー環に形成されダミー環とロータとの間の隙間に開口する冷却蒸気供給路と、
   　該冷却蒸気供給路に接続され、蒸気タービン発電設備内で発生し、前記単流型タービンに供給される主蒸気のうちダミー環側に漏洩した漏洩蒸気より低温でかつ高圧の冷却蒸気を前記冷却蒸気供給路に供給する冷却蒸気管と、を備え、
   　冷却蒸気を冷却蒸気供給路を介してダミー環とロータとの間に形成される隙間に導入し、前記漏洩蒸気に抗して該隙間に流通させ、ダミー環及びロータを冷却するように構成したことを特徴とする単流型タービンにおける冷却装置。
10. 　単流型タービンに供給される前記主蒸気は前記漏洩蒸気より高温でかつ高圧であることを特徴とする請求項９に記載の単流型タービンにおける冷却装置。
11. 　前記冷却蒸気は前記主蒸気より低温でかつ主蒸気と同等圧又は主蒸気より高圧であることを特徴とする請求項９又は10に記載の単流型タービンにおける冷却装置。
12. 　前記冷却蒸気供給路より主蒸気を供給するノズル室寄りのダミー環に形成されて前記隙間に開口すると共に、単流型タービンの翼列段間部又は後段側蒸気タービンに蒸気を供給する排気蒸気管に接続された冷却蒸気排出路を備え、
    前記隙間に流通させた冷却蒸気を漏洩蒸気と共に該冷却蒸気排出路を介して該排気蒸気管に排出するように構成したことを特徴とする請求項９～１１のいずれかの項に記載の単流型タービンにおける冷却装置。
13. 　前記冷却蒸気が５７０℃を超える温度領域にあり、前記冷却蒸気管に該冷却蒸気を５７０℃以下の温度に冷却する冷却装置を介設し、
    　該冷却蒸気を該冷却装置で５７０℃以下の温度に冷却し、前記冷却蒸気供給路に供給するように構成したことを特徴とする請求項９～１２のいずれかの項に記載の単流型タービンにおける冷却装置。

Images