WO2018167907A1 - 蒸気タービン - Google Patents

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WO2018167907A1
WO2018167907A1 PCT/JP2017/010640 JP2017010640W WO2018167907A1 WO 2018167907 A1 WO2018167907 A1 WO 2018167907A1 JP 2017010640 W JP2017010640 W JP 2017010640W WO 2018167907 A1 WO2018167907 A1 WO 2018167907A1
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chamber
blade
rotor
thrust bearing
steam turbine
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PCT/JP2017/010640
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拓郎 香田
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三菱重工コンプレッサ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a steam turbine.
  • Patent Document 1 discloses a steam turbine in which a balance piston (dummy piston) is provided in a rotor and a thrust force (balance thrust force) is generated on the balance piston in a direction opposite to the thrust force associated with the operation of the steam turbine. ing.
  • the steam turbine described in Patent Document 1 is provided with a pressure adjustment valve in a pipe connecting the chamber on the opposite side of the balance piston to the rotor blade side and the blade chamber in the turbine casing. ing. Thereby, the thrust force acting on the balance piston can be adjusted.
  • the steam turbine described in Patent Document 1 has a problem that the adjustment width of the balance thrust force is small. That is, since the maximum balance thrust force depends on the internal pressure of the blade chamber to which the pipe is connected, there is a problem that it is not possible to cope with a case where it is necessary to generate a larger balance thrust force.
  • An object of the present invention is to provide a steam turbine that can cope with a thrust piston acting on a thrust bearing using a balance piston.
  • the steam turbine includes a rotor body extending along the axis, a plurality of moving blade rows, and a balance piston provided on one side in the axial direction of the plurality of moving blade rows. And a rotor that covers the rotor from the outside in the radial direction of the axial line, a plurality of blade chambers formed between the rotor and the rotor blade row, and the other axial direction of the balance piston
  • a casing that forms a first chamber formed on the side, and a second chamber formed on one side in the axial direction of the balance piston, a thrust bearing that receives a thrust force applied to the rotor, and the first
  • the thrust force applied to the balance piston can be adjusted with a larger adjustment range. Therefore, even when the thrust force applied to the thrust bearing changes greatly, the balance piston can be used.
  • the control device estimates the exhaust flow rate of the steam turbine based on an operating point map for deriving the exhaust flow rate of the steam turbine from the operating point of the steam turbine, and applies to the thrust bearing based on the exhaust flow rate. Thrust force may be estimated.
  • Such a configuration eliminates the need for a measuring device such as a device for measuring the temperature of the thrust bearing in estimating the thrust force, and thus enables operation at low cost.
  • the steam turbine may include a metal temperature measuring device that measures a metal temperature of the thrust bearing, and the control device may estimate a thrust force applied to the thrust bearing based on a metal temperature of the thrust bearing.
  • the steam turbine may include a load measuring device that measures a load applied to the thrust bearing, and the control device may estimate a thrust force applied to the thrust bearing based on a load applied to the thrust bearing.
  • the thrust force can be estimated directly by referring to the load applied to the thrust bearing.
  • the thrust force applied to the balance piston can be adjusted with a larger adjustment range. Therefore, even when the thrust force applied to the thrust bearing changes greatly, the balance piston can be used.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a steam turbine according to an embodiment of the present invention. It is an operating point map which the control apparatus of the steam turbine of embodiment of this invention refers. It is a flowchart explaining the control method of the steam turbine of embodiment of this invention.
  • the steam turbine 1 of the present embodiment is an external combustion engine that extracts steam energy as rotational power, and is used for a generator or the like in a power plant.
  • the steam turbine 1 of the present embodiment is a steam turbine that includes a high-pressure turbine 2 and a low-pressure turbine 3 and can extract steam from an intermediate stage.
  • the steam turbine 1 includes a steam control valve 4 that adjusts the flow rate of high-pressure steam supplied to the high-pressure turbine 2 and a bleed adjustment valve 5 that adjusts the flow rate of steam supplied from the high-pressure turbine 2 to the low-pressure turbine 3.
  • the steam turbine 1 has a speed governor (electronic governor, not shown) that controls the steam control valve 4 and the extraction regulating valve 5 according to the rotational speed of the rotor 9 and the like.
  • the steam turbine 1 includes a casing 7, a plurality of stationary blade rows 8 fixed to the casing 7, a rotor 9 extending along the axial direction Da, a thrust bearing 10 that receives a thrust force applied to the rotor 9, and a rotor 9 Journal bearing 11 that rotatably supports and controller 12.
  • the rotor 9 has a moving blade row 13 disposed between the stationary blade rows 8 adjacent in the axial direction Da.
  • the stationary blade row 8 is formed with an interval in the axial direction Da.
  • the stationary blade row 8 is composed of a plurality of stationary blades provided at intervals in the circumferential direction.
  • the direction in which the axis A of the rotor 9 extends is referred to as the axial direction Da
  • the circumferential direction with respect to the axis A is simply referred to as the circumferential direction
  • the radial direction with respect to the axis A is simply referred to as the radial direction.
  • the left side of FIG. 1 be the axial direction one side Da1
  • let the right side of FIG. 1 be the axial direction other side Da2.
  • High-pressure steam is introduced from one axial direction Da1 (upstream side), flows to the other axial direction Da2 (downstream side), and is exhausted.
  • a steam flow path is formed inside the casing 7.
  • the casing 7 covers the rotor 9 from the outside in the radial direction.
  • the casing 7 includes a high-pressure casing 7 a that forms an outline of the high-pressure turbine 2 and a low-pressure casing 7 b that forms an outline of the low-pressure turbine 3.
  • the high-pressure casing 7a is formed with a steam inlet 14 for introducing high-pressure steam from the upstream side of the stationary blade row 8 and the moving blade row 13 into the high-pressure casing 7a.
  • An extraction outlet 15 for extracting the steam that has passed through the high-pressure casing 7a is formed in the downstream portion of the high-pressure casing 7a.
  • An exhaust outlet 16 for exhausting steam that has passed through the low-pressure casing 7b is formed in a downstream portion of the low-pressure casing 7b.
  • the moving blade rows 13 and the stationary blade rows 8 are alternately arranged in the axial direction Da.
  • the high-pressure turbine 2 and the low-pressure turbine 3 each have a three-stage moving blade row 13 and a stationary blade row 8.
  • the rotor 9 includes a rotor body 18 that extends along the axial direction Da, a thrust collar 19, a balance piston 20, a plurality of disks 21, and a plurality of blade bodies 22.
  • a plurality of disks 21 are provided at intervals along the axial direction Da.
  • Each disk 21 is formed so as to protrude radially outward from the rotor body 18.
  • a plurality of blade main bodies 22 are provided on the outer peripheral surface of the disk 21 at intervals in the circumferential direction.
  • Each moving blade row 13 includes a disk 21 and a plurality of blade bodies 22. That is, the plurality of rotor blade rows 13 and the balance piston 20 are provided in the same rotor body 18.
  • the rotor body 18 extends along the axis A so as to penetrate the casing 7.
  • an intermediate portion in the axial direction Da is accommodated in the casing 7, and both end portions in the axial direction Da protrude outside the casing 7.
  • Both ends of the rotor 9 are supported by the journal bearing 11 so as to be rotatable around the axis A.
  • a thrust bearing 10 for receiving a thrust force applied to the rotor 9 is provided on one axial direction side Da1 of the journal bearing 11 on one axial direction side Da1.
  • the thrust collar 19 is provided at the end of the axial direction one side Da1 of the rotor 9.
  • the thrust collar 19 protrudes radially outward from the outer peripheral surface of the rotor body 18.
  • the thrust bearing 10 is provided corresponding to a thrust collar 19 formed on the rotor 9.
  • the thrust bearing 10 includes a first thrust bearing 10a that supports the thrust collar 19 from the other axial side Da2, and a second thrust bearing 10b that supports the thrust collar 19 from the axial one side Da1.
  • the thrust force acting on the rotor blade row 13 by the high-pressure steam flowing from the upstream side to the downstream side is supported by the first thrust bearing 10a.
  • the thrust bearing 10 includes a sensor including a temperature measuring device 23 that measures the metal temperature of the first thrust bearing 10a and a load measuring device that measures a load applied to the first thrust bearing 10a.
  • a plurality of blade chambers 25 are formed inside the casing 7 and between the casing 7 and the rotor 9.
  • the steam turbine 1 includes a first blade chamber 25a corresponding to the moving blade row 13 arranged on the most upstream side (one axial side Da1) and a first moving blade row 13f corresponding to the moving blade row 13f arranged on the most downstream side.
  • Six blade chambers 25 up to six blade chambers 25f are provided.
  • the internal pressure in the first blade chamber 25a is the highest and the internal pressure in the sixth blade chamber 25f is the lowest. That is, as it goes downstream, the internal pressure in the blade chamber 25 decreases.
  • the steam turbine 1 has a gland 26 that prevents the steam introduced from the steam inlet 14 from leaking from the rotor penetrating portion of the casing 7.
  • the ground 26 is configured by, for example, labyrinth sealing.
  • the steam turbine 1 is provided with an HP ground 26a, an MP ground 26b, and an LP ground 26c in order from the other axial side Da2 to the one axial direction Da1.
  • the balance piston 20 is provided inside the high-pressure casing 7a and on one axial side Da1 of the plurality of blade rows 13.
  • the balance piston 20 protrudes radially outward from the outer peripheral surface of the rotor body 18. That is, the outer diameter of the balance piston 20 is larger than the outer shape of the rotor body 18.
  • the balance piston 20 has a first surface 20a facing the other axial side Da2 (first chamber 27) and a second surface 20b facing the one axial direction Da1 (second chamber 28).
  • the internal pressure of the first chamber 27 acts on the first surface 20a.
  • the internal pressure of the second chamber 28 acts on the second surface 20b.
  • the outer peripheral surface of the balance piston 20 is sealed with an HP gland 26.
  • the first chamber 27 and the fifth blade chamber 25e corresponding to the fifth moving blade row 13e are connected by a first pipe 29.
  • the first piping 29 is provided with a first adjustment valve 31.
  • the second chamber 28 and the second blade chamber 25b corresponding to the second moving blade row 13b are connected by a second pipe 30.
  • the second piping 30 is provided with a second adjustment valve 32. That is, the second chamber 28 and the fifth blade chamber 25e, which is one blade chamber of the plurality of blade chambers 25, are connected by the first pipe 29, and the second chamber 28 and the fifth blade chamber 25e are connected.
  • a second pipe 30 is connected to the second blade chamber 25b which is another blade chamber having a different internal pressure.
  • the second pipe 30 may be branched from the first pipe 29.
  • the control device 12 includes a bearing temperature determination unit 12a that performs determination based on the metal temperature of the thrust bearing 10 and an exhaust flow rate determination unit 12b that performs determination based on the exhaust flow rate of the steam turbine 1.
  • the exhaust flow rate determination unit 12b of the control device 12 for the steam turbine 1 of the present embodiment can derive the exhaust flow rate of the steam turbine 1 with reference to the operating point map.
  • the operating point map corresponds to the relative relationship between the horizontal axis of the turbine output (output of the steam turbine 1) and the vertical axis of the inlet steam flow rate (flow rate of steam flowing in from the steam inlet 14).
  • the bleed flow rate is scaled in the vertical axis direction from 0% (line segment A1-A2 in FIG. 2) to 100% (line segment A3-A4 in FIG. 2), and the minimum exhaust operation point ( FIG. 3 shows a line segment A4-A3) in FIG. 2 and a maximum exhaust operation point (line segment A2-A5 in FIG. 2).
  • the operation point A7 is determined on the operation point map, and the inlet steam flow rate and the exhaust gas flow rate at the operation point A7 can be derived.
  • the turbine output corresponds to the rotation speed control output signal of the rotor 9
  • the inlet steam flow rate corresponds to the operation signal of the steam control valve 4
  • the extraction flow rate corresponds to the operation signal of the extraction control valve 5.
  • the rotational speed control output signal of the rotor 9 may be referred to instead of the turbine output.
  • the inlet steam flow rate may be obtained from the flow rate of steam flowing through the extraction outlet 15 and the flow rate of steam flowing through the exhaust outlet 16.
  • the method of deriving the exhaust flow rate of the steam turbine 1 with reference to the operating point map is not limited to the turbine output and the extraction flow rate, and various parameters can be used.
  • the control method of the steam turbine 1 includes the normal operation mode setting step S1 for setting the first adjustment valve 31 and the second adjustment valve 32 to the normal operation mode, and the metal of the first thrust bearing 10a.
  • Bearing temperature determination step S2 for estimating the thrust force based on the temperature T, and when the metal temperature T is equal to or higher than the threshold T1, the exhaust flow rate is derived based on the operating point map, and the thrust force is determined based on the exhaust flow rate.
  • Exhaust flow rate determination step S3 to be estimated, and emergency mode setting step S4 for setting the adjustment valves 31 and 32 to the emergency mode when the exhaust flow rate derived by referring to the operating point map is equal to or greater than the threshold value F1.
  • a thrust force is generated on the rotor 9 toward the other axial side Da2.
  • the thrust force toward the other axial side Da2 is generated by, for example, a differential pressure generated between the blade body 22 and the disk 21. This thrust force is supported by the first thrust bearing 10a.
  • a thrust force (balance thrust force) is generated in the balance piston 20 toward the one axial side Da1.
  • the steam turbine 1 of the present embodiment communicates the second blade chamber 25b and the second chamber 28 so that the internal pressure of the second blade chamber 25b is substantially the same as the internal pressure of the second chamber 28.
  • the thrust force and the balance thrust force are configured to be balanced.
  • the control device 12 sets the steam turbine 1 to the normal operation mode after the steam turbine 1 is started.
  • the second adjustment valve 32 is set in an open state
  • the first adjustment valve 31 is set in a closed state.
  • the internal pressure of the first chamber 27 is P1
  • the internal pressure of the second chamber 28 is P2
  • the pressure of the second blade chamber 25b is P3
  • the pressure of the fifth blade chamber 25e is P4.
  • the second adjustment valve 32 is in an open state, and the first adjustment valve 31 is in a closed state.
  • the internal pressure P2 of the second chamber 28 and the internal pressure P3 of the second blade chamber 25b become substantially the same.
  • the thrust force and the balance thrust force are balanced, and the force acting in the axial direction Da as a whole of the rotor 9 is balanced. That is, the thrust force applied to the first thrust bearing 10a falls within the load capacity range of the first thrust bearing 10a.
  • the bearing temperature determination step S2 is a step of monitoring the metal temperature of the first thrust bearing 10a during the operation of the steam turbine 1.
  • the bearing temperature determination unit 12a of the control device 12 determines whether or not the metal temperature T of the first thrust bearing 10a is equal to or higher than a threshold T1.
  • the threshold T1 can be set to 100 ° C., for example.
  • the bearing temperature determination unit 12a of the control device 12 continues the normal operation mode when the metal temperature T of the first thrust bearing 10a is lower than the threshold T1 (NO).
  • the exhaust flow rate determination step S3 is a step of deriving the exhaust flow rate of the steam turbine 1 based on the operating point map and estimating the thrust force based on the exhaust flow rate.
  • the exhaust flow rate determination unit 12b of the control device 12 derives the exhaust flow rate of the steam turbine 1 with reference to the operation point map. Next, the exhaust flow rate determination unit 12b of the control device 12 determines whether or not the exhaust flow rate F of the steam turbine 1 is greater than or equal to the threshold value F1.
  • the threshold value F1 can be set to an exhaust flow rate of 90% when the maximum exhaust operation point is 100% exhaust flow rate and the minimum exhaust operation point is exhaust flow rate 0%.
  • the exhaust flow rate determination unit 12b of the control device 12 continues the normal operation mode when the exhaust flow rate F is smaller than the threshold value F1. This is because an increase in the metal temperature T of the first thrust bearing 10a is considered to be a phenomenon due to wear of the thrust bearing 10 or a phenomenon due to deterioration of the properties of oil. That is, even if the differential pressure across the balance piston 20 is adjusted, if it is considered that the increase in the metal temperature T is not improved, the normal operation mode is continued.
  • the exhaust flow rate determination unit 12b of the control device 12 Set to emergency mode to reduce the load.
  • the second adjustment valve 32 is set to the closed state, and the first adjustment valve 31 is set to the open state.
  • the internal pressure P2 of the second chamber 28 and the internal pressure P4 of the fifth blade chamber 25e become substantially the same. Since the internal pressure P4 of the fifth blade chamber 25e is lower than the internal pressure P3 of the second blade chamber 25b, the internal pressure P2 of the second chamber 28 decreases and the balance thrust force toward the one axial side Da1 increases. To do. Thereby, the load of the first thrust bearing 10a is reduced.
  • the thrust force applied to the balance piston 20 can be adjusted with a larger adjustment width by switching between the first pipe 29 and the second pipe 30 according to the thrust force applied to the rotor 9. . Thereby, even when the thrust force applied to the thrust bearing 10 changes greatly, the balance piston 20 can be used.
  • the state of the thrust bearing 10 can be estimated more accurately by estimating the thrust force using the operating point map.
  • the bearing temperature determination unit 12a is configured to estimate the thrust force based on the metal temperature T, but is not limited thereto.
  • the thrust force may be estimated based on the load measured by the load measuring device 24 included in the sensor. Thereby, the thrust force can be estimated more directly.
  • the regulating valves 31 and 32 may be controlled based only on the operating point map. That is, when the exhaust flow rate F is estimated to be 90% of the maximum exhaust operation point from the operation point map, the adjustment valves 31 and 32 may be switched. Further, the adjustment valves 31 and 32 may be controlled based only on the metal temperature T of the thrust bearing 10, or the adjustment valves 31 and 32 may be controlled based only on the load applied to the thrust bearing 10.

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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

蒸気タービン
　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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