JP4540357B2 - 蒸気タービンロータと蒸気タービンおよび蒸気タービンロータの能動的冷却方法と能動的冷却の使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体の作動媒体の主流の収容のために設けた外部空間に境を接する外面と、第１翼列が保持された外面に沿った第１箇所とを有し、軸方向拡張部に沿って延在する蒸気タービンロータに関する。本発明は蒸気タービンにも関する。更に本発明は前記形式の蒸気タービンロータの能動的冷却方法に関する。

作動媒体として高温の蒸気による蒸気タービンの駆動に際し、達成可能な蒸気温度の上昇のために高負荷部材を一定に冷却することが目指される。これは、可能なら、所定の強さの冷却による遮蔽と排熱を含む。本出願に言う蒸気タービンとは、作動媒体によって蒸気の形態で貫流される各タービン又は部分タービン（Teilturbine）である。それと異なりガスタービンは作動媒体としてガスおよび／又は空気によって貫流されるが、これは蒸気タービンの場合の蒸気と全く異なる温度および圧力条件に支配される。ガスタービンと異なり蒸気タービンの場合は、例えば部分タービンに流れ込む最高温度を持つ作動媒体が同時に最高圧力を有する。即ち開放型冷却システムは冷却媒体の部分タービンへの外部供給なしには実現できない。従ってガスタービンで公知の冷却法を、ガスタービンに好適な形態のまま蒸気タービンに転用できないことが判明している。

蒸気タービンのケーシングとは、蒸気タービンの軸方向拡張部に沿って、作動媒体による貫流のために蒸気を考慮した内部空間を有する、特に蒸気タービン又は部分タービンの固定ケーシング部材である。これは、各蒸気タービン形式に応じて、内部ケーシングおよび／又は案内羽根支持体としてもよい。また蒸気タービンケーシングとは、内部ケーシング又は案内羽根支持体を全く持たないタービンケーシングである。

内部空間内に、軸方向に沿って翼を持つロータが回動可能に配置されており、その結果加圧下にある蒸気が内部空間を貫流する際、ロータが翼を経て蒸気により駆動される。ロータの翼は回転羽根とも呼ばれる。蒸気タービンは、更に動翼の中間室に係合し、内部ケーシング／案内羽根支持体で保持される固定案内羽根を有する。回転羽根は、通常蒸気タービンロータの外面に沿って保持される。この場合、前記回転羽根は通常外周に沿って蒸気タービンロータの外面に配置された多数の回転羽根を含む回転翼リングの部分である。この場合、各回転羽根はその翼板と共に半径方向内方へ向く。回転翼リングは回転羽根列とも呼ばれる。通常、多数の回転羽根列は前後に接続されている。対応して第２箇所で軸方向拡張部に沿って第１箇所の後方にもう１つの第２翼リングが蒸気タービンロータの外面に沿って保持されている。

従来公知の、特に蒸気タービンロータ冷却法では、能動的冷却と受動的冷却を区別している。能動的冷却では、蒸気タービンロータに独立の、即ち作動媒体に付加的に供給する冷却媒体により冷却を行う。それに対し受動的冷却は、単に主流中の作動媒体の好適な案内や使用により行う。蒸気タービンロータの通常の冷却は受動的冷却に限られる。

それに対し、既に膨張して冷えた蒸気で蒸気タービンのロータを貫流することが知られている（特許文献１、２）。この場合、冷却媒体を中央の中空室を経て内部のロータ内壁に沿って案内し、次にそこから独立の半径分岐通路を経て外方へ、特にケーシングの被冷却領域へ給送する。中央の中空室と分岐通路を最大部材負荷の箇所に配置することに伴い、これはロータにとり著しい強度上の欠点をもたらす。これは、さもないと過大な温度差でロータが熱的にあまりに強く変形するので、温度差をロータ内壁により制限した状態にせねばならない欠点を有する。このため、前記形式の概念は従来まだ幅広く使用されていない。ロータの貫流時に排熱が起るが、該排熱は給熱箇所から比較的遠く離れて行われる。給熱の直接近傍での排熱は、従来充分な規模で実現されていない。

もう１つの受動的冷却は、作動媒体蒸気の膨張の好適な案内と使用で達成できる。この場合、蒸気タービンに流れ込む蒸気は、前記蒸気が回転部材を付勢する前に、専ら固定部品、例えば案内翼リング又は半径方向に作用する案内羽根において初めに膨張する。蒸気はこの場合約１０Ｋの範囲で冷却される。そのため、ロータに非常に限定的な冷却作用が働くだけである。

蒸気タービンロータの能動的冷却が非常に限定的な範囲内でのみ生じ、この冷却は特に高温の作動媒体の流入領域に限定される（特許文献１）。この出願の図１に示される如く、ロータと第１案内翼リングの温度負荷を低減するため、特許文献１では冷却媒体をケーシングを通り防護板と第１案内翼リングに導く。冷却媒体の一部は作動媒体に混合される。流入領域への冷却の制限を除き、冷却は単に被冷却成分の流入で達成されている。その結果、達成可能なロータの冷却効果は、主流の流入領域に制限されるので限定的である。

各案内翼リングを選択的に、中央の中空室から供給するロータ内の独立の半径方向通路を経て冷却することが公知である（特許文献２）。そのため通路を経て作動媒体に冷却媒体を混合し、被冷却案内翼リングを冷却媒体で選択的に冷却する。ロータの冷却効果は、この場合更に改善の余地がある。更に孔は、孔なしの実施形態に比べ、ロータの顕著な応力増大を引き起こす。

蒸気システムの他の領域からの冷却媒体の抽出および案内の可能性と、作動媒体の流入領域での冷却媒体の供給とが特許文献３に記載されている。

化石燃料での発電時に高い効率を達成すべく、従来通常より高い蒸気パラメータ、即ちより高い圧力と温度を用いる必要がある。この際、作動媒体である蒸気に２５０ｂａｒ以上の圧力と５４０℃以上の温度を用いる。該蒸気パラメータが非特許文献１に詳細に示されている。該文献１の開示内容は、本出願の明細書に付加するものとする。特により高い蒸気パラメータの例は、前記文献１の図１３に開示がある。前記文献１中で蒸気タービンロータの冷却改善のため、冷却蒸気の供給と転送が第１案内羽根段、必要なら第２案内羽根段によっても行われる。その結果、能動的冷却は単に蒸気タービンケーシングにのみ適用される。特にこの冷却は作動媒体の主流領域に制限され、更に改善の余地がある。

即ち蒸気タービンロータの従来公知の冷却方法は、全てこれが能動的冷却方法である限り、高々独立かつ被冷却タービン部分の目標指定の流入を考慮し、作動媒体の流入領域に制限されている。これは、より高い蒸気パラメータを持つ通常の蒸気タービンの負荷時に全タービンにおよぶ大きな熱負荷を引き起こすことがあり、該熱負荷は上記の通常のロータ冷却では充分に解消できない。より高い効率を達成すべく、例えばより高い蒸気パラメータで作動する蒸気タービンは、蒸気タービンのより高い熱負荷を充分な規模に解消すべく、特にロータ冷却を改善する必要がある。この場合、従来通常のタービン材料の利用時に、蒸気パラメータの上昇に伴いロータの増大する応力によって、ロータの不利な熱負荷と、許容できない温度上昇とを引き起こす問題がある。
米国特許出願公開第６１０２６５４号明細書 国際公開第９７／４９９０１号パンフレット 欧州特許出願公開第１１５４１２３号明細書 雑誌ＶＧＢ発電所技術、第７３号（１９９３年）、第５号の中のハー・ゲー・ネフトおよびゲー・フランコヴィレの論文「より高い流入パラメータおよびより長い翼端に関する新規蒸気タービン概念」。

従って本発明の課題は、特に高い蒸気パラメータと通常のタービン材とでの蒸気タービンの運転時に、蒸気タービンロータの充分な冷却を保証する装置と方法および使用方法を提供することである。

この課題は、本発明によれば、流体の作動媒体の主流の収容のために設けた外部空間に接する外面と、第１翼が保持された外面に沿った第１箇所とを有する、軸方向拡張部に沿って延在する蒸気タービンロータであって、少なくとも第１箇所の手前に配置された第１領域と第１箇所の後方に配置された第２領域との間に貫通して延在する少なくとも１つの内蔵型導通部を備え、前記導通部は、前記翼の翼板内に設けた導通部を有し、前記翼板内に設けた導通部は、冷却媒体を前記翼板表面のフィルム冷却を行なうための通路を備えることにより解決される。

本発明は、この際蒸気タービンロータの充分な冷却を達成すべく、作動媒体の流入領域の能動的冷却と、第１翼段の単に独立した冷却を凌駕する能動的冷却を、蒸気タービンロータの内部で考慮すべきであると言う考察に基づく。本発明は、少なくとも翼段を越えて出る、ロータを貫通してその中に組み込まれた導通部によりこれが達成できるとの認識を基礎とする。これは回転羽根を収容するロータの相当な又は全部の能動的冷却の可能性を与える。この部分は常に流入領域を越え、少なくとも翼段を越え出る。前記部分は少なくとも２つの翼段、好適には回転羽根取付部の複数の段に延びるとよい。その結果、冷却流体をロータ内に組み込んだ関連する導通システムで貫通して案内する可能性が生ずる。

これは、少なくとも１つ、好ましくは複数の翼段を経て、即ち少なくとも第１箇所の手前に配置された第１領域と第１箇所の後方に配置された第２領域との間にわたり蒸気タービンロータの冷却を行える長所だけでなく、排熱を給熱の直接近傍、即ちその表面近傍で行える長所も生む。この方法で、通常の蒸気タービンにおける冷却を改善し、その結果該蒸気タービンを低材料費用で製造できる。更に提案した冷却概念は、より高い流入パラメータ用の新規蒸気タービン概念の立案を、特にこれが例えば５００℃以上の温度で生じるような最大蒸気パラメータでも可能にする。その例は上記の非特許文献１に見出される。作動媒体としての蒸気の例示的な蒸気パラメータは、２５０ｂａｒと５４５℃又は３００ｂａｒおよび６００℃である。

本発明の好ましい発展形態を、蒸気タービンロータに関する従属請求項に示し、ロータを前記およびその他の長所に関して個別的に発展させる個別的に好ましい可能性を示す。

特に有利な発展形態では、外面に沿って第２翼列を保持する第２箇所を設け、軸方向拡張部に沿って第２箇所を第１箇所の後方に配置し、貫通部を少なくとも第１箇所の手前に配置した第１領域と第２箇所の後方に配置した第２領域との間で貫通して延ばす。第１箇所と第２箇所との間に各１つの翼列を保持する多数の別の箇所を設けてもよい。特に少なくとも１つの導通部を、蒸気タービンロータの軸方向拡張部に沿って延びる、関連する導通システムの部分とするとよい。これは冷却蒸気を主流と平行に案内する可能性を生む。複数の翼段の冷却が可能な限り全ロータに沿って可能になる。各要件と必要に応じ、導通システムを柔軟に設計できる。少なくとも１つの導通部は、第１翼リングの手前に配置した第１領域と最後の翼リングの後方に配置した第２領域との間に貫通して延ばすとよい。しかし、導通システムを部分システムからも構成できる。その際付加的に又は別法として多数の第１導通部を設け、該導通部を各々貫通し、軸方向拡張部に沿って唯一又は複数の翼段を越えて出す。これは別の第２導通部を経て、半径方向又は任意の別方向に向く導通システムに接続できる。少なくとも１つの導通部又は多数の第１導通部は、表面近傍に配置できる。別の第２導通部をロータ内に延ばし、又はロータ表面から案内してもよい。

作動媒体のパラメータに冷却媒体のパラメータを適合する可能性を考慮した開放型冷却システムとするとよい。これを個別に提案する方法により、引き続き以下で説明する。

ガスタービンの作動媒体と異なり、蒸気タービンの場合、最高温度を持ち流入する作動媒体は同時に最高圧力も有する。従って、蒸気タービンにおいて、少なくとも１つの導通部が、冷却媒体の流入のために設けた、外部供給を行う関連した導通システムの一部であると望ましい。これは導通部の作動媒体より少なくとも僅かに高い圧力を持つ冷却媒体を給送する可能性を生む。冷却媒体を、より高い圧力と充分に低い温度の箇所で水−蒸気循環系から抽出するようにすると好ましい。

以下、導通システムの別の有利な実施形態を記載するが、この部分は提案した概念に基づく少なくとも１つの導通部である。この導通システムは、表面近傍で蒸気タービンロータの外面に配置するとよい。表面近傍とは、本明細書では特に導通システム、特に少なくとも１つの導通部が蒸気タービンロータの半径拡張部の領域に配置され、該領域が一方でロータの外面、他方では回転羽根溝の内部半径拡張部により制限されることを意味する。導通システムの少なくとも１つの導通部および／又は任意の別の導通部は、各必要性に応じ有利な方法で通路として又はロータの内部、好ましくはその表面近傍領域で、中空室の任意の形式として設計できる。これは熱損失箇所での排熱の別の改善を可能にする。提案した前記蒸気タービンロータの内部の冷却概念は、それにより中央の中空室の近傍でロータ内壁の内側に隣接してロータの回転軸に作用する冷却よりも効率的に作用する。更に蒸気タービンロータの変形挙動に関し長所が生じる。本発明の概念による冷却は、ロータおよび／又は翼への熱絶縁層の利用も高める。該層は比較的小さい熱伝導率を有し、充分な放熱体がある場合高い温度差を生ずる。それに伴いロータ、翼脚および部分的に翼板を熱絶縁層なしより低温に保持できる。絶縁層の別法として、又はこの層と組合せて、本発明の冷却概念の使用時に、あまり良好でない導伝性翼材を有効に使用できる。その好ましい例は、オーステナイト系材料である。

関連する導通システムは、好適にはロータの円周拡張部に沿って少なくとも部分的に循環する通路を有する。少なくとも１つの軸方向に伸長する導通部と共に、これは蒸気タービンロータの全円周冷却を、その外面近傍で可能にする利点がある。

冷却媒体のパラメータは、作動媒体のパラメータに応じ開放型冷却システム全体にわたり段階的に適合させるとよい。そのため、第１領域に主流への第１開口部を設ける。第２領域が主流への第２開口部を有するとよい。その結果複数の翼段の冷却が可能になり、冷却媒体は各々１つの主流に類似の圧力を有し、もって差圧負荷の極小化が可能となる。

少なくとも１つの導通部は孔や溝又は別の好適な方法で組み込める。更にロータの外面を取囲む遮蔽板で形成すると特に有利である。これは、蒸気タービンロータを冷却するブレード取付領域で、主流に対する完全な遮蔽を可能にする。これはロータ材料の酸化に対し本質的な長所を有する。取囲む遮蔽板は、翼列、特に翼脚により保持するとよい。

少なくとも１つの導通部は、各必要性に応じ構成できる。即ち導通部を翼、特に翼脚で案内するとよい。この場合、翼脚の溝を導通部の一部とできる。必要なら、孔も各翼脚により、又は別法として又は付加的に、２つの隣接する翼脚により導通部の部分とできる。更に導通部と連繋して接続した通路を翼板内に設けても有利である。この方法で、回転羽根板領域の好ましい冷却、例えばフィルム冷却が可能になる。

本発明は、上記概念又はその発展形態に基づく蒸気タービンロータを備えた蒸気タービンも提供する。

方法に関する前記課題は、本発明によれば、軸方向拡張部に沿って延在し、かつ流体の作動媒体の主流の収容のために設けた外部空間に境接する外面と、第１翼が保持された外面に沿った第１箇所とを有する蒸気タービンロータの能動的冷却方法であって、流体の冷却媒体を、蒸気タービンロータの内部で軸方向拡張部に沿って少なくとも第１箇所の手前に配置した第１領域と第１箇所の後方に配置した第２領域との間で貫通して案内し、さらに、前記冷却媒体を、前記翼の翼板内に設けた導通部を貫通し、前記翼板内に設けた導通部から、前記翼板表面のフィルム冷却を行なうための通路に案内することにより解決できる。

本発明の発展形態に従い、蒸気タービンロータが第２翼列が保持された外面に沿った第２箇所を有し、軸方向拡張部に沿って第２箇所を第１箇所の後方に配置し、流体の冷却媒体を少なくとも第１箇所の手前に配置した第１領域と第２箇所の後方に配置した第２領域との間で貫通して案内することを提案する。この場合、冷却媒体が関連する導通システムの中で軸方向拡張部に沿って第１箇所と第２箇所を経て、かつ各１つの翼列が保持された中間に位置する、多数の別の箇所を経て案内すると特に好ましい。

蒸気タービンに流れ込む、最高温度の作動媒体は同時に最高圧力も有するので、冷却媒体を蒸気タービンロータに外部から供給すると特に有利である。その際冷却媒体の圧力が主流内の作動媒体の圧力を超えるようにすると好ましい。

冷却媒体を主流の圧力に応じ適合化した圧力で案内する、特に冷却媒体流を絞ると有利である。この発展形態は、より高い蒸気パラメータに適合した開放型冷却システムの形成を可能にする。主流への圧力適合用の冷却媒体の絞りは、有利な実施形態では、段階的に少なくとも１つの導通部の対応する形成にて、主流への開口部と組合せて行うとよい。

冷却媒体を主流の温度に応じて適合させた温度および／又は量で供給すると更に好ましい。これは、タービン弁の急速閉鎖と調整過程にプロセス管理技術的につづく安全技術要件を満たす装備品により制御できる。冷却媒体の温度を安全技術要件に基づき規定し、プロセス管理技術的に監視する必要がある。必要なら、低負荷時に過大な量の冷却媒体を導通システム内に取り込むことができ、それにより主流の温度を、冷却したブレード取付領域の後方で、多量の冷却媒体の混加により充分に低く保持できる。

冷却媒体の不足時、タービンの運転を必要なら多数のタービン弁で遮断でき、これは高速遮断と呼ばれる。

ロータに内蔵した、好ましくは表面近傍の導通システム内への冷却媒体の供給と冷却媒体の案内の上記構想は、前記要件に対応して設計および適合できる。

提案した概念は、本発明の一変形態様に従い、タービンの起動および／又は急冷にも使用できる。

特に好適な実施形態では、ロータおよび／又はタービン羽根は熱絶縁層を持つ。該熱絶縁層は、通常比較的低い熱伝導率を有し、局所的に良好な放熱が可能なら、高い温度差を生じる。この放熱は上記冷却システムで達成でき、その結果、このように形成したロータは、熱絶縁層の使用に特に適する。この際、ロータ、翼脚および場合により羽根ブレードを、前記の絶縁層なしの場合より低温に保持できる。別の絶縁層として、又はその使用と組合せて、例えばオーステナイト系材料より低熱伝導性の翼材の使用も考慮できる。

本発明の実施例を、以下図面を利用し、同様に図示した先行技術と比較して説明する。図面は実施例を必ずしも寸法どおりに表すものではなく、むしろ説明に利用する場合は模式的および／又は多少変形した形態で示す。図面から直接識別しうる事項の説明に関しては、関連する先行技術を参照されたい。この際、多面的な修正や変更は、本発明の一般的理念を変えることなく、実施形態の形態および詳細に関し行うことができる。

本明細書、図面並びに請求項に開示する本発明の特徴は、個別的にも任意の組合せでも本発明の形態にとり重要である。本発明の一般的理念は、以下に図示し、説明する有利な実施形態の正確な形態又は詳細に制限されず、又は請求項で請求する目的に比べて限定されうる目的に制限されない。

本発明の有利な実施形態を、回転部材、即ちロータおよび回転羽根を指定して冷却できる、圧力の適合した冷却蒸気質量流を提供する冷却システムとの関連で説明する。その結果、ここに提案する有利な実施形態は、より高い蒸気パラメータと効率の、コスト的に有利な実規模技術の実現に貢献する。更に、ここに記載した、又はそれと異なるおよび変形した本発明の実施形態は、コスト的に一層有利なロータおよび翼材を現在の蒸気パラメータで使用するために同様に利用できる。

基本的に公知の蒸気タービンロータはフルパートロータとして、完全に能動的冷却システムなしで製造される。しかし特許文献１に記載の先行技術には、図１に示す如く、流入領域内の冷却に制限した冷却システムを持つ蒸気タービン１が記載されている。これは軸２に回動可能に配置された、その管軸に多数の動翼４が配置されたロータ３を有する。前記動翼は案内羽根取付部６を備えた固定ケーシング５内に配置されている。ロータ３は動翼４を経て流入領域７内に流入する作動媒体８で駆動される。作動媒体８に加えて、独立の入口領域９を経て冷却媒体１０が作動媒体８に流れ込む。この場合冷却媒体１０は流入によって専ら固定案内羽根取付部の第１リング１１並びに遮蔽板１２を冷却する。その結果ロータ３と第１案内翼リング１１の温度負荷が低下する。特に遮断管１３を経て、冷却流体１０が冷却流体１０の入口領域９から第１案内翼リング１１を越え、直接ケーシング５と第１動翼１５との間の領域１４に流入する。その結果冷却流体１０の入口空間９が作動媒体８に対し密閉され、冷却流体１０は遮断流体として作用する。通路自体は遮断管として設計されており、冷却管として設計されていない。

ロータ３の冷却時、冷却蒸気１０ａが独立の分岐通路１６ａを経て、ロータ軸と平行に延びる中央の中空室１６ｂに供給される。そこから、この蒸気１０ａは独立の半径分岐通路１６を経て再び外方へ案内される。冷却蒸気１０ａは、更にロータを一箇所で冷却すべく、領域１６ｃの主流に供給される。即ち冷却媒体１０ａは、ロータ３を流入領域７と中央の中空室１６ｂ内で循環する。その結果、冷却媒体の案内が中央の中空室１６ｂでロータ表面から離れて行われ、そのため熱損失の場所では行われない故、ロータ自体の効率的な冷却は不可能である。独立の通路１６ａ、１６は、ロータのある箇所の冷却のための分岐通路として形成され、同様に冷却が半径方向に中央の中空室１６ｂから主流１６ｃの領域へ延びる故、ロータ３の効率的な冷却を行えない。ここに図示した先行技術によるロータの冷却は、表面近傍の冷却に適用できず、更に改善の余地がある。中央の中空室により、その他の箇所で比較的高いロータ応力が生じ、付加的に更に分岐通路取付け用の加工費も増加する。更にこの概念は、蒸気の主流に対しロータ軸の充分な遮蔽を提供しない。

図２は、特に有利な実施形態による蒸気タービン２０の模式図である。前記蒸気タービンは、多数の案内羽根２２と共に、回動可能にケーシング２３内に支承された多数の動翼２４を持つロータ２１を備える。ロータ２１とケーシング２３を備えた蒸気タービン２０は、この場合軸方向拡張部２５に沿って延びる。回動可能な動翼２４は、この場合指のように固定案内羽根２２の間の中空室内に係合する。

ここに図示したロータ２１は外面２６ａを持つ。外面２６ａは流体作動媒体の主流２７を収容する外部空間２７ａと接する。ロータは外面２６ａに各１つの回転羽根列２４を保持する多数の箇所を持つ。特に有利な実施形態では、通路システム２８が冷却媒体の案内用に、第１領域２８ａから回転羽根２４用の箇所に沿って第２領域２８ｂ迄延びる。

ここで通路システムは、軸方向拡張部２５に沿って主流２７への多数の開口部２９を持つ。これらは、通路システムの流出開口部と協働し、主流２７と平行に段階的な冷却媒体の減圧に利用される。回転羽根２４の段から段へ、冷却媒体を流れ抵抗で絞るとよい。そのため、例えば各１つの回転羽根段２４での、孔を通る冷却媒体の流出が好適である。この絞りで、技術作業なしに圧力を低減できる。冷却媒体は類似の圧力と、より低温で主流内の流動媒体より高い密度を有し、その結果より良い熱移行が生じる。絞りと温度上昇に伴い生じる冷却媒体の体積増大は、冷却媒体の一部を主流に開口部２９を経て徐々に流入させることで補償するとよい。この結果、主流の圧力への冷却媒体圧力の良好な適合も達成できる。ここに記載した実施形態は、そのため開放型冷却システムである。

基本的に蒸気タービンロータの有利な実施形態では、ここに図示しない冷却システムの変形態様も閉鎖型冷却システムとして考慮できる。この場合幾つかの欠点が生じるが、これらは各々の必要性に応じ、所望の場合は、甘受できる。閉鎖型冷却システムの場合、主流２７への冷却媒体の流入は実現せず、又は冷却領域の終端でのみ実現する。即ちその場合は、図２の開放型システムの開口部２９を廃止できる。冷却媒体は単に第１領域２８ａから第２領域２８ｂへ案内されることになり、その際主流への直接的な圧力適合は行われない。段階的な減圧は同様に絞りで行える。主流への冷却媒体の流入は、いずれにしても翼段２４毎に行われない。このように閉鎖型冷却システムでは、例えば主流２７への冷却媒体の流入は全く行えず、端部領域２８ｂでのみ又は大幅に低減した段数２４でのみ行える。通路システム内の圧力は、そのため間接的にのみ主流に適合される。この場合の欠点は、冷却媒体に必要な断面が閉鎖型冷却システムで温度上昇および圧力低減によって通路システムの延長部で明らかに増大することである。これは、閉鎖型通路システムとしての通路システム２８の形成が体積流の上昇を考慮するために、第１領域２８ａから第２領域２８ｂに向けてその断面を増大させねばならないので、翼脚および／又はロータの支持断面の望ましくない低減を引き起こす。これはロータと羽根固定領域内の強度要件に対立するが、補償できる。冷却課題の引き受け後、例えば様々な圧力と温度パラメータに基づき冷却媒体を作動媒体に流入させ得ない場合、冷却媒体は領域２８ｂで作動媒体と独立にロータ２１から案内されることになる。閉鎖型システムを備えた複数の段２４の冷却時、各々カバーした膨張領域に応じて、図２の開口部２９が無い場合、主流２７内の流動媒体と閉鎖型通路システム内の冷却媒体との間に高い差圧が設定される。これは各冷却手段の圧力の選択に応じ比較的劣悪な冷却作用によって、又は高い冷却手段圧力で比較的高い部材差圧負荷によって表され、これはより小さい冷却媒体密度で小さい熱容量を有し、そのためより劣悪な熱伝達を行う。それにも係わらず閉鎖型システムは能動的冷却システムであり、該システムは蒸気タービンロータ２１を受動的冷却に比べ又はロータの流入領域内の制限付きのみに比べ著しく良好に冷却できる。

開放型通路システム２８では、一方で貫通する表面近傍の導通部を有し、そこから複数の分岐が開口部２９に向けて分かれる。更にここに示す実施形態は、可能な独立した、ロータ表面から出る別の通路を回避する意味で関連する通路システム２８でもある。これは冷却蒸気質量流を段から段へ引き取ることができ、同じ冷却蒸気が複数の段を越えて作用する長所を有する。即ち図１の先行技術から公知の、独立して案内したロータにおける個別通路１６又はケーシングに比べ、必要な圧力が主流の最高圧力によって測られる。先行技術による独立の通路において後続段の圧力はもはや適合されていない。これはより高い差圧によるタービンの付加的な応力を引き起こす。またより高い圧力は複数の翼列用の独立の通路内に、蒸気タービンロータの機械的応力の著しい上昇を引き起こしうる。また独立の通路のために異なる圧力段の準備に要する付加的費用が必要であり、これが欠点である。しかし基本的に、明細書で説明したように、変形の枠内で導通システムが柔軟に設計され、部分システムから構成できる。

図３は有利な実施形態による蒸気タービンロータ３０を、冷却ブレード取付領域により詳しく示す。更に対応する蒸気タービン３１は、案内羽根取付部３２を備えた図示しないケーシングを持つ。蒸気タービンロータ３０は、この際第１箇所３０ａと第２箇所３０ｂを外面３３に沿って設け、軸方向拡張部３４に沿って第２箇所３０ｂを第１箇所３０ａの後方に配置している。外面３３は、この際流体の作動媒体の主流３６の収容のために設けた外部空間３５を仕切る。但しこの場合は外面３３が本来のロータ軸の表面により形成されず、翼脚３９ａ、３９ｂで保持されたロータと同時回転する遮蔽板３８により形成される。翼脚３９ａ、３９ｂは、更に翼溝４０ａ、４０ｂに係留されている。多数の翼４１ａはロータ３０の周囲に沿って並列にかつ各々半径方向４２に配置され、このように回転羽根段とも呼ばれる回転羽根列を箇所３０ａに形成する。対応して多数の第２翼４１ｂが第２箇所３０ｂに並列に広範囲に溝４０ｂ内に配置され、第２回転羽根列を形成する。

図３に示す遮蔽板３８の補完的又は別法の変形は、翼脚３９ａ、３９ｂに取付た遮蔽面で行ってもよい。そのため付加的な材料および製造費用が必要になるが、遮蔽板３８と類似の遮蔽作用を達成し、各々の必要性に応じて有利となし得る。

図３の通路システム４３は、少なくとも１つの第１箇所３０ａの手前に配置された第１領域と、第１箇所３０ａの後方および前記実施形態においてまた第２箇所３０ｂの後方に配置された第２領域との間で貫通して延在する導通部４４を有する。導通部４４は、この実施形態ではほぼロータの全ブレード取付領域に沿って延在する（長さは各必要性に応じる）。導通部４４は、一方でロータ３０の内壁３７と、他方で遮蔽板３８とによって形成される。かかる多数の導通部４４は、軸方向３４に広範囲にロータ３０の外面３３に沿って配置されている。通路システム４３は、更に多数の広範囲に取囲む溝４５を有し、この溝は前記実施形態において軸方向拡張部３４に沿って各々案内羽根３２の高さに配置されている。案内羽根３２は覆板３２ａを有する。通路システム４３の導通部は切削加工によってロータ軸の表面３７に取付け、遮蔽板３８の平坦な部材によって覆うことができる。この場合、通路システム４３は翼脚３９ａ、３９ｂ内の翼溝（図９、図１０）および／又は孔４６ａ、４６ｂ（図５、図６、図９、図１０）も同時に流動延長部に含まれる。

導通システム４３は、更に主流へ冷却手段流の一部を流入させることで、作動媒体流の圧力に冷却手段流の圧力を適合するための開口部４７、４８および４９を有する。

ブレード取付領域内の遮蔽板３８による遮蔽は、ここに図示しないもう１つの遮蔽板を利用した冷却媒体の流入領域の遮蔽によっても達成でき、それに伴ってタービンロータ材料の酸化に関する別の長所も併せて提供する。

遮蔽板３８の別法として又は付加的に導通システム４３又は導通部４４は孔の形態でも又は別の好適な方法でロータ３０の内部で表面近傍に取付けることができる。

図４は、図３の断面Ａ−Ａを示す。ここで図３の環状の溝４５を点線で示す。対応して軸方向溝４４は凹所として蒸気タービンのロータ軸の表面３７に模式的に示している。

図５は翼脚３９ａへの孔４６ａの取付け法を示す。ロータに沿って広範囲に設けた、孔４６ａ、４６ａ’を持つ多数の翼脚３９ａ、３９ａ’は、箇所３０ａに翼列を形成する。

図３の孔４６ａ、４６ａ’の別法による実施形態を、図６に孔４６ａ’’として示す。孔４６ａ’’を各々２つの隣接する翼脚３９ａ’’に取り付けている。

ガスタービンと異なり蒸気タービンの場合は最高温度で部分タービンに流れ込む作動媒体は同時に最高圧力を有する。即ち特に蒸気タービン用の開放型冷却システムを実現するために、冷却媒体の供給のための好適な措置を講じなければならない。冷却媒体の供給は水−蒸気循環系からこのような媒体の抽出後一箇所でより高い圧力と充分に低い温度とを生じうる。好適な抽出箇所は特に次がある。
− 部分タービンに前置したボイラー過熱器部分への入口の手前
− ボイラー全般への入口の手前
− 前置した部分タービンからの出口の後
− 前置した部分タービンからの抽気部から
− 冷却媒体を低圧の箇所で予熱箇所から抽出し、必要な圧力を提供する好適なポンプ によって独立の供給による。ポンプ故障時に冷却不足に対抗するため、付加的な費用 、場合により冗長構造が必要になる。

図７は、第１案内羽根列７８手前の領域７２から第１案内羽根列７８の後方の軸方向拡張部７４に沿った案内羽根固定部のもう１つの領域７３への冷却媒体７１の伝送の可能性７０を示す。この場合は、蒸気タービン７７の外部ケーシング７６の中に取り付けた内部ケーシング７６ａを図示している。冷却媒体は供給部７０を経てロータ７５内の表面近傍の通路システム７９内へ取り込むことができ、軸方向拡張部７４に沿って案内羽根取付部７５ａの領域に案内できる。平行して冷却媒体はシール領域を貫流する（冷却エンタルピ損失の低減）。

外部ケーシング７６内の冷却媒体７１の流れ６９は、外部ケーシングの冷却に利用される。冷却媒体の向流は安全技術的要件を満たす弁で制御される。

図７の冷却媒体の導入法７０に加えて、冷却媒体は作動媒体の流入領域でもロータ内蔵型冷却通路システム７９内に導入できる。図８は、先行技術に基づく図１のタービン１において、ここで表面近傍の冷却を行う有利な実施形態における冷却媒体８０の導入のもう１つの好ましい方法を示す。先行技術に基づくタービン１と、特に有利な実施形態に基づくタービン８１の互いに対応する部分は同じ符号を付けている。以下、ロータ８３の能動的冷却のための冷却媒体８０を案内する能動的冷却システムを述べる。冷却媒体８０は、一方で入口領域９を経て、既に図１に示した如く、作動媒体８の流入領域に供給される。しかし更に遮蔽板１２を経て給送され、空間８２の中で遮蔽板１２の後方に冷却媒体８０がロータ内壁の内部の軸方向拡張部８５に沿って表面近傍に、即ち動翼１５の固定領域８４で案内される。特に冷却媒体８０は軸方向拡張部８５に沿って少なくとも第１回転翼リング１５の手前に配置された第１領域８２と第１回転翼リング１５の後方に配置された第２領域８８との間を貫通して案内される。タービン８１の前記実施形態において、冷却媒体８０を、表面近傍にある軸線方向のロータ８３の導通システムに供給すべく、第１領域８２が利用される。ここには図示しないが、冷却媒体８０は更に実質的にロータ８３の全回転羽根取付領域に沿って案内できる（技術的条件による実際の形成（長さ））。特にこの際、個別的に又は組合せてタービン８１における能動的冷却システムの形成のためのその他の図を利用して説明する全ての別の措置を考慮できる。特に図８の前記実施形態では、冷却システムは開放型冷却システムとしても設計されている。

主流の中への通路システムの端部で冷却媒体の流出時に主流の冷却媒体が圧力だけでなく、主流の温度でも広範囲に適合されている。これは冷却されるブレード取付領域内の冷却媒体の熱吸収の結果である。冷却媒体はその場合主流中の別の膨張に参加する。これは開放型冷却システムの特別の長所であり、その結果冷却したブレード取付領域から冷却しない領域へのエンタルピ輸送が起る。

冷却媒体の安全技術上の監視は、ここに示す実施形態の場合、特に冷却媒体の温度制御にある。この場合に注意すべきは、部分負荷でも流れの中および通路システム内での事前の凝結／滴形成を排除することである。更にロータ、翼又は翼固定部のような本質的な部材の過熱は、全ての重要な負荷発生に対し除外されるべきである。技術的条件によりタービン弁と冷却媒体弁との干渉を考慮することができる。

好適な実施形態の通路システムは、適宜の媒体を起動過程で供給することで、予熱目的にも使用できる。これは後の本来の冷却媒体と別の水−蒸気循環系の箇所から抽出してもよい。この際、予熱媒体が通路システム内で絞られ、少なくともここでシャフト系列の立上げに寄与することが有利に働く。同様にこの方法は、急冷に使用できる。将来のロータ又はロータ材では、前記方式が起動時間と冷却時間に関し長所を提供するであろう。

図９は、タービンロータ９２内の溝９１に係留された翼脚９０の領域への、冷却媒体案内用のもう１つ別の通路システムの形成を示す。好適な実施形態の軸方向導通部９３は、案内羽根９４の領域で一層深くロータ９２内に入り、例えば三角形状延長部をケーシング翼９４の領域に有する。その他のあらゆる過程が可能である。導通部９３は、通路９９を経て主流に開口している。導通部の領域で付加的に翼溝９５が併せて設けられる。特に翼脚９０による導通部は、翼脚の胴部９７の上方により接近し、翼板９８に向けて配置した通路９６により生じる。これは翼脚胴部９７の強度が損なわれない長所を有する。

図１０は、図９に類似する別の構成を示す。図９と異なり、導通部１０６は翼板１０８の領域でも生じる。翼板１０８の領域で導通部１０６から通路１１０が分かれ、該通路はフィルム冷却を提供すべく、冷却媒体を導通部１０６から翼板表面１０８へ導く。

冷却媒体は、通路１０９を経てケーシング翼１０４の領域で作動媒体の主流に入る。その他の部分１００、１０１、１０２、１０３、１０７は、図９に示すものに相当する。

図１１は、突合せ箇所１２２の領域で野、第１遮蔽板１２０と第２遮蔽板１２１の好適な配列を示す。ここに図示した詳細実施形態は、図１１の貫通開口部１２３および１２４と、図３の４７、４８および４９を備える遮蔽３８により実現できる。このような遮蔽板は、好ましくは、例えば高耐熱性材料から製造される。これは前記実施形態において、突合せ箇所１２２に様々な温度に対し可動する、覆体１２５、１２６を備えた部分部材１２０、１２１から構成するとよい。

図３に示す実施形態では、遮蔽板は案内羽根覆板の領域にあり、対応するシール縁、即ち無接触シールを有する。そのためにシール縁を取囲みながら回転させ、即ち全材料から製造し、又はシート帯に孔を開けることができる。各材料および構造の強度と製造要件に応じ個別的に指定できる点が特徴である。

冷却媒体が案内羽根の軸シールを経て主流に流入する際、前記シールを経て流れ込む漏出質量流により効率損失を低減できる。漏出質量流は、この場合主流の高温の媒体ではなく、低いエンタルピを持つ冷却媒体からなる。しかし場合により、この効果は冷却媒体を導入する所要スペースのために少数のシール縁によって再び消滅する。

要約すると、蒸気タービンロータ、蒸気タービンおよび蒸気タービンロータの能動的冷却方法並びに前記冷却の好適な使用方法を提案した。

従来公知の蒸気タービン１では、ロータは受動的にのみ又は作動媒体の流入領域に限定して能動的に冷却される。作動媒体の増大する蒸気パラメータによるロータの応力の増大時には、蒸気タービンロータの充分な冷却がもはや保証されない。本発明の蒸気タービンロータ２１、３０は軸方向拡張部２５、３４に沿って延在し、以下の要素を有する。軸方向拡張部２５、３４に沿った表面近傍の通路システム、流体の作動媒体８の主流２７、３６の収容のために設けた外部空間２７ａ、３５に境接する外面２６ａ、第１翼４１ａを保持した外面２６ａ、３３に沿った第１箇所３０ａ、第２翼４１ｂを保持した外面２６ａ、３３に沿った第２箇所３０ｂ、その際軸方向拡張部２５、３４に沿って第２箇所３０ｂが第１箇所３０ａの後方に配置されている。充分な冷却を保証するため、この場合少なくとも１つの導通部４４、４６ａ、９６、１０３、１０６が設けられ、これは表面近傍に配置され、少なくとも第１箇所３０ａの手前に配置された第１領域２８ａ、７２と第２箇所３０ｂの後方に配置された第２領域２８ｂ、７３との間に貫通して延在する。流体の冷却媒体１０が対応して案内される方法および使用が提案される。

公知の蒸気タービンロータ冷却法を示す図である。 本発明による蒸気タービンロータの冷却法を概念的に示す図である。 本発明の他の実施例を示す図である。 図３の断面Ａ−Ａに沿った詳細図である。 図３の断面Ｂ−Ｂに沿った詳細図である。 図３の断面Ｂ−Ｂに沿う、別の実施例の詳細図である。 回転羽根固定領域における冷却媒体の伝送法を示す図である。 回転羽根固定領域で冷却媒体のもう１つの伝送法を示す図である。 冷却媒体の案内のための通路システムのもう１つの形成法を示す図である。 冷却媒体の案内のための通路システムの別の形成法を示す図である。 重畳領域での遮蔽板の形成法を示す図である。

符号の説明

８ 作動媒体、１０ 冷却媒体、２０、７７ 蒸気タービン、２１、３０ 蒸気タービンロータ、２５ 軸方向拡張部、２６ａ、３３、３４ 外面、２７、３６ 主流、２７ａ、３５ 外部空間、２８ａ 第１領域、２８ｂ 第２領域、２９ 冷却通路、３０ａ 第１箇所、３０ｂ 第２箇所、３８ 遮蔽板、３９ａ、３９ｂ 翼脚、４０ａ、４０ｂ 溝、４１ａ 第１翼、４１ｂ 第２翼、４３ 導通システム、４４、４６ａ、４６ｂ、１０３、１０６、９３、９６、４６ａ、４６ｂ 導通部、４５、１１０ 通路、４７ 第２開口部、４９ 第１開口部、７０ 外部供給部、７１ 冷却媒体、７２ 第１領域、７３ 第２領域、７５ 蒸気タービンロータ、９９、１０９ 第１、第２開口部、１０８ 翼板

Claims (24)

1. 流体の作動媒体（８）の主流（２７）の収容のために設けた外部空間（２７ａ、３５）に接する外面（２６ａ）と、第１翼（４１ａ）が保持された外面（２６ａ、３３）に沿った第１箇所（３０ａ）とを有する、軸方向拡張部（２５、３４）に沿って延在する蒸気タービンロータ（２１、３０、７５）であって、少なくとも第１箇所（３０ａ）の手前に配置された第１領域（２８ａ、７２）と第１箇所の後方に配置された第２領域（２８ｂ、７３）との間に貫通して延在する少なくとも１つの内蔵型導通部（４４、４６ａ、４６ｂ、９３、９６、１０３、１０６）を備え、前記導通部（１０３）は、前記翼の翼板（１０８）内に設けた導通部（１０６）を有し、前記翼板内に設けた導通部（１０６）は、冷却媒体を前記翼板表面のフィルム冷却を行なうための通路（１１０）を備えること特徴とするロータ。
2. 第２翼（４１ｂ）が保持された外面（２６ａ）に沿う第２箇所（３０ｂ）を有し、軸方向拡張部（２５、３４）に沿って第２箇所（３０ｂ）が第１箇所（３０ａ）の後方に配置されており、導通部（４４、４６ａ、４６ｂ、９３、９６、１０３、１０６）が少なくとも第１箇所の手前に配置された第１領域（２８ａ、７２）と第２箇所（３０ｂ）の後方に配置された第２領域（２８ｂ、７３）との間で貫通して延びる請求項１記載のロータ。
3. 第１箇所（３０ａ）と第２箇所（３０ｂ）との間に各々１つの翼（４１ａ、４１ｂ）を保持した多数の別の箇所を設けている請求項２記載のロータ。
4. 少なくとも１つの導通部（４４、４６ａ、４６ｂ、９３、９６、１０３、１０６）が、軸方向拡張部（２５、３４）に沿って延在する関連する導通システム（４３）の部分である請求項１から３の１つに記載のロータ。
5. 少なくとも１つの導通部（４４、４６ａ、４６ｂ、９３、９６、１０３、１０６）が、冷却媒体（１０、７１）の流入のために設けた外部供給部（７０）を有する関連する導通システム（４３）の部分である請求項１から４の１つに記載のロータ。
6. 少なくとも１つの導通部（４４、４６ａ、４６ｂ、９３、９６、１０３、１０６）が、ロータ（２１、３０、７５）の円周拡張部に沿って少なくとも部分的に循環する通路（４５）を有し、関連する導通システム（４３）の部分である請求項１から５の１つに記載のロータ。
7. 第１領域（２８ａ）が主流（２７、３６）への第１開口部（４９、９９、１０９）を有する請求項１から６の１つに記載のロータ。
8. 第２領域（２８ｂ）が主流（２７、３６）への第２開口部（４７、９９、１０９）を有する請求項１から７の１つに記載のロータ。
9. ロータ（２１、３０、７５）の外面（２６ａ）が、ロータ（２１、３０、７５）と共に回動可能の遮蔽板（３８）により形成された請求項１から８の１つに記載のロータ。
10. ロータ（２１、３０、７５）と共に回動可能の遮蔽板（３８）が、翼（４１ａ、４１ｂ）、特に翼脚（３９ａ、３９ｂ）により保持された請求項１から９の１つに記載のロータ。
11. 蒸気の主流に対するロータの遮蔽が少なくとも部分的に翼脚（３９ａ、３９ｂ）から形成される請求項９又は１０記載のロータ。
12. 導通部（４６ａ、４６ｂ、９６、１０６）が翼（４１ａ、４１ｂ）、特に翼脚（３９ａ、３９ｂ）により案内される請求項１から１１の１つに記載のロータ。
13. 導通部（４４）の一部である翼脚（３９ａ、３９ｂ）の溝（４０ａ、４０ｂ）を特徴とする請求項１から１２の１つに記載のロータ。
14. 導通部（４４）の部分である各翼脚（３９ａ、３９ａ'）を通る孔（４６ａ、４６ａ'）および／又は２つの隣接する翼脚（３９ａ''）を通る孔（４６ａ''）を特徴とする請求項１から１３の１つに記載のロータ。
15. 翼表面に翼の基材と比較してより低い熱伝導率を有する材料からなる熱絶縁層を設けた請求項１から１４の１つに記載のロータ。
16. 請求項１から１５の１つに記載の蒸気タービンロータ（２１、３０、７５）を有する蒸気タービン。
17. 軸方向拡張部（２５、３４）に沿って延在し、かつ流体の作動媒体（８）の主流（２７）の収容のために設けた外部空間（２７ａ、３５）に境接する外面（２６ａ）と、
    第１翼（４１ａ）が保持された外面（２６ａ、３３）に沿った第１箇所（３０ａ）とを有する蒸気タービンロータ（２１、３０、７５）の能動的冷却方法であって、
    流体の冷却媒体（１０、７１）を、蒸気タービンロータ（２１、３０、７５）の内部で軸方向拡張部（２５）に沿って少なくとも第１箇所（３０ａ）の手前に配置した第１領域（２８ａ、７２）と第１箇所（３０ａ）の後方に配置した第２領域（２８ｂ、７３）との間で貫通して案内し、
    さらに、前記冷却媒体を、前記翼の翼板（１０８）内に設けた導通部（１０６）を貫通し、前記翼板内に設けた導通部（１０６）から、前記翼板表面のフィルム冷却を行なうための通路（１１０）に案内することを特徴とする方法。
18. 蒸気タービンロータ（２１、３０、７５）が、第２翼（４１ｂ）が保持された外面（２６ａ、３３）に沿って第２箇所（３０ｂ）を有し、軸方向拡張部（２５、３４）に沿って第２箇所が第１箇所（３０ａ）の後方に配置されており、流体の冷却媒体（１０、７１）が少なくとも第１箇所の手前に配置された第１領域（２８ａ、７２）と第２箇所の後方に配置された第２領域（２８ｂ、７３）の間に貫通して案内される請求項１７記載の方法。
19. 冷却媒体（１０、７１）を導通システム（４３）内で、軸方向拡張部（２５、３４）に沿って第１および第２箇所（３０ａ、３０ｂ）の中間に位置する、各１つの翼（４１ａ、４１ｂ）が保持された多数の別の箇所（２４）を経て案内する請求項１８記載の方法。
20. 冷却媒体（１０、７１）を、蒸気タービンロータ（２１、３０、７５）に外部（７０）から供給する請求項１７から１９の１つに記載の方法。
21. 冷却媒体を主流（２７、３６）の圧力を超える圧力で案内する請求項１７から２０の１つに記載の方法。
22. 冷却媒体（１０、７１）を主流（２７、３６）の圧力に適合（４７、４８、４９、９９、１０９）させ、特に絞った圧力で案内する請求項１７から２１の１つに記載の方法。
23. 冷却媒体（１０、７１）を主流（２７、３６）の温度に応じ適合（４７、４８、４９、９９、１０９）させた温度および／又は量で供給する請求項１７から２２の１つに記載の方法。
24. 蒸気タービン（７７、２０）の起動および／又は始動時に用いられることを特徴とする請求項１７から２３の１つに記載の方法。

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