JP4909113B2

JP4909113B2 - 蒸気タービン車室構造

Info

Publication number: JP4909113B2
Application number: JP2007036430A
Authority: JP
Inventors: 忠士杉村; 英司齋藤; 滋敏国分; 直人野田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: JP2008202419A

Description

本発明は、舶用及び陸用の再熱タービンに適用される蒸気タービン車室構造に係り、特に、中圧段のサーマルシールドを改良した蒸気タービン車室構造に関する。

従来、舶用及び陸用（発電プラント等）に広く用いられている蒸気タービンは、外部で発生させた高温の蒸気をタービン（羽根車）に吹きつけて回転させ、推進力や動力を発生させる外燃機関である。このような蒸気タービンには、タービンで膨張する蒸気を取り出して加熱することにより、熱効率を向上させた再熱タービンがある。

図６は、従来の蒸気タービン車室構造として、再熱タービンの中圧段付近を示す要部断面図である。
図示の蒸気タービン１０は、外車室１１の内部に配設されたロータ１２が蒸気の供給を受けて回転する再熱タービンである。ロータ１２の中圧段には、複数段の中圧段動翼１３が取り付けられている。また、外車室１１の中圧段内側には、複数段の中圧段静翼１４が中圧段動翼１３と軸方向へ交互に取り付けられている。従って、中圧蒸気入口１５から車室内に供給された再熱蒸気が中圧段動翼１３及び中圧段静翼１４の間を通過して流れることにより（図中の矢印Ｓ参照）、同軸の高圧段（不図示）等と協働してロータ１２に回転力を発生させることができる。

上述した蒸気タービン１０においては、中圧蒸気入口１５に導入した高温の再熱蒸気が外車室１１の内面と直接接触するのを防止するため、サーマルシールド（仕切部材）１６を設けて中圧蒸気入口１５の内部を分割している。なお、図中の符号１７は中圧段静翼１４を支持する翼環であり、中圧段静翼１４の各段間に設けた仕切板ともなる。
上述したサーマルシールド１６の類似技術としては、内車室の外周面に沿って隙間を形成するようにサーマルシールド板を設けることにより、内車室の熱応力を小さくして車室の熱変形や熱応力を抑制したものがある。（たとえば、特許文献１参照）
実公平２−４８６４２号公報（図１及び図２参照）

ところで、上述した再熱タービンの蒸気タービン車室構造は、蒸気を有効利用して高効率化するため、再熱蒸気を使用する中圧段のタービンが追加されるとともに、使用する蒸気についても高温高圧化されている。このため、蒸気タービン車室構造は軸方向に伸張して大型化する傾向にあるが、特に、設置スペースの制約を受ける舶用蒸気タービンでは、タービン軸方向のコンパクト化が強く求められている。

しかし、図６に示した蒸気タービン車室構造においては、中圧側１段及び２段の仕切部材となる翼環１７が外車室１１の肉厚に直接埋め込まれた状態で嵌合しているので、外車室１１の内壁面が仕切部材１７を介して高温の再熱蒸気にさらされた状態となる。このため、従来の蒸気タービン車室構造では、再熱蒸気の熱影響を受けやすく、従って、外車室１１のタービン軸方向に温度勾配が発生し、蒸気リークの原因となる車室変形を生じやすい構造となっている。
また、従来の蒸気タービン車室構造は、翼環１７と別体のサーマルシールド１６を使用しているので、部品点数が多くメンテナンスを困難にしているとの指摘もある。

このような背景から、外車室のタービン軸方向に発生する温度勾配を低減することができ、しかも、部品点数の低減によりメンテナンスを容易にした蒸気タービン車室構造の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外車室のタービン軸方向に発生する温度勾配低減と、部品点数低減とが可能になる蒸気タービン車室構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る蒸気タービン構造は、タービン部に供給される蒸気を車室内に導入する蒸気入口部が、前記蒸気と車室内壁面との接触を遮断する仕切部材により分割されている蒸気タービン車室構造において、前記蒸気入口部が、前記タービン部の上流側から少なくとも１段の静翼を支持している翼環と前記仕切部材とを一体化した翼環一体型仕切部材により分割され、該翼環一体型仕切部材に前記車室内壁面の凸部を嵌合させて前記翼環一体型仕切部材との間に形成される分割空間に冷却蒸気として高圧段の排気蒸気を導入し、前記冷却蒸気が前記分割空間を通過して前記タービン部の下流段に供給される蒸気流路を備えていることを特徴とするものである。

このような蒸気タービン車室構造によれば、タービン部に供給される蒸気を車室内に導入する蒸気入口部が、タービン部の上流側から少なくとも１段の静翼を支持している翼環と仕切部材とを一体化した翼環一体型仕切部材により分割され、該翼環一体型仕切部材に車室内壁面の凸部を嵌合させた構造としたので、蒸気温度の高いタービン部の上流側では少なくとも１段目に翼環一体型仕切部材が使用される。このため、部品の一体化による部品点数の低減に加えて、蒸気温度の高いタービン部の上流側では、翼環一体型仕切部材が車室内壁面の凸部に嵌合されているので、車室内壁面に高温の蒸気が直接接触しないため熱影響を受けにくくなる。
なお、翼環一体型仕切部材に支持させる静翼は、高温蒸気の流れ方向において上流側となる１段目のみでもよいし、あるいは、１段目から複数段目までとしてよく、特に限定されるものではない。

上述した本発明においては、前記翼環一体型仕切部材と前記車室内壁面との間に形成される分割空間に冷却蒸気を導入することが好ましく、これにより、分割空間に面した車室内壁面が蒸気から受ける熱影響をより一層低減することができる。
この場合、前記冷却蒸気を高圧段の排気蒸気とし、前記分割空間を通過してから前記タービン部に合流させることが好ましく、これにより、蒸気タービンに供給された蒸気を有効利用することができる。なお、分割空間に導入した冷却蒸気は、下記に示すいずれかの流路を通ってタービン部に合流させればよい。
（１）翼環一体型仕切部材の仕切部材部分を貫通する流路
（２）翼環一体型仕切部材の翼環部分を貫通する流路
（３）車室の凸部を貫通する流路
（４）上記（１）〜（３）の組合せ
特に、（２）や（３）のような蒸気流路を設けておくことにより、分割空間を通過した冷却空気の少なくとも一部は、再熱温度蒸気の温度が低下したタービン部の下流段に供給されるため、再熱空気より低温の冷却空気が合流することにより、タービン部を流れる再熱蒸気の温度低下を小さくすることができる。

上述した本発明によれば、少なくとも蒸気入口に近い１段目に翼環一体型仕切部材が使用されるので、蒸気温度の高い蒸気入口部及びタービン部の上流側では、車室内壁面に高温の蒸気が直接接触しないため熱影響を受けにくくなる。このため、車室に作用する熱応力や変形の発生を防止または抑制することができ、車室の局部的な高温化や軸方向に過度の温度勾配が発生することを回避し、車室の蒸気漏れを防止することができるという顕著な効果が得られる。
また、翼環と仕切部材との一体化により、部品点数が減少するので、部品管理や保守点検が容易になる。

以下、本発明に係る蒸気タービン車室構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２は、蒸気タービン車室構造の一例として、再熱タービン（蒸気タービン）の高中圧段概略構成を示す断面図である。図示の蒸気タービン２０は、外車室２１内に高中圧段を一体にしたロータ２２が回転自在に支持された状態で収納されている。
外車室２１は、主蒸気を導入する主蒸気入口２３と、主蒸気入口２３より紙面左側となる高圧段を通過した主蒸気が流出する主蒸気出口２４と、再熱蒸気を導入する再熱蒸気入口２５と、再熱蒸気入口２５より紙面右側となる中圧段を通過した再熱蒸気が流出する再熱蒸気出口２６とを備えている。

ロータ２２の中圧段側には、図１に示すように、中圧段動翼２６及び中圧段静翼２７が軸方向へ交互に配置されて中圧段のタービン部を形成している。
中圧段動翼２６は、ロータ２２に固定して取り付けられている。中圧段静翼２７は、外車室２１の内壁面及び後述する翼環一体型仕切部材３０に固定して取り付けられており、この中圧段静翼２７を取り付ける部分は翼環と呼ばれている。

タービン部の上流側には、再熱蒸気入口２５に連通する蒸気入口部２８となる空間が形成されている。この蒸気入口部２８は、ロータ１２の外周に形成されたリング状の空間である。すなわち、蒸気入口部２８は、ロータ２２の外周面と翼環一体型仕切部材３０の内周面との間に形成された空間であり、翼環一体型仕切部材３０は、外車室２１の内周面とロータ２２の外周面との間に配設されている環状部材となる。

翼環一体型仕切部材３０は、タービン部の上流側に位置する中圧段静翼２７を少なくとも１段支持する翼環部３１と、蒸気入口部２８となる空間の外周面を形成する仕切部材３２とが一体化された部材である。図示の構成例では、蒸気入口部２８に近い上流側の１段目及び２段目について、翼環部３１が中圧段静翼２７を支持するようになっているが、これに限定されることはない。

蒸気入口部２８の外周側には、翼環一体型仕切部材３０の仕切部材３２と外車室２１の内周面との間に形成された分割空間２９が形成されている。すなわち、この分割空間２９は、外車室２１の内周面とロータ２２の外周面との間に形成される空間の半径方向を仕切部材３２により分割して形成される外周側の空間である。
翼環一体型仕切部材３０は、外車室２１の内壁面に設けた凸部２１ａを外周面の凹部３３に嵌合させて取り付けられている。すなわち、翼環一体型仕切部材３０は、外車室２１の内壁面との間に隙間を形成することにより、接触面積が比較的少ない状態で取り付けられている。

このように構成されたタービン車室構造によれば、再熱蒸気入口２５から蒸気入口部２８に導入された高温の再熱蒸気は、図中に矢印Ｓで示すように、中圧段動翼２６及び中圧段静翼２７により構成されるタービン部を通過して流れる際、ロータ２２に回転力を発生させる。このとき、高温の再熱蒸気は、タービン部を下流側へ流れるにつれて温度が低下するので、蒸気入口部２８が最も高温となる。
しかし、最も高温の再熱蒸気が接するのは翼環一体型仕切部材３０の内周面であり、この翼環一体型仕切部材３０は、実質的に凹部３３に嵌合する凸部２１ａでのみ外車室２１に接している。このため、高温の再熱蒸気が直接外車室２１と接触することはなく、しかも、外車室２１と翼環一体型仕切部材３０との接触面積も凹凸部の嵌合部のみと比較的小さく抑えられているので、高温の再熱蒸気から外車室２１に熱伝達されて生じる温度上昇を抑制することができる。

従って、外車室２１においては、タービン軸方向に過度の温度勾配が発生せず、すなわち、タービン軸方向における温度勾配の形成が抑制されるため、外車室２１に作用する熱応力が小さくなって車室変形を防止または抑制することができる。換言すれば、蒸気タービン２０においては、外車室２１に局所的な高温部が形成されることを防止し、タービン軸方向に過度の温度勾配が形成されることを回避できるようになるので、外車室２１の蒸気漏れを防止して効率のよい運転を維持することができる。
また、翼環一体型仕切部材３０を採用したことにより、従来複数部品であった翼環部３１と仕切部材３２とが一体化されたので、部品点数の減少により部品管理やメンテナンス作業が容易になる。

続いて、上述した蒸気タービン車室構造について、他の実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、図中に矢印Ｓｃで示すように、分割空間２９に冷却蒸気を導入している。この冷却蒸気は、再熱蒸気より低温の蒸気であれば使用可能であるが、特に、再熱蒸気より温度が適度に低い高圧段の排気蒸気が好適である。ちなみに、再熱蒸気及び冷却蒸気の温度について一例を示すと、再熱蒸気入口２５の再熱蒸気温度が５００℃程度であり、冷却蒸気となる高圧段の排気蒸気温度が３５０℃〜４００℃程度となる。

このような冷却蒸気を分割空間２９に導入すると、外車室２１に対する再熱蒸気の熱影響はより一層小さくなる。すなわち、分割空間２９に再熱蒸気より低温の冷却蒸気を導入して外車室２１を冷却しているので、外車室２１に作用する熱応力がより一層小さくなって熱変形を抑制することができる。
ところで、上述した冷却蒸気は、蒸気を有効に利用するため、分割空間２９を冷却した後に再熱蒸気と合流してタービン部に供給される。従って、冷却蒸気の温度を低く設定すれば外車室２１の冷却能力が高くなる反面、再熱蒸気の温度を下げて蒸気タービン２０の運転効率を低下させる原因になるので、再熱タービンの中圧段に対しては、高圧段の排気蒸気を利用することが運転効率上最も好ましい。

分割空間２９を冷却した冷却蒸気を再熱蒸気と合流させてタービン部に供給する流路としては、図３に示すように、翼環一体型仕切部材３０の仕切部材３２に穿設した貫通孔３４を利用する。この構造では、冷却蒸気と再熱蒸気とが再熱蒸気入口２８で合流してタービン部に供給される。

図４は、上述した他の実施形態の第１変形例である。この変形例は、分割空間２９を冷却した冷却蒸気をタービン部に供給して再熱蒸気と合流させる流路が異なっている。すなわち、この変形例では、翼環部３１を貫通して設けた蒸気流路３５を通り、再熱蒸気の温度が低下したタービン部の下流段（たとえば３段目）に供給している。従って、再熱蒸気より低温の冷却蒸気が合流することにより、タービン部を流れる再熱蒸気の温度低下を小さくすることができる。なお、蒸気流路３５は、翼環部３１の円周方向に適当なピッチで多数設けられている。

また、図５に示す第２変形例は、第１変形例と同様に、分割空間２９を冷却した冷却蒸気をタービン部に供給して再熱蒸気と合流させる流路が異なっている。すなわち、この変形例では、外車室２１の凸部２１ａを貫通して設けた蒸気流路３６を通り、再熱蒸気の温度が低下したタービン部の下流段（たとえば３断面）に供給している。従って、第１変形例と同様に、再熱蒸気より低温の冷却蒸気が合流することにより、タービン部を流れる再熱蒸気の温度低下を小さくすることができる。
なお、上述した貫通孔３４、蒸気流路３５，３６については、いずれか１つを採用してもよいし、あるいは、適宜組み合わせて併用してもよい。

このように、本発明の蒸気タービン構造によれば、少なくとも再生蒸気入口２８に近い１段目に翼環一体型仕切部材３０が使用されるので、蒸気温度の高い再生蒸気入口部２８及びタービン部の上流側（たとえば１段目や２段目など）では、外車室２１の内壁面に高温の再熱蒸気が直接接触しないため熱影響を受けにくくなる。従って、外車室２１に作用する熱応力や変形の発生を防止または抑制することができ、外車室２１の局部的な高温化や軸方向に過度の温度勾配が発生することを回避し、外車室２１の蒸気漏れを防止することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る蒸気タービン車室構造の一実施形態として、中圧段の要部を示す断面図である。蒸気タービン車室構造の一例として、再熱タービンの高中圧段概略構成を示す断面図である。本発明に係る蒸気タービン車室構造の他の実施形態として、中圧段の要部を示す断面図である。図３に示した他の実施形態の第１変形例を示す断面図である。図３に示した他の実施形態の第２変形例を示す断面図である。従来の上記タービン車室構造を示す要部の断面図である。

符号の説明

２０蒸気タービン
２１外車室
２１ａ凸部
２２ロータ
２６中圧段動翼
２７中圧段静翼
２８蒸気入口部
２９分割空間
３０翼環一体型仕切部材
３１翼環部
３２仕切部材
３３凹部
３４貫通孔
３５，３６蒸気流路

Claims

タービン部に供給される蒸気を車室内に導入する蒸気入口部が、前記蒸気と車室内壁面との接触を遮断する仕切部材により分割されている蒸気タービン車室構造において、
前記蒸気入口部が、前記タービン部の上流側から少なくとも１段の静翼を支持している翼環と前記仕切部材とを一体化した翼環一体型仕切部材により分割され、該翼環一体型仕切部材に前記車室内壁面の凸部を嵌合させて前記翼環一体型仕切部材との間に形成される分割空間に冷却蒸気として高圧段の排気蒸気を導入し、
前記冷却蒸気が前記分割空間を通過して前記タービン部の下流段に供給される蒸気流路を備えていることを特徴とする蒸気タービン車室構造。