JP2000512708A - タービン機械並びにタービン機械の冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、車室（１５）と、少なくとも部分的に車室（１５）で形成されている活動流体（４）の流入範囲（３）と、冷却流体（５）の導入路（８）と、車室（１５）内に配置され主軸線（２）に沿って延びる動翼支持体（１１）と、流入範囲（３）に配置され動翼支持体（１１）を活動流体（４）からしゃ蔽する働きをするしゃ蔽要素（１９）とを備え、このしゃ蔽要素（１９）がサポート（２２）によって車室（１５）に固定され、このサポート（２２）を貫通して冷却流体導入路（８）が導かれているタービン機械（１）、特に蒸気タービンに関する。更に本発明は、高温活動流体の流入範囲（３）に隣接するタービン機械（１）の一つあるいは複数の構成要素の冷却方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 タービン機械並びにタービン機械の冷却方法 本発明は、車室と少なくとも一部がこの車室で形成されている活動流体の流入 範囲とを備えたタービン機械、特に蒸気タービンおよびタービン機械の流入範囲 に付属された少なくとも一つの構成要素の冷却方法に関する。 蒸気タービンの効率を高めるために、高温高圧の蒸気、特に例えば５５０℃を 超える温度のいわゆる超臨界蒸気状態の蒸気が利用される。このような蒸気状態 の蒸気を利用する場合、それが供給される蒸気タービンに、特にその活動流体の 流入範囲に隣接する例えば車室壁およびタービン軸のような蒸気タービン構成要 素に一層厳しい要求が課せられる。 文献「シーメンス パワー ジャーナル（Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｐｏｗｅｒ Ｊｏ ｕｒｎａｌ）」１／９３の第５〜１０頁に掲載のＤ．ベルグマン、Ａ．ドゥロス ジオク、Ｈ．オインハウゼン著の論文“高蒸気状態採用の進歩形発電所用蒸気タ ービン”に、旋回流冷却式タービンロータしゃ蔽体が記載されている。この旋回 流冷却法の場合、タービンロータしゃ蔽体における四つの接線方向孔を通してタ ービン軸の回転方向にタービンロータしゃ蔽体とタービンロータとの間の範囲に 蒸気が流入する。その蒸気はそこで膨張し、温度が下がり、これによってタービ ンロータを冷却する。そのタービンロータしゃ蔽体は静翼列に蒸気密に結合され ている。この旋回流冷却法によって、タービンロータはそのタービンロータしゃ 蔽体の周囲が約１５Ｋだけ温度を下げられる。タービン軸を間隔を隔てて包囲し 第１段目の静翼列の静翼の径方向内側端部に結合されているこのタービンロータ しゃ蔽体はヨーロッパ特許出願公告第００８８９４４号明細書に詳細に記載され ている。そのタービンロータしゃ蔽体には、軸の回転方向に見て接線方向に軸と 軸しゃ蔽体の間に形成された環状通路に開口しているノズルが設けられている。 タービンロータしゃ蔽体の別の例はドイツ特許出願公開第３２０９５０６号明細 書から理解できる。 本発明の課題は、熱的に大きく負荷される部位、特に活動流体の流入範囲にお いて冷却できるタービン機械を提供することにある。本発明の別の課題は、ター ビン機械の流入範囲に隣接する少なくとも一つの構成要素を冷却する方法に関す る。 本発明に基づいてタービン機械、特に蒸気タービンに関する課題は、少なくと も部分的に車室で形成されている活動流体の流入範囲を備えた車室を有し、その 車室に冷却流体の導入路が設けられ、これによって車室、特に流入範囲に隣接す る車室壁の冷却が実施されることによって解決される。そのような冷却流体の導 入路を車室に設けることによって、５５０℃を超える温度の活動流体が流入範囲 に流入する際も、車室の温度はかなり下げられ、これによって公知の材料特にマ ルテンサイト系クロム鋼を利用することができ、あるいはまた低くされた温度レ ベルで新しい材料を採用することができる。その冷却流体は複数の部分タービン を備えた蒸気タービン設備のプロセス蒸気、別個の冷却蒸気あるいは冷却空気で ある。 それに加えてあるいはその代わりに、タービン機械は好適には流入範囲に隣接 するしゃ蔽要素を有し、これが車室内において主軸線に沿って延びる動翼支持体 を活動流体からしゃ蔽し、サポートによって車室に固定され、その場合このサポ ートを貫通してしゃ蔽要素内へ冷却流体導入路が導かれている。そのしゃ蔽要素 は複数の個所でそれぞれ一つのサポートあるいは複数のサポートを介して車室に 結合される。これによって同時に複数の冷却作用が得られ、即ち車室の流入範囲 に隣接する車室壁の冷却、サポートの冷却、しゃ蔽要素の冷却従って動翼支持体 の冷却も行える。複数の部分領域から構成され活動流体の流れ経路を貫通して導 かれる冷却流体導入路によって、単一の冷却流体流で、タービン機械の多数の構 成要素を有効に冷却することができる。 サポートは好適には活動流体の流れ方向に見て少なくとも一つの第１段目の静 翼列に集成されている。この第１段目の静翼列、即ちサポートの冷却作用を高め るために、冷却流体導入路に接続され流入範囲に及び／又は流入範囲とは反対側 に開口している一つの分岐管、好ましくは複数の分岐管が設けられている。これ によって第１段目の静翼列の追加的な膜冷却が得られる。 好適にはそのしゃ蔽要素も冷却流体導入路に接続され流入範囲に開口している 少なくとも一つの分岐管を有している。これはしゃ蔽要素のフィルム冷却を生じ 、従って間接的に動翼支持体の温度負荷を一層減少する。しゃ蔽要素は追加的に 冷却流体導入路に接続されている中空室を有し、これによって動翼支持体の方向 へのしゃ蔽要素での大きな熱伝達が防止される。 特に環状に形成されているしゃ蔽要素によって動翼支持体に面して中間室が形 成され、この中間室に冷却流体導入路が開口している。これによって中間室は冷 却流体で満たされて、活動流体で加熱されたしゃ蔽要素から動翼支持体への熱伝 達が阻止される。しゃ蔽要素がサポートによって車室に結合されているので、し ゃ蔽要素は動翼支持体から間隔を隔てられ、これによって冷却流体は車室と動翼 支持体との間を貫流する活動流体と共に排出される。この中間室から好適には特 に径方向孔として形成された冷却流体管が動翼支持体の中に通じている。これに より、殊に同心的に配置され二つ以上のタービン円板で形成されこれらのタービ ン円板がそれらに設けられた孔を貫通するタイロッドで結合されている動翼支持 体において冷却作用が一層高められる。この場合、冷却流体はタイロッドとター ビン円板との間の環状空間に流入する。勿論、ほぼ一部品から成るタービン軸も 、特に主軸線に対して平行に延び冷却流体菅が開口している少なくとも一つの軸 線方向孔が設けられていることによって冷却できる。 車室を通して冷却流体を導入することによって、タービン機械の高温度で負荷 される構成要素を冷却することができることに加えて、蒸気タービンの回転構成 要素（動翼、動翼支持体）と固定構成要素（静翼、車室）との間の隙間を通って 活動流体が漏洩することも防止できる。このいわゆる隙間損失は、冷却流体導入 路、中間室あるいは冷却流体管からの冷却流体が車室ないし動翼支持体における 分岐管を通して分岐されて、その隙間の中に導入されることによって減少される 。そのような分岐管は従って好適には冷却流体の導入路から、それが車室と動翼 との間あるいは動翼と動翼支持体との間の隙間に開口するように導かれている。 タービン機械の回転構成要素と固定構成要素との間の非接触パッキンのシール性 能はこれによって著しく高められる。 冷却流体の案内は、しゃ蔽要素が活動流体を分割するため及び／又は主軸線の 方向に転向するために形成されている特にタービン機械に適している。流入範囲 は好適には動翼支持体の主軸線の対してほぼ垂直方向に活動流体を案内するため に形成されている。タービン機械は好適には活動流体の流れの分割並びに転向が 行われる双流形蒸気タービン、特に中圧蒸気タービンである。しかしこのような 冷却は単流形蒸気タービンにおいてもその流入範囲で行える。 冷却流体として蒸気タービン設備からのプロセス蒸気が利用されるとき、その プロセス蒸気は種々の分岐路を介して全蒸気プロセスに再び導入され、その場合 冷却流体として利用された蒸気は冷却流体導入路を貫流する際に加熱される。こ れによって、プロセス蒸気が使い捨てられる冷却方式に比べて、蒸気タービンの 効率が同様に高められる。 タービン機械、特に蒸気タービンの流入範囲に隣接する構成要素を冷却する方 法に関する課題は、冷却流体が少なくとも部分的に流入範囲を形成する車室を通 って特に流入範囲の周囲において案内され、そこから車室の中に配置された動翼 支持体の温度負荷を減少するためのしゃ蔽要素に導入されることによって解決さ れる。 以下、図に示した実施例を参照してタービン機械並びにその冷却方法を詳細に 説明する。図は双流形中圧蒸気タービンの精確な縮尺に基づかない一部概略縦断 面図である。 図に示されているタービン機械１は蒸気タービン設備の双流形中圧蒸気タービ ンである。このタービン機械の車室１５の中に主軸線２に沿って延びる動翼支持 体１１が存在している。この動翼支持体１１は多数のタービン円板２９から成り 、ここでは分かり易くするために単一のタービン円板２９しか示されていない。 それらのタービン円板２９を動翼支持体の形に結合するタイロッド２８がタービ ン円板２９の真ん中を主軸線２に沿って貫通している。また動翼支持体１１を一 部品から成るタービン軸として形成することも勿論できる。車室１５によって活 動流体４の流入範囲３が形成されている。この流入範囲３はほぼ流入軸線１７に 沿って主軸線２に対して垂直に延びている。この流入範囲３の近くにおいて車室 １５を貫通して同様に流入軸線１７に対してほぼ平行に冷却流体導入路８が設け られている。この導入路８は第１段目の静翼列１６のそれぞれの静翼６に通じて いる。一つあるいは複数の静翼６内に、流入範囲３に開口している分岐管２３が 分 岐している。第１段目の動翼列１６はまた環状しゃ蔽要素１９のサポート２２と しても使われている。このしゃ蔽要素１９は流入範囲３の中に向けて湾曲され、 これによって活動流体４を転向する働きと動翼支持体１１（タービンロータ）を 活動流体４からしゃ蔽する働きとをする。冷却流体導入路８は静翼６からしゃ蔽 要素１９の中に通じている。このしゃ蔽要素１９は、主軸線２に対してほぼ平行 に延び流入範囲３の方向に部分的に広げられ冷却流体導入路８に接続されている 中空室１８を有している。この中空室１８から、流入範囲３に開口している分岐 管２４が分岐している。これによって静翼６が分岐管２３によりフィルム冷却さ れるのと同様にしゃ蔽要素１９もフィルム冷却される。しゃ蔽要素１９から、こ のしゃ蔽要素１９と動翼支持体１１とによって形成されている中間室９の中に冷 却流体導入路８が開口している。この中間室９の中に流入する冷却流体５は少な くとも部分的に軸線方向に中間室９から活動流体４の流れの中に流入し、これに よって動翼７とその下流の静翼６ａとで形成されたタービン段を通過する。軸線 方向孔として形成された冷却流体管１３が中間室９から動翼支持体１１の中に通 じ、そこでタイロッド２８とタービン円板２９との間に形成された環状隙間２７ の中に開口している。 環状隙間２７の中に流入する冷却流体５によって動翼支持体１１から熱が排出 される。追加的にタービン円板２９ないしその下流の一つあるいは複数のタービ ン円板にしゃ断流体菅１４が設けられている。このしゃ断流体管１４は環状隙間 ２７から、静翼６ａに直接対向して位置する動翼支持体部位２６に開口している 。これによって冷却流体５が動翼支持体部位２６と静翼６ａとで形成された隙間 の中に流入する。冷却流体５はそこで追加的に、その隙間を通って活動流体４が 流れることを阻止し、少なくともかなり減少させるしゃ断流体として作用する。 これによって追加的に非接触式パッキンにおける隙間損失が減少させられ、これ によって蒸気タービンの効率が高められる。車室１５にも冷却流体５で貫流され るしゃ断流体管１４が設けられている。これは第１段目の静翼列１６の範囲にお ける冷却流体導入路８を、動翼７に直接対向して位置する車室部位２５に接続し ている。これによって冷却作用のほかに、いまや追加的にしゃ断流体として作用 する冷却流体５によってこの隙間のシール作用も得られる。 本発明は、高温の活動流体、特に５５０℃を超える蒸気の流入範囲に隣接する タービン機械の複数の構成要素の冷却を特徴としている。この冷却は、車室の流 入範囲側における表面近くに配置されている冷却流体導入路を通して冷却流体、 特に蒸気タービン設備のプロセス蒸気あるいは冷却空気を導入することによって 行われる。そこから冷却空気は第１段目の静翼列を通ってこの静翼列に固定され ているしゃ蔽要素に導かれる。車室、静翼およびしゃ蔽要素にそれぞれ、流入範 囲に開口し従ってそれぞれの構成要素のフィルム冷却を可能にする分岐管が設け られる。更にまた、冷却流体導入路から分岐したしゃ断流体管を通って冷却流体 が追加的にしゃ断流体として、回転構成要素（動翼、動翼支持体）と固定構成要 素（静翼、車室）との間の隙間に導かれ、これによって非接触パッキンのシール 作用が著しく改善される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポラーク、ヘルムート ドイツ連邦共和国 デー―45473 ミュー ルハイム アン デア ルール タンホイ ザーヴェーク 11 (72)発明者 フェルトミュラー、アンドレアス ドイツ連邦共和国 デー―44789 ボッフ ム アルゼンシュトラーセ 53

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．車室（１５）と、少なくとも部分的に車室（１５）で形成されている活動流 体（４）の流入範囲（３）と、冷却流体（５）の導入路（８）と、車室（１５） 内に配置され主軸線（２）に沿って延びる動翼支持体（１１）と、流入範囲（３ ）に配置され動翼支持体（１１）を活動流体（４）からしゃ蔽する働きをするし ゃ蔽要素（１９）とを備え、このしゃ蔽要素（１９）がサポート（２２）によっ て車室（１５）に固定され、このサポート（２２）を貫通して冷却流体導入路（ ８）が導かれているタービン機械（１）、特に蒸気タービン。 ２．冷却流体導入路が車室（１５）において少なくとも部分的に流入範囲（３） の周囲にそれを冷却するために導かれている請求項１記載のタービン機械（１） 。 ３．サポート（２２）が第１段目の静翼（６）として形成されている請求項１又 は２記載のタービン機械（１）。 ４．サポート（２２）が冷却流体導入路（８）に接続され流入範囲（３）に開口 している少なくとも一つの分岐管（２３）を有している請求項１ないし３の１つ に記載のタービン機械（１）。 ５．しゃ蔽要素（１９）に、冷却流体導入路（８）に接続され流入範囲（３）に 開口している少なくとも一つの分岐管（２４）が設けられている請求項１ないし ４のいずれか１つに記載のタービン機械（１）。 ６．しゃ蔽要素（１９）と動翼支持体（１１）との間に、冷却流体導入路（８） が開口している中間室（９）が形成されている請求項１ないし５の１つに記載の タービン機械（１）。 ７．冷却流体管（１３）が中間室（９）から動翼支持体（１１）の中に導かれて いる請求項６記載のタービン機械（１）。 ８．動翼支持体（１１）がタイロッド（２８）で互いに結合された少なくとも二 つのタービン円板（２９）を有し、冷却流体管（１３）がタービン円板（２９） とタイロッド（２８）との間の環状空間（２７）に開口している請求項１ないし ７の１つに記載のタービン機械（１）。 ９．しゃ蔽要素（１９）が流体を分割するため及び／又は主軸線（２）の方向に 転向するために形成されている請求項１ないし８のいずれか１つに記載のタービ ン機械（１）。 １０．車室（１５）と、少なくとも部分的に車室（１５）で形成されている活動 流体（４）の流入範囲（３）と、車室（１５）を流入範囲（３）の周囲において 冷却するための車室（１５）における冷却流体（５）の導入路（８）とを備えて いるタービン機械（１）、特に蒸気タービン。 １１．冷却流体導入路（８）に接続され動翼（７）に対向して位置する車室部位 （２５）あるいは静翼（６ａ）に対向して位置する動翼支持体部位（２６）に開 口している少なくとも一つのしゃ断流体菅（１４）が設けられている請求項１な いし１０の１つに記載のタービン機械（１）。 １２．双流形中圧蒸気タービン（１５）である請求項１ないし１１の１つに記載 のタービン機械（１）。 １３．タービン機械（１）、特に蒸気タービンの少なくとも部分的に車室（１５ ）によって形成されている流入範囲（３）に隣接する少なくとも一つの構成要素 の冷却方法において、冷却流体（５）、特に冷却空気あるいはプロセス蒸気が、 特に流入範囲（３）の周囲において車室（５）を通って、車室（１５）内に配置 された動翼保持体（１１）の熱負荷を軽減するためのしゃ蔽要素（１９）に導入 されるタービン機械（１）の冷却方法。