JPH0377365B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、蒸気タービンに関し、特に、該蒸気
タービンへの蒸気流量を制御する改良装置に関す
るものである。 蒸気タービン発電機システムにおいては、蒸気
タービンは、通常一定の速度に維持され、発電機
に加えられる電気的負荷を満たすのに要求される
トルクの調整は、蒸気流量を変えることにより行
われている。この方式の制御は、負荷需要の満た
すために、高圧タービンや、ある場合には低圧タ
ービンへの蒸気流量を変える主制御系によつて行
われる。該主制御系は、負荷需要における通常の
変動を許容し、新しい需要に対してタービンの運
転条件を円滑に調整するように設計されている。
しかし、電気的負荷が急激に失われたり或は顕著
に減少した場合には、タービンを流れる蒸気の流
量を比例的に減少させなければならない。さもな
いと、タービンは超過速度に達し、タービンに損
傷を生じさせる可能性がある。主制御系は、特に
慣性対出力比が高いタービン系において、低需要
時の上記のような急激な変動に適応するほど十分
に迅速な応答特性を有してはいない。 周知のように、大型蒸気タービンは、一般に多
数のノズル室を含んでおり、蒸気は、該ノズル室
からタービン内に入り、タービン羽根を経て流れ
て該タービン羽根を回転させる。ノズル室の付勢
（即ちノズル室内への蒸気の噴射）は、蒸気供給
管からの蒸気流をノズル室に供給するために開弁
しノズル室内への蒸気流を遮断するために閉弁す
る複数の弁によつて制御される。弁点とは、各弁
が完全に開いていて流れを妨害しない状態にある
か又は全く閉じていて流れを完全に妨害する状態
にある蒸気噴射の状態として定義される。最大タ
ービン効率は、無限数の弁点を使用することによ
り得られることは明らかであるが、そのためには
無限数の弁が必要になる。 言うまでもなく、蒸気タービンにおいては有限
数の弁しか使用し得ず、その場合、弁の数は、改
良されるタービン性能と、弁数を増加するのに要
する投資費用の増加との間の妥協により決まる。
各ノズル室への蒸気流量は、１つ又は２つ以上の
弁により制御される。ノズル室の付勢とは、ノズ
ル室内への蒸気の流入が開始された時点から、ノ
ズル室内への最大蒸気流量（即ち完全な付勢状
態）に達するまで、ノズル室内への蒸気流量を増
加する過程を意味する。他方、ノズル室の減勢と
は、ノズル室内への蒸気流を減少する過程を表
す。単一のノズル室内への蒸気流量を調整もしく
は制御するのに多数の弁が用いられている場合に
は、これ等の弁は、互いに連動し協働して調整を
行うのが一般的である。従つて、タービン効率
は、実際上、ノズル室がそれぞれ完全に付勢され
ているか或は完全に減勢されている時に最大にな
る。この理由から、ノズル室は、タービン負荷の
上昇中にノズル室を一旦付勢したならば、タービ
ン負荷が減少するまでは減勢されないという予め
定められたシーケンスで作動されていた。ノズル
室付勢シーケンスに対する幾つかの制約条件の１
つとして、１回の衝撃運転の方が２回又は複数回
の衝撃運転より有利であるとする条件が課せられ
ていた。即ち、通常、新たに付勢されるノズル室
（即ち最小噴射後に付勢されるノズル室）が、円
周方向において少なくとも１つの先に付勢された
ノズル室に隣接するようにしてノズル室を付勢す
るのが好ましい慣行である。蒸気タービンに蒸気
を噴射するための１つの例示的方法が米国特許第
4325670号明細書に開示されている。 このようなタービンで遭遇する再発性のある一
つの問題として、当該技術分野において低サイク
ル熱疲労として知られている問題がある。多くの
古くなつたタービンを、負荷追従運転及びオン・
オフ運転もしくは２段切換え運転のような反復も
しくは循環的運転にした場合、低サイクル熱疲労
の潜在的可能性は相当に高まる。新しいタービン
においては、タービンの蒸気室内の各弁毎に個々
のアクチユエータ（作動装置）を設置することに
より、低サイクル熱疲労という問題は最小限度に
抑えることができる。しかし、機械・流体圧
（MH）、アナログ・電気・流体圧（AEH）及び
デイジタル・電気・流体圧（DEH）タービン制
御システムで用いられているような旧式の蒸気室
は、個別の弁アクチユエータを備えていない場合
が有り得るし、また、個々の弁アクチユエータを
収容し得るのに十分な空間が弁と弁との間に存在
しない場合が有り得る。その場合とは、特に、タ
ービンのトリツプ中、迅速な閉弁を保証するのに
必要なばねをアクチユエータが備えているような
場合である。この問題に対する一つの解決策は、
費用が掛かるが、蒸気室の無差別的な一括交換で
あろう。このような理由から、現存の蒸気室を、
反復運転によつて惹起される低サイクル熱疲労を
最小限度にするように改変するのが望ましい。 滑りスロツトル圧で、即ち絞り圧力を変動して
蒸気タービンを低負荷及び部分負荷で運転するこ
とにより、低サイクル熱疲労が軽減されるばかり
でなく熱消費率が改善されることは良く知られて
いる。特に、ハイブリツド運転（即ち一定圧力・
シーケンス弁と滑りスロツトルとを用いた組合せ
モードの運転）によれば、第一段出口温度の変動
が低減されると共に、熱消費率が最大になるとい
う利点が得られ、それにより低サイクル熱疲労は
軽減される。このハイブリツド運転では、部分周
噴射タービンは、一定スロツトル圧運転で負荷切
換えを行うために個々の弁を付勢することにより
上側負荷領域で運転される。負荷が減少するに伴
い特定の弁点に達すると、弁位置は一定に保持さ
れて、更に負荷減少を達成するためにはスロツト
ル圧が変えられる、即ち、スロツトル圧の滑りが
行われる。最大負荷で本質的に100％噴射の装置
においては、50％の最小第一段噴射でのハイブリ
ツド運転で、一定のスロツトル圧運転での熱消費
率と言う利点が得られる。更に、弁ループの損失
を考慮した場合、ハイブリツド運転は、一定のス
ロツトル圧で動作し最大値の65〜70％低い負荷で
50％以下の噴射点を有する部分周噴射を凌駕する
熱性能を有する。最大負荷で100％よりも相当に
小さい噴射の場合には、最適ハイブリツド運転
は、弁の半分が広く開かれ、残りの半分が閉じて
いる弁点で達成される。従つて、個々のアクチユ
エータを備えていない蒸気室を有するタービン
に、50％の第一段噴射に対応する弁（全弁数の半
分の弁）を総て同時に開いて、それにより最適ハ
イブリツド運転を達成するような弁シーケンスの
ための装置を設けるのが望ましい。 しかし、ロータもしくは回転子の寿命を高める
起動手順は、ハイブリツド運転とは異なつた運転
モードを必要とする。例えば、タービン回転中、
全周噴射は、回転子の暖機並びに均等な加熱及び
低サイクル熱疲労を増加する蒸気対金属温度の不
整合を低減する上で有利であることが判明してい
る。また、タービンの同期が達成された後も、或
る負荷レベルまでは全周噴射運転を維持するのが
有利であることも知られている。しかし、部分負
荷での全周噴射運転は、100％未満の最小第１段
噴射に弁を設定する個々の弁アクチユエータを備
えていない蒸気室を有するタービンでは達成する
ことはできない。また、全負荷まで全周噴射運転
を連続して行う場合と比較し、負荷サイクル中
に、全周噴射から部分周噴射に切り換えを行うこ
とにより、回転子寿命の期待通りの増加を達成し
得ることも知られている。従つて明らかなよう
に、全周噴射から部分周噴射への弁の切換え及び
その逆の弁の切換え能力を有する蒸気室が、反復
運転で用いられるタービンによつて極めて望まし
い。 発明の概要 従つて、本発明の目的は、全周噴射もしくは最
大噴射で動作することができ、しかも全周（最
大）噴射から部分周噴射（又は低レベルの噴射）
への切換え及びその逆の方向への切換えを許容す
る蒸気室を備えた蒸気タービンを提供することに
ある。 この目的を達成するために、本発明による蒸気
タービンは、蒸気流を受け入れる入口手段及び前
記蒸気流を排出する排出手段を含むケーシング
と、該ケーシング内に装着されて前記蒸気流を方
向付けるための静翼群を含む固定子と、該固定子
により方向付けられる前記蒸気流を受けて該蒸気
流により行われる仕事を軸を介して負荷に伝達す
るように前記静翼群に隣接して前記軸に装着され
た動翼群を有する回転子と、前記入口手段を通る
前記蒸気流を調整する蒸気室とを備えており、該
蒸気室は、前記入口手段に100％未満の前記蒸気
流の最小噴射を行うようにそれぞれ設定されてい
る複数個の弁と、前記複数個の弁のうち少なくと
も一対の弁を作動するための棒昇降手段と、前記
複数固の弁のうちの残りの弁を作動するための高
圧手段と、前記棒昇降手段及び前記高圧手段を制
御して蒸気タービンを全周噴射モードと部分周噴
射モードとの間に切り換えるようになつている制
御手段とを含んでいる。 尚、術語“全周”噴射とは、最大負荷で100％
噴射を受けないタービンにおける“最大”噴射を
も含む意味で用いられている点に留意されたい。
同様に、“部分周噴射”とは、最大負荷で100％未
満の噴射を受けるタービンにおいて、最大負荷に
対応する噴射よりも低いもしくは小さい周部分の
噴射を含む意図で用いられている。 本発明の上に述べた目的及び他の目的、利点並
びに新規な特徴は、添付図面と関連しての以下の
詳細な説明から一層明らかになるであろう。 好適な実施例の説明 図面を参照して説明する。尚、幾つかの図面を
通して、同じ参照文字は、同じ又は対応の部分を
指すものとする。第１図には、火力ボイラ或は原
子炉（図示せず）のような蒸気供給源からの蒸気
流量を制御するために慣用の蒸気室１２を利用し
ている蒸気タービン１０が部分断面図で示してあ
る。通例のように、蒸気タービン１０は、蒸気流
を受けるための入口手段１６及び蒸気流を排気す
るための出口手段１８を有するケーシング１４を
備えている。蒸気の流れを方向付ける静翼群２２
を有するステータもしくは固定子２０は、ケーシ
ング１４内に装着されており、他方、該静翼群２
２に隣接して装着された動翼群２８を有する軸２
６を備えているロータもしくは回転子２４は固定
子２０によつて指向される蒸気流を受けて、それ
により行われる仕事を、軸２６を介して負荷（図
示せず）に伝達する。周知の仕方で、蒸気室１２
は、入口手段１６を経る蒸気流を調整するのに用
いられる。 第２図に一層詳細に示してあるように、蒸気室
１２は、従来、内部棒昇降蒸気室と称されている
蒸気室１２ａから構成することができる。この種
の蒸気室１２ａは典型的に、各弁軸３２により、
蒸気室１２ａの内部に配設されている棒３４に取
り付けられた複数個の弁３０を備えている。各弁
３０は、更に、その開弁点或は閉弁点を変えるた
めに、ねじ切りされたプラグ３５を介して接近可
能である高さ調節用ナツト３６を備えることがで
きる。棒３４は、慣用のサーボモータ４２及び圧
力平衡シリンダ４４によつて動作可能な昇降ヨー
ク４０に接続された一対の昇降棒３８を介し弁３
０を作動する働きをする。 第２図から明らかなように、例えば、米国フロ
リダ州ブラデントンのユーテイリテイ・パワー・
コーポレーシヨン（Utility Power
Corporation）により製造されているような個々
の高圧弁アクチユエータを設置することにより最
大効率が得られるように蒸気室１２ａを適応化す
ることは、蒸気室１２ａの弁間隔と比較して、上
記アクチユエータで用いられる閉成ばねの寸法か
らして困難である。更に、本出願人により製造さ
れているような或る種の個々の高圧アクチユエー
タは、供給圧力を外部ポンプによつて発生するこ
とを必要とするので、その設置は更に錯綜する。
他方、上記ユーテイリテイ・パワー・コーポレー
シヨンにより製造されている“一体化”構造のも
のにおいては、流体供給源及びポンプがアクチユ
エータのハウジング内に組み込まれている。第３
図を参照すると、全周噴射モードと部分周噴射モ
ードとの間で切換えを行うための装置を設けるこ
とにより、全負荷よりも小さい負荷で動作するよ
うになつている蒸気タービン１０の効率を最大に
するための１つの手段が示してある。外側に位置
する弁３０ａ及び３０ｄは、棒（棒昇降手段）３
４から分離されていて、先に述べた型の個々の高
圧アクチユエータもしくはサーボモータ（高圧手
段）４６が設けられている。各弁３０ａ，３０ｄ
は、しかる後、昇降棒ブツシユ５０により案内さ
れる昇降棒４８によりそれぞれのアクチユエータ
４６に結合される。昇降棒ブツシユ５０の高さを
最小にし、それにより、昇降ヨーク（棒昇降手
段）４０、サーボモータ（棒昇降手段）４２及び
圧力平衡シリンダ４４からなる現存のサーボモー
タ手段との干渉を最小にするために、弁３０ａ及
び３０ｄのための昇降棒４８のブツシユ５０を蒸
気室１２ａ内部に突出させることができる。と言
うのは、このようにしても、既に存在している弁
軸３２、その高さ調節用ナツト３６並びに外側の
弁３０ａ及び３０ｄを動作するのに必要な棒３４
の部分以外に流れに対し妨害を発生することはな
いからである。 棒３４は、昇降棒４８及び昇降棒ブツシユ５０
に対しスペースを与える目的で、第３図で示すよ
うに短くすることができる。また、場合により、
既に存在している昇降棒４８を内側に移動して、
棒３４の上記のような短縮を行うことも可能であ
る。しかる後、高圧アクチユエータ４６のサーボ
モータ並びに既に存在しているサーボモータ４２
を、蒸気タービン１０が全周噴射（最大周噴射）
で運転することができ、しかも、全周噴射モード
から部分周噴射モードへ或はその逆に切り換える
ことが可能なように、上記サーボモータを制御す
るための慣用の制御手段５２に結合する。 第３Ａ図には、本発明の第２の実施例が示して
ある。図示のように、蒸気室１２ａの内部棒は完
全に除去されており、そして外側の弁３０ａ，３
０ｄは、第３図に示した仕方且つ第３図に示した
装置と関連して述べたのと同じ仕方でブツシユ５
０によつて案内される昇降棒４８を介して個々の
高圧アクチユエータ（図示せず）に結合されてい
る。２つの最も内側の弁３０ｂ，３０ｃは、それ
等自身の昇降棒４８及びブツシユ５０に結合され
ており、弁軸は省略されている。外側の弁３０
ａ，３０ｄのアクチユエータに対し大きなスペー
スを与えるために、最も内側の弁３０ｂ，３０ｃ
のためのブツシユ５０は、第２図及び第３図の実
施例においてプラグ３５に対して用いられていた
アクセス孔内に螺着されるようになつている。昇
降ヨーク４０、サーボモータ（図示せず）及び圧
力平衡シリンダ４４を含む残余の棒昇降手段は、
昇降ヨーク４０の腕間の間隔を減少し、それによ
り最も内側の弁の昇降棒４８間の間隔を更に短縮
するように改変されている。このように棒を完全
に除去することにより、蒸気室１２ａ内の流れに
対する妨害及び圧力降下を更に低減することがで
きる。また、弁は棒に弛く懸持されていないので
弁の振動は減少する。 次に、第４図及び第５図を参照すると、第５図
には、本発明の第３の実施例（周長を減少した実
施例）が示してある。慣用の端棒もしくは外部棒
昇降型の蒸気室１２ｂ（第４図）は、典型的に、
該蒸気室１２ｂ内に直線的に配列された３個又は
４個の弁を備えており、これ等の弁は、蒸気室１
２ｂの外部に設けられたサーボモータ（棒昇降手
段）５６により作動される棒（棒昇降手段）５４
によりそれぞれの弁軸３２を介して作動可能であ
る。各弁軸３２は、リンク機構５８を介して棒５
４に枢着されている。サーボモータ５６と反対側
の棒５４の端部で、該棒５４は、蒸気室１２ｂに
対して固定の点Ｐを中心に回動可能に取り付けら
れている。サーボモータ５６を作動すると、棒５
４の他端に結合されている往復動可能な作動棒６
０が上向きに運動して、棒５４をして点Ｐを中心
に強制的に回動せしめ、それにより弁３０は開
く。閉弁ばね６２が慣用の仕方で用いられてお
り、蒸気タービン１０のトリツプ時に、弁３０を
閉弁するための力を積極的に与えるようになつて
いる。 本発明の第３の実施例に対して上述の外部棒昇
降型の蒸気室１２ｂを適合するために、追加のサ
ーボモータ６４が蒸気室１２ｂに対して近接関係
で設置されており、枢支点Ｐに枢着されている作
動棒６６を介し棒５４に結合されている。第３図
及び第３Ａ図に関して説明した装置の場合と同様
に、２つのサーボモータ５６及び６４は、弁がこ
れ等のサーボモータ５６及び６４の相互作用で作
動されるように、慣用の制御手段５２に電気的に
結合されている。 発明の効果 以上の説明から諒解されるように、本発明によ
る蒸気タービンの蒸気室は、蒸気流を受け入れる
入口手段に100％未満の前記蒸気流の最小噴射を
行うようにそれぞれ設定されている複数個の弁
と、該複数個の弁のうち少なくとも一対の弁を作
動するための棒昇降手段と、前記複数個の弁のう
ちの残りの弁を作動するための高圧手段と、前記
棒昇降手段及び前記高圧手段を制御して蒸気ター
ビンを全周噴射モードと部分周噴射モードとの間
に切り換えるようになつている制御手段とを含ん
でいるため、循環的運転の際に用いられるタービ
ンのスロツトル変圧運転（sliding throttle
pressure operation）と関連して、個々の弁アク
チユエータを必要とすることなく、上記のような
全周噴射モードと部分周噴射モードとの間の切り
換え能力を有する蒸気室を備えた蒸気タービンが
提供され、タービンの熱消費率を改善し、その回
転子寿命を高めることができる。 また、内部棒昇降型式の蒸気室に向けられた本
発明の実施例においては、上述した本発明の効果
に加え、４つの弁を有する蒸気室（４弁蒸気室）
の内の２つの最も内側の弁だけを棒昇降手段によ
り作動し、他方、蒸気室の各端側に位置する側方
の弁は、個々の高圧アクチユエータを有する弁と
置換することにより、昇降棒を短くしたり或は除
去することができる。 更に、端棒又は外部棒昇降型式の蒸気室に向け
られた本発明の別の実施例の場合には、棒の固定
側の端に設けられている枢着部を、高圧手段とし
て作用する新たなサーボモータと置換して、新し
く設置されたサーボモータの作動棒に、外部棒の
枢着部を設けるようにしている。この実施例の場
合、棒昇降手段として作用する現存のサーボモー
タと、上述のように高圧手段として作用する新し
く設置されたサーボモータとの揚程を組み合わせ
ることによつて、起動時には全周噴射で動作さ
せ、所望の任意の負荷レベルでは全周（又は最
大）噴射から部分周噴射への切換え（及びその逆
方向の切換え）を行い、部分周噴射の値を第１段
要件及び最適負荷条件と整合することが可能であ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の蒸気室を利用している蒸気タ
ービンの部分断面図、第２図は、内部棒昇降型の
従来の蒸気室を示す図、第３図は、本発明の一実
施例に従つて改変された第２図に示す蒸気室の断
面図、第３Ａ図は、本発明の第２の実施例に従つ
て改変された第２図に示す蒸気室の断面図、第４
図は、端棒もしくは外部棒昇降型の蒸気室を示す
図、第５図は、本発明の第３の実施例に従つて改
変された第４図に示す蒸気室の断面図である。 １０……蒸気タービン、１２ａ，１２ｂ……蒸
気室、１４……ケーシング、１６……入口手段、
１８……出口手段、２０……固定子、２２……静
翼群、２４……回転子、２６……回転子の軸、２
８……動翼群、３０……複数個の弁、５２……制
御手段、３４，４０，４２，５４，５６……棒昇
降手段を構成する棒３４、昇降ヨーク４０、サー
ボモータ４２、棒５４、サーボモータ５６、４６
……高圧手段を構成する高圧アクチユエータ、６
４……高圧手段を構成するサーボモータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蒸気流を受け入れる入口手段及び前記蒸気流
   を排出する排出手段を含むケーシングと、 該ケーシング内に装着されて前記蒸気流を方向
   付けるための静翼群を含む固定子と 該固定子により方向付けられる前記蒸気流を受
   けて該蒸気流により行われる仕事を軸を介して負
   荷に伝達するように前記静翼群に隣接して前記軸
   に装着された動翼群を有する回転子と、 前記入口手段を通る前記蒸気流を調整する蒸気
   室であつて、前記入口手段に100％未満の前記蒸
   気流の最小噴射を行うようにそれぞれ設定されて
   いる複数個の弁と、前記複数個の弁のうち少なく
   とも一対の弁を作動するための棒昇降手段と、前
   記複数固の弁のうちの残りの弁を作動するための
   高圧手段と、前記棒昇降手段及び前記高圧手段を
   制御して蒸気タービンを全周噴射モードと部分周
   噴射モードとの間に切り換えるようになつている
   制御手段とを含む、前記蒸気室と、 を備える蒸気タービン。