JPH0579802B2

JPH0579802B2 -

Info

Publication number: JPH0579802B2
Application number: JP63114988A
Authority: JP
Inventors: Jozefu Shirubesutori Jun Jooji
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1993-11-04
Also published as: ES2008487A6; IT1220696B; IT8841601A0; CN88102807A; US4780057A; JPS63302103A; KR880014227A; CA1287303C

Description

【発明の詳細な説明】本発明は蒸気タービンに関し、特に部分送入蒸
気タービンの効率を改善するための構成に関する
ものである。

発明の背景大概の多段蒸気タービン系の出力は、高圧ター
ビンの入口における蒸気の圧力を減少させるため
に、蒸気発生器からの主蒸気流を絞ることによつ
て制御される。この絞り方式を利用した蒸気ター
ビンは、全蒸気入口ノズル室が全ての負荷条件で
作動することから、全周送入タービンと屡々称さ
れている。全周送入タービンは、効率を最大にす
るために、或る定格負荷において正確な蒸気の状
態に応じるように、通常設計されている。全周送
入タービンの入力段、例えば第１制御段の両端の
圧力比は、全ての入口ノズルから蒸気を送入する
ことによつて、蒸気の入口圧力と係りなくほぼ一
定となつている。その結果、この制御段の両端間
での出力発生の機械効率を最適化することができ
る。しかし、仕事をするために利用可能なエネル
ギーが絞りによつて減少するため、全周送入ター
ビンにおいて出力が減少すると、蒸気発生器とタ
ービン出力口との間の蒸気の仕事サイクルの効率
即ち理想効率が全体として低下する。一般に、タ
ービンの総合効率即ち実際効率は、タービンの機
械効率と理想効率との積である。

絞り方式によつて達成可能となる場合よりも一
層効率的なタービン出力の制御は、タービン入口
に入る蒸気を分割して、互いに遮断されて個別に
制御可能な複数の弧状の送入にする技術によつて
実現されてきた。部分送入として知られるこの方
法においては、第１段の作動ノズルの数を負荷の
変化に応じて変化させる。全周の送入を絞るとい
うよりもむしろ、最小の絞りで、個々のノズル室
を介して蒸気を順次送入することによつて、比較
的高い理想効率が実現可能となるため、部分送入
タービンの方が全周送入タービンよりも多用され
ていた。このような理想効率がより高いことの利
点は、一般に、全周送入タービンの制御段の両端
間に実現可能な最適の機械効率よりも有利であ
る。出力を変化させるために部分送入を使用する
全ての多段蒸気タービンシステムは、全周送入の
蒸気を絞るシステムに比べて一層高い実際効率で
作動する。しかし、従来の部分送入システムに
は、制御段の仕事出力の効率を制限するような幾
つかの不具合があることが知られていた。これ等
の制限のうちの或るものは、例えば、蒸気を送入
していないノズル羽根群を回転羽根が通過する際
に生ずるような不可避的な或る量の風損及び乱流
のような、避けることのできない機械的制約に基
因している。

また、部分送入システムの場合には、ノズル羽
根群の両端間の圧力降下（従つて圧力比）は、よ
り多くの数の弁室を通つて蒸気が順次送入される
際に変化し、最大の圧力降下は、最小の弁ポイン
ト（valve point）において、また、最小の圧力
降下は全送入において、それぞれ生ずる。制御段
の両端の圧力差に逆比例する熱力学的効率は、最
小の弁ポイントにおいて最低となり、また、全送
入において最高となる。そのため、部分送入ター
ビン及び全周送入タービンの制御効率は、定格負
荷以下に出力が低下した場合に減少する。しか
し、部分送入タービンのノズルの可変圧力降下が
与えられた場合、部分送入システムにおいて普通
に見られる或る設計上の特徴は、タービンの総合
効率を高めるために改善することができる。制御
段は、大部分の圧力降下が固定ノズルにおいて生
ずる衝動段であるから、ノズル効率の１％の改善
は、回転羽根の効率の１％の改善の４倍の効果
を、制御段の効率に対して有するであろう。制御
段のノズル性能に適度な改善をもたらすタービン
の設計は、部分送入タービンの実際効率を著しく
改善するであろう。定格負荷では、部分送入ター
ビンの実際効率を僅か0.25％改善することによつ
て、非常に大きなエネルギーの節減が実現され
る。

発明の概要本発明の目的は、従来の技術の前述した制限及
び欠点、並びにその他の制限及び欠点の幾つかを
克服する高圧蒸気タービンのための改良型部分送
入システムを提供することと、第１段の回転羽根
にそれぞれ遮断された蒸気流を可変に送入するた
めに１つ以上の異なつたノズル室に各々結合され
た複数のノズル羽根群を含む前記の改良型システ
ムを提供することと、各々のノズル羽根群に生ず
る最大の圧力降下による構造上の制限に基づい
て、各々のノズル羽根群の空力効率を最適化する
システムを提供することと、各々のノズル羽根の
縦横比が蒸気を各ノズル羽根群に送入する所定の
順序の関数として増大するようにした改良型シス
テムを提供することと、各ノズル羽根群について
最大の縦横比効率因子を含む改良型システムを提
供することにある。

本発明においては、回転軸の回りに配設された
回転羽根の第１段を有する高圧蒸気タービンのた
めの改良された部分送入システムが提供される。
この部分送入システムは、第１段の回転羽根に近
接して、回転軸の回りに固定のノズルリングを形
成する、複数の円弧状ノズル羽根群を含み、各ノ
ズル羽根群の羽根は、それぞれ異なつた縦横比を
備えている。該部分送入システムは、各ノズル羽
根群を経て第１段の回転羽根に蒸気を可変に送入
するためにノズル室に各々結合された複数の制御
弁と、蒸気を所定順序で各ノズル羽根群を経て送
入するために制御弁に結合された制御手段とを備
えている。この順序による送入は、第１群のノズ
ル羽根を経て蒸気を導入することによつて開始さ
れ、複数のノズル羽根群を経て蒸気を送入するこ
とによつて終了する。各ノズル羽根群のノズル羽
根の縦横比は、タービンの始動時に各ノズル羽根
群を通つて蒸気を送入する順序に従つて逐次増大
し、第１のノズル羽根群は、最低の縦横比を、ま
た、最後のノズル羽根群は最高の縦横比を、それ
ぞれ備えている。複数のノズル羽根群が設けられ
ており、各羽根群は、１つの羽根の両端に生ずる
最大の圧力降下に対応する最小の軸方向の羽根幅
によつて特徴付けられると共に、軸方向の最小の
羽根幅及び固定羽根の高さに対応する最大の羽根
縦横比によつて特徴付けられる。

詳細な説明本発明の説明に入る前に、第１図〜第３図を参
照して、部分送入蒸気タービンとその作動につい
て説明する。以下の説明は「第１制御段」につい
てなされるが、当業者には明らかなように、本発
明は、部分送入が用いられるどの段についても、
即ち、どの部分送入段においても有用である。６
個の弧状の送入部分を備えた簡単な部分送入シス
テムが、典型的な2400PSIタービンについて、第
３図に図示されている。タービンに供給される絞
り圧力が比較的一定な場合に、６個のノズル室１
２の各々を通る蒸気流は、６個の制御弁１４に対
応する１つによつて逐次制御される。各ノズル室
１２は、第２図に示した円弧状の出口ポート１６
を介して、遮断された蒸気流を供給する。第３図
に示した６個の出口ポートは、軸方向のタービン
軸（回転可能な軸）２０の回りにセグメント化さ
れた送入リング１８を形成する。第４図の制御段
における１つの弧状セグメントを半径方向から見
た場合、矢印によつて示したように、蒸気は、各
ノズル室の出口ポート１６を介して、固定ノズル
羽根２４からなる対応のノズル羽根群２２に流入
する。部分送入システムにおいて、各ノズル羽根
群は、送入を変更するための最大の融通性を得る
ように、遮断された蒸気流を対応のノズル室から
受ける。６個のノズル羽根群２２によつて１つの
ノズルリングが形成される。ノズルリングは、タ
ービン軸２０の軸線の回りに、送入リング１８に
近接して配設されている。各ノズル羽根群２２
は、蒸気を指向させ、この蒸気は、タービン軸２
０に連結された回転羽根３０の第１段に、対応す
る制御弁１４を介して導入される。

第１図〜第３図に例示した部分送入システム
の、タービン起動時の作用について説明する。制
御手段３２は、弁を次々に開弁して、各ノズル室
を介して所定の順序で蒸気を送入するために、６
個の制御弁１４に接続されている。この簡単な例
では、蒸気は、送入リング１８を介して最小の弧
の蒸気を運ぶために、対応の制御弁を徐々に開弁
することによつて、第１ノズル室を介してひと先
ず絞られる。最小送入弧は、タービンの第１弁ポ
イントと普通称されている。多くの部分送入シス
テムにおいて、第１弁ポイントは、複数の出口ポ
ートを経て最小の送入弧を形成するために、２以
上の制御弁を同時に開放することによつて形成さ
れる。第１図の簡単な例を参照して、第１弁ポイ
ントを通る流れが一旦広く開放されると、第２制
御弁は、蒸気が送入リング１８の別のセグメント
を通るまでに徐々に送入し、制御弁はやがて全開
され、絞り作用をしなくなる。このプロセスは、
送入リング１８の各セグメントが回転羽根３０の
第１段に蒸気を送入するまで、残りのノズル室に
ついて続けられる。

タービンの用途によつては、制御弁を絞ること
なく第１弁ポイントの下方の蒸気流量を変更する
ことが望ましい。最小送入弧を通る流量を制御す
るために対応の制御弁を絞ることなく蒸気発生器
の出口圧力を変えるこのプロセスは、混成スライ
ド（hybrid sliding）絞り圧力モードを称され
る。全ての部分送入タービンがこの特徴を備えて
いるわけではないが、化石燃料を動力源とするタ
ービンシステムの場合、混成スライド絞り圧力モ
ードで部分送入タービンを作動させると、最小送
入弧が50％の場合に、最適の部分負荷効率が得ら
れる。50％送入よりも低い負荷での作動は、送入
弧50％に保持し、対応する制御弁を同時に作動さ
せながら蒸気発生器の出口圧力を変えることによ
つて達せられる。

一般に、高圧タービンにおける制御段の羽根
は、普通の作動条件下の最大圧力降下に耐えるよ
うに設計されねばならない。第５図の分解斜視図
には、ノズル室出口ポート１６から回転羽根３０
の第１段に高圧蒸気を向けるための１つのノズル
羽根群２２中の複数の固定ノズル羽根２４が図示
されている。各羽根２４の幅Ｗは、回転羽根３０
に蒸気を向ける時に発生する最大圧力に耐えられ
るように設計しなければならない。従来は、この
構造上の要求のため、羽根の効率が不必要に低下
する設計のノズルリングになつていた。一例とし
て、第１図〜第３図に示した部分送入タービンの
ノズル羽根の設計を全周送入タービンのノズル羽
根の設計と以下に比較する。

全周送入タービンにおける制御段のノズル羽根
両端の単一圧力降下は、各ノズル羽根が同一の最
小の軸方向幅Ｗを持つことを必要とする。ノズル
リングを通る蒸気の効率的な流れのためにはノズ
ル羽根の最適間隔があるので、ノズル最小幅Ｗに
関するこの構造上の必要性は、ノズルリングの羽
根の数を定める。ピツチ対幅比（ここにピツチ
は、所定のアーク長におけるノズル羽根間の距離
として規定される）は、ノズル羽根の間隔とノズ
ル幅との間の前記関係の１つの目安になる。

羽根の効率は、ノズル幅に沿つた粘性抗力、レ
イノルズ数、及び流れ領域における種々の大きさ
の渦の形成を含む、幾つかの流体流効果に依存す
る。羽根の縦横比は、これ等の流体流効果に基づ
いたノズルリングの性能に関する空力効率のパラ
メーターであり、羽根の半径方向の高さＨに対す
る羽根の軸方向の幅Ｗの比として定義される。一
般に、羽根の縦横比が増すと、羽根の総合効率も
或る点までは増す。ノズル羽根の空力効率とその
縦横比との間の機能的な関係は、第６図の曲線に
よつて示されている。この図において、縦横比効
率因子は、羽根の縦横比の関数としてプロツトさ
れている。縦横比効率因子は、羽根の縦横比が変
化する時の機械効率の全体的な変化に対応する効
率乗数である。

制御段の所定の圧力降下と羽根の対応の最小幅
とに対して、制御段のノズル羽根の構造を、最適
の空力効率について設計することができる。しか
し、羽根の高さの増大が部分送入中の励振に対す
る応答と制御段出口における最高蒸気温度を制限
する必要性とに影響するので、また、構造上の健
全性を保つためには所定の圧力降下について或る
最小の羽根幅が必要とされるので、従来、ノズル
羽根の縦横比は、１つの設計パラメーターとして
ではなく、１つの従属変数として取り扱われてい
たように思われる。制御段の各ノズル羽根が同一
の最小幅の基準を満たさねばならないことから、
前記の特徴は、全周送入タービンの特性において
重大な意義を持たなかつた。しかし、その結果と
して、達成可能な効率レベルよりも低い効率レベ
ルを示すのみの部分送入システムしか得られてい
ない。

部分送入タービン１０の制御弁が順次開弁され
る間、各ノズル羽根群２２の最大の圧力効率は、
任意の時点において蒸気を送入しているノズル室
１２の数の関数として減少する。例えば、第１図
に示した典型的な2400PSIタービンユニツトの場
合、30％送入において生ずる第１弁ポイントによ
り、６個のノズル羽根群２２のうち２個のノズル
羽根群に、108.5Kg／cm²（1500psi）の圧力降下が
生ずる。圧力降下は、50％送入において83.3Kg／
cm²（1190psi）に、63％送入において69.3Kg／cm²
（990psi）に、75％送入において21.6Kg／cm²
（720psi）に、87％送入について39.9Kg／cm²
（570psi）に、100％送入において35Kg／cm²
（500psi）に、それぞれ減少する。或る制御段の
設計は、４個の弧状送入部分を有し、最小送入
は、単一の制御弁を開放させた或る適用例の場合
には、25％、最初の２つの制御弁を開弁させた別
の用途の場合には、50％である。更に別の設計
は、６個のノズル室に供給する８個の制御弁を有
し、最小送入は、適用の仕方によつて、25−50％
の範囲内で変動する。前述の複数の圧力降下にも
拘わらず、部分送入タービンにおける各制御段羽
根群は、従来、全周送入タービンのノズル羽根の
設計の場合と同様に、即ち、ノズルリングの両端
間の最小の圧力降下に耐えるためにノズルリング
の各羽根について同一の軸方向の羽根の幅Ｗを要
求することによつて設計されていた。そのため、
最小送入弧のみの両端に最大圧力降下が生ずるこ
とから、空力効率が最適値以下となつていた。

部分送入タービンの制御段の両端間の可変の圧
力降下が与えられた場合、各ノズル羽根群の羽根
の縦横比をそれ自身の最大の圧力降下に対して最
適化することができる。一例として、第１図のタ
ービンの最小送入弧は、６個のノズル羽根群２２
のうち２つのノズル羽根群２２を包含する。この
最小送入弧において蒸気を送入するノズル羽根の
みを、108.6Kg／cm²（1550psi）に耐えるように設
計するだけでよい。33％送入において蒸気を送入
するノズル羽根２４が、最小送入弧において生ず
る最大圧力差に耐えるために、比較的大きな幅を
必要とするが、他のノズル羽根の幅を、どの制御
段のノズルの構造上の健全性にも影響せずに減少
させることができる。比較的低い圧力降下のため
に設計されたノズルの場合には、軸方向の幅が比
較的小さくなると共に、ノズル羽根の縦横比が対
応して大きくなるであろう。

実際に、本発明のこの技術思想は、非常に広汎
な種々の部分送入システムに適用することができ
る。例えば６個の制御弁と33％送入において第１
弁ポイントとを有する。化石燃料を動力源とする
部分タービンの場合、50％送入弧の最大圧力降下
が前記33％送入の第１弁ポイントにおいて生ずる
圧力よりも実質的に小さいことから、50％最小送
入における混成スライド絞り弁圧力モードのため
に、部分入りシステムを再設計することができよ
う。50％送入に対応するノズル群における羽根の
幅を減少させるだけでなく、ノズルリングの各セ
グメントの最大圧力降下について羽根の縦横比を
最適化するように、残りの各ノズル羽根群を再設
計することもできる。一般に、或るノズル群の羽
根の幅は、その制御弁が制御弁の順次の開弁の間
に広い開弁位置を達成する点に対応する圧力降下
について選定することができる。

更に、混成作動を行なわせるために50％最小送
入まで１次弁ポイントが増大したタービンの場合
に、第１段の回転羽根３０の縦横比即ち羽根３０
の半径方向に高さH₁対軸方向の幅W₁の比も、部
分負荷及び定格負荷の両方について制御弁の効率
を改善するために増大させることができる。回転
羽根３０の縦横比効率因子に対する改良は、ノズ
ル羽根２４に関係した対応の改良ほど大きくない
にも拘わらず、タービン総合効率の際立つた改良
が実現される。

部分送入タービンの制御段のノズルリングにお
ける特定の圧力降下についてタービン羽根の縦横
比を最適化する本発明の技術的思想を適用するこ
とによつて、更に別の利点が得られる。ノズルリ
ングの他の羽根群に比べて羽根の幅Ｗを相対的に
小さくしたノズル群においては、或る与えられた
羽根の幾何学的形状のための最適のピツチ対幅比
を保つために、羽根相互の間隔を互いに狭くする
ことが必要となる。異なつた羽根群間で羽根の間
隔が結果的に変動することによつて、回転羽根が
蒸気送入弧に周期的に出入する際に回転羽根に生
じうる共振振動が結果的に減衰される。

これ等の共振作用は、ノズル羽根の有限の厚み
の結果である。ノズル羽根の各側に沿つて流れる
蒸気は、結局は合流するが、２つの出口蒸気流の
間には、境界層効果のため、或る小さな局在化さ
れた速度差が存在している。そのため、回転羽根
に衝突する蒸気の速度には僅かな変動がある。こ
れ等の円周方向の変動は、共振振動を設定するこ
との可能なノズルの伴流励振をもたらす。種々の
ノズル群において異なつたノズル羽根の間隔を与
えることによつて、羽根の対応した励振振動数
は、羽根の位置の関数として変化する。第１段の
回転羽根３０がノズルリングの回りに回転する間
に羽根３０の励振振動数がこのように順次変化す
ることによつて、共振応答の強化が最小となると
共に、共振振動による羽根応力の値が制限され
る。

蒸気タービンの制御段における部分送入の新し
いシステムについて以上に説明したが、本発明
は、このシステム以外にも種々変更して実施でき
るので、前述した特定の構成は、単なる例示に過
ぎず、本発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、典型的な高圧蒸気タービンの第１制
御段におけるタービン軸に沿つた部分断面図、第
２図は、第１図の蒸気タービンのタービン軸に沿
つてノズル室のところで切断してノズル室の出口
ポートを示した部分断面図、第３図は、第１図の
蒸気タービンのタービン軸の回りにおけるノズル
室の配列を示す、タービン軸に直角な方向の断面
図、第４図は、ノズル室の出口ポート、ノズル羽
根群及び複数の回転羽根群を示す、第１図のター
ビンの半径方向の概略側面図、第５図は、円弧状
のノズル室出口ポートとその対応の円弧状の固定
ノズル羽根群と回転羽根の第１段の１セグメント
との間に幾何学的な関係を示す、第４図の種々の
要素の分解斜視図、第６図は、ノズル羽根の縦横
比と縦横比効率因子との間の機能的関係を説明す
るための線図である。１０……蒸気タービン、１２……ノズル室、１
４……制御弁、１６……出口ポート、１８……送
入リング（第１リング）、２０……タービン軸
（回転可能な軸）、２２……固定ノズル羽根群（弧
状羽根群）、２４……固定ノズル羽根、３０……
羽根、３２……制御手段。

Claims

【特許請求の範囲】１改善された効率を有する部分送入高圧蒸気タ
ービンであつて、 (a) 回転可能な軸２０と、 (b) 該軸２０の回りに配設された少なくとも１段
の回転可能な羽根３０と、 (c) 前記軸２０の回りに第１リング１８を形成す
る複数の円弧状の出口ポート１６を介して、前
記回転可能な羽根３０に、遮断された蒸気流を
それぞれ供給する複数のノズル室１２と、 (d) 前記出口ポート１６の前記第１リング１８に
隣接してノズルリングを形成する固定ノズル羽
根２４からなる複数の弧状羽根群２２であつ
て、該弧状羽根群２２の各々は、異なつた縦横
比を有すると共に、前記出口ポート１６の異な
つた１つから前記回転可能な羽根３０の前記１
段に蒸気を向けるように配置されている、前記
複数の弧状羽根群２２と、 (e) 前記ノズル室の前記出口ポート１６を介して
前記回転可能な羽根３０の前記１段に蒸気を可
変に送入すべく前記ノズル室１２に対応する１
つにそれぞれ結合されている、複数の制御弁１
４と、 (f) 前記回転可能な羽根３０の前記１段に選択的
に蒸気を送入するために前記制御弁１４に結合
された制御手段３２と、を備える部分送入高圧蒸気タービン。