JPH0584361B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、軸流流体機械のケーシング構造に係
る。特に超高温高圧の作動流体を用いる場合で
も、流体機械を耐熱保護するのに好適に使用でき
る軸流流体機械のケーシング構造に関するもので
ある。

〔発明の背景〕

蒸気タービンやガスタービン等の軸流流体機械
では、一般に作動流体の高温高圧化に伴つて、耐
熱及び耐圧強度向上の目的でその構造部材が厚肉
化される傾向にある。例えば、新鋭火力発電所に
採用されている蒸気タービンプラントでは、作動
蒸気が超臨界圧条件となるため、その超高圧段や
高圧段のタービンは厚肉シエル構造を採用するの
が通例である。特に最近、火力発電プラントで
は、プラント効率の向上を目的に蒸気条件の向
上、すなわち現状よりもさらに高温高圧化して性
能向上を図る機運があり、これは耐熱材料技術の
進歩に伴つて実現性が大となつている。このた
め、タービンの内部構造物も益々厚肉化する方向
にある。

しかしこのような超高温高圧の作動流体を用い
る軸流流体機械装置において内部構造物が厚肉化
すると、構造物の内外壁面の温度差が大きくな
り、材料内部に発生する熱応力が増大する。特
に、毎日起動停止を行う装置においては、過度状
態において過大な熱応力が発生し、これが低サイ
クル熱疲労を増長させるために構造物の信頼性を
著しく低下させる恐れが多い。この状況を、第１
図に示す蒸気タービンの高圧段を例にとつて説明
すると次の通りである。図は、複数個の動翼１
と、該動翼を固定するデイスク２及びロータ３、
複数個の静翼６と、該動翼を固定する所謂ダイヤ
フラムリング７とからなる一対以上の段落、その
段落に作動流体を導く所謂ノズルボツクス４及び
主蒸気管５、これらを一体に含抱して支持する内
部ケーシング８及び外部ケーシング９からなる蒸
気タービンの段落構造を示している。本図のよう
な流体機械装置において、起動時のように高温高
圧の作動流体が内部に導入される場合、さらに定
常時においても構造物内外の温度差が大きい場
合、構造物の肉厚が厚いと物体内部の温度勾配が
大きくなり、その結果内部に過大な熱応力が発生
しやすい。

第２図及び第３図は、第１図の内部ケーシング
８のＡ−Ａ断面を示し、それぞれ起動時における
等温線及び等熱応力線を示している。図から明白
なように、壁内の温度は材料の熱伝動率に支配さ
れるため、内壁面近傍のごく狭い範囲のみに高温
領域１０が出現し、外壁に向つて温度勾配が緩や
かになつていく。なお、最低温度領域１１はフラ
ンジ部の中央部分に発生している。このため、第
３図に示すように内部ケーシング８の内壁面近傍
つまり第３図の１２で示す部分、特に１２′で示
す領域に極めて大きな熱応力が発生することにな
る。

この熱応力の発生状況を起動時間に対応させる
と、第４図及び第５図の如くなる。ここで、第４
図は、第２図のＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ及びＤ−Ｄ断面の
内外壁面のそれぞれの温度差１３，１４，１５
を、第５図は最大熱応力の変化を示したもので、
起動後定格に到達するまで内外壁面温度差がピー
クとなる状態が現われ、それに伴つて最大熱応力
も極めて大きくなる。

一方、第６図は、第１図の内部ケーシング８の
軸方向温度分布を示している。蒸気タービンの場
合、タービン入口から出口まで作動流体が膨張仕
事を行うので、軸方向に流体温度が低下する。こ
のため、内部ケーシング８の内部温度も図示のよ
うに高温作動流体が通過するノズルボツクス４の
近傍の壁面１６が高く、タービン出口部１７で低
くなるというように、軸方向においても物体内の
温度勾配を生ずる。特に、第１図に示すような蒸
気タービンでは、外部ケーシング９の耐熱保護を
目的に、排気蒸気の一部を内部ケーシング８と外
部ケーシング９に囲まれる空間に導入する構造を
採用することが多いので、この軸方向の温度勾配
が極めて大きくなり、半径方向においても過大な
勾配が極めて大きくなり、半径方向においても過
大な熱応力が発生する恐れが多い。そらに第１図
からも明らかなようにノズルボツクス４を囲む空
間に閉込められる高温蒸気１８が、内部ケーシン
グ８の一部に設けられるラビリンスパツキン部１
９を通じて漏洩し、図示した外部ケーシング９の
フランジ部２０に流れるため、外部ケーシング９
のフランジ部２０においても同様の問題が生ずる
ことがある。

以上のようにタービンの如き流体機械では、過
渡的に過大な熱応力が発生し易く、とりわけ高度
高圧乃至超高温高圧の流体機械ではこの傾向が著
しい。特に起動停止の多い装置では、この過大な
熱応力を繰返し発生することになるので、所謂低
サイクル熱疲労になり高温強度が著しく劣化し、
熱変形やクラツクの発生など極めて重大な事故に
つながる恐れが大きい。また１年に１度程度停止
して起動させる装置にあつても、この１度の停
止・起動における大きな熱応力変化が問題であ
る。

このため、従来の装置では内部構造物の温度変
化を計測して、起動停止時の熱応力が熱疲労や炸
裂進展速度等を考慮して定めた許容応力以下にな
るよう運転制御するのが一般的である。しかし、
厚肉構造物の流体機械では、一般に材料の熱伝導
率が小さいので、この従来制御技術では起動停止
時間が長くなつてしまう。特に600℃以上の超高
温流体機械では、構造物の材料として高温強度の
良い高価なオーステナイト系耐熱合金鋼を使用す
ることが多いが、この材料はフエライト系耐熱合
金鋼よりも熱伝導率が小さいために、運転条件に
よつては熱応力の発生が益々増長されて低サイク
ル疲労強度が極端に劣化する恐れもあり、コスト
上昇に加えて起動時間が長くなるという問題も生
ずる。

この問題点を解決するため、内部構造物を冷却
することによつて耐熱性を向上する方法が従来か
ら採用されている。例えば、An ASME Paper
No.55−SA−76には、超臨界圧タービンの内部
ケーシングの冷却方法が記載されているが、この
方法は、流体機械の外部から比較的低温の高圧冷
却流体を装置内に導入してケーシングを冷却する
構造を採用している。このような構造を採用する
と、ケーシングなどの構造物の一部が効果的に冷
却されるため、過大な熱応力が発生しにくくなる
という利点が得られる。しかし、系の外部から導
入する方式では、冷却流体の導入通路が狭く、か
つ長くなるため、流路の曲りや流路断面の不均一
さに起因して冷却流体が偏流し易く、冷却効果の
不均一さによつて部分的に高温領域が発生した
り、変動流の発生によつて材料温度の周期的な変
化を生じ、高温疲労強度の劣化の一因となる恐れ
も多い。また、装置の起動時、例えば暖気運転時
（温度差が大のため、起動時に内部を強制的に暖
める必要がある場合）に構造物を昇温させる際に
は不都合であるという問題を有している。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、以上のような流体機械の内部
構造物、特にケーシングに発生する強度上の問題
を誘発する恐れのない耐熱保護手段を具備し、か
つ安価であつて、超高温高圧用軸流流体機械装置
にも好適に適用できるケーシング構造を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は、前記の如き目的を達成するため、高
温高圧の軸流流体機械のケーシングを高温作動流
体が流れる段落を内周側に保持し包含する高温側
ケーシングと、低温作動流体が流れる段落を円周
側に固定して包含する低温側ケーシングとに分割
し、該高温側ケーシングを低温側ケーシングの内
周側に一括包含し、一部多重車室構造とするとと
もに、その低温側ケーシングの内壁面と高温側ケ
ーシングの外壁面とに囲まれる環状流路を構成
し、該環状流路に流体機械内部を流れる作動流体
の一部である保護流体を導入するとともに、前記
環状流路の内部に前記保護流体に旋回流を発生さ
せる旋回ベーンを設け、この旋回ベーンにより環
状流路を流れる保護流体に旋回流を発生させて環
状流路内の伝熱性能を改善し、壁内部の温度分布
を均一化させ、ケーシング構造物の内部に発生す
る熱応力を軽減させるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の実施例を説明するに先立ち、本
発明を適用する軸流流体機械のケーシング構造を
第７図乃至第９図を用いて説明する。

本実施例では、現状の軸流流体機械で最も高温
高圧の作動流体を用いる蒸気タービンを例にとる
ことにする。第７図は、第１図に示す高温高圧タ
ービンの内部ケーシングに本発明の一実施例を適
用した場合の断面構造を示したものである。この
ケーシング構造は、複数枚の動翼１と、これら動
翼１を円周上に支持するデイスク２と、ロータシ
ヤフト３と、動翼に隣接して設置される複数枚の
静翼６と、この静翼６を保持するダイヤフラム７
と、これらで構成される段落流路に作動流体を導
入するノズルボツクス４と、これら構成部分を外
部空間と隔絶するケーシング８とを備えてなる軸
流流体機械装置に用いられるもので、前記ケーシ
ング８を、高温作動流体が流れる段落を円周側に
固定して包含する低温側ケーシング８ｂとに分割
するとともに、該高温側ケーシング８ａを低温側
ケーシング８ｂの内周側に一括包含し、一部多重
車室構造とすることにより温度差を軽減する緩衝
帯を設けて成る。

更に詳しくは、本例にあつてはボイラからの超
高温高圧蒸気２１をタービン内部流路に導入する
ための主蒸気管５、この主蒸気２１をタービン段
落に供給するためのノズルボツクス４、タービン
段落を構成する１個以上のダイヤフラムリング７
とそのダイヤフラムリング７に保持される静翼
６、タービンの動翼１を支持固定するデイスク２
及びロータシヤフト３、さらにダイヤフラムリン
グ７を固定するとともに、これらタービン段落を
一括包含し、外部空間と隔絶する内部ケーシング
８及び外部ケーシング９などの主要構成部品は、
第１図と同様に構成されている。このようなター
ビン構造において、本発明によれば内部ケーシン
グ８をタービン入口部から高温領域の数段落に分
割して一部多重車室構造とするが、本例では高温
領域をその下流の低温領域の段落群とに分割して
２段階とし、二重車室構造を形成した。かつ主蒸
気管５と連通するノズルボツクス４と、第２段落
の静翼６を保持するダイヤフラムリング７を固定
し、該ノズルボツクス４の下流に位置する初段動
翼１とそれを支持するデイスク２、第２段落動翼
１′とそれを支持するデイスク２′を内周側に一括
包含する高温内部ケーシング８ａを設ける。さら
に、この高温内部ケーシング８ａの下流側に位置
する複数の段落を包括し、これらの段落の静翼
６′とそれを保持するダイヤフラムリング７′を固
定する低温内部ケーシング８ｂを前記高温内部ケ
ーシング８ａの外周側に設ける。ここで、この低
温内部ケーシング８ｂと高温内部ケーシング８ａ
とで構成される二重車室構造の詳細を第８図に、
また第８図のＦ−Ｆ断面を第９図に示す。図示し
たように、高温内部ケーシング８ａ及び低温内部
ケーシング８ｂともに主蒸気管５と接続する部分
には、作動流体の漏洩を防止する目的で所謂シー
リング２７，２８などの封止装置を設け、さらに
は軸方向に延びるケーシング８ａ，８ｂの上流側
閉端部にはロータシヤフト３と外周側にも所謂ラ
ビリンスパツキン１９，２２などの封止装置を設
けるとともに、高温内部ケーシング８ａの下流側
開放端、すなわち第２段動翼１′の出口空間２５
と、これらラビリンスパツキン１９，２０にはさ
まれる混合空間２３を連通させて構成する。これ
により第８図の破線２５′の如く連通されること
になる。

第９図は、第８図のＦ−Ｆ断面を示している
が、このような本実施例の構成によつて、低温側
内部ケーシング８ｂの内壁側と高温内部ケーシン
グ８ａの外壁側とで囲まれる空間は、図示したよ
うな軸方向に長い環状流路２４に形成されること
になる。本実施例では、高温内部ケーシング８ａ
と低温内部ケーシング８ｂとの分割を第２段動翼
１′の出口部を境界として構成した例を示してい
るが、これは限定的な意味を有するものではな
く、タービン段落の初段出口部から最終段入口部
まで後述するケーシング冷却あるいは加熱の効果
が最も高くなるよう任意に設定しうるものであ
る。

このようなケーシング構造において、主蒸気管
５を介して供給される主蒸気２１は、ノズルボツ
クス４の内部に導入され、その方向を変えてター
ビン段落内、すなわちノズルボツクス４の下流側
に配置される動翼１、第２段落の静翼６及び動翼
１′を通過する。この時に膨張仕事によつて動翼
１，１′にエネルギーを与えながら、主蒸気２１
はその圧力、温度が降下していく。第２段落出口
部において、作動流体の大部分は静翼６′などの
下流側段落へ流下するが、この動翼１′の出口圧
力よりもラビリンスパツキン１９及び２２に囲ま
れる混合空間２３の圧力を低く設定することによ
つて、作動流体の一部が分岐されて耐熱保護流体
２６として前記低温内部ケーシング８と高温内部
ケーシング８′とで囲まれる環状流路２４を流れ、
さらには前記混合空間２３に入る。ここで、耐熱
保護流体２６は、高温内部ケーシング８ａの上流
側閉端部２０に設置されるラビリンスパツキン１
９とロータシヤフト３のギヤツプから流入する高
温の漏洩蒸気１８と混合するとともに、低温内部
ケーシング８の上流側閉端部に設置されるラビリ
ンスパツキン２２とロータシヤフト３のギヤツプ
を通じて低温内部ケーシング８の外部へ漏洩する
ことになる。この耐熱保護流体２６は、前述のよ
うにタービンの中間段落から分岐したものを利用
するので、タービン入口の超高温の主蒸気１より
低温で、かつタービン出口部の排気蒸気よりは高
温となる。このため、低温内部ケーシング８と高
温内部ケーシング８′とで囲まれる環状流路２４
を流下すると、起動時のように構造物が低温の場
合には、低温内部ケーシング８ｂの内壁側を、又
高温内部ケーシング８ａの外壁側を対流伝熱によ
つて加熱する働きをすることになる。さらに、定
常時停止時のように構造物が高温の場合には、低
温内部ケーシング８ｂ及び高温内部ケーシング８
ａのそれぞれ内壁及び外壁側と対流伝熱によつて
冷却する作用を有することになる。従つて前述し
たような起動時のケーシング８ａ，８ｂの内外壁
の温度差、すなわち熱応力の発生だけでなく、常
時時の熱応力発生をも軽減する効果を発揮させる
ことが可能となる。

第１０図及び第１１図は、この効果を説明した
もので、第１０図は起動時における高温内部ケー
シング８ａ及び低温内部ケーシング８ｂのそれぞ
れ内外壁温度差３０，３１、第１１図はそれぞれ
最大熱応力３３，３４を示している。これらは図
の如く従来構造の最大温度差２９，最大熱応力３
２に比較して半減する効果を有することになる。
これは、ノズルボツクス４の下流段落の比較的高
温領域において、段落内部と内部ケーシング外側
との間に環状流路２４によつて温度差を軽減する
緩衝帯が設けられたことに起因するものである。
さらに、低温内部ケーシング８の上流側閉端部に
設けられたラビリンスパツキン２２を通じて外部
ケーシング９のフランジ部２０に流れる漏洩流
は、従来構造のようにノズルボツクス４の下部空
間からの超高温蒸気１８が直接漏洩するのではな
く、前記混合空間２３において環状流路２４を通
過した耐熱保護流体２６と混合されるために漏洩
流の温度が低下するので、外部ケーシング９のフ
ランジ部２０における熱応力発生も軽減できる効
果を発揮させることができる。

前記第７図乃至第９図に示す構造では、環状流
路２４を耐熱保護流体２６が流れる場合、流路に
設けられた構造物や流路断面形状の不均一さに起
因して、偏流が発生することがある。この偏流が
発生すると、流路内の壁面上の温度分布が不均一
となり、局所的に高温あるいは低温領域を発生ず
る恐れがある。第１２図は、このような局所的な
温度分布の不均一さを解消するための本発明の第
１の実施例を示すものである。

この実施例が第７図乃至第９図に示すものと相
違する点は、低温内部ケーシング８ｂ内壁面と高
温内部ケーシング８ａの外壁面とで囲まれて構成
される軸方向に長い環状流路２４の流入部近傍
に、第１３図に示すように支持リング３６，３
６′に保持された円周方向に複数枚の旋回ベーン
３５をもうけたことである。その他の構成は第７
図乃至第９図に示すものと同様である。この実施
例によれば旋回流の発生によつて円周上方向に偏
流を防止させることが可能になる。さらに、流れ
に旋回速度成分を与えると、構造部材の壁面に対
して耐熱保護流体２６の速度が相対的に大きくな
り、壁面境界における対流熱伝達率を向上させる
ことか可能となる。特に、環状流路２４の外側壁
面においては、流れが凹面上を流れることになる
ので、境界層内部にゲルトラー渦と称する一種の
渦流れが発生することがある。即ち、凹面に沿つ
て流れるとこのような渦が発生する可能性があ
り、よつて旋回ベーン３５が存在するので渦流れ
が発生することがありこの渦流れが発生すると、
境界層内の流れが、層流から乱流へ早い時期に遷
移するとともに、境界層の壁面近傍に発生する安
定な粘性流れを乱す効果があり、外周壁面の伝熱
効果を極めて高くすること、すなわち構造物内部
の温度差を小さくし、熱応力の発生をさらに軽減
させることが可能となる。

第１４図は、本発明の第２の実施例を示すもの
で、第１の実施例における旋回ベーン３５，３６
の代りに、高温内部ケーシング８ａの外壁部分に
第１５図に示すような壁面上に複数個の旋回ベー
ン３７を突出させた断熱材３８を設けて構成した
ものである。これは、高温内部ケーシング８ａが
主蒸気管５、ノズルボツクス４などを流れる超高
温の主蒸気２１から壁面を通じて熱伝導により高
温になる。このため、定常時などは環状流路２４
を耐熱保護流体２６が流れても、高温内部ケーシ
ング８ａの外壁面から低温内部ケーシング８ｂ内
壁面へ熱輻射により熱移動を起すことがある。こ
のため、断熱材３８を用いることによつてこの輻
射熱を軽減する意図で設けたものである。この断
熱材３８を挿入すると、輻射熱の遮断だけでな
く、環状流路２４の外壁、すなわち低温内部ケー
シング８ｂの壁面における対流熱伝達率の向上を
図る効果も発揮する。第１６図は、この効果を実
験的に確認したもので、横軸にレイノルズ数をと
り、熱伝達率αを整理したものである。

R.＝VD_h／ν Ｖ：環状流路内流速 D_h：水力直径 図の実験値は、第７図乃至第９図に示す例のよ
うに環状流路２４の内部を軸方向に真直ぐに流れ
た外壁側熱伝達率３９、第１の実施例のように環
状流路２４の内部で旋回流を発生した場合の外壁
側熱伝達率４０、第２の実施例のように環状流路
２４の内周側に断熱材３８を設け、旋回流を発生
した場合の外壁側熱伝達率４１を比較している
が、図より旋回流の効果や断熱材の効果が明瞭に
把握できる。特に、断熱材と旋回流の発生を組合
せると伝熱性能が飛躍的に向上することになる。

さらに第２の実施例では、伝熱性能の向上に加
えて、高温内部ケーシング８ａから耐熱保護流体
２６への熱移動を激減できるので、定常時等にお
いては、高温内部ケーシング８ａの構造部材内部
の温度分布が、主として段落内部流れの温度変化
に影響されるだけになるので、内部の温度勾配が
小さくなり、熱応力の発生の軽減を図ることが可
能となるなど大きな効果を有することになる。

なお、本実施例は、軸流流体機械が一方向に流
れる単流型を適用して説明を加えたが、複流型の
流体機械装置においても、一方を比較的圧力の高
い段に開放し、他端を比較的圧力の低い段落と連
通する環状流路を構成するようケーシングを多重
化しても同等の効果を得ることができる。例え
ば、第７図の１点鎖線Ｇを中心にして、図の左側
の構成が右側にも対称に存在する流体機械装置に
もこれは適用することができるのであり、この場
合は高温側ケーシングと低温側ケーシングとで構
成される流路空間の軸方向の両端とも作動流体の
通過する段落流路に接続して、両端ともこの段落
流路と連通するように構成することになる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、軸流流体機械の構造部
材、特に材料内部の温度差が顕著に現われるケー
シング等を起動時には加熱し、又定常時や停止時
に冷却することが可能であるため、構造部材内部
に発生する過大な熱応力を効果的に低減すること
が可能となるという効果を奏する。特に、本発明
においては、低温側ケーシングの内壁面と高温側
ケーシングの外壁面とに囲まれる環状通路に作動
流体の一部である保護流体を導入するとともに、
旋回ベーンによりその保護流体に旋回流を発生さ
せるので、相対的に流速が早くなり、伝熱性能が
向上するとともに、凹面側の壁面境界層内部にゲ
ルトラー渦が形成され、熱の拡散が促進されるこ
とによつて伝熱性能が著るしく向上し、これによ
つて壁面内部の温度分布が均一化され、熱応力の
発生を低減させることができる効果がある。

また、第２の実施例によれば、保護流体に旋回
流を発生させることによる前記の効果に加えて、
高温側ケーシングの外壁面から低温側ケーシング
の内壁面へ向う輻射熱を低減することができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は超高温高圧の軸流流体機械の従来例と
して採用した蒸気タービンの断面構造図、第２図
及び第３図は第１図のＡ−Ａ断面における等温線
図及び等応力線図、第４図は第２図のＢ−Ｂ面、
Ｃ−Ｃ面、Ｄ−Ｄ面における起動時の温度差を示
す説明図、第５図は起動時における最大応力の変
化を示す説明図、第６図は第１図の内部ケーシン
グの軸方向部分の等温線図である。第７図乃至第
９図は本発明を適用する軸流流体機械のケーシン
グ構造の一例を示すもので、第７図は断面図、第
８図は第７図のＥ部近傍の拡大図、第９図は第８
図のＦ−Ｆ矢視図、第１０図及び第１１図はそれ
ぞれ起動時の最大温度差及び最大応力の変化を表
わす説明図、第１２図は本発明の第１の実施例を
示す断面図、第１３図は第１２図の部分鳥かん
図、第１４図は本発明の第２の実施例を示す断面
図、第１５図は第１４図の部分鳥かん図、第１６
図は本発明の伝熱性能を比較する説明図である。 １……動翼、２……デイスク、３……ロータシ
フト、４……ノズルボツクス、６……静翼、７…
…ダイヤフラム（ダイヤフラムリング）、８……
ケーシング（内部ケーシング）、８ａ……高温側
ケーシング、８ｂ……低温側ケーシング、２７，
２８……シールリング、１９，２２……ラビリン
スパツキン、３５，３７……旋回ベーン、３６，
３６′……支持リング、３８……断熱材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数枚の動翼と、これら動翼を円周上に支持
   するデイスクと、ロータシヤフトと、動翼に隣接
   して設置される複数枚の静翼と、この静翼を保持
   するダイヤフラムと、これらで構成される段落流
   路に作動流体を導入するノズルボツクスと、これ
   ら構成部分を外部空間と隔絶するケーシングとを
   備えてなる軸流流体機械装置において、前記ケー
   シングを高温作動流体が流れる段落を内周側に保
   持し包含する高温側ケーシングと、低温作動流体
   が流れる段落を円周側に固定して包含する低温側
   ケーシングとに分割し、該高温側ケーシングを低
   温側ケーシングの内周側に一括包含した一部多重
   車室構造とするとともに、その低温側ケーシング
   の内壁面と高温側ケーシングの外壁面とに囲まれ
   る環状流路を構成し、該環状流路に流体機械内部
   に流れる作動流体の一部である保護流体を導入す
   るとともに、前記環状流路の内部に前記保護流体
   に旋回流を発生させる旋回ベーンを設けたことを
   特徴とする軸流流体機械のケーシング構造。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の軸流流体機械
   のケーシング構造において、高温側ケーシングの
   外壁面を、保護流体の旋回流発生用ベーンを突出
   させた断熱材で覆う構成としたことを特徴とする
   軸流流体機械のケーシング構造。