JPH08500168A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蒸気タービンは、少なくともその長さの一部がハウジング（４）の中に配置されている軸（３）とハウジング（４）の中に流入する蒸気流を調整するための少なくとも一つの調整弁（３０）とを有し、前記軸（３）は前記ハウジング（４）を貫通して導かれ、前記ハウジング（４）は高圧側（１０）およびこれと反対側に位置する排気側（１２）を有している。蒸気タービン（１）を極めて高い効率で特に故障なしに運転するために、本発明に基づいて軸（３）はハウジング（４）の内部において高圧側（１０）および排気側（１２）に配置されている磁気軸受（６、８、１４）によって油無しに支承され、調整弁（３０）は電磁式調整装置（２８）によって油無しに操作される。図１

Description

【発明の詳細な説明】 蒸気タービン 本発明は、少なくともその長さの一部がハウジングの中に配置されている軸と このハウジングの中に流入する蒸気流を調整するための少なくとも一つの調整弁 とを有し、前記軸が前記ハウジングを貫通して導かれ、前記ハウジングが高圧側 およびこれと反対側に位置する排気側を有している蒸気タービンに関する。 蒸気タービンの運転にあたっては一般に、例えば油潤滑式のラジアル軸受およ びアキシャル軸受並びに調整装置付きの油圧作動式の調整弁のような油圧式装置 が使用される。急速に作動する主遮断機構としてのいわゆる高速閉鎖弁およびタ ービンロータを旋回するために用意される旋回装置も油圧式に作動する。しかし 蒸気タービンにおける油の利用は原理的には火災の危険をはらんでいる。不燃性 あるいは難燃性の液体による従来の実験では、満足できる結果は得られていない 。 本発明の課題は、冒頭に述べた形式の蒸気タービンを、火災の危険を回避した 状態において支障のない運転ができるように改良することにある。 本発明によればこの課題は、軸がハウジングの内部において高圧側および排気 側に配置されている磁気軸受によって油無しに支承され、調整弁が電磁式調整装 置によって油無しに操作されることによって解決される。 ハウジングの内部において高圧側に配置される磁気軸受は有利にはラジアル軸 受およびアキシャル軸受を含んでいる。更に高圧側に控え軸受が有利にはラジア ル軸受とアキシャル軸受との間に配置して設けられている。磁気軸受および控え 軸受は有利には、高圧側においてハウジング内部に位置する蒸気室と外側空間と の連通部が存在しないように、タービンハウジングにフランジ結合されて蓋で気 密に閉じられている。軸が動力機械例えば圧縮機あるいは発電機を駆動するため に高圧側においてハウジングを貫通して導き出される場合には、蓋は排気側に設 けられる。しかし軸は有利には排気側においてハウジングを貫通して導き出され る。 反動構造における蒸気タービンにおいては高圧側にしばしば、パッキンとして いわゆるラビリンスパッキンを備えたスラスト平衡用の釣り合いピストンが設け られる。その場合磁気軸受および控え軸受は有利には蒸気室とそのパッキンとの 間に設けられ、即ち排気側から見てこのパッキンの前に配置される。この配置構 造によれば高圧側における磁気軸受と排気側における磁気軸受との間の軸受間隔 が特に小さくなることにより、軸の振動挙動が「剛性軸」の理想状態にほぼ近づ けられるという利点が得られる。他方ではハウジングの内部即ちタービンの蒸気 室の中において一般的な軸受間隔を維持した状態において、追加的な翼列に対す る空間が得られる。これによって蒸気タービンの特に高い効率が得られる。 軸が排気側においてタービンハウジングを貫通して導き出される場合には、そ こに設けられているロータとタービンハウジングとの間にパッキンが必要である 。排気側で軸を軸受するために有利には同様にハウジングの内部に位置している ラジアル磁気軸受およびもう一つの控え軸受が設けられる。パッキンは蒸気の流 れ方向に見てこれら両軸受の前、間あるいは軸受間隔を短くするためにこれら両 軸受の後ろに配置される。アキシャル磁気軸受をハウジングの排気側に設け、蒸 気側でその前に控え軸受およびラジアル磁気軸受を配置することもできる。 ハウジングの中に流入する生蒸気を調整するための調整弁を可動梁を介して共 通に操作できる電磁式調整装置がいままで一般に採用されていた液圧式調整シリ ンダに置き換えられる。これによってハウジングの内部に調整装置を有利に配置 することができる。更に液圧変換器も電子式出力部に置き換えることができ、そ の場合電線だけをハウジングを貫通して導くだけでよい。調整弁の数に相応した 数の電磁式調整装置を設けることもできる。 調整装置としては好適には電磁式リニア駆動装置が使用される。その場合各調 整弁にそれぞれ、継鉄とコイルとを備えた電磁石並びに推進棒に結合されている 線形移動可能な接極子が付設されている。その場合すべての調整素子を同時に操 作可能な可動梁は不要となる。 以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。 図１は磁気軸受と電磁式調整装置を備えたオイルレス蒸気タービンの断面図、 図２および図３はそれぞれ電磁式調整装置の異なる実施例の構成図である。 各図面において同一部品には同一符号が付されている。 図１に示されている蒸気タービン１は軸３上における回転可能に支持されてい るタービンロータ２および固定のタービンハウジング４を有している。軸３は二 つのラジアル磁気軸受６、８で支承され、その際磁気軸受６は蒸気タービン１の 高圧側１０に配置され、磁気軸受８は排気側１２に配置されている。図１におけ る蒸気タービン１では、軸３は排気側１２においてタービンハウジング４を貫通 して導き出されている。しかし一般的には軸３は高圧側１０においてもタービン ハウジング４を貫通して導き出すことができる。 この実施例において高圧側１０に配置されている磁気アキシャル軸受１４はタ ービンロータ２を軸３を介して軸方向に保持し、蒸気によって発生される推力を 受ける。磁気アキシャル軸受１４は排気側１２にも配置できる。 更に高圧側１０には控え軸受１６が設けられている。この実施例では控え軸受 は両磁気軸受６と１４との間に配置されている。排気側１２には蒸気の流れ方向 に見てラジアル磁気軸受８の後ろにもう一つの控え軸受１８が配置されている。 磁気軸受６、８が故障したときに軸３はこれらの控え軸受１６、１８で惰走でき る。 磁気軸受に対し現在使用可能なコイル材料は約４００℃までの温度に対して設 計されている。しかし蒸気タービン１の蒸気室では５４０℃までの温度が生ずる 。従って磁気軸受６、８、１４および控え軸受１６、１８を冷却する必要がある 。このために蒸気タービン１の水・蒸気回路から水を取り出すことができる。そ の場合例えばポンプあるいは冷却器のような補機は不要である。しかしそのよう な高い温度に対して設計されたコイル材料が利用される場合には冷却は省略でき る。大きな耐熱性は例えばコイル線をセラミックスで絶縁することによって得ら れる。 高圧側１０即ち前方軸受ハウジングは、ハウジング４に設けられた蓋２３で気 密に閉じられているので、ここでは外側空間に対する連通部は存在しない。この 実施例において高圧側１０に配置されているラビリンスパッキン２２付きの釣り 合いピストン２０は反動タービンにおいてのみ必要である。 排気側１２において軸３はハウジング４を貫通して導き出されるので、いかな る場合にも排気側１２には、蒸気の流れ方向に見て軸受８、１８の前、後ろある いはそれらの間に配置される非接触式の軸封装置あるいはパッキン２４が必要で ある。 従ってハウジング４はタービンロータ２を完全に、また軸３をその一部にわた って包囲している。更にハウジングは磁気軸受６、８、１４、控え軸受１６、１ ８およびパッキン２２、２４を包囲している。生蒸気の流入室２６はハウジング ４の一部である。多数の調整弁３０（図では一つしか見えない）に対する少なく とも一つの電磁式調整装置２８も同様にハウジング４の内部に配置されている。 電磁式調整装置２８は継鉄３２、コイル３４、推進棒３６に結合されている可 動接極子３８および固定接極子４０を有している。推進棒３６は可動弁梁４２に 作用する。紙面に対して垂直に連続して配置されている複数個の調整弁３０は弁 梁４２によって同時に操作される。固定継鉄３２の下側に設けられているコイル ばね４４は調整弁３０を閉鎖し、蒸気タービン１の運転中に調整弁３０に作用す る蒸気圧力も同様に閉鎖方向に作用する。調整弁３０を開放するために電磁式調 整装置２８により与えられる力は従って少なくとも、機械式ばね４４のばね力お よび調整弁３０に作用する蒸気圧力の合計に相当する。 調整弁３０は弁梁４２に作用する唯一の電磁式調整装置２８により操作できる 。その代わりに多数の調整装置２８を介する操作も可能であり、その場合には個 々の調整弁３０に電磁式調整装置２８が付設される。図２および図３には調整弁 ３０の別の実施例が示されている。 図２において調整装置２８は流入室２６のそばに配置されている。ここでは可 動接極子３８は調整弁３０を支持している推進棒３６に直接結合されておらず、 レバー５０を介して結合されている。このレバー５０は更にハウジング固定の支 持部分５２に可動的に取り付けられている。 図１および図２に示されている配置構造の場合、調整弁３０は調整装置２８の 電磁力によって開放される。逆に調整装置２８の電磁力が調整弁３０を閉鎖する ように作用すべく調整装置２８を配置することもできる。このことは例えば高速 閉鎖の際に有利である。この実施例ではばね４４は調整弁３０の閉鎖方向に僅か な力を与えればよい。 推進棒３６が鉄心３２における孔を貫通して導かれ接極子３８によって調整弁 ３０の閉鎖方向に移動できるような配置構造によって、接極子３８の動きを調整 弁３０を閉鎖するために直接推進棒３６に伝達することができる。この配置構造 の場合、接極子３８および孔明き鉄心３２の位置は取り換えられる。 同様に流入室２６のそばに配置されている図３に示されている調整装置２８は 、ほぼ時間的に一定している磁界の中で直線的に移動するコイル６０を有してい る。コイル６０の動きはレバー５０によって調整弁３０に伝達される。上述の磁 界は永久磁石６２、コイル６８付きの電磁石６４あるいはこれら磁石６２、６４ の組合せによって両磁石によって形成される磁界を重畳して発生される。鉄心６ ６に接続されその磁極がＮ、Ｓで示されている永久磁石６２は継鉄６７の内部に おいてコイル６８によって取り囲まれている。コイル６０に作用する電磁ローレ ンツ力はコイル６０を通る電流にほぼ比例し、その磁界内における位置には無関 係である。 永久磁石６２は軟磁性鉄心によって置き換えることもできる。コイル６０、６ ８を直列回路において同じ電流で操作すると、可動コイル６０にかかる力はこの 電流の二乗に比例する。 図１における蒸気タービン１を運転する際、生蒸気は流入室２６および調整弁 ３０を通ってタービンハウジング４によって包囲されている蒸気室の中に到達し 、ノズル６９を通してタービンランナ７０に衝突する。蒸気はそこから、それぞ れ多数の静翼７２およびタービンロータ２に取り付けられそれと一緒に回転する 多数の動翼７４により構成されている個々のタービン段を通って流れる。タービ ン翼７２、７４は、動力蒸気が膨張しその容積が増大するので、段毎により大き く長く作られている。膨張した蒸気は排気接続短管７６を貫流し、その後でプロ セス蒸気として利用されるか、あるいは蒸気タービンに後置接続されている復水 器（図示せず）に直接導かれる。 調整弁３０はタービンハウジング４の中に流入する生蒸気の強さを調整する役 目をし、その調整ストロークはそれぞれの調整弁３０に付設されている調整装置 ２８におけるコイル電流によって制御される。この電流の変化は好適には電子式 制御によって引き起こされる。そのために必要な配線は図示されていない方式で ハウジング４を貫通して調整装置２８に導かれる。調整弁３０を操作するために 好適には、弁ストロークおよびその変化速度が制御で影響される量であるＰＩＤ 制御方式が考慮される。 一般に急速に作動する主遮断機構として使用される高速閉鎖弁を利用する際に 、この高速閉鎖弁は、高速閉鎖ばねにバイアス圧を与えるために油圧回路による 代わりに電磁石あるいは電動機により操作される。起動は電気機械式に行われ、 その際弁座の前で弁を制動しながら受け止めるためにばねが使用される。更に電 動機が上述した油圧式旋回装置の機能を引き受ける。 このようなオイルレス蒸気タービンおよびこれにより駆動され同様に磁気軸受 を備えている圧縮機は完全な動力ユニットあるいは機械系として油無しに運転で きる。磁気軸受は摩擦損失が小さくエネルギー需要が小さいので、このような機 械系の効率は特に高い。磁気軸受６、８、１４を利用することによって軸３の振 動も特に良好に補償される。この利点は特に、タービンユニットの発電機が追加 的に磁気軸受を装備され、オイルレス蒸気タービンによって直接駆動されるとき にも生ずる。これによって火災の危険は実質的に回避される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シユパルマン、ロルフ ドイツ連邦共和国 デー‐4230 ウエーゼ ル ルイーゼンシユトラーセ 11

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくともその長さの一部がハウジング（４）の中に配置されている軸（３ ）とこのハウジング（４）の中に流入する蒸気流を調整ずるための少なくとも一 つの調整弁（３０）とを有し、前記軸（３）が前記ハウジング（４）を貫通して 導かれ、前記ハウジング（４）が高圧側（１０）およびこれと反対側に位置する 排気側（１２）を有している蒸気タービンにおいて、前記軸（３）が前記ハウジ ング（４）の内部において高圧側（１０）および排気側（１２）に配置されてい る磁気軸受（６、８、１４）によって油無しに支承され、、調整弁（３０）が電 磁式調整装置（２８）によって油無しに操作されることを特徴とする蒸気タービ ン。 ２．高圧側（１０）における磁気軸受がラジアル軸受（６）およびアキシャル軸 受（１４）を含んでいることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。 ３．ラジアル軸受（６）およびアキシャル軸受（１４）のほかに、好適にはこれ ら両軸受（６、１４）間に配置された控え軸受（１６）が設けられていることを 特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。 ４．高圧側（１０）が蓋（２３）で気密に閉じられていることを特徴とする請求 項１ないし３の１つに記載の蒸気タービン。 ５．ハウジング（４）の高圧側（１０）にパッキン（２２）が設けられ、磁気軸 受（６、１４）が排気側（１２）から見てこのパッキン（２２）の前に配置され ていることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の蒸気タービン。 ６．ハウジング（４）の内部において排気側（１２）にもう一つの控え軸受（１ ８）が設けられ、排気側（１２）に設けられたもう一つのパッキン（２４）が蒸 気の流れ方向に見て磁気軸受（８）および控え軸受（１８）の前に、あるいはそ れらの間に、好適にはそれらの後ろに配置されていることを特徴とする請求項１ ないし５の１つに記載の蒸気タービン。 ７．電磁式調整装置（２８）もハウジング（４）の内部に配置されていることを 特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の蒸気タービン。 ８．電磁式調整装置（２８）が継鉄（３２）、コイル（３４）および推進棒（３ ６）に結合されている接極子（３８）を有していることを特徴とする請求項１な いし７の１つに記載の蒸気タービン。