JPS63302103A - 部分送入高圧蒸気タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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６ 丸班五１１ 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なめに、蒸気発生器
からの主蒸気流を絞ることによって制御される。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、成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って、蒸気
の入口圧力と係りなくほぼ一定となっている。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って減少するため、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勿率即ち理想効
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。

絞り方式によっ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って実現されてきた０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って、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、−ｍ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、全周過大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成るものは、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成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（従って圧力比）は、より多くの数の弁
室を通っ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段効率は、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成る設計
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％改善することによって、非常に大きなエネルギー
の節減が実現される。

１１曵１１ 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つ以上の異なったノズル室に
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厘序の間数として増大す
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
、それぞれ異なっ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って開始され、複数のノズル
羽根群を経て蒸気を送入することによって終了する。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って蒸気を送入する順序に従っ
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って特徴付けられ
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って特徴付けられる。

花紋皇盈朋 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１２の各
々を通る蒸気流は、６個の制御弁１４の対応する１つに
よって逐次制御される。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】８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と半径方向から見た場
合、矢印によって示したように、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１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によって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２０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
を次々に開弁じて、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
開弁することによって、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っ
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
徐々に送入し、制御弁はやがて全開され、絞り代用をし
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っては、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　ｓｌｉｄｉｎ
ｇ）絞り圧力モードと称される。

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、−送入弧を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って達せられる。

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
ルリングになっていた。−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に間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。ピッチ対幅比（ここにピ
ッチは、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６羽根の効率は、ノズ
ル幅に沿った粘性抗力、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、幾っがの流体流
効果に依存する１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。−最に、羽根の
縦横比が増すと、羽根の総合効率も成る点までは増す、
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図の曲線によって示されでいる。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
ロットされている。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
が部分通人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
て成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がら、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った。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が得られて
いない。

部分送入タービン１０の制御弁が厘次開弁される間、各
ノズル羽根群２２の最大の圧力効果は、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０例えば、第１図に示した典型的な２４００Ｐ
ＳＩ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、１０８．５Ａｇ／ｃｉ＋２（
１５００ｐｓｉ）の圧力降下が生ずる。圧力降下は、５
０％送入において８３．３Ａｇ／　ｃｙ２（１１９０ｐ
ｓｉ）に、６３％送入において６９．３に２／ｃｍ”（
９９０ｐｓｉ）に、７５％送入において２１．６７ｔｇ
／ｃｍ２（７２０ｐｓｉ）に、８７％送入について３９
．９ｋｙ／ｃｚ’（５７０ｐｓｉ）に、１００％送入に
おいて３５＆ｇ／ｃｍ２（５００ｐｓｉ）に、それぞれ
減少する。成る制御段の設計は、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成る適用
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、適用の仕方によって、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って設計されていた。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っていた。

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
。−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、ｆ０８．６Ｊｙ／ｃ、ｗ２（１５５０ｐｓ
ｉ）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！＆￥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、非常に広汎な種類の
部分送入システムに適用することができる０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、部分送入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、成るノズル群の羽根の幅は、その制御弁が制御
弁の開成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の半径方向の高さＨ
３対軸方向の幅−１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０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はど大きく
ないにも拘わらず、タービン総合効率の際立った改良が
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って、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、成
る与えられた羽根の幾何学的形状のための１＆適のピッ
チ対幅比を保つなめに、羽根相互の間隔を互いに狭くす
ることが必要となる。異なった羽根群間で羽根の間隔が
結果的に変動することによって、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って流れる蒸気は、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、成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０種々の
ノズル群において異なったノズル羽根の間隔を与えるこ
とによって、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って、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過大の新しいシステ
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った部分断面図、第２図は、第１図
の蒸気タービンのタービン軸に沿っ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セグメントとの間の幾何学的な関係を
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１４・
・・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 ＦＩＧ、　　１゜ ＦＩＧ、　　２゜ ＦＩＧ、　　５゜ 、＋２５　．２５０．３７５　．５００　．６２５．７
５０．８７５　１．０００　＋、＋２５縦横比 ＦＩＧ、　　６゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　改善された効率を有する部分送入高圧蒸気タービンで
   あって、 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）であって、該弧状羽根群（２２
   ）の各々は、異なった縦横比を有すると共に、前記出口
   ポート（１６）の異なった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）の対応する１つにそれぞ
   れ結合されている、複数の制御弁（１４）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。