JP2014001685A - Steam turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。 Embodiments of the present invention relate to a steam turbine.
従来の火力発電設備における蒸気タービンにおいて、タービンロータや動翼などの高温部品が曝される蒸気温度は、６００℃以下である。そのため、これらの高温部品は、経済性や製造性を考慮して、フェライト系耐熱鋼で構成されている。 In a steam turbine in a conventional thermal power generation facility, the steam temperature to which high-temperature parts such as a turbine rotor and a moving blade are exposed is 600 ° C. or less. For this reason, these high-temperature parts are made of ferritic heat-resistant steel in consideration of economy and manufacturability.
しかしながら、環境保全を背景とした火力発電設備の高効率化のために、蒸気タービンに導入する蒸気の温度を上昇する傾向にある。近年では、蒸気温度が６００℃程度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが運転されている。そのため、このような蒸気タービンにおいて、高温部品をフェライト系耐熱鋼で構成することは、高温強度が問題となる。そこで、高温部品をＮｉ基合金やオーステナイト系耐熱鋼で構成した蒸気タービンも存在する。 However, in order to increase the efficiency of thermal power generation facilities against the background of environmental conservation, the temperature of steam introduced into the steam turbine tends to increase. In recent years, steam turbines using high-temperature steam having a steam temperature of about 600 ° C. have been operated. For this reason, in such a steam turbine, the high-temperature component is made of ferritic heat-resistant steel, and the high-temperature strength becomes a problem. Therefore, there are steam turbines in which high-temperature parts are made of Ni-based alloy or austenitic heat-resistant steel.
そのようななか、火力発電設備の高効率化を図るために、蒸気の温度をさらに上昇させることが検討され、一方で、経済性や製造性などの観点から、Ｎｉ基合金やオーステナイト系耐熱鋼で構成される部分を極力削減するための検討もなされている。 Under such circumstances, in order to increase the efficiency of thermal power generation facilities, it has been considered to further increase the temperature of steam, while from the viewpoint of economy and manufacturability, Ni-based alloys and austenitic heat resistant steels are used. Studies are also being conducted to reduce as much as possible the constituent parts.
蒸気タービンを構成する部品のなかでも、ケーシングは、大型の鋳造部品であることから、ケーシングの低コスト化を図ることは、蒸気タービンの製造コストの削減に繋がる。しかしながら、例えば、二重ケーシング構造を有する場合、内周側となる内部ケーシングには、静翼を固定しているダイアフラム外輪を介して、蒸気通路を流れる高温の主蒸気からの熱が伝わる。これにより、内部ケーシングは、高温となるため、内部ケーシングを安価なフェライト系耐熱鋼で構成することは困難となる。 Among the components constituting the steam turbine, the casing is a large-sized cast component. Therefore, reducing the cost of the casing leads to a reduction in the manufacturing cost of the steam turbine. However, for example, when having a double casing structure, heat from the high-temperature main steam flowing through the steam passage is transmitted to the inner casing on the inner peripheral side via the diaphragm outer ring that fixes the stationary blade. Thereby, since an internal casing becomes high temperature, it becomes difficult to comprise an internal casing with a cheap ferritic heat resistant steel.
本発明が解決しようとする課題は、静翼を支持するダイアフラム外輪を介してケーシングに熱が伝わるのを抑制し、ケーシングの温度上昇を抑えることができる蒸気タービンを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a steam turbine that can suppress heat from being transmitted to the casing via a diaphragm outer ring that supports a stationary blade, and can suppress an increase in temperature of the casing.
実施形態の蒸気タービンは、ケーシングの内部に、ダイアフラム内輪、ダイアフラム外輪、および前記ダイアフラム内輪と前記ダイアフラム外輪との間に支持された静翼を備える。そして、前記ダイアフラム外輪と前記ケーシングとの接触面間に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の断熱部材が備えられている。 The steam turbine according to the embodiment includes a diaphragm inner ring, a diaphragm outer ring, and a stationary blade supported between the diaphragm inner ring and the diaphragm outer ring in a casing. A heat insulating member having a thermal conductivity of 10 W / m · K or less is provided between the contact surfaces of the diaphragm outer ring and the casing.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面を示す図である。なお、以下の実施の形態において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明は、省略または簡略する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a meridional section of a steam turbine 10 according to a first embodiment. In the following embodiments, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted or simplified.
図１に示すように、蒸気タービン１０は、内部ケーシング２０とその外側に設けられた外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２０内に動翼２２が植設されたタービンロータ２３が貫設されている。動翼２２は、タービンロータ２３のロータディスク２３ａの周方向に複数植設され、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。タービンロータ２３は、ロータ軸受２４によって回転可能に支持されている。
As shown in FIG. 1, the steam turbine 10 includes a double-structure casing composed of an
内部ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２５が設けられ、静翼２６の外周部を支持している。ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０との接触面間には、後に詳しく説明するが、断熱部材５０が設けられている。
A diaphragm
静翼２６の内周部は、ダイアフラム内輪２７によって支持されている。このように、ダイアフラム外輪２５とダイアフラム内輪２７との間に、周方向に亘って複数の静翼２６が支持され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、タービンロータ軸方向に間隔をあけて複数段形成され、各静翼翼列は、各動翼翼列の上流側に配置される。すなわち静翼翼列と動翼翼列は、タービンロータ軸方向に交互に複数段配設され、一組の静翼翼列と動翼翼列から構成されるタービン段落が複数形成されている。
The inner peripheral portion of the
タービンロータ２３と各ケーシングとの間には、蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドラビリンス部３３が設けられている。
A
内部ケーシング２０とタービンロータ２３との間には、ノズルボックス２８が設けられている。このノズルボックス２８は、外部ケーシング２１と内部ケーシング２０を貫通すように設けられたスリーブ管２９を介して主蒸気管３４と連通されている。ノズルボックス２８の出口には、第１段の静翼２６を備える。ノズルボックス２８へ供給された蒸気は、この第１段の静翼２６を通過して第１段の動翼２２へ導かれる。
A
また、蒸気タービン１０は、最終段の動翼２２を通過した蒸気を内部ケーシング２０内から蒸気タービン１０の外部に導く排気流路３０を備えている。
Further, the steam turbine 10 includes an
次に、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０との接触面の構成について説明する。図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０の一部の断面を拡大して示した図である。
Next, the configuration of the contact surface between the diaphragm
また、図２に示すように、内部ケーシング２０の内周面には、半径方向内側（タービンロータ２３側）に向かって突出し、かつ周方向に延びる突条部３１が形成されている。この突条部３１は、各タービン段落に対応して、タービンロータ軸方向に複数形成されている。この突条部３１間の溝部に、ダイアフラム外輪２５の一部である、半径方向外側に突出した突出部４０が位置する。そして、突条部３１の上流側の端面３２に、この端面３２よりも上流側に配置されたダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１が、断熱部材５０を介して接触している。このように接触することで、ダイアフラム外輪２５のタービンロータ軸方向の下流側への移動が防止される。
Further, as shown in FIG. 2, the inner circumferential surface of the
断熱部材５０は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下となるように構成されている。ここで、ダイアフラム外輪２５や内部ケーシング２０を構成する金属材料の熱伝導率は、例えば、２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋである。そのため、断熱部材５０の熱伝導率は、ダイアフラム外輪２５や内部ケーシング２０を構成する金属材料の熱伝導率よりも小さい。
The
断熱部材５０の熱伝導率は、例えば、レーザ加熱時の過渡応答から熱伝導率を求めるレーザフラッシュ法や、熱線による加熱時の温度応答に基づいて熱伝導率を求める熱線法、温度勾配を付与して定常時の熱流束から熱伝導率を求める定常法などによって測定される。
The thermal conductivity of the
断熱部材５０は、例えば、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１または突条部３１の上流側の端面３２に断熱層５１を形成することで構成される。例えば、端面４１に断熱層５１を形成する場合、断熱層５１は、端面４１のうち、端面３２に接触する部分に形成される。なお、断熱層５１は、端面４１および端面３２の双方に形成されてもよい。
The
断熱層５１は、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシア（ＭｇＯ）、希土類ジルコネート（Ｘ２Ｚｒ２Ｏ７、ＸはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄなどの希土類元素）などの金属酸化物で構成される。 The heat insulation layer 51 is made of, for example, zirconia (ZrO 2 ), hafnia (HfO 2 ), ceria (CeO 2 ), titania (TiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), magnesia (MgO), rare earth zirconate (X 2 Zr). 2 O 7 , X is composed of a metal oxide such as Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd and other rare earth elements).
上記した断熱層５１を構成する金属酸化物のうち、希土類ジルコネートやハフニアは、熱伝導率が低く、熱膨張係数が比較的大きいことから、金属材料の表面に形成される断熱層５１を構成する材料として好適である。なお、端面４１または端面３２と、断熱層５１との間に、これらを構成する材料の中間的な熱膨張係数を有する、ニッケル鋼やクロムニッケル鋼、ＮｉＡｌのような金属間化合物などによる中間層を設けてもよい。これにより、断熱層５１の熱応力が緩和される。
Among the metal oxides constituting the heat insulation layer 51, rare earth zirconate and hafnia have a low thermal conductivity and a relatively large coefficient of thermal expansion, and thus constitute the heat insulation layer 51 formed on the surface of the metal material. Suitable as a material. An intermediate layer made of an intermetallic compound such as nickel steel, chrome nickel steel, or NiAl having an intermediate thermal expansion coefficient between the materials constituting the end surface 41 or the
断熱層５１は、蒸気タービン１０の運転の際、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０との間で、圧縮応力を受けるため、高い圧縮強度を有することが好ましい。さらに、水蒸気に曝されることから、水蒸気に対する耐性にも優れていることが好ましい。これらの観点からは、例えば、上記した金属酸化物のうち、ジルコニア（ＺｒＯ２）やハフニア（ＨｆＯ２）などを使用することが好適である。
Since the heat insulation layer 51 receives compressive stress between the diaphragm
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やマグネシア（ＭｇＯ）などの金属酸化物を使用する場合においては、圧縮強度を損なわない程度に気孔を存在させることで、熱伝導率を低減することが可能である。 In the case of using a metal oxide such as alumina (Al 2 O 3 ) or magnesia (MgO), the thermal conductivity can be reduced by allowing pores to exist to such an extent that the compressive strength is not impaired.
断熱層５１の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、大気プラズマ溶射などの溶射、物理蒸着、化学蒸着、拡散浸透法などによって形成される。また、断熱層５１は、上記した金属酸化物材料の粒子を含むスラリーを端面４１または端面３２に塗布し、その後焼成することによって形成されてもよい。
Although the formation method of the heat insulation layer 51 is not specifically limited, For example, it forms by thermal spraying, such as an atmospheric plasma spraying, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, the diffusion penetration method. Moreover, the heat insulation layer 51 may be formed by applying the slurry containing the particles of the metal oxide material described above to the end face 41 or the
断熱層５１の厚さは、断熱効果を得るために、例えば、０．５〜３ｍｍ程度に形成されることが好ましい。 In order to obtain a heat insulating effect, the thickness of the heat insulating layer 51 is preferably, for example, about 0.5 to 3 mm.
次に、蒸気タービン１０における、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０との間の熱移動について、図１および図２を参照して説明する。
Next, heat transfer between the diaphragm
主蒸気管３４から蒸気タービン１０内に導入された蒸気は、スリーブ管２９を通りノズルボックス２８に導かれる。ノズルボックス２８に導かれた蒸気は、静翼２６と動翼２２との間の蒸気通路を膨張仕事をしながら流動し、タービンロータ２３を回転させる。そして、最終段の動翼２２を通過した蒸気は、排気流路３０を通り蒸気タービン１０の外部へ排気される。ここで、蒸気タービン１０の運転時、ダイアフラム外輪２５は、その直下流側の内部ケーシング２０の突条部３１に押し付けられる。
The steam introduced into the steam turbine 10 from the
静翼２６を支持するダイアフラム外輪２５やダイアフラム内輪２７は、蒸気通路を流れる高温の主蒸気によって加熱される。この際、ダイアフラム外輪２５に接触する内部ケーシング２０へ熱伝導による熱移動が生じるが、これらの間には、断熱部材５０（断熱層５１）を有しているため、熱移動が抑制される。
The diaphragm
これによって、内部ケーシング２０の温度上昇を抑制することができる。そのため、蒸気タービン１０へ導入される蒸気の温度が高温化された場合においても、内部ケーシング２０を従来と同様の材料で構成することができる。
Thereby, the temperature rise of the
第１の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０との接触面間に断熱部材５０を備えることで、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動を抑制することができる。そのため、内部ケーシング２０の温度上昇を抑えることができる。
According to the steam turbine 10 of the first embodiment, the heat transfer from the diaphragm
ここでは、断熱層５１を金属酸化物で構成する一例を示したが、これに限られるものではない。例えば、金属酸化物からなる粒子を含有する金属で断熱層５１を構成してもよい。具体的には、断熱層５１は、金属からなる金属マトリックス、およびこの金属マトリックス中に均一に分散された金属酸化物からなる粒子で構成される。 Here, although the example which comprises the heat insulation layer 51 with a metal oxide was shown, it is not restricted to this. For example, you may comprise the heat insulation layer 51 with the metal containing the particle | grains which consist of metal oxides. Specifically, the heat insulating layer 51 includes a metal matrix made of metal and particles made of a metal oxide uniformly dispersed in the metal matrix.
金属マトリックスを構成する金属としては、例えば、鉄、クロム、ニッケル、コバルトやこれらを主成分とする合金などを使用することができる。粒子を構成する金属酸化物としては、例えば、断熱層５１を構成する材料と同様に、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシア（ＭｇＯ）、希土類ジルコネート（Ｘ２Ｚｒ２Ｏ７、ＸはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄなどの希土類元素）などを使用することができる。 As a metal constituting the metal matrix, for example, iron, chromium, nickel, cobalt, an alloy containing these as a main component, or the like can be used. Examples of the metal oxide constituting the particles include, for example, zirconia (ZrO 2 ), hafnia (HfO 2 ), ceria (CeO 2 ), titania (TiO 2 ), and alumina, similarly to the material constituting the heat insulating layer 51. (Al 2 O 3 ), magnesia (MgO), rare earth zirconate (X 2 Zr 2 O 7 , X is a rare earth element such as Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd) or the like can be used.
断熱層５１は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下となるように構成されるため、酸化物粒子の含有量は、使用する金属マトリックスおよび粒子の材料によって適宜設定される。例えば、金属マトリックスの材料としてクロムを含有する鉄を使用し、粒子の材料としてジルコニア（ＺｒＯ２）などのジルコニウム酸化物を使用する場合には、粒子の含有量を２５〜７５体積％程度にすることが好ましい。また、金属マトリックスの材料としてニッケル、もしくはニッケルを含有する鉄を使用し、粒子の材料としてジルコニア（ＺｒＯ２）などのジルコニウム酸化物を使用する場合には、粒子の含有量を１５〜５０体積％程度にすることが好ましい。 Since the heat insulation layer 51 is configured to have a thermal conductivity of 10 W / m · K or less, the content of the oxide particles is appropriately set depending on the metal matrix to be used and the material of the particles. For example, when iron containing chromium is used as the material of the metal matrix and zirconium oxide such as zirconia (ZrO 2 ) is used as the material of the particles, the particle content is set to about 25 to 75% by volume. It is preferable. In addition, when nickel or iron containing nickel is used as the material of the metal matrix and zirconium oxide such as zirconia (ZrO 2 ) is used as the material of the particles, the content of the particles is 15 to 50% by volume. It is preferable to make it about.
上記した粒子を含有する金属マトリックスからなる断熱層５１は、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１や突条部３１の上流側の端面３２に、例えば次のように形成される。断熱層５１は、例えば、金属マトリックスを構成する金属材料と酸化物粒子との混合粉末を用いたプラズマ溶射法によって形成される。また、断熱層５１は、例えば、酸化物粒子を含むめっき浴中でめっき施工を行う複合めっき法、または酸化物粒子を含む塗料をスプレーや刷毛によって塗布し、乾燥・焼成する塗布法などによって形成される。
The heat insulating layer 51 made of the metal matrix containing the particles described above is formed on the end surface 41 on the downstream side of the protruding
ここで、ダイアフラム外輪２５が内部ケーシング２０に接触する際、接触面に不均一な圧力がかかることがある。すなわち、ダイアフラム外輪２５が内部ケーシング２０に対して片当たりの状態となることもある。この場合、局所的な応力の発生が問題となる。
Here, when the diaphragm
しかしながら、断熱層５１においては、金属マトリックスが柔軟に変形して応力を吸収し、応力の集中を緩和する。さらに、金属酸化物からなる粒子を含有することによって、粒子と金属マトリックスとの界面が熱抵抗になり、熱伝導率を低減する。そのため、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動を抑制することができる。
However, in the heat insulating layer 51, the metal matrix is flexibly deformed to absorb the stress and relax the stress concentration. Further, by containing particles made of a metal oxide, the interface between the particles and the metal matrix becomes a thermal resistance, and the thermal conductivity is reduced. Therefore, the heat transfer from the diaphragm
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン１１の構成は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と、断熱部材５０の構成以外は同じである。そのため、ここでは、断熱部材５０の構成について主に説明する。
(Second Embodiment)
The configuration of the
図３は、第２の実施の形態の蒸気タービン１０の断熱部材５０をタービンロータ軸方向に見たときの平面図である。
FIG. 3 is a plan view of the
図３に示すように、断熱部材５０は、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０との接触面に沿って周方向に延びるリング状の平板部材で構成される。なお、断熱部材５０を構成する材料は、第１の実施の形態における断熱部材５０（断熱層５１）を構成する材料と同じである。すなわち、第２の実施の形態に係る断熱部材５０は、金属酸化物や金属酸化物の粒子を含有する金属マトリックスで構成される。また、断熱部材５０は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下となるように構成されている。
As shown in FIG. 3, the
リング状の断熱部材５０は、例えば、図３に示すように、上半部および下半部の２分割構造で構成される。なお、分割数は、これに限られるものではなく、上半部および下半部において、それぞれさらに分割した構成としてもよい。
For example, as shown in FIG. 3, the ring-shaped
断熱部材５０は、上半部および下半部の接合端部に、例えば、半径方向外側に突出するフランジ部６０を備えている。このフランジ部６０を備えることで、例えば、ボルト締結などによって、下半部の断熱部材５０が、例えば内部ケーシング２０に固定され、上半部の断熱部材５０が、下半部の断熱部材５０上に固定される。
The
ここで、リング状の断熱部材５０は、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１と、このダイアフラム外輪２５の直下流側に位置する突条部３１の上流側の端面３２との間に挟持される。なお、リング状の断熱部材５０を備えたときの、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０の断面形状は、図２に示された断面形状と同様となる。
Here, the ring-shaped
第２の実施の形態の蒸気タービン１１によれば、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１および突条部３１の上流側の端面３２のそれぞれが、リング状の断熱部材５０に接触する構成とすることで、接触界面を増やすことができる。これによって、熱抵抗が増加され、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動を抑制することができる。また、第１の実施の形態と同様に、断熱部材５０によっても、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動が抑制される。そのため、内部ケーシング２０の温度上昇を抑えることができる。
According to the
ここで、リング状の断熱部材５０の構成は、上記した構成に限られるものではない。図４は、第２の実施の形態の蒸気タービン１０において、他の構成の断熱部材５０を備えたときの、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０の一部の断面を拡大して示した図である。
Here, the configuration of the ring-shaped
図４に示すように、リング状の金属板５２と、この金属板５２の両表面に形成された断熱層５３とによってリング状の断熱部材５０を構成してもよい。
As shown in FIG. 4, a ring-shaped
金属板５２は、例えば、ダイアフラム外輪や内部ケーシングと同様に、高クロム鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケル合金などの金属部材で構成される。また、金属板５２は、図３に示した断熱部材５０と同様に、上半部および下半部の２分割構造で構成される。なお、分割数は、これに限られるものではなく、上半部および下半部において、それぞれさらに分割した構成としてもよい。
The
断熱層５３は、第１の実施の形態における断熱部材５０（断熱層５１）を構成する材料と同じ材料で構成される。断熱層５３の形成方法は、第１の実施の形態における断熱層５１の形成方法と同じである。
The
なお、ここでは、リング状の金属板５２の両表面に断熱層５３を形成した一例を示しているが、断熱層５３は、金属板５２の少なくとも一方の表面に形成されていればよい。すなわち、リング状の金属板５２と、この金属板５２の一方の表面に形成された断熱層５３とによってリング状の断熱部材５０を構成してもよい。
Here, an example in which the
リング状の金属板５２の少なくとも一方の表面に断熱層５３を備える構成のリング状の断熱部材５０においても、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下となるように構成されている。
The ring-shaped
この構成を備えるリング状の断熱部材５０においても、接触界面を増やすことができるため、熱抵抗が増加され、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動を抑制することができる。また、第１の実施の形態と同様に、断熱層５３によっても、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動が抑制される。
Also in the ring-shaped
（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態の蒸気タービン１２における、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０の一部の断面を拡大して示した図である。
(Third embodiment)
FIG. 5 is an enlarged view of a part of the diaphragm
図５に示すように、第３の実施の形態における断熱部材５０は、第１の実施の形態の断熱層５１の表面に耐摩耗層７０を備えた構成となっている。なお、図示しないが、耐摩耗層７０は、第２の実施の形態における、ダイアフラム外輪２５の突出部４０や内部ケーシング２０の突条部３１に接触する、断熱層５３の表面に形成されてもよい。すなわち、耐摩耗層７０は、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１または突条部３１の上流側の端面３２に接触する断熱層５１、５３の表面に形成される。
As shown in FIG. 5, the
耐摩耗層７０を構成する材料としては、例えば、金属素地にＷＣやＣｒＣなどの化合物を含有した材料などを使用することが好ましい。また、耐摩耗層７０を構成する材料としては、窒化処理やホウ化処理などを施して、金属の内部へ窒素やホウ素を拡散させて硬質な化合物を形成した材料などを使用することが好ましい。
As a material constituting the wear-
金属素地にＷＣやＣｒＣなどの化合物を含有した材料としては、例えば、サーメット（ＷＣ−Ｘ、ＣｒＣ−Ｘ、Ｘは金属元素でＮｉやＣｏなどを主成分とするものが好適）などを使用することができる。窒化処理やホウ化処理などを施して、金属の内部へ窒素やホウ素を拡散させて硬質な化合物を形成した材料としては、例えば、窒化物（ＴｉＮ，ＡｌＮ、Ｆｅ２−３Ｎ）、ホウ化物（ＦｅＢ、Ｆｅ２Ｂ）などを使用することができる。また、これら以外にも、例えば、クロミア（Ｃｒ２Ｏ３）、ダイアモンドライクカーボンなどを使用することができる。 As a material containing a compound such as WC or CrC in a metal substrate, for example, cermet (WC-X, CrC-X, where X is a metal element, preferably containing Ni or Co as a main component) is used. be able to. Subjected to such nitriding and boronizing, as the material forming the hard compound by diffusing nitrogen or boron into the interior of the metal, for example, nitrides (TiN, AlN, Fe 2 -3N ), borides ( FeB, Fe 2 B) and the like can be used. Besides these, for example, chromia (Cr 2 O 3 ), diamond-like carbon, or the like can be used.
なお、窒化処理は、アンモニアまたは窒素を含んだ雰囲気中に暴露し、表面に窒素を浸透させて硬化させる方法である。ホウ化処理は、ホウ素を侵入拡散させてホウ化層を生成する方法である。 The nitriding treatment is a method in which the surface is exposed to an atmosphere containing ammonia or nitrogen, and the surface is infiltrated with nitrogen to be cured. The boride treatment is a method for generating a boride layer by invading and diffusing boron.
耐摩耗層７０は、溶射、物理蒸着、化学蒸着、窒化処理、ホウ化処理などによって形成される。ここで、耐摩耗層７０の形成方法について、具体的に例示する。
The wear-
例えば、サーメットなどの耐磨耗材料を使用する場合、断熱層５１を形成後、断熱層５１の表面に、耐磨耗材料を溶射施工する。この際、耐磨耗材料は、例えば、高速火炎溶射されることが好適である。また、耐磨耗材料を溶射施工する前に、断熱層５１の表面をブラスト処理して、耐磨耗材料の機械的な密着性を向上させてもよい。 For example, when using a wear resistant material such as cermet, the wear resistant material is sprayed on the surface of the heat insulating layer 51 after the heat insulating layer 51 is formed. At this time, the wear-resistant material is preferably subjected to high-speed flame spraying, for example. In addition, before the wear resistant material is sprayed, the surface of the heat insulating layer 51 may be blasted to improve the mechanical adhesion of the wear resistant material.
さらに、断熱層５１と耐摩耗層７０との間に、これらを構成する材料の中間的な熱膨張係数を有する、ＭＣｒＡｌＹ合金（ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅなどを主成分とする金属元素）などによる中間層を設けてもよい。これにより、断熱層５１の熱応力が緩和される。
Further, between the heat insulating layer 51 and the wear
例えば、ダイアモンドライクカーボンなどの耐磨耗材料を使用する場合、断熱層５１を形成後、物理蒸着によってダイアモンドライクカーボンなどの耐摩耗層７０を形成する。
For example, when an abrasion resistant material such as diamond-like carbon is used, the abrasion-
例えば、上記した窒化処理やホウ化処理によって耐摩耗層７０を形成する場合、断熱層５１を形成後、断熱層５１の表面に、溶射により金属層（例えば、ＮｉやＣｏなどを主成分とする金属）を形成する。そして、金属層に窒化処理またはホウ化処理を施して、耐摩耗層７０を形成する。
For example, when the abrasion-
耐摩耗層７０の厚さは、耐摩耗性を維持するため、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であることが好ましい。耐摩耗層７０が接触する、ダイアフラム外輪２５の突出部４０や内部ケーシング２０の突条部３１のビッカース硬さが１５０〜２００ＨＶ程度であることから、耐摩耗層７０の硬さは、ビッカース硬さで２００ＨＶ以上であることが好ましい。
The thickness of the wear
ここで、蒸気タービン１０の起動時および停止時には、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０との熱伸びの違いによって、断熱部材５０は、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１または突条部３１の上流側の端面３２を摺動する。また、蒸気タービン１０の起動時における振動などによって、断熱部材５０は、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１または突条部３１の上流側の端面３２を摺動する。このような摺動によって、断熱部材５０（断熱層５１）には、摩耗が生じることがある。
Here, when the steam turbine 10 is started and stopped, the
そこで、第３の実施の形態の蒸気タービン１２によれば、上記したように、断熱層５１の表面に耐摩耗層７０を備えることで、断熱部材５０が端面４１や端面３２を摺動する場合でも、断熱層５１の摩耗を防止することができる。これによって、耐摩耗性に優れた断熱部材５０を構成することができる。また、第１の実施の形態と同様に、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動を抑制することができる。そのため、内部ケーシング２０の温度上昇を抑えることができる。
Therefore, according to the
なお、第２の実施の形態における断熱層５３の表面に耐摩耗層７０を形成した場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
Even when the wear-
（第４の実施の形態）
図６は、第４の実施の形態の蒸気タービン１３における、ダイアフラム外輪２５と内部ケーシング２０の一部の断面を拡大して示した図である。図７は、第４の実施の形態の蒸気タービン１３のダイアフラム外輪２５に形成された凹凸構造を説明するための、図６のＡ−Ａ断面を示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is an enlarged view of a partial cross section of the diaphragm
図６および図７に示すように、内部ケーシング２０の突条部３１の上流側の端面３２に接触する、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１は、凹凸構造で構成されている。この凹凸構造としては、例えば、図７に示すように、端面４１に半径方向に亘って貫通するスリット状の溝部８０を周方向に複数備えた構成とすることができる。溝部８０が形成された部分を除く端面４１は、突条部３１の上流側の端面３２に接触する。
As shown in FIGS. 6 and 7, the end surface 41 on the downstream side of the protruding
ここで、溝部８０が形成された部分を除く端面４１の面積は、溝部８０が形成されていない状態の端面４１の面積の１０〜５０％であることが好ましい。
Here, the area of the end surface 41 excluding the portion where the
溝部８０が形成された部分を除く端面４１の面積をこの範囲とすることで、端面４１と端面３２との接触面積が減少し、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動を抑制することができる。また、溝部８０が形成された部分を除く端面４１の面積に割合が最大となる場合においても、蒸気タービン１０の運転時においてダイアフラム外輪２５が内部ケーシング２０に押し付けられる際に発生する圧縮荷重に十分に耐えることができる。
By setting the area of the end surface 41 excluding the portion where the
ここで、凹凸構造は、上記した構成に限られるものではなく、溝部８０が形成された部分を除く端面４１の面積を溝部８０が形成されていない状態の端面４１の面積の１０〜５０％とする構成であればよい。凹凸構造としては、例えば、端面４１と端面３２の接触面における面圧や摺動の方向などに応じて、適正な構造を選択することが可能である。
Here, the concavo-convex structure is not limited to the above-described configuration, and the area of the end surface 41 excluding the portion where the
図８および図９は、第４の実施の形態の蒸気タービン１３のダイアフラム外輪２５に形成された他の構成の凹凸構造を説明するための、図６のＡ−Ａ断面を示す図である。
FIGS. 8 and 9 are cross-sectional views taken along line AA in FIG. 6 for explaining the uneven structure of another configuration formed in the diaphragm
図８に示すように、例えば、端面４１に周方向に亘ってスリット状の溝部８０を半径方向に複数備えた構成としてもよい。また、図９に示すように、例えば、端面４１に、例えば、複数の円柱状の溝部８０を備えた構成としてもよい。
As shown in FIG. 8, for example, the end surface 41 may have a plurality of slit-shaped
これらの場合においても、溝部８０が形成された部分を除く端面４１の面積は、溝部８０が形成されていない状態の端面４１の面積の１０〜５０％に設定される。
Also in these cases, the area of the end surface 41 excluding the portion where the
なお、ここでは、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１に凹凸構造を備えた一例を示しているが、凹凸構造は、内部ケーシング２０の突条部３１の上流側の端面３２に形成されてもよい。
Here, an example is shown in which an uneven structure is provided on the end surface 41 on the downstream side of the protruding
上記したように、第４の実施の形態の蒸気タービン１３によれば、ダイアフラム外輪２５の突出部４０の下流側の端面４１と内部ケーシング２０の突条部３１の上流側の端面３２との接触面積を減少させることで、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動を抑制することができる。そのため、内部ケーシング２０の温度上昇を抑えることができる。
As described above, according to the steam turbine 13 of the fourth embodiment, the contact between the downstream end surface 41 of the
ここで、上記した溝部８０に、前述した断熱層５１、５３を構成する材料を充填してもよい。なお、この材料は、断熱充填材として機能する。このように、溝部８０に充填材を充填することで、ダイアフラム外輪２５から内部ケーシング２０へ向かう熱移動を抑制しつつ、蒸気タービン１０の運転時においてダイアフラム外輪２５が内部ケーシング２０に押し付けられる際の圧縮荷重に対する強度を向上させることができる。
Here, the above-described
以上説明した実施形態によれば、静翼を支持するダイアフラム外輪を介してケーシングに熱が伝わるのを抑制し、ケーシングの温度上昇を抑えることが可能となる。 According to the embodiment described above, it is possible to suppress the heat from being transmitted to the casing via the diaphragm outer ring that supports the stationary blade, and to suppress the temperature rise of the casing.
なお、蒸気タービン１０としては、例えば、高温の蒸気が供給される、高圧タービンや中圧タービンなどが挙げられるが、これらに限られるものではない。ダイアフラム外輪２５から、このダイアフラム外輪２５に接触するケーシングへの熱移動を抑制することが必要な蒸気タービンに対して、本実施の形態の構成を適用することが可能である。また、本実施の形態では、二重構造のケーシングを備えた蒸気タービン１０を例示して説明したが、本実施の形態に係る構成は、一重構造のケーシングを備えた蒸気タービンに対しても適用することができる。
Examples of the steam turbine 10 include, but are not limited to, a high-pressure turbine and an intermediate-pressure turbine to which high-temperature steam is supplied. The configuration of the present embodiment can be applied to a steam turbine that needs to suppress heat transfer from the diaphragm
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１０，１１，１２，１３…蒸気タービン、２０…内部ケーシング、２１…外部ケーシング、２２…動翼、２３…タービンロータ、２３ａ…ロータディスク、２４…ロータ軸受、２５…ダイアフラム外輪、２６…静翼、２７…ダイアフラム内輪、２８…ノズルボックス、２９…スリーブ管、３０…排気流路、３１…突条部、３２，４１…端面、３３…グランドラビリンス部、３４…主蒸気管、４０…突出部、５０…断熱部材、５１，５３…断熱層、５２…金属板、６０…フランジ部、７０…耐摩耗層、８０…溝部。
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記ダイアフラム外輪と前記ケーシングとの接触面間に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の断熱部材を備えたことを特徴とする蒸気タービン。 A steam turbine comprising a casing inner ring, a diaphragm inner ring, a diaphragm outer ring, and a stationary blade supported between the diaphragm inner ring and the diaphragm outer ring,
A steam turbine comprising a heat insulating member having a thermal conductivity of 10 W / m · K or less between contact surfaces of the outer diaphragm ring and the casing.
前記ダイアフラム外輪と前記ケーシングとの接触面において、少なくとも一方の接触面が凹凸構造で構成されていることを特徴とする蒸気タービン。 A steam turbine comprising a diaphragm inner ring, a diaphragm outer ring, and a stationary blade supported between the diaphragm inner ring and the diaphragm outer ring inside a casing,
The steam turbine according to claim 1, wherein at least one contact surface of the contact surface between the diaphragm outer ring and the casing has an uneven structure.
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