JP3696657B2 - 復水タービン - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、生蒸気入口と、排気出口と、タービンローターを携えたタービンシャフトの領域でタービンケースを密封するための少なくとも２つのシールと、を備え、少なくとも１つのシールが生蒸気側に設けられ、１つのシールが排気側に設けられた復水タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
出口側の蒸気が増大された圧力で熱ネットワークに用いられる場合、背圧タービンのようなタイプの蒸気タービンが用いられる。復水タービンとして形成された他のタイプの構造において、蒸気の熱は、その完全な拡張により大気に対して真空へ下げるために用いられる。この結果は、復水タービンの外側シールが蒸気で満たされたタービンケース内への空気の進入を妨げるために適用されなければならないことである。
【０００３】
図６および図７は従来技術を示し、これによる復水タービンのタービンケースのシールＷ１は、ラビリンスの形をとって非接触方法で用いられている。このタイプのシールにおいて、シーリング効果における改良を得るために適当な処置が与えられなければならない。一般に、このような処置は、生蒸気および排気側で、事実上のシャフトシールＷ１の後ろに設けられたケース内部を形成する更なるシールＷ２により、およびＷ１およびＷ２の間にある環状チャンバーＳにより、実施され、障壁蒸気Ｓ１、Ｓ２により作用される。この蒸気の圧力は、全ての場合において外側へ生じる流れおよび空気の進入がちょうど不可能となるように選択されている。外側シールを通って流れる漏れ蒸気Ｌ１は、次に、適した環状チャンバーＬおよびラビリンスシールＷ３により、大気への流出を防止されなければならない。最後に、チャンバーＷは、残った漏れ蒸気／空気混合物が確実に抽出できることを保証する。
【０００４】
上述したシーリング処置のためのコストは、多量に逃れる蒸気が障壁蒸気コンデンサー内に排出されなければならず、使用される障壁蒸気の状態が熱タービン入口およびタービン出口の温度へ別々に調整されなければならないことから、非常に高価である。
【０００５】
さらに、固定圧縮機や飛行機エンジンのタービン構造における機械的表面シールの使用は公知である。ドイツ公開公報３５３３８２９号は、蒸気タービンの平衡ピストンに特に適したシール構造を開示している。蒸気タービン内にいりくんで設けられた内部平衡ピストンの代りにこのシールを使用することが開示されている。ここで、リフティング装置が、蒸気のウォームアップおよび圧縮段階の間、シールの領域に生じる損傷を防止するように作用する。リフティング装置は、タービンの停止や回転運動を保護するのにも適している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、生蒸気入口（ＦＤ）と、排気出口（ＡＤ）と、タービンローターを携えたタービンシャフト（ＴＷ）の領域でタービンケース（ＴＧ）を密封するための少なくとも２つのシール（Ｗａ、Ｗｂ）と、を備え、少なくとも１つのシール（Ｗａ）が生蒸気側に設けられ、１つのシール（Ｗｂ）が排気側に設けられた復水タービンを提供することにある。この復水タービンは、高価な障壁スチーム装置、多数のパイプライン、および圧縮装置を必要とせず、真空下でのタービン内部への外気の浸透を防止する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る復水タービンは、生蒸気入口（ＦＤ）と、排気出口（ＡＤ）と、タービンローターを携えたタービンシャフト（ＴＷ）の領域でタービンケース（ＴＧ）を密封するための少なくとも２つのシール（Ｗａ、Ｗｂ）と、を備え、少なくとも１つのシール（Ｗａ）が生蒸気側に設けられ、１つのシール（Ｗｂ）が排気側に設けられた復水タービンにおいて、少なくとも１つのシール（Ｗａ、Ｗｂ）のそれぞれは、上記生蒸気側および排気側でガス潤滑型の機械的表面シールとして用いられ、上記生蒸気側および排気側の上記機械的表面シール（Ｗａ、Ｗｂ）は、平衡ライン（ＡＧ）を通して外気圧より低い同一の真空により作動される各分割シール空間（ＤＲａ、ＤＲｂ）を密封し、上記機械的表面シール（Ｗａ、Ｗｂ）は、ガス潤滑に必要な流れが上記機械的表面シール（Ｗａ、Ｗｂ）を通って外気から上記タービンケース内部へ発生可能となる方法で実施および取付けられている。
【０００８】
また、この発明に係る復水タービンは、生蒸気入口（ＦＤ）と、排気出口（ＡＤ）と、タービンローターを携えたタービンシャフト（ＴＷ）の領域でタービンケースを密封するための少なくとも２つのシール（Ｗｄ、Ｗｂ）と、を備え、少なくとも１つのシール（Ｗｄ）が生蒸気側に設けられ、１つのシール（Ｗｂ）が排気側に設けられた復水タービンにおいて、少なくとも１つのシール（Ｗｄ、Ｗｂ）のそれぞれは、上記生蒸気側および排気側でガス潤滑型の機械的表面シールとして用いられ、上記生蒸気側で平衡ピストンシール（Ｗｄ）として機能する機械的表面シールは、上記タービンケースを通るシャフト通路を密封する機能も果し、上記タービンシャフト（ＴＷ）の軸受（ＡＬ）は、上記タービンシャフト（ＴＷ）上に作用する補償されない推力を吸収できるような方法で設けられている。
【０００９】
【作用】
機械的表面シールは、ガス潤滑に必要とされる流れが機械的表面シールを通って外気からケース内部へ生じることができるような方法で実施され或いは取付けられ、少なくとも１つのシールのそれぞれがガス潤滑型機械的表面シールとして生蒸気側および排気側で実施されるよう復水タービンを構成できる。生蒸気側および排気側のそれぞれの場合において最も外側の機械的表面シールは、ここで、平衡ラインＡＧを介して外気圧より下の同一の真空により作用されるシール空間を分割するように配置されている。
【００１０】
復水タービンの構造は、全ての作動状態において蒸気空間が空気の浸透から保護されることから、上記タイプの機械的表面シールの使用により非常に簡略化されている。特に、このことは、停止およびいわゆる回転動作を提供し、タービンシャフトが、適した装置を伴う低速回転により、一側上の熱を介した破壊から保護されている。上述した配列にもかかわらず、複数のラビリンスシールから成る外側シャフトラビリンスは、生蒸気および排気側のそれぞれで、全ての作動状態においてその機能を確かに果す１つの機械的表面シールにより置換えできる。高価な障壁蒸気装置、多数のパイプライン、および圧縮装置は、不要にできる。水−蒸気抽出器Ｗ（必要であれば）が、図６および図７によるところの従来技術のように配置される。
【００１１】
この発明の主題の更なる発展において、機械的表面シールは、流れがシーリングギャップを介してこの機械的表面シールの直径内側から外側へ或いは他の方向へ生じるような方法で復水タービン内に取付けできる。それゆえに、機械的表面シールのシーリング面内に組込まれるであろう空力的機能パターンが用意され、このパターンの作用方向は、機械的表面シールを介して外気からケース内部へ向う流れ方向と一致する。
【００１２】
軸受の圧力を軽減するため、主流に関して単一流れ構造の蒸気タービンは、通常、更なるシールの使用を必要とする平衡ピストンを備えている。この発明の主題の更なる発展において、最も外側の機械的表面シールの後ろの生蒸気側に挿入された平衡ピストンシールが用意され、この平衡ピストンシールは、同様に機械的表面シールとして構成されている。
【００１３】
この発明の目的は、既に開示された請求の範囲第１項によるところの構造と少なくとも同じくらい有利な方法で、請求の範囲第６項の特徴により達成できる。平衡ピストンシールとして作用する機械的表面シールもまた生蒸気側でタービンケースを通るシャフト通路を閉塞するという事実のため、１つの機械的表面シールおよび高価な部材を削減できる。タービンにおいて、タービン内に残った推力は、タービン段階で使い果たされた約１ｂａｒの圧力差から生じ、軸受は、全ての手段により、これらの力を吸収できるような方法で形成できる。ここで、軸受が最適な方法で運転中またはアイドリング中の推力を吸収するような方法でタービンシャフトの軸受を両軸方向寸法付けすることが可能である。
【００１４】
機械的表面シールの場合において、実質的な問題は、起動中或いは回転動作中の時間間隔に生じるようなタービンローターの非常に低い回転速度で、シールギャップの空力拡張が起らず或いは十分な範囲へ起らず、それによりシーリング面が増大された磨耗に晒されるという事実にある。それゆえに、起動中或いは回転動作中にシーリングギャップの十分な拡張を提供する補助手段を提供することが有利である。
【００１５】
ドイツ公開公報３５３３８２９号からの考えの採用において、拡張に必要とされる補助手段は、起動中および回転動作中にシーリングギャップの開口を必要な幅に許容する機械的に作用する部材から構成できる。
【００１６】
代案として、拡張に必要とされる補助手段は空力的に作用するように構成でき、蒸気供給が平衡ピストンシールを封入するシール空間内へ作用され、この蒸気供給がバルブを介して制御可能にされシール空間が十分な正圧である場合に通常の作動において遮断できる。復水タービンの場合においてこのことは特に必要であり、復水タービン内での分割冷却のためのシールを通る十分な流れは真空作動において生じないであろう。
【００１７】
生蒸気側の機械的表面シールに割れを生じる場合に起きる危険性は、緊急シールとして上流に設けられた少なくとも１つの従来のラビリンスシールにより、打ち消されることが可能となる。生蒸気側における機械的表面シールの下流に設けられた従来のラビリンスシールは、緊急シールとしての同様の目的を果す。
【００１８】
更なる安全処置は、少なくとも１つのラビリンスシールが緊急シールとして作用し、このシールの前および後ろの圧力差が計測され、予め決定された制限値が限度を超えた場合に蒸気タービンの緊急制止が成し遂げられるという事実にある。
【００１９】
機械的表面シールのシール作用を減ずる変形は、機械的表面シールおよび機械的表面シールを収容したシールケースが分割されずに、装置に設けられたタービンローター上へ閉塞リング部分として摺接されることにより防止できる。
【００２０】
【実施例】
以下、図面を参照しながらこの発明の実施例について詳細に説明する。
【００２１】
図１および図２は、この発明の実施例として用いられる機械的表面シールＷａ、Ｗｂ、Ｗｃの構造の実質的な部分を示す。高温に適した機械的表面シールは、非回転型スライドリング２を有し、スライドリング２は、第２シール３によりタービンケースＴＧ或いはシールケース１０へ移動可能に接続されている。スライドリング２は、回転相リング１或いはタービンシャフトＴＷ自体に対して第２シール３を介してばね４により押付けられている。シーリングギャップＤＳがリング１および２の間にある。幾何学的精度のため、相リング１は、精密中間リングによりタービンシャフトＴＷとともに回転できる。相リング１は、弾性的に作用するセンタリング部材７により中心に配置され、固定部材８により保持されている。シーリングリング９は、スライドリング２とローターＲとの間の漏れ流れを防止する。
【００２２】
対向するシーリング面で２〜３マイクロメータの深さを有するギャップ開口ポケットが形成された特別なパターンを有する機械的表面シールのシーリングギャップＤＳの形成により、シーリングギャップの水力的拡張が達成され、その結果として、相リング１の回転の補助を伴い、シールされる少量の流体がシールを介して運ばれる。従来の非接触ラビリンスシール（気密保持シール）と比較して、通過量は僅かであり、タービンの作動を妨げない。通過量は抽出システムによりコンデンサー内で減少できる。
【００２３】
図１および図２に示す復水タービンは、軸方向の推力の実質的に完成された釣合いを許容する。ブレードＢを有するローターＲは、タービンケースＴＧ内に配置され、その両側が平軸受ＧＬ内に保持されたタービンシャフトＴＷに設けられている。ローターＲは、残りの軸方向の推力を吸収するための少なくとも１つの軸方向軸受ＡＬを有する。更に、生蒸気ＦＤのフィードおよび排気ＡＤの排出が概略的に示されている。
【００２４】
復水タービンは３つの機械的表面シールＷａ、Ｗｂ、Ｗｃを有し、２つの外側の機械的表面シールＷａ、ＷｂはタービンケースＴＧを通るタービンシャフトＴＷの通路を密封する。これらの機械的表面シールＷａ、Ｗｂへ属するシール空間ＤＲａ、ＤＲｂは平衡ラインＡＧを介して互いに接続され、約０．０４ｂａｒの真空を有する。この真空のため、タービンによって運転される他の機構への適用と異なり、機械的表面シールを以下の方法で構成し或いは配置することが必要である。つまり、シーリングギャップＤＳに対する外側から内側への流れがガス潤滑を引起こし、この場合の流体が蒸気ではなく空気であるように構成し或いは配置することが必要である。図示の配列において、空力的に作用するパターンが結果的に配列されるように、機械的表面シールＷａ、Ｗｂを通ってその外側から内側へ直径方向に流れを生じる。しかし、機械的表面シールＷａ、Ｗｂは、例えば図３に示すような異なる方法で設けられても良い。全ての表現において、シーリングギャップＤＳでの流れの各方向は矢印によって認められる。
【００２５】
上述した復水タービンは、圧力平衡のための平衡ピストンを有し、この平衡ピストンの作用は、平衡ピストンシールＷｃとして作用する第３の機械的表面シールにより保証される。この第３の機械的表面シールの構造は他の２つの機械的表面シールＷａ、Ｗｂの構造と一致するが、従来の配列に従って設けられ、その内側から外側へ通る流れを生じる。通常の作動状態の下で、関連したシール空間ＤＲｃ内が正圧にされるが、この正圧は回転動作中に真空へ下げることができる。この場合のため、蒸気供給部Ｋ１が供給され、蒸気供給部Ｋ１により入射流れに十分な正圧がもとに戻される。バルブＶは、通常動作中の蒸気圧の制御或いは蒸気供給の遮断を許容する。
【００２６】
蒸気タービンの平衡ピストンでの平衡ピストンシールＷｃの使用により、タービンの効率をかなり増大できる。その上、パイプラインの製造コストおよびタービンケースＴＧ内への蒸気の再導入コストがかなり減少される。
【００２７】
生蒸気側の機械的表面シールＷａ、Ｗｃの破裂の場合に望ましくない蒸気の漏れが生じないように、平衡ピストンシールＷｃに関して上流に設けられた緊急シール５および下流に設けられた緊急シール６が設けられている。同様に安全性を増大するため、緊急シール５、６の手前および後ろの圧力ＰｗおよびＰｋの圧力差が検出され、この圧力差は、許容できる制限値が限度を超えた場合にタービンの緊急遮断を始めることができる。
【００２８】
図４および図５によるところの他の実施例に係る復水タービンは、基本構成において図１および図２に示した復水タービンと一致し、この点での反復説明を不要にすることができる。決定的な違いは、平衡ピストンシールＷｄが生蒸気側のシャフト通路を密封する機能を果すことにあり、そのため、図１によるところの機械的表面シールＷａが削除されている。しかしながら、このことは、圧縮部分の静水圧平衡の欠乏を生じる。これらの圧力を吸収するため、軸方向の軸受ＡＬは適切な寸法でなければならない。
【００２９】
リング１および２の領域内での変形を避けるため、分割しないシールケース１０が用いられ、シールケース１０はタービンケースを開くことなく組立できる。
【００３０】
尚、この発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変形可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の復水タービンは、タービンケースを密封するための少なくとも２つのシールを有し、高価な障壁スチーム装置、多数のパイプライン、および圧縮装置を必要とせず、真空下でのタービン内部への外気の浸透を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施例に係る復水タービンの左側半分を示す断面図。
【図２】図２は、図１の復水タービンの右側半分を示す断面図。
【図３】図３は、図２の復水タービンに組込まれた機械的表面シールＷｂの他の実施例としての機械的表面シールＷｅを示す断面図。
【図４】図４は、この発明の他の実施例に係る復水タービンの左側半分を示す断面図。
【図５】図５は、図４の復水タービンの右側半分を示す断面図。
【図６】図６は、従来の復水タービンの左側半分を示す断面図。
【図７】図７は、図６の従来の復水タービンの右側半分を示す断面図。
【符号の説明】
１…回転相リング、
２…非回転型スライドリング、
３…第２シール、
４…ばね、
５、６…緊急シール、
７…センタリング部材、
８…固定部材、
９…シーリングリング、
１０…シールケース、
ＡＤ…排気、
ＡＧ…平衡ライン、
ＡＬ…軸方向軸受、
Ｂ…ブレード、
ＤＲａ、ＤＲｂ、ＤＲｃ、ＤＲｄ…シール空間、
ＤＳ…シーリングギャップ、
ＦＤ…生蒸気、
Ｋ１…蒸気供給部、
Ｐｋ、Ｐｗ…圧力、
Ｒ…ローター、
ＴＧ…タービンケース、
ＴＷ…タービンシャフト、
Ｖ…バルブ、
Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅ…機械的表面シール。

Claims (13)

1. 生蒸気入口（ＦＤ）と、排気出口（ＡＤ）と、タービンローターを携えたタービンシャフト（ＴＷ）の領域でタービンケース（ＴＧ）を密封するための少なくとも２つのシール（Ｗａ、Ｗｂ）と、を備え、少なくとも１つのシール（Ｗａ）が生蒸気側に設けられ、１つのシール（Ｗｂ）が排気側に設けられた復水タービンにおいて、
   少なくとも１つのシール（Ｗａ、Ｗｂ）のそれぞれは、上記生蒸気側および排気側でガス潤滑型の機械的表面シールとして用いられ、上記生蒸気側および排気側の上記機械的表面シール（Ｗａ、Ｗｂ）は、平衡ライン（ＡＧ）を通して外気圧より低い同一の真空により作動される各分割シール空間（ＤＲａ、ＤＲｂ）を密封し、上記機械的表面シール（Ｗａ、Ｗｂ）は、ガス潤滑に必要な流れが上記機械的表面シール（Ｗａ、Ｗｂ）を通って外気から上記タービンケース内部へ発生可能となる方法で実施および取付けられていることを特徴とする復水タービン。
2. 空力的作用パターンが上記機械的表面シール（Ｗａ、Ｗｂ）のシール面に設けられ、上記パターンの作用方向は、上記機械的表面シール（Ｗａ、Ｗｂ）を通る上記外気から上記タービンケース内部への流れの方向と一致することを特徴とする請求項１に記載の復水タービン。
3. 平衡ピストンシール（Ｗｃ）が上記生蒸気側で最も後方の機械的表面シール（Ｗａ）の後ろに挿入され、上記平衡ピストンシール（Ｗｃ）は同様に機械的表面シールとして構成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の復水タービン。
4. 生蒸気入口（ＦＤ）と、排気出口（ＡＤ）と、タービンローターを携えたタービンシャフト（ＴＷ）の領域でタービンケースを密封するための少なくとも２つのシール（Ｗｄ、Ｗｂ）と、を備え、少なくとも１つのシール（Ｗｄ）が生蒸気側に設けられ、１つのシール（Ｗｂ）が排気側に設けられた復水タービンにおいて、
   少なくとも１つのシール（Ｗｄ、Ｗｂ）のそれぞれは、上記生蒸気側および排気側でガス潤滑型の機械的表面シールとして用いられ、上記生蒸気側で平衡ピストンシール（Ｗｄ）として機能する機械的表面シールは、上記タービンケースを通るシャフト通路を密封する機能も果し、上記タービンシャフト（ＴＷ）の軸受（ＡＬ）は、上記タービンシャフト（ＴＷ）上に作用する補償されない推力を吸収できるような方法で寸法が設けられていることを特徴とする復水タービン。
5. 上記タービンシャフト（ＴＷ）の上記軸受（ＡＬ）は、上記タービンシャフト上で作動し平衡ピストンにより釣合わされないブレードの残りの推力を吸収できるような方法で寸法が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の復水タービン。
6. 上記タービンシャフト（ＴＷ）の上記軸受（ＡＬ）は、アイドリング中および運転中に上記タービンシャフトに作用する推力を両方の軸方向で吸収できるような方法で寸法が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の復水タービン。
7. 上記平衡ピストンシール（Ｗｄ）のシーリングギャップが起動および回転動作中に拡張可能となる補助手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の復水タービン。
8. 拡張のために必要とされる上記補助手段は、起動中および回転動作中に、必要とされる幅への上記シーリングギャップの開放を許容する機械的作動部材から成ることを特徴とする請求項７に記載の復水タービン。
9. 拡張のために必要とされる上記補助手段は空力的に機能し、蒸気供給部（Ｋ１）は蒸気平衡ピストンシール（Ｗｃ）を含むシール空間（ＤＲｃ）内へ作用され、上記蒸気供給部（Ｋ１）は回転動作中に正圧を生じ、通常動作中にバルブ（Ｖ）により遮断できることを特徴とする請求項７に記載の復水タービン。
10. 上記平衡ピストンシール（Ｗｃ）の上流に緊急シールとして従来のラビリンスシールが設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の復水タービン。
11. 上記平衡ピストンシール（Ｗｃ）の下流に緊急シールとして従来のラビリンスシールが設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の復水タービン。
12. 緊急シールとして機能する少なくとも１つのラビリンスシールの前および後ろにおける圧力差が計測され、予め決定された制限値が限度を超えた場合に上記蒸気タービンが緊急制止されることを特徴とする請求項１０または１１のいずれかに記載の復水タービン。
13. 機械的表面シールおよび／或いは機械的表面シールを収容するシールケースは、装置に設けられた上記タービンローターに離れずに閉塞リング部材として摺接されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の復水タービン。

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