JP4532507B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、内部車室と回転可能に支持されたタービン軸とを備えた流体機械に関する。

本発明における流体機械としての蒸気タービンは、蒸気の形をした作動媒体で貫流される各タービンあるいは部分タービンを意味する。それに対して、ガスタービンは作動媒体としてガスおよび／又は空気で貫流され、その作動媒体は、蒸気タービンにおける作動媒体と全く異なった温度・圧力条件となっている。蒸気タービンの場合、ガスタービンと異なり、例えば部分タービンに流入する最高温度の作動媒体は同時に最高圧力を有する。蒸気タービンは、通常、羽根が付けられ回転可能に支持されたタービン軸を有し、このタービン軸は内部車室の中に配置されている。内部車室で形成された流れ室の内部を高温高圧の蒸気が貫流する際、タービン軸は羽根を介して蒸気によって回転される。

タービン軸の羽根は動翼とも呼ばれる。また、内部車室に、通常、動翼間の中間室に突出する静翼が取り付けられている。内部車室はハウジングシュラウドとも呼ぶ。通常、蒸気タービン車室の内側面に沿って最初の箇所に、静翼が保持されている。この静翼は、通常、内部車室の内周面に沿って配置された多数の静翼を有する静翼列（静翼輪）の一部である。各静翼はその翼形部（羽根）が半径方向内側に延びている。

蒸気タービンあるいは蒸気部分タービンは、高圧部分タービン、中圧部分タービンあるいは低圧部分タービンに分けられる。高圧部分タービンにおける入口温度は６００℃、入口圧力は３００バールである。

高圧蒸気タービンと中圧蒸気タービンとが複合された単車室蒸気タービンが知られている。その蒸気タービンは、１つの共通車室と１つの共通タービン軸で特色づけられ、コンパクト部分タービンとも呼ばれる。

高蒸気状態に対する蒸気タービンの場合、通常、高クロム材料から成る材料が採用されている。高クロム材料は、通常、９〜１２重量％Ｃｒのクロム鋼である。従来、内部車室に対する材料として、タービン軸に採用されている材料と同じ材料が採用されていた。このために必然的に、タービン軸と車室における熱膨張係数が同じとなる。タービン軸および内部車室に対する高クロム材料の利用は蒸気タービンを高価にする。

本発明の課題は、内部車室と回転可能に支持されたタービン軸とを備えた流体機械、特に蒸気タービンを、製造上において単純に設計できるようにすることにある。

この課題は、内部車室と回転可能に支持されたタービン軸とを備えた流体機械において、内部車室とタービン軸とが異なった材料で作られ、内部車室が、タービン軸を形成する材料より小さな耐熱強度の材料で作られ、タービン軸が９〜１２重量％Ｃｒのクロム鋼で作られ、内部車室が１〜２重量％Ｃｒのクロム鋼で作られていることによって解決される。

本発明は、タービン軸並びに内部車室に対して同じ高クロム材料の採用が必要とされないという認識に基づいている。タービン軸と内部車室に採用される材料の高蒸気状態における熱膨張が所定の許容公差より小さいことが新たに確認された。

従来において、流体機械特に蒸気タービンを製造する際、タービン軸並びに内部車室に対して同じ材料が採用されていた。蒸気タービンを速やかに製造するために、内部車室およびタービン軸に対する材料がいつでも利用できねばならない。内部車室とタービン軸に対して異なった材料を採用するという本発明に基づく提案によって、蒸気タービンを製造上において単純に形成することが可能となる。

内部車室に対してタービン軸の材料より小さな耐熱強度の材料を採用することによって、大きな耐熱強度の材料が一般に小さな耐熱強度の材料より高価であるので、流体機械を安価に製造することが可能となる。

また、内部車室に対して、タービン軸に採用される材料に比べて小さな耐熱強度の材料を採用する可能性が得られている。また、内部車室に採用される材料は大きな機械的強度を有する。耐熱強度とは、高温時における許容応力負荷を意味する。

９〜１２重量％Ｃｒのクロム鋼は、特に高蒸気状態におけるタービン軸に対する採用にとって必要である大きな耐熱強度を有する。１〜２重量％Ｃｒのクロム鋼は、確かに、９〜１２重量％Ｃｒのクロム鋼より小さな耐熱強度を有するが、大きな機械的強度を有する。従って、１〜２重量％Ｃｒのクロム鋼は僅かな熱的負荷を受ける領域に非常に良好に適用される。特にこのクロム鋼は高蒸気状態の蒸気タービンにおける内部車室に適用される。

好適には、内部車室およびタービン軸は、５５０℃以上の温度で採用するために形成された少なくとも部分的な部位を有している。

内部車室とタービン軸に対する異なった材料の採用は、蒸気タービン、高圧部分タービン、中圧部分タービン、中圧高圧複合部分タービン、あるいは中圧低圧複合部分タービンに特に適している。ポンプ、圧縮機、ガスタービンあるいはコンプレッサにも、同様に異なった材料が採用できる。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお同一符号が付された構成要素は同じ機能を有する。

図には、コンパクト蒸気タービン１が断面図で示されている。コンパクト蒸気タービン１は外部車室２を有し、この外部車室２の中に、タービン軸３が回転軸線４を中心に回転可能に支持されている。コンパクト蒸気タービン１は、高圧部６と中圧部７を備えた内部車室５を有している。高圧部６に多数の静翼８が設けられている。

同様に中圧部７に多数の静翼９が設けられている。タービン軸３は軸受１０、１１によって回転可能に支持されている。内部車室５は外部車室２に結合されている。

蒸気タービン１は高圧部分１２と中圧部分１３を有している。高圧部分１２に動翼１４が設けられている。中圧部分１３にも同様に、動翼１５が設けられている。

温度５５０℃以上で圧力２５０バール以上の生蒸気が、高圧部入口室１６に流入する。その生蒸気は高圧部分１２における個々の静翼８および動翼１４を通過して流れ、その際、膨張し、冷える。少なくともこの領域において、内部車室５とタービン軸３は、５５０℃以上の温度に対して設計されねばならない。生蒸気の熱エネルギはタービン軸３の回転エネルギに変換される。これによって、タービン軸３は回転軸線４を中心として回転される。

その蒸気は、高圧部を貫流後、高圧部排気室１７から図示されていない再熱器に導かれ、そこで高温高圧にされる。この再熱蒸気は、続いて、図示されていない配管を介して、コンパクト蒸気タービン１の中圧部入口室１８に流入する。この場合、再熱器で過熱された蒸気は、動翼１５および静翼９を通過して流れ、これによって、膨張し冷える。再熱蒸気の内部エネルギは、タービン軸３を回転させる運動エネルギに転換される。中圧部７から流出する膨張済み蒸気は、中圧部排気室１９を介してコンパクト蒸気タービン１から流出する。この流出する膨張済み蒸気は、図示されていない低圧部分タービンに送られる。

タービン軸３は軸受部位２３において内部車室５で支持されている。動翼１４、１５は詳細に示されていない。生蒸気はまず、タービン軸３の中央部位１６に流入し、高圧部６において膨張する。その際、生蒸気は冷える。高圧部からの膨張済み蒸気は、再熱後、高温で再び中央部位１８に導かれる。再熱蒸気はまず、中圧部入口室１８の箇所でタービン軸３に流入し、膨張し、中圧部７に沿って冷える。中圧部７で膨張した冷却済み蒸気は、続いて、コンパクト蒸気タービン１から流出する。タービン軸３は耐熱材料から成る。その耐熱材料は９〜１２重量％Ｃｒのクロム鋼である。内部車室５はそれと異なった材料で作られている。特に内部車室５は、タービン軸３を形成する材料より小さな耐熱強度の材料で作られている。

内部車室は特に１〜２重量％Ｃｒのクロム鋼で作られている。

タービン軸３、高圧部分タービン、中圧部分タービン、中圧高圧複合部分タービンや中圧低圧複合部分タービンの内部車室５、ポンプ、圧縮機、ガスタービンあるいはコンプレッサに対して、異なった材料が採用される。

コンパクト蒸気タービンの断面図。

符号の説明

１ 流体機械、蒸気タービン
３ タービン軸
５ 内部車室

Claims (7)

1. 内部車室（５）と回転可能に支持されたタービン軸（３）とを備えた流体機械（１）において、内部車室（５）とタービン軸（３）とが異なった材料で作られ、内部車室（５）が、タービン軸（３）を形成する材料より小さな耐熱強度の材料で作られ、タービン軸（３）が９〜１２重量％Ｃｒのクロム鋼で作られ、内部車室（５）が１〜２重量％Ｃｒのクロム鋼で作られていることを特徴とする流体機械（１）。
2. 内部車室（５）とタービン軸（３）とが、５５０℃以上の温度下で使用するために形成された少なくとも部分的な部位を有していることを特徴とする請求項１に記載の流体機械（１）。
3. 蒸気タービンとして形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械（１）。
4. 高圧部分タービンとして形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械（１）。
5. 中圧部分タービンとして形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械（１）。
6. 中圧高圧複合部分タービンとして形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械（１）。
7. 中圧低圧複合部分タービンとして形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械（１）。

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