JP4990365B2 - 流体機械用ロータ - Google Patents

Description

本発明は、車室とロータを有し、その車室が外部冷却媒体を導入するための供給路を有し、ロータが少なくとも部分的に中空に形成されている蒸気タービンに関する。

蒸気タービンの効率を高めるためにより高温高圧の蒸気が利用される。そのような蒸気状態の蒸気の利用は蒸気タービンに厳しい要件を課する。

本件出願における蒸気タービンとは、蒸気の形態の作動媒体で貫流されるタービンあるいは部分タービンを意味する。これと異なり、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、蒸気タービンにおける蒸気とは全く異なった温度・圧力条件を基礎としている。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を貫流する極めて高温の作動媒体は同時に極めて高い圧力を有する。ガスタービンの場合のような開放冷却系は外部供給無しには実現できない。蒸気タービンは、通常、車室の内部に回転可能に配置され多数の翼が取り付けられたロータを有している。そのロータは、車室で形成された流れ空間を高温高圧蒸気が貫流する際、蒸気により翼を介して回転させられる。ロータに取り付けられた翼は動翼とも呼ばれる。また通常、車室に多数の静翼（案内羽根）が取り付けられ、これらの静翼は動翼間の隙間の中に延びている。静翼は、通常、蒸気タービン車室の内周面に沿って保持されている。その静翼は、通常、蒸気タービン車室の内側における内周面に沿って配置された多数の静翼から成る静翼輪の一部分である。各静翼はその翼形部（羽根部）が半径方向内側に延びている。軸方向広がりに沿った一箇所における静翼輪は静翼列とも呼ばれる。通常、多数の静翼列が連続して配置されている。

効率を向上する際に冷却が大きな問題となる。蒸気タービン車室を冷却する従来公知の冷却方式において、能動式冷却と受動式冷却に分けられる。能動式冷却の場合、蒸気タービン車室に別個に供給される冷却媒体、即ち、作動媒体に対して追加的に供給される冷却媒体によって冷却が行われる。これに対して、受動式冷却は作動媒体の適切な案内あるいは利用だけで行われる。蒸気タービン車室の公知の冷却は受動式冷却に限られている。例えば蒸気タービンの内部車室を既に膨張して冷えた蒸気で洗流することが知られている。しかしこの方式は、内部車室壁にわたる温度差が大き過ぎる場合に内部車室が熱応力で大きく変形してしまうので、その温度差が制限されねばならないという欠点がある。内部車室に冷却蒸気が流される場合に確かに放熱が行われるが、その放熱は入熱箇所からかなり離れた箇所で行われる。入熱箇所の直ぐ近くにおける放熱は、従来では十分に実施されなかった。異なった受動式冷却は、いわゆる斜流段における作動媒体の適切な膨張形成によって達成される。もっともこの場合、車室について極めて限定された冷却作用しか得られない。

蒸気タービン車室の内部に回転可能に支持された蒸気タービンロータは、運転中に熱的に大きく負荷される。蒸気タービンロータの開発および製造は高い経費がかかり且つ時間もかかる。蒸気タービンロータは蒸気タービンにおける最も大きく負荷される最も高価な構成要素である。これは高温蒸気タービンにおいてますます当てはまる。

蒸気タービンロータはこれが冷熱源を自由に使えないという特性を有する。従って、蒸気タービンロータに配置された動翼の冷却が困難である。

蒸気タービンロータにおいてピストン部位および（蒸気）入口室部位が特に熱的に大きく負荷される。そのピストン部位とはスラストつりあいピストンの部位を意味する。スラストつりあいピストンは蒸気タービンにおいて、作動媒体によってロータに一方向に向けて引き起こされる力に対抗して逆方向に反力が発生されるように作用する。

特許文献１に蒸気タービンロータの冷却方式が記載されている。そこではコンパクト部分タービンないし高圧・中圧部分タービンのロータに、冷却媒体が貫流できる連通路が設けられている。その場合、異なった２つの膨張区域間に制御可能なバイパスが形成されないという欠点がある。また、不安定運転の問題が起こり得る。

また、高温に適用される蒸気タービンを形成することが望まれる。

欧州特許第０９９１８５０号明細書

本発明の課題は、高い蒸気温度で運転できる蒸気タービンを提供することにある。

この課題は、車室とロータを有し、その車室が外部冷却媒体を導入するための供給路を有し、ロータが少なくとも部分的に中空に形成されている蒸気タービンであって、ロータの空洞に冷却媒体を導入するための供給路を有しており、また、ロータがタイロッドによって固く締付け固定された３個のタービン円板で構成され、前記タービン円板がトルク伝達用のかみ合い歯を有し、前記かみ合い歯が、隣り合うタービン円板間を冷却媒体が流れるように形成されており、かつ、前記かみ合い歯が貫流開口を有していることを特徴とする蒸気タービンによって解決される。

従って本発明によって、外部冷却媒体を蒸気タービンのロータに導入することを提案し、その冷却媒体はロータの適切な箇所に導かれる。その適切な箇所として空洞が利用される。その空洞が熱的に大きく負荷される箇所に設けられていることが目的に適っている。

外部冷却媒体が蒸気タービンに導入され、スラストつりあいピストンのような熱的に大きく負荷される部分を直接冷却する従来公知の方法が、本発明に応じて、冷却媒体が車室の貫流後にロータの空洞に導かれることによって改善される。そのために冷却蒸気は、この冷却蒸気が空洞に導入できるようにするために、（蒸気）入口圧力より高い圧力を有していなければならない。

本発明に基づく冷却原理の利点は冷却媒体の温度が調整できることにある。通常、蒸気タービンは種々の負荷で利用される。即ち、蒸気タービンは例えば全負荷運転あるいは部分負荷運転で運転される。異なった負荷運転における冷却要件は異なり、従って、蒸気タービンの部分負荷運転時における冷却についての要求は全負荷運転時におけるより小さい。

従って、全負荷運転時においては、より多量の冷却媒体ないし冷却媒体のより低い温度が必要とされ、これは本発明に基づいて、冷却媒体の温度が容易に調節できるので簡単にできる。

有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

即ち、本発明は、冷却媒体がロータ冷却路を介して空洞から流出されるようにロータが形成されていることによって有利に実施される。冷却媒体はまず外部配管を介して車室を通してロータの空洞に導かれ、続いて適切な箇所でロータから再び主流（作動媒体）に合流する。その場合、冷却媒体はロータの空洞内を流れ、ロータを内側から冷却する。その下流における一箇所あるいは数箇所で冷却媒体はロータから流出する。

この処置によって、冷却媒体はいわば２つの目的を果たし、即ち、一方では、冷却媒体はロータを適切な箇所で冷却し、他方では、冷却媒体が主流（作動媒体）に再び導入され、静翼および動翼で仕事をすることによって、効率向上に貢献する。

有利な実施態様において、この供給路が蒸気入口室の部位に配置されている。蒸気入口室の部位が非常に大きく熱的に負荷され、大きな冷却作用を必要とするので、その適切な箇所は供給路となる。

他の有利な実施態様において、この供給路はスラストつりあいピストンのそばに配置されている。これによって、冷却媒体はそれがロータの空洞に供給される前にスラストつりあいピストンを冷却することができる。そのスラストつりあいピストンは特に全負荷運転中に熱的に大きく負荷される。

有利な実施態様において、ロータは、その中を冷却媒体が貫流するように形成された動翼を有している。これによって、ロータのほかに動翼も冷却されるという利点が得られる。その場合、好適には、ガスタービン技術で公知の動翼膜冷却が利用される。このようにして、翼脚あるいはロータの熱的に大きく負荷される他の部位も有効に冷却できる。

有利な実施態様において、ロータはタイロッドによって固く締付け固定された複数のタービン円板で構成されている。

また、タービン円板がトルク伝達用のかみ合い歯を有していることも有利である。これによって、ロータを異なった材料で形成することができる。例えば、熱的に大きな負荷を受けるタービン円板より低い熱的負荷を受けるタービン円板を、安価であるが熱的負荷に耐える材料で形成することが考えられる。

他の有利な実施態様において、かみ合い歯は隣り合うタービン円板間を冷却媒体が流れるように形成されている。そのために、かみ合い歯はその歯が貫流開口を有するように形成されている。例えばいわゆるハース歯（鋸状歯）に流路が設けられる。この流路を通して冷却媒体が流れる。この実施態様は、冷却媒体が半径方向路を通して貫流するために補助的な孔が設けられる必要がないという利点を有する。そのようなロータにおける追加的な孔は追加的切欠き効果によって応力集中を生じさせる。冷却媒体がかみ合い歯を通して導かれる場合、そのような応力集中は生じない。

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一機能を有する。

従来における蒸気タービンの縦断面図。 蒸気タービンのロータおよび車室の一部の縦断面図。 ロータの縦断面図。 かみ合い歯の断面図。 かみ合い歯の異なった実施例の断面図。

図１に従来における高圧部分タービン１が縦断面図で示されている。蒸気タービンの形態としての高圧部分タービン１は、外部車室２とその中に配置された内部車室３とを有している。内部車室３内にロータ５が回転軸線６を中心として回転可能に支持されている。ロータ５はその外周面における溝に配置された多数の動翼７を有している。内部車室３はその内周面における溝に配置された多数の静翼８を有している。静翼８および動翼７は、流れ方向１３に流路９が形成されるように配置されている。高圧部分タービン１は（蒸気）入口室１０を有し、運転中にこの入口室１０を通して生蒸気（主蒸気）が高圧部分タービン１に流入する。その生蒸気は圧力３００バール以上、温度６２０℃以上の蒸気パラメータを有する。流れ方向１３に膨張する生蒸気は、静翼８と静翼７を互い違いに通過して流れ、膨張し、冷える。この場合、蒸気はその内部エネルギをロータ５の回転エネルギに転換して失う。ロータ５の回転は最終的に給電するための発電機（図示せず）を駆動する。高圧部分タービン１は勿論、発電機以外の他の設備構成要素、例えば圧縮機や船舶スクリューなども駆動できる。その蒸気は流路９を貫流し、高圧部分タービン１から排気室３３を通って流出する。この場合、蒸気はロータ５に流れ方向１３にスラスト１１を与える。その結果、ロータ５は流れ方向１３に変位させられる。しかしロータ５の実際の変位はつりあいピストン４によって防止される。これは、つりあいピストン前室１２に蒸気が相応した圧力で流入されることにより行われ、その蒸気は、つりあいピストン前室１２内に形成される圧力により、流れ方向１３と逆向きの力を生じさせる。その力は理想的にはスラスト１１と丁度同じ大きさにされる。つりあいピストン前室１２に流入される蒸気は、通常、極めて高い蒸気パラメータを有する抽気生蒸気である。従って、入口室１０およびロータ５のつりあいピストン４は熱的に大きく負荷される。

図２に蒸気タービン１の一部が示されている。この蒸気タービンは車室３９を有している。図２では理解を容易にするために車室３９の一部しか示されていない。その車室３９は内部車室３でも外部車室２でもよい。

図２における蒸気タービンは本発明に基づいて、車室３９が外部冷却媒体２１を導入するための供給路２０を有するように形成されている。ロータ５は少なくとも部分的に中空に形成されている。従ってこのロータ５は空洞２２を有している。ロータ５は外部冷却媒体２１を導入するための供給路２３を有している。冷却媒体２１は供給路２０と供給路２３を介して空洞２２に導かれる。冷却媒体２１の最初の冷却作用は既に車室３９において供給路２０の部位で得られる。目的に適って、供給路２０は入口室１０の近くに配置されている。入口室１０はそこから生蒸気が流入するので特に熱的に大きく負荷される。冷却媒体２１は供給路２０から供給路２３に導かれ、空洞２２の中に流入する。その冷却媒体２１は相応した圧力を有する必要がある。

供給路２３は半径方向の孔によって形成される。例えば傾斜して延びる供給路のような異なった形態も考えられる。

理解を容易にするために、図２には静翼８も動翼７も示されていない。ロータ５は冷却媒体２１がロータ冷却路２４を介して空洞２２から流出するように形成されている。

供給路２３をつりあいピストン４のそばに配置することができる。これはつりあいピストン４が特に熱的に大きく負荷されるので有利な形態である。

ロータ冷却路２４から流出する冷却媒体２１は、入口室１０からやって来る通常は蒸気である作動媒体と混合される。冷却媒体２１は特に供給路２３からは空洞２２の内側面２５でロータ５を冷却する。

蒸気タービン１はその中を冷却媒体２１が貫流するように形成された動翼７を有するように形成できる。これによって動翼７は冷却される。その動翼７は数個の貫流開口を有する。動翼７はいわゆる膜冷却によって冷却される。なお膜冷却はガスタービン技術では公知である。

好適には、ロータ５は、動翼脚、つりあいピストン４あるいは熱的に大きく負荷される他の危険部位が冷却されるように形成されている。

図２に示されたロータ５は２個の部分ロータ２７、２８を溶接継手２６で溶接して構成されている。これは、熱的に大きく負荷される第１部分ロータ２７が、熱的に異なって負荷される第２ロータ部分２８とは異なった材料で形成されるという利点を有する。ロータ５を単一材料で、即ち、溶接継手２６無しに形成することも勿論できる。

図３に、３個のタービン円板２９、３０、３１で構成されたロータが示されている。ロータ５は異なった形態において２個のタービン円板だけで構成することもできる。３個のタービン円板２９、３０、３１はタイロッド３２によって固く締付け固定されている。そのために、タイロッド３２は端部に雄ねじ３４を有している。そのタイロッド３２の回転によって、タイロッド３２が軸方向に動き、これによって、３個のタービン円板２９、３０、３１が圧着結合される。３個のタービン円板２９、３０、３１がそれらの接触箇所３５、３６にトルク伝達用のかみ合い歯を有していると目的に適っている。このかみ合い歯はハース（Hirth）歯（鋸状歯）、矩形歯あるいは台形歯として形成することができる。

図４にかみ合い歯３７、３８の第１実施例が示されている。そのかみ合い歯３７、３８は三角形歯３７として形成されている。そのかみ合い歯３７は供給路２３が生ずるように形成されている。その供給路２３を通して冷却媒体２１が流れる。

図５にかみ合い歯３７、３８の異なった実施例が示されている。図５に示されたかみ合い歯３８は台形歯として形成されている。その台形歯３８は、冷却媒体２１が流れる供給路２３が生ずるように形成されている。

２ 外部車室
３ 内部車室
５ ロータ
７ 動翼
８ 静翼
２０ 供給路
２１ 冷却媒体
２３ 供給路
２４ ロータ冷却路
２９ タービン円板
３０ タービン円板
３１ タービン円板
３７ かみ合い歯
３８ かみ合い歯

Claims (11)

1. 車室（２、３、３９）とロータ（５）を有し、その車室（２、３、３９）が外部冷却媒体（２１）を導入するための供給路（２０）を有し、ロータ（５）が少なくとも部分的に中空に形成されている蒸気タービンであって、
   ロータ（５）がこのロータ（５）の空洞（２２）に外部冷却媒体（２１）を導入するための供給路（２３）を有しており、
   また、ロータ（５）がタイロッド（３２）によって固く締付け固定された３個のタービン円板（２９、３０、３１）で構成され、前記タービン円板（２９、３０、３１）がトルク伝達用のかみ合い歯（３７、３８）を有し、前記かみ合い歯（３７、３８）が、隣り合うタービン円板間を冷却媒体（２１）が流れるように形成されており、かつ、前記かみ合い歯（３７、３８）が貫流開口を有していることを特徴とする蒸気タービン。
2. ロータ（５）が、冷却媒体（２１）がロータ冷却路（２４）を介して空洞（２２）から流出されるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 供給路（２３）が入口室（１０）の部位に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービン。
4. 供給路（２３）がつりあいピストン（４）のそばに配置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つに記載の蒸気タービン。
5. 運転中にロータ（５）から流出する冷却媒体（２１）が作動媒体と混合されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
6. ロータ（５）が、その中を冷却媒体（２１）が貫流するように形成された動翼（７）を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
7. 動翼（７）が膜冷却によって冷却されることを特徴とする請求項６に記載の蒸気タービン。
8. ロータ（５）が、動翼脚、スラストつりあいピストン（４）あるいはロータ（５）の熱的に大きく負荷される他の部位が冷却されるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
9. ロータ（５）が、冷却媒体（２１）を半径方向に流出する流出開口を有していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
10. ロータ（５）が溶接構造の中空軸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９のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
11. かみ合い歯（３７、３８）がハース歯、矩形歯あるいは台形歯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１０のいずれか１つに記載の蒸気タービン。

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