JP5747403B2 - ターボ回転機械及びその運転方法 - Google Patents
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Description
また、ターボ回転機械のセッティングの際、ターボ回転機械が定格運転状態に達したときに回転部材と静止部材とが同心となるように静止部材に対して回転部材をオフセットすることがある。この場合、ターボ回転機械のセッティング時における回転部材と静止部材との間隙を大きめに確保する必要があり、定格運転時においてもこの間隙が狭まらず、流体の漏洩が生じてしまう傾向がある。
なお、車室とロータとのロータ方向における伸び差は、軸受台に設置された伸び差計により計測される(特許文献2の6頁参照)。
また、低温の流体を用いた翼環の冷却により回転部材と静止部材との半径方向間隙が定格運転時に狭まるから、ターボ回転機械のセッティング時における回転部材と静止部材との間隙を比較的大きくしても、定格運転時における蒸気漏れはそれほど問題にならない。このため、ターボ回転機械のセッティングの際に静止部材に対して回転部材をオフセットする必要がある場合であっても、ターボ回転機械の性能低下を損なうことなく対応可能である。
また、冷却媒体を車室外部の供給源から供給するのではなく、車室内の低温の流体を用いて静止部材を冷却するようにしたので、車室外部の冷却媒体供給源と車室内部の静止部材の冷却通路とをつなぐ冷却媒体用の管路は不要である。よって、ターボ回転機械全体としてのサイズをコンパクト化できる。
よって、冷却媒体としての低温蒸気を静止部材の冷却通路に供給するための動力源は不要である。
よって、冷却媒体としての低温空気を静止部材の冷却通路に供給するための動力源は不要である。
そこで、抽気流体導入路および抽気流体排出路に伸び差吸収機構を設けることで、静止部材と車室との伸び差に起因する応力の発生を防止することができる。
また、低温の流体を用いた静止部材の冷却により回転部材と静止部材との半径方向間隙が定格運転時に狭まるから、ターボ回転機械のセッティング時における回転部材と静止部材との間隙を比較的大きくしても、定格運転時における蒸気漏れはそれほど問題にならない。このため、ターボ回転機械のセッティングの際に静止部材に対して回転部材をオフセットする必要がある場合であっても、ターボ回転機械の性能低下を損なうことなく対応可能である。
また、冷却媒体を車室外部の供給源から供給するのではなく、車室内の低温の流体を用いて静止部材を冷却するようにしたので、車室外部の冷却媒体供給源と車室内部の静止部材の冷却通路とをつなぐ冷却媒体用の管路は不要である。よって、ターボ回転機械全体としてのサイズをコンパクト化できる。
また、低温の流体を用いた静止部材の冷却により回転部材と静止部材との半径方向間隙が定格運転時に狭まるから、ターボ回転機械のセッティングの際に静止部材に対して回転部材をオフセットする必要がある場合であっても、ターボ回転機械の性能低下を損なうことなく対応可能である。
また、冷却媒体を車室外部の供給源から供給するのではなく、車室内の低温の流体を用いて静止部材を冷却するようにしたので、車室外部の供給源と車室内部の静止部材の冷却通路とをつなぐ冷却媒体用の管路は不要であり、ターボ回転機械全体としてのサイズをコンパクト化できる。
図1は、第1実施形態に係る蒸気タービンの構成例を示す断面図であり、水平分割面近傍の断面を示している。同図に示す蒸気タービン1は複流方式の低圧タービンであり、ロータ2を囲むように外部車室4及び内部車室6が設けられている。
なお、静翼支持部材20には、上流段の静翼22を支持する翼環20A及び20Bと、下流段の静翼22を支持する翼環20C〜20Eとがある。
そして、蒸気入口16に流入した蒸気は、動翼10及び静翼22が対峙している領域(蒸気通路)を矢印S1方向に流れた後、内部車室6に取り付けられたフローガイド18によって整流され、排気室19に導かれる。
ここで、蒸気タービン1では、上流段における動翼10及び静翼22は下流段に比べて翼高さが低いため、回転部材と静止部材との半径方向間隙を介した蒸気漏れによる影響は上流段側ほど大きい。このため、最上流に位置する翼環20Aに冷却通路24及び26を形成して、翼環20Aを冷却することで、翼環20Aにおける回転部材と静止部材との半径方向間隙を低減して、蒸気漏れに起因する蒸気タービン1の性能低下を効果的に抑制できる。
以下、冷却通路24及び26を用いた翼環20Aの冷却構造について説明する。
なお、冷却蒸気入口28及び冷却蒸気出口29は、蒸気タービン1の車室の水平分割面近傍に設けられており、それぞれ、後述の冷却蒸気導入路30及び冷却蒸気排出路32に接続される。
このように、ロータ2の全周に亘って冷却蒸気が流れる流路を翼環20Aに設けることで、翼環20Aを周方向に均等に冷却できる。また、冷却蒸気が流れる流路(冷却通路24及び26をつなげたもの)を周方向に複数本(本実施形態では4本)に分割することで、翼環20Aの冷却を効率的に行うことができる。
翼環20Aは、内部車室6の変形によって影響を受けることがないように、内部車室6に対して動きうるように内部車室6に取り付けられている(翼環20Aの動き代が設けられている)。このため、内部車室6の構造部材に支持されるとともに、翼環20Aの冷却通路24及び26に接続される冷却蒸気導入路30及び冷却蒸気排出路32は、翼環20Aの内部車室6に対する相対的変位(伸び差)によって大きな応力が発生する。
そこで、冷却蒸気導入路30及び冷却蒸気排出路32に伸び差吸収機構34を設けることで、翼環20Aと内部車室6との伸び差に起因する応力の発生を防止することができる。
なお、伸び差吸収機構34は、例えばベローズや弾性体等を用いることができる。
また、低温の蒸気を用いた翼環20Aの冷却により回転部材と静止部材との半径方向間隙が定格運転時に狭まるから、蒸気タービン1のセッティング時における回転部材と静止部材との間隙を比較的大きくしても、定格運転時における蒸気漏れはそれほど問題にならない。このため、蒸気タービン1のセッティングの際に静止部材に対して回転部材をオフセットする必要がある場合であっても、蒸気タービン1の性能低下を損なうことなく対応可能である。
また、冷却蒸気を車室外部の供給源から供給するのではなく、車室内の低温の蒸気を用いて翼環20Aを冷却するようにしたので、車室外部の冷却媒体供給源と車室内部の静止部材の冷却通路24及び26とをつなぐ冷却蒸気用の管路は不要である。よって、蒸気タービン1全体としてのサイズをコンパクト化できる。
また、冷却蒸気導入路30及び冷却蒸気排出路32は、一部が車室(4,6)の外部に形成されていてもよい。
次に第2実施形態に係る蒸気タービンについて説明する。本実施形態に係る蒸気タービンは、冷却蒸気導入路30に冷却蒸気量調節弁が設けられている点を除けば、第1実施形態の蒸気タービン1と共通する。したがって、蒸気タービン1と共通する構成要素には同一の符号を付し、ここではその説明を省略し、冷却蒸気量調節弁を中心に説明する。
これにより、車室50内外の圧力差によって、比較的低温の空気が冷却空気導入路56から冷却通路52に流れ込み、冷却通路54から冷却流体排出路58を介して車室50の外部に排出される。よって、冷却媒体としての低温空気を静翼支持部材46Cの冷却通路52及び54に供給するための動力源は不要である。
また、冷却空気導入路56には、冷却通路52及び54に導く冷却空気の流量を制御部の制御下で調節する冷却空気量調節弁が設けられていてもよい。この場合に用いる制御部及び冷却空気量調節弁は、第2実施形態で説明した制御部38及び冷却蒸気量調節弁36と同様の構成及び機能であってもよい。
2 ロータ
4 外部車室
6 内部車室
8 ロータディスク
10 動翼
12 ロータ軸受
14 グランド
16 蒸気入口
18 フローガイド
19 排気室
20 静翼支持部材
22 静翼
24 蒸気通路(往路)
26 蒸気通路(復路)
28 冷却蒸気入口
29 冷却蒸気出口
30 冷却蒸気導入路
31 抽気室
32 冷却蒸気排出路
34 伸び差吸収機構
36 冷却蒸気調節弁
38 制御部
40 圧縮機
42 ロータ
44 動翼
46 静翼支持部材
48 静翼
50 車室
52 冷却通路(往路)
54 冷却通路(復路)
56 冷却空気導入路
58 冷却空気排出路
Claims (13)
- 複数段の動翼を有するロータと、
1段以上の静翼が内側に取り付けられる複数の翼環と、
前記複数の翼環を内側に装着するとともに、該翼環及び前記静翼とともに前記ロータを収納し、前記動翼と前記静翼とが対峙する車室内領域に環状の流体流路を形成する車室と、
前記流体流路内において前記複数の翼環のうち1の翼環を通過する流体よりも低温の流体を前記流体流路から抽気し、前記1の翼環の内部に形成された冷却通路に導く抽気流体導入路と、
前記冷却通路を流れた後の前記低温の流体を前記1の翼環から排出する抽気流体排出路と、を備え、
前記1の翼環には、前記抽気流体導入路が接続される抽気流体入口と、前記抽気流体排出路が接続される抽気流体出口と、が設けられ、
前記車室は、前記複数の翼環を支持して前記流体流路を内側に形成する内部車室と、前記内部車室の外側に設けられる外部車室と、を含み、
前記内部車室と前記外部車室との間には、前記流体流路を流れた前記流体を排気するための排気室が形成されており、
前記抽気流体排出路は、一端が前記冷却通路に接続され、他端が前記排気室に接続されたことを特徴とするターボ回転機械。 - 前記1の翼環は、前記車室に対して動きうるように前記車室に取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載のターボ回転機械。
- 複数段の動翼を有するロータと、
1段以上の静翼が内側に取り付けられる複数の翼環と、
前記複数の翼環を内側に装着するとともに、該翼環及び前記静翼とともに前記ロータを収納し、前記動翼と前記静翼とが対峙する車室内領域に環状の流体流路を形成する車室と、
前記流体流路内において前記複数の翼環のうち1の翼環を通過する流体よりも低温の流体を前記流体流路から抽気し、前記1の翼環の内部に形成された冷却通路に導く抽気流体導入路と、
前記冷却通路を流れた後の前記低温の流体を前記1の翼環から排出する抽気流体排出路と、を備えるターボ回転機械であって、
前記1の翼環には、前記抽気流体導入路が接続される抽気流体入口と、前記抽気流体排出路が接続される抽気流体出口と、が設けられており、
前記複数の翼環は、前記ターボ回転機械の軸方向に配列されており、
前記抽気流体導入路は、
前記流体流路上において、少なくとも一つの前記翼環を挟んで前記1の翼環から離れた位置から前記低温の流体を抽気するとともに、
該少なくとも一つの前記翼環をバイパスさせて、前記1の翼環の前記冷却通路に前記低温の流体を供給する
ように構成されたことを特徴とするターボ回転機械。 - 前記抽気流体導入路は、一端が前記1の翼環よりも下流側の前記流体流路に接続され、他端が前記冷却通路に接続されており、
前記抽気流体排出路が、前記抽気流体導入路の前記一端よりもさらに下流側の前記流体流路又は排気室と前記冷却通路とを連通しており、
前記ターボ回転機械が蒸気タービンである請求項3に記載のターボ回転機械。 - 前記1の翼環は、前記蒸気タービンの1段静翼が取り付けられる翼環である請求項4に記載のターボ回転機械。
- 前記抽気流体導入路は、一端が前記1の翼環よりも上流側に接続され、他端が前記冷却通路に接続されており、
前記抽気流体排出路が、前記車室の外部と前記冷却通路とを連通しており、
前記ターボ回転機械が空気圧縮機である請求項3に記載のターボ回転機械。 - 複数段の動翼を有するロータと、
1段以上の静翼が内側に取り付けられる複数の翼環と、
前記複数の翼環を内側に装着するとともに、該翼環及び前記静翼とともに前記ロータを収納し、前記動翼と前記静翼とが対峙する車室内領域に環状の流体流路を形成する車室と、
前記流体流路内において前記複数の翼環のうち1の翼環を通過する流体よりも低温の流体を前記流体流路から抽気し、前記1の翼環の内部に形成された冷却通路に導く抽気流体導入路と、
前記冷却通路を流れた後の前記低温の流体を前記1の翼環から排出する抽気流体排出路と、を備え、
前記1の翼環には、前記抽気流体導入路が接続される抽気流体入口と、前記抽気流体排出路が接続される抽気流体出口と、が設けられており、
前記抽気流体導入路が、前記流体流路に連通するように前記車室内に設けられた抽気室と、該抽気室及び前記抽気流体入口を連通するように前記車室内に設けられた抽気導入管とを含み、
前記抽気流体排出路が、前記車室内に設けられて前記抽気流体出口に接続される抽気排出管を含むターボ回転機械。 - 前記複数の翼環の熱膨張率が、前記ロータよりも小さい請求項1乃至7のいずれか一項に記載のターボ回転機械。
- 前記抽気流体導入路には、前記冷却通路に導かれる前記低温の流体の量を調節する抽気流体量調節部が設けられており、
前記抽気流体量調節部が、ターボ回転機械の起動時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量を、ターボ回転機械の定格運転時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量よりも少なくする請求項1乃至8のいずれか一項に記載のターボ回転機械。 - 前記抽気流体量調節部は、起動時における前記低温の流体を遮断する請求項9に記載のターボ回転機械。
- 前記抽気導入管および前記抽気排出管は、前記車室の構造部材によって支持されており、
前記抽気導入管および前記抽気排出管の途中には、前記1の翼環と前記車室との伸び差を吸収する伸び差吸収機構が設けられている請求項7に記載のターボ回転機械。 - 請求項1乃至11のいずれか一項に記載のターボ回転機械の運転方法であって、
少なくとも前記ターボ回転機械の定格運転時に、前記流体流路上において前記1の翼環を通過する流体よりも低温の流体を前記車室内から抽気して、前記1の翼環に形成された前記冷却通路に導くことを特徴とするターボ回転機械の運転方法。 - ターボ回転機械の起動時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量を、ターボ回転機械の定格運転時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量よりも少なくする請求項12に記載のターボ回転機械の運転方法。
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