(57)【要約】【課題】ロータとケーシングとの熱伸び差に起因して、ロータや環状部材の段差とパッキンのフィンとが干渉することを抑制可能な蒸気タービンおよびその制御方法を提供する。【解決手段】一の実施形態の蒸気タービンは、蒸気を密閉するためのケーシングと、前記ケーシング内に配置され、外周面に複数の段差が設けられたロータとを備える。さらに、前記タービンは、前記ロータの前記複数の段差に対向する複数のフィンを有するパッキンと、前記パッキンを保持するパッキン保持部材とを備える。さらに、前記タービンは、前記ケーシングと前記パッキン保持部材とを接続しており、前記ロータの軸方向に伸縮可能な伸縮継手を備える。【選択図】図１
2014181586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を密閉するためのケーシングと、
前記ケーシング内に配置され、外周面に複数の段差が設けられたロータと、
前記ロータの前記複数の段差に対向する複数のフィンを有するパッキンと、
前記パッキンを保持するパッキン保持部材と、
前記ケーシングと前記パッキン保持部材とを接続しており、前記ロータの軸方向に伸縮可能な伸縮継手と、
を備える蒸気タービン。
【請求項２】
蒸気を密閉するためのケーシングと、
前記ケーシング内に配置されたロータと、
前記ケーシング内において前記ロータに取り付けられており、環状の形状を有し、外周面よりも下流側の側面に複数の段差が設けられた環状部材と、
前記環状部材の前記複数の段差に対向する複数のフィンを有するパッキンと、
前記パッキンを保持するパッキン保持部材と、
前記ケーシングと前記パッキン保持部材とを接続しており、前記ロータの軸方向に伸縮可能な伸縮継手と、
を備える蒸気タービン。
【請求項３】
前記ロータと前記ケーシングとの熱伸び差を測定する測定部と、
前記測定部の測定結果に基づいて、前記パッキン保持部材の位置を調整する調整部と、
を備える請求項１または２に記載の蒸気タービン。
【請求項４】
前記調整部は、前記段差と前記フィンとの接触を回避するよう、前記パッキン保持部材の位置を調整する、請求項３に記載の蒸気タービン。
【請求項５】
前記複数のフィンは、前記段差を構成する凸部に対向する第１のフィンと、前記段差を構成する凹部に対向し、前記第１のフィンの長さよりも長い第２のフィンとを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の蒸気タービン。
【請求項６】
前記ロータの回転軸または前記環状部材の前記回転軸に垂直な断面から、前記凸部の頂部までの距離は、前記ロータの前記回転軸または前記環状部材の前記断面から、前記第２のフィンの頂部までの距離よりも長い、請求項５に記載の蒸気タービン。
【請求項７】
蒸気を密閉するためのケーシングと、
前記ケーシング内に配置され、外周面に複数の段差が設けられたロータと、
前記ロータの前記複数の段差に対向する複数のフィンを有するパッキンと、
前記パッキンを保持するパッキン保持部材と、
前記ケーシングと前記パッキン保持部材とを接続しており、前記ロータの軸方向に伸縮可能な伸縮継手と、
を備える蒸気タービンの制御方法であって、
前記ロータと前記ケーシングとの熱伸び差を測定し、
前記熱伸び差の測定結果に基づいて、前記パッキン保持部材の位置を調整する、
ことを含む蒸気タービンの制御方法。
【請求項８】
蒸気を密閉するためのケーシングと、
前記ケーシング内に配置されたロータと、
前記ケーシング内において前記ロータに取り付けられており、環状の形状を有し、外周面よりも下流側の側面に複数の段差が設けられた環状部材と、
前記環状部材の前記複数の段差に対向する複数のフィンを有するパッキンと、
前記パッキンを保持するパッキン保持部材と、
前記ケーシングと前記パッキン保持部材とを接続しており、前記ロータの軸方向に伸縮可能な伸縮継手と、
を備える蒸気タービンの制御方法であって、
前記ロータと前記ケーシングとの熱伸び差を測定し、
前記熱伸び差の測定結果に基づいて、前記パッキン保持部材の位置を調整する、
ことを含む蒸気タービンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来の蒸気タービンの構造を示す断面図であり、蒸気タービンの一例として、低圧タービンを示している。この蒸気タービンは、タービンロータ１と、最終段羽根ホイール２と、最終段羽根３と、タービンケーシング（低圧ケーシング）４と、パッキンヘッド５と、グランドパッキン６とを備えている。
【０００３】
一般に、蒸気タービンには、タービン内部からの蒸気の漏洩や、タービン内部への空気の流入を防ぐためのグランド部が設けられている。グランド部では、タービン内部からの蒸気の漏洩や、タービン内部への空気の流入をグランドパッキン６により防いでいる。蒸気タービンはさらに、グランド部にシール蒸気を供給するための蒸気供給システムを備えている。
【０００４】
タービンロータ１とタービンケーシング４は、起動時から停止時まで蒸気により加熱されているため、稼働中に熱伸びが発生する。例えば、高圧タービン、低圧タービン、発電機が同じ軸上に配置されたタンデムコンパウンド型の発電システムでは、高圧タービンと低圧タービンとの間に配置されたスラスト軸受により、タービンロータ１の軸方向の位置を固定しており、スラスト軸受の位置を基準としてタービンロータ１が軸方向に伸びる。よって、タービンロータ１の熱伸びは、この基準点から遠ざかるほど大きくなり、発電機付近に設置されたタービンにおいて最も熱伸びが大きくなる。一方、タービンケーシング４は、各タービンのケーシング４ごとに軸方向の位置が固定されており、この固定点を基準としてタービンケーシング４が軸方向に伸びる。よって、タービンロータ１とタービンケーシング４では熱伸び量が異なり、両者の間で熱伸び差が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０７９８６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９６３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蒸気タービンのグランド部に使用されるグランドパッキン６の例には、スラントタイプとＨｉ−Ｌｏタイプがある。図７、図８はそれぞれ、スラントタイプ、Ｈｉ−Ｌｏタイプのグランドパッキン６の構造の例を示す断面図である。
【０００７】
スラントタイプのグランドパッキン６は、フィン７の形状が一様で、ロータ１とパッキン６との間隙も一定であるため、ロータ１とケーシング４との位置関係が熱伸びにより変化するグランド部に適している。熱伸びが発生しても、ロータ１のフィン７とパッキン６のフィン７とが干渉しないためである。しかしながら、スラントタイプのグランドパッキン６は、シール性が低いため、多くのシール蒸気を必要とすることが問題となる。
【０００８】
一方、Ｈｉ−Ｌｏタイプのグランドパッキン６は、ロータ１に凸部１ａと凹部１ｂとを含む段差があり、フィン７の形状も符号７ａ、７ｂで示すように段差に合わせて変化するため、シール性が高く、少ないシール蒸気で使用できる。しかしながら、Ｈｉ−Ｌｏタイプのグランドパッキン７は、熱伸びが発生すると、凸部１ａ、凹部１ｂとフィン７ａ、７ｂとが干渉してしまうおそれがある。
【０００９】
そのため、一般にタンデムコンパウンド型の発電システムでは、高圧タービンにＨｉ−Ｌｏタイプのグランドパッキン６が使用され、低圧タービンにスラントタイプのグランドパッキン６が使用される。しかしながら、この場合には、低圧タービンのグランド数が多くなることや、低圧タービンで多くのシール蒸気が必要となることが問題となる。
【００１０】
そこで、本発明は、ロータとケーシングとの熱伸び差に起因して、ロータや環状部材の段差とパッキンのフィンとが干渉することを抑制可能な蒸気タービンおよびその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一の実施形態の蒸気タービンは、蒸気を密閉するためのケーシングと、前記ケーシング内に配置され、外周面に複数の段差が設けられたロータとを備える。さらに、前記タービンは、前記ロータの前記複数の段差に対向する複数のフィンを有するパッキンと、前記パッキンを保持するパッキン保持部材とを備える。さらに、前記タービンは、前記ケーシングと前記パッキン保持部材とを接続しており、前記ロータの軸方向に伸縮可能な伸縮継手を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【図２】第２実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【図３】第３実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【図４】第４実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【図５】第４実施形態の変形例の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【図６】従来の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【図７】スラントタイプのグランドパッキンの構造の例を示す断面図である。
【図８】Ｈｉ−Ｌｏタイプのグランドパッキンの構造の例を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。図１は、本実施形態の蒸気タービンの一例として、低圧タービンを示している。図１(ａ)は、低圧タービンのグランド部の構造を示し、図１(ｂ)は、図１(ａ)の拡大図を示している。
【００１５】
図１の蒸気タービンは、本開示のロータの例であるタービンロータ１と、本開示の環状部材の例である最終段羽根ホイール２と、最終段羽根３と、本開示のケーシングの例であるタービンケーシング（低圧ケーシング）４と、本開示のパッキン保持部材の例であるパッキンヘッド５と、本開示のパッキンの例であるグランドパッキン６と、フィン７と、伸縮継手１１とを備えている。図１の蒸気タービンはさらに、グランド部にシール蒸気を供給するための蒸気供給システム（図示せず）を備えている。
【００１６】
タービンロータ１は、回転エネルギーを発電機に伝達するための回転体である。図１のＸは、タービンロータ１の回転軸を示す。タービンロータ１は、作動蒸気を密閉するためのタービンケーシング４内に配置され、外周面に複数の段差が設けられている。符号１ａ、１ｂはそれぞれ、これらの段差を構成する凸部と凹部を示す。凸部１ａと凹部１ｂは、タービンロータ１の外周面に沿ってタービンロータ１の周方向に延びている。
【００１７】
最終段羽根ホイール２は、環状の形状を有し、その他の羽根ホイール（図示せず）と共に、タービンケーシング４内においてタービンロータ１に取り付けられている。最終段羽根ホイール２の外周面には、最終段羽根３が取り付けられている。
【００１８】
パッキンヘッド５は、伸縮継手１１を介してタービンケーシング４に接続されており、タービンロータ１の周方向に延びる形状を有している。グランドパッキン６は、タービンロータ１に対向するようにパッキンヘッド５により保持されており、タービンロータ１の周方向に延びる形状を有している。
【００１９】
グランドパッキン６の内周面には、タービンロータ１の複数の段差に対向する複数のフィン７が設けられている。フィン７は、タービンロータ１の周方向に延びる形状を有している。本実施形態のグランドパッキン６は、Ｈｉ−Ｌｏタイプに相当し、これらのフィン７が、凸部１ａに対向する第１のフィン７ａと、凹部１ｂに対向し、第１のフィン７ａの長さよりも長い第２のフィン７ｂとを含んでいる。
【００２０】
符号Ｄ1は、タービンロータ１の回転軸Ｘから凸部１ａの頂部までの距離を示し、符号Ｄ2は、タービンロータ１の回転軸Ｘから第２のフィン７ｂの頂部までの距離を示す。本実施形態のグランドパッキン６は、距離Ｄ1が距離Ｄ2よりも長くなるように構成されている。このような構成には、グランドパッキン６のシール性が向上し、シール蒸気の使用量を低減できるという利点がある。
【００２１】
伸縮継手１１は、タービンケーシング４とパッキンヘッド５とを接続しており、タービンロータ１の軸方向に伸縮可能に構成されている。本実施形態の伸縮継手１１は、環状の形状を有しており、伸縮継手１１の位置でのタービン内部からの蒸気の漏洩や、タービン内部への空気の流入を防げるように構成されている。伸縮継手１１は例えば、環状に配置された複数のバネと、これらを覆って隙間を密封するための環状の形状のゴムにより構成可能である。
【００２２】
次に、引き続き図１を参照し、第１実施形態の効果について説明する。
【００２３】
本実施形態では、蒸気タービンの稼働中において、タービンロータ１やタービンケーシング４の熱伸びが発生する。この際、タービンロータ１とタービンケーシング４の軸方向の熱伸び量が異なるため、両者の間で熱伸び差が生じる。一般に、この熱伸び差の大きさは、数ｃｍ〜数十ｃｍ程度である。図１の矢印Ａは、この熱伸び差により、タービンケーシング４に対するタービンロータ１の相対的な位置が変化する様子を示している。
【００２４】
そこで、本実施形態では、タービンケーシング４とパッキンヘッド５を、軸方向に伸縮可能な伸縮継手１１により接続し、パッキンヘッド５を、タービンケーシング４に対し軸方向に移動できる構成を採用している。図１の矢印Ｂは、パッキンヘッド５が軸方向に移動する様子を示している。この際、伸縮継手１１は、伸縮継手１１の位置での密封状態を維持しつつ、軸方向に伸縮することとなる。
【００２５】
よって、本実施形態では、矢印Ａのような熱伸び差が生じた場合、これに応じて矢印Ｂのようにパッキンヘッド５を移動させることができる。例えば、５ｃｍの熱伸び差が生じた場合には、パッキンヘッド５を５ｃｍだけ移動させることができる。これにより、本実施形態によれば、タービンロータ１とグランドパッキン６との位置関係を一定に保ち、凸部１ａ、凹部１ｂとフィン７ａ、７ｂとが接触等により干渉することを抑制することが可能となる。
【００２６】
なお、本実施形態では、タービンケーシング４とパッキンヘッド５とを伸縮継手１１により接続しているが、パッキンヘッド５の重量を伸縮継手１１では支えきれない場合などには、パッキンヘッド５を支えるためのレールを設置してもよい。この場合、レールは、パッキンヘッド５が軸方向に移動できるような形状とする。
【００２７】
また、パッキンヘッド５の移動に関しては、これを自動化することが望ましい。パッキンヘッド５の移動の自動化方法の例については、次の第２実施形態にて説明する。
【００２８】
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【００２９】
図２の蒸気タービンは、図１に示す構成要素に加え、パッキンヘッド５に取り付けられたロッド１２と、本開示の測定部の例である伸び差計１３と、本開示の調整部の例である駆動装置１４とを備えている。
【００３０】
伸び差計１３は、タービンロータ１とタービンケーシング４との軸方向の熱伸び差を測定する測定器である。伸び差計１３による熱伸び差の測定結果は、駆動装置１４に提供される。
【００３１】
駆動装置１４は、上述のロッド１２によりパッキンヘッド５を軸方向に駆動する装置である。駆動装置１４による駆動方式の例としては、電気機械式や圧力作動式などが挙げられる。
【００３２】
本実施形態の駆動装置１４は、伸び差計１３による熱伸び差の測定結果に基づいて、タービンケーシング４に対するパッキンヘッド５の位置を自動的に調整する。例えば、駆動装置１４は、熱伸び差の測定結果が５ｃｍの場合には、熱伸び差に追従してパッキンヘッド５の位置も軸方向に５ｃｍだけ移動させる。なお、パッキンヘッド５の移動量は、凸部１ａ、凹部１ｂとフィン７ａ、７ｂとの接触を回避できる移動量であれば、熱伸び差の値と一致していなくてもよい。
【００３３】
伸び差計１３による測定周期や、駆動装置１４による駆動周期は、どのような周期に設定してもよい。ただし、周期が短すぎると、測定処理や駆動処理のコストや無駄が大きくなり、逆に周期が長すぎると、凸部１ａ、凹部１ｂとフィン７ａ、７ｂとの干渉を未然に防げない可能性がある。よって、これらの測定周期や駆動周期は、これらの問題を回避可能な範囲内で設定することが望ましい。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、タービンロータ１とタービンケーシング４との熱伸び差を測定し、熱伸び差の測定結果に基づいて、パッキンヘッド５の位置を調整する。これにより、本実施形態によれば、凸部１ａ、凹部１ｂとフィン７ａ、７ｂとが接触等により干渉することを抑制することが可能となり、さらには、これらの干渉を抑制する処理を自動化することが可能となる。
【００３５】
（第３実施形態）
図３は、第３実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【００３６】
本実施形態では、最終段羽根ホイール２が、外周面よりも下流側の側面に複数の段差を有している。符号２ａ、２ｂはそれぞれ、これらの段差を構成する凸部と凹部を示す。凸部２ａと凹部２ｂは、最終段羽根ホイール２の側面に沿ってタービンロータ１の周方向に延びている。
【００３７】
また、本実施形態では、グランドパッキン６が、最終段羽根ホイール２に対向するようにパッキンヘッド５により保持されている。グランドパッキン６の底面には、最終段羽根ホイール２の複数の段差に対向する複数のフィン７が設けられている。フィン７は、タービンロータ１の周方向に延びる形状を有している。本実施形態のグランドパッキン６は、Ｈｉ−Ｌｏタイプに相当し、これらのフィン７が、凸部２ａに対向する第１のフィン７ａと、凹部２ｂに対向し、第１のフィン７ａの長さよりも長い第２のフィン７ｂとを含んでいる。
【００３８】
図３のＹは、最終段羽根ホイール２における回転軸Ｘに垂直な断面を示す。また、符号Ｄ3は、最終段羽根ホイール２の断面Ｙから凸部２ａの頂部までの距離を示し、符号Ｄ4は、最終段羽根ホイール２の断面Ｙから第２のフィン７ｂの頂部までの距離を示す。本実施形態のグランドパッキン６は、距離Ｄ3が距離Ｄ4よりも長くなるように構成されている。このような構成には、グランドパッキン６のシール性が向上し、シール蒸気の使用量を低減できるという利点がある。
【００３９】
本実施形態では、第１実施形態と同様、タービンケーシング４とパッキンヘッド５を伸縮継手１１により接続し、パッキンヘッド５を軸方向に移動できる構成を採用している。よって、本実施形態では、矢印Ａのような熱伸び差が生じた場合、これに応じて矢印Ｂのようにパッキンヘッド５を移動させることができる。これにより、本実施形態によれば、タービンロータ１とグランドパッキン６との位置関係を一定に保ち、段差２ａ、２ｂとフィン７ａ、７ｂとが接触等により干渉することを抑制することが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態では、段差２ａ、２ｂとフィン７ａ、７ｂが径方向に並ぶため、第１実施形態に比べて、グランド部の軸方向のサイズを縮小できるという利点がある。
【００４１】
なお、第１実施形態の構造と第３実施形態の構造は、組み合わせて採用してもよい。すなわち、同じ蒸気タービンのタービンロータ１と最終段羽根ホイール２の両方に段差を設け、グランドパッキン６をタービンロータ１と最終段羽根ホイール２の両方に対向させてもよい。
【００４２】
（第４実施形態）
図４は、第４実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【００４３】
図４の蒸気タービンは、図３に示す構成要素に加え、ロッド１２と、伸び差計１３と、駆動装置１４とを備えている。
【００４４】
よって、本実施形態では、第２実施形態と同様に、タービンロータ１とタービンケーシング４との熱伸び差を測定し、熱伸び差の測定結果に基づいて、パッキンヘッド５の位置を調整することができる。これにより、本実施形態によれば、段差２ａ、２ｂとフィン７ａ、７ｂとが接触等により干渉することを抑制することが可能となり、さらには、これらの干渉を抑制する処理を自動化することが可能となる。
【００４５】
図５は、第４実施形態の変形例の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【００４６】
図５の蒸気タービンは、図４に示す構成要素に加え、本開示の環状部材の例であるカラー１５を備えている。カラー１５は、環状の形状を有し、タービンケーシング４内において最終段羽根ホイール２の下流側でタービンロータ１に取り付けられている。
【００４７】
図５のカラー１５は、図３や図４の最終段羽根ホイール２の段差２ａ、２ｂと同様の形状の段差１５ａ、１５ｂを有している。また、グランドパッキン６のフィン７は、凸部１５ａに対向する第１のフィン７ａと、凹部１５ｂに対向し、第１のフィン７ａの長さよりも長い第２のフィン７ｂとを含んでいる。
【００４８】
本変形例によれば、第１、第３実施形態と同様に、タービンロータ１とグランドパッキン６との位置関係を一定に保ち、段差１５ａ、１５ｂとフィン７ａ、７ｂとが接触等により干渉することを抑制することが可能となる。また、本変形例によれば、第２、第４実施形態と同様に、これらの干渉を抑制する処理を自動化することが可能となる。
【００４９】
本変形例の構造は例えば、最終段羽根ホイール２に段差２ａ、２ｂを設けることが好ましくない場合などに採用可能である。
【００５０】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なタービンおよび方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したタービンおよび方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００５１】
１：タービンロータ、１ａ：凸部、１ｂ：凹部、
２：最終段羽根ホイール、２ａ：凸部、２ｂ：凹部、
３：最終段羽根、４：タービンケーシング、５：パッキンヘッド、
６：グランドパッキン、７：フィン、７ａ：第１のフィン、７ｂ：第２のフィン、
１１：伸縮継手、１２：ロッド、１３：伸び差計、１４：駆動装置、
１５：カラー、１５ａ：凸部、１５ｂ：凹部
【図１】
2014181586.tif 000003
【図２】
2014181586.tif 000004
【図３】
2014181586.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014181586.tif 000009
【図８】
2014181586.tif 000010