(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸気タービンロータを冷却するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】本蒸気タービンは、複数の早期段を有するロータと、ロータの一部分を囲み、該ロータとの間に漏洩領域４２２が存在するように構成され、かつその１つの部分から漏洩領域に冷却蒸気を流す冷却蒸気チャネル４０６を有するステータ部分とを含む。本蒸気タービンはまた、ロータの周りで軸方向にずらして配置され、漏洩領域から冷却蒸気を受けかつ該冷却蒸気を早期段の少なくとも一部分に供給する少なくとも１つの冷却蒸気送達チャネル４０８を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンであって、
複数の早期段（２０６）を有するロータ（２０４）と、
前記ロータの一部分を囲み、該ロータとの間に漏洩領域（４２２）が存在するように構成され、かつその１つの部分から前記漏洩領域に冷却蒸気を流す冷却蒸気チャネル（４０６）を有するステータ部分（２０２）と、
前記ロータの周りで軸方向にずらして配置され、前記漏洩領域から前記冷却蒸気を受けかつ該冷却蒸気を前記早期段の少なくとも一部分に供給する少なくとも１つの冷却蒸気送達チャネル（４０８）と、を含む、
蒸気タービン。
【請求項２】
各早期段が、ノズル及びロータブレードを含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項３】
前記少なくとも１つの冷却蒸気送達チャネルが、少なくとも１つの早期段の前記ノズルよりも前記ロータブレードに接近している、請求項２記載の蒸気タービン。
【請求項４】
前記少なくとも１つの冷却蒸気送達チャネルが、その中に形成された複数の孔を含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項５】
前記複数の早期段の少なくとも１つが、前記冷却蒸気送達チャネル内の前記複数の孔から流出した蒸気が該複数の早期段の少なくとも１つに流入できるように形成された通路を含む、請求項４記載の蒸気タービン。
【請求項６】
前記ステータ部分の少なくとも一部分を囲みかつその中にケーシング蒸気チャネル（２０８）を有するケーシング（２１０）をさらに含み、
前記ケーシング蒸気チャネルが、前記冷却蒸気チャネルと流体連通するように構成される、
請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項７】
前記ケーシング蒸気チャネルに高圧低温蒸気を供給する蒸気源（４２０）をさらに含む、請求項６に記載の蒸気タービン。
【請求項８】
ガスタービンと組合されている、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項９】
前記ロータの周りで軸方向にずらして配置され、前記漏洩領域から前記冷却蒸気を受けかつ該冷却蒸気を前記複数の早期段の少なくとも一部分に供給する複数の冷却蒸気送達チャネルをさらに含む、請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
前記ステータ部分が、原型ステータ部分を２つの部分に切断し、該２つの部分の少なくとも１つ内にグルーブを形成し、かつ該２つの部分を該ステータ部分として再接合することによって形成される、請求項１記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、蒸気タービンに関し、より具体的には、作動時にタービンのロータを冷却することに関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの部分からの廃熱を使用して蒸気タービン内において蒸気を加熱する発電システム（例えば、複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）又は複数段蒸気タービン）では、第１の部分が廃熱を発生しまた蒸気タービンがその熱を回収して電気を生成する。例えば、ＣＣＰＰでは、ガスタービン発電機により電気を発生させ、また廃熱を使用して蒸気を生成して、蒸気タービンにより付加的な電気を発生させる。廃熱を利用して蒸気タービンで使用するための蒸気を生成することは、発電の効率を高める。
【０００３】
蒸気タービンの入口スロットル内に流入する蒸気の温度上昇は、ＣＣＰＰ全体の効率に直接的影響を有することが判っている。実際には、蒸気流入温度におけるおよそ５０°Ｆの上昇は、プラント効率の大幅な増大に貢献する。しかしながら、５０°Ｆの蒸気温度上昇でさえも蒸気タービンのロータ寿命に影響を与えるおそれがあることが、経験から分かっている。
【０００４】
この問題は通常、より大きな耐熱性を有するロータ材料を使用することによって克服されている。しかしながら、そのような解決策は一般的に、コストを増大させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８２４３５１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によると、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、複数の早期段を有するロータを含む。本タービンは、ロータの一部分を囲み、該ロータとの間に漏洩領域が存在するように構成され、かつその１つの部分から漏洩領域に冷却蒸気を流す冷却蒸気チャネルを有するステータ部分を含む。本タービンはまた、ロータの周りで軸方向にずらして配置され、漏洩領域から冷却蒸気を受けかつ該冷却蒸気を早期段の少なくとも一部分に供給する少なくとも１つの冷却蒸気送達チャネルを含む。
【０００７】
本発明の別の態様によると、蒸気タービン内の１以上の早期段を冷却する方法を提供する。本方法は、ロータの少なくとも一部分を囲むステータ部品内に形成された冷却蒸気チャネルを通して漏洩領域に高圧低温蒸気を供給するステップと、漏洩領域に供給された高圧低温蒸気をロータ内に形成された冷却蒸気送達チャネルを通して流すステップと、高圧低温蒸気を冷却蒸気送達チャネル内の孔を通して流して、１以上の早期段に接触させるステップとを含む。
【０００８】
さらに別の態様によると、蒸気タービンを含む発電プラントを提供する。この蒸気タービンは、複数の早期段を有するロータと、ロータの一部分を囲み、該ロータとの間に漏洩領域が存在するように構成され、かつその１つの部分から漏洩領域に冷却蒸気を流す冷却蒸気チャネルを有するステータ部分部品とを含む。この蒸気タービンはまた、ロータの周りで軸方向にずらして配置され、漏洩領域から冷却蒸気を受けかつ該冷却蒸気を早期段の少なくとも一部分に供給する少なくとも１つの冷却蒸気送達チャネルを含む。
【０００９】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】複合サイクル発電プラントのブロック図。
【図２】複合サイクル発電プラント内で利用することができる蒸気タービンの一部分の断面前面図。
【図３】図２に示す蒸気タービンの一部分のより詳細図。
【図４】一実施形態による蒸気タービンの一部分の断面前面図。
【図５】図４に示す蒸気タービンの一部分のための実施可能な蒸気経路を示す図。
【図６】一実施形態によりステータ部分内に冷却蒸気チャネルを形成することができる１つの方法を示す図。
【図７】それを貫通した冷却蒸気送達チャネルを有するステータ部分の側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１３】
上述したように、より大きい複合サイクル効率を可能にする高い温度は、複合サイクル発電プラントの蒸気タービン部分内のロータにとって有益でないものとなる可能性がある。言うまでもなく、同じ問題は、独立型蒸気タービンにも存在する可能性がある。本明細書に開示した実施形態は、ロータの幾つかの初期段に冷却蒸気を供給することによって、これらの問題を減少させるか又は排除することができる。この冷却蒸気は、これらの初期段を低温に保つのを助けることができ、従ってロータ全体をより高い温度性能材料で置換える必要性を回避するのを助けることができる。一実施形態では、冷却蒸気は、ロータの幾つかの初期段に提供する必要があるだけであり、それによって主要蒸気温度は、より低い耐熱性材料が耐えるのに十分なほど低下する。
【００１４】
図１は、変電所１０２に結合された複合サイクル発電プラント１００のブロック図を示している。複合サイクル発電プラント１００は、電気を発生しかつそれを変電所１０２に供給する。
【００１５】
複合サイクル発電プラント１００は、ガスタービン部分１０４と蒸気タービン部分１０６とを含むことができる。ガスタービン部分１０４は、空気取入口１０７を備えた圧縮機１０８を含む。圧縮機１０８は、加圧空気のストリーム内でガス又は燃料油を燃焼させる燃焼器１０９に結合される。燃焼器１０９は、タービン１１０に結合される。タービン１１０は、ガス又は燃料の燃焼によって生成された高温ガスの流れからエネルギーを抽出する。一実施形態では、抽出したエネルギーは、第１の発電機１１２によって電気に変換される。
【００１６】
ガスタービン１１０のアウトプット１１３は、複合システム１００のその他のサイクルで使用することができる排気ガスである。排気ガスを使用して、例えば蒸気タービン部分１０６内で使用する蒸気を加熱することができる。その目的のために、システム複合サイクル発電プラントは、アウトプット１１３に結合された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１１８を含むことができる。
【００１７】
ＨＲＳＧ１１８は、排気ガスを受け、該排気ガスを使用して蒸気／水を高い温度に加熱する。高温蒸気は、蒸気チャネル１２０を介して蒸気タービン部分１０６に供給される。
【００１８】
蒸気タービン部分１０６は、蒸気タービン１１４を含む。蒸気タービン１１４は、ＨＲＳＧ１１８から蒸気を受ける。蒸気は、蒸気タービン１１４内のロータ上を流れて、蒸気タービン１１４の部分を回転させる。この回転エネルギーは、第２の発電機１１６によって電気に変換され、かつこの電気は、変電所１０２に供給される。
【００１９】
図２は、蒸気タービン１１４の一部分の断面前面図を示している。図２に示す蒸気タービン１１４の部分は、ステータ部品２０２を含む。ステータ部品２０２は一般的に、円筒形でありかつロータ２０４の一部分を囲む。ロータ２０４は、早期段２０６を含み、これら早期段２０６に対して、１以上の蒸気チャネル２０８を介して高圧高温蒸気が流される。高圧高温蒸気は、ロータ２０４を回転させ、それによって蒸気タービン１１４を使用して電気を発生させることができる。ロータ２０４の別の部分及びステータ部品２０２の少なくとも一部分は、ケーシング２１０によって囲まれる。蒸気チャネル２０８は一般的に、ケーシング２１０を貫通している。
【００２０】
上述したように、ロータ２０４の幾つかの初期段（点線のボックス２１２で示しており、本明細書では「早期段」とも呼ぶ）は、流入する高圧高温蒸気（例えば、ＨＲＳＧ１１８（図１）から受ける）の温度が高過ぎる場合には、損傷を受ける可能性がある。１つの方法は、蒸気の残りの部分とは別に蒸気の一部分を冷却しかつその蒸気を再び合流させて、ロータに供給する前により低温の蒸気を形成すことであった。そのような方法は効果的なものとすることができるが、それは、熱が失われることまた冷却蒸気の温度を低下させるために熱交換器の使用を要することを意味している。
【００２１】
図３は、図２に示す蒸気タービン１１４の一部分のより詳細図を示している。図３に示す蒸気タービン１１４の部分は、ステータ部品２０２を含む。ロータ２０４は、早期段２０６を含み、これらの早期段２０６に対して、１以上の蒸気チャネル２０８を介して高圧高温蒸気が流される。早期段２０６は、入口ノズル３０２、３０４、３０６及び３０８を含む。言うまでもなく、早期段２０６は、図３に示すよりも多い又は少ない入口ノズルを含むこともできる。早期段２０６はまた、ロータブレード３０３、３０５、３０７及び３０９を含む。言うまでもなく、早期段２０６は、図３に示すものよりも多い又は少ないロータブレードを含むこともできる。蒸気チャネル２０８は一般的に、ケーシング２１０を貫通している。蒸気は、矢印Ａで示すように蒸気チャネル２０８に流入し、かつ矢印Ｂで示すようにロータ２０４の長さに沿って（早期段２０６を通って）下流方向に流れる。
【００２２】
上述したように、幾つかのケースでは、蒸気チャネル２０８を介して早期段２０６に流入する（矢印Ａで示すように）蒸気は、該早期段２０６を損傷させる温度になっている可能性がある。本明細書に開示した実施形態は、比較的高圧低温の蒸気の形態で冷却蒸気を蒸気タービンロータの幾つかの初期段に供給することによって、そのような問題を軽減することができる。蒸気は、ステータ内のチャネルを通して導入し、ロータを貫通しかつロータの外側端縁部に接近している軸方向に位置をずらして配置された冷却蒸気送達チャネルを通して流すことができる。蒸気は、外部源からのもの或いは高圧タービンの排出又は中間段のような内部源からのものとすることができ、かつステータ内に設けられた冷却蒸気チャネルを通して流すことができる。蒸気は、第１段ノズルの近くで放出される。導入した蒸気の一部分は、端部パッキンシールを通って流れ、その一部分は、主要流れに合流して戻り、また残りの部分は、冷却蒸気送達チャネルを通って流れる。冷却蒸気送達チャネルを通って流れる蒸気は、ロータを冷却しかつロータ内に進入する熱の量をさらに減少させる。
【００２３】
図４は、一実施形態による蒸気タービン４００の一部分の実施例を示している。この実施形態では、蒸気タービン４００の図示した部分は、ロータの少なくとも一部分を囲むステータ部品４０２を含む。ケーシング４０４が、ステータ部品４０２の少なくとも一部分を囲む。ケーシング４０４はまた、ロータ４０５の一部分を囲むことができる。ステータ部品４０２は、冷却蒸気チャネル４０６を含む。冷却蒸気チャネル４０６は、ステータ部品４０２を通して高圧低温蒸気を供給することができる。一実施形態では、冷却蒸気チャネル４０６はまた、ケーシング４０４を貫通することができる。
【００２４】
冷却蒸気チャネル４０６は、蒸気源４２０に結合することができる。蒸気源４２０は、一実施形態では高圧低温蒸気源とすることができる。高圧というのは、蒸気タービン技術においては公知の用語であり、本明細書ではそのように解釈されることとする。蒸気に関して本明細書で使用する場合に、低温というは、蒸気チャネル２０８を通して供給される蒸気よりも低温のものである蒸気を意味することとする。一実施形態では、低温蒸気は、蒸気チャネル２０８を通して供給される蒸気よりも少なくとも５０℃ほど低温である。言うまでもなく、低温蒸気は、蒸気チャネル２０８を通して供給される蒸気よりも５０℃よりも大きな又は小さな温度ほど低温であるものとすることもできる。
【００２５】
一実施形態では、冷却蒸気チャネル４０６は、第１段ノズル４１０近くに設置されたパッキン流漏洩領域４２２の入口に対して、ケーシング４０４及びステータ部品４０２を貫通して蒸気を供給することができる。パッキン流漏洩領域４２２は、１以上の冷却蒸気送達チャネル４０８と流体連通させることができる。各冷却蒸気送達チャネル４０８は、例えばパイプのような軸方向流体（つまり、蒸気）輸送機構である。冷却蒸気送達チャネル４０８は、該冷却蒸気送達チャネル４０８がロータ４０５の１以上の初期段（例えば、ロータ４１１及び４１４）に蒸気を供給することができるように構成される。一実施形態では、冷却蒸気送達チャネル４０８内に孔を形成して、それらの孔を通って流れる蒸気がロータを冷却することができる。蒸気は、冷却蒸気送達チャネル４０８を通って矢印Ｄで示す方向に流れる。一般的に、冷却しようとする最終段のバケットシャンク上に、半径方向スロットを設けることができる。例えば、最終段は、図４のロータブレード４２４によって示している。このことは、高圧低温蒸気が主要流路Ａに戻ることを可能にし、それによって高温の主要流路蒸気がさらに下流段の冷却孔に流入するのを回避する。
【００２６】
図５は、蒸気タービンの一部分内で高圧低温蒸気（「冷却蒸気」とも呼ぶ）が取ることができる経路のより詳細図を示している。冷却蒸気は、矢印Ｃで示すように、パッキン流漏洩領域４２２の入口５０２に供給される。冷却蒸気の幾らかは、矢印Ｆで示すように、主要流路Ａ内に流入する。冷却蒸気の別の部分は、矢印Ｅで示すように、パッキン流漏洩領域４２２に流入する。しかしながら、蒸気の大部分は、矢印Ｄで示すように、冷却蒸気送達チャネル４０８を通って流れる。冷却蒸気送達チャネル４０８は、バケットシャンク又はロータのいずれか或いはそれらの両方内に半径方向孔を有する。それらの半径方向孔は、低温高圧蒸気が矢印Ａで示す高圧高温蒸気流内に流入して戻るのを可能にする。入口５０２は、それに対して複数冷却蒸気送達チャネル４０８が連通したアニュラス内への入口を形成することができる。
【００２７】
一実施形態では、冷却蒸気チャネル４０６は、ステータ部品４０２の製作時に、該ステータ部品４０２内に形成することができる。別の実施形態では、冷却蒸気チャネル４０６は、事前形成したステータ部品４０２内に設けることができる。
【００２８】
図６は、ステータ部品４０２の２つの部分４０２ａ及び４０２ｂの断面前面図を示している。これら２つの部分は、事前形成したステータ部品４０２を切断したものとすることができる。第２の部分４０２ｂは、その中に形成したグルーブ６０２を有する。このグルーブ６０２は、矢印Ｚで示すように２つの部分４０２ａ及び４０２ｂを接合した時に、蒸気がステータ部品４０２を通って流れるのを可能にする。言うまでもなく、グルーブ６０２は、第２の部分４０２ｂではなく第１の部分４０２ａ内に、或いは両部分内に形成することができる。
【００２９】
図７は、一実施形態によるステータ部品２０２の側面図を示している。ステータ部品２０２は、ロータ２０４の少なくとも一部分を囲む。ステータ部品２０２は、上述したように冷却蒸気チャネル４０６を含む。この実施形態では、冷却蒸気チャネル４０６は、第１の部分７０２及び傾斜部分７０４を含む。傾斜部分７０４は、該傾斜部分７０４が第１の部分７０２からロータ２０４内の送達孔（図示せず）までの通路を形成する限り、該第１の部分７０２に対してあらゆる角度とすることができる。一般に、冷却蒸気チャネル４０６の傾斜部分は、ロータ内の送達チャネルに流入する間における蒸気の圧力低下を減少させることができる。
【００３０】
上述した実施形態のいずれかにおける冷却蒸気送達チャネルの断面は、本明細書の教示から逸脱することなく多様な異なる形状の１つを取ることができることに注目されたい。例えば、冷却蒸気送達チャネルは、その断面が円形又は楕円形とすることができる。
【００３１】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３２】
１０２  変電所
１００  複合サイクル発電プラント
１０４  ガスタービン部分
１０６  蒸気タービン部分
１０７  空気取入口
１０８  圧縮機
１０９  燃焼器
１１０  タービン
１１２  第１の発電機
１１３  出力
１１４  蒸気タービン
１１６  第２の発電機
１１８  ＨＲＳＧ（熱回収蒸気発生器）
１２０  蒸気チャネル
２０２  ステータ部品
２０４  ロータ
２０６  早期段
２０８  冷却蒸気チャネル
２１０  ケーシング
２１２  幾つかの初期段
３０２  ノズル
３０４  ノズル
３０６  ノズル
３０８  ノズル
３０３  ロータブレード
３０５  ロータブレード
３０７  ロータブレード
３０９  ロータブレード
４００  蒸気タービン
４０２ａ  ステータ部品第１の部分
４０２ｂ  ステータ部品第２の部分
４０２  ステータ部品
４０４  ケーシング
４０５  ロータ
４０６  冷却蒸気チャネル
４０８  送達チャネル
４１０  第１段ノズル
４２０  蒸気源
４２２  漏洩領域
４２４  ロータブレード
６０２  グルーブ
７０２  第１の部分
７０４  傾斜部分
【図１】
2011085135.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011085135.tif 000006
【図５】
2011085135.tif 000007
【図６】
2011085135.tif 000008
【図７】
2011085135.tif 000009