(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械であって、
蒸気を供給するための入口領域（２０）と、
回転可能に設けられたローター（２１）と、
前記ローター（２１）の周囲に配置されたケーシングと、を有し、
前記ローター（２１）と前記ケーシングとの間には流路（２８）が形成されており、
前記流路（２８）と前記入口領域（２０）とは流体的に相互接続されており、
前記ターボ機械は、運転中に前記入口領域（２０）に流入する蒸気を前記流路（２８）内へと偏向させることができるように設計されたシールド（２７）を有し、
前記シールド（２７）は、運転中に冷却蒸気が前記シールド（２７）と前記ローター（２１）との間に配置された冷却領域（３７）内に流入できるように設計された冷却媒体フィード（３６）を有し、
前記シールド（２７）は、前記冷却領域（３７）と前記入口領域（２０）との間に流体接続を形成するライン（３９）を有し、
前記ライン（３９）は、運転中に前記入口領域（２０）からの蒸気が前記ローター（２１）に放射状に衝突するように設計されることを特徴とするターボ機械。
【請求項２】
前記ターボ機械はダブルフロー設計である請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
運転中に前記入口領域（２０）に流入する蒸気は、前記シールド（２７）によって、部分的に第１の流れ（２９）へと、そして部分的に第２の流れ（３０）へと偏向させることができる、請求項２に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記シールド（２７）は第１のブレード段の上流に配置される、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記シールド（２７）は前記ローター（２１）の周囲に配置される、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記冷却媒体フィード（３６）は、運転中に前記冷却蒸気が前記ローター（２１）に放射状に衝突するように設計される、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記冷却媒体フィード（３６）は、運転中に前記冷却蒸気が前記ローター（２１）に接線方向に衝突するように設計される、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項８】
前記冷却媒体フィード（３６）に直接接続された冷却媒体ラインを有し、
作動中、冷却蒸気は前記冷却媒体ライン内を流れることができる、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項９】
前記ターボ機械は蒸気タービン（２，１２，１３）である、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項１０】
前記冷却媒体フィード（３６）は低温再熱ライン（８）に接続されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載のターボ機械を有する蒸気発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械、特に蒸気タービンであって、蒸気を供給するための入口領域と、回転可能に設けられたローターと、ローターの周囲に配置されたケーシングとを有し、ローターとケーシングとの間には流路が形成されており、流路と入口領域とは流体的に相互接続されており、ターボ機械は、運転中に入口領域に流入する蒸気を流路内へと偏向させることができるように設計されたシールドを有し、シールドは、運転中に冷却蒸気がシールドとローターとの間に配置された冷却領域内に流入できるように設計された冷却媒体フィードを有するターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンなどのターボ機械は、一般に高い温度および圧力を有する流動媒体の貫流に曝される。したがって、ターボ機械の一実施形態としての蒸気タービンでは、流動媒体として蒸気が使用される。生蒸気入口領域における蒸気パラメータは、蒸気タービンがさまざまな点で熱的に高いストレスを受ける程度まで高くなっている。したがって、例えば蒸気タービンの入口領域において、材料は熱的に高いストレスを受ける。蒸気タービンは、主に、回転可能に取り付けられたタービンシャフトと、タービンシャフトの周りに配置されたケーシングとを含む。タービンシャフトは、流入する蒸気の温度の結果として、熱的に高いストレスを受ける。温度が高いほど熱応力が高くなることが認められている。タービンブレードは、ローター上で、いわゆるスロット内に配置される。運転中、スロットは高いレベルの機械的ストレスを受ける。しかしながら、熱応力は、回転およびローターに固定されたブレードによる追加の負荷の結果として、許容可能な機械的ストレスを低下させる。
【０００３】
熱力学的観点からは、より高い入口温度で効率が向上するので、蒸気の入口温度を上昇させることが理にかなっている。高温で蒸気タービンに使用される材料の負荷容量を拡張するために、シャフトの入口領域が冷却される。より高品質に変更する適切な冷却方法を開発できるならば、より高価な材料を省略することができる。
【０００４】
蒸気タービンプラントは、少なくとも一つの蒸気発生器と、高圧タービンセクションとして設計された第１の蒸気タービンと、中圧タービンセクションまたは低圧タービンセクションとして設計された、さらなるタービンセクションとを備える。生蒸気が高圧タービンセクションを通過した後、蒸気は再熱器で高温に再加熱され、中圧タービンセクションに導かれる。高圧タービンセクションから来る蒸気は低温再熱蒸気と呼ばれ、生蒸気と比較して比較的低温である。この低温再熱蒸気は冷却媒体として使用される。
【０００５】
これは、低温再熱蒸気が蒸気タービンの入口領域に導かれ、そこで材料温度が低下することを意味する。しかしながら、これは、例えば中圧タービンセクションの入口領域において低温再熱蒸気が非常に大きな温度差をもたらすことになる。これは、冷却にもかかわらず、局所的に高い温度勾配およびその結果としての高い熱応力が生じるという欠点をもたらす。さらに、それは、強く冷却された領域と冷却されていない領域が互いに隣接して配置されるために、不均一な熱膨張の結果としての熱歪みによって強いられる局部的な寸法変化をもたらすことがある。さらに、冷却不良の場合、すなわち低温再熱蒸気が利用可能とはならず、したがって機能不全事例をなす場合には熱衝撃が発生し、非常に厳しい熱的ストレスにつながる。
【０００６】
機能不全の場合、これは、冷却が失敗した場合には、以前に冷却されたシャフトがかなりの程度に膨張することを意味する。この熱膨張は構造的に考慮されるべきであり、冷却媒体の導通および冷却領域のシールをより困難にする。
【０００７】
特許文献１はシールドを開示しており、シールドは冷却蒸気ラインのみを有し、追加のラインは有していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第３４０６０７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこの時点から始まる。本発明の目的は、蒸気タービンのための改善された冷却を開示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、ターボ機械、特に蒸気タービンであって、蒸気を供給するための入口領域と、回転可能に設けられたローターと、ローターの周囲に配置されたケーシングとを有し、ローターとケーシングとの間には流路が形成されており、流路と入口領域とは流体的に相互接続されており、ターボ機械は、運転中に入口領域に流入する蒸気を流路内へと偏向させることができるように設計されたシールドを有し、シールドは、運転中に冷却蒸気がシールドとローターとの間に配置された冷却領域内に流入できるように設計された冷却媒体フィードを有し、シールドは、冷却領域と入口領域との間に流体接続を形成するラインを有するターボ機械によって達成される。
【００１１】
したがって、本発明は、入口領域に配置されかつ高温流動媒体からシャフトを遮閉するシールドを備えるターボ機械、特に蒸気タービンに関する。冷却のために使用されるのは、運転中にローターに冷却蒸気を導く冷却媒体フィードである。本発明は以下のアイデアに従う：現在までローターの比較的強力な冷却は冷却領域、すなわちシールドとローター表面との間で行われていた。
【００１２】
ローターは低温再熱蒸気によって冷却されるが、入口領域でのローターの非常に激しい冷却につながる。冷却媒体が不足した場合、ローターはこの領域で非常に強く加熱され、これは望ましくない交互の極端な熱応力をもたらす。このことを避けるために、本発明によれば、冷却媒体フィードに加えて、それを通って生蒸気がローターとシールドとの間の空間に流入することができるラインを有するシールドを設計することが提案される。ラインを通る冷却媒体の流量および生蒸気の流量は、この場合、入口領域におけるローターの温度が限界値まで加熱されるように選択される。この限界値は、この場合、冷却媒体が不足する場合には最高温度までの加熱、すなわち冷却媒体を伴わない加熱が適度であるように選択される。
【００１３】
したがって、本発明によれば、冷却媒体フィードからの冷却蒸気に対して、ある量の生蒸気を加えるために、シールドにおける、小さな設計とすることができる孔によって、受動混合冷却を実現することが提案される。この結果、ラインの適切な選択により、適切な混合温度を確立することができる。
【００１４】
蒸気に加えてアンモニアまたは蒸気‐ＣＯ２混合物であってもよい流動媒体は、蒸気という用語によって理解されるべきである。
【００１５】
したがって、本発明を用いることで、非常に低温の再熱蒸気による、あるいは温度制御された冷却蒸気の場合の高価な機器および制御実行による冷却時の不安定な誤動作の結果としてシャフトによって引き起こされる損傷が回避される。このような新しい冷却構造は、それが受動的であるので有利である。これは、高価な機器および制御システムおよび冷却媒体の温度制御のための制御バルブを必要としないことを意味する。コンポーネントの温度差が小さいため、低レベルの熱ストレス、冷却の結果としての小さな追加的な局所的歪み、および冷却の短期間の失敗の場合のより確実な挙動が達成される。
【００１６】
有利な展開は従属請求項に記載されている。
【００１７】
第１の有利な展開では、ターボ機械はダブルフロー設計である。これは、シールドが、流入する蒸気が第１の流れおよび第２の流れとなって流れることを可能にする領域を覆うことを意味する。
【００１８】
一つの有利な展開では、冷却媒体フィードは、運転中に冷却蒸気がローターに接線方向に衝突するように設計される。したがって、冷却媒体フィードは、シールドを通って半径方向に到達することはなく、本質的には、冷却蒸気にシールドとローターとの間の領域内への旋回が生じるように周方向に案内される。
【００１９】
同様に、好都合な展開では、運転中に入口領域からの蒸気がローターに接線方向に衝突するようにラインを設計することができる。この場合、シールドを半径方向に通過するように設計するのではなく、入口領域からシールドとローターの間の空間内に蒸気の旋回をもたらす接線成分を考慮に入れることも提案される。
【００２０】
冷却媒体フィードの接線方向の配置の場合には、生蒸気の旋回流入の結果としての冷却効果は冷却の機能停止の場合にも維持され得る。
【００２１】
本発明の上述した特性、特徴および利点ならびにそれらが達成される方法は、図面と関連してより詳細に説明される例示的な実施形態の以下の説明と関連して、より明瞭になり、より明確に理解できるようになる。
【００２２】
本発明の例示的な実施形態を図面を参照して以下に説明する。図面は例示的な実施形態を明確に示すものではなく、説明のために有用な図面は概略化された形態および／または僅かに歪んだ形態で提供される。図面において直接認識可能な教示に対する補足に関して、適用可能な先行技術が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】蒸気発電プラントの概略図である。
【図２】運転中の本発明の概略図である。
【図３】冷却媒体フィードの故障の場合の本発明の概略図である。
【図４】本発明による装置の側面図である。
【図５】別の実施形態における本発明による装置の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、蒸気発電プラント１を模式的に示す。蒸気発電プラント１は、生蒸気フィード３と高圧蒸気出口４とを有する高圧タービンセクション２を含む。生蒸気ライン５からの生蒸気が生蒸気フィード３を通って流れ、生蒸気は蒸気発生器６において生成される。生蒸気ライン５に配置されるのは、高圧タービンセクション２を通る生蒸気の流れを制御する生蒸気弁７である。また生蒸気ライン５に配置されるのは、機能不全の場合に高圧タービンセクション２への蒸気フィードを遮断する停止バルブ（図示せず）である。蒸気が高圧タービンセクション２を通って流れた後（その間に高圧タービンセクション２内の蒸気は熱エネルギーをローター２１の回転エネルギーに変換する）、蒸気は高圧蒸気出口４から低温再熱ライン８内へと流れ出る。生蒸気ライン５内の生蒸気の蒸気パラメータと比較して、低温再熱ライン８内の蒸気は、この低温再熱蒸気が冷却媒体として使用され得るようなものであり、これは、冷却媒体ライン９によって図１において大まかに示されている。低温再熱蒸気は、再熱器１０内で、かつ中圧タービンセクション１２に導かれた高温再熱ライン１１を介して加熱される。冷却媒体ライン９は、入口領域（図示せず）内へと中圧タービンセクション１２に案内できる。中圧タービンセクション１２のローターは、高圧タービンセクション２のローターおよび低圧タービンセクション１３のローター２１にトルク伝達作用により接続される。同様に、発電機１４が、低圧タービンセクション１３のローター２１にトルク伝達作用により接続される。蒸気が中圧タービンセクション１２を通過した後、蒸気は中圧蒸気出口１５から低圧タービンセクション１３へと流れる。図１で選択された中圧タービンセクション１２は第１の流れ２９および第２の流れ３０を含む。蒸気は、クロスオーバーライン１６の中圧蒸気出口１５から低圧タービンセクション１３へと案内される。低圧タービンセクション１３を通って流れた後、蒸気は凝縮器１７に流入し、そこで凝縮して水を生成する。凝縮器１７で変換され水を形成する蒸気は、続いて、ライン１８を介してポンプ１９に流れ、ここから水が蒸気発生器６に導かれる。
【００２５】
高圧タービンセクション２、中圧タービンセクション１２および低圧タービンセクション１３はまとめて蒸気タービンと呼ばれ、ターボ機械の一実施形態を構成する。
【００２６】
図２には、本発明による装置の図が示されている。図２は、特に、中圧タービンセクション１２の入口領域２０を示している。中圧タービンセクション１２は、回転軸線２２の周りに回転可能に取り付けられたローター２１を含む。ローター２１は、複数のローターブレード２３を含み、それはローター表面２４上のスロット（図示せず）内に配置されている。ローターブレード２３の間には、ケーシング（図示せず）上に保持されたステータブレード２５が配置されている。第１のステータブレード列２６は、このステータブレード列２６がシールド２７を支持するように設計されている。シールド２７は、運転中、入口領域２０に流れる蒸気を偏向させることができるように設計される。図２に示す中圧タービンセクション１２は第１の流れ２９および第２の流れ３０を有するので、流路２８は第１の流路３１と第２の流路３２とに分割される。したがって、流入蒸気３３は第１の蒸気３４および第２の蒸気３５を形成するように偏向される。第１の蒸気３４は第１の流路３１に流入する。第２の蒸気３５は第２の流路３２に流入する。
【００２７】
中圧タービンセクション１２は、ローター２１の周囲に配置されたケーシング（図示せず）を備え、ローター２１とケーシングとの間に第１の流路３１および第２の流路３２が形成され、第１の流路３１および第２の流路３２は入口領域２０に流体的に接続される。
【００２８】
蒸気に加えてアンモニアまたは蒸気−ＣＯ２混合物であってもよい流動媒体は、蒸気という用語によって理解されるべきである。
【００２９】
シールド２７は、運転中に冷却蒸気がシールド２７とローター２１との間に配置された冷却領域３７に流入するように設計された冷却媒体フィード３６を有する。冷却蒸気として使用されるのは、低温再熱ライン８から来る冷却媒体ライン９からの蒸気である。代替実施形態では、他の冷却蒸気を使用することができる。したがって、冷却蒸気は、冷却媒体フィード３６からローター表面２４上に流出し、放物線状の灰色領域３８によって表される熱応力領域を冷却する。温度はグレーの濃淡で表される。図２に見られるように、放物線状の灰色領域３８のグレーの濃淡は、ローター２１のグレーの濃淡よりも少し暗い。これは、放物線状の灰色領域３８の温度がローター２１の温度よりも高いことを意味する。
【００３０】
冷却媒体フィード３６に加えて、本発明によればシールド２７中にライン３９が配置される。このライン３９は、冷却領域３７と入口領域２０との間の流体接続部を形成する。ライン３９は、一つのあるいは複数の孔として形成されていてもよい。これらの孔は、円周上に分散して構成することができる。ライン３９は放物線状の灰色領域３８に対して対称的に配置することができ、これはライン３９が中央流入方向４０の方向に配置されることを意味する。図２では、ライン３９は中央流入方向と同じ方向には示されておらず、右方向に少し離れて示されている。
【００３１】
図３は、図２と同じ構成を主に示している。したがって、構成要素の説明および動作原理の繰り返しは省略する。図３における相違は、冷却媒体フィード３６の機能不全が十字で表されているという事実にある。冷却媒体フィード３６の機能不全は冷却領域３７の加熱を引き起こす。これにより、放物線状の灰色領域３８に温度変化が生じる。図３では、灰色の濃淡が図２の灰色領域と比べて暗いことが分かる。これは、図２に見られる通常運転と比べて温度が上昇することを意味する。
【００３２】
それにもかかわらず、図２に見られるような通常運転と、図３に示す障害運転との間の温度差は適度である。これは、ローター２１の材料が比較的小さな温度ジャンプしか経験しないことを意味する。
【００３３】
図４は、本発明による装置の側面図を示す。第１実施形態の冷却媒体フィード３６は回転軸線に向かって半径方向４１に設計されている。これは、運転中に冷却蒸気がローター２１に放射状に衝突することを意味する。同様に、図４によるライン３９は、運転中に入口領域からの蒸気がローター２１に放射状に衝突するように設計されている。
【００３４】
図５は、図４による実施形態の代替実施形態を示す。図５は、冷却媒体フィード３６が、運転中に冷却蒸気がローター２１に接線方向に衝突するように設計されていることを示す。この目的のために、冷却媒体フィード３６は、基本的に、シールドがそれを通って蒸気がローター２１に接線方向に衝突することができる孔を有するように構成される。これにより、冷却領域３７内に存在する蒸気の渦が生じる。ライン３９は、運転中に入口領域２０からの蒸気がローター２１に接線方向に衝突するように代替実施形態においては同様に設計される。これにより、冷却領域３７での混合が良好になる。
【００３５】
本発明を好ましい例示的な実施形態によって完全に図示し、説明したが、本発明は開示された実施例によって限定されるものではなく、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、当業者によってそれ以外の変更がもたらされ得る。
【符号の説明】
【００３６】
１  蒸気発電プラント
２  高圧タービンセクション
３  生蒸気フィード
４  高圧蒸気出口
５  生蒸気ライン
６  蒸気発生器
７  生蒸気弁
８  低温再熱ライン
９  冷却媒体ライン
１０  再熱器
１１  高温再熱ライン
１２  中圧タービンセクション
１３  低圧タービンセクション
１４  発電機
１５  中圧蒸気出口
１６  クロスオーバーライン
１７  凝縮器
１８  ライン
１９  ポンプ
２０  入口領域
２１  ローター
２２  回転軸線
２３  ローターブレード
２４  ローター表面
２５  ステータブレード
２６  ステータブレード列
２７  シールド
２８  流路
３１  第１の流路
３２  第２の流路
３３  流入蒸気
３４  第１の蒸気
３５  第２の蒸気
３６  冷却媒体フィード
３７  冷却領域
３８  灰色領域
３９  ライン
４０  中央流入方向
４１  半径方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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