蒸汽涡轮机及发电设备的制作方法
专利名称：蒸汽涡轮机及发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合发电厂等的火力发电设备所使用的蒸汽涡轮机的舱室构造、及采用该蒸汽涡轮机的发电设备。
已经建设了许多将燃气轮机与蒸汽涡轮机组合的复合循环发电厂。由于采用蒸汽涡轮机的发电厂的蒸汽条件的提高，一般与发电厂效率的提高直接相关，因此为了提高发电设备的效率和实现高的输出，近年在复合循环发电设备中也要求蒸汽涡轮机的蒸汽条件应当高压高温化。
但是，如图8所示，以往的复合循环发电用蒸汽涡轮机的高压部5的舱室110通常为单重舱室构造。一般地，当入口蒸汽压力增高时，单重舱室构造由于耐压强度上的要求而应增大壁厚。因此，在主蒸汽高压化、高温化，从而蒸汽涡轮机高效率化、高输出化的场合，沿用以往的单重舱室构造的蒸汽涡轮机主要是由于舱室壁厚增大的影响，因此蒸汽涡轮机舱室的压应力、热应力增大，在蒸汽涡轮机的运用期间因热疲劳或高温低周期疲劳而产生损伤，影响涡轮机的运转。
此外，当热变形增大时，从舱室的水平接缝发生蒸汽泄漏问题的危险度增大，从而产生蒸汽涡轮机的可靠性显著降低的不良状况。蒸汽泄漏是由于蒸汽涡轮机的运转而产生的致命的高温高压蒸汽向大气的直接放出，因此具有引起火灾及人身事故的危险性。
而且，当舱室的壁厚增厚时，起动时的热应力会过大，为了缓和这种过大的热应力而必需延缓起动时间，在要求复合循环发电厂急速起动的场合，不能满足该要求而产生滞后，从而同时产生发电设备运用成本上升的不良状况。
再者，在主蒸汽高压化、高温化，从而蒸汽涡轮机高输出化的场合，沿用以往的单重舱室构造的蒸汽涡轮机由于为了确保舱室的高温强度，舱室替代以往的低合金钢不得不采用高温高强度、而高价的12Cr钢或9Cr钢，这成为蒸汽涡轮机成本大大增加的原因。
而且，由于12Cr钢、9Cr钢的线膨胀系数比以往材料的以CrMoV钢为代表的低合金钢的要小，因此由12Cr钢、9Cr钢构成的舱室的热伸张增量比以往的要减小，与以往相比会发生大的伸张差(止推轴承位置在位于涡轮机轴向基准位置时舱室与转子的热膨胀量之差)。结果，作为回转体的转子与作为静止部件的壳体附属部件之间的涡轮机轴向间隙不足，产生接触，诱发所谓的轴向摩擦现象，影响继续运转，发生大的轴向振动的问题。
为了解决该问题，例如如图9所示，近年来在以往类型的复合循环蒸汽涡轮机中，采用了将从高压部5的高压第一段7到高压排气段8的整个区域由内部舱室111与外部舱室112构成的双重舱室构造(下面简称“完全双重舱室构造”)。
舱室的热应力基本上与舱室的内外面的温度差成比例。为简便起见，在假定涡轮机舱室为薄壁圆筒的场合，由内外面温度差引起的圆周方向的稳定热应力σθt是采用内外面温度差T以σθt=0.714α×E×T表示。α为材料的线膨胀系数。
通过将单重构造的舱室做成双重构造，舱室的内外面的温度差为以单重舱室构造的内外面温度差T1为例，可以外部舱室为0.7T1，内部舱室为0.3T1的比例分担。因此，双重舱室构造的内部舱室的稳定热应力为单重舱室热应力的0.7倍，双重舱室构造的外部舱室的热应力为单重舱室热应力的0.3倍。这样通过将高压部做成双重舱室构造，可以大幅度降低舱室的稳定热应力。
此外，在将涡轮机舱室简单地假定为薄壁圆筒的场合，由内压造成的圆周应力σθp用壁厚t以σθp=a×p/t表示。通过将作用内压的单重构造舱室做成双重构造，以单重舱室构造作用的内外压力差为P1为例，外部舱室的分担比例为0.3P1，内部舱室的分担比例为0.7P1。
在将涡轮机舱室假定为薄壁圆筒的场合，当单重舱室场合的半径为a时，双重舱室的内部舱室的半径大约表示为0.9a，外部舱室的半径大约表示为1.5a，舱室圆周方向的压应力表示为σ1、双重舱室的外部舱室圆周方向的压应力表示为σ2、双重舱室的内部舱室圆周方向的压应力表示为σ3，单重舱室场合的壁厚表示为a×P1/σ1，双重舱室的外部舱室的壁厚大约表示为0.45×P1/σ2，双重舱室的内部舱室的壁厚大约表示为0.63×P1/σ3。
例如，在压应力相同、即σ1=σ2=σ3的场合，最好是双重舱室构造的内部舱室的壁厚为单重舱室壁厚的0.63倍，双重舱室构造的外部舱室的壁厚为单重舱室壁厚的0.45倍。
从相反的观点来说，在双重舱室的场合，当将压应力抑制到单重舱室的0.7倍时，内部舱室的壁厚最好为单重舱室的壁厚的0.9倍，双重舱室构造的外部舱室的壁厚为单重舱室壁厚的0.65倍。即，减薄壁厚可以减小压应力。
与单重舱室构造相比，这种双重舱室构造具有能降低稳定热应力并且降低压应力的效果。
另外，在涡轮机起动时等涡轮机的舱室温度急剧地变化之际，在舱室内发生大的非稳定热应力与非稳态热变形。这种非稳定热应力与非稳态热变形的大小基本上与舱室内外面温度差成比例，在涡轮机起动时等、从而蒸汽温度与热传导率急剧变化的场合，舱室内外面温度差将受到舱室壁厚的很大的左右。
在单重舱室中，由于舱室内面直接暴露于主蒸汽，而舱室外面则通过保温材料暴露于大气中，因此舱室内外面的温度差较大，与此相对，在双重舱室构造中，舱室内外面的温度由于区分为内部舱室与外部舱室两段，作用于各舱室内外面上的蒸汽温度，也被分配到内部舱室与外部舱室这两段上，因此双重舱室的内部舱室、外部舱室以及其内外面温度差将比单重舱室的舱室内外面温度差大幅度减小。
由于舱室的非稳定热应力及非稳态热变形的大小一般与舱室内外面的温度差成比例，因此与单重舱室构造相比，双重舱室构造能够将非稳定热应力与非稳态热变形抑制到非常小。
此外，由于蒸汽涡轮机的舱室材料所使用的钢铁材料的热传导率较小，在舱室的壁厚较厚时，舱室内面的温度(热量)传递到舱室外面的时间增加、舱室内外面温度差增大，由于这一点，各舱室的壁厚比单重舱室的要薄的双重舱室构造，就可有效地抑制过大的非稳定热应力与非稳态热变形的发生。
即，由于双重舱室构造比单重舱室构造的舱室内外的环境温度差要小，同时舱室壁厚减薄，因此可以大幅度地减小舱室内外面的温度差，在涡轮机起动时等可以抑制过大的非稳定热应力及非稳态热变形的发生。
与单重舱室构造相比，由于这种双重舱室构造能降低压应力、降低稳定热应力、降低非稳定热应力、降低非稳态热变形，因此具有防止舱室的蠕变损伤、热疲劳损伤以及高温低周损伤、防止产生蒸汽从舱室的水平接缝泄漏问题的效果。
但是，由于以往的采用事业用大容量蒸汽涡轮机的高压第一段7到高压排气段9的双重舱室的高压部完全做成双重舱室构造，其外部舱室大幅度增大，因此具有成本上升之不利。而且，高压部完全为双重舱室的构造在进行蒸汽涡轮机的定期检查之外的维修时，由于构造复杂，而且连接上半舱室与下半舱室的舱室水平接口的固定螺栓的数量大幅度增加，因此涡轮机的分解、组装变得烦杂，需要有较长的作业时间。因此，具有定期检查等的费用增加、定期检查期间长期化、发电设备的运用性恶化、发电成本增大的不利后果。
更大的问题是，由于高压部完全采用双重舱室构造，因此涡轮机发生轴向摩擦现象的危险度增高。高压部完全做成双重舱室的构造，其外部舱室的内面的蒸汽温度由于与高压部的最初温度低的高压排气的蒸汽温度大致相等，因此外部舱室的热伸张减小。
因此，特别是与单重舱室构造相比，在高压排气侧的轴封部9的作为回转体的转子轴10、与作为静止部件的舱室附属部件11之间的涡轮机轴向伸张差变得非常大，涡轮机轴向的间隙不足，结果，对于高压部完全为双重舱室的构造，发生在轴向接触的被称之为摩擦振动的轴振动现象，进而，由于轴振动过大而影响涡轮机的运转，显著降低涡轮机的可靠性，大幅度地增大危险度。
为了降低该危险度，当增大轴向间隙时，轴封部9的泄漏蒸汽量会增大，造成涡轮机性能的恶化，而如今从性能的观看却是所希望的。事实上，对于高压部完全为双重舱室的构造，由于增大伸张差，轴封部的轴向间隙也不得不比单重舱室构造的场合增大许多，从而发生轴封部的泄漏蒸汽量增大、涡轮机的性能降低的问题。
而且，与这种复合循环发电用蒸汽涡轮机同样地，对于要求高压高温化的产业用蒸汽涡轮机也如此。
此外，复合循环用蒸汽涡轮机作为蒸汽涡轮机，由于其为小容量的机器或者中容量的机器，因此主蒸汽流量减少，从而翼长变短，造成涡轮机性能降低的问题。因此，为了确保涡轮机的性能，作为复合循环用蒸汽涡轮机，从改善构造强度与性能的观点出发，对于动叶片(活动叶片)翼部叶根直径与动叶片翼部前端部直径，应明确相对的大小关系，防止性能恶化。
本发明是鉴于上述实际情况而作出的，其目的是提供一种轴流型的蒸汽涡轮机，克服在进行蒸汽涡轮机的蒸汽条件的高压高温化上作为确保的高温强度的问题，及防止蒸汽泄漏的问题，同时通过抑制过大的伸张差的发生，由此预防摩擦现象的发生，并且解决使从轴封部泄漏的蒸汽量最小化的问题。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其特征是
对应于从高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，且蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是高压部中，蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围，并且蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围，采用双重舱室构造。
一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其中从高压部排出的蒸汽供给在再热器中被再热的中压部，其特征是对应于从前述高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造；对应于从前述中压部的中压第1段到中压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述中压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造；前述高压部与前述中压部的内部舱室一体地形成。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上，并且再热蒸汽温度在550℃以上。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围的高压部及中压部的舱室，采用双重舱室构造。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是作为前述外部舱室的材料，采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢，作为前述内部舱室的材料，采用含有8～10％的Cr的Cr钢或者含有9.5～12.5％的Cr的Cr钢。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢来形成前述外部舱室及前述内部舱室。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是在前述高压部中的采用双重舱室构造范围内的部段中，动叶片的翼部叶根直径Dr与动叶片的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt满足0.85＜Dr/Dt＜0.95的关系。
复合循环发电设备，其特征是由燃气轮机与如权利要求1～9之任一项所述的蒸汽涡轮机组合构成的。
所述的复合循环发电设备，其特征是使用冷却前述燃气轮机的水蒸汽的蒸汽冷却方式。
本发明提供一种蒸汽涡轮机，其中对应于从高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室采用单重舱室构造。
这样的部分双重舱室构造，最适用于其主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，且蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上的蒸汽涡轮机。
此外，在高压部中，蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围，或者蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围采用双重舱室构造。
而且，本发明还提供一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其中从高压部排出的蒸汽供给在再热器中被再热的中压部，其特征是对应于从前述高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室采用单重舱室构造；对应于从前述中压部的中压第1段到中压最终段之前的一定的部段的范围的舱室采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述中压最终段的范围的舱室采用单重舱室构造；前述高压部与前述中压部的内部舱室一体地形成。
这样的高压部及中压部的部分双重舱室构造最适用于主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上，并且再热蒸汽温度在550℃以上的蒸汽涡轮机。
此外，最好是蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围的高压部及中压部的舱室采用双重舱室构造。
在上述部分双重舱室构造的场合，作为前述外部舱室的材料，最好采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢，作为前述内部舱室的材料，最好采用含有8～10％的Cr的Cr钢或者含有9.5～12.5％的Cr的Cr钢。此外，代替上述材料，也可以采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢来形成前述外部舱室及前述内部舱室。
另外，在前述高压部中的采用双重舱室构造范围内的部段中，动叶片的翼部叶根直径Dr与动叶片的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt最好满足0.85＜Dr/Dt＜0.95的关系。
具有上述部分双重舱室构造的蒸汽涡轮机，最适于用作复合循环发电设备用蒸汽涡轮机，或者用作没有组合燃气轮机的火力发电厂用或产业用发电设备的蒸汽涡轮机。
以下参照附图详细说明本发明的实施例。
图1为表示本发明的蒸汽涡轮机的第一实施例的图，其是高压部与中压部的主要部分的纵剖面图；图2是表示蒸汽涡轮机舱室材料的耐力与105时间破断强度的温度依存性的曲线图3是表示以往类型的火力发电厂中蒸汽涡轮机与发动机的构造的说明图；图4是表示单轴型复合循环发动机中燃气轮机、蒸汽涡轮机以及发动机的构造的说明图；图5是动叶片的翼部叶根与动叶片的翼部前端部的说明图；图6是表示蒸汽涡轮机回转部的应力随Dr/Dt变化的说明图；图7是表示本发明的蒸汽涡轮机的第二实施例的图，其是高压部与中压部的主要部分的纵剖面图；图8是采用单重舱室构造的以往构造的蒸汽涡轮机高压部与中压部的主要部分的纵剖面图；图9是沿用以前的方法将高压部完全采用双重舱室构造的以往技术的延长的蒸汽涡轮机的高压部与中压部的主要部分的概略的纵剖面图。
下面参照
本发明的实施例。首先，参照图1来说明本发明的第一实施例。图1为本发明的蒸汽涡轮机的第一实施例的高压部5与中压部6的主要部分的纵剖面图。图1中，省略了蒸汽涡轮机的低压部的记载。
高压部5与中压部6分别由多个部段构成，这些部段组合有静翼3与动叶片4。高压部5与中压部6的动叶片4安装在共用的转子轴10上。
主蒸汽从流入部5a流入高压部5，进入高压第一段7内，经过顺次的部段，从高压排气段8排出，从流出部5b流出。从流出部5b流出的蒸汽从流入部6a流入中压部6，进入中压第1段12内，经过顺次的部段，从中压排气段13排出，从流出部6b流出。
此外，在图1中，符号9表示轴封部，符号11表示舱室附属部件。
这里，如图11所示，蒸汽涡轮机的高压部5的舱室在对应于从高压第1段7到高压排气段8前一定的部段(在图1中为从高压第1段7到高压第4段)的范围区域，采用由内部舱室1与外部舱室2构成的双重舱室构造。
另一方面，在对应于前述一定的部段(图1中为高压第4段)以后的部段、即从高压第5段到高压排气段8的范围区域，采用仅由外部舱室2构成的单重舱室构造。这样，高压部5的舱室就成为“部分双重舱室构造”。此外，如图1所示，外部舱室2在从高压第1段7到高压排气段8的范围内一体地形成。
对于其高压部5的舱室为“部分双重舱室构造”的蒸汽涡轮机，最适用于主蒸汽压力在120kgf/cm2以上、主蒸汽温度在550℃以上、蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上的情况。
高压部5的舱室最好是，当蒸汽通路部的蒸汽压力至少在90kgf/cm2以上的范围内时双重化，或者当蒸汽通路部的蒸汽温度至少在480℃以上的范围内时双重化。
双重化范围的上述理由将在以下解释。蒸汽涡轮机舱室所使用的材料一般在超过大约480℃时，蠕变现象会变得显著，因此在设计上必需考虑因蠕变而造成的高温强度的降低。即，当用纵轴为应力S、横轴为温度T来表示所使用的材料的耐力与105时间破断强度时，如图2所示，耐力随温度如虚线B-B’地变化，105时间破断强度随温度如实线A-A’地变化，这些线在大约480℃附近交叉(交点用P表示)。
即作为设计的标准，大约480℃以下为耐力的基准，大约480℃以上为105时间破断强度的基准，作为设计时的基准所必需的材料强度用图2的基准曲线B-P-A’表示。因此，通过将在材料的强度急剧降低的温度范围的部段、即在设计上蠕变强度必需作为设计的基准的480℃以上的部段范围的舱室做成双重构造，有效地解决高温下材料强度的急剧降低。
而且，尽管水蒸汽的普朗特(prandtl)数受到热传导率很大的影响，但在以往的火力发电厂及复合循环发电厂等的一般的火力发电用的蒸汽涡轮机中，蒸汽通路部的普朗特数在1.0左右，此时蒸汽温度大约为480℃，压力大约为90kgf/cm2的程度。
因此，通过将蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围的舱室双重化，或者将蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上范围的舱室双重化，可以提供这样的一蒸汽涡轮机，其能保持高温部的舱室的热应力与涡轮机轴向伸张差的足够的余度，保持在设计容许值的范围内，同时舱室的热变形也变得非常小，不会影响运转的继续，不会产生蒸汽泄漏，安全可靠性提高。
即，通过将蒸汽涡轮机高压部的暴露于高温高压蒸汽的范围的舱室做成双重化，可以抑制过大的热应力与过大的热变形的发生，同时将不产生过大的涡轮机轴向伸张差的直到高压排气段为止的舱室不做成双重化，限制双重化的范围，可以确保在进行蒸汽涡轮机的蒸汽条件的高压高温化上成为问题的高温强度与克服泄漏蒸汽量的降低这一缺陷，而且，可以抑制过大伸张差的发生，预防摩擦现象的发生，提供一种安全的蒸汽涡轮机，其不会因振动问题而影响运转，而且可以抑制制造成本、运转成本的增大。
下面，说明内部舱室1与外部舱室2的材料选定。
在采用图1所示的部分双重舱室构造的蒸汽涡轮机的高压部5中，作为外部舱室2的材料，最好采用含有1～3％的Cr的以CrMoV钢为代表的低合金钢，而作为内部舱室1的材料，则最好采用含有8～10％的Cr的9Cr钢或者含有9.5～12.5％的Cr的12Cr钢。
这样，特别是通过仅对暴露于高温高压蒸汽的内部舱室1，采用高温强度高的12Cr钢或9Cr钢，就可以大幅度抑制成本的上升。而且，通过限制热膨胀系数低的12Cr钢或9Cr钢的使用范围，就可以抑制转子轴向伸张差的增大，减轻因轴向间隙增大而从轴封部9泄漏的蒸汽量，而且，可以降低因轴向摩擦而发生轴振动的危险度。这样，可以提供能抑制制造成本、运用成本增大的蒸汽涡轮机。
通过做成部分双重舱室构造，与单重舱室构造的场合相比，由于可以大幅度降低舱室的热应力以及热变形，因此外部舱室2与内部舱室1可以采用含有1～3％的Cr的以CrMoV钢为代表的低合金钢来形成。在这种场合，尽管设计时必需进行充分的考虑，但可以将成本的上升抑制到最小的限度，而且由于使转子轴向伸张差的增大也最小，因此可以时从轴封部泄漏的蒸汽量最小化，而且更有效地防止轴向摩擦。
此外，在高压部5的部段中的对应于双重舱室构造范围的部段中，动叶片4的翼部叶根直径Dr与动叶片4的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt最好为0.85＜Dr/Dt＜0.95。其理由将参照图3～图6在以下进行说明。
一般地，复合循环发电厂用的蒸汽涡轮机与同容量的以往的火力发电用蒸汽涡轮机相比，高压部的转子轴14的直径较大。其理由如下。
在以往类型的火力发电厂的场合，一般地，其采用如图3所示的蒸汽涡轮机15与发电机16的构成，蒸汽涡轮机高压部的转子轴14由于仅需传递由蒸汽涡轮机的高压部产生的轴扭矩，因此不必增大高压部的转子轴14的直径。
与此相对，在复合循环发电厂中，如图4所示，近年来一般采用将燃气轮机17、蒸汽涡轮机15、发电机16排列在一根轴上的被称为单轴型的构造。在该图4配置的场合，由于在蒸汽涡轮机15的高压部的转子轴14上，不仅作用有由蒸汽涡轮机15的高压部产生的轴扭矩，而且还叠加作用有由燃气轮机17产生的轴扭矩，因此为了确保蒸汽涡轮机高压部的转子轴14的扭转强度，必需增大转子轴的直径。
在此参照图5。上述蒸汽涡轮机中，转子轴直径如果增大，则安装在该转子轴上的动叶片4的叶根直径也增大，但由于流量不变，因此动叶片出口面积大致保持一定，动叶片翼长43不会缩短。
设动叶片翼长43为Hb，动叶片翼宽44为Wb，一般地当Hb/Wb＜1时，则叶栅的流动中二次流的影响将急剧增大，从而动叶片的流体性能急剧恶化。
即希望翼长短的高压部的动叶片的翼长增长，从确保涡轮机性能的观点看，希望减小Dr/Dt(Dr为动叶片的翼部叶根直径，Dt是翼部前端部直径)。
单轴型复合循环用的输出为120MW以上的蒸汽涡轮机的高压部的动叶片的翼宽Wb的最小值一般为20mm的程度，而且动叶片的翼部叶根直径Dr因上述理由而不能极端地减小，其最小值大约为800mm的限度，Dr/Dt＜(Dt-2Hb)/Dt=1-2Hb/Dt≈1-2Wb/(Dr+2Wb)≈1-2×20/(800+2×20)≈0.95，即满足Dr/Dt＜0.95，对于维持蒸汽涡轮机高压部的性能提高非常重要。
另外，蒸汽涡轮机的高压部暴露于高温之下。特别是，由于高压部的双重构造的范围内的部段大多为大约480℃以上的高温部，因此动叶片及转子材料中也发生与图2同样的现象，高温强度降低的问题变得显著，由于动叶片翼长的不必要的增长与蠕变损伤等，在蒸汽涡轮机运用期间中，引起动叶片或者叶轮损伤的几率急剧增高。
蒸汽涡轮机中，一般地动叶片嵌入部411的局部应力被设计成与转子轴中心部114的应力大致相同。蒸汽涡轮机的动叶片的翼部叶根直径Dr，根据涡轮机性能与制造技术相匹配来确定，作为本发明的对象，在输出为120MW以上的比较大型的蒸汽涡轮机中，该值对于各涡轮机不会有很大的变化。
因此，例如在假定Dr为一定的场合，如图6所例示的，动叶片嵌入部的局部应力与转子轴中心部的圆周方向应力随着Dr/Dt的增大，任一应力都减少，但相对于动叶片嵌入部的局部应力的急剧减少，转子轴中心部的圆周方向应力则是逐渐减少，在较高的Dr/Dt处近乎平坦地变化。
这样的蒸汽涡轮机即使在较高的Dr/Dt区域中，转子轴中心部的圆周方向应力也通常为接近于强度极限值的值，因此以很大地超过该值的应力来设计制造是不可能的。而且，在低的Dr/Dt的区域，随着Dr/Dt的减少，动叶片嵌入部的局部应力超过转子轴中心部的圆周方向应力急剧地增大，因此该区域的设计制造是困难的。
在此，参照图6，表示Dr/Dt与动叶片嵌入部的局部应力之间的关系的曲线62、与表示Dr/Dt与转子轴中心部的圆周方向应力之间的关系的曲线61的交叉位置是，经验上说Dr/Dt大约在0.85的位置，Dr/Dt在该值以下的场合，由于应力超过强度极限，因此实现起来困难。因此，Dr/Dt至少应满足0.85＜Dr/Dt的条件，这对于蒸汽涡轮机回转部分的高温强度是重要的事项。
如上所述，在高压部的具有部分双重舱室构造范围内的部段中，通过将动叶片的翼部叶根直径Dr与动叶片的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt设定成满足0.85＜Dr/Dt＜0.95的关系，可以预防因二次流的影响而降低动叶片的性能，从而可维持蒸汽涡轮机高压部性能的提高，同时提供一种安全的可靠性高的蒸汽涡轮机，其在涡轮机回转部分的高温部的应力超过强度极限的涡轮机运用期间中，不会引起动叶片或者叶轮的损伤。下面，参照图7说明本发明第二实施例。
图7是本发明蒸汽涡轮机的第二实施例的高压部5及中压部6的主要部分的纵剖面图。在图7中，省去了蒸汽涡轮机的低压部的记载。此外，在第二实施例中，与第一实施例相同的部分标记相同的符号，并且省去其重复说明。
本实施例的蒸汽涡轮机的从高压部5的流出部5b排出的蒸汽通过图中未示出的再热器再热后，被导入中压部6的流入部6a，进行再热循环。
本实施例的蒸汽涡轮机，最适用于主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上，并且再热蒸汽温度在550℃以上的蒸汽涡轮机。
如图7所示，在本实施例中，与第一实施例同样地，蒸汽涡轮机的高压部5的舱室，其从高压第1段7到高压排气段8之前的任意的部段(图中为从高压第1段到高压第4段)的范围，采用由内部舱室101与外部舱室102构成的双重舱室构造，而对应于此后的部段的范围则采用仅由外部舱室102构成的单重舱室构造。
但是，在本实施例中，中压部6的舱室同样是，其从中压第1段12到中压最终段13之前的任意部段(图中为从中压第1段到中压第2段)的范围采用双重舱室构造，而其后的部段，即从中压第2段到中压最终段13的范围采用单重舱室构造。即，本实施例中，高压部5与中压部6两者的舱室都是部分舱室构造。
如图7所示，内部舱室101在从高压第4段到中压第2段的范围内、即其整体都是一体地形成。也就是说，内部舱室101是覆盖高压部5与中压部6两者的高中压一体的内部舱室。而且，同样地外部舱室102也是覆盖高压部5与中压部6两者的高中压一体的外部舱室。
在本实施例中，鉴于再热循环涡轮机中导入中压部6的蒸汽也是高温高压的蒸汽，因此在中压部中也采用部分双重舱室的构造。因此，在本实施例中，也能获得与第一实施例大致相同的作用效果。
此外，对于中压部6等范围的双重化可以根据第一实施例中所说明的同样的方法来进行确定，而最好将蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围进行双重化，或者将蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围进行双重化。
此外，对于内部舱室101与外部舱室102的材料，也可根据与第一实施例所说明的同样的方法来确定，作为外部舱室102的材料，可采用含有1～3％的Cr的以CrMoV钢为代表的低合金钢，而且，作为内部舱室101的材料，可采用含有8～10％的Cr的9Cr基钢或含有9.5～12.5％的Cr的12Cr基钢，内部舱室101与外部舱室102同时采用含有1～3％的Cr的以CrMoV钢为代表的低合金钢也是可以的。
具有上述部分双重舱室构造(第一实施例、第二实施例的任一构造均可)的蒸汽涡轮机，适于用作含有燃气轮机与蒸汽涡轮机的复合循环发电设备的蒸汽涡轮机。在该场合，作为复合循环发电设备的方式，使用冷却燃气轮机的水蒸汽的蒸汽冷却方式同样适用。而且，具有上述部分双重舱室构造的蒸汽涡轮机，也可用作没有组合燃气轮机的火力发电厂用或者产业用的火力发电设备的蒸汽涡轮机。
由于上述蒸汽涡轮机适用于火力发电厂，蒸汽条件可以高压高温化，可以抑制发电厂的运用成本的增大，从而给社会作出贡献。不只限于复合循环发电厂，在没有组合燃气轮机的火力发电厂用或产业用发电设备的蒸汽涡轮机高压高温化之际，可以发挥同样的效果、作用。
本发明的效果如上所述，按照本发明，可以确保在进行蒸汽涡轮机的蒸汽条件的高压高温化时成为问题的舱室的高温强度，防止蒸汽泄漏，而且，可防止由伸张差引起的摩擦现象，实现轴封部的泄漏蒸汽量的最小化。
权利要求
1．一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其特征是对应于从高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造。
2．如权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征是主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，且蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上。
3．如权利要求1或2所述的蒸汽涡轮机，其特征是高压部中，蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围，并且蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围，采用双重舱室构造。
4．一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其中从高压部排出的蒸汽供给在再热器中被再热的中压部，其特征是对应于从前述高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造；对应于从前述中压部的中压第1段到中压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述中压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造；前述高压部与前述中压部的内部舱室一体地形成。
5．如权利要求4所述的蒸汽涡轮机，其特征是主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上，并且再热蒸汽温度在550℃以上。
6．如权利要求4或5所述的蒸汽涡轮机，其特征是蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围的高压部及中压部的舱室，采用双重舱室构造。
7．如权利要求1～6之任一项所述的蒸汽涡轮机，其特征是作为前述外部舱室的材料，采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢，作为前述内部舱室的材料，采用含有8～10％的Cr的Cr钢或者含有9.5～12.5％的Cr的Cr钢。
8．如权利要求1～6之任一项所述的蒸汽涡轮机，其特征是采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢来形成前述外部舱室及前述内部舱室。
9．如权利要求1～8之任一项所述的蒸汽涡轮机，其特征是在前述高压部中的采用双重舱室构造范围内的部段中，动叶片的翼部叶根直径Dr与动叶片的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt满足0.85＜Dr/Dt＜0.95的关系。
10．复合循环发电设备，其特征是由燃气轮机与如权利要求1～9之任一项所述的蒸汽涡轮机组合构成的。
11．如权利要求10所述的复合循环发电设备，其特征是使用冷却前述燃气轮机的水蒸汽的蒸汽冷却方式。
全文摘要
本发明提供一种蒸汽涡轮机,其能确保在进行蒸汽条件上的高压高温化时成为问题的高温强度,防止蒸汽泄漏,防止由过大的伸张差引起的摩擦振动的发生,实现轴封部的泄漏蒸汽量的最小化。其措施是,将对应于从蒸汽涡轮机的高压部的高压第1段7到高压排气段之前的一定部段的范围的舱室双重化,而对应于其后部段的舱室则单重化。
文档编号F01D25/00GK1312426SQ0110376
公开日2001年9月12日 申请日期2001年2月12日 优先权日2000年2月10日
发明者北泽守一, 菊地正孝, 青柳和雄, 冲田信雄, 大平浩之 申请人:东芝株式会社
技术领域：
本发明涉及复合发电厂等的火力发电设备所使用的蒸汽涡轮机的舱室构造、及采用该蒸汽涡轮机的发电设备。
已经建设了许多将燃气轮机与蒸汽涡轮机组合的复合循环发电厂。由于采用蒸汽涡轮机的发电厂的蒸汽条件的提高，一般与发电厂效率的提高直接相关，因此为了提高发电设备的效率和实现高的输出，近年在复合循环发电设备中也要求蒸汽涡轮机的蒸汽条件应当高压高温化。
但是，如图8所示，以往的复合循环发电用蒸汽涡轮机的高压部5的舱室110通常为单重舱室构造。一般地，当入口蒸汽压力增高时，单重舱室构造由于耐压强度上的要求而应增大壁厚。因此，在主蒸汽高压化、高温化，从而蒸汽涡轮机高效率化、高输出化的场合，沿用以往的单重舱室构造的蒸汽涡轮机主要是由于舱室壁厚增大的影响，因此蒸汽涡轮机舱室的压应力、热应力增大，在蒸汽涡轮机的运用期间因热疲劳或高温低周期疲劳而产生损伤，影响涡轮机的运转。
此外，当热变形增大时，从舱室的水平接缝发生蒸汽泄漏问题的危险度增大，从而产生蒸汽涡轮机的可靠性显著降低的不良状况。蒸汽泄漏是由于蒸汽涡轮机的运转而产生的致命的高温高压蒸汽向大气的直接放出，因此具有引起火灾及人身事故的危险性。
而且，当舱室的壁厚增厚时，起动时的热应力会过大，为了缓和这种过大的热应力而必需延缓起动时间，在要求复合循环发电厂急速起动的场合，不能满足该要求而产生滞后，从而同时产生发电设备运用成本上升的不良状况。
再者，在主蒸汽高压化、高温化，从而蒸汽涡轮机高输出化的场合，沿用以往的单重舱室构造的蒸汽涡轮机由于为了确保舱室的高温强度，舱室替代以往的低合金钢不得不采用高温高强度、而高价的12Cr钢或9Cr钢，这成为蒸汽涡轮机成本大大增加的原因。
而且，由于12Cr钢、9Cr钢的线膨胀系数比以往材料的以CrMoV钢为代表的低合金钢的要小，因此由12Cr钢、9Cr钢构成的舱室的热伸张增量比以往的要减小，与以往相比会发生大的伸张差(止推轴承位置在位于涡轮机轴向基准位置时舱室与转子的热膨胀量之差)。结果，作为回转体的转子与作为静止部件的壳体附属部件之间的涡轮机轴向间隙不足，产生接触，诱发所谓的轴向摩擦现象，影响继续运转，发生大的轴向振动的问题。
为了解决该问题，例如如图9所示，近年来在以往类型的复合循环蒸汽涡轮机中，采用了将从高压部5的高压第一段7到高压排气段8的整个区域由内部舱室111与外部舱室112构成的双重舱室构造(下面简称“完全双重舱室构造”)。
舱室的热应力基本上与舱室的内外面的温度差成比例。为简便起见，在假定涡轮机舱室为薄壁圆筒的场合，由内外面温度差引起的圆周方向的稳定热应力σθt是采用内外面温度差T以σθt=0.714α×E×T表示。α为材料的线膨胀系数。
通过将单重构造的舱室做成双重构造，舱室的内外面的温度差为以单重舱室构造的内外面温度差T1为例，可以外部舱室为0.7T1，内部舱室为0.3T1的比例分担。因此，双重舱室构造的内部舱室的稳定热应力为单重舱室热应力的0.7倍，双重舱室构造的外部舱室的热应力为单重舱室热应力的0.3倍。这样通过将高压部做成双重舱室构造，可以大幅度降低舱室的稳定热应力。
此外，在将涡轮机舱室简单地假定为薄壁圆筒的场合，由内压造成的圆周应力σθp用壁厚t以σθp=a×p/t表示。通过将作用内压的单重构造舱室做成双重构造，以单重舱室构造作用的内外压力差为P1为例，外部舱室的分担比例为0.3P1，内部舱室的分担比例为0.7P1。
在将涡轮机舱室假定为薄壁圆筒的场合，当单重舱室场合的半径为a时，双重舱室的内部舱室的半径大约表示为0.9a，外部舱室的半径大约表示为1.5a，舱室圆周方向的压应力表示为σ1、双重舱室的外部舱室圆周方向的压应力表示为σ2、双重舱室的内部舱室圆周方向的压应力表示为σ3，单重舱室场合的壁厚表示为a×P1/σ1，双重舱室的外部舱室的壁厚大约表示为0.45×P1/σ2，双重舱室的内部舱室的壁厚大约表示为0.63×P1/σ3。
例如，在压应力相同、即σ1=σ2=σ3的场合，最好是双重舱室构造的内部舱室的壁厚为单重舱室壁厚的0.63倍，双重舱室构造的外部舱室的壁厚为单重舱室壁厚的0.45倍。
从相反的观点来说，在双重舱室的场合，当将压应力抑制到单重舱室的0.7倍时，内部舱室的壁厚最好为单重舱室的壁厚的0.9倍，双重舱室构造的外部舱室的壁厚为单重舱室壁厚的0.65倍。即，减薄壁厚可以减小压应力。
与单重舱室构造相比，这种双重舱室构造具有能降低稳定热应力并且降低压应力的效果。
另外，在涡轮机起动时等涡轮机的舱室温度急剧地变化之际，在舱室内发生大的非稳定热应力与非稳态热变形。这种非稳定热应力与非稳态热变形的大小基本上与舱室内外面温度差成比例，在涡轮机起动时等、从而蒸汽温度与热传导率急剧变化的场合，舱室内外面温度差将受到舱室壁厚的很大的左右。
在单重舱室中，由于舱室内面直接暴露于主蒸汽，而舱室外面则通过保温材料暴露于大气中，因此舱室内外面的温度差较大，与此相对，在双重舱室构造中，舱室内外面的温度由于区分为内部舱室与外部舱室两段，作用于各舱室内外面上的蒸汽温度，也被分配到内部舱室与外部舱室这两段上，因此双重舱室的内部舱室、外部舱室以及其内外面温度差将比单重舱室的舱室内外面温度差大幅度减小。
由于舱室的非稳定热应力及非稳态热变形的大小一般与舱室内外面的温度差成比例，因此与单重舱室构造相比，双重舱室构造能够将非稳定热应力与非稳态热变形抑制到非常小。
此外，由于蒸汽涡轮机的舱室材料所使用的钢铁材料的热传导率较小，在舱室的壁厚较厚时，舱室内面的温度(热量)传递到舱室外面的时间增加、舱室内外面温度差增大，由于这一点，各舱室的壁厚比单重舱室的要薄的双重舱室构造，就可有效地抑制过大的非稳定热应力与非稳态热变形的发生。
即，由于双重舱室构造比单重舱室构造的舱室内外的环境温度差要小，同时舱室壁厚减薄，因此可以大幅度地减小舱室内外面的温度差，在涡轮机起动时等可以抑制过大的非稳定热应力及非稳态热变形的发生。
与单重舱室构造相比，由于这种双重舱室构造能降低压应力、降低稳定热应力、降低非稳定热应力、降低非稳态热变形，因此具有防止舱室的蠕变损伤、热疲劳损伤以及高温低周损伤、防止产生蒸汽从舱室的水平接缝泄漏问题的效果。
但是，由于以往的采用事业用大容量蒸汽涡轮机的高压第一段7到高压排气段9的双重舱室的高压部完全做成双重舱室构造，其外部舱室大幅度增大，因此具有成本上升之不利。而且，高压部完全为双重舱室的构造在进行蒸汽涡轮机的定期检查之外的维修时，由于构造复杂，而且连接上半舱室与下半舱室的舱室水平接口的固定螺栓的数量大幅度增加，因此涡轮机的分解、组装变得烦杂，需要有较长的作业时间。因此，具有定期检查等的费用增加、定期检查期间长期化、发电设备的运用性恶化、发电成本增大的不利后果。
更大的问题是，由于高压部完全采用双重舱室构造，因此涡轮机发生轴向摩擦现象的危险度增高。高压部完全做成双重舱室的构造，其外部舱室的内面的蒸汽温度由于与高压部的最初温度低的高压排气的蒸汽温度大致相等，因此外部舱室的热伸张减小。
因此，特别是与单重舱室构造相比，在高压排气侧的轴封部9的作为回转体的转子轴10、与作为静止部件的舱室附属部件11之间的涡轮机轴向伸张差变得非常大，涡轮机轴向的间隙不足，结果，对于高压部完全为双重舱室的构造，发生在轴向接触的被称之为摩擦振动的轴振动现象，进而，由于轴振动过大而影响涡轮机的运转，显著降低涡轮机的可靠性，大幅度地增大危险度。
为了降低该危险度，当增大轴向间隙时，轴封部9的泄漏蒸汽量会增大，造成涡轮机性能的恶化，而如今从性能的观看却是所希望的。事实上，对于高压部完全为双重舱室的构造，由于增大伸张差，轴封部的轴向间隙也不得不比单重舱室构造的场合增大许多，从而发生轴封部的泄漏蒸汽量增大、涡轮机的性能降低的问题。
而且，与这种复合循环发电用蒸汽涡轮机同样地，对于要求高压高温化的产业用蒸汽涡轮机也如此。
此外，复合循环用蒸汽涡轮机作为蒸汽涡轮机，由于其为小容量的机器或者中容量的机器，因此主蒸汽流量减少，从而翼长变短，造成涡轮机性能降低的问题。因此，为了确保涡轮机的性能，作为复合循环用蒸汽涡轮机，从改善构造强度与性能的观点出发，对于动叶片(活动叶片)翼部叶根直径与动叶片翼部前端部直径，应明确相对的大小关系，防止性能恶化。
本发明是鉴于上述实际情况而作出的，其目的是提供一种轴流型的蒸汽涡轮机，克服在进行蒸汽涡轮机的蒸汽条件的高压高温化上作为确保的高温强度的问题，及防止蒸汽泄漏的问题，同时通过抑制过大的伸张差的发生，由此预防摩擦现象的发生，并且解决使从轴封部泄漏的蒸汽量最小化的问题。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其特征是
对应于从高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，且蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是高压部中，蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围，并且蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围，采用双重舱室构造。
一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其中从高压部排出的蒸汽供给在再热器中被再热的中压部，其特征是对应于从前述高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造；对应于从前述中压部的中压第1段到中压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述中压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造；前述高压部与前述中压部的内部舱室一体地形成。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上，并且再热蒸汽温度在550℃以上。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围的高压部及中压部的舱室，采用双重舱室构造。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是作为前述外部舱室的材料，采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢，作为前述内部舱室的材料，采用含有8～10％的Cr的Cr钢或者含有9.5～12.5％的Cr的Cr钢。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢来形成前述外部舱室及前述内部舱室。
所述的蒸汽涡轮机，其特征是在前述高压部中的采用双重舱室构造范围内的部段中，动叶片的翼部叶根直径Dr与动叶片的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt满足0.85＜Dr/Dt＜0.95的关系。
复合循环发电设备，其特征是由燃气轮机与如权利要求1～9之任一项所述的蒸汽涡轮机组合构成的。
所述的复合循环发电设备，其特征是使用冷却前述燃气轮机的水蒸汽的蒸汽冷却方式。
本发明提供一种蒸汽涡轮机，其中对应于从高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室采用单重舱室构造。
这样的部分双重舱室构造，最适用于其主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，且蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上的蒸汽涡轮机。
此外，在高压部中，蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围，或者蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围采用双重舱室构造。
而且，本发明还提供一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其中从高压部排出的蒸汽供给在再热器中被再热的中压部，其特征是对应于从前述高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室采用单重舱室构造；对应于从前述中压部的中压第1段到中压最终段之前的一定的部段的范围的舱室采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述中压最终段的范围的舱室采用单重舱室构造；前述高压部与前述中压部的内部舱室一体地形成。
这样的高压部及中压部的部分双重舱室构造最适用于主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上，并且再热蒸汽温度在550℃以上的蒸汽涡轮机。
此外，最好是蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围的高压部及中压部的舱室采用双重舱室构造。
在上述部分双重舱室构造的场合，作为前述外部舱室的材料，最好采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢，作为前述内部舱室的材料，最好采用含有8～10％的Cr的Cr钢或者含有9.5～12.5％的Cr的Cr钢。此外，代替上述材料，也可以采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢来形成前述外部舱室及前述内部舱室。
另外，在前述高压部中的采用双重舱室构造范围内的部段中，动叶片的翼部叶根直径Dr与动叶片的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt最好满足0.85＜Dr/Dt＜0.95的关系。
具有上述部分双重舱室构造的蒸汽涡轮机，最适于用作复合循环发电设备用蒸汽涡轮机，或者用作没有组合燃气轮机的火力发电厂用或产业用发电设备的蒸汽涡轮机。
以下参照附图详细说明本发明的实施例。
图1为表示本发明的蒸汽涡轮机的第一实施例的图，其是高压部与中压部的主要部分的纵剖面图；图2是表示蒸汽涡轮机舱室材料的耐力与105时间破断强度的温度依存性的曲线图3是表示以往类型的火力发电厂中蒸汽涡轮机与发动机的构造的说明图；图4是表示单轴型复合循环发动机中燃气轮机、蒸汽涡轮机以及发动机的构造的说明图；图5是动叶片的翼部叶根与动叶片的翼部前端部的说明图；图6是表示蒸汽涡轮机回转部的应力随Dr/Dt变化的说明图；图7是表示本发明的蒸汽涡轮机的第二实施例的图，其是高压部与中压部的主要部分的纵剖面图；图8是采用单重舱室构造的以往构造的蒸汽涡轮机高压部与中压部的主要部分的纵剖面图；图9是沿用以前的方法将高压部完全采用双重舱室构造的以往技术的延长的蒸汽涡轮机的高压部与中压部的主要部分的概略的纵剖面图。
下面参照
本发明的实施例。首先，参照图1来说明本发明的第一实施例。图1为本发明的蒸汽涡轮机的第一实施例的高压部5与中压部6的主要部分的纵剖面图。图1中，省略了蒸汽涡轮机的低压部的记载。
高压部5与中压部6分别由多个部段构成，这些部段组合有静翼3与动叶片4。高压部5与中压部6的动叶片4安装在共用的转子轴10上。
主蒸汽从流入部5a流入高压部5，进入高压第一段7内，经过顺次的部段，从高压排气段8排出，从流出部5b流出。从流出部5b流出的蒸汽从流入部6a流入中压部6，进入中压第1段12内，经过顺次的部段，从中压排气段13排出，从流出部6b流出。
此外，在图1中，符号9表示轴封部，符号11表示舱室附属部件。
这里，如图11所示，蒸汽涡轮机的高压部5的舱室在对应于从高压第1段7到高压排气段8前一定的部段(在图1中为从高压第1段7到高压第4段)的范围区域，采用由内部舱室1与外部舱室2构成的双重舱室构造。
另一方面，在对应于前述一定的部段(图1中为高压第4段)以后的部段、即从高压第5段到高压排气段8的范围区域，采用仅由外部舱室2构成的单重舱室构造。这样，高压部5的舱室就成为“部分双重舱室构造”。此外，如图1所示，外部舱室2在从高压第1段7到高压排气段8的范围内一体地形成。
对于其高压部5的舱室为“部分双重舱室构造”的蒸汽涡轮机，最适用于主蒸汽压力在120kgf/cm2以上、主蒸汽温度在550℃以上、蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上的情况。
高压部5的舱室最好是，当蒸汽通路部的蒸汽压力至少在90kgf/cm2以上的范围内时双重化，或者当蒸汽通路部的蒸汽温度至少在480℃以上的范围内时双重化。
双重化范围的上述理由将在以下解释。蒸汽涡轮机舱室所使用的材料一般在超过大约480℃时，蠕变现象会变得显著，因此在设计上必需考虑因蠕变而造成的高温强度的降低。即，当用纵轴为应力S、横轴为温度T来表示所使用的材料的耐力与105时间破断强度时，如图2所示，耐力随温度如虚线B-B’地变化，105时间破断强度随温度如实线A-A’地变化，这些线在大约480℃附近交叉(交点用P表示)。
即作为设计的标准，大约480℃以下为耐力的基准，大约480℃以上为105时间破断强度的基准，作为设计时的基准所必需的材料强度用图2的基准曲线B-P-A’表示。因此，通过将在材料的强度急剧降低的温度范围的部段、即在设计上蠕变强度必需作为设计的基准的480℃以上的部段范围的舱室做成双重构造，有效地解决高温下材料强度的急剧降低。
而且，尽管水蒸汽的普朗特(prandtl)数受到热传导率很大的影响，但在以往的火力发电厂及复合循环发电厂等的一般的火力发电用的蒸汽涡轮机中，蒸汽通路部的普朗特数在1.0左右，此时蒸汽温度大约为480℃，压力大约为90kgf/cm2的程度。
因此，通过将蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围的舱室双重化，或者将蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上范围的舱室双重化，可以提供这样的一蒸汽涡轮机，其能保持高温部的舱室的热应力与涡轮机轴向伸张差的足够的余度，保持在设计容许值的范围内，同时舱室的热变形也变得非常小，不会影响运转的继续，不会产生蒸汽泄漏，安全可靠性提高。
即，通过将蒸汽涡轮机高压部的暴露于高温高压蒸汽的范围的舱室做成双重化，可以抑制过大的热应力与过大的热变形的发生，同时将不产生过大的涡轮机轴向伸张差的直到高压排气段为止的舱室不做成双重化，限制双重化的范围，可以确保在进行蒸汽涡轮机的蒸汽条件的高压高温化上成为问题的高温强度与克服泄漏蒸汽量的降低这一缺陷，而且，可以抑制过大伸张差的发生，预防摩擦现象的发生，提供一种安全的蒸汽涡轮机，其不会因振动问题而影响运转，而且可以抑制制造成本、运转成本的增大。
下面，说明内部舱室1与外部舱室2的材料选定。
在采用图1所示的部分双重舱室构造的蒸汽涡轮机的高压部5中，作为外部舱室2的材料，最好采用含有1～3％的Cr的以CrMoV钢为代表的低合金钢，而作为内部舱室1的材料，则最好采用含有8～10％的Cr的9Cr钢或者含有9.5～12.5％的Cr的12Cr钢。
这样，特别是通过仅对暴露于高温高压蒸汽的内部舱室1，采用高温强度高的12Cr钢或9Cr钢，就可以大幅度抑制成本的上升。而且，通过限制热膨胀系数低的12Cr钢或9Cr钢的使用范围，就可以抑制转子轴向伸张差的增大，减轻因轴向间隙增大而从轴封部9泄漏的蒸汽量，而且，可以降低因轴向摩擦而发生轴振动的危险度。这样，可以提供能抑制制造成本、运用成本增大的蒸汽涡轮机。
通过做成部分双重舱室构造，与单重舱室构造的场合相比，由于可以大幅度降低舱室的热应力以及热变形，因此外部舱室2与内部舱室1可以采用含有1～3％的Cr的以CrMoV钢为代表的低合金钢来形成。在这种场合，尽管设计时必需进行充分的考虑，但可以将成本的上升抑制到最小的限度，而且由于使转子轴向伸张差的增大也最小，因此可以时从轴封部泄漏的蒸汽量最小化，而且更有效地防止轴向摩擦。
此外，在高压部5的部段中的对应于双重舱室构造范围的部段中，动叶片4的翼部叶根直径Dr与动叶片4的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt最好为0.85＜Dr/Dt＜0.95。其理由将参照图3～图6在以下进行说明。
一般地，复合循环发电厂用的蒸汽涡轮机与同容量的以往的火力发电用蒸汽涡轮机相比，高压部的转子轴14的直径较大。其理由如下。
在以往类型的火力发电厂的场合，一般地，其采用如图3所示的蒸汽涡轮机15与发电机16的构成，蒸汽涡轮机高压部的转子轴14由于仅需传递由蒸汽涡轮机的高压部产生的轴扭矩，因此不必增大高压部的转子轴14的直径。
与此相对，在复合循环发电厂中，如图4所示，近年来一般采用将燃气轮机17、蒸汽涡轮机15、发电机16排列在一根轴上的被称为单轴型的构造。在该图4配置的场合，由于在蒸汽涡轮机15的高压部的转子轴14上，不仅作用有由蒸汽涡轮机15的高压部产生的轴扭矩，而且还叠加作用有由燃气轮机17产生的轴扭矩，因此为了确保蒸汽涡轮机高压部的转子轴14的扭转强度，必需增大转子轴的直径。
在此参照图5。上述蒸汽涡轮机中，转子轴直径如果增大，则安装在该转子轴上的动叶片4的叶根直径也增大，但由于流量不变，因此动叶片出口面积大致保持一定，动叶片翼长43不会缩短。
设动叶片翼长43为Hb，动叶片翼宽44为Wb，一般地当Hb/Wb＜1时，则叶栅的流动中二次流的影响将急剧增大，从而动叶片的流体性能急剧恶化。
即希望翼长短的高压部的动叶片的翼长增长，从确保涡轮机性能的观点看，希望减小Dr/Dt(Dr为动叶片的翼部叶根直径，Dt是翼部前端部直径)。
单轴型复合循环用的输出为120MW以上的蒸汽涡轮机的高压部的动叶片的翼宽Wb的最小值一般为20mm的程度，而且动叶片的翼部叶根直径Dr因上述理由而不能极端地减小，其最小值大约为800mm的限度，Dr/Dt＜(Dt-2Hb)/Dt=1-2Hb/Dt≈1-2Wb/(Dr+2Wb)≈1-2×20/(800+2×20)≈0.95，即满足Dr/Dt＜0.95，对于维持蒸汽涡轮机高压部的性能提高非常重要。
另外，蒸汽涡轮机的高压部暴露于高温之下。特别是，由于高压部的双重构造的范围内的部段大多为大约480℃以上的高温部，因此动叶片及转子材料中也发生与图2同样的现象，高温强度降低的问题变得显著，由于动叶片翼长的不必要的增长与蠕变损伤等，在蒸汽涡轮机运用期间中，引起动叶片或者叶轮损伤的几率急剧增高。
蒸汽涡轮机中，一般地动叶片嵌入部411的局部应力被设计成与转子轴中心部114的应力大致相同。蒸汽涡轮机的动叶片的翼部叶根直径Dr，根据涡轮机性能与制造技术相匹配来确定，作为本发明的对象，在输出为120MW以上的比较大型的蒸汽涡轮机中，该值对于各涡轮机不会有很大的变化。
因此，例如在假定Dr为一定的场合，如图6所例示的，动叶片嵌入部的局部应力与转子轴中心部的圆周方向应力随着Dr/Dt的增大，任一应力都减少，但相对于动叶片嵌入部的局部应力的急剧减少，转子轴中心部的圆周方向应力则是逐渐减少，在较高的Dr/Dt处近乎平坦地变化。
这样的蒸汽涡轮机即使在较高的Dr/Dt区域中，转子轴中心部的圆周方向应力也通常为接近于强度极限值的值，因此以很大地超过该值的应力来设计制造是不可能的。而且，在低的Dr/Dt的区域，随着Dr/Dt的减少，动叶片嵌入部的局部应力超过转子轴中心部的圆周方向应力急剧地增大，因此该区域的设计制造是困难的。
在此，参照图6，表示Dr/Dt与动叶片嵌入部的局部应力之间的关系的曲线62、与表示Dr/Dt与转子轴中心部的圆周方向应力之间的关系的曲线61的交叉位置是，经验上说Dr/Dt大约在0.85的位置，Dr/Dt在该值以下的场合，由于应力超过强度极限，因此实现起来困难。因此，Dr/Dt至少应满足0.85＜Dr/Dt的条件，这对于蒸汽涡轮机回转部分的高温强度是重要的事项。
如上所述，在高压部的具有部分双重舱室构造范围内的部段中，通过将动叶片的翼部叶根直径Dr与动叶片的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt设定成满足0.85＜Dr/Dt＜0.95的关系，可以预防因二次流的影响而降低动叶片的性能，从而可维持蒸汽涡轮机高压部性能的提高，同时提供一种安全的可靠性高的蒸汽涡轮机，其在涡轮机回转部分的高温部的应力超过强度极限的涡轮机运用期间中，不会引起动叶片或者叶轮的损伤。下面，参照图7说明本发明第二实施例。
图7是本发明蒸汽涡轮机的第二实施例的高压部5及中压部6的主要部分的纵剖面图。在图7中，省去了蒸汽涡轮机的低压部的记载。此外，在第二实施例中，与第一实施例相同的部分标记相同的符号，并且省去其重复说明。
本实施例的蒸汽涡轮机的从高压部5的流出部5b排出的蒸汽通过图中未示出的再热器再热后，被导入中压部6的流入部6a，进行再热循环。
本实施例的蒸汽涡轮机，最适用于主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上，并且再热蒸汽温度在550℃以上的蒸汽涡轮机。
如图7所示，在本实施例中，与第一实施例同样地，蒸汽涡轮机的高压部5的舱室，其从高压第1段7到高压排气段8之前的任意的部段(图中为从高压第1段到高压第4段)的范围，采用由内部舱室101与外部舱室102构成的双重舱室构造，而对应于此后的部段的范围则采用仅由外部舱室102构成的单重舱室构造。
但是，在本实施例中，中压部6的舱室同样是，其从中压第1段12到中压最终段13之前的任意部段(图中为从中压第1段到中压第2段)的范围采用双重舱室构造，而其后的部段，即从中压第2段到中压最终段13的范围采用单重舱室构造。即，本实施例中，高压部5与中压部6两者的舱室都是部分舱室构造。
如图7所示，内部舱室101在从高压第4段到中压第2段的范围内、即其整体都是一体地形成。也就是说，内部舱室101是覆盖高压部5与中压部6两者的高中压一体的内部舱室。而且，同样地外部舱室102也是覆盖高压部5与中压部6两者的高中压一体的外部舱室。
在本实施例中，鉴于再热循环涡轮机中导入中压部6的蒸汽也是高温高压的蒸汽，因此在中压部中也采用部分双重舱室的构造。因此，在本实施例中，也能获得与第一实施例大致相同的作用效果。
此外，对于中压部6等范围的双重化可以根据第一实施例中所说明的同样的方法来进行确定，而最好将蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围进行双重化，或者将蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围进行双重化。
此外，对于内部舱室101与外部舱室102的材料，也可根据与第一实施例所说明的同样的方法来确定，作为外部舱室102的材料，可采用含有1～3％的Cr的以CrMoV钢为代表的低合金钢，而且，作为内部舱室101的材料，可采用含有8～10％的Cr的9Cr基钢或含有9.5～12.5％的Cr的12Cr基钢，内部舱室101与外部舱室102同时采用含有1～3％的Cr的以CrMoV钢为代表的低合金钢也是可以的。
具有上述部分双重舱室构造(第一实施例、第二实施例的任一构造均可)的蒸汽涡轮机，适于用作含有燃气轮机与蒸汽涡轮机的复合循环发电设备的蒸汽涡轮机。在该场合，作为复合循环发电设备的方式，使用冷却燃气轮机的水蒸汽的蒸汽冷却方式同样适用。而且，具有上述部分双重舱室构造的蒸汽涡轮机，也可用作没有组合燃气轮机的火力发电厂用或者产业用的火力发电设备的蒸汽涡轮机。
由于上述蒸汽涡轮机适用于火力发电厂，蒸汽条件可以高压高温化，可以抑制发电厂的运用成本的增大，从而给社会作出贡献。不只限于复合循环发电厂，在没有组合燃气轮机的火力发电厂用或产业用发电设备的蒸汽涡轮机高压高温化之际，可以发挥同样的效果、作用。
本发明的效果如上所述，按照本发明，可以确保在进行蒸汽涡轮机的蒸汽条件的高压高温化时成为问题的舱室的高温强度，防止蒸汽泄漏，而且，可防止由伸张差引起的摩擦现象，实现轴封部的泄漏蒸汽量的最小化。
权利要求
1．一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其特征是对应于从高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造。
2．如权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征是主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，且蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上。
3．如权利要求1或2所述的蒸汽涡轮机，其特征是高压部中，蒸汽通路部的蒸汽压力至少为90kgf/cm2以上的范围，并且蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围，采用双重舱室构造。
4．一种蒸汽涡轮机，其是轴流型的蒸汽涡轮机，其中从高压部排出的蒸汽供给在再热器中被再热的中压部，其特征是对应于从前述高压部的高压第1段到高压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述高压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造；对应于从前述中压部的中压第1段到中压最终段之前的一定的部段的范围的舱室，采用由内部舱室与外部舱室构成的双重舱室构造，而对应于从前述一定部段以后的部段到前述中压最终段的范围的舱室，采用单重舱室构造；前述高压部与前述中压部的内部舱室一体地形成。
5．如权利要求4所述的蒸汽涡轮机，其特征是主蒸汽压力在120kgf/cm2以上，主蒸汽温度在550℃以上，蒸汽涡轮机的额定输出在120MW以上，并且再热蒸汽温度在550℃以上。
6．如权利要求4或5所述的蒸汽涡轮机，其特征是蒸汽通路部的蒸汽温度至少为480℃以上的范围的高压部及中压部的舱室，采用双重舱室构造。
7．如权利要求1～6之任一项所述的蒸汽涡轮机，其特征是作为前述外部舱室的材料，采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢，作为前述内部舱室的材料，采用含有8～10％的Cr的Cr钢或者含有9.5～12.5％的Cr的Cr钢。
8．如权利要求1～6之任一项所述的蒸汽涡轮机，其特征是采用含有1～3％的Cr的CrMoV钢等低合金钢来形成前述外部舱室及前述内部舱室。
9．如权利要求1～8之任一项所述的蒸汽涡轮机，其特征是在前述高压部中的采用双重舱室构造范围内的部段中，动叶片的翼部叶根直径Dr与动叶片的翼部前端部直径Dt之比Dr/Dt满足0.85＜Dr/Dt＜0.95的关系。
10．复合循环发电设备，其特征是由燃气轮机与如权利要求1～9之任一项所述的蒸汽涡轮机组合构成的。
11．如权利要求10所述的复合循环发电设备，其特征是使用冷却前述燃气轮机的水蒸汽的蒸汽冷却方式。
全文摘要
本发明提供一种蒸汽涡轮机,其能确保在进行蒸汽条件上的高压高温化时成为问题的高温强度,防止蒸汽泄漏,防止由过大的伸张差引起的摩擦振动的发生,实现轴封部的泄漏蒸汽量的最小化。其措施是,将对应于从蒸汽涡轮机的高压部的高压第1段7到高压排气段之前的一定部段的范围的舱室双重化,而对应于其后部段的舱室则单重化。
文档编号F01D25/00GK1312426SQ0110376
公开日2001年9月12日 申请日期2001年2月12日 优先权日2000年2月10日
发明者北泽守一, 菊地正孝, 青柳和雄, 冲田信雄, 大平浩之 申请人:东芝株式会社
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