JP2000291403A - 蒸気タービン - Google Patents

蒸気タービン

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JP2000291403A
JP2000291403A JP11097083A JP9708399A JP2000291403A JP 2000291403 A JP2000291403 A JP 2000291403A JP 11097083 A JP11097083 A JP 11097083A JP 9708399 A JP9708399 A JP 9708399A JP 2000291403 A JP2000291403 A JP 2000291403A
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turbine
pressure
steam
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blade
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Koichi Kitaguchi
公一 北口
Masataka Kikuchi
正孝 菊地
Minoru Matsuda
實 松田
Nobuo Okita
信雄 沖田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/04—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially axially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/02—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid characterised by having one fluid flow in one axial direction and another fluid flow in the opposite direction

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Abstract

(57)【要約】 【課題】タービンの段落あたりの仕事をより多く行わせ
るとともに、軸受スパンを短くして、安定した運転を行
わせることができる蒸気タービンを提供する。 【解決手段】本発明に係る蒸気タービンは、一つの高中
低圧一体タービンケーシング１５に収容した高圧タービ
ン部１６、中圧タービン部１７、低圧タービン部１８
の、その低圧タービン部１８のタービン排気室２３を上
記高中低圧一体タービンケーシング１５の横断面方向の
両側に向って延びる構成にしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高圧タービン部、
中圧タービン部、および低圧タービン部のうち、いずれ
か少なくとも二つ以上の各タービン部を組み合わせて一
つのタービンケーシング内に収容させた蒸気タービンに
関する。
【０００２】
【従来の技術】主蒸気圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主
蒸気温度５００℃以上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有
効長が３６インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回
転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が３３．５インチ
以上のタービン最終段動翼を備えた回転数３６００ｒｐ
ｍ機であって、基礎台上に配置された２個のジャーナル
軸受で支持された１本のタービンロータ（タービン軸）
上に高圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービ
ン部、または高圧タービン部と低圧タービン部とが形成
され、これら各タービン部が一体となった一つのタービ
ンケーシング内に収容された蒸気タービンでは、その技
術的困難性、特に軸受スパンが長くなることに伴って軸
系の剛性不足による軸振動防止策の困難性から計画段階
にとどまり、未だ実用化に至っていない。
【０００３】このような設計要項を持った蒸気タービン
は、例えば、図１７に示す構造になっている。
【０００４】この蒸気タービンは、タービンケーシング
１を外部ケーシング１ａと内部ケーシング１ｂとの二重
構造にするとともに、例えば、二重構造の内部ケーシン
グ１ｂに高圧タービン部２と中圧タービン部３とを備え
た高中圧一体タービンロータ４を収容させる一方、低圧
タービンケーシング５も上述と同様に、外部ケーシング
５ａと内部ケーシング５ｂの二重構造にし、二重構造の
内部ケーシング５ｂに蒸気流れを対向流に形成した低圧
タービン部６ａ，６ｂを備えた低圧タービンロータ７を
収容させ、低圧タービンロータ７と高中圧一体タービン
ロータ４とをカップリング８を介して接続させている。
【０００５】また、他の別の蒸気タービンでは、例え
ば、図１８に示すように、高中圧一体タービンロータ４
を上述と同様に二重構造の内部ケーシング５ｂに収容さ
せるとともに、低圧タービンケーシング５の内部ケーシ
ング５ｂに蒸気の流れを単流に形成した低圧タービン部
６を備えた低圧タービンロータ７に収容させている。
【０００６】また、図１７および図１８で示した低圧タ
ービンケーシング５は、ともに隔壁９で画成したタービ
ン排気室１０の低圧タービンロータ７を挿通させる部分
に円錐状の凹陥部１１を形成してジャーナル軸受１２の
設置面積を確保するとともに、そのタービン排気室１０
の下流側を復水器（図示せず）に接続している。
【０００７】また、図１７および図１８で示した蒸気タ
ービンでは、高中圧一体タービンロータ４および低圧タ
ービンロータ７を、３個または４個のジャーナル軸受１
２で軸支させている。
【０００８】他方、上述の設計要項を満たしていない例
えば高中低圧一体タイプを採用する蒸気タービンでも、
例えば、図１９に示すように、高圧タービン２、中圧タ
ービン部３、および低圧タービン部６を備えた高、中、
低圧一体タービンロータ４ａを基礎台１３ａ，１３ｂに
載設したジャーナル軸受１２で軸支させるとともに、隔
壁９で画成したタービン排気室１０を円錐状の凹陥部１
１に形成し、その下流側を復水器（図示せず）に接続し
ている。この場合、高、中、低圧一体タービンロータ４
ａを軸支するジャーナル軸受１２の軸受スパンＳは、比
較的短いので、運転中に発生する振動にも充分に対処で
きるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】一般に、蒸気タービン
は、供給される蒸気の圧力、温度が高くなってその出力
が増加すると、タービンノズルおよびタービン動翼を組
み合わせたタービン段落を増やして対応させるため、タ
ービンロータの軸受スパンＳが長くなる傾向にある。こ
のため、一つの軸に、例えば高圧タービン部２、中圧タ
ービン部３、および低圧タービン部６を備えた高中低圧
一体タービンロータ４ａでは、軸受スパンＳが長くな
り、高、中、低圧一体タービンロータ４ａの軸径をＤｏ
とすると、軸受スパンＳに対する軸径比Ｓ／Ｄｏが大き
くなるにつれ、軸の剛性が低くなり、軸系の固有振動数
の低下に伴い、例えば危険速度が低くなり、良好な運転
が難しくなる。
【００１０】特に、主蒸気圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以
上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００ＭＷ以
上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段動翼を
備えている回転数３６００ｒｐｍ機または翼有効長が３
３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えている回
転数３６００ｒｐｍ機であって、基礎台上に配置された
２個のジャーナル軸受で軸支された１本のタービンロー
タを使用する蒸気タービンの実用化にあたっては、従来
技術をそのまま適用したのでは軸受スパンＳが長くなっ
て危険速度が低下し、特に二次危険速度が定格回転速度
に対して接近することにより軸振動が増加し、運転に支
障をきたすおそれがある。
【００１１】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたもので、タービンの段落あたりの仕事をより多く行
わせるとともに、軸受スパンを短くして、安定した運転
を行わせることができる蒸気タービンを提供することを
目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明に係る蒸気タービ
ンは、上記目的を達成するために、請求項１に記載した
ように、高圧タービン部、中圧タービン部および低圧タ
ービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一
つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１
００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格
出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のター
ビン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または
翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を
備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タ
ービンにおいて、上記低圧タービン部のタービン排気室
をタービンケーシングの横断面方向の両側に向って延び
る構成にしたものである。
【００１３】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項２に記載したように、高
圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部の
うち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのタービ
ンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ／
ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００
ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段
動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が
３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転
数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンにお
いて、上記低圧タービン部のタービン排気室をタービン
ケーシングの頭部側に向って延びる構成にしたものであ
る。
【００１４】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項３に記載したように、高
圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部の
うち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのタービ
ンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ／
ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００
ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段
動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が
３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転
数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンにお
いて、上記低圧タービン部のタービン排気室を軸方向に
向って延びる構成にしたものである。
【００１５】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項４に記載したように、タ
ービン排気室に外周壁部と内周壁部とで画成した拡開通
路を形成するとともに、上記内周壁部に円錐状の凹陥部
を形成してジャーナル軸受を設置したものである。
【００１６】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項５に記載したように、高
圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部の
うち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのタービ
ンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ／
ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００
ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段
動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が
３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転
数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンにお
いて、上記高圧タービン部のタービンノズルのスロート
面積をＡＮとし、タービン動翼のスロート面積をＡＢと
するとき、スロート面積比（ＡＢ／ＡＮ）を、
【数８】１．６≦ＡＢ／ＡＮ≦１．８ の範囲に設定したものである。
【００１７】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項６に記載したように、高
圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部の
うち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのタービ
ンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ／
ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００
ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段
動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が
３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転
数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンにお
いて、上記高圧タービン部のタービン段落におけるター
ビン動翼の内周半径を蒸気の流れ方向に沿って徐々に拡
大させるとともに、上記タービン動翼の内周半径をＲｒ
とし、上記高圧タービン部のタービン次段落におけるタ
ービン動翼の内周半径をＲｒｎとするとき、その半径比
（Ｒｒｎ／Ｒｒ）を、
【数９】１＜Ｒｒｎ／Ｒｒ≦１．０５ の範囲に設定したものである。
【００１８】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項７に記載したように、高
圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部の
うち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのタービ
ンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ／
ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００
ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段
動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が
３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転
数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンにお
いて、上記中圧タービン部のタービン段落におけるター
ビン動翼の内周半径を蒸気の流れ方向に沿って徐々に拡
大させるとともに、上記タービン動翼の内周半径をＲｒ
とし、上記中圧タービン部のタービン次段落におけるタ
ービン動翼の内周半径をＲｒｎとするとき、その半径比
（Ｒｒｎ／Ｒｒ）を、
【数１０】１＜Ｒｒｎ／Ｒｒ≦１．１ の範囲に設定したものである。
【００１９】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項８に記載したように、高
圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部の
うち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのタービ
ンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ／
ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００
ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段
動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が
３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転
数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンにお
いて、上記高圧タービン部のタービン段落数を７〜１０
にし、上記中圧タービン部のタービン段落数を４〜７に
し、上記低圧タービン部のタービン段落数を５〜７に設
定したものである。
【００２０】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項９に記載したように、高
圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部の
うち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのタービ
ンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ／
ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００
ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段
動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が
３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転
数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンにお
いて、上記高圧タービン部のタービンノズルの平均径に
おけるスロート／ピッチ比（ＳＮ／ｔＮ）を、
【数１１】ＳＮ／ｔＮ＝０．１５〜０．２１ に設定するとともに、上記高圧タービン部のタービン動
翼の平均径におけるスロート／ピッチ比（ＳＢ／ｔＢ）
を
【数１２】ＳＢ／ｔＢ＝０．２７〜０．３３ に設定したものである。
【００２１】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項１０に記載したように、
高圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部
のうち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのター
ビンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ
／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１０
０ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終
段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長
が３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回
転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンに
おいて、上記高圧タービンのタービン段落を流れる蒸気
の流れ方向と上記中圧タービンのタービン段落を流れる
蒸気の流れ方向とが互いに反対方向に向くように形成す
る一方、上記高圧タービン部と上記中圧タービン部とを
画成する高中圧中間グランド部の直径をφＤ１とし、上
記高圧タービン部の高圧タービン第２段落用グランド部
の直径をφＤ２とするとき、上記高中圧中間グランド部
の直径φＤ１を、
【数１３】φＤ１＝（０．９５〜０．９８）×φＤ２ に設定したものである。
【００２２】また、本発明に係る蒸気タービンは、上記
目的を達成するために、請求項１１に記載したように、
高圧タービン部、中圧タービン部および低圧タービン部
のうち、少なくとも二つ以上を組み合わせて一つのター
ビンケーシングに収容する一方、主蒸気圧力１００ｋｇ
／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１０
０ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終
段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長
が３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回
転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンに
おいて、上記高圧タービン部の高圧２段落部における蒸
気通路部の内周直径をφＤＨＰとし、上記中圧タービン
部の中圧初段落部における蒸気通路部の内周直径をφＤ
ＩＰとすると、その内周直径比（φＤＩＰ／φＤＨＰ）
を、
【数１４】１．２≦φＤＩＰ／φＤＨＰ≦１．５ の範囲に設定したものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る蒸気タービン
の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説
明する。なお、本発明に係る蒸気タービンは、主蒸気圧
力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、
定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上の
タービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機ま
たは翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終段動
翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項としてい
る。
【００２４】図１は、本発明に係る蒸気タービンの第１
実施形態を示す概略横断面図である。
【００２５】本実施形態に係る蒸気タービンは、例えば
高中低圧一体タイプに適用したもので、高中低圧一体タ
ービンケーシング１５に高圧タービン部１６、中圧ター
ビン部１７および低圧タービン部１８を備えた高中低圧
一体タービンロータ１９を収容する一方、高中低圧一体
タービンロータ１９の両端のうち、高圧タービン部１６
側の高中低圧一体タービンロータ１９の一端を、基礎台
２０ａに載設した高圧軸受箱２１ａに収容した高圧側ジ
ャーナル軸受２２ａに軸支させるとともに、低圧タービ
ン部１８側の高中低圧一体タービンロータ１９の一端
を、基礎台２０ｂに載設した低圧軸受箱２１ｂに収容し
た低圧側ジャーナル軸受２２ｂに軸支させたものであ
る。
【００２６】また、本実施形態に係る蒸気タービンは、
高中低圧一体タービンケーシング１５の横断方向の両側
に、いわゆる側方排気形成としてのタービン排気室２３
の開口部２３ａ，２３ｂを設け、タービン排気室２３の
低圧側ジャーナル軸受２２ｂ側を円錐状に形成した凹陥
部２５の底部側に設けられ、復水器（図示せず）を接続
させる接続胴体壁２４を高圧側ジャーナル軸受２２ａ側
に近づけ、軸受スパンＳを従来よりも短くさせたもので
ある。
【００２７】このように、本実施形態では、タービン排
気室２３を高中低圧一体タービンケーシング１５の横断
面方向の両側に設け、タービン排気室２３に復水器を接
続される接続胴体壁２４を高圧側ジャーナル軸受２２ａ
側に近づけ、軸受スパンＳを短くさせたので、軸系の剛
性を高くして軸振動を低く抑えることができ、蒸気ター
ビンに安定運転を行わせることができる。
【００２８】図２および図３は、本発明に係る蒸気ター
ビンの第２実施形態を示す概略図である。なお、図２
は、蒸気タービンの概略縦断面図を、図３は蒸気タービ
ンの概略横断面図をそれぞれ示している。また、第１実
施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００２９】本実施形態に係る蒸気タービンは、図２に
示すように、高中低圧一体タービンケーシング１５の底
部側を閉塞板２６で閉塞させ、頭部側を開口部２７に形
成した、いわゆる頭部排気形式としてのタービン排気室
２３を設けるとともに、図３に示すように、タービン排
気室２３の低圧ジャーナル軸受２２ｂ側を円錐状に形成
した凹陥部２５の底部側に設けられ、復水器（図示せ
ず）を接続させる接続胴体壁２４を高圧側ジャーナル軸
受２２ａ側に近づけ、軸受スパンＳを従来よりも短くさ
せたものである。
【００３０】このように、本実施形態では、高中低圧一
体タービンケーシングの底部側を閉塞板２６で閉塞さ
せ、その頭部側を開口部２７に形成したタービン排気室
２３を設け、タービン排気室２３に復水器を接続させる
接続胴体壁２４を高圧側ジャーナル軸受２２ａ側に近づ
け、軸受スパンＳを短くさせたので、軸系の剛性を高く
して軸振動を低く抑えることができ、蒸気タービンに安
定運転を行わせることができる。
【００３１】図４は、本発明に係る蒸気タービンの第３
実施形態を示す概略縦断面図である。なお、第１実施形
態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００３２】本実施形態に係る蒸気タービンは、タービ
ン排気室２３を、いわゆる軸流排気式に形成したもので
ある。
【００３３】このタービン排気室２３は、低圧タービン
部１８の出口側から高中低圧タービンロータ１９の軸方
向に沿って延び、円錐状の凹陥部２５に形成した環状の
内周壁部２８と、この内周壁部２８からストラット２９
を介して外側を拡開通路３０に形成した外周壁部３１と
で構成される。なお、外周壁部３１は、サポート部３２
を介して基礎台２０ｂで支持される。
【００３４】このように、本実施形態では、タービン排
気室２３を、高中低圧タービンロータ１９の軸方向に沿
って長く延ばす軸流排気式に形成するとともに、円錐状
の凹陥部２５を形成する内周壁部２８内に設置され、低
圧側ジャーナル軸受２２ｂを支持する基礎台２０ｂを高
圧側ジャーナル軸受２２ａ側に近づけ、軸受スパンＳを
短くさせたので、軸系の剛性を高くして軸振動を低く抑
えることができ、蒸気タービンに安定運転を行わせるこ
とができる。
【００３５】図５は、本発明に係る蒸気タービンの高圧
タービン部におけるタービン段落の反動度Ｒｘとスロー
ト面積比ＡＢ／ＡＮとの関係を示す反動度分布線図であ
る。ここで、スロート面積比ＡＢ／ＡＮとは、タービン
ノズルとタービン動翼とを組み合わせた一つのタービン
段落のうち、タービン動翼のスロート面積をＡＢとし、
タービンノズルのスロート面積をＡＮとするときの比率
をいう。また、図５中、斜線で示す反動度分布領域ＲＰ
１は、タービン段落平均径（ピッチ・サークル径）を、
斜線で示す反動度分布領域ＲＰ２はタービン段落内周径
（翼ルート部径）をそれぞれ示している。
【００３６】今、タービン段落の出力の平方根に比例す
る理論速度をＣｏとし、タービン段落平均径Ｒｍにおけ
る回転周速をＵとし、タービン段落平均径Ｒｍにおける
反動度をＲｘｍとし、速度比をＵ／Ｃｏとするとき、タ
ービン段落の効率を最大にする速度比（Ｕ／Ｃｏ）
ＯＰＴ は、（１−Ｒｘｍ）の平方根に反比例すること
が知られている（ア・ヴェ・シチェグリヤエフ、ベェ・
エス・トロヤノフスキー共著、「蒸気タービン（理論と
基礎）」、１９８２年、（株）三宝社発行）。
【００３７】このように、タービン段落の効率を最大に
する速度比（Ｕ／Ｃｏ）ＯＰＴが（１−Ｒｘｍ）の平方
根に反比例するので、タービン段落平均径Ｒｍにおける
反動度Ｒｘｍを小さくすると、速度比（Ｕ／Ｃｏ）
ＯＰＴが小さくなり、タービン段落あたりの出力が大き
くなっても高いタービン段落効率を維持することができ
る。
【００３８】本実施形態は、このような点に着目したも
ので、主蒸気圧力１００ｋｇ／ｃｍ ２以上、主蒸気温度
５００℃以上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３
６インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０
００ｒｐｍ機または翼有効長が３３．５インチ以上のタ
ービン最終段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機にお
いて、タービン段落数を少なくして軸受スパンを短くす
るために、速度比（Ｕ／Ｃｏ）ＯＰＴに対応するタービ
ン段落平均半径Ｒｍにおける反動度Ｒｘを図５からＲｘ
＝０．１３以下にし、反動度Ｒｘ＝０．１３と反動度分
布領域ＲＰ１との交点Ｘ１からスロート面積比ＡＢ／Ａ
Ｎを、ＡＢ／ＡＮ＝１．６以上に設定したものである。
【００３９】他方、タービン段落平均半径Ｒｍにおける
反動度Ｒｘを小さくしすぎてタービン段落内周径におけ
る反動度Ｒｘをマイナス値にすると、蒸気が逆流し、タ
ービン段落効率が低下するので、反動度Ｒｘを図５から
Ｒｘ＝０．０８にし、反動度Ｒｘ＝０．０８と反動度分
布領域ＲＰ１との交点Ｘ２からスロート面積比ＡＢ／Ａ
Ｎを、ＡＢ／ＡＮ＝１．８以下、つまり反動度Ｒｘがマ
イナスにならない値に設定したものである。
【００４０】スロート面積比ＡＢ／ＡＮを、
【数１５】１．６≦ＡＢ／ＡＮ≦１．８ の範囲はモデルタービンで確認した最も好ましい適用範
囲である。
【００４１】このように、本実施形態では、スロート面
積比ＡＢ／ＡＮを、１．６≦ＡＢ／ＡＮ≦１．８の範囲
に設定し、タービン段落あたりの出力を増加させ軸受ス
パンを短くさせたので、軸系の剛性を高くして軸振動を
低く抑えることができ、蒸気タービンに安定運転を行わ
せることができる。
【００４２】図６は、本発明に係る蒸気タービンの第４
実施形態を示す概略模式図である。なお、第１実施形態
の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００４３】本実施形態に係る蒸気タービンは、高圧タ
ービン部１６および中圧タービン部１７を適用対象とす
るもので、タービンノズル３３とタービン動翼３４とで
構成するタービン段落３５を蒸気ＳＴの流れに沿って複
数段に配置するとともに、タービン軸（図示せず）の中
心からタービン動翼３４の外周（翼チップ部）までの半
径をＲｔとし、タービン動翼３４の内周（翼ルート部）
までの半径をＲｒとし、タービン動翼３４の外周と内周
との平均径（ピッチサークル径）をＲｍとすると、各半
径Ｒｔ，Ｒｒ，Ｒｍを蒸気ＳＴの流れに沿って徐々に大
きく設定したものである。なお、各半径Ｒｔ，Ｒｒ，Ｒ
ｍのそれぞれは、タービン動翼３４の出口端を基準に設
定される。
【００４４】ところで、最近の蒸気タービンは、タービ
ン段落３５の全体が衝動段であっても、タービンノズル
３３のほかにタービン動翼３４にも反動度Ｒｘを採り入
れた衝動・反動折中タイプのものが出現している。この
タイプは、タービンノズル３３で蒸気ＳＴを膨張・加速
させ、その際に発生する速度エネルギをタービン動翼３
４で回転エネルギに変換させると同時に、タービン動翼
３４でも膨張・加速させ、その際に発生する速度エネル
ギを回転エネルギに加えるものである。
【００４５】このような衝動・反動折中タイプの蒸気タ
ービンでは、タービン段落３５を設計するにあたり、図
２０に示すように、タービン動翼３４の内周半径Ｒｒを
蒸気ＳＴの流れ方向に沿って一定にし、タービン動翼３
４の平均半径Ｒｍおよび外周半径Ｒｔを蒸気ＳＴの流れ
方向に沿って徐々に拡開させていた。その際、タービン
動翼３４の内周半径Ｒｒにおける反動度Ｒｘｒを０％か
ら５％の範囲内に設定するとともに、タービン段落３５
の効率を任意にする実速度比（Ｕ／Ｃｏ）およびタービ
ン段落３５の効率を最大にする最適速度比（Ｕ／Ｃｏ）
ＯＰＴをともに０．５程度に設定していた。
【００４６】また、翼長の比較的短い高圧タービン部１
６の各半径Ｒｒ，Ｒｍ，Ｒｔにおける反動度をそれぞれ
Ｒｘｒ，Ｒｘｍ，Ｒｘｔとすると、図２１に示すよう
に、内周半径Ｒｒから外周半径Ｒｔに向って直線状に増
加させていた。
【００４７】しかし、主蒸気圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以
上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００ＭＷ以
上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段動翼を
備え回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が３３．５
インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転数３６０
０ｒｐｍ機を設計要項とし、タービン高圧部１６および
タービン中圧部１７を適用対象とする本実施形態に係る
蒸気タービンでは、図１９で示したタービン動翼３４の
内周半径Ｒｒを蒸気ＳＴの流れの方向に沿って一定にす
ると、タービン段落あたりの出力を増加させているため
に、蒸気流れの下流側段落で速度比（Ｕ／Ｃｏ）が０．
４５程度に低下するとともに、平均半径Ｒ ｍにおける反
動度Ｒｘｍの増加により最適速度比（Ｕ／Ｃｏ）ＯＰＴ
が逆に０．５５程度に増加し、タービン段落３５の効率
を低下させる不具合・不都合があった。
【００４８】本実施形態は、このような点を考慮したも
ので、タービン動翼３４の内周半径Ｒｒを図６に示すよ
うに、蒸気ＳＴの流れ方向に沿って徐々に大きくすれ
ば、タービン動翼３４の内周半径Ｒｒの増加により、図
７に示すように、タービン動翼３４の平均半径Ｒｍ２が
従来による平均半径Ｒｍ１よりも大きくなるので、回転
周速Ｕが増加すると同時に、翼長が短くなってタービン
動翼３４の平均半径Ｒｍにおける反動度Ｒｘｍ２も従来
による反動度Ｒｘｍ１よりも小さくなる。したがって、
実速度比（Ｕ／Ｃｏ）と最適速度比（Ｕ／Ｃｏ）ＯＰＴ
をほぼ一致させてタービン段落３５の効率を高く維持さ
せることができ、上述の設計要項を満す蒸気タービンを
実現することができる。なお、図７は、タービン動翼３
４の内周半径Ｒｒを蒸気ＳＴの流れ方向に沿って徐々に
大きくしたときの本実施形態による反動度分布線Ｒｘ２
と、タービン動翼３４の内周半径Ｒｒを蒸気ＳＴの流れ
方向に沿って一定にしたときの従来による反動度分布線
Ｒｘ１とを対比したもので、下添字２は本実施形態を、
下添字１は従来をそれぞれ意味している。
【００４９】他方、タービン動翼３４の内周半径Ｒｒを
蒸気ＳＴの流れ方向に沿って大きく設定しすぎると、逆
に実速度比（Ｕ／Ｃｏ）が最適速度比（Ｕ／Ｃｏ）
ＯＰＴよりも大きくなり、かえってタービン段落３５の
効率が低下する。
【００５０】本実施形態は、このような点を考慮し、高
圧タービン部１６において、該当するタービン動翼３４
の内周半径Ｒｒとし、次段落のタービン動翼３４の内周
半径Ｒｒｎとし、タービン段落効率ηとするとき、図８
に示すように、タービン動翼３４の内周半径比Ｒｒｎ／
Ｒｒを、破線で示す設定した段落効率ηｏとタービン段
落効率分布線ηＡとの交点Ｊ，Ｋである領域ＳＡ内の、
【数１６】１＜Ｒｒｎ／Ｒｒ≦１．０５ の範囲に設定したものである。この範囲は、モデルター
ビンにより確認された。なお、図８中、領域ＳＡは、実
速度比（Ｕ／Ｃｏ）と最適速度比（Ｕ／Ｃｏ）Ｏ ＰＴと
がほぼ一致する領域であり、領域ＳＨは実速度比（Ｕ／
Ｃｏ）が最適速度比（Ｕ／Ｃｏ ）ＯＰＴよりも大きく
なる領域であり、さらに領域ＳＬは実速度比（Ｕ／
Ｃｏ）が最適速度比（Ｕ／Ｃｏ）ＯＰＴよりも小さくな
る領域である。
【００５１】このように、本実施形態では、高圧タービ
ン部１６におけるタービン動翼３４の該当するタービン
段落と次段落との内周半径比Ｒｒｎ／Ｒｒを、実速度比
（Ｕ／Ｃｏ）と最適速度比（Ｕ／Ｃｏ）ＯＰＴとがほぼ
一致する領域である１＜Ｒｒ ｎ／Ｒｒ≦１．０５の範囲
内に設定したので、タービン段落３５の効率を高く維持
させることができる。
【００５２】また、本実施形態では、中圧タービン部１
７を流れる蒸気ＳＴの体積流量が高圧タービン部１６の
それに較べて大きいので、中圧タービン部１７における
タービン動翼３４の内周半径比Ｒｒｎ／Ｒｒを検討・考
察を加える必要がある。
【００５３】本実施形態では、中圧タービン部１７にお
けるタービン動翼３４の内周半径比Ｒｒｎ／Ｒｒを、図
９に示すように、破線で示す設定したタービン段落効率
ηｉとタービン段落効率分布線ηＢとの交点Ｌ，Ｍであ
る領域ＳＡ内の、
【数１７】１＜Ｒｒｎ／Ｒｒ≦１．１ の範囲に設定したものである。この範囲もモデルタービ
ンにより確認された。
【００５４】このように、本実施形態では、中圧タービ
ン部１７におけるタービン動翼３４の該当するタービン
段落と次段落との内周半径比Ｒｒｎ／Ｒｒを、実速度比
（Ｕ／Ｃｏ）と最適速度比（Ｕ／Ｃｏ）ＯＰＴとがほぼ
一致する領域である１＜Ｒｒ ｎ／Ｒｒ≦１．１の範囲内
に設定したので、タービン段落３５の効率を高く維持さ
せることができる。
【００５５】図１０は、本発明に係る蒸気タービンの高
圧タービン部における高圧タービン部全体効率ηＨＰと
タービン動翼３４の内周半径Ｒｒとの関係から最適なタ
ービン段落数を選定するタービン段落数選定線図であ
る。
【００５６】タービン段落効率は、速度比（Ｕ／Ｃｏ）
の関数になっているので、タービン段落数が少ないほど
タービン段落あたりの出力は大きくなる。このため、高
圧タービン全体効率ηＨＰが最大になるタービン動翼３
４の内周半径Ｒｒは大きくなる。
【００５７】また、タービンロータ（タービン軸）の強
度の点から考察した場合、タービン動翼３４の内周半径
Ｒｒが小さすぎると、タービン動翼３４の植込み部が形
成できなくなり、逆にタービン動翼３４の内周半径Ｒｒ
が大きすぎると、タービン動翼３４およびその植込み部
の応力が許容値を上廻るので、高圧タービン部１６に使
用されるタービン動翼３４の内周半径Ｒｒは自ずと制限
される。このため、高圧タービン部１６で使用できるタ
ービン動翼３４の内周半径Ｒｒの範囲は、図１０に示す
ように、領域ＳＨＰになる。
【００５８】その際、タービン段落数が多く採れる場
合、タービン段落数は、タービン動翼３４の内周半径Ｒ
ｒが小さい方で、高圧タービン部全体効率ηＨＰが最大
となる点Ａ、つまり１０段落が選定される。
【００５９】また、タービン段落数がそれほど多く採れ
ない場合、タービン段落数は、タービン動翼３４の内周
半径Ｒｒを大きくし、高圧タービン部全体効率ηＨＰが
高い点Ｂ、つまり８〜９段落が選定される。さらに、タ
ービン動翼３４の内周半径Ｒ ｒを領域ＳＨＰの上限に近
づける場合、タービン段落数は、高圧タービン部全体効
率ηＨＰが最大となる点Ｃ、つまり７段落が選定され
る。
【００６０】このように、本実施形態では、高圧タービ
ン部１６のタービン段落数を、７段落数から１０段落数
の範囲に選定したので、高圧タービン部１６を高いター
ビン段落効率で運転させることができる。
【００６１】図１１は、本発明に係る蒸気タービンの中
圧タービン部における中圧タービン部全体効率ηＩＰと
タービン動翼３４の内周半径Ｒｒとの関係から最適なタ
ービン段落数を選定するタービン段落数選定線図であ
る。
【００６２】中圧タービン部１７のタービン段落数を選
定する場合、上述の高圧タービン部１６の場合と同様
に、中圧タービン部１７で使用できるタービン動翼３４
の内周半径Ｒｒの範囲は、図１１に示すように、領域Ｓ
ＩＰになる。
【００６３】その際、タービン段落数が多く採れる場
合、タービン段落数は、タービン動翼３４の内周半径Ｒ
ｒが小さい方で、中圧タービン部全体効率ηＩＰが最大
となる点Ａ、つまり６〜７段落が選定される。
【００６４】また、タービン段落数がそれほど多く採れ
ない場合、タービン段落数は、タービン動翼３４の内周
半径Ｒｒを大きくし、中圧タービン部全体効率ηＩＰが
高い点Ｂ、つまり４〜５段落が選定される。
【００６５】このように、本実施形態では、中圧タービ
ン部１７のタービン段落数を、４段落数から７段階数の
範囲に選定したので、中圧タービン部１７を高いタービ
ン段落効率で運転させることができる。
【００６６】図１２は、本発明に係る蒸気タービンの低
圧タービン部における低圧タービン部全体効率ηＬＰと
タービン動翼３４の内周半径Ｒｒとの関係から最適なタ
ービン段落数を選定するタービン段落数選定線図であ
る。
【００６７】低圧タービン部１８のタービン段落数を選
定する場合、上述の高圧タービン部１６の場合と同様
に、低圧タービン部１８で使用できるタービン動翼３４
の内周半径Ｒｒの範囲は、図１２に示すように、領域Ｓ
ＬＰになる。
【００６８】その際、タービン段落数が多く採れる場
合、タービン段落数は、タービン動翼３４の内周半径Ｒ
ｒが小さい方で、低圧タービン部全体効率ηＬＰが最大
となる点Ａ、つまり６〜７段落が選定される。
【００６９】また、タービン段落数がそれほど多く採れ
ない場合、タービン段落数は、タービン動翼３４の内周
半径Ｒｒを大きくし、低圧タービン部全体効率ηＬＰが
高い点Ｂ、つまり５段落が選定される。
【００７０】このように、本実施形態では、低圧タービ
ン部１８のタービン段落数を、５段落数から７段落数の
範囲に選定したので、低圧タービン部１８を高いタービ
ン段落効率で運転させることができる。
【００７１】したがって、主蒸気圧力１００ｋｇ／ｃｍ
２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００ＭＷ
以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段動翼
を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が３
３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転数
３６００ｒｐｍ機を設計要項とする本実施形態に係る蒸
気タービンでは、高圧タービン部１６のタービン段落数
を７〜１０、中圧タービン部１７のタービン段落数を４
〜７、低圧タービン部１８のタービン段落数を５〜７に
選定することが高いタービン全体効率で運転するうえで
最も好ましい適用範囲である。
【００７２】図１３は、翼形損失係数を、流入角、流出
角に対してまとめた一般的な翼形損失係数線図である
（ターボ機械協会、「蒸気タービン」、１９９０年、日
本工業出版（株）発行）。また、図１４は、Ｕを周速
度、Ｃを絶対速度、Ｗを相対速度、αを流入角、βを流
出角、Ｓをスロート（翼間最狭通路部）、ｔを翼間ピッ
チ、下添字１，２および３をそれぞれタービンノズル入
口、タービンノズル出口でかつタービン動翼入口、ター
ビン動翼出口、下添字Ｎをタービンノズルのスロートお
よびピッチ、下添字Ｂをタービン動翼のスロートおよび
ピッチとして表わしたときの蒸気がタービンノズルおよ
びタービン動翼を流れる蒸気の一般的な段の平均径（ピ
ッチ・サークル径）における速度三角形のベクトル線図
である。また、図１４中、スロート／ピッチ（Ｓ／Ｔ）
は、ほぼｓｉｎ（流出角＝α２）に等しいので、その流
出角α２は、α２＝ｓｉｎ−１（Ｓ／Ｔ）として簡易的
に取り扱っている。
【００７３】従来、例えば高中低圧一体蒸気タービンの
高圧タービン部１６では、図１３および図１４に示すよ
うに、タービンノズルの流入角（α１）が９０゜に近い
場合、その流出角（α２）を１３゜よりも小さく設定す
ると、翼形損失係数が著しく増え、さらにタービン動翼
の流入角（β２）を５０゜程度にし、翼形損失係数が３
％を超えないようにするため、タービンノズルの流出角
（α２）を１５゜程度（この流出角（α２）が１５゜の
場合、タービン段落平均径におけるスロート／ピッチ比
（ＳＮ／ｔＮ）換算は０．２５９）とし、タービン動翼
の流出角（β３）を２４゜程度（この流出角（β３）が
２４゜の場合、タービン段落平均径におけるスロット／
ピッチ比（ＳＢ／ｔＢ）換算は０．４０６）で設計して
いた。
【００７４】しかし、高圧タービン部１６の翼長は、２
０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の短いものなので、二次流れ損失
が大きく、タービン段落効率が低くなっていた。ここ
で、二次流れ損失とは、タービンノズルおよびタービン
動翼の内周壁と外周壁とにおける境界層の翼背側に向う
流れによって生じる損失と称される。この二次流れ損失
を低く抑えるには、タービンノズルおよびタービン動翼
の翼長を長くすれば良いことが知られている（ア・ヴェ
・シチェグリヤエフ、ベェ・エス・トロヤノフキー共
著、「蒸気タービン（理論と基礎）」、１９８２年
（株）三宝社発行）。
【００７５】ところが、最近のコンピュータによる解析
技術の進歩により、タービンノズルおよびタービン動翼
の流出角（α２，β３）を従来よりも小さくしても翼形
損失係数が大きくならない新たな翼形が開発されてい
る。具体的には、タービンノズルの流出角（α２）を９
゜〜１２゜（タービン段落平均径におけるスロート／ピ
ッチ比（ＳＮ／ｔＮ）換算は０．１５６〜０．２０８）
とし、タービン動翼の流出角（β３）を１６゜〜１９゜
（タービン段落平均径における）スロート／ピッチ比
（ＳＢ／ｔＢ）換算は０．２７６〜０．３２６）として
設定できる新たな翼形が開発されている。
【００７６】流出角（α２，β３）を小さくできる翼形
は、従来と同一蒸気条件の下、翼長を３０ｍｍ〜４５ｍ
ｍ程度に長くできるから、翼長が増加した分だけ、２次
流れ損失を低く抑えることができる。
【００７７】本実施形態は、このような利点を巧みに活
用したもので、主蒸気圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主
蒸気温度５００℃、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長
が３６インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転数
３０００ｒｐｍ機または翼有効長が３３．５インチ以上
のタービン最終段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機
を設計要項とする蒸気タービンにおける高圧タービン部
１６に、タービンノズル３３の平均径におけるスロート
／ピッチ比（ＳＮ／ｔＮ）を０．１５〜０．２１の範囲
に設定できるとともに、タービン動翼３４の平均径にお
けるスロート／ピッチ比（ＳＢ／ｔＢ）を０．２７〜
０．３３の範囲に設定できる翼形を組み込んだものであ
る。
【００７８】したがって、本実施形態によれば、タービ
ンノズル３３の平均径におけるスロート／ピッチ比（Ｓ
Ｎ／ｔＮ）を０．１５〜０．２１の範囲に設定でき、タ
ービン動翼３４の平均径におけるスロート／ピッチ比
（ＳＢ／ｔＢ）を０．２７〜０．３３の範囲に設定でき
る新たな翼形を高圧タービン部１６に組み込んだので、
高いタービン段落効率で高圧タービン部１６を運転させ
ることができる。
【００７９】図１５は、本発明に係る蒸気タービンの第
５実施形態を示す一部切欠き概略縦断面図である。
【００８０】本実施形態に係る蒸気タービンは、高圧タ
ービン部１６の高圧初段落部３６ａを適用対象とするも
ので、高中圧中間グランド部３７の直径をφＤ１とし、
高圧２段落部３６ｂにおける高圧タービン第２段落用グ
ランド部３８の直径をφＤ２とするとき、各グランド部
３７，３８の直径φＤ１，φＤ２をφＤ１＜φＤ２に
し、タービンロータ（タービン軸）３９を運転中に発生
するスラスト力に対処できる軸径に設定したものであ
る。
【００８１】本実施形態に係る高圧タービン部１６は、
軸流タイプになっており、蒸気ＳＴの流れ方向に沿って
順に高圧初段落部３６ａ、高圧２段落部３６ｂ等を配置
した構成になっている。
【００８２】高圧初段落部３６ａおよび高圧２段落部３
６ｂは、ともにタービンノズル３３とタービン動翼３４
とを組み合わせて備え、タービンノズル３３およびター
ビン動翼３４をタービンロータ３９の周方向に沿って環
状列に配置している。また、タービンノズル３３は、そ
の両端をリング状のダイヤフラム外輪４０とダイヤフラ
ム内輪４１とで支持されている。さらに、タービン動翼
３４は、タービンロータ３９に連続一体に形成したター
ビンホイール４２に植設されている。
【００８３】また、本実施形態に係る高圧タービン部１
６は、蒸気ＳＴの入口側に連接する中圧タービン部（図
示せず）を備えるとともに、中圧タービン部と区画する
高中圧中間グランド部３７を備えている。この高中圧中
間グランド部３７は、その直径φＤ１を高圧タービン部
第２段落用グランド部３８の直径φＤ２よりも小さくし
ている。
【００８４】ところで、タービンロータ３９に発生する
スラスト力は、タービン動翼３４を植設するタービンホ
イール４２に作用する圧力差により発生し、蒸気ＳＴの
上流側の圧力Ｐ２がその下流側の圧力Ｐ３よりも大きい
とき、蒸気ＳＴの流れ方向と同じ方向に発生する。この
ため、図１７で示した蒸気タービンは、低圧タービン部
６ａ，６ｂが複流タイプの対向流になっていてスラスト
力が互いに相殺されるから、結局、高圧タービン部２と
中圧タービン部３とのスラスト力の差を考慮して高中圧
一体タービンロータ４の軸径を設定すればよいことにな
る。
【００８５】ところが、図１８で示した蒸気タービン
は、高圧タービン部２と中圧タービン部３とが対向流に
なっているものの、低圧タービン部６が単流になってい
るので、低圧タービン部６に作用するスラスト力が中圧
タービン部６のそれと同一方向になる。このため、高中
圧一体タービンロータ４および低圧タービン７の全体に
作用するスラスト力は、（高圧タービン部１６に作用す
るスラスト力）−（中圧タービン部１７に作用するスラ
スト力＋低圧タービン部１８に作用するスラスト力）と
なり、結局、低圧タービン部６に向うスラスト力が増加
する。低圧タービン部６に向うスラスト力が増加する
と、低圧タービンロータ７の軸径の設定には、その増加
するスラスト力を加えて充分に考察する必要がある。
【００８６】特に、主蒸気圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以
上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力１００ＭＷ以
上、翼有効長が３６インチ以上のタービン最終段動翼を
備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が３３．
５インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転数３６
００ｒｐｍ機を設計要項とする蒸気タービンでは、最終
段動翼の長翼化により低圧タービン部６に向うスラスト
力が増加し、タービンロータ全体を軸支するスラスト軸
受の大型化に伴うスラスト軸受損失とともに、タービン
出力の減少を考えると、タービンロータ全体の軸径設定
を充分に考察・検討する必要がある。
【００８７】本実施形態に係る蒸気タービンは、高中圧
中間グランド部３７の直径φＤ１を高圧タービン第２段
落用グランド部３８の直径φＤ２よりも小さくすれば、
高圧初段落部３６ａにおけるタービンホイール４２の上
流側の圧力Ｐ２が作用する面積が増加するので、高圧初
段落部３６ａで高圧側に向うスラスト力が増加し、その
増加分だけ低圧側に向うスラスト力が少なくなってター
ビン出力低下を低く抑えることができると考えられる。
このような考えは、他の段落部、例えば第２段落、第３
段落等にも適用することができるけれども、タービン出
力低下を低く抑える効果を考えると、高圧初段落部３６
ａへの適用が最も効果的である。もっとも、高中圧中間
グランド部３７は、その直径φＤ１を小さくしすぎる
と、強度の低下と軸振動を招く。
【００８８】本実施形態は、上述の設計要項を持った蒸
気タービンに対し、高中圧中間グランド部３７の直径を
φＤ１とし、高圧タービン第２段落用グランド部３８の
直径をφＤ２とするとき、高中圧中間グランド部３７の
直径φＤ１を、
【数１８】φＤ１＝（０．９５〜０．９８）×φＤ２ に設定したものである。
【００８９】上述の直径φＤ１は、強度、軸振動等を充
分に考察してモデルタービンで確認した好ましい適用数
値である。
【００９０】このように、本実施形態は高中圧中間グラ
ンド部３７の直径φＤ１と高圧タービン第２段落用グラ
ンド部３８の直径φＤ２との関係式を、φＤ１＝（０．
９５〜０．９８）φＤ２にしたので、運転中に発生する
スラスト力に対して蒸気タービンを安定運転させること
ができ、運転中のタービン出力低下を低く抑えることが
できる。
【００９１】図１６は、本発明に係る蒸気タービンの第
６実施形態を示す概略縦断面図である。
【００９２】本実施形態に係る蒸気タービンは、例えば
高中低圧一体タイプを適用対象としもので、高中低圧一
体タービンケーシング１５に高圧タービン部１６、中圧
タービン部１７および低圧タービン部１８を備えた高中
低圧一体タービンロータ１９を収容する一方、高中低圧
一体タービンロータ１９の両端のうち、高圧タービン部
１６側の高中低圧一体タービンロータ１９の一端を、基
礎台２０ａに載設した高圧軸受箱２１ａに収容した高圧
側ジャーナル軸受２２ａに軸支させるとともに、低圧タ
ービン部１８側の高中低圧一体タービンロータ１９の一
端を、基礎台２０ｂに載設した低圧軸受箱２１ｂに収容
したジャーナル軸受２２ｂに軸支させた構成になってい
る。
【００９３】また、本実施形態に係る蒸気タービンは、
高中低圧一体タービンケーシング１５の下流側に、いわ
ゆる下方排気式としてのタービン排気室２３の開口部４
３を設け、タービン排気室２３の低圧側ジャーナル軸受
２２側を円錐状に形成した凹陥部２５の底部側を復水器
（図示せず）に接続する接続胴体壁２４を設けた構成に
なっている。
【００９４】このような構成を備えた本実施形態に係る
蒸気タービンは、高圧タービン部１６の高圧２段落部３
６ｂにおける蒸気通路部４４の内周直径をφＤＨＰと
し、中圧タービン部１７の中圧初段落部４５における蒸
気通路部４６の内周直径をφＤ ＩＰとすると、その内周
直径比（φＤＩＰ／φＤＨＰ）を、
【数１９】１．２≦φＤＩＰ／φＤＨＰ≦１．５ の範囲に設定したものである。
【００９５】主蒸気圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸
気温度５００℃以上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効
長が３６インチ以上のタービン最終段動翼を備えた回転
数３０００ｒｐｍ機または翼有効長が３３．５インチ以
上のタービン最終段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ
機を設計要項とする本実施形態に係る蒸気タービンは、
高圧タービン部１６で膨張仕事を終えると、蒸気温度が
３６０℃に下り、そのときの比容積が当初に較べて４倍
に増加している。
【００９６】また、高圧タービン部１６を出た蒸気は、
再熱されて再び５００℃以上になり、このときの比容積
が高圧タービン部１６の出口時よりも１．４倍以上に増
加するけれども、高圧タービン部１６から一部抽気され
るので、中圧タービン部１７における中圧初段落部４５
の蒸気通路部４６に流れるとき、その体積流量が高圧タ
ービン部１６における高圧２段落部３６ｂの蒸気通路部
４４のそれに較べて３倍になっている。
【００９７】また、高圧タービン部１６を流れる主蒸気
圧力が１００ｋｇ／ｃｍ２以上であるのに対し、中圧タ
ービン部１７を流れる主蒸気圧力が数十ｋｇ／ｃｍ２で
あり、タービン翼列の前後の圧力比が同じとしても圧力
差は数分の一に下るため、中圧タービン部１７における
中圧初段落部４５の翼長は、高圧タービン部１６におけ
る高圧２段落部３６ｂのそれよりも２〜２．５倍長くす
ることができる。
【００９８】したがって、本実施形態は、翼の設計を半
径方向（翼長方向）に向って軸流速度を一定にしている
ので、高圧タービン部１６における高圧２段落部３６ｂ
の蒸気通路部４４の内周直径φＤＨＰと中圧タービン部
１７における中圧初段落部４５の蒸気通路部４６の内周
直径φＤＩＰとの内周直径比φＤＩＰ／φＤＨＰを、
１．２≦φＤＩＰ／φＤＨＰ≦１．５の範囲にすること
が最も好ましい。この範囲は、モデルタービンでも確認
されている。
【００９９】このように、本実施形態は、内周直径比
（φＤＩＰ／φＤＨＰ）を、１．２≦（φＤＩＰ／φＤ
ＨＰ）≦１．５の範囲に設定したので、高いタービン段
落効率に維持させて蒸気タービンを運転することができ
る。
【０１００】
【発明の効果】以上の説明のとおり、主蒸気圧力１００
ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以上、定格出力
１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以上のタービン
最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ機または翼有
効長が３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を備え
た回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とする本発明に係
る蒸気タービンは、タービン排気室の開口部の方向を変
更させて軸受スパンを短くさせたので、軸系の剛性を高
くして軸振動を低く抑えることができる。
【０１０１】また、上述の設計要項を満たす本発明に係
る蒸気タービンは、タービンノズルとタービン動翼との
スロート面積比の適正設定、蒸気通路部の内周半径の適
正設定、高圧タービン部、中圧タービン部および低圧タ
ービン部の各段落数の適正設定、タービンノズルおよび
タービン動翼のそれぞれのスロート／ピッチ比の適正設
定、タービンロータの直径の適正設定のうち、いずれか
を選択したので、高いタービン段落効率を維持させて運
転することができ、安定した安全な運転を行うことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸気タービンの第１実施形態を示
す概略横断面図。
【図２】本発明に係る蒸気タービンの第２実施形態を示
す概略縦断面図。
【図３】本発明に係る蒸気タービンの第２実施形態を示
す概略横断面図。
【図４】本発明に係る蒸気タービンの第３実施形態を示
す概略縦断面図。
【図５】本発明に係る蒸気タービンの高圧タービン部に
適用される反動度分布線図。
【図６】本発明に係る蒸気タービンの第４実施形態を示
す概略模式図。
【図７】本発明に係る蒸気タービンと従来の蒸気タービ
ンとの反動度を対比させた反動度分布線図。
【図８】タービン段落効率と内周半径比との関係を示す
本発明に係る蒸気タービンにおける高圧タービン部に適
用されるタービン段落効率分布線図。
【図９】タービン段落効率と内周半径比との関係を示す
本発明に係る蒸気タービンにおける中圧タービン部に適
用されるタービン段落効率分布線図。
【図１０】高圧タービン部全体効率とタービン動翼の内
周半径との関係からタービン段落数を示す本発明に係る
蒸気タービンにおける高圧タービン部に適用されるター
ビン段落数選定線図。
【図１１】中圧タービン部全体効率とタービン動翼の内
周半径との関係からタービン段落数を示す本発明に係る
蒸気タービンにおける中圧タービン部に適用されるター
ビン段落数選定線図。
【図１２】低圧タービン部全体効率とタービン動翼の内
周半径との関係からタービン段落数を示す本発明に係る
蒸気タービンにおける低圧タービン部に適用されるター
ビン段落数選定線図。
【図１３】翼形損失係数を、流入角、流出角に対してま
とめた一般的な翼形損失係数線図。
【図１４】タービンノズル、タービン動翼を流れる蒸気
の一般的な段の平均径における速度三角形を示すベクト
ル線図。
【図１５】本発明に係る蒸気タービンの第５実施形態を
示す一部切欠き概略縦断面図。
【図１６】本発明に係る蒸気タービンの第６実施形態を
示す概略縦断面図。
【図１７】高中圧一体タイプの蒸気タービンと複流タイ
プの蒸気タービンとを組み合わせた従来の蒸気タービン
を示す概略模式図。
【図１８】高中圧一体タイプの蒸気タービンと単流タイ
プの蒸気タービンとを組み合わせた従来の蒸気タービン
を示す概略模式図。
【図１９】従来の高中低圧一体タイプの蒸気タービンを
示す概略組立縦断面図。
【図２０】タービン段落の内周半径を一定とする従来の
蒸気タービンを示す概略模式図。
【図２１】従来の蒸気タービンの反動度を示す反動度分
布線図。
【符号の説明】
１ タービンケーシング １ａ 外部ケーシング １ｂ 内部ケーシング ２ 高圧タービン部 ３ 中圧タービン部 ４ 高中圧一体タービンロータ ４ａ 高中低圧一体タービンロータ ５ 低圧タービンケーシング ５ａ 外部ケーシング ５ｂ 内部ケーシング ６ 低圧タービン部 ６ａ 低圧タービン部 ６ｂ 低圧タービン部 ７ 低圧タービンロータ ８ カップリング ９ 隔壁 １０ タービン排気室 １１ 凹陥部 １２ ジャーナル軸受 １３ａ 基礎台 １３ｂ 基礎台 １５ 高中低圧一体タービンケーシング １６ 高圧タービン部 １７ 中圧タービン部 １８ 低圧タービン部 １９ 高中低圧一体タービンロータ ２０ａ，２０ｂ 基礎台 ２１ａ 高圧軸受箱 ２１ｂ 低圧軸受箱 ２２ａ 高圧側ジャーナル軸受 ２２ｂ 低圧側ジャーナル軸受 ２３ タービン排気室 ２３ａ，２３ｂ 開口部 ２４ 接続胴体壁 ２５ 凹陥部 ２６ 閉塞板 ２７ 開口部 ２８ 内周壁部 ２９ ストラット ３０ 拡開通路 ３１ 外周壁部 ３２ サポート部 ３３ タービンノズル ３４ タービン動翼 ３５ タービン段落 ３６ａ 高圧初段落部 ３６ｂ 高圧２段落部 ３７ 高中圧中間グランド部 ３８ 高圧タービン第２段落用グランド部 ３９ タービンロータ ４０ ダイヤフラム外輪 ４１ ダイヤフラム内輪 ４２ タービンホイール ４３ 開口部 ４４ 蒸気通路部 ４５ 中圧初段落部 ４６ 蒸気通路部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 實 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 沖田 信雄 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 Ｆターム(参考） 3G002 BA02 BB03 GA07

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高圧タービン部、中圧タービン部および
    低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わ
    せて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気
    圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記低圧タービン部のタービ
    ン排気室をタービンケーシングの横断面方向の両側に向
    って延びる構成にしたことを特徴とする蒸気タービン。
  2. 【請求項２】 高圧タービン部、中圧タービン部および
    低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わ
    せて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気
    圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記低圧タービン部のタービ
    ン排気室をタービンケーシングの頭部側に向って延びる
    構成にしたことを特徴とする蒸気タービン。
  3. 【請求項３】 高圧タービン部、中圧タービン部および
    低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わ
    せて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気
    圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記低圧タービン部のタービ
    ン排気室を軸方向に向って延びる構成にしたことを特徴
    とする蒸気タービン。
  4. 【請求項４】 タービン排気室に外周壁部と内周壁部と
    で画成した拡開通路を形成するとともに、上記内周壁部
    に円錐状の凹陥部を形成してジャーナル軸受を設置した
    ことを特徴とする請求項３に記載の蒸気タービン。
  5. 【請求項５】 高圧タービン部、中圧タービン部および
    低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わ
    せて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気
    圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記高圧タービン部のタービ
    ンノズルのスロート面積をＡＮとし、タービン動翼のス
    ロート面積をＡＢとするとき、スロート面積比（ＡＢ／
    ＡＮ）を、 【数１】１．６≦ＡＢ／ＡＮ≦１．８ の範囲に設定したことを特徴とする蒸気タービン。
  6. 【請求項６】 高圧タービン部、中圧タービン部および
    低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わ
    せて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気
    圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記高圧タービン部のタービ
    ン段落におけるタービン動翼の内周半径を蒸気の流れ方
    向に沿って徐々に拡大させるとともに、上記タービン動
    翼の内周半径をＲｒとし、上記高圧タービン部のタービ
    ン次段落におけるタービン動翼の内周半径をＲｒｎとす
    るとき、その半径比（Ｒｒｎ／Ｒｒ）を、 【数２】１＜Ｒｒｎ／Ｒｒ≦１．０５ の範囲に設定したことを特徴とする蒸気タービン。
  7. 【請求項７】 高圧タービン部、中圧タービン部および
    低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わ
    せて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気
    圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記中圧タービン部のタービ
    ン段落におけるタービン動翼の内周半径を蒸気の流れ方
    向に沿って徐々に拡大させるとともに、上記タービン動
    翼の内周半径をＲｒとし、上記中圧タービン部のタービ
    ン次段落におけるタービン動翼の内周半径をＲｒｎとす
    るとき、その半径比（Ｒｒｎ／Ｒｒ）を、 【数３】１＜Ｒｒｎ／Ｒｒ≦１．１ の範囲に設定したことを特徴とする蒸気タービン。
  8. 【請求項８】 高圧タービン部、中圧タービン部および
    低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わ
    せて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気
    圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記高圧タービン部のタービ
    ン段落数を７〜１０にし、上記中圧タービン部のタービ
    ン段落数を４〜７にし、上記低圧タービン部のタービン
    段落数を５〜７に設定したことを特徴とする蒸気タービ
    ン。
  9. 【請求項９】 高圧タービン部、中圧タービン部および
    低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合わ
    せて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸気
    圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記高圧タービン部のタービ
    ンノズルの平均径におけるスロート／ピッチ比（ＳＮ／
    ｔ Ｎ）を、 【数４】ＳＮ／ｔＮ＝０．１５〜０．２１ に設定するとともに、上記高圧タービン部のタービン動
    翼の平均径におけるスロート／ピッチ比（ＳＢ／ｔＢ）
    を 【数５】ＳＢ／ｔＢ＝０．２７〜０．３３ に設定したことを特徴とする蒸気タービン。
  10. 【請求項１０】 高圧タービン部、中圧タービン部およ
    び低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合
    わせて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸
    気圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記高圧タービンのタービン
    段落を流れる蒸気の流れ方向と上記中圧タービンのター
    ビン段落を流れる蒸気の流れ方向とが互いに反対方向に
    向くように形成する一方、上記高圧タービン部と上記中
    圧タービン部とを画成する高中圧中間グランド部の直径
    をφＤ１とし、上記高圧タービン部の高圧タービン第２
    段落用グランド部の直径をφＤ２とするとき、上記高中
    圧中間グランド部の直径φＤ１を、 【数６】φＤ１＝（０．９５〜０．９８）×φＤ２ に設定したことを特徴とする蒸気タービン。
  11. 【請求項１１】 高圧タービン部、中圧タービン部およ
    び低圧タービン部のうち、少なくとも二つ以上を組み合
    わせて一つのタービンケーシングに収容する一方、主蒸
    気圧力１００ｋｇ／ｃｍ２以上、主蒸気温度５００℃以
    上、定格出力１００ＭＷ以上、翼有効長が３６インチ以
    上のタービン最終段動翼を備えた回転数３０００ｒｐｍ
    機または翼有効長が３３．５インチ以上のタービン最終
    段動翼を備えた回転数３６００ｒｐｍ機を設計要項とす
    る蒸気タービンにおいて、上記高圧タービン部の高圧２
    段落部における蒸気通路部の内周直径をφＤＨＰとし、
    上記中圧タービン部の中圧初段落部における蒸気通路部
    の内周直径をφＤＩＰとすると、その内周直径比（φＤ
    ＩＰ／φＤＨＰ）を、 【数７】１．２≦φＤＩＰ／φＤＨＰ≦１．５ の範囲に設定したことを特徴とする蒸気タービン。
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