JP2003027905A - 軸流タービンの排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内車下面部での流れの剥離を無くすと共に、
この流路部分での圧力（エネルギ）回復量が最大となる
ような流路形状を形成する軸流タービンの排気装置を提
供する。 【解決手段】 軸流タービンの排気装置は、下流側のダ
クト５に結合する外車１と、この外車１に載置され且つ
上半部２Ａ及び下半部２Ｂからなる内車２と、外車１及
び内車２間に画成された排気室３と、この排気室３のダ
クト５側に画成された排気室出口４とを備える軸流ター
ビンにおいて、内車２の下半部２Ｂの下側に、排気室出
口４に向かう蒸気の流れが、内車２の下側で剥離しない
ようにする整流手段２０を設けたことを特徴としてい
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、軸流タービンの排
気装置に関し、特に、蒸気タービンの低圧段における排
気室の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】蒸気タービンの低圧車室においては、内
車と外車との間の空間（排気室）でタービン最終段落翼
を出た蒸気の流れを減速させ、圧力（エネルギ）を回復
させる機構となっている。以下に、図７及び図８を用い
て、簡単にタービン低圧車室の構造と蒸気の流れを説明
する。

【０００３】図７は、発電用蒸気タービンの低圧タービ
ンの全体構造を示す概要図である。この図において、低
圧タービンは、外車１と、この外車１の内部に配設され
た内車２とを備えており、それらの間にタービン車室す
なわち排気室３が画成されている。また、外車１の下半
部は、復水器（図示せず）へ繋がるダクト５に結合され
ており、このダクト５に連結する外車１の下端部に排気
室出口４が画成されている。

【０００４】内車２の内部には、タービンロータ６が配
設され、内車２側に静翼が、回転軸６側に動翼が取付け
られており、この動翼の内の最終段落の翼が、タービン
の最終翼７である。内車２の上部には、外車１の上部外
側すなわち中圧タービンの排気側と連通するじょうご状
の蒸気流入部８が突出している。この蒸気流入部８は、
内部車室から左右の低圧段落を介して排気室３へ連通し
ている。

【０００５】以上のような構成の低圧タービンにおける
蒸気の流れを説明する。中圧排気蒸気Ｓは、じょうご状
の蒸気流入部８から内部車室に流入し、左右の低圧段落
で膨張して最終翼７から排気室３へ排出される。その
後、低圧排気蒸気Ｓは、排気室３内を下向きに案内され
て、排気室出口４からダクト５を通って復水器へと導か
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、排気室
３内部における蒸気Ｓの流れは、非常に複雑な三次元流
れとなっている。図８は、図７のＡ−Ａ断面であるが、
この図に示すように、特に、内車２の下側部における蒸
気の流れは、一点鎖線Ｓで示すように円筒状の内車２の
表面から剥離してしまい、圧力損失が生じるという問題
点があった。また、理想的な蒸気の流れ（二点鎖線
Ｓ’）における排気室出口４での有効流路面積Ａ’に対
して、流れの剥離が生じた場合における排気室出口４で
の有効流路面積Ａは、非常に縮小してしまい、そのため
圧力（エネルギ）回復量が少なくなってしまうというと
いうことが知られていた。

【０００７】従って、本発明は、上述した従来の技術の
問題を解決するためになされたもので、内車下面部での
流れの剥離を無くすと共に、この流路部分での圧力（エ
ネルギ）回復量が最大となるような流路形状を形成する
ことにより、タービン全体性能を向上させる軸流タービ
ンの排気装置を提供することを主な目的とするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明に係る軸流タービンの排気装置は、下流側の
ダクトに結合する外車と、該外車に載置され且つ上半部
及び下半部からなる内車と、前記外車及び前記内車間に
画成された排気室と、該排気室の前記ダクト側に画成さ
れた排気室出口とを備える軸流タービンにおいて、前記
内車の前記下半部の下側に、前記排気室出口に向かう蒸
気の流れが該内車の下側で剥離しないようにする整流手
段を設けたことを特徴としている。

【０００９】

【作用】このような整流手段を設けることにより、排気
室内において内車下半部の下側を通る蒸気の流れが剥離
しなくなり、この部分を通過し得る蒸気の有効流路面積
が広がる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施の形態
を、添付図面を参照しながら説明するが、図中、同一符
号は、同一又は対応部分を示すものとする。図１は、本
発明に係る整流手段の第一の実施形態を示す横方向断面
概要図である。この図において、外車１の内部に配設さ
れた内車２は、上半部２Ａと下半部２Ｂとから構成され
ている。内車２と外車１との間には、排気室３が画成さ
れている。また、外車１の下半部は、復水器（図示せ
ず）へ繋がるダクト５に結合されており、このダクト５
に連結する外車１の下端部に排気室出口４が画成されて
いる。

【００１１】本発明に係る整流手段２０は、内車２の下
半部２Ｂの下側において、直接この下半部２Ｂに取付け
られている。整流手段の湾曲面２０Ａ及び２０Ｂは、各
々、タービンロータ６の軸心を通る水平面付近における
内車２の下半部２Ｂに始端をなし、排気室出口４に形成
された面２０Ｃにおいて終端をなしている。すわなち、
整流手段２０の蒸気流れと接触する外側面は、内車２の
半径方向に断面をとった場合、ダクト５側に向かって先
細となる略台形をしている。従って、この略台形の両斜
辺は、内車２の円筒状部の湾曲方向と同じ方向に湾曲し
ている湾曲面２０Ａ及び２０Ｂを構成している。なお、
これらの湾曲面は、内車２のタービンロータ６の軸心を
通る鉛直面に対して左右対称に配置されている。

【００１２】湾曲面、ここでは一方側の湾曲面２０Ａを
用いて説明するが、この湾曲面２０Ａの始端における外
車１の内面までの距離をＤとし、湾曲面２０Ａの曲率半
径をＲとすると、これらの関係が、Ｄ／Ｒ＜０．４であ
るのが好ましい。また、湾曲面２０Ａの始端における外
車１の内面との間に形成される有効流路面積をＡ１と
し、湾曲面２０Ｂの終端、すなわち排気室出口４におけ
る有効流路面積をＡ２とすると、これらの管径が、Ａ１
／Ａ２＝１．５〜２．５であるのが好ましい。これらの
諸条件は、流れの可視化実験において、内車側表面に沿
って流れる蒸気の剥離が発生してないことと、流速がス
ムーズに減速し、その分圧力回復（すなわち、動圧が静
圧上昇に変化する）が大きくなり得ることとを確認しつ
つ決定したものである。なお、Ａ１／Ａ２に関し、この
値を小さくすることは、剥離に対しては余裕がでるが、
本来の圧力回復をさせる効果が小さくなるため、その下
限を１．５とした。なお、左右対称であるので、湾曲面
２０Ｂについても同様である。

【００１３】次に、このような構成の整流手段２０を備
えた排気室３における蒸気の流れを説明する。タービン
低圧段部の最終翼７（図７参照）から排出された蒸気の
流れ、特に円筒状の内車２壁面に沿う蒸気の流れは、上
半部２Ａから整流手段２０の湾曲面２０Ａ及び２０Ｂに
沿って流れるようになる（一点鎖線参照）。従って、流
れの剥離がなくなり、蒸気流れに圧力損失が生じること
がなく、また、排気室出口４における流路形状が大きく
なるので、圧力（エネルギ）回復量が多くなる。

【００１４】なお、整流手段２０の蒸気と接する両側の
面を平面とすることも可能であるが、可能な限り蒸気流
れの剥離が生じないようにしつつ、排気室出口４におけ
る流路面積を最大にするためには、湾曲面であるほうが
好ましい。また、整流手段２０は、一体部品として形成
することができるし、あるいは左右別体として形成する
こともできる。

【００１５】次に、図２を参照しながら、本発明に係る
整流手段の第二の実施形態を説明する。この図におい
て、第二の実施形態は、整流手段３０の構造を除き、第
一の実施形態と同様であるので、他の説明は省略する。

【００１６】第二の実施形態における整流手段３０の湾
曲面３０Ａ及び３０Ｂは、排気室出口４からダクト５側
まで延在し、各々頂点で結合することにより終端をなし
ている。すなわち、整流手段３０の蒸気流れと接触する
外側面は、内車２の半径方向に断面をとった場合、ダク
ト５側に向かって先細になる略二等辺三角形をしてい
る。従って、この二等辺三角形の対向する二辺が湾曲面
３０Ａ及び３０Ｂを構成している。また、これらの面
は、内車２のタービンロータ６の軸心を通る鉛直面に対
して左右対称に配置されている。

【００１７】この第二の実施形態の整流手段３０を備え
た排気室３における蒸気の流れも、第一の実施の形態と
同様であり、円筒状の内車２壁面に沿う蒸気の流れは、
上半部２Ａから整流手段３０の湾曲面３０Ａ及び３０Ｂ
に沿って流れ、剥離を生じることがなくなる（一点鎖線
参照）。従って、第一の実施形態と同様の効果を得るこ
とができる。

【００１８】次に、図３及び図４を参照しながら、本発
明に係る整流手段の第三の実施形態を説明する。この図
において、第三の実施形態は、整流手段４０の構造及び
取付け位置を除き、第一及び第二の実施形態と同様であ
るので、他の説明は省略する。

【００１９】第三の実施形態における整流手段４０は、
左右一対のガイドベーン４０Ａ及び４０Ｂから構成され
ている。この一対のガイドベーン４０Ａ及び４０Ｂは、
各々内車２の下半部２Ｂの外周面から、内車２の半径方
向外向きに所定の間隔を開けて取付けられている。

【００２０】詳細するに、外車１は、そのセンターリブ
９及び一対の補強リブ１０間に設けられた左右各一対の
支持基礎部１１の上に、内車２の左右各一対の支持脚１
２を直接支持することで、内車２を所定位置に固定して
いる。これらの支持脚１２は、内車２の外周側から外向
きに取付けられており、ガイドベーン４０Ａ及び４０Ｂ
は、一対の支持脚１２の対向する内側面間において、内
車２の外周面から所定距離離れた位置で取付けられてい
る。

【００２１】このように整流手段４０としての一対のガ
イドベーン４０Ａ及び４０Ｂを取付けることにより、内
車２の外周面に沿う蒸気の流れは、この外周面とガイド
ベーン４０Ａ及び４０Ｂとの間に挟まれて内車２の下側
部まで導かれるため、そこで流れの剥離が生ずることが
ない。また、ガイドベーン４０Ａ及び４０Ｂは湾曲して
いるため、その外側を流れる蒸気の流れも、ガイドベー
ン４０Ａ及び４０Ｂに沿って行く。従って、第三の実施
形態においても、第一及び第二の実施形態と同様の効果
を得ることができる。

【００２２】次に、図５を参照しながら、本発明に係る
整流手段の第四の実施形態を説明する。この第四の実施
形態では、第一の実施形態に係る断面が略台形をした整
流手段２０と、第三の実施形態に係る内車２の外周面か
ら所定間隔を開けて取付けられたガイドベーン型の第２
の整流手段４０とを組み合わせたものである。なお、各
整流手段の詳細は、上述した通りであるので省略する。

【００２３】この第四の実施形態においては、２個の整
流手段を組み合わせたものであるため、内車下側におい
て、より理想的な流れを得ることができる。従って、上
述した湾曲面の始端における外車１の内面までの距離Ｄ
と、湾曲面の曲率半径Ｒとの比を、Ｄ／Ｒ＜０．６まで
拡大することができる。

【００２４】次に、図６を参照しながら、本発明に係る
整流手段の第五の実施形態を説明する。この第五の実施
形態では、第二の実施形態に係る断面が略二等辺三角形
をした整流手段３０と、第三の実施形態に係る内車２の
外周面から所定間隔を開けて取付けられたガイドベーン
型の第２の整流手段４０とを組み合わせたものである。
なお、各整流手段の詳細は、上述した通りであるので省
略する。

【００２５】この第五の実施形態においても、第四の実
施形態と同様に、内車下側において、より理想的な流れ
を得ることができる。従って、上述した湾曲面の始端に
おける外車１の内面までの距離Ｄと、湾曲面の曲率半径
Ｒとの比を、Ｄ／Ｒ＜０．６まで拡大することができ
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明に係る軸流タービンの排気装置
は、下流側のダクトに結合する外車と、該外車に載置さ
れ且つ上半部及び下半部からなる内車と、前記外車及び
前記内車間に画成された排気室と、該排気室の前記ダク
ト側に画成された排気室出口とを備える軸流タービンに
おいて、前記内車の前記下半部の下側に、前記排気室出
口に向かう蒸気の流れが該内車の下側で剥離しないよう
にする整流手段を設けたので、排気室内において内車下
半部の下側を通る蒸気の流れが剥離しなくなり、この部
分を通過し得る蒸気の有効流路面積が広がることによっ
て、圧力（エネルギ）回復量を多くすることができ、タ
ービン全体の性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る整流手段の第一の実施形態を示
す横方向断面概要図である。

【図２】 本発明に係る整流手段の第二の実施形態を示
す横方向断面概要図である。

【図３】 本発明に係る整流手段の第三の実施形態を示
す横方向断面概要図である。

【図４】 図３の整流手段の取付位置を示す一部省略上
面図である。

【図５】 本発明に係る整流手段の第四の実施形態を示
す横方向断面概要図である。

【図６】 本発明に係る整流手段の第五の実施形態を示
す横方向断面概要図である。

【図７】 発電用蒸気タービンの低圧タービンの全体構
造を示す概要図である。

【図８】 図７のＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１…外車、２…内車、３…排気室、４…排気室出口、５
…ダクト、６…回転軸、７…最終翼、８…蒸気流入部、
９…センターリブ、１０…補強リブ、１１…支持基礎
部、１２…支持脚、２０…整流手段、２０Ａ，２０Ｂ…
湾曲面、２０Ｃ…面、３０…整流手段、３０Ａ，３０Ｂ
…湾曲面、４０…整流手段、４０Ａ，４０Ｂ…ガイドベ
ーン、Ｄ…湾曲面の始端における外車内面までの距離、
Ｒ…湾曲面の曲率半径、Ａ１…湾曲面の始端における有
効流路面積、Ａ２…湾曲面の終端（排気室出口）におけ
る有効流路面積。

フロントページの続き (72)発明者 渡辺 英一郎 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 中澤 民暁 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 高島 清 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 戸田 豊 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目８番19号 高菱エンジニアリング株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下流側のダクトに結合する外車と、該外
   車に載置され且つ上半部及び下半部からなる内車と、前
   記外車及び前記内車間に画成された排気室と、該排気室
   の前記ダクト側に画成された排気室出口とを備える軸流
   タービンにおいて、前記内車の前記下半部の下側に、前
   記排気室出口に向かう蒸気の流れが該内車の下側で剥離
   しないようにする整流手段を設けたことを特徴とする軸
   流タービンの排気装置。
2. 【請求項２】 前記整流手段は、前記内車の円筒状部の
   湾曲方向と同じ方向に湾曲する一対の湾曲面を少なくと
   も一部に備えている請求項１記載の軸流タービンの排気
   装置。
3. 【請求項３】 前記一対の湾曲面は、前記内車の軸心を
   通る鉛直面に対して左右対称である請求項２記載の軸流
   タービンの排気装置。
4. 【請求項４】 前記整流手段は、前記内車の半径方向に
   断面をとった場合、前記ダクト側に向かって先細になる
   略台形であり、該台形の両斜辺が前記湾曲面を構成して
   いる請求項２または３記載の軸流タービンの排気装置。
5. 【請求項５】 前記整流手段は、前記内車の半径方向に
   断面をとった場合、前記ダクト側に向かって先細になる
   略二等辺三角形であり、該二等辺三角形の対向する二辺
   が前記湾曲面を構成している請求項２または３記載の軸
   流タービンの排気装置。
6. 【請求項６】 前記整流手段は、前記内車の前記下半部
   に取り付けられている請求項１乃至５の内のいずれか１
   項記載の軸流タービンの排気装置。
7. 【請求項７】 前記湾曲面の始端における該湾曲面及び
   前記外車間の長さＤと有効流路面積Ａ１とは、各々、前
   記湾曲面の曲率半径Ｒとの比がＤ／Ｒ＜０．４であり、
   前記湾曲面の前記排気室出口における有効流路面積Ａ２
   との比がＡ１／Ａ２＝１．５〜２．５である、請求項２
   乃至６の内のいずれか１項記載の軸流タービンの排気装
   置。
8. 【請求項８】 さらに、前記内車の前記下半部の外周面
   から該内車の半径方向外向きに所定の間隔を開けて取り
   付けられている第２の整流手段を備える請求項１乃至７
   の内のいずれか１項記載の軸流タービンの排気装置。
9. 【請求項９】 前記第２の整流手段は、前記内車の一対
   の支持脚間に取付けられたガイドベーンである請求項８
   記載の軸流タービンの排気装置。
10. 【請求項１０】 前記湾曲面の始端における該湾曲面及
    び前記外車間の長さＤと、前記湾曲面の曲率半径Ｒとの
    比がＤ／Ｒ＜０．６である、請求項８または９記載の軸
    流タービンの排気装置。
11. 【請求項１１】 前記整流手段は、前記内車の前記下半
    部の外周面から該内車の半径方向外向きに所定の間隔を
    開けて取り付けられている請求項１乃至３の内のいずれ
    か１項記載の軸流タービンの排気装置。
12. 【請求項１２】 前記整流手段は、前記内車の一対の支
    持脚間に取付けられたガイドベーンである請求項１１記
    載の軸流タービンの排気装置。