JP2005016453A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】動翼の水滴によるエロージョンを減少させること、および、蒸気タービンの効率を向上させること。
【解決手段】本発明の蒸気タービンは、内部に空間（６）が形成された動翼と、動翼が取り付けられるプラットホーム（２）と、を具備する。動翼が中空に形成されることにより、動翼の軽量化を測ることができる。動翼を軽量化することにより、動翼を長くすることができる。動翼を長くすることは、蒸気タービン出口の蒸気速度を下げることができ性能向上のため好ましい。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンに関し、特に動翼内部に空間を有する蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気によりタービンを回転させ発電等を行う蒸気タービンが使用されている。蒸気タービンは、回転軸側に設置される動翼と、車室部側に固定されている静翼を具備する。
蒸気タービンは、複数の段を有する。蒸気タービンの蒸気の入口側では、蒸気の圧が高く、動翼の長さは小さい。蒸気の出口側では、蒸気の圧が低くなり、動翼の長さが長くなる場合がある。
蒸気タービンの低圧段に用いられる長大動翼は、長いほど、タービン出口の蒸気流速を下げることができるため性能上好ましい。しかし、動翼の長さが長いと、遠心力により動翼自体に大きな応力が掛かる場合がある。このため、動翼は軽量化されることが好ましい。特に、低圧段に用いられる長大動翼は軽量化されることが好ましい。
【０００３】
さらに、出口付近の低圧部分では、蒸気の一部が凝縮し、液体（水滴）となる場合がある。特に復水タービンにおいて、低圧段落は気液２相状態の湿り蒸気中で作動する場合がある。翼面に付着した微細な水滴は、より大きい水滴に成長しては後縁部からちぎれて、後段へ放出される。動翼の前縁部には、このような水滴が衝突し、エロージョンが発生する場合がある。このため、従来の動翼では、前縁部に硬度の高い材質（ステライト材など）を貼り付ける場合があった。
さらに、水滴の発生は、蒸気中の水滴を蒸気が加速することによる蒸気エネルギーの損失や、水滴が動翼に衝突することによる制動損失の原因となり、蒸気タービンの性能が低下する場合がある。
このため、動翼前縁部は、エロージョンを防止するため硬度が高いことが望ましい。さらに、蒸気タービンの性能の低下を防ぐため、蒸気中の水滴は少ないことが望ましい。
【０００４】
飽和蒸気内で作動する蒸気タービンにおいて、動翼中にて飽和蒸気中の湿分が液滴となって形成されたドレンを該動翼の回転による遠心力で分離し、この分離したドレンを順次次の段落部分の仕切板部の壁面及び車室部の壁面で反射させ、前記動翼がある段落部分の仕切板部に形成したドレントレイに集収するようにしたことを特徴とする蒸気タービンのドレン分離回収方法の発明が開示されている（例えば、特許文献１）。この発明により、動翼の先端付近から遠心力で分離した水滴を回収することができる。このため、水蒸気中の水滴を減らすことができ、エロージョンの防止、蒸気タービンの性能の低下の防止に寄与する。
【０００５】
気液二相流媒体中で作動する動翼に発生するエロージョンを防止するための動翼のエロージョン防止装置において、前記動翼の上流側に設置される静翼の外周側表面に開口させ、半径方向に連続して設けたスリットと、前記スリットの内周端と連通させて前記静翼の表面に凹設され、前記スリットの内周側に配置した溝と、前記スリットの底部と連通させ、前記スリットの内方に穿設したドレン排出孔と、静翼外輪の半径方向に穿設され、前記ドレン排出孔に連通したドレン孔を設けたことを特徴とする動翼のエロージョン防止装置の発明が開示されている（例えば、特許文献２）。この発明により、静翼において、蒸気中の水滴を分離することができる。このため、水蒸気中の水滴を減らすことができ、エロージョンの防止、蒸気タービンの性能の低下の防止に寄与する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０６−２７２５１１
【特許文献２】
特開平０８−２１０１０５
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、軽量化された動翼を具備する蒸気タービンを提供することにある。動翼は中空に形成され軽量化されることが好ましい。動翼は軽量化されることで、長さを長くすることができることが好ましい。
本発明の他の一形態の目的は、動翼の水滴によるエロージョンを減少させることができる蒸気タービンを提供することにある。
本発明の更に他の一形態の目的は、さらに、２枚の板が、前縁部の硬度が高くなるよう溶接されて形成される動翼を具備する蒸気タービンを提供することにある。この動翼は、内部を中空にして軽量が計れると同時に、前縁部の硬度を高くすることができる。
本発明の更に他の一形態の目的は、蒸気中の水滴を減少させる動翼を具備する蒸気タービンを提供することにある。
本発明の更に他の一形態の目的は、蒸気中の水滴の減少により効率が向上された蒸気タービンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用する番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００９】
本発明の蒸気タービンは、内部に空間（６）が形成された動翼と、動翼が取り付けられるプラットホーム（２）と、を具備する。動翼が中空に形成されることにより、動翼の軽量化を測ることができる。動翼を軽量化することにより、動翼を長くすることができる。動翼を長くすることは、蒸気タービン出口の蒸気速度を下げることができるため性能上好ましい。
【００１０】
本発明の蒸気タービンの動翼は、背側表面の形状を有するように形成された背側板材（１−２）と、腹側表面の形状を有するように形成された腹側板材（１−１）とが溶接され、背側板材（１−２）と腹側板材（１−１）の間に空間（６）が形成される。
【００１１】
本発明の蒸気タービンの動翼は、背側表面の形状を有するように形成された背側板材（１−２）と、腹側の形状を有するように形成された腹側板材（１−１）とが長手方向の２辺で溶接され、背側板材（１−２）と腹側板材（１−１）の間に空間（６）が形成され、２辺のうち、回転する時に前方側となる翼前縁（４）側の溶接部は、背側板材（１−２）および腹側板材（１−１）よりも硬くなるように施工される。前縁部の溶接部分が硬くなるように施工されることにより、前縁部でのエロージョンを防止することができる。
【００１２】
本発明の蒸気タービンの動翼の翼前縁（４）側の溶接部は、背側板材（１−２）および腹側板材（１−１）よりも硬くなるように炭素含有量が調整される場合がある。一般的には、炭素量が高く設定される。
【００１３】
本発明の蒸気タービンの動翼の翼前縁（４）側の溶接部は、溶接後に冷却速度を上げて、溶接部を硬化させるように施工される。冷却速度を上げて、いわゆる焼入れを行うことにより、材質を硬化させることができる。
【００１４】
本発明の蒸気タービンの動翼の翼前縁（４）側の溶接部の一部は、表面に背側板材（１−２）および腹側板材（１−１）よりも硬い溶着金属が形成されるように施工される。ステライト材などの硬度の高い金属を最終層に盛ることにより硬度を上げることができる。
【００１５】
本発明の蒸気タービンは、動翼の背側板材（１−２）もしくは腹側板材（１−１）の一部に空間（６）に貫通する第一孔（１０）を有し、動翼の先端付近に、空間（６）に貫通する第二孔（４０）を有する。
動翼表面に付着した水滴は、第一孔（１０）から空間（６）内に進入し、遠心力により第二孔（４０）から排出される。このため、蒸気中の水滴を分離・回収することができる。蒸気中の水滴を減少させることは、エロージョンの防止、蒸気タービンの効率の向上のために好ましい。
【００１６】
本発明の蒸気タービンにおける、上記第一孔（１０）は、動翼の表面上に付着した液体が、空間（６）に流れ込むようにスリット状の形状を有する。
第一孔（１０）は、水滴が進入しやすいように形成されることが好ましい。
【００１７】
本発明の蒸気タービンは、プラットフォーム（２）の表面から蒸気タービン動翼の空間（６）に貫通する第三孔（２０）を有し、動翼の先端付近に空間（６）に貫通する第二孔（４０）が開けられる。
プラットフォーム（２）に付着した水滴は、第三孔（２０）から空間（６）内に進入し、遠心力により第二孔（４０）から排出される。このため、蒸気中の水滴を分離・回収することができる。蒸気中の水滴を減少させることは、エロージョンの防止、蒸気タービンの効率の向上のために好ましい。
【００１８】
本発明の蒸気タービンにおける、上記第三孔は、プラットフォーム（２）表面の凝縮した液体が流れ込むようにスリット状の形状を有する。
第三孔（２０）は、水滴が進入しやすいように形成されることが好ましい。
【００１９】
本発明のタービンは、内部に空間（６）を有する動翼と、動翼が取り付けられるプラットフォーム（２）と、を具備する。
動翼の表面から動翼の空間（６）に貫通する第一穴（１０）が開けられ、動翼の先端付近に空間（６）に貫通する第二穴が開けられる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照して、本発明による蒸気タービンの実施の形態を以下に説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１に、蒸気タービンの低圧域で使用される動翼の例が示される。
本実施例では、動翼において遠心力により発生する応力を軽減するため、動翼内に空間が形成されることで軽量化が計られる例が示される。蒸気タービンの低圧域で使用される動翼は、タービン出口の蒸気流速を下げることができるため、長さが長いことが好ましい。長さが長い動翼は、遠心力により発生する応力が大きくなるため、軽量化が計られることが好ましい。
【００２２】
さらに、本実施の形態１では、軽量化と同時に動翼の前縁部のエロージョンを防止するため、前縁部の硬度が高くなるように動翼が形成される例が示される。
【００２３】
図１は動翼の一つを示したものである。動翼は、翼部分１、プラットフォーム２、シュラウド形成部３を含む。
翼部分１は、蒸気流を受けて回転力を発生する翼部分で、プラットフォーム２に溶接される。プラットフォーム２は回転軸（図示なし）側に固定される。
シュラウド形成部３は翼部分１の先端に形成され、同じ段の隣の動翼のシュラウド形成部３と組合い、その段の動翼の先端を接続するシュラウドを形成する。シュラウドにより動翼の変形や振動が抑制される。
【００２４】
図２に翼部分１の部分的な構造が示される。図３は翼部分１の断面形状を示す。翼部分１は、動翼の背側表面の形状を有するように形成された背側板材１−２と、腹側表面の形状を有するように形成された腹側板材１−１とが溶接され、背側板材１−２と腹側板材１−１の間に空間６が形成される。
背側板材１−２と腹側板材１−１は、薄板を背側、腹側の形状にプレスにして作成される。
【００２５】
背側板材１−２と腹側板材１−１の間に空間６が形成されることにより、動翼の軽量化を計ることができる。動翼は、遠心力による応力を低減するため、軽量化されることが好ましい。さらに、軽量化することにより動翼の長さを長くすることができる。特に低圧領域での動翼の長さを長くすることは、蒸気タービンの出口の蒸気流速を下げることができ、蒸気タービンの性能上好ましい。さらに、軽量化された動翼はエネルギー効率上好ましい。
【００２６】
さらに本発明では、前縁部４の溶接において、硬度が高くなるように溶接される。
背側板材１−２と腹側板材１−１は、動翼が回転する時に先になる前縁部４と、動翼が回転する時に後になる後縁部５で溶接される。
具体的には、溶着金属の硬度が高くなるように炭素含有量が調整される場合がある。もしくは、溶接後の冷却速度を上げることにより、いわゆる焼き入れを行い、溶接箇所の硬度が高くなるように施工される場合がある。もしくは、溶接の最終層に硬度の高い材質（例えばステライト）を溶着させることにより、他の背側板材１−２と腹側板材１−１より硬度が高くなるように施工される場合がある。
【００２７】
前縁部４は、水滴によるエロージョンが発生する翼高さの範囲において、硬化するような溶接方法が実施される場合がある。水滴によるエロージョンは、動翼の先端側で発生する場合が多いので、動翼の先端側において、硬化する溶接方法が行われる場合がある。
このように、前縁部４の硬度が高くなるように溶接されることは、エロージョンを防止するために好ましい。
【００２８】
溶接の工程において、前縁部４を硬化させることにより、別途ステライトなどの硬度の高い材質を貼り付ける工程が不要となる。このため、単に溶接する場合より、工程の短縮や製作コストの低減が実現される場合がある。
【００２９】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、実施の形態１に加え、蒸気中の水滴を低減させる例が示される。実施の形態１と同じ部位には同じ記号が付され、説明は省略される。
【００３０】
図４に本実施の形態２の動翼が示される。図５に、本実施の形態２の動翼の一部が示される。
本実施の形態２では、実施の形態１と同様、翼部分１は内部に空間６を有するように形成される。
さらに、翼部分１の一部に翼内部の空間６に貫通する孔もしくはスリット１０が設けられる。孔もしくはスリット１０は、翼部分１を構成する背側板材１−２もしくは腹側板材１−１に開けられる場合がある。翼部分に付着した水滴は、孔もしくはスリット１０を通って翼内部の空間６に進入する。
【００３１】
翼部分に付着した水滴は、翼の運動もしくは蒸気の流れにより後縁部方向へ、および翼の回転の遠心力により翼の先端部方向への力を受け、翼の表面を流れる。このため、スリット１０は、翼部分１の長さ方向に長く、もしくは水滴の流れ方向に概ね垂直に、長く開けられる場合がある。
スリット１０は、全体が翼内部の空間６に貫通している場合がある。もしくは、スリット１０は、一部が溝状に形成され、その一部が翼内部の空間に貫通している場合がある。溝状に形成された部分は、貫通している部分に水が流れるように形成される場合がある。
スリット１０は、水滴の流れと、動翼の強度を考慮して、位置、形状、大きさ及び数が決められる。
【００３２】
さらに、シュラウド形成部３の先端部分に、翼内部の空間６と連通する排出孔４０が開けられる。孔もしくはスリット１０から翼内部の空間６に進入した水滴は、翼の回転による遠心力により翼の先端部に移動し、排出孔４０から排出される。
排出孔４０から排出された水滴は、特開平０６−２７２５１１に記載されたドレン分離回収方法等により回収される場合がある。
【００３３】
さらに、プラットフォーム２の表面にスリット２０が開けられる場合がある。スリット２０は、翼内部の空間６と連通される。プラットフォーム２の表面を流れる水滴がスリット２０から内部の空間６に進入し、遠心力により排出孔４０から排出される。上記と同様に、排出孔４０から排出された水滴は、特開平０６−２７２５１１に記載されたドレン分離回収方法により回収される場合がある。
プラットフォーム２上のスリット２０により、翼方向へ流れる可能性のある水滴を回収することができる。
スリット２０は、翼部分の背側の近くのプラットフォーム２上に設けられることが、水滴の流れが多いため好ましい場合がある。
【００３４】
翼部分１のスリット１０およびプラットフォーム２のスリット２０は、どちらか一方もしくは、両方が設けられる場合がある。
【００３５】
このように、翼の表面の水滴を回収して後段へ流れる水滴の量を抑制することにより、翼のエロージョンを防止することができる。さらに、蒸気中の水滴を減少させることで、水滴を蒸気が加速することによる蒸気エネルギーの損失、および、水滴が動翼に衝突することによる制動損失を抑制し、蒸気タービンの性能の低下を低減することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の蒸気タービンは、動翼を中空に形成し軽量化することで、動翼の長さを長くすることができる。
本発明の他の一形態の蒸気タービンは、動翼の水滴によるエロージョンを減少させることができる。
本発明の更に他の一形態の蒸気タービンは、さらに、２枚の板が、前縁部の硬度が高くなるよう溶接されて形成される動翼を具備し、動翼の水滴によるエロージョンを減少させることができる。
本発明の更に他の一形態の蒸気タービンは、上記に含まれる水滴を回収して、減少させることができる。
本発明の更に他の一形態の蒸気タービンは、蒸気中の水滴を減少させることにより、蒸気タービンの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施の形態１で説明される蒸気タービンの動翼を示す。
【図２】図２は、翼部分の部分的な構造を示す。
【図３】図３は、翼部分の断面形状を示す。
【図４】図４は、実施の形態２で説明される蒸気タービンの動翼を示す。
【図５】図５は、翼部分の部分的な構造を示す。
【符号の説明】
１ 翼部分
１−１ 腹側板材
１−２ 背側板材
２ プラットーホーム
３ シュラウド形成部
４ 前縁部
５ 後縁部
６ 空間
１０ スリット
２０ スリット
４０ 排出孔

Claims (10)

1. 内部に空間が形成された動翼と、
   前記動翼が取り付けられるプラットフォームと、
   を具備し、
   前記動翼は、背側表面の形状を有するように形成された背側板材と、腹側表面の形状を有するように形成された腹側板材とが溶接され、前記背側板材と前記腹側板材の間に空間が形成される、
   蒸気タービン。
2. 内部に空間が形成された動翼と、
   前記動翼が取り付けられるプラットフォームと、
   を具備し、
   前記動翼は、背側表面の形状を有するように形成された背側板材と、腹側の形状を有するように形成された腹側板材とが長手方向の２辺で溶接され、前記背側板材と前記腹側板材の間に空間が形成され、前記２辺のうち、回転する時に前方側となる翼前縁側の溶接部は、前記背側板材および前記腹側板材よりも硬くなるように施工される、
   蒸気タービン。
3. 前記動翼の前記翼前縁側の溶接部は、前記背側板材および前記腹側板材よりも硬くなるように炭素含有量が調整される、
   請求項２に記載された蒸気タービン。
4. 前記動翼の前記翼前縁側の溶接部は、溶接後に冷却速度を上げて、溶接部を硬化させるように施工される
   請求項２に記載された蒸気タービン。
5. 前記動翼の前記翼前縁側の溶接部の一部は、表面に前記背側板材および前記腹側板材よりも硬い溶着金属が形成されるように施工される
   請求項２に記載された蒸気タービン。
6. 前記動翼の前記背側板材もしくは前記腹側板材の一部に前記空間に貫通する第一孔を有し、
   前記動翼の先端付近に、前記空間に貫通する第二孔を有する、
   請求項１〜５の何れか一項に記載された蒸気タービン。
7. 前記第一孔は、前記動翼の表面上に付着した液体が、前記空間に流れ込むようにスリット状の形状を有する、
   請求項６に記載された蒸気タービン。
8. 前記プラットフォームの表面から前記蒸気タービン動翼の空間に貫通する第三孔を有し、
   前記動翼の先端付近に前記空間に貫通する第二孔を有する、
   請求項１〜５の何れか一項に記載された蒸気タービン。
9. 前記第三孔は、前記プラットフォーム表面の凝縮した液体が流れ込むようにスリット状の形状を有する、
   請求項８に記載された蒸気タービン。
10. 内部に空間を有する動翼と、
    前記動翼が取り付けられるプラットフォームと、
    を具備し、
    前記動翼の表面から前記動翼の空間に貫通する第一穴が開けられ
    前記動翼の先端付近に前記空間に貫通する前記第二穴が開けられる、
    タービン。

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