JP2007064190A

JP2007064190A - 蒸気タービン

Info

Publication number: JP2007064190A
Application number: JP2005255225A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tanuma; 沼唯士田; Keiichi Kuroki; 木慶一黒; Yasushi Oishi; 石安志大
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP4557845B2

Abstract

【課題】タービンの高圧部或いは中圧部の排気室におけるよどみ部の発生を防止して混合損失を低減し、圧力損失を低減すること。
【解決手段】タービン静翼３と動翼４を組み合わせてタービン段落を構成し、このタービン段落をタービン軸の軸方向に沿って複数段配置した蒸気タービンに関するものであり、排気室６を構成する外部ケーシング５の内壁５ａの端部または排気段落のノズル外輪１の端部に、径方向外方に突出し周方向に延び、タービン軸線に対して下流側に傾斜する排気室ガイド部１０を形成した。そして、前記排気室ガイド部１０の高さＨｇを排気段の動翼出口高さＨで無次元化したＨｇ／Ｈを、排気部が外部ケーシングの下半にある高圧タービンにおいては、上半の上部から水平部にかけて滑らかに増加させ、排気部が外部ケーシングの上半にある中圧タービンにおいては、下半の下部から水平部にかけて滑らかに増加させた。
【選択図】図５

Description

本発明は、蒸気タービンに係り、特に高圧タービンまはた中圧タービンの排気室に関する。

一般に、蒸気タービンの高圧部の排気室においては、排気段落の動翼から流出した蒸気は排気室に流入して、外部ケーシングの下半に接合された再熱蒸気管からボイラーに送られる。この際、外部ケーシングの上半の排気室から下半の排気室に移動する蒸気の流れと排気段動翼から流出する蒸気の流れの混合損失を最小にすることが重要である。同様に、外部ケーシングの上半にクロスオーバー管が接合された中圧タービンにおいては、外部ケーシングの下半の排気室から上半の排気室に移動する蒸気の流れと排気段動翼から流出する蒸気の流れの混合損失を最小にして、排気室での圧力損失の増加を防止してタービン効率を低下させないように流出させることが重要である。

図７は、従来の蒸気タービンにおける排気側の段落部の断面図であり、ノズル外輪１及びノズル内輪２によって構成された環状の流路内に、多数のタービン静翼３が周方向に配置され、タービンノズルが構成されている。このタービンノズルの下流側には回転軸に固定され放射方向に立設された多数の動翼４が配置され、タービン静翼３からなるタービンノズルと動翼４によって一段落が構成されている。そして、この段落を軸方向に複数段落組合わせることにより蒸気タービンが構成されている。

上記蒸気タービンの排気側には外部ケーシング５によって環状の排気室６が形成されており、その排気室６を形成する外部ケーシング５の内壁５ａに前記ノズル外輪１が装着されており、上記内壁５ａの外周には径方向外方に突出する排気室ガイド壁７が設けられている。図７は高圧部における排気段落部の上半の断面を示しており、中圧部においては、図７を上下反転したものが下半部の断面に対応する。

しかして、排気段における動翼４から流出した蒸気は外部ケーシング５内のディフューザ部８を通り、排気室６内に流入する。この場合、高圧部においては、段落からの排気蒸気と排気室６の上半から下半に向かう蒸気とは、排気室ガイド壁７によって隔てられて、二つの流れの混合損失が低減される。同様に中圧部においては、排気室６の下半から上半に向かう蒸気と段落からの排気蒸気とが排気室ガイド壁７によって隔てられて、混合損失が低減される。

このように、ディフューザ部８から排気室６までの流れの干渉や偏流および排気室６内での圧力損失の低減をフローガイドを用いて改善したものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）
特開平１１−２００８１４号公報特開２００３−２７９０５号公報

ところで、図８は３次元圧縮性粘性流れ解析によって求めた、高圧タービン排気室のＢ−Ｂ断面の速度分布（全速度成分の内の断面平面投影速度ベクトル成分の大きさの分布）であり、排気室ガイド壁７近くの約半分の流路は、面内流れがほとんどなく、わずかの面を貫く速度成分（図示せず）が存在するのみである。したがって、図７中に点線で示した部分Ｃは蒸気通路として役に立っていない。またこの部分の周辺では渦が発生して混合損失を増加させる要因となっている。中圧部のガイド壁についても、同様の問題があることは明らかである。

このように、上記従来の排気室ガイド壁を有する蒸気タービンにおいては、高圧部或いは中圧部の排気室に大きなよどみ部が発生して、混合損失が増加し、その結果圧力損失が増加することによりタービン性能が低下するという問題があった。

本発明はこのような点に鑑み、高圧部或いは中圧部の排気室におけるよどみ部の発生を防止して混合損失を低減し、圧力損失を低減することによってタービン効率を向上させることができる蒸気タービンを得ることを目的とする。

第１の発明は、タービン静翼と動翼を組み合わせてタービン段落を構成し、このタービン段落をタービン軸の軸方向に沿って複数段配置した蒸気タービンにおいて、排気室を構成する外部ケーシングの内壁の端部または排気段落のノズル外輪の端部に径方向外方に突出し周方向に延び、タービン軸線に対して下流側に傾斜した排気室ガイド部を形成するとともに、前記排気室ガイド部の高さＨｇを排気段の動翼出口高さＨで無次元化したＨｇ／Ｈを、排気部が外部ケーシングの下半にある高圧タービンにおいては、上半の上部から水平部にかけて滑らかに増加させ、排気部が外部ケーシングの上半にある中圧タービンにおいては、下半の下部から水平部にかけて滑らかに増加させたことを特徴とする。

また、第２に発明は、タービン静翼と動翼を組み合わせてタービン段落を構成し、このタービン段落をタービン軸の軸方向に沿って複数段配置した蒸気タービンにおいて、排気室を構成する外部ケーシングの内壁の端部または排気段落のノズル外輪の端部に径方向外方に突出し周方向に延び、タービン軸線に対して下流側に傾斜した排気室ガイド部を形成するとともに、前記排気室ガイド部の上流側傾斜角αを、排気部が外部ケーシングの下半にある高圧タービンにおいては、上半の上部から水平部にかけて滑らかに増加させ、排気部が外部ケーシングの上半にある中圧タービンにおいては、下半の下部から水平部にかけて滑らかに増加させたことを特徴とする。

本発明は上述のように構成したので、蒸気タービンの高圧部または中圧部の排気室において、排気室ガイド部によって効果的に流れの整流が行われるので、排気段動翼から流出する流れと、高圧部においてはケーシングの上半から下半、中圧部においてはケーシングの下半から上半に移動する蒸気との干渉が十分少なく、排気室における圧力損失とケーシングの上下半の圧力差を低減でき、混合損失などの損失を低減することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る蒸気タービンの実施の形態について説明する。なお、図中図７と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１は本発明における第１の実施の形態を示す図であり、ノズル外輪１が装着されている外部ケーシング５の内壁５ａには、その排気側端部に径方向外方に突出し周方向に延びる排気室ガイド部１０が一体的に形成されている。その排気室ガイド部１０は、タービン軸線に対して下流側に傾斜されている。すなわち、上記排気室ガイド部１０の上流側傾斜面は内壁５ａの外面に対してαだけ傾斜されており、また、その下流側側面は滑らかな曲面に形成されている。なお、傾斜角αは、排気室ガイド部１０の先端部（頂点）と外部ケーシング５の内壁５ａの傾斜開始点とを結んだ線が外部ケーシング５の内壁５ａの面に対して成す角度をいう。

しかして、排気段における動翼４から流出した蒸気は外部ケーシング５内のディフューザ部８を通り、排気室６内に流入するが、この場合、上記排気は排気室ガイド部１０に沿ってスムースに排気室６内に流入し、よどみ部が生ずるようなことがない。しかも、高圧部においては、段落からの排気蒸気と排気室６の上半から下半に向かう蒸気とは、排気室ガイド部１０によって隔てられて、二つの流れの混合損失が低減される。また、排気室６内部ではガイド部１０の傾斜面にて蒸気流が整流されて旋回流となり、排気蒸気と上半から下半に向かう蒸気とは少ない損失で混合される。同様に中圧部においては、排気室６の下半から上半に向かう蒸気と段落からの排気蒸気とが排気室ガイド部１０によって隔てられて、混合損失が低減される。また、排気室６内部ではガイド部１０の傾斜面にて蒸気流が整流されて旋回流となり、段落からの排気蒸気と上半から下半に向かう蒸気とは少ない損失で混合される。

図２は、図１に示す本発明の蒸気タービンにおける、３次元圧縮性粘性流れ解析によって求めた高圧タービン排気室のＡ−Ａ断面の速度分布（全速度成分の内の断面平面投影速度ベクトル成分の大きさ分布）を示す図である。この図２に示すように、排気室ガイド部１０の存在によって、ディフューザ部８の出口近くの流れが整流されており、図８と比べて速度分布が均一化されていることが判る。

図３は、前述の３次元圧縮性粘性流れ解析を用いて排気室ガイド部１０の高さＨｇが変化したときの圧力損失の変化量を示したものであり、横軸は排気室ガイド部１０の高さＨｇを排気段の動翼出口高さＨで無次元化したＨｇ／Ｈであり、縦軸は従来のタービンの段落損失に対する損失である相対段落損失を表している。しかして、この図３から判るように、ガイド部の高さ比Ｈｇ／Ｈが０．４から１．０の間の場合に従来例より圧力損失が低減することが判る。

そこで、本発明においては、前記排気室ガイド部１０の高さＨｇを排気段の動翼出口高さＨで無次元化したＨｇ／Ｈを０．４から１．０の間の値を取るように形成した。しかして、排気室ガイド部１０の高さＨｇをこの範囲に設定することにより、上下半の排気室６を旋回しながら周方向に移動する蒸気と新にディフューザ部８から排気室６に流入する蒸気の混合が適切に行われ、圧力損失が低減される。

一方、前記排気室ガイド部１０の上流側傾斜角αは軸流方向から20°から50°の間となるように形成されている。このように、排気室ガイド部１０の上流側角度αをこの範囲に設定することによって、上下半の排気室６を旋回しながら周方向に移動する蒸気と新にディフューザ部８から７に流入する蒸気の混合が適切に行われ、圧力損失を低減する作用がある。

図４は前述の３次元圧縮性粘性流れ解析を用いて排気室ガイド部１０の上流側傾斜角αを変化させたときの排気室圧力損失の変化量を示したものである。この場合、損失値は比較の対象となる従来例からの比で示している。この図から判るように、排気室ガイド部１０の傾斜角度αを２０°から５０°の間とすることにより従来例より圧力損失を低減させることが出来る。

また、前記排気室ガイド部１０の高さＨｇを排気段の動翼出口高さＨで無次元化したＨｇ／Ｈを、排気部が下半にある高圧タービンにおいては、上半の上部から水平部にかけて滑らかに増加させ、排気部が上半にある中圧タービンにおいては、下半の下部から水平部にかけて滑らかに増加させることが好ましい。

図５はその内の、排気部が下半にある高圧タービンの例を示しており、図面上側（タービンロータ１１中心線より上側）が高圧タービンの上半部の垂直断面図を、図面下側（タービンロータ１１中心線より下側）が水平断図をそれぞれ示したものである。そして、水平断面図で示される排気室ガイド部の高さＨｇｂは、上半垂直断面図で示される排気室ガイド部の高さＨｇａより高く形成されている。すなわち、排気段の動翼出口高さＨは、水平断面、上半垂直断面いずれにおいても一定であるから、無次元数Ｈｇ／Ｈは上半上部から水平部にかけて増加していることになる。

なお、排気部が上半にある中圧タービンの場合には、図５に示した上半垂直断面図を下半垂直断面図と読み替えた、構造的には前記高圧タービンの場合を上下反転したものと考えればよい。

このように排気室ガイド部１０の高さを周方向に変化させることによって、上下半の排気室６を旋回しながら周方向に移動する蒸気と新にディフューザ部８から排気室６に流入する蒸気の混合が適切に行われ、圧力損失を低減することができる。

さらに、前記排気室ガイド部１０の上流側傾斜角αを、排気部が下半にある高圧タービンにおいては、上半の上部から水平部にかけて滑らかに増加させ、排気部が上半にある中圧タービンにおいては、下半の下部から水平部にかけて滑らかに増加させるようにしてもよい。

図６は、その内の排気部が下半部にある高圧タービンの例を示しており、図面上側（タービンロータ１１中心線より上側）が高圧タービンの上半部の垂直断面図を、図面下側（タービンロータ１１中心線より下側）が水平断面図をそれぞれ示したものである。そして、水平断面図で示される排気室ガイド部１０の上流傾斜角α_２は、上半垂直断面図で示されている排気室ガイド部１０の上流傾斜角α_１より大きく形成されている。

なお、図では排気室ガイド部１０の高さＨｇを上半垂直断面図および水平断面図ともに同じ高さとし、傾斜開始点の位置を異ならせて傾斜角αを水平断面で大きくしているが、この例に限らず、傾斜開始点の位置を同じくし、排気室ガイド部１０の高さＨｇを異ならせてもよい。また、排気部が上半にある中圧タービンの場合には、図６に示した上半垂直断面図を下半垂直断面図と読み替えた、構造的には前記高圧タービンの場合を上下反転したものと考えればよい。

このように、排気室ガイド部１０の上流側傾斜角αを周方向に変化させることによっても、上下半の排気室６を旋回しながら周方向に移動する蒸気と新にディフューザ部８から排気室６に流入する蒸気の混合が適切に行われ、圧力損失を低減することができる。

以上の説明においては、排気室ガイド部１０は外部ケーシング５の一部として形成されているものを示したが、排気段のノズル３のノズル外輪１の一部を延長して形成しても同様の効果が得られる。この場合は、蒸気速度の大きいディフューザ部８の内側通路の形状を連続して形成することができ、圧力損失を更に削減できる効果がある。

本発明の蒸気タービン排気段落部の断面図。本発明蒸気タービン排気室の速度分布図（Ａ−Ａ断面）。本発明の実施例の排気室ガイド部相対高さHg/Hと損失変化量の関係図。本発明の排気室ガイド部傾斜角αと損失変化量の関係図。本発明の排気室ガイド部の高さを周方向に変化させた場合の断面図。本発明の排気室ガイド部の傾斜角を周方向に変化させた場合の断面図。従来の蒸気タービンの排気段落部の断面図。従来の蒸気タービンの排気室の速度分布図（B−B断面）。

符号の説明

１ノズル外輪
２ノズル内輪
３タービン静翼
４動翼
５外部ケーシング
６排気室
７排気室ガイド壁
８ディフューザ部
１０排気室ガイド部
１１タービンロータ

Claims

タービン静翼と動翼を組み合わせてタービン段落を構成し、このタービン段落をタービン軸の軸方向に沿って複数段配置した蒸気タービンにおいて、排気室を構成する外部ケーシングの内壁の端部または排気段落のノズル外輪の端部に径方向外方に突出し周方向に延び、タービン軸線に対して下流側に傾斜した排気室ガイド部を形成するとともに、前記排気室ガイド部の高さＨｇを排気段の動翼出口高さＨで無次元化したＨｇ／Ｈを、排気部が外部ケーシングの下半にある高圧タービンにおいては、上半の上部から水平部にかけて滑らかに増加させ、排気部が外部ケーシングの上半にある中圧タービンにおいては、下半の下部から水平部にかけて滑らかに増加させたことを特徴とする蒸気タービン。
前記排気室ガイド部の高さＨｇを排気段の動翼出口高さＨで無次元化したＨｇ／Ｈを０．４から１．０の間の値を取るように形成したことを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービン。
タービン静翼と動翼を組み合わせてタービン段落を構成し、このタービン段落をタービン軸の軸方向に沿って複数段配置した蒸気タービンにおいて、排気室を構成する外部ケーシングの内壁の端部または排気段落のノズル外輪の端部に径方向外方に突出し周方向に延び、タービン軸線に対して下流側に傾斜した排気室ガイド部を形成するとともに、前記排気室ガイド部の上流側傾斜角αを、排気部が外部ケーシングの下半にある高圧タービンにおいては、上半の上部から水平部にかけて滑らかに増加させ、排気部が外部ケーシングの上半にある中圧タービンにおいては、下半の下部から水平部にかけて滑らかに増加させたことを特徴とする蒸気タービン。
前記排気室ガイド部の上流側傾斜角αを軸流方向から20°から50°の間となるように形成したことを特徴とする、請求項３記載の蒸気タービン。