JP2007332778A

JP2007332778A - 蒸気タービン

Info

Publication number: JP2007332778A
Application number: JP2006161730A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakamura; 憲司中村
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【目的】湿り蒸気によって生成された水滴の衝突に基因する動翼でのエロージョンの発生を抑制できる蒸気タービンの提供。
【構成】この発明の蒸気タービン１は従来例の蒸気タービンに対し、静翼装着体２１を備える静翼支持体２を用いるようにしている。静翼装着体２１は静翼７１を支持している部位の内周面６２ａの円錐形の形状は従来例と同一であるが、静翼７１を支持している部位よりも蒸気９９の通流方向に関する下流側となる部位の内周面２１ａ（この発明の場合の水滴飛散方向変更手段）の面形状は、内周面６２ａの場合よりも大きな値の半頂角θ_１を持つ円錐形とされ、この内周面２１ａの面形状である円錐形の母線を延長させて得た線分Ｘ−Ｘの動翼用隔壁６３の内周面６３ａとの交点Ｇの位置は、動翼８１の配設された部位よりも静翼７１側に寄った位置とされている。
【選択図】図１

Description

この発明は、静翼と動翼とからなる低圧翼段落に湿り蒸気が通流される蒸気タービンに係わり、湿り蒸気によって生成された水滴の衝突に基因する動翼でのエロージョンの発生を抑制するための構造に関するものである。

蒸気タービンは高温・高圧の蒸気を静翼で膨張させて得られた高速の蒸気流を動翼に通流させることでタービン車軸を回転させ動力を発生する装置である。そうして、静翼と動翼とが組み合わされてなる翼段落を多段に備える蒸気タービンでは、少なくとも最終段の翼段落を含む低圧翼段落を通流する蒸気は多くの場合に湿り蒸気になる。このような翼段落を多段に備えると共に、低圧翼段落に湿り蒸気が通流する蒸気タービンのことはよく知られているところである（例えば、特許文献１を参照。)。

以下、従来例の蒸気タービンを説明するその要部の概要を示す説明図である図４を用いて、従来例の蒸気タービンの概要を説明する。図４において、９は、複数の動翼８１が環状翼列をなして取り付けられたタービン車軸８９と、動翼８１と組み合わされて最終段の翼段落８を形成する複数の静翼７１が環状翼列をなして配列された静翼部７と、静翼部７を不図示のケーシングに装着支持するための上下２分割構造の静翼支持体６と、静翼７１をその先端部で固着して一体に保持する内側リング７９とを備えた蒸気タービンである。ただし、図４では上側の静翼支持体６の図示を省略している。蒸気タービン９では、静翼７１の環状翼列と動翼８１の環状翼列とでなる最終段の翼段落８には図示の白抜き矢印の方向に蒸気９９が通流される。それぞれの動翼８１は、その基部である脚部８２によりタービン車軸８９に装着される。なお８３は脚部８２をタービン車軸８９に確実に固定するための動翼固定用部材である。

内側リング７９は半円形に形成された円弧状部材であり、上下１対の内側リング７９でタービン車軸８９の外周を囲む円環状体を形成する。上下２分割構造の静翼支持体６のそれぞれの上下の部分は、この事例の場合には、相互間が互いに気密に接合されている外側リング６１，静翼装着体６２と動翼用隔壁６３とを有し、全体として半円形をした円弧状に形成されている。外側リング６１は静翼支持体６をケーシングに固定するための部材であり、その内周面６１ａは半円形状をなしている。静翼装着体６２は上下の静翼支持体６を合わせた場合に蒸気９９の通流方向に向かって拡がる円錐形状をなす内周面６２ａを有しており、この内周面６２ａの持つ円錐形の半頂角θ_９は蒸気タービン９の仕様に基づく蒸気９９の通流条件に適合するような値に定められている。

この静翼装着体６２は蒸気９９の通流方向に関する出口側の端部で内周面６１ａに固着され、環状翼列をなす静翼７１の基部を内周面６２ａで支持すると共に静翼部７に対する蒸気９９の通流路を隔制するための隔壁を兼ねている。また動翼用隔壁６３は外側リング６１の側面部に固着され、動翼部に対する蒸気９９の通流路用隔壁の役目を担っている。なおまた、シール部９５は複数のシール体９６で構成されて、内側リング７９の内周面７９ａと，内周面７９ａに対向するタービン車軸８９の外周部８９ａとの間の隙間９ａ部分に配設され、この隙間９ａからの蒸気９９の漏れ出しを防止するための一種のラビリンスを形成している。そうして、翼段落８で最後の仕事をした蒸気９９は、ケーシングに設けられた図示しない蒸気排出部から蒸気タービン９の外部に排出される。
特開２００１−２２７３０１号公報（第２頁、第３図）

前述した従来技術による蒸気タービン９では、多くの使用実績があることから、静翼支持体６には、静翼７１の支持と静翼部７に対する蒸気９９の通流路用隔壁の役目とを兼ねる静翼装着体６２が用いられている。しかしながら近年になり、この静翼支持体６に対して下記のことが問題点として浮上するようになり、その解決が望まれている。すなわち、最終段の翼段落８または最終段の翼段落８を含む低圧翼段落の形成部位を通流する蒸気９９は湿り蒸気であり、良く知られているように水滴を含んでいる。蒸気９９は動翼８１の回転に伴って回転をしつつ通流することから、湿り蒸気となっているこの蒸気９９に含まれる水滴にはこの回転による遠心力が働くことになる。このために、この蒸気９９に含まれる水滴はこの遠心力を受けて移動することで、通流路用隔壁の役目を兼ねる静翼装着体６２の内周面６２ａにフィルム状の層状に集積される。内周面６２ａにこのようにして集積された水滴はこの内周面６２ａに沿って蒸気９９の流れと同方向に移動して行く。

静翼装着体６２の内周面６２ａの蒸気９９の通流方向に関する出口側の端部である端部６２ｂに到達した前記水滴は、端部６２ｂで静翼装着体６２から離れ、内周面６２ａに沿う方向に飛散する水滴飛散流９９ａとなって蒸気９９の通流路中に飛散される。ところが、蒸気タービン９では水滴飛散流９９ａの飛散先には動翼８１が配設されているために、この動翼８１の前縁部８１ａなどに水滴飛散流９９ａが衝突する。この結果、水滴飛散流９９ａの衝突を受ける動翼８１にはエロージョンが発生し、このエロージョンによる侵食の進行で動翼８１の機械的強度の低下が進むことで、最悪の場合には寿命が短縮されるなど、蒸気タービン９の長期運転信頼性が損なわれる。また、地熱を利用して得られた蒸気をそのまま蒸気タービン９に使用する場合には、蒸気９９に腐食性物質が含まれることで動翼８１のエロージョンによる侵食度が増大され、前記した問題点が深刻化することになる。この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされ、その目的は、湿り蒸気によって生成された水滴の衝突に基因する動翼でのエロージョンの発生を抑制できる蒸気タービンを提供することにある。

この発明では前述の目的は、
１）蒸気の通流方向に向かって拡がる円錐形状をなす内周面を持ちこの内周面に複数の静翼を環状翼列をなすようにして支持すると共に，前記静翼とこの静翼と組み合わされる動翼とが配設される部位での前記蒸気の通流路を隔制するための隔壁を兼ねる静翼支持体と、複数の前記動翼が蒸気の通流方向に関して前記静翼の下流側に環状翼列をなして取り付けられたタービン車軸とを備えた蒸気タービンにおいて、
湿り蒸気の状態になった前記蒸気から生成される水滴に関して、前記水滴の前記静翼支持体からの飛散方向をこの静翼支持体の前記静翼を支持する内周面が持つ面形状の円錐形の頂角よりも大きな値の頂角を持つ円錐形状の飛散域となるように拡げる水滴飛散方向変更手段および／または前記水滴をこの水滴が前記静翼支持体の静翼を支持する内周面から飛散する前の部位で気化させる水滴気化手段を備えたこと、または、
２）前記１項に記載の手段において、前記水滴飛散方向変更手段が、前記静翼支持体の前記内周面の前記静翼を支持する部位よりも前記蒸気の通流方向に関する下流側となる部位の面形状を，静翼を支持する部位の前記内周面の持つ面形状の円錐形の頂角よりも大きな値の頂角を持つ円錐形であって，その母線を延長させて得た線分と前記動翼が配設される部位での蒸気の通流路を隔制する前記隔壁の内周面との交点の位置を動翼が配設された部位よりも静翼側に寄って位置するようにしたものであること、さらにまたは、
３）前記１項に記載の手段において、前記水滴気化手段が前記静翼支持体の前記静翼を支持する部位の前記蒸気の通流方向に関する出口側の端部の周辺の前記内周面の近傍に、この部位を通流する前記蒸気よりも高い温度値を持つ加熱用蒸気を通流させる加熱蒸気通流路を設けたものであることより達成される。

この発明による蒸気タービンでは、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることで、次記の効果を得られる。
（１）前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第（２）項による構成とされたこの発明の蒸気タービンでは、例えば、静翼支持体の静翼７１を支持する部位よりも蒸気９９の通流方向に関する下流側となる部位に、静翼７１を支持する部位の内周面６２ａの持つ半頂角θ_９の円錐形の面形状よりも大きな値の半頂角の円錐形の面形状を持つなどの前記した内容の水滴飛散方向変更手段が備えられることになる。これによって、湿り蒸気である蒸気９９に含まれていて静翼支持体の静翼７１を支持する部位の内周面６２ａなどに集積されて静翼支持体の蒸気９９の通流方向に関する出口側の端部に到達した前記水滴は、前記大きな値の半頂角の円錐形の面形状に沿う方向に飛散する水滴飛散流９９ａとなって蒸気９９の通流路中に飛散される。この場合の水滴飛散流９９ａの飛散先は動翼８１が配設された部位よりも静翼７１側に寄って位置する部分の動翼用隔壁６３であるので、水滴飛散流９９ａが動翼８１に直接に衝突する割合は大幅に減少される。したがって、従来例の蒸気タービン９の場合に水滴飛散流９９ａが衝突することに基因して発生していた動翼８１のエロージョンを、この発明の蒸気タービンの場合にはほぼ解消することが可能になる。また、
（２）前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第（３）項による構成とされたこの発明の蒸気タービンでは、例えば、静翼支持体の内周面６２ａの静翼７１を支持する部位よりも蒸気９９の通流方向に関する下流側となる部位の内周面６２ａの近傍に、この静翼支持体が配設される部位を通流する蒸気９９の温度よりも高い温度値を持つ蒸気が通流される加熱蒸気通流路などの前記した内容の水滴気化手段が備えられることになる。これによって、湿り蒸気である蒸気９９に含まれていて静翼支持体の静翼７１を支持する部位の内周面６２ａなどに集積されてこの内周面６２ａに沿って蒸気９９の流れと同方向に移動して行く水滴の多くは、加熱蒸気通流路５の近傍の内周面６２ａが加熱されていることによって蒸発して消失されることになる。このようにして端部６２ｂに到達する前記水滴の量が大幅に減少されることで、端部６２ｂから蒸気９９の通流路中に飛散される水滴飛散流９９ａの量も大幅に減少されて、動翼８１に衝突する前記水滴の量も当然のことながら大幅に減少される。このことにより、従来例の蒸気タービン９の場合に水滴飛散流９９ａが衝突することに基因して発生していた動翼８１のエロージョンを、この発明の蒸気タービンの場合にはほぼ解消することが可能になる。

以下この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、図４に示した従来例の蒸気タービン９と同一部分には同じ符号を付しその説明を省略する。また、以後の説明に用いる図中には、図４で付した符号については代表的な符号のみを記すことがある。
『実施の形態１』図１は、この発明の実施の形態の一例による蒸気タービンを説明するその要部の概要を示す説明図であり、図２は図１におけるＰ部の拡大図である。図１，図２において、１は、図４に示した従来例による蒸気タービン９に対して、静翼支持体６に替えて、静翼装着体として静翼装着体２１を備える静翼支持体２を用いるようにしたこの発明による蒸気タービンである。蒸気タービン１が備える静翼装着体２１を従来例の蒸気タービン９が備える静翼装着体６２と対比しつつ説明すると、静翼装着体２１の静翼７１を支持している部位の内周面６２ａの円錐形の形状については、静翼装着体６２の内周面６２ａの円錐形の形状と同一で、蒸気９９の通流方向に向かって拡がる半頂角θ_９を持つ円錐形状をなしている。しかしながら、静翼装着体２１では静翼７１を支持している部位よりも蒸気９９の通流方向に関する下流側となる部位の内周面２１ａの面形状を、前記半頂角θ_９よりも大きな値の半頂角θ_１を持つ円錐形としていることが静翼装着体６２の場合と異なっている。そうして、内周面２１ａの面形状である円錐形の母線を延長させて得た線分（図２に一点鎖線として示す。）Ｘ−Ｘの，静翼支持体２の場合の動翼８１が配設される部位での蒸気９９の通流路を隔制する動翼用隔壁６３の内周面６３ａとの交点Ｇの位置は、動翼８１の配設された部位よりも静翼７１側に寄った位置とされている。

図１，図２に示すこの発明の実施の形態の一例による蒸気タービン１では前述の構成としたので、湿り蒸気の蒸気９９に含まれていて，静翼装着体２１の内周面（内周面６２ａなど）にフィルム状の層状に集積された水滴は、蒸気９９の流れと同方向に内周面６２ａ→内周面２１ａと移動して行く。また、内周面２１ａが形成された部位を通流する蒸気９９に含まれる水滴は、内周面６２ａが形成された部位を通流する蒸気９９に含まれる水滴の場合と同様に、動翼８１の回転に伴って回転をしつつ通流する蒸気９９のこの回転による遠心力が働くことで、内周面２１ａにフィルム状の層状に集積される。内周面２１ａにこのようにして集積された水滴は、内周面６２ａに集積されてこの内周面２１ａに移動してきた水滴と共に、この内周面２１ａに沿って蒸気９９の流れと同方向に移動して行く。静翼装着体２１の内周面２１ａの蒸気９９の通流方向に関する出口側の端部である端部２１ｂに到達した前記水滴は、端部２１ｂで静翼装着体２１から離れ、内周面２１ａに沿う方向に飛散する水滴飛散流９９ａとなって線分Ｘ−Ｘに沿う方向に蒸気９９の通流路中に飛散される。

この発明の蒸気タービン１の場合では従来例の蒸気タービン９の場合とは異なって、水滴飛散流９９ａの飛散先は動翼８１が配設された部位よりも静翼７１側に寄って位置された動翼用隔壁６３であるので（図２を参照）、動翼８１に水滴飛散流９９ａが直接に衝突する割合は大幅に減少される。このことから、この発明では、静翼装着体２１の蒸気９９の通流方向に関する下流側の端部部分に設けられた前記内容の内周面２１ａを、水滴飛散方向変更手段の一事例であるとしている。そうして、この内周面２１ａを静翼装着体２１に前述のようにして設けることによって、従来例の蒸気タービン９の場合に水滴飛散流９９ａが衝突することに基因して発生していた動翼８１のエロージョンを、この発明の蒸気タービン１の場合にはほぼ解消することができる。

『実施の形態２』図３はこの発明の実施の形態の異なる例による蒸気タービンを説明するその要部の概要を示す説明図である。図３において、１Ａは、図４に示した従来例による蒸気タービン９に対して、静翼支持体６に替えて、静翼装着体として静翼装着体４１を備える静翼支持体４を用いるようにしたこの発明による蒸気タービンである。蒸気タービン１Ａが備える静翼装着体４１を従来例の蒸気タービン９が備える静翼装着体６２と対比しつつ説明すると、静翼装着体４１の静翼７１を支持している部位の内周面６２ａの円錐形の形状については、静翼装着体６２の内周面６２ａの円錐形の形状と同一で、蒸気９９の通流方向に向かって拡がる半頂角θ_９を持つ円錐形状をなしている。しかしながらこの事例の場合には、静翼装着体４１では蒸気９９の通流方向に関する出口側の端部の周辺の内周面６２ａの近傍に加熱蒸気通流路５が設けられている。この加熱蒸気通流路５に通流させる加熱用蒸気５９は、静翼支持体４が配設される部位を通流する蒸気９９の温度よりも高い温度値を持つ蒸気である。静翼支持体４では前記部位に加熱蒸気通流路５を設けるために、静翼装着体４１と外側リング６１とに跨るようにして隔壁体５１を気密に装着し、加熱用蒸気５９を加熱蒸気通流路５に供給するための少なくとも１対の配管５２がこの隔壁体５１に気密に装着されている。

図３に示すこの発明の実施の形態の異なる例による蒸気タービン１Ａでは前述の構成としたので、湿り蒸気の蒸気９９に含まれていた水滴は静翼装着体４１の内周面６２ａに集積されて、この内周面６２ａに沿って蒸気９９の流れと同方向に移動して行く。しかしながら、この発明の蒸気タービン１Ａの場合では従来例の蒸気タービン９の場合とは異なって、加熱蒸気通流路５に通流される加熱用蒸気５９が持つ熱量によって加熱蒸気通流路５の近傍の内周面６２ａが加熱されていることで、この個所を通流する前記水滴の内の多くが蒸発して消失されることになる。なお、低圧翼段落を通流する蒸気９９は大略値で圧力が５０ｋＰａ，温度が６０〜７０℃程度である。そうして、発明者の検討結果によると、加熱用蒸気５９に必要な温度は１００℃以上，例えば、１５０℃程度である。こうしたことにより、蒸気タービン１Ａの場合には、内周面６２ａの蒸気９９の通流方向に関する出口側の端部である端部６２ｂに到達する前記水滴の量は、従来例の蒸気タービン９の場合に対して大幅に減少される。

このことから、この発明では、静翼装着体４１の蒸気９９の通流方向に関する出口側の端部の周辺の内周面６２ａの近傍に設けられて，静翼支持体４が配設される部位を通流する蒸気９９の温度よりも高い温度値を持つ加熱用蒸気５９で加熱される加熱蒸気通流路５を、水滴気化手段の一事例であるとしている。そうして、端部６２ｂに到達する前記水滴の量が大幅に減少されることで、端部６２ｂから蒸気９９の通流路中に飛散される水滴飛散流９９ａの量も大幅に減少される。このことにより、従来例の蒸気タービン９の場合に水滴飛散流９９ａが衝突することに基因して発生していた動翼８１のエロージョンを、この発明の蒸気タービン１Ａの場合にはほぼ解消することができる。なお、加熱用蒸気５９の蒸気源としては、例えば、蒸気タービンの高圧部〜中圧部に用いられている蒸気の一部を引き抜いて利用することが可能であり、抽気を行っている蒸気タービンであれば、その抽気の一部を利用することが好適である。

『発明を実施するための最良の形態』の項の前述の説明では、『課題を解決するための手段』の項の第（２）項および第（３）項による手段は、それぞれ個別に適用されるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、第（２）項と第（３）項による手段は併用が可能であり、この場合には、前記水滴気化手段によって静翼支持体の内周面（例えば、内周面２１ａ）の蒸気９９の通流方向に関する出口側の端部に到達する前記水滴の量を大幅に減少させておいて、残った水滴が動翼８１に与える影響を前記水滴飛散方向変更手段よってさらに低減することができることで、湿り蒸気である蒸気９９によって生成された前記水滴の衝突に基因する動翼８１のエロージョンの発生を抑制する効果の大幅な向上が可能になる。

この発明の実施の形態の一例による蒸気タービンを説明するその要部の概要を示す説明図である。図１におけるＰ部の拡大図である。この発明の実施の形態の異なる例による蒸気タービンを説明するその要部の概要を示す説明図である。従来例の蒸気タービンを説明するその要部の概要を示す説明図である。

符号の説明

１蒸気タービン
２静翼支持体
２１静翼装着体
２１ａ内周面（水滴飛散方向変更手段）
６２ａ内周面
６３動翼用隔壁
６３ａ内周面
７１静翼
８１動翼
９９蒸気

Claims

蒸気の通流方向に向かって拡がる円錐形状をなす内周面を持ちこの内周面に複数の静翼を環状翼列をなすようにして支持すると共に，前記静翼とこの静翼と組み合わされる動翼とが配設される部位での前記蒸気の通流路を隔制するための隔壁を兼ねる静翼支持体と、複数の前記動翼が蒸気の通流方向に関して前記静翼の下流側に環状翼列をなして取り付けられたタービン車軸とを備えた蒸気タービンにおいて、
湿り蒸気の状態になった前記蒸気から生成される水滴に関して、前記水滴の前記静翼支持体からの飛散方向をこの静翼支持体の前記静翼を支持する内周面が持つ面形状の円錐形の頂角よりも大きな値の頂角を持つ円錐形状の飛散域となるように拡げる水滴飛散方向変更手段および／または前記水滴をこの水滴が前記静翼支持体の静翼を支持する内周面から飛散する前の部位で気化させる水滴気化手段を備えたことを特徴とする蒸気タービン。
請求項１に記載の蒸気タービンにおいて、前記水滴飛散方向変更手段が、前記静翼支持体の前記内周面の前記静翼を支持する部位よりも前記蒸気の通流方向に関する下流側となる部位の面形状を，静翼を支持する部位の前記内周面の持つ面形状の円錐形の頂角よりも大きな値の頂角を持つ円錐形であって，その母線を延長させて得た線分と前記動翼が配設される部位での蒸気の通流路を隔制する前記隔壁の内周面との交点の位置を動翼が配設された部位よりも静翼側に寄って位置するようにしたものであることを特徴とする蒸気タービン。
請求項１に記載の蒸気タービンにおいて、前記水滴気化手段が前記静翼支持体の前記静翼を支持する部位の前記蒸気の通流方向に関する出口側の端部の周辺の前記内周面の近傍に、この部位を通流する前記蒸気よりも高い温度値を持つ加熱用蒸気を通流させる加熱蒸気通流路を設けたものであることを特徴とする蒸気タービン。