JP2010151056A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】復水損失を低減して、湿り損失の低減を図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。
【解決手段】本発明に係る蒸気タービン２００では、段落入口における蒸気条件が乾き域にあり、段落出口における蒸気条件が湿り域にあるタービン段落に、微小粒子を含む流体を供給する流体供給手段１０を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、湿り損失を低減可能な蒸気タービンに係り、特に湿り損失のうちの復水損失を低減可能な蒸気タービンに関する。

蒸気タービンの更なる性能向上を実現するためには、蒸気タービン特有の湿り損失を低減する必要がある。この湿り損失は、復水損失（微小水滴が発生する際の熱力学的損失）、制動損失（水滴が動翼に衝突することによる損失）、加速損失（蒸気が水滴を加速する際の摩擦損失）の大きく３つの損失に分類することができる。

従来の湿り損失の低減方法は、主に水分を除去することを目的としている。従来においては、例えば、動翼の遠心力によって外周壁面に飛ばされた水滴を効果的に分離して除去するドレンキャッチャ、ノズル内部を中空にしてノズル翼面と壁面に形成される水膜を吸引して粗大な水滴の発生を抑制するスリットやドレンセパレータなどを用いて湿り損失の低減を抑制していた（例えば、非特許文献１参照。）。
ターボ機械協会編「蒸気タービン」１７９頁〜１８０頁

しかしながら、上記した従来の湿り損失の低減方法では、水分を分離して除去するため、湿り損失の中の制動損失や加速損失の低減には寄与するが、水滴が発生する際に生じる復水損失を低減する効果は得られなかった。

そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、復水損失を低減して、湿り損失の低減を図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。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、静翼および動翼の翼列で構成される複数のタービン段落を備えた蒸気タービンであって、段落入口における蒸気条件が乾き域にあり、段落出口における蒸気条件が湿り域にあるタービン段落に、微小粒子を含む流体を供給する流体供給手段を具備することを特徴とする蒸気タービンが提供される。

本発明の蒸気タービンによれば、復水損失を低減して、湿り損失の低減を図ることができる。

以下、本発明の一実施の形態を図を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の流体供給手段１０を備えた蒸気タービン２００の断面図である。

図１に示すように、蒸気タービン２００は、例えば、内部ケーシング２１０とその外側に設けられた外部ケーシング２１１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２１０内にタービンロータ２１２が貫設されている。このタービンロータ２１２には、周方向に並んで複数のタービン動翼２２０が植設され、タービンロータ２１２の軸方向に複数段設けられている。また、内部ケーシング２１０の内側面には、タービンロータ２１２の軸方向にタービン動翼２２０と交互になるように、静翼として機能するノズル２３０が配設されている。このノズル２３０からなるノズル翼列と、このノズル翼列の直下流側のタービン動翼２２０からなる動翼翼列とによって、１つのタービン段落を構成している。

蒸気タービン２００には、蒸気入口管２１４が接続されており、ここから低圧蒸気が直列に配列された各タービン段落へと導入される。

また、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落と、このタービン段落の上流側のタービン段落との段落間には、段落間の蒸気通路に、微小粒子を含む流体を供給する流体供給手段１０が設けられている。

ここで、乾き域とは、ｈ−ｓ線図において飽和蒸気線よりも上方の領域をいい、湿り域とは、ｈ−ｓ線図において飽和蒸気線よりも下方の領域をいう。また、蒸気タービンにおける蒸気条件は、蒸気タービンにおけるｈ−ｓ線図上の膨張線が、上記した乾き域にあるか、または湿り域にあるかで定められる。また、ｈ−ｓ線図上における膨張線は、タービン各段落における蒸気の状態量を示すもので、飽和蒸気線より上方の乾き域では圧力と温度から、飽和蒸気線より下方の湿り域では圧力と湿り度から、膨張線の位置を特定することができる。

なお、蒸気タービン２００の構成は、上記した構成に限定されるものではない。例えば、タービン段落の数やケーシングなどの構成は適宜変更可能である。

次に、流体供給手段１０の構成について説明する。

図２は、本発明に係る第１の実施の形態の流体供給手段１０を備えた蒸気タービン２００における、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落付近の断面を示す図である。ここで、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落を２４０ａ、このタービン段落を２４０ａを構成するタービン動翼を２２０ａ、ノズルを２３０ａと示す。また、タービン段落２４０ａの直上流のタービン段落を２４０ｂ、このタービン段落２４０ｂを構成するタービン動翼を２２０ｂ、ノズルを２３０ｂと示す。

図２に示すように、流体供給手段１０は、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落２４０ａと、その直上流のタービン段落２４０ｂとの間の内部ケーシング２１０に形成された貫通口１１と、この貫通口１１の一端に接続され、微小粒子を含む流体を導く配管１２とを備えている。微小粒子を含む流体を蒸気通路内に均一に分散させるため、貫通口１１および配管１２は、内部ケーシング２１０の周方向に所定の間隔をあけて複数設けられることが好ましい。

ここで、微小粒子を含む流体は、湿り蒸気、またはプラスチック系の微粒子（例えば、ポリスチレンやポリプロピレンの微粒子）を含む蒸気で構成される。微小粒子を含む流体を湿り蒸気で構成する場合、微小粒子は水滴である。この場合、湿り蒸気の湿り度が０．０５以下であることが好ましい。湿り蒸気の湿り度が０．０５以下であることが好ましいのは、湿り度が０．０５を超えると、水滴が粗大水滴に成長しやすくなり、湿り損失やエロージョンが増加するからである。また、水滴の成長の容易性の理由から、湿り蒸気の湿り度の下限値は、０．０１であることが好ましい。なお、湿り蒸気に含まれる水滴の平均粒径は、０．０５μｍ〜２μｍ程度である。ここでいう平均粒径は、相対粒子量の５０％径で定義されるメディアン径である。また、水滴の平均粒径は、例えば、水滴にレーザ光を照射して、水滴からの散乱光の強度や角度の情報によって測定することが可能である。

一方、微小粒子を含む流体をプラスチック系の微粒子を含む蒸気で構成する場合、蒸気として、湿り度が０．０５以下の湿り蒸気、乾き飽和蒸気または過熱蒸気が用いられる。プラスチック系の微粒子の平均粒径は、０．１μｍ〜２μｍであることが好ましい。この平均粒径の範囲が好ましいのは、平均粒径が０．１μｍより小さい場合には、粒子の回収が困難になる可能性があり、２μｍより大きい場合には、粒子の周りに付着する水滴によって１００μｍ以上の粗大粒子に成長する確率が高くなり、エロージョンの原因となる可能性があるからである。なお、例えば、ポリスチレンなどのプラスチック系の微粒子の平均粒径は、例えば、微粒子にレーザ光を照射して、微粒子からの散乱光の強度や角度の情報によって測定することが可能である。また、ここでいう平均粒径は、相対粒子量の５０％径で定義されるメディアン径である。なお、プラスチック系の微小粒子としては、粒子径のばらつきが小さく、種々の粒子径の製品が市販されているポリスチレン粒子やポリプロピレン粒子などを使用することが好ましい。

なお、微小粒子を含む流体をプラスチック系の微粒子を含む蒸気で構成する場合、配管１２の一部、または配管１２の上流側に、蒸気とプラスチック系の微粒子とを混合する混合部（図示しない）が備えられる。

上記した微小粒子を含む流体を流体供給手段１０によって蒸気通路内に噴出するため、微小粒子を含む流体の圧力は、蒸気通路を流動する主蒸気の圧力よりも高く設定される。微小粒子を含む流体の圧力を、例えば、主蒸気の圧力の１．０５倍以上に設定することが好ましい。また、上記した蒸気として、例えば、上流段落から抽気した蒸気などを用いることができる。

次に、第１の実施の形態の蒸気タービン２００の動作について説明する。

蒸気入口管２１４を経て、蒸気タービン２００内に流入した低圧の主蒸気は、各タービン段落のノズル２３０とタービン動翼２２０との間の蒸気通路を通り、タービンロータ２１２を回転させる。また、主蒸気が各タービン段落を通過する際、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落２４０ａの上流側に設けられた貫通口１１の他端から、配管１２によって外部から導かれた微小粒子を含む流体が、蒸気通路内に噴出される。この噴出された微小粒子を含む流体は、主蒸気に混合し、タービン段落２４０ａに流入する。また、膨張仕事をした蒸気は、排気され、復水器（図示しない）に導かれる。

微小粒子を含む流体として、プラスチック系の微粒子を含む蒸気を使用したときに、プラスチック系の微粒子を回収する場合には、蒸気が復水器で復水した後に、復水中に含まれる微粒子を遠心力を利用した遠心分離槽などによって回収することができる。

次に、流体供給手段１０によって蒸気通路に噴出された微小粒子を含む流体の作用について説明する。

まず、復水損失について説明する。

図３は、ウィルスン線と圧力変化の関係を、エンタルピ−エントロピ線図（以下、ｈ−ｓ線図という）上において示す図である。

一般に、蒸気タービンにおいて、乾き蒸気が膨張してｈ−ｓ線図上の飽和蒸気線を越えて湿り域に到達しても、直ぐには蒸気の復水は生じない。なお、図３において、乾き域とは、飽和蒸気線よりも上方の領域をいい、湿り域とは、飽和蒸気線よりも下方の領域をいう。また、乾き蒸気が湿り域に到達しても直ぐには蒸気の復水は生じないのは、表面張力の影響に基づくもので、このような状態の蒸気を過飽和蒸気という。この過飽和蒸気の状態から蒸気の復水が始まる点をｈ−ｓ線図上で結んだ線をウィルスン線と呼び、ほぼ等湿り度線と平行である。

ウィルスン線は、蒸気の圧力変化の大きさに影響され、図３に示すように、圧力変化（ΔＰ）が大きいほど過飽和状態は継続する。そのため、圧力変化（ΔＰ）が大きいほどウィルスン線は、湿り度の範囲が広い領域、すなわち、湿り域の飽和蒸気線から離れた領域に位置する。一方、圧力変化（ΔＰ）が小さい場合は、過飽和状態の範囲は狭くなるため、ウィルスン線は、湿り度の範囲が狭い領域、すなわち、湿り域の飽和蒸気線に近い領域に位置する。ここで、圧力変化（ΔＰ）は、次の式（１）で表わされる。

ΔＰ ＝ −１／Ｐ×（ｄＰ／ｄｔ） …式（１）

ここで、ｄＰ／ｄｔは、単位時間当たりの圧力の変化であり、Ｐは、タービン翼列の蒸気圧力である。

このウィルスン線上の状態において過飽和蒸気から復水が生じるとき、新たに発生する水滴核から気相への熱移動が行われる。そのため、気相のエントロピが増加して熱力学的損失となる。これを復水損失と呼ぶ。

上記したように、復水損失は、過飽和蒸気から復水が始まるとき、新たに発生する水滴核から気相への熱移動が行われ気相のエントロピが増加するために発生する。そこで、上記したように、本発明に係る蒸気タービンでは、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落２４０ａにおいて水滴核が発生する前に、タービン段落２４０ａの上流側から流体供給手段１０によって微小粒子を含む流体を噴出して、タービン段落２４０ａに流入する主蒸気中に微小粒子を分散している。

タービン段落２４０ａに流入することで、蒸気条件が、乾き域から飽和蒸気線を通過して湿り域となった主蒸気は、微小粒子を核として、微小粒子の周囲に復水する。このように微小粒子の周囲に復水することで、主蒸気が過飽和状態となることを防止することができる。そのため、過飽和状態の主蒸気において水滴核が発生することで生じる復水損失の発生を抑制することができる。

上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービン２００によれば、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落の上流側から流体供給手段１０によって蒸気通路内に微小粒子を含む流体を供給することで、主蒸気が過飽和状態となることを防止することができる。これによって、第１の実施の形態の蒸気タービン２００では、復水損失の発生が抑制され、湿り損失の低減を図ることができる。

なお、第１の実施の形態の蒸気タービン２００の構成は、上記した構成に限られるものではない。例えば、微小粒子を含む流体を蒸気通路内に均一に分散させる構成として、流体供給手段１０を次に示す構成としてもよい。

図４は、他の構成の流体供給手段１０を備えた蒸気タービン２００における、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落付近の断面を示す図である。

図４に示すように、流体供給手段１０は、蒸気通路内に挿入して設置される、微小粒子を含む流体を噴出する噴出口１６を有する管状の供給管１５を備えてもよい。供給管１５の噴出口１６は、タービン段落２４０ａのノズル２３０ａに対向するように形成されている。なお、噴出口１６の向きは、これに限られるものではなく、噴出口１６から噴出された微小粒子を含む流体が、蒸気通路を流れる主蒸気に均一に混合できる構成ならばよい。また、微小粒子を含む流体を蒸気通路を流れる主蒸気に均一に混合するために、供給管１５は、噴出口１６が、例えば、タービン段落２４０ａのノズル２３０ａの半径方向長さの中央に位置するように配置されることが好ましい。

また、噴出口１６に、微小粒子を含む流体を所定の噴射角で噴出する噴射ノズルを備えてもよい。この噴射ノズルを備えることで、微小粒子を含む流体が所定の噴射角で噴射されるので、蒸気通路を流れる主蒸気に微小粒子を含む流体をより均一に混合することができる。なお、供給管１５を備えない、前述した流体供給手段１０において、貫通口１１の他端、すなわち貫通口１１の蒸気通路側の端部に、上記した噴射ノズルを備えてもよい。また、噴出口１６の個数は、１つに限られるものではなく、供給管１５の管壁に複数の噴出口を形成してもよい。このように、噴出口を複数備えることによっても、蒸気通路を流れる主蒸気に微小粒子を含む流体をより均一に混合することができる。さらに、先端部が閉鎖され、管壁に複数の噴出口が形成された供給管１５を、タービン段落２４０ａのノズル２３０ａの半径方向長さに亘って設けてもよい。

また、上記した他の構成の流体供給手段１０は、微小粒子を含む流体を蒸気通路内に均一に分散させるため、内部ケーシング２１０の周方向に所定の間隔をあけて複数設けられることが好ましい。

上記した他の構成の流体供給手段１０を備えた蒸気タービン２００においても、第１の実施の形態の蒸気タービン２００と同様に、主蒸気が過飽和状態となることを防止することができる。これによって、蒸気タービン２００では、復水損失の発生が抑制され、湿り損失の低減を図ることができる。さらに、蒸気通路を流れる主蒸気に、微小粒子を含む流体をより均一に混合することができるので、復水損失の発生をより効果的に抑制することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン２００では、流体供給手段の構成が前述した第１の実施の形態の蒸気タービン２００と異なる。そこで、ここでは、第１の実施の形態の流体供給手段１０と異なる構成を有する流体供給手段２０について主に説明する。

図５は、本発明に係る第２の実施の形態の流体供給手段２０を備えた蒸気タービン２００において、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落付近の断面を示す図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、第１の実施の形態の蒸気タービン２００の構成と同一部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図５に示すように、流体供給手段２０は、段落入口における蒸気条件が乾き域にあり、段落出口における蒸気条件が湿り域にあるタービン段落２４０ａを構成するノズル２３０ａに形成された、微小粒子を含む流体を噴出する噴出口２１を備える。この噴出口２１は、例えば、所定の幅を有してノズル２３０ａの半径方向に延びるスリット状の開口で構成される。また、噴出口２１は、ノズル２３０ａの半径方向長さの中央部に形成されている。また、図６に示すように、噴出口２１は、ノズル２３０ａの背側および腹側に形成されている。また、背側に形成された噴出口２１は、前縁側に形成され、腹側に形成された噴出口２１は、後縁側に形成されている。

なお、噴出口２１の形状および形成位置は、これに限られるものではなく、微小粒子を含む流体をノズル２３０ａの周囲を流れる主蒸気中に噴出できる構成であればよい。さらに、噴出口２１は、少なくとも１つ形成されていればよく、３つ以上形成されてもよい。例えば、蒸気通路を流れる主蒸気に、微小粒子を含む流体をより均一に混合するために、噴出口２１をノズル２３０ａの半径方向に亘って複数形成してもよい。

また、噴出口２１は、タービン段落２４０ａのノズル翼列を構成する複数のノズル２３０ａのうち、少なくとも１つのノズル２３０ａに形成されていればよいが、微小粒子を含む流体を蒸気通路内に均一に分散させるため、複数のノズル２３０ａに形成されていることが好ましい。例えば、列設された複数のノズル２３０ａの１つ置きに噴出口２１を形成してもよい。また、列設されたすべてのノズル２３０ａに噴出口２１を形成してもよい。なお、ここでは、噴出口２１の形状をスリット状とした一例を示したが、噴出口２１の形状はこれに限られるものではない。例えば、複数の円形や矩形などの開口で構成されてもよい。また、形成された開口に、前述した噴射ノズルを備えてもよい。

図６に示すように、空洞となっているノズル２３０ａの内部に導かれた微小粒子を含む流体は、噴出口２１からノズル２３０ａの周囲を流れる主蒸気中に噴出される。そして、第１の実施の形態の蒸気タービン２００において説明した微小粒子を含む流体の作用と同様の作用を発揮し、蒸気条件が、乾き域から飽和蒸気線を通過して湿り域となった主蒸気は、微小粒子を核として、微小粒子の周囲に復水する。このように微小粒子の周囲に復水することで、主蒸気が過飽和状態となることを防止することができる。そのため、過飽和状態の主蒸気において水滴核が発生することで生じる復水損失の発生を抑制することができる。

ここで、前述したように、微小粒子を含む流体を噴出口２１から蒸気通路内に噴出するため、微小粒子を含む流体の圧力は、蒸気通路を流動する主蒸気の圧力よりも高く設定される。例えば、微小粒子を含む流体の圧力を主蒸気の圧力の１．０５倍以上に設定することが好ましい。また、上記した蒸気として、例えば、上流段落から抽気した蒸気などを用いることができる。

上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービン２００によれば、段落入口における蒸気条件が乾き域にあり、段落出口における蒸気条件が湿り域にあるタービン段落２４０ａを構成するノズル２３０ａに、微小粒子を含む流体を噴出する噴出口２１を備えることで、主蒸気が過飽和状態となることを防止することができる。これによって、蒸気タービン２００では、復水損失の発生が抑制され、湿り損失の低減を図ることができる。さらに、蒸気通路を流れる主蒸気に、微小粒子を含む流体をより均一に混合することができるので、復水損失の発生をより効果的に抑制することができる。

以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本発明に係る第１の実施の形態の流体供給手段を備えた蒸気タービンの断面図。 本発明に係る第１の実施の形態の流体供給手段を備えた蒸気タービンにおける、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落付近の断面を示す図。 ウィルスン線と圧力変化の関係を、エンタルピ−エントロピ線図上において示す図。 他の構成の流体供給手段を備えた蒸気タービンにおける、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落付近の断面を示す図。 本発明に係る第２の実施の形態の流体供給手段を備えた蒸気タービンにおいて、蒸気条件が、段落入口において乾き域にあり、段落出口において湿り域にあるタービン段落付近の断面を示す図。 図５のＡ−Ａ断面を示す図。

符号の説明

１０，２０…流体供給手段、１１…貫通口、１２…配管、１５…供給管、１６、２１…噴出口、２００…蒸気タービン、２１０…内部ケーシング、２１１…外部ケーシング、２１２…タービンロータ、２１４…蒸気入口管、２２０…タービン動翼、２３０，２３０ａ…ノズル、２４０ａ，２４０ｂ…タービン段落。

Claims (8)

1. 静翼および動翼の翼列で構成される複数のタービン段落を備えた蒸気タービンであって、
   段落入口における蒸気条件が乾き域にあり、段落出口における蒸気条件が湿り域にあるタービン段落に、微小粒子を含む流体を供給する流体供給手段を具備することを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記流体供給手段は、段落入口における蒸気条件が乾き域にあり、段落出口における蒸気条件が湿り域にあるタービン段落と、当該タービン段落の上流側のタービン段落との段落間に設けられ、前記段落間のタービン通路部に前記微小粒子を含む流体を供給することを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記流体供給手段が、前記タービン通路部に挿入して設置される、前記微小粒子を含む流体を噴出する噴出口が少なくとも１つ形成された管状の供給管を備えることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
4. 前記流体供給手段が、段落入口における蒸気条件が乾き域にあり、段落出口における蒸気条件が湿り域にあるタービン段落を構成する静翼に形成された、前記微小粒子を含む流体を噴出する少なくとも１つの噴出口を備えることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
5. 前記微小粒子を含む流体が、湿り蒸気であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蒸気タービン。
6. 前記湿り蒸気の湿り度が０．０５以下であることを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン。
7. 前記微小粒子を含む流体が、プラスチック系の微粒子を含む蒸気であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蒸気タービン。
8. 前記蒸気が、湿り度が０．０５以下の湿り蒸気、乾き飽和蒸気または過熱蒸気であることを特徴とする請求項７記載の蒸気タービン。

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