JP2011220125A - 軸流タービン - Google Patents

Abstract

【課題】内部損失を低減させることができる軸流タービンを提供する。
【解決手段】本発明による軸流タービン１は、外部ケーシング３と、外部ケーシング３内に設けられた内部ケーシング４と、外部ケーシング３および内部ケーシング４の内側に回転自在に設けられたロータ５と、内部ケーシング４に設けられたノズル１１と、ロータ５に設けられた動翼列１２とによりそれぞれ構成され、最も下流側に配置される最終段落１０ａを含む複数の段落１０とを備えている。最終段落１０ａの下流側に、外周縁を構成するガイド２１と、内周縁を構成するコーン２２とを有し、最終段落１０ａを通過した蒸気を案内するディフューザ２０が設けられている。ディフューザ２０のガイド２１の内周面に、内部ケーシング４と最終段落１０ａの動翼列１２の外周端部との間を通過した蒸気の流れを周方向に偏向させる偏向部材２４が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸流タービンに係り、とりわけ、内部損失を低減させることができる軸流タービンに関する。

火力発電所において、エネルギ資源を有効に利用して、ＣＯ_２排出量を削減するために、軸流タービン、例えば蒸気タービンの効率を向上させることが重要な課題となっている。蒸気タービンの効率を向上させるためには、蒸気タービン内部において生じる内部損失を低減させて、エネルギを機械仕事に有効に変換する必要がある。

蒸気タービンの内部損失としては、翼の形状に起因する損失、二次流れ損失、漏洩損失、湿り損失等の蒸気タービン翼列内の損失と、蒸気弁またはクロスオーバ管に代表される翼列以外の通路部損失と、蒸気タービン最終段落の下流側における排気損失とが挙げられる。このうち、排気損失は、蒸気タービン全損失の１０％〜２０％と、他の損失に比べて非常に大きな割合を占めている。ここで、排気損失は、蒸気タービンの最終段落の出口から、復水器等の下流に接続される機器の入口までの間で発生する損失であり、リービング損失、フード損失、ターンナップ損失等に更に分類される。

このうちフード損失は、排気室内を通過する蒸気による圧力損失であり、排気室の形式、形状、サイズに大きく依存している。一般に、圧力損失は、流速の二乗に依存することから、排気室のサイズを大きくして、排気室内の蒸気の流速を低減させることが効果的である。しかしながら、蒸気タービン全体の大きさに対して排気室のサイズが占める割合が大きい。このため、蒸気タービンの建屋の大きさ、コスト等から制約を受け、排気室のサイズを大きくすることは困難である。

図６は、このような蒸気タービンのうち、軸方向の中央部から流入した蒸気が両端部に向けてそれぞれ流れるダブルフロー型の低圧タービンを例に示したものである。なお、図６においては、ダブルフロー型の低圧タービンのうち、片側の排気室が拡大されて示されている。本図に示すように、排気室の下方には復水器が配置されて、下方排気型低圧排気室４０ａが構成されている。この下方排気型低圧排気室４０ａの内部においては、最終段落４１の動翼列４２の出口に、流路の外周縁を構成するガイド４５と、内周縁を構成するコーン４６とが設けられており、これらにより拡大流路である環状のディフューザ４４が構成されている。

このような蒸気タービンにおいては、軸方向の中央部に設けられたクロスオーバ管（図示せず）から流入した蒸気は、左右の低圧段落に分流されて、それぞれ膨張して仕事を行う。この場合、蒸気は、各段落のノズル４３および動翼列４２を通過して、ディフューザ４４へ流れる。ディフューザ４４において、蒸気の速度が低減されて、静圧が回復するようになっている。ディフューザ４４を通った蒸気は、下方排気型低圧排気室４０ａ内部を下向きに流れ、この排気室４０ａの下方に配置された復水器（図示せず）へ流れる。

ディフューザ４４において蒸気の速度を低減するためには、ディフューザ４４の面積比（ディフューザ４４の出口の面積／最終段落４１の出口の環状面積）を極力大きくすることが有効である。しかしながら、ディフューザ４４の流路を急拡大した場合には、蒸気の流れが剥離し、かえって蒸気の静圧を回復することが困難になる。

また、回転側の最終段落４１の動翼列４２の外周端部と、静止側の内部ケーシング４７との間に間隙が設けられており、この間隙を通過する蒸気の流れ（チップフロー４８）が存在している。このチップフロー４８の蒸気は最終段落４１の動翼列４２に仕事を行うことがないため、チップフロー４８は、大きなエネルギを有しており、高速で流れている。このことにより、チップフロー４８は、ガイド４５に沿って流れることができず、ガイド４５近傍に剥離渦４９が発生する。また、このようにチップフロー４８がガイド４５に沿って流れることができないため、最終段落４１の動翼列４２を通過した蒸気の流れ（蒸気主流５０）は、ガイド４５に沿って流れることができない。このため、蒸気主流５０の蒸気は、減速して静圧を十分に回復することが困難になる。この結果、フード損失が増大して、蒸気タービンの内部損失が増大する。

ところで、ガイドの内周側に、スプリッタブレードという分離壁を設けて、チップフローと蒸気主流とを分離して、蒸気主流の剥離を抑制するディフューザが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２６０９０５号公報

この特許文献１におけるディフューザにおいては、チップフローは、ガイドとスプリッタブレードとの間の流路を流れるようになっている。しかしながら、蒸気主流の流路を確保するために、ガイドとスプリッタブレードとの間の寸法を十分に確保することは難しい。このため、ガイドとスプリッタブレードとの間を流れるチップフローに、摩擦損失が生じるという問題がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、内部損失を低減させることができる軸流タービンを提供することを目的とする。

本発明は、外部ケーシングと、前記外部ケーシング内に設けられた内部ケーシングと、前記外部ケーシングおよび前記内部ケーシングの内側に回転自在に設けられたロータと、前記内部ケーシングに設けられたノズルと、前記ロータに設けられた動翼列とによりそれぞれ構成され、最も下流側に配置される最終段落を含む複数の段落と、前記最終段落の下流側に設けられ、外周縁を構成するガイドと、内周縁を構成するコーンとを有し、当該最終段落を通過した蒸気を案内するディフューザと、前記ディフューザの前記ガイドの内周面に設けられ、前記内部ケーシングと前記最終段落の前記動翼列の外周端部との間を通過した蒸気の流れを周方向に偏向させる偏向部材と、を備えたことを特徴とする軸流タービンである。

本発明によれば、内部ケーシングと最終段落の動翼列の外周端部との間を通過した蒸気の流れを周方向に偏向させることができる。このことにより、内部ケーシングと最終段落の動翼列の外周端部との間を通過した蒸気の流れを旋回させてガイドの内周面に沿わせて流すことができ、最終段落の動翼列を通過した蒸気の剥離を抑制して、軸流タービンの内部損失を低減させることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態における軸流タービンの全体構成を示す概略図。 図２は、本発明の第１の実施の形態における軸流タービンのディフューザ部分を示す拡大図。 図３は、図２のＡ−Ａ矢視図。 図４は、本発明の第１の実施の形態における軸流タービンの偏向部材を示す、図２のＢ矢視図。 図５は、本発明の第２の実施の形態における軸流タービンの偏向部材を示す、図２のＢ矢視図。 図６は、従来の蒸気タービンにおいて、ディフューザの部分を示す拡大図。

第１の実施の形態
図１乃至図４を用いて、本発明の第１の実施の形態における軸流タービンについて説明する。

図１により、軸流タービン１の全体構成について、低圧蒸気タービンを例にとって説明する。図１に示すように、軸流タービン１は、排気室２を区画する外部ケーシング３と、外部ケーシング３内に設けられた内部ケーシング４と、外部ケーシング３および内部ケーシング４の内側に回転自在に設けられたロータ５とを備えている。このうち、外部ケーシング３の軸方向中央部の上部には、クロスオーバ管６が連結されており、図示しない高圧側のタービンから排気された蒸気が、後述する段落１０に流入するようになっている。

内部ケーシング４の内側には、複数のノズル１１が軸方向に離間して設けられている。ロータ５の外周には、複数の動翼（羽根）列１２が軸方向に離間して設けられている。一対のノズル１１と動翼列１２とにより段落１０が構成されて、複数の段落１０が設けられており、このうち最も下流側には、最終段落１０ａが配置されている。

最終段落１０ａの下流側に、外周縁を構成するガイド２１と、内周縁を構成するコーン２２とを有し、最終段落１０ａを通過した蒸気を案内するディフューザ（拡大流路）２０が設けられている。このうちガイド２１の外周面に、ガイド２１の補強のための複数の構造支持板２３が設けられており、図３に示すように、各構造支持板２３は、周方向に亘って、略等間隔に配置されている。

ディフューザ２０のガイド２１の内周面には、図２に示すように、内部ケーシング４と最終段落１０ａの動翼列１２の外周端部との間を通過した蒸気の流れ（チップフロー３０）を、最終段落１０ａの動翼列１２を通過した蒸気の流れ３０（好ましくは、先端側の蒸気主流３１ａ）の方向に偏向させる複数の偏向部材２４が設けられている。各偏向部材２４は、図４に示すように、チップフロー３０を周方向に偏向させる、すなわちチップフロー３０に周方向の速度成分を与えるように、ロータ５の軸線方向に対して傾斜している。また、各偏向部材２４は、ガイド２１の上流側部分に配置されており、チップフロー３０を、確実に偏向させるようになっている。

なお、各偏向部材２４は、図３に示すように、周方向に亘って、略等間隔に配置されている。また、図４に示すように、各偏向部材２４の上流端部２４ａは、円弧状に形成され、流体抵抗の少ない鈍頭流線型形状を有している。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

図示しない高圧側のタービンから排気された蒸気は、クロスオーバ管６を通って内部ケーシング４内に流入し、軸方向の中央部から左右の段落１０に分流されて、各段落１０のノズル１１および動翼列１２を通過して膨張して仕事を行う。ここで、最終段落１０ａのノズル１１を通過した蒸気の多くの部分は、最終段落１０ａの動翼列１２を通過して蒸気主流３１となってディフューザ２０へ流れる。一方、最終段落１０ａのノズル１１を通過した蒸気の一部は、内部ケーシング４と最終段落１０ａの動翼列１２の外周端部との間（すなわち、動翼列１２の外側）を通過してチップフロー３０となってディフューザ２０へ流れる。この場合、蒸気主流３１は、最終段落１０ａの動翼列１２を通過しているために、この最終段落１０ａの動翼列１２の回転力を受けて旋回した流れとなっているが、一般に先端側（ガイド２１側）における蒸気主流３１ａと、動翼中心部における蒸気主流３１ｂと、根元側（コーン２２側）における蒸気主流３１ｃとは、それぞれ異なった向きの旋回流れとなっている。これに対してチップフロー３０は、最終段落１０ａの動翼列１２を通過していないために、旋回流れとなっている蒸気主流３１ａ、３１ｂ、３１ｃとは周方向において大きく異なる方向に流れている。

ディフューザ２０に流入したチップフロー３０は、ガイド２１の内周面に設けられた偏向部材２４により周方向に偏向され、先端側の蒸気主流３１ａと異なる方向でディフューザ２０に流入したチップフロー３０がスワール流（旋回流）となる。旋回による回転力を受けたチップフロー３０は、偏向部材２４の下流にてガイド２１の内周面（壁面）に押し付けられるように旋回しながら流れるため、チップフロー３０と先端側の蒸気主流３１ａとが混合する際の損失を大幅に低減することができる。

偏向部材２４によってチップフロー３０には周方向の速度成分が与えられるが、与えられる周方向速度成分の向きは、先端側の蒸気主流３１ａの旋回流れの周方向成分と合わせることが好ましい。ここで、先端側の蒸気主流３１ａの旋回流れの方向と大きさ（速度）は、タービンの運転状態によって異なるが、例えば定格運転時や特定の部分負荷運転時等、効率の向上を図る運転状態での先端側の蒸気主流３１ａの速度を解析等により求め、これに基づいて決定すると良い。

本実施の形態においては、チップフロー３０に周方向速度成分を持たせて旋回流とすることにより、ガイド２１の内周面への流れの押し付け効果が得られれば十分である。このため、偏向部材２４によりチップフロー３０に与えられる周方向速度成分の大きさを、先端側の蒸気主流３１ａに合うようにすることまでは要さないが、与えられる周方向速度成分の大きさも含めて調整し、偏向部材２４によるチップフロー３０の偏向を、先端側の蒸気主流３１ａと略同方向とすれば、更に損失を低減することが可能になる。

このようにして、蒸気主流３１による蒸気とチップフロー３０による蒸気は、ディフューザ２０において減速されて静圧を回復する。静圧を回復した蒸気は、排気室２の内部を下向きに流れ、排気室２の下方に配置された復水器（図示せず）へ流れる。

このように本実施の形態によれば、内部ケーシング４と最終段落１０ａの動翼列１２の外周端部との間を通過したチップフロー３０を、偏向部材２４により周方向に偏向させることができる。このことにより、チップフロー３０を旋回させてガイド２１の内周面に押し付けて流すことができる。このため、チップフロー３０が先端側の蒸気主流３１ａと混合することによる損失を低減させて剥離渦の発生を抑制することができる。この結果、ディフューザ２０を通る蒸気の流れを減速して静圧を回復させる際の損失を抑え、蒸気タービンの内部損失を低減させることができる。

第２の実施の形態
次に、図５により、本発明の第２の実施の形態における軸流タービンについて説明する。

図５に示す第２の実施の形態においては、偏向部材が湾曲している点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態における偏向部材２４は、図５に示すように、内部ケーシング４と最終段落１０ａの動翼列１２の外周端部との間を通過したチップフロー３０を周方向に偏向させるように湾曲している。なお、図５は、湾曲する偏向部材２４の形状の一例を示しており、チップフロー３０が先端側の蒸気主流３１ａの方向に偏向するように湾曲していれば、図５に示す形状に限られることはない。

このように本実施の形態によれば、内部ケーシング４と最終段落１０ａの動翼列１２の外周端部との間を通過したチップフロー３０を、偏向部材２４により周方向に偏向させることができる。このことにより、チップフロー３０を旋回させてガイド２１の内周面に押し付けて流すことができる。このため、チップフロー３０が先端側の蒸気主流３１ａと混合することによる損失を低減させて剥離渦の発生を抑制することができる。この結果、ディフューザ２０を通る蒸気の流れを減速して静圧を回復させる際の損失を抑え、蒸気タービンの内部損失を低減させることができる。

以上、本発明による実施の形態について説明してきたが、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形も可能である。

例えば、上述した実施の形態においては、低圧蒸気タービンを例にとって説明してきたが、このことに限られることはなく、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービンにも、本発明を適用することは可能である。この場合においても、同様にして、それぞれのタービンの内部損失を低減することができる。

１ 軸流タービン
２ 排気室
３ 外部ケーシング
４ 内部ケーシング
５ ロータ
６ クロスオーバ管
１０ 段落
１０ａ 最終段落
１１ ノズル
１２ 動翼列
２０ ディフューザ
２１ ガイド
２２ コーン
２３ 構造支持板
２４ 偏向部材
２４ａ 上流端部
３０ チップフロー
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ 蒸気主流
４０ 蒸気タービン
４０ａ 下方排気型低圧排気室
４１ 最終段落
４２ 動翼列
４３ ノズル
４４ ディフューザ
４５ ガイド
４６ コーン
４７ 内部ケーシング
４８ チップフロー
４９ 剥離渦
５０ 蒸気主流

Claims (3)

1. 外部ケーシングと、
   前記外部ケーシング内に設けられた内部ケーシングと、
   前記外部ケーシングおよび前記内部ケーシングの内側に回転自在に設けられたロータと、
   前記内部ケーシングに設けられたノズルと、前記ロータに設けられた動翼列とによりそれぞれ構成され、最も下流側に配置される最終段落を含む複数の段落と、
   前記最終段落の下流側に設けられ、外周縁を構成するガイドと、内周縁を構成するコーンとを有し、当該最終段落を通過した蒸気を案内するディフューザと、
   前記ディフューザの前記ガイドの内周面に設けられ、前記内部ケーシングと前記最終段落の前記動翼列の外周端部との間を通過した蒸気の流れを周方向に偏向させる偏向部材と、を備えたことを特徴とする軸流タービン。
2. 前記偏向部材は、前記ロータの軸線方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
3. 前記偏向部材は、湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。

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