JP2012145081A - 蒸気タービンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧タービンや中圧タービンの環状フローガイドの機能を高めることにより、排気室内の流れの乱れを抑制し、結果として圧力損失をより低減して、タービンプラント効率を向上させることができる蒸気タービンの排気装置を提供する。
【解決手段】従来技術のフローガイド５Ａの形状（上下対称）を、フローガイド下流部５ｄの長さが、フローガイド上流部５ｕの長さより長くなるようなフローガイド５の形状（上下非対称）とした。数値解析により、従来技術のフローガイド占有比の最適値および対応する全圧損失係数を基準値とした。更に、全圧損失係数が基準値未満となるように、フローガイド上流部５ｕのフローガイド占有比を０．４に、フローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比を０．７に設定した。これにより、環状フローガイドの整流機能を高めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、蒸気タービンのロータを通過した蒸気流を排気管から排出するタービン排気装置に関し、特に高圧または中圧タービンの排気装置に関する。

ボイラ等の蒸気発生器が発生する蒸気でタービンを回転して発電する発電プラントは、一般に高圧タービン、中圧タービンや低圧タービンなど、蒸気圧力に応じた複数のタービンで構成されている。高圧タービンから低圧タービンまで順に通過し回転仕事を終えた蒸気は、最終的に復水器に導入され、そこで凝縮して復水となり、再度蒸気発生器に還流する。
高・中・低圧タービン各々の出口直後には、より低圧側のタービンや復水器等といった後段の設備に導くタービン排気装置が備えられている。タービン排気装置は、タービンロータを覆う内部ケーシングと内部ケーシングをさらに覆う外部ケーシングとの間に形成された排気室を有しており、タービンロータを通過した蒸気はこの排気室を通って後段の設備に導かれる。

一般にこの排気室は、タービンから流出してきた軸流方向の蒸気流を、それと直角の方向に非常に短い距離で転向させる構造をしているため、蒸気の流れを乱し圧力損失を生じやすい。特に高圧タービンや中圧タービンの排気室は低圧タービンの排気室に比べ流路寸法が小さく、さらに、圧力に耐えられるように高圧タービンや中圧タービンの各部材は低圧タービンの各部材に比べ厚く作られており、その結果、高圧タービンや中圧タービンの排気室は低圧タービンの排気室に比べフランジ等内部部材の影響も受け易い。

それに対し例えば、タービン最終段動翼出口部の翼先端側に連続するように環状のフローガイドを設け、このフローガイドで蒸気流を案内することで蒸気流の乱れの軽減を図った従来技術がある（特許文献１）。特許文献１のフローガイドは凸型曲線状のフランジと円盤状のスチームガイドを組み合わせて環状フローガイドとしているが、実機においては、ラッパ状の環状フローガイドを用いることも多い。

ところで、低圧タービンのフローガイドは、運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザとしての機能を有している。また、低圧タービンの排気室は、高圧タービンや中圧タービンの排気室に比べて空間的な制約が少ない。そこで、ディフューザ機能を向上するように、上下非対称（下側が長い）なフローガイドが提案されている（特許文献２）。

特開２００７−４０２２８号公報 特許３７７６５８０号公報

一方、高圧タービンや中圧タービンの排気室は低圧タービンの排気室に比べ空間的な制約（流路寸法、各部材厚）が多い。環状フローガイドを大きく（長く）しすぎると流路を閉塞し、性能劣化の要因となる。そのため、従来の高圧タービンや中圧タービンのフローガイドの多くは、周方向にほぼ同一（上下対象）の断面形状をしており、この形状を変更しようとする発想は起こりにくかった。

また、高圧タービンや中圧タービンの排気室は低圧タービンの排気室に比べ、軸方向の距離が短く、充分なディフューザ機能を得られない。従って、従来技術において、低圧タービンのフローガイドにおいて形状変更が提案されていても、直ちに高圧タービンや中圧タービンのフローガードに適用するという発想は起こりにくかった。

しかし、本願発明者はこの点に着目し、詳細な三次元流体解析を行ったところ、フローガイドの流路空間に対する占有比がフローガイドの圧力損失低減性能に大きな影響を与えており、従来のフローガイドはその機能を最大限に発揮できていないという課題を見出した。

本発明の目的は、高圧タービンや中圧タービンの環状フローガイドの機能を高めることにより、排気室内の流れの乱れを抑制し、結果として圧力損失をより低減して、タービンプラント効率を向上させることができる蒸気タービンの排気装置を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、タービンロータを内包する排気室内部ケーシングと、この排気室内部ケーシンを取り囲み排気室を形成する排気室外部ケーシングと、タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、前記排気室内部ケーシングの外周部に連続して設置された環状のフローガイドを備え、高圧タービンまたは中圧タービンを駆動させた後の排気を排気管を介して後方のタービンに導く蒸気タービンの排気装置において、前記フローガイドは、排気管側にあるフローガイド下流部と、排気管反対側にあるフローガイド上流部とを有し、前記フローガイド下流部の長さは、前記フローガイド上流部の長さより長くなるように形成されている。

排気室上流側に比べて排気室下流側では、排気管との接合部があるため、空間的な制約が少なく、フローガイドを長くしても流路が閉塞されることはない。したがって、フローガイド下流部の長さを長くできる。その結果、フローガイドの整流機能を高めることができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、ロータ軸に直行する断面上のロータ中心から放射状に引いた仮想線上において、前記フローガイドの付け根部から先端部までの距離を第１距離、前記フローガイドの付け根部から排気室外部ケーシング内壁面までの距離を第２距離と定義し、第２距離に対する第１距離の比をフローガイド占有比と定義し、前記フローガイドは、前記フローガイド下流部におけるフローガイド占有比が、前記フローガイド上流部における占有比より大きくなるように形成されている。

これにより、フローガイドの整流機能を高めることができる。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記フローガイド下流部と前記フローガイド上流部の間のフローガイド占有比は、連続している。

フローガイド下流部とフローガイド上流部の間のフローガイド占有比が不連続であると、突起形状等になり、蒸気流の妨げになる。連続していることにより、このような不具合は生じない。

（４）上記（２）において、好ましくは、前記フローガイド下流部におけるフローガイド占有比は、０．６以上０．７以下であり、前記フローガイド上流部におけるフローガイド占有比は、０．３以上０．６以下である。

このようにフローガイド占有比を設定することにより、従来技術に比べて、圧力損失を低減することができる。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記フローガイド上流部におけるフローガイド占有比は、０．５以上０．６以下である。

本発明によれば、高圧タービンや中圧タービンの環状フローガイドの機能を高めることにより、排気室内の流れの乱れを抑制し、結果として圧力損失をより低減して、タービンプラント効率を向上させることができる。

蒸気タービンの高中圧部の概略構成を表す断面図である。 排気室の詳細構成を表す縦断面図である。 排気室の詳細構成を表す横断面図である（第１実施形態）。 排気室の詳細構成を表す横断面図である（従来技術）。 数値解析結果（解析１）を示す図である。 排気室拡大縦断面図である。 排気室拡大横断面図である。 数値解析結果（解析２）を示す図である。 数値解析結果に基づくフローガイドの形状の一例を示す図である（第１実施形態）。 数値解析結果に基づくフローガイドの形状の一例を示す図である（第２実施形態）。 排気室の詳細構成を表す横断面図である（第２実施形態）。 数値解析結果に基づくフローガイドの形状の一例を示す図である（第３実施形態）。 排気室の詳細構成を表す横断面図である（第３実施形態）。 数値解析結果に基づくフローガイドの形状の一例を示す図である（第４実施形態）。 排気室の詳細構成を表す横断面図である（第４実施形態）。

＜第１実施形態＞
〜構成〜
図１は本発明が適用される蒸気タービンの高中圧部の概略構成を表す断面図である。高圧入口部１１から流入した蒸気は、高圧タービン段落１４で仕事をして高圧排気室１２を経て高圧排気管１３へと流出する。高圧排気管１３を経て高圧排気室１２から流出した蒸気は、ボイラ（図示せず）を経て再熱入口管２１から中圧タービン段落２４に流入し、中圧タービン段落２４で仕事をした後、中圧排気室２２を経て中圧排気管２３へと流出する。一方、抽気管２５を介して抽気された蒸気は加熱器に導かれて加熱される。

排気装置は、蒸気タービンのタービンロータ３を覆う内部ケーシング２と、この内部ケーシング２を覆う外部ケーシング１とを備えている。

高圧排気室１２および中圧排気室２２は、外部ケーシング１と内部ケーシング２との間に形成されている。以下、高圧排気室１２について説明するが、中圧排気室２２についても同様である。

図２は、排気室１２の詳細構成を表す縦断面図であり、図３は、排気室１２の詳細構成を表す横断面図である。

排気室１２は、タービンロータ３を駆動させた後の排気を、排気室１２の下流側に設けられた２本の排気管１３を介して、下流側のタービンに導く。タービンロータ３に固定された最終段落を構成する動翼４の下流側には、タービンから排出された蒸気の混合による圧力損失を低減する目的で、内部ケーシング２の外周部に連続して設置された環状のフローガイド５が設けられている。

フローガイド５は、内部ケーシング２に連接する付け根部から、所定の曲率で下流側および軸外方向に張り出すことにより、ラッパ状に形成される。

本実施形態の特徴は、フローガイド５の形状にある。フローガイド５は、排気管１３側にあるフローガイド下流部５ｄの長さが、排気管１３反対側にあるフローガイド上流部５ｕの長さより長くなるように形成されている。

〜動作〜
最終段落動翼４から流出した蒸気流は、フローガイド５によって導かれる。フローガイド上流部５ｕによって導かれた蒸気流は、外部ケーシング１内壁面に沿って下流に導かれ、さらに、排気管１３に導かれる。フローガイド下流部５ｄによって導かれた蒸気流は、排気管１３に導かれる。このとき、フローガイド下流部５ｄは、流れの混合を防ぐ（整流機能）。

〜数値解析〜
本願発明者は、フローガイド５の形状に着目し、詳細な数値解析（ＣＦＤ解析）を行った。

図４は、従来技術に係る上下対称なフローガイド５Ａを備えた排気室１２の詳細構成を表す横断面図である。まず、従来技術に係るフローガイド５Ａの最適な大きさ（長さ）を検討した（解析１）。

図５は、解析１の結果を示す図である。横軸にはフローガイド占有比が、縦軸には全圧損失係数が記載されている。但し、図示の全圧損失係数は、最大値を基準として規格化（各値／最大値）されている。

フローガイド占有比は、以下に説明する本実施形態の重要概念である。

図６は、フローガイド占有比を説明する為の、排気室拡大縦断面図であり、図７は、排気室拡大横断面図である。

図７において、ロータ中心から放射状に仮想線Ｉを引く。図６において、仮想線Ｉ上に投影される、フローガイドの付け根部から先端部までの距離を第１距離ａとし、仮想線Ｉ上に投影される、フローガイドの付け根部から外部ケーシング１内壁面までの距離を第２距離ｂと定義する。さらに、第２距離に対する第１距離の比（ａ／ｂ)をフローガイド占有比と定義する。すなわち、フローガイド占有比は、フローガードの長さを示す指標である。

なお、排気室１２と排気管１３との接合部において、外部ケーシング１が連続していない。図７における外部ケーシング１内壁面は、円弧形状に図示された破線部分（仮想内壁面）を含む円形状とする。したがって、第2距離ｂは一定として扱う。

全圧損失係数は、（排気室入口全圧−排気室出口全圧）／排気室入口動圧で表される圧力損失を示す指標である。少ないほど、圧力損失が少なく好ましい。なお、図５においては規格化されて表示されている。

図５に戻り、解析結果について説明する。フローガイド占有比０．３〜０．５では、フローガイドの長さが短く充分な整流機能が得られないが、フローガイド占有比０．５〜０．７付近では、流れの混合を防ぐことにより圧力損失を低減でき、フローガイド占有比０．７を超えると、流路が閉塞され、逆に圧力損失が増加する傾向が見られる。したがって、従来技術に係る上下対称なフローガイド５Ａのフローガイド占有比０．６（全圧損失係数０．４８）が最適である。

したがって、従来技術の最適値０．４８を基準値とし、全圧損失係数が基準値未満となるようなフローガイド５の形状を検討した（解析２）。

図８は、解析２の結果を示す図である。横軸にはフローガイド占有比が、縦軸には全圧損失係数（図５と同様に規格化して表示）が記載されている。基準値を追記している。フローガイド占有比は、フローガイド上流部５ｕとフローガイド下流部５ｄとの組み合わせが直線で結ばれて、記載されている。

解析２において、フローガイド上流部５ｕとフローガイド下流部５ｄは、以下のように定義される。図７において、排気管１３反対側をθ＝０とし、周方向角θにより、フローガイド５における位置を表現する。フローガイド上流部５ｕはθが０〜８０°付近の範囲であり、フローガイド下流部５ｄは、１００〜１８０°付近の範囲である（左右対称）。

図８に戻り、解析結果について説明する。フローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比が０．６未満であると、フローガイド上流部５ｕのフローガイド占有比に関わらず、全圧損失係数は基準値未満とならない。従って、フローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比の下限値は０．６となる。

一方、フローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比が０．６以上である場合について検討する。フローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比が０．７であるときは、圧力損失を更に低減できるが、０．８であるときは、圧力損失が僅かながら増加する。

この傾向は、排気室１２上流側に比べて排気室１２下流側では、排気管１３との接合部があるため、空間的な制約が少なく、その結果、フローガイド占有比を大きくでき、整流機能の向上が期待できることによるものと思われる。一方、フローガイド占有比０．８を超えると、流路が閉塞され、逆に圧力損失が増加する。従って、フローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比の上限値は０．７とするのが好ましい。

次に、フローガイド上流部５ｕのフローガイド占有比について検討する。解析１の結果より、フローガイド上流部５ｕのフローガイド占有比の上限値は０．６とする。一方、フローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比が０．６以上０．７以下であれば、フローガイド上流部５ｕのフローガイド占有比は０．３とした場合でも、全圧損失係数は基準値未満となることを確かめた。従って、フローガイド上流部５ｕのフローガイド占有比の下限値は０．３とする。

フローガイド５の形状は、解析１および解析２の結果に基づいて、設定される。

図９は、フローガイド５の形状の一例を示す図である。フローガイド上流部５ｕ（０〜８０°）のフローガイド占有比は、０．４に、フローガイド下流部５ｄ（１００〜１８０°）のフローガイド占有比は、０．７に設定され、その間（８０〜１００°）のフローガイド占有比は、０．４〜０．７の間で連続し、緩やかに単調増加している。その結果、フローガイド５の横断面図は図３で示したようになる。

なお、フローガイド占有比のグラフが直線のみで構成されているように説明したが、もちろんこの限りではない。

〜効果〜
従来技術のフローガイド５Ａの形状（上下対称）を本実施形態では、フローガイド下流部５ｄの長さが、フローガイド上流部５ｕの長さより長くなるようなフローガイド５の形状（上下非対称）とした。さらに数値解析により、全圧損失係数が従来技術の最適値未満となるように、フローガイド上流部５ｕのフローガイド占有比とフローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比を設定した。

これにより、環状フローガイドの整流機能を高め、排気室内の流れの乱れを抑制できる。

全圧損失係数が従来技術の最適値未満となり、圧力損失が低減することにより、タービンプラント効率を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態において、１００〜１８０°付近をフローガイド下流部５ｄとし、フローガイド下流部５ｄのフローガイド占有比を０．７としたが、排気管１３との接合部に相当する１００〜１５０°付近をフローガイド最下流部５ｄ１とし、フローガイド最下流部５ｄ１のフローガイド占有比を０．７とてもよい。

図１０は、フローガイド５Ｂの形状の一例を示す図である。フローガイド上流部５ｕ（０〜８０°）のフローガイド占有比は、０．４に、フローガイド最下流部５ｄ１（１００〜１５０°）のフローガイド占有比は、０．７に設定され、フローガイド下流部５ｄ２（１７０〜１８０°）のフローガイド占有比は、０．４に設定され、その間（８０〜１００°および１５０〜１７０°）のフローガイド占有比は、０．４〜０．７の間で連続している。その結果、フローガイド５Ｂの横断面図は図１１で示すようになる。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

＜第３実施形態＞
第１実施形態および第２実施形態において、下流側に２本の排気管１３が設けられた排気室１２に本願発明を適用したが、１本の排気管１３が設けられた排気室１２に適用しても良い。

図１２は、フローガイド５Ｃの形状の一例を示す図である。フローガイド上流部５ｕ（０〜１２０°）のフローガイド占有比は、０．４に、フローガイド下流部５ｄ（１６０〜１８０°）のフローガイド占有比は、０．７に設定され、その間（１２０〜１６０°）のフローガイド占有比は、０．４〜０．７の間で連続している。その結果、フローガイド５Ｃの横断面図は図１３で示すようになる。

第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

＜第４実施形態＞
上記では説明の便宜上、抽気管２５に係る説明を省いたが、抽気管２５が設けられた排気室１２に適用しても良い。本実施形態は、第３実施形態に排気管１３反対側に抽気管２５を設けたものである。

図１４は、フローガイド５Ｄの形状の一例を示す図である。フローガイド最上流部５ｕ１（０〜１０°）のフローガイド占有比は、０．７に、フローガイド上流部５ｕ２（３０〜１２０°）のフローガイド占有比は、０．４に、フローガイド下流部５ｄ（１６０〜１８０°）のフローガイド占有比は、０．７に設定され、その間（１０〜３０°および１２０〜１６０°）のフローガイド占有比は、０．４〜０．７の間で連続している。その結果、フローガイド５Ｄの横断面図は図１５で示すようになる。

第４実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

１ 外部ケーシング
２ 内部ケーシング
３ タービンロータ
４ 動翼（最終段落）
５，５Ａ〜Ｄ フローガイド
５ｕ フローガイド上流部
５ｄ フローガイド下流部
１１ 高圧入口部
１２ 高圧排気室
１３ 高圧排気管
１４ 高圧タービン段落
２１ 再熱入口管
２２ 中圧排気室
２３ 中圧排気管
２４ 中圧タービン段落
２５ 抽気管
Ｉ 仮想線上
ａ 第１距離
ｂ 第２距離

Claims (5)

1. タービンロータを内包する排気室内部ケーシングと、この排気室内部ケーシンを取り囲み排気室を形成する排気室外部ケーシングと、タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、前記排気室内部ケーシングの外周部に連続して設置された環状のフローガイドを備え、高圧タービンまたは中圧タービンを駆動させた後の排気を排気管を介して後方のタービンに導く蒸気タービンの排気装置において、
   前記フローガイドは、排気管側にあるフローガイド下流部と、排気管反対側にあるフローガイド上流部とを有し、前記フローガイド下流部の長さは、前記フローガイド上流部の長さより長くなるように形成されている
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
2. 請求項１記載の蒸気タービンの排気装置において、
   ロータ軸に直行する断面上のロータ中心から放射状に引いた仮想線上において、前記フローガイドの付け根部から先端部までの距離を第１距離、前記フローガイドの付け根部から排気室外部ケーシング内壁面までの距離を第２距離と定義し、第２距離に対する第１距離の比をフローガイド占有比と定義し、
   前記フローガイドは、前記フローガイド下流部におけるフローガイド占有比が、前記フローガイド上流部における占有比より大きくなるように形成されている
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
3. 請求項２記載の蒸気タービンの排気装置において、
   前記フローガイド下流部と前記フローガイド上流部の間のフローガイド占有比は、連続している
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
4. 請求項２記載の蒸気タービンの排気装置において、
   前記フローガイド下流部におけるフローガイド占有比は、０．６以上０．７以下であり、
   前記フローガイド上流部におけるフローガイド占有比は、０．３以上０．６以下である
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
5. 請求項４記載の蒸気タービンの排気装置において、
   前記フローガイド上流部におけるフローガイド占有比は、０．５以上０．６以下である
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。

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