JP2014001693A - 軸流タービン - Google Patents

Abstract

【課題】排気室において、軸受の振動に伴う振動を抑制しつつ、圧力損失を低減することができる軸流タービンを提供する。
【解決手段】実施形態の軸流タービン１０は、タービンロータ２２に沿う方向に流れる作動流体によって回転駆動されるタービン部と、タービンロータ２２の周囲にタービンロータ軸方向に沿って配置された内筒３１と内筒３１の外周を包囲するように配置された排気ケーシング３２との間に形成された環状の排気流路３３を有する排気室３０とを備える。さらに、内筒３１と排気ケーシング３２との間に設けられ、内筒３１を鉛直下方から支持するストラット５０ａと、内筒３１と排気ケーシング３２との間において、ストラット５０ａが設けられた内筒３１の鉛直下方位置から水平方向位置までの間に、半径方向に亘って設けられ、ストラット５０ａよりも周方向の厚さが薄いストラット５０ｂとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、軸流タービンに関する。

火力発電所などで用いられる軸流タービンの熱効率の向上は、エネルギ資源の有効利用や、二酸化炭素（ＣＯ_２）排出量の削減につながる重要な課題である。

軸流タービンの熱効率の向上は、与えられたエネルギを有効に機械仕事に変換することで達成することができ、そのためには様々な内部損失を低減することが必要である。軸流タービンの内部損失の一つとして、排気室で生じる排気損失がある。この排気損失の全内部損失に対する割合は比較的大きい。

図１２は、従来の軸流タービンの排気室３００を出口側から見たときの平面図である。図１２に示すように、排気室３００は、タービンロータ（図示しない）の周囲に、タービンロータの軸方向に沿って配置された内筒３１０と、この内筒３１０の外周を包囲するように配置された排気ケーシング３１１との間に形成された排気流路３１２を有している。内筒３１０の内部には、例えば、タービンロータを支持する軸受（図示しない）などが配置されている。

排気流路３１２には、図１２に示すように、半径方向に亘って延びるストラット３１３が、周方向に均等に複数配置されている。各ストラット３１３の周方向の幅Ｗは、ほぼ等しく構成されている。各ストラット３１３は、例えば、内筒３１０の外周面及び排気ケーシング３１１の内周面に溶接などによって固定されている。

軸流タービンとして蒸気タービンを使用する場合、例えば、内筒３１０の鉛直下方に設けられたストラット３１３は、内筒３１０を支持するとともに、軸受（図示しない）に潤滑油を供給する配管などを内部に貫通させることで配管を保護している。また、蒸気タービンにおいては、排気室内が真空に近い圧力になるため、排気ケーシング３１１は、大気圧との圧力差によって内部側への力を受ける。そこで、排気ケーシング３１１の剛性を高め、変形を防止するために、ストラット３１３が備えられている。

特開２０１１−３２９００号公報

上記した排気室構造を備える従来の軸流タービンにおいて、最終のタービン段落を通過して排気流路３１２に流入した排気は、排気流路３１２内を旋回しながら流れる。そのため、排気は、ストラット３１３に対して側面から衝突する流れとなり、圧力損失が増大する。

そこで、ストラット３１３の数を削減するために、内筒３１０の荷重を支持するのみの構成、すなわち、ストラット３１３を内筒３１０の鉛直下方にのみ備える構成が考えられる。しかしながら、この構成の場合、軸受の振動に伴う内筒３１０の振動、特に水平方向の振動を抑制することができず、軸流タービンの安全性及び信頼性に欠ける。

本発明が解決しようとする課題は、排気室において、軸受の振動に伴う振動を抑制しつつ、圧力損失を低減することができる軸流タービンを提供することである。

実施形態の軸流タービンは、複数段のタービン段落を備え、タービンロータに沿う方向に流れる作動流体によって回転駆動されるタービン部と、タービンロータの周囲にタービンロータ軸方向に沿って配置された内筒と前記内筒の外周を包囲するように配置されたケーシングとの間に形成された、最終の前記タービン段落を通過した作動流体が流れる環状の排気流路を有する排気室とを備える。

さらに、軸流タービンは、前記内筒と前記ケーシングとの間に設けられ、前記内筒を鉛直下方から支持する第１の支持構造物と、前記内筒と前記ケーシングとの間において、前記第１の支持構造物が設けられた前記内筒の鉛直下方位置から水平方向位置までの間に、半径方向に亘って設けられ、前記第１の支持構造物よりも周方向の厚さが薄い第２の支持構造物とを備える。

第１の実施の形態の軸流タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 第１の実施の形態の軸流タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 第１の実施の形態の軸流タービンの排気室を出口側から見たときの平面図である。 第１の実施の形態の軸流タービンの排気室に備えられるストラットの、図１のＡ−Ａ断面を模式的に示した図である。 第１の実施の形態の軸流タービンにおいて、他の構成を備える排気室を出口側から見たときの平面図である。 鉛直下方線Ｌと半径方向中心線Ｍとのなす角θに対する、排気室の排気損失および排気ケーシング３２に発生する最大応力を示した図である。 第２の実施の形態の軸流タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 第２の実施の形態の軸流タービンの排気室を出口側から見たときの平面図である。 第３の実施の形態の軸流タービンの排気室を出口側から見たときの平面図である。 第３の実施の形態の軸流タービンにおいて、他の構成を備える排気室を出口側から見たときの平面図である。 第３の実施の形態の軸流タービンにおいて、他の構成を備える排気室を出口側から見たときの平面図である。 従来の軸流タービンの排気室を出口側から見たときの平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１及び図２は、第１の実施の形態の軸流タービン１０の鉛直方向の子午断面を示す図である。ここで、図１には、軸流タービン１０として蒸気タービンを使用した場合、図２には、軸流タービン１０としてガスタービンを使用した場合を示している。なお、以下の実施の形態において、同一の構成部分には、同一の符号を付して、重複する説明を省略又は簡略する。

まず、軸流タービン１０として蒸気タービンを使用した場合の構成について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、軸流タービン１０は、ケーシング２０を備え、このケーシング２０内には、動翼２１が植設されたタービンロータ２２が貫設されている。タービンロータ２２においては、動翼２１を周方向に複数植設して動翼翼列を構成し、この動翼翼列をタービンロータ軸方向に複数段備えている。タービンロータ２２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

ケーシング２０の内周には、タービンロータ軸方向に動翼２１と交互になるように、ダイヤフラム２３ａ、２３ｂに支持された静翼２４が配設されている。そして、静翼２４を周方向に複数配設して静翼翼列を構成し、静翼翼列と直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。

タービンロータ２２とケーシング２０との間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２５が設けられている。また、軸流タービン１０には、内部に蒸気を導入するための蒸気入口管２６がケーシング２０を貫通して設けられている。

最終のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気室３０が設けられている。この排気室３０は、タービンロータ２２の周囲にタービンロータ軸方向に沿って配置された内筒３１と、この内筒３１の外周を包囲するように配置された排気ケーシング３２との間に形成される排気流路３３を有している。

この排気流路３３は、下流方向に拡開し、最終のタービン段落から流出した蒸気が通過する環状の流路を構成している。排気室３０を構成する内筒３１及び排気ケーシング３２は、上下に２つ割り構造で構成されている。なお、図１において、内筒３１は、断面ではなく、その外形が示されている。

排気流路３３は、いわゆるディフューザとして機能し、蒸気の流速を徐々に低減し、静圧を回復させる働きがある。下半側の排気流路３３には、支持構造物として機能するストラット５０が存在する。

次に、軸流タービン１０としてガスタービンを使用した場合の構成について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、軸流タービン１０は、ケーシング６０を備え、このケーシング６０内には、タービンロータ７０と圧縮機ロータ８０とが同軸として設けられている。このタービンロータ７０や圧縮機ロータ８０は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

タービンロータ７０には、周方向に複数の動翼７１が植設された動翼翼列が構成され、この動翼翼列は、タービンロータ軸方向に複数段構成されている。ケーシング６０の内周には、タービンロータ軸方向に動翼７１と交互になるように、ダイヤフラム７２ａ、７２ｂに支持された静翼７３が配設されている。静翼７３を周方向に複数植設されることで静翼翼列を構成し、静翼翼列と直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。これらの複数のタービン段落からなる部分は、タービン部として機能する。

圧縮機ロータ８０には、周方向に複数の動翼８１が植設された動翼翼列が構成され、この動翼翼列は、圧縮機ロータ軸方向に複数段構成されている。ケーシング６０の内周には、圧縮機ロータ軸方向に動翼８１と交互になるように、ダイヤフラム８２ａ、８２ｂに支持された静翼８３が配設されている。そして、静翼８３を周方向に複数配設して静翼翼列を構成し、静翼翼列と直下流側に位置する動翼翼列とで一つの圧縮機段落を構成している。これらの複数の圧縮機段落からなる部分は、圧縮機部として機能する。

タービン部と圧縮機部との間には、燃焼器９０が設けられている。燃焼器９０に供給された燃料は、圧縮機部で圧縮された圧縮空気と混合され、燃焼する。燃焼によって生じる、作動流体として機能する高温の燃焼ガスは、トランジションピース９１を介してタービン部に導かれる。

最終のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした燃焼ガスを排気するための排気室１００が設けられている。この排気室１００は、タービンロータ７０の周囲にタービンロータ軸方向に沿って配置された内筒１０１と、この内筒１０１の外周を包囲するように配置されたケーシング６０との間に形成される排気流路１０２を有している。

この排気流路１０２は、下流方向に拡開し、最終のタービン段落から流出した燃焼ガスが通過する環状の流路を構成している。排気室１００を構成する内筒１０１及びケーシング６０は、上下に２つ割り構造で構成されている。なお、図２において、内筒１０１は、断面ではなく、その外形が示されている。

排気流路１０２は、いわゆるディフューザとして機能し、燃焼ガスの流速を徐々に低減し、静圧を回復させる働きがある。下半側の排気流路１０２には、支持構造物として機能するストラット１０３が存在する。

次に、排気室の構成について詳しく説明する。

ここで、蒸気タービンとガスタービンの排気室の構成は、基本的に同じであるため、第１の実施の形態においては、蒸気タービンにおける排気室３０を例示して説明する。

図３は、第１の実施の形態の軸流タービン１０の排気室３０を出口側から見たときの平面図である。図４は、第１の実施の形態の軸流タービン１０の排気室３０に備えられるストラット５０ａの、図１のＡ−Ａ断面を模式的に示した図である。

図３に示すように、内筒３１と排気ケーシング３２との間には、内筒３１を鉛直下方から支持する、第１の支持構造物として機能する１つのストラット５０ａが設けられている。

内筒３１や排気ケーシング３２を上半側と下半側とに分割する分割水平部であり、内筒３１と排気ケーシング３２との間の水平方向の位置（第１の実施の形態において、以下、水平方向位置という。）には、半径方向に亘って、第２の支持構造物として機能するストラット５０ｂが設けられている。ストラット５０ｂは、２つ備えられ、例えば、図３に示すように、それぞれが、タービンロータ軸に垂直な断面において、タービンロータ軸を通る鉛直方向の直線を対称軸として線対称となる位置に備えられている。

ストラット５０ｂの周方向の厚さＷｂは、ストラット５０ａの周方向の厚さＷａよりも薄く構成されている。また、ストラット５０ａの周方向の厚さＷａは、内筒３１を鉛直下方から支持可能な厚さに設定され、可能な限り薄く設定される。

タービンロータ軸方向においては、ストラット５０ａ、５０ｂは、図１に示すように、内筒３１と排気ケーシング３２との間に、タービンロータ軸方向に所定の範囲に亘って形成されている。

ここで、ストラット５０ａにおいては、例えば、内筒３１内に備えられているロータ軸受（図示しない）に潤滑油を供給するための配管などが、内部を貫通するように備えられている。すなわち、ストラット５０ａは、内筒３１を鉛直下方から支持する機能の他に、配管を保護する機能も備えている。

ストラット５０ｂは、内筒３１内に備えられているロータ軸受の振動によって内筒３１が水平方向に振動するのを抑制する機能を備えている。ストラット５０ｂの周方向の厚さＷｂは、蒸気流れの妨げとならない、すなわち圧力損失が増加しないように、可能な限り薄くすることが好ましい。なお、ストラット５０ａと同様に、ストラット５０ｂの内部に配管などを貫通させる構成としてもよい。

蒸気タービンにおいては、排気室３０内が真空に近い圧力になるため、排気ケーシング３２は、大気圧との圧力差によって内部側への力を受ける。そのため、ストラット５０ａ、５０ｂは、上記した機能の他に、排気ケーシング３２の剛性を高め、内部側への力による排気ケーシング３２の変形を防止する機能も備えている。すなわち、ストラット５０ａ、５０ｂの周方向の厚さＷａ、Ｗｂは、排気ケーシング３２の剛性や蒸気流れの圧力損失を考慮して設定される。

なお、ガスタービンにおいては、排気室１００内の圧力は、大気圧よりも若干高くなるため、水平方向に設けられたストラットは、主として、内筒１０１が水平方向に振動するのを抑制する機構として機能する。そのため、ストラットの周方向の厚さは、振動するのを抑制する機能を発揮できる程度に可能な限り薄く設定され、蒸気タービンにおけるストラット５０ｂの厚さＷｂよりも薄くすることが可能である。

ストラット５０ａの外形形状は、例えば、図４に示すように、翼型形状に構成されてもよい。また、ストラット５０ａの内部は、中空の管状に構成されてもよい。なお、図４では、ストラット５０ａの内部を貫通する配管などの表示は省略している。また、ストラット５０ａにおいて、内部に配管などを貫通させない場合には、中実構造としてもよい。翼型形状を有するストラット５０ａは、例えば、前縁１１０が蒸気の流れに対して上流側に位置するように配置されている。

ここでは、ストラット５０ａを例示して外形形状を説明しているが、ストラット５０ｂも同様の外形形状を備えることができる。また、ストラット５０ｂにおいて、例えば、内部に配管などを貫通させない場合には、ストラット５０ｂを板状の部材などで構成することもできる。

なお、ストラット５０ａ、５０ｂの外形形状は、上記した形状に限られるものではなく、蒸気がストラット５０ａ、５０ｂ間やストラット５０ａ、５０ｂの表面を流れる際、圧力損失を抑えることが可能な形状であればよい。

ストラット５０ａは、例えば、内筒３１の外周面及び排気ケーシング３２の内周面に、例えば溶接などによって固定される。ストラット５０ｂは、例えば、下半側の内筒３１の外周面及び下半側の排気ケーシング３２の内周面に、溶接などによって固定される。

上記した構成を備える排気室３０において、最終のタービン段落を通過した蒸気は、排気流路３３に流入し、蒸気の流速を徐々に低減し、静圧を回復させながら流れる。この際、上半側の排気流路３３には、流れの障害となるストラットが存在せず、半径方向位置には、ストラット５０ａよりも厚さの薄いストラット５０ｂが備えられている。この構成によって、軸受の振動に伴う内筒３１の水平方向の振動を防止しつつ、蒸気の圧力損失を低減することができる。さらに、ストラット５０ａ、５０ｂを備えることで、排気ケーシング３２の剛性を維持することができる。

上記したように、第１の実施の形態の軸流タービン１０によれば、排気室３０において、軸受の振動に伴う内筒３１の水平方向の振動を防止しつつ、蒸気の圧力損失を低減することができる。なお、軸流タービン１０として、ガスタービンを備えた場合においても、蒸気タービンを備えた場合と同様の作用効果を得ることができる。

ここで、ストラット５０ｂの配置位置は、水平方向に限られるものではない。図５は、第１の実施の形態の軸流タービン１０において、他の構成を備える排気室３０を出口側から見たときの平面図である。

タービンロータ軸に垂直な排気室の断面において、タービンロータ軸を中心Ｏとし、この中心Ｏから鉛直下方に延びる鉛直下方線Ｌとストラット５０ｂの半径方向中心線Ｍとのなす角θを４５〜９０度に設定してもよい。図５には、この角度θを４５度としたときの断面が示されている。なお、前述した図３に示された断面における角度θは９０度である。ここで、ストラット５０ｂの半径方向中心線Ｍとは、中心Ｏから、ストラット５０ｂの周方向の厚さＷｂの中心を通り半径方向に延びる直線である。

ここで、図６は、鉛直下方線Ｌと半径方向中心線Ｍとのなす角θに対する、排気室３０の排気損失および排気ケーシング３２に発生する最大応力を示した図である。排気損失や最大応力は、流体解析及び構造解析に基づいて得られたものである。なお、流体解析及び構造解析では、図５に示した蒸気タービンにおける排気室３０を解析モデルとしている。

図６に示すように、角度θが減少するとともに、排気損失が低下して流体性能が向上するが、排気ケーシング３２に発生する最大応力が上昇する。そのため、排気ケーシング３２に発生する最大応力が許容最大応力以下となるように角度θを設定することが好ましい。

図６に示された結果から、角度θを４５〜９０度に設定することが好ましい。また、この角度θの範囲の中でも、排気損失を低減できることから、角度θを４５度に設定することがさらに好ましい。

また、上記した角度θが４５〜９０度の範囲内において、図５に示すように、ストラット５０ｂの半径方向中心線Ｍ上に、排気ケーシング３２と接触して外部から排気ケーシング３２を支持する、基礎台１１５の支持部１１６が位置することが好ましい。このような構成とすることで、排気ケーシング３２の一部が支持部１１６に固定されるため、排気ケーシング３２の、支持部１１６に接触する部分が、大気圧との圧力差によって内部側に変形するのを抑制することができる。

さらに、上記した角度θが４５〜７０度の範囲内において、図５に示すように、ストラット５０ｂの半径方向中心線Ｍ上に、排気ケーシング３２と接触して外部から排気ケーシング３２を支持する、基礎台１１５の支持部１１６が位置することで、上記した効果に加えて、排気ケーシング３２の、支持部１１６に接触する部分が、排気室３０の自重によって内部側に変形するのを抑制することができる。すなわち、排気ケーシング３２の、支持部１１６に接触する部分には、排気室３０の自重によって内部側に変形する力がかかるが、その力の方向（半径方向）にストラット５０ｂを備えることで、その力を効果的にストラット５０ｂによって受けることができる。

ストラット５０ｂの半径方向中心線Ｍ上に支持部１１６を位置させることで、排気ケーシング３２の剛性を向上させることができる。なお、この構成は、排気ケーシング３２の剛性の向上が必要な蒸気タービンに好適であるが、ガスタービンに適用してもよい。

このような構成を備えることで、排気室において、軸受の振動に伴う内筒３１の水平方向の振動を防止し、排気ケーシング３２の剛性を維持しながら、作動流体の圧力損失を低減することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の軸流タービン１１は、排気室の構成以外は、第１の実施の形態の軸流タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、排気室の構成について主に説明する。

図７は、第２の実施の形態の軸流タービン１１の鉛直方向の子午断面を示す図である。図８は、第２の実施の形態の軸流タービン１１の排気室１００を出口側から見たときの平面図である。ここで、図７及び図８には、軸流タービン１１としてガスタービンを使用した場合を示している。

内筒１０１を鉛直下方から支持する１つのストラット１０３ａは、第１の支持構造物として機能するものであり、前述した蒸気タービンにおけるストラット５０ａと同じ機能を有する。

内筒１０１やケーシング６０を上半側と下半側とに分割する分割水平部であり、内筒１０１とケーシング６０との間の水平方向の位置（以下、水平方向位置という。）に、半径方向に亘って設けられたストラット１０３ｂは、第２の支持構造物として機能し、前述した蒸気タービンにおけるストラット５０ｂと同じ機能を有する。

図７および図８に示すように、下半側のケーシング６０には、内筒１０１の鉛直下方で、かつ半径方向外側に向かってケーシング６０から突出する鉛直下方溝部１２０が形成されている。この鉛直下方溝部１２０は、図７に示すように、ストラット１０３ａの形状に対応して、タービンロータ軸方向に延設されている。なお、鉛直下方溝部１２０の上流側端部と下流側端部は、閉鎖されている。

この鉛直下方溝部１２０の内部の溝１２１に、ストラット１０３ａの一端側が嵌合され、ストラット１０３ａの一端が鉛直下方溝部１２０の底部に接合されている。

ここで、鉛直下方溝部１２０は、ストラット１０３ａを構成する材料よりも線膨張率が大きな材料で構成される。軸流タービン１１の運転時において、ストラット１０３ａおよび鉛直下方溝部１２０は、高温の燃焼ガスに曝させるため、加熱され、熱伸びが生じる。

例えば、鉛直方向に熱伸びする際、同じ温度であれば、単位長さ当たりの鉛直方向の熱伸びは、鉛直下方溝部１２０の方がストラット１０３ａよりも大きくなる。これによって、鉛直方向の長さが鉛直下方溝部１２０よりも長いストラット１０３ａの鉛直方向の熱伸びを、鉛直下方溝部１２０において吸収することができる。

そのため、ストラット１０３ａが鉛直方向に熱伸びしても、内筒１０１が上方に押されることがなく、内筒１０１の鉛直方向の位置を当初の位置に維持することができる。さらに、水平方向の移動は、２つのストラット１０３ｂによって抑制される。

ここで、溝１２１の溝深さＤｖは、ストラット１０３ａの鉛直方向の長さ、ストラット１０３ａおよび鉛直下方溝部１２０を構成する材料の線膨張率に基づいて、適宜設定される。例えば、同じ温度において、鉛直下方溝部１２０の鉛直方向の熱伸び長さ（熱伸び後の溝１２１の溝深さＤｖ）が、ストラット１０３ａの鉛直方向の熱伸び長さと等しくなるように、鉛直下方溝部１２０を構成する材料や溝１２１の溝深さＤｖなどを設定する。

上記したように、第２の実施の形態の軸流タービン１１によれば、ストラット１０３ａなどに熱伸びが生じる場合でも、内筒１０１、換言すれば、ロータ軸受を当初の水平位置に維持することができる。これによって、タービンロータ７０の回転が不安定になることなどを抑制することができる。

なお、上記において、角度θが９０度となる水平方向位置にストラット１０３ｂが設置された一例を示して説明したが、ストラット１０３ｂは、前述した角度θの範囲内に設置することができる。また、第２の実施の形態における構成は、ストラット１０３ａなどに熱伸びが生じるガスタービンにおいて好適であるが、蒸気タービンに適用することもできる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の軸流タービン１２は、水平方向位置に配置されたストラット１０３ｂの構成以外は、第２の実施の形態の軸流タービン１１の構成と同じであるため、ここでは、ストラット１０３ｂの構成について主に説明する。

図９は、第３の実施の形態の軸流タービン１２の排気室１００を出口側から見たときの平面図である。ここで、図９には、軸流タービン１１としてガスタービンを使用した場合を示している。

図９に示すように、水平方向位置に配置されたストラット１０３ｂは、ストラット１０３ｂが設けられた半径方向の伸縮を吸収するベローズ構造部１３０を備えている。ベローズ構造部１３０の構成は、例えば、少なくとも山折りまたは谷折りの構造を備え、半径方向の伸縮を吸収する構成であればよい。また、ベローズ構造部１３０の構成として、例えば、山折りおよび谷折りを繰り返し有する構造であってもよい。

ここで、ガスタービンの運転時において、水平方向位置に配置されたストラットは、高温の作動流体である燃焼ガスに曝される。この際、一般的な構造である、平板状のストラットを使用した場合、内筒１０１を介して対称位置（タービンロータ軸に垂直な断面において、タービンロータ軸を通る鉛直方向の直線を対称軸として線対称となる位置）に配置された２つのストラットは、それぞれ熱伸びして膨張しようとする。しかしながら、それぞれのストラットは、内筒１０１とケーシング６０との間に固定されているため、半径方向への熱伸びが抑制され、熱応力が発生する。

ガスタービンにおいては、１日単位で起動と停止を繰り返すような運転を行う場合がある。その際、水平方向位置に配置されたストラットに、熱応力が繰り返しかかり、熱疲労が発生し、ストラットが破損することがある。

しかしながら、第３の実施の形態の軸流タービン１２のように、水平方向位置に配置されたストラット１０３ｂにベローズ構造部１３０を備えることで、半径方向の熱伸びを吸収し、熱疲労の発生を抑えることができる。これによって、ストラット１０３ｂの損傷を防止することができる。さらに、第２の実施の形態の軸流タービン１１と同様に、ストラット１０３ａなどに熱伸びが生じる場合でも、内筒１０１、換言すれば、ロータ軸受を当初の水平位置に維持することができる。

ここで、ストラット１０３ｂに生じる熱伸びを吸収する構成は、上記した構成に限られるものではない。図１０および図１１は、第３の実施の形態の軸流タービン１２において、他の構成を備える排気室１００を出口側から見たときの平面図である。

図１０に示すように、水平方向位置に配置されたストラット１０３ｂは、ストラット１０３ｂが設けられた半径方向の伸縮を吸収する面接触構造部１４０を備えてもよい。面接触構造部１４０は、図１０に示すように、ストラット１０３ｂを半径方向に対して所定の角度を有する分割面で２分割した構成となっている。この分割面は、傾斜面で構成され、それぞれの傾斜面が面接触することで、半径方向の熱伸びを吸収し、熱疲労の発生を抑えている。

このような面接触構造部１４０を備える場合においても、ストラット１０３ｂにおける熱疲労の発生を抑え、損傷を防止することができる。

図１１に示すように、ケーシング６０に、ケーシング６０を上半側および下半側に分割する分割水平方向で、かつ半径方向外側に向かってケーシング６０から突出する水平方向溝部１５０を形成してもよい。この水平方向溝部１５０は、鉛直下方溝部１２０と同様に、ストラット１０３ｂの形状に対応して、タービンロータ軸方向に延設されている。なお、水平方向溝部１５０の上流側端部と下流側端部は、閉鎖されている。

この水平方向溝部１５０の内部の溝１５１に、ストラット１０３ｂの一端側が嵌合され、ストラット１０３ｂの一端が水平方向溝部１５０の底部に接合されている。

ここで、水平方向溝部１５０は、ストラット１０３ｂを構成する材料よりも線膨張率が大きな材料で構成される。軸流タービン１１の運転時において、ストラット１０３ｂおよび水平方向溝部１５０は、高温の燃焼ガスに曝させるため、加熱されて、熱伸びが生じる。

例えば、半径方向に熱伸びする際、同じ温度であれば、単位長さ当たりの半径方向の熱伸びは、水平方向溝部１５０の方がストラット１０３ｂよりも大きくなる。これによって、半径方向の長さが水平方向溝部１５０よりも長いストラット１０３ｂの半径方向の熱伸びを、水平方向溝部１５０において吸収することができる。これによって、ストラット１０３ｂの半径方向の熱伸びによる熱応力の発生を抑制することができる。

また、２つのストラット１０３ｂは、内筒１０１を介して対称位置（タービンロータ軸に垂直な断面において、タービンロータ軸を通る鉛直方向の直線を対称軸として線対称となる位置）に配置されているため、内筒１０１の水平方向（図１１では左右方向）の位置を当初の位置に維持することができる。

ここで、溝１５１の溝深さＤｈは、ストラット１０３ｂの水平方向の長さ、ストラット１０３ｂおよび水平方向溝部１５０を構成する材料の線膨張率に基づいて、適宜設定される。例えば、同じ温度において、水平方向溝部１５０の水平方向の熱伸び長さ（熱伸び後の溝１５１の溝深さＤｈ）が、ストラット１０３ｂの水平方向の熱伸び長さと等しくなるように、水平方向溝部１５０を構成する材料や溝１５１の溝深さＤｈなどを設定する。

このような水平方向溝部１５０を備える場合においても、ストラット１０３ｂにおける熱疲労の発生を抑え、損傷を防止することができる。

なお、上記において、角度θが９０度となる水平方向位置にストラット１０３ｂが設置された一例を示して説明したが、ストラット１０３ｂは、前述した角度θの範囲内に設置することができる。また、第３の実施の形態における構成は、ストラット１０３ｂなどに熱伸びが生じるガスタービンにおいて好適であるが、蒸気タービンに適用することもできる。

以上説明した実施形態によれば、排気室において、軸受の振動に伴う振動を抑制しつつ、圧力損失を低減することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１１，１２…軸流タービン、２０…ケーシング、２１，７１，８１…動翼、２２…タービンロータ、２３ａ，２３ｂ，７２ａ，７２ｂ，８２ａ，８２ｂ…ダイヤフラム、２４，７３，８３…静翼、２５…グランドシール部、２６…蒸気入口管、３０，１００…排気室、３１，１０１…内筒、３２…排気ケーシング、３３，１０２…排気流路、５０，５０ａ，５０ｂ，１０３，１０３ａ，１０３ｂ…ストラット、６０…ケーシング、７０…タービンロータ、８０…圧縮機ロータ、９０…燃焼器、９１…トランジションピース、１１０…前縁、１１５…基礎台、１１６…支持部、１２０…鉛直下方溝部、１２１，１５１…溝、１３０…ベローズ構造部、１４０…面接触構造部、１５０…水平方向溝部。

Claims (8)

1. 複数段のタービン段落を備え、タービンロータに沿う方向に流れる作動流体によって回転駆動されるタービン部と、
   タービンロータの周囲にタービンロータ軸方向に沿って配置された内筒と前記内筒の外周を包囲するように配置されたケーシングとの間に形成された、最終の前記タービン段落を通過した作動流体が流れる環状の排気流路を有する排気室と、
   前記内筒と前記ケーシングとの間に設けられ、前記内筒を鉛直下方から支持する第１の支持構造物と、
   前記内筒と前記ケーシングとの間において、前記第１の支持構造物が設けられた前記内筒の鉛直下方位置から水平方向位置までの間に、半径方向に亘って設けられ、前記第１の支持構造物よりも周方向の厚さが薄い第２の支持構造物と
   を具備することを特徴とする軸流タービン。
2. タービンロータ軸に垂直な、前記排気室の断面において、タービンロータ軸を通る鉛直方向の直線を対称軸として線対称となる位置に、前記第２の支持構造物がそれぞれ一つずつ備えられていることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
3. タービンロータ軸に垂直な、前記排気室の断面において、タービンロータ軸を中心とし、当該中心から鉛直下方に延びる鉛直下方線と前記第２の支持構造物の半径方向中心線とがなす角が４５〜９０度であることを特徴とする請求項１または２記載の軸流タービン。
4. 前記第２の支持構造物の半径方向中心線上に、前記ケーシングと接触して外部から前記ケーシングを支持する、基礎台の支持部が位置することを特徴とする請求項３記載の軸流タービン。
5. 前記ケーシングが、
   前記内筒の鉛直下方で、かつ半径方向外側に向かって前記ケーシングから突出し、かつ前記第１の支持構造物を構成する材料よりも線膨張率が大きな材料で構成された鉛直下方溝部を備え、
   前記第１の支持構造物の一端が、前記鉛直下方溝部の底部に接合されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の軸流タービン。
6. 前記第２の支持構造物が、前記第２の支持構造物が設けられた半径方向の伸縮を吸収するベローズ構造部を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の軸流タービン。
7. 前記第２の支持構造物が、前記第２の支持構造物が設けられた半径方向の伸縮を吸収する面接触構造部を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の軸流タービン。
8. 前記ケーシングが、
   前記ケーシングを上半側および下半側に分割する分割水平方向で、かつ半径方向外側に向かって前記ケーシングから突出し、前記第２の支持構造物を構成する材料よりも線膨張率が大きな材料で構成された水平方向溝部を備え、
   前記第２の支持構造物の一端が、前記水平方向溝部の底部に接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の軸流タービン。

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