JP2015007379A - 蒸気タービン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼面上の水膜を効率よく分離・排出することが可能であり、エロージョンによる動翼の浸食を低減できる蒸気タービンのダイアフラムを提供する。
【解決手段】ダイアフラム外輪、ダイアフラム内輪、翼面スリットおよび翼面スリットと連通する中空部１a有する静翼を備える蒸気タービン装置において、ダイアフラム外輪下半部２ｂの底部側に設置された下半用排出管７ｂとダイアフラム外輪下半部の水平面側に設置された上半用排出管７aを備え、上半側２ｂに設置された静翼中空部は、ダイアフラム内輪内に形成された中空部３０aと連通し、下半側に設置された静翼中空部は、ダイアフラム外輪内に形成された中空部２０ｂと連通し、水平部に設置された静翼の中空部は、ダイアフラム外輪内に形成された中空部およびダイアフラム内輪内に形成された中空部と連通し、ダイアフラム内輪部に形成された中空部は、水平部に設置された静翼よりも底部側が封止されている。
【選択図】図３

Description

本発明は蒸気タービン装置に係わり、特に蒸気タービン装置のノズルダイアフラムに関する。

低圧タービンの最終段落やその１〜２段前の段落では、一般的に圧力が非常に低いため、作動流体である蒸気は液化した微細な水滴（水滴核）を含む湿り蒸気状態となっている。凝結して翼面に付着した水滴核は、合体して翼面上で液膜を形成する。さらにその液膜は、作動流体主流の蒸気により引きちぎられ、始めの水滴核に比べ遥かに大きな粗大水滴として下流に噴霧される。この粗大水滴はその後、主流蒸気により多少微細化されるものの、ある程度の大きさを保ちながら流下する。そして、粗大水滴はその慣性力のために気体の蒸気のように流路に沿って急激に転向することができず、下流の動翼に高速で衝突し、翼表面を侵食するエロージョンの原因になったり、タービン翼の回転を妨げ損失の原因になったりする。

これに対し従来から、エロージョン現象による浸食作用を防止するため、動翼前縁の先端部をステライト等の硬く強度の高い材料でできたシールド材で被覆している。ただし、近年の蒸気タービンは長翼化の傾向にあり、動翼の先端部は非常に薄く、その加工性の問題からシールド材を必ず設置できるわけではなく、また、一般に翼面を保護するだけではエロージョン対策として完全ではないため、通常は、他のエロージョン対策方法と併用される。

一般にエロージョンの影響を低減するには、液滴自体を除去することが最も効果的である。例えば、特許文献１に示すように、内部を低圧にした中空部（空洞）を有する静翼の翼面に翼面上の水膜（ドレン）を吸い込むスリットを設けた構造が提案されている。また、特許文献１では、ノズルダイアフラムの内外輪の中空部を用いてスリットから吸引したドレンを復水器等の低圧部へ排出する構造が用いられている。

特開平３−１８９３０２号公報

特許文献１では、スリットより吸引してダイアフラム内輪の中空部に流入した上半のドレンは、水平面の連通孔を経由して下半のダイアフラム内輪最下部へと到達し、最下部の翼内に設置した内外輪連通路を経由してドレンをダイアフラム外輪へと排出している。そのため、ダイアフラム内輪の下半中空部および最下部の翼へドレンが集中し、スリットの吸引力が周方向で不均一になり、ドレンの排出を効率よくできないおそれがある。

そこで、本発明の目的は、スリットからの吸引力を全周においてより均一化し、翼面上の水膜を効率よく分離・排出することが可能であり、エロージョンによる動翼の浸食を低減できる蒸気タービン装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、円環状のダイアフラム外輪と、該ダイアフラム外輪の内周側に設けられた、円環状のダイアフラム内輪と、翼壁面に設けられたスリット、および翼内部に設けられスリットと連通する中空部を有し、ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に周方向に複数設置された静翼と、を備える蒸気タービン装置において、ダイアフラム外輪下半部の底部側に設置され、ダイアフラム外輪内に形成された中空部と連通する下半用排出管と、ダイアフラム外輪下半部の水平面側に設置され、ダイアフラム外輪内に形成された中空部と連通する上半用排出管とを備え、上半側に設置された静翼の中空部は、ダイアフラム内輪内に形成された中空部と連通し、下半側に設置された静翼の中空部は、ダイアフラム外輪内の中空部と連通し、水平部に設置された静翼の中空部は、ダイアフラム外輪内の中空部およびダイアフラム内輪内の中空部と連通し、ダイアフラム内輪部に形成された中空部は、水平部に設置された静翼よりも底部側が封止されていることを特徴とする。

本発明によれば、分離したドレンの排出をより分散可能であるため、スリットからの吸引力も全周においてより均一化することが可能であり、翼面上から吸引分離したドレンを効率よく排出できる。よって、エロージョンによる動翼の浸食を低減できる。

従来の蒸気タービンの段落と、静翼面上を流れる水膜の様子を説明する模式図である。 図１のＡ−Ａ断面位置での、従来のドレン排出構造を示す蒸気タービンのノズルダイアフラムの概略説明図である。 本発明の第１の実施例の蒸気タービンのノズルダイアフラム構造を概略的に表した説明図である。 本発明の第２の実施例の蒸気タービンのノズルダイアフラム構造を概略的に表した説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明が適用される蒸気タービンについて、図１を用いて説明する。なお、以下の実施例では、本発明を蒸気タービン（低圧蒸気タービン）の最終段のタービン段落部に適用した場合について説明しているが、本発明の効果は、最終段落に限定されるものではない。即ち、湿り蒸気環境下にある蒸気タービン段落であれば本発明を適用することにより同様な効果を得ることができる。

図１に示すように、蒸気タービン（軸流タービン）のタービン段落は、作動流体流れ方向上流側の高圧部と作動流体流れ方向下流側の低圧部との間に設けられている。タービン段落（最終段）は、静翼１と動翼４とから構成される。タービンケーシング（図示省略）の内周側に円環状のダイアフラム外輪２が固設され、ダイアフラム外輪２の内周側に円環状のダイアフラム内輪３が設けられている。静翼１は、ダイアフラム外輪２と、ダイアフラム内輪３との間に周方向に複数枚固設されている。動翼４はタービン中心軸周りに回転するタービンロータの外周に設けられたディスク５に周方向に複数枚取り付けられている。図１では、最終段落のみ図示しているが、静翼と動翼から構成されるタービン段落が作動流体流れ方向に複数回繰り返されて設けられている。最終段を出た蒸気流は排気室（図示省略）を通って復水器（図示省略）に導かれる。

このような蒸気タービンの段落構造において、タービン翼面上での水膜と液滴発生の様子を、図１を用いて簡単に説明する。なお、図１には特に動翼４へのエロージョン発生要因となる翼先端側の水膜の流れ６のみを示している。低圧タービン等において、作動流体である蒸気主流が湿り蒸気状態となった場合、蒸気主流中に含まれる水滴が静翼１に付着し、この水滴が翼面上で寄せ集まって水膜６が形成される。この水膜は、気体蒸気との界面における圧力とせん断力の合力で決まる力の方向に流れ、静翼の後縁端近傍まで移動し、翼後縁端から水滴６０となって飛散する。飛散した水滴６０は下流に設けられた動翼４に衝突し、動翼表面を侵食するエロージョンの原因になったり、動翼の回転を妨げる湿り損失の原因になったりする。

そこで、静翼１の翼面には翼面上に水滴として付着し水滴が集積して形成された水膜を翼内部に導く翼面スリット１０が半径方向に延びるように複数段（複数列）設けられている。静翼１の内部は中空構造となっており、その中空部は、ダイアフラム外輪２の中空部２０およびダイアフラム内輪３の中空部３０とそれぞれ外輪連通孔２１と内輪連通孔３１により連通している。また、ダイアフラム外輪２の内壁面にも外輪スリット１１を設置し、外輪中空部２０と連通させる場合もある。なお、スリット１１は静翼の上流、下流および静翼間などの位置にこだわらない。

次に図１の一点鎖線で示すＡ−Ａ断面位置での従来のドレン排出構造を図２に示す。ダイアフラム外輪中空部２０および内輪中空部３０は水平面９にて上半と下半がそれぞれ水平面外輪連通孔２ｃと水平面内輪連通孔３ｃにて接続されており、下半の外輪中空部２０ｂと 低圧側の排気室（図示省略）が排出管７を介して連通している。このため、静翼内部の中空部の圧力は、静翼翼面側の圧力よりも低い圧力となっている。即ち、翼面スリット１０の翼面側の圧力は、中空部の圧力よりも大きいことになり、この圧力差により、静翼翼面上の水膜は、スリット１０を介して静翼内部の中空部に取り込まれ、蒸気流路より分離される。また、ダイアフラム外輪２の内壁面に設置した外輪スリット１１においても外輪中空部２０と連通しているため、ダイアフラム外輪２の内壁面に付着した水膜を蒸気流路より分離することができる。

従来の構造では、排出管７は下半の最底部付近に設置されており、上半および下半のスリット１０，１１より吸引された水膜はドレンとなって排出管７に集中し、排出管７の閉塞や蒸気流路からの水膜吸引力の低下および周方向の水膜吸引力が不均一化する可能性がある。

そこで、本発明では、下半の水平面付近に排出管を設置し、上半からの吸引ドレンは主にダイアフラム内輪の中空部を利用して吸引分離して下半水平面近傍の排出管より排出し、下半の吸引ドレンは下半の最底部付近に設置した排出管より排出する構造とする。また、下半のダイアフラム内輪中空部は水平面付近以外を閉止し、ドレンが溜まらない構造とする。

このように、本発明では、静翼の中空部とフラムの内外輪が連通する位置を上下半の位置に応じて設定することにより、水膜を周方向で均一に分離し、ドレンの流れを分散させることで効率的に排出することができるようにしたものである。以下に本発明の実施例について説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。図３は、本発明を図１のダイアフラム外輪２および内輪３に適用した場合の構成を表した説明図であり、図１の一点鎖線で示すＡ−Ａ位置でのタービン出口側から見た断面図である。

図３に示すように、本実施例のダイアフラム外輪およびダイアフラム内輪は、上半部と下半部で静翼１の中空部１ａと外輪中空部および内輪中空部との連通孔配置が異なる構造になっている。また、下半のダイアフラム外輪２ｂの水平面付近の両脇にはドレンの上半用排出管７ａが、図示しないタービンの内車室水平フランジと干渉しない位置に設置されている。ここで、ダイアフラム上半部と下半部に分けて、それぞれの静翼１の中空部１ａとダイアフラムの内外輪との連通構造について説明する。

上半のダイアフラム外輪２ａの中空部２０ａは、水平面付近の数本分の静翼のみ外輪連通孔２１ａにて静翼中空部１ａと連通している。また、上半のダイアフラム内輪３ａの中空部３０ａは、上半全ての静翼中空部１ａと内輪連通孔３１ａにて連通している。水平面９では、外輪中空部２０ａおよび内輪中空部３０ａは、それぞれ水平面外輪連通孔２ｃと水平面内輪連通孔３ｃにて下半ダイアフラムの中空部と連通している。

次に下半のダイアフラム外輪２ｂの中空部２０ｂは、下半部全ての静翼と外輪連通孔２１ｂにて静翼中空部１ａと連通している。また、下半のダイアフラム内輪３ｂの中空部３０ｂは、水平面付近の数本分の静翼のみ内輪連通孔３１ｂにて静翼中空部１ａと連通し、それよりも底部側の内輪中空部３０ｂは内輪閉止板８にて封止され、吸引したドレンが流入しない構造になっている。

また、下半のダイアフラム外輪のタービンの内車室水平フランジと干渉しない水平面付近の両脇にドレンの上半用排出管７ａを、下半部の最底部付近に下半用排出管７ｂを設置し、中空部２０ｂと連通させている。上半用排出管７ａおよび下半用排出管７ｂは、それぞれ、低圧側の排気室（図示省略）に連通している。

本実施例によれば、上半部に設置された静翼の翼面スリット１０より分離したドレンは、静翼１の中空部１ａからダイアフラム内輪中空部３０ａへ流下し、上半部、下半部の水平面付近の静翼１の中空部１ａを通って外輪中空部２０ｂへ至る。その後、水平面近傍の上半用排出管７ａにて復水器へ排出され、一部は下半部の最底部付近の下半用排出管７ｂより復水器へ排出される。一方、下半部に設置された静翼の翼面スリット１０より分離したドレンは、静翼１の中空部１ａからダイアフラム外輪中空部２０ｂへ至り、その大部分は下半部の最底部付近の下半用排出管７ｂより復水器へ排出される。

また、ダイアフラム外輪２の内壁面に付着した水膜を除去するスリット１１により分離した上半部のドレンはダイアフラム内輪中空部３０ａから上半用排出管７ａにて復水器へ排出される。同様に下半部のドレンの大部分は外輪中空部２０ｂを通って下半最底部付近の下半用排出管７ｂより復水器へ排出される。

本実施例の構造とすることによって静翼面およびダイアフラム外輪の内壁面から分離したドレンの流路を分散できるため、効率良く復水器へ排出できる。また、本実施例によれば翼面スリットからの吸引力を従来構造よりも周方向で均一化できるため、排出管から遠いスリットの分離率の低下も防止できる。よって、壁面に付着した液滴を効率よく除去してエロージョンによる動翼の浸食を低減できる。更に、水平面付近の排出管７ａを下半に設置しているため、タービンの分解組立時においても支障なく上半ケーシングの開放が可能である。

次に、本発明の第２の実施例について図４を用いて説明する。本実施例の構成、動作の詳細を実施例１と異なる点を中心に説明する。

本実施例では、下半部の水平面近傍に設置した上半用排出管７ａよりも下側の外輪中空部２０ｂに外輪閉止板８ａを設置している。ダイアフラム外輪の中空部内は、外輪閉止板８ａによって閉止されて、上半用排出管よりも上側の中空部と、上半用排出管より底部側の中空部に仕切られており、上半部からのドレンが下半最底部へ流入しない構造になっている。

本実施例の構造とすることによって、静翼面およびダイアフラム外輪２の内壁面から分離したドレンの排出を明確に３区画に分散できるため、水平面付近を除く下半部のドレンは下半最底部付近の下半用排出管７より、上半部および水平面付近のドレンは左右の水平面近傍の上半用排出管７ａより効率良く復水器へ排出できる。

１ 静翼
１ａ 静翼中空部
２ ダイアフラム外輪
２ａ 上半のダイアフラム外輪
２ｂ 下半のダイアフラム外輪
２ｃ 水平面外輪連通孔
３ ダイアフラム内輪
３ａ 上半のダイアフラム内輪
３ｂ 下半のダイアフラム内輪
３ｃ 水平面内輪連通孔
４ 動翼
５ ディスク
６ 水膜流れ
７ 排出管
７ａ 上半用排出管
７ｂ 下半用排出管
８ 内輪閉止板
８ａ 外輪閉止板
９ 水平面
１０ 翼面スリット
１１ 外輪スリット
２０ 外輪中空部
２０ａ 上半の外輪中空部
２０ｂ 下半の外輪中空部
２１ 外輪連通孔
２１ａ 上半の外輪連通孔
２１ｂ 下半の外輪連通孔
３０ 内輪中空部
３０ａ 上半の内輪中空部
３０ｂ 下半の内輪中空部
３１ 内輪連通孔
３１ａ 上半の内輪連通孔
３１ｂ 下半の内輪連通孔

Claims (2)

1. 円環状のダイアフラム外輪と、
   該ダイアフラム外輪の内周側に設けられた、円環状のダイアフラム内輪と、
   翼壁面に設けられたスリット、および翼内部に設けられ前記スリットと連通する中空部を有し、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に周方向に複数設置された静翼と、を備える蒸気タービン装置であって、
   前記ダイアフラム外輪下半部の底部側に設置され、ダイアフラム外輪内に形成された中空部と連通する下半用排出管と、
   前記ダイアフラム外輪下半部の水平面側に設置され、ダイアフラム外輪内に形成された中空部と連通する上半用排出管とを備え、
   上半側に設置された前記静翼の中空部は、前記ダイアフラム内輪内に形成された中空部と連通し、
   下半側に設置された前記静翼の中空部は、前記ダイアフラム外輪内の中空部と連通し、
   水平部に設置された前記静翼の中空部は、前記ダイアフラム外輪内の中空部および前記ダイアフラム内輪内の中空部と連通し、
   前記ダイアフラム内輪部に形成された中空部は、前記水平部に設置された静翼よりも底部側が封止されていることを特徴とする蒸気タービン装置。
2. 請求項１に記載の蒸気タービン装置において、
   前記ダイアフラム外輪の中空部内は、前記上半用排出管よりも上側の中空部と、前記上半用排出管より底部側の中空部に仕切られていることを特徴とする蒸気タービン装置。