JP2015098827A - 蒸気タービンの排気室 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を複雑化することなく、プラント運転状態の変化に対応しながら、高いディフューザ効果を得ることができる蒸気タービンの排気室を提供する。【解決手段】蒸気タービン１００の排気室５は、ディフューザ流路３と、プラズマアクチュエータ６を備える。ディフューザ流路３は、最終段動翼８の下流側に設けられた筒状のスチームガイド４とスチームガイド４の内側に設けられたベアリングコーン２とで形成され、復水器へつながる。プラズマアクチュエータ６は、ディフューザ流路３側のスチームガイド４に設けられ、印加される電圧に応じてディフューザ流路３を流れる流体を加速する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、蒸気タービンの排気室に関する。

一般的に、流体が壁面に沿って流れるとき、壁面の近傍では壁面と流体との摩擦などによって、壁面には境界層が発達する。この境界層とは、壁面から鉛直方向に速度勾配を持つ領域である。

蒸気タービンにおいてスチームガイドなどの排気室内の部材が大きな曲率をもって形成される場合、流体がその壁面に沿って流れることが困難になり、境界層が大きく発達する。境界層が発達し、流れ方向の圧力勾配が正となると、壁面の近傍において逆流が発生する。このような流れの状態を、流れの剥離と称する。

このような流れの剥離がスチームガイド上で発生すると、有効流路面積が縮小するため、排気室におけるディフューザ効果が小さくなる。そのため充分な圧力回復が確保できず、低圧蒸気タービンの効率が低下するという問題がある。

なお、境界層は、流速が主流の平均流速の９９％以下となる領域である。また、境界層が発達するとは、境界層の厚さが厚くなることである。

以上のような問題に対し、第１に、ディフューザ流路を形成するスチームガイドの接合部の管径を動翼の回転半径以下とすることにより、排気室の入口部において、ディフューザ流路での境界層の発達を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

第２に、主流中に置かれた突起物により縦渦を生成させ、主流を層流から乱流に強制的に遷移させ、乱流の持つ運動エネルギにより、流れの剥離を抑制する手法が知られている。これはボルテックスジェネレータと呼ばれ、航空分野や自動車分野に適用事例がある。

第３に、壁面に設置された通気可能な孔（吸込孔又は噴出孔）から、流体を吸込むあるいは噴出すことで、境界層内へエネルギを与え、剥離を抑制する手法が知られている。本手法も境界層の剥離を抑制する従来技術である。

特開２００９−１３３２５４号公報

特許文献１に開示されるような第１の従来技術を蒸気タービンの排気室に適用する場合には、排気室入口形状によって剥離抑制効果が得られる条件が、設計時点でのプラント運転負荷に限られてしまう。

また、第２の従来技術（ボルテックスジェネレータ）を蒸気タービンの排気室に適用する場合には、ボルテックスジェネレータの形状、取り付け位置によって剥離抑制効果が得られる条件が、設計時点でのプラント運転状態に限られてしまう。

このように、第１及び第２の従来技術では、プラント運転状態の変化に伴うスチームガイド上の流れ場の変化には対応できないという問題があった。

一方、第３の従来技術（吸込孔又は噴出孔）を、蒸気タービン排気室におけるスチームガイドへ適用する場合には、流体を吸込むあるいは噴出する流路を設ける必要があり、排気室内部の構造を複雑化させてしまうという問題があった。

本発明の目的は、構造を複雑化することなく、プラント運転状態の変化に対応しながら、高いディフューザ効果を得ることができる蒸気タービンの排気室を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、最終段動翼の下流側に設けられた筒状のスチームガイドと前記スチームガイドの内側に設けられたベアリングコーンとで形成され、復水器へつながるディフューザ流路と、前記ディフューザ流路側の前記スチームガイドに設けられ、印加される電圧に応じて前記ディフューザ流路を流れる流体を加速するプラズマアクチュエータと、を備えるようにしたものである。

本発明によれば、構造を複雑化することなく、プラント運転状態の変化に対応しながら、高いディフューザ効果を得ることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室の構造を模式的に示す断面図である（流体加速前）。 本発明の第１の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室の構造を模式的に示す断面図である（流体加速後）。 本発明の第１の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室に用いられるプラズマアクチュエータの構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室に用いられるプラズマアクチュエータを、周方向に一周するように設置した例を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室に用いられるプラズマアクチュエータを、複数に分割して設置した例を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室に用いられるプラズマアクチュエータを、スチームガイドの下半面に設置した例を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室に用いられるプラズマアクチュエータの流路方向配置図である。 本発明の第３の実施形態に係わる蒸気タービンに用いられるプラズマアクチュエータの周方向配置図である。 本発明の第４の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室に用いられるプラズマアクチュエータをスチームガイド上の複数個所に配置した例を示す断面図である（流体加速前）。 本発明の第４の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室に用いられるプラズマアクチュエータをスチームガイド上の複数個所に配置した例を示す断面図である（流体加速後）。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室を説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付すものとする。

（第１の実施形態）
最初に、図１を用いて、本発明の第１の実施形態に係わる蒸気タービンの排気室の構成を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係わる蒸気タービン１００の最終段近傍から排気室５に至る、下半側の構造を模式的に示す断面図である。

図１Ａに示すように、作動流体である蒸気９は、蒸気タービン１００（低圧蒸気タービン１００）の最終段における静翼７および動翼８を通過し、ロータ１を駆動させる。蒸気タービン１００の排気室５は、その後の排気を下方に設けた復水器（図示せず）に導くものである。

このタービン排気室５（排気室５）は、蒸気タービン１００の最終段動翼出口（下流側）において、外周側に設けられた筒状（ラッパ形状）のスチームガイド４と内周側に設けられたベアリングコーン２とで形成されるディフューザ流路３（環帯ディフューザ流路３）を備える。なお、ディフューザ流路３は復水器につながっている。

ディフューザ流路３内の流れ場は、一般にはベアリングコーン２側とスチームガイド４側で異なる。ディフューザ流路３は曲率を持つため、具体的には、ベアリングコーン２側の壁面では流れが加速し、スチームガイド４側の壁面では流れが減速する。スチームガイド４側の壁面での減速された流れは、やがて剥離を生じる。

前述のような、タービン排気室５内におけるスチームガイド４上での流れの剥離は圧力損失を生じ、排気損失を増大させてしまう。

こうした流れの剥離を抑制するために、本実施形態におけるタービン排気室５内には、スチームガイド４の内側に流体加速部としてプラズマアクチュエータ６を備える。これにより、図１Ｂに示すように、スチームガイド４側の流体が加速される。さらに、そのアクチュエータ６へ印加する電圧を変化させることで、加速される流れの速度を可変とする。

次に、図２を用いて、本発明の第１の実施形態である蒸気タービン１００に用いられるプラズマアクチュエータ６の構成を説明する。図２は、排気室５内のスチームガイド４のディフューザ流路３側に設置する、流体加速部であるプラズマアクチュエータ６の構造を模式的に示す断面図の例である。

プラズマアクチュエータ６は、誘電体１２と電極１０（電極Ａ）および電極１１（電極Ｂ）から成る。誘電体１２は電極１０と電極１１で挟まれている。本構成をプラズマアクチュエータ６の単数として数える。

プラズマアクチュエータ６を駆動するためには、電極１０と電極１１の間にkVオーダーの交流電圧を印加する。交流電圧の印加には、交流電源１５を用いる。これにより、誘電体１２の表面近傍に誘電体バリア放電によるプラズマ１３が生じ、電極１０の上部空間から誘電体表面に沿うように、一方向の誘起流れ１４を生成することが可能である。

本実施形態において使用するプラズマアクチュエータ６では、電極１０、１１に銅等の導電性物質、誘電体１２にポリイミド樹脂を使用する。例えば、銅やポリイミド樹脂は、厚さ数十μmの非常に薄いテープやフィルム状に加工したものを使用する。

これらの材料を使用することで、プラズマアクチュエータ６の厚さ（短手方向の長さ）はmm、長さ（長手方向の長さ）はcmのオーダーに収まり、スチームガイド４上に形成される境界層に対しては、ほとんど無視できる。

また、誘電体１２に使用するポリイミド樹脂は撥水性が高く、蒸気タービン１００のスチームガイド４上に形成される水膜に対し、プラズマアクチュエータ６の耐腐食性の向上に寄与することが可能である。

さらに、電極１１をスチームガイド４の一部として用いることで、スチームガイド４上へ取り付ける際のプラズマアクチュエータ６の構造が、より簡略化される。すなわち、本実施形態では、電極１１は、スチームガイド４に埋設される。

なお、電極１０と電極１１の間に印加する交流電圧の大きさを変化させることで、プラズマアクチュエータ６によって誘起される流れの流速は、おおよそ数m/sから数十m/s程度の流速となる。これにより、プラズマアクチュエータ６は、印加される電圧に応じてディフューザ流路３を流れる流体（蒸気）を加速する。

この誘起される流速は、定格運転時のスチームガイド４上の流速に対して１割から２割程度を有しているため、プラントの運転変化によって生じる剥離を抑制するには十分な誘起流速である。

実際のプラントでは、その運転状態の変化に応じて、スチームガイド４上の流れ場(流速、境界層の厚さ)も変化する。つまり、プラント運転状態の変化に追従するように、プラズマアクチュエータ６へ印加する電圧を変化させることで誘起流速を変化させ、様々なプラント運転負荷状態において、排気損失の低減が可能となる。

なお、電極１０は、誘電体１２のディフューザ流路３側かつ上流側に配置され、電極１１は、誘電体１２のディフューザ流路２と反対側かつ下流側に配置される。

流体加速部であるプラズマアクチュエータ６をスチームガイド４の壁面に貼り付ける際の、周方向の貼り付け方法は複数考えられる。図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本実施形態の流体加速部として採用したプラズマアクチュエータ６を、タービン排気室５内のスチームガイド４内側へ設置した例を示す概略図である。

図３Ａでは、本実施形態の流体加速部として採用したプラズマアクチュエータ６が、ディフューザ流路３を周方向に一周するように設けられ、かつ、プラズマアクチュエータ６が誘起する流れが、ディフューザ流路３を流れる蒸気の流れ方向となるように設けられている。なお、図３Ａに示すように、プラズマアクチュエータ６は、スチームガイド４の周方向に延在している。

図３Ｂは、プラズマアクチュエータ６を、ディフューザ流路３の周方向に一周するように設ける場合に、複数に分割して設置することを図示した概略図である。これにより、プラズマアクチュエータ６をディフューザ流路３内に取付ける際に、作業性の向上が見込まれる。

図３Ｃは、プラズマアクチュエータ６を、スチームガイド４の下半面に設置することを図示した概略図である。下方排気型の排気室形状の場合、ディフューザ流路３の曲率半径はディフューザ流路上半面よりも下半面の方が大きいため、取付け作業の短縮と剥離抑制の向上が見込まれる。

以上説明したように、本実施形態によれば、構造を複雑化することなく、プラント運転状態の変化に対応しながら、高いディフューザ効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係わるタービン排気室５について説明する。

流体加速部であるプラズマアクチュエータ６をスチームガイド４の壁面に貼り付ける際の、流路方向の貼り付け位置も複数考えられる。図４は、三次元流れ解析結果から得られるスチームガイド４近傍の流れ場を基に決定した、プラズマアクチュエータ流路方向取付け位置範囲１６を示す。

三次元流れ解析結果によると、本プラズマアクチュエータ６を、スチームガイド４上の曲率半径に対し、軸方向（ロータ１の軸方向）を基準として30度から60度の範囲に設置することで、定格運転時にディフューザ流路３内に生じる剥離を抑制し、有効流路面積を確保することが可能となる。低負荷運転時には剥離点が上流側へ移動するが、前述の角度範囲を大きく逸脱することはないと考えられる。

なお、プラズマアクチュエータ６そのものが突起物として、元々のスチームガイド４上の流れを乱すものではない。さらに、プラズマアクチュエータ６をスチームガイド４上に埋め込むことで、突起物としての影響は無視できる程度となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、構造を複雑化することなく、プラント運転状態の変化に対応しながら、高いディフューザ効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係わるタービン排気室５について説明する。流体加速部であるプラズマアクチュエータ６をスチームガイド４の壁面に貼り付ける際の、周方向の貼り付け位置も複数考えられる。図５は、三次元流れ解析結果から得られるスチームガイド４近傍の流れ場を基に決定した、プラズマアクチュエータ周方向取付け位置範囲１７を示す。

三次元流れ解析結果によると、本プラズマアクチュエータ６を、スチームガイド４上の軸中心に対し、下半面の左右60度の範囲に設置することで、定格運転時にディフューザ流路３内に生じる剥離を抑制し、有効流路面積を確保することが可能となる。

すなわち、本実施形態では、プラズマアクチュエータ６は、スチームガイド４の周方向にロータ１の軸の鉛直下方向を基準として−60度から60度の範囲に設けられる。低負荷運転時には剥離領域が軸中心に対して左右に拡大するが、少なくとも前述の角度範囲内にプラズマアクチュエータ６を設置することで、スチームガイド４上の剥離を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、構造を複雑化することなく、プラント運転状態の変化に対応しながら、高いディフューザ効果を得ることができる。

（変形例）
さらに、本実施形態のタービン排気室５の第２の実施形態および第３の実施形態を同時に満たすように配置することも可能となる。流体加速部であるプラズマアクチュエータ６を、スチームガイド４上の曲率半径に対し、軸方向を基準として30度から60度の範囲に、且つ、スチームガイド４上の軸中心に対し、下半面の左右60度の範囲に設置することで、ディフューザ流路３内のスチームガイド４上の剥離を抑制し、最も大きい有効流路面積を確保することが可能となる。

（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係わる蒸気タービン１００の排気室５において、プラズマアクチュエータ６をスチームガイド４上の複数個所に配置した例を示す断面図である。

図６Ａに示すにように、プラズマアクチュエータ６を、流路方向に複数配置する場合、例えばスチームガイド４上の曲率半径に対し、軸方向を基準として30度から60度の範囲内において、最上流側（１番目）のプラズマアクチュエータ６_１は軸方向を基準として60度付近に、２番目のプラズマアクチュエータ６_２は軸方向を基準として30度付近に配置する。２番目のプラズマアクチュエータ６_２は１番目のアクチュエータ６_１よりも下流側に、１番目のアクチュエータ６_１と離して配置する。これにより、図６Ｂに示すように、スチームガイド４側の流体が２段階で加速される。

図６Ａに示すプラズマアクチュエータ６（６_１、６_２）の配置では、スチームガイド４上に取り付けるプラズマアクチュエータ６が単数の場合よりも、ディフューザ流路３内に対するプラズマアクチュエータ６の作動範囲が広がり、プラント運転の変化に応じて変化する剥離位置に対し、適宜適切な位置におけるプラズマアクチュエータ６を作動させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、流体加速部であるプラズマアクチュエータ６を蒸気タービン１００の排気室５に適用することで、発電プラントの部分負荷運転等の変動に対応しながら、ディフューザ性能の向上が可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

例えば、第４の実施形態では、スチームガイド４上に２個のプラズマアクチュエータ６（６_１、６_２）を配置したが、その数は２個以上であってもよい。

１…ロータ
２…ベアリングコーン
３…ディフューザ流路（環帯ディフューザ流路）
４…スチームガイド
５…排気室（タービン排気室）
６…プラズマアクチュエータ
７…最終段静翼
８…最終段動翼
９…蒸気
１０…電極A
１１…電極B
１２…誘電体
１３…プラズマ
１４…誘起流れ
１５…交流電源
１６…プラズマアクチュエータ流路方向取付け位置範囲
１７…プラズマアクチュエータ周方向取付け位置範囲
１００…蒸気タービン（低圧蒸気タービン）

Claims (7)

1. 最終段動翼の下流側に設けられた筒状のスチームガイドと前記スチームガイドの内側に設けられたベアリングコーンとで形成され、復水器へつながるディフューザ流路と、
   前記ディフューザ流路側の前記スチームガイドに設けられ、印加される電圧に応じて前記ディフューザ流路を流れる流体を加速するプラズマアクチュエータと、
   を備えることを特徴とする蒸気タービンの排気室。
2. 請求項１に記載の蒸気タービンの排気室であって、
   前記プラズマアクチュエータは、
   前記スチームガイドの周方向に延在し、かつ、
   前記スチームガイドの曲率半径に対し、ロータの軸方向を基準として30度から60度の範囲に設けられる
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気室。
3. 請求項２に記載の蒸気タービンの排気室であって、
   前記プラズマアクチュエータは、
   前記スチームガイドの周方向に前記ロータの鉛直下方向を基準として−60度から60度の範囲に設けられる
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気室。
4. 請求項１に記載の蒸気タービンの排気室であって、
   前記プラズマアクチュエータは、
   第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極に挟まれた誘電体と、を備え、
   前記第１の電極は、
   前記誘電体の前記ディフューザ流路側かつ上流側に配置され、
   前記第２の電極は、
   前記誘電体の前記ディフューザ流路と反対側かつ下流側に配置される
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気室。
5. 請求項４に記載の蒸気タービンの排気室であって、
   前記プラズマアクチュエータは、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間の誘電体バリア放電により前記流体を前記復水器へ向かう方向へ加速する
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気室。
6. 請求項４に記載の蒸気タービンの排気室であって、
   前記第２の電極は、
   前記スチームガイドに埋設される
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気室。
7. 請求項２に記載の蒸気タービンの排気室であって、
   前記プラズマアクチュエータは、
   少なくとも２つあり、
   第１のプラズマアクチュエータは、
   前記スチームガイドの上流側に設けられ、
   第２のプラズマアクチュエータは、
   前記スチームガイドの下流側に設けられる
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気室。

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