JP2015101971A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】湿り蒸気によって生成される水滴の衝突に基因するエロージョンによる動翼の浸食作用を低減し、信頼性を高め、タービン効率の低下を防止することができる蒸気タービンを提供する。
【解決手段】静翼１の本体部５を金属板を塑性加工して中空翼状に形成したものとする。また、静翼１の翼尾部のうち上方部８において、中空翼本体と接合した時に、翼面に付着した液滴が中空翼内に導けるよう、この金属板の内面側に凹面状の掘り込み部２７とリブ２８とを設けた金属板の翼腹側にスリット加工を施してスリット２５，２６を形成する。更に、この金属板の掘り込み部２７を、背側金属板によって翼背側から背側凸部２９で蓋をするように覆うことで、中空翼の翼尾部を形成して、これらの金属板を溶接によって本体部５と接合することによって形成されたものとする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、蒸気タービンに関する。

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。この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に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。あるいは、特許文献１のように翼の前縁部表面に様々な凹凸加工をして粗面を形成することにより、液滴衝突時の衝撃力を緩和する方法がある。
ただし、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。この方法の一例として特許文献２及び特許文献３に示すような、液滴を除去するために中空静翼とその翼表面にスリットを設けて中空静翼内を減圧して液膜を吸引する方法が用いられている。これらのスリットは中空構造を有する静翼構造の翼表面に直接加工される場合が多い。また、特許文献４に記載されているように、スリット部を別部材として加工し静翼に取り付ける方法もある。

実開昭６１−１４２１０２号公報 特開平１−１１０８１２号公報 特開平１１−３３６５０３号公報 特開２００７−２３８９５号公報

ここで、一般的には、翼後縁を含む翼の翼尾部は肉厚が少ない尖鋭形状になっている。そのため静翼の中空構造を一枚の板を曲げ翼尾部で結合することで形成する場合や、中実材の内部をくりぬいて中空部を形成する場合のどちらの場合でも、特許文献２および特許文献３のような翼表面から翼中空領域に到達できるスリットは、加工の問題で、翼後縁からある程度離れた位置に加工せざるを得なかった。

また、特許文献４に記載されているようにスリット部を別部材として加工し静翼に取り付ける方法に関しても、尖鋭な翼尾形状を得るとともに、スリットから中空部に液滴を導く経路を確保するためにはスリット施工位置は前記の例と同様にある程度翼後縁から離す必要があった。

一方、液膜を効率良く除去するためには、スリット位置は重要な要因になる。例えば、静翼の下流側では蒸気流速は増速するため、翼面上に集積する湿分は増加する。このため、スリット位置が従来のスリット加工のように翼構造で規定される位置では、充分に下流域ではなくスリット下流においても湿分は再度翼に付着して液膜を形成する可能性があった。

さらに、スリットを設ける領域では、蒸気流速は増速するため、液膜が蒸気流によって引きちぎられ翼面から飛散する場合もある。この場合は、スリットを設けて減圧吸引しても翼面を離脱した湿分の除去は不可能になる。

ここで、中空静翼の翼後縁部にスリット加工を施すには、翼尾部を翼本体と別部材にして組み立てる必要があり、翼尾部と翼本体とを接合するときには溶接が使用される。溶接は、翼尾部材の組み立てにも、また、翼尾部と翼本体との接合にも利用される。
中空翼とスリットを形成する翼尾部との接合では、溶接時の熱応力に伴い薄板部のスリットに熱変形の影響が出やすい。また、翼尾部材の組み立てにおいても、組み立てに溶接を用いると同様な問題が生じる。溶接時の熱変形によってスリット位置や形状が変化する恐れがあり、変形が大きな場合には、スリットによる湿分分離の効率を低下させるだけでなく、熱変形によって増加するスリット幅によって随伴蒸気量が増加し、タービン効率の低下を伴うことになる。

そこで本発明の目的は、湿り蒸気によって生成される水滴の衝突に基因するエロージョンによる動翼の浸食作用を低減し、信頼性を高め、タービン効率の低下を防止することができる蒸気タービンを提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、翼壁面に、この翼壁面に附着した液滴を翼内部に導くスリットを有する静翼と、この静翼の作動流体流れ方向下流側に設けられた動翼とからなるタービン段落を備えた蒸気タービンであって、前記静翼は、金属板を塑性加工して形成された中空翼状構造の本体と、翼背側金属板およびこの翼背側金属側の一部に掘り込み部を設けた翼腹側金属板を重ね合わせて形成した翼尾部とを有し、前記スリットは、前記翼尾部の前記翼腹側金属板の前記掘り込み部の位置に設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、静翼の翼壁面に生成する液膜を除去するスリットを加工時の変形の影響なく静翼後縁近傍に設置でき、液膜を十分に除去できる。よって、エロージョンによる動翼の浸食作用を低減し、信頼性を高めることができる。さらに随伴蒸気を低減することができ、タービン性能の低下を防止できる。

蒸気タービンの段落と、静翼面上を流れる液膜の様子を示す模式図である。 蒸気タービンの静翼面上に発達した液膜から液滴が飛散する様子を摸式的に示す翼間流路断面図である。 本発明の実施例に係る静翼の腹側からの概略斜視図である。 図３のＳ−Ｓ線の矢印方向から見た翼の断面図である。 本発明の実施例に係る静翼の背側からの概略斜視図である。 本発明の実施例に係る静翼の翼尾部の上方部位の概略斜視図である。 本発明の実施例に係る静翼の翼尾部の下方部位の概略斜視図である。 翼面に生成する液膜厚さと液膜流量の関係を示す図である。

まず初めに、タービン翼面上での液膜と液滴発生の様子を図１および図２を用いて説明する。
図１は蒸気タービンの段落と、その静翼の壁面上に発達した液膜の流れの様子を示す模式図、図２は静翼の翼面上に発達した液膜から液滴が飛散する様子を摸式的に示す翼間流路断面図である。

図１に示すように、蒸気タービンのタービン段落は、外周側ダイヤフラム４と内周側ダイヤフラム６とで固定された静翼１と、この静翼１の作動流体流れ方向下流側でロータ軸３に対して固定された動翼２とを有する。動翼２の先端の外周側には、流路壁面を構成するケーシング７が設けられている。
上記構成により、作動流体である蒸気主流は、静翼１を通過する際に増速され、動翼２にエネルギーを与えてロータ軸３を回転させる。

このような構造を有す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液滴が静翼１に付着し、この液滴が翼面上で寄せ集まって液膜が形成される。この液膜は、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する。移動する液膜の流れ１１を図１に示す。翼の後縁端近傍まで移動した液膜は、液滴１３となり蒸気主流と共に動翼２に向かって飛散する。

図２に示すように、気流蒸気１０が静翼間を通過する際、静翼１に液滴が付着し、静翼面上で液滴が寄せ集まって液膜１２へと発達する。静翼１の翼面上に発達した液膜１２は、翼後縁端まで移動し、翼後縁端から液滴１３となって飛散する。飛散した液滴１３は下流に設けられた動翼２に衝突し、この動翼２の表面を侵食するエロージョンの原因になったり、動翼２の回転を妨げ損失の原因になったりする。

以上を踏まえた上で、本発明の実施例について、図３乃至図８を参照して以下詳細に説明する。
本実施例は、図１の静翼１に本発明を適用した場合である。
図３は本実施例に係る静翼の翼腹側からの概略斜視図、図４は図３の二点鎖線（Ｓ−Ｓ）で示した位置での断面図、図５は静翼の背側からの概略斜視図、図６は翼背側から翼尾上方部を見たときの翼尾上方部の概略斜視図、図７は翼尾下方部の概略斜視図、図８は壁面に生成する液膜厚さと相対ウェーバ数が０．７８になるときの液膜厚さ（飛散限界液膜厚さ）を示した図である。なお図１，２を含め、各図を通して同等の構成要素には同符号を付している。

図３乃至図５に示すように、本実施例の静翼１は、中空構造の本体部５と、この本体部５と別体として形成した翼尾上方部８および翼尾下方部９からなる翼尾部とを接合して形成した接合体として構成されている。

図３乃至図５、特に図４に示すように、本体部５は、金属板を板曲げ等によって塑性変形させて成形されており、内側に中空部２４を有する中空翼状の構造になっている。この本体部５は、外側ダイヤフラム４と内側ダイヤフラム６に溶接によって取り付けられている。

図３および図５に示すように、翼尾部は、上述したように、スリット２５，２６が形成される翼尾上方部８と、中実部材で形成される翼尾下方部９を溶接線２３で接合して構成されている。

翼尾下方部８は、図５および図６に示すように、金属ブロックを翼尾部形状に成型した翼背側金属板と、この翼背側金属板側に設けた掘り込み部２７のリブ２８を有する背腹側金属板とを、このリブ２８等を介して結合することによって形成されたものである。
この翼尾上方部８の翼腹側の表面に現れるスリット２５，２６は、図６に示すように、翼背側（翼の内側）から掘り込み部２７が形成された位置に対応する部分に形成されている。これを図５に示すような翼背側面から見ると、この掘り込み部２７の部分は段差部（背側凸部２９）になる。すなわち、この段差部の反対側の面に２本のスリット２５，２６が設けられていることになる。

図６に示すように、２本のスリットのうち、第１スリット２５は段差部の中央部に、第２スリット２６は、段差部の高さ方向の端部に接近した位置に設けられている。

また、図６に示すように、掘り込み部２７には、翼高さ方向に３か所に翼の流れ方向にリブ２８が３か所設けられている。３か所に設けられたリブ２８は、掘り込み部２７の端部とリブ、またはリブ間によって仕切られる空間が、高さ方向に均圧化するようにその一部が分断されている。

図５に示すように、この掘り込み部２７は、翼本体部の背側面の凸部２９によって蓋をされるように覆われており、背側凸部２９は翼背側の翼面を形成している。

また、図４に示すように、翼本体の背側凸部２９と翼尾下方部８の掘り込み部２７によって、翼尾下方部８には、翼本体５の中空部２４に繋がる空間が確保されている。このため、上記の背側凸部２９と翼尾下方部８の掘り込み部２７によって形成される空間は、翼尾下方部８の腹側に設けられたスリット２５，２６のみによって翼外部と連通するようになっている。

図７に示すように、翼尾下方部９にはスリットが設けられておらず、加工の容易性を考慮して、この部材は中実部材で形成されたものとなっている。

なお、翼尾下方部までスリットを設ける必要がある場合は、翼尾下方部も翼尾上方部と同様の構造とする。また、この場合は、翼本体の背側部は図５に示した背側凸部２９を翼尾下方部にも設ける。

次に、第１スリット２５と第２スリット２６の設置位置について、図８を参照して以下説明する。

翼面上に生成する液膜は、蒸気流速が速くなると不安定になり、一部は翼面から飛散する。この液膜の不安定現象は、蒸気密度ρ、液膜厚さｈ、蒸気流速Ｕ、液膜流速Ｗと液膜の表面張力σで表される相対ウェーバ数Ｗｒ＝０．５×ρｈ（Ｕ−Ｗ）×（Ｕ−Ｗ）／σが０．７８以上で生じることが知られている。
すなわち、この相対ウェーバ数が０．７８以上の位置にスリットを設けても、液膜の一部は既に流路中に飛散してしまっていることから、湿分の効果的な除去は行えない。
従って、翼尾下方部８に加工及び形成される第１スリット２５および第２スリット２６は、いずれも液膜流の相対ウェーバ数が０．７８未満になる部分に設置する必要がある。

図８の横軸は図４に示した翼型前縁端３２から翼面の任意の位置まで翼面に沿って測った距離ｌを翼型前縁端３２から後縁端２８までの翼面に沿って測った距離Ｌで無次元化した距離である。
図８において、飛散限界水膜厚さが翼面に生成する水膜厚さよりも薄くなる位置では、液膜は翼面上に付着していられず、スリットを設けても湿分を十分に除去できない。図３及び図４に示したスリット位置は、上流側の第１スリット２５がｌ／Ｌ＝０．６５〜０．７５の範囲内に設置されている。ｌ／Ｌ＝０．６５〜０．７５の範囲よりも下流域での蒸気流速の増加は大きく、第１スリット２５において液膜を１００％除去しても、その下流側で再び大量の液膜が生成する。この液膜の相対ウェーバ数は再び飛散限界液膜厚さを越えるため、ｌ／Ｌ＝０．７５〜０．９の範囲の位置に第２スリット２６を設ける。スリット２６の下流域においても液膜は生成されるが、上記の２本のスリット２５，２６によって静翼面に生成する液膜の８０％以上を除去することができる。

上述した本発明の蒸気タービンの実施形態では、静翼１と、この静翼１の作動流体流れ方向下流側に設けられた動翼２とからなるタービン段落を備える蒸気タービンにおいて、静翼１は、静翼１の本体部５を金属板を塑性加工して中空翼状に形成したものとする。また、静翼１の翼尾部のうち上方部８において、中空翼本体と接合した時に、翼面に付着した液滴が中空翼内に導かれるよう、金属板の内面側に凹面状の掘り込み部２７とリブ２８とを設けた金属板の翼腹側にスリット加工を施し、スリット２５，２６を形成する。更に、この金属板の掘り込み部２７を、背側金属板によって翼背側から背側凸部２９で蓋をするように覆うことで、中空翼の翼尾部を形成して、これらの金属板を溶接によって本体部５と接合することによって形成されたものとする。

このような本実施例の構成によれば、翼壁面に附着した液滴を翼内部に導くスリットの位置を飛散限界液膜厚さになる領域に設定することができるため、静翼に生成する液膜の８０％以上を除去することができ、湿り蒸気によって生成される水滴の衝突に基因するエロージョンによる動翼の浸食作用を低減し、信頼性を高めることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に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ない。

１…静翼、
２…動翼、
５…本体部、
８…翼尾上方部、
９…翼尾下方部、
２３…溶接線、
２４…中空部、
２５…第１スリット、
２６…第２スリット、
２７…掘り込み部、
２８…リブ、
２９…背側凸部。

Claims (4)

1. 翼壁面に、この翼壁面に附着した液滴を翼内部に導くスリットを有する静翼と、この静翼の作動流体流れ方向下流側に設けられた動翼とからなるタービン段落を備えた蒸気タービンであって、
   前記静翼は、金属板を塑性加工して形成された中空翼状構造の本体と、翼背側金属板およびこの翼背側金属側の一部に掘り込み部を設けた翼腹側金属板を重ね合わせて形成した翼尾部とを有し、
   前記スリットは、前記翼尾部の前記翼腹側金属板の前記掘り込み部の位置に設けられた
   ことを特徴とする蒸気タービン。
2. 請求項１記載の蒸気タービンにおいて、
   前記静翼は、前記中空翼状構造の翼本体と、前記掘り込み部を有する翼尾部に加えて、中実部材から形成される翼尾部を更に備えた
   ことを特徴とする蒸気タービン。
3. 請求項１または２に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記掘り込み部にリブを設置した
   ことを特徴とする蒸気タービン。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記翼背側金属板は、前記翼腹側金属板の前記掘り込み部と接合される位置に凸部を有する
   ことを特徴とする蒸気タービン。

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