JP2017053287A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】コストの低減を図りつつ動翼の浸食およびタービンの効率の低下を抑制する。
【解決手段】蒸気タービン（１０）の外部から静翼（５）の表面まで通じ、蒸気タービン（１０）の駆動に用いられる蒸気または外部から供給される蒸気を導入するための外輪内蒸気通路（８）が、ダイヤフラム外輪（３）の内部に形成され、ガイドベーン蒸気通路（６ａ）が、外輪側ガイドベーン（６）に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気のもつエネルギーを、タービン（羽根車）と軸を介して回転運動へと変換する外燃機関である蒸気タービンに関する。

復水式の蒸気タービンにおいて、蒸気が湿り域となる低圧段では、静翼（ノズル）の表面上に水分が凝集しやすく、静翼の表面上に凝集した水分が水脈となり、蒸気流に吹かれることで下流に向かって飛散する。こうして飛散した水滴は、静翼の下流側に設置された動翼に衝突し、動翼の浸食（エロージョン現象）の原因となる。エロージョン現象とは、固体、液体および気体が材料との相対的動きや衝撃的な繰り返し作用によって生ずる機械的力によって材料表面を変形・劣化させ、少しずつ材料を脱離させその場所に減肉を生じさせる現象のことである。また、静翼から飛散した水滴に動翼が衝突する場合、動翼には回転方向とは逆向きの力が働き、制動力が生じてタービンの効率を低下させる。

湿り蒸気中で水分が凝集することで生じた翼面上の水脈を除去する技術としては、例えば、特許文献１に記載の技術がある。この技術では、静翼を中空とし、静翼内に蒸気を通過させるとともに、静翼表面の負圧面にガス（蒸気）を噴出する噴出口を設けて、静翼表面の水分を除去するのに加えて、翼外周部のシュラウドにもガス（蒸気）を通し、シュラウドにガス（蒸気）噴出孔を設けることで、シュラウド面の水脈を飛散させている。つまり、特許文献１に記載の技術において、静翼外側のシュラウド部にガス噴出孔を設ける目的は、シュラウド表面に付着した水脈を除去することを目的としている。

特開２０１４−７７３９７号公報（２０１４年５月１日公開）

しかしながら、上述のような従来技術では、静翼を中空にするために静翼の製作費が高価となり、効率の良い蒸気タービンをリーズナブルな価格で提供するには問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストの低減を図りつつ動翼の浸食およびタービンの効率の低下を抑制することができる蒸気タービンを実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る蒸気タービンは、ダイヤフラム外輪の内側に取付けられた外輪側ガイドベーンと、外径側の端部が上記外輪側ガイドベーンに接合され、上記ダイヤフラム外輪の内側に配置された静翼と、を備える蒸気タービンであって、上記蒸気タービンの外部から上記静翼の表面まで通じ、上記蒸気タービンの駆動に用いられる蒸気または外部から供給される蒸気を導入するための蒸気通路が、上記ダイヤフラム外輪の内部および上記外輪側ガイドベーンに形成されていることを特徴としている。

上記構成によれば、例えば、蒸気通路を通じて静翼の表面に、タービン低圧段主流の蒸気よりも高温の蒸気を吹き付けることで、静翼の表面上に凝集した水分を除去する（飛散させる）ことができる。よって、動翼の浸食およびタービンの効率の低下を抑制することができる。また、上記構成によれば、蒸気通路をダイヤフラム外輪の内部および外輪側ガイドベーンに形成するという簡単な構成で上記の効果を得ることができるため、コストの低減を図ることができる。以上により、本発明の一態様に係る蒸気タービンによれば、コストの低減を図りつつ動翼の浸食およびタービンの効率の低下を抑制することができる。

本発明の一態様に係る蒸気タービンによれば、上記外輪側ガイドベーンと上記静翼との接合部に上記蒸気通路が形成されていても良い。外輪側ガイドベーンと静翼との接合部は、静翼の表面に最も近接している箇所である。このため、外輪側ガイドベーンと静翼との接合部に蒸気通路を形成すれば、静翼の表面上に凝集した水分を効果的に除去する（飛散させる）ことができる。

本発明の一態様に係る蒸気タービンによれば、上記接合部のシール溶接されていない箇所が上記蒸気通路となっていても良い。上記構成によれば、外輪側ガイドベーンと静翼との接合部にシール溶接されていない箇所を設けるという簡便な手法により、静翼の表面に通じる蒸気通路を形成することができる。

本発明の一態様に係る蒸気タービンによれば、上記蒸気タービンの排気圧力を真空に保つためのシーリング蒸気ラインを備え、上記蒸気通路は、上記シーリング蒸気ラインに接続されていても良い。例えば、復水式の蒸気タービンの場合には、ロータのグランド部を軸封するためのシーリング蒸気ラインが存在し、このラインの圧力制御のために排気ラインへ幾らかの量を流して廃棄しているので、この蒸気を使用することが経済的である。言い換えれば、上記構成によれば、無駄に廃棄している蒸気量を削減することができる。また、若干ではあるが、低圧段翼を通過する蒸気量が増えるので、タービンの性能を向上させることができる。

本発明の一態様によれば、コストの低減を図りつつ動翼の浸食およびタービンの効率の低下を抑制するという効果を奏する。

本発明の実施の一形態に係る蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。 本発明の実施の一形態に係る蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。 外輪側ガイドベーンと静翼との接合部の断面図である。 比較例の蒸気タービンにおける蒸気ラインの構成を示す図である。 本発明の実施の一形態に係る蒸気タービンにおける蒸気ラインの構成を示す図である。 （ａ）は、静翼（ノズル片）およびガイドベーンの一部を示す図であり、（ｂ）は、ダイヤフラム外輪およびダイヤフラム内輪の概要構成を示す図であり、（ｃ）は、静翼をガイドベーンにノズルリングとして仮組みしたときの状態を示す図である。 （ａ）は、静翼の端部をガイドベーンにシール溶接したときの状態を示す図であり、（ｂ）は、ノズルリング、ダイヤフラム外輪およびダイヤフラム内輪を溶接したときの状態を示す図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示す構造体を機械加工して仕上げた後の状態を示す図である。

本発明の実施の形態について図１〜図７に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、特定の項目にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。

〔蒸気タービンの特徴的な構造〕
図１および図２は、本発明の実施の一形態に係る蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。また、図２の破線の大きい四角で囲んだ部分は、蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部の要部（破線の小さい四角で囲んだ部分）を拡大して示したものである。これらの図に示すように、蒸気タービン１０には、タービンロータ２が貫設されており、タービンロータ２には、周方向に複数の動翼１（図では便宜上１つのみ記載）が植設されている。なお、以下では、蒸気タービン１０が、復水式の蒸気タービンである場合を例にとって説明するが、蒸気タービン１０は、復水式に限定されず、本発明を適用可能な蒸気タービンであれば、復水式以外のどのような蒸気タービンであっても良い。また、復水式の蒸気タービンとは、タービンの排気を復水器で復水させて高真空を得、蒸気をタービン内で十分低圧まで膨張させる蒸気タービンのことである。

図１または図２に示すように、蒸気タービン１０では、タービンロータ２の軸側から外側に向けて、ダイヤフラム内輪４、ノズルリング２０、およびダイヤフラム外輪３がこの順で配置されている。

ノズルリング２０は、静翼５（ノズル）、外輪側ガイドベーン６、および内輪側ガイドベーン９で構成され、静翼５が、外輪側ガイドベーン６および内輪側ガイドベーン９の間に挟まれて構成されている。

外輪側ガイドベーン６は、ダイヤフラム外輪３の内側に取付けられている。また、内輪側ガイドベーン９は、ダイヤフラム内輪４の外側に取付けられている。

静翼５は、ダイヤフラム外輪３の内側（ダイヤフラム外輪３およびダイヤフラム内輪４の間）に配置されており、その外径側（外側）の端部が外輪側ガイドベーン６に接合され、接合部７が形成されている。また、静翼５の内径側（内側）の端部は、内輪側ガイドベーン９に接合されている。

ダイヤフラム外輪３の内部には、蒸気タービン１０の外部から静翼５の表面まで通じ、蒸気タービン１０の駆動に用いられるか、または外部から供給される、タービン低圧段主流の蒸気よりも高温の補助蒸気（蒸気）を導入するための外輪内蒸気通路８（蒸気通路）が形成されている。また、外輪側ガイドベーン６には、外輪内蒸気通路８に連通するガイドベーン蒸気通路６ａ（蒸気通路）が形成されている。すなわち、外輪側ガイドベーン６と静翼５との接合部７には、蒸気通路（ガイドベーン蒸気通路６ａ）が形成されている。外輪側ガイドベーン６と静翼５との接合部７は、静翼５の表面に最も近接している箇所である。このため、外輪側ガイドベーン６と静翼５との接合部７に蒸気通路（ガイドベーン蒸気通路６ａ）を形成すれば、図２の破線の大きい四角で囲んだ部分に示すように静翼５の表面上に凝集した水分（ドレン）に高温の補助蒸気を吹き付けることが可能になるので、ドレンを効果的に除去する（飛散させる）ことができる。

湿り蒸気中の水滴の凝集は、主に静翼５の表面にて発生しているので、本実施形態の蒸気タービン１０では、補助蒸気を使用して、外輪内蒸気通路８およびガイドベーン蒸気通路６ａから補助蒸気をタービン低圧段主流の蒸気中に漏洩させ、静翼５の表面に凝集している水脈を除去する。すなわち、外輪内蒸気通路８およびガイドベーン蒸気通路６ａを通じて静翼５の表面に、タービン低圧段主流の蒸気よりも高温の補助蒸気を吹き付けることで、静翼５の表面上に凝集した水分を除去する（飛散させる）。これにより、動翼１の浸食およびタービンの効率の低下を抑制することができる。また、上記構成によれば、蒸気通路をダイヤフラム外輪３の内部および外輪側ガイドベーン６に形成するという簡単な構成で上記の効果を得ることができるため、コストの低減を図ることができる。以上により、本実施形態の蒸気タービン１０によれば、コストの低減を図りつつ動翼１の浸食およびタービンの効率の低下を抑制することができる。

次に、図３は、上述した外輪側ガイドベーン６と静翼５との接合部７の断面図である。同図に示すように接合部７の一部は、シール溶接されたシール溶接部７ａを為しており、残りの一部のシール溶接されていない箇所が、ガイドベーン蒸気通路６ａとなっている。すなわち、静翼５の外径側の端部は、外輪側ガイドベーン６にシール溶接されるが、一部は溶接しないでガイドベーン蒸気通路６ａを形成する。シール溶接されていない箇所（ガイドベーン蒸気通路６ａ）は、図３に示すように接合部７の１か所であっても良く、接合部７の複数個所をシール溶接されていない箇所（ガイドベーン蒸気通路６ａ）としても良い。上記構成によれば、外輪側ガイドベーン６と静翼５との接合部７にシール溶接されていない箇所を設けるという簡便な手法により、静翼５の表面に通じる蒸気通路（ガイドベーン蒸気通路６ａ）を形成することができる。

また、上記構成によれば、例えば、復水式の蒸気タービンにおいて、蒸気が湿り域となる低圧段蒸気中に発生する水滴による動翼１の浸食やタービンの効率の低下をできるだけコストを抑えながら効果的に回避することが可能になる。また、上記構成によれば、効果的な低圧段中の水滴除去をリーズナブルな価格で行うことができる。

以下、上述した本実施形態の蒸気タービン１０の構造の実現方策について纏める。

実現方策１：上述した静翼５は、中空とせず、ノズル片（金属を加工したもの）を採用する。ノズル片は、板状のものを曲げて加工するか、板状のものでなく、予め翼形状に加工したものでも良い。

実現方策２：静翼５は、外輪側ガイドベーン６および内輪側ガイドベーン９の間に挿入し、静翼５と外輪側ガイドベーン６との接合部７の一部分（１箇所または複数個所）を除いてシール溶接する。

実現方策３：ノズルリング２０をダイヤフラム外輪３とダイヤフラム内輪４との間に挿入して溶接する。すなわち、外輪側ガイドベーン６の外輪側にダイヤフラム外輪３（外輪側仕切板）を溶接し、内輪側ガイドベーン９の内輪側にダイヤフラム内輪４（内輪側仕切板）を溶接する。

実現方策４：ダイヤフラム外輪３（外輪側仕切板）は、外輪側ガイドベーン６との間に空間（外輪内蒸気通路８）が形成される構造とする。

実現方策５：外輪側空間（外輪内蒸気通路８）に補助蒸気を通し、蒸気は静翼５と外輪側ガイドベーン６との接合部７の隙間（隙間は、１か所または複数個所）であるガイドベーン蒸気通路６ａから漏洩させる構造とする。補助蒸気の温度は、タービン低圧段中の主流となる蒸気温度より高温となる蒸気なら外部から供給しても良いが、後述するように、シーリング蒸気ラインＬ１から分岐した分岐ラインＬ３を介して供給するのが経済的である（図５参照）。上記実現方策により、静翼５は補助蒸気の漏洩により加熱され、また、漏洩蒸気により静翼５の表面上の水分が飛散する効果が得られる。

本実施形態の蒸気タービン１０は、例えば、復水式の蒸気タービンにおいて、排気の湿り度が高く、動翼１の損傷が懸念される場合に好適である。また、本実施形態の蒸気タービン１０は、例えば、復水式の蒸気タービンにおいて、低圧段中のドレン（水滴）が動翼１に衝突することを低減させ、タービンの効率を改善したい場合に好適である。

なお、動翼１への水滴衝突で、最も顕著なのは、静翼５（ノズル片）の表面で凝集した水滴が剥がれ、動翼１に飛散する現象であるので、ノズル片挿入部（接合部７）におけるガイドベーン蒸気通路６ａからの蒸気漏洩でも水滴抑制の効果は期待できる。以上により、簡便でコストを抑えた製作方法で、効果的な高湿り対策を行うことが可能となる。

〔比較例の蒸気タービンにおける蒸気ラインの構成〕
次に、図４に基づき、比較例の蒸気タービンにおける蒸気ラインの構成について説明する。同図に示すように、比較例の蒸気タービンには、グランド蒸気漏洩ラインが存在し、グランド蒸気漏洩ラインには、シーリング蒸気ラインＬ１および排気ラインＬ２が存在している。

復水式の蒸気タービンにおいては、タービン排気圧力を真空に保つために、シーリング蒸気ラインＬ１を設けて、軸封部に低圧蒸気を供給し、空気がタービン内部へ流入するのを防いでいる。通常、このラインは、１０〜２０ｋＰａｇ程度の圧力に設定されている。

また、シーリング蒸気ラインＬ１を、一定圧力に制御するため、通常、シーリング蒸気ラインＬ１から排気ラインＬ２へ余剰蒸気を逃がしている。この余剰蒸気は、タービン内で仕事をせず、排気へ捨てられている（この余剰蒸気量をＧｗとおく）。

〔蒸気タービン１０における蒸気ラインの構成〕
次に、図５に基づき、蒸気タービン１０における蒸気ラインの構成について説明する。図５は、低圧段ノズル（ガイドベーン蒸気通路６ａ）への補助蒸気供給に関する説明図である。同図に示すように、本実施形態の蒸気タービン１０におけるグランド蒸気漏洩ラインには、シーリング蒸気ラインＬ１、排気ラインＬ２および分岐ラインＬ３が存在している。

上述した補助蒸気としては、タービン外部から供給しても構わないが、復水式の蒸気タービンの場合には、ロータのグランド部を軸封するためのシーリング蒸気ラインＬ１が存在し、このラインの圧力制御の為に排気（排気ラインＬ２）へ幾らかの量を流して捨てているので、この蒸気を使用することが経済的である。

低圧段翼ノズル部（静翼５）への補助蒸気の供給を、シーリング蒸気ラインＬ１から分岐させた分岐ラインＬ３を介して行う。この分岐ラインＬ３への蒸気供給量は、接合部７に設けた補助蒸気の漏洩部（ガイドベーン蒸気通路６ａ）の通路断面積によって決まり、この流量をＧｎとおく。

シーリング制御弁ｂから排気（排気ラインＬ２）への逃がし蒸気量は、Ｇｗ−Ｇｎとなり、本実施形態の蒸気タービン１０によれば、無駄に捨てている蒸気量が削減できる。また、若干ではあるが、低圧段翼を通過する蒸気量が増えるので、性能的にも好ましい。

以上のように、蒸気タービン１０は、タービンの排気圧力を真空に保つためのシーリング蒸気ラインＬ１を備え、上述した外輪内蒸気通路８は、分岐ラインＬ３を介してシーリング蒸気ラインＬ１に接続されている。復水式の蒸気タービンの場合には、ロータのグランド部を軸封するためのシーリング蒸気ラインＬ１が存在し、このラインの圧力制御のために排気ラインＬ２へ幾らかの量を流して廃棄しているので、この蒸気を使用することが経済的である。言い換えれば、上記構成によれば、無駄に廃棄している蒸気量を削減することができる。また、若干ではあるが、低圧段翼を通過する蒸気量が増えるので、タービンの性能を向上させることができる。

なお、図５に示す例では、減速機を介して被駆動機が、蒸気タービンに接続された形態を示しているが、このような形態に限定されず、被駆動機が蒸気タービンに直接接続された被駆動機直結式を採用することもできる。

〔静翼、ダイヤフラム外輪、ダイヤフラム内輪、およびノズルリングなど〕
次に、図６および図７に基づき、静翼５、ダイヤフラム外輪３、ダイヤフラム内輪４、およびノズルリング２０などについて説明する。図６の（ａ）には、静翼５（ノズル片）および外輪側ガイドベーン６および内輪側ガイドベーン９の一部の実施例を示している。同図の左に配置された部材が静翼５（ノズル片）である。また、同図の右上に配置された部材が内輪側ガイドベーン９の一部をカットしたものであり、同図の右下に配置された部材が外輪側ガイドベーン６の一部をカットしたものである。同図に示す外輪側ガイドベーン６に形成された嵌合孔に静翼５の外輪側端部を嵌合し、内輪側ガイドベーン９に形成された嵌合孔に静翼５の内輪側端部を嵌合し、ガイドベーン（外輪側ガイドベーン６および内輪側ガイドベーン９）に静翼５が溶接される。

次に、図６の（ｂ）には、上述したダイヤフラム外輪３およびダイヤフラム内輪４の概要構成を示している。また、図６の（ｃ）には、静翼５をガイドベーン（外輪側ガイドベーン６および内輪側ガイドベーン９）にノズルリング２０として仮組みしたときの状態を示している。図６の（ｂ）に示すダイヤフラム外輪３およびダイヤフラム内輪４の間の空間に、図６の（ｃ）に示すノズルリング２０が挿入され、後述するようにこれらが溶接される。

次に、７の（ａ）は、静翼５の内輪側端部を内輪側ガイドベーン９にシール溶接したときの状態を示す図である。同図に示すように内輪側ガイドベーン９の外側（図の奥側）から、静翼５（不図示）を取付け、図の手前側の静翼５と内輪側ガイドベーン９との接続部の周囲をシール溶接する。

次に、図７の（ｂ）は、ノズルリング２０、ダイヤフラム外輪３およびダイヤフラム内輪４を溶接したときの状態を示す図である。同図に示すようにノズルリング２０は、ダイヤフラム外輪３およびダイヤフラム内輪４の間に挿入されて、溶接され、図７の（ｂ）に示す構造体が構成される。

図７の（ｃ）は、図７の（ｂ）に示す構造体を機械加工して仕上げた後の状態を示す図である。同図に示すように、図７の（ｂ）に示す構造体を機械加工（構造体の余剰部位の切削や表面の研磨加工等）して仕上げると、図７の（ｃ）に示す状態になる。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

３ ダイヤフラム外輪
５ 静翼
６ 外輪側ガイドベーン
６ａ ガイドベーン蒸気通路（蒸気通路）
７ 接合部
８ 外輪内蒸気通路（蒸気通路）
１０ 蒸気タービン
Ｌ１ シーリング蒸気ライン

Claims (4)

1. ダイヤフラム外輪の内側に取付けられた外輪側ガイドベーンと、
   外径側の端部が上記外輪側ガイドベーンに接合され、上記ダイヤフラム外輪の内側に配置された静翼と、を備える蒸気タービンであって、
   上記蒸気タービンの外部から上記静翼の表面まで通じ、上記蒸気タービンの駆動に用いられる蒸気または外部から供給される蒸気を導入するための蒸気通路が、上記ダイヤフラム外輪の内部および上記外輪側ガイドベーンに形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
2. 上記外輪側ガイドベーンと上記静翼との接合部に上記蒸気通路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 上記接合部のシール溶接されていない箇所が上記蒸気通路となっていることを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン。
4. 上記蒸気タービンの排気圧力を真空に保つためのシーリング蒸気ラインを備え、
   上記蒸気通路は、上記シーリング蒸気ラインに接続されていることを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の蒸気タービン。

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