JP2018087532A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンの効率を向上可能な蒸気タービンを提供する。
【解決手段】蒸気タービンは、排気室と、前記排気室の上流側に設けられる動翼と、前記排気室の上流側に設けられる静翼と、を備え、前記排気室は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられるフローガイドと、を含み、前記排気室は、下方側に排気室出口を有し、前記フローガイドの軸方向に沿った断面内における前記フローガイドの内表面の長さ、または、前記フローガイドの下流端と該下流端に対向する前記ケーシングの内壁面との間の前記軸方向に沿った距離の少なくとも一方の分布が、前記フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称である。
【選択図】 図３

Description

本開示は、蒸気タービンの排気室、蒸気タービン排気室用のフローガイド、及び蒸気タービンに関する。

蒸気タービンのタービン車室からの蒸気は、通常、排気室を介して蒸気タービンから排出される。また、排気室には、排気室の入口から出口へ向かう蒸気流れを案内するフローガイドが設けられることがある。

例えば、特許文献１には、タービン排気室において、タービン最終段の出口側にて、動翼の頂部側（外周側）に設けられたチップフローガイドと、動翼の根本側（内周側）に設けられたルートフローガイド及びベアリングコーンとによってタービン排気通路が形成された蒸気タービンが記載されている。

また、特許文献２には、排気室から下方に向けて蒸気が排出されるとともに、排気室において外周側のフローガイドと内周側のベアリングコーンで形成される蒸気の流路が、上側部位に比べて下側部位の方が長く形成された蒸気タービンが記載されている。

特開２００４−１５０３５７号公報 特開平１１−２００８１４号公報

ところで、排気室内において蒸気の流れに偏りが生じると、流体損失が生じ、蒸気タービン全体としての効率が低下する場合がある。典型的な排気室では、下方に向けて蒸気を排出するため、通常、排気室の下側に蒸気の流れが偏る。この点、特許文献２に記載の蒸気タービンでは、排気室内における蒸気の流れを上下方向において均一化するために、フローガイドの下側部位の方を長く形成して（即ち、フローガイドの下側部位の面積を大きくして）、蒸気流路の下側における摩擦抵抗を増大させている。
ここで、排気室内における蒸気の流れは、上下方向以外においても偏りが生じる可能性があると考えられる。そこで、蒸気タービンの排気室における蒸気流れの均一化を図るためのさらなる対策が望まれる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、蒸気タービンの効率を向上可能な蒸気タービンの排気室、フローガイド、及び、これらを備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気タービンの排気室は、
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられるフローガイドと、を備え、
前記排気室は、下方側に排気室出口を有し、
前記フローガイドの軸方向に沿った断面内における前記フローガイドの内表面の長さ、または、前記フローガイドの下流端と該下流端に対向する前記ケーシングの内壁面との間の前記軸方向に沿った距離の少なくとも一方の分布が、前記フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称である。

タービン車室から排気室内に入った蒸気流れは旋回成分を持つため、排気室内において上下方向のみならず、左右方向（水平方向）にも流れの偏りが生じる場合がある。
この点、上記（１）の構成によれば、フローガイドの内表面の長さ、または、フローガイドの下流端とケーシング内壁面との間の距離の少なくとも一方の分布を、フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称としたので、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。すなわち、フローガイドの内表面の長さの分布を前記鉛直線に対して非線対称とする場合、フローガイドの内表面における摩擦抵抗が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。また、フローガイドの下流端とケーシング内壁面との間の距離の分布を前記鉛直線に対して非線対称とする場合、フローガイドとケーシング内壁面との間に形成される流路の断面積が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。よって、排気室内における蒸気流れを均一化して流体の圧力損失を低減し、これにより蒸気タービン全体としての効率を向上させることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記排気室の排気室入口における蒸気流れの旋回方向の接線方向が鉛直上向きとなる周方向角度位置を０度とする前記旋回方向に沿った角度座標系において９０度以上２７０度以下の角度範囲に、前記フローガイドの前記内表面の前記長さが最大値となる角度位置、または、前記フローガイドの前記下流端と前記ケーシングの前記内壁面との間の前記距離が最小値となる角度位置が含まれる。

本発明者らの鋭意検討の結果、排気室内において、蒸気流れが下向きの旋回成分を有する領域に蒸気流れが偏る傾向があることが明らかとなった。この点、上記（２）の構成によれば、上記角度座標系において、９０度以上２７０度以下の角度範囲（即ち、蒸気流れが下向きの旋回成分を有する領域）において、フローガイドの内表面の長さが最大値、または、フローガイドの下流端とケーシングの内壁面との間の距離が最小値をとるので、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを効果的に抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記角度座標系において１８０度以上２７０度以下の角度範囲に、前記フローガイドの前記内表面の前記長さが最大値となる角度位置、または、前記フローガイドの前記下流端と前記ケーシングの前記内壁面との間の前記距離が最小値となる角度位置が含まれる。

下方側に排気室出口を有し、下方に向けて蒸気を排出する排気室では、通常、排気室の下側に蒸気の流れが偏る。この点、上記（３）の構成によれば、上記角度座標系において、９０度以上２７０度以下の角度範囲（即ち、蒸気流れが下向きの旋回成分を有する領域のうち、下方側の領域）において、フローガイドの内表面の長さが最大値、または、フローガイドの下流端とケーシングの内壁面との間の距離が最小値をとるので、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りをより効果的に抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記排気室の排気室入口における蒸気流れの旋回方向の接線方向が鉛直上向きとなる周方向角度位置を０度とする前記旋回方向に沿った角度座標系において０度以上９０度以下の角度範囲に、前記フローガイドの前記内表面の前記長さが最小値となる角度位置、または、前記フローガイドの前記下流端と前記ケーシングの前記内壁面との間の前記距離が最大値となる角度位置が含まれる。

上述したように、排気室内において蒸気流れが下向きの旋回成分を有する領域又は排気室の下側に蒸気流れが偏る傾向がある。この点、上記（４）の構成によれば、上記角度座標系において、蒸気流れが下向きの旋回成分を有する領域又は排気室の下側のいずれにも属さない０度以上９０度以下の角度範囲において、フローガイドの内表面の長さが最小値、または、フローガイドの下流端とケーシングの内壁面との間の距離が最大値をとる。よって、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りをより効果的に抑制することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記フローガイドの前記下流端の前記軸方向における位置の分布が、前記フローガイドの前記中心軸を通る鉛直線に関して非線対称であることを特徴とする。

フローガイドの下流端の軸方向における位置は、該軸方向に沿ったフローガイドの内表面の長さ、又は、フローガイドの下流端とケーシング内壁面との間の該軸方向に沿った距離と関連する。よって、上記（５）の構成によれば、フローガイドの下流端の軸方向における位置の分布を、フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称としたので、フローガイドの内表面における摩擦抵抗、又は、フローガイドとケーシング内壁面との間に形成される流路の断面積が排気室内で左右非対称となり、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記ケーシングの前記内壁面は、少なくとも前記フローガイドに対向する領域が前記軸方向に直交する平面に沿って設けられる。

上記（６）の構成によれば、フローガイドの下流端の軸方向における位置の分布が、フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称であるとともに、ケーシングの内壁面は、少なくともフローガイドに対向する領域が軸方向に直交する平面に沿って設けられるので、フローガイドの下流端とケーシング内壁面との間の距離の分布が、フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称となる。よって、フローガイドとケーシング内壁面との間に形成される流路の断面積が排気室内で左右非対称となり、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。
また、上記（５）の特徴を有するフローガイドを、ケーシングの内壁面に対して軸方向が直交するように適用することで、上記（６）の構成が得られる。よって、既存の蒸気タービンプラントにおいても、上記（５）の特徴を有するフローガイドを交換等により適用することで、フローガイドとケーシング内壁面との間に形成される流路の断面積を排気室内で左右非対称とすることができ、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記ケーシング内において前記フローガイドの内周側に設けられ、前記ケーシングの前記内壁面に接続される下流端を有するベアリングコーンをさらに備える。

上記（７）の構成によれば、ケーシング内に設けられるフローガイドとベアリングコーンとにより、排気室における蒸気流路を形成することができる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気タービンは、
上記（１）乃至（７）の何れかに記載の排気室と、
前記排気室の上流側に設けられる動翼と、
前記排気室の上流側に設けられる静翼と、
を備える。

上記（８）の構成によれば、フローガイドの内表面の長さ、または、フローガイドの下流端とケーシング内壁面との間の距離の少なくとも一方の分布を、フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称としたので、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。すなわち、フローガイドの内表面の長さの分布を前記鉛直線に対して非線対称とする場合、フローガイドの内表面における摩擦抵抗が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。また、フローガイドの下流端とケーシング内壁面との間の距離の分布を前記鉛直線に対して非線対称とする場合、フローガイドとケーシング内壁面との間に形成される流路の断面積が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。よって、排気室内における蒸気流れを均一化して流体の圧力損失を低減し、これにより蒸気タービン全体としての効率を向上させることができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るフローガイドは、
上記（１）乃至（７）の何れかに記載の蒸気タービンの排気室に用いられる。

上記（９）の構成によれば、フローガイドの内表面の長さ、または、フローガイドの下流端とケーシング内壁面との間の距離の少なくとも一方の分布を、フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称としたので、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。すなわち、フローガイドの内表面の長さの分布を前記鉛直線に対して非線対称とする場合、フローガイドの内表面における摩擦抵抗が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。また、フローガイドの下流端とケーシング内壁面との間の距離の分布を前記鉛直線に対して非線対称とする場合、フローガイドとケーシング内壁面との間に形成される流路の断面積が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。よって、排気室内における蒸気流れを均一化して流体の圧力損失を低減し、これにより蒸気タービン全体としての効率を向上させることができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係るフローガイドは、
蒸気タービンの排気室のためのフローガイドであって、
前記フローガイドの軸方向に沿った断面内における前記フローガイドの内表面の長さが、前記フローガイドの中心軸に直交する任意の直線に関して非線対称である。

上記（１０）の構成によれば、フローガイドの内表面の長さがフローガイドの中心軸に直交する任意の直線に対して非線対称であるから、該フローガイドを適切な配向で排気室内に設置すれば、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。例えば、排気室内の流れが左側（前述の角度座標系における９０度以上２７０度以下の角度範囲）に偏っている場合、フローガイドの内表面の長さが比較的長い領域が排気室の左側に位置するようにフローガイドを配向させることで、フローガイドの内表面における摩擦抵抗が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、
前記フローガイドの前記軸方向における両端部のうち内径が大きい前記フローガイドの下流端の前記軸方向における位置の分布が、前記フローガイドの前記中心軸に直交する任意の直線に関して非線対称である。

上記（１１）の構成によれば、フローガイドの下流端の軸方向における位置の分布が、フローガイドの中心軸に直交する任意の直線に関して非対称であるので、該フローガイドを適切な配向で排気室内に設置すれば、排気室内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。例えば、排気室内の流れが左側（前述の角度座標系における９０度以上２７０度以下の角度範囲）に偏っている場合、フローガイドの下流端の軸方向における位置が、該軸方向において比較的下流端側である領域が排気室の左側に位置するようにフローガイドを配向させることで、フローガイドの内表面における摩擦抵抗が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、蒸気タービンの効率を向上可能な蒸気タービンの排気室、フローガイド、及び、これらを備えた蒸気タービンが提供される。

一実施形態に係る蒸気タービンの軸方向に沿った概略断面図である。 一実施形態に係る排気室の概略断面図（縦断面図）である。 一実施形態に係る排気室の概略断面図（横断面図）である。 図３に示す排気室におけるフローガイドの内表面の長さの分布を示すグラフである。 一実施形態に係る排気室の概略断面図（横断面図）である。 、図５に示す排気室内において、フローガイドを側面視した概略図である。 図５に示す排気室におけるフローガイドの下流端と排気室のケーシングの内壁面との間の距離の分布を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず、幾つかの実施形態に係る蒸気タービンの全体構成について説明する。
図１は、一実施形態に係る蒸気タービンの軸方向に沿った概略断面図である。図１に示すように、蒸気タービン１は、軸受部６によって回転自在に支持されるロータ２と、ロータ２に取付けられた複数段の動翼８と、ロータ２及び動翼８を収容する内側ケーシング１０と、動翼８に対向するように内側ケーシング１０に取付けられた複数段の静翼９と、を備える。また、内側ケーシング１０の外側には、外側ケーシング１２が設けられている。
このような蒸気タービン１において、蒸気入口３から内側ケーシング１０に蒸気が導入されると、蒸気が静翼９を通過する際に膨張して増速され、動翼８に対して仕事をしてロータ２を回転させるようになっている。

また、蒸気タービン１は排気室１４を備える。排気室１４は、動翼８及び静翼９の下流側に位置する。すなわち、動翼８及び静翼９は、排気室１４の上流側に設けられる。内側ケーシング１０内にて動翼８及び静翼９を通過した蒸気（蒸気流れＳ）は、排気室入口１１から排気室１４に流入し、排気室１４の内部を通って、排気室１４の下方側に設けられた排気室出口１３から蒸気タービン１の外部に排出されるようになっている。
なお、排気室１４の下方には、復水器（不図示）が設けられていてもよい。蒸気タービン１で動翼８に対して仕事をし終えた蒸気は、排気室１４から排気室出口１３を介して復水器に流入するようになっていてもよい。

次に、図２〜図７を参照して、幾つかの実施形態に係る排気室１４の構成について、より具体的に説明する。
図２は、一実施形態に係る排気室の概略断面図である。なお、図２は、排気室のフローガイド（後述）の軸方向に沿った概略断面図である。
図３及び図５は、それぞれ、一実施形態に係る排気室の概略断面図であり、図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
図４は、図３に示す排気室１４における、周方向角度位置θに対するフローガイド２０の内表面２０ａの長さＬの分布を示すグラフ（即ち、図３に示す排気室１４における、周方向角度位置θと、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬとの関係を示すグラフ）である。
図６は、図５に示す排気室１４内において、フローガイド２０を側面視した概略図である。
図７は、図５に示す排気室１４における、周方向角度位置θに対するフローガイド２０の下流端２０ｂと排気室１４のケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄの分布を示すグラフ（即ち、図５に示す排気室１４における、周方向角度位置θと、フローガイド２０の下流端２０ｂと排気室１４のケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄとの関係を示すグラフ）である。
ここで、上述の周方向角度位置θは、排気室１４の排気室入口１１（図２参照）における蒸気流れＳの旋回方向（図３参照）の接線方向が鉛直上向きとなる周方向角度位置を０度とする旋回方向に沿った角度座標系（図３及び図５参照；即ち、図３及び図５において、フローガイド２０の中心軸Ｏを中心として右方向が０度であり、反時計回りが正方向となる）における角度位置である。
また、フローガイド２０の下流端２０ｂとは、フローガイド２０の軸方向における両端部のうち、蒸気流れの下流側に配置される端部であり、内径が大きいほうの端部のことをいう。

図１、図２、図４及び図５に示すように、幾つかの実施形態に係る排気室１４は、ケーシング１５と、ケーシング１５内において、軸受部６を覆うように設けられるベアリングコーン１６と、ケーシング１５内においてベアリングコーン１６の外周側に設けられるフローガイド２０と、を備える。すなわち、ベアリングコーン１６は、ケーシング１５内において、フローガイド２０の内周側に設けられている。また、図２に示すように、ベアリングコーン１６の下流端１６ａは、ケーシング１５の内壁面１５ａに接続されている。
なお、排気室１４のケーシング１５は、図１に示すように、蒸気タービン１の外側ケーシング１２の少なくとも一部を形成していてもよい。

排気室１４は下方側に排気室出口１３を有し、この排気室出口１３を介して、蒸気タービン１から蒸気が排出されるようになっている。

ケーシング１５の内部には、ベアリングコーン１６とフローガイド２０とによって、環状のディフューザ通路１８（蒸気流路）が形成されている。
ディフューザ通路１８は、断面積が徐々に大きくなる形状を有し、蒸気タービン１の最終段の動翼８Ａを通過した高速の蒸気流れＳが該ディフューザ通路１８に流入すると、蒸気流れＳが減速されて、その運動エネルギーが圧力へと変換（静圧回復）されるようになっている。

幾つかの実施形態では、フローガイド２０の軸方向（中心軸Ｏの方向）に沿ったフローガイド２０の内表面２０ａの長さ、または、フローガイド２０の下流端２０ｂと、該下流端２０ｂに対向するケーシング１５の内壁面１５ａとの間のフローガイド２０軸方向に沿った距離の少なくとも一方の分布が、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線に関して非線対称である。なお、図１〜図３、図５及び図６に示すように、フローガイド２０の中心軸Ｏは、ロータ２の中心軸と同一の直線上に存在してもよく、あるいは、ベアリングコーン１６の中心軸と同一の直線上に存在していてもよい。

例えば、図３に示す実施形態では、フローガイド２０の軸方向に沿ったフローガイド２０の内表面２０ａの長さＬ（図２参照）の分布は、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線Ｌｖに関して非線対称（すなわち、左右非対称）である。

これは、例えば以下のことから説明できる。すなわち、図４のグラフに示されるように、図３に示す実施形態では、上述の角度座標系において、角度位置θが０度以上９０度以下及び２７０度以上３６０度以下の範囲（即ち、右半部）では、上述の内表面２０ａの長さＬがＬ_ｍｉｎ以上Ｌ_２７０以下の範囲で変化しているのに対して、角度位置θが９０度以上２７０度以下の範囲（即ち、左半部）では、上述の内表面２０ａの長さＬがＬ_ｍｉｎ以上Ｌ_ｍａｘ以下の範囲で変化している。ただし、図４のグラフにおいて、Ｌ_ｍｉｎは内表面２０ａの長さの最小値であり、Ｌ_ｍａｘは内表面２０ａの長さの最大値であり、Ｌ_２７０は角度位置θが２７０度であるときの内表面２０ａの長さ（但し、Ｌ_ｍｉｎ＜Ｌ_２７０＜Ｌ_ｍａｘ）である。

また、例えば、図５及び図６に示す実施形態では、フローガイド２０の下流端２０ｂと、該下流端２０ｂに対向するケーシング１５の内壁面１５ａとの間のフローガイド２０軸方向に沿った距離Ｄ（図６参照）の分布は、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線Ｌｖに関して非線対称（すなわち、左右非対称）である。

これは、例えば以下のことから説明できる。すなわち、図７のグラフに示されるように、図５及び図７に示す実施形態では、上述の角度座標系（図５参照）において、角度位置θが０度以上９０度以下及び２７０度以上３６０度以下の範囲（即ち、右半部）では、上述の距離ＤがＤ_２７０以上Ｄ_ｍａｘ以下の範囲で変化しているのに対して、角度位置θが９０度以上２７０度以下の範囲（即ち、左半部）では、上述の距離ＤがＤ_ｍｉｎ以上Ｄ_ｍａｘ以下の範囲で変化している。ただし、図７のグラフにおいて、Ｄ_ｍｉｎは上述の距離Ｄの最小値であり、Ｄ_ｍａｘは上述の距離Ｄの最大値であり、Ｄ_２７０は角度位置θが２７０度であるときの上述の距離Ｄ（但し、Ｄ_ｍｉｎ＜Ｄ_２７０＜Ｄ_ｍａｘ）である。

なお、幾つかの実施形態では、フローガイド２０の軸方向に沿ったフローガイド２０の内表面２０ａの長さＬ（図２参照）の分布、及び、フローガイド２０の下流端２０ｂと、該下流端２０ｂに対向するケーシング１５の内壁面１５ａとの間のフローガイド２０軸方向に沿った距離Ｄ（図６参照）の分布の両方が、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線Ｌｖに関して非線対称（すなわち、左右非対称）となっていてもよい。

蒸気タービン１の静翼９及び動翼８を通過して排気室１４内に入った蒸気流れＳは旋回成分を持つため、排気室１４内において上下方向のみならず、左右方向（水平方向）にも流れの偏りが生じる場合がある。
この点、図３又は図５〜図６に示す実施形態のように、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬ、または、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄの少なくとも一方の分布を、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線Ｌｖに関して非線対称とすることにより、排気室１４内における蒸気流れＳの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。

すなわち、図３に示す実施形態のように、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬの分布を鉛直線Ｌｖに対して非線対称とする場合、フローガイド２０の内表面２０ａにおける摩擦抵抗が排気室１４内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。
また、図５〜図６に示す実施形態のように、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄの分布を鉛直線Ｌｖに対して非線対称とする場合、フローガイド２０とケーシング１５の内壁面１５ａとの間に形成される流路（ディフューザ通路１８）の断面積が排気室内で左右非対称となり、旋回成分に起因した流れの偏りを抑制できる。
よって、排気室１４内における蒸気流れを均一化して流体の圧力損失を低減し、これにより蒸気タービン１全体としての効率を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、上述の角度座標系において、例えば図３に示す実施形態のように、角度位置θが９０度以上２７０度以下の角度範囲（即ち、左半部）に、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬが最大値Ｌ_ｍａｘとなる角度位置が含まれてもよく、または、例えば図５〜図６に示す実施形態のように、角度位置θが９０度以上２７０度以下の角度範囲（即ち、左半部）に、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄが最小値Ｄ_ｍｉｎとなる角度位置が含まれていてもよい。

排気室１４内においては、蒸気流れＳが下向きの旋回成分を有する領域、即ち、図３又は図５に示す実施形態では、上記角度座標系において周方向角度位置θが９０度以上２７０度以下の角度範囲（左半部）に、蒸気流れが偏る傾向があることが明らかとなった。
この点、上述の角度座標系において、９０度以上２７０度以下の角度範囲において、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬが最大値Ｌ_ｍａｘ、または、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄが最小値Ｄ_ｍｉｎをとるようにすれば、排気室１４内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、上述の角度座標系において、例えば図３に示す実施形態のように、角度位置θが１８０度以上２７０度以下の角度範囲（即ち、左下部）に、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬが最大値Ｌ_ｍａｘとなる角度位置が含まれてもよく、または、例えば図５〜図６に示す実施形態のように、角度位置θが１８０度以上２７０度以下の角度範囲（即ち、左下部）に、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄが最小値Ｄ_ｍｉｎとなる角度位置が含まれていてもよい。

図３又は図５に示す実施形態のように、下方側に排気室出口１３を有し、下方に向けて蒸気を排出する排気室１４では、通常、排気室１４の下側に蒸気の流れが偏る。この点、上述の角度座標系において、９０度以上２７０度以下の角度範囲（即ち、蒸気流れが下向きの旋回成分を有する領域のうち、下方側の領域）において、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬが最大値Ｌ_ｍａｘ、または、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄが最小値Ｄ_ｍｉｎをとるようにすれば、排気室１４内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りをより効果的に抑制することができる。

なお、図３に示す実施形態では、図４のグラフに示されるように、角度位置θが１８０度以上２７０度以下のθ_１において、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬが最大値Ｌ_ｍａｘとなる。また、図５及び図６に示す実施形態では、図７のグラフに示されるように、角度位置θが１８０度以上２７０度以下のθ_２において、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄが最小値Ｄ_ｍｉｎとなる。

幾つかの実施形態では、上述の角度座標系において、角度位置θが０度以上９０度以下及び２７０度以上３６０度以下の範囲（即ち、右半部）における前記内表面２０ａの長さＬの平均値は、角度位置θが９０度以上２７０度以下の範囲（即ち、左半部）における前記内表面２０ａの長さＬの平均値よりも小さい、又は、角度位置θが０度以上９０度以下及び２７０度以上３６０度以下の範囲（即ち、右半部）における前記距離Ｄの平均値は、角度位置θが９０度以上２７０度以下の範囲（即ち、左半部）における前記距離Ｄの平均値よりも大きい。

また、幾つかの実施形態では、上述の角度座標系において、角度位置θが２７０度以上３６０度以下の範囲（即ち、右下部）における前記内表面２０ａの長さＬの平均値は、角度位置θが１８０度以上２７０度以下の範囲（即ち、左下部）における前記内表面２０ａの長さＬの平均値よりも小さい、又は、角度位置θが２７０度以上３６０度以下の範囲（即ち、右下部）における前記距離Ｄの平均値は、角度位置θが１８０度以上２７０度以下の範囲（即ち、左下部）における前記距離Ｄの平均値よりも小さい。

幾つかの実施形態では、例えば図３に示す実施形態のように、上述の角度座標系において、角度位置θが０度以上９０度以下の角度範囲に、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬが最小値Ｌ_ｍｉｎとなる角度位置が含まれてもよく、または、例えば図５〜図６に示す実施形態のように、角度位置θが０度以上９０度以下の角度範囲に、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄが最大値Ｄ_ｍａｘとなる角度位置が含まれてもよい。

このように、蒸気流れが下向きの旋回成分を有する領域又は排気室の下側のいずれにも属さない０度以上９０度以下の角度範囲において、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬが最小値Ｌ_ｍｉｎ、または、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄが最大値Ｄ_ｍａｘをとるようにすれば、排気室１４内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りをより効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、フローガイド２０の下流端２０ｂの軸方向における位置の分布が、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線に関して非線対称である。
例えば、図５〜図６に示す実施形態では、図６のうち中心軸Ｏよりも下側の領域における下流端２０ｂの軸方向位置に着目すると、中心軸Ｏを通る鉛直線Ｌｖ（図５参照）よりも左側（下流端２０ｂが実線で示されている部分）と、鉛直線Ｌｖよりも右側（下流端２０ｂが破線で示されている部分）とでは、下流端２０ｂを示す実線と破線とが重なっていない。よって、この実施形態では、下流端２０ｂの軸方向における位置の分布が、鉛直線Ｌｖに関して非線対称となっている。

このように、フローガイド２０の下流端２０ｂの軸方向における位置の分布を、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線Ｌｖに関して非線対称とすることで、フローガイド２０の内表面２０ａにおける摩擦抵抗、又は、フローガイド２０とケーシング１５の内壁面１５ａとの間に形成される流路（ディフューザ通路１８）の断面積が排気室１４内で左右非対称となり、排気室１４内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。

図５〜図６に示す実施形態では、さらにケーシング１５の内壁面１５ａは、少なくともフローガイド２０に対向する領域がフローガイド２０の軸方向（中心軸Ｏの方向）に直交する平面に沿って設けられている。
この場合、フローガイド２０の下流端２０ｂの軸方向における位置の分布が、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線Ｌｖに関して非線対称であることと相まって、フローガイド２０の下流端２０ｂとケーシング１５の内壁面１５ａとの間の距離Ｄの分布が、フローガイド２０の中心軸Ｏを通る鉛直線Ｌｖに関して非線対称となる。よって、フローガイド２０とケーシング１５の内壁面１５ａとの間に形成される流路（ディフューザ通路１８）の断面積が排気室１４内で左右非対称となり、排気室１４内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。

また、下流端２０ｂの軸方向における位置の分布が、中心軸Ｏを通る鉛直線に関して非線対称である、との特徴を有するフローガイド２０を、ケーシング１５の内壁面１５ａに対して軸方向が直交するように適用することで、ケーシング１５の内壁面１５ａが、少なくともフローガイド２０に対向する領域がフローガイド２０の軸方向（中心軸Ｏの方向）に直交する平面に沿って設けられた排気室１４を得ることができる。
よって、既存の蒸気タービンプラントにおいても、上述の特徴を有するフローガイド２０を交換等により適用することで、フローガイド２０とケーシング１５の内壁面１５ａとの間に形成される流路（ディフューザ通路１８）の断面積を排気室１４内で左右非対称とすることができ、排気室１４内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。

幾つかの実施形態において、蒸気タービン１の排気室１４の部品としてのフローガイド２０は、フローガイド２０の軸方向に沿った断面内におけるフローガイド２０の内表面２０ａの長さＬ（図２参照）が、フローガイド２０の中心軸Ｏに直交する任意の直線に関して非線対称である。
このように、フローガイド２０の内表面２０ａの長さＬがフローガイド２０の中心軸Ｏに直交する任意の直線に対して非線対称であれば、フローガイド２０を適切な配向で排気室１４内に設置することで、排気室１４内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。

また、幾つかの実施形態では、フローガイド２０の軸方向における両端部のうち内径が大きい下流端２０ｂの軸方向における位置の分布が、フローガイド２０の中心軸Ｏに直交する任意の直線に関して非線対称である。

このように、フローガイド２０の下流端２０ｂの軸方向における位置の分布が、フローガイド２０の中心軸Ｏに直交する任意の直線に関して非対称であるので、フローガイド２０を適切な配向で排気室１４内に設置すれば、排気室１４内における蒸気流れの旋回成分に起因した流れの偏りを抑制することができる。

なお、排気室１４における旋回流れの強さや、排気室１４において流れの偏りが大きくなる角度位置θは、蒸気タービンの運転条件によって変化し得る。例えば、旋回流れの強さは真空度によって変化し、真空度は温度に依存するため、蒸気タービンを設置する場所の温度等に応じて、旋回流れの強さは変化し得る。そこで、蒸気タービンの運転条件（例えば設置場所の温度等）に応じた適切な形状となるように、フローガイド２０を設計するようにしてもよく、例えば、フローガイド２０の軸方向に沿った断面内におけるフローガイド２０の内表面２０ａの長さＬの分布、又は、フローガイド２０の下流端２０ｂと該下流端２０ｂに対向するケーシング１５の内壁面１５ａとの間の軸方向に沿った距離Ｄの分布等を決定してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ 蒸気タービン
２ ロータ
３ 蒸気入口
６ 軸受部
８ 動翼
８Ａ 最終段動翼
９ 静翼
１０ 内側ケーシング
１１ 排気室入口
１２ 外側ケーシング
１３ 排気室出口
１４ 排気室
１５ ケーシング
１５ａ ケーシングの内壁面
１６ ベアリングコーン
１６ａ ベアリングコーンの下流端
１８ ディフューザ通路
２０ フローガイド
２０ａ フローガイドの内表面
２０ｂ フローガイドの下流端
Ｌｖ 鉛直線
Ｏ 中心軸

Claims (7)

1. 排気室と、前記排気室の上流側に設けられる動翼と、前記排気室の上流側に設けられる静翼と、を備える蒸気タービンであって、
   前記排気室は、
   ケーシングと、
   前記ケーシング内に設けられるフローガイドと、を含み、
   前記排気室は、下方側に排気室出口を有し、
   前記フローガイドの軸方向に沿った断面内における前記フローガイドの内表面の長さ、または、前記フローガイドの下流端と該下流端に対向する前記ケーシングの内壁面との間の前記軸方向に沿った距離の少なくとも一方の分布が、前記フローガイドの中心軸を通る鉛直線に関して非線対称である
   ことを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記排気室の排気室入口における蒸気流れの旋回方向の接線方向が鉛直上向きとなる周方向角度位置を０度とする前記旋回方向に沿った角度座標系において９０度以上２７０度以下の角度範囲に、前記フローガイドの前記内表面の前記長さが最大値となる角度位置、または、前記フローガイドの前記下流端と前記ケーシングの前記内壁面との間の前記距離が最小値となる角度位置が含まれることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記角度座標系において１８０度以上２７０度以下の角度範囲に、前記フローガイドの前記内表面の前記長さが最大値となる角度位置、または、前記フローガイドの前記下流端と前記ケーシングの前記内壁面との間の前記距離が最小値となる角度位置が含まれることを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン。
4. 前記排気室の排気室入口における蒸気流れの旋回方向の接線方向が鉛直上向きとなる周方向角度位置を０度とする前記旋回方向に沿った角度座標系において０度以上９０度以下の角度範囲に、前記フローガイドの前記内表面の前記長さが最小値となる角度位置、または、前記フローガイドの前記下流端と前記ケーシングの前記内壁面との間の前記距離が最大値となる角度位置が含まれることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の蒸気タービン。
5. 前記フローガイドの前記下流端の前記軸方向における位置の分布が、前記フローガイドの前記中心軸を通る鉛直線に関して非線対称であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の蒸気タービン。
6. 前記ケーシングの前記内壁面は、少なくとも前記フローガイドに対向する領域が前記軸方向に直交する平面に沿って設けられることを特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン。
7. 前記ケーシング内において前記フローガイドの内周側に設けられ、前記ケーシングの前記内壁面に接続される下流端を有するベアリングコーンをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の蒸気タービン。

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