JP2019157660A - 蒸気タービンの排気室および蒸気タービンシステム - Google Patents

蒸気タービンの排気室および蒸気タービンシステム Download PDF

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Abstract

【課題】排気室内における流体損失を低減可能であり、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、および蒸気タービンシステムを提供する。【解決手段】蒸気タービンの排気室は、蒸気タービンの最終段動翼を通過した蒸気を復水器に導くための排気流路を内部に画定するものであって、排気流路の外周側に形成される外周壁部を含むケーシングと、外周壁部よりも径方向の内側に設けられるベアリングコーンと、排気流路を流れる蒸気の一部を、排気流路の高圧側から排気流路の低圧側又は復水器に流す少なくとも一つのバイパス流路であって、ベアリングコーンに形成される高圧側開口および高圧側開口よりも開口に面する前記蒸気の圧力が低い低圧側開口を含むバイパス流路と、を備える。【選択図】 図3

Description

本開示は、蒸気タービンの最終段動翼を通過した蒸気を復水器に導くための排気流路を内部に画定する蒸気タービンの排気室、並びに蒸気タービン、ボイラおよび発電機を備える蒸気タービンシステムに関する。
通常、蒸気タービンのタービン内で仕事をして最終段動翼を通過した蒸気(排気)は、排気室内の排気流路を通った後に、復水器により復水される。排気流路を流れる蒸気は、排気室内のディフューザ流路を通過する際に、流れが減速されることで圧力が回復する。排気室内での圧力回復量が大きいほど、復水器と最終段動翼出口との圧力差が大きくなり、最終段動翼出口の圧力が低下するため、タービン出力が増加し、タービン効率が上昇する。ここで、排気室内での圧力回復量は、排気室内を流れる蒸気の流れの性状や、排気室の内部構造物の形状などの影響を受ける。このため、タービン効率を向上させるための構成が幾つか提案されている。
例えば、特許文献1には、排気室のディフューザ流路を形成するフローガイドに偏向部材を設けて、ディフューザ流路内においてチップフローに旋回を付与し、チップフローと蒸気主流とが混合する際の損失を低減させる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蒸気タービンの排気装置であって、排気室における外周側のフローガイドと内周側のベアリングコーンとにより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の排気装置が記載されている。
特開2011−220125号公報 特開平11−200814号公報
しかしながら、特許文献1、2に記載の蒸気タービンや蒸気タービンの排気装置では、環境変化により蒸気タービンの効率が低下する虞がある。より具体的には、復水器内の圧力は、季節の変化による気温の変化などの環境の変化により変動するものであり、該復水器内の圧力の変化は、排気室内の蒸気の流れを変化させる。特に気温が高い場合には、復水器内の圧力が高くなる(低真空度になる)ので、排気室内を流れる蒸気の流れに乱れが生じる。排気室内を流れる蒸気の流れに乱れが生じると、例えば、ベアリングコーンの内側面に面する蒸気の圧力が高くなり、排気流路を流れる蒸気が、ディフューザ流路の内径側を覆うベアリングコーンから剥離して、排気室内における圧力回復性能が著しく低下する現象が生じることがある。このように排気室内を流れる蒸気の流れに乱れが生じると、排気室内での流体損失が大きくなり蒸気タービンの効率が低下する虞がある。
上述した事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、排気室内における流体損失を低減可能であり、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、および蒸気タービンシステム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かかる蒸気タービンの排気室は、
蒸気タービンの最終段動翼を通過した蒸気を復水器に導くための排気流路を内部に画定する蒸気タービンの排気室であって、
前記排気流路の外周側に形成される外周壁部を含むケーシングと、
前記外周壁部よりも径方向の内側に設けられるベアリングコーンと、
前記排気流路を流れる蒸気の一部を、前記排気流路の高圧側から前記排気流路の低圧側又は前記復水器に流す少なくとも一つのバイパス流路であって、前記ベアリングコーンに形成される高圧側開口および前記高圧側開口よりも開口に面する前記蒸気の圧力が低い低圧側開口を含むバイパス流路と、を備える。
上記(1)の構成によれば、蒸気タービンの排気室は、排気流路の外周側に形成される外周壁部を含むケーシングと、外周壁部よりも径方向の内側に設けられるベアリングコーンと、排気流路を流れる蒸気の一部を、排気流路の高圧側から排気流路の低圧側又は復水器に流す少なくとも一つのバイパス流路と、を備えている。該バイパス流路は、ベアリングコーンに形成される高圧側開口および高圧側開口よりも開口に面する蒸気の圧力が低い低圧側開口を含んでいる。このような蒸気タービンの排気室は、ベアリングコーンに形成される高圧側開口を含むバイパス流路により、排気流路のベアリングコーン側に順流流れを形成することで、蒸気のベアリングコーンの内側面からの剥離を抑制できるので、排気室内の実効的な排気面積が拡大して排気室内における蒸気の圧力回復量を増加させることができる。したがって、上述したような蒸気タービンの排気室は、排気室内における流体損失を低減可能であり、蒸気タービンの効率を向上可能である。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記低圧側開口は、前記高圧側開口よりも前記ベアリングコーンの流れ方向の上流側に形成され、
前記蒸気タービンの排気室を、周方向において、前記復水器が設けられる復水器側と、前記復水器が設けられる側とは反対側の反復水器側と、に区分した際に、前記高圧側開口は前記反復水器側に形成され、前記低圧側開口は前記復水器側に形成される。
上記(2)の構成によれば、蒸気タービンの排気室における反復水器側は、復水器側とは異なり、ベアリングコーン側を流れる蒸気がケーシングの外周壁部に突き当たって折り返すような、ベアリングコーン側を流れる蒸気が流れ難い構造になっている。このため、反復水器側を流れる蒸気は、復水器側を流れる蒸気よりも高圧になるので、反復水器側におけるベアリングコーンの内側面に面する蒸気は、ベアリングコーンの内側面から剥離しやすい。そこで、バイパス流路の高圧側開口を反復水器側に低圧側開口を復水器側に形成することにより、ベアリングコーンの反復水器側に形成される高圧側開口から、ベアリングコーンの内側面に面する蒸気の一部を、ベアリングコーンの復水器側に形成される低圧側開口に向かって流すことができるので、排気流路の反復水器側に、ベアリングコーンの内側面に沿うような順流流れを形成することができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記低圧側開口は、前記高圧側開口よりも前記ベアリングコーンの流れ方向の上流側に位置する軸端シール部であって、前記最終段動翼の根元部と前記ベアリングコーンの前記流れ方向の上流側の端部との間に形成される軸端シール部からなる。
上記(3)の構成によれば、軸端シール部は、最終段動翼の根元部とベアリングコーンの流れ方向の上流側の端部との間に形成されているため、軸端シール部の近傍の蒸気は、ベアリングコーンの流れ方向の上流側の内側面に面する蒸気に比べて低圧である。このため、低圧側開口と高圧側開口との間の圧力差を大きくすることができるので、バイパス流路の高圧側開口から蒸気を効率的に流れ込ませることができる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(3)の構成において、
前記蒸気タービンの排気室を、周方向において、前記復水器が設けられる復水器側と、前記復水器が設けられる側とは反対側の反復水器側と、に区分した際に、前記バイパス流路の前記高圧側開口は、前記反復水器側に設けられる。
上述したように、反復水器側を流れる蒸気は、復水器側を流れる蒸気よりも高圧になるので、反復水器側におけるベアリングコーンの内側面に面する蒸気は、ベアリングコーンの内側面から剥離しやすい。上記(4)の構成によれば、バイパス流路の高圧側開口を反復水器側に形成することで、該高圧側開口から、ベアリングコーンの反復水器側の内側面に面する蒸気の一部を、低圧側開口に向かって流すことができるので、排気流路の反復水器側に、ベアリングコーンの内側面に沿うような順流流れを形成することができる。特に、バイパス流路の高圧側開口を高圧となる反復水器側のみに限定することで、高圧側開口と低圧側開口の圧力差を大きくすることができるので、バイパス流路の高圧側開口から蒸気を効率的に流れ込ませることができる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)〜(4)の構成において、
前記ケーシングは、前記ベアリングコーンよりも径方向の内側に設けられる内周壁部をさらに含み、
前記バイパス流路の少なくとも一部は、前記ベアリングコーンの外側面と前記内周壁部の内側面とにより形成されている。
上記(5)の構成によれば、ベアリングコーンは、ケーシングの内周壁部の内張りとして、外側面と内周壁部の内側面とによりバイパス流路の少なくとも一部が形成されているので、バイパス流路が不要となった際に、ベアリングコーンの交換や加工により容易にバイパス流路の除去が可能である。
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記低圧側開口は、前記復水器に形成される。
上記(6)の構成によれば、復水器の内部の蒸気は、軸端シール部の近傍の蒸気やベアリングコーンの流れ方向の上流側の内側面に面する蒸気に比べて低圧である。このため、低圧側開口と高圧側開口との間の圧力差を大きくすることができるので、バイパス流路の高圧側開口から蒸気を効率的に流れ込ませることができる。
(7)幾つかの実施形態では、上記(1)〜(6)の構成において、
前記バイパス流路を開閉する開閉弁をさらに備える。
上記(7)の構成によれば、ベアリングコーンの内側面に面する蒸気に剥離が生じるような場合には、開閉弁を開く(開度を大きくする)ことで、ベアリングコーンの内側面に面する蒸気の一部を、バイパス流路を通じて流すことができ、蒸気のベアリングコーンの内側面からの剥離を抑制できる。また、ベアリングコーンの内側面に面する蒸気に剥離が生じない場合には、開閉弁を閉じる(開度を小さくする)ことで、バイパス流路を蒸気の一部が通ることによる圧力低下や流体損失を抑制することができる。
(8)本発明の少なくとも一実施形態にかかる蒸気タービンシステムは、
上記(1)〜(7)に記載の蒸気タービンの排気室を含む蒸気タービンと、
燃料を燃焼させて蒸気を生成するボイラと、
前記蒸気タービンにより発電する発電機と、
前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離を検出するための剥離検出装置と、を備える。
上記(8)の構成によれば、剥離検出装置により排気流路を流れる蒸気の剥離を検出することができる。このため、剥離検出装置が剥離を検出しないようにする、例えば蒸気タービンシステムを構成する蒸気タービンやボイラなどを制御することで、排気室内における流体損失を低減可能であり、蒸気タービンの効率を向上可能である。
(9)幾つかの実施形態では、上記(8)の構成において、
前記剥離検出装置は、前記ベアリングコーンの内側面に設けられる圧力センサを含む。
上記(9)の構成によれば、圧力センサによりベアリングコーンの内側面に面する蒸気の圧力を検出することができる。ここで、蒸気がベアリングコーンの内側面から剥離した場合の圧力分布は、剥離していない場合の圧力分布とは異なる。よって、圧力センサにより排気流路を流れる蒸気のベアリングコーンの内側面からの剥離を検出することができる。
(10)幾つかの実施形態では、上記(8)の構成において、
前記剥離検出装置は、前記ベアリングコーンの外側面に設けられる振動検出装置を含む。
上記(10)の構成によれば、振動検出装置によりベアリングコーンの振動を検出することができる。ここで、蒸気がベアリングコーンの内側面から剥離した場合には、剥離していない場合に比べて、ベアリングコーンの内側面に面する蒸気の流れが乱れるので、ベアリングコーンが大きく振動する。よって、振動検出装置により排気流路を流れる蒸気のベアリングコーンの内側面からの剥離を検出することができる。また、振動検出装置は、ベアリングコーンの内側面に設けられる圧力センサとは異なり、ベアリングコーンの外側面に設けることができるので、設置が容易である。
(11)幾つかの実施形態では、上記(8)の構成において、
前記剥離検出装置は、前記発電機の出力を検出する出力検出装置を含む。
上記(11)の構成によれば、出力検出装置により発電機の出力を検出することができる。ここで、蒸気がフローガイドやベアリングコーンから剥離した場合には、剥離していない場合に比べて、蒸気タービンの効率が低下し、蒸気タービンの出力および発電機の出力が低下する。よって、出力検出装置により排気流路を流れる蒸気の剥離を検出することができる。また、出力検出装置は通常発電機などに設けられていて、蒸気の剥離を検出するための装置を新たに設ける必要がないので、システム構成の複雑化を防止することができる。
(12)幾つかの実施形態では、上記(8)の構成において、
前記剥離検出装置は、前記蒸気タービンシステムに設けられた測定器の測定結果から前記蒸気タービンの効率を算出する算出装置を含む。
上記(12)の構成によれば、算出装置により蒸気タービンシステムに設けられた測定器の測定結果から蒸気タービンの効率を算出することができる。上述したように、蒸気がフローガイドやベアリングコーンから剥離した場合には、剥離していない場合に比べて、蒸気タービンの効率が低下し、蒸気タービンの出力および発電機の出力が低下する。よって、算出装置により排気流路を流れる蒸気の剥離を検出することができる。また、測定器には蒸気タービンなどに通常設けられるものを利用することで、蒸気の剥離を検出するための装置を新たに設ける必要がないので、システム構成の複雑化を防止することができる。
(13)幾つかの実施形態では、上記(8)〜(12)の構成において、
前記蒸気タービンシステムは、
数値流体解析を実行することにより得られた前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離状態および非剥離状態を表す判定基準データを記憶する記憶装置と、
前記剥離検出装置による検出結果および前記判定基準データに基づいて、前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離を判定する剥離判定装置と、をさらに備える。
上記(13)の構成によれば、
記憶装置に記憶された数値流体解析を実行することにより得られた判定基準データを用いることで、蒸気の剥離をより明確に検出することができる。このため、圧力センサなどの剥離検出装置のうちの幾つかが故障したような場合でも蒸気の剥離を検出することができる。また、蒸気の剥離の検出精度を維持しつつ、圧力センサなどの剥離検出装置の数を少なくすることができる。
(14)幾つかの実施形態では、上記(8)〜(13)の構成において、
前記蒸気タービンシステムは、前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離を抑制するための剥離抑制装置をさらに備え、
前記剥離抑制装置は、前記剥離検出装置による検出結果に基づいて、前記蒸気タービンの主蒸気弁の開閉動作を制御、又は前記ボイラに投入される燃料の投入量を調整する制御装置を含む。
上記(14)の構成によれば、排気流路を流れる蒸気の剥離が検出された場合には、制御装置は、通常運転時よりも蒸気タービンの主蒸気弁を開いたり(開度を大きくする)、ボイラに投入される燃料の投入量を増やしたりすることで、蒸気タービンの主蒸気流量を一時的に増加させることができる。蒸気タービンの主蒸気流量が増加すると、排気流路に大流量の蒸気が流れるので、ベアリングコーンの近傍を流れる蒸気がベアリングコーンの内側面に付着する。このため、排気流路を流れる蒸気の剥離を抑制することができる。また、排気流路を流れる蒸気の剥離が検出されていない場合には、制御装置は、蒸気の剥離が検出された場合よりも、蒸気タービンの主蒸気弁を閉じたり(開度を小さくする)、ボイラに投入される燃料の投入量を減らしたりできるので、蒸気タービンの燃焼効率を向上させることができる。なお、ボイラに投入される燃焼の投入量を調整する方が、主蒸気弁の開閉動作よりも、蒸気タービンの主蒸気流量を長時間にわたって大幅に増量させることが可能である。
また、蒸気の剥離は、事前の運転状況の影響を受ける。例えば、小流量や低真空の運転条件下で蒸気の剥離が生じた後に、定常運転になった場合には、蒸気は剥離した状態が維持されるが、大流量や高真空の運転条件下で蒸気がベアリングコーンの内側面に付着した後に、定常運転になった場合には、蒸気は剥離しない状態を維持できるという特性がある。該特性を利用して、制御装置は、蒸気タービンの主蒸気弁を閉じたり(開度を小さくする)、ボイラに投入される燃料の投入量を減らしたりできるので、蒸気タービンの燃焼効率をさらに向上させることができる。
(15)幾つかの実施形態では、上記(8)〜(13)の構成において、
前記蒸気タービンシステムは、前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離を抑制するための剥離抑制装置をさらに備え、
前記剥離抑制装置は、前記バイパス流路を開閉する開閉弁の開閉動作を制御する制御装置を含む。
上記(15)の構成によれば、排気流路を流れる蒸気の剥離が検出された場合には、制御装置は、バイパス流路を開閉する開閉弁を開く(開度を大きくする)ことで、ベアリングコーンの内側面に面する蒸気の一部を、バイパス流路を通じて流すことができ、蒸気のベアリングコーンの内側面からの剥離を抑制できる。また、排気流路を流れる蒸気の剥離が検出されない場合には、制御装置は、開閉弁を閉じる(開度を小さくする)ことで、バイパス流路を蒸気の一部が通ることによる圧力低下や流体損失を抑制することができる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、排気室内における流体損失を低減可能であり、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、および蒸気タービンシステムが提供される。
本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室を備える蒸気タービンの軸方向に沿った概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンプラントの構成を概略的に示す概略構成図である。 本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った断面図である。 図3に示すA−A線矢視の概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸方向から視た状態を示す概略図である。 比較例にかかる蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った部分拡大断面図である。 本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図である。 本発明の他の一実施形態におけるバイパス流路を説明するための図であって、軸方向視において概略的に示す概略図である。 本発明の他の一実施形態におけるバイパス流路を説明するための図であって、複数の高圧側開口に対して一の低圧側開口が形成された状態を、軸方向視において概略的に示す概略図である。 本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、軸端シール部を低圧側開口とする状態を示す図である。 図10におけるバイパス流路を説明するための図であって、軸方向視において概略的に示す概略図である。 本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、反復水器側にのみ高圧側開口が形成された状態を示す図である。 図12におけるバイパス流路を説明するための図であって、軸方向視において概略的に示す概略図である。 本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、ケーシングによりバイパス流路の少なくとも一部が形成された状態を示す図である。 本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、低圧側開口が復水器に形成された状態を示す図である。 図15に示す蒸気タービンの排気室を復水器とともに軸方向から視た状態を示す概略図である。 本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、バイパス流路の途中に弁が設けられた状態を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンシステムにおける制御の一例を示すフロー図である。 本発明の一実施形態における剥離検出装置を説明するための図であって、蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った部分拡大断面図である。 図19に示す剥離検出装置による蒸気の剥離の検出方法を説明するためのグラフであって、ベアリングコーンの流れ方向の上流端からの長さと検出される圧力との関係を示すグラフである。 本発明の他の一実施形態における剥離検出装置を説明するための図であって、蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った部分拡大断面図である。 図21に示す剥離検出装置による蒸気の剥離の検出方法を説明するためのグラフであって、蒸気が剥離した状態における振動数と蒸気が剥離していない状態における振動数を示すグラフである。 本発明の一実施形態における剥離検出装置および剥離抑制装置を説明するための図であって、蒸気タービンプラントの他の構成を概略的に示す概略構成図である。 本発明の一実施形態における制御装置の構成の一例を示す構成図である。 本発明の一実施形態における剥離検出装置を説明するための図であって、蒸気タービンプラントの他の構成を概略的に示す概略構成図である。 本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンシステムにおける制御の他の一例を示すフロー図である。
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。
例えば、「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」および「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。
例えば、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。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「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。
なお、同様の構成については同様の符号を付し説明を省略することがある。
まず、幾つかの実施形態にかかる蒸気タービンの排気室を備える蒸気タービンの全体構造について説明する。図1は、本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室を備え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に示されるように、蒸気タービン10は、長尺棒状のロータ11と、ロータ11を回転可能に支持するベアリング12と、ロータ11に設けられた複数段の動翼13と、ロータ11及び動翼13を収容する内部ケーシング4と、動翼13に対向するように内部ケーシング4に設けられた複数段の静翼14と、内部ケーシング4の径方向の外側に設けられる外部ケーシング3と、を備えている。このような蒸気タービン10においては、蒸気入口15から内部ケーシング4の内部に導入された蒸気が、静翼14を通過する際に膨張して増速されて、動翼13に対して仕事をしてロータ11を回転させるようになっている。なお、図1に示されるように、蒸気タービン10の軸心LAは、ロータ11の中心軸LC上に存在してもよい。
また、蒸気タービン10は、排気室2を備えている。排気室2は、図1に示されるように、動翼13および静翼14の下流側に位置している。内部ケーシング4内において動翼13および静翼14を通過した蒸気(蒸気流れFS)は、蒸気の流れ方向の最も下流側に位置する動翼である最終段動翼13Aよりも、流れ方向の下流側に位置する排気室入口22から排気室2に流入し、排気室2の内部に形成された排気流路21を通った後に、排気室2の下方に設けられた排気室出口23から蒸気タービン10の外部に排出される。なお、図1に示される実施形態では、排気室出口23は、ロータ11の中心軸LCを挟んで蒸気入口15とは反対側に位置しているが、他の実施形態では、排気室出口23は、ロータ11の中心軸LCに対して蒸気入口15と同じ側に位置していてもよいし、ロータ11の中心軸LCに対して水平方向に離れた位置に設けられていてもよい。
図1に示される実施形態では、排気室2の下方には復水器16が設けられている。復水器16は、排気室2の排気室出口23から蒸気が流入する復水器入口161が形成された胴162と、該胴162の内部に配置される不図示の複数の伝熱管と、を備えている。複数の伝熱管の内部には海水などで冷却された冷却水が流れている。この場合には、排気室2の排気室出口23から復水器入口161を介して胴162の内部に流入した蒸気は、複数の伝熱管により凝縮されることで復水する。
また、蒸気タービン10は、図1に示されるように、ベアリング12の外周側を覆うように設けられるベアリングコーン6と、排気室2内においてベアリングコーン6の径方向外側に設けられるフローガイド5と、を備えている。フローガイド5やベアリングコーン6は、流れ方向の下流側(軸方向外側)に向かうにつれて蒸気タービン10の軸心LAとの距離が大きくなる筒状に形成されている。排気室2の内部には、フローガイド5とベアリングコーン6とにより環状のディフューザ流路24が形成されている。ディフューザ流路24は、最終段動翼13Aよりも流れ方向の上流側の第1内部空間25に連通するとともに、流れ方向の下流側に向かうにつれて断面積が徐々に拡大する形状を有している。そして、蒸気タービン10の最終段動翼13Aを通過した高速の蒸気流れFSがディフューザ流路24に流入すると、蒸気流れFSが減速されて蒸気が有する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。なお、図1に示されるように、フローガイド5およびベアリングコーン6の中心軸は、ロータ11の中心軸LCと同じ直線上に存在してもよい。なお、蒸気タービン10は、高圧タービン又は中圧タービンで仕事をした蒸気が流れる低圧タービンであってもよい。
次に、幾つかの実施形態にかかる蒸気タービンシステムの全体構造について説明する。図2は、本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンプラントの構成を概略的に示す概略構成図である。図2に示されるように、蒸気タービンシステム1は、例えば火力発電所のものであり、燃料を燃焼させて蒸気(主蒸気)を生成するボイラ17と、ボイラ17から送られた蒸気によりロータ11を回転させる上述した蒸気タービン10と、蒸気タービン10のロータ11の回転により駆動されて発電する発電機18と、海水などで冷却される伝熱管を内蔵するとともに、蒸気タービン10から排出された圧力と温度の低下した蒸気を伝熱管などにより凝縮させることで復水する上述した復水器16と、復水器16で復水した水をボイラ17に送る給水ポンプ19と、を備えている。また、図2に示されるように、蒸気タービンシステム1は、ボイラ17と蒸気タービン10に接続されるとともに、ボイラ17で生成された蒸気を蒸気タービン10に供給する蒸気導入ライン171と、復水器16およびボイラ17に接続されるとともに、給水ポンプ19が途中に設けられる復水ライン191と、をさらに備えている。
次に、図1〜図17を参照して、幾つかの実施形態にかかる蒸気タービン10の排気室2の構成について、具体的に説明する。ここで、図3は、本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った断面図である。図4は、図3に示すA−A線矢視の概略断面図である。図5は、本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸方向から視た状態を示す概略図である。なお、図5では、シール部材81を省略して示している。
幾つかの実施形態にかかる蒸気タービン10の排気室2は、図1に示されるように、蒸気タービン10の最終段動翼13Aを通過した蒸気を復水器16に導くための排気流路21を内部に画定するようになっている。そして、排気室2は、図3に示されるように、排気流路21の外周側に形成される外周壁部31を含む外部ケーシング3(ケーシング)と、外周壁部31よりも径方向の内側に設けられるベアリングコーン6と、排気流路21を流れる蒸気の一部を、排気流路21の高圧側から排気流路21の低圧側又は復水器16に流す少なくとも一つのバイパス流路7と、を備えている。そして、少なくとも一つのバイパス流路7は、図3に示されるように、ベアリングコーン6に形成される高圧側開口71と、高圧側開口71よりも開口に面する蒸気の圧力が低い低圧側開口72と、を含んでいる。ここで、開口や面に面する蒸気とは、開口や面に面する内部空間(例えば排気流路21など)における開口や面の近傍を流れる蒸気を意味する。
外部ケーシング3は、図3に示されるように、軸方向に沿って延在する外周壁部31と、径方向に沿って延在する第1壁部32であって、第1壁部32の径方向の外側の端部(図中上端部)が外周壁部31の軸方向の外側の端部(図中右端部)に接続される第1壁部32と、を含んでいる。第1壁部32は、図3に示されるように、径方向の内側の端部(図中下端部)がベアリングコーン6の流れ方向の下流側の端部に接続されている。また、図3に示される実施形態では、ベアリングコーン6は、軸方向に沿った断面において多直線状に形成されているが、軸方向に沿った断面において円弧状に形成されていてもよい。なお、他の幾つかの実施形態では、ベアリングコーン6の流れ方向の下流側の端部が外周壁部31の軸方向の外側の端部に接続されていてもよい。また、他の幾つかの実施形態では、ベアリングコーン6は、外部ケーシング3の内部に収容されていてもよい。
図4に示されるように、排気室2を周方向において、排気室出口23や復水器16が設けられる側を復水器側と、排気室出口23や復水器16が設けられる側とは反対側を反復水器側と、に区分する。図4に示される実施形態では、復水器側と反復水器側とを区分する際の境界は、水平線LHである。ここで、水平線LHは、ロータ11の中心軸LCを通る軸線に直交して水平方向(図4中左右方向)に沿って延在する直線である。図4に示されるように、外周壁部31は、水平線LHが延在する方向に沿った断面内において、復水器側が半環状に形成されるとともに、反復水器側が鉛直方向に沿って延在している。
また、内部ケーシング4は、図3に示されるように、軸方向に沿って延在する内周壁部41と、内周壁部41の外周側に接続されるとともに径方向に沿って延在する第2壁部42と、を含んでいる。内部ケーシング4は、第2壁部42を介して外部ケーシング3に支持されている。また、図2に示される実施形態では、内周壁部41の流れ方向の下流側の端部43に設けられるフローガイド5は、軸方向に沿った断面において一本の直線状に形成されているが、軸方向に沿った断面において円弧状や多直線状に形成されていてもよい。
図3に示される実施形態では、少なくとも一つのバイパス流路7は、筒状の配管84Aにより形成されている。配管84Aは、図3に示されるように、一端がベアリングコーン6の反復水器側における流れ方向の下流側に接続されており、ベアリングコーン6の反復水器側における流れ方向の下流側において、排気流路21に連通する高圧側開口71が形成されている。また、配管84Aは、図3に示されるように、他端がベアリングコーン6の復水器側における流れ方向の上流側に接続されており、ベアリングコーン6の復水器側における流れ方向の上流側において、排気流路21に連通する低圧側開口72が形成されている。また、配管84Aは、シール部材81を貫通するようになっている。ここで、シール部材81は、ベアリングコーン6の外側面62と外側面62と対向するロータ11との間をシールするものである。また、配管84Aは、図5に示されるように、排気室2の軸方向視において、ベアリングコーン6の外側面62に沿うような円弧状に形成されている。なお、図3に示される実施形態では、配管84Aは、途中で軸線が折れ曲がるように形成されているが、他の実施形態では、配管84Aは、軸線が直線状や円弧状になるような形状に形成されていてもよい。
図6は、比較例にかかる蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った部分拡大断面図である。図6においては、図3に示される実施形態と同一の符号を有する部材については、その説明を省略する。図6に示される比較例の排気室2Aは、上述した外周壁部31を含む外部ケーシング3(ケーシング)と、上述したベアリングコーン6と、を備えているが、上述したバイパス流路7を備えない構成になっている。この場合には、特許文献1や特許文献2に記載された構成と同様に、蒸気タービン10の効率が低下する虞がある。より具体的には、環境の変化などにより復水器16内の圧力が高くなる(低真空度になる)と、排気室2内を流れる蒸気の流れに乱れが生じる。この際に、図6に示されるように、ベアリングコーン6に沿って流れ方向の上流側に流れる逆流RCが形成されることもある。排気室2内を流れる蒸気の流れに乱れが生じると、排気流路21を流れる蒸気が、ディフューザ流路24の内径側を覆うベアリングコーン6から剥離して、排気室2内における圧力回復性能が著しく低下する現象が生じることがある。このように排気室2内を流れる蒸気の流れに乱れが生じると、排気室2内での流体損失が大きくなり蒸気タービン10の効率が低下する虞がある。
そこで、本発明の発明者らは、ベアリングコーン6に形成される高圧側開口71を含むバイパス流路7により、排気流路21のベアリングコーン6側に順流流れFDを形成することで、蒸気のベアリングコーン6の内側面61からの剥離を抑制することに思い至った。
上述したように、幾つかの実施形態にかかる蒸気タービン10の排気室2は、図3、5および後述する図7〜17に示されるように、上述した外周壁部31を含む外部ケーシング3(ケーシング)と、上述したベアリングコーン6と、上述した上述した高圧側開口71および低圧側開口72を含む少なくとも一つのバイパス流路7と、を備えている。
上記の構成によれば、蒸気タービン10の排気室2は、排気流路21の外周側に形成される外周壁部31を含む外部ケーシング3(ケーシング)と、外周壁部31よりも径方向の内側に設けられるベアリングコーン6と、排気流路21を流れる蒸気の一部を、排気流路21の高圧側から排気流路21の低圧側又は復水器16に流す少なくとも一つのバイパス流路7と、を備えている。該バイパス流路7は、ベアリングコーン6に形成される高圧側開口71および高圧側開口71よりも開口に面する蒸気の圧力が低い低圧側開口72を含んでいる。このような蒸気タービン10の排気室2は、ベアリングコーン6に形成される高圧側開口71を含むバイパス流路7により、排気流路21のベアリングコーン6側に順流流れFDを形成することで、蒸気のベアリングコーン6の内側面61からの剥離を抑制できるので、排気室2内の実効的な排気面積が拡大して排気室2内における蒸気の圧力回復量を増加させることができる。したがって、上述したような蒸気タービン10の排気室2は、排気室2内における流体損失を低減可能であり、蒸気タービン10の効率を向上可能である。
図7は、本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図である。幾つかの実施形態では、図3、7および後述する図14に示されるように、上述した低圧側開口72は、高圧側開口71よりもベアリングコーン6の流れ方向の上流側に形成されている。そして、図3、7および後述する図14に示されるように、上述した蒸気タービン10の排気室2を、周方向において、復水器16が設けられる復水器側と、復水器16が設けられる側とは反対側の反復水器側と、に区分した際に、高圧側開口71は反復水器側に形成され、低圧側開口72は復水器側に形成される。
図7に示される実施形態では、少なくとも一つのバイパス流路7は、筒状の配管84Bにより形成されている。配管84Bは、図7に示されるように、一端がベアリングコーン6の反復水器側における流れ方向の上流側に接続されており、ベアリングコーン6の反復水器側における流れ方向の上流側において、排気流路21に連通する高圧側開口71が形成されている。また、配管84Bは、図7に示されるように、他端がベアリングコーン6の復水器側における流れ方向の上流側に接続されており、ベアリングコーン6の復水器側における流れ方向の上流側において、排気流路21に連通する低圧側開口72が形成されている。また、配管84Bは、一端および他端の両方がシール部材81よりも軸方向の内側に位置しており、シール部材81を貫通しない。
上記の構成によれば、蒸気タービン10の排気室2における反復水器側は、復水器側とは異なり、ベアリングコーン6側を流れる蒸気が外部ケーシング3の外周壁部31に突き当たって折り返すような、ベアリングコーン6側を流れる蒸気が流れ難い構造になっている。このため、反復水器側を流れる蒸気は、復水器側を流れる蒸気よりも高圧になるので、反復水器側におけるベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気は、ベアリングコーン6の内側面61から剥離しやすい。そこで、バイパス流路7の高圧側開口71を反復水器側に、低圧側開口72を復水器側に形成することにより、ベアリングコーン6の反復水器側に形成される高圧側開口71から、ベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気の一部を、ベアリングコーン6の復水器側に形成される低圧側開口72に向かって流すことができるので、排気流路21の反復水器側に、ベアリングコーン6の内側面61に沿うような順流流れFDを形成することができる。また、バイパス流路7を通り、ベアリングコーン6の復水器側に形成される低圧側開口72から排気流路21の復水器側に流出する蒸気により、排気流路21の復水器側に、ベアリングコーン6の内側面61に沿うような順流流れFDを形成することもできる。
図8は、本発明の他の一実施形態におけるバイパス流路を説明するための図であって、軸方向視において概略的に示す概略図である。幾つかの実施形態では、上述した排気室2は、図8に示されるように、複数の上述したバイパス流路7を備えている。複数のバイパス流路7の各々は、一つの高圧側開口71と、一つの低圧側開口72と、を含んでいる。この場合には、バイパス流路7は、高圧側開口71と、該高圧側開口71に通じる低圧側開口72と、を含んでいるので、バイパス流路7の内部における蒸気の流れに乱れが生じることを抑制できるため、バイパス流路7の高圧側開口71から蒸気を効率的に流れ込ませることができる。
図9は、本発明の他の一実施形態におけるバイパス流路を説明するための図であって、複数の高圧側開口に対して一の低圧側開口が形成された状態を、軸方向視において概略的に示す概略図である。幾つかの実施形態では、上述したバイパス流路7は、図9に示されるように、複数の高圧側開口71と、複数の高圧側開口71の各々に通じる一つの低圧側開口72と、を含んでいる。このため、複数の高圧側開口71の各々から流れ込んだ蒸気は、バイパス流路7を通り、低圧側開口72から流出するようになっている。この場合には、複数のバイパス流路7を設けるよりもレイアウト性を向上させることができる。また、複数の高圧側開口71の中で、面する蒸気の圧力が高い高圧側開口71から多くの蒸気がバイパス流路7に入りこむので、排気流路21のベアリングコーン6側を流れる蒸気を効果的に整流することができる。
なお、他の幾つかの実施形態では、上述したバイパス流路7は、複数の低圧側開口72と、複数の低圧側開口72の各々に通じる一つの高圧側開口71と、を含んでいてもよい。この場合には、複数のバイパス流路7を設けるよりもレイアウト性を向上させることができる。また、複数の低圧側開口72の中で、面する蒸気の圧力が低い低圧側開口72から多くの蒸気がバイパス流路7から流出するので、排気流路21のベアリングコーン6側を流れる蒸気を効果的に整流することができる。
図10は、本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、軸端シール部を低圧側開口とする状態を示す図である。図11は、図10におけるバイパス流路を説明するための図であって、軸方向視において概略的に示す概略図である。図12は、本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、反復水器側にのみ高圧側開口が形成された状態を示す図である。図13は、図12におけるバイパス流路を説明するための図であって、軸方向視において概略的に示す概略図である。幾つかの実施形態では、図10、12に示されるように、上述した低圧側開口72は、高圧側開口71よりもベアリングコーン6の流れ方向の上流側に位置する軸端シール部82であって、最終段動翼13Aの根元部131とベアリングコーン6の流れ方向の上流側の端部63からなる。
図10、12に示されるように、シール部材81よりも軸方向の内側、且つ、最終段動翼13Aの根元部131よりも軸方向の外側に、ベアリングコーン6の外側面62、ロータ11およびシール部材81により画定される第2内部空間83が形成されている。第2内部空間83は、軸端シール部82を介してベアリングコーン6の上流側の端部63よりも排気流路21の上流側と連通するようになっている。図10、12に示される実施形態では、少なくとも一つのバイパス流路7は、筒状の配管84Cと、第2内部空間83と、により形成されている。配管84Cは、図10、12に示されるように、一方の開口端がベアリングコーン6の流れ方向の下流側に接続されており、ベアリングコーン6の流れ方向の下流側において、排気流路21に連通する高圧側開口71が形成されている。また、配管84Cは、図10、12に示されるように、途中で折り曲げられてシール部材81を貫通し、他方の開口端が第2内部空間83内に位置して、配管84Cの他端側開口が第2内部空間83に連通するようになっている。また、配管84Cは、図11、13に示されるように、排気室2の軸方向視において、径方向に沿って延在している。
また、軸端シール部82(低圧側開口72)は、図11に示されるように、環状に開口していてもよいし、図13に示されるように、周方向における一部に形成されていてもよい。軸端シール部82は復水器側にのみ開口することが望ましい。この場合には、低圧側開口72と高圧側開口71との間の圧力差を大きくすることができるので、バイパス流路7の高圧側開口71からバイパス流路7に蒸気を効率的に流れ込ませることができる。
上記の構成によれば、軸端シール部82は、最終段動翼13Aの根元部131とベアリングコーン6の流れ方向の上流側の端部63との間に形成されているため、軸端シール部82の近傍の蒸気は、ベアリングコーン6の流れ方向の上流側の内側面61に面する蒸気に比べて低圧である。このため、低圧側開口72と高圧側開口71との間の圧力差を大きくすることができるので、バイパス流路7の高圧側開口71から蒸気を効率的に流れ込ませることができる。
幾つかの実施形態では、図12、13に示されるように、上述した蒸気タービン10の排気室2を、周方向において、復水器16が設けられる復水器側と、復水器16が設けられる側とは反対側の反復水器側と、に区分した際に、上述するバイパス流路7の高圧側開口71は、反復水器側に設けられる。
上述したように、反復水器側を流れる蒸気は、復水器側を流れる蒸気よりも高圧になるので、反復水器側におけるベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気は、ベアリングコーン6の内側面61から剥離しやすい。上記の構成によれば、バイパス流路7の高圧側開口71を反復水器側に形成することで、該高圧側開口71から、ベアリングコーン6の反復水器側の内側面61に面する蒸気の一部を、低圧側開口72に向かって流すことができるので、排気流路21の反復水器側に、ベアリングコーン6の内側面61に沿うような順流流れFDを形成することができる。特に、バイパス流路7の高圧側開口71を高圧となる反復水器側のみに限定することで、高圧側開口71と低圧側開口72の圧力差を大きくすることができるので、バイパス流路7の高圧側開口71から蒸気を効率的に流れ込ませることができる。
図14は、本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、ケーシングによりバイパス流路の少なくとも一部が形成された状態を示す図である。幾つかの実施形態では、図14に示されるように、上述した外部ケーシング3(ケーシング)は、ベアリングコーン6よりも径方向の内側に設けられる第3壁部33(内周壁部)をさらに含んでいる。そして、上述したバイパス流路7の少なくとも一部は、ベアリングコーン6の外側面62と第3壁部33の内側面331とにより形成されている。
図14に示されるように、外部ケーシング3は、軸方向に沿って延在する外周壁部31と、径方向に沿って延在する第1壁部32であって、第1壁部32の径方向の外側の端部が外周壁部31の軸方向の外側の端部に接続される第1壁部32と、流れ方向の下流側(軸方向外側)に向かうにつれて蒸気タービン10の軸心LAとの距離が大きくなる筒状に形成されている第3壁部33であって、軸方向の外側の端部が第1壁部32の径方向の内側の端部に接続される第3壁部33と、を含んでいる。また、ベアリングコーン6の流れ方向の下流側の端部は第1壁部32の途中に接続されている。
そして、第3壁部33の上流側の端部の内側面331とベアリングコーン6の外側面62との間に第3内部空間85が形成されている。第3内部空間85は、図14に示されるように、第1壁部32のベアリングコーン6との接続部よりも径方向内側の内側面311と、第3壁部33の内側面331と、ベアリングコーン6の外側面62と、により画定されている。第3内部空間85は、第3壁部33の内側面331の流れ方向の上流側の部分と、該部分に対向するベアリングコーン6の外側面62と、の間がシールされており、第2内部空間83と第3内部空間85とは連通しないようになっている。
図14に示されるように、少なくとも一つのバイパス流路7は、筒状の配管84Dと、第3内部空間85と、筒状の配管84Eと、により形成されている。配管84Dは、図14に示されるように、一方の開口端がベアリングコーン6の流れ方向の下流側に接続されており、ベアリングコーン6の流れ方向の下流側において、排気流路21に連通する高圧側開口71が形成されている。また、配管84Dは、図14に示されるように、径方向に沿って延在し、他方の開口端が第3内部空間85内に位置して、配管84Dの他端側開口が第3内部空間85に連通するようになっている。
配管84Eは、図14に示されるように、一方の開口端がベアリングコーン6の流れ方向の上流側に接続されており、ベアリングコーン6の流れ方向の上流側において、排気流路21に連通する低圧側開口72が形成されている。また、配管84Eは、図14に示されるように、途中で折り曲げられて第3壁部33の内側面331の流れ方向の上流側の部分と、該部分に対向するベアリングコーン6の外側面62と、の間のシール部分を貫通し、他方の開口端が第3内部空間85内に位置して、配管84Eの他端側開口が第3内部空間85に連通するようになっている。
上記の構成によれば、ベアリングコーン6は、外部ケーシング3の第3壁部33の内張りとして、外側面62と第3壁部33の内側面331とによりバイパス流路7の少なくとも一部が形成されているので、バイパス流路7が不要となった際に、ベアリングコーン6の交換や加工により容易にバイパス流路7の除去が可能である。
図15は、本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、低圧側開口が復水器に形成された状態を示す図である。図16は、図15に示す蒸気タービンの排気室を復水器とともに軸方向から視た状態を示す概略図である。
幾つかの実施形態では、図15、16に示されるように、上述した低圧側開口72は、復水器16に形成される。図15、16に示される実施形態では、排気室2の側方に上述した復水器16が設けられている。上述したように、復水器16は、排気室2の排気室出口23から蒸気が流入する復水器入口161が形成された胴162と、該胴162の内部に配置される不図示の複数の伝熱管と、を備えている。
図15、16に示されるように、少なくとも一つのバイパス流路7は、筒状の配管84Fにより形成されている。配管84Fは、図15、図16に示されるように、一方の開口端がベアリングコーン6の反復水器側の流れ方向の下流側に接続されており、ベアリングコーン6の反復水器側の流れ方向の下流側において、排気流路21に連通する高圧側開口71が形成されている。また、配管84Fは、図16に示されるように、他方の開口端が復水器16の胴162に接続されており、胴162の内部の排気流路164に連通する低圧側開口72が形成されている。排気流路164は復水器入口161を介して排気室2の排気流路21と連通するようになっている。
上記の構成によれば、復水器16の内部の蒸気は、軸端シール部82の近傍の蒸気やベアリングコーン6の流れ方向の上流側の内側面61に面する蒸気に比べて低圧である。このため、低圧側開口72と高圧側開口71との間の圧力差を大きくすることができるので、バイパス流路7の高圧側開口71から蒸気を効率的に流れ込ませることができる。
図17は、本発明の他の一実施形態にかかる蒸気タービンの排気室の軸線方向に沿った断面図であって、バイパス流路の途中に弁が設けられた状態を示す図である。幾つかの実施形態では、上述したバイパス流路7を開閉する開閉弁86をさらに備える。図17に示される実施形態では、上述した配管84Fの途中に開閉弁86が設けられているが、他の実施形態では、上述した配管84A〜84Eに設けてもよい。特に、配管84Aや配管84Cのシール部材81よりも軸方向の外側に開閉弁86を設けることで、開閉弁86の操作が容易になる。
上記の構成によれば、ベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気に剥離が生じるような場合には、開閉弁86を開く(開度を大きくする)ことで、ベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気の一部を、バイパス流路7を通じて流すことができ、蒸気のベアリングコーン6の内側面61からの剥離を抑制できる。また、ベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気に剥離が生じない場合には、開閉弁86を閉じる(開度を小さくする)ことで、バイパス流路7を蒸気の一部が通ることによる圧力低下や流体損失を抑制することができる。
次に、図18〜図26を参照して、幾つかの実施形態における剥離検出装置91や剥離抑制装置92などの構成について、具体的に説明する。ここで、図18は、本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンシステムにおける制御の一例を示すフロー図である。なお、以下に説明する剥離検出装置91や剥離抑制装置92などに関する発明は、上述した幾つかの実施形態における発明と組み合わせてもよいが、単独でも実施可能である。
図18に示されるように、蒸気タービンシステム1は、排気流路を流れる蒸気の剥離抑制方法100により、排気流路21を流れる蒸気の剥離を抑制するようになっている。図18に示されるように、排気流路21を流れる蒸気の剥離抑制方法100は、排気流路21を流れる蒸気の剥離の検出させるための指示を確認するステップS101と、剥離検出装置91により計測を行う計測ステップS102と、計測ステップS102での計測結果に基づいて、排気流路21を流れる蒸気が剥離しているか否かを判定する判定ステップS103と、判定ステップS103での判定結果に基づいて、剥離抑制装置を作動させる剥離抑制装置作動ステップS104と、を備えている。
ステップS101にて、蒸気の剥離の検出させるための指示を確認できた場合には(S101の「YES」)、計測ステップS102が行われる。また、ステップS101にて、蒸気の剥離の検出させるための指示を確認できない場合には(S101の「NO」)、計測が終了する。また、判定ステップS103にて、排気流路21を流れる蒸気が剥離していると判定された場合には(S103の「YES」)、剥離抑制装置作動ステップS104が行われる。また、判定ステップS103にて、排気流路21を流れる蒸気が剥離していないと判定された場合には(S103の「NO」)は、計測ステップS102にて計測が継続される。
幾つかの実施形態では、上述した蒸気タービンシステム1は、上述した排気室2を含む蒸気タービン10と、上述したボイラ17と、上述した発電機18と、排気流路21を流れる蒸気の剥離を検出するための剥離検出装置91と、を備えている。
図19は、本発明の一実施形態における剥離検出装置を説明するための図であって、蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った部分拡大断面図である。図19に示されるように、剥離検出装置91は、ベアリングコーン6の内側面61に設けられる圧力センサ91Aを含んでいる。圧力センサ91Aは、図19に示されるように、ベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気の圧力を検出するものであり、ベアリングコーン6の内側面61における流れ方向の上流側から下流側にわたり複数設けられている。このため、複数の圧力センサ91Aの検出結果により、ベアリングコーン6の内側面61の流れ方向における圧力分布を求めることができる。
図20は、図19に示す剥離検出装置による蒸気の剥離の検出方法を説明するためのグラフであって、ベアリングコーンの流れ方向の上流端からの長さと検出される圧力との関係を示すグラフである。蒸気がベアリングコーン6の内側面61から剥離していない場合には、図20中点線で示されるように、ベアリングコーン6の上流端からの長さが大きくなるにつれて、圧力センサ91Aにより検出される圧力が大きくなる。また、蒸気がベアリングコーン6の内側面61から剥離している場合には、図20中実線で示されるように、ベアリングコーン6の上流端からの長さが大きくなっても、圧力センサ91Aにより検出される圧力が大きくならない(圧力が回復しない)ようになっている。
上記の構成によれば、剥離検出装置91により排気流路21を流れる蒸気の剥離を検出することができる。このため、剥離検出装置91が剥離を検出しないようにする、例えば蒸気タービンシステム1を構成する蒸気タービン10やボイラ17などを制御することで、排気室2内における流体損失を低減可能であり、蒸気タービン10の効率を向上可能である。
上述したように、幾つかの実施形態では、上述した剥離検出装置91は、ベアリングコーン6の内側面61に設けられる圧力センサ91Aを含む。
上記の構成によれば、圧力センサ91Aによりベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気の圧力を検出することができる。ここで、蒸気がベアリングコーン6の内側面61から剥離した場合の圧力分布は、剥離していない場合の圧力分布とは異なる。よって、圧力センサ91Aにより排気流路21を流れる蒸気のベアリングコーン6の内側面からの剥離を検出することができる。
図21は、本発明の他の一実施形態における剥離検出装置を説明するための図であって、蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った部分拡大断面図である。図21に示されるように、幾つかの実施形態では、上述した剥離検出装置91は、ベアリングコーン6の外側面62に設けられる振動検出装置91Bを含む。
図22は、図21に示す剥離検出装置による蒸気の剥離の検出方法を説明するためのグラフであって、蒸気が剥離した状態における振動数と蒸気が剥離していない状態における振動数を示すグラフである。蒸気がベアリングコーン6の内側面61から剥離していない場合には、図22中点線で示されるように、振動検出装置91Bにより検出される振動数が基準振動数Vよりも小さくなっている。また、蒸気がベアリングコーン6の内側面61から剥離している場合には、図22中実線で示されるように、振動検出装置91Bにより検出される振動数が基準振動数Vよりも大きくなっている。
上記の構成によれば、振動検出装置91Bによりベアリングコーン6の振動を検出することができる。ここで、蒸気がベアリングコーン6の内側面61から剥離した場合には、剥離していない場合に比べて、ベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気の流れが乱れるので、ベアリングコーン6が大きく振動する。よって、振動検出装置91Bにより排気流路21を流れる蒸気のベアリングコーン6の内側面61からの剥離を検出することができる。また、振動検出装置91Bは、ベアリングコーン6の内側面61に設けられる圧力センサ91Aとは異なり、ベアリングコーン6の外側面62に設けることができるので、設置が容易である。
図23は、本発明の一実施形態における剥離検出装置および剥離抑制装置を説明するための図であって、蒸気タービンプラントの他の構成を概略的に示す概略構成図である。図24は、本発明の一実施形態における制御装置の構成の一例を示す構成図である。幾つかの実施形態では、図23に示されるように、上述した剥離検出装置91は、上述した発電機18の出力を検出する出力検出装置91Cを含む。出力検出装置91Cは、図23に示されるように、各々が発電機18に設けられる電圧計911および電流計912を含んでおり、電圧計911により計測された電圧と電流計912により計測された電流とから、電圧と電流の積である電力(出力)を算出する。
図23に示されるように、上述した蒸気タービンシステム1は、制御装置9をさらに備えている。電圧計911および電流計912は、制御装置9に電気的に接続されており、制御装置9に計測結果を送るようになっている。制御装置9は、制御装置9は、図24に示されるように、入出力装置93(入出力インターフェース)、記憶装置94(ROM、RAM)、表示装置95(ディスプレイ)および演算装置96を含むマイクロコンピュータから構成されているが、一般的な構成および制御については適宜割愛することとする。入出力装置93、記憶装置94、表示装置95および演算装置96のそれぞれは、バス90に電気的に接続されており、装置間における信号や画像データなどの送受信が可能に構成されている。
そして、制御装置9の入出力装置93は、蒸気タービンシステム1を構成する各構成要素(例えば蒸気タービン10)や、剥離検出装置91、剥離抑制装置92などからの各種情報が入力され、且つ、演算結果などに基づく各種情報を上述した各構成要素に出力する。また、入出力装置93は、キーボードやマウスなどを含んでいる。記憶装置94は、入力された各種情報や制御実施のために必要な各種プログラムや演算結果などを記憶可能に構成されている。また、記憶装置94には、上述した計測ステップS102にて計測された剥離検出装置91による検出結果である検出データ941が記憶されるようになっている。演算装置96は、上述した各種情報に基づいて演算処理を行う。表示装置95は、入力された各種情報や上述した演算装置96による演算結果などの情報を表示する。上述した出力検出装置91Cによる電力の算出は、演算装置96が行ってもよい。
上記の構成によれば、出力検出装置91Cにより発電機18の出力を検出することができる。ここで、蒸気がフローガイド5やベアリングコーン6から剥離した場合には、剥離していない場合に比べて、蒸気タービン10の効率が低下し、蒸気タービン10の出力および発電機18の出力が低下する。よって、出力検出装置91Cにより排気流路21を流れる蒸気の剥離を検出することができる。また、出力検出装置91Cは通常、発電機18などに設けられていて、蒸気の剥離を検出するための装置を新たに設ける必要がないので、システム構成の複雑化を防止することができる。
図25は、本発明の一実施形態における剥離検出装置を説明するための図であって、蒸気タービンプラントの他の構成を概略的に示す概略構成図である。幾つかの実施形態では、上述した剥離検出装置91は、上述した蒸気タービンシステム1に設けられた測定器91Dの測定結果から蒸気タービン10の効率を算出する算出装置91Eを含む。
測定器91Dは、蒸気タービン10に通常設けられるものであり、図25に示されるように、蒸気タービン10の蒸気入口15における蒸気の圧力を計測する第1圧力計913と、蒸気タービン10の蒸気入口15における蒸気の温度を計測する第1温度計914と、上述した蒸気入口15における蒸気の流量を計測する第1流量計915と、上述した排気室出口23又は復水器入口161における蒸気の圧力を計測する第2圧力計916と、上述した排気室出口23又は復水器入口161におけるにおける蒸気の温度を計測する第2温度計917と、上述した排気室出口23又は復水器入口161におけるにおける蒸気の流量を計測する第2流量計918と、を含んでいる。測定器91Dは、制御装置9に電気的に接続されており、制御装置9に計測結果を送るようになっている。
また、算出装置91Eは、第1圧力計913および第2圧力計の検出結果から圧力差を、第1温度計914および第2温度計917の検出結果から温度差を、第1流量計915および第2流量計918の検出結果から流量差を、を算出し、圧力差、温度差及び流量差を乗じて蒸気タービンの仕事量を算出して、該仕事量から蒸気タービンの効率を算出する。算出装置91Eは、図24に示されるように、演算装置96でもよい。
上記の構成によれば、算出装置91Eにより蒸気タービンシステム1に設けられた測定器91Dの測定結果から蒸気タービン10の効率を算出することができる。上述したように、蒸気がフローガイド5やベアリングコーン6から剥離した場合には、剥離していない場合に比べて、蒸気タービン10の効率が低下し、蒸気タービン10の出力および発電機の出力が低下する。よって、算出装置91Eにより排気流路21を流れる蒸気の剥離を検出することができる。また、測定器91Dには蒸気タービン10などに通常設けられるものを利用することで、蒸気の剥離を検出するための装置を新たに設ける必要がないので、システム構成の複雑化を防止することができる。
幾つかの実施形態では、上述した蒸気タービンシステム1は、数値流体解析を実行することにより得られた排気流路21を流れる蒸気の剥離状態および非剥離状態を表す判定基準データ942を記憶する上述した記憶装置94と、剥離検出装置91による検出結果(検出データ941)および判定基準データ942に基づいて、排気流路21を流れる蒸気の剥離を判定する剥離判定装置961と、をさらに備える。
図26は、本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンシステムにおける制御の他の一例を示すフロー図である。図26に示されるように、上述した排気流路21を流れる蒸気の剥離抑制方法100は、上述した計測ステップS102の後、且つ、上述した判定ステップS103の前に行われる判定基準データ参照ステップS201をさらに備えている。判定基準データ参照ステップS201では、記憶装置94に記憶された判定基準データ942が参照される。
判定基準データ942は、数値流体解析を実行することにより得られた蒸気タービン10の運転条件ごとの、排気流路21を流れる蒸気の剥離状態および非剥離状態を表すデータであり、蒸気が剥離状態であるか非剥離状態であるかの判断基準となるデータである。より具体的には、判定基準データ942には、ベアリングコーン6に面する蒸気の剥離状態における圧力分布や非剥離状態における圧力分布が含まれる。また、判定基準データ942には、ベアリングコーン6に面する蒸気の剥離状態における振動数や非剥離状態における振動数、剥離状態を判断するための基準振動数が含まれる。また、判定基準データ942には、蒸気タービン10の運転条件ごとの蒸気タービン10の効率や仕事量、蒸気タービン10の運転条件ごとの発電機18の出力などが含まれる。
判定ステップS103では、数値流体解析を実行することにより得られた判定基準データ942と計測ステップS102での計測結果(検出データ941)とを比較することにより、排気流路21を流れる蒸気が剥離しているか否かを判定する。
剥離判定装置961は、図24に示されるように、制御装置9の演算装置96に含まれている。剥離判定装置961は、上述した判定基準データ参照ステップS201や上述した判定ステップS103を行う。なお、他の幾つかの実施形態では、剥離判定装置961は、判定基準データ942を参照しないで、上述した判定ステップS103を行ってもよい。
上記の構成によれば、記憶装置94に記憶された数値流体解析を実行することにより得られた判定基準データ942を用いることで、蒸気の剥離をより明確に検出することができる。このため、圧力センサ91Aなどの剥離検出装置91のうちの幾つかが故障したような場合でも蒸気の剥離を検出することができる。また、蒸気の剥離の検出精度を維持しつつ、圧力センサ91Aなどの剥離検出装置91の数を少なくすることができる。
幾つかの実施形態では、上述した蒸気タービンシステム1は、排気流路21を流れる蒸気の剥離を抑制するための剥離抑制装置92をさらに備える。そして、剥離抑制装置92は、剥離検出装置91による検出結果に基づいて、蒸気タービン10の主蒸気弁101の開閉動作を制御、又はボイラ17に投入される燃料の投入量を調整する制御装置9を含む。
図24に示されるように、制御装置9は、蒸気タービン10の主蒸気弁101の開閉動作を制御する主蒸気弁開閉制御装置97と、ボイラ17に投入される燃料の投入量を調整する燃料投入量調整装置98と、をさらに含んでいる。
図23に示されるように、主蒸気弁101は、制御装置9に電気的に接続されている。また、主蒸気弁101は、蒸気導入ライン171の下流側寄りに設けられており、主蒸気弁開閉制御装置97の制御により、ボイラ17から蒸気導入ライン171を介して蒸気タービン10に流れる蒸気(主蒸気)の流量を調整可能に構成されている。
図23に示されるように、ボイラ17に投入される燃料は、ボイラ17の上流側に設けられた燃料貯留装置172に貯留されている。ボイラ17と燃料貯留装置172とは、燃料供給ライン173により接続されている。燃料供給ライン173の途中には、燃料供給量調整弁174が設けられている。燃料供給量調整弁174は、制御装置9に電気的に接続されている。燃料供給量調整弁174は、燃料投入量調整装置98の制御により、燃料貯留装置172から燃料供給ライン173を介してボイラ17に投入される燃料の量を調整可能に構成されている。
上記の構成によれば、排気流路21を流れる蒸気の剥離が検出された場合には、制御装置9は、通常運転時よりも蒸気タービン10の主蒸気弁101を開いたり(開度を大きくする)、ボイラに投入される燃料の投入量を増やしたりすることで、蒸気タービン10の主蒸気流量を一時的に増加させることができる。蒸気タービン10の主蒸気流量が増加すると、排気流路に大流量の蒸気が流れるので、ベアリングコーン6の近傍を流れる蒸気がベアリングコーン6の内側面61に付着する。このため、排気流路21を流れる蒸気の剥離を抑制することができる。また、排気流路21を流れる蒸気の剥離が検出されていない場合には、制御装置9は、蒸気の剥離が検出された場合よりも、蒸気タービン10の主蒸気弁101を閉じたり(開度を小さくする)、ボイラ17に投入される燃料の投入量を減らしたりできるので、蒸気タービン10の燃焼効率を向上させることができる。なお、ボイラ17に投入される燃焼の投入量を調整する方が、主蒸気弁101の開閉動作よりも、蒸気タービン10の主蒸気流量を長時間にわたって大幅に増量させることが可能である。
また、蒸気の剥離は、事前の運転状況の影響を受ける。例えば、小流量や低真空の運転条件下で蒸気の剥離が生じた後に、定常運転になった場合には、蒸気は剥離した状態が維持されるが、大流量や高真空の運転条件下で蒸気がベアリングコーン6の内側面61に付着した後に、定常運転になった場合には、蒸気は剥離しない状態を維持できるという特性がある。該特性を利用して、制御装置9は、蒸気タービン10の主蒸気弁101を閉じたり(開度を小さくする)、ボイラ17に投入される燃料の投入量を減らしたりできるので、蒸気タービン10の燃焼効率をさらに向上させることができる。
幾つかの実施形態では、上述した蒸気タービンシステム1は、排気流路21を流れる蒸気の剥離を抑制するための剥離抑制装置92をさらに備える。そして、剥離抑制装置92は、バイパス流路7を開閉する開閉弁86の開閉動作を制御する制御装置9を含む。
図24に示されるように、制御装置9は、開閉弁86の開閉動作を制御する開閉弁開閉制御装置99をさらに含んでいる。また、図23に示されるように、開閉弁86は、制御装置9に電気的に接続されている。開閉弁86は、開閉弁開閉制御装置99の制御により、バイパス流路7を流れる蒸気の流量を調整可能に構成されている。
上記の構成によれば、排気流路21を流れる蒸気の剥離が検出された場合には、制御装置9は、バイパス流路7を開閉する開閉弁86を開く(開度を大きくする)ことで、ベアリングコーン6の内側面61に面する蒸気の一部を、バイパス流路7を通じて流すことができ、蒸気のベアリングコーン6の内側面61からの剥離を抑制できる。また、排気流路21を流れる蒸気の剥離が検出されない場合には、制御装置9は、開閉弁86を閉じる(開度を小さくする)ことで、バイパス流路7を蒸気の一部が通ることによる圧力低下や流体損失を抑制することができる。
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。
1 蒸気タービンシステム
10 蒸気タービン
11 ロータ
12 ベアリング
13 動翼
13A 最終段動翼
14 静翼
15 蒸気入口
16 復水器
161 復水器入口
162 胴
17 ボイラ
171 蒸気導入ライン
172 燃料貯留装置
173 燃料供給ライン
174 燃料供給量調整弁
18 発電機
19 給水ポンプ
191 復水ライン
2 排気室
2A 比較例の排気室
21 排気流路
22 排気室入口
23 排気室出口
24 ディフューザ流路
3 外部ケーシング
31 外周壁部
32 第1壁部
33 第3壁部
4 内部ケーシング
41 内周壁部
42 第2壁部
43 端部
5 フローガイド
6 ベアリングコーン
61 内側面
62 外側面
63 端部
7 バイパス流路
71 高圧側開口
72 低圧側開口
81 シール部材
82 軸端シール部
83 第2内部空間
84A〜84F 配管
85 第3内部空間
86 開閉弁
9 制御装置
90 バス
91 剥離検出装置
91A 圧力センサ
91B 振動検出装置
91C 出力検出装置
91D 測定器
91E 算出装置
92 剥離抑制装置
93 入出力装置
94 記憶装置
941 検出データ
942 判定基準データ
95 表示装置
96 演算装置
961 剥離判定装置
97 主蒸気弁開閉制御装置
98 燃料投入量調整装置
99 開閉弁開閉制御装置
100 排気室内を流れる蒸気の剥離抑制方法
101 主蒸気弁
FD 順流流れ
FS 蒸気流れ
LA 軸心
LC 中心軸
LH 水平線
RC 逆流

Claims (15)

  1. 蒸気タービンの最終段動翼を通過した蒸気を復水器に導くための排気流路を内部に画定する蒸気タービンの排気室であって、
    前記排気流路の外周側に形成される外周壁部を含むケーシングと、
    前記外周壁部よりも径方向の内側に設けられるベアリングコーンと、
    前記排気流路を流れる蒸気の一部を、前記排気流路の高圧側から前記排気流路の低圧側又は前記復水器に流す少なくとも一つのバイパス流路であって、前記ベアリングコーンに形成される高圧側開口および前記高圧側開口よりも開口に面する前記蒸気の圧力が低い低圧側開口を含むバイパス流路と、を備える蒸気タービンの排気室。
  2. 前記低圧側開口は、前記高圧側開口よりも前記ベアリングコーンの流れ方向の上流側に形成され、
    前記蒸気タービンの排気室を、周方向において、前記復水器が設けられる復水器側と、前記復水器が設けられる側とは反対側の反復水器側と、に区分した際に、前記高圧側開口は前記反復水器側に形成され、前記低圧側開口は前記復水器側に形成される
    請求項1に記載の蒸気タービンの排気室。
  3. 前記低圧側開口は、前記高圧側開口よりも前記ベアリングコーンの流れ方向の上流側に位置する軸端シール部であって、前記最終段動翼の根元部と前記ベアリングコーンの前記流れ方向の上流側の端部との間に形成される軸端シール部からなる
    請求項1に記載の蒸気タービンの排気室。
  4. 前記蒸気タービンの排気室を、周方向において、前記復水器が設けられる復水器側と、前記復水器が設けられる側とは反対側の反復水器側と、に区分した際に、前記バイパス流路の前記高圧側開口は、前記反復水器側に設けられる
    請求項3に記載の蒸気タービンの排気室。
  5. 前記ケーシングは、前記ベアリングコーンよりも径方向の内側に設けられる内周壁部をさらに含み、
    前記バイパス流路の少なくとも一部は、前記ベアリングコーンの外側面と前記内周壁部の内側面とにより形成されている
    請求項1乃至4の何れか1項に記載の蒸気タービンの排気室。
  6. 前記低圧側開口は、前記復水器に形成される
    請求項1に記載の蒸気タービンの排気室。
  7. 前記バイパス流路を開閉する開閉弁をさらに備える請求項1乃至6の何れか1項に記載の蒸気タービンの排気室。
  8. 請求項1乃至7の何れか1項に記載の蒸気タービンの排気室を含む蒸気タービンと、
    燃料を燃焼させて蒸気を生成するボイラと、
    前記蒸気タービンにより発電する発電機と、
    前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離を検出するための剥離検出装置と、を備える蒸気タービンシステム。
  9. 前記剥離検出装置は、前記ベアリングコーンの内側面に設けられる圧力センサを含む
    請求項8に記載の蒸気タービンシステム。
  10. 前記剥離検出装置は、前記ベアリングコーンの外側面に設けられる振動検出装置を含む
    請求項8に記載の蒸気タービンシステム。
  11. 前記剥離検出装置は、前記発電機の出力を検出する出力検出装置を含む
    請求項8に記載の蒸気タービンシステム。
  12. 前記剥離検出装置は、前記蒸気タービンシステムに設けられた測定器の測定結果から前記蒸気タービンの効率を算出する算出装置を含む
    請求項8に記載の蒸気タービンシステム。
  13. 前記蒸気タービンシステムは、
    数値流体解析を実行することにより得られた前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離状態および非剥離状態を表す判定基準データを記憶する記憶装置と、
    前記剥離検出装置による検出結果および前記判定基準データに基づいて、前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離を判定する剥離判定装置と、をさらに備える
    請求項8乃至12の何れか1項に記載の蒸気タービンシステム。
  14. 前記蒸気タービンシステムは、前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離を抑制するための剥離抑制装置をさらに備え、
    前記剥離抑制装置は、前記剥離検出装置による検出結果に基づいて、前記蒸気タービンの主蒸気弁の開閉動作を制御、又は前記ボイラに投入される燃料の投入量を調整する制御装置を含む
    請求項8乃至13の何れか1項に記載の蒸気タービンシステム。
  15. 前記蒸気タービンシステムは、前記排気流路を流れる前記蒸気の剥離を抑制するための剥離抑制装置をさらに備え、
    前記剥離抑制装置は、前記バイパス流路を開閉する開閉弁の開閉動作を制御する制御装置を含む
    請求項8乃至13の何れか1項に記載の蒸気タービンシステム。
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