JP2020051379A - 蒸気タービンの排気室、蒸気タービン及び蒸気タービンの換装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外側ケーシングを共通化又は既設品を流用しながら、適切な形状のディフューザを形成することができる蒸気タービンの排気室を提供することを目的とする。【解決手段】一実施形態に係る蒸気タービンの排気室は、軸方向における端壁部、及び、前記端壁部から前記軸方向における上流側に向かって延設された延設部を含む外側ケーシングと、ハブ側フローガイドのディフューザ面のうちの上流側領域を形成するとともに、前記ディフューザ面よりも径方向内側において前記延設部の上流側端部に固定される環状に形成された第１フローガイドと、前記第１フローガイドの下流側かつ前記延設部の径方向外側に位置して前記ディフューザ面のうちの下流側領域を形成するとともに、前記延設部に固定される環状に形成された第２フローガイドと、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、蒸気タービンの排気室、蒸気タービン及び蒸気タービンの換装方法に関する。

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。排気室内では、蒸気流れの性状や内部構造物の形状等によって流体損失が生じる。そのため、排気室のディフューザ流路を形成するディフューザの形状は重要である。
例えば特許文献１に記載の蒸気タービンでは、チップフローガイド上半部の端部を下流側に向かって延設することで、ディフューザ長さを従来に比べて長くして、タービン排気損失を低減するようにしている（特許文献１参照）。
一方、近年の動向として、設備費低減の観点から、ディフューザ形状は顧客の要求仕様に合わせて個別に製作しつつ、排気室を形成する外側ケーシングは標準化（モジュール化）して、最適化された排気室を提供する要望が増加している。また、性能向上を目的として、外側ケーシングは既設品を流用し、翼やディフューザ等の内部構成品を新設計とする既設蒸気タービンの換装工事の要望も高まっている。

特開２００４−３５３６２９号公報

上述のような場合、排気室の外側ケーシングは標準化品又は既設品を流用し、内部構成品は最適な仕様に合わせて個別設計して、ディフューザの形状を最適化することが望ましい。

しかし、例えば特許文献１に記載の蒸気タービンでは、ディフューザを構成するベアリングコーンが外側ケーシング上半部の一部として形成されている。そのため、ディフューザの形状を最適化するためには、ベアリングコーンの形状を変更する必要があり、外側ケーシング上半部を設計し直さなければならない。そのため、例えば特許文献１に記載の蒸気タービンでは、外側ケーシングを共通化又は既設品を流用しながら、適切な形状のディフューザを形成することが困難であった。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、外側ケーシングを共通化又は既設品を流用しながら、適切な形状のディフューザを形成することができる蒸気タービンの排気室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、
軸方向における端壁部、及び、前記端壁部から前記軸方向における上流側に向かって延設された延設部を含む外側ケーシングと、
ハブ側フローガイドのディフューザ面のうちの上流側領域を形成するとともに、前記ディフューザ面よりも径方向内側において前記延設部の上流側端部に固定される環状に形成された第１フローガイドと、
前記第１フローガイドの下流側かつ前記延設部の径方向外側に位置して前記ディフューザ面のうちの下流側領域を形成するとともに、前記延設部に固定される環状に形成された第２フローガイドと、
を備える。

上記（１）の構成によれば、ハブ側フローガイドのディフューザ面のうちの上流側領域は、外側ケーシングの延設部の上流側端部に固定される第１フローガイドによって形成される。また、ハブ側のディフューザ面のうちの下流側領域は、外側ケーシングの延設部の径方向外側に位置して該延設部に固定される第２フローガイドによって形成される。これにより、外側ケーシングの構造の変更を伴わずに、第１フローガイド及び第２フローガイドの形状のみを変更することにより、最適化されたディフューザ形状を形成できる。したがって、外側ケーシングを共通化又は既設品を流用しながら、個々の蒸気タービンのそれぞれに適切な形状のディフューザを形成して、最適化された排気室を提供することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記第２フローガイドは、前記ディフューザ面のうち前記下流側領域を形成するディフューザ面形成部材と、周方向に沿って複数設けられ、前記ディフューザ面形成部材と前記延設部とを接続する接続リブと、を含む。

上記（２）の構成によれば、接続リブによって、延設部から径方向内側の離間した位置にディフューザ面形成部材を配置できる。また、接続リブによってディフューザ面形成部材や延設部の変形を抑制することも可能となり、ディフューザ面形成部材や延設部の剛性を向上できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記接続リブは、それぞれ径方向に延在する。

上記（３）の構成によれば、接続リブにおけるディフューザ面形成部との接続部分の形状をディフューザ面形成部の形状に沿った形状とすることで、適正なディフューザ面が形成できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）の構成において、前記第２フローガイドは、前記ディフューザ面形成部材と前記外側ケーシングの内面との間に形成される空間を閉鎖する。

上記（４）の構成によれば、ディフューザ面形成部材と外側ケーシングの内面との間に形成される空間への蒸気の侵入を抑制できるので、タービン排気損失を低減できる。

（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、前記第２フローガイドは、前記蒸気タービンのロータの軸線方向に形成され、周方向に延在する少なくとも２以上の分割面を有する。

上記（５）の構成によれば、第２フローガイドの分解及び組立が容易となる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、前記第２フローガイドは、前記外側ケーシングから取り外し可能に前記外側ケーシングに取り付けられている。

上記（６）の構成によれば、例えば、既設の蒸気タービンにおいて、最終翼の翼長や、ロータの軸方向に沿った最終翼の位置の変更がなされ、ディフューザの形状を最適化のために変更する必要が生じた場合であっても、既設の第２フローガイドを延設部から取り外すことが容易であるとともに、新たな第２フローガイドを延設部に容易に固定できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）の構成において、前記外側ケーシングは、周方向で外側上半部ケーシングと外側下半部ケーシングを分割する軸方向に延在する分割面を備え、前記分割面の周方向の位置は、前記第２フローガイドの前記分割面の周方向の位置と一致する。

上記（７）の構成によれば、外側ケーシングの分割面と第２フローガイドの分割面の位置が接近しているため、第２フローガイドの分割面へのアクセスが容易であり、第２フローガイドの取り外しが容易である。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記第１フローガイドの前記径方向外側でチップ側のディフューザ面を形成するチップ側フローガイドをさらに備える。

上記（８）の構成によれば、第１フローガイドと第２フローガイドとチップ側フローガイドとによって最適な形状のディフューザを構成することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、前記チップ側フローガイドの下流側端部は、前記延設部の前記上流側端部よりも前記軸方向における上流側に位置する。

上記（９）の構成によれば、外側ケーシングの着脱の際に、チップ側フローガイドの下流側端部と延設部の上流側端部との干渉を防止できるので、外側ケーシングの着脱が容易となる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの構成において、前記第１フローガイドは前記外側ケーシングに着脱可能に支持される。

上記（１０）の構成によれば、外側ケーシングに第１フローガイドが着脱可能であるので、外側ケーシングを着脱する際に第１フローガイドが蒸気タービンの他の部位と干渉することを防止できる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、前記ハブ側フローガイドの下流側端部よりも前記径方向外側に位置し、該下流側端部よりも前記軸方向における下流側に凹んだ凹部が形成されている。

上記（１１）の構成によれば、上記凹部を含む外側ケーシングを備える蒸気タービンの排気室は、例えば低負荷運転時のような、蒸気が径方向外側に偏流して径方向内側で逆流が生じる場合であっても、凹部により逆流が案内される。その結果、逆流が第１フローガイド及び第２フローガイドの位置する上流側に流れることを抑制できる。また、逆流を含む循環流が循環する循環領域が、第２フローガイドの下流端より上流側を含まないようにすることができる。このため、蒸気の径方向内側での剥離を抑制でき、かつ、排気室内の実効的な排気面積が小さくなるのを抑制できるので、排気室内での蒸気の圧力回復量を向上させることができる。したがって、排気室内における流体損失を低減することができ、蒸気タービンの効率を向上させることができる。

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気タービンは、
上記構成（１）乃至（１１）の何れかの蒸気タービンの排気室と、
前記蒸気タービンの排気室の上流側に設けられる動翼と、
前記蒸気タービンの排気室の上流側に設けられる静翼と、
を備える。

上記（１２）の構成によれば、上記構成（１）乃至（１１）の何れかの蒸気タービンの排気室を備えるので、外側ケーシングの外形の変更を伴わずに、第１フローガイド及び第２フローガイドの形状を変更できる。したがって、外側ケーシングを共通化しながら、個々の蒸気タービンのそれぞれに適切な形状のディフューザを形成することができ、タービン排気損失を低減できる。

（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気タービンの換装方法は、
既設の蒸気タービンの一部を換装する蒸気タービンの換装方法において、
前記蒸気タービンから外側ケーシングを取り外す工程と、
取り外された前記外側ケーシングからディフューザ面を形成するフローガイドを取り外す工程と、
前記蒸気タービンの最終翼の翼長、又は、ロータの軸方向に沿った前記最終翼の位置の少なくとも何れか一方を変更する工程と、
前記フローガイドが取り外された前記外側ケーシングに新たなフローガイドを取り付ける工程と、
前記新たなフローガイドが取り付けられた前記外側ケーシングを前記蒸気タービンに取り付ける工程と、
を備える。

上記（１３）の方法によれば、既設の蒸気タービンにおいて、最終翼の翼長や、ロータの軸方向に沿った最終翼の位置を変更する必要性が生じても、既設の外側ケーシングを利用しつつ、適切な形状を有するフローガイドを選定して、既設の蒸気タービンの効率化を図ることが出来る。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、外側ケーシングを共通化又は既設品を流用しながら、個々の蒸気タービンのそれぞれに適切な形状のディフューザを形成することができる。

本発明の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。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った概略断面図である。 図２に示すＡ矢視の概略断面図である。 図２に示す第２フローガイドの斜視図である。 本発明の他の一実施形態に係る蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った概略断面図である。 比較例の蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った概略断面図である。 一実施形態に係る蒸気タービンの換装方法における処理手順を示すフローチャートである。

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」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。
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。

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、本発明の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６により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、を備えている。また、内側ケーシング１０の外側には、外側ケーシング２０が設けられている。このような蒸気タービン１は、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て、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を備えている。排気室１４は、図１に示すように、動翼８及び静翼９の下流側に位置している。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Ｆｓ）は、排気室入口１１から排気室１４に流入し、排気室１４の内部を通り、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。幾つかの実施形態では、排気室１４の下方には、不図示の復水器が設けられている。この場合には、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る。

次に、図１〜図５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１は、蒸気タービン１の下部に、不図示の復水器を配置したダウンフロー型排気室に適用した例を示す。図２は、本発明の一実施形態に係る蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った概略断面図である。図３は、図２に示すＡ矢視の概略断面図である。図４は、図２に示す第２フローガイドの斜視図である。図５は、本発明の他の一実施形態に係る蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った概略断面図である。
なお、説明の便宜上、各図において、板状の部材の厚さを実際の厚さよりも厚く描いている。

幾つかの実施形態に係る排気室１４は、図１〜３、５に示すような、外側ケーシング２０と、ハブ側フローガイド１５のディフューザ面５１のうち上流側領域５２を形成する第１フローガイド１６と、ハブ側フローガイド１５のディフューザ面５１のうち下流側領域５３を形成する第２フローガイド３０と、第１フローガイド１６の径方向外側でチップ側のディフューザ面５５を形成するチップ側フローガイド１９とを備える。なお、排気室１４の外側ケーシング２０は、図１に示されるように、蒸気タービン１の外側ケーシング２０の少なくとも一部を形成するものであってもよい。また、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１では、外側ケーシング２０は、軸受６が内部に配置された軸受箱６１とは別体に設けられている。図２等に示すように、第１フローガイド１６、第２フローガイド３０、及び、チップ側フローガイド１９の中心軸は、ロータ２の中心軸Ｏと同一の直線上に存在していてもよい。

排気室１４は、図２に示すように、排気室１４の下方側に排気室出口１３を有している。排気室入口１１から排気室１４に流入した蒸気は、ディフューザ５０を経由して排気室１４の内部を流れ、排気室出口１３を介して、蒸気タービン１から排出されるようになっている。ディフューザ５０は、ディフューザ通路１８（蒸気通路）を形成するハブ側フローガイド１５とチップ側フローガイド１９とから形成され、ハブ側フローガイド１５は、軸方向上流側の第１フローガイド１６と第１フローガイド１６の軸方向下流側に配置された第２フローガイド３０と、から形成されている。それぞれのフローガイドは、ロータ２の中心軸Ｏを中心に環状に形成され、周方向で少なくとも２以上の分割面を備える。また、分割面は、少なくとも水平線Ｈを含む水平面上に形成されている。

また、排気室１４は、図３に示されるように、排気室の一部を形成する外側ケーシング２０を備え、外側ケーシング２０は、天井面を形成する外周壁面２０ａを備える。外周壁面２０ａは、排気室出口１３が設けられる下側領域とは水平線Ｈを挟んで径方向の反対側に位置する上側領域に形成され、ロータ２の中心軸Ｏに直交する断面内において半環状に形成されている。ここで、水平線Ｈは、ロータ２の中心軸Ｏを通る軸線に直交して水平方向（図３中左右方向）に沿って延在する直線である。
幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１では、外側ケーシング２０は、水平線Ｈを含む水平面で、外側上半部ケーシング２０１と外側下半部ケーシング２０２とに水平分割可能に構成されている。分割面には、外側上半部ケーシング２０１と外側下半部ケーシング２０２に水平フランジ２０１ａ、２０２ａが配置され、不図示のボルト等で両者が締結されている。なお、図１に示すように、外側ケーシング２０の径方向内側に収容された内側ケーシング１０も、外側ケーシング２０と同様に、内側上半部ケーシング１０ａと内側下半部ケーシング１０ｂとに、水平線Ｈを含めた水平面で分割可能に形成されている。

幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１では、図２に示すように、外側ケーシング２０は、上記の外周壁面２０ａと、径方向に沿って延在する端壁部２１と、端壁部２１の径方向内側端２１ａから軸方向における上流側で、且つ径方向内側に向かって下向き傾斜面を形成するように延設された延設部２２とを含む。なお、延設部２２は、第１フローガイド１６やロータ２と外側ケーシング２０の径方向内側端との間を密封する不図示のシール構造等を支持する強度部材の役割を備える。

図２、５に示す幾つかの実施形態に係る延設部２２は、例えば、ロータ２の中心軸Ｏを中心に環状に形成され、端壁部２１の径方向内側端２１ａを起点として、軸方向における下流側から上流側に向かうにつれて、径方向の大きさ（ロータ２の中心軸Ｏからの距離）が小さくなるような円錐筒形状を有する。すなわち、図２において、図示右方から左方に向かうにつれて、径方向の大きさが小さくなるように形成される。なお、図示はしないが、延設部２２は、軸方向の位置に関わらず径方向の大きさが一定となる円筒形状を有していてもよい。延設部２２の軸方向における下流側の端部は、端壁部２１に接続されている。延設部２２の軸方向における上流側の端部には、後述するように、第１フローガイド１６を取り付けるための上流側端部２２ａが形成されている。

図２、５に示す幾つかの実施形態に係る第１フローガイド１６は、ロータ２の中心軸Ｏを中心に環状に形成され、軸方向における上流側から下流側に向かうにつれて、径方向の大きさが大きくなる。すなわち、例えば図２において図示左方から右方に向かうにつれて、径方向の大きさが大きくなるように形成される。また、第１フローガイド１６は、ハブ側フローガイド１５のディフューザ面５１のうち、上述したように上流側領域５２を形成する。第１フローガイド１６は、ハブ側フローガイド１５のディフューザ面５１よりも径方向内側において外側ケーシング２０の延設部２２の上流側端部２２ａに固定される。
より具体的には、図２、５に示す幾つかの実施形態に係る第１フローガイド１６は、上流側領域５２を形成するディフューザ面形成部材１６１と、ディフューザ面形成部材１６１の軸方向下流側の端部から径方向内側に延在する固定用板部１６２とを有する。固定用板部１６２の径方向内側の端部の近傍には、不図示のボルト孔が周方向に沿って複数箇所に形成されている。なお、ディフューザ面とは、ディフューザ通路１８を形成するハブ側フローガイド１５のディフューザ面形成部材３１、１６１及びチップ側フローガイド１９のディフューザ面形成部材５６の蒸気通路側に面する内周面を言う。

図２、５に示す幾つかの実施形態に係る第１フローガイド１６は、上記のボルト孔に挿通された不図示のボルトによって、外側ケーシング２０の延設部２２の上流側端部２２ａに固定される。なお、延設部２２の上流側端部２２ａには、不図示のボルト孔が周方向に沿って複数箇所に形成されている。すなわち、幾つかの実施形態に係る第１フローガイド１６は、固定用板部１６２を介して延設部２２の上流側端部２２ａに片持ち支持されている。

図２、図４、図５に示す幾つかの実施形態に係る第２フローガイド３０は、ロータ２の中心軸Ｏを中心に環状に形成され、軸方向における上流側から下流側に向かうにつれて径方向の大きさが大きくなるように形成されたディフューザ面５１のうち、上述したように下流側領域５３を形成する。第２フローガイド３０は、第１フローガイド１６の軸方向下流側かつ外側ケーシング２０の延設部２２の径方向外側に位置する。第２フローガイド３０は、端壁部２１の軸方向上流側の領域、及び、延設部２２の径方向内側の領域であって、外側ケーシング２０の内側に固定される。
より具体的には、図２、図４、図５に示す幾つかの実施形態に係る第２フローガイド３０は、ハブ側フローガイド１５のうち下流側領域５３を形成するディフューザ面形成部材３１と、周方向に沿って複数設けられ、ディフューザ面形成部材３１と延設部２２とを接続する接続リブ３２と、を含む。また、図５に示す一実施形態の第２フローガイド３０は、ハブ側フローガイド１５の下流側端部Ｐｄから軸方向に沿って下流側に延在し、ロータ２の中心軸Ｏの廻りに環状に形成された筒状壁部３３をさらに含む。

図２、図４、図５に示す幾つかの実施形態に係る第２フローガイド３０は、例えば、円周方向に沿って少なくとも２分割され、１８０度毎に分割された第２上半部フローガイド３０ａと第２下半部フローガイド３０ｂとを有する。例えば、２分割であれば、第２上半部フローガイド３０ａと第２下半部フローガイド３０ｂとは、ロータ２の軸線と同方向に延在する分割面３１ａで分割されている。分割面３１ａは、第２フローガイド３０が周方向に３分割以上に分割可能となるように形成されていてもよい。
図２、図４、図５に示す幾つかの実施形態に係る第２フローガイド３０の第２上半部フローガイド３０ａは、外側ケーシング２０の外側上半部ケーシング２０１に取り付けられ、第２下半部フローガイド３０ｂは、外側ケーシング２０の外側下半部ケーシング２０２に取り付けられている。すなわち、幾つかの実施形態に係る第２フローガイド３０における分割面３１ａは、外側ケーシング２０の水平分割面と同じ平面内に存在してもよい。
幾つかの実施形態に係る第２フローガイド３０は、第２上半部フローガイド３０ａと第２下半部フローガイド３０ｂとで同様の構成を有するので、以下の説明では、第２上半部フローガイド３０ａと第２下半部フローガイド３０ｂとを特に区別する必要がない場合には、第２フローガイド３０と総称して説明することとする。

幾つかの実施形態に係るディフューザ面形成部材３１は、径方向外側の面がディフューザ面５１であるハブ側フローガイド１５の下流側領域５３を形成するように湾曲した曲面を有する板状の部材である。なお、下流側領域５３を周方向に沿って、及び、軸方向に沿ってそれぞれ複数の領域に分け、これら各領域を形成する曲面をそれぞれ平面で代替させることで下流側領域５３を形成してもよい。すなわち、当該平面を形成するための複数の平板を組み合わせることでディフューザ面形成部材３１を簡易的に構成してもよい。

幾つかの実施形態に係る接続リブ３２は、例えば、径方向及び軸方向に沿って延在する板状の部材であり、例えば図４に示すように、ロータ２の中心軸Ｏを中心として放射状に、周方向に間隔をあけて複数配置されている。
幾つかの実施形態に係る接続リブ３２は、第１端面３２ａがディフューザ面形成部材３１の径方向内側の面に沿った形状に形成されていて、ディフューザ面形成部材３１に対して第１端面３２ａで、例えば溶接等によってディフューザ面形成部材３１の径方向内側の内周面に接続されている。
幾つかの実施形態に係る接続リブ３２は、第２端面３２ｂが延設部２２の径方向外側の面に沿った形状に形成されていて、延設部２２に対して第２端面３２ｂで、例えば溶接等によって延設部２２の径方向外側の内周面に接続されている。
幾つかの実施形態に係る接続リブ３２は、第３端面３２ｃが端壁部２１における軸方向の上流側の面に沿った形状に形成されていて、端壁部２１に対して第３端面３２ｃで、例えば溶接等によって端壁部２１の軸方向上流側の内壁面に接続されている。

図２、図４、図５に示す幾つかの実施形態に係る第２フローガイド３０は、ディフューザ面形成部材３１と外側ケーシング２０の内壁面との間に形成される空間４１を閉鎖する。
これにより、ディフューザ面形成部材３１と外側ケーシング２０の内壁面との間に形成される空間４１への蒸気の侵入を抑制できるので、タービン排気損失を低減できる。

図５に示す一実施形態の第２フローガイド３０における筒状壁部３３は、軸方向に沿った下流側の端部が端壁部２１における軸方向の上流側の内壁面と接続されている。例えば、端壁部２１と接触する位置までディフューザ面形成部材３１の下流側の端部（下流側端部Ｐｄ）を延長した場合と、延長しなかった場合とで、タービン排気損失の低減効果がほとんど変わらないのであれば、図５に示すように、筒状壁部３３によってディフューザ面５１の下流側端部Ｐｄと端壁部２１とを接続するようにしてもよい。
この場合、筒状壁部３３と、端壁部２１における筒状壁部３３よりも径方向外側の領域とによって、ハブ側フロ−ガイド１５のディフューザ面５１の下流側端部Ｐｄよりも径方向外側に位置し、該下流側端部よりも前記軸方向における下流側に凹んだ凹部２５が形成されていてもよい。

図２、５に示す幾つかの実施形態に係るチップ側フローガイド１９は、上流側端部１９ａが内側ケーシング１０に対して、例えば不図示のボルトによって固定されている。
図２、５に示す幾つかの実施形態に係るチップ側フローガイド１９では、下流側端部１９ｂは、外側ケーシング２０の延設部２２の上流側端部２２ａよりも軸方向における上流側に位置する。これにより、外側ケーシング２０の着脱の際に、チップ側フローガイド１９の下流側端部１９ｂと延設部２２の上流側端部２２ａとの干渉を防止できるので、外側ケーシング２０の着脱が容易となる。

幾つかの実施形態に係る排気室１４では、上述したように、第１フローガイド１６、第２フローガイド３０からなるハブ側フローガイド１５、及び、チップ側フローガイド１９によって、ディフューザ通路１８（蒸気流路）を形成するディフューザ５０が構成されている。
ディフューザ通路１８は、蒸気タービン１の最終段翼出口１７に連通するとともに、チップ側フローガイド１９とハブ側フローガイド１５によって形成される流路断面積が徐々に大きくなる形状を有している。そして、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Ｆｓが、最終段翼出口１７を介してディフューザ通路１８に流入すると、蒸気流れＦｓ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。

上述したように、例えば、外側ケーシング２０は標準化（モジュール化）して規格化されたケーシングを適用し、ディフューザを含めた内部構成品は適正な形状及び構造に合わせた個別設計とする蒸気タービンを適用する場合、或いは、性能向上を目的として、外側ケーシングは既設品を流用し、内部構成品は設計条件を満たす適正な形状に合わせた新設計とする既設蒸気タービンの換装工事の場合、同じ型式の蒸気タービン１であっても、蒸気タービン１を使用する顧客の地域や、顧客が要求する仕様等の違いによって、蒸気タービン１の細部の構成が異なる場合がある。そのため、例えば、同じ型式の蒸気タービン１であっても、最終段の動翼（最終翼）８Ａの翼長や、ロータ２の軸方向に沿った最終翼８Ａの位置を変更することがある。タービン排気損失を低減するためには、最終翼８Ａの翼長や、ロータ２の軸方向に沿った最終翼８Ａの位置の変更に応じて、ディフューザ５０の形状を最適化することが望ましい。

ここで言う換装工事の対象となる既設蒸気タービンとは、幾つかの実施形態で示す、少なくともハブ側フローガイド１５を構成する第１フローガイド１６及び第２フローガイド３０並びにチップ側フローガイド１９からなるディフューザ５０を含む排気室１４を備える新設蒸気タービン１が、更なる性能向上等を目的に換装工事を行う蒸気タービンが対象となる。

上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４によれば、ハブ側フローガイド１５のディフューザ面５１のうち上流側領域５２は、外側ケーシング２０の延設部２２の上流側端部２２ａに固定される第１フローガイド１６によって形成される。また、ハブ側フローガイド１５のディフューザ面５１のうち下流側領域５３は、外側ケーシング２０の延設部２２の径方向の外周側に位置して該延設部２２の径方向外側の内周面に固定される第２フローガイド３０によって形成される。そのため、新設計されたハブ側フローガイド１５の最適なディフューザ面５１を形成する第１フローガイド１６を配置し、その軸方向の下流側に第１フローガイド１６の形状及び高さに合わせ、且つ最適なディフューザ面５１を形成するように適正な接続リブ３２を備えた第２フローガイド３０を配置すれば、外側ケーシング２０の外形を変更しなくても、最適なディフューザ通路１８を形成できる。したがって、外側ケーシング２０を共通化又は既設品を流用しながら、個々の蒸気タービン１のそれぞれに適切な形状のディフューザ５０を形成することができる。
したがって、上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４を備える蒸気タービン１によれば、タービン排気損失を低減できる。

上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４では、第２フローガイド３０は、ディフューザ面形成部材３１と、接続リブ３２と、を含むので、接続リブ３２によって、延設部２２から径方向外側の離間した位置にディフューザ面形成部材３１を配置できる。また、接続リブ３２によってディフューザ面形成部材３１や延設部２２の変形を抑制することも可能となり、ディフューザ面形成部材３１や延設部２２の剛性を向上できる。

上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４では、接続リブ３２は、それぞれ径方向に延在する。
これにより、接続リブ３２におけるディフューザ面形成部材３１との接続部分（第１端面３２ａ）の形状をディフューザ面形成部材３１の形状に沿った形状とすることで、ディフューザ面形成部材３１がディフューザ面５１の形状を維持し易くなる。

上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４では、第２フローガイド３０は、蒸気タービン１のロータ２の軸線と同方向に延在する分割面３１ａで少なくとも２つに分割可能である。したがって、上述したように、第２フローガイド３０の分割面３１ａと外側ケーシング２０の分割面とが同じ平面内に存在するように第２フローガイド３０の分割面３１ａを形成すれば、外側ケーシング２０の分割面と第２フローガイド３０の分割面３１ａが近接しているので、第２上半部フローガイド３０ａと第２下半部フローガイド３０ｂとの分割面３１ａを切り離せば、第２上半部フローガイド３０ａ及び第２下半部フローガイドのそれぞれのブロックを延設部２２から取り外すことなく、外側ケーシング２０を分割できる。また、後述のように、第２フローガイド３０の取付け及び取外しも容易である。これにより、排気室１４の分解及び組立が容易となる。

上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４では、第２フローガイド３０は、外側ケーシング２０から取り外し可能に外側ケーシング２０に取り付けられている。
すなわち、上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４では、例えば、接続リブ３２を延設部２２や端壁部２１との接続部分に近い位置で接続リブ３２を溶断することで、第２フローガイド３０を外側ケーシング２０から取り外すことができる。なお、延設部２２や端壁部２１に残っている接続リブ３２の一部については、例えばグラインダ等を用いることで、延設部２２や端壁部２１から除去できる。なお、第２フローガイド３０の延設部２２への固定手段は、溶接等で固定してもよいし、ボルト等で着脱可能な構造としてもよい。
これにより、例えば、既設の蒸気タービン１の換装工事において、最終翼８Ａの翼長や、ロータ２の軸方向に沿った最終翼８Ａの位置の変更がなされ、ディフューザ５０の形状を最適化のために変更する必要が生じた場合であっても、既設の第２フローガイド３０を延設部２２から取り外すことが容易であるとともに、新たな第２フローガイド３０を延設部２２に容易に固定できる。

上述した幾つかの実施形態では、外側ケーシング２０は、周方向で外側上半部ケーシング２０１と外側下半部ケーシング２０２を分割する軸方向に延在する分割面を備え、分割面の周方向の位置は、第２フローガイド３０の分割面３１ａの周方向の位置と一致する。
これにより、外側ケーシング２０の分割面と第２フローガイド３０の分割面３１ａの位置が接近しているため、第２フローガイド３０の分割面３１ａへのアクセスが容易であり、第２フローガイド３０の取り付け及び取り外しが容易となる。

上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４では、第１フローガイド１６は外側ケーシング２０に着脱可能に支持される。
例えば、外側ケーシング２０に第１フローガイド１６を支持させたままでクレーン等を用いて蒸気タービン１から外側ケーシング２０を吊り上げ、着脱しようとする際、第１フローガイド１６が蒸気タービン１の他の部位と干渉するおそれがある。その点、上述した幾つかの実施形態に係る排気室１４によれば、外側ケーシング２０に第１フローガイド１６が着脱可能であるので、蒸気タービン１に外側ケーシング２０を着脱する際に第１フローガイド１６が蒸気タービン１の他の部位と干渉することを防止できる。

（凹部２５について）
ここで、図６は、比較例の蒸気タービンの排気室の軸方向に沿った概略断面図である。図６において、図１〜５に示す幾つかの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に示す比較例の排気室２９は、外側ケーシング７０と、ハブ側フローガイドに相当するベアリングコーン６４と、チップ側フローガイド１９と、を備えている。外側ケーシング７０は、天井面を形成する外周壁面７０ａと、径方向に沿って延在する端壁部７１と、から形成される。また、ベアリングコーン６４は、ハブ側フローガイド１５のディフューザ面５１を形成し、ベアリングコーンの下流側端部は外側ケーシング７０の端壁部７１の中間位置で、端壁部７１に滑らかに接合されている。外側ケーシング７０は、上述した凹部２５が、ベアリングコーン６４の下流側に配置されていない構成になっている。

上述した外側ケーシング７０を備える比較例の排気室２９は、蒸気流れＦｓがチップ側フローガイド１９側に偏流した場合にベアリングコーン６４側で剥離が生じ、排気室２９内での流体損失が大きくなるということを、本発明の発明者らは見出した。ここで、蒸気タービン１は、通常運転時に最終段翼出口１７から軸方向に沿って蒸気が流れるように設計されている。これに対して、低負荷運転時には、動翼８の回転速度は通常運転時と変わらないが、通常運転時よりも蒸気の流出速度が小さくなる。このため、低負荷運転時に最終段翼出口１７から流れる蒸気は、軸方向成分に対する旋回成分の割合が大きくなるので、チップ側フローガイド１９側に偏流するようになっている。

蒸気流れＦｓがベアリングコーン６４側で剥離が生じる理由としては、図６に示すように、チップ側フローガイド１９側に偏流した蒸気流れＦｓの一部が、外周壁面７０ａに突き当たって折り返し、端壁部７１及び端壁部７１の上流側に位置するベアリングコーン６４に沿って上流側に流れる逆流Ｆｃとなることが挙げられる。排気室２９内の逆流Ｆｃは、ベアリングコーン６４の中流側近傍において蒸気流れＦｓにより下流側に押し返されるので、ベアリングコーン６４側で循環して、図６に示す循環領域Ａｃを形成するようになっている。そして、排気室２９内に形成される循環領域Ａｃは、ベアリングコーン６４の下流端Ｐｂより上流側領域に及ぶので、ベアリングコーン６４側で剥離が生じるとともに、排気室２９内の実効的な排気面積が小さくなっている。したがって、排気室２９内での流体損失が大きくなっている。

そこで、本発明の発明者らは、上述した凹部２５を形成して、凹部２５に逆流Ｆｃがベアリングコーン６４の位置する上流側に流れないように案内させることで、蒸気のベアリングコーン６４側での剥離を抑制することに思い至った。

幾つかの実施形態では、排気室１４は、図５に示すように、ハブ側フローガイド１５のディフューザ面５１の下流側端部Ｐｄよりも径方向外側に位置し、該下流側端部Ｐｄよりも軸方向における下流側に凹んだ凹部２５が形成されている。

上記の構成によれば、上記凹部２５を含む外側ケーシング２０を備える蒸気タービン１の排気室１４は、例えば低負荷運転時のような、蒸気が径方向外側に偏流して径方向内側で逆流Ｆｃが生じる場合であっても、凹部２５により逆流Ｆｃが案内されるので、逆流Ｆｃが第２フローガイド３０の位置する上流側に流れることを抑制でき、逆流Ｆｃを含む循環流が循環する循環領域Ａｃが、第２フローガイド３０の下流側端部Ｐｄより上流側を含まないようにすることができる。このため、蒸気の径方向内側での剥離を抑制でき、かつ、排気室１４内の実効的な排気面積が小さくなるのを抑制できるので、排気室１４内での蒸気の圧力回復量を向上させることができる。したがって、排気室１４内における流体損失を低減することができ、蒸気タービン１の効率を向上させることができる。

（蒸気タービンの換装方法について）
幾つかの実施形態に係り排気室１４では、上述したように、第２フローガイド３０は、外側ケーシング２０から取り外し可能に外側ケーシング２０に取り付けられている。
したがって、既設の蒸気タービン１の換装工事において、最終翼８Ａの翼長や、ロータ２の軸方向に沿った最終翼８Ａの位置を変更することによって、適切となるディフューザ５０の形状が変化しても、既設の外側ケーシング２０を利用しつつ、適切な形状を有するディフューザ５０に置換できる。以下、一実施形態に係る蒸気タービンの換装方法について、説明する。

図７は、一実施形態に係る蒸気タービンの換装方法における処理手順を示すフローチャートである。一実施形態に係る蒸気タービンの換装方法は、既設の蒸気タービン１の一部を換装する蒸気タービン１の換装方法において、外側上半部ケーシング取り外し工程Ｓ１０と、フローガイド取り外し工程Ｓ２０と、内側ケーシング取り外し工程Ｓ３０と、チップ側フローガイド取り付け工程Ｓ４０と、内側下半部ケーシング取り付け工程Ｓ５０と、第１フローガイド及び第２下半部フローガイド取り付け工程Ｓ６０と、内側上半部ケーシング取り付け工程Ｓ７０と、第２上半部フローガイド取り付け工程Ｓ８０と、外側上半部ケーシング取り付け工程Ｓ９０と、を備える。

外側上半部ケーシング取り外し工程Ｓ１０は、既設の蒸気タービン１から外側上半部ケーシング２０１を取り外す工程である。具体的には、外側上半部ケーシング取り外し工程Ｓ１０では、第１フローガイド１６と延設部２２の上流側端部２２ａとの結合を解除した上で、外側ケーシング２０の外側上半部ケーシング２０１を外側下半部ケーシング２０２から分離する工程である。外側下半部ケーシング２０２は、新設の翼を含むロータや内側ケーシング等の内部構成品を受け入れ可能になるまでの間、既設場所に存置される。

フローガイド取り外し工程Ｓ２０は、各フローガイド１５（１６，３０），１９を取り外す工程である。具体的には、フローガイド取り外し工程Ｓ２０では、チップ側フローガイド１９を内側ケーシング１０から取り外す。また、ハブ側フローガイド１５は、第１フローガイド１６を、例えば蒸気タービン１のロータ２の軸線と同方向に延在する不図示の分割面で分割することで蒸気タービン１から取り外す。さらに、第２フローガイド３０は、例えば、上述したように、接続リブ３２を溶断し、端壁部２１又は延設部２２から分離することで、第２フローガイド３０を外側ケーシング２０から取り外す。

内側ケーシング取り外し工程Ｓ３０は、内側ケーシング１０（内側上半部ケーシング１０ａ、内側下半部ケーシング１０ｂ）と翼を備えたロータ２等が、既設の外側下半部ケーシング２０２から取り外される工程である。

チップ側フローガイド取り付け工程Ｓ４０は、別途に製作された新設の内側ケーシング１０に新設のチップ側フローガイド１９が取り付けられる工程である。また、チップ側フローガイド取り付け工程Ｓ４０では、別途に製作されたロータ２に対して、設計条件に沿った適正な形状や翼長に合わせて最終翼８Ａ等の翼長や位置の変更がなされた最終翼等が取り付けられる。

内側下半部ケーシング取り付け工程Ｓ５０は、内側ケーシング１０の内、内側下半部ケーシング１０ｂのみを既設の外側下半部ケーシング２０２に取り付けられる工程である。また、内側下半部ケーシング取り付け工程Ｓ５０では、チップ側フローガイド取り付け工程Ｓ４０で製作された新設のロータ２が取り付けられる。

第１フローガイド及び第２下半部フローガイド取り付け工程Ｓ６０では、既設の外側下半部ケーシング２０２の延設部２２に対して、第１フローガイド１６の下半部がボルト等の締結手段で取り付けられる。また、第１フローガイド１６の上半部は、水平分割面の位置で、既設の外側下半部ケーシング２０２の延設部２２に対して、同様の手段で取り付けられる。また、第１フローガイド及び第２下半部フローガイド取り付け工程Ｓ６０では、外側下半部ケーシング２０２に対して、第２フローガイド３０の内の第２下半部フローガイド３０ｂが溶接又はボルト等の締結手段によって取り付けられる。なお、第２下半部フローガイド３０ｂの取り付けに際し、外側下半部ケーシング２０２の外形は変えない。

内側上半部ケーシング取り付け工程Ｓ７０は、既設の外側下半部ケーシング２０２に取り付けられた内側下半部ケーシング１０ｂの上部に、新設の内側上半部ケーシング１０ａを取付ける工程である。なお、内側上半部ケーシング１０ａは、チップ側フローガイド取り付け工程Ｓ４０で取り付けられたチップ側フローガイド１９を備えた状態で取り付けられる。

第２上半部フローガイド取り付け工程Ｓ８０は、外側上半部ケーシング取り外し工程Ｓ１０において、既設の外側下半部ケーシング２０２から取り外された既設の別置きされた外側上半部ケーシング２０１に、第２上半部フローガイド３０ａを溶接又はボルト等の締結手段で取り付ける工程である。なお、第２上半部フローガイド３０ａの取り付けに際し、外側上半部ケーシング２０１の外形は変えない。

外側上半部ケーシング取り付け工程Ｓ９０では、既設の外側下半部ケーシング２０２に対して、第２上半部フローガイド取り付け工程Ｓ８０において第２上半部フローガイド３０ａを取付けた外側上半部ケーシング２０１を取付けて、換装工事は終了する。

このように、一実施形態に係る蒸気タービンの換装方法によれば、既設の蒸気タービン１において、最終翼８Ａの翼長や、ロータ２の軸方向に沿った最終翼８Ａの位置を変更することによって、ディフューザ５０の形状が変化しても、既設の外側ケーシング２０を利用しつつ、適切な形状を有するディフューザ５０に置換できる。これにより、既設の蒸気タービン１の設備費の低減が図られると共に、蒸気タービン１の性能向上が実現できる。

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。
例えば、上述した幾つかの実施形態の排気室１４は、蒸気を下方に排気するダウンフロー排気型の排気室であるが、本発明は、蒸気を側方に排気するサイド排気型の排気室に適用することができる。

上述した幾つかの実施形態では、第２フローガイド３０は、接続リブ３２を延設部２２や端壁部２１に対して溶接によって接続するようにしている。しかし、例えば、接続リブ３２をボルトとナットとによって結合するための座部を予め延設部２２や端壁部２１に設けておき、この座部に接続リブ３２をボルトとナットとによって結合するようにしてもよい。

１ 蒸気タービン
６ 軸受
１０ 内側ケーシング
１０ａ 内側上半部ケーシング
１０ｂ 内側下半部ケーシング
１４ 排気室
１５ ハブ側フローガイド
１６ 第１フローガイド
１９ チップ側フローガイド
２０ 外側ケーシング
２１ 端壁部
２２ 延設部
２２ａ 上流側端部
２５ 凹部
３０ 第２フローガイド
３０ａ 第２上半部フローガイド
３０ｂ 第２下半部フローガイド
３１ ディフューザ面形成部材
３２ 接続リブ
５０ ディフューザ
５１ ハブ側のディフューザ面
５２ 上流側領域
５３ 下流側領域
５５ チップ側のディフューザ面
５６ ディフューザ面形成部材
２０１ 外側上半部ケーシング
２０２ 外側下半部ケーシング

Claims (13)

1. 軸方向における端壁部、及び、前記端壁部から前記軸方向における上流側に向かって延設された延設部を含む外側ケーシングと、
   ハブ側フローガイドのディフューザ面のうちの上流側領域を形成するとともに、前記ディフューザ面よりも径方向内側において前記延設部の上流側端部に固定される環状に形成された第１フローガイドと、
   前記第１フローガイドの下流側かつ前記延設部の径方向外側に位置して前記ディフューザ面のうちの下流側領域を形成するとともに、前記延設部に固定される環状に形成された第２フローガイドと、
   を備える蒸気タービンの排気室。
2. 前記第２フローガイドは、前記ディフューザ面のうち前記下流側領域を形成するディフューザ面形成部材と、周方向に沿って複数設けられ、前記ディフューザ面形成部材と前記延設部とを接続する接続リブと、
   を含む請求項１に記載の蒸気タービンの排気室。
3. 前記接続リブは、それぞれ径方向に延在する
   請求項２に記載の蒸気タービンの排気室。
4. 前記第２フローガイドは、前記ディフューザ面形成部材と前記外側ケーシングの内面との間に形成される空間を閉鎖する
   請求項２又は３の何れかに記載の蒸気タービンの排気室。
5. 前記第２フローガイドは、前記蒸気タービンのロータの軸線方向に形成され、周方向に延在する少なくとも２以上の分割面を有する
   請求項１乃至４の何れか一項に記載の蒸気タービンの排気室。
6. 前記第２フローガイドは、前記外側ケーシングから取り外し可能に前記外側ケーシングに取り付けられている
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の蒸気タービンの排気室。
7. 前記外側ケーシングは、周方向で外側上半部ケーシングと外側下半部ケーシングを分割する軸方向に延在する分割面を備え、前記分割面の周方向の位置は、前記第２フローガイドの前記分割面の位置と一致する
   請求項５又は６の何れかに記載の蒸気タービンの排気室。
8. 前記第１フローガイドの前記径方向外側でチップ側のディフューザ面を形成するチップ側フローガイドをさらに備える
   請求項１乃至７の何れか一項に記載の蒸気タービンの排気室。
9. 前記チップ側フローガイドの下流側端部は、前記延設部の前記上流側端部よりも前記軸方向における上流側に位置する
   請求項１乃至８の何れか一項に記載の蒸気タービンの排気室。
10. 前記第１フローガイドは前記外側ケーシングに着脱可能に支持される
    請求項１乃至９の何れか一項に記載の蒸気タービンの排気室。
11. 前記ハブ側フローガイドの下流側端部よりも前記径方向外側に位置し、該下流側端部よりも前記軸方向における下流側に凹んだ凹部が形成されている
    請求項１乃至１０の何れか一項に記載の蒸気タービンの排気室。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載の蒸気タービンの排気室と、
    前記蒸気タービンの排気室の上流側に設けられる動翼と、
    前記蒸気タービンの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。
13. 既設の蒸気タービンの一部を換装する蒸気タービンの換装方法において、
    前記蒸気タービンから外側ケーシングを取り外す工程と、
    取り外された前記外側ケーシングからディフューザ面を形成するフローガイドを取り外す工程と、
    前記蒸気タービンの最終翼の翼長、又は、ロータの軸方向に沿った前記最終翼の位置の少なくとも何れか一方を変更する工程と、
    前記フローガイドが取り外された前記外側ケーシングに新たなフローガイドを取り付ける工程と、
    前記新たなフローガイドが取り付けられた前記外側ケーシングを前記蒸気タービンに取り付ける工程と、
    を備える蒸気タービンの換装方法。

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