JP2020090952A - 蒸気タービン翼及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】効率をさらに向上させることが可能な蒸気タービン翼及び蒸気タービンを提供する。【解決手段】蒸気タービン翼は、中反動度の翼形状をなす基端部Ｔ１１と、低反動度の翼形状をなす中間部Ｔ１２と、高反動度の翼形状をなす先端部Ｔ１３と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービン翼及び蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、軸線を中心として回転するロータと、このロータを覆うケーシングとを備えている。ロータは、軸線を中心として軸方向に延びるロータ軸と、ロータ軸の外周に固定され軸方向に並ぶ複数の動翼列と、を有する。蒸気タービンは、さらに、ケーシングの内周に固定され、複数の動翼列毎の上流側に配置されている静翼列を有する。動翼列と、この動翼列の上流側に隣接している静翼列との組は、一般的に段と呼ばれる。

以下の特許文献１に記載されている蒸気タービンでは、最も上流側の段である調速段を衝動段にし、この調速段の下流側の全ての段を反動段にしている。各反動段の動翼列は、ドラム型ロータ軸の外周に固定されている。このドラム型ロータ軸とは、全体が軸方向に長い円筒状を成すロータ軸のことである。反動段は、反動段を構成する動翼列中で蒸気圧力低下させる一方で、蒸気の流速を高め、この蒸気の反動で動翼列に回転力を付与する段である。

特許第３２３８２６７号公報

ところで、上記の反動段では、当該反動段を通過する蒸気の圧力分布及び流れの分布が径方向外側に遍在してしまう可能性がある。言い換えると、基端部側における蒸気の圧力が下がってしまう。その結果、蒸気タービンの効率が限定的となる可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、効率をさらに向上させることが可能な蒸気タービン翼及び蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様に係る蒸気タービン翼は、中反動度の翼形状をなす基端部と、低反動度の翼形状をなす中間部と、高反動度の翼形状をなす先端部と、を有する。

上記構成によれば、基端部の翼形状は、先端部よりも反動度が小さく、かつ中間部よりも反動度が大きくなるように設定されている。これにより、蒸気の圧力分布・流れの分布を基端部側に押し付けることができる。

本発明の第二の態様に係る蒸気タービンは、最終段動翼として設けられた上記蒸気タービン翼と、前記蒸気タービン翼の上流側に並んで配置され、前記蒸気タービン翼と共に最終段を構成する最終段静翼と、前記最終段静翼の上流側に並んで配置される中間段動翼と、前記中間段動翼の上流側に並んで配置され、前記最終段に対して軸方向の上流側に並んで設けられる中間段を前記中間段動翼と共に構成する中間段静翼と、を備え、前記蒸気タービン翼は、前記基端部、前記中間部、及び前記先端部の全域で前記中間段動翼よりもピッチ／コード比が小さい翼形状をなしている。

本発明の第三の態様に係る蒸気タービンでは、前記蒸気タービン翼は、前記基端部、前記中間部、及び前記先端部の全域で前記中間段動翼よりも転向角が小さい翼形状をなしていてもよい。

本発明の第四の態様に係る蒸気タービンでは、前記最終段静翼は、前記中間段静翼よりもピッチ／コード比が小さい翼形状をなしていてもよい。

本発明によれば、効率をさらに向上させることが可能な蒸気タービン翼及び蒸気タービンを提供することができる。

本発明の実施形態に係る蒸気タービンの断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの最終段動翼における径方向位置とピッチ／コード比との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの最終段静翼における径方向位置とピッチ／コード比との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの中間段動翼における径方向位置とピッチ／コード比との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの中間段静翼における径方向位置とピッチ／コード比との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの最終段動翼における径方向位置と転向角との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの最終段静翼における径方向位置と転向角との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの中間段動翼における径方向位置と転向角との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの中間段静翼における径方向位置と転向角との関係を示すグラフである。

本実施形態の蒸気タービン１００は、図１に示すように、ケーシング１０と、ロータ２０と、を有している。ケーシング１０は、ロータ２０を回転可能に覆っている。ロータ２０は、軸線Ａｒを中心として回転可能とされている。

なお、以下の説明の都合上、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａ、軸方向Ｄａの一方側を上流側Ｄａｕ、軸方向Ｄａの他方側を下流側Ｄａｄとする。また、軸線Ａｒを基準とした径方向を単に径方向Ｄｒ、この径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向内側Ｄｒｉ、この径方向Ｄｒで径方向内側Ｄｒｉとは反対側を径方向外側Ｄｒｏとする。また、軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとする。

ロータ２０は、軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延在しているロータ軸２１と、ロータ軸２１の外周に取り付けられている複数の動翼列３１とを有している。複数の動翼列３１は、軸方向Ｄａに並んでいる。本実施形態の場合、動翼列３１の数は、三つである。よって、本実施形態の場合、動翼列３１として、第一段動翼列３１１から第三段動翼列３１３が設けられている。１つの動翼列３１は、周方向Ｄｃに並ぶ複数の動翼３２を有している。

三つの動翼列３１のうち、第一段動翼列３１１と第二段動翼列３１２とにおける動翼３２は、翼体３３と、シュラウド３４と、プラットフォーム３５と、翼根（不図示）と、を有している。翼体３３は、径方向Ｄｒに延びている。シュラウド３４は、翼体３３に対して径方向外側Ｄｒｏに設けられている。プラットフォーム３５は、翼体３３に対して径方向内側Ｄｒｉに設けられている。翼根は、プラットフォーム３５に対して径方向内側Ｄｒｉに設けられている。

この動翼３２で、シュラウド３４とプラットフォーム３５との間は、蒸気Ｓが流れる蒸気主流路をなしている。なお、第三段動翼列３１３はシュラウド３４を有しておらず、翼体３３、プラットフォーム３５、及び翼根のみを有している。

ロータ軸２１は、軸芯部２２と、複数の仕切部２３と、を有している。軸芯部２２は、軸線Ａｒを中心として実質的に円柱状を成している。軸芯部２２は、軸方向Ｄａに延びている。仕切部２３は、軸芯部２２から放射方向に広がり互いに間隔をあけて軸方向Ｄａに並んでいる。仕切部２３は、複数の動翼列３１毎に設けられている。動翼列３１を構成する複数の動翼３２の翼根は、ロータ軸２１における仕切部２３の外周部に埋め込まれている。このため、動翼３２は、ロータ軸２１に固定されている。よって、本実施形態のロータ軸２１は、ディスク型ロータ軸である。

蒸気タービン１００は、軸方向Ｄａに並ぶ複数の静翼列４１をさらに備えている。複数の静翼列４１は、動翼列３１の上流側Ｄａｕにそれぞれ配置されている。本実施形態の場合、静翼列４１の数は、動翼列３１の数と同じ三つである。よって、本実施形態の場合、静翼列４１として、第一段静翼列４１１から第三段静翼列４１３が設けられている。

静翼列４１は、静翼４２と、外側リング４３と、内側リング４６と、を有している。静翼４２は、周方向Ｄｃに並んで複数設けられている。外側リング４３は、静翼４２に対して径方向外側Ｄｒｏに設けられている。外側リング４３は、環状をなしている。外側リング４３は、ケーシング１０の内周面に固定されている。内側リング４６は、静翼４２に対して径方向内側Ｄｒｉに設けられている。内側リング４６は、環状をなしている。すなわち、複数の静翼４２は、外側リング４３と内側リング４６との間にそれぞれ配置され、外側リング４３及び内側リング４６に固定されている。外側リング４３と内側リング４６との間の環状の空間は、蒸気Ｓが流れる蒸気主流路をなしている。第一段静翼列４１１と第二段静翼列４１２とにおいて、外側リング４３は、複数の静翼４２が固定されているリング本体部４４と、このリング本体部４４から下流側Ｄａｄに突出しているリング突出部４５と、を有する。このリング突出部４５は、静翼列４１の下流側Ｄａｄに隣接している動翼列３１と径方向Ｄｒに間隔をあけて対向している。なお、第三段静翼列４１３の外側リング４３は上記のリング突出部４５を有しておらず、リング本体部４４のみを有している。

ケーシング１０には、図１に示すように、外部からの蒸気Ｓが流入するノズル室１１と、ノズル室１１からの蒸気Ｓが流れる蒸気主流路室１２と、蒸気主流路室１２から流れた蒸気Ｓを排出する排気室１３と、が形成されている。ノズル室１１と蒸気主流路室１２と間には、複数の静翼列４１のうちで最も上流側Ｄａｕの第一段静翼列４１１が配置されている。言い換えると、ケーシング１０内は、この第一段静翼列４１１により、ノズル室１１と蒸気主流路室１２とに仕切られている。蒸気主流路室１２には、複数の静翼列４１のうちで第一段静翼列４１１を除く静翼列４１の全てと、複数の動翼列３１の全てとが配置されている。

動翼列３１と、この動翼列３１の上流側Ｄａｕに隣接する静翼列４１との組は、一つの段５０をなしている。本実施形態の蒸気タービンは、三つの動翼列３１のそれぞれに対して静翼列４１が設けられているので、三つの段５０を備える。

本実施形態の蒸気タービン１００では、複数の段５０のうち、最上流の第一段５１が、この第一段５１よりも下流側Ｄａｄの段５０へ送られる蒸気Ｓの流量を調節してロータ２０の回転数を調整するための調速段５０ａをなしている。本実施形態の蒸気タービンでは、第二段５２が、中圧段５０ｂ（中間段）をなしている。また、本実施形態の蒸気タービンでは、第三段５３が、低圧段５０ｃ（最終段）をなしている。したがって、中圧段５０ｂは、低圧段５０ｃに対して軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕに並んで設けられた段５０である。また、中圧段５０ｂは、調速段５０ａに対して軸方向Ｄａの下流側Ｄａｄに並んで設けられた段５０である。

よって、以下では、調速段５０ａの一部を構成する第一段静翼列４１１を調速段静翼列４１ａと呼び、調速段５０ａの他の一部を構成する第一段動翼列３１１を調速段動翼列３１ａと呼ぶ。また、中圧段５０ｂの一部を構成する第二段静翼列４１２を中圧段静翼列４１ｂ（中間段静翼）と呼び、中圧段５０ｂの他の一部を構成する第二段動翼列３１２を中圧段動翼列３１ｂ（中間段動翼）と呼ぶ。また、低圧段５０ｃの一部を構成する第三段静翼列４１３を低圧段静翼列４１ｃ（最終段静翼）と呼び、低圧段５０ｃの他の一部を構成する第三段動翼列３１３を低圧段動翼列３１ｃ（最終段動翼）と呼ぶ。

調速段動翼列３１ａを構成する複数の動翼３２の翼体３３は、平行翼である。一方、中圧段動翼列３１ｂ、及び低圧段動翼列３１ｃを構成する複数の動翼３２の翼体３３は、いずれも捩じれ翼である。平行翼とは、翼弦の向きが径方向Ｄｒの位置変化、言い換えると翼高さ方向に位置変化しても変化しない翼のことである。また、捩じれ翼とは、翼弦の向きが径方向Ｄｒの位置変化に応じて次第に変わる翼のことである。

調速段静翼列４１ａ、中圧段静翼列４１ｂ、及び低圧段静翼列４１ｃの各内側リング４６の径方向内側Ｄｒｉには、回転するロータ軸２１の軸芯部２２との間をシールする内側シール６１が設けられている。

調速段静翼列４１ａのリング突出部４５には、このリング突出部４５の径方向内側Ｄｒｉに配置されている動翼列３１との間をシールする外側シール６２が設けられている。

本実施形態の調速段５０ａは衝動段であり、中圧段５０ｂ及び低圧段５０ｃは反動段である。

ここで、反動度について説明する。
反動度とは、段５０における熱落差に対する段５０中の動翼３２における熱落差の比である。言い換えると、反動度とは、段５０あたりの全エンタルピーの変化量中で、動翼３２での静エンタルピーの変化量が占める割合である。若しくは、反動度とは、段５０における圧力差に対する段５０中の動翼３２における圧力差の比である。

反動度が０の場合、動翼３２での圧力変化がない。一方、反動度が０でない場合、動翼３２での圧力降下がある一方で動翼３２での蒸気の流速上昇がある。このため、反動度が０でない場合、蒸気は動翼３２の通過過程で膨張する。この膨張により生じた反動力が動翼３２に作用する。反動度が０の場合には、蒸気の衝動作用のみ動翼３２に対する蒸気の仕事になるが、反動度が０でない場合、蒸気の衝動作用の他に反動作用が動翼３２に対する蒸気の仕事になる。よって、反動度が大きいほど、基本的に翼素性能が高いことになる。

衝動段及び反動段の定義としては、各種定義がある。例えば、ある定義では、反動度が０のものを衝動段とし、反動度が０のないものを反動段とする。しかしながら、衝動段及び反動段の定義としては他の定義もある。本願では、反動度が１０％未満のものを衝動段とし、反動度が１０％以上のものを反動段とする。

また、反動段における動翼３２の翼体３３では、最も径方向内側Ｄｒｉ（プラットフォーム３５に近い側）の端部を含む領域を基端部Ｔ１１、径方向Ｄｒにおける１／２の位置を含む領域を中間部Ｔ１２、最も径方向外側Ｄｒｏ（シュラウドがある場合には、シュラウドに近い側）の端部を含む領域を先端部Ｔ１３と称する。つまり、反動段における翼体３３は、径方向Ｄｒ（翼高さ方向）において三等分した場合に、径方向内側Ｄｒｉから順に、基端部Ｔ１１、中間部Ｔ１２、先端部Ｔ１３となっている。なお、各段５０における反動度は、基端部Ｔ１１での反動度で示される。

本実施形態では、中圧段動翼列３１ｂ及び低圧段動翼列３１ｃにおける動翼（蒸気タービン翼）３２の翼体３３の形状が以下のように設定されている。反動段における翼体３３では、基端部Ｔ１１が中反動度の翼形状をなしている。中間部Ｔ１２が、中反動度よりも小さい低反動度の翼形状をなしている。先端部Ｔ１３が、中反動度よりも大きい高反動度の翼形状をなしている。

具体的には、本実施形態における低反動度とは、上述した一つの翼体３３において、中反動度より低い値であって、例えば、反動度が１５％未満であることが好ましい。したがって、中間部Ｔ１２は、反動度が５％以上１５％未満であることが好ましく、５％以上１０以下であることがより好ましい。

また、本実施形態における中反動度とは、上述した一つの翼体３３において、低反動度よりも高く、高反動度よりも低い値である。中反動度としては、例えば、反動度が１０％以上４０％未満であることが好ましい。したがって、基端部Ｔ１１は、例えば、反動度が１０％以上３０％以下であることが好ましく、１５％以上２０％以下であることがより好ましい。

また、本実施形態における高反動度とは、上述した一つの翼体３３において、中反動度よりも高い値であって、例えば、反動度が４０％以上７０％未満であることが好ましい。したがって、先端部Ｔ１３は、例えば、反動度が４０％以上６０％以下であることが好ましく、５０％以上６０％以下であることがより好ましい。

より具体的には、低圧段動翼列３１ｃにおける動翼３２における径方向Ｄｒにわたって、翼断面のピッチ／コード比を図２に示すような分布とするとともに、転向角を図６に示すような分布とすることで、上記のような反動度の分布が実現される。まず、図２に基づいてピッチ／コード比の分布について説明する。同図の例では、径方向内側Ｄｒｉの端部（基端部Ｔ１１）から径方向外側Ｄｒｏの端部（先端部Ｔ１３）にかけて、ピッチ／コード比が次第に増加し、かつ下方に凸となる曲線状に分布している。なお、図２中における破線は、従来一般的な動翼のピッチ／コード比の分布を示す曲線である。ここで、ピッチ／コード比とは、各翼の翼弦（コード）の長さに対する、隣り合う翼の間隔（ピッチ）の比である。

さらに、低圧段動翼列３１ｃにおける動翼３２は、中圧段動翼列３１ｂにおける動翼３２よりもピッチ／コード比が全体にわたって小さい翼形状をなしている。より具体的には、中圧段動翼列３１ｂにおける動翼３２のピッチ／コード比分布は、図４のように設定されている。図２と図４とを比較することによって、低圧段動翼列３１ｃにおける動翼３２の方がピッチ／コード比の値が径方向Ｄｒの全域にわたって小さいことが分かる。なお、図４における破線は、従来一般的な動翼のピッチ／コード比の分布を示す曲線である。

また、低圧段静翼列４１ｃにおける静翼４２では、図３に示すようなピッチ／コード比の分布を呈している。同図の例では、径方向Ｄｒの全域にわたって、ピッチ／コード比が０．５程度で一定とされている。なお、図３中における破線は、従来一般的な静翼のピッチ／コード比の分布を示す曲線である。

加えて、低圧段静翼列４１ｃにおける静翼４２では、中圧段静翼列４１ｂにおける静翼４２よりもピッチ／コード比が全体にわたって小さい翼形状をなしている。より具体的には、中圧段静翼列４１ｂにおける静翼４２のピッチ／コード比分布は、図５のように設定されている。図３と図５とを比較することによって、中圧段静翼列４１ｂにおける静翼４２の方がピッチ／コード比の値が径方向Ｄｒの全域にわたって小さいことが分かる。なお、図５における破線は、従来一般的な動翼のピッチ／コード比の分布を示す曲線である。

さらに、低圧段動翼列３１ｃにおける動翼３２では、転向角が図６に示すような分布を呈している。具体的には、この動翼３２では、径方向内側Ｄｒｉから径方向外側Ｄｒｏに向かうに従って、転向角が次第に減少し、かつ上方に凸となる曲線状に分布している。なお、図６における破線は、従来一般的な動翼の転向角の分布を示す曲線である。ここで、転向角とは、前縁側と後縁側とにおける軸方向Ｄａに対する翼弦（コード）の延びる方向がなす角度の差（流入角と流出角との差）を指している。

低圧段静翼列４１ｃにおける静翼４２では、転向角が図７に示すような分布を呈している。具体的には、この静翼４２では、径方向内側Ｄｒｉから径方向外側Ｄｒｏにかけて、中央部で最も転向角が小さくなっている。また、径方向内側Ｄｒｉの端部における転向角は、径方向外側Ｄｒｏの端部における転向角よりもわずかに大きい。なお、図７における破線は、従来一般的な静翼の転向角の分布を示す曲線である。

中圧段動翼列３１ｂにおける動翼３２では、転向角が図８に示すような分布を呈している。具体的には、この動翼３２では、径方向外側Ｄｒｏの端部を含む領域において、他の領域よりも転向角が小さくなっている。なお、図８における破線は、従来一般的な動翼の転向角の分布を示す曲線である。

中圧段静翼列４１ｂにおける静翼４２では、転向角が図９に示すような分布を呈している。具体的には、この静翼４２では、径方向内側Ｄｒｉから径方向外側Ｄｒｏにかけて、中央部で最も転向角が小さくなっている。また、径方向内側Ｄｒｉの端部における転向角は、径方向外側Ｄｒｏの端部における転向角よりもわずかに大きい。なお、図９における破線は、従来一般的な静翼の転向角の分布を示す曲線である。

上記の構成によれば、低圧段動翼列３１ｃにおける動翼３２の基端部Ｔ１１の翼形状は、先端部Ｔ１３よりも反動度が小さく、かつ中間部Ｔ１２よりも反動度が大きくなるように設定されている。これにより、蒸気の圧力分布及び流れの分布を基端部Ｔ１１側に押し付けることができる。蒸気タービン１００では、動翼３２が回転することで生じる遠心力により、先端部Ｔ１３側に蒸気が集まってしまう。その結果、特に圧力が低くなっている最終段付近では、基端部Ｔ１１の蒸気の流量が減少し易くなる。ところが、本実施形態のように、基端部Ｔ１１の反動度が、中間部Ｔ１２の反動度よりも大きくなるように形成することで、基端部Ｔ１１付近を流通する蒸気の流量を増加させることができる。これにより、基端部Ｔ１１付近での蒸気の逆流の発生を抑制することができる。その結果、逆流に伴うロスを低減し、蒸気タービン１００の効率をさらに向上させることができる。

加えて、低圧段動翼列３１ｃ及び低圧段静翼列４１ｃにおいて、ピッチ／コード比、及び転向角を上述のような分布とすることによって、蒸気の圧力分布及び流れの分布を径方向内側Ｄｒｉに向かってさらに積極的に押し付けることができる。

（実施形態の他の変形例）
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば、基端部Ｔ１１が中反動度、中間部Ｔ１２が低反動度、先端部Ｔ１３が高反動度となる翼形状を有する翼体３３は、中圧段動翼列３１ｂ及び低圧段動翼列３１ｃにおける翼体３３のみに限定されるものではない。このような形状の翼は、静翼４２に用いられてもよい。したがって、低圧段静翼列４１ｃや中圧段静翼列４１ｂにおける静翼４２が、このような翼形状で形成されていてもよい。

また、反動段や衝動段は、本実施形態の数に限定されるものではない。例えば、反動段は、一つの段５０のみであってもよく、三つ以上の段５０を有していてもよい。また、衝動段は二つ以上の段５０を有していてもよい。

１００ 蒸気タービン
１０ ケーシング
１１ ノズル室
１２ 蒸気主流路室
１３ 排気室
２０ ロータ
２１ ロータ軸
２２ 軸芯部
２３ 仕切部
３１ 動翼列
３１ａ 調速段動翼列
３１ｂ 中圧段動翼列
３１ｃ 低圧段動翼列
３２ 動翼
４１ 静翼列
４１ａ 調速段静翼列
４１ｂ 中圧段静翼列
４１ｃ 低圧段静翼列
４２ 静翼
４３ 外側リング
４６ 内側リング
６１ 内側シール
６２ 外側シール
Ｔ１１ 基端部
Ｔ１２ 中間部
Ｔ１３ 先端部
３１１ 第一段動翼列
３１２ 第二段動翼列
３１３ 第三段動翼列
４１１ 第一段静翼列
４１２ 第二段静翼列
４１３ 第三段静翼列

Claims (4)

1. 中反動度の翼形状をなす基端部と、
   低反動度の翼形状をなす中間部と、
   高反動度の翼形状をなす先端部と、
   を有する蒸気タービン翼。
2. 最終段動翼として設けられた請求項１に記載の蒸気タービン翼と、
   前記蒸気タービン翼の上流側に並んで配置され、前記蒸気タービン翼と共に最終段を構成する最終段静翼と、
   前記最終段静翼の上流側に並んで配置される中間段動翼と、
   前記中間段動翼の上流側に並んで配置され、前記最終段に対して軸方向の上流側に並んで設けられる中間段を前記中間段動翼と共に構成する中間段静翼と、を備え、
   前記蒸気タービン翼は、前記基端部、前記中間部、及び前記先端部の全域で前記中間段動翼よりもピッチ／コード比が小さい翼形状をなしている蒸気タービン。
3. 前記蒸気タービン翼は、前記基端部、前記中間部、及び前記先端部の全域で前記中間段動翼よりも転向角が小さい翼形状をなしている請求項２に記載の蒸気タービン。
4. 前記最終段静翼は、前記中間段静翼よりもピッチ／コード比が小さい翼形状をなしている請求項２又は請求項３に記載の蒸気タービン。

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