JP2020128706A - 部分送入タービンに用いられる損失低減装置及び部分送入タービン - Google Patents

部分送入タービンに用いられる損失低減装置及び部分送入タービン Download PDF

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Abstract

【課題】部分送入タービンの損失を抑制する。【解決手段】部分送入タービン１に用いられる損失低減装置は、周方向における作動流体の送入部６１と非送入部とを有するように構成された調速段ノズル８を含む部分送入タービン１に用いられる損失低減装置であって、前記調速段ノズル８から送入される前記作動流体が作用する調速段動翼１２Ａが外周面に取り付けられたロータディスク６に対して隙間を存するように前記調速段ノズル８の反対側に配置された円環板部であって、前記調速段ノズル８の前記送入部に対応する位置に形成された開口部１１２を有し、且つ、前記円環板部の内周縁が前記ロータディスク６の前記外周面よりも径方向内側に位置するように構成された円環板部を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、部分送入タービンに用いられる損失低減装置及び部分送入タービンに関する。
例えば、蒸気タービンやガスタービンなどの軸流タービンでは、高効率化のために、いわゆる部分送入タービンが採用されることがある。
部分送入タービンでは、周方向に作動流体の送入部と非送入部を設け、初段ノズル（調速段ノズル）から送入部を介して作動流体を部分送入するように構成されている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１４−２０２０９０号公報
特許文献１に記載されたような部分送入タービンでは、調速段ノズルの次の段である第１段ノズル（静翼）は、全周にわたって設けられている。そのため、調速段ノズルから送入部を介して部分送入された作動流体は、調速段動翼が外周面に取り付けられたロータディスクと第１段ノズル（静翼）との間の空間の全周にわたって行き渡った後、第１段ノズルに流入することとなる。そのため、該空間を流れる作動流体の損失を低減することが部分送入タービンの効率化に寄与する。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、部分送入タービンの損失を抑制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部分送入タービンに用いられる損失低減装置は、
周方向における作動流体の送入部と非送入部とを有するように構成された調速段ノズルを含む部分送入タービンに用いられる損失低減装置であって、
前記調速段ノズルから送入される前記作動流体が作用する調速段動翼が外周面に取り付けられたロータディスクに対して隙間を存するように前記調速段ノズルの反対側に配置された円環板部であって、前記調速段ノズルの前記送入部に対応する位置に形成された開口部を有し、且つ、前記円環板部の内周縁が前記ロータディスクの前記外周面よりも径方向内側に位置するように構成された円環板部
を備える。
上述したように、部分送入タービンでは、調速段ノズルから送入部を介して部分送入された作動流体は、調速段動翼が外周面に取り付けられたロータディスクと、第１段ノズル（静翼）が含まれる静翼環との間の空間を通過して、全周にわたって設けられた複数の静翼同士の間に流入する。その際、該空間を通過する作動流体が該ロータディスクの回転の影響を受けることで、部分送入タービンの効率が低下するおそれがある。そのため、該空間を通過する作動流体が該ロータディスクから受ける影響を低減することが望まれている。
その点、上記（１）の構成では、該ロータディスクに対して隙間を存するように調速段ノズルの反対側に配置された円環板部を備えている。また、円環板部は、その内周縁が該ロータディスクの外周面よりも径方向内側に位置するように構成されている。したがって、円環板部は、内周縁が存在する径方向位置から該ロータディスクの外周面が存在する径方向位置までの円環状の領域が軸方向から見たときに該ロータディスクと重複することとなる。そのため、上記空間のうち、円環板部よりも静翼側であって、軸方向から見たときに上記円環状の領域と重複する領域では、該領域と該ロータディスクとの間に円環板部における上記円環状の領域が存在するので、作動流体が該ロータディスクの回転の影響を受け難くなる。
したがって、上記（１）の構成によれば、上述したように作動流体が該ロータディスクの回転の影響を受け難くなるので、部分送入タービンの損失を抑制できる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記円環板部の前記内周縁は、前記円環板部を挟んで前記ロータディスクとは反対側に配置される静翼環に含まれる静翼の前記径方向内側の端部よりも前記径方向内側に位置するように構成されている。
上述したように、上記空間のうち、円環板部よりも静翼側であって、軸方向から見たときに上記円環状の領域と重複する領域では、上記円環状の領域が存在することで、作動流体が該ロータディスクの回転の影響を受け難くなる。ここで、上記（２）の構成では、上記円環状の領域の径方向内側の端部である円環板部の内周縁が、静翼環における静翼の径方向内側の端部よりも径方向内側に位置する。したがって、上記（２）の構成によれば、上記空間のうち、円環板部よりも静翼側であって、静翼環における静翼の径方向内側の端部よりも径方向内側の位置から該ロータディスクの外周面が存在する径方向位置までの円環状の領域と軸方向から見たときに重複する領域において、作動流体が該ロータディスクの回転によって受ける影響を低減できる。
これにより、上記（２）の構成によれば、静翼に流入する作動流体が該ロータディスクの回転の影響をさらに受け難くなるので、部分送入タービンの損失をさらに抑制できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記円環板部の内周縁に一端が接続され、前記静翼環の内周リングに他端が接続される接続部材をさらに備える。
上記（３）の構成によれば、円環板部の内周縁が上記空間内で安定して固定される。
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記接続部材は、ロータシャフトの外周から離間して形成された円筒形状を有する。
上記（４）の構成によれば、上記接続部材がロータシャフトを外周側から覆うので、上記空間において、静翼環に設けられた複数の静翼同士の間に流入する作動流体がロータシャフトの回転によって受ける影響を低減できる。
（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、前記ロータディスクの全周に対して前記送入部が形成される領域の割合は、４５％以下である。
発明者らが鋭意検討した結果、ロータディスクの全周に対して送入部が形成される領域の割合が４５％以下、すなわち部分送入率が４５％以下であると、上記（１）乃至（４）の何れかの構成における円環板部によって、部分送入タービンの損失を効果的に抑制できることが判明した。
したがって、上記（５）の構成によれば、部分送入タービンの損失を効果的に抑制できる。
（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る部分送入タービンは、
上記構成（１）乃至（５）の何れかの構成の前記損失低減装置と、
前記ロータディスクと、
前記調速段ノズルと、
を備える。
上記（６）の構成によれば、上記構成（１）乃至（５）の何れかの構成の損失低減装置を備えるので、部分送入タービンの損失を抑制できる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、部分送入タービンの損失を抑制できる。
一実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。 他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。 さらに他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。 さらに他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。 さらに他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。 さらに他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。
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」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。
図１は、一実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。図２は、他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。図３は、さらに他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。図４は、さらに他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。図５は、さらに他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。図６は、さらに他の実施形態に係る損失低減装置を備えるタービンの模式的な断面図である。図７は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。
図１〜６に示すように、幾つかの実施形態に係るタービン１は、いわゆる軸流タービンであって、ケーシング２と、ロータシャフト４と、ロータシャフト４に固定されたロータディスク６と、調速段ノズル８と、動翼１２と、静翼１４と、損失低減装置１００とを備えている。
なお、以下の説明では、ロータシャフト４の延在方向を単に軸方向とも呼び、ロータシャフト４の周方向を単に周方向とも呼ぶ。また、軸方向に関し、ケーシング２内での作動流体の主たる流れの軸方向に沿った向きを下流方向、又は下流側とも呼び、該下流方向とは反対方向を上流方向、又は上流側とも呼ぶ。図１〜６においては、図示右側が下流側であり、図示左側が上流側である。
ロータディスク６の外周面６ａには、周方向に間隔を空けて複数の動翼１２が取り付けられている。ロータディスク６と、該ロータディスク６に取り付けられた複数の動翼１２とによって動翼段３０が形成されている。なお、ロータディスク６には、図１、２に示すように、ロータディスク６の回転バランスを調整するためのバランスホール６ｂが形成されていてもよい。バランスホール６ｂは、軸方向に沿ってロータディスク６を貫通する貫通孔である。
静翼１４は、周方向に間隔を空けて複数配置された状態で、径方向内側の端部が内周リング１６の外周面に取り付けられ、径方向外側の端部が外周リング１８の内周面に取り付けられている。内周リング１６と、外周リング１８と、各リング１６、１８に取り付けられた複数の静翼１４とを含む静翼環２２によって静翼段４０が形成されている。
幾つかの実施形態に係るタービン１では、動翼段３０と静翼段４０とが軸方向に沿って交互に配置されている。なお、図１〜６では、後述する調速段ノズル８の直下流側に配置された調速段動翼１２Ａを含む動翼段３１と、該動翼段３１の直下流側に配置された第１静翼段４１と、第１静翼段４１の直下流側に配置された第１動翼段３２とが図示されている。
調速段ノズル８は、周方向における作動流体の送入部６１と非送入部６３（図７参照）とを有するように構成されており、ケーシング２と一体的に固定された作動流体供給管５２の供給口５４に支持され、作動流体（蒸気、燃焼ガス）を送入する。
すなわち、タービン１は、周方向に作動流体の送入部６１と非送入部６３とを有する部分送入タービンである。
図１〜７に示すように、幾つかの実施形態に係るタービン１では、損失低減装置１００は、調速段動翼１２Ａを含む動翼段３１と第１静翼段４１との間の空間６５に設けられている。なお、該空間６５は、ロータシャフト４の外周面とケーシング２の内周面との間で全周にわたって形成されている。
損失低減装置１００については、後で詳述する。
図１〜６に示した幾つかの実施形態に係るタービン１では、ケーシング２に固定支持された作動流体供給管５２を経て、供給口５４内に流入した作動流体は、調速段ノズル８および調速段動翼１２Ａへ流入し、膨張仕事を行う。次いで作動流体は下流側の静翼段４０および動翼段３０へ流入し、膨張仕事を行う。これにより、ロータシャフト４が回転駆動される。
（損失低減装置１００について）
図１〜６に示した幾つかの実施形態に係るタービン１のような部分送入タービンでは、調速段ノズル８の次の段である第１静翼段４１において静翼１４は、全周にわたって設けられている。そのため、調速段ノズル８から送入部６１を介して部分送入された作動流体は、調速段動翼１２Ａが外周面に取り付けられたロータディスク６と第１静翼段４１の静翼環２２との間の空間６５の全周にわたって行き渡った後、第１静翼段４１の静翼１４に流入することとなる。そのため、該空間６５を流れる作動流体の損失を低減することが部分送入タービンの効率化に寄与する。
そこで、図１〜６に示した幾つかの実施形態に係るタービン１では、以下で詳述する幾つかの実施形態に係る円環板部１１０を備える損失低減装置１００を設けることで、上述した作動流体の損失を低減するようにしている。
図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、図１〜図７に示すように、調速段ノズル８から送入される作動流体が作用する調速段動翼１２Ａが外周面に取り付けられたロータディスク６に対して隙間６７を存するように調速段ノズル８の反対側に配置された円環板部１１０を備えている。円環板部１１０は、調速段ノズル８の送入部６１に対応する位置に形成された開口部１１２と、非送入部６３に対応する位置に形成された閉止部１１３とを有し、且つ、円環板部１１０の内周縁１１４が調速段動翼１２Ａを含む動翼段３１のロータディスク６の外周面６ａよりも径方向内側に位置するように構成されている。
なお、図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、円環板部１１０の外周縁１１８は、少なくとも調速段動翼１２Ａを含む動翼段３１のロータディスク６の外周面６ａよりも径方向内側に位置するように形成されている。
上述したように、幾つかの実施形態に係るタービン１のような部分送入タービンでは、調速段ノズル８から送入部６１を介して部分送入された作動流体は、調速段動翼１２Ａを通過した後、空間６５を通過して、全周にわたって設けられた第１静翼段４１の複数の静翼１４同士の間に流入する。その際、該空間６５を通過する作動流体が該ロータディスク６の回転の影響を受けることで、部分送入タービンの効率が低下するおそれがある。
その点、図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、上述した円環板部１１０を備えている。この円環板部１１０は、その内周縁１１４が該ロータディスク６の外周面６ａよりも径方向内側に位置するように構成されている。したがって、円環板部１１０は、内周縁１１４が存在する径方向位置から該ロータディスク６の外周面６ａが存在する径方向位置までの円環状の円環領域１１６が軸方向から見たときに該ロータディスク６と重複することとなる。そのため、上記空間６５のうち、円環板部１１０よりも静翼１４側（下流側）であって、軸方向から見たときに円環領域１１６と重複する重複領域６５ａでは、重複領域６５ａと該ロータディスク６との間に円環板部１１０における円環領域１１６が存在するので、作動流体が該ロータディスク６の回転の影響を受け難くなる。
したがって、図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００によれば、上述したように作動流体が該ロータディスク６の回転の影響を受け難くなるので、部分送入タービンの損失を抑制できる。
図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、円環板部１１０の内周縁１１４は、円環板部１１０を挟んでロータディスク６とは反対側に配置される第１静翼段４１の静翼環２２に含まれる静翼１４の径方向内側の端部１４ａよりも径方向内側に位置するように構成されている。
これにより、重複領域６５ａを第１静翼段４１における静翼１４の径方向内側の端部１４ａよりも径方向内側にまで拡大できる。すなわち、上記空間６５のうち、円環板部１１０よりも下流側であって、第１静翼段４１の静翼環２２における静翼１４の径方向内側の端部１４ａよりも径方向内側の位置から調速段動翼１２Ａを含む動翼段３１のロータディスク６の外周面６ａが存在する径方向位置までの円環領域１１６と軸方向から見たときに重複する重複領域６５ａにおいて、作動流体が該ロータディスク６の回転によって受ける影響を低減できる。
これにより、第１静翼段４１における静翼１４に流入する作動流体が該ロータディスク６の回転の影響をさらに受け難くなるので、部分送入タービンの損失をさらに抑制できる。
図１〜４に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、開口部１１２の形成領域を除いた円環板部１１０の外周縁１１８がケーシング２に固定されている。また、図５、６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、円環板部１１０の外周縁１１８の近傍の領域と第１静翼段４１の外周リング１８の上流側の端面１８ａとの間を接続する接続部材１３１によって、円環板部１１０の外周縁１１８の近傍の領域が第１静翼段４１の外周リング１８に固定されている。
図３、４、６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、円環板部１１０の内周縁１１４に一端が接続され、第１静翼段４１の静翼環２２の内周リング１６に他端が接続される接続部材１２０をさらに備える。
図３に示した一実施形態では、接続部材１２０は、周方向に間隔を空けて配置された複数の軸状部材１２２である。また、図４、６に示した幾つかの実施形態では、接続部材１２０は、ロータシャフト４の外周から離間して形成された円筒形状を有する円筒部材１２４である。
これにより、円環板部１１０の内周縁１１４が上記空間６５内で安定して固定される。
また、図４、６に示した幾つかの実施形態によれば、円筒部材１２４がロータシャフト４を外周側から覆うので、上記空間６５において、第１静翼段４１の静翼環２２に設けられた複数の静翼１４同士の間に流入する作動流体がロータシャフト４の回転によって受ける影響を低減できる。
図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、円環板部１１０と調速段動翼１２Ａを含む動翼段３１のロータディスク６との軸方向に沿った距離ｘ１は、円環板部１１０と第１静翼段４１の内周リング１６又は外周リング１８との軸方向に沿った距離ｘ２よりも小さい。したがって、上記空間６５における該ロータディスク６と円環板部１１０との距離ｘ１が短くなるので、上記空間６５内の作動流体が該ロータディスク６の回転の影響を受け難くなる。また、上記空間６５における円環板部１１０と第１静翼段４１との距離ｘ２が長くなるので、調速段ノズル８から送入部６１を介して部分送入された作動流体が調速段動翼１２Ａを通過した後、円環板部１１０よりも下流側の空間６５内で全周にわたって行き渡りやすくなる。そのため、第１静翼段４１の静翼１４同士の間に流入する作動流体の流れが、周方向位置によらず均一になりやすくなる。これにより、部分送入タービンの損失を抑制できる。
なお、図１、２に示したように、調速段動翼１２Ａを含む動翼段３１のロータディスク６にバランスホール６ｂが形成されている場合、例えば、図２に示すように、軸方向から見たときにバランスホール６ｂと円環板部１１０とが重複するように円環板部１１０が形成されているとよい。これにより、バランスホール６ｂを介して漏れ流れとなる作動流体が、作動流体の主流に与える影響を低減でき、部分送入タービンの損失を抑制できる。
図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００では、ロータディスク６の全周に対して送入部６１が形成される領域の割合は、４５％以下であるとよい。
すなわち、発明者らが鋭意検討した結果、ロータディスク６の全周に対して送入部６１が形成される領域の割合が４５％以下、すなわち部分送入率が４５％以下であると、図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る円環板部１１０によって、部分送入タービンの損失を効果的に抑制できることが判明した。
したがって、図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００によれば、部分送入率が４５％以下とすることで、部分送入タービンの損失を効果的に抑制できる。
図１〜６に示した幾つかの実施形態に係るタービン１では、図１〜６に示した幾つかの実施形態に係る損失低減装置１００を備えるので、部分送入タービンの損失を抑制できる。
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 タービン（部分送入タービン）
２ ケーシング
４ ロータシャフト
６ ロータディスク
８ 調速段ノズル
１２ 動翼
１２Ａ 調速段動翼
１４ 静翼
１６ 内周リング
１８ 外周リング
２２ 静翼環
６１ 送入部
６５ 空間
６５ａ 重複領域
１１２ 開口部
１１４ 内周縁
１１６ 円環領域
１２０ 接続部材

Claims (6)

  1. 周方向における作動流体の送入部と非送入部とを有するように構成された調速段ノズルを含む部分送入タービンに用いられる損失低減装置であって、
    前記調速段ノズルから送入される前記作動流体が作用する調速段動翼が外周面に取り付けられたロータディスクに対して隙間を存するように前記調速段ノズルの反対側に配置された円環板部であって、前記調速段ノズルの前記送入部に対応する位置に形成された開口部を有し、且つ、前記円環板部の内周縁が前記ロータディスクの前記外周面よりも径方向内側に位置するように構成された円環板部
    を備える部分送入タービンに用いられる損失低減装置。
  2. 前記円環板部の前記内周縁は、前記円環板部を挟んで前記ロータディスクとは反対側に配置される静翼環に含まれる静翼の前記径方向内側の端部よりも前記径方向内側に位置するように構成されている
    請求項１に記載の部分送入タービンに用いられる損失低減装置。
  3. 前記円環板部の内周縁に一端が接続され、前記静翼環の内周リングに他端が接続される接続部材をさらに備える
    請求項２に記載の部分送入タービンに用いられる損失低減装置。
  4. 前記接続部材は、ロータシャフトの外周から離間して形成された円筒形状を有する
    請求項３に記載の部分送入タービンに用いられる損失低減装置。
  5. 前記ロータディスクの全周に対して前記送入部が形成される領域の割合は、４５％以下である
    請求項１乃至４の何れか一項に記載の部分送入タービンに用いられる損失低減装置。
  6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の前記損失低減装置と、
    前記ロータディスクと、
    前記調速段ノズルと、
    を備える部分送入タービン。
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