JP2021001573A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】排気室における流れの剥離を抑制し、圧力損失を低減することができる蒸気タービンを提供すること。【解決手段】本発明の実施形態によれば、最終のタービン段落の静翼の外周が取り付けられたダイアフラム外輪の内面のタービンロータ軸方向に対する拡大傾斜角度θ１と、およびスチームガイドの入口における内面のタービンロータ軸方向に対する拡大傾斜角度θ２との差である（θ１−θ２）が１５度以上３５度以下であると共に、スチームガイドの下流部における曲率半径Ｒと、最終のタービン段落における動翼の根元の最下流端からベアリングコーンの下流側の端部が接する外部ケーシングの下流側側壁の内面までの距離Ｌとの比（Ｒ／Ｌ）が０．２５以上０．７０以下である。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。

火力発電所などで用いられる蒸気タービンの熱効率の向上を達成するために、蒸気タービンの内部損失を低減することが必要である。蒸気タービンの内部損失には、翼の形状に起因するプロファイル損失、蒸気の二次流れ損失、蒸気の漏洩損失、蒸気の湿り損失などに基づくタービン翼列損失、蒸気弁やクロスオーバー管に代表される翼列以外の通路における通路部損失、タービン排気室によるタービン排気損失などがある。

これら損失の中で、タービン排気損失は、全内部損失の１０〜２０％を占める大きな損失である。タービン排気損失は、タービン段落の最終段出口から復水器入口までの間で発生する損失である。タービン排気損失は、リービング損失、フード損失、環状面積制限損失、ターンナップ損失などにさらに分類される。このうち、フード損失は、排気室から復水器までの圧力損失である。

一般に、圧力損失は、蒸気の流速の二乗に比例して大きくなる。そのため、許容される範囲で排気室のサイズを大きくして蒸気の流速を低減することが効果的である。しかしながら、排気室のサイズを大きくする際、製造コストや建屋の配置スペースなどからの制約を受ける。フード損失を低減させるために排気室のサイズを大きくする際にも、このような制約を受ける。また、フード損失は、タービンロータ軸方向の速度である軸流速度、換言すると排気室を通過する体積流量に依存する。

フード損失は、ディフューザを含めた排気室の設計に依存する。低圧タービンの排気室は、蒸気タービン全体の中でも大きな容量を占める。そのため、フード損失を低減させるために排気室のサイズの拡大することは、蒸気タービン全体のサイズや製造コストに大きな影響を与える。そこで、限られた排気室のサイズで、圧力損失の小さい形状とすることが重要となる。

従来の下方排気型の排気室を備えた複流排気型（ダブルフロー型）の低圧タービンでは、最終のタービン段落の動翼を通過した蒸気は、スチームガイドとベアリングコーンとで構成される環状のディフューザに導かれる。ディフューザに導かれた蒸気は、半径方向外側に向かって、放射状に流出する。放射状に流出した蒸気は、ケーシングなどによって流れが転向され、蒸気タービンの下方に設置された復水器に導かれる。
このような低圧タービンにおいて、排気室内での圧力損失（静圧損失）を低減するためには、環状のディフューザで流れを減速させ、十分に静圧を回復させることが重要である。しかしながら、このような低圧タービンにおいて、例えば、スチームガイドの入口における内面のタービンロータ軸方向に対する傾斜角度が大きい場合、蒸気は、ディフューザ内の入口に近い位置で剥離する。このような剥離は、ディフューザ内において蒸気の流れを緩やかに転向することができない場合、具体的には、ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の距離が短い場合に顕著に発生する。

特開２０１０−２１６３２１号公報 特許第６３３４２５８号公報

しかしながら、従来の蒸気タービンのスチームガイドにおける流れの剥離の抑制は十分ではない。そのため、蒸気タービンにおいて、排気室内での圧力損失を確実に低減できる技術が求められている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、排気室における流れの剥離を抑制し、圧力損失を低減することができる蒸気タービンを提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態の蒸気タービンは、タービンロータを収容するケーシングと、前記タービンロータの周方向に複数の動翼が配置された動翼翼列と、前記ケーシング内側のダイアフラム外輪およびダイアフラム内輪の間に複数の静翼が配置され、前記動翼翼列と交互に前記タービンロータの軸方向に設けられた静翼翼列と、前記静翼翼列およびこの静翼翼列の直下流の前記動翼翼列で構成されるタービン段落のうち、最終のタービン段落の下流側に設けられたスチームガイドと、前記スチームガイドの内側に設けられ、前記スチームガイドと共に最終の前記タービン段落を通過した蒸気を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザを構成するベアリングコーンと、を備え、最終の前記タービン段落の前記静翼の外周が取り付けられた前記ダイアフラム外輪の内面のタービンロータ軸方向に対する拡大傾斜角度θ１と、および前記スチームガイドの入口における内面のタービンロータ軸方向に対する拡大傾斜角度θ２との差である（θ１−θ２）が１５度以上３５度以下であると共に、前記スチームガイドの下流部における曲率半径Ｒと、最終の前記タービン段落における前記動翼の根元の最下流端から前記ベアリングコーンの下流側の端部が接する前記外部ケーシングの下流側側壁の内面までの距離Ｌとの比（Ｒ／Ｌ）が０．２５以上０．７０以下である。

本発明の実施形態の蒸気タービンは、排気室における流れの剥離を抑制し、圧力損失を低減することができる。

実施形態に係る蒸気タービンの鉛直方向の子午断面図である。 実施形態に係る蒸気タービンにおける最終のタービン段落および環状ディフュ ーザの鉛直方向の子午断面を拡大した図である。 所定の（Ｒ／Ｌ）に対する「拡大傾斜角度θ１−拡大傾斜角度θ２」と排気損失との関係図である。 所定の「拡大傾斜角度θ１−拡大傾斜角度θ２」に対する（Ｒ／Ｌ）と排気損失との関係図である。

図１は、実施形態に係る蒸気タービンの鉛直方向の子午断面図である。ここでは、蒸気タービンとして下方排気型の排気室を備えた複流排気型の低圧タービンを例示して説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１０において、外部ケーシング２０内には、内部ケーシング２１が備えられている。内部ケーシング２１内には、タービンロータ２２が貫設されている。このタービンロータ２２には、周方向に亘って半径方向外側に突出するロータディスク２３が形成されている。このロータディスク２３は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。

タービンロータ２２のロータディスク２３には、周方向に複数の動翼２４が植設され、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、タービンロータ軸方向に複数段備えられている。タービンロータ２２は、ロータ軸受２５によって回転可能に支持されている。

内部ケーシング２１の内側には、ダイアフラム外輪２６とダイアフラム内輪２７とが設けられている。ダイアフラム外輪２６とダイアフラム内輪２７との間には、周方向に複数の静翼２８が配設され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、タービンロータ軸方向に動翼翼列と交互になるように配置されている。静翼翼列と、この静翼翼列の直下流の動翼翼列とで一つのタービン段落を構成する。

蒸気タービン１０の中央には、クロスオーバー管２９からの蒸気が導入される吸気室３０を備えている。この吸気室３０から左右のタービン段落に蒸気を分配して導入する。

最終のタービン段落の下流側には、外周側のスチームガイド４０と、その内周側のベアリングコーン５０とによって形成された、蒸気を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザ６０が形成されている。なお、ベアリングコーン５０の内部には、例えば、ロータ軸受２５などが備えられている。

環状ディフューザ６０を備えた下方排気型の排気室の下方には、例えば、復水器（図示しない）が備えられる。

なお、上記した、外部ケーシング２０、内部ケーシング２１、スチームガイド４０、ベアリングコーン５０などは、上下に２つ割り構造で構成されている。例えば、上半側および下半側のスチームガイド４０によって筒状のスチームガイド４０が構成される。同様に、上半側および下半側のベアリングコーン５０よって筒状のベアリングコーン５０が構成される。そして、筒状のスチームガイド４０と、その内側に設けられた筒状のベアリングコーン５０とによって、環状ディフューザ６０が構成される。なお、スチームガイド４０およびベアリングコーン５０における上半側および下半側の構成は同じである。

次に、図１に示す最終のタービン段落および環状ディフューザ６０の構成について、図２を用いて詳細に説明する。図２は、実施形態に係る蒸気タービンにおける最終のタービン段落および環状ディフューザの鉛直方向の子午断面を拡大した図である。なお、図２において、説明の便宜上、最終段のタービン段落の構成部には、図１で示した構成部の符号に「ａ」を加えて示している。

図２に示すように、最終のタービン段落の静翼２８ａは、ダイアフラム外輪２６ａとダイアフラム内輪２７ａとの間に取り付けられている。静翼２８ａの外周が取り付けられたダイアフラム外輪２６ａの内面７０は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に、例えば、直線的に拡大する。この内面７０は、タービンロータ軸方向の下流側（図２では右方向）に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して拡大傾斜角度θ１で傾斜している。

静翼２８ａの下流の動翼２４ａの先端部は、例えば、シュラウド７５が備えられている。動翼２４ａの先端部にシュラウド７５を備えることで、先端の振動による流れの不安定性を抑制することができる。動翼２４ａの周囲の、ダイアフラム外輪２６ａの内面１１０は、図２に示すように、タービンロータ軸方向に、例えば、ほぼ水平となっている。

なお、動翼２４ａの先端部、すなわちシュラウド７５は、ダイアフラム外輪２６ａの内面１１０との距離を一定に維持するため、図２に示す断面において、例えば、ほぼ水平に構成されている。動翼２４ａの先端部を、内面１１０に沿ってタービンロータ軸方向にほぼ水平とすることで、例えば、タービンロータ２２のタービンロータ軸方向への熱伸びした場合においても、動翼２４ａの先端部と内面１１０との間からの漏洩蒸気量の増加を抑制することができる。これによって、動翼２４ａから流出する蒸気の流れを安定させて、環状ディフューザ６０に導入することができる。

ここでは、動翼２４ａの先端部にシュラウド７５を備えた一例を示したが、動翼２４ａの先端部にシュラウド７５を備えない構成であってもよい。先端部にシュラウド７５を備えない場合には、動翼２４ａの先端が、図２に示す断面において、例えば、ほぼ水平に構成されている。

最終のタービン段落の下流側には、スチームガイド４０と、ベアリングコーン５０とによって形成された環状ディフューザ６０が形成されている。

ベアリングコーン５０は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い、半径方向外側に拡開する拡大筒状に構成されている。ベアリングコーン５０の上流端は、図２に示すように、回動するロータディスク２３ａに接しない程度に、ロータディスク２３ａの下流側端面のうちの半径方向外側部分に隣接している。ベアリングコーン５０の下流端は、外部ケーシング２０の、タービンロータ軸方向の下流側の側壁９０の内壁面９１に接している。

ここでは、ベアリングコーン５０は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い湾曲しながら拡大する一例を示している。なお、ベアリングコーン５０は、例えば、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に、直線的に拡大する部分および湾曲しながら拡大する部分を備えた構成としてもよい。また、ベアリングコーン５０は、例えば、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に、直線的に拡大する部分を複数備えた構成としてもよい。

スチームガイド４０は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い、半径方向外側に拡開する拡大筒状に構成されている。スチームガイド４０の上流部４０ａの一端は、図２に示すように、ダイアフラム外輪２６ａの下流側端面のうちの半径方向内側部分に接している。上流部４０ａは、例えば、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に直線的に拡大し、下流部４０ｂは、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大する。なお、スチームガイド４０の形状は、これに限定されない。スチームガイド４０は、例えば、上流端から下流端において、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大するラッパ状に構成されてもよい。

スチームガイド４０の入口における内面８０は、図２に示すように、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して拡大傾斜角度θ２で傾斜している。なお、スチームガイド４０が、上流端から下流端において、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大する場合には、拡大傾斜角度θ２は、図２に示した断面において、スチームガイド４０の内面８０の上流端における接線とタービンロータ軸方向とのなす角で定義される。

なお、拡大傾斜角度θ１と拡大傾斜角度θ２との差である「拡大傾斜角度θ１−拡大傾斜角度θ２」は、１５度以上３５度以下であることが好ましい。この理由については後述する。

動翼２４ａの根元の最下流端１００からベアリングコーン５０の下流端が接する側壁９０の内壁面９１までの軸方向における距離をＬとし、スチームガイド４０の下流部４０ｂにおける曲率半径をＲとする。なお、距離Ｌと曲率半径Ｒとの比（Ｒ／Ｌ）は、０．２５以上０．７０以下とすることが好ましい。

次に、蒸気タービン１０の動作について説明する。クロスオーバー管２９を経て蒸気タービン１０内の吸気室３０に流入した蒸気は、左右のタービン段落に分岐して流れる。そして、各タービン段落の静翼２８、動翼２４を備える蒸気流路を膨張仕事をしながら通過し、タービンロータ２２を回転させる。最終のタービン段落を通過した蒸気は、環状ディフューザ６０内に流入する。

ここで、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿って流れてきた蒸気は、環状ディフューザ６０の入口においても、内面７０の拡大傾斜角度θ１を有して流れている。この蒸気は、剥離することなくスチームガイド４０の上流部４０ａの内面８０に沿って流れる。環状ディフューザ６０は、この蒸気の流速を減速すると共に、流れ方向を転向する。

環状ディフューザ６０の出口において、蒸気は、半径方向外側に流出する。半径方向外側に流出した蒸気は、流れが下方に転向される。そして、転向された蒸気は、例えば、タービンロータ２２の下方に設置された復水器（図示しない）に導かれる。

なお、ここでは、タービンロータ２２の下方に復水器（図示しない）が設置された一例を示したが、復水器は、例えば、タービンロータ軸方向に垂直でかつ水平な方向の、蒸気タービン１０の側部側に備えられてもよい。換言すれば、蒸気タービン１０は、下方排気型に限らず、側方排気型であってもよい。

ここで、「拡大傾斜角度θ１−拡大傾斜角度θ２」、および距離Ｌと曲率半径Ｒとの比（Ｒ／Ｌ）を所定の範囲内とすることが好ましい理由について、図３および図４を用いて説明する。図３は、所定の（Ｒ／Ｌ）に対する「拡大傾斜角度θ１−拡大傾斜角度θ２」と排気損失との関係を、図４は、所定の「拡大傾斜角度θ１−拡大傾斜角度θ２」に対する（Ｒ／Ｌ）と排気損失との関係をそれぞれ示す図である。

（（θ１−θ２）を１５度以上とすることが好ましい理由）

図３に示すように、（θ１−θ２）が１５度よりも小さくなると、排気損失が増加する。具体的には、（θ１−θ２）が小さくなると、角度θ１を一定の値とした場合に角度θ２が増加する。これは、上流部４０ａが半径方向外側に急に傾斜することを示している。つまり、（θ１−θ２）が所定よりも小さくなると、上流部４０ａを通過する蒸気の一部がこの上流側４０ａから剥離してしまう。その結果、上流部４０ａから剥離した蒸気の分だけ排気損失が増加する。したがって、（θ１−θ２）は所定よりも大きく設定する必要がある。

本件発明者は鋭意研究を行った結果、この剥離損失が蒸気タービンの効率に顕著な影響を与えない範囲として、（θ１−θ２）を１５度以上とすることが好ましいと知見するに至っている。

（（θ１−θ２）を３５度以下とすることが好ましい理由）

図３に示すように、（θ１−θ２）が３５度よりも大きくなると、排気損失が増加する。具体的には、（θ１−θ２）が大きくなると、角度θ１を一定の値とした場合に角度θ２が減少する。これは、上流部４０ａが半径方向外側に緩やかに傾斜することを示している。つまり、（θ１−θ２）が所定よりも大きくなると、上流部４０ａの傾斜が過度に緩やかになるため、環状ディフューザ６０が蒸気の流れ方向を十分に転向できなくなってしまう。また、上流部４０ａの長さを一定とした場合には、角度θ２の増加に伴って上流部４０ａの下流端がベアリングコーン５０側に近づくため、環状ディフューザ６０の出口での流路断面積が小さくなる。したがって、環状ディフューザ６０が蒸気の流速を十分に減速することもできなくなってしまう。その結果、排気損失が増加する。したがって、（θ１−θ２）は所定よりも小さく設定する必要がある。

本件発明者は鋭意研究を行った結果、この剥離損失が蒸気タービンの効率に顕著な影響を与えない範囲として、（θ１−θ２）を３５度以下とすることが好ましいことを知見するに至っている。

（（Ｒ／Ｌ）を０．２５以上とすることが好ましい理由）

図４に示すように、（Ｒ／Ｌ）が０．２５よりも小さくなると、排気損失が増加する。具体的には、（Ｒ／Ｌ）が小さくなると、所定の距離Ｌに対するスチームガイド４０の下流部４０ｂの曲率半径Ｒが減少する。これは、下流部４０ｂが半径方向外側に急に湾曲する形状となることを示している。つまり、（Ｒ／Ｌ）が所定よりも小さくなると下流部４０ｂの湾曲が過度に急激になるため、下流部４０ｂを通過する蒸気の一部がこの下流側４０ｂから剥離してしまう。その結果、下流部４０ｂから剥離した蒸気の分だけ排気損失が増加する。したがって、（Ｒ／Ｌ）は所定よりも大きく設定する必要がある。

本件発明者は鋭意研究を行った結果、この剥離損失が蒸気タービンの効率に顕著な影響を与えない範囲として、（Ｒ／Ｌ）を０．２５以上とすることが好ましいと知見するに至っている。

（（Ｒ／Ｌ）を０．７０以下とすることが好ましい理由）

図４に示すように、（Ｒ／Ｌ）が０．７０よりも大きくなる場合にも、排気損失が増加する。具体的には、（Ｒ／Ｌ）が大きくなると、所定の距離Ｌに対するスチームガイド４０の下流部４０ｂの曲率半径Ｒが増加する。これは、下流部４０ｂが半径方向外側に緩やかに湾曲する形状となることを示している。つまり、（Ｒ／Ｌ）が所定よりも大きくなると下流部４０ｂの湾曲が過度に緩やかになるため、環状ディフューザ６０が蒸気の流れ方向を十分に転向できなくなってしまう。また、下流部４０ｂの長さを一定とした場合には、曲率半径Ｒの増加に伴って下流部４０ｂの下流端がベアリングコーン５０側に近づくため、環状ディフューザ６０の出口での流路断面積が小さくなる。したがって、環状ディフューザ６０が蒸気の流速を十分に減速することもできなくなってしまう。その結果、排気損失が増加する。したがって、（Ｒ／Ｌ）は所定よりも小さく設定する必要がある。

本件発明者は鋭意研究を行った結果、この剥離損失が蒸気タービンの効率に顕著な影響を与えない範囲として、（Ｒ／Ｌ）が０．７０以下とすることが好ましいことを知見するに至っている。

上述した実施形態によれば、距離Ｌとスチームガイド４０の下流部４０ｂにおける曲率半径Ｒとの比（Ｒ／Ｌ）、および拡大傾斜角度θ１、θ２の差である（θ１−θ２）をそれぞれ所定の範囲に収めるよう設定することで、環状ディフューザ６０における剥離損失および曲げ損失を抑制することができる。これによって、排気室における圧力損失を低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０．蒸気タービン、２０．外部ケーシング、２１．内部ケーシング、２２．タービンロータ、２３，２３ａ．ロータディスク、２４，２４ａ．動翼、２５．ロータ軸受、２６、２６ａ．ダイアフラム外輪、２７、２７ａ．ダイアフラム内輪、２８、２８ａ．静翼、２９．クロスオーバー管、３０．吸気室、４０．スチームガイド、４０ａ．上流部、４０ｂ．下流部、５０．ベアリングコーン、６０．環状ディフューザ、７０，８０，１１０．内面、７５．シュラウド、７５ａ．最先端、９０．側壁、９１．内壁面、１００．最下流端

Claims (1)

1. タービンロータを収容するケーシングと、
   前記タービンロータの周方向に複数の動翼が配置された動翼翼列と、
   前記ケーシング内側のダイアフラム外輪およびダイアフラム内輪の間に複数の静翼を配置すると共に、前記動翼翼列と交互に前記タービンロータの軸方向に設けられた静翼翼列と、
   前記静翼翼列およびこの静翼翼列の直下流の前記動翼翼列で構成されるタービン段落のうち、最終のタービン段落の下流側に設けられたスチームガイドと、
   前記スチームガイドの内側に設けられ、前記スチームガイドと共に最終の前記タービン段落を通過した蒸気を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザを構成するベアリングコーンと、
   を備え、
   最終の前記タービン段落の前記静翼の外周が取り付けられた前記ダイアフラム外輪の内面のタービンロータ軸方向に対する拡大傾斜角度θ１と、および前記スチームガイドの入口における内面のタービンロータ軸方向に対する拡大傾斜角度θ２との差である（θ１−θ２）が１５度以上３５度以下であると共に、
   前記スチームガイドの下流部における曲率半径Ｒと、最終の前記タービン段落における前記動翼の根元の最下流端から前記ベアリングコーンの下流側の端部が接する前記外部ケーシングの下流側側壁の内面までの距離Ｌとの比（Ｒ／Ｌ）が０．２５以上０．７０以下である蒸気タービン。

Images