JP2021028476A - タービン排気室 - Google Patents

Abstract

【課題】環状ディフューザよりも下流における流れの圧力損失を低減できるタービン排気室を提供する。【解決手段】実施形態の排気室３０は、円弧状ケーシング部４１および円弧状ケーシング部４１と接続された筒状ケーシング部４２部を備える外部ケーシング１０と、スチームガイド６０およびスチームガイド６０の内側に設けられたベアリングコーン７０を有し作動流体を径方向外側に向かって排出する環状ディフューザ５０とを備える。円弧状ケーシング部側領域において、周方向に形成される環状ディフューザ５０の出口５１の通路面積をＳ１とし、スチームガイド６０の内周端部６０ｃと内周端部６０ｃから径方向の円弧状ケーシング部４１の内面４６との間の周方向の通路９０の通路面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１が０．８以上１．６以下であり、内周端部６０ｃにおける接線の中心軸方向に対する角度θが４５度以上である。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、タービン排気室に関する。

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は、エネルギ資源の有効利用や、二酸化炭素（ＣＯ_２）排出量の削減につながる重要な課題となっている。そのためには、様々な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、タービン段落の最終段の下流におけ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。タービン排気損失は、具体的には、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、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、排気室内の圧力損失である。フード損失は、排気室の形式、形状、サイズに依存する。

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、フード損失を低減するためには、排気室内の流速を低減する必要がある。これには、排気室の大型化が効果的である。しかしながら、製造コストや建屋サイズの観点から、排気室のサイズは小さい方が望ましい。そこで、排気室内にディフューザ構造を設けて、排気室の大型化を抑制しつつ蒸気の流速を低減する方法が検討されている。

図６は、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２００の鉛直方向の子午断面を示す図である。

図６に示すように、最終段のタービン段落の動翼２１０を通過した蒸気は、スチームガイド２２０とベアリングコーン２２１とで構成される環状ディフューザ２２２に導かれる。拡大流路である環状ディフューザ２２２に導かれた蒸気は、減速されて静圧が回復する。そして、環状ディフューザに導かれた蒸気は、径方向外側に導かれ、外部ケーシング２３０で囲まれた空間２２３に放出される。

なお、径方向とは、タービンロータ中心軸方向（以下、軸方向という。）に垂直な方向である。径方向外側とは、径方向で、かつタービンロータ中心軸から離れる側をいう。

空間２２３に放出された蒸気は、外部ケーシング２３０などによって流れが転向され、最終的に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２００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、環状ディフューザ２２２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。

このような従来の低圧タービン２００の排気室では、フード損失を低減するために、スチームガイド２２０の入口における流れの剥離を抑制することに重点が置かれていた。また、従来の排気室では、スチームガイド２２０の下流端の径方向外側に向かう広がりを周方向に不均一とすることでフード損失の低減を図っていた。

特開２０１０−２１６３２１号公報 特開２０１８−１１５５８１号公報

上記したように、従来の低圧タービン２００の排気室では、環状ディフューザ２２２内における圧力損失を低減することが主に検討されている。

ここで、図６に示すように、環状ディフューザ２２２の出口２２４は、スチームガイド２２０の出口端２２０ａと、この出口端２２０ａから軸方向の外部ケーシング２３０における側壁２３１の内面２３１ａとの間の幅を有して周方向に亘って形成される通路で構成される。なお、周方向とは、タービンロータ中心軸を中心する周方向を意味する。

また、上半側の空間２２３において、環状ディフューザ２２２の出口２２４を流出した蒸気の流れは、図６に示すように、径方向から軸方向にほぼ９０度転向される。そして、転向された蒸気は、通路２２５を通過する。

この通路２２５は、スチームガイド２２０の出口端２２０ａと、この出口端２２０ａから径方向外側の外部ケーシング２３０における上壁２３２の内面２３２ａとの間の幅を有して周方向に形成される通路である。

ここで、スチームガイド２２０の出口端２２０ａにおける接線は、軸方向に対して角度αを有している。なお、この接線は、図６に示すように、出口端２２０ａにおけるスチームガイド２２０の内面（環状ディフューザ２２２側の面）での接線である。

環状ディフューザ２２２の出口２２４において、十分に静圧が回復されていても、出口２２４の通路面積よりも通路２２５の通路面積が小さい場合には、流れは加速される。これによって圧力損失が増加する。

また、出口２２４の通路面積よりも通路２２５の通路面積が大きい場合には、軸方向へ転向された流れは、径方向外側に偏る。そして、径方向外側に高速領域が形成され、この高速領域よりも内周側に低速領域が形成される。これによって、図６に示すように、通路２２５を通過したが流れが通路２２５側に逆流する流れ場が形成される。この逆流２４０によって、復水器側に向かって蒸気がスムーズに流れにくくなる。そして、圧力損失が増加してフード損失は増加する。

また、角度αが小さい場合に、軸方向へ転向された流れの径方向外側への偏流が顕著になり、逆流２４０による圧力損失が増加する。

本発明が解決しようとする課題は、環状ディフューザよりも下流における流れの圧力損失を低減することができるタービン排気室を提供することである。

実施形態のタービン排気室は、タービンロータを備える軸流タービンの最終段のタービン段落から流出した作動流体が通過する。タービン排気室は、外側に凸状に湾曲した円弧状の壁部を有する第１のケーシング部および前記第１のケーシング部と接続された筒状の第２のケーシング部を備えるケーシングと、前記ケーシング内における最終段のタービン段落の下流側に設けられ、筒状のガイドおよび前記ガイドの内側に設けられた筒状のコーンを有し、最終段のタービン段落を通過した作動流体を径方向外側に向かって排出する環状ディフューザとを備える。

前記タービンロータの中心軸に垂直な断面で、かつ前記第１のケーシング部と前記第２のケーシング部の２つの接合点のそれぞれと、前記タービンロータの中心軸とを結ぶ２本の仮想直線を含む前記第１のケーシング部側において、周方向に形成される前記環状ディフューザの出口の通路面積をＳ１とし、前記ガイドの出口端と、当該出口端から径方向の前記第１のケーシング部の内面との間の環状通路の通路面積をＳ２としたとき、Ｓ１に対するＳ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）が０．８以上１．６以下であり、かつ前記ガイドの出口端における接線の前記タービンロータの中心軸方向に対する角度が４５度以上である。

実施の形態の排気室を備える蒸気タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 実施の形態の排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。 図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 スチームガイドの出口端における接線の軸方向に対する角度とフード損失との関係を示した図である。 環状通路および環状ディフューザの出口における通路面積の比（Ｓ２／Ｓ１）とフード損失との関係を示した図である。 従来の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の鉛直方向の子午断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態の排気室３０を備える蒸気タービン１の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、ここでは、軸流タービンとして蒸気タービンを例示する。また、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。そのため、以下の実施の形態では、作動流体は蒸気である。

図１に示すように、蒸気タービン１において、外部ケーシング１０内には、内部ケーシング１１が備えられている。内部ケーシング１１内には、タービンロータ１２が貫設されている。このタービンロータ１２には、周方向に亘って径方向外側に突出するロータディスク１３が形成されている。このロータディスク１３は、軸方向（タービンロータ中心軸方向）に複数段形成されている。

タービンロータ１２のロータディスク１３には、周方向に複数の動翼１４が植設され、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、軸方向に複数段備えられている。タービンロータ１２は、ロータ軸受１５によって回転可能に支持されている。

内部ケーシング１１の内側には、ダイアフラム外輪１６とダイアフラム内輪１７とが設けられている。ダイアフラム外輪１６とダイアフラム内輪１７との間には、周方向に複数の静翼１８が配設され、静翼翼列を構成している。

この静翼翼列は、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。なお、ここでは、最終段のタービン段落（以下、最終タービン段落という。）に設けられた動翼を最終段動翼１４ａとして示している。最終タービン段落は、排気室３０に流入する前に通過する最終のタービン段落である。

蒸気タービン１の中央には、クロスオーバー管１９からの蒸気が導入される吸気室２０を備えている。この吸気室２０から左右のタービン段落に蒸気を分配して導入する。

次に、最終タービン段落を通過した蒸気が流入する排気室３０について説明する。この排気室３０は、タービン排気室として機能する。

図２は、実施の形態の排気室３０の鉛直方向の子午断面を示す図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。この図３は、タービンロータ中心軸Ｏ（以下、中心軸Ｏという。）に垂直な排気室３０の断面をスチームガイド６０の下流側から見たときの断面図である。なお、図３では、便宜上、構成の一部を省略して示している。

排気室３０は、図２に示すように、排気室３０の外郭を構成するケーシング４０を備える。なお、ここでは、ケーシング４０は、図１に示した蒸気タービン１の外部ケーシング１０としても機能している。そこで、以下、ケーシング４０を外部ケーシング１０として説明する。

排気室３０の外郭を構成する外部ケーシング１０は、図３に示す断面において、外側に凸状に湾曲した円弧状の壁部を有する円弧状ケーシング部４１と、この円弧状ケーシング部４１と接続された筒状ケーシング部４２を備える。なお、円弧状ケーシング部４１は、第１のケーシング部として機能し、筒状ケーシング部４２は、第２のケーシング部として機能する。

ここでは、円弧状ケーシング部４１は、上に凸状に湾曲する円弧状の壁部を有する。また、筒状ケーシング部４２は、円弧状ケーシング部４１の下方に接続されている。

なお、図３に示す断面において、円弧状ケーシング部４１の形状は、中心軸Ｏを中心とした円弧に限られない。円弧状ケーシング部４１は、図３に示すように、一部が直線状となっていてもよい。

ここで、円弧状ケーシング部４１と筒状ケーシング部４２との接続部を図３に示す断面において接続点４３、４４とする。なお、接続点４３、４４は接合点として機能する。

円弧状ケーシング部４１の断面形状は、外側に凸状に湾曲した円弧形状である。円弧状ケーシング部４１は、この断面形状が中心軸Ｏに沿った方向（紙面に垂直な方向）に延設された形体である。

筒状ケーシング部４２は、径方向の端部が開口した筒体である。図３に示す断面において、筒状ケーシング部４２の２つの側壁４２ａ、４２ｂは、例えば、鉛直方向に直線状に伸びている。筒状ケーシング部４２は、図３に示す断面形状が中心軸Ｏに沿った方向（紙面に垂直な方向）に延設された形体である。筒状ケーシング部４２を構成する筒体は、円弧状ケーシング部４１側の面およびこの円弧状ケーシング部４１側の面に対向する面が開口された直方体や立方体などの箱体である。

なお、円弧状ケーシング部４１および筒状ケーシング部４２の軸方向の両端は、壁部によって閉じられている。

ここで、図３に示す断面において、接続点４３と中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線を仮想直線Ｌ１といい、接続点４４と中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線を仮想直線Ｌ２という。

なお、接続点４３および接続点４４とは、円弧状ケーシング部４１と筒状ケーシング部４２との接合部の内面側（外部ケーシング１０の内面側）の端点である。

図３に示すように、円弧状ケーシング部４１と筒状ケーシング部４２との接続点４３、４４は、例えば、中心軸Ｏを通る水平直線よりも円弧状ケーシング部４１側に位置している。ここでは、接続点４３、４４は、中心軸Ｏを通る水平直線よりも上方側に位置している。

そのため、図３に示す断面において、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２は、中心軸Ｏから円弧状ケーシング部４１側に傾いて伸びている。すなわち、仮想直線Ｌ１は、中心軸Ｏから接続点４３側（図３において左側）に延びる水平直線を中心軸Ｏを中心に時計回りに所定の角度回転させた直線である。仮想直線Ｌ２は、中心軸Ｏから接続点４４側（図３において右側）に延びる水平直線を中心軸Ｏを中心に反時計回りに所定の角度回転させた直線である。

ここで、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２を含む円弧状ケーシング部４１側の領域を便宜上、円弧状ケーシング部側領域という。

排気室３０は、図２に示すように、最終タービン段落を通過した蒸気が流入する環状ディフューザ５０と、環状ディフューザ５０から排出された蒸気を排気室３０の出口３１に導く排気通路８０とを備える。なお、排気室３０の出口３１は、例えば、開口としても、複数の開口部を有する平板部材で構成されてもよい。

なお、排気室３０の出口３１の下流側には、例えば、復水器（図示しない）が備えられる。ここで示した実施の形態では、排気室３０の出口３１の下方に、例えば、復水器（図示しない）が備えられる。

環状ディフューザ５０は、最終タービン段落を通過した蒸気を径方向外側に向かって排出する。環状ディフューザ５０は、筒状のスチームガイド６０およびこのスチームガイド６０の内側に設けられた筒状のベアリングコーン７０によって形成された環状の通路である。すなわち、環状ディフューザ５０は、スチームガイド６０とベアリングコーン７０との間に形成される環状の流路である。なお、スチームガイド６０は、ガイドとして機能し、ベアリングコーン７０は、コーンとして機能する。

ベアリングコーン７０の上流端７０ａは、最終段動翼１４ａが植設されたロータディスク１３よりも若干下流側に位置する。ベアリングコーン７０は、下流に行くに伴って径方向外側に湾曲する。すなわち、ベアリングコーン７０は、下流側に向けてラッパ状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７０の下流端７０ｂは、外部ケーシング１０の下流壁４５に接している。なお、ベアリングコーン７０の内部には、例えば、ロータ軸受１５などが配置されている。

ここで、スチームガイド６０、ベアリングコーン７０は、上下に２つ割り構造で構成されている。スチームガイド６０、ベアリングコーン７０は、例えば、中心軸Ｏを含む水平面で上下に２分割されている。

例えば、上半側スチームガイドおよび下半側スチームガイドによって筒状のスチームガイド６０が構成される。同様に、上半側ベアリングコーンおよび下半側ベアリングコーンによって筒状のベアリングコーン７０が構成される。

なお、上半側スチームガイドおよび下半側スチームガイドは、例えば、同じ形状で構成される。上半側ベアリングコーンおよび下半側ベアリングコーンは、例えば、同じ形状で構成される。

スチームガイド６０の上流端６０ａは、最終段動翼１４ａを包囲するダイアフラム外輪１６の下流端１６ａに接続されている。スチームガイド６０は、下流に行くに伴って径方向外側に湾曲する。

すなわち、スチームガイド６０は、下流側に向けてラッパ状に拡開する拡大筒状に構成されている。換言すると、スチームガイド６０は、タービン排気方向でかつ軸方向に行くに伴い、径方向外側に広がりながらラッパ状に拡大する。

スチームガイド６０の出口端６０ｂにおける接線Ｍの軸方向に対する角度θは、４５度以上に設定される。ここで、角度θを具体的に説明する。出口端６０ｂの内周側（環状ディフューザ５０としての通路側）の端部を内周端部６０ｃとする。

また、内周端部６０ｃから下流壁４５側へ延びる水平線をＮとし、内周端部６０ｃにおける接線をＭとする。なお、換言すると、水平線Ｎは、軸方向に延びる線である。この場合、角度θは、水平線Ｎから接線Ｍまでの反時計回りの角度である。

スチームガイド６０の出口端６０ｂは、例えば、周方向に亘って角度θを有して形成されている。

ここで、図３に示すように、円弧状ケーシング部側領域において、スチームガイド６０の出口端６０ｂと、この出口端６０ｂから径方向の外部ケーシング１０の内面４６との間の幅Ｗ１を有して周方向に形成される通路を通路９０とする。なお、図３では、通路９０は、一点鎖線の斜線で示されている。

通路９０は、図３に示すように、スチームガイド６０の出口端６０ｂと外部ケーシング１０の内面４６との間に周方向に形成される略環状の通路の一部で構成される。

なお、円弧状ケーシング部側領域において、図３に示すように、円弧状ケーシング部４１の一部が直線状となっている場合、幅Ｗ１は、周方向位置によって異なることがある。

ここで、角度θを４５度以上に設定することで、円弧状ケーシング部側領域において、環状ディフューザ５０を通過した後の通路９０側への流れの転向は、スムーズに行われる。これによって、排気通路８０における圧力損失（フード損失）を低減することができる。

また、角度θを周方向に亘って４５度以上に設定することで、円弧状ケーシング部側領域の他の領域においても、環状ディフューザ５０を通過した後の通路９０側への流れの転向は、スムーズに行われる。なお、円弧状ケーシング部側領域の他の領域とは、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２よりも下方の領域である。

ここで、角度θを４５度より大きく設定することは、環状ディフューザ５０の出口から流出する際、軸方向の速度成分を小さくする。これによって、環状ディフューザ５０を通過した後の通路９０側への流れの転向をよりスムーズに行うことができる。この観点から、角度θは、７０度以上に設定されることがより好ましい。

角度θが９０度を越えるときには、スチームガイド６０の出口端６０ｂ側は、外部ケーシング１０の下流壁４５側とは逆側に反り返る。スチームガイド６０において角度θが９０度を越える部位では、スチームガイド６０に流れを完全に沿わせることは難しい。しかしながら、スチームガイド６０の出口端６０ｂの形状は、環状ディフューザ５０の出口５１から通路９０への流れに沿った形状である。そのため、角度θが９０度を越えることは、圧力損失を増大する要因とはならない。

しかしながら、製作上の観点から、角度θの上限を１２０度程度とすることが好ましい。なお、角度θを１２０度を超える範囲に設定しても、さらなる圧力損失を低減する効果は得られない。

そこで、角度θは、４５度以上１２０度以下に設定されることが好ましい。また、角度θは、６０度以上１００度以下に設定されることがより好ましい。さらに、角度θは、７０度以上９０度以下に設定されることがさらに好ましい。

ここで、円弧状ケーシング部側領域において、周方向に形成される環状ディフューザ５０の出口５１の通路面積をＳ１とし、通路９０の通路面積をＳ２とする。

環状ディフューザ５０の出口５１は、例えば、図２に示すように、スチームガイド６０の出口端６０ｂの内周端部６０ｃと、この内周端部６０ｃから軸方向の外部ケーシング１０の下流壁４５の内面４５ａとの間の幅Ｗ２を有して周方向に亘って形成される通路で構成される。すなわち、出口５１における通路の形状は、円筒側面の形状となる。

ここで、図２においては、環状ディフューザ５０の出口５１が、スチームガイド６０の内周端部６０ｃと、下流壁４５の内面４５ａとの間に形成される一例を示している。例えば、ベアリングコーン７０の下流端７０ｂがスチームガイド６０の内周端部６０ｃと同一水平面上まで延設されている場合には、環状ディフューザ５０の出口５１は、内周端部６０ｃと、ベアリングコーン７０の下流端７０ｂの内面（環状ディフューザ５０としての通路側）との間に形成される。

この場合、環状ディフューザ５０の出口５１は、内周端部６０ｃと、この内周端部６０ｃから軸方向のベアリングコーン７０の下流端７０ｂの内面との間の幅Ｗ２を有して周方向に亘って形成される通路で構成される。

上記した通路面積Ｓ１は、周方向に形成される出口５１のうち、円弧状ケーシング部側領域に位置する出口５１の通路面積である。なお、図３に示す断面において、仮想直線Ｌ１とスチームガイド６０の出口端６０ｂとが交わる点をＰとし、仮想直線Ｌ２とスチームガイド６０の出口端６０ｂとが交わる点をＱとしたとき、円弧ＰＱ（円弧状ケーシング部４１側の円弧）が円弧状ケーシング部側領域における出口５１となる。

円弧状ケーシング部側領域において、通路９０および環状ディフューザ５０の出口５１は、通路面積Ｓ１に対する通路面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）が０．８以上１．６以下になるように設定されている。

ここで、円弧状ケーシング部側領域において、出口５１から流出して通路９０側へ転向された蒸気は、径方向外側に偏って流れる。すなわち、通路９０側へ向かう流れの主流は、円弧状ケーシング部４１の内面４６側に偏る。この偏流によって、径方向外側の蒸気流量が多くなる。

そのため、Ｓ２／Ｓ１が１．０未満であっても０．８以上であれば、絞りの作用は働かず、転向した流れは、通路９０において著しく加速されることはない。これによって、Ｓ２／Ｓ１が１未満であっても０．８以上の場合、加速によって生じる圧力損失を抑制できる。

一方、Ｓ２／Ｓ１が０．８を下回ると、出口５１から通路９０への通路面積の減少が大きく、転向した流れが加速される。そのため、圧力損失が増加してフード損失は増加する。

このことから、Ｓ２／Ｓ１の下限値は、０．８以上に設定されている。

Ｓ２／Ｓ１が１．０以上の場合、出口５１から通路９０への通路面積の減少はない。しかしながら、Ｓ２／Ｓ１が１．６を超えると、径方向外側に偏って流れる、通路９０側へ転向された蒸気の流れ場において、内周側（径方向内側）に低速領域が形成される。

これによって、前述した図６に示した逆流２４０を形成する流れ場と同様に、通路９０を通過した流れが通路９０側に逆流する流れ場が形成される。この逆流によって、復水器側に向かって蒸気がスムーズに流れにくくなる。これよって、圧力損失が増加してフード損失は増加する。

このことから、Ｓ２／Ｓ１の上限値は、１．６以下に設定されている。

したがって、Ｓ２／Ｓ１は、０．８以上１．６以下に設定されている。ここで、フード損失をより減少させる観点から、この範囲内でもＳ２／Ｓ１は、１．０以上１．２以下に設定されることがより好ましい。

ここで、蒸気タービン１および排気室３０にける蒸気の流れについて、図１〜図３を参照して説明する。

図１に示すように、クロスオーバー管１９を経て蒸気タービン１内の吸気室２０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１８、動翼１４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１２を回転させる。最終タービン段落を通過した蒸気は、環状ディフューザ５０内に流入する。

図２および図３に示すように、環状ディフューザ５０内に流入した蒸気は、その流れ方向が径方向外側に転向されながら出口５１に向かって流れる。この際、蒸気の流れは、減速され、静圧が回復される。そして、蒸気は、径方向外側に向かって出口５１から排気通路８０内に流出する。

ここで、スチームガイド６０の出口端６０ｂにおける接線Ｍの軸方向に対する角度θは、前述した範囲に設定されている。そのため、出口５１を流出した作動流体は、スムーズに通路９０側へ転向される。これによって、通路９０側へ転向される際の圧力損失は、低減される。

例えば、円弧状ケーシング部側領域において、出口５１から流出した作動流体は、その流れ方向が通路９０側へ転向されるとともに、下方に転向される。そして、流れ方向が下方に転向された作動流体は、排気室３０の出口３１に向かって流れる。

ここで、円弧状ケーシング部側領域において、通路９０および環状ディフューザ５０の出口５１における通路面積の比（Ｓ２／Ｓ１）は、前述した範囲に設定されている。そのため、流れが加速されることなく、スムーズに流れる。これによって、作動流体が排気通路８０を流れる際に生じる圧力損失を抑制できる。さらに、通路９０を通過した流れの通路９０側への逆流は生じない。

一方、下半側の出口５１から流出した作動流体は、その流れ方向が下方に転向される。そして、流れ方向が下方に転向された作動流体は、排気室３０の出口３１に向かって流れる。

排気室３０の出口３１から排出された作動流体は、例えば、復水器（図示しない）内に流入する。

（フード損失の評価）
図４は、スチームガイド６０の出口端６０ｂにおける接線Ｍの軸方向に対する角度θとフード損失との関係を示した図である。図４において、横軸は角度θであり、縦軸はフード損失を示す。なお、図４に示された結果は、通路９０および環状ディフューザ５０の出口５１における通路面積の比（Ｓ２／Ｓ１）を１．０として数値解析によって得られた。

ここで、円弧状ケーシング部側領域において、環状ディフューザ５０の出口５１よりも下流において生じるフード損失が、性能上の観点から許容できる最大値となる点を閾値としている。

図４に示すように、フード損失は、角度θの増加に伴って小さくなる。そして、フード損失は、角度θが４５度以上で閾値以下となる。フード損失は、角度θが７０度以上でほぼ一定となる。そして、フード損失は、角度θが１２０度でもその一定の値が維持されている。

図４に示された結果から、フード損失は、角度θが４５度以上において閾値以下の小さな値に抑えられていることがわかる。また、その小さな値は、角度θが１２０度においても維持されていることがわかる。

次に、図５は、通路９０および環状ディフューザ５０の出口５１における通路面積の比（Ｓ２／Ｓ１）とフード損失との関係を示した図である。図５において、横軸はＳ２／Ｓ１であり、縦軸はフード損失を示す。なお、図５に示された結果は、スチームガイド６０の出口端６０ｂにおける接線Ｍの軸方向に対する角度θを７０度として数値解析によって得られた。なお、閾値の定義は、図４における閾値の定義と同じである。

図５に示すように、フード損失は、Ｓ２／Ｓ１の増加に伴って、Ｓ２／Ｓ１が１．１まで減少し、Ｓ２／Ｓ１が１．１を超えると緩やかに増加する。フード損失は、Ｓ２／Ｓ１が０．８以上１．６以下で閾値以下となる。フード損失は、Ｓ２／Ｓ１が１．０以上１．２以下で小さい値を示している。

図４に示された結果から、フード損失は、Ｓ２／Ｓ１が０．８以上１．６以下の範囲で閾値以下の小さな値に抑えられていることがわかる。

（その他の実施の形態）
上記した実施の形態では、図３の断面に示すように、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２が中心軸Ｏから円弧状ケーシング部４１側に傾いて伸びる一例を示した。すなわち、上記した実施の形態では、接続点４３、４４が中心軸Ｏを通る水平直線よりも上方側に位置する一例を示した。そして、上記した実施の形態では、円弧状ケーシング部４１と筒状ケーシング部４２との接続点４３、４４が中心軸Ｏを通る水平直線よりも円弧状ケーシング部４１側に位置する一例を示した。

しかしながら、円弧状ケーシング部４１と筒状ケーシング部４２との接続点４３、４４の位置は、この構成に限られるものではない。

例えば、円弧状ケーシング部４１と筒状ケーシング部４２との接続点４３、４４は、中心軸Ｏを通る水平直線上にあってもよい。この場合、図３に示す断面において、接続点４３と中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線Ｌ１および接続点４４と中心軸Ｏとを結ぶ仮想直線Ｌ２は、それぞれ中心軸Ｏを通る同一直線上にある。

また、接続点４３、４４は、中心軸Ｏを通る水平直線よりも下方側に位置してもよい。この場合、図３に示す断面において、円弧状ケーシング部４１と筒状ケーシング部４２との接続点４３、４４は、中心軸Ｏを通る水平直線よりも筒状ケーシング部４２側に位置している。

この場合、図３に示す断面において、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２は、中心軸Ｏから筒状ケーシング部４２側に傾いて伸びている。すなわち、仮想直線Ｌ１は、中心軸Ｏから接続点４３側（図３において左側）に延びる水平直線を中心軸Ｏを中心に反時計回りに所定の角度回転させた直線となる。仮想直線Ｌ２は、中心軸Ｏから接続点４４側（図３において右側）に延びる水平直線を中心軸Ｏを中心に時計回りに所定の角度回転させた直線となる。

上記した他の実施の形態においても、円弧状ケーシング部側領域において、前述した通路面積Ｓ１に対する通路面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）の関係を満たすように構成されている。さらに、スチームガイド６０の出口端６０ｂは、前述した角度θを満たすように構成されている。

なお、上記した実施の形態では、蒸気タービン１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したが、本実施の形態は、例えば、単流形の低圧タービンに適用することもできる。また、実施の形態の排気室３０は、低圧の蒸気タービンの排気室に限らず、高圧または中圧の蒸気タービンの排気室に適用することができる。

以上説明した実施形態によれば、環状ディフューザよりも下流における流れの圧力損失を低減することが可能となる。

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、発明の要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…外部ケーシング、１１…内部ケーシング、１２…タービンロータ、１３…ロータディスク、１４…動翼、１４ａ…最終段動翼、１５…ロータ軸受、１６…ダイアフラム外輪、１６ａ…下流端、１７…ダイアフラム内輪、１８…静翼、１９…クロスオーバー管、２０…吸気室、３０…排気室、３１、５１…出口、４０…ケーシング、４１…円弧状ケーシング部、４２…筒状ケーシング部、４２ａ、４２ｂ…側壁、４３、４４…接続点、４５…下流壁、４５ａ、４６…内面、５０…環状ディフューザ、６０…スチームガイド、６０ａ、７０ａ…上流端、６０ｂ…出口端、６０ｃ…内周端部、７０…ベアリングコーン、７０ｂ…下流端、８０…排気通路、９０…環状通路。

Claims (1)

1. タービンロータを備える軸流タービンの最終段のタービン段落から流出した作動流体が通過するタービン排気室であって、
   外側に凸状に湾曲した円弧状の壁部を有する第１のケーシング部および前記第１のケーシング部と接続された筒状の第２のケーシング部を備えるケーシングと、
   前記ケーシング内における最終段のタービン段落の下流側に設けられ、筒状のガイドおよび前記ガイドの内側に設けられた筒状のコーンを有し、最終段のタービン段落を通過した作動流体を径方向外側に向かって排出する環状ディフューザと
   を備え、
   前記タービンロータの中心軸に垂直な断面で、かつ前記第１のケーシング部と前記第２のケーシング部の２つの接合点のそれぞれと、前記タービンロータの中心軸とを結ぶ２本の仮想直線を含む前記第１のケーシング部側の領域において、
   周方向に形成される前記環状ディフューザの出口の通路面積をＳ１とし、
   前記ガイドの出口端と、当該出口端から径方向の前記第１のケーシング部の内面との間の幅を有して周方向に形成される通路の通路面積をＳ２としたとき、
   Ｓ１に対するＳ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）が０．８以上１．６以下であり、かつ
   前記ガイドの出口端における接線の前記タービンロータの中心軸方向に対する角度が４５度以上であることを特徴とするタービン排気室。

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