JP2573379B2 - 蒸気タービンのノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は蒸気タービンのノズルに係り、特に湿り蒸気
中で使用される蒸気タービンのノズルに関する。

（従来の技術） タービンの最終段付近の蒸気は一般に湿り蒸気である
ため蒸気中の水滴が最終段付近のノズル（静翼）の表面
に付着し、これは水膜となってノズル後縁から振切ら
れ、大きな水滴となって動翼に衝突する。この水滴の衝
突によって蒸気タービンには二つの大きな問題が生ず
る。その第１の問題は動翼のエロージョンである。近年
発電プラントの大容量化に伴い、蒸気タービンの蒸気量
も増大しタービンの特に最終段付近の動翼の翼長も増加
し翼先端部の周速度も非常に大きくなっている。このた
め、ノズル後縁からの水滴は相対的に高速度で翼先端部
に衝突し大きなエロージョンを発生させる。

第２の問題は湿り損失の発生である。この湿り損失ノ
ズル後縁からの水滴が動翼の翼型に滑らかに流入せずに
動翼の背面に衝突した動翼に大きな制動力を及ぼすこと
に起因する。

従って、湿り蒸気中で使用される蒸気タービンにとっ
て、動翼のエロージョン及び湿り損失を低減するために
ノズル表面に付着した水滴を積極的に除去することが非
常に重要となる。この水滴除去を目的とした蒸気タービ
ンのノズルとしてスリットノズルが注目されている。

第４図は従来のスリットノズルを組み込んだ蒸気ター
ビンを示し、第５図はこのスリットノズルを模式的に示
したものである。第４図において、車軸１に放射状に突
設された動翼２の前方にはノズルが配置されている。こ
のノズルは管状の外輪３と管状の内輪４とスリットノズ
ル部５とから構成される。スリットノズル部５には表面
から内部中空室に貫通するスリット６が複数個穿孔され
ている。

第５図において、外輪３は半円状の管状上半部分3aと
半円状の管状下半部分3bとから構成され、上及び下半部
分3a,3bは夫々の端部において接合されている。これら
の外輪上半部分3aの中空室7aと外輪下半部分3bの中空室
7bは端部壁８によって隔離されている。管状の内輪４は
互いに端部で接合された半円状の管状上半部分4aと半円
状の管状下半部分4bとから構成され、内輪上半部分4aの
中空室9aと内輪下半部分4bの中空室9aは内輪連結路10に
よって互いに連通されている。

スリットノズル部５は外方端が外輪３に内方端が内輪
４に夫々溶接等によって固着され、外輪３と内輪４との
間に放射状に延在している。スリットノズル部５のう
ち、外輪３の上半部分3aと内輪４の上半部分4aとの間に
延在する第１のスリットノズル部5aは、その中空室11a
がノズル根元部排出孔12によって内輪上半部分4aの中空
室9aに連通されている。他方、外輪３の下半部分3bと内
輪４の下半部分4bとの間に延在する第２のスリットノズ
ル部5bは、その中空室11bがノズル頂部排出孔13によっ
て外輪下半部分3bの中空室7bに連通されている。なお、
第１及び第２スリットノズル部5aと5bは等角度間隔で全
周にわたって配置されている。しかしながら、第５図で
は図の複雑化を避けるために第１及び第２スリットノズ
ル部5aと5bが夫々２本のみ図示されている。

内輪下半部分4bの最下端付近と外輪下半部分3bの最下
端付近との間に接続された第２スリットノズル部5b内に
は内外輪連通路14が挿通され、この内外輪連通路14は内
輪下半部分4bの中空室9bと外輪下半部分3bの中空室7bと
を連通している。また、外輪下半部分3bにはその最下端
付近に外部排出路15が接続され、この外部排出路15は図
示を省略した復水器に連結した低圧排気室に連通してい
る。

次に、この従来の蒸気タービンの作用を説明する。

湿り蒸気はスリットノズル部５によって方向を変えら
れて動翼２に流入し、仕事を行い車軸１を回転させる。
第１のスリットノズル部5aの中空室11aは、ノズル根元
部排出孔12と内輪上半部分中空室9aと内輪連結路10と内
輪下半部分中空室9bと内外輪連通路14と外輪下半部分3b
の中空室7bと外部排出路15とを介して低圧排気室に連通
しているため、第１のスリットノズル部5aの表面に付着
した水滴は、周囲の蒸気と共にスリット6aからノズル部
5aの中空室11aに吸引される。同様に、第２のスリット
ノズル部5bの中空室11bはノズル頂部排出孔13と外輪下
半部分3bの中空室7bと外部排出路15とを介して低圧排気
室に連通しているため、第２のスリットノズル部5bの表
面に付着した水滴は、周囲の蒸気と共にスリット6bから
ノズル部5bの中空室11bに吸引される。

スリットノズル中空室11aに流入した水滴は、動力の
作用によってノズル根元部排出孔12と内輪中空室9a,9b
と内外輪連通路14と外輪下半部分3bの中空室7bと外部排
出路15とを介してケーシング外に排出される。同様に、
スリットノズル中空室11bに流入した水滴も、重力の作
用によってノズル頂部排出孔13と外輪下半部分3bの中空
室7bと外部排出路15とを介してケーシング外に排出され
る。

こうして、ノズル部５の表面に付着した水滴はスリッ
ト６から吸引されるので、ノズル部５からの水滴衝突に
起因する動翼２のエロージョン及び湿り損失を低減する
ことができる。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上述の従来のスリットノズルは、第１のス
リットノズル部5aの水滴吸引能力が第２のスリットノズ
ル部5bの水滴吸引能力よりも劣っているので、第１のス
リットノズル5a上の水滴が充分にはスリット6aから吸引
されず、かなりの量の水滴が動翼２に衝突してしまうと
いう問題があった。

この点を更に詳細に説明すると、水滴の吸引能力はス
リットノズル部の中空室11aと11bの圧力に依存し、当然
スリットノズル部の中空室の圧力が低いほど水滴吸引能
力が高い。スリット6a,6bからは水滴の他に蒸気が吸引
され、蒸気の比容積（体積）は水滴に比べて極めて大き
いので、中空室11aと11bの圧力は夫々のスリット6a,6b
から流入した蒸気が外部排出路15に至るまで受ける圧力
損失の大きさによって決定される。スリットノズル中空
室11bと外部排出路15との間には蒸気の絞り部分として
ノズル頂部排出孔13のみが存在するのに対し、スリット
ノズル中空室11aと外部排出路15との間の蒸気の絞り部
分はノズル根元部排出孔12と内輪連通路10と内外輪連通
路14との三箇所も存在するため、中空室11aの方が中空
室11bよりも圧力が高くなってしまう。

なお、蒸気の湿り度は重力の影響によりノズルの下側
の方が上側よりも僅かに大きいため、第１のスリットノ
ズル部5aに付着する水滴量は第２のスリットノズル部5b
よりも少なくなる。しかしながら、この重力の影響によ
る水滴量の差異は非常に僅かであるのに対し、上述の中
空室11aと11bの圧力の差は大きいため、スリットノズル
5aからはかなり多くの水滴が動翼２の方に流出してしま
う。

中空室11aの圧力を中空室11bの圧力に近付けるには、
ノズル根元部排出孔12と内輪連結路10と内外輪連通路14
での圧力損失を低減する、即ちこれらの各通路の横断面
を大きくすればよい。しかしながら、これらの通路10、
12、14の横断面をすべて大きくすることは構造上困難で
ある。例えば、内輪連結路10は内輪上半部分4aと内輪下
半部分4bとの接合部に形成され、この接合部は充分なシ
ール性能を必要とする。内輪連結路10の横断面を拡大し
ながら、上記接合部のシール性能を維持することは極め
て困難である。また、内外輪連通路14は第２のスリット
ノズル部5bの内部を貫通しており、この第２スリットノ
ズル部5bの横断面は予め定められているため、内外輪連
通路14の横断面の拡大は極めて困難である。

そこで、この内外輪連通路14が貫通している第２スリ
ットノズル5bをその内方端において内輪下半部分4bの中
空室9bに連通させ、この第２スリットノズル5bを介して
中空室9bから中空室7bに水滴を流通させるように構成す
ると共に、上記内外輪連通路14を省くことが考えられ
る。しかしながら、この構成では第１のスリットノズル
5aから流入した水滴はすべてこの一本の第２スリットノ
ズル5bを流通するため、ここのスリット6bから逆に外に
流出する恐れがあり、これは第２スリットノズル5bの水
滴吸引能力を低下させてしまう。

そこで、本発明の目的は、第２の、即ち下側のスリッ
トノズル部の水滴吸引能力を低下することなく、第１
の、即ち上側のスリットノズル部の水滴吸引能力を向上
させることができる蒸気タービンのノズルを提供するこ
とにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明は、半円状の管状
上半部分と半円状の管状下半部分とが夫々の端部におい
て接合された管状の外輪と、半円状の管状上半部分と半
円状の管状下半部分とが互いに夫々の端部において連通
するように接合され、上記外輪の内側に配置された管状
の内輪と、外方端が上記外輪の上半部分に固着され、内
方端が上記内輪の上半部分に連通するように固着され、
上記内輪の上半部分と上記外輪の上半部分との間に放射
状に延在した複数の第１の中空スリットノズル部と、外
方端が上記外輪の下半部分に連通するように固着され、
内方端が上記内輪の下半部分に固着され、上記内輪の下
半部分と上記外輪の下半部分との間に放射状に延在した
複数の第２の中空スリットノズル部と、上記第１中空ス
リットノズル部のスリットから流入し上記内輪の内部空
洞を流通した液体を上記外輪の下半部分に流出させるた
めに、上記内輪の下半部分と上記外輪の下半部分とを連
通する内外輪連通路と、上記内外輪連通路から上記外輪
の下半部分に流入した液体及び上記第２中空スリットノ
ズル部のスリットから流入して上記外輪の下半部分に流
入した液体を夫々外部に排出すると共に上記外輪の下半
部分を低圧にするために、上記外輪の下半部分を外部の
低圧部に連通する外部排出路とを具備する蒸気タービン
のノズルにおいて、上記外輪の上半部分を外部の低圧部
に連通する連通手段を具備し、上記第１中空スリットノ
ズル部はその外方端において上記外輪の上半部分に連通
していることを特徴とするものである。

この構成にあっては、上記連通手段は上記外輪の上半
部分と下半部分とを互いに連通するように上記両部分の
接合部に形成された外輪連結路を含み、上記外輪連結路
と上記外輪の下半部分と上記外部排出路とを介して上記
外輪の上半部分を外部の低圧部に連通することが好まし
い。

また、上記連通手段は上記外輪の上半部分に直接接続
されて上記外輪の上半部分を外部の低圧部に連通する蒸
気排出路を含む構成にすることもできる。

更には、上記連通手段は上記外輪の上半部分に直接接
続されて上記外輪の上半部分を外部の低圧部に連通する
蒸気排出路を含むと共に、上記外輪の上半部分と下半部
分とを互いに連通するように上記両部分の接合部に形成
された外輪連結路を含み、上記蒸気排出路を介して及び
上記外輪連結路と上記外輪の下半部分と上記外部排出路
とを介して上記外輪の上半部分を外部の低圧部に夫々連
通する構成にすることもできる。

（作用） 第１のスリットノズル部は、内輪の上半部分と下半部
分と内外輪連通路と外輪の下半部分と外部半部分路とか
らなる第１の経路を介して外部の低圧部に連通されてい
ると共に、更にスリットノズル部の外方端と外輪の上半
部分と連通手段とからなる第２の経路を介して外部の低
圧部に連通されている。このように第１のスリットノズ
ル部は二っの経路によって外部低圧部に接続されてお
り、かつ第２の経路は絞り部分が少ないので、第１のス
リットノズル部の内部空洞は充分低い圧力に保持され
る。第１のスリットノズル部に付着した水滴は、主に上
記第１の経路を通って外部に排出され、この水滴と共に
第１のスリットノズル部の内部空洞内に流入した蒸気
は、主に第２の経路を介して外部に排出される。

第２のスリットノズル部に付着した水滴は、周囲の蒸
気と共にスリットから吸引され、外輪の下半部分と外部
排出路とを介して外部に排出される。

（実施例） 以下に本発明による蒸気タービンのノズルの一実施例
を第４図及び第５図と同部分には同一符号を付して示し
た第１図乃至第３図を参照して説明する。

第１図において、第１のスリットノズル部5aの中空室
11aは、外方端においてノズル頂部排出孔16によって外
輪上半部分3aの中空室7aに連通されている。端部壁８に
は外輪連結路17が穿孔され、この外輪連結路17によって
外輪上半部分3aの中空室7aと外輪下半部分3bの中空室7b
とが互いに連通される。こうして、第１スリットノズル
部5aの中空室11aは、ノズル根元部排出孔12と内輪上半
部分9aと内輪連結路10と内輪下半部分9bと内外輪連通路
14と外輪下半部分3bと外部排出路15とからなる第１の経
路と、ノズル頂部排出孔16と外輪上半部分3aと外輪連結
路17と外輪下半部分3bと外部排出路15とからなる第２の
経路とを夫々介して外部の低圧部に連通されている。

その他の構成は、第４図と第５図の構成と同一であ
る。

次にこの実施例の作用を説明する。

第１図のスリットノズル部5aに付着した水滴は、周囲
の蒸気と共にスリット6aからスリットノズル部の中空室
11a内に吸引される。この中空室11aに流入した水滴は、
重力の作用によって主に、上記第１の経路、即ちノズル
根元部排出孔12と内輪上半部分9aと内輪連結路10と内輪
下半部分9bと内外輪連通路14と外輪下半部分3bと外部排
出路15とを流通してケーシングの外に排出される。

中空室11aに流入した蒸気は、上述の第１の経路の他
に、上記第２の経路、即ちノズル頂部排出孔16と外輪上
半部分3aと外輪連結路17と外輪下半部分3bと外部排出路
15とを流通してケーシングの外に排出される。この第２
の経路は、蒸気の大きな圧力損失を生ずる内外輪連通路
14が存在せず第１の経路に比べて蒸気の圧力損失が大幅
に低減されているため、蒸気流の多くは第２の経路を流
通するものと思われる。

第１のスリットノズル部5aの中空室11aは、第１の経
路と第２の経路との二つの経路を介して低圧部に連通し
ておりかつ第２の経路は絞り部分が少ないので、充分低
い圧力に保持され、第１のスリットノズル部5aに付着し
た水滴をそのスリット6aから充分に吸引することができ
る。

第２のスリットノズル部5bに付着した水滴は、周囲の
蒸気と共にスリット6bからスリットノズル中空室11bに
流入し、第５図で説明した場合と全く同様にして、外部
排出路15からケーシングの外に流出される。

本実施例では、ノズル頂部排出孔16と外輪連結路17の
横断面積を適宜選定することによって、第１のスリット
ノズル部5aの水滴吸引能力を第２のスリットノズル部5b
の水滴吸引能力にほぼ等しくすることができる。

第２図は本発明の第２実施例を示したもので、第１の
スリットノズル部5aの中空室11aは、第１実施例と同様
にノズル頂部排出孔16によって外輪上半部分3aの中空室
7aに連通されている。しかしながら、端部壁８には外輪
連結路17が穿孔されておらず、その代わりに蒸気排出路
18が設置されている。この蒸気排出路18は外輪上半部分
3aに直接接続され、この外輪上半部分3aの中空室7aと図
示を省略した外部の低圧部とを連通している。

このような構成であるので、第１のスリットノズル部
6aから流入した蒸気は主にノズル頂部排出孔16と外輪上
半部分3aと蒸気排出路18とを介して外部に排出される。

この第２実施例もノズル頂部排出孔16と蒸気排出路18
の横断面積を適宜選定することによって、第１のスリッ
トノズル部5aと第２のスリットノズル部5bの水滴吸引能
力をほぼ等しくすることができる。

第３図は本発明の第３実施例を示したもので、第１図
のノズル頂部排出孔16と外輪連結路17に加えて、第２図
の蒸気排出路18を設けたものである。この構成によっ
て、第１のスリットノズル部6aの中空室11aは三つの経
路によって低圧部に連通することになり、ノズル頂部排
出孔16と外輪連結路17と蒸気排出路18の横断面積の選定
の自由度が増し、スリットノズル中空室11aの圧力の設
定が容易になる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、外
輪の上半部分を外部の低圧部に連通する連通手段を具備
し、第１中空スリットノズル部はその外方端において外
輪の上半部分に連通しているため、第１中空スリットノ
ズル部は内輪の上半部分と下半部分と内外輪連通路と外
輪の下半部分と外部排出路とからなる第１の経路と、第
１中空スリットノズル部の外方端と外輪の上半部分と連
通手段とからなる第２の経路とを夫々介して低圧部に連
通されているので、第１中空スリットノズル部の内部空
洞は充分低い圧力に保持され、この第１中空スリットノ
ズル部の水滴吸引の能力を第２中空スリットノズル部と
同等にまで高めることができる。従って、ノズルからの
水滴衝突に起因する動翼のエロージョンや湿り損失を大
幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による蒸気タービンのノズルの第１実施
例を模式的に示した断面図、第２図は本発明による蒸気
タービンのノズルの第２実施例を模式的に示した断面
図、第３図は本発明による蒸気タービンのノズルの第３
実施例を模式的に示した断面図、第４図は従来のスリッ
トノズルを組込んだ蒸気タービンを示した断面図、第５
図は従来のスリットノズルを模式的に示した断面図であ
る。 ３…外輪、3a…外輪の上半部分、3b…外輪の下半部分、
４…内輪、4a…内輪の上半部分、4b…内輪の下半部分、
５…スリットノズル部、5a…第１のスリットノズル部、
5b…第２のスリットノズル部、14…内外輪連通路、15…
外部排出路、17…連通手段（外輪連結路）、18…連通手
段（蒸気排出路）。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半円状の管状上半部分と半円状の管状下半
   部分とが夫々の端部において接合された管状の外輪と、
   半円状の管状上半部分と半円状の管状下半部分とが互い
   に夫々の端部において連通するように接合され、上記外
   輪の内側に配置された管状の内輪と、外方端が上記外輪
   の上半部分に固着され、内方端が上記内輪の上半部分に
   連通するように固着され、上記内輪の上半部分と上記外
   輪の上半部分との間に放射状に延在した複数の第１の中
   空スリットノズル部と、外方端が上記外輪の下半部分に
   連通するように固着され、内方端が上記内輪の下半部分
   に固着され、上記内輪の下半部分と上記外輪の下半部分
   との間に放射状に延在した複数の第２の中空スリットノ
   ズル部と、上記第１中空スリットノズル部のスリットか
   ら流入し上記内輪の内部空洞を流通した液体を上記外輪
   の下半部分に流出させるために、上記内輪の下半部分と
   上記外輪の下半部分とを連通する内外輪連通路と、上記
   内外輪連通路から上記外輪の下半部分に流入した液体及
   び上記第２中空スリットノズル部のスリットから流入し
   て上記外輪の下半部分に流入した液体を夫々外部に排出
   すると共に上記外輪の下半部分を低圧にするために、上
   記外輪の下半部分を外部の低圧部に連通する外部排出路
   とを具備する蒸気タービンのノズルにおいて、上記第１
   中空スリットノズル部の外方端は、上記外輪の上半部分
   に連通しており、上記外輪の上半部分は、連通手段を介
   して外部低圧側の外部排出路に連通したことを特徴とす
   る蒸気タービンのノズル。
2. 【請求項２】上記外部排出路は上記外輪の上半部分に直
   接接続されて上記外輪の上半部分を外部の低圧部に連通
   する蒸気排出路によって構成されたことを特徴とする請
   求項１記載の蒸気タービンのノズル。
3. 【請求項３】上記連通手段は上記外輪の上半部分に直接
   接続されて上記外輪の上半部分を外部の低圧部に連通す
   る蒸気排出路を含むと共に、上記外輪の上半部分と下半
   部分とを互いに連通するように上記両部分の接合部に形
   成された外輪連結路を含み、上記蒸気排出路を介して及
   び上記外輪連結路と上記外輪の下半部分と上記外部排出
   路とを介して上記外輪の上半部分を外部の低圧部に夫々
   連通することを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン
   のノズル。