JP3774321B2 - 蒸気タービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンに係り、特に、高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術（１）
主蒸気圧力が１００kg/cｍ2以上であり主蒸気温度が５００℃以上である蒸気条件と１００ＭＷ以上の定格出力とを有し、翼の有効長が３６インチ以上のタービン最終段動翼を有する３０００ｒｐｍ機または有効長が３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を有する３６００ｒｐｍ機であって下方排気形式のタービン排気を有し（以下に、「高温高圧高出力条件」という）、かつ、２個のジャーナル軸受で支持された一体ロータ材からなるタービンロータ上に高圧部と中圧部および低圧部、または高圧部と低圧部が形成され、これらの各部が一体のケーシングに収められている（以下に、「単一タービンロータ条件」という）高低圧一体蒸気タービンは、その技術的困難さから、特に軸振動対策の困難さから未だ実用化されていない。
【０００３】
「高温高圧高出力条件」を満たすが「単一タービンロータ条件」を満たさない従来の高低圧一体蒸気タービンは、図１１または図１３に示すように、高中圧部または高圧部１０３、１０４のロータ１１１と低圧部１０５のロータ１１２とをそれぞれ別個に作成してそれぞれを別個のケーシング１０６、１０７に収め、それらのロータ１１１、１１２をカップリング１１３を介して締結して使用する方法が採られていた。
【０００４】
また、「高温高圧高出力条件」を満たさないが「単一タービンロータ条件」を満たす従来の高低圧一体蒸気タービンの場合には、軸系の剛性を比較的高く設定することが可能であったことから、図１２に示すように、２個の軸受１、１１はともに基礎部１０、１２の上に置かれていた。
【０００５】
従来技術（２）
「高温高圧高出力条件」を満たさないが「単一タービンロータ条件」を満たす従来の高低圧一体蒸気タービンの場合には、主蒸気圧力温度が高くなく出力も小さいことから、軸受スパンは比較的短く、従って、高低圧一体蒸気タービンの高圧部側に配設する前部軸受と低圧側に配設する後部軸受はともに適正な軸受荷重を分担しているので軸振動的に安定した設計が可能であった。
【０００６】
従来技術（３）
前述したように、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を満たす高低圧一体蒸気タービンは、その技術的困難さから未だ実用化されていない。
【０００７】
従来型蒸気タービンにおいては、図１１に示すように、複数のケーシングからなる多ケーシングを有し、高中圧ロータまたは高圧ロータと、低圧ロータのそれぞれが２個ずつの軸受を有しているか、または、図１３に示すように２本のロータが締結された状態に対して３個の軸受を配設していた。このような多ケーシング蒸気タービンにおいては各ロータの軸受スパンは高低圧一体ロータに比べて短く剛性が極めて高く、一対のタービン静翼とタービン動翼の組み合わせで構成される段落の数を多くして軸受スパンが少々増加しても軸振動的には良好な特性を確保することができた。
【０００８】
従来技術（４）
前述したように、「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの製造においては、従来は図１１または図１３に示すように、また、従来、下方排気の高低圧一体タービンにおいては、図１２に示すように、排気室のコーン形状は直線的な円錐形状と言える形状になっていた。
【０００９】
従来技術（５）
「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの製造においては、従来は、排気室のコーン形状は直線的な円錐形状といえる形状にして（図１２）、排気性能を確保する目的で図１７に示すように排気室の軸長Ｌを長く取ってＬ／Ｄが０．５を超えた排気室形状となっていた。
【００１０】
従来技術（６）
「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの製造においては、従来は、図１２のように排気室のコーン形状はその縦断面が直線的な円錐形状と言える形状となっていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
課題（１）
一般に蒸気タービンでは流入する蒸気条件が高温高圧になってタービンの出力が増大すると段落数を増やして対応するため、２個のジャーナル軸受で支持された１本のタービンロータを使用する高低圧一体タービンでは、出力が増大するにつれて軸受スパンが長くなるのが一般的である。
【００１２】
高低圧一体蒸気タービンは１本のロータに高圧から低圧までの全ての段落を設置するのでロータ１本の長さが長くなる。このため、流入する主蒸気の蒸気条件が高温高圧になって定格出力が増大するようになると軸受スパンＳとロータシャフト外径Ｄｏの比Ｓ／Ｄｏが大きくなるため軸の剛性が小さくなって軸系の固有値が低くなりがちであり軸振動的に設計が難しくなる。また、一般には蒸気流量も増大するので最終段などの長翼の翼長が長くなって軸系の固有値低下要因である付加重量が増加するので、良好な振動特性を確保するには高度な技術力が必要とされていた。
【００１３】
特に、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にあたっては、従来技術のままでは軸受スパンが長くなって危険速度が低下し、特に二次危険速度が定格回転速度に対して接近し離調が不十分になったり又は二次危険速度が定格回転速度に合致し、安全な運転が困難になるという課題があった。
【００１４】
これらの課題の解決にはロータ軸径を太くするのが効果的ではあるが、ラビング防止の観点から静止部と回転部との間の半径方向の間隙寸法を狭めることが困難であることからロータ径を太くすると間隙の面積が拡大して漏洩損失が増大し、性能悪化を招く。また、ロータ軸系を太くすることに伴なって翼取り付け位置の直径が大きくなると翼長が短くなり、二次流れ損失が増大するので性能悪化を招く。従って、高圧高温で高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化における軸振動間題解決の対策として、ロータ軸系を太くするという対応はあまり推奨されない。
【００１５】
このように、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にあっては、軸受スパンの増大と軸系の付加重量の増大とにより、ロータを支持する２個の軸受を全て基礎部の上に配置すると軸受スパンが長大になってタービン軸系の剛性が低下することから、良好な軸振動特性を確保することが困難になるという課題があった。
【００１６】
課題（２）
図１４に示すように、高低圧一体蒸気タービンの重量Ｗは前部軸受および後部軸受で支持され、前部軸受荷重ＦＡと後部軸受荷重ＦＢとして分担される。ロータは各軸受からそれと同じ大きさの反力すなわち前部軸受反力ＲＡと後部軸受反力ＲＢを受ける。Ｇはロータの重心位置を示し、Ｗはロータの重量を示す。
【００１７】
「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にあっては、主蒸気圧力が高く高出力であることから軸受スパンに占める高圧部または高圧部と中圧部の割合が大きくなって、翼長が長く重量が重い最終段動翼の位置が相対的に後部軸受に近くなることから前部軸受荷重が軽くなり、そのため、前部軸受において軸受特性の不安定な領域に近接し、場合によって不安定領域内となることが予想される。このため、前記条件を有する高圧高温で高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化は困難であった。
【００１８】
課題（３）
高低圧一体タービンではタービンロータは１本であり、高温高圧になってタービンの出力が増大すると段落数を増やして対応するのが一般的であるため、出力が増大すると軸受スパンが長くなるのが一般的である。
【００１９】
「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を満たす高低圧一体蒸気タービンの実用化にあたっては、前記条件に満たさない従来の高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト外径のままではタービン出力増大に伴う軸受スパンの増加により、軸系の剛性が不足し危険速度が低下して定格回転速度に対して離調不足となり軸振動が増大するという問題があった。
【００２０】
このように、高低圧一体蒸気タービンは１本のロータに高圧から低圧までの全ての段落を設置するのでロータ１本の長さが長くなり、従って軸受スパンＳとロータシャフト外径Ｄｏの比Ｓ／Ｄｏが大きくなることから、従来の高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト外径の実績範囲内で前記条件を有する高低圧一体蒸気タービンの実用化にあたっては軸系の固有値が低下して、特に二次危険速度が定格回転速度に対して接近し離調が不十分になり、又は合致して、安全な運転が困難になるという課題があった。
【００２１】
軸受スパンがさらに長くなると危険速度が低下し、二次危険速度は定格回転速度よりも低くなって二次危険速度は再び離調が確保されるが、図１０からもわかるように、今度はタービン起動特性に対して問題が生じてくる。すなわち、例えばコンバインドサイクルにおけるタービン起動時にはパージ運転と称して流路に堆積した不純物を流れによって排出するという運転モードが一般的に設定されている。パージ運転におけるタービン回転速度（パージ回転速度）は定格回転数ｎrの１／３（例えば、３６００ｒｐｍ機のパージ回転数は１２００ｒｐｍ）に設定されるのが通常であり、かつ、このパージ回転数において蒸気タービンの運転が一定時間保持される。ここで、図１０において、ｎr：定格回転数、Ｒr：定格回転数離調幅、Ｒp：パージ回転数をｎr／３に設定した場合のパージ回転数離調幅、Ｃr1：一次危険速度、Ｃr2：二次危険速度、ＳA：軸受スパン設定可能領域、ＳB：軸受スパン設定不可能領域、ＳC：軸受スパン設定が可能ではあるがパージ回転数をｎr／３より下に設定しなければならない領域（運転性劣）を示す。
【００２２】
従来実用化されている比較的小型の高低圧一体蒸気タービンで定格回転数が３６００ｒｐｍ又は３０００ｒｐｍを有するタービンでは、一般にパージ回転速度は一次危険速度より低いが、軸受スパンが長くなると軸系の一次危険速度が低下してきてパージ回転速度に近接または合致するようになるため、パージ運転時間に亘って大きな軸振動が発生して運転に支障をきたす。その場合、パージ回転速度を上げて一次危険速度から離す方法が考えられるが、パージ運転は無負荷状態の運転であるため回転数を上げると蒸気タービンの長翼での風損が大きくなって発熱し長翼が高温にさらされると共に長翼に作用する流体励張力が増大しタービン長翼に不具合をきたす恐れがあるので推奨出来ないという問題があった。他方、パージ回転速度を下げて一次危険速度から離す方法が考えられるが、この方法では流路を通過する流体の流速が遅くパージの効果が極めて小さくなってパージ時間を大幅に延長する必要が生じるため起動時間が長くなり、タービン起動特性が大きく悪化するのでやはり推奨し難いという問題があった。
【００２３】
高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト中央部の最小軸径が従来実績と同様に５００ｍｍ程度の場合、軸受スパンを５７００ｍｍ以上とすることによって二次危険速度を定格回転速度の下側で離調することが可能となるが、既述の如く一次危険速度が、定格回転速度ｎrの１／３に設定されるのが常であるところのパージ回転速度に近接または合致する恐れが大きく、その回避のためにパージ回転速度の低速化を余儀なくされてタービン起動特性の大幅な悪化を招くことが予想されるという課題があった。
【００２４】
なお、ここでは、ロータシャフト中央部の最小軸径とは、１／４軸受スパン位置から３／４軸受スパン位置の範囲内におけるロータ各部位の軸径のうちの最小値と定義することにする。
【００２５】
課題（４）
従来のように排気室のコーン形状を直線的な円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要が生じる。しかしながら、この場合には、排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすかった。このような振動の防止策としては軸径を太く設計し固有値の低下を抑制する方法が取られがちであるが、一般に軸径を太くすると漏洩損失が増加し性能が大幅に悪化することから、このような対応は排気室軸長を長くして獲得した性能改善よりも大きな性能悪化を招き、タービン全体の性能を悪化させてしまうため実用上は採用困難である。
【００２６】
このような理由から、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を満たし、高圧部と低圧部とが単一のハウジングに収納された高性能で高出力の高低圧一体蒸気タービンを実用化することは困難を伴うものであった。
【００２７】
さらに、翼の有効長が３６”以上のタービン最終段動翼を有する３０００ｒｐｍ機または有効長が３３．５”以上のタービン最終段動翼を有する３６００ｒｐｍ機というような長大な最終段動翼（ＬＳＢ）を有する高低圧一体蒸気タービンの場合、タービン軸系にとっては付加重量として作用する動翼の重量やホイールの重量の増加が著しくなってタービン軸系の固有値の低下を招き、従来技術のままでは、二次危険速度の離調不足による軸振動増大などの高出力高低圧一体蒸気タービンの実用化にとって困難な課題に直面していた。
【００２８】
課題（５）
従来のように排気室のコーン形状を直線的な円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突して渦を形成するために排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要が生じる。しかしながら、この場合には、排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすかった。このような振動の防止策としては軸径を太く設計し固有値の低下を抑制する方法が取られがちであるが、一般に軸径を太くすると漏洩損失が増加し性能が大幅に悪化することから、このような対応は排気室軸長を長くして獲得した性能改善よりも大きな性能悪化を招き、タービン全体の性能を悪化させてしまうため実用上は採用困難であった。
【００２９】
このような理由から、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を満たす高性能で高出力の高低圧一体蒸気タービンを実用化することは困難を伴うものであった。
【００３０】
排気室のコーン形状を従来から多用されている円錐状の形状とすると排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気性能が悪化する。必要な排気性能を確保するには排気室の軸方向距離（軸長Ｌ）を大きく取って、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速を落としておく必要が生じる。また、曲面排気とするも、それは排気性能の向上を目的としているために排気室の軸長Ｌを長く取っていた。それ故にタービンの軸受スパンも長くなってタービン軸の剛性が低下し、それに伴い危険速度が低下することから、二次危険速度がタービンの定格回転数に近い状態となって軸振動が増大しがちになるという問題があった。従って、「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの実用化においては、二次危険速度の離調を図る目的で従来設計手法を踏襲した設計による場合よりも軸受スパンを短縮するよう何らかの対策を講じなければならないという課題があった。
【００３１】
課題（６）
従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要が生じる。しかしながら、この場合には、排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすかった。このような振動の防止策としては軸径を太く設計し固有値の低下を抑制する方法が取られがちであるが、一般に軸径を太くすると漏洩損失が増加し性能が大幅に悪化することから、このような対応は排気室軸長を長くして獲得した性能改善よりも大きな性能悪化を招き、タービン全体の性能を悪化させてしまうため実用上は採用困難であった。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願の第１の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れて設置されていることを特徴とする。
【００３３】
上述の第１の発明によれば、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れて設置されているので、高圧側ジャーナル軸受と低圧側ジャーナル軸受のいずれをも設置する場合に比べて、高圧側ジャーナル軸受と低圧側ジャーナル軸受との間隔（軸受スパン）を縮小させることができ、これによってタービン軸系の剛性を確保し軸系の固有値の低下を防止して軸振動特性を良好に保ち、二次危険速度が回転速度に対して接近し離調が不十分又は合致することを防止するができ、これにより、性能悪化の要因となるロータ径の増大を招くことなく、軸振動が小さく運転性が良好で高温高圧高出力化に対応したコンパクトな高低圧一体蒸気タービンを提供することができる。
【００３４】
本願の第２の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記高圧タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部分送入段落としたことを特徴とする。
【００３５】
上述の第２の発明によれば、前記高圧タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部分送入段落（パーシャルアーク段落）としたので、前部軸受（高圧側ジャーナル軸受）の軸受安定性を確保できる。
【００３６】
高圧第１段落から高圧最終段落までの高圧段落において少なくとも１段落以上に部分送入（パーシャルアーク）を採用することにより、前部軸受側のロータに下向きの蒸気力を付加することができ、従って、軸受安定性の高いコンパクトで高出力の高低圧一体蒸気タービンを提供出来るという効果が発揮出来る。
【００３７】
本願の第３の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記タービンロータは、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受との間隔である軸受スパンとして５７００ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有することを特徴とする。
【００３８】
上述の第３の発明によれば、前記タービンロータは、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受との間隔である軸受スパンとして５７００ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有するので、（図３に示すように）定格回転速度に対して二次危険速度の離調を確保して軸振動の増大を抑制し、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能になってタービン起動特性の悪化を防止した高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンとすることができる。このように、二次危険速度を離調することが可能になって、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能になったので、タービン起動特性の悪化を防止するという蒸気タービンの運転において極めて重要な振動特性と起動特性の２つの要求事項を同時に達成することが可能になり、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化において特筆すべき効果を発揮することができる。
【００３９】
本願の第４の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状であることを特徴とする。
【００４０】
上述の第４の発明によれば、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状であるので、軸受スパンを短くする対策を講じることができ軸系の剛性を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保することができる。すなわち、排気室コーン部を曲面とした曲面排気室または曲面を模擬した疑似曲面排気室形状とすることにより排気流をスムーズにして排気損失の増大を防止し、排気性能を確保したまま排気室の軸方向距離を短縮し、それにともない軸受スパンを短縮した高低圧一体蒸気タービンとするものである。
【００４１】
すなわち、従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの場合には、排気性能を確保する必要から排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすく、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンを実用化することは困難を伴うものであったが、本発明で提案する曲面排気室の適用によりその問題点を解決し、排気性能を悪化させることなく、かつ、軸系の必要な剛性が確保されため大きな軸振動が発生することのない、運転性に優れた高温高圧高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供できる。
【００４２】
従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要あった。それに対し、本発明で提案する曲面排気室は、排気性能において、従来のコーン形状が円錐状で排気室軸長が長い排気室と同等のレベルを保ったまま排気室軸長を大幅に短縮することが可能な排気室である。
【００４３】
このように本発明では、排気室コーン部を曲面または曲面を模擬した形状とすることにより排気流をスムーズにし軸方向距離を短縮しタービンの軸受スパンを短縮したので、排気性能を悪化させることなく、かつ、軸系の必要な剛性が確保され危険速度の低下を招くことがなく離調が確保されて通常の運転では大きな軸振動が発生することのない、運転性に優れた高温高圧高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供できるという効果を有する。
【００４４】
本願の第５の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状であり、前記タービン最終段動翼の中心位置から前記コーン部の後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄとの比Ｌ／Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にあることを特徴とする。
【００４５】
上述の第５の発明によれば、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状であり、前記タービン最終段動翼の中心位置から前記コーン部の後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄとの比Ｌ／Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にあるので、軸受スパンを短くする対策を講じることができ、軸系の剛性を高めて危険速度を離調し、軸振動の増大を抑制することができる。すなわち、排気室コーン部を曲面とした曲面排気室または曲面を模擬した疑似曲面排気室形状とし、かつ、Ｌ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲に限定することにより排気流をスムーズにして排気損失の増大を防止して、排気コーン室コーン形状が円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型の良好な排気性能と同等もしくはそれ以上の排気性能を確保したまま排気室の軸方向距離を短縮し、それにともない軸受スパンをも短縮した構成の高低圧一体蒸気タービンとすることによって二次試験速度の離調を確保し、軸振動の増大を抑制する。
【００４６】
本願の第６の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状かであり、前記コーン部の内壁の縦断面形状を形成する少なくとも一つの円弧は、前記タービン最終段動翼の翼長の０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径を有するか、または、４５度以上の中心角を有することを特徴とする。
【００４７】
上述の第６の発明によれば、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状であり、前記コーン部の内壁の縦断面形状を形成する少なくとも一つの円弧は、前記タービン最終段動翼の翼長の０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径を有するか、または、４５度以上の中心角を有するので前軸受スパンを短くする対策を講じることにより軸系の剛性を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保することができる。すなわち、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンにおいて、排気室コーンを曲面形状または曲面を模擬した形状の排気室として、排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長の０．９倍から１．８倍の範囲に設定するか、または、排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室を構成することにより排気流をスムーズに流出させて排気損失の増大を防止し、排気室コーン形状が直線的な円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型排気室の良好な排気性能と同等もしくはそれ以上の性能の確保と排気室の軸方向距離の短縮を図り、その結果、軸受スパンが短縮されて二次危険速度が十分に離調され軸振動が低レベルに抑制された高低圧一体蒸気タービンを実用化することができる。
【００４８】
本願の第４乃至第６の発明において、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れて設置されていてもよい（本願の第７の発明）。
【００４９】
本願の第１、３、４、５、６または７の発明において、前記高圧タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部分送入段落としてもよい。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明に係る蒸気タービンの実施の形態について説明する。同一部材には同一の符号を付けて重複した説明を省略する。
【００５１】
図１を参照して第１の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（１）」と「本願の第１の発明」に対応するものである。
【００５２】
図１に示す蒸気タービンは１００ＭＷ以上の定格出力を有し、一体ロータ材で形成されたタービンロータ２に高圧タービン３と、高圧タービン３の後段側に配列された低圧タービン５と、高圧タービン３と低圧タービン５の間に配列された中圧タービン４とが結合されている。高圧タービン３には主蒸気２０が供給される。主蒸気２０は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有する。
【００５３】
低圧タービン５はその最終段にタービン最終段動翼を有する。タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かである。
【００５４】
高圧タービン３と中圧タービン４と低圧タービン５とは一体のケーシング６に収納されている。
【００５５】
低圧タービン５のケーシング６の部分には、低圧タービン５から排出される排気蒸気を下方に排気するための下方排気形式の排気室１５が形成されている。排気室１５の中心後部には排気室コーン８が形成されている。排気室１５の背部は排気室後流側隔壁９によって構成されている。
【００５６】
タービンロータ２は、高圧タービン３の前段側で回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受１と、低圧タービン５の後段側で回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受１１とによって支持されている。高圧側ジャーナル軸受１は高圧軸受ハウジング２１内に収納されている。低圧側ジャーナル軸受１１は低圧軸受ハウジング２２内に収納されている。
【００５７】
高圧側ジャーナル軸受１は、基礎部１０上に高圧軸受ハウジング２１とともに設置されている。
【００５８】
低圧軸受ハウジング２２は、基礎部１２上に設置されている。ここで、基礎部１０と基礎部１２は、蒸気タービンや図示しない発電装置等が取り付けられる部分であり、基礎部１０と基礎部１２とは一体的に構成されている。基礎部１０と基礎部１２との間には窪み空間２３が形成されており、窪み空間２３にハウジング６や排気室１５等が配設されている。
【００５９】
基礎部１２上に設置された低圧軸受ハウジング２２は、図４や図１２に示す低圧軸受ハウジング２４と異なり、基礎部１２から高圧側ジャーナル軸受１側へはみだした部分２２ａを有する。低圧軸受ハウジング２２の部分２２ａは、排気室コーン８の下部外壁上に当接されている。
【００６０】
図１に示すように、低圧側ジャーナル軸受１１は低圧軸受ハウジング２２の部分２２ａ内の底部上に取り付けられており、低圧側ジャーナル軸受１１は基礎部１２から高圧側ジャーナル軸受１側へはみだした位置に設置されている。このために、高圧側ジャーナル軸受１と低圧側ジャーナル軸受１１との間隔である軸受スパンを短くすることができる。
【００６１】
上述の実施形態によれば、高圧側ジャーナル軸受１と低圧側ジャーナル軸受１１との間隔（軸受スパン）を縮小させることができ、これによってタービン軸系の剛性を確保し軸系の固有値の低下を防止して軸振動特性を良好に保ち、二次危険速度が回転速度に対して接近し離調が不十分又は合致することを防止することができ、これにより、性能悪化の要因となるタービンロータ２の径の増大を招くことなく、軸振動が小さく運転性が良好で高温高圧高出力化に対応したコンパクトな高低圧一体蒸気タービンを提供することができ、前述の「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化を図ることができる。
【００６２】
次に、図２を参照して第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（２）」と「本願の第２の発明」に対応するものである。
【００６３】
本実施形態における高低圧一体蒸気タービンは図１２に示される。本実施形態において、高圧タービン３は、高圧タービン３を構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落（例えば、図２において符号３６で示す段落）を部分送入段落として構成されている。ここで、部分挿入段落とは図２に表すように、その段落で環状に配設されている静翼からなる環状翼列の一部分である部分送入角（パーシャルアーク）の領域だけを蒸気が通過して動翼に流入するようにし、その段落の静翼のその他の領域は蒸気が流出しないように閉止した構成の段落のことを言う。
【００６４】
図１４に示すように、高低圧一体蒸気タービンの重量Ｗは前部軸受（高圧側ジャーナル軸受１）および後部軸受（低圧側ジャーナル軸受１１）で支持され、前部軸受荷重ＦＡと後部軸受荷重ＦＢとして分担される。ロータは各軸受からそれと同じ大きさの反力すなわち前部軸受反力ＲＡと後部軸受反力ＲＢを受ける。Ｇはロータの重心位置を示し、Ｗはロータの重量を示す。また、ａは重心Ｇから高圧側ジャーナル軸受１までの長さ（前方長さ）であり、ｂは重心Ｇから低圧側ジャーナル軸受１１までの長さ（後方長さ）である。
【００６５】
部分送入はロータに下向きの蒸気力が作用するように設定される。具体的には、図２に示すように、段落の蒸気出口側から見てロータの回転が時計周りの場合は３時位置付近の範囲が含まれるように又は６時から１２時位置の範囲の蒸気送入率よりも０時から６時位置の範囲の蒸気送入率が大きくなるように設定される。また、ロータの回転が反時計周りの場合は９時付近の範囲が含まれるように又は０時から６時位置の範囲の蒸気送入率よりも６時から１２時位置の範囲の蒸気送入率が大きくなるように設定される。
【００６６】
また、αを図２に示すように蒸気の部分送入角（パーシャルアーク）とするとき、他の実施例として、部分送入率（パーシャルアーク率）α／３６０を下流の段落ほど高めた段落構成としてもよい。
【００６７】
図１５は、前方長さａに対する荷重Ｆの関係を示す。ＦAは前側軸受荷重を示し、ＦBは後側軸受荷重を示し、実線は部分送入による蒸気負荷状態を示し、鎖線は全周送入による蒸気負荷状態を示し、ΔＦAは部分輸送による前側軸受荷重増分を示し、ΔＦBは部分輸送による後側軸受荷重増分を示す。
【００６８】
高圧第１段落から高圧最終段落までの高圧段落において少なくとも１段落以上に部分送入（パーシャルアーク）を採用することにより、図１５に示すように、前部軸受（高圧側ジャーナル軸受１）側のロータに下向きの蒸気力を付加することができ、従って、軸受安定性の高いコンパクトで高出力の高低圧一体蒸気タービンを提供することができる。
【００６９】
また、高圧第１段落から高圧最終段落までの高圧段落において少なくとも１段落以上に部分送入（パーシャルアーク）を採用することにより、次のような効果を奏することができる。
【００７０】
すなわち、タービン起動時などの極低負荷運転時には一般にケーシング上半の温度がケーシング下半の温度より高くなってケーシング下半に比べ上半の熱膨張が大きくなるために、ケーシング６が図１６に示すように上半側に凸になるような熱変形いわゆるケーシング６の猫背変形を生じ、その熱変形が過大でありかつ回転部と静止部との半径方向間隙の設定格度が小さい場合には、回転部である動翼あるいはロータが静止部と接触して大きな軸振動を引き起こすいわゆるラビングと称する事象が発生する可能性がある。このラビングの発生の確率を低減する目的で、性能を若干犠性にしてまでも回転部と静止部との間の間隙の最小値に制限を設けるなどの設計的な配慮が払われているのが一般である。ところで、下向きの蒸気力が発生するように設定された部分送入（パーシャルアーク）段落ではタービン下半部を流れる蒸気量が上半部分を流れる蒸気量よりも多くなる。従って下半部分の蒸気流速が速くなることからタービン下半ケーシング内面の熱伝達率が上半よりも大きくなり、その結果ケーシング下半メタルヘの熱流束が大きくなって下半ケーシングの温度の上昇が速やかになる。これはケーシング猫背変形を抑制する方向の現象であることから、前述のように、温度の高い高圧段落に部分送入（パーシャルアーク）を採用した構成とすることにより、タービン起動時などの極低負荷運転時に発生するケーシングの猫背変形を抑制することが可能になるという大きな効果が期待でき、蒸気タービンの健全性、性能および運転性の改善に大きく貢献することができる。
【００７１】
次に、図３等を参照して第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（３）」と「本願の第３の発明」に対応するものである。
【００７２】
本実施の形態においては、タービンロータ３は、高圧側ジャーナル軸受１と低圧側ジャーナル軸受１１との間隔である軸受スパンとして５７００ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有する。
【００７３】
図３において、ｎr：定格回転数、Ｒr：定格回転数離調幅、Ｒp：パージ回転数をｎr／３に設定した場合のパージ回転数離調幅、Ｃr1S：小径ロータ（中心部軸径５５０ｍｍ未満の従来のロータをいう。以下同様）の一次危険速度、Ｃr2S：小径ロータの二次危険速度、ＳAS：小径ロータの軸受スパン設定可能領域、ＳBS：小径ロータの軸受スパン設定不可能領域、ＳCS：小径ロータの軸受スパン設定が可能ではあるがパージ回転数をｎr／３より下に設定しなければならない領域（運転性劣）、ＳAL：大径ロータ（中心部軸径直径５５０ｍｍ以上の本発明のロータをいう。以下同様）の軸受スパン設定可能領域、ＳBL：大径ロータの軸受スパン設定不可能領域、ＳCL：大径ロータの軸受スパン設定が可能ではあるがパージ回転数をｎr／３より下に設定しなければならない領域（運転性劣）、ＳDL：大径ロータの軸受スパン設定可能領域である。また、添字Ｓは例えば中心部軸径５００ｍｍの従来のロータを指し、添字Ｌは例えば中心部軸径５５０ｍｍの本発明のロータを指す。また、符号２１８は従来手法の小径ロータにおける一次危険速度設定例を示し、符号２１９は本発明の大径ロータにおける一次危険速度設定例を示し、符号２２０は従来手法の小径ロータにおけるに次危険速度設定例を示し、符号２２１は本発明の大径ロータにおけるに次危険速度設定例を示す。
【００７４】
高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト中央部の最小軸径が従来実績と同様に５００ｍｍ程度の場合、軸受スパンを５７００ｍｍ以上とすることによって二次危険速度を定格回転速度の下側で離調することが可能となるが、既述の如く一次危険速度が、定格回転速度の１／３に設定されるのが常であるところのパージ回転速度に近接または合致する恐れが大きく、その回避のためにパージ回転速度の低速化を余儀なくされてタービン起動特性の大幅な悪化を招くことが予想されるという課題があった。
【００７５】
これに対し、図３に示すように、高低圧一体蒸気タービンの軸受スパンを５７００ｍｍ以上とし、かつ、ロータシャフト中央部の最小軸径を５５０ｍｍ以上に太くするという構成により、定格回転速度に対して二次危険速度の離調を確保して軸振動の増大を抑制し、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能になってタービン起動特性の悪化を防止した高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンとすることができる。
【００７６】
本実施の形態によれば、高低圧一体蒸気タービンの軸受スパンを５７００ｍｍ以上とし、かつ、ロータ中央部の最小軸径を太くして５５０ｍｍ以上にするという構成にしたので、図３に示すように、定格回転速度に対して二次危険速度の離調を確保されて良好な振動特性を有し軸振動の増大が抑制され、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高く設定することが可能となりタービン起動特性の悪化を防止することができるという大きな効果が発揮できる。このように、二次危険速度を離調することが可能になって、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能になったので、タービン起動特性の悪化を防止するという、蒸気タービンの運転において極めて重要な振動特性と起動特性の２つの要求事項を同時に達成することが可能になり、前述の「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化において特筆すべき効果を発揮することができる。
【００７７】
次に、図４乃至図６を参照して第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（４）」と「本願の第４の発明」に対応するものである。
【００７８】
本実施の形態では、排気室１５の後部を形成するコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すように単一の円弧で表される形状か、または、図５に示すように一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表されるか、または、図６に示すように隣り合う直線の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表されるかのいずれかである。ここで、排気室内壁コーンの隣り合う面同士がなす角度φιまたはθιが小さすぎるとその角部で流れの剥離が生じて排気損失を増大させるので、φιまたはθιは剥離による損失を小さくするよう１４０度以上の角度として設定されている。図５において、ｃは直線部分の長さを表し、ｄは曲線部分の長さを表す。
【００７９】
従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要あった。
【００８０】
それに対し、本実施の形態によれば、排気性能において、従来のコーン形状が円錐状で排気室軸長が長い排気室と同等のレベルを保ったまま排気室軸長を大幅に短縮することが可能になり、排気室コーン部８を曲面または曲面を模擬した形状とすることにより排気流をスムーズにし軸方向距離を短縮しタービンの軸受スパンを短縮したので、排気性能を悪化させることなく、かつ、軸系の必要な剛性が確保され危険速度の低下を招くことがなく離調が確保されて通常の運転では大きな軸振動が発生することのない、運転性に優れた高温高圧高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供することができる。
【００８１】
次に、図８を参照して第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（５）」と「本願の第５の発明」に対応するものである。
【００８２】
本実施の形態では、前述の第４の実施の形態における内容、すなわち、排気室１５の後部を形成するコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すように単一の円弧で表される形状か、または、図５に示すように一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表されるか、または、図６に示すように隣り合う直線の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表されるかのいずれかである、という内容を前提にし、さらに、図８に示すように、次の内容、すなわち、タービン最終段動翼４７の中心位置からコーン部９の後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄとの比Ｌ/Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にある、という内容を備えている。図８に示す例では、比Ｌ/Ｄは０．４である。
【００８３】
なお、排気室上半の後流隔壁が図１８のように傾斜している場合は図１８の下半側での軸長を採るというように、排気室軸長Ｌはその排気室の最大の排気室軸長をもって定義するものとする。
【００８４】
図１９に、排気室コーン部８を図５に示すような曲面としＬ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲に限定した本実施の形態に係る曲面排気室の排気性能と、排気室コーン部が円錐状で従来型のＬ／Ｄが０．５以上の図１７に示す従来の排気室の排気性能の比較の実験結果の一例を示す。ここで、ＺAは、排気室コーン部が円錐状である従来の排気室の排気性能を示す排気損失カーブであり、ＺBは、排気室コーン部８を図５に示すような曲面とした曲面排気室の排気性能を示す排気損失カーブであり、ζ／ζoは排気損失比を示す。
【００８５】
図１９からわかるように、ＺBで示す曲面排気室のＬ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲に設定することにより、従来のＬ／Ｄが０．５以上の円錐状の排気室と同等もしくはそれ以上の排気性能を有する高低圧一体蒸気タービンを提供することができる。具体的には排気室コーン部分を曲面または曲面を模擬した形状とすることにより排気流をスムーズにして軸方向距離を短縮する。特に、排気室形状は排気室内壁コーンの縦断面の形状が一つの円弧で表される曲面排気室、または一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表される曲面排気室、または隣り合う直線の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表される擬似曲面排気室とし、かつ、排気室の軸長Ｌが低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼先端径Ｄに対しＬ／Ｄが０．３２から０．４８の範囲にあることにより排気流をスムーズにし従来と同等の排気性能を確保しつつ軸方向距離を短縮してタービンの軸受スパンを短縮したことから、危険速度の大幅な低下を招くことがなく従って大きな軸振動が発生することのない、性能と運転性に優れた高圧高温高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンを提供することができる。
【００８６】
次に、図７を参照して第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（６）」と「本願の第６の発明」に対応するものである。
【００８７】
本実施の形態では、前述の第４の実施の形態における内容、すなわち、排気室１５の後部を形成するコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すように単一の円弧で表される形状か、または、図５に示すように一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表されるか、または、図６に示すように隣り合う直線の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表されるかのいずれかである、という内容を前提にし、さらに、図７に示すように、次の内容、すなわち、コーン部８の内壁の縦断面形状を形成する少なくとも一つの円弧は、タービン最終段動翼４７の翼長ＬBの０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径Ｒを有するか、または、４５度以上の中心角β（図７に示す例では、中心角β＝６０度）を有する。これにより、軸受スパンを短くする対策を講じることにより軸系の剛性を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保することができる。
【００８８】
すなわち、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンにおいて、排気室コーンを曲面形状または曲面を模擬した形状の排気室として、排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長ＬBの０．９倍から１．８倍の範囲に設定するか、または、排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室を構成することにより排気流をスムーズに流出させて排気損失の増大を防止し、排気室コーン形状が直線的な円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型排気室の良好な排気性能と同等もしくはそれ以上の性能の確保と排気室の軸方向距離の短縮を図り、その結果、軸受スパンが短縮されて二次危険速度が十分に離調され軸振動が低レベルに抑制された高低圧一体蒸気タービンを実用化することができる。
【００８９】
従来の円錐形の排気室コーン（図１７等）に比べ、排気室コーンに曲率を設けて曲面排気室とし排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長の０．９倍から１．８倍の範囲に設定するかまたは排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室（図７）を構成することにより、排気性能を維持したまま良好な振動特性を確保することが可能であり、この曲面排気室を高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンに適用することにより高圧及び出力大による軸受けスパンの増加を抑制し、危険速度の低下を防止することができる。
【００９０】
従って、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンにおいて、排気流をスムーズ排出して排気損失の増大を防止し、かつ、排気室コーン形状が円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型排気室の良好な排気性能と同等またはそれ以上の排気性能を確保したまま排気室の軸方向距離が短縮され、この結果、ロータの軸受スパンを短縮し軸系の剛性を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保できるという高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にとって絶大で決定的な効果を発揮することができる。
【００９１】
このように、排気室コーンの縦断面が曲線形状または曲線を模擬した形状の曲面排気室として、かつ、排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長の０．９倍から１．８倍の範囲に設定するかまたは排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーする構造の排気室として構成したので、排気性能を維持したまま高圧及び出力大による軸受けスパンの増加を抑制して危険速度の低下を防止した高圧高温高出力のコンパクトな高低圧一体タービンを提供できる。
【００９２】
なお、上述した種々の本発明の実施の形態を組み合わせることも可能である。例えば、図９は、本発明の第１の実施の形態と本発明の第４、５または６の実施の形態を組み合わせた実施の形態を示す図である。
【００９３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の構成によれば、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる蒸気タービンの第１の実施形態を示す断面図。
【図２】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態を説明する説明図。
【図３】本発明に係わる蒸気タービンの第３の実施形態を説明するグラフ。
【図４】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態の一例を示す断面図。
【図５】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態の他の例を示す断面図。
【図６】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態のさらに他の例を示す断面図。
【図７】本発明に係わる蒸気タービンの第６の実施形態を示す断面図。
【図８】本発明に係わる蒸気タービンの第５の実施形態の一例を示す断面図。
【図９】本発明に係わる蒸気タービンの第１の実施形態と第４、５または６の実施の形態を組み合わせた実施の形態例を示す断面図。
【図１０】軸受スパンと回転数の関係を一般的に説明する図。
【図１１】従来の蒸気タービンを示す断面図。
【図１２】「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を備える高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンを示す断面図。
【図１３】従来の蒸気タービンを示す断面図。
【図１４】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態に係る課題等を説明するための図。
【図１５】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態に係る効果等を説明するための図。
【図１６】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態に係る課題等を説明するための図であり、ケーシングの上半側が凸になるような熱変形し猫背変形を生じた例を示す図。
【図１７】排気室コーン部が円錐状でＬ／Ｄが０．５以上の従来の排気室を示す断面図。
【図１８】排気室上半の後流隔壁が傾斜している場合における排気室軸長Ｌの定義を説明する図。
【図１９】本発明に係わる蒸気タービンの第５の実施形態に係る効果等を説明するための図。
【符号の説明】
１ 高圧側ジャーナル軸受（前部軸受）
２ タービンロータ
３ 高圧タービン
４ 中圧タービン
５ 低圧タービン
６ ケーシング
９ 排気室後流側隔壁
１０ 基礎部
１１ 底圧側ジャーナル軸受（後部軸受）
１２ 基礎部
１５ 排気室
２０ 主蒸気
２１ 高圧軸受ハウジング
２２ 低圧軸受ハウジング
２４ 低圧軸受ハウジング
４７ タービン最終段動翼
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンに係り、特に、高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術（１）
主蒸気圧力が１００kg/cｍ2以上であり主蒸気温度が５００℃以上である蒸気条件と１００ＭＷ以上の定格出力とを有し、翼の有効長が３６インチ以上のタービン最終段動翼を有する３０００ｒｐｍ機または有効長が３３．５インチ以上のタービン最終段動翼を有する３６００ｒｐｍ機であって下方排気形式のタービン排気を有し（以下に、「高温高圧高出力条件」という）、かつ、２個のジャーナル軸受で支持された一体ロータ材からなるタービンロータ上に高圧部と中圧部および低圧部、または高圧部と低圧部が形成され、これらの各部が一体のケーシングに収められている（以下に、「単一タービンロータ条件」という）高低圧一体蒸気タービンは、その技術的困難さから、特に軸振動対策の困難さから未だ実用化されていない。
【０００３】
「高温高圧高出力条件」を満たすが「単一タービンロータ条件」を満たさない従来の高低圧一体蒸気タービンは、図１１または図１３に示すように、高中圧部または高圧部１０３、１０４のロータ１１１と低圧部１０５のロータ１１２とをそれぞれ別個に作成してそれぞれを別個のケーシング１０６、１０７に収め、それらのロータ１１１、１１２をカップリング１１３を介して締結して使用する方法が採られていた。
【０００４】
また、「高温高圧高出力条件」を満たさないが「単一タービンロータ条件」を満たす従来の高低圧一体蒸気タービンの場合には、軸系の剛性を比較的高く設定することが可能であったことから、図１２に示すように、２個の軸受１、１１はともに基礎部１０、１２の上に置かれていた。
【０００５】
従来技術（２）
「高温高圧高出力条件」を満たさないが「単一タービンロータ条件」を満たす従来の高低圧一体蒸気タービンの場合には、主蒸気圧力温度が高くなく出力も小さいことから、軸受スパンは比較的短く、従って、高低圧一体蒸気タービンの高圧部側に配設する前部軸受と低圧側に配設する後部軸受はともに適正な軸受荷重を分担しているので軸振動的に安定した設計が可能であった。
【０００６】
従来技術（３）
前述したように、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を満たす高低圧一体蒸気タービンは、その技術的困難さから未だ実用化されていない。
【０００７】
従来型蒸気タービンにおいては、図１１に示すように、複数のケーシングからなる多ケーシングを有し、高中圧ロータまたは高圧ロータと、低圧ロータのそれぞれが２個ずつの軸受を有しているか、または、図１３に示すように２本のロータが締結された状態に対して３個の軸受を配設していた。このような多ケーシング蒸気タービンにおいては各ロータの軸受スパンは高低圧一体ロータに比べて短く剛性が極めて高く、一対のタービン静翼とタービン動翼の組み合わせで構成される段落の数を多くして軸受スパンが少々増加しても軸振動的には良好な特性を確保することができた。
【０００８】
従来技術（４）
前述したように、「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの製造においては、従来は図１１または図１３に示すように、また、従来、下方排気の高低圧一体タービンにおいては、図１２に示すように、排気室のコーン形状は直線的な円錐形状と言える形状になっていた。
【０００９】
従来技術（５）
「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの製造においては、従来は、排気室のコーン形状は直線的な円錐形状といえる形状にして（図１２）、排気性能を確保する目的で図１７に示すように排気室の軸長Ｌを長く取ってＬ／Ｄが０．５を超えた排気室形状となっていた。
【００１０】
従来技術（６）
「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの製造においては、従来は、図１２のように排気室のコーン形状はその縦断面が直線的な円錐形状と言える形状となっていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
課題（１）
一般に蒸気タービンでは流入する蒸気条件が高温高圧になってタービンの出力が増大すると段落数を増やして対応するため、２個のジャーナル軸受で支持された１本のタービンロータを使用する高低圧一体タービンでは、出力が増大するにつれて軸受スパンが長くなるのが一般的である。
【００１２】
高低圧一体蒸気タービンは１本のロータに高圧から低圧までの全ての段落を設置するのでロータ１本の長さが長くなる。このため、流入する主蒸気の蒸気条件が高温高圧になって定格出力が増大するようになると軸受スパンＳとロータシャフト外径Ｄｏの比Ｓ／Ｄｏが大きくなるため軸の剛性が小さくなって軸系の固有値が低くなりがちであり軸振動的に設計が難しくなる。また、一般には蒸気流量も増大するので最終段などの長翼の翼長が長くなって軸系の固有値低下要因である付加重量が増加するので、良好な振動特性を確保するには高度な技術力が必要とされていた。
【００１３】
特に、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にあたっては、従来技術のままでは軸受スパンが長くなって危険速度が低下し、特に二次危険速度が定格回転速度に対して接近し離調が不十分になったり又は二次危険速度が定格回転速度に合致し、安全な運転が困難になるという課題があった。
【００１４】
これらの課題の解決にはロータ軸径を太くするのが効果的ではあるが、ラビング防止の観点から静止部と回転部との間の半径方向の間隙寸法を狭めることが困難であることからロータ径を太くすると間隙の面積が拡大して漏洩損失が増大し、性能悪化を招く。また、ロータ軸系を太くすることに伴なって翼取り付け位置の直径が大きくなると翼長が短くなり、二次流れ損失が増大するので性能悪化を招く。従って、高圧高温で高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化における軸振動間題解決の対策として、ロータ軸系を太くするという対応はあまり推奨されない。
【００１５】
このように、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にあっては、軸受スパンの増大と軸系の付加重量の増大とにより、ロータを支持する２個の軸受を全て基礎部の上に配置すると軸受スパンが長大になってタービン軸系の剛性が低下することから、良好な軸振動特性を確保することが困難になるという課題があった。
【００１６】
課題（２）
図１４に示すように、高低圧一体蒸気タービンの重量Ｗは前部軸受および後部軸受で支持され、前部軸受荷重ＦＡと後部軸受荷重ＦＢとして分担される。ロータは各軸受からそれと同じ大きさの反力すなわち前部軸受反力ＲＡと後部軸受反力ＲＢを受ける。Ｇはロータの重心位置を示し、Ｗはロータの重量を示す。
【００１７】
「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にあっては、主蒸気圧力が高く高出力であることから軸受スパンに占める高圧部または高圧部と中圧部の割合が大きくなって、翼長が長く重量が重い最終段動翼の位置が相対的に後部軸受に近くなることから前部軸受荷重が軽くなり、そのため、前部軸受において軸受特性の不安定な領域に近接し、場合によって不安定領域内となることが予想される。このため、前記条件を有する高圧高温で高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化は困難であった。
【００１８】
課題（３）
高低圧一体タービンではタービンロータは１本であり、高温高圧になってタービンの出力が増大すると段落数を増やして対応するのが一般的であるため、出力が増大すると軸受スパンが長くなるのが一般的である。
【００１９】
「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を満たす高低圧一体蒸気タービンの実用化にあたっては、前記条件に満たさない従来の高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト外径のままではタービン出力増大に伴う軸受スパンの増加により、軸系の剛性が不足し危険速度が低下して定格回転速度に対して離調不足となり軸振動が増大するという問題があった。
【００２０】
このように、高低圧一体蒸気タービンは１本のロータに高圧から低圧までの全ての段落を設置するのでロータ１本の長さが長くなり、従って軸受スパンＳとロータシャフト外径Ｄｏの比Ｓ／Ｄｏが大きくなることから、従来の高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト外径の実績範囲内で前記条件を有する高低圧一体蒸気タービンの実用化にあたっては軸系の固有値が低下して、特に二次危険速度が定格回転速度に対して接近し離調が不十分になり、又は合致して、安全な運転が困難になるという課題があった。
【００２１】
軸受スパンがさらに長くなると危険速度が低下し、二次危険速度は定格回転速度よりも低くなって二次危険速度は再び離調が確保されるが、図１０からもわかるように、今度はタービン起動特性に対して問題が生じてくる。すなわち、例えばコンバインドサイクルにおけるタービン起動時にはパージ運転と称して流路に堆積した不純物を流れによって排出するという運転モードが一般的に設定されている。パージ運転におけるタービン回転速度（パージ回転速度）は定格回転数ｎrの１／３（例えば、３６００ｒｐｍ機のパージ回転数は１２００ｒｐｍ）に設定されるのが通常であり、かつ、このパージ回転数において蒸気タービンの運転が一定時間保持される。ここで、図１０において、ｎr：定格回転数、Ｒr：定格回転数離調幅、Ｒp：パージ回転数をｎr／３に設定した場合のパージ回転数離調幅、Ｃr1：一次危険速度、Ｃr2：二次危険速度、ＳA：軸受スパン設定可能領域、ＳB：軸受スパン設定不可能領域、ＳC：軸受スパン設定が可能ではあるがパージ回転数をｎr／３より下に設定しなければならない領域（運転性劣）を示す。
【００２２】
従来実用化されている比較的小型の高低圧一体蒸気タービンで定格回転数が３６００ｒｐｍ又は３０００ｒｐｍを有するタービンでは、一般にパージ回転速度は一次危険速度より低いが、軸受スパンが長くなると軸系の一次危険速度が低下してきてパージ回転速度に近接または合致するようになるため、パージ運転時間に亘って大きな軸振動が発生して運転に支障をきたす。その場合、パージ回転速度を上げて一次危険速度から離す方法が考えられるが、パージ運転は無負荷状態の運転であるため回転数を上げると蒸気タービンの長翼での風損が大きくなって発熱し長翼が高温にさらされると共に長翼に作用する流体励張力が増大しタービン長翼に不具合をきたす恐れがあるので推奨出来ないという問題があった。他方、パージ回転速度を下げて一次危険速度から離す方法が考えられるが、この方法では流路を通過する流体の流速が遅くパージの効果が極めて小さくなってパージ時間を大幅に延長する必要が生じるため起動時間が長くなり、タービン起動特性が大きく悪化するのでやはり推奨し難いという問題があった。
【００２３】
高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト中央部の最小軸径が従来実績と同様に５００ｍｍ程度の場合、軸受スパンを５７００ｍｍ以上とすることによって二次危険速度を定格回転速度の下側で離調することが可能となるが、既述の如く一次危険速度が、定格回転速度ｎrの１／３に設定されるのが常であるところのパージ回転速度に近接または合致する恐れが大きく、その回避のためにパージ回転速度の低速化を余儀なくされてタービン起動特性の大幅な悪化を招くことが予想されるという課題があった。
【００２４】
なお、ここでは、ロータシャフト中央部の最小軸径とは、１／４軸受スパン位置から３／４軸受スパン位置の範囲内におけるロータ各部位の軸径のうちの最小値と定義することにする。
【００２５】
課題（４）
従来のように排気室のコーン形状を直線的な円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要が生じる。しかしながら、この場合には、排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすかった。このような振動の防止策としては軸径を太く設計し固有値の低下を抑制する方法が取られがちであるが、一般に軸径を太くすると漏洩損失が増加し性能が大幅に悪化することから、このような対応は排気室軸長を長くして獲得した性能改善よりも大きな性能悪化を招き、タービン全体の性能を悪化させてしまうため実用上は採用困難である。
【００２６】
このような理由から、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を満たし、高圧部と低圧部とが単一のハウジングに収納された高性能で高出力の高低圧一体蒸気タービンを実用化することは困難を伴うものであった。
【００２７】
さらに、翼の有効長が３６”以上のタービン最終段動翼を有する３０００ｒｐｍ機または有効長が３３．５”以上のタービン最終段動翼を有する３６００ｒｐｍ機というような長大な最終段動翼（ＬＳＢ）を有する高低圧一体蒸気タービンの場合、タービン軸系にとっては付加重量として作用する動翼の重量やホイールの重量の増加が著しくなってタービン軸系の固有値の低下を招き、従来技術のままでは、二次危険速度の離調不足による軸振動増大などの高出力高低圧一体蒸気タービンの実用化にとって困難な課題に直面していた。
【００２８】
課題（５）
従来のように排気室のコーン形状を直線的な円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突して渦を形成するために排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要が生じる。しかしながら、この場合には、排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすかった。このような振動の防止策としては軸径を太く設計し固有値の低下を抑制する方法が取られがちであるが、一般に軸径を太くすると漏洩損失が増加し性能が大幅に悪化することから、このような対応は排気室軸長を長くして獲得した性能改善よりも大きな性能悪化を招き、タービン全体の性能を悪化させてしまうため実用上は採用困難であった。
【００２９】
このような理由から、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を満たす高性能で高出力の高低圧一体蒸気タービンを実用化することは困難を伴うものであった。
【００３０】
排気室のコーン形状を従来から多用されている円錐状の形状とすると排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気性能が悪化する。必要な排気性能を確保するには排気室の軸方向距離（軸長Ｌ）を大きく取って、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速を落としておく必要が生じる。また、曲面排気とするも、それは排気性能の向上を目的としているために排気室の軸長Ｌを長く取っていた。それ故にタービンの軸受スパンも長くなってタービン軸の剛性が低下し、それに伴い危険速度が低下することから、二次危険速度がタービンの定格回転数に近い状態となって軸振動が増大しがちになるという問題があった。従って、「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの実用化においては、二次危険速度の離調を図る目的で従来設計手法を踏襲した設計による場合よりも軸受スパンを短縮するよう何らかの対策を講じなければならないという課題があった。
【００３１】
課題（６）
従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要が生じる。しかしながら、この場合には、排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすかった。このような振動の防止策としては軸径を太く設計し固有値の低下を抑制する方法が取られがちであるが、一般に軸径を太くすると漏洩損失が増加し性能が大幅に悪化することから、このような対応は排気室軸長を長くして獲得した性能改善よりも大きな性能悪化を招き、タービン全体の性能を悪化させてしまうため実用上は採用困難であった。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願の第１の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れて設置されていることを特徴とする。
【００３３】
上述の第１の発明によれば、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れて設置されているので、高圧側ジャーナル軸受と低圧側ジャーナル軸受のいずれをも設置する場合に比べて、高圧側ジャーナル軸受と低圧側ジャーナル軸受との間隔（軸受スパン）を縮小させることができ、これによってタービン軸系の剛性を確保し軸系の固有値の低下を防止して軸振動特性を良好に保ち、二次危険速度が回転速度に対して接近し離調が不十分又は合致することを防止するができ、これにより、性能悪化の要因となるロータ径の増大を招くことなく、軸振動が小さく運転性が良好で高温高圧高出力化に対応したコンパクトな高低圧一体蒸気タービンを提供することができる。
【００３４】
本願の第２の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記高圧タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部分送入段落としたことを特徴とする。
【００３５】
上述の第２の発明によれば、前記高圧タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部分送入段落（パーシャルアーク段落）としたので、前部軸受（高圧側ジャーナル軸受）の軸受安定性を確保できる。
【００３６】
高圧第１段落から高圧最終段落までの高圧段落において少なくとも１段落以上に部分送入（パーシャルアーク）を採用することにより、前部軸受側のロータに下向きの蒸気力を付加することができ、従って、軸受安定性の高いコンパクトで高出力の高低圧一体蒸気タービンを提供出来るという効果が発揮出来る。
【００３７】
本願の第３の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記タービンロータは、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受との間隔である軸受スパンとして５７００ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有することを特徴とする。
【００３８】
上述の第３の発明によれば、前記タービンロータは、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受との間隔である軸受スパンとして５７００ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有するので、（図３に示すように）定格回転速度に対して二次危険速度の離調を確保して軸振動の増大を抑制し、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能になってタービン起動特性の悪化を防止した高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンとすることができる。このように、二次危険速度を離調することが可能になって、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能になったので、タービン起動特性の悪化を防止するという蒸気タービンの運転において極めて重要な振動特性と起動特性の２つの要求事項を同時に達成することが可能になり、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化において特筆すべき効果を発揮することができる。
【００３９】
本願の第４の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状であることを特徴とする。
【００４０】
上述の第４の発明によれば、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状であるので、軸受スパンを短くする対策を講じることができ軸系の剛性を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保することができる。すなわち、排気室コーン部を曲面とした曲面排気室または曲面を模擬した疑似曲面排気室形状とすることにより排気流をスムーズにして排気損失の増大を防止し、排気性能を確保したまま排気室の軸方向距離を短縮し、それにともない軸受スパンを短縮した高低圧一体蒸気タービンとするものである。
【００４１】
すなわち、従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの場合には、排気性能を確保する必要から排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすく、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンを実用化することは困難を伴うものであったが、本発明で提案する曲面排気室の適用によりその問題点を解決し、排気性能を悪化させることなく、かつ、軸系の必要な剛性が確保されため大きな軸振動が発生することのない、運転性に優れた高温高圧高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供できる。
【００４２】
従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要あった。それに対し、本発明で提案する曲面排気室は、排気性能において、従来のコーン形状が円錐状で排気室軸長が長い排気室と同等のレベルを保ったまま排気室軸長を大幅に短縮することが可能な排気室である。
【００４３】
このように本発明では、排気室コーン部を曲面または曲面を模擬した形状とすることにより排気流をスムーズにし軸方向距離を短縮しタービンの軸受スパンを短縮したので、排気性能を悪化させることなく、かつ、軸系の必要な剛性が確保され危険速度の低下を招くことがなく離調が確保されて通常の運転では大きな軸振動が発生することのない、運転性に優れた高温高圧高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供できるという効果を有する。
【００４４】
本願の第５の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状であり、前記タービン最終段動翼の中心位置から前記コーン部の後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄとの比Ｌ／Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にあることを特徴とする。
【００４５】
上述の第５の発明によれば、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状であり、前記タービン最終段動翼の中心位置から前記コーン部の後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄとの比Ｌ／Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にあるので、軸受スパンを短くする対策を講じることができ、軸系の剛性を高めて危険速度を離調し、軸振動の増大を抑制することができる。すなわち、排気室コーン部を曲面とした曲面排気室または曲面を模擬した疑似曲面排気室形状とし、かつ、Ｌ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲に限定することにより排気流をスムーズにして排気損失の増大を防止して、排気コーン室コーン形状が円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型の良好な排気性能と同等もしくはそれ以上の排気性能を確保したまま排気室の軸方向距離を短縮し、それにともない軸受スパンをも短縮した構成の高低圧一体蒸気タービンとすることによって二次試験速度の離調を確保し、軸振動の増大を抑制する。
【００４６】
本願の第６の発明によれば、主蒸気が供給される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状かであり、前記コーン部の内壁の縦断面形状を形成する少なくとも一つの円弧は、前記タービン最終段動翼の翼長の０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径を有するか、または、４５度以上の中心角を有することを特徴とする。
【００４７】
上述の第６の発明によれば、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状であり、前記コーン部の内壁の縦断面形状を形成する少なくとも一つの円弧は、前記タービン最終段動翼の翼長の０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径を有するか、または、４５度以上の中心角を有するので前軸受スパンを短くする対策を講じることにより軸系の剛性を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保することができる。すなわち、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンにおいて、排気室コーンを曲面形状または曲面を模擬した形状の排気室として、排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長の０．９倍から１．８倍の範囲に設定するか、または、排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室を構成することにより排気流をスムーズに流出させて排気損失の増大を防止し、排気室コーン形状が直線的な円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型排気室の良好な排気性能と同等もしくはそれ以上の性能の確保と排気室の軸方向距離の短縮を図り、その結果、軸受スパンが短縮されて二次危険速度が十分に離調され軸振動が低レベルに抑制された高低圧一体蒸気タービンを実用化することができる。
【００４８】
本願の第４乃至第６の発明において、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れて設置されていてもよい（本願の第７の発明）。
【００４９】
本願の第１、３、４、５、６または７の発明において、前記高圧タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部分送入段落としてもよい。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明に係る蒸気タービンの実施の形態について説明する。同一部材には同一の符号を付けて重複した説明を省略する。
【００５１】
図１を参照して第１の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（１）」と「本願の第１の発明」に対応するものである。
【００５２】
図１に示す蒸気タービンは１００ＭＷ以上の定格出力を有し、一体ロータ材で形成されたタービンロータ２に高圧タービン３と、高圧タービン３の後段側に配列された低圧タービン５と、高圧タービン３と低圧タービン５の間に配列された中圧タービン４とが結合されている。高圧タービン３には主蒸気２０が供給される。主蒸気２０は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有する。
【００５３】
低圧タービン５はその最終段にタービン最終段動翼を有する。タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かである。
【００５４】
高圧タービン３と中圧タービン４と低圧タービン５とは一体のケーシング６に収納されている。
【００５５】
低圧タービン５のケーシング６の部分には、低圧タービン５から排出される排気蒸気を下方に排気するための下方排気形式の排気室１５が形成されている。排気室１５の中心後部には排気室コーン８が形成されている。排気室１５の背部は排気室後流側隔壁９によって構成されている。
【００５６】
タービンロータ２は、高圧タービン３の前段側で回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受１と、低圧タービン５の後段側で回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受１１とによって支持されている。高圧側ジャーナル軸受１は高圧軸受ハウジング２１内に収納されている。低圧側ジャーナル軸受１１は低圧軸受ハウジング２２内に収納されている。
【００５７】
高圧側ジャーナル軸受１は、基礎部１０上に高圧軸受ハウジング２１とともに設置されている。
【００５８】
低圧軸受ハウジング２２は、基礎部１２上に設置されている。ここで、基礎部１０と基礎部１２は、蒸気タービンや図示しない発電装置等が取り付けられる部分であり、基礎部１０と基礎部１２とは一体的に構成されている。基礎部１０と基礎部１２との間には窪み空間２３が形成されており、窪み空間２３にハウジング６や排気室１５等が配設されている。
【００５９】
基礎部１２上に設置された低圧軸受ハウジング２２は、図４や図１２に示す低圧軸受ハウジング２４と異なり、基礎部１２から高圧側ジャーナル軸受１側へはみだした部分２２ａを有する。低圧軸受ハウジング２２の部分２２ａは、排気室コーン８の下部外壁上に当接されている。
【００６０】
図１に示すように、低圧側ジャーナル軸受１１は低圧軸受ハウジング２２の部分２２ａ内の底部上に取り付けられており、低圧側ジャーナル軸受１１は基礎部１２から高圧側ジャーナル軸受１側へはみだした位置に設置されている。このために、高圧側ジャーナル軸受１と低圧側ジャーナル軸受１１との間隔である軸受スパンを短くすることができる。
【００６１】
上述の実施形態によれば、高圧側ジャーナル軸受１と低圧側ジャーナル軸受１１との間隔（軸受スパン）を縮小させることができ、これによってタービン軸系の剛性を確保し軸系の固有値の低下を防止して軸振動特性を良好に保ち、二次危険速度が回転速度に対して接近し離調が不十分又は合致することを防止することができ、これにより、性能悪化の要因となるタービンロータ２の径の増大を招くことなく、軸振動が小さく運転性が良好で高温高圧高出力化に対応したコンパクトな高低圧一体蒸気タービンを提供することができ、前述の「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化を図ることができる。
【００６２】
次に、図２を参照して第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（２）」と「本願の第２の発明」に対応するものである。
【００６３】
本実施形態における高低圧一体蒸気タービンは図１２に示される。本実施形態において、高圧タービン３は、高圧タービン３を構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落（例えば、図２において符号３６で示す段落）を部分送入段落として構成されている。ここで、部分挿入段落とは図２に表すように、その段落で環状に配設されている静翼からなる環状翼列の一部分である部分送入角（パーシャルアーク）の領域だけを蒸気が通過して動翼に流入するようにし、その段落の静翼のその他の領域は蒸気が流出しないように閉止した構成の段落のことを言う。
【００６４】
図１４に示すように、高低圧一体蒸気タービンの重量Ｗは前部軸受（高圧側ジャーナル軸受１）および後部軸受（低圧側ジャーナル軸受１１）で支持され、前部軸受荷重ＦＡと後部軸受荷重ＦＢとして分担される。ロータは各軸受からそれと同じ大きさの反力すなわち前部軸受反力ＲＡと後部軸受反力ＲＢを受ける。Ｇはロータの重心位置を示し、Ｗはロータの重量を示す。また、ａは重心Ｇから高圧側ジャーナル軸受１までの長さ（前方長さ）であり、ｂは重心Ｇから低圧側ジャーナル軸受１１までの長さ（後方長さ）である。
【００６５】
部分送入はロータに下向きの蒸気力が作用するように設定される。具体的には、図２に示すように、段落の蒸気出口側から見てロータの回転が時計周りの場合は３時位置付近の範囲が含まれるように又は６時から１２時位置の範囲の蒸気送入率よりも０時から６時位置の範囲の蒸気送入率が大きくなるように設定される。また、ロータの回転が反時計周りの場合は９時付近の範囲が含まれるように又は０時から６時位置の範囲の蒸気送入率よりも６時から１２時位置の範囲の蒸気送入率が大きくなるように設定される。
【００６６】
また、αを図２に示すように蒸気の部分送入角（パーシャルアーク）とするとき、他の実施例として、部分送入率（パーシャルアーク率）α／３６０を下流の段落ほど高めた段落構成としてもよい。
【００６７】
図１５は、前方長さａに対する荷重Ｆの関係を示す。ＦAは前側軸受荷重を示し、ＦBは後側軸受荷重を示し、実線は部分送入による蒸気負荷状態を示し、鎖線は全周送入による蒸気負荷状態を示し、ΔＦAは部分輸送による前側軸受荷重増分を示し、ΔＦBは部分輸送による後側軸受荷重増分を示す。
【００６８】
高圧第１段落から高圧最終段落までの高圧段落において少なくとも１段落以上に部分送入（パーシャルアーク）を採用することにより、図１５に示すように、前部軸受（高圧側ジャーナル軸受１）側のロータに下向きの蒸気力を付加することができ、従って、軸受安定性の高いコンパクトで高出力の高低圧一体蒸気タービンを提供することができる。
【００６９】
また、高圧第１段落から高圧最終段落までの高圧段落において少なくとも１段落以上に部分送入（パーシャルアーク）を採用することにより、次のような効果を奏することができる。
【００７０】
すなわち、タービン起動時などの極低負荷運転時には一般にケーシング上半の温度がケーシング下半の温度より高くなってケーシング下半に比べ上半の熱膨張が大きくなるために、ケーシング６が図１６に示すように上半側に凸になるような熱変形いわゆるケーシング６の猫背変形を生じ、その熱変形が過大でありかつ回転部と静止部との半径方向間隙の設定格度が小さい場合には、回転部である動翼あるいはロータが静止部と接触して大きな軸振動を引き起こすいわゆるラビングと称する事象が発生する可能性がある。このラビングの発生の確率を低減する目的で、性能を若干犠性にしてまでも回転部と静止部との間の間隙の最小値に制限を設けるなどの設計的な配慮が払われているのが一般である。ところで、下向きの蒸気力が発生するように設定された部分送入（パーシャルアーク）段落ではタービン下半部を流れる蒸気量が上半部分を流れる蒸気量よりも多くなる。従って下半部分の蒸気流速が速くなることからタービン下半ケーシング内面の熱伝達率が上半よりも大きくなり、その結果ケーシング下半メタルヘの熱流束が大きくなって下半ケーシングの温度の上昇が速やかになる。これはケーシング猫背変形を抑制する方向の現象であることから、前述のように、温度の高い高圧段落に部分送入（パーシャルアーク）を採用した構成とすることにより、タービン起動時などの極低負荷運転時に発生するケーシングの猫背変形を抑制することが可能になるという大きな効果が期待でき、蒸気タービンの健全性、性能および運転性の改善に大きく貢献することができる。
【００７１】
次に、図３等を参照して第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（３）」と「本願の第３の発明」に対応するものである。
【００７２】
本実施の形態においては、タービンロータ３は、高圧側ジャーナル軸受１と低圧側ジャーナル軸受１１との間隔である軸受スパンとして５７００ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有する。
【００７３】
図３において、ｎr：定格回転数、Ｒr：定格回転数離調幅、Ｒp：パージ回転数をｎr／３に設定した場合のパージ回転数離調幅、Ｃr1S：小径ロータ（中心部軸径５５０ｍｍ未満の従来のロータをいう。以下同様）の一次危険速度、Ｃr2S：小径ロータの二次危険速度、ＳAS：小径ロータの軸受スパン設定可能領域、ＳBS：小径ロータの軸受スパン設定不可能領域、ＳCS：小径ロータの軸受スパン設定が可能ではあるがパージ回転数をｎr／３より下に設定しなければならない領域（運転性劣）、ＳAL：大径ロータ（中心部軸径直径５５０ｍｍ以上の本発明のロータをいう。以下同様）の軸受スパン設定可能領域、ＳBL：大径ロータの軸受スパン設定不可能領域、ＳCL：大径ロータの軸受スパン設定が可能ではあるがパージ回転数をｎr／３より下に設定しなければならない領域（運転性劣）、ＳDL：大径ロータの軸受スパン設定可能領域である。また、添字Ｓは例えば中心部軸径５００ｍｍの従来のロータを指し、添字Ｌは例えば中心部軸径５５０ｍｍの本発明のロータを指す。また、符号２１８は従来手法の小径ロータにおける一次危険速度設定例を示し、符号２１９は本発明の大径ロータにおける一次危険速度設定例を示し、符号２２０は従来手法の小径ロータにおけるに次危険速度設定例を示し、符号２２１は本発明の大径ロータにおけるに次危険速度設定例を示す。
【００７４】
高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト中央部の最小軸径が従来実績と同様に５００ｍｍ程度の場合、軸受スパンを５７００ｍｍ以上とすることによって二次危険速度を定格回転速度の下側で離調することが可能となるが、既述の如く一次危険速度が、定格回転速度の１／３に設定されるのが常であるところのパージ回転速度に近接または合致する恐れが大きく、その回避のためにパージ回転速度の低速化を余儀なくされてタービン起動特性の大幅な悪化を招くことが予想されるという課題があった。
【００７５】
これに対し、図３に示すように、高低圧一体蒸気タービンの軸受スパンを５７００ｍｍ以上とし、かつ、ロータシャフト中央部の最小軸径を５５０ｍｍ以上に太くするという構成により、定格回転速度に対して二次危険速度の離調を確保して軸振動の増大を抑制し、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能になってタービン起動特性の悪化を防止した高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンとすることができる。
【００７６】
本実施の形態によれば、高低圧一体蒸気タービンの軸受スパンを５７００ｍｍ以上とし、かつ、ロータ中央部の最小軸径を太くして５５０ｍｍ以上にするという構成にしたので、図３に示すように、定格回転速度に対して二次危険速度の離調を確保されて良好な振動特性を有し軸振動の増大が抑制され、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高く設定することが可能となりタービン起動特性の悪化を防止することができるという大きな効果が発揮できる。このように、二次危険速度を離調することが可能になって、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能になったので、タービン起動特性の悪化を防止するという、蒸気タービンの運転において極めて重要な振動特性と起動特性の２つの要求事項を同時に達成することが可能になり、前述の「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化において特筆すべき効果を発揮することができる。
【００７７】
次に、図４乃至図６を参照して第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（４）」と「本願の第４の発明」に対応するものである。
【００７８】
本実施の形態では、排気室１５の後部を形成するコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すように単一の円弧で表される形状か、または、図５に示すように一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表されるか、または、図６に示すように隣り合う直線の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表されるかのいずれかである。ここで、排気室内壁コーンの隣り合う面同士がなす角度φιまたはθιが小さすぎるとその角部で流れの剥離が生じて排気損失を増大させるので、φιまたはθιは剥離による損失を小さくするよう１４０度以上の角度として設定されている。図５において、ｃは直線部分の長さを表し、ｄは曲線部分の長さを表す。
【００７９】
従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必要あった。
【００８０】
それに対し、本実施の形態によれば、排気性能において、従来のコーン形状が円錐状で排気室軸長が長い排気室と同等のレベルを保ったまま排気室軸長を大幅に短縮することが可能になり、排気室コーン部８を曲面または曲面を模擬した形状とすることにより排気流をスムーズにし軸方向距離を短縮しタービンの軸受スパンを短縮したので、排気性能を悪化させることなく、かつ、軸系の必要な剛性が確保され危険速度の低下を招くことがなく離調が確保されて通常の運転では大きな軸振動が発生することのない、運転性に優れた高温高圧高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供することができる。
【００８１】
次に、図８を参照して第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（５）」と「本願の第５の発明」に対応するものである。
【００８２】
本実施の形態では、前述の第４の実施の形態における内容、すなわち、排気室１５の後部を形成するコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すように単一の円弧で表される形状か、または、図５に示すように一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表されるか、または、図６に示すように隣り合う直線の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表されるかのいずれかである、という内容を前提にし、さらに、図８に示すように、次の内容、すなわち、タービン最終段動翼４７の中心位置からコーン部９の後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄとの比Ｌ/Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にある、という内容を備えている。図８に示す例では、比Ｌ/Ｄは０．４である。
【００８３】
なお、排気室上半の後流隔壁が図１８のように傾斜している場合は図１８の下半側での軸長を採るというように、排気室軸長Ｌはその排気室の最大の排気室軸長をもって定義するものとする。
【００８４】
図１９に、排気室コーン部８を図５に示すような曲面としＬ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲に限定した本実施の形態に係る曲面排気室の排気性能と、排気室コーン部が円錐状で従来型のＬ／Ｄが０．５以上の図１７に示す従来の排気室の排気性能の比較の実験結果の一例を示す。ここで、ＺAは、排気室コーン部が円錐状である従来の排気室の排気性能を示す排気損失カーブであり、ＺBは、排気室コーン部８を図５に示すような曲面とした曲面排気室の排気性能を示す排気損失カーブであり、ζ／ζoは排気損失比を示す。
【００８５】
図１９からわかるように、ＺBで示す曲面排気室のＬ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲に設定することにより、従来のＬ／Ｄが０．５以上の円錐状の排気室と同等もしくはそれ以上の排気性能を有する高低圧一体蒸気タービンを提供することができる。具体的には排気室コーン部分を曲面または曲面を模擬した形状とすることにより排気流をスムーズにして軸方向距離を短縮する。特に、排気室形状は排気室内壁コーンの縦断面の形状が一つの円弧で表される曲面排気室、または一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表される曲面排気室、または隣り合う直線の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表される擬似曲面排気室とし、かつ、排気室の軸長Ｌが低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼先端径Ｄに対しＬ／Ｄが０．３２から０．４８の範囲にあることにより排気流をスムーズにし従来と同等の排気性能を確保しつつ軸方向距離を短縮してタービンの軸受スパンを短縮したことから、危険速度の大幅な低下を招くことがなく従って大きな軸振動が発生することのない、性能と運転性に優れた高圧高温高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンを提供することができる。
【００８６】
次に、図７を参照して第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、「課題（６）」と「本願の第６の発明」に対応するものである。
【００８７】
本実施の形態では、前述の第４の実施の形態における内容、すなわち、排気室１５の後部を形成するコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すように単一の円弧で表される形状か、または、図５に示すように一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表されるか、または、図６に示すように隣り合う直線の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表されるかのいずれかである、という内容を前提にし、さらに、図７に示すように、次の内容、すなわち、コーン部８の内壁の縦断面形状を形成する少なくとも一つの円弧は、タービン最終段動翼４７の翼長ＬBの０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径Ｒを有するか、または、４５度以上の中心角β（図７に示す例では、中心角β＝６０度）を有する。これにより、軸受スパンを短くする対策を講じることにより軸系の剛性を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保することができる。
【００８８】
すなわち、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンにおいて、排気室コーンを曲面形状または曲面を模擬した形状の排気室として、排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長ＬBの０．９倍から１．８倍の範囲に設定するか、または、排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室を構成することにより排気流をスムーズに流出させて排気損失の増大を防止し、排気室コーン形状が直線的な円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型排気室の良好な排気性能と同等もしくはそれ以上の性能の確保と排気室の軸方向距離の短縮を図り、その結果、軸受スパンが短縮されて二次危険速度が十分に離調され軸振動が低レベルに抑制された高低圧一体蒸気タービンを実用化することができる。
【００８９】
従来の円錐形の排気室コーン（図１７等）に比べ、排気室コーンに曲率を設けて曲面排気室とし排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長の０．９倍から１．８倍の範囲に設定するかまたは排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室（図７）を構成することにより、排気性能を維持したまま良好な振動特性を確保することが可能であり、この曲面排気室を高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンに適用することにより高圧及び出力大による軸受けスパンの増加を抑制し、危険速度の低下を防止することができる。
【００９０】
従って、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンにおいて、排気流をスムーズ排出して排気損失の増大を防止し、かつ、排気室コーン形状が円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型排気室の良好な排気性能と同等またはそれ以上の排気性能を確保したまま排気室の軸方向距離が短縮され、この結果、ロータの軸受スパンを短縮し軸系の剛性を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保できるという高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にとって絶大で決定的な効果を発揮することができる。
【００９１】
このように、排気室コーンの縦断面が曲線形状または曲線を模擬した形状の曲面排気室として、かつ、排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長の０．９倍から１．８倍の範囲に設定するかまたは排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーする構造の排気室として構成したので、排気性能を維持したまま高圧及び出力大による軸受けスパンの増加を抑制して危険速度の低下を防止した高圧高温高出力のコンパクトな高低圧一体タービンを提供できる。
【００９２】
なお、上述した種々の本発明の実施の形態を組み合わせることも可能である。例えば、図９は、本発明の第１の実施の形態と本発明の第４、５または６の実施の形態を組み合わせた実施の形態を示す図である。
【００９３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の構成によれば、「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる蒸気タービンの第１の実施形態を示す断面図。
【図２】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態を説明する説明図。
【図３】本発明に係わる蒸気タービンの第３の実施形態を説明するグラフ。
【図４】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態の一例を示す断面図。
【図５】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態の他の例を示す断面図。
【図６】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態のさらに他の例を示す断面図。
【図７】本発明に係わる蒸気タービンの第６の実施形態を示す断面図。
【図８】本発明に係わる蒸気タービンの第５の実施形態の一例を示す断面図。
【図９】本発明に係わる蒸気タービンの第１の実施形態と第４、５または６の実施の形態を組み合わせた実施の形態例を示す断面図。
【図１０】軸受スパンと回転数の関係を一般的に説明する図。
【図１１】従来の蒸気タービンを示す断面図。
【図１２】「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」を備える高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンを示す断面図。
【図１３】従来の蒸気タービンを示す断面図。
【図１４】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態に係る課題等を説明するための図。
【図１５】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態に係る効果等を説明するための図。
【図１６】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態に係る課題等を説明するための図であり、ケーシングの上半側が凸になるような熱変形し猫背変形を生じた例を示す図。
【図１７】排気室コーン部が円錐状でＬ／Ｄが０．５以上の従来の排気室を示す断面図。
【図１８】排気室上半の後流隔壁が傾斜している場合における排気室軸長Ｌの定義を説明する図。
【図１９】本発明に係わる蒸気タービンの第５の実施形態に係る効果等を説明するための図。
【符号の説明】
１ 高圧側ジャーナル軸受（前部軸受）
２ タービンロータ
３ 高圧タービン
４ 中圧タービン
５ 低圧タービン
６ ケーシング
９ 排気室後流側隔壁
１０ 基礎部
１１ 底圧側ジャーナル軸受（後部軸受）
１２ 基礎部
１５ 排気室
２０ 主蒸気
２１ 高圧軸受ハウジング
２２ 低圧軸受ハウジング
２４ 低圧軸受ハウジング
４７ タービン最終段動翼
Claims (6)
- 主蒸気が供給される高圧タービンと、
前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、
前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で形成されたタービンロータと、
前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、
前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室と、
前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、
前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、
前記主蒸気は、１００kg/cｍ2 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有し、
１００ＭＷ以上の定格出力を有し、
前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、
前記高圧タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部分送入段落としてなり、
前記部分送入段落の部分送入角を、前記ロータに下向きの蒸気力を作用させるように設定した
ことを特徴とする蒸気タービン。 - 請求項１に記載の蒸気タービンにおいて、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れて設置されている
ことを特徴とする蒸気タービン。 - 請求項１または２に記載の蒸気タービンにおいて、前記タービンロータは、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受との間隔である軸受スパンとして５７００ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有する
ことを特徴とする蒸気タービン。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載の蒸気タービンにおいて、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状である
ことを特徴とした蒸気タービン。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載の蒸気タービンにおいて、前記タービン最終段動翼の中心位置から前記コーン部の後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄとの比Ｌ／Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にある
ことを特徴とした蒸気タービン。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の蒸気タービンにおいて、前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状を形成する少なくとも
一つの円弧は、前記タービン最終段動翼の翼長の０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径を有するか、または、４５度以上の中心角を有する
ことを特徴とした蒸気タービン。
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