JP3815143B2

JP3815143B2 - 蒸気タービン

Info

Publication number: JP3815143B2
Application number: JP26816099A
Authority: JP
Inventors: 裕史川瀬; 武佐藤; 義昭山崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JP2001090506A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンの蒸気流路に配置される静翼を備えた蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大容量の蒸気タービンにおいては、低圧部での圧力変化に対する流体の容積変化が大きいことから、一般には蒸気流路は急激な拡大流路となる。このような拡大流路に設けられるタービン段落は、流路に合致した静翼と動翼とから構成されなければならないが、これらの翼を通過する蒸気（膨張流体）は三次元の流れとなり、非常に複雑な流れとなる。さらに、低圧段落後半部においては、ノズルの役目をなす静翼を通過して膨張する蒸気中にドレンが発生するが、このドレンによる湿り損失は各段落における全内部損失の約３０％を占めており、効率低下の大きな原因となっている。また、静翼後縁から下流側へ向かって飛散するドレンは動翼先端部分の侵食（エロージョン）の原因ともなる。以上のことから、湿り損失の低減を図ることはタービン効率向上の大きな要素となる。
【０００３】
以上のような環状をなしている拡大流路における膨張流体の流動状況の改善および拡大流路内部で発生するドレンの除去についての検討は従来より種々なされている。
【０００４】
拡大流路における膨張流体の流動状況の改善については、特開平7−19004号公報に記載されているように、環状をなしている拡大流路において、静翼１の翼先端部を半径方向線に対して回転方向側（＋側）に傾斜または湾曲させ、かつタービンの軸方向に対しても静翼と動翼との軸方向間隔を径方向の内側より外側の方が大きくなるように傾斜または湾曲させて配置させたものがある。
【０００５】
また、拡大流路内部にて発生するドレンの除去については、特開平6−173607号公報に記載されているように、静翼翼面上にスリットを設け、中空とした静翼内部を経由して流路外部へとドレンを除去するものや、特開平6−123202号公報,特開平8−61006号公報に記載されているように、静翼と流路外周壁との接合部または静翼翼間の外周壁上においてドレンガイド溝やドレン捕獲孔を穿設したものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような段落装置およびドレン除去装置は、蒸気タービンの低圧段落における効率の向上および動翼先端部のエロージョン防止にはある程度の効果を発揮することが判明している。
【０００７】
しかし、特開平7−19004号公報に記載されている段落装置については、拡大流路内であっても蒸気の三次元流れを適正化し、流体損失を低減させてタービン効率を向上させることを目的とするものであるが、ドレンの発生による湿り損失および下流側に位置する動翼に対するエロージョンを低減させることは考慮されていない。
【０００８】
また、静翼翼表面上にドレン除去スリットを設けたドレン除去装置や、静翼と流路外周壁との接合部または静翼翼間の外周壁上においてドレンガイド溝やドレン捕獲孔を穿設したドレン除去装置については、静翼翼表面上および外周壁上を流れるドレンの除去についてのみ考慮されており、外周壁に付着するドレン量を増加させるような段落構造や、外周壁に付着しない流路内周側の蒸気流動を含めたドレン除去方法、および静翼根元部にドレン回収溝・スリット等を設けた構造等は考慮されていない。
【０００９】
本発明は、蒸気中に生じるドレンを静翼において効率よく捕獲し、ドレンを排除することにより、湿り損失によるタービン性能の低下と下流側に位置する動翼先端の浸食を低減できる蒸気タービンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の蒸気タービンは、膨張流体が通過する拡大流路を有するケーシングと、前記拡大流路の壁部に固定保持され、径方向に延びて配置されている静翼と、該静翼の下流側に配置され、回転軸とともに回転する動翼とを備えた蒸気タービンにおいて、前記静翼を回転軸の回転方向に傾斜させて配置するとともに、該静翼と前記動翼との軸方向間隔を径方向内側より外側の方が大きくなるように形成させ、該静翼の下流側外周壁上に設けられたドレン捕獲装置と、該静翼根元部及び先端部における入口部腹側翼面上及び出口部背側翼面上に設けられたドレン捕獲溝と、該静翼の外周部及び内周部に設けられ前記ドレン捕獲溝に連通するドレン補集室とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図示した実施例に基づいて本発明の詳細を説明する。図１３には本発明の要部が示されている。
【００１４】
蒸気タービンは、主としてタービンのケーシング２０と回転体２１とにより形成されており、この回転体２１はタービン軸２２と、このタービン軸２２にその根元端が固定され、タービン軸２２とともに回転する動翼２とを備えている。
【００１５】
静翼１は、前記動翼２の蒸気の流れ方向上流側に配置され、前記ケーシング
２０に支持されている。この静翼１および動翼２は、ケーシング２０とタービン軸２２の間に形成された拡大流通路２３内に配置される。
【００１６】
この構成において、ケーシング２０の内部に供給された蒸気は、図中中央部から両端部へ向かって拡大流通路２３を膨張しながら流れ、静翼１を通過噴出される蒸気により動翼２が作動され、回転体２１を回転させるように構成されている。
【００１７】
図１には、この静翼１，動翼２からなる段落装置の上半部分の詳細が示されている。この段落部には、ケーシング２０に保持され、内壁面に傾斜角θを有する外輪３と、静翼１を保持している内輪４とがあり、この外輪３と内輪４とで拡大流通路２３が形成されている。また、この拡大流通路２３の外周壁面上の動翼２前縁部直前にはドレン捕獲装置５が形成されている。
【００１８】
この拡大流通路内に配置されている静翼１は、タービン軸２２まわりに放射状に複数本配置されている。この静翼１は、拡大流通路を形成している外輪３と内輪４との両者にその両端部で保持されている。即ち、外輪３は、静翼１の先端を固定し、内輪４は、静翼１の根元端を固定する。径方向直立線ｒに対して軸方向の上流側に後縁１ａが角度ε傾斜して配置されている。さらに、静翼１の翼面上には外周および内周壁側において静翼前縁部腹側（凹面側）にドレン排出溝７が穿設されており、静翼後縁部背側（凸面側）においても同じようにドレン排出溝８が穿設されている。尚、静翼１の後縁１ａとは、静翼１のうち蒸気の流れの下流端をいい、静翼１の前縁とは、静翼１のうち蒸気の流れの上流端をいう。
【００１９】
また、静翼１の下流側には動翼２が回転ディスク６に植えられているわけであるが、この動翼２の前縁２ａと静翼１の後縁１ａとの軸方向距離δが、根元側から先端側に向かって、すなわち径方向内側から外側に向かって次第に大きくなるよう（δｔ＞δｒ）に配置されている。
【００２０】
さらに、この静翼１は周方向にも傾斜して配置されている。図２はその傾斜状態を明らかにするために蒸気の流れに対して下流側から見た図で、静翼１は、翼長中央で径方向直立線ｒに対して軸の回転方向（矢印３１）側に後縁１ａが角度φ傾斜して配置されている。
【００２１】
このように静翼１は、周方向および軸方向に傾斜して外輪３および内輪４に保持されているわけであるが、この傾斜角φは、一般的な蒸気タービンでは外輪３の広がり角θによって異なるものの、翼長の中央でφ＝５°〜２０°になるように形成するのがよく、εはε＝３°〜１０°と周方向傾斜角の約１／２に設定すると良好な流れを得ることができる。
【００２２】
また、拡大流通路外周壁上の動翼２前縁部の直前にはドレン捕獲装置５が開口形成されており、静翼１の翼面上には外周および内周壁側において静翼前縁部腹側にドレン排出溝７が、静翼後縁部背側においても同じようにドレン排出溝８が穿設されている。ドレン排出溝７及びドレン排出溝８は何れも静翼１の略翼長方向に形成されている。ドレン排出溝７の内周側における静翼１と内輪４との固定部にはドレン補集装置９が、ドレン排出溝８の外周側における静翼１と外輪３との固定部にはドレン補集装置１０が形成されており、ドレン補集装置９，１０には流路外周および内周側にリング状に形成されたドレン補集室１１および１２に連通するドレン通路が形成されており、ドレン排出溝７，８で捕獲されたドレンはこの通路を通じてドレン補集室１１，１２へと導かれる。
【００２３】
さらに、流路内周側のドレン補集室１２に回収されたドレンは図３に示すように、タービン軸周りに放射状に配置された静翼１の最も下に位置する１本の内部に形成されたドレン通路１３を通じて流路外周側ドレン補集室１１へ回収される。この場合、最下部に位置する静翼１にドレン通路を設けた方が差圧に加えて重力の効果も得られるので高いドレン排出効果が得られる。このドレン通路は静翼断面図で示すと図１５に示すようになるが、ドレン通路１３は複数設けても一つでもその効果が得られるだけの断面積を有していればよい。
【００２４】
これらのドレン捕獲装置は開口表面より圧力が低い復水器（図示せず）等の低圧部に直接または間接的に連通しており、静翼１下流側の拡大流通路上を流れるドレンおよび翼表面上根元および先端側を流れるドレンはこれらドレン捕獲装置によって吸い込まれ、流路外部に排出される。流路外部へのドレン排出方法の具体例としては、図３に示すようにドレン捕獲装置５と外周側ドレン補集室１１とを連結させ、流路外周側ドレン捕集室１１の最下部において復水器と連通するドレン排出孔１４を設けることによりドレンを復水器へと排出する方法がある。他にもドレン捕獲装置５および外周側ドレン補集室１１から別々にドレンを復水器へと排出する方法がある。いずれの場合においても、復水器側はドレン捕獲装置５およびドレン補集室１１よりも圧力が低い状態となっているため、それぞれの圧力差からドレンはドレン排出孔１４を通じて復水器へと排出されることになる。
【００２５】
図４は図１および図３中のＣ−Ｃ断面において流れ方向より下流側から見た断面図であるが、この図に示す通りリング状の内周側ドレン補集室１１に補集されたドレンは最下部に位置する静翼内に設けられたドレン通路１３を通じて外周側ドレン補集室１２へと導かれ、ドレン排出孔１４より復水器へと排出されることになる。
【００２６】
また、ドレン排出装置は図１に示すようなもののみならず、図１１に示すように静翼１の下流側の外周壁一面に溝を形成させ、その溝内にドレン排出孔を穿設したものや、図１２に示すように静翼１の下流側の外周壁に複数の溝とドレン排出孔を形成させたものでもよい。さらに、図１４に示すようにドレン排出溝７は静翼外周および内周壁側における静翼前縁部腹側に、ドレン排出溝８は静翼外周および内周壁側における後縁部背側に穿設されている。
【００２７】
ここで、図９は図８に示す従来の静翼構造における流体の流動状況を流線で図示したものであるが、この場合では静翼１の先端部側（図中上側）に低流量部分（Ａ１部）が発生し外輪３の広がり形状に沿わない流れとなってしまい、動翼先端部に急激な三次元流れが発生する。このような部分には、渦が発生する場合もあり、蒸気中のドレンを効率よく外周壁面上に付着させることは困難となる。
【００２８】
図１０は静翼を周方向及び軸方向に傾斜させて配置させた静翼構造における流体の流動状況を流線で図示したものであるが、この場合においては、外周壁側に向かうにしたがって静翼と動翼の軸方向距離（間隙）を広くすることにより、静翼から流出する旋回流れによる遠心力の効果によって、内向き流れから拡大壁に沿った外向き流れにスムースに変えることができ、前述したような動翼先端部の急激な三次元流れの発生を抑えることができる。
【００２９】
一方、蒸気中の湿り度の翼長方向に対する分布を示したものが図５であるが、この図に示すように翼中央から先端部分にかけてドレンが集中していることが分かる。そのため、静翼１の先端を起点にして径方向内側に向かってより広範囲にわたって、流出するドレンを外周壁に付着させることができれば、蒸気中のドレンをより多量に排除することができ、タービン段落効率を向上させることができる。
【００３０】
前述のような流れ場において、蒸気流中の湿り分である水滴の挙動を説明すると以下のようになる。図６（ａ）において、図１の静翼１をタービン軸に直角である半径方向の外周側から見た状況を示したのが静翼１′であり、静翼１′の出口流れは、タービン軸方向の周方向より角度αだけ軸方向に向かって流出する。したがって、静翼の出口ではタービン軸方向の速度成分よりもはるかに大きな周方向速度成分（旋回成分）のある状態になっている。水滴は、この旋回成分による遠心力の作用を受けることになり、この結果として、水滴の軌跡は図６（ｂ）に示す同心円状（３２）ではなく、タービンの外周側へ向かう（３３）のような軌跡になり、外周壁に付着することになる。これを静翼出口端と動翼入口端との距離δとの関係で示すと、図６において静翼の長さＬの点ｂから流出した水滴が静翼出口端と動翼入口端との距離δの位置で外周壁に付着することになる。これから明らかなように、点ｂから先端側の範囲Ｂにおける水滴は距離δを移動する以前に外周壁に付着する。このような水滴の外周壁に付着する静翼翼長方向の範囲Ｂとの関係を示したのが図７である。この図から明らかなように、静翼出口端と動翼入口端との距離δが大きいほど、先端からの範囲Ｂが広くなり、図５に示す翼長方向の湿り度分布の多くの部分を外周壁に付着させて捕獲できることになる。
【００３１】
したがって、静翼１の後縁部１ａが軸方向上流側へ角度εで傾斜している静翼であれば、静翼後縁部１ａから流出するドレンは傾斜させない従来の静翼と比べて上流側から流出することになり、翼先端部から翼根元側に向かってより広範囲の部分のドレンを外周壁に付着させることができる。さらに、このような形状に配置された静翼であれば、静翼後縁部１ａから下流側においてドレンが付着する外周壁部の面積を大きくすることができ、より多量のドレンを排除することが可能となる。これらのドレンは外周壁面上に付着し流れるので、ドレン排出装置は外周壁上の動翼前縁部２ａの直前に設置することで効率よくドレンを排除できる。
【００３２】
また、流路中央部の内周側にて発生するドレンは外周壁に付着するには至らず、次の段落へ持ち越されるが、前述した効果によって外周側に移動する。対して、内周壁近傍にて発生するドレンは図９の流線の形状および静翼出口端と動翼入口端との距離が小さくなっていることからあまり流路外周側には移動しない。以上のことから流路内周側に発生し、前述した構造を持つ段落装置によっても排出できずに次の段落に流入するドレンは、流路中央部よりのものは外周側に移動し、内周壁付近のものはあまり移動せずに流入することになる。
【００３３】
しかし、このように排出できずに次の段落に流入するドレンは、段落の入口である静翼１の先端部分の外周および内周壁側にドレン排出溝７を穿設することによって取り除くことができる。このドレン排出溝７は、前段落の動翼後縁部から流出する蒸気中のドレンが次段落の静翼前縁部の腹側に比較的集中することから、静翼の腹側に穿設することで排出効果を高めることができる。また、静翼の表面にドレン排出溝７又はドレン排出溝８を形成するため、静翼内を中空にして表面から蒸気を吸い込む場合に比較して、静翼の構造が簡単で、かつ、製造が容易である。
【００３４】
また、静翼後縁部においても同様にドレン排出溝８を穿設することで、静翼１を膨張しながら通過する蒸気中に生じ、静翼表面上を流れるドレンを排出することができる。静翼後縁部においてはドレンは静翼背側に集中することから、この部分においてはドレン排出溝８は背側に穿設したほうが良く、排出効果を考えるとドレン排出溝７と同様に外周および内周壁側に設けるのが良い。
【００３５】
本実施例によれば、蒸気中にドレンが生じる蒸気タービン低圧部の拡大流通路内に配置される静翼を、回転方向に傾斜させて配置するとともに、静翼と動翼の軸方向距離を根元部から先端部に向かうにつれて大きくなるように形成し、外周壁の動翼前縁部直前部分にドレン排出装置を設けたことで、この拡大流通路内の三次元流れを適正化させて静翼下流側の外周壁に付着するドレン量を増加させることができる。また、段落の入口に当たる静翼前縁部において、ドレンが集中しやすい腹側部にドレン排出溝を設けること、静翼流路部で発生するドレンが集中する静翼後縁部にもドレン排出溝を設けることでドレン排出効果を高めることができる。さらに、水滴による動翼先端へのエロージョンについても低減させることができ、このことがタービン内部に発生する湿り損失を低減させることにつながり、高効率の蒸気タービンの段落装置を得ることができる。
【００３６】
さらに、ドレン排出溝７の形状は、静翼の先端側（外周側）から根元側（内周側）へ向かうに伴い、下流側へ傾斜しているのが好ましい。これにより、静翼表面のドレンを、蒸気の流れを利用して、効率よくドレン補集装置へ導くことができる。また、内周壁近傍で蒸気の流れが乱れやすいため、ドレン排出溝７の形状は、静翼の先端側（外周側）から根元側（内周側）へ向かうに伴い、ドレン排出溝７の深さを小さく、又は凹凸部の大きさを小さくするのが好ましい。これにより、ドレン排出溝７の形成に起因する内周壁近傍での蒸気の流れの乱れの増加を抑制することができる。
【００３７】
尚、以上の説明では、静翼１を傾斜させるにあたり、周方向にも軸方向にも直線的に傾斜するよう説明してきたが、常にこのように形成しなければならないわけでなく、周方向または軸方向のどちらか一方を曲線的に傾斜させ、他の一方を直線的に傾斜させたり、周方向および軸方向ともに曲線的に傾斜させてもよい。以上で述べた段落装置において、湿り損失の低減による段落効率の向上量は従来の段落装置と比較して平均値で約１％改善されることが明らかとなっている。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、静翼の根元部に形成した溝により、蒸気中に生じるドレンを静翼において効率よく捕獲し、ドレンを排除するため、湿り損失によるタービン性能の低下と下流側に位置する動翼先端の浸食を低減できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸気タービンの段落装置の縦断側面図。
【図２】本発明の静翼の正面図。
【図３】本発明の蒸気タービンの最下部に位置する静翼の縦断側面図。
【図４】図１，図３におけるＣ−Ｃ断面での断面図。
【図５】本発明の蒸気タービンの静翼出口部における翼長方向の湿り度分布を示す特性図。
【図６】本発明の蒸気タービンの段落装置を下流側から見た正面図及び静翼翼列の投影図。
【図７】静翼後縁・動翼前縁間距離と静翼先端からのドレン付着範囲との関係を示す特性図。
【図８】従来の蒸気タービンの段落装置の縦断側面図。
【図９】従来の蒸気タービンの段落装置における作動流体の流動状況を示す縦断側面図。
【図１０】本発明の蒸気タービンの段落装置における作動流体の流動状況を示す縦断側面図。
【図１１】本発明の蒸気タービンの他のドレン排出装置の断側面図。
【図１２】本発明の蒸気タービンの他のドレン排出装置の断側面図。
【図１３】本発明の蒸気タービンの縦断側面図。
【図１４】本発明の静翼のドレン排出溝を示す断面図。
【図１５】本発明の蒸気タービンの最下部の静翼の断面図。
【符号の説明】
１…静翼、２…動翼、３…外輪、４…内輪、５…ドレン捕獲装置、６…回転ディスク、７，８…ドレン排出溝、９，１０…ドレン補集装置、１１，１２…ドレン補集室、１３…ドレン通路、１４…ドレン排出孔、２０…ケーシング、２１…回転体、２２…タービン軸、２３…拡大流通路、φ…周方向傾斜角、ε…軸方向傾斜角。

Claims

膨張流体が通過する拡大流路を有するケーシングと、前記拡大流路の壁部に固定保持され、径方向に延びて配置されている静翼と、該静翼の下流側に配置され、回転軸とともに回転する動翼とを備えた蒸気タービンにおいて、前記静翼を回転軸の回転方向に傾斜させて配置するとともに、該静翼と前記動翼との軸方向間隔を径方向内側より外側の方が大きくなるように形成させ、該静翼の下流側外周壁上に設けられたドレン捕獲装置と、該静翼根元部及び先端部における入口部腹側翼面上及び出口部背側翼面上に設けられたドレン捕獲溝と、該静翼の外周部及び内周部に設けられ前記ドレン捕獲溝に連通するドレン補集室とを備えたことを特徴とする蒸気タービン。