JP4249903B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、回転中心線に沿って蒸気入口室から排気室迄延びている流れ通路を備え、この流れ通路が排気室に向かってある出口開口直径を持つ出口開口迄広がっている蒸気タービンに関する。
【０００２】
蒸気タービンは通常発電機を駆動するため並びに高温蒸気を発生するための原動所に、あるいは作業機械を駆動するための工業設備に採用されている。そのため、蒸気タービンには流れ媒体として作用する蒸気が導入され、この蒸気は仕事をしながら膨張する。この蒸気は完全に膨張した後、蒸気タービンの排気室を通って後置接続された復水器に流入し、そこで凝縮する。その排気室は軸方向あるいは半径方向に貫流される。電気エネルギを発生する原動所においては、通常流体的に相互に接続されている高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービンおよび低圧蒸気タービンを有する蒸気タービン設備が設けられている。その低圧蒸気タービンにおいて膨張した蒸気は復水器に導入され、この中で凝縮する。そのような蒸気タービン設備の効率は多数のパラメータで決定され、特にその効率は蒸気タービン設備で生ずる流れ抵抗によって制限される。
【０００３】
ヨーロッパ特許出願公開第０３４５７００号明細書において、蒸気流の渦および剥離によるエネルギ損失を減少するための流体機械、特に蒸気タービンの排気室が提案されている。この排気室は断面円形のディフューザを有し、その広がり側端に２つの別個の排出路が接続されている。排気室背面壁で境界付けられた後部排出路は、機械長手軸線に対して直角に真っ直ぐ延びている。前部排出路はディフューザ内において流れ方向と逆向きに延びる湾曲部を介して案内され、後部排出路に対して平行に下向きに延びている。これらの両排出路は隔壁によって互いに分離されている。後部排出路内においてディフューザの下縁に流路の全幅にわたって延びる後部傾斜壁が配置され、この後部傾斜壁はディフューザから隔壁迄達している。このヨーロッパ特許出願公開第０３４５７００号明細書における排気室の場合、蒸気タービンから流出する蒸気は２つの部分流に分割され、両部分流は隔壁によって互いに分離され、互いに無関係に復水器に導かれる。
【０００４】
本発明の課題は、流れ損失が僅かな蒸気タービンを提供することにある。
【０００５】
この課題は本発明に基づいて、回転中心線に沿って蒸気入口室から排気室迄延びている流れ通路を備え、この流れ通路が排気室に向かってある出口開口直径を持つ出口開口迄広がっている蒸気タービンにおいて、出口開口にここから流出する蒸気に対する流れ案内要素が付属して設けられ、この流れ案内要素が、蒸気が流れ案内要素の両側を案内され流れ案内要素の下流で蒸気の混合が行われるように、一方では出口開口の出口開口直径を超えて広がり、他方では流出方向に沿って排気室内迄延びており、さらに、前記流れ案内要素が流出方向に沿って広がっているかほぼ一定した幅を有することによって解決される。
【０００６】
この場合本発明は、拡張流れ通路（軸流・半径流ディフューザ）の出口開口に、もっと下流の、特に復水器の流入平面（復水器喉部）における平均静面圧よりも大きな平均静面圧が存在しているという認識から出発している。これによって大きな圧力損失が存在し、これは特に渦によりひき起こされる流れの強い渦巻きによって生ずる。そのような渦は、蒸気が出口開口から、一方では半径方向下向きに、他方では半径方向上向きに転向され、半径方向上向きに転向された蒸気がもう一度下向きに転向され、最初の既に下向きに転向された蒸気と合流することによって生ずる。まず上向きに転向された蒸気は２つの蒸気流に分けられ、これらの蒸気部分流はそれぞれ下向きに流れ、渦を巻いて流れて渦巻を形成する。この渦巻の原点は、流れ通路を包囲する内部車室の上側に位置している。
【０００７】
両側が流出蒸気で洗流される流れ案内要素は、好適には流出方向において排気室内に部分的にしか延びていない。これによって、流れ案内要素の下流において復水器の流入平面迄混合領域が残存するので、蒸気全体の十分な混合および均一化が達成される。従って復水器の流入平面に、復水器の小さな負荷を保証する一様な流入状態が存在する。
【０００８】
出口開口に付属された流れ案内要素によって、特に直接下向きに流出する蒸気と、上から転向された蒸気との混合範囲における質量流量密度分布を均一化し、渦度を減少することができる。これによって、蒸気が出口開口から排気室に流出する際の圧力損失が減少され、従って蒸気タービンの効率が高められる。例えば出口開口と、復水器の流入平面との間に形成される流出範囲において、流れ案内要素の下流で初めて蒸気流の混合が達成される。この混合は復水器の流入平面迄蒸気流を均一化し、これによって復水器への流入が一様になり、特に復水器冷却板の負荷が一様になる。これに伴い異なった流速の蒸気部分流（蒸気ジェット）が混合されないことより、復水器における液滴衝撃荷重および負荷の増大は減少される。従って、排気室において出口開口との接続部のすぐ近くにおいて、上向きに流出する蒸気と、下向きに流出する蒸気との混合が少なくともかなり減少され、同時に流れ案内要素の下流で流出する蒸気流全体の均一化が達成され、これにより排気室内において流れ案内要素の下流で、例えば別個の流出路の場合に生ずるような摩擦損失の減少が達成される。
【０００９】
流れ案内要素は、好適には流出方向に沿って一定幅で延びているか、あるいは流出方向に沿って回転中心線からの距離が増大するにつれて広がっている。流れ案内要素が一定幅を有していることによりあるいは回転中心線からの距離が増大するにつれて広がっていることによって、流れ案内要素の包括範囲における最初上向きに案内された蒸気と直接下向きに転向された蒸気との混合が減少し、これによって、圧力損失も減少する。流れ案内要素は、好適には測地学的に回転中心線の下側に配置され、これによって下向きに流出する蒸気の流れの効果的な案内が達成される。この場合、蒸気タービンは、好適には回転中心線を含む水平面内において上下に分割でき、この平面内に接合面を有している。
【００１０】
流れ案内要素は、好適には回転中心線に対して７０〜１１０°特に８５〜９５°の角度だけ傾斜している。流れ案内要素は、好適には約９０°の角度だけ傾斜され、即ち回転中心線に対して垂直に延びている。これによって、接合面の下側において、拡張流れ通路（ディフューザ）から下向きに流出する蒸気排出流への渦巻の影響が減少される。従って、直接下向きに流出する蒸気と、まず上向きに流出する蒸気との間のせん断流の形成個所ももっと下流に置かれ、それに応じて流れ損失が減少する。
【００１１】
流れ案内要素は、好適には出口開口に直に接し、これによって出口開口から流出する蒸気は、この出口開口から流出した後、流れ案内要素によって案内される。これに伴い、出口開口と流れ案内要素との間の間隔に基づく蒸気の混合および渦巻きは確実に防止される。
【００１２】
流れ案内要素は好適には平らであり、この結果流れ案内要素および例えば蒸気タービンの外部車室によって、平らな壁の流路が形成される。同様に、流れ損失を一層減少するため蒸気を望み通りに案内するように、流れ案内要素に湾曲面を設けることもできる。流れ案内要素の具体的な形状は実験および三次元流れ計算によって決定される。
【００１３】
流れ案内要素は板金から成っていることが有利である。これにより流れ案内要素を特に単純な構造形状にすることができ、例えば点検作業の枠内において後で蒸気タービンに流れ案内要素を装備することもできる。
【００１４】
流れ通路を包囲する内部車室を備え、この内部車室が外部車室で包囲され、流れ案内要素が外部車室に接していることが有利である。この場合、外部車室によって形成されている開口断面積の幅にわたり完全に延びているのが有利である。これにより、外部車室と内部車室との間に存在する開口断面積を介して上から流下する蒸気と、下向きに流下する蒸気との混合が有効に防止される。渦巻内を上から下向きに案内される蒸気流と、直接下向きに流下する蒸気流との混合は、従ってもっと下流域で生じ、これによって圧力損失の減少が達成される。
【００１５】
好適には、流れ案内要素は外部車室に固定されている。これによって、流れ案内要素が長期間にわたって安定して固定されるほか、排気室内における蒸気タービン外部車室の補強も達成される。
【００１６】
この蒸気タービンは、好適には特に双流形の低圧蒸気タービンとして形成されている。流れ案内要素は、好適には復水器への流れを案内するために使われる。
【００１７】
以下図に示した実施例を参照して本発明に基づく流れ案内要素付きの蒸気タービンを詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００１８】
図１には双流形に形成された低圧蒸気タービン１が縦断面図で示されている。この低圧蒸気タービン１は、回転中心線２に沿って延びるタービン軸７を有している。低圧蒸気タービン１の中央部位に、蒸気５の入口室３が設けられている。蒸気５はこの蒸気入口室３に、特に中圧蒸気タービン（図示せず）から転流管（図示せず）を介して流入する。蒸気入口室３の両側に対称にそれぞれ回転中心線２に沿って流れ通路６が延びている。これらの流れ通路６は、タービン軸７とこのタービン軸７を包囲する内部車室１１との間に形成されている。各流れ通路６内に多数の静翼１６および多数の動翼１５が互い違いに配置されている。
【００１９】
流れ通路６は、蒸気入口室３から回転中心線２に沿って排気室４に向かって広がっている。流れ通路６は、排気室４に対する出口開口８を有している。測地学的に蒸気出口開口８の下側に、流れ案内要素１０が配置されている。この流れ案内要素１０は回転中心線２に対し垂直なあるいは僅かに（１５°迄、特に５°迄の角度で）傾斜した平面内において流出方向１４に沿って下向きに延びている。内部車室１１は外部車室１２で包囲されている。この外部車室１２は排気室４の境界を形成し、出口開口８から流出する蒸気５の流れを転向するためおよび案内するために使われる。タービン軸７は外部車室１２の外側で詳述しない軸受１７で支持されている。
【００２０】
蒸気５を凝縮するための復水器１３が、測地学的に外部車室１２の下側に配置されている。この復水器１３は復水器ハウジング２１を有し、この復水器ハウジング２１内に概略的に図示された多数の冷却管１８が配置されている。復水器１３の運転中、その冷却管１８内を通して冷却液、特に冷却水が流れる。冷却管１８の下側に凝縮液出口２２が配置されている。復水器１３の運転中、冷却管１８の外側面に生じた凝縮液は滴下しその凝縮液出口２２に集合する。復水器１３の両側下部空間内に、それぞれ上側が相互に屋根状に傾斜した壁で形成された下向きに開いた空気冷却器１９が設けられている。各空気冷却器１９はそれぞれその棟から出ている吸込み管２０が真空ポンプ（図示せず）に接続されている。
【００２１】
蒸気タービン１の運転中、蒸気５は流れ通路６を通って流れる。蒸気５が出口開口８から排気室４に流出した後、その蒸気５の一部は上向きに導かれ、一部は下向きに導かれる。その上向き蒸気流は出口開口８の上側で下向きに転向され、詳述しない排気室部位４Ａ内を通って流れ、両流れ案内要素１０の下流で復水器１３に流入する。この場合、蒸気流全体の均一化および下向き蒸気流との少なくとも部分的な混合が行われる。上向き蒸気流は、特に内部車室１１の頂点においてそれぞれ２つの蒸気流に分けられる。これらの蒸気部分流は渦巻いて流れ、内部車室１１の頂点から流れ案内要素１０の範囲に到達する渦巻を形成する。これらの連続渦は各流れ案内要素１０によって、出口開口８から直接下向きに流出した蒸気５と空間的に分離される。これによって流れ案内要素１０の範囲において連続渦と直接下向きに流出した蒸気５との間におけるせん断流の発生が防止され、これによって復水器１３に流入する際の圧力損失の減少が達成される。
【００２２】
図２は、蒸気タービン１、特に図１に示されている低圧蒸気タービン１の排気室４を横断面図で示す。出口開口８は直径９の円形断面を有している。蒸気タービン１は回転中心線２が位置する水平面２３において、上下に分割可能に形成されている。流れ案内要素１０は測地学的に水平線２３の下側に配置され、流出方向１４において水平面２３から離れるに従って広がっている。また流れ案内要素１０は流出方向１４において少なくとも部位的にあるいは大部分を一定した幅にすることもできる。更にまた水平面２３から間隔を隔てて初めて出口開口８に接することもできる。流れ案内要素１０は水平線２３に接する迄半円形に出口開口８を包囲し、外部車室１２に向かって広がっている。流れ案内要素１０は外部車室１２に固く結合され、例えばねじ止めあるいは溶接されている。これによって排気室４の範囲における外部車室１２の補強並びに流れ案内要素１０の耐久的固定が達成される。
【００２３】
図３は、測地学的に回転中心線２の下側における復水器１３の方向に向いた排気室４の部分を示す。図示した流れ範囲における蒸気の流れは矢印で示す。その矢印の長さは、蒸気５の流速の大きさを表す。またこの図から、最終動翼１５の後ろから流出した蒸気５が、排気室４内において約９０°下向きに転向され、この場合同時に減速されることが理解できる。この蒸気５を転向するため、内部車室１１に延長部が設けられ且つ外部車室１２がそれに応じて形成されている。内部車室１１の延長部に流れ案内要素１０が続き、これによって流れ案内要素１０と外部車室１２との間に、上述のように転向された蒸気５に対する通路範囲が形成されている。流れ案内要素１０は、回転中心線２に対し、特に７０〜１１０°図示した実施例の場合には約９０°の角度αだけ傾斜されている。下向きに転向された蒸気５の流れは、測地学的に流れ案内要素１０の下側において、まず上向きにそして下向きに転向された蒸気５と衝突する。それらの両部分流の相互作用は、流れ案内要素１０が設けられていない場合に比べて著しく減少される。これによってせん断流の発生が少なくともかなり減少され、従って圧力損失の減少が達成される。復水器１３に向いて下向きに且つ外部車室１２に向いて半径方向外側に延びる流れ案内要素１０を出口開口８の周りに付けられることにより、流れ案内要素１０の範囲における圧力損失の防止、少なくともその減少と、排気室部位４Ａにおける流れの均一化とによって、蒸気タービンの効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく低圧蒸気タービンの縦断面図。
【図２】 本発明に基づく低圧蒸気タービンの排気室の概略横断面図。
【図３】 本発明に基づく低圧蒸気タービンの排気室の部分詳細図。
【符号の説明】
１ 蒸気タービン
２ 回転中心線
３ 蒸気入口室
４ 排気室
５ 蒸気
６ 流れ通路
７ タービン軸
８ 出口開口
９ 出口直径
１０ 流れ案内要素
１１ 内部車室
１２ 外部車室
１３ 復水器
１４ 流出方向
１５ 動翼
１６ 静翼
１７ 軸受
１８ 冷却管
１９ 空気冷却器
２０ 吸込み管
２１ 復水器ハウジング
２２ 凝縮液出口
２３ 水平面
α 流れ案内要素の傾斜角度

Claims (11)

1. 回転中心線（２）に沿って蒸気入口室（３）から排気室（４）迄延びている流れ通路（６）を備え、この流れ通路（６）が排気室（４）に向かってある出口開口直径（９）を持つ出口開口（８）迄広がっている蒸気タービン（１）において、出口開口（８）に、ここから流出する蒸気（５）に対する流れ案内要素（１０）が付設され、この流れ案内要素（１０）が、蒸気（５）が流れ案内要素（１０）の両側を案内され流れ案内要素（１０）の下流で蒸気（５）の混合が行われるように、一方では出口開口（８）の出口開口直径（９）を超えて広がり、他方では流出方向（１４）に沿って排気室（４）内迄延びており、さらに、前記流れ案内要素（１０）が流出方向（１４）に沿って広がっているかほぼ一定した幅を有することを特徴とする蒸気タービン。
2. 流れ案内要素（１０）が測地学的に回転中心線（２）の下側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 流れ案内要素（１０）が回転中心線（２）に対して７０〜１１０°の角度（α）だけ傾斜していることを特徴とする請求項１又は２記載の蒸気タービン。
4. 流れ案内要素（１０）が出口開口（８）に直接接していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
5. 流れ案内要素（１０）が平らであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
6. 流れ案内要素（１０）が板金から成っていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
7. 流れ通路（６）を包囲する内部車室（１１）を備え、この内部車室（１１）が外部車室（１２）で包囲され、流れ案内要素（１０）が外部車室（１１）に接していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
8. 流れ案内要素（１０）が外部車室（１２）に固定されていることを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン。
9. 低圧蒸気タービンとして形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
10. 双流形に形成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の蒸気タービン。
11. 流れ案内要素（１０）が復水器（１３）への流れを案内するために使われていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の蒸気タービン。

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