JP4848440B2 - 軸流タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンやガスタービン等の軸流タービンに係り、特に作動流体の一部を抽気する抽気構造を有する軸流タービンに関する。

タービン静翼と動翼から構成される段落をタービン軸方向に複数有する軸流タービンでは、作動流体を段落間で抽気し、熱源として用いたり、他の回転機械を駆動するための作動流体として用いたりする場合がある。

例えば、蒸気タービンの場合、段落間で蒸気を抽気して、給水加熱器、もしくは脱気器に導き、蒸気タービン出口から出た蒸気を復水器で凝縮させた液相である水と熱交換させ、ボイラーや原子炉などの加熱器に戻す前に温度を上げることにより、発電効率を良くすることが可能となる。

また、ポンプ等の産業用の回転機械や発電機を駆動すると同時に、熱源としての高温高圧蒸気も提供することを目的とした、熱動力併給型または熱電併給型の蒸気タービンでは、熱源としての蒸気を段落間から抽気する必要がある。

一般的に、このような抽気を有する軸流タービンの抽気は、蒸気が流れるタービン翼室の外側にタービン翼室周方向に延びる円環状の抽気室を設け、この抽気室と蒸気が流れるタービン翼室とを、タービン翼室外周壁に周方向に開口したスリット状の抽気口で連通させ、この抽気口を通じてタービン翼室内の作動流体の一部を抽気室に取り出し、抽気室に接続した抽気管により所定の場所に送ることにより行う（特許文献１参照）。

特開平２−２４１９０４号公報

しかしながら、抽気室及び抽気口がタービン翼室の外周壁側に設けられている場合、抽気口の作動流体流れ方向上流側（以下、単に上流側と記載する）に隣設する動翼を流れ出た作動流体流れの外周側分が主に抽気流として取り出される。そのため、抽気口の作動流体流れ方向下流側（以下、単に下流側と記載する）の静翼と動翼とからなる段落の外周側には、抽気口の上流側の動翼の外周側よりも、内周側に入った翼高さ位置からの流れが流入する。この流れは、抽気口上流側の動翼から抽気口下流側の静翼を通って抽気口下流側の動翼に流入する間に、タービン半径方向外周側（以下、単に外周側と記載する）に向かって流れを変えるために、抽気口下流側の静翼の外周側入口部に、作動流体流れが十分に供給されない部分が生じる可能性がある。流れが十分に供給されないために、その部分では流れが不安定となって渦流が生じる可能性があるため、本来回転力を生むための運動エネルギーが熱散逸し、タービンの効率が低下する可能性がある。

また、タービンの効率を良くするためには、タービン翼室内の段落数を多くし、かつタービン翼室の作動流体流路の平均半径位置を小さくする、小径多段構造とすることが有効であることが知られているが、タービン回転軸の径を小さくし、軸長を長くすると、軸剛性が低下し、軸振動が大きくなり、静止部と回転部が接触するなどの問題が起きる可能性がある。一方、限られた軸スパンの中で、段数を多くすると、抽気口および抽気室が狭まるため、十分な抽気流量が得られなくなる可能性がある。このように、抽気を有する多段落軸流タービンでは、抽気のない軸流タービンと比較して、抽気流量に見合う抽気口を設けるために、段数を少なくする必要が生じ、タービン効率が低下する可能性があった。

本発明の目的は、抽気構造を有する軸流タービンにおいて、抽気によって生じるタービン効率の低下を抑制するとともに、限られた軸スパンにより多くのタービン段落を設けてタービン効率を向上できる軸流タービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、抽気室の下流側壁面を構成する外周側ダイアフ
ラムに、抽気口上流側に隣設する動翼の外周端の下流側先端よりもタービン半径方向内周
側に突出し、抽気口を構成する突端部を形成する。該突端部の外周側壁面は、前記作動流体の一部を前記抽気室に導く外周側ダイアフラム上流側壁面を構成し、前記突端部の内周側壁面は、前記作動流体の残りを前記抽気口下流側の動翼に導く外周側ダイアフラム内周側壁面を構成し、前記外周側ダイアフラム上流側壁面は、前記抽気口入口側から抽気室側に向かって広がり角が大きくなるよう形成され、前記外周側ダイアフラム内周側壁面は、上流側先端の広がり角が、上流側から下流側までの平均広がり角よりも小さく、下流側先端の広がり角が、下流側に隣設された動翼の外周端の入口広がり角に合わせられている。具体的には特許請求の範囲の各請求項に記載した構成により達成される。

本発明によれば、抽気構造を有する軸流タービンにおいて、抽気口下流における蒸気流の乱れを抑制し、タービン効率の低下を抑制できるとともに、設計抽気量の制限を縮小することが可能となる。

また、抽気構造の軸方向幅を縮小して、より多くの段数を設けることが可能となり、タービン効率を向上させることができる。

一般的な軸流タービンのタービン段落部の基本構造を表す断面図である。 図１に示した軸流タービンにおける作動流体の流れを模式的に表す図である。 本発明の一実施の形態に係る軸流タービンのタービン段落部の要部構造を表す断面図である。 図３に示した軸流タービンの抽気室周辺の拡大図である。 図３に示した本発明に係る軸流タービンにおける作動流体の流れを模式的に表す図である。 図３に示した本発明に係る軸流タービンにおける動翼と静止部との間の漏れ流れの挙動を模式的に表す図である。 本発明の一変形例に係る軸流タービンのタービン段落の要部構造を表す断面図である。 図１に示した一般的な軸流タービンの軸長を短縮した場合のタービン段落の要部構造を表す断面図である。

始めに図１を用いて一般的な軸流タービンのタービン段落部の基本構造を説明する。

図１に示すように、軸流タービンのタービン段落は、作動流体流れ方向上流側（以下単に上流側と記載する）の高圧部Ｐ０と作動流体流れ方向下流側（以下単に下流側と記載する）の低圧部Ｐ１との間に設けられている。タービン段落は、タービンケーシング４の内周側に固設された外周側ダイアフラム５と内周側ダイアフラム６との間に固設された静翼３と、タービン中心軸５０周りに回転するタービンロータ１に設けられた動翼２とからなる。タービン段落が複数の段落から構成される軸流タービンの場合、この段落構造が作動流体流れ方向に複数回繰り返されて設けられている。各段落において、静翼の下流側に動翼が対向する。

動翼２のタービン径方向外周側の先端（以下単に外周端と記載する）には、シュラウド７が設けられている。図１に示すように、軸流タービンは、タービンロータ１及び内周側ダイアフラム６，９のタービン径方向外周側（以下単に外周側と記載する）壁面６ａ，９ａと外周側ダイアフラム５，８及びシュラウド７のタービン径方向内周側（以下単に内周側と記載する）壁面５ｂ，８ｂ，７ｂ、との間に作動流体が流れる円筒状あるいは部分円錐状のタービン翼室１２が形成されている。

図１に示すように、外周側ダイアフラム５，８の内周側壁面５ｂ，８ｂ、およびシュラウド７の内周側壁面７ｂは、連なってタービン翼室１２の外周側壁面１２ｂを構成しており、タービン翼室１２の外側、即ち外周側壁面１２ｂとタービンケーシング４との間にタービン翼室１２を覆うようにタービン周方向（以下、単に周方向と記載する）に沿った環状の抽気室１５が形成されている。抽気室１５の一部には抽気配管（図示せず）が接続されている。

図１に示すように、抽気室１５は、外周側ダイアフラム５，８の間に形成されている。また、作動流体流れ方向に連設された、外周側ダイアフラム５の下流側端部１３と外周側ダイアフラム８の上流側端部１４との間には周方向に沿って間隙が設けられており、この間隙は抽気室１５とタービン翼室１２とを連通する抽気口１６を構成している。

図２は、図１に示した軸流タービンにおける作動流体の流れを模式的に示した図である。矢印５１は作動流体の流れ方向を示す。

図２に示すように、タービン翼室１２の外周側壁面に抽気口１６が設けられている場合、抽気口１６上流側に隣設する動翼２の外周端付近を流れ出た作動流体が主に抽気流（１）として、抽気口１６を介して抽気室１５に取り出される。そのため、抽気口１６下流側のタービン翼室１２外周側壁面付近には、動翼２の抽気流（１）よりも内周側の翼高さ位置を通過した作動流体（３）が流入する。この作動流体（３）は、動翼２から次段落の静翼１０を通って動翼１１に流入する間に、外周側方向に向かって流れを変えるために、特に抽気流量が多い場合に、静翼１０の外周側入口部に、流れが十分に供給されない部分（２）が生じる可能性がある。（２）の部分では、作動流体が十分に供給されないために、一般的には作動流体の流れが不安定となり、渦流が生じる可能性が考えられる。そのため、本来回転力を生むための運動エネルギーが熱散逸し、タービンの効率が低下する可能性がある。

以上を踏まえ、本発明の軸流タービンの実施の形態を以下に説明する。

図３は、本実施の形態に係る軸流タービンのタービン段落部の要部構造を表す断面図である。図４は、抽気室周辺の拡大図である。図５は、図３に示した本発明に係る軸流タービンにおける作動流体の流れを模式的に示した図である。これらの図において、先の各図と同様の部分に相当する箇所には同符号を付して説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、抽気室１５の下流側壁面を構成する外周側ダイアフラム８は、抽気室１５と対向する上流側壁面１８と、作動流体主流と対向し、タービン翼室の外周側壁面１２ｂを構成する内周側壁面１９とを有する。内周側壁面１９は、上流側先端Ｘのタービン中心軸５０からの距離である半径が、抽気口１６の上流側に隣設する動翼２外周端の下流側先端Ｙのタービン中心軸５０からの距離である半径位置より小さくなるよう形成されている。また、上流側壁面１８は、図５に示すように、抽気流れ（４）を滑らかに抽気室１５に導くように、外周側かつ上流側に凹な形状を有する。なお、上流側壁面１８と内周側壁面１９とは端面２０を介して連続した面を形成しており、端面２０と端面２０に接する上流側壁面１８及び内周側壁面１９の先端部は、抽気口１６の下流側壁面を構成する突端部２１を形成する。

突端部２１の内周側先端は、外周側先端よりも上流側に突出するように形成されており、作動流体の分岐部点における抵抗を軽減している。ここで、突端部２１の内周側先端とは、内周側壁面１９の上流側先端Ｘを指す。また、突端部２１の外周側先端とは、上流側壁面１８の上流側先端Ｚを指す。即ち、突端部２１は前記抽気口上流側に隣設された動翼の外周端の下流側先端よりもタービン半径方向内周側に突出している。

外周側ダイアフラム８の上流側壁面１８及び内周側壁面１９の断面形状についてさらに詳述する。ここで、後の説明のため、作動流体と対向する壁面がタービン中心軸５０となす角度を「広がり角」と定義する。

図４（ｂ）に示すように、外周側ダイアフラム８の内周側壁面１９では、内周側壁面１９の上流側先端Ｘの広がり角β１は、上流側から流れてくる作動流体の流線に合うように数値流体解析や実験などを行い決めるが、内周側壁面１９の上流側先端から下流側先端までの平均広がり角に比べて一般に小さく構成する。一方、内周側壁面１９の下流側先端の広がり角β２は、その下流側に隣設された動翼１１に流れを送るために、動翼１１の外周端の入口広がり角β３に合わせる。このように内周側壁面１９の形状は、両端の座標と角度が与えられ、例えば三次関数などを用いて定義される。

なお、「内周側壁面１９における広がり角」とは、内周側壁面１９に接するタービン軸方向接線（図４（ｂ）にて破線で図示）とタービン中心軸とがなす角度を指す。また、「動翼１１の外周端の入口広がり角」とは、動翼１１外周端の上流側先端部のタービン中心軸５０に対する傾斜角度を指す。

一方、外周側ダイアフラム８の上流側壁面１８では、軸方向に広がりながら流れてくる作動流体の流れを、タービン半径方向外周向きに変えるために、上流側壁面１８の上流側先端Ｚにおける広がり角β４を、内周側壁面１９と同様、上流から流れてくる流線に合うように数値流体解析や実験などを行い決める。また、上流側壁面１８は、抽気室側に向かって徐々に作動流体の流れ方向がタービン半径方向外周向きになるように、広がり角が上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるよう形成されている。

なお、「上流側壁面１８における広がり角」とは、上流側壁面１８と接するタービン軸方向接線（図４（ｂ）にて破線で図示）とタービン中心軸５０とがなす角度を指す。

図４（ａ）に示した、内周側壁面１９の上流側先端Ｘ（突端部２１の内周側先端）が上流側動翼２の外周端の下流側先端Ｙからタービン径方向内周側に突き出た長さｄの、上流側動翼２の翼高さＢＨに対する割合ｄ／ＢＨは、タービンに要求される仕様で決まる静翼１０と動翼１１からなる抽気口下流側段落を流れる段落流量Ｇに対する抽気流量ＧＥＸの割合ＧＥＸ／Ｇと、下流側段落入口高さＮＨの部分の円環面積Ａ１と抽気部に入るｄの部分の円環面積Ａ２との環帯面積比Ａ２／Ａ１が、ほぼ同じになるように決める。

このように、個々の要求仕様に応じた環帯面積比で設計することで、図２の（２）に示す渦流を回避することが可能となり、抽気による流れ場に対する影響を、設計仕様の抽気量によらず取り除くことができる。そのため特に、段落流量に対する抽気流量の割合が大きい方が、本発明の効果は大きく、従来構造に対するタービン性能改善量を大きくできる。

図５に本発明に係る軸流タービンの、流れ場の模式図を示す。抽気流れ（４）は、外周側ダイアフラム８の外周側凹部（上流側壁面１８）がフローガイドとなり、滑らかに抽気室１５に導かれ、次段への流れ（５）も、内周側壁面１９によって外周側ダイアフラム８の内周側に滑らかに導かれるため、図３に示した従来構造で生じた、渦流（２）による損失を小さくすることが可能となり、タービン効率を向上できる。また、外周側ダイアフラム８により、抽気流れは外周部から選択的に抽気される。

また、図６に示すようにタービン翼室１２の外周側の流れは、動翼外周端と静止部（外周側ダイアフラム）との間を漏れてくる流れ（６）と動翼間を流れてきた作動流体主流とが干渉してできた乱れの多い流れを含む（７）。この乱れの多い流れが下流段に流入することは、効率低下の要因となる。本発明のタービン構造では、この乱れの多い流れ（７）を含む外周側の流れを選択に抽気できるため、下流段の効率の低下を防止することができる。さらに漏れ流れ（６）は、動翼２で仕事をしていないためにエンタルピーが大きく、抽気流れを熱源として利用する場合には有利になる。

また、蒸気タービンの低圧段の場合、流れは液相の水を含む、気液二相流となっている。翼面に水膜としてついている液相が、粗大水滴として放出されると、下流段のエロージョンを引き起こしたり、損失の要因となってタービン効率を低下させる可能性がある。動翼２の翼面上の水膜は、動翼回転による遠心力により外周側に偏っており、外周側から選択的に流れを抽気できる本発明のタービン構造は、液相の水を蒸気タービン流れから取り除き、エロージョン低減による信頼性向上、湿り損失低減による性能向上を可能とする。

また、性能向上を実現するためには、タービン段数を増やすことが有効であるが、ロータスパンを長くするとロータ剛性が下がり、振動が大きくなるなどの問題が生じる可能性があるため、ロータスパンの制限の中で、タービン段数を増やす必要がある。すなわち、段落の軸方向幅を小さくしなくてはならない。

図７に、段落間距離を小さくした軸流タービンに本発明を適用した場合の流れの模式図を示す。図８に示すように、抽気口１６がタービン軸方向に開口している従来構造では、段落間距離を小さくした場合、抽気口１６を十分な大きさ設けることができなかった。一方、本発明の構造は、抽気口１６をタービン径方向に開口させることが可能であり、段落間に抽気口１６のためのスペースを必要としない。静翼１０の外周側ダイアフラム８のスペースを利用して、抽気流れを抽気室１５に導くことが可能であるため、同じ軸スパンに多くの段数を設けることが可能となり、単段当たりのエンタルピー落差を小さくすることができ、小径化することで翼長も長くできるために、漏れ流れによる損失や、側壁境界層の影響による二次流れ損失を低減することが可能となり、タービン効率が向上できる。

２，１１ 動翼
３，１０ 静翼
５，８ 外周側ダイアフラム
６，９ 内周側ダイアフラム
１２ タービン翼室
１５ 抽気室
１６ 抽気口
１８ 外周側ダイアフラムの上流側壁面
１９ 外周側ダイアフラムの内周側壁面
２１ 突端部
５１ 作動流体流れ方向

Claims (3)

1. 作動流体が流れるタービン翼室と、
   前記作動流体の流れ方向に複数個連設され前記タービン翼室の外周側壁面を構成する外
   周側ダイアフラムと、
   該ダイアフラムに設けられた静翼とロータに固定された動翼とからなるタービン段落と
   、
   前記タービン翼室の外側に設けられた抽気室であって、前記作動流体流れ方向に複数個
   連設された外周側ダイアフラム間に形成された抽気口を介して前記タービン翼室と連通し
   、前記外周側ダイアフラムにより下流側壁面が構成された抽気室とを有する軸流タービン
   であって、
   前記抽気室の下流側壁面を構成する前記外周側ダイアフラムは、前記抽気口上流側に隣
   設された動翼の外周端の下流側先端よりもタービン半径方向内周側に突出し、前記抽気口
   の下流側壁面を構成する突端部を有し、
   該突端部の外周側壁面は、前記作動流体の一部を前記抽気室に導く外周側ダイアフラム
   上流側壁面を構成し、前記突端部の内周側壁面は、前記作動流体の残りを前記抽気口下流
   側の動翼に導く外周側ダイアフラム内周側壁面を構成し、
   前記外周側ダイアフラム上流側壁面は、前記抽気口入口側から抽気室側に向かって広が
   り角が大きくなるよう形成され、
   前記外周側ダイアフラム内周側壁面は、上流側先端の広がり角が、上流側から下流側ま
   での平均広がり角よりも小さく、下流側先端の広がり角が、下流側に隣設された動翼の外
   周端の入口広がり角に合わせられていることを特徴とする軸流タービン。
2. 請求項１記載の軸流タービンであって、
   前記突端部先端の前記抽気口上流側動翼の外周端の下流側先端に対する突出量と、前記
   抽気口上流側動翼の翼高さとの比が、段落流量と抽気流量との比と同等であることを特徴
   とする軸流タービン。
3. 請求項１記載の軸流タービンであって、
   前記作動流体は蒸気であることを特徴とする軸流タービン。

Images