JP5173646B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンに関するものである。

たとえば、火力発電に用いられる蒸気タービンの低圧段あるいは原子力発電に用いられる蒸気タービン（原子力タービン）の高圧段および低圧段は、湿り蒸気条件下で作動されている。
このような湿り蒸気流れでは、水滴の発生や成長に伴って熱力学的、流体力学的なエネルギー損失、いわゆる湿り損失が付加され、タービン効率を低下させる。この湿り損失は、水滴の発生に伴って生ずる潜熱移動、壁面上に形成される水膜流や飛散水滴の加速、さらに水滴の衝突による制動力など蒸気タービン特有の損失である。
また、高速で回転するタービン動翼に水滴が衝突すると、翼表面がエロージョンを受け易く、信頼性低下につながる恐れがある。

このため、たとえば、原子力タービンのような重要機器にあっては、安全設計の点から、蒸気のすべてをタービン車室の外部に一度抽気し、別途に設けた遠心式などの気水分離器によって蒸気から水分を分離し、蒸気のみを再びタービン車室内へ送入するようにしている。これは、設備が大型化し、高コストとなる。
また、簡素化する意味で、たとえば、特許文献１および特許文献２に示されるように蒸気タービンの車室内にドレン分離手段を設けて、ドレンを蒸気から分離するものが提案されている。
これらは、動翼と静翼との間の外周側位置に、入口部が軸線方向に突起したドレンキャッチャを有するドレン回収用の空間を設けている。動翼の翼面に堆積した水滴は遠心力によって翼先端側に移動し、シュラウド部より飛散し、遠心力により外周側の空間に入り、外部に排出される。

実開昭６１−１８１８０１号公報 特開平０６−２７２５１１号公報

ところで、特許文献１および特許文献２に示されるものは、シュラウドは厚みを持つ板状で、軸線方向に平行に延在しているので、遠心力によって翼面に沿って翼先端側に移動した水滴はシュラウドに当接し、外周側への移動を抑制される。このため、水滴はシュラウドの内側面に滞留しつつ、シュラウドの端部に移動して、シュラウドの端部から順次水滴として飛散することになる。
このとき、シュラウドの内側面に形成される水の膜厚が厚くなっているので、シュラウド端部から飛散する水滴がその分大きくなる。また、水膜にかかる摩擦抵抗が大きいため、その飛散方向が不安定となる。
このため、大きな水滴が予期に反して下流側に飛散し、たとえば、動翼に対し大きな性動力を与える等の湿り損失が発生する恐れがある。

本発明は、上記の事情に鑑み、シュラウドから飛散する水滴の径を小さくし、かつ、その飛散方向を安定化し、確実に湿分を除去して湿り損失を低減し得る蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の第一態様は、軸線方向に略平行に延在するシュラウドを先端部に有する動翼と、該動翼および次段落の静翼の間で蒸気流路よりも外周側位置に内周側が開口した溝状に形成された前記シュラウドの後縁部分から飛散するドレンを回収するドレン回収空間と、該ドレン回収空間の入口近傍における前記動翼側および前記静翼側にそれぞれ該ドレン回収空間に向けて突出した前記シュラウドの後縁部分から飛散するドレンを受けるドレンキャッチャと、を備え、前記シュラウドの後縁部分は、その内側面が後縁に向かうにしたがって徐々に外周側に位置するように形成されていることを特徴とする。

動翼の翼面に堆積した水滴は遠心力によって翼先端側に移動し、かつ、蒸気流路を流れる蒸気流によって下流側に移動する。この水滴はシュラウドに当接し、シュラウドの内側面に案内されつつシュラウドの端部に移動する。そして、シュラウドの端部、相当部分は後縁に至ると、シュラウドの制約から離れるので、順次水滴として飛散することになる。
シュラウド部より飛散し、遠心力により外周側のドレン回収空間に入り、外部に排出される。
シュラウドの後縁部分は、その内側面が後縁に向かうにしたがって徐々に外周側に位置するように形成されている、言い換えると、後縁部分の内側面は外周側に向かうように傾斜されている、ので、水滴に作用する摩擦抵抗は小さくなる。水滴に対する摩擦抵抗が小さくなると、水滴が滑らかに、素早く移動するので、滞留する量が減少し、後縁に至る水の膜厚が小さくなる。このため、後縁から分離する水の量が小さくなるので、シュラウドから飛散する水滴の径を小さくすることができる。

また、後縁部分の内側面が外周側に向かうように傾斜されているので、水はこの傾斜に案内され、この部分を通る時から外周側に移動している。これに後縁で分離される際、遠心力が作用するので、水滴を安定して外周側に向けて飛散させることができる。
このように、後縁からの水滴は安定して外周側に飛散するので、外周側に溝上に形成されたドレン回収空間に導入され、確実に湿分を除去することができる。また、飛散する水滴が小さいので、もし、それが下流側に飛散し動翼等に衝突しても制動力は小さくなる。
したがって、湿り損失を低減することができる。
なお、後縁部分の断面形状における内側面形状は直線的に傾斜してもよいし、曲線的に傾斜してもよい。

また、上記発明では、前記シュラウドは、後縁において外側面と前記内側面とが交差するようにされていてもよい。
このようにすると、後縁に外周方向に沿う端面が存在しないので、後縁における水切りが一層滑らかに行われ、一層水滴を小さく、かつ、外周側に安定して飛散させることができる。

また、上記発明では、前記シュラウドの後縁における前記内側面の延長位置は、前記静翼側の前記ドレンキャッチャの外周側端部よりも外周側に位置しているようにしてもよい。
このようにすると、水滴をより確実にドレン回収空間へ送り込むことができる。

本発明によれば、シュラウドの後縁部分は、その内側面が後縁に向かうにしたがって徐々に外周側に位置するように形成されているので、シュラウドから飛散する水滴の径を小さくすることができ、水滴を安定して外周側に向けて飛散させることができる。
これにより、確実に湿分を除去することができるので、湿り損失を低減することができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる原子力タービン（蒸気タービン）について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態にかかる原子力タービンの高圧段における中間段落の一部を示す部分断面図である。

蒸気タービンには、図示しないロータと、このロータを回転可能に支持するとともに密閉空間を形成するケーシング１とが備えられている。
ロータに突出して円筒状に設けられた図示しないディスクの外周面には、外方に向けて放射状に突出する多数の動翼３が、軸線方向Ｌに沿って間隔を空けて複数段取り付けられている。

動翼３の先端には、シュラウド５が取り付けられている。ロータの回転により、隣り合う動翼３のシュラウド５が接触することにより連成し、多数の動翼３が一体的に構成されるので、剛性が高くなり、振動に対する強度が増加する。また、シュラウド５は、動翼３の先端からの蒸気漏れを減少する役目を有している。

ケーシング１の内側には、リング状の仕切板外輪７が軸線方向Ｌに沿って間隔を空けて複数取り付けられている。静翼９は、放射状に多数配置され、その外周側が仕切板外輪７に保持されている。静翼９の内周側は、図示しないリング状の仕切板内輪で保持されている。
静翼９と動翼３とは、軸線方向Ｌに沿って交互に配置され、蒸気が通過する蒸気流路１１を形成している。

静翼９は、蒸気を膨張させて速度エネルギーを生み、流れの向きを変えて軸の回転方向の運動量を作る作用をする。動翼３は、静翼９で速度エネルギーに変換された燃焼ガスのエネルギーを吸収して、ロータの回転エネルギーに変換する作用をする。
隣り合う静翼９と動翼３とが組となって段落を構成している。原子力タービン等の蒸気タービンでは、この段落がロータの軸線方向Ｌに複数段落配置されている。

シュラウド５に対向する位置のケーシング１には、リング状のシールリング１３が取り付けられている。
シールリング１３の内周面には、リング状に突出した複数のフィン１５が備えられ、シュラウド５の外側面１７とでラビリンスシール構造を形成している。これは、蒸気がシュラウド５とケーシング１との間を通過するのを抑制するものである。

シュラウド５の内側面１９は、後縁２１の近傍、すなわち、後縁部分２３において、外周側に向かい傾斜する傾斜面２５を形成している。傾斜面２５は、後縁２１に向かうにしたがって徐々に外周側に位置する、すなわち、シュラウドの厚みが徐々に減少するように形成されている。この変化は、図１に示されるように断面形状で直線的とされている。
傾斜面２５は、外側面１７と後縁２１において鋭角に交差している。傾斜面２５と外側面１７とで形成される後縁部２３は、鋭い形状とされている。
シュラウド５の内側面１９における前縁から後縁部２３までの間は、若干外周側に向かい傾斜するようにされている。

動翼３と次段落の静翼９との間には、蒸気流路１１よりも外周側位置に内周側が開口した溝状に形成されたドレン回収空間２７が備えられている。
ドレン回収空間２７の入口近傍における動翼３側のケーシング１にドレン回収空間２７の内側に向けて突出した動翼側ドレンキャッチャ２９が設けられている。
ドレン回収空間２７の入口近傍における静翼９側の仕切板外輪７にドレン回収空間２７の内側に向けて突出した静翼側ドレンキャッチャ２９が設けられている。

シュラウド５の傾斜面２５の延長位置は、静翼側ドレンキャッチャ３１の外周側端部３３よりも外周側に位置しているようにされている。
ドレン回収空間２７の外周面には、ケーシング１にドレンを排出する流路３５が備えられている。
このドレン回収空間２７等は、原子力タービンの高圧段における中間段落の部分に備えられている。

以上のように構成される原子力タービンの動作について説明する。
原子力タービンは、湿り蒸気条件下で作動されているので、蒸気流路１１を流れるとき、水滴が発生し、成長する。この水滴が、たとえば、動翼３の翼面に付着して堆積される。
この動翼３の翼面に堆積した水滴は遠心力によって翼先端側に移動し、かつ、蒸気流路１１を流れる蒸気流によって下流側に移動する。この移動により水滴はシュラウド５の内側面１９に当接し、滞留する。そして、水の膜を形成しつつシュラウド５の内側面１９に案内されてシュラウド５の端部に移動する。

シュラウド５の後縁部分２３では、水膜は傾斜面２５に移動する。傾斜面２５は外周側に向かうように傾斜されているので、水膜に作用する摩擦抵抗が小さくなる。水膜に対する摩擦抵抗が小さくなると、水膜が滑らかに、素早く移動するので、後縁２１に至る水の膜厚が小さくなる。
水膜は後縁２１に至ると、シュラウド５の制約から離れるので、順次水滴として飛散することになる。
このとき、後縁２１から分離する水の量が小さくなるので、シュラウド５から飛散する水滴の径を小さくすることができる。

また、傾斜面２５の延長位置は静翼側ドレンキャッチャ３１の外周側端部３３よりも外周側に位置しているので、水膜はこの傾斜面２５に静翼側ドレンキャッチャ３１の外周側端部３３よりも外周側に向けて案内されている。言い換えると、水膜は、傾斜面２５を通る時から外周側に移動していることになる。
これに後縁２１で分離され、水滴となる際、遠心力が作用するので、水滴は安定してドレン回収空間２７の開口部に向けて飛散させられる。
ドレン回収空間２７に入った水は、流路３５等から外部に排出される。

このように、後縁２１からの水滴は安定してドレン回収空間２７に向けて飛散するので、蒸気に含まれる湿分を確実に除去することができる。
また、飛散する水滴が小さいので、もし、それが下流側に飛散し動翼３等に衝突しても制動力は小さくなる。
したがって、原子力タービンにおける湿り損失を低減することができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
本実施形態では、本発明を原子力発電に用いられる原子力タービンの高圧段に適用しているが、火力発電に用いられる低圧タービンに適用してもよい。

また、本実施形態では傾斜面２５は外側面１７と交差するようにされているが、図２に示されるように外側面１７と交差しないようにしてもよい。
さらに、本実施形態では傾斜面２５は断面形状において曲線的に傾斜するようにされているが、これは、図３に示されるように曲面、すなわち、断面形状において曲線的に傾斜するようにしてもよい。

本発明の一実施形態にかかる原子力タービンの高圧段における中間段落の一部を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態にかかるシュラウドの別の実施態様を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態にかかるシュラウドのさらに別の実施態様を示す部分断面図である。

符号の説明

３ 動翼
５ シュラウド
９ 静翼
１１ 蒸気流路
１７ 外側面
１９ 内側面
２１ 後縁
２３ 後縁部分
２５ 傾斜面
２７ ドレン回収空間
２９ 動翼側ドレンキャッチャ
３１ 静翼側ドレンキャッチャ
３３ 外周側端部
Ｌ 軸線方向

Claims (3)

1. 軸線方向に略平行に延在するシュラウドを先端部に有する動翼と、
   該動翼および次段落の静翼の間で蒸気流路よりも外周側位置に内周側が開口した溝状に形成された前記シュラウドの後縁部分から飛散するドレンを回収するドレン回収空間と、
   該ドレン回収空間の入口近傍における前記動翼側および前記静翼側にそれぞれ該ドレン回収空間に向けて突出した前記シュラウドの後縁部分から飛散するドレンを受けるドレンキャッチャと、を備え、
   前記シュラウドの後縁部分は、その内側面が後縁に向かうにしたがって徐々に外周側に位置するように形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記シュラウドは、後縁において外側面と前記内側面とが交差するようにされていることを特徴とする請求項１に記載された蒸気タービン。
3. 前記シュラウドの後縁における前記内側面の延長位置は、前記静翼側の前記ドレンキャッチャの外周側端部よりも外周側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載された蒸気タービン。

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