JP5431047B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、動翼に付着する湿分を除去するための構造を有する蒸気タービンに関する。

汽力発電プラントでは、主蒸気によって回転する高圧タービンと、高圧タービンを通過した蒸気によって回転する中圧タービン、低圧タービンとを併用することが多い。蒸気の圧力が低くなっている低圧タービンでは、低圧段落における蒸気の膨張過程で蒸気の温度と圧力が低くなり、蒸気の一部が凝縮して湿分となる。この湿分が蒸気タービンに与える影響について、図面を用いて以下説明する。

図１１は低圧タービンの最終段落のタービン静翼１０１とタービン動翼１０２を子午面から見た図である。タービン静翼１０１はダイヤフラム内輪１０３とダイヤフラム外輪１０４によって支持されている。タービン動翼１０２はタービンロータ１０５に植設されている。また、タービン動翼１０２の上端には動翼カバー１０６が設けられている。この動翼カバー１０６は、隣接する動翼カバー１０６と接触連結することでタービン動翼１０２の先端の振動を抑制する。また、蒸気がタービン動翼１０２の翼列外へ流出することを防ぎ、タービン効率の低下を防止する。

なお、図１１においては、手前がタービン静翼１０１腹側、タービン動翼１０２背側となっている。タービン静翼１０１の腹側側面には蒸気が凝縮して発生した湿分が付着し、付着した湿分が集まって液膜１０７が形成されている。

図１２は図１１に示すＡ−Ａ線矢視断面図である。液膜１０７がタービン静翼１０１の後縁端１０８に達すると、水滴１０９となって後縁端１０８から飛散する。図中の矢印は、水滴１０９の飛散方向を示している。この際、蒸気のエネルギーが水滴１０９の加速に使われ、蒸気のエネルギーを消費する。

また、水滴１０９は自身の慣性によって蒸気の流れに乗りきれない。このため、水滴１０９は回転するタービン動翼１０２の背側側面１１０に衝突してしまう。水滴１０９のタービン動翼１０２の背側への衝突は、タービン動翼１０２の回転に対する制動力となり、タービン効率を低下させる。また、水滴１０９がタービン動翼１０２の背側側面１１０に付着することで、タービン動翼１０２が侵食されてしまう。

このように、タービン動翼１０２に付着する湿分はタービン効率と信頼性に悪影響を及ぼす。これに対して、付着した湿分を除去するための構造を有する蒸気タービンが知られている。このような装置について、図１３、図１４を用いて以下説明する。

図１３はタービン静翼１０１を子午面から見た断面図である。図１３に示す装置は、タービン静翼１０１を中空構造とし、腹側側面にスリット１１１を設け、表面に付着した湿分をスリット１１１から静翼タービン１０１内部に導入して湿分を除去するものである（例えば、特許文献１参照。）。

図１４はタービン動翼１０２を子午面から見た断面図である。図１４に示す装置は、タービン動翼１０２の背側側面１１０に翼長方向に伸びる溝１１２を設け、溝１１２に付着した湿分をタービン動翼１０２の遠心力によってダイヤフラム外輪１０４に設けたドレンポケット１１３に回収するものである（例えば、特許文献２参照。）。なお、図１４に示すタービン動翼１０２の斜視図を図１５に示す。図１５に示すように、動翼カバー１０６は端面がタービン動翼１０２の背側側面１１０の前方縁端付近と一致するよう設けられており、溝１１２がタービン動翼１０２の背側側面１１０から動翼カバー１０６の端面にわたって設けられている。また、別の例として、動翼カバー１０６に溝１１２と連絡する水分排出穴を設けた構成が開示されている。

上述した装置のうち、図１３に示したタービン静翼１０１にスリット１１１を設けて湿分を除去する装置は、湿分だけでなく蒸気もスリット１１１からタービン静翼１０１内部に流入することが予想される。タービン静翼１０１内部に流入した蒸気はタービンの回転に寄与しないため、タービン効率が低下する。また、タービン静翼１０１を中空にする必要があるため、通常のタービン静翼１０１よりも製造が難しい。

これに対し、図１４、図１５に示したタービン動翼１０２に溝１１２を設けて湿分をドレンポケット１１３に回収する装置は、タービン動翼１０２表面に溝１１２を設けるだけであり製造が容易である。また、動翼カバー１０６の外側へ流れる蒸気は少量であるため、ドレンポケット１１３に流入する蒸気はスリット１１１に流入する蒸気よりも少なく、タービン効率への影響が小さい。

特開２００４−１２４７５１号公報 特開平１１−１５９３０２号公報

上述したように、タービン動翼１０２の背側側面に溝１１２を設ける装置は、タービン静翼１０１を中空にしてスリット１１１を設ける装置よりもタービン効率に与える影響が小さい。しかしながら、蒸気が溝１１２から動翼カバー１０６の外側へ蒸気が流出することは考えられる。

また、タービン動翼１０２に付着する湿分の量はタービンの最終段落に近づくほど増加する。湿分の増加に対応するために溝１１２を増やすと、連結した動翼カバー１０６を貫通する溝１１２または水滴噴出口の数が増えるため、動翼カバー１０６の外側へ流出する蒸気量も増加する。

また、溝１１２を増やすことに伴ってドレンポケット１１３の入口幅を大きくする必要がある。ドレンポケット１１３の入口幅を大きくすると、ドレンポケット１１３に流入する蒸気量も増加することが想定される。また、ドレンポケット１１３がタービン動翼１０２の鉛直上方に位置する場合、ドレンポケット１１３の入口幅が大きいと湿分がドレンポケット１１３内壁に衝突して反射し、ドレンポケット１１３の入口からタービン動翼１０２側へ落下する可能性が高くなる。

従って、本発明の目的は、タービン動翼に付着する湿分を効率的に除去し、かつ湿分を除去するための構造による蒸気の損失を従来よりも低減してタービン効率を高めた蒸気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、本発明による蒸気タービンは、蒸気流によって回転される複数の動翼と、この動翼より外周側に配置されたダイヤフラム外輪と、前記動翼の各々の先端に取り付けられ相互に連結接触するチップカバーと、前記動翼の背側側面に前記動翼の翼長方向に設けられた湿分捕獲溝と、前記チップカバーの前記動翼側側面と前記ダイヤフラム外輪側側面とを連絡するように設けられた水滴噴出口と、前記湿分捕獲溝の前記チップカバー側の端部と前記水滴噴出口とを連絡するよう設けられたドレン誘導溝と、前記ダイヤフラム外輪に設けられ前記水滴噴出口と対向するドレンポケットと、を備えることを特徴とする。

本発明の蒸気タービンによれば、動翼の背面に付着する湿分を溝によって除去し、かつ、この溝による蒸気の損失を従来よりも低減し、従来よりも高いタービン効率を得ることが可能である。

本発明の第１の実施例による蒸気タービンの動翼の構造を示す要部拡大子午面図 第１の実施例による蒸気タービンの動翼の構造を示す上面図。 第１の実施例の別の例による蒸気タービンの動翼の構造を示す要部拡大側面図。 第２の実施例による蒸気タービンの動翼の構造を示す横断面図。 第３の実施例による蒸気タービンの動翼の構造を示す上面図。 第３の実施例による蒸気タービンのチップカバーの構造を示す要部拡大縦断面図。 第４の実施例による蒸気タービンの動翼の構造を示す上面図。 第４の実施例による蒸気タービンのチップカバーの構造を示す要部拡大縦断面図。 第４の実施例の別の例による蒸気タービンの動翼の構造を示す上面図。 第５の実施例による蒸気タービンの動翼及びダイヤフラム外輪の構造を示す要部拡大子午面図。 従来の蒸気タービンの静翼及び動翼の構造を示す子午面図。 図１１に示すＡ−Ａ線による矢視断面図。 従来の蒸気タービンの静翼の子午面図。 従来の蒸気タービンの動翼及びダイヤフラム外輪の構造を示す側面図。 従来の蒸気タービンの動翼の構造を示す斜視図。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の第１の実施例による蒸気タービンの構造について、図１を用いて以下説明する。図１は蒸気タービンの動翼１の先端部近傍を拡大した子午面図である。

図示しないタービンロータに動翼１が植設されており、図１においては手前側が動翼１の背側側面となっている。図１においては左から右に蒸気が流れるものとして図示しており、動翼１においては、左側を前方、右側を後方として以下説明する。

動翼１の背側側面の前方縁端付近に湿分捕獲溝２が複数設けられている。この湿分捕獲溝２には、図示しない静翼から飛散した湿分が付着する。動翼１の上端にはチップカバー３が設けられている。このチップカバー３は隣接する動翼１のチップカバー３と連結接触することすることで動翼１の先端の振動を抑え、また、蒸気が動翼１の翼列の外側へ流出することを防ぎ、タービン効率の低下を防止するものである。

チップカバー３の動翼１側側面にはドレン誘導溝４が設けられている。このドレン誘導溝４は、動翼１後方になるほど深くなっており、チップカバー３の上面に設けられた水滴噴出孔５に繋がっている。

動翼１の外側にはダイヤフラム外輪６が配置される。このダイヤフラム外輪６にはドレンポケット７が設けられている。このドレンポケット７は、蒸気タービン１の回転軸から見て水滴噴出口５の外側に位置する。また、ダイヤフラム外輪６の動翼１後方側には、チップカバー３との間にチップフィン８が設けられている。このチップフィン８は、チップカバー３とダイヤフラム外輪６の間の空間の流路抵抗として働き、チップカバー３とダイヤフラム外輪６の間を通過する蒸気量を低減する。

図２を用いて、ドレン誘導溝４の位置について詳細に説明する。図２は動翼１の上面図である。チップカバー３のダイヤフラム外輪６側側面に水滴噴出口５が開口しており、水滴噴出口５はドレン誘導溝４と繋がっている。ドレン誘導溝４は、湿分捕獲溝２の端部と接し、動翼１の背側側面に沿うように設けられている。

このような構造の動翼１の機能について、図１を用いて以下説明する。蒸気タービンの運転中に、前方の図示しない静翼から飛散した湿分が動翼１に付着し、湿分捕獲溝２に入る。湿分捕獲溝２中の湿分はタービンの回転による遠心力によってチップカバー３の方向へ移動する。湿分は湿分捕獲溝２のチップカバー３側の端部に達すると、湿分捕獲溝２からドレン誘導溝４へ移動する。ドレン誘導溝４に入った湿分は、動翼１の遠心力によってドレン誘導溝４に沿って水滴噴出口５に達し、水滴９となって飛び出す。飛び出した水滴９はドレンポケット７に捕集される。

このように、湿分捕獲溝２に付着した湿分をドレン誘導溝４によって水滴噴出口５へ誘導することにより、湿分をドレンポケット７で捕集することが可能である。これにより、湿分捕獲溝２の数を増やしてもチップカバー３の動翼２側側面とダイヤフラム外輪６側側面とを連絡する水滴噴出口５を増やす必要がなくなる。したがって、水滴噴出口５からダイヤフラム外輪６側へ流出する蒸気の量を従来よりも少なくすることができる。

また、湿分捕獲溝２を増やしてもドレンポケット７の入口を広くする必要がなくなり、ドレンポケット７に流れ込む蒸気量を従来よりも低減することが可能である。

以上説明したように、本実施例の蒸気タービンによれば、損失となる蒸気量を従来よりも低減することにより従来よりもタービン効率を高めることが可能である。

なお、本実施例においてはドレン誘導溝４が動翼１後方になるほど深くなっているものとして説明したが、ドレン誘導溝４の底面が動翼１後方に向かって蒸気タービンの半径方向へ傾斜していれば一定の深さであってもよい。例えば、図３に示すように動翼１の先端が傾斜していれば、ドレン誘導溝４の底面が動翼１後方になるにつれてダイヤフラム外輪７に近づく構成となり、図１に示した例と同様の効果を奏する。

本発明の第２の実施例による蒸気タービンについて、図４を用いて以下説明する。なお、第１の実施例と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４は本実施例による動翼１の概要を示す横断面図である。本実施例においては、動翼１の軸方向コード長をＬ、複数設けられた湿分捕獲溝２のうち最も軸方向下流側に位置する湿分捕獲溝２ａと動翼１の前縁部との距離をＰとした場合に、複数の湿分捕獲溝２が以下の（１）式の範囲内に設けられている。

Ｐ／Ｌ＜０．５ ・・・（１）
図示しない静翼から飛散する湿分の動翼１の翼列内における軌跡を評価すると、大部分が動翼１の上記（１）式の範囲に衝突することが分かっている。したがって、（１）式で定まる範囲に湿分捕獲溝２を複数設けることにより、効率的に動翼１に付着する湿分を除去することが可能である。

本実施例の蒸気タービンによれば、実施例１と同様の効果に加え、さらに効率的に動翼１に付着する湿分を除去することが可能である。

本発明の第３の実施例による蒸気タービンについて、図５、図６を用いて以下説明する。なお、第１の実施例と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５は本実施例による動翼１の翼列の上面図である。チップカバー３の下面に、第２ドレン誘導溝２１が設けられている。この第２ドレン誘導溝２１は、隣接する２つの動翼１の間を横断するように、蒸気タービンの略周方向に設けられている。また、第２ドレン誘導溝２１は水滴噴出口５と連絡している。また、チップカバー３は第２ドレン誘導溝２１がチップカバー３の端面を横断することがないように配列されている。なお、蒸気は図５における左から右の方向へ流れる。

図６を用いて、第２ドレン誘導溝２１の構造について詳細に説明する。図６は、図５に示したＢ−Ｂ線による矢視断面図である。図６に示すように、第２ドレン誘導溝２１は、水滴噴出口に近づくほど溝が深くなるように設けられている。なお、図中の矢印は、動翼１に付着した水滴および湿分の進行方向を概略的に示したものである。

第２ドレン誘導溝２１の機能について、以下説明する。図示しない静翼から飛散した水滴や蒸気中の湿分には遠心力が働くため、一部がチップカバー３の内面に付着することが想定される。この付着した水滴及び湿分が第２ドレン誘導溝２１に入ると、遠心力によって水滴噴出口５へ移動していき、やがて水滴噴出口５から排出されてドレンポケット７に回収される。

本実施例の蒸気タービンによれば、実施例１と同様の効果に加え、チップカバー３の下面に設けた第２ドレン誘導溝２１を設けることにより、チップカバー３の動翼１側側面に付着した湿分を動翼１に付着した湿分と同様に除去することが可能である。

本発明の第４の実施例について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施例と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図７は本実施例による動翼１の上面図である。動翼１に設けられたドレン誘導溝４が、チップカバー３の動翼１側側面に設けられた第２ドレン誘導溝３１と連絡している。また、水滴噴出口５が動翼１の背面側に設けられている。第２ドレン誘導溝３１は動翼１の回転軸に対して斜めに設けられており、ドレン誘導溝４と水滴噴出口５とを連絡している。

第２ドレン誘導溝３１について、図８を用いてさらに詳細に説明する。図８は図７に示したＣ−Ｃ線によるチップカバー３の矢視断面図である。なお、図中の矢印は動翼２に付着した水滴、湿分の進行方向を概略的に示したものである。

第２ドレン誘導溝３１は一定の深さの溝である。チップカバー３自体がタービン後方に近いほどタービン外周側に近くなるように傾斜しているため、第２ドレン誘導溝３１は水滴噴出口５に近づくほどタービン外周側に近くなるように傾斜している。このため、ドレン誘導溝４やチップカバー３の動翼１側側面に付着した後に第２ドレン誘導溝３１に入った湿分は、タービンの遠心力によって水滴噴出口５まで移動し、水滴噴出口５からドレンポケット７へ排出される。

本実施例の蒸気タービンによれば、実施例１と同様の効果に加え、チップカバー３の動翼１側側面に付着した湿分を動翼１に付着した湿分と同様に除去することが可能である。

また、本実施例の変形例による蒸気タービンについて、図９を用いて説明する。図９は本実施例の変形例による動翼１の上面図である。本変形例では第２ドレン誘導溝３１に代えてドレン誘導堰３２が設けられている。このドレン誘導堰３２はチップカバー３の動翼１側側面に突出して設けられた堰である。湿分捕獲溝２に入った湿分は、ドレン誘導溝４、ドレン誘導堰３２を経由して水滴噴出口５まで移動する。また、チップカバー３のドレン誘導堰３２よりも上流側に付着した湿分は、チップカバー３の動翼１側側面を伝ってドレン誘導堰３２まで移動し、その後ドレン誘導堰３２を伝って水滴噴出口５まで移動する。

以上説明したように、第２ドレン誘導溝３１に代えてドレン誘導堰３２を設けることによっても、本実施例と同様の効果を得ることが可能である。

本発明の第５の実施例について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施例と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１０は本実施例による蒸気タービンの動翼１の先端近傍を拡大した子午面図である。本実施例においては、ダイヤフラム外輪６に設けられたドレンポケット７のタービン外側の内面が傾斜面４１とされている。この傾斜面４１は蒸気タービンの回転軸に平行な方向に傾斜しており、ドレンポケット７の入口に対向している。

この傾斜面４１の作用について、以下説明する。チップカバー３に設けられた水滴噴出口５から飛び出した水滴９は、おおむね軌道４２を描き、ドレンポケット７に回収される。すなわち、水滴９は水滴噴出口１０から飛び出し、傾斜面４１に衝突して反射し、ドレンポケット７に回収される。

ドレンポケット７の底面が蒸気タービンの回転軸と平行である場合、衝突した水滴９が底面で反射してドレンポケット７から飛び出し、チップカバー３側に戻ることが想定される。上記説明したように、ドレンポケット７の底面に傾斜面４１を設けることにより、水滴９がドレンポケット７からチップカバー３側に戻るのを防止することが可能である。

なお、本実施例においては傾斜面４１がタービン前方から後方にかけてタービン内周側に傾斜した面として説明したが、タービン後方から前方にかけてタービン内周側に傾斜した面とすることも可能である。

以上本発明の実施例について図を参照して説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施例１〜５を組み合わせ、またいろいろの変形を採ることができる。例えば、実施例１〜４に記載した動翼１の構成と、実施例５に記載したドレンポケット７を組み合わせて用いることが可能である。また、当業者にあっては、具体的な実施例において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種種の変形・変更を加えることが可能である。

１ 動翼
２ 湿分捕獲溝
３ チップカバー
４ ドレン誘導溝
５ 水滴噴出口
６ ダイヤフラム外輪
７ ドレンポケット
８ チップフィン
９ 水滴
２１、３１ 第２ドレン誘導溝
３２ ドレン誘導堰
４１ 傾斜面
４２ 軌道
１０１ タービン静翼
１０２ タービン動翼
１０３ ダイヤフラム内輪
１０４ ダイヤフラム外輪
１０５ タービンロータ
１０６ 動翼カバー
１０７ 液膜
１０８ 後縁端
１０９ 水滴
１１０ 背側側面
１１１ スリット
１１２ 溝
１１３ ドレンポケット

Claims (6)

1. 蒸気流によって回転される複数の動翼と、
   この動翼より外周側に配置されたダイヤフラム外輪と、
   前記動翼の各々の先端に取り付けられ相互に連結接触するチップカバーと、
   前記動翼の背側側面に前記動翼の翼長方向に設けられた複数の湿分捕獲溝と、
   前記チップカバーの前記動翼側側面と前記ダイヤフラム外輪側側面とを連絡するように設けられた一つの水滴噴出口と、
   複数の前記湿分捕獲溝の前記チップカバー側の各端部と一つの前記水滴噴出口とを連絡するよう設けられたドレン誘導溝と、
   前記ダイヤフラム外輪に設けられ前記水滴噴出口と対向するドレンポケットと、
   を備えることを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記ドレン誘導溝は前記水滴噴出口に近い位置ほど深くなっ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. 前記チップカバーの前記動翼側側面に設けられ、隣接した前記動翼の間を横断するように設けられた第２ドレン誘導溝を備え、前記ドレン誘導溝は前記第２ドレン誘導溝を介して前記水滴噴出口と連絡していることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
4. 前記第２ドレン誘導溝は前記水滴噴出口に近いほど深くなっていることを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン。
5. 前記チップカバーの前記動翼側側面に設けられ、隣接した前記動翼の間を横断するように設けられたドレン誘導堰を備え、前記ドレン誘導溝に入った湿分は前記ドレン誘導堰を伝って前記水滴噴出口に達することを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
6. 前記ドレンポケットの入口面と対向する前記ドレンポケットの一部の底面部分が前記蒸気タービンの半径方向に傾斜した傾斜面とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の蒸気タービン。

Images