JP5546876B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は蒸気タービンに係り、特に蒸気温度が６５０〜７５０℃程度の高温蒸気を用いる蒸気タービンに適用される蒸気タービンに関する。

タービン効率向上の観点から、現在、温度が６００℃程度の主流蒸気を用いた蒸気タービンが実用化されている。更にタービン効率を向上させるため、主流蒸気の温度を６５０〜７５０℃程度にすることが検討され、開発が進められている。

このような蒸気タービンにおいては、主流蒸気が高温であるため、ガスタービンのように耐熱合金の使用が必要であるが、高価であったり、大型部品の製作が困難である等の理由から、耐熱合金を使用できず、高温蒸気によって材料強度が不足する場合がある。その場合には、タービン構成要素を冷却することが必要になる。

特許文献１には、動翼が植え込まれたロータのロータディスク、特に第２段以降のロータディスクの両側面と静翼内側面とにより形成される冷却空間に直接冷却流体を供給する冷却通路穴がロータ内部に形成されて、ロータディスクの動翼植込部近傍を冷却するものが開示されている。

特開平１１−２００８０１号公報

ところが、特許文献１に記載のように、ロータディスクの動翼植込部近傍を冷却するために、ロータディスク内側のロータ内部に冷却通路穴を形成することは容易でなく、しかも、ロータ強度を確保する観点からは必ずしも好ましいとは言えない。

また、ロータディスクなどの冷却が必要なタービン段落の範囲においては、上流側のタービン段落で冷却に寄与して温度上昇した冷却蒸気が下流側のタービン段落を冷却することになるので、この下流側のタービン段落の冷却が不十分になる恐れがある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、高温蒸気を使用する場合であっても、ロータ、ロータディスク等のタービン構成要素の強度を保証してその健全性を保持できる冷却構造を備えた蒸気タービンを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、冷却が必要なタービン段落の範囲で下流側タービン段落のタービン構成要素を好適に冷却できる蒸気タービンを提供することにある。

本発明は、ロータに一体成形されたロータディスクに、前記ロータの周方向に沿って複数枚の動翼が植設され、前記ロータを覆うケーシングには、前記動翼に対し前記ロータの軸方向上流側に隣接する位置に、前記ロータの周方向に沿って複数枚の静翼が配置されると共に、この静翼の前記ロータ側に、前記ロータディスクに対向して内側ダイアフラムが前記ロータの軸方向に設置され、前記ロータの軸方向に隣接する前記静翼と前記動翼によりタービン段落が構成される蒸気タービンであって、複数の前記タービン段落では、前記ロータディスクにロータ側冷却通路が、前記内側ダイアフラムにダイアフラム側冷却通路が、それぞれ前記ロータの軸方向に貫通して形成され、前記ロータ側冷却通路を流れた冷却媒体が、前記ダイアフラム側冷却通路と、前記内側ダイアフラムの前記ロータ側に設けられたラビリンス流路へ分流するよう構成され、前記ダイアフラム側冷却通路が形成される複数の前記タービン段落のうち、上流側タービン段落では前記ダイアフラム側冷却通路が前記ロータの軸に平行に形成され、下流側タービン段落では、前記ダイアフラム側冷却通路の出口が入口よりも前記ロータに近づけて形成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、上流段から下流段への広範囲のタービン段落において、冷却媒体によりロータやロータディスク、内側ダイアフラムなどを冷却できるので、高温蒸気を使用する場合であっても、ロータ等のタービン構成要素の強度を保証して、そのタービン構成要素の健全性を保持できる。

本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図。 図２の内側ダイアフラムにおけるダイアフラム側冷却通路の変形形態を示し、（Ａ）〜（Ｆ）はそれぞれ第１〜第６変形形態を示す断面図。 本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図。 本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図。 冷却媒体（冷却蒸気）温度と主流蒸気温度とロータディスクの動翼植込部目標温度との関係を示すグラフ。 本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図。 本発明の第６の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図である。この図１に示す蒸気タービン１０は、温度が６５０〜７５０℃程度の高温の主流蒸気１１を、静翼１２を経て動翼１３へ導き、動翼１３が植設された（植え込まれた）ロータ１４を回転させ、このロータ１４に連結された図示しない発電機を回転駆動するものである。上述の高温の主流蒸気１１を用いることで、タービン効率を向上させることが可能となる。

動翼１３は、ロータ１４に一体成形されたロータディスク１５の外周部に、ロータ１４の周方向に沿って複数枚植設される。

ロータ１４はケーシング１６に覆われる。このケーシング１６には、動翼１３に対しロータ１４の軸方向上流側に隣接する位置に、このロータ１４の周方向に沿って複数枚の静翼１２が、外側ダイアフラム１７を介して設置される。そして、これら複数枚の静翼１２のロータ１４側に、ロータ１４のロータディスク１５に対向して内側ダイアフラム１８が、ロータ１４の軸方向に設置される。複数枚の静翼１２は、外側ダイアフラム１７及び内側ダイアフラム１８により支持されて、主流蒸気１１を動翼１３へ案内する。

複数枚の静翼１２と複数枚の動翼１３は、ロータ１４の軸方向に交互に配置され、隣接する複数枚の静翼１２と複数枚の動翼１３とがタービン段落を構成する。このタービン段落は、主流蒸気１１の流れ方向の上流側から下流側へ向かって、第１段落、第２段落、第３段落…と称される。また、複数枚の静翼１２と複数枚の動翼１３とがロータ１４の軸方向に交互に配置された空間が、主流蒸気１１が流れる蒸気通路１９となっている。

ところで、上述のように構成された蒸気タービン１０において、タービン構成要素、特にロータ１４、ロータディスク１５及び内側ダイアフラム１８を冷却して、これらの強度を保証するための冷却構造２０が蒸気タービン１０の少なくとも一つに設けられている。この蒸気タービンの冷却構造２０は、ダイアフラム側冷却通路２１及びロータ側冷却通路２２を備えてなる。

ロータ側冷却通路２２は、ロータ１４のロータディスク１５において動翼１３の植込部１５Ａ近傍に、ロータ１４の軸と平行に直線状に延在し、この軸方向に貫通して形成される。更にこのロータ側冷却通路２２は、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数形成される。また、ダイアフラム側冷却通路２１は、内側ダイアフラム１８において、ロータ１４の軸と平行に直線状に延在し、この軸方向に貫通して形成される。更にこのダイアフラム側冷却通路２１は、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数形成される。

ここで、内側ダイアフラム１８のロータ１４側には、ラビリンス流路２４が形成されたラビリンス部２３が設けられている。このラビリンス部２３は、内側ダイアフラム１８から突設されたラビリンス歯２５と、ロータ１４から突設されたラビリンス片２６とが、ロータ１４の軸方向に沿って交互に配列されて構成される。このラビリンス部２３は、本来、内側ダイアフラム１８とロータ１４との隙間をシールして、蒸気通路１９内を流れる主流蒸気１１が上記隙間を通って漏洩することを防止するものである。前記ラビリンス流路２４は、ラビリンス歯２５、ラビリンス片２６、内側ダイアフラム１８の内周面及びロータ１４の外周面により区画して形成される。

前記ロータ側冷却通路２２、ダイアフラム側冷却通路２１及びラビリンス流路２４には、主流蒸気１１によりも低温の冷却蒸気などの冷却媒体２７が流れる。つまり、上流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２に導入された冷却媒体２７は、矢印Ａに示すように、このロータ側冷却通路２２を通過した後分流して、下流段の内側ダイアフラム１８のダイアフラム側冷却通路２１とラビリンス流路２４へ流れ、その後合流して、同一の下流段におけるロータディスク１５のロータ側冷却通路２２へ流れるよう構成される。

このダイアフラム側冷却通路２１の形成によって、上流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２を流れた冷却媒体２７は、蒸気通路１９側へ流出することが防止または抑制されて、下流段側へ流れる。また、上流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２から流出した冷却媒体２７がラビリンス流路２４を流れ、また、ラビリンス流路２４を流れた冷却媒体２７が下流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２へ流れることで、上流段及び下流段のロータディスク１５並びに内側ダイアフラム１８（特にロータディスク１５）が冷却される。

上述のように、ロータ側冷却通路２２から流出した冷却媒体２７がダイアフラム側冷却通路２１とラビリンス流路２４へ分流する分流流量の配分は、ダイアフラム側冷却通路２１の圧力損失とラビリンス流路２４の圧力損失に基づいて、つまり、これらのダイアフラム側冷却通路２１の圧力損失とラビリンス流路２４の圧力損失とを調整することによって決定される。ダイアフラム側冷却通路２１の圧力損失は、内側ダイアフラム１８に形成されたダイアフラム側冷却通路２１の数、ダイアフラム側冷却通路２１の通路断面積などによって規定される。また、ラビリンス流路２４の圧力損失は、ラビリンス歯２５の数、ラビリンス歯２５とロータ１４外周面との寸法ｔなどによって規定される。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。

（１）上流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２を流れた冷却媒体２７が、下流段の内側ダイアフラム１８のダイアフラム側冷却通路２１と、この内側ダイアフラム１８のロータ１４側に設けられたラビリンス流路２４とへ分流することで、この冷却媒体２７を、主流蒸気１１が流れる蒸気通路１９へ流出させず、またはこの流出量を抑制して、このダイアフラム側冷却通路２１を経て下流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２へ導くことができる。このため、上流段から下流段への広範囲のタービン段落において、冷却媒体２７によりロータ１４のロータディスク１５や内側ダイアフラム１８などを冷却できるので、６５０〜７５０℃程度の高温の主流蒸気１１を使用する場合であっても、タービン構成要素（特にロータ１４及びロータディスク１５）の強度を保証して、そのタービン構成要素の健全性を保持できる。

（２）冷却媒体２７は、ロータ１４のロータディスク１５に形成されたロータ側冷却通路２２と、静翼１２を支持する内側ダイアフラム１８に形成されたダイアフラム側冷却通路２１とを流れるので、ロータ１４内に冷却通路を形成する場合に比べ、製作が容易であり、しかもロータ１４の強度を低下させる恐れもない。

［Ｂ］第２の実施の形態（図２及び図３）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図である。図３は、図２の内側ダイアフラムにおけるダイアフラム側冷却通路の変形形態を示し、（Ａ）〜（Ｆ）がそれぞれ第１〜第６変形形態を示す断面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

この第２の実施の形態の蒸気タービンの冷却構造３０が前記第１の実施の形態と異なる点は、内側ダイアフラム１８に形成されるダイアフラム側冷却通路３１の形状である。この内側ダイアフラム１８の形状は、特に冷却が必要な箇所やラビリンス流路２４の圧力損失等によって決定される。

つまり、ダイアフラム側冷却通路３１は、内側ダイアフラム１８において、ロータ１４側から静翼１２側へロータ１４の軸に対し傾斜して直線状に延在し、ロータ１４の軸方向に貫通して形成される。更にこのダイアフラム側冷却通路３１は、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数形成される。上流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２を流れて流出した冷却媒体２７は、矢印Ｂに示すように、前記第１の実施の形態によりもロータ１４に近い位置にて分流して、下流段の内側ダイアフラム１８のダイアフラム側冷却通路３１と、この内側ダイアフラム１８のラビリンス流路２４へ流れ、これらのダイアフラム側冷却通路３１及びラビリンス流路２４を流出して合流し、同一の下流段におけるロータディスク１５のロータ側冷却通路２２へ流出する。

上流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２から流出した冷却媒体２７がロータ１４に近い位置で分流することで、この上流段のロータディスク１５における下流段側領域αを特に冷却することが可能となる。

図３（Ａ）に示す第１変形形態のダイアフラム側冷却装置３２は、内側ダイアフラム１８において、静翼１２側からロータ１４（図２参照）側へロータ１４の軸に対し傾斜して直線状に延在し、ロータ１４の軸方向に貫通して形成される。更にこのダイアフラム側冷却通路３２は、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数形成される。上流側のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２を流れて流出した冷却媒体２７は分流して、下流段の内側ダイアフラム１８のダイアフラム側冷却通路３２と、この内側ダイアフラム１８のラビリンス流路２４へ流れ、これらのダイアフラム側冷却通路３２及びラビリンス流路２４から流出して、ロータ１４に近い位置で合流し、同一の下流段におけるロータディスク１５のロータ側冷却通路２２へ流入する。

この場合には、下流段の内側ダイアフラム１８のダイアフラム側冷却通路３２及びラビリンス流路２４から流出した冷却媒体２７が、ロータ１４に近い位置で合流して、同一の下流段におけるロータディスク１５のロータ側冷却通路２２へ流入するので、この下流段のロータディスク１５における上流段側領域β（図２）を特に冷却することが可能となる。

図３（Ｂ）に示す第２変形形態のダイアフラム側冷却通路３３は、内側ダイアフラム１８において、ロータ１４（図２参照）側から静翼１２側へロータ１４の軸に対し傾斜して直線状に延在し、途中でロータ１４の軸に平行に延在し、ロータ１４の軸方向に貫通して形成される。更にこのダイアフラム側冷却通路３３は、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数形成される。冷却媒体２７の流れは、図２のダイアフラム側冷却通路３１の場合と略同様であり、上段落のロータディスク１５における下流段側領域α（図２）を特に冷却することが可能となる。更に、ダイアフラム側冷却通路３３から流出する冷却媒体２７を図２の場合よりもロータ１４側に導くことで、下流側のロータディスク１５における所望の領域を好適に冷却することが可能になると共に、冷却媒体２７の蒸気通路１９への流出防止も可能となる。

図３（Ｃ）に示す第３変形形態のダイアフラム側冷却通路３４は、内側ダイアフラム１８において、静翼１２側からロータ１４（図２参照）側へロータ１４の軸に対し傾斜して直線状に延在し、途中でロータ１４の軸に平行に延在し、ロータ１４の軸方向に貫通して形成される。更にこのダイアフラム側冷却通路３４は、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数形成される。冷却媒体２７の流れは、図３（Ａ）のダイアフラム側冷却通路３２の場合と略同様であるが、ダイアフラム側冷却通路３４とラビリンス流路２４から流出した冷却媒体２７が合流する位置を、前記上流段側領域βよりも動翼１３側の所望の位置に設定することが可能となる。

図３（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）にそれぞれ示す第４、第５、第６変形形態のダイアフラム側冷却通路３５、３６、３７は、内側ダイアフラム１８において、ロータ１４の径方向に複数本平行に形成され、それぞれが通路断面積の小さな点を除いて、ダイアフラム側冷却通路２１（図１）、ダイアフラム側冷却通路３１（図２）、ダイアフラム側冷却通路３２（図３（Ａ））のそれぞれと同一形状に形成される。更にこれらのダイアフラム側冷却通路３５、３６、３７のそれぞれは、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数形成される。

これらの第４、第５、第６変形形態では、ダイアフラム側冷却通路３５、３６、３７は、それぞれ通路断面積が小さく複数本存在するため圧力損失が高くなる。従って、これらの第４、第５、第６変形形態は、内側ダイアフラム１８のラビリンス流路２４の圧力損失が高い場合に、上流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２（図２参照）から流出した冷却媒体２７を、ダイアフラム側冷却通路３５、３６または３７とラビリンス流路２４とへ良好に分流するために用いられる。勿論、これらの第４、第５、第６の各変形形態でも、第１実施形態（図１）、第２実施形態（図２）、第１変形形態（図３（Ａ））のそれぞれと同様な機能を果たす。

従って、上述の第１〜第６変形形態を含めた第２の実施の形態における蒸気タービンの冷却構造３０においても、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏する。

［Ｃ］第３の実施の形態（図４）
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の蒸気タービンの冷却構造４０が前記第１の実施の形態と異なる点は、内側ダイアフラム１８に、冷却媒体２７によってロータ１４の軸方向に移動する可動フィン４１が配設された点である。

つまり、内側ダイアフラム１８には、第１実施形態（図１）のダイアフラム側冷却通路２１と第２実施形態における第１変形形態（図３（Ａ））のダイアフラム側冷却通路３２とが組み合わされた、二又形状のダイアフラム側冷却通路４２が形成される。このダイアフラム側冷却通路４２におけるダイアフラム側冷却通路２１部分の下流側に可動フィン４１が、例えばスプリング４３等の付勢体により付勢された状態で配設される。

可動フィン４１は、スプリング４３の付勢力によって内側ダイアフラム１８内に略収容されている状態では、隣接するロータディスク１５に設置された固定フィン４４と交差しないように設けられる。これにより、静翼１２、外側ダイアフラム１７及び内側ダイアフラム１８がケーシング１６に組みつけられる際に、可動フィン４１と固定フィン４４との干渉が防止される。

冷却媒体２７を上流段のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２（図１参照）に導入させたとき、このロータ側冷却通路２２から流出した冷却媒体２７は、下流段の内側ダイアフラム１８のダイアフラム側冷却通路４２とラビリンス流路２４へ分流し、ダイアフラム側冷却通路４２のダイアフラム側冷却通路３２部分とラビリンス流路２４とから流出して合流し、同一の下流段におけるロータディスク１５のロータ側冷却通路２２へ流入する間に、上流段及び下流段のロータディスク１５（特に下流段のロータディスク１５）が冷却される。このとき、ダイアフラム側冷却通路４２のダイアフラム側冷却通路２１部分に流入した冷却媒体２７が可動フィン４１を、スプリング４３の付勢力に抗してロータ１４の軸方向に押圧する。これにより可動フィン４１が、隣接するロータディスク１５側へ突出して、図４に示すように、このロータディスク１５の固定フィン４４と交差状態になり、これらの可動フィン４１と固定フィン４４との隙間が減少する。

以上のように構成されたことから、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）を奏する。

（３）内側ダイアフラム１８には、冷却媒体２７によってロータ１４の軸方向に移動し、隣接するロータディスク１５の固定フィン４４との隙間を減少させ得る可動フィン４１が配設されたので、冷却媒体２７が蒸気通路１９内へ流出すること、及び蒸気通路１９内の主流蒸気１１がロータディスク１５と内側ダイアフラム１８間の冷却媒体２７中へ流入することを防止できる。

［Ｄ］第４の実施の形態（図５、図６）
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の蒸気タービンの冷却構造５０が前記第１〜第３の実施の形態と異なる点は、ロータ１４の軸方向に複数配置されたタービン段落のうちで、ロータ１４、ロータディスク１５及び内側ダイアフラム１８等のタービン構成要素に冷却が必要なタービン段落の要冷却範囲（例えば第１段〜第６段のタービン段落の要冷却範囲）では、内側ダイアフラム１８にダイアフラム側冷却通路５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ…が形成され、このダイアフラム側冷却通路５１Ａ〜５１Ｄ…の形状が前記要冷却範囲の上流側タービン段落と下流側タービン段落とで変更される点である。

上記ダイアフラム側冷却通路５１Ａ〜５１Ｄ…は、前記第１〜第３の実施の形態のダイアフラム側冷却通路２１等と同様に、ロータ１４の軸方向に貫通して内側ダイアフラム１８に形成され、内部に冷却蒸気などの冷却媒体２７が流れる。更に、ダイアフラム側冷却通路５１Ａ〜５１Ｄ…は、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数個内側ダイアフラム１８に形成される。

そして、上流側タービン段落（例えば第１段及び第２段のタービン段落）の内側ダイアフラム１８におけるダイアフラム側冷却通路５１Ａは、第１の実施の形態のダイアフラム側冷却通路２１と同様に、ロータ１４の軸に平行に直線状に延在して形成される。また、下流側タービン段落（例えば第３段〜第６段のタービン段落）の内側ダイアフラム１８におけるダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…は、静翼１２側からロータ１４側へロータ１４の軸に対し直線状に傾斜し延在して形成される。従って、これらのダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…の出口５３が入口５２よりも、内側ダイアフラム１８の半径方向においてロータ１４に近づけて形成される。すなわち、本実施の形態では、上流側タービン段落においてダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…の入口５２と出口５３の半径方向位置が等しく形成されているのに対して、下流側タービン段落においては、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…の出口５３の半径方向位置が入口５２の半径方向位置よりも内側になるように形成されている。

このタービン段落要冷却範囲では、隣接するタービン段落のロータディスク１５のロータ側冷却通路２２から流出した冷却媒体２７が分流して、当該タービン段落のダイアフラム側冷却通路５１Ａ〜５１Ｄ…のいずれか１つとラビリンス流路２４とへ流れ、これらのダイアフラム側冷却通路５１Ａ〜５１Ｄのいずれか１つとラビリンス流路２４とから流出した冷却媒体２７が合流して、同一のタービン段落のロータディスク１５におけるロータ側冷却通路２２へ流入する。これにより、冷却媒体２７の蒸気通路１９への流入が防止または抑制されると共に、ロータ１４、ロータディスク１５及び内側ダイアフラム１８が冷却される。

図６に示すように、冷却媒体２７（例えば冷却蒸気）は、タービン段落が下流になるほど順次吸熱するため、その温度（冷却媒体温度Ｔｃ）は順次上昇する。一方、主流蒸気１１は、タービン段落が下流になるほど順次放熱するので、その温度（主流蒸気温度Ｔｇ）は順次低下する。また、ロータディスク１５の温度、特にロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの目標温度Ｔｍは、タービン段落が下流になるほどを低く設定されている。これは、タービン段落が下流になるほど動翼１３の高さが高くなるので遠心力が大きくなり、ロータディスク１５の動翼植込部１５Ａに作用する力が大きくなるので、低い温度でなければ必要な強度を確保できないからである。

また、ロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの温度は、冷却媒体２７により冷却しなければ主流蒸気１１と略同一温度となる。従って、このロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの温度が目標温度Ｔｍ以下になるためには、次式（１）を満たす必要がある。

Ｘ１×（Ｔｇ−Ｔｍ）≦ Ｘ２×（Ｔｍ−Ｔｃ） …（１）
但し、係数Ｘ１、Ｘ２は、同一のタービン段落におけるダイアフラム側冷却通路５１Ａ〜５１Ｄ…のいずれか１つとロータ側冷却通路２２とからなる冷却通路の長さや冷却媒体２７の速度等の関数である。すなわち、この式（１）は、ロータディスク１５が冷却媒体２７（例えば冷却蒸気）により冷却される熱量が、主流蒸気１１からロータディスク１５へ伝わる熱量以上となることが必要であることを示している。

タービン段落要冷却範囲において、上流側タービン段落（例えば図６のタービン段落Ａ付近のタービン段落）では、ロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの目標温度Ｔｍに対して冷却媒体２７の温度Ｔｃが低いため、これらの温度差（Ｔｍ−Ｔｃ）が大きくなり、冷却媒体２７を用いた蒸気タービンの冷却構造５０の冷却能力に余裕がある。従って、式（１）では右辺の値が左辺よりも大きくなり、式（１）が満たされる。このため、図５に示すように、タービン段落要冷却範囲の上流側タービン段落では、ダイアフラム側冷却通路５１Ａがロータ１４の軸に平行に直線状に形成されても、ロータ１４、ロータディスク１５、内側ダイアフラム１８、特にロータディスク１５の動翼植込部１５Ａが好適に冷却される。

これに対し、タービン段落要冷却範囲において下流側タービン段落（例えば図６のタービン段落Ｃ付近のタービン段落）では、ロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの目標温度Ｔｍと冷却媒体２７の温度Ｔｃとの温度差（Ｔｍ−Ｔｃ）が小さくなるので、式（１）の右辺を大きくするためには係数Ｘ２を大きくする必要がある。その１つの方法として、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…のいずれか１つとロータ側冷却通路２２とからなる冷却通路の長さを長くすることが挙げられる。

このため、図５に示すように、タービン段落要冷却範囲の下流側タービン段落では、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…がロータ１４の軸に対し傾斜して形成されて、出口５３が入口５０によりもロータ１４に近づけて形成される。これにより、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…のいずれか１つの出口５３から、同一タービン段落のロータディスク１５におけるロータ側冷却通路２２の入口までの長さを長くする。従って、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…のいずれか１つとロータ側冷却通路２２とからなる冷却通路の長さが長く設定されると共に、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…のいずれか１つから同一タービン段落のロータディスク１５の側面に冷却媒体２７が衝突してロータディスク１５（動翼植込部１５Ａを含む）が側面から冷却される。これらの結果、蒸気タービンの冷却構造５０の冷却能力が高められる。

ここで、タービン段落要冷却範囲における下流側タービン段落は、少なくとも、ロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの目標温度Ｔｍと冷却媒体２７の温度Ｔｃとの温度差（Ｔｍ−Ｔｃ）と、ロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの目標温度Ｔｍと主流蒸気１１の温度Ｔｇとの温度差（Ｔｇ−Ｔｍ）とが等しくなるタービン段落（例えば図６のタービン段落Ｂ）よりも下流側のタービン段落をいう。さらに、このようにダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…がロータ１４の軸に対し傾斜して形成される下流側タービン段落に、温度差（Ｔｍ−Ｔｃ）と温度差（Ｔｇ−Ｔｍ）とが等しくなるタービン段落を含めても構わない。この下流側タービン段落は、例えば前述の如く第３段〜第６段のタービン段落である。また、タービン段落要冷却範囲における上流側タービン段落は、上述の下流側タービン段落以外のタービン段落であり、例えば第１段及び第２段のタービン段落である。

更に、図５に示すように、本実施の形態のタービン段落要冷却範囲における下流側タービン段落の各ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…では、ロータ１４の軸に対する傾斜角度がタービン段落の下流になるに従い順次大きく設定されて、それぞれの出口５３の半径方向位置が、タービン段落の下流になるに従い順次ロータ１４に近づけて（半径方向の内側位置に）設定される。これは、タービン段落が下流になるに従い冷却媒体２７の温度Ｔｃが徐々に上昇して冷却媒体２７の冷却能力が徐々に低下する。そこで、これに対応して、ロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの温度をその目標温度Ｔｍ以下にするためには、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…のいずれか１つとロータ側冷却通路２２とからなる冷却通路の長さを、タービン段落が下流になるに従い徐々に長くする必要があるからである。

従って、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）〜（６）を奏する。

（４）冷却が必要なタービン段落の要冷却範囲における下流側タービン段落では、内側ダイアフラム１８に形成されるダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…は、出口５３が入口５２よりもロータ１４に近づけて形成されたので、このダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄのいずれか１つと、同一タービン段落のロータディスク１５に設けられたロータ側冷却通路２２とからなる冷却通路の長さを長く形成できる。更に、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…の出口５３から流出した冷却媒体２７が同一タービン段落のロータディスク１５の側面に衝突して、この動翼植込部１５Ａを含むロータディスク１５を側面から冷却できる。これらの結果、下流側タービン段落のダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…を流れる冷却媒体２７の温度が上昇した場合にも、タービン段落要冷却範囲の下流側タービン段落のタービン構成要素、特に動翼植込部１５Ａを含むロータディスク１５等を好適に冷却できる。

（５）タービン段落要冷却範囲における上流側タービン段落のダイアフラム側冷却通路５１Ａは、内側ダイアフラム１８においてロータ１４の軸に平行に直線状に貫通して形成される。この上流側タービン段落では、冷却媒体２７の温度Ｔｃが十分に低いので、この冷却媒体２７によってロータ１４、内側ダイアフラム１８、及び動翼植込部１５Ａを含むロータディスク１５を好適に冷却できる。しかも、ロータ１４の軸に平行であればダイアフラム側冷却通路５１Ａを内側ダイアフラム１８に容易に加工できるので、加工コストを低減できる。

（６）タービン段落要冷却範囲における下流側タービン段落の各ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…では、それぞれの出口５３の位置がタービン段落の下流になるに従い順次ロータ１４に近づけて設定されている。この結果、タービン段落が下流になるに従って冷却媒体２７の温度Ｔｃが徐々に上昇し、この冷却媒体の冷却能力が低下することに対応して、ダイアフラム側冷却通路５１Ｂ〜５１Ｄ…のいずれか１つとロータ側冷却通路２２とからなる冷却通路の長さを、タービン段落が下流になるに従い徐々に長くすることができる。このため、ロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの温度を、その目標温度Ｔｍ以下に効率よく冷却することが可能になる。

［Ｅ］第５の実施の形態（図７）
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図である。この第５の実施の形態において、前記第１の実施の形態（図１）及び前記第４の実施の形態（図５）と同様な部分については、同一の符号の付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の蒸気タービンの冷却構造６０が前記第４の実施の形態における蒸気タービンの冷却構造５０と異なる点は、タービン段落要冷却範囲の下流側タービン段落における内側ダイアフラム１８に形成されたダイアフラム側冷却通路６１Ｂ〜６１Ｄ…の傾斜角度及び出口５３の位置である。

つまり、タービン段落要冷却範囲の下流側タービン段落の各ダイアフラム側冷却通路６１Ｂ〜６１Ｄ…は、ロータ１４の軸に対する傾斜角度が最下流のタービン段落において必要とされる傾斜角度に一律に設定されて、それぞれの出口５３の半径方向位置が、最下流のタービン段落において必要とされる半径方向位置に一律に設定される。尚、このダイアフラム側冷却通路６１Ｂ〜６１Ｄ…についても、内側ダイアフラム１８をロータ１４の軸方向に貫通し、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数個形成される。

ここで、最下流のタービン段落において必要される傾斜角度、及び最下流のタービン段落において必要される出口位置は、タービン段落要冷却範囲の最下流のタービン段落を流れる冷却媒体２７の温度Ｔｃに対応して、最下流のタービン段落におけるロータディスク１５の動翼植込部１５Ａの温度を目標温度Ｔｍ以下にするために必要な冷却通路の長さを確保するために定められたものである。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）、並びに前記第４の実施の形態の効果（４）及び（５）と同様な効果を奏するほか、次の効果（７）を奏する。

（７）タービン段落要冷却範囲の下流側タービン段落の各ダイアフラム側冷却通路６１Ｂ〜６１Ｄ…のそれぞれの出口５３の位置が、最下流のタービン段落において必要される出口位置に一律に設定されている。このため、ダイアフラム側冷却通路の出口５３の位置をタービン段落の下流になるに従い順次ロータ１４に近づけて設定する場合に比べ、ダイアフラム側冷却通路６１Ｂ〜６１Ｄ…の加工作業を容易化でき、その加工コストを低減できる。

［Ｆ］第６の実施の形態（図８）
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す部分断面図である。この第６の実施の形態において前記第１の実施の形態（図１）及び前記第４の実施の形態（図５）と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態における蒸気タービンの冷却構造７０が前記第４の実施の形態の蒸気タービンの冷却構造５０と異なる点は、タービン段落要冷却範囲の下流側タービン段落における内側ダイアフラム１８に形成されたダイアフラム側冷却通路７１の形状である。

つまり、この下流側タービン段落のダイアフラム側冷却通路７１は、静翼１２側からロータ１４側へロータ１４の軸に対し傾斜して直線状に延在し、途中でロータ１４の軸に平行に延在し、ロータ１４の軸方向に貫通して内側ダイアフラム１８に形成される。更に、これらのダイアフラム側冷却通路７１は、ロータ１４の周方向に所定間隔で複数個内側ダイアフラム１８に形成される。ダイアフラム側冷却通路７１の傾斜部分の端に入口５２が、平行部分の端に出口５３がそれぞれ設けられる。すなわち、本実施の形態においては、ダイアフラム側冷却通路７１が、少なくともその一部にロータ１４の軸に平行な部分を有することを特徴とするものである。

ダイアフラム側冷却通路７１の出口５３の位置は、第４の実施の形態と同様に、タービン段落の下流になるに従い順次ロータ１４に近づけて設定されてもよく、または第５の実施の形態と同様に、最下流のタービン段落において必要とされる位置に一律に設定されてもよい。図８は、後者（一律設定）の例を示す。

従って、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）、第４の実施の形態の効果（４）〜（６）、並びに前記第５の実施の形態の効果（７）と同様な効果を奏するほか、次の効果（８）を奏する。

（８）タービン段落要冷却範囲の下流側タービン段落における内側ダイアフラム１８に形成されたダイアフラム側冷却通路７１が、ロータ１４の軸に傾斜して延在し、途中でロータ１４の軸に平行に存在して形成され、傾斜部分の端に入口５２が、平行部分の端に出口５３がそれぞれ設けられている。このため、ダイアフラム側冷却通路７１の平行部分を流れて出口５３から流出する冷却媒体２７は、同一のタービン段落におけるロータディスク１５の側面に垂直に衝突することになるので、この冷却媒体２７によるロータディスク１５（動翼植込部１５Ａを含む）の冷却を効率良く実施できる。

１０ 蒸気タービン
１１ 主流蒸気
１２ 静翼
１３ 動翼
１４ ロータ
１５ ロータディスク
１６ ケーシング
１８ 内側ダイアフラム
１９ 蒸気通路
２０ 蒸気タービンの冷却構造
２１ ダイアフラム側冷却通路
２２ ロータ側冷却通路
２３ ラビリンス部
２４ ラビリンス流路
２７ 冷却媒体
３０ 蒸気タービンの冷却構造
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７ ダイアフラム側冷却通路
４０ 蒸気タービンの冷却構造
４１ 可動フィン
４２ ダイアフラム側冷却通路
５０ 蒸気タービンの冷却構造
５１Ａ〜５１Ｄ… ダイアフラム側冷却通路
５２ 入口
５３ 出口
６０ 蒸気タービンの冷却構造
６１Ｂ〜６１Ｄ… ダイアフラム側冷却通路
７０ 蒸気タービンの冷却構造
７１ ダイアフラム側冷却通路
Ｔｃ 冷却媒体温度
Ｔｇ 主流蒸気温度
Ｔｍ 目標温度

Claims (9)

1. ロータに一体成形されたロータディスクに、前記ロータの周方向に沿って複数枚の動翼が植設され、
   前記ロータを覆うケーシングには、前記動翼に対し前記ロータの軸方向上流側に隣接する位置に、前記ロータの周方向に沿って複数枚の静翼が配置されると共に、この静翼の前記ロータ側に、前記ロータディスクに対向して内側ダイアフラムが前記ロータの軸方向に設置され、
   前記ロータの軸方向に隣接する前記静翼と前記動翼によりタービン段落が構成される蒸気タービンであって、
   複数の前記タービン段落では、前記ロータディスクにロータ側冷却通路が、前記内側ダイアフラムにダイアフラム側冷却通路が、それぞれ前記ロータの軸方向に貫通して形成され、
   前記ロータ側冷却通路を流れた冷却媒体が、前記ダイアフラム側冷却通路と、前記内側ダイアフラムの前記ロータ側に設けられたラビリンス流路へ分流するよう構成され、
   前記ダイアフラム側冷却通路が形成される複数の前記タービン段落のうち、上流側タービン段落では前記ダイアフラム側冷却通路が前記ロータの軸に平行に形成され、下流側タービン段落では、前記ダイアフラム側冷却通路の出口が入口よりも前記ロータに近づけて形成されたことを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記冷却媒体がダイアフラム側冷却通路とラビリンス流路へ分流する分流流量の配分は、
   前記ダイアフラム側冷却通路と前記ラビリンス流路のそれぞれの圧力損失に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記ダイアフラム側冷却通路の形状は、冷却が必要な箇所またはラビリンス流路の圧力損失に応じて決定されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
4. 前記内側ダイアフラムには、冷却媒体によってロータの軸方向に移動し、隣接するロータディスクとの隙間を減少させ得る可動フィンが配設されたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
5. 前記下流側タービン段落は、冷却媒体の温度をＴｃ、主流蒸気の温度をＴｇ、ロータディスクの目標温度をＴｍとしたとき、少なくとも、温度差（Ｔｍ−Ｔｃ）と温度差（Ｔｇ−Ｔｍ）とが等しくなるタービン段落よりも下流側のタービン段落であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
6. 前記下流側タービン段落の各ダイアフラム側冷却通路は、その出口位置が、タービン段落の下流になるに従い順次ロータにより近づけて設定されたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
7. 前記下流側タービン段落の各ダイアフラム側冷却通路は、その出口の半径方向位置が、最下流のタービン段落において必要とされる半径方向位置に一律に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
8. 前記下流側タービン段落のダイアフラム側冷却通路は、ロータの軸に対し傾斜して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
9. 前記下流側タービン段落のダイアフラム側冷却通路は、少なくともその一部にロータの軸に平行な部分を有することを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。

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