JP5606564B2

JP5606564B2 - 蒸気タービン

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Publication number: JP5606564B2
Application number: JP2013026941A
Authority: JP
Inventors: 麻子猪亦; 勝也山下; 和宏齊藤; 隆夫犬飼; 国彦和田; 一隆池田; 威夫須賀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: JP2013083274A

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、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンの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。蒸気タービンの効率をさらに向上させるため、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、構成部品によっては耐熱合金の使用を必要とする。しかしながら、耐熱合金は、高価であったり、大型部品の製作が困難であるなどの理由から、耐熱合金を使用できない構成部品がある。このような構成部品で構成された部位においては、蒸気の温度を高温化することで材料強度が不足する場合がある。そこで、高温となる構成部品を冷却することで、高温化による材料強度の低下を抑制する技術が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１では、外部ケーシングと内部ケーシングとから構成される二重構造のケーシングを備える蒸気タービンにおいて、静翼を支持するダイアフラム外輪に冷却蒸気を流す冷却通路を形成して、ダイアフラム外輪を冷却する技術が記載されている。

特開２００６−１０４９５１号公報

蒸気タービンにおいて、ケーシングは大型であるため、製造コストや製作上の観点から、耐熱合金ではなく、従来使用されている耐熱鋼で作製されることが望ましい。また、従来の二重構造のケーシングを備える蒸気タービンにおいて、静翼を支持するダイアフラム外輪は、例えば、内部ケーシングの一部に接触して配置されているため、ダイアフラム外輪からの熱が内部ケーシングに伝わりやすかった。また、従来のダイアフラム外輪を冷却する構成では、二重構造のケーシングのうちで高温となりやすい内部ケーシングを十分に冷却することは困難であった。

そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、二重構造のケーシングを備える蒸気タービンにおけるケーシング、特に内部ケーシングの温度上昇を抑制することができる蒸気タービンを提供することを目的とする。

実施の形態の蒸気タービンは、外部ケーシングと内部ケーシングとから構成される二重構造のケーシングと、前記外部ケーシングの入口部と、前記内部ケーシングの入口部とを連通するように設けられ、外部からの蒸気が導入される蒸気入口管と、前記内部ケーシング内に貫設され、複数段の動翼が植設されたタービンロータと、前記内部ケーシングの内周側に、周方向に沿って設けられたダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に支持され、前記タービンロータの軸方向に前記動翼と交互に配設された複数段の静翼とを備える。

さらに、蒸気タービンは、各タービン段落に対応させて前記内部ケーシングの内周面に、周方向に亘って前記タービンロータ側に突出するように形成され、かつ上流側の側面が前記ダイアフラム外輪の下流側の側面と当接する突条部と、前記内部ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間に形成され、前記内部ケーシングの内周面および前記ダイアフラム外輪の外周面によって構成される空隙部、および前記タービンロータの軸方向であって前記突条部に形成された、前記空隙部に連通する貫通口を備え、冷却媒体を通す冷却媒体通路と、前記冷却媒体通路に前記冷却媒体を供給する供給配管と、膨張仕事をしながら前記内部ケーシング内を流動し、最終段の動翼を通過した作動流体を前記内部ケーシング内から外部に導く排気流路とを備える。

本発明の蒸気タービンによれば、二重構造のケーシングを備える蒸気タービンにおけるケーシング、特に内部ケーシングの温度上昇を抑制することができる。

第１の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。第１の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体通路の構成を説明するための、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。突条部の上流側の側面に当接するダイアフラム外輪の下流側の側面の一部をタービンロータの軸方向における下流側から見たときの平面図である。第２の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体通路の構成を説明するための、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。第３の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体通路の構成を説明するための、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。第４の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体通路の構成を説明するための、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。第５の実施の形態の蒸気タービンの熱遮断構造体の構成を説明するための、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態を図を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の、タービンロータ２２の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。

図１に示すように、蒸気タービン１０は、内部ケーシング２０とその外側に設けられた外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２０内に、タービンロータ２２が貫設されている。このタービンロータ２２のロータディスク２３には、周方向に複数の動翼２４が植設され、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、タービンロータ２２の軸方向に複数段形成されている。なお、タービンロータ２２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

また、内部ケーシング２０の内側には、ダイアフラム外輪２５およびダイアフラム内輪が周方向に沿って設けられている。ダイアフラム外輪２５とダイアフラム内輪２６との間には、周方向に複数の静翼２７が支持され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、タービンロータ２２の軸方向に動翼翼列と交互に複数段配設され、静翼翼列と動翼翼列とからなる複数のタービン段落を形成している。ここで、ダイアフラム外輪２５およびダイアフラム内輪２６は、２つの半円筒状の形状の部材を組み合わせて円筒状の形状に構成されている。そのため、水平面となる半円筒状の形状の部材の両端部には、半円筒状の部材どうしを組み合わせて固定するためのフランジ部（図示しない）を有している。

また、内部ケーシング２０の内周面には、タービンロータ２２側に周方向に亘って突出する突条部２８が形成されている。この突条部２８は、各タービン段落に対応して、タービンロータ２２の軸方向に複数形成されている。突条部２８の上流側の側面２８ａは、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと当接している。このように、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａが突条部２８の上流側の側面２８ａに当接するようにダイアフラム外輪２５を配置することで、ダイアフラム外輪２５のタービンロータ２２の軸方向の下流側への移動が防止される。

ダイアフラム内輪２６のタービンロータ２２側には、ラビリンスシール部２９が設けられ、ダイアフラム内輪２６とタービンロータ２２との間からの蒸気の漏洩を抑制している。なお、ラビリンスシール部２９は、円周方向に例えば８つなど複数に分割された構成となっており、それぞれダイアフラム内輪２６の内周側に設けられた溝部に、円周方向に挿入され嵌合するようになっている。

また、蒸気タービン１０には、外部ケーシング２１の入口部２１ａと、内部ケーシング２０の入口部２０ａとを連通するように、外部からの蒸気が導入される蒸気入口管３０が備えられている。また、内部ケーシング２０の入口部２０ａの内周面にシールリング３１を備え、蒸気入口管３０との間をシールしている。

内部ケーシング２０の入口部２０ａには、ノズルボックス３２が設けられている。このノズルボックス３２の一端は、蒸気入口管３０に連通するように接続されている。また、ノズルボックス３２の他端、すなわち出口には、第１段の静翼２７を備える静翼翼列が構成されている。

また、蒸気タービン１０には、膨張仕事をしながら内部ケーシング２０内の静翼翼列と動翼翼列をそれぞれ交互に通過して流動し、最終段の動翼２４を通過した作動流体である蒸気を内部ケーシング２０内から外部に導く排気流路（図示しない）が設けられている。

また、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間には、冷却媒体ＣＭを通す冷却媒体通路４０が形成されている。また、図１に示すように、この冷却媒体通路４０に冷却媒体ＣＭを供給する供給配管４５が設けられている。この供給配管４５は、外部ケーシング２１を貫通し、一端が内部ケーシング２０に設けられた貫通口に嵌合されている。ここでは、第３タービン段落の冷却媒体通路４０に冷却媒体ＣＭを供給するように供給配管４５が設けられているが、この位置に限られるものではない。

冷却媒体ＣＭとしては、他の蒸気タービンから抽気された蒸気、他の蒸気タービンから排気された蒸気、ボイラから抽気された蒸気などを使用することができる。蒸気タービン１０が、中圧タービンである場合は、冷却媒体ＣＭとして、例えば高圧タービンから抽気された蒸気を使用することができる。また、蒸気タービン１０が、高圧タービンである場合は、冷却媒体ＣＭとして、例えばボイラから抽気された蒸気を使用することができる。

なお、冷却媒体ＣＭの温度は、冷却する内部ケーシング２０やダイアフラム外輪２５などの部品に大きな熱応力が発生しない程度の温度に設定されることが好ましい。ここで、大きな熱応力が発生しない程度の温度として、冷却しない状態における内部ケーシング２０やダイアフラム外輪２５の温度よりも５０〜１５０℃程度低い温度とすることが好ましい。また、冷却媒体ＣＭの供給圧力は、例えば図１に示した冷却媒体通路４０の場合には、冷却媒体ＣＭが、冷却媒体通路４０を下流側（図１の右側）へ流れ（図１の矢印参照）、最終のタービン段落に対応する冷却媒体通路４０まで流れることができる程度の圧力であることが好ましい。さらに、冷却媒体ＣＭの供給圧力は、冷却媒体ＣＭが、冷却媒体通路４０を上流側（図１の左側）へ流れ（図１の矢印参照）、シールリング３１によりシールされている蒸気入口管３０と内部ケーシング２０の入口部２０ａの内周面との間を流れ、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間に流れ込むことができる程度の圧力であることが好ましい。

ここで、冷却媒体ＣＭを、冷却媒体通路４０の上流側（図１の左側）および下流側（図１の右側）へ流す際の流路における圧力損失、すなわち流路抵抗は、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１やダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａに形成された溝部４２の流路断面積を調整することで適宜設定される。

また、図１に示すように、隣接するダイアフラム外輪２５間の隙間から、冷却媒体ＣＭが、主流蒸気が流れる通路内に流入するのを防止するために、隣接するダイアフラム外輪２５間には、冷却媒体漏洩防止部材３３を周方向に亘って設けることが好ましい。この冷却媒体漏洩防止部材３３は、例えば、ダイアフラム外輪２５を構成する材料と同様の耐熱材料で形成され、円周方向に複数に分割された板状部材から構成される。すなわち、この冷却媒体漏洩防止部材３３は、円周方向に複数に分割された板状部材を組み合わせて全体として円筒状の形状に構成されている。このとき、例えば、各板状部材の両端部には、円周方向に隣接する板状部材どうしを組み合わせて固定するためのフランジ部（図示しない）を有する構造とすることもできる。なお、このリング状の各板状部材は、隣接し、向かい合うダイアフラム外輪２５の側面のそれぞれに形成された嵌合溝３４に嵌合されるので、上述のようなフランジ部を設けずとも全体として円筒状に形成することが可能である。

この冷却媒体通路４０についてさらに詳細に説明する。

図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体通路４０の構成を説明するための、タービンロータ２２の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。図３は、突条部２８の上流側の側面２８ａに当接するダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａの一部をタービンロータ２２の軸方向における下流側から見たときの平面図である。なお、図２および図３には、冷却媒体ＣＭの流れが矢印で示されている。

図２に示すように、冷却媒体通路４０は、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１、および突条部２８の上流側の側面２８ａに当接するダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａに形成された、空隙部４１に連通する溝部４２によって構成される。図３に示すように、溝部４２は、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａに、ダイアフラム外輪２５の半径方向に沿うように、所定の幅を有して形成され、かつ周方向に所定の間隔をおいて複数形成されている。

図２および図３に示すように、冷却媒体ＣＭの一部は、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１を通過して、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａに形成された溝部４２を通過して、さらに下流側のタービン段落の内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１に流入する。このように、冷却媒体ＣＭによって、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面が直接冷却される。

次に、蒸気タービン１０の作用について、図１〜図３を参照して説明する。

図１に示すように、蒸気入口管３０から蒸気タービン１０内に導入された蒸気は、ノズルボックス３２に導かれる。ノズルボックス３２に導かれた蒸気は、ノズルボックス３２内の第１段の静翼２７から第１段の動翼２４に向けて導出される。そして、ノズルボックス３２から導出された蒸気は、内部ケーシング２０に配設された静翼２７とタービンロータ２２のロータディスク２３に植設された動翼２４との間の蒸気通路を通り、タービンロータ２２を回転させる。膨張仕事をしながら内部ケーシング２０内を流動し、最終段の動翼２４を通過した蒸気は、排気流路（図示しない）を通り蒸気タービン１０の外部へ排気される。

供給配管４５を介して冷却媒体通路４０に導入された冷却媒体ＣＭの一部は、図１および図２に示すように、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１を下流側（図１の右側）へ流れる（図１および図２の矢印参照）。そして、図２および図３に示すように、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａに形成された溝部４２を通過して、さらに下流側のタービン段落の内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１に流入する。そして、最終のタービン段落に対応する冷却媒体通路４０を通過した冷却媒体ＣＭは、例えば、排気流路（図示しない）内に導かれる。

一方、供給配管４５を介して冷却媒体通路４０に導入された冷却媒体ＣＭの残りは、図１に示すように、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１を上流側（図１の左側）へ流れる（図１の矢印参照）。そして、図１に示すように、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａに形成された溝部４２を半径方向外側に向かって通過する。そして、さらに上流側のタービン段落の内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１に流入する。第２タービン段落を上流側へ向かって通過した冷却媒体ＣＭは、シールリング３１によりシールされている蒸気入口管３０と内部ケーシング２０の入口部２０ａの内周面との間を流れ、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間に流れ込む。そして、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間を流れた冷却媒体ＣＭは、例えば、排気流路（図示しない）内に導かれる。

このように冷却媒体ＣＭは、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間を流れることによって、内部ケーシング２０およびダイアフラム外輪２５を冷却する。また、ダイアフラム外輪２５の外周面が冷却されることで、ダイアフラム外輪２５の外周面から内部ケーシング２０の内周面への熱放射による伝熱を抑制することができる。

上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間に、冷却媒体ＣＭを流す冷却媒体通路４０を備えることで、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面を直接冷却することができる。そのため、内部ケーシング２０およびダイアフラム外輪２５を効率よく冷却することができる。

また、内部ケーシング２０は、上記したように冷却されるため、蒸気タービン１０に供給される蒸気の温度を、例えば６５０〜７５０℃程度とした場合においても、従来と同様の高Ｃｒ耐熱鋼などの材料で内部ケーシング２０を構成することができる。これによって、製造コストの増加を抑制することができるともに、蒸気タービン１０の効率を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン１０では、上記した第１の実施の形態の蒸気タービン１０における冷却媒体通路４０の構成を変更した以外は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じである。ここでは、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における冷却媒体通路４０の構成と異なる冷却媒体通路５０について主に説明する。

図４は、第２の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体通路５０の構成を説明するための、タービンロータ２２の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。なお、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する（以下の実施の形態において同じ）。

図４に示すように、冷却媒体通路５０は、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１、および突条部２８に形成された、空隙部４１に連通する貫通口５１によって構成される。なお、図４では、供給配管４５を介して冷却媒体通路５０に導入された冷却媒体ＣＭの一部を、下流側（図４の右側）へ流す冷却媒体通路５０の構成を示しているが、上流側の冷却媒体通路５０の構成もこれと同じである。

次に、冷却媒体通路５０を流れる冷却媒体ＣＭの作用について、図４を参照して説明する。

供給配管４５を介して冷却媒体通路５０に導入された冷却媒体ＣＭの一部は、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１を下流側（図４の右側）へ流れる（図４の矢印参照）。そして、突条部２８に形成された貫通口５１を通過して、さらに下流側のタービン段落の内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１に流入する。そして、最終のタービン段落に対応する冷却媒体通路５０を通過した冷却媒体ＣＭは、例えば、排気流路（図示しない）内に導かれる。

一方、供給配管４５を介して冷却媒体通路５０に導入された冷却媒体ＣＭの残りは、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１を上流側（図４の左側）へ流れる。そして、突条部２８に形成された貫通口５１を通過して、さらに上流側のタービン段落の内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１に流入する。第２タービン段落を上流側へ向かって通過した冷却媒体ＣＭは、シールリング３１によりシールされている蒸気入口管３０と内部ケーシング２０の入口部２０ａの内周面との間を流れ、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間に流れ込む（図１参照）。そして、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間を流れた冷却媒体ＣＭは、例えば、排気流路（図示しない）内に導かれる。

上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間に、冷却媒体ＣＭを流す冷却媒体通路５０を備えることで、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面を直接冷却することができる。そのため、内部ケーシング２０およびダイアフラム外輪２５を効率よく冷却することができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の蒸気タービン１０では、上記した第１の実施の形態の蒸気タービン１０における冷却媒体通路４０の構成を変更した以外は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じである。ここでは、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における冷却媒体通路４０の構成と異なる冷却媒体通路６０について主に説明する。

図５は、第３の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体通路６０の構成を説明するための、タービンロータ２２の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。

図５に示すように、冷却媒体通路６０は、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１を備える。また、この空隙部４１には、内部ケーシング２０の内周面とダイアフラム外輪２５の外周面との間に、複数の孔６１ａが形成された板状部材６１が周方向に亘って設けられている。

この板状部材６１は、円周方向に複数に分割された分割片を組み合わせて、全体として円筒状の形状に構成されている。このとき、例えば、各分割片の両端部には、円周方向に隣接する板状部材どうしを組み合わせて固定するためのフランジ部（図示しない）を有する構造とすることもできる。あるいは、板状部材６１の各分割片を、タービンロータ２２の軸方向に隣接するダイアフラム外輪２５の突条部２８の間に、それぞれを固定することで、円周方向に隣接する分割片を固定する上述したようなフランジ部を設けずとも、全体として円筒状に形成することが可能である。板状部材６１を形成する材料は、熱変形などを生じない材料であれば特に限定されるものではない。板状部材６１を、例えば、内部ケーシング２０を構成する材料と同じ材料で構成することができる。

また、板状部材６１に形成された孔６１ａは、ダイアフラム外輪２５側から内部ケーシング２０の内周面に向かって冷却媒体ＣＭを所定の速度で噴出できる口径に設定されることが好ましい。板状部材６１に形成された孔６１ａが円形の場合、その直径を１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。

また、板状部材６１の外周面と内部ケーシング２０の内周面との距離は、板状部材６１に形成された孔６１ａから噴出された冷却媒体ＣＭを、効果的に内部ケーシング２０の内周面に衝突させることができる距離となるように設定することが好ましい。この距離は、冷却媒体の流量や圧力、また孔６１ａの数や配置に基づいて解析や実験を行なうことで適宜求めることができる。これによって、冷却媒体ＣＭと内部ケーシング２０の内周面との間の熱伝達を向上させることができる。

また、図５に示すように、冷却媒体通路６０は、突条部２８に形成された、空隙部４１に連通する貫通口６２を備える。この貫通口６２は、板状部材６１と内部ケーシング２０の内周面との間に位置する突条部２８の上流側の側面２８ａから、板状部材６１よりもダイアフラム外輪２５側となる突条部２８の下流側の側面２８ｂに貫通するように形成されている。

なお、図５では、供給配管４５を介して冷却媒体通路６０に導入された冷却媒体ＣＭの一部を、下流側（図５の右側）へ流す冷却媒体通路６０の構成を示しているが、上流側の冷却媒体通路６０の構成もこれと基本的に同じである。すなわち、貫通口６２は、板状部材６１と内部ケーシング２０の内周面との間に位置する突条部２８の下流側の側面２８ｂから、板状部材６１よりもダイアフラム外輪２５側となる突条部２８の上流側の側面２８ａに貫通するように形成されている。

次に、冷却媒体通路６０を流れる冷却媒体ＣＭの作用について、図５を参照して説明する。

供給配管４５を介して冷却媒体通路６０に導入された冷却媒体ＣＭの一部は、板状部材６１よりもダイアフラム外輪２５側の空隙部４１に供給され、下流側（図５の右側）へ流れる（図５の矢印参照）。その際、板状部材６１に形成された孔６１ａを介して、ダイアフラム外輪２５側から内部ケーシング２０の内周面に向かって冷却媒体ＣＭが噴出される。孔６１ａから噴出された冷却媒体ＣＭは、内部ケーシング２０の内周面に衝突し、内部ケーシング２０の内周面を冷却する。その後、冷却媒体ＣＭは、貫通口６２を通過し、さらに下流側のタービン段落の、板状部材６１よりもダイアフラム外輪２５側の空隙部４１に導かれる。そして、最終のタービン段落に対応する冷却媒体通路６０を通過した冷却媒体ＣＭは、例えば、排気流路（図示しない）内に導かれる。

一方、供給配管４５を介して冷却媒体通路６０に導入された冷却媒体ＣＭの残りは、板状部材６１よりもダイアフラム外輪２５側の空隙部４１に供給され、上流側（図５の左側）へ流れる。その際、板状部材６１に形成された孔６１ａを介して、ダイアフラム外輪２５側から内部ケーシング２０の内周面に向かって冷却媒体ＣＭが噴出される。孔６１ａから噴出された冷却媒体ＣＭは、内部ケーシング２０の内周面に衝突し、内部ケーシング２０の内周面を冷却する。その後、冷却媒体ＣＭは、貫通口６２を通過し、さらに上流側のタービン段落の、板状部材６１よりもダイアフラム外輪２５側の空隙部４１に導かれる。第２タービン段落を上流側へ向かって通過した冷却媒体ＣＭは、シールリング３１によりシールされている蒸気入口管３０と内部ケーシング２０の入口部２０ａの内周面との間を流れ、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間に流れ込む（図１参照）。そして、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間を流れた冷却媒体ＣＭは、例えば、排気流路（図示しない）内に導かれる。

上記したように、第３の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間に、冷却媒体ＣＭを流す冷却媒体通路６０を備えることで、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面を直接冷却することができる。さらに、複数の孔６１ａを有する板状部材６１を備えることで、ダイアフラム外輪２５側から内部ケーシング２０の内周面に向かって冷却媒体ＣＭを噴出させ、内部ケーシング２０の内周面に衝突させることができる。そのため、内部ケーシング２０を効率よく冷却することができる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の蒸気タービン１０では、上記した第１の実施の形態の蒸気タービン１０における冷却媒体通路４０の構成を変更した以外は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じである。ここでは、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における冷却媒体通路４０の構成と異なる冷却媒体通路７０について主に説明する。

図６は、第４の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体通路７０の構成を説明するための、タービンロータ２２の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。

図６に示すように、冷却媒体通路７０は、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１、およびダイアフラム外輪２５から突条部２８に亘って連通するように形成された、空隙部４１に連通する連通穴７１を備える。

なお、図６では、供給配管４５を介して冷却媒体通路７０に導入された冷却媒体ＣＭの一部を、下流側（図６の右側）へ流す冷却媒体通路７０の構成を示しているが、上流側の冷却媒体通路７０の構成もこれと同じである。

次に、冷却媒体通路７０を流れる冷却媒体ＣＭの作用について、図６を参照して説明する。

供給配管４５を介して冷却媒体通路７０に導入された冷却媒体ＣＭの一部は、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１を下流側（図６の右側）へ流れる。そして、ダイアフラム外輪２５から突条部２８に亘って形成された連通穴７１を通過して、さらに下流側のタービン段落の内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１に流入する。そして、最終のタービン段落に対応する冷却媒体通路７０を通過した冷却媒体ＣＭは、例えば、排気流路（図示しない）内に導かれる。

一方、供給配管４５を介して冷却媒体通路７０に導入された冷却媒体ＣＭの残りは、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１を上流側へ流れる。そして、ダイアフラム外輪２５から突条部２８に亘って形成された連通穴７１に突条部２８側から流入して、連通穴７１を通過する。そして、上流側のタービン段落の内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面によって構成される空隙部４１に流入する。すなわち、上流側への冷却媒体ＣＭの流れは、図６に示した冷却媒体ＣＭの流れを示す矢印を逆方向に向けた流れとなる。

第２タービン段落を上流側へ向かって通過した冷却媒体ＣＭは、シールリング３１によりシールされている蒸気入口管３０と内部ケーシング２０の入口部２０ａの内周面との間を流れ、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間に流れ込む（図１参照）。そして、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１との間を流れた冷却媒体ＣＭは、例えば、排気流路（図示しない）内に導かれる。

上記したように、第４の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間に、冷却媒体ＣＭを流す冷却媒体通路７０を備えることで、内部ケーシング２０の内周面およびダイアフラム外輪２５の外周面を直接冷却することができる。そのため、内部ケーシング２０およびダイアフラム外輪２５を効率よく冷却することができる。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態の蒸気タービン１０は、上記した第１の実施の形態の蒸気タービン１０における冷却媒体による冷却機構を備えない構成である。そのため、第５の実施の形態の蒸気タービン１０では、図１に示される、供給配管４５、冷却媒体通路４０、冷却媒体漏洩防止部材３３、およびこの冷却媒体漏洩防止部材３３を嵌合する嵌合溝３４を備えない構成となる。

第５の実施の形態の蒸気タービン１０は、上記した第１の実施の形態から第４の実施の形態における蒸気タービンに備えられた冷却媒体による冷却機構の代わりに、熱遮断構造体８０を備えている。

図７は、第５の実施の形態の蒸気タービン１０の熱遮断構造体８０の構成を説明するための、タービンロータ２２の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。

図７に示すように、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと当接する突条部２８の上流側の側面２８ａを熱遮断構造体８０で構成している。なお、突条部２８の上流側の側面２８ａを熱遮断構造体８０とする代わりに、突条部２８の上流側の側面２８ａと当接するダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａを熱遮断構造体としてもよい。

熱遮断構造体８０は、ダイアフラム外輪２５からの熱が、それに接触して配置される突条部２８に伝わり難くするものである。熱遮断構造体８０は、例えば、内部ケーシング２０（突条部２８も含む）を構成する材料よりも熱伝導率の小さな部材を、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと当接する突条部２８の上流側の側面２８ａに備えることで構成される。内部ケーシング２０は、例えば高Ｃｒ耐熱鋼などの材料で構成されるため、それよりも熱伝導率の小さな材料で熱遮断構造体８０を構成することができる。

この場合、熱遮断構造体８０は、上記した低熱伝導率の材料を、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと当接する突条部２８の上流側の側面２８ａに溶射、塗布などによって皮膜を形成することで構成されてもよい。また、熱遮断構造体８０は、上記した低熱伝導率の材料からなる、２つの半円状の板状部材を組み合わせて円形状の形状とした部材で構成されてもよい。この場合には、例えば、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと当接する突条部２８の上流側の側面２８ａに周方向に亘って形成された溝に、この半円状の板状部材を嵌合して溶接して固定する。

また、熱遮断構造体８０は、例えば、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと突条部２８の上流側の側面２８ａとの接触面積を減少させるように、突条部２８の上流側の側面２８ａの表面粗さを、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａの表面粗さよりも粗くすることで構成されてもよい。なお、熱遮断構造体８０は、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａの表面粗さを突条部２８の上流側の側面２８ａの表面粗さよりも粗くすることで構成されてもよい。

ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと突条部２８の上流側の側面２８ａとの接触面積は、両面が全体的に完全に接触したときの接触面積の７０％以下になるように表面粗さを調整することが好ましい。これを超える場合には、熱遮断効果が低下するからである。

上記したように、第５の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと当接する突条部２８の上流側の側面２８ａを熱遮断構造体８０とすることで、ダイアフラム外輪２５から突条部２８への熱伝導が抑制され、内部ケーシング２０の温度上昇を抑制することができる。

このように内部ケーシング２０の温度上昇を抑制することができるため、蒸気タービン１０に供給される蒸気の温度を、例えば６５０〜７５０℃程度とした場合においても、従来と同様の高Ｃｒ耐熱鋼などの材料で内部ケーシング２０を構成することができる。これによって、製造コストの増加を抑制することができるともに、蒸気タービン１０の効率を向上させることができる。

なお、熱遮断構造体８０は、前述した第１の実施の形態から第４の実施の形態の蒸気タービンに適用してもよい。具体的には、ダイアフラム外輪２５の下流側の側面２５ａと当接する突条部２８の上流側の側面２８ａを上記した熱遮断構造体８０としてもよい。これにより、冷却媒体ＣＭにおける冷却効果と、熱遮断構造体８０による熱遮断効果の双方を得ることができ、内部ケーシング２０の温度上昇を効果的に抑制することができる。

以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１０…蒸気タービン、２０…内部ケーシング、２０ａ，２１ａ…入口部、２１…外部ケーシング、２２…タービンロータ、２３…ロータディスク、２４…動翼、２５…ダイアフラム外輪、２５ａ，２８ａ，２８ｂ…側面、２６…ダイアフラム内輪、２７…静翼、２８…突条部、２９…ラビリンスシール部、３０…蒸気入口管、３１…シールリング、３２…ノズルボックス、３３…冷却媒体漏洩防止部材、３４…嵌合溝、４０，５０，６０，７０…冷却媒体通路、４１…空隙部、４２…溝部、４５…供給配管、５０…冷却媒体通路、５１，６２…貫通口、６１…板状部材、６１ａ…孔、７１…連通穴、８０…熱遮断構造体、ＣＭ…冷却媒体。

Claims

外部ケーシングと内部ケーシングとから構成される二重構造のケーシングと、
前記外部ケーシングの入口部と、前記内部ケーシングの入口部とを連通するように設けられ、外部からの蒸気が導入される蒸気入口管と、
前記内部ケーシング内に貫設され、複数段の動翼が植設されたタービンロータと、
前記内部ケーシングの内周側に、周方向に沿って設けられたダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に支持され、前記タービンロータの軸方向に前記動翼と交互に配設された複数段の静翼と、
各タービン段落に対応させて前記内部ケーシングの内周面に、周方向に亘って前記タービンロータ側に突出するように形成され、かつ上流側の側面が前記ダイアフラム外輪の下流側の側面と当接する突条部と、
前記内部ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間に形成され、前記内部ケーシングの内周面および前記ダイアフラム外輪の外周面によって構成される空隙部、および前記タービンロータの軸方向であって前記突条部に形成された、前記空隙部に連通する貫通口を備え、冷却媒体を通す冷却媒体通路と、
前記冷却媒体通路に前記冷却媒体を供給する供給配管と、
膨張仕事をしながら前記内部ケーシング内を流動し、最終段の動翼を通過した作動流体を前記内部ケーシング内から外部に導く排気流路と
を具備することを特徴とする蒸気タービン。
外部ケーシングと内部ケーシングとから構成される二重構造のケーシングと、
前記外部ケーシングの入口部と、前記内部ケーシングの入口部とを連通するように設けられ、外部からの蒸気が導入される蒸気入口管と、
前記内部ケーシング内に貫設され、複数段の動翼が植設されたタービンロータと、
前記内部ケーシングの内周側に、周方向に沿って設けられたダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に支持され、前記タービンロータの軸方向に前記動翼と交互に配設された複数段の静翼と、
各タービン段落に対応させて前記内部ケーシングの内周面に、周方向に亘って前記タービンロータ側に突出するように形成され、かつ上流側の側面が前記ダイアフラム外輪の下流側の側面と当接する突条部と、
前記内部ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間に形成され、前記内部ケーシングの内周面および前記ダイアフラム外輪の外周面によって構成される空隙部、および前記突条部に形成された、前記空隙部に連通する貫通口を備え、冷却媒体を通す冷却媒体通路と、
前記冷却媒体通路に前記冷却媒体を供給する供給配管と、
膨張仕事をしながら前記内部ケーシング内を流動し、最終段の動翼を通過した作動流体を前記内部ケーシング内から外部に導く排気流路と、
前記空隙部における、前記内部ケーシングの内周面と前記ダイアフラム外輪の外周面との間に、周方向に亘って設けられた、複数の孔が形成された板状部材と
を備え、
（１）前記冷却媒体が下流方向に流れる前記冷却媒体通路においては、前記突条部に形成された貫通口が、前記板状部材と前記内部ケーシングの内周面との間に位置する前記突条部の上流側の側面から、前記板状部材よりも前記ダイアフラム外輪側となる前記突条部の下流側の側面に貫通して形成され、
（２）前記冷却媒体が上流方向に流れる前記冷却媒体通路においては、前記突条部に形成された貫通口が、前記板状部材と前記内部ケーシングの内周面との間に位置する前記突条部の下流側の側面から、前記板状部材よりも前記ダイアフラム外輪側となる前記突条部の上流側の側面に貫通して形成され、
前記板状部材の複数の孔を介して、前記ダイアフラム外輪側から前記内部ケーシングの内周面に向かって前記冷却媒体が噴出されることを特徴とする蒸気タービン。
外部ケーシングと内部ケーシングとから構成される二重構造のケーシングと、
前記外部ケーシングの入口部と、前記内部ケーシングの入口部とを連通するように設けられ、外部からの蒸気が導入される蒸気入口管と、
前記内部ケーシング内に貫設され、複数段の動翼が植設されたタービンロータと、
前記内部ケーシングの内周側に、周方向に沿って設けられたダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に支持され、前記タービンロータの軸方向に前記動翼と交互に配設された複数段の静翼と、
各タービン段落に対応させて、前記内部ケーシングの内周面に、周方向に亘って前記タービンロータ側に突出するように形成され、かつ上流側の側面が前記ダイアフラム外輪の下流側の側面と当接する突条部と、
前記内部ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間に形成され、前記内部ケーシングの内周面および前記ダイアフラム外輪の外周面によって構成される空隙部、および前記ダイアフラム外輪から前記突条部に亘って形成された、前記空隙部に連通する連通穴を備え、冷却媒体を通す冷却媒体通路と、
前記冷却媒体通路に前記冷却媒体を供給する供給配管と、
膨張仕事をしながら前記内部ケーシング内を流動し、最終段の動翼を通過した作動流体を前記内部ケーシング内から外部に導く排気流路と
を具備することを特徴とする蒸気タービン。
前記ダイアフラム外輪の下流側の側面と当接する前記突条部の上流側の側面、または前記突条部の上流側の側面と当接する前記ダイアフラム外輪の下流側の側面を熱遮断構造体としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン。
前記熱遮断構造体が、前記ダイアフラム外輪の下流側の側面または前記突条部の上流側の側面に設けられた、前記内部ケーシングを構成する材料よりも熱伝導率の小さな部材で構成されていることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
前記熱遮断構造体が、前記ダイアフラム外輪の下流側の側面と前記突条部の上流側の側面との接触面積を減少させるように、前記ダイアフラム外輪の下流側の側面および前記突条部の上流側の側面のいずれか一方の表面粗さを、他方の表面粗さよりも粗くすることで構成されていることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。