JP5669591B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、例えば、火力発電所や原子力発電所等で用いられる蒸気タービンに関する。

火力発電所や原子力発電所等の蒸気タービンとして、外車室及び内車室の二重車室構造を採用し、車室中央寄りに位置する蒸気入口部から流入した蒸気が左右に分流されるダブルフロー（複流方式）の蒸気タービンが知られている。

この種の蒸気タービンの蒸気入口部は、ロータの全周に亘って連続した環状の蒸気通路を形成しており、外部から導入された蒸気がこの環状の蒸気通路内を周方向に流れて、蒸気入口部全体に行き渡るようになっている。

ところで、蒸気入口部における圧力損失を小さくするには、蒸気入口部の断面積（流路面積）を増大させることが必要である。
特許文献１には、内車室を構成するスチール要素をロータ軸直交方向に対して傾斜させて、蒸気入口部の断面積を増大させた蒸気タービンが記載されている。なお、静翼（ステータブレード）を固定するためのブレードキャリアは、スチール要素によって支持されている。
この蒸気タービンでは、蒸気入口部の内壁面の一部を構成するスチール要素がロータ軸直交方向に対して傾斜しているため、蒸気入口部の幅がロータから離れるにつれて大きくなり、蒸気入口部の断面積は比較的大きい。

一方、蒸気タービンの静翼は、ブレードリング（翼根リング）を介して車室側に固定されるのが通常である。
特許文献２には、最終段静翼を固定するための翼根リングと、最終段前静翼を固定するための翼根リングとが記載されている。これらの翼根リングには、湿り蒸気からドレンを除去するための連通穴が設けられている。

特開２００８−２４０７２５号公報 実開平４−９５６０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の蒸気タービンでは、蒸気入口部の内壁面を形成する、ロータ軸直交方向に対して傾斜したスチール要素と、一段目の静翼（ステータブレード）を固定するためのブレードキャリアとが面一になっていない。このため、蒸気入口部に導入された蒸気が半径方向内方に流れる際、スチール要素とブレードキャリアとの境界（屈曲部）で蒸気流れの剥離が生じ、圧力損失が増大してしまう。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、蒸気入口部における蒸気流れの剥離が起こらず、圧力損失が小さい蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明に係る蒸気タービンは、車室中央寄りに位置する蒸気入口部に流入した蒸気が左右に分流するダブルフローの蒸気タービンであって、ロータと、外車室および該外車室に収納される内車室と、前記内車室に支持され、静翼を固定するためのブレードリングとを備え、前記内車室は、略円筒状の外板および該外板の内周面に固定されて前記ブレードリングを支持する支持板を有し、前記蒸気入口部は、環状の蒸気入口通路を前記ロータの周りに形成しており、一段目の静翼が固定されるブレードリング及びこれを支持する支持板が、前記環状の蒸気入口通路を形成する前記蒸気入口部の内壁面を平坦に形成し、該内壁面は、前記ロータから離れるにつれて前記蒸気入口通路の幅が広くなるように、ロータ軸直交方向に対して傾斜していることを特徴とする。

この蒸気タービンでは、一段目の静翼が固定されるブレードリング及びこれを支持する支持板が、平坦な蒸気入口部の内壁面を形成しているから、蒸気入口部に導入された蒸気が半径方向内方に流れる際、ブレードリングと支持板との境界で蒸気流れが剥離することはない。よって、蒸気入口部に導入された蒸気が半径方向内方に流れる際の圧力損失を低減できる。
また、一段目の静翼が固定されるブレードリング及びこれを支持する支持板とによって形成される蒸気入口部の内壁面は、ロータから離れるにつれて蒸気入口部の幅が広くなるようにロータ軸直交方向に対して傾斜しているから、蒸気入口部の断面積（流路面積）は比較的大きい。よって、蒸気が蒸気入口部内を周方向に流れる際の圧力損失を低減できる。

上記蒸気タービンにおいて、最終段の静翼を支持するブレードリングと、その前段の静翼を支持するブレードリングとが一体化されていることが好ましい。

これにより、最終段の静翼とその前段の静翼とを支持するブレードリングの断面係数が向上し、ブレードリングの剛性を維持しながら軽量化を図ることができる。

この場合、最終段の静翼とその前段の静翼とを支持する前記ブレードリングは、さらに、最終段の静翼の下流側のフローガイドを固定するための金物と一体化されていてもよい。

これにより、最終段の静翼とその前段の静翼とを支持するブレードリングの断面係数がより一層向上し、ブレードリングの剛性を維持しながら軽量化を図ることができる。

また、最終段の静翼とその前段の静翼とを支持する前記ブレードリングは、断面略Ｔ字状部および断面略Ｌ字状部の少なくとも一方を有することが好ましい。

これにより、最終段の静翼とその前段の静翼とを支持するブレードリングの断面係数がより一層向上し、ブレードリングの剛性を維持しながら軽量化を図ることができる。

上記蒸気タービンにおいて、前記内車室は、前記外板の内周面に固定される支持板を複数有し、前記支持板が、隣接する支持板の間に設けられた補強ロッド又は補強パイプによって補強されてもよい。

ブレードリングを支持する支持板には、蒸気入口部から下流側に向かって流れる蒸気の曲げ力が作用する。そこで、隣接する支持板の間に補強ロッド又は補強パイプを設けることで、蒸気の曲げ力に起因する支持板の変形が抑制される。
これにより、内車室の重量をほとんど増加させることなく、内車室の剛性を向上させることができる。

上記蒸気タービンにおいて、前記蒸気入口部の内壁面がロータ軸直交方向に対してなす角度は、１０度以上２０度以下であることが好ましい。

このように、蒸気入口部の内壁面がロータ軸直交方向に対してなす角度を１０度以上にすることで、蒸気入口部の断面積（流路面積）を増大させて圧力損失を効果的に低減できる。
一方、同角度を２０度以下にすることで、蒸気入口部の断面積（流路面積）が半径方向内方に進むにつれて急激に縮小することに起因して圧力損失が増大してしまうことを防止できる。

上記蒸気タービンにおいて、前記内車室は、前記外板の内周面に固定される支持板を複数有し、一段目の静翼が固定されるブレードリングよりも下流側のブレードリングを支持する支持板は、前記蒸気入口部の内壁面と同じ側に傾斜していることが好ましい。

このように、一段目の静翼が固定されるブレードリングよりも下流側のブレードリングを支持する支持板を、蒸気入口部の内壁面と同じ側に傾斜させる（すなわち、半径方向内方に進むにつれて上流側に向かって延びるように傾斜させる）ことで、蒸気の曲げ力に起因する支持板の変形を抑制できる。

この場合、一段目の静翼が固定されるブレードリングよりも下流側のブレードリングを支持する支持板がロータ軸直交方向に対してなす角度は、１０度以上２０度以下であることが好ましい。

下流側のブレードリングを支持する支持板がロータ軸直交方向に対してなす角度を１０度以上にすることで、蒸気の曲げ力に起因する支持板の変形を効果的に抑制できる。一方、同角度を２０度以下にすることで、支持板間に抽気室を設ける場合であっても、抽気室用のスペースを容易に確保できる。

本発明によれば、一段目の静翼が固定されるブレードリング及びこれを支持する支持板とで、平坦な蒸気入口部の内壁面を形成したので、蒸気入口部に導入された蒸気が半径方向内方に流れる際、ブレードリングと支持板との境界で蒸気流れが剥離することはない。
よって、蒸気入口部に導入された蒸気が半径方向内方に流れる際の圧力損失を低減できる。
また、一段目の静翼が固定されるブレードリング及びこれを支持する支持板とによって形成される蒸気入口部の内壁面は、ロータから離れるにつれて蒸気入口部の幅が広くなるようにロータ軸直交方向に対して傾斜しているから、蒸気入口部の断面積（流路面積）は比較的大きい。よって、蒸気が蒸気入口部内を周方向に流れる際の圧力損失を低減できる。

蒸気タービンの構成例を示す断面図である。 最終段の静翼及びその前段の静翼を支持する支持板の構成例を示す段面図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、蒸気タービンの構成例を示す断面図である。図２は、最終段の静翼及びその前段の静翼を支持する支持板の構成例を示す段面図である。

図１に示す蒸気タービン１は、外車室２に内車室４が収納された構成を有し、車室中央寄りに位置する蒸気入口部６に流入した蒸気が左右に分流するダブルフロー（複流方式）の蒸気タービンである。なお、蒸気タービン１は、高圧タービン又は中圧タービンで仕事をした蒸気が流れる低圧タービンであってもよい。

蒸気タービン１は、外車室２及び内車室４で覆われたロータ８を有する。ロータ８には、外周に動翼１０が取り付けられている。ロータ８は、外車室２の外でロータ軸受１２によって回転自在に支持される。また、ロータ８が外車室２を貫通する箇所には、蒸気の漏洩を防止するグランド１４が設けられている。

内車室４は、略円筒状の外板１６と、この外板１６の内周面に固定された略円環状（傘状）の支持板１８（１８Ａ〜１８Ｄ）とで構成される。各支持板１８は、静翼２０を固定するためのブレードリング２２（２２Ａ〜２２Ｄ）を支持する。
なお、支持板１８へのブレードリング２２の固定は、支持板１８に形成した凸部（又は凹部）と、ブレードリング２２に形成した凹部（又は凸部）との嵌合によって行ってもよい。

ブレードリング２２に固定された静翼２０は、隣接する動翼１０間に設けられ、ロータ軸方向にみて静翼２０と動翼１０とが交互に配置される。蒸気入口部６に導入された蒸気は、図１中の矢印Ｓで示すように、蒸気通路（動翼１０及び静翼２０が対峙する空間）内を下流側に向かって膨張しながら流れる。

本実施形態では、蒸気入口部６の内壁面６Ａは、一段目の静翼２０が固定されるブレードリング２２Ａ及びこれを支持する支持板１８Ａによって平坦に形成される。すなわち、一段目の静翼２０が固定されるブレードリング２２Ａと、これを支持する支持板１８Ａとが面一である。
そして、蒸気入口部６の内壁面６Ａは、ロータ８から離れるにつれて蒸気入口部６の幅Ｗが広くなるように、ロータ軸直交方向に対して傾斜している。

このように、蒸気タービン１では、一段目の静翼２０が固定されるブレードリング２２Ａ及びこれを支持する支持板１８Ａが、平坦な蒸気入口部６の内壁面６Ａを形成しているから、蒸気入口部６に導入された蒸気が半径方向内方に流れる際、ブレードリング２２Ａと支持板１８Ａとの境界で蒸気流れが剥離することはない。よって、蒸気入口部６に導入された蒸気が半径方向内方に流れる際の圧力損失を低減できる。
また、一段目の静翼２０が固定されるブレードリング２２Ａ及びこれを支持する支持板１８Ａとによって形成される蒸気入口部６の内壁面６Ａは、ロータ８から離れるにつれて蒸気入口部６の幅Ｗが広くなるようにロータ軸直交方向に対して傾斜している。そのため、蒸気入口部の内壁面がロータ軸に直交して設けられた場合に比べて、蒸気入口部６の断面積（流路面積）を大きく確保できる。よって、蒸気が蒸気入口部６内を周方向に流れる際の圧力損失を低減できる。

また、蒸気入口部６の内壁面６Ａがロータ軸直交方向に対してなす角度θは、１０度以上２０度以下であることが好ましい。

このように、蒸気入口部６の内壁面６Ａがロータ軸直交方向に対してなす角度θを１０度以上にすることで、蒸気入口部６の断面積（流路面積）を増大させて圧力損失を効果的に低減できる。
一方、同角度θを２０度以下にすることで、蒸気入口部６の断面積（流路面積）が半径方向内方に進むにつれて急激に縮小することに起因して圧力損失が増大してしまうことを防止できる。

また、一段目の静翼２０が固定されるブレードリング２２Ａよりも下流側のブレードリング２２を支持する支持板１８は、蒸気入口部６の内壁面６Ａと同じ側に傾斜していることが好ましい。例えば、図１に示すように、ブレードリング２２Ａよりも下流側のブレードリング２２を支持する支持板のうち支持板１８Ｂ及び１８Ｃを、支持板１８Ａと平行に配置してもよい。

このように、ブレードリング２２Ａよりも下流側のブレードリング２２を支持する支持板１８を、蒸気入口部６の内壁面６Ａと同じ側に傾斜させる（すなわち、半径方向内方に進むにつれて上流側に向かって延びるように傾斜させる）ことで、蒸気の曲げ力に起因する支持板１８の変形を抑制できる。

この場合、ブレードリング２２Ａよりも下流側のブレードリング２２を支持する支持板１８がロータ軸直交方向に対してなす角度は、１０度以上２０度以下であることが好ましい。

ブレードリング２２Ａよりも下流側のブレードリング２２を支持する支持板１８がロータ軸直交方向に対してなす角度を１０度以上にすることで、蒸気の曲げ力に起因する支持板１８の変形を効果的に抑制できる。一方、同角度を２０度以下にすることで、支持板１８間に後述の抽気室２６を設ける場合であっても、抽気室用のスペースを容易に確保できる。

また、支持板１８は、隣接する支持板１８間に設けられ、タービン軸方向に延びる補強パイプ２４によって補強されていてもよい。
ブレードリング２２を支持する支持板１８には、蒸気入口部６から下流側に向かって流れる蒸気の曲げ力が作用する。そこで、隣接する支持板１８間に補強パイプ２４を設けることで、蒸気の曲げ力に起因する支持板１８の変形が抑制される。これにより、内車室４の重量をほとんど増加させることなく、内車室６の剛性を向上させることができる。
なお、補強パイプ２４に替えて補強ロッドを用いてもよい。

一般に、蒸気入口部には、両側の内壁面を支持する複数本のステーをロータ軸方向に環状に配置し、蒸気圧力により内壁面がロータ軸方向の両側に開くことを防止している。本実施形態では、蒸気入口部６の下流側の傾斜した支持板１８と補強パイプ２４（又は補強ロッド）の組合せ構造により内車室４全体の剛性を上げている。そのため、蒸気入口部６の空間にステーを設ける必要がなく、蒸気入口部６の構造が簡単になる。

また、隣接する支持板１８の間に抽気室２６（２６Ａ〜２６Ｃ）を設けてもよい。抽気室２６は、ロータ８の全周に亘って連続する環状の空間であり、車室外部へと延びる抽気管（不図示）に連通している。

図２に示すように、最下流側のブレードリング２２Ｄは、最終段の静翼２０を支持するブレードリングと、その前段の静翼２０を支持するブレードリングとが一体化されたものである。
このように、最終段の静翼２０を支持するブレードリングと、その前段の静翼２０を支持するブレードリングとを一体化することで、ブレードリング２２Ｄの断面係数が向上し、ブレードリング２２Ｄの剛性を維持しながら軽量化を図ることができる。例えば、図２に示すように、比較的薄い板状部材によりブレードリング２２Ｄを形成することができる。

従来の蒸気タービンでは、ブレードリングが塊状であり比較的質量が大きく、熱容量が大きかった。このため、蒸気タービンの起動時にロータとブレードリングとの昇温速度に差異が生じ、ロータに比較して内車室側（ブレードリング）のロータ軸方向の伸びが時間的に遅れることが多かった。また、ブレードリングの質量が比較的大きいことから、材料コストが嵩むという問題があった。
この点、上述のように、ブレードリング２２Ｄの断面係数の向上によって、内車室４の剛性を維持しながら、ブレードリング２２Ｄの軽量化を図ることで、ロータと内車室４とのロータ軸方向の伸び差を低減するとともに、ブレードリング２２Ｄの材料コストを削減できる。

この場合、ブレードリング２２Ｄは、さらに、最終段の静翼２０の下流側のフローガイド２８を固定するための金物３０と一体化されていてもよい（図２参照）。これにより、最終段の静翼２０とその前段の静翼２０とを支持するブレードリング２２Ｄの断面係数がより一層向上し、ブレードリング２２Ｄの剛性を維持しながら軽量化を図ることができる。

また、図２に示すように、ブレードリング２２Ｄは、断面略Ｔ字状部３２および断面略Ｌ字状部３４の少なくとも一方を有することが好ましい。これにより、最終段の静翼２０とその前段の静翼２０とを支持するブレードリング２２Ｄの断面係数がより一層向上し、ブレードリング２２Ｄの剛性を維持しながら軽量化を図ることができる。

上記構成のブレードリング２２Ｄは、内車室４の外板１６の端部に設けられたフランジ部３６にボルト３８を用いて固定される。このように、ブレードリング２２Ｄを内車室４の支持板１８Ｄだけでなくフランジ部３６に固定することで、ブレードリング２２Ｄを比較的薄い板状部材等で形成し軽量化する場合であっても、最終段及びその前段の静翼２０やブレードリング２２Ｄの振動を防止できる。

なお、ブレードリング２２Ｄには、最終段前段の静翼２０に対応する位置にドレン孔（スリット）４４が設けられていてもよい。これにより、最終段前段の静翼２０を流れる蒸気からドレンを除去することができる。
なお、ドレン孔４４により除去されたドレンは、ドレン溜めカバー４０とブレードリング２２Ｄとで囲まれたドレン溜め４２に導かれた後、連通孔４３Ａ，４３Ｂを順に通ってフローガイド２８の下流側の排気室４６に排出される。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

１ 蒸気タービン
２ 外車室
４ 内車室
６ 蒸気入口部
６Ａ 内壁面
８ ロータ
１０ 動翼
１２ ロータ軸受
１４ グランド
１６ 外板
１８ 支持板
２０ 静翼
２２ ブレードリング
２４ 補強パイプ
２６ 抽気室
２８ フローガイド
３０ 金物
３２ 断面略Ｔ字状部
３４ 断面略Ｌ字状部
３６ フランジ部
３８ ボルト
４０ ドレン溜めカバー
４２ ドレン溜め
４３Ａ 連通孔
４３Ｂ 連通孔
４４ ドレン孔
４６ 排気室

Claims (9)

1. 車室中央寄りに位置する蒸気入口部に流入した蒸気が左右に分流するダブルフローの蒸気タービンであって、
   ロータと、
   外車室および該外車室に収納される内車室と、
   前記内車室に支持され、静翼を固定するためのブレードリングとを備え、
   前記内車室は、略円筒状の外板および該外板の内周面に固定されて前記ブレードリングを支持する支持板
   を有し、
   前記蒸気入口部は、環状の蒸気入口通路を前記ロータの周りに形成しており、
   一段目の静翼が固定されるブレードリング及びこれを支持する支持板が、前記環状の蒸気入口通路を形成する前記蒸気入口部の内壁面を平坦に形成し、該内壁面は、前記ロータから離れるにつれて前記蒸気入口通路の幅が広くなるように、ロータ軸直交方向に対して傾斜していることを特徴とする蒸気タービン。
2. 最終段の静翼を支持するブレードリングと、その前段の静翼を支持するブレードリングとが一体化された請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 最終段の静翼とその前段の静翼とを支持する前記ブレードリングは、さらに、最終段の静翼の下流側のフローガイドを固定するための金物と一体化された請求項２に記載の蒸気タービン。
4. 最終段の静翼とその前段の静翼とを支持する前記ブレードリングは、断面略Ｔ字状部および断面略Ｌ字状部の少なくとも一方を有する請求項２又は３に記載の蒸気タービン。
5. 前記内車室は、前記外板の内周面に固定される支持板を複数有し、
   前記支持板が、隣接する支持板の間に設けられた補強ロッド又は補強パイプによって補強される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
6. 前記蒸気入口部の内壁面がロータ軸直交方向に対してなす角度は、１０度以上２０度以下である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
7. 前記内車室は、前記外板の内周面に固定される支持板を複数有し、
   一段目の静翼が固定されるブレードリングよりも下流側のブレードリングを支持する支持板は、前記蒸気入口部の内壁面と同じ側に傾斜している請求項１乃至６のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
8. 一段目の静翼が固定されるブレードリングよりも下流側のブレードリングを支持する支持板がロータ軸直交方向に対してなす角度は、１０度以上２０度以下である請求項７に記載の蒸気タービン。
9. 前記環状の蒸気入口通路に面する前記ブレードリングの壁面が、前記ロータの軸方向に沿った断面において、前記支持板の壁面に沿って、前記ブレードリングの外周端から内周端まで直線的に延在していることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の蒸気タービン。
   

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