JP5687641B2 - 軸流排気タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、軸流排気タービンに関する。

火力発電所などで用いられる蒸気タービンの熱効率の向上は、エネルギ資源の有効利用や、二酸化炭素（ＣＯ_２）排出量の削減につながる重要な課題となっている。

蒸気タービンの熱効率の向上は、与えられたエネルギを有効に機械仕事に変換することで達成することができ、そのためには様々な内部損失を低減することが必要である。

蒸気タービンの内部損失には、翼の形状に起因するプロファイル損失、蒸気の二次流れ損失、蒸気の漏洩損失、蒸気の湿り損失などに基づくタービン翼列損失、蒸気弁やクロスオーバ管に代表される翼列以外の通路における通路部損失、タービン排気室によるタービン排気損失などがある。

これら損失の中で、タービン排気損失は、全内部損失の１０〜２０％を占める大きな損失である。タービン排気損失は、最終段出口から復水器入口までの間で発生する損失であり、リービング損失、フード損失、ターンナップ損失などにさらに分類される。このうち、フード損失は、排気室内を通過する蒸気による圧力損失であり、蒸気の軸流速度、すなわち排気室を通過する体積流量に依存する。そのため、フード損失は、ディフューザを含めた排気室の形式、形状、サイズに依存する。

一般に、圧力損失は、蒸気の流速の二乗に比例して大きくなるため、許容される範囲で排気室のサイズを大きくして蒸気の流速を低減することが効果的である。しかしながら、排気室のサイズを大きくする際、製造コストや建屋の配置スペースなどからの制約を受ける。フード損失を低減させるために排気室のサイズを大きくする際にも、このような制約を受ける。そのため、限られた排気室のサイズで、圧力損失の小さい形状とすることが重要となる。

復水器が蒸気タービンと同じ高さに配置される場合に使用される軸流排気タービンの低圧排気室では、最終のタービン段落の動翼を通過した蒸気は、内周壁および外周壁を有する環状の拡大流路であるディフューザで流速が減じられ、静圧を回復しながら、排気室から排気され、復水器に導かれる。

排気室における圧力損失を低減するためには、ディフューザにおいて、蒸気の速度を十分に減じて静圧を回復する必要がある。そのためには、ディフューザの面積比（ディフューザ出口における流路断面積（換言すると、復水器の入口の流路断面積）／最終のタービン段落出口における流路断面積）を極力大きくする必要がある。しかしながら、ディフューザにおける流路を急拡大流路とすると、蒸気の流れが剥離し、有効な静圧回復が妨げられる。そのため、ディフューザの拡大率や流路形状には、最適な条件が存在する。

一般に、低圧排気室の内部の圧力は、運転状態において大気圧以下となる。そのため、大気圧との圧力差による流路構成部材の変形を防止するためや、軸流型排気室においてはタービンロータや軸受を保持するために、排気室の内部や外部にパイプやリブなどの内部構造物が設置されている。これらの内部構造物は、蒸気の流路中にも設置されるため、圧力損失を生ずる。そのため、内部構造物による圧力損失を低減するための検討がなされている。

特開２００５−２９０９８５号公報 特開２０１１−３２９００号公報

前述した内部構造物は、タービンロータの軸方向に垂直な鉛直方向や水平方向などに、例えば周方向に均等に配置される。このような内部構造物を備える排気室においては、従来、流れ場における静圧を十分に回復させることは困難であった。

そのため、流れ場における圧力を十分に回復させ、タービン排気損失を低減するさらなる技術が求められている。

本発明が解決しようとする課題は、排気室における圧力損失を低減することができる軸流排気タービンを提供することである。

実施形態の軸流排気タービンは、複数段のタービン段落を備え、回転軸に沿う方向に流れる蒸気によって回転駆動されるタービン部と、最終の前記タービン段落の下流側に設けられ、内周壁と当該内周壁を包囲する外周壁との間に下流方向に拡開し、最終のタービン段落から流出した蒸気が通過する環状の排気流路を有する排気室と、周方向に均等に配置され、前記内周壁と前記外周壁との間に半径方向に延出する複数の内部構造物とを備える。

そして、前記内部構造物が存在しない前記排気流路の流路断面においては、下流側に向かって流路断面積が、連続的にかつ流路断面に亘って均等に増加し、前記内部構造物が存在する前記排気流路の流路断面においては、連続的な流路断面積の増加分および流路断面において前記内部構造物によって遮られた面積に基づいて、流路断面積が流路断面に亘って均等に増加し、増加した流路断面積が、連続的な流路断面積の増加分と、流路断面において前記内部構造物によって遮られた面積とを合計した面積に等しい。

第１の実施の形態の軸流排気タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 第１の実施の形態の軸流排気タービンを排気室の出口側から見たときの平面図である。 第１の実施の形態の軸流排気タービンの排気流路に配置される内部構造物の、図１におけるＡ−Ａ断面を示す図である。 第１の実施の形態の軸流排気タービンの排気流路が連結ダクトを介して復水器に接続された状態の断面を示す図である。 第１の実施の形態の軸流排気タービンの排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。 第１の実施の形態の軸流排気タービンの排気室における、タービンロータの軸方向位置に対する流路断面積を示した図である。 第１の実施の形態の軸流排気タービンにおいて、他の構成の排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。 第１の実施の形態の軸流排気タービンにおいて、他の構成の排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。 第２の実施の形態の軸流排気タービンの排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。 第２の実施の形態の軸流排気タービンの排気室における、タービンロータの軸方向位置に対する流路断面積を示した図である。 第３の実施の形態の軸流排気タービンの排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。 第３の実施の形態の軸流排気タービンの排気室における、タービンロータの軸方向位置に対する流路断面積を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の鉛直方向の子午断面を示す図である。図２は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０を排気室３０の出口側から見たときの平面図である。図３は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の排気流路３３に配置される内部構造物５０の、図１におけるＡ−Ａ断面を示す図である。図４は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の排気流路３３が連結ダクト６０を介して復水器６５に接続された状態の断面を示す図である。

なお、ここでは、軸流排気タービン１０として、蒸気タービンを例示して説明する。また、以下において、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。

図１に示すように、軸流排気タービン１０は、ケーシング２０を備え、このケーシング２０内には、動翼２１が植設されたタービンロータ２２が貫設されている。動翼２１を周方向に複数植設されることで動翼翼列を構成し、この動翼翼列をタービンロータ２２の軸方向に複数段備えている。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。

ケーシング２０の内周には、タービンロータ２２の軸方向に動翼２１と交互になるように、ダイヤフラム２３ａ、２３ｂに支持された静翼２４が配設されている。静翼２４を周方向に複数植設されることで静翼翼列を構成し、静翼翼列と直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。

タービンロータ２２とケーシング２０との間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２５が設けられている。また、軸流排気タービン１０には、内部に蒸気を導入するための蒸気入口管２６がケーシング２０を貫通して設けられている。

最終のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気室３０が設けられている。この排気室３０は、タービンロータ２２の周囲にタービンロータ２２の軸方向に配置される内周壁３１と、この内周壁３１の外周を包囲するように配置される外周壁３２との間に形成される排気流路３３を有している。この排気流路３３は、下流方向に拡開し、最終のタービン段落から流出した蒸気が通過する環状の流路を構成している。排気室３０を構成する内周壁３１および外周壁３２は、上下に２つ割り構造で構成されている。なお、図１において、内周壁３１は、断面ではなく、その外形が示されている。

排気流路３３は、いわゆるディフューザとして機能し、蒸気の流速を徐々に低減し、静圧を回復させる働きがある。排気流路３３には、図１および図２に示すように、複数の内部構造物５０が存在する。内部構造物５０は、図１および図２に示すように、周方向に亘って均等に配置され、内周壁３１と外周壁３２との間に、半径方向（タービンロータ軸と垂直に交わる直線の方向）に亘って存在している。すなわち、内部構造物５０は、例えば、外周壁３２側から内周壁３１側に向かって、半径方向に延出し、このような内部構造物５０が周方向に複数備えられている。

図２では、周方向の４個所に内部構造物５０が配置された一例を示している。なお、内部構造物５０の配置個数は、特に限定されるものではなく、周方向に均等に配置されていればよい。例えば、内周壁３１内に収容されたグランドシール部（図示しない）に蒸気を供給するための配管、前述した軸受台（図示しない）の内部空間を大気側に開放するための均圧管、内周壁３１などを支持する支持部材などが、半径方向に内部構造物５０の内部を貫通するように備えられている。

内部構造物５０の外形形状は、例えば、図３に示すように、翼型形状に構成される。なお、図３には、内部構造物５０の内部を貫通する配管などの表示は省略している。翼型形状を有する内部構造物５０は、例えば、前縁５０ａが蒸気の流れに対して上流側に位置するように配置されている。なお、内部構造物５０の外形形状は、蒸気が内部構造物５０間を通過する際の圧力損失を抑えるために、前述した翼型形状に構成されることが好ましいが、この外形形状以外の形状で構成されてもよい。

各内部構造物５０の外形形状は、すべて同じであっても、一部異なる外形形状であってもよい。なお、一部異なる外形形状の内部構造物５０を備える場合においても、内部構造物５０が周方向に均等に配置されることが好ましい。具体的には、内部構造物５０は、例えば、上半側と下半側との水平線に対して線対称に、かつタービンロータ２２の中心軸と垂直に交わる垂直線に対して線対称に配置されることが好ましい。

排気流路３３の出口３４は、図１および図２に示すように、外周壁３２および内周壁３１の双方の下流側の端部が位置し、これらの端部間に形成される環状の開口によって形成されている。

なお、排気流路３３の出口３４の構成は、この構成に限られるものではない。例えば、内周壁３１の下流側の端縁が、外周壁３２の下流側の端縁よりも上流側に位置するように構成してもよい。この場合、排気流路３３の出口３４は、中央に内周壁３１がなく、外周壁３２で覆われた、断面が円形の形状となる。

このように、内周壁３１のタービンロータ２２の軸方向の長さを短くすることで、例えば、内周壁３１を支持する内部構造物５０のタービンロータ２２の軸方向の長さなどを短くすることができる。また、周方向に配置される内部構造物５０の個数を減らすことができる。これにより、排気流路３３の流路断面積を確保することができ、流路の断面積の変化を緩やかにして静圧回復の向上を図ることができる。また、タービンロータ２２の軸長さを短くすることができるため、タービンロータ２２の振動を抑制することもできる。

図４に示すように、排気流路３３の出口３４は、例えば、連結ダクト６０を介して、軸流排気タービン１０と同じ高さに配置された復水器６５に接続される。連結ダクト６０は、下流方向に拡開するように構成されている。すなわち、連結ダクト６０の流路断面積は、下流に行くに伴い連続的に増加している。連結ダクト６０は、いわゆるディフューザとしての機能も有し、蒸気の流速を徐々に低減し、静圧を回復させる働きがある。

連結ダクト６０は、その内壁面のタービンロータ２２の軸方向に垂直な断面形状が、出口３４側から復水器６５側に向かって、円形から四角形に徐々に変形するように構成されてもよい。ここでいう四角形には、例えば、四隅が曲率を有して構成された略四角形なども含む。

このように連結ダクト６０の形状を構成することで、連結ダクト６０の内壁面の出口形状を復水器６５の入口形状（四角形）に一致させることができる。また、連結ダクト６０の内壁面の断面形状を円形から四角形に徐々に変形させることで、四角形の四隅における流れの剥離を防止することができる。そのため、連結ダクト６０においても、静圧を回復させることができる。

前述した構成を備える軸流排気タービン１０では、蒸気入口管２６を経て軸流排気タービン１０内に流入した蒸気は、各タービン段落の静翼２４、動翼２１を備える蒸気流路を膨張仕事をしながら通過し、タービンロータ２２を回転させる。膨張仕事をした蒸気は、流速が減じられ、静圧を回復しながら、排気室３０の排気流路３３、連結ダクト６０を通過し、復水器６５に導かれる。

ここで、排気流路３３の構成について詳しく説明する。

図５は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の排気室３０の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、図５において、内周壁３１は、断面ではなく、その外形が示されている。

内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面においては、下流側に向かって流路断面積が、連続的にかつ流路断面に亘って均等に増加している。すなわち、下流側に向かって流路断面積が所定の増加率で増加している。なお、所定の増加率には、同じ増加率で変化する場合、または二次曲線的に変化する場合を含む（以下において同じ。）。また、所定の増加率は、例えば、内部構造物５０よりも上流側と下流側とで同じであっても、異なっていてもよい（以下において同じ。）。また、流路断面積が流路断面に亘って均等に増加するとは、例えば、所定の半径方向に偏ることなく、流路断面積が流路断面に亘って半径方向に、均一にすなわち同じ増加率で拡大していることをいう（以下において同じ。）。

ここでは、内周壁３１の外径が下流方向に一定であるため、この流路断面積の増加は、図５に示すように、外周壁３２の内径を下流側に行くに伴い連続的に徐々に拡大することで得られる。すなわち、外周壁３２は、ディフューザ形状に構成されている。

一方、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面においては、前述した連続的な流路断面積の増加分および流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積に基づいて、流路断面積が流路断面に亘って均等に増加している。すなわち、増加した流路断面積は、内部構造物５０が存在しないと想定したときの、前述した、所定の増加率で増加する連続的な流路断面積の増加分と、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積とを合計した面積に等しい。なお、複数の内部構造物５０を備える場合、内部構造物５０によって遮られた面積は、各内部構造物５０によって遮られた面積を合計した面積である。

ここでは、図５に示すように、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置において、外周壁３２の内径を段部３２ａを構成するように拡大することで、前述した増加すべき面積に相当する分の流路断面積を増加させている。また、流路断面積は、例えば、所定の半径方向に偏ることなく、流路断面に亘って均等に増加している。換言すると、流路断面積は、外周壁３２の内径を拡大して、流路断面を半径方向外側に均一に増加することで、流路断面に亘って均等に増加している。

ここで、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積は、内部構造物５０の、タービンロータ２２の軸方向に垂直な断面積に応じて、タービンロータ２２の軸方向に変化する。図６は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の排気室３０における、タービンロータ２２の軸方向位置に対する流路断面積を示した図である。

なお、図６には、排気流路３３の断面および内部構造物５０の断面（図１のＡ−Ａ断面に相当する断面）を示し、タービンロータ２２の軸方向位置との関係を示している。ここでは、内部構造物５０の外形形状を翼型形状としたときの一例が示されている。また、図６には、内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面における、所定の増加率での流路断面積の増加を曲線Ｌ１で示している。さらに、図６には、前述した所定の増加率で流路断面積の増加させた場合、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面における流路断面積の変化を曲線Ｌ２で示している。

図６に示すように、内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面では、曲線Ｌ１に示すように流路断面積が増加している。すなわち、下流側に向かって流路断面積が所定の増加率で増加している。

一方、内部構造物５０が存在する流路断面においては、図６の曲線Ｌ２で示すように、翼型形状の内部構造物５０の、タービンロータ２２の軸方向に垂直な断面積に応じて、流路断面積は減少している。例えば、翼厚さが最大となるタービンロータ２２の軸方向位置において、流路断面積が最小となる。

このように、所定の増加率で流路断面積が増加している際に、突然流路断面積が減少すると、連続的な静圧の上昇過程に、静圧の低下過程が発生することになる。そのため、適正な静圧回復を得ることができない。また、静圧の上昇、低下、再上昇の過程を備えることで、再上昇した際に流れの剥離が発生し、圧力損失が増大する。

そこで、図６において斜線で示した、内部構造物５０が存在することによって減少した流路断面積に相当する面積分（曲線Ｌ１の破線部分と曲線Ｌ２とで囲まれる面積分）を増加する必要がある。すなわち、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面においては、曲線Ｌ１で示される、所定の増加率で増加する流路断面積の増加分と、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積とを合計した面積分を増加する必要がある。

そこで、図５を参照して前述したように、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置において、外周壁３２の内径を拡大して段部３２ａを構成することで、前述した増加すべき面積に相当する分の流路断面積を増加させている。これにより、図６において、流路断面積は、曲線Ｌ１（破線部分を含む）に示すように増加する。

このような構成とすることで、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置においても、曲線Ｌ１に示すように、所定の増加率で緩やかに流路断面積が増加するため、静圧を十分に回復することができる。

上記したように、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０によれば、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置においても、静圧を十分に回復することができるため、排気室３０における圧力損失を低減することができる。

ここで、上記した実施の形態では、内周壁３１の外径が下流方向に一定となる一例を示したが、内周壁３１の構成はこれに限られるものではない。図７および図８は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０において、他の構成の排気室３０の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、図７および図８において、内周壁３１は、断面ではなく、その外形が示されている。

図７に示すように、外径が下流方向に連続的に徐々に小さくなるように内周壁３１を構成してもよい。このように内周壁３１を構成することで、半径方向内側、すなわちタービンロータ２２の中心軸に垂直で、かつタービンロータ２２の中心軸に向かう方向にも流路断面積を増加させることができる。そのため、前述した作用効果に加えて、排気室３０の外径、すなわち、外周壁３２の外径を小さくすることができる。さらに、最終のタービン段落の動翼２１の翼根元からの流れが、半径方向内側へ向かう速度成分を有する場合、内周壁３１に沿う流れの剥離を防止できる。

また、図８に示すように、外径が下流方向に連続的に徐々に大きくなるように内周壁３１を構成してもよい。このように内周壁３１を構成することで、下流へ行くに伴って内周壁３１の内部の空間が広くなる。そのため、前述した作用効果に加えて、内周壁３１の内部に配置されるベアリングや設置配管などの大型化に対応することができる。さらに、最終のタービン段落の動翼２１の翼根元からの流れが、半径方向外側へ向かう速度成分を有する場合、内周壁３１に沿う流れの剥離を防止できる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の軸流排気タービン１１は、排気室３０の構成以外は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、排気室３０の構成について主に説明する。

図９は、第２の実施の形態の軸流排気タービン１１の排気室３０の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、図９において、内周壁３１は、断面ではなく、その外形が示されている。

内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面においては、下流側に向かって流路断面積が、連続的にかつ流路断面に亘って均等に増加している。すなわち、下流側に向かって流路断面積が所定の増加率で増加している。なお、この増加率は、例えば、内部構造物５０よりも上流側と下流側とで同じであっても、異なっていてもよい。

内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面においては、内周壁３１の外径が下流方向に一定であるため、この流路断面積の増加は、図９に示すように、外周壁３２の内径を下流側に行くに伴い連続的に徐々に拡大することで得られる。なお、外周壁３２は、図９に示すように、内部構造物５０の存在の有無を問わず、下流側に直線的に拡開するディフューザ形状に構成されている。

一方、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面においては、前述した連続的な流路断面積の増加分および流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積に基づいて、流路断面積が流路断面に亘って均等に増加している。すなわち、増加した流路断面積は、内部構造物５０が存在しないと想定したときの、前述した、所定の増加率で増加する連続的な流路断面積の増加分と、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積とを合計した面積に等しい。なお、複数の内部構造物５０を備える場合、内部構造物５０によって遮られた面積は、各内部構造物５０によって遮られた面積を合計した面積である。

ここでは、図９に示すように、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置において、前述したように、外周壁３２の内径を下流側に行くに伴い連続的に徐々に拡大するとともに、内周壁３１の外径を段部３１ａを構成するように縮小することで、前述した増加すべき面積に相当する分の流路断面積を増加させている。また、流路断面積は、例えば、所定の半径方向に偏ることなく、流路断面に亘って均等に増加している。換言すると、流路断面積は、外周壁３２の内径を下流側に行くに伴い連続的に徐々に拡大し、内周壁３１の外径を縮小して、流路断面を半径方向外側および半径方向内側に均一に増加することで、流路断面に亘って均等に増加している。

ここで、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積は、内部構造物５０の、タービンロータ２２の軸方向に垂直な断面積に応じて、タービンロータ２２の軸方向に変化する。図１０は、第２の実施の形態の軸流排気タービン１１の排気室３０における、タービンロータ２２の軸方向位置に対する流路断面積を示した図である。

なお、図１０には、排気流路３３の断面および内部構造物５０の断面（図１のＡ−Ａ断面に相当する断面）を示し、タービンロータ２２の軸方向位置との関係を示している。ここでは、内部構造物５０の外形形状を翼型形状としたときの一例が示されている。また、図１０には、内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面における、所定の増加率での流路断面積の増加を曲線Ｌ３で示している。さらに、図１０には、前述した所定の増加率で流路断面積の増加させた場合、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面における流路断面積の変化を曲線Ｌ４で示している。

図１０に示すように、内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面では、曲線Ｌ３に示すように流路断面積が増加している。すなわち、下流側に向かって流路断面積が所定の増加率で増加している。

一方、内部構造物５０が存在する流路断面においては、図１０の曲線Ｌ４で示すように、翼型形状の内部構造物５０の、タービンロータ２２の軸方向に垂直な断面積に応じて、流路断面積は減少している。例えば、翼厚さが最大となるタービンロータ２２の軸方向位置において、流路断面積が最小となる。

このように、所定の増加率で流路断面積が増加している際に、突然流路断面積が減少すると、連続的な静圧の上昇過程に、静圧の低下過程が発生することになる。そのため、適正な静圧回復を得ることができない。また、静圧の上昇、低下、再上昇の過程を備えることで、再上昇した際に流れの剥離が発生し、圧力損失が増大する。

そこで、図１０において斜線で示した、内部構造物５０が存在することによって減少した流路断面積に相当する面積分（曲線Ｌ３の破線部分と曲線Ｌ４とで囲まれる面積分）を増加する必要がある。すなわち、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面においては、曲線Ｌ３で示される、所定の増加率で増加する流路断面積の増加分と、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積とを合計した面積分を増加する必要がある。

そこで、図９を参照して前述したように、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置において、前述したように、外周壁３２の内径を下流側に行くに伴い連続的に徐々に拡大するとともに、内周壁３１の外径を縮小して段部３１ａを構成することで、前述した増加すべき面積に相当する分の流路断面積を増加させている。これにより、図１０において、流路断面積は、曲線Ｌ３（破線部分を含む）に示すように増加する。

このような構成とすることで、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置においても、曲線Ｌ３に示すように、所定の増加率で緩やかに流路断面積が増加するため、静圧を十分に回復することができる。

上記したように、第２の実施の形態の軸流排気タービン１１によれば、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置においても、静圧を十分に回復することができるため、排気室３０における圧力損失を低減することができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の軸流排気タービン１２は、排気室３０の構成以外は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、排気室３０の構成について主に説明する。

図１１は、第３の実施の形態の軸流排気タービン１２の排気室３０の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、図１１において、内周壁３１は、断面ではなく、その外形が示されている。

内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面においては、下流側に向かって流路断面積が、連続的にかつ流路断面に亘って均等に増加している。すなわち、下流側に向かって流路断面積が所定の増加率で増加している。なお、この増加率は、例えば、内部構造物５０よりも上流側と下流側とで同じであっても、異なっていてもよい。

内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面においては、内周壁３１の外径が下流方向に一定であるため、この流路断面積の増加は、図１１に示すように、外周壁３２の内径を下流側に行くに伴い連続的に徐々に拡大することで得られる。すなわち、外周壁３２は、ディフューザ形状に構成されている。

一方、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面においては、前述した連続的な流路断面積の増加分および流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積に基づいて、流路断面積が流路断面に亘って均等に増加している。すなわち、増加した流路断面積は、内部構造物５０が存在しないと想定したときの、前述した、所定の増加率で増加する連続的な流路断面積の増加分と、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積とを合計した面積に等しい。なお、複数の内部構造物５０を備える場合、内部構造物５０によって遮られた面積は、各内部構造物５０によって遮られた面積を合計した面積である。

ここでは、図１１に示すように、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置において、外周壁３２の内径を段部３２ａを構成するように拡大し、かつ内周壁３１の外径を段部３１ａを構成するように縮小することで、前述した増加すべき面積に相当する分の流路断面積を増加させている。また、流路断面積は、例えば、所定の半径方向に偏ることなく、流路断面に亘って均等に増加している。換言すると、流路断面積は、外周壁３２の内径を拡大し、かつ内周壁３１の外径を縮小して、流路断面を半径方向外側および半径方向内側に均一に増加することで、流路断面に亘って均等に増加している。

ここで、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積は、内部構造物５０の、タービンロータ２２の軸方向に垂直な断面積に応じて、タービンロータ２２の軸方向に変化する。図１２は、第３の実施の形態の軸流排気タービン１２の排気室３０における、タービンロータ２２の軸方向位置に対する流路断面積を示した図である。

なお、図１２には、排気流路３３の断面および内部構造物５０の断面（図１のＡ−Ａ断面に相当する断面）を示し、タービンロータ２２の軸方向位置との関係を示している。ここでは、内部構造物５０の外形形状を翼型形状としたときの一例が示されている。また、図１２には、内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面における、所定の増加率での流路断面積の増加を曲線Ｌ５で示している。さらに、図１２には、前述した所定の増加率で流路断面積の増加させた場合、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面における流路断面積の変化を曲線Ｌ６で示している。

図１２に示すように、内部構造物５０が存在しない排気流路３３の流路断面では、曲線Ｌ５に示すように流路断面積が増加している。すなわち、下流側に向かって流路断面積が所定の増加率で増加している。

一方、内部構造物５０が存在する流路断面においては、図１２の曲線Ｌ６で示すように、翼型形状の内部構造物５０の、タービンロータ２２の軸方向に垂直な断面積に応じて、流路断面積は減少している。例えば、翼厚さが最大となるタービンロータ２２の軸方向位置において、流路断面積が最小となる。

このように、所定の増加率で流路断面積が増加している際に、突然流路断面積が減少すると、連続的な静圧の上昇過程に、静圧の低下過程が発生することになる。そのため、適正な静圧回復を得ることができない。また、静圧の上昇、低下、再上昇の過程を備えることで、再上昇した際に流れの剥離が発生し、圧力損失が増大する。

そこで、図１２において斜線で示した、内部構造物５０が存在することによって減少した流路断面積に相当する面積分（曲線Ｌ５の破線部分と曲線Ｌ６とで囲まれる面積分）を増加する必要がある。すなわち、内部構造物５０が存在する排気流路３３の流路断面においては、曲線Ｌ５で示される、所定の増加率で増加する流路断面積の増加分と、流路断面において内部構造物５０によって遮られた面積とを合計した面積分を増加する必要がある。

そこで、図１１を参照して前述したように、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置において、外周壁３２の内径を拡大して段部３２ａを構成し、かつ内周壁３１の外径を縮小して段部３１ａを構成することで、前述した増加すべき面積に相当する分の流路断面積を増加させている。これにより、図１２において、流路断面積は、曲線Ｌ５（破線部分を含む）に示すように増加する。

このような構成とすることで、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置においても、曲線Ｌ５に示すように、所定の増加率で緩やかに流路断面積が増加するため、静圧を十分に回復することができる。

上記したように、第３の実施の形態の軸流排気タービン１２によれば、内部構造物５０が存在するタービンロータ２２の軸方向位置においても、静圧を十分に回復することができるため、排気室３０における圧力損失を低減することができる。

以上説明した実施形態によれば、排気室における圧力損失を低減することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１１，１２…軸流排気タービン、２０…ケーシング、２１…動翼、２２…タービンロータ、２３ａ，２３ｂ…ダイヤフラム、２４…静翼、２５…グランドシール部、２６…蒸気入口管、３０…排気室、３１…内周壁、３１ａ，３２ａ…段部、３２…外周壁、３３…排気流路、３４…出口、５０…内部構造物、５０ａ…前縁、６０…連結ダクト、６５…復水器。

Claims (8)

1. 複数段のタービン段落を備え、回転軸に沿う方向に流れる蒸気によって回転駆動されるタービン部と、
   最終の前記タービン段落の下流側に設けられ、内周壁と当該内周壁を包囲する外周壁との間に下流方向に拡開し、最終のタービン段落から流出した蒸気が通過する環状の排気流路を有する排気室と、
   周方向に均等に配置され、前記内周壁と前記外周壁との間に半径方向に延出する複数の内部構造物と
   を備え、
   前記内部構造物が存在しない前記排気流路の流路断面においては、下流側に向かって流路断面積が、連続的にかつ流路断面に亘って均等に増加し、
   前記内部構造物が存在する前記排気流路の流路断面においては、連続的な流路断面積の増加分および流路断面において前記内部構造物によって遮られた面積に基づいて、流路断面積が流路断面に亘って均等に増加し、増加した流路断面積が、連続的な流路断面積の増加分と、流路断面において前記内部構造物によって遮られた面積とを合計した面積に等しいことを特徴とする軸流排気タービン。
2. 前記内部構造物が存在する前記排気流路の流路断面において、前記外周壁の内径が拡大して段部が構成されていることを特徴とする請求項１記載の軸流排気タービン。
3. 前記内部構造物が存在する前記排気流路の流路断面において、前記内周壁の外径が縮小して段部が構成されていることを特徴とする請求項１記載の軸流排気タービン。
4. 前記内部構造物が存在する前記排気流路の流路断面において、前記外周壁の内径が拡大して段部が構成され、かつ前記内周壁の外径が縮小して段部が構成されていることを特徴とする請求項１記載の軸流排気タービン。
5. 前記内部構造物が、翼型形状を有し、前縁が蒸気の流れに対して上流側に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の軸流排気タービン。
6. 前記内部構造物によって遮られた面積が、前記内部構造物の、タービンロータの軸方向に垂直な断面積に応じて、タービンロータの軸方向に変化することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の軸流排気タービン。
7. 前記内周壁の下流側の端縁が、前記外周壁の下流側の端縁よりも上流側に位置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の軸流排気タービン。
8. 前記排気室と前記排気室の下流側に備えられた復水器との間に連結され、前記排気室側から前記復水器側に向かって、内壁面の、タービンロータの軸方向に垂直な断面形状が、円形から四角形に変形された連結ダクトをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の軸流排気タービン。

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