JP5823305B2 - 蒸気タービンおよび蒸気タービンの動翼 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンおよび蒸気タービンの動翼に関する。

原子力タービン、地熱タービンまたは火力タービンのタービン低圧部では、タービン駆動蒸気の温度が比較的低くなる。タービン駆動蒸気の一部は、膨張仕事中に凝縮し、水分となって蒸気通路の内外周壁やタービン動翼に流れる。

蒸気通路の内外周壁やタービン動翼を流れる水分は、やがて比較的粒径の大きい水滴に成長する。この水滴は、タービン動翼の前縁を浸食したり、タービン動翼の回転に対する衝突抵抗を生じ、タービン翼の翼効率を低下させたりする要因となる。

このようにタービン内での水分の存在はタービン効率および信頼性に悪影響を及ぼす。これに対し、従来、付着した水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。具体的には、この蒸気タービンは、タービン動翼の先端部に設けられるシールフィンと、このシールフィンの先端側に水分を捕捉する目的で設けられる空間部を有する。蒸気タービン内を流れる水分は、シールフィンに当たることにより遠心力により外周方向に飛散され、空間部で捕捉される。

特開２００５−２９１７号公報

従来の蒸気タービンは、タービン動翼先端部に設けられるシールフィンによって、蒸気タービン内の水分を捕捉していた。しかし、従来の蒸気タービンは、あくまで蒸気漏洩の防止を目的としたシールフィンを用いていたため、水分の回収が十分とはいえなかった。具体的には、蒸気タービン内の蒸気の流れおよび遠心力が作用し、シールフィンを用いても好適に水分を空間部へ案内することができなかった。

この結果、従来の蒸気タービンは、蒸気タービンに発生するドレンによる浸食やタービン動翼の回転抵抗の低下を抑制することができないという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、蒸気タービン内に発生する水分を好適に回収し、タービン効率の低下を防止することができる蒸気タービンおよび蒸気タービンの動翼を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の蒸気タービンは、上述した課題を解決するために、タービンロータ軸と、前記タービンロータ軸に設けられ、蒸気流によって回転される複数の動翼と、各前記動翼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、前記チップカバーに周方向に沿って設けられ、各前記動翼の径方向外側に伸びた少なくとも一の水切りフィンと、各前記動翼より外周側に配置され、前記水切りフィンの先端部と対向するドレンキャッチャを有するダイアフラム外輪とを備える。前記チップカバーは、前記動翼の前縁よりも軸方向下流側または前記動翼の前縁と軸方向に一致する軸方向位置に形成される前縁を有することを特徴とする。

本発明に係る蒸気タービンの一実施形態を示す構成図。 図１の蒸気タービンの動翼を外周側から示す平面図。 水切りフィンとドレンキャッチャの開口部との軸方向の位置関係を説明するための構成図。 蒸気タービン内の蒸気の流れの説明図。 水滴案内溝が形成された第１の変形例としての蒸気タービンを示す構成図。 図５の蒸気タービンの動翼を外周側から示す平面図。 水切りフィンが複数本設けられた第２の変形例としての蒸気タービンを示す構成図。 図７の蒸気タービンの動翼を外周側から示す平面図。 水切りフィンが断続配置された第３の変形例としての蒸気タービンを示す構成図。

本発明に係る蒸気タービンおよび蒸気タービンの動翼の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本実施形態における蒸気タービンおよび蒸気タービンの動翼は、例えばタービンの低圧部に適用される。

図１は、本発明に係る蒸気タービンの一実施形態を示す構成図である。

図２は、図１の蒸気タービン１の動翼２を外周側から示す平面図である。

図１、図２においては、左から右に蒸気が流れるものとして図示する。動翼２においては、左側を前方、右側を後方として説明する。蒸気タービン１内において蒸気の通流方向はタービンロータ軸３の方向と一致していることから、蒸気の通流方向を軸方向と定義する。

図１に示すように、蒸気タービン１は、タービンロータ軸３、動翼２および静翼４を主に有する。

動翼２は、静翼４の下流側に対向して配置され、タービンロータ軸３の周方向に翼列をなす。動翼２は、翼先端に動翼２と一体的に形成されたチップカバー２０を有する。

図２に示すように、チップカバー（カバー）２０は、動翼２の背側円周方向に伸びる背側カバー２１と、動翼２の腹側円周方向に伸びる腹側カバー２２とで形成される。隣接するカバー２０同士は、相互に接触する。腹側カバー２２のカバー前縁２５の軸方向位置は、動翼２の翼有効部前縁１２よりも軸方向後側（軸方向下流側）、または翼有効部前縁１２と軸方向に一致する。カバー２０は、動翼２の遠心力によりアンツイスト（翼のねじれと反対方向に生じるねじりモーメント）が生じた際に、隣り合う動翼２同士の背側カバー２１と腹側カバー２２とがカバー接触面２３で接触する。これにより、蒸気タービン１は、動翼２の全周一群の制振効果を得る。

カバー２０は、カバー２０と一体的に形成されたチップ水切りフィン３０をカバー外周面２７に有する。チップ水切りフィン（水切りフィン）３０は、カバー前縁２５に沿って動翼２の径方向外側に伸びたフィンであり、カバー２０の全周に亘って環状に設けられる。なお、水切りフィン３０は、カバー前縁２５よりも後側に設けられてもよい。

図１に示すように、水切りフィン３０の先端位置の外径φＢは、カバー２０の最大外径φＡよりも小さい。カバー２０は、前下がりの傾斜を有し、カバー後縁２６側が大きく、カバー前縁２５側が小さくなるような外径を有し、水切りフィン３０の径方向長さはこのカバー後縁２６よりも外径φＢが大きくならないように決定される。

静翼４は、ノズルダイアフラム外輪４０と、このノズルダイアフラム外輪４０の半径方向内側に位置するノズルダイアフラム内輪４５との間に設けられる。ノズルダイアフラム外輪（ダイアフラム外輪）４０は、ノズルストリップ６０およびドレンキャッチャ４３を有する。

ノズルストリップ６０は、動翼２後側に対向するダイアフラム外輪４０に設けられる。ノズルストリップ６０は、カバー２０とダイアフラム外輪４０との間の空間の流路抵抗として機能し、チップ側漏洩蒸気流量を低減する。

ドレンキャッチャ４３は、水切りフィン３０から剥離した水滴を回収するための空間である。ドレンキャッチャ４３は、水切りフィン３０の先端と対向する軸方向位置に開口部４６を有する。

ここで、図３は、水切りフィン３０とドレンキャッチャ４３の開口部４６との軸方向の位置関係を説明するための構成図である。

一般的に、低圧タービンの軸方向の伸び差は最大で２０ｍｍ程度である。水切りフィン３０は、この伸び差を考慮して、ドレンキャッチャ４３の開口部４６の寸法（水切りフィン３０の開口部４６に対する軸方向位置）が決定される。

具体的には図３に示すように、定常運転時において水切りフィン３０（タービンロータ軸３）に前後方向に最大伸び差が発生した場合であっても、水切りフィン３０先端の最大伸び差は、ドレンキャッチャ４３の開口部４６の軸方向幅内となるように構成される。

ドレンキャッチャ４３の開口部入口側４７は、断面視でラッパ状に広がっており、開口部入口側４７の軸方向位置は、図３の前側軸方向位置Ｘ１から後側軸方向位置Ｘ２（位置Ｘ１、Ｘ２は、ラッパ状の開口がすぼまり始める位置）である。水切りフィン３０の先端は、停止時および最大伸び差が発生し得る定常運転時において、この開口部入口側４７の軸方向範囲内に収まるようになっている。

次に、蒸気タービン１および動翼２の作用について説明する。

図４は、蒸気タービン１内の蒸気の流れの説明図である。

蒸気タービン１の運転中において、駆動蒸気の一部は凝縮し、液膜Ｌとなって静翼４に付着する。液膜Ｌは、静翼４の静翼後縁５に達すると、水滴Ｄとなって図中の矢印Ａのように静翼後縁５から飛散する。この際、蒸気のエネルギは水滴Ｄの加速に使われ、蒸気のエネルギを消費する。

水滴Ｄは慣性により蒸気の流れに乗りきれず、回転する動翼２の翼有効部前縁１２に衝突し付着する。水滴Ｄの衝突は、動翼２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Ｄの衝突は、その衝撃により動翼２の翼有効部前縁１２の浸食を引き起こす要因となる。

図１に示すように、水滴Ｄは、遠心力によって動翼２の翼面を径方向外側に移動し、翼有効部側面１１の径方向先端に到達する。翼有効部側面１１の径方向先端に到達した水滴Ｄのうちカバー前縁２５のカバー端面２４よりも前方に存在する水滴Ｄは、翼有効部側面１１と翼有効部外周面１３との境界で表面張力によって翼有効部外周面１３に乗り移る。

翼有効部外周面１３の水滴Ｄは、蒸気力によって後方に移動し、水切りフィン３０に到達する。水切りフィン３０に到達した水滴Ｄは、遠心力によって水切りフィン３０の先端に移動し、先端から動翼２の外周側に吹き飛ばされ、ドレンキャッチャ４３に捕集される。

また、静翼４（ダイアフラム外輪４０）に付着する水量分布は、外周側でより多く、かつダイアフラム外輪４０の内周壁面４２にも多量の水分が存在していることがわかっている。また、静翼４から飛散した水滴Ｄは、自身の円周方向速度成分による遠心力で外周側に偏向される。そのため、静翼４および内周壁面４２から飛散した水滴Ｄの一部は、カバー前縁２５のカバー端面２４、カバー外周面２７またはチップ水切りフィン３０前方のフィン端面３１に直接付着し、上述したとおりドレンキャッチャ４３に捕集される。

本実施形態における蒸気タービン１および動翼２は、動翼２に付着した水滴Ｄを効果的に除去し回収することができる。これにより、蒸気タービン１および動翼２は、水滴Ｄによる浸食を防止することができる。また、蒸気タービン１および動翼２は、水滴Ｄによる動翼２の回転抵抗を抑え、タービン効率の低下を防止することができる。

特に、動翼２は、動翼２の翼有効部前縁１２よりも後側または翼有効部前縁１２と一致するカバー前縁２５を有するカバーが設けられたため、翼有効部側面１１に付着し、さらに翼有効部外周面１３に到達した水滴Ｄを効率的に除去することができる。

また、水切りフィン３０は、漏洩蒸気をシールするためではなく、水滴Ｄをドレンキャッチャ４３に捕集することを目的として設けられるため、水切りフィン３０の先端位置の外径φＢをチップカバー２０の最大外径φＡよりも小さくすることができる。このため、蒸気タービン１の組立時および運転時に、水切りフィン３０の先端がダイアフラム外輪４０の内周面またはノズルストリップ６０と干渉するリスクを回避することができる。

なお、本実施形態における蒸気タービン１および動翼２を、以下に説明する変形例のように構成してもよい。

図５は、水滴案内溝１５が形成された第１の変形例としての蒸気タービン１を示す構成図である。

図６は、図５の蒸気タービン１の動翼２を外周側から示す平面図である。

動翼２は、翼背側側面１４におけるカバー前縁２５より前側（翼有効部前縁１２側）に、１本以上の水滴案内溝１５（図５、図６においては２本）を有する。水滴案内溝１５は、動翼２の径方向に伸び、一方の端部が動翼２の先端まで達する。

動翼２は、翼背側側面１４に付着した水滴Ｄが動翼２の外周方向に移動する際に、水滴案内溝１５により水滴Ｄを翼有効部外周面１３に移動させる。これにより、蒸気タービン１および動翼２は、より確実に翼背側側面１４に付着した水分を除去することができる。

図７は、水切りフィン３０が複数本設けられた第２の変形例としての蒸気タービン１を示す構成図である。

図８は、図７の蒸気タービン１の動翼２を外周側から示す平面図である。

カバー２０は、軸方向に配列された複数本（図７、図８においては２本）の水切りフィン３０を有する。水切りフィン３０を複数設けることにより、カバー外周面２７に到達した水滴Ｄを確実にドレンキャッチャ４３に捕集することができる。

図９は、水切りフィン３０が断続配置された第３の変形例としての蒸気タービン１を示す構成図である。

水切りフィン３０は、カバー前縁２５に沿って動翼２の径方向外側に伸び、カバー２０の周方向に断続的に設けられる。水切りフィン３０は翼有効部外周面１３からの水分を主に除去することを目的として設けられる。このため、翼有効部外周面１３からの水滴Ｄの軌道が適切に予測された場合には、水滴Ｄの軌道に一致するように水切りフィン３０を断続配置することができる。

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。

例えば、水切りフィン３０の先端位置の外径φＢは、カバー２０の最大外径φＡよりも大きくてもよい。この場合、ドレンキャッチャ４３の開口部入口側４７（図３参照）と水切りフィン３０の先端との距離が小さくなり、水滴Ｄを確実にドレンキャッチャ４３に案内することができる点で有効である。

また、ダイアフラム外輪４０のノズルストリップ６０に代えて、チップカバー２０のカバー外周面２７と一体的に、全周に亘って環状に設けられたチップシールフィンを設けてもよい。

１ 蒸気タービン
２ 動翼
３ タービンロータ軸
４ 静翼
１５ 水滴案内溝
２０ チップカバー（カバー）
２１ 背側カバー
２２ 腹側カバー
３０ チップ水切りフィン
４０ ノズルダイアフラム外輪（ダイアフラム外輪）
４３ ドレンキャッチャ
４５ ノズルダイアフラム内輪
４６ 開口部

Claims (7)

1. タービンロータ軸と、
   前記タービンロータ軸に設けられ、蒸気流によって回転される複数の動翼と、
   各前記動翼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、
   前記チップカバーに周方向に沿って設けられ、各前記動翼の径方向外側に伸びた少なくとも一の水切りフィンと、
   各前記動翼より外周側に配置され、前記水切りフィンの先端部と対向するドレンキャッチャを有するダイアフラム外輪とを備え、
   前記チップカバーは、前記動翼の前縁よりも軸方向下流側または前記動翼の前縁と軸方向に一致する軸方向位置に形成される前縁を有することを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記水切りフィンは、前記チップカバーの前縁に沿って設けられた請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記水切りフィンの先端位置は、前記チップカバーの最大外径よりも小さい外径を有する請求項１または２記載の蒸気タービン。
4. 前記水切りフィンは、前記チップカバーに軸方向に沿って複数設けられた請求項１〜３のいずれか１項記載の蒸気タービン。
5. 各前記動翼は、背側側面における前記チップカバーの前縁よりも上流側に、前記動翼の径方向に伸び、一方の端部が前記動翼の先端まで達する水滴案内溝を有する請求項１〜４のいずれか１項記載の蒸気タービン。
6. 前記ドレンキャッチャは、定常運転時において前記水切りフィンの先端の軸方向位置に最大伸び差が発生した場合であっても、前記最大伸び差が開口の軸方向幅内となる開口部を有する請求項１〜５のいずれか一項記載の蒸気タービン。
7. 蒸気流によって回転される動翼と、
   前記動翼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、
   前記チップカバーに周方向に沿って設けられ、各前記動翼の径方向外側に伸びた少なくとも一の水切りフィンとを備え、
   前記チップカバーは、前記動翼の前縁よりも軸方向下流側または前記動翼の前縁と軸方向に一致する軸方向位置に形成される前縁を有することを特徴とする蒸気タービンの動翼。

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