JP5826706B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は蒸気タービンに関するものである。

特許文献１には、軸流タービンノズル部における作動流体が、不安定な流れや渦流の発生が無く円滑にタービン段落に導かれるよう、ノズル外輪流路壁入口部を傾斜させ、ノズル外輪流路壁のノズル入口部から出口部までを曲面状に形成してノズル高さを減じたノズル外周部と、ノズル中央部からノズル入口部まで凹状のくぼみを有する曲面状に形成したノズル内周壁とで絞り流路を構成した軸流タービン段落のノズル整流装置が記載されている。さらに特許文献１では、従来技術としてノズル外輪流路壁に円周状の分流突起を設け、蒸気を円滑にノズルに導く技術が引用されている。また特許文献２には、絞りダクトから内車室入口部にわたって、作動流体を内車室の周方向に分散して導く分流板を設けた軸流タービンの入口構造が記載されている。

特開平１０−１４１００３号公報 特開平９−１５８７０３号公報

上記特許文献１に記載の従来技術は、絞りダクトから初段ノズルに亘って流入する蒸気の整流手段を与えるものであり、ノズル入口の周方向の流量を均一化し、その結果渦流等の不均一流れを抑制することで、これに起因するノズル流路内の損失が小さくなり、タービン段落効率が改善されるというものである。また上記特許文献２に記載の従来技術は、絞りダクトから内車室入口部に亘って、作動流体を内車室の周方向に分散して導く分流板を設けることで、ノズル入口の周方向の流量を均一化し、渦流等の不均一流れを抑制することで、タービン段落効率を改善するというものである。

上記２つの手法はタービン段落効率の改善に有効であるが、一方で蒸気流れがタービン入口部の直前に設けられた蒸気連絡管のエルボー管部で曲げられる場合に発生する偏流のことを考慮していない、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、複流型タービンにおいて、エルボー管部によって蒸気流れが曲げられることによって蒸気流れに偏流が発生した場合においても、タービン入口部におけるエネルギー損失を低減し、タービンプラントの全体の効率を向上させるタービン入口構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る蒸気タービンは、タービンロータと、ロータ軸方向に設けられた第１のタービン段落部および第２のタービン段落部と、第１のタービン段落部と第２のタービン段落部との間に設けられ、蒸気を第１のタービン段落部および第２のタービン段落部に導くタービン入口部とを有する複流型タービンと、タービン入口部に蒸気を導く蒸気連絡管とを備え、蒸気連絡管は、管内を第１のタービン段落部側から第２のタービン段落部側に向かって流れる蒸気流をタービン入口部に向かって下方に曲げるエルボー部を有する蒸気タービンであって、タービン入口部でロータ軸方向に分流された蒸気が第１のタービン段落部および第２のタービン段落部へ向かって流れる蒸気流路のうち、第２のタービン段落部に流れる蒸気の蒸気流路の少なくとも一部の断面積を、第１のタービン段落部に流れる蒸気の蒸気流路の断面積より大きくしたことを特徴とする。

本発明によれば、複流型タービンにおいて、エルボー管部によって蒸気流れが曲げられることによって蒸気流れに偏流が発生した場合においても、タービン入口部におけるエネルギー損失を低減し、タービンプラントの全体の効率を向上させることができる。

本発明の実施例に係る複流型低圧タービンのタービン入口部の構造を概略的に示した側面断面図である。 図１に示したタービン入口部の構造を概略的に示した正面断面図である。 図１に示したタービン入口部の一部分を拡大して示した図である。 本発明の実施例に係るタービン段落入口の側面断面図 である。 エルボー管部とタービン入口部接続部の流れ分類図である。 図１に示したタービン入口部の拡大側面断面図である。 タービン段落入口部の全圧損失係数評価位置を示した説明図である。 比較対象となる従来のタービン段落入口部の拡大側面断面図である。 全圧損失係数、流量の比較を説明する説明図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

〔実施例〕
以下、本発明を蒸気タービンの低圧タービン入口部に適用した実施例について説明する。

まず、図１から図３を用いて、本実施例に係る複流型低圧タービンの基本的なタービン入口部の構造について説明する。図１は本実施例に係る複流型低圧タービンのタービン入口部の基本構造を概略的に表わした側面断面図である。図２は図１に示したタービン入口部の基本構造を概略的に表わした正面断面図である。また図３は図１の点線円Ａで囲まれた部分の拡大図である。

図１に示したように複流型低圧タービン１０１は、タービンロータ１３のロータ軸方向に沿ってタービン段落部１２ａ、タービン段落部１２ｂとタービン段落部が二箇所設けられており、このタービン段落部１２ａ、１２ｂの間にタービン入口部１が設けられている。タービン入口部１は、タービン段落部を覆う内車室２のロータ軸方向中央付近に設けられ、クロスオーバ管３から流入する蒸気を絞る絞り流路を構成する絞りダクト部７と、絞りダクト部７の下方に接続するタービン入口部上半部８と、タービン入口部上半部８の下方に接続するタービン入口部下半部９によって構成されている。タービン入口部上半部８とタービン入口部下半部９は、主に内車室内にロータ軸方向に設けられた２つの隔壁と、タービンロータ１３の周囲に設けられたダイアフラム内輪１９によって形成された空間であり、クロスオーバ管３から供給された蒸気をタービン段落部１２ａ、１２ｂに導く蒸気流路１０を構成する。図１に示したとおり、蒸気流路１０の側面の形状は、絞りダクト部７から下方に向かって段階的に扁平した形状に変化する構造となっている。

クロスオーバ管３は、低圧タービンの上流に設置された中圧タービン（図示せず）の出口からロータ軸方向に沿って伸びて低圧タービンのタービン入口部１に接続しており、中圧タービンから排出された蒸気を低圧タービンのタービン入口部１に導く蒸気連絡管である。クロスオーバ管３は、管内を流れる蒸気流れをタービン入口部１に向かって下方に曲げるエルボー管部１１を有し、エルボー管部１１の末端がタービン入口部１の絞りダクト部７とフランジ部４によって接続されている。

タービン入口部１の蒸気流路１０は、タービン入口部１のロータ軸方向両側に設けられた２つのタービン段落部１２ａ、１２ｂの初段落につながっており、蒸気流路１０を流れた蒸気はロータ軸方向に分流されてそれぞれのタービン段落部１２ａ、１２ｂに導かれる。

なお説明上、以下、タービン入口部１のロータ軸方向中央に対して、紙面左側に配置したタービン段落部１２ａを第１のタービン段落部、第１のタービン段落部の段落入口部を段落入口部Ａ、紙面右側に配置したタービン段落部１２ｂを第２のタービン段落部、および第２のタービン段落部の段落入口部を段落入口部Ｂと呼ぶこととする。

図２に基づいて、ロータ軸方向から見たタービン入口部１の蒸気流路１０について説明する。タービン入口部上半部８とタービン入口部下半部９は、フランジ部１４によって接続されており、ロータ軸方向から見た内部流路１０の流路断面は、絞りダクト部７から下方に向かって幅が大きくなり、フランジ部１４より下方の位置から徐々に縮小する洋梨型の構造となっている。また、クロスオーバ管３の中心を通る鉛直断面と、タービン入口部１の中心を通る鉛直断面、すなわちタービン軸を通る鉛直断面は一致するため、タービン入口部１はタービン軸方向から見て左右対称の構造となる。

次に図３に基づいて、図１に示した破線円Ａで囲んだ段落入口近傍について、構造をより詳細に説明する。段落入口部Ａおよび段落入口部Ｂは、それぞれタービン周方向に環状に構成されたダイアフラム固定部材１５ａおよび１５ｂと、ダイアフラム固定部材１５ａおよび１５ｂの内周側に固定されたダイアフラム外輪１７ａおよび１７ｂを有する。ダイアフラム外輪１７ａおよび１７ｂの内周側にはそれぞれタービン周方向に複数の静翼１８が取り付けられており、静翼１８の内周側はダイアフラム内輪１９で固定されている。ダイアフラム内輪１９は、第１のタービン段落部および第２のタービン段落部の静翼と接合しており、静翼１８に固定されタービン入口部１の底面を構成している。また、静翼１８の蒸気流れ方向下流側にはそれぞれ対応する動翼２０が周方向に複数設けられており、これらの動翼２０はタービンロータ１３のディスク２１に固定されている。図３では図示を省略しているが、静翼１８と動翼２０からなるタービン段落は、軸方向に複数段設けられて、タービン段落部が構成されている。

次に、クロスオーバ管３とタービン入口部１における蒸気流れの挙動について、図４および図５を用いて概略を説明する。図４には図１に示したタービン入口部の側面断面図を示しており、クロスオーバ管３からタービン段落入口までのタービン入口構造を示している。さらに、段落入口部Ａの上半部を２２ａ、下半部を２２ｄ、また段落入口部Ｂの上半部を２２ｂ、下半部を２２ｃとしている。

クロスオーバ管３の管内を蒸気ＳＴが第１のタービン段落部側（紙面左側）から第２のタービン段落部側（紙面右側）に向かって流れる。その後、蒸気流はエルボー管部１１で下方に曲げられ、タービン入口部１に導かれる。段落入口部Ｂには主にクロスオーバ管３の外周側２３ａを通過する蒸気流れが流入し、もう一方の段落入口部Ａにはクロスオーバ管の内周側２３ｂを通過する蒸気流れが主に流入する。また、蒸気はクロスオーバ管３のエルボー管部１１で急速に下方に曲げられるため、クロスオーバ管外周側２３ａに流れが偏る。図５には、視線を鉛直方向に一致させた際の、ダクト部７の喉付根部２５付近の蒸気流れを段落入口部Ａの上半部２２ａ、下半部２２ｄ、また段落入口部Ｂの上半部２２ｂ、下半部２２ｃに流入する箇所で分類した様子を概略的に示している。図５中の点線２６はロータ軸を示す。図５の紙面上の左側が第１のタービン段落部側、右側が第２のタービン段落部側である。図５において、領域２７はエルボー部によって蒸気流れが曲げられることによって生じる低流速域である。領域２８は段落入口部Ａの上半部２２ａに流入する流れの領域を示している。領域２９は段落入口部Ｂの上半部２２ｂ、下半部２２ｃ双方に流入する流れの領域を示している。領域３０は段落入口部Ａの下半部２２ｄに流入する流れの領域を示している。

これらの流れはエルボー管部１１の第２のタービン段落部側に偏ったまま、タービン入口部の蒸気流路１０を通過し段落入口部Ａ、Ｂに到達する。すなわち、実質的に蒸気が流れる流路は蒸気流路１０において、第２のタービン段落部の段落入口部Ｂ側に偏っている。

そこで、本実施形態では、図６に示すように、タービン入口部１のダイアフラム内輪１９の外周面に半径方向に突起するフローガイド３１を設けている。フローガイド３１は、ダイアフラム内輪１９の周方向に亘って環状に設けられている。またフローガイド３１の軸方向両側面は、滑らかにダイアフラム内輪１９の外周面に接続する曲面状に構成されている。

さらに本実施例では、ダイアフラム内輪１９のフローガイド３１に対して第２のタービン段落部側（紙面右側）の外周面に、ダイアフラム内輪１９の周方向に亘って環状の窪み３２を持たせている。窪みを設けることで、タービン入口部でロータ軸方向に分流された蒸気が第１のタービン段落部および第２のタービン段落部へ向かって流れる蒸気流路のうち、第２のタービン段落部に流れる蒸気の蒸気流路の断面積を第１のタービン段落部に流れる蒸気の蒸気流路の断面積より大きくする。

なお、フローガイド３１の高さ、幅、曲率等の形状、またその位置等の突起形状を定義する要素は、タービン段落、タービン入口構造、蒸気状態等に合わせて性能が最も高くなるように適宜調整可能なものとする。また、窪み３２の窪み深さ、幅、曲率等の形状、また窪み深さの最も大きい位置等の窪み形状を定義する要素も、タービン段落、タービン入口構造、蒸気状態等に合わせて性能が最も高くなるように適宜調整可能なものとする。

またフローガイド３１、窪み３２の双方とも、ダイアフラム周方向に沿って一定の断面形状を持たせずに、それら形状や位置に３次元的な変化を持たせることも可能である。本実施形態の説明では、図６に示したようなフローガイド３１と窪み３２が、ダイアフラム内輪１９の外周側に一定の断面形状を持って構成されているとして説明を行う。

本実施の形態の効果について説明する。まず、図６に示したフローガイド３１は、クロスオーバ管３、タービン入口部１を通過してくる蒸気を、段落入口部Ａ、段落入口部Ｂに分流してスムーズに導く効果を持ち、結果として蒸気のエネルギー損失を低減可能としている。次に、窪み３２の効果について説明する。図４に示したように、クロスオーバ管３を通過した蒸気はエルボー管部１１で大きく方向を曲げられ、流量が大きい領域がエルボー管部１１の開始位置２４における蒸気流れの方向に相対する側（第２のタービン段落側）に偏った状態をある程度維持しながら、蒸気流路１０を通過し、段落入口へと流入する。この流量が大きい領域を実質流路と呼ぶことにする。一般的に、流体が通過する断面積が小さいと速度が増加し圧力が低下する。速度の増加は壁面での摩擦損失を増加させ、流体エネルギーの損失を引き起こす原因となる。従って、流路断面積を大きくすることで、流体のエネルギー損失を低減することが可能である。本実施の形態における窪み３２は、実質流路の流路断面積を大きくする効果を持つため、実質流路を通過する蒸気の速度を低減することができ、蒸気のエネルギー損失を低減することが可能である。さらに、実質流路の拡大により蒸気がスムーズに流れるようになることにより、段落入口部Ａと段落入口部Ｂに流入する蒸気流量差を低減することが可能である。

次に、本発明の効果を流体解析の結果を用いて説明する。なお、比較対象とした従来技術は、特許文献１に引用されているノズル外輪流路壁に円周状の分流フローガイドを設け、蒸気を円滑にノズルに導く技術であり、その形状は図８の通りである。分流フローガイド３５はタービン入口部のロータ軸方向中心に存在し、かつ円周状に一定の形状で構成されている。また、フローガイド３５で分流された後の第１のタービン段落部および第２のタービン段落部へ向かう蒸気流路の形状はフローガイド３５に対して左右対称となるように構成されている。

図９（ａ）に段落入口部Ａの全圧損失係数を、図７の評価位置にて評価した結果を示す。

図７において、評価位置は、ロータ軸心に対して鉛直方向上側から下側に向かって、ロータ軸周りに０度、４５度、９０度、１３５度、１８０度の位置とした。

図８に示した従来技術と比較して、本実施の形態はいずれの評価位置においても全圧損失が小さいという結果が得られた。一方で、段落入口部Ｂでの全圧損失を図７の評価位置にて評価した結果、全ての評価位置において全圧損失係数はほぼ同等であった。図９（ｂ）は本実施の形態、従来技術それぞれについて、段落入口部Ａと段落入口部Ｂに流入する蒸気の流量を概略的に示した図である。従来技術と比較して、本実施の形態では段落入口部Ａと段落入口部Ｂに流入する蒸気の偏差が低減されていることが分かる。

従って、本実施の形態の構造によれば、複流型タービンにおいてエルボー管部によって蒸気流れが曲げられることによって蒸気流れに偏流が発生した場合においても、流量が大きい領域の流路断面積を大きくすることで、その領域を流れる蒸気の速度を低減し、流体のエネルギー損失を低減することが可能となるとともに、蒸気がスムーズに流れるようになることにより、段落入口部Ａと段落入口部Ｂに流入する蒸気の流量差を低減することが可能となる。これにより、プラント全体としても効率を向上させることが可能となる。

なお、本実施例において窪み３２にはダイアフラム内輪１９の外周面に設けた例を説明したが、フローガイド３１の第２のタービン段落部側の側面に周方向に沿って設けても良い。すなわち、タービン入口部でロータ軸方向に分流された蒸気が第１のタービン段落部および第２のタービン段落部へ向かって流れる蒸気流路のうち、第２のタービン段落部に流れる蒸気の蒸気流路の少なくとも一部の断面積を、第１のタービン段落部に流れる蒸気の蒸気流路の断面積より大きくすればよい。

また、本実施例は本発明を低圧タービンのタービン入口部に適用した場合について説明したが、本発明は、低圧タービンに限らず、中圧タービン入口部にも適用可能である。

１ タービン入口部
３ クロスオーバ管
１１ エルボー管部
１２ａ、１２ｂ タービン段落部
１３ タービンロータ
１７ ダイアフラム外輪
１８ 静翼
１９ ダイアフラム内輪
２０ 動翼
３１ フローガイド
３２ 窪み
１０１ 複流型低圧タービン

Claims (4)

1. タービンロータと、該タービンロータのロータ軸方向に設けられた第１のタービン段落部および第２のタービン段落部と、前記第１のタービン段落部と前記第２のタービン段落部との間に設けられ、蒸気を前記第１のタービン段落部および前記第２のタービン段落部に導くタービン入口部とを有する複流型タービンと、
   前記タービン入口部に蒸気を導く蒸気連絡管とを備え、
   前記蒸気連絡管は、管内を前記第１のタービン段落部側から前記第２のタービン段落部側に向かって流れる蒸気流を前記タービン入口部に向かって下方に曲げるエルボー部を有する蒸気タービンであって、
   前記タービン入口部でロータ軸方向に分流された蒸気が前記第１のタービン段落部および前記第２のタービン段落部へ向かって流れる蒸気流路のうち、前記第２のタービン段落部に流れる蒸気の蒸気流路の少なくとも一部の断面積が、前記第１のタービン段落部に流れる蒸気の蒸気流路の断面積より大きいことを特徴とする蒸気タービン。
2. 請求項１に記載の蒸気タービンであって、
   前記タービン入口部は、タービンロータ周りに設けられたダイアフラム内輪と、該ダイアフラム内輪の外周面に周方向に沿って設けられ、タービン半径方向に突起し、蒸気をロータ軸方向第１のタービン段落側と第２のタービン段落側とに分流するフローガイド部とを有することを特徴とする蒸気タービン。
3. 請求項２に記載の蒸気タービンであって、
   前記タービン入口部は、前記フローガイド部に対して前記第２のタービン段落部側のダイアフラム内輪の外周面に周方向に沿って設けられた窪み部を有することを特徴とする蒸気タービン。
4. 請求項２に記載の蒸気タービンであって、
   前記フローガイド部は、前記第２のタービン段落部側の側面に周方向に沿って設けられた窪み部を有することを特徴とする蒸気タービン。