JP5936992B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。

低圧蒸気タービンにおいて、蒸気タービンの作動流体である蒸気は、一般に、高真空まで膨張するため、最終のタービン段落付近では、飽和蒸気線を越えて水滴を含む湿り蒸気となる。火力発電用の低圧蒸気タービンでは、最終のタービン段落を含む複数のタービン段落が湿り蒸気で作動されている。また、地熱発電用の蒸気タービンでは、大半のタービン段落が湿り蒸気で作動されている。

蒸気タービンが湿り蒸気で作動される場合、乾き蒸気で作動されるときには生じない、信頼性および性能に関する問題が生じる。信頼性に関する問題としては、水滴が高速で回転する動翼に衝突して生じる浸食などがあり、性能に関する問題としては、水滴の発生、成長、挙動に起因する湿り損失などがある。

湿り損失は、過飽和損失、凝縮損失、加速損失、制動損失、捕捉損失、ポンプ損失などに分類することができる。ここで、過飽和損失は、蒸気が過飽和状態から水滴核が急激に発生して飽和状態に戻る過程で発生する損失である。凝縮損失は、水滴の周りの蒸気が凝縮する際に発生する損失である。加速損失は、水滴と蒸気との速度差によって発生する損失である。制動損失は、水滴が動翼の背側に衝突する際に発生する損失である。捕捉損失は、静翼および動翼の翼面に水滴が衝突する際に発生する損失である。ポンプ損失は、動翼の翼面に水滴が付着した際に発生する損失である。

従来の湿り損失を低減する方法としては、主に水分を除去する方法が検討されている。例えば、動翼の遠心力によって外周壁面に飛ばされた水滴を効果的に分離して除去するドレンキャッチャを備えることで湿り損失を低減することが検討されている。また、ノズル（静翼）内部を中空とし、ノズルの翼面と壁面に形成される水膜を吸引して粗大水滴の発生を抑制するスリットやドレンセパレータを備えることで湿り損失を低減することが検討されている。

ターボ機械協会編、蒸気タービン、日本工業出版、１９９０年４月、ｐ.１７９−１８０ タービン研究会編、蒸気タービン−理論と構造−、三宝社、１９８２年１２月２７日、ｐ.９９ Gyarmathy G., "Nucleation of steam in high-pressure nozzle experiments", Proc. IMechE, Part A, ２００５, ｐ.５１１−５２１

しかしながら、従来の湿り損失を低減する方法では、水分を分離して除去するため、湿り損失の中の制動損失や加速損失の低減に効果はあるものの、水滴が発生する際に生じる過飽和損失を抑制する効果はない。また、従来、過飽和損失を抑制する有効な対策が取られていない。

本発明が解決しようとする課題は、過飽和損失が抑制され、タービン効率の向上を図ることができる蒸気タービンを提供するものである。

実施形態の蒸気タービンは、複数の静翼で構成される静翼翼列と、当該静翼翼列の直下流側に配置され複数の動翼で構成される動翼翼列とからなるタービン段落を備える。そして、最終３段のタービン段落において、同じタービン段落の静翼翼列と動翼翼列、または隣接する異なるタービン段落の動翼翼列と静翼翼列の２列の翼列のうち、通過する蒸気が過飽和状態になり始める上流側の上流側翼列を構成する各翼の翼高さ方向の中央部における翼弦長が、他の部分の翼弦長よりも長い。

蒸気タービンの膨張過程を示すエンタルピ−エントロピ線図の概要を示す図である。 蒸気の膨張速度とウィルソン点湿り度の関係を示した図である。 蒸気の膨張速度と過飽和損失の関係の概要を示した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終３段のタービン段落の上半側の断面を示した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終３段のタービン段落の上半側の断面を示した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおいて、上流側翼列を構成する翼の斜視図である。 図７に示された翼を腹側から見たときの平面図である。 図７および図８に示した上流側翼列の翼の翼高さ方向の中心における翼面圧力分布を示した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおいて、上流側翼列を構成する他の形状の翼の斜視図である。 図１０に示された翼を腹側から見たときの平面図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおいて、上流側翼列を構成するさらに他の形状の翼の斜視図である。 図１２に示された翼を腹側から見たときの平面図である。 図１０および図１１に示した上流側翼列の翼の翼高さ方向の中心における翼面圧力分布を示した図である。 図１２および図１３に示した上流側翼列の翼の翼高さ方向の中心における翼面圧力分布を示した図である。 第２の実施の形態の蒸気タービンにおいて、下流側翼列を構成する翼の斜視図である。 図１６に示された翼を腹側から見たときの平面図である。 第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、下流側翼列および下流側翼列の直下流側の蒸気通路の上半側の断面を示した図である。 第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、下流側翼列の蒸気通路の上半側の断面を示した図である。 第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、過飽和域となる下流側翼列の翼列出口の静圧について説明するためのｈ−ｓ線図である。 第４の実施の形態の蒸気タービンにおいて、下流側翼列を構成する周方向に配列された翼の斜視図である。 翼の翼高さ方向の静圧分布を示す図である。

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。

まず、蒸気タービン（低圧蒸気タービン）の膨張過程について説明する。ここで、図１は、蒸気タービンの膨張過程を示すエンタルピ−エントロピ線図（以下、ｈ−ｓ線図という）の概要を示す図である。図２は、蒸気の膨張速度とウィルソン点湿り度の関係を示した図である。図３は、蒸気の膨張速度と過飽和損失の関係の概要を示した図である。なお、図２に示された関係は、上記した非特許文献２（９９頁）および非特許文献３（５１１−５２１頁）の記載に基づいて得られたものである。

蒸気タービンに導入された高温高圧の蒸気は、複数のタービン段落を通過するに伴い、その熱エネルギをタービンの機械エネルギに変換して低温低圧の蒸気となる。この蒸気は、ｈ−ｓ線図上の飽和蒸気線Ｌ１を通過して湿り域に到達しても直ぐには凝縮しない。そして、湿り度が２〜４％程度の状態まで膨張した後に蒸気中に水滴が発生する。

これは、不純物を含まない蒸気が急激に膨張する場合、湿り域に達しても蒸気の核化過程が起こらない過飽和状態となるために生じる。このような状態の蒸気を過飽和蒸気という。過飽和蒸気の状態から水滴核が発生する点をウィルソン点と呼び、このウィルソン点をｈ−ｓ線図上で結んだ線をウィルソン線Ｌ２と呼ぶ。ウィルソン線Ｌ２は、等湿り度線とほぼ平行となる。

図１に示すように、過飽和蒸気から水滴核が急激に発生して飽和蒸気に戻る過程で、エントロピは、増加するため、過飽和現象が無い場合よりも熱落差は減少する。なお、図１において熱落差の減少分をΔｈとして示している。ウィルソン点は、蒸気の膨張速度の大きさに影響され、図２に示すように、蒸気の膨張速度が大きいほどウィルソン点湿り度は大きくなる。ここで、蒸気の膨張速度は、次の式（１）で定義される。

ここで、Ｐは圧力、ｔは時間、Ｃ_ａは軸方向速度、ａは軸方向距離、Ｖは絶対速度、ｘは絶対距離である。

ウィルソン点湿り度が大きくなるほど、過飽和蒸気から飽和蒸気に戻る過程のエントロピの増加量は大きくなる。そして、図３に示すように、蒸気の膨張速度が大きくなるほど過飽和損失は増加する。

そこで、本発明の実施の形態の蒸気タービンにおいては、蒸気の膨張速度を小さくすることに着目し、蒸気の膨張速度を小さくするための構成を備えることで、過飽和損失を抑制することが図られている。

（第１の実施の形態）
図４は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の鉛直方向の子午断面を示す図である。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。なお、以下説明する蒸気タービンは、低圧蒸気タービンである。この低圧蒸気タービンとしては、例えば、火力発電設備に備えられる低圧タービンが挙げられる。また、低圧蒸気タービンとしては、原子力発電設備に備えられ、高圧タービンからの排気を例えば湿分分離加熱器などによって再熱した蒸気が導入される蒸気タービン（低圧タービン）などが挙げられる。

図４に示すように、蒸気タービン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。タービンロータ２２には、ロータディスク２２ａが形成され、このロータディスク２２ａに、複数の動翼２１が周方向に植設されている。複数の動翼２１を周方向に備えた動翼翼列は、タービンロータ２２の軸方向に複数段構成されている。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。

ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２３が設置され、このダイアフラム外輪２３の内側には、ダイアフラム内輪２４が設置されている。また、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間には、周方向に複数の静翼２５が配置され、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備えられている。そして、静翼翼列と、その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。

ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間には、主蒸気が流れる環状の蒸気通路２９が形成されている。すなわち、ダイアフラム外輪２３は、蒸気通路２９の外径側の外周壁としても機能し、ダイアフラム内輪２４は、蒸気通路２９の内周側の内周壁としても機能している。

タービンロータ２２とケーシング２０との間には、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２６が設けられている。また、タービンロータ２２とダイアフラム内輪２４との間には、この間を蒸気が下流側へ通過するのを防止するために、シール部２７が設けられている。

また、蒸気タービン１０には、クロスオーバ管２８からの蒸気を蒸気タービン１０の内部に蒸気を導入するための蒸気入口管（図示しない）がケーシング２０を貫通して設けられている。最終段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通路（図示しない）が設けられている。この排気通路は、復水器（図示しない）に連通されている。

次に、蒸気タービン１０における最終３段のタービン段落の構成について説明する。

図５および図６は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終３段のタービン段落の上半側の断面を示した図である。なお、図５および図６には、説明の便宜上、飽和蒸気線Ｌ１、ウィルソン線Ｌ２を示し、過飽和域Ｓを斜線で示している。また、図５では、同じタービン段落の静翼翼列と動翼翼列との間に亘って過飽和域Ｓが存在する一例を示している。図６では、隣接する異なるタービン段落の動翼翼列と静翼翼列との間に亘って過飽和域Ｓが存在する一例を示している。なお、図５および図６に示された飽和蒸気線Ｌ１やウィルソン線Ｌ２の分布は、試験用タービンにおける計測結果に基づいて得られた結果を模式的に示している。

蒸気タービン１０の静翼２５および動翼２１の半径方向の損失分布において、根元部２５ａ、２１ａ側および先端部２５ｂ、２１ｂ側となる壁面に近い位置では、プロファイル損失の他に二次流れ損失や漏洩損失が加わる。これに対し、翼高さ方向の中央部付近では、プロファイル損失のみの影響を受けるため、中央部付近の性能は、根元部２５ａ、２１ａおよび先端部２５ｂ、２１ｂよりも優れている。なお、静翼２５において、根元部２５ａは、ダイアフラム内輪２４側の端部であり、先端部２５ｂは、ダイアフラム外輪２３側の端部をいう。

この特性が複数のタービン段落で継続することにより、図５および図６に示すように、蒸気状態は、性能が優れる中央部付近から飽和蒸気線Ｌ１を越えて過飽和損失が発生する過飽和域Ｓとなる。一方、性能が劣る根元部２５ａ、２１ａ付近および先端部２５ｂ、２１ｂ付近は、中央部付近よりも下流側で過飽和域Ｓとなる。

ここで、蒸気が過飽和状態となる過飽和域Ｓは、飽和蒸気線Ｌ１とウィルソン線Ｌ２で囲まれる領域で示される。また、過飽和域Ｓとなるタービン段落の位置は、蒸気条件によって変化するが、一般的に、低圧蒸気タービンにおいては、最終３段のタービン段落のいずれかの位置になる。そして、図５および図６に示すように、過飽和域Ｓは、翼高さ方向の中央部付近から形成され、その下流側の翼列の根元部２５ａ、２１ａおよび先端部２５ｂ、２１ｂに向かって形成されている。

実施の形態の蒸気タービン１０では、図５および図６に示すように、最終３段のタービン段落において、同じタービン段落の静翼翼列と動翼翼列、または隣接する異なるタービン段落の動翼翼列と静翼翼列の２列の翼列のうち、通過する蒸気が過飽和状態になり始める上流側の翼列（以下、上流側翼列という。）を構成する各翼の翼高さ方向の中央部における翼弦長は、他の部分の翼弦長よりも長い。ここで、翼の翼高さ方向の中央部とは、例えば、翼の翼高さ方向の中心をいう。

上流側翼列の直下流側の翼列（以下、下流側翼列という。）を構成する翼の形状は、通常使用されている一般的な動翼や静翼の形状を有している。

図７は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０において、上流側翼列を構成する翼の斜視図である。図８は、図７に示された翼を腹側４０から見たときの平面図である。ここでは、図５に示すように、上流側翼列が静翼翼列で構成された場合について示し、翼として静翼２５が例示されている。なお、上流側翼列が動翼翼列で構成された場合における動翼２１の突出部の構成も、以下に説明する静翼２５の突出部の構成と同様の構成となる。

図７および図８に示すように、上流側翼列を構成する静翼２５の翼高さ方向の中央部における後縁４１は、下流側に突出している。この突出部は、例えば、図８に示すように、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂから、翼高さ方向の中央部に行くに伴い徐々に下流側に突出する形状となる。すなわち、中央部の静翼２５の後縁４１が下流側に最も突出することで、中央部における翼弦長Ｌｃは、他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くなる。

ここでは、突出部が静翼２５の根元部および先端部から形成される一例を示したが、例えば、図５に示した過飽和域Ｓの分布に対応させて、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂよりも中央側から突出部を形成してもよい。この場合においても、中央部の静翼２５の後縁４１を下流側に最も突出させることで、中央部における翼弦長Ｌｃは、他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くなる。

ここで、図９は、図７および図８に示した上流側翼列の翼の翼高さ方向の中心における翼面圧力分布を示した図である。図９には、比較のため、翼の後縁４１を突出させない構造の翼の翼高さ方向の中心における翼面圧力分布も示している。なお、比較に用いた翼（以下、比較翼という。）は、翼の後縁４１を突出させない以外は、図７および図８に示した翼と同じ構造である。また、図９に示した分布は、モデル翼の翼型、入口圧力や出口圧力などの試験データに基づく数値解析によって得られたものである。

図９に示すように、双方の翼における翼列入口圧力と翼列出口圧力は同じである。一方、本実施の形態の翼は、比較翼に比べて、翼面の背側４３および腹側４０の双方で圧力の変化が小さい。これは、本実施の形態の翼は、比較翼に比べて、中央部における翼弦長Ｌｃが長くなっていることによるものである。そのため、前述した式（１）における圧力の変化割合（∂Ｐ／∂ｘ）が小さくなり、蒸気の膨張速度が小さくなる。

この結果および図３に示す蒸気の膨張速度と過飽和損失の関係から、通過する蒸気が過飽和状態になり始める上流側翼列を構成する各翼の翼高さ方向の中央部における翼弦長Ｌｃを他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くすることで、過飽和損失を低減できることがわかる。

ここで、上流側翼列を構成する各翼の形状は、上記した形状に限られるものではない。図１０は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０において、上流側翼列を構成する他の形状の翼の斜視図である。図１１は、図１０に示された翼を腹側４０から見たときの平面図である。図１２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０において、上流側翼列を構成するさらに他の形状の翼の斜視図である。図１３は、図１２に示された翼を腹側４０から見たときの平面図である。

図１０および図１１に示すように、上流側翼列を構成する静翼２５の翼高さ方向の中央部における前縁４２を上流側に突出させてもよい。この突出部は、例えば、図１１に示すように、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂから、翼高さ方向の中央部に行くに伴い徐々に上流側に突出する形状となる。すなわち、中央部の静翼２５の前縁４２が上流側に最も突出することで、中央部における翼弦長Ｌｃは、他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くなる。

ここでは、突出部が静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂから形成される一例を示したが、例えば、図５に示した過飽和域Ｓの分布に対応させて、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂよりも中央側から突出部を形成してもよい。この場合においても、中央部の静翼２５の前縁４２を上流側に最も突出させることで、中央部における翼弦長Ｌｃは、他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くなる。

図１２および図１３に示すように、上流側翼列を構成する静翼２５の翼高さ方向の中央部において、前縁４２を上流側に突出させ、かつ後縁４１を下流側に突出させてもよい。この突出部は、例えば、図１３に示すように、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂから、翼高さ方向の中央部に行くに伴い、徐々に上流側および下流側に突出する形状とすることができる。すなわち、中央部の静翼２５の前縁４２を上流側に最も突出させ、かつ後縁４１を下流側に最も突出させることで、中央部における翼弦長Ｌｃは、他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くなる。

ここでは、突出部が静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂから形成される一例を示したが、例えば、図５に示した過飽和域Ｓの分布に対応させて、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂよりも中央側から突出部を形成してもよい。この場合においても、中央部の静翼２５の、前縁４２を上流側に最も突出させ、かつ後縁４１を下流側に最も突出させることで、中央部における翼弦長Ｌｃは、他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くなる。

図１４は、図１０および図１１に示した上流側翼列の翼の翼高さ方向の中心における翼面圧力分布を示した図である。図１５は、図１２および図１３に示した上流側翼列の翼の翼高さ方向の中心における翼面圧力分布を示した図である。

図１４および図１５には、翼の後縁４１および前縁４２を突出させない構造の比較翼の翼高さ方向の中心における翼面圧力分布も示している。なお、比較翼は、翼の後縁４１および前縁４２を突出させない以外は、図１０および図１１、または図１２および図１３に示した翼と同じ構造である。また、図１４および図１５に示した分布は、図９に示した分布と同様の方法で得たものである。

図１４および図１５に示すように、本実施の形態の翼および比較翼における翼列入口圧力と翼列出口圧力は同じである。一方、本実施の形態の翼は、比較翼に比べて、翼面の背側４３および腹側４０の双方で圧力の変化が小さい。これは、本実施の形態の翼は、比較翼に比べて、中央部における翼弦長Ｌｃが長くなっていることによるものである。そのため、前述した式（１）における圧力の変化割合（∂Ｐ／∂ｘ）が小さくなり、蒸気の膨張速度が小さくなる。

この結果および図３に示す蒸気の膨張速度と過飽和損失の関係から、通過する蒸気が過飽和状態になり始める上流側翼列を構成する各翼の翼高さ方向の中央部における翼弦長Ｌｃを他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くすることで、過飽和損失を低減できることがわかる。

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、最終３段のタービン段落の過飽和域Ｓにおいて、蒸気の膨張速度を小さくすることができる。そのため、過飽和損失を低減することができ、タービン効率の向上を図ることができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービンにおいて、下流側翼列を構成する翼の形状以外は、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。そのため、ここでは、下流側翼列を構成する翼の形状について主に説明する。

すなわち、第２の実施の形態の蒸気タービンにおいては、図５に示された蒸気タービン１０と、下流側翼列を構成する各動翼２１の形状が異なり、また、図６に示された蒸気タービン１０と、下流側翼列を構成する各静翼２５の形状が異なる。

図１６は、第２の実施の形態の蒸気タービンにおいて、下流側翼列を構成する翼の斜視図である。図１７は、図１６に示された翼を腹側５０から見たときの平面図である。ここでは、下流側翼列が動翼翼列で構成された場合について示し、翼として動翼２１が例示されている。図１６および図１７においては、動翼２１の翼有効部以外の構成は省略している。なお、下流側翼列が静翼翼列で構成された場合における静翼２５の突出部の構成も、以下に説明する動翼２１の突出部の構成と同様の構成となる。

図１６および図１７に示すように、下流側翼列を構成する動翼２１の根元部２１ａ側および先端部２１ｂ側の後縁５１は、下流側に突出している。この突出部は、例えば、図１７に示すように、翼高さ方向の中央部から、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂに行くに伴い、下流側に徐々に突出する形状となる。すなわち、根元部２５ａおよび先端部２５ｂにおける動翼２１の後縁５１が下流側に最も突出することで、根元部２５ａおよび先端部２５ｂにおける翼弦長Ｌｃは、他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くなる。なお、突出部の形状は、例えば、図５に示した過飽和域Ｓの分布に対応させて、変形させることが好ましい。

下流側翼列をこのように構成することで、前述した上流側翼列の翼弦長Ｌｃを長くした場合の効果と同様に、突出部を備えない翼に比べて、翼面の背側５３および腹側５０の双方で圧力の変化を小さくすることできる。そのため、過飽和域Ｓにおいて、前述した式（１）における圧力の変化割合（∂Ｐ／∂ｘ）が小さくなり、蒸気の膨張速度が小さくなる。これによって、過飽和損失が低減され、タービン効率の向上を図ることができる。

なお、ここでは、下流側翼列を構成する各動翼２１の後縁５１を下流側に突出させた一例を示したこの構成に限られるものではない。例えば、翼高さ方向の中央部から、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂに行くに伴い、徐々に前縁５２を上流側に突出させてもよい。また、翼高さ方向の中央部から、静翼２５の根元部２５ａおよび先端部２５ｂに行くに伴い、前縁５２を上流側に徐々に突出させ、かつ後縁５１を下流側に徐々に突出させてもよい。

このように構成しても、根元部２５ａおよび先端部２５ｂにおける翼弦長Ｌｃは、他の部分の翼弦長Ｌｃよりも長くなる。いずれの場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の蒸気タービンにおいて、下流側翼列の直下流側の蒸気通路２９の構成以外は、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。そのため、ここでは、下流側翼列の直下流側の蒸気通路２９について主に説明する。

まず、下流側翼列が動翼翼列で構成された一例について説明する。なお、下流側翼列が動翼翼列で構成された場合、上流側翼列は、同じタービン段落の静翼翼列で構成される（図５参照）。

図１８は、第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、下流側翼列および下流側翼列の直下流側の蒸気通路２９の上半側の断面を示した図である。

図１８に示すように、下流側翼列である動翼翼列の翼列出口の下流側において、蒸気通路２９を構成する内径側の壁面が半径方向内側に、外径側の壁面が半径方向外側に広げられている。

ここで、動翼翼列の翼列出口の下流側における内径側の壁面は、動翼翼列の直下流の静翼翼列の静翼２５を支持しているダイアフラム内輪２４の内周面で構成されている。動翼翼列を構成する動翼２１側のダイアフラム内輪２４の内周面は、図１８に示すように、下流側に行くに伴って、半径方向内側（タービンロータ軸側）に徐々に広がる傾斜面２４ａを有している。この傾斜面２４ａは、下流側に行くに伴い、滑らかに連続して半径方向内側に広げられている。

一方、動翼翼列の翼列出口の下流側における外径側の壁面は、上流側翼列を構成する静翼２５を支持するとともに、動翼２１の外周に延長されたダイアフラム外輪２３の内周面で構成されている。動翼２１の外周に延長された、ダイアフラム外輪２３の延長部の内周面は、動翼翼列の翼列出口の下流側において、図１８に示すように、下流側に行くに伴って、半径方向外側（ケーシング２０側）に徐々に広がる傾斜面２３ａを有している。この傾斜面２３ａは、下流側に行くに伴い、滑らかに連続して半径方向外側に広げられている。

ここで、一般的に、蒸気タービンにおいては、下流側のタービン段落に行くに伴い、蒸気通路２９の流路断面積が大きくなるように構成されている。そのため、例えば、蒸気通路２９を構成する外径側の壁面は、下流側に行くに伴って、半径方向外側（ケーシング２０側）に徐々に広がるように傾斜面で構成されることがある。そこで、本実施の形態における傾斜面２３ａは、流れの剥離などが生じない範囲で、一般的な蒸気タービンにおける傾斜面よりも、さらに傾斜角度を大きく設定するものである（以下において同じ。）。

このように、下流側翼列である動翼翼列の翼列出口の下流側において、蒸気通路２９の流路断面積を下流側に行くに伴って徐々に大きくすることで、翼列出口の下流側における蒸気の流速が減速し、静圧が上昇する。静圧が上昇することにより、過飽和域Ｓにある動翼２１の根元部２１ａと先端部２１ｂにおける膨張速度が低下して、過飽和損失が低減する。

次に、下流側翼列が静翼翼列で構成された一例について説明する。なお、下流側翼列が静翼翼列で構成された場合、上流側翼列は、直上流側のタービン段落の動翼翼列で構成される（図６参照）。

図１９は、第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、下流側翼列の蒸気通路２９の上半側の断面を示した図である。図１９に示すように、下流側翼列である静翼翼列の翼列出口の下流側において、蒸気通路２９を構成する内径側の壁面が半径方向内側に、外径側の壁面が半径方向外側に広げられている。

ここで、静翼翼列の翼列出口の下流側における内径側の壁面は、当該静翼翼列の静翼２５を支持しているダイアフラム内輪２４の内周面で構成されている。静翼翼列の翼列出口の下流側における外径側の壁面は、当該静翼翼列の静翼２５を支持しているダイアフラム外輪２３の内周面で構成されている。

図１９に示すように、ダイアフラム内輪２４の内周面は、下流側に行くに伴って、半径方向内側（タービンロータ軸側）に徐々に広がる傾斜面２４ａを有している。この傾斜面２４ａは、下流側に行くに伴い、滑らかに連続して半径方向内側に広げられている。

一方、ダイアフラム外輪２３の内周面は、下流側に行くに伴って、半径方向外側（ケーシング２０側）に徐々に広がる傾斜面２３ｂを有している。この傾斜面２３ｂは、下流側に行くに伴い、滑らかに連続して半径方向外側に広げられている。

このように、下流側翼列である静翼翼列の翼列出口の下流側において、蒸気通路２９の流路断面積を下流側に行くに伴って徐々に大きくすることで、翼列出口の下流側における蒸気の流速が減速し、静圧が上昇する。静圧が上昇することにより、過飽和域Ｓにある静翼２５の根元部２５ａと先端部２５ｂにおける膨張速度が低下して、過飽和損失が低減する。

なお、図１８および図１９に示した一例において、蒸気通路２９を構成する内径側および外径側の双方の壁面に、蒸気通路２９の流路断面積を大きくするための構成を備えた一例を示したが、この構成は、少なくとも、内径側の壁面および外径側の壁面のいずれか一方に備えられていればよい。

ここで、図２０は、第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、過飽和域Ｓとなる下流側翼列の翼列出口の静圧について説明するためのｈ−ｓ線図である。なお、図２０には、比較のため、下流側翼列の翼列出口の下流側において、傾斜面２３ａ、２３ｂ、２４ａを備えない場合（比較構造）についても示している。図２０において、本実施の形態に係る膨張線をＥ１、比較構造に係る膨張線をＥ２で示している。また、図２０において、Ｌ１は飽和蒸気線を示し、Ｌ３およびＬ４はウィルソン線を示す。ここでは、下流側翼列が静翼翼列で構成された場合について評価した。

本実施の形態の場合、下流側翼列の翼列出口の静圧が上昇して膨張速度が小さくなるため、図２に示した特性により、ウィルソン点湿り度は小さくなる。そのため、本実施の形態の場合、ウィルソン線Ｌ３に到達すると過飽和蒸気から飽和蒸気に戻る。これに対し、比較構造の場合、ウィルソン線Ｌ３よりも湿り度が大きなウィルソン線Ｌ４に到達するまで過飽和蒸気の状態が継続する。

このようなことから、本実施の形態におけるエントロピの増加量は、比較構造におけるそれよりも小さくなる。これによって、本実施の形態における熱落差は、比較構造におけるそれよりも大きくなる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の蒸気タービンは、下流側翼列を構成する翼の形状以外は、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。そのため、ここでは、下流側翼列を構成する翼の形状について主に説明する。

すなわち、第４の実施の形態の蒸気タービンにおいては、図５に示された蒸気タービン１０と、下流側翼列を構成する各動翼２１の形状が異なり、また、図６に示された蒸気タービン１０と、下流側翼列を構成する各静翼２５の形状が異なる。

図２１は、第４の実施の形態の蒸気タービンにおいて、下流側翼列を構成する周方向に配列された翼の斜視図である。ここでは、下流側翼列が動翼翼列で構成された場合について示し、翼として動翼２１が例示されている。図２１においては、動翼２１の翼有効部以外の構成は省略している。なお、下流側翼列が静翼翼列で構成された場合における静翼２５の形状も、以下に説明する動翼２１の形状と同様の構成となる。

図２１に示すように、下流側翼列を構成する各動翼２１は、翼高さ方向の中央部において、腹側５０が周方向に突出するように湾曲している。動翼２１は、例えば、図２１に示すように、動翼２１の根元部２１ａおよび先端部２１ｂから、翼高さ方向の中央部に行くに伴い徐々に周方向に湾曲する形状となる。すなわち、中央部の動翼２１の腹側５０が周方向に最も突出する。

このように構成された動翼２１間を流れる蒸気において、流線は、壁面方向に向かう。すなわち、流線は、内径側の壁面および外径側の壁面に向かう。そのため、下流側翼列の翼列出口における半径平衡式から、壁面近傍の圧力を上昇させる流体力が発生し、過飽和域Ｓにある根元部２１ａや先端部２１ｂの静圧が上昇することとなる。

図２２は、翼の翼高さ方向の静圧分布を示す図である。図２２には、上記した湾曲する翼を備える場合（実施の形態の翼）の静圧分布、および湾曲しない一般的な動翼２１を備える場合（比較翼）の静圧分布を示している。なお、図２２に示された静圧分布は、翼列出口の位置における翼の翼高さ方向の分布であり、三次元流体解析から得られたものである。

図２２に示すように、比較翼における静圧分布は、翼高さ方向に、ほぼ直線状に変化する。一方、実施の形態の翼の場合、過飽和域Ｓとなる根元部２１ａおよび先端部２１ｂにおける静圧が上昇する。そのため、第３の実施の形態において図２０を参照して説明したとおり、静圧の上昇によって、膨張速度を小さくすることができる。これによって、過飽和損失が低減され、タービン効率の向上を図ることができる。

以上説明した実施形態によれば、過飽和損失が抑制され、タービン効率の向上を図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…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１…動翼、２１ａ，２５ａ…根元部、２１ｂ，２５ｂ…先端部、２２…タービンロータ、２２ａ…ロータディスク、２３…ダイアフラム外輪、２３ａ，２３ｂ，２４ａ…傾斜面、２４…ダイアフラム内輪、２５…静翼、２６…グランドシール部、２７…シール部、２８…クロスオーバ管、２９…蒸気通路、４０，５０…腹側、４１，５１…後縁、４２，５２…前縁、４３，５３…背側。

Claims (11)

1. 複数の静翼で構成される静翼翼列と、当該静翼翼列の直下流側に配置され複数の動翼で構成される動翼翼列とからなるタービン段落を備える蒸気タービンであって、
   最終３段のタービン段落において、同じタービン段落の静翼翼列と動翼翼列、または隣接する異なるタービン段落の動翼翼列と静翼翼列の２列の翼列のうち、通過する蒸気が過飽和状態になり始める上流側の上流側翼列を構成する各翼の翼高さ方向の中央部における翼弦長が、他の部分の翼弦長よりも長いことを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記上流側翼列の直下流側の下流側翼列を構成する各翼の根元部および先端部の翼弦長が、他の部分の翼弦長よりも長いことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記上流側翼列を構成する各翼の翼高さ方向の中央部において、前縁が上流側に突出していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
4. 前記上流側翼列を構成する各翼の翼高さ方向の中央部において、後縁が下流側に突出していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
5. 前記上流側翼列を構成する各翼の翼高さ方向の中央部において、前縁が上流側に、かつ後縁が下流側に突出していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
6. 前記下流側翼列を構成する各翼の根元部および先端部において、前縁が上流側に突出していることを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
7. 前記下流側翼列を構成する各翼の根元部および先端部において、後縁が下流側に突出していることを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
8. 前記下流側翼列を構成する各翼の根元部および先端部において、前縁が上流側に、かつ後縁が下流側に突出していることを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
9. 前記上流側翼列の直下流側の下流側翼列における翼列出口の下流側において、蒸気通路を構成する内径側および外径側の壁面の少なくとも一方が、半径方向内側または半径方向外側に広げられていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
10. 前記壁面が、下流方向に行くに伴い、滑らかに連続して半径方向内側または半径方向外側に広げられていることを特徴とする請求項９記載の蒸気タービン。
11. 前記上流側翼列の直下流側の下流側翼列を構成する各翼が、翼高さ方向の中央部において、腹側が周方向に突出するように湾曲していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。

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