JP5951534B2 - 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。

発電プラントにおける発電効率を向上するために、発電プラントに設置される蒸気タービンにおいても、効率向上が要求されている。図１７は、従来の蒸気タービン３００の子午断面の一部を示した図である。

図１７には、一つのタービン段落３１０が示されている。このタービン段落３１０は、静翼翼列３２０と、この静翼翼列３２０の直下流側に位置する動翼翼列３３０とから構成されている。静翼翼列３２０は、ダイアフラム内輪３２１とダイアフラム外輪３２２との間に、周方向に所定の間隔をあけて支持された複数の静翼３２３を備えている。動翼翼列３３０は、タービンロータ３４０に設けられたロータディスク３４１に周方向に所定の間隔をあけて植設された複数の動翼３３１を備えている。

各タービン段落において、蒸気３５０の静翼３２３の入口の圧力Ｐ１は、静翼３２３を通過することで減少し、静翼３２３の出口では圧力Ｐ２となる。この際、蒸気３５０は、膨張して体積を増すと同時に蒸気流出方向をタービンロータ３４０の回転方向に転向されることで、周方向の速度エネルギを有する。

周方向の速度エネルギは、動翼３３１で蒸気３５０が反回転方向に転向されることによる反力と、同時に圧力Ｐ３に低減することでさらに膨張して流出速度を増すことによる反力とによって回転トルクに変換される。

ここで、ダイアフラム内輪３２１などの静止部と、タービンロータ３４０などの回転部との間には、所定の隙間を設けることは構造上必須である。そのため、図１７に示すように、蒸気３５０から分流した漏れ蒸気３５１は、ダイアフラム内輪３２１とタービンロータ３４０との間の隙間３６０を通過する。具体的には、漏れ蒸気３５１は、ダイアフラム内輪３２１の内周に設けられたシール部３２４とタービンロータ３４０との間の隙間３６０を通過する。

漏れ蒸気３５１は、静翼翼列３２０を流れないため膨張せず、損失を生じさせる。さらに、この漏れ蒸気３５１がダイアフラム内輪３２１と動翼３３１との間から主流に向かって噴出することで主流と干渉し、さらなる損失を生む。

動翼３３１の前後の圧力Ｐ２と圧力Ｐ３の差は、動翼３３１を含むロータディスク３４１をタービンロータ軸方向に押す力となる。この力は、多段のタービン段落で構成される蒸気タービン全体では、相当量の大きさとなる。その力は、通常は大径のスラスト軸受によって相殺される。

従来の蒸気タービンにおいては、上記した蒸気タービン３００とは異なる構成を備えたものも検討されている。図１８は、従来の蒸気タービン３０１の子午断面の一部を示した図である。なお、図１７に示した蒸気タービン３００の構成と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する。

図１８に示すように、蒸気タービン３０１におけるロータディスク３４１には、漏れ蒸気３５１をロータディスク３４１の上流側から下流側へ導く蒸気通路３４２が形成されている。これによって、ダイアフラム内輪３２１と動翼３３１との間から主流に向かって噴出する漏れ蒸気３５１の流量が減少する。そのため、蒸気３５１が主流に噴出することで生じる損失が減少する。また、動翼３３１の前後の差圧（Ｐ２−Ｐ３）が小さくなる。そのため、スラスト軸受にかかる力も小さくなるため、スラスト軸受を小径化することができる。

ここで、図１９および図２０は、従来の蒸気タービン３００における動翼３３１の根元側に発生する２次流れ渦を模式的に示した図である。なお、図１９は、動翼３３１の後縁側から見たときの斜視図であり、図２０は、動翼３３１の先端側から見たときの平面図である。

動翼３３１間の圧力は、一般的に、腹側３３２（正圧面側）で高くなり、背側３３３（負圧面側）で低くなる。そして、圧力の高い方から低い方へ２次流れ渦の駆動力３７０が働く。通常、動翼３３１間を蒸気が転向しながら流れることによる遠心力が駆動力３７０に対向するように働く。一方、根元側の環状の壁面３３４の近傍では、壁面３３４との摩擦によって蒸気の流速が著しく低下する。これによって遠心力が低下し、駆動力３７０に抗しきれなくなり、２次流れ渦が発生する。２次流れ渦は、動翼３３１の前縁部に発生し、背側３３３に沿って発達する馬蹄形渦３７１と、腹側３３２から駆動力３７０によって背側３３３に引き寄せられながら発達する通過渦３７２とに分かれる。両者は、背側３３３の後流部で立体的に交錯し、翼高さ方向に巻き上がりながら大きな損失を生じさせる。

特開昭６２−２２５７０１号公報

上記したように、従来の蒸気タービンにおいて、ロータディスク３４１に蒸気通路３４２が形成されてない場合には、ダイアフラム内輪３２１とタービンロータ３４０との間に漏れた蒸気３５１が主流と干渉することによる損失が生じる。また、動翼３３１の前後の圧力Ｐ２と圧力Ｐ３の差によって生じる力を支えるために、大径のスラスト軸受が必要となり、製造コストが増加する。

一方、従来の蒸気タービンにおいて、ロータディスク３４１に蒸気通路３４２が形成されている場合には、上記した干渉による損失を抑制し、スラスト軸受を小型化することができる。しかしながら、動翼に流入する蒸気量は減少するため、蒸気の流量に基づいて設定される動翼の翼高さは低くなる。そのため、２次流れ渦が翼高さ方向に大きな領域を占めることとなり、２次流れ渦による損失の影響が大きくなる。

本発明が解決しようとする課題は、蒸気の流れに伴う損失を低減し、効率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、周方向に半径方向外側に突出されたロータディスクをタービンロータ軸方向に複数段有し、ケーシング内に貫設されたタービンロータと、前記ロータディスクに周方向に複数の動翼を植設して構成された動翼翼列と、前記ケーシングの内側に設けられたダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に周方向に複数の静翼を支持して構成され、タービンロータ軸方向に前記動翼翼列と交互に配設された静翼翼列とを備える。

さらに、蒸気タービンは、前記静翼翼列と、前記静翼翼列の直下流側に配設された前記動翼翼列とで構成される複数のタービン段落のうち、前記ダイアフラム内輪と前記タービンロータとの間を下流に流れた漏れ蒸気が、前記ダイアフラム内輪と前記動翼との間から主蒸気中に噴出することで生じる損失と、前記漏れ蒸気の主蒸気中への噴出による主蒸気の流量の増加に伴って、前記動翼の翼高さを高くすることで生じる利益とが相殺される翼高さ以上の翼高さの動翼を備えるタービン段落に形成され、前記漏れ蒸気を前記ロータディスクの上流側から下流側へ導く蒸気通路を備える。

第１の実施の形態の蒸気タービン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の子午断面の一部を拡大した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンのタービン段落のロータディスクおよび動翼の一部を上流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のタービン段落において、他の構成の蒸気通路を備えた、ロータディスクおよび動翼の一部を上流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の蒸気通路を備えないタービン段落における、干渉損失と動翼の翼高さとの関係を示す図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンの蒸気通路を備えないタービン段落において、動翼の翼高さ方向における動翼エネルギ損失の分布を示す図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンの蒸気通路を備えないタービン段落において、動翼の翼高さの増加に伴って増加した効率を示す図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンの蒸気通路を備えないタービン段落において、動翼の翼高さ増加に伴って増加した効率と干渉損失を示した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンの蒸気通路を備えないタービン段落において、動翼の翼高さ増加に伴って増加した効率と干渉損失との差分を示した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンの蒸気通路を備えないタービン段落において、実用的な漏れ蒸気の流量の下で反動度を変化させたときの、動翼の翼高さの増加に伴う利益と干渉損失との差分を示した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおいて、蒸気通路を備えたタービン段落の動翼翼列の一部を示した斜視図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンの動翼が植込溝に植設された状態をタービンロータ軸方向の上流側から見たときの平面図である。 第２の実施の形態の蒸気タービンにおいて、周方向に配置された動翼の所定の翼高さにおける、翼高さ方向に垂直な断面を示した図である。 第２の実施の形態の蒸気タービンの動翼における（Ｓｒ／Ｔｒ）の翼高さ方向の変化を示す図である。 第２の実施の形態の蒸気タービンの静翼における（Ｓｓ／Ｔｓ）の翼高さ方向の変化を示す図である。 第３の実施の形態の蒸気タービンにおいて、周方向に配置された動翼の一部を後縁側から見たときの斜視図である。 従来の蒸気タービンの子午断面の一部を示した図である。 従来の蒸気タービンの子午断面の一部を示した図である。 従来の蒸気タービンにおける動翼翼列の翼根元側に発生する２次流れ渦を模式的に示した図である。 従来の蒸気タービンにおける動翼の根元側に発生する２次流れ渦を模式的に示した図である。

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の実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面を示す図である。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。ここでは、蒸気タービン１０として、高圧タービンを例示して説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１０は、内部ケーシング２０とその外側に設けられた外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。内部ケーシング２０内には、タービンロータ３０が貫設されている。

このタービンロータ３０は、周方向に亘って半径方向外側に突出されたロータディスク３１をタービンロータ軸方向に複数段備えている。各ロータディスク３１には、周方向から挿入された複数の動翼４０が周方向に植設され、動翼翼列４１を構成している。

内部ケーシング２０の内側には、ダイアフラム外輪５０が周方向に亘って備えられている。このダイアフラム外輪５０の内側には、ダイアフラム内輪５１が周方向に亘って備えられている。

ダイアフラム外輪５０とダイアフラム内輪５１との間には、複数の静翼５２（ノズル）が周方向に支持され、静翼翼列５３を構成している。この静翼翼列５３は、各動翼翼列４１の上流側に設けられ、タービンロータ軸方向に、静翼翼列５３と動翼翼列４１とが交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列５３と、この静翼翼列５３の直下流の動翼翼列４１とによって１つのタービン段落を構成している。

後に詳しく説明するが、所定のタービン段落およびこれよりも下流側のタービン段落においては、ダイアフラム内輪５１とタービンロータ３０との間を下流に流れた漏れ蒸気１０１を、ロータディスク３１の上流側から下流側へ導く蒸気通路６０が形成されている。

ダイアフラム内輪５１のタービンロータ３０に対向する側には、シール部７０が設けられている。これによって、ダイアフラム内輪５１とタービンロータ３０との間から下流側への蒸気の漏洩を抑制している。

また、蒸気タービン１０には、蒸気入口管８０が、外部ケーシング２１および内部ケーシング２０を貫通して設けられている。蒸気入口管８０の端部は、ノズルボックス８１に連通するように接続されている。なお、ノズルボックス８１の出口に、第１段の静翼５２が備えられている。

ノズルボックス８１が備えられた位置よりも外側（タービンロータ３０に沿う方向の外側であり、図１ではノズルボックス８１よりも左側）の内部ケーシング２０および外部ケーシング２１の内周には、タービンロータ軸方向に沿って、複数のグランドシール部７１が設けられている。これによって、内部ケーシング２０および外部ケーシング２１とタービンロータ３０との間から外部への蒸気の漏洩を防止している。

次に、蒸気通路６０について詳しく説明する。

図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面の一部を拡大した図である。図３は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０のタービン段落９０ｂのロータディスク３１ｂおよび動翼４０ｂの一部を上流側から見たときの平面図である。

図２において、説明の便宜上、蒸気通路６０を備えないタービン段落を９０ａとし、このタービン段落９０ａを構成する動翼、ロータディスク、ダイアフラム外輪、ダイアフラム内輪、静翼、シール部を、それぞれ、４０ａ、３１ａ、５０ａ、５１ａ、５２ａ、７０ａと示している。また、蒸気通路６０を備えたタービン段落を９０ｂとし、このタービン段落９０ｂを構成する動翼、ロータディスク、ダイアフラム外輪、ダイアフラム内輪、静翼、シール部を、それぞれ、４０ｂ、３１ｂ、５０ｂ、５１ｂ、５２ｂ、７０ｂと示している。

図２に示すように、タービン段落９０ｂおよびこれより下流のタービン段落（図示しない）においては、蒸気通路６０が形成されている。一方、タービン段落９０ｂよりも上流のタービン段落９０ａにおいては、蒸気通路６０は形成されていない。なお、図２には示されていないタービン段落９０ａより上流のタービン段落においても、蒸気通路６０は形成されていない。

蒸気通路６０は、図２および図３に示すように、例えば、ロータディスク３１ｂに形成された貫通孔によって構成されている。なお、蒸気通路６０は、貫通孔によって構成されていることに限られず、ダイアフラム内輪５１ｂ（シール部７０ｂ）とタービンロータ３０との間を下流に流れた漏れ蒸気をロータディスク３１ｂの上流側から下流側へ導く構成であればよい。

図４は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０のタービン段落９０ｂにおいて、他の構成の蒸気通路６０を備えた、ロータディスク３１ｂおよび動翼４０ｂの一部を上流側から見たときの平面図である。図４に示すように、蒸気通路６０は、動翼４０ｂの植込部４２ｂの周方向の一方の端面に形成された、植込部４２ｂの上流端から下流端に亘る連通溝で構成されてもよい。また、連通溝は、動翼４０ｂの植込部４２ｂの周方向の両方の端面に形成されてもよい。この場合、両連通溝の位置を対向させて、一つの蒸気通路６０を形成してもよい。

なお、ここでは、タービン段落９０ｂに形成された蒸気通路６０について説明したが、タービン段落９０ｂよりも下流のタービン段落においても、同じ構成の蒸気通路６０が備えられている。

ここで、蒸気通路６０を備えないタービン段落９０ａと蒸気通路６０を備えるタービン段落９０ｂとの境界について説明する。

図２に示すように、例えば、タービン段落９０ａにおいて、静翼５２ａの入口における蒸気（主蒸気）１００の圧力Ｐ１は、蒸気１００が静翼５２ａを通過することで減少し、静翼５２ａの出口（動翼４０ａの入口）では、圧力Ｐ２となる。この際、蒸気１００は、膨張して体積を増すと同時に流出方向をタービンロータ３０の回転方向に転向されることで、周方向の速度エネルギを有する。

周方向の速度エネルギは、動翼４０ａで蒸気１００が反回転方向に転向されることによる反力と、圧力がＰ３に低減することでさらに膨張して流出速度が増加することによる反力とによって回転トルクに変換される。そのため、ダイアフラム内輪５１ａなどの静止部と、タービンロータ３０などの回転部との間に、隙間１１０を設けることは構造上必須となる。なお、上記した作用は、他のタービン段落９０ｂにおいても同じである。

蒸気通路６０を備えないタービン段落９０ａにおいて、隙間１１０を設けることで、図２に示すように、蒸気１００から分流した漏れ蒸気１０１は、ダイアフラム内輪５１ａ（シール部７０ａ）とタービンロータ３０との間の隙間１１０を通過する。漏れ蒸気１０１は、静翼５２ａを通過しないため膨張せず、損失を生じさせる。さらに、漏れ蒸気１０１は、ダイアフラム内輪５１ａと動翼４０ａの植込部４２ａとの間から蒸気１００中に噴出する。これによって、漏れ蒸気１０１の流れは、蒸気１００の流れと干渉し、さらなる損失（以下、干渉損失という。）を生む。この際、漏れ蒸気１０１の全量が蒸気１００中に噴出する。

一般に、漏れ蒸気１０１の流量ｇは、式（１）に示すように、流量係数Ｃ、蒸気密度ρ、環状漏れ面積Ａおよび静翼圧力比Ｐ１／Ｐ２の関数となる。流量係数Ｃも、静翼圧力比Ｐ１／Ｐ２の関数である。ここで、環状漏れ面積Ａは、シール部７０ａのシールフィンとタービンロータ３０との間に形成される環状の隙間１１０の断面積である。
ｇ＝ｆ（Ｃ、ρ、Ａ、Ｐ１／Ｐ２） …式（１）

ここで、各タービン段落における静翼圧力比Ｐ１／Ｐ２および環状漏れ面積Ａが等しいとして漏れ蒸気１０１の流量ｇを設定すると、下流のタービン段落に行くに伴い圧力が低下するため蒸気密度ρが低下し、漏れ蒸気１０１の流量ｇは減少する。すなわち、下流のタービン段落に行くに伴い、タービン段落を流れる蒸気の全流量Ｇに対する漏れ蒸気１０１の流量ｇの比（ｇ／Ｇ）は減少する。なお、蒸気の全流量Ｇには、漏れ蒸気１０１の流量ｇも含まれる。

図５は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の蒸気通路６０を備えないタービン段落における、干渉損失と動翼の翼高さとの関係を示す図である。なお、横軸の動翼の翼高さは、蒸気通路６０を備えない各タービン段落における動翼の翼高さであり、先端のシュラウド部や植込部４２ａを含まない翼有効部における翼高さである（図２参照）。ここでは、初段のタービン段落からタービン段落９０ａ（図５において末段と記載）までの干渉損失を示している。なお、図５に示された結果は、数値解析によって得られたものである。

図５に示すように、翼高さが高くなる下流のタービン段落になるに伴い、ｇ／Ｇが低下するため、干渉損失は一般的に減少する。

図６は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の蒸気通路６０を備えないタービン段落において、動翼の翼高さ方向における動翼エネルギ損失の分布を示す図である。図６には、同一型の２種類の翼高さの動翼について動翼エネルギ損失の分布を示している。破線の結果を得た動翼の翼高さは、実線の結果を得た動翼の翼高さよりも高い。なお、図６に示された結果は、数値解析によって得られたものである。

図６に示すように、動翼の根元側では、２次流れ渦（図１９および図２０を参照）による損失が生じている。この２次流れ渦が占める範囲は、動翼の翼高さ方向において、翼高さによらずほぼ一定値Ｙとなる。

ここで、上記したように、漏れ蒸気１０１の全量が蒸気１００中に噴出するため、蒸気通路６０を備えた場合に比べて、動翼を通過する蒸気の流量が増える。そのため、蒸気の流量が増えたことに対応して、動翼の翼高さを増加させることができる。本実施の形態においては、蒸気通路６０を備えないタービン段落９０ａにおいて、漏れ蒸気１０１分の流量が増えたことに対応して、動翼の翼高さを増加させている。

図７は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の蒸気通路６０を備えないタービン段落において、動翼の翼高さの増加に伴って増加した効率を示す図である。なお、横軸の動翼の翼高さは、蒸気通路６０を備えない各タービン段落における動翼の翼高さである。縦軸の単位翼高さ増加当りの効率の増加率とは、漏れ蒸気１０１の噴出による、動翼を通過する蒸気流量の増加分に基づいて、得られた効率増加分を翼高さ増加分（ｍｍ）で除したものである。

ここでは、初段のタービン段落からタービン段落９０ａ（図７において末段と記載）までの結果を示している。なお、図７に示された結果は、数値解析によって得られたものである。

動翼の翼高さが高くなるに伴って、２次流れ渦の翼高さに占める割合が減少するため、２次流れ渦による効率の低下は抑制される。つまり、図７に示すように、動翼の翼高さが高くなるほど、すなわち下流のタービン段落に行くに伴い、翼長増加による利益が得難くなる。

図８は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の蒸気通路６０を備えないタービン段落において、動翼の翼高さの増加に伴って増加した効率と干渉損失を示した図である。ここでは、初段のタービン段落からタービン段落９０ａ（図８において末段と記載）までの結果を示している。図８に示された結果は、数値解析によって得られたものである。図８に示すように、効率は、動翼の翼高さの増加に伴って増加した効率と干渉損失の差し引きによって定まることがわかる。

図９は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の蒸気通路６０を備えないタービン段落において、動翼の翼高さの増加に伴って増加した効率と干渉損失との差分を示した図である。図９に示された結果は、図８に示された結果に基づくものである。

図９に示すように、差分が０となる翼高さＨを下回る翼高さの動翼を備えるタービン段落では、蒸気通路６０を備えないことによって性能改善が得られることがわかる。

以上のことから、蒸気通路６０を備えないタービン段落９０ａと蒸気通路６０を備えるタービン段落９０ｂとの境界について、以下の知見が得られた。

蒸気通路６０は、干渉損失と、動翼の翼高さを高くすることで生じる利益（動翼の翼高さの増加に伴って増加した効率）とが相殺される翼高さＨを下回る翼高さの動翼を備えるタービン段落には形成されないことが好ましい。ここで、干渉損失と、動翼の翼高さを高くすることで生じる利益とが相殺されるとは、干渉損失と、動翼の翼高さを高くすることで生じる利益との差し引きが０となることをいう。

換言すると、蒸気通路６０は、干渉損失と、動翼の翼高さを高くすることで生じる利益とが相殺される翼高さＨ以上の翼高さの動翼を備えるタービン段落に形成されることが好ましい。

ここで、翼高さＨの閾値は、様々な設計パラメータの変動により変化する。以下にその主な要因について説明する。

漏れ蒸気１０１の流量ｇは、漏れ蒸気１０１が流れる流路形状や静翼圧力比Ｐ１／Ｐ２によって変化する。そのため、例えば、図２に示された、蒸気通路６０を備えないタービン段落９０ａにおいて、蒸気１００中に噴出する漏れ蒸気１０１の流量や、それに伴う動翼の翼高さの増加分は、一意に決められない。

漏れ蒸気１０１を噴出した際の干渉損失は、反動度が高いほど小さいと考えられる。ここで、反動度とは、段落圧力比Ｐ１／Ｐ３に占める、動翼圧力比Ｐ２／Ｐ３の割合である。すなわち、反動度が高いときには、動翼圧力比の占める割合が大きくなる。

動翼４０ａに流入する際の流路断面積よりも、流出する際の流路断面積を小さくすることで、蒸気１００を加速して減圧することになる。すなわち、静翼５２ａ間で正常に加速および偏向されることなく、動翼４０ａの根元の上流側から噴出された漏れ蒸気１０１であっても、反動度が高いほど、動翼４０ａ内で減圧され加速される。そのため、動翼４０ａにおいて回転力として回収されるエネルギの割合が高くなる。

ここで、蒸気通路６０を備えないタービン段落において、実用的な漏れ蒸気１０１の流量の下で反動度を変化させながら、干渉損失と、動翼の翼高さを高くすることで生じる利益（動翼の翼高さの増加に伴って増加した効率）とが相殺される動翼の翼高さの検討を行った。

図１０は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の蒸気通路６０を備えないタービン段落において、実用的な漏れ蒸気１０１の流量の下で反動度を変化させたときの、動翼の翼高さの増加に伴う利益と干渉損失との差分を示した図である。なお、図１０に示された３本の結果を示す線において、上方に行くに伴って反動度が高い条件である。図１０に示された結果は、数値解析によって得られたものである。

図１０に示すように、反動度が高いほど、干渉損失が抑制されることによって、翼高さが高い範囲まで性能改善が得られることがわかった。図１０に示された結果から、干渉損失と、動翼の翼高さを高くすることで生じる利益とが相殺される翼高さの閾値は、反動度により変化するが、３０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲となる。すなわち、蒸気通路６０は、動翼の翼高さが３０ｍｍ以上となるタービン段落に形成されることが好ましい。

ここで、動翼の翼高さが３０ｍｍを下回るような翼高さの低い動翼を備える蒸気タービンとして、例えば、高圧で密度の大きな蒸気が供給される高圧タービンなどが挙げられる。また、蒸気タービンとして、コンバインドサイクルに適用され、ガスタービンの排ガスで発生した小流量の蒸気が供給される高圧タービンなどが挙げられる。具体的には、本実施の形態の蒸気タービン１０は、例えば、石炭や重油に比べてＣＯ_２排出量の小さい天然ガスを用い、かつ高効率なコンバインドサイクルに適用される高圧タービンに適用することができる。

なお、ここでは、本実施の形態の構成を高圧タービンに適用した一例を示したが、これらに限られるものではない。本実施の形態の蒸気タービン１０の適用は、上記したような、例えば、翼高さが３０ｍｍを下回るような翼高さの低い動翼を備える蒸気タービンに適用することができる。

次に、蒸気タービン１０の作用について、図１を参照して説明する。

蒸気入口管８０を経て、ノズルボックス８１内に流入した蒸気１００は、ノズルボックス８１の出口に設けられた静翼５２から動翼４０に向かって噴出される。

蒸気通路６０を備えないタービン段落において、蒸気１００から分流した漏れ蒸気１０１は、ダイアフラム内輪５１（シール部７０）とタービンロータ３０との間の隙間１１０を通過する。そして、漏れ蒸気１０１の全量が、ダイアフラム内輪５１と動翼４０との間から主流である蒸気１００中に噴出される。

蒸気１００中に噴出された漏れ蒸気１０１は、蒸気１００の流れと干渉し、蒸気１００とともに動翼４０間に流入する。動翼４０間に流入した蒸気１００および漏れ蒸気１０１によって回転力が与えられ、タービンロータ３０が回転する。

一方、蒸気通路６０を備えたタービン段落において、蒸気１００から分流した漏れ蒸気１０１は、ダイアフラム内輪５１（シール部７０）とタービンロータ３０との間の隙間１１０を通過する。そして、漏れ蒸気１０１の大部分は、蒸気通路６０を通り、下流側のタービン段落の、動翼４０またはロータディスク３１と、ダイアフラム内輪５１との間に流出する。残りの漏れ蒸気１０１は、ダイアフラム内輪５１と動翼４０との間から蒸気１００中に噴出される。

なお、漏れ蒸気１０１の大部分が蒸気通路６０を通過することで、動翼４０の前後の差圧が小さくなる。これによって、スラスト軸受にかかる力も小さくなるため、スラスト軸受を小径化することができる。

蒸気１００中に噴出された漏れ蒸気１０１は、蒸気１００の流れと干渉し、蒸気１００とともに動翼４０間に流入する。この場合には、蒸気１００中に噴出される漏れ蒸気１０１の流量は少ないため、干渉損失は小さい。そして、動翼４０間に流入した蒸気１００および漏れ蒸気１０１によって回転力が与えられ、タービンロータ３０が回転する。

最終段のタービン段落を通過した蒸気１００（漏れ蒸気１０１を含む）は、排気通路（図示しない）を通り、蒸気タービン１０の外部へ排気される。

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、蒸気通路６０を備えないタービン段落および蒸気通路６０を備えたタービン段落を有することで、蒸気の流れに伴う損失を低減し、効率向上を図ることができる。

ここで、上記した第１の実施の形態の蒸気タービン１０においては、ロータディスク３１に周方向から挿入して植設する動翼４０を例示したが、動翼４０の構成はこれに限られるものではない。図１１は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０において、蒸気通路６０を備えたタービン段落の動翼翼列４１の一部を示した斜視図である。図１２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の動翼４０が植込溝３２に植設された状態をタービンロータ軸方向の上流側から見たときの平面図である。

図１１および図１２に示すように、動翼４０は、タービンロータ軸方向に挿入される、いわゆる軸方向挿入翼根部形式の動翼であってもよい。タービンロータ３０のロータディスク３１には、タービンロータ軸方向に沿う植込溝３２を周方向に亘って複数形成することで構成される翼車３３を備えている。

翼車３３間の凹状の植込溝３２には、タービンロータ軸方向の上流側から動翼４０が挿入される。周方向に形成された植込溝３２に植設された複数の動翼４０によって動翼翼列４１を構成する。

植込部４３は、嵌め合い凹凸形状を有し、その凹凸形状は、ロータディスク３１の植込溝３２の形状に対応している。この嵌め合い凹凸形状によって、動翼４０が、ロータディスク３１から半径方向外側へ抜けることを防止している。

また、翼車３３の下流端には、例えば、植込溝３２側に突出して、動翼４０の植込部４３が下流側へ抜けることを防止する突起部（図示しない）が設けられている。そのため、動翼４０に下流側への負荷がかかった場合においても、動翼４０は、植込溝３２から抜けることはない。

図１１および図１２に示すように、例えば、植込部４３の内径側端面４３ａと植込溝３２の底面３２ａとの間には、上流側から下流側へ貫通する蒸気通路６０が形成されている。この蒸気通路６０によって、ダイアフラム内輪５１とタービンロータ３０との間を下流に流れた漏れ蒸気を、ロータディスク３１の上流側から下流側へ導く。

ここで、蒸気通路６０を備えないタービン段落においては、植込部４３の内径側端面４３ａと植込溝３２の底面３２ａとの間の隙間は形成されない。また、蒸気通路６０を備えないタービン段落においては、植込部４３の内径側端面４３ａと植込溝３２の底面３２ａとの間の隙間が形成される場合には、その隙間は封止される。

なお、蒸気通路６０は、これに限られず、例えば、ロータディスク３１に形成された貫通孔によって構成されてもよい。

（第２の実施の形態）
図１３は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１において、周方向に配置された動翼４０の所定の翼高さにおける、翼高さ方向に垂直な断面を示した図である。

第２の実施の形態の蒸気タービン１１においては、動翼４０の周方向の配置構成以外は、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、主に動翼４０の周方向の配置構成について説明する。

図１３に示すように、動翼４０の後縁４４と、この動翼４０に隣接する動翼４０の背側の面４５との最短距離をＳｒとする。また、動翼４０の前縁４６における隣接する動翼４０間の環状ピッチをＴｒとする。

図１４は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の動翼４０における（Ｓｒ／Ｔｒ）の翼高さ方向の変化を示す図である。なお、図１４には、比較のため従来の蒸気タービンの動翼における（Ｓｒ／Ｔｒ）の翼高さ方向の変化も示している。図１４の横軸において、動翼の翼有効部における根元を０とし、先端を１としている。

図１４に示すように、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の各動翼４０は、ＳｒとＴｒとの比（Ｓｒ／Ｔｒ）が、翼高さの中央で最大となるように構成されている。このように動翼４０を構成することで、２次流れ渦の影響を受け難い翼高さ中央部に流れる蒸気の流量を増やすことができる。すなわち、このように動翼４０を構成することで、動翼４０の、入口と出口との圧力比を翼高さ方向で調整している。

これによって、翼高さ方向の反動度の分布を制御することができる。動翼４０の根元側の反動度を局所的に上昇させることで、干渉損失を抑制することができる。そのため、蒸気通路６０を備えないタービン段落を、動翼の翼高さがより高いタービン段落まで拡張しても、効率を向上させることができる。

ここで、上記した動翼４０の構成は、静翼５２にも適用することができる。図１３に示した構成と同様に、静翼５２の後縁と、この静翼５２に隣接する静翼５２の背側の面との最短距離をＳｓとする。また、静翼５２の前縁における隣接する静翼５２間の環状ピッチをＴｓとする。

図１５は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の静翼５２における（Ｓｓ／Ｔｓ）の翼高さ方向の変化を示す図である。なお、図１５には、比較のため従来の蒸気タービンの静翼における（Ｓｓ／Ｔｓ）の翼高さ方向の変化も示している。図１５の横軸において、動翼の翼有効部における根元を０とし、先端を１としている。

図１５に示すように、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の各静翼５２は、ＳｓとＴｓとの比（Ｓｓ／Ｔｓ）が、翼高さの中央で最大となるように構成されている。この場合においても、動翼４０と同様に、静翼５２の、入口と出口との圧力比を翼高さ方向で調整することができる。すなわち、静翼５２の直下流の動翼４０における翼高さ方向の反動度の分布を制御することができる。

（第３の実施の形態）
図１６は、第３の実施の形態の蒸気タービン１２において、周方向に配置された動翼４０の一部を後縁側から見たときの斜視図である。なお、ここでは、動翼４０の先端部の構成の図示は省略している。

第３の実施の形態の蒸気タービン１２においては、動翼４０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、主に動翼４０の形状について説明する。

図１６に示すように、動翼４０は、周方向に腹側４７が突出するように湾曲している。このように、動翼４０は、いわゆるリーン形状に構成されている。例えば、翼高さ方向の中央が周方向に最も突出するように構成してもよい。

このように動翼４０を湾曲させることで、翼高さ方向の圧力分布を意図的に制御することができる。例えば、翼高さの中央部を腹側４７の方へ突出するように湾曲した動翼４０においては、意図的に翼中央から根元側および先端側へ向かう半径方向速度を発生させることができる。これによって、特に遠心力の作用で２次流れの巻き上がりの激しい根元側の環状壁面側に上記の流れを押し付ける力が得られる。そのため、２次流れ渦の発達を抑制することができる。

すなわち、動翼４０の出口の圧力Ｐ３を根元側で局所的に低下させて、動翼４０の入口の圧力Ｐ２と出口の圧力Ｐ３との動翼圧力比（Ｐ２／Ｐ３）を増大させ、動翼４０の根元の反動度を上昇させる。これによって、動翼４０における翼高さ方向の反動度の分布を制御することができる。

ここで、上記した動翼４０の構成は、静翼５２にも適用することができる。図１６に示した構成と同様に、静翼５２を、周方向に腹側が突出するように湾曲して構成してもよい。このように、静翼５２は、いわゆるリーン形状に構成することができる。例えば、翼高さ方向の中央が周方向に最も突出するように構成してもよい。

このように静翼５２を湾曲させることで、上記した動翼４０と同様に、翼高さ方向の圧力分布を意図的に制御することができる。例えば、翼高さの中央部を腹側の方へ突出するように湾曲した静翼５２においては、意図的に翼中央から根元側及び先端側へ向かう半径方向速度を発生させることができる。これによって、蒸気の流れをダイアフラム内輪５１側およびダイアフラム外輪５０側に押し付ける力を制御することができる。そのため、動翼４０の入口の圧力Ｐ２の翼高さ方向の分布を変えることができる。

なお、本実施の形態の蒸気タービンは、第３の実施の形態の構成に、第２の実施の形態の構成を加えた構成とすることもできる。

以上説明した実施形態によれば、蒸気の流れに伴う損失を低減し、効率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。

１０，１１，１２…蒸気タービン、２０…内部ケーシング、２１…外部ケーシング、３０…タービンロータ、３１，３１ａ，３１ｂ…ロータディスク、３２…植込溝、３２ａ…底面、３３…翼車、４０，４０ａ，４０ｂ…動翼、４１…動翼翼列、４２ａ，４２ｂ，４３…植込部、４３ａ…内径側端面、４４…後縁、４５…面、４６…前縁、４７…腹側、５０…ダイアフラム外輪、５１，５１ａ，５１ｂ…ダイアフラム内輪、５２，５２ａ…静翼、５３…静翼翼列、６０…蒸気通路、７０，７０ａ，７０ｂ…シール部、７１…グランドシール部、８０…蒸気入口管、８１…ノズルボックス、９０ａ，９０ｂ…タービン段落、１００…蒸気、１０１…漏れ蒸気、１１０…隙間、Ｓｒ，Ｓｓ…最短距離、Ｔｒ，Ｔｓ…環状ピッチ。

Claims (9)

1. 周方向に亘って半径方向外側に突出されたロータディスクをタービンロータ軸方向に複数段有し、ケーシング内に貫設されたタービンロータと、
   前記ロータディスクに周方向に複数の動翼を植設して構成された動翼翼列と、
   前記ケーシングの内側に設けられたダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に周方向に複数の静翼を支持して構成され、タービンロータ軸方向に前記動翼翼列と交互に配設された静翼翼列と、
   前記静翼翼列と、前記静翼翼列の直下流側に配設された前記動翼翼列とで構成される複数のタービン段落のうち、前記ダイアフラム内輪と前記タービンロータとの間を下流に流れた漏れ蒸気が、前記ダイアフラム内輪と前記動翼との間から主蒸気中に噴出することで生じる損失と、前記漏れ蒸気の主蒸気中への噴出による主蒸気の流量の増加に伴って、前記動翼の翼高さを高くすることで生じる利益とが相殺される翼高さ以上の翼高さの動翼を備えるタービン段落に形成され、前記漏れ蒸気を前記ロータディスクの上流側から下流側へ導く蒸気通路と
   を具備することを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記蒸気通路が形成されるタービン段落における前記動翼の翼高さが、３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記蒸気通路が、前記ロータディスクに形成された貫通孔で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
4. 周方向から挿入することで前記ロータディスクに植設される前記動翼において、
   前記蒸気通路が、前記動翼の植込部の少なくともいずれか一方の周方向の端面に形成された、植込部の上流端から下流端に亘る連通溝で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
5. タービンロータ軸方向から挿入することで前記ロータディスクに植設される前記動翼において、
   前記蒸気通路が、前記動翼の植込部の内径側端面と、前記ロータディスクに形成された、前記植込部を植設する植込溝の底面との間の隙間によって形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
6. 前記動翼の後縁と、この動翼に隣接する前記動翼の背側の面との最短距離Ｓｒと、前記動翼の前縁における隣接する前記動翼間の環状ピッチＴｒとの比（Ｓｒ／Ｔｒ）が、翼高さの中央で最大となることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン。
7. 前記静翼の後縁と、この静翼に隣接する前記静翼の背側の面との最短距離Ｓｓと、前記静翼の前縁における隣接する前記静翼間の環状ピッチＴｓとの比（Ｓｓ／Ｔｓ）が、翼高さの中央で最大となることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン。
8. 前記動翼が、周方向に腹側が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乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービン。
9. 前記静翼が、周方向に腹側が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乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。

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