JP5984612B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、それを機械的仕事に変換する原動機である。高圧の蒸気を該蒸気よりも低圧の箇所に導入すると、蒸気は圧力が低下することによって膨張する。その際、蒸気の熱エネルギーは運動エネルギーに変換されて高温の蒸気流が得られる。そして、高速で流れる蒸気が動翼に供給されて、動翼とともに該動翼を支持する回転軸が回転させられる。その回転力が発電機等へ伝えられることによって、蒸気の運動エネルギーが機械的仕事に変換される。

蒸気は圧力や温度の低下といった状態の変化を伴って、蒸気タービン内で膨張して仕事をする。例えば、ボイラから蒸気タービンに過熱蒸気が噴出され、圧力低下に伴った膨張をするに従って過熱度が減じて乾き飽和状態となる。このような乾き飽和状態の蒸気は、さらに膨張することで水分を含んだ湿り蒸気となる。

湿り蒸気の領域では静翼の表面上に水分が凝集し易く、該静翼の表面上に凝集した水分が水脈となり、蒸気流に吹かれることで下流に向かって流通する。水脈は静翼の後縁部まで達すると、飛散して水滴となる。このように静翼から飛散した水滴は、蒸気流によって当該静翼の下流側に設置された動翼に衝突し、該動翼の浸食(エロージョン現象)の原因となり得る。

このように、静翼から飛散した水滴が下流側にある動翼に衝突する場合、動翼には回転軸の回転方向と逆の力が働き、回転を抑制してしまうブレーキ作用が生じてしまう。一般に、蒸気中の水分が１％増すと、蒸気タービンの内部効率が１〜１．２％減少すると言われている。

湿り蒸気中で水分が凝集することで生じた翼面上の水脈を除去する技術としては、例えば特許文献１〜５に開示されたものが知られている。

特許文献１〜３に開示された技術では、翼の背側となる負圧面および腹側となる正圧面の全体あるいは一部分に複数の噴射孔を設けて、当該噴出孔から翼内空間に導入した蒸気を噴出させることで水脈を飛散させることとしている。
また、特許文献４に開示された技術では、翼内空間に蒸気を導入することで翼を熱し、噴出孔から蒸気を噴出させることで翼周りの湿り度を減じることとしている。
さらに、特許文献５に開示された技術では、翼の後縁部を略鋸歯状とすることで飛散する水滴を微細化し、翼面上のスリットから水脈の一部を吸い込み、外部へ排出させることとしている。

特開平７−０３４８０４号公報 実開昭６１−１５１００４号公報 特許第４１０１３５８号公報 特表２００１−５０１７００号公報 特開昭６３−１９５３０２号公報

ところで、湿り蒸気の領域では静翼の表面上のみならず静翼同士を回転軸の周方向に連結するシュラウドの表面にも水分が凝集し易く、該シュラウドの表面上に凝集した水分が蒸気の流れに従って流通することにより水脈が生じてしまう。また、翼で凝縮した水分が遠心力によって外側シュラウドに付着し、その結果シュラウド内に水脈が生じることもある。

このような水脈がシュラウドの後縁で水滴として飛散して動翼に衝突すると、上記同様、侵食や効率低下を招いてしまう。しかしながら上記従来の技術では、翼に付着した水分の除去をある程度行うことができるものの、シュラウドの表面の水分に対しては効果を奏しない。したがって、シュラウドの後縁から飛散した水滴による動翼の侵食や蒸気タービンの効率の低下を招いてしまうという問題があった。

本発明は上記のような問題を鑑みてなされたものであって、水滴による動翼の侵食や効率の低下をより効果的に回避すること可能な蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る蒸気タービンは、蒸気の流体圧力によって回転軸を回転させる動翼と、前記回転軸の径方向外側に、該回転軸の周方向に互いに間隔をあけて複数が設けられ、前記動翼への前記蒸気の流れを形成する静翼と、前記周方向に隣り合う前記静翼同士を連結し、これら静翼とともに前記蒸気の流路を画成するシュラウドとを備え、前記シュラウドにおける前記流路に臨む表面に、ガスを噴出する第一噴出孔が形成されており、前記静翼の負圧面に前記ガスを噴出する第二噴出孔が形成されていることを特徴とする。

このような特徴の蒸気タービンによれば、シュラウドの表面からガスを噴出することで、シュラウドの表面を流れる水分を微細化させることができる。

なお、前記ガスは、前記流路を流通する蒸気よりも高温であることが好ましい。このようなガスをシュラウドの表面から噴出することで、シュラウドの表面を流れる水分を微細化させるとともに、該水分を蒸発させることができる。

また、本発明に係る蒸気タービンにおいて、前記シュラウドは、前記静翼同士を該静翼における前記回転軸の径方向外側の端部で連結する外側シュラウドであって、前記第一噴出孔が該外側シュラウドにおける前記流路に臨む表面に形成されていることが好ましい。

ここで、蒸気タービン内を流通する蒸気には、該蒸気タービンの遠心力によって回転軸の径方向外側に向かっての２次流れが生じる。したがって、湿り蒸気が凝縮して生じる水分は、静翼同士を径方向外側の端部で連結する外側シュラウドの表面に生じ易い。これに対して本発明の蒸気タービンでは、外側シュラウドの表面に第一噴出孔が形成されているため、外側シュラウドの表面の水分を微細化させることができ、蒸気タービン内から効率的に水分を除去することが可能となる。

さらに、本発明に係る蒸気タービンにおいて、前記第一噴出孔は、隣り合う前記静翼同士にわたるように周方向に延在するスリット状をなしていることが好ましい。

これによって、外側シュラウドを流れる水分は必ずスリットを通過することになる。したがって、当該水分を確実に微細化させることができる。

これによって、シュラウドの表面の水分のみならず静翼の背面側となる負圧面の表面に付着した水分を微細化させることができる。したがって、動翼に水滴が衝突することをより確実に防止することができる。

また、本発明に係る蒸気タービンは、前記シュラウドの内部に、前記ガスが流通するとともに該ガスを前記第一噴出孔に導く第一流路が形成され、前記静翼の内部に、前記ガスが流通し前記第一流路に接続されるとともに、該ガスを前記第二噴出孔に導く第二流路が形成されていることが好ましい。

このような特徴の蒸気タービンによれば、第一噴出孔及び第二噴出孔にガスを導く第一流路及び第二流路が接続されていることにより、これら第一流路及び第二流路にガスを供給するガス供給源を共通化することができる。

本発明の蒸気タービンによれば、シュラウドの表面の水分を微細化させることができるため、当該水分に基づく水滴が動翼に衝突することを抑制し、動翼の侵食や効率の低下をより効果的に回避することができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの概略構成を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの静翼における回転軸の軸線に直交する断面を示す模式図である。 本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す縦断面図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの静翼における回転軸の軸線に直交する断面を示す模式図である。

以下、本発明の蒸気タービンの実施の形態について図１〜４を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るタービン１は、ケーシング１０と、ケーシング１０内に流入する蒸気Ｓの量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング１０の内側に回転自在に設けられ、動力を発電機等の機械（図示省略）に伝達する回転軸３０と、該回転軸３０を支持する軸受部４０と、ケーシング１０の内面に固定された外側シュラウド５０と、該外側シュラウド５０に保持された静翼６０と、該静翼６０に固定された内側シュラウド７０と、静翼６０の下流側において回転軸３０に設けられた動翼８０とを備えている。

ケーシング１０は、その内側に空間を形成するように構成をされており、当該内側の空間を気密に封止している。
調整弁２０は、ケーシング１０の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Ｓが流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３と、蒸気室２４とを備えている。この調整弁２０では、弁体２２が弁座２３から離間することで蒸気流路が開き、蒸気Ｓが蒸気室２４を介してケーシング１０の内部空間に流入するようになっている。

回転軸３０は、軸本体３１と、軸本体３１の外周から径方向外側に環状に張り出すように設けられた複数のディスク３２とを備えている。この回転軸３０は、回転エネルギーを発電機等の機械（図示省略）に伝達するようになっている。
軸受部４０は、ジャーナル軸受装置４１及びスラスト軸受装置４２を備えており、ケーシング１０内部に挿通された回転軸３０をケーシング１０の外側において回転可能に支持している。

外側シュラウド５０は、ケーシング１０の内壁面に固定されており、図１及び図２に示すように、回転軸３０の軸線を中心としたリング状をなしている。この外側シュラウド５０は、軸線方向に間隔をあけて複数（本実施形態では６つ）が設けられている。
また、本実施形態では、外側シュラウド５０における径方向内側を向く表面５１は、下流側に向かうに従って径方向外側に向かって傾斜しており、該傾斜の下流側の延長線上には後述する動翼８０の先端（径方向外側の端部）が位置している。

静翼６０は、図１及び図２に示すように、径方向外側の端部となる基端部が外側シュラウド５０に取り付けられており、該外側シュラウド５０から径方向内側に向かって延出する翼形状をなしている。この静翼６０は、径方向内側に向かうに従って軸線方向の寸法が小さくなるように形成されている。なお、この静翼６０における周方向の一方側（図２における紙面手前側、図３の下側）を向く面が凸曲面状をなす負圧面６１とされており、周方向の他方側（図２における紙面奥側、図３の上側）を向く面が凹曲面状をなす正圧面６２とされている。

また、静翼６０は、回転軸３０及び外側シュラウド５０の周方向に間隔をあけて複数が設けられており、即ち、静翼６０は放射状に複数配置されている。これによって、周方向に配列された静翼６０の基端部同市は外側シュラウド５０によって連結されている。

このように周方向に配列された複数の静翼６０によって、回転軸３０を外周側から囲うように放射状をなす環状静翼群が構成されている。この環状静翼群は、複数の外側シュラウド５０にそれぞれ固定されており、軸線方向に離間して外側シュラウド５０と同数（本実施形態では６つ）が設けられている。

内側シュラウド７０は、図１及び図２に示すように、外側シュラウド５０と同様に軸線を中心とした環状をなす部材であって、静翼６０における外側シュラウド５０からの延出方向の先端、即ち、静翼６０の径方向内側の端部に固定されている。即ち、この内側シュラウド７０は、周方向に配列された静翼６０の径方向内側の端部である先端同士を周方向に連結している。
なお、内側シュラウド７０の内側には回転軸３０が挿通されており、これら内側シュラウド７０と回転軸３０との間には隙間が形成されている。これによって、回転軸３０は内側シュラウド７０に干渉されることなく軸線回りに回転するようになっている。

ここで、互いに隣り合う静翼６０同士の間には、これら静翼６０、外側シュラウド５０の表面５１及び内側シュラウド７０の表面７１によって画成されるようにして、蒸気Ｓが流通する流路Ｐが形成されている。これによって、外側シュラウド５０の表面５１、内側シュラウド７０の表面は流路Ｐに臨む面とされている。

動翼８０は、図１及び図２に示すように、その基端部が回転軸３０のディスク３２の外周部に取り付けられており、ディスク３２から径方向外側に延出している。この動翼８０３２は、径方向外側に向かうに従って回転軸３０の軸線方向の寸法が小さくなるように形成されている。また、動翼８０は、回転軸３０の周方向に間隔をあけて複数がディスク３２の外周部に取り付けられており、即ち、放射状に複数配置されている。これによって、動翼８０は、回転軸３０を取り巻くように環状動翼群を構成している。

この環状動翼群は、環状静翼群と対をなすように各環状静翼群の下流側にそれぞれ設けられており、即ち、環状静翼群と同数（本実施形態では６つ）が配置されている。即ち、本実施形態の蒸気タービン１は、環状静翼群及び環状動翼群からなる段が６つ配置された６段の蒸気タービン１とされている。

ここで、本実施形態の蒸気タービン１は、流路Ｐにおける水分Ｗを除去するための水分除去構造を備えている。
水分除去構造は、図２から図４に示すように、外側シュラウド５０の表面５１に開口するように形成された第一噴出孔９１、外側シュラウド５０の内部に形成された第一流路９３、静翼６０の内部に形成された第二流路９４、内側シュラウド７０の内部に形成された第三流路９５、及び、第三流路９５にガスＧを供給するガス供給源１００とから構成されている。

第一噴出孔９１は、外側シュラウド５０の表面５１、即ち、径方向内側を向き流路Ｐに臨む面に形成されている。この第一噴出孔９１は、隣り合う静翼６０の基端部同士にわたるように、周方向に延在するスリット状に形成されている。即ち、第一噴出孔９１の延在方向の両端はそれぞれ該第一噴出孔９１の周方向両側に位置する静翼６０に接している。より詳細には、第一噴出孔９１は、隣り合う静翼６０のうちの一方の静翼の負圧面６１と他方の静翼６０の正圧面６２とにわたって延在している。

第一流路９３は、外側シュラウド５０内部に周方向に延在するように形成された孔部であって、第一噴出孔９１に接続されている。これによって第一流路９３は第一噴出孔９１を介して流路Ｐと連通状態とされている。

第二流路９４は静翼６０を該静翼６０の延出方向に延在するように、即ち、径方向に延在するように形成された孔部であって、その径方向外側の端部は外側シュラウド５０内に形成された第一流路９３と接続されている。これによって第一流路９３と第二流路９４とは互いに連通状態とされている。

第三流路９５は、内側シュラウド７０内部に周方向に延在するように形成された孔部である。この第三流路９５は内側シュラウド７０と静翼６０との接続箇所において、静翼６０内に形成された第二流路９４の径方向内側の端部と接続されている。これによって、第二流路９４と第三流路９５とは互いに連通状態とされており、即ち、第一流路９３と第三流路９５とは第二流路９４を介して連通状態とされている。

ガス供給源１００は、図４に示すように、ガスＧを第三流路９５に供給する役割を有している。また、ガス供給源１００から供給されるガスＧは、第三流路９５、第二流路９４及び第一流路９３を経由して第一噴出孔９１から噴出されるように、流路Ｐ内の蒸気Ｓよりも高圧とされている。

ガス供給源１００から供給されるガスＧとしては、蒸気、空気、窒素やその他不活性ガスＧ等を用いることができる。
ガスＧとして蒸気を採用する場合、ガスＧ供給原としてはボイラやその他の蒸気発生装置を用いることができる。また、ガス供給源１００として、蒸気タービン１内におけるガスＧを噴出する流路Ｐよりも上流側の蒸気流路から蒸気を供給する構成であってもよい。また、ガスＧとして蒸気を用いる場合は、当該ガスＧは流路Ｐを流通する蒸気よりも高温であることが好ましい。より具体的には、ガスＧは流路Ｐ内の蒸気Ｓの圧力における飽和温度よりも高い温度の加熱蒸気とされていることが好ましい。

一方、ガスＧとして空気、窒素その他の不活性ガスＧ等を用いる場合には、これらガスＧを高圧で封止したタンクから該ガスＧを噴出させて第三流路９５に供給する構成を採用することができる。その他、ガスＧを送風機によって高圧状態として第三流路９５に供給してもよい。

次に本実施形態の蒸気タービン１の作用について説明する。
蒸気タービン１は、ボイラからの蒸気Ｓが調整弁２０を介してケーシング１０内に導入されることで稼働する。即ち、ケーシング１０内に流入した蒸気Ｓは各段において静翼６０間の流路Ｐを通過して動翼８０に供給される。そして、この蒸気Ｓの流体圧力が動翼８０に作用することにより、該動翼８０の回転とともに回転軸３０が回転する。これによって、回転軸３０に接続された機械が駆動される。

ここで、蒸気タービン１の稼働中に各段を流通する蒸気Ｓが湿り蒸気となると、静翼６０や動翼８０の表面に水分Ｗが凝縮し、これが飛散することで外側シュラウド５０に水分Ｗが付着する。また、湿り蒸気が直接的に外側シュラウド５０に凝縮して水分Ｗが付着することもある。このような水分Ｗにより外側シュラウド５０の表面５１に蒸気Ｓの流れに沿った水脈が生成されると、外側シュラウド５０の表面５１の後縁から水滴が飛散し、当該水滴が下流側の動翼８０に衝突することで該動翼８０の侵食や効率低下を招くおそれがある。

これに対して、本実施形態の蒸気タービン１では、第一噴出孔９１からガスＧを噴出することで水滴の飛散を回避している。
即ち、蒸気タービン１の稼働中には、図４に示すように、上述したガス供給源１００からのガスＧが内側シュラウド７０内の第三流路９５に供給される。この第三流路９５内のガスＧは、静翼６０内の第二流路９４、外側シュラウド５０内の第一流路９３を経由して、第一噴出孔９１から径方向内側に向かって流路Ｐ内に噴出される。この際、第一噴出孔９１は隣り合う静翼６０同士にわたって延在しているため、外側シュラウド５０の表面５１を下流側に向かって流通する水分Ｗは必ず第一噴出孔９１からのガスＧに接触することになる。

これによって、外側シュラウド５０の表面５１を流通する水分Ｗを微細化させることができる。即ち、外側シュラウド５０の表面５１の水分Ｗはその経路の中途にある第一噴出孔９１からのガスＧに曝されることにより、該ガスＧの流れにしたがって分散化されることになる。これによって、外側シュラウド５０の表面５１における第一噴出孔９１よりも下流側の領域において水分Ｗがまとまって水脈となってしまうことを回避できる。したがって、まとまった水分Ｗが外側シュラウド５０の後縁から水滴として飛散することを防止することができ、当該水滴による動翼８０の侵食や効率の低下を抑制することが可能となる。

さらにガスＧとして、第一噴出孔９１が臨む流路Ｐを流通する蒸気Ｓよりも高温のガスＧを用いた場合には、ガスＧの噴出による水分Ｗの微細化に加えて、ガスＧの熱によって水分Ｗの蒸発を促すことができる。これによって、より一層、第一噴出孔９１よりも下流側に水分Ｗがまとまって流通してしまうことを回避することができる。

また、本実施形態では、特に水分Ｗが集まりやすい外側シュラウド５０の表面５１に第一噴出孔９１を形成したため、蒸気タービン１内から効率的に水分Ｗを除去することが可能となる。

次に本発明の第二実施形態について、図５〜７を参照して説明する。第二実施形態において第一実施形態と同様の構成要素には、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
第二実施形態の蒸気タービン１は、静翼６０の負圧面６１に第二噴出孔９２が形成されている点で第一実施形態と相違する。

即ち、第二実施形態では、図５〜７に示すように、静翼６０の背側となる負圧面６１に該負圧面６１の径方向外側の端部から径方向内側に向かって延在するスリット状をなす第二噴出孔９２が形成されている。
この第二噴出孔９２は、静翼６０内に形成された第二流路９４に接続されており、これによって第二流路９４は第二噴出孔９２を介して蒸気Ｓの流路Ｐと連通状態とされている。

なお、静翼６０の軸線方向の寸法を該静翼６０の翼幅とした場合、第二噴出孔９２は静翼６０の前縁部から翼幅の５０％以上７０％以内の範囲に形成されていることが好ましい。
また、静翼６０の径方向の寸法を該静翼６０の翼高さとした場合、第二噴出孔９２は静翼６０の径方向外側の端部から翼高さの５０％以上７０％以内の範囲に形成されていることが好ましい。

以上のような第二実施形態の蒸気タービン１によれば、外側シュラウド５０の表面５１に形成された第一噴出孔９１からのガスＧの噴出に加えて静翼６０の負圧面６１に形成された第二噴出孔９２から流路Ｐに向かってガスＧを噴出することができる。
これによって外側シュラウド５０の表面５１に水分Ｗのみならず、静翼６０の負圧面６１に付着した水分Ｗを除去することが可能となる。
ここで、静翼６０の表面における水分Ｗは、特に静翼６０の負圧面６１における該静翼６０の前縁部から翼幅の５０％以上７０％以内、かつ、静翼６０の径方向外側の端部から翼高さの５０％以上７０％以内の範囲に付着し易い。本実施形態では、第二噴出孔９２が静翼６０の表面の当該範囲に形成されていることにより、効率的に水分Ｗを除去することができる。

また、第一噴出孔９１及び第二噴出孔９２にガスＧを導く第一流路９３及び第二流路９４は互いに接続されていることにより、これら第一流路９３及び第二流路９４にガスＧを供給するガス供給源１００を共通化することができる。これによりガスＧの供給経路の簡素化を図ることができ、設備の大型化や複雑化を回避することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施形態では外側シュラウド５０と内側シュラウド７０とのうち、外側シュラウド５０の表面５１に第一噴出孔９１を形成したが、これに代えて内側シュラウド７０の表面７１にガスＧの噴出孔を形成してもよい。この内側シュラウド７０の表面７１からガスＧを径方向内側に噴出することで、該内側シュラウド７０の表面７１の水分Ｗを効果的に除去することができる。
また、外側シュラウド５０の表面５１に第一噴出孔９１を形成することに加えて、内側シュラウド７０の表面７１にガスＧを噴出する噴出孔を形成してもよい。

さらに、実施形態では第一噴出孔９１、第二噴出孔９２ともにスリット状としたが、これに限定されることはなく、例えば円形や多角形状の孔としてもよい。また、第一噴出孔９１及び第二噴出孔９２をそれぞれ複数形成してもよい。

また、実施形態では、ガス供給源１００が第三流路９５にガスＧを供給する構成としたが、外側シュラウド５０内部の第一流路９３にガスＧを供給する構成としてもよい。この場合、第二実施形態においては第一流路９３から第二流路９４にガスＧが流れ込み、第二噴出孔９２から流路ＰにガスＧが噴出される。

１ 蒸気タービン
１０ ケーシング
２０ 調整弁
２１ 調整弁室
２２ 弁体
２３ 弁座
２４ 蒸気室
３０ 回転軸
３１ 軸本体
３２ ディスク
４０ 軸受部
４１ ジャーナル軸受装置
４２ スラスト軸受装置
５０ 外側シュラウド
５１ 表面
６０ 静翼
６１ 負圧面
６２ 正圧面
７０ 内側シュラウド
７１ 表面
８０ 動翼
９１ 第一噴出孔
９２ 第二噴出孔
９３ 第一流路
９４ 第二流路
９５ 第三流路
１００ ガス供給源
Ｐ 流路
Ｓ 蒸気
Ｇ ガス
Ｗ 水分

Claims (5)

1. 蒸気の流体圧力によって回転軸を回転させる動翼と、
   前記回転軸の径方向外側に、該回転軸の周方向に互いに間隔をあけて複数が設けられ、前記動翼への前記蒸気の流れを形成する静翼と、
   前記周方向に隣り合う前記静翼同士を連結し、これら静翼とともに前記蒸気の流路を画成するシュラウドとを備え、
   前記シュラウドにおける前記流路に臨む表面に、ガスを噴出する第一噴出孔が形成されており、
   前記静翼の負圧面に前記ガスを噴出する第二噴出孔が形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記ガスが、前記流路を流通する蒸気よりも高温であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記シュラウドは、前記静翼同士をこれら静翼における前記回転軸の径方向外側の端部で連結する外側シュラウドであって、
   前記第一噴出孔が該外側シュラウドにおける前記流路に臨む表面に形成されていることを特徴とする請求項１に又は２記載の蒸気タービン。
4. 前記第一噴出孔は、隣り合う前記静翼同士にわたるように周方向に延在するスリット状をなしていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
5. 前記シュラウドの内部に、前記ガスが流通するとともに該ガスを前記第一噴出孔に導く第一流路が形成され、
   前記静翼の内部に、前記ガスが流通し前記第一流路に接続されるとともに、該ガスを前記第二噴出孔に導く第二流路が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の蒸気タービン。

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