JP6005567B2 - 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。

蒸気タービンにおいて、作動流体である蒸気は、一般に、高真空まで膨張するため、最終段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。

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（ノズル）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、静翼の内部を中空とし、静翼の翼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。

川岸、小野田、渋川、新関、「蒸気タービンの湿り損失評価法の開発」、日本機械学会論文集（Ｂ編）、７７巻７７５号、２０１１、ｐ.８８２−８９３

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なされていない。

本発明が解決しようとする課題は、過飽和損失を低減して、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、タービンロータが貫設されたケーシングと、前記タービンロータに植設された動翼と、前記動翼とタービン段落を形成し、前記ケーシングの内側に配設された前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に支持された静翼とを備える。

また、蒸気タービンは、前記ケーシング内の蒸気が流れる蒸気通路の半径方向に設けられた微小粒子を噴出する複数の噴出部からなる噴出部群と、前記噴出部群に微小粒子を供給する微小粒子供給部と、前記微小粒子供給部を制御して、各前記噴出部ごとに前記微小粒子の噴出を制御する制御部とを備える。さらに、蒸気タービンは、前記蒸気タービンの入口における蒸気の圧力を検知する入口圧力計測部と、前記蒸気タービンの入口における蒸気の温度を検知する入口温度計測部と、前記蒸気タービンの出口における蒸気の圧力を検知する出口圧力計測部と、前記蒸気タービンの出力を検知する出力計測部とを備え、前記制御部が、前記入口圧力計測部、前記入口温度計測部、前記出口圧力計測部および前記出力計測部からの出力信号を入力し、入力した前記出力信号に基づいて、蒸気の流れの過飽和域分布を算出し、算出した前記過飽和域分布に基づいて前記微小粒子供給部を制御して、過飽和域の上流に位置する前記噴出部から蒸気の流れの下流方向に前記微小粒子を噴出させる。

蒸気タービンの膨張過程を示すエンタルピ−エントロピ線図である。 蒸気タービンにおける蒸気の湿り度と湿り損失の関係を示す図である。 蒸気タービンの蒸気通路における蒸気の流れの過飽和域分布を説明するための、蒸気タービンの上半側の断面を示した図である。 蒸気タービンの蒸気通路における蒸気の流れの過飽和域分布を説明するための、蒸気タービン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２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２段のタービン段落の上半側の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における最終２段のタービン段落の上半側の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３の実施の形態の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の上半側の断面を示した図である。 図１０のＡ−Ａ断面を示す図である。

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、蒸気タービンの膨張過程について説明する。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）である。図２は、蒸気タービンにおける蒸気の湿り度と湿り損失の関係を示す図である。なお、図２に示された関係は、前述した非特許文献１（８９１頁）の記載に基づいて得られたものである。

蒸気タービンに流入し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、その熱的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。また、飽和蒸気線Ｌ１とウィルソン線Ｌ２との間の領域を過飽和域という。

図１の一点鎖線は、過飽和現象が無い場合（ａ）の膨張線であり、実線は、過飽和現象がある場合（ｂ）の膨張線である。図１に示すように、（ｂ）の場合の膨張線は、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が増加するため、（ａ）の場合の膨張線よりも熱落差がΔｈだけ減少する。

図２の一点鎖線は、過飽和現象が無い場合（ａ）であり、実線は、過飽和現象がある場合（ｂ）である。図２に示すように、（ｂ）の場合は、過飽和現象に伴う過飽和損失が発生するため、（ａ）の場合よりも湿り損失が増加している。

図３および図４は、蒸気タービンの蒸気通路における蒸気の流れの過飽和域分布を説明するための、蒸気タービンの上半側の断面を示した図である。なお、図３および図４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。

図３および図４には、ダイアフラム外輪３１０とダイアフラム内輪３１１との間に支持された静翼３１２と、タービンロータのロータディスク３１３に支持された動翼３１４が示されている。

一般に、静翼３１２および動翼３１４の半径方向の損失分布において、静翼３１２および動翼３１４の根元部や先端部などのダイアフラム外輪３１０またはダイアフラム内輪３１１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生じる。一方、ダイアフラム外輪３１０とダイアフラム内輪３１１の翼高さ方向の中央部では、プロファイル損失のみが生じるため、根元部および先端部よりも、優れた性能を有する。

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３および図４に示すように、蒸気状態は、性能が優れる中央部から飽和蒸気線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、性能が劣る根元部付近および先端部付近は、中央部よりも下流側で過飽和域Ｓを有する。

過飽和域Ｓは、蒸気条件によって変化し、例えば、図４の方が図３よりも蒸気タービンの入口における蒸気温度が高い場合のため、図４の方が図３よりも下流側で過飽和域Ｓが発生している。この過飽和域Ｓの継続範囲が大きいほど、過飽和蒸気から飽和蒸気に戻る過程のエントロピが増加するため、過飽和損失は大きくなる。

そこで、本実施の形態の蒸気タービンにおいては、半径方向に分布する過飽和域Ｓの継続範囲を縮小することに着目して、過飽和損失を低減することが図られている。

（第１の実施の形態）
図５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。なお、蒸気タービン１０としては、下流側のタービン段落において、蒸気条件が湿り蒸気となる、例えば、低圧タービンなどが挙げられる。そこで、ここでは、低圧タービンを例示して説明する。

図５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。

ケーシング２０内には、蒸気が流れる環状の蒸気通路２９が形成されている。蒸気通路２９は、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４の間、およびダイアフラム外輪２３とロータディスク２２ａの間に形成されている。

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。

蒸気条件が湿り蒸気となるタービン段落（ここでは、最終２段）よりも上流のタービン段落から最終段のタービン段落には、蒸気通路２９の半径方向に、微小粒子を噴出する３つの噴出部３１を有する噴出部群３０が備えられている。このように、噴出部群３０は、蒸気条件が湿り蒸気となるタービン段落よりも、少なくとも１段上流のタービン段落から備えられる。

なお、図５では、３つの噴出部３１を備えた噴出部群３０を例示したが、これに限らず、一つの噴出部群３０に複数の噴出部３１が備えられていればよい。噴出部３１の半径方向の配置構成は、特に限定されないが、例えば、等間隔に配置される。

また、噴出部群３０は、例えば、蒸気通路２９の周方向に等間隔に複数備えられている。そのため、蒸気通路の周方向には、例えば下流側から見たときに、放射状に複数の噴出部群３０が備えられる。これによって、蒸気通路の周方向に均一に微小粒子を噴出することができる。

次に、噴出部群３０および噴出部群３０に微小粒子を供給するための構成などについて詳しく説明する。

図６および図７は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終２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、ここでは、最終２段のタービン段落を示しているが、噴出部群３０が備えられる、最終段から３段上流のタービン段落においても同じ構成を備える。図６および図７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７には、図６よりも蒸気タービン１０の入口における蒸気温度が高い場合の過飽和域Ｓを示している。

蒸気タービン１０は、図６および図７に示すように、各噴出部３１に微小粒子を供給する微小粒子供給部４０が備えている。微小粒子供給部４０は、微小粒子供給源４１、この微小粒子供給源４１と各噴出部３１を連結する供給配管４２、各供給配管４２に介在するバルブ４３を備える。

供給配管４２は、ケーシング２０およびダイアフラム外輪２３を貫通し、例えば、タービン段落を構成する静翼２５の直上流側に設けられる。各供給配管４２の、例えば先端には、噴出部３１が接続されている。各噴出部３１は、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間に、例えば等間隔に備えられている。

供給配管４２は、例えば、図６および図７に示すように、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間に設けられた保護管４４の内部に配管されている。なお、保護管４４は、例えば、供給配管４２とともに、ケーシング２０およびダイアフラム外輪２３を貫通するように半径方向外側に延設されてもよい。供給配管４２と接続された噴出部３１は、蒸気の流れの下流方向に向けて微小粒子を噴出できるように、保護管４４に固定されている。

ここで、微小粒子としては、例えば、水や樹脂の微粒子などが使用される。微小粒子として水の微粒子を使用する場合、例えば、水を噴出部３１から噴霧してもよいし、水の微粒子を含む湿り蒸気を噴出部３１から噴出してもよい。

湿り蒸気を使用する場合、湿り蒸気に含まれる水滴の平均粒径は、蒸気の流れに追従させる観点から、１μｍ以下であることが好ましい。ここでいう平均粒径は、相対粒子量の５０％径で定義されるメディアン径である。また、水滴の平均粒径は、例えば、水滴にレーザ光を照射し、水滴からの散乱光の強度や角度の情報に基づいて測定される。

樹脂の微粒子としては、例えば、ポリスチレンやポリプロピレンなどのプラスチック系の微粒子を使用することができる。このような樹脂の微粒子を使用する場合、例えば、樹脂の微粒子を含んだ乾き飽和蒸気または過熱蒸気などを噴出部３１から噴出する。樹脂の微粒子の平均粒径は、蒸気の流れに追従させる観点から、１μｍ以下であることが好ましい。ここでいう平均粒径は、相対粒子量の５０％径で定義されるメディアン径である。なお、樹脂の微粒子の平均粒径も、水滴の平均粒径と同様の方法で測定される。

微小粒子として水の微粒子を使用する場合には、微小粒子供給源４１から、例えば、水または湿り蒸気などが供給配管４２を介して各噴出部３１に供給される。微小粒子として樹脂の微粒子を使用する場合には、微小粒子供給源４１から、樹脂の微粒子を含んだ乾き飽和蒸気または過熱蒸気などが供給配管４２を介して各噴出部３１に供給される。

バルブ４３は、微小粒子の噴出部３１への供給を調整するもので、バルブ４３を開くことで噴出部３１へ微小粒子が供給され、バルブ４３を閉じることで噴出部３１への微小粒子の供給が遮断される。なお、バルブ４３は、後述する制御部５０からの出力信号によって開閉が制御される。

蒸気タービン１０は、制御部５０を備えている。この制御部５０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの記憶手段、出入力手段などを主に備えている。ＣＰＵでは、例えば、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。出入力手段は、外部機器から電気信号を入力したり、外部機器に電気信号を出力する。具体的には、出入力手段は、バルブ４３、入口圧力計測部６０、入口温度計測部６１、出口圧力計測部６２、出力計測部６３などと各種信号の出入力が可能に接続されている。この制御部５０が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。

入口圧力計測部６０は、蒸気タービン１０の入口における蒸気の圧力を検知するものである。ここで、蒸気タービン１０の入口とは、初段のタービン段落の入口をいう。入口圧力計測部６０は、例えば、圧力導管、圧力センサなどを備える。圧力センサは、圧力を計測する流れ場に設置された圧力導管からの圧力を検知し、検知した圧力に係る出力信号を制御部５０に出力する。

入口温度計測部６１は、蒸気タービン１０の入口における蒸気の温度を検知するものである。入口温度計測部６１として、例えば、熱電対などが使用される。温度を計測する流れ場に熱電対の温接点からの熱起電流を、例えば補償導線などを介して制御部５０に出力する。

出口圧力計測部６２は、蒸気タービン１０の出口における蒸気の圧力を検知するものである。ここで、蒸気タービン１０の出口とは、最終段のタービン段落の出口をいう。出口圧力計測部６２は、入口圧力計測部６０と同様の構成である。

出力計測部６３は、蒸気タービン１０の出力を検知するものである。蒸気タービン１０の出力として、例えば、蒸気タービン１０によって駆動される発電機（図示しない）の出力を使用する。そのため、出力計測部６３として、例えば、発電機の出力を検知する電力計などが使用される。出力計測部６３は、検知した発電機の出力に係る出力信号を制御部５０に出力する。

次に、蒸気タービン１０の動作について説明する。

クロスオーバ管２８を経て、蒸気タービン１０内に流入した蒸気は、各タービン段落の静翼２５と動翼２１との間の蒸気通路を通り、タービンロータ２２を回転させる。

蒸気タービン１０が運転されると、制御部５０は、入口圧力計測部６０、入口温度計測部６１、出口圧力計測部６２および出力計測部６３からの出力信号を出入力手段を介して入力する。入力した出力信号に基づいて、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて演算装置において流体解析を実行して、蒸気の流れの過飽和域分布を算出する。

ここで、流体解析の結果、図６に示すような過飽和域分布が算出されると、制御部５０は、予め記憶手段に記憶された各噴出部３１の設置位置情報に基づいて、過飽和域の直上流に位置する噴出部３１を特定する。図６においては、微小粒子を噴射している状態が示されている噴出部３１が特定される。

続いて、制御部５０は、特定した噴出部３１の供給配管４２に備えられているバルブ４３を開くための出力信号を出入力手段からバルブ４３に出力する。なお、バルブ４３は、通常は閉状態となっている。

バルブ４３が開かれた噴出部３１からは、図６に示すように、蒸気の流れの下流方向に微小粒子が噴射される。噴出された微小粒子は、蒸気の流れに追従して下流に向かって流れる。微小粒子が過飽和域Ｓに到達すると、過飽和状態の蒸気は、微小粒子の周りに復水する。これによって、過飽和域Ｓの継続範囲を縮小し、過飽和損失が低減される。

この際、図６に示すように、半径方向に分布を持つ過飽和域Ｓの直上流に位置する噴出部３１のみから微小粒子を噴出するため、比較的少量の噴出量で過飽和損失を効果的に低減できる。

膨張仕事をした蒸気は、微小粒子とともに排気され、復水器（図示しない）に導かれる。ここで、微小粒子として樹脂の微粒子を使用した場合、例えば、蒸気が復水器で復水した後に、復水中に含まれる微粒子を遠心力を利用した遠心分離槽などによって回収することができる。

なお、流体解析の結果、図７に示すような過飽和域分布が算出された場合には、過飽和域の直上流に位置する噴出部３１（図７において微小粒子を噴射している状態が示されている噴出部３１）から微小粒子が噴射される。

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、過飽和域Ｓの半径方向の分布に対応して、過飽和域Ｓの直上流に位置する噴出部３１のみから微小粒子を噴出することができる。これによって、過飽和域Ｓの継続範囲が縮小され、過飽和損失を低減することができる。そのため、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）
図８は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１における最終２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１０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または簡略する。

なお、ここでは、最終２段のタービン段落を示しているが、噴出部群３０は、前述したように、蒸気条件が湿り蒸気となるタービン段落よりも、少なくとも１段上流のタービン段落から備えられる。図８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。

第２の実施の形態の蒸気タービン１１において、各計測部の構成以外は、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、この異なる構成について主に説明する。

蒸気タービン１１は、図８に示すように、第１の実施の形態の蒸気タービン１０と同様に、各噴出部３１に微小粒子を供給する微小粒子供給部４０が備えている。微小粒子供給部４０は、微小粒子供給源４１、この微小粒子供給源４１と各噴出部３１を連結する供給配管４２、各供給配管４２に介在するバルブ４３を備える。

また、蒸気タービン１１は、蒸気条件が湿り蒸気となるタービン段落よりも、少なくとも１段上流のタービン段落から最終段のタービン段落の半径方向の圧力分布および温度分布を得るために、通路圧力計測部７０および通路温度計測部８０を備えている。

通路圧力計測部７０は、半径方向位置の蒸気の圧力（全圧）を検知するものである。通路圧力計測部７０は、例えば、圧力検知部７１、圧力センサ７２などを備える。圧力検知部７１は、例えば、圧力導管などで構成される。各圧力検知部７１は、それぞれ個々に圧力センサ７２に接続されている。圧力センサ７２は、圧力を計測する流れ場に設置された圧力導管からの圧力を検知し、検知した圧力に係る出力信号を制御部５０に出力する。すなわち、圧力センサ７２は、各圧力検知部７１の設置位置ごとの圧力を検知し、検知した設置位置ごとの圧力に係る出力信号を制御部５０に出力する。

通路温度計測部８０は、半径方向位置の蒸気の温度を検知するものである。通路温度計測部８０は、例えば、温度検知部８１などを備える。温度検知部８１として、例えば、熱電対などが使用される。温度を計測する流れ場に設置された熱電対の温接点からの熱起電流を、例えば補償導線８２などを介して制御部５０に出力する。各温度検知部８１は、それぞれ個々に補償導線８２を介して制御部５０に熱起電流を出力する。すなわち、通路温度計測部８０は、各温度検知部８１の設置位置ごとの温度を検知し、検知した設置位置ごとの温度に係る出力信号を制御部５０に出力する。

第１の実施の形態と同様に、供給配管４２と接続された噴出部３１は、蒸気の流れの下流方向に向けて微小粒子を噴出できるように、保護管４４に固定されている。保護管４４の噴出部３１が設けられた側とは異なる側（ここでは、上流側）には、圧力検知部７１および温度検知部８１が設けられている。圧力検知部７１は、半径方向に複数設けられ圧力検知部群を構成している。温度検知部８１も、半径方向に複数設けられ、温度検知部群を構成している。

また、圧力検知部群および温度検知部群は、例えば、蒸気通路２９の周方向に等間隔に複数備えられている。そのため、蒸気通路の周方向には、例えば上流側から見たときに、放射状に複数の圧力検知部群および温度検知部群が備えられる。これによって、蒸気通路の周方向の圧力分布および温度分布を得ることができる。

ここで、圧力検知部７１および温度検知部８１は、例えば、図８に示すように、一対として構成され、ほぼ同じ位置に設置される。そのため、流れ場のほぼ同じ位置における局所的な圧力や温度を検知できる。

圧力検知部７１として圧力導管を使用した場合は、流れ場に設置される圧力検知部７１の先端は、上流から下流に向かって流れる蒸気の流れに対向するように、上流側に向けて設置される。温度検知部８１として熱電対を使用した場合は、流れ場に設置される温度検知部８１の温接点は、上流から下流に向かって流れる蒸気の流れに対向するように、上流側に向けて設置される。

圧力検知部７１および温度検知部８１は、噴出部３１に対応して、例えば、半径方向の３箇所に設けられている。さらに、圧力検知部７１および温度検知部８１は、噴出部３１が設けられた同じ半径方向位置に設けられている。このように、噴出部３１、圧力検知部７１および温度検知部８１は、同じ半径方向位置に保護管４４に一体として固定された一体構造を有している。

なお、ここでは、圧力検知部７１および温度検知部８１が、噴出部３１と一体構造で構成された一例を示したが、圧力検知部７１および温度検知部８１は、噴出部３１と別の保護管（保持体）に固定されてもよい。

制御部５０の出入力手段は、バルブ４３、通路圧力計測部７０（圧力センサ７２）、各通路温度計測部８０などと各種信号の出入力が可能に接続されている。

次に、蒸気タービン１１の動作について説明する。

蒸気タービン１０が運転されると、制御部５０は、通路圧力計測部７０（圧力センサ７２）および通路温度計測部８０からの出力信号を出入力手段を介して入力する。ここで、制御部５０は、通路圧力計測部７０（圧力センサ７２）からの、各圧力検知部７１によって検知された設置位置ごとの圧力に係る出力信号を入力する。さらに、制御部５０は、通路温度計測部８０からの、各温度検知部８１によって検知された設置位置ごとの温度に係る出力信号を入力する。

入力した出力信号に基づいて、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて演算装置において流体解析を実行して、蒸気の流れの過飽和域分布を算出する。

ここで、流体解析の結果、図８に示すような過飽和域分布が算出されると、制御部５０は、予め記憶手段に記憶された各噴出部３１の設置位置情報に基づいて、過飽和域の直上流に位置する噴出部３１を特定する。図８においては、微小粒子を噴射している状態が示されている噴出部３１が特定される。

続いて、制御部５０は、特定した噴出部３１の供給配管４２に備えられているバルブ４３を開くための出力信号を出入力手段からバルブ４３に出力する。

バルブ４３が開かれた噴出部３１からは、図８に示すように、蒸気の流れの下流方向に微小粒子が噴射される。噴出された微小粒子は、蒸気の流れに追従して下流に向かって流れる。微小粒子が過飽和域Ｓに到達すると、過飽和状態の蒸気は、微小粒子の周りに復水する。これによって、過飽和域Ｓの継続範囲を縮小し、過飽和損失が低減される。

この際、図８に示すように、半径方向に分布を持つ過飽和域Ｓの直上流に位置する噴出部３１のみから微小粒子を噴出するため、比較的少量の噴出量で過飽和損失を効果的に低減できる。

上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービン１１によれば、過飽和域Ｓの半径方向の分布に対応して、過飽和域Ｓの直上流に位置する噴出部３１のみから微小粒子を噴出することができる。これによって、過飽和域Ｓの継続範囲が縮小され、過飽和損失を低減することができる。そのため、タービン効率の向上を図ることができる。

ここで、流体解析の結果、図８に示すような過飽和域分布が算出された場合、過飽和域の直上流に位置する噴出部３１から微小粒子を噴出する一例を示したが、これに限られるものではない。

図９は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１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。流体解析の結果、図９に示すような過飽和域分布が算出された場合、過飽和域Ｓの直上流に位置する動翼２１の直上流に位置する噴出部３１から微小粒子を噴出してもよい。

このように微小粒子を噴出することで、微小粒子は、過飽和域Ｓに到達する前に動翼２１を通過する。そのため、微小粒子の周方向の分散をより均一にした状態で、微小粒子を過飽和域Ｓに流入させることができる。

なお、上記した、過飽和域Ｓの直上流に位置する動翼２１の直上流に位置する噴出部３１から微小粒子を噴出させる制御は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０や後述する第３の実施の形態の蒸気タービン１２にも適用することができる。

（第３の実施の形態）
図１０は、第３の実施の形態の蒸気タービン１２における最終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、ここでは、最終段のタービン段落を示しているが、噴出部群３０は、前述したように、蒸気条件が湿り蒸気となるタービン段落よりも、少なくとも１段上流のタービン段落から備えられる。図１１は、図１０のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、図１１では、蒸気の流れを矢印で示している。

第３の実施の形態の蒸気タービン１２において、噴出部３１、圧力検知部７１および温度検知部８１の設置構成以外は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の構成と同じである。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図１０および図１１に示すように、噴出部３１は、ダイアフラム外輪２３の内面２３ａ、ダイアフラム内輪２４の外面２４ａおよび静翼２５の翼面に設けられている。ここでは、静翼２５の腹側２５ａの翼面に噴出部３１を設けた一例を示したが、噴出部３１は、静翼２５の背側２５ｂの翼面に設けられてもよい。翼面に設けられた噴出部３１は、例えば、静翼２５の翼高さおよび翼弦長の中央部に設けられる。なお、翼面にさらに多くの噴出部３１を設けてもよい。

例えば、静翼２５の翼高さ方向にさらに噴出部３１を設ける場合、新たに設けられた噴出部３１と同じ半径方向位置の前縁に、後述する圧力検知部７１および温度検知部８１を備えることが好ましい。

静翼２５の内部は、図１１に示すように、中空部２５ｃで構成されている。ケーシング２０およびダイアフラム外輪２３を貫通した供給配管４２が、中空部２５ｃに延設されている。

３つの噴出部３１は、例えば、図１０に示すように、タービンロータ軸方向の同じ位置に設けられる。微小粒子は、ダイアフラム外輪２３の内面２３ａおよびダイアフラム内輪２４の外面２４ａに設けられた噴出部３１から静翼２５間の蒸気通路２９に向けて噴出される。また、微小粒子は、図１１に示すように、静翼２５の腹側２５ａから背側２５ｂに向けて噴出される。

圧力検知部７１および温度検知部８１は、静翼２５の前縁に設けられている。圧力検知部７１および温度検知部８１は、噴出部３１に対応して、半径方向の、ダイアフラム外輪２３側、静翼２５の翼高さの中央部、ダイアフラム内輪２４側の３箇所に設けられている。

ここで、噴出部３１、圧力検知部７１および温度検知部８１を備えた静翼２５は、周方向に等間隔に設けられる。噴出部３１、圧力検知部７１および温度検知部８１を備えた静翼２５は、例えば、周方向の静翼２５の一つまたは二つ置きに設けてもよい。また、周方向のすべての静翼２５に、噴出部３１、圧力検知部７１および温度検知部８１を備えてもよい。これによって、静翼２５の前縁には、例えば上流側から見たときに、放射状に複数の圧力検知部群および温度検知部群が備えられる。これによって、蒸気通路の周方向の圧力分布および温度分布を得ることができる。

蒸気タービン１２の動作は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の動作と同じである。

上記したように、第３の実施の形態の蒸気タービン１２によれば、過飽和域Ｓの半径方向の分布に対応して、過飽和域Ｓの直上流に位置する噴出部３１のみから微小粒子を噴出することができる。これによって、過飽和域Ｓの継続範囲が縮小され、過飽和損失を低減することができる。そのため、タービン効率の向上を図ることができる。

また、第３の実施の形態の蒸気タービン１２によれば、蒸気通路２９に、噴出部３１、圧力検知部７１および温度検知部８１を保持すための保護管（保持体）などを設ける必要がない。そのため、保護管（保持体）を設けることで生じる圧力損失が発生しない。

以上説明した実施形態によれば、過飽和損失を低減して、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。

１０，１１，１２…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１，３１４…動翼、２２…タービンロータ、２２ａ，３１３…ロータディスク、２３，３１０…ダイアフラム外輪、２３ａ…内面、２４，３１２…ダイアフラム内輪、２４ａ…外面、２５，３１２…静翼、２５ａ…腹側、２５ｂ…背側、２５ｃ…中空部、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、３０…噴出部群、３１…噴出部、４０…微小粒子供給部、４１…微小粒子供給源、４２…供給配管、４３…バルブ、４４…保護管、５０…制御部、６０…入口圧力計測部、６１…入口温度計測部、６２…出口圧力計測部、６３…出力計測部、７０…通路圧力計測部、７１…圧力検知部、７２…圧力センサ、８０…通路温度計測部、８１…温度検知部、８２…補償導線。

Claims (12)

1. 蒸気で作動する蒸気タービンであって、
   タービンロータが貫設されたケーシングと、
   前記タービンロータに植設された動翼と、
   前記動翼とタービン段落を形成し、前記ケーシングの内側に配設された前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に支持された静翼と、
   前記ケーシング内の蒸気が流れる蒸気通路の半径方向に設けられた微小粒子を噴出する複数の噴出部からなる噴出部群と、
   前記噴出部群に微小粒子を供給する微小粒子供給部と、
   前記微小粒子供給部を制御して、各前記噴出部ごとに前記微小粒子の噴出を制御する制御部と、
   前記蒸気タービンの入口における蒸気の圧力を検知する入口圧力計測部と、
   前記蒸気タービンの入口における蒸気の温度を検知する入口温度計測部と、
   前記蒸気タービンの出口における蒸気の圧力を検知する出口圧力計測部と、
   前記蒸気タービンの出力を検知する出力計測部と
   を備え、
   前記制御部が、
   前記入口圧力計測部、前記入口温度計測部、前記出口圧力計測部および前記出力計測部からの出力信号を入力し、入力した前記出力信号に基づいて、蒸気の流れの過飽和域分布を算出し、算出した前記過飽和域分布に基づいて前記微小粒子供給部を制御して、過飽和域の上流に位置する前記噴出部から蒸気の流れの下流方向に前記微小粒子を噴出させることを特徴とする蒸気タービン。
2. タービンロータが貫設されたケーシングと、
   前記タービンロータに植設された動翼と、
   前記動翼とタービン段落を形成し、前記ケーシングの内側に配設された前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に支持された静翼と、
   前記ケーシング内の蒸気が流れる蒸気通路の半径方向に設けられた微小粒子を噴出する複数の噴出部からなる噴出部群と、
   前記噴出部群に微小粒子を供給する微小粒子供給部と、
   前記微小粒子供給部を制御して、各前記噴出部ごとに前記微小粒子の噴出を制御する制御部と、
   前記蒸気通路の半径方向に設けられた蒸気の圧力を検知する複数の圧力検知部からなる圧力検知部群を備える通路圧力計測部と、
   前記蒸気通路の半径方向に設けられた蒸気の温度を検知する複数の温度検知部からなる温度検知部群を備える通路温度計測部と
   を備え、
   前記制御部が、
   各前記通路圧力計測部および各前記通路温度計測部からの出力信号を入力し、入力した前記出力信号に基づいて、蒸気の流れの過飽和域分布を算出し、算出した前記過飽和域分布に基づいて前記微小粒子供給部を制御して、過飽和域の上流に位置する前記噴出部から前記微小粒子を噴出させることを特徴とする蒸気タービン。
3. 前記圧力検知部群および前記温度検知部群が、前記蒸気通路の周方向およびタービンロータ軸方向に複数備えられていることを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
4. 前記噴出部が、蒸気の流れの下流方向に前記微小粒子を噴出することを特徴とする請求項２または３記載の蒸気タービン。
5. 前記噴出部が、前記ダイアフラム外輪の内面、前記ダイアフラム内輪の外面および前記静翼の翼面に設けられていることを特徴とする請求項２または３記載の蒸気タービン。
6. 前記圧力検知部、前記温度検知部および前記噴出部が一体構造で構成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の蒸気タービン。
7. 前記圧力検知部および前記温度検知部が、前記静翼の前縁に設けられていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン。
8. 前記噴出部群が、前記蒸気通路の周方向およびタービンロータ軸方向に複数備えられ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. 前記過飽和域の上流に位置する前記噴出部が、前記過飽和域の直上流に位置する前記噴出部であ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。
10. 前記過飽和域の上流に位置する前記噴出部が、前記過飽和域の直上流に位置する前記動翼の直上流に位置する前記噴出部であ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。
11. 前記噴出部群は、蒸気条件が湿り蒸気となるタービン段落よりも上流のタービン段落から最終段のタービン段落に備えられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の蒸気タービン。
12. 前記微小粒子が、水または樹脂の微粒子であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項記載の蒸気タービン。

Images