JP6038663B2 - 軸流排気タービンの排気室 - Google Patents

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Description

本発明の実施の形態は、例えば軸流排気タービンの排気室に関する。
軸流排気タービンでは、タービンロータの軸受台を複数の支持板で排気室内部に支持させる軸流排気タービンの排気室が提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開2000−80904号公報
排気室内部に設けられ軸受台を支持する支持板は多いほど支持剛性が得られるが、支持板が多くなるほど、軸流排気タービンの最終段から流入する蒸気の乱れを生じ、排気性能の低下を招くという問題がある。
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、軸受台の支持剛性と、軸流排気タービンの排気性能を損なわない軸流排気タービンの排気室を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために本発明の軸流排気タービンの排気室は、開口を介して対向配置される第1および第2の基礎台と、軸流排気タービンのロータの駆動によって流入する蒸気を排気し、筒状をなす筺体と、平板形状をなし、前記第1および第2の基礎台に載置されてこの第1および第2の基礎台と接続される接続面と、前記軸方向に沿って前記筺体の外周面に接続される第1の接続辺と、をそれぞれ有し、前記筺体を支持する第1および第2の接続プレートと、前記筺体内に配置され、前記軸流排気タービンのロータを支持する軸受が収納される軸受台と、前記軸受台の外周面に接続される第2の接続辺と、前記筺体の内周面に接続されるとともに、前記第1の接続辺の前記筐体との接続箇所の少なくとも一部が重なり合う第3の接続辺と、をそれぞれ有し、前記軸受台を前記筺体内に支持する第1および第2の支持板と、を具備することを特徴とする。
本発明によれば、軸受台の支持剛性と、軸流排気タービンの排気性能を損なわない軸流排気タービンの排気室を提供することができる。
本発明の一実施形態の軸流排気タービンの構成を示す図である。 軸流排気タービンの排気室を示す側面断面図である。 同じく軸流排気タービンの排気室を示す側面部分断面図である。 同じく軸流排気タービンの排気室を示す上面図である。 排気室の排気ディフューザの実施形態1を示す正面図である。 図3のA−A断面図である。 同じく排気室の排気ディフューザの実施形態1を示す斜視図である。 同じく排気室の排気ディフューザの実施形態1を示す側面図である。 軸流排気タービンの排気室の最適化のための解析を行うための解析形状を示す図である。 図9に示した解析形状での解析結果を示す図である。 支持板が3本の場合の軸流排気タービンの排気室の最適化のための解析を行うための解析形状を示す図である。 図11に示した解析形状での解析結果を示す図である。 排気室の排気ディフューザの実施形態2を示す斜視図である。 同じく排気室の排気ディフューザの実施形態2を示す側面図である。 排気室の排気ディフューザの実施形態3を示す斜視図である。 同じく排気室の排気ディフューザの実施形態3を示す側面図である。 排気室の排気ディフューザの実施形態4を示す正面図である。 排気室の排気ディフューザの実施形態5を示す図である。
(実施形態1)
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の一つの実施の形態に係る軸流排気タービン1の構成を示す図である。図2は、軸流排気タービン1の排気室3を示す側面断面図である。図3は、同じく軸流排気タービン1の排気室3を示す側面部分断面図である。図4は、同じく軸流排気タービンの排気室を示す上面図である。
図1に示すように、この軸流排気タービン1は、後述するタービンロータが収納されたタービン車室2を備え、このタービン車室2の最終段には排気室3を有している。
図2〜図4に示すように、この排気室3は、低圧ケーシング11、排気ディフューザ(筐体)12および排気ダクト13で構成されている。この排気室3は、低圧ケーシング11に流入する排気蒸気の流路を構成し、排気ダクト13の流出側に接続される図示しない復水器まで排気蒸気を導いている。
これら低圧ケーシング11、排気ディフューザ12および排気ダクト13は、タービンロータ4の軸sを中心として(図3参照)、軸s方向に連なって接続されている。これら低圧ケーシング11、排気ディフューザ12および排気ダクト13は、軸sと直交する面が略円形状に形成されている。これら低圧ケーシング11、排気ディフューザ12および排気ダクト13は、この円の上半円と下半円が水平に分割された構造からなっている。
低圧ケーシング11は、中空で軸s方向に略円筒形に形成されている。図2、図3に示すように、この低圧ケーシング11内にはタービンロータ4の最終段の翼列5が配置されている。また、この低圧ケーシング11の後段には、排気ディフューザ12が接続されている。
排気ディフューザ12は、蒸気の流入側から排出側に向けて断面積が広がっていく筒形状になっている。図2、図3に示すように、この排気ディフューザ12内には、タービンロータ4を回転可能に支持する軸受21が備えられている。また、この排気ディフューザ12の後段には、排気ダクト13が接続されている。
排気ダクト13は、蒸気の流入側から排出側に向けて断面積が広がっていく筒形状になっている。この排気ダクト13は、排気蒸気を図示しない復水器に導いている。
軸受21は、排気ディフューザ12内に配置された軸受台22に固定され、タービンロータ4の一端(最終段の翼列5側の一端)を支持している。
軸受台22も、排気ディフューザ12と同様の筒形状になっている。この軸受台22は、タービンロータ4の軸sを中心とする(図3参照)位置に配置される。
図5は、排気室3の排気ディフューザ12の実施形態1を示す正面図である。図6は、図3のA−A断面図である。図7は、同じく排気室3の排気ディフューザ12の実施形態1を示す斜視図である。図8は、同じく排気室3の排気ディフューザ12の実施形態1を示す側面図である。
図4、図5に示すように、基礎台(第1および第2の基礎台)6,6は、開口gを介して対向配置されている。排気ディフューザ12は、基礎台6,6間に外周の一部が配置されている。図5中では、排気ディフューザ12の下半円の左右斜め下方位置が、基礎台6,6間の開口gに配置されている。
図6に示すように、排気ディフューザ12は、基礎台6,6の当接面6a,6aに当接している。この基礎台6,6の当接面6a,6aは、この排気ディフューザ12の形状に合わせたテーパ形状に形成されている。これにより、この基礎台6,6は、排気ディフューザ12を基礎台6,6の当接面6a,6aに当接可能となるので、排気ディフューザ12を安定して保持することができる。
また、図4、図5に示すように、この基礎台6,6上には、水平フットプレート7,7と垂直フットプレート8,8がそれぞれ載置されている。
水平フットプレート(第1および第2の接続プレート)7,7は、図5、図7に示すように、接続面7aと第1の接続辺7bとをそれぞれ有する。
接続面7a,7aは、基礎台6,6に載置され固定される。
第1の接続辺7bは、軸s方向(図3参照)に沿って排気ディフューザ12の外周面に溶接され、お互いが水平方向に伸びた形状となっている(図7参照)。
垂直フットプレート8,8は、排気ディフューザ12の下半円の外周に沿って垂直に複数溶接され、排気ディフューザ12を図5中の左右から支持して、水平フットプレート7,7上にそれぞれ垂直に設けられている。
すなわち、これら水平フットプレート7,7と垂直フットプレート8,8は、排気ディフューザ12を基礎台6,6上で支持する機能を有する。
軸流排気タービン1の排気室3は、第1の支持板23、第2の支持板24、第3の支持板25を備え、これらはリブ形状をなして軸受台22を支持するように軸受台22と排気室3に溶接される。
図5に示すように、第1および第2の支持板23,24は、排気ディフューザ12の周方向に沿って第3の支持板25と60度の開き角度rを持って配置されている。
なお、この開き角度rは、60度に限らず、例えば水平フットプレート7,7間の距離や後述する第1および第2の支持板23,24と水平フットプレート7,7との重なり具合などを考慮して60度以下であることが望ましい。
第1、第2の支持板23,24の第2の接続辺23a,24aは、図5中、軸受台22の下半円の左右の斜め下方位置で、軸受台22外周に軸方向に沿って一定の角度rの位置でそれぞれ接続されている(図5、図7参照)。
第1、第2の支持板23,24の第3の接続辺23b,24bは、図5中、排気ディフューザ12の下半円の左右の斜め上方位置で、排気ディフューザ12内周に軸方向に沿って一定の角度rでそれぞれ接続されている(図5、図7参照)。この第3の接続辺23b,24bの溶接箇所は、排気ディフューザ12を挟んで一部が水平フットプレート7,7の溶接箇所と交差する方向に位置する(図5、図7参照)。
第3の支持板25は、軸受台22を下方から支持するように軸受台22と排気ディフューザ12に溶接される。これにより、タービンロータ4の軸sを中心として(図8参照)、軸受台22が排気ディフューザ12と例えば略同心円上に配置されるように第1〜第3の支持板23〜25が軸受台22を支持している。
この実施形態では、第1、第2の支持板23,24は、軸受台22の下半円の左右斜め下方で、排気ディフューザ12の周方向に沿って第3の支持板25と例えば60度以下の開き角度で離間して配置されている。さらに、この軸受台22を排気ディフューザ12内に支持する第1および第2の支持板23,24と、第1および第2の基礎台6,6にそれぞれ載置され、排気ディフューザ12外周の下半円の左右斜め下方で軸方向に当接して、排気ディフューザ12を支持する第1および第2の水平フットプレート7,7とを設けている。さらに、第1および第2の水平フットプレート7,7の第1の接続辺7b,7bと第1および第2の支持板23,24の第3の接続辺23b,24bとを排気ディフューザ12を介して一部が重ね合うようにする。この結果、この実施形態では、排気ディフューザ12は水平フットプレート7と垂直フットプレート8により、基礎台6上に支持、固定され、軸受台22はリブ状の支持板23〜25の3本で支持される構造であるので、軸流排気タービン1の排気性能と軸流排気タービン1の排気室3の強度を損なわない効果をもつ。
図9は、軸流排気タービンの排気室の最適化のための解析を行うための解析形状を示す図である。図10は、図9に示した解析形状での解析結果を示す図である。図11は、支持板が3本の場合の軸流排気タービンの排気室の最適化のための解析を行うための解析形状を示す図である。図12は、図11に示した解析形状での解析結果を示す図である。
次に、軸受台支持剛性に対するリブ(支持板)の本数・配置の効果をFEM(有限要素法)解析の結果に基づき検証する。
図9は、リブの本数と配置を示している。
すなわち、図9においてケース(CASE)1では、リブが3本で、全て軸受台の下半分に配置されている。
ケース2では、リブが6本で、軸受台の下半分と上半分に3本ずつ配置されている。
ケース3では、リブが5本で、全て軸受台の下半分に配置されている。
ケース4では、リブが7本で、全て軸受台の下半分に配置されている。
ケース5では、リブが10本で、軸受台の下半分に7本、上半分に3本配置されている。
このFEM解析では、各ケース1〜5でのバネ定数を求めている。ここで、この実施形態では、例えば目標とするバネ定数を2.0×10(kg/mm)とした。この目標バネ定数は、軸流排気タービン1が下方排気の場合における実績プラントの基準によるものである。
このFEM解析では、図10に示すように、ケース1のリブ3本の場合は、ばね定数が1.04×10(kg/mm)となった。
ケース2のリブ6本の場合は、ばね定数が1.39×10(kg/mm)となった。
ケース3のリブ5本の場合は、ばね定数が3.08×10(kg/mm)となった。
ケース4のリブ7本の場合は、ばね定数が5.45×10(kg/mm)となった。
ケース5のリブ10本の場合は、ばね定数が5.62×10(kg/mm)となった。
このFEM解析の検証の結果、ケース3,4,5の場合が目標バネ定数を超え高い支持剛性を得ることができた。しかし、リブ本数が多いほど排気の障害となるため、この実施形態では、リブをできるだけ少なくし、かつ軸流排気タービン1の排気性能を損なわないように一例としてリブ3本でこの目標バネ定数が得られるよう配置に改良を加えることとした。
図11に示すように、ケース1では、リブ23,24は、排気ディフューザ12の方向に沿ってリブ25と90度の開き角度で配置されている。さらに、軸流排気タービンの排気室では、排気ディフューザ12の外周に水平フットプレート7および垂直フットプレート8を取り付けた構成となっている。この実施形態では、この構成のうちの3本のリブの配置を変化させた。
すなわち、改良1では、リブ23,24を、排気ディフューザ12(筺体)の周方向に沿ってリブ25と略60度の開き角度で配置させた。
また、改良2では、リブ23,24を、排気ディフューザ12(筺体)の周方向に沿ってリブ25と略60度の開き角度で配置されるとともに、排気ディフューザ12を介して水平フットプレート7,7の溶接箇所とリブ23,24とが溶接箇所が一部対応するように配置させた。
そして、軸受台支持剛性に対するリブの配置の効果をFEM解析の結果に基づき検証した。
図12は、このFEM解析結果である。このFEM解析では、改良1の場合は、バネ定数が1.91×10(kg/mm)となった。
改良2の場合は、改良1の場合よりバネ定数が5.14×10(kg/mm)と大幅に増加することとなった。
このFEM解析の結果からも明らかなように、この実施形態では、支持板(リブ23〜25)が3本の場合でもバネ定数が大幅に増加するので、軸受台22の支持剛性を高めることができる。
さらに、この実施形態では、支持板の本数を3本としたので、軸流排気タービン1の最終段から流入する蒸気の乱れが減少して、軸流排気タービン1の排気性能を損なわず、溶接箇所が少なくてすむので、製作工数、コストの削減が図られるという効果を奏するものである。
(実施形態2)
図13は、排気室3の排気ディフューザ12の実施形態2を示す斜視図である。図14は、同じく排気室3の排気ディフューザ12の実施形態2を示す側面図である。
実施形態1と違う点のみにつき説明する。
支持板23,24の第2の接続辺23a,24aと軸受台22が接触する位置は、軸受台22のテーパ率と、上記の開き角度rに依存することとなる。例えば、開き角度が上記の角度rで、排気ディフューザ12のテーパ率と軸受台22のテーパ率が同じ場合には、支持板23,24の第2の接続辺23a,24aは、第3の接続辺23b,24bと同様に水平となって軸受台22に接続される(図14参照)。
この実施形態では、排気ディフューザ12を介して第1、第2の支持板23,24の第3の接続辺23b,24bの全面が水平フットプレート7,7の溶接箇所と第1の接続辺7b,7bの溶接箇所とが一致するように構成したので、バネ定数が実施形態1よりさらに増加し、軸受台22の支持剛性をさらに高めることができる。
(実施形態3)
図15は、排気室の排気ディフューザの実施形態3を示す斜視図である。図16は、同じく排気室の排気ディフューザの実施形態3を示す側面図である。
この実施形態において、実施形態1と異なる点は、第1および第2の支持板23,24が、第2の接続辺23a,24aおよび第3の接続辺23b,24bを有する捩れた曲板で構成されていることである。
図15に示すように、排気ディフューザ12の下半円の左右斜め上方位置において、蒸気の流出側の第3の接続辺23b,24bは、第3の支持板25と角度rに配置されている。また、排気ディフューザ12の下半円の左右斜め上方位置において、蒸気の流入側の第3の接続辺23b,24bは、第3の支持板25と角度r1に配置されている。
すなわち、図16に示すように、第1、第2の支持板23,24の第3の接続辺23b,24bが、実施形態2と同様に、軸s方向の始点p1と終点p2が同じ高さh1で排気ディフューザ12に接続されている。さらに、図15に示すように、排気ディフューザ12を介して第3の接続辺23b,24bの全面が水平フットプレート7,7の第1の接続辺7b,7bのそれぞれの溶接箇所が対応するように配置されている。
この実施形態では、排気ディフューザ12を介して第1、第2の支持板23,24の第3の接続辺23b,24bの全面が水平フットプレート7,7の第1の接続辺7b,7bと重なり合うように構成したので、実施形態2と同様に、バネ定数が実施形態1よりさらに増加し、軸受台22の支持剛性をさらに高めることができる。
(実施形態4)
図17は、排気室3の排気ディフューザ12の実施形態4を示す正面図である。
図17に示すように、この実施形態では、排気ディフューザ12外周の周方向の一部に沿って、外周板26が設けられた点が他の実施形態と異なっている。すなわち、この外周板26は、排気ディフューザ12の下半円の外周の一部に沿って配置されている。
また、この外周板26は、排気ディフューザ12を介して一部が第1、第2の支持板23,24の第3の接続辺23b,24bの溶接箇所と対応するように配置されている。
さらに、この外周板26は、第1および第2の水平フットプレート7,7の接続面7a,7aとそれぞれ接続されるとともに、排気ディフューザ12を介して一部が第3の支持板25の第5の接続辺25bの溶接箇所と対応するように配置されている。
この実施形態では、排気ディフューザ12の下半円の外周に外周板26を配置させ、この排気ディフューザ12を介して一部が第1〜第3の支持板23〜25の接続辺23b〜25bの溶接箇所と対応するように構成するとともに、外周板26の両端を水平フットプレート7,7に接続させるので、バネ定数が実施形態1〜3よりさらに増加し、軸受台22の支持剛性をさらに高めるとともに、排気ディフューザ12の剛性も高めることができる。
なお、この実施形態では、外周板26は1枚に限らず、複数枚の外周板26を排気ディフューザ12のタービンロータ4(図1参照)の軸方向に、例えば等間隔に配置してもよい。この場合は、バネ定数がさらに増加し、軸受台22の支持剛性をさらに高めるとともに、排気ディフューザ12の剛性も上記よりも高めることができる。
(実施形態5)
図18は、排気室3の排気ディフューザ12の実施形態5を示す図で、(a)が排気ディフューザ12の正面図、(b)が基礎台6の切欠き部6bを示す図である。
図18(a)に示すように、外周板27は、排気ディフューザ12外周の一周に沿って設けられる構成となっている。この外周板27は、実施形態4と同様に、この排気ディフューザ12を介して一部が第1〜第3の支持板23〜25の接続辺23b〜25bとの溶接箇所と対応するように配置する。さらに、この実施形態では、外周板27を水平フットプレート7,7の接続面7a,7aにそれぞれ接続させている。
また、基礎台6,6は、外周板27が途切れずに排気ディフューザ12外周を一周するように、外周板26を挿入させる切欠き部6b,6bをそれぞれ有している(図18(b)参照)。
この実施形態では、上記のような構成となっているので、バネ定数が実施形態1〜4よりさらに増加し、軸受台22の支持剛性をさらに高めるとともに、排気ディフューザ12の剛性も高めることができる。
なお、この実施形態では、外周板27を垂直フットプレート8と接続させることも可能であり、この場合には上記よりもさらにバネ定数が他の実施形態よりも増加し、軸受台22の支持剛性をさらに高めるとともに、排気ディフューザ12の剛性も高めることができる。
なお、この実施形態では、実施形態4と同様に、外周板27は1枚に限らず、複数枚の外周板27を排気ディフューザ12のタービンロータ4(図1参照)の軸方向に、例えば等間隔に配置してもよい。この場合は、バネ定数がさらに増加し、軸受台22の支持剛性をさらに高めるとともに、排気ディフューザ12の剛性も上記よりもとともに、排気ディフューザ12の剛性も上記よりもさらに高めることができる。
なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形してもよい。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、種々の発明を構成できる。例えば実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1…軸流排気タービン、2…タービン車室、3…排気室、4…タービンロータ、5…翼列、6…基礎台、6a…当接面、6b…切欠き部、7…水平フットプレート、7a…接続面、7b…接続辺、8…垂直フットプレート、11…低圧ケーシング、12…排気ディフューザ、13…排気ダクト、21…軸受、22…軸受台、23,24,25…支持板(リブ)、23a,24a,23b,24b,25b…接続辺、26,27…外周板、g…開口、p1…始点、p2…終点、r…開き角度、r1…角度、s…軸。

Claims (11)

  1. 開口を介して対向配置される第1および第2の基礎台と、
    軸流排気タービンのロータの駆動によって流入する蒸気を排気し、筒状をなす筺体と、
    平板形状をなし、前記第1および第2の基礎台に載置されてこの第1および第2の基礎台と接続される接続面と、前記軸方向に沿って前記筺体の外周面に接続される第1の接続辺と、をそれぞれ有し、前記筺体を支持する第1および第2の接続プレートと、
    前記筺体内に配置され、前記軸流排気タービンのロータを支持する軸受が収納される軸受台と、
    前記軸受台の外周面に接続される第2の接続辺と、前記筺体の内周面に接続されるとともに、前記第1の接続辺の前記筐体との接続箇所の少なくとも一部が重なり合う第3の接続辺と、をそれぞれ有し、前記軸受台を前記筺体内に支持する第1および第2の支持板と、
    を具備する軸流排気タービンの排気室。
  2. 前記筺体外周の周方向に沿って設けられ、前記筺体を介して少なくとも一部が前記第3の接続辺と重なり合う位置に設けられる外周板を
    さらに具備する請求項1記載の軸流排気タービンの排気室。
  3. 前記軸受台が載置されてこの軸受台に接続される第4の接続辺と、前記筺体の内周面に接続される第5の接続辺と、を有し、前記軸受台を前記筺体内に支持する第3の支持板を
    さらに具備する請求項1または2記載の軸流排気タービンの排気室。
  4. 前記第5の接続辺は、一部が前記筺体を介して前記外周板と重なり合う位置に設けられる
    請求項2記載の軸流排気タービンの排気室。
  5. 前記第1および第2の支持板は、前記筺体の周方向に沿って前記第3の支持板を基準として60度以下の開き角度で配置される
    請求項3または4記載の軸流排気タービンの排気室。
  6. 前記外周板は、前記第1および第2の接続プレートと接続される
    請求項2記載の軸流排気タービンの排気室。
  7. 前記外周板は、前記筺体外周の一周に沿って設けられ、
    前記基礎台は、前記外周板を挿入させる切欠き部をそれぞれ有する
    請求項2または6記載の軸流排気タービンの排気室。
  8. 前記軸受台および筺体は、前記蒸気の排気側から流入側に向けて狭まったテーパ形状からなり、
    前記第1および第2の支持板は、前記第2および第3の接続辺を有する平板からなり、
    前記第2の接続辺は、前記軸受台の前記タービンロータの軸方向に対して所定の角度に配置され、
    前記第3の接続辺は、前記筺体の前記タービンロータの軸方向に対して所定の角度に配置され、前記筺体を介して一部が前記第1の接続辺と重なり合う
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の軸流排気タービンの排気室。
  9. 前記軸受台および筺体は、前記蒸気の排気側から流入側に向けて狭まったテーパ形状からなり、
    前記第1および第2の支持板は、前記第2および第3の接続辺を有する平板からなり、
    前記第2の接続辺は、軸受台の前記タービンロータの軸方向に対して異なる角度に配置され、
    前記第3の接続辺は、前記筺体を介してこの第3の接続辺の全面が前記第1および第2の接続プレートの第1の接続辺の接続箇所と重なり合うように、前記筐体のタービンロータの軸方向に対して一定の角度に配置される
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の軸流排気タービンの排気室。
  10. 前記軸受台および筺体は、前記蒸気の排気側から流入側に向けて狭まったテーパ形状からなり、
    前記第1および第2の支持板は、前記第2および第3の接続辺を有し捻じれた形状であり、
    前記第2の接続辺は、前記軸受台の前記タービンロータの軸方向に沿って一定の角度に配置され、
    前記第3の接続辺は、前記筺体を介してこの第3の接続辺の全面が前記第1および第2の接続プレートの第1の接続辺と重なり合うように、前記筐体のタービンロータの軸方向に沿って異なる角度に配置される
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の軸流排気タービンの排気室。
  11. 前記第1および第2の基礎台の開口が、前記筐体の外周面の形状に合わせた形状を有し、前記筐体を当接させる当接面を
    備える請求項1記載の軸流排気タービンの排気室。
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