JP6204727B2 - 蒸気タービンの低圧排気室 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンの低圧排気室の構造に関する。

ボイラ等の蒸気発生器が発生する蒸気でタービンを回転して発電する発電プラントは、一般に高圧タービンや低圧タービンなど、蒸気圧力に応じた複数のタービンで構成されている。高圧タービンから低圧タービンまで順に通過し回転仕事を終えた蒸気は、最終的に復水器に導入され、そこで凝縮して復水となり、再度蒸気発生器に還流する。

高・中・低圧タービン各々の出口直後には、周囲をタービン外部車室で構成した排気室と呼ばれる蒸気流路部があり、一般に、急激な流れの転向を伴う形状を有するため、蒸気の流れを乱し圧力損失を生じやすい。特に、低圧タービンの出口から復水器にかけての蒸気流路である低圧排気室における圧力損失は、プラント性能に与える影響が大きいため、この圧力損失を低減することは重要である。

低圧排気室の圧力損失低減には、様々な方法がある。最も効果的な方法は、排気室外形寸法、すなわち低圧タービン外車室寸法を大きく取ることである。これによりタービンから排出された蒸気流速を大幅に減速させ圧力損失を極めて小さくすることが原理的には可能である。しかしながら外形寸法を大きくすることは、タービン本体やタービン建屋コストの増大を招くだけではなく、ロータ軸振動の点からも好ましくはない。そこで実際には、排気室外形寸法は、ある程度の寸法幅に制限される。

排気室外形寸法を固定した場合は、大きく分けて主に次の3種類の方法がある。

一つ目は、下流側に向かって蒸気流路を滑らかに広げたディフューザと呼ばれる流路を構成し、その流路形状を工夫することにより低損失化する方法である。この種の排気室としては、例えば特開２００５−２３３１５４号公報（特許文献１）や特開２００６−２８３５８７号公報（特許文献２）において報告されている。それらでは、ディフューザ流路を構成するフローガイドや軸受コーンを、低圧車室の形状に応じて上下半で非対称に構成することによる高性能化方法を提案している。

二つ目は、タービン内車室やロータを直接基礎で支持させる、あるいはタービン外車室壁面自体を強固にすることにより、流れの妨げとなる内部部材を簡素化し低損失化する方法である。この種の排気室としては、例えば特開２００１−１２３８０４号公報（特許文献３）において報告されており、軸受箱を直接基礎上に設置して軸受箱と軸受箱側の端板を強度的に分離させることにより排気室内の補強部材を除去、削減した構造を提案している。

三つ目は、排気室の内部部材構造に工夫をして低損失化する方法である。この種の排気室としては、例えば特開２００６−１７０１５号公報（特許文献４）において報告されており、外車室下半部に前部仕切板と後部仕切板とを設け、外車室下半部に設けた下半部竜骨リブを境に前記前部仕切板および後部仕切板を外車室下半部の側壁に向って延伸させ、かつ傾斜配置させた構造を提案している。

特開２００５−２３３１５４号公報 特開２００６−２８３５８７号公報 特開２００１−１２３８０４号公報 特開２００６−１７０１５号公報

上記の損失低減技術は、ある程度独立であり、一般的には組み合わせて用いることにより、一層の損失低減効果が期待できる。ただし内部部材を簡素化する場合は、ロータを直接基礎で支持させると、軸受間距離と振動安定性との関係により排気室の軸方向寸法を短くする必要があるため、ディフューザ性能をある程度犠牲にする必要が生じる。また、タービン外車室を外側から補強するか壁面の肉厚を増やし、壁面自体を強固にする場合は、外車室の寸法を外側に大きくなるため、タービン建屋コストや部材コストがかさむことになる。

これに対して、内部部材の構造に工夫をする方法は、ディフューザ流路部の寸法やタービン外車室の寸法に制約を課すことなく取り入れることができる。

ところで、排気室の流路性能に影響を与える大型の内部部材は、少なくともその一端をタービン外車室の内壁面に接続する必要がある。タービン外車室は、回転翼を供えたロータを内包する必要があるため、一般的に水平面で上下に二分割された構造をとる。また、組立性の理由からタービン外車室下半側でロータやタービン内車室を支持する必要があるため、大型の内部部材は外車室下半側に設置する必要がある。

ところが上記のように、タービン外車室が水平面で二分割されているために、大型の内部部材の形状変更幅を大きく取ることが困難であり、結果的に大きな損失低減効果を得ることが難しい。

そこで本発明の目的は、現状の低圧タービン内外車室寸法やロータの支持構造などの基本仕様を変更することなく、内部構造部材の改良による圧力損失低減効果を最大限に発揮させることができる蒸気タービンの低圧排気室を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、低圧タービンロータを内包する低圧タービン内部車室と、低圧タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、低圧タービン内部車室の外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、低圧タービン内部車室およびフローガイドを取り囲み、上下半二分割構造を有するタービン外部車室と、タービン外部車室内部に設けられた内部強度部材とを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの低圧排気室において、タービン外部車室の上下半接続面の一部をロータ中心軸を通る水平面より上方に形成し、内部強度部材の端面の一部を、タービン外部車室下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合し、内部強度部材のタービン外部車室への接合端の一部を切り欠く、内部強度部材として、ロータ軸方向から見た形状が略Ｖ字型の板状部材を設置する、または内部強度部材として、ロータ軸方向から見た形状が下方に凸する略弓型の板状部材を設置することにより、タービン外部車室下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合された部分の下方に開口スペースを形成することを特徴とする。

本発明によれば、現状の低圧タービン内外車室寸法やロータの支持構造などの基本仕様を変更することなく、低圧排気室の圧力損失を大幅に低減できるため、低コストでタービンプラント効率を向上させることができる。

蒸気タービンの排気装置の基本構造を模式的に表す側断面図である。 図１中のＩ−Ｉ断面による断面図である。 従来型典型例である低圧蒸気タービン外車室の要部構造を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る低圧蒸気タービン外車室の要部構造を示す斜視図である。 従来型低圧排気室内部流れ解析結果の軸方向正面流線図である。(流れ構造の説明簡単化のため、流線は半面のみの表示とし、濃淡で流線の始点の違いを示す。) 従来型低圧排気室内部流れ解析結果の側面流線図である。(流れ構造の説明簡単化のため、流線は半面のみの表示とし、濃淡で流線の始点の違いを示す。) 従来型低圧排気室内部強度部材の一例を示す軸方向正面図である。 本発明に係る実施形態に合わせて適用される内部強度部材の第1の例を示す軸方向正面図である。 本発明に係る実施形態に合わせて適用される内部強度部材の第２の例を示す軸方向正面図である。 本発明に係る実施形態に合わせて適用される内部強度部材の第３の例を示す軸方向正面図である。 標準的板状内部強度部材を用いた従来型低圧排気室を示す軸方向正断面図である。 改良型板状内部強度部材を用いた従来型低圧排気室を示す軸方向正断面図である。 本発明に係る第１の実施形態を示す軸方向正断面図である。 本発明に係る第２の実施形態を示す軸方向正断面図である。

以下、本発明の低圧タービン排気装置を実施するための形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態について説明する。本発明の理解を容易にするため、最初に従来の低圧タービン排気室の構造について図１から図３、図５、および図６を用いて説明した後、本実施形態に係る低圧タービン排気室の構造について図４、図１３、および図１４を用いて説明する。

図１は低圧タービン排気室の基本構造を模式的に表す側断面図、図２は図１中のＩ−Ｉ断面による断面図である。図２において、ベアリングコーン3は説明のため図示を省略している。

図１及び図２に図示したタービン排気室101は、タービンロータ１を駆動させた後の排気を下方の復水器（図示せず）に導くものである。このタービン排気室101は、タービンロータ1を内包する低圧タービン内部車室2、タービンロータ1の軸受（図示せず）を取り囲むように設置されたベアリングコーン3、タービンロータ1に固定された最終段落を構成する動翼10の下流に、低圧タービン内部車室2の外周部に連続して設置された環状のフローガイド6、さらにこれら全てを取り囲むように形成された低圧タービン外部車室5を備えている。低圧タービンのタービン排気室101は、低圧タービン外部車室5の下方に開口している低圧排気室出口4を通じて下方の復水器と連結されている。ベアリングコーン3の外周側壁面とフローガイド６の内周側壁面および低圧タービン外部車室5の内壁面は、最終段動翼出口環帯11より排出された蒸気を、圧力回復を図りながら滑らかに下方の復水器に導く環状のディフューザ流路を形成している。

図３は低圧タービン（図示せず）を覆う低圧タービン外部車室５の要部構造を示す図である。図３では、低圧タービン外部車室５を、ロータ中心軸２０を通る鉛直面と車室中央を通る鉛直面で切断して、４分の１対称にして示している。低圧タービン外部車室５は、上下半分割構造を有し、低圧タービン外部車室上半部５a、及び低圧タービン外部車室下半部５bを有する。低圧タービン外部車室上半部５aと低圧タービン外部車室下半部５bは、ロータ中心軸２０の位置で上下半分割されており、水平フランジ面３０で接続している。低圧タービン外部車室下半部５bの外壁面には、タービン支持架台（図示せず）の上面上に設置されて外車室を支持するフート３２が設けられている。また、低圧タービン外部車室下半部５bには、タービンロータ１を支承する軸受機器を覆うベアリングコーン３が設けられている。また、低圧タービン外部車室下半部５bのロータ中心軸に垂直な方向の内壁面間には、低圧タービン外部車室下半部５bを補強するため板状内部強度部材４０が接合されている。

次に低圧排気室内部の流れ場の様子と、内部強度部材が流れ場および圧力損失に与える影響を図５乃至図６を用いて概念的に説明する。

図５は、比較的高性能の従来型低圧排気室に対する内部流れ解析結果の軸方向正面流線図である。図では簡単のため、流線は半面のみの表示としている。また、図６は、図５と同一解析結果の側面流線図である。なお、図の濃淡は流線の始点の違いを示すものであり、これにより流れ場の様子を視覚的に理解し易くしている。図５から分かるように、比較的高性能を示す低圧排気室では、ディフューザ流路を通過する蒸気は、概ね放射状に流れた後、次第に合流しながら下流の復水器へ排出される。また、図６から板状内部強度部材４０の左右で流れが異なり、板状内部強度部材４０が流れ場に大きな影響を与えることが分る。

従来構造では、板状内部強度部材４０は必ずしも排気室の性能面を優先して配置してあるわけではなく、主に強度上の要請を優先して配置されていた。そのため、一般的に低圧排気室の流路性能は、理想的な状態より劣化していると考えられる。特に、板状内部強度部材４０のような内車支持に用いられている板材（図）は、低圧排気室下半部の内部流路を強制的に複数の少数流路に分割するので、ディフューザ流路から排出した蒸気はそれぞれの少流路に等分配されずに一部に偏った流量配分となり易い。実際、流体解析により流れ場を詳細に分析すると、多くの場合で各小部屋への蒸気の流量配分は偏り、結果的に流速の速い領域と遅い領域が生じていることが分かった。排気室で生じる流体の損失は主に、蒸気の混合によるものと、壁面での摩擦によるものの2つであるが、どちらも流速の二乗に比例して大きくなるので、局所的に流速の速い領域があると、全体的に平均化した流れの場合よりも圧力損失が大きくなる。

ところで、低圧排気室の流路性能に大きな影響を与える大型の部材である、板状内部強度部材４０は、少なくともその一端を低圧タービン外部車室５の内壁面に接続する必要がある。そして低圧タービン外部車室５は、回転翼を供えたロータを内包する必要があるため、一般的に水平面で上下に二分割された構造をとる。また、組立性の理由からタービン外車室下半部５bでロータや低圧タービン内部車室2を支持する必要があるため、板状内部強度部材４０等の大型内部部材はタービン外車室下半部５b側に設置する必要がある。

ところが上記のように、タービン外車室下半部５bが水平面で二分割されているために、大型の内部部材の形状変更幅を大きく取ることが困難であり、結果的に大きな損失低減効果を得ることが難しい。そこで、本発明は、上記したような問題点を解決するものである。

本発明の第１の実施形態を図４、および図７から図１３までを用いて説明する。図４は、本発明の一実施の形態に係る低圧蒸気タービン外車室の要部構造を示す斜視図である。

低圧タービン外部車室上半部５aと低圧タービン外部車室下半部5bの接続面である水平フランジ面３１の一部が、ロータ中心軸を通る水平面より上方に形成され、板状内部強度部材４１の端面の一部が、タービン外部車室下半部５bでありかつロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面で接合されている。この時用いられる、板状内部強度部材４１は、流路損失を低減するように形状変更されている。

図７は、従来型低圧排気室の板状内部強度部材４０の一例を示す軸方向正面図である。また図８は、本発明に係る実施形態に合わせて適用される板状内部強度部材４１の第１の例を示す軸方向正面図である。従来例でも、この様に板状部材の一部を切り欠いて用いることはあるが、本発明では上下方向に、より大きい開口スペースをとることができる。また、流れを妨げる元となる外車室壁面への接合部の位置を、低圧排気室の上側つまり、合流前でより低流量側となる流れの上流側に取ることができる。このような理由で、従来型の構造に比べて損失低減効果を高めることが可能となる。

図９と図１０は、それぞれ本発明に係る実施形態に合わせて適用される板状内部強度部材４１の、第２と第３の例を示す軸方向正面図である。図８の構造の代わりに、図９に示した下方に凸する略V字型の板状内部強度部材４１a、または図１０に示した下方に凸する略弓形の板状内部強度部材４１ｂのような構造、あるいはこれらに準じた構造でも効果が期待できることは言うまでもない。
図１１は、標準的な板状内部強度部材を用いた従来型の低圧排気室を示す軸方向正断面図である。また図１２は、改良型の板状内部強度部材を用いた従来型の低圧排気室を示す軸方向正断面図である。さらに図１３は、本発明に係る第１の実施形態を示す軸方向正断面図である。ここで、断面の軸方向位置は図１のＩ−Ｉに対応している。図１２と図１３を見比べることにより、本発明では上下方向に、より大きい開口スペースをとることができることが分る。

このように本実施例のタービン排気室構造によれば、大型の内部部材の形状変更幅を、従来型の低圧排気室に比べて大きく取ることが可能であるため、従来型の低圧排気室よりも高い損失低減効果が得られる。

以上、本実施例のタービン排気室構造は、ＣＦＤ解析結果から得られた知見に基づいて考案したものであり、その効果を従来技術と比較して、より確実に期待できる。

従って、本実施例のタービン排気室構造によれば、現状の低圧タービン内外車室寸法やロータの支持構造などの基本仕様を変更することなく、内部構造部材の改良による圧力損失低減効果を最大限に発揮させることができる蒸気タービンの低圧排気室を提供することができる。

また、既設の従来型タービン排気室に換えて、本実施例に係わる低圧タービン外部車室および内部強度部材を設置しても良い。

次に、本発明の第２の実施形態について図１４を用いて説明する。

図１４は、本発明に係る第２の実施形態を示す軸方向正断面図である。図１３に示した本発明の第１の実施形態では、改良した板状内部強度部材４１の上側端部を接続させる低圧タービン外部車室下半部５bの断面形状は曲面である。それに対して、本実施例では、板状内部強度部材４１の上側端部を接続させる低圧タービン外部車室下半部５ｂの断面形状を直線状としている。これにより、強度面では実施例１の形態にやや劣るものの、製造性が高い低圧排気室を提供できる。

従って、本実施例のタービン排気室構造によれば、現状の低圧タービン内外車室寸法やロータの支持構造などの基本仕様を変更することなく、内部構造部材の改良による圧力損失低減効果を最大限に発揮させることができる蒸気タービンの低圧排気室を提供することができる。

１ タービンロータ
２ 低圧タービン内部車室
３ ベアリングコーン
４ 低圧排気室出口
５ 低圧タービン外部車室
５a 低圧タービン外部車室上半部
５b 低圧タービン外部車室下半部
６ フローガイド
７ ディフューザ流路部
１０ 動翼
１１ 最終段動翼出口環帯
２０ ロータ中心軸
３０ 水平フランジ面（ロータ中心位置）
３１ 水平フランジ面（ロータ中心より上方位置）
３２ フート
４０ 板状内部強度部材
４１ 板状内部強度部材
５０ 流線（流れの起点で色分け）
１０１ タービン排気室

Claims (8)

1. 低圧タービンロータを内包する低圧タービン内部車室と、低圧タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、前記低圧タービン内部車室の外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、前記低圧タービン内部車室および前記フローガイドを取り囲み、上下二分割構造を有するタービン外部車室と、前記タービン外部車室の内部に設けられた内部強度部材とを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの低圧排気室であって、
   前記タービン外部車室の上半部と下半部の接続面の少なくとも一部はロータ軸中心を通る水平面より上方に形成され、前記内部強度部材の端面の少なくとも一部が、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合されており、
   前記内部強度部材は、前記タービン外部車室の下半部の内壁面近傍の一部が切り欠けており、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合された部分の下方に開口スペースを有することを特徴とする蒸気タービンの低圧排気室。
2. 低圧タービンロータを内包する低圧タービン内部車室と、低圧タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、前記低圧タービン内部車室の外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、前記低圧タービン内部車室および前記フローガイドを取り囲み、上下二分割構造を有するタービン外部車室と、前記タービン外部車室の内部に設けられた内部強度部材とを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの低圧排気室であって、
   前記タービン外部車室の上半部と下半部の接続面の少なくとも一部はロータ軸中心を通る水平面より上方に形成され、前記内部強度部材の端面の少なくとも一部が、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合されており、
   前記内部強度部材は、ロータ軸方向から見た形状が略Ｖ字型をしており、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合された部分の下方に開口スペースを有することを特徴とする蒸気タービンの低圧排気室。
3. 低圧タービンロータを内包する低圧タービン内部車室と、低圧タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、前記低圧タービン内部車室の外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、前記低圧タービン内部車室および前記フローガイドを取り囲み、上下二分割構造を有するタービン外部車室と、前記タービン外部車室の内部に設けられた内部強度部材とを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの低圧排気室であって、
   前記タービン外部車室の上半部と下半部の接続面の少なくとも一部はロータ軸中心を通る水平面より上方に形成され、前記内部強度部材の端面の少なくとも一部が、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合されており、
   前記内部強度部材は、ロータ軸方向から見た形状が下方に凸する略弓型をしており、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合された部分の下方に開口スペースを有することを特徴とする蒸気タービンの低圧排気室。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の蒸気タービンの低圧排気室であって、
   前記内部強度部材は、前記タービン外部車室の下半部のロータ軸に垂直な方向の内壁面間に接合された板状部材であることを特徴とする蒸気タービンの低圧排気室。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の蒸気タービンの低圧排気室であって、
   前記内部強度部材が接合するタービン外部車室の下半部の内壁面は、ロータ軸方向から見た断面形状が直線状であることを特徴とする蒸気タービンの低圧排気室。
6. 低圧タービンロータを内包する低圧タービン内部車室と、低圧タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、前記低圧タービン内部車室の外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、前記低圧タービン内部車室および前記フローガイドを取り囲み、上下二分割構造を有するタービン外部車室と、前記タービン外部車室の内部に設けられた内部強度部材とを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの低圧排気室の改造方法であって、
   前記タービン外部車室の上半部と下半部の接続面の少なくとも一部をロータ中心軸を通る水平面より上方に設置し、
   前記内部強度部材の端面の少なくとも一部を、前記タービン外部車室の下半部のロータ軸中心を通る水平面より上方の内壁面に接合し、
   前記内部強度部材の前記タービン外部車室への接合端の一部を切り欠き、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合された部分の下方に開口スペースを形成することを特徴とする蒸気タービンの低圧排気室の改造方法。
7. 低圧タービンロータを内包する低圧タービン内部車室と、低圧タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、前記低圧タービン内部車室の外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、前記低圧タービン内部車室および前記フローガイドを取り囲み、上下二分割構造を有するタービン外部車室と、前記タービン外部車室の内部に設けられた内部強度部材とを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの低圧排気室の改造方法であって、
   前記タービン外部車室の上半部と下半部の接続面の少なくとも一部をロータ中心軸を通る水平面より上方に設置し、
   前記内部強度部材の端面の少なくとも一部を、前記タービン外部車室の下半部のロータ軸中心を通る水平面より上方の内壁面に接合し、
   前記内部強度部材として、ロータ軸方向から見た形状が略Ｖ字型の板状部材を設置し、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合された部分の下方に開口スペースを形成することを特徴とする蒸気タービンの低圧排気室の改造方法。
8. 低圧タービンロータを内包する低圧タービン内部車室と、低圧タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、前記低圧タービン内部車室の外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、前記低圧タービン内部車室および前記フローガイドを取り囲み、上下二分割構造を有するタービン外部車室と、前記タービン外部車室の内部に設けられた内部強度部材とを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの低圧排気室の改造方法であって、
   前記タービン外部車室の上半部と下半部の接続面の少なくとも一部をロータ中心軸を通る水平面より上方に設置し、
   前記内部強度部材の端面の少なくとも一部を、前記タービン外部車室の下半部のロータ軸中心を通る水平面より上方の内壁面に接合し、
   前記内部強度部材として、ロータ軸方向から見た形状が下方に凸する略弓型の板状部材を設置し、前記タービン外部車室の下半部のロータ中心軸を通る水平面より上方の内壁面に接合された部分の下方に開口スペースを形成することを特徴とする蒸気タービンの低圧排気室の改造方法。