JP6227653B2 - 蒸気タービンの水分除去装置、及びスリット孔の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンの湿り蒸気流に含まれる水分を効率良く除去可能な水分除去装置、及び静翼翼面に付着した水分を取り込むためのスリット孔を静翼翼面に形成する方法に関する。

蒸気タービンの最終段付近では蒸気流の湿り度が８％以上となる。この湿り蒸気流から発生する水滴によって湿り損失が発生し、タービン効率が低下する。また、この湿り蒸気から発生した水滴が高速で回転する動翼に衝突して浸食現象が起る。湿り蒸気流に含まれる水滴は静翼表面に付着し水膜が形成される。この水膜は、湿り蒸気流によって付勢されて水膜流となり静翼後縁側へ流れる。そして、静翼後縁で千切れ、静翼の下流側で粗大水滴が形成される。この粗大水滴が動翼のエロージョンを引き起こす大きな原因のひとつとなっている。

図１６は、蒸気タービンにおける蒸気流の流れ場を示す。静翼１００は、ロータ軸（図示省略）側に設けられたダイヤフラム１０４と、チップ側に設けられた支持リング１０６との間に接続されている。湿り蒸気流ｓに含まれる微小水滴ｄｗは、静翼１００の表面、特に、静翼背面ｂｓよりも湿り蒸気ｓに面している静翼腹面ｆｓに多く付着し、静翼翼面で集積して静翼後縁側へ向かう水膜流ｓｗを形成する。静翼翼面の水膜流ｓｗは、静翼前縁ｆｅ側から静翼後縁ｒｅ側へ流れ、静翼後縁ｒｅで千切れて粗大水滴ｃｗとなり、粗大水滴ｃｗは下流側の動翼に衝突して動翼表面を浸食する。

図１７は、静翼出口部の湿り蒸気流ｓの速度三角形を示す。静翼出口部の湿り蒸気流ｓの絶対速度Ｖｓと比較して、粗大水滴ｃｗの絶対速度Ｖｃｗは小さくなる。そのため、動翼１０２の周速Ｕを考慮した相対速度場では、湿り蒸気流ｓの相対速度Ｗｓと比較して、粗大水滴ｃｗの相対速度Ｗｃｗが大きくなり、入射角が小さくなって動翼１０２の翼面に高速で衝突する。これによって、動翼１０２の特に周速が大きい翼先端部付近では粗大水滴ｃｗによる浸食を受けやすい。また、粗大水滴ｃｗの衝突で動翼１０２の制動損失が増加する。

そこで、静翼表面に付着した水滴を除去するために、静翼表面に開口するスリット孔を形成し、静翼表面に付着した水滴をこのスリット孔から取り込み、蒸気流の流れ場から除去する方法が従来から行われている。特許文献１及び２には、かかるスリット孔を形成した静翼の構成が開示されている。

図１８〜図２１は、かかるスリット孔を形成した静翼の例を示す。図１８において、静翼１００の軸方向両端は、ロータ軸１０８側に設けられロータ軸１０８とは別体のダイヤフラム１０４と、チップ側の支持リング１０６とに接続されている。動翼１０２はディスクロータ１１０を介してロータ軸１０８と一体に形成されている。静翼腹面ｆｓに複数のスリット孔１１２が、静翼背面ｂｓに複数のスリット孔１１４が、夫々静翼１００の軸方向に形成されている。支持リング１０６の内部に中空部１０６ａが形成されている。

図１９及び図２０に示すように、静翼１００の内部には中空部１００ａが形成されている。中空部１００ａは、支持リング１０６に形成された孔１０６ｂを介して中空部１０６ａに連通している。中空部１００ａは、孔１０６ｃを介して低圧域に連通している。静翼表面に付着し後縁に向かって流れる水膜流ｓｗは、スリット孔１１２及び１１４から中空部１００ａに取り込まれる。支持リング１０６の後端にもスリット溝１１６が形成され、スリット溝１１６は低圧域に連通している。前記低圧域は、蒸気流の流れ場に対して、スリット孔１１２及び１１４から水膜流ｓｗを吸い込み、吸い込んだ水分を中空部１０６ａに排出できるだけの差圧があればよい。

図２０は、静翼腹面に開口するスリット孔１１２を形成した従来の例を示す。静翼腹面ｆｓに形成される水膜流ｓｗは、静翼前縁ｆｅから静翼後縁ｒｅへ行くほど、水滴を集めて集積量が増大する。そのため、静翼腹面ｆｓにスリット孔を形成する場合、水分除去量を多くするため、中空部１００ａとの連通が可能な範囲で、できるだけ静翼後縁側に形成されている。

また、図２１に示すように、従来、静翼腹面ｆｓに形成されたスリット孔１１２の静翼後縁側壁面１１２ａ及び静翼前縁側壁面１１２ｂは、特許文献１に開示されているように、静翼腹面ｆｓの前縁側基準面に対する傾斜角度Ａが、９０°より大きくなるように形成されている。この理由は、スリット孔１１２のスリット幅ｈと比較してスリット孔１１２の入口開口ｅ及び出口開口ｆの幅を多少とも広げると共に、スリット孔１１２を湿り蒸気流ｓの流れ方向に向けることで、湿り蒸気流ｓをスリット孔に進入しやすくするためである。これによって、湿り蒸気流ｓをスリット孔１１２に積極的に取り込み、湿り蒸気流ｓに随伴させて水膜流ｓｗをスリット孔１１２に取り込むようにしている。

特開昭６４−０８０７０５号公報 特開平０９−０２５８０３号公報

図２１に示す従来のスリット孔１１２では、水分と共に、大量の蒸気を取り込んでしまい、そのため、蒸気流の漏洩損失が増加し、タービン効率が低下するという問題がある。

本発明は、前記の問題点に鑑みなされたものであり、静翼の簡単な加工で、静翼翼面に形成される水膜流の除去効率を向上すると共に、蒸気流の漏洩損失を抑えることで、タービン効率の低下を抑制可能にすることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の蒸気タービンの水分除去装置は、静翼の内部に形成された水分除去流路と、静翼翼面に開口し、水分除去流路に連通すると共に、蒸気流と交差する方向に延在するスリット孔とを備えている。そして、スリット孔は、静翼翼面に対して段差を有する凹部と、該凹部の底面と水分除去流路とに連通する１個以上の貫通孔とからなる。さらに、スリット孔の断面を静翼高さ方向に投影した投影面において、凹部の底面に開口する貫通孔の入口開口の領域が凹部の投影幅の一部を占めるものである。

本発明では、前記凹部を形成してスリット孔の入口開口（水分採取面積）を広げることで、水分除去効率を向上できる。一方、水分除去流路に連通する貫通孔の断面積を縮小することで、エネルギとして利用価値のある蒸気流の漏洩を抑制しつつ、水分を除去することができる。
また、スリット孔の断面を静翼高さ方向に投影した投影面において、凹部の底面に開口する貫通孔の入口開口の領域が凹部の投影幅の一部を占めるように構成することで、貫通孔の周囲に静翼翼面に対して段差を有する凹部底面を形成できる。この凹部底面に静翼翼面から水膜流を一旦取り込み、その後、水膜流を貫通孔に流入させることで、蒸気流からの水分の分離効果を向上できる。

貫通孔の形状は種々の形状を採用できる。例えば、貫通孔の軸方向は、凹部の底面に対して直角としてもよく、あるいは凹部の底面に対して傾斜させてもよく、設計条件によって適宜に設定できる。また、貫通孔の断面形状は、例えば円形又は角形でもよく、あるいは貫通孔をスリット状に細長く形成してもよい。例えば、入口開口側領域を逆台形状の断面とすれば、水分を取り入れやすくなる。

本発明の一態様として、スリット孔の貫通孔を静翼翼面のチップ側領域に形成することができる。蒸気流れ場においては、静翼のチップ側領域よりハブ側領域のほうが高圧となる。そのため、スリット孔を翼高さ方向全域に形成すると、ハブ側領域に形成された貫通孔から水分除去流路に流入した蒸気がチップ側領域に形成された貫通孔から蒸気流れ場に逆流する循環流が形成され、水分除去効率が低下するおそれがある。そのため、貫通孔をチップ側領域に形成することで、かかる循環流の形成をなくすことができる。

本発明の一態様として、スリット孔を静翼翼面に開口させると共に、貫通孔の入口開口を水分除去流路の後縁側端部に対応した静翼翼面側に開口させると共に、スリット孔の出口開口をスリット孔の後縁側端部に連通させることができる。
静翼翼面に形成される水膜流は、蒸気流によって静翼後縁に向かって流れるため、静翼後縁に行くほど水量が増大する。特に、前述のように、静翼腹面に形成される水膜流は、静翼前縁から静翼後縁へ行くほど、水滴を集めて集積量が増大する。そのため、静翼腹面に開口しているスリットを、水分除去流路との連通が可能な範囲で、できるだけ静翼後縁側に形成することで、水分除去量を増加させることができる。従って、静翼腹面に開口するスリット孔を設けた場合に特に水分除去量を増加できる。

また、前記構成に加えて、スリット孔の軸方向を静翼翼面の前縁側基準面に対して鋭角となるように構成することができる。
なお、本明細書において、「静翼翼面の前縁側基準面」とは、スリット孔を構成する壁面の静翼翼面に対する傾斜角を表現する場合に、該壁面より静翼前縁側の静翼翼面を基準とすることを意味する。
前記構成により、水分除去流路に連通する貫通孔の出口開口を静翼前縁側へ配置でき、その分スリット孔の入口開口を水分総集積割合が大きい静翼後端側へ配置できる。そのため、スリット孔の水分除去量を増大できる。

本発明の一態様において、貫通孔の入口開口を凹部の底面の静翼後端側端部に形成することができる。即ち、スリット孔の断面を静翼幅方向に投影した投影面において、凹部の底面に開口する貫通孔の入口開口の領域が凹部の投影幅の一部を占め、貫通孔の入口開口が凹部底面の静翼後縁側端部に開口するように構成するとよい。これによって、静翼翼面から流入した水膜流を一旦凹部に導き、凹部の底面で貯留することで、蒸気流からの水膜流の分離効果を向上できる。

本発明の一態様として、貫通孔の軸方向を、入口開口から出口開口に向かって静翼チップに向かう方向に傾斜させることができる。静翼翼面では、蒸気流は種々の方向へ流れる。例えば、静翼のハブ側からチップ側へ流れる場合がある。このような流れによって、静翼翼面の水膜流も同じ方向に流れる。そのため、貫通孔の軸方向を、入口開口から出口開口に向かって静翼チップに向かう方向に傾斜させ、貫通孔を水膜流の流れ方向へ向けることで、貫通孔の水分取込量を増加できる。

また、本発明の前記スリット孔の形成方法は、静翼翼面に、放電加工によって、静翼翼面に対して段差を有する凹部を形成する凹部形成工程と、凹部の底面と水分除去流路とに連通し、スリット孔の断面を静翼高さ方向に投影した投影面において、凹部の投影幅に対し入口開口の領域が凹部の投影幅の一部を占めるように、１個以上の貫通孔を切削加工により形成する貫通孔形成工程とからなるものである。

静翼は、高温強度と耐食性を備え、難切削材と呼ばれるＮｉ基合金が使われている。そのため、スリット孔の形成のようなＮｉ基合金の精密加工は、高価な放電加工によって行われている。
本発明方法では、貫通孔の形成をドリルを用いた切削加工で行うことができるので、スリット孔の加工を安価で行うことができる。また、微細径のドリルを用いることで、微細な径の貫通孔を形成できる。そのため、蒸気流の漏洩を有効に阻止できる。

本発明によれば、スリット孔が、底面を有する凹部と、該凹部の底面と水分除去流路とに貫通し、断面積を縮小した貫通孔とで構成されているため、静翼の簡単な加工で、水分除去効率を向上させつつ、エネルギとして利用価値のある蒸気流の漏洩を抑制でき、これによって、タービン効率の低下を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る水分除去装置の正面図である。 前記第１実施形態に係る静翼の横断面図である。 前記第１実施形態に係るスリット孔の横断面図である。 前記第１実施形態に係るスリット孔の縦断面図である。 静翼翼面における水分総集積割合を示す線図である。 前記第１実施形態の変形例に係るスリット孔の縦断面図である。 前記第１実施形態のさらに別な変形例に係るスリット孔の縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係るスリット孔の断面形状を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るスリット孔の断面形状を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係るスリット孔の形状を示す正面図である。 本発明の第５実施形態に係るスリット孔の形状を示す正面図である。 効果確認試験に用いられた実施形態及び従来のスリット孔を示す正面図である。 図１２に示された実施形態に係るスリット孔の横断面図である。 前記効果確認試験による試験結果を示す線図である。 前記効果確認試験による別な試験結果を示す線図である。 蒸気タービンにおける湿り蒸気流の流れ場を示す説明図である。 静翼下流側における湿り蒸気流の速度三角形を示す線図である。 従来の水分除去装置を示す正面視断面図である。 従来のスリット孔が形成された静翼の斜視図である。 従来のスリット孔が形成された静翼の横断面図である。 図２０中のＹ部の拡大横断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
次に、本発明の第１実施形態に係る水分除去装置を図１〜図５により説明する。図１において、静翼１２が蒸気タービンの湿り蒸気流路に設けられている。静翼１２のハブ部位はダイヤフラム１４に接続され、チップ部位は支持リング１６に接続されている。湿り蒸気流ｓに対する静翼１２の翼面の向きは、図１７に示す静翼１００と同一である。
即ち、図２に示すように、湿り蒸気流ｓに対して、静翼前縁ｆｅが上流側に配置され、静翼後縁ｒｅが下流側に配置されると共に、静翼腹面ｆｓが湿り蒸気流ｓに面するように湿り蒸気流ｓに対して斜めに配置されている。湿り蒸気流ｓに含まれる水滴などの水分は、静翼腹面ｆｓ及び静翼背面ｂｓに水滴となって付着する。図１中、矢印ａ方向は静翼１２の翼幅方向を示し、矢印ｂ方向は静翼１２の翼高さ方向を示している。

水分除去装置１０は、静翼１２の内部に中空部１２ａが形成され、支持リング１６の内部に中空部１６ａが形成されている。中空部１２ａ及び中空部１６ａは支持リング１６に形成された孔１８を介して連通している。中空部１６ａには、湿り蒸気流ｓの流れ場より低圧の領域に連通する孔２０が形成され、中空部１２ａ及び１６ａは湿り蒸気流ｓの流れ場より低圧になっている。

図２に示すように、湿り蒸気流ｓが静翼前縁ｆｅ側から静翼腹面ｆｓ及び静翼背面ｂｓに沿って流れる。スリット孔２２は、静翼腹面ｆｓに開口し、静翼１２の翼幅方向で中空部１２ａの静翼後縁側端部に対応する領域に形成され、中空部１２ａの静翼後縁側端部と連通している。また、図１に示すように、スリット孔２２は、静翼１２のチップ側領域に形成され、かつ静翼高さ方向、即ち湿り蒸気流ｓの流れ方向に対してほぼ直角方向に向けて配置されている。静翼腹面ｆｓ及び静翼腹面ｆｓには湿り蒸気流ｓに含まれる水滴が付着し、水膜流ｓｗが形成される。湿り蒸気流ｓの流れによって付勢され、静翼腹面ｆｓ及び静翼背面ｂｓに形成された水膜流ｓｗも静翼後縁に向かって流れる。

図３及び図４に示すように、スリット孔２２は、静翼腹面ｆｓに開口する凹部２４と４個の貫通孔２６とからなる。凹部２４は、静翼腹面ｆｓに対してほぼ平行で平坦な底面２４ａと、静翼腹面ｆｓに対しほぼ垂直な側面２４ｂ及び２４ｃとを有している。凹部２４の開口及び断面は長方形状を有し、凹部２４の長辺は湿り蒸気流ｓと交差する方向、即ち翼高さ方向に向いている。

貫通孔２６は、円筒形状を有し、その軸線２６ａは静翼腹面ｆｓに対して垂直であり、かつその入口開口ｃは静翼幅方向で底面２４ａの静翼後縁部に開口すると共に、出口開口ｄは中空部１２ａの静翼後縁側端部に開口している。即ち、貫通孔２６は、スリット孔２２の断面を静翼幅方向及び翼高さ方向に投影した投影面において、凹部底面２４ａに開口する入口開口ｃの領域が凹部２４の投影幅の一部を占めるように形成されている。

図５は、静翼腹面ｆｓ及び静翼背面ｂｓにおける水分の総集積割合を示している。図５に示すように、静翼背面ｂｓの水分総集積割合は、静翼の幅方向でさほど変わらないのに対し、静翼腹面ｆｓでは後縁側に行くほど水分総集積割合が飛躍的に増加している。
図５から、スリット孔２２の入口開口を後縁側へ配置するほど、水分除去量を増大できることがわかる。これを加味して、本実施形態では、スリット孔２２が、静翼１２の翼幅方向で中空部１２ａの静翼後縁側端部に位置する領域に形成されている。

図３において、湿り蒸気流ｓが静翼前縁側から静翼腹面ｆｓに沿って流れ、湿り蒸気流ｓの流れによって、静翼腹面ｆｓに付着した水膜流ｓｗも静翼後縁に向かって流れる。スリット孔２２に到達した水膜流ｓｗは、凹部２４に流入し、その後、底面２４ａを流れ、貫通孔２６に流入する。
本実施形態では、凹部２４は貫通孔２６に対して広い入口開口を有しており、凹部２４の入口開口から凹部２４に水膜流ｓｗを流入させやすくなるので、水分除去効率を向上できる。さらに、水膜流ｓｗを貫通孔２６の狭い入口開口ｃに流入させ、この時、貫通孔２６はほぼ水膜流ｓｗで塞がれるので、湿り蒸気流ｓの漏洩を抑制できる。

また、湿り蒸気流ｓの流れ場において、静翼１２のチップ側領域よりハブ側領域のほうが高圧となるが、スリット孔２２が静翼１２のチップ側領域に形成されているので、ハブ側領域に形成された貫通孔から中空部１２ａに流入した蒸気がチップ側領域に形成された貫通孔から蒸気流れ場に逆流する循環流が形成されるおそれがなくなる。

また、スリット孔２２が中空部１２ａの静翼後縁側端部に位置する領域、即ち、水分総集積量が増大する場所に形成されているので、水分除去量を増加できる。
さらに、貫通孔２６が凹部底面２４ａの静翼後縁側端部に形成されているので、静翼腹面ｆｓの水膜流ｓｗは貫通孔２６の上流側で一旦凹部２４に流入し、底面２４ａで貯留する。これによって、湿り蒸気流ｓからの水膜流ｓｗの分離効果を向上できる。

次に、本実施形態のスリット孔２２の形成方法を説明する。静翼１２は、高温強度と耐食性を備え、難切削材と呼ばれるＮｉ基合金が使われている。そのため、スリット孔の形成のようなＮｉ基合金の精密加工は、従来は高価な放電加工によって行われている。
スリット孔２２の形成方法は、まず、凹部２４を放電加工によって刻設する。次に、貫通孔２６を微細な径をもつドリルを用いて切削加工する。

このように、高価な放電加工は凹部２４の加工のみに用い、貫通孔２６の加工は安価な切削加工を採用することで、加工コストを安価にすることができる。また、放電加工では微細孔の加工ができず、貫通孔２６の径を１ｍｍ以上とせざるを得なかった。一方、微細径のドリルを用いた切削加工では０．５ｍｍ程度までの微細径を形成できる。そのため、蒸気の漏洩を放電加工を用いた場合より有効に抑制できる。

次に、前記第１実施形態に対して、貫通孔２６の形状を変えた変形例を説明する。図６に示すスリット孔３０Ａは、貫通孔３２の入口側領域３２ａの断面を入口側が広い逆台形状とし、出口側領域３２ｂを円筒形状とした例である。これによって、水膜流ｓｗが貫通孔３２に流入しやすくなり、水分除去効率を向上できる。
図７に示すスリット孔３０Ｂは、貫通孔３４の断面全体を入口側が広い逆台形状に傾斜させた傾斜面３４ｃとした例である。この例では、貫通孔３４の入口開口をさらに広げることができるので、水分除去効率をさらに向上できる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図８に基づいて説明する。本実施形態に係るスリット孔４０の形状は、凹部２４は前記第１実施形態と同一であるが、貫通孔４２の断面形状が第１実施形態の貫通孔２６と異なっている。即ち、貫通孔４２は、円筒形でかつ軸方向に同一径を有しているが、軸線４２ａは、入口開口ｃが出口開口ｄより静翼前縁側に近づくように傾斜している。即ち、静翼腹面ｆｓの前縁側基準面に対する軸線４２ａの傾斜角Ａは、９０°＜Ａ＜１８０°である。貫通孔４２の出口開口が凹部２４の静翼後縁側端部に形成されていることは第１実施形態と同様であり、スリット孔４０以外の構成も第１実施形態と同一である。

スリット孔４０の形成方法は、第１実施形態と同様に、凹部２４を放電加工で刻設し、貫通孔４２を微細径のドリルで切削加工する。なお、加工のしやすさ及び静翼１２の強度の面から、１１０°≦Ａが望ましい。
本実施形態によれば、貫通孔４２の軸方向が水膜流ｓｗの流入方向に向いているので、貫通孔４２への水膜流ｓｗの流入が容易になり、水分除去効率を向上できる。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を図９に基づいて説明する。本実施形態に係るスリット孔５０の凹部２４は前記第２実施形態の凹部２４と同一形状であり、かつ貫通孔５２が円筒形で軸方向に同一径を有している点は第２実施形態の貫通孔４２と同一である。第２実施形態の貫通孔２６と異なる構成は、静翼腹面ｆｓの前縁側基準面に対する貫通孔５２の軸線５２ａの傾斜角Ａが、鋭角となるように傾斜している点である（０°＜Ａ＜９０°）。
さらに、凹部２４の静翼後縁側側面の一部が、軸線５２ａと同一方向で貫通孔５２の壁面と連続した円弧面２４ｄとなるように切削加工されている。円弧面２４ｄは、ドリルを用いて貫通孔５２を切削加工するときに必要となる面であり、貫通孔５２と同時に加工される。

貫通孔５２の静翼後縁側上端Ｂの静翼幅方向位置は、凹部２４の静翼後縁側側面２４ｃの下端の静翼幅方向位置と一致する。スリット孔５０以外の構成は、第１実施形態と同一である。なお、加工のしやすさ及び静翼１２の強度の面から、２０°≦Ａが望ましい。

本実施形態によれば、貫通孔５２の出口開口ｄを貫通孔５２が静翼腹面ｆｓに対して傾斜している分だけ静翼前縁側へ配置できる。そのため、出口開口ｄを中空部１２ａの静翼後縁側端部に連通させたまま、スリット孔５２の位置を静翼後縁側へ移動できる。そのため、スリット孔５０を水分総集積割合が増大した場所に配置できるので、水分除去効率をさらに向上できる。

（実施形態４）
次に、本発明の第４実施形態を図１０に基づいて説明する。実際の蒸気流れ場では1次元的な流れでなく、静翼背面ｂｓ及び静翼腹面ｆｓを含めて、静翼翼面の半径方向へ流れる。そのような半径方向流れの大きい箇所では、3次元的にその流れの方向に向けて貫通孔を傾斜させることが望ましい。
そこで、本実施形態は、ハブ側からチップ側へ半径方向へ湿り蒸気流ｓが流れる流れ場が形成される静翼腹面ｂｓの静翼後縁ｒｅ付近でかつ支持リング１６の近くにスリット孔を形成した例である。

スリット孔６０の凹部２４は静翼腹面ｆｓに開口し、その形状は前記第１実施形態の凹部２４と同一であり、その長辺は翼高さ方向に向けられている。貫通孔６２は円筒形状を有し、軸線６２ａの方向で同一径を有している。本実施形態では、凹部２４に開口する貫通孔６２の入口開口ｃは中空部１２ａに開口する出口開口ｄよりハブ側領域に位置している。即ち、貫通孔６２の軸線６２ａが入口開口ｃから出口開口ｄに向かってハブ側領域からチップ側領域へ向かうように傾斜している。スリット孔６０以外の構成は第１実施形態と同一である。

ハブ側領域からチップ側領域へ流れる湿り蒸気流ｓと共に、静翼腹面ｆｓに形成された水膜流ｓｗも翼高さ方向でかつハブ側からチップ側へ流れる。
本実施形態によれば、チップ側へ流れる水脈ｓｗと同一方向に傾斜して貫通孔６２が形成されているので、水膜流が貫通孔６２に流入しやすくなり、これによって、水分除去効率を向上できる。

（実施形態５）
次に、本発明の第５実施形態を図１１に基づいて説明する。本実施形態に係るスリット孔７０は、前記第１実施形態と同様に、静翼腹面ｆｓに開口し、中空部１２ａの静翼後縁側端部に貫通孔７４が連通できる位置に形成されている。スリット孔７０は、翼高さ方向に形成され、そのうち凹部７２はハブ側領域の一部を除き翼高さ方向全域に形成され、３個の貫通孔７４はチップ側領域の凹部７２のみに形成されている。また、貫通孔７４は、スリット状の形状を有し、貫通孔７４の軸線が静翼腹面ｆｓに対し垂直となるように形成されている。スリット孔７０の配置及び形状以外の構成は第１実施形態と同一である。
なお、凹部７２の幅は、静翼１２の設計上の翼面プロファイルを逸脱させない程度に抑える必要がある。例えば、貫通孔７４の２倍程度（2倍±１０％）とする。

本実施形態によれば、凹部７２を静翼腹面ｆｓの翼高さ方向のほぼ全域に形成したことで、静翼前縁ｆｅのほぼ全域に亘り水膜流ｓｗを凹部７２に捕集できる。凹部７２で捕集した水分を貫通孔７４に取り込むことで、水分除去効率を向上できる。
また、貫通孔７４をスリット状の開口をしたことで、凹部７２及び貫通孔７４を共に放電加工で加工する必要が生じ、加工コストが上昇する可能性があるが、貫通孔７４を開口面積が大きいスリット状としたことで、貫通孔７４から流出する水膜流ｓｗの流量を増加できる。これによって、水分除去効率を向上できる。

なお、図５に示すように、静翼腹面ｆｓに開口するスリット孔を形成する場合、できるだけ静翼後縁ｒｅ側にスリット孔を形成することで、水分除去効率を向上できる。また、静翼背面ｂｓに開口するスリット孔を形成する場合でも、静翼後縁ｒｅ側にスリット孔を形成したほうが水分除去量を増加できる。
また、前記実施形態はいずれも静翼腹面にスリット孔を開口させた例であるが、本発明は、静翼背面にスリット孔を開口させるようにしてもよい。又本発明は必要に応じて前記夫々の実施形態を組み合わせて構成してもよい。

次に、本発明の一実施形態に係る作用効果を確認するために行った試験結果を図１２〜図１５に基づいて説明する。図１２にこの試験に用いられた従来のスリット孔及び実施形態のスリット孔の構成を説明する。図１２において、従来のスリット孔１１２及び実施形態のスリット孔８０は静翼１００又は１２の高さ方向に配置され、かつ同一のチップ側領域Ｒに形成されている。支持リング１０６及び１６は内部に中空部（不図示）を有しており、これら中空部は静翼１００又は１２の内部に形成された中空部を介してスリット孔８０及び１１２と連通している。スリット孔１１２及び８０は静翼腹面ｆｓに開口し、静翼１００又は１２の翼幅方向で静翼内部に形成された中空部の静翼後縁側端部に対応する領域に形成されている。

スリット孔１１２は図２１に図示されたスリット孔１１２と同一の構成を有しており、静翼腹面ｆｓの前縁側基準面に対する傾斜角度は１３５°である。
図１３にスリット孔８０の横断面を示す。スリット孔８０は、図８に示す第２実施形態のスリット孔４０の変形例である。即ち、凹部８２は、静翼腹面ｆｓに対して平行で平坦な底面８２ａと、静翼腹面ｆｓに対し傾斜した側面８２ｂ及び８２ｃとを有し、これら側面の傾斜角度Ｃは１３５°である。
図１２に示すように、貫通孔８４は長方形の入口開口ｃを有している。貫通孔８４は静翼腹面ｆｓの前縁側基準面に対して傾斜しており、その傾斜角Ａは１３５°である。また、凹部８２の側面８２ｃと貫通孔８４とは連続した同一の平面を形成している。

スリット孔８０の加工は、凹部８２及び貫通孔８４を放電加工によって行っている。この試験は、作動流体ｍｆとして、実際の湿り蒸気流ｓに似せて、空気中に水分を付加した２層流体を用いた。該水分の粒径は湿り蒸気流ｓに含まれる水分の粒径に合わせた。
図１４は両スリット孔の水分除去効率を示し、図１５は作動流体ｍｆが静翼１２の中空部１２ａに漏れた漏れ比率を示している。図１４及び図１５の横軸（スリット圧力比）は、「静翼腹面ｆｓ側圧力／中空部１２ａの圧力」を示している。

図１４及び図１５に示すように、両スリット孔１１２及び１２とも、スリット圧力比が増加するにつれて、水分除去効率及び作動流体漏れ比率は増加しているが、図１４に示す水分除去効率は、スリット孔８０の方がスリット孔１１２よりおおよそ１０〜２０％上回っており、図１５に示す作動流体漏れ比率は、スリット孔８０がスリット孔１１２より５０％以上下回っている。
この理由は、前述のように、凹部８２は貫通孔８４と比べて広い入口開口を有しているため、水膜流ｓｗが凹部８２に流入しやすくなり、水分除去効率を向上できるからまたさらに、水膜流ｓｗが貫通孔８４の狭い入口開口ｃに流入することで、貫通孔８４はほぼ水膜流ｓｗで塞がれるため、湿り蒸気流ｓの漏洩を抑制できるからである。

なお、スリット孔８０では、凹部８２の側面８２ｃと貫通孔８４の一方の側面とが連続した同一平面で構成されており、かつ凹部８２の側面８２ｂも側面８２ｃと同一の傾斜角を有しているので、加工が容易になる利点がある。

本発明によれば、静翼の簡単な加工で、静翼翼面に形成される水膜流の除去効率を向上し、動翼のエロージョンを抑制可能にすると共に、蒸気流の漏洩損失を抑え、タービン効率の低下を抑制することができる。

１０ 水分除去装置
１２，１００ 静翼
１２ａ、１００ａ 中空部（水分除去流路）
１４，１０４ ダイヤフラム
１６，１０６ 支持リング
１６ａ、１０６ａ 中空部
１８，２０、１０６ｂ、１０６ｃ 孔
２２，３０Ａ、３０Ｂ、４０、５０、６０，７０，８０、１１２，１１４ スリット孔
２４、７２、８２ 凹部
２４ａ、８２ａ 底面
２４ｂ、２４ｃ、８２ｂ、８２ｃ 側面
２４ｄ 円弧面
１１２ａ 静翼後縁側壁面
１１２ｂ 静翼前縁側壁面
ｅ 入口開口
ｆ 出口開口
２６、３２、３４、４２、５２、６２、７４、８４ 貫通孔
３２ａ 入口側領域
３２ｂ 出口側領域
３４ｃ 傾斜面
ｃ 入口開口
ｄ 出口開口
ｈ スリット幅
４２ａ、５２ａ、６２ａ、８４ａ 軸線
１０２ 動翼
１０８ ロータ軸
１１０ ディスクロータ
１１６ スリット溝
ｃ 入口開口
ｄ 出口開口
Ａ 傾斜角
Ｕ 周速
Ｖｓ、Ｖｃｗ 絶対速度
Ｗｓ、Ｗｃｗ 相対速度
ｂｓ 静翼背面
ｃｗ 粗大水滴
ｄｗ 微小水滴
ｆｅ 静翼前縁
ｆｓ 静翼腹面
ｍｆ 作動流体
ｒｅ 静翼後縁
ｓ 湿り蒸気流
ｓｗ 水膜流

Claims (10)

1. 静翼翼面に付着する水分を除去する蒸気タービンの水分除去装置において、
   静翼の内部に形成された水分除去流路と、
   前記静翼翼面に開口し、蒸気流と交差する方向に延在するスリット孔とを備え、
   前記スリット孔は、前記静翼翼面に対して段差を有するとともに前記静翼翼面に平行で平坦な底面を有する凹部と、該凹部の底面と前記水分除去流路とに連通する１個以上の貫通孔とを含み、
   前記スリット孔の断面を静翼高さ方向に投影した投影面において、前記凹部の底面に開口する前記貫通孔の入口開口の領域が前記凹部の投影幅の底面の一部を占めており、
   前記貫通孔は、少なくとも、前記凹部の平坦な前記底面に開口する前記貫通孔の入口側が逆台形状の断面を有するドリル孔であることを特徴とする蒸気タービンの水分除去装置。
2. 前記スリット孔の貫通孔が前記静翼翼面のチップ側領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンの水分除去装置。
3. 前記スリット孔は静翼翼面に形成され、
   前記貫通孔の入口開口が前記水分除去流路の後縁側端部に対応した静翼翼面側に開口すると共に、前記スリット孔の出口開口が前記スリット孔の後縁側端部に連通していることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンの水分除去装置。
4. 前記貫通孔の入口開口が前記凹部の底面の静翼後端側端部に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の蒸気タービンの水分除去装置。
5. 静翼翼面に付着する水分を除去する蒸気タービンの水分除去装置において、
   静翼の内部に形成された水分除去流路と、
   前記静翼翼面に開口し、蒸気流と交差する方向に延在するスリット孔とを備え、
   前記スリット孔は、前記静翼翼面に対して段差を有するとともに前記静翼翼面に平行で平坦な底面を有する凹部と、該凹部の底面と前記水分除去流路とに連通する１個以上の貫通孔とを含み、
   前記スリット孔の断面を静翼高さ方向に投影した投影面において、前記凹部の底面に開口する前記貫通孔の入口開口の領域が前記凹部の投影幅の底面の一部を占めており、
   前記貫通孔の軸方向が、入口開口から出口開口に向かって静翼ハブから静翼チップに向かう方向に傾斜していることを特徴とする蒸気タービンの水分除去装置。
6. 前記スリット孔の軸方向が、前記静翼翼面の前縁側基準面に対して鋭角となるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の蒸気タービンの水分除去装置。
7. 前記スリット孔の断面を静翼高さ方向に投影した投影面において、前記貫通孔の入口開口の領域が前記凹部の投影幅の底面の一部のみを占めており、
   前記スリット孔の断面を静翼幅方向に投影した投影面において、前記貫通孔の入口開口の領域が前記凹部の投影幅の底面の一部のみを占めていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の蒸気タービンの水分除去装置。
8. 静翼の内部に形成された水分除去流路と、
   前記静翼の翼面に開口し、蒸気流と交差する方向に延在するスリット孔とを備える蒸気タービンの水分除去装置のスリットの形成方法であって、
   前記静翼の翼面に、放電加工によって、前記静翼の翼面に対して段差を有するとともに前記静翼の翼面に平行で平坦な底面を有する凹部を形成する凹部形成工程と、
   前記凹部の底面と前記水分除去流路とに連通し、前記スリット孔の断面を静翼高さ方向に投影した投影面において、前記凹部の投影幅に対し入口開口の領域が前記凹部の投影幅の一部を占めるように、１個以上の貫通孔を切削加工により形成する貫通孔形成工程とを備え、
   前記貫通孔は、前記凹部の平坦な前記底面に開口するようにドリル加工によって形成することを特徴とするスリット孔の形成方法。
9. 前記貫通孔は、前記凹部の平坦な前記底面に開口するとともに、前記貫通孔の軸方向が入口開口から出口開口に向かって静翼ハブから静翼チップに向かう方向に傾斜するようにドリル加工によって形成する
   ことを特徴とする請求項８に記載のスリット孔の形成方法。
10. 前記貫通孔は、前記貫通孔は、少なくとも、前記凹部の平坦な前記底面に開口する前記貫通孔の入口側が逆台形状の断面を有する
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のスリット孔の形成方法。

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