JP6278329B2

JP6278329B2 - 蒸気タービン

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Publication number: JP6278329B2
Application number: JP2017501583A
Authority: JP
Inventors: 拓郎香田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2035-02-23
Also published as: EP3249157A1; EP3249157A4; US11156089B2; JPWO2016135832A1; WO2016135832A1; EP3249157B1; US20180038230A1

Description

本発明は、蒸気で駆動する蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、軸線を中心として回転するロータと、このロータを覆うケーシングとを備えている。ロータは、軸線を中心として軸方向に延びるロータ軸と、ロータ軸の外周に固定され軸方向に並ぶ複数の動翼列と、を有する。蒸気タービンは、さらに、ケーシングの内周に固定され、複数の動翼列毎の上流側に配置されている静翼列を有する。動翼列と、この動翼列の上流側に隣接している静翼列との組は、一般的に段と呼ばれる。

以下の特許文献１に記載されている蒸気タービンでは、最も上流側の段である調速段を衝動段にし、この調速段の下流側の全ての段を反動段にしている。各反動段の動翼列は、ドラム型ロータ軸の外周に固定されている。このドラム型ロータ軸とは、全体が軸方向に長い円筒状を成すロータ軸のことである。反動段は、反動段を構成する動翼列中で蒸気圧力低下させる一方で、蒸気の流速を高め、この蒸気の反動で動翼列に回転力を付与する段である。

特許第３２３８２６７号公報

蒸気タービンの段として、反動段を用いると衝動段を用いる場合よりも基本的に翼素性能を高めることができる。しかしながら、反動段では、この反動段を構成する動翼列の上流側と下流側との間での圧力差が大きいため、衝動段に比べて、動翼列の上流側に存在する蒸気の一部がこの動翼列を通らない蒸気漏れの量が多くなる。

上記特許文献１に記載の蒸気タービンでは、前述したように、最も上流側の調速段が衝動段とであるものの、この衝動段の下流側の全ての段が反動段である。この反動段を構成する段のうち、上流側の反動段で蒸気漏れが多いと、調速段を通過した直後で、未だ高圧の蒸気が持つエネルギーを有効に利用できない。このため、特許文献１に記載の蒸気タービンでは、タービン効率が十分に高いとは言い難い。

そこで、本発明は、タービン効率をより高めることができる蒸気タービンを提供することを目的とする。

前記目的を達成するための発明に係る一態様としての蒸気タービンは、
軸線を中心として回転するロータ軸と、前記ロータ軸の外周に固定され、前記軸線が延びる軸方向に並んでいる複数の動翼列と、複数の前記動翼列毎に、前記動翼列の前記軸方向における上流側に隣接している静翼列と、を備える。前記動翼列と当該動翼列の上流側に隣接配置されている前記静翼列との組で構成される複数の段のうち、最も上流側に配置されている段が調速段であり、前記調速段の下流側に配置されている１以上の段が中圧段であり、前記中圧段の下流側に配置されている１以上の段が低圧段である。前記調速段は、衝動段であり、前記中圧段は、反動度が２５％以上で３５％以下である中反動度である中反動度衝動段であり、前記低圧段は、反動度が前記中圧段の反動度よりも高い反動段である。

段の反動度が大きいほど、段を構成する翼の翼素性能が基本的に高い。しかしながら、反動度の大きい段では、この段を構成する動翼列の上流側と下流側との間での圧力差が大きいため、動翼列の上流側に存在する蒸気の一部がこの動翼列を通らない蒸気漏れの量が多くなる。

反動度の大きい複数の段のうち、上流側の段で蒸気漏れが多い場合、調速段を通過した直後で、未だ高圧の蒸気が持つエネルギーを有効に利用できず、結果として、タービン効率を高めることができない。

当該蒸気タービンでは、調速段を衝動段とし、この調速段の下流側の中圧段を中反動度衝動段とし、この中圧段の反動度を調速段の反動よりも大きくする一方で、中圧段の反動度をその下流側の低圧段の反動度より低くしている。

このため、当該蒸気タービンでは、本実施形態では、調速段の下流側の中圧段を構成する段での上流側と下流側との間の圧力差が小さくなり、中圧段を構成する段での蒸気漏れ量を減らすことができる。このため、当該蒸気タービンでは、中圧段を構成する翼の翼素性能を調速段を構成する翼の翼素性能よりも高めつつも、中圧段において高圧の蒸気が持つエネルギーを有効利用でき、タービン効率を高めることができる。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段は、複数の段を有して構成され、前記中圧段を構成する複数の前記段の反動度は、上流側の段から下流側に段になるに連れて大きくなってもよい。

当該蒸気タービンでは、中圧段のうちでも、より高圧の蒸気が通過する上流側の段の反動度を小さくすることで、より高圧の蒸気の漏れを少なくすることができる。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記ロータ軸は、前記軸線を基準に放射方向に広がり、互いに間隔をあけて前記軸方向に並ぶ複数の仕切部を有し、前記中圧段の前記動翼列は、複数の前記仕切部のうちのいずれかの仕切部の外周部に固定され、前記中圧段の前記動翼列が固定されている前記仕切部である中圧段仕切部には、前記軸方向に貫通するバランスホールが形成されていてもよい。

当該蒸気タービンでは、ロータ軸としてディスク型ロータ軸を採用するので、ドラム型ロータ軸を採用する場合よりも、蒸気漏れを少なくすることができる。

しかしながら、反動度の大きい段を備える蒸気タービンで、ディスク型ロータ軸を採用した場合、ロータ軸にかかるスラスト力が大きくなり、スラスト軸受の大型化を招く。これは、反動度が大きい段の場合、この段の動翼列が固定されている仕切部の上流側と下流側との圧力差が大きくなるからである。そこで、当該蒸気タービンでは、ロータ軸として蒸気漏れ量の少ないディスク型ロータ軸を採用しつつも、ロータ軸に作用するスラスト力を小さくするため、中圧段仕切部にバランスホールを形成している。

前記ロータ軸が複数の前記仕切部を有する前記蒸気タービンにおいて、前記静翼列は、前記軸線を中心とした周方向に並んでいる複数の静翼と、複数の前記静翼の前記軸線に対する径方向内側に配置され、複数の前記静翼列が固定されている内側リングと、を有し、前記中圧段を構成する前記静翼列の前記内側リングは、前記中圧段仕切部と間隔をあけて軸方向で対向し、前記中圧段を構成する前記静翼列の前記内側リングに固定され、前記バランスホールよりも前記軸線に対する径方向外側の部分で前記中圧段仕切部との間をシールするシールを備えてもよい。なお、シールは、複数備えてもよい。この場合、複数のシールは、列を成していてもよい。

当該蒸気タービンでは、中圧段における蒸気漏れをより少なくすることができる。

前記シールを備える前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段仕切部には、前記中圧段仕切部の前記内側リング側であって前記バランスホールよりも前記径方向外側に、前記軸線に対する径方向を向く中間周面が形成され、前記シールは、前記径方向に延びて前記中圧段仕切部の前記中間周面と対向する先端部を有するラジアルフィンを備えてもよい。

中圧段を構成する静翼列の内側リングとロータ軸の中圧段仕切部との間をシールするシールがアキシャルフィンである場合、蒸気タービンへの蒸気流入によるロータ軸の軸方向への熱伸び(熱膨張)により、アキシャルフィンの先端とこの対向面との間の隙間が組立時より大きくなる。よって、このシールがアキシャルフィンである場合、蒸気タービンへの蒸気流入量の変動により蒸気漏れ量が多くなる。当該蒸気タービンでは、このシールがラジアルフィンを有しているため、蒸気タービンへの蒸気流入量の変動に伴うロータ軸の軸方向への熱伸びがあっても、ラジアルフィンの先端とこの対向面との間の隙間の変動が小さい。よって、当該蒸気タービンでは、中反動度衝動段である中圧段での蒸気漏れを極めて少なくすることができる。

以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の最適速度比は、前記調速段の最適速度比より小さく前記低圧段の最適速度比よりも大きくてもよい。なお、ここでいう速度比とは蒸気絶対速度を周速で割ったものである。中圧段の反動度が他の段の反動度に対して中レベルであれば、中圧段の最適速度比も、他の段の最適速度比に対して基本的に中レベルになる。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の最適速度比は、１．９未満で１．５以上であってもよい。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼の転向角は、前記調速段の前記動翼列を構成する複数の動翼の転向角より小さく、前記低圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼の転向角より大きくてもよい。なお、転向角が小さいほど翼素性能が高くなる。また、中圧段の反動度が他の段の反動度に対して中レベルであれば、中圧段を構成する動翼の転向角も、他の段を構成する動翼の転向角に対して基本的に中レベルになる。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼の転向角は、１２０°未満で１００°以上であってもよい。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼の転向角は、前記調速段の前記静翼列を構成する複数の静翼の転向角より小さく、前記低圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼の転向角より大きくてもよい。なお、転向角が小さいほど翼素性能が高くなる。また、中圧段の反動度が他の段の反動度に対して中レベルであれば、中圧段を構成する静翼の転向角も、他の段を構成する静翼の転向角に対して基本的に中レベルになる。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼の転向角は、８０°未満で６０°以上であってもよい。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼のコード長に対するピッチの比は、前記調速段の前記動翼列を構成する複数の動翼のコード長に対するピッチの比よりも大きく、前記低圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼のコード長に対するピッチの比よりも小さくてもよい。なお、コード長に対するピッチの比が大きいほど翼素性能が高くなる。また、中圧段の反動度が他の段の反動度に対して中レベルであれば、中圧段を構成する動翼の同比も、他の段を構成する動翼の同比に対して基本的に中レベルになる。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼のコード長に対するピッチの比は、０．７以上で０．８未満であってもよい。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼のコード長に対するピッチの比は、前記調速段の前記静翼列を構成する複数の静翼のコード長に対するピッチの比よりも大きく、前記低圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼のコード長に対するピッチの比よりも小さくてもよい。なお、コード長に対するピッチの比が大きいほど翼素性能が高くなる。また、中圧段の反動度が他の段の反動度に対して中レベルであれば、中圧段を構成する静翼の同比も、他の段を構成する静翼の同比に対して基本的に中レベルになる。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼のコード長に対するピッチの比は、０．５以上で０．８未満であってもよい。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービンにおいて、前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼は、平行翼であってもよい。

本発明に係る一態様では、蒸気タービンのタービン効率を高めることができる。

本発明に係る一実施形態における蒸気タービンの断面図である。本発明に係る一実施形態における蒸気タービンの翼列の配置及び翼列を構成する複数の翼の配置を示す説明図である。本発明に係る一実施形態における中圧段周りの蒸気タービンの断面図である。本発明に係る一実施形態の変形例における中圧段周りの蒸気タービンの断面図である。本発明に係る一実施形態における蒸気タービンの各種パラメータの値を示す説明図である。図５における各種パラメータを説明するための説明図である。

以下、図面を参照し、本発明に係る蒸気タービンの実施形態について説明する。

本実施形態の蒸気タービンは、図１に示すように、軸線Ａｒを中心として回転するロータ２０と、ロータ２０を回転可能に覆うケーシング１０と、を有している。なお、以下の説明の都合上、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａ、軸方向Ｄａの一方側を上流側Ｄａｕ、軸方向Ｄａの他方側を下流側Ｄａｄとする。また、軸線Ａｒを基準とした径方向を単に径方向Ｄｒ、この径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向内側Ｄｒｉ、この径方向Ｄｒで径方向内側Ｄｒｉとは反対側を径方向外側Ｄｒｏとする。また、軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとする。

ロータ２０は、軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延在しているロータ軸２１と、ロータ軸２１の外周に取り付けられている複数の動翼列３１とを有している。複数の動翼列３１は、軸方向Ｄａに並んでいる。本実施形態の場合、動翼列３１の数は、７つである。よって、本実施形態の場合、動翼列３１として、第一段動翼列３１から第７段動翼列３１まである。１つの動翼列３１は、周方向Ｄｃに並ぶ複数の動翼３２（図２参照）を有している。

動翼３２は、図３に示すように、径方向Ｄｒに延びる翼体３３と、この翼体３３の径方向外側Ｄｒｏに設けられているシュラウド３４と、この翼体３３の径方向内側Ｄｒｉに設けられているプラットフォーム３５と、プラットフォーム３５の径方向内側Ｄｒｉに設けられている翼根（不図示）と、を有する。この動翼３２で、シュラウド３４とプラットフォーム３５との間は、蒸気Ｓが流れる蒸気主流路を成す。

ロータ軸２１は、軸線Ａｒを中心として実質的に円柱状を成し、軸方向Ｄａの延びる軸芯部２２と、軸芯部２２から放射方向に広がり互いに間隔をあけて軸方向Ｄａに並ぶ複数の仕切部２３と、を有する。仕切部２３は、複数の動翼列３１毎に設けられている。動翼列３１を構成する複数の動翼３２の翼根は、ロータ軸２１における仕切部２３の外周部に埋め込まれている。このため、動翼３２は、ロータ軸２１に固定されている。よって、本実施形態のロータ軸２１は、ディスク型ロータ軸である。

蒸気タービンは、図１及び図２に示すように、さらに、軸方向Ｄａに並ぶ複数の静翼列４１を備えている。本実施形態の場合、静翼列４１の数は、動翼列３１の数と同じ７つである。よって、本実施形態の場合、静翼列４１として、第一段静翼列４１から第７段静翼列４１まである。複数の静翼列４１は、いずれも、いずれかの動翼列３１の上流側Ｄａｕに配置されている。

静翼列４１は、図１〜図３に示すように、周方向Ｄｃに並ぶ複数の静翼４２（図２参照）と、複数の静翼４２の径方向外側Ｄｒｏに設けられている環状の外側リング４３と、複数の静翼４２の径方向内側Ｄｒｉに設けられている環状の内側リング４６と、を有する。すなわち、複数の静翼４２は、外側リング４３と内側リング４６との間に配置され、これらリング４３，４６に固定されている。外側リング４３と内側リング４６との間の環状の空間は、蒸気Ｓが流れる蒸気主流路を成す。外側リング４３は、複数の静翼４２が固定されているリング本体部４４と、このリング本体部４４から下流側Ｄａｄに突出しているリング突出部４５と、を有する。このリング突出部４５は、静翼列４１の下流側Ｄａｄに隣接している動翼列３１と径方向Ｄｒに間隔をあけて対向している。

ケーシング１０には、図１に示すように、外部からの蒸気Ｓが流入するノズル室１１と、ノズル室１１からの蒸気Ｓが流れる蒸気主流路室１２と、蒸気主流路室１２から流れた蒸気Ｓを排出する排気室１３と、が形成されている。ノズル室１１と蒸気主流路室１２と間には、複数の静翼列４１のうちで最も上流側Ｄａｕの第１段静翼列４１が配置されている。言い換えると、ケーシング１０内は、この第１段静翼列４１により、ノズル室１１と蒸気主流路室１２とに仕切られている。蒸気主流路室１２には、複数の静翼列４１のうちで第１段静翼列４１を除く静翼列４１の全てと、複数の動翼列３１の全てとが配置されている。

ケーシング１０の内周には、複数の静翼列４１が固定されている。

動翼列３１と、この動翼列３１の上流側Ｄａｕに隣接する静翼列４１との組は、一つの段５０を成す。本実施形態の蒸気タービンは、７つの動翼列３１のそれぞれに対して静翼列４１が設けられているので、７つの段５０を備える。

本実施形態の蒸気タービンでは、図１及び図２に示すように、複数の段５０のうち、最上流の第１段５０が、この第１段５０よりも下流側Ｄａｄの段５０へ送られる蒸気Ｓの流量を調節してロータ２０の回転数を調整するための調速段５０ａを成す。本実施形態の蒸気タービンでは、第２段５０、第３段５０及び第４段５０が、中圧段５０ｂを成す。また、本実施形態の蒸気タービンでは、第５段５０、第６段５０及び第７段５０が、低圧段５０ｃを成す。よって、以下では、調速段５０ａの一部を構成する第１段静翼列４１を調速段静翼列４１ａと呼び、調速段５０ａの他の一部を構成する第１段動翼列３１を調速段動翼列３１ａと呼ぶ。また、中圧段５０ｂの一部を構成する第２段静翼列４１から第４段静翼列４１を中圧段静翼列４１ｂと呼び、中圧段５０ｂの他の一部を構成する第２段動翼列３１から第４段動翼列３１を中圧段動翼列３１ｂと呼ぶ。また、低圧段５０ｃの一部を構成する第５段静翼列４１から第７段静翼列４１を低圧段静翼列４１ｃと呼び、低圧段５０ｃの他の一部を構成する第５段動翼列３１から第７段動翼列３１を低圧段動翼列３１ｃと呼ぶ。さらに、調速段動翼列３１ａが固定されているロータ軸２１の仕切部２３を調速段仕切部２３ａ、中圧段動翼列３１ｂが固定されているロータ軸２１の仕切部２３を中圧段仕切部２３ｂ、低圧段動翼列３１ｃが固定されているロータ軸２１の仕切部２３を低圧段仕切部２３ｃと呼ぶ。

調速段動翼列３１ａ及び中圧段動翼列３１ｂを構成する複数の動翼３２は、いずれも平行翼である。一方、低圧段動翼列３１ｃを構成する複数の動翼３２は、いずれも捩じれ翼である。平行翼とは、翼弦の向きが径方向Ｄｒの位置変化、言い換えると翼高さ方向に位置変化しても変化しない翼のことである。また、捩じれ翼とは、翼弦の向きが径方向Ｄｒの位置変化に応じて次第に変わる翼のことである。

図１及び図３に示すように、中圧段静翼列４１ｂ及び低圧段静翼列４１ｃの各内側リング４６の径方向内側Ｄｒｉには、回転するロータ軸２１の軸芯部２２との間をシールする内側シール５１が設けられている。

調速段静翼列４１ａ及び中圧段静翼列４１ｂの各外側リング４３のリング突出部４５には、このリング突出部４５の径方向内側Ｄｒｉに配置されている動翼列３１との間をシールする外側シール５２が設けられている。

調速段仕切部２３ａ及び中圧段仕切部２３ｂには、軸方向Ｄａに貫通するバランスホール２４が形成されている。なお、バランスホールは、低圧段仕切部２３ｃにも形成されていてもよい。

中圧段静翼列４１ｂの内側リング４６には、図３に示すように、この内側リング４６の下流側Ｄａｄに隣接する中圧段仕切部２３ｂとの間をシールする中間シール５３が設けられている。中圧段仕切部２３ｂには、この中圧段仕切部２３ｂの上流側Ｄａｕであってバランスホール２４よりも径方向外側Ｄｒｏの位置に、径方向外側Ｄｒｏを向く中間周面２７が形成されている。一方、中圧段静翼列４１ｂの内側リング４６には、中圧段仕切部２３ｂの中間周面２７と径方向Ｄｒで対向する中間周面４７が形成されている。中間シール５３は、中圧段静翼列４１ｂの内側リング４６における中間周面４７の位置に設けられている。この中間シール５３は、径方向内側Ｄｒｉに延びて、中圧段仕切部２３ｂの中間周面２７と対向するラジアルフィン５４を有する。

なお、ラジアルフィン５４は、中圧段静翼列４１ｂの内側リング４６における中間周面４７の位置を除く位置に設けられていてもよい。例えば、図４に示すように、中圧段静翼列４１ｂの内側リング４６における中間周面４７よりも径方向外側Ｄｒｏで下流側Ｄａｄを向く下流端面４８の位置に設けてもよい。この場合、ラジアルフィン５４ａは、この内側リング４６の下流端面４８から下流側Ｄａｄに延びた後、径方向内側Ｄｒｉに延びる。このラジアルフィン５４ａで、径方向内側Ｄｒｉに延びている先端部は、中圧段仕切部２３ｂの中間周面２７と対向する。

本実施形態の調速段５０ａは衝動段であり、中圧段５０ｂは中反動度衝動段であり、低圧段５０ｃは反動段である。

ここで、反動度について説明する。
反動度とは、段における熱落差に対する段中の動翼における熱落差の比である。言い換えると、反動度とは、段あたりの全エンタルピーの変化量中で、動翼での静エンタルピーの変化量が占める割合である。若しくは、反動度とは、段における圧力差に対する段中の動翼における圧力差の比である。

反動度が０の場合、動翼での圧力変化がない。一方、反動度が０でない場合、動翼での圧力降下がある一方で動翼での蒸気の流速上昇がある。このため、反動度が０でない場合、蒸気は動翼の通過過程で膨張し、この膨張により生じた反動力が動翼に作用する。反動度が０の場合には、蒸気の衝動作用のみ動翼に対する蒸気の仕事になるが、反動度が０でない場合、蒸気の衝動作用の他に反動作用が動翼に対する蒸気の仕事になる。よって、反動度が大きいほど、基本的に翼素性能が高いことになる。

衝動段及び反動段の定義としては、各種定義がある。例えば、ある定義では、反動度が０のものを衝動段とし、反動度が０のないものを反動段とする。しかしながら、衝動段及び反動段の定義としては他の定義もある。本願では、反動度が１０％未満のものを衝動段とし、反動度が１０％以上４０％未満のものを中反動度衝動段とし、反動度が４０％以上のものを反動段とする。

前述したように、反動度が大きいほど、翼素性能は基本的に高い。このため、背景技術の欄で述べた特許文献１に記載の蒸気タービンでは、調速段を除く全ての段を反動段にしている。しかしながら、反動段では、この反動段を構成する動翼列の上流側と下流側との間での圧力差が大きいため、衝動段に比べて、動翼列の上流側に存在する蒸気の一部がこの動翼列を通らない蒸気漏れの量が多くなる。

この反動段を構成する段のうち、上流側の反動段で蒸気漏れが多い場合、調速段を通過した直後で、未だ高圧の蒸気が持つエネルギーを有効に利用できず、結果として、タービン効率を高めることができない。

そこで、本実施形態では、調速段５０ａ（衝動段）の下流側Ｄａｄの中圧段５０ｂを中反動度衝動段とし、この中圧段５０ｂの反動度を調速段５０ａの反動度よりも大きくし、中圧段５０ｂの下流側Ｄａｄの低圧段５０ｃ（反動段）の反動度よりも小さくしている。

この結果、本実施形態では、調速段５０ａの下流側Ｄａｄの中圧段５０ｂを構成する各段５０での上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの間の圧力差が小さくなり、中圧段５０ｂを構成する各段５０での高圧蒸気の漏れ量を減らすことができる。このため、本実施形態では、中圧段５０ｂを構成する翼の翼素性能を調速段５０ａを構成する翼の翼素性能よりも高めつつも、中圧段５０ｂにおいて高圧蒸気が持つエネルギーを有効利用でき、タービン効率を高めることができる。

ここで、中反動度衝動段である中圧段５０ｂの反動度は、２５％以上で３５％以下であることがより好ましい。また、本実施形態では、中圧段５０ｂを構成する第２段５０、第３段５０及び第４段５０の反動度は、例えば、以下の通りである。

第２段５０の反動度は２５％で、第３段５０の反動度は３０％で第４段５０の反動度は３５％である。このように、本実施形態では、中圧段５０ｂを構成する複数の段５０の反動度を、上流側Ｄａｕの段５０から下流側Ｄａｄの段５０になるに連れて大きくしている。このため、本実施形態では、中圧段５０ｂのうちでも、より高圧蒸気が通過する上流側Ｄａｕの段５０の反動度を小さくすることで、高圧蒸気の漏れを少なくしている。但し、本実施形態において、中圧段５０ｂを構成する複数の段５０の反動度を、上流側Ｄａｕの段５０から下流側Ｄａｄの段５０になるに連れて大きくしなくてもよい。

本実施形態では、以上のように、調速段５０ａを衝動段にし、中圧段５０ｂを中反動度衝動段にし、低圧段５０ｃを反動段にするため、さらに、タービン効率をより高めるため、各段５０の各種パラメータとして、図５の値を採用している。

本実施形態では、衝動段（調速段５０ａ）の最適速度比を２．2未満で１．８以上にし、中反動度衝動段（中圧段５０ｂ）の最適速度比を１．9未満で１．５以上にし、反動段（低圧段５０ｃ）の最適速度比を１．５未満で１．2以上にしている。なお、速度比とは、図６に示すように、段を構成する動翼３２の周速度uに対するこの段を構成する静翼の出口における蒸気の絶対速度ｃの比（ｃ／ｕ）である。また、最適速度比とは、タービン効率が最大となる速度比のことである。

ここで、本実施形態において、中反動度衝動段の最適速度比を、衝動段の最適速度比よりも小さくし、反動段の最適速度比よりも大きくする場合には、各段の最適速度比を以下のように設定する必要がある。例えば、衝動段（調速段５０ａ）の最適速度比を１．８にした場合、中反動度衝動段（中圧段５０ｂ）の最適速度比を１．８未満にする。但し、本実施形態において、中反動度衝動段の最適速度比を、衝動段の最適速度比よりも小さくしなくてもよく、さらに、中反動度衝動段の最適速度比を、反動段の最適速度比よりも大きくしなくてもよい。

本実施形態では、衝動段（調速段５０ａ）を構成する動翼３２の転向角を１４０°未満で１２０°以上にし、中反動度衝動段（中圧段５０ｂ）を構成する動翼３２の転向角を１２０°未満で１１０°以上にし、反動段（低圧段５０ｃ）を構成する動翼３２の転向角を１１０°未満で７０°以上にしている。なお、転向角とは、図６に示すように、動翼３２に対する蒸気の流入角α１と、この動翼３２からの蒸気の流出角α２とで定まる角度（α１＋α２）である。

ここで、本実施形態において、中反動度衝動段を構成する動翼３２の転向角を、衝動段を構成する動翼３２の転向角よりも小さくし、反動段を構成する動翼３２の転向角よりも大きくする場合には、各段を構成する動翼３２の転向角を以下のように設定する必要がある。例えば、中反動度衝動段を構成する動翼３２の転向角を１００°にした場合、反動段を構成する動翼３２の転向角を１００°未満で７０°以上にする。また、本実施形態では、例えば、反動段を構成する動翼３２の転向角を１１０°にした場合、中反動度衝動段を構成する動翼３２の転向角を１１０°より大きく１２０°未満にする。但し、本実施形態において、中反動度衝動段を構成する動翼３２の転向角を、衝動段を構成する動翼３２の転向角よりも小さくしなくてもよく、さらに、中反動度衝動段を構成する動翼３２の転向角を、反動段を構成する動翼３２の転向角よりも大きくしなくてもよい。

本実施形態では、衝動段（調速段５０ａ）を構成する静翼４２の転向角を８０°以下で７０°以上にし、中反動度衝動段（中圧段５０ｂ）を構成する静翼４２の転向角を８０°未満６０°以上にし、反動段（低圧段５０ｃ）を構成する静翼４２の転向角を７０°未満で５５°以上にしている。

ここで、本実施形態において、中反動度衝動段を構成する静翼４２の転向角を、衝動段を構成する静翼４２の転向角よりも小さくし、反動段を構成する静翼４２の転向角よりも大きくする場合には、各段を構成する静翼４２の転向角を以下のように設定する必要がある。例えば、中反動度衝動段を構成する静翼４２の転向角を６０°にした場合、反動段を構成する動翼３２の転向角を６０°未満で５５°以上にする。但し、本実施形態において、中反動度衝動段を構成する静翼４２の転向角を、衝動段を構成する静翼４２の転向角よりも小さくしなくてもよく、さらに、中反動度衝動段を構成する静翼４２の転向角を、反動段を構成する静翼４２の転向角よりも大きくしなくてもよい。

本実施形態では、衝動段（調速段５０ａ）を構成する動翼３２のコード長Ｌｃに対するピッチＬｐの比（Ｌｐ／Ｌｃ）を０．７未満にし、中反動度衝動段（中圧段５０ｂ）を構成する動翼３２の同比を０．７以上で０．８未満にし、反動段（低圧段５０ｃ）を構成する動翼３２の同比を０．７より大きく０．９以下にしている。

ここで、本実施形態において、中反動度衝動段を構成する動翼３２の同比を、衝動段を構成する動翼３２の同比よりも大きくし、反動段を構成する動翼３２の同比よりも小さくする場合には、各段を構成する動翼３２の同比を以下のように設定する必要がある。例えば、中反動度衝動段を構成する動翼３２の同比を０．７８にした場合、反動段を構成する動翼３２の同比を０．７８以上にする。但し、本実施形態において、中反動度衝動段を構成する動翼３２の同比を、衝動段を構成する動翼３２の同比よりも大きくしなくてもよく、さらに、中反動度衝動段を構成する動翼３２の同比を、反動段を構成する動翼３２の同比よりも小さくしなくてもよい。

本実施形態では、衝動段（調速段５０ａ）を構成する静翼４２のコード長Ｌｃに対するピッチＬｐの比（Ｌｐ／Ｌｃ）を０．３以上０．６未満にし、中反動度衝動段（中圧段５０ｂ）を構成する静翼４２の同比を０．５以上で０．８未満にし、反動段（低圧段５０ｃ）を構成する静翼４２の同比を０．６以上で０．９未満にしている。

ここで、本実施形態において、中反動度衝動段を構成する静翼４２の同比を、衝動段を構成する静翼４２の同比よりも大きくし、反動段を構成する静翼４２の同比よりも小さくする場合には、各段を構成する静翼４２の同比を、以下のように設定する必要がある。例えば、中反動度衝動段を構成する静翼４２の同比を０．８にした場合、反動段を構成する静翼４２の同比を０．８より大きく０．９未満にする。但し、本実施形態において、中反動度衝動段を構成する静翼４２の同比を、衝動段を構成する静翼４２の同比よりも大きくしなくてもよく、さらに、中反動度衝動段を構成する静翼４２の同比を、反動段を構成する静翼４２の同比よりも小さくしなくてもよい。

本実施形態では、前述したように、ロータ軸２１としてディスク型ロータ軸を採用している。ディスク型ロータ軸は、ドラム型ロータ軸に比べて蒸気漏れを少なくすることができる。よって、本実施形態では、より蒸気漏れが少なくなりタービン効率を高めることができる。しかしながら、本実施形態の蒸気タービンのように、中反動度衝動段や反動段を有する蒸気タービンに、ディスク型ロータ軸を採用した場合、ロータ軸２１にかかるスラスト力が大きくなり、スラスト軸受の大型化を招く。これは、反動度がある程度大きい段の場合、この段の動翼列が固定されている仕切部の上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差が大きくなるからである。一方、ドラム型ロータ軸では、ディスク型ロータ軸に比べて、ロータ軸に作用するスラスト力を小さくすることができる。このため、調速段を除く全ての段を反動段にしている特許文献１に記載の蒸気タービンでは、ドラム型ロータ軸を採用している。

本実施形態では、ロータ軸２１として蒸気漏れ量の少ないディスク型ロータ軸を採用しつつも、ロータ軸２１に作用するスラスト力を小さくするため、全ての中圧段仕切部２３ｂにバランスホール２４を形成している。このように、中圧段仕切部２３ｂにバランスホール２４を形成すると、中圧段仕切部２３ｂの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの間の圧力差が小さくなる。よって、本実施形態のロータ軸２１では、ロータ軸２１に作用するスラスト力を小さくすることができる。

さらに、本実施形態では、前述したように、中圧段仕切部２３ｂと中圧段静翼列４１ｂの内側リング４６との間であってバランスホール２４よりも径方向外側Ｄｒｏの位置に中間シール５３を設けている。このため、本実施形態では、中反動度衝動段である中圧段５０ｂでの蒸気漏れをより少なくすることができる。

しかも、本実施形態の中間シール５３は、先端部が径方向Ｄｒに延びて中圧仕切部２３ｂの中間周面２７と対向するラジアルフィン５４，５４ａを有する。仮に、中間シールが軸方向Ｄａに延びるアキシャルフィンである場合、蒸気タービンへの蒸気流入によるロータ軸の軸方向Ｄａへの熱伸び（熱膨張）により、アキシャルフィンの先端とこの対向面との間の隙間が組立時より大きくなる。よって、中間シールがアキシャルフィンである場合、蒸気タービンへの蒸気流入による熱伸びにより蒸気漏れ量が多くなる。一方、本実施形態では、中間シール５３がラジアルフィン５４，５４ａを有しているため、蒸気タービンへの蒸気流入量の変動に伴うロータ軸２１の軸方向Ｄａへの熱伸びがあっても、ラジアルフィン５４，５４ａの先端とこの対向面との間の隙間の変動が小さい。

よって、本実施形態では、ラジアルフィン５４，５４ａを有する中間シール５３が設けられていることにより、中反動度衝動段である中圧段５０ｂでの蒸気漏れを極めて少なくすることができる。

以上のように、本実施形態では、圧力が高い蒸気が通る中圧段５０ｂを中反動度衝動段にすることで、中圧段５０ｂでの蒸気漏れを少なくしている。さらに、本実施形態では、ロータ軸２１としてディスク型ロータ軸を採用した上で、ロータ軸２１の中圧段仕切部２３ｂと中圧段静翼列４１ｂの内側リング４６との間に、ラジアルフィン５４，５４ａを有する中間シール５３を設けたので、中圧段５０ｂでの蒸気漏れを極めて少なくすることができる。よって、本実施形態では、繰り返すことになるが、中圧段５０ｂにおいて高圧の蒸気が持つエネルギーを有効利用でき、タービン効率を高めることができる。

なお、以上の実施形態では、中圧段５０ｂを３つの段５０で構成し、低圧段５０ｃも３つの段５０で構成している。しかしながら、中圧段５０ｂを構成する段の数及び低圧段５０ｃを構成する段５０の数は、いずれも、２以下でもよいし、４以上でもよい。また、中圧段５０ｂを構成する段５０の数と低圧段５０ｃを構成する段５０の数とは異なっていてもよい。

本発明に係る一態様によれば、蒸気タービンのタービン効率を高めることができる。

１０：ケーシング、１１：ノズル室、１２：蒸気主流路室、１３：排気室、２０：ロータ、２１：ロータ軸、２２：軸芯部、２３：仕切部、２３ａ：調速段仕切部、２３ｂ：中圧段仕切部、２３ｂ：低圧段仕切部、２４：バランスホール、２７，４７：中間周面、３１：動翼列、３１ａ：調速段動翼列、３１ｂ：中圧段動翼列、３１ｃ：低圧段動翼列、３２：動翼、４１：静翼列、４１ａ：調速段静翼列、４１ｂ：中圧段静翼列、４１ｃ：低圧段静翼列、４２：静翼、４３：外側リング、４６：内側リング、５１：内側シール、５２：外側シール、５３：中間シール、５４，５４ａ：ラジアルフィン

Claims

軸線を中心として回転するロータ軸と、
前記ロータ軸の外周に固定され、前記軸線が延びる軸方向に並んでいる複数の動翼列と、
複数の前記動翼列毎に、前記動翼列の前記軸方向における上流側に隣接している静翼列と、
を備え、
前記動翼列と当該動翼列の上流側に隣接配置されている前記静翼列との組で構成される複数の段のうち、最も上流側に配置されている段が調速段であり、前記調速段の下流側に配置されている１以上の段が中圧段であり、前記中圧段の下流側に配置されている１以上の段が低圧段であり、
前記調速段は、衝動段であり、
前記中圧段は、反動度が２５％以上で３５％以下である中反動度である中反動度衝動段であり、
前記低圧段は、反動度が前記中圧段の反動度よりも高い反動段である、
蒸気タービン。
請求項１に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段は、複数の段を有して構成され、
前記中圧段を構成する複数の前記段の反動度は、上流側の段から下流側に段になるに連れて大きくなる、
蒸気タービン。
請求項１又は２に記載の蒸気タービンにおいて、
前記ロータ軸は、前記軸線を基準に放射方向に広がり、互いに間隔をあけて前記軸方向に並ぶ複数の仕切部を有し、
前記中圧段の前記動翼列は、複数の前記仕切部のうちのいずれかの仕切部の外周部に固定され、
前記中圧段の前記動翼列が固定されている前記仕切部である中圧段仕切部には、前記軸方向に貫通するバランスホールが形成されている、
蒸気タービン。
請求項３に記載の蒸気タービンにおいて、
前記静翼列は、前記軸線を中心とした周方向に並んでいる複数の静翼と、複数の前記静翼の前記軸線に対する径方向内側に配置され、複数の前記静翼列が固定されている内側リングと、を有し、
前記中圧段を構成する前記静翼列の前記内側リングは、前記中圧段仕切部と間隔をあけて軸方向で対向し、
前記中圧段を構成する前記静翼列の前記内側リングに固定され、前記バランスホールよりも前記軸線に対する径方向外側の部分で前記中圧段仕切部との間をシールするシールを備える、
蒸気タービン。
請求項４に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段仕切部には、前記中圧段仕切部の前記内側リング側であって前記バランスホールよりも前記径方向外側に、前記軸線に対する径方向を向く中間周面が形成され、
前記シールは、前記径方向に延びて前記中圧段仕切部の前記中間周面と対向する先端部を有するラジアルフィンを備える、
蒸気タービン。
請求項１から５のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の最適速度比は、前記調速段の最適速度比より小さく前記低圧段の最適速度比よりも大きい、
蒸気タービン。
請求項１から６のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の最適速度比は、１．９未満で１．５以上である、
蒸気タービン。
請求項１から７のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼の転向角は、前記調速段の前記動翼列を構成する複数の動翼の転向角より小さく、前記低圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼の転向角より大きい、
蒸気タービン。
請求項１から８のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼の転向角は、１２０°未満で１００°以上である、
蒸気タービン。
請求項１から９のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼の転向角は、前記調速段の前記静翼列を構成する複数の静翼の転向角より小さく、前記低圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼の転向角より大きい、
蒸気タービン。
請求項１から１０のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼の転向角は、８０°未満で６０°以上である、
蒸気タービン。
請求項１から１１のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼のコード長に対するピッチの比は、前記調速段の前記動翼列を構成する複数の動翼のコード長に対するピッチの比よりも大きく、前記低圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼のコード長に対するピッチの比よりも小さい、
蒸気タービン。
請求項１から１２のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼のコード長に対するピッチの比は、０．７以上で０．８未満である、
蒸気タービン。
請求項１から１３のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼のコード長に対するピッチの比は、前記調速段の前記静翼列を構成する複数の静翼のコード長に対するピッチの比よりも大きく、前記低圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼のコード長に対するピッチの比よりも小さい、
蒸気タービン。
請求項１から１４のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記静翼列を構成する複数の静翼のコード長に対するピッチの比は、０．５以上で０．８未満である、
蒸気タービン。
請求項１から１５のいずれか一項に記載の蒸気タービンにおいて、
前記中圧段の前記動翼列を構成する複数の動翼は、平行翼である、
蒸気タービン。