JP6415338B2

JP6415338B2 - 静翼及び蒸気タービン

Info

Publication number: JP6415338B2
Application number: JP2015014699A
Authority: JP
Inventors: 日出夫魚矢; 俊裕宮脇; 大山　宏治; 宏治大山
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2035-01-28
Also published as: JP2016138524A

Description

本発明は、静翼及び蒸気タービンに関する。

一般的な蒸気タービンは、回転軸であるロータがケーシングに回転自在に支持される。ロータの外周部には動翼が設けられる。また、ケーシングには静翼が設けられる。動翼と静翼は、蒸気通路に交互に複数段配設されている。蒸気通路を流れる蒸気は、静翼により整流され、動翼を介してロータを回転させる。

このような蒸気タービンのうち例えば低圧タービンの最終段翼列等では、蒸気が水滴と混合した湿り蒸気になる。この場合、例えば湿り蒸気に含まれる水滴が静翼の表面で結合し、粗大化することがある。粗大化された水滴が高速で回転している動翼に衝突すると、この動翼の端部でエロージョン（侵食）が発生する。また、粗大化した水滴によって動翼の回転が妨げられ、損失が発生するため、タービン性能が低下する。

このような静翼での水滴の粗大化を抑制する対策として、例えば、特許文献１に記載されているように、静翼に高温ガスを導入し、静翼を加熱することにより水滴を蒸発させる構成が記載されている。

特開昭５８−３８３０８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、ガスを導入するための構成が大掛かりとなってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で水滴の粗大化を抑制することが可能な静翼及び蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明に係る静翼は、蒸気タービンに設けられる静翼であって、翼幅方向の前縁部から後縁部にかけて背側部が凸状に湾曲するように形成され、翼高さ方向の翼頂部が前記蒸気タービンの外周側に配置され、前記翼高さ方向の翼底部が前記蒸気タービンの内周側に配置される静翼本体と、前記静翼本体の前記背側部の表面のうち、前記前縁部を基準として翼幅の５０％前記後縁部側の位置から翼幅の７０％前記後縁部側の位置までの範囲、かつ、前記翼頂部から該翼頂部を基準として翼高さの７０％前記翼底部側の位置までの範囲に、前記翼高さ方向に沿って形成された溝部と、を備える。

本発明によれば、静翼本体の背側部の表面に設けられた溝部により、静翼本体の強度をほとんど低下させることなく、背側部の表面を前縁部から後縁部に向けて流れる水滴を微細化して飛散させることができる。これにより、簡易な構成で水滴の粗大化を抑制することができる。本発明者は、背側部の表面のうち、前縁部を基準として翼幅の５０％後縁部側の位置から翼幅の７０％後縁部側の位置までの範囲、かつ、翼頂部から該翼頂部を基準として翼高さの７０％翼底部側の位置までの範囲に、水滴が付着しやすいことを見出した。本発明によれば、水滴が付着しやすい領域に溝部を形成することにより、効率的に水滴を微細化することができる。

上記の静翼において、前記溝部は、前記翼高さ方向の寸法が前記翼高さの５０％以上となるように形成される。

本発明によれば、溝部が翼高さ方向の半分以上の範囲に形成されるため、背側部の表面の広範囲で水滴を微細化することができる。

上記の静翼において、前記溝部は、前記翼高さ方向に切れ目なく形成される。

本発明によれば、翼高さ方向の位置によらず均一に水滴を微細化して飛散させることができる。

上記の静翼において、前記溝部は、直線状に形成される。

本発明によれば、静翼本体に対して溝部を容易に加工形成することができる。

上記の静翼において、前記溝部は、前記翼頂部を含んで形成される。

本発明によれば、翼頂部を流れる水滴についても微細化して飛散させることができる。

上記の静翼において、前記溝部は、前記翼幅方向に複数形成される。また、上記の静翼において、前記溝部は、前記翼高さ方向に平行に形成される。

これらの構成によれば、水滴が前段側の溝部を超えて流れる場合においても、後段側の溝部で微細化して飛散させることができる。これにより、確実に水滴を微細化することができる。

上記の静翼において、前記溝部のうち前記翼幅方向の前記前縁部側に形成される角部は、前記背側部の表面と前記溝部の側面とが９０°以上１５０°以下の角度を成すように形成される。また、前記溝部のうち前記翼幅方向の前記前縁部側に形成される角部は、丸みが半径５ｍｍ以下となるように形成される。

これらの構成により、翼幅方向の前縁部側の角部において水滴の切れを良くすることができる。これにより、水滴を効率的に微細化させることができる。

本発明に係る蒸気タービンは、ロータと、前記ロータの周方向の一周に亘って複数の静翼が配置された静翼ユニットとを備え、前記静翼として、蒸気静翼が用いられる。

本発明によれば、静翼ユニットの静翼として、簡易な構成で水滴の粗大化を抑制することができる静翼が用いられるため、下流側に粗大化された水滴が飛散するのを防ぐことができる。これにより、エロージョンを抑制でき、タービン性能の低下を抑制できる。

上記の蒸気タービンにおいて、前記静翼ユニットは、蒸気の流通方向に沿って複数段に設けられ、前記流通方向の下流側に配置される前記静翼ユニットほど、前記静翼の前記溝部の長さが長い。

本発明によれば、蒸気の流通方向の下流側に配置される静翼ユニットほど静翼の溝部の長さが長いため、水滴が粗大化しやすい下流側の静翼ユニットにおいて、水滴の粗大化を効率的に抑制することができる。

本発明に係る静翼、静翼ユニット及び蒸気タービンによれば、簡易な構成で水滴の粗大化を抑制することが可能となる。

図１は、本実施形態に係る蒸気タービンシステムの一例を示す概略構成図である。図２は、低圧最終段の下流側から蒸気タービンを見た外観図である。図３は、静翼ユニットを蒸気の流通方向の上流側から見た拡大図である。図４は、静翼を背側部から見たときの一例を模式的に示す図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ断面に沿った構成を示す図である。図６は、図５に示す溝部を拡大した断面図である。図７は、静翼の背側部を流れる水滴が微細化される様子を模式的に示す図である。図８は、静翼を背側部から見たときの他の例を模式的に示す図である。図９は、静翼を背側部から見たときの他の例を模式的に示す図である。図１０は、静翼を背側部から見たときの他の例を模式的に示す図である。図１１は、静翼を背側部から見たときの他の例を模式的に示す図である。図１２は、静翼を背側部から見たときの他の例を模式的に示す図である。図１３は、静翼を背側部から見たときの他の例を模式的に示す図である。図１４は、溝部の他の例を示す断面図である。図１５は、溝部の他の例を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下で説明する実施形態における構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

本実施形態に係る蒸気タービンシステム１について説明する。図１は、本実施形態に係る蒸気タービンシステム１の一例を示す概略構成図である。蒸気タービンシステム１は、例えば原子力発電プラントで用いられる。蒸気タービンシステム１は、高圧の蒸気を発生する蒸気発生器２と、蒸気発生器２からの高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービン３と、蒸気発生器２及び高圧蒸気タービン３からの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器４と、湿分分離加熱器４からの低圧の蒸気が供給される低圧蒸気タービン５とを備えている。本実施形態においては、蒸気タービンシステム１のうち、低圧蒸気タービン５について主に説明する。また、以下の説明において、低圧蒸気タービン５を適宜、蒸気タービン５、と称する。

蒸気タービン５は、車室６と、湿分分離加熱器４からの蒸気が供給される蒸気入口７と、蒸気入口７からの蒸気が流れる蒸気通路８と、蒸気通路８に配置された複数の動翼を有する動翼ユニット１９と、蒸気通路８に配置され複数の静翼１０（図２等参照）を有する静翼ユニット２０と、動翼ユニット１９に接続されたロータ１１とを備えている。

蒸気タービン５において、湿分分離加熱器４から蒸気入口７に供給された蒸気は、蒸気通路８を流れる。動翼ユニット１９は、蒸気のエネルギーによって回転する。静翼ユニット２０は、少なくとも一部が車室６に固定される。静翼ユニット２０は、蒸気を効率良く動翼ユニット１９に導く。ロータ１１は、動翼ユニット１９から得た回転力を外部に出力する。ロータ１１は、車室６の両端部に配置された軸受に回転可能に支持される。ロータ１１は、回転軸ＡＸを中心に回転する。

動翼ユニット１９と静翼ユニット２０とは、軸ＡＸと平行な方向Ｖに関して交互に配置されている。動翼ユニット１９及び静翼ユニット２０は、方向Ｖについて複数段に設けられる。下流側の動翼ユニット１９及び静翼ユニット２０ほど、放射方向Ｒに関する動翼及び静翼１０の寸法が大きくなっている。蒸気通路８の最も下流側の段（低圧最終段）では、静翼１０の放射方向Ｒについての寸法が上流側の段の静翼１０よりも大きくなっている。

図２は、低圧最終段の静翼ユニット２０の下流側から蒸気タービン５を見た外観図である。図３は、静翼ユニット２０を上記の流通方向の上流側から見た拡大図である。図１、図２及び図３に示すように、静翼１０は、蒸気タービン５の内周側の端部（翼底部２２）が溶接によりシュラウド１２と固定される。また、静翼１０は、蒸気タービン５の外周側の端部（翼頂部２３）が翼根リング１３と固定される。静翼１０は、軸ＡＸの周方向Ｐの一周に亘って所定の間隔で複数配置される。

次に、図４から図６を用いて、本実施形態に係る静翼１０の構成を説明する。図４は、静翼１０を背側部２４から見たときの一例を模式的に示す図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ断面に沿った構成を示す図である。

図４及び図５に示すように、静翼１０は、静翼本体２１を備える。なお、図４では、静翼１０を模式的に矩形状で示しているが、これに限定するものではない。静翼本体２１は、翼幅方向Ｄ１の両端部である前縁部２６及び後縁部２７を有する。静翼本体２１は、前縁部２６から後縁部２７にかけて一方向に湾曲するように形成される（図５参照）。静翼本体２１のうち凸状に形成される部分が背側部２４であり、凹状に形成される部分が腹側部２５である。

また、静翼本体２１は、翼高さ方向Ｄ２の両端部である翼底部２２及び翼頂部２３を有する。翼底部２２は、蒸気タービン５の内周側に配置され、上記のシュラウド１２に固定される。翼頂部２３は、蒸気タービン５の外周側に配置され、上記の翼根リング１３に固定される。

また、静翼１０は、静翼本体２１に形成された溝部３０を備える。溝部３０は、背側部２４を流れる水滴を微細化するために設けられる。溝部３０は、静翼本体２１のうち背側部２４の表面に形成されている。溝部３０は、翼高さ方向Ｄ２に沿って、切れ目なく直線状に形成されている。溝部３０は、静翼本体２１の背側部２４の表面のうち領域３５に形成されている。

この領域３５は、前縁部２６を基準として翼幅の５０％後縁部２７側の位置Ｐ１から翼幅の７０％後縁部２７側の位置Ｐ２までの範囲、かつ、翼頂部２３から該翼頂部を基準として翼高さの７０％翼底部２２側の位置Ｐ３までの範囲に設定される。本発明者が水滴の飛跡解析を行った結果、この領域３５は、静翼本体２１の中で水滴が付着しやすい領域であると判明したものである。

領域３５は、境界を含んでもよい。領域３５の形状は、静翼１０の背側部２４の形状に応じて設定される。図４では、背側部２４の形状が矩形に示されているため、領域３５の形状も矩形となっているが、これに限定するものではない。また、領域３５内の撥水性が領域３５外よりも高くなるように、領域３５の表面に表面処理等が施されていてもよい。

溝部３０は、この領域３５において、翼高さ方向Ｄ２の寸法が翼高さの５０％以上となるように形成される。溝部３０は、翼頂部２３を含んで形成される。したがって、溝部３０は、翼頂部２３から該翼頂部を基準として翼高さの５０％翼底部２２側の位置Ｐ４を超えた長さに形成される。なお、溝部３０は、領域３５のうち翼幅方向Ｄ１の端部に形成されてもよい。

図６は、図５に示す溝部３０を拡大した断面図である。図６に示すように、溝部３０は、前縁部２６側の側面３１と、後縁部２７側の側面３２とを有している。側面３１は、背側部２４の表面との間で角部Ｃ１を形成している。側面３２は、背側部２４の表面との間で角部Ｃ２を形成している。

ここで、背側部２４の表面と側面３２がなす角度θは、任意に設定することができるが例えば９０°以上１５０°以下であることが好ましい。また、角部Ｃ１には、半径ｒの丸みが形成される。この半径ｒは、例えば５ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、角部Ｃ１において水滴の切れを良くすることができる。また、溝部３０のうち翼幅方向Ｄ１の寸法（溝幅）ｔは、例えば２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。また、溝部３０の深さｄは、例えば２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。溝部３０の溝幅ｔと深さｄのそれぞれを上記範囲とすることで、水滴のきれをよくしつつ、流れる流体への影響を小さくすることができる。

図７は、静翼１０の背側部２４を流れる水滴Ｑが微細化される様子を模式的に示す図である。蒸気タービン５において、蒸気が水滴と混合した湿り蒸気になる場合、湿り蒸気に含まれる水滴が静翼１０の表面で結合し、粗大化することがある。粗大化された水滴が高速で回転している動翼に衝突すると、この動翼の端部でエロージョン（侵食）が発生する。また、粗大化した水滴によって動翼の回転が妨げられ、損失が発生するため、蒸気タービン５のタービン性能が低下することになる。

これに対して、本実施形態では、静翼本体２１の背側部２４の領域３５に、翼高さ方向Ｄ２に沿って形成された溝部３０が設けられる。この溝部３０により、背側部２４を流れる水滴が微細化される。つまり、図７に示すように、背側部２４を前縁部２６側から後縁部２７側に流れる水滴Ｑは、角部Ｃ１において溝部３０に落下し、溝部３０の側面３２に衝突することで水滴Ｑａに微細化される。この溝部３０は、静翼本体２１の翼高さ方向Ｄ２について、翼高さの５０％以上の長さに形成されるため、広範囲にわたって水滴Ｑが微細化される。

以上のように、本実施形態によれば、背側部２４の領域３５に溝部３０が設けられるため、簡易な構成で水滴の粗大化を抑制することが可能となる。また、溝部３０が背側部２４の表面に形成されるものであるため、静翼本体２１の強度をほとんど低下させることがない。さらに、湿り蒸気に含まれる水滴Ｑが付着しやすい領域３５に溝部３０が形成されているため、効率的に水滴Ｑを微細化することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。例えば、溝部３０の構成を上記実施形態の構成と異なる構成にすることができる。図８から図１５は、静翼について溝部の構成が異なる例を示す図である。

例えば、上記実施形態では、溝部３０が翼高さ方向Ｄ２に沿った方向に形成された構成を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。図８に示す静翼１０Ａのように、溝部３０Ａが翼高さ方向Ｄ２に対して傾いて形成されてもよい。図８では、溝部３０Ａのうち翼底部２２側の端部が翼頂部２３側の端部に対して後縁部２７側にずれている構成を例に挙げて示しているが、これに限定するものではなく、前縁部２６側にずれた構成であってもよい。また、溝部３０Ａの傾きが翼高さ方向Ｄ２に段階的に異なるように形成されてもよい。

また、例えば上記実施形態では、溝部３０が翼頂部２３を含んで形成された構成を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。図９に示す静翼１０Ｂのように、溝部３０Ｂが翼頂部２３から離れた位置に形成されてもよい。この場合、溝部３０Ｂの翼高さ方向Ｄ２の長さは、静翼本体２１の翼高さ方向の寸法の５０％以上となるように形成される。

また、例えば上記実施形態では、溝部３０が直線状に形成された構成を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。図１０に示す静翼１０Ｃのように、溝部３０Ｃが翼幅方向Ｄ１に湾曲して形成されてもよい。図１０では、溝部３０Ｃのうち翼底部２２側の端部が翼頂部２３側の端部に対して後縁部２７側に湾曲している構成を例に挙げて示しているが、これに限定するものではなく、前縁部２６側に湾曲した構成であってもよい。

また、図１１に示す静翼１０Ｄのように、溝部３０Ｄが屈曲して形成されてもよい。溝部３０Ｄは、翼高さ方向Ｄ２の複数個所で屈曲されているが、これに限定するものではなく、１箇所で屈曲された構成であってもよい。また、すべての屈曲部分で溝部３０Ｄの傾きが翼幅方向Ｄ１について反対方向となるように屈曲しているが、これに限定するものではない。

また、上記実施形態では、溝部３０が１本形成された構成を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。図１２に示す静翼１０Ｅのように、溝部３０Ｅが複数本形成されてもよい。静翼１０Ｅにおいては、溝部３０Ｅが翼幅方向Ｄ１に複数並んで配置されている。各溝部３０Ｅは、例えば直線状に形成されているが、これに限定するものではなく、少なくとも１本が湾曲したり、屈曲したりしてもよい。また、翼高さ方向Ｄ２の寸法が溝部３０Ｅによって異なってもよい。また、少なくとも１本の溝部３０Ｅが翼頂部２３から離れた位置から形成されてもよい。

また、上記実施形態では、溝部３０が切れ目なく形成された構成を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。図１３に示す静翼１０Ｆのように、溝部３０Ｆが翼高さ方向Ｄ２に間隔を空けて形成されてもよい。この場合、図１３に示すように、溝部３０Ｆは、翼幅方向Ｄ１に複数列に形成され、前列の溝部３０Ｆ同士の間隔に対応する部分に後列の溝部３０Ｆが配置されるように形成されてもよい。これにより、翼幅方向Ｄ１から見た場合に溝部３０Ｆが翼高さ方向Ｄ２の全体に実質的に切れ目なく形成されることになる。

また、上記実施形態では、溝部３０の断面形状が三角形状に形成された構成を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。図１４に示す静翼１０Ｇのように、溝部３０Ｇの断面形状が矩形状に形成されてもよい。また、図１５に示す静翼１０Ｈのように、溝部３０Ｈの断面形状が円形または楕円形状に形成されてもよい。なお、上記実施形態において、溝部３０の全体が等しい断面形状であってもよいし、溝部３０の一部が異なる断面形状であってもよい。

また、上記実施形態の蒸気タービン５において、蒸気の流通方向の下流側に配置される静翼ユニット２０ほど、静翼１０の溝部３０の長さが長くなるようにしてもよい。これにより、水滴Ｑが粗大化しやすい下流側の静翼ユニット２０において、水滴Ｑの粗大化を効率的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、静翼として、原子力発電プラントの低圧蒸気タービン５に設けられる静翼１０の構成を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。例えば、湿り蒸気が流通する蒸気タービンの静翼であれば、他のプラントに設けられる蒸気タービンの静翼に本発明を適用させてもよい。また、原子力発電プラントの高圧蒸気タービン３にも湿り蒸気が流れるため、水滴が粗大化してエロージョンやタービン性能の低下を引き起こす可能性がある。したがって、高圧蒸気タービン３に設けられる静翼に対して、本発明を適用してもよい。

１…蒸気タービンシステム
２…蒸気発生器
３…高圧蒸気タービン
４…湿分分離加熱器
５…低圧蒸気タービン（蒸気タービン）
６…車室
７…蒸気入口
８…蒸気通路
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ…静翼
１１…ロータ
２０…静翼ユニット
２１…静翼本体
２２…翼底部
２３…翼頂部
２４…背側部
２５…腹側部
２６…前縁部
２７…後縁部
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｇ、３０Ｈ…溝部
３１、３２…側面
３５…領域
Ｃ１、Ｃ２…角部
Ｄ１…翼幅方向
Ｄ２…翼高さ方向
Ｐ…周方向
Ｑ、Ｑａ：水滴

Claims

蒸気タービンに設けられる静翼であって、
翼幅方向の前縁部から後縁部にかけて背側部が凸状に湾曲するように形成され、翼高さ方向の翼頂部が前記蒸気タービンの外周側に配置され、前記翼高さ方向の翼底部が前記蒸気タービンの内周側に配置される静翼本体と、
前記静翼本体の前記背側部の表面のうち、前記前縁部を基準として翼幅の５０％前記後縁部側の位置から翼幅の７０％前記後縁部側の位置までの範囲、かつ、前記翼頂部から該翼頂部を基準として翼高さの７０％前記翼底部側の位置までの範囲に、前記翼高さ方向に沿って形成された溝部と、
を備え、
前記溝部のうち前記翼幅方向の前記前縁部側に形成される角部は、前記背側部の表面と前記溝部の前記前縁部側の側面とが９０°以上１５０°以下の角度を成すように形成され、
前記溝部は、凹部であり、前記後縁部側の側面が蒸気の流通方向に交差しかつ前記背側部の表面に対して前記前縁部側に向いた状態で傾いて配置され、
前記溝部は、前記翼底部側の端部が前記翼頂部側の端部に対して前記後縁部側にずれた状態で前記翼高さ方向に対して傾いて形成される
静翼。
前記溝部は、前記翼高さ方向の寸法が前記翼高さの５０％以上となるように形成される
請求項１に記載の静翼。
前記溝部は、前記翼高さ方向に切れ目なく形成される
請求項１又は請求項２に記載の静翼。
前記溝部は、直線状に形成される
請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の静翼。
前記溝部は、前記翼頂部を含んで形成される
請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の静翼。
前記溝部は、前記翼幅方向に複数形成される
請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の静翼。
複数の前記溝部は、平行に形成される
請求項６に記載の静翼。
前記溝部のうち前記翼幅方向の前記前縁部側に形成される角部は、丸みが半径５ｍｍ以下となるように形成される
請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の静翼。
ロータと、
前記ロータの周方向の一周に亘って複数の静翼が配置された静翼ユニットと
を備え、
前記静翼として、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の静翼が用いられる
蒸気タービン。
前記静翼ユニットは、蒸気の流通方向に沿って複数段に設けられ、
前記流通方向の下流側に配置される前記静翼ユニットほど、前記静翼の前記溝部の長さが長い
請求項９に記載の蒸気タービン。