JP6567365B2 - タービン排気装置およびタービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービン排気装置およびタービンに関する。

発電プラントでは、例えば、蒸気発生器（ボイラなど）で発生した蒸気が作動流体としてタービンに供給されることによって、発電を行う。発電プラントは、一般的に、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンなどの複数のタービンを備える。発電プラントにおいて、蒸気は、複数のタービンのそれぞれにおいて順次仕事を行った後に、復水器に導かれて凝縮される。そして、復水器で凝縮された復水は、再度、蒸気発生器に戻される。

各タービンにおいては、ロータを収容するケーシングの内部に排気室が設けられており、最終段のタービン段落から蒸気が排気室に流れる。そして、その蒸気は、排気室から排気管を介して後段の設備に導かれる。

一般に、排気室において、蒸気は、ロータの回転軸に沿った軸方向に流れた後に、回転軸に対して直交するラジアル方向に向きを変えて流れる。蒸気が軸方向からラジアル方向に向きを変える距離は、非常に短い。このため、蒸気の流れが乱れるので、圧力損失が生じる場合がある。

圧力損失を低減するために、種々の技術が提案されている。

特開２００７−４０２２８号公報 特許３７７６５８０号公報

図８，図９は、関連技術に係る蒸気タービンを模式的に示す断面図である。図８は、水平面（ｘｙ面）において回転軸ＡＸに沿った方向ｘと、鉛直方向ｚとによって規定される垂直面（ｘｚ面）の断面を示している。図８では、排気室１１０Ｓが設けられた部分を拡大して示している。図９は、水平面（ｘｙ面）のうち回転軸ＡＸに沿った方向ｘに対して直交する方向ｙと、鉛直方向ｚとによって規定される垂直面（ｙｚ面）の断面であって、排気室１１０Ｓが設けられた部分を拡大して示している。図８，図９においては、作動流体として供給された蒸気の流れを実線の矢印で併記している。ここでは、蒸気タービンシステムを構成する高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとのうち、たとえば、高圧タービンについて示している。

図８，図９に示すように、排気室１１０Ｓは、最終段のタービン段落４００よりも下流側に位置しており、ロータ３００の周りを囲うように環状に形成されている。ここでは、排気室１１０Ｓは、外部ケーシング２０２の内部に設けられており、最終段のタービン段落４００から流入した蒸気が内部を流れた後に、排気管１１２を介して排出される。

排気室１１０Ｓにおいては、環状フローガイド５１０Ｊがロータ３００の周りを囲うように、内部ケーシング２０１に設置されている。ここでは、環状フローガイド５１０Ｊは、ラッパ形状であって、内部ケーシング２０１の一端から、外周側へ向かって曲がるように形成されている。

作動流体として供給された蒸気は、最終段のタービン段落４００を通過した後に、排気室１１０Ｓに流入する。排気室１１０Ｓでは、その蒸気は、環状フローガイド５１０Ｊの内部流路を通過した後に、環状フローガイド５１０Ｊと外部ケーシング２０２との間に位置する排気流路に流入する。このとき、環状フローガイド５１０Ｊの内部流路が入口から出口に向かって急に拡大しているので、蒸気の流速が急に低下する。このため、排気室１１０Ｓにおいては、循環流が発生する。その結果、圧力損失が生じ、タービンプラント効率が低下する場合がある。

この他に、環状フローガイド５１０Ｊと外部ケーシング２０２との間に位置する排気流路においては、排気管１１２に近づくに伴って、環状フローガイド５１０Ｊの出口から蒸気が流れこんで合流する。このため、排気管１１２に近い部分が遠い部分よりも蒸気の流量が大きくなるので、上記の関連技術の場合には、圧力損失が大きくなる。

特に、高圧タービンおよび中圧タービンにおいては、低圧タービンよりも、排気室における流路の寸法が小さいと共に材厚が厚いので、空間的な制約が多く、圧力損失が生じやすい。たとえば、高圧タービンおよび中圧タービンの排気室は、低圧タービンの排気室よりも、回転軸方向における距離が短いので、ディフューザ機能が十分でなく、圧力損失が生じやすい。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、圧力損失を低減し、タービンプラント効率を向上させることができる、タービン排気装置およびタービンを提供することである。

実施形態のタービン排気装置は、ロータを収容するケーシングの内部において最終段のタービン段落から作動流体が排気される排気室に設けられる。排気室は、ロータの周りを囲うように環状に形成され、作動流体が当該排気室から排気管を介してケーシングの外部へ排出されるように構成されている。タービン排気装置は、内周フローガイドと外周フローガイドとを有する。内周フローガイドは、排気室においてロータの周りを囲っており、タービン段落において作動流体が流れる流れ方向に沿って内径および外径が大きくなるように構成されている。外周フローガイドは、排気室において内周フローガイドの外周を囲うように設けられている。排気室のうちロータの径方向において外周フローガイドの外周面とケーシングの内周面との間に介在する排気流路は、流れ方向の一端から他端までの全体に渡って、径方向における幅が、流れ方向に対して反対の方向に向かうに伴って狭くなるように構成されている。

図１は、第１実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。 図２は、第１実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。 図３は、第１実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。 図４は、第２実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。 図５は、第３実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。 図６は、第３実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。 図７は、第３実施形態の排気室において、外周フローガイドの外周面とケーシングの内周面とによって形成される排気流路の流路面積を示す図である。 図８は、関連技術に係る蒸気タービンを模式的に示す断面図である。 図９は、関連技術に係る蒸気タービンを模式的に示す断面図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
［Ａ］構成
図１，図２，図３は、第１実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。図１，図２は、図８と同様な垂直面（ｘｚ面）の断面を示している。図３は、図９と同様な垂直面（ｙｚ面）の断面を示している。図２，図３においては、排気室１１０Ｓが設けられた部分を拡大して示している。

蒸気タービン１１は、図１，図２，図３に示すように、ケーシング１１０とロータ３００とタービン排気装置５００とを有する。蒸気タービン１１は、多段式の軸流タービンであって、ケーシング１１０の内部において、静翼翼列４０１と動翼翼列４０２とを含むタービン段落４００が回転軸ＡＸに沿って複数並んでいる。ここでは、蒸気タービン１１は、たとえば、高圧タービンである。各部は、たとえば、金属材料を用いて形成されている。

蒸気タービン１１は、ロータ３００の一端側に設けられた蒸気導入部１１１ａ，１１１ｂを介して、蒸気が作動流体として流入する。そして、ケーシング１１０の内部において、蒸気が複数のタービン段落４００のそれぞれにおいて膨張し仕事を行う。これにより、蒸気タービン１１では、ロータ３００が回転軸ＡＸを中心にして回転する。最終段のタービン段落４００を通過した蒸気は、排気室１１０Ｓに流れる。そして、その排気室１１０Ｓに流れた蒸気は、ロータ３００の他端側に設けられた排気管１１２を介して排気される。

蒸気タービン１１を構成する各部の詳細について順次説明する。

［Ａ−１］ケーシング１１０
蒸気タービン１１のうち、ケーシング１１０は、たとえば、二重構造であって、内部ケーシング２０１と外部ケーシング２０２とを有する。

ケーシング１１０において、内部ケーシング２０１は、ロータ３００を内部に収容している。これと共に、内部ケーシング２０１は、静翼翼列４０１を内周面で支持している。静翼翼列４０１においては、複数の静翼がロータ３００の周方向において間を隔てて配置されている。内部ケーシング２０１は、内部ケーシング上半部２１１と内部ケーシング下半部２１２とを含み、両者を組み合わせることによって構成されている。

ケーシング１１０において、外部ケーシング２０２は、内部ケーシング２０１を内部に収容している。外部ケーシング２０２は、外部ケーシング上半部２２１と外部ケーシング下半部２２２とを含み、両者を組み合わせることによって構成されている。

ケーシング１１０において、蒸気導入部１１１ａ，１１１ｂは、第１蒸気入口部２０１ａ，２０１ｂと第２蒸気入口部２０２ａ，２０２ｂとを含む。

第１蒸気入口部２０１ａ，２０１ｂは、内部ケーシング２０１の内部と外部との間を貫通する開口であって、内部ケーシング上半部２１１と内部ケーシング下半部２１２とのそれぞれに形成されている。

第２蒸気入口部２０２ａ，２０２ｂは、外部ケーシング２０２の内部と外部との間を貫通する開口であって、外部ケーシング上半部２２１と外部ケーシング下半部２２２とのそれぞれに形成されている。

第１蒸気入口部２０１ａ，２０１ｂと第２蒸気入口部２０２ａ，２０２ｂとのそれぞれは、ロータ３００のラジアル方向において同軸に並ぶように設けられており、両者の間には隙間が介在している。第１蒸気入口部２０１ａ，２０１ｂと第２蒸気入口部２０２ａ，２０２ｂとのそれぞれは、断面が円形な流路であって、互いがスリーブ５００ａ，５００ｂを介して接続されている。

ケーシング１１０において、排気室１１０Ｓは、最終段のタービン段落４００よりも下流側に位置しており、ロータ３００の周りを囲うように環状に形成されている。本実施形態では、排気室１１０Ｓは、ケーシング１１０のうち外部ケーシング２０２の内部に設けられている。排気室１１０Ｓは、排気管１１２が連結されている。ここでは、２つの排気管１１２が外部ケーシング２０２の下部に設けられている。２つの排気管１１２は、水平面（ｘｙ面）のうち回転軸ＡＸに沿った方向ｘに対して直交する方向ｙにおいて、間を隔てて並ぶように配置されている。排気室１１０Ｓでは、最終段のタービン段落４００から流入した蒸気が、内部を流れた後に、２つの排気管１１２のそれぞれを介して排出される。

排気室１１０Ｓにおいては、タービン排気装置５００が設けられている。タービン排気装置５００の詳細については後述する。

［Ａ−２］ロータ３００
蒸気タービン１１のうち、ロータ３００は、円柱状の棒状体（シャフト）であって、一端部と他端部とのそれぞれが回転可能に軸受（図示省略）に支持されている。ここでは、ロータ３００は、回転軸ＡＸが水平方向ｘに延在しており、ケーシング１１０を貫通している。

そして、ロータ３００は、外周面において、動翼翼列４０２を支持している。動翼翼列４０２においては、複数の動翼がロータ３００の周方向に間を隔てて配置されている。

［Ａ−３］タービン排気装置５００
蒸気タービン１１のうち、タービン排気装置５００は、内周フローガイド５１０と外周フローガイド５２０とを有する。

内周フローガイド５１０は、排気室１１０Ｓにおいてロータ３００の周りを囲うように、内部ケーシング２０１に設置されている。ここでは、内周フローガイド５１０は、ラッパ形状であって、内部ケーシング２０１の一端から、外周側へ向かって曲がるように形成されている。つまり、内周フローガイド５１０は、回転軸ＡＸに沿った方向ｘにおいて、蒸気が流れる流れ方向に沿って内径および外径が大きくなるように構成されている。

外周フローガイド５２０は、排気室１１０Ｓにおいて内周フローガイド５１０の外周を囲うように設けられており、外周フローガイド５２０の外周面と外部ケーシング２０２の内周面との間に排気流路が形成されている。ここでは、外周フローガイド５２０は、内周フローガイド５１０の外周面で構成される凹部を埋め込むように形成されている。本実施形態では、外周フローガイド５２０は、ロータ３００の周囲において、外周面が円形状になるように構成されている。具体的には、外周フローガイド５２０の外周面は、内周フローガイド５１０において下流側から上流側に向かうに伴って、外径が同じ部分を含むように形成されている。

［Ｂ］まとめ（作用・効果等）
以上のように、本実施形態では、排気室１１０Ｓにおいて、外周フローガイド５２０が内周フローガイド５１０の外周を囲うように設けられている。本実施形態では、排気室１１０Ｓにおいて外周フローガイド５２０の外周面と外部ケーシング２０２の内周面との間に位置する排気流路の面積が、上述した関連技術の場合よりも小さい。このため、環状フローガイド５１０Ｊの内部流路の出口から流路が急激に拡大していない。その結果、排気室１１０Ｓにおいては循環流が発生することを抑制可能である。

したがって、本実施形態は、圧力損失を効果的に低減可能であって、タービンプラント効率を向上することができる。

なお、本実施形態では、上記の蒸気タービン１１が高圧タービンであるときに、上記のタービン排気装置５００を適用する場合について説明したが、これに限らない。上記の蒸気タービン１１が中圧タービンおよび低圧タービンであってもよい。

また、本実施形態では、複数の排気管１１２が設置される場合について説明したが、これに限らない。排気管１１２が単数であってもよい。

また、本実施形態では、ケーシング１１０が二重構造であるときに上記のタービン排気装置５００を適用する場合ついて説明したが、これに限らない。ケーシング１１０が二重構造以外の構造であってもよい。

その他、蒸気以外の流体を作動流体とするタービンにおいて、上記のタービン排気装置５００を適用してもよい。

＜第２実施形態＞
［Ａ］構成
図４は、第２実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。図４は、図８と同様な垂直面（ｘｚ面）の断面を示している。

図４に示すように、本実施形態は、第１実施形態の場合（図２参照）と異なり、締結部材５２０Ｔを有する。この点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。

本実施形態において、外周フローガイド５２０は、内周フローガイド５１０に対して着脱自在であって、締結部材５２０Ｔを用いて内周フローガイド５１０に固定されている。締結部材５２０Ｔは、たとえば、ボルトである。外周フローガイド５２０は、締結部材５２０Ｔを取り付けることによって内周フローガイド５１０に固定される。そして、外周フローガイド５２０は、締結部材５２０Ｔを取り外すことによって内周フローガイド５１０から除くことができる。

［Ｂ］まとめ（作用・効果等）
以上のように、本実施形態では、外周フローガイド５２０は、内周フローガイド５１０に対して着脱自在である。このため、既設のタービンにおいても、外周フローガイド５２０を容易に取り付けることができる。つまり、外周フローガイド５２０の設置は、安価であって、大規模な改造を必要としない。

したがって、本実施形態は、容易に圧力損失を低減可能であって、タービンプラント効率を向上することができる。

なお、上記の他に、たとえば、キー溝による着脱手段によって外周フローガイド５２０を内周フローガイド５１０に対して着脱自在に構成してもよい。

＜第３実施形態＞
［Ａ］構成
図５，図６は、第３実施形態に係る蒸気タービンの要部を模式的に示す断面図である。図５は、図８と同様な垂直面（ｘｚ面）の断面を示している。図６は、図９と同様な垂直面（ｙｚ面）の断面を示している。

図５，図６に示すように、本実施形態は、外周フローガイド５２０が、第１実施形態の場合（図２参照）と異なっている。この点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。

本実施形態において、外周フローガイド５２０は、外形がオーバル形状であって、外周フローガイド５２０の長軸方向が、排気管１１２において蒸気が排気される排気方向に沿うように形成されている。ここでは、排気管１１２の排気方向は、鉛直方向ｚである。このため、外周フローガイド５２０の長軸方向は、鉛直方向ｚに沿っている。

また、外周フローガイド５２０は、長軸方向において、排気管１１２に近い側の曲率が、排気管１１２に遠い側の曲率よりも小さくなるように形成されている。ここでは、排気管１１２は、外周フローガイド５２０の下方に設置されている。このため、外周フローガイド５２０は、下方の曲率が、上方の曲率よりも小さくなるように形成されている。すなわち、外周フローガイド５２０は、卵形状に形成されている。

さらに、外周フローガイド５２０は、内周フローガイド５１０において下流側から上流側に向かうに伴って、長軸方向における外径が大きくなるように形成されている。つまり、外周フローガイド５２０の外周面は、内周フローガイド５１０において下流側に位置する一端では円形である。外周フローガイド５２０の外形は、内周フローガイド５１０において下流側に位置する一端から上流側に向かうに伴って、外形がオーバル形状になるように形成されている。

［Ｂ］まとめ（作用・効果等）
図７は、第３実施形態の排気室１１０Ｓにおいて、外周フローガイド５２０の外周面とケーシング１１０の内周面とによって形成される排気流路の流路面積を示す図である。図７において、縦軸は、排気流路の流路面積Ｓである。横軸は、排気流路の位置である。ここでは、横軸において、左側は、鉛直方向ｚにおける上方Ｕｐｒであって、排気管１１２から遠い位置である。これに対して、右側は、鉛直方向ｚにおける下方Ｌｗｒであって、排気管１１２に近い位置である。

図７に示すように、本実施形態では、上記の排気流路の流路面積Ｓは、上方Ｕｐｒから下方Ｌｗｒへ向かうに伴って、大きくなっている。つまり、排気管１１２から最も遠い位置において、流路面積Ｓが最も小さい。そして、排気管１１２から最も近い位置において、流路面積Ｓが最も大きい。排気流路は、排気管１１２に近づくに伴って、流路面積Ｓが比例して大きくなるように形成されている。

上述したように、上記の排気流路においては、排気管１１２に近づくに伴って、内周フローガイド５１０の出口から、蒸気が流れ込んで合流する。このため、関連技術の場合には、排気管１１２に近い部分が遠い部分よりも蒸気の流量が大きくなり、圧力損失が生ずる。

しかし、本実施形態では、上記の排気流路の流路面積Ｓが、排気管１１２に近づくに伴って大きくなっているので、排気管１１２に近い部分において蒸気の流量が大きくなることを抑制可能である。

したがって、本実施形態は、更に、圧力損失を効果的に低減可能であって、タービンプラント効率を向上することができる。

なお、本実施形態では、外周フローガイド５２０の外形が、オーバル形状のうち、卵形状である場合について説明したが、これに限らない。外周フローガイド５２０の外形が、楕円形状であってもよい。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…蒸気タービン、１１０…ケーシング、１１０Ｓ…排気室、１１１ａ，１１１ｂ…蒸気導入部、１１２…排気管、２０１…内部ケーシング、２０１ａ，２０１ｂ…蒸気入口部、２０２…外部ケーシング、２１１…内部ケーシング上半部、２１２…内部ケーシング下半部、２２１…外部ケーシング上半部、２２２…外部ケーシング下半部、３００…ロータ、４００…タービン段落、４０１…静翼翼列、４０２…動翼翼列、５００…タービン排気装置、５００ａ，５００ｂ…スリーブ、５１０…内周フローガイド、５１０Ｊ…環状フローガイド、５２０…外周フローガイド、５２０Ｔ…締結部材

Claims (5)

1. ロータを収容するケーシングの内部において最終段のタービン段落から作動流体が排気される排気室に設けられるタービン排気装置であって、
   前記排気室は、前記ロータの周りを囲うように環状に形成され、前記作動流体が当該排気室から排気管を介して前記ケーシングの外部へ排出されるように構成されており、
   当該タービン排気装置は、
   前記排気室において前記ロータの周りを囲っており、前記タービン段落において前記作動流体が流れる流れ方向に沿って内径および外径が大きくなるように構成されている内周フローガイドと、
   前記排気室において前記内周フローガイドの外周を囲うように設けられている外周フローガイドと
   を有し、
   前記排気室のうち前記ロータの径方向において前記外周フローガイドの外周面と前記ケーシングの内周面との間に介在する排気流路は、前記流れ方向の一端から他端までの全体に渡って、前記径方向における幅が、前記流れ方向に対して反対の方向に向かうに伴って狭くなるように構成されている、
   タービン排気装置。
2. 前記外周フローガイドは、前記内周フローガイドに対して着脱自在である、
   請求項１に記載のタービン排気装置。
3. 前記外周フローガイドは、外形がオーバル形状であって、当該外周フローガイドの長軸方向が、前記排気管において前記作動流体が排気される排気方向に沿うように形成されている、
   請求項１または２に記載のタービン排気装置。
4. 前記排気流路は、前記排気管に近づくに伴って、流路面積が大きくなるように形成されている、
   請求項３に記載のタービン排気装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のタービン排気装置を備える、
   タービン。

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