JP6602685B2 - 蒸気タービン排気室冷却装置、蒸気タービン - Google Patents

Description

実施形態は、蒸気タービン排気室冷却装置、および、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンにおいては、定格負荷よりも負荷が極めて低い極低負荷での運転、または、無負荷での運転が行われる。極低負荷または無負荷で蒸気タービンの運転が行われる際には、低圧タービンなどの蒸気タービンにおいて最終段のタービン段落を構成する翼の温度が、風損によって上昇する。

図８は、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、最終段の動翼を流れた蒸気の温度Ｔと径方向における位置Ｈとの関係（温度分布）、および、最終段の動翼を流れる蒸気の流量ＦＲと径方向における位置Ｈとの関係（流量分布）を示す図である。

図８において、横軸は、温度Ｔまたは流量ＦＲを示している。縦軸は、径方向における位置Ｈ（翼高さ方向位置）を示している。縦軸において、下側に示す位置Ｈ１は、径方向の内側であって、動翼のルート側の位置に相当する。そして、縦軸において、上側に示す位置Ｈ２は、径方向の外側であって、動翼の先端側の位置に相当する。図８では、５％程度の極低負荷時の結果を示している。この負荷は、連続的な運転が許容される負荷のうち最も低い負荷（連続許容運転最低負荷）未満の負荷である。

図８に示す極低負荷運転または無負荷運転の際、最終段の動翼では、先端側（図８では上側）のみにプラスの流量ＦＲ（入口から出口に向かう流れ）が存在し、ルート側（図８では下側）の広い領域では、マイナスの流量ＦＲ（出口から入口に向かう逆流）が存在する。これに伴い、最終段の動翼周辺と排気室では、通常運転に比べて、温度上昇が生じることが知られている。特に、先端側を流れた蒸気の温度Ｔは、動翼の回転による遠心力により、ルート側よりも高くなる。つまり、最終段の動翼は、先端側において高温の蒸気が偏って流れる。その結果、最終段の動翼では、先端部の温度が著しく高くなる。

この対策のため、蒸気タービンには、蒸気タービン排気室冷却装置が設置されている。蒸気タービン排気室冷却装置は、ケーシングの内部に設けられたタービン排気室にスプレー水を噴霧して、冷却を行う。これにより、排気室および動翼の温度を下げて、動翼を保護する。

図９、図１０、図１１は、関連技術に係る蒸気タービンの要部を示す図である。

図９、図１０、図１１においては、ケーシング２の内部において、最終段のタービン段落を流れた蒸気が排気されるタービン排気室Ｋ２、および、蒸気タービン排気室冷却装置５が設けられた部分に関して示している。図９および図１０では、蒸気タービン１において上半側の部分を示し、下半側の部分については図示を省略している。これに対して、図１１では、上半側の部分および下半側の部分の両者について図示している。

具体的には、図９は、図１１のうちＺ１−Ｚ２部分に相当する面の断面であって、回転軸ＡＸに沿った水平方向（ｙ方向）と鉛直方向（ｚ方向）とによって規定される鉛直面（ｙ−ｚ面）について示している。図１０は、図１１のうちＺ１ａ−Ｚ２ａ部分に相当する面の断面であって、回転軸ＡＸに沿った水平方向（ｙ方向）と回転軸ＡＸの径方向に沿った方向（ｒｄ方向）とによって規定される面について示している。図１１は、図９および図１０のうちＹ１−Ｙ２部分に相当する面の断面であって、回転軸ＡＸに沿った水平方向（ｙ方向）に直交する他の水平方向（ｘ方向）と、鉛直方向（ｚ方向）とによって規定される鉛直面（ｘ−ｚ面）について示している。

なお、図１０では、蒸気タービン排気室冷却装置５が供給するスプレー水Ｓ５について太い実線の矢印を用いて示している。また、図１１では、タービンロータ３の回転方向Ｒについて、破線の矢印を用いて示している。

図９，図１０に示すように、蒸気タービン１は、ケーシング２とタービンロータ３と蒸気タービン排気室冷却装置５とを有する。図示省略しているが、蒸気タービン１は、多段式の軸流タービンであって、複数のタービン段落がタービンロータ３の回転軸ＡＸに沿って並んでいる。つまり、蒸気タービン１は、ケーシング２の内部において動翼翼列と静翼翼列とのそれぞれが回転軸ＡＸに沿って交互に複数段配置されている。

蒸気タービン１においては、蒸気が作動流体としてケーシング２の入口（図示省略）から内部に流入する。蒸気タービン１は、たとえば、低圧タービンであって、高圧タービンと中圧タービンとを順次流れた蒸気が作動流体として流入する。そして、その流入した作動流体は、ケーシング２の内部において、回転軸ＡＸに沿って並ぶ複数のタービン段落を順次流れる。作動流体は、初段のタービン段落から最終段のタービン段落のそれぞれにおいて膨張し、仕事を行う。これにより、ケーシング２の内部においてタービンロータ３が回転軸ＡＸを中心にして回転する。そして、作動流体は、最終段のタービン段落を流出した後に、タービン排気室Ｋ２を介して、ケーシング２の出口（図示省略）から外部へ排出される。ケーシング２から排出された作動流体は、たとえば、蒸気タービン１の下方に設けられた復水器（図示省略）に流れる。

蒸気タービン１を構成する各部に関して、順次、説明する。

蒸気タービン１のうち、ケーシング２は、たとえば、二重構造であって、図９，図１０に示すように、内部ケーシング２１と外部ケーシング２２とを有する。ケーシング２において、外部ケーシング２２は、内部ケーシング２１を内部に収容している。

上記の他に、ケーシング２においては、図９，図１０，図１１に示すように、外周フローガイド２３と内周フローガイド２４と仕切板２５とが設置されている。

外周フローガイド２３および内周フローガイド２４は、図９，図１０，図１１に示すように、円錐状の管状体であって、管軸が回転軸ＡＸに一致するように、タービン排気室Ｋ２の内部に設置されている。ここでは、外周フローガイド２３は、内部ケーシング２１に固定されている。内周フローガイド２４は、外周フローガイド２３の内部に配置されており、外部ケーシング２２に固定されている。外周フローガイド２３と内周フローガイド２４との両者は、ディフューザを構成しており、回転軸ＡＸの径方向において作動流体をスムースに膨張させる。

仕切板２５は、図９，図１１に示すように、板状体であって、外部ケーシング２２の内部に設置されている。ここでは、仕切板２５は、外部ケーシング２２の上半側において、タービン排気室Ｋ２の内部に設けられている。仕切板２５は、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直方向（ｚ方向）に面が沿うように設置されている。

蒸気タービン１のうち、タービンロータ３は、図９，図１０，図１１に示すように、動翼３１が設けられている。図示を省略しているが、動翼３１は、タービンロータ３の回転方向Ｒに沿って、複数が間を隔てて配置されている。

蒸気タービン１のうち、蒸気タービン排気室冷却装置５は、図１０に示すように、ケーシング２の内部に設置されている。ここでは、蒸気タービン排気室冷却装置５は、外周フローガイド２３の外周面（図１０では上面）に設置されている。蒸気タービン排気室冷却装置５は、タービン排気室Ｋ２にスプレー水Ｓ５（水滴）を供給することによって冷却を行う。蒸気タービン排気室冷却装置５は、たとえば、タービン負荷が最大負荷（１００％）に対して２０％未満である運転を行う際に、スプレー水Ｓ５（水滴）の供給を行う。

蒸気タービン排気室冷却装置５は、図１０，図１１に示すように、スプレーノズル５１と接続パイプ５２とを有する。

図１０に示すように、スプレーノズル５１は、接続パイプ５２の先端に設置されている。スプレーノズル５１は、噴射口から外周フローガイド２３の内側へ向かってスプレー水Ｓ５を噴霧する。スプレーノズル５１は、タービンロータ３の回転軸ＡＸに直交する面に対して噴射口の中心線Ｊ５を傾斜させることにより、スプレー水Ｓ５が動翼３１に衝突することを防止している。なお、接続パイプ５２は、スプレーノズル５１の噴射口と同軸である。

図１１に示すように、スプレーノズル５１は複数であって、その複数のスプレーノズル５１は、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直方向（ｚ方向）を対称軸として噴射口が対称に配置されている。たとえば、４つのスプレーノズル５１がタービンロータ３の回転方向Ｒにおいて並ぶように配置されている。４つのスプレーノズル５１は、鉛直方向（ｚ方向）に沿った子午面を軸にして対称であって、上半側に２つのスプレーノズル５１（５１Ａ，５１Ｂ）が設置され、下半側に２つのスプレーノズル５１が設置されている。スプレーノズル５１は、スプレー水が円錐状に放射されるように、スプレー水を噴射する。

具体的には、上半側においては、第１スプレーノズル５１Ａと第２スプレーノズル５１Ｂとの両者が、仕切板２５を介して隣り合うように設置されている。

第１スプレーノズル５１Ａは、タービンロータ３よりも上方に位置している。そして、第１スプレーノズル５１Ａは、タービンロータ３の回転方向Ｒにおいてタービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直面よりも前方に噴射口が位置するように設置されている。つまり、第１スプレーノズル５１Ａの噴射口は、タービンロータ３の回転方向Ｒにおいて仕切板２５よりも前方に配置されている。

第２スプレーノズル５１Ｂは、第１スプレーノズル５１Ａと同様に、タービンロータ３よりも上方に位置している。第２スプレーノズル５１Ｂは、第１スプレーノズル５１Ａと異なり、タービンロータ３の回転方向Ｒにおいて、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直面よりも後方に噴射口が位置するように、設置されている。つまり、第２スプレーノズル５１Ｂの噴射口は、タービンロータ３の回転方向Ｒにおいて仕切板２５よりも後方に配置されている。

タービンロータ３の回転方向Ｒにおいて、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直面から第１スプレーノズル５１Ａの噴射口が取付けられた位置までの間の取付角度θ１と、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直面から第２スプレーノズル５１Ｂの噴射口が取付けられた位置までの間の取付角度θ２との両者は、互いに同じである。第１スプレーノズル５１Ａの取付角度θ１と第２スプレーノズル５１Ｂの取付角度θ２とのそれぞれは、たとえば、４５°である（θ１＝θ２＝４５°）。つまり、第１スプレーノズル５１Ａの噴射口と仕切板２５との間の距離、および、第２スプレーノズル５１Ｂの噴射口と仕切板２５との間の距離は、互いに同じである。

第１スプレーノズル５１Ａ、および、第２スプレーノズル５１Ｂのそれぞれは、噴射口の中心線Ｊ５がタービンロータ３の径方向に沿うように、設置されている。

図示を省略しているが、複数のスプレーノズル５１のそれぞれは、水供給系統（図示省略）から接続パイプ５２を介して供給された冷却水をスプレー水Ｓ５として噴霧する。

スプレーノズル５１は、スプレー水Ｓ５が円錐状に放射されるように噴霧を行う。スプレー水Ｓ５の広がり角度β（スプレー角度）は、スプレーノズル５１が微粒化ノズルであるときには、７０°以下であって、たとえば、６０°（中心線Ｊ５に対して３０°ずつ）の広がり角度βでスプレー水Ｓ５が放射される。

ところで、極低負荷または無負荷で蒸気タービンを運転した際には、最終段のタービン段落を構成する動翼において逆流域が発生することが知られている。これと共に、最終段の動翼の出口においては、スワール角度が大きくなり、タービンロータ３の回転方向Ｒに高速な旋回流が生ずる。

図１２Ａ，図１２Ｂは、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、逆流域を説明するための図である。

図１２Ａでは、最終段のタービン段落を構成する静翼３１０と動翼３１とを模式的に示す。動翼３１のチップ部に高温高圧の蒸気が動翼の遠心力により移動する結果、チップ部が高圧になり、ルート部が低圧になるので、チップ部から排気室に抜けた蒸気がルート部に圧力差により戻るために、動翼３１のルート部で逆流ＣＦが生ずる様子を図１２Ａに示している。これに対して、図１２Ｂは、タービン負荷と、最終段の動翼において逆流域が発生する位置との関係を示す図である。図１２Ｂにおいて、横軸は、タービン負荷Ｌ（％）を示しており、縦軸は、径方向の位置Ｈ（図１２Ａ参照）を示している。具体的には、縦軸においては、下側が動翼のルート側であって、上側が動翼の先端側である。図１２Ｂでは、ハッチングを付した部分が、逆流ＣＦが発生する領域（図１２Ａ中の領域Ｈｒに相当）を示している。

図１２Ａ，図１２Ｂから判るように、タービン負荷Ｌの低下に伴って、最終段の動翼３１においては、蒸気がルート側よりも先端側に偏って流れるために、逆流域が生ずる領域が広がる（図８参照）。

図１３Ａ，図１３Ｂは、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、翼出口に生じる旋回流（スワール）を説明するための図である。

図１３Ａは、スワール角度ＳＫを説明するための図であって、動翼３１について回転方向Ｒで切断した断面を示している。図１３Ａにおいて、横方向は、回転軸ＡＸ（図１１参照）に沿った水平方向（ｙ方向）であり、縦方向は、回転方向Ｒである。図１３Ａでは、作動流体である蒸気が左側から右側へ流れる場合について示している。また、図１３Ｂは、タービン負荷とスワール角度との関係を示す図であって、横軸は、タービン負荷Ｌ（％）を示しており、縦軸は、スワール角度ＳＫ（°）を示している。

図１３Ａ，図１３Ｂから判るように、スワール（旋回流）は、タービン負荷Ｌ（％）が低くなるに伴って、回転軸ＡＸに沿った方向から回転方向Ｒに沿った方向に近づく。このため、タービン負荷Ｌ（％）が低いときには、最終段落の翼出口では、タービンロータ３の回転方向Ｒに高速な旋回流が生ずる。

図１３Ｂに示すように、タービン負荷Ｌが、たとえば、０〜１７％の範囲Ｌｓ（スプレー水投入負荷）である場合に、スプレー水Ｓ５（水滴）の供給が行われる。

蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の一部は、上述した逆流域の発生によって、タービン排気室Ｋ２において逆流する。このため、その逆流したスプレー水Ｓ５の一部が、最終段の動翼（特にルート部）に衝突し、エロージョンが発生する。この対策のため、スプレー水Ｓ５を微粒子化すること等が提案されている。

たとえば、スプレーノズル５１の噴射口の径を小さくすることによって、スプレー水Ｓ５の微粒子化を行う。スプレー水Ｓ５の水滴径が小さい場合には、スプレー水Ｓ５の比表面積（＝表面積／体積）が水滴径に反比例して大きくなるので、冷却効率（熱交換効率）を向上させることができる。

図１４は、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、スプレーノズル５１に供給する水の圧力（供給水圧）とスプレーノズル５１の出口部分の圧力（出口圧力）との間の差である圧力差Ｐ（ｋｇ／ｃｍ^２）と、スプレーノズル５１から噴射されたスプレー水Ｓ５の水滴径Ｒｄ（μｍ）との関係を示す図である。

図１４では、水滴径Ｒｄ（μｍ）は、数学的平均水滴径である。また、図１４において、線Ｌ１は、噴射口の径が大きい場合であり、線Ｌ２は、線Ｌ１の場合よりも噴射口の径が小さい場合を示している。

図１４に示すように、噴射口の径が小さい場合（線Ｌ２）には、噴射口の径が大きい場合（線Ｌ１）よりも、水滴径Ｒｄを小さくすることができる。具体的には、噴射口の径が大きい場合（線Ｌ１）には、上記の圧力差Ｐ（ｋｇ／ｃｍ^２）が、２．５〜４．５ｋｇ／ｃｍ^２であるときに、水滴径Ｒｄ（μｍ）は、３５０μｍ以上になる。これに対して、噴射口の径が小さい場合（線Ｌ２）には、上記の圧力差Ｐ（ｋｇ／ｃｍ^２）が、４．５〜９．０ｋｇ／ｃｍ^２であるときに、水滴径Ｒｄ（μｍ）は、２００μｍ以下になる。なお、水滴の初速度は、噴射口の径が大きい場合（線Ｌ１）には、１０ｍ／ｓ程度であるが、噴射口の径が小さい場合（線Ｌ２）には、２０ｍ／ｓ程度になる。

図１５は、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、径方向における動翼の位置Ｈとスプレー水Ｓ５の水滴径Ｒｄとの関係、および、径方向における動翼の位置Ｈと熱交換率ηとの関係を示す図である。縦軸において、下側は、動翼のルート側であって、上側は、動翼の先端側である（図１２Ａと同様）。ここでは、スプレーノズル５１から噴射されたスプレー水Ｓ５の水滴は、径方向の初速度を保持したまま、ノズル５１の出口から移動すると考えている。また、熱交換率ηについては、水滴の体積変化で表している。

図１５から判るように、翼先端部では蒸気温度が高いので熱交換量が大きく、水滴径の減少が速い（水滴径が減少する割合が大きい）。これに対して、翼ルート部に近づくに伴って蒸気温度が低くなるので、熱交換量が減少し、水滴径の減少は遅くなる（水滴径が減少する割合が小さい）。

具体的には、スプレーノズル５１から噴出された水滴は、水滴径が、たとえば、１９０μｍである。しかし、翼高さの中央では、水滴径は１５０μｍに減少する。そして、翼ルート部に到達する時点では、水滴径は４０μｍまで小さくなる。５０μｍ以下の小さい径になった水滴は、翼に衝突しても、ほとんどエロージョンをもたらさない。

また、熱交換率は、翼高さ中央では５０％程度である。しかし、翼ルート部から１０％高さで、熱交換率が９５％になり、翼ルートに到達する時点では、熱交換率がほぼ１００％になる。このことから、スプレーノズル５１から噴出した水滴が内周フローガイドに２４到達すれば、十分な熱交換がなされていると共にエロージョンがほぼ生じないということは明らかである。

従来は、極低負荷運転または無負荷運転を長時間続けることが無かった。このため、翼に生じるエロージョンよりも、確実に排気室の温度を低下させることを重視して、スプレー水量を設定してきた。すなわち、スプレー水による蒸気の冷却効率を低く見込んで、スプレー水量を冷却に必要な水量よりも多く設定してきた。その結果、スプレー水量の多くの部分は、蒸気の温度冷却に有効に使用されず、翼のエロージョンを促進する。この設定法で極低負荷運転または無負荷運転を長時間続ける場合は、翼に著しいエロージョンを生じる。具体的には、上記した逆流現象（すなわち、出口から入口へ向かう逆流）によって、スプレー水の一部が最終段落の翼のルート部出口に衝突してエロージョンが生ずる。また、スプレー水の一部は、翼先端入口部にも衝突して、当該部にエロージョンが生じる。そして、当該運転を長時間続けて、大量のスプレー水が翼に衝突すると、翼のエロージョンが著しく進行するため、翼の寿命が短縮される。したがって、極低負荷運転または無負荷運転を長時間続けるためには、冷却効率を高めて冷却水量を減らす必要がある。

実開昭６３−１３２８０４号公報 特開平６−１３７１１１号公報 特開平６−１９３４０８号公報 特開平５−２０２７０２号公報

図１６は、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の流れを示す図である。

図１６では、図１１と同様に、回転軸ＡＸに対して直交する鉛直面（ｘ−ｚ面）について示している。ただし、図１６では、スプレーノズル５１として、第１スプレーノズル５１Ａ，第２スプレーノズル５１Ｂ，第３スプレーノズル５１Ｃについて図示している。また、図１６では、スプレー水Ｓ５の流れについて、実線の矢印を用いて示している。ここでは、スプレーノズル５１から円錐状に拡散するスプレー水Ｓ５のうち、スプレーノズル５１の中心線Ｊ５に沿って噴射された水滴Ｓ５ａの他に、中心線Ｊ５に沿った方向よりも回転方向Ｒの前方側に噴射された水滴Ｓ５ｂ、および、後方側に噴射された水滴Ｓ５ｃに関して示している。第１スプレーノズル５１Ａに関しては、水滴Ｓ５ａと水滴Ｓ５ｂとの間に噴射された水滴Ｓ５ｄ（太い一点鎖線）を併記している。

図１６に示すように、スプレー水Ｓ５は、最終段のタービン段落の出口で生ずる高速な旋回流によって、回転方向Ｒの前方側（図１６では左側）に偏向して流れる。たとえば、スプレー水Ｓ５のうち、スプレーノズル５１の中心線Ｊ５に沿って噴射された水滴Ｓ５ａは、中心線Ｊ５よりも回転方向Ｒの前方側に流れる。

第２スプレーノズル５１Ｂから噴出された水滴のうち、水滴Ｓ５ｂは、仕切り板２５に衝突する。仕切り板２５において衝突する位置は、翼高さ方向（径方向）の中央付近である。図１５に示したように、たとえば、噴出時点での水滴径が１９０μｍであるときには、衝突時点の水滴径は、１５０μｍであり、水滴と蒸気との間の熱交換率は、５０％になる。すなわち、水滴Ｓ５ｂは、５０％が熱交換に寄与せずに、仕切り板２５に捕獲されて、復水器（図示省略）へ排出される。これから判るように、第２スプレーノズル５１Ｂから噴出される水滴のうち、水滴Ｓ５ａと水滴Ｓ５ｂの間を移動する水滴（図示省略）は、内周フローガイド２４に到達せず、熱交換効率が低い。

第１スプレーノズル５１Ａから噴出された水滴Ｓ５ｂは、内周フローガイド２４に到達しない。しかし、第２スプレーノズル５１Ｂの場合と異なり、第１スプレーノズル５１Ａから噴出された水滴Ｓ５ｂの進路には、仕切り板２５がない。このため、第１スプレーノズル５１Ａから噴出された水滴Ｓ５ｂは、ほぼ直進状態で移動した後に、外周フローガイド２３に衝突し、復水器（図示省略）に排除されるので、熱交換効率が低い。第１スプレーノズル５１Ａから噴出された水滴のうち、水滴Ｓ５ａと水滴Ｓ５ｂの間にある水滴（たとえば、水滴Ｓ５ｄ）は、第１スプレーノズル５１Ａに隣接する第３スプレーノズル５１Ｃから噴出された水滴Ｓ５ｃに衝突して合体する（図中のＤ部）。これにより、第３スプレーノズル５１Ｃから噴出された水滴Ｓ５ｃは、水滴径が大きくなるため、熱交換効率が減少する。すなわち、熱交換効率を高めるには、スプレーノズル５１から噴射された水滴が、隣接する他のスプレーノズル５１から噴射された水滴や、仕切り板２５に衝突することなく、内周フローガイド２４に到達することが必要である。

図１６において破線で囲った領域Ｒｆａ，Ｒｆｂには、スプレー水Ｓ５が存在しないが、領域Ｒｆｂは、第２スプレーノズル５１Ｂから噴出されたスプレー水Ｓ５により冷却された蒸気の旋回流によって、冷却される。一方で、領域Ｒｆａは、上記の旋回流の多くが、仕切り板２５で堰き止められるため、冷却されない。このように、スプレー水Ｓ５が存在しない部分を最小限に抑えることで、熱交換効率の向上を実現可能である。

冷却効率（熱交換効率）が低いと、スプレー水Ｓ５の供給量を増加させることが必要になり、エロージョンの発生を十分に抑制することが困難になる。そして、極低負荷運転または無負荷運転を、長時間、行うことが困難になる。

スプレーノズルの噴射方向が、タービンロータの回転方向の逆であって、ロータの径方向に直交する接線方向に沿うように、スプレーノズルを設置する技術が提案されている（たとえば、特許文献１）。しかし、本技術では、上記課題を十分に解決することが容易でない。

本発明が解決しようとする課題は、冷却効率（熱交換効率）の向上が可能であって、スプレー水の供給量の低下と、それに伴うエロージョンの発生抑制を可能にし、また、翼に衝突する水滴の径を小さく抑えることによりエロージョンの発生抑制を可能にする、蒸気タービン排気室冷却装置、および、蒸気タービンを提供することである。

実施形態の蒸気タービン排気室冷却装置は、タービンロータを収容しているケーシングの内部においてタービン段落から蒸気が排気されるタービン排気室にスプレー水を供給する。蒸気タービン排気室冷却装置は、複数のスプレーノズルを有し、複数のスプレーノズルは、タービンロータの回転方向に対して逆の方向にスプレー水を噴射口からタービン排気室に噴射するように、噴射口の中心線がタービンロータの径方向に対して傾斜している。タービンロータの径方向に対して噴射口の中心線が回転方向の前方側へ傾斜する傾斜角度αは、下記式（Ａ）に示す関係にある。複数のスプレーノズルは、タービンロータよりも上方に位置すると共に、タービンロータの回転軸を通る鉛直面に沿って設置された仕切板よりもタービンロータの回転方向において前方に設置された第１スプレーノズルと、タービンロータよりも上方に位置すると共に、タービンロータの回転方向において仕切板よりも後方に設置された第２スプレーノズルとを含み、タービンロータの回転方向において、タービンロータの回転軸を通る鉛直面から第１スプレーノズルの噴射口が取付けられた位置までの間の取付角度θ１、および、タービンロータの回転軸を通る鉛直面から第２スプレーノズルの噴射口が取付けられた位置までの間の取付角度θ２は、下記式（Ｂ）に示す関係にある。

２５°≦α≦４５° ・・・（Ａ）
θ１＜θ２ ・・・（Ｂ）

図１は、第１実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る蒸気タービンにおいて、蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の流れを示す図である。 図３は、第１実施形態に係る蒸気タービンにおいて、蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の流れを示す図である。 図４は、第１実施形態に係る蒸気タービンにおいて、蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の流れを示す図である。 図５は、第２実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す図である。 図６は、第２実施形態に係る蒸気タービンにおいて、蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の流れを示す図である。 図７は、第２実施形態の変形例に係る蒸気タービンの要部を示す図である。 図８は、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、最終段の動翼を流れた蒸気の温度Ｔと径方向における位置Ｈとの関係（温度分布）、および、最終段の動翼を流れる蒸気の流量ＦＲと径方向における位置Ｈとの関係（流量分布）を示す図である。 図９は、関連技術に係る蒸気タービンの要部を示す図である。 図１０は、関連技術に係る蒸気タービンの要部を示す図である。 図１１は、関連技術に係る蒸気タービンの要部を示す図である。 図１２Ａは、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、逆流域を説明するための図である。 図１２Ｂは、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、逆流域を説明するための図である。 図１３Ａは、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、旋回流（スワール）を説明するための図である。 図１３Ｂは、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、旋回流（スワール）を説明するための図である。 。図１４は、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、スプレーノズル５１に供給する水の圧力（供給水圧）とスプレーノズル５１の出口部分の圧力（出口圧力）との間の差である圧力差Ｐ（供給水圧）と、スプレーノズル５１から噴射されたスプレー水Ｓ５の水滴径Ｒｄとの関係を示す図である。 図１５は、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、径方向における動翼の位置Ｈとスプレー水Ｓ５の水滴径Ｒｄとの関係、および、径方向における動翼の位置Ｈと熱交換率ηとの関係を示す図である。 図１６は、関連技術に係る蒸気タービンにおいて、蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の流れを示す図である。

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＞
図１は、第１実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す図である。

図１では、図１１と同様に、回転軸ＡＸに対して直交する鉛直面（ｘ−ｚ面）の断面について示しており、タービンロータ３の回転方向Ｒについて、破線の矢印を用いて示している。ただし、図１では、上半側に設置された２つのスプレーノズル５１（第１スプレーノズル５１Ａ，第２スプレーノズル５１Ｂ）について図示している。

図示を省略しているが、本実施形態に係る蒸気タービン１は、上述した関連技術の場合（図９，図１０参照）と同様に、ケーシング２とタービンロータ３と蒸気タービン排気室冷却装置５とを有する。しかし、本実施形態では、図１に示すように、蒸気タービン排気室冷却装置５を構成するスプレーノズル５１（第１スプレーノズル５１Ａ，第２スプレーノズル５１Ｂ）の配置が、上述した関連技術（図１１参照）の場合と異なる。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、上記の関連技術の場合と同様である。このため、本実施形態において、上述した関連技術と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

本実施形態において、スプレーノズル５１は、図１に示すように、関連技術の場合（図１１参照）と同様に、接続パイプ５２の先端に設置されている。ここでは、スプレーノズル５１は、たとえば、水滴径が２００μｍ以下である微小な水滴を噴霧するように構成されている。接続パイプ５２は、スプレーノズル５１の噴射口と同軸である。

また、スプレーノズル５１は複数であって、その複数のスプレーノズル５１は、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直方向（ｚ方向）を対称軸として噴射口が対称に配置されている。具体的には、上半側では、関連技術の場合（図１１参照）と同様に、第１スプレーノズル５１Ａと第２スプレーノズル５１Ｂとが設置されている。第１スプレーノズル５１Ａの取付角度θ１と、第２スプレーノズル５１Ｂの取付角度θ２は、互いに同じであって、たとえば、４５°である（θ１＝θ２＝４５°）。

しかしながら、本実施形態では、第１スプレーノズル５１Ａ、および、第２スプレーノズル５１Ｂのそれぞれは、関連技術の場合（図１１参照）と異なり、噴射口の中心線Ｊ５がタービンロータ３の径方向に沿うように設置されていない。換言すると、本実施形態では、噴射口の中心線Ｊ５を延長した延長線が回転軸ＡＸ（回転中心）に交差しない。

本実施形態では、第１スプレーノズル５１Ａ、および、第２スプレーノズル５１Ｂのそれぞれは、回転方向Ｒに対して逆の方向にスプレー水Ｓ５（図１では図示省略）を噴射するように、噴射口の中心線Ｊ５がタービンロータ３の径方向に対して傾斜している。つまり、第１スプレーノズル５１Ａ、および、第２スプレーノズル５１Ｂのそれぞれは、噴射口の中心線Ｊ５が、タービンロータ３の径方向に対して回転方向Ｒの前方側へ傾斜している。

具体的には、タービンロータ３の径方向に対して噴射口の中心線Ｊ５が回転方向Ｒの前方側へ傾斜する傾斜角度αは、関連技術の場合（図１１参照）には０°であるのに対して（α＝０）、本実施形態では、関連技術の場合と異なる。本実施形態では、その傾斜角度αは、第１スプレーノズル５１Ａと第２スプレーノズル５１Ｂとにおいて互いに同じであって、最小値が２５°であり（α＝２５°）、最大値が４５°である（α＝４５°）。つまり、傾斜角度αは、下記式（Ａ）に示す関係にある。

２５°≦α≦４５° ・・・（Ａ）

なお、傾斜角度αは、第１スプレーノズル５１Ａと第２スプレーノズル５１Ｂとにおいて同じであっても、異なっていてもよい。

本実施形態に係る蒸気タービン排気室冷却装置５の作用および効果について説明する。

図２，図３，図４は、第１実施形態に係る蒸気タービンにおいて、蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の流れを示す図である。

図２から図４では、図１と同様に、回転軸ＡＸに対して直交する鉛直面（ｘ−ｚ面）について示している。図２から図４においては、スプレー水Ｓ５の流れについて、実線の矢印を用いて示している。図２では、蒸気タービン１の運転が停止され、作動流体である蒸気が流れていない場合に、スプレーノズル５１が噴射したスプレー水Ｓ５の様子を示している。これに対して、図３および図４では、蒸気タービン１において極低負荷（たとえば、定格負荷１００％に対して５％の負荷）または無負荷で運転が行われている場合に、スプレーノズル５１が噴射したスプレー水Ｓ５の様子を示している。図３は、傾斜角度αが最小値の２５°である場合を示しており、図４は、傾斜角度αが最大値の４５°である場合を示している。なお、図２では、縦方向は、図３と異なり、鉛直方向でなく、径方向であり、スプレーノズル５１の設置部分を拡大して示している。

図２に示すように、スプレーノズル５１は、スプレー水Ｓ５が円錐状に拡散するように噴霧を行う。スプレーノズル５１は、たとえば、６０°のスプレー角度βでスプレー水Ｓ５の噴射を行う。具体的には、蒸気タービン１の運転が停止された状態では、スプレーノズル５１の噴射口の中心線Ｊ５に沿って水滴Ｓ５ａが噴射される。この他に、噴射口の中心線Ｊ５に沿った方向よりも回転方向Ｒの前方側に水滴Ｓ５ｂが噴射されると共に、回転方向Ｒの後方側に水滴Ｓ５ｃが噴射される。本実施形態では、噴射口の中心線Ｊ５に沿って噴射される水滴Ｓ５ａは、回転軸ＡＸの径方向に対して、回転方向Ｒの前方側へ傾斜した方向へ向かって進む。

図３および図４に示すように、蒸気タービン１において極低負荷または無負荷で運転が行われた状態では、スプレー水Ｓ５は、関連技術の場合（図１６参照）と同様に、最終段のタービン段落の出口で生ずる高速な旋回流によって、回転方向Ｒの前方側（図３では左側）に偏向して流れる。たとえば、スプレー水Ｓ５のうち、スプレーノズル５１の噴射口の中心線Ｊ５に沿って噴射された水滴Ｓ５ａは、中心線Ｊ５よりも回転方向Ｒの前方側に流れる。

しかしながら、本実施形態では、関連技術の場合（図１６参照）と異なり、第１スプレーノズル５１Ａおよび第２スプレーノズル５１Ｂは、上述のように傾いて設けられている。このため、これらから噴射されたスプレー水Ｓ５（水滴Ｓ５ａ，Ｓ５ｂ，Ｓ５ｃ）は、すべてが内周フローガイド２４に到達し、翼ルートの近傍を冷却する。

したがって、本実施形態では、十分に冷却が行われるので、冷却効率（熱交換効率）を向上させることができる。そして、これに伴って、スプレー水Ｓ５の供給量を低下させることが可能になる。つまり、冷却水量を低減可能である。これに伴い、動翼３１に衝突する水滴が減るので、エロージョンの発生を効果的に抑制することができる。その結果、本実施形態では、動翼３１の長寿命化が実現可能であって、極低負荷運転または無負荷運転を長時間行うことができる。なお、傾斜角度αが上記最小値（２５°）よりも小さい場合には、図３の水滴Ｓ５ｂに示すように、ロータ回転方向前側のスプレー水Ｓ５が内周フローガイド２４に到達しなくなり、熱交換量が低減するという問題が生ずる。また、傾斜角度αが上記最大値（４５°）よりも大きい場合には、図４の水滴Ｓ５ｃに示すように、ロータ回転方向後側のスプレー水が内周フローガイド２４に到達しなくなり、熱交換量が低減するという問題が生ずる。

なお、本実施形態では、上半側に２つのスプレーノズル５１を設置する場合について説明したが、これに限らない。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す図である。

図５では、図１と同様に、回転軸ＡＸに対して直交する鉛直面（ｘ−ｚ面）の断面について示しており、タービンロータ３の回転方向Ｒについて、破線の矢印を用いて示している。図５では、図１と同様に、上半側に設置された２つのスプレーノズル５１（第１スプレーノズル５１Ａ，第２スプレーノズル５１Ｂ）について図示している。

本実施形態では、図５に示すように、蒸気タービン排気室冷却装置５を構成するスプレーノズル５１（第１スプレーノズル５１Ａ，第２スプレーノズル５１Ｂ）の配置が、上述した第１実施形態の場合と異なる。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、上述した関連技術と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

本実施形態において、スプレーノズル５１は、図５に示すように、第１実施形態の場合と同様に、接続パイプ５２の先端に設置されている。ここでは、スプレーノズル５１は、たとえば、水滴径が２００μｍ以下である微小な水滴を噴霧するように構成されている。接続パイプ５２は、スプレーノズル５１の噴射口と同軸である。

また、本実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、複数のスプレーノズル５１が外周フローガイド２３に設置されている。具体的には、上半側においては、タービンロータ３の回転方向Ｒにおいて仕切板２５よりも前方に、第１スプレーノズル５１Ａが設置されている。これと共に、タービンロータ３の回転方向Ｒにおいて仕切板２５よりも後方には、第２スプレーノズル５１Ｂが設置されている。

第１スプレーノズル５１Ａ、および、第２スプレーノズル５１Ｂのそれぞれは、第１実施形態の場合と同様に、噴射口の中心線Ｊ５がタービンロータ３の径方向に沿うように設置されていない。本実施形態では、第１スプレーノズル５１Ａ、および、第２スプレーノズル５１Ｂのそれぞれは、回転方向Ｒに対して逆の方向にスプレー水Ｓ５（図５では図示省略）を噴射するように、噴射口の中心線Ｊ５がタービンロータ３の径方向に対して傾斜している。つまり、第１スプレーノズル５１Ａ、および、第２スプレーノズル５１Ｂのそれぞれは、噴射口の中心線Ｊ５が、タービンロータ３の径方向に対して回転方向Ｒの前方側へ傾斜している。図５では、傾斜角度αが最小値の２５°である場合を示しているが、傾斜角度αは、上述した式（Ａ）に示したように、最小値が２５°であって、最大値が４５°の範囲であればよい。

しかしながら、本実施形態では、第１スプレーノズル５１Ａ、および、第２スプレーノズル５１Ｂは、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直方向（ｚ方向）を対称軸として噴射口が対称に配置されていない。

具体的には、タービンロータ３の回転方向Ｒにおいて、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直面から第１スプレーノズル５１Ａの噴射口が取付けられた位置までの間の取付角度θ１、および、タービンロータ３の回転軸ＡＸを通る鉛直面から第２スプレーノズル５１Ｂの噴射口が取付けられた位置までの間の取付角度θ２は、互いに異なっている（θ１≠θ２）。ここでは、第１スプレーノズル５１Ａの取付角度θ１と、第２スプレーノズル５１Ｂの取付角度θ２とは、下記式（Ｂ）に示す関係にある。すなわち、第１スプレーノズル５１Ａの取付角度θ１は、第２スプレーノズル５１Ｂの取付角度θ２よりも小さい。

θ１＜θ２ ・・・（Ｂ）

換言すると、第１スプレーノズル５１Ａの噴射口と仕切板２５との間の距離は、第２スプレーノズル５１Ｂの噴射口と仕切板２５との間の距離よりも短い。図５では、第１スプレーノズル５１Ａの取付角度θ１が２０°であって、第２スプレーノズル５１Ｂの取付角度θ２が４５°である場合を示している。

本実施形態に係る蒸気タービン排気室冷却装置５の作用および効果について説明する。

図６は、第２実施形態に係る蒸気タービンにおいて、蒸気タービン排気室冷却装置５がタービン排気室Ｋ２に供給したスプレー水Ｓ５の流れを示す図である。

図６では、図５と同様に、回転軸ＡＸに対して直交する鉛直面（ｘ−ｚ面）について示している。図６においては、スプレー水Ｓ５の流れについて、実線の矢印を用いて示している。ここでは、スプレーノズル５１から円錐状に拡散するスプレー水Ｓ５のうち、スプレーノズル５１の中心線Ｊ５に沿って噴射された水滴Ｓ５ａの他に、中心線Ｊ５に沿った方向よりも回転方向Ｒの前方側に噴射された水滴Ｓ５ｂ、および、後方側に噴射された水滴Ｓ５ｃに関して示している。

図６に示すように、スプレー水Ｓ５は、第１実施形態の場合と同様に、最終段のタービン段落の出口で生ずる高速な旋回流によって、回転方向Ｒの前方側に偏向して流れる。たとえば、スプレー水Ｓ５のうち、スプレーノズル５１の中心線Ｊ５に沿って噴射された水滴Ｓ５ａは、中心線Ｊ５よりも回転方向Ｒの前方側に流れる。

しかしながら、本実施形態では、回転方向Ｒにおいて仕切板２５よりも前方に位置する第１スプレーノズル５１Ａは、第１実施形態の場合よりも仕切板２５に近い。第１スプレーノズル５１Ａから噴射されたスプレー水Ｓ５は、仕切板２５に衝突せずに、第１実施形態の場合よりも多い水滴（水滴Ｓ５ａから水滴Ｓ５ｃの範囲）が、内周フローガイド２４に到達し、冷却に寄与する。

また、本実施形態では、第１スプレーノズル５１Ａから噴射されたスプレー水Ｓ５の作用によって、図１６に示した領域Ｒｆａ（図６では図示省略）が小さくなる。つまり、仕切板２５よりも回転方向Ｒの前方に位置し、スプレー水Ｓ５などの冷却媒体が供給されないデッドゾーンが狭くなる。

さらに、本実施形態では、スプレー水Ｓ５が仕切板２５に衝突して捕獲されないため、冷却効率を向上可能である。また、本実施形態では、スプレーノズル５１から噴出された水滴が、隣接する他のスプレーノズル５１から噴出された水滴に衝突して粗大化しないので、冷却効率を向上可能である。

したがって、本実施形態では、十分に冷却が行われるので、冷却効率（熱交換効率）を向上させることができる。そして、これに伴って、スプレー水Ｓ５の供給量を低減可能である。そして、動翼３１に衝突する水滴が減ることと、衝突する水滴の径が十分に小さくなることにより、エロージョンの発生を効果的に抑制することができる。その結果、本実施形態では、動翼３１の長寿命化が実現可能であって、極低負荷運転または無負荷運転を長時間行うことができる。

なお、本実施形態では、上半側に２つのスプレーノズル５１を設置する場合について説明したが、これに限らない。たとえば、回転方向Ｒにおいて仕切板２５よりも前方に設置するスプレーノズルの数と、後方に設置するスプレーノズルの数とが、互いに異なっていてもよい。つまり、回転方向Ｒにおいて仕切板２５よりも前方に設置するスプレーノズルの数が、後方に設置するスプレーノズルの数よりも多くてもよい。また、回転方向Ｒにおいて仕切板２５よりも前方に設置するスプレーノズルの数が、後方に設置するスプレーノズルの数よりも少なくてもよい。

また、上記した実施形態では、第１スプレーノズル５１Ａの傾斜角度αと第２スプレーノズル５１Ｂの傾斜角度αとが互いに同じである場合について説明したが、これに限らない。傾斜角度αは、第１スプレーノズル５１Ａと第２スプレーノズル５１Ｂとの間において互いに異なっていてもよい。

図７は、第２実施形態の変形例に係る蒸気タービンの要部を示す図である。図７では、図６と同様に、回転軸ＡＸに対して直交する鉛直面（ｘ−ｚ面）について示している。

本変形例では、第１スプレーノズル５１Ａの取付角度θ１が２０°であって、第２スプレーノズル５１Ｂの取付角度θ２が２５°である場合を示している。また、本変形例では、第１スプレーノズル５１Ａの傾斜角度α１と、第２スプレーノズル５１Ｂの傾斜角度α２との両者は、互いに異なっている。ここでは、第１スプレーノズル５１Ａの傾斜角度α１は、２５°であり、第２スプレーノズル５１Ｂの傾斜角度α２は、４５°である。

本変形例では、上記した第２実施形態と同様に、第１スプレーノズル５１Ａから噴射されたスプレー水Ｓ５の作用によって、図１６に示した領域Ｒｆａ（図６では図示省略）が小さくなる。つまり、仕切板２５よりも回転方向Ｒの前方に位置し、スプレー水Ｓ５などの冷却媒体が供給されないデッドゾーンが狭くなる。

さらに、本変形例では、上記した第３実施形態と同様に、スプレー水Ｓ５が仕切板２５に衝突して捕獲されないため、冷却効率を向上可能である。また、本変形例では、スプレーノズル５１から噴出された水滴が、隣接する他のスプレーノズル５１から噴出された水滴に衝突して粗大化しないので、冷却効率を向上可能である。

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。

１…蒸気タービン、２…ケーシング、３…タービンロータ、５…蒸気タービン排気室冷却装置、２１…内部ケーシング、２２…外部ケーシング、２３…外周フローガイド、２４…内周フローガイド、２５…仕切板、３０…ロータディスク、３１…動翼、３２…シュラウドリング、５１…スプレーノズル、５１Ａ…第１スプレーノズル、５１Ｂ…第２スプレーノズル、ＡＸ…回転軸、Ｆ…作動流体、Ｊ５…中心線、Ｋ２…タービン排気室、Ｒ…回転方向、Ｓ５…スプレー水、Ｓ５ａ…水滴、Ｓ５ｂ…水滴、Ｓ５ｃ…水滴

Claims (2)

1. タービンロータを収容しているケーシングの内部においてタービン段落から蒸気が排気されるタービン排気室にスプレー水を供給する蒸気タービン排気室冷却装置であって、
   前記タービンロータの回転方向に対して逆の方向に前記スプレー水を噴射口から前記タービン排気室に噴射するように、前記噴射口の中心線が前記タービンロータの径方向に対して傾斜していると共に、前記タービンロータの径方向に対して前記噴射口の中心線が前記回転方向の前方側へ傾斜する傾斜角度αが、下記式（Ａ）に示す関係にある複数のスプレーノズル
   を有し、
   前記複数のスプレーノズルは、
   前記タービンロータよりも上方に位置すると共に、前記タービンロータの回転軸を通る鉛直面に沿って設置された仕切板よりも前記タービンロータの回転方向において前方に設置された第１スプレーノズルと、
   前記タービンロータよりも上方に位置すると共に、前記タービンロータの回転方向において前記仕切板よりも後方に設置された第２スプレーノズルと
   を含み、
   前記タービンロータの回転方向において、前記タービンロータの回転軸を通る鉛直面から前記第１スプレーノズルの噴射口が取付けられた位置までの間の取付角度θ１、および、前記タービンロータの回転軸を通る鉛直面から前記第２スプレーノズルの噴射口が取付けられた位置までの間の取付角度θ２は、下記式（Ｂ）に示す関係にある、
   蒸気タービン排気室冷却装置。
   ２５°≦α≦４５° ・・・（Ａ）
   θ１＜θ２ ・・・（Ｂ）
2. 請求項１に記載の蒸気タービン排気室冷却装置を備える、
   蒸気タービン。

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