JP6628611B2 - 蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン排気装置のディフューザ流路の一部を構成するフローガイド及びそれを備えた蒸気タービンの排気装置に関する。

ボイラ等の蒸気発生器で発生させた蒸気によりタービンを回転させて発電する発電プラントは、一般に、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンなど、蒸気圧力に応じた複数のタービンで構成されている。蒸気発生器で発生した蒸気は、高圧タービンから低圧タービンまで順に通過して回転仕事を終え、復水器に導入される。蒸気はそこで凝縮して復水となり、蒸気発生器に還流する。高圧・中圧・低圧タービン各々の出口直後には、排気室と呼ばれる蒸気流路が設けられている。排気室は、一般に、急激な流れの転向を伴う形状を有するため、蒸気の流れに抵抗が生じ、圧力損失が発生しやすい。

このような構成の発電プラントには、復水器を低圧タービンの下方に配置することによって、発電プラントを格納する建屋を小さくする下方排気型のものがある。下方排気型の発電プラントにおける低圧タービンの排気室では、低圧タービンから排気された蒸気が短い距離で復水器に向かって下方に転向する。このため、蒸気が滑らかに転向しきれずに、蒸気の流れに剥離が生じて圧力損失となることがある。低圧タービンの出口から復水器にかけての蒸気流路である低圧タービンの排気室における圧力損失は、プラント性能に与える影響が大きく、この圧力損失を低減することはプラントの性能向上に効果的である。

多くの低圧タービンの排気室では、下流側に向かって流路断面積を徐々に増加させたディフューザ流路構造が採用されている。ディフューザ流路で滑らかに蒸気を膨張させることにより、蒸気の運動エネルギを圧力のエネルギに変換することをディフューザ効果と呼ぶ。このディフューザ効果が有効に発揮された場合、低圧タービンの出口圧力が低下するので、低圧タービンの出入口間の蒸気の熱落差が大きくなり、より高い出力を得ることができる。

ディフューザ流路は、一般に、タービンの最終段の出口部に取り付けられたフローガイドと呼ばれる環状の部材と、フローガイドの内側に位置する軸受側の壁面（ベアリングコーンと呼ばれる軸受を覆う部材）等とで形成される。ディフューザ効果の向上は、特に、フローガイドの形状を様々に工夫することにより図られている。このようなディフューザ流路を有する排気室には、例えば、現状の製造・組み立て精度を変更することなく、高いディフューザ効果を発揮させ、低コストでプラント効率を向上させるために、フローガイドの上半側及び下半側のガイド面をそれぞれ、互いに異なる形状の曲線をロータ軸を中心に回転して成る曲面で構成し、上半側と下半側の接続部に水平に形成された隙間を閉塞部材で閉塞したフローガイドを採用したものがある（特許文献１参照）。

特開２０１４−５８１３号公報

下方排気型の蒸気タービンの排気室では、フローガイドのディフューザ効果、すなわち、圧力回復率の向上によりタービン性能の向上を図ることができる。このディフューザ流路の流れは、上下非対称であるため、排気室の圧力回復係数を最大化するフローガイドの形状は上下で異なるものとなる。

しかしながら、フローガイド全体を、圧力回復係数が最大化される最適形状に形成すると、製造コストが高くなる。フローガイドは、一般的に、周方向に区分した複数の部材を溶接などで一体化することで環状に形成される。これら複数の部材は、板曲げによる製缶で所望の形状に成形される。フローガイドが回転対称な形状である場合、フローガイドを構成する複数の部材は互いに同一形状となるので、製缶の型は一つで足りる。それに対して、フローガイドが周方向の各位置で異なる曲率半径を持った理想的な最適形状である場合、フローガイドを構成する複数の部材は、互いに異なる形状となるので、製缶の型が複数必要である。例えば、フローガイドを周方向に８つに区分して構成する場合、製缶の型が８つ必要で、回転対称なフローガイドの場合と比較すると、８倍の型が必要となり、製造コストが増大するという問題がある。

従来は、製造コストと性能のバランスを考慮したフローガイドが用いられていた。すなわち、フローガイドは、全周で単一な曲率となる曲面を有すると共に、排気室の形状等に応じて周方向（上半側と下半側）で異なる径方向の長さを有する形状とされていた。フローガイドの曲面形状として、フローガイドの上半側及び下半側の最適形状の中間的なものが採用されていた。したがって、フローガイドを低コストで製造できるが、排気室の圧力回復係数に妥協があった。また、上記した特許文献１に記載の低圧タービンの排気室においては、フローガイドの上半側及び下半側のガイド面が曲線をロータ軸中心で回転させて成る曲面で構成されると共に、上半側のガイド面と下半側のガイド面の接続部分が不連続となるので、圧力回復係数を向上させる余地がある。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、高いディフューザ効果と低い製造コストの両立を図ることができる蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、中心軸の周りに回転するタービンロータと前記タービンロータの外周側に配置された複数の動翼とを備えた蒸気タービンの排気装置であって、最終段落の動翼の下流側において、動翼の内周側に配置されたベアリングコーンと、最終段落の動翼の下流側において、動翼の外周側に配置された環状のフローガイドと、前記ベアリングコーン及び前記フローガイドを取り囲む外部ケーシングとを備え、前記フローガイドの周方向の各位置における子午面投影形状は、ある１つの代表形状をその上流端を中心に子午面内で回転させて、その径方向の長さを同一に維持又は短縮した形状であり、前記フローガイドの上流端の前記タービンロータの軸方向に対する傾斜角の周方向における分布は、周方向の複数の代表位置において、それぞれ代表傾斜角を有すると共に、周方向の代表位置間において、それら代表位置の代表傾斜角から線形補間によって規定され、前記傾斜角の周方向における分布は、前記複数の代表位置において、少なくとも２つの異なる値の代表傾斜角を有することを特徴とする。

本発明によれば、フローガイドを、その子午面投影形状が周方向に連続的に変化するような形状とすると共に、周方向の代表位置間のフローガイドを、周方向に何分割に区分しても同じ製缶の型で成形可能な形状としたので、高いディフューザ効果と低い製造コストの両立を図ることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置の第１の実施の形態を蒸気タービンの最終段落と共に示す概略縦断面図である。 図１に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態を示す斜視図である。 従来の蒸気タービン排気装置のフローガイドの子午面投影形状の一例を示す概略図である。 従来の蒸気タービン排気装置のフローガイドの傾斜角の周方向における分布を示す図である。 従来の蒸気タービン排気装置のフローガイドの径方向の長さの周方向における分布を示す図である。 図２に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の周方向の代表位置における子午面投影形状の一例を示す概略図である。 図２に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の傾斜角の周方向における分布を示す図である。 本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の形状検査の方法を示す説明図である。 本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第２の実施の形態を示す斜視図である。 図９に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第２の実施の形態の傾斜角の周方向における分布を示す図である。 図９に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第２の実施の形態をXI−XI矢視から見た断面図である。

以下、本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置の実施の形態を図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置の第１の実施の形態の構成を図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置の第１の実施の形態を蒸気タービンの最終段落と共に示す概略縦断面図、図２は図１に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態を示す斜視図である。図１中、白抜き矢印は蒸気の流れを示している。図１及び図２中、矢印Ｘａはタービンロータの軸方向（中心軸の方向）を、矢印Ｒはタービンロータの径方向を、θは周方向の位置（角度）を示している。

図１において、蒸気タービンは、中心軸Ａの周りに回転するタービンロータ１と、タービンロータ１の外周側に周方向に配列された複数の動翼２（図１中、２つ図示）と、動翼２に上流側で対向するように周方向に配列された複数の静翼３（図１中、２つ図示）とを備えている。周方向に配列された静翼３と動翼２は、タービンロータ１の軸方向Ｘａ（図１中、左右方向）に交互に配置されて複数の段落（図１中、最終段落のみ図示）を構成している。動翼２は、その外周側の漏れ流れを低減するために、その先端部にカバー４を有している。静翼３は、ノズルダイヤフラム外輪５により保持されている。静翼３の内周側先端には、静翼３の前後の圧力差による漏れ流れを低減するために、ノズルダイヤフラム内輪６が設けられている。作動流体である蒸気は、蒸気タービンの最終段落の静翼３及び動翼２を通過し、タービンロータ１を駆動させる。

この蒸気タービンは、例えば、下方排気型であり、タービンロータ１を駆動させた後の排気を下方の復水器（図示せず）に導く排気装置１０を更に備えている。排気装置１０は、タービンロータ１及び動翼２を内包する内部ケーシング（図示せず）と、最終段落の動翼２の下流側において、その動翼２の内周側（根元側）に配設されたベアリングコーン１２と、最終段落の動翼２の下流側において、その動翼２の外周側（先端側）に配設された環状のフローガイド１３と、内部ケーシング、ベアリングコーン１２、及びフローガイド１３を取り囲む外部ケーシング１４とを備えている。ベアリングコーン１２は、タービンロータ１の軸受（図示せず）を取り囲むように設置された環状の部材であり、その下流端が外部ケーシング１４の軸端壁１４ａに接続されている。最終段落の動翼２の下流側には、ベアリングコーン１２、フローガイド１３、及び外部ケーシング１４の軸端壁１４ａにより、排気の流れ方向下流側に向かって徐々に流路断面積が拡大する環状のディフューザ流路１５が形成されている。このディフューザ流路１５は、最終段の動翼２から排出された排気の減速により運動エネルギを圧力に変換して排気の圧力回復を図るものであり、最終段落の動翼２の出口からの排気を径方向Ｒの外側に放射状に導出させる。

フローガイド１３は、例えば、溶接等によりフローガイドリング１６に取り付けられており、フローガイドリング１６を介してノズルダイヤフラム外輪５に固定されている。フローガイド１３は、図１及び図２に示すように、その上流端（フローガイドリング１６への取付部）が軸方向Ｘａに対して傾斜角（上流端の内周面における接線と軸方向Ｘａとのなす角）αで傾斜するように径方向Ｒの外側に湾曲している。フローガイド１３は、図２に示すように、周方向に区分された複数の曲面状の部材１８を溶接等で一体化することで環状に形成されている。

次に、本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の詳細な形状を従来の蒸気タービン排気装置のフローガイドの形状と比較して説明する。
まず、従来の蒸気タービン排気装置のフローガイドの形状を図２乃至図５を用いて説明する。図３は従来の蒸気タービン排気装置のフローガイドの子午面投影形状の一例を示す概略図、図４は従来の蒸気タービン排気装置のフローガイドの傾斜角の周方向における分布を示す図、図５は従来の蒸気タービン排気装置のフローガイドの径方向の長さの周方向における分布を示す図である。図４中、縦軸αはフローガイド上流端の軸方向に対する傾斜角を、横軸θはフローガイドの周方向の位置を示している。図５中、縦軸ｒはフローガイドの径方向の長さを、横軸θはフローガイドの周方向の位置を示している。なお、図３乃至図５において、図１及び図２に示す符号と同符号ものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

従来のフローガイド１１３は、図２に示すように、本実施の形態のフローガイド１３と同様に、複数の曲面状の部材１１８を溶接等で一体化することで環状に形成されている。複数の曲面状の部材１１８は、板曲げによる製缶で成形される。このフローガイド１１３は、製造コストを低減するために、フローガイド１１３を構成する全ての曲面状の部材１１８を一つの型台で成形できるような形状とされている。

具体的には、フローガイド１１３は、図３に示すように、その子午面投影形状（中心軸Ａを含む面での断面形状）が全周（θ＝０°〜３６０°）で重なるように形成されており、図２に示すフローガイド１１３の上流端の傾斜角αは、図３及び図４に示すように、全周（θ＝０°〜３６０°）で同一値α_０となる。ただし、このフローガイド１１３は、図５に示すように、その子午面投影形状の径方向Ｒの長さｒが上半部（θ＝０°〜９０°、２７０°〜３６０°）で一定で、下半部（θ＝９０°〜２７０°）で上半部よりも大きい分布になるように形成されている。つまり、従来のフローガイド１１３は、図３に示す子午面投影形状を中心軸Ａ（図１参照）の周りに回転して得られる形状に対して、その径方向Ｒの長さｒを周方向の位置θに応じて異なるように形成したものである。

なお、フローガイド１１３の径方向Ｒの長さｒを上記のように分布させる理由は次の通りである。フローガイド１１３の上側出口の形状は、外部ケーシング１４（図１参照）の外周側に位置する側壁面１４ｂ（図１参照）の形状により律速される。例えば、フローガイド１１３の上側の径方向Ｒの長さｒが過大である場合、フローガイド１１３と外部ケーシング１４の間に絞り流路が形成されるので、排気の圧力回復が阻害され、タービン出力が低下する。一方、フローガイド１１３の下側の下流側は、図示しない復水器に繋がる部分であり、ディフューザ流路１５（図１参照）を阻害する構造物は存在しない。そのため、フローガイド１１３の下側出口と外部ケーシング１４の軸端壁１４ａ（図１参照）とで、圧力回復係数が最大となるような最適なディフューザ流路を形成しようとすると、フローガイド１１３の上側に対して、下側はその径方向Ｒの長さｒを大きくする必要がある。つまり、フローガイド１１３の子午面投影形状が周方向の各位置θで重なって、フローガイド１１３の上流端の傾斜角αが周方向の各位置θで一定であるという前提のもとで、排気装置の圧力回復が最大となるように、フローガイド１１３の径方向Ｒの長さｒの周方向における分布が最適化されている。

このような形状のフローガイド１１３を採用する場合、フローガイド１１３の径方向Ｒの長さｒは周方向の位置θによって異なるが、フローガイド１１３を構成する複数の曲面状の部材１１８を１つの型台で成形可能であるので、製造コストの低減を図ることができる。しかし、ある曲線を中心軸Ａの周りに回転して得られた曲面形状を基本形状とするこの従来のフローガイド１１３では、ディフューザ流路の圧力回復係数に妥協がある。そのため、圧力回復係数の向上が可能なフローガイドが求められている。

次に、本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の詳細な形状を図２、図５乃至図７を用いて説明する。
図６は図２に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の周方向の代表位置における子午面投影形状の一例を示す概略図、図７は図２に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の傾斜角の周方向における分布を示す図である。図７中、縦軸αはフローガイド上流端の軸方向に対する傾斜角を、横軸θはフローガイドの周方向の位置を示している。なお、図６及び図７において、図１乃至図５に示す符号と同符号ものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図２に示すフローガイド１３の周方向の各位置θの子午面投影形状は、周方向のある位置の子午面投影形状を代表形状として、代表形状の上流端を中心に子午面内で回転させて、その径方向の長さを同一に維持又は短縮した形状とされている。具体的には、図６に示すように、周方向の位置θが１８０°（下半部中心）の子午面投影形状を、ディフューザ流路１５（図１参照）の圧力回復係数が向上する適切な形状、例えば、自由曲線で規定される形状に設定し、これを代表形状とする。周方向の位置θが９０°及び２７０°（図２中、上半部と下半部の境界部）の子午面投影形状は、代表形状をその上流端を中心に子午面内で軸方向Ｘａに接近する方向に回転させ（図６中、二点鎖線で示す状態）、その径方向Ｒの長さｒを短縮した形状（図６中、実線で示す形状）とされている。周方向の位置θが０°〜９０°及び２７０°〜３６０°の部分（上半部）の各子午面投影形状は、互いに同一形状とされている。周方向の位置θが９０°〜２７０°の部分（下半部）の子午面投影形状は、周方向に連続的に変化するような形状とされている。

また、図２に示すフローガイド１３は、例えば、周方向の各位置θにおける傾斜角αが図７に示す分布になるように形成されている。具体的には、フローガイド１３の上半部（θ＝０°〜９０°、２７０°〜３６０°）の傾斜角αを一定値α_２としている。フローガイド１３の下半部（θ＝９０°〜２７０°）の傾斜角αを、上半部（θ＝０°〜９０°、２７０°〜３６０°）の傾斜角αよりも大きく、周方向の位置θが１８０°（下半部中心）で傾斜角αが最大値α_１となるようにしている。下半部の傾斜角αのうち、周方向の位置θが１８０°〜９０°の部分（図２中、下流側から見て下半部中心から上半部に繋がる右側部分）及び周方向位置θが１８０°〜２７０°の部分（図２中、下流側から見て下半部中心から上半部に繋がる左側部分）の傾斜角αはそれぞれ、それらの両端（１８０°と９０°又は１８０°と２７０°）の傾斜角α_１、α_２から線形補間によって規定されている。つまり、傾斜角αの周方向における分布は、周方向の複数の代表位置θ_Ｒ（１８０°、９０°、２７０°）において、それぞれ代表傾斜角α_１、α_２を有している。代表傾斜角α_１、α_２は、外部ケーシング１４（図１参照）の形状等に応じて排気装置１０の圧力回復係数が向上する角度に設定される。加えて、フローガイド１３の傾斜角αの周方向の代表位置θ_Ｒ間における分布は、それら代表位置θ_Ｒ（１８０°、９０°、２７０°）の代表傾斜角α_１、α_２から線形補間によって規定されている。なお、代表位置θ_Ｒは、１８０°、９０°、２７０°に限られず、設計上等の必要に応じて任意に位置に設定可能である。

さらに、フローガイド１３は、例えば、子午面投影形状の径方向Ｒの長さｒが図５に示す従来のフローガイド１１３と同様な分布となるように形成されている。つまり、子午面投影形状の径方向Ｒの長さｒは、フローガイド１３の上半部（θ＝０°〜９０°、２７０°〜３６０°）で一定であり、下半部（θ＝９０°〜２７０°）で上半部よりも大きい分布となっている。下半部の径方向Ｒの長さｒは、周方向の位置θが１８０°（下半部中心）で最大で、周方向の位置θが上半部に向かうにしたがって単調に減少するように分布している。

このように構成されたフローガイド１３は、周方向のいずれの位置θにおいても、その内周面（ガイド曲面）が周方向に連続な形状となる。また、周方向の位置θが０°〜９０°及び２７０°〜３６０°のフローガイド１３の部分（上半部）は、両端（９０°と２７０°）を除く周方向のいずれの位置θにおいても１階微分が連続の滑らかな曲面形状となる。また、周方向の位置θが９０°〜１８０°の部分（図２中、下流側から見て下半部中心から上半部に繋がる右側部分）及び１８０°〜２７０°の部分（図２中、下流側から見て下半部中心から上半部に繋がる左側部分）もそれぞれ、両端（９０°と１８０°又は１８０°と２７０°）を除く周方向のいずれの位置θにおいても１階微分が連続の滑らかな曲面形状となる。つまり、フローガイド１３の内周面は、周方向の代表位置θ_Ｒ（９０°、１８０°、２７０°）の部分を除いて、周方向に滑らかな曲面形状となる。

このフローガイド１３を製缶により製造する場合、合計３つの型で成形可能である。フローガイド１３の上半部（θ＝０°〜９０°、２７０°〜３６０°）は、その子午面投影形状が周方向の各位置θで同一であるので、上半部を周方向に何分割で構成しようが１つの型で製造可能である。また、周方向の位置θが９０°〜１８０°の代表位置θ_Ｒ間、及び、１８０°〜２７０°の代表位置θ_Ｒ間の部分のフローガイド１３の傾斜角はそれぞれ、それら代表位置θ_Ｒ（１８０°と９０°、又は、１８０°と２７０°）の代表傾斜角α_１、α_２の線形補間によって規定されているので、フローガイド１３の代表位置θ_Ｒ間（９０°〜１８０°及び１８０°〜２７０°）の部分は、周方向に何分割で構成されようが各々１つの型で製造可能である。したがって、フローガイド１３は、３つの製缶の型で製造可能である。

このように、本実施の形態においては、フローガイド１３の上半部と下半部を、排気装置１０の圧力回復係数が向上するような非対称な形状とし、かつ、フローガイド１３が周方向で連続な形状としたので、中心軸Ａの周りに回転して成る形状を基本形状とする従来のフローガイドよりも、圧力回復係数の向上した排気装置１０を得ることができる。

また、本実施の形態においては、上記形状のフローガイド１３の製造コストを、周方向の各位置θで異なる曲率半径を有する最適形状のフローガイドを製造する場合と比較すると、大幅に低減することができる。例えば、フローガイドを周方向に８つに区分して製造する場合、最適形状のフローガイドの製作に必要な製缶の型数が８つであるのに対して、本実施の形態のフローガイド１３の製造に必要な製缶の型数は３つである。

次に、本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の形状検査の方法を図８を用いて説明する。
図８は本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第１の実施の形態の形状検査の方法を示す説明図である。図８中、矢印Ｘａは軸方向を、矢印Ｒは径方向を、θは周方向の位置を示している。なお、図８において、図１乃至図７に示す符号と同符号ものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

フローガイド１３のガイド曲面（内周面）の検査においては、フローガイド１３の上流端を下側にして水平面に配置し、フローガイド検査ゲージ２１をガイド曲面に当接させることで、ガイド曲面の周方向の各位置θにおける形状を確認する。フローガイド１３は、周方向の各位置θの子午面投影形状がある代表形状をその上流端を中心に子午面内で回転させた形状であるので（図６参照）、代表形状のガイド曲面に対応するフローガイド検査ゲージ２１を１つ用いることで、周方向の各位置θのガイド曲面の形状検査を行うことができる。

また、フローガイド１３は、傾斜角αが全周で同一ではないため、周方向の各位置θにおける傾斜角αを確認する必要がある。しかし、この傾斜角αを直接的に計測することは難しい。そこで、フローガイド１３の上流端と下流端間の水平距離Ｌと垂直距離Ｈを周方向の各位置θで計測し、その計測値と設計値と比較することで、周方向の各位置θの傾斜角αを間接的に確認する。

一方、周方向の各位置θで異なる曲率半径を有する最適形状のフローガイドを検査する場合、周方向の各位置θでそれに対応した形状の検査ゲージを用いる必要がある。つまり、多数の検査ゲージを用意する必要があり、ゲージ製作費用が増加する。また、周方向の各位置θで、それに対応した検査ゲージを用いて検査する必要があるので、検査が煩雑となり、検査時間の長時間化等による形状検査の費用の増加の要因となる。

このように、本実施の形態においては、１つのフローガイド検査ゲージ２１でフローガイド１３のガイド曲面の全周の形状を確認することが可能なので、最適形状のフローガイドの形状検査を行う場合と比較して、ゲージ製作費用等を含む形状検査の費用を大幅に低減することができる。

上述したように、本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置の第１の実施の形態によれば、フローガイド１３を、その子午面投影形状が周方向に連続的に変化するような形状とすると共に、周方向の代表位置θ_Ｒ間のフローガイド１３を、周方向に何分割に区分しても同じ製缶の型で成形可能な形状としたので、高いディフューザ効果と低い製造コストの両立を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、３つの代表位置θ_Ｒ（１８０°、９０°、２７０°）において２つの異なる値の代表傾斜角α_１、α_２を有するように、フローガイド１３の傾斜角αの周方向における分布を規定しているので、３つの代表位置θ_Ｒ間のフローガイド１３の形状をそれぞれ圧力回復係数の向上する形状に形成することが可能であると共に、フローガイド１３を３つの製缶の型で成形することが可能である。したがって、製造コストを抑制しつつ、ディフューザ効果の向上を図ることができる。

さらに、本実施の形態によれば、フローガイド１３の周方向の各位置θの子午面投影形状の基本形状となる代表形状の内周面側を自由曲線により規定したので、円弧状の曲線で構成する代表形状の場合よりも、圧力回復係数の向上するディフューザ流路１５を得ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置の第２の実施の形態を図９乃至図１１を用いて説明する。
図９は本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第２の実施の形態を示す斜視図、図１０は図９に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第２の実施の形態の傾斜角の周方向における分布を示す図、図１１は図９に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイドの第２の実施の形態をXI−XI矢視から見た断面図である。図１１中、白抜き矢印は蒸気の流れを示している。なお、図９乃至図１１において、図１乃至図８に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図９及び図１０に示す本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置の第２の実施の形態は、第１の実施の形態が３つの代表位置θ_Ｒ（１８０°、９０°、２７０°）において２つの異なる値の代表傾斜角α_１、α_２を有するように、フローガイド１３の傾斜角αの周方向における分布を規定したものであるのに対して（図７参照）、２つの代表位置θ_Ｒ（０°、１８０°）において２つの異なる値の代表傾斜角α_３、α_４を有するように、フローガイド１３Ａの傾斜角αの周方向における分布を規定するものである。具体的には、図１０に示すように、フローガイド１３Ａの周方向の代表位置θ_Ｒを０°と１８０°として、フローガイド１３Ａの傾斜角αの周方向の分布を規定している。後者の代表位置θ_Ｒの代表傾斜角α_４は、前者の代表位置θ_Ｒの代表傾斜角α_３よりも相対的に大きくなるように設定されている。フローガイド１３Ａの代表位置θ_Ｒ間（０°〜１８０°及び１８０°〜３６０°、図９中右側半分及び左側半分）における傾斜角は、第１の実施の形態の場合と同様に、それら代表位置θ_Ｒ（０°、１８０°）の代表傾斜角α_３、α_４から線形補間によって規定されている。

このように構成されたフローガイド１３Ａは、周方向のいずれの位置θにおいても、その内周面（ガイド曲面）が周方向に連続な曲面形状となる。また、周方向の位置θが０°〜１８０°の代表位置θ_Ｒ間の部分（図９中、下流側から見て右側半分）及び１８０°〜３６０°の代表位置θ_Ｒ間の部分（図９中、下流側から見て左側半分）は、両端（０°と１８０°）を除く周方向のいずれの位置θにおいても１階微分が連続の滑らかな曲面形状となる。つまり、フローガイド１３Ａの内周面は、周方向の代表位置θ_Ｒ（０°、１８０°）の部分を除いて、周方向に滑らかな曲面形状となる。

このフローガイド１３Ａを製缶で製造する場合、合計２つの型で成形が可能である。周方向位置θが０°〜１８０°の代表位置θ_Ｒ間、及び、１８０°〜３６０°の代表位置θ_Ｒ間の部分のフローガイド１３の傾斜角はそれぞれ、それら代表位置θ_Ｒ（０°と１８０°）の代表傾斜角α_３、α_４の線形補間によって規定されているので、フローガイド１３の代表位置θ_Ｒ間（０°〜１８０°及び１８０°〜３６０°）の部分は、周方向に何分割で構成されようが各々１つの型で製造可能である。したがって、フローガイド１３Ａは、２つの製缶の型で製造可能である。

上述したように、本発明の蒸気タービン排気装置のフローガイド及び蒸気タービンの排気装置の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、高いディフューザ効果と低い製造コストの両立を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、２つの代表位置θ_Ｒ（０°、１８０）において異なる値の代表傾斜角α_３、α_４を有するように、フローガイド１３Ａの傾斜角αの周方向における分布を規定しているので、２つの代表位置θ_Ｒ間のフローガイド１３Ａの形状をそれぞれ圧力回復係数の向上する形状に形成することが可能であると共に、フローガイド１３Ａを２つの製缶の型で成形することが可能である。この場合、ディフューザ効果が第１の実施の形態の場合よりも劣る可能性があるが、３つの製缶の型で製造可能な第１の実施の形態の場合よりも、製造コストを低減することができる。

なお、上述した第２の実施の形態においては、図１０に示すように、周方向の代表位置θ_Ｒの０°（３６０°）近傍の傾斜角が代表位置θ_Ｒの０°（３６０°）に向かうにしたがって減少するようにフローガイド１３Ａを形成している。この場合、図１１の実線で示すように、周方向の位置θが０°（３６０°）のフローガイド１３Ａの部分には、ガイド曲面（内周面）側に尖った尖形部１９が形成される。ところで、最終段の動翼２（図１参照）からの流出蒸気は、軸方向Ｘａに対して無旋回であれば理想的であるが、設計上旋回を持たざるを得ないこともある。この流出蒸気が旋回を持つと、フローガイド１３Ａの上半部中心（θ＝０°）の尖形部１９の周辺領域で流出蒸気の流れが容易に剥離するので、ディフューザ性能が悪化する。

そこで、上述した第２の実施の形態の変形例として、第２の実施の形態に係るフローガイド１３Ａの上半部中心（θ＝０°）の尖形部１９の面取りを行うことも可能である。つまり、図１１の破線で示すように、第２の実施の形態の変形例に係るフローガイド１３Ｂの内周面は、周方向の代表位置θ_Ｒ（０°）で滑らかに連続する曲面形状に形成される。これにより、フローガイド１３Ｂの内周面に沿って流出蒸気の流れが流れやすくなる。したがって、ディフューザ流路１５（図１参照）の剥離規模が抑制され、ディユーザ性能が向上する。

［その他の実施の形態］
なお、上述した第１乃至第２の実施の形態の変形例においては、復水器に接続した蒸気タービンの排気装置１０、つまり、低圧蒸気タービンの排気装置を例に説明したが、本発明を高圧蒸気タービンや中圧蒸気タービンの排気装置にも適用可能である。

また、上述した実施の形態においては、フローガイド１３、１３Ａ、１３Ｂの径方向Ｒの長さｒの周方向における分布を図５に示すような上に凸の分布とした例を示したが、下に凸の分布とすることも可能である。また、上に凸や下に凸の分布だけでなく、自由曲線により規定された分布も可能である。つまり、上述した実施の形態においては、フローガイドの径方向Ｒの長さｒの周方向における分布を発電プラント毎にフローガイドの形状を最適化するための分布とすることが可能である。このように径方向Ｒの長さｒの周方向における分布を定めても、フローガイドを低い製造コストで製造することが可能である。したがって、高いディフューザ効果と低い製造コストの両立を図ることができる。

なお、上述した第１の実施の形態においては、３つの代表位置θ_Ｒ（１８０°、９０°、２７０°）において２つの異なる値の代表傾斜角α_１、α_２を有するように、フローガイド１３の傾斜角αの周方向における分布を規定している例を示したが、３つの代表位置θ_Ｒにおいて３つの異なる値の代表傾斜角を有するように、フローガイド１３の傾斜角αの周方向における分布を規定することも可能である。

また、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

１…タービンロータ、 ２…動翼、 １０…排気装置、 １２…ベアリングコーン、 １３、１３Ａ、１３Ｂ…フローガイド、 １４…外部ケーシング、 １５…ディフューザ流路、 １９…尖形部、 θ_Ｒ…代表位置、 α１、α２、α３、α_４…代表傾斜角

Claims (7)

1. 中心軸の周りに回転するタービンロータと前記タービンロータの外周側に配置された複数の動翼とを備えた蒸気タービンの排気装置であって、
   最終段落の動翼の下流側において、動翼の内周側に配置されたベアリングコーンと、
   最終段落の動翼の下流側において、動翼の外周側に配置された環状のフローガイドと、
   前記ベアリングコーン及び前記フローガイドを取り囲む外部ケーシングとを備え、
   前記フローガイドの周方向の各位置における子午面投影形状は、ある１つの代表形状をその上流端を中心に子午面内で回転させて、その径方向の長さを同一に維持又は短縮した形状であり、
   前記フローガイドの上流端の前記タービンロータの軸方向に対する傾斜角の周方向における分布は、周方向の複数の代表位置において、それぞれ代表傾斜角を有すると共に、周方向の代表位置間において、それら代表位置の代表傾斜角から線形補間によって規定され、
   前記傾斜角の周方向における分布は、前記複数の代表位置において、少なくとも２つの異なる値の代表傾斜角を有する
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
2. 請求項１に記載の蒸気タービンの排気装置において、
   前記傾斜角の周方向における分布は、２つの代表位置において、異なる値の代表傾斜角を有する
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
3. 請求項１に記載の蒸気タービンの排気装置において、
   前記傾斜角の周方向における分布は、３つの代表位置において、少なくとも２つの異なる値の代表傾斜角を有する
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
4. 請求項１に記載の蒸気タービンの排気装置において、
   前記フローガイドは、前記傾斜角の周方向における分布の関係から、ある代表位置の内周面側に尖った尖形部が生じる条件の場合において、その代表位置の内周面側を滑らかに連続する形状とする
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蒸気タービンの排気装置において、
   前記フローガイドの子午面投影形状の径方向の長さの周方向における分布は、自由曲線で規定されている
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蒸気タービンの排気装置において、
   前記代表形状の内周側は、自由曲線により規定されている
   ことを特徴とする蒸気タービンの排気装置。
7. 中心軸の周りに回転するタービンロータの外周側に配列された最終段落の動翼の下流側に形成されたディフューザ流路の一部を構成する環状の蒸気タービン排気装置のフローガイドであって、
   前記フローガイドの周方向の各位置における子午面投影形状は、ある１つの代表形状をその上流端を中心に子午面内で回転させて、その径方向の長さを同一に維持又は短縮した形状であり、
   前記フローガイドの上流端の前記タービンロータの軸方向に対する傾斜角の周方向における分布は、周方向の複数の代表位置において、それぞれ代表傾斜角を有すると共に、周方向の代表位置間において、それら代表位置の代表傾斜角から線形補間によって規定され、
   前記傾斜角の周方向における分布は、前記複数の代表位置において、少なくとも２つの異なる値の代表傾斜角を有する
   ことを特徴とする蒸気タービン排気装置のフローガイド。

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