JP6639514B2

JP6639514B2 - 軸流タービン

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Publication number: JP6639514B2
Application number: JP2017546282A
Authority: JP
Inventors: 智博手島; 田島　嗣久; 嗣久田島; 紀和高木; 章吾岩井
Original assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2035-10-23
Also published as: WO2017068616A1; JPWO2017068616A1; US20180238194A1; US10738658B2

Description

本発明の実施形態は、軸流タービンに関する。

タービン効率向上の観点から、軸流タービンの入口における作動流体の高温化が図られている。例えば、導入される作動流体の温度が６３０℃以上の軸流タービンや、排気される作動流体の温度が６３０℃以上の軸流タービンにおいて、この高温の作動流体に曝されるケーシングや配管などは、作動流体の温度に耐えられるＮｉ基合金などの高強度材料で構成される。

従来の軸流タービンには、例えば、外部ケーシングが排気室を覆うように構成されたものがある。このような構成では、外部ケーシング全体を高強度材料で構成する必要がある。しかしながら、高強度材料で外部ケーシングのような大型の鋳造品を製造することは困難である。また、高強度材料で大型の鋳造品を製造できたとしても、品質を維持することは困難である。

そこで、高温の作動流体が流れる周囲を内部ケーシングで覆い、その内部ケーシングの周囲を外部ケーシングで覆う二重ケーシング構造が採用されている。そして、内部ケーシングは、高強度材料で構成され、外部ケーシングは、高Ｃｒ鋼、低Ｃｒ鋼などの従来材で構成されている。

このような二重ケーシング構造を備える軸流タービンにおいて、高温の作動流体を軸流タービン内へ導入する経路や、軸流タービンから高温の作動流体を排出する経路には、二重管構造が採用されている。この二重管構造は、外部ケーシングに溶接接合された高強度材からなる短管と、この短管と内部ケーシングとを連結する高強度材料からなるスリーブとを備える。高温の作動流体は、外部ケーシングに接触することなく、スリーブを介して、短管と内部ケーシングとの間を流れる。

短管と外部ケーシングとの接合部は、スリーブからの熱放射や短管からの熱伝導によって、温度が上昇する。接合部の温度が所定の温度よりも高くなると、接合部において必要な強度を維持できなくなる。また、Ｎｉ基合金などの高強度材料と従来材との異材溶接による接合部では、溶接熱影響部の強度低下、および炭素拡散の影響による強度低下が著しい。これらのことから、接合部の温度を許容温度以下に維持する必要がある。

従来の軸流タービンでは、短管とスリーブとの間に冷却流体を導入して、短管や、短管と外部ケーシングとの溶接による接合部を冷却する技術が検討されている。この従来の軸流タービンでは、スリーブを流れる作動流体の温度は、６３０℃よりも低い。さらに、スリーブを流れる作動流体の温度と冷却流体の温度との差は、小さい。そのため、冷却流体がスリーブに直接接触しても、熱応力の影響は問題とならなかった。

特開平１０−２６６８０６号公報

前述したように、軸流タービンに導入される作動流体は、高温化されている。一方、高温の作動流体が軸流タービンから排出されることがある。そのため、冷却流体の温度とスリーブの温度との差は、大きくなる。これによって、従来の軸流タービンにおける接合部の冷却技術のように、冷却流体をスリーブに直接接触させると、大きな熱応力が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、構成部材に発生する熱応力を抑制しつつ、溶接接合部を確実に冷却することができる軸流タービンを提供することにある。

実施形態の軸流タービンは、作動流体によって駆動され、外部ケーシングと、前記外部ケーシングの内部に備えられた内部ケーシングと、前記内部ケーシングに貫設されたタービンロータと、前記タービンロータに植設された動翼と、前記内部ケーシングの内側に設けられた支持部材に支持され、タービンロータ軸方向に前記動翼と交互に配置された静翼とを備える。

さらに、軸流タービンは、前記外部ケーシングに溶接接合され、前記軸流タービンから排出される作動流体が内部を流れる作動流体排出管と、前記外部ケーシングおよび前記作動流体排出管の内部に設けられ、前記軸流タービンから排出される作動流体を前記作動流体排出管へ導く管状のスリーブと、前記外部ケーシングおよび前記作動流体排出管の内部、かつ前記スリーブの外周に設けられ、前記外部ケーシングと前記作動流体排出管との溶接接合部の内周側を覆う管状部材と、前記外部ケーシング、前記作動流体排出管および前記管状部材によって区画された環状空間に冷却媒体を導入する導入口と、前記環状空間に導入された冷却媒体を排出する排出口とを備える。

本発明に係る第１の実施の形態の軸流タービンにおける冷却媒体の系統を模式的に示した図である。本発明に係る第１の実施の形態の軸流タービンを下流側から見たときの平面図である。第１の実施の形態の軸流タービンの子午断面を示す図である。第１の実施の形態の軸流タービンにおける、外部ケーシングの管形状部および排出管の縦断面を示す図である。図４のＡ−Ａ断面の一例を模式的に示す図である。図３のＢ−Ｂ断面を模式的に示す図である。本発明に係る第２の実施の形態の軸流タービンにおける冷却媒体の系統を模式的に示した図である。第２の実施の形態の軸流タービンの子午断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の軸流タービン１０における冷却媒体の系統を模式的に示した図である。なお、図１に示した軸流タービン１０として、例えば、ガスタービンやＣＯ_２タービンなどが挙げられる。ＣＯ_２タービンでは、燃焼器で生成した二酸化炭素（ＣＯ_２）の一部を超臨界流体に昇圧して作動流体の系統に循環させている。これらの軸流タービン１０から排出される作動流体の温度は、例えば、６３０℃を超える。

図１に示すように、軸流タービン１０は、外部ケーシング２０と、この外部ケーシング２０の内部に内部ケーシング３０を備える。ここで、内部ケーシング３０は、例えば、静翼および動翼を備えるタービン段落を包囲する内部ケーシング３０ａ、３０ｂと、最終段のタービン段落を通過した作動流体が流入する排気室の一部を構成する内部ケーシング３０ｃを備える。

軸流タービン１０は、例えば、高温となる内部ケーシング３０ｃと、外部ケーシング２０との間に冷却媒体を導入する導入管５０を備える。導入管５０は、例えば、外部ケーシング２０に連結されている。この導入管５０には、供給源（図示しない）から冷却媒体が供給される。なお、内部ケーシング３０ａ、３０ｂは、例えば、静翼を冷却するための冷却媒体が内部を流れるため、高温にはならない。

導入管５０に導入される冷却媒体としては、ガスタービンの場合には、例えば、圧縮機から抽気された空気などが挙げられ、ＣＯ_２タービンの場合には、例えば、系統から抽気された循環する二酸化炭素などが挙げられる。なお、抽気は、冷却媒体として温度および圧力が適した媒体が得られる部位において行われる。このように、導入管５０には、例えば、軸流タービン１０における主系統から抽気された媒体が冷却媒体として供給される。

また、導入管５０には、図１に示すように、流量調整弁５４が設けられている。流量調整弁５４は、導入管５０を介して、外部ケーシング２０と内部ケーシング３０ｃとの間に導入される冷却媒体の流量を調整する。換言すれば、流量調整弁５４は、外部ケーシング２０と内部ケーシング３０ｃとの間に導入される冷却媒体の圧力を調整している。

例えば、流量調整弁５４は、軸流タービン１０の起動時、運転時、停止後などに、外部ケーシング２０の温度に基づいて冷却媒体の流量を最適な流量に調整する。なお、流量調整弁５４は、流量調整装置として機能する。

外部ケーシング２０と内部ケーシング３０ｃとの間に導入管５０から導入された冷却媒体は、図１に示すように、排出管５５を通り排出される。排出管５５は、例えば、外部ケーシング２０に連結される。

このように、導入管５０、外部ケーシング２０と内部ケーシング３０ｃとの間の空間、排出管５５などによって、主として外部ケーシング２０を冷却する外部ケーシング冷却系統が構成されている。

また、軸流タービン１０は、外部ケーシング２０に溶接接合され、軸流タービン１０から排出される作動流体が内部を流れる排出管６０を備える。ここで、下流側における外部ケーシング２０の下半側には、作動流体を排出するために、例えば、下方に延設された管形状部２０ａを有する。この管形状部２０ａは、１つまたは複数備えられる。例えば、外部ケーシング２０の管形状部２０ａに、排出管６０が溶接接合される。

図２は、本発明に係る第１の実施の形態の軸流タービン１０を下流側から見たときの平面図である。本実施の形態では、管形状部２０ａを２つ備えた構成を例示している。なお、図１では、一方の管形状部２０ａが表われ、他方の管形状部２０ａは見えない状態となっている。

この場合、図２に示すように、２つの管形状部２０ａは、外部ケーシング２０の最下部を挟むように二股に構成されている。そして、各管形状部２０ａが下方に延設されている。これらの管形状部２０ａには、排出管６０が溶接接合される。

なお、外部ケーシング２０の管形状部２０ａおよび排出管６０の内部の構成は、後述する。排出管６０は、作動流体排出管として機能する。

外部ケーシング２０の管形状部２０ａには、例えば、管形状部２０ａと排出管６０との接合部６１を内側から冷却する冷却媒体を導入する導入管７０が連結されている。なお、図１には示されていないが、他方の管形状部２０ａにも、後述する流量調整弁７４の下流側で分岐した導入管７０が連結されている。この導入管７０には、例えば、軸流タービン１０のタービン段落から抽気された媒体が冷却媒体として供給される。

なお、ここでは、導入管７０に冷却媒体を供給する供給源として、軸流タービン１０のタービン段落からの抽気を例示しているが、これに限られるものではない。導入管７０に供給される冷却媒体としては、冷却媒体として温度や圧力が適した媒体であればよい。このように、導入管７０には、例えば、軸流タービン１０における主系統のいずれかの部位から抽気された媒体が冷却媒体として供給される。

導入管７０には、図１に示すように、流量調整弁７４が設けられている。流量調整弁７４は、導入管７０を介して、接合部６１の内部側に導入される冷却媒体の流量を調整する。換言すれば、管形状部２０ａおよび排出管６０の内部に導入される冷却媒体の圧力を調整している。

例えば、流量調整弁７４は、軸流タービン１０の起動時、運転時、停止後などに、接合部６１の温度に基づいて冷却媒体の流量を最適な流量に調整する。なお、流量調整弁７４は、流量調整装置として機能する。

管形状部２０ａおよび排出管６０の内部に導入管７０から導入された冷却媒体は、図１に示すように、排出管７５を通り排出される。排出管７５は、例えば、排出管６０に連結される。なお、図２に示すように、他方の排出管７５も、他方の排出管６０に連結される。

このように、導入管７０、管形状部２０ａおよび排出管６０の内部の空間、排出管７５などによって、接合部６１を冷却する接合部冷却系統が構成されている。

なお、ここでは、管形状部２０ａに導入管７０を連結し、排出管６０に排出管７５を連結した一例を示したが、これに限られない。例えば、管形状部２０ａに排出管７５を連結し、排出管６０に導入管７０を連結してもよい。なお、これらの連結の組み合わせについては、後述する。

ここでは、図１に示すように、排出管５５の下流端と、排出管７５の下流端とが連結され、一つの排出管７６を構成している。この排出管７６には、流量調整弁７７が設けられている。この構成にすることで、外部ケーシング２０を冷却する冷却媒体の圧力と、接合部６１を冷却する冷却媒体の圧力とを等しくすることができる。

接合部６１を冷却する冷却媒体の流量は、主として流量調整弁７４で調整され、流量調整弁７７は、主として圧力を調整するために使用される。なお、流量調整弁７７は、流量調整装置として機能する。

ここでは、排出管５５の下流端と、排出管７５の下流端とが連結された一例を示したが、この構成に限られるものではない。例えば、排出管５５の下流端と排出管７５の下流端とは連結されず、それぞれの管を維持してもよい。この場合、排出管５５および排出管７５のそれぞれに流量調整弁が備えられる。

上記したように、ケーシング冷却系統と接合部冷却系統とを備えることで、各系統を独立して制御することができる。

なお、上記した流量調整弁５４、７４、７７は、例えば、バルブ弁などで構成される。また、流量調整弁５４、７４、７７の代わりにオリフィスなどの絞りを使用してもよい。

次に、上記した冷却媒体の系統を備える第１の実施の形態の軸流タービン１０の構成について説明する。

図３は、第１の実施の形態の軸流タービン１０の子午断面を示す図である。図４は、第１の実施の形態の軸流タービン１０における、外部ケーシング２０の管形状部２０ａおよび排出管６０の縦断面を示す図である。

図３に示すように、軸流タービン１０は、外部ケーシング２０と、この外部ケーシング２０の内部に設けられた内部ケーシング３０とから構成される二重構造のケーシングを備えている。

前述したように、内部ケーシング３０は、例えば、静翼４２および動翼４０を備えるタービン段落を包囲する内部ケーシング３０ａ、３０ｂと、最終段のタービン段落を通過した作動流体が流入する排気室８０の一部を構成する内部ケーシング３０ｃを備える。

ここで、外部ケーシング２０は、例えば、高Ｃｒ鋼、低Ｃｒ鋼などの従来材で構成される。内部ケーシング３０ａ、３０ｂは、例えば、静翼を冷却するための冷却媒体が内部を流れるため、例えば、高Ｃｒ鋼、低Ｃｒ鋼などの従来材で構成される。一方、高温となる内部ケーシング３０ｃは、例えば、高強度材料などで構成される。

内部ケーシング３０内には、動翼４０が植設されたタービンロータ４１が貫設されている。このタービンロータ４１は、ロータ軸受（図示しない）によって回転可能に支持されている。

内部ケーシング３０ａ、３０ｂの内面には、タービンロータ軸方向に動翼４０と交互になるように静翼４２が配設されている。なお、静翼４２と、この静翼４２の直下流の動翼４０とでタービン段落を構成する。

内部ケーシング３０ｃに隣接する内部ケーシング３０ｂの外周面には、例えば、周方向に亘って半径方向外側に突出する環状壁３０ｄが設けられている。この環状壁３０ｄの外周面は、例えば、外部ケーシング２０の内周に接している。そして、この環状壁３０ｄによって、内部ケーシング３０と外部ケーシング２０との間に形成される空間は区画されている。そのため、環状壁３０ｄよりも上流側の空間３２と、環状壁３０ｄよりも下流側の空間３１は、連通していない。

なお、空間３１は、外部ケーシング２０、内部ケーシング３０ｃ、内部ケーシング３０ｂ、環状壁３０ｄおよびタービンロータ４１によって囲まれた空間である。空間３２は、外部ケーシング２０、内部ケーシング３０ａ、内部ケーシング３０ｂおよび環状壁３０ｄによって囲まれた空間である。

タービンロータ４１と、外部ケーシング２０および内部ケーシング３０ａとの間には、作動流体の外部への漏洩を防止するために、シール部４３が設けられている。

最終段のタービン段落の下流側には、排気室８０が設けられている。排気室８０は、最終段のタービン段落を通過した作動流体が流れる環状の内部ケーシング３０ｃと、この内部ケーシング３０ｃの下半側に設けられた管形状部８２とを備える。環状の内部ケーシング３０ｃ内には、環状通路８１が形成されている。

環状通路８１は、図３に示すように、タービンロータ４１の周囲に形成される。環状通路８１は、最終段のタービン段落を通過した作動流体を管形状部８２に導く。

管形状部８２は、例えば、環状通路８１の最下部を挟むように、二股に設けられている。そして、それぞれの管形状部８２は、外部ケーシング２０の管形状部２０ａの内部に、管形状部２０ａに沿って下方に延設されている。このように、排気室８０は、外部ケーシング２０によって覆われている。

ここで、図３に示すように、例えば、外部ケーシング２０の最下部には、外部ケーシング２０と内部ケーシング３０ｃとの間に冷却媒体を導入する導入管５０が連結されている。すなわち、導入管５０は、管形状部２０ａ間となる外部ケーシング２０の最下部に連結されている。

導入管５０は、例えば、図３に示すように、上流側から下流側に傾斜するように、外部ケーシング２０に連結されている。そして、空間３１に、導入管５０から冷却媒体が導入される。この空間３１は、前述した外部ケーシング冷却系統を構成する外部ケーシング２０と内部ケーシング３０ｃとの間の空間である。

なお、空間３１に導入された冷却媒体を排出する排出管５５は、図３には示していないが、外部ケーシング２０の所定の部位に連結されている。排出管５５は、例えば、管形状部２０ａに連結されてもよい。

管形状部８２の端部には、図４に示すように、管状のスリーブ８３の一端が連結されている。スリーブ８３の他端は、排出管６０の内部まで延設されている。そして、スリーブ８３の他端は、排出管６０に連結している。

スリーブ８３と管形状部８２との間、スリーブ８３と排出管６０との間には、シールリング８４が設けられている。シールリング８４は、スリーブ８３の軸方向に複数配置されている。このスリーブ８３を備えることで、スリーブ８３と管形状部８２との間およびスリーブ８３と排出管６０との間からの作動流体の漏洩を防止している。

管形状部２０ａおよび排出管６０の内部、かつスリーブ８３の外周には、図４に示すように、管状部材９０が設けられている。この管状部材９０は、スリーブ８３の軸方向に延びる管状筒体である。この管状部材９０は、接合部６１の内周側を覆うように設けられている。また、管状部材９０の外面９１と、管形状部２０ａおよび排出管６０の内面２１、６２との間には、所定の隙間を有する。

管状部材９０の一端は、例えば、図４に示すように、半径方向外側に周方向に亘って突出するフランジ部９２を備える。このフランジ部９２は、例えば、管形状部２０ａに形成された段部２２に支持される。そして、フランジ部９２は、例えば、ボルトなどの固定部材によって、段部２２に固定される。なお、フランジ部９２の固定方法は、これに限られるものではない。例えば、フランジ部９２は、段部２２に溶接接合されてもよい。

一方、管状部材９０の他端は、固定されていない非固定端である。管状部材９０の他端は、例えば、排出管６０の段部６３に周方向に形成された環状の溝部６４内に嵌め込まれる。なお、管状部材９０の他端と、溝部６４との間には、若干の隙間が形成されている。

ここで、管形状部２０ａ、排出管６０を構成する材料は異なる。そのため、それぞれの材料の線膨張係数の違いを考慮して、上記隙間を構成している。そして、この隙間によって、管形状部２０ａと排出管６０との熱伸びの差が吸収される。

なお、管状部材９０の非固定端の構成は、これに限られるものではない。管状部材９０の非固定端は、管形状部２０ａと排出管６０との熱伸びの差によって熱応力を受けない構造であればよい。

このように管状部材９０を備えることで、スリーブ８３と、管形状部２０ａおよび排出管６０との空間が区画される。そして、管状部材９０の外面９１と、管形状部２０ａおよび排出管６０の内面２１、６２、フランジ部９２の一方の平面９２ａ、段部６３とによって囲まれた環状の空間９４が形成されている。

また、管状部材９０は、図４に示すように、例えば、周方向に亘って外周側に突出する突条部９３を備えてもよい。この突条部９３は、管状部材９０の外面９１に、スリーブ８３の軸方向に所定の長さに亘って形成される。突条部９３の外面は、例えば、管形状部２０ａの内面２１および排出管６０の内面６２に平行な面で構成される。突条部９３は、図４に示すように、例えば、接合部６１に対向する位置に形成されることが好ましい。

突条部９３の外面と、管形状部２０ａの内面２１および排出管６０の内面６２との間の隙間は、管状部材９０の外面９１と、管形状部２０ａの内面２１および排出管６０の内面６２との間の隙間よりも狭くなる。なお、突条部９３は、管状部材９０に一体的に構成されてもよいし、管状部材９０と別体で構成されてもよい。

管形状部２０ａには、上記した管状部材９０で区画された環状の空間９４に冷却媒体を導入する導入口２３が設けられている。導入口２３は、管状部材９０のフランジ部９２側に形成されている。また、導入口２３は、突条部９３よりもフランジ部９２側に形成されている。

導入口２３は、図４に示すＡ−Ａ断面において、例えば、管状部材９０の中心軸に向かう方向に開口されてもよい。なお、導入口２３の開口方向は、これに限られない。

ここで、図５は、図４のＡ−Ａ断面の一例を模式的に示す図である。導入口２３は、例えば、図５に示すように、管状部材９０の中心軸に垂直な断面において、中心軸に向かう方向とは異なる方向に向けて開口されてもよい。この場合、導入口２３から空間９４内に導入された冷却媒体の流れは、旋回流となる。このように旋回流を形成することで、冷却媒体を周方向の全周に亘って導入できる。なお、導入口２３は、１つまたは複数設けられる。

一方、排出管６０には、空間９４に導入された冷却媒体を排出する排出口６５が設けられている。排出口６５は、排出管６０の段部６３側に形成されている。また、排出口６５は、突条部９３よりも段部６３側に形成されている。

導入口２３は、管状部材９０の固定端となる一端側（フランジ部９２側）に設けられ、排出口６５は、非固定端となる他端側に設けられることが好ましい。導入口２３は、図３を参照して説明した導入管７０に連結される。また、排出口６５は、図３を参照して説明した排出管７５に連結される。

ここで、図４において、排気室８０の管形状部８２、スリーブ８３、管形状部２０ａ、管状部材９０とで囲まれる空間９５には、外部ケーシング２０と内部ケーシング３０との間に導入された冷却媒体が流動する。

管状部材９０の固定端側は、シールされているため、空間９５の冷却媒体は、固定端側から空間９４に流入しない。一方、管状部材９０の非固定端側は、シールされていないため、空間９５の冷却媒体は、圧力条件によっては、非固定端側から空間９４に流入する。なお、空間９５の冷却媒体は、外部ケーシング２０などを冷却したものであるため、空間９４を流れる冷却媒体よりも高温となる。

そこで、管状部材９０の固定端側から冷却媒体を導入することで、高温の冷却媒体が混合することなく、接合部６１を冷却することができる。一方、冷却媒体が排出される側（非固定端）で、接合部６１を冷却した後の冷却媒体に空間９５の冷却媒体が流入しても問題は生じない。このように、管状部材９０の固定端側から冷却媒体を導入することで、接合部６１を確実に冷却することができる。

ここで、管状部材９０の他端を固定端とし、一端を非固定端としてもよい。この場合、管状部材９０の他端は、例えば、排出管６０の段部６３に固定される。そのため、空間９５の冷却媒体は、管状部材９０の他端側から空間９４に流入しない。一方、空間９５の冷却媒体は、管状部材９０の一端側から空間９４に流入する。この構成の場合、排出口６５は、管状部材９０の非固定端となる一端側（フランジ部９２側）に設けられ、導入口２３は、固定端となる他端側に設けられることが好ましい。

上記したように、管状部材９０を備え、空間９４に冷却媒体を流すことで、接合部６１を確実に冷却することができる。また、管状部材９０を備えることで、導入口２３から導入される冷却媒体が高温のスリーブ８３に接触することで生じる熱応力を防止することができる。さらに、管状部材９０を備えることで、高温のスリーブ８３からの熱放射によって接合部６１が加熱されることを防止できる。

また、管状部材９０に突条部９３を備えることで、突条部９３において導入口２３から導入された冷却媒体の流れが絞られ、周方向へ冷却媒体が均等に広がる。また、突条部９３と、管形状部２０ａおよび排出管６０の内面２１、６２との間の狭い隙間を流れる際、流速が上昇して熱伝達率が増加する。そのため、例えば、接合部６１に対向して突条部９３を備えることで、より効率よく接合部６１を冷却することができる。

また、接合部６１の冷却効果の向上に伴って、例えば、空間９４に導入される冷却媒体の流量を減少させることができる。これによって、軸流タービン１０の抽気を冷却媒体として使用する場合には、抽気の流量を減らせるため、タービン性能を向上させることができる。

次に、軸流タービン１０の作用および冷却媒体の系統における作用について、図１、図３および図４を参照して説明する。

ここで、軸流タービン１０は、例えば、接合部６１や外部ケーシング２０の温度を検知する温度検知装置（図示しない）や、制御部（図示しない）を備える。そして、制御部は、温度検知装置からの検知信号に基づいて、上記した各流量調整弁５４、７４、７７の開度を制御する。なお、制御部は、温度検知装置や各流量調整弁５４、７４、７７と電気信号の入出力が可能に構成されている。

まず、軸流タービン１０の作用について説明する。

燃焼器（図示しない）からの作動流体（燃焼ガス）は、図３に示すように、例えば、トランジションピース３５を通り、初段のタービン段落に流入する。タービン段落に流入した作動流体は、膨張仕事をしながら内部ケーシング３０ａ、３０ｂ内を流動し、最終段のタービン段落を通過する。

最終段のタービン段落を通過した作動流体は、環状通路８１、管形状部８２、スリーブ８３を通り、排出管６０から排出される。なお、排出管６０から排出された作動流体は、例えば、軸流タービン１０における主系統に導入される。

次に、軸流タービン１０の冷却媒体の系統における作用について説明する。

例えば、軸流タービン１０における主系統から導入管５０に供給された冷却媒体は、図３に示すように、外部ケーシング２０と内部ケーシング３０ｃとの間に導入される。すなわち、導入管５０から空間３１に冷却媒体が導入される。

そして、導入された冷却媒体は、空間３１に広がる。なお、空間３１に導入された冷却媒体は、環状壁３０ｄよりも上流側の空間３２には流入しない。また、空間３１に導入された冷却媒体は、図４に示す空間９５にも広がる。

空間３１に広がった冷却媒体は、主として外部ケーシング２０を冷却する。なお、この際、冷却媒体は、内部ケーシング３０ｃも冷却する。また、空間９５に広がった冷却媒体は、スリーブ８３や管状部材９０を冷却する。

ここで、空間９５には、例えば、外部ケーシング２０などを冷却した冷却媒体が流入するため、空間９５に流れる冷却媒体の温度は、軸流タービン１０内に導入された直後の冷却媒体の温度よりも高い。そのため、この温度の高い冷却媒体が高温のスリーブ８３に接触しても、大きな熱応力は生じない。

そして、空間３１に導入され、外部ケーシング２０などを冷却した冷却媒体は、図１に示すように、軸流タービン１０内から排出管５５に排出される。

ここで、空間３１に導入される冷却媒体の流量は、制御部が、外部ケーシング２０の温度を検知する温度検知装置からの検知信号に基づいて、流量調整弁５４の開度を設定することで調整される。

例えば、外部ケーシング２０の温度が許容温度を超えた場合には、冷却媒体の流量は、増加される。一方、外部ケーシング２０の温度が許容温度を十分に下回る場合には、冷却媒体の流量は、減少される。許容温度は、例えば、外部ケーシング２０を構成する材料などに基づいて設定される。具体的には、許容温度は、例えば、外部ケーシング２０を構成する材料の高温強度などに基づいて設定される。

ここで、空間３１に導入される冷却媒体の温度は、外部ケーシング２０の温度よりも低く、内部ケーシング３０ｃに生じる熱応力が許容範囲内となる冷却媒体の最低温度（以下、熱応力許容最低温度という。）以上である。冷却媒体の温度を外部ケーシング２０の温度よりも低くすることで、外部ケーシング２０から熱を奪い、外部ケーシング２０を冷却することができる。冷却媒体の温度を熱応力許容最低温度以上とすることで、冷却媒体が内部ケーシング３０ｃに接触することで生じる熱応力を許容範囲内とすることができる。

また、空間３１に導入される冷却媒体の圧力は、環状通路８１を流れる作動流体の圧力よりも高い。軸流タービン１０において、例えば、内部ケーシング３０ｂと、これに隣接する内部ケーシング３０ｃとは、それぞれ異なる材料で構成される。このような場合、それぞれの材料の線膨張係数の違いを考慮して、例えば、内部ケーシング３０ｂと内部ケーシング３０ｃとの間に隙間が設けられる。この隙間によって、熱伸び差によって生じる熱応力を防止できる。

このような構造の軸流タービン１０において、空間３１に導入される冷却媒体の圧力を上記した圧力とすることで、空間３１への作動流体の流入が防止できる。これによって、作動流体の流入によって外部ケーシング２０が加熱されるのを防止できる。

一方、図３に示す導入管７０に供給された冷却媒体は、図４に示す管形状部２０ａの導入口２３から空間９４に導入される。空間９４に導入した冷却媒体の流れは、例えば、突条部９３において絞られることで周方向へ均等に広がる。そして、突条部９３と、管形状部２０ａおよび排出管６０の内面２１、６２との間の狭い隙間を流れ、接合部６１を冷却する。この際、冷却媒体の流速が上昇して熱伝達率が増加し、接合部６１の冷却が促進される。

空間９４に導入される冷却媒体の流量は、制御部が、接合部６１の温度を検知する温度検知装置からの検知信号に基づいて、流量調整弁７４の開度を設定することで調整される。

例えば、接合部６１の温度が許容温度を超えた場合には、冷却媒体の流量は、増加される。一方、接合部６１の温度が許容温度を十分に下回る場合には、冷却媒体の流量は、減少される。許容温度は、例えば、接合部６１を構成する材料などに基づいて設定される。具体的には、許容温度は、例えば、接合部６１の高温強度などに基づいて設定される。

突条部９３を通過した冷却媒体は、排出口６５から、図３に示す排出管７５に排出される。なお、排出口６５側の管状部材９０は、非固定端であるため、空間９５内の冷却媒体の圧力が空間９４内の冷却媒体の圧力よりも高い場合には、空間９５内の冷却媒体が、管状部材９０の他端と溝部６４との間の隙間を通り、空間９４内に流入する。この場合においても、温度の高い空間９５内の冷却媒体は、空間９４内の冷却媒体とともに排出口６５から排出される。そのため、流入した空間９５内の冷却媒体が、接合部６１などの冷却の妨げになることはない。

ここで、図１に示すように、排出管５５と排出管７５は、連結して排出管７６を構成する。そして、この排出管７６には、流量調整弁７７が設けられている。すなわち、外部ケーシング２０と内部ケーシング３０との間の冷却媒体の圧力と、空間９４内の冷却媒体の圧力とを等しくすることができる。換言すれば、空間９５内の冷却媒体の圧力と、空間９４内の冷却媒体の圧力とを等しくすることができる。これによって、空間９５内の冷却媒体が、空間９４内に漏洩することを防止できる。また、空間９４内の冷却媒体が、空間９５内に漏洩することを防止できる。

ここで、排出管７６の下流端は、例えば、排出管７６から導入される冷却媒体によって熱応力による割れなどを生じない温度の作動流体が流れる配管に連結される。排出管７６の下流端は、例えば、排出管７６を流れる冷却媒体の温度と同じ程度の温度、または排出管７６を流れる冷却媒体の温度よりも低い温度の作動流体が流れる部位に連結されている。なお、排出管７６を流れる冷却媒体の圧力は、冷却媒体が導入される部位を流れる作動流体の圧力よりも高い。これによって、作動流体の排出管７６への流入を防止できる。

なお、排出管５５の下流端と排出管７５の下流端とを連結しない構成においても、それぞれの下流端は、排出管５５、７５から導入される冷却媒体によって熱応力による割れなどを生じない温度の作動流体が流れる配管に連結される。

上記した第１の実施の形態の軸流タービン１０によれば、管状部材９０を備え、空間９４に冷却媒体を流すことで、接合部６１を確実に冷却することができる。また、管状部材９０を備えることで、導入口２３から導入される冷却媒体が高温のスリーブ８３に接触することで生じる熱応力を防止することができる。さらに、管状部材９０を備えることで、高温のスリーブ８３からの熱放射によって接合部６１が加熱されることを防止できる。

このように、軸流タービン１０によれば、スリーブ８３などの熱応力を抑制しつつ、接合部６１の温度を許容温度以下に維持することができる。

管状部材９０に突条部９３を備えることで、突条部９３において導入口２３から導入された冷却媒体を周方向へ均等に広げることができる。これによって、接合部６１を周方向に亘って斑なく冷却することができる。

また、突条部９３を備えることで、突条部９３と、管形状部２０ａおよび排出管６０の内面２１、６２との間の狭い隙間を流れる冷却媒体の速度を上昇させ、接合部６１の冷却を促進することができる。接合部６１の冷却効果の促進に伴って、例えば、空間９４に導入される冷却媒体の流量を減少させることができる。これによって、例えば、軸流タービン１０からの抽気の流量を削減することができ、タービン性能を向上させることができる。

また、軸流タービン１０によれば、ケーシング冷却系統と接合部冷却系統とを備えることで、各系統を独立して制御することができる。このように、軸流タービン１０において、接合部６１以外にも、外部ケーシング２０を冷却することができる。

ここで、第１の実施の形態の軸流タービン１０の構成は、上記した構成に限られるものではない。上記した軸流タービン１０において、外部ケーシング２０が２つの管形状部２０ａを備える一例を示した。この構成において、各管形状部２０ａは、流量調整弁７４の下流側で２つに分かれた導入管７０のそれぞれに連結している。

ここで、流量調整弁７４は、導入管７０の分岐する上流側に設けられることに限られない。例えば、各管形状部２０ａに連結される分岐点よりも下流側の導入管７０のそれぞれに流量調整弁７４を備えてもよい。

図６は、図３のＢ−Ｂ断面を模式的に示す図である。なお、図６には、導入管５０から導入された冷却媒体の流れを矢印で示している。

図３および図６に示すように、外部ケーシング２０の内部で、かつ導入管５０の出口５０ａに対向する位置には、冷却媒体の流れを誘導する誘導部材１００が配置されている。この誘導部材１００は、２つの側壁１０１と、この側壁１０１のそれぞれと接続された天板１０２とを備える。側壁１０１および天板１０２は、例えば、矩形の平板で構成される。すなわち、誘導部材１００は、図６に示すように、断面コ字状の形状を有している。

天板１０２は、導入管５０の出口５０ａに所定の間隙をおいて対向している。２つの側壁１０１は、図３に示すように、周方向に所定の間隙をおいて、タービンロータ軸方向に沿って対向して配置される。すなわち、誘導部材１００において、天板１０２に対向する側およびタービンロータ軸方向の上流端と下流端は、開口されている。

導入管５０の出口５０ａから流出した冷却媒体は、天板１０２に衝突し、天板１０２および側壁１０１に沿ってタービンロータ軸方向（図３に示す矢印方向）に誘導される。そのため、出口５０ａから流出した冷却媒体は、直接内部ケーシング３０ｃに吹き付けられない。なお、図６では、天板１０２に衝突した後の冷却媒体の流れは、紙面に垂直な方向となる。

タービンロータ軸方向に誘導された冷却媒体は、外部ケーシング２０の内面に沿って流れる。この際、冷却媒体の一部は、上半側に流れ込む。そして、例えば、上半側に流れた冷却媒体は、図６の矢印で示すように、外部ケーシング２０の内面に沿って下半側に流れる。

そして、外部ケーシング２０を冷却した冷却媒体は、例えば、外部ケーシング２０の管形状部２０ａに設けられた排出口から排出管５５に排出される。

このように誘導部材１００を備えることで、導入管５０の出口５０ａから流出した冷却媒体が、直接内部ケーシング３０ｃに吹き付けられることを防止できる。これによって、内部ケーシング３０ｃに大きな熱応力が生じることを防止できる。

また、誘導部材１００を備えることで、空間３１の全体に亘って、冷却媒体を行き渡らせることができる。これによって、外部ケーシング２０を均等に冷却できる。

ここで、誘導部材１００の形状は、上記した形状に限られるものではない。例えば、天板１０２の周方向の中央部が外部に突出するように湾曲させてもよい。換言すると、天板１０２を半円筒状に形成してもよい。

また、内部ケーシング３０ｃの外周面から所定の隙間をあけて、内部ケーシング３０ｃの周囲を覆う筒体で、誘導部材１００を構成してもよい。この筒体は、例えば、内部ケーシング３０ｃの外周面から半径方向外側に突出した棒状の支持体によって支持される。この支持体は、例えば、周方向に複数設けられる。

すなわち、誘導部材１００の形状は、導入管５０の出口５０ａから流出した冷却媒体が、直接内部ケーシング３０ｃに吹き付けられることを防止できる構造であればよい。

また、本実施の形態では、管形状部２０ａを外部ケーシング２０の下半側に備えた一例を示したが、管形状部２０ａは、外部ケーシング２０の上半側に備えられてもよい。

また、流量調整弁５４よりも上流側の導入管５０に、導入管５０に冷却媒体を供給する供給源とは別体の供給源から冷却媒体を導入する導入管を連結してもよい。さらに、流量調整弁７４よりも上流側の導入管７０に、導入管７０に冷却媒体を供給する供給源とは別体の供給源から冷却媒体を導入する導入管を連結してもよい。

ここで、上記した別体の供給源とは、例えば、導入管５０や導入管７０に冷却媒体を供給する系統とは別の系統の供給源である。そのため、別体の供給源は、例えば、軸流タービン１０における主系統の動作が停止したときでも、冷却媒体を導入管５０や導入管７０に供給できる。すなわち、別体の供給源は、補助供給源としての機能を有する。

ここで、軸流タービン１０が停止しているときとしては、例えば、軸流タービン１０の運転を通常に停止した直後の状態や、軸流タービン１０の運転を急停止するタービントリップ状態などが例示される。

なお、別体の供給源から供給される冷却媒体も、導入管５０や導入管７０に導入される冷却媒体と同様に、冷却媒体として適した温度および圧力の媒体である。別体の供給源から供給される冷却媒体は、ガスタービンの場合には、空気などが挙げられ、ＣＯ_２タービンの場合には、二酸化炭素などが挙げられる。

この別体の供給源から供給された冷却媒体は、導入管５０や導入管７０に流入し、前述した冷却媒体と同様に作用する。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明に係る第２の実施の形態の軸流タービン１１における冷却媒体の系統を模式的に示した図である。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明は、省略または簡略する。

ここで、図７に示した軸流タービン１０として、例えば、蒸気タービンなどが挙げられる。なお、軸流タービン１１における外部ケーシング冷却系統は、排出管５５を備えない以外は、第１の実施の形態の外部ケーシング冷却系統と同じである。また、蒸気タービンの入口における作動流体の温度は、例えば、６３０℃を超える。

なお、導入管５０に導入される冷却媒体としては、系統から抽気された蒸気などが挙げられる。抽気は、冷却媒体として温度および圧力が適した媒体が得られる部位において行われる。このように、導入管５０には、例えば、軸流タービン１１における主系統から抽気された媒体が冷却媒体として供給される。

後に詳しく説明するが、外部ケーシング２０と内部ケーシング３３との間に導入管５０から導入された冷却媒体の一部は、内部ケーシング３３間の隙間３４から内部ケーシング３３内の作動流体が流れる通路に流出する。そして、作動流体が流れる通路に流出した冷却媒体は、作動流体とともに軸流タービン１１から排出される。冷却媒体の残部は、例えば、外部ケーシング２０とタービンロータ４１との間のシール部から排気される。なお、作動流体は、蒸気である。

このように、導入管５０、外部ケーシング２０と内部ケーシング３３との間の空間などによって、主として外部ケーシング２０を冷却する外部ケーシング冷却系統が構成されている。

上流側における外部ケーシング２０の下半側には、図７に示すように、作動流体を導入するために、例えば、下方に延設された管形状部２０ｂを有する。この管形状部２０ｂは、１つまたは複数備えられる。そして、外部ケーシング２０の管形状部２０ｂには、軸流タービン１０に導入される作動流体が内部を流れる導入管１１０が溶接接合されている。

本実施の形態では、管形状部２０ｂを２つ備えた構成を例示している。軸流タービン１１を上流側から見たとき、２つの管形状部２０ｂは、図２に示した管形状部２０ａと同様に、外部ケーシング２０の最下部を挟むように二股に構成されている。そして、各管形状部２０ｂが下方に延設されている。そして、それぞれの管形状部２０ｂには、導入管１１０が溶接接合されている。

なお、図７では、一方の管形状部２０ｂが表われ、他方の管形状部２０ｂは、見えない状態となっている。導入管１１０は、作動流体導入管として機能する。

外部ケーシング２０の管形状部２０ｂには、例えば、管形状部２０ｂと導入管１１０との接合部１１１を内側から冷却する冷却媒体を導入する導入管１２０が連結されている。なお、図７には示されていないが、他方の管形状部２０ｂにも、後述する流量調整弁１２４の下流側で分岐した導入管１２０が連結されている。

この導入管１２０には、例えば、軸流タービン１１における主系統から抽気された媒体が冷却媒体として供給される。なお、導入管１２０に供給される冷却媒体としては、冷却媒体として温度および圧力が適した媒体であればよい。

また、導入管１２０には、図７に示すように、流量調整弁１２４が設けられている。流量調整弁１２４は、導入管１２０を介して、接合部１１１の内部側に導入される冷却媒体の流量を調整する。換言すれば、管形状部２０ｂおよび導入管１１０の内部に導入される冷却媒体の圧力を調整している。

例えば、流量調整弁１２４は、軸流タービン１１の起動時、運転時、停止後などに、接合部１１１の温度に基づいて冷却媒体の流量を最適な流量に調整する。なお、流量調整弁１２４は、流量調整装置として機能する。

管形状部２０ｂおよび導入管１１０の内部に導入管１２０から導入された冷却媒体は、図７に示すように、排出管１２５を通り排出される。排出管１２５は、例えば、導入管１１０に連結される。この排出管１２５には、例えば、流量調整弁１２６が設けられる。

接合部１１１を冷却する冷却媒体の流量は、主として流量調整弁１２４で調整され、流量調整弁１２６は、主として圧力を調整するために使用される。なお、流量調整弁１２６は、流量調整装置として機能する。

このように、導入管１２０、管形状部２０ｂおよび導入管１１０の内部の空間、排出管１２５などによって、接合部１１１を冷却する接合部冷却系統が構成されている。

なお、上記した流量調整弁５４、１２４、１２６は、例えば、バルブ弁などで構成される。また、流量調整弁５４、１２４、１２６の代わりにオリフィスなどの絞りを使用してもよい。

次に、上記した冷却媒体の系統を備える第２の実施の形態の軸流タービン１１の構成について説明する。

図８は、第２の実施の形態の軸流タービン１１の子午断面を示す図である。図８に示すように、軸流タービン１１は、外部ケーシング２０と、この外部ケーシング２０の内部に設けられた内部ケーシング３３とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング３３内に動翼４０が植設されたタービンロータ４１が貫設されている。このタービンロータ４１は、ロータ軸受（図示しない）によって回転可能に支持されている。

ここで、内部ケーシング３３は、例えば、タービンロータ軸方向に分割されている。そして、上流側と下流側の内部ケーシング３３間には、隙間３４が形成さている。

内部ケーシング３３の内面には、タービンロータ軸方向に動翼４０と交互になるように静翼４２が配設されている。そして、内部ケーシング３３は、静翼４２および動翼４０を備えるタービン段落を包囲している。この内部ケーシング３３は、例えば、高強度材料などで構成される。

内部ケーシング３３の外周面には、例えば、周方向に亘って半径方向外側に突出する環状壁３３ａが設けられている。この環状壁３３ａの外周面は、例えば、外部ケーシング２０の内周に接している。そして、この環状壁３３ａによって、内部ケーシング３０と外部ケーシング２０との間に形成される空間は、空間３８と空間３９とに区画されている。

また、図８に示すように、上流側の環状壁３３ａには、連通孔３３ｂが形成されている。この連通孔３３ｂは、例えば、周方向に複数形成される。外部ケーシング２０と内部ケーシング３３との空間において、連通孔３３ｂを介して冷却蒸気が流動する。

タービンロータ４１と、外部ケーシング２０および内部ケーシング３３との間には、作動流体の外部への漏洩を防止するために、シール部４３が設けられている。

内部ケーシング３３内には、初段のタービン段落における静翼４２を備えたノズルボックス４４が設けられている。ノズルボックス４４は、内部ケーシング３３とタービンロータ４１との間に環状の通路を構成する環状通路４５と、この環状通路４５の下半側に設けられた管形状部４６とを備える。

管形状部４６は、例えば、環状通路４５の最下部を挟むように、二股に設けられている。そして、管形状部４６は、外部ケーシング２０の管形状部２０ｂの内部に、管形状部２０ｂに沿って、下方に延設されている。これらの管形状部４６は、軸流タービン１１に導入された高温の作動流体を環状通路４５に導く。

例えば、外部ケーシング２０の最下部には、図８に示すように、外部ケーシング２０と内部ケーシング３３との間に冷却媒体を導入する導入管５０が連結されている。すなわち、導入管５０は、管形状部２０ａ間となる外部ケーシング２０の最下部に連結されている。

導入管５０は、例えば、図８に示すように、上流側から下流側に傾斜するように、外部ケーシング２０に連結されている。そして、例えば、外部ケーシング２０、上流側の内部ケーシング３３によって囲まれた空間３８に、導入管５０から冷却媒体が導入される。

最終段のタービン段落の下流側には、排気室１３０が設けられている。

ここで、外部ケーシング２０の管形状部２０ｂおよび導入管１１０の内部の構成は、第１の実施の形態における外部ケーシング２０の管形状部２０ａおよび排出管６０の内部の構成と同じである。

図４を参照して説明すると、管形状部２０ｂは管形状部２０ａ、導入管１１０は排出管６０に相当する。管形状部４６は、管形状部８２に相当する。管形状部４６の端部には、管状のスリーブ８３の一端が連結されている。スリーブ８３の他端は、導入管１１０の内部まで延設されている。そして、スリーブ８３の他端は、導入管１１０に連結している。

スリーブ８３と管形状部４６との間、スリーブ８３と導入管１１０との間には、シールリング８４が設けられている。管形状部２０ｂおよび導入管１１０の内部、かつスリーブ８３の外周には、管状部材９０が設けられている。

管形状部２０ｂには、管状部材９０で区画された環状の空間９４に冷却媒体を導入する導入口２３が設けられている。この導入口２３は、導入管１２０に連結される。一方、導入管１１０には、空間９４に導入された冷却媒体を排出する排出口６５が設けられている。この排出口６５は、排出管１２５に連結される。

なお、導入口２３および排出口６５を形成する部位は、第１の実施の形態で説明したとおり、管状部材９０の固定端、非固定端の位置によって適宜設定される。導入口２３の開口方向も、第１の実施の形態で説明したとおりである。また、第１の実施の形態と同様に、誘導部材１００を備えてもよい。

上記したように、管状部材９０を備え、空間９４に冷却媒体を流すことで、接合部１１１を確実に冷却することができる。また、管状部材９０を備えることで、導入口２３から導入される冷却媒体が高温のスリーブ８３などに接触することで生じる熱応力を防止することができる。さらに、管状部材９０を備えることで、高温のスリーブ８３からの熱放射によって接合部１１１が加熱されることを防止できる。

また、接合部１１１の冷却効果の向上に伴って、例えば、空間９４に導入される冷却媒体の流量を減少させることができる。

次に、軸流タービン１１の作用および冷却媒体の系統における作用について、図７および図８を参照して説明する。

ここで、軸流タービン１１は、例えば、接合部１１１や外部ケーシング２０の温度を検知する温度検知装置（図示しない）や、制御部（図示しない）を備える。そして、制御部は、温度検知装置からの検知信号に基づいて、上記した各流量調整弁５４、１２４、１２６の開度を制御する。なお、制御部は、温度検知装置や各流量調整弁５４、１２４、１２６と電気信号の入出力が可能に構成されている。

まず、軸流タービン１１の作用について説明する。

軸流タービン１１を作動する高温で高圧の作動流体（蒸気）は、図８に示すように、導入管１１０、スリーブ８３、管形状部４６を通り、環状通路４５に流入する。環状通路４５に流入した作動流体は、周方向に広がるとともに、初段の静翼４２から初段の動翼４０に向けて噴出される。

タービン段落に流入した作動流体は、膨張仕事をしながら内部ケーシング３３内を流動し、最終段のタービン段落を通過する。そして、最終段のタービン段落を通過した作動流体は、排気室１３０を通り排出される。排気室１３０から排出された作動流体は、例えば、他の蒸気タービンに導入される。

次に、軸流タービン１１の冷却媒体の系統における作用について説明する。

なお、ここでは、第１の実施の形態における冷却媒体の系統における作用と異なる作用について主に説明する。

例えば、軸流タービン１１が作動時において、軸流タービン１１における主系統から導入管５０に供給された冷却媒体は、図８に示すように、空間３８に導入される。空間３８に広がった冷却媒体は、主として外部ケーシング２０を冷却する。また、空間３８に広がった冷却媒体は、環状壁３３ａの連通孔３３ｂを通り、空間３９に導入される。空間３９に広がった冷却媒体は、主として外部ケーシング２０を冷却する。なお、空間３８、３９に広がった冷却媒体によって内部ケーシング３３も冷却される。

ここで、空間３９に導入された冷却媒体の圧力は、隙間３４が形成されるタービンロータ軸方向位置における内部ケーシング３３内を流れる作動流体の圧力よりも高い。そのため、空間３９に導入された冷却媒体の一部は、図８に示す内部ケーシング３３間の隙間３４から内部ケーシング３３内の作動流体が流れる通路に流出する。そして、作動流体とともに排気室１３０から排出される。

一方、冷却媒体の残部は、例えば、外部ケーシング２０とタービンロータ４１との間のシール部４３から排出される。

なお、導入管１２０に供給された冷却媒体は、第１の実施の形態の導入管７０から空間９４に供給された冷却媒体の作用と同様である（図４参照）。導入管１２０から空間９４に導入される冷却媒体の流量は、制御部が、接合部１１１の温度を検知する温度検知装置からの検知信号に基づいて、流量調整弁１２４の開度を設定することで調整される。そして、空間９４に導入された冷却媒体は、図７および図８に示すように、排出管１２５に排出される。

ここで、排出管１２５の下流端は、例えば、排出管１２５から導入される冷却媒体によって熱応力による割れなどを生じない温度の作動流体が流れる配管に連結される。排出管１２５の下流端は、例えば、排出管１２５を流れる冷却媒体の温度と同じ程度の温度、または排出管１２５を流れる冷却媒体の温度よりも低い温度の作動流体が流れる部位に連結されている。なお、排出管１２５を流れる冷却媒体の圧力は、冷却媒体が導入される部位を流れる作動流体の圧力よりも高い。これによって、作動流体の排出管１２５への流入を防止できる。

上記した第２の実施の形態の軸流タービン１１によれば、管状部材９０を備え、空間９４に冷却媒体を流すことで、接合部１１１を確実に冷却することができる。また、管状部材９０を備えることで、導入口２３から導入される冷却媒体が高温のスリーブ８３に接触することで生じる熱応力を防止することができる。さらに、管状部材９０を備えることで、高温のスリーブ８３からの熱放射によって接合部１１１が加熱されることを防止できる。

このように、軸流タービン１１によれば、スリーブ８３などの熱応力を抑制しつつ、接合部１１１の温度を許容温度以下に維持することができる。

また、軸流タービン１１によれば、ケーシング冷却系統と接合部冷却系統とを備えることで、各系統を独立して制御することができる。このように、軸流タービン１１において、接合部１１１以外にも、外部ケーシング２０の冷却もできる。

また、流量調整弁５４よりも上流側の導入管５０に、導入管５０に冷却媒体を供給する供給源とは別体の供給源から冷却媒体を導入する導入管を連結してもよい。さらに、流量調整弁１２４よりも上流側の導入管１２０に、導入管１２０に冷却媒体を供給する供給源とは別体の供給源から冷却媒体を導入する導入管を連結してもよい。

ここで、上記した別体の供給源とは、例えば、導入管５０や導入管１２０に冷却媒体を供給する系統とは別の系統の供給源である。そのため、別体の供給源は、例えば、軸流タービン１１における主系統の動作が停止したときでも、冷却媒体を導入管５０や導入管１２０に供給できる。すなわち、別体の供給源は、補助供給源としての機能を有する。

なお、別体の供給源から供給される冷却媒体も、導入管５０や導入管１２０に導入される冷却媒体と同様に、冷却媒体として適した温度および圧力の媒体である。別体の供給源から供給される冷却媒体は、蒸気である。

この別体の供給源から供給された冷却媒体は、導入管５０や導入管１２０に流入し、前述した冷却媒体と同様に作用する。

以上説明した実施形態によれば、構成部材に発生する熱応力を抑制しつつ、溶接接合部を確実に冷却することが可能となる。

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。

１０、１１…軸流タービン、２０…外部ケーシング、２０ａ、２０ｂ、４６、８２…管形状部、２１、６２…内面、２２、６３…段部、２３…導入口、３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３３…内部ケーシング、３０ｄ、３３ａ…環状壁、３１、３２、３８、３９…空間、３３ｂ…連通孔、３４…隙間、３５…トランジションピース、４０…動翼、４１…タービンロータ、４２…静翼、４３…シール部、４４…ノズルボックス、４５…環状通路、５０、７０、１１０、１２０…導入管、５０ａ…出口、５４、７４、７７、１２４、１２６…流量調整弁、５５、６０、７５、７６、１２５…排出管、６１、１１１…接合部、６４…溝部、６５…排出口、８０、１３０…排気室、８１…環状通路、８３…スリーブ、８４…シールリング、９０…管状部材、９１…外面、９２…フランジ部、９２ａ…平面、９３…突条部、９４、９５…空間、１００…誘導部材、１０１…側壁、１０２…天板。

Claims

作動流体によって駆動される軸流タービンであって、
外部ケーシングと、
前記外部ケーシングの内部に備えられた内部ケーシングと、
前記内部ケーシングに貫設されたタービンロータと、
前記タービンロータに植設された動翼と、
前記内部ケーシングの内側に設けられた支持部材に支持され、タービンロータ軸方向に前記動翼と交互に配置された静翼と、
前記外部ケーシングに溶接接合され、前記軸流タービンから排出される作動流体が内部を流れる作動流体排出管と、
前記外部ケーシングおよび前記作動流体排出管の内部に設けられ、前記軸流タービンから排出される作動流体を前記作動流体排出管へ導く管状のスリーブと、
前記外部ケーシングおよび前記作動流体排出管の内部、かつ前記スリーブの外周に設けられ、前記外部ケーシングと前記作動流体排出管との溶接接合部の内周側を覆う管状部材と、
前記外部ケーシング、前記作動流体排出管および前記管状部材によって区画された環状空間に冷却媒体を導入する導入口と、
前記環状空間に導入された冷却媒体を排出する排出口と
を具備することを特徴とする軸流タービン。
前記管状部材の一方の端部が、前記外部ケーシングに固定され、
前記管状部材の他方の端部が、非固定端であり、
前記導入口が、前記外部ケーシングに設けられ、
前記排出口が、前記作動流体排出管に設けられていることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
前記管状部材の一方の端部が、非固定端であり、
前記管状部材の他方の端部が、前記作動流体排出管に固定され、
前記導入口が、前記作動流体排出管に設けられ、
前記排出口が、前記外部ケーシングに設けられていることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
作動流体によって駆動される軸流タービンであって、
外部ケーシングと、
前記外部ケーシングの内部に備えられた内部ケーシングと、
前記内部ケーシングに貫設されたタービンロータと、
前記タービンロータに植設された動翼と、
前記内部ケーシングの内側に設けられた支持部材に支持され、タービンロータ軸方向に前記動翼と交互に配置された静翼と、
前記外部ケーシングに溶接接合され、前記軸流タービンへ導入される作動流体が内部を流れる作動流体導入管と、
前記外部ケーシングおよび前記作動流体導入管の内部に設けられ、前記軸流タービンへ導入される作動流体を内部に導く管状のスリーブと、
前記外部ケーシングおよび前記作動流体導入管の内部、かつ前記スリーブの外周に設けられ、前記外部ケーシングと前記作動流体導入管との溶接接合部の内周側を覆う管状部材と、
前記外部ケーシング、前記作動流体導入管および前記管状部材によって区画された環状空間に冷却媒体を導入する導入口と、
前記環状空間に導入された冷却媒体を排出する排出口と
を具備し、
前記管状部材の一方の端部が、前記外部ケーシングに固定され、
前記管状部材の他方の端部が、非固定端であり、
前記導入口が、前記外部ケーシングに設けられ、
前記排出口が、前記作動流体導入管に設けられていることを特徴とする軸流タービン。
作動流体によって駆動される軸流タービンであって、
外部ケーシングと、
前記外部ケーシングの内部に備えられた内部ケーシングと、
前記内部ケーシングに貫設されたタービンロータと、
前記タービンロータに植設された動翼と、
前記内部ケーシングの内側に設けられた支持部材に支持され、タービンロータ軸方向に前記動翼と交互に配置された静翼と、
前記外部ケーシングに溶接接合され、前記軸流タービンへ導入される作動流体が内部を流れる作動流体導入管と、
前記外部ケーシングおよび前記作動流体導入管の内部に設けられ、前記軸流タービンへ導入される作動流体を内部に導く管状のスリーブと、
前記外部ケーシングおよび前記作動流体導入管の内部、かつ前記スリーブの外周に設けられ、前記外部ケーシングと前記作動流体導入管との溶接接合部の内周側を覆う管状部材と、
前記外部ケーシング、前記作動流体導入管および前記管状部材によって区画された環状空間に冷却媒体を導入する導入口と、
前記環状空間に導入された冷却媒体を排出する排出口と
を具備し、
前記管状部材の一方の端部が、非固定端であり、
前記管状部材の他方の端部が、前記作動流体導入管に固定され、
前記導入口が、前記作動流体導入管に設けられ、
前記排出口が、前記外部ケーシングに設けられていることを特徴とする軸流タービン。
作動流体によって駆動される軸流タービンであって、
外部ケーシングと、
前記外部ケーシングの内部に備えられた内部ケーシングと、
前記内部ケーシングに貫設されたタービンロータと、
前記タービンロータに植設された動翼と、
前記内部ケーシングの内側に設けられた支持部材に支持され、タービンロータ軸方向に前記動翼と交互に配置された静翼と、
前記外部ケーシングに溶接接合され、前記軸流タービンへ導入される作動流体が内部を流れる作動流体導入管と、
前記外部ケーシングおよび前記作動流体導入管の内部に設けられ、前記軸流タービンへ導入される作動流体を内部に導く管状のスリーブと、
前記外部ケーシングおよび前記作動流体導入管の内部、かつ前記スリーブの外周に設けられ、前記外部ケーシングと前記作動流体導入管との溶接接合部の内周側を覆う管状部材と、
前記外部ケーシング、前記作動流体導入管および前記管状部材によって区画された環状空間に冷却媒体を導入する導入口と、
前記環状空間に導入された冷却媒体を排出する排出口と
を具備し、
前記管状部材が、前記溶接接合部に対向する位置に、前記スリーブの軸方向に所定の長さに亘って形成された、周方向に亘って外周側に突出する突条部を備え、
前記突条部の外面と、前記外部ケーシングの内面および前記作動流体導入管の内面との間の第１の隙間は、前記突条部が形成された部分を除く前記管状部材の外面と、前記外部ケーシングの内面および前記作動流体導入管の内面との間の第２の隙間よりも狭く、前記導入口から導入された冷却媒体の全量が前記第１の隙間を通過することを特徴とする軸流タービン。
前記導入口が、前記管状部材の中心軸に垂直な断面において、前記中心軸に向かう方向とは異なる方向に向けて開口されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の軸流タービン。
前記排出口に連結された排出管と、
前記排出管に設けられ、冷却媒体の流量を調整する流量調整装置と
を具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の軸流タービン。