JP6884665B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、火力プラント、ガスタービンと組み合わせたコンバインドサイクルプラント、原子力プラント、さらには、再生可能エネルギを利用した地熱発電プラント、太陽熱発電プラントに広く適用されている。

原子力用蒸気タービン、地熱用蒸気タービンの大部分の段落あるいは火力用蒸気タービンの低圧タービンの段落では、作動流体である蒸気の一部が凝縮して液化する。液化した蒸気の一部は、静翼の翼面、ダイアフラム外輪の内壁面に付着して水膜を形成し、静翼の後縁部やダイアフラム外輪の内壁面から吹き千切れて水滴となる。この水滴は、下流側の動翼に衝突し、動翼の一部を浸食する。

このような現象は、特に、蒸気圧力や温度が低下した、湿り度が高い最終のタービン段落やその近傍のタービン段落で生じる。この現象は、経年的に信頼性の低下を招き、タービン効率を低下させる。

このような水膜から発達した水滴による浸食に伴う翼型損失の増加や、タービン効率の低下を抑制するために、例えば、発生した水滴を除去する水滴除去装置を備えた蒸気タービンなどが提案されている。

従来の水滴除去装置としては、静翼前縁近傍のダイアフラム外輪の内周面にスリットを備えた装置がある。また、従来の他の水滴除去装置には、ダイアフラム外輪の内周面に設けられたスリットが静翼間の等圧線上に沿って形成され、その長さを水膜幅と同程度に規定した装置がある。

特許第３９５０３０８号公報 特許第５６５１５３２号公報

上記静翼前縁近傍にスリットを備えた水滴除去装置では、スリットから取り込んだ水滴は、ダイアフラム外輪内に設けられた中空部を介して復水器に回収されるため、スリットと中空部は連通している必要がある。

しかし、上記のように静翼前縁近傍に設けられたスリットをダイアフラム外輪の中空部と連通させようとすると、ダイアフラム外輪における中空部の位置をタービンロータの軸方向上流側に寄せて設ける必要がある。これにより、ダイアフラム外輪の軸方向幅が増加することとなり、周辺部品とのレイアウト上の取合いにおいて不都合を生じる他、重量増加による構造の強化を必要とし、コスト増につながる問題がある。

また、静翼前縁近傍にスリットを設けた水滴除去装置では、スリットの位置より下流側の、静翼翼間の圧力降下に伴って発生する水滴を除去することができないという問題もある。

ところで、静翼間において、翼前縁近傍から発生した二次流れは、隣り合う静翼間の圧力勾配によって翼腹側から隣接する翼背側に向かって主流を横切るように横断し、背側に達したところで翼の表面に移り、その表面に広がり背側に沿って静翼の後縁方向に向かって流れていく。

上記二次流れが生じる領域では、二次流れによって形成される渦により、蒸気通路の空間中に発生した水滴は、ダイアフラム外輪の内周面に付着しにくい。そのため、上記二次流れが生じる領域にスリットを形成したとしても、水滴を的確に除去できない。

また、上記二次流れが通過した領域、すなわち二次流れよりも翼腹側の領域では、二次流れに巻き込まれるように流れが乱れているため、上記二次流れが生じる領域と同様にスリットにより水滴を的確に除去できない。

そのため、スリットを静翼間の等圧線上に沿って形成し、その長さを水膜幅と同程度と規定した水滴除去装置では、二次流れと二次流れの後流の乱れの影響を受け、水滴を的確に除去できない。

本実施の形態が解決しようとする課題は、水滴や水膜を的確に除去し、タービン効率の向上を図ることができる蒸気タービンを提供することにある。

実施の形態の蒸気タービンは、タービンロータの周方向に複数の動翼を植設して構成された動翼翼列と、前記動翼翼列を囲むケーシングに設けられたダイアフラム外輪に周方向に複数の静翼を取り付けて構成され、前記動翼翼列とタービン段落を構成する静翼翼列とを備え、前記ダイアフラム外輪は、外部に設けられた復水器に連通する中空部と、前記静翼の背側から隣接する静翼の腹側に向かって、前記タービンロータの軸方向と直交する方向に形成され、前記静翼翼列における静翼間の前記ダイアフラム外輪の内周面で前記中空部に連通し、かつ、前記内周面から水滴または水膜を回収する吸込み部とを有し、低圧となるタービン段落に湿り蒸気が流れる。

前記吸込み部は、前記タービンロータの軸方向に直交する直交スリットであり、次の関係式を満たすように形成されており、前記ダイアフラム外輪は、第１の分割外輪部と第２の分割外輪部とに２分割され、前記第２の分割外輪部は、接合部で前記第１の分割外輪部に接合され、前記第１の分割外輪部は、前記中空部を有し、前記第２の分割外輪部は、前記接合部に対して反対側に位置する端部と前記第１の分割外輪部との間に、前記吸込み部が設けられている。
０．１＜Ｘ／Ｘｃ≦０．６
ここで、Ｘは、前記静翼の前縁から前記吸込み部の前記タービンロータの軸方向の幅における中間までの前記タービンロータの軸方向の距離、Ｘｃは、前記静翼の前縁から後縁までの前記タービンロータの軸方向の距離である。

第１の実施の形態の蒸気タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンの最終のタービン段落において、静翼間のダイアフラム外輪の内周面上を流れる水膜の流線を模式的示した図である。 第１の実施の形態の直交スリットの一例を示す構成図である。 第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。 壁面上の水量ＧｗとＸ／Ｘｃとの関係を示した図である。 第１の実施の形態の静翼間のダイアフラム外輪の内周面上において、静翼の腹側から背側にかけて発生する二次流れを模式的に示した図である。 図８において、静翼の腹側から背側にかけて発生する二次流れの範囲を、隣り合う静翼の背側から腹側までの距離Ｙｐと二次流れが発生している位置までの距離Ｙとの比と、Ｘ／Ｘｃで表した図である。 第２の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。 第２の実施の形態においてダイアフラム外輪の内周面上の水膜の幅ＷｗとＸ／Ｘｃとの関係を示した図である。 第３の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。 第３の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。 第３の実施の形態の変形例の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。

以下、本実施の形態に係る蒸気タービンについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の鉛直方向の子午断面を示す図である。図１には、低圧となるタービン段落に湿り蒸気が流れる低圧タービンを示している。なお、以下において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図１に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング２０を備え、このケーシング２０内には、動翼２１が植設されたタービンロータ２２が貫設されている。動翼２１を周方向に複数植設して動翼翼列を構成し、この動翼翼列をタービンロータ２２の軸方向に複数段備えている。タービンロータ２２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

ケーシング２０の内周には、タービンロータ２２の軸方向に動翼２１と交互になるように、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４に支持された静翼２５が配設されている。静翼２５を周方向に複数植設して静翼翼列を構成し、静翼翼列と直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。

タービンロータ２２とケーシング２０との間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２６が設けられている。

蒸気タービン１０には、内部に蒸気を導入するための蒸気入口管２７がケーシング２０を貫通して設けられている。

なお、図示しないが、最終のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気流路が設けられている。この排気流路は、復水器（図示しない）に連通されている。

次に、低圧となり湿り蒸気が流れるタービン段落の構成について説明する。

ここでは、発生した水滴や水膜を除去する機能を、最終のタービン段落に備えた一例を示す。図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。なお、図２には、静翼２５のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａに形成される直交スリット３０を含む位置での断面が示されている。図３は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。

図２および図３に示すように、静翼翼列を構成する静翼２５のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａには、蒸気が凝縮することで発生した水滴や水膜などの凝縮水を回収するため、吸込み部としての直交スリット３０が形成されている。

この直交スリット３０は、図３に示すように、静翼２５の背側の翼面から隣り合う静翼２５の腹側の翼面にかけて形成され、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおいて、タービンロータ２２の軸方向に対して直交する方向に形成されている。この直交スリット３０は、静翼２５の前縁２５ａから後縁２５ｂまでのタービンロータ２２の軸方向の距離をＸｃ、タービンロータ２２の軸方向の距離Ｘｃの範囲内のある位置をＸとしたとき、より具体的には、静翼２５の前縁２５ａから直交スリット３０の幅（軸方向開口長さ）の中間ｄ１までのタービンロータ２２の軸方向の距離をＸとしたとき、以下の範囲で規定される。
０．１＜Ｘ／Ｘｃ≦０．６ （１）

図２に示すように、ダイアフラム外輪２３には、蒸気タービン１０の外部に設けられた復水器（図示しない）に連通する中空部５１が形成されている。直交スリット３０から回収された水滴や水膜は、中空部５１を通して復水器（図示しない）に導かれる。なお、復水器（図示しない）と連通した中空部５１の圧力は、タービンの駆動蒸気が流れるダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおける圧力より低くなっており、この差圧によって内周面２３ａの表面を流れる凝縮水を、中空部５１に吸い込み、回収することができる。

直交スリット３０において軸方向位置を式（１）に示す範囲とすることによって、後述するように直交スリット３０の二次流れと二次流れの後流の乱れの影響を受ける領域が小さくなり、水滴や水膜を的確に除去することができる。また、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる水膜が、図３および図４に示すように静翼２５の背側の表面に移る位置Ｘ１より上流側で、水膜を直交スリット３０にて捕えることができ、凝縮水を的確に回収することができる。

また、直交スリット３０の軸方向位置を式（１）に示す範囲とすることによって、直交スリット３０は、静翼２５の前縁２５ａおよびその近傍に設けることがなくなるため、ダイアフラム外輪２３における中空部５１の位置をタービンロータ２２の軸方向上流側に寄せて設けなくても、ダイアフラム外輪２３の中空部５１と連通させることができる。

図３に示すように、静翼２５は、中空の翼構造を有し、腹側と背側に翼スリット４０、４１が形成されている。これらの翼スリット４０、４１は、蒸気が凝縮することで発生した水滴や液膜を回収するためのものである。腹側の翼スリット４０は、後縁２５ｂ側に形成され、背側の翼スリット４１は、前縁２５ａ側に形成されている。水滴などは、蒸気流路の外周側に向かって流されるため、翼スリット４０、４１は、静翼２５の半径方向（高さ方向）における中心よりも外周側に形成されることが好ましい。

例えば、静翼２５の腹側および背側に形成された翼スリット４０、４１は、それぞれ静翼面における等圧線に沿って形成され、かつそれぞれの等圧線で示す圧力が等しいことが好ましい。このように、静翼２５の腹側および背側に翼スリット４０、４１を形成することで、均等に水滴や液膜を回収でき、不均一な圧力場により発生する液滴や液膜の逆流現象を防止することができる。

静翼２５の腹側および背側に形成された翼スリット４０、４１は、静翼２５の中空部２５ｃ、ダイアフラム外輪２３の中空部５１を介して復水器（図示しない）に連通する。そのため、翼スリット４０、４１から静翼２５の中空部２５ｃ、ダイアフラム外輪２３の中空部５１を介して回収された水滴や液膜は、復水器（図示しない）に導かれる。

ここで、第１の実施の形態による直交スリット３０を形成するための構成の一例を図５および図６に示す。

図５および図６に示すように、直交スリット３０は、上記のようにダイアフラム外輪２３に設けられ、このダイアフラム外輪２３は、２分割された分割外輪２３ｂ、２３ｃにより形成される。これらの分割外輪２３ｂ、２３ｃは、接合部５０で溶接にて接合される。分割外輪２３ｃにおいて接合部５０と反対側の端部には、分割外輪２３ｂとの間に一定の隙間が設けられている。この隙間は、ダイアフラム外輪２３の中空部５１と連通する直交スリット３０を形成する。

このように本実施の形態の直交スリット３０は、上記隙間によって形成することで、従来の等圧線上に設けたスリットのように複雑な部品構成や放電加工によって製造することがなくなり、単純な形状の部材を組み合せて接合することにより、容易に形成することができる。

なお、ダイアフラム外輪２３の肉厚ｔが厚い場合、内周面２３ａから中空部５１までの距離が長くなり、直交スリット３０を形成する狭小部の圧力損失によって凝縮水を吸い込むために充分な差圧を得ることができない場合がある。

このような場合には、図６に示すように直交スリット３０の中空部５１側に座繰り部（凹部）３１を形成することにより、直交スリット３０を形成する狭小部の距離を短くすることができる。その結果、直交スリット３０の圧力損失を低減させ、凝縮水を吸い込むために充分な差圧を得ることができる。なお、座繰り部３１は、分割外輪２３ｃまたは分割外輪２３ｂにおいて、直交スリット３０を形成する対向面の一部を切削加工などにより切り欠くことで、容易に形成することができる。

ここで、蒸気タービン１０の動作について説明する。

図１に示すように、蒸気入口管２７を経て蒸気タービン１０内に流入した蒸気は、各タービン段落の静翼２５、動翼２１を備える、徐々に拡大する蒸気流路に沿って膨張仕事をしながら通過し、タービンロータ２２を回転させる。

蒸気は、下流に行くに伴って、圧力および温度が低下する。例えば、蒸気の圧力および温度が低下し、湿り度が３〜５％程度まで非平衡凝縮すると水滴が発生する。通常の火力発電用の蒸気タービンでは、例えば水滴は、最終のタービン段落よりも１段落上流のタービン段落で発生する。

初期に形成される水滴径は、０．１μｍ〜１μｍ程度であり、下流側での蒸気の膨張に伴い水滴径が増加する。その際、一部の水滴は、静翼２５や動翼２１の表面に衝突して付着する。最終のタービン段落よりも１段落上流のタービン段落の動翼２１に衝突し付着した水滴は、遠心力、コリオリ力を受けて外周側へ流れる。そのため、最終のタービン段落のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａには多くの水滴が付着して水膜を形成する。

図４は、蒸気タービン１０の最終のタービン段落において、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる水膜の流線を模式的に示している。なお、図４では、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる水膜の流線を実線の矢印で示している。

図４に示すように、静翼２５の入口側から流入した水膜の流れは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れているために、静翼２５間を流れる蒸気の流れに追従する。ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの近傍を流れる蒸気は、流速が遅くなり、静翼２５間の圧力差とバランスするために、静翼２５間の流路の曲率に対して流れの曲率が小さくなる。

その結果、蒸気の流れは、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かって流れ、背側の翼面に到達すると渦流となって下流側へ流出する。水膜も、蒸気の流れに追従し、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かって流れる。そして、静翼２５の入口側の内周面２３ａ上に存在する水膜は、図４に示すように、下流側に行くに伴い集合し、隣接する静翼２５の背側へ流れる。

図７にダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる水量ＧｗとＸ／Ｘｃとの関係を示す。

図７に示すように、水量Ｇｗは、静翼２５の前縁２５ａから後縁２５ｂまでのタービンロータ２２の軸方向の距離をＸｃ、タービンロータ２２の軸方向の距離Ｘｃの範囲内のある位置をＸとしたとき、Ｘ／Ｘｃが大きくなるに従って徐々に増加する。これは、Ｘ／Ｘｃが下流側に行くに従い蒸気の流速が増し、圧力が降下するため、蒸気の一部が内周面２３ａにて凝縮するためである。

但し、上記圧力は、主に静翼２５の後縁２５ｂと隣り合う静翼２５の背側との間隔が最も狭くなるスロート部にて急激に降下するため、上流側における水量Ｇｗの増加は微小である。

Ｘ／Ｘｃがさらに下流側に行くと、内周面２３ａ上の水量Ｇｗは急激に減少する。これは、内周面２３ａ上を流れていた水膜が静翼２５の背側の翼の表面に移って内周面２３ａより離れるためである。図３、図４および図７に示すＸ１は、水膜が背側の表面に移る最初の位置であり、Ｘ１以降の軸方向位置では、次々と水膜が背側翼面に移り、内周面２３a上の水量Ｇｗは減少していく。

そのため、本実施の形態の直交スリット３０は、内周面２３ａ上の水量Ｇｗが減少し始める位置より上流側に設けられている。その範囲は式（１）に示されている。

次に、本実施の形態の直交スリット３０と、静翼間を等圧線上に沿って形成された従来のスリットとの水滴除去効果の相違について説明する。

図８は、第１の実施の形態の静翼間のダイアフラム外輪の内周面上において、静翼の腹側から背側にかけて発生する二次流れを模式的に示した図である。図９は、図８において、静翼の腹側から背側にかけて発生する二次流れの範囲を模式的に表した図である。

図８に示すように、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおいて、静翼２５の前縁２５ａの近傍から発生した二次流れ３５は、隣り合う静翼２５間の圧力勾配によって静翼２５の腹側から隣接する静翼２５の背側に向って主流を横切るように横断し、その背側に到達したところで翼面に移りつつ背側に沿って静翼出口方向に向かって流れていく。

図９では、Ｘ／Ｘｃで規定される静翼２５の背側の位置からタービンロータ２２の軸方向に対して直交する方向に延ばして隣り合う静翼２５の腹側までの距離Ｙｐと、Ｘ／Ｘｃで規定される静翼２５の背側の位置からタービンロータ２２の軸方向に対して直交する方向に延ばして二次流れ３５が発生している位置までの距離Ｙとの比をＹ／Ｙｐで表している。

なお、Ｘ／Ｘｃが大きいほどタービンロータ２２の軸方向における下流側となり、またＹ／Ｙｐが大きいほど隣り合う静翼２５の腹側に近く、小さいほど静翼２５の背側に近くなる。

図９において、領域Ｂは、二次流れ３５が生じる領域の上流側の領域であり、領域Ｃは二次流れ３５が生じている領域であり、領域Ｄは二次流れ３５が通過した後の領域である。

ここで、図９において、二次流れ３５が生じる領域の上流側の領域Ｂは、定常な流れとなっているため、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａに付着した水滴や水膜を直交スリット３０により回収しやすい。

一方、二次流れ３５が生じている領域Ｃでは、二次流れ３５によって形成される渦により、蒸気通路部の空間中に発生した水滴は、内周面２３ａに付着しにくく、この二次流れ３５が生じている領域Ｃに直交スリット３０が内周面２３ａ上に開口していたとしても、水滴や水膜の回収効果は低い。また、二次流れ３５が通過した後の領域Ｄにおいても二次流れ３５に巻き込まれるように流れが乱れている。

図８に示すように、静翼２５の背側の位置よりも静翼２５の腹側の位置の方がより流れが乱れているため、二次流れ３５が生じている領域Ｃと同様にスリットによる水滴や水膜の回収効果は低い。

さらに、領域Ｂで内周面２３ａに付着した水滴や水膜は、蒸気の流れに追従し、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かって流れて集合していくため、静翼２５間において腹側かつ下流である程、内周面２３ａ上の水分は少なくなっている。すなわち、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄの順に進むに従い、直交スリット３０による水滴や水膜の回収効果が低下していくこととなる。

図９には等圧線上に設けられた従来の傾斜スリット３６を一点鎖線で示し、本実施の形態の直交スリット３０を破線で示している。各スリットは、静翼２５の背側から腹側を直線的に結ぶように設けられている。

傾斜スリット３６と直交スリット３０の起点を、静翼２５の背側における同一のＸ／Ｘｃとした場合、直交スリット３０に対して傾斜スリット３６の方が全長では長くなり、かつ水滴を回収しやすい領域Ｂにかかる長さも短くなる。そのため、スリット全長に対して効果的に水滴を回収できる領域の割合が小さいと言える。

なお、スリット幅が同じ場合において、スリット全長が長い、すなわちスリット開口面積が広い程、タービンの差動流体の一部を随伴蒸気として吸い込む量が多くなり、タービンの効率低下を助長することになる。

したがって、本実施の形態では、直交スリット３０の軸方向位置を式（１）に示す範囲とすることによって、従来の傾斜スリット３６に対して、水滴の回収効果が高い領域Ｂにかかる部分が長く、かつ全長を短くすることができる。これにより、従来の傾斜スリット３６と比べて本実施の形態の直交スリット３０の方が水滴や水膜の回収装置として好適であると言える。

ここで、式（１）に示す範囲においてＸ／Ｘｃの値が０．６を超えると、直交スリット３０において二次流れ３５と二次流れ３５の後流の乱れの影響を受ける領域が大きくなり、水滴や水膜の除去効率が著しく低下する。

一方、Ｘ／Ｘｃの値が０．１未満では、直交スリット３０がタービンロータ２２の軸方向上流側に位置することとなる。そのため、ダイアフラム外輪２３における中空部５１の位置をタービンロータ２２の軸方向上流側に寄せて設ける必要がある。その結果、ダイアフラム外輪２３の軸方向幅が増加する問題がある。

Ｘ／Ｘｃは、０．２以上であって、０．５以下がより好ましい。Ｘ／Ｘｃが０．２以上であれば、０．１を超える場合と比較し、中空部５１の位置をタービンロータ２２の軸方向上流側に寄せて設ける必要がなくなる。Ｘ／Ｘｃが０．５以下であれば、０．６以下と比較し、水滴の回収効果の高い領域Ｂにかかる部分がより増加する。

このように本実施の形態によれば、直交スリット３０の軸方向位置を式（１）に示す範囲とすることで、ダイアフラム外輪２３の軸方向幅を増加させることなく、二次流れ３５と二次流れ３５の後流の乱れの影響を受ける領域が小さくなり、水滴や水膜を的確に除去することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン１０は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの構成以外は、前記第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの構成について主に説明する。

図１０は、第２の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ矢視を示す図である。図１１は、第２の実施の形態においてダイアフラム外輪の内周面上の水膜の幅ＷｗとＸ／Ｘｃとの関係を示した図である。また、以下において、第１の実施の形態と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図１０では、蒸気タービン１０の最終のタービン段落において、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる水膜の流線を実線の矢印で模式的に示している。

また、図１０では、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上の水滴や水膜などの凝縮水を回収するための直交スリット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ（以下、一括して３０ａ〜３０ｅという。）が複数形成されているが、これらは直交スリットの形成に適した範囲を示すために複数を図示しているものの、実際はこれら直交スリット３０ａ〜３０ｅの内、いずれか１つが設けられていればよい。直交スリット３０ａ〜３０ｅは、静翼２５の背側の翼面に沿う直交スリット３０の幅の中間までのタービンロータ２２の軸方向の距離Ｘにおいて隣り合う静翼２５間の周方向ピッチＹｐと、Ｘで規定される静翼２５の背側の位置からタービンロータ２２の軸方向に対して直交する方向に延ばした周方向スリット長Ｌが以下の関係を満たしている。
Ｌ／Ｙｐ≦１−（Ｘ／Ｘｃ）^２ （２）

図１０では、式（２）で規定される範囲を破線で示している。なお、周方向スリット長ＬはＸで規定される静翼２５の背側の位置を基点とするため、周方向スリット長Ｌの長短に関わらず、スリット位置は静翼２５の背側に寄って設けられる。

ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる水膜の幅Ｗｗは、図１１に示すように、軸方向下流に行くに従い、隣り合う静翼２５の背側に偏って減少する。本実施の形態では、第１の実施の形態の構成に加えて、この水膜の幅Ｗｗに合わせ、直交スリットを設ける軸方向位置に従ってスリット長を適切に短くすることにより、水滴と一緒に吸い込まれる随伴蒸気量をさらに減少させ、タービン性能の低下を防ぐことができる。

なお、図１０では複数の直交スリット３０ａ〜３０ｅを図示しているが、これは距離Ｘに対応してスリット長を短くすることができる様子を表したものであり、実際のスリットの数は１つ形成されていればよい。但し、水膜を形成する水量が多く、１つのスリットで回収することが困難である場合は、必要に応じて複数の直交スリットを形成してもよい。

このように本実施の形態によれば、第１の実施の形態による水滴や水膜を的確に除去する効果に加え、水滴や水膜と一緒に吸い込まれる蒸気の流量を低減させ、タービン効率の低下を抑制することが可能となる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の蒸気タービン１０は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの構成以外は、第１および第２の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの構成について主に説明する。

図１２は、第３の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。図１２では、蒸気タービン１０の最終のタービン段落において、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる水膜の流線を模式的に示している。また、以下において、第１および第２の実施の形態と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

第３の実施の形態は、第１および第２の実施の形態と同様に水滴や水膜を除去する除去手段を有し、この除去手段をさらに容易な加工方法によって形成した、最終のタービン段落の一例を示している。

図１２に示すように、本実施の形態は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上の水滴や水膜などの凝縮水を回収するため、吸込み部としての連通穴３２ａが複数集まって多孔群３２を構成している。多孔群３２を構成する連通穴３２ａは、一定間隔をあけてタービンロータ２２の軸方向と直交する方向に列を形成して設けられている。

図１２では、連通穴３２ａがタービンロータ２２の軸方向と直交する方向に並んで形成する列が、タービンロータ２２の軸方向に並んで２列配設されている。上流側を１列目とすると、その下流側の２列目の連通穴３２ａは、タービンロータ２２の軸方向に直交する方向に１列目の穴間ピッチの１／２程度ずれた位置に設けられている。なお、それぞれの連通穴３２ａの直径は、０．５〜２ｍｍ程度が好ましい。

多孔群３２は、隣り合う静翼２５間に、第１の実施の形態で説明した直交スリット３０と同様にＸ／Ｘｃで規定した位置に設けられる。ここで、多孔群３２のタービンロータ２２の軸方向の距離Ｘは、静翼２５の前縁２５ａから多孔群３２を構成する連通穴３２ａの１列目の幅の中間ｄ２位置までである。多孔群３２を構成するそれぞれの連通穴３２ａは、ダイアフラム外輪２３の中空部５１と連通している。

本実施の形態では、第１および第２の実施の形態のような直交スリット３０、３０ａ〜３０ｅに代わりに多数の連通穴３２ａから成る多孔群３２を設けた例を示している。第１および第２の実施形態のような直交スリット３０、３０ａ〜３０ｅを形成する場合は、複数の部材の組合せや放電加工のように特別な設備を必要とする。

しかし、本実施の形態の多孔群３２は、ドリルなどによる簡単な切削加工にて容易に形成することができる。なお、連通穴３２ａの穴径は０．５〜２ｍｍ程度が好ましいが、このように小さい穴径をドリルで開ける場合、ダイアフラム外輪２３を形成する板材のように、例えば４０〜５０ｍｍの板厚ｔに対して加工することが困難となる。

その場合は、図１３で示すように、多孔群３２の中空部５１側に座繰り部３１を形成することにより、ダイアフラム外輪２３の強度を保ちながら、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａから中空部５１と連通する多孔群３２を容易に形成することができる。また、座繰り部３１を形成することにより、連通穴３２ａを形成する狭小部の距離を短くすることができる。その結果、連通穴３２ａの圧力損失を低減させ、凝縮水を吸い込むために充分な差圧を得ることができる。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

ダイアフラム外輪２３の内面上２３ａを流れる水膜は、多孔群３２の上流側の列を構成する各連通穴３２ａから吸い込まれる。このとき、水膜の一部は回収されず多孔群３２の上流側の列を形成する連通穴３２ａと連通穴３２ａとの間から下流側に進むが、丁度上流側の列を形成する連通穴３２ａの間に位置するように設けられた、その下流側の列を形成する連通穴３２ａによって回収される。

このように本実施の形態によれば、２つの列を形成した多孔群３２によって、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる水滴や水膜などの凝縮水を取りこぼすことなく、的確に回収することができる。

なお、本実施の形態では、多孔群３２の連通穴３２ａの配列をタービンロータ２２の軸方向に２列配置した例について説明したが、これに限らずタービン段落の湿り度が高く、凝縮水が多い場合などは多孔群の列を３列以上にして、回収効果を高めてもよい。逆に、凝縮水が少ない場合などは、多孔群の列を１列に配置してもよい。この場合にも各列の連通穴３２ａは、上記と同様に隣り合う列の穴間ピッチの１／２程度ずれた位置に設けられることが好ましい。

（第３の実施の形態の変形例）
図１４は、第３の実施の形態の変形例の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。

上述したように多孔群３２は、直交スリット３０と比較して容易に形成することができるため、図１４に示すように多孔群３２を構成する連通穴３２ａは、任意に配置することができる。

図１４に示す変形例は、上記式（２）で規定された水膜が通過する領域に広く連通穴３２ａを配置し、水膜が通過しない領域には連通穴３２ａを設けていない。

具体的には、図１４では、連通穴３２ａがタービンロータ２２の軸方向と直交する方向に並んで形成する列が、タービンロータ２２の軸方向に並んで３列配設されている。３列の多孔群３２は、式（２）を満たすように配置されている。

本実施の形態では、第３の実施の形態の構成に加えて、水膜の幅Ｗｗに合わせ、列を成す多孔群３２の長さを適切に短くしている。これにより、凝縮水の回収効果を高めつつ、随伴蒸気量を減少させ、タービン性能の低下を防ぐことができる。

以上説明した実施の形態によれば、水滴や水膜を的確に除去し、タービン効率の向上を図ることができる。

なお、前記第３の実施の形態及びその変形例において、多孔群３２を構成する連通穴３２ａは、一定間隔をあけてタービンロータ２２の軸方向と直交する方向に列状に配置したが、これに限定されることなく、分散して配置するようにしてもよい。

多孔群３２を構成する連通穴３２ａを分散して配置した場合にも、複数の連通穴３２ａは、前記第３の実施の形態及びその変形例と同様にＸ／Ｘｃで規定した範囲に設けられる。

具体的には、静翼２５の前縁２５ａから、分散して配置された最も上流側の連通穴３２ａの直径の中心までのタービンロータ２２の軸方向の距離をＸとしたとき、Ｘ／Ｘｃが０．１を超え、０．６以下である。Ｘ／Ｘｃが０．６の場合は、分散して配置された最も下流側の連通穴３２ａの直径の中心となる。

また、上記各実施形態では、湿り蒸気が流れるタービン段落として、最終のタービン段落を例示して説明したが、これに限らない。例えば、最終のタービンよりも上流において蒸気が水滴を含む場合には、そのタービン段落に本実施の形態の構成を備えてもよい。

本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は、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。この実施形態は、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、組み合わせを行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１０…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１…動翼、２２…タービンロータ、２３…ダイアフラム外輪、２３ａ…内周面、２３ｂ、２３ｃ…分割外輪、２４…ダイアフラム内輪、２５…静翼、２５ａ…前縁、２５ｂ…後縁、２５ｃ…中空部、２６…グランドシール部、２７…蒸気入口管、３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ…直交スリット（吸込み部）、３１…座繰り部、３２…多孔群、３２ａ…連通穴（吸込み部）、３５…二次流れ、３６…傾斜スリット、４０…翼スリット、４１…翼スリット、５０…接合部、５１…中空部

Claims (6)

1. タービンロータの周方向に複数の動翼を植設して構成された動翼翼列と、
   前記動翼翼列を囲むケーシングに設けられたダイアフラム外輪に周方向に複数の静翼を取り付けて構成され、前記動翼翼列とタービン段落を構成する静翼翼列とを備え、前記ダイアフラム外輪は、外部に設けられた復水器に連通する中空部と、前記静翼の背側から隣接する静翼の腹側に向かって、前記タービンロータの軸方向と直交する方向に形成され、前記静翼翼列における静翼間の前記ダイアフラム外輪の内周面で前記中空部に連通し、かつ、前記内周面から水滴または水膜を回収する吸込み部とを有し、低圧となるタービン段落に湿り蒸気が流れる蒸気タービンであって、
   前記吸込み部は、前記タービンロータの軸方向に直交する直交スリットであり、次の関係式を満たすように形成されており、
   前記ダイアフラム外輪は、第１の分割外輪部と第２の分割外輪部とに２分割され、
   前記第２の分割外輪部は、接合部で前記第１の分割外輪部に接合され、
   前記第１の分割外輪部は、前記中空部を有し、
   前記第２の分割外輪部は、前記接合部に対して反対側に位置する端部と前記第１の分割外輪部との間に、前記吸込み部が設けられていることを特徴とする蒸気タービン。
   ０．１＜Ｘ／Ｘｃ≦０．６
   ここで、Ｘは、前記静翼の前縁から前記吸込み部の前記タービンロータの軸方向の幅における中間までの前記タービンロータの軸方向の距離、Ｘｃは、前記静翼の前縁から後縁までの前記タービンロータの軸方向の距離である。
2. 前記吸込み部は、前記タービンロータ軸方向に複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記吸込み部は、前記タービンロータの軸方向と直交する方向の長さが、以下の関係式を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気タービン。
   Ｌ／Ｙｐ≦１−（Ｘ／Ｘｃ）^２
   ここで、Ｌは、前記吸込み部の幅の中間までの前記タービンロータの軸方向の距離Ｘで規定される前記静翼の背側の位置から前記タービンロータの軸方向に対して直交する方向に延ばした周方向吸込み部の長さ、Ｙｐは、前記距離Ｘにおいて隣り合う静翼間の周方向ピッチである。
4. 前記吸込み部は、前記中空部側に座繰り部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
5. 前記静翼が中空の翼構造を有し、背側と腹側に翼面スリットが形成され、前記静翼の中空部が、前記ダイアフラム外輪の中空部を介して、前記復水器に連通することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
6. 前記静翼の背側および腹側に形成された前記翼面スリットは、それぞれ静翼面における等圧線に沿って形成され、かつそれぞれの等圧線で示す圧力が等しいことを特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン。

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