JP6906986B2

JP6906986B2 - 蒸気タービン

Info

Publication number: JP6906986B2
Application number: JP2017045056A
Authority: JP
Inventors: 祥弘桑村; 椙下　秀昭; 秀昭椙下; 豊治西川
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: JP2018145960A

Description

本発明は、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、タービンロータと、ケーシングと、複数の静翼列と、を備える。タービンロータは、軸線を中心して、軸線方向に延びるロータ軸と、このロータ軸に取り付けられ、軸線方向に並ぶ複数の動翼列と、を有する。複数の動翼列は、いずれも、軸線に対する周方向に並ぶ複数の動翼を有する。ケーシングは、軸線を中心として筒状を成して、タービンロータの外周を覆う。複数の静翼列は、ケーシングの内側に配置され、このケーシングに固定されている。複数の静翼列のそれぞれは、複数の動翼列のうちのいずれか一の動翼列の軸線下流側に配置されている。複数の静翼列は、いずれも、軸線に対する周方向に並ぶ複数の静翼を有する。蒸気は、複数の静翼列及び複数の動翼列が配置されている環状の主蒸気流路内を流れる。

以下の特許文献１に記載の蒸気タービンの動翼は、翼形を成し翼体と、この翼体の先端に形成されているシュラウドと、を有する。特許文献１では、シュラウドを特定の形状にすることで、タービン効率を高めている。

特許文献１における環状の主蒸気流路の内周側縁の径、この主蒸気流路の外周側縁の径は、いずれも、軸線下流側に向うに連れて次第に大きくなっている。

特許第５５９１０４２号公報

蒸気タービンには、タービン効率の向上が望まれている。

そこで、本発明は、タービン効率を高めることができる蒸気タービンを提供することを目的とする。

また、前記目的を達成するための発明に係る他の態様の蒸気タービンは、
軸線を中心として回転する蒸気タービンロータと、前記軸線を中心として、筒状を成して前記蒸気タービンロータの外周側を覆うケーシングと、前記ケーシング内に配置されて前記ケーシングに固定され、軸線方向に並ぶ複数の静翼列と、を備え、複数の前記静翼列は、いずれも、前記軸線に対する周方向の並ぶ複数の静翼を有し、前記蒸気タービンロータは、前記軸線を中心として、前記軸線方向に延びるロータ軸と、前記ロータ軸に取り付けられ、前記軸線方向に並ぶ複数の動翼列と、を有し、複数の前記動翼列のそれぞれは、複数の前記静翼列のうちのいずれか一の静翼列の軸線下流側に隣接配置され、前記静翼の後縁位置におけるハブ径又は平均径が、複数の静翼列のうちで最も軸線上流側の最上流段静翼列から下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなる。

当該蒸気タービンロータでは、複数の翼列全体での漏れ流れ損失及び風損を小さくすることができ、結果として、翼列損失、漏れ流れ損失、及び風損を合せた合計損失（効率損失）を小さくすることができる。

本発明の一態様によれば、タービン効率を高めることができる。

本発明に係る第一実施形態における蒸気タービンの全体断面図である。本発明に係る第一実施形態における蒸気タービンの要部断面図である。比較例における各種損失を示すグラフである。同図（ａ）は比較例の軸線方向の位置変化に伴うハブ径、チップ径及び平均径の変化を示すグラフである。同図（ｂ）は比較例の軸線方向の位置変化に伴う翼列損失の変化を示すグラフである。同図（ｃ）は比較例の軸線方向の位置変化に伴う漏れ流れ損失の変化を示すグラフである。同図（ｄ）は比較例の軸線方向の位置変化に伴う風損の変化を示すグラフである。同図（ｅ）は比較例の軸線方向の位置変化に伴う合計損失の変化を示すグラフである。一実施例における各種損失を示すグラフである。同図（ａ）は一実施例の軸線方向の位置変化に伴うハブ径、チップ径及び平均径の変化を示すグラフである。同図（ｂ）は一実施例の軸線方向の位置変化に伴う翼列損失の変化を示すグラフである。同図（ｃ）は一実施例の軸線方向の位置変化に伴う漏れ流れ損失の変化を示すグラフである。同図（ｄ）は一実施例の軸線方向の位置変化に伴う風損の変化を示すグラフである。同図（ｅ）は一実施例の軸線方向の位置変化に伴う合計損失の変化を示すグラフである。本発明に係る第二実施形態における蒸気タービンの全体斜視図である。

以下、本発明に係る蒸気タービンの各種実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

「第一実施形態」
本発明に係る蒸気タービンの第一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

第一実施形態の蒸気タービン、図１に示すように、軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ１０と、タービンロータ１０を覆うケーシング３０と、ケーシング３０に固定されている複数の静翼列２２と、を備えている。なお、以下では、軸線Ａｒが延びる方向を軸線方向Ｄａ、軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとし、軸線Ａｒに対して垂直な方向を径方向Ｄｒとする。さらに、この径方向Ｄｒで軸線Ａｒの側を径方向内側Ｄｒｉ、その反対側を径方向外側Ｄｒｏとする。

タービンロータ１０は、軸線Ａｒを中心として軸線方向Ｄａに延びるロータ軸１１と、このロータ軸１１に取り付けられている複数の動翼列１２と、を有する。タービンロータ１０は、軸線Ａｒを中心として回転可能に軸受４６で支持されている。複数の動翼列１２は、軸線方向Ｄａに並んでいる。各動翼列１２は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼１４で構成される。

ケーシング３０は、内側ケーシング３１と、外側ケーシング３２とを有する。内側ケーシング３１は、軸線Ａｒを中心としてほぼ円柱状の空間を形成する。タービンロータ１０の複数の動翼列１２は、この円柱状の空間内に配置され、軸線方向Ｄａに並んでいる。複数の静翼列２２のそれぞれは、複数の動翼列１２のうちいずれか一の動翼列１２の軸線上流側Ｄａｕに配置されている。複数の静翼列２２は、内側ケーシング３１に固定されている。

外側ケーシング３２は、内側ケーシング３１の外周側を覆う円筒状の胴部３９と、蒸気が流入する流入部３３ｉと、蒸気を排気する排気部３３ｏと、を有する。胴部３９には、内側ケーシング３１が固定されている。流入部３３ｉは、蒸気を受け入れる流入管部３４ｉと、軸線Ａｒを中心として環状の流入スクロール流路３７ｉが形成されている流入スクロール部３６ｉと、を有する。流入スクロール部３６ｉは、胴部３９の軸線方向Ｄａの一方側に固定されている。流入スクロール流路３７ｉは、筒状の内側ケーシング３１の内周側空間である円柱状の空間と連通している。流入管部３４ｉは、蒸気の流入口３５ｉを有している。この流入口３５ｉは、流入スクロール流路３７ｉと連通している。排気部３３ｏは、蒸気を排気する排気管部３４ｏと、軸線Ａｒを中心として環状の排気スクロール流路３７ｏが形成されている排気スクロール部３６ｏと、を有する。排気スクロール部３６ｏは、胴部３９の軸線方向Ｄａの他方側に固定されている。排気スクロール流路３７ｏは、筒状の内側ケーシング３１の内周側空間である円柱状の空間と連通している。排気管部３４ｏは、蒸気の排気口３５ｏを有している。この排気口３５ｏは、排気スクロール流路３７ｏと連通している。なお、以下では、軸線方向Ｄａで、胴部３９を基準にして流入部３３ｉが設けられている側を軸線上流側Ｄａｕとし、胴部３９を基準として排気部３３ｏが設けられている側を軸線下流側Ｄａｄとする。

流入部３３ｉの径方向内側Ｄｒｉでロータ軸１１の径方向外側Ｄｒｏには、軸シール４５が設けられている。また、排気部３３ｏの径方向内側Ｄｒｉでロータ軸１１の径方向外側Ｄｒｏにも、軸シール４５が設けられている。これらの軸シール４５は、外側ケーシング３２から突出するロータ軸１１と外側ケーシング３２との間の隙間をシールする。流入部３３ｉに設けられている軸シール４５よりも軸線上流側Ｄａｕには、軸受４６が設けられている。また、排気部３３ｏに設けられている軸シール４５よりも軸線下流側Ｄａｄにも、軸受４６が設けられている。

一の静翼列２２を構成する複数の静翼２４は、図２に示すように、翼形を成して径方向Ｄｒに延びる翼体２５と、この翼体２５の径方向内側Ｄｒｉに固定されている内側シュラウド（又はハブシュラウド）２７と、この内側シュラウド２７の径方向内側Ｄｒｉに固定されている漏れ蒸気シール２９と、を有する。翼体２５の径方向外側Ｄｒｏの端は内側ケーシング３１に固定されている。漏れ蒸気シール２９は、静翼２４の径方向内側Ｄｒｉとロータ軸１１の径方向外側Ｄｒｏとの間をシールする。

但し、複数の静翼列２２のうち、最も軸線上流側Ｄａｕの静翼列２２である最上流段静翼列２２ａを構成する複数の静翼２４は、図１に示すように、翼体２５を有するものの、内側シュラウド２７及び漏れ蒸気シール２９を有していない。最上流段静翼列２２ａを構成する複数の静翼２４の翼体２５の径方向内側Ｄｒｉには、内側ケーシング３１の一部又は外側ケーシング３２の一部が配置されている。この静翼２４の翼体２５の径方向内側Ｄｒｉの端は、この内側ケーシング３１の一部又は外側ケーシング３２の一部に固定されている。よって、蒸気は、この静翼２４の径方向内側Ｄｒｉを流れない。

一の動翼列１２を構成する複数の動翼１４は、図２に示すように、翼形を成して径方向Ｄｒに延びる翼体１５と、この翼体１５の径方向内側Ｄｒｉに固定されているプラットフォーム１７と、この翼体１５の径方向外側Ｄｒｏに固定されている外側シュラウド（又はチップシュラウド）１８と、を有する。プラットフォーム１７は、ロータ軸１１に固定されている。この外側シュラウド１８と径方向Ｄｒで対向する内側ケーシング３１の位置には、漏れ蒸気シール１９が固定されている。この漏れ蒸気シール１９は、動翼１４の径方向外側Ｄｒｏと内側ケーシング３１の径方向内側Ｄｒｉとの間をシールする。なお、以上で説明した漏れ蒸気シール１９，２９は、回転物（ロータ軸１１、又は動翼１４の外側シュラウド１８）と静止物（静翼２４の内側シュラウド２７、又は内側ケーシング３１）とのうち、静止物に設けられている。しかしながら、漏れ蒸気シール１９，２９は、静止物に設けられても、回転物と静止物との両方に設けられてもよい。

最上流段静翼列２２ａを除く各静翼列２２を構成する複数の静翼２４の内側シュラウド２７と、内側ケーシング３１で静翼列２２と径方向Ｄｒで対向する部分の間は、軸線Ａｒを中心として環状の空間を形成する。この環状の空間は、タービンロータ１０の回転に寄与する蒸気が流れる主蒸気流路４０の一部を形成する。また、一の動翼列１２を構成する複数の動翼１４のプラットフォーム１７と外側シュラウド１８との間も、軸線Ａｒを中心として環状の空間を形成する。この環状の空間も、タービンロータ１０の回転に寄与する蒸気が流れる主蒸気流路４０の一部を形成する。すなわち、主蒸気流路４０は、軸線Ａｒを中心として環状を成し、軸線方向Ｄａに長い流路である。この主蒸気流路４０の外周縁は、内側ケーシング３１の一部と動翼１４の外側シュラウド１８とにより画定される。また、この主蒸気流路４０の内周縁は、静翼２４の内側シュラウド２７と動翼１４のプラットフォーム１７とにより画定される。

翼列１２，２２のハブ径Ｒｈ及び平均径Ｒａについて、図２を参照して説明する。

翼列１２，２２のハブ径Ｒｈとは、この翼列１２，２２を構成する翼体１５，２５の後縁１６，２６における径方向内側Ｄｒｉの端と軸線Ａｒとの間の径方向Ｄｒの距離である。よって、動翼列１２のハブ径Ｒｈとは、この動翼列１２を構成する動翼１４の翼体１５で、この翼体１５の後縁１６とこの動翼１４のプラットフォーム１７とが交わる位置（径方向内側Ｄｒｉの端）と軸線Ａｒとの間の径方向Ｄｒの距離である。また、静翼列２２のハブ径Ｒｈとは、この静翼列２２を構成する静翼２４の翼体２５で、この翼体２５の後縁２６と内側シュラウド２７とが交わる位置（径方向内側Ｄｒｉの端）と軸線Ａｒとの間の径方向Ｄｒの距離である。但し、最上流段静翼列２２ａのハブ径Ｒｈは、この静翼列２２ａを構成する静翼２４の翼体２５で、この翼体２５の後縁２６と、この翼体２５の径方向内側Ｄｒｉに存在するケーシング３０の一部とが交わる位置（径方向内側Ｄｒｉの端）と軸線Ａｒとの間の径方向Ｄｒの距離である。

ところで、翼体１５，２５の後縁１６，２６における径方向内側Ｄｒｉの端は、この翼体１５，２５の後縁１６，２６における主蒸気流路４０の内周側縁と一致する。よって、翼列１２，２２のハブ径Ｒｈは、この翼列１２，２２を構成する翼体１５，２５の後縁１６，２６における主蒸気流路４０の内半径である、とも言える。

翼列１２，２２の平均径Ｒａとは、この翼列１２，２２を構成する翼体１５，２５の後縁１６，２６における径方向内側Ｄｒｉの端と径方向外側Ｄｒｏの端との中点Ｍと軸線Ａｒとの間の径方向Ｄｒの距離である。よって、動翼列１２の平均径Ｒａとは、この動翼列１２を構成する動翼１４の翼体１５で、この翼体１５の中点Ｍと軸線Ａｒとの間の径方向Ｄｒの距離である。なお、動翼１４の翼体１５における中点Ｍとは、翼体１５の後縁１６とこの動翼１４のプラットフォーム１７とが交わる位置（径方向内側Ｄｒｉの端）と、翼体１５の後縁１６とこの動翼１４の外側シュラウド１８とが交わる位置（径方向外側Ｄｒｏの端）との中点である。また、静翼列２２の平均径Ｒａとは、この静翼列２２を構成する静翼２４の翼体２５で、この翼体２５の中点Ｍと軸線Ａｒとの間の径方向Ｄｒの距離である。なお、静翼２４の翼体２５における中点Ｍとは、翼体２５の後縁２６とこの静翼２４の内側シュラウド２７とが交わる位置（径方向内側Ｄｒｉの端）と、翼体２５の後縁２６と内側ケーシング３１とが交わる位置（径方向外側Ｄｒｏの端）との中点である。但し、最上流段静翼列２２ａを構成する静翼２４の翼体２５における中点Ｍは、翼体２５の後縁２６とこの静翼２４の径方向内側Ｄｒｉに存在するケーシング３０の一部とが交わる位置（径方向内側Ｄｒｉの端）と、翼体２５の後縁２６とこの静翼２４の径方向外側Ｄｒｏに存在する内側ケーシング３１とが交わる位置（径方向外側Ｄｒｏの端）との中点である。

翼列１２，２２のチップ径Ｒｔとは、この翼列１２，２２を構成する翼体１５，２５の後縁１６，２６における径方向外側Ｄｒｏの端と軸線Ａｒとの間の径方向Ｄｒの距離である。

ところで、翼列１２，２２を構成する翼体１５，２５の後縁１６，２６における径方向外側Ｄｒｏの端は、この翼体１５，２５の後縁１６，２６における主蒸気流路４０の外周側縁と一致する。よって、翼列１２，２２のチップ径Ｒｔは、この翼列１２，２２を構成する翼体１５，２５の後縁１６，２６における主蒸気流路４０の外半径である、とも言える。なお、前述の翼列１２，２２の平均径Ｒａは、この翼列１２，２２のハブ径Ｒｈとチップ径Ｒｔの平均値である。

本実施形態では、翼列１２，２２のハブ径Ｒｈが、複数の翼列１２，２２のうち、最も軸線上流側Ｄａｕの翼列である最上流段翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。このため、本実施形態では、動翼列１２のハブ径Ｒｈが、複数の動翼列１２のうち、最も軸線上流側Ｄａｕの動翼列１２である最上流段動翼列１２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。さらに、本実施形態では、静翼列２２のハブ径Ｒｈが、最上流段静翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。最上流段静翼列２２ａのハブ径Ｒｈは、最上流段動翼列１２ａのハブ径Ｒｈよりも大きい。本実施形態では、各翼列１２，２２のハブ径Ｒｈのうち、最も軸線下流側Ｄａｄの動翼列１２である最下流段動翼列１２ｂのハブ径Ｒｈが最大である。

発明者は、主蒸気流路４０の形状パターンとして、互い異なる複数の形状パターンを用意し、各形状パターンに関して、計算により効率損失を求めた。その上で、発明者は、複数の形状パターンのうちから、効率損失を少なくできる形状パターンを選び出した。この結果、発明者は、主蒸気流路４０の形状を定めるパラメータとなるハブ径Ｒｈや平均径Ｒａが、軸線方向Ｄａの位置に変化に伴って、以上で説明したように変化することにより、効率損失を少なくできることが分かった。

発明者は、効率損失を少なくできる理由が、以下の理由であると考える。

蒸気タービンの効率損失の種類としては、翼列損失、漏れ流れ損失、風損がある。翼列損失は、翼列１２，２２を構成する翼体１５，２５の翼面での損失である。漏れ流れ損失は、主蒸気流路４０から蒸気が漏れこと、及び漏れた蒸気が主蒸気流路４０に戻ることにより生じる損失である。主蒸気流路４０を流れている蒸気の一部は、図２に示すように、この主蒸気流路４０から、静翼２４の内側シュラウド２７とロータ軸１１との間に漏れ蒸気として流入し、その後、主蒸気流路４０に戻る。また、主蒸気流路４０を流れている蒸気の一部は、この主蒸気流路４０から、動翼１４の外側シュラウド１８と内側ケーシング３１との間に漏れ蒸気として流入し、その後、主蒸気流路４０に戻る。漏れ流れ損失は、以上のように、漏れ蒸気が存在することによる損失である。風損は、蒸気の流れに対して相対回転する回転壁面と蒸気との間の摩擦による損失である。この風損は、主として、静翼２４の内側シュラウド２７とロータ軸１１との間、及び、動翼１４の外側シュラウド１８と内側ケーシング３１との間で生じる。

ここで、主蒸気流路４０の形状パターンに関する比較例及び一実施例の翼列損失、漏れ流れ損失、及び風損について、図３及び図４を参照して説明する。なお、以下の説明において、各部材等には、便宜上、上記実施形態における各部材等の符号と同じ符号を付す。図３及び図４中の横軸は、軸線方向Ｄａの位置を示す。また、ｓ１は最上流段静翼列２２ａの後縁２６の軸線方向Ｄａの位置、ｍ１は最上流段動翼列１２ａの後縁１６の軸線方向Ｄａの位置を示す。ｓ２は第二段静翼列２２の後縁２６の軸線方向Ｄａの位置、ｍ２は第二段動翼列１２の後縁１６の軸線方向Ｄａの位置を示す。ｓ（ｒ−１）は最下流段静翼列２２ｂより一つ軸線上流側Ｄａｕの静翼列２２の後縁２６の軸線方向Ｄａの位置、ｍ（ｒ−１は最下流段動翼列１２ｂより一つ上流側の動翼列１２の後縁１６の軸線方向Ｄａの位置を示す。ｓｒは最下流段静翼列２２ｂの後縁２６の軸線方向Ｄａの位置、ｍｒは最下流段動翼列１２ｂの後縁１６の軸線方向Ｄａの位置を示す。

蒸気タービンでは、軸線上流側Ｄａｕから軸線下流側Ｄａｄに蒸気が流れるに連れて、この蒸気の圧力が次第に低下して、この蒸気の体積が増加する。よって、一般的な蒸気タービンの主蒸気流路４０の断面積は、軸線上流側Ｄａｕから軸線下流側Ｄａｄに向って単調増加する。このため、翼高さ、言い換えると、チップ径Ｒｔとハブ径Ｒｈとの差も、一般的に、最上流段翼列２２ａから最下流段翼列１２ｂまで、下流段側に向かって単調増加する。

比較例の主蒸気流路４０の形状パターンは、以上で説明した一般的な蒸気タービンにおける主蒸気流路４０の形状パターンである。

具体的に、比較例の主蒸気流路４０の内側半径、言い換えると、各翼列１２，２２のハブ径Ｒｈｃは、図３（ａ）に示すように、最上流段翼列２２ａから最下流段翼列１２ｂまで、下流段側に向かって単調増加する。比較例の主蒸気流路４０の外側半径、言い換えると、各翼列１２，２２のチップ径Ｒｔｃは、最上流段翼列２２ａから最下流段翼列１２ｂまで、下流段側に向かって単調増加する。よって、各翼列１２，２２の平均径Ｒａｃも、最上流段翼列２２ａから最下流段翼列１２ｂまで、下流段側に向かって単調増加する。また、比較例の翼高さ、言い換えると、チップ径Ｒｔｃとハブ径Ｒｈｃとの差も、最上流段翼列２２ａから最下流段翼列１２ｂまで、下流段側に向かって単調増加する。

ロータ軸１１のうち、最上流段動翼列１２ａが取り付けられる部分は、この部分より軸線下流側Ｄａｄの部分に比べて、圧力が高く且つ温度が高い蒸気の影響を受ける。このため、ロータ軸１１の強度下限値Ｓは、最上流段動翼列１２ａが取り付けられる部分に要求される値が最も大きく、軸線下流側Ｄａｄに向うに連れて次第に小さくなる。

翼列損失は、ハブ径や平均径が大きくなるほど小さくなる。このため、比較例では、図３（ｂ）に示すように、ハブ径Ｒｈｃ及び平均径Ｒａｃが最も大きい最下流段動翼列１２ｂの翼列損失が最も小さく、軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に翼列損失が大きくなる。

蒸気の漏れ流れは、ハブ径や平均径が大きくなるほど大きくなる。仮に、各翼列１２，２２と、翼列１２，２２の径方向Ｄｒで対向する壁面との間の径方向Ｄｒの隙間距離が一定である場合でも、ハブ径や平均径が大きくなると、隙間面積が大きくなる。このため、基本的に、複数の翼列１２，２２のうち、ハブ径Ｒｈｃや平均径Ｒａｃの大きい最下流段翼列１２ｂにおける蒸気の漏れ流れが最も多く、軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に蒸気の漏れ流れが少なくなる。

また、翼列１２，２２を構成する複数の翼の翼高さが高くなると、翼高さに対する隙間距離の割合が小さくなる。このため、翼列１２，２２を構成する複数の翼の翼高さが高くなると、この翼列１２，２２での合計損失（翼列損失＋漏れ流れ損失＋風損損）のうちで漏れ流れ損失が占める割合が小さくなる。一の翼列１２，２２の漏れ流れ損失は、実際の漏れ流れの量よりも、この翼列１２，２２を構成する翼の翼高さの影響を強く受ける。このため、比較例では、図３（ｃ）に示すように、翼高さが最も高い最下流段翼列１２ｂの漏れ流れ損失が最も小さく、軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に漏れ蒸気損失が大きくなる。

軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に漏れ蒸気損失が大きくなる割合は、軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に翼列損失が大きくなる割合よりも大きい。

前述したように、最上流段静翼列２２ａを構成する複数の静翼２４は、径方向外側Ｄｒｏの端のみならず径方向内側Ｄｒｉの端もケーシング３０に固定されている。このため、最上流段静翼列２２ａの漏れ流れ損失は０である。よって、漏れ流れ損失は、最上流段静翼列２２ａの軸線下流側Ｄａｄに隣接する最上流段動翼列１２ａで最大になる。

蒸気の流れに対して相対回転する回転壁面と蒸気との間の摩擦は、ハブ径や平均径が大きくなるほど大きくなる。蒸気の流れに対して相対回転する回転壁面の周方向Ｄｃの相対速度ｖは、半径ｒ×角速度ωである。このため、ハブ径や平均径が大きくなるほど、回転壁面の周方向Ｄｃの相対速度ｖが大きくなる結果、蒸気の流れに対して相対回転する回転壁面と蒸気との間の摩擦が大きくなる。

また、蒸気の流れに対して相対回転する回転壁面と蒸気との間の摩擦は、翼列１２，２２を通過する蒸気の圧力（又は密度）が高くなるほど大きくなる。比較例では、軸線方向Ｄａにおけるハブ径Ｒｈｃや平均径Ｒａｃの変化率に比べて、軸線方向Ｄａにおける蒸気の圧力（又は密度）の変化率の方が大きい。このため、蒸気の流れに対して相対回転する回転壁面と蒸気との間の摩擦で生じる風損は、図３（ｄ）に示すように、蒸気の圧力が最も低い最下流段翼列１２ｂの風損が最も小さく、軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に風損が大きくなる。

軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に風損が大きくなる割合は、軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に翼列損失が大きくなる割合よりも大きい。

前述したように、最上流段静翼列２２ａを構成する複数の静翼２４は、径方向外側Ｄｒｏの端のみならず径方向内側Ｄｒｉの端もケーシング３０に固定されている。このため、最上流段静翼列２２ａの風損は０である。よって、風損は、最上流段静翼列２２ａの軸線下流側Ｄａｄに隣接する最上流段動翼列１２ａで最大になる。

以上の結果、比較例の合計損失（翼列損失＋漏れ流れ損失＋風損損）は、図３（ｅ）に示すように、最下流段翼列１２ｂから軸線上流側Ｄａｕの翼列１２，２２になるに連れて次第に大きくなる。但し、最上流段静翼列２２ａの漏れ流れ損失及び風損が０であるため、合計損失は、最上流段静翼列２２ａの軸線下流側Ｄａｄに隣接する最上流段動翼列１２ａで最大になる。

次に、主蒸気流路４０の形状パターンに関する一実施例の翼列損失、漏れ流れ損失、及び風損について、図４を参照して説明する。

図４（ａ）に示すように、本実施例の各翼列１２，２２のハブ径Ｒｈ、チップ径Ｒｔ及び平均径Ｒａは、いずれも、最上流段翼列２２ａから軸線下流側Ｄａｄの翼列１２，２２になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなる。

このため、本実施例では、最上流段翼列２２ａと最下流段翼列１２ｂとの間の中間段のいずれかの翼列１２，２２のハブ径Ｒｈが、本実施例における極小値になる。最上流段翼列２２ａ、つまり最上流段静翼列２２ａのハブ径Ｒｈは、比較例よりも本実施例の方が大きい。また、最下流段翼列１２ｂ、つまり、最下流段動翼列１２ｂのハブ径Ｒｈは、比較例よりも本実施例の方が小さい。本実施例の各翼列１２，２２のハブ径Ｒｈは、最上流段翼列２２ａから軸線下流側Ｄａｄの翼列１２，２２になるに連れて次第に小さくなるため、最上流段翼列２２ａよりも軸線下流側Ｄａｄのいずれかの一の翼列で、比較例よりもハブ径Ｒｈが小さくなる。本実施例では、この一の翼列から最下流段翼列１２ｂまでの全ての翼列１２，２２のハブ径Ｒｈが比較例よりも小さくなる。

また、本実施例では、最上流段翼列２２ａと最下流段翼列１２ｂとの間の中間段のいずれかの翼列１２，２２のチップ径Ｒｔが、本実施例における極小値になる。最上流段翼列２２ａ、つまり最上流段静翼列２２ａのチップ径Ｒｔは、比較例よりも本実施例の方が大きい。また、最下流段翼列１２ｂ、つまり、最下流段動翼列１２ｂのチップ径Ｒｔは、比較例よりも本実施例の方が小さい。本実施例の各翼列１２，２２のチップ径Ｒｔは、最上流段翼列２２ａから軸線下流側Ｄａｄの翼列１２，２２になるに連れて、次第に小さくなる関係で、最上流段翼列２２ａよりも軸線下流側Ｄａｄのいずれかの一の翼列で、比較例よりもチップ径Ｒｔが小さくなる。本実施例では、この一の翼列から最下流段翼列１２ｂまでの全ての翼列１２，２２のチップ径Ｒｔが比較例よりも小さくなる。

本実施例では、最上流段翼列２２ａと最下流段翼列１２ｂとの間の中間段のいずれかの翼列１２，２２の平均径Ｒａが、本実施例における極小値になる。最上流段翼列２２ａ、つまり最上流段静翼列２２ａの平均径Ｒａは、比較例よりも本実施例の方が大きい。また、最下流段翼列１２ｂ、つまり、最下流段動翼列１２ｂの平均径Ｒａは、比較例よりも本実施例の方が小さい。本実施例の各翼列１２，２２の平均径Ｒａは、最上流段翼列２２ａから軸線下流側Ｄａｄの翼列１２，２２になるに連れて、次第に小さくなる関係で、最上流段翼列２２ａよりも軸線下流側Ｄａｄのいずれかの一の翼列で、比較例よりも平均径Ｒａが小さくなる。本実施例では、この一の翼列から最下流段翼列１２ｂまでの全ての翼列１２，２２の平均径Ｒａが比較例よりも小さくなる。

本実施例における各翼列１２，２２のハブ径Ｒｈ、チップ径Ｒｔ及び平均径Ｒａは、最上流段翼列２２ａから軸線下流側Ｄａｄの翼列１２，２２になるに連れて、次第に小さくなる小さくなる一方で、比較例における各翼列１２，２２のハブ径Ｒｈｃ、チップ径Ｒｔｃ及び平均径Ｒａｃは、最上流段翼列２２ａから軸線下流側Ｄａｄの翼列１２，２２になるに連れて単調増加する。このため、前述の一の翼列は、最下流段翼列１２ｂよりも最上流段翼列２２ａに近い翼列になる。よって、図４（ａ）に示すように、本実施例において、比較例よりもハブ径Ｒｈ等が小さい翼列１２，２２の数Ｎ２は、比較例よりもハブ径Ｒｈ等が大きい翼列１２，２２の数Ｎ１より遥に多い。

また、図４（ａ）に示すように、最上流段翼列２２ａ及びこの最上流段翼列２２ａ近傍の翼列１２，２２のハブ径Ｒｈ等は、本実施例の方が比較例よりも大きい。一方、本実施例でハブ径Ｒｈ等が極小値になる翼列及びこの翼列近傍の翼列のハブ径Ｒｈ等は、これらの翼列に対応する比較例の翼列のハブ径Ｒｈｃ等よりも小さい。繰り返すことになるが、本実施例における各翼列１２，２２のハブ径Ｒｈ等は、最上流段翼列２２ａから軸線下流側Ｄａｄの翼列１２，２２になるに連れて、次第に小さくなる小さくなる一方で、比較例における各翼列１２，２２のハブ径Ｒｈｃ等は、最上流段翼列２２ａから軸線下流側Ｄａｄの翼列１２，２２になるに連れて単調増加する。このため、本実施例でハブ径Ｒｈ等が極小値になる翼列及びこの翼列近傍の翼列のハブ径Ｒｈ等と、これらの翼列に対応する比較例の翼列のハブ径Ｒｈｃ等との差の絶対値Ａ１は、本実施例の最上流段翼列２２ａ及びこの最上流段翼列２２ａ近傍の翼列１２，２２のハブ径Ｒｈ等と、これらの翼列１２，２２に対応する比較例の翼列１２，２２のハブ径Ｒｈｃ等との差の絶対値Ａ２は、よりも大きい。

本実施例のロータ軸１１の強度下限値Ｓは、比較例と同様、最上流段動翼列１２ａが取り付けられる部分に要求される値が最も大きく、軸線下流側Ｄａｄに向うに連れて次第に小さくなる。

翼列損失は、前述したように、ハブ径や平均径が大きくなるほど小さくなる。本実施例では、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、前述の一の翼列よりも軸線上流側Ｄａｕの各翼列１２，２２が比較例よりもハブ径Ｒｈ及び平均径Ｒａが大きいため、これらの翼列１２，２２での翼列損失が比較例よりも僅かに小さい。一方、本実施例では、前述の一の翼列から最下流段翼列１２ｂまでの各翼列１２，２２が比較例よりもハブ径Ｒｈ及び平均径Ｒａが小さいため、これらの翼列１２，２２での翼列損失が比較例よりも僅かに大きい。なお、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）及び図４（ｅ）において、太い実線が本実施例の損失を示し、細い二点鎖線が比較例の損失を示す。

漏れ流れ損失は、翼高さが互いに同じ場合、ハブ径や平均径が小さい方が小さい。風損ンは、蒸気の圧力が互いに同じ場合、ハブ径や平均径が小さい方が小さい。本実施例では、図４（ａ）、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すように、前述の一の翼列から最下流段翼列１２ｂの各翼列１２，２２が比較例よりもハブ径Ｒｈ及び平均径Ｒａが小さいため、これらの翼列１２，２２での漏れ流れ損失及び風損が比較例よりも小さい。一方、本実施例では、前述の一の翼列から最上流段翼列２２ａまでの各翼列１２，２２が比較例よりもハブ径Ｒｈ及び平均径Ｒａが大きいため、これらの翼列１２，２２での漏れ流れ損失及び風損が比較例よりも大きい。但し、本実施例においても比較例においても、最上流段静翼列２２ａを構成する複数の静翼２４は、径方向外側Ｄｒｏの端のみならず径方向内側Ｄｒｉの端もケーシング３０に固定されているため、本実施例も比較例も、最上流段静翼列２２ａの漏れ流れ損失及び風損は０である。

前述したように、本実施例において、ハブ径Ｒｈ等が比較例より小さくて、漏れ流れ損失及び風損が比較例より小さい翼列１２，２２の数Ｎ２は、ハブ径Ｒｈ等が比較例より大きくて、漏れ流れ損失及び風損が比較例より大きい翼列１２，２２の数Ｎ１より遥に少ない。さらに、前述したように、本実施例でハブ径Ｒｈ等が極小値になる翼列及びこの翼列近傍の翼列のハブ径Ｒｈ等と、これらの翼列に対応する比較例の翼列のハブ径Ｒｈｃ等との差の絶対値Ａ１は、本実施例の最上流段翼列２２ａ近傍の翼列のハブ径Ｒｈ等と、これらの翼列に対応する比較例の翼列のハブ径Ｒｈｃ等との差の絶対値Ａ２よりも大きい。このため、比較例と比べて本実施例の漏れ流れ損失及び風損が大きくなる程度よりも、比較例と比べて本実施例の漏れ流れ損失及び風損が小さくなる程度の方が大きい。よって、本実施例では、全翼列１２，２２のうち最上流段静翼列２２ａを除く翼列１２，２２での漏れ流れ損失及び風損は、比較例よりも遥に小さい。

前述したように、本実施例も比較例も、最上流段静翼列２２ａの漏れ流れ損失及び風損は０である。また、本実施例では、前述したように、最上流段翼列２２ａのハブ径Ｒｈ、チップ径Ｒｔ及び平均径Ｒａが比較例よりも大きいため、最上流段静翼列２２ａの翼列損失が比較例よりも小さくなる。このため、最上流段静翼列２２ａの合計損失は、図４（ｅ）に示すように、本実施例の方が比較例よりも小さくなる。

本実施例では、前述の一の翼列から最下流段翼列１２ｂまでの各翼列１２，２２での翼列損失が比較例よりも僅かに大きい。しかしながら、前述したように、全翼列１２，２２のうち最上流段静翼列２２ａを除く翼列１２，２２での漏れ流れ損失及び風損は、本実施例の方が比較例よりも遥に小さい。このため、全翼列１２，２２のうち最上流段静翼列２２ａを除く翼列１２，２２での合計損失は、本実施例の方が比較例よりも小さい。

よって、全翼列１２，２２での合計損失は、本実施例の方が比較例よりも小さくなる。このため、主蒸気流路４０の形状パターンとして、本実施例の形状パターンを採用すると、タービン効率を高めることができる。

ところで、漏れ流れ損失及び風損が０の最上流段静翼列２２ａの翼列損失を抑えるために、最上流段静翼列２２ａのみのハブ径Ｒｈ、チップ径Ｒｔ及び平均径Ｒａを比較例よりも大きくし、漏れ流れ損失及び風損を抑えるために、最上流段静翼列２２ａの軸線下流側Ｄａｄに隣接する翼列１２ａのハブ径Ｒｈ、チップ径Ｒｔ及び平均径Ｒａを最上流段静翼列２２ａに対して大幅に小さくしたとする。この場合、主蒸気流路４０が最上流段静翼列２２ａの後縁２６から急激に径方向内側Ｄｒｉに曲がるため、この曲り箇所で蒸気の剥離等による損失が発生する。さらに、最上流段静翼列２２ａの軸線下流側Ｄａｄに隣接する翼列１２ａのハブ径Ｒｈ等を最上流段静翼列２２ａに対して大幅に小さくすると、最上流段静翼列２２ａの軸線下流側Ｄａｄに隣接する翼列１２ａが存在する位置でのロータ軸１１の強度が、前述の強度下限値Ｓを下回るおそれがある。

このため、本実施例では、翼列１２，２２のハブ径Ｒｈ、チップ径Ｒｔ及び平均径Ｒａｃを、最上流段翼列２２ａから下流段側になるに連れて次第に小さくしている。

ところで、従来から、翼列損失、漏れ流れ損失、風損を抑えるための技術はある。但し、これらの技術は、翼列損失を抑えるために翼の翼面形状を変更する技術や、漏れ流れ損失や風損を抑えるために漏れシールの構造や外側シュラウド１８の形状を変更する等の技術である。一方、以上で説明した一実施例のように、翼列損失、漏れ流れ損失及び風損を総合的に考察して、主蒸気流路４０の形状パターンを変更する技術は、見られない。

先に説明した本実施形態では、以上で説明した一実施例と同様、動翼列１２のハブ径Ｒｈが、最上流段動翼列１２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。このため、先に説明した実施形態では、以上で説明した一実施例と同様、全翼列１２，２２での合計損失が小さくなり、タービン効率を高めることができる。

「第二実施形態」
本発明に係る蒸気タービンの第二実施形態について、図５を参照して説明する。

本実施形態は、主蒸気流路４０の形状パターンを特定するパラメータが、第一実施形態と異なる。しかしながら、本実施形態の蒸気タービンの各部の構成は、基本的に第一実施形態と同じである。このため、以下の説明において、各部材等の符号には、上記第一実施形態における対応部材等の符号と同じ付す。

本実施形態では、翼列１２，２２の平均径Ｒａが、最上流段翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。このため、本実施形態では、静翼列２２の平均径Ｒａが、最上流段静翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。さらに、本実施形態では、動翼列１２の平均径Ｒａが、最上流段動翼列１２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。最上流段静翼列２２ａの平均径Ｒａは、最上流段動翼列１２ａの平均径Ｒａよりも大きい。本実施形態では、各翼列１２，２２の平均径Ｒａのうち、最も軸線下流側Ｄａｄの動翼列１２である最下流段動翼列１２ｂの平均径Ｒａが最大である。

また、本実施形態では、翼列１２，２２のハブ径Ｒｈが、第一実施形態と同様、最上流段翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。具体的に、本実施形態では、静翼列２２のハブ径Ｒｈが、第一実施形態と同様、最上流段静翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。また、本実施形態では、動翼列１２のハブ径Ｒｈが、第一実施形態と同様、最上流段動翼列１２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。

また、本実施形態では、翼列１２，２２のチップ径Ｒｔが、最上流段翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。具体的に、本実施形態では、静翼列２２のチップ径Ｒｔが、最上流段静翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。また、本実施形態では、動翼列１２のチップ径Ｒｔが、最上流段動翼列１２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。

以上のように、本実施形態では、先に説明した一実施例と同様、翼列１２，２２のハブ径Ｒｈ、チップ径Ｒｔ及び平均径Ｒａのいずれもが、最上流段翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。このため、本実施形態でも、先に説明した一実施例と同様、全翼列１２，２２での合計損失が小さくなり、タービン効率を高めることができる。

本実施形態では、以上で説明したように、翼列１２，２２のハブ径Ｒｈやチップ径Ｒｔが、最上流段翼列２２ａから下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなっている。しかしながら、本実施形態において、翼列１２，２２のハブ径Ｒｈやチップ径Ｒｔは、軸線方向Ｄａの位置変化に伴う径変化が以上と異なる形態で変化してもよい。

また、本実施形態において、複数の動翼列１２の各ハブ径Ｒｈのうち、最上流段動翼列１２ａのハブ径Ｒｈが最も小さくてもよい。この場合、ハブ径Ｒｈは、最上流段動翼列１２ａから最下流段動翼列１２ｂまで、下流段側に向かうに連れて次第に大きくなる。同様に、本実施形態において、複数の動翼列１２の各チップ径Ｒｔのうち、最上流段動翼列１２ａのチップ径Ｒｔが最も小さくてもよい。この場合も、チップ径Ｒｔは、最上流段動翼列１２ａから最下流段動翼列１２ｂまで、下流段側に向かうに連れて次第に大きくなる。さらに、本実施形態において、複数の動翼列１２の各平均径Ｒａのうち、最上流段動翼列１２ａの平均径Ｒａが最も小さくてもよい。この場合も、平均径Ｒａは、最上流段動翼列１２ａから最下流段動翼列１２ｂまで、下流段側に向かうに連れて次第に大きくなる。このような場合は、動翼列１２の段数が少ない場合、例えば、段数が４〜６程度の場合に考えられる。

１０：タービンロータ（又は蒸気タービンロータ）
１１：ロータ軸
１２：動翼列
１２ａ：最上流段動翼列
１２ｂ：最下流段動翼列（又は最下流段翼列）
１４：動翼
１５：翼体
１６：後縁
１７：プラットフォーム
１８：外側シュラウド
１９：漏れ蒸気シール
２２：静翼列
２２ａ：最上流段静翼列（又は最上流段翼列）
２２ｂ：最下流段静翼列
２４：静翼
２５：翼体
２６：後縁
２７：内側シュラウド
２９：漏れ蒸気シール
３０：ケーシング
３１：内側ケーシング
３２：外側ケーシング
３３ｉ：流入部
３４ｉ：流入管部
３５ｉ：流入口
３６ｉ：流入スクロール部
３７ｉ：流入スクロール流路
３３ｏ：排気部
３４ｏ：排気管部
３５ｏ：排気口
３６ｏ：排気スクロール部
３７ｏ：排気スクロール流路
３９：胴部
４０：主蒸気流路
４５：軸シール
４６：軸受
Ｒｈ，Ｒｈｃ：ハブ径
Ｒａ，Ｒａｃ：平均径
Ｒｔ，Ｒｔｃ：チップ径
Ｓ：強度下限値
Ａｒ：軸線
Ｄａ：軸線方向
Ｄａｕ：軸線上流側
Ｄａｄ：軸線下流側
Ｄｃ：周方向
Ｄｒ：径方向
Ｄｒｉ：径方向内側
Ｄｒｏ：径方向外側

Claims

軸線を中心として回転する蒸気タービンロータと、
前記軸線を中心として、筒状を成して前記蒸気タービンロータの外周側を覆うケーシングと、
前記ケーシング内に配置されて前記ケーシングに固定され、軸線方向に並ぶ複数の静翼列と、
を備え、
複数の前記静翼列は、いずれも、前記軸線に対する周方向の並ぶ複数の静翼を有し、
前記蒸気タービンロータは、前記軸線を中心として、前記軸線方向に延びるロータ軸と、前記ロータ軸に取り付けられ、前記軸線方向に並ぶ複数の動翼列と、を有し、
複数の前記動翼列のそれぞれは、複数の前記静翼列のうちのいずれか一の静翼列の軸線下流側に隣接配置され、
前記静翼の後縁位置におけるハブ径又は平均径が、複数の静翼列のうちで最も軸線上流側の最上流段静翼列から下流段側になるに連れて、次第に小さくなった後、次第に大きくなる、
蒸気タービン。