JP6944871B2 - 排気室及び蒸気タービン - Google Patents
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Description
特許文献1,2には、蒸気タービンの最終段動翼から復水器までの排気損失低減のために、ディフューザのベアリングコーン形状を、外車室の排気側と反排気側とで非対称に形成する技術が提案されている。
特許文献3には、ディフューザのフローガイドを外車室の排気側と反排気側とで非対称に形成する技術が提案されている。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、圧力損失を低減して性能向上を図ることができる排気室及び蒸気タービンを提供するものである。
この発明の第一態様によれば、排気室は、内側ケーシングと、外側ケーシングと、ディフューザと、を備える。内側ケーシングは、ロータ軸の軸線を中心とした径方向の外側からロータを囲い、前記ロータとの間に前記軸線の延びる方向に流体が流れる第一空間を形成する。外側ケーシングは、前記ロータ及び前記内側ケーシングを囲うとともに、前記第一空間を流れた流体が排気される第二空間を前記内側ケーシングとの間に形成し、前記軸線に直交する方向の第一側に出口を有する。ディフューザは、前記内側ケーシングの下流側に配置されて前記第一空間と連通するディフューザ空間を形成し、前記下流側に向かうにつれて径方向外側を向き、前記第一空間と前記第二空間とを連通させる。ディフューザは、前記第一空間を形成する前記ロータ軸の外周面と連続するように軸線方向の下流側に延びる筒状をなし、前記軸線方向の下流側に向かうにしたがって漸次拡径するベアリングコーンを備えている。ベアリングコーンの前記下流側の端縁は、前記軸線に直交する方向における第一側の第一コーン端部と前記軸線との間の距離よりも、前記第一側とは反対側の第二側の第二コーン端部と前記軸線との間の距離の方が大きいオーバル形状を成している。前記ベアリングコーンは、前記軸線を含む断面視で、前記軸線よりも排気側における前記ベアリングコーンの軸線上流側の端縁に近い側の接線と前記軸線とのなす角度を角度θeとし、前記軸線よりも反排気側における前記ベアリングコーンの軸線上流側の端縁に近い側の接線と前記軸線とのなす角度を角度θaとすると、θa>θe≧0を満たす。
この第一態様におけるベアリングコーンの下流側の端縁は、軸線に直交する方向における第一側の第一コーン端部と軸線との間の距離よりも、第一側とは反対側の第二側の第二コーン端部と軸線との間の距離の方が大きい。これにより、例えば、第一コーン端部と第二コーン端部とが軸線方向で同じ位置又は、第一コーン端部よりも第二コーン端部が軸線方向における上流側に配置される場合、軸線に対するベアリングコーンの角度は、第一側よりも第二側において大きくなる。そのため、第二側のディフューザ空間においてベアリングコーンを流体の流れに沿わせるように形成できる。一方で、第一コーン端部よりも第二コーン端部が軸線方向で下流側に位置する場合、第二側におけるディフューザ空間の長さを長くできる。そのため、逆流が生じる領域を解消できる。したがって、圧力損失を低減して性能向上を図ることができる。
このように構成することで、ディフューザ空間の第二側の流路断面積が第一側の流路断面積よりも減少することを抑制できる。そのため、ディフューザの出口においてディフューザ空間として有効な流路面積を拡大して、ディフューザの圧力回復性能を向上することができる。
このように構成することで、ディフューザ空間の第二側の流路断面積が第一側の流路断面積よりも減少することを抑制できる。そのため、ディフューザの出口においてディフューザ空間として有効な流路面積を拡大して、ディフューザの圧力回復性能を向上することができる。
第一側のディフューザ空間においては、内側ケーシングの内側の第一空間から排出された流体の流れが軸線方向を向いているため、ベアリングコーン側で剥離が生じ難い。そのため、第一側の第一コーン端部を、第二側の第二コーン端部よりも、軸線方向の下流側に位置することで、第一側におけるディフューザ空間として有効な流路断面積を拡大することができる。
このように構成することで、例えば、ロータの最終段動翼から旋回成分を含む流れがディフューザに流入した場合に、ベアリングコーンのうち軸線からの距離が最も大きい端部を、逆流領域が最も生じ易い位置に配置することができる。したがって、ディフューザにおける圧力損失を有効に低減することができる。
このように構成することで、蒸気タービンの効率向上を図ることができる。
図1は、この発明の第一実施形態における蒸気タービンの概略構成を示す図である。
図1に示すように、この第一実施形態の蒸気タービンSTは、二分流排気型の蒸気タービンである。この蒸気タービンSTは、第一蒸気タービン部10aと第二蒸気タービン部10bとを備えている。第一蒸気タービン部10a及び第二蒸気タービン部10bは、いずれも、軸線Arを中心として回転するタービンロータ(ロータ)11と、タービンロータ11を覆うケーシング20と、ケーシング20に固定されている複数の静翼列17と、蒸気流入管19と、を備えている。以下の説明において、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、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。
内側ケーシング21は、ロータ軸12との間に、軸線Arを中心とした環状をなす第一空間21sを形成する。蒸気流入管19から流入した蒸気(流体)は、この第一空間21sを軸線方向Daに(より具体的には軸線下流側Dadに向かって)流れる。タービンロータ11の複数の動翼列13は、この第一空間21s内に配置されている。複数の静翼列17は、軸線方向Daに並んで、この第一空間21s内に配置されている。複数の静翼列17のそれぞれは、複数の動翼列13のうちいずれか一つの動翼列13の軸線上流側Dauに配置されている。複数の静翼列17は、内側ケーシング21に固定されている。
外側ケーシング30は、タービンロータ11及び内側ケーシング21を囲うとともに、第一空間21sを流れた蒸気が排出される第二空間30sを内側ケーシング21との間に形成する。この第二空間30sは、ディフューザ26に連通し、ディフューザ26の外周側を周方向Dcに広がる。この外側ケーシング30は、ディフューザ空間26sから第二空間30sに流入した蒸気を排気口31に導く。
上流側端板34は、ディフューザ26よりも軸線上流側Dauに配置されている。この上流側端板34は、内側ケーシング21の外周面21oから径方向外側Droに広がって、第二空間30sの軸線上流側Dauの縁を画定する。
側周板36は、下流側端板32及び上流側端板34に接続され、軸線方向Daに広がり且つ軸線Arを中心として周方向Dcに広がって、第二空間30sの径方向外側Droの縁を画定する。
この発明における排気室Ecは、内側ケーシング21と外側ケーシング30とディフューザ26とにより構成されている。
ここで、図2に示すように、排気口31が軸線Arに直交する方向の一方(第一側)にのみ配置されることで排気室Ecは周方向Dcで非対称形状となり、周方向に圧力分布が生じる。そして、図2に示すように、排気口31が配置される側とは反対側(第二側)において、第一空間21sから排出される蒸気の流れが径方向外側Droを向いて流量分布(図2において、ディフューザ26内部に二点鎖線及び矢印で示す)がフローガイド27側に偏ってしまう。以下の説明において、軸線Arよりも排気口31が形成されている軸線Arに直交する方向の第一側を排気側Dex、軸線Arを挟んでこの排気口31とは反対側を反排気側Danという(第二実施形態以降も同様)。
次に、この発明の第二実施形態を図面に基づき説明する。この第二実施形態は、上述した第一実施形態と、反排気側Danにおけるフローガイドの形状及び排気側Dexにおけるフローガイドの形状が異なる。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図4、図5に示すように、この第二実施形態における第一蒸気タービン部210aのケーシング220は、上述した第一実施形態と同様に、内側ケーシング21と排気ケーシング225とを有している。排気ケーシング225は、ディフューザ226と、外側ケーシング30とを有している。
次に、この発明の第二実施形態の第一変形例を図面に基づき説明する。上述した第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図6、図7に示すように、この第二実施形態の第一変形例における第一蒸気タービン部210aのケーシング220Xは、上述した第二実施形態と同様に、内側ケーシング21と排気ケーシング225とを有している。排気ケーシング225は、ディフューザ226と、外側ケーシング30とを有している。
なお、ベアリングコーン29については、第一、第二実施形態と同様の構成であるため、詳細説明を省略する。
図8は、この発明の第二実施形態の第二変形例における図2に相当する図である。図9は、この発明の第二実施形態の第二変形例における図3に相当する図である。
上述した第二実施形態の第一変形例においては、第一ガイド部227AXを、第二実施形態の第一ガイド部227Aよりも軸線下流側Dadまで延びるように形成した。この第一変形例のフローガイド227と同様、例えば、図8、図9に示す第二変形例のように、排気側Dexにおけるベアリングコーン229Xを、第二実施形態の排気側Dexにおけるベアリングコーン229(図8中、二点鎖線で示す)よりも軸線下流側Dadまで延びるように形成しても良い。
次に、この発明の第三実施形態を図面に基づき説明する。この第三実施形態は、上述した第二実施形態と、反排気側Danにおけるフローガイド及びベアリングコーンの形状が異なる。そのため、上述した第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図10、図11に示すように、この第三実施形態における第一蒸気タービン部310aのケーシング320は、上述した第二実施形態と同様に、内側ケーシング21と排気ケーシング325とを有している。さらに、排気ケーシング325は、ディフューザ326と、外側ケーシング30とを有している。
フローガイド327は、第二実施形態のフローガイド227と同様に、内側ケーシング21の軸線下流側Dadの端縁から軸線下流側Dadに向かって延びる筒状をなしている。フローガイド327は、軸線Arに対して垂直な断面が環状を成し、軸線下流側Dadに向かうにしたがって漸次拡径している。この第三実施形態におけるフローガイド327も、第二実施形態と同様に、内側ケーシング21に接続されている。
次に、この発明の第四実施形態を図面に基づき説明する。この第四実施形態は、上述した第一実施形態と、軸線を中心としたフローガイドが異なる。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図12に示すように、この第四実施形態における第一蒸気タービン部410aのケーシング420は、上述した第一実施形態と同様に、内側ケーシング21と排気ケーシング425とを有している。さらに、排気ケーシング425は、ディフューザ426と、外側ケーシング30とを有している。
例えば、上述した各実施形態では、蒸気タービンの排気室を一例に説明したが、例えば、ガスタービンや、ターボ機械などの排気室にも適用できる。
10b 第二蒸気タービン部
11 ロータ
11 タービンロータ
12 ロータ軸
12a 外周面
13 動翼列
13a 最終動翼列
17 静翼列
18 軸受
19 蒸気流入管
20,220,320,420 ケーシング
21 内側ケーシング
21o 外周面
21s 第一空間
25,225,325,425 排気ケーシング
26,226,326,426 ディフューザ
26s,226s,326s,426s ディフューザ空間
27,227,327 フローガイド
27a,227a,327a 端縁
27aa,227aa,327aa 排気側ガイド端部
27ab,227ab,327ab 反排気側ガイド端部
27f 仮想線
29,229,229X,329,429 ベアリングコーン
29a,329a,429a 端縁
29aa,229aa,329aa,429aa 第一コーン端部
29ab,229ab,329ab,429ab 第二コーン端部
29b,329b 端縁
29ba,329ba 端部
29bb,329bb 端部
30 外側ケーシング
30s 第二空間
31 排気口
32 下流側端板
34 上流側端板
36 側周板
227A,227AX,327A 第一ガイド部
227B,327B 第二ガイド部
429ac 縁部
429f 仮想線
Ec 排気室
ST 蒸気タービン
Claims (6)
- ロータ軸の軸線を中心とした径方向の外側からロータを囲い、前記ロータとの間に前記軸線の延びる方向に流体が流れる第一空間を形成する内側ケーシングと、
前記ロータ及び前記内側ケーシングを囲うとともに、前記第一空間を流れた流体が排出される第二空間を前記内側ケーシングとの間に形成し、前記軸線に直交する方向の第一側に出口を有する外側ケーシングと、
前記内側ケーシングの下流側に配置されて前記第一空間と連通するディフューザ空間を形成し、前記下流側に向かうにつれて径方向外側を向き、前記第一空間と前記第二空間とを連通させるディフューザと、
を備え、
前記ディフューザは、
前記第一空間を形成する前記ロータ軸の外周面と連続するように軸線方向の下流側に延びる筒状をなし、前記軸線方向の下流側に向かうにしたがって漸次拡径するベアリングコーンを備え、
前記ベアリングコーンの前記下流側の端縁は、
前記軸線に直交する方向における第一側の第一コーン端部と前記軸線との間の距離よりも、前記第一側とは反対側の第二側の第二コーン端部と前記軸線との間の距離の方が大きいオーバル形状を成し、
前記ベアリングコーンは、
前記軸線を含む断面視で、前記軸線よりも排気側における前記ベアリングコーンの軸線上流側の端縁に近い側の接線と前記軸線とのなす角度を角度θeとし、前記軸線よりも反排気側における前記ベアリングコーンの軸線上流側の端縁に近い側の接線と前記軸線とのなす角度を角度θaとすると、θa>θe≧0を満たす排気室。 - 前記ディフューザは、
前記内側ケーシングの下流側の端縁から前記軸線方向の下流側に延びる筒状をなし、前記軸線方向の下流側に向かうにしたがって漸次拡径するフローガイドを備え、
前記フローガイドは、
前記軸線よりも第一側に形成された第一ガイド部と、前記軸線よりも第二側に形成された第二ガイド部と、を備え、
前記軸線を含む断面視で、前記第二ガイド部の接線と前記軸線とのなす角度は、前記第二ガイド部の接線と前記軸線方向で同一位置の前記第一ガイド部の接線と前記軸線とのなす角度よりも大きい請求項1に記載の排気室。 - 前記ディフューザは、
前記内側ケーシングの下流側の端縁から前記軸線方向の下流側に延びる筒状をなし、前記軸線方向の下流側に向かうにしたがって漸次拡径するフローガイドを備え、
前記フローガイドは、
前記軸線よりも第一側に形成された第一ガイド部と、前記軸線よりも第二側に形成された第二ガイド部と、を備え、
前記軸線を含む断面視で、前記第二ガイド部の最も第二側に位置する第二側ガイド端部と前記軸線との径方向における距離は、前記第二側ガイド端部と軸線方向で同一位置の前記第一ガイド部と前記軸線との径方向における距離よりも大きく、
前記第二側ガイド端部における接線と前記軸線とのなす角度は、前記第二側ガイド端部と軸線方向で同一位置の前記第一ガイド部の接線と前記軸線とのなす角度よりも大きい請求項1に記載の排気室。 - 前記第一側の第一コーン端部は、前記第二側の第二コーン端部よりも、前記軸線方向の下流側に位置する請求項2又は3に記載の排気室。
- 前記ベアリングコーンのうち、前記軸線からの距離が最も大きい端部は、前記軸線を中心とした周方向における最も第二側の位置よりも、前記ロータ軸の回転方向における前方にずれた位置に配置されている請求項1に記載の排気室。
- 請求項1から5の何れか一項に記載の排気室を備える蒸気タービン。
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