JP7276988B2

JP7276988B2 - 軸流タービン

Info

Publication number: JP7276988B2
Application number: JP2020027329A
Authority: JP
Inventors: 章吾岩井; 嗣久田島; 貴裕小野; 大輔野村
Original assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: US20210262362A1; US11761348B2; JP2021131071A; EP3869013B1; EP3869013A1

Description

本発明の実施形態は、単流式の軸流タービンに関する。

単流式の軸流タービンは、タービンロータの軸方向に沿って作動媒体が一方に流れるように構成されている。単流式の軸流タービンは、作動媒体の流れ方向において、上流側の端部に位置する上流側グランド部と下流側の端部に位置する下流側グランド部とを有しており、一般に、グランドリーク量は、上流側グランド部の方が下流側グランド部よりも多い。グランドリークが生じた場合、タービン段落で仕事を行う作動媒体の流量が減り、タービン効率が低下する場合がある。

特に、軸流タービンの入口に導入される作動媒体の圧力が高いほど、軸流タービンの内部と外部（大気圧）との圧力差が大きくなるので、グランドリーク量が増加する。それゆえ、軸流タービンが一般的なガスタービンである場合よりも、蒸気タービンやＣＯ_２タービンである場合の方が、上記問題が生じやすい。

特許第5917324号

関連技術にかかる単流式の軸流タービン１２Ｊの一例に関して、図７を用いて説明する。図７は、鉛直方向ｚと第１水平方向ｘとによって規定される鉛直面（ｘｚ面）の一部断面（主に上半側の断面）を模式的に示している。

関連技術に係る軸流タービン１２Ｊは、タービン車室３０において外部車室３２に収容された内部車室３１の内部に、作動媒体Ｆがトランジションピース３１１を介して導入される。そして、その導入された作動媒体Ｆは、上流側Ｕｓから下流側Ｄｓに並ぶ複数のタービン段落４０において、順次、仕事を行う。その後、作動媒体Ｆは、排気管（図示省略）を介して、タービン車室３０の外部へ排出される。また、軸流タービン１２Ｊは、冷却媒体導入管３１３を介して、冷却媒体ＣＦが外部からタービン車室３０の内部に導入される。

軸流タービン１２Ｊは、たとえば、ＣＯ_２タービンであって、作動媒体Ｆは、たとえば、燃焼器での燃焼によって生じた燃焼ガスを含む超臨界の媒体である。冷却媒体ＣＦは、たとえば、軸流タービン１２Ｊから排気された後に冷却等が行われた媒体であって、作動媒体Ｆよりも温度が低く、作動媒体Ｆよりも圧力が高い状態で軸流タービン１２Ｊに導入される。

図７において破線の矢印で示すように、冷却媒体ＣＦは、トランジションピース３１１の外周面と冷却媒体導入管３１３の内周面との間を経由して、内部車室３１の内部に設けられた冷却室Ｒ３１ａに導入される。

冷却室Ｒ３１ａに導入された冷却媒体ＣＦは、内部車室３１に形成された内部車室冷却媒体流路Ｈ３１へ流入する。ここでは、内部車室冷却媒体流路Ｈ３１は、第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１と第２の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１２とを含む。第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１は、タービンロータ２０の軸方向に沿った孔であって、作動媒体Ｆの上流側Ｕｓに位置する一端が冷却室Ｒ３１ａに連通している。第２の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１２は、タービンロータ２０の径方向に沿った孔であって、第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１から冷却媒体ＣＦを静翼４１へ供給するために設けられている。冷却媒体ＣＦは、複数のタービン段落４０のそれぞれにおいて、静翼４１へ供給される。そして、静翼４１の冷却で用いられた冷却媒体ＣＦは、たとえば、内部車室３１の内部において作動媒体Ｆが流れる主流路へ排出される。

また、冷却室Ｒ３１ａに導入された冷却媒体ＣＦは、タービンロータ２０に形成されたロータ冷却流路Ｈ２１に導入される。ここでは、ロータ冷却流路Ｈ２１は、第1のロータ冷却流路部Ｈ２１１と第２のロータ冷却流路部Ｈ２１２と第３のロータ冷却流路部Ｈ２１３とを含み、冷却媒体ＣＦが、各部を順次流れる。そして、冷却媒体ＣＦは、遮熱ピース７０を構成する遮熱板７１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間に位置する空間へ流れる。そして、たとえば、動翼４２の植込部４２２とロータホイール２１との間を通過して、冷却媒体ＣＦが動翼４２へ導入される。これにより、タービンロータ２０および動翼４２が冷却される。動翼４２へ導入された冷却媒体ＣＦは、たとえば、内部車室３１の内部において作動媒体Ｆが流れる主流路へ排出される。

最終段のタービン段落４０において、遮熱板７１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間に位置する空間へ流入した冷却媒体ＣＦは、動翼４２へ導入される他に、軸方向において最終段のロータホイール２１よりも下流側Ｄｓに位置する最終段ホイールスペースＲＷに流れる。最終段ホイールスペースＲＷに流れた冷却媒体ＣＦは、下流側グランド部Ｇ２において、タービン車室３０の内部から外部へリークする。具体的には、下流側グランド部Ｇ２において、冷却媒体ＣＦは、グランドシール部３５ｃが設けられたパッキンヘッド３２１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間へ流れる。

上記の他に、冷却室Ｒ３１ａに導入された冷却媒体ＣＦは、上流側グランド部Ｇ１において、タービン車室３０の内部から外部へリークする。具体的には、上流側グランド部Ｇ１において、冷却媒体ＣＦは、冷却室Ｒ３１ａから、グランドシール部３５ｂが設けられた内部車室３１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間へ流れる。その後、冷却媒体ＣＦは、グランドシール部３５ａが設けられた外部車室３２の内周面とタービンロータ２０の外周面との間を流れる。

上記の軸流タービン１２Ｊの課題について説明する。

上記のような単流式の軸流タービン１２Ｊにおいては、上述したように、上流側グランド部Ｇ１の方が下流側グランド部Ｇ２よりも、回転体と静止体との間における冷却媒体ＣＦのグランドリーク量が多い。

さらに、冷却媒体ＣＦの一部は冷却室Ｒ３１ａから内部車室冷却媒体流路Ｈ３１へ導入される。これにより、冷却媒体ＣＦの一部が内部車室冷却媒体流路Ｈ３１に流れる分、上流側グランド部Ｇ１の入口部分へ流れる冷却媒体ＣＦの流速は低くなり、圧力損失も小さくなる。これに伴い、上流側グランド部Ｇ１において、冷却媒体ＣＦがタービン車室３０の内部から外部へ流出するグランドリーク量が大きくなる。

冷却媒体ＣＦは、軸流タービン１２Ｊから排気された後の作動媒体から抽出されるため、冷却媒体ＣＦのグランドリークが生じた場合、作動媒体Ｆの流量が減るため、タービン効率が低下する。

特に、軸流タービン１２Ｊの入口に導入される作動媒体Ｆの圧力が高いほど、冷却媒体ＣＦの圧力も高くする必要があり、内部と外部（大気圧）との圧力差が大きくなるので、グランドリーク量が増加する。このため、上記の軸流タービン１２Ｊのように、作動媒体Ｆおよび冷却媒体ＣＦが超臨界媒体である場合には、上記問題が生じやすい。グランドリーク量の低減のために、グランドシール部３５ａ，３５ｂの設置数を増加することや、回転体と静止体との間の間隙を狭小化すること等が考えられる。

しかしながら、上記の軸流タービン１２Ｊのように圧力が高い場合には、シール部を流れる媒体の不安定化力に起因して、ホワール振動に対する安定性が低下する。このため、グランドシール部３５ａ，３５ｂの設置数を増加させるために軸受間のスパンを増加させた場合には、軸の安定性が低下する。また、回転体と静止体との間の間隙を狭小化した場合には、回転体と静止体との間で接触が生じやすくなるので、シールフィンなどの部材に破損が生ずる可能性が高まる。

上記のような事情により、関連技術に係る単流式の軸流タービン１２Ｊにおいては、上流側グランド部Ｇ１におけるグランドリーク量を低減させることが困難であるため、タービン効率を向上させることが容易でない。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、グランドリーク量の低減を容易に実現可能な軸流タービンを提供することである。

実施形態の軸流タービンは、タービンロータと、タービンロータを収容しているタービン車室と、複数の静翼がタービン車室の内部に配置された静翼翼列、および、タービン車室の内部において複数の動翼がタービンロータに配置された動翼翼列を含むタービン段落とを備え、作動媒体がタービン車室の内部に導入され、タービンロータの軸方向へ流れることによってタービンロータが回転する。軸流タービンは、単流式であって、タービンロータの軸方向において作動媒体の上流側に位置する上流側グランド部と、タービンロータの軸方向において作動媒体の下流側に位置する下流側グランド部とを有する。タービン車室は、静翼翼列が内部に配置された内部車室と、内部車室を内部に収容する外部車室とを含み、内部車室と外部車室との間に抽出冷却媒体配管が設けられている。軸流タービンは、作動媒体よりも温度が低く圧力が高い冷却媒体が上流側グランド部においてタービン車室の内部から外部へ流出する途中で抽出され、当該抽出された冷却媒体が、抽出冷却媒体配管を経由して、静翼へ導入されるように構成されている。

図１は、第１実施形態にかかる単流式の軸流タービンの一部を模式的に示す断面図である。図２は、第１実施形態の変形例１－１にかかる単流式の軸流タービンの一部を模式的に示す断面図である。図３は、第１実施形態の変形例１－２にかかる単流式の軸流タービンの一部を模式的に示す断面図である。図４は、第２実施形態にかかる単流式の軸流タービンの一部を模式的に示す断面図である。図５は、第３実施形態にかかる単流式の軸流タービンの一部を模式的に示す断面図である。図６は、第４実施形態にかかる単流式の軸流タービンの一部を模式的に示す断面図である。図７は、関連技術にかかる単流式の軸流タービンの一部を模式的に示す断面図である。

＜第１実施形態＞
［構成］
第１実施形態にかかる単流式の軸流タービン１２に関して、図１を用いて説明する。図１は、図７と同様に、鉛直方向ｚと第１水平方向ｘとによって規定される鉛直面（ｘｚ面）の一部断面を模式的に示している。

本実施形態に係る軸流タービン１２は、図１に示すように、タービンロータ２０とタービン車室３０とタービン段落４０とを備える。軸流タービン１２は、多段式であって、タービンロータ２０の回転中心軸ＡＸに沿った軸方向（ｘ）に複数のタービン段落４０が並ぶように配置されている。軸流タービン１２では、作動媒体Ｆがトランジションピース３１１を介してタービン車室３０の内部に導入され、上流側Ｕｓから下流側Ｄｓに並ぶ複数のタービン段落４０において、順次、仕事を行う。その後、作動媒体Ｆは、排気管（図示省略）を介して、タービン車室３０の外部へ排出される。また、軸流タービン１２は、冷却媒体導入管３１３を介して、冷却媒体ＣＦが外部からタービン車室３０の内部に導入されるように構成されている。

本実施形態の軸流タービン１２は、関連技術の場合と同様に、たとえば、ＣＯ_２タービンであって、作動媒体Ｆは、たとえば、燃焼器での燃焼によって生じた燃焼ガスを含む超臨界の媒体である。冷却媒体ＣＦは、たとえば、軸流タービン１２から排気された後に冷却等が行われた媒体であって、作動媒体Ｆよりも温度が低く、作動媒体Ｆよりも圧力が高い状態で軸流タービン１２に導入される。

実施形態に係る軸流タービン１２を構成する各部の詳細に関して順次説明する。

タービンロータ２０は、棒状体であって、回転中心軸ＡＸが第１水平方向ｘに沿うように、軸受（図示省略）によって回転可能に支持されている。タービンロータ２０には、複数のロータホイール２１が外周面に設けられている。複数のロータホイール２１は、回転中心軸ＡＸに沿った軸方向（ｘ）に並ぶように配列されている。図７では図示を省略しているが、タービンロータ２０は、発電機に連結されている。

タービン車室３０は、二重車室構造であって、内部車室３１と外部車室３２とを有する。

タービン車室３０において、内部車室３１は、複数のタービン段落４０を囲うように、タービンロータ２０の周囲に設置されている。

タービン車室３０において、外部車室３２は、内部車室３１を介して、タービンロータ２０を収容するように構成されている。

また、外部車室３２には、最終段のタービン段落４０よりも下流側Ｄｓであって径方向の内側部分にパッキンヘッド３２１が設置されている。ここでは、軸方向においてパッキンヘッド３２１と最終段のロータホイール２１との間には、最終段ホイールスペースＲＷが介在している。

タービン段落４０は、複数の静翼４１（ノズル翼）で構成された静翼翼列、および、複数の動翼４２で構成された動翼翼列を含む。タービン段落４０は、静翼翼列と、静翼翼列の下流側Ｄｓにおいて隣接する動翼翼列とによって構成されており、複数が回転中心軸ＡＸに沿った軸方向に並んでいる。

静翼翼列を構成する複数の静翼４１（ノズル翼）は、内部車室３１の内部に設けられている。複数の静翼４１は、内側シュラウド４１１と外側シュラウド４１２との間において、タービンロータ２０の周りを囲うように、回転方向Ｒに配列されている。

動翼翼列を構成する複数の動翼４２は、内部車室３１の内部においてタービンロータ２０の周りを囲うように、回転方向Ｒに配列されている。動翼４２は、径方向において内側部分に植込部４２２が設けられている。植込部４２２は、タービンロータ２０のロータホイール２１の外周面に嵌合されている。動翼４２の外周は、シュラウドセグメント４２１で包囲されている。シュラウドセグメント４２１は、外側シュラウド４１２によって支持されている。

タービンロータ２０の外周面のうち静翼４１に対面する部分には、たとえば、遮熱ピース７０が設けられている。ここでは、遮熱ピース７０は、タービンロータ２０の外周面において内側シュラウド４１１の内周面に対面する部分に支持されている。遮熱ピース７０は、タービン車室３０の内部において作動媒体Ｆが流れる主流路と、タービンロータ２０との間を遮熱するために設けられている。

遮熱ピース７０は、遮熱板７１と脚部７２とを備えており、タービンロータ２０の径方向において外側から内側へ向かうに伴って、遮熱板７１と脚部７２とが順次設けられている。

遮熱ピース７０において、遮熱板７１は、タービンロータ２０の回転中心軸ＡＸに沿って延在する部分を含む。遮熱板７１は、遮熱板７１の外周面と内側シュラウド４１１の内周面との間に隙間が介在していると共に、遮熱板７１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間に空間が介在するように設置されている。脚部７２は、タービンロータ２０の径方向に延在しており、脚部７２において径方向の内側には係合部７２ａが形成されている。係合部７２ａは、タービンロータ２０に係合されている。

静翼４１の内周面と遮熱板７１外周面との間を密封するために、適宜、シールフィン４３が設けられている。また、動翼４２の外周面と内部車室３１に設けられたシュラウドセグメント４２１の内周面との間を密封するために、シールフィン４３が設けられている。

軸流タービン１２は、上流側グランド部Ｇ１と下流側グランド部Ｇ２とを含む。

上流側グランド部Ｇ１は、軸流タービン１２において軸方向でタービン段落４０が配置されていない両端部のうち、作動媒体Ｆの上流側Ｕｓに位置する一端部である。下流側グランド部Ｇ２は、軸流タービン１２において軸方向でタービン段落４０が配置されていない両端部のうち、作動媒体Ｆの下流側Ｄｓに位置する一端部である。つまり、軸流タービン１２においては、軸方向でタービン段落４０が配置された部分が上流側グランド部Ｇ１と下流側グランド部Ｇ２とによって挟まれている。

上流側グランド部Ｇ１および下流側グランド部Ｇ２においては、グランドシール部３５ａ，３５ｂ，３５ｃが設置されている。グランドシール部３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、タービンロータ２０を含む回転体とタービン車室３０を含む静止体との間を密封するために設けられている。

具体的には、グランドシール部３５ａは、上流側グランド部Ｇ１において、外部車室３２の内周面とタービンロータ２０の外周面との間を密封するように、外部車室３２の内周面に複数が設置されている。グランドシール部３５ｂは、上流側グランド部Ｇ１において、内部車室３１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間を密封するように、内部車室３１の内周面に複数が設置されている。そして、グランドシール部３５ｃは、下流側グランド部Ｇ２において、内部車室３１に設置されたパッキンヘッド３２１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間を密封するように、パッキンヘッド３２１の内周面に複数が設置されている。

グランドシール部３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、たとえば、ラビリンスフィンを含むように構成されている。この他に、ブラシシール、リーフシール、アブレイダブルシール、ハニカムシールなどのように種々のシール構造でグランドシール部３５ａ，３５ｂ，３５ｃを構成してもよい。

トランジションピース３１１は、タービン車室３０の上方から外部車室３２と内部車室３１とを貫通するように径方向に延在する部分を含む。トランジションピース３１１は、作動媒体Ｆを初段のタービン段落４０に導入するように、初段のタービン段落４０に連結されている。

冷却媒体導入管３１３は、トランジションピース３１１と同様に、タービン車室３０の上方から外部車室３２と内部車室３１とを貫通するように径方向に延在している。冷却媒体導入管３１３は、トランジションピース３１１において径方向に延在する部分を囲うように設置されている。冷却媒体導入管３１３の内径は、トランジションピース３１１において径方向に延在する部分の外径よりも大きく、冷却媒体導入管３１３の内周面とトランジションピース３１１において径方向に延在する部分の外周面との間を、冷却媒体ＣＦが流れる。冷却媒体導入管３１３とトランジションピース３１１との間を流れた冷却媒体ＣＦは、内部車室３１の内部においてタービンロータ２０の周りを回転方向Ｒに囲うように形成された冷却室Ｒ３１ａに導入される。

内部車室３１には、冷却媒体ＣＦが流れる内部車室冷却媒体流路Ｈ３１が形成されている。内部車室冷却媒体流路Ｈ３１は、冷却媒体ＣＦをタービン段落４０の静翼４１へ供給するために設けられている。ここでは、内部車室冷却媒体流路Ｈ３１は、第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１と第２の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１２とを含む。

第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１は、タービンロータ２０の軸方向に沿った孔である。本実施形態では、第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１は、関連技術の場合（図７参照）と異なり、作動媒体Ｆの上流側Ｕｓに位置する一端が冷却室Ｒ３１ａに連通していない。

第２の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１２は、タービンロータ２０の径方向に沿った孔であって、径方向において第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１よりも内側に形成されている。第２の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１２は、径方向において外側の一端が第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１に連通している。これに対して、第２の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１２のうち径方向において内側の他端は、外側シュラウド４１２を介して、静翼４１に連通している。

内部車室冷却媒体流路Ｈ３１は、たとえば、軸流タービン１２において上半側と下半側とのそれぞれに１つずつ設けられている。内部車室冷却媒体流路Ｈ３１は、回転方向Ｒにおいて複数が等間隔で設けられていることが好ましい。

タービンロータ２０は、冷却媒体ＣＦが流れるロータ冷却流路Ｈ２１が形成されている。ロータ冷却流路Ｈ２１は、遮熱板７１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間に位置する空間へ、冷却室Ｒ３１ａから冷却媒体ＣＦが流れるように構成されている。ここでは、ロータ冷却流路Ｈ２１は、第1のロータ冷却流路部Ｈ２１１と第２のロータ冷却流路部Ｈ２１２と第３のロータ冷却流路部Ｈ２１３とを含む。

第１のロータ冷却流路部Ｈ２１１は、タービンロータ２０の径方向に沿った孔である。第１のロータ冷却流路部Ｈ２１１は、径方向において外側の一端が冷却室Ｒ３１ａに連通している。これに対して、第１のロータ冷却流路部Ｈ２１１のうち径方向において内側の他端は、第２のロータ冷却流路部Ｈ２１２に連通している。

第２のロータ冷却流路部Ｈ２１２は、タービンロータ２０の軸方向に沿った孔であって、タービンロータ２０の回転中心軸ＡＸに対して同軸に設けられている。

第３のロータ冷却流路部Ｈ２１３は、タービンロータ２０の径方向に沿った孔である。第３のロータ冷却流路部Ｈ２１３は、径方向において内側の一端が第２のロータ冷却流路部Ｈ２１２に連通している。これに対して、第３のロータ冷却流路部Ｈ２１３のうち径方向において外側の他端は、遮熱板７１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間に位置する空間に連通している。第３のロータ冷却流路部Ｈ２１３は、複数のタービン段落４０のそれぞれに対応して設けられている。

抽出冷却媒体配管Ｔ１は、図１に示すように、内部車室３１と外部車室３２との間において軸方向に延在する部分を含み、一端が抽出孔Ｈ８１に連通しており、他端が抽出媒体供給孔Ｈ８２に連通している。

抽出孔Ｈ８１は、上流側グランド部Ｇ１において冷却媒体ＣＦがタービン車室３０の内部から外部へ流出する途中で抽出されるように内部車室３１に形成されている。ここでは、抽出孔Ｈ８１は、径方向に延在しており、抽出孔Ｈ８１において抽出冷却媒体配管Ｔ１が接続される一端とは反対側の他端が、上流側グランド部Ｇ１において内部車室３１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間の隙間に連通している。

抽出媒体供給孔Ｈ８２は、径方向に延在しており、抽出媒体供給孔Ｈ８２において抽出冷却媒体配管Ｔ１が接続される一端とは反対側の他端が、内部車室冷却媒体流路Ｈ３１の第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１に連通している。

［冷却媒体ＣＦの流れ］
上記の軸流タービン１２Ｊにおける冷却媒体ＣＦの流れに関して説明する。図１では、冷却媒体ＣＦについて破線の矢印で示している。

冷却媒体ＣＦは、トランジションピース３１１の外周面と冷却媒体導入管３１３の内周面との間を経由して、内部車室３１の内部に設けられた冷却室Ｒ３１ａに導入される。ここでは、冷却媒体ＣＦは、作動媒体Ｆよりも温度が低く、作動媒体Ｆよりも圧力が高い状態で導入される。

冷却室Ｒ３１ａに導入された冷却媒体ＣＦは、上流側グランド部Ｇ１において、タービン車室３０の内部から外部へリークする。具体的には、上流側グランド部Ｇ１において、冷却媒体ＣＦは、冷却室Ｒ３１ａから、内部車室３１の内周面とタービンロータ２０の外周面との間へ流れる。本実施形態において冷却室Ｒ３１ａから上流側グランド部Ｇ１に流入する冷却媒体ＣＦは、関連技術（図７参照）において冷却室Ｒ３１ａから上流側グランド部Ｇ１を流れる冷却媒体ＣＦの他に、冷却室Ｒ３１ａから直接的に内部車室冷却媒体流路Ｈ３１へ流れる冷却媒体ＣＦを更に含む。その後、冷却媒体ＣＦは、上流側グランド部Ｇ１において、外部車室３２の内周面とタービンロータ２０の外周面との間を流れる。

本実施形態では、上流側グランド部Ｇ１において、冷却媒体ＣＦの一部は、タービン車室３０の内部から外部へ流出する途中で抽出孔Ｈ８１へ抽出される。たとえば、上流側グランド部Ｇ１において、内部車室３１とタービンロータ２０との間を密封するために設置された複数のグランドシール部３５ｂのうち、一つ目のグランドシール部３５ｂと二つ目のグランドシール部３５ｂとの間の位置から、冷却媒体ＣＦの一部が抽出される。抽出孔Ｈ８１に抽出された冷却媒体ＣＦは、抽出冷却媒体配管Ｔ１と抽出媒体供給孔Ｈ８２とを経由して、内部車室冷却媒体流路Ｈ３１へ流れる。内部車室冷却媒体流路Ｈ３１に流入した冷却媒体ＣＦは、関連技術の場合と同様に、静翼４１等へ導入される。

具体的には、内部車室冷却媒体流路Ｈ３１に流入した冷却媒体ＣＦは、外側シュラウド４１２に設けられた空間に導入される。外側シュラウド４１２において設けられた空間は、回転方向Ｒにリング状に連通した空間であって、たとえば、静翼４１と内側シュラウド４１１とのそれぞれの内部に形成された冷却孔（図示省略）に連通している。冷却媒体ＣＦは、外側シュラウド４１２から静翼４１と内側シュラウド４１１とのそれぞれに形成された冷却孔を順次流れる。これにより、静翼４１などが冷却される。そして、冷却媒体ＣＦは、たとえば、内部車室３１の内部において作動媒体Ｆが流れる主流路へ排出される。

この他に、本実施形態では、冷却室Ｒ３１ａに導入された冷却媒体ＣＦは、関連技術の場合と同様に、タービンロータ２０に形成されたロータ冷却流路Ｈ２１に導入され、タービンロータ２０および動翼４２等の冷却に用いられる。

［作用／効果］
本実施形態の作用および効果について説明する。

本実施形態において、内部車室冷却媒体流路Ｈ３１を構成する第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１は、関連技術の場合と異なり、作動媒体Ｆの上流側Ｕｓに位置する一端が冷却室Ｒ３１ａに直接的には連通していない。このため、冷却媒体ＣＦは、関連技術の場合と異なり、冷却室Ｒ３１ａから内部車室冷却媒体流路Ｈ３１へ直接的に導入されない。内部車室冷却媒体流路Ｈ３１には、抽出冷却媒体配管Ｔ１を介して、冷却室Ｒ３１ａから冷却媒体ＣＦが導入される。これにより、本実施形態の軸流タービン１２は、上流側グランド部Ｇ１において冷却媒体ＣＦが流入する入口部分では、関連技術の場合よりも冷却媒体ＣＦが高い流速で流れる。その結果、上流側グランド部Ｇ１において冷却媒体ＣＦが流入する入口部分は、関連技術の場合よりも圧力損失が大きくなる。これに伴い、上流側グランド部Ｇ１において、冷却媒体ＣＦがタービン車室３０の内部から外部へ流出するグランドリーク量を低減させることができる。

したがって、本実施形態は、グランドリーク量の低減が容易であって、タービン効率を容易に向上可能である。

なお、図１において、抽出冷却媒体配管Ｔ１は、断面を示していないが、他の部材と区別するためにハッチングを付している。

［変形例１－１］
第１実施形態の変形例１－１に関して、図２を用いて説明する。

図２に示すように、ロータ冷却流路Ｈ２１（図１参照）については、設けなくてもよい。第１実施形態の変形例では、冷却媒体ＣＦは、冷却室Ｒ３１ａからロータ冷却流路Ｈ２１に導入されないので、第１実施形態においてロータ冷却流路Ｈ２１に導入される分の冷却媒体ＣＦが、上流側グランド部Ｇ１において冷却媒体ＣＦが流入する入口部分に導入される。その結果、上流側グランド部Ｇ１において冷却媒体ＣＦが流入する入口部分は、第１実施形態の場合よりも圧力損失が大きくなる。これに伴い、上流側グランド部Ｇ１において、冷却媒体ＣＦがタービン車室３０の内部から外部へ流出するグランドリーク量を更に低減させることができる。なお、この場合には、静翼４１等を通過した冷却媒体ＣＦが動翼４２等に導入されるように構成することで、動翼４２等を冷却することができる。

［変形例１－２］
第１実施形態の変形例１－２に関して、図３を用いて説明する。

図３に示すように、上流側グランド部Ｇ１において抽出された冷却媒体ＣＦは、複数のタービン段落４０のうち初段のタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入されずに、初段のタービン段落４０よりも後段（たとえば、第２段以降）に位置するタービン段落４０の静翼４１等へ導入されるように構成されていてもよい。この場合、複数のタービン段落４０のうち初段のタービン段落４０を構成する静翼４１等に関しては、関連技術の場合と同様に、上流側グランド部Ｇ１で抽出されなかった冷却媒体ＣＦが冷却室Ｒ３１ａから導入される。

本変形例においては、冷却室Ｒ３１ａから直接導入される冷却媒体ＣＦのうち、上流側グランド部Ｇ１以外に流入する冷却媒体ＣＦの流入先は初段落のみである。つまり、上流側グランド部Ｇ１において冷却媒体ＣＦが流入する入口部分には、初段落のみに流入する冷却媒体ＣＦ以外の冷却媒体ＣＦが多くなり、流速も高くなり、上流グランド部Ｇ１での圧力損失が大きくなるので、リーク量も少なくなる。

一方、関連技術の場合は、冷却室Ｒ３１ａに導入される冷却媒体ＣＦのうち、上流側グランド部Ｇ１以外に流入する冷却媒体ＣＦの流入先は、第１の内部車室冷却媒体流路部Ｈ３１１を経由して、初段と２段落以降の全段落であるため、上流グランド部Ｇ１に流入する冷却媒体に流入する冷却媒体ＣＦは、本変形例よりも少なくなるため流速も低くなり、上流グランド部Ｇ１でのリーク量も多くなる。

したがって、本変形例の方が、関連技術よりも、冷却媒体ＣＦが上流グランド部Ｇ１の入口部分で高い流速で流れ、上流グランド部Ｇ１での圧力損失が大きくなるので、グランドリーク量を効果的に低減可能である。また、上流側グランド部Ｇ１において抽出された冷却媒体ＣＦの圧力が、初段のタービン段落４０を流れる作動媒体Ｆの圧力よりも低い状態である場合には、作動媒体Ｆが流れる主流路へ冷却媒体ＣＦが静翼４１等から排出されにくくなる場合がある。これにより、最も温度が高くなる初段のタービン段落４０の静翼４１等が、十分に冷却できない可能性がある。しかし、本変形例では、初段のタービン段落４０を流れる作動媒体Ｆよりも圧力が高い冷却媒体ＣＦを供給できるので、最も温度が高くなる初段のタービン段落４０について、より十分に冷却可能となる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態にかかる単流式の軸流タービン１２ｂに関して、図４を用いて説明する。

図４に示すように、本実施形態では、抽出冷却媒体配管Ｔ１の形態が、上記の第１実施形態の場合（図１参照）と異なっている。この点および関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複する内容に関しては、適宜、説明を省略する。

本実施形態において、抽出冷却媒体配管Ｔ１は、流量調整バルブＶ８０が設置されている。抽出冷却媒体配管Ｔ１は、流量調整バルブＶ８０が設置された部分が、タービン車室３０の外部に設けられている。

本実施形態では、上流側グランド部Ｇ１で抽出された冷却媒体ＣＦは、抽出冷却媒体配管Ｔ１を経由して、静翼４１等へ導入される。このとき、タービン車室３０の外部に設けられた流量調整バルブＶ８０を用いて、上流側グランド部Ｇ１で抽出された冷却媒体ＣＦが静翼４１等へ導入される流量を調整可能である。

したがって、本実施形態においては、グランドリーク量の低減を効果的に実現可能であり、タービン効率を容易に向上可能である。また、静翼４１や動翼４２の計測温度を確認して冷却流量を調整することも可能となり、強度面でロバストな設計となり、安全性が向上するという側面もある。流量調整バルブＶ８０は、電動、手動を問わず、電動の場合は計測温度を用いてロジックを組むことも可能であり、突発的事故で静翼や動翼の温度が上昇しても、自動で対応することが可能であり、重大事故を回避することも可能となる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態にかかる単流式の軸流タービン１２ｃに関して、図５を用いて説明する。

図５に示すように、本実施形態では、抽出冷却媒体配管Ｔ１の形態が、上記の第２実施形態の場合（図４参照）と異なっている。この点および関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複する内容に関しては、適宜、説明を省略する。

本実施形態において、抽出冷却媒体配管Ｔ１は、第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａと第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂとを含む。

第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａは、上流側グランド部Ｇ１において抽出された冷却媒体ＣＦを複数のタービン段落４０のうち前段側（上流側Ｕｓ）に位置するタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入するために設けられている。

第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂは、上流側グランド部Ｇ１において抽出された冷却媒体ＣＦを複数のタービン段落４０のうち上記の前段側（上流側Ｕｓ）のタービン段落４０よりも後段側（下流側Ｄｓ）に位置するタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入するために設けられている。

第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａには、第１の流量調整バルブＶ８０ａが設置されている。第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａは、第１の流量調整バルブＶ８０ａが設置された部分が、タービン車室３０の外部に設けられている。

同様に、第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂには、第２の流量調整バルブＶ８０ｂが設置されている。第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂは、第２の流量調整バルブＶ８０ｂが設置された部分が、タービン車室３０の外部に設けられている。

本実施形態では、上流側グランド部Ｇ１で抽出された冷却媒体ＣＦは、抽出冷却媒体配管Ｔ１において第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａと第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂとのそれぞれに分岐して流れる。第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａを通過した冷却媒体ＣＦは、前段側に位置する初段と第２段のタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入される。このとき、タービン車室３０の外部に設けられた第１の流量調整バルブＶ８０ａを用いて、上流側グランド部Ｇ１で抽出された冷却媒体ＣＦが、前段側に位置するタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入される流量を調整可能である。また、第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂを通過した冷却媒体ＣＦは、たとえば、後段側に位置する第３段と第４段のタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入される。このとき、タービン車室３０の外部に設けられた第２の流量調整バルブＶ８０ｂを用いて、上流側グランド部Ｇ１で抽出された冷却媒体ＣＦが、後段側に位置するタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入される流量を調整可能である。

本実施形態では、軸方向におけるタービン段落４０の位置に応じて、上流側グランド部Ｇ１で抽出された冷却媒体ＣＦを適宜調整して、静翼４１等へ導入可能である。したがって、本実施形態においては、グランドリーク量の低減を更に効果的に実現可能であり、タービン効率を容易に向上可能である。

＜第４実施形態＞
第４実施形態にかかる単流式の軸流タービン１２ｄに関して、図６を用いて説明する。

図６に示すように、本実施形態では、抽出冷却媒体配管Ｔ１において、第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａおよび第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂの形態が、上記の第３実施形態の場合（図５参照）と異なっている。この点および関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複する内容に関しては、適宜、説明を省略する。

本実施形態の抽出冷却媒体配管Ｔ１において、第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａは、上流側グランド部Ｇ１において、内部車室３１とタービンロータ２０との間を密封するために設置された複数のグランドシール部３５ｂのうち、一つ目のグランドシール部３５ｂと二つ目のグランドシール部３５ｂとの間に位置する第１抽出位置で抽出された冷却媒体ＣＦが流れるように構成されている。第１の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ａを通過した冷却媒体ＣＦは、前段側に位置する初段と第２段のタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入される。このとき、タービン車室３０の外部に設けられた第１の流量調整バルブＶ８０ａを用いて、上流側グランド部Ｇ１で抽出された冷却媒体ＣＦが、前段側に位置するタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入される流量を調整可能である。

これに対して、第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂは、上流側グランド部Ｇ１において、内部車室３１とタービンロータ２０との間を密封するために設置された複数のグランドシール部３５ｂのうち、二つ目のグランドシール部３５ｂと三つ目のグランドシール部３５ｂとの間に位置する第２抽出位置で抽出された冷却媒体ＣＦが流れるように構成されている。すなわち、第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂは、上流側グランド部Ｇ１において第１抽出位置よりもタービン車室の外部に近い第２抽出位置で抽出された冷却媒体ＣＦが流れるように構成されている。第２抽出位置で抽出された冷却媒体ＣＦは、第１抽出位置で抽出された冷却媒体ＣＦよりも、圧力が低い。第２の抽出冷却媒体配管部Ｔ１ｂを通過した冷却媒体ＣＦは、たとえば、後段側に位置する第３段と第４段のタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入される。このとき、タービン車室３０の外部に設けられた第２の流量調整バルブＶ８０ｂを用いて、上流側グランド部Ｇ１で抽出された冷却媒体ＣＦが、後段側に位置するタービン段落４０を構成する静翼４１等へ導入される流量を調整可能である。

本実施形態では、軸方向におけるタービン段落４０の位置に応じて、上流側グランド部Ｇ１で冷却媒体ＣＦが抽出される位置が異なっており、後段側のタービン段落４０よりも前段側のタービン段落４０へ、温度が低く圧力が高い冷却媒体ＣＦを導入可能である。したがって、本実施形態においては、グランドリーク量の低減を更に効果的に実現可能であり、タービン効率を容易に向上可能である。

＜その他＞
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。

たとえば、上記の実施形態では、ＣＯ_２タービンの場合について説明しているが、これに限らない。蒸気タービンなどのように、ＣＯ_２タービンで用いる作動媒体以外の媒体で駆動するタービンにおいても、必要に応じて、上記実施形態と同様に冷却媒体が流れるように構成してもよい。

１２…軸流タービン、１２Ｊ…軸流タービン、１２ｂ…軸流タービン、１２ｃ…軸流タービン、１２ｄ…軸流タービン、２０…タービンロータ、２１…ロータホイール、３０…タービン車室、３１…内部車室、３２…外部車室、３５ａ…グランドシール部、３５ｂ…グランドシール部、３５ｃ…グランドシール部、４０…タービン段落、４１…静翼、４２…動翼、４３…シールフィン、７０…遮熱ピース、７１…遮熱板、７２…脚部、７２ａ…係合部、３１１…トランジションピース、３１３…冷却媒体導入管、３２１…パッキンヘッド、４１１…内側シュラウド、４１２…外側シュラウド、４２１…シュラウドセグメント、４２２…植込部、ＡＸ…回転中心軸、ＣＦ…冷却媒体、Ｄｓ…下流側、Ｆ…作動媒体、
Ｇ１…上流側グランド部、Ｇ２…下流側グランド部、Ｈ２１…ロータ冷却流路、Ｈ２１１…第１のロータ冷却流路部、Ｈ２１２…第２のロータ冷却流路部、Ｈ２１３…第３のロータ冷却流路部、Ｈ３１…内部車室冷却媒体流路、Ｈ３１１…第１の内部車室冷却媒体流路部、Ｈ３１２…第２の内部車室冷却媒体流路部、Ｈ８１…抽出孔、Ｈ８２…抽出媒体供給孔、Ｒ…回転方向、Ｒ３１ａ…冷却室、ＲＷ…最終段ホイールスペース、Ｔ１…抽出冷却媒体配管、Ｔ１ａ…第１の抽出冷却媒体配管部、Ｔ１ｂ…第２の抽出冷却媒体配管部、Ｕｓ…上流側、Ｖ８０…流量調整バルブ、Ｖ８０ａ…流量調整バルブ、Ｖ８０ｂ…流量調整バルブ

Claims

タービンロータと、
前記タービンロータを収容しているタービン車室と、
複数の静翼が前記タービン車室の内部に配置された静翼翼列、および、前記タービン車室の内部において複数の動翼が前記タービンロータに配置された動翼翼列を含むタービン段落と
を備え、作動媒体が前記タービン車室の内部に導入され、前記タービンロータの軸方向へ流れることによって前記タービンロータが回転する単流式の軸流タービンであって、
前記タービンロータの軸方向において前記作動媒体の上流側に位置する上流側グランド部と、
前記タービンロータの軸方向において前記作動媒体の下流側に位置する下流側グランド部と
を有し、
前記タービン車室は、
前記静翼翼列が内部に配置された内部車室と、
前記内部車室を内部に収容する外部車室と
を含み、
前記内部車室と前記外部車室との間に抽出冷却媒体配管が設けられており、
前記作動媒体よりも温度が低く圧力が高い冷却媒体が前記上流側グランド部において前記タービン車室の内部から外部へ流出する途中で抽出され、当該抽出された前記冷却媒体が、前記抽出冷却媒体配管を経由して、前記静翼へ導入されるように構成されている、
軸流タービン。
タービンロータと、
前記タービンロータを収容しているタービン車室と、
複数の静翼が前記タービン車室の内部に配置された静翼翼列、および、前記タービン車室の内部において複数の動翼が前記タービンロータに配置された動翼翼列を含むタービン段落と
を備え、作動媒体が前記タービン車室の内部に導入され、前記タービンロータの軸方向へ流れることによって前記タービンロータが回転する単流式の軸流タービンであって、
前記タービンロータの軸方向において前記作動媒体の上流側に位置する上流側グランド部と、
前記タービンロータの軸方向において前記作動媒体の下流側に位置する下流側グランド部と、
流量調整バルブが設置された抽出冷却媒体配管と
を有し、
前記流量調整バルブは、前記タービン車室の外部に設けられ、
前記作動媒体よりも温度が低く圧力が高い冷却媒体が前記上流側グランド部において前記タービン車室の内部から外部へ流出する途中で抽出され、当該抽出された前記冷却媒体が、前記抽出冷却媒体配管を経由して、前記静翼へ導入されるように構成されている、
軸流タービン。
前記タービン段落は、複数であって、前記タービンロータの回転軸に沿った軸方向に前記複数のタービン段落が配置されており、
前記抽出冷却媒体配管は、
前記上流側グランド部において抽出された前記冷却媒体を前記複数のタービン段落のうち前段側に位置するタービン段落を構成する前記静翼へ導入する第１の抽出冷却媒体配管部と、
前記上流側グランド部において抽出された前記冷却媒体を前記複数のタービン段落のうち前記前段側のタービン段落よりも後段側に位置するタービン段落を構成する前記静翼へ導入する第２の抽出冷却媒体配管部と
を有する、
請求項２に記載の軸流タービン。
前記第１の抽出冷却媒体配管部は、前記上流側グランド部において第１抽出位置で抽出された前記冷却媒体が流れ、
前記第２の抽出冷却媒体配管部は、前記上流側グランド部において前記第１抽出位置よりも前記タービン車室の外部に近い第２抽出位置で抽出された前記冷却媒体が流れるように構成されている、
請求項３に記載の軸流タービン。