JP7281969B2 - 蒸気タービン静翼、蒸気タービン、及びその運転方法 - Google Patents

蒸気タービン静翼、蒸気タービン、及びその運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、蒸気タービン翼、蒸気タービン、及びその運転方法に関する。
蒸気タービンの静翼では、蒸気の流通に伴ってその表面に水滴が付着する場合がある。このような水滴が翼面で水膜を形成し、その水膜が静翼後縁から蒸気中に放出され、高速蒸気環境下で微細化されて粗大液滴になる。粗大液滴は蒸気の流れに伴って下流側に流れる。液滴が下流側の部材（例えば動翼等）に衝突すると、エロージョンと呼ばれる損傷や、動翼の回転に対するブレーキ効果が生じ、蒸気タービンの安定的な運転に支障を来たしたり、蒸気タービンの効率を低下させたりする可能性がある。このような液滴（湿分）の発生を回避するための技術として、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された装置は、静翼の正圧面の広範囲を加熱することで、上記のような湿分を蒸発させることを特徴としている。
特許第５７０３０８２号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載された装置では、正圧面の広い範囲を加熱することで、湿分を完全に蒸発させることを志向している。このため、加熱に要するエネルギーが過大となってしまう。その結果、湿分の除去による効率の向上が、加熱に要するエネルギーによって相殺され、蒸気タービン全体としての効率向上が限定的となる可能性がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、液相による効率低下をより一層低減することが可能な蒸気タービン静翼、蒸気タービン、及びその運転方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る蒸気タービン静翼は、径方向に延びて、該径方向に直交する断面形状が翼型をなす翼本体と、前記翼本体内における前記翼型の後縁に沿って延びるように配置された電熱線を有するヒータと、を備え、前記翼本体は、湾曲された状態の板材によって形成され、該板材は、前記後縁とは反対側の端縁である前縁が湾曲している状態であるとともに、互いに対向する面同士が前記後縁側で当接している状態であることで前記翼型を形成し、前記電熱線は、前記対向する面同士の間に挟持されている。
ここで、蒸気タービンの運転中には、翼本体の表面に微細な水滴が付着する。このような水滴は翼本体の表面上で水膜、又は水脈を形成する。これら水膜、又は水脈は、蒸気の流れに沿って翼本体の表面を下流側（即ち、後縁側）に向かって移動する。上記の構成によれば、このような水膜が集中する後縁に電熱線が設けられている。この電熱線に通電することで水膜は加熱されて全て蒸発するか、又はその少なくとも一部が蒸発する。水膜の一部が蒸発する場合には、液相から気相への相変化に伴う体積膨張効果によって水膜の内部で爆発が生じ、この爆発に伴う引きちぎれによって当該水膜が微細化する。また、加熱による温度上昇によって水膜の表面張力が低下することも、水膜の微細化に寄与する。このように水膜が微細化、又は蒸発することによって、たとえこれら液膜が下流側に吹き飛ばされたとしても、微細であることから下流側の構造物に与える損傷やブレーキ効果を小さく抑えることができる。また、上記構成では、水滴を完全に蒸発させなくても、加熱による部分的な蒸発効果で液膜を微細化できることから、加熱に要するエネルギーを抑えることもできる。
さらに、上記構成によれば、板材を湾曲させるとともに、後縁側の端面を互いに当接させることで翼型が形成されている。さらに、電熱線は当接する面同士の間に挟持されている。これにより、電熱線を安定的に固定することができるとともに、簡素かつ低廉に蒸気タービン翼を得ることができる。
本発明の一態様に係る蒸気タービン静翼は、径方向に延びて、該径方向に直交する断面形状が翼型をなす翼本体と、前記翼本体内における前記翼型の後縁に沿って延びるように配置された電熱線を有するヒータと、を備え、前記翼本体は、前記後縁とは反対側の端縁である前縁を含む第一部分と、前記後縁を含むとともに前記電熱線が設けられた第二部分と、前記第一部分と前記第二部分との間に設けられて、該第一部分と該第二部分との間を熱的かつ電気的に絶縁する断熱絶縁部と、を有する。
ここで、蒸気タービンの運転中には、翼本体の表面に微細な水滴が付着する。このような水滴は翼本体の表面上で水膜、又は水脈を形成する。これら水膜、又は水脈は、蒸気の流れに沿って翼本体の表面を下流側（即ち、後縁側）に向かって移動する。上記の構成によれば、このような水膜が集中する後縁に電熱線が設けられている。この電熱線に通電することで水膜は加熱されて全て蒸発するか、又はその少なくとも一部が蒸発する。水膜の一部が蒸発する場合には、液相から気相への相変化に伴う体積膨張効果によって水膜の内部で爆発が生じ、この爆発に伴う引きちぎれによって当該水膜が微細化する。また、加熱による温度上昇によって水膜の表面張力が低下することも、水膜の微細化に寄与する。このように水膜が微細化、又は蒸発することによって、たとえこれら液膜が下流側に吹き飛ばされたとしても、微細であることから下流側の構造物に与える損傷やブレーキ効果を小さく抑えることができる。また、上記構成では、水滴を完全に蒸発させなくても、加熱による部分的な蒸発効果で液膜を微細化できることから、加熱に要するエネルギーを抑えることもできる。
さらに、上記構成によれば、翼本体は、前縁を含む第一部分と、後縁を含む第二部分と、これら第一部分と第二部分との間に配置される断熱絶縁部と、を有している。電熱線は第二部分に設けられている。したがって、例えば予め第一部分を製造した上で、別個に製造された第二部分、及び断熱絶縁部を事後的に第一部分に取り付けることで、容易に蒸気タービン翼を得ることができる。さらに、既設の蒸気タービン（蒸気タービン翼）に対しても、翼本体の後縁側を切除して電熱線を取り付けた後、第一部分に再度取り付けることで、電熱線を備える蒸気タービン翼を容易に得ることができる。
本発明の一態様に係る蒸気タービン静翼は、径方向に延びて、該径方向に直交する断面形状が翼型をなす翼本体と、前記翼本体内における前記翼型の後縁に沿って延びるように配置された電熱線を有するヒータと、を備え、前記翼本体には、前記後縁に沿って延びるとともに、前記後縁とは反対側の端縁である前縁側に向かって凹むことで前記電熱線を収容する収容溝が形成されている。
ここで、蒸気タービンの運転中には、翼本体の表面に微細な水滴が付着する。このような水滴は翼本体の表面上で水膜、又は水脈を形成する。これら水膜、又は水脈は、蒸気の流れに沿って翼本体の表面を下流側（即ち、後縁側）に向かって移動する。上記の構成によれば、このような水膜が集中する後縁に電熱線が設けられている。この電熱線に通電することで水膜は加熱されて全て蒸発するか、又はその少なくとも一部が蒸発する。水膜の一部が蒸発する場合には、液相から気相への相変化に伴う体積膨張効果によって水膜の内部で爆発が生じ、この爆発に伴う引きちぎれによって当該水膜が微細化する。また、加熱による温度上昇によって水膜の表面張力が低下することも、水膜の微細化に寄与する。このように水膜が微細化、又は蒸発することによって、たとえこれら液膜が下流側に吹き飛ばされたとしても、微細であることから下流側の構造物に与える損傷やブレーキ効果を小さく抑えることができる。また、上記構成では、水滴を完全に蒸発させなくても、加熱による部分的な蒸発効果で液膜を微細化できることから、加熱に要するエネルギーを抑えることもできる。
さらに、上記構成によれば、後縁に電熱線を収容する収容溝が形成されている。これにより、より簡素かつ低廉な構造のもと、電熱線を翼本体に対して取り付けることができる。
上記蒸気タービン翼では、前記後縁には、前記径方向内側から外側に向かって間隔を配列されるとともに、前記後縁から前縁側に向かって凹む複数の凹部が形成され、前記電熱線は、前記複数の凹部に対応する領域に配置されていてもよい。
上記構成によれば、後縁には、径方向に間隔をあけて配列された複数の凹部が形成されている。各凹部は、後縁から前縁に向かって凹んでいる。この構成では、蒸気タービンの運転中に翼本体に付着した水膜は、蒸気の流れに沿って後縁側に向かって流れた後、凹部内に捕捉される。凹部には電熱線が配置されていることから、捕捉された水膜を効率的に加熱することができる。即ち、後縁の延在方向全域を加熱する構成に比べて、電熱線が配置される領域が小さいことから、加熱に要するエネルギーをより小さく抑えることができる。
上記蒸気タービン翼では、前記凹部は、前記後縁側から前記前縁側に向かって曲面状に凹み、前記電熱線は、該曲面に沿って湾曲していてもよい。
上記構成によれば、凹部が曲面状に凹むとともに、電熱線が当該曲面に沿って湾曲している。これにより、凹部内に捕捉された水膜に対して効率的に熱を加えることができる。その結果、より小さなエネルギーで水膜を微細化することができる。
上記蒸気タービン翼では、前記電熱線の少なくとも一部は、前記凹部の底面から露出していてもよい。
上記構成によれば、凹部の底面から電熱線の一部が露出していることから、凹部内に捕捉された水膜に対して熱を直接的に加えることができる。その結果、水膜の微細化をさらに促進することができる。
本発明の一態様に係る蒸気タービンは、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸の外周面から前記径方向外側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、該複数の動翼を外周側から覆うケーシングと、該ケーシングの内周面に設けられ、前記動翼と前記軸線方向に隣接して配置された静翼としての上記いずれか一の態様に係る蒸気タービン翼と、を備える。
上記構成によれば、水膜の発生が抑制されることで、より効率の向上した蒸気タービンを得ることができる。
本発明の一態様に係る蒸気タービンの運転方法は、上記いずれか一の態様に係る蒸気タービンの運転方法であって、前記電熱線によって前記後縁を予め定められた第一温度まで加熱する第一加熱ステップと、前記蒸気タービンを起動する起動ステップと、前記起動ステップが完了して前記蒸気タービンが定常状態となった後で、前記第一温度よりも低い温度である第二温度で前記後縁を加熱する第二加熱ステップと、を含む。
ここで、蒸気タービンの起動前の状態（常温状態）では、蒸気タービン翼や蒸気タービン動翼の温度は、蒸気温度よりも大幅に低くなっていることが考えられる。したがって、起動時には蒸気が蒸気タービン翼上で水膜を形成しやすい状態となっている。上記の運転方法では、蒸気タービンの起動（起動ステップ）に先立って第一加熱ステップを実行することで、翼本体の後縁を電熱線によって予め第一温度で加熱する。その後、蒸気タービンが定常状態となった際には、第一温度よりも低い第二温度で後縁を加熱し続ける。言い換えると、第一温度は第二温度よりも高い温度である。したがって、起動に先立って翼本体を相対的に高温状態とすることで、上述した水膜の発生を効果的に抑えることができる。
上記蒸気タービンの運転方法では、前記第二加熱ステップは、前記ケーシングの内周面における前記後縁よりも下流側で静圧を計測する静圧計測ステップと、前記静圧に基づいて蒸気の飽和温度を算出する飽和温度算出ステップと、前記飽和温度よりも高い温度として前記第二温度を設定する温度設定ステップと、を含んでもよい。
上記の方法によれば、ケーシングの内周面における後縁よりも下流側で計測された静圧に基づいて蒸気の飽和温度を算出し、当該飽和温度よりも高い温度を第二温度として設定する。静圧の計測は、他の物理量の計測に比べて容易に行えるとともに確度が高い。したがって、上記の方法によれば、より容易かつ正確に第二温度を設定することができる。その結果、翼本体の後縁から粗大水滴が発生してしまう可能性をさらに低減することができる。
本発明によれば、湿分による効率低下をより一層低減することが可能な蒸気タービン静翼、蒸気タービン、及びその運転方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービン翼の構成を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービン翼の要部拡大図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービン翼の構成を示す横断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンの運転方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービン翼の変形例を示す横断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービン翼の他の変形例を示す横断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービン翼のさらなる変形例を示す横断面図である。
本発明の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。本実施形態に係る蒸気タービン１は、回転軸２と、軸受装置３と、複数の動翼段４と、ケーシング５と、複数の静翼段６と、を備えている。回転軸２は軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしており、当該軸線Ｏ回りに回転可能である。軸受装置３は、この回転軸２の軸端を支持している。軸受装置３は、一対のジャーナル軸受３１と、１つのみのスラスト軸受３２と、を有している。一対のジャーナル軸受３１は、回転軸２の軸線Ｏ方向両側の端部にそれぞれ設けられている。各ジャーナル軸受３１は、軸線Ｏに対する径方向への荷重を支持する。スラスト軸受３２は、軸線Ｏ方向一方側にのみ設けられている。スラスト軸受３２は、軸線Ｏ方向への荷重を支持する。回転軸２の外周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の動翼段４が設けられている。各動翼段４は、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼４０を有している。動翼４０は、動翼プラットフォーム４１と、動翼本体４２と、動翼シュラウド４３（シュラウド）と、を有している。動翼プラットフォーム４１は、回転軸２の外周面から径方向外側に向かって突出している。動翼本体４２は、動翼プラットフォーム４１の外周面に取り付けられている。動翼本体４２は、径方向に延びるとともに、径方向に直交する断面形状が翼型をなしている。動翼本体４２の径方向外側の端部には、動翼シュラウド４３が取り付けられている。
回転軸２、及び動翼段４（動翼４０）は、外周側からケーシング５によって囲われている。ケーシング５は、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。ケーシング５の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の静翼段６が設けられている。これら静翼段６は、軸線Ｏ方向において上記の動翼段４と交互に配列されている。各静翼段６は、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼６０を有している。静翼６０は、静翼本体６１と、静翼シュラウド６２と、静圧センサＳｐと、後述するヒータＨ（図２参照）、及びヒータＨの挙動を制御する制御装置１００と、を有している。静翼本体６１は、ケーシング５の内周面における上記のキャビティ８同士の間の領域（静翼支持部９０）に取り付けられている。静翼本体６１は、静翼支持部９０の内周面から径方向に延びるとともに、径方向から見て翼型の断面形状を有している。静翼本体６１の径方向内側の端部には、静翼シュラウド６２が取り付けられている。ケーシング５の内周面における互いに隣接する一対の静翼６０同士の間には、ケーシング５の内周面から径方向外側に向かって凹むキャビティ８が形成されている。上述の動翼シュラウド４３は、このキャビティ８に収容されている。なお、これら動翼４０、及び静翼６０を総称して蒸気タービン翼と呼ぶことがある。
ケーシング５の軸線Ｏ方向一方側の端部には、外部から供給された高温高圧の蒸気を導入する吸気口５１が形成されている。ケーシング５の軸線Ｏ方向他方側の端部には、ケーシング５内を通過した蒸気を排出する排気口５２が形成されている。吸気口５１から導入された蒸気は、軸線Ｏ方向一方側から他方側にむかってケーシング５内を通過する中途で複数の動翼段４（動翼４０）、及び複数の静翼段６（静翼６０）に交互に衝突する。これにより、回転軸２に回転エネルギーが付与される。回転軸２の回転は軸端から取り出されて、例えば発電機（不図示）の駆動等に利用される。以降の説明では、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かってケーシング５内を流通する蒸気の流れを主流Ｆｍと呼ぶ。さらに、主流Ｆｍの流れて来る側（軸線Ｏ方向一方側）を上流側と呼び、主流Ｆｍの流れ去る側（軸線Ｏ方向他方側）を下流側と呼ぶ。
次に、図２を参照して、静翼６０の構成について詳述する。同図に示すように、静翼本体６１は、軸線Ｏ方向一方側（上流側）を向く前縁Ｅｆと、軸線Ｏ方向他方側（下流側）を向く後縁Ｅｒと、前縁Ｅｆから後縁Ｅｆに向かって広がる正圧面６Ｓと、正圧面６Ｓの反対側を向く負圧面（不図示）と、によって形成されている。なお、図２の例では、静翼本体６１は、径方向内側から外側に向かうに従って次第にコード長（前縁Ｅｆから後縁Ｅｒまでの寸法）が長くなる構成を採っている。しかしながら、静翼本体６１の形状は上記に限定されず、設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。
静翼本体６１の内部であって、後縁Ｅｒに近接する部分には、ヒータＨが埋設されている。ヒータＨは、外部からの通電によって、内部抵抗に起因する発熱を生じる。このヒータＨの径方向外側の端部は、リード線Ｌｏを介して制御装置１００に接続されている。さらに、ヒータＨは、静翼本体６１の径方向外側の端面から径方向内側に向かって静翼本体６１の内部に埋設されている。ヒータＨの径方向内側の端部には、電流を制御装置１００に戻すための負極線Ｌｂが接続されている。負極線Ｌｂも、ヒータＨと同様に静翼本体６１の内部に埋設されている。詳しくは後述するが、ヒータＨは、後縁Ｅｒの表面に対して、当該表面に付着した水滴（液滴）を加熱して、その少なくとも一部を蒸発させることが可能な熱量を与える。言い換えると、ヒータＨは、このような熱量を後縁Ｅｒの表面に伝達させることが可能な程度の距離だけ後縁Ｅｒに近接した状態で、静翼本体６１の内部に埋設されている。
ケーシング５の内周面における後縁Ｅｒよりも下流側の位置（即ち、ケーシング５の内周面における後縁Ｅｒに近接する位置であって、正圧面６Ｓ上で生じている静圧分布（圧力勾配）による影響を受けない位置）には、蒸気（主流Ｆｍ）の静圧を検出するための静圧センサＳｐが取り付けられている。この静圧センサＳｐは、検出した静圧の値を電気信号として信号線Ｌｓを通じて制御装置１００に送出する。なお、静圧センサＳｐとしては、これまでに実用化されている種々の形式から適宜選択したものを用いることが可能である。
ここで、正圧面６Ｓ上の周方向における静圧分布の偏りは比較的に小さいことが知られている。したがって、周方向における少なくとも一箇所に静圧センサＳｐが設けられていればよい。即ち、上記の静圧センサＳｐは、必ずしも静翼６０ごとに設けられる必要はない。一方で、故障に備えるための冗長性を考慮した場合、周方向に４つの静圧センサＳｐが設けられていることが望ましい。この場合、ケーシング５内の水平方向における２箇所と、上下方向における２箇所にそれぞれ静圧センサＳｐを設けることが望ましい。これにより、必要となる部品点数の削減と、工数の削減とを図ることができる。また、ケーシング５に施すべき孔あけ加工（静圧センサＳｐを埋設するための加工）が減ることから、孔の形成に起因する不具合の発生リスクも抑制することができる。
制御装置１００は、静圧センサＳｐから受信した静圧の値に基づいて、当該静圧値の状態下での飽和温度を算出し、静翼本体６１に付着した水滴がこの飽和温度以上に加熱されるように、ヒータＨの出力を変化させる。具体的には、制御装置１００は、電流供給部１０１と、温度算出部１０２と、温度設定部１０３と、を有している。電流供給部１０１は、上記のリード線Ｌ０を通じてヒータＨに電流を供給する。温度算出部１０２は、静圧センサＳｐが検出した静圧値に基づいて、当該静圧値の状態下での水の飽和温度を算出する。なお、このような算出を行うに当たっては、温度算出部１０２が予め記憶している飽和温度と静圧との関係を示すテーブルを用いる方式が一例として用いられる。温度設定部１０３は、温度算出部１０２が算出した飽和温度の値よりも所定の値だけ高い温度を、ヒータＨによる加熱目標温度として設定・算出する。上記の電流供給部１０１は、この加熱目標温度を満たすように、ヒータＨに必要な電流を供給する。
次いで、図３を参照して、静翼本体６１の後縁Ｅｒの構成、及びヒータＨの構成について詳述する。同図に示すように、後縁Ｅｒには、径方向に間隔をあけて配列された複数の凹部Ｒが形成されている。詳しくは後述するが、これら凹部Ｒは、静翼本体６１の表面に付着した微細な水滴が脈流Ｆｔとなって下流側に流れた際にこれを液滴Ｗとして捕捉・滞留させるために形成されている。各凹部Ｒは、後縁Ｅｒから前縁Ｅｆ側に向かって曲面状に凹んでいる。つまり、後縁Ｅｒは、このような凹部Ｒが連続して設けられていることで、周方向から見て波状となっている。各凹部Ｒの径方向の端縁は、後縁Ｅｒに対して滑らかな曲面状に接続されている。
ヒータＨは、静翼本体６１内部における上記凹部Ｒに対応した部分に配置された複数の電熱線Ｌｈと、隣接する電熱線Ｌｈ同士を接続する接続線Ｌｃと、を有している。電熱線Ｌｈは、凹部Ｒの湾曲形状に沿って後縁Ｅｒ側から前縁Ｅｆ側に向かって湾曲している。つまり、この電熱線Ｌｈは全長にわたって、凹部Ｒの表面から等距離だけ離間している。これにより、凹部Ｒの表面に対して電熱線Ｌｈから万遍なく熱を加えることが可能とされている。なお、電熱線Ｌｈとして具体的には、比較的に高い内部抵抗を生じる金属線を芯線として、この芯線の周囲を絶縁膜で覆った線材が好適に用いられる。この種の線材として、例えばシーズヒーター（登録商標）が挙げられる。シーズヒーター（登録商標）は、ニクロム線の周囲を、絶縁体であるマグネシアの粉末で覆ったものである。静翼本体６１が金属材料で形成されている場合、このような絶縁処理を施すことで、熱の伝播経路を確保しつつ、電流の拡散を防止することができる。また、電熱線Ｌｈによる加熱の態様としては、上記のような内部抵抗によるもの以外に、高周波による誘導加熱を用いることも可能である。
次に、図４を参照して、上記の静翼６０の製造方法の一例について説明する。同図に示すように、上記のヒータＨを内蔵する静翼６０を得るに当たっては、一枚の板材を湾曲させることによって前縁Ｅｆを形成するとともに、湾曲させたときに互いに対向する面同士を当接・固定することによって後縁Ｅｒを形成する工程を採ることが一例として考えられる。静翼６０の内部は、中空部Ｖとしての空間が形成される。この空間内には、図示しない冷却装置等を内蔵させてもよい。このように構成した静翼本体６１では、後縁Ｅｒを形成する面同士の間にヒータＨを挟持させることで、当該ヒータＨを強固かつ安定的に埋設することができる。言い換えると、このような方法によれば、ヒータＨを孔に挿通させる等の複雑な工程を経ることなく、容易かつ低コストでヒータＨを有する静翼６０を得ることが可能である。
続いて、本実施形態に係る蒸気タービン１の運転方法について説明する。蒸気タービン１を運転するに当たっては、まず外部の供給源（ボイラ等）から高温高圧の蒸気をケーシング５内に導く。ケーシング５内に導入された蒸気は、静翼６０、動翼４０に交互に衝突することで、動翼４０を介して回転軸２に回転力を与える。回転軸２のエネルギーは軸端に接続された発電機等の外部機器の駆動に利用される。ここで、蒸気はケーシング５内を上流側から下流側に向かって流れるにつれて、次第に圧力と温度が低下する。特に、温度が低下することによって、静翼６０（静翼本体６１）の表面には、微細な水滴が付着・集合することで水膜が形成される。この水膜は、再度蒸気中に放出される際に分裂して、粗大液滴と呼ばれる比較的に大きな液滴となる。粗大液滴は、蒸気の流れに曝されることで下流側に吹き飛ばされることがある。その結果、高速で回転している動翼４０にこのような液滴が衝突することで、動翼４０の表面にエロージョンを生じたり、動翼４０の回転に対するブレーキとなったりする可能性がある。したがって、上記のような水膜は、可能な限り除去することが望ましい。
そこで、本実施形態では、静翼本体６１の後縁ＥｒにヒータＨを設けることで、微細な水滴を加熱して、少なくともその一部を蒸発させるか、又はさらに微細化させる。より具体的には、上述の制御装置１００によって、静翼本体６１の表面（正圧面６Ｓ）上における静圧を検出し、この静圧値から当該静圧下での水の飽和温度を算出する。さらに制御装置１００は、この飽和温度よりも所定の値だけ高い温度を加熱目標温度として設定する。制御装置１００に含まれる温度設定部１０３は、この加熱目標温度を実現することが可能なだけの電流をヒータＨに供給する。ヒータＨでは、この電流と内部抵抗による発熱が生じ、後縁Ｅｒにおける凹部Ｒ内に滞留している水滴Ｗが加熱される。加熱された水滴Ｗは、その少なくとも一部が蒸発するか、又は水滴Ｗの内部で生じる爆発による引きちぎれによってさらに微細な液滴となる。
特に、蒸気タービン１を常温状態から起動する際には、以下のような運転方法が採られる。図５に示すように、この運転方法は、第一加熱ステップＳ１と、起動ステップＳ２と、第二加熱ステップＳ３と、を含む。第一加熱ステップＳ１では、冷間状態（温度が比較的に低い状態）にある蒸気タービン１の静翼本体６１に対して、ヒータＨによって任意の温度（第一温度）となるまで熱が加えられる。これにより、静翼本体６１の後縁Ｅｒは冷間状態よりも高い温度である第一温度となる。この状態で、蒸気タービン１を起動する（起動ステップＳ２）。ここで、静翼本体６１に対して何ら加熱等の処置を施していない場合、蒸気よりも低温状態にある静翼本体６１と蒸気との温度差によって、静翼本体６１の表面に水滴が生じることがある。しかしながら、上記のように静翼本体６１をヒータＨによって予め加熱しておくことで上記の温度差が小さくなるため、水滴を生じにくくすることができる。
さらに、起動ステップＳ２が完了して蒸気タービン１が定常状態となった後で、第二加熱ステップＳ３を実行する。第二加熱ステップＳ３は、静圧計測ステップＳ３１と、飽和温度算出ステップＳ３２と、温度設定ステップＳ３３と、を含む。静圧計測ステップＳ３１では、上述の静圧センサＳｐによって、正圧面６Ｓの静圧が計測される。その後、制御装置１００によって、静圧値に基づく飽和温度が算出され（飽和温度算出ステップＳ３２）、この飽和温度よりも低い温度である第二温度がヒータＨによる加熱目標温度として設定される（温度設定ステップＳ３３）。この状態で、蒸気タービン１は継続して運転される。
以上、説明したように、本実施形態に係る蒸気タービン１では、水滴の発生が抑えられることで、より安定的に運転を行うことができる。ここで、蒸気タービン１の運転中には、翼本体６１の表面に微細な水滴が付着する。このような水滴は翼本体６１の表面上で水膜、又は水脈を形成する。これら水膜、又は水脈は、蒸気の流れに沿って翼本体６１の表面を下流側（即ち、後縁側）に向かって脈流Ｆｔとして移動する。上記の構成によれば、このような水膜が集中する後縁に電熱線Ｌｈが設けられている。この電熱線に通電することで水膜は加熱されて全て蒸発するか、又はその少なくとも一部が蒸発する。水膜の一部が蒸発する場合には、液相から気相への相変化に伴う体積膨張効果によって水膜の内部で爆発が生じ、この爆発に伴う引きちぎれによって当該水膜が微細化する。また、加熱による温度上昇によって水膜の表面張力が低下することも、水膜の微細化に寄与する。このように水膜が微細化、又は蒸発することによって、たとえこれら液膜が下流側に吹き飛ばされたとしても、微細であることから下流側の構造物に与える損傷やブレーキ効果を小さく抑えることができる。また、上記構成では、水滴を完全に蒸発させなくても、加熱による部分的な蒸発効果で液膜を微細化できることから、加熱に要するエネルギーを抑えることもできる。
さらに、上記構成によれば、板材を湾曲させるとともに、後縁Ｅｒ側の端面を互いに当接させることで静翼本体６１の翼型が形成されている。さらに、電熱線Ｌｈは上記の対向・当接する面同士の間に挟持されている。これにより、電熱線Ｌｈを安定的に固定することができるとともに、簡素かつ低廉に静翼６０を得ることができる。
加えて、上記構成によれば、後縁Ｅｒには、径方向に間隔をあけて配列された複数の凹部Ｒが形成されている。各凹部Ｒは、後縁Ｅｒから前縁Ｅｆに向かって凹んでいる。この構成では、蒸気タービン１の運転中に静翼本体６１に付着した水滴は、蒸気の流れに沿って後縁Ｅｒ側に向かって流れた後、凹部Ｒ内に捕捉される。凹部Ｒには電熱線Ｌｈが配置されていることから、捕捉された水滴を効率的に加熱することができる。即ち、後縁Ｅｒの延在方向全域を加熱する構成に比べて、電熱線Ｌｈが配置される領域が小さいことから、加熱に要するエネルギーをより小さく抑えることができる。
さらに加えて、上記構成によれば、凹部Ｒが曲面状に凹むとともに、電熱線Ｌｈが当該曲面に沿って湾曲している。これにより、凹部Ｒ内に捕捉された水滴に対して効率的に熱を加えることができる。その結果、より小さなエネルギーで水滴を微細化することができる。
ここで、蒸気タービン１の起動前の状態（冷間状態）では、静翼６０や動翼４０の温度は、蒸気温度よりも大幅に低くなっていることが考えられる。したがって、起動時には蒸気が静翼６０上に付着しやすい状態となっている。上記の運転方法では、蒸気タービン１の起動（起動ステップＳ２）に先立って第一加熱ステップＳ１を実行することで、静翼本体６１の後縁Ｅｒを電熱線Ｌｈによって予め第一温度で加熱する。その後、蒸気タービンが定常状態となった際には、第一温度よりも低い第二温度で後縁Ｅｒを加熱し続ける。言い換えると、第一温度は第二温度よりも高い温度である。したがって、起動に先立って静翼本体６１を相対的に高温状態とすることで、上述した水膜の発生を効果的に抑えることができる。
さらに、上記の方法によれば、ケーシング５の内周面における後縁Ｅｒよりも下流側の静圧に基づいて蒸気の飽和温度を算出し、当該飽和温度よりも高い温度を第二温度として設定する。静圧の計測は、他の物理量の計測に比べて容易に行えるとともに確度が高い。したがって、上記の方法によれば、より容易かつ正確に第二温度を設定することができる。その結果、静翼本体６１の表面で水滴が成長してしまう可能性をさらに低減することができる。
以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、静翼本体６１を得るに当たっては、上記実施形態で説明した構成に代えて、図６から図８に示す構成を採ることも可能である。図６の例では、静翼本体６１は、前縁Ｅｆ側を含む第一部分Ｐ１と、後縁Ｅｒ側を含む第二部分Ｐ２と、これら第一部分Ｐ１及び第二部分Ｐ２の間に設けられた断熱絶縁部Ｐｍと、を有している。第一部分Ｐ１の後縁Ｅｒ側の端縁には、前縁Ｅｆ側に向かって矩形に凹む係合溝Ｒ１が形成されている。断熱絶縁部Ｐｍは、第二部分Ｐ２に接続される板状部Ｐｍ１と、板状部Ｐｍ１の前縁Ｅｆ側から突出することで係合溝Ｒ１に係合する係合突起Ｐｍ２と、を有している。第二部分Ｐ２は、上述のヒータＨ、及び負極線Ｌｂを内蔵している。断熱絶縁部Ｐｍは、第一部分Ｐ１と第二部分Ｐ２との間に介在することで、両者を熱的かつ電気的に絶縁する。
上記構成によれば、例えば予め第一部分Ｐ１を製造した上で、別個に製造された第二部分Ｐ２、及び断熱絶縁部Ｐｍを事後的に第一部分Ｐ１に取り付けることで、容易に静翼６０を得ることができる。さらに、既設の蒸気タービン１に対しても、静翼本体６１の後縁Ｅｒ側を切除して、当該切除された部分にヒータＨ等を取り付けた後、第一部分Ｐ１に再度取り付けることで、ヒータＨを備える静翼６０を容易に得ることができる。
また、図７の例では、静翼本体６１には、後縁Ｅｒに沿って延びるとともに、前縁Ｅｆ側に向かって凹むことでヒータＨを収容する収容溝Ｒ２が形成されている。また、収容溝Ｒ２の内面とヒータＨとの間には、断熱絶縁部Ｐｍ´が介在している。この構成によれば、より簡素かつ低廉な構造のもと、ヒータＨを静翼本体６１に対して取り付けることができる。
図８の例では、ヒータＨの少なくとも一部を電熱線Ｌｈとし、後縁Ｅｒに形成された上記凹部Ｒの底面からこの電熱線Ｌｈを露出させる構成を採っている。上記構成によれば、凹部Ｒの底面から電熱線Ｌｈが露出していることから、凹部Ｒ内に捕捉された水滴Ｗに対して熱を直接的に加えることができる。その結果、水滴Ｗの微細化、又は部分的な蒸発をさらに促進することができる。
１…蒸気タービン
２…回転軸
３…軸受装置
４…動翼段
５…ケーシング
６…静翼段
７…フィン
８…キャビティ
３１…ジャーナル軸受
３２…スラスト軸受
４０…動翼
４１…動翼プラットフォーム
４２…動翼本体
４３…動翼シュラウド
５１…吸気口
５２…排気口
６０…静翼
６１…静翼本体
６２…静翼シュラウド
６Ｓ…正圧面
９０…静翼支持部
１００…制御装置
１０１…電流供給部
１０２…温度算出部
１０３…温度設定部
Ｅｆ…前縁
Ｅｒ…後縁
Ｆｍ…主流
Ｆｔ…脈流
Ｈ…ヒータ
Ｌ０…リード線
Ｌｂ…負極線
Ｌｃ…接続線
Ｌｈ…電熱線
Ｌｓ…信号線
Ｏ…軸線
Ｐ１…第一部分
Ｐ２…第二部分
Ｐｍ，Ｐｍ´…断熱絶縁部
Ｐｍ１…板状部
Ｐｍ２…係合部
Ｒ…凹部
Ｒ１…係合溝
Ｒ２…収容溝
Ｓｐ…静圧センサ
Ｖ…中空部
Ｗ…水滴

Claims (9)

  1. 径方向に延びて、該径方向に直交する断面形状が翼型をなす翼本体と、
    前記翼本体内における前記翼型の後縁に沿って延びるように配置された電熱線を有するヒータと、
    を備え、
    前記翼本体は、湾曲された状態の板材によって形成され、該板材は、前記後縁とは反対側の端縁である前縁が湾曲している状態であるとともに、互いに対向する面同士が前記後縁側で当接している状態であることで前記翼型を形成し、
    前記電熱線は、前記対向する面同士の間に挟持されている蒸気タービン静翼。
  2. 径方向に延びて、該径方向に直交する断面形状が翼型をなす翼本体と、
    前記翼本体内における前記翼型の後縁に沿って延びるように配置された電熱線を有するヒータと、
    を備え、
    前記翼本体は、前記後縁とは反対側の端縁である前縁を含む第一部分と、前記後縁を含むとともに前記電熱線が設けられた第二部分と、前記第一部分と前記第二部分との間に設けられて、該第一部分と該第二部分との間を熱的かつ電気的に絶縁する断熱絶縁部と、を有する蒸気タービン静翼。
  3. 径方向に延びて、該径方向に直交する断面形状が翼型をなす翼本体と、
    前記翼本体内における前記翼型の後縁に沿って延びるように配置された電熱線を有するヒータと、
    を備え、
    前記翼本体には、前記後縁に沿って延びるとともに、前記後縁とは反対側の端縁である前縁側に向かって凹むことで前記電熱線を収容する収容溝が形成されている請求項１に記載の蒸気タービン静翼。
  4. 前記後縁には、前記径方向内側から外側に向かって間隔を配列されるとともに、前記後縁から前縁側に向かって凹む複数の凹部が形成され、
    前記電熱線は、前記複数の凹部に対応する領域に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気タービン静翼。
  5. 前記凹部は、前記後縁側から前記前縁側に向かって曲面状に凹み、
    前記電熱線は、該曲面に沿って湾曲している請求項４に記載の蒸気タービン静翼。
  6. 前記電熱線の少なくとも一部は、前記凹部の底面から露出している請求項４又は５に記載の蒸気タービン静翼。
  7. 軸線回りに回転する回転軸と、
    該回転軸の外周面から前記径方向外側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、
    該複数の動翼を外周側から覆うケーシングと、
    該ケーシングの内周面に設けられ、前記動翼と前記軸線方向に隣接して配置された静翼としての請求項１から６のいずれか一項に記載の蒸気タービン静翼と、
    を備える蒸気タービン。
  8. 請求項７に記載された蒸気タービンの運転方法であって、
    前記電熱線によって前記後縁を予め定められた第一温度まで加熱する第一加熱ステップと、
    前記蒸気タービンを起動する起動ステップと、
    前記起動ステップが完了して前記蒸気タービンが定常状態となった後で、前記第一温度よりも低い温度である第二温度で前記後縁を加熱する第二加熱ステップと、
    を含む蒸気タービンの運転方法。
  9. 前記第二加熱ステップは、
    前記ケーシングの内周面における前記後縁よりも下流側で静圧を計測する静圧計測ステップと、
    前記静圧に基づいて蒸気の飽和温度を算出する飽和温度算出ステップと、
    前記飽和温度よりも高い温度として前記第二温度を設定する温度設定ステップと、
    を含む請求項８に記載の蒸気タービンの運転方法。
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