JP7351785B2 - 蒸気タービン、翼、及び蒸気タービンの性能と信頼性の向上方法 - Google Patents
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Description
本開示は、蒸気タービン、翼、及び蒸気タービンの性能と信頼性の向上方法に関する。
蒸気タービンは、回転軸回りに回転可能なシャフトと、当該シャフトの外周面上で回転軸方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼段と、シャフト、及びタービン動翼段を外周側から覆うケーシングと、ケーシングの内周面上でタービン動翼段と交互に配列された複数のタービン静翼段と、を備えている。ケーシングの上流側には外部から蒸気を取り込む吸入口が形成され、下流側には排気口が形成されている。吸入口から取り込まれた高温高圧の蒸気は、タービン静翼段で流れの方向と速度を調整された後、タービン動翼段でシャフトの回転力に変換される。
タービン内を通過する蒸気は、上流側から下流側に向かうにつれてエネルギーを失い、温度と圧力が低下する。そのため、最も下流側のタービン静翼段では、蒸気の一部が凝縮して微細な水滴として気流中に存在しており、その水滴の一部はタービン静翼の表面に付着する。この水滴は、翼面上ですぐに成長して液膜となる。液膜は、その周囲を常に高速の蒸気流に曝されているが、この液膜がさらに成長して厚みが増すと、その一部が蒸気流によってちぎれて粗大液滴の状態で飛散する。飛散した液滴は蒸気流により徐々に加速しながら下流側に流れる。大きな液滴ほど質量が大きいため蒸気流によって蒸気速度まで加速されにくく、主流蒸気に乗ってタービン動翼の間を通過することができずに、タービン動翼に衝突する。タービン動翼の周速は音速を超える場合があることから、飛散した液滴がタービン動翼に衝突した場合、その表面を侵食し、エロージョンを発生させることがある。また、液滴の衝突によってタービン動翼の回転が阻害され、制動損失が生じることもある。
このような液滴の付着と成長を防ぐために、これまでに種々の技術が提唱されている。例えば下記特許文献１には、タービンノズル（タービン静翼）の表面を電熱部によって加熱することで、当該表面に生じた湿分を除去する技術が記載されている。また、同文献には、水膜の厚さを計測して、電熱部による加熱量を最適化する技術も記載されている。
しかしながら、タービン静翼の翼間を流れる流体の速度は、一例として２００～４００ｍ／ｓに達するほど高い。また、水膜の厚さは数百ミクロン程度である。このため、上記特許文献１に記載された技術では、水膜の厚さの計測に大きな誤差を生じ、結果として電熱部による湿分除去が適正に行えない虞がある。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より一層性能と信頼性の向上した蒸気タービン、翼、及び蒸気タービンの性能と信頼性向上方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る蒸気タービンは、回転軸回りに回転するシャフトと、該シャフトの外周面から径方向に延びるとともに周方向に配列された複数の動翼と、前記シャフト、及び前記動翼を外周側から覆う車室本体と、該車室本体の内周面における前記動翼よりも上流側の位置から径方向に延びるとともに周方向に配列された複数の静翼と、前記動翼、及び前記静翼の少なくとも一方の表面に、該表面上に付着した水滴に対する疎水性を有する被膜形成物質を供給する物質供給部と、を備え、前記物質供給部は、前記被膜形成物質を貯留する貯留部と、前記車室本体の内部に形成され、前記貯留部から導かれた前記被膜形成物質が流通する供給流路と、前記動翼、及び前記静翼の少なくとも一方の内部に形成され、前記表面に前記被膜形成物質を導く吐出部と、を有する。
本開示に係る蒸気タービンの性能と信頼性向上方法は、蒸気タービンの動翼、及び静翼の少なくとも一方の表面に、該表面上に付着した水滴に対する疎水性を有する被膜形成物質を供給する工程を含む。
本開示によれば、より一層性能と信頼性の向上した蒸気タービン、翼、及び蒸気タービンの性能と信頼性の向上方法を提供することができる。
＜第一実施形態＞
（蒸気タービン構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る蒸気タービン１００について、図１から図４を参照して説明する。図１及び図２に示すように、回転軸Ｏ方向に沿って延びる蒸気タービンロータ１と、蒸気タービンロータ１を外周側から覆う蒸気タービンケーシング２と、物質供給部５と、を備えている。
（蒸気タービン構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る蒸気タービン１００について、図１から図４を参照して説明する。図１及び図２に示すように、回転軸Ｏ方向に沿って延びる蒸気タービンロータ１と、蒸気タービンロータ１を外周側から覆う蒸気タービンケーシング２と、物質供給部５と、を備えている。
蒸気タービンロータ１は、回転軸Ｏに沿って延びるシャフト３と、シャフト３の外周面に設けられた複数の動翼３０を有している。動翼３０は、シャフト３の周方向に一定の間隔をもって複数配列されている。回転軸Ｏ方向においても、一定の間隔を持って複数の動翼３０の列（動翼段）が配列されている。図２に示すように、動翼３０は、動翼本体３１（タービン動翼）と、動翼シュラウド３４とを有している。動翼本体３１は、蒸気タービンロータ１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３１は、径方向から見て翼型の断面を有する。動翼本体３１の先端部（径方向外側の端部）には、動翼シュラウド３４が設けられている。動翼本体３１の基端部（径方向内側の端部）には、プラットフォーム３２がシャフト３に一体に設けられている。
図１に示すように、蒸気タービンケーシング２は、蒸気タービンロータ１を外周側から覆う略筒状のケーシング本体２Ｈ（車室本体）と、ケーシング本体２Ｈの内周面に設けられた静翼２０とを有している。蒸気タービンケーシング２の回転軸Ｏ方向一方側には、蒸気を取り込む蒸気供給管（不図示）が設けられている。蒸気タービンケーシング２の回転軸Ｏ方向他方側には、蒸気を排出する蒸気排出管（不図示）が設けられている。蒸気は、蒸気タービンケーシング２の内部で、回転軸Ｏ方向一方側から他方側に向かって流れる。以降の説明では、蒸気の流れる方向を単に「流れ方向」と呼ぶ。さらに、蒸気が流れてくる側を上流側と呼び、蒸気が流れ去る側を下流側と呼ぶ。
蒸気タービンケーシング２の内周面には、複数の静翼２０の列が設けられている。図２に示すように、静翼２０は、静翼本体２１（タービン静翼）と、静翼シュラウド２２と、外周リング２４と、を有している。静翼本体２１は、外周リング２４を介して蒸気タービンケーシング２の内周面に接続される羽根状の部材である。さらに、静翼本体２１の先端部（径方向内側の端部）には、静翼シュラウド２２が設けられている。動翼３０と同様に、静翼２０は内周面上で周方向及び回転軸Ｏ方向に沿って複数配列される。動翼３０は、隣り合う複数の静翼２０の間の領域に入り込むようにして配置される。つまり、静翼２０、及び動翼３０は、蒸気の流れ方向に交差する方向（回転軸Ｏに対する径方向）に延びている。なお、以降の説明では、静翼２０及び動翼３０を総称して単に翼９０と呼ぶことがある。
蒸気は、上流側の蒸気供給管を介して蒸気タービンケーシング２の内部に供給される。蒸気タービンケーシング２の内部を通過する中途で、蒸気は静翼２０と動翼３０とを交互に通過する。静翼２０は蒸気の流れを整流し、整流された蒸気の塊が動翼３０を押すことによって蒸気タービンロータ１に回転力を与える。蒸気タービンロータ１の回転力は、軸端から取り出されて外部の機器（発電機等）の駆動に用いられる。蒸気タービンロータ１の回転に伴って、蒸気は下流側の蒸気排出管を通じて後続の装置（復水器等）に向かって排出される。
なお、詳しくは図示しないが、シャフト３は、ジャーナル軸受、及びスラスト軸受によって蒸気タービンケーシング２の内部で回転可能に支持されている。
（静翼本体の構成）
次いで、図２を参照して、静翼本体２１の構成について説明する。静翼本体２１は、流れ方向に交差する方向である径方向（回転軸Ｏに対する径方向）に延びている。径方向から見た静翼本体２１の断面は翼型をなしている。より詳細には、流れ方向の上流側の端縁である前縁２１Ｆは曲面状をなしている。下流側の端縁である後縁２１Ｒは径方向から見て周方向の寸法が次第に小さくなることでテーパ形状をなしている。前縁２１Ｆから後縁２１Ｒにかけて、静翼本体２１は、回転軸Ｏに対する周方向一方側から他方側に向かって緩やかに湾曲している。また、静翼本体２１は、径方向内側に向かうに従って、回転軸Ｏ方向の寸法が減少している。静翼本体２１における周方向を向く一対の面のうち、上流側を向く面は圧力面２１Ｐとされ、下流側を向く面は負圧面２１Ｑとされている。
次いで、図２を参照して、静翼本体２１の構成について説明する。静翼本体２１は、流れ方向に交差する方向である径方向（回転軸Ｏに対する径方向）に延びている。径方向から見た静翼本体２１の断面は翼型をなしている。より詳細には、流れ方向の上流側の端縁である前縁２１Ｆは曲面状をなしている。下流側の端縁である後縁２１Ｒは径方向から見て周方向の寸法が次第に小さくなることでテーパ形状をなしている。前縁２１Ｆから後縁２１Ｒにかけて、静翼本体２１は、回転軸Ｏに対する周方向一方側から他方側に向かって緩やかに湾曲している。また、静翼本体２１は、径方向内側に向かうに従って、回転軸Ｏ方向の寸法が減少している。静翼本体２１における周方向を向く一対の面のうち、上流側を向く面は圧力面２１Ｐとされ、下流側を向く面は負圧面２１Ｑとされている。
静翼本体２１の径方向外側の端部には外周リング２４が取り付けられている。外周リング２４は、回転軸Ｏを中心とする円環状をなしている。外周リング２４の各面のうち、上流側を向く面はリング上流面２４Ａとされ、内周側を向く面はリング内周面２４Ｂとされ、下流側を向く面はリング下流面２４Ｃとされている。リング上流面２４Ａ、及びリング下流面２４Ｃは、回転軸Ｏに対する径方向に広がっている。リング上流面２４Ａの径方向における寸法は、リング下流面２４Ｃの径方向における寸法よりも大きい。これにより、本実施形態では一例として、リング内周面２４Ｂは、下流側に向かうに従って次第に径方向外側に向かうように拡大している。なお、この外周リング２４は蒸気タービンケーシング２の一部をなしている。つまり、リング内周面２４Ｂは蒸気タービンケーシング２の内周面の一部である。
リング下流面２４Ｃは、静翼２０の下流側に隣接する動翼３０の動翼シュラウド３４に隙間Ｓをあけて対向している。動翼シュラウド３４の各面のうち、上流側を向く面はシュラウド上流面３４Ａとされ、内周側を向く面はシュラウド内周面３４Ｂとされ、下流側を向く面はシュラウド下流面３４Ｃとされている。つまり、上述のリング下流面２４Ｃは、シュラウド上流面３４Ａに対して隙間Ｓをあけて対向している。
（物質供給部の構成）
次に、物質供給部５の構成について、図１から図３を参照して説明する。物質供給部５は、上述の静翼２０、及び動翼３０のうち少なくとも一方の表面に被膜形成物質（Ｆｉｌｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ：ＦＦＳ）を供給するために設けられている。被膜形成物質の詳細については後述する。
次に、物質供給部５の構成について、図１から図３を参照して説明する。物質供給部５は、上述の静翼２０、及び動翼３０のうち少なくとも一方の表面に被膜形成物質（Ｆｉｌｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ：ＦＦＳ）を供給するために設けられている。被膜形成物質の詳細については後述する。
図１に示すように、物質供給部５は、貯留部５１と、供給流路５２と、吐出部５３と、を有している。貯留部５１は、被膜形成物質を貯留する容器である。供給流路５２は、蒸気タービンケーシング２の内部に形成された流路であり、貯留部５１から導かれた被膜形成物質が流通している。物質供給部５は水平面などの設置された一本もしくは複数の流路５２から静翼外周側ダイアフラム２４に供給され，供給流路５２は外周側内ダイアフラム２４内で回転軸Ｏを中心とする環状に延びている。なお、図１の例では１段の静翼２０（特に、最終段の静翼２０）にのみ供給流路５２が形成されている構成を示している。しかしながら、供給流路５２は全ての段の静翼２０に対応してそれぞれ設けられていてもよい。
図２に示すように、供給流路５２の端部は、外周リング２４を径方向に貫通し、径方向内側の面（リング内周面２４Ｂ）に開口している。吐出部５３は、この開口からさらに径方向内側に延びることで、静翼本体２１の内部まで延びている。吐出部５３は、静翼本体２１の表面に被膜形成物質を導く流路である。吐出部５３は、静翼本体２１の径方向外側の端部から、翼高さの１／３の長さまで径方向に延びている。なお、供給流路５２が翼高さ方向の全域にわたって延びている構成を採ることも可能である。
図３又は図４に示すように、吐出部５３の出口Ｅは、静翼本体２１の圧力面２１Ｐ上であって、前縁２１Ｆ側に偏った領域に複数形成されている。これら出口Ｅは、径方向に間隔をあけて複数（一例として３つ）配列されている。なお、同図の例では、出口Ｅの形状は円形である。
貯留部５１からポンプ等（不図示）によって圧送された被膜形成物質は、供給流路５２を通じて吐出部５３の出口Ｅから圧力面２１Ｐ上に散布される。これにより、被膜形成物質は、圧力面２１Ｐの少なくとも一部を覆う疎水性の被膜を形成する。なお、被膜形成物質の供給量は、圧力面２１Ｐ上で蒸気が凝縮したり、水滴が付着したりすることで形成される水膜の流量に対して、２～数百ｐｐｍとされることが望ましい。被膜形成物質の供給は連続的でも間欠的でも良い。
また、本実施形態に係る蒸気タービン１００の性能向上方法は、静翼本体２１の表面（圧力面２１Ｐ）に被膜形成物質を供給する工程を含む。
（被膜形成物質）
被膜形成物質として具体的には、揮発性、界面活性作用、及び防食性を有する揮発性アミン化合物（被膜性アミン）や、揮発性非アミン化合物が好適に用いられる。
被膜形成物質として具体的には、揮発性、界面活性作用、及び防食性を有する揮発性アミン化合物（被膜性アミン）や、揮発性非アミン化合物が好適に用いられる。
揮発性アミンの具体例としては、モノアミンであるドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、ノナデシルアミン、エイコシルアミン、ドコシルアミン等の長鎖飽和脂肪族アミンや、オレイルアミン、リシノレイルアミン、リノレイルアミン、リノレニルアミン等の長鎖不飽和脂肪族アミン、ヤシ油アミン、硬化牛脂アミン等の混合アミン、及びこれらの混合物が挙げられる。
また、下記の一般式で表されるポリアミンも好適に用いられる。
Ｒ１－［ＮＨ－（ＣＨ２）m］ｎ－ＮＨ２
なお、上記の式中、Ｒ１は、炭素数１０～２２の飽和又は不飽和炭化水素を示し、ｍは１～８の整数であり、ｎは１～７の整数である。ｎが２以上の場合、複数の［ＮＨ－（ＣＨ２）m］ｎは同一のものでも異なるものでもよい。
Ｒ１－［ＮＨ－（ＣＨ２）m］ｎ－ＮＨ２
なお、上記の式中、Ｒ１は、炭素数１０～２２の飽和又は不飽和炭化水素を示し、ｍは１～８の整数であり、ｎは１～７の整数である。ｎが２以上の場合、複数の［ＮＨ－（ＣＨ２）m］ｎは同一のものでも異なるものでもよい。
Ｒ１はの炭化水素基は、直鎖状でもよいし、分岐鎖を有してもよい。また、環状であってもよい。具体的には、アルキル基、アルケニル基、アルカジエニル基、アルキニル基等が挙げられる。より好ましくは、直鎖アルキル基、直鎖アルケニル基が用いられ、この場合の炭素数は１５～２２とされる。ｍは、腐食抑制の観点からは、好ましくは２～６の整数とされる。（ＣＨ２）m基としては、メチレン基、エチレン基（ジメチレン基）、プロピレン基（トリメチレン基）、又はブチレン基（テトラメチレン基）が挙げられるが、より好ましくはプロピレン基である。また、ｎは、腐食抑制の観点から１～３の整数とされることが望ましい。
このようなポリアミンの具体例としては、ドデシルアミノメチレンアミン、ドデシルアミノジメチレンアミン、ドデシルアミノトリメチレンアミン（Ｎ－ステアリル－１、３－プロパンジアミン）や、これらのポリアミンに対応するテトラデシル、ヘキサデシル及びオクタデシル化合物、オクタデセニルアミノトリメチレンアミン、オクタデセニルアミノジ―（トリメチルアミノ）－トリメチレンアミン、パルミチルアミノトリメチレンアミン、tallow alkyldiamine ethoxylate等が挙げられる。なお、十分な純度で容易に入手することが可能なＮ－オレイル－１、３－プロパンジアミン（すなわち、Ｎ－オクタデセニルプロパン－３－ジアミン）を用いることがより望ましい。なお、Ａｋｚｏ社の商品名「Ethiduomine」も好適に用いることができる。
揮発性非アミン化合物としては、ポリエチレン（２０）ソルビタンモノステアレート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタンモノラウレートが用いられる。
なお、これらの物質のうち１種のみを被膜形成物質として用いてもよいし、２種以上を混合して被膜形成物質とすることも可能である。
（作用効果）
上記構成によれば、被膜形成物質（Ｆｉｌｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ：ＦＦＳ）が静翼本体２１の表面に吐出部５３を通じて直接的に供給される。これにより、表面に疎水性の被膜が形成され、凝縮した水滴が静翼壁面に付着する可能性を低減することができる。その結果、静翼壁面上の水膜が静翼後縁から蒸気中に再放出されることで生じる粗大水滴の発生が抑止され、下流側の動翼３０に粗大水滴が衝突することで生じるエロージョンを回避することができる。加えて、粗大水滴を加速させるために奪われる蒸気のエネルギーである加速損失や、粗大水滴が動翼に衝突することにより回転にブレーキとして作用する衝動損失を低減できるためタービン効率を向上させることができる。また、被膜形成物質は、乱流摩擦低減効果（トムズ効果）を有することから、静翼本体２１の表面における流体の流れ場を改善し、翼型損失を低減することでタービン効率を向上させることもできる。さらに、被膜形成物質が金属表面に被膜を形成することから、防食効果を得ることもできる。
さらに、上記構成によれば、吐出部５３の出口Ｅが圧力面２１Ｐ上の前縁２１Ｆ側で径方向に間隔をあけて複数配列されていることから、圧力面２１Ｐのより広い範囲に対して安定的に被膜形成物質を供給することができる。
以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示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、上述の吐出部５３の出口Ｅを、圧力面２１Ｐに加えて、負圧面２１Ｑ上に形成することも可能である。また、出口Ｅを負圧面２１Ｑ上にのみ形成することも可能である。
この構成によれば、負圧面２１Ｑのより広い範囲に対して安定的に被膜形成物質を供給することができる。
さらに、吐出部５３の出口Ｅ´の開口を図５に示すような半円形状とすることも可能である。同図の例では、出口Ｅ´は、上流側から下流側に向かうに従って、径方向の寸法が次第に大きくなるように形成されている。つまり、出口Ｅ´の上流側の端縁Ｌ１は、上流側に向かって凸となる曲線状に湾曲している。下流側の端縁Ｌ２は径方向に延びている。
上記構成によれば、出口Ｅ´が下流側に向かうに従って径方向の寸法が大きくなるように形成されていることから、下流側に向かって被膜を拡大するように、さらに広い範囲に被膜形成物質を供給することができる。
加えて、図６に示すように、出口Ｅを上流側から下流側にかけて複数列（一例として列Ｒ１，列Ｒ２）形成し、互いに隣り合う列同士の間で出口Ｅの径方向の位置が異なる構成を採ることも可能である。この構成では、列Ｒ１，Ｒ２にそれぞれ対応して１つずつの吐出部５３Ａ，５３Ｂが形成されている。
上記構成によれば、たとえ特定の列の出口Ｅや、吐出部５３Ａ，５３Ｂのうちの一方が閉塞してしまった場合であっても、隣り合う列の他の出口Ｅ（又は吐出部５３Ａ，５３Ｂのうちの他方）によって被膜形成物質を供給し続けることができる。これにより、さらに安定的に蒸気タービン１００を運転することができる。
＜第二実施形態＞
続いて、本開示の第二実施形態について、図７と図８を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７及び図８に示すように、本実施形態では、物質供給部５は、上述の供給流路５２から径方向内側に向かって延びる複数の内周面吐出部５４をさらに有している。内周面吐出部５４は、蒸気タービンケーシング２の内部で環状に延びる供給流路５２から内周側に向かって延びており、出口Ｅ２は、リング内周面２４Ｂ上に開口している。内周面吐出部５４は、互いに隣り合う静翼２０同士の間に少なくとも１つ（図７の例では２つ）設けられている。内周面吐出部５４は、周方向に間隔をあけて複数配列されている。なお、図８では、図示簡略化のため、静翼２０を省略している。
続いて、本開示の第二実施形態について、図７と図８を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７及び図８に示すように、本実施形態では、物質供給部５は、上述の供給流路５２から径方向内側に向かって延びる複数の内周面吐出部５４をさらに有している。内周面吐出部５４は、蒸気タービンケーシング２の内部で環状に延びる供給流路５２から内周側に向かって延びており、出口Ｅ２は、リング内周面２４Ｂ上に開口している。内周面吐出部５４は、互いに隣り合う静翼２０同士の間に少なくとも１つ（図７の例では２つ）設けられている。内周面吐出部５４は、周方向に間隔をあけて複数配列されている。なお、図８では、図示簡略化のため、静翼２０を省略している。
上記構成によれば、内周面吐出部５４によって、リング内周面２４Ｂから静翼２０の壁面に被膜形成物質を供給することができる。また、当該内周面吐出部５４を設けることによって静翼本体２１の圧力面２１Ｐと負圧面２１Ｑの双方に被膜形成物質を供給することができる。
以上、本開示の第二実施形態について説明した。なお、本開示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、第一実施形態で説明した吐出部５３と、第二実施形態で説明した内周面吐出部５４とを組み合わせて用いることも可能である。
＜第三実施形態＞
次に、本開示の第三実施形態について、図９を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、吐出部５３Ｂの構成が上記の各実施形態とは異なっている。吐出部５３Ｂは、多孔質材料Ｍで一体に形成されたブロック状をなしている。また、この多孔質材料Ｍは、静翼本体２１の表面（圧力面２１Ｐ）と面一となるように埋め込まれている。多孔質材料Ｍとしては、積層造形技術（additive manufacturing、３Ｄプリンタ）等によって形成されたセラミックや金属の多孔質体が好適に用いられる。
次に、本開示の第三実施形態について、図９を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、吐出部５３Ｂの構成が上記の各実施形態とは異なっている。吐出部５３Ｂは、多孔質材料Ｍで一体に形成されたブロック状をなしている。また、この多孔質材料Ｍは、静翼本体２１の表面（圧力面２１Ｐ）と面一となるように埋め込まれている。多孔質材料Ｍとしては、積層造形技術（additive manufacturing、３Ｄプリンタ）等によって形成されたセラミックや金属の多孔質体が好適に用いられる。
上記構成によれば、多孔質材料Ｍで形成された吐出部５３Ｂから、被膜形成物質を滲み出るように吐出させることができる。これにより、より少ない量の被膜形成物質をより広い範囲に均一に供給することができる。
以上、本開示の第三実施形態について説明した。なお、本開示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、第三実施形態で説明した吐出部５３Ｂの多孔質材料Ｍを、第二実施形態で説明した内周面吐出部５４に適用することも可能である。
また、各実施形態に共通する変形例として、静翼２０に加えて動翼３０に被膜形成物質を供給する構成を採り、動翼の表面に形成される被膜により、動翼の防食性能を向上することも可能である。この場合、シャフト３の内部に流路を形成し、当該流路から動翼３０の表面に被膜形成物質を供給する構成が考えられる。静翼と被膜形成物質の供給手段を共用できるので、最小の構成で動翼の防触性能を向上できる。
＜付記＞
各実施形態に記載の蒸気タービン、及び蒸気タービンの性能向上方法は、例えば以下のように把握される。
各実施形態に記載の蒸気タービン、及び蒸気タービンの性能向上方法は、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様に係る蒸気タービン１００は、回転軸Ｏ回りに回転するシャフト３と、該シャフト３の外周面から径方向に延びるとともに周方向に配列された複数の動翼３０と、前記シャフト３、及び前記動翼３０を外周側から覆う車室本体（ケーシング本体２Ｈ）と、該車室本体の内周面における前記動翼３０よりも上流側の位置から径方向に延びるとともに周方向に配列された複数の静翼２０と、前記動翼３０、及び前記静翼２０の少なくとも一方の表面に、該表面上に付着した水滴に対する疎水性を有する被膜形成物質を供給する物質供給部５と、を備え、前記物質供給部５は、前記被膜形成物質を貯留する貯留部５１と、前記車室本体の内部に形成され、前記貯留部５１から導かれた前記被膜形成物質が流通す供給流路５２と、前記動翼３０、及び前記静翼２０の少なくとも一方の内部に形成され、前記表面に前記被膜形成物質を導く吐出部５３と、を有する。
上記構成によれば、被膜形成物質（Ｆｉｌｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ：ＦＦＳ）が静翼本体２１の表面に吐出部５３を通じて直接的に供給される。これにより、表面に疎水性の被膜が形成され、凝縮した水滴が静翼壁面に付着する可能性を低減することができる。その結果、静翼壁面上の水膜が静翼後縁から蒸気中に再放出されることで生じる粗大水滴の発生が抑止され、下流側の動翼３０に粗大水滴が衝突することで生じるエロージョンを回避することができる。加えて、粗大水滴を加速させるために奪われる蒸気のエネルギーである加速損失や、粗大水滴が動翼に衝突することにより回転にブレーキとして作用する衝動損失を低減できるためタービン効率を向上させることができる。また、被膜形成物質は、乱流摩擦低減効果（トムズ効果）を有することから、静翼本体２１の表面における流体の流れ場を改善し、翼型損失を低減することでタービン効率を向上させることもできる。さらに、被膜形成物質が金属表面に被膜を形成することから、防食効果を得ることもできる。
（２）第２の態様に係る蒸気タービン１００では、前記吐出部５３の出口Ｅは、前記動翼３０、及び前記静翼２０の少なくとも一方の圧力面２１Ｐ上の前縁２１Ｆ側で、径方向に間隔をあけて複数配列されている。
上記構成によれば、圧力面２１Ｐのより広い範囲に対して安定的に被膜形成物質を供給することができる。
（３）第３の態様に係る蒸気タービン１００では、前記吐出部５３の出口Ｅは、前記動翼３０、及び前記静翼２０の少なくとも一方の負圧面２１Ｑ上の前縁２１Ｆ側で、径方向に間隔をあけて複数配列されている。
上記構成によれば、負圧面２１Ｑのより広い範囲に対して安定的に被膜形成物質を供給することができる。
（４）第４の態様に係る蒸気タービン１００では、前記吐出部５３の出口Ｅ´は、周方向から見て、上流側から下流側に向かうに従って径方向の寸法が大きくなるように形成されている。
上記構成によれば、下流側に向かって被膜を拡大するように広い範囲に被膜形成物質を供給することができる。
（５）第５の態様に係る蒸気タービン１００では、前記吐出部５３の出口Ｅは、上流側から下流側にかけて複数列配置され、互いに隣り合う列同士の間で前記出口Ｅの径方向の位置が異なる。
上記構成によれば、たとえ特定の列の出口Ｅが閉塞した場合であっても、隣り合う列の他の出口Ｅによって被膜形成物質を供給し続けることができる。
（６）第６の態様に係る蒸気タービン１００では、前記物質供給部５は、前記供給流路５２から前記車室本体の内周面における前記動翼３０、及び前記静翼２０の少なくとも一方の前縁２１Ｆに対応する部分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内周面吐出部５４をさらに有する。
上記構成によれば、内周面吐出部５４によって、車室本体の内周面から動翼３０、及び静翼２０の少なくとも一方の前縁２１Ｆ側に被膜形成物質を供給することができる。また、当該内周面吐出部５４を設けることのみによって静翼本体２１の圧力面２１Ｐと負圧面２１Ｑの双方に均一に被膜形成物質を供給することができる。
（７）第７の態様に係る蒸気タービン１００では、前記吐出部５３Ｂは、多孔質材料Ｍで一体に形成されている。
上記構成によれば、多孔質材料Ｍで形成された吐出部５３Ｂから、被膜形成物質を滲み出るように吐出させることができる。これにより、より少なく量の被膜形成物質をより広い範囲に均一に供給することができる。
（８）第８の態様に係る翼は、内部から表面に連通することで、該表面上に付着した水滴に対する疎水性を有する被膜形成物質を前記表面に導く吐出部が形成されている。
上記構成によれば、被膜形成物質（Ｆｉｌｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ：ＦＦＳ）が静翼本体２１の表面に吐出部５３を通じて直接的に供給される。これにより、表面に疎水性の被膜が形成され、凝縮した水滴が静翼壁面に付着する可能性を低減することができる。その結果、静翼壁面上の水膜が静翼後縁から蒸気中に再放出されることで生じる粗大水滴の発生が抑止され、下流側の動翼３０に粗大水滴が衝突することで生じるエロージョンを回避することができる。加えて、粗大水滴を加速させるために奪われる蒸気のエネルギーである加速損失や、粗大水滴が動翼に衝突することにより回転にブレーキとして作用する衝動損失を低減できるためタービン効率を向上させることができる。また、被膜形成物質は、乱流摩擦低減効果（トムズ効果）を有することから、静翼本体２１の表面における流体の流れ場を改善し、翼型損失を低減することでタービン効率を向上させることもできる。さらに、被膜形成物質が金属表面に被膜を形成することから、防食効果を得ることもできる。
（９）第９の態様に係る翼では、前記吐出部の出口は、前記翼の圧力面上の前縁側で、径方向に間隔をあけて複数配列されている。
上記構成によれば、圧力面２１Ｐのより広い範囲に対して安定的に被膜形成物質を供給することができる。
（１０）第１０の態様に係る翼では、前記吐出部の出口は、前記翼の負圧面上の前縁側で、径方向に間隔をあけて複数配列されている。
上記構成によれば、負圧面２１Ｑのより広い範囲に対して安定的に被膜形成物質を供給することができる。
（１１）第１１の態様に係る翼では、前記吐出部の出口は、周方向から見て、上流側から下流側に向かうに従って径方向の寸法が大きくなるように形成されている。
上記構成によれば、下流側に向かって被膜を拡大するように広い範囲に被膜形成物質を供給することができる。
（１２）第１２の態様に係る翼では、前記吐出部の出口は、上流側から下流側にかけて複数列配置され、互いに隣り合う列同士の間で前記出口の径方向の位置が異なる。
上記構成によれば、たとえ特定の列の出口Ｅが閉塞した場合であっても、隣り合う列の他の出口Ｅによって被膜形成物質を供給し続けることができる。
（１３）第１３の態様に係る翼では、前記吐出部は、多孔質材料で一体に形成されている。
上記構成によれば、多孔質材料Ｍで形成された吐出部５３Ｂから、被膜形成物質を滲み出るように吐出させることができる。これにより、より少なく量の被膜形成物質をより広い範囲に均一に供給することができる。
（１４）第１４の態様に係る蒸気タービン１００の性能と信頼性の向上方法は、蒸気タービン１００の動翼３０、及び静翼２０の少なくとも一方の表面に、該表面上に付着した水滴に対する疎水性を有する被膜形成物質を供給する工程を含む。
上記方法によれば、被膜形成物質（Ｆｉｌｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ：ＦＦＳ）が動翼３０、及び静翼２０の少なくとも一方の表面に吐出部を通じて直接的に供給される。これにより、表面に疎水性の被膜が形成され、凝縮した水滴が付着する可能性を低減することができる。その結果、微小な水滴が成長することで生じる粗大水滴の発生が抑止され、下流側の動翼３０に粗大水滴が衝突することで生じるエロージョンを回避することができる。また、被膜形成物質は、乱流摩擦低減効果（トムズ効果）を有することから、動翼３０、及び静翼２０の少なくとも一方の表面における流体の流れ場を改善することもできる。さらに、被膜形成物質が金属表面に被膜を形成することから、防食効果を得ることもできる。
１００ 蒸気タービン
１ 蒸気タービンロータ
２ 蒸気タービンケーシング
２Ｈ ケーシング本体
３ シャフト
４Ａ ジャーナル軸受
４Ｂ スラスト軸受
５ 物質供給部
２０ 静翼
２１ 静翼本体
２１Ｆ 前縁
２１Ｐ 圧力面
２１Ｑ 負圧面
２１Ｒ 後縁
２２ 静翼シュラウド
２４ 外周リング
２４Ａ リング上流面
２４Ｂ リング内周面
２４Ｃ リング下流面
３０ 動翼
３１ 動翼本体
３２ プラットフォーム
３４ 動翼シュラウド
３４Ａ シュラウド上流面
３４Ｂ シュラウド内周面
３４Ｃ シュラウド下流面
５１ 貯留部
５２ 供給流路
５３，５３Ｂ 吐出部
５４ 内周面吐出部
９０ 翼
Ｅ，Ｅ´，Ｅ２ 出口
Ｏ 回転軸
Ｌ１，Ｌ２ 端縁
Ｒ１，Ｒ２ 列
１ 蒸気タービンロータ
２ 蒸気タービンケーシング
２Ｈ ケーシング本体
３ シャフト
４Ａ ジャーナル軸受
４Ｂ スラスト軸受
５ 物質供給部
２０ 静翼
２１ 静翼本体
２１Ｆ 前縁
２１Ｐ 圧力面
２１Ｑ 負圧面
２１Ｒ 後縁
２２ 静翼シュラウド
２４ 外周リング
２４Ａ リング上流面
２４Ｂ リング内周面
２４Ｃ リング下流面
３０ 動翼
３１ 動翼本体
３２ プラットフォーム
３４ 動翼シュラウド
３４Ａ シュラウド上流面
３４Ｂ シュラウド内周面
３４Ｃ シュラウド下流面
５１ 貯留部
５２ 供給流路
５３，５３Ｂ 吐出部
５４ 内周面吐出部
９０ 翼
Ｅ，Ｅ´，Ｅ２ 出口
Ｏ 回転軸
Ｌ１，Ｌ２ 端縁
Ｒ１，Ｒ２ 列
Claims (14)
- 回転軸回りに回転する回転軸と、
該回転軸の外周面から径方向に延びるとともに周方向に配列された複数の動翼と、
前記回転軸、及び前記動翼を外周側から覆う車室本体と、
該車室本体の内周面における前記動翼よりも上流側の位置から径方向に延びるとともに周方向に配列された複数の静翼と、
前記動翼、及び前記静翼の少なくとも一方の表面に、該表面上に付着した水滴に対する疎水性を有する被膜形成物質を供給する物質供給部と、
を備え、
前記物質供給部は、
前記被膜形成物質を貯留する貯留部と、
前記車室本体の内部に形成され、前記貯留部から導かれた前記被膜形成物質が流通する供給流路と、
前記動翼、及び前記静翼の少なくとも一方の内部に形成され、前記表面に前記被膜形成物質を導く吐出部と、
を有する蒸気タービン。 - 前記吐出部の出口は、前記動翼、及び前記静翼の少なくとも一方の圧力面上の前縁側で、径方向に間隔をあけて複数配列されている請求項１に記載の蒸気タービン。
- 前記吐出部の出口は、前記動翼、及び前記静翼の少なくとも一方の負圧面上の前縁側で、径方向に間隔をあけて複数配列されている請求項１又は２に記載の蒸気タービン。
- 前記吐出部の出口は、周方向から見て、上流側から下流側に向かうに従って径方向の寸法が大きくなるように形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
- 前記吐出部の出口は、上流側から下流側にかけて複数列配置され、互いに隣り合う列同士の間で前記出口の径方向の位置が異なる請求項１から４のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
- 前記物質供給部は、前記供給流路から前記車室本体の内周面における前記動翼、及び前記静翼の少なくとも一方の前縁に対応する部分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内周面吐出部をさらに有する請求項１から５のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
- 前記吐出部は、多孔質材料で一体に形成されている請求項１に記載の蒸気タービン。
- 内部から表面に連通することで、該表面上に付着した水滴に対する疎水性を有する被膜形成物質を前記表面に導く吐出部が形成されている翼。
- 前記吐出部の出口は、前記翼の圧力面上の前縁側で、径方向に間隔をあけて複数配列されている請求項８に記載の翼。
- 前記吐出部の出口は、前記翼の負圧面上の前縁側で、径方向に間隔をあけて複数配列されている請求項８又は９に記載の翼。
- 前記吐出部の出口は、周方向から見て、上流側から下流側に向かうに従って径方向の寸法が大きくなるように形成されている請求項８から１０のいずれか一項に記載の翼。
- 前記吐出部の出口は、上流側から下流側にかけて複数列配置され、互いに隣り合う列同士の間で前記出口の径方向の位置が異なる請求項８から１１のいずれか一項に記載の翼。
- 前記吐出部は、多孔質材料で一体に形成されている請求項８に記載の翼。
- 蒸気タービンの動翼、及び静翼の少なくとも一方の表面に、該表面上に付着した水滴に対する疎水性を有する被膜形成物質を供給する工程を含む蒸気タービンの性能と信頼性の向上方法。
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