JP7370711B2 - 混圧タービン - Google Patents

Description

本発明は、異なる圧力の蒸気が供給される混圧タービンに関するものである。

混圧タービンは、異なる圧力の蒸気が供給されることによって動作する（特許文献１参照）。混圧タービンでは、主蒸気が流れる動翼段の下流側に、主蒸気よりも低圧とされた低圧蒸気を供給することによって蒸気が混合される。

特許文献１には、低圧蒸気を主蒸気に混合する際に、外周側から円周方向に均一に低圧蒸気を導くために、タービン車室の内周に沿って円環状とされた整流板を設けることが開示されている。

実開昭６２－４３１０２号公報

しかし、特許文献１では、タービン車室の内周に沿って設けられた整流板を通過させた後に静翼列の外周側から低圧蒸気を導く構成となっている。このため、整流版の周囲に混気を供給する空間ないし流路が必要になり、車室の外径が大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、車室の外径を小さくすることができる混圧タービンを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る混圧タービンは、車室内に設けられ、回転軸線回りに回転するロータと、前記ロータの外周に固定され、主蒸気が導かれる上流動翼段と、前記上流動翼段の下流側に設けられ、複数の静翼からなる静翼列を有する下流静翼段と、前記車室側から内周側に向けて、前記主蒸気よりも低圧とされた混気蒸気である低圧蒸気を供給する低圧蒸気供給部と、前記低圧蒸気供給部から供給された低圧蒸気が前記静翼列よりも前記ロータ側に導かれた後に該静翼列側に導かれる低圧蒸気分配流路と、を備えている。

低圧蒸気供給部から導入された低圧蒸気は、低圧蒸気分配流路によって、下流静翼段の静翼列よりもロータ側に導かれた後に静翼列に導かれる。すなわち、低圧蒸気は、静翼列の内周側から導かれ、主蒸気と混合する。このように、低圧蒸気を静翼列に分配する空間として静翼列の内周側の空間を用いることとしたので、静翼列の外周側の空間を低圧蒸気の分配のために積極的に用いる必要がないので、車室の外径を小さくすることができる。

さらに、本発明の一態様に係る混圧タービンでは、前記低圧蒸気分配流路は、前記静翼列の内周に円周方向に沿って設けられた内周仕切壁を備え、前記内周仕切壁は、前記低圧蒸気を前記低圧蒸気分配流路に導く流入部と、該流入部に対して前記ロータを挟んだ対向位置に設けられ、前記静翼列に前記低圧蒸気を導く対向流出部と、を備えている。

低圧蒸気分配流路は、静翼列の内周に設けた内周仕切壁を備え、低圧蒸気分配流路に設けた流入部から導入した低圧蒸気を効果的に取り入れることができる。そして、流入部に対してロータを挟んで対向する位置に設けられた対向流出部から低圧蒸気を静翼列に導くこととした。これにより、流入部から最も遠い対向流出部からも低圧蒸気を静翼列に導くことができる。

さらに、本発明の一態様に係る混圧タービンでは、前記内周仕切壁は、前記流入部と前記対向流出部との間にわたって連続した連続壁部を備えている。

流入部と対向流出部との間にわたって連続した連続壁部を設けることとしたので、流入部から最も遠い対向流出部から優先的に低圧蒸気を静翼列に導くことができる。

さらに、本発明の一態様に係る混圧タービンでは、前記内周仕切壁は、前記流入部と前記対向流出部との間に、１又は複数の中間流出部を備えている。

流入部と対向流出部との間に中間流出部を設けることで、周方向における各位置の静翼に対して低圧蒸気を分配することができる。中間流出部を複数設ける場合、中間流出部の流出流路面積は、同一面積としても良いが、流入部に近いほど小さく、かつ対向流出部に近いほど大きくしても良い。流入部から遠い位置ほど低圧蒸気を導きに難いからである。

さらに、本発明の一態様に係る混圧タービンでは、前記低圧蒸気分配流路は、前記静翼列の内周に円周方向に沿って設けられた内周仕切壁を備え、前記内周仕切壁は、多孔体とされている。

低圧蒸気分配流路は、静翼列の内周に設けた内周仕切壁を備えている。低圧蒸気は、多孔体とされた内周仕切壁の全体から静翼列側に供給される。これにより、低圧蒸気を静翼列に対して可及的に均一に供給することができる。

さらに、本発明の一態様に係る混圧タービンでは、前記低圧蒸気供給部は、前記低圧蒸気分配流路に向けて延在するガイド壁を備えている。

低圧蒸気分配流路に向けて延在するガイド壁によって、低圧蒸気分配流路内に低圧蒸気をガイドすることとした。これにより、低圧蒸気を無駄なく低圧蒸気分配流路内に導くことができる。

さらに、本発明の一態様に係る混圧タービンでは、前記ガイド壁は、前記上流動翼段の出口における主蒸気の絶対速度の方向に向けて配置されている。

上流動翼段の出口における主蒸気の絶対速度の方向に向けてガイド壁を配置することにより、主蒸気の流れを乱すことを抑制することができる。これにより、タービン効率の低下を抑制することができる。
主蒸気の絶対速度の方向は、上流動翼段の周速度と、上流動翼段の出口の相対速度から得ることができる。

さらに、本発明の参考態様に係る混圧タービンでは、前記低圧蒸気供給部は、前記静翼の翼長方向に貫通する低圧蒸気供給孔を備えている。

静翼の翼長方向に貫通する低圧蒸気供給孔を設けることによって、低圧蒸気を低圧蒸気分配流路に供給することができる。これにより、主蒸気が流れる主流路の流れに影響を及ぼす構造物を不要とすることができ、タービン効率の低下を抑制することができる。

さらに、本発明の一態様に係る混圧タービンでは、前記静翼列の外周に円周方向に沿って設けられた外周仕切壁を備えている。

静翼列の外周に円周方向に沿って設けられた外周仕切壁を設けることにより、外周仕切壁の内周側に主流路を規定することができる。これにより、主流路における蒸気流れを整えることができるので、タービン効率を向上させることができる。

静翼列の内周側から低圧蒸気を供給することとしたので、車室の外径を小さくすることができる。

本発明の第１実施形態に係る混圧タービンの要部を示した縦断面図である。 混気蒸気が導入される要部を示した縦断面図である。 図２Ａの静翼段を正面側から見た横断面図である。 変形例１を示した図２Ｂに対応する横断面図である。 変形例２を示した図２Ｂに対応する横断面図である。 変形例２に対してガイドプレートを適用した横断面図である。 変形例３を示した図２Ｂに対応する横断面図である。 変形例４を示し、ガイドプレートの配置方向を示した側面図である。 図７Ａのガイドプレートの配置方向が変化した状態を示した側面図である。 図７Ａのガイドプレートの配置方向が変化した状態を示した側面図である。 本発明の参考例としての実施形態に係り、図２Ａに対応した縦断面図である。 図８Ａの静翼段を正面側から見た横断面図である。 図８Ａの静翼を示した横断面図である。 図９Ａの変形例を示した横断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１には、本実施形態に係る混圧タービン１の要部が示されている。
混圧タービン１は、図示しない発電機に接続されており、発電機タービンとして用いられる。ただし、混圧タービン１は、発電機用以外にも他の用途の蒸気タービンとして用いることもできる。

混圧タービン１は、車室３内にロータ５を備えている。ロータ５は、回転軸線ＣＬ回りに回転可能に支持されている。

ロータ５の外周には、複数の動翼段７が固定されている。図１には、回転軸線ＣＬ方向に並べられた５段の動翼段７が示されている。各動翼段７には、回転軸線ＣＬを中心とする円周方向に等間隔で複数の動翼７ａが固定されている。円周方向に配置された複数の動翼７ａによって動翼列が構成される。なお、動翼段７の数は本実施形態に限定されるものではない。

各動翼段７の上流側（同図において左側）には、静翼段１０が配置されている。各静翼段１０は、車室３の内周側に固定されている。各静翼段１０には、回転軸線ＣＬを中心とする円周方向に等間隔で複数の静翼１０ａが固定されている。円周方向に配置された複数の静翼１０ａによって静翼列が構成される。静翼列はノズルとして機能する。複数の静翼１０ａによって構成される静翼列は、複数の動翼７ａによって構成される動翼列に対向するように配置されている。なお、静翼段１０の数は本実施形態に限定されるものではない。

主蒸気が図示しない主蒸気供給口から導かれ、矢印Ａ１に示すように主流路Ｆ１を流れる。具体的には、主蒸気は、初段の静翼段１０を通過した後に初段の動翼段７を通過する。その後、第２段の静翼段１０を通過した後に第２段の動翼段７を通過する。これを順次各段の静翼段１０及び動翼段７で繰り返すことによって、蒸気のエンタルピがロータ５の回転軸線ＣＬ回りの駆動力に変換される。

第３段（同図において左から３番目）の動翼段（上流動翼段）７と、第４段（左から４段目）の静翼段（下流静翼段）１０との間でかつ車室３の外周には、矢印Ａ２で示すように混気蒸気を車室３内に導く混気蒸気導入口１２が設けられている。混気蒸気導入口１２は、図示しない混気蒸気の供給源（例えばボイラ）に接続されている。混気蒸気は、主蒸気よりも低圧とされた低圧蒸気である。なお、混気蒸気導入口１２を設ける位置は、第３段の動翼段７と第４段の静翼段１０との間に限定されるものではなく、他の段落の動翼段７と静翼段１０との間に設けても良い。

混気蒸気導入口１２は、内周側に位置する混気蒸気導入空間１３に接続されている。混気蒸気導入空間１３は、他の段落における動翼段７と静翼段１０との間の空間よりも回転軸線ＣＬ方向に広い空間とされている。混気蒸気導入空間１３は、回転軸線ＣＬを中心とする円周方向に３６０°にわたって設けられている。混気蒸気は、矢印Ａ３で示すように、混気蒸気導入空間１３から内周方向に導かれる。

図２Ａには、図１に示した混気蒸気導入口１２周りの要部が示されている。同図に示されているように、静翼段１０の上流側には、外周仕切壁１５と、内周仕切壁１７とが固定されている。

外周仕切壁１５は、下流端（図において右側）が静翼段１０に固定されている。図２Ｂに示すように、外周仕切壁１５は、静翼段１０の外周に設置されており、一部が外側混気蒸気導入部１５ａとして切り欠かれた円筒形状とされている。外周仕切壁１５の内周側に静翼１０ａが位置する主流路Ｆ１が規定されることになる。
なお、図２Ｂでは、静翼列を構成する複数の静翼１０ａが省略されて示されている。

内周仕切壁１７は、図２Ａに示すように、下流端（図において右側）が静翼段１０に固定されている。図２Ｂに示すように、内周仕切壁１７は、静翼段１０の内周に設置されており、複数ヶ所が切り欠かれた円筒形状とされている。
内周仕切壁１７は、混気蒸気を内周側に導入する内側混気蒸気導入部１７ａと、ロータ５を挟んだ対向位置に設けられた対向流出部１７ｂとが設けられている。これにより、内周仕切壁１７の内周側に、混気蒸気を導入するとともに各静翼１０ａに混気蒸気を導く混気蒸気分配流路（低圧蒸気分配流路）１７ｃが形成される。

図２Ｂに示すように、外周仕切壁１５の外側混気蒸気導入部１５ａと内周仕切壁１７の内側混気蒸気導入部１７ａとを半径方向に接続するように、ガイドプレート（ガイド壁）２０が設けられている。ガイドプレート２０は、図２Ｂにおいてハの字状に２つ設けられている。これら２つのガイドプレート２０によって囲まれた領域に、混気蒸気供給部（低圧蒸気供給部）２１が形成されている。混気蒸気供給部２１は、混気蒸気導入口１２と内周仕切壁１７の内周側に形成された混気蒸気分配流路１７ｃとを接続する流路となる。

図２Ｂの矢印Ａ４に示すように、混気蒸気は、混気蒸気導入口１２から混気蒸気供給部２１を通り、混気蒸気分配流路１７ｃへと流れ込む。その後、対向流出部１７ｂから静翼１０ａ側に導かれる。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
混気蒸気供給部２１から導入された混気蒸気は、混気蒸気分配流路１７ｃによって、静翼段１０の各静翼１０ａよりも内周側に導かれた後に各静翼１０ａに導かれる。すなわち、混気蒸気は、各静翼１０ａの内周側から導かれ、主蒸気と混合する。このように、混気蒸気を静翼１０ａに分配する空間として各静翼１０ａの内周側の空間である混気蒸気分配流路１７ｃを用いることとしたので、混気蒸気の分配のための外周側の空間が不要となるので、車室３の径を小さくすることができる。

内周仕切壁１７に、内側混気蒸気導入部１７ａに対してロータ５を挟んで対向する位置に対向流出部１７ｂを設けることとした。これにより、内側混気蒸気導入部１７ａから最も遠い対向流出部１７ｂであっても有効に混気蒸気を静翼１０ａに導くことができる。特に、内周仕切壁１７は、内側混気蒸気導入部１７ａと対向流出部１７ｂとの間にわたって連続した連続壁部とされているので、対向流出部１７ｂに混気蒸気を他から流出させずに優先的に導くことができる。

混気蒸気分配流路１７ｃに接続するガイドプレート２０によって、混気蒸気分配流路１７ｃ内に混気蒸気をガイドすることとした。これにより、混気蒸気を無駄なく混気蒸気分配流路１７ｃ内に導くことができる。

静翼１０ａの外周に円周方向に沿って設けられた外周仕切壁１５を設けることにより、外周仕切壁１５の内周側に主流路Ｆ１を規定することができる。これにより、主流路Ｆ１における蒸気流れを整えることができるので、タービン効率を向上させることができる。特許文献１に示した公知例では、静翼列の外周側から混気蒸気を導くので、車室が大型化してしまい外周仕切壁１５を設けることが困難である。本実施形態では、静翼列の内周側から混気蒸気を導くことができるので、車室の大型化を回避しながら外周仕切壁１５を採用することができる点で公知例に対して有利である。

なお、本実施形態は、以下のように変形することができる。
［変形例１］
図３に示すように、ガイドプレート２０を省略しても良い。これにより、矢印Ａ５に示すように、混気蒸気供給部２１に近い静翼１０ａに対して直接的に混気蒸気を供給することができる。本変形例の場合、混気蒸気は、外側混気蒸気導入部１５ａ及び内側混気蒸気導入部１７ａを介して混気蒸気分配流路１７ｃへと導かれる。

［変形例２］
図４に示すように、図３の構成に対して、内側混気蒸気導入部１７ａと対向流出部１７ｂとの間に、１又は複数の中間流出部１７ｄを設けても良い。
中間流出部１７ｄを設けることで、周方向における各位置の静翼１０ａに対して混気蒸気を効率的に分配することができる。中間流出部１７ｄを複数設ける場合、中間流出部１７ｄの流出流路面積は、同一面積としても良いが、内側混気蒸気導入部１７ａに近いほど小さく、かつ対向流出部１７ｂに近いほど大きくしても良い。内側混気蒸気導入部１７ａから遠い位置ほど混気蒸気を導きに難いからである。
なお、図５に示すように、本変形例に対して、図２Ｂに示したガイドプレート２０を設けても良い。

［変形例３］
図６に示すように、内周仕切壁１７として多孔体を用いても良い。多孔体としては、例えばパンチングメタルや金網を用いることができる。多孔体とされた内周仕切壁１７を用いることにより、混気蒸気を各静翼１０ａに対して可及的に均一に供給することができる。

［変形例４］
図７Ａ乃至図７Ｃには、外周側からガイドプレート２０を見た図、より具体的には図２Ｂの矢印Ｂ１方向にガイドプレートを見た図が示されている。
ガイドプレート２０の配置方向は、主蒸気Ｓ１の絶対速度Ｃ方向に向けることが好ましい。絶対速度Ｃは、ガイドプレート２０の直近の上流側に位置する動翼７ａの形状及び取付角度から決まる相対速度Ｗと、ロータ５の回転数によって決まる動翼７ａの周速度Ｕとから決まる。ロータ５の回転数としては、例えば定格時の回転数が用いられる。なお、図７Ａ乃至図７Ｃにおいて、矢印Ｃ１は動翼７ａの回転方向（すなわちロータ回転方向）を示している。

図７Ａのように、絶対速度Ｃの方向が水平方向（回転軸線ＣＬ（図１参照）に平行な方向）を向く場合には、ガイドプレート２０は水平方向に長手方向を向けて配置される。
図７Ｂのように、絶対速度Ｃの方向が右上方向を向く場合には、ガイドプレート２０は右上方向に長手方向を向けて配置される。
図７Ｃのように、絶対速度Ｃの方向が右下方向を向く場合には、ガイドプレート２０は右下方向に長手方向を向けて配置される。

本変形例のように、動翼７ａの出口における主蒸気の絶対速度Ｃの方向に沿ってガイドプレート２０を配置することにより、主蒸気の流れを乱すことを抑制することができる。これにより、タービン効率の低下を抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の参考例としての実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、混気蒸気分配流路１７ｃへと混気蒸気を導く経路が異なる点で相違する。その他の構成は第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と相違する点について主として説明する。

図８Ａに示すように、混気蒸気導入口１２から導入された混気蒸気は、矢印Ａ６に示すように、静翼段１０に形成した混気蒸気供給孔（低圧蒸気供給部）を通過して、混気蒸気分配流路１７ｃへと導かれる。

混気蒸気分配流路１７ｃへと導かれた混気蒸気は、図８Ｂに示すように、内周仕切壁１７に形成された複数の流出部１７ｅから半径方向外側に流れて静翼１０ａへと導かれる。各流出部１７ｅは、好ましくは、内周仕切壁１７の円周方向に等間隔に設けられている。なお、流出部１７ｅは、１つとしても良い。

本実施形態の内周仕切壁１７は、静翼段１０から混気蒸気が導かれるので、第１実施形態のような内側混気蒸気導入部１７ａ（図２Ｂ参照）が設けられていない。したがって、外周仕切壁１５についても、外側混気蒸気導入部１５ａ（図２Ｂ参照）が設けられていない。このため、外周仕切壁１５は無端状の円筒形とすることができるので、主流路Ｆ１を流れる蒸気の漏れを抑制できるので好ましい。また、主流路Ｆ１を流れる蒸気を混気蒸気が阻害することがない。

図９Ａ及び図９Ｂには、静翼段１０に混気蒸気供給孔を形成する際に用いられる静翼１０ａが示されている。
静翼１０ａには、翼先端から翼根方向に向かう翼長方向（同図において紙面垂直方向）に貫通する貫通孔（低圧蒸気供給孔）１０ｂが形成されている。混気蒸気の流量が比較的小さい場合には、図９Ａに示すように、ドリル加工によって貫通孔１０ｂを形成する。混気蒸気の流量が比較的大きい場合には、流路断面積を大きくするために、図９Ｂに示すように、板金によって静翼１０ａを製作することによって貫通孔１０ｂを形成する。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
静翼１０ａの翼長方向に貫通する貫通孔１０ｂを設けることによって、静翼段１０を介して混気蒸気を混気蒸気分配流路１７ｃに供給することができる。これにより、主蒸気が流れる主流路Ｆ１の流れに影響を及ぼす構造物及び混気蒸気を不要とすることができ、タービン効率の低下を抑制することができる。

１ 混圧タービン
３ 車室
５ ロータ
７ 動翼段
７ａ 動翼
１０ 静翼段
１０ａ 静翼
１０ｂ 貫通孔（低圧蒸気供給孔）
１２ 混気蒸気導入口
１３ 混気蒸気導入空間
１５ 外周仕切壁
１５ａ 外側混気蒸気導入部
１７ 内周仕切壁
１７ａ 内側混気蒸気導入部
１７ｂ 対向流出部
１７ｃ 混気蒸気分配流路（低圧蒸気分配流路）
１７ｄ 中間流出部
１７ｅ 流出部
２０ ガイドプレート（ガイド壁）
２１ 混気蒸気供給部（低圧蒸気供給部）
ＣＬ 回転軸線
Ｆ１ 主流路

Claims (7)

1. 車室内に設けられ、回転軸線回りに回転するロータと、
   前記ロータの外周に固定され、主蒸気が導かれる上流動翼段と、
   前記上流動翼段の下流側に設けられ、複数の静翼からなる静翼列を有する下流静翼段と、
   前記車室側から内周側に向けて、主蒸気よりも低圧とされた混気蒸気である低圧蒸気を供給する低圧蒸気供給部と、
   前記低圧蒸気供給部から供給された低圧蒸気が前記静翼列よりも前記ロータ側に導かれた後に該静翼列側に導かれる低圧蒸気分配流路と、
   を備え、
   前記低圧蒸気分配流路は、前記静翼列の内周に円周方向に沿って設けられた内周仕切壁を備え、
   前記内周仕切壁は、前記低圧蒸気を前記低圧蒸気分配流路に導く流入部と、該流入部に対して前記ロータを挟んだ対向位置に設けられ、前記静翼列に前記低圧蒸気を導く対向流出部と、を備えている混圧タービン。
2. 前記内周仕切壁は、前記流入部と前記対向流出部との間にわたって連続した連続壁部を備えている請求項１に記載の混圧タービン。
3. 前記内周仕切壁は、前記流入部と前記対向流出部との間に、１又は複数の中間流出部を備えている請求項１に記載の混圧タービン。
4. 車室内に設けられ、回転軸線回りに回転するロータと、
   前記ロータの外周に固定され、主蒸気が導かれる上流動翼段と、
   前記上流動翼段の下流側に設けられ、複数の静翼からなる静翼列を有する下流静翼段と、
   前記車室側から内周側に向けて、主蒸気よりも低圧とされた混気蒸気である低圧蒸気を供給する低圧蒸気供給部と、
   前記低圧蒸気供給部から供給された低圧蒸気が前記静翼列よりも前記ロータ側に導かれた後に該静翼列側に導かれる低圧蒸気分配流路と、
   を備え、
   前記低圧蒸気分配流路は、前記静翼列の内周に円周方向に沿って設けられた内周仕切壁を備え、
   前記内周仕切壁は、多孔体とされている混圧タービン。
5. 車室内に設けられ、回転軸線回りに回転するロータと、
   前記ロータの外周に固定され、主蒸気が導かれる上流動翼段と、
   前記上流動翼段の下流側に設けられ、複数の静翼からなる静翼列を有する下流静翼段と、
   前記車室側から内周側に向けて、主蒸気よりも低圧とされた混気蒸気である低圧蒸気を供給する低圧蒸気供給部と、
   前記低圧蒸気供給部から供給された低圧蒸気が前記静翼列よりも前記ロータ側に導かれた後に該静翼列側に導かれる低圧蒸気分配流路と、
   を備え、
   前記低圧蒸気供給部は、前記低圧蒸気分配流路に向けて延在するガイド壁を備えている混圧タービン。
6. 前記ガイド壁は、前記上流動翼段の出口における主蒸気の絶対速度の方向に向けて配置されている請求項５に記載の混圧タービン。
7. 前記静翼列の外周に円周方向に沿って設けられた外周仕切壁を備えている請求項１から６のいずれかに記載の混圧タービン。

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