JP7458947B2 - 蒸気タービン - Google Patents
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Description
(蒸気タービンの構成)
図1に示すように、本実施形態の蒸気タービン1Aは、軸線Oを中心として回転するロータ20と、ロータ20を覆うケーシング10と、を有している。
ロータ20は、ロータ軸21と、動翼列31と、を有している。ロータ軸21は、軸線Oを中心として軸方向Daに延びている。ロータ軸21は、軸線Oを中心として回転可能とされている。ロータ軸21は、軸芯部22と、複数のディスク部23と、を有している。軸芯部22は、軸線Oを中心として円柱状に形成されて軸方向Daに延びている。複数のディスク部23は、軸方向Daに互いに間隔をあけて配置されている。各ディスク部23は、ロータ軸21の外周部分を構成するように、軸芯部22と一体に形成されている。各ディスク部23は、軸芯部22から径方向Drの外側Droに広がるように配置されている。
動翼列31は、ロータ軸21の径方向Drの外側Droに固定されている。動翼列31は、ロータ軸21の軸方向Daに沿って間隔をあけて複数列が配置されている。本実施形態の場合、動翼列31は、例えば四列配置されている。よって、本実施形態の場合、動翼列31として、第一列から第四列の動翼列31まで配置されている。
ケーシング10は、ロータ軸21及び複数の動翼列31、すなわちロータ20を覆うように形成されている。ケーシング10における径方向Drの内側Driには、静翼列41が固定されている。静翼列41は、軸方向Daに沿って間隔を空けて複数配置されている。本実施形態の場合、静翼列41の列数は、動翼列31と同じ四列が配置されている。各静翼列41は、各動翼列31に対して軸方向Daの第一側Dauに間隔をあけて並ぶように配置されている。静翼列41は、動翼列31と共に一つの圧縮段を構成している。したがって、本実施形態では、四列の動翼列31及び静翼列41によって、最終段を第四段とする四つの圧縮段が構成されている。
各列の静翼列41は、周方向Dcに並ぶ複数の静翼42を有している。静翼列41は、外側リング43と、静翼本体44と、内側リング46と、を有している。外側リング43は、環状に形成されている。外側リング43は、静翼本体44の径方向Drの外側Droに配置されている。内側リング46は、環状に形成されている。内側リング46は、静翼本体44の径方向Drの内側Driに配置されている。外側リング43と内側リング46との間の環状の空間は、蒸気Sが流れる蒸気主流路15の一部を成している。
ディフューザ70は、複数列の動翼列31のうちで最も軸方向Daの最も第二側Dadに配置された最終段の動翼列31Fから流出した蒸気Sを、排気ケーシング51を介してケーシング10の外部に案内する。ディフューザ70は、最終段の動翼列31Fと排気ケーシング51との間に配置されている。本実施形態のディフューザ70は、外側ガイド71と、内側ガイド72と、を有している。
外側ガイド71は、最終段の動翼列31Fに対して軸方向Daの第二側Dadに配置されている。外側ガイド71は、軸方向Daの第一側Dauから第二側Dadに向かって径方向Drの外側Droに次第に拡大するよう形成されている。本実施形態の外側ガイド71は、径方向Drの内側Driに向かって凸となるように湾曲している。外側ガイド71は、第一拡径部711と、第二拡径部712と、を有している。
内側ガイド72は、外側ガイド71に対して径方向Drの内側Driに間隔を空けて配置されている。これにより、外側ガイド71と内側ガイド72との間には、蒸気Sが流通可能な流路である環状流路100が画成されている。環状流路100は、軸方向Daから見て円環状になるように、外側ガイド71と内側ガイド72との間に画成されている。環状流路100は、蒸気主流路15に対して軸方向Daの第二側Dadで繋がっている。内側ガイド72は、軸方向Daの第一側Dauから第二側Dadに向かって径方向Drの外側Droに第三の曲率半径R3で次第に拡大するよう形成されている。内側ガイド72は、内側湾曲拡径部73を有している。内側湾曲拡径部73は、軸線Oに対して平行かつ直交する断面視で、第三の曲率半径R3で湾曲した板状に形成されている。具体的には、内側湾曲拡径部73は、軸線Oに対して平行かつ直交する断面視で、軸方向Daの第一側Dauの内側ガイド第一端731と軸方向Daの第二側Dadの内側ガイド第二端732とに対し、内側ガイド第一端731と内側ガイド第二端732との間の内側ガイド中間部733が径方向Drの内側Driに張り出すように湾曲して形成されている。第三の曲率半径R3は、第一拡径部711の第一の曲率半径R1よりも大きく設定することが好ましい。本実施形態では、第三の曲率半径R3は、第一の曲率半径R1よりも大きく第二の曲率半径R2よりも小さい。なお、第三の曲率半径R3は、第一の曲率半径R1よりも大きければ、第二の曲率半径R2よりも小さいことに限定されるものではない。したがって、第三の曲率半径R3は、第二の曲率半径R2とおなじであってもよい。
一般的に、蒸気タービン1Aが定格運転している際に最終段の動翼列31Fから流出した蒸気Sの流速(平均流速)が遷音速となる場合がある。さらに、最終段の動翼列31Fから流出した蒸気Sの流速分布は、動翼列31による遠心力の影響により、径方向Drの内側Driから外側Droに向かって次第に高くなっている。このため、最終段の動翼列31Fから流出した蒸気Sの流速が遷音速である場合、シュラウド34に近い領域では、蒸気Sの流速がさらに高まる。その結果、環状流路100では、蒸気Sが軸線Oに対して径方向Drの外側Droに向かうように斜めに流れる。これにより、ディフューザ70内を流れる蒸気Sは、排気ケーシング51に流入する前にディフューザ70を形成する壁面から剥離しやすくなってしまう。剥離が生じた場合には、排気損失が増加してしまう。
次に、本開示に係る蒸気タービン1Bの第二実施形態について説明する。なお、以下に説明する第二実施形態においては、上記第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
図3に示すように、第二実施形態の蒸気タービン1Bでは、ディフューザ60の構造が第一実施形態と異なっている。
第二実施形態のディフューザ60は、外側ガイド61と、内側ガイド62と、を有している。
外側ガイド61は、最終段の動翼列31Fに対して軸方向Daの第二側Dadに配置されている。外側ガイド61は、軸方向Daの第一側Dauから第二側Dadに向かって径方向Drの外側Droに次第に拡大するよう形成されている。外側ガイド61は、第一傾斜部611と、第二傾斜部612と、を有している。
内側ガイド62は、外側ガイド61に対して径方向Drの内側Driに間隔を空けて配置されている。これにより、外側ガイド61と内側ガイド62との間には、蒸気Sが流通可能な流路である環状流路100が画成されている。内側ガイド62は、軸方向Daの第一側Dauから第二側Dadに向かって径方向Drの外側Droに次第に拡大するよう形成されている。内側ガイド62の軸方向Daの長さは、外側ガイド61の軸方向Daの長さよりも長く形成されている。内側ガイド62は、外側ガイド61よりも軸方向Daの第二側Dadに長く延びている。内側ガイド62は、軸線Oに対して平行かつ直交する断面視で、軸線Oに対して第三傾斜角θ3で傾斜している。内側ガイド62は、軸線Oに対して平行かつ直交する断面視で、平板状に形成されている。したがって、内側ガイド62は、軸線Oに対して平行かつ直交する断面視で、軸方向Daの第一側Dauの内側ガイド第一端621から軸方向Daの第二側Dadの内側ガイド第二端622に向かって、一度も曲がることなくまっすぐに直線状に延びて形成されている。第三傾斜角θ3は、軸線Oに対する角度が第一傾斜角θ1よりも大きく、かつ第二傾斜角θ2よりも小さい。
蒸気タービン1Bが定格運転している際に最終段の動翼列31Fから流出した蒸気Sの流速(平均流速)が亜音速である場合、シュラウド34に近い領域では、蒸気Sの流速がさらに高まって、超音速となることがある。これに対し、本実施形態では、ディフューザ60の第一領域P11で、環状流路100の断面積A1が軸方向Daの第二側Dadに向かって次第に小さくなっている。環状流路100が絞られていることで、最終段の動翼列31Fから流出した蒸気Sの流速(マッハ数)は、第一領域P11で全体的に低減される。これにより、第一領域P11における径方向Drで外側ガイド61に近い領域における蒸気Sの流速が、超音速から亜音速に低減される。その後、第一領域P11から第二領域P12に蒸気Sは流入する。第二領域P12での蒸気Sの流速は、亜音速に低減された状態で、環状流路100の断面積A2が軸方向Daの第二側Dadに向かって次第に大きくなることによってさらに低減される。これより、静圧の回復が図られる。したがって、最終段の動翼列31Fから流出した蒸気Sの流速が亜音速である場合であっても、ディフューザ60内における蒸気Sの静圧の回復を効率良く行うことが可能となる。
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
各実施形態に記載の蒸気タービンは、例えば以下のように把握される。
10…ケーシング
15…蒸気主流路
20…ロータ
21…ロータ軸
22…軸芯部
23…ディスク部
31…動翼列
31F…最終段の動翼列
32…動翼
33…動翼本体
34…シュラウド
35…プラットフォーム
41…静翼列
42…静翼
43…外側リング
44…静翼本体
46…内側リング
51…排気ケーシング
513…排気口
60、70…ディフューザ
61、71…外側ガイド
611…第一傾斜部
612…第二傾斜部
62、72…内側ガイド
621、731…内側ガイド第一端
622、732…内側ガイド第二端
711…第一拡径部
7111…拡径部第一端
7112…拡径部第二端
7113…拡径部中間部
712…第二拡径部
73…内側湾曲拡径部
733…内側ガイド中間部
100…環状流路
A1…断面積
A1max…最大断面積
A1min…最小断面積
A2…断面積
A2max…最大断面積
Aw…断面積
Da…軸方向
Dad…第二側
Dau…第一側
Dc…周方向
Dr…径方向
Dri…内側
Dro…外側
O…軸線
P1、P11…第一領域
P2、P12…第二領域
R1…第一の曲率半径
R2…第二の曲率半径
R3…第三の曲率半径
S…蒸気
θ1…第一傾斜角
θ2…第二傾斜角
θ3…第三傾斜角
Claims (7)
- 軸線を中心として回転するロータ軸と、
前記ロータ軸に対して前記軸線を基準とする径方向の外側に固定され、前記軸線の延びる軸方向に間隔をあけて配置された複数の動翼列と、
前記ロータ軸及び複数の前記動翼列を覆うケーシングと、
前記ケーシングに固定され、前記動翼列に対して前記軸方向の第一側に間隔をあけて配置された静翼列と、を備え、
前記ケーシングは、複数の前記動翼列のうちで前記軸方向の最も第二側に配置された最終段の前記動翼列から流出した蒸気を前記ケーシングの外部に案内するディフューザを有し、
前記ディフューザは、
前記軸方向の第一側から第二側に向かって前記径方向の外側に向かって次第に拡大する外側ガイドと、
前記外側ガイドに対して前記径方向の内側に間隔を空けて配置され、前記軸方向の第一側から第二側に向かって前記径方向の外側に向かって次第に拡大する内側ガイドと、を有し、
前記ディフューザは、
前記軸方向で最終段の前記動翼列に最も近い領域であって、前記外側ガイドと前記内側ガイドとの間に画成される流路の断面積が、前記軸方向の第二側に向かって次第に小さくなる第一領域と、
前記第一領域に対して前記軸方向の第二側で繋がった領域であって、前記流路の断面積が、前記軸方向の第二側に向かって次第に大きくなる第二領域と、を有し、
前記第一領域における前記流路の最小断面積は、最終段の前記動翼列の外周縁と内周縁との間に画成される前記流路の断面積よりも大きい蒸気タービン。 - 軸線を中心として回転するロータ軸と、
前記ロータ軸に対して前記軸線を基準とする径方向の外側に固定され、前記軸線の延びる軸方向に間隔をあけて配置された複数の動翼列と、
前記ロータ軸及び複数の前記動翼列を覆うケーシングと、
前記ケーシングに固定され、前記動翼列に対して前記軸方向の第一側に間隔をあけて配置された静翼列と、を備え、
前記ケーシングは、複数の前記動翼列のうちで前記軸方向の最も第二側に配置された最終段の前記動翼列から流出した蒸気を前記ケーシングの外部に案内するディフューザを有し、
前記ディフューザは、
前記軸方向の第一側から第二側に向かって前記径方向の外側に向かって次第に拡大する外側ガイドと、
前記外側ガイドに対して前記径方向の内側に間隔を空けて配置され、前記軸方向の第一側から第二側に向かって前記径方向の外側に向かって次第に拡大する内側ガイドと、を有し、
前記ディフューザは、
前記軸方向で最終段の前記動翼列に最も近い領域であって、前記外側ガイドと前記内側ガイドとの間に画成される流路の断面積が、前記軸方向の第二側に向かって次第に小さくなる第一領域と、
前記第一領域に対して前記軸方向の第二側で繋がった領域であって、前記流路の断面積が、前記軸方向の第二側に向かって次第に大きくなる第二領域と、を有し、
前記第二領域における前記流路の最大断面積は、前記第一領域における前記流路の最大断面積よりも大きい蒸気タービン。 - 前記第二領域における前記流路の最大断面積は、前記第一領域における前記流路の最大断面積よりも大きい請求項1に記載の蒸気タービン。
- 軸線を中心として回転するロータ軸と、
前記ロータ軸に対して前記軸線を基準とする径方向の外側に固定され、前記軸線の延びる軸方向に間隔をあけて配置された複数の動翼列と、
前記ロータ軸及び複数の前記動翼列を覆うケーシングと、
前記ケーシングに固定され、前記動翼列に対して前記軸方向の第一側に間隔をあけて配置された静翼列と、を備え、
前記ケーシングは、複数の前記動翼列のうちで前記軸方向の最も第二側に配置された最終段の前記動翼列から流出した蒸気を前記ケーシングの外部に案内するディフューザを有し、
前記ディフューザは、
前記軸方向の第一側から第二側に向かって前記径方向の外側に向かって次第に拡大する外側ガイドと、
前記外側ガイドに対して前記径方向の内側に間隔を空けて配置され、前記軸方向の第一側から第二側に向かって前記径方向の外側に向かって次第に拡大する内側ガイドと、を有し、
前記ディフューザは、
前記軸方向で最終段の前記動翼列に最も近い領域であって、前記外側ガイドと前記内側ガイドとの間に画成される流路の断面積が、前記軸方向の第二側に向かって次第に小さくなる第一領域と、
前記第一領域に対して前記軸方向の第二側で繋がった領域であって、前記流路の断面積が、前記軸方向の第二側に向かって次第に大きくなる第二領域と、を有し、
前記外側ガイドは、
前記第一領域に配置され、前記軸線に対して第一傾斜角で傾斜した第一傾斜部と、
前記第二領域に配置され、前記軸線に対して前記第一傾斜角よりも大きい第二傾斜角で傾斜した第二傾斜部と、を有し、
前記内側ガイドは、
前記軸方向の第一側の内側ガイド第一端から前記軸方向の第二側の内側ガイド第二端に向かって直線状に形成され、前記軸線に対する第三傾斜角が、前記第一傾斜角よりも大きく、かつ前記第二傾斜角よりも小さい蒸気タービン。 - 前記外側ガイドは、
前記第一領域に配置され、前記軸線に対して第一傾斜角で傾斜した第一傾斜部と、
前記第二領域に配置され、前記軸線に対して前記第一傾斜角よりも大きい第二傾斜角で傾斜した第二傾斜部と、を有し、
前記内側ガイドは、
前記軸方向の第一側の内側ガイド第一端から前記軸方向の第二側の内側ガイド第二端に向かって直線状に形成され、前記軸線に対する第三傾斜角が、前記第一傾斜角よりも大きく、かつ前記第二傾斜角よりも小さい請求項1から3の何れか一項に記載の蒸気タービン。 - 軸線を中心として回転するロータ軸と、
前記ロータ軸に対して前記軸線を基準とする径方向の外側に固定され、前記軸線の延びる軸方向に間隔をあけて配置された複数の動翼列と、
前記ロータ軸及び複数の前記動翼列を覆うケーシングと、
前記ケーシングに固定され、前記動翼列に対して前記軸方向の第一側に間隔をあけて配置された静翼列と、を備え、
前記ケーシングは、複数の前記動翼列のうちで前記軸方向の最も第二側に配置された最終段の前記動翼列から流出した蒸気を前記ケーシングの外部に案内するディフューザを有し、
前記ディフューザは、
前記軸方向の第一側から第二側に向かって前記径方向の外側に向かって次第に拡大する外側ガイドと、
前記外側ガイドに対して前記径方向の内側に間隔を空けて配置され、前記軸方向の第一側から第二側に向かって前記径方向の外側に向かって次第に拡大する内側ガイドと、を有し、
前記ディフューザは、
前記軸方向で最終段の前記動翼列に最も近い領域であって、前記外側ガイドと前記内側ガイドとの間に画成される流路の断面積が、前記軸方向の第二側に向かって次第に小さくなる第一領域と、
前記第一領域に対して前記軸方向の第二側で繋がった領域であって、前記流路の断面積が、前記軸方向の第二側に向かって次第に大きくなる第二領域と、を有し、
前記軸方向における前記第一領域の長さに対して、前記軸方向における前記第二領域の長さが、0.5倍~2.0倍でとされている蒸気タービン。 - 前記軸方向における前記第一領域の長さに対して、前記軸方向における前記第二領域の長さが、0.5倍~2.0倍でとされている請求項1から5の何れか一項に記載の蒸気タービン。
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Publications (2)
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