JPH02271002A - 蒸気タービンの熱力学的性能を最適化する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、蒸気タービンに関し、より詳細には、種々の
サイズの最終段タービン翼を用いないで、種々の排圧及
び種々のレベルの質量流量に対して演気タービンの熱力
学的性能を最適化する方法に関する。

電力会社の数年来の要望に応える従来の対策は、より大
型のユニットを製造するというものであったが、ユニッ
トの大型化のためには排気環周面積を増大させる必要が
あり、その結果、躍層面積は約２５％ずつ増大していた
。このように、単一の複流排気構造を備える新設計方式
が開発されたが、この新方式は、これと同一の総排気環
周面積を得るためには２つの複流低圧（ＬＰ）蒸気ター
ビンが用いられる旧設計方式に代わるものである。より
新しい設計方式では、技術の進歩により旧設計方式と比
べ熱力学的性能が優れている。

近年、市場においては、寿命を延ばすため、熱的性能（
出力と熱消費率の両面における性能）の向上という利益
を得るため、及び信顛性を高めると共に設備の性能低下
を補正するため、稼働中のユニットに関し、翼の交換に
対する要望が高まりつつある。加えて、現在の市場では
、現行設計方式を改良して、信顛性を高めると共に熱消
費率を低減させ、しかも融通性を大きくする必要が生じ
ている。もし新設計方式が、対応の旧設計方弐にレトロ
フィツトできると共に多種多様な用途について最適な構
成であったならば、工業経済と製造コストの両面におい
て大幅な節約を得ることが可能になろう。

蒸気タービンの最後の方の段は、翼が長大であるために
、タービンの全仕事の最も大きな割合を占め、従って、
熱消費率の改善の潜在的可能性が最も高い、タービン最
終段は可変圧力比の状態で作動するので、この最終段の
設計は著しく手が込んでいる。タービン初段が部分噴射
方式を採用していれば、このタービン初段だけが圧力比
の変動と同程度の作動状態の変動を生じる。最終段の他
にＬＰフタ−ンの上流側の段も又、作動状態の変動が生
じる。かかる変動の要因として、（１）定格負荷時の翼
端負荷（ｅｎｄ　ｌｏａｄｉｎｇ）の差、（２）現場の
設計排圧の差及び設計値からのばらつき、（３）種々の
タービン・フレームに関するフード（排気室）性能の差
、（４）サイクル薄気条件及びサイクル変動に起因する
ＬＰ入口蒸気条件、（５）油気点の位置、（６）作動中
の負荷分布状態（基底負荷であるかサイクル負荷である
かにより異なる）　５．　（７１区分型又は複圧式復水
器用途であるか非区分型又は重圧式復水器用途であるか
の差異、が挙げられる。

最低圧給水加熱器への油気流量を除く全ての抽気流量は
ユニットの絞り流量と正比例関係で変化するが、最低圧
給水加熱器への油気流量は絞り流量よりも大きな割合で
変化し、しかも復水器内圧力の変化に応じて変動する。

これにより下流側の段への流入角が変化するが、この抽
気点の直前に位置するタービン段の性能への影響は一層
小さくなる。

タービンの最後の数段は、同調処理が施されると共にテ
ーバされ、しかも捩じれが付けられた翼であり、流入角
の選択の度合いが大きいので、上述の７つの要因は段の
性能に対して大きな影響を及ぼす。

第１図は、例示の蒸気タービンの最終段静翼への流入角
で表した翼端負荷の影響の状態を示している。このグラ
フでは、一方は６０００　ｊ！　ｂ　／　ｈｒ／　ｆｔ
２（＝　２９３００ｋｇ　／　ｈｒ／　ｒｔｆ　）　、
他方は１１．５００１　ｂ　／　ｈｒ／ｆＬ”　（＝５
６１００ｋｇ／ｈｒ／　ｔｄ　）の２つの互いに異なる
火端負４荷イ直に関して、縦軸にＦインシデンス（１ｎ
ｃｉｄｅｎｃｅ）　Ｊ　　（設計角からの偏差）、横軸
に大高さを取っている。破線は予測値、を示し、斜線を
付した領域は測定値の範囲を示している。インシデンス
は、人口における翼の配向角度と流体の流入角度の差で
ある。インシデンスは全負荷状態では予想設計角を中心
にばらつきが生じるが、部分負荷状態では予想設計角か
らずれることに着目されたい。流入角の同様な変化（た
だし、変化の大きさは小さい）が直前上流側の静翼で見
出される。

抽気構造及び標準的な翼ゲージングは蒸気タービン毎に
多種多様である。Ｌ−２静翼ゲージングの差の多くは、
非再熱用途と再熱用途の差異に関係している。さらに、
三ｆｉｔＰタービン・フレームの中流要素では種々の抽
気構造が用いられているが、使用される翼は複流要素と
同一のものである。玉流システムでは、流入角に関し、
２つの流路（中流又は複流）のうち一方しかマツチさせ
ることができない。

もし？ｉ　ｉ’Ａ　Ｌ　Ｐタービンが中圧式復水器に関
し所与の排圧状態で最適効率で作動しでいる場０合、し
かも、復水器を同一の表面積を備えた２区分型複圧式復
水器に変換したとすれば、複流・要素の一端部における
圧力は増大するが他端部の圧力は減少することになろう
。何れの端部も最適効率状態では作動しないことになる
が、熱消費率の改善は図られる。その理由は、区分型復
水器の場合はモ均復水器内圧力が低くなるからである６
排圧が低い場合は端部流れ面積を大きく取る必要がある
が、排圧が高い場合には端部流れ面積を小さくする必要
がある。従来行われた研究によれば、最適な区分型復水
器用途のための総０ト気面積は、非区分型復水器用途の
総流れ面積とほぼ同一であるか、これまりもやや小さい
かであるということが立証されている。かかるシステム
の熱力学的性能を最適化させる従来方式は、区分型ｍ流
１−　Ｐ要素の各半部にサイズの異なる最終動翼を選定
、使用することであった。これにより、最適性能を得る
ための火のサイズの多様性が一層大きくなる。

本発明の目的は、低圧タービン部における最終列の兜の
寸法設定を変えないで蒸気タービンの効躬を向上させる
方法を提供することにある。

この目的に層みて、本発明の要旨は、８匁の寸法及び形
状を変えないで最終段の大間流れ面積を復水器内圧力に
マツチさせることにより蒸気タービンの熱力学的性能を
最適化する方法において、翼の配向角度を調整して、ゲ
ージングを復水器内圧力についての最適値に設定するこ
とを特徴とする方法にある。

翼環周面積だけでなく翼列の流れ（スロート又はのど部
）面積も翼性能の決定要因となる。躍層面積に対する流
れ面積の割合は「ゲージング」と呼ばれており、！　ｌ
ｊｉ出口面積の目安である。ゲージングｇは遅流出角の
正弦であり、また、先細（広がりのない）流路に関して
は、翼ピツチに対する匁スロート幅の割合でもある。

したがって、所与の歿につきゲージングを大きく取るか
、或いは、幾分長大な翼につきゲージングを小さく取れ
ば、同一の流れ面積が得られる。

１１１実、火流出角を変化させれば大間流れ面積の変化
を大きくすることができる。たとえば、流出角が３０″
、即ち、ゲージングが０．５００である関は、±２″回
転させるとゲージングが０．４６７〜０、５３０になり
、その変化分は１４％である。

次の一層長大なサイズの翼は躍層面積が２５％増人して
いるが、ゲージングを最小にして配回させた状態では、
最大ゲージング状態に配向しである一層短小な舅よりも
欠間流れ面積が幾分小さくなるようなゲージングの変化
が生じている。かくして、翼を配向させることにより最
終動態の最適ゲージングを選択すれば、はんの僅かな数
の翼を用いるだけで広範囲の最適流れ面積が得られる。

最終列の最適ゲージングの選択に当たり、性能の良いフ
ードを備えたユニットの最適ゲージングは、性能の良く
ないフードを備えたユニットの場合よりも大きくなる。

本発明を利用すると、最終列の買のゲージングが種々の
大きさに設定されていても、フード・スペクトルの一端
部を犠牲にして他端部に合うゲージングを選択したり、
或いは、成る妥協点を見出して翼を設計しなくても、種
々のフードへの通用が最適化される。

かくして、本発明の方法は、火の配向角度を調整して、
ゲージングを復水器内圧力についての最適値に設定して
、最終段の翼間流れ面積を復水器内圧力にマツチさせる
ことにより演気タービンの熱力学的性能を最適化するこ
とを特徴とする。さらに、本発明の方法は、最終段の上
流側に位置する翼の配向角度を設定することにより流入
角を補正する段階を含む。

本発明の内容は、添付の図面に例示的に示すに過ぎない
好ましい実施例の以下の説明を読むと一層容易に明らか
になろう。

第２図は、′！Ｍ流蒸気タービン８の低圧（１−Ｐ　）
部の部分横断面図である。蒸気流は符号Ｓで示されてい
る。蒸気流Ｓは、複数の回転穴ＩＯ及び静東１２の通過
後、フード（排気室又はエギゾーストフードとも呼ばれ
る）１４を通って出る。フート１４は排気された原電を
復水２５１６へ送り、演気は復水２Ｓ１６により冷却さ
れて水になり、この水は次にボイラ（図示せず）に戻さ
れて再び演気になる。

−復水器１６は区分型のものとして図示されているが、
非区分型のものであっても良い。１×分型復水器は区分
１６Ａと区分１６Ｂに分、！１され、一方の区分内の原
電は他方の区分内の蒸気から隔離されている。区分型復
水器は、多数の排気端部又は排気口をもつタービンで用
いられる。かかるタービンでは、成る特定の１．　Ｐタ
ービン内流路からの蒸気は復水器の一方の区分に差し向
けられ、別のＬ　Ｐタービン内流路からの原電は復水器
の他方の区分内に差し向けられてそれぞね５冷却される
。かかるタービンは、下流側のタービン段から動力を別
途生ぜしめるような設計になっている。区分型復水器を
備えるタービンの詳細については、ウェスチングハウス
・エレクトリンク・コーポレーシヨンに４渡された米国
特許第４，５５７，１１３号を参照されたい。

典型的な区分型復水器は平均復水器内圧力が非区分型復
水器よりも低い。区分型復水器に結合された蒸気タービ
ンの最終動翼に設定されている従来の単一ゲージングは
区分型復水器の両区分にとり最適ではない。従来方式に
よれば、区分型復水器用途の性能最適化のためにはサイ
ズの全く異なる２つの最終動翼が必要であり、非区分型
復水器用途についてはさらに別の新しい翼が必要であっ
た。本発明では、同一の最終動翼が使用されるが、排圧
が異なるという要件に適合するようゲージングを異なら
しめて使用される。非圧が高ければ高いほど、ゲージン
グをそれだけ一層小さくすることになろう。所与の翼の
ゲージングを変化させるに必要な配向角度にばらつきが
あっても、同調された状態の翼の振動数への影響は殆ど
生じない。

第３図は、一対の互いに隣接した蒸気タービンｉ２０．
２２の横断面端面図、即ち、半径方向横断面図である。

垂直距曙Ｏはスロート（のど部）輻又は流れ開口幅、寸
法Ｐはピンチを表している。

ゲージングは、躍層面積に対する正味流れ面積の割合と
して定義され、これはスロート幅／ピッチ（０／Ｐ）と
して表すことが可能である。ここで、スロート幅は翼の
スロートにおける流れと直角に測った幅である。翼から
の流出角はＯ／Ｐの逆正弦（Ｓｊｎ−’　Ｏ／　Ｐ　）
で表すことができるので、流体の流出角とゲージングの
間には関連があることは明らかである。

翼端負荷の変動は最適ゲージングの選択に影響を及ぼす
、したがって、翼の配向角度を変化させれば、多様な用
途につきタービン熱消費率の最適化を図ることができる
。しかしながら、第１図は、′繁１沁負司 ゛−−″が変動すると、静翼への流 入角が変化して、インシデンスが生じ、それに伴って効
率が低下することを示している。第１４頁に示す表１は
Ｌ　−２Ｃｉ列に対するゲージング変化の影響の度合い
を示している。最も小さいゲージングが非再熱タービン
用途（比体積が低い）で生し、最も大きなゲージングが
再熱タービン用途で生しる。

（以　　下　　余　　白　　） １−一層 ｌ兎出角　　　　　　ゲージング、ｇ （°）（％） ２２　　　　　　　　３７、５ ２３　　　　　　　　３９、　］ ２４　　　　　　　　４０、７ ２５　　　　　　　　４２、３ ２６　　　　　　　　４３、８ ２７　　　　　　　　４５、４ ２８　　　　　　　　４６、９ ２９　　　　　　　　４８、５ ３０　　　　　　　　５０、０ ３１　　　　　　　　５１、５ ３２　　　　　　　　５３、０ ３３　　　　　　　　５４、５ ３４　　　　　　　　５５、９ ３５　　　　　　　　５７、４ ３６　　　　　　　　５８、８ ３７　　　　　　　６０．６ ３８　　　　　　　　６１、６ 図示の静翼のゲージングを変化させて、これと対をなす
回転翼に関してインシデンス（設計角からの偏差）を減
少させたが、静翼は新設計のものを用いた。回転翼の配
向角度、さらに最終回転翼列の前に位置する静翼の配向
角度を変えてゲージングを変化させれば、翼形を変えな
いで性能面での最適化を大幅に達成できる。２．＃％翼
の設計は、これと対をなす回転翼の設計よりも非常に筒
車であり、しかも静翼のコストは回転翼のコストよりも
かなり安いことに注目されるできである。

排気フード設計の差異に起因して生じる圧力損失の一例
が第４図に示されている。ここでは、２つの実質的に同
一のタービンがそれぞれ、２つの互いに異なる設計のフ
ードを用いた状態で実質的に同一の復水器に結合されて
いる。符号Ａを付けた曲線は、曲線Ｂよりも、翼から復
水器までの圧力ｔｌ失が大きいことを示している。かく
して、質計流附及び復水器圧力が同一であるとすれば′
、フード設計の差異により排圧に差が生しることになる
。周知のように、翼の圧力は、所与のタービンから取り
出すことができる仕事量の決定要因となる。本発明は、
火ゲージングを排圧についての最適値に調整することに
よりフードの設計の差異を補償する方法を提供する。

また、インシデンスの発生原因は、蒸気抽出構成、特に
、復水器内圧力の変化に応じて抽気質撥流ｍが変化する
最低圧抽気口の位置に関する変化にある。したがって、
ゲージングを変えれば、静翼の配向角度の変化が十分で
ありさえすれば、蒸気抽出口に隣接して位置している翼
列のインシデンスを補正することができる。

さらに、単流要素の端の方に位置する翼への流入角は、
玉流排気ユニットの複流要素の翼への流入角とは異なる
。玉流ユニットでは、単流要素に設けられる油気構成は
、地形式のユニットの複流要素に設けられる油気構成と
は胃なる場合がある。

ゲージングの変化を得るため、同一の翼を翼根元部プラ
ットホームに異なる配向角度で取付けるか、ロータ尖塔
部を異なる角度に配向するか、或いはこれら２つを共に
配向させても良い。

本発明では、所与の翼形の翼を用いても最適性能が得ら
れる範囲が広がるのでＬ　Ｐタービンの効率が一層高く
なる。従来方式で同一の成果を得るには多種多様な設計
の翼が必要になる。本発明の思想は、最終回転列の翼列
、静翼と回転翼の両方、さらに２つの直前上流側の段に
も適用できる。ただし、作用効果の度合いは一層小さく
なる。

今や、本発明の原理はト述の実施例の説明において明ら
かであるが、当業者であれば、本発明の実施に当たり、
Ｊ：述の説明における構造、配置関係及び構成要素の多
くの設計変更を行って、特許請求の範囲に係る本発明の
範囲及び原理から逸脱しないで使用上の特定の要件に合
致する変形例を忠到できることは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、２つの互いに異なるＸ端負萄条件につき、翼
高さの関数としてのインシデンス角を示すグラフであり
、計算値と測定値の比較グラフである。 第２図は、複流ＬＰｉ気タービンの段及び区分型又は複
圧式復水器の部分横断面図である。 第３図は、互いに隣接した蒸気タービン岡の半径方向横
断面図であり、ゲージングの決定に用いられるスロート
幅とピッチの関係を示す図である。 第４図は、互いに構成の異なる２つのフードについて排
気体積流量の関数としてのフード圧力）ｌ失を示ずグラ
フである。 ｒＥ要な符号の説明〕 ８・・・’ｆ’ｓ　ｔＡ蒸気タービン １０・・・回転翼 １２・・・静翼 １４・・・フード １６・・・復水器 特許出１頭人：ウェスチングハウス・エレクトリック・
コーポレーション 代　理　人：加農　紘一部（ほか１名）ＦＩＧ、３ フード′圧久りギ頁′プミー　（ＸＩ０３に鼠／に３）
芯。 杢 ば ↓

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）翼の寸法及び形状を変えないで最終段の翼間流れ
   面積を復水器内圧力にマッチさせることにより蒸気ター
   ビンの熱力学的性能を最適化する方法において、翼の配
   向角度を調整して、ゲージングを復水器内圧力について
   の最適値に設定することを特徴とする方法。
2. （２）最終段の上流側に位置する翼を、蒸気のインシデ
   ンスが最少限に抑えられるよう配向することを特徴とす
   る請求項第（１）項記載の方法。
3. （３）回転翼と静翼の両方の配向角度を調整することを
   特徴とする請求項第（２）項記載の方法。
4. （４）蒸気抽出箇所に隣接して位置する翼の配向角度を
   調整することを特徴とする請求項第（２）項記載の方法
   。