JPS5934402A - 蒸気タ−ビンのロ−タ装置 - 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のロータ装置に関するものである
。

蒸気タービンの熱効率を改善するためにはタービン入口
の蒸気条件の高温高圧化が有効であることが原理的に広
く認められているが、例えば火力発電プラントなどの実
用機の蒸気条件は温度５６６Ｇ。

圧力２４６Ｋｇ〆揃に到達した１０年以上もこの域を出
でない。その理由は主としてフェライト系Ｈ熱鋼の使用
限界温度が約５６０Ｃであるため、より高価な耐熱材料
を使用しないとこえし以上の高温蒸気を用い得ないこと
による。

蒸気タービンにおいて最も高温の蒸気に接触しかつ高い
応力を受けるのは初段動翼、これを支持するディスク、
及びこれを設けたロータであるため、これらの部材が最
も苛酷な条件である。こうした事情により、従来、ロー
タ及びディスクに冷却構造が用いられておバこつした冷
却方法として特公昭４１−１５７６１．％公昭４２−１
２００４．及び特公昭４５−３５６２などの発明が為さ
れている。これらの冷却方法は初段動翼出口の蒸気をデ
ィスクニ設ケたバランスホールやスクープ管などを介し
て初段動翼と静翼の根元空間に還流させ、若しくはター
ビンケーシング外部から低温の作動流体を導入してディ
スクやロータ表面を冷却するものである。

しかし、熱効率向上を目的として主蒸気圧力及び温度を
増加させた蒸気タービンに上記の冷却方法を適用すると
次のような不具合を生じる。即ち、ｗ段静、動翼の根元
部空間に冷却蒸気を導入すると、ロータ、ディスクを冷
却した蒸気が靜、動翼根元部の間隙から主流内に吹きこ
み、側壁近傍の主流が乱されて性能低下の一因となる。

特に、ディスクにバランスホールを設ける冷却法では、
冷却蒸気が猿流するためにバランスホール周辺のディス
ク材内部温度の変化が大きくなるため、応力集中が犬き
くなることが予想され、信頼性の劣化につながるなどの
問題点を生ずることになる。また、蒸気タービンは一般
に多段に構成されることが多いので、作動流体の膨張仕
事に対応してタービンの内部温度も軸方向に大きく変化
することになり、極端な場合にはロータの温度分布の不
均一のためにロータが彎曲する虞れもある。

本発明は上記の事情に鑑みて為され、タービンの段落性
能全低下させる虞れなく、しかも温度分布の不均一に起
因する歪みや強度上の問題を誘発する虞れの無い冷却手
段を備えた蒸気タービンのロータ装置を提供することを
目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の蒸気タービンロー
タ装置は、蒸気タービンロータに形成した中心孔内にオ
リフィスプレートを設けるとともに、該オリフィスプレ
ートの片側近傍にロータ外周面と中心孔とを連通ずるノ
ズルを設け、かつ、上記のオリフィスプレートを介して
その両側にそれぞれロータ外側面と中心孔とを連通ずる
排気孔を設けたことを特徴とする。

次に、本発明の一実施例を第１図乃至第５図について説
明する。

この実施例は軸流蒸気タービンに本発明を適用して冷却
手段を設けたもので、第１図はタービン軸を含む面によ
る断面図である。この蒸気タービンは、蒸気により回転
動力を発生させるための構成部材として、作動流体２１
をタービンケーシング内に導入する主蒸気管１、この主
蒸気管１と連通して作動流体２１をタービン段落内に供
給するだめの所謂ノズルボックス２、ノズルボックス２
の出口部に設置され、作動流体２１を加速さ、せる複数
板の静翼３、その下流に円周状に複数枚設置される動翼
４とその動翼４を保持するディスク５、さらにタービン
段落を構成するノズルダイヤフラム６．６’、・６“、
各ダイヤフラムの下流に設置される動翼７．７′、７“
とこれらを保持するディスク８．８’、８“、さらにこ
れらディスク５，８゜Ｂ１．ＢＬ／を一体連設したター
ビンロータ９、さらにノズルダイヤフラム６．６’　、
６“を固定するとともに、これらタービン段落を包含し
、外部と隔離する内部ケーシング１０及び外部ケーシン
グ１１．１２などから構成されている。

以上のようなタービン構造において、本実施例はタービ
ンロータ９に同心状の中心孔２５．２６を互いに連続さ
せて形成すると恭に、上記の中心孔２５と同２６とを仕
切って円環状のオリフィスグレート１５を取りつける。

１９．２０は上記の中心孔２５．２６の端を寒いで設置
した隔壁である。これにより前記の中心孔２５．２６１
４そレソれオリフィスプレートで仕切られた２個の円柱
状の室を形成する。

前記のオリフィスプレート１５の設置個所に比し７て当
該蒸気タービンの低圧段側（図示左方）に、タービンロ
ータ９の外周面と室２５とを連通ずるノズル１６を穿設
する。このノズル１６はオリフィスプレート１５の直近
位置に設ける。そのＡ−Ａ断面を第２図に示す。

本実施例では２個のノズル１６．１６’　ｉ設置である
。本発明を実地に適用する場合、ノズルの個数は１個も
しくはそれ以上とする。矢印２８はロータの回転方向を
示す。

本実施例におけるノズル１６．１６’は、ロータ中心か
ら外側に向かってロータ回転方向に拡がる渦巻形に構成
しである。

本発明を実地に適用する場合、ノズルの孔形状は渦巻形
に限られるものではなく、例えば仮想線１６ａに示した
ように真直な孔であってもよいが、ノズル１６の外側開
口部１６ｂからノズル孔に沿って内側に向かう矢印りと
、上記の開口部１６ｂにおいてロータ回転方向に引いた
切線矢印Ｅとが鈍角をなすように形成することが望捷し
い。このように構成しておくと、開口部１６ｂ付近の蒸
気はロータ９に対して相対的に反矢印Ｅ方向に流動し、
その運動慣性力の分力によって矢印りのごとくノズル１
６内への吹きこみを助長される。

ノズル１６の内側の開口部１６ｃ付近におけるノズルの
形状は、室２５の内壁面に対して切線に近いことが望ま
しい。これは後述するように、ノズル１６から室２５内
に流入した蒸気が矢印Ｇのどとくロータ９に対して相対
的に反矢印２８方向の渦流を生じさせるためである。

上記のノズル１６は第１図に示したようにオリフィスプ
レート１５の直近部に設けるが、一方、このオリフィス
プレート１５を介してその両側に、オリフィスプレート
１５から適宜に離間させて排２孔１７，１８を設ける。

排気孔１７を含むＢ　−Ｂ断面図を第３図に示し、排気
孔１８を含むＣ−Ｃ断面図を第４図に示す。これらの排
気孔は前述のノズル１６に比して勝手違いの形状とする
。即ち、排気孔１７，１８は、ロータの外周面に対して
切線に近い方向に開口するように形成し、かつ、上記の
開口部から排気孔内に向かう排気孔の方向矢印Ｈは、該
開口部においてロータの回転方向に引いた切線矢印Ｊに
比してなるべく近い方向に構成する。これにより、室２
５内の蒸気及び室２６内の蒸気はロータ９の回転により
渦巻ポンプと同様の作用でロータ９外に排出を助長され
る。

以上のように構成した蒸気タービンにおいて、主蒸気管
１を通じてノズルボックス２に入る作動流体２１は、ノ
ズルボックス３の出口部に設置される静翼３によって増
速され、ディスク５に保持される動翼５に回転エネルギ
を与え、さらにノズルダイヤフラム６、　ａ／　、　６
ｒ／　と動翼７　、７’、　７”の各段落を減圧減温し
ながらタービン排気流２２として内部ケーシング１０の
内部の段落から放出される。本実施例では第２段落の動
翼７を保持するディスク８の下流側根元部に開口するノ
ズル１６から作動流体の一部が前記の室２５内に流入す
る。

第５図はノズル１６から室２５内に流入した蒸気の作用
の説明図である。

蒸気は圧力差によって矢印にのごとくノズル１６内を流
動するが、このノズル１６は前述のとと〈ロータ９の回
転方向に向かって開口しているので、回転力によって蒸
気の流入を助長され、室２５内に切線に近い方向に流入
して強い旋回流矢印２３を形成する。

このように、軸方向に長い円柱状の空洞内に強い旋回流
を発生させると、流れの性質が一般に第６図に示すよう
になることが広く知られている。

第６図は、半径方向の周方向及び軸方向の速度分布の傾
向を示したものであるが、円筒流路空間で強い旋回流を
与えると、第６図の軸流速度分布に示されるように軸中
心部近傍に流れが逆流する領域が現われるとともに、流
れが圧縮性流体（気体）であると、第７図に示すような
温度分布、すなわち外周側に高温領域が、軸中心部に低
温領域が形成される。

本実施例のように環状のオリフィスプレート１５で室２
５と室２６とを仕切っておくと軸中心部の低温流体がオ
リフィスプレート１５を通って室２６に分離され、外周
側の高温流体が室２５内に残る。

このような流れの特性を利用して高温流体と低温流体に
分離する装置をポルテックスチューブと称するが、本発
明のロータ冷却法は、このポルテックスチューブをター
ビンロータ９の軸中心の空間に構成したものである。以
下、室２５を高温室と言い、室２６を低温室と言う。

本実施例においては、ノズル１６をオリフィスグレート
１５に比してタービンの低圧段側（図示左方）に設けで
あるので、タービンの下流側のロータ内部に高温室２５
が形成され、タービンの上流側のロータ内部に低温室２
６が形成される。高温流体２３は、タービンロータ９の
内部を加熱して流動し、高温側排気孔１７を経て外部へ
放出され、一方、低温流体２４はタービンロータ９の内
部を冷却しながら流動し、低温側排気孔１８から外部に
排出される。したがって、この低温室２６をタービンロ
ータ９が最も高温にさられるノズルボックス２やタービ
ン初段動翼４′Ｉｒ：保持するディ（１１） スフ５のタービンロータ９の内部に設置することによっ
て、ロータ内部から冷却することが可能となり、これら
主要構造物の耐熱性を著しく向上させることが可能とな
る。一方、本発明では、タービン下流側の低温ロータを
高温室２５の内壁面から加熱することになるので、ター
ビンロータ９の軸方向の温度匂配を打ち消して温度分布
を均一化するように作用する。

第８図は上記と異なる実施例の縦断面図である。

本例ではタービンロータ９の内部に設置される高温室２
５に作動流体を導入するノズル１６の外側開口部をノズ
ルダイヤフラム６と動翼７を保持するディスク８の上流
側とに囲まれる空間に開口せしめ、高温排気孔１７をタ
ービンの中途段落、すなわち動翼７′を保持するディス
ク８′　の下流側根元部に開口せしめると共に、低温排
気孔１８を内部ゲージング１０のタービンロータ９側に
設置間 されるラビリンスパツキン１３及び１３′の中間部 部空間２７に対向して開口せしめるように構成したもの
である。本実施例（第８図）においては、（１２） 前記の実施例（第１図）と同様の効果が得られる上に、
高温排気をタービン段落の途中に導入するので加熱作用
を終えた高温蒸気のエネルギーを動力に変換して回収し
得る。また、低温排気をラビリンスパツキン１３．１３
’　の中間部に導入するので核ラビリンスパツキン１３
．１３’の漏洩蒸気量を減少させることができる。

上記と異なる実施例として、第１図及び第８図に示した
隔壁１９および同２０を除去し、軸の両端部からそれぞ
れ高温排気および低温排気をロータ外に流出せしめるこ
ともできる。本例によれば排気孔１７．１８を設けなく
てもよいのでロータの構造が簡単になる。

以上説明したように、本実施例のロータ装置は静、動翼
の根元部に冷却蒸気を吹きこまないので主流を乱さず、
性能低下を招く虞れが無い上に、ロータ９と同心状に形
成した低温室２６の壁面から吸熱するのでロータに局部
的な温度匂配を生じさせることが無く、これに起因する
熱歪みを生じる虞れが無い。

（１３） また、前掲の実施例のごとくノズル１６をロータの中心
孔に対してほぼ切線方向に開口させると強い渦流２３を
生じて有効な冷却ができる。

そして、上記のノズル１６をロータ９の外周面に対して
なるべく切線に近い方向に開口させ、かつ、上記の開口
部からノズル内に向かうノズル孔の方向を該開口部の回
転方向に対して鈍角に構成しておくと、ロータの回転に
よってロータ外側の蒸気をノズル内に流入させる作用を
生じて高温室２５内への蒸気吹き込みを助長する効果が
ある。

さらに、前記の排気孔１７．１８をロータの外周面に対
してなるべく切線に近い方向に開口させ、かつ上記の開
口部から排気孔内に向かう排気孔の方向を、該開口部の
回転方向に対して鋭角をなすように構成しておくと、渦
巻ポンプと同様の作用で排気の流出を助長する効果があ
る。

ｔた、前記のノズル１６をオリフィスプレート１５に比
してタービンの低圧段側に設けると、タービンの低圧段
側の室２５が高温室となり、高圧段側の室゛２６が低温
室となり、ロータ９の上流側（１４） を冷却すると共に下流側を加熱して該ロータ９の軸方向
の熱匂配を打ち消すように作用するという効果が得られ
る。

以上詳述したように、本発明の蒸気タービンロータ装置
は、タービンロータに形成した中心孔内にオリフィスプ
レートを設けるとともに、該オリフィスプレートの片側
近傍にロータ外周面と中心孔とを連通ずるノズルを設け
、かつ、上記のオリフィスプレートを介してその両側に
それぞれロータ外側面と中心孔とを連通ずる排気孔を設
けることにより、タービンの段落性能を低下させる虞れ
無く、シかも温度分布の不均一に起因する歪みや破損を
誘発する虞れなく、タービンロータを有効に冷却するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のロータ装置の一実施例を備えた蒸気タ
ービンの縦断面図、第２図は第１図に示したＡ−Ａ断面
図、第３図は同じ＜Ｂ−Ｂ断面図第４図は同じ（Ｃ−Ｃ
断面図、第５図は上記実施例の作用の説明図、第６図及
び第７図は同じく作（１５） 用を説明する図表、第８図は上記と異なる実施例を備え
た蒸気タービンの縦断面図である。 ４．７．７’　　、７“・・・動翼、５．　８．　８’
　　、　８”・・・ディスク、９・・・タービンロータ
、１５・・・オリフィスプレート、１６．１６’　・・
・ノズル、１７．１７’・・・高温側の排気孔、１８．
１８’　・・・低温側の排気孔、２５・・・中心孔に設
けた高温室、２６・・・中心孔に設けた低温室、１９．
２０・・・隔壁。 代理人　弁理士　秋本正実 （１６） 手続補正書（方式） 昭和ｓ７年１２月１０口 特許庁長官若杉和夫　殿 １、事件の表示 昭和５７　　年特願第１≠３弘λ３号 ２、Ｒ明の名称蒸気タービンのロータ装置３、補正をす
る者 事件との関係　　　　　　　　　　　狛許出願ノ・１１
−所（Ｊ、、！ｊ所）東京都千代田区丸の内−丁目！番
／号氏名（名称）　（５１０）株式会社　日立製作所４
、代理人 を「蒸気タービンのロータ装置」と補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、蒸気タービンロータに形成した中心孔内にオリフィ
   スプレートを設けるとともに、該オリフィスグレートの
   片側近傍にロータ外周面と中心孔とを連通ずるノズルを
   設け、かつ、上記のオリフィスグレートを介してその両
   側にそれぞれロータ外側面と中心孔とを連通ずる排気孔
   を設けたことを特徴とする蒸気タービンのロータ装置。 ２、前記のノズルは、中心孔の内壁面に対してほぼ切線
   方向に開口するものであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の蒸気タービンのロータ装置。 ３、前記のノズルは、ロータ外周面に対してほぼ切線方
   向に開口するように構成し、かつ、上記の開口部からノ
   ズル内に向かうノズル孔の方向は、該開口部においてロ
   ータの回転方向に向かう切線に対して鈍角をなす方向で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項若しくは同
   第２項に記載の蒸気タービンのロータ装置。 ４、前記の排気孔は、ロータの外周面に対してほぼ切線
   方向に開口するように構成し、かつ、上記の開口部から
   排気孔内に向かう排気孔の方向は、該開口部においてロ
   ータの回転方向に向かう切線に対して鋭角をなす方向で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の蒸
   気タービンのロータ装置。 ５、前記のノズルは、オリフィスグレートに比して当該
   蒸気タービンの低圧段側に設けたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の蒸気タービンのロータ装置。 ６、前記の排気口は、ロータの端面に開口するものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の蒸気
   タービンのロータ装置。