JP2012067604A - 蒸気タービンの排気室、およびその改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】現状の製造・組み立て精度を変更することなく、フローガイドとセンターリブとの間の隙間流れによる影響を受けずに大きなディフューザ効果を得られ、結果的にタービンプラント効率を向上させることができる蒸気タービンの排気室を提供する。
【解決手段】タービンロータを内包する排気室内部ケーシングと、タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、排気室内部ケーシングの外周部に連続して設置された環状のフローガイドと 前記排気室内部ケーシングおよびフローガイドを取り囲む排気室外部ケーシングと、前記排気室外部ケーシング内部に設けられたロータ軸方向に延伸するセンターリブとを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの排気室において、前記フローガイドと前記センターリブとの嵌合部に設置され、前記嵌合部に形成された隙間を塞ぐ隙間流れ防止部材を設ける。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、蒸気タービンの排気室構造に関する。

ボイラ等の蒸気発生器が発生する蒸気でタービンを回転して発電する発電プラントは、一般に高圧タービンや低圧タービンなど、蒸気圧力に応じた複数のタービンで構成されている。高圧タービンから低圧タービンまで順に通過し回転仕事を終えた蒸気は、最終的に復水器に導入され、そこで凝縮して復水となり、再度蒸気発生器に還流する。

高・中・低圧タービン各々の出口直後には、排気室と呼ばれる蒸気の流路部があり、一般に、急激な流れの転向を伴う形状を有するため、蒸気の流れを乱し圧力損失を生じやすい。特に、低圧タービンの出口から復水器にかけての蒸気流路である低圧排気室における圧力損失は、プラント性能に与える影響が大きいため、この圧力損失を低減することは重要である。

実際、近年の低圧排気室の多くでは、下流側に向かって蒸気流路を滑らかに広げたディフューザ流路構造が採用されている。ディフューザ流路で滑らかに蒸気を膨張させることにより、蒸気の運動エネルギを圧力のエネルギに変換することをディフューザ効果と呼ぶ。そのディフューザ効果を利用して、下流側の圧力を上流側より高い状態に回復させることを目指した、積極的な排気室の性能改善が図られている。

ディフューザ効果が有効に発揮された場合、低圧タービンの出口圧力を低くすることができるので、その結果、タービン出入口間における蒸気の圧力差が大きくなり、高い出力でタービンを運転できる。

ディフューザ流路は、低圧タービン最終段の出口部に取り付けられたフローガイドと呼ばれる環状の部材と、ロータや軸受け側の壁面とで挟まれた流路として構成され、特に、フローガイドの形状を様々に工夫することにより性能向上が図られている。この種の排気室としては、例えば特開２００５−２３３１５４号公報（特許文献１）において報告されている。

特開２００５−２３３１５４号公報

ところで、排気室外車室の内部強度部材の一つとして、排気室軸方向の中央断面位置に、板状のセンターリブが設けられている。

上記特許文献１のようにフローガイドを内車室外周端部に設置する際、そのままではセンターリブと干渉し合い組上げることができない。そのため、フローガイドに切れ込みを入れた状態で製作し、その切り込み部分にセンターリブが入り込むようにして組み立てる。

ただし、プラント運転時の軸方向伸び差の影響により、スチームガイドとセンターリブを組立て後に固定する、あるいは予め一体で製造することはできない。そのため、スチームガイドとセンターリブとの間に隙間を持たせた設計にする必要がある。しかしながら、低圧排気室、およびその内部構造物は、個々の寸法が大きく、また最終的に現地組み立てとなる。そのため、製作・組み立て精度を高く保つことは一般的に難しい。

その結果、フローガイドの切込み部の幅がセンターリブの厚みより若干大きくなり、スチームガイドとセンターリブとの間に隙間ができる。この隙間は排気室サイズにより異なるが、例えば出力数百から一千ＭＷ程度のプラントの場合、平均的にセンターリブの厚み方向左右に数十mm程度あり、組み立て時に中心位置からずれる場合、最大でその２倍程度になり得る。構造的に見たときに、この隙間の大きさは低圧排気室の大きさ（一辺数ｍから１０ｍ）に比べ小さく、性能評価も容易ではなかったため、これまで特に問題にされることはなかった。しかし、詳細な三次元流体解析を行うことにより、この隙間から噴出する流れにより主流の流れが乱され、必ずしもディフューザ流路の性能を最大限に発揮できていないという問題が判明した。

タービン最終段動翼から排出された蒸気流は、ディフューザ流路部を通過する際、フローガイド表面近傍で加速される。その結果フローガイド表面の圧力は、周囲に比べ低い状態になる。一方、フローガイド裏側の領域は、一般に流れが淀んだ状態となっているため、周囲よりも圧力が高い状態となっている。そのため、センターリブとの隙間からフローガイド裏側の蒸気が主流側に噴出し、ディフューザ流路での流れを乱し混合損失を発生させ、想定ほどの性能が得られなくなるのである。しかしながら、このような課題について、上記特許文献１では何ら考慮されていない。

そこで本発明の目的は、現状の製造・組み立て精度を変更することなく、フローガイドとセンターリブとの間の隙間流れによるディフューザ流路流れの乱れを低減し、高いディフューザ効果を発揮させることにより、タービンプラント効率を向上させることができる蒸気タービンの排気室を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、タービンロータを内包する排気室内部ケーシングと、タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、排気室内部ケーシングの外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、前記排気室内部ケーシングおよびフローガイドを取り囲む排気室外部ケーシングと、前記排気室外部ケーシング内部に設けられたロータ軸方向に延伸するセンターリブとを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの排気室において、前記フローガイドと前記センターリブとの嵌合部に、前記フローガイドと前記センターリブとの間に形成された隙間を塞ぐ隙間流れ防止部材を設けた。

本発明によれば、現状の製造・組み立て精度を変えることなく、低圧排気室のフローガイドとセンターリブとの間の隙間流れによるディフューザ流路流れの乱れを低減し、高いディフューザ効果を発揮させることができ、タービンプラント効率を向上させることができる。

蒸気タービンの排気装置の基本構造を模式的に表す側断面図である。 図１中のＩ−Ｉ断面による断面図である。 排気室内におけるディフューザ流路部上半および、タービン最終段落周囲を模式的に表す側断面図である。 低圧タービン外車室下半部の主要構造を模式的に示す斜視図である。 ディフューザ流路の構成要素の一つであるフローガイドを軸方向から見た図である。 ディフューザ流路の構成要素の一つであるフローガイドを側面から見た図である。 図１中のタービン排気装置をII−II断面により切断した状態での、タービン上流側部分の斜視図である。 図７中の点線で囲まれた部分Ｖを軸方向から見た拡大図である。 図６中の点線で囲まれた部分IVを側面から見た拡大図である。 本発明に係る第１の実施形態を示す側面図である。 本発明に係る第１の実施形態を示す軸方向正面図である。 図１１中のIII−III断面図である。 本発明の第２の実施形態における図１１のIII−III断面図である。

以下、本発明のタービン排気装置を実施するための形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。

以下、本発明の第１の実施形態について図を用いて説明する。本発明の理解を容易にするため、最初に従来のタービン排気室の構造について図１乃至図９を用いて説明した後、本実施形態に係るタービン排気室の構造について図１０乃至図１２を用いて説明する。

図１は低圧タービン排気室の基本構造を模式的に表す側断面図、図２は図１中のＩ−Ｉ断面による断面図である。図２において、ベアリングコーン３は説明のため図示を省略している。

図１及び図２に図示したタービン排気室１０１は、タービンロータ１を駆動させた後の排気を下方の復水器（図示せず）に導くものである。このタービン排気室１０１は、タービンロータ１を内包する排気室内部ケーシング２、タービンロータ１の軸受（図示せず）を取り囲むように設置されたベアリングコーン３、タービンロータ１に固定された最終段落を構成する動翼１０の下流に、排気室内部ケーシング２の外周部に連続して設置された環状のフローガイド６、さらにこれら全てを取り囲むように形成された排気室外部ケーシング５を備えている。タービン排気室１０１は、排気室外部ケーシング５の下方に開口している排気室出口４を通じて下方の復水器と連結されている。前記ベアリングコーン３の外周壁面とフローガイド６の壁面および排気室外部ケーシング５の内壁面は、最終段動翼出口環帯１１より排出された蒸気を、圧力回復を図りながら滑らかに下方の復水器に導く環状のディフューザ流路を形成している。

図３は、タービン最終段落およびディフューザ流路周辺の詳細断面図である。上記排気室内部ケーシングは、その内周側にダイヤフラム外輪１４と内輪１３によって支持される静翼１２を備えており、タービンロータ１に設置された動翼（動翼１０のみ図示）とともにタービン段落を形成している。一般に排気室内部ケーシングの内周側には、静翼の取り付け部であるダイヤフラム外輪１４と内輪１３（全体は図示せず）が環状に設けられている。環状に配置された静止側のダイヤフラム内輪１３と回転側のタービンロータ１は適当な間隙を介して対向している。ロータ中心軸２０周りに回転するタービンロータ１とダイヤフラム内輪１３との間には、排気の漏洩を防ぐシール３０が設けられている。また、ベアリングコーン３の内周側の空間には、タービンロータ１を支承する軸受（図示せず）が設置されている。

ここで、以下、フローガイド６の壁面のうち、タービン出口排気がディフューザ流路流入直後に接触するロータ側の壁面をフローガイド表面部６ａといい、その裏側の壁面をフローガイド背面部６ｂということにする。

図４は、低圧タービンの排気室外部ケーシング５下半部の主要構造を模式的に示す斜視図である。センターリブ５０の設置位置の理解を容易にするため、タービン翼，タービンロータ，軸受，排気室内部ケーシング，パイプ状部材等は図示を省略してある。この中にタービン翼とタービンロータを内包する排気室内部ケーシングが猫足支持台４０で支持されるように設置され、その排気室内部ケーシングにフローガイドが取り付けられることになる。なお、図４は複流型の低圧タービン排気室を想定して描いているため、軸方向に対称な外車室の片側半分のみの表示としている。そのため、猫足支持台４０も実際の半分の２箇所のみの表示となっている。

排気室外部ケーシング５の内部には、排気室内部ケーシングを含むタービン組立体を支持するための部材を補強する強度部材が複数設けられている。その強度部材の１つとして、排気室外部ケーシング５の中央部に、ロータ軸方向に平行に延伸するセンターリブ５０が設置される。

図５は、ディフューザ流路の構成要素の一つであるフローガイド６を軸方向から見た図であり、また図６は、そのフローガイド６を側面から見た図である。図５に示したようにフローガイド６の下部には、切れ込み部７が設けられている。この切れ込み部７をセンターリブ５０に差し込むようにして、図１，図２に示したタービン排気室を組み上げる。

図７は、図１中のタービン排気装置をII−II断面により切断した状態での、タービン上流側部分の概略斜視図である。ただし、センターリブ５０とフローガイド６の接合関係を理解しやすくするためにセンターリブ５０は切断せずに点線で示している。

図８は、図７中の点線で囲まれたセンターリブ５０とフローガイド６との嵌合部Ｖを軸方向から見た拡大図である。フローガイド６の切れ込み部７は、現地組み立てを容易にし、熱伸び差等も考慮して若干、センターリブ５０の厚みよりも大きめに形成されている。そのため、切れ込み部７をセンターリブ５０に差し込んで排気室を組み上げた場合、センターリブ５０とフローガイド６との間には、図８に示した状態で隙間が存在する。

本発明者が、詳細な三次元流体解析を行ったところ、この隙間から噴出する流れにより主流の流れが乱され、必ずしもディフューザ流路の性能を最大限に発揮できていないという問題があることが判明した。

タービン最終段動翼から排出された蒸気流は、ディフューザ流路部を通過する際、フローガイド６の表面近傍で加速される。その結果フローガイド６の表面の圧力は、周囲に比べ低い状態になる。一方、フローガイド裏側の領域は、一般に流れが淀んだ状態となっているため、周囲よりも圧力が高い状態となっている。そのため、センターリブとの隙間からフローガイド裏側の蒸気が主流側に噴出し、ディフューザ流路での流れを乱し混合損失を発生させ、想定ほどの性能が得られなくなるのである。

本発明は、上記したような問題点を解決するものでる。

図９は、図６中の点線で囲まれた部分IVを側面から見た拡大図であり、従来のフローガイド６下端部の構造を示す。

本発明の第１の実施形態を図１０乃至図１２を用いて説明する。図１０は、本発明に係る第１の実施形態を示すフローガイド６の説明図であり、また図１１は、その軸方向正面図である。図１２は、図１１に示したIII−III断面図である。

本実施例では、蒸気タービンの低圧排気室であって、排気室内部ケーシングの外周部に延長して設置されるフローガイド６と、センターリブ５０との嵌合部において、フローガイド背面部６ｂにフローガイド６とセンターリブ５０との間の嵌合部の隙間を塞ぐための隙間流れ防止板６０を設置している。なお、図１０では、フローガイド表面部側からフローガイド６自体を透過して見ており、隙間流れ防止板６０は、図１２に示したようにフローガイド背面部側に設置する。また、隙間流れ防止板６０は、フローガイド６の設置後に取り付け可能なように構成する。

具体的には、図１１に示したように、あらかじめ連続的もしくは長軸方向に区分的に製造された隙間流れ防止板６０を、フローガイド６とセンターリブ５０との嵌合部に形成された隙間を埋めるように、隙間に沿ってセンターリブ５０またはフローガイド６の何れか一方の裏面側に取り付け、リベット，ボルト締め、あるいは溶接などにて固定する。

ただし、センターリブ５０は基本的に強度部材であるため、センターリブ５０側に取り付ける方が信頼性の面で望ましい。

隙間流れ防止板６０は、センターリブとフローガイドとの嵌合部に形成された隙間を塞ぎ、隙間流れを防止する部材であり、図１２に示したようにその断面形状をフローガイド６下端部の形状に沿うように曲げて製造した板である。なお、断面形状は特にこの例に限定されるものではなく、嵌合部に形成された隙間を塞ぐ形状であれば良い。

本実施例のタービン排気室構造によれば、フローガイド６を据付後に、その隙間の大きさを確認しながら隙間流れ防止板６０を取り付ければ良いため、高い組み立て精度を必要とせず、現地据付工事が簡単である。

また、嵌合部に形成された隙間を塞いでいるので、フローガイド裏側の蒸気がセンターリブとの隙間を介して主流側に噴出することを防止できるので、ディフューザ流路での流れが乱されることもなく、混合損失の発生を抑制できる。そのため高いディフューザ効果を発揮させることができるので、結果的にタービンプラント効率を向上させることができる。

以上、本実施例のタービン排気室構造は、ＣＦＤ解析結果から得られた知見に基づいて考案したものであり、その効果を従来技術と比較して、より確実に期待できる。

従って、本実施例のタービン排気室構造によれば、現状の製造・組み立て精度を変えることなく、低圧排気室のフローガイドとセンターリブとの間の隙間流れによるディフューザ流路流れの乱れを低減し、高いディフューザ効果を発揮させることにより、タービンプラント効率を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図を用いて説明する。本実施例は、図１３に示したように実施例１で説明した隙間流れ防止板６０の断面形状を概略「く」の字型に折り曲げられた形状にした点に特徴を有する。

本実施例の隙間流れ防止板は、屈曲部を挟んで２つの平板部６０ａ，６０ｂで構成されており、２つの平板部の一方の平板部６０ｂが前記センターリブに固定され、もう一方の平板部６０ａが前記フローガイド背面部６ｂに固定せず、接触するように設置されている。

なお、平板部６０ａをフローガイド背面部６ｂに固定し、平板部６０ｂをセンターリブ５０に固定せず、接触するようにしても良い。

本実施例のタービン排気室構造によれば、実施例１と同様にフローガイド６を据付後に、その隙間の大きさを確認しながら隙間流れ防止板６０を取り付ければ良いため、高い組み立て精度を必要とせず、現地据付工事が簡単である。

また、嵌合部に形成された隙間を塞いでいるので、フローガイド裏側の蒸気がセンターリブとの隙間を介して主流側に噴出することを防止でき、ディフューザ流路での流れが乱されることもなく、混合損失の発生を抑制できる。そのため高いディフューザ効果を発揮させることができるので、結果的にタービンプラント効率を向上させることができる。

また本実施例のタービン排気室構造によれば加えて次のような効果が得られる。

センターリブ５０またはフローガイド６の何れか一方のみに固定された構造なので、内車室と外車室との間に軸方向の熱伸び差が生じても問題が生じない。

また、「く」の字型に屈曲させた形状を採用した場合、２辺ある平板部６０ａ，６０ｂの一方の面６０ａをフローガイド６の背面部に固定し、もう一方の面６０ｂをセンターリブ５０に接触するように設置すると次の理由でより良い。すなわち、隙間流れ防止板６０を、ディフューザ流路側よりも相対的に圧力の高いフローガイド６の背面側に設置することにより、隙間流れ防止板６０がセンターリブ５０接触面に押し付けられる状態になるので、隙間から噴出しようとする蒸気により振動が発生する恐れがない。

以上、本発明は、ＣＦＤ解析結果から得られた知見に基づいて考案したものであり、その効果を従来技術と比較して、より確実に期待できる。

従って、本実施例のタービン排気室構造によれば、現状の製造・組み立て精度を変えることなく、低圧排気室のフローガイドとセンターリブとの間の隙間流れによるディフューザ流路流れの乱れを低減し、高いディフューザ効果を発揮させることにより、タービンプラント効率を向上させることができる。

１ タービンロータ
２ 排気室内部ケーシング
３ ベアリングコーン
４ 排気室出口
５ 排気室外部ケーシング
６ フローガイド
１０ 動翼
１１ 最終段動翼出口環帯
１２ 静翼
１３ ダイヤフラム内輪
１４ ダイヤフラム外輪
２０ ロータ中心軸
３０ シール
４０ 猫足支持台
５０ センターリブ
６０ 隙間流れ防止板
１０１ タービン排気室

Claims (5)

1. タービンロータを内包する排気室内部ケーシングと、タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、排気室内部ケーシングの外周部に連続して設置された環状のフローガイドと、前記排気室内部ケーシングおよび前記フローガイドを取り囲む排気室外部ケーシングと、前記排気室外部ケーシング内部に設けられたロータ軸方向に延伸するセンターリブとを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの排気室において、
   前記フローガイドと前記センターリブとの嵌合部に設置され、前記フローガイドと前記センターリブとの間に形成された隙間を塞ぐ隙間流れ防止部材を備えることを特徴とする蒸気タービンの排気室。
2. 前記隙間流れ防止部材は、前記センターリブまたは前記フローガイド背面部のどちらか一方にのみ固定されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンの排気室。
3. 前記隙間流れ防止部材は、その断面形状がくの字型に屈曲した板状の部材であり、屈曲部を挟んで２つの平板部を有し、２つの前記平板部のどちらか一方を、前記フローガイド背面部に固定し、他方の平板部を前記センターリブに接触させていることを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービンの排気室。
4. 前記隙間流れ防止部材は、前記フローガイドを前記蒸気タービンの排気室に設置後に、前記フローガイドまたは前記センターリブに接合できるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気タービンの排気室。
5. タービンロータを内包する排気室内部ケーシングと、タービンロータに固定された最終段落を構成する動翼の下流に、排気室内部ケーシングの外周部に連続して設置された環状のフローガイドと前記排気室内部ケーシングおよびフローガイドを取り囲む排気室外部ケーシングと、前記排気室外部ケーシング内部に設けられたロータ軸方向に延伸するセンターリブとを備え、タービンを駆動させた後の排気を下方の復水器に導く蒸気タービンの排気室の改造方法であって、
   前記フローガイドの切り込み部に前記センターリブを差し込んだ際に形成される、前記フローガイドと前記センターリブとの間の隙間に、該隙間を塞ぐ部材を取り付けることを特徴とする蒸気タービンの排気室の改造方法。

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