JP4145624B2 - 蒸気タービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンに係り、特に少なくとも一つ以上の中間タービン段落の間に蒸気挿入口を備えた蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラント、例えばガスタービンプラントに蒸気タービンプラントおよび排熱回収ボイラを組み合せたコンバインドサイクル発電プラントでは、排熱回収ボイラに高圧蒸気ドラム、中圧蒸気ドラム、低圧蒸気ドラムを備え、高圧蒸気ドラムで発生した蒸気を高圧タービンに供給し、中圧蒸気ドラムで発生した蒸気を高圧タービンからの排気を再熱器で再び加熱された再熱蒸気とともに中圧タービンに供給する一方、低圧蒸気ドラムで発生した蒸気を中圧タービンの途中の段落間に挿入する場合がある。
【０００３】
この場合、中圧タービンの入口から供給される蒸気（以下、主流Ｇ１と記す）に途中の段落間から挿入される蒸気を合流させるとき、流線に乱れを与えてタービン段落効率を低下させない構造にすることが大切であり、従来では、図７に示す構造になっていた。
【０００４】
蒸気タービンは、両端をダイアフラム外輪１とダイアフラム内輪２とで支持させたタービンノズル３と、タービンロータ（図示せず）と一体構造をなすタービンディスク４に植設するタービン動翼５とでタービン段落６を構成し、このタービン段落６を主流Ｇ１の流れに沿って複数段に配置するとともに、途中の段落の少なくとも一つ以上の個所に中間タービン段落蒸気挿入口７を設け、ここから案内された挿入蒸気Ｇ２を合流空間部８で主流Ｇ１に合流させた構成になっている。
【０００５】
合流空間部８は、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流が流線に乱れを与えず効果的に合流できるように、合流空間部８の空間を比較的広く確保している。
【０００６】
また、合流空間部８に連通する中間タービン段落蒸気挿入口７は、上流側タービン段落のダイアフラム外輪１と下流側タービン段落のダイアフラム外輪１とで形成し、上流側タービン段落のダイアフラム外輪１の挿入蒸気Ｇ２の転向部９を曲率の大きい曲面に形成している。
【０００７】
このように、従来の蒸気タービンでは、主流Ｇ１に挿入蒸気Ｇ２を合流させるとき、合流空間部８の空間を広くし、挿入蒸気Ｇ２の転向部９を曲率の大きい曲面にし、効果的な合流を行わせていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の蒸気タービンでは、主流Ｇ１の質量流量を１００％としたとき、挿入蒸気Ｇ２の質量流量を主流Ｇ１の質量流量の５％〜１５％の割合で挿入していた。
【０００９】
しかし、この質量流量の割合で合流空間部８にて挿入蒸気Ｇ２を主流Ｇ１に合流させても、その下流側に位置するタービン段落６はのタービンノズル３には充分に流れが均一化しない蒸気がそのまま流れ、さらにこの流れの不均一はタービンノズル３の下流側にまで及ぶため、タービン段落効率が設計値よりも低くなり、エネルギの有効活用が図れない等の問題があった。
【００１０】
図８は、三次元圧粘性流れ解析によって求めた図７のＡ−Ａ断面における質量流量の分布を示す質量流量分布図である。図中、縦軸に質量流量を示し、横軸に無次元タービンノズルの翼高さを示している。
【００１１】
図８から、タービンノズルの約８０％高さから１００％高さの範囲のダイアフラム外輪１側の部分に流量の偏りが残っていることがわかった。
【００１２】
このように、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との流量に偏りがあると、蒸気タービンは、タービンノズル３の混合損失がタービン動翼５まで影響を与えることになり、タービン段落効率を設計値よりも著しく低下させる要因になっていた。
【００１３】
本発明は、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流を子細に観察した結果に基づくものであり、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流の際、タービンノズル３の下流側におけるダイアフラム外輪１側での偏りが残らないようにし、タービン段落効率を高く維持させる蒸気タービンを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルの後縁形状を、後縁の腹側がタービンロータの回転方向に向って傾斜し、かつ前記タービンロータの回転中心を通るラジアル線に対し、挟角を持った形状とし、前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、挟角をαとするとき、挟角αは、
【数４】
の範囲内に設定したものである。
【００１５】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルは、その後縁形状を、ダイアフラム外輪との接続点における軸線が予め定められた高さまで直線に形成し、かつ前記軸線がタービンロータの回転中心を通る第１ラジアル線に対し、挟角を持って腹側方向に傾斜させて形成するとともに、前記軸線に滑らかに接続させ、前記タービンロータの回転中心を通る第２ラジアル線の前記ダイアフラム内輪との接続点まで腹側凹状の湾曲に形成することで前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、挟角をαとするとき、挟角αは、
【数５】
の範囲内に設定したものである。
【００１６】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルは、一方のノズル翼の後縁から隣接する他方のノズル翼の背側に向う最小通路長さＳと、環状の流路の円周の長さを前記ノズル翼の枚数で割ったピッチＴとのスロートピッチ比Ｓ／Ｔを、前記ノズル翼のルート部および翼有効平均直径に較べてチップ部を最大値に設定することでその後縁形状を前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、前記タービンノズルのノズル翼の翼有効平均直径のスロートピッチ比を（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤ、前記タービンノズルのノズル翼のチップ部のスロートピッチ比を（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐとするとき、チップ部のスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐは、
【数６】
の範囲内に設定したものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る蒸気タービンの実施形態を図面および図面を付した符号を引用して説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る蒸気タービンの第１実施形態を示す概略縦断面図である。
【００２１】
本実施形態に係る蒸気タービンは、両端をダイアフラム外輪１０とダイアフラム内輪１１とで支持させたタービンノズル１２と、タービンロータ（図示せず）一体に形成されたタービンディスク１３に植設するタービン動翼１４とでタービン段落１５を構成し、このタービン段落１５を主流Ｇ１の流れに沿って複数段に配置するとともに、途中の段落の間の少なくとも一つ以上の個所に中間タービン段落蒸気挿入口１６を設け、ここから案内された挿入蒸気Ｇ２を合流空間部１７で主流Ｇ１に合流させる構成になっている。
【００２２】
合流空間部１７は、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流が流線に乱れを与えず効果的に合流できるように、合流空間部１７の空間を比較的広く確保している。
【００２３】
また、上流側のタービン段落のダイアフラム外輪１０と下流側のタービン段落のダイアフラム外輪１０の間に形成され、合流空間部１７と連通する中間タービン段落蒸気挿入口１６は、その蒸気流路の断面積が最小となる部分のタービン軸方向長さを通路断面最小軸方向距離Ｌとして形成するとともに、下流側タービン段落のダイアフラム外輪１０の挿入蒸気Ｇ２の転向部１８を曲率の大きい曲面に形成している。
【００２４】
一方、中間タービン段落蒸気挿入口１６の下流側に位置し、ダイアフラム外輪１０とダイアフラム内輪１１とで支持されたタービンノズル１２は、図２に示すように、後縁１９の腹側２０がタービンロータ２１の回転方向に向って傾斜し、かつタービンロータ２１の回転中心Ｏを通り、ダイアフラム外輪１０との接続点Ｐに向って延びるラジアル線２２に対し、挟角（リーン角）αをもって設置されている。換言すると、タービンノズル１２の後縁１９の腹側２０がダイアフラム内輪１１側を向くように傾斜角αをもっと取り付けられている。
【００２５】
この場合、中間タービン段落蒸気挿入口１６の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズル１２の後縁１９側から測ったノズル翼高さをＨとするとき、挟角αは、
【数７】
の範囲内に設定される。
【００２６】
図４は、三次元流れ解析で求めた、Ｍをパラメータ（変数）とするときの挟角αと相対タービン段落損失との関係を表わした線図である。
【００２７】
ここで、相対タービン段落損失とは、途中の段落からの挿入蒸気がない場合のタービン段落損失との比をいう。
【００２８】
図４に示す線図から、パラメータＭ（α＝ｓｉｎ−１（Ｍ×Ｌ／Ｈ））は、０．５＜Ｍ＜１．５の範囲が最も好ましい適用範囲であることがわかった。このパラメータＭの適用範囲、０．５＜Ｍ＜１．５は、途中の段落からの挿入蒸気がない場合のタービン段落効率よりも優れていることもわかった。
【００２９】
他方、第１実施形態で示した構成を備える蒸気タービンにおいて、タービンノズル１２は、後縁１９の腹側２０がタービンロータ２１の回転方向に向って傾斜し、かつタービンロータ２１の回転中心Ｏを通り、ダイアフラム外輪１０との接続点Ｐに向って延びるラジアル線２２に対し、挟角αをもって設置したので、ダイアフラム内輪１１側に向う方向に押圧力（流体の流れにおいてタービンノズル壁面側から流体主流側に向う力）が働き、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流蒸気をダイアフラム内輪１１側に押圧する。
【００３０】
その際、図８で示したダイアフラム外輪１側に発生した流量の偏りもダイアフラム内輪１１側に引き寄せられるので、タービンノズル１２は、その下流側の流れの半径方向流量分布を均一化することができる。
【００３１】
したがって、本実施形態によれば、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流蒸気がタービンノズル１２を通過する際、ダイアフラム外輪１０側に発生した合流蒸気の流量偏りをダイアフラム内輪１１側に引き寄せ、合流蒸気の流量分布を均一化してダイアフラム外輪１０側の流量偏りを低減させるので、流量偏りに起因する混合損失やタービン動翼１４における付加的な損失を低減させ、タービン段落効率をより一層向上させることができる。
【００３２】
図３は、本発明に係る蒸気タービンの第２実施形態を示す概念図である。
【００３３】
本実施形態に係る蒸気タービンに適用するタービンノズル１２は、後縁１９を、軸線２４と腹側２０を凹状に形成する湾曲線２５とを組み合せた形状にしたものである。
【００３４】
すなわち、タービンノズル１２は、後縁１９を、ダイアフラム外輪１０との接続点Ｐにおける軸線２４が予め定められた高さｌまで直線状に形成し、かつ軸線２４がタービンロータ２１の回転中心Ｏを通る第１ラジアル線２３ａに対し、挟角αをもって腹側２０方向に傾斜させた形状に形成し、ダイアフラム外輪１０に接続させている。なお、挟角αは、第１実施形態における挟角αと同一角になっている。
【００３５】
また同時に、タービンノズル１２は、後縁１９を、予め定められた高さｌまでの軸線２４に滑らかに接続させ、タービンロータ２１の回転中心Ｏを通る第２ラジアル線２３ｂのダイアフラム内輪１１との接続点Ｑまで腹側２０を凹状の湾曲線２５の形状に形成させている。
【００３６】
このように、本実施形態は、タービンノズル１２の後縁１９を、ダイアフラム外輪１０との接続点Ｐにおける軸線２４が予め定められた高さｌまで直線状に形成し、かつ軸線２４がタービンロータ２１の回転中心Ｏを通る第１ラジアル線２３ａに対し、挟角αをもって腹側２０方向に傾斜させるとともに、軸線２４に滑らかに接続させ、タービンロータ２１の回転中心Ｏを通る第２ラジアル線２３ｂのダイアフラム内輪１１との交点Ｑまで腹側２０を凹状の湾曲線２５の形状に形成し、タービンノズル１２のダイアフラム内輪１１側からダイアフラム外輪１０までの流路２６の全域に亘って押圧力を働かせたので、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流蒸気がタービンノズル１２を通過する際、ダイアフラム外輪１０側に発生した合流蒸気の流量偏りをダイアフラム内輪１１に引き寄せ、合流蒸気の流量分布を均一化してダイアフラム外輪１０側の流量偏りを低減させることができ、流量偏りに起因する混合損失やタービン動翼１４における付加的な損失を低減させ、タービン段落効率をより一層向上させることができる。
【００３７】
図５は、本発明に係る蒸気タービンの第３実施形態を示す概念図である。
【００３８】
本実施形態に係る蒸気タービンに適用するタービンノズル１２は、両端をダイアフラム外輪１０とダイアフラム内輪１１とで支持させたノズル翼１２ａ，１２ｂを、タービンロータ２１の回転中心Ｏを通るラジアル線２２に対し、タービンロータ２１の回転方向に向って傾斜させる、いわゆるストレートリーン状に設置するとともに、一方のノズル翼１２ａの後縁１９から隣接する他方のノズル翼１２ｂの背側２７に向って伸びる最小通路長さをＳとし、環状の流路２６の円周長さをノズル翼１２ａ，１２ｂの枚数で割ったピッチをＴとするときのスロートピッチ比Ｓ／Ｔを、ノズル翼１２ａ，１２ｂのルート部（根元部）Ｒｔおよび翼有効平均直径（ピッチ・サークル・ダイアメータ）ＰＣＤに較べてノズル翼１２ａ，１２ｂのチップ部（翼先端部）Ｔｉｐを最大値に設定したものである。
【００３９】
この場合、中間タービン段落蒸気挿入口１６の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズル１２の後縁１９側から測ったノズル翼高さをＨ、翼有効平均直径ＰＣＤのスロートピッチ比を（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤとするとき、ノズル翼１２ａ，１２ｂのチップ部Ｔｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐは、
【数８】
の範囲内に設定される。
【００４０】
なお、ノズル翼１２ａ，１２ｂのチップＴｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐを前述した上式（数６）の範囲内で大きめに設定した場合は、ストレートリーンのリーン角度が小さいがゼロでも損失低減効果を得られる。
【００４１】
図６は、縦軸に翼有効平均直径ＰＣＤのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤを基準にしたノズル翼１２ａ，１２ｂの各翼高さ方向の相対スロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｒを示し、横軸にノズル翼１２ａ，１２ｂの各翼高さを無次元化したものを示す相対スロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｒ分布線図である。
【００４２】
この相対スロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｒ分布線図から、ノズル翼１２ａ，１２ｂのチップ部Ｔｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐは、
【数９】
の範囲内に入っていると、中間タービン段落蒸気挿入口１６の下流側に位置するタービンノズル１２のダイアフラム外輪１０側に発生する合流蒸気の流量偏りが少なくなり、速度分布もほぼ均一化していることがわかった。
【００４３】
このように、本実施形態は、ノズル翼１２ａ，１２ｂにおけるチップ部Ｔｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐ を、翼有効平均直径ＰＣＤのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤおよび翼ルート部Ｒｔのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｒｔに較べて最も大きな最大値にするとともに、チップ部Ｔｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐを、
【数１０】
の範囲内に設定し、中間タービン段落蒸気挿入口１６の下流側に位置するタービンノズル１２のダイアフラム外輪１０側に発生する合流蒸気の半径方向速度分布をほぼ均一化させたので、合流蒸気の混合損失を低減し、タービン段落効率をより一層向上させることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る蒸気タービンは、中間タービン段落蒸気挿入口の下流側に位置するタービンノズルのダイアフラム外輪側に発生する主流と挿入蒸気との合流蒸気による流量偏りを低減させ、かつ半径方向の速度分布を均一化させる手段を設けたので、合流蒸気の混合損失を低減し、タービン段落効率をより一層向上させるタービンノズルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸気タービンの第１実施形態を示す概略縦断面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ矢視方向から見たタービンノズルの後縁を示す概念図。
【図３】本発明に係る蒸気タービンの第２実施形態を示す概念図。
【図４】図２および図３に示したタービンノズルの後縁のラジアル線に対する挟角と相対タービン段落損失との関係を示す線図。
【図５】本発明に係る蒸気タービンの第３実施形態を示す概念図。
【図６】図５におけるタービンノズルの相対スロートピッチ比の分布を示す相対スロートピッチ比分布線図。
【図７】従来の蒸気タービンを示す概略縦断面図。
【図８】図７のＡ−Ａ線矢視断面における質量流量分布を示す質量流量分布図。
【符号の説明】
１ ダイアフラム外輪
２ ダイアフラム内輪
３ タービンノズル
４ タービンディスク
５ タービン動翼
６ タービン段落
７ 中間タービン段落蒸気挿入口
８ 合流空間部
９ 転向部
１０ ダイアフラム外輪
１１ ダイアフラム内輪
１２ タービンノズル
１３ タービンディスク
１４ タービン動翼
１５ タービン段落
１６ 中間タービン段落蒸気挿入口
１７ 合流空間部
１８ 転向部
１９ 後縁
２０ 腹側
２１ タービンロータ
２２ ラジアル線
２３ａ 第１ラジアル線
２３ｂ 第２ラジアル線
２４ 軸線
２５ 湾曲線
２６ 流路
２７ 背側
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンに係り、特に少なくとも一つ以上の中間タービン段落の間に蒸気挿入口を備えた蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラント、例えばガスタービンプラントに蒸気タービンプラントおよび排熱回収ボイラを組み合せたコンバインドサイクル発電プラントでは、排熱回収ボイラに高圧蒸気ドラム、中圧蒸気ドラム、低圧蒸気ドラムを備え、高圧蒸気ドラムで発生した蒸気を高圧タービンに供給し、中圧蒸気ドラムで発生した蒸気を高圧タービンからの排気を再熱器で再び加熱された再熱蒸気とともに中圧タービンに供給する一方、低圧蒸気ドラムで発生した蒸気を中圧タービンの途中の段落間に挿入する場合がある。
【０００３】
この場合、中圧タービンの入口から供給される蒸気（以下、主流Ｇ１と記す）に途中の段落間から挿入される蒸気を合流させるとき、流線に乱れを与えてタービン段落効率を低下させない構造にすることが大切であり、従来では、図７に示す構造になっていた。
【０００４】
蒸気タービンは、両端をダイアフラム外輪１とダイアフラム内輪２とで支持させたタービンノズル３と、タービンロータ（図示せず）と一体構造をなすタービンディスク４に植設するタービン動翼５とでタービン段落６を構成し、このタービン段落６を主流Ｇ１の流れに沿って複数段に配置するとともに、途中の段落の少なくとも一つ以上の個所に中間タービン段落蒸気挿入口７を設け、ここから案内された挿入蒸気Ｇ２を合流空間部８で主流Ｇ１に合流させた構成になっている。
【０００５】
合流空間部８は、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流が流線に乱れを与えず効果的に合流できるように、合流空間部８の空間を比較的広く確保している。
【０００６】
また、合流空間部８に連通する中間タービン段落蒸気挿入口７は、上流側タービン段落のダイアフラム外輪１と下流側タービン段落のダイアフラム外輪１とで形成し、上流側タービン段落のダイアフラム外輪１の挿入蒸気Ｇ２の転向部９を曲率の大きい曲面に形成している。
【０００７】
このように、従来の蒸気タービンでは、主流Ｇ１に挿入蒸気Ｇ２を合流させるとき、合流空間部８の空間を広くし、挿入蒸気Ｇ２の転向部９を曲率の大きい曲面にし、効果的な合流を行わせていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の蒸気タービンでは、主流Ｇ１の質量流量を１００％としたとき、挿入蒸気Ｇ２の質量流量を主流Ｇ１の質量流量の５％〜１５％の割合で挿入していた。
【０００９】
しかし、この質量流量の割合で合流空間部８にて挿入蒸気Ｇ２を主流Ｇ１に合流させても、その下流側に位置するタービン段落６はのタービンノズル３には充分に流れが均一化しない蒸気がそのまま流れ、さらにこの流れの不均一はタービンノズル３の下流側にまで及ぶため、タービン段落効率が設計値よりも低くなり、エネルギの有効活用が図れない等の問題があった。
【００１０】
図８は、三次元圧粘性流れ解析によって求めた図７のＡ−Ａ断面における質量流量の分布を示す質量流量分布図である。図中、縦軸に質量流量を示し、横軸に無次元タービンノズルの翼高さを示している。
【００１１】
図８から、タービンノズルの約８０％高さから１００％高さの範囲のダイアフラム外輪１側の部分に流量の偏りが残っていることがわかった。
【００１２】
このように、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との流量に偏りがあると、蒸気タービンは、タービンノズル３の混合損失がタービン動翼５まで影響を与えることになり、タービン段落効率を設計値よりも著しく低下させる要因になっていた。
【００１３】
本発明は、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流を子細に観察した結果に基づくものであり、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流の際、タービンノズル３の下流側におけるダイアフラム外輪１側での偏りが残らないようにし、タービン段落効率を高く維持させる蒸気タービンを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルの後縁形状を、後縁の腹側がタービンロータの回転方向に向って傾斜し、かつ前記タービンロータの回転中心を通るラジアル線に対し、挟角を持った形状とし、前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、挟角をαとするとき、挟角αは、
【数４】
【００１５】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルは、その後縁形状を、ダイアフラム外輪との接続点における軸線が予め定められた高さまで直線に形成し、かつ前記軸線がタービンロータの回転中心を通る第１ラジアル線に対し、挟角を持って腹側方向に傾斜させて形成するとともに、前記軸線に滑らかに接続させ、前記タービンロータの回転中心を通る第２ラジアル線の前記ダイアフラム内輪との接続点まで腹側凹状の湾曲に形成することで前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、挟角をαとするとき、挟角αは、
【数５】
【００１６】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルは、一方のノズル翼の後縁から隣接する他方のノズル翼の背側に向う最小通路長さＳと、環状の流路の円周の長さを前記ノズル翼の枚数で割ったピッチＴとのスロートピッチ比Ｓ／Ｔを、前記ノズル翼のルート部および翼有効平均直径に較べてチップ部を最大値に設定することでその後縁形状を前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、前記タービンノズルのノズル翼の翼有効平均直径のスロートピッチ比を（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤ、前記タービンノズルのノズル翼のチップ部のスロートピッチ比を（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐとするとき、チップ部のスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐは、
【数６】
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る蒸気タービンの実施形態を図面および図面を付した符号を引用して説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る蒸気タービンの第１実施形態を示す概略縦断面図である。
【００２１】
本実施形態に係る蒸気タービンは、両端をダイアフラム外輪１０とダイアフラム内輪１１とで支持させたタービンノズル１２と、タービンロータ（図示せず）一体に形成されたタービンディスク１３に植設するタービン動翼１４とでタービン段落１５を構成し、このタービン段落１５を主流Ｇ１の流れに沿って複数段に配置するとともに、途中の段落の間の少なくとも一つ以上の個所に中間タービン段落蒸気挿入口１６を設け、ここから案内された挿入蒸気Ｇ２を合流空間部１７で主流Ｇ１に合流させる構成になっている。
【００２２】
合流空間部１７は、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流が流線に乱れを与えず効果的に合流できるように、合流空間部１７の空間を比較的広く確保している。
【００２３】
また、上流側のタービン段落のダイアフラム外輪１０と下流側のタービン段落のダイアフラム外輪１０の間に形成され、合流空間部１７と連通する中間タービン段落蒸気挿入口１６は、その蒸気流路の断面積が最小となる部分のタービン軸方向長さを通路断面最小軸方向距離Ｌとして形成するとともに、下流側タービン段落のダイアフラム外輪１０の挿入蒸気Ｇ２の転向部１８を曲率の大きい曲面に形成している。
【００２４】
一方、中間タービン段落蒸気挿入口１６の下流側に位置し、ダイアフラム外輪１０とダイアフラム内輪１１とで支持されたタービンノズル１２は、図２に示すように、後縁１９の腹側２０がタービンロータ２１の回転方向に向って傾斜し、かつタービンロータ２１の回転中心Ｏを通り、ダイアフラム外輪１０との接続点Ｐに向って延びるラジアル線２２に対し、挟角（リーン角）αをもって設置されている。換言すると、タービンノズル１２の後縁１９の腹側２０がダイアフラム内輪１１側を向くように傾斜角αをもっと取り付けられている。
【００２５】
この場合、中間タービン段落蒸気挿入口１６の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズル１２の後縁１９側から測ったノズル翼高さをＨとするとき、挟角αは、
【数７】
【００２６】
図４は、三次元流れ解析で求めた、Ｍをパラメータ（変数）とするときの挟角αと相対タービン段落損失との関係を表わした線図である。
【００２７】
ここで、相対タービン段落損失とは、途中の段落からの挿入蒸気がない場合のタービン段落損失との比をいう。
【００２８】
図４に示す線図から、パラメータＭ（α＝ｓｉｎ−１（Ｍ×Ｌ／Ｈ））は、０．５＜Ｍ＜１．５の範囲が最も好ましい適用範囲であることがわかった。このパラメータＭの適用範囲、０．５＜Ｍ＜１．５は、途中の段落からの挿入蒸気がない場合のタービン段落効率よりも優れていることもわかった。
【００２９】
他方、第１実施形態で示した構成を備える蒸気タービンにおいて、タービンノズル１２は、後縁１９の腹側２０がタービンロータ２１の回転方向に向って傾斜し、かつタービンロータ２１の回転中心Ｏを通り、ダイアフラム外輪１０との接続点Ｐに向って延びるラジアル線２２に対し、挟角αをもって設置したので、ダイアフラム内輪１１側に向う方向に押圧力（流体の流れにおいてタービンノズル壁面側から流体主流側に向う力）が働き、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流蒸気をダイアフラム内輪１１側に押圧する。
【００３０】
その際、図８で示したダイアフラム外輪１側に発生した流量の偏りもダイアフラム内輪１１側に引き寄せられるので、タービンノズル１２は、その下流側の流れの半径方向流量分布を均一化することができる。
【００３１】
したがって、本実施形態によれば、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流蒸気がタービンノズル１２を通過する際、ダイアフラム外輪１０側に発生した合流蒸気の流量偏りをダイアフラム内輪１１側に引き寄せ、合流蒸気の流量分布を均一化してダイアフラム外輪１０側の流量偏りを低減させるので、流量偏りに起因する混合損失やタービン動翼１４における付加的な損失を低減させ、タービン段落効率をより一層向上させることができる。
【００３２】
図３は、本発明に係る蒸気タービンの第２実施形態を示す概念図である。
【００３３】
本実施形態に係る蒸気タービンに適用するタービンノズル１２は、後縁１９を、軸線２４と腹側２０を凹状に形成する湾曲線２５とを組み合せた形状にしたものである。
【００３４】
すなわち、タービンノズル１２は、後縁１９を、ダイアフラム外輪１０との接続点Ｐにおける軸線２４が予め定められた高さｌまで直線状に形成し、かつ軸線２４がタービンロータ２１の回転中心Ｏを通る第１ラジアル線２３ａに対し、挟角αをもって腹側２０方向に傾斜させた形状に形成し、ダイアフラム外輪１０に接続させている。なお、挟角αは、第１実施形態における挟角αと同一角になっている。
【００３５】
また同時に、タービンノズル１２は、後縁１９を、予め定められた高さｌまでの軸線２４に滑らかに接続させ、タービンロータ２１の回転中心Ｏを通る第２ラジアル線２３ｂのダイアフラム内輪１１との接続点Ｑまで腹側２０を凹状の湾曲線２５の形状に形成させている。
【００３６】
このように、本実施形態は、タービンノズル１２の後縁１９を、ダイアフラム外輪１０との接続点Ｐにおける軸線２４が予め定められた高さｌまで直線状に形成し、かつ軸線２４がタービンロータ２１の回転中心Ｏを通る第１ラジアル線２３ａに対し、挟角αをもって腹側２０方向に傾斜させるとともに、軸線２４に滑らかに接続させ、タービンロータ２１の回転中心Ｏを通る第２ラジアル線２３ｂのダイアフラム内輪１１との交点Ｑまで腹側２０を凹状の湾曲線２５の形状に形成し、タービンノズル１２のダイアフラム内輪１１側からダイアフラム外輪１０までの流路２６の全域に亘って押圧力を働かせたので、主流Ｇ１と挿入蒸気Ｇ２との合流蒸気がタービンノズル１２を通過する際、ダイアフラム外輪１０側に発生した合流蒸気の流量偏りをダイアフラム内輪１１に引き寄せ、合流蒸気の流量分布を均一化してダイアフラム外輪１０側の流量偏りを低減させることができ、流量偏りに起因する混合損失やタービン動翼１４における付加的な損失を低減させ、タービン段落効率をより一層向上させることができる。
【００３７】
図５は、本発明に係る蒸気タービンの第３実施形態を示す概念図である。
【００３８】
本実施形態に係る蒸気タービンに適用するタービンノズル１２は、両端をダイアフラム外輪１０とダイアフラム内輪１１とで支持させたノズル翼１２ａ，１２ｂを、タービンロータ２１の回転中心Ｏを通るラジアル線２２に対し、タービンロータ２１の回転方向に向って傾斜させる、いわゆるストレートリーン状に設置するとともに、一方のノズル翼１２ａの後縁１９から隣接する他方のノズル翼１２ｂの背側２７に向って伸びる最小通路長さをＳとし、環状の流路２６の円周長さをノズル翼１２ａ，１２ｂの枚数で割ったピッチをＴとするときのスロートピッチ比Ｓ／Ｔを、ノズル翼１２ａ，１２ｂのルート部（根元部）Ｒｔおよび翼有効平均直径（ピッチ・サークル・ダイアメータ）ＰＣＤに較べてノズル翼１２ａ，１２ｂのチップ部（翼先端部）Ｔｉｐを最大値に設定したものである。
【００３９】
この場合、中間タービン段落蒸気挿入口１６の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズル１２の後縁１９側から測ったノズル翼高さをＨ、翼有効平均直径ＰＣＤのスロートピッチ比を（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤとするとき、ノズル翼１２ａ，１２ｂのチップ部Ｔｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐは、
【数８】
【００４０】
なお、ノズル翼１２ａ，１２ｂのチップＴｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐを前述した上式（数６）の範囲内で大きめに設定した場合は、ストレートリーンのリーン角度が小さいがゼロでも損失低減効果を得られる。
【００４１】
図６は、縦軸に翼有効平均直径ＰＣＤのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤを基準にしたノズル翼１２ａ，１２ｂの各翼高さ方向の相対スロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｒを示し、横軸にノズル翼１２ａ，１２ｂの各翼高さを無次元化したものを示す相対スロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｒ分布線図である。
【００４２】
この相対スロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｒ分布線図から、ノズル翼１２ａ，１２ｂのチップ部Ｔｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐは、
【数９】
【００４３】
このように、本実施形態は、ノズル翼１２ａ，１２ｂにおけるチップ部Ｔｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐ を、翼有効平均直径ＰＣＤのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤおよび翼ルート部Ｒｔのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｒｔに較べて最も大きな最大値にするとともに、チップ部Ｔｉｐのスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐを、
【数１０】
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る蒸気タービンは、中間タービン段落蒸気挿入口の下流側に位置するタービンノズルのダイアフラム外輪側に発生する主流と挿入蒸気との合流蒸気による流量偏りを低減させ、かつ半径方向の速度分布を均一化させる手段を設けたので、合流蒸気の混合損失を低減し、タービン段落効率をより一層向上させるタービンノズルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸気タービンの第１実施形態を示す概略縦断面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ矢視方向から見たタービンノズルの後縁を示す概念図。
【図３】本発明に係る蒸気タービンの第２実施形態を示す概念図。
【図４】図２および図３に示したタービンノズルの後縁のラジアル線に対する挟角と相対タービン段落損失との関係を示す線図。
【図５】本発明に係る蒸気タービンの第３実施形態を示す概念図。
【図６】図５におけるタービンノズルの相対スロートピッチ比の分布を示す相対スロートピッチ比分布線図。
【図７】従来の蒸気タービンを示す概略縦断面図。
【図８】図７のＡ−Ａ線矢視断面における質量流量分布を示す質量流量分布図。
【符号の説明】
１ ダイアフラム外輪
２ ダイアフラム内輪
３ タービンノズル
４ タービンディスク
５ タービン動翼
６ タービン段落
７ 中間タービン段落蒸気挿入口
８ 合流空間部
９ 転向部
１０ ダイアフラム外輪
１１ ダイアフラム内輪
１２ タービンノズル
１３ タービンディスク
１４ タービン動翼
１５ タービン段落
１６ 中間タービン段落蒸気挿入口
１７ 合流空間部
１８ 転向部
１９ 後縁
２０ 腹側
２１ タービンロータ
２２ ラジアル線
２３ａ 第１ラジアル線
２３ｂ 第２ラジアル線
２４ 軸線
２５ 湾曲線
２６ 流路
２７ 背側
Claims (3)
- 両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルの後縁形状を、前記後縁の腹側がタービンロータの回転方向に向って傾斜しかつ前記タービンロータの回転中心を通るラジアル線に対し挟角を持った形状とし、前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、挟角をαとするとき、挟角αは、
- 両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルは、その後縁形状を、ダイアフラム外輪との接続点における軸線が予め定められた高さまで直線に形成し、かつ前記軸線がタービンロータの回転中心を通る第１ラジアル線に対し、挟角を持って腹側方向に傾斜させて形成するとともに、前記軸線に滑らかに接続させ、前記タービンロータの回転中心を通る第２ラジアル線の前記ダイアフラム内輪との接続点まで腹側凹状の湾曲に形成することで前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、挟角をαとするとき、挟角αは、
- 両端をダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とで支持させたタービンノズルと、タービンディスクに植設したタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向に沿って複数段に設置するとともに、前記タービン段落の途中の段落間に蒸気挿入口を備え、前記タービン段落の入口からの蒸気と、前記蒸気挿入口からの挿入蒸気とを合流させた蒸気タービンにおいて、前記蒸気挿入口の下流側に設置する前記タービンノズルは、一方のノズル翼の後縁から隣接する他方のノズル翼の背側に向う最小通路長さＳと、環状の流路の円周の長さを前記ノズル翼の枚数で割ったピッチＴとのスロートピッチ比Ｓ／Ｔを、前記ノズル翼のルート部および翼有効平均直径に較べてチップ部を最大値に設定することでその後縁形状を前記蒸気挿入口下流側以外の位置に設置する前記タービンノズルの後縁形状と異ならせ、かつ、中間タービン段落蒸気挿入口の通路断面最小軸方向距離をＬ、タービンノズルの後縁側から測ったノズル翼高さをＨ、前記タービンノズルのノズル翼の翼有効平均直径のスロートピッチ比を（Ｓ／Ｔ）ＰＣＤ、前記タービンノズルのノズル翼のチップ部のスロートピッチ比を（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐとするとき、チップ部のスロートピッチ比（Ｓ／Ｔ）Ｔｉｐは、
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