JP5422470B2 - 軸流タービン - Google Patents
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Description
本発明は、軸流タービンに係り、とりわけ、内部損失を低減させることができる軸流タービンに関する。
火力発電所において、エネルギ資源を有効に利用して、CO2排出量を削減するために、軸流タービン、例えば蒸気タービンの効率を向上させることが重要な課題となっている。蒸気タービンの効率を向上させるためには、蒸気タービン内部において生じる内部損失を低減させて、エネルギを機械仕事に有効に変換する必要がある。
蒸気タービンの内部損失としては、翼の形状に起因する損失、二次流れ損失、漏洩損失、湿り損失等の蒸気タービン翼列内の損失と、蒸気弁またはクロスオーバ管に代表される翼列以外の通路部損失と、蒸気タービン最終段落の下流側における排気損失とが挙げられる。このうち、排気損失は、蒸気タービン全損失の10%〜20%と、他の損失に比べて非常に大きな割合を占めている。ここで、排気損失は、蒸気タービンの最終段落の出口から、復水器等の下流に接続される機器の入口までの間で発生する損失であり、リービング損失、フード損失、ターンナップ損失等に更に分類される。
このうちフード損失は、排気室内を通過する蒸気による圧力損失であり、排気室の形式、形状、サイズに大きく依存している。一般に、圧力損失は、流速の二乗に依存することから、排気室のサイズを大きくして、排気室内の蒸気の流速を低減させることが効果的である。しかしながら、蒸気タービン全体の大きさに対して排気室のサイズが占める割合が大きい。このため、蒸気タービンの建屋の大きさ、コスト等から制約を受け、排気室のサイズを大きくすることは困難である。
図6は、このような蒸気タービンのうち、軸方向の中央部から流入した蒸気が両端部に向けてそれぞれ流れるダブルフロー型の低圧タービンを例に示したものである。なお、図6においては、ダブルフロー型の低圧タービンのうち、片側の排気室が拡大されて示されている。本図に示すように、排気室の下方には復水器が配置されて、下方排気型低圧排気室40aが構成されている。この下方排気型低圧排気室40aの内部においては、最終段落41の動翼列42の出口に、流路の外周縁を構成するガイド45と、内周縁を構成するコーン46とが設けられており、これらにより拡大流路である環状のディフューザ44が構成されている。
このような蒸気タービンにおいては、軸方向の中央部に設けられたクロスオーバ管(図示せず)から流入した蒸気は、左右の低圧段落に分流されて、それぞれ膨張して仕事を行う。この場合、蒸気は、各段落のノズル43および動翼列42を通過して、ディフューザ44へ流れる。ディフューザ44において、蒸気の速度が低減されて、静圧が回復するようになっている。ディフューザ44を通った蒸気は、下方排気型低圧排気室40a内部を下向きに流れ、この排気室40aの下方に配置された復水器(図示せず)へ流れる。
ディフューザ44において蒸気の速度を低減するためには、ディフューザ44の面積比(ディフューザ44の出口の面積/最終段落41の出口の環状面積)を極力大きくすることが有効である。しかしながら、ディフューザ44の流路を急拡大した場合には、蒸気の流れが剥離し、かえって蒸気の静圧を回復することが困難になる。
また、回転側の最終段落41の動翼列42の外周端部と、静止側の内部ケーシング47との間に間隙が設けられており、この間隙を通過する蒸気の流れ(チップフロー48)が存在している。このチップフロー48の蒸気は最終段落41の動翼列42に仕事を行うことがないため、チップフロー48は、大きなエネルギを有しており、高速で流れている。このことにより、チップフロー48は、ガイド45に沿って流れることができず、ガイド45近傍に剥離渦49が発生する。また、このようにチップフロー48がガイド45に沿って流れることができないため、最終段落41の動翼列42を通過した蒸気の流れ(蒸気主流50)は、ガイド45に沿って流れることができない。このため、蒸気主流50の蒸気は、減速して静圧を十分に回復することが困難になる。この結果、フード損失が増大して、蒸気タービンの内部損失が増大する。
ところで、ガイドの内周側に、スプリッタブレードという分離壁を設けて、チップフローと蒸気主流とを分離して、蒸気主流の剥離を抑制するディフューザが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1におけるディフューザにおいては、チップフローは、ガイドとスプリッタブレードとの間の流路を流れるようになっている。しかしながら、蒸気主流の流路を確保するために、ガイドとスプリッタブレードとの間の寸法を十分に確保することは難しい。このため、ガイドとスプリッタブレードとの間を流れるチップフローに、摩擦損失が生じるという問題がある。
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、内部損失を低減させることができる軸流タービンを提供することを目的とする。
本発明は、外部ケーシングと、前記外部ケーシング内に設けられた内部ケーシングと、前記外部ケーシングおよび前記内部ケーシングの内側に回転自在に設けられたロータと、前記内部ケーシングに設けられたノズルと、前記ロータに設けられた動翼列とによりそれぞれ構成され、最も下流側に配置される最終段落を含む複数の段落と、前記最終段落の下流側に設けられ、外周縁を構成するガイドと、内周縁を構成するコーンとを有し、当該最終段落を通過した蒸気を案内するディフューザと、前記ディフューザの前記ガイドの内周面に設けられ、前記内部ケーシングと前記最終段落の前記動翼列の外周端部との間を通過した蒸気の流れを周方向に偏向させる偏向部材と、を備えたことを特徴とする軸流タービンである。
本発明によれば、内部ケーシングと最終段落の動翼列の外周端部との間を通過した蒸気の流れを周方向に偏向させることができる。このことにより、内部ケーシングと最終段落の動翼列の外周端部との間を通過した蒸気の流れを旋回させてガイドの内周面に沿わせて流すことができ、最終段落の動翼列を通過した蒸気の剥離を抑制して、軸流タービンの内部損失を低減させることができる。
第1の実施の形態
図1乃至図4を用いて、本発明の第1の実施の形態における軸流タービンについて説明する。
図1乃至図4を用いて、本発明の第1の実施の形態における軸流タービンについて説明する。
図1により、軸流タービン1の全体構成について、低圧蒸気タービンを例にとって説明する。図1に示すように、軸流タービン1は、排気室2を区画する外部ケーシング3と、外部ケーシング3内に設けられた内部ケーシング4と、外部ケーシング3および内部ケーシング4の内側に回転自在に設けられたロータ5とを備えている。このうち、外部ケーシング3の軸方向中央部の上部には、クロスオーバ管6が連結されており、図示しない高圧側のタービンから排気された蒸気が、後述する段落10に流入するようになっている。
内部ケーシング4の内側には、複数のノズル11が軸方向に離間して設けられている。ロータ5の外周には、複数の動翼(羽根)列12が軸方向に離間して設けられている。一対のノズル11と動翼列12とにより段落10が構成されて、複数の段落10が設けられており、このうち最も下流側には、最終段落10aが配置されている。
最終段落10aの下流側に、外周縁を構成するガイド21と、内周縁を構成するコーン22とを有し、最終段落10aを通過した蒸気を案内するディフューザ(拡大流路)20が設けられている。このうちガイド21の外周面に、ガイド21の補強のための複数の構造支持板23が設けられており、図3に示すように、各構造支持板23は、周方向に亘って、略等間隔に配置されている。
ディフューザ20のガイド21の内周面には、図2に示すように、内部ケーシング4と最終段落10aの動翼列12の外周端部との間を通過した蒸気の流れ(チップフロー30)を、最終段落10aの動翼列12を通過した蒸気の流れ30(好ましくは、先端側の蒸気主流31a)の方向に偏向させる複数の偏向部材24が設けられている。各偏向部材24は、図4に示すように、チップフロー30を周方向に偏向させる、すなわちチップフロー30に周方向の速度成分を与えるように、ロータ5の軸線方向に対して傾斜している。また、各偏向部材24は、ガイド21の上流側部分に配置されており、チップフロー30を、確実に偏向させるようになっている。
なお、各偏向部材24は、図3に示すように、周方向に亘って、略等間隔に配置されている。また、図4に示すように、各偏向部材24の上流端部24aは、円弧状に形成され、流体抵抗の少ない鈍頭流線型形状を有している。
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
図示しない高圧側のタービンから排気された蒸気は、クロスオーバ管6を通って内部ケーシング4内に流入し、軸方向の中央部から左右の段落10に分流されて、各段落10のノズル11および動翼列12を通過して膨張して仕事を行う。ここで、最終段落10aのノズル11を通過した蒸気の多くの部分は、最終段落10aの動翼列12を通過して蒸気主流31となってディフューザ20へ流れる。一方、最終段落10aのノズル11を通過した蒸気の一部は、内部ケーシング4と最終段落10aの動翼列12の外周端部との間(すなわち、動翼列12の外側)を通過してチップフロー30となってディフューザ20へ流れる。この場合、蒸気主流31は、最終段落10aの動翼列12を通過しているために、この最終段落10aの動翼列12の回転力を受けて旋回した流れとなっているが、一般に先端側(ガイド21側)における蒸気主流31aと、動翼中心部における蒸気主流31bと、根元側(コーン22側)における蒸気主流31cとは、それぞれ異なった向きの旋回流れとなっている。これに対してチップフロー30は、最終段落10aの動翼列12を通過していないために、旋回流れとなっている蒸気主流31a、31b、31cとは周方向において大きく異なる方向に流れている。
ディフューザ20に流入したチップフロー30は、ガイド21の内周面に設けられた偏向部材24により周方向に偏向され、先端側の蒸気主流31aと異なる方向でディフューザ20に流入したチップフロー30がスワール流(旋回流)となる。旋回による回転力を受けたチップフロー30は、偏向部材24の下流にてガイド21の内周面(壁面)に押し付けられるように旋回しながら流れるため、チップフロー30と先端側の蒸気主流31aとが混合する際の損失を大幅に低減することができる。
偏向部材24によってチップフロー30には周方向の速度成分が与えられるが、与えられる周方向速度成分の向きは、先端側の蒸気主流31aの旋回流れの周方向成分と合わせることが好ましい。ここで、先端側の蒸気主流31aの旋回流れの方向と大きさ(速度)は、タービンの運転状態によって異なるが、例えば定格運転時や特定の部分負荷運転時等、効率の向上を図る運転状態での先端側の蒸気主流31aの速度を解析等により求め、これに基づいて決定すると良い。
本実施の形態においては、チップフロー30に周方向速度成分を持たせて旋回流とすることにより、ガイド21の内周面への流れの押し付け効果が得られれば十分である。このため、偏向部材24によりチップフロー30に与えられる周方向速度成分の大きさを、先端側の蒸気主流31aに合うようにすることまでは要さないが、与えられる周方向速度成分の大きさも含めて調整し、偏向部材24によるチップフロー30の偏向を、先端側の蒸気主流31aと略同方向とすれば、更に損失を低減することが可能になる。
このようにして、蒸気主流31による蒸気とチップフロー30による蒸気は、ディフューザ20において減速されて静圧を回復する。静圧を回復した蒸気は、排気室2の内部を下向きに流れ、排気室2の下方に配置された復水器(図示せず)へ流れる。
このように本実施の形態によれば、内部ケーシング4と最終段落10aの動翼列12の外周端部との間を通過したチップフロー30を、偏向部材24により周方向に偏向させることができる。このことにより、チップフロー30を旋回させてガイド21の内周面に押し付けて流すことができる。このため、チップフロー30が先端側の蒸気主流31aと混合することによる損失を低減させて剥離渦の発生を抑制することができる。この結果、ディフューザ20を通る蒸気の流れを減速して静圧を回復させる際の損失を抑え、蒸気タービンの内部損失を低減させることができる。
第2の実施の形態
次に、図5により、本発明の第2の実施の形態における軸流タービンについて説明する。
次に、図5により、本発明の第2の実施の形態における軸流タービンについて説明する。
図5に示す第2の実施の形態においては、偏向部材が湾曲している点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図4に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図5において、図1乃至図4に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施の形態における偏向部材24は、図5に示すように、内部ケーシング4と最終段落10aの動翼列12の外周端部との間を通過したチップフロー30を周方向に偏向させるように湾曲している。なお、図5は、湾曲する偏向部材24の形状の一例を示しており、チップフロー30が先端側の蒸気主流31aの方向に偏向するように湾曲していれば、図5に示す形状に限られることはない。
このように本実施の形態によれば、内部ケーシング4と最終段落10aの動翼列12の外周端部との間を通過したチップフロー30を、偏向部材24により周方向に偏向させることができる。このことにより、チップフロー30を旋回させてガイド21の内周面に押し付けて流すことができる。このため、チップフロー30が先端側の蒸気主流31aと混合することによる損失を低減させて剥離渦の発生を抑制することができる。この結果、ディフューザ20を通る蒸気の流れを減速して静圧を回復させる際の損失を抑え、蒸気タービンの内部損失を低減させることができる。
以上、本発明による実施の形態について説明してきたが、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形も可能である。
例えば、上述した実施の形態においては、低圧蒸気タービンを例にとって説明してきたが、このことに限られることはなく、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービンにも、本発明を適用することは可能である。この場合においても、同様にして、それぞれのタービンの内部損失を低減することができる。
1 軸流タービン
2 排気室
3 外部ケーシング
4 内部ケーシング
5 ロータ
6 クロスオーバ管
10 段落
10a 最終段落
11 ノズル
12 動翼列
20 ディフューザ
21 ガイド
22 コーン
23 構造支持板
24 偏向部材
24a 上流端部
30 チップフロー
31、31a、31b、31c 蒸気主流
40 蒸気タービン
40a 下方排気型低圧排気室
41 最終段落
42 動翼列
43 ノズル
44 ディフューザ
45 ガイド
46 コーン
47 内部ケーシング
48 チップフロー
49 剥離渦
50 蒸気主流
2 排気室
3 外部ケーシング
4 内部ケーシング
5 ロータ
6 クロスオーバ管
10 段落
10a 最終段落
11 ノズル
12 動翼列
20 ディフューザ
21 ガイド
22 コーン
23 構造支持板
24 偏向部材
24a 上流端部
30 チップフロー
31、31a、31b、31c 蒸気主流
40 蒸気タービン
40a 下方排気型低圧排気室
41 最終段落
42 動翼列
43 ノズル
44 ディフューザ
45 ガイド
46 コーン
47 内部ケーシング
48 チップフロー
49 剥離渦
50 蒸気主流
Claims (3)
- 外部ケーシングと、
前記外部ケーシング内に設けられた内部ケーシングと、
前記外部ケーシングおよび前記内部ケーシングの内側に回転自在に設けられたロータと、
前記内部ケーシングに設けられたノズルと、前記ロータに設けられた動翼列とによりそれぞれ構成され、最も下流側に配置される最終段落を含む複数の段落と、
前記最終段落の下流側に設けられ、外周縁を構成するガイドと、内周縁を構成するコーンとを有し、当該最終段落を通過した蒸気を案内するディフューザと、
前記ディフューザの前記ガイドの内周面に設けられ、前記内部ケーシングと前記最終段落の前記動翼列の外周端部との間を通過した蒸気の流れを周方向に偏向させる偏向部材と、を備えたことを特徴とする軸流タービン。 - 前記偏向部材は、前記ロータの軸線方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項1に記載の軸流タービン。
- 前記偏向部材は、湾曲していることを特徴とする請求項1に記載の軸流タービン。
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