JP5606373B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、排気室を備える蒸気タービンに関する。

火力発電所などで用いられる蒸気タービンの熱効率の向上は、エネルギ資源の有効利用や、二酸化炭素（ＣＯ_２）排出量の削減につながる重要な課題となっている。

蒸気タービンの熱効率の向上は、与えられたエネルギを有効に機械仕事に変換することで達成することができ、そのためには様々な内部損失を低減することが必要である。

蒸気タービンの内部損失には、翼の形状に起因するプロファイル損失、蒸気の二次流れ損失、蒸気の漏洩損失、蒸気の湿り損失などに基づくタービン翼列損失、蒸気弁やクロスオーバー管に代表される翼列以外の通路における通路部損失、タービン排気室によるタービン排気損失などがある。

これら損失の中で、タービン排気損失は、全内部損失の１０〜２０％を占める大きな損失である。タービン排気損失は、最終段出口から復水器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、環状面積制限損失、ターンナップ損失などにさらに分類される。このうち、フード損失は、排気室から復水器までの圧力損失であり、ディフューザを含めた排気室の形式、形状、サイズに依存する。

一般に、圧力損失は、蒸気の流速の二乗に比例して大きくなるため、許容される範囲で排気室のサイズを大きくして蒸気の流速を低減することが効果的である。しかしながら、排気室のサイズを大きくする際、製造コストや建屋の配置スペースなどからの制約を受ける。フード損失を低減させるために排気室のサイズを大きくする際にも、このような制約を受ける。そのため、限られた排気室のサイズで、圧力損失の小さい形状とすることが重要となる。

排気室における圧力損失を低減するためには、ディフューザにおいて、蒸気の速度を十分に減少させて静圧を回復させ、その下流における圧力損失を低減する必要がある。そのため、タービン排気損失を低減するために様々な検討がなされている。

特開２００６−２８３５８７号公報

しかしながら、従来の蒸気タービン、特に最終段動翼の環状面積を大きく取り、大きな蒸気流量に対応できるようにした複流（ダブルフロー）型の蒸気タービンにおける排気室では、膨張しながらタービンロータ軸方向に流出する蒸気をタービンロータ軸の下方に設置された復水器に導入させる過程で、蒸気の流れ方向を大きく転向させる必要が生じる。このような従来の蒸気タービンの排気室においては、十分に静圧が回復される前の速度の速い状態で、流れの向きが強制的に転向されるため、それに起因する大きな圧力損失、いわゆる曲がり損失が発生し、タービン排気損失を十分に低減することは困難であった。

本発明が解決しようとする課題は、排気室おける圧力損失の発生を抑制し、タービン排気損失を低減することができる蒸気タービンを提供することである。

実施形態の蒸気タービンは、タービン最終段落の下流側に設けられ、スチームガイドと、その内側のベアリングコーンとによって形成された、前記タービン最終段落を通過した蒸気を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザを備える蒸気タービンであって、前記ベアリングコーンが、前記タービン最終段落側に位置し、タービンロータの軸方向に平行に設けられた円筒状構成部と、前記円筒状構成部に一端側が接続され、下流側に向けて湾曲しながら拡開する拡大筒状構成部と、前記拡大筒状構成部に一端側が接続され、前記環状ディフューザの出口を構成する出口側筒状構成部とを具備する。

本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンにおける排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンにおける排気室の上半部を拡大したときの鉛直方向の子午断面を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンにおける排気室の上半部を拡大したときの鉛直方向の子午断面を示す図である。 ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さＬ０と円筒状構成部のタービンロータ軸方向の長さＬ１との比（Ｌ０／Ｌ１）とタービン排気損失との関係を示す図である。 出口側筒状構成部の円弧の半径Ｒ２と拡大筒状構成部の円弧の半径Ｒ１との比（Ｒ２／Ｒ１）とタービン排気損失との関係を示す図である。 ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さＬ０と拡大筒状構成部のタービンロータ軸方向の長さＬ４の比（Ｌ０／Ｌ４）とタービン排気損失との関係を示す図である。 拡大筒状構成部のタービンロータ軸方向に対する傾斜角度θとタービン排気損失との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の鉛直方向の子午断面を示す図である。ここでは、蒸気タービン１０として、下方排気型の排気室を備えた複流排気型の低圧タービンを例示して説明する。また、以下において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

蒸気タービン１０において、外部ケーシング２０内には、内部ケーシング２１が備えられている。内部ケーシング２１内には、動翼２２が植設されたタービンロータ２３が貫設されている。動翼２２を周方向に複数植設されることで動翼翼列を構成し、この動翼翼列をタービンロータ軸方向に複数段備えている。タービンロータ２３は、ロータ軸受２４によって回転可能に支持されている。

内部ケーシング２１の内周には、タービンロータ軸方向に動翼２２と交互になるように、ダイヤフラム２５ａ、２５ｂに支持されたノズル２６が配設されている。ノズル２６を周方向に複数植設されることでノズル翼列を構成し、ノズル翼列と直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成する。なお、内部ケーシング２１は、外部ケーシング２０によって支持されている。

蒸気タービン１０の中央には、クロスオーバー管２７からの蒸気が導入される吸気室２８を備えている。この吸気室２８から左右のタービン段落に蒸気を分配して導入する。

最終のタービン段落の下流側には、外周側のスチームガイド３０と、その内周側のベアリングコーン４０とによって形成された、蒸気を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザ５０が形成されている。なお、ベアリングコーン４０の内部には、ロータ軸受２４などが備えられている。

環状ディフューザ５０を備え下方排気型の排気室の下方（すなわちタービンロータ２３の下方）には、復水器（図示しない）が備えられる。

なお、上記した、外部ケーシング２０、内部ケーシング２１、スチームガイド３０、ベアリングコーン４０などは、上下に２つ割り構造で構成されている。例えば、上半側および下半側のスチームガイド３０によって筒状のスチームガイド３０が構成される。同様に、上半側および下半側のベアリングコーン４０よって筒状のベアリングコーン４０が構成される。そして、筒状のスチームガイド３０と、その内側に設けられた筒状のベアリングコーン４０とによって、環状ディフューザ５０が構成される。なお、スチームガイド３０およびベアリングコーン４０における上半側および下半側の構成は同じである。

ここで、蒸気タービン１０の動作について説明する。

クロスオーバー管２７を経て蒸気タービン１０内の吸気室２８に流入した蒸気は、左右のタービン段落に分岐して流れる。そして、各タービン段落のノズル２６、動翼２２を備える蒸気流路を膨張仕事をしながら通過し、タービンロータ２３を回転させる。膨張仕事をした蒸気は、流速が減じられ、静圧を回復しながら、環状ディフューザ５０を通過し、タービンロータ２３の下方に設置された復水器（図示しない）に導かれる。

このような複流排気（ダブルフロー）型の低圧タービンを用いる場合、タービンロータ軸方向の中央から流入させた蒸気を両端部に向けて二方向に流すことで蒸気の流量を多くすることができ、単流排気（シングルフロー）型の低圧タービンの最終段動翼の環状面積も大きくすることができる。しかしながら、このように複流排気型の低圧タービンとする場合、タービンからの排気蒸気をタービンロータ軸方向にそのまま流出させることは困難であり、通常、復水器をタービンロータ２３の下方に設置するとともに排気室を下方排気型とする。

次に、環状ディフューザ５０を構成するスチームガイド３０およびベアリングコーン４０の構成について詳しく説明する。

図２は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０における排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。図３は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０における排気室の上半部を拡大したときの鉛直方向の子午断面を示す図である。

図２および図３に示すように、最終のタービン段落の下流側には、スチームガイド３０と、その内側のベアリングコーン４０とによって形成された、最終のタービン段落を通過した蒸気を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザ５０が形成されている。

ベアリングコーン４０は、図３に示すように、円筒状構成部４１、拡大筒状構成部４２、出口側筒状構成部４３の３つの構成部で構成されている。なお、上記したように、ベアリングコーン４０は、一体として筒状に構成されているものではなく、半筒状の形状の上半側および下半側を組み立てることで筒状となる。また、後述するスチームガイド３０においてもベアリングコーン４０の場合と同様に、半筒状の形状の上半側および下半側を組み立てることで筒状となる。ここでは、上下に２つ割り構造で構成されるベアリングコーン４０やスチームガイド３０について、上半側および下半側を組み立てた後の筒状の構造に基づいて説明する。

ベアリングコーン４０において、円筒状構成部４１、拡大筒状構成部４２、出口側筒状構成部４３は、それぞれが結合されて一体的に構成されていてもよい。また、それぞれ別個に構成され、それぞれを接触させて固定することでベアリングコーン４０を構成してもよい。さらに、例えば、拡大筒状構成部４２と出口側筒状構成部４３とを一体的に構成し、これを円筒状構成部４１と接触させて固定することでベアリングコーン４０を構成してもよい。なお、いずれの場合においても、各接続部は、外壁面側（蒸気と接触する面側（蒸気流路側））が連続的に滑らかになるように接続されている。

円筒状構成部４１は、最終のタービン段落側に位置し、タービンロータ２３の軸方向に平行に設けられている。すなわち、円筒状構成部４１は、タービンロータ２３を包囲するようにタービンロータ２３の軸方向に平行に設けられ、直円筒状に構成されている。

円筒状構成部４１のタービンロータ軸方向の長さＬ１（図３参照）は、ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０の１／７倍〜１／３倍とすることが好ましい。また、より好ましくは、円筒状構成部４１のタービンロータ軸方向の長さＬ１は、ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０の１／６倍〜１／４倍である。

長さＬ１を長さＬ０の１／７倍〜１／３倍とすることで、円筒状構成部４１と、後述するスチームガイド３０の拡大筒状構成部３１との間で、蒸気の速度を十分に低減し、静圧を回復することができる。そのため、タービン排気損失を低減することができる。

ここで、ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０は、円筒状構成部４１の最終のタービン段落側の端縁から、外部ケーシング２０の垂直壁２０ａに接触する出口側筒状構成部４３の端縁までのタービンロータ軸方向の長さである。垂直壁２０ａは、タービンロータ軸方向に垂直な方向に形成され、外部ケーシング２０のタービンロータ軸方向の端部を構成している。

拡大筒状構成部４２は、円筒状構成部４１に一端側が接続され、下流側に向けてラッパ状に拡開する拡大筒状に構成されている。換言すると、拡大筒状構成部４２は、タービン排気方向でかつタービンロータ軸方向（図２および図３では右方向）に行くに伴い、半径方向外側に広がりながらラッパ状に拡大する。図３に示した断面図において、拡大筒状構成部４２の外壁面（蒸気と接触する側（蒸気流路側）の面）は、半径Ｒ１の円弧で形成されている。

出口側筒状構成部４３は、拡大筒状構成部４２に一端側が接続され、下流側に向けてラッパ状に拡開する拡大筒状に構成されている。また、出口側筒状構成部４３は、環状ディフューザ５０の出口を構成する部分であり、他端部は、外部ケーシング２０の垂直壁２０ａに接合されている。換言すると、出口側筒状構成部４３は、タービン排気方向でかつタービンロータ軸方向（図２および図３では右方向）に行くに伴い、半径方向外側に広がりながらラッパ状に拡大する。図３に示した断面図において、出口側筒状構成部４３の外壁面（蒸気と接触する側（蒸気流路側）の面）は、半径Ｒ２の円弧で形成されている。

ここで、出口側筒状構成部４３の円弧の半径Ｒ２は、拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１よりも大きいことが好ましい。半径Ｒ２を半径Ｒ１よりも大きく構成することで、拡大筒状構成部４２において半径方向外側に流れの方向が変えられた蒸気を、さらに半径方向外側に向けて緩やかに流れの方向を変えながら流すことができる。そのため、曲がり損失の発生を抑制することができる。

また、拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１の値は、ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０の値以下であり、かつ出口側筒状構成部４３の円弧の半径Ｒ２は、拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１の１．５倍以上であることが好ましい。また、より好ましくは、出口側筒状構成部４３の円弧の半径Ｒ２は、拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１の１．５倍〜２倍である。

ここで、半径Ｒ１の値を長さＬ０の値以下とすることが好ましいのは、環状ディフューザ５０の内部で、流れの方向をタービンロータ２３の軸方向からタービンロータ２３の軸方向に垂直な方向へと完全に転向することが望ましいからである。半径Ｒ２を半径Ｒ１の１．５倍以上とすることが好ましいのは、半径Ｒ２を半径Ｒ１よりも大きく構成する理由と同じである。

また、拡大筒状構成部４２のタービンロータ軸方向の長さＬ２は、拡大筒状構成部４２の内部で、可能な限り流れの方向をタービンロータ２３の軸方向からタービンロータ２３の軸方向に垂直な方向に近い角度まで転向させておくことが好ましいという理由から、出口側筒状構成部４３のタービンロータ軸方向の長さＬ３の０．６倍〜４倍程度とすることが好ましい。

スチームガイド３０は、図３に示すように、第２の拡大筒状構成部として機能する拡大筒状構成部３１、第３の拡大筒状構成部として機能する拡大筒状構成部３２の２つの構成部で構成されている。

拡大筒状構成部３１は、最終のタービン段落側に位置し、下流側に向けて直線的に拡開する拡大筒状に構成されている。換言すると、拡大筒状構成部３１は、タービン排気方向でかつタービンロータ軸方向（図２および図３では右方向）に行くに伴い、半径方向外側に直線的に拡大する。そのため、図３に示した断面図において、拡大筒状構成部３１における内壁面（蒸気と接触する側（蒸気流路側）の面）は、タービンロータ軸方向に対して傾斜する傾斜直線となる。

拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向の長さＬ４は、ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さＬ０の１／７倍〜１／３倍であることが好ましい。また、拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向の長さＬ４は、ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さＬ０の１／６倍〜１／４倍であることがさらに好ましい。

長さＬ４を長さＬ０の１／７倍〜１／３倍とすることで、拡大筒状構成部３１と、前述した円筒状構成部４１との間で、蒸気の速度を十分に低減し、静圧を回復することができる。そのため、タービン排気損失を低減することができる。

拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向に対する傾斜角度θは、７〜２７度であることが好ましい。また、拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向に対する傾斜角度θは、１４度〜２０度であることがさらに好ましい。

傾斜角度θを上記した範囲とすることが好ましいのは、拡大筒状構成部３１と、前述した円筒状構成部４１との間で、蒸気の速度を十分に低減し、静圧を回復することができるからである。

拡大筒状構成部３２は、拡大筒状構成部３１に一端側が接続され、下流側に向けてラッパ状に拡開する拡大筒状に構成されている。換言すると、拡大筒状構成部３２は、タービン排気方向でかつタービンロータ軸方向（図２および図３では右方向）に行くに伴い、半径方向外側に広がりながらラッパ状に拡大する。図３に示した断面図において、拡大筒状構成部３２の内壁面（蒸気と接触する側（蒸気流路側）の面）は、半径Ｒ３の円弧で形成されている。半径Ｒ３は、特に限定されるものではないが、拡大筒状構成部３２が、拡大筒状構成部４２および出口側筒状構成部４３とともにスムーズな流路断面を形成することが望ましいという理由から、半径Ｒ１よりも大きく半径Ｒ２よりも小さい範囲で設定されることが好ましい。

また、環状ディフューザ５０の出口においては、蒸気の流れが半径方向外側の方向に流れるように、例えば、拡大筒状構成部３２の出口側の端縁は、出口側筒状構成部４３の出口側の端縁と水平方向位置が同じとなるように構成されることが好ましい。すなわち、拡大筒状構成部３２の出口側の端縁のタービンロータ軸からの半径方向の距離と、出口側筒状構成部４３の出口側の端縁のタービンロータ軸からの半径方向の距離とが等しく構成されることが好ましい。

次に、環状ディフューザ５０内における蒸気流れについて説明する。

最終のタービン段落から環状ディフューザ５０内に流入した蒸気は、円筒状構成部４１と拡大筒状構成部３１との間に形成される直線状ディフューザ部を減速され、静圧を回復しながら流れる。この際、流れの向きは変更されないため、曲がり損失は生じず、静圧を十分に回復することができる。

速度が低減された蒸気は、拡大筒状構成部４２と拡大筒状構成部３２との間に導かれ、半径方向外側に流れの方向が変えられる。この際、蒸気は減速されているため、曲がり損失の発生を小さく抑えることができる。

続いて、蒸気は、出口側筒状構成部４３と拡大筒状構成部３２との間に導かれ、さらに半径方向外側に向けて緩やかに流れの方向が変えられる。出口側筒状構成部４３の円弧の半径Ｒ２は、前述したように半径Ｒ１よりも大きく構成されているため、曲がり損失の発生を小さく抑えることができる。また、環状ディフューザ５０の出口においては、半径方向外側の方向、換言すれば、タービンロータ２３の軸方向に垂直な方向に整流された蒸気の流れが得られる。

環状ディフューザ５０から流出した蒸気は、整流されているため、流れが大きく乱れることなく復水器（図示しない）に導かれる。そのため、環状ディフューザ５０と復水器との間における圧力損失の発生も抑制される。

上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、排気室の環状ディフューザ５０におけるタービン排気損失を低減することができる。さらに、環状ディフューザ５０の出口における蒸気の流れを整流することができるため、環状ディフューザ５０と復水器との間におけるタービン排気損失を低減することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン１１は、ベアリングコーン４０の出口側筒状構成部４３の構成以外は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図４は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１１における排気室の上半部を拡大したときの鉛直方向の子午断面を示す図である。

図４に示すように、最終のタービン段落の下流側には、スチームガイド３０と、その内側のベアリングコーン４０とによって形成された、最終のタービン段落を通過した蒸気を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザ５０が形成されている。

ベアリングコーン４０は、図４に示すように、円筒状構成部４１、拡大筒状構成部４２、出口側筒状構成部４３の３つの構成部で構成されている。なお、円筒状構成部４１および拡大筒状構成部４２の構成は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における構成と同じである。

ここで、拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１の値は、ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０の値以下であることが好ましい。半径Ｒ１の値を長さＬ０の値以下とすることが好ましいのは、環状ディフューザ５０の内部で流れの方向をタービンロータ２３の軸方向からタービンロータ２３の軸方向に垂直な方向へと完全に転向することが望ましいからである。

出口側筒状構成部４３は、拡大筒状構成部４２に一端側が接続され、拡大筒状構成部４２の接続端縁における接線方向に下流側に向けて直線的に拡開する拡大筒状に構成されている。換言すると、出口側筒状構成部４３は、タービン排気方向でかつタービンロータ軸方向（図４では右方向）に行くに伴い、半径方向外側に直線的に拡大する。そのため、図４に示した断面図において、出口側筒状構成部４３における外壁面（蒸気と接触する側（蒸気流路側）の面）は、タービンロータ軸方向に対して傾斜する傾斜直線となる。

また、出口側筒状構成部４３は、環状ディフューザの出口を構成する部分でもあり、他端部は、外部ケーシング２０の垂直壁２０ａに接合されている。

拡大筒状構成部４２のタービンロータ軸方向の長さＬ２は、拡大筒状構成部４２の内部で可能な限り流れの方向をタービンロータ２３の軸方向からタービンロータ２３の軸方向に垂直な方向に近い角度まで転向させておくことが好ましいという理由から、出口側筒状構成部４３のタービンロータ軸方向の長さＬ３の０．６倍〜４倍程度とすることが好ましい。

スチームガイド３０の構成は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における構成と同じである。

次に、環状ディフューザ５０内における蒸気流れについて説明する。

最終のタービン段落から環状ディフューザ５０内に流入した蒸気は、円筒状構成部４１と拡大筒状構成部３１との間に形成される直線状ディフューザ部を減速され、静圧を回復しながら流れる。この際、流れの向きは変更されないため、曲がり損失は生じず、静圧を十分に回復することができる。

速度が低減された蒸気は、拡大筒状構成部４２と拡大筒状構成部３２との間に導かれ、半径方向外側に流れの方向が変えられる。この際、蒸気は減速されているため、曲がり損失の発生を小さく抑えることができる。

続いて、蒸気は、出口側筒状構成部４３と拡大筒状構成部３２との間に導かれ、さらに半径方向外側に向けて緩やかに流れの方向が変えられる。そのため、曲がり損失の発生を小さく抑えることができる。また、環状ディフューザ５０の出口においては、半径方向外側の方向、換言すれば、タービンロータ２３の軸方向に垂直な方向に整流された蒸気の流れが得られる。

環状ディフューザ５０から流出した蒸気は、整流されているため、流れが大きく乱れることなく復水器（図示しない）に導かれる。そのため、環状ディフューザ５０と復水器との間における圧力損失の発生も抑制される。

上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービン１１によれば、排気室の環状ディフューザ５０におけるタービン排気損失を低減することができる。さらに、環状ディフューザ５０の出口における蒸気の流れを整流することができるため、環状ディフューザ５０と復水器との間におけるタービン排気損失を低減することができる。

なお、上記した実施の形態では、蒸気タービン１０、１１として、下方排気型の排気室を備えた複流排気型の低圧タービンを例示して説明したが、本実施の形態は、例えば、単流形の低圧タービンに適用することもできる。

（タービン排気損失の評価）
ここでは、（１）ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０と円筒状構成部４１のタービンロータ軸方向の長さＬ１との比（Ｌ０／Ｌ１）、（２）出口側筒状構成部４３の円弧の半径Ｒ２と拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１との比（Ｒ２／Ｒ１）、（３）ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さＬ０と拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向の長さＬ４の比（Ｌ０／Ｌ４）、（４）拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向に対する傾斜角度θについて、タービン排気損失との関係を評価した。なお、ここでは、出口側筒状構成部４３として、第１の実施の形態で示した、半径方向外側に広がりながらラッパ状に拡大する拡大筒状の構成とした。

（１）ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０と円筒状構成部４１のタービンロータ軸方向の長さＬ１との比（Ｌ０／Ｌ１）
図５は、ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０と円筒状構成部４１のタービンロータ軸方向の長さＬ１との比（Ｌ０／Ｌ１）とタービン排気損失との関係を示す図である。この関係は、実機において得られた結果である。この際、半径Ｒ２と半径Ｒ１との比（Ｒ２／Ｒ１）を１．５、長さＬ０と長さＬ４の比（Ｌ０／Ｌ４）を５、傾斜角度θを１７度とした。

なお、図５では、長さＬ０と長さＬ１との比（Ｌ０／Ｌ１）で示しているため、前述した実施の形態において好ましい範囲として示した長さＬ１と長さＬ０との比（Ｌ１／Ｌ０）の逆数になっている。

図５に示すように、（Ｌ０／Ｌ１）の値が５程度で最高静圧回復量となり、そこから外れると、静圧回復量が低下し、タービン排気損失が増加している。これは、円筒状構成部４１と拡大筒状構成部３１との間に形成される直線ディフューザ部のタービンロータ軸方向の長さが短すぎると、蒸気が十分に減速されず、静圧が十分に回復されないことを示している。一方、直線ディフューザ部のタービンロータ軸方向の長さが長すぎると、その下流においてタービンロータ軸方向の距離が十分に得られないために、流れが急激に半径方向外側に曲げられ、タービン排気損失が増加することを示している。

ここで通常のタービン設計基準では、最高静圧回復量から２０％の低下した静圧回復量までを許容する。図５には、最高静圧回復量から２０％の低下した静圧回復量を破線で示している。そのため、（Ｌ０／Ｌ１）の値を３〜７の範囲に設定することで、上記したタービン設計基準値以上の静圧回復量を得ることができ、タービン排気損失を低減することができる。

（２）出口側筒状構成部４３の円弧の半径Ｒ２と拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１との比（Ｒ２／Ｒ１）
図６は、出口側筒状構成部４３の円弧の半径Ｒ２と拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１との比（Ｒ２／Ｒ１）とタービン排気損失との関係を示す図である。この関係は、実機において得られた結果である。この際、長さＬ０と長さＬ１との比（Ｌ０／Ｌ１）を５、長さＬ０と長さＬ４の比（Ｌ０／Ｌ４）を５、傾斜角度θを１７度とした。

図６に示すように、（Ｒ２／Ｒ１）の値が１．５までは、（Ｒ２／Ｒ１）の減少に伴って、タービン排気損失が急激に減少している。これは、（Ｒ２／Ｒ１）の値が小さい場合には、出口側筒状構成部４３の円弧の半径Ｒ２に比べて、拡大筒状構成部４２の円弧の半径Ｒ１が大きくなる。そのため、流れが急激に半径方向外側に曲げられ、曲がり損失が発生するとともに、整流効果が得られず、タービン排気損失が増加することを示している。

この結果から、（Ｒ２／Ｒ１）の値を１．５以上に設定することによって、タービン排気損失を抑制できることがわかる。

（３）ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さＬ０と拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向の長さＬ４の比（Ｌ０／Ｌ４）
図７は、ベアリングコーン４０のタービンロータ軸方向の長さＬ０と拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向の長さＬ４の比（Ｌ０／Ｌ４）とタービン排気損失との関係を示す図である。この関係は、実機において得られた結果である。この際、長さＬ０と長さＬ１との比（Ｌ０／Ｌ１）を５、半径Ｒ２と半径Ｒ１との比（Ｒ２／Ｒ１）を１．５、傾斜角度θを１７度とした。

なお、図７では、長さＬ０と長さＬ４との比（Ｌ０／Ｌ４）で示しているため、前述した実施の形態において好ましい範囲として示した長さＬ４と長さＬ０との比（Ｌ４／Ｌ０）の逆数になっている。

図７に示すように、（Ｌ０／Ｌ４）の値が５程度で最高静圧回復量となり、そこから外れると、静圧回復量が低下し、タービン排気損失が増加している。これは、円筒状構成部４１と拡大筒状構成部３１との間に形成される直線ディフューザ部のタービンロータ軸方向の長さが短すぎると、蒸気が十分に減速されず、静圧が十分に回復されないことを示している。一方、直線ディフューザ部のタービンロータ軸方向の長さが長すぎると、その下流においてタービンロータ軸方向の距離が十分に得られないために、流れが急激に半径方向外側に曲げられ、タービン排気損失が増加することを示している。

ここで通常のタービン設計基準では、最高静圧回復量から２０％の低下した静圧回復量までを許容する。図５には、最高静圧回復量から２０％の低下した静圧回復量を破線で示している。そのため、（Ｌ０／Ｌ４）の値を３〜７の範囲に設定することで、上記したタービン設計基準値以上の静圧回復量を得ることができ、タービン排気損失を低減することができる。

（４）拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向に対する傾斜角度θ
図８は、拡大筒状構成部３１のタービンロータ軸方向に対する傾斜角度θとタービン排気損失との関係を示す図である。この関係は、実機において得られた結果である。この際、長さＬ０と長さＬ１との比（Ｌ０／Ｌ１）を５、半径Ｒ２と半径Ｒ１との比（Ｒ２／Ｒ１）を１．５、長さＬ０と長さＬ４の比（Ｌ０／Ｌ４）を５とした。

図８に示すように、傾斜角度θが１４〜１９度程度で最高静圧回復量となり、そこから外れると、静圧回復量が低下し、タービン排気損失が増加している。これは、円筒状構成部４１と拡大筒状構成部３１との間に形成される直線ディフューザ部における流路の拡大が小さいと、蒸気が十分に減速されず、静圧が十分に回復されないことを示している。一方、直線ディフューザ部における流路の拡大が大きすぎると、流れが剥離して拡大損失と呼ばれる圧力損失が発生し、タービン排気損失が増加することを示している。

ここで通常のタービン設計基準では、最高静圧回復量から２０％の低下した静圧回復量までを許容する。図８には、最高静圧回復量から２０％の低下した静圧回復量を破線で示している。そのため、傾斜角度θを７〜２７度の範囲に設定することで、上記したタービン設計基準値以上の静圧回復量を得ることができ、タービン排気損失を低減することができる。

以上説明した実施形態によれば、排気室おける圧力損失の発生を抑制し、タービン排気損失を低減することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

１０、１１…蒸気タービン、２０…外部ケーシング、２０ａ…垂直壁、２１…内部ケーシング、２２…動翼、２３…タービンロータ、２４…ロータ軸受、２５ａ、２５ｂ…ダイヤフラム、２６…ノズル、２７…クロスオーバー管、２８…吸気室、３０…スチームガイド、３１、３２、４２…拡大筒状構成部、４０…ベアリングコーン、４１…円筒状構成部、４３…出口側筒状構成部、５０…環状ディフューザ。

Claims (9)

1. タービン最終段落の下流側に設けられ、スチームガイドと、その内側のベアリングコーンとによって形成された、前記タービン最終段落を通過した蒸気を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザを備える蒸気タービンであって、
   前記ベアリングコーンが、
   前記タービン最終段落側に位置し、タービンロータの軸方向に平行に設けられた円筒状構成部と、
   前記円筒状構成部に一端側が接続され、下流側に向けて湾曲しながら拡開する拡大筒状構成部と、
   前記拡大筒状構成部に一端側が接続され、前記環状ディフューザの出口を構成する出口側筒状構成部と
   を具備することを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記出口側筒状構成部が、下流側に向けて湾曲しながら拡開するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記出口側筒状構成部における流路側の円弧の半径が、前記拡大筒状構成部における流路側の円弧の半径よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
4. 前記拡大筒状構成部における流路側の円弧の半径の値が、前記ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さの値以下であり、かつ前記出口側筒状構成部における流路側の円弧の半径が、前記拡大筒状構成部における流路側の円弧の半径の１．５倍以上であることを特徴とする請求項２または３記載の蒸気タービン。
5. 前記出口側筒状構成部が、前記拡大筒状構成部の接続端縁における接線方向に下流側に向けて直線的に拡開するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
6. 前記円筒状構成部のタービンロータ軸方向の長さが、前記ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さの１／７倍〜１／３倍であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン。
7. 前記スチームガイドが、
   前記タービン最終段落側に位置し、下流側に向けて直線的に拡開する第２の拡大筒状構成部と、
   前記第２の拡大筒状構成部に一端側が接続され、下流側に向けて湾曲しながら拡開する第３の拡大筒状構成部と
   を具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン。
8. 前記第２の拡大筒状構成部のタービンロータ軸方向の長さが、前記ベアリングコーンのタービンロータ軸方向の長さの１／７倍〜１／３倍であることを特徴とする請求項７記載の蒸気タービン。
9. 前記第２の拡大筒状構成部のタービンロータ軸方向に対する傾斜角度が、７〜２７度であることを特徴とする請求項７または８記載の蒸気タービン。

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