JP5618879B2 - 軸流排気タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、軸流排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、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、排気室内を通過する蒸気による圧力損失であり、蒸気の軸流速度、すなわち排気室を通過する体積流量に依存する。そのため、フード損失は、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。

復水器が蒸気タービンと同じ高さに配置される場合に使用される軸流排気タービンの低圧排気室では、最終のタービン段落の動翼を通過した蒸気は、内管および外管を有する環状の拡大流路であるディフューザで流速が減じられ、静圧を回復しながら、排気室から排気され、復水器に導かれる。

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じて静圧を回復する必要がある。そのためには、ディフューザの面積比（ディフューザ出口における流路断面積／最終のタービン段落出口における流路断面積）を極力大きくする必要がある。しかしながら、ディフューザにおける流路を急拡大流路とすると、蒸気の流れが剥離し、有効な静圧回復が妨げられる。そのため、ディフューザの拡大率や流路形状には、最適な条件が存在する。

一般に、低圧排気室の内部の圧力は、運転状態において大気圧以下となる。そのため、大気圧との圧力差による流路構成部材の変形を防止するためや、軸流型排気室においてはタービンロータや軸受を保持するために、排気室の内部や外部にパイプやリブなどの内部構造物が設置されている。これらの内部構造物は、蒸気の流路中にも設置されるため、圧力損失を生ずる。そのため、内部構造物による圧力損失を低減するための検討がなされている。

特開２００５−２９０９８５号公報

上記した内部構造物は、タービンロータ軸方向に垂直な鉛直方向や水平方向などに、対称または非対称に配置される。すなわち、タービンロータ軸方向に垂直な半径方向に、対称または非対称に配置される。排気室の流路断面では、内部構造物が密または疎に配置される領域が存在することもある。そのため、同じタービンロータ軸方向位置における流路断面において、蒸気の速度差、すなわち速度分布が生じる。これにより、流れ場に乱れを生じ、排気室において十分に圧力回復を行うことができない。

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を低減することができる軸流排気タービンを提供することである。

実施形態の軸流排気タービンは、タービンロータの周囲にタービンロータ軸方向に配置される内壁部と、この内壁部の外周に配置される外壁部との間に、下流方向に流路断面積が徐々に増加するように形成された、作動流体をタービンロータ軸方向に排気する排気流路を有する排気室を備える。前記排気室内の前記作動流体が通過する前記排気流路には、内部構造物が存在する。そして、この軸流排気タービンでは、前記内部構造物が存在する部分から下流側において、前記外壁部の内径が、上半側と下半側とで異なる。

本発明に係る第１の実施の形態の軸流排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の実施の形態の軸流排気タービンにおける排気室の鉛直方向の子午断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービンを示した図２のＡ−Ａ断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービンにおける排気室を上方から見たときの平面図である。 内部構造物５３により遮られる部分を除く上半側排気流路の流路断面積Ａ１と、内部構造物５３により遮られる部分を除く下半側排気流路の流路断面積Ａ２との流路断面積差（Ａ１−Ａ２）を、流路断面積Ａ１で除した値（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）と、性能低下率との関係を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービンにおける排気室の所定の流路断面において、内部構造物が均等配置された一例を模式的に示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービンにおける排気室の所定の流路断面において、内部構造物が不均等配置された一例を模式的に示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービンにおける他の構成の排気室の鉛直方向の子午断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービンにおける異なる排気室の形状を示した、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービンにおける異なる排気室の形状を示した、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の軸流排気タービンにおける排気室の水平方向の子午断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の軸流排気タービンが示された図１１のＢ−Ｂ断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態の軸流排気タービンにおける排気室の鉛直方向の子午断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態の軸流排気タービンが示された図１３のＣ−Ｃ断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第４の実施の形態の軸流排気タービンにおける排気室の水平方向の子午断面を模式的に示す図である。 本発明に係る第４の実施の形態の軸流排気タービンが示された図１５のＤ−Ｄ断面を模式的に示す図である。

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の実施の形態の軸流排気タービン１０の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、ここでは、軸流排気タービン１０として、蒸気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。

図１に示すように、軸流排気タービン１０は、ケーシング２０を備え、このケーシング２０内には、動翼２１が植設されたタービンロータ２２が貫設されている。動翼２１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２２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

ケーシング２０の内周には、タービンロータ軸方向に動翼２１と交互になるように、ダイヤフラム２３ａ、２３ｂに支持されたノズル２４が配設されている。ノズル２４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。

タービンロータ２２とケーシング２０との間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２５が設けられている。

軸流排気タービン１０には、内部に蒸気を導入するための蒸気入口管２６がケーシング２０を貫通して設けられている。

最終のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気室３０が設けられている。この排気室３０は、タービンロータ２２の周囲にタービンロータ軸方向に配置される内壁部３１と、この内壁部３１の外周に配置される外壁部３２との間に、下流方向に流路断面積が徐々に増加するように形成された、作動流体をタービンロータ軸方向に排気する排気流路３３を備えている。この排気流路３３は、いわゆるディフューザである。また、排気流路３３は、断面が環状に形成されている。排気流路３３の出口３４は、図１に示すように、中央に内壁部３１などがなく、外壁部３２で覆われた、断面が円形の排気流路となる。

また、排気室３０を構成する内壁部３１および外壁部３２は、上下に２つ割り構造で構成されている。ここでは、上方側を上半側と、下方側を下半側という。

なお、図示しないが、排気流路３３の出口３４には、例えば、軸流排気タービン１０と同じ高さに配置された復水器（図示しない）が備えられる。また、図示しないが、内壁部３１内には、タービンロータ２２を回転可能に支持するロータ軸受、ロータ軸受を収納する軸受台、軸受台の周囲に設けられた軸受台カバーが設けられている。また、内壁部３１内には、軸受台の内部に充満している空気やオイルミストの排気流路３３側の漏出を防止するためにグランドラシール部（図示しない）が設けられている。

排気流路３３には、図１に示すように、例えば、グランドラシール部（図示しない）に蒸気を供給するための配管５０、上記した軸受台（図示しない）の内部空間を大気側に開放するための均圧管５１、内壁部３１などを支持する支持部材５２などからなる内部構造物５３が存在する。

ここで、軸流排気タービン１０の動作について説明する。

蒸気入口管２６を経て軸流排気タービン１０内に流入した蒸気は、各タービン段落のノズル２４、動翼２１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２２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、排気室３０の排気流路３３を通過し、復水器（図示しない）に導かれる。

次に、排気室３０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の実施の形態の軸流排気タービン１０における排気室３０の鉛直方向の子午断面を模式的に示す図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面を模式的に示す図である。なお、図２および図３では、一部の構成を省略して断面を示している。図４は、本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービン１０における排気室３０を上方から見たときの平面図である。なお、図４では、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂにおける内壁のタービンロータ軸方向の形状を明確に示すため、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂにおける内壁の輪郭線のみを示している。

図２および図３に示すように、内部構造物５３は、排気室３０の下半側の排気流路３３に存在している。また、図３に示すように、内部構造物５３が存在する、排気流路３３におけるタービンロータ軸方向に垂直な断面において、この断面における、タービンロータの中心軸と交差する鉛直方向の中心線Ｌを対称軸として、左半側と右半側とに対称に内部構造物５３が備えられている。ここで、左半側とは、上記断面において中心線Ｌよりも左側を示し、右半側とは、上記断面において中心線Ｌよりも右側を示す。

なお、ここでは、上半側の排気流路３３に内部構造物５３が存在しない一例を示しているが、例えば、上半側の排気流路３３に内部構造物５３が存在する場合もある。また、内部構造物５３により遮られる流路断面積は、一般的に、上半側よりも下半側の方が大きいが、下半側よりも上半側の方が大きい構成としてもよい。ここで、上半側の排気流路３３を、上半側排気流路３３ａといい、下半側の排気流路３３を下半側排気流路３３ｂという。

上記したように、排気室３０を構成する内壁部３１および外壁部３２は、上半側と下半側とに、上下に２つ割り構造で構成されている。ここで、上半側の内壁部３１を上半側内壁部３１ａ、下半側の内壁部３１を下半側内壁部３１ｂといい、上半側の外壁部３２を上半側外壁部３２ａ、下半側の外壁部３２を下半側外壁部３２ｂという。なお、上半側内壁部３１ａと下半側内壁部３１ｂ、上半側外壁部３２ａと下半側外壁部３２ｂとは、それぞれ例えばフランジ部（図示しない）を介してボルト締結などで固定される。

ここでは、図３に示すように、上半側内壁部３１ａおよび下半側内壁部３１ｂは、タービンロータ軸方向に垂直な断面における形状がそれぞれ半円形状になるように構成された一例を示している。なお、半円の中心は、タービンロータの中心軸上にある。

上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂは、上記したように、タービンロータ軸方向に垂直な断面における形状が半円形状であるが、内部構造物５３が存在する部分から下流側において、図２に示すように、上半側外壁部３２ａと下半側外壁部３２ｂとの形状が異なるように構成されている。

具体的には、内部構造物５３が存在する部分から下流側において、下半側外壁部３２ｂの内径が上半側外壁部３２ａの内径よりも大きく構成されている。換言すると、タービンロータ軸方向位置を同じとする、タービンロータ軸方向に垂直な断面において、下半側外壁部３２ｂの半円の半径が、上半側外壁部３２ａの半円の半径よりも大きく構成されている。なお、半円の中心は、タービンロータの中心軸上にある。

また、図４に示すように、排気流路３３の出口３４において上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂにおける内壁の輪郭線が一致しており、排気流路３３の出口３４では、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂの内径は等しくなるように構成されている。そのため、前述したように、排気流路３３の出口３４における流路断面の形状は円形となる。

ここで、タービンロータ軸方向の、各上半側外壁部３２ａの流路断面および各下半側排気流路３３ｂの流路断面に対しては、予め設計値として、内部構造物５３により遮られる部分を除く設計流路断面積が設定されている。

例えば、図３に示したように、下半側排気流路３３ｂに内部構造物５３が存在する場合には、下半側外壁部３２ｂの半円の半径を大きくする際、設計流路断面積を維持できるように半径が設定される。また、例えば、上半側排気流路３３ａおよび下半側排気流路３３ｂに内部構造物５３が存在する場合には、下半側外壁部３２ｂおよび下半側外壁部３２ｂは、設計流路断面積を維持できるように半径が設定される。なお、タービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、内部構造物５３により遮られる流路断面積を除く、上半側排気流路３３ａの流路断面積と下半側排気流路３３ｂの流路断面積差は、所定の範囲内となることが好ましい。

次に、この流路断面積差の所定の範囲などについて説明する。

内部構造物５３が存在し、外壁部の形状が上半側と下半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、（１）内部構造物５３により遮られる流路断面積が上半側よりも下半側の方が大きい場合には、内部構造物５３により遮られる部分を除く上半側排気流路３３ａの流路断面積Ａ１と、内部構造物５３により遮られる部分を除く下半側排気流路３３ｂの流路断面積Ａ２との流路断面積差（Ａ１−Ａ２）を、内部構造物５３により遮られる部分を除く上半側排気流路３３ａの流路断面積Ａ１で除した値（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）を０．１以下とすることが好ましい。また、（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）の値を０．０５以下とすることがさらに好ましい。

また、内部構造物５３が存在し、外壁部の形状が上半側と下半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、（２）内部構造物５３により遮られる流路断面積が下半側よりも上半側の方が大きい場合には、内部構造物５３により遮られる部分を除く下半側排気流路３３ｂの流路断面積Ａ２と、内部構造物５３により遮られる部分を除く上半側排気流路３３ａの流路断面積Ａ１との流路断面積差（Ａ２−Ａ１）を、内部構造物５３により遮られる部分を除く下半側排気流路３３ｂの流路断面積Ａ２で除した値（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）を０．１以下とすることが好ましい。また、（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）の値を０．０５以下とすることがさらに好ましい。

なお、第１の実施の形態では、上半側排気流路３３ａに内部構造物５３が存在しない一例を示しているため、上記した（１）内部構造物５３により遮られる流路断面積が上半側よりも下半側の方が大きい場合に相当する。なお、前述したように、上半側の排気流路３３に内部構造物５３が存在し、内部構造物５３により遮られる流路断面積が下半側よりも上半側の方が大きい構成とすることもでき、この場合には、上記した（２）内部構造物５３により遮られる流路断面積が下半側よりも上半側の方が大きい場合に相当する。

上記したように、（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）や（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）の値が０．１以下となるように、上半側排気流路３３ａおよび下半側排気流路３３ｂを設計することが好ましく、この好ましい理由について、（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）の値を０．１以下とすることが好ましい理由を例示して説明する。

図５は、内部構造物５３により遮られる部分を除く上半側排気流路３３ａの流路断面積Ａ１と、内部構造物５３により遮られる部分を除く下半側排気流路３３ｂの流路断面積Ａ２との流路断面積差（Ａ１−Ａ２）を、流路断面積Ａ１で除した値（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）と、性能低下率との関係を示す図である。図６は、本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービン１０における排気室３０の所定の流路断面において、内部構造物５３が均等配置された一例を模式的に示す図である。図７は、本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービン１０における排気室３０の所定の流路断面において、内部構造物５３が不均等配置された一例を模式的に示す図である。

この関係は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）による数値解析により得られたものである。また、この関係は、所定の内部構造物５３を想定し、この所定の内部構造物５３を所定の流路断面において、周方向に様々に配置構成したときの結果をまとめたものである。

性能低下率は、次の式（１）により定義される。

性能低下率（％）＝（基準静圧回復係数−内部構造物不均等配置時の静圧回復係数）／基準静圧回復係数×１００ …式（１）

ここで、基準静圧回復係数は、図６に示すように、内部構造物５３を周方向に均等配置した場合の静圧回復係数である。内部構造物不均等配置時の静圧回復係数は、図７に示すように、内部構造物５３を周方向に不均等に配置した場合の静圧回復係数である。

図５に示すように、（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）の値の増加に伴って、性能低下率は上昇している。性能低下率を５．５％以下になるように構成することが好ましく、そのためには、（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）の値が０．１以下となるように構成するとよい。また、性能低下率を１．４％以下になるように構成することがさらに好ましく、そのためには、（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）の値を０．０５以下となるように構成するとよい。

なお、（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）の値についても、０．１以下とすることが好ましく、０．０５以下とすることがさらに好ましい。

このように、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０では、排気室３０を構成する上半側外壁部３２ａと下半側外壁部３２ｂとにおけるタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状を、内部構造物５３が存在する部分から下流側において異なるように構成することができる。これによって、排気室３０おける圧力損失を低減することができる。

また、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０では、（１）内部構造物５３により遮られる流路断面積が上半側よりも下半側の方が大きい場合には、（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）の値を０．１以下に構成することで、流路断面積Ａ１と、流路断面積Ａ２との流路断面積差（Ａ１−Ａ２）を小さく構成することができる。また、（２）内部構造物５３により遮られる流路断面積が下半側よりも上半側の方が大きい場合には、（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）の値を０．１以下に構成することで、流路断面積Ａ２と、流路断面積Ａ１との流路断面積差（Ａ２−Ａ１）を小さく構成することができる。

そのため、排気流路３３において内部構造物５３により遮られる部分を有する場合でも、十分に静圧を回復することができる。また、上半側排気流路３３ａまたは下半側排気流路３３ｂのいずれかが、内部構造物５３により遮られる部分が多くなる場合においても、十分に静圧を回復することができる。これによって、排気室３０における圧力損失を減少させることができる。

なお、内部構造物５３が存在し始める位置（内部構造物５３が存在する最上流側の位置）における、下半側外壁部３２ｂの形状は、図２に示すような、下半側外壁部３２ｂの内径が上半側外壁部３２ａの内径よりも急に大きくなるような構成に限られない。

図８は、本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービン１０における他の構成の排気室３０の鉛直方向の子午断面を模式的に示す図である。図８に示すように、内部構造物５３が存在する部分から下流側において、下半側外壁部３２ｂの内径が上半側外壁部３２ａの内径よりも徐々に大きくなるような構成としてもよい。この構成においても、上記した場合と同様の作用効果が得られ、排気室３０における圧力損失を減少させることができる。

また、上記した実施の形態では、上記した（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）や（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）の値を０．１以下に構成するために、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂのタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状をそれぞれ半円形状とした一例を示したが、この構成に限られるものではない。

図９および図１０は、本発明に係る第１の実施の形態の軸流排気タービン１０における異なる排気室３０の形状を示した、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を模式的に示す図である。なお、図９および図１０では、一部の構成を省略して断面を示している。

図９に示すように、例えば、上半側外壁部３２ａのタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状を楕円形としてもよい。このように構成することで、上半側外壁部３２ａの断面形状を楕円形として設計流路断面積を維持しつつ、上半側外壁部３２ａと下半側外壁部３２ｂとの結合部において、段差なく内周面を形成することができる。

図１０に示すように、例えば、上半側外壁部３２ａのタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状を半円形状とし、下半側外壁部３２ｂのタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状を異なる半径を有する２種以上の円弧で構成してもよい。このように構成することで、下半側外壁部３２ｂの設計流路断面積を維持しつつ、上半側外壁部３２ａと下半側外壁部３２ｂとの結合部において、段差なく内周面を形成することができる。

このように排気室３０を構成した場合においても、上記した場合と同様の作用効果が得られ、排気室３０における圧力損失を減少させることができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の軸流排気タービン１０は、排気室３０の構成以外は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、排気室３０の構成について主に説明する。

図１１は、本発明に係る第２の実施の形態の軸流排気タービン１０における排気室３０の水平方向の子午断面を模式的に示す図である。図１２は、図１１のＢ−Ｂ断面を模式的に示す図である。なお、図１１および図１２では、一部の構成を省略して断面を示している。

図１１および図１２に示すように、内部構造物５３は、排気室３０の上半側排気流路３３ａおよび下半側排気流路３３ｂに存在している。また、図１２に示すように、内部構造物５３が存在する、排気流路３３におけるタービンロータ軸方向に垂直な断面において、鉛直方向の中心線Ｌと垂直に交わり、タービンロータの中心軸と交差する水平方向の中心線Ｍを対称軸として、上半側と下半側とに対称に内部構造物５３が備えられている。

なお、ここでは、中心線Ｌに沿って内部構造物５３を有し、さらに右半側（図１２の中心線Ｌよりも右側）に内部構造物５３が存在しない一例を示しているが、中心線Ｌに沿って設けられた内部構造物５３よりも右半側の排気流路に内部構造物５３が存在する場合もある。ここで、図１２において、排気流路３３のうち、中心線Ｌよりも左側の排気流路３３を左半側排気流路３３ｃといい、中心線Ｌよりも右側の排気流路３３を右半側排気流路３３ｄという。

前述したように、排気室３０は、上下に２つ割り構造で構成され、上半側内壁部３１ａと下半側内壁部３１ｂ、上半側外壁部３２ａと下半側外壁部３２ｂとは、それぞれ例えばフランジ部（図示しない）を介してボルト締結などで固定される。上半側外壁部３２ａと下半側外壁部３２ｂとが固定されることで、上記したように、中心線Ｌよりも左側に左半側排気流路３３ｃが、中心線Ｌよりも右側に右半側排気流路３３ｄが形成される。

ここでは、図１２に示すように、上半側内壁部３１ａおよび下半側内壁部３１ｂは、タービンロータ軸方向に垂直な断面における形状が、異なる半径を有する２つの円弧で構成され、それぞれの左半側と右半側における形状が異なる一例を示している。なお、半円の中心は、タービンロータの中心軸上にある。

上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂにおいて、上記したように、左半側と右半側の、タービンロータ軸方向に垂直な断面における形状は半円形状であるが、内部構造物５３が存在する部分から下流側において、図１１に示すように、左半側と右半側の形状が異なるように構成されている。

具体的には、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂにおいて、内部構造物５３が存在する部分から下流側で、左半側の内径が右半側の内径よりも大きく構成されている。換言すると、タービンロータ軸方向位置を同じとする、タービンロータ軸方向に垂直な断面において、左半側の半円の半径が、右半側の半円の半径よりも大きく構成されている。なお、半円の中心は、タービンロータの中心軸上にある。

なお、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂにおいて、排気流路３３の出口３４では、左半側および右半側の内径は等しくなるように構成されている。そのため、前述したように、排気流路３３の出口３４における流路断面は円形となる。

ここで、タービンロータ軸方向の、各左半側排気流路３３ｃおよび各右半側排気流路３３ｄの流路断面に対しては、予め設計値として、内部構造物５３により遮られる部分を除く設計流路断面積が設定されている。

例えば、図１２に示したように、左半側排気流路３３ｃおよび右半側排気流路３３ｄに内部構造物５３が存在する場合には、それぞれの設計流路断面積を維持できるように、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂにおいて、左半側および右半側の半径が設定される。なお、タービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、内部構造物５３により遮られる流路断面積を除く、左半側排気流路３３ｃおよび右半側排気流路３３ｄの流路断面積差は、所定の範囲内となることが好ましい。

次に、この流路断面積差の所定の範囲などについて説明する。

内部構造物５３が存在し、外壁部の形状が左半側と右半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、（１）内部構造物５３により遮られる流路断面積が左半側よりも右半側の方が大きい場合には、内部構造物５３により遮られる部分を除く左半側排気流路３３ｃの流路断面積Ａ３と、内部構造物５３により遮られる部分を除く右半側排気流路３３ｄの流路断面積Ａ４との流路断面積差（Ａ３−Ａ４）を、内部構造物５３により遮られる部分を除く左半側排気流路３３ｃの流路断面積Ａ３で除した値（（Ａ３−Ａ４）／Ａ３）を０．１以下とすることが好ましい。また、（（Ａ３−Ａ４）／Ａ３）の値を０．０５以下とすることがさらに好ましい。

また、内部構造物５３が存在し、外壁部の形状が左半側と右半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、（２）内部構造物５３により遮られる流路断面積が右半側よりも左半側の方が大きい場合には、内部構造物５３により遮られる部分を除く右半側排気流路３３ｄの流路断面積Ａ４と、内部構造物５３により遮られる部分を除く左半側排気流路３３ｃの流路断面積Ａ３との流路断面積差（Ａ４−Ａ３）を、内部構造物５３により遮られる部分を除く右半側排気流路３３ｄの流路断面積Ａ４で除した値（（Ａ４−Ａ３）／Ａ４）を０．１以下とすることが好ましい。また、（（Ａ４−Ａ３）／Ａ４）の値を０．０５以下とすることがさらに好ましい。

なお、第２の実施の形態では、内部構造物５３により遮られる流路断面積が右半側よりも左半側の方が大きくなる一例を示しているため、上記した（２）内部構造物５３により遮られる流路断面積が右半側よりも左半側の方が大きい場合に相当する。また、内部構造物５３により遮られる流路断面積が左半側よりも右半側の方が大きくなる構成とすることもできる。この場合、上記した（１）内部構造物５３により遮られる流路断面積が左半側よりも右半側の方が大きい場合に相当する。

上記したように、（（Ａ３−Ａ４）／Ａ３）や（（Ａ４−Ａ３）／Ａ４）の値が０．１以下となるように、左半側排気流路３３ｃおよび右半側排気流路３３ｄを設計することが好ましい理由は、第１の実施の形態で示した（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）や（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）の値を０．１以下とすることが好ましい理由と同様である。また、（（Ａ３−Ａ４）／Ａ３）や（（Ａ４−Ａ３）／Ａ４）の値を０．０５以下とすることがさらに好ましい理由も、第１の実施の形態で示した（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）や（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）の値を０．０５以下とすることがさらに好ましい理由と同様である。

このように、第２の実施の形態の軸流排気タービン１０では、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂの左半側と、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂの右半側とにおけるタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状を、内部構造物５３が存在する部分から下流側において異なるように構成することができる。これによって、排気室３０おける圧力損失を低減することができる。

また、第２の実施の形態の軸流排気タービン１０では、（１）内部構造物５３により遮られる流路断面積が左半側よりも右半側の方が大きい場合には、（（Ａ３−Ａ４）／Ａ３）の値を０．１以下に構成することで、流路断面積Ａ３と、流路断面積Ａ４との流路断面積差（Ａ３−Ａ４）を小さく構成することができる。また、（２）内部構造物５３により遮られる流路断面積が右半側よりも左半側の方が大きい場合には、（（Ａ４−Ａ３）／Ａ４）の値を０．１以下に構成することで、流路断面積Ａ４と、流路断面積Ａ３との流路断面積差（Ａ４−Ａ３）を小さく構成することができる。

そのため、排気流路３３において内部構造物５３により遮られる部分を有する場合でも、十分に静圧を回復することができる。また、左半側排気流路３３ｃまたは右半側排気流路３３ｄのいずれかが、内部構造物５３により遮られる部分が多くなる場合においても、十分に静圧を回復することができる。これによって、排気室３０における圧力損失を減少させることができる。

また、上記した実施の形態では、上記した（（Ａ３−Ａ４）／Ａ３）や（（Ａ４−Ａ３）／Ａ４）の値を０．１以下に構成するために、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂのタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状をそれぞれ半円形状とした一例を示したが、この構成に限られるものではない。

例えば、図９に示した、第１の実施の形態における構成と同様の技術的思想から、例えば、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂの右半側のタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状を、設計流路断面積を維持して楕円形とし、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂの内周面に段差を有さないように形成することができる。

例えば、左半側排気流路３３ｃにさらに内部構造物５３を備える場合には、図９に示した、第１の実施の形態における構成と同様の技術的思想から、例えば、上半側外壁部３２ａおよび下半側外壁部３２ｂの右半側のタービンロータ軸方向に垂直な断面における形状を、異なる半径を有する２種以上の円弧で構成してもよい。

このように排気室３０を構成した場合においても、上記した場合と同様の作用効果が得られ、排気室３０における圧力損失を減少させることができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の軸流排気タービン１０は、上半側排気流路３３ａと下半側排気流路３３ｂとにおける内部構造物５３の配置位置をタービンロータ軸方向にずらして構成すること以外は、第１の実施の形態の軸流排気タービン１０の構成と同じである。

図１３は、本発明に係る第３の実施の形態の軸流排気タービン１０における排気室３０の鉛直方向の子午断面を模式的に示す図である。図１４は、図１３のＣ−Ｃ断面を模式的に示す図である。なお、図１３および図１４では、一部の構成を省略して断面を示している。

なお、ここでは、第１の実施の形態における、上半側内壁部３１ａおよび下半側内壁部３１ｂの、タービンロータ軸方向に垂直な断面形状がそれぞれ半円形状の場合を例示して説明する。

第３の実施の形態の軸流排気タービン１０では、内部構造物５３が存在し、外壁部の形状が上半側と下半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、（１）内部構造物５３により遮られる流路断面積が上半側よりも下半側の方が大きい場合には、下半側排気流路３３ｂにおける内部構造物５３の設置位置が、上半側排気流路３３ａにおける内部構造物５３の設置位置よりも下流側に設けられる。

一方、内部構造物５３が存在し、外壁部の形状が上半側と下半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、（２）内部構造物５３により遮られる流路断面積が下半側よりも上半側の方が大きい場合には、上半側排気流路３３ａにおける内部構造物５３の設置位置が、下半側排気流路３３ｂにおける内部構造物５３の設置位置よりも下流側に設けられる。

ここでは、図１４に示すように、内部構造物５３により遮られる流路断面積が上半側よりも下半側の方が大きい場合について例示しているため、図１３に示すように、下半側排気流路３３ｂにおける内部構造物５３の設置位置を、上半側排気流路３３ａにおける内部構造物５３の設置位置よりも下流側に設けている。

なお、内部構造物５３により遮られる流路断面積が下半側よりも上半側の方が大きい場合については図示していないが、この場合には、上半側排気流路３３ａにおける内部構造物５３の設置位置を、下半側排気流路３３ｂにおける内部構造物５３の設置位置よりも下流側に設ける。

このように、上半側排気流路３３ａおよび下半側排気流路３３ｂのうち、内部構造物５３により遮られる流路断面積が大きい方における内部構造物５３をより下流側に設けることで、流路断面積がより拡大した、より蒸気の流速の遅い位置に、内部構造物５３を設けることができる。これにより、内部構造物５３により遮られる流路断面積が大きい領域でも、十分に静圧を回復することができる。また、上半側排気流路３３ａおよび下半側排気流路３３ｂにおける圧力損失と流速分布の均一化を図ることができる。これらのことから、排気室３０における圧力損失を減少させることができる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の軸流排気タービン１０は、左半側排気流路３３ｃと右半側排気流路３３ｄとにおける内部構造物５３の配置位置をタービンロータ軸方向にずらして構成すること以外は、第２の実施の形態の軸流排気タービン１０の構成と同じである。

図１５は、本発明に係る第４の実施の形態の軸流排気タービン１０における排気室３０の水平方向の子午断面を模式的に示す図である。図１６は、図１５のＤ−Ｄ断面を模式的に示す図である。なお、図１５および図１６では、一部の構成を省略して断面を示している。

なお、ここでは、図１６に示すような、内部構造物が存在する部分における、上半側内壁部３１ａおよび下半側内壁部３１ｂの、タービンロータ軸方向に垂直な断面の形状が、異なる半径を有する２つの円弧で構成され、それぞれの左半側と右半側における形状が異なる場合を例示して説明する。

第４の実施の形態の軸流排気タービン１０では、内部構造物５３が存在し、外壁部の形状が左半側と右半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、（１）内部構造物５３により遮られる流路断面積が左半側よりも右半側の方が大きい場合には、右半側排気流路３３ｄにおける内部構造物５３の設置位置が、左半側排気流路３３ｃにおける内部構造物５３の設置位置よりも下流側に設けられる。

一方、内部構造物５３が存在し、外壁部の形状が左半側と右半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置を同じとする流路断面において、（２）内部構造物５３により遮られる流路断面積が右半側よりも左半側の方が大きい場合には、左半側排気流路３３ｃにおける内部構造物５３の設置位置が、右半側排気流路３３ｄにおける内部構造物５３の設置位置よりも下流側に設けられる。

ここでは、図１６に示すように、内部構造物５３により遮られる流路断面積が右半側よりも左半側の方が大きい場合について例示しているため、図１５に示すように、左半側排気流路３３ｃにおける内部構造物５３の設置位置を、右半側排気流路３３ｄにおける内部構造物５３の設置位置よりも下流側に設けている。

なお、内部構造物５３により遮られる流路断面積が左半側よりも右半側の方が大きい場合については図示していないが、この場合には、右半側排気流路３３ｄにおける内部構造物５３の設置位置を、左半側排気流路３３ｃにおける内部構造物５３の設置位置よりも下流側に設ける。

このように、左半側排気流路３３ｃおよび右半側排気流路３３ｄのうち、内部構造物５３により遮られる流路断面積が大きい方における内部構造物５３をより下流側に設けることで、流路断面積がより拡大した、より蒸気の流速の遅い位置に、内部構造物５３を設けることができる。これにより、内部構造物５３により遮られる流路断面積が大きい領域でも、十分に静圧を回復することができる。また、左半側排気流路３３ｃおよび右半側排気流路３３ｄにおける圧力損失と流速分布の均一化を図ることができる。これらのことから、排気室３０における圧力損失を減少させることができる。

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。なお、上記した実施形態では、軸流排気タービンとして蒸気タービンを例示して説明したが、例えば、ガスタービンの軸流排気室などにも適用することが可能である。

１０…軸流排気タービン、２０…ケーシング、２１…動翼、２２…タービンロータ、２３ａ，２３ｂ…ダイヤフラム、２４…ノズル、２５…グランドシール部、２６…蒸気入口管、３０…排気室、３１…内壁部、３１ａ…上半側内壁部、３１ｂ…下半側内壁部、３２…外壁部、３２ａ…上半側外壁部、３２ｂ…下半側外壁部、３３…排気流路、３３ａ…上半側排気流路、３３ｂ…下半側排気流路、３３ｃ…左半側排気流路、３３ｄ…右半側排気流路、３４…出口、５０…配管、５１…均圧管、５２…支持部材、５３…内部構造物、Ｌ、Ｍ…中心線。

Claims (8)

1. タービンロータの周囲にタービンロータ軸方向に配置される内壁部と、この内壁部の外周に配置される外壁部との間に、下流方向に流路断面積が徐々に増加するように形成された、作動流体をタービンロータ軸方向に排気する排気流路を有する排気室を備え、前記排気室内の前記作動流体が通過する前記排気流路に内部構造物が存在する軸流排気タービンにおいて、
   前記内部構造物が存在する部分から下流側において、前記外壁部の内径が、上半側と下半側とで異なることを特徴とする軸流排気タービン。
2. 前記内部構造物が存在する、前記排気流路におけるタービンロータ軸方向に垂直な断面において、当該断面における鉛直方向の中心線を対称軸として、左半側と右半側とに対称に前記内部構造物が備えられていることを特徴とする請求項１記載の軸流排気タービン。
3. 前記内部構造物が存在し、前記外壁部の形状が上半側と下半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置において、
   （１）前記内部構造物により遮られる流路断面積が上半側よりも下半側の方が大きい場合には、
   前記内部構造物により遮られる部分を除く上半側の排気流路の流路断面積Ａ１と、前記内部構造物により遮られる部分を除く下半側の排気流路の流路断面積Ａ２との流路断面積差（Ａ１−Ａ２）を、前記流路断面積Ａ１で除した値（（Ａ１−Ａ２）／Ａ１）が０．１以下であり、
   （２）前記内部構造物により遮られる流路断面積が下半側よりも上半側の方が大きい場合には、
   前記内部構造物により遮られる部分を除く下半側の排気流路の流路断面積Ａ２と、前記内部構造物により遮られる部分を除く上半側の排気流路の流路断面積Ａ１との流路断面積差（Ａ２−Ａ１）を、前記流路断面積Ａ２で除した値（（Ａ２−Ａ１）／Ａ２）が０．１以下であることを特徴とする請求項１または２記載の軸流排気タービン。
4. 前記内部構造物が存在し、前記外壁部の形状が上半側と下半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置において、
   （１）前記内部構造物により遮られる流路断面積が上半側よりも下半側の方が大きい場合には、
   下半側の前記排気流路における前記内部構造物の設置位置が、上半側の前記排気流路における前記内部構造物の設置位置よりも下流側であり、
   （２）前記内部構造物により遮られる流路断面積が下半側よりも上半側の方が大きい場合には、
   上半側の前記排気流路における前記内部構造物の設置位置が、下半側の前記排気流路における前記内部構造物の設置位置よりも下流側であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の軸流排気タービン。
5. タービンロータの周囲にタービンロータ軸方向に配置される内壁部と、この内壁部の外周に配置される外壁部との間に、下流方向に流路断面積が徐々に増加するように形成された、作動流体をタービンロータ軸方向に排気する排気流路を有する排気室を備え、前記排気室内の前記作動流体が通過する前記排気流路に内部構造物が存在する軸流排気タービンにおいて、
   前記内部構造物が存在する部分から下流側において、前記外壁部の形状が左半側と右半側とで異なることを特徴とする軸流排気タービン。
6. 前記内部構造物が存在する、前記排気流路におけるタービンロータ軸方向に垂直な断面において、当該断面における水平方向の中心線を対称軸として、上半側と下半側とに対称に前記内部構造物が備えられていることを特徴とする請求項５記載の軸流排気タービン。
7. 前記内部構造物が存在し、前記外壁部の形状が左半側と右半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置において、
   （１）前記内部構造物により遮られる流路断面積が左半側よりも右半側の方が大きい場合には、
   前記内部構造物により遮られる部分を除く左半側の排気流路の流路断面積Ａ３と、前記内部構造物により遮られる部分を除く右半側の排気流路の流路断面積Ａ４との流路断面積差（Ａ３−Ａ４）を、前記流路断面積Ａ３で除した値（（Ａ３−Ａ４）／Ａ３）が０．１以下であり、
   （２）前記内部構造物により遮られる流路断面積が右半側よりも左半側の方が大きい場合には、
   前記内部構造物により遮られる部分を除く右半側の排気流路の流路断面積Ａ４と、前記内部構造物により遮られる部分を除く左半側の排気流路の流路断面積Ａ３との流路断面積差（Ａ４−Ａ３）を、前記流路断面積Ａ４で除した値（（Ａ４−Ａ３）／Ａ４）が０．１以下であることを特徴とする請求項５または６記載の軸流排気タービン。
8. 前記内部構造物が存在し、前記外壁部の形状が左半側と右半側とで異なる部分のタービンロータ軸方向位置において、
   （１）前記内部構造物により遮られる流路断面積が左半側よりも右半側の方が大きい場合には、
   右半側の前記排気流路における前記内部構造物の設置位置が、左半側の前記排気流路における前記内部構造物の設置位置よりも下流側であり、
   （２）前記内部構造物により遮られる流路断面積が右半側よりも左半側の方が大きい場合には、
   左半側の前記排気流路における前記内部構造物の設置位置が、右半側の前記排気流路における前記内部構造物の設置位置よりも下流側であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載の軸流排気タービン。

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