JP5677332B2

JP5677332B2 - 蒸気タービン

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Publication number: JP5677332B2
Application number: JP2012011055A
Authority: JP
Inventors: 忠之橋立
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: JP2013148059A

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。

火力発電所などに設置される蒸気タービンの低圧部においては、蒸気の大幅な膨張を得るために、蒸気通路はラッパ状に拡大する構造となっている。このような蒸気通路における蒸気の流れ場では、下流に行くほど圧力が高くなる逆圧力勾配が形成される。強い逆圧力勾配を有する流れでは、蒸気通路の壁面から流れが剥離し、蒸気通路の壁面の近傍で逆流が生じることがある。

この剥離が生じる要因として、動翼の先端とダイアフラム外輪との間から流出する漏れ流れの流動が挙げられる。この漏れ流れは、動翼の有効部を通過した流れに比べて流速が高い。漏れ流れが、蒸気通路の壁面近傍において急に減速することと、流域の拡大とが相まって剥離の発生を助長する。このような、流れの剥離や逆流の発生は、蒸気タービンにおけるエネルギ損失を増加させる要因の一つである。

このような剥離の発生を抑制するため、様々な検討がなされている。図４および図５は、従来の蒸気タービン２００、２０１の鉛直方向の子午断面の一部を示す図である。なお、図４および図５には、最終段のタービン段落およびその一段上流のタービン段落の断面が示されている。

図４および図５に示すように、静翼２１０ａ、２１０ｂは、ダイアフラム外輪２１１ａ、２１１ｂとダイアフラム内輪２１２ａ、２１２ｂとの間に支持されている。ダイアフラム外輪２１１ａ、２１１ｂとダイアフラム内輪２１２ａ、２１２ｂとの間には、蒸気通路である環状流路２１６が形成される。ダイアフラム外輪２１１ａ、２１１ｂは、環状流路２１６の外周壁としても機能し、ダイアフラム内輪２１２ａ、２１２ｂは、環状流路２１６の内周壁としても機能している。

ダイアフラム外輪２１１ａ、２１１ｂは、ケーシング２１３に支持されている。静翼２１０ａ、２１０ｂの直下流側には、タービンロータ２１４に植設された動翼２１５ａ、２１５ｂが配置されている。

図４に示された蒸気タービンでは、ダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面は、下流側に向かって直線的に拡大している。このような環状流路においては、流域の急拡大により、静翼２１０ｂの入口の直上流側のダイアフラム外輪２１１ａ近傍で流れの剥離が生じ、逆流２２０が発生する。

そこで、このような流れの剥離や、逆流２２０の発生を抑制するため、図５に示すように、静翼２１０ｂが備えられるダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面の形状の一部に、緩やかにＳ字状に湾曲させる部分を構成することがある。このＳ字状の湾曲部分は、タービンロータの軸方向に対する半径方向の広がり角度を、一旦急角度で拡大し、その下流において緩やかに拡大するように形成されている。しかしながら、このような構成を備えても、流れの剥離や逆流２２０の発生する位置が下流側となるだけであり、流れの剥離や逆流２２０は生じる。

図６は、従来の蒸気タービン２０１の最終段のタービン段落の所定の断面における半径方向の流速分布を示した図である。図６では、図５に示した蒸気タービン２０１の最終段のタービン段落の点α、点β、点γを通る半径方向の断面の上半側における流速分布が示されている。ここで、点αは、静翼２１０ｂの直上流側、点βは、静翼２１０ｂの前縁と逆流２２０の発生する位置との間、点γは、逆流２２０の発生する位置に対応している。

図６の縦軸は、点α、点β、点γを通る半径方向の各断面における、ダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面とダイアフラム内輪２１２ｂの外壁面との間の距離Ｈで、同断面におけるダイアフラム内輪２１２ｂの外壁面からの半径方向の距離ｈを除した値（ｈ／Ｈ）を示している（図５参照）。例えば、ｈ／Ｈが１の場合には、ダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面上となる、点α、点β、点γの位置をそれぞれ示している。ｈ／Ｈが０の場合には、ダイアフラム内輪２１２ｂの外壁面上の位置をそれぞれ示している。

図６に示すように、点αを通る断面では、動翼２１５ａの先端とダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面との間から流出する漏れ流れにより、ｈ／Ｈが０．９から１近傍の範囲の流速が高くなっている。ｈ／Ｈが０．９７において、流速が最大となっている。また、ｈ／Ｈが０．８より小さい範囲が主流域であり、ｈ／Ｈが０．８〜０．９の範囲は、主流域と高流速域との境界の過渡域である。

点βを通る断面では、蒸気が静翼２１０ｂ間で膨張するため、点αを通る断面に比べて全域で流速が高くなる。さらに、ダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面の近傍の流れが拡散し、ｈ／Ｈが０．７〜１近傍の範囲に高流速域および過渡域が拡大している。ｈ／Ｈが０．９２において、流速が最大となっている。また、点αを通る断面に比べて、ダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面の近傍の流速は減衰している。

点γを通る断面では、ダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面の近傍の流速は、点βを通る断面に比べて減衰し、ダイアフラム外輪２１１ｂの内壁面の直近では流速の値が負となり、逆流していることを示している。

特開平６−３２３１０５号公報

上記したように、蒸気通路における流れの剥離や、逆流の発生を抑制するため、蒸気通路の外周壁の形状を変えるなどの対策を施しても、流れの剥離や逆流の発生を防止することは困難であった。また、近年の蒸気タービンにおける長翼化の傾向から、蒸気通路の、タービンロータの軸方向に対する半径方向への拡大は、さらに増加する傾向にある。そのため、従来の技術では、蒸気通路の外壁面の近傍で生じる流れの剥離や逆流の発生を防止することは困難である。

本発明が解決しようとする課題は、蒸気通路の外壁面の近傍で生じる流れの剥離や逆流の発生を防止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、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に、周方向に複数の静翼を取り付けて構成された静翼翼列、およびタービンロータの周方向に複数の動翼を植設して構成され、前記タービンロータの軸方向に、前記静翼翼列と交互に備えられた動翼翼列を備える。

また、蒸気タービンは、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に構成される環状流路のうちの少なくとも一つの環状流路に、前記ダイアフラム外輪との間に間隔をあけて、前記ダイアフラム外輪に沿って環状導風板を備え、前記環状導風板が備えられる前記環状流路において、前記ダイアフラム外輪の上流側の端面のタービンロータの軸方向の位置を位置Ｘ０、静翼の前縁および後縁のタービンロータの軸方向の位置をそれぞれ位置Ｘ１、位置Ｘ２、前記ダイアフラム外輪の内壁面と前記ダイアフラム内輪の外壁面との間の半径方向の距離を距離Ｈとした場合、前記環状導風板の上流側の端面のタービンロータの軸方向の位置Ｘｕが、前記位置Ｘ０および前記位置Ｘ１を含む前記位置Ｘ０と前記位置Ｘ１との間に位置し、前記環状導風板の下流側の端面のタービンロータの軸方向の位置Ｘｄが、前記位置Ｘ１および前記位置Ｘ２を含む前記位置Ｘ１と前記位置Ｘ２との間に位置し、前記ダイアフラム内輪の外壁面と前記環状導風板の上流側の端面の外周端との間の半径方向の距離ｈを、これと同じタービンロータの軸方向の位置における前記距離Ｈで除した値（ｈ／Ｈ）が０．８〜０．９である。

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。実施の形態の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落およびこれよりも一段上流のタービン段落の上半部の鉛直方向の子午断面を拡大して示した図である。実施の形態の蒸気タービンにおける環状導風板が備えられた静翼翼列を上流側から見たときの斜視図である。従来の蒸気タービンの鉛直方向の子午断面の一部を示す図である。従来の蒸気タービンの鉛直方向の子午断面の一部を示す図である。従来の蒸気タービンの最終段のタービン段落の所定の断面における半径方向の流速分布を示した図である。

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。

図１は、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。図２は、実施の形態の蒸気タービン１０における最終段のタービン段落およびこれよりも一段上流のタービン段落の上半部の鉛直方向の子午断面を拡大して示した図である。図３は、実施の形態の蒸気タービン１０における環状導風板３０が備えられた静翼翼列を上流側から見たときの斜視図である。

図１に示すように、蒸気タービン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。タービンロータ２２には、ロータディスク２２ａが形成され、このロータディスク２２ａに、複数の動翼２１が周方向に植設されている。複数の動翼２１を周方向に備えた動翼翼列は、タービンロータ２２の軸方向に複数段構成されている。なお、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、ダイアフラム外輪２３が設置され、このダイアフラム外輪２３の内側には、ダイアフラム内輪２４が設置されている。また、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間には、周方向に複数の静翼２５が配置され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、タービンロータ２２の軸方向に動翼翼列と交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列と、その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している。

ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間には、主蒸気が流れる蒸気通路である環状流路２９が形成されている。すなわち、ダイアフラム外輪２３は、環状流路２９の外周壁としても機能し、ダイアフラム内輪２４は、環状流路２９の内周壁としても機能している。

タービンロータ２２とケーシング２０との間には、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２６が設けられている。また、タービンロータ２２とダイアフラム内輪２４との間には、この間を蒸気が下流側へ通過するのを防止するために、シール部２７が設けられている。

また、蒸気タービン１０には、クロスオーバ管２８からの蒸気を蒸気タービン１０の内部に蒸気を導入するための蒸気入口管（図示しない）がケーシング２０を貫通して設けられている。最終段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（図示しない）が設けられ、この排気室を介して蒸気が蒸気タービン１０の外部に排気される。

最終段のタービン段落における環状流路２９には、ダイアフラム外輪２３との間に間隔をあけて、環状導風板３０が備えられている。環状導風板３０は、環状流路２９の全周に亘って備えられている。

ここで、環状導風板３０の構成について、図２および図３を参照して説明する。なお、図２および図３においては、説明の便宜上、最終段のタービン段落の構成部品には、図１で示した対応する符号に「ｂ」を加えて示し、それよりも一段上流のタービン段落の構成部品には、図１で示した対応する符号に「ａ」を加えて示している。

環状導風板３０は、図２および図３に示すように、タービンロータ２２の回転軸を中心とし、環状流路２９と同心円の環状の板部材で構成されている。環状導風板３０は、例えば、図３に示すように、最終段のタービン段落の静翼２５ｂに、溶接などにより接合され、静翼翼列に亘って周方向に設置される。なお、設置方法は、これに限られるものではなく、最終段のタービン段落における環状流路２９に環状導風板３０を設置できる方法であればよい。

ここで、図２に示すように、ダイアフラム外輪２３ｂの上流側の端面４０のタービンロータ２２の軸方向の位置をＸ０、静翼２５ｂの前縁４１および後縁４２のタービンロータ２２の軸方向の位置をそれぞれＸ１、Ｘ２と示す。また、ダイアフラム外輪２３ｂの内壁面４３とダイアフラム内輪２４ｂの外壁面４４との間の半径方向の距離をＨと示す。なお、上記した半径方向は、タービンロータ２２の軸方向に垂直な方向である。

環状導風板３０の上流側の端面４５のタービンロータの軸方向の位置Ｘｕは、Ｘ０およびＸ１を含む位置Ｘ０と位置Ｘ１との間に位置することが好ましい。すなわち、タービンロータの軸方向の下流側に向かう方向を正の向きとすると、Ｘ０≦Ｘｕ≦Ｘ１の関係が成立することが好ましい。

次に、Ｘｕを上記した範囲とすることが好ましい理由を説明する。

蒸気の流れは、図６の点βの速度分布で示したように、静翼２５ｂ間では、高流速域が主流側へ拡散するため、環状導風板３０の上流側の端面４５は、静翼２５ｂの前縁４１の位置であるＸ１よりも上流側に位置することが好ましい。

また、静翼２５ｂ間に流入する前の高速流の拡散の度合いは、例えば、環状流路２９を構成するダイアフラム外輪２３ｂの内壁面４３の形状、一段上流のタービン段落の動翼２１ａの先端とダイアフラム外輪２３ａの内壁面５０との間隔などの形状的要素、蒸気条件によっても異なる。そのため、動翼２１ａの先端とダイアフラム外輪２３ａの内壁面５０との間隙から流出した、拡散する前の漏れ流れ６０を、環状導風板３０とダイアフラム外輪２３ｂとの間に導くには、環状導風板３０の端面４５は、動翼２１ａの近くに位置することが好ましい。

しかしながら、環状導風板３０の端面４５をＸ０よりも上流側に突出させると、蒸気タービンの組立時における他の構成部品との干渉や、運転中における動翼２１ａとの接触などを生じることがある。また、ダイアフラム外輪２３ａとダイアフラム外輪２３ｂとの間から蒸気を抽気する場合には、抽気の抵抗となることがある。このような理由から、Ｘｕの範囲を上記した範囲とした。

また、環状導風板３０の下流側の端面４６のタービンロータ２２の軸方向の位置Ｘｄは、Ｘ１およびＸ２を含むＸ１とＸ２との間に位置することが好ましい。すなわち、タービンロータ２２の軸方向の下流側に向かう方向を正の向きとすると、Ｘ１≦Ｘｄ≦Ｘ２の関係が成立することが好ましい。

次に、Ｘｄを上記した範囲とすることが好ましい理由を説明する。

流れの剥離や逆流が発生する位置は、例えば、環状流路２９を構成するダイアフラム外輪２３ｂの内壁面４３の形状、一段上流のタービン段落の動翼２１ａの先端とダイアフラム外輪２３ａの内壁面５０との間隔などの形状的要素、蒸気条件によっても異なる。そのため、流れの剥離や逆流が、図４に示したように、静翼２５ｂ間に流入する前に発生したり、図５に示したように、静翼２５ｂ間で発生することがある。また、図５に示した、緩やかにＳ字状に湾曲された内壁面４３は、静翼２５ｂ間において形成される。これらのことから、環状導風板３０の端面４６は、静翼２５ｂ間に位置することが好ましい。このような理由から、Ｘｄの範囲を上記した範囲とした。

ダイアフラム内輪２４ｂの外壁面４４と環状導風板３０の上流側の端面４５の外周端との間の半径方向の距離ｈを、これと同じタービンロータ２２の軸方向の位置における、上記した距離Ｈで除した値（ｈ／Ｈ）は、０．８〜０．９であることが好ましい。

次に、ｈ／Ｈを上記した範囲とすることが好ましい理由を説明する。

蒸気の流れは、図６に示したように、特に静翼２５ｂ間において、高流速域が主流側へ拡散する。環状導風板３０の上流側の端面４５が位置する範囲では、例えば図６の点αを通る断面に示すように、高流速域と主流域との境界にある過渡域は、ｈ／Ｈが０．８〜０．９の範囲に存在する。そのため、高流速域の主流側への拡散を抑止するためには、過渡域に環状導風板３０の上流側の端面４５が位置することが好ましい。このような理由から、ｈ／Ｈの範囲を上記した範囲とした。

また、ダイアフラム外輪２３ｂの内壁面４３上の任意の点Ｐと、この点Ｐにおけるダイアフラム外輪２３ｂの内壁面４３の接線に垂直かつ点Ｐを通る直線と環状導風板３０の外周面４７とが交わる点Ｑとの距離Ｌが、タービンロータの軸方向に亘って一定であることが好ましい。

次に、距離Ｌをタービンロータの軸方向に亘って一定とすることが好ましい理由を説明する。

距離Ｌが環状導風板３０の下流方向に小さくなると、環状導風板３０とダイアフラム外輪２３ｂとの間を流れる漏れ流れ６０の圧力損失が増加する。一方、距離Ｌが環状導風板３０の下流方向に大きくなると、主蒸気の流路断面積が減少し、主蒸気の流れの圧力損失が増加する。このような理由から、距離Ｌが、タービンロータの軸方向に亘って一定とした。

ここで、蒸気タービン１０の動作について説明する。

クロスオーバ管２８を経て蒸気タービン１０内に流入した主蒸気は、各タービン段落の静翼２５、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。

最終段のタービン段落よりも一段上流のタービン段落の動翼２１ａの先端とダイアフラム外輪２３ａとの間隔を流出した漏れ流れ６０は、拡散せずに、高速を維持して、環状導風板３０とダイアフラム外輪２３ｂとの間に流入する。環状導風板３０とダイアフラム外輪２３ｂとの間に流入した漏れ流れ６０は、流れの剥離や逆流を生じることなく、この間を通過して、下流の動翼２１ｂに導入される。

そして、最終段のタービン段落を通過した蒸気は、排気流路（図示しない）を通過し、復水器（図示しない）に導かれる。

上記したように、実施の形態の蒸気タービン１０によれば、環状導風板３０を備えることで、漏れ流れ６０の主流側への拡散が抑止され、漏れ流れ６０は、高速を維持した状態で、環状導風板３０とダイアフラム外輪２３ｂとの間に流れる。そのため、漏れ流れ６０の減速や、逆圧力勾配の発生が抑制され、蒸気通路の外壁面の近傍で生じる流れの剥離や逆流の発生を防止することができる。

ここでは、最終段のタービン段落における環状流路２９に環状導風板３０を備えた一例を示したが、これに限られるものではない。環状導風板３０は、例えば、ダイアフラム外輪２３の内壁面の近傍で流れの剥離や逆流を生じるタービン段落の環状流路２９に備えることができる。そのため、例えば、複数のタービン段落の環状流路２９に環状導風板３０を備えることもできる。

また、ここでは、最終段のタービン段落の静翼２５ｂが備えられるダイアフラム外輪２３ｂの内壁面４３の一部が、緩やかにＳ字状に湾曲された壁面で構成された一例を示したが、これに限られるものではない。例えば、最終段のタービン段落におけるダイアフラム外輪２３ｂの内壁面４３が、図４に示すように、下流側に向かって直線的に拡大する場合にも、本実施の形態の構成を適用することができる。この場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果が得られる。

さらに、ここでは、蒸気タービン１０として、単流排気式の低圧タービンを例示して説明したが、複流排気式の低圧タービンであってもよい。

以上説明した実施形態によれば、蒸気通路の外壁面の近傍で生じる流れの剥離や逆流の発生を防止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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１，２１ａ，２１ｂ…動翼、２２…タービンロータ、２２ａ…ロータディスク、２３，２３ａ，２３ｂ…ダイアフラム外輪、２４，２４ａ，２４ｂ…ダイアフラム内輪、２５，２５ａ，２５ｂ…静翼、２６…グランドシール部、２７…シール部、２８…クロスオーバ管、２９…環状流路、３０…環状導風板、４０，４５，４６…端面、４１…前縁、４２…後縁、４３，５０…内壁面、４４…外壁面、４７…外周面。

Claims

ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に、周方向に複数の静翼を取り付けて構成された静翼翼列、およびタービンロータの周方向に複数の動翼を植設して構成され、前記タービンロータの軸方向に、前記静翼翼列と交互に備えられた動翼翼列を備える蒸気タービンであって、
前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に構成される環状流路のうちの少なくとも一つの環状流路に、前記ダイアフラム外輪との間に間隔をあけて、前記ダイアフラム外輪に沿って環状導風板を備え、
前記環状導風板が備えられる前記環状流路において、
前記ダイアフラム外輪の上流側の端面のタービンロータの軸方向の位置を位置Ｘ０、静翼の前縁および後縁のタービンロータの軸方向の位置をそれぞれ位置Ｘ１、位置Ｘ２、前記ダイアフラム外輪の内壁面と前記ダイアフラム内輪の外壁面との間の半径方向の距離を距離Ｈとした場合、
前記環状導風板の上流側の端面のタービンロータの軸方向の位置Ｘｕが、前記位置Ｘ０および前記位置Ｘ１を含む前記位置Ｘ０と前記位置Ｘ１との間に位置し、
前記環状導風板の下流側の端面のタービンロータの軸方向の位置Ｘｄが、前記位置Ｘ１および前記位置Ｘ２を含む前記位置Ｘ１と前記位置Ｘ２との間に位置し、
前記ダイアフラム内輪の外壁面と前記環状導風板の上流側の端面の外周端との間の半径方向の距離ｈを、これと同じタービンロータの軸方向の位置における前記距離Ｈで除した値（ｈ／Ｈ）が０．８〜０．９であることを特徴とする蒸気タービン。
前記ダイアフラム外輪の内壁面上の任意の点と、この点における前記ダイアフラム外輪の内壁面の接線に垂直かつ前記点を通る直線と前記環状導風板の外周面とが交わる点との距離が、タービンロータの軸方向に亘って一定であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
前記環状導風板が、前記静翼翼列に設置されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
前記環状導風板が、少なくとも最終段のタービン段落における前記環状流路に備えら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項記載の蒸気タービン。