JPS61275504A - 混圧式タ−ビン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 タービン初段落から導入された一次蒸気にタービン途中
段落から導入された二次蒸気を合流さ仕る混圧式タービ
ンに係り、特に二次蒸気の一次蒸気の合流点付近の構造
に関する。

（発明の技術的背景とその問題点） 地熱発電プラントでは、井戸が比較的浅く地熱蒸気の圧
力・温度が余り高くない場合、地熱蒸気の有効利用のた
めに混圧式タービンを用いた二段フラッシュ式地熱ター
ビンが広く採用されている。

この二段フラッシュ式地熱タービンは第１２図に示され
るように井戸１から地熱蒸気を取り出し、この地熱蒸気
を一次蒸気フラッシュタンク２において熱水と飽和蒸気
とに分離する。この飽和蒸気は、−水魚気管３を通って
一水魚気へとしてタービン初段落４から一次蒸気通路５
に流入される。

上記分離された熱水は、−水魚気フラッシュタンク２よ
りも低圧の二次蒸気フラッシュタンク６に送られ、フラ
ッシュされて飽和蒸気と熱水とに分離される。この熱水
は還元井戸７に戻され、飽和蒸気は二次蒸気管８を通う
て、二次蒸気Ｂとしてタービン途中段落の二次蒸気通路
９に流入される。

この二次蒸気通路９を流出した二次蒸気Ｂは、第１３図
に示されたように一次蒸気通路５に流入し、上流段落で
既に仕事をしてきたシ水魚気へと合流づ°る。このとき
、二次蒸気Ｂは合流地点での一次蒸気の軸流速度に比べ
てかなり小さいため一次蒸気に完全に混合せず、合流地
点より下流側では、二次蒸気がケーシング１０側に流れ
、−水魚気がロータ１１９１．すなわちノズル１２や羽
根１３のルート側を流れて、それぞれ仕事を行う。こう
して混圧式タービンの採用により、地熱エネルギーを一
次蒸気と二次蒸気の形で有効に活用できる。

発電プラントでは電力需要ｍの変動に応じてタービンの
部分負荷運転が要求され、混圧式タービンでは、この部
分負荷運転時、二次蒸気量の調整が行われている。とこ
ろが従来の混圧式タービンは、二次蒸気量の減少により
、全圧損失やタービン羽根の損傷などの問題が生ずる。

これは以下に詳述する原因により発生する。部分負荷運
転のために第１４図に示されたように二次蒸気量が零と
なると、一次蒸気通路５は二次蒸気通路９の出口部９ａ
において二次蒸気の流入が無いため、急激に拡大する。

しかし−水魚気Ａは、このような一次蒸気通路の急激な
拡大に追従できず、この拡大部で渦を伴う大きな剥離領
域１４を生ずる。また、これの反作用により、合流地点
より下流側の羽根１３のルート付近にも渦を伴う剥離領
域１５もしくは逆流領域が発生する。これらの両頭ｔｉ
Ｒ１４゜１５により、大きな全圧損失が発生すると同時
に、流れが周方向に不均一となり、羽根１３に対して励
振力が発生し、羽根を損傷し、その寿命を短くする。第
１５図は二次蒸気の流入が無い場合のノズル１２ｉ：ｉ
後の動圧分布を示したもので、横軸は周方向位置θを表
し、縦軸は合流点直前の動圧の平均値を基準値として無
次元化したノズル１２の直後の動圧Ｃ１を表わしている
。実１ｉ１Ｒで示した羽根ルート部や破線Ｔで示したチ
ップ部は一点鎖線Ｐで示した流路中央に比べて動圧の減
少が著しく、かつ周方向変動が大きく、これらの部分が
剥離領域となり、渦が発生していることが分る。

以上部分負荷運転のため二次蒸気の流入が無くなった場
合に生ずる問題を述べたが、従来の混圧式タービンは二
次蒸気が流入している場合にも次のような問題が生じて
いた。

従来の混圧式タービンは、第１３図に示されたように二
次蒸気Ｂが一次蒸気Ａに対し、はぼ直角に流入すると共
にこの流入速度が周方向に不均一であるため、合流点で
渦運動を伴う二次流れが発生し、−次気流に垂直方向に
二次蒸気の運動エネルギーが大部分消費され大きなエネ
ルギ損失を招いていた。さらに二次蒸気Ｂの流速は一水
魚気へよりも遅いけれども合流地点で約６０ｍ／ｓ〜１
００ｍ／Ｓにも達し、また＊ｍは場合によっては一次蒸
気流量の５０％にも達するため、二次蒸気速度路９から
の二次蒸気Ｂは最大９０°にもなる流路変化に追従でき
ず、ノズルダ・イヤフラム外輪やケーシング１０との境
界層に剥離領ｗｔ１６が生じ渦損失を招く。第１６図は
、二次蒸気流」が−水魚気の３０％である場合の合流点
直後のノズル下流での動圧分布を示したもので、実線Ｒ
はルート部での動圧を表わし、ここにおいて−水魚気と
二次蒸気との衝突による全圧損失が著しく、さらに９０
°に及ぶ二次蒸気の方向変換のために静圧が上昇し、大
きな動圧降下が発生していることを示している。破線■
はチップ部での動圧を表わし、上記剥離領域１６のため
に動圧が降下していることを示している。−直鎖１１Ｐ
は中・央部での動圧を示している。ルート部Ｒ、チップ
部Ｔ、中央部Ｐともすべて動圧の周方向変動が大きいが
、これは二次蒸気速度が周方向に不均一であること、及
び上記二次流れの発生や、剥離領域の発生により、−水
魚気流の周方向不均一が増幅されたことに起因する。こ
のような速度の周方向不均一は、羽根に対する励振力を
発生させ、自励振動（フラッタ）等の発生により羽根の
寿命を短縮させる原因となる。

さらに二次蒸気の合流地点における全圧損失の分だけ二
段フラッシュタンク６内の蒸気圧力が上昇してフラッシ
ュ蒸気量が減少してしまうという問題があった。

（発明の目的〕 そこで、本発明の目的は流れの全圧損失を大幅に低減し
、かつまた流れの周方向速度を均一化して効率を大幅に
向上させた混圧式タービンを提供することにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本願の第１発明は、タービ
ンロータに沿って形成され、タービン初段落より流入し
た一次蒸気がタービンを回転させるため流通する一次蒸
気通路と、タービン途中段落に形成され、出口端におい
て上記一次蒸気通路に所定角度で接続され、二次蒸気を
タービン途中段落から上記一次蒸気通路へ導入する二次
蒸気通路とを具備する混圧式タービンにおいて、上記二
次蒸気通路出ロ端イ１近に設けられ、上記二次蒸気通路
を開閉する遮蔽部材を具備することを特徴とするもので
あり、第２の発明は、上記二次蒸気通路の出口部付近を
上記一次蒸気通路の下流の方に向つて傾斜延在させ、こ
の傾斜部の延長線とロータ中心線とのなす角度αが０＜
α≦π／３を満足させるようにしたことを特徴とするも
のである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による混圧式タービンの一実施例を第１２
図乃至第１４図と同一部分に同一符号を付して示した第
１図乃至第１１図を参照して説明する。

第１図と第２図において、−水魚気Ａはタービン初段落
４より一次蒸気通路５に流入する。この一次蒸気通路５
はタービンケーシング１０とタービンロータ１１との間
にロータ１１に沿ってリング状に形成されている。二次
蒸気通路９はタービン途中段落に設けられ、この通路９
の出口部９ａはケーシング１０とこの通路９を軸方向に
挟んだ上流側ノズルダイヤフラム外輪１７Ｊ３よび下流
側ノズルダイセフラム外輪１８とによって形成されて゛
いる。この二次蒸気通路９の出口部９ａは、一次蒸気通
路５の下流に向って滑かに傾斜している。

この傾斜は、出口部９ａの延長線とロータ１１の中心軸
とのなす角度α（以下、二次蒸気流出角という。）が０
＜α≦π／３を満足するように定められている。

この二次蒸気通路出口部９ａには、二次蒸気通路９を開
閉できる遮蔽部材１９が設けられている。

この遮蔽部材１９は、通路９の下流側ノズルダイヤフラ
ム外輪１８から通路９内に吐出したリング状回転板２０
と、二次蒸気通路９の下流側ケーシグ１０から通路９内
に突出したリング状固定板２１とから構成されている。

回転板２０は第３図〜第５図に示されたように、等角度
間隔で配列された複数枚の矩形状突片２０ａから構成さ
れ、これらの突片２０ａの周方向長さ１１と隣接する突
片２０ａの間の間隙すなわち開口の周方向長さ９２とは
ほぼ等しくなるように定められている。

固定板２１も回転板２０と同形で・、等間隔の複数の矩
形突片２１ａから構成されている。また回転板２０ど固
定板２１とは互いに二次蒸気の流れ方向にかさなり合っ
ている。したがって第１図および第４図のように回転板
２０ａと固定板２１の突片２１ａとが完全に重なり合っ
た時、二次蒸気通路９はその全横断面積の約５０％が開
放し、第２図および第５図のように両突片２０ａと２１
８とが互い違いとなったとき通路９は完全に遮蔽され全
■となる。

二次蒸気通路９の直後の下流側ノズルダイヤフラム外輪
１８は、他のノズルダイヤフラム外輪と異なりケーシン
グ１０の円周溝２２によって周方向に回転可能に支持さ
れている。これを詳述すると、ケーシング１０の溝２２
にはその外周壁と下流１１１ｊｌｌ壁−とにそれぞれ複
数個のコロ２３．２４が周方向にほぼ等角度間隔に取り
付けられている。

これらのコロ２３．２４によって下流側外輪１８は周方
向に回転可能に支持されている。この外輪１８の外周面
には第３図に示されたように鋸歯状の溝２５が等角度間
隔で形成されている。この溝２５の間隔寸なわらピッチ
は上記突片２０ａ。

２１ａのピッチの半分に定められている。ケーシング１
０には、？ｌＮ２３に保合可能な回転阻止部材２６が興
通し、この回転阻止部材２６はケーシング外部より長手
方向に摺動操作可能で逼り、溝２５に係合したとき外輪
１８の回転を阻止し、そこから退出したときその回転を
許容する。この回転阻止部材２６と外輪１８との位置関
係は、部材２６が成る溝２５に係合したとき例えば突片
２０ａと２１８とが完全に重なり合って、すなわち位相
が同相となり、二次蒸気通路９を開放し、またその隣り
の１１’！２５に係合したとき、突片２０ａと２１８と
が逆位相となり通路９を遮蔽するように定められている
。

また通路出口部９ａの遮蔽部材１９は、全ｎ状態のとき
一時蒸気通路５の外周壁の一部を形成するとともに下流
側に向って外方へ傾斜しており、これによって通路９の
直前の段落の羽根２７から通路９の直後の段落のノズル
１２にかけての一次蒸気通路５を漸次拡大している。前
段落羽根２７から後段落ノズル１２までの遮蔽部材１９
を含めた一次蒸気通路外周壁の傾斜角は次のように定め
られている。すなわち、羽根２７の出口とノズル１２の
入口との軸方向座標ＸをそれぞれＸＢ。

ＸＡとし、子午面における上記外周壁の任意点における
傾斜角をβとしたとき平均傾斜角β（以下、平均開口角
と称する。）は次の時で定義される。

ここで分子の積分は子午面で切った外周壁に沿う線積分
を表している。上記遮蔽部材１９を含めた外周壁の傾斜
は、以上のように定義された平均開口角βを用いてＯ≦
β≦０．３πを満足するように定められている。

以下、本発明による混圧式タービンの作用を説明する。

（ａ＞遮蔽部材の全ｍ時 第１図と第４図に示されたように、回転板２０と固定板
２１とが同相となり遮蔽部材１９が全問状態であると、
二次蒸気Ｂは二次蒸気通路９を通過中にその通路にそっ
て徐々に方向を変えながら第４図に示された遮蔽部材１
９の等間隔の多数の開口部１９ａを通過する際に周方向
に均一化されπ て□以下の流出角αでもって一水魚気Δに穏やかに合流
する。

このため渦や剥離の発生が抑えられ、合流部での全圧損
失が大幅に低減され、また流れの周方向変動も少なく合
流部下流の羽根に加わる非定常流体力が小さくなり羽根
の寿命を１．５〜２．０倍程度も延ばすことができる。

さらに二次蒸気はπ □以下の流入角で合流するので、−次蒸気と直ぐには混
合せず湿り度の低い二次蒸気が羽根のチップ側を流れ、
湿り度の高い一次蒸気は羽根のルート側を流れる。この
ため湿り蒸気による羽根先端部の浸蝕が軽減される。

上述した諸効果をグラフを用いて以下に例３ｉＦする。

第６図は、流路モデルを用いた基礎試験の結果を示した
グラフで、横軸に二次蒸気流出角αをとり縦軸に全圧損
失係数ａ、ｂをとっている。合流による全圧損失をｈ、
合流後の平均速度をｖ２゜−次蒸気と二次蒸気のそれぞ
れの流路断面積をＡ、Ａ、２．−水魚気流量を０１．二
次蒸気流山をＱ２としたとき、蒸気係数ａ、ｂは次式で
定義される。

係数ａ、ｂはｍの関数であるので、第６図ではｍ−２の
ときのａ、ｂを示しである。このグラフから分かるよう
に、二次蒸気流出角αが０〜□では係数ａ、ｂが比較的
小さく、したがってこの間は全圧損失も小さく、したが
ってこの間は全圧損失も小さいが、しかじ□を越える係
数ａ、ｂか急激に上昇するので、全圧損失も急、上昇す
る。流出角が０≦α≦π／３である水元べて全圧損失が
少なくとも半分以下となっている。

第７図は、蒸気実施例において二次蒸気Ｂの流量を一次
蒸気Ａの３０％としたときのノズル１２直侵の動圧分布
の周方向変化を示したもので第１６図の従来の混圧式タ
ービンに比べて動圧損失が減少し、かつまた周方向変動
も充分小さくなっていることが分る。

第８図は羽根１３に加わる振動の原因である非定常流体
力を表わしたもので、横軸に羽根１３の高さ方向位ＩＨ
をとり、縦軸に定常流体力Ｆ。

「 無次元化した非定常流体力Ｆｕをとっである。

実ＩＮで示した本実施例の混圧式タービンは破線０で示
した第１２図の従来の混圧式タービンに比（ｂ）遮蔽部
材の全ｍ時。

運転途中で二次蒸気Ｂを止め、負荷を下げる必要が生じ
たときには、第３図に示きれた回転阻止部材２６を一時
的に引き上げてノズルダイヤフラム外輪１８の満２５と
の係合を解く。ノズル１２には流出する蒸気の反動力が
常時働いており、この反動力の周方向成分はノズルダイ
ヤフラム外輪１８をロータ１１の回転の反対方向に回転
させるトルクとなっている。したがって、回転阻止部材
２６と満２５との係合を解くと、ノズルダイヤフラム外
輪１８はロータと逆方向　回転した回転板２０を固定板
２１に対して回動させる。この回転が溝２５の１ピッチ
分行なわれた時に回転阻止部材２６を溝２５に係合させ
ることにより外輪１８の回転が阻止され、回転板２０と
固定板２１との位酋関係が逆相となり遮蔽部材１９は第
２図と第５図に示されたように全閉となる。

これにより二次蒸気通路９は出口部９ａにおいて完全に
遮蔽されて、遮蔽部材１９によって平均開口角βが０．
３π以下の漸次拡大流路が形成される。前段羽根２７を
流出した一次蒸気Ａはこの漸次拡大流路を通過する際に
渦や剥離などを生ずることなく穏やかに拡がり後段ノズ
ル１２に流入する。もちろん二次蒸気通路９は完全に遮
蔽されているので、−次蒸気が二次蒸気通路９内に漏洩
して損失を生ずることはない。

第９図は一次蒸気通路の外周面の平均間口角βと流れの
全圧損失係数ことの関係を示したもので全圧損失係数は
、本実施例の平均間口角範囲である０〜０．３πでは非
常に小さいが０．３πを越えると急激に大きくなり、特
に第１４図に示したπ 従来の混圧式タービンに相当するβζ□では約１．３に
も達し、本実施例の約２倍以上になっていることが分る
。

第１０図は遮蔽部材１９を全閉としたときのノズル１２
の下流の動圧方向分布を示したもので、ルート部Ｒとチ
ップ部Ｔでの動圧低下が第１５図の従来タービンに比べ
て大幅に軽減され、また周方向変動も充分に小さくなっ
ていることが分る。

これは本実施例では第１４図の剥離領域１４゜１５の発
生が防止されているためであると考えられる。

第１１図は遮蔽部材を全閉としたときの羽根１３に加わ
る非定常流体力の半径方向分布を示したもので、実１ｉ
１Ｎで示した本実施例では、点線０−Ｃよ５、。−、ッ
、□、エユ、□８ｏ、羽根１３への励振力が大幅に軽減
されていることが分る。

なお、全開から全開への、また全開から全閉への遮蔽部
材１９の切換の際に操作される回転阻止部材２６には、
これを下方向、すなわち満２５との係合方向に付勢り′
るバネを付設するとよい。これにより溝２５との係合の
ために回転阻止部材２６を下降させるタイミングを、満
２５の１ピッチ分の外輪１８の回転完了に厳密に一致さ
せる必要がなくなり、それよりもかなり前に設定するこ
とができる。

上述の実施例では、ノズルダイヤフラム外輪１８を回転
可能とし、これに回転板２０を固設して、作業蒸気の反
力を利用して、回転板２０を回動させたが、本発明はこ
れに限るものでなく、ノズルダイヤフラム外輪１８を固
定し、回転板２０をこの外輪１８と独立に回転可能に構
成し、これをパルスモータなどで回転駆動させてもよい
。また、二次蒸気の方向変換を助長し、流れを周方向に
一層均一化するために二次蒸気通路９内に偏流板や案内
翼を設けてもよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、第１の発明によれば、
二次蒸気通路の出口部付近に二次蒸気通路を開閉可能な
遮蔽部材を設けたので、部分負荷運転時に遮蔽部材を全
閉し、二次蒸気通路を遮蔽することにより、−次蒸気が
二次蒸気通路へ漏洩することを防止できるとともに二次
蒸気通路との接続部での一次蒸気の乱れを防止でき、全
圧損失を大幅に軽減することができる。

また、第２の発明によれば、二次蒸気通路の出口部付近
の傾斜角αを０≦α≦π／３にしたので、二次蒸気が滑
らかに一次蒸気に合流し、全圧損失を大幅に低減でき、
また羽根に加わる励振力を軽減できる。さらに湿り度の
小さい二次蒸気が羽根先端を流れるので湿り蒸気に起因
する羽根の侵蝕を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明による混圧式タービンの一実施
例を示した縦断面図で、第１図は遮蔽板が全開した状態
を、第２図は全閉した状態をそれぞれ示している。第３
図は第１図のノズルダイヤフラム外輪と回転阻止部材と
の関係を示した横断面図、第４図と第５図はそれぞれ第
１図のＩＶ−ＩＶ線断面図と第２図のｖ−ｖｓｉ断面図
、第６図乃至第１１図は本発明の流体特性を示したグラ
フ、第１２図は従来の二段フラッシュ式地熱タービンを
示した概略図、第１３図と第１４図はそれぞれ第１２図
の要部を拡大して示した縦断面図、第１５図と第１６図
は第１２図のタービンの流体特性を示したグラフである
。 ４・・・タービン初段落、５・・・一次蒸気通路、９・
・・二次蒸気通路、９ａ・・・二次蒸気通路出口部、１
９・・・遮蔽部材、２０・・・回転板、２１・・・固定
板、Ａ・・・−水蒸気、Ｂ・・・二次蒸気。 出願人代理人　　猪　　設　　　　清 第１図 第２図 第３図 第６図 第７図 羽根の高さ位ＩＨｒ 第８図 平均開口角β 第９図 第１Ｏ図 第１１図 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タービンロータに沿って形成され、タービン初段落
   より流入した一次蒸気がタービンを回転させるために流
   通する一次蒸気通路と、タービン途中段落に形成され、
   出口端において上記一次蒸気通路に所定角度で接続され
   、二次蒸気をタービン途中段落から上記一次蒸気通路へ
   導入する二次蒸気通路とを具備する混圧式タービンにお
   いて、上記二次蒸気通路出口端付近に設けられ、上記二
   次蒸気通路を開閉する遮蔽部材を具備することを特徴と
   する混圧式タービン。 ２、上記二次蒸気通路の延長線とロータ中心軸とのなす
   角度αが０≦α≦π／３を満足することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の混圧式タービン。 ３、上記遮蔽部材は、上記二次蒸気通路を遮蔽した状態
   のとき、上記一次蒸気通路の外周壁を形成し、この外周
   壁は上記一次蒸気通路が下流側に向って拡大するように
   ロータ中心軸に対して傾斜し、この平均傾斜角＠β＠は
   ０≦β≦０．３πを満足することを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載の混圧式タービン。 ４、上記遮蔽部材は、上記二次蒸気通路中に配置され、
   所定間隔の複数の開口を有するリング状固定板と、この
   固定板に重り合うように配置され、上記固定板開口に対
   応した複数の開口を有する回動可能なリング状回転板と
   を含み、この回転板の回動により上記二次蒸気通路の開
   閉を行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の混圧式タービン。 ５、上記回転板は、上記二次蒸気通路直後のノズルダイ
   ヤフラム外輪に固設され、このノズルダイヤフラム外輪
   は周方向に回転可能にタービンケーシングに支持される
   とともにタービン外部から操作可能な回転阻止部材によ
   ってた回転を阻止されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第４項に記載の混圧式タービン。 ６、タービンロータに沿って形成され、タービン初段落
   より流入した一次蒸気タービンを回転させるために流通
   する一次蒸気通路と、タービン途中段落に形成され、出
   口端において上記一次蒸気通路に所定角度で接続され、
   二次蒸気をタービン途中段落から上記一次蒸気通路へ導
   入する二次蒸気通路とを具備する混圧式タービンにおい
   て、上記二次蒸気蒸気通路の出口部付近は、上記一次蒸
   気通路の下流の方に向かって傾斜延在し、この傾斜部の
   延長線とロータ中心線とのなす角度αが０＜α≦π／３
   を満足することを特徴とする混圧式タービン。