JP2005233154A

JP2005233154A - 蒸気タービン

Info

Publication number: JP2005233154A
Application number: JP2004046405A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Iwai; 井保憲岩; Yoshiki Niizeki; 関良樹新; Yushi Saeki; 伯祐志佐; Masashi Tsutsui; 井政司筒
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Technology Corp
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】下方排気型の排気室おける圧力損失を低減し高性能の蒸気タービンを提供する。
【解決手段】この蒸気タービンは、内部ケーシング７，８と外部ケーシング１，２で構成される低圧排気室内部の最終段落下流側に環状ディフューザ２１ａ，２１ｂを有し、前記ディフューザの外周側を画成するチップフローガイド９，１０が設けられた蒸気タービンにおいて、前記チップフローガイドがその上半側、下半側で非対称形状に形成され、チップフローガイド上半９の軸方向長さがチップフローガイド下半１０の軸方向長さより長いことを特徴とする蒸気タービン。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気側の圧力損失を低減して高効率を実現しうる蒸気タービンに関するものである。

火力発電所などで用いられる蒸気タービンの効率を向上させることは、エネルギー資源の有効利用、ＣＯ_２排出量の削減のための重要な課題となっている。蒸気タービンの効率向上は、与えられたエネルギーを有効に機械仕事に変換することであり、このためには様々な内部損失の低減が必要である。

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・クロスオーバ管などの損失、排気損失がある。排気損失は、蒸気タービン全損失の１０％〜２０％と非常に大きな割合を示す。

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、その内訳はさらにリービング損失、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、排気室の形式、形状、サイズに大きく依存する。一般に圧力損失は、流速の二乗で大きくなるため、許される範囲で排気サイズを大きくして流速を低減することが効果的であるが、サイズにはコストや建屋などからの制約がある。フード損失も軸流速度、すなわち排気室を通過する体積流量に依存する。図１０には、軸流速度と排気損失の関係をその内訳と合わせて示す。フード損失はディフューザを含めた排気室設計に依存する。低圧排気室は蒸気タービン全体でも非常に大きな容量を占めるため、損失を低減させるためにそのサイズを拡大することは、全体のサイズやコストに大きな影響を与える。このため、限られたサイズで損失の小さい排気室形状とすることが重要となる。

復水器が蒸気タービンの下側に配置されるプラント配置は最も一般的であるが、この場合に使用される下方排気型低圧排気室の従来例を図８に示す。

図８は、２つの低圧段落がひとつにまとめられたダブルフロー型と呼ばれる低圧排気室の例を示している。この場合、クロスオーバ管４から流入した蒸気は、図８の左右の低圧段落に分岐して流入して仕事をする。この蒸気は、それぞれの最終段落のノズル６、羽根５を通過した後、チップフローガイド９、１０およびルートフローガイド１１、軸受コーン１２で形成された拡大流路であるディフューザで流速を減じ、静圧を回復する。その後、外部ケーシング１で囲まれた空間で下向きに転向し、さらに排気室の下に位置する復水器に流出する。図９は、図８のディフューザ部分を拡大したものであり、ダブルフロー型の片側のみを示している。排気室での損失を極力低減するためには、このディフューザ部で極力減速させて静圧を回復する必要があるが、このためにはディフューザの面積比（ディフューザ出口の面積:Ａ2／最終段落出口の環状面積Ａ1）を極力大きくする必要がある。しかしながら、急拡大流路では、流れが剥離してしまって有効な静圧回復が妨げられるためその拡大率や流路形状には最適値が存在する。このため、ディフューザ部分の形状についてはさまざまな提案がなされているが、結局のところディフューザにおける静圧回復を大きくとるためにはディフューザ長さＬＤを長くとることが必要となる。また、ディフューザ出口から、排気室出口までの圧力損失を低減するためには、排気室の容積を大きくとって、内部流速を低くすることが効果的である。これらを達成するためには、排気室の軸方向寸法を大きくとれば良いが、これによってロータ長さが長くなることは、強度や振動特性およびコストの点から好ましくない。したがって、軸方向寸法を延長することなく、内部の流れを効果的に減速しできる排気室形状が望まれている。

図８、９に示す低圧段落では、排気室外部ケーシング１と軸受コーン１２が一体化され、この軸受コーン１２内に収められた軸受１３によって低圧ロータ３が支持される。軸系の信頼性を高めるためには、低圧排気室の両端に配置される軸受１３の間隔は極力小さいことが望ましく、一方、排気室の圧力損失を低減するために排気室の軸方向寸法は極力大きくすることが望ましいため、軸受コーン１２は排気室端面から内側へ突出した形状を有している。軸受コーン１２と内部ケーシング７、８の間には、ルートフローガイド１１が配置される。低圧段落の翼列は、内部ケーシング７、８の中に収められており、内部ケーシング７、８は外部ケーシング下半２によって支持されている。

フローガイドを改善した例としては、回転軸の軸心よりも下側のフローガイドが上側のフローガイドよりも長く形成されたものがある（特許文献１参照）。

上述した技術において、タービン最終段の水平面より下半側より流出する流体はチップフローガイドと軸受コーンによって減速しながら、９０°方向を変えて復水器へと流れていく。水平面より上半側より流出する流体は複雑な流れとなる。タービン最終段より出た流体は９０°方向を上側に変え、そしてすぐに上半ケーシングの天井部によって９０°方向を変え、排気室中心部へ向かい、一部はすぐに９０°下側に方向を変え、一部は中心部まで流れて９０°方向を変えて復水器側へと流れていく。このように複雑な流れとなるが、図１１に示したように何度も方向を変えるうちに流れは大きな渦１８となり、その渦部で損失が発生する。従来のような上半側のチップフローガイド９が下半側チップフローガイド１０に比べて軸方向距離、または流路距離LDが短い場合は流れが十分減速せずに方向変換を繰り返すため、大きな渦１８となり、その分、そこでの損失発生も大きい。また、上下半のチップフローガイドが同じ形状の場合、上半側チップフローガイドの軸方向距離、または流路距離LDが下半側より短い場合よりは渦の形成に対し、良い結果となるが、それでもまだ、不十分である。
特開平１１−２００８１４図１、図２

本発明は、以上説明したような従来技術の問題点を解決し、下方排気型の排気室おける圧力損失を低減し、高性能の蒸気タービンを得ることを目的とする。

請求項１に記載の発明は、内部ケーシングと外部ケーシングで構成される低圧排気室内部の最終段落下流側に環状ディフューザを有し、前記ディフューザの外周側を画成するチップフローガイドが設けられた蒸気タービンにおいて、前記チップフローガイドがその上半側、下半側で非対称形状に形成され、上半側チップフローガイドの軸方向長さが下半側チップフローガイドの軸方向長さより長いことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記ディフューザの内周側を画成する軸受コーンをさらに有し、この軸受けコーンは、上半、下半で非対称形状に形成され、上半側軸受コーンの中心軸に対する傾斜角が下半側軸受けコーンの中心軸に対する傾斜角より小さいことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記チップフローガイドの入口傾斜部が中心軸となす傾斜角が上半側チップフローガイドと下半側チップフローガイドとで異なり、下半側チップフローガイドの傾斜角が上半側チップフローガイドの傾斜角より大きいこと特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記チップフローガイドの入口傾斜部が中心軸となす傾斜角が、上半側チップフローガイドと下半側チップフローガイドとで同一であること特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記チップフローガイドの形状は、上半側は同一断面形状を有し、水平面より下半側にて形状が変化することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、中心軸の直上方向から中心軸周りに等角度ずつ振り分けた４５°の角度範囲において、前記上半側チップフローガイドの下流側端縁と筒状の前記外部ケーシングの天井壁との間の流体通過断面積が、前記上半側チップフローガイドの下流側端縁と前記外部ケーシングの側壁との間の流体通過断面積の１．１倍であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、上半側チップフローガイドを長く設定しているから、上半側ディフューザの流路を長くしてその中の流れを充分減速させエネルギを減少させることができる。したがって、これに続く上半側の流れ中の渦も小さくすることができエネルギ損失を小さくすることができる。また、下半側チップフローガイドの軸方向長さが上半側より小さいため、最終段より出た流体は上半側より下半側により多く流れるようになる。従って、上半側流れをより減速することができ、形成される渦もより小さくすることができる。よって、全体として流路中のエネルギ損失を削減することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、下半側軸受コーンが最終段落からの流体を下半側により積極的に導くことができ、上半側に流れる流量を減らすことができる。一方上半側軸受コーンは上半側チップフローガイドと協働することによって最終段落からの流体をより効率的に減速させることができる。したがって、上半側の流れを弱め、形成される渦を小さくすることができ、エネルギ損失を削減することができる。

請求項３に記載の発明によれば、下半側チップフローガイドはより下側を向くようになるとともに軸方向の長さが短くなる。一方、上半側チップフローガイドの軸方向の長さは長くなる。このため、最終段落から吐出される流体をより下側に積極的に導くことができ、上半側に流れる流量を減らすことができる。従って、最終段落の上側から吐出される流体をより効率的に減速させることができ、渦を小さくすることができ、エネルギ損失を削減することができる。

請求項４に記載の発明によっても、上半側チップフローガイドの長さを長くし、下半側チップフローガイドの長さを短くすることができる。従って、同様にエネルギ損失を削減することができる。

請求項５に記載の発明によれば、上半側チップフローガイドの形状を変えず、上下半の形状の違いは下半側チップフローガイドで合わせることによって、同様にエネルギ損失を削減することができる。

請求項６に記載の発明によれば、強い渦の発生を抑制し排気室で発生する損失も抑制することができ、エネルギ損失を最適に削減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図１ないし図７を参照して説明する。なお、背景技術で説明した蒸気タービンと同一構成の部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

まず、本発明の第１の実施の形態について図１および図２を参照して説明する。図１において、符号１は外部ケーシング上半、符号２は外部ケーシング下半を示す。この外部ケーシング上半１は、回転軸心Ｘを中心とする筒状の天井部１ａと回転軸心Ｘと垂直になされた側壁部１ｂとを有している。また、外部ケーシング上半１及び外部ケーシング下半２の内部には、回転軸心Ｘのまわりに略筒状の内部ケーシング上半７、内部ケーシング下半８が設けられており、これら内部ケーシング上半７、内部ケーシング下半８は、その吐出口付近に最終段ノズル６を有している。さらに、回転軸心Ｘに沿ってロータ３が水平に設けられており、軸受１３によって回転自在に軸支されている。また、このロータ３は、最終段ノズル６の下流側に最終段羽根５を有している。

最終段羽根５の下流側には、下流側にいくに従い拡径する軸受コーン１２が回転軸心Ｘまわりに設けられている。この軸受コーン１２と最終段羽根５の内周側端縁との間のロータ３には、ルートフローガイド１１が装着されている。

一方、内部ケーシング上半７の吐出側端部には下流側にいくにしたがい拡径する漏斗状のチップフローガイド上半９が配設されている。同様に、内部ケーシング下半８の吐出側端部には下流側にいくにしたがい拡径する漏斗状のチップフローガイド下半１０が配設されている。そして、チップフローガイド上半９と軸受コーン１２との間に上側ディフューザ２１ａが形成され、チップフローガイド下半１０と軸受コーン１２との間に下側ディフューザ２１ｂが形成される。

そして、これらチップフローガイド上半９およびチップフローガイド下半１０は、チップフローガイド上半９の回転軸心Ｘ方向の長さＬｕｐが、チップフローガイド下半１０の回転軸心Ｘ方向の長さＬｕｄより大きいようになされている。

この実施の形態においては、図２に示すように、チップフローガイド上半９を長く設定しているから、このチップフローガイド９と軸受コーン１２とで形成される上側ディフューザ２１ａの流路を長くすることができる。従って、この上側ディフューザ２１ａ中の流れ１４を充分減速することができ、これに続く上半側流れ１６のエネルギーを充分減少させることができる。このため、形成される渦１８も小さくすることができ、渦１８において発生するエネルギ損失を小さくすることができる。また、チップフローガイド下半１０の軸方向距離がチップフローガイド上半９より小さいため、最終段羽根５より出た流体は上半側より下半側により多く流れるようになる。従って、上半側流れ１６をより減速することができ、形成される渦１８もより小さくすることができる。よって、全体として流路中のエネルギ損失を削減することが可能となる。

このように、この実施の形態にあっては、チップフローガイド上半９の回転軸心方向長さをチップフローガイド下半１０の回転軸心方向長さより大きくすることによって、最終段羽根５より出た流れを下半側に導き、上半側の流れの流速をできるだけ減速させることによって、大きく強い渦の発生を抑制し、排気室で発生する損失の発生も抑制することができる。

次に、第２の実施の形態について、図３ないし図５を参照して説明する。

図３は、第１の実施の形態の変形例である。この図において、軸受コーン１２は、軸受コーン１２の上半側と回転軸心Ｘとで形成される角度θ１と、軸受コーン１２の下半側と回転軸心Ｘとで形成される角度θ２との関係が、θ１＜θ２となるように形成されている。

このように構成されているので、下半側の軸受コーン１２は最終段羽根５からの流体を下側すなわち復水器側へ導くことになり、最終段羽根５からの流体を下半側により積極的に導くことによって上半側に流れる流量を減らすことができる。また、上半側の軸受コーン１２はチップフローガイド上半９と協働することによって、最終段羽根５からの流体をより効率的に減速させることができる。したがって、図２に示した上半側流れ１８を弱め、形成される渦１８を小さくすることができ、エネルギ損失を削減することができる。

図４においては、チップフローガイド上半９、チップフローガイド下半１０の外径はそれぞれ同じに設定されている。しかし、最終段ノズル６から延びるチップフローガイド上半９と回転軸心Ｘとで形成する角度をαとし、最終段ノズル６から延びるチップフローガイド下半１０と回転軸心Ｘとで形成する角度をβとしたとき、α＜βとなるようにチップフローガイド上半９、チップフローガイド下半１０を形成し、チップフローガイドの回転軸心方向距離を上半側で長くしている。

このように構成されているので、チップフローガイド下半１０はより下側を向くようになるとともに、その回転軸心方向の長さが短くなる。一方、チップフローガイド上半９の回転軸心方向の長さは長くなる。このため、最終段羽根５から吐出される流体をより下側すなわち復水器側に積極的に導くことができ、上半側に流れる流量を減らすことができる。従って、最終段羽根５の上側から吐出される流体をより効率的に減速させることができ、渦１８を小さくすることができ、エネルギ損失を削減することができる。

図５においては、最終段ノズル６から延びるチップフローガイド上半９と回転軸心Ｘとで形成する角度、チップフローガイド下半１０と回転軸心Ｘとで形成する角度をともにαとして同じに設定する一方、チップフローガイド下半１０の半径をチップフローガイド上半９の半径より小さくしている。このようにすることによって、チップフローガイド上半９の回転軸心方向の長さをチップフローガイド下半１０より長くしている。

このように構成することによっても同様にエネルギ損失を削減することができる。

また、図４、図５において、上下のチップフローガイドの接続部の形状は、チップフローガイド上半９の形状は変えずに、チップフローガイド下半１０側で軸方向距離の短い下半側と上半側を連続的に繋ぐように構成している。

このように構成することによって、チップフローガイド上半側の形状を変えず、上下半の形状の違いはチップフローガイド下半側で合わせることで、上半側流れにおいて渦が形成しにくいようにすることができる。

このように第２の実施の形態においても、チップフローガイド上半９の軸方向長さをチップフローガイド下半１０の軸方向長さより大きくすることによって、最終段羽根５より吐出された流れを下半側に導き、上半側の流れの流速をできるだけ減速させることで、大きく強い渦の発生を抑制し、排気室で発生する損失の発生も抑制することができる。

次に、第３の実施の形態について図６及び図７を参照して説明する。ここで、図６及び図７は図４を例にチップフローガイド上半９の形状を最適にする一例を示している。これらの図において、符号９ｔはチップフローガイド上半９の下流側端縁を示している。この下流側端縁９ｔと外部ケーシング１の天井部１ａとの間の流体通過断面であって、回転軸心Ｘの直上方向からこの回転軸心Ｘまわりに等角度ずつ振り分けてω＝４５°とした角度範囲内の部分を第１のエリアＡで示し、この下流側端縁９ｔと外部ケーシング１の側壁部１ｂとの間の流体通過断面積であって、上記ω＝４５°とした角度範囲内の部分を第２のエリアＢで示している。

チップフローガイド上半９の軸方向距離は無制限に大きくできる訳ではない。軸方向距離が大きくなるに従い、外径も大きくなり、図６及び図７に示す第１のエリアＡの面積が小さくなっていく。また、軸方向距離が大きくなるに従い第２のエリアＢの面積も小さくなっていく。第２のエリアＢの面積は図９にＡ２で示した面積以上、また、第１のエリアＡの面積は第２のエリアＢの面積の１．１倍以上とするのが好ましい。特に第１のエリアＡの面積が小さくなると図２に示した上半側流れ１６が排気室中心側に十分流れることができず、チップフローガイド上半９と軸受コーン１２の間に渦を形成する場合がある。また、チップフローガイド上半９と軸受コーン１２の間に渦を形成しなくとも、流れ１４の流速が遅いにも関わらず、回転半径の小さな強い渦１８が生成するため損失が大きくなる。

このように、チップフローガイドの大きさに制限を設けることで、強い渦の発生を抑制し、排気室で発生する損失も抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態の要部を示す軸方向断面図。図１に示す第１の実施の形態の作用効果を示す軸方向断面図。本発明の第２の実施の形態のうち軸受コーンの角度を上下で変えた場合を示す軸方向断面図。本発明の第２の実施の形態のうちチップフローガイドの角度を上下で変えた場合を示す軸方向断面図。本発明の第２の実施の形態のうちチップフローガイドの角度を上下で同じにした場合を示す軸方向断面図。本発明の第３の実施の形態を示す軸直角断面図及び軸方向断面図。本発明の第３の実施の形態の概略を示す斜視図。従来のダブルフロー型排気室を示す軸方向断面図。従来のダブルフロー型排気室のディフューザ部分を示す軸方向断面図。排気損失の内訳と軸流速度との関係を示す図。従来のダブルフロー型排気室のディフューザ部分を示す軸方向断面図。

符号の説明

１外部ケーシング上半
２外部ケーシング下半
３ロータ
５最終段羽根
６最終段ノズル
７内部ケーシング上半
８内部ケーシング下半
９チップフローガイド上半
１０チップフローガイド下半
１２軸受コーン
１４流れ
１６上半側蒸気流れ
１８渦
Ａ第１のエリア
Ｂ第２のエリア

Claims

内部ケーシングと外部ケーシングで構成される低圧排気室内部の最終段落下流側に環状ディフューザを有し、前記ディフューザの外周側を画成するチップフローガイドが設けられた蒸気タービンにおいて、前記チップフローガイドがその上半側、下半側で非対称形状に形成され、上半側チップフローガイドの軸方向長さが下半側チップフローガイドの軸方向長さより長いことを特徴とする蒸気タービン。
前記ディフューザの内周側を画成する軸受コーンをさらに有し、この軸受けコーンは、上半、下半で非対称形状に形成され、上半側軸受コーンの中心軸に対する傾斜角が下半側軸受けコーンの中心軸に対する傾斜角より小さいことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
前記チップフローガイドの入口傾斜部が中心軸となす傾斜角が上半側チップフローガイドと下半側チップフローガイドとで異なり、下半側チップフローガイドの傾斜角が上半側チップフローガイドの傾斜角より大きいこと特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
前記チップフローガイドの入口傾斜部が中心軸となす傾斜角が、上半側チップフローガイドと下半側チップフローガイドとで同一であること特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
前記チップフローガイドの形状は、上半側は同一断面形状を有し、水平面より下半側にて形状が変化することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の蒸気タービン。
中心軸の直上方向から中心軸周りに等角度ずつ振り分けた４５°の角度範囲において、前記上半側チップフローガイドの下流側端縁と筒状の前記外部ケーシングの天井壁との間の流体通過断面積が、前記上半側チップフローガイドの下流側端縁と前記外部ケーシングの側壁との間の流体通過断面積の１．１倍であることを特徴とする請求項１ないし５に記載の蒸気タービン。