JP2007255218A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】外圧によってエンドプレートが変形することを防止し、かつ三次元構造部材の近傍で発生する剥離渦を抑制し、損失を小さくした蒸気タービンを提供する。
【解決手段】蒸気タービンは、ケーシング１と、回転軸３ａ周りを回転自在に配置されたロータ３と、動翼４と、ノズル２１とからなり、蒸気を排出する最終段落２０と、最終段落の下流側のケーシングに配置され、排出された蒸気を案内する環状のディフューザ３０と、ディフューザ下流側のケーシングに、ロータに直交する方向に配置されたエンドプレート１８とを備えている。ディフューザは、外周縁を構成するチップフローガイド５と、内周縁を構成する軸受コーン７とを有している。軸受コーンの下方部と、エンドプレートとの間に、エンドプレートを補強する箱状の三次元構造部材９が設けられ、この三次元構造部材の側面形状はエンドプレートに向かって末広がり形状となっている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、エンドプレートの変形を防止し、かつ剥離渦を抑制して損失を小さくすることができ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効率を向上させることは、エネルギー資源を有功に利用し、ＣＯ_２排出量を削減するためには重要な課題となっている。蒸気タービンの発電効率を向上させるには、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が必要である。このため、様々な内部損失を低減させる必要である。

蒸気タービン内に発生する内部損失には、タービン翼の形状による損失、二次流れによる損失、漏洩による損失、湿りによる損失などの蒸気タービン翼列内における損失と、蒸気弁やクロスオーバ管などによる損失と、排気損失とがある。このうち排気損失は、蒸気タービン全損失の内、１０％〜２０％を占め、非常に大きな要因となっている。

この排気損失は、最終段落出口から、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、形状及びサイズに大きく依存する。一般的に、圧力損失は流速の二乗で大きくなるため、蒸気の排出される排気室のサイズを大きくして、蒸気の流速を遅くすることが効果的であるが、排気室のサイズを大きくすることにはコストや建屋による制約がある。

図８に、軸流速度と排気損失との関係を示す。排気損失の内訳は、フード損失と、ターンナップ損失と、環状面積制限損失と、リービング損失とからなっている。

フード損失は、ディフューザを含めた排気室の形状に依存している。一般的に、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と、蒸気タービン全体のサイズが大きくなり、製造コストが高くなってしまう。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。

一般的に、復水器は蒸気タービンの下方側に配置されるが、この場合に使用される従来の下方排気型低圧排気室を図９に示す。図９に示される下方排気型低圧排気室は、２つの低圧段落が１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である。

図９において、クロスオーバ管１５から流入した蒸気１４は、図９の左右の低圧段落に分岐して流入して仕事をし、それぞれの最終段落２０のノズル２１と、動翼４を通過する。

その後、蒸気１４は、チップフローガイド５および軸受コーン７から構成される拡大流路であるディフューザ３０で流速が遅くなり、静圧を回復する。

その後、蒸気１４は、外部ケーシング１で囲まれた空間で下向きに向きを変えて、排気室の下方に配置される復水器（図示せず）に流出する。

排気室における損失を極力低減するためには、ディフューザ３０で蒸気１４を極力減速させることによって、蒸気１４の静圧を回復する必要があるが、一方で、流路を急に拡大すると、流れが剥離してしまって有効な静圧回復が妨げられてしまう。このように、流路の拡大率や形状には最適値が存在する。

また、ディフューザ３０出口から、排気室出口までの圧力損失を低減するには、極力流れの妨げとなる内部構造物は無いほうが良い。

一般的に、低圧排気室は真空に近い状態となっているため、低圧排気室には大きな外圧がかかる。このため、この外圧から排気室を守るため、排気室内部には補強部材が多く存在する。一方、この補強部材が高速で流れる蒸気１４中にあると大きな損失の原因となる。このため、損失を発生することなく、排気室の構造を補強することのできる形状を有する部材を提供することが望まれている。

図９に示すように、排気室の外面となるケーシング１と軸受コーン７が一体化され、この軸受コーン７内に収められた軸受８によってロータ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ロータ３と軸受８に設けられる間隔は極力小さいことが望ましいが、排気室の圧力損失を低減するためには排気室の回転軸方向の寸法を極力大きくすることが望ましい。このため、軸受コーン７は排気室の側面を構成するエンドプレート１８から排気室内側へ突出した形状になっている。

なお、排気室の内部構造物を改善した例としては、内車１６の下方部にフローガイドを設け、内車１６下方部における損失を低減したものがある（例えば、特許文献１）。
特開２００３−２７９０５

ケーシング１の上半側１ａのエンドプレート１８の外側には、ケーシング１の変形を小さくするための構造部材（図示せず）が取り付けられている。一方、図９に示すように、ケーシング１の下半側１ｂは、側方で基礎台２２と接しているため、外側に構造部材を設けることが困難である。このため、図１０に示すように、ロータ３が貫通しているエンドプレート１８には外圧による変形を小さくするための板状の構造部材１３が取り付けられている。

最終段落２０の水平面より下半側より流出する蒸気１４は、チップフローガイド５と軸受コーン７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が、この流れの中に構造部材１３が設置されている。

このため、図１０に示したように、構造部材１３近傍で剥離渦１７が発生し、剥離渦１７による大きな損失が発生する。なお、軸受コーン７の下方部にはグランド蒸気管１９が設置されており、このグランド蒸気管１９近傍でも剥離渦１７が発生する。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、外圧によってエンドプレートが変形することを防止し、かつ構造部材の近傍で発生する剥離渦を抑制することによって、損失を小さくすることができる蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明は、ケーシングと、ケーシング内に、回転軸周りを回転自在に配置されたロータと、当該ロータの外周に設けられた動翼と、ケーシングに設けられたノズルとからなり、蒸気を排出する最終段落と、最終段落の下流側のケーシングに配置され、最終段落から排出された蒸気を案内する環状のディフューザと、ディフューザ下流側のケーシングに、ロータに直交する方向に配置されたエンドプレートとを備え、環状のディフューザは、外周縁を構成するチップフローガイドと、内周縁を構成する軸受コーンとを有し、軸受コーンの下方部と、エンドプレートとの間に、エンドプレートを補強する所定外面形状を有する三次元構造部材が設けられ、この三次元構造部材の外面形状はエンドプレートに向かって末広がり形状となっていることを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、三次元構造部材が、下面と、上面と、２側面と、当接面とを有する箱状外面形状を含み、エンドプレートに直交する水平面で切断した２側面と当接面とが台形をなすことを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、三次元構造部材が、下面もエンドプレートに向かって末広がり形状をもつことを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、三次元構造部材が、下面と、上面と、２側面とを有する外面形状を含み、エンドプレートに直交する水平面で切断した２側面が三角形をなすことを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、三次元構造部材が、上面と、２側面とを有する三角錐の外面形状を含むことを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、三次元構造部材が、エンドプレートに位置する、三角形の各頂点からエンドプレートから離れる方向に延びて頂端部を形成する３本の稜線を有し、稜線のうち一つは円弧状となり、この円弧状の稜線の両側の側面は曲面状をなすことを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、三角錐の稜線のうち一つが、ロータの回転軸方向から見て上下方向に延び、当該稜線は、ロータの回転軸を通る垂直線に対して水平方向にずれていることを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、グランド蒸気管を更に備え、当該グランド蒸気管は、三次元構造部材内を貫通して配置されていることを特徴とする蒸気タービンである。

本発明によれば、軸受コーンの下方部と、エンドプレートとの間に、エンドプレートを補強する所定外面形状を有する三次元構造部材が設けられ、この三次元構造部材の外面形状はエンドプレートに向かって末広がり形状となっているので、外圧によってエンドプレートが変形することを防止することができる。また構造部材の近傍で発生する剥離渦を抑制することによって、損失を小さくすることができる。

第１の実施の形態
以下、本発明に係る蒸気タービンの第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１（ａ）乃至（ｅ）は本発明の第１の実施の形態を示す図である。

図１（ａ）乃至（ｅ）に示すように、本実施の形態の蒸気タービンは、ケーシング１と、ケーシング１内に回転自在に配置されたロータ３と、当該ロータ３の外周に設けられた動翼４と、ケーシング１に設けられたノズル２１とからなり、蒸気１４を排出する最終段落２０とを備えている。

このうちロータ３は、回転軸３ａ周りで回転するようになっている。

図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、最終段落２０の下流側のケーシング１には、最終段落２０から排出された蒸気１４を案内する環状のディフューザ３０が配置されている。この環状のディフューザ３０は、外周縁を構成するチップフローガイド５と、内周縁を構成する軸受コーン７とを有している。

また図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、ディフューザ３０下流側のケーシング１には、ロータ３に直交する方向に配置されたエンドプレート１８が設けられている。

また図１（ａ）乃至（ｅ）に示すように、軸受コーン７の下方部と、エンドプレート１８との間に、エンドプレート１８を補強する三次元構造部材９が設けられている。この三次元構造部材９はエンドプレート１８に固着され、その外面形状はエンドプレート１８に向かって末広がり形状となっている。なお、図１（ｅ）は、軸受コーン７と三次元構造部材９を回転軸３ａ方向からみた平面図であり、図１（ｄ）は、軸受コーン７と三次元構造部材９を水平方向からみた側方図である。

次に、三次元構造部材９の外面形状について詳述する。三次元構造部材９の外面形状は、下面４１と、上面４２と、２側面４３，４４と、当接面４５とを有する箱状外面形状となっており、エンドプレート１８に直交する水平面で切断した断面の外形形状は、図１（ｃ）に示すように、２側面４３，４４と、当接面４５を含む台形になっている。なお、三次元構造部材９の下面４１は、エンドプレート１８に対して垂直に配置されている。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。

下方ディフューザ３０を通過した蒸気１４は、三次元構造部材９に衝突した後、下方に配置された復水器（図示せず）に流入する。ここで、図１（ａ）乃至（ｅ）に示すように、三次元構造部材９は、エンドプレート１８に直交する水平面で切断した断面の外形形状が、２側面４３，４４と、当接面４５とを含む台形になっている。このため、三次元構造部材９の当接面４５に衝突した蒸気１４は、当接面４５から三次元構造部材９の２側面４３，４４を滑らかに流れてエンドプレート１８側に向かう。

このため、エンドプレート１８に直交して側板を設けた場合に比較して、三次元構造部材９の側面４３，４４で形成される剥離渦の発生を抑制することができ、剥離渦によって発生する損失を小さくすることができる。

なお、エンドプレート１８に三次元構造部材９が設けられているため、外圧によってエンドプレート１８が変形することを防止することができる。

第２の実施の形態
次に図２（ａ）乃至（ｃ）により本発明の第２の実施の形態について説明する。図２（ａ）乃至（ｃ）に示す第２の実施の形態は、下面４１もエンドプレート１８に向かって末広がり形状となっている箱状の三次元構造部材９を用いたものであり、他は図１（ａ）乃至（ｅ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図２（ａ）乃至（ｃ）に示す第２の実施の形態において、図１（ａ）乃至（ｅ）に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１（ａ）乃至（ｅ）に示す第１の実施の形態のように、下面４１がエンドプレート１８に対して垂直な三次元構造部材９を用いた場合には、最終段落２０から排出される蒸気１４の流速が速いと下面４１で剥離渦が発生することも考えられる。本実施の形態における三次元構造部材９は、下面４１がエンドプレート１８に向かって末広がり形状となっているため、最終段落２０から排出される蒸気１４の流速が速い場合であっても、蒸気１４は三次元構造部材９の当接面４５から下面４１を滑らかに流れることができる。

このため、最終段落２０から排出される蒸気１４の流速が速い場合であっても、下面４１で発生する剥離渦を抑制することができ、この剥離渦によって発生する損失を小さくすることができる。

第３の実施の形態
次に図３（ａ）乃至（ｅ）により本発明の第３の実施の形態について説明する。図３（ａ）乃至（ｅ）に示す第３の実施の形態は、下面４１と、上面４２と、２側面４３，４４とを有する外面形状を有し、エンドプレート１８に直交する水平面で切断した２側面４３，４４が三角形をなす三次元構造部材９を用いたものであり、他は図１（ａ）乃至（ｅ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図３（ａ）乃至（ｅ）に示す第３の実施の形態において、図１（ａ）乃至（ｅ）に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。なお、図３（ｅ）は、軸受コーン７と三次元構造部材９を回転軸３ａ方向からみた平面図であり、図３（ｄ）は、軸受コーン７と三次元構造部材９を水平方向からみた側方図である。

図３（ａ）乃至（ｅ）に示すように、三次元構造部材９は、下面４１と、上面４２と、２側面４３，４４とを有する外面形状を含み、三次元構造部材９をエンドプレート１８に直交する水平面で切断した２側面４３，４４が三角形をなす（図３（ｃ）参照）。このため、三次元構造部材９に衝突した蒸気１４は、三次元構造部材９の２側面４３，４４を滑らかに流れてエンドプレート１８側へ向かう。

このため、エンドプレート１８に直交して側板を設けた場合に比較して、三次元構造部材９の側面４３，４４で発生する剥離渦を確実に抑制することができ、剥離渦によって発生する損失を確実に小さくすることができる。

第４の実施の形態
次に図４（ａ）乃至（ｅ）により本発明の第４の実施の形態について説明する。図４（ａ）乃至（ｅ）に示す第４の実施の形態は、上面４２と、２側面４３，４４とを有する三角錐の外面形状を有する三次元構造部材９を用いたものであり、他は図３（ａ）乃至（ｅ）に示す第３の実施の形態と略同一である。なお、三角錐を構成する三本の稜線５１，５２，５３のうち一つの稜線５１は、ロータ３の回転軸３ａ方向から見て上下方向に延びている。

図４（ａ）乃至（ｅ）に示す第４の実施の形態において、図３（ａ）乃至（ｅ）に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。なお、図４（ｅ）は、軸受コーン７と三次元構造部材９を回転軸３ａ方向からみた平面図であり、図４（ｄ）は、軸受コーン７と三次元構造部材９を水平方向からみた側方図である。

図３（ａ）乃至（ｅ）に示した第３の実施の形態のように、下面４１がエンドプレート１８に対して垂直な三次元構造部材９を用いた場合には、最終段落２０から排出される蒸気１４の流速が速いと下面４１で剥離渦が発生することも考えられる。本実施の形態における三次元構造部材９は、上面４２と、２側面４３，４４とを有する三角錐によって外面形状が形成されているため、最終段落２０から排出される蒸気１４の流速が速い場合であっても、蒸気１４は三次元構造部材９の表面を滑らかに流れることができる。

このため、最終段落２０から排出される蒸気１４の流速が速い場合であっても剥離渦を抑制することができ、剥離渦によって発生する損失を小さくすることができる。

第５の実施の形態
次に図５（ａ）乃至（ｃ）により本発明の第５の実施の形態について説明する。図５（ａ）乃至（ｃ）に示す第５の実施の形態は、エンドプレート１８に位置する三角形の各頂点からエンドプレート１８から離れる方向に延びて頂端部４７を形成する３本の稜線１，５２，５３を有し、３本の稜線５１，５２，５３のうち、回転軸３ａ方向から見て上下に延びる稜線５１が円弧状になって、この円弧状の稜線５１の両側の側面４３，４４は曲面状をなす三次元構造部材９を用いたものであり、他は図３（ａ）乃至（ｅ）に示す第３の実施の形態と略同一である。

図５（ａ）乃至（ｃ）に示す第５の実施の形態において、図３（ａ）乃至（ｅ）に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、３本の稜線５１，５２，５３のうち、回転軸３ａ方向から見て上下に延びる稜線５１が円弧状になって、この円弧状の稜線５１の両側の側面４３，４４は曲面状になっている。このため、最終段落２０から排出される蒸気１４を、軸受コーン７から三次元構造部材９へ、さらにエンドプレート１８側へスムーズに流すことができる。このため、剥離渦の発生を確実に抑制することができ、剥離渦によって発生する損失を確実に小さくすることができる。

第６の実施の形態
次に図６（ａ）乃至（ｃ）により本発明の第６の実施の形態について説明する。図６（ａ）乃至（ｃ）に示す第６の実施の形態は、ロータ３の回転軸３ａ方向から見て上下方向に延びた稜線５１が、ロータ３の回転軸３ａを通る垂直線Ｐに対して水平方向にずれている三次元構造部材９を用いたものであり、他は図４（ａ）乃至（ｅ）に示す第４の実施の形態と略同一である。

図６（ａ）乃至（ｃ）に示す第６の実施の形態において、図４（ａ）乃至（ｅ）に示す第４の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、ロータ３の回転軸３ａ方向から見て、上下に延びる三次元構造部材９の稜線５１は、ロータ３の回転軸３ａを上下方向に通過する垂直線Ｐからずれて配置されているため、最終段落２０から排出される蒸気１４によってスワール流の発生を抑制することができる。このため、スワール流によって発生する損失を小さくすることができる。

なお、稜線５１の位置は、蒸気タービンの通常運転条件において、最終段落２０下流で発生するスワール流の回転方向によって決めることができる。

第７の実施の形態
次に図７（ａ）乃至（ｃ）により本発明の第７の実施の形態について説明する。図７（ａ）乃至（ｃ）に示す第７の実施の形態は、軸受コーン７の下方部にグランド蒸気管１９を設けるとともに、三次元構造部材９内部にグランド蒸気管１９を貫通させたものであり、他は図３（ａ）乃至（ｅ）に示す第３の実施の形態と略同一である。

図７（ａ）乃至（ｃ）に示す第７の実施の形態において、図３（ａ）乃至（ｅ）に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように、軸受コーン７の下方部にグランド蒸気管１９が設けられている。また、グランド蒸気管１９が三次元構造部材９の内部を貫通して配置されている。このため、最終段落２０から排出された蒸気１４によりグランド蒸気管１９近傍で発生する剥離渦を抑制することができる。このため、剥離渦によって発生する損失を小さくすることができる。

本発明による蒸気タービンの第１の実施の形態を示す構成図。 本発明による蒸気タービンの第１の実施の形態を示す概略図。 本発明による蒸気タービンの第２の実施の形態を示す構成図。 本発明による蒸気タービンの第３の実施の形態を示す構成図。 本発明による蒸気タービンの第３の実施の形態を示す概略図。 本発明による蒸気タービンの第４の実施の形態を示す構成図。 本発明による蒸気タービンの第４の実施の形態を示す概略図。 本発明による蒸気タービンの第５の実施の形態を示す構成図。 本発明による蒸気タービンの第６の実施の形態を示す構成図。 本発明による蒸気タービンの第７の実施の形態を示す構成図。 軸流速度と排気損失との関係を示した図。 従来の下方排気型低圧排気室を示す側方断面図。 従来の蒸気タービンを示す構成図。

符号の説明

１ ケーシング
３ ロータ
４ 動翼
５ チップフローガイド
７ 軸受コーン
９ 三次元構造部材
１４ 蒸気
１８ エンドプレート
１９ グランド蒸気管
２０ 最終段落
２１ ノズル
３０ ディフューザ

Claims (8)

1. ケーシングと、
   ケーシング内に、回転軸周りを回転自在に配置されたロータと、
   当該ロータの外周に設けられた動翼と、ケーシングに設けられたノズルとからなり、蒸気を排出する最終段落と、
   最終段落の下流側のケーシングに配置され、最終段落から排出された蒸気を案内する環状のディフューザと、
   ディフューザ下流側のケーシングに、ロータに直交する方向に配置されたエンドプレートとを備え、
   環状のディフューザは、外周縁を構成するチップフローガイドと、内周縁を構成する軸受コーンとを有し、
   軸受コーンの下方部と、エンドプレートとの間に、エンドプレートを補強する所定外面形状を有する三次元構造部材が設けられ、この三次元構造部材の外面形状はエンドプレートに向かって末広がり形状となっていることを特徴とする蒸気タービン。
2. 三次元構造部材は、下面と、上面と、２側面と、当接面とを有する箱状外面形状を含み、エンドプレートに直交する水平面で切断した２側面と当接面とが台形をなすことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 三次元構造部材は、下面もエンドプレートに向かって末広がり形状をもつことを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
4. 三次元構造部材は、下面と、上面と、２側面とを有する外面形状を含み、エンドプレートに直交する水平面で切断した２側面が三角形をなすことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
5. 三次元構造部材は、上面と、２側面とを有する三角錐の外面形状を含むことを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
6. 三次元構造部材は、エンドプレートに位置する、三角形の各頂点からエンドプレートから離れる方向に延びて頂端部を形成する３本の稜線を有し、
   稜線のうち一つは円弧状となり、この円弧状の稜線の両側の側面は曲面状をなすことを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
7. 三角錐の稜線のうち一つは、ロータの回転軸方向から見て上下方向に延び、
   当該稜線は、ロータの回転軸を通る垂直線に対して水平方向にずれていることを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン。
8. グランド蒸気管を更に備え、
   当該グランド蒸気管は、三次元構造部材内を貫通して配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の蒸気タービン。

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