JP2016135998A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】ディフューザ性能を向上させるとともに、排気室における流れの剥離を抑制できる蒸気タービンを提供する。【解決手段】実施形態の蒸気タービン１０は、静翼翼列１８０と当該静翼翼列１８０の直下流の動翼翼列１７０とによって構成される複数のタービン段落と、最終段のタービン段落を通過した蒸気を排出する環状ディフューザ６０とを備える。そして、最終段のタービン段落において、ダイアフラム外輪２６ａが、静翼２８ａと動翼２４ａとの間で半径方向外側に内径が広がる段部８０と、段部８０の外周端から水平方向に延設され、動翼２４ａの先端に半径方向外側から対向する延設部１００と、動翼２４ａの先端部に上流側から対向する段部８０の端面８１の内周部に周方向に亘って形成され、下流側に突出する突条部９０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、排気室を備え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る。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ー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、最終段のタービン段落の出口から復水器入口までの間で発生する損失である。タービン排気損失は、リービング損失、フード損失、環状面積制限損失、ターンナップ損失などにさらに分類される。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る。このフード損失は、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。そのため、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。

フード損失は、タービンロータ軸方向の速度である軸流速度、換言すると排気室を通過する体積流量に依存する。また、フード損失は、ディフューザを含めた排気室の設計に依存する。低圧タービンの排気室は、蒸気タービン全体の中でも大きな容量を占める。そのため、フード損失を低減させるために排気室のサイズを拡大することは、蒸気タービン全体のサイズや製造コストに大きな影響を与える。そこで、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。

例えば、従来の下方排気型の排気室を備えた複流排気型（ダブルフロー型）の低圧タービンにおいて排気室内での損失（静圧損失）を低減するためには、スチームガイドとベアリングコーンで構成される環状のディフューザにおいて流れを減速させ、十分に静圧を回復させることが最も重要である。従来の低圧タービンでは、ベアリングコーンのタービン軸方向の長さを増加して、ディフューザのタービン軸方向の長さを増加させ、静圧を十分に回復させることが検討されてきた。

しかしながら、近年では、蒸気タービンのコンパクト化などの観点から、ベアリングコーンのタービン軸方向の長さを減少させつつ、静圧を十分に回復させることが検討されている。具体的には、コンパクトな排気室において、スチームガイドおよびベアリングコーンの形状を最適化することにより、性能向上が図られている。

ここで、図４および図５は、従来の下方排気型の排気室を備えた複流排気型（ダブルフロー型）の低圧タービン３００の最終段のタービン段落の動翼３１０およびその近傍の鉛直方向の子午断面の一部を示した図である。

図４に示すように、最終段のタービン段落の動翼３１０の下流側には、スチームガイド３２０とベアリングコーン３３０とが備えられている。スチームガイド３２０とベアリングコーン３３０との間には、環状ディフューザ３４０が形成される。この環状ディフューザ３４０は、最終段のタービン段落の動翼３１０を通過した蒸気が導かれる拡大流路を構成する。また、環状ディフューザ３４０は、排気室の一部を構成する。環状ディフューザ３４０に導かれた蒸気は、半径方向外側に向かって、放射状に流出される。

ここで、コンパクトな排気室において性能向上を図るためには、例えば、環状ディフューザ３４０の入口、すなわち最終段のタービン段落の動翼３１０の出口において、流れ３５０が最適な広がり角度に広がり、スチームガイド３２０の内面３２０ａに沿って流れ、ディフューザ効果を発揮できることが重要である。また、環状ディフューザ３４０の入口からの流れ３５０がスチームガイド３２０の内面３２０ａ上で剥離しないことが重要である。そのためには、タービンロータ軸方向に対する流れ３５０の半径方向外側への広がり角度αは、所定の範囲の角度であることが条件となる。

図４に示した従来の低圧タービン３００では、動翼３１０の先端であるシュラウド部３１１は、水平に構成されている。この動翼３１０を外周から包囲するダイアフラム外輪３６０の内面３６０ａも水平に構成されている。そして、シュラウド部３１１と内面３６０ａとの間に所定の間隙３６５が形成されている。例えば、ダイアフラム外輪３６０の内面３６０ａに、例えば、シールフィン３７０を備え、間隙３６５をシールしている。

スチームガイド３２０は、ダイアフラム外輪３６０の下流端から、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して所定の拡大傾斜角で傾斜している。

しかしながら、このような従来の低圧タービン３００においては、間隙３６５に流れる漏洩蒸気３５１の流量が多い。また、間隙３６５に流入した漏洩蒸気３５１は、水平方向に流出する。そのため、蒸気の流れは、環状ディフューザ３４０の入口において広がり角度αを維持することができない。また、蒸気の流れは、スチームガイド３２０の内面３２０ａ上で剥離することがある。

一方、図５に示した従来の低圧タービン３００では、最終段のタービン段落におけるダイアフラム外輪３６０は、静翼３８０と動翼３１０との間で、半径方向外側に内径が広がる段部３６１を備えている。この段部３６１を備えることで、動翼３１０の先端側の上流側には、タービンロータ軸方向に対して垂直な壁面３６１ａが形成される。

この場合、間隙３６５に流れる漏洩蒸気３５１は、動翼３１０の上流側において、半径方向外側に導かれ、間隙３６５に流入する。そのため、図４に示した従来の低圧タービン３００に比べて、間隙３６５に流れる漏洩蒸気３５１の流量は減少する。

しかしながら、この減少量では、図４に示した従来の低圧タービン３００と同様に、間隙３６５に流入した漏洩蒸気３５１によって、環状ディフューザ３４０の入口の蒸気の流れは影響を受ける。これによって、蒸気の流れは、環状ディフューザ３４０の入口において広がり角度αを維持することができない。また、蒸気の流れは、スチームガイド３２０の内面３２０ａ上で剥離することがある。

なお、図５に示した従来の低圧タービン３００において、先端部が、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して所定の角度で傾斜するスラント型の動翼を使用することもできる。しかしながら、このスラント型の動翼を使用した場合には、間隙３６５におけるシール性が低下する。そして、動翼の先端に沿う流れが、間隙３６５から流出する漏洩蒸気３５１の流れに乱される。また、蒸気の流れは、スチームガイド３２０の内面３２０ａ上で剥離することがある。

特開２０１０−２１６３２１号公報

上記したように、従来の蒸気タービンにおいては、動翼とダイアフラム外輪との間隙を通過した漏洩蒸気の噴出によって、ディフューザ内における流れの広がりが阻害されたり、環状ディフューザ内の外周側の蒸気の流れの剥離を生じることがある。そのため、蒸気タービンにおいて、排気室内での圧力損失を確実に低減できる技術が求められている。

本発明が解決しようとする課題は、ディフューザ性能を向上させるとともに、排気室における流れの剥離を抑制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、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、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た動翼翼列と、前記ケーシングの内側に設けられた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、前記動翼翼列とタービンロータ軸方向に交互に配置された静翼翼列と、前記静翼翼列と当該静翼翼列の直下流の前記動翼翼列とによって構成される複数のタービン段落と、最終段の前記タービン段落を通過した蒸気を排出する環状ディフューザとを備える。

そして、最終段の前記タービン段落において、前記ダイアフラム外輪が、前記静翼と前記動翼との間で半径方向外側に内径が広がる段部と、前記段部の外周端から水平方向に延設され、前記動翼の先端に半径方向外側から対向する延設部と、前記動翼の先端部に上流側から対向する前記段部の端面の内周部に周方向に亘って形成され、下流側に突出する突条部とを備える。

第１の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。 第１の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環状ディフューザの一部の鉛直方向の子午断面を拡大した図である。 第２の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環状ディフューザの一部の鉛直方向の子午断面を拡大した図である。 従来の下方排気型の排気室を備えた複流排気型（ダブルフロー型）の低圧タービンの最終段のタービン段落の動翼およびその近傍の鉛直方向の子午断面の一部を示した図である。 従来の下方排気型の排気室を備えた複流排気型（ダブルフロー型）の低圧タービンの最終段のタービン段落の動翼およびその近傍の鉛直方向の子午断面の一部を示した図である。

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。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の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。ここでは、蒸気タービン１０として、下方排気型の排気室を備えた複流排気型の低圧タービンを例示して説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１０において、外部ケーシング２０内には、内部ケーシング２１が備えられている。内部ケーシング２１内には、タービンロータ２２が貫設されている。このタービンロータ２２には、周方向に亘って半径方向外側に突出するロータディスク２３が形成されている。このロータディスク２３は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。

タービンロータ２２のロータディスク２３には、周方向に複数の動翼２４が植設され、動翼翼列１７０を構成している。この動翼翼列１７０は、タービンロータ軸方向に複数段備えられている。タービンロータ２２は、ロータ軸受２５によって回転可能に支持されている。

内部ケーシング２１の内側には、ダイアフラム外輪２６とダイアフラム内輪２７とが設けられている。ダイアフラム外輪２６とダイアフラム内輪２７との間には、周方向に複数の静翼２８が配設され、静翼翼列１８０を構成している。この静翼翼列１８０は、タービンロータ軸方向に動翼翼列１７０と交互になるように配置されている。静翼翼列１８０と、この静翼翼列１８０の直下流の動翼翼列１７０とで一つのタービン段落を構成する。また、ダイアフラム外輪２６は、下流側に延設され、静翼２８の直下流の動翼２４を包囲している。

蒸気タービン１０の中央には、クロスオーバー管２９からの蒸気が導入される吸気室３０を備えている。この吸気室３０から左右のタービン段落に蒸気を分配して導入する。

最終段のタービン段落の下流側には、外周側のスチームガイド４０と、その内周側のベアリングコーン５０とによって、環状ディフューザ６０が形成される。この環状ディフューザ６０は、例えば、蒸気を半径方向外側に向かって排出する。なお、ベアリングコーン５０の内部には、例えば、ロータ軸受２５などが備えられている。

環状ディフューザ６０を備えた下方排気型の排気室の下方には、例えば、復水器（図示しない）が備えられる。

なお、上記した、外部ケーシング２０、内部ケーシング２１、スチームガイド４０、ベアリングコーン５０などは、上下に２つ割り構造で構成されている。例えば、上半側および下半側のスチームガイド４０によって筒状のスチームガイド４０が構成される。同様に、上半側および下半側のベアリングコーン５０よって筒状のベアリングコーン５０が構成される。そして、筒状のスチームガイド４０と、その内側に設けられた筒状のベアリングコーン５０とによって、環状ディフューザ６０が構成される。なお、スチームガイド４０およびベアリングコーン５０における上半側および下半側の構成は同じである。

次に、最終段のタービン段落の構成について詳しく説明する。

図２は、第１の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環状ディフューザ６０の一部の鉛直方向の子午断面を拡大した図である。なお、図２において、説明の便宜上、最終段のタービン段落の構成部には、図１で示した構成部の符号に「ａ」を加えて示している。

図２に示すように、最終段のタービン段落の静翼２８ａは、ダイアフラム外輪２６ａとダイアフラム内輪２７ａとの間に取り付けられている。静翼２８ａの外周が取り付けられたダイアフラム外輪２６ａの内面７０は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に、例えば、直線的に拡大する。この内面７０は、タービンロータ軸方向の下流側（図２では右方向）に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して拡大傾斜角度θ１で傾斜している。

この拡大傾斜角度θ１は、例えば、環状ディフューザ６０の入口のスチームガイド４０の内面４１側において、タービンロータ軸方向に対する蒸気の流れ１８５の半径方向外側への広がり角度αが所定の角度となるように設定される。ここで、所定の角度は、例えば、スチームガイド４０の内面４１上で流れの剥離が生じない範囲の角度である。

ダイアフラム外輪２６ａは、静翼２８ａと動翼２４ａとの間で、半径方向外側に内径が広がる段部８０を備えている。すなわち、段部８０は、静翼２８ａの下流側で、かつ動翼２４ａの上流側で、半径方向外側にダイアフラム外輪２６ａの内径が広がることで形成される。ここで、半径方向とは、タービンロータ軸方向に垂直な方向である。この段部８０は、図２に示すように、動翼２４ａの先端部に対向する。

ここで、動翼２４ａの先端には、図２に示すように、例えば、シュラウド１３０が備えられている。このような動翼２４ａにおいて、シュラウド１３０を含む翼有効部の翼長さを１としたとき、動翼２４ａの先端部とは、シュラウド１３０を含む翼先端から０．０１〜０．１程度をいう。この範囲とすることで、翼有効部に適切に蒸気を通過させて仕事を得るとともに、後述する、動翼２４ａとダイアフラム外輪２６ａとの間のシール性能を維持することができる。

動翼２４ａの先端部に対向する、段部８０の下流側の端面８１は、例えば、タービンロータ軸方向に垂直である。この端面８１の内周部には、周方向に亘って、下流側に突出する突条部９０が形成されている。この突条部９０の下流側への突出長さは、例えば、ダイアフラム外輪２６ａやタービンロータ２２などが熱膨張した際に、動翼２４ａに接触しない範囲で設定される。

突条部９０の形状は、例えば、図２に示すように、タービンロータ軸方向に沿う垂直断面、具体的には鉛直方向の子午断面において、三角形である。そして、突条部９０における半径方向内側の内側面９１は、内面７０に沿う直線と連続する直線で示される。すなわち、内側面９１は、内面７０に沿う直線の延長線上に存在する。また、突条部９０における半径方向外側の外側面９２は、例えば、下流側に向かって、タービンロータ軸方向に対して半径方向内側に所定の角度θ２（度）で傾斜している。

なお、突条部９０の形状は、これに限られるものではない。突条部９０の形状は、例えば、タービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、下流に行くに伴って半径方向の幅が狭くなる略台形であってもよい。換言すると、図２に示した三角形の突条部９０において、下流側の頂点部が切り落とされ、辺を構成する形状であってもよい。

このように、突条部９０の形状は、図２に示しされた形状に限られるものではなく、下流側に突出する形状であればよい。

ダイアフラム外輪２６ａは、段部８０の外周端に、水平方向に延設され、動翼２４ａの先端に半径方向外側から対向する延設部１００を備えている。そして、水平方向に延びる延設部１００の水平内面１０１と、動翼２４ａの先端との間には、所定の間隙が形成されている。この間隙には、シール部１１０が形成されている。シール部１１０は、例えば、図２に示すように、水平内面１０１に複数のシールフィン１１１を備えることで形成される。

ここで、上記した、水平内面１０１、端面８１および外側面９２で囲まれる空間には凹部１２０が形成される。この凹部１２０を設けることで、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿って流れる蒸気の一部が漏洩蒸気１９０として流れ込む際、流れ方向を大きく転換する。そのため、凹部１２０に流入する漏洩蒸気１９０の流量を減少させることができる。

ここで、動翼２４ａの先端のシュラウド１３０は、例えば、上流側の端部が先端に行くに伴って上流側に突出する傾斜面１３１を有してもよい。なお、図２では、シュラウド１３０の下流側の端部にも、傾斜面を備えた一例を示している。この場合、下流側の傾斜面のタービンロータ軸方向に対する角度は、例えば、上流側の傾斜面１３１のタービンロータ軸方向に対する角度と等しく構成される。

シュラウド１３０の上流側の傾斜面１３１は、突条部９０の外側面９２と対向している。そして、図２に示すように、タービンロータ軸方向に対する傾斜面１３１の角度をθ３（度）とした場合、この角度θ３と、前述したタービンロータ軸方向に対する外側面９２の角度θ２とが、例えば、次の式（１）の関係を満たすことが好ましい。

角度θ２＝角度θ３±１０度 …式（１）

角度θ２をこの範囲にすることで、可能な限り損失を小さくして漏洩蒸気１９０を凹部に導くことができる。なお、角度θ２を角度θ３と等しくすることがより好ましい。

なお、ここでは、動翼２４ａの先端のシュラウド１３０に傾斜面１３１を有する一例を示したが、傾斜面１３１を有しない構成でもよい。すなわち、シュラウド１３０の上流側および下流側の端部が、先端方向に一定の長さであってもよい。この場合には、前述した式（１）の関係は、成立しない。

ダイアフラム外輪２６ａの下流端、すなわち延設部１００の下流端面１０２には、スチームガイド４０が隣接されている。スチームガイド４０の上流端は、図２に示すように、延設部１００の下流端面１０２のうちの半径方向内側部分に接している。スチームガイド４０は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い、半径方向外側に拡開する拡大筒状に構成されている。

スチームガイド４０の上流部は、例えば、図２に示すように、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に直線的に拡大している。スチームガイド４０の下流部は、例えば、図１に示すように、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大する。なお、スチームガイド４０の形状は、これに限られない。スチームガイド４０は、例えば、上流端から下流端において、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大するラッパ状に構成されてもよい。

スチームガイド４０の入口における内面４１は、図２に示すように、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して拡大傾斜角度θ４で傾斜している。なお、スチームガイド４０が、上流端から下流端において、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大する場合には、拡大傾斜角度θ４（度）は、図２に示した断面において、スチームガイド４０の内面４１の上流端における接線とタービンロータ軸方向とのなす角で定義される。

ここで、拡大傾斜角度θ４は、最終段のタービン段落を通過した蒸気が、スチームガイド４０の内面４１上で剥離しない程度の角度に設定される。拡大傾斜角度θ４は、例えば、拡大傾斜角度θ１の±２０度の範囲内の角度に設定される。

ベアリングコーン５０は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い、湾曲しながら半径方向外側に拡開する拡大筒状に構成されている。ベアリングコーン５０の上流端は、図２に示すように、回動するロータディスク２３ａに接しない程度に、ロータディスク２３ａの下流側端面のうちの半径方向外側部分に隣接している。ベアリングコーン５０の下流端は、図１に示すように、外部ケーシング２０の、タービンロータ軸方向の下流側の側壁１４０の内壁面１４１に接している。

ここで、図２に示されたタービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿う線を下流側に延長した線上に、環状ディフューザ６０の入口を形成するスチームガイド４０の内面４１が位置してもよい。この場合、スチームガイド４０の入口における内面４１の拡大傾斜角度θ４は、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０の拡大傾斜角度θ１と等しい。このように、内面７０に沿う線を下流側に延長した線上にスチームガイド４０の内面４１が位置することで、蒸気の流れをスムーズにスチームガイド４０に誘導し、内面４１からの流れの剥離を抑制できる。

なお、拡大傾斜角度θ１は、例えば、動翼２４ａを通過した蒸気の流れ、すなわち環状ディフューザ６０の入口における蒸気の流れが、漏洩流れの影響を受けない場合に、スチームガイド４０の内面４１上で剥離しない程度の角度に設定される。

ここで、本実施の形態における構成は、ベアリングコーン５０のタービン軸方向の長さを減少させてコンパクト化を図るとともに、環状ディフューザ６０において静圧を十分に回復させることを実現する蒸気タービンに好適である。

具体的には、最終段のタービン段落における動翼２４ａの外径Ｄに対するベアリングコーン５０のタービンロータ軸方向の長さＬの比（Ｌ／Ｄ）が、例えば、２／５以下となる蒸気タービンに、本実施の形態における構成は好適である。

ここで、図１に示すように、長さＬは、ベアリングコーン５０の動翼２４ａ側の端部からベアリングコーン５０の下流端が接する側壁１４０の内壁面１４１までの距離である。外径Ｄは、動翼２４ａが回転する際、動翼２４ａの翼先端が描く円の直径に等しい。なお、シュラウド１３０を備える動翼２４ａにおいては、シュラウド１３０を含んだ外径である。

Ｌ／Ｄが２／５以下の蒸気タービンにおいては、排気室が十分に小型化されたものとなり、製造や設置などの費用が削減される。なお、Ｌ／Ｄは、環状ディフューザ６０における曲がり損失などを考慮すると、１／５程度まで設定することができる。

次に、蒸気タービン１０の作用について、図１および図２を参照して説明する。

図１に示すように、クロスオーバー管２９を経て蒸気タービン１０内の吸気室３０に流入した蒸気は、左右のタービン段落に分岐して流れる。そして、各タービン段落の静翼２８、動翼２４を備える蒸気流路を膨張しながら通過し、タービンロータ２２を回転させる。

図２に示すように、最終段のタービン段落において、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿って流れる蒸気は、内面７０の拡大傾斜角度θ１を有して流れる。そして、環状ディフューザ６０の入口のスチームガイド４０の内面４１側において、タービンロータ軸方向に対する蒸気の流れ１８５の半径方向外側への広がり角度αが所定の角度に維持される。また、下流側に延設された突条部９０は、環状ディフューザ６０の入口において、流れの広がり角度αが所定の角度に維持されることを助ける。

ここで、例えば、図２に示すように、シュラウド１３０の下流側の端部にも傾斜面を備えた場合、この傾斜面は、環状ディフューザ６０の入口において、流れの広がり角度αが所定の角度に維持されることをさらに助ける。

一方、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿って流れる蒸気の一部は、突条部９０の外側面９２とシュラウド１３０の上流側の傾斜面１３１との間から流れ方向を上流側に変えて凹部１２０に流入する。そして、凹部１２０に流入した漏洩蒸気１９０は、シール部１１０を通過して、水平内面１０１と、動翼２４ａの先端との間から環状ディフューザ６０の入口に噴出される。

ここで、漏洩蒸気が凹部１２０に流入する際、漏洩蒸気１９０は、その流れ方向が大きく転換され、大きな圧力損失を生じる。そのため、凹部１２０に流入する漏洩蒸気１９０の流量は少なく、シール部１１０から環状ディフューザ６０の入口に噴出される漏洩蒸気１９０の流量および噴出速度は小さい。これによって、環状ディフューザ６０の入口において、蒸気の流れは、広がりが阻害されることなく、所定の広がり角度に広がる。また、スチームガイド４０の内面４１に沿う蒸気の流れが、シール部１１０からの漏洩蒸気１９０の噴出によって乱されることを抑制できる。

その結果、環状ディフューザ６０の入口において、環状ディフューザ６０の内面に沿う適正な流れが形成されるとともに、スチームガイド４０の内面４１に沿う蒸気の流れの剥離が抑制される。

そして、環状ディフューザ６０内に流入した蒸気は、剥離することなく、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。そして、その流れは、環状ディフューザ６０によって減速される。そして、環状ディフューザ６０において、静圧が十分に回復される。

環状ディフューザ６０の出口において、図１に示すように、蒸気は、半径方向外側に流出する。半径方向外側に流出した蒸気は、流れが下方に転向される。そして、転向された蒸気は、例えば、タービンロータ２２の下方に設置された復水器（図示しない）に導かれる。

上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、ダイアフラム外輪２６ａに突条部９０を備えることで、シール部１１０に流入する漏洩蒸気１９０の流量を低減することができる。また、シール部１１０から環状ディフューザ６０の入口に噴出される漏洩蒸気１９０の流量および噴出速度を小さくすることができる。そのため、環状ディフューザ６０の入口において、流れを所定の広がり角度に広げられるとともに、スチームガイド４０の内面４１に沿う蒸気の流れの剥離が抑制される。これによって、ディフューザ性能を向上させることができるとともに、排気室における流れの剥離を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１における最終段のタービン段落および環状ディフューザ６０の一部の鉛直方向の子午断面を拡大した図である。なお、図３において、図２と同様に、説明の便宜上、最終段のタービン段落の構成部には、図１で示した構成部の符号に「ａ」を加えて示している。また、図３において、第１の実施の形態の蒸気タービン１０と同一の構成部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。

第２の実施の形態では、第１の実施の形態と突条部の形状およびドレンを回収する流路を備えた点が異なる。ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図３に示すように、蒸気タービン１１は、ダイアフラム外輪２６ａは、静翼２８ａと動翼２４ａとの間で、半径方向外側に内径が広がる段部８０を備えている。この段部８０は、図３に示すように、動翼２４ａの先端部に対向する。

動翼２４ａの先端部に対向する、段部８０の下流側の端面８１の内周部には、周方向に亘って、下流側に突出する突条部１５０が形成されている。この突条部１５０の下流側への突出長さは、例えば、ダイアフラム外輪２６ａやタービンロータ２２などが熱膨張した際に、動翼２４ａに接触しない範囲で設定される。

突条部１５０の形状は、図３に示すように、タービンロータ軸方向に沿う垂直断面、具体的には鉛直方向の子午断面において、例えば、略扇状である。そして、突条部１５０における半径方向内側の内側面１５１は、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿う直線と連続する直線およびこの連続する直線に連続する曲線で示される。なお、この曲線部は、半径方向内側に凸の曲面を形成する。

また、突条部１５０における半径方向外側の外側面１５２は、例えば、水平（タービンロータ軸方向に平行）となる。なお、突条部１５０の形状は、これに限られるものではない。例えば、突条部１５０の外側面１５２が、下流側に向かって半径方向内側に傾斜する構成であってもよい。

そして、第１の実施の形態と同様に、水平内面１０１、端面８１および外側面１５２で囲まれる空間には凹部１２１が形成される。また、ダイアフラム外輪２６ａには、開口１６１を介して凹部１２１に連通する流路１６０が形成されている。

この流路１６０は、凹部１２１に流れ込んだドレンを回収するための流路である。この流路１６０は、例えば、凹部１２１内の圧力よりも低圧状態である復水器（図示しない）に、例えば配管（図示しない）を介して連通している。このように、ドレンを凹部１２１から吸引するための流路１６０や配管（図示しない）からなる通路を備える。

凹部１２１を設けることで、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿って流れる蒸気の一部が漏洩蒸気１９０として流れ込む際、流れ方向を大きく転換する。そのため、凹部１２１に流入する漏洩蒸気１９０の流量を減少させることができる。また、突条部１５０の一部を曲面で構成することで、突条部１５０の内側面１５１に沿って流れる液膜や蒸気中の水滴を遠心力によって曲面に沿わせて凹部１２１に導くことができる。なお、液膜や水滴は、温度の低下によって蒸気が凝縮したものである。

次に、蒸気タービン１１の作用について、図３を参照して説明する。

前述したように、蒸気は、各タービン段落を通って最終段のタービン段落に流入する。最終段のタービン段落において、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿って流れる蒸気は、内面７０の拡大傾斜角度θ１を有して流れる。そして、環状ディフューザ６０の入口のスチームガイド４０の内面４１側において、タービンロータ軸方向に対する蒸気の流れ１８５の半径方向外側への広がり角度αが所定の角度に維持される。また、下流側に延設された突条部１５０の一部は、環状ディフューザ６０の入口において、流れの広がり角度αが所定の角度に維持されることを助ける。

一方、ダイアフラム外輪２６ａの内面７０に沿って流れる蒸気の一部は、突条部１５０の外側面１５２とシュラウド１３０の上流側の傾斜面１３１との間から流れ方向を上流側に変えて凹部１２１に流入する。そして、凹部１２１に流入した漏洩蒸気１９０は、シール部１１０を通過して、水平内面１０１と、動翼２４ａの先端との間から環状ディフューザ６０の入口に噴出される。

ここで、漏洩蒸気１９０が凹部１２１に流入する際、漏洩蒸気１９０は、その流れ方向が大きく転換され、大きな圧力損失を生じる。そのため、凹部１２１に流入する漏洩蒸気１９０の流量は少なく、シール部１１０から環状ディフューザ６０の入口に噴出される漏洩蒸気１９０の流量および噴出速度は小さい。これによって、環状ディフューザ６０の入口において、蒸気の流れは、広がりが阻害されることなく、所定の広がり角度に広がる。また、スチームガイド４０の内面４１に沿う蒸気の流れが、シール部１１０からの漏洩蒸気１９０の噴出によって乱されることを抑制できる。

その結果、環状ディフューザ６０の入口において、環状ディフューザ６０の内面に沿う適正な流れが形成されるとともに、スチームガイド４０の内面４１に沿う蒸気の流れの剥離が抑制される。

また、突条部１５０の内側面１５１に沿って流れる液膜や蒸気中の水滴は、遠心力によって突条部１５０の曲面に沿って凹部１２１に導かれる。そして、遠心力によって凹部１２１内の半径方向外側に溜まったドレンは、開口１６１から吸引され、流路１６０、配管（図示しない）を通り、例えば、復水器（図示しない）に導かれる。なお、ドレンを吸引する際、漏洩蒸気１９０の一部も吸引されるが微量である。

環状ディフューザ６０内に流入した蒸気は、剥離することなく、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。そして、その流れは、環状ディフューザ６０によって減速される。そして、環状ディフューザ６０において、静圧が十分に回復される。

なお、環状ディフューザ６０を通過した後の蒸気の流れは、第１の実施の形態で説明したとおりである。

上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービン１１によれば、ダイアフラム外輪２６ａに突条部１５０を備えることで、シール部１１０に流入する漏洩蒸気１９０の流量を低減することができる。また、シール部１１０から環状ディフューザ６０の入口に噴出される漏洩蒸気１９０の流量および噴出速度を小さくすることができる。そのため、環状ディフューザ６０の入口において、流れを所定の広がり角度に広げられるとともに、スチームガイド４０の内面４１に沿う蒸気の流れの剥離が抑制される。これによって、ディフューザ性能を向上させることができるとともに、排気室における流れの剥離を抑制することができる。

さらに、凹部１２１に流れ込んだドレンを回収する流路１６０を備えることで、最終段の静翼２８ａと動翼２４ａとの間でドレンを回収できる。これによって、水滴や吹き千切れた液膜によって動翼２４ａがエロージョンを受けることを抑制できる。また、突条部１５０の一部を曲面で構成することで、突条部１５０の内側面１５１に沿って流れる液膜や蒸気中の水滴を凹部１２１に導きやすくする。

なお、第２の実施の形態におけるドレンを回収する通路の構成は、第２の実施の形態にも適用することができる。この場合においても、水滴や吹き千切れた液膜によって動翼２４ａがエロージョンを受けることを抑制できる。

以上説明した実施形態によれば、ディフューザ性能を向上させるとともに、排気室における流れの剥離を抑制することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、下方排気型の排気室を備えた複流排気型の低圧タービンを例示して説明したが、本実施の形態の構成は、例えば、環状の排気室を備える軸流排気型の低圧タービンにも適用することができる。

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。

１０，１１…蒸気タービン、２０…外部ケーシング、２１…内部ケーシング、２２…タービンロータ、２３，２３ａ…ロータディスク、２４，２４ａ…動翼、２５…ロータ軸受、２６，２６ａ…ダイアフラム外輪、２７，２７ａ…ダイアフラム内輪、２８，２８ａ…静翼、２９…クロスオーバー管、３０…吸気室、４０…スチームガイド、４１，７０…内面、５０…ベアリングコーン、６０…環状ディフューザ、８０…段部、８１…端面、９０…突条部、９１，１５１…内側面、９２，１５２…外側面、１００…延設部、１０１…水平内面、１０２…下流端面、１１０…シール部、１１１…シールフィン、１２０，１２１…凹部、１３０…シュラウド、１３１…傾斜面、１４０…側壁、１４１…内壁面、１５０…突条部、１６０…流路、１６１…開口、１７０ …動翼翼列、１８０…静翼翼列、１９０…漏洩蒸気。

Claims (6)

1. ケーシングと、
   前記ケーシング内に設けられ、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た動翼翼列と、
   前記ケーシングの内側に設けられた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、前記動翼翼列とタービンロータ軸方向に交互に配置された静翼翼列と、
   前記静翼翼列と当該静翼翼列の直下流の前記動翼翼列とによって構成される複数のタービン段落と、
   最終段の前記タービン段落を通過した蒸気を排出する環状ディフューザと
   を備え、
   最終段の前記タービン段落において、
   前記ダイアフラム外輪が、
   前記静翼と前記動翼との間で半径方向外側に内径が広がる段部と、
   前記段部の外周端から水平方向に延設され、前記動翼の先端に半径方向外側から対向する延設部と、
   前記動翼の先端部に上流側から対向する前記段部の端面の内周部に周方向に亘って形成され、下流側に突出する突条部と
   を備えることを特徴とする蒸気タービン。
2. 最終段の前記タービン段落における前記動翼の先端に設けられ、上流側の端部が、先端に行くに伴って上流側に突出する傾斜面を有するシュラウドをさらに備え、
   前記傾斜面と前記突条部における半径方向外側の外側面とが対向し、
   タービンロータ軸方向に対する前記外側面のなす角が、タービンロータ軸方向に対する前記傾斜面のなす角の±１０度の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. タービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、
   前記突条部における半径方向内側の内側面が、前記前記静翼を支持する部分の前記ダイアフラム外輪の内面に沿う直線の延長線上にあ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。
4. タービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、
   前記突条部における半径方向内側の内側面が、前記前記静翼を支持する部分の前記ダイアフラム外輪の内面に沿う直線と連続する直線、および当該連続する直線に連続する曲線で示され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。
5. タービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、
   最終段の前記タービン段落の前記静翼を支持する部分の前記ダイアフラム外輪の内面に沿う線を下流側に延長した線上に、前記環状ディフューザの入口を形成する外壁の内面があることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蒸気タービン。
6. 前記延設部、前記段部の端面および前記突条部の内側面で囲まれる凹部に連通し、前記凹部からドレンを回収する通路を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン。

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