JP2017061898A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】動翼に適したシュラウドの構造を維持しつつ、チップリーク流の流れを制御し、ディフューザ性能を向上させることが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、最終段のタービン段落において、ダイアフラム外輪２６ａが、タービンロータ軸方向に延設され、ダイアフラム外輪２６ａによって支持される静翼２８ａの直下流の動翼２４ａを半径方向外側から包囲する延設部８１を備える。また、最終段のタービン段落において、シールフィン１１１が、半径方向外側に向かって傾斜する上流側の側面１１１ａを有し、側面１１１ａのタービンロータ軸方向に対する角度θ１が、環状ディフューザ６０の入口における、スチームガイド４０の内面４１のタービンロータ軸方向に対する拡大傾斜角度θ２の±１０度の範囲に設定されている。【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。

ここで、図６および図７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６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３１１と内面３６０ａとの間に所定の間隙３６５が形成されている。そして、例えば、シュラウド３１１の外面３１１ａにシールフィン３７０を備え、間隙３６５をシールしている。

図６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に流入した流れ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は、所定の範囲の広がり角度αであることが条件となる。

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。

このような構成の従来の低圧タービン３００において、間隙３６５を下流側に流れる漏れ流れであるチップリーク流３５１が生じる。このチップリーク流３５１は、間隙３６５から環状ディフューザ３４０に向かってタービンロータ軸方向に高速で流れる。

このチップリーク流３５１によって、環状ディフューザ３４０の入口付近の外周側を流れる蒸気は、半径方向外側に広がることが阻害され、広がり角度αよりも小さな角度で流れる。すなわち、動翼３１０を通過した蒸気のうちの、外周側を流れる蒸気は、スチームガイド３２０の内面３２０ａに沿って流れることができない。これによって、スチームガイド３２０の内面３２０ａ上で、流れの剥離が生じる。

なお、高速で回転するシールフィン３７０が、ダイアフラム外輪３６０の内面３６０ａと接触することを防止するため、シールフィン３７０の先端と内面３６０ａとの間に所定の隙間を設けることは必要である。そのため、チップリーク流３５１を無くすことはできない。

そこで、図７に示すように、シュラウド３１１の後縁にガイド３１２を設けて、チップリーク流３５１をスチームガイド３２０の内面３２０ａに沿う方向に誘導する技術が検討されている。

ここで、近年、最終段の動翼３１０は、タービン効率の向上を図る観点から、長翼化されている。さらに、このような動翼３１０は、翼高さ方向の流れを最適化するために、翼の根元から先端に向かって３次元的にねじれた翼で構成される。このねじれ翼の場合、先端では、例えば、翼弦方向が周方向となり、シュラウド３１１のタービンロータ軸方向の長さは、短くなる。

そのため、例えば、ねじれ翼に、上記した流れを誘導するガイド３１２を設ける場合、シュラウド３１１をタービンロータ軸方向に延設する必要がある。これによって、シュラウド３１１が大きくなり、翼の強度を低下せる結果となる。

特開２０１２−８２８２６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３１０に適したシュラウド３１１の構造を維持しつつ、チップリーク流３５１を、スチームガイド３２０の内面３２０ａに沿う方向に誘導することができない。

本発明が解決しようとする課題は、動翼に適したシュラウドの構造を維持しつつ、チップリーク流の流れを制御し、ディフューザ性能を向上させ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、ケーシングと、前記ケーシング内に貫設されたタービンロータの周方向に植設された動翼と、前記動翼の先端に周方向に設けられたシュラウドと、前記シュラウドの外周に周方向に設けられたシールフィンと、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、前記ダイアフラム外輪の内側に設けられたダイアフラム内輪と、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周方向に設けられ、前記動翼とタービンロータ軸方向に交互に配置された静翼と、前記静翼および前記動翼を備えるタービン段落の最終段を通過した蒸気が流入する環状ディフューザとを備える。

この蒸気タービンにおける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、タービンロータ軸方向に延設され、前記ダイアフラム外輪によって支持される前記静翼の直下流の前記動翼を半径方向外側から包囲する延設部を備える。また、最終段の前記タービン段落において、前記シールフィンが、半径方向外側に向かって傾斜する上流側傾斜面を有し、前記上流側傾斜面のタービンロータ軸方向に対する角度θ１が、前記環状ディフューザの入口における、前記環状ディフューザを構成する外壁のタービンロータ軸方向に対する角度θ２の±１０度の範囲に設定されている。

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。 第３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４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の内径側には、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。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（以下の実施の形態において同じ。）。また、図２に示す構成は、タービンロータ軸方向に沿う鉛直断面に限らず、タービンロータ軸方向に沿う垂直断面において同様である。

図２に示すように、最終段のタービン段落におけるダイアフラム外輪２６ａは、拡開部８０と、延設部８１とを備える。

拡開部８０は、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内径が広がる。拡開部８０の内面８２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８２は、タービンロータ軸方向に対して拡大傾斜角度β（度）で傾斜している。

この拡大傾斜角度β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が所定の広がり角度α（度）となるように設定される。ここで、所定の広がり角度は、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。

なお、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の拡開部８０とダイアフラム内輪２７ａとの間に取り付けられている。

延設部８１は、拡開部８０の下流側の端部からタービンロータ軸方向（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。すなわち、延設部８１は、動翼２４ａを外周から包囲している。

タービンロータ軸方向に延びる延設部８１の水平な内面８３と、動翼２４ａの先端に設けられたシールフィン１１１との間には、所定の間隙が形成されている。シールフィン１１１は、例えば、図２に示すように、動翼２４ａの先端に周方向に設けられたシュラウド１３０の外周に周方向に設けられる。そのため、シールフィン１１１は、環状に形成されている。

図２には、シールフィン１１１を周方向に一周備えた一例を示している。換言すれば、シールフィン１１１をタービンロータ軸方向に一段に備えた一例を示している。一段のシールフィン１１１を備える場合、回転時の重量バランスを考慮して、シールフィン１１１は、例えば、タービンロータ軸方向において、シュラウド１３０の中央に設けられることが好ましい。なお、シールフィン１１１は、タービンロータ軸方向に複数段備えてもよい。

シールフィン１１１は、図２に示すように、周方向に垂直な断面において、例えば、三角形状を有している。シールフィン１１１の上流側の側面１１１ａは、半径方向外側に向かって傾斜している。すなわち、側面１１１ａは、下流に行くに伴って半径方向外側に突出している。そして、側面１１１ａの内周端は、例えば、シュラウド１３０の外周面に接している。

ここで、シールフィン１１１の形状は、三角形状に限られない。シールフィン１１１は、上流側に側面１１１ａを備えていればよい。そのため、図２に示す断面において、例えば、上流側の側面１１１ａを備える台形などであってもよい。なお、側面１１１ａは、上流側傾斜面として機能する。

図２に示す断面において、側面１１１ａが、タービンロータ軸方向（水平方向）に対する角度はθ１（度）である。すなわち、側面１１１ａと、タービンロータ軸方向とのなす角度がθ１である。

延設部８１の下流端面８４には、スチームガイド４０が隣接されている。このスチームガイド４０は、環状ディフューザ６０の外壁を構成する。スチームガイド４０の上流端面４２は、例えば、図２に示すように、延設部８１の下流端面８４のうちの半径方向内側部分に接している。具体的には、図２に示す断面において、例えば、スチームガイド４０の上流端面４２の半径方向内側の端部と、延設部８１の下流端面８４の半径方向内側の端部とが接触している。

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θ２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θ２（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θ２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。また、拡大傾斜角度θ２と、前述した角度θ１とは、次の式（１）の関係を満たしている。
角度θ１ ＝ 拡大傾斜角度θ２±１０度 …式（１）

すなわち、角度θ１は、拡大傾斜角度θ２の±１０度の範囲に設定されている。

式（１）の関係を満たすことで、シールフィン１１１と延設部８１の内面８３との間を通過したチップリーク流１１５は、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。そのため、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が広がり角度αとなる。これによって、スチームガイド４０の内面４１上における流れの剥離を防止できる。

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、本実施の形態における構成は、例えば、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（図１参照）。

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、動翼２４ａは、シュラウド１３０を備えるため、外径Ｄ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、静翼２８ａを通過した蒸気は、半径方向外側に広がりながら動翼２４ａに流入する。動翼２４ａに流入した蒸気は、膨張仕事をして動翼２４ａを通過する。なお、動翼２４ａを通過した蒸気の流れは、広がり角度αを有する。

一方、静翼２８ａを通過した蒸気の一部は、シュラウド１３０と延設部８１の内面８３との間に、チップリーク流１１５として流入する。チップリーク流１１５は、シールフィン１１１の側面１１１ａに沿って流れる。

シールフィン１１１と内面８３との間を通過したチップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有して、内面８３に沿って下流側へ流れる。なお、シールフィン１１１を備えることで、チップリーク流１１５の流量は、抑制されている。

環状ディフューザ６０の入口において、チップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有するため、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。そのため、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れは、チップリーク流１１５に阻害されることなく、広がり角度αで半径方向外側へ広がる。そして、スチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れは、スチームガイド４０の内面４１上において剥離することなく、下流に流れる。

環状ディフューザ６０内に流入した蒸気は、スチームガイド４０とベアリングコーンとの間を流れる。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、静圧を十分に回復する。

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、上記したシールフィン１１１を備えることで、チップリーク流１１５をスチームガイド４０の内面４１に沿って流すことができる。これによって、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れを、チップリーク流１１５に阻害されることなく、広がり角度αで半径方向外側へ広げることができる。

そのため、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、環状ディフューザ６０における圧力損失を低減することができる。そして、ディフューザ性能が向上することによってタービン効率が向上する。

また、蒸気タービン１０によれば、動翼２４ａの先端のシュラウド１３０の形状を変更することなく、チップリーク流１１５の流れを制御し、ディフューザ性能を向上させることができる。すなわち、動翼２４ａに適したシュラウド１３０の構造を維持しつつ、ディフューザ性能を向上させることができる。

（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。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（以下の実施の形態において同じ。）。

第２の実施の形態では、ダイアフラム外輪２６ａにおける延設部８１の内面８３の構造が、第１の実施の形態における延設部８１の内面８３の構造と異なる。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、ダイアフラム外輪２６ａの延設部８１の下流側の内面８３から、環状ディフューザ６０の入口側におけるスチームガイド４０の内面４１に亘って、半径方向外側に凹んだ段部９０を備える。この段部９０は、周方向に亘って環状に形成されている。

段部９０は、図３に示すように、例えば、上流側の端面９０ａと、底部を構成する底面９０ｂとを備える。端面９０ａは、例えば、タービンロータ軸方向に垂直な環状の面である。底面９０ｂは、例えば、タービンロータ軸方向に平行な環状の面である。段部９０の下流側の端部は開口されている。段部９０は、例えば、段部９０内に渦流を形成できる程度の深さを有する。

段部９０は、例えば、図３に示す断面において、シールフィン１１１の側面１１１ａに沿う延長線Ｘが延設部８１の内面８３と交わる点Ｐから下流側に形成される。すなわち、段部９０の上流側の始点が点Ｐとなる。

段部９０を点Ｐから下流側に形成することで、シールフィン１１１のシール効果を損なうことなく、段部９０を形成することができる。なお、シールフィン１１１の構成は、第１の実施の形態と同じである。

このような延設部８１の内面８３を備える蒸気タービン１１において、シュラウド１３０と延設部８１の内面８３との間に流入したチップリーク流１１５は、シールフィン１１１の側面１１１ａに沿って流れる。

シールフィン１１１と内面８３との間を通過したチップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有して、内面８３に沿って下流側へ流れる。そして、内面８３に沿う流れの一部が、段部９０で剥離し、図３に示すように、段部９０内に渦流９１を形成する。

この渦流９１は、内面８３に沿う流れを内面４１側に引き寄せる。すなわち、チップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有するとともに、この渦流９１によって内面４１側に引き寄せられる。そのため、環状ディフューザ６０の入口において、チップリーク流１１５は、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。

そして、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れは、チップリーク流１１５に阻害されることなく、広がり角度αで半径方向外側へ広がる。すなわち、スチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れは、スチームガイド４０の内面４１上において剥離することなく、下流に流れる。なお、その後の蒸気の流れは、第１の実施の形態における蒸気の流れと同様である。

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、シールフィン１１１および段部９０を備えることで、チップリーク流１１５を確実にスチームガイド４０の内面４１に沿って流すことができる。これによって、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れを、チップリーク流１１５に阻害されることなく、広がり角度αで半径方向外側へ広げることができる。

そのため、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、環状ディフューザ６０における圧力損失を低減することができる。そして、ディフューザ性能が向上することによってタービン効率が向上する。

また、蒸気タービン１１によれば、第１の実施の形態と同様に、動翼２４ａに適したシュラウド１３０の構造を維持しつつ、ディフューザ性能を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
図４は、第３の実施の形態の蒸気タービン１２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。

第３の実施の形態では、スチームガイド４０の内面４１の構造が、第１の実施の形態におけるスチームガイド４０の内面４１の構造と異なる。ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図４に示す断面において、スチームガイド４０の内面４１には、タービンロータ軸方向に階段状の段部１００が形成されている。この段部１００は、半径方向外側に凹んだ段差１０１をタービンロータ軸方向に複数備える。

段差１０１は、図４に示すように、例えば、上流側の端面１０１ａと、底部を構成する底面１０１ｂとを備える。端面１０１ａは、例えば、タービンロータ軸方向に垂直な環状の面である。底面１０１ｂは、例えば、タービンロータ軸方向に平行な環状の面である。段差１０１の下流側の端部は開口されている。

また、図４に示す断面において、各段差１０１を構成する端面１０１ａの内周端を結んだ線は、例えば、スチームガイド４０の内面４１に重なる。

各段差１０１は、周方向に環状に形成されている。すなわち、段部１００は、周方向に環状に形成されている。段差１０１の深さおよび底面１０１ｂの軸方向の長さは、段差１０１内に渦流を形成できる程度に設定される。

段部１００は、スチームガイド４０の上流端から下流側に形成される。スチームガイド４０の上流端から最終段の段差１０１の下流側の端部までのタービンロータ軸方向の距離Ｍは、スチームガイド４０のタービンロータ軸方向の長さの０．０５〜０．１５倍に設定されることが好ましい。

距離Ｍを上記の範囲とすることで、段差１０１を設けることで生じる圧力損失を最小限に抑えつつ、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れを半径方向外側へ広げることができる。

なお、シールフィン１１１の構成は、第１の実施の形態と同じである。

このような段部１００を備える蒸気タービン１２において、シュラウド１３０と延設部８１の内面８３との間に流入したチップリーク流１１５は、シールフィン１１１の側面１１１ａに沿って流れる。

環状ディフューザ６０の入口において、チップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有するため、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。そして、内面４１に沿う流れの一部が、段差１０１で剥離し、図４に示すように、段差１０１内に渦流１０２を形成する。

この渦流１０２は、内面４１に沿う流れを内面４１側に引き寄せる。チップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有するとともに、この渦流１０２によって内面４１側に引き寄せられるため、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。

そのため、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れは、チップリーク流１１５に阻害されることなく、広がり角度αで半径方向外側へ広がる。すなわち、スチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れは、スチームガイド４０の内面４１上において剥離することなく、下流に流れる。なお、その後の蒸気の流れは、第１の実施の形態における蒸気の流れと同様である。

上記したように、第３の実施の形態の蒸気タービン１２によれば、シールフィン１１１および段部１００を備えることで、チップリーク流１１５を確実にスチームガイド４０の内面４１に沿って流すことができる。これによって、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れを、チップリーク流１１５に阻害されることなく、広がり角度αで半径方向外側へ広げることができる。

そのため、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、環状ディフューザ６０における圧力損失を低減することができる。そして、ディフューザ性能が向上することによってタービン効率が向上する。

また、蒸気タービン１２によれば、第１の実施の形態と同様に、動翼２４ａに適したシュラウド１３０の構造を維持しつつ、ディフューザ性能を向上させることができる。

なお、ここでは、段部１００がスチームガイド４０の内面４１に形成される一例を示したが、この構成に限られない。例えば、段部１００は、延設部８１の下流側の内面８３から形成されてもよい。この場合、段部１００が形成される延設部８１の内面８３は、半径方向外側に凹んだ段差１０１をタービンロータ軸方向に複数備える。そして、延設部８１の段部１００と、スチームガイド４０の段部１００は連続して形成される。

ここで、内面８３に形成される段部１００は、例えば、図４に示す断面において、シールフィン１１１の側面１１１ａに沿う延長線が延設部８１の内面８３と交わる点から下流側に形成してもよい。

このように段部１００を延設部８１の内面８３から形成する場合、段部１００の形成開始位置が、図４に示した段部１００の形成開始よりも上流側となる。さらに、スチームガイド４０に形成された各段差１０１を構成する端面１０１ａの内周端を結んだ線は、タービンロータ軸方向に対して拡大傾斜角度θ２と同じ角度で半径方向外側に傾斜する。

そして、スチームガイド４０に形成される段部１００は、図４に示した段部１００よりもスチームガイド４０の外周面側に形成される。これによって、スチームガイド４０に形成された各段差１０１を構成する端面１０１ａの内周端を結んだ線は、例えば、スチームガイド４０の内面４１よりもスチームガイド４０の外周面側となる。

なお、スチームガイド４０の上流端から最終段の段差１０１の下流側の端部までのタービンロータ軸方向の距離Ｍは、上記した範囲と同じである。また、段部１００を延設部８１の内面８３から形成する場合においても、図４に示した段部１００を備える場合の作用効果と同様の作用効果が得られる。

（第４の実施の形態）
図５は、第４の実施の形態の蒸気タービン１３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。

第４の実施の形態では、延設部８１の内面８３およびスチームガイド４０の内面４１の構造が、第１の実施の形態における延設部８１の内面８３およびスチームガイド４０の内面４１の構造と異なる。ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図５に示す断面において、スチームガイド４０の内面４１およびスチームガイド４０の内面４１には、タービンロータ軸方向に複数の円弧状の窪み１０５が形成されている。この窪み１０５は、例えば、周方向に環状に形成されている。換言すれば、窪み１０５は、周方向に亘って形成された、周方向に垂直な断面が半円状の溝である。

この窪み１０５は、内面４１および内面４１に、タービンロータ軸方向に複数段形成される。タービンロータ軸方向における窪み１０５間の間隔Ｒは、例えば、窪み１０５のタービンロータ軸方向の開口長さＷ程度である。

なお、窪み１０５の構成は、これに限られない。窪み１０５は、例えば、半球状の窪みで構成されてもよい。換言すれば、窪み１０５は、例えば、ディンプル状に形成されもよい。この場合、ディンプル状の窪み１０５が、内面４１および内面４１の周方向およびタービンロータ軸方向に複数形成される。この場合においても、各窪み１０５間の間隔Ｒは、例えば、窪み１０５のタービンロータ軸方向の開口長さＷ程度である。

窪み１０５がディンプル形状の場合、窪み１０５は、周方向およびタービンロータ軸方向に、所定の間隔Ｒで列状に配置されてもよい。また、窪み１０５は、周方向およびタービンロータ軸方向に、千鳥格子状に配置されてもよい。

ここで、図５に示す断面において、窪み１０５の形状は、例えば、円を２等分した半円形状であってもよい。また、図５に示す断面において、窪み１０５の形状は、例えば、楕円を長軸または短軸で２等分した半楕円形状であってもよい。窪み１０５の深さおよび開口長さＷは、窪み１０５内に渦流を形成できる程度に設定される。

最も上流側の窪み１０５は、例えば、図５に示す断面において、シールフィン１１１の側面１１１ａに沿う延長線Ｘが延設部８１の内面８３と交わる点Ｐから下流側に形成される。すなわち、最も上流側の窪み１０５の始点が点Ｐとなる。

窪み１０５を点Ｐから下流側に形成することで、シールフィン１１１のシール効果を損なうことなく、窪み１０５を形成することができる。なお、シールフィン１１１の構成は、第１の実施の形態と同じである。

スチームガイド４０において、窪み１０５は、スチームガイド４０の上流端からタービンロータ軸方向に距離Ｎの範囲内に形成される。距離Ｎは、スチームガイド４０のタービンロータ軸方向の長さの０．０５〜０．１５倍に設定されることが好ましい。

距離Ｎを上記の範囲とすることで、スチームガイド４０に窪み１０５を設けることで生じる圧力損失を最小限に抑えつつ、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れを半径方向外側へ広げることができる。

このような窪み１０５を備える蒸気タービン１２において、シュラウド１３０と延設部８１の内面８３との間に流入したチップリーク流１１５は、シールフィン１１１の側面１１１ａに沿って流れる。

シールフィン１１１を通過したチップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有して、延設部８１の内面８３に沿って下流へ流れる。内面８３に沿う流れの一部が、窪み１０５で剥離し、図５に示すように、窪み１０５内に渦流１０６ａを形成する。

この渦流１０２は、内面８３に沿う流れを内面８３側に引き寄せる。すなわち、チップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有するとともに、この渦流１０６ａによって内面８３側に引き寄せられる。

環状ディフューザ６０の入口において、チップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有し、渦流１０６ａによって内面８３側に引き寄せられているため、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。そして、内面４１に沿う流れの一部が、窪み１０５で剥離し、図５に示すように、窪み１０５内に渦流１０６ｂを形成する。

この渦流１０６ｂは、内面４１に沿う流れを内面４１側に引き寄せる。チップリーク流１１５は、角度θ１の速度成分を有するとともに、この渦流１０６ｂによって内面４１側に引き寄せられるため、スチームガイド４０の内面４１に沿って流れる。

そのため、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れは、チップリーク流１１５に阻害されることなく、広がり角度αで半径方向外側へ広がる。すなわち、スチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れは、スチームガイド４０の内面４１上において剥離することなく、下流に流れる。なお、その後の蒸気の流れは、第１の実施の形態における蒸気の流れと同様である。

上記したように、第４の実施の形態の蒸気タービン１２によれば、窪み１０５を備えることで、チップリーク流１１５を確実にスチームガイド４０の内面４１に沿って流すことができる。これによって、環状ディフューザ６０の入口におけるスチームガイド４０の内面４１側の蒸気の流れを、チップリーク流１１５に阻害されることなく、広がり角度αで半径方向外側へ広げることができる。

そのため、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、環状ディフューザ６０における圧力損失を低減することができる。そして、ディフューザ性能が向上することによってタービン効率が向上する。

また、蒸気タービン１３によれば、第１の実施の形態と同様に、動翼２４ａに適したシュラウド１３０の構造を維持しつつ、ディフューザ性能を向上させることができる。

以上説明した実施形態によれば、動翼に適したシュラウドの構造を維持しつつ、チップリーク流の流れを制御し、ディフューザ性能を向上させることが可能となる。

なお、上記した実施の形態では、最終段のタービン段落におけるダイアフラム外輪２６ａにおいて、拡開部８０と延設部８１とを備える構成を示したが、他のタービン段落におけるダイアフラム外輪２６の構成は、この構成に限られない。

また、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。

１０，１１，１２，１３…蒸気タービン、２０…外部ケーシング、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、４１，８２，８３…内面、４２…上流端面、５０…ベアリングコーン、６０…環状ディフューザ、８０…拡開部、８１…延設部、８４…下流端面、９０，１００…段部、９０ａ，１０１ａ…端面、９０ｂ，１０１ｂ…底面、９１，１０２，１０６ａ，１０６ｂ…渦流、１０１…段差、１１１…シールフィン、１１１ａ…側面、１１５…チップリーク流、１３０…シュラウド、１４０…側壁、１４１…内壁面、１７０…動翼翼列、１８０…静翼翼列。

Claims (9)

1. ケーシングと、
   前記ケーシング内に貫設されたタービンロータの周方向に植設された動翼と、
   前記動翼の先端に周方向に設けられたシュラウドと、
   前記シュラウドの外周に周方向に設けられたシールフィンと、
   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、
   前記ダイアフラム外輪の内側に設けられたダイアフラム内輪と、
   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周方向に設けられ、前記動翼とタービンロータ軸方向に交互に配置された静翼と、
   前記静翼および前記動翼を備えるタービン段落の最終段を通過した蒸気が流入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、
   タービンロータ軸方向に延設され、前記ダイアフラム外輪によって支持される前記静翼の直下流の前記動翼を半径方向外側から包囲する延設部を備え、
   前記シールフィンが、
   半径方向外側に向かって傾斜する上流側傾斜面を有し、
   前記上流側傾斜面のタービンロータ軸方向に対する角度θ１が、前記環状ディフューザの入口における、前記環状ディフューザを構成する外壁のタービンロータ軸方向に対する角度θ２の±１０度の範囲に設定されていることを特徴とする蒸気タービン。
2. タービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、前記延設部の下流側の内面から、前記環状ディフューザの入口側における、前記環状ディフューザの前記外壁の内面に亘って、半径方向外側に凹んだ段部を備え、
   前記段部が周方向に環状に形成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. 前記垂直断面において、前記段部の上流側の始点が、前記上流側傾斜面に沿う延長線が前記延設部の内面と交わる点であることを特徴とする請求項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、前記環状ディフューザの前記外壁の内面に、半径方向外側に凹んだ段差をタービンロータ軸方向に複数有する階段状の段部を備え、
   各前記段差が周方向に環状に形成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。
5. 前記垂直断面において、前記延設部の下流側の内面に、半径方向外側に凹んだ段差をタービンロータ軸方向に複数有する階段状の段部を備え、
   前記延設部の段部は、前記外壁の段部と連続して形成され、
   前記垂直断面において、前記延設部の段部の上流側の始点が、前記上流側傾斜面に沿う延長線が前記延設部の内面と交わる点であることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
6. タービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、前記延設部の下流側の内面、および前記環状ディフューザの入口側における、前記環状ディフューザの前記外壁の内面に、複数の円弧状の窪みを備えることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
7. 各前記窪みが周方向に環状に形成されていることを特徴とする請求項６記載の蒸気タービン。
8. 各前記窪みが半球状の窪みであることを特徴とする請求項６記載の蒸気タービン。
9. 前記垂直断面において、最も上流側の前記窪みの始点が、前記上流側傾斜面に沿う延長線が前記延設部の内面と交わる点であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。

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