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WO2018147013A1 - 蒸気タービン - Google Patents

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Publication number
WO2018147013A1
WO2018147013A1 PCT/JP2018/001092 JP2018001092W WO2018147013A1 WO 2018147013 A1 WO2018147013 A1 WO 2018147013A1 JP 2018001092 W JP2018001092 W JP 2018001092W WO 2018147013 A1 WO2018147013 A1 WO 2018147013A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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steam
blade
stationary blade
stationary
rotor
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/001092
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
亮 ▲高▼田
光由 土屋
泰洋 笹尾
Original Assignee
三菱日立パワーシステムズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱日立パワーシステムズ株式会社 filed Critical 三菱日立パワーシステムズ株式会社
Priority to KR1020197018466A priority Critical patent/KR102243459B1/ko
Priority to DE112018000772.3T priority patent/DE112018000772T5/de
Priority to CN201880005232.2A priority patent/CN110100077B/zh
Priority to US16/461,148 priority patent/US11492920B2/en
Publication of WO2018147013A1 publication Critical patent/WO2018147013A1/ja

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    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
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    • F16J15/00Sealings
    • F16J15/44Free-space packings
    • F16J15/447Labyrinth packings

Definitions

  • This disclosure relates to a steam turbine.
  • the wetness tends to be high near the final stage of the steam turbine, for example, the wetness is about 15% in the final stage of a geothermal turbine or a nuclear high-pressure turbine.
  • the wetness is about 15% in the final stage of a geothermal turbine or a nuclear high-pressure turbine.
  • the droplets adhering to the blade surface of the turbine are separated downstream and collide with the downstream blades, so erosion and wet loss become a problem.
  • Patent Document 1 discloses that high-temperature steam is passed through a stationary blade located in front of a low-pressure stage moving blade operating in a wet steam region to heat the stationary blade, and liquid is applied to the surface of the stationary blade.
  • a steam turbine is disclosed that is adapted to prevent the formation of drops.
  • the steam turbine described in Patent Document 1 is configured such that the high-temperature steam that has passed through the inside of the stationary blade is discharged toward the tip of the moving blade on the downstream side. Loss due to interference with high-temperature steam discharged after passing through the interior of the steam turbine is large, and the efficiency of the steam turbine tends to be reduced.
  • At least one embodiment of the present invention has been made in view of the conventional problems as described above, and an object thereof is to provide a steam turbine capable of suppressing erosion and efficiency reduction.
  • a steam turbine includes a rotor, a casing that houses the rotor, a plurality of blades provided around the rotor, and a plurality of static blades supported by the casing.
  • a stationary turbine including a blade main body and an inner ring located inside the blade main body in a radial direction of the rotor, wherein the plurality of stationary blades are the blades.
  • a first stator blade having a through hole penetrating the main body in the radial direction, wherein the rotor has a concave cavity formed so as to accommodate at least a part of the inner ring of the first stator blade.
  • a steam passage configured to discharge the steam extracted from the space upstream of the first stationary blade in the casing through the through hole of the first stationary blade from the inner ring to the cavity.
  • the steam turbine described in (1) above since the temperature of the steam extracted from the space upstream of the first stationary blade is higher than the temperature of the first stationary blade, the steam is passed through the through hole of the first stationary blade.
  • the first stationary blade can be easily heated by flowing it through Thereby, generation
  • the steam passing through the through hole of the first stationary blade is discharged from the inner ring of the first stationary blade to the cavity, so that the configuration of Patent Document 1 (the steam that has passed through the interior of the stationary blade is the downstream blade) Compared with the configuration discharged to the tip), the main flow (axial steam flow alternately passing through the stationary blade and moving blade) flowing through the casing and the steam discharged through the through-hole Loss can be reduced, and a decrease in efficiency of the steam turbine can be suppressed.
  • the first stationary blade is provided in a region where the wetness is 3% or more.
  • the first stationary blade provided in the high wetness region is heated by steam flowing through the through hole.
  • production of the droplet on the surface of a 1st stationary blade can be suppressed, and erosion can be suppressed effectively.
  • the first stationary blade is provided in a region where the wetness is 10% or more.
  • the first stationary blade provided in the high wetness region is heated by the steam flowing through the through hole.
  • production of the droplet on the surface of a 1st stationary blade can be suppressed, and erosion can be suppressed effectively.
  • the casing in the steam turbine according to any one of (1) to (3), includes a first-stage moving blade in the plurality of moving blades and a plurality of the stationary blades.
  • the tip section includes a tip section facing the space between the second stage stationary blades, and a steam inlet of the steam passage is provided in the tip section.
  • the steam taken into the steam passage can be made high temperature and high pressure as the position where the steam inlet of the steam passage is provided upstream in the casing, the viewpoint of heating the first stationary blade Then, it is preferable that the steam inlet of the steam passage is as upstream as possible. However, from the viewpoint of cleanliness of the steam taken into the steam passage, it is desirable to take the steam after passing through the first stage stationary blade into the steam passage.
  • the stationary blade in the steam turbine according to any one of (1) to (3), includes an outer ring that supports the blade body, and the steam passage The steam inlet is provided on the upstream surface of the outer ring of the first stationary blade, and the steam outlet of the steam passage is provided on the downstream surface of the inner ring of the first stationary blade.
  • the temperature of the steam extracted from the space facing the upstream surface of the outer ring of the first stationary blade is higher than the temperature of the first stationary blade.
  • the first stator blade can be easily heated by flowing it through the through hole of the one stator blade. For this reason, the effect (suppression of erosion and suppression of efficiency reduction) as described in said (1) can be acquired with a simple structure.
  • the first stage stationary blades in the plurality of stationary blades and the first stage blades in the plurality of moving blades A seal portion provided in a gap between the rotor and the casing so as to seal leaked steam flowing inward in the radial direction from between the first stage stationary blade and the first stage stationary blade penetrating in the radial direction
  • a steam inlet of the steam passage is configured to take in part of the leaked steam, and the steam passage passes through the through hole of the first stage stationary blade and the through hole of the first stationary blade. A part of the leaked steam is supplied to the cavity.
  • the steam turbine described in (6) above a part of the high-temperature and high-pressure leaked steam that flows out inward in the radial direction from between the first stage stationary blade and the first stage stationary blade is taken into the steam passage, and the first stationary blade
  • the first stator blade can be effectively heated by supplying it to the cavity through the through hole.
  • production of the droplet on the surface of a 1st stator blade can be suppressed, and erosion can be suppressed effectively.
  • the plurality of moving blades are downstream of the first stationary blade in an axial direction of the rotor.
  • the rotor includes a first disk portion to which the first blade is fixed, and the first disk portion is a balance hole penetrating in the axial direction.
  • the balance hole is configured such that a part of the steam discharged from the inner ring into the cavity passes through the through hole of the first stationary blade.
  • the flow rate of the leaked steam that passes through the inner ring seal portion provided at the radially inner end of the inner ring, and the space between the first stationary blade and the first moving blade enter the cavity.
  • the sum of the flow rate of the inflowing leaked steam and the flow rate of the heating steam discharged from the inner ring of the first stationary blade to the cavity becomes equal to the flow rate of the steam flowing through the balance hole. According to this configuration, it is possible to reduce leakage loss in the vicinity of the blade root portion of the first moving blade.
  • a steam turbine capable of suppressing erosion and efficiency reduction is provided.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a steam turbine plant including a steam turbine device 2 according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows schematic structure of the steam turbine apparatus 2 (2A) which concerns on one Embodiment. It is the elements on larger scale of the steam turbine apparatus 2 (2A) shown in FIG. It is the elements on larger scale which show the modification of the steam turbine apparatus 2 (2A) shown in FIG. It is sectional drawing which shows schematic structure of the steam turbine apparatus 2 (2B) which concerns on one Embodiment. It is the elements on larger scale of the steam turbine apparatus 2 (2B) shown in FIG. It is sectional drawing which shows schematic structure of the steam turbine apparatus 2 (2C) which concerns on one Embodiment. It is the elements on larger scale of the steam turbine apparatus 2 (2C) shown in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a form in which a balance hole 58 is provided in the first disk portion 56.
  • an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
  • expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
  • the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a steam turbine plant including a steam turbine according to an embodiment of the present invention.
  • a steam turbine plant 1 includes a steam turbine device 2, a boiler 4, a feed water pump 6, a generator 10, and a condenser 12.
  • the steam St generated by the boiler 4 is supplied to the steam turbine device 2 via the steam supply pipe 8a.
  • the steam St supplied to the steam turbine device 2 is supplied to the condenser 12 through the condensate supply pipe 8b after driving the steam turbine device 2.
  • the condensed water condensed in the condenser 12 is pressurized by the feed water pump 6, and is supplied to the boiler 4 as boiler water via the boiler water supply pipe 8c.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the steam turbine apparatus 2 (2A) according to the embodiment.
  • the steam turbine device 2 includes a rotor 16, a casing 18 that accommodates the rotor 16, a plurality of moving blades 20 provided around the rotor 16, and a plurality of static blades supported by the casing 18. And wings 22.
  • the radial direction of the rotor 16 is simply referred to as “radial direction”
  • the axial direction of the rotor 16 is simply referred to as “axial direction”
  • the circumferential direction of the rotor 16 is simply referred to as “circumferential direction”.
  • the upstream side and the downstream side in the flow direction of the main flow f flowing in the casing 18 are simply “upstream” and “respectively”. "Downstream”.
  • Each of the stationary blades 22 includes a blade main body 24, an inner ring 26 (partition plate portion) positioned inside the blade main body 24 in the radial direction, and an outer ring 28 positioned outside the blade main body 24 in the radial direction.
  • the inner ring 26 and the outer ring 28 are coupled to the casing 18, and in the stationary blades 22 other than the first stage stationary blades 22f in the plurality of stationary blades 22, only the outer ring 28 is the casing 18. Is bound to.
  • the plurality of stationary blades 22 includes a first stationary blade 22a having a through hole 30 that penetrates the blade body portion 24 in the radial direction.
  • the fourth stator vane 22 of the five-stage steam turbine apparatus 2 is the first stator blade 22a.
  • the rotor 16 has a concave cavity 32 formed so that at least a part of the inner ring 26 of the first stationary blade 22a is accommodated.
  • the steam extracted from the space S upstream of the first stationary blade 22a in the casing 18 passes through the through-hole 30 of the first stationary blade 22a from the inner ring 26 of the first stationary blade 22a.
  • a steam passage 34 configured to discharge into the cavity 32 is provided.
  • the first stationary blade 22a can be easily heated. Thereby, generation
  • the steam that has passed through the through hole 30 of the first stationary blade 22a is discharged from the inner ring 26 of the first stationary blade 22a into the cavity 32, whereby the configuration of Patent Document 1 (the steam that has passed through the interior of the stationary blade is downstream).
  • the main flow f flowing in the casing 18 axial steam flow alternately passing through the stationary blade 22 and the moving blade 20
  • the through hole 30 Loss due to interference with the steam discharged through can be reduced, and a decrease in efficiency of the steam turbine device 2 can be suppressed.
  • the leaked steam (leakage flow from the main flow f) flowing into the cavity 32 from the upstream side of the first stationary blade 22a can be reduced, the loss due to the leaked steam is reduced, and the steam turbine device 2 A decrease in efficiency can be suppressed.
  • an arrow Gc indicates a flow of leaked steam (leakage flow from the main flow f) flowing into the cavity 32 from the upstream side of the first stationary blade 22a
  • an arrow Gr indicates the downstream of the first stationary blade 22a.
  • the flow of the leaked steam that flows out radially outward from the cavity 32 on the side and interferes with the main flow f is shown
  • an arrow GL indicates steam discharged from the inner ring 26 of the first stationary blade 22a to the cavity 32 (hereinafter referred to as “ It may be referred to as “heated steam”).
  • the flow rate of the leaking steam Gr is equal to the sum of the flow rate of the leaking steam Gc and the heating steam GL, and the flow rate of the leaking steam Gr hardly changes depending on the presence or absence of the heating steam GL.
  • the leaked steam Gc from the main stream f can be suppressed. Therefore, it is possible to reduce the loss due to the leaked steam Gc.
  • the steam outlet 36 of the steam passage 34 is upstream of the upstream surface 38 (the inner ring seal portion 40 provided at the radially inner end of the inner ring 26) of the inner ring 26 of the first stationary blade 22 a.
  • the surface 42 on the downstream side of the inner ring 26 of the first stationary blade 22 a (from the inner ring seal portion 40 provided at the radially inner end of the inner ring 26). It may be provided on the downstream surface).
  • the effect of suppressing the above-described leakage steam Gc can be obtained.
  • the first stationary blade 22a is provided in a region where the wetness is 3% or more (more preferably 10% or more). Since erosion is likely to occur in such a high wetness region, the surface of the first stationary blade 22a is heated by heating the first stationary blade 22a provided in the high wetness region with steam flowing through the through hole 30. The generation of droplets in the liquid crystal can be suppressed and erosion can be effectively suppressed.
  • the casing 18 includes a tip section portion 44 that faces a space S ⁇ b> 1 between the first stage blades 20 f of the plurality of blades 20 and the second stage blades 22 s of the plurality of blades 22. (A portion of the casing 18 surrounding the space S1), and the steam inlet 46 of the steam passage 34 is provided in the tip section 44.
  • the steam inlet of the steam passage 34 can be heated from the viewpoint of heating the first stationary blade 22a. 46 is preferably on the upstream side as much as possible. However, from the viewpoint of the cleanliness of the steam taken into the steam passage 34, it is desirable to take the steam after passing through the first stage stationary blade 22 f into the steam passage 34.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a steam turbine apparatus 2 (2B) according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a partial enlarged view of the steam turbine apparatus 2 (2B) shown in FIG.
  • the basic configuration related to the steam turbine device 2 (2B) is the same as the basic configuration related to the steam turbine device 2 (2A).
  • the specific configuration of the steam passage 34 is different from that of the steam turbine device 2 (2A).
  • the steam inlet 46 of the steam passage 34 is provided on a surface 48 on the upstream side of the outer ring 28 of the first stationary blade 22 a (a surface on the upstream side from the joint between the outer ring 28 and the casing 18).
  • the steam outlet 36 of the steam passage 34 is provided on the downstream surface 42 of the inner ring 26 of the first stationary blade 22a.
  • an inner ring seal portion 40 having a labyrinth structure is provided at the radially inner end of the inner ring 26 of the first stationary blade 22 a, and the steam outlet 36 of the steam passage 34 is more than the inner ring seal portion 40 of the inner ring 26. It is provided on the downstream surface 42.
  • the first stationary blade 22a By flowing through the through hole 30 of the blade 22a, the first stationary blade 22a can be easily heated. Thereby, generation
  • the steam that has passed through the through hole 30 of the first stationary blade 22a is discharged from the inner ring 26 of the first stationary blade 22a into the cavity 32, whereby the configuration of Patent Document 1 (the steam that has passed through the interior of the stationary blade is downstream).
  • the main flow f flowing in the casing 18 axial steam flow alternately passing through the stationary blade 22 and the moving blade 20
  • the through hole 30 Loss due to interference with steam exhausted through can be reduced.
  • the loss due to the leaked steam can be reduced.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a steam turbine apparatus 2 (2C) according to an embodiment.
  • FIG. 8 is a partially enlarged view of the steam turbine apparatus 2 (2C) shown in FIG.
  • the basic configuration related to the steam turbine device 2 (2C) is the same as the basic configuration related to the steam turbine device 2 (2A, 2B).
  • the specific configuration of the steam passage 34 is different from that of the steam turbine device 2 (2A, 2B).
  • the steam turbine device 2 seals the leaked steam Gf that flows out in the radial direction from between the first stage stationary blades 22 f of the plurality of stationary blades 22 and the first stage stationary blades 20 f of the plurality of blades 20.
  • a seal portion 50 provided in the gap g between the rotor 16 and the casing 18 is provided upstream of the first stage moving blade 20f in the axial direction.
  • the seal portion 50 has an annular structure, and a labyrinth structure is formed between the inner peripheral surface of the seal portion 50 and the outer peripheral surface of the rotor 16.
  • the first stage stationary blade 22f includes a through-hole 52 that penetrates in the radial direction, and the steam inlet 46 of the steam passage 34 is configured to receive a part of the leaked steam Gf. It is provided on the inner peripheral surface 54 of the inner ring 26.
  • the steam passage 34 of the steam turbine apparatus 2 (2C) is a part of the leaked steam Gf through the through hole 52 of the first stage stationary blade 22f and the through hole 30 of the first stationary blade 22a. Is supplied to the cavity 32.
  • the leaked steam Gf extracted from the space S (S3) surrounded by the rotor 16 and the casing 18 on the upstream side of the first stage rotor blade 20f is higher in temperature and pressure than the steam in the cavity 32, and thus the first static Since it is higher than the temperature of the blade 22a, the leaked steam Gf can be flowed through the through hole 30 of the first stationary blade 22a without using a pump or the like, and the first stationary blade 22a can be easily heated. Thereby, generation
  • the steam that has passed through the through hole 30 of the first stationary blade 22a is discharged from the inner ring 26 of the first stationary blade 22a into the cavity 32, whereby the configuration of Patent Document 1 (the steam that has passed through the interior of the stationary blade is downstream).
  • the main flow f flowing in the casing 18 axial steam flow alternately passing through the stationary blade 22 and the moving blade 20
  • the through hole 30 Loss due to interference with steam exhausted through can be reduced.
  • the loss due to the leaked steam can be reduced.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes forms obtained by modifying the above-described embodiments and forms obtained by appropriately combining these forms.
  • the moving blades provided adjacent to the downstream side of the first stationary blade 22a in the axial direction. 20 is the first moving blade 20a
  • the disk portion of the rotor 16 to which the first moving blade 20a is fixed is the first disk portion 56.
  • the first disk portion 56 has a balance hole 58 penetrating in the axial direction. You may have.
  • a part of the steam GL discharged from the inner ring 26 of the first stationary blade 22a to the cavity 32 through the through hole 30 of the first stationary blade 22a flows into the balance hole 58 from the upstream side in the axial direction. .
  • the steam flowing into the balance hole 58 passes through the inside of the first disk portion 56 and is discharged to the downstream side of the first disk portion 56.
  • the sum of the flow rate of the leaked steam Gr flowing into the cavity 32 from between and the flow rate of the heated steam GL discharged from the inner ring 26 of the first stationary blade 22a to the cavity 32 is the flow rate of the steam G flowing through the balance hole 58. Is equal to With this configuration, it is possible to reduce leakage loss in the vicinity of the blade root portion of the first moving blade 20a.
  • the balance hole 58 is provided in the final stage moving blade 20 in the steam turbine apparatus 2, exhaust loss tends to increase. Therefore, the first moving blade 20 a provided with the balance hole 58 is in the upstream stage of the final stage. A moving blade is desirable.

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Abstract

ロータと、ロータを収容するケーシングと、ロータの周りに設けられた複数の動翼と、ケーシングに支持された複数の静翼と、を備える蒸気タービンであって、静翼は、翼本体部と、ロータの径方向において翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、複数の静翼は、翼本体部を径方向に貫通する貫通孔を有する第1静翼を含み、ロータは、第1静翼の内輪の少なくとも一部が収容されるように構成された凹状のキャビティを有し、ケーシング内における第1静翼より上流側の空間から抽出した蒸気を、第1静翼の貫通孔を通って内輪からキャビティに排出するよう構成された蒸気通路が設けられる。

Description

蒸気タービン
 本開示は、蒸気タービンに関する。
 蒸気タービンの最終段落近傍では湿り度が高くなりやすく、例えば地熱タービンや原子力高圧タービンの最終段落では湿り度が15%程度になる。湿り度が高い湿り蒸気域では、タービンの翼面に付着した液滴が下流へ離脱して下流側の翼に衝突するため、エロージョンや湿り損失が問題になる。
 かかる問題の対策として、特許文献1には、湿り蒸気域で作動する低圧段動翼の前に位置する静翼の内部に高温蒸気を通過させて静翼を加熱し、静翼の表面に液滴が発生するのを防ぐようにした蒸気タービンが開示されている。
特許第3617212号公報
 特許文献1に記載の蒸気タービンは、静翼の内部を通過した高温蒸気が下流側の動翼の先端に向けて排出されるように構成されているため、各段落を通過する主流と静翼の内部を通過後に排出される高温蒸気との干渉による損失が大きく、蒸気タービンの効率低下を招きやすい。
 本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、エロージョン及び効率低下を抑制可能な蒸気タービンを提供することである。
 (1)本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気タービンは、ロータと、前記ロータを収容するケーシングと、前記ロータの周りに設けられた複数の動翼と、前記ケーシングに支持された複数の静翼と、を備える蒸気タービンであって、前記静翼は、翼本体部と、前記ロータの径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、前記複数の静翼は、前記翼本体部を前記径方向に貫通する貫通孔を有する第1静翼を含み、前記ロータは、前記第1静翼の前記内輪の少なくとも一部が収容されるように形成された凹状のキャビティを有し、前記ケーシング内における前記第1静翼より上流側の空間から抽出した蒸気を、前記第1静翼の前記貫通孔を通って前記内輪から前記キャビティに排出するよう構成された蒸気通路が設けられる。
 上記(1)に記載の蒸気タービンによれば、第1静翼より上流側の空間から抽出した蒸気の温度は、第1静翼の温度より高いため、該蒸気を第1静翼の貫通孔に流すことにより、第1静翼を容易に加熱することができる。これにより、第1静翼の表面における液滴の発生を抑制し、エロージョンを抑制することができる。
 また、第1静翼の貫通孔を通った蒸気が第1静翼の内輪からキャビティに排出されることにより、特許文献1の構成(静翼の内部を通過した蒸気が下流側の動翼の先端に向けて排出される構成)と比較して、ケーシング内を流れる主流(静翼と動翼とを交互に通過する軸方向の蒸気流れ)と貫通孔通って排出された蒸気との干渉による損失を低減し、蒸気タービンの効率低下を抑制することができる。
 また、第1静翼の上流側からキャビティへ流入する漏洩蒸気(主流からの漏れ流れ)を低減することができるため、該漏洩蒸気に起因する損失を低減し、蒸気タービンの効率低下を抑制することができる。
 (2)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載の蒸気タービンにおいて、前記第1静翼は、湿り度が3%以上の領域に設けられる。
 上記(2)に記載の蒸気タービンによれば、このような湿り度が高い領域ではエロージョンが発生しやすいため、湿り度が高い領域に設けられた第1静翼を貫通孔に流す蒸気によって加熱することで、第1静翼の表面における液滴の発生を抑制し、エロージョンを効果的に抑制することができる。
 (3)幾つかの実施形態では、上記(2)に記載の蒸気タービンにおいて、前記第1静翼は、湿り度が10%以上の領域に設けられる。
 上記(3)に記載の蒸気タービンによれば、このような湿り度が高い領域ではエロージョンが発生しやすいため、湿り度が高い領域に設けられた第1静翼を貫通孔に流す蒸気によって加熱することで、第1静翼の表面における液滴の発生を抑制し、エロージョンを効果的に抑制することができる。
 (4)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れか1項に記載の蒸気タービンにおいて、前記ケーシングは、前記複数の動翼における初段動翼と前記複数の静翼における第2段静翼との間の空間に対向するチップセクション部を含み、前記蒸気通路の蒸気入口は、前記チップセクション部に設けられる。
 上記(4)に記載の蒸気タービンによれば、ケーシング内において蒸気通路の蒸気入口を設ける位置を上流側にするほど蒸気通路に取り込む蒸気を高温高圧にできるため、第1静翼を加熱する観点では、蒸気通路の蒸気入口は極力上流側にすることが好ましい。ただし、蒸気通路に取り込む蒸気の清浄度の観点からは、初段静翼を通過した後の蒸気を蒸気通路に取り込むことが望ましい。
 そこで、上記のように、初段動翼と第2段静翼との間の空間に対向するチップセクション部に蒸気通路の蒸気入口を設けることにより、比較的清浄度の高い蒸気を蒸気通路に取り込みつつ、第1静翼を効果的に加熱することができる。
 また、チップセクション部には、蒸気が凝縮することで生じる高温のドレンが溜まりやすく、従来はこのドレンが効果的に活用されていなかった。この点、上記のようにチップセクション部に蒸気入口を設けることにより、上記空間からの蒸気だけでなく、チップセクション部に溜まった高温のドレンを蒸気通路に取り込んで、第1静翼の加熱に利用することができるため、第1静翼を効果的に加熱することができる。
 (5)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れか1項に記載の蒸気タービンにおいて、前記静翼は、前記翼本体部を支持する外輪を含み、前記蒸気通路の蒸気入口は、前記第1静翼の前記外輪における上流側の面に設けられ、前記蒸気通路の蒸気出口は、前記第1静翼の前記内輪における下流側の面に設けられる。
 上記(5)に記載の蒸気タービンによれば、第1静翼の外輪の上流側の面に対向する空間から抽出した蒸気の温度は、第1静翼の温度より高いため、該蒸気を第1静翼の貫通孔に流すことにより、第1静翼を容易に加熱することができる。このため、上記(1)に記載の効果(エロージョンの抑制及び効率低下の抑制)を簡素な構成で得ることができる。
 (6)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れか1項に記載の蒸気タービンにおいて、前記複数の静翼における初段静翼と前記複数の動翼における初段動翼との間から前記径方向における内側へ流出する漏洩蒸気をシールするように、前記ロータと前記ケーシングとの隙間に設けられたシール部を更に備え、前記初段静翼は、前記径方向に貫通する貫通孔を含み、前記蒸気通路の蒸気入口は、前記漏洩蒸気の一部を取り込むように構成され、前記蒸気通路は、前記初段静翼の前記貫通孔及び前記第1静翼の前記貫通孔を介して前記漏洩蒸気の一部を前記キャビティに供給するよう構成される。
 上記(6)に記載の蒸気タービンによれば、初段静翼と初段動翼との間から径方向における内側へ流出する高温高圧の漏洩蒸気の一部を蒸気通路に取り込んで、第1静翼の貫通孔を介してキャビティに供給することにより、第1静翼を効果的に加熱することができる。これにより、第1静翼の表面における液滴の発生を抑制し、エロージョンを効果的に抑制することができる。
 (7)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(6)の何れか1項に記載の蒸気タービンにおいて、前記複数の動翼は、前記ロータの軸方向において前記第1静翼の下流側に隣接して設けられた第1動翼を含み、前記ロータは、前記第1動翼が固定される第1ディスク部を含み、前記第1ディスク部は、前記軸方向に貫通するバランスホールを有し、前記バランスホールは、前記第1静翼の前記貫通孔を通って前記内輪から前記キャビティに排出された前記蒸気の一部が流入するよう構成される。
 上記(7)に記載の蒸気タービンによれば、内輪における径方向内側端に設けられた内輪シール部を通過する漏洩蒸気の流量と、第1静翼と第1動翼との間からキャビティに流入する漏洩蒸気の流量と、第1静翼の内輪からキャビティに排出された加熱蒸気の流量との合計が、バランスホールを流れる蒸気の流量に等しくなる。かかる構成によれば、第1動翼の翼根部近傍のリーク損失を低減することができる。
 本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、エロージョン及び効率低下を抑制可能な蒸気タービンが提供される。
本発明の一実施形態にかかる蒸気タービン装置2を備える蒸気タービンプラントを示した全体構成図である。 一実施形態に係る蒸気タービン装置2(2A)の概略構成を示す断面図である。 図2に示した蒸気タービン装置2(2A)の部分拡大図である。 図2に示した蒸気タービン装置2(2A)の変形例を示す部分拡大図である。 一実施形態に係る蒸気タービン装置2(2B)の概略構成を示す断面図である。 図5に示した蒸気タービン装置2(2B)の部分拡大図である。 一実施形態に係る蒸気タービン装置2(2C)の概略構成を示す断面図である。 図7に示した蒸気タービン装置2(2C)の部分拡大図である。 第1ディスク部56にバランスホール58を設けた形態を示す断面図である。
 以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
 例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
 例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
 例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
 一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
 図1は、本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンを備える蒸気タービンプラントを示した全体構成図である。図1において、蒸気タービンプラント1は、蒸気タービン装置2と、ボイラ4と、給水ポンプ6と、発電機10と、復水器12と、を備えている。
 図1に示した蒸気タービンプラント1において、ボイラ4で生成された蒸気Stは、蒸気供給管8aを介して、蒸気タービン装置2へ供給される。蒸気タービン装置2に供給された蒸気Stは、蒸気タービン装置2を駆動させた後、復水供給管8bを介して、復水器12へ供給される。そして、復水器12において凝縮された凝縮水は、給水ポンプ6によって加圧されることで、ボイラ水供給管8cを介して、ボイラ水としてボイラ4に供給される。
 図2は、一実施形態に係る蒸気タービン装置2(2A)の概略構成を示す断面図である。
 図2に示すように、蒸気タービン装置2は、ロータ16と、ロータ16を収容するケーシング18と、ロータ16の周りに設けられた複数の動翼20と、ケーシング18に支持された複数の静翼22と、を備える。
 以下では、特記しない限り、ロータ16の径方向を単に「径方向」といい、ロータ16の軸方向を単に「軸方向」といい、ロータ16の周方向を単に「周方向」という。また、特記しない限り、ケーシング18内を流れる主流f(静翼22と動翼20とを交互に通過する軸方向の蒸気流れ)の流れ方向における上流側と下流側をそれぞれ単に「上流側」「下流側」という。
 静翼22の各々は、翼本体部24と、径方向において翼本体部24の内側に位置する内輪26(仕切り板部)と、径方向において翼本体部24の外側に位置する外輪28とを含む。複数の静翼22における初段静翼22fでは、内輪26及び外輪28がケーシング18に結合されており、複数の静翼の22における初段静翼22f以外の静翼22では、外輪28のみがケーシング18に結合されている。また、複数の静翼22は、翼本体部24を径方向に貫通する貫通孔30を有する第1静翼22aを含む。図示する例示的形態では、5つの段落からなる蒸気タービン装置2のうち第4段落の静翼22が第1静翼22aである。
 ロータ16は、第1静翼22aの内輪26の少なくとも一部が収容されるように形成された凹状のキャビティ32を有する。また、蒸気タービン装置2では、ケーシング18内における第1静翼22aより上流側の空間Sから抽出した蒸気を、第1静翼22aの貫通孔30を通って第1静翼22aの内輪26からキャビティ32に排出するよう構成された蒸気通路34が設けられている。
 かかる構成によれば、第1静翼22aより上流側の空間Sから抽出した蒸気の温度は、第1静翼22aの温度より高いため、該蒸気を第1静翼22aの貫通孔30に流すことにより、第1静翼22aを容易に加熱することができる。これにより、第1静翼22aの表面における液滴の発生を抑制し、エロージョンを抑制することができる。
 また、第1静翼22aの貫通孔30を通った蒸気が第1静翼22aの内輪26からキャビティ32に排出されることにより、特許文献1の構成(静翼の内部を通過した蒸気が下流側の動翼の先端に向けて排出される構成)と比較して、ケーシング18内を流れる主流f(静翼22と動翼20とを交互に通過する軸方向の蒸気流れ)と貫通孔30通って排出された蒸気との干渉による損失を低減し、蒸気タービン装置2の効率低下を抑制することができる。
 また、第1静翼22aの上流側からキャビティ32へ流入する漏洩蒸気(主流fからの漏れ流れ)を低減することができるため、該漏洩蒸気に起因する損失を低減し、蒸気タービン装置2の効率低下を抑制することができる。
 この点について、図3を用いてさらに説明する。図3では、矢印Gcは、第1静翼22aの上流側からキャビティ32へ流入する漏洩蒸気の流れ(主流fからの漏れ流れ)を示しており、矢印Grは、第1静翼22aの下流側でキャビティ32から径方向外側へ流出して主流fと干渉する漏洩蒸気の流れを示しており、矢印GLは、第1静翼22aの内輪26からキャビティ32に排出される蒸気(以下、「加熱蒸気」という場合がある。)を示している。
 ここで、漏洩蒸気Grの流量は、漏洩蒸気Gcの流量と加熱蒸気GLの流量との合計に等しく、漏洩蒸気Grの流量は、加熱蒸気GLの有無によってはほとんど変化しないため、キャビティ32へ加熱蒸気GLを導入することにより、主流fからの漏洩蒸気Gcを抑制することができる。したがって、漏洩蒸気Gcに起因する損失を低減することができる。
 なお、蒸気通路34の蒸気出口36は、図3に示すように、第1静翼22aの内輪26における上流側の面38(内輪26における径方向内側端に設けられた内輪シール部40より上流側の面)に設けられてもよいし、図4に示すように、第1静翼22aの内輪26における下流側の面42(内輪26における径方向内側端に設けられた内輪シール部40より下流側の面)に設けられてもよい。図3及び図4の何れの構成においても、上述した漏洩蒸気Gcを抑制する効果を得ることができる。
 一実施形態では、第1静翼22aは、湿り度が3%以上(より好適には10%以上)の領域に設けられる。このような湿り度が高い領域ではエロージョンが発生しやすいため、湿り度が高い領域に設けられた第1静翼22aを貫通孔30に流す蒸気によって加熱することで、第1静翼22aの表面における液滴の発生を抑制し、エロージョンを効果的に抑制することができる。
 一実施形態では、図2に示すように、ケーシング18は、複数の動翼20における初段動翼20fと複数の静翼22における第2段静翼22sとの間の空間S1に対向するチップセクション部44(ケーシング18のうち上記空間S1を囲繞する部分)を含み、蒸気通路34の蒸気入口46は、チップセクション部44に設けられている。
 ケーシング18内において蒸気通路34の蒸気入口46を設ける位置を上流側にするほど蒸気通路34に取り込む蒸気を高温高圧にできるため、第1静翼22aを加熱する観点では、蒸気通路34の蒸気入口46は極力上流側にすることが好ましい。ただし、蒸気通路34に取り込む蒸気の清浄度の観点からは、初段静翼22fを通過した後の蒸気を蒸気通路34に取り込むことが望ましい。
 そこで、上記のように、初段動翼20fと第2段静翼22sとの間の空間S1に対向するチップセクション部44に蒸気通路34の蒸気入口46を設けることにより、ポンプ等を用いなくとも比較的清浄度の高い高温高圧の蒸気を蒸気通路34に取り込んで、第1静翼22aを効果的に加熱することができる。
 また、チップセクション部44には、蒸気が凝縮することで生じる高温のドレンが溜まりやすく、従来はこのドレンが効果的に活用されていなかった。この点、上記のようにチップセクション部44に蒸気入口46を設けることにより、上記空間S1からの蒸気だけでなく、チップセクション部44に溜まった高温のドレンを蒸気通路34に取り込んで、第1静翼22aの加熱に利用することができるため、第1静翼22aを効果的に加熱することができる。
 図5は、一実施形態に係る蒸気タービン装置2(2B)の概略構成を示す断面図である。図6は、図5に示した蒸気タービン装置2(2B)の部分拡大図である。蒸気タービン装置2(2B)に係る基本構成は、蒸気タービン装置2(2A)に係る基本構成と同様であるため、前述の符号と同一の符号を付して説明を省略する。
 図5に示すように、蒸気タービン装置2(2B)では、蒸気通路34の具体的構成が蒸気タービン装置2(2A)と異なる。図6に示すように、蒸気通路34の蒸気入口46は、第1静翼22aの外輪28のうち上流側の面48(外輪28とケーシング18との結合部より上流側の面)に設けられており、蒸気通路34の蒸気出口36は、第1静翼22aの内輪26における下流側の面42に設けられている。図示する形態では、第1静翼22aの内輪26における径方向内側端にラビリンス構造の内輪シール部40が設けられており、蒸気通路34の蒸気出口36は、内輪26における内輪シール部40よりも下流側の面42に設けられている。
 かかる構成では、内輪シール部40の前後で圧力差がつき、第1静翼22aの外輪28の上流側の面42に対向する空間Uの圧力は、第1静翼22aの内輪26における下流側の面48に対向する空間S(S2)の圧力より高い。このため、ポンプ等を用いなくとも該空間S(S2)の蒸気を第1静翼22aの貫通孔30に流すことができる。また、第1静翼22aの外輪28の上流側の面42に対向する空間S(S2)から抽出した蒸気の温度は、第1静翼22aの温度より高いため、抽出した蒸気を第1静翼22aの貫通孔30に流すことにより、第1静翼22aを容易に加熱することができる。これにより、第1静翼22aの表面における液滴の発生を抑制し、エロージョンを簡素な構成で抑制することができる。
 また、第1静翼22aの貫通孔30を通った蒸気が第1静翼22aの内輪26からキャビティ32に排出されることにより、特許文献1の構成(静翼の内部を通過した蒸気が下流側の動翼の先端に向けて排出される構成)と比較して、ケーシング18内を流れる主流f(静翼22と動翼20とを交互に通過する軸方向の蒸気流れ)と貫通孔30通って排出された蒸気との干渉による損失を低減することができる。
 また、第1静翼22aの上流側からキャビティ32へ流入する漏洩蒸気(主流からの漏れ流れ)を低減することができるため、該漏洩蒸気に起因する損失を低減することができる。
 図7は、一実施形態に係る蒸気タービン装置2(2C)の概略構成を示す断面図である。図8は、図7に示した蒸気タービン装置2(2C)の部分拡大図である。蒸気タービン装置2(2C)に係る基本構成は、蒸気タービン装置2(2A,2B)に係る基本構成と同様であるため、前述の符号と同一の符号を付して説明を省略する。
 図7及び図8に示すように、蒸気タービン装置2(2C)では、蒸気通路34の具体的構成が蒸気タービン装置2(2A,2B)と異なる。図8に示すように、蒸気タービン装置2は、複数の静翼22における初段静翼22fと複数の動翼20における初段動翼20fとの間から径方向における内側へ流出する漏洩蒸気Gfをシールするように、軸方向における初段動翼20fより上流側にてロータ16とケーシング18との隙間gに設けられたシール部50を備える。シール部50は、環状構造を有しており、シール部50の内周面とロータ16の外周面との間にラビリンス構造を形成している。
 蒸気タービン装置2(2C)では、初段静翼22fは、径方向に貫通する貫通孔52を含み、蒸気通路34の蒸気入口46は、漏洩蒸気Gfの一部を取り込むように初段静翼22fの内輪26の内周面54に設けられる。
 図7及び図8に示すように、蒸気タービン装置2(2C)の蒸気通路34は、初段静翼22fの貫通孔52及び第1静翼22aの貫通孔30を介して漏洩蒸気Gfの一部をキャビティ32に供給するように構成されている。
 かかる構成においても、初段動翼20fより上流側にてロータ16及びケーシング18に囲まれた空間S(S3)から抽出した漏洩蒸気Gfは、キャビティ32内の蒸気より高温高圧であり、第1静翼22aの温度より高いため、ポンプ等を用いなくとも該漏洩蒸気Gfを第1静翼22aの貫通孔30に流すことが可能であり、第1静翼22aを容易に加熱することができる。これにより、第1静翼22aの表面における液滴の発生を抑制し、簡素な構成でエロージョンを抑制することができる。
 また、第1静翼22aの貫通孔30を通った蒸気が第1静翼22aの内輪26からキャビティ32に排出されることにより、特許文献1の構成(静翼の内部を通過した蒸気が下流側の動翼の先端に向けて排出される構成)と比較して、ケーシング18内を流れる主流f(静翼22と動翼20とを交互に通過する軸方向の蒸気流れ)と貫通孔30通って排出された蒸気との干渉による損失を低減することができる。
 また、第1静翼22aの上流側からキャビティ32へ流入する漏洩蒸気(主流からの漏れ流れ)を低減することができるため、該漏洩蒸気に起因する損失を低減することができる。
 本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
 例えば、図9に示すように、上述した蒸気タービン装置2(2a~2c)において、複数の動翼20のうち、軸方向において第1静翼22aの下流側に隣接して設けられた動翼20を第1動翼20aとし、ロータ16のうち、第1動翼20aが固定されるディスク部を第1ディスク部56とすると、第1ディスク部56は、軸方向に貫通するバランスホール58を有していてもよい。この場合、バランスホール58には、第1静翼22aの貫通孔30を通って第1静翼22aの内輪26からキャビティ32に排出された蒸気GLの一部が軸方向における上流側から流入する。バランスホール58に流入した蒸気は第1ディスク部56の内部を通って第1ディスク部56の下流側に排出される。
 かかる構成では、内輪26における径方向内側端に設けられた内輪シール部40を通過する漏洩蒸気Gbの流量と、第1静翼22aの下流側にて第1静翼22aと第1動翼20aとの間からキャビティ32に流入する漏洩蒸気Grの流量と、第1静翼22aの内輪26からキャビティ32に排出された加熱蒸気GLの流量との合計が、バランスホール58を流れる蒸気Gの流量に等しくなる。かかる構成により、第1動翼20aの翼根部近傍のリーク損失を低減することができる。
 なお、蒸気タービン装置2における最終段の動翼20にバランスホール58を設けると、排気損失が大きくなりやすいため、バランスホール58が設けられる第1動翼20aは、最終段より上流側の段の動翼であることが望ましい。
1 蒸気タービンプラント
2 蒸気タービン装置
4 ボイラ
6 給水ポンプ
8a 蒸気供給管
8b 復水供給管
8c ボイラ水供給管
10 発電機
12 復水器
16 ロータ
18 ケーシング
20 動翼
 20a 第1動翼
 20f 初段動翼
22 静翼
 22a 第1静翼
 22f 初段静翼
 22s 第2段静翼
24 翼本体部
26 内輪
28 外輪
30,52 貫通孔
32 キャビティ
34 蒸気通路
36 蒸気出口
38,42,48 面
40 内輪シール部
44 チップセクション部
46 蒸気入口
50 シール部
54 内周面
56 第1ディスク部
58 バランスホール

Claims (7)

  1.  ロータと、
     前記ロータを収容するケーシングと、
     前記ロータの周りに設けられた複数の動翼と、
     前記ケーシングに支持された複数の静翼と、
     を備える蒸気タービンであって、
     前記静翼は、翼本体部と、前記ロータの径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、
     前記複数の静翼は、前記翼本体部を前記径方向に貫通する貫通孔を有する第1静翼を含み、
     前記ロータは、前記第1静翼の前記内輪の少なくとも一部が収容されるように形成された凹状のキャビティを有し、
     前記ケーシング内における前記第1静翼より上流側の空間から抽出した蒸気を、前記第1静翼の前記貫通孔を通って前記内輪から前記キャビティに排出するよう構成された蒸気通路が設けられた、蒸気タービン。
  2.  前記第1静翼は、湿り度が3%以上の領域に設けられた、請求項1に記載の蒸気タービン。
  3.  前記第1静翼は、湿り度が10%以上の領域に設けられた、請求項2に記載の蒸気タービン。
  4.  前記ケーシングは、前記複数の動翼における初段動翼と前記複数の静翼における第2段静翼との間の空間に対向するチップセクション部を含み、
     前記蒸気通路の蒸気入口は、前記チップセクション部に設けられた、請求項1乃至3の何れか1項に記載の蒸気タービン。
  5.  前記静翼は、前記ロータの径方向において前記翼本体部の外側に位置する外輪を含み、
     前記蒸気通路の蒸気入口は、前記第1静翼の前記外輪における上流側の面に設けられ、
     前記蒸気通路の蒸気出口は、前記第1静翼の前記内輪における下流側の面に設けられた、請求項1乃至3の何れか1項に記載の蒸気タービン。
  6.  前記複数の静翼における初段静翼と前記複数の動翼における初段動翼との間から前記径方向における内側へ流出する漏洩蒸気をシールするように、前記ロータと前記ケーシングとの隙間に設けられたシール部を更に備え、
     前記初段静翼は、前記径方向に貫通する貫通孔を含み、
     前記蒸気通路の蒸気入口は、前記漏洩蒸気の一部を取り込むように構成され、
     前記蒸気通路は、前記初段静翼の前記貫通孔及び前記第1静翼の前記貫通孔を介して前記漏洩蒸気の一部を前記キャビティに供給するよう構成された、請求項1乃至3の何れか1項に記載の蒸気タービン。
  7.  前記複数の動翼は、前記ロータの軸方向において前記第1静翼の下流側に隣接して設けられた第1動翼を含み、
     前記ロータは、前記第1動翼が固定される第1ディスク部を含み、
     前記第1ディスク部は、前記軸方向に貫通するバランスホールを有し、
     前記バランスホールは、前記第1静翼の前記貫通孔を通って前記内輪から前記キャビティに排出された前記蒸気の一部が流入するよう構成された、請求項1乃至6の何れか1項に記載の蒸気タービン。
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