(57)【要約】【課題】ロータとケーシングの熱伸び差を抑制し起動停止時間の短縮に寄与することができる蒸気タービンを提供する。【解決手段】タービン軸方向に並ぶ環状の凹部１１を内周面に有するケーシング１０、ケーシング１０の対応する凹部１１にタービン軸方向に接触する複数のダイアフラム外輪２３、各ダイアフラム外輪２３の内周部に固定したノズル２２、対応するノズル２２に対してタービン軸方向に対向するブレード３２を外周部に有するロータ３０、及びケーシング１０とダイアフラム外輪２３との接触面５２の外周側及び内周側の空間を連通させる蒸気流路５３を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン軸方向に並ぶ環状の凹部を内周面に有するケーシング、
前記ケーシングの対応する凹部にタービン軸方向に接触する複数のダイアフラム外輪、
各ダイアフラム外輪の内周部に固定したノズル、
対応するノズルに対してタービン軸方向に対向するブレードを外周部に有するロータ、及び
前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との接触部の外周側及び内周側の空間を連通させる蒸気流路
を備えたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路を設けたタービン段落よりも下流側の少なくとも１つのタービン段落に、前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間隙をシールするシール部を備えていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項３】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記ノズル及び前記ブレードが臨む主蒸気流路に対し、タービン軸方向に隣接するダイアフラム外輪の間隙が、タービン径方向内側に向かってタービン軸方向の下流側に傾斜して接続していることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項４】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路が、タービン軸方向から見てタービン中心軸に向かって直線状に延伸していることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項５】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路が、タービン軸方向から見てタービン中心軸を通る直線に対してタービン回転方向に傾斜していることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項６】
請求項５の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路が、タービン軸方向から見てタービン径方向外側に凸の曲線状に形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項７】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路が、少なくとも１箇所の屈曲部を有していることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項８】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路が、タービン径方向内側の出口に向かって拡径していることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項９】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路が、タービン径方向内側の出口に向かって縮径していることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１０】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路は、前記ダイアフラム外輪の前記凹部との対向面に設けた溝であることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１１】
請求項１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路の内壁面を含む部分が、前記ダイアフラム外輪の他の部分と線膨張係数が異なる材質で形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１２】
請求項１１の蒸気タービンにおいて、
前記蒸気流路の材料は、前記ダイアフラム外輪の他の部分よりもタービン起動時の温度域における線膨張係数が小さい材料であることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１３】
請求項１−１２のいずれかの蒸気タービン、
前記蒸気タービンにより駆動する発電機、
再生可能エネルギーを利用して発電する再生可能エネルギー発電装置、及び
前記再生可能エネルギー発電装置の出力に応じて前記蒸気タービンを起動及び停止させる制御装置と
を備えたことを特徴とする再生可能エネルギー発電プラント。
【請求項１４】
タービン軸方向に並ぶ環状の凹部を内周面に有するケーシング、前記ケーシングの対応する凹部にタービン軸方向に接触する複数のダイアフラム外輪、各ダイアフラム外輪の内周部に固定したノズル、及び対応するノズルに対してタービン軸方向に対向するブレードを外周部に有するロータを備えた蒸気タービンの運用方法において、
前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との接触部の外周側及び内周側の空間を連通させる蒸気流路を設け、前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪の間隙を流れる漏れ蒸気を前記接触部の外周側から内周側に前記蒸気流路を介して流通させることを特徴とする蒸気タービンの運用方法。
【請求項１５】
タービン軸方向に並ぶ環状の凹部を内周面に有するケーシング、前記ケーシングの対応する凹部にタービン軸方向に接触する複数のダイアフラム外輪、各ダイアフラム外輪の内周部に固定したノズル、及び対応するノズルに対してタービン軸方向に対向するブレードを外周部に有するロータを備えた蒸気タービンの改造方法において、
前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との接触部の外周側及び内周側の空間を連通させる蒸気流路を設けることを特徴とする蒸気タービンの運用方法。
【請求項１６】
タービン軸方向に並ぶ環状の凹部を内周面に有するケーシングの対応する凹部にタービン軸方向に接触するダイアフラム外輪において、
前記ケーシングとの接触部の外周側及び内周側の空間を連通させる蒸気流路を備えたことを特徴とするダイアフラム外輪。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンにおいては、熱効率の低下を抑制するために、軸方向に隣り合うダイアフラム外輪間の隙間をシールして当該隙間から高温蒸気（作動流体主流）への低温蒸気の混入を抑制するのが通常である（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−９７５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エネルギー有効利用と地球環境保全の観点から、再生可能エネルギーを利用して発電する再生可能エネルギー発電プラントの増加が見込まれている。ところが再生可能エネルギー発電プラントは天候等によって発電量が大きく変動する。そこで、再生可能エネルギー発電プラントの発電量の不足分を補うために蒸気タービンを含む発電プラント（以下、蒸気タービンプラント）等の火力発電プラントを組み合わせることが考えられる。再生可能エネルギー発電プラントに蒸気タービンプラントを組み合わせる場合、再生可能エネルギー発電プラントの出力変動に柔軟に対応するために蒸気タービンプラントの起動・停止時間を短縮する必要がある。
【０００５】
しかし、蒸気タービンプラントを高速で起動・停止させる際には、ロータとケーシングとの温度上昇速度の違いが大きくなり、これに伴ってケーシングとロータの熱膨張量の差（熱伸び差）が増大する。特に軸方向に隣接するダイアフラム外輪間の隙間をシールした構成では、ダイアフラム外輪とケーシングの間に流入した蒸気は逃げ場がないため淀んでしまい、蒸気からケーシングへの伝熱が抑えられ起動時のロータとケーシングの熱伸び差をかえって増大させる懸念がある。熱伸び差が過大になると回転するロータがケーシングに接触し、機器信頼性や性能を低下させ得る。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、ロータとケーシングの熱伸び差を抑制し起動停止時間の短縮に寄与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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、タービン軸方向に並ぶ環状の凹部を内周面に有するケーシング、前記ケーシングの対応する凹部にタービン軸方向に接触する複数のダイアフラム外輪、各ダイアフラム外輪の内周部に固定したノズル、対応するノズルに対してタービン軸方向に対向するブレードを外周部に有するロータ、及び前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との接触部の外周側及び内周側の空間を連通させる蒸気流路を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ロータとケーシングの熱伸び差を抑制し起動停止時間の短縮に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの上半部の部分断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪の斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪の斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪の斜視図であり、図２に対応する図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪の斜視図であり、図３に対応する図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪の蒸気流路の一例を表した模式図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪をタービン軸方向から見て表した模式図であり、蒸気流路をタービン径方向内側の出口に向かって拡径させた例について上図及び下図に熱膨張前後の状態を対比して表す図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪をタービン軸方向から見て表した模式図であり、蒸気流路をタービン径方向内側の出口に向かって縮径させた例について上図及び下図に熱膨張前後の状態を対比して表す図である。
【図９】本発明に係る蒸気タービンを含む再生可能エネルギー発電プラントの系統図である。
【図１０】比較例に係る蒸気タービンの上半部の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
〔第１の実施の形態〕
１．蒸気タービン
図１は本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの上半部の部分断面図である。
【００１２】
図示した蒸気タービンは、蒸気タービンの円筒状の外殻であるケーシング（車室）１０と、ケーシング２０内にタービン軸方向に並べて収容された環状の複数のダイアフラム２０と、これらダイアフラム２０の内周側に設けたロータ３０とを備えている。
【００１３】
ケーシング１０は、タービン軸方向に並ぶ環状の凹部１１を内周面に有している。凹部１１はタービン径方向の外側に窪んだリング状の溝である。
【００１４】
ロータ３０は、タービン軸方向に所定間隔で配置した円板状のディスク部３１と、各ディスク部３１の外周部に周方向（回転方向）に所定間隔で配列したブレード（動翼）３２とを備えている。同一のディスク３１に設けた複数のブレード３２は１つの翼列を構成する。ロータ３０の両端部は、ケーシング１０の軸封部（不図示）を貫通し、それぞれ軸受（不図示）により支持されている。特に図示していないが、ロータ３０には発電機等の負荷機器が接続されている。
【００１５】
ダイヤアラム２０はディスク部３１と同程度の間隔でタービン軸方向に配置されていて、それぞれタービン径方向の内周側から順に、ダイアフラム内輪２１、ノズル（静翼）２２、ダイアフラム外輪２３を有している。ダイアフラム内輪２１はディスク部３１に対してタービン軸方向に対向していて、外形寸法は対向するディスク部３１と同程度である。ノズル２２は各ダイアフラム内輪２１の周囲に環状に複数配列されていて、ダイアフラム内輪２１の外周部及びダイアフラム外輪２３の内周部に両端が固定されている。同一のダイアフラム内輪２１に設けた複数のノズル２２は１つの翼列を構成し、ノズル２２の翼列はロータ３０のブレード３２の翼列とタービン軸方向に交互に存在する。ノズル２２の各翼列は、タービン軸方向（同図中の左右方向）における下流側に対向するブレード３２の翼列と各々一つの段落を構成する。タービン軸方向の下流側とは、主流蒸気ＭＳの流通方向の下流側（同図中における左側）をいう。各段落のノズル２２及びブレード３２が臨むタービン軸方向に延びる環状の流路が、主流蒸気ＭＳが通過する主流蒸気流路４０である。主蒸気流路４０の内周面はダイアフラム内輪２１及びディスク部３１の外周面で画定され、主蒸気流路４０の外周面はダイアフラム外輪２３の内周面で画定される。
【００１６】
主蒸気流路４０を流れる主流蒸気ＭＳが各段落のノズル２２及びブレード３２の翼列を通過することによってロータ３０が回転し、ロータ３０の回転動力が発電機で電気エネルギーに変換される。
【００１７】
２．ダイアフラム外輪
ダイアフラム外輪２３は、ノズル２２を支持するディスク部２４と、ディスク部２４からタービン軸方向に延伸するスペーサ部２５とを有している。同図ではタービン軸方向の下流側にスペーサ部２５を延在させた場合を例に挙げて説明しているが、上流側に延在させる構成、又は上流側及び下流側に延在させる構成もあり得る。スペーサ部２５の先端面と当該先端面に対向するダイアフラム外輪２３との間にはダイアフラム外輪２３の熱伸びを許容する間隙４１が介在する。ディスク部２４はスペーサ部２５に対してタービン径方向の外周側に突出している。また、ディスク部２４及びスペーサ部２５とケーシング１０との間には段付き円筒状の間隙４２が介在する。
【００１８】
ダイアフラム外輪２３のディスク部２４の外径はケーシング１０の凹部１１の最内径（スペーサ部２５の内径）よりも大きく設定されていて、ダイアフラム外輪２３のディスク部２４の外周部はケーシング１０の対応する凹部１１の内部にある。したがって、ダイアフラム外輪２３はケーシング１０の凹部１１によってタービン軸方向の移動を制限される。タービン運転中は主流蒸気ＭＳによってノズル２２が付勢されるので、図１に示したように各ダイアフラム外輪２３はディスク部２４のタービン軸方向下流側を向いた面で凹部１１の対向面（タービン軸方向上流側を向いた面）に接触する。このタービン運転中に凹部１１に接触する各ダイアフラム外輪２３の部分を「接触面」とする。
【００１９】
このとき、説明の便宜上、同図に示した４段落のダイアフラム外輪２３にタービン軸方向の上流側から順に符号２３ａ−２３ｄを付すと、下流側のダイアフラム外輪２３ｃ，２３ｄの接触面５１は全周にわたって平滑に形成されている。即ちこれら接触面５１は全周にわたって対応する凹部１１に接触し、間隙４２を遮断するシール面を構成する。一方、上流側のダイアフラム外輪２３ａ，２３ｂの接触面５２には溝が切られている。但し、接触面５１は、最も下流側の接触面５２よりも下流側に少なくとも１段落あれば良いので、図１の例の場合、ダイアフラム外輪２３ｃ，２３ｄのいずれか一方の接触面はシール面を備えない構成（例えば接触面５２のように溝を有する構成）であっても構わない。
【００２０】
また、シール面である接触面５１よりもタービン軸方向の上流側においては、少なくとも１つの段落のダイアフラム外輪２３とそのタービン軸方向に隣接するダイアフラム外輪２３との間の間隙４１がタービン径方向内側に向かってタービン軸方向の下流側に傾斜して主蒸気流路４０に接続している。本実施の形態においては、ダイアフラム外輪２３ｂ，２３ｃの間隙４１（４１ｂ）が傾斜して主蒸気流路４０に接続していて、ダイアフラム外輪２３ａ，２３ｂの間隙４１（４１ａ）は主流蒸気流路４０に対してタービン中心軸ＣＬに直交する面に沿って接続している例を図示している。
【００２１】
図２はダイアフラム外輪２３ａの斜視図である。
【００２２】
同図に示すように、ダイアフラム外輪２３ａの接触面５２には放射状に配設した複数の溝が設けられていて、これら溝が蒸気流路５３を構成している。したがって、下流側のダイアフラム２３ｃ，２３ｄとは異なり、接触面５２によって間隙４２は遮断されず、タービン運転中でも接触面５２のタービン径方向の外周側及び内周側の空間（間隙４２）が蒸気流路５３によって連通するように構成されている。蒸気流路５３の断面形状は半円形である。但し、蒸気流路５３の断面積や本数、断面形状等について特に制限はない。また、本実施の形態においては、蒸気流路５３はタービン中心軸ＣＬ（図１参照）に向かって直線的に延在していて、タービン径方向位置による断面積の変化はない。蒸気流路５３の構成についてはダイアフラム外輪２３ｂも同様である。
【００２３】
なお、図２ではディスク部２４の外周面からスペーサ部２５の外周面に至るまで蒸気流路５３を延在させた場合を図示したが、要は接触面５２の外周側と内周側の間隙４２が連通すれば良いので、スペーサ部２５の外周面に至るまで蒸気流路５３を延在させる必要はない。
【００２４】
３．比較例
図１０は比較例に係る蒸気タービンの上半部の部分断面図である。
【００２５】
同図に示した蒸気タービンにおいては、全段落のダイアフラム外輪ＤＯがケーシングＣＳに対してシール面ＳＳによって接触している。したがって、ダイアフラム外輪ＤＯとケーシングＣＳの間の間隙ＧＰは各段落においてシール面ＳＳによって遮断されている。この蒸気タービンは、起動時に主蒸気流路ＭＰや漏れ蒸気流路ＬＰを蒸気が流通することによって暖められて各部が熱膨張する。上記流路ＬＰとは、図１０に示したように、間隙ＧＰを含め、例えばタービン軸方向に隣接するダイアフラム外輪ＤＯの間の間隙やダイアフラム内輪ＤＩとロータＲＴとの間の間隙を指す。
【００２６】
このとき、ロータＲＴについては、ダイアフラム内輪ＤＩとの間の漏れ蒸気流路ＬＰに蒸気ＬＳ１が流通するので蒸気ＬＳ１からの伝熱によって比較的暖まり易い。それに対し、ケーシングＣＳについては、ダイアフラム外輪ＤＯとの間の漏れ蒸気流路ＬＰに流入した蒸気ＬＳ２がシール面ＳＳで遮断されるため、温度が低下した蒸気ＬＳ２が間隙ＧＰに滞留してしまう。そのため、ダイアフラム外輪ＤＯとの間の漏れ蒸気流路ＬＰには高温の主流蒸気ＭＳが流入して来ず、蒸気ＬＳ１からロータＲＴへの伝熱効率に比べて蒸気ＬＳ２からケーシングＣＳへの伝熱効率が低くなる。その結果ロータＲＴに比べてケーシングＣＳの昇温が遅れ、ケーシングＣＳの熱伸びよりもロータＲＴの熱伸びが一時的に大きくなって熱伸び差が過度に大きくなり得る。
【００２７】
蒸気タービンの停止時においては、タービンに通流する蒸気の温度低下に伴ってタービン各部が冷却されて収縮する。この際、起動時と同様の理由でケーシングＣＳへの伝熱（冷却）がロータＲＴよりも遅くなるため、ケーシングＣＳの熱伸びがロータＲＴの熱伸びよりも過渡的に大きくなり、やはり熱伸び差が過大となり得る。
【００２８】
４．効果
（１）熱伸び差の抑制
本実施の形態では、蒸気流路５３を設けたことによって接触面５２の上流側及び下流側の間隙４２が連通し、ケーシング１０に沿った間隙４２に間隙４１（図１では例えば接触面５１に最も近い間隙４１ｂ以外の間隙すなわち間隙４１ａ等）を介して高温の主流蒸気ＭＳが漏れ蒸気ＬＳ２として流入する。勿論、さらに上流側の段落の間隙４２においても同じように漏れ蒸気ＬＳ２の流れが生じる。間隙４２を流れる漏れ蒸気ＬＳ２はケーシング１０に伝熱し、その後、間隙４１（図１では例えば接触面５１に最も近い間隙４１ｂ）を通って主蒸気流路４０（ダイアフラム外輪２３ｃのノズル２２の上流側）に戻る。この結果、間隙４１，４２における漏れ蒸気ＬＳ２の流通速度が増加するため、比較例に対して漏れ蒸気ＬＳ２からケーシング１０への伝熱効率が向上する。したがって、蒸気タービンの起動時や停止時におけるケーシング１０とロータ３０との間の熱伸び差を抑制することができるので、主流蒸気ＭＳの時間当たりの温度変化の増大を許容して蒸気タービンの起動停止時間の短縮に寄与し得る。
【００２９】
（２）動力損失の低減
仮に全段落のダイアフラム外輪２３に蒸気流路５３を設けた場合、主蒸気流路４０に戻らずに蒸気タービンを通過してしまう漏れ蒸気ＬＳ２が増加し、それだけ主蒸気流路４０でロータ３０に動力を付与する主流蒸気ＭＳが減少する。そこで、本実施の形態では、蒸気流路５３を持つダイアフラム外輪２３よりも下流側の少なくとも１つの段落のダイアフラム外輪２３については接触面５１で間隙４２を遮断する構成とし、間隙４２を流れる漏れ蒸気ＬＳ２が再び主蒸気流路４０に戻るようにしている。このようにして主蒸気流路４０から外れて一旦間隙４１，４２に流入した漏れ蒸気ＬＳ２が主流蒸気流路４０に戻って、最終的にはタービン動作部（ノズル２２及びブレード３２の翼列）を通過して動力発生に利用されるので、エネルギー損失を抑制することができる。
【００３０】
加えて、間隙４２を通過した漏れ蒸気ＬＳ２が主蒸気流路４０に戻る流路すなわち間隙４１（主に間隙４１ｂ）を、タービン中心軸ＣＬに直交する面に対して主流蒸気ＭＳの流れ方向の下流側に傾斜して主蒸気流路４０に接続させたので、漏れ蒸気ＬＳ２の合流に伴う主流蒸気ＭＳのエネルギー損失を抑えることができる。
【００３１】
（３）製作容易性の確保
蒸気流路５３はダイアフラム外輪２３の接触面５２の表面に放射状（直線状）に形成した溝で構成してあるため簡素に形成することができる。例えばダイアフラム外輪２３の構造体を貫通する管路で蒸気流路５３を構成する場合に比べても構造が単純であり、容易に製作することができ、製造コストも抑制することができる。また、ダイアフラム外輪２３の接触面５２に溝を設けるだけの簡単な構成であるため既存設備を加工して本実施の形態のダイアフラム外輪２３を作成することも容易である。
【００３２】
〔第２の実施の形態〕
図３は本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪の斜視図である。同図は第１の実施の形態の図２に対応する図であり、同図に示したダイアフラム外輪は図２に示したものに対応するものとする。
【００３３】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、ダイアフラム外輪２３Ａａの接触面５２に設けた蒸気流路５３Ａがタービン軸方向から見てタービン中心軸ＣＬ（図１参照）を通る直線に対してタービン回転方向に傾斜している点である。
【００３４】
タービン回転方向のいずれの側に傾斜するかは必ずしも限定されないが、本実施の形態ではタービン中心軸ＣＬに向かってタービン回転方向の前方側（図中の矢印方向）に傾斜していることとする。また、蒸気流路５３Ａは直線状に延在する構成でも良いが、本実施の形態ではタービン軸方向から見てタービン径方向外側に凸の曲線状に延在している。他の構成すなわち蒸気流路５３Ａ以外の構成については第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
本実施の形態では、ダイアフラム外輪２３ａ，２３ｂに設けた蒸気流路５３Ａがタービン径方向内側に向かってタービン回転方向に傾斜しているので、タービン回転方向への旋回成分を持って間隙４２を流れる漏れ蒸気ＬＳ２が円滑に蒸気流路５３Ａに流入する。そのため、間隙４２から蒸気流路５３に漏れ蒸気ＬＳ２が流入するときの流れの転向角度を抑えることができ、それだけ蒸気の流体エネルギーの損失を抑制することができる。特に本実施の形態の場合、タービン軸方向から見てタービン径方向外側に凸の曲線状に蒸気流路５３Ａを形成しているので、間隙４２から蒸気流路５３に漏れ蒸気ＬＳ２が流入するときの流れの転向角度の抑制に効果的である。
【００３６】
また、このように蒸気流路５３Ａを曲線状に形成すると、直線状に形成した場合に比べて流路内における蒸気の転向に伴って流路壁面（ケーシング側を含む）への伝熱量が増加することにより、起動時の車室ケーシングの温度上昇が促進されて熱伸び差のさらなる抑制効果が期待できる。
【００３７】
さらに、蒸気流路５３Ａを傾斜させたことにより、蒸気流路５３Ａを通過した後の漏れ流れＬＳ２に主流蒸気ＭＳと同方向の旋回成分が維持されるので、漏れ蒸気ＬＳ２が主流蒸気ＭＳに合流する際の損失も抑えることができる。なお、漏れ蒸気ＬＳ２に積極的に旋回成分を付与する観点では、蒸気流路５３Ａの入口側の部分を図３のようにタービン径方向の外側に凸となる曲線状に形成する一方で、蒸気流路５３Ａの出口側の部分をタービン径方向の内側に凸となるように変曲させることも考えられる。
【００３８】
〔第３の実施の形態〕
図４及び図５は本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪の斜視図である。図４及び図５は前の各実施の形態のそれぞれ図２及び図３に対応する図であり、図示したダイアフラム外輪は図２及び図３に示したものに対応するものとする。
【００３９】
本実施の形態が前の各実施の形態と相違する点は、ダイアフラム外輪２３Ｂａ（図４参照）及び２３Ｃａ（図５参照）の接触面５２に設けた蒸気流路５３Ｂ（図４参照）及び５３Ｃ（図５参照）の内壁面を含む部分が、それぞれダイアフラム外輪の他の部分（例えば接触面５２）と線膨張係数が異なる材料で形成されている点である。
【００４０】
他の構成は第１及び第２の実施の形態と同様であり、本実施の形態によれば、前の各実施の形態と同様の効果に加えて次の効果が得られる。
【００４１】
蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃの材料としては、ダイアフラム外輪２３Ｂａ，２３Ｃａの他の部分よりもタービン起動過程（定格運転に移行する前）の初期段階或いは前半の主流蒸気ＭＳの温度域における線膨張係数が小さい材料が望ましい。この場合、タービン起動過程の初期段階における蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃの付近の熱による変形量が他の部分に比べて小さいため、ダイアフラム外輪２３Ｂａ，２３Ｃａの熱膨張による蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃの流路断面の収縮を抑制することにより、タービン起動時に蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃに積極的に漏れ蒸気ＬＳ２を通流させることができる。その結果、ケーシング１０への伝熱を促進することができ、ケーシング１０とロータ３０との熱伸び差をより効果的に抑制し得る。
【００４２】
加えて、タービン起動過程の完了段階或いは後半の主流蒸気ＭＳの温度域における蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃの材料の線膨張係数がダイアフラム外輪２３Ｂａ，２３Ｃａの他の部分のそれよりも大きい場合には、タービン起動完了付近になって主流蒸気ＭＳ及び漏れ蒸気ＬＳ２が昇温すると、ダイアフラム外輪２３Ｂａ，２３Ｃａの外周部の材料の熱膨張により蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃの流路断面が縮小する。その結果、蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃを流れる蒸気流量が減少するため、ケーシング１０への過剰な伝熱すなわち放熱損失を抑制できると同時に主蒸気流路４０を流れる主流蒸気ＭＳの減少を抑制できるので、起動完了付近から以降のタービン効率を高く維持できる。
【００４３】
したがって、ダイアフラム外輪２３Ｂａ，２３Ｃａの他の部分の材料よりも、タービン起動過程では初期段階の温度域の線膨張係数が小さく、かつタービン起動過程の完了段階の温度域では線膨張係数が大きい特性を併せ持つ材料で蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃを形成すれば、起動初期のケーシング１０とロータ３０との熱伸び差、及び起動完了付近以降のタービン効率の低下の双方を効果的に抑制することができるので、より好ましい。
【００４４】
また、本実施の形態の場合、上記のようにタービン起動過程における蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃの断面積を適時に変化させるのに、蒸気流路５３Ｂ，５３Ｃの開口面積又は蒸気流量の制御のための特別なセンサ類や制御装置を必要としない。この点も利点である。
【００４５】
〔第４の実施の形態〕
図６は本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪の蒸気流路の一例を表した模式図である。
【００４６】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、ダイアフラム外輪に設けた蒸気流路が屈曲している点である。同図では折線状に形成した蒸気流路５３Ｄを図示しているが、蒸気流路５３Ｄの一部又は全部を曲線状に屈曲させても良い。また、蒸気流路５３Ｄの屈曲部は１箇所に限らず複数個所あっても良く、また、正弦曲線状やジグザグ状等を含めて屈曲方向が１回以上変化する形状でも良い。一部が屈曲した形状の他、全体が屈曲し合形状であっても良い。気流路５３Ｄの屈曲方向にも特別な制限はない。例えばタービン軸方向から見て屈曲した構成の他、タービン回転方向を含めて他の方向から見て屈曲した形状でも良い。また、二次元的な屈曲形状（平面内で屈曲する形状）の他、三次元的に屈曲した形状も含まれる。既述した実施の形態における図３及び図５に例示した蒸気流路５３Ａ，５３Ｃのような溝形状も一例である。
【００４７】
他の構成は第１の実施の形態と同様であり、本実施の形態によれば第１の実施の形態と同様の効果に加えて次の効果が得られる。
【００４８】
本実施の形態において、蒸気流路５３Ｄは屈曲部を有しているため、ダイアフラム外輪の接触面５２が昇温するとダイアフラム外輪の熱膨張に伴って少なくとも一部の流路断面積が縮小する。例えば図６において蒸気流路５３Ｄの右側の接触面５２の左側の接触面５２に対する相対位置がタービン径方向外側及び回転方向のいずれに近付いたとしても、蒸気流路５３には他の部分に比して大きく流路断面積が減少する箇所（図では幅Ｗ’，Ｗ”の箇所）が生じることになる。
【００４９】
例えば第１の実施の形態のようなタービン径方向に直線的に延びる蒸気流路５３の場合、接触面５２が等方的に膨張し蒸気流路５３の流路幅も概ね相似的に変化するため蒸気流路５３の特定の部位が他の部位に比して大きく流路断面積を減少させるということは生じ難い。それに対し、本実施の形態のように屈曲部を持つ蒸気流路５３Ｄであれば、接触面５２内の応力や拘束力のバランスにより変位方向が各部で非等方的になり易い。そのため、ダイアフラム外輪の昇温に伴って蒸気流路５３Ｄを通過する蒸気流量を削減する効果が大きくなり、第３の実施の形態と同様に起動完了付近以降のタービン効率を高く維持する効果が期待できる。
【００５０】
また、第２の実施の形態と同じ様に、蒸気流路５３Ａを屈曲させて形成することで、直線状に形成した場合に比べて流路内における蒸気流れの転向に伴う流路壁面（ケーシング側を含む）への伝熱増加により、起動時の車室ケーシングの温度上昇が促されて熱伸び差のさらなる抑制効果が期待できる。
【００５１】
さらに、第３の実施の形態と同じ様に、タービン起動過程における蒸気流路５３Ｄの断面積を適時に変化させるのに、蒸気流路５３Ｄの開口面積又は蒸気流量の制御のための特別なセンサ類や制御装置を必要としない。この点も利点である。
【００５２】
〔第５の実施の形態〕
図７及び図８は本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられたダイアフラム外輪をタービン軸方向から見て表した模式図である。
【００５３】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、ダイアフラム外輪２３Ｅａに設けた蒸気流路５３Ｅの流路断面積が入口側と出口側とで異なる点である。蒸気流路５３Ｅをタービン径方向内側の出口に向かって拡径させた例を図７に示してある。同図の上図がダイアフラム外輪２３Ｅａの熱膨張前の状態、下図がダイアフラム外輪２３Ｅａの熱膨張後の状態を表している。熱膨張の前後とも蒸気流路５３Ｅの流路断面積は入口側よりも出口側が大きいこととする。一方、蒸気流路５３Ｅをタービン径方向内側の出口に向かって縮径させた例を図８に示してある。上下の図がそれぞれダイアフラム外輪２３Ｅａの熱膨張前後の状態を表している。同図の例では、熱膨張の前後とも蒸気流路５３Ｅの流路断面積は入口側よりも出口側が小さいこととする。
【００５４】
他の構成は第１の実施の形態と同様であり、本実施の形態によれば第１の実施の形態と同様の効果に加えて次の効果が得られる。
【００５５】
ダイアフラム外輪２３Ｅａには、タービン径方向の外周側の部分が内周側の部分よりも温度が低くなる傾向がある。本実施の形態はこの特性を利用するものであり、蒸気タービン起動・停止過程における蒸気流路５３Ｅを流通する漏れ蒸気ＬＳ２の流量を制御して、起動停止過程におけるケーシング１０及びロータ３０の熱伸び差の抑制、及び定格運転中のタービン効率の低下抑制を図る。第３及び第４の実施の形態と同様、タービン起動過程における蒸気流路５３Ｅの断面積を適時に変化させるのに、蒸気流路５３Ｅの開口面積又は蒸気流量の制御のための特別なセンサ類や制御装置を必要としない利点もある。
【００５６】
（１）拡大流路の利点
図７に例にした拡大する蒸気流路５３Ｅの利点を説明する。まず、温度上昇が比較的小さい期間、例えばタービン起動過程における初期段階から中間段階までの期間では、蒸気流路５３Ｅは上図のように出口に向かって拡大するため通過する漏れ蒸気ＬＳ２の圧力損失が小さく、吸引作用によって蒸気流路５３Ｅに漏れ蒸気ＬＳ２が積極的に流入しケーシング１０への伝熱促進が期待できる。次に、例えばタービン起動過程が完了段階に差し掛かってから以降の期間では、ダイアフラム外輪２３Ｅの外周部の熱膨張によって蒸気流路５３Ｅの入口が狭まる。ダイアフラム外輪２３Ｅａのタービン起動過程における温度変化幅が内周側よりも外周側で大きくなる傾向があり、ダイアフラム外輪５３Ｅａの熱膨張による蒸気流路５３Ｅの断面積の縮小度合は出口側よりも入口側が大きくなるためである。このように入口側を流路の最小断面積とすることでダイアフラム外輪２３Ｅａの熱膨張により大きく流路を絞ることができるので、タービン起動過程の完了段階に差し掛かってから以降に蒸気流路５３Ｅを通過する漏れ蒸気ＬＳ２の流量を効果的に抑制することができ、定格運転時の高いタービン効率を確保することができる。
【００５７】
（２）縮小流路の利点
図８に示した縮小する蒸気流路５３Ｅの利点は、比較的設計が容易で安定的な運転が期待できることにある。
【００５８】
タービン起動過程で熱伸び差を抑制しつつ定格運転中のタービン効率を高く保つために蒸気流路５３Ｅを流れる蒸気流量をいつ減少させるかはプラントの形状や運転方法によって異なるが、蒸気流路５３Ｅを流れる蒸気流量を適時に減少させるにはタービン起動過程における蒸気流路５３Ｅの通過流量の変化が予測し易い形状であることが重要である。蒸気流路５３Ｅを通る漏れ蒸気ＬＳ２の流量は蒸気流路５３Ｅの最小断面積に影響を受ける。図８の例ではダイアフラム外輪２３Ｅａが昇温した後も出口側の断面積が入口側よりも小さく維持されるように蒸気流路５３Ｅを形成してある。すなわち、同図の構成にあっては蒸気流路５３Ｅを流れる漏れ蒸気ＬＳ２の流量変化は出口面積の変化に依存する。蒸気流路５３Ｅにおいては、主流蒸気ＭＳが流れる主蒸気流路４０に近い出口は、主流蒸気ＭＳに比して小流量の漏れ蒸気ＬＳ２が流通する狭隘な間隙４２（図１参照）に近い入口側と比べて主流蒸気ＭＳに対する温度追従性が高い。そのため、蒸気流路５３の壁面温度は入口側よりも出口側の方が予測し易い。したがって、蒸気流路５３Ｅを流れる漏れ蒸気ＬＳ２の流量変化が出口面積の変化に依存する本例においては、所望の流量計画に応じた蒸気流路５３Ｅの断面積の設定が容易であり、タービン運転中の蒸気流路５３Ｅを計画に沿って絞り易く安定的な運転が期待できる。
【００５９】
〔再生可能エネルギー発電プラント〕
図９は本発明に係る蒸気タービンを含む再生可能エネルギー発電プラントの系統図である。
【００６０】
同図に示した再生可能エネルギー発電プラント３００は、コンバインドサイクル発電プラント２００、再生エネルギー発電装置３５０、及び制御装置３５２を備えている。
【００６１】
コンバインドサイクル発電プラント２００は、蒸気タービンプラント１００、及びガスタービン１５０を備えている。
【００６２】
蒸気タービンプラント１００は、蒸気タービン１０１、排熱ボイラ１０２、蒸気加減弁１０３、制御装置１０４、発電機１０５等を備えている。蒸気タービン１０１は先に説明した少なくとも１つの実施の形態に係る蒸気タービンであり、単数の場合も複数の場合もある。排熱ボイラ１０２は、蒸気タービン１０１を駆動する主流蒸気ＭＳを発生させる蒸気発生源である。蒸気加減弁１０３は排熱ボイラ１０２から蒸気タービン１０１への主流蒸気ＭＳの流量を制御する弁である。制御装置１０４は主流蒸気ＭＳの温度や圧力に応じて蒸気加減弁１０３の開度を制御する制御装置である。発電機１０５は蒸気タービン１０１により駆動されて発電する。特に図示していないが、蒸気タービン１０２を駆動して排出される蒸気は復水器で復水されて排熱ボイラ１０２に戻される。
【００６３】
ガスタービン１５０は、空気を圧縮する圧縮機１５１、圧縮機１５１からの圧縮空気を燃料とともに燃焼する燃焼器１５２、燃焼器１５２からの燃焼ガスで駆動するタービン１５３を備えている。ガスタービン１５０の回転軸には発電機１５４が接続されていて、タービン１５３の回転動力が電気エネルギーに変換される。ガスタービン１５０の排気ガスは蒸気タービンプラント１００の排熱ボイラ１０２に熱源として供給される。
【００６４】
再生可能エネルギー発電装置３５０は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置である。再生可能エネルギー発電装置３５０の例としては、太陽光を利用して発電する太陽光発電装置、風力を利用して発電する風力発電装置等が挙げられる。再生可能エネルギー発電装置３５０の発電出力は電力計３５１で測定され、測定された発電出力は制御装置３５２に出力される。
【００６５】
制御装置３５２は、再生可能エネルギー発電装置３５０の発電量に応じて蒸気タービンプラント１００の制御装置４に蒸気タービンプラント１００の起動停止プログラムを実行させるものである。制御装置３５２は、例えば、再生可能エネルギー発電装置３５０の発電出力に対して設定された閾値を格納していて、電力計３５１で測定された発電出力が閾値を下回った場合に制御装置４に起動手順を実行させる信号を出力する。また、再生可能エネルギー発電プラント３５０の発電出力が閾値以上に回復したら蒸気タービンプラント１００を停止させる信号を制御装置４に出力する構成とすることもできる。その他、天候等の情報から予測される再生可能エネルギー発電装置３５０の発電出力の変動に基づいて、再生可能エネルギー発電装置３５０の発電出力がその後閾値を下回ることが予想されたら制御装置４に起動プログラムを実行させる信号を出力する構成とすることもできる。
【００６６】
このような再生可能エネルギー発電プラントにおいては、不安定な再生可能エネルギー発電装置３５０の発電出力の変動に柔軟に対応して蒸気タービン１０１を起動及び停止させる必要がある。前述した通り、本発明は蒸気タービンの起動及び停止の時間短縮に寄与するため、再生可能エネルギー発電装置３５０に組み合わせて安定した発電出力を確保し得る再生可能エネルギー発電プラント３００を構成することができる。
【００６７】
なお、図９に示した再生可能エネルギー発電プラント３００は一構成例であり、構成は適宜変更可能である。例えば、コンバインドサイクル発電プラント２００をボイラ発電プラントで代替することができる。具体的には、ガスタービン１５０及び排熱ボイラ１０２が、燃料を燃焼して蒸気を発生させるボイラ（石炭火力ボイラ）に代わる構成である。石炭火力ボイラと蒸気タービンを組み合わせた石炭火力発電プラントにも本発明は適用可能である。
【００６８】
〔その他〕
各実施の形態ではケーシング１０の凹部１１の壁面に対向する接触面５２に蒸気流路５３，５３Ａ−５３Ｅを設けた場合を例に挙げて説明したが、この限りではない。蒸気流路はケーシング１０の凹部１１とダイアフラム外輪５３との接触部のタービン径方向外周側及び内周側の間隙４２を連通させる流路であるため、ダイアフラム外輪２３の接触面５２に対向する凹部１１側の接触面に溝を設けて構成することもできる。この場合、蒸気流路の方向や幅が前述の図２、図３、図７、図８と同様になるようにケーシング１０における凹部１１の接触面上に溝を形成し、また、前述の図４や図５と同様に溝部分の材質を接触面の他の部分と異なる線膨張係数の材質で構成することで、第１−第５の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、ダイアフラム外輪２３又は凹部１１の表面に設けた溝でなくとも、製作工数等を考慮から外せば、例えばダイアフラム外輪２３又はケーシング１１に両者の接触部を迂回して開けた孔で蒸気流路を構成することもできる。
【００６９】
また、接触面５１，５２や蒸気流路５３，５３Ａ−５３Ｅをタービン中心軸ＣＬと直交する面に沿って形成した場合を例に挙げて説明したが、この限りではない。例えば接触面５１，５２や蒸気流路５３，５３Ａ−５３Ｅがタービン径方向内側に向かってタービン軸方向の下流側に傾斜した構成であっても良い。
【００７０】
また、ケーシング１０との間隙４２のシール面を構成する接触面５１を持つダイアフラム外輪２３（図１ではダイアフラム外輪２３ｃ）と１つ上流側のダイアフラム外輪２３（図１ではダイアフラム外輪２３ｂ）の間隙４１ｂをタービン径方向内側に向かって下流側に傾斜させた場合を例として説明したが、その他、間隙４１ａ，４１ｂの双方が傾斜して主蒸気流路４０に接続する構成、或いは他の間隙４１ａと同じように間隙４１ｂをタービン中心軸ＣＬと直交する面に沿う形状とする構成であってもよい。これらの場合には、各段落のダイアフラム外輪２３の形状が揃うので製作容易性が向上する。また、間隙４１ａが傾斜して主蒸気流路４０に接続し間隙４１ｂが主流蒸気流路４０に対して垂直に接続する構成もあり得る。
【００７１】
その他、各実施形態の特徴は適宜複数組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１０  ケーシング
１１  凹部
２２  ノズル
２３，２３ａ−２３ｄ，２３Ａａ−２３Ｅａ  ダイアフラム外輪
３０  ロータ
３２  ブレード
４１，４１ａ，４１ｂ，４２  間隙
５１  接触面（接触部、シール部）
５２  接触面（接触部）
５３，５３Ａ−５３Ｅ  蒸気流路
１０１  蒸気タービン
１０５  発電機
３５０  再生可能エネルギー発電装置
３５２  制御装置
ＣＬ  タービン中心軸
ＬＳ１，ＬＳ２  漏れ蒸気
ＭＳ  主流蒸気
【図１】
2014181571.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014181571.tif 000008
【図７】
2014181571.tif 000009
【図８】
2014181571.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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