(57)【要約】【課題】  高効率の半径流型蒸気タービンを提供する。【解決手段】  タービン軸に実質的に直角方向に設置された互いに対向する一対の回転板３，５と、該一対の回転板３，５の対向する面に内周から外周に向けて半径方向で互いに重なるように交互に設けられた複数の翼３ａ〜３ｄ、５ａ〜５ｄと、を有し、蒸気が前記翼間を内周部から外周部に向けて流れる半径流型蒸気タービンであって、翼段の間隔が高圧側前段の隣接翼間の最小間隔の０．５倍以上であることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン軸に実質的に直角方向に設置された互いに対向する一対の板状部材と、該一対の板状部材の対向する面に内周から外周に向けて半径方向で互いに重なるように交互に設けられた複数の翼と、を有し、蒸気が前記翼間を内周部から外周部に向けて流れる半径流型蒸気タービンであって、翼段の間隔が高圧側前段の隣接翼間の最小間隔の０．５倍以上であることを特徴とする半径流型蒸気タービン。
【請求項２】
翼段の間隔が高圧側前段の隣接翼間の最小間隔の５倍以下であることを特徴とする請求項１記載の半径流型蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気流れがタービン回転軸に対して実質的に直角な平面内を半径方向に流れる半径流型蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気流れがタービン回転軸に対して実質的に直角な平面内を半径方向に流れる半径流型蒸気タービンの代表的なものとしてユングストロームタービンがある。
図８はこのユングストロームタービンの概要を説明する説明図である。ユングストロームタービンは、図８に示すように、ケーシング１０１に回転可能に支持されるとともにケーシング１０１の両側から内側に延出する回転軸１０３，１０５と、回転軸１０３，１０５に取り付けられた回転板１０７，１０９を有している。そして、回転板１０７，１０９には径方向に複数の動翼１１１，１１３が設けられている。
【０００３】
ケーシング１０１の内部には蒸気室１１５が設けられ、蒸気室１１５にはケーシング１０１の外側から蒸気導入管１１７，１１９が連結されている。そして、蒸気室１１５と回転板１０７，１０９で挟まれる空間１２１とは連通しており、蒸気導入管１１７，１１９から蒸気室１１５に導入された蒸気が空間１２１に導入される。そして、導入蒸気は空間１２１から動翼１１１，１１３間を半径方向に流れ、半径方向で隣り合って配置されている動翼１１１，１１３が互いに相手の動翼に対して案内羽根の役目をして、回転板１０７，１０９が反対方向に同一速度で回転する構造となっている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】西川他著「わかる蒸気タービン」日新出版株式会社、１９９９年４月３０日、第６版ｐ１７９〜１８０（本文、図９・１７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半径流型蒸気タービンは、比較的少ない段数で効率良くかつ、小型にすることができるという特徴を有する。また、各段におけるタービン翼全長にわたり周速度は一定であるため蒸気が回転軸方向に流れる軸流タービンに比べて効率が良い等の特徴を有している。
しかしながら、昨今においては発電規模の大きい大出力蒸気タービンのニーズが中心であったため、構造的に大型化が容易な軸流タービンが主流であり、半径流型蒸気タービンについての効率化等の工夫はほとんど提案されていない。
そこで、本発明においては高効率の半径流型蒸気タービンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
図１は本発明に係る半径流型蒸気タービンの回転軸に沿う断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面の一部を示したものである。また、図３は図２の一部（３段と４段の一部）を拡大して示したものである。以下、図１〜図３等に基づいて、本発明についてその完成に至る経緯及び内容を説明する。
図１に示されるような構造の半径流型蒸気タービンにおいては、図３の矢印で示されるように前段（図３におけるＮ−１段）の蒸気流出速度をＮ段の流入速度として利用することから、この際の速度利用率を向上させることにより、出力の向上が図られる。
【０００６】
この点をより詳細に説明する。
図３に示すように蒸気高圧側前段（Ｎ−１段）から流出速度：Ｃ2をもった蒸気がＮ段に流入する。この際、流出速度：Ｃ2はＮ段において流入速度：Ｃ0となり、Ｃ0＝εＣ2（ε：速度利用率）と表すことができる。そして、Ｎ−１段からＮ段に蒸気が流入する際に損失が全く無ければε＝１となるが、実際には各種損失によりεは１より小さい値をとる。
したがって、速度利用率を向上させてε＝１に近づけるためには各種損失を小さくする必用がある。
そこで、発明者らは各種損失を小さくするためにいかにすべきかについて鋭意検討した結果、翼段間隔が速度利用率向上に関係する重要なパラメータの一つであるとの知見を得た。
ここで、翼段間隔とは、図４に示すように、Ｎ−１段の翼後端とＮ段の翼前端の最小間隔をいい、具体的には図４に示すΔｒのことである。
【０００７】
翼段間隔と速度利用率との関係を知るため、発明者らはまず、図５に示すように、翼段間隔を可能な限り狭くして速度利用率がどのようになるかのシミュレーションを行ったが、この場合には、速度利用率はあまり大きくなかった。
この理由について検討したところ以下の通りと考えられる。図５に示すように、Ｎ−１段の翼とＮ段の翼は逆方向に回転するために、翼段間隔を狭くしても瞬時的に蒸気が翼段間隔へ流入してしまう。しかも、翼段間隔を狭く設定したために、この翼段間隔へ流入する蒸気流れは高速になる。この高速になった蒸気流れがＮ−１段からＮ段への本流（図５中で太線の矢印の流れ）の蒸気流れとぶつかり、この流れを乱すことになるため速度利用率が損なわれるものと考えられる。
【０００８】
この検討から、翼段間隔への蒸気流入が避けられない以上、翼段間隔に流入する蒸気流速が本流に対してあまり高速にならないようにする必要があると考えた。つまり、本流の流れは前段（Ｎ−１段）の出口速度で規定され、この出口速度は前段の隣接翼間の最小間隔Ｓ（換言すれば翼後縁と隣接する翼との最小間隔）（図４参照）によって規定されることから、翼段間隔に流入する蒸気流速が本流に対してあまり高速にならないようにするには、この最小間隔Ｓに対して翼段間隔Δｒを一定以上にすることが必要であることが分かった。
【０００９】
他方、図６に示すように翼段間隔Δｒを一定の間隔以上に広く取った場合においても同様のシミュレーションしたところ、速度利用率が低くなった。この理由を検討した結果、図６に示すように、翼段間隔Δｒを広く取ったことにより翼段間において流路面積が拡大するため、段間を通過する間に速度が低下して、その結果、前段（Ｎ−１段）の出口速度に比べてＮ段における流入速度が低下して速度利用率が損なわれたものと考えられる。
【００１０】
以上の検討の結果から、発明者らはさらに解析並びに試験を行った結果、高圧側前段（Ｎ−１段）における隣接翼間の最小間隔Ｓと、翼段間隔Δｒを最適設計することにより速度利用率を向上させることが可能であるとの知見を得た。
そこで、速度利用率εと、Ａ＝Δｒ／Ｓの関係を知るためにさらにシミュレーションを行ったところ、図７に示す結果が得られた。図７においては、縦軸が速度利用率ε、横軸がＡ＝Δｒ／Ｓである。
この図７から分かるように、速度利用率εとＡ＝Δｒ／Ｓとは一定の関係があり、Ａ＝Δｒ／Ｓを最適値にすることで速度利用率εを向上させることができることが明確になった。ここでいうＡの最適値とは、図７から分かるように、速度利用率が０．８を超えるような値であり、Ａ＝０．５〜５であり、より好ましい最適値としては速度利用率が０．９を超えるときの値であり、Ａ＝０．７５〜２．５である。
本発明は以上の知見を基になされたものである。
【００１１】
（１）本発明に係る半径流型蒸気タービンは、タービン軸に実質的に直角方向に設置された互いに対向する一対の板状部材と、該一対の板状部材の対向する面に内周から外周に向けて半径方向で互いに重なるように交互に設けられた複数の翼と、を有し、蒸気が前記翼間を内周部から外周部に向けて流れるものであって、翼段の間隔が高圧側前段の隣接翼間の最小間隔の０．５倍以上であることを特徴とするものである。
なお、上記一対の板状部材は共に回転する回転板であり、これらに設けられた翼が共に動翼となるものでもよいし、あるいは、一対の板状部材の片方を回転板とし他方を固定板としてそれぞれに設ける翼が動翼、静翼となるものであってもよい。
【００１２】
（２）また、上記（１）のものにおいて、翼段の間隔が高圧側前段の隣接翼間の最小間隔の５倍以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、適正な段間隔を設定することにより、前段蒸気流出速度の速度利用率の高いタービンの提供でき、従来に比べて確実なエネルギー有効活用が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本実施の形態に係る半径流型蒸気タービン１の構造を説明する説明図である。本実施の形態に係る半径流型蒸気タービン１は、タービン軸に実質的に直角な平面内に複数の動翼を内周部から外周部に向けて半径方向で互いに重なるように交互に配置し、蒸気が前記複数の翼間を半径方向に流れるものであって、翼段の間隔を７ｍｍに、高圧側前段の隣接翼間の最小間隔を５ｍｍに、設定したものである。以下、半径流型蒸気タービン１の構成をさらに詳細に説明する。
【００１５】
半径流型蒸気タービン１は、所定の距離を離して対向する一対の回転板３，５を有しており、これら回転板３，５の対向面側には中心側から外周側に向かって半径方向に複数の動翼３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、と動翼５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄがそれぞれ取り付けられている。そして、これら動翼３ａ〜３ｄ及び動翼５ａ〜５ｄが回転板３，５の半径方向で交互に隣り合って設置されている。また、このような半径方向に延びる翼列が回転板３，５の円周方向で複数列設けられている。
これら動翼３ａ〜３ｄ及び５ａ〜５ｄは反動翼であり、流路面積を出口に向かうにしたがって狭くしてあり、導入蒸気は外周部に行くにしたがって圧力降下すると共に加速される。この際、熱エネルギーを回転エネルギーに変換する作用により動翼に回転力を発生させる。
【００１６】
回転板３，５の対向側の中心部には蒸気導入空間４が形成されている。蒸気導入空間４には図示しない蒸気導入路が連通して設けられ、外部から蒸気が導入可能になっている。
また、回転板３，５の中心部には回転軸９，１１がそれぞれ取り付けられており、各回転軸９，１１はそれぞれ軸受１３ａ，１３ｂ及び１５ａ，１５ｂによって回転自在に支持されている。
上記のような回転板３，５及び回転軸９，１１の一端部がケーシング１７内に収納され、ケーシング１７及び軸受１３ａ，１３ｂ及び１５ａ，１５ｂは図示しない固定部に支持されている。また、ケーシング１７と回転軸９，１１との間はそれぞれシール１９によってシールされている。
【００１７】
図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面の一部を示したものである。以下、図２を参照しながら本実施形態の動作を説明する。
図示しない蒸気導入路から蒸気（例えば、温度４００℃、圧力４ＭＰａ）が蒸気導入空間４に供給される。
蒸気導入空間４に供給された導入蒸気は複数の動翼３ａ〜３ｄ、５ａ〜５ｄを通過しつつ外周部へと流動する（図２における破線矢印参照）。このとき、高圧側前段の隣接翼間の最小間隔を５ｍｍに、翼段の間隔を７ｍｍに設定しており、（翼段の間隔／高圧側前段の隣接翼間の最小間隔）Ａ＝１．４であることから、高い速度利用率（約０．９５）が得られている（図７参照）。
【００１８】
蒸気は外周部に行くにしたがってその圧力が徐々に降下して最外周段の動翼５ｄ通過時には復水圧力として、例えば０．０２５ＭＰａまで回転エネルギーに変換される。このような内周から外周への蒸気流れの過程で熱エネルギーを回転エネルギーに変換する作用により回転力を発生させるのである。
最外周段の動翼５ｄを通過した蒸気はケーシング１５の内部から図示しない復水器に回収される。
【００１９】
本実施の形態においては、高圧側前段の隣接翼間の最小間隔と、翼段の間隔を最適値に設定したことにより、前段蒸気流出速度の速度利用率の高いタービンが実現でき、このような工夫のされていない従来例に比べて確実なエネルギー有効活用が可能となった。
【００２０】
なお、本実施の形態においては、対向する２枚の板状部材を回転板３，５としてそれぞれに設けた翼を動翼とした例を示したが、回転板の片方を固定板として静翼を設ける構造にしても、本発明による高圧側前段の隣接翼間の最小間隔と、翼段の間隔を最適値に設定することにより、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半径流型蒸気タービンの説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面の一部を示す図である。
【図３】半径流型蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明する説明図である。
【図４】半径流型蒸気タービンにおける翼段の間隔Δｒと、高圧側前段の隣接翼間の最小間隔Ｓの説明図である。
【図５】半径流型蒸気タービンにおいて翼段の間隔Δｒを狭く設定した場合の蒸気流れを説明する説明図である。
【図６】半径流型蒸気タービンにおいて翼段の間隔Δｒを広く設定した場合の蒸気流れを説明する説明図である。
【図７】速度利用率εと（翼段の間隔／高圧側前段の隣接翼間の最小間隔）Ａとの関係を示すグラフである。
【図８】従来のユングストロームタービンの概要を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  半径流型蒸気タービン、３，５  回転板、３ａ〜３ｄ，５ａ〜５ｄ  動翼、９，１１  回転軸、１７  ケーシング。
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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