(57)【要約】【課題】混合損失の低減効果を高めることができる軸流タービン及びそのダイヤフラム外輪を提供する。【解決手段】軸流タービンは、動翼５の外周側に取付けられた動翼シュラウド６と、動翼シュラウド６の外周面に対向するダイヤフラム外輪１の内周面に設けられ、タービン半径方向に突出する複数段のシールフィン１４Ａ〜１４Ｅと、動翼シュラウド６の下流側端面に対向するダイヤフラム外輪１の一面に対で形成された入口開口１６及び出口開口１７と、ダイヤフラム外輪１の内部に入口開口１６と出口開口１７を連通するように形成され、入口開口１６から流入した流体を出口開口１７からタービン軸方向に流出させるバイパス流路１８とを有する。入口開口１６は、動翼シュラウド６の外周面の下流側端部のタービン軸方向下流側に開口し、出口開口１７は、入口開口１６よりタービン半径方向の内側にある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラム外輪の内周側に周方向に複数取付けられた静翼と、
ロータの外周側に周方向に複数取付けられ、前記静翼の下流側に配置された動翼と、
前記動翼の外周側に取付けられた動翼シュラウドと、
前記動翼シュラウドの外周面に対向する前記ダイヤフラム外輪の内周面に設けられ、タービン半径方向に突出する複数段のシールフィンと、
前記動翼シュラウドの下流側端面に対向する前記ダイヤフラム外輪の一面に対で形成された入口開口及び出口開口と、
前記ダイヤフラム外輪の内部に前記入口開口と前記出口開口を連通するように形成され、前記入口開口から流入した流体を前記出口開口からタービン軸方向に流出させるバイパス流路とを有し、
前記入口開口は、前記動翼シュラウドの外周面の下流側端部のタービン軸方向下流側に開口し、前記出口開口は、前記入口開口よりタービン半径方向の内側にあることを特徴とする軸流タービン。
【請求項２】
請求項１に記載の軸流タービンにおいて、
前記バイパス流路は、流路断面が拡大したバッファ部を有することを特徴とする軸流タービン。
【請求項３】
請求項１に記載の軸流タービンにおいて、
前記出口開口は、前記入口開口より面積が小さく、
前記バイパス流路は、前記出口開口に向かうに従って流路断面が徐々に縮小するノズル部を有することを特徴とする軸流タービン。
【請求項４】
一列の静翼の外周側に取付けられる、軸流タービンのダイヤフラム外輪であって、
動翼シュラウドの外周面に対向する内周面と、
前記内周面に設けられ、タービン半径方向に突出する複数段のシールフィンと、
動翼シュラウドの下流側端面に対向する上流側端面と、
前記上流側端面に対で形成された入口開口及び出口開口と、
前記ダイヤフラム外輪の内部に前記入口開口と前記出口開口を連通するように形成され、前記入口開口から流入した流体を前記出口開口からタービン軸方向に流出するバイパス流路とを有し、
前記入口開口は、前記動翼シュラウドの外周面の下流側端部のタービン軸方向下流側に開口し、前記出口開口は、前記入口開口よりタービン半径方向の内側となるように構成されたことを特徴とする軸流タービンのダイヤフラム外輪。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントの蒸気タービンやガスタービンなどに用いられる軸流タービン、及びそのダイヤフラム外輪に関する。
【背景技術】
【０００２】
資源節約や環境負荷低減の観点から、発電プラントの発電効率向上が求められている。軸流タービンは、中・大容量の発電プラントに適し、蒸気タービンやガスタービンなどに広く採用されている。従って、タービンの性能向上は、発電効率向上に大きく貢献できる。
【０００３】
タービン性能を支配する要因として、段落損失、排気損失、機械損失などが挙げられる。タービンは、静翼列と動翼列を組み合わせた段落を複数有するため、段落損失の低減が性能向上に対し最も効果的であると考えられている。段落損失の内訳として、（１）翼形状そのものに起因する翼型損失、（２）翼間を横断する流れに起因する二次流れ損失、（３）作動流体（蒸気やガスなど）が主流路外へ漏洩することにより生じる漏れ損失などがある。
【０００４】
漏れ損失は、（ａ)作動流体の一部（漏れ流体）が主流路から漏れ流路へ流出することにより、漏れ流体の持つエネルギーが有効利用されないことで生ずるバイパス損失、（ｂ）漏れ流体が漏れ流路から主流路に再流入する際に生ずる混合損失、（ｃ）主流路に再流入した漏れ流体が下流側の翼列に干渉して生ずる干渉損失、などからなる。この漏れ損失を低減するためには、漏れ流体の流量を低減するとともに、混合損失を低減することが重要である。
【０００５】
特許文献１に記載の従来技術では、動翼シュラウドの外周面に対向するダイヤフラム外輪の溝部の内周面に、タービン半径方向に突出する複数段のシールフィンを設けている。また、動翼シュラウドの下流側端面に対向するダイヤフラム外輪の溝部の下流側側面に、タービン軸方向に突出する突起部を設けている。これにより、動翼シュラウドとダイヤフラム外輪の溝部の間で形成された漏れ流路において、漏れ流体の流量を低減するようになっている。
【０００６】
また、上述した突起部の外周側に循環流生成室を形成し、この循環流生成室内に、タービン軸方向及びタービン半径方向に延在する複数の遮蔽板を設けている。主流路（静翼列の下流側）から漏れ流路に流入した漏れ流体は、大きな周方向速度成分を有するものの、その一部が循環流生成室に流入して遮蔽板に衝突することにより、周方向速度成分を抑えた循環流を生成する。そして、この循環流の干渉により、漏れ流路から主流路（動翼列の下流側）に流出する漏れ流体の流れに対して、周方向速度成分を効果的に減少させる。したがって、漏れ流体の流れ方向を、主流路の作動流体の流れ方向に合わせて、混合損失を低減するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１０６４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、動翼シュラウドから循環流生成室までのタービン軸方向の間隔が大きな場合に、循環流生成室に流入する漏れ流体の割合が小さくなるため、その漏れ流体の周方向速度成分を低減させる効果が小さくなる。また、循環流生成室で生成される循環流が弱まるため、循環流生成室に流入しなかった漏れ流体に対して周方向速度成分を十分に低減させることができない。
【０００９】
本発明の目的は、混合損失の低減効果を高めることができる軸流タービン及びそのダイヤフラム外輪を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の軸流タービンは、ダイヤフラム外輪の内周側に周方向に複数取付けられた静翼と、ロータの外周側に周方向に複数取付けられ、前記静翼の下流側に配置された動翼と、前記動翼の外周側に取付けられた動翼シュラウドと、前記動翼シュラウドの外周面に対向する前記ダイヤフラム外輪の内周面に設けられ、タービン半径方向に突出する複数段のシールフィンと、前記動翼シュラウドの下流側端面に対向する前記ダイヤフラム外輪の一面に対で形成された入口開口及び出口開口と、前記ダイヤフラム外輪の内部に前記入口開口と前記出口開口を連通するように形成され、前記入口開口から流入した流体を前記出口開口からタービン軸方向に流出させるバイパス流路とを有し、前記入口開口は、前記動翼シュラウドの外周面の下流側端部のタービン軸方向下流側に開口し、前記出口開口は、前記入口開口よりタービン半径方向の内側にある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明において、最終段のシールフィンの先端と動翼シュラウドの外周面との間隙を通過した漏れ流体は、大きな周方向速度成分を有するものの、その一部がバイパス流路に流入して流出することにより、タービン軸方向の流れを生成する。言い換えれば、バイパス流路に流入した漏れ流体の周方向速度成分を低減させる。このとき、動翼シュラウドからバイパス流路までのタービン軸方向の間隔が大きな場合でも、バイパス流路に流入する漏れ流体の割合が大きいため、その漏れ流体の周方向速度成分を低減させる効果が大きくなる。また、バイパス流路で生成されるタービン軸方向の流れが強まるため、このタービン軸方向の流れの干渉により、バイパス流路に流入しなかった漏れ流体に対して周方向速度成分を十分に低減させることができる。したがって、漏れ流体の流れ方向を、主流路の作動流体の流れ方向に合わせて、混合損失の低減効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態における蒸気タービンの部分構造を模式的に表すタービン軸方向の断面図である。
【図２】図１中II部の部分拡大断面図であり、漏れ流路及びバイパス流路の構造を表す。
【図３】図２中断面矢視III−IIIによる矢視図であり、バイパス流路の構造を表す。
【図４】本発明の第１の変形例における漏れ流路及びバイパス流路の構造を表す部分拡大断面図である。
【図５】本発明の第２の変形例における漏れ流路及びバイパス流路の構造を表す部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を蒸気タービンに適用した場合の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態における蒸気タービンの部分構造を模式的に表すタービン軸方向の断面図である。図２は、図１中II部の部分拡大断面図であり、漏れ流路及びバイパス流路の構造を表す。図３は、図２中断面矢視III−IIIによる矢視図であり、バイパス流路の構造を表す。
【００１５】
図１〜図３で示すように、蒸気タービンは、ケーシング（図示せず）の内周側に取付けられた複数のダイヤフラム外輪１（静止体）と、複数のダイヤフラム外輪１の内周側にそれぞれ取付けられた複数列の静翼２と、複数列の静翼２の内周側にそれぞれ取付けられた複数のダイヤフラム内輪３とを備えている。なお、各列の静翼２は、ダイヤフラム外輪１とダイヤフラム内輪３との間に、周方向に所定の間隔で配列された複数の静翼２で構成されている。
【００１６】
また、蒸気タービンは、回転軸Ｏを中心として回転するロータ４（回転体）と、このロータ４の外周側に取付けられた複数列の動翼５と、複数列の動翼５の外周側（言い換えれば、先端側）にそれぞれ取付けられた複数の動翼シュラウド６とを備えている。各列の動翼５は、ロータ４と動翼シュラウド６との間に、周方向に所定の間隔で配列された複数の動翼５で構成されている。
【００１７】
蒸気（作動流体）の主流路７は、ダイヤフラム外輪１の内周面８とダイヤフラム内輪３の外周面９との間に形成された流路や、動翼シュラウド６の内周面１０とロータ４の外周面１１との間に形成された流路等で構成されている。主流路７には、複数列の静翼２が配置されるとともに、複数列の動翼５が複数列の静翼２の下流側にそれぞれ配置されている。すなわち、１列の静翼２と１列の動翼５の組合せが１つの段落を構成し、複数の段落を有している。なお、図１では、便宜上、２つの段落しか示されていないが、２つ以上の段落が設けられている。
【００１８】
主流路７内の蒸気（主流蒸気）は、図１中白抜き矢印で示すように流れている。そして、各列の静翼２にて蒸気の内部エネルギー（言い換えれば、圧力エネルギー等）が運動エネルギー（言い換えれば、速度エネルギー）に変換され、各列の動翼５にて蒸気の運動エネルギーがロータ４の回転エネルギーに変換される。また、ロータ４の端部には発電機（図示せず）が接続されており、この発電機によってロータ４の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されるようになっている。
【００１９】
主流路７内の蒸気の流れ（主流）について、詳しく説明する。静翼２の翼間に流入する蒸気は、周方向速度成分をほぼ持たない。そして、静翼２の翼間を通過する際に増速、転向されて、大きな周方向速度成分を持つ流れとなる。静翼２の翼間から流出した蒸気の大部分は、動翼５に衝突してロータ４を回転させる。このとき、蒸気は、減速、転向されて、周方向速度成分をほぼ持たないタービン軸方向の流れとなる。
【００２０】
ところで、各ダイヤフラム外輪１には溝部（切欠き）１２が形成されており、この溝部１２と動翼シュラウド６の間に漏れ流路１３が形成されている。そして、主流路７の静翼２の下流側（言い換えれば、動翼５の上流側）から漏れ流路１３に蒸気の一部（漏れ蒸気）が流入し、漏れ蒸気が漏れ流路１３を経由して主流路７の動翼５の下流側に流出する（漏れ流れ）。そのため、漏れ蒸気の内部エネルギーが有効利用されず、バイパス損失が発生する。このバイパス損失を低減するため、すなわち、主流路７から漏れ流路１３への漏れ蒸気の流量を減らすため、漏れ流路１３にはラビリンスシールが設けられている。
【００２１】
本実施形態のラビリンスシールでは、各動翼シュラウド６の外周面に対向する各ダイヤフラム外輪１の溝部１２の内周面に、タービン半径方向に突出する複数段のシールフィン１４Ａ〜１４Ｅが設けられている。シールフィン１４Ａ〜１４Ｅの先端部は、それらの断面が鋭角な楔形状となっている。動翼シュラウド６の外周面には、第２段のシールフィン１４Ｂ及び第４段のシールフィン１４Ｄにそれぞれ対向するように、段差部（隆起部）１５Ａ，１５Ｂが形成されている。各シールフィンの先端とこれに対向する動翼シュラウド６の外周面との間隙寸法は、静止体側と回転体側の接触を防止しつつ漏れ蒸気の流量が極力小さくなるように設定されている。
【００２２】
主流路７の静翼２の下流側における主流蒸気は、上述したように大きな周方向速度成分を持つ流れとなっており、漏れ流路１３に流入する漏れ蒸気も、大きな周方向速度成分を持つ流れとなっている。そして、漏れ流路１３に流入した漏れ蒸気は、第１段のシールフィン１４Ａの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙（絞り）、第２段のシールフィン１４Ｂの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙（絞り）、第３段のシールフィン１４Ｃの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙（絞り）、第４段のシールフィン１４Ｄの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙（絞り）、及び第５段のシールフィン１４Ｅの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙（絞り）を順次通過する。このとき、絞り損失により、漏れ蒸気の全圧が低下する。また、漏れ蒸気の軸方向速度が増加するものの、周方向速度がほぼ変動しない。すなわち、最終段のシールフィン１４Ｅの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙を通過した漏れ蒸気は、依然として、大きな周方向速度成分を持つ流れとなっている。
【００２３】
一方、主流路７にて動翼５を通過した主流蒸気は、上述したように周方向速度成分をほぼ持たない流れとなっている。そのため、仮に、最終段のシールフィン１４Ｅの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙を通過した漏れ蒸気が、大きな周方向速度成分を持つ流れのまま、主流路７の動翼５の下流側に流出すると、混合損失が大きくなる。
【００２４】
そこで、本実施形態の特徴として、各動翼シュラウド６の下流側端面に対向する各ダイヤフラム外輪１の上流側端面には、対の入口開口１６と出口開口１７が形成されている。また、各ダイヤフラム外輪１の内部には、入口開口１６と出口開口１７を連通するバイパス流路１８が形成されている。特に、本実施形態では、ダイヤフラム外輪１毎に、入口開口１６、出口開口１７、及びバイパス流路１８の組合せが複数形成されており、周方向に所定の間隔（詳細には、例えば動翼５の周方向間隔（角度換算）とほぼ同じ）で配置されている。
【００２５】
入口開口１６は、最終段のシールフィン１４Ｅが対向する動翼シュラウド６の外周面（言い換えれば、動翼シュラウド６の下流側端部の外周面）とタービン半径方向の位置が同じである。これにより、最終段のシールフィン１４Ｅの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙を通過した漏れ蒸気が入口開口１６に流入しやすくなっている。なお、図２では、入口開口１６の中心が、動翼シュラウド６の下流側端部の外周面とタービン半径方向の位置が同じである場合を例にとって示しているが、これに限られず、入口開口１６の中心以外の部分が、動翼シュラウド６の下流側端部の外周面とタービン半径方向の位置が同じであってもよい。すなわち、入口開口１６は、動翼シュラウド６の外周面の下流側端部のタービン軸方向下流側に開口していればよく、動翼シュラウド６の外周面の下流側端部のタービン半径方向の位置が、入口開口１６の内周側壁面より外周側で、外周側壁面より内周側であればよい。
【００２６】
出口開口１７は、入口開口１６よりタービン半径方向の内側にある。なお、入口開口１６及び出口開口１７の縁部は、例えば円弧状に面取りされている。
【００２７】
バイパス流路１８は、例えば、入口開口１６からタービン軸方向に延在する第１の流路部分と、第１の流路部分から曲げられてタービン半径方向に延在する第２の流路部分と、第２の流路部分から曲げられてタービン軸方向に延在して出口開口に到達する第３の流路部分で構成されており、全ての流路部分の断面積がほぼ同じである。そして、入口開口１６から流入した漏れ蒸気を出口開口１７からタービン軸方向に流出させるようになっている（図２中矢印Ａ参照）。
【００２８】
以上のように構成された本実施形態において、最終段のシールフィン１４Ｅの先端と動翼シュラウド６の外周面との間隙を通過した漏れ蒸気は、大きな周方向速度成分を有するものの、その一部がバイパス流路１８に流入して流出することにより、タービン軸方向の流れを生成する。言い換えれば、バイパス流路１８に流入した漏れ流体の周方向速度成分を低減させる。このとき、動翼シュラウド６からバイパス流路１８までのタービン軸方向の間隔ｄが大きな場合でも、バイパス流路１８に流入する漏れ蒸気の割合が大きいため、その漏れ蒸気の周方向速度成分を低減させる効果が大きくなる。また、バイパス流路１８で生成されるタービン軸方向の流れが強まるため、このタービン軸方向の流れの干渉により、バイパス流路１８に流入しなかった漏れ蒸気に対して周方向速度成分を十分に低減させることができる。したがって、図２中矢印Ｂで示す漏れ蒸気の流れ方向を、主流蒸気の流れ方向に合わせて、混合損失の低減効果を高めることができる。
【００２９】
なお、上記第１の実施形態において、バイパス流路１８は、全ての流路部分の断面積がほぼ同じである場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。具体的には、例えば図４で示す第１の変形例のように、上述した第２の流路部分の断面積を、上述した第１及び第３の流路部分の断面積より拡大してもよい。すなわち、バイパス流路１８Ａは、流路断面が拡大したバッファ部１９を有してもよい。これにより、例えば主流路７から漏れ流路１３に流入する漏れ蒸気の流量が比較的多い場合に（言い換えれば、バイパス流路１８Ａに流入する漏れ蒸気の流量が比較的多い場合に）、バイパス流路１８Ａに流入した漏れ蒸気を停滞させて、その漏れ蒸気の周方向速度成分を低減させる効果を高めてもよい。
【００３０】
また、例えば図５で示す第２の変形例のように、出口開口１７の面積を、入口開口１６の面積より小さくしてもよい。そして、上述した第３の流路部分の断面積を、出口開口１７に向かうに従って徐々に縮小してもよい。すなわち、バイパス流路１８Ｂは、出口開口１７に向かうに従って流路断面が徐々に縮小するノズル部２０を有してもよい。これにより、例えば主流路７から漏れ流路１３に流入する漏れ蒸気の流量が比較的少ない場合に（言い換えれば、バイパス流路１８Ｂに流入する漏れ蒸気の流量が比較的少ない場合に）、バイパス流路１８Ｂから流出する漏れ蒸気の軸方向速度成分を増加させて、バイパス流路１８Ｂに流入しなかった漏れ蒸気の周方向速度成分を低減させる効果を高めてもよい。
【００３１】
また、上記一実施形態及び変形例においては、バイパス流路の周方向間隔（角度換算）が動翼５の周方向間隔（角度換算）とほぼ同じである場合（言い換えれば、バイパス流路の数が動翼５の数と同じである場合）を例にとったが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、主流路７から漏れ流路１３に流入する漏れ蒸気の周方向速度によっては、バイパス流路の数を動翼５の数より減らしても、同様の効果を発揮しうる。このような場合には、バイパス流路の数を動翼５の数より減らしてもよい。
【００３２】
また、上記一実施形態及び変形例においては、５段のシールフィン１４Ａ〜１４Ｅと２つの段差部１５Ａ，１５Ｂを有するラビリンスシールを例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形可能である。すなわち、シールフィンの段数は、５つに限られず、２つ、３つ、４つ、又は６つ以上でもよい。また、段差部を有しなくともよいし、１つ又は３つ以上の段差部を有してもよい。これらの場合も上記同様の効果を得ることができる。
【００３３】
なお、以上においては、本発明の適用対象として、軸流タービンの一つである蒸気タービンを例にとって説明したが、これに限られず、ガスタービン等に適用してもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１                      ダイヤフラム外輪
２                      静翼
４                      ロータ
５                      動翼
６                      動翼シュラウド
１４Ａ〜１４Ｅ          シールフィン
１６                    入口開口
１７                    出口開口
１８，１８Ａ，１８Ｂ    バイパス流路
１９                    バッファ部
２０                    ノズル部
【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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