(57)【要約】【課題】装置の複雑化を避け、タービンロータの直径拡大部における雰囲気圧力を上昇させることにより、流動方向逆向きの蒸気力を増大させて、スラスト軸受に作用する力を低減することが可能な蒸気タービンを提供する。【解決手段】軸シール装置１を有するケーシング２と、一段落が動翼及び静翼からなる複数の段落と、軸シール装置１の高圧側に隣接した部位の直径に段差を設けたタービンロータ４と、ケーシング２内の蒸気流動における最上流部に位置し、複数の主蒸気配管の各々に対応して設けた蒸気流入室１４及び第１段落静翼３を有するノズルボックス７とを備え、ノズルボックス７の軸シール装置１側の空間１８ａを、ノズルボックス７とケーシング２との間に設けた隔壁１２によって仕切り、閉空間とする。ノズルボックス７に、複数の蒸気流入室１４の少なくとも１つと閉空間を連通する抽圧孔１５を設ける。【選択図】図１
2011089446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸シール装置を有するケーシングと、一段落が動翼及び静翼からなる複数の段落と、前記軸シール装置の高圧側に隣接した部位の直径に段差を設けたタービンロータと、前記ケーシング内の蒸気流動における最上流部に位置し、複数の主蒸気配管の各々に対応して設けた蒸気流入室及び第１段落静翼を有するノズルボックスとを備え、前記ノズルボックスの前記軸シール装置側の空間を、前記ノズルボックスと前記ケーシングとの間に設けた隔壁によって仕切り、閉空間とした蒸気タービンにおいて、
前記ノズルボックスに、前記複数の蒸気流入室の少なくとも１つと前記閉空間を連通する抽圧孔を設けたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記抽圧孔は、前記複数の蒸気流入室のうち、少なくとも蒸気タービンの最大出力時に蒸気が流入する蒸気流入室と前記閉空間を連通することを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
【請求項３】
前記ノズルボックスと前記タービンロータにより形成される間隙に、軸シール装置を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンロータのスラスト軸受に作用する力を低減する蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な従来の蒸気タービンの構造においてスラスト軸受に作用する力について説明する。
従来の蒸気タービンにおいて、蒸気の流体エネルギを機械エネルギへ変換する動翼列を含むタービンロータには、蒸気流動方向の圧力差に起因する蒸気力が作用する。
【０００３】
蒸気タービンの運転時は、蒸気力によるロータ位置の軸方向変位を防ぐため、スラスト軸受によりロータ位置を保っている。蒸気タービンの設計では、動翼列を含むタービンロータに作用する蒸気力を見積もり、許容値を考慮することで、用いるスラスト軸受の仕様を決定している。スラスト軸受は、一般に受圧面積が大きいほど、受圧面に作用する蒸気力が大きいほど機械損失が増加し、蒸気タービンの効率へ影響を与えるため、設計時に考慮される項目の１つである。そして、スラスト軸受に作用する力を低減することは、スラスト軸受における機械損失を減少させ、蒸気タービンの効率向上に寄与することとなる。
【０００４】
ところで、スラスト軸受に作用する蒸気力の低減法として、タービンロータに作用する蒸気流動方向とは逆向きの蒸気力を増大させ、流動方向蒸気力を相殺する方法がある。  
例えば、動翼前後でタービンロータの直径差を設けることで、動翼の出口圧力が作用する面積を増加させ、逆向き蒸気力を得る方法がある。
【０００５】
また、蒸気タービン内における蒸気流動の上流側の、ケーシングに設置された軸シール装置の高圧側にて、タービンロータに直径差を設けることで、形成されたタービンロータの直径拡大部に蒸気流動方向とは逆向きの蒸気力を作用させ、スラスト軸受に作用する力を低減させる方法もある。特許文献１には、この方法を実施した、従来の蒸気タービンの構造が開示されている。
【０００６】
図６，７は、特許文献１に開示されている従来の蒸気タービンの構造を示す断面図である。
【０００７】
図６において、蒸気タービンは、タービンロータ４、高圧側の軸シール装置１が取り付けられたケーシング２、及び一段落が動翼及び静翼からなる複数の段落を備える。ケーシング２の内部には、周方向に複数の静翼５が配置され、軸シール装置９を有するノズルダイヤフラム６、及びノズルボックス７が設置される。ノズルボックス７は、ケーシング２内における蒸気流動の最上流部に位置し、蒸気流入室１４を有し、周方向に複数の静翼１１が配置される。タービンロータ４は、周方向に複数の第１段落動翼３が配置されたホイール１０を有する。ノズルボックス７と第１段落動翼３との間には、蒸気の漏洩を抑制するルートフィン１６が設けられている。ケーシング２に設置された軸シール装置１の高圧側にて、タービンロータ４の直径拡大部８に直径差が設けられている。また、図７に示す例では、ノズルボックス７とケーシング２との間に設けた隔壁１２により、ノズルボックス７の出口部から流出した一部の蒸気がノズルボックス７の周囲から第１段の動翼段３の出口側にバイパスして流れることがなく、蒸気タービンの効率を向上させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
この方法は、蒸気タービン内における蒸気流動上流部における手法であるため、下流部と比較して圧力が高く、タービンロータ４の直径拡大部８の雰囲気圧力は第１段落の動翼３の出口圧力程度となり、動翼前後でタービンロータの直径差を設ける方法よりも流動方向蒸気力の緩和作用が大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−４７１２２号公報
【特許文献２】特公平６−１５８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記手法を用いてもスラスト軸受の圧力制限値を満たすことが難しい場合や、スラスト軸受損失を低減してタービンの効率を改善させる場合には、流動方向逆向きの蒸気力を更に増大させる必要がある。そのためには、より大きなタービンロータ４の直径差を設けて圧力の作用する面積を増大させる方法や、タービンロータ４の直径拡大部８の雰囲気圧力を上昇させる方法が挙げられるが、現状では損失の増加や装置の複雑化などの課題がある。
【００１１】
特に前者の方法では、軸シール装置１におけるタービンロータ４の直径が増大するため、軸シール装置１とタービンロータ４により形成される間隙面積が増大し、軸シール装置１の部位における漏洩損失が増加することや、タービンロータ４の拡大に伴って軸シール装置１の位置を変更することにより、ケーシング２の必要肉厚の確保が困難となることが懸念される。また、軸シール装置１の部位におけるタービンロータ４の直径を変更せずに、他部位のタービンロータ４の直径のみを小さくすると、タービンロータ４の剛性が低下し、蒸気タービンの運転が不可能となる。
【００１２】
一方、後者の方法であるタービンロータの直径拡大部における雰囲気圧力を上昇させる例としては、特許文献２に示されるような蒸気タービンがある。この蒸気タービンは、タービン内の蒸気流動下流部（排気側）に位置する軸シール装置間のタービンロータに直径差を設け、直径差を設けた部位の隣接する軸シール装置間の空間とタービンケーシング外部を連通する通路手段に設けられた圧力調整手段により、上記空間の雰囲気圧力を調整するものである。しかしながら、この例では、タービン内外に通路手段や圧力調整手段を設置する必要があるため、装置の複雑化が避けられない。
【００１３】
本発明の目的は、装置の複雑化を避け、タービンロータの直径拡大部における雰囲気圧力を上昇させることにより、流動方向逆向きの蒸気力を増大させて、スラスト軸受に作用する力を低減することが可能な蒸気タービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明の蒸気タービンは、軸シール装置を有するケーシングと、一段落が動翼及び静翼からなる複数の段落と、前記軸シール装置の高圧側に隣接した部位の直径に段差を設けたタービンロータと、前記ケーシング内の蒸気流動における最上流部に位置し、複数の主蒸気配管の各々に対応して設けた蒸気流入室及び第１段落静翼を有するノズルボックスとを備え、前記ノズルボックスの前記軸シール装置側の空間を、前記ノズルボックスと前記ケーシングとの間に設けた隔壁によって仕切り、閉空間とした蒸気タービンにおいて、前記ノズルボックスに、前記複数の蒸気流入室の少なくとも１つと前記閉空間を連通する抽圧孔を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、装置の複雑化が避け、タービンロータの直径拡大部における雰囲気圧力を上昇させることにより、流動方向逆向きの蒸気力を増大させて、スラスト軸受に作用する力を低減することが可能である。その結果、スラスト軸受における機械損失を減少させ、蒸気タービンの効率向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１における蒸気タービンの構造を示す断面図。
【図２】同実施形態におけるタービンロータに垂直な面でのノズルボックスの断面図。
【図３】ルートフィンより噴出した蒸気の流れを説明する図。
【図４】本発明の実施形態２における蒸気タービンの構造を示す断面図。
【図５】同実施形態におけるタービンロータに垂直な面でのノズルボックスの断面図。
【図６】従来の蒸気タービンの構造を示す断面図。
【図７】従来の他の蒸気タービンの構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態１，２に係る蒸気タービンを、図面を参照して説明する。
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１における蒸気タービンの構造を示す断面図であり、図２は、タービンロータに垂直な面でのノズルボックスの断面図である。
図７に示した従来の蒸気タービンの構造と共通する点については説明を省略する。
【００１８】
ケーシング２内の蒸気流動における最上流部に位置し、複数の静翼１１を有するノズルボックス７において、内部空間である複数に分割された蒸気流入室１４１〜１４４が有り、その各々は、主蒸気配管１３１〜１３４に接続される。ノズルボックス７からみて軸シール装置１側の空間１８ａは、ノズルボックス７とケーシング２との間に設けた隔壁１２によって仕切られ、閉空間となる。該軸シール装置１側の空間（閉空間）１８ａと第１段落動翼３出口側の空間１８ｂとは、隔壁１２前後における蒸気の流動はない。この隔壁１２を有する構造は、従来例の図７に開示されているものと同じである。主蒸気配管１３１〜１３４は、タービン出力の増大に応じてこの順序で開かれ、蒸気は蒸気流入室１４１〜１４４に導入される。
【００１９】
本実施形態では、複数の蒸気流入室１４１〜１４４の少なくとも１つと閉空間１８ａを連通する抽圧孔１５が設けられている。図２では、蒸気流入室１４４のみに対応して抽圧孔１５を設けた例を示している。この抽圧孔１５が設けられていることにより、蒸気タービン運転時に、ケーシング２の外部からノズルボックス７へ蒸気が流入する際、抽圧孔１５より蒸気流入室１４４から閉空間１８ａに蒸気が流出し、該閉空間１８ａおける圧力を、最大でノズルボックス７内部と略同一となるまで上昇させることができる。これにより、タービンロータ４の軸シール装置１の高圧側に隣接した直径拡大部８に上記圧力が作用し、流動方向逆向きの蒸気力を得ることができる。なお、抽圧孔１５の径は、第１段落の静翼１１における圧力降下に応じて決められる。すなわち、抽圧孔１５は上記のとおり、閉空間１８ａ内の圧力を上昇させるためのものであるが、抽圧孔１５の径が大きすぎると、本来第１段落の静翼１１へ流れて仕事を発生させるはずの蒸気が抽圧孔１５を介して閉空間１８ａに流出して蒸気タービンの損失を増加させることとなる。したがって、抽圧孔１５の径については、第１段落の静翼１１における圧力降下に基づいて、閉空間１８ａの圧力を十分に上昇させ、かつ抽圧孔１５を介して上記が大きく漏洩しないような値に設定される。
【００２０】
従来例においても、軸シール装置１側の空間１８ａは閉空間であるが、その圧力は、第１段落動翼３の出口圧力程度であった。本実施形態では、閉空間１８ａの圧力は、ノズルボックス７内部の圧力と略同一となるため、従来例より流動方向蒸気力を大きく緩和することが可能である。
【００２１】
これにより、ノズルボックス７以外に設計は変えず、装置の複雑化を避け、タービンロータ４の直径拡大部８における雰囲気圧力を上昇させることにより、スラスト軸受に作用する力を低減することができる。
抽圧孔１５は、複数の蒸気流入室１４１〜１４４の少なくとも１つに対応して設けられるが、いずれに設けるかその例を以下説明する。
【００２２】
まず、抽圧孔１５を設けたことによる蒸気の流れの影響について説明する。
例えば、閉空間１８ａの圧力がノズルボックス７内部と略同一となると、第１段落動翼３が配置されたホイール１０に設置されたルートフィン１６において、静翼１１出口部と閉空間１８ａとの差圧により、該閉空間１８ａから有効通路部の方向へ蒸気が噴出する。
【００２３】
図３は、ルートフィンより噴出した蒸気の流れを説明する図である。
噴出した蒸気は、静翼１１より流出する蒸気と混合して、第１段落動翼３に流入する。この際、静翼１１出口から流出した蒸気と閉空間１８ａから有効通路部へ噴出する蒸気が混ざり合うことによる混合損失が発生する。同時に、有効通路部へ噴出した蒸気と混合することで、静翼１１から流出した蒸気の流れ方向が変わり、第１段落動翼３における損失が増加する。また、複数の段落を有する蒸気タービンでは、上流で発生した乱れが下流に伝播するため、第１段落動翼３で発生した乱れが後方段落へ伝播し、タービン効率の更なる低下を引き起こす可能性がある。
【００２４】
そこで、閉空間１８ａの圧力上昇を蒸気タービン最大出力時に限定することで、それ以外の場合では蒸気タービンの効率低下を防ぐことが可能である。すなわち、抽圧孔１５は、図２に示したように、軸方向蒸気力が最も大きくなる蒸気タービン最大出力運転時に蒸気が導入されるノズルボックス７の蒸気流入室１４４と閉空間１８ａを連通する。
【００２５】
なお、蒸気タービン最大出力時以外に、スラスト軸受へ作用する力が制限値を超え、流れ方向蒸気力を緩和する必要があるとき、複数の蒸気流入室１４１〜１４４のうち、２以上、また場合によっては全部に対応して抽圧孔１５を設けてもよい。このように、複数の蒸気流入室１４１〜１４４に抽圧孔１５を設ける場合、段階的に流動方向逆向きの蒸気力を増加させて流れ方向蒸気力を緩和することができる。
【００２６】
［実施形態２］
図４は、本発明の実施形態２における蒸気タービンの構造を示す断面図であり、図５は、本実施形態におけるタービンロータに垂直な面でのノズルボックスの断面図である。実施形態１と共通する構成については説明を省略する
本実施形態では、図４，５において、ノズルボックス７にタービンロータ４と形成する空間における蒸気の流動を阻害する軸シール装置１７を有する。なお、この軸シール装置１７は複数個設けてもよい。実施形態１において、抽圧孔１５を設けたことにより閉空間１８ａの圧力が上昇し、特に蒸気タービン最大出力時には、ルートフィン１６に隣接した閉空間１８ａから有効通路部に蒸気が噴出し、タービン効率の低下を招く。そこで、軸シール装置１７を設けることで、閉空間１８ａから有効通路部へ流出する蒸気量を減少させることが可能となる。
【符号の説明】
【００２７】
１…軸シール装置、２…ケーシング、３…第１段落動翼、４…タービンロータ、５…静翼、６…ノズルダイヤフラム、７…ノズルボックス、８…直径拡大部、９…軸シール装置、１０…ホイール、１１…静翼、１２…隔壁、１３１〜１３４…主蒸気配管、１４，１４１〜１４４…蒸気流入室、１５…抽圧孔、１６…ルートフィン、１７…軸シール装置、１８ａ…軸シール装置１側の空間（閉空間）、１８ｂ…第１段落動翼３出口側の空間。
【図１】
2011089446.tif 000003
【図２】
2011089446.tif 000004
【図３】
2011089446.tif 000005
【図４】
2011089446.tif 000006
【図５】
2011089446.tif 000007
【図６】
2011089446.tif 000008
【図７】
2011089446.tif 000009