(57)【要約】【課題】タービン動翼の頂部から次段落へのチップリークを確実に低減するとともに、浸食量を低減し、高効率、高信頼性を確保した蒸気タービン段落および蒸気タービンを提供する。【解決手段】流体の流れ方向に順次拡大する環状流路を構成し、ノズル外輪１とノズル内輪２との間に複数のノズル翼３を周方向に配列するとともに、これらノズル翼３の下流に長翼の動翼５を配設してなる軸流タービンにおいて、前記動翼有効部の頂部に複数のシールフィン9を設けたことを特徴とする蒸気タービン段落。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れ方向に順次拡大する環状流路を構成し、ノズル外輪とノズル内輪との間に複数のノズル翼を周方向に配列するとともに、これらノズル翼の下流に動翼を配設してなる軸流タービンにおいて、前記動翼の有効部の頂部に複数のシールフィンを設けたことを特徴とする蒸気タービン段落。
【請求項２】
前記動翼先端部において形成されるシールフィンは、前記ノズル外輪の内周壁に近づくにつれ断面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン段落。
【請求項３】
前記動翼先端部に形成されるシールフィンにおいて、このシールフィンの高さＨは
３ｍｍ＜ Ｈ ＜８ｍｍ
の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン段落。
【請求項４】
前記シールフィン高さをＨ，前記シールフィン間隔をＰとすると、シールフィン高さに対するシールフィン間隔の比 Ｈ／Ｐを
０．５＜Ｈ／Ｐ＜２
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン段落。
【請求項５】
請求項１ないし請求項５に記載の蒸気タービン段落が、最終タービン段落およびその上流のタービン段落の少なくとも１つ以上に適用されていることを特徴とする蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体の流れ方向に順次拡大する環状流路を構成する蒸気タービン段落および蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電プラントの運転経済性を改善し発電効率の改善を図るために、タービン性能の向上を図ることが重要な課題となっている。タービンの内部における損失は翼のプロファイル損失、２次損失、あるいは最終段の排気損失など様々であるが、羽根先端部とケーシングのすきま（以後、チップクリアランスと呼ぶ）を通り抜ける仕事をしない漏洩流量を減少させ、作動流体のもつ熱エネルギを余すところなく回転エネルギに変換することができれば、効率向上にとって最も直接的な方法でありその効果は大きい。
【０００３】
そのうち、特にタービン低圧部の段落は段落当たりの出力が大きく、この低圧段落での性能向上はタービン全体の性能向上に大きな役割を果たす。
【０００４】
図１１は、軸流タービンの低圧部の一段落を示す断面図である。この図において、ノズル外輪１０１及びノズル内輪１０２によって構成された環状の流路内に、多数のノズル翼１０３が周方向に配置され、そのノズル翼１０３のチップ部がノズル外輪１０１の内面すなわちノズル外周壁１０１ａに固定され、ノズル翼１０３のルート部がノズル内輪１０２の外面すなわちノズル内周壁１０２ａに固定されて、一つのタービンノズルが構成されている。この図において、Ｒｒはノズル後縁端ルート半径、Ｒｔはノズル後縁端チップ半径、θはノズル外周壁傾斜角度を示している。図１２は図１１のＡ−Ａ矢視図であり、タービンノズルのノズル翼１０３が、ラジアル線Ｘｒに沿ってタービン流路に複数枚配置されている状況を示している。
【０００５】
一方、このタービンノズルの下流側には回転軸１０４に固定され放射方向に立設された多数の動翼１０５が配置されている（図１１）。そして、上記ノズル翼１０３からなるタービンノズルと動翼１０５によって一段落が構成され、この段落が軸方向Ｘａに一段落または複数段落組み合わされてタービンが構成されている。
【０００６】
このように構成されたタービン段落において、タービンの信頼性向上、性能向上を図るためには、損失の原因となるチップリークを減少すると共に、動翼の浸食を低減する必要がある。しかし、従来の蒸気タービン段落では、これらの問題点を同時に全て解決しておらず、浸食量を低減しながら、性能の低下を防止することが達成されていなかった。以下にその理由を説明する。
【０００７】
タービン段落は高圧側から低圧側に向かう流体に膨張仕事をさせているので、低圧側に向かうに従い圧力が低くなり、その比容積が増加する。このため、流体の急激な比容積の増加に対応して滑らかな膨張を実現すべく低圧側にむかって拡大流路が形成されている。
【０００８】
上述のように構成されたタービン段落内の蒸気の流れＳを図１３に示す。タービン駆動流体はノズル上流より流入し動翼下流へと流出してゆく。ここで、タービンノズルを流出した流体はタービン動翼およびチップクリアランスのいずれかを通り下流側へと流出するが、タービン性能の向上を図るには、回転トルクを発生するタービン動翼有効部に流入する流量を増加させ、回転トルクを発生しないチップクリアランス部に流入する流量を減少させることが望ましい。
【０００９】
そこで、チップクリアランス部に流入する蒸気（以下チップリーク）を減少させる目的で、蒸気タービンでは図１４に示すようなラビリンスシールが用いられることが多い。このラビリンスシールは、動翼１０５の先端部の外側にノズル外輪１０１と一体に組み立てられたシールフィン１０７により、動翼１０５先端部との間隙が極力小さくなるように構成されている。
【００１０】
また、図１４では、シールフィン７は２本示されているが、一般的にフィン本数は多い方がチップリークは減少する。したがって、それ以上多数シールフィンを設け、チップリーク量の低減効果の向上を図ることもある。
【００１１】
なお、各動翼１０５の先端部には、動翼カバー１０６が設けられており、隣接する各動翼１０５の先端部同士をこの動翼カバー１０６で連結することにより、回転時に生じる動翼間の振動を抑制するようにしている。
【００１２】
次に動翼の浸食について説明する。図１５は、一般の事業用火力発電所における蒸気タービンの膨張曲線を示している。図中、点Ｄは最終段前段落（以下Ｌ−１と称する）のノズル入口の蒸気状態を示し、同様に点ＥはＬ−１のノズル出口の蒸気状態を示し、点ＦはＬ−１の動翼出口の蒸気状態を示し、点Ｇは最終段段落（以下、Ｌ−０と称する）のノズル出口の蒸気状態を示し、点ＪはＬ−０の動翼出口の蒸気状態を示している。
【００１３】
蒸気タービンの信頼性、性能を低下させる原因としてエロージョンが上げられる。  蒸気タービンの低圧部では、タービン駆動蒸気の温度、圧力が比較的低いので、膨張仕事中に一部が凝縮してドレンとなり、蒸気通路の内、外周壁やタービン動翼に流れる。
【００１４】
図１５からわかるように、Ｌ−１のノズル内では蒸気は乾き蒸気から湿り蒸気となり、Ｌ−０の動翼出口では湿り度が１０％近くに達する。しかしながら、蒸気はその膨張により理論上の湿り域に達しても、直ぐには凝縮を開始せずに湿り度が３〜５％程度になるまで非平衡状態で膨張し、その後に始めて水滴が発生する。この場合、発生する水滴の直径は０．１〜１μｍ程度であり、蒸気の膨張に伴って水滴は少しずつ成長する。その際、一部の水滴はノズルや動翼の表面に衝突し、付着するが、粒径が小さいため、この段階では動翼のエロージョンはほとんど生じない。
【００１５】
ところが、Ｌ−１の動翼内では、遠心力、コリオリ力、および蒸気力による外周方向への運動が支配的となり、水滴はＬ−０のノズル外輪内面、およびノズル翼面の外周部近傍に付着することになる。図１６には、破線ＫでＬ−０段落における蒸気流線を、実線Ｌで同水滴流線を示すが、この図からわかるように、Ｌ−０段落のノズル外輪１の内面やノズルの外周部近傍に水滴が付着して水膜Ｍを形成する。水膜Ｍは発達しながらＬ−０のノズル後縁１０３ａに達した後、蒸気力により吹きちぎられて蒸気中に混入し、さらに水滴状に噴霧される。
【００１６】
このとき生成される水滴径は、１００〜５００μｍにも達し、自然発生した水滴と比べて遥かに巨大なものとなる。そして、この巨大な水滴が蒸気力によって十分加速されないまま、Ｌ−０の動翼に衝突し、動翼１０５のエロージョンを引き起こし、タービン効率を低下させる原因となる。したがって、効果的な対策が強く求められている。
【００１７】
一方、上述のように蒸気のチップリーク量を低減する為に、チップクリアランス部には、シールフィン１０７が設けられている為、チップクリアランスＣＬを通過しようとする水滴は、この部分でせき止められることとなる。
【００１８】
この時、シールフィン１０７によりせき止められた水滴は、下流側へ流出することなく回転中の動翼１０５の先端部に衝突する。動翼先端部は非常に高速で回転していることから、水滴との速度差により動翼先端部は浸食を受けるという問題が生じる。
【００１９】
このような問題に対する、従来技術としては、例えば特許文献１が開示されている。
【００２０】
この技術は、図１７に示すように、タービン動翼１０５と軸の周方向に隣接するタービン動翼１０５の間に動翼カバー１０６、１０６、…を設け、各動翼カバー１０６、１０６…上に回転方向（図示しないタービン軸の周方向の接線）に沿って、シールフィン１０９，１０９…を設け、シールフィン１０９と隣接するシールフィン１０９とが一直線になるように１本のリブで形成されている。
【００２１】
この技術によれば、サイドエントリータイプの動翼カバー１０６に設けたリブを回転方向に整列配置したので、効果的なシールができ損失が低減できるとされている。
【００２２】
また、この技術によれば、図１８に示すごとく、シールフィン１０９を羽根側から形成した為、水滴はタービン段落外周壁を沿って流れ、従って羽根有効部に直接ふれることなく動翼後方へ通過可能である。
【特許文献１】特公平３−１９８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかし、図１７に示した蒸気タービン段落は、シールフィン１０９を１本と限定している為、チップリーク低減が十分でないという問題があった。
【００２４】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、タービン動翼の頂部から次段落へのチップリークを確実に低減するとともに、浸食量を低減し、高効率、高信頼性を確保した蒸気タービン段落および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】
【００２５】
請求項１に記載の発明は、流体の流れ方向に順次拡大する環状流路を構成し、ノズル外輪とノズル内輪との間に複数のノズル翼を周方向に配列するとともに、これらノズル翼の下流に動翼を配設してなる軸流タービンにおいて、前記動翼有効部の頂部に複数のシールフィンを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は以上のように構成することによって、ノズル出口領域で発生する遠心力による流れのチップ部への偏りを抑えることができ、拡大するノズル外周壁に作動流体の流れを沿わせることができるとともに、エロージョンによる侵食を低減することが可能となり、タービン性能、信頼性を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図１ないし図１０を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、図１１ないし図１９に示したものと同一部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
【００２８】
図１は本発明の実施の形態の蒸気タービン段落を示す断面図である。
【００２９】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態における蒸気タービン段落は、軸流タービンに関するもので、流体の流れ方向に順次拡大する環状流路を有し、ノズル外輪１とノズル内輪２との間に複数のノズル翼３が周方向に配設されている。そして、このノズル翼３の下流には、回転軸４に設けられた長翼の動翼５が配設されている。ここで、この動翼５の先端部は、図２に示すように、動翼５の有効部と、これら動翼５を連結する動翼カバー６で構成される。そして、それぞれ周方向に配設された２本のシールフィン９が互いに軸方向に離間して動翼カバー６に固定されている。シールフィンは、図１および図２において２本形成されているが、それ以上の本数であることがチップリーク低減には望ましい。なお、符号Ｋは蒸気の流れを示す。
【００３０】
ここで、シールフィン９をノズル外輪１内周側ではなく動翼５の頂部に形成したのは、ノズル外周壁１ａ上を下流側へと流れる水滴が、動翼５に接触することなく下流側へ流れるようにするためである。すなわち、ノズル外周壁１ａ上に付着している水滴は、そのままノズル外周壁１ａ上で蒸気流により下流側に流されるとともに、例え動翼５と対向する位置にまで流されても、動翼の遠心力による外周壁１ａ側に押し付ける蒸気流と下流側に流れる蒸気流とによる相乗効果により、動翼側に滴下するものは無い。
【００３１】
このように構成された蒸気タービン段落は、流体の流れ方向に順次拡大する環状流路を構成し、ノズル外輪１とノズル内輪２との間に複数のノズル翼３を周方向に配設するとともに、このノズル翼３の下流に長翼の動翼５を備え、動翼５の外周に設けられた動翼カバー６に２本以上のシールフィンを有しているから、タービン動翼５の頂部から次段落へのチップリークを確実に低減するとともに、浸食量を低減することができ、高効率、高信頼性を達成することができる。
【００３２】
また、動翼５は回転による遠心力により半径方向外向きにわずかに移動することが考えられ、シールフィン９とノズル外周壁１ａとは接触する可能性もある。回転体である動翼５と静止体であるノズル外輪１が接触すると、振動が発生し、蒸気タービンの信頼性を低下させる。この振動を少しでも小さくする為には、シールフィン９とノズル外周壁１ａとの接触面積を小さくすることが望ましい。したがって、シールフィン９の形状を、例えば図３に示すように、半径方向外方に向かうにしたがい軸方向肉厚が小さくなるようにすることが好ましい。
【００３３】
図２において、動翼先端部は、動翼５の有効部と動翼を連結する動翼カバー６とで構成され、頂部に複数のシールフィン９を設けている。しかしこれに限る必要はなく、図４に示すように、シールフィン９が、翼有効部の頂部に設けられ運転中に発生する振動を抑制するスナッバーカバー８と一体に削り出された構造であっても、上述と同様の効果が得られる。
【００３４】
なお、各動翼５の先端部に設けられたスナッバーカバー８は、隣接する各動翼５の先端部同士をこのスナッバーカバー８により密に接触させていることにより、動翼回転時に生じる各動翼５間の振動を抑制するようにしたものである。
【００３５】
さらに図５に示すように、本発明の実施の形態におけるタービン段落を子午面から観察した際に、フィン高さＨを、３ｍｍ＜Ｈ＜８ｍｍ の範囲に設定してもよい。フィン高さＨを上式のごとく設定したのは以下の理由による。すなわち、フィン高さＨが小さく、３ｍｍ未満であると、図６に示すように、フィンを有しない形状に近づく為、チップリーク量低減効果が減少する。一方、図７に示すように、フィン高さＨが大きく、８ｍｍを超えると、動翼より削り出すフィンは、直線形状のため加工が困難となる。この場合、隣り合う動翼間において隙間が生じ、チップリークを十分に低減することが出来なくなる懸念がある。
【００３６】
したがって、フィンの効果を十分に発揮しかつシールフィンを高精度で加工する為には、３ｍｍ＜Ｈ＜８ｍｍとすることが望ましい。
【００３７】
さらに、図８に示すように、本発明の実施の形態における蒸気タービン段落においては、上記目的を達成するために、フィン高さをＨ，フィン間隔をＰとした時、フィン高さに対するフィン間隔のアスペクト比 Ｈ／Ｐを ０．５＜Ｈ／Ｐ＜２ の範囲に設定する。
【００３８】
フィン高さＨとフィン間隔Ｐの比を上式のごとく設定したのは以下の理由による。すなわち、フィンが２枚の場合を考えると、フィン間隔Ｐが小さい場合、図９に示すように、フィンが１枚の状態に近づく為、チップリークの低減効果が十分得られなくなる。 一方フィン間隔Ｐを大きくとった場合、動翼先端部は図１０に示すような形状となる。このような形状の場合、図２に示す実施の形態と比較し、動翼カバー６が大きくなり過ぎる。このため、動翼５の先端部の重量が大きくなり、過大な遠心力が生じるとういう問題が生ずる。
【００３９】
このようなことから、フィンの効果を十分に発揮し、かつ、タービンの信頼性を低下させる過大な遠心力を低減するには、アスペクト比Ｈ／Ｐを  ０．５＜Ｈ／Ｐ＜２とすることが望ましい。
【００４０】
更に、フィンの高さＨを前述の３ｍｍ＜Ｈ＜８ｍｍとしたうえで、アスペクト比Ｈ／Ｐを０．５＜Ｈ／Ｐ＜２とすることが望ましい。
【００４１】
なお、本発明における蒸気タービン段落を最終タービン段落およびその上流のタービン段落の少なくとも１つ以上に適用すれば、チップリークを低減でき、エロージョン量が減少して、タービン効率・信頼性をさらに向上させうる蒸気タービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態のタービン段落を示す断面図。
【図２】図１に示す実施の形態のタービン段落の動翼先端部を示す図。
【図３】シールフィンの形状を示す図。
【図４】本発明の他の実施の形態のタービン段落の動翼先端部を示す図。
【図５】適切なシールフィン高さを示す説明図。
【図６】シールフィンが低すぎる場合の説明図。
【図７】シールフィンが高すぎる場合の説明図。
【図８】フィン高さとフィン間隔のアスペクト比を適切に設定した場合のシールフィンを示す説明図。
【図９】シールフィン間隔が狭すぎる場合の説明図。
【図１０】シールフィン間隔が広すぎる場合の動翼先端部を示す説明図。
【図１１】従来のタービン段落を示す断面図。
【図１２】図１１のＡ−Ａ矢視図。
【図１３】従来のタービンノズル内の流体の流れを示す断面図。
【図１４】従来のタービン段落におけるシールフィンの位置を示す断面図。
【図１５】蒸気タービンの膨張曲線。
【図１６】湿り蒸気中で運転される蒸気タービンの流動状態説明図。
【図１７】従来提案されているシールフィン構造を示す図。
【図１８】従来提案されているシールフィン構造の子午面図。
【符号の説明】
【００４３】
１  ノズル外輪
１ａ  ノズル外周壁
２  ノズル内輪
２ａ  ノズル内周壁
３  ノズル翼
３ａ  ノズル翼の後縁
４  回転軸
５  動翼
６  動翼カバー
９  シールフィン
８  スナッバカバー
ＣＬ  チップクリアランス
Ｄ  Ｌ−２羽根出口
Ｅ  Ｌ−１ノズル出口
Ｆ  Ｌ−０ノズル出口
Ｈ  フィン高さ
Ｉ  比エンタルピ
Ｊ  Ｌ−０羽根出口
Ｋ  蒸気の流れ
Ｌ−１  タービン最終段前段落
Ｌ−０  タービン最終段段落
Ｍ  水膜
Ｏ  回転中心
Ｐ  フィン間隔
Ｐｒ  蒸気圧力
Ｒｒ  ノズル後縁端ルート半径
Ｒｔ  ノズル後縁端チップ半径
Ｓｅ  エントロピ
Ｔｅ  蒸気温度
Ｖ  水滴の流れ
Ｘａ  軸方向
Ｘｒ  ラジアル線
θ  ノズル外周壁傾斜角度
【図１】
2007138864.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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2007138864.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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