(57)【要約】【課題】作動蒸気から発生する水滴、水膜が、ロータの回転に伴い作用する遠心力により、動翼の外側に導かれて飛散し、外径が大きいことにより周方向速度が高い動翼の先端付近に高速で衝突する結果、動翼先端のエロージョンが発生がする原因となっていた。【解決手段】作動蒸気から発生する水滴、水膜を動翼下流側に導くための案内溝または案内リブ設けることにより、水滴、水膜が動翼先端側に導かれるのを防ぐことにより、周方向速度が高い動翼の先端付近と水滴、水膜が高速で衝突することを防ぐことができて、動翼先端のエロージョンを緩和することができる。【選択図】図２
2016166569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
このロータに植設され、作動蒸気が作用して前記ロータを回転させる動翼と、
前記作動蒸気の膨張により前記動翼表面に発生する水滴または水膜を、前記動翼の下流の方向に案内するために前記動翼に設けられる案内溝または案内リブと
を具備することを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
ロータと、
このロータに植設され、作動蒸気が作用して前記ロータを回転させる動翼と、
前記作動蒸気を前記動翼に導く静翼と、
前記作動蒸気の膨張により前記静翼の翼面に発生する水滴または水膜を、前記動翼の下流の方向に案内するために前記静翼に設けられる案内溝または案内リブとを具備することを特徴とする蒸気タービン。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項記載の蒸気タービンであり、案内溝もしくは案内リブを複数備えることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項４】
請求項１または２いずれか１項記載の蒸気タービンであり、案内溝もしくは案内リブを翼の背側と腹側に備え、背側と腹側の案内溝もしくは案内リブが翼の前縁もしくは後縁で連結され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に記載の蒸気タービンであり、案内溝の底を成す面が、翼の外表面と緩やかな角度で接続されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項６】
請求項１または２記載のいずれか１項記載の蒸気タービンであり、案内溝もしくは案内リブがＺ型に折れ曲がった形状を成し、複数の翼断面にかけて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または請求項２にいずれか１項記載の蒸気タービンであり、案内溝もしくは案内リブが前記蒸気タービンを作動するための流体の流線に沿う湾曲した形状で形成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】
本発明の実施形態は、蒸気タービンの作動蒸気から発生する水滴によりおきる、蒸気タービン動翼のエロージョン低減効果を有する蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは、原子力発電プラント、火力発電プラント、地熱発電プラントなどの発電プラントで利用される。蒸気タービンは、高圧から低圧に至る蒸気の熱エネルギを機械的仕事に変換する。この過程において、蒸気タービンの低圧部では、蒸気の温度が低下し、蒸気の一部が膨張仕事中に凝縮して湿り度が増す。そして、凝縮した水分は、蒸気通路の壁面や蒸気タービンの動翼に付着または衝突する。
【０００３】
蒸気通路の壁面や動翼に付着する水分は、粒径が大きな水滴に成長する場合がある。
【０００４】
この大粒径の水滴は、蒸気の流れよってより後段（下流）の動翼に向かう。また、通路内を旋回する蒸気中の水滴は、旋回に伴い生じる遠心力により、通路の外周に寄り集まる他、動翼に付着した水滴も動翼の回転により生じる遠心力により、動翼先端に向かって翼面上を移動もしくは翼面から離脱して飛散する。
【０００５】
このようにして蒸気通路部外周側に寄り集まった大粒径の水滴は、動翼の前縁などに衝突して、動翼を浸食する。また、大粒径の水滴は、動翼の回転に対する抵抗（いわゆる湿り損失）を生じさせる。すなわち、蒸気通路内における水分の存在は、タービン効率や蒸気タービンの信頼性を低下させる。特に動翼の先端近傍は回転による周速度が大きく、水滴との衝突による浸食や性能への影響が顕著である。
【０００６】
そこで従来の蒸気タービンにおいては、図１３に示すように、浸食が発生する動翼２１より上流に位置する静翼２５や通路部外周壁面２３ａに翼面スリット５６や壁面スリット５７を設けて水分を回収している。また更に上流段落で水分を捕獲する為に、壁面スリット５８を設け、壁面スリット５８直下の動翼５９翼面にガイド溝６０を形成し、壁面スリット５８に向かって水滴を集積する施策を講じている。スリットが設けられる静翼や通路部壁等の静止部品は、中空構造になっている。スリットにより回収された水分は、この中空部３０もしくは６２を通り、蒸気通路から外部へ排出される。これら施策はいずれも浸食や効率低下を防ぎたい動翼２１の上流で講じられるものであるが、当該動翼の表面にも上流からの蒸気によって運ばれてきた水滴３８が付着し、翼面上で集合して粗大化した後、遠心力によって動翼から飛散することで浸食の原因となっている。更にタービンの出力を定格出力より抑えて運転する場合等においては、最終段出口の蒸気に逆流蒸気６１が発生し、タービン翼列を一旦通過した逆流蒸気６１中に含まれる水滴が最終段の動翼２１に付着することで、同様に浸食の原因となる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１２４７５１号公報
【特許文献２】特開２００９−１３８５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、従来の水分除去構造で除去できない範囲の水分を捕獲し、捕獲した水分を、浸食が懸念される動翼先端から遠ざける方向に誘導して排水することができる蒸気タービンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の蒸気タービンは、動翼が植設されたタービンロータが貫設されたケーシングと、前記ケーシングの内側に配設され、内部に中空部を有するダイアフラム外輪と、前記ダイアフラム外輪の内側に配設されたダイアフラム内輪と、前記動翼とタービン段落を形成し、少なくとも外径側の端部が前記ダイアフラム外輪に溶接によって接合され、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に支持された静翼とを備える。さらに、実施形態の蒸気タービンは、浸食を防ごうとするタービン段落の動翼または浸食を防ごうとする動翼の上流側に位置する静翼の背側もしくは腹側もしくは両側の表面に、翼の前縁部から後縁部に向かい連続した凹溝もしくは凸形状を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態の蒸気タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。
【図３】第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図４】第２の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。
【図５】第３の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図６】第４の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図７】第５の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。
【図８】第５の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。
【図９】第６の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図１０】第７の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。
【図１１】第７の実施の形態の蒸気タービンにおける、最終のタービン段落の動翼の高さ方向における、流体の角度のグラフを示した図である。
【図１２】第８の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。
【図１３】従来の蒸気タービンにおけるタービン段落の一部の断面を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
【００１３】
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の鉛直方向の子午断面を示す図である。図１に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング２０を備え、このケーシング２０内には、タービンロータ２２が貫設されている。タービンロータ２２には、周方向に複数の動翼２１が植設され、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、タービンロータ軸方向に複数段備えられている。タービンロータ２２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。
【００１４】
ケーシング２０の内側には、ダイアフラム外輪２３が配設されている。ダイアフラム外輪２３の内側には、ダイアフラム内輪２４が配設されている。ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４の間には、周方向に複数の静翼２５が支持され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、タービンロータ軸方向に動翼翼列と交互になるように、複数段備えられている。そして、静翼翼列と、この静翼翼列の直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。
【００１５】
タービンロータ２２とケーシング２０との間には、蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２６が設けられている。また、タービンロータ２２とダイアフラム内輪２４との間には、蒸気の漏洩を防止するために、シール部２７が設けられている。
【００１６】
蒸気タービン１０には、内部に蒸気を導入するための蒸気入口管２８がケーシング２０を貫通して設けられている。なお、図示しないが、最終のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気流路が設けられている。この排気流路は、例えば、復水器（図示しない）に連通されている。
【００１７】
次に、低圧となり湿り蒸気が流れるタービン段落の構成について説明する。
【００１８】
ここでは、湿り蒸気が流れるタービン段落として、最終のタービン段落を例示して説明する。なお、湿り蒸気が流れるタービン段落は、最終のタービン段落のみに限られず、これよりも上流のタービン段落を含むこともある。このような、湿り蒸気が流れるタービン段落には、発生した水滴や水膜を捕獲する機能が備えられる。
【００１９】
図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。図３は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【００２０】
図２に示すように、最終のタービン段落動翼２１の翼面には、水滴または水膜を案内する水分案内溝３１が形成されている。この水分案内溝１の構成について説明する。なお、蒸気は、図２において矢印３２に示すように左側から右側に流れる。
【００２１】
図３に示すように、水分案内溝３１a及び３１bは動翼２１の翼面の腹側３３及び背側３４に形成されている。水分案内溝３１ａと３１ｂ共に、動翼２１の前縁３５近傍から後縁３６近傍にかけて形成されている。
【００２２】
図２において動翼２１の植込み側根元３７近傍に付着した水滴３８は、動翼２１の回転によって生じる遠心力により、動翼先端３９方向に翼面上を移動する。水滴３８は翼面上を移動する際、他の水滴と集合し、粗大な水滴４０に成長する。水分案内溝３１は、水滴が移動する経路の途中に形成されている。水滴４０は移動の途中で水分案内溝３１に捕獲されると、動翼の回転によって生じる遠心力と、水分案内溝３１により生じる表面張力の作用により、溝に沿って矢印４１方向に移動する。図２及び図３において水分案内溝３１内を移動する水滴４２が水分案内溝３１の後端に達すると、同じく溝内を移動してきた水滴と合流してより大きな水滴４３に成長し、動翼２１の回転によって生じる遠心力及びタービンを駆動する蒸気力により、動翼２１の後縁端から吹きちぎれ、吹きちぎれた水滴４４はタービン最終段より下流に排出される。このように水分案内溝を介して水分を排出することで、タービン最終段動翼と水分の衝突を減少させ、動翼の浸食を低減することができる。
【００２３】
（第２の実施の形態）
【００２４】
図４は、第２の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。尚、第１の実施の形態の蒸気タービン１０と同一の構成部分には、同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、タービン最終段動翼２１の翼面上に水分案内溝が設けられている。第２の実施の形態では、水分案内溝３１が動翼２１の長手方向に複数列設けられている。動翼２１の先端３９方向に向けて移動する水滴または水膜の速度が速いときや、水滴径や水膜厚さが水分案内溝３１ａで捕獲可能な大きさより大きい場合に水分案内溝３１ａを乗り越えて、これらを捕獲できない場合が想定される。このような場合にでも、図４に示すように、水分案内溝を複数設ける事により、水滴または水膜の移動速度を減衰させる効果と、水滴径または水膜厚さを減少させる効果があり、第１の実施の形態より確実に水分を捕獲し、タービン下流に排出することができる。
【００２５】
（第３の実施の形態）
【００２６】
図５は、第３の実施の形態における蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部が示された、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。ここでは、図２に示した第１の実施の形態の水分案内溝３１の構成を例示して説明する。第３の実施の形態の蒸気タービン１０においては、水分案内溝４５の構成以外は、第１または第２の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、水分案内溝４５の構成について主に説明する。図５に示すように第３の実施の形態の蒸気タービン１０は第１の実施の形態と同様に動翼翼面に水分案内溝４５が形成されている。水分案内溝４５は動翼背側の４５ａと腹側の４５ｂから構成される。図５では水分案内溝の背側４５ａと腹側４５ｂが、動翼２１の後縁端３６まで形成されており、水分案内溝の背側４５ａと腹側４５ｂは後縁端３６で合流し、連続した溝を形成している。水分案内溝４５で捕獲された水分は溝に沿って翼後縁３６まで移動した後、動翼２１から離脱して排気される。このように水分案内溝を後縁端３６まで形成することにより、水分の離脱をいっそう促進することができる。
【００２７】
（第４の実施の形態）
【００２８】
図６は、第４の実施の形態における蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部が示された、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。ここでは、図２に示した第１の実施の形態の水分案内溝３１の構成を例示して説明する。第４の実施の形態の蒸気タービン１０においては、水分案内溝４６の構成以外は、第１または第２の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、水分案内溝４５の構成について主に説明する。図６に示すように第４の実施の形態の蒸気タービン１０は第１の実施の形態と同様に動翼翼面に水分案内溝４６が形成されている。水分案内溝４６は動翼背側の４６ａと腹側の４６ｂから構成される。図６では水分案内溝の背側４６ａと腹側４６ｂが、動翼２１の背側・腹側共に後縁端３６の手前まで形成されており、水分案内溝４６の後端底部は緩やかな角度で動翼翼面３７と接続している。水分案内溝に捕獲された水分は溝に沿って翼後縁端３６方向に移動した後、溝の後端の緩やかな底部に沿って排出され、動翼後縁端３６から離脱して排気される。動翼２１の後縁近傍の断面幅が薄く、動翼の強度が低下する懸念から水分案内溝を後縁端まで形成できない場合でも、図６に示すように水分案内溝４６後端の底面を緩やかな角度で動翼翼面６２と接続することにより、水分の離脱を促進することができる。
【００２９】
（第５の実施の形態）
【００３０】
図７は、第５の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。尚、第１の実施の形態の蒸気タービン１０と同一の構成部分には、同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。第５の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、タービン最終段動翼２１の翼面上に水分案内溝４７が設けられている。第５の実施の形態の水分案内溝４７は、動翼の中央付近の線４８を挟んでタービン上流側と下流側で、溝が形成されている翼断面が異なっている。タービン上流側の水分案内溝４７ａは翼断面Ｂ−Ｂ上に形成される。下流側の水分案内溝４７ｂは翼断面Ｃ−Ｃ上に形成される。更に水分案内溝４７ａと４７ｂは４７ｃにより接続され、一連の水分案内溝４７を形成している。水分案内溝４７に捕獲された水分が溝を介して動翼２１後方に排出される機能は第１の実施の形態と同じである。蒸気タービンの最終段落のように長大な動翼において翼断面に亀裂や破断が発生する程の大きな遠心力が作用する場合に、水分案内溝を形成する翼断面の遠心方向位置を複数に分散することにより、単一断面に生じる応力集中を緩和することができる。第５の実施の形態による水分案内溝は、図８に示す水分案内溝４９，５０，５１ように、第２の実施の形態と同様、水分の捕獲が確実に行われる為に、動翼２１翼面上に複数設けても良い。
【００３１】
（第６の実施の形態）
【００３２】
図９は、第６の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部が示された、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。第１〜第５の実施の形態では動翼表面に付着した水分を動翼後縁端近傍まで案内する為に溝を設けていた。第６の実施の形態では動翼翼面に凸形状となる水分案内リブ５２を形成しており、機能は第１〜第５の実施の形態と同じく、動翼翼面に付着した水分を動翼前縁側から後縁側にかけて案内し、動翼出口へ排出するものである。水分案内リブ５２は第５の実施の形態における水分案内溝と同様に複数断面に渡って形成すると共に、翼面上に複数設けても良い。
【００３３】
（第７の実施の形態）
【００３４】
図１０は、第７の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。図１１は、図１０に示すタービン最終段落の子午断面上において、動翼２１の高さ位置と流体の角度の例を示した流体解析に基づくグラフであり、横軸は動翼２１の全高Ｚにおけるある高さｚの比ｚ／Ｚを表している。縦軸はある各高さ比ｚ／Ｚにおける、流体の角度θを表している。図１１の曲線θａは動翼２１の前縁２１ａの流体の角度、曲線θｂは後縁２１ｂの流体の角度をそれぞれ表している。動翼前縁２１ａすなわち動翼入口の流体角度θａと、動翼後縁２１ｂの流体角度θｂは、ある同一の高さ比ｚ／Ｚにおいて異なっていることから、流体の角度θは動翼の翼間Ｘを流れる間に変化している。このように角度を持った流体中に第１から第６の実施例に示すような水分案内溝もしくは水分案内リブを設ける場合、これらが流体の角度に沿わないと、流体は溝もしくはリブと交差する際に抵抗を生じタービン性能を低下させる。第７の実施の形態では、流体が角度を変化しつつ上流から下流に至る軌跡、すなわち流線６３に沿う形状に、水分案内溝５３を形成している。水分案内溝５３は流線６３に沿っている為、流体抵抗が抑えられ、性能の低下を防ぐことができる。
【００３５】
（第８の実施の形態）
【００３６】
図１２は、第８の実施の形態の蒸気タービン１０における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。第８の実施の形態においては、第１から第７の実施の形態と異なり、タービン最終段静翼２５、すなわち浸食を防ぎたい最終段動翼の上流側に位置する静翼の翼面上に水分案内溝が設けられている。タービン通路部を流れる蒸気は、その風向に回転成分を持っており、タービン入口から出口に向かって流れる過程で、回転により生じる遠心力の影響で、次第に通路部外周側に寄り集まっていく。
【００３７】
第８の実施の形態において、静翼２５の表面上に水分案内溝５４を形成することにより、静翼２５の表面に付着する水滴もしくは水膜等の水分５５が、蒸気力によって通路部外周側に運ばれる過程で、これらの水分を捕獲することができる。蒸気中に含まれる水分が動翼の外周側に運ばれる事を抑制することで、静翼２５の下流に位置する動翼２１に生じる浸食を低減することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１、５９…動翼、２２…タービンロータ、２３…ダイアフラム外輪、２３ａ…通路部外周壁面、２４…ダイアフラム内輪、２５…静翼、２６…グランドシール部、２７…シール部、２８…蒸気入口管、２９…蒸気流路、３０、６２…中空部、３１、３１ａ、３１ａ、４５、４５ａ、４５ｂ、４６、４６ａ、４６ｂ、４７、４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４９、５０、５１、５３…水分案内溝、３２、４１…矢印、３３…翼面腹側、３４…翼面背側、３５…動翼前縁、３６…動翼後縁、３７…動翼の植込み側根元部、３８、４２、４３、４４…水滴、４８…線、５２…水分案内リブ、３９…動翼先端、４０…粗大な水滴、５５…水分、５６…翼面スリット、５７…壁面スリット、６０…ガイド溝、６１…逆流蒸気、６２…動翼翼面、６３…流線、Ｚ…動翼の全高、ｚ…動翼の高さ位置、θ…流体の角度、θａ…動翼入口の流体角度、θｂ…動翼出口の流体角度
【図１】
2016166569.tif 000003
【図２】
2016166569.tif 000004
【図３】
2016166569.tif 000005
【図４】
2016166569.tif 000006
【図５】
2016166569.tif 000007
【図６】
2016166569.tif 000008
【図７】
2016166569.tif 000009
【図８】
2016166569.tif 000010
【図９】
2016166569.tif 000011
【図１０】
2016166569.tif 000012
【図１１】
2016166569.tif 000013
【図１２】
2016166569.tif 000014
【図１３】
2016166569.tif 000015