(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記第一噴出孔は、隣り合う前記静翼同士にわたるように周方向に延在するスリット状をなしていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
【背景技術】
【0002】
蒸気タービンは蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、それを機械的仕事に変換する原動機である。高圧の蒸気を該蒸気よりも低圧の箇所に導入すると、蒸気は圧力が低下することによって膨張する。その際、蒸気の熱エネルギーは運動エネルギーに変換されて高温の蒸気流が得られる。そして、高速で流れる蒸気が動翼に供給されて、動翼とともに該動翼を支持する回転軸が回転させられる。その回転力が発電機等へ伝えられることによって、蒸気の運動エネルギーが機械的仕事に変換される。
【0003】
蒸気は圧力や温度の低下といった状態の変化を伴って、蒸気タービン内で膨張して仕事をする。例えば、ボイラから蒸気タービンに過熱蒸気が噴出され、圧力低下に伴った膨張をするに従って過熱度が減じて乾き飽和状態となる。このような乾き飽和状態の蒸気は、さらに膨張することで水分を含んだ湿り蒸気となる。
【0004】
湿り蒸気の領域では静翼の表面上に水分が凝集し易く、該静翼の表面上に凝集した水分が水脈となり、蒸気流に吹かれることで下流に向かって流通する。水脈は静翼の後縁部まで達すると、飛散して水滴となる。このように静翼から飛散した水滴は、蒸気流によって当該静翼の下流側に設置された動翼に衝突し、該動翼の浸食(エロージョン現象)の原因となり得る。
【0005】
このように、静翼から飛散した水滴が下流側にある動翼に衝突する場合、動翼には回転軸の回転方向と逆の力が働き、回転を抑制してしまうブレーキ作用が生じてしまう。一般に、蒸気中の水分が1%増すと、蒸気タービンの内部効率が1〜1.2%減少すると言われている。
【0006】
湿り蒸気中で水分が凝集することで生じた翼面上の水脈を除去する技術としては、例えば特許文献1〜5に開示されたものが知られている。
【0007】
特許文献1〜3に開示された技術では、翼の背側となる負圧面および腹側となる正圧面の全体あるいは一部分に複数の噴射孔を設けて、当該噴出孔から翼内空間に導入した蒸気を噴出させることで水脈を飛散させることとしている。
また、特許文献4に開示された技術では、翼内空間に蒸気を導入することで翼を熱し、噴出孔から蒸気を噴出させることで翼周りの湿り度を減じることとしている。
さらに、特許文献5に開示された技術では、翼の後縁部を略鋸歯状とすることで飛散する水滴を微細化し、翼面上のスリットから水脈の一部を吸い込み、外部へ排出させることとしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ところで、湿り蒸気の領域では静翼の表面上のみならず静翼同士を回転軸の周方向に連結するシュラウドの表面にも水分が凝集し易く、該シュラウドの表面上に凝集した水分が蒸気の流れに従って流通することにより水脈が生じてしまう。また、翼で凝縮した水分が遠心力によって外側シュラウドに付着し、その結果シュラウド内に水脈が生じることもある。
【0010】
このような水脈がシュラウドの後縁で水滴として飛散して動翼に衝突すると、上記同様、侵食や効率低下を招いてしまう。しかしながら上記従来の技術では、翼に付着した水分の除去をある程度行うことができるものの、シュラウドの表面の水分に対しては効果を奏しない。したがって、シュラウドの後縁から飛散した水滴による動翼の侵食や蒸気タービンの効率の低下を招いてしまうという問題があった。
【0011】
本発明は上記のような問題を鑑みてなされたものであって、水滴による動翼の侵食や効率の低下をより効果的に回避すること可能な蒸気タービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するために本発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る蒸気タービンは、蒸気の流体圧力によって回転軸を回転させる動翼と、前記回転軸の径方向外側に、該回転軸の周方向に互いに間隔をあけて複数が設けられ、前記動翼への前記蒸気の流れを形成する静翼と、前記周方向に隣り合う前記静翼同士を連結し、これら静翼とともに前記蒸気の流路を画成するシュラウドとを備え、前記シュラウドにおける前記流路に臨む表面に、ガスを噴出する第一噴出孔が形成されて
おり、前記静翼の負圧面に前記ガスを噴出する第二噴出孔が形成されていることを特徴とする。
【0013】
このような特徴の蒸気タービンによれば、シュラウドの表面からガスを噴出することで、シュラウドの表面を流れる水分を微細化させることができる。
【0014】
なお、前記ガスは、前記流路を流通する蒸気よりも高温であることが好ましい。このようなガスをシュラウドの表面から噴出することで、シュラウドの表面を流れる水分を微細化させるとともに、該水分を蒸発させることができる。
【0015】
また、本発明に係る蒸気タービンにおいて、前記シュラウドは、前記静翼同士を該静翼における前記回転軸の径方向外側の端部で連結する外側シュラウドであって、前記第一噴出孔が該外側シュラウドにおける前記流路に臨む表面に形成されていることが好ましい。
【0016】
ここで、蒸気タービン内を流通する蒸気には、該蒸気タービンの遠心力によって回転軸の径方向外側に向かっての2次流れが生じる。したがって、湿り蒸気が凝縮して生じる水分は、静翼同士を径方向外側の端部で連結する外側シュラウドの表面に生じ易い。これに対して本発明の蒸気タービンでは、外側シュラウドの表面に第一噴出孔が形成されているため、外側シュラウドの表面の水分を微細化させることができ、蒸気タービン内から効率的に水分を除去することが可能となる。
【0017】
さらに、本発明に係る蒸気タービンにおいて、前記第一噴出孔は、隣り合う前記静翼同士にわたるように周方向に延在するスリット状をなしていることが好ましい。
【0018】
これによって、外側シュラウドを流れる水分は必ずスリットを通過することになる。したがって、当該水分を確実に微細化させることができる。
【0020】
これによって、シュラウドの表面の水分のみならず静翼の背面側となる負圧面の表面に付着した水分を微細化させることができる。したがって、動翼に水滴が衝突することをより確実に防止することができる。
【0021】
また、本発明に係る蒸気タービンは、前記シュラウドの内部に、前記ガスが流通するとともに該ガスを前記第一噴出孔に導く第一流路が形成され、前記静翼の内部に、前記ガスが流通し前記第一流路に接続されるとともに、該ガスを前記第二噴出孔に導く第二流路が形成されていることが好ましい。
【0022】
このような特徴の蒸気タービンによれば、第一噴出孔及び第二噴出孔にガスを導く第一流路及び第二流路が接続されていることにより、これら第一流路及び第二流路にガスを供給するガス供給源を共通化することができる。
【発明の効果】
【0023】
本発明の蒸気タービンによれば、シュラウドの表面の水分を微細化させることができるため、当該水分に基づく水滴が動翼に衝突することを抑制し、動翼の侵食や効率の低下をより効果的に回避することができる。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明の蒸気タービンの実施の形態について
図1〜4を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態に係るタービン1は、ケーシング10と、ケーシング10内に流入する蒸気Sの量と圧力を調整する調整弁20と、ケーシング10の内側に回転自在に設けられ、動力を発電機等の機械(図示省略)に伝達する回転軸30と、該回転軸30を支持する軸受部40と、ケーシング10の内面に固定された外側シュラウド50と、該外側シュラウド50に保持された静翼60と、該静翼60に固定された内側シュラウド70と、静翼60の下流側において回転軸30に設けられた動翼80とを備えている。
【0026】
ケーシング10は、その内側に空間を形成するように構成をされており、当該内側の空間を気密に封止している。
調整弁20は、ケーシング10の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Sが流入する調整弁室21と、弁体22と、弁座23と、蒸気室24とを備えている。この調整弁20では、弁体22が弁座23から離間することで蒸気流路が開き、蒸気Sが蒸気室24を介してケーシング10の内部空間に流入するようになっている。
【0027】
回転軸30は、軸本体31と、軸本体31の外周から径方向外側に環状に張り出すように設けられた複数のディスク32とを備えている。この回転軸30は、回転エネルギーを発電機等の機械(図示省略)に伝達するようになっている。
軸受部40は、ジャーナル軸受装置41及びスラスト軸受装置42を備えており、ケーシング10内部に挿通された回転軸30をケーシング10の外側において回転可能に支持している。
【0028】
外側シュラウド50は、ケーシング10の内壁面に固定されており、
図1及び
図2に示すように、回転軸30の軸線を中心としたリング状をなしている。この外側シュラウド50は、軸線方向に間隔をあけて複数(本実施形態では6つ)が設けられている。
また、本実施形態では、外側シュラウド50における径方向内側を向く表面51は、下流側に向かうに従って径方向外側に向かって傾斜しており、該傾斜の下流側の延長線上には後述する動翼80の先端(径方向外側の端部)が位置している。
【0029】
静翼60は、
図1及び
図2に示すように、径方向外側の端部となる基端部が外側シュラウド50に取り付けられており、該外側シュラウド50から径方向内側に向かって延出する翼形状をなしている。この静翼60は、径方向内側に向かうに従って軸線方向の寸法が小さくなるように形成されている。なお、この静翼60における周方向の一方側(
図2における紙面手前側、
図3の下側)を向く面が凸曲面状をなす負圧面61とされており、周方向の他方側(
図2における紙面奥側、
図3の上側)を向く面が凹曲面状をなす正圧面62とされている。
【0030】
また、静翼60は、回転軸30及び外側シュラウド50の周方向に間隔をあけて複数が設けられており、即ち、静翼60は放射状に複数配置されている。これによって、周方向に配列された静翼60の基端部同市は外側シュラウド50によって連結されている。
【0031】
このように周方向に配列された複数の静翼60によって、回転軸30を外周側から囲うように放射状をなす環状静翼群が構成されている。この環状静翼群は、複数の外側シュラウド50にそれぞれ固定されており、軸線方向に離間して外側シュラウド50と同数(本実施形態では6つ)が設けられている。
【0032】
内側シュラウド70は、
図1及び
図2に示すように、外側シュラウド50と同様に軸線を中心とした環状をなす部材であって、静翼60における外側シュラウド50からの延出方向の先端、即ち、静翼60の径方向内側の端部に固定されている。即ち、この内側シュラウド70は、周方向に配列された静翼60の径方向内側の端部である先端同士を周方向に連結している。
なお、内側シュラウド70の内側には回転軸30が挿通されており、これら内側シュラウド70と回転軸30との間には隙間が形成されている。これによって、回転軸30は内側シュラウド70に干渉されることなく軸線回りに回転するようになっている。
【0033】
ここで、互いに隣り合う静翼60同士の間には、これら静翼60、外側シュラウド50の表面51及び内側シュラウド70の表面71によって画成されるようにして、蒸気Sが流通する流路Pが形成されている。これによって、外側シュラウド50の表面51、内側シュラウド70の表面は流路Pに臨む面とされている。
【0034】
動翼80は、
図1及び
図2に示すように、その基端部が回転軸30のディスク32の外周部に取り付けられており、ディスク32から径方向外側に延出している。この動翼8032は、径方向外側に向かうに従って回転軸30の軸線方向の寸法が小さくなるように形成されている。また、動翼80は、回転軸30の周方向に間隔をあけて複数がディスク32の外周部に取り付けられており、即ち、放射状に複数配置されている。これによって、動翼80は、回転軸30を取り巻くように環状動翼群を構成している。
【0035】
この環状動翼群は、環状静翼群と対をなすように各環状静翼群の下流側にそれぞれ設けられており、即ち、環状静翼群と同数(本実施形態では6つ)が配置されている。即ち、本実施形態の蒸気タービン1は、環状静翼群及び環状動翼群からなる段が6つ配置された6段の蒸気タービン1とされている。
【0036】
ここで、本実施形態の蒸気タービン1は、流路Pにおける水分Wを除去するための水分除去構造を備えている。
水分除去構造は、
図2から
図4に示すように、外側シュラウド50の表面51に開口するように形成された第一噴出孔91、外側シュラウド50の内部に形成された第一流路93、静翼60の内部に形成された第二流路94、内側シュラウド70の内部に形成された第三流路95、及び、第三流路95にガスGを供給するガス供給源100とから構成されている。
【0037】
第一噴出孔91は、外側シュラウド50の表面51、即ち、径方向内側を向き流路Pに臨む面に形成されている。この第一噴出孔91は、隣り合う静翼60の基端部同士にわたるように、周方向に延在するスリット状に形成されている。即ち、第一噴出孔91の延在方向の両端はそれぞれ該第一噴出孔91の周方向両側に位置する静翼60に接している。より詳細には、第一噴出孔91は、隣り合う静翼60のうちの一方の静翼の負圧面61と他方の静翼60の正圧面62とにわたって延在している。
【0038】
第一流路93は、外側シュラウド50内部に周方向に延在するように形成された孔部であって、第一噴出孔91に接続されている。これによって第一流路93は第一噴出孔91を介して流路Pと連通状態とされている。
【0039】
第二流路94は静翼60を該静翼60の延出方向に延在するように、即ち、径方向に延在するように形成された孔部であって、その径方向外側の端部は外側シュラウド50内に形成された第一流路93と接続されている。これによって第一流路93と第二流路94とは互いに連通状態とされている。
【0040】
第三流路95は、内側シュラウド70内部に周方向に延在するように形成された孔部である。この第三流路95は内側シュラウド70と静翼60との接続箇所において、静翼60内に形成された第二流路94の径方向内側の端部と接続されている。これによって、第二流路94と第三流路95とは互いに連通状態とされており、即ち、第一流路93と第三流路95とは第二流路94を介して連通状態とされている。
【0041】
ガス供給源100は、
図4に示すように、ガスGを第三流路95に供給する役割を有している。また、ガス供給源100から供給されるガスGは、第三流路95、第二流路94及び第一流路93を経由して第一噴出孔91から噴出されるように、流路P内の蒸気Sよりも高圧とされている。
【0042】
ガス供給源100から供給されるガスGとしては、蒸気、空気、窒素やその他不活性ガスG等を用いることができる。
ガスGとして蒸気を採用する場合、ガスG供給原としてはボイラやその他の蒸気発生装置を用いることができる。また、ガス供給源100として、蒸気タービン1内におけるガスGを噴出する流路Pよりも上流側の蒸気流路から蒸気を供給する構成であってもよい。また、ガスGとして蒸気を用いる場合は、当該ガスGは流路Pを流通する蒸気よりも高温であることが好ましい。より具体的には、ガスGは流路P内の蒸気Sの圧力における飽和温度よりも高い温度の加熱蒸気とされていることが好ましい。
【0043】
一方、ガスGとして空気、窒素その他の不活性ガスG等を用いる場合には、これらガスGを高圧で封止したタンクから該ガスGを噴出させて第三流路95に供給する構成を採用することができる。その他、ガスGを送風機によって高圧状態として第三流路95に供給してもよい。
【0044】
次に本実施形態の蒸気タービン1の作用について説明する。
蒸気タービン1は、ボイラからの蒸気Sが調整弁20を介してケーシング10内に導入されることで稼働する。即ち、ケーシング10内に流入した蒸気Sは各段において静翼60間の流路Pを通過して動翼80に供給される。そして、この蒸気Sの流体圧力が動翼80に作用することにより、該動翼80の回転とともに回転軸30が回転する。これによって、回転軸30に接続された機械が駆動される。
【0045】
ここで、蒸気タービン1の稼働中に各段を流通する蒸気Sが湿り蒸気となると、静翼60や動翼80の表面に水分Wが凝縮し、これが飛散することで外側シュラウド50に水分Wが付着する。また、湿り蒸気が直接的に外側シュラウド50に凝縮して水分Wが付着することもある。このような水分Wにより外側シュラウド50の表面51に蒸気Sの流れに沿った水脈が生成されると、外側シュラウド50の表面51の後縁から水滴が飛散し、当該水滴が下流側の動翼80に衝突することで該動翼80の侵食や効率低下を招くおそれがある。
【0046】
これに対して、本実施形態の蒸気タービン1では、第一噴出孔91からガスGを噴出することで水滴の飛散を回避している。
即ち、蒸気タービン1の稼働中には、
図4に示すように、上述したガス供給源100からのガスGが内側シュラウド70内の第三流路95に供給される。この第三流路95内のガスGは、静翼60内の第二流路94、外側シュラウド50内の第一流路93を経由して、第一噴出孔91から径方向内側に向かって流路P内に噴出される。この際、第一噴出孔91は隣り合う静翼60同士にわたって延在しているため、外側シュラウド50の表面51を下流側に向かって流通する水分Wは必ず第一噴出孔91からのガスGに接触することになる。
【0047】
これによって、外側シュラウド50の表面51を流通する水分Wを微細化させることができる。即ち、外側シュラウド50の表面51の水分Wはその経路の中途にある第一噴出孔91からのガスGに曝されることにより、該ガスGの流れにしたがって分散化されることになる。これによって、外側シュラウド50の表面51における第一噴出孔91よりも下流側の領域において水分Wがまとまって水脈となってしまうことを回避できる。したがって、まとまった水分Wが外側シュラウド50の後縁から水滴として飛散することを防止することができ、当該水滴による動翼80の侵食や効率の低下を抑制することが可能となる。
【0048】
さらにガスGとして、第一噴出孔91が臨む流路Pを流通する蒸気Sよりも高温のガスGを用いた場合には、ガスGの噴出による水分Wの微細化に加えて、ガスGの熱によって水分Wの蒸発を促すことができる。これによって、より一層、第一噴出孔91よりも下流側に水分Wがまとまって流通してしまうことを回避することができる。
【0049】
また、本実施形態では、特に水分Wが集まりやすい外側シュラウド50の表面51に第一噴出孔91を形成したため、蒸気タービン1内から効率的に水分Wを除去することが可能となる。
【0050】
次に本発明の第二実施形態について、
図5〜7を参照して説明する。第二実施形態において第一実施形態と同様の構成要素には、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
第二実施形態の蒸気タービン1は、静翼60の負圧面61に第二噴出孔92が形成されている点で第一実施形態と相違する。
【0051】
即ち、第二実施形態では、
図5〜7に示すように、静翼60の背側となる負圧面61に該負圧面61の径方向外側の端部から径方向内側に向かって延在するスリット状をなす第二噴出孔92が形成されている。
この第二噴出孔92は、静翼60内に形成された第二流路94に接続されており、これによって第二流路94は第二噴出孔92を介して蒸気Sの流路Pと連通状態とされている。
【0052】
なお、静翼60の軸線方向の寸法を該静翼60の翼幅とした場合、第二噴出孔92は静翼60の前縁部から翼幅の50%以上70%以内の範囲に形成されていることが好ましい。
また、静翼60の径方向の寸法を該静翼60の翼高さとした場合、第二噴出孔92は静翼60の径方向外側の端部から翼高さの50%以上70%以内の範囲に形成されていることが好ましい。
【0053】
以上のような第二実施形態の蒸気タービン1によれば、外側シュラウド50の表面51に形成された第一噴出孔91からのガスGの噴出に加えて静翼60の負圧面61に形成された第二噴出孔92から流路Pに向かってガスGを噴出することができる。
これによって外側シュラウド50の表面51に水分Wのみならず、静翼60の負圧面61に付着した水分Wを除去することが可能となる。
ここで、静翼60の表面における水分Wは、特に静翼60の負圧面61における該静翼60の前縁部から翼幅の50%以上70%以内、かつ、静翼60の径方向外側の端部から翼高さの50%以上70%以内の範囲に付着し易い。本実施形態では、第二噴出孔92が静翼60の表面の当該範囲に形成されていることにより、効率的に水分Wを除去することができる。
【0054】
また、第一噴出孔91及び第二噴出孔92にガスGを導く第一流路93及び第二流路94は互いに接続されていることにより、これら第一流路93及び第二流路94にガスGを供給するガス供給源100を共通化することができる。これによりガスGの供給経路の簡素化を図ることができ、設備の大型化や複雑化を回避することができる。
【0055】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施形態では外側シュラウド50と内側シュラウド70とのうち、外側シュラウド50の表面51に第一噴出孔91を形成したが、これに代えて内側シュラウド70の表面71にガスGの噴出孔を形成してもよい。この内側シュラウド70の表面71からガスGを径方向内側に噴出することで、該内側シュラウド70の表面71の水分Wを効果的に除去することができる。
また、外側シュラウド50の表面51に第一噴出孔91を形成することに加えて、内側シュラウド70の表面71にガスGを噴出する噴出孔を形成してもよい。
【0056】
さらに、実施形態では第一噴出孔91、第二噴出孔92ともにスリット状としたが、これに限定されることはなく、例えば円形や多角形状の孔としてもよい。また、第一噴出孔91及び第二噴出孔92をそれぞれ複数形成してもよい。
【0057】
また、実施形態では、ガス供給源100が第三流路95にガスGを供給する構成としたが、外側シュラウド50内部の第一流路93にガスGを供給する構成としてもよい。この場合、第二実施形態においては第一流路93から第二流路94にガスGが流れ込み、第二噴出孔92から流路PにガスGが噴出される。