特許 6847673 タービン排気室

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6847673

(24)【登録日】2021年3月5日

(45)【発行日】2021年3月24日

(54)【発明の名称】タービン排気室

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/30 20060101AFI20210315BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20210315BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20210315BHJP

【ＦＩ】

   F01D25/30 A

   F01D25/30 B

   F01D25/24 C

   F01D25/24 T

   F02C7/00 B

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-5879(P2017-5879)

(22)【出願日】2017年1月17日

(65)【公開番号】特開2018-115581(P2018-115581A)

(43)【公開日】2018年7月26日

【審査請求日】2019年2月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三井 博明

(72)【発明者】

【氏名】田島 嗣久

(72)【発明者】

【氏名】岩井 章吾

(72)【発明者】

【氏名】小野 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】深堀 大地

【審査官】 中村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１７４１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４５０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５４−０９１５０３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００４７８１３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ２５／３０

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

Ｆ０２Ｃ ７／００

Ｆ０１Ｋ １１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービンロータを備える低圧タービンの最終段のタービン段落から流出した作動流体が通過するタービン排気室であって、
タービン排気室を構成するケーシングと、
前記最終段のタービン段落の下流側に設けられ、筒状のガイドおよび前記ガイドの内側に設けられた筒状のコーンによって形成された、前記最終段のタービン段落における動翼を通過した作動流体を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザと
を備え、
前記ガイドが、下流に行くに伴って半径方向外側に湾曲する湾曲ガイドと、前記湾曲ガイドの下流側に設けられ、前記タービンロータの回転軸方向に垂直で、かつ半径方向外側に向かって広がる平板ガイドとを有し、
前記タービンロータの回転軸に垂直な前記ケーシングの断面を前記ガイドの下流側から見たとき、
前記タービンロータの回転軸と前記ケーシングの内面との間の距離をＨとし、前記タービンロータの回転軸と前記平板ガイドの下流端との距離をＤとしたとき、前記平板ガイドの半径方向外側に向かう広がりは、前記最終段のタービン段落における前記動翼の翼長さに依存することなく、Ｄ／Ｈに基づいて設定され、
前記Ｄ／Ｈは、同じ半径方向において次の関係式を満たすことを特徴とするタービン排気室。
０．６ ≦ Ｄ／Ｈ ≦ ０．８

【請求項2】

前記ケーシングが、外側に凸状に湾曲した円弧状ケーシングと、前記円弧状ケーシングと接続された筐体状ケーシングとを有し、
前記円弧状ケーシングと前記筐体状ケーシングの２つの接続点のそれぞれと、前記タービンロータの回転軸とを結ぶ２本の仮想直線を含む前記円弧状ケーシング側において、
前記Ｈは、前記タービンロータの回転軸と前記円弧状ケーシングの内面との間の距離であることを特徴とする請求項１記載のタービン排気室。

【請求項3】

前記仮想直線のそれぞれが、前記タービンロータの回転軸を通る同一直線上にあることを特徴とする請求項２記載のタービン排気室。

【請求項4】

前記仮想直線のそれぞれが、前記タービンロータの回転軸から前記円弧状ケーシング側に傾いて伸びていることを特徴とする請求項２記載のタービン排気室。

【請求項5】

前記仮想直線のそれぞれが、前記タービンロータの回転軸から前記筐体状ケーシング側に傾いて伸びていることを特徴とする請求項２記載のタービン排気室。

【請求項6】

前記平板ガイドの半径方向外側に向かう広がりが、前記タービンロータの回転軸に対して周方向に不均一であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のタービン排気室。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、タービン排気室に関する。

【背景技術】

【0002】

エネルギ資源の有効利用などの観点から、発電用に使用される軸流タービンにおいて、タービン性能の向上が求められている。

【0003】

タービン性能を向上させるための重要な因子の一つとして、最終段のタービン段落（以下、最終タービン段落という。）を通過した作動流体の圧力損失を低減することが挙げられる。最終タービン段落を通過した作動流体に生じる圧力損失として、タービン排気損失がある。このタービン排気損失は、最終タービン段落の出口から排気室の出口までの間に生じる作動流体の圧力損失である。

【0004】

タービン排気損失は、最終タービン段落の出口における作動流体の速度によって変化する。最終タービン段落の出口における作動流体の速度は、発電プラントの運転条件、最終タービン段落の動翼の先端外径や翼長さなどに依存して変化する。そのため、運転条件、動翼の先端外径や翼長さなどの構造条件によらず、タービン排気損失を低減できる構造が求められている。

【0005】

軸流タービンには、排気室として、筒状のガイドおよびこのガイドの内側に設けられた筒状のコーンによって形成され、最終タービン段落を通過した作動流体を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザと、この環状ディフューザから排出された作動流体が流れる排気流路とを備えるものがある。

【0006】

環状ディフューザは、最終タービン段落から排出された作動流体の速度を十分に減少させて静圧を回復させる。排気流路は、環状ディフューザから排出された作動流体を排気室の出口に導く流路である。この排気流路では、作動流体の攪拌や渦などによる圧力損失を低減することが要求される。

【0007】

例えば、下方排気型の軸流タービンにおいては、上半側の環状ディフューザから排出された作動流体は、外部ケーシングの内面に沿って流れることで下方に転向され、下方の排気室の出口に向かって流れる。また、排気流路内において、下方の排気室の出口に向かう作動流体の流れは、下半側の環状ディフューザから排出される作動流体の流れと合流する。

【0008】

このような下方排気型の軸流タービンにおいて、上半側の環状ディフューザから排出されて下方の排気室の出口に向かう作動流体の流れと、下半側の環状ディフューザから排出される作動流体の流れとが合流する際の圧力損失を低減して、排気流路における作動流体の圧力損失を低減することが検討されている。

【0009】

また、環状ディフューザにおけるガイドの曲率を周方向で変形させて、環状ディフューザ内での作動流体の剥離を抑制し、環状ディフューザにおける作動流体の圧力損失を低減することが検討されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特許第４２４９９０３号公報

【特許文献2】特許第３７７６５８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

上記した従来の軸流タービンの排気室では、所定の運転条件や所定の構造条件に基づいて、環状ディフューザや外部ケーシングなどの設計がなされる。そのため、運転条件、動翼の先端外径や翼長さなどの構造条件が変化した場合、作動流体の圧力損失を最適に低減することが困難であった。

【0012】

また、従来の軸流タービンの排気室では、環状ディフューザの出口の流路面積や、環状ディフューザの出口と外部ケーシングの内面との距離によって、上半側の排気流路における圧力損失が増大することがある。

【0013】

本発明が解決しようとする課題は、排気室における作動流体の圧力損失を抑制し、タービン排気損失を低減することができるタービン排気室を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

実施形態のタービン排気室においては、タービンロータを備える低圧タービンの最終段のタービン段落から流出した作動流体が通過する。

【0015】

このタービン排気室は、タービン排気室を構成するケーシングと、前記最終段のタービン段落の下流側に設けられ、筒状のガイドおよび前記ガイドの内側に設けられた筒状のコーンによって形成された、前記最終段のタービン段落における動翼を通過した作動流体を半径方向外側に向かって排出する環状ディフューザとを備える。

【0016】

前記ガイドが、下流に行くに伴って半径方向外側に湾曲する湾曲ガイドと、前記湾曲ガイドの下流側に設けられ、前記タービンロータの回転軸方向に垂直で、かつ半径方向外側に向かって広がる平板ガイドとを有する。前記タービンロータの回転軸に垂直な前記ケーシングの断面を前記ガイドの下流側から見たとき、前記タービンロータの回転軸と前記ケーシングの内面との間の距離をＨとし、前記タービンロータの回転軸と前記平板ガイドの下流端との距離をＤとしたとき、前記平板ガイドの半径方向外側に向かう広がりは、前記最終段のタービン段落における前記動翼の翼長さに依存することなく、Ｄ／Ｈに基づいて設定される。そして、前記Ｄ／Ｈは、同じ半径方向において、０．６≦Ｄ／Ｈ≦０．８の関係式を満たす。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１の実施の形態の排気室を備える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の実施の形態の排気室の鉛直方向の子午断面を示す図である。

【図3】図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。

【図4】図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図であり、図３に示した平板ガイドの形状とは異なる形状の一例を示している。

【図5】Ｄ／Ｈに対する流体性能を示す図である。

【図6】第２の実施の形態の排気室の、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。

【図7】第３の実施の形態の排気室の、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。

【図8】第４の実施の形態の排気室の、タービンロータの回転軸に垂直な排気室の断面をスチームガイドの下流側から見たときの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の排気室３０Ａを備える蒸気タービン１の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、ここでは、軸流タービンとして蒸気タービンを例示する。また、蒸気タービンとして、下方排気型の排気室を備えた複流排気型の低圧タービンを例示して説明する。そのため、以下の実施の形態では、作動流体は蒸気である。

【0020】

図１に示すように、蒸気タービン１において、外部ケーシング１０内には、内部ケーシング１１が備えられている。内部ケーシング１１内には、タービンロータ１２が貫設されている。このタービンロータ１２には、周方向に亘って半径方向外側に突出するロータディスク１３が形成されている。このロータディスク１３は、タービンロータ１２の回転軸方向に複数段形成されている。

【0021】

タービンロータ１２のロータディスク１３には、周方向に複数の動翼１４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１２の回転軸方向に複数段備えられている。タービンロータ１２は、ロータ軸受１５によって回転可能に支持されている。

【0022】

内部ケーシング１１の内側には、ダイアフラム外輪１６とダイアフラム内輪１７とが設けられている。ダイアフラム外輪１６とダイアフラム内輪１７との間には、周方向に複数の静翼１８が配設され、静翼翼列を構成している。

【0023】

この静翼翼列は、タービンロータ１２の回転軸方向に動翼翼列と交互になるように配置されている。静翼翼列と、この静翼翼列の直下流の動翼翼列とで一つのタービン段落を構成する。なお、ここでは、最終段のタービン段落（以下、最終タービン段落という。）に設けられる動翼を最終段動翼１４ａとして示している。最終タービン段落は、排気室に流入する前に通過する最終のタービン段落である。

【0024】

蒸気タービン１の中央には、クロスオーバー管１９からの蒸気が導入される吸気室２０を備えている。この吸気室２０から左右のタービン段落に蒸気を分配して導入する。

【0025】

次に、最終タービン段落を通過した蒸気が流入する排気室３０Ａについて説明する。この排気室３０Ａは、タービン排気室として機能する。

【0026】

図２は、第１の実施の形態の排気室３０Ａの鉛直方向の子午断面を示す図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。この図３は、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な排気室３０Ａの断面をスチームガイド６０の下流側から見たときの断面図である。なお、図３では、便宜上、構成の一部を省略して示している。

【0027】

排気室３０Ａは、図２に示すように、排気室３０Ａの外郭を構成するケーシング４０を備える。なお、ここでは、ケーシング４０は、図１に示した蒸気タービン１の外部ケーシング１０としても機能している。そこで、以下、ケーシング４０を外部ケーシング１０として説明する。

【0028】

排気室３０Ａの外郭を構成する外部ケーシング１０は、図３に示す断面において、外側に凸状に湾曲した円弧状ケーシング４１と、この円弧状ケーシング４１と接続された筐体状ケーシング４２とを備える。ここでは、円弧状ケーシング４１は、上に凸状に湾曲している。また、ここでは、筐体状ケーシング４２は、円弧状ケーシング４１の下方に接続されている。

【0029】

なお、図３に示す断面において、円弧状ケーシング４１は、タービンロータ１２の回転軸Ｏを中心とした円弧に限られない。円弧状ケーシング４１は、図３に示すように、一部が直線状となっていてもよい。

【0030】

ここで、円弧状ケーシング４１と筐体状ケーシング４２との接続部を図３に示す断面において接続点４３、４４とする。

【0031】

円弧状ケーシング４１の断面形状は、外側に凸状に湾曲した円弧形状である。円弧状ケーシング４１は、この断面形状がタービンロータ１２の回転軸Ｏに沿って延設された形体である。

【0032】

筐体状ケーシング４２の断面形状は、一方が開口するコ字状の矩形形状である。筐体状ケーシング４２は、この断面形状がタービンロータ１２の回転軸Ｏに沿って延設された形体である。図３に示す断面において、筐体状ケーシング４２の２つの側壁は、直線状に伸びている。筐体状ケーシング４２を構成する筐体は、一対の対向する面が開口する直方体や立方体などの箱体の形状である。

【0033】

なお、円弧状ケーシング４１および筐体状ケーシング４２は、タービンロータ１２の回転軸方向の両端は壁部によって閉じられている。

【0034】

図３に示す断面において、接続点４３と回転軸Ｏとを結ぶ仮想直線Ｌ１および接続点４４と回転軸Ｏとを結ぶ仮想直線Ｌ２は、それぞれ回転軸Ｏを通る同一直線上にある。また、ここでは、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２は、回転軸Ｏを通る水平直線上にある。

【0035】

なお、接続点４３および接続点４４とは、円弧状ケーシング４１と筐体状ケーシング４２との接合部の内面側（外部ケーシング１０の内面側）の端点である。

【0036】

そのため、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２からなる直線は、いわゆる上半側と下半側の境界である。なお、一般に、タービンロータ１２の回転軸Ｏを通る水平直線の上方側を上半側、タービンロータ１２の回転軸Ｏを通る水平直線よりも下方側を下半側という。

【0037】

すなわち、図３に示した構成では、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２からなる直線を含む円弧状ケーシング４１側（上方側）が上半側に相当する。また、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２からなる直線よりも筐体状ケーシング４２側（下方側）が下半側に相当する。

【0038】

そこで、第１の実施の形態では、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２からなる直線を含む円弧状ケーシング４１側（上方側）を上半側といい、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２からなる直線よりも筐体状ケーシング４２側（下方側）を下半側という。

【0039】

排気室３０Ａは、図２に示すように、最終タービン段落を通過した蒸気が流入する環状ディフューザ５０と、環状ディフューザ５０から排出された蒸気を排気室３０Ａの出口３１に導く排気流路８０とを備える。なお、排気室３０Ａの出口３１は、例えば、複数の開口部などによって開口されている。

【0040】

環状ディフューザ５０は、最終タービン段落を通過した蒸気を半径方向外側に向かって排出する。環状ディフューザ５０は、筒状のスチームガイド６０およびこのスチームガイド６０の内側に設けられた筒状のベアリングコーン７０によって形成された環状の通路である。すなわち、環状ディフューザ５０は、スチームガイド６０とベアリングコーン７０との間に形成される環状の流路である。なお、スチームガイド６０は、ガイドとして機能し、ベアリングコーン７０は、コーンとして機能する。

【0041】

ベアリングコーン７０の上流端７０ａは、最終段動翼１４ａが植設されたロータディスク１３よりも若干下流側に位置する。ベアリングコーン７０は、下流に行くに伴って半径方向外側に湾曲する。すなわち、ベアリングコーン７０は、下流側に向けてラッパ状に拡開する拡大筒状に構成されている。ベアリングコーン７０の下流端７０ｂは、外部ケーシング１０の下流壁４５に接している。なお、ベアリングコーン７０の内部には、例えば、ロータ軸受１５などが配置されている。

【0042】

スチームガイド６０は、湾曲ガイド６１と、平板ガイド６２とを備える。湾曲ガイド６１の上流端６１ａは、最終段動翼１４ａを包囲するダイアフラム外輪１６の下流端１６ａに接続されている。湾曲ガイド６１は、下流に行くに伴って半径方向外側に湾曲する。すなわち、湾曲ガイド６１は、下流側に向けてラッパ状に拡開する拡大筒状に構成されている。

【0043】

換言すると、湾曲ガイド６１は、タービン排気方向でかつタービンロータ１２の回転軸方向に行くに伴い、半径方向外側に広がりながらラッパ状に拡大する。そして、湾曲ガイド６１の下流端６１ｂにおける半径方向外側への広がり方向は、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な方向となっている。

【0044】

湾曲ガイド６１は、上半側も下半側も同じ形状である。すなわち、湾曲ガイド６１は、周方向に亘って同じ形状である。換言すれば、湾曲ガイド６１は、図２において上半側に示した湾曲ガイド６１の断面をタービンロータ１２の回転軸Ｏを回転軸として回転させることで得られる回転体である。

【0045】

平板ガイド６２の上流端６２ａは、湾曲ガイド６１の下流端６１ｂに接続される。平板ガイド６２は、タービンロータ１２の回転軸方向に垂直で、かつ半径方向外側に向かって放射状に広がる。平板ガイド６２は、中央が湾曲ガイド６１の外径に対応して切り欠かれ、開口した円盤状の平板である。

【0046】

ここで、湾曲ガイド６１の下流端６１ｂにおける半径方向外側への広がり方向は、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な方向となっているため、平板ガイド６２は、湾曲ガイド６１に連続的にかつなめらかに接続されている。そのため、平板ガイド６２と湾曲ガイド６１との接続部を蒸気が通過する際、乱れることなくスムーズに流れる。

【0047】

また、平板ガイド６２は円盤状の平板であるため、溶接などによって、平板ガイド６２を湾曲ガイド６１に容易に接合することができる。なお、ここでは、平板ガイド６２と湾曲ガイド６１とを別体で作製し、それぞれを接合する構成を示したが、平板ガイド６２と湾曲ガイド６１とを一体的に作製してもよい。

【0048】

平板ガイド６２の半径方向外側に向かう放射状の広がりは、図３に示すように、タービンロータ１２の回転軸Ｏに対して周方向に不均一である。例えば、図３に示すように、上半側の平板ガイド６２よりも下半側の平板ガイド６２の外径を構造上可能な範囲で大きく構成してもよい。

【0049】

なお、蒸気の流れの圧力損失を抑制するために、下半側の平板ガイド６２の外径は、上半側と連結される下半側上端部の外径から緩やかに増加することが好ましい。

【0050】

ここで、図４は、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図であり、図３に示した平板ガイド６２の形状とは異なる形状の一例を示している。なお、図４には、蒸気の流れを矢印で示している。

【0051】

最終タービン段落を通過した蒸気は、タービンロータ１２の回転軸Ｏを中心に時計回りまたは反時計回りに旋回しながら環状ディフューザ５０に流入する。この際、周方向における蒸気の流速に偏りが生じる。すなわち、環状ディフューザ５０内において、周方向の蒸気の流量に偏りが生じる。

【0052】

そこで、図４に示すように、蒸気の流量が多くなる領域における平板ガイド６２の半径方向外側に向かう広がりを構造上可能な範囲で大きくしてもよい。すなわち、蒸気の流量が多くなる領域における平板ガイド６２の外径を大きくしてもよい。

【0053】

図４では、図４の断面において反時計回りに旋回しながら環状ディフューザ５０内に流入する蒸気の流れを想定しているため、下半側の左側に蒸気の流量が多くなる領域が存在する。そのため、その領域における平板ガイド６２の外径を、下半部の他の領域の平板ガイド６２の外径よりも大きくしている。

【0054】

下半側における平板ガイド６２の外径を大きくすることは、環状ディフューザ５０内において蒸気の流速を低減し、静圧を回復させることに好適である。そのため、下半側における平板ガイド６２の外径は、構造上可能な範囲で大きくすることが好ましい。

【0055】

ここで、上半側における蒸気の流れについて説明する。

【0056】

上記した下半側における平板ガイド６２においては、外径を大きくすることで、環状ディフューザ５０内における整流効果を得ることができる。一方、上半側においては、環状ディフューザによって半径方向外側に向けて排出された蒸気は、外部ケーシング１０の内面４６に沿って流れることで、その流れ方向が、例えば１８０°逆向きに転向される。そのため、上半側の平板ガイド６２の外径が大き過ぎると、環状ディフューザ５０の出口５１と、外部ケーシング１０の内面４６との間隙で流れが詰まる。これによって、環状ディフューザ５０の出口５１近傍の流体性能が悪化する。

【0057】

このようなことから、上半側においては、環状ディフューザ５０の出口５１と、外部ケーシング１０の内面４６との間隙には、流体性能を向上させるための最適な範囲が存在する。

【0058】

そこで、発明者らは、上半側において、環状ディフューザ５０の出口５１と、外部ケーシング１０の内面４６との間隙が流体性能に及ぼす影響を調べた。

【0059】

ここで、図２および図３に示すように、上半側における、タービンロータ１２の回転軸Ｏと平板ガイド６２の下流端６２ｂとの間の距離をＤ、上半側における、タービンロータ１２の回転軸Ｏと外部ケーシング１０の内面４６との間の距離をＨとする。

【0060】

そして、環状ディフューザ５０の出口５１と外部ケーシング１０の内面４６との間隙の最適な範囲を、Ｄ／Ｈをパラメータとして評価した。

【0061】

ここで、パラメータＤ／Ｈに使用するＤおよびＨは、上半側において、同じ半径方向におけるＤおよびＨである。具体的には、図３には、半径方向が鉛直方向となる場合のＤおよびＨ、半径方向が鉛直方向より反時計回りに傾いた方向となる場合のＤおよびＨが例示されている。すなわち、パラメータＤ／Ｈに使用するＤおよびＨは、上半側かつ同じ半径方向におけるＤおよびＨであればよい。

【0062】

このように、Ｄ／Ｈをパラメータとすることで、運転条件、最終タービン段落における動翼の先端外径や翼長さなどの構造条件に依存することなく評価することができる。

【0063】

図５は、Ｄ／Ｈに対する流体性能を示す図である。図５には、環状ディフューザ５０における流体性能、排気流路８０における流体性能、排気室３０Ａにおける流体性能をそれぞれ示している。

【0064】

環状ディフューザ５０における流体性能（環状ディフューザ性能）は、環状ディフューザ５０の入口５２から環状ディフューザ５０の出口５１までに生じる圧力損失を考慮した性能である。排気流路８０における流体性能（排気流路性能）は、環状ディフューザ５０の出口５１から排気室３０Ａの出口３１までに生じる圧力損失を考慮した性能である。排気室における流体性能（排気室性能）は、環状ディフューザ５０の入口５２から排気室３０Ａの出口３１までに生じる圧力損失を考慮した性能である。

【0065】

ここで、環状ディフューザ５０および排気流路８０を含む排気室３０Ａ全体における流体性能は、排気室性能によって示されている。図５において、縦軸の値が大きいほど流体性能は優れていることになる。

【0066】

なお、図５に示した流体性能は、数値解析により得られた結果である。また、図５では、蒸気タービン１の定格出力時を想定したときの結果を示している。

【0067】

図５に示すように、環状ディフューザ性能は、Ｄ／Ｈの増加に伴って向上している。一方、排気流路性能は、０．５４≦Ｄ／Ｈ≦０．７５の範囲で高い流体性能が得られている。排気室３０Ａ全体における流体性能を示す排気室性能は、０．６≦Ｄ／Ｈ≦０．８の範囲で高い流体性能が得られている。

【0068】

なお、図示していないが、運転条件が異なる、定格出力よりも低出力時もしくは定格出力よりも高出力時を想定したときの結果においても、図５と同様に、上記したＤ／Ｈの範囲で、高い排気室性能が得られる。

【0069】

以上ことから、高い排気室性能を得るためには、上半側におけるＤ／Ｈを０．６以上０．８以下（０．６≦Ｄ／Ｈ≦０．８）の範囲とすることが最適であることがわかった。そこで、排気室３０Ａの上半側において、Ｄ／Ｈが０．６以上０．８以下となるように構成されている。

【0070】

このように上半側におけるＤ／Ｈを上記した範囲に設定することで、環状ディフューザ５０の出口５１と外部ケーシング１０の内面４６との間隙を適正な範囲に維持しつつ、平板ガイド６２の外径を大きくすることができる。上半側における平板ガイド６２の外径を大きくすることで出口５１における流路断面積が増加し、蒸気の流れは、減速され、静圧が十分に回復される。

【0071】

すなわち、上半側におけるＤ／Ｈを上記した範囲に設定することで、環状ディフューザ５０の出口５１と外部ケーシング１０の内面４６との間隙において生じる流体性能の低下を抑制しつつ、環状ディフューザ５０内において十分な整流効果が得られる。

【0072】

ここで、上記した環状ディフューザ５０は、例えば、上下に２つ割り構造で構成されてもよい。その場合、環状ディフューザ５０は、タービンロータ１２の回転軸Ｏを通る水平面によって上方および下方に分割された構造でもよい。また、環状ディフューザ５０は、例えば、タービンロータ１２の回転軸Ｏを通らない水平面によって上方および下方に分割された構造でもよい。すなわち、環状ディフューザ５０が上下に２つ割り構造で構成される場合、上方および下方の分割境界の位置は、特に限定されるものではない。

【0073】

ここで、蒸気タービン１および排気室３０Ａにおける蒸気の流れについて説明する。

【0074】

図１に示すように、クロスオーバー管１９を経て蒸気タービン１内の吸気室２０に流入した蒸気は、左右のタービン段落に分岐して流れる。そして、各タービン段落の静翼１８、動翼１４を備える蒸気流路を膨張仕事をしながら通過し、タービンロータ１２を回転させる。最終タービン段落を通過した蒸気は、環状ディフューザ５０内に流入する。

【0075】

環状ディフューザ５０内に流入した蒸気は、その流れ方向を半径方向外側に転向されながら出口５１に向かって流れる。この際、蒸気の流れは、減速され、静圧が回復される。そして、蒸気は、半径方向外側に向かって出口５１から排気流路８０内に流出する。

【0076】

ここで、上半側の平板ガイド６２の外径は、構造上可能な範囲で前述したＤ／Ｈの範囲を満たすように設定されている。そのため、環状ディフューザ５０の出口５１と外部ケーシング１０の内面４６との間隙において生じる流体攪拌や渦等による流体性能の低下が抑制されつつ、環状ディフューザ５０内において十分な整流効果が得られる。

【0077】

また、下半側の平板ガイド６２の外径は、上半側の平板ガイド６２の外径に比べて大きいため、下半側の出口５１における流路断面積は、上半側の出口５１における流路断面積よりも広い。そのため、下半側において、蒸気の流れは、十分に減速され、静圧が回復される。

【0078】

上半側において環状ディフューザ５０の出口５１から流出した蒸気は、その流れ方向が下方に転向される。そして、流れ方向が下方に転向された蒸気は、排気室３０Ａの出口３１に向かって流れる。

【0079】

下半側において環状ディフューザ５０の出口５１から流出した蒸気は、排気室３０Ａの出口３１に向かって流れる。

【0080】

そして、上半側からの蒸気の流れと、下半側の環状ディフューザ５０の出口５１から流出した蒸気の流れは、合流する。この際、下半側の平板ガイド６２の外径は大きいため、上半側から流れてくる蒸気と合流して流れる領域は少ない。また、流れの合流部においては、それぞれの流れは十分に減速されているため、合流による圧力損失は低減される。

【0081】

そして、合流した蒸気は、出口３１から、例えば、復水器（図示しない）内に排出される。

【0082】

上記したように、第１の実施の形態の排気室３０Ａによれば、例えば、図３に示すように、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な排気室３０Ａの断面をスチームガイド６０の下流側から見たときに、平板ガイド６２の半径方向外側に向かう広がりをタービンロータ１２の回転軸Ｏに対して周方向に不均一に構成することができる。例えば、蒸気の流量が多くなる領域における平板ガイド６２の半径方向外側に向かう広がりを大きくことができる。これによって、環状ディフューザ５０の出口５１における流路断面積が大きくなるため、環状ディフューザ５０内において蒸気の流速を確実に低減し、静圧を回復させることができる。

【0083】

また、上半側において、Ｄ／Ｈを前述した範囲に設定することで、環状ディフューザ５０の出口５１と外部ケーシング１０の内面４６との間隙において生じる流体性能の低下を抑制しつつ、環状ディフューザ５０内において十分な整流効果が得られる。

【0084】

また、第１の実施の形態の排気室３０Ａによれば、湾曲ガイド６１を周方向に亘って同じ形状とし、平板ガイド６２によって半径方向外側に向かう広がりを調整することができる。このように、湾曲ガイド６１と平板ガイド６２とを別体で作製し、それぞれを接合する構成とした場合、容易にスチームガイド６０を作製することができる。

【0085】

（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態の排気室３０Ｂの、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。すなわち、図６は、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な排気室３０Ｂの断面をスチームガイド６０の下流側から見たときの断面図である。

【0086】

なお、図６では、便宜上、構成の一部を省略して示している。また、以下の実施の形態において、第１の実施の形態の排気室３０Ａの構成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。

【0087】

第２の実施の形態の排気室３０Ｂでは、接続点４３と回転軸Ｏとを結ぶ仮想直線Ｌ１および接続点４４と回転軸Ｏとを結ぶ仮想直線Ｌ２が同一直線上に無いことが、第１の実施の形態の排気室３０Ａにおける仮想直線Ｌ１、Ｌ２と異なる。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

【0088】

図６に示すように、円弧状ケーシング４１と筐体状ケーシング４２との接続点４３、４４は、回転軸Ｏを通る水平直線よりも円弧状ケーシング４１側に位置している。ここでは、接続点４３、４４は、回転軸Ｏを通る水平直線よりも上方側に位置している。

【0089】

そのため、図６に示す断面において、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２は、タービンロータ１２の回転軸Ｏから円弧状ケーシング４１側に傾いて伸びている。すなわち、仮想直線Ｌ１は、回転軸Ｏから接続点４３側（図６において左側）に延びる水平直線を回転軸Ｏを中心に時計回りに所定の角度回転させた直線である。仮想直線Ｌ２は、回転軸Ｏから接続点４４側（図６において右側）に延びる水平直線を回転軸Ｏを中心に反時計回りに所定の角度回転させた直線である。

【0090】

この場合においても、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２を含む円弧状ケーシング４１側において、第１の実施の形態で示したＤ／Ｈの関係を満たすように構成される。すなわち、排気室３０Ｂでは、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２を含む円弧状ケーシング４１側（上方側）の領域９０が、構造上可能な範囲で第１の実施の形態で示したＤ／Ｈの関係を満たすように構成される。

【0091】

また、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２よりも筐体状ケーシング４２側（下方側）の領域９１では、平板ガイド６２の外径が、領域９０よりも大きく構成される。

【0092】

このように、第２の実施の形態の排気室３０Ｂにおいて、接続点４３、４４が回転軸Ｏを通る水平直線よりも円弧状ケーシング４１側（上方側）に位置する場合においても、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、前述したＤ／Ｈの関係を満たす排気室３０Ｂにおいて、環状ディフューザ５０の出口５１と外部ケーシング１０の内面４６との間隙において生じる流体性能の低下を抑制しつつ、環状ディフューザ５０内において十分な整流効果が得られる。

【0093】

また、第２の実施の形態の排気室３０Ｂによれば、図６に示すように、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な排気室３０Ｂの断面をスチームガイド６０の下流側から見たときに、平板ガイド６２の半径方向外側に向かう広がりをタービンロータ１２の回転軸Ｏに対して周方向に不均一に構成することができる。この構成を備えることによる作用効果は、第１の実施の形態における作用効果と同様である。

【0094】

（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態の排気室３０Ｃの、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。すなわち、図７は、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な排気室３０Ｃの断面をスチームガイド６０の下流側から見たときの断面図である。なお、図７では、便宜上、構成の一部を省略して示している。

【0095】

第３の実施の形態の排気室３０Ｃでは、接続点４３と回転軸Ｏとを結ぶ仮想直線Ｌ１および接続点４４と回転軸Ｏとを結ぶ仮想直線Ｌ２が同一直線上に無いことが、第１の実施の形態の排気室３０Ａにおける仮想直線Ｌ１、Ｌ２と異なる。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

【0096】

図７に示すように、円弧状ケーシング４１と筐体状ケーシング４２との接続点４３、４４は、回転軸Ｏを通る水平直線よりも筐体状ケーシング４２側に位置している。ここでは、接続点４３、４４は、回転軸Ｏを通る水平直線よりも下方側に位置している。

【0097】

そのため、図７に示す断面において、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２は、タービンロータ１２の回転軸Ｏから筐体状ケーシング４２側に傾いて伸びている。すなわち、仮想直線Ｌ１は、回転軸Ｏから接続点４３側（図６において左側）に延びる水平直線を回転軸Ｏを中心に反時計回りに所定の角度回転させた直線である。仮想直線Ｌ２は、回転軸Ｏから接続点４４側（図６において右側）に延びる水平直線を回転軸Ｏを中心に時計回りに所定の角度回転させた直線である。

【0098】

この場合においても、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２を含む円弧状ケーシング４１側において、第１の実施の形態で示したＤ／Ｈの関係を満たすように構成される。すなわち、排気室３０Ｃでは、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２を含む円弧状ケーシング４１側（上方側）の領域１００が、構造上可能な範囲で第１の実施の形態で示したＤ／Ｈの関係を満たすように構成される。

【0099】

また、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２よりも筐体状ケーシング４２側（下方側）の領域１０１では、平板ガイド６２の外径が、領域１００よりも大きく構成される。

【0100】

このように、第３の実施の形態の排気室３０Ｃにおいて、接続点４３、４４が回転軸Ｏを通る水平直線よりも筐体状ケーシング４２側（下方側）に位置する場合においても、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、前述したＤ／Ｈの関係を満たす排気室３０Ｃにおいて、環状ディフューザ５０の出口５１と外部ケーシング１０の内面４６との間隙において生じる流体性能の低下を抑制しつつ、環状ディフューザ５０内において十分な整流効果が得られる。

【0101】

また、第３の実施の形態の排気室３０Ｃによれば、図７に示すように、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な排気室３０Ｃの断面をスチームガイド６０の下流側から見たときに、平板ガイド６２の半径方向外側に向かう広がりをタービンロータ１２の回転軸Ｏに対して周方向に不均一に構成することができる。この構成を備えることによる作用効果は、第１の実施の形態における作用効果と同様である。

【0102】

（第４の実施の形態）
上記した第１〜第３の実施の形態では、鉛直下方に出口３１を備える排気室３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを示したが、出口３１はこの位置に限られない。

【0103】

図８は、第４の実施の形態の排気室３０Ｄの、タービンロータ１２の回転軸Ｏに垂直な排気室３０Ｄの断面をスチームガイド６０の下流側から見たときの断面図である。なお、図８に示した排気室３０Ｄは、図３に示した排気室３０Ａの断面を回転軸Ｏを中心に時計回りに９０°回転した構成である。

【0104】

図８に示すように、排気室３０Ｄの出口３１を側部側に設けてもよい。換言すれば、本実施の形態の排気室の構成は、下方排気型の蒸気タービンに限らず、側方排気型の蒸気タービンにも適用することができる。

【0105】

排気室３０Ｄにおいても、仮想直線Ｌ１および仮想直線Ｌ２を含む円弧状ケーシング４１側において、構造上可能な範囲で第１の実施の形態で示したＤ／Ｈの関係を満たすように構成される。そして、第４の実施の形態の排気室３０Ｄでは、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

【0106】

なお、ここでは、排気室３０Ｄとして、図３に示した排気室３０Ａの断面を回転軸Ｏを中心に時計回りに９０°回転した構成を示したが、図６に示した排気室３０Ｂの断面、または図７に示した排気室３０Ｃの断面を回転軸Ｏを中心に時計回りに９０°回転した構成であってもよい。これらの場合においても、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

【0107】

ここで、上記した本実施の形態の排気室３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄの構成は、低圧の蒸気タービンの排気室に限らず、高圧または中圧の蒸気タービンの排気室に適用することができる。

【0108】

以上説明した実施形態によれば、排気室における作動流体の圧力損失を抑制し、タービン排気損失を低減することが可能となる。

【0109】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0110】

１…蒸気タービン、１０…外部ケーシング、１１…内部ケーシング、１２…タービンロータ、１３…ロータディスク、１４…動翼、１４ａ…最終段動翼、１５…ロータ軸受、１６…ダイアフラム外輪、１６ａ…下流端、１７…ダイアフラム内輪、１８…静翼、１９…クロスオーバー管、２０…吸気室、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ…排気室、３１、５１…出口、４０…ケーシング、４１…円弧状ケーシング、４２…筐体状ケーシング、４３、４４…接続点、４５…下流壁、４６…内面、５０…環状ディフューザ、５２…入口、６０…スチームガイド、６１…湾曲ガイド、６１ａ、６２ａ、７０ａ…上流端、６１ｂ、６２ｂ、７０ｂ…下流端、６２…平板ガイド、７０…ベアリングコーン、８０…排気流路、９０、９１、１００、１０１…領域、Ｌ１、Ｌ２…仮想直線、Ｏ…回転軸。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】