JP2006329148A - タービン排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気室内の排気の流れの淀みや干渉を抑え、タービン効率を向上させることができるタービン排気装置を提供する。
【解決手段】蒸気タービンの最終段を通過した蒸気流を前記蒸気タービンの下方に設けた復水器２０に導くタービン排気装置において、蒸気タービンのタービンロータ１の上方を包囲する上半ケーシング１０と、この上半ケーシング１０の下部側に連接され下方に向かうにつれて拡径する連結胴２１を介して復水器２０に連結する下半ケーシング１１とからなる排気室外部ケーシング５を備え、タービンロータ１の軸線と直交する方向にとった下半ケーシング１１の排気室幅Ｗが、同方向にとった復水器２０の幅をＷｃ、蒸気タービンの最終段動翼の翼長方向中心部により描かれる円Ｃの直径をＰＣＤとした場合、Ｗ＜Ｗｃ，Ｗ／ＰＣＤ≧３という条件を満たすように構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蒸気タービンの最終段を通過した蒸気流を下方に設けた復水器に導くタービン排気装置に関する。

特許文献１等に記載されているように、復水器を有する蒸気タービン設備において、一般にタービン内部で仕事をした蒸気（排気）は、タービン排気装置に導かれ、タービンロータの最終段出口環帯の内周部及び外周部からそれぞれ延びるベアリングコーンとスチームガイドにより形成された環状ディフューザを通過して拡散した後、下方に偏向して復水器に導かれ水に戻される。排気室内で蒸気は圧力回復するが、復水器の内圧は冷却水の温度と流量で概ね規定されるため、排気室での圧力回復幅が大きいほどタービン出口圧力が低くなり、それだけタービンでの仕事量が増加してタービン効率が向上する。したがって排気室の圧力回復性能はタービンプラント性能に大きく影響を与える。

特開平８−２６０９０４号公報

このような構成のタービン排気装置において、環状ディフューザを効率良く作用させるためには適正な面積の拡大に伴うロータ軸方向長さの確保が必要となるが、実際にはタービン設備全体の軸長短縮のため排気室の軸長を長くとることができず、低圧タービン最終段を出た蒸気流は短い距離で軸方向から径方向へと転向させられる。

低圧タービン最終段を出た蒸気流は排気室の上半ケーシング側に流れる上方流れ、排気室の幅方向へと流れる側方流れ、下方にある復水器に向かって流れる下方流れに大別できる。上方流れはスチームガイドを出てタービン入口側へと反転した後、排気室外部ケーシングに沿って下方流れと合流する。側方流れも排気室幅方向へ広がりつつ下方流れに合流し復水器に導かれる。このように、排気室外部ケーシングの下部開口部では、スチームガイドを出てから直接復水器に向かう下方流れの流通領域以外は上方流れや側方流れが混在した流れ場となっており、流れの淀みや合流領域の干渉などにより圧力損失が発生し易い。

本発明の目的は、排気室内の排気の流れの淀みや干渉を抑え、タービン効率を向上させることができるタービン排気装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、蒸気タービンの最終段を通過した蒸気流を前記蒸気タービンの下方に設けた復水器に導くタービン排気装置において、前記蒸気タービンのタービンロータの上方を包囲する上半ケーシングと、この上半ケーシングの下部側に連接され下方に向かうにつれて拡径する連結胴を介して前記復水器に連結する下半ケーシングとからなる排気室外部ケーシングを備え、前記タービンロータの軸線と直交する方向にとった前記下半ケーシングの排気室幅Ｗが、同方向にとった前記復水器の幅をＷｃ、前記蒸気タービンの最終段動翼の翼長方向中心部により描かれる円の直径をＰＣＤとした場合、Ｗ＜Ｗｃ，Ｗ／ＰＣＤ≧３という条件を満たすように構成されていることを特徴とする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記排気室幅Ｗとタービン最終段動翼翼高さ中心直径ＰＣＤとの比Ｗ／ＰＣＤを３未満に設定した排気室外部ケーシングを基準とする場合、前記上半ケーシングは、高さ寸法が前記基準と同程度であり、なおかつ前記タービンロータの軸線に直交する面に沿った断面の曲率半径が前記基準よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする。

（３）上記（１）において、また好ましくは、前記排気室幅Ｗとタービン最終段動翼翼高さ中心直径ＰＣＤとの比Ｗ／ＰＣＤを３未満に設定した排気室外部ケーシングを基準とする場合、前記上半ケーシングは、天井面の幅方向中央部に平端部を介設することにより、高さ寸法を前記基準程度に保ったまま幅方向寸法を前記基準よりも大きく確保していることを特徴とする。

（４）上記（１）において、また好ましくは、前記タービンロータを内包した排気室内部ケーシングの出口内周部に連続して設けられ、前記タービンロータの回転中心から放射状に伸びる線が前記タービンロータの出口環帯外周部と前記外部ケーシングの内壁面にそれぞれ交差する二点を結ぶ線分の二等分位置よりも前記タービンロータ寄りに最外周部が位置するように形成されたスチームガイドを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、流れの干渉等を抑制して圧力損失を低減することができ、排気室内の排気の流れの淀みや干渉を抑え、タービン効率を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るタービン排気装置の側断面図、図２は図１中の右側から見た外観を一部透視して表した正面図であり、図２においては復水器を併せて図示してある。
図示したタービン排気装置は、タービンロータ１を駆動させ蒸気タービンの最終段を通過した蒸気流を蒸気タービンの下方に設けた復水器２０に導くものである。このタービン排気装置は、タービンロータ１を内包する排気室内部ケーシング２、タービンロータ１の軸受（図示せず）を覆うベアリングコーン３、排気室内部ケーシング２とベアリングコーン３とともに復水器に接続する排気室４を形成する排気室外部ケーシング５、及び環状のディフューザ流路をベアリングコーン３との間に形成するスチームガイド６を備えている。

上記排気室内部ケーシング２は、その内周側にダイヤフラム外輪と内輪によって支持される静翼（最終段静翼７のみ図示）を備えており、タービンロータ１に設置された動翼（最終段動翼８のみ図示）とともにタービン段落を形成している。一般に排気室内部ケーシング２の内周側には、静翼の取り付け部であるダイヤフラム（図示せず）が環状に設けられている。環状に配置された静止側のダイヤフラムと回転側のタービンロータ１は適当な間隙を介して対向している。

上記排気室外部ケーシング５は、排気室内部ケーシング２及びベアリングコーン３を覆っており、タービンロータ１の上方を包囲する上半ケーシング１０と上半ケーシング１０の下部側に連接された下半ケーシング１１とからなっている。これら上半ケーシング１０と下半ケーシング１１は、タービンロータ１の中心軸を含む水平面付近の高さで上下に分割されている。上半ケーシングの外壁面は、図２に示したようにタービンロータ１の軸心（中心軸）Ｏに直交する面に沿った断面で見ると天井部が弧状に形成されている。一方の下半ケーシングは、水平断面が矩形で断面積が鉛直方向に一定の枠体で形成されており、下方に向かうにつれて拡径する連結胴２１を介して復水器２０に連結している。前述した排気室４は、この排気室外部ケーシング５と排気室内部ケーシング２及びベアリングコーン３とで囲われて形成されている。

上記ベアリングコーン３はタービンロータ１の最終段動翼８の出口環帯１３の内周部に連続して設けられている。上記スチームガイド６は、このベアリングコーン３の外周側を囲うようにして最終段動翼出口環帯１３の外周部に連続して設けられている。このスチームガイド６とベアリングコーン３との間に形成された環状のディフューザ流路は、タービンロータ１を駆動して最終段動翼８の出口環帯１３を通過した排気を排気室４に吹き出させる。またスチームガイド６とベアリングコーン３とで形成されたディフューザ流路は徐々に流路面積が拡大されており、このディフューザ流路を通過する際に排気が減速し減速分のエネルギーが圧力に変換されて排気の圧力が回復するようになっている。

上記構成の本実施形態に係るタービン排気装置の大きな特徴は排気室外部ケーシング５の構成にある。具体的には、排気室外部ケーシング５は、タービンロータ１の軸線Ｏと直交する方向にとった下半ケーシング１１の排気室幅Ｗが、同方向にとった復水器２０の幅をＷｃ、最終段動翼８の翼長ＢＨの長さ方向中心部により描かれる円Ｃの直径をＰＣＤとした場合、
Ｗ＜Ｗｃ ・・・（式１）
Ｗ／ＰＣＤ≧３ ・・・（式２）
という２つの条件を満たすように構成されており、これにより排気室外部ケーシング５の下部開口部を広く流路面積を十分に確保してある。

本実施形態のタービン排気装置において、スチームガイド６から排気室４に吹き出す排気は放射状に広がる。スチームガイド６の下半側から吹き出した排気（下方流れ３０）は、進行方向をそれほど変えることなくほぼそのまま下方の復水器２０に向かう。一方、スチームガイド６の上半側から吹き出した排気（上方流れ３１）はスチームガイド６を出てからタービン入口側へと進行方向を反転させ、その後上半ケーシング１０に沿って下方に転向し下方流れ３０に合流して復水器２０に向かう。図示していないが、スチームガイド６を出て水平方向に向かう側方流れは、排気室４内にて幅方向へ広がりつつ下方に転向した後、下方流れに合流し復水器２０に導かれる。

このように、排気室外部ケーシング５の下部開口部では下方流れ３０の流通領域以外は上方からの流れや側方流れが混在する傾向にあり、流れの淀みや合流領域の干渉などにより圧力損失が発生し易いが、本実施形態では、上記（式１）及び（式２）の条件を満足するように排気室外部ケーシング５を形成したので、下部開口部の流路面積が十分に確保され、なおかつ排気室４と復水器２０が下方に向かうにつれて拡径する連結胴２１により接続することができ、拡大流路を形成することができる。そのため、スチームガイド６を出た後の上方流れや側方流れを効率良く下方に向けて転向させ、流れの干渉等を抑制して圧力損失を低減することができ、これにより高い圧力回復係数が得られタービン効率を向上させることができる。

排気室幅Ｗの選定について説明する。
一般にタービン建屋は狭隘でスペースに余裕がないため、排気室の天井部とタービン出口環帯との距離を十分にとることは難しく、排気室の天井部とタービン出口環帯との距離は短くなりがちである。一般に、排気室の天井部とタービン出口環帯との距離が短いほど、排気室を出る流れの多くがスチームガイドの下半側より流出する。

そこで、本実施形態においては、まずスチームガイド６の下端からこれと軸方向に対向する下半ケーシング１１の端面までの距離Ｌを短辺、排気室幅Ｗを長辺とする矩形の領域を下方流れ３０が流通する流路として定義する。また、下方流れ３０の流路の流出面積をＡｏ（＝Ｌ×Ｗ）、最終段動翼８の翼高さＢＨと翼高さ中心直径ＰＣＤと円周率πの積で求められる最終段動翼出口環帯１３の面積をＡｉ（＝π×ＰＣＤ×ＢＨ）とする。このとき、上記流路面積Ａｏが最終段出口環帯面積Ａｉよりも大きければ、スチームガイド６の下半側から流出する流れは他の流れに干渉することなくスムーズに復水器２０に送り込まれる。

以上のことから、次の（式３）が成立する。
Ａｏ／Ａｉ＝Ｌ×Ｗ／（π×ＰＣＤ×ＢＨ）＞１・・・（式３）
また、一般にＢＨがＬとほぼ同じであるので、（式３）は次式のように一般化することができる。
Ａｏ／Ａｉ＝Ｗ／（π×ＰＣＤ）＞１・・・（式４）
（式４）において円周率πを３とすると、上記（式２）が得られる。

また、排気室幅Ｗと復水器幅Ｗｃの関係について説明する。
仮に排気室幅Ｗが復水器幅Ｗｃよりも大きければ（Ｗ＞Ｗｃ）、排気室４から復水器２０に導入される排気の流路面積が下方に向かって縮径し、排気を圧縮することになるので好ましくない。一方、排気室幅Ｗが復水器幅Ｗｃに等しい場合（Ｗ＝Ｗｃ）、排気室４の側壁面と復水器２０の壁面が連続するストレートな壁面を構成することになる。この場合には、排気室４からケーシング側壁面に沿って転向し流出する排気がそのまま連結胴２１及び復水器２０の側壁面に沿って流れ、壁面付近に排気が偏流する恐れがある。

それに対し本実施形態のようにＷ＜Ｗｃとすると、連結胴２１が圧縮流路になることはなく、排気室４からケーシング側壁面に沿って転向し流出する排気の流量分布が連結胴２１に流入する際に均一化される。このことから、上記（式１）（式２）を満足するように排気室外部ケーシング５を形成することによって、高い圧力回復係数が得られタービン効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態における効果は流れ解析によっても検証されている。
図３は排気室幅Ｗを調整しＷ／ＰＣＤの範囲が２．５〜４．５の範囲で変化させた場合の圧力回復係数Ｃｐの値の変動を表すグラフである。
この図３に示すように、解析の結果、Ｗ／ＰＣＤ＜３の範囲では圧力回復係数Ｃｐの値が低く、Ｗ／ＰＣＤの値が３に近付くにつれてＣｐが向上し、Ｗ／ＰＣＤ＞３の範囲でＣｐがほぼ一定となった。このことによっても上記（式１）（式２）を満たすように排気室外部ケーシング５を形成することにより高い圧力回復計数が得られることが分かる。

図４（ｂ）は本発明の他の実施形態に係るタービン排気装置の軸方向から見た概観構造を表す模式図であり、図４（ａ）はその説明のための図である。これらの図において先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
本実施形態においては、Ｗ／ＰＣＤを３未満に設定した排気室外部ケーシング（図４（ａ）参照）を基準とする場合、上半ケーシング１０は、高さ寸法Ｈを基準の高さ寸法と同程度としたまま、タービンロータの軸線に直交する面に沿った断面の曲率半径Ｒ２が基準の曲率半径Ｒ１よりも大きくなるように形成されている。

すなわち、排気室幅を基準のＷ１からＷ２（＞Ｗ１）へ拡幅する際、上半ケーシング１０の曲率半径が基準のＲ１からＲ２（＞Ｒ１）へ変化し、かつ高さ寸法Ｈが変わらないように曲率中心Ｓを下方に移動させている。他の構成は図１及び図２と同様である。

このようにすることで、高さ寸法を一般のものと同程度としたまま上記（式２）を満たす排気室外部ケーシングを容易に形成することができる。したがって、上記（式１）を満足する範囲に排気室幅Ｗ２を収めることにより、図１及び図２に示した実施形態と同様の効果を得ることができる。

図５（ｂ）は本発明のさらに他の実施形態に係るタービン排気装置の軸方向から見た概観構造を表す模式図であり、図５（ａ）はその説明のための図である。これらの図において先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
本実施形態においては、Ｗ／ＰＣＤを３未満に設定した排気室外部ケーシング（図５（ａ）参照）を基準とする場合、上半ケーシング１０は、天井面の幅方向中央部に平端部１５を介設することにより、高さ寸法Ｈを基準の高さ寸法程度に保ったまま幅方向寸法Ｗ２を基準の幅寸法Ｗ１よりも大きくしてある。

すなわち、本実施形態では、基準となる図５（ａ）の一般構成を幅方向中央部で２分割し、その間に平端部１５を有する部分を介設した寸法構成である。したがって、平端部１５の両側に位置する部分１６の曲率半径は図５（ａ）の基準と同様の曲率半径Ｒ１であり、排気室幅Ｗ２は平端部１５の幅Ｂだけ基準の幅Ｗ１より広い（Ｗ２＝Ｗ１＋Ｂ）。他の構成は図１及び図２と同様である。

このように構成しても、高さ寸法を拡大することなく排気室幅を大きくすることができ、上記（式２）を満たす排気室外部ケーシングを容易に形成することができる。したがって、上記（式１）を満足する範囲に排気室幅Ｗ２を収めることにより、図１及び図２に示した実施形態と同様の効果を得ることができる。しかも、本実施形態の場合、図４（ｂ）の実施形態（図５（ｂ）に点線で示した）に比して排気室の内部空間を大きくすることができるため、上半ケーシング１０内での流れの損失をさらに低減することができる。

図６は本発明のさらに他の実施形態に係るタービン排気装置の軸方向から見た概観構造を表す模式図である。この図において先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
本実施形態において、スチームガイド６は、排気室内部ケーシング２の出口内周部（最終段動翼出口環帯１３の外周部）に連続して設けられ、タービンロータ１の回転中心Ｏから放射状に伸びる線が最終段動翼出口環帯１３の外周部と排気室外部ケーシング５の内壁面にそれぞれ交差する二点を結ぶ線分の二等分位置よりもタービンロータ１寄りに最外周部が位置するように形成されている。

例えばタービンロータ１の回転中心（中心軸）Ｏに直交する面内で回転中心Ｏから排気室外部ケーシング５を結んだ線上において、最終段動翼出口環帯１３の外周部（スチームガイド６の内径）との交点αと排気室外部ケーシング５の内面との交点βの中間点をγとする。すると、交点βを排気室外部ケーシング５の一方の側壁下端部から天井部を介して他方の側壁下端部に移動させていくと、中間点γは図６中に点線で示したような軌跡Ａを描く。なお、排気室外部ケーシング５の下部開口部には内壁面が存在しないので、排気室外部ケーシング５の下端部近傍では、排気室外部ケーシング５の側壁面が下方にさらに長いものと仮定して中間点γの軌跡を想定する。本実施形態では、最外周部をこの軌跡Ａの内側に収まるようにスチームガイド６を形成してある。その他の構成は先の各実施形態と同様である。

本実施形態によれば、前述した各実施形態と同様の効果が得られるとともに、スチームガイド６が軌跡Ａから突出しないようにすることで、最終段動翼出口環帯１３を出た蒸気流が軸方向から径方向へと転向した後、スチームガイド６の裏側（タービン入口側）へと廻り込むための流路面積を十分に確保することができるため、流れの閉塞を低減することができる。よって、排気室４内での流れの損失を低減することができ、タービン効率をより向上させることができる。

このことについて図７を用いて説明する。
図７は本実施形態におけるタービン排気装置上半部の側断面図である。
図７において、スチームガイド６に沿って排気室４に流出しようとする流れをａ、排気室に流出後スチームガイド６の外壁部分に向かう流れをｂ、スチームガイド６の裏側へと廻りこんでタービン入口側に進む流れをｃとする。

スチームガイド６をディフューザとして使うには径を大きくとった方が圧力回復をより促進することができるが、排気室外部ケーシング５は大きさに制限を受けるのでスチームガイド６の径を大きくすればそれだけ流れｂ，ｃを通す流路面積を狭め、流れの閉塞や極端な流路面積の絞りによる局所的な高流速域を発生させ、却って性能を低下させてしまう恐れがある。そこで、本実施形態では、上記の軌跡Ａよりも外側の部分を流れｂ，ｃの流路として確保することにより、流れの閉塞を確実に防止することができる。また軌跡Ａの範囲内でスチームガイド６の径をできるだけ大きくとることで圧力回復の効果も十分に期待できる。よって、ディフューザとしてのスチームガイド６の性能と排気室全体の性能の双方を確保しタービン排気装置としての性能をより高めることができる。

本発明の一実施形態に係るタービン排気装置の側断面図である。 図１中の右側から見た本発明の一実施形態に係るタービン排気装置の外観を一部透視して表した正面図である。 排気室幅Ｗを調整しＷ／ＰＣＤの範囲が２．５〜４．５の範囲で変化させた場合の圧力回復係数Ｃｐの値の変動を表すグラフである。 本発明の他の実施形態に係るタービン排気装置の軸方向から見た概観構造を表す模式図及びその説明のための図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るタービン排気装置の軸方向から見た概観構造を表す模式図及びその説明のための図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るタービン排気装置の軸方向から見た概観構造を表す模式図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るタービン排気装置の上半部の側断面図である。

符号の説明

１ タービンロータ
５ 排気室外部ケーシング
１０ 上半ケーシング
１１ 下半ケーシング
１３ 最終段動翼出口環帯
１４ 天井面
１５ 平端部
２０ 復水器
２１ 連結胴
ＢＨ 最終段動翼翼高さ
Ｈ 上半ケーシングの高さ寸法
Ｏ 回転中心
ＰＣＤ 最終段動翼翼高さ中心直径
Ｒ１，２ 曲率半径
Ｗ 排気室幅
Ｗｃ 復水器の幅
α 交点
β 交点
γ 中間点

Claims (4)

1. 蒸気タービンの最終段を通過した蒸気流を前記蒸気タービンの下方に設けた復水器に導くタービン排気装置において、
   前記蒸気タービンのタービンロータの上方を包囲する上半ケーシングと、この上半ケーシングの下部側に連接され下方に向かうにつれて拡径する連結胴を介して前記復水器に連結する下半ケーシングとからなる排気室外部ケーシングを備え、
   前記タービンロータの軸線と直交する方向にとった前記下半ケーシングの排気室幅Ｗが、同方向にとった前記復水器の幅をＷｃ、前記蒸気タービンの最終段動翼の翼長方向中心部により描かれる円の直径をＰＣＤとした場合、
   Ｗ＜Ｗｃ，
   Ｗ／ＰＣＤ≧３
   という条件を満たすように構成されていることを特徴とするタービン排気装置。
2. 請求項１のタービン排気装置において、前記排気室幅Ｗとタービン最終段動翼翼高さ中心直径ＰＣＤとの比Ｗ／ＰＣＤを３未満に設定した排気室外部ケーシングを基準とする場合、前記上半ケーシングは、高さ寸法が前記基準と同程度であり、なおかつ前記タービンロータの軸線に直交する面に沿った断面の曲率半径が前記基準よりも大きくなるように形成されていることを特徴とするタービン排気装置。
3. 請求項１のタービン排気装置において、前記排気室幅Ｗとタービン最終段動翼翼高さ中心直径ＰＣＤとの比Ｗ／ＰＣＤを３未満に設定した排気室外部ケーシングを基準とする場合、前記上半ケーシングは、天井面の幅方向中央部に平端部を介設することにより、高さ寸法を前記基準程度に保ったまま幅方向寸法を前記基準よりも大きく確保していることを特徴とするタービン排気装置。
4. 請求項１のタービン排気装置において、前記タービンロータを内包した排気室内部ケーシングの出口内周部に連続して設けられ、前記タービンロータの回転中心から放射状に伸びる線が前記タービンロータの出口環帯外周部と前記外部ケーシングの内壁面にそれぞれ交差する二点を結ぶ線分の二等分位置よりも前記タービンロータ寄りに最外周部が位置するように形成されたスチームガイドを備えていることを特徴とするタービン排気装置。

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