JP5968173B2 - 蒸気タービン静翼及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は蒸気タービン静翼及び蒸気タービンに係わり、特に湿り蒸気によって生成される水滴の衝突に基因する動翼エロージョンを低減させるために、静翼面に生成される水膜を除去するスリットを備えた蒸気タービン静翼に関する。

低圧タービンの最終段落やその１〜２段前の段落では、一般的に圧力が非常に低いため、作動流体である蒸気は液化した微細な水滴(水滴核)を含む湿り蒸気状態となっている。凝結して翼面に付着した水滴核は、合体して翼面上で液膜を形成する。さらにその液膜は、作動流体主流の蒸気により引きちぎられ、始めの水滴核に比べ遥かに大きな粗大水滴として下流に噴霧される。この粗大水滴はその後、主流蒸気により多少微細化されるものの、ある程度の大きさを保ちながら流下する。そして、粗大水滴はその慣性力のために気体の蒸気のように流路に沿って急激に転向することができず、下流の動翼に高速で衝突し、翼表面を侵食するエロージョンの原因になったり、タービン翼の回転を妨げ損失の原因になったりする。

これに対し従来から、エロージョン現象による浸食作用を防止するため、動翼前縁の先端部をステライト等の硬く強度の高い材料でできたシールド材で被覆している。ただし、近年の蒸気タービンは長翼化の傾向にあり、動翼の先端部は非常に薄く、その加工性の問題からシールド材を必ず設置できるわけではなく、また、一般に翼面を保護するだけではエロージョン対策として完全ではないため、通常は、他のエロージョン対策方法と併用される。

一般にエロージョンの影響を低減するには、液滴自体を除去することが最も効果的である。例えば、特許文献１や特許文献２に示すように、内部を低圧にした中空部（空洞）を有する静翼の翼面に翼面上の水膜（ドレン）を吸い込むスリットを設けた構造が提案されている。また、特許文献１および特許文献２では、何れも、複数本のスリットを所定間隔で径方向に一列に配したスリット列を軸方向に複数列設ける構造が用いられている。

特開平５−１０６４０５号公報 特開平１１−３３６５０３号公報

特許文献１では、複数のスリット列の間隔について考慮されているが、特許文献２も含めて、スリットのタービン軸方向位置については特に考慮されていない。また、特許文献１及び特許文献２に記載の構造では、各スリットの幅は同一寸法にて加工されている。

本発明者等の検討によると、水膜厚さ（水膜量）は翼面のタービン軸方向位置によって異なり、水膜を効率良く除去するためには、水膜厚さを考慮してスリットを複数列形成するのが望ましい。

本発明の目的は、翼面上の水膜を効率よく分離することが可能であり、エロージョンによる動翼の浸食を低減できる蒸気タービン静翼及び蒸気タービンを提供することにある。

本発明は、幅の異なるスリットを翼面にタービン軸方向に複数列設けたことを特徴とする。より具体的には、各列のスリット幅は、翼面に付着する水膜が厚い位置ではスリット幅を狭く、水膜が薄い位置ではスリット幅を広くする。

本発明によれば、翼面上の水膜を効率よく分離することが可能であり、エロージョンによる動翼の浸食を低減できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用される蒸気タービン段落と、静翼面上を流れる水膜の様子を説明する模式図である。 本発明の第１の実施例の蒸気タービン静翼を概略的に表す説明図である。 図２の二点鎖線で示した位置での断面図である。 翼面に生成する水膜厚さと翼面位置の関係を説明する図である。 スリット幅と水膜分離率および随伴量の関係を説明する図である。 本発明の第２の実施例の蒸気タービン静翼を概略的に表す説明図である。 本発明の第３の実施例の蒸気タービン静翼を概略的に表す説明図である。 本発明の第４の実施例の蒸気タービン静翼を概略的に表す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明が適用される蒸気タービンについて、図１を用いて説明する。なお、以下の実施例では、本発明を蒸気タービン（低圧蒸気タービン）の最終段のタービン段落部に適用した場合について説明しているが、本発明の効果は、最終段落に限定されるものではない。即ち、湿り蒸気環境下にある蒸気タービン段落であれば本発明を適用することにより同様な効果を得ることができる。

図１に示すように、蒸気タービン（軸流タービン）のタービン段落は、作動流体流れ方向上流側の高圧部と作動流体流れ方向下流側の低圧部との間に設けられている。タービン段落（最終段）は、静翼１と動翼４とから構成される。静翼１は、ケーシングの内周側に固設されたダイアフラム外輪２と、ダイアフラム内輪３との間に固設されている。動翼４はタービン中心軸周りに回転するタービンロータの外周に設けられたディスク５に取り付けられている。図１では、最終段落のみ図示しているが、静翼と動翼から構成されるタービン段落が作動流体流れ方向に複数回繰り返されて設けられている。最終段を出た蒸気流は排気室（図示省略）を通って復水器（図示省略）に導かれる。

このような蒸気タービンの段落構造において、タービン翼面上での水膜と液滴発生の様子を、図１を用いて簡単に説明する。なお、図１には特に動翼４へのエロージョン発生要因となる翼先端側の水膜の流れ６のみを示している。低圧タービン等において、作動流体である蒸気主流が湿り蒸気状態となった場合、蒸気主流中に含まれる水滴が静翼１に付着し、この水滴が翼面上で寄せ集まって水膜６が形成される。この水膜は、気体蒸気との界面における圧力とせん断力の合力で決まる力の方向に流れ、静翼の後縁端近傍まで移動し、翼後縁端から水滴２２となって飛散する。飛散した水滴２２は下流に設けられた動翼４に衝突し、動翼表面を侵食するエロージョンの原因になったり、動翼の回転を妨げる湿り損失の原因になったりする。

そこで、静翼１の翼面には翼面上に水滴として付着し水滴が集積して形成された水膜を翼内部に導くスリット１０，１１が半径方向に延びるように複数段（複数列）設けられている。静翼１の内部は中空構造となっており、その中空部は、ダイアフラム外輪２の中空部（図示省略）および／またはダイアフラム内輪３の中空部（図示省略）とそれぞれ連通している。さらに、ダイアフラム外輪の中空部は、排気室側と連通管（図示省略）を介して連通している。このため、静翼内部の中空部の圧力は、静翼翼面側の圧力よりも低い圧力となっている。即ち、スリット１０，１１の翼面側の圧力は、中空部の圧力よりも大きいことになり、この圧力差により、静翼翼面上の水膜は、スリット１０，１１を介して静翼内部の中空部に取り込まれ、蒸気流路より分離される。

特許文献１や特許文献２も含めて従来の構造では、スリット（複数のスリットを所定間隔で径方向に一列に配したスリット列）１０，１１の幅は同一寸法にて加工されている。

しかしながら、本発明者等の検討によると、複数列にスリットを形成する場合、水膜を効率良く除去するためには、スリット幅を異ならせた方が良い。

即ち、本発明者等の検討によると、先ず、水膜を効率良く除去するためには、水膜厚さを考慮してスリットを形成するのが望ましく、また、水膜厚さ（水膜量）は翼面のタービン軸方向位置によって異なる。静翼の下流側では蒸気流速が増速するため、後述の図４に記載のように、翼面上に集積する湿分は増加し、水膜厚さがピークに達する。この位置よりも下流に第１のスリットを設置することにより大部分の湿分を効率的に分離することができる。しかし、第１のスリット下流においても蒸気流路を流れる湿分が再度翼に付着して水膜を形成する。そのため、本発明ではこのような観点から二段目のスリットにて再度吸引分離する。即ち、二段目のスリットは、静翼の構造上、可能なかぎり翼後縁に近い方が望ましい。

また、従来の構造では、水膜の量に係わらず同一寸法にて加工されている。本発明者等の検討によると、それでは、水膜流以外にも大量の随伴蒸気が吸引されてしまう可能性がある。また、本発明者等の検討によると、設置するスリットの形状（特にスリット幅）によってはスリット部より水膜が蒸気流によって引きちぎられ翼面から飛散する場合もある。この場合は、スリットを設けて減圧吸引しても翼面を離脱した湿分の除去は不可能になる。このようなことから、効率良く水膜を分離するには、水膜が厚い位置におけるスリット幅が特に重要となる。即ち、後述の図５に記載のように、水膜の分離率を高めて、かつ、随伴蒸気量を低減するには、スリット幅は狭い方が望ましいことから、水膜が厚い位置におけるスリットは、幅を狭くするのが良い。詳細は後述するが、このスリット幅は本発明者等の検討によると、0.5mm〜1.0mm程度が良い。

従って、水膜厚さがピークに達する付近と、できるだけ翼後縁に近い位置とに幅の狭いスリットを形成するのが望ましい。しかしながら、翼後縁の近くに幅の狭いスリットを形成するのは構造上困難である。そこで、本発明では、翼面に付着する水膜が厚い位置に設置するスリットの幅は水膜分離率が高く随伴蒸気量が少ない幅狭（例えば0.5mm程度）のスリットを形成し、翼後縁の近くなど幅狭のスリットを形成するのが困難で翼面に付着する水膜が薄い位置では比較的幅広（例えば1.0mm程度）のスリットを形成する。

このように、本発明では、翼面位置に応じて幅の異なるスリットを形成することにより、水膜を効率良く分離することができるようにしたものである。

本発明の第１の実施例について説明する。

図２と図３は、本発明を図１の静翼１に適用した場合の構成を表した説明図である。図２は本実施例に係る静翼１の概略斜視図、図３は図２の二点鎖線で示した位置での断面図である。

図２に示すように、本実施例の静翼１は、金属板を板曲げ等によって塑性変形させて成形され、内側に中空部９を有する中空翼状の構造になっている。また、翼先端側２０および翼根元側２１は、それぞれ図１に示すダイアフラム外輪２とダイアフラム内輪３に接続されており、それらの下流側には復水器などの低圧部に接続されている。翼の腹側７には翼表面と中空部９が連通するスリットが複数本加工されており、第１スリット１０と第２スリット１１を、間隔Ｄをおいて設置する。ここで、第１スリット１０と第２スリットは平行でなくても良く、スリットの長さ方向には直線あるいは翼の後縁形状に合わせて湾曲しても良い。また、図２では、スリットの静翼１の高さ方向（径方向）の長さが短い、即ち、スリットが翼先端側２０のみに形成されている場合を示しているが、翼根元側２１から翼先端側２０までの翼の全長にスリットを施工しても良い。

次に第１スリット１０と第２スリット１１の設置位置について図３と図４により説明する。図４は翼面の腹側７に生成する水膜厚さと翼面位置の関係を示した一例である。横軸は翼型前縁端から翼面の任意の位置まで翼面に沿って測った距離lを、翼型前縁端から後縁端までの翼面に沿って測った距離Ｌで無次元化した距離である。一般に静翼面に付着する水膜厚さは無次元翼面位置l/L=0.6付近で最大となり、その後、主流の蒸気流速が増加するに伴い水膜厚さは薄くなり、一部は不安定になり翼面から飛散する。

そこで、本実施例では、図３に示したスリット位置は、上流側の第１スリット１０が翼腹側に付着する水膜の厚い領域の下流付近となる、l/L=0.6〜0.8の範囲内に幅Ｗ１にて設置されている。l/L=0.6〜0.8の範囲よりも下流域では蒸気流速の増加は大きく水膜厚さは薄くなるが、第１スリット１０において水膜を100％除去しても、その下流側で再び大量の水膜が翼面に付着生成する。この水膜を極力多く除去するため、l/Lが第１スリット１０よりも大きく、可能な限り1.0に近い位置（翼後縁端に近い位置）に第２スリット１１を幅Ｗ２にて設ける。ここで、第１スリット１０と第２スリット１１の幅は、以下に述べるように、Ｗ１＜Ｗ２の関係としている。即ち、静翼の主流流れ方向上流側に設けられた第１スリット１０よりも下流側に設置した第２スリット１１の幅を広くする。

第１スリット１０と第２スリット１１のスリット幅Ｗについて図５により説明する。図５はスリット幅Ｗと水膜分離率および随伴蒸気量の関係を示した一例である。横軸はスリットの幅Ｗを示し、左縦軸に水膜の分離率を、右縦軸に随伴蒸気量を示している。図中の実線はスリット幅に対する分離率の傾向を、破線はスリット幅に対する随伴蒸気量の傾向を示している。スリット幅が狭くなるほど随伴蒸気量は少なく、翼面上を流れる水膜の分離率は高くなる傾向を示す。一方、スリット幅が広くなると随伴蒸気量は増大し水膜分離率は低下する傾向にある。これは、スリット幅が広がることにより、図５の上部に示す吸引イメージのように、スリット空間に渦流れ領域が発生し、水膜から水滴化して蒸気流と共に下流側へ流下するためである。

このスリット幅について、特許文献２においては、複数列の各スリットの幅は２mm程度が良いとされている。上述したように、本発明者等の検討によれば、狭い方が良く、1.0mm程度で、スリット空間に渦流れ領域が発生するのを抑制でき、水膜から水滴飛散して蒸気流と共に下流側へ流下するのを抑制できることを確認した。但し、スリット幅Ｗが０に近づくと分離率も減少することになり、また、加工性も考慮すると、スリット幅の最小値は、現実的には、加工可能なスリット幅である0.5mm程度である。

これらの傾向から水膜厚さの厚い領域である第１スリット１０には分離率が高く随伴蒸気量の少ない幅狭スリットを用いる。即ち、0.5mm〜1.0mmのスリット幅で可能な限り狭い幅のスリットが望ましく、本実施例の構成ではＷ１=0.5mm程度としている。次に第２スリット１１の領域では、可能な限り静翼１の後縁に近い位置にスリットを設置しているため、翼の厚みが非常に薄くスリットの加工が難しい領域となる。しかしながら、第１スリットと比較して水膜量が減少しているため、第１スリット１０よりもスリット加工が容易な幅広スリットを採用しても分離率の低下は僅かである。このようなことから第２スリットは第１スリットのような限定はないが、第１スリットと同様に水膜分離率を高く、随伴蒸気量を少なくするのが望ましいことから、本実施例の構成ではＷ２=1.0mm程度としている。なお、第２スリットで採用しているスリット幅Ｗ２は、図５の一点鎖線で囲んだ領域であり、大幅な分離率の低下や随伴蒸気量の増加が無い範囲である。

本実施例によれば、静翼面に生成する水膜を除去する複数本のスリットを、水膜厚さに応じたスリット幅とすることで、効率的かつ下流への水滴飛散を最小限に抑えて水膜を除去できるため、エロージョンによる動翼の浸食を低減し、信頼性を高めることができる。具体的には、本実施例の構造とすることによって静翼面に付着生成する水膜の８０％以上を除去できる見通しを得た。

また本実施例によれば水膜と共に吸引される随伴蒸気量を従来構造よりも大幅に低減できるため、タービン効率の低下も防止できる。

次に、本発明の第２の実施例について図６を用いて説明する。本実施例は、スリットを静翼高さ方向に１本では形成せず、破線状に構成したものであり。また、第１スリット群10’と第２スリット群11’のスリット幅Ｗは実施例１と同様にＷ１＜Ｗ２の構成である。ここで、第１スリット群10’と第２スリット群11’は平行でなくても良く、スリットの長さ方向には直線あるいは翼の後縁形状に合わせて湾曲しても良い。また、図６においても、図２の実施例と同様に、スリット群を、静翼１の高さ方向において翼の先端側２０のみに施工する場合を示しているが、翼根元側２１から翼先端側２０までの翼の全長に施工しても良い。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施例によれば、実施例１のような１本の長いスリットを施工する場合に比べて、翼の強度を高めることができ、翼表面と中空部の板厚を薄くできるという効果がある。

次に、本発明の第３の実施例について図７を用いて説明する。本実施例は第１の実施例に係る静翼１の腹側７に設置したスリットに加え、背側８にも複数本の吸引スリットを設置したものである。また、複数本の吸引スリットは、背側第１スリット１２と背側第２スリット１３とが間隔Ｄをおいて設置されている。背側第１スリット１２の幅Ｗ１と背側第２スリット１３の幅Ｗ２は実施例１と同様にＷ１＜Ｗ２の構成である。ここで、背側第１スリット１２と背側第２スリット１３は平行でなくても良く、スリットの長さ方向には直線あるいは翼の形状に合わせて湾曲しても良い。また、図７においても、図２の実施例と同様に、背側スリットを、静翼１の高さ方向において翼の先端側２０のみに施工する場合を示しているが、翼根元側２１から翼先端側２０までの翼の全長に施工しても良い。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、背側８の翼面に付着した水膜についても少ない随伴蒸気量で水膜を分離できるため、より効率的にエロージョンによる動翼の浸食作用を低減できる。

次に、本発明の第４の実施例について図８を用いて説明する。本実施例は第３の実施例に係る背側８のスリットを静翼高さ方向に１本では形成せず、破線上に構成したものである。本実施例によれば、実施例３の効果に加えて、実施例２と同様に翼の強度を高めることができ、翼表面と中空部の板厚を薄くできるという効果がある。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１ 静翼
２ ダイアフラム外輪
３ ダイアフラム内輪
４ 動翼
５ ディスク
６ 水膜流れ
７ 腹側
８ 背側
９ 中空部
１０ 第１スリット
１１ 第２スリット
１２ 背側第１スリット
１３ 背側第２スリット
２０ 翼先端側
２１ 翼根元側
２２ 水滴

Claims (5)

1. 塑性変形された金属板により構成され内部を中空とした蒸気タービン静翼であって、
   前記蒸気タービン静翼の翼面に翼高さ方向に延びるように形成されたスリットが複数列設けられ、
   前記複数列のスリットは、前記静翼の翼腹側面に設けられ、
   前記複数列のスリットは、タービン軸方向の上流側に設けられた第１スリットと、前記第１スリットよりも下流側に設置され、前記第１スリットのスリット幅よりも広いスリット幅の第２スリットとから構成され、
   前記第１スリットは、静翼前縁から翼面の任意の位置までの翼面に沿った距離lと静翼前縁から静翼後縁までの翼面に沿った距離Ｌとの比l/Lが0.6〜0.8の範囲内の位置に設けられ、
   前記第２スリットは、前記比l/Lが第１スリットよりも大きい位置に設けられていることを特徴とする蒸気タービン静翼。
2. 請求項１に記載の蒸気タービン静翼において、
   前記第１スリットの幅は0.5mm〜1.0mmであることを特徴とする蒸気タービン静翼。
3. 請求項２に記載の蒸気タービン静翼において、
   前記第１スリットの幅は0.5mmであり、前記第２スリットの幅は１mmであることを特徴とする蒸気タービン静翼。
4. 請求項１に記載の蒸気タービン静翼において、
   前記複数列のスリットは、それぞれ、翼高さ方向に破線状に設けられていることを特徴とする蒸気タービン静翼
5. 蒸気タービン静翼と、前記蒸気タービン静翼の作動流体流れ方向下流側に設けられた蒸気タービン動翼とからなるタービン段落を備える蒸気タービンであって、
   前記蒸気タービン静翼として、請求項１〜４の何れかの蒸気タービン静翼を用いたことを特徴とする蒸気タービン。

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