JPH01106907A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多段圧復水器を備えた多流排気形蒸気タービ
ンに係り、特に、低圧タービンの性能改善に好適な低圧
タービン構造に関する。

〔従来の技術〕

蒸気タービンプラントにおいて、復水器の冷却水量、及
び、冷却水温などに制約を受ける場合には、復水器内を
複数の圧力室に仕切り、複数の圧力室の真空度がそれぞ
れ異なる多段圧復水器が有利とされ、最近の大容量蒸気
タービンプラントには数多く適用されている。この多段
圧復水器では、通常、冷却水の入口側の圧力室が高真空
側となり、冷却水の出口側の圧力室が低真空側となる。

従って、多段圧復水器を備えた蒸気タービンでは、複数
個（二流、回流または入流）排気の低圧タービンの中に
、高真空度の復水器に接続された低圧タービンと、低真
空度の復水器に接続された低圧タービンとに分割される
ことになり、夫々の低圧タービンは復水器の真空度に大
きく依存する排気損失が異なった条件で運転されること
になる。

この排気損失とタービン性能に関する技術的課題につい
て、第２図を用いて説明する。

すなわち、低圧タービンの最終段出口で無効に復水器へ
捨てられる蒸気エネルギを、通常排気損失と呼んでおり
、この排気損失の支配的なものは、排気蒸気のもつ運転
エネルギである。従って、第２図のように排気流速Ｖに
対する排気損失の特性は、ある蒸気流速で損失が最小と
なる谷形の特性を示す。このため、通常のタービンの熱
設計では、排気損失の最小点（Ｄ）を定格の運転点に選
択している。また、多段圧復水器をもつ低圧タービンで
は、最小点りに相当する排気流速Ｖ　（Ｄ）が最も高真
空側復水器（真空度Ｐ　（Ｄ）　）へ排気される低圧タ
ービン出口の排気流速となる。従って、高真空側復水器
よりも低真空度の復水器では、徐徐に真空度が低下しく
Ｐａ＞　Ｐ　（ｃ）　＞　Ｐ　（Ｂ）　＞Ｐ（Ａ））、
排気流速もまたＶ（ｏ）　＞Ｖ［Ｃ）　＞Ｖ（Ｂ）＞Ｖ
（Δ）と低速側に移行した点で運転されることになる。

このように、個々の低圧タービン毎に排気流速が異なる
点で運転された場合には、第２図から明らかなように、
排気損失ＥＬが低真空側のタービンはど大きくなり（Ｅ
　Ｌ（ｎ）　＜Ｅ　Ｌ（ｃ）　＜ＥＬ（ａ）＜ＥＬ（八
））、設計点以外で運転されるタービンの効率低下と出
力低下を招いてしまう。

上記の課題を解決する手段として、従来、特願昭５３−
１５０８４６号及び特願昭５７−１２２１５５号明細書
などが提案されている。この従来例の特徴は、第３図及
び第４図に示すように、（１）個々の低圧タービン３３
．３５の最終段の環帯面積（＝π・Ｄ・Ｈ，Ｄ：平均直
径、Ｈ：翼長）を変えて、低真空側の復水器へ排気する
タービンの環帯面積を高真空側よりも小さくすること、
（２）低圧タービン４９および５０の中途からの油気蒸
気量を大幅に変えて、車室５１と車室６２の排気蒸気量
をコントロールすることにある。上記の二方法ともに、
まったく実現性がない訳ではないが、個々の低圧タービ
ンの段落設計（最終段翼長の変更、段落流量の変更など
）を大幅に変えることになり、最適化設計が極めて難し
い状況にある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記のように、従来提案されている技術は、真空度の異
なる復水器へ排気される夫々の低圧タービンの排気流速
を単に合致させようとする手段を講じているに過ぎず、
低圧タービン段落設計の変更の可否について言及してい
ない。従って、従来の手段では、多段圧型復水器を備え
た低圧タービンの性能改善をより効果的に実現すること
は困難である。

本発明は、多段圧型復水器を備えた蒸気タービンの低圧
コンポーネント最終段からの排気エネルギ損失の最小化
を図り、タービン性能の改善を図ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は、多段復水器を備えた蒸気タービンの多流
排気低圧タービン車室において、最も高真空側の復水器
に排気される低圧タービンコンポーネントの最終段落出
口に、昇圧能力の最も小さいディフューザを具備し、さ
らに、高真空復水器よりも低真空側の復水器に排気され
る低圧タービンコンポーネントの最終段出口部には、デ
ィフューザよりも昇圧能力の大きなディフューザを順次
具備することにより、復水器の真空度にマツチしてディ
フューザ能力を発揮させて、好適なタービン排気性能を
もたせることによって、低圧蒸気タービンの高効率化を
達成することができる。

〔作用〕

従来の低圧タービンコンポーネントがかかえる問題点は
、上記の技術的手段が次のような作用をすることによっ
て解決することが可能である。すなわち、最も高真空側
（ＰＤ　）の復水器Ｃ０ＮＤ（ｏ）へ排気される段落り
の排気条件は、第２図に示した排気流速−排気損失曲線
において、排気損失が最小となるＤ点に排気流速をまず
設定する。

このとき、段落出口圧力は高真空側の復水器圧力よりも
若干高目になるように予め設定し、段落出口から復水器
までの昇圧を最終段落出口に具備する環状ディフューザ
Ｄ　Ｉ　Ｆ　（ｏ）によって実行する。

次いで、高真空側復水器と隣り合った若干真空度の小さ
い復水器ＣＯＮ　Ｄ　（ｃ）へ排気される最終段落Ｃの
排気は、ディフューザＤＩＦ（ｏ）よりも昇圧能力の大
きな環状ディフューザＤ　Ｉ　Ｆ　（ｃ）を介して、復
水器ＣＯＮ　Ｄ　（ｃ）へ排気される。この場合、最終
段落Ｃの圧力条件は、高真空側復水器へ排気される段落
Ａと同一の圧力条件となるようにディフューザＤＩＦ（
ｃ）を設計する。従って、ディフューザｏ　Ｉ　Ｆ　（
ｃ）の昇圧能力は、デイツユ−ｆＤＩＦ（ｃ）の昇圧能
力よりも大きくすることが必要となる。このように、順
次低真空側の復水器へ排気される最終段落はど、昇圧能
力の大きな環状ディフューザを配備することにより、夫
々の最終段出口圧力を一様化することができ、排気損失
の最も小さい排気流速を選定することが可能となる。従
って、多流排気構造をもつ低圧タービンが、排気ごとに
復水器真空が異なることによる性能劣化の改善を図り、
夫々の段落出口圧力を一様化できるため、排気ごとに段
落設計（翼長、排気面積、油気蒸気など）の変更をせず
に高性能化が達成できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は、典型的な蒸気タービンプラントの低圧タービン車
室に本発明を適用した実施例を示す。通常の火力発電プ
ラントでは、ボイラから発生した高温、高圧蒸気１０が
高圧タービン１に導入され、高圧タービン１の排気蒸気
１１は、ボイラ再熱器（図示せず）により昇温されて、
中圧タービン２への流入蒸気１２となる。中圧タービン
２の排気蒸気１３は、後続する低圧タービン車室３ａ、
３ｂへの流入蒸気１４．１５に分岐して低圧タービンへ
導かれる。低圧タービン車室３ａに流入した蒸気１４は
、低圧タービン入口導入部４ａを通過した後、対向する
段落内部５ａ、５ｂで膨張し、さらに最終段落６ａ、６
ｂの最終段動翼７ａ、７ｂで最終仕事を終え、低圧ター
ビン３ａの下方に位置する復水器２５への排気流れ１６
．１７，１８，１９となる。また、もう一方の低圧ター
ビン車室３ｂに導入される蒸気１５も同様に、入口導入
部４ｂ、段落内部５ｃ、５ｄ最終段落６ｃ、６ｄ及び最
終段動翼７ｃ、７ｄを通過して、復水器２５への排気流
れ２０，２１゜２２．２３となる。さらに、低圧タービ
ン各コンポーネントの最終段動翼７ａ、７ｂ、７ｃ、７
ｄの下流部には夫々外壁８ａ、内壁９ａから構成される
ディフューザａ、外壁８ｂ、内壁９ｂから構成されるデ
ィフューザｂ、外壁８ｃ、内壁９ｃから構成されるディ
フューザＣ及び外壁８ｄ、内壁９ｄから構成されるディ
フューザｄが配備される。

低圧タービン車室３ａ、３ｂの下方部には、−折冷却管
群３０によって構成された復水器２５が配置され、低圧
タービン車室３ａ、３ｂと復水器２５とは、連結胴２４
ａ、２４ｂを介してそれぞれ連結される。また、復水器
２５は、冷却水導入管６４から入口水室２９に冷却水を
導き、冷却水管群３０の内部を通過する間に、タービン
排気蒸気を凝縮、復水させて、出口車室３１を経て冷却
水排気管６５より排出される。このように−折流冷却方
式の復水器の場合、冷却水導入部から冷却水排出部に向
かって、徐々に冷却水温度が上昇し、冷却水導入部と排
出部との温度差は２０〜３０℃程度にも達する。この冷
却水温度上昇は、復水器の真空度の変化に直接結びつき
、冷却水導入部の復水器真空度が高く、冷却水排出部の
復水器真空度は低くなる。この真空度差は、冷却水温度
上昇から換算すると、１５〜２０ｍｍＨｇにも相当する
。

このように、復水器の真空度差を考慮した復水器の設計
法として多段圧復水器が考案され、実際の発電プラント
にも適用されている。すなわち、復水器内部を隔壁２６
，２７．２８で夫々仕切り、復水器真空度の異なる圧力
室７０ａ、７０ｂ。

７０ｃ、７０ｄを形成する。そして、低圧タービン段落
からの排気を、夫々真空度の異なる圧力室へ導入するこ
とが再生サイクル（給水加熱方式）を適用したプラント
では有利とされている。

このような多段圧復水器を適用した多流排気型の低圧蒸
気タービンでは、夫々の排気ごとに復水器真空度が異な
ることによって、タービン排気損失を最小化することが
極めて難しいという技術的課題があった。すなわち、冷
却水温度の最も低い冷却水濡の部の圧力室７０ｄの真空
度を復水器の計画真空度に設定した場合、７０ｃ、７０
ｂ。

７０ａと順次真空度が低くなるために、第２図に示した
排気損失が徐々に大きくなり、排気損失の最小化を実現
することができず、低圧タービンの効率低下を招くこと
は必定である。そこで本発明では、最終段出口部に配備
したディフューザミルディフューザｄの昇圧能力を変化
させる設計法を導入し、復水器真空度にマツチしたディ
フューザ性能を夫々のディフューザにもたせる。すなわ
ち、復水器真空度の高い圧力室７０ｄに導かれるディフ
ューザｄの昇圧能力を最も小さくし、復水器真空度が順
次低くなる圧力室７０ｃ、７０ｂ、７０ａに導入される
段落出口のディフューザｃ、ｂ、ａの順に昇圧能力を高
くしたディフューザを配備する。

次に、昇圧能力の異なるディフューザの設計手段につい
て詳述する。一般に、蒸気タービンの排気流路部に適用
しようとするディフューザは、環状ディフューザと呼ば
れ、その性能特性は、第５図に示した性能マツプ線図に
よって評価される。

すなわち、ディフューザ性能（圧力回復係数）は、無次
元ディフューザ流路長さ■／ΔＲ（ΔＲ：最終段翼長）
およびディフューザ流路面積の拡大率ＡＲ（第６図参照
）によって支配され、いずれのパラメータも大きいほど
ディフューザ性能（昇圧能力）は高くなる。本発明を実
際の低圧蒸気タービンに適用しようとした場合、発明者
の試算によれば、最も昇圧能力の小さいディフューザは
、圧力回復係数Ｃｐが０．２程度、最も昇圧能力の大き
なディフューザはＣｐ＝０．４　程度であれば、前述の
復水器真空度変化に対応できる。従って、無次元ディフ
ューザ長さＴ／ΔＲは（１〜２）程度、流路面積拡大率
（ＡＲ−１）は（０，２〜０．５）程度を設計条件に選
定すれば十分である。

勿論、ディフューザ性能は、前述のディフューザ流路長
さＴ／ΔＲ及び流路面積拡大率ＡＲを、限定値よりもさ
らに大きくすれば、昇圧能力もまた向上する。しかし、
いたずらにディフューザを大きくすることは、低圧ター
ビン車室の大形化（コストアップ）につながることや、
必要以上のディフューザ性能の向上は、最終段出口圧力
（ディフューザ入口圧力）を低くし過ぎることになり、
タービンの段落性能上好ましくない。このようなディフ
ューザ性能とタービン性能との関連について第７図を用
いて説明する。第７図は、低圧蒸気タービンの最終段落
における蒸気の膨張線図を示し、Ｘ点が最終段入口、Ｙ
点が膨張線エンドポイント（最終段出口状態）を示す。

排気損失の最小圧力線を０．５ａｔａとし、これを復水
器計画真空度とした場合、ディフューザ性能をこの計画
点よりも高くした場合には、膨張線エンドポイントもま
たＹ′、あるいは、Ｙ”点に移行し、あたかもタービン
仕事は増加するようにみえるが、逆に最終段出口圧力の
低下に伴って排気速度ＶＥＸが増加する。この排気速度
の増加は、排気損失の大部結果になり、復水器エンドポ
イントがＤ点からＹ′、あるいは、Ｚ”点に移行する。

従って、実際にタービン内での有効仕事は、設計点のｗ
ｄよりも小さくなり、ディフューザ性能の向上が、即、
タービン出力のアップにはつながらなくなる。このため
に、ディフューザ性能は、排気損失曲線の特性や復水器
真空度の設計値などを考慮した上で適正化し、この性能
を発揮できるディフューザが諸元（流路面積拡大率、デ
ィフューザ長さ）を決定すべきである。

また、第７図により本発明の効果を具体的に説明すると
次のようになる。本図中、Ｙ点及びＤ点が膨張線エンド
ポイントと復水器エンドポイントの設計点とし、高真空
側復水器へ流入するタービン車室の排気条件とする。こ
の場合のタービン有効仕事はＷ、である。しかし、本発
明を適用しないタービンでは、復水器真空の低下によっ
て低真空側のタービン車室はど有効仕事が小さくなり（
Ｗｄ＞Ｗｃ　＞Ｗｂ　＞Ｗａ　）全タービン車室の有効
仕事は、 ４Ｗｄ＞　Ｗｄ＋Ｗｃ＋Ｗｂ＋Ｗａ の関係より明らかなように、計画有効仕事を達成できな
くなる。しかし、本発明の適用により、全てのタービン
車室の有効仕事をＷｄと一様化することができ、タービ
ン性能の大幅な向上が期待できる。この全てのタービン
車室における最終段出口蒸気条件の統一化、−様化を達
成できれば、従来法に比べてタービン熱消費率を１１〜
２０（ｋｃａ　Ｑ　／　ＫＷＨ）も改善可能であり、タ
ービン効率改善に大きな効果をもたらすものである。

なお、本発明は第１図に例示した門流排気型の低圧ター
ビン車室に限定される必要はなく、二流あるいは水流排
気など多流排気型のすべてのタービンに適用できるもの
である。また、適用する復水器構造についても例示した
ダウンフロー型の排気構造に限ったものではなく、サイ
ドフロー型復水器への適用も十分可能なものである。第
８図には、サイドフロー型復水器を設けたタービン設備
に本発明を適用した例を示した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、多段圧復水器を設けた蒸気タービン設
備において、低圧タービン各車室の排気損失−様化が達
成でき、低圧最終段のタービンの出力アップを図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す低圧蒸気タービン車室
系統図、第２図はタービン排気損失説明図、第３図、第
４図は従来の多段圧復水器をもつ低圧タービン構造図、
第５図、第６図はディフューザの性能及び構造の説明図
、第７図は本発明の効果を表わす典型的なタービン膨張
線図、第８図、第９図は本発明の変形応用実施例を示す
図である。 ３・・・低圧タービン車室、５・・・タービン段落、７
・・・最終段動翼、２５・・・復水器、７０・・・圧力
室、２６゜２７．２８・・・隔壁、８・・・ディフュー
ザ外壁、９・・・ディフューザ内壁。 下ｋｒ９需１ご涛−叉ｋ・孟

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少くとも高低二段階の真空圧力状態をもつ多段圧復
   水器を備えた蒸気タービンの多流排気低圧タービン車室
   において、 最も高真空側の復水器に排気される段落出口に昇圧能力
   の最も小さいディフューザを具備し、さらに、低真空側
   の復水器に排気される段落ほど、前記ディフューザより
   も昇圧能力の大きなディフューザを具備することを特徴
   とする蒸気タービン。 ２、特許請求の範囲第１項に記載した蒸気タービンにお
   いて、 段落出口に設けたディフューザは、ディフューザ流路長
   さ及びディフューザ入口、出口の面積拡大率の適正化を
   図つたことを特徴とする蒸気タービン。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、前記
   蒸気タービンはダウンフロー型復水器及びサイドフロー
   型復水器又は軸流排気型復水器のいずれのタイプにも適
   用できることを特徴とする蒸気タービン。