JP2016135998A - Steam turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、排気室を備える蒸気タービンに関する。 Embodiments described herein relate generally to a steam turbine including an exhaust chamber.
火力発電所などで用いられる蒸気タービンの熱効率の向上は、エネルギ資源の有効利用や、二酸化炭素(CO2)排出量の削減につながる重要な課題となっている。蒸気タービンの熱効率の向上は、与えられたエネルギを有効に機械仕事に変換することで達成することができる。そのためには、様々な内部損失を低減することが必要である。 Improving the thermal efficiency of steam turbines used in thermal power plants and the like is an important issue that leads to effective use of energy resources and reduction of carbon dioxide (CO 2 ) emissions. An improvement in the thermal efficiency of a steam turbine can be achieved by effectively converting the given energy into mechanical work. For that purpose, it is necessary to reduce various internal losses.
蒸気タービンの内部損失には、翼の形状に起因するプロファイル損失、蒸気の二次流れ損失、蒸気の漏洩損失、蒸気の湿り損失などに基づくタービン翼列損失、蒸気弁やクロスオーバー管に代表される翼列以外の通路における通路部損失、タービン排気室によるタービン排気損失などがある。 The internal loss of a steam turbine is typified by the turbine blade row loss based on the profile loss due to the blade shape, steam secondary flow loss, steam leakage loss, steam wetting loss, etc., steam valves and crossover pipes. There are passage portion loss in passages other than the blade row, turbine exhaust loss due to the turbine exhaust chamber, and the like.
これら損失の中で、タービン排気損失は、全内部損失の10〜20%を占める大きな損失である。タービン排気損失は、最終段のタービン段落の出口から復水器入口までの間で発生する損失である。タービン排気損失は、リービング損失、フード損失、環状面積制限損失、ターンナップ損失などにさらに分類される。このうち、フード損失は、排気室から復水器までの圧力損失である。このフード損失は、ディフューザを含めた排気室の形式、形状、サイズに依存する。 Among these losses, the turbine exhaust loss is a large loss that accounts for 10 to 20% of the total internal loss. The turbine exhaust loss is a loss that occurs between the outlet of the turbine stage of the final stage and the condenser inlet. Turbine exhaust loss is further classified into leaving loss, hood loss, annular area limit loss, turn-up loss, and the like. Of these, the hood loss is the pressure loss from the exhaust chamber to the condenser. This hood loss depends on the type, shape and size of the exhaust chamber including the diffuser.
一般に、圧力損失は、蒸気の流速の二乗に比例して大きくなる。そのため、許容される範囲で排気室のサイズを大きくして蒸気の流速を低減することが効果的である。しかしながら、排気室のサイズを大きくする際、製造コストや建屋の配置スペースなどからの制約を受ける。フード損失を低減させるために排気室のサイズを大きくする際にも、このような制約を受ける。 In general, the pressure loss increases in proportion to the square of the steam flow velocity. Therefore, it is effective to reduce the steam flow rate by increasing the size of the exhaust chamber within an allowable range. However, when the size of the exhaust chamber is increased, there are restrictions from the manufacturing cost and the layout space of the building. Such restrictions are also imposed when the size of the exhaust chamber is increased in order to reduce the hood loss.
フード損失は、タービンロータ軸方向の速度である軸流速度、換言すると排気室を通過する体積流量に依存する。また、フード損失は、ディフューザを含めた排気室の設計に依存する。低圧タービンの排気室は、蒸気タービン全体の中でも大きな容量を占める。そのため、フード損失を低減させるために排気室のサイズを拡大することは、蒸気タービン全体のサイズや製造コストに大きな影響を与える。そこで、限られた排気室のサイズで、圧力損失の小さい形状とすることが重要となる。 The hood loss depends on the axial flow speed that is the speed in the turbine rotor axial direction, in other words, the volume flow rate passing through the exhaust chamber. Also, the hood loss depends on the design of the exhaust chamber including the diffuser. The exhaust chamber of the low-pressure turbine occupies a large capacity in the entire steam turbine. Therefore, enlarging the size of the exhaust chamber in order to reduce the hood loss greatly affects the size and manufacturing cost of the entire steam turbine. Therefore, it is important to have a shape with a small pressure loss with a limited exhaust chamber size.
例えば、従来の下方排気型の排気室を備えた複流排気型(ダブルフロー型)の低圧タービンにおいて排気室内での損失(静圧損失)を低減するためには、スチームガイドとベアリングコーンで構成される環状のディフューザにおいて流れを減速させ、十分に静圧を回復させることが最も重要である。従来の低圧タービンでは、ベアリングコーンのタービン軸方向の長さを増加して、ディフューザのタービン軸方向の長さを増加させ、静圧を十分に回復させることが検討されてきた。 For example, in a conventional double flow type (double flow type) low pressure turbine having a lower exhaust type exhaust chamber, in order to reduce the loss (static pressure loss) in the exhaust chamber, it is composed of a steam guide and a bearing cone. It is most important to slow down the flow in the annular diffuser and restore sufficient static pressure. In conventional low-pressure turbines, it has been studied to increase the length of the bearing cone in the turbine axial direction to increase the length of the diffuser in the turbine axial direction to sufficiently recover the static pressure.
しかしながら、近年では、蒸気タービンのコンパクト化などの観点から、ベアリングコーンのタービン軸方向の長さを減少させつつ、静圧を十分に回復させることが検討されている。具体的には、コンパクトな排気室において、スチームガイドおよびベアリングコーンの形状を最適化することにより、性能向上が図られている。 However, in recent years, from the viewpoint of making the steam turbine more compact, it has been studied to sufficiently recover the static pressure while reducing the length of the bearing cone in the turbine axial direction. Specifically, in a compact exhaust chamber, performance is improved by optimizing the shapes of the steam guide and the bearing cone.
ここで、図4および図5は、従来の下方排気型の排気室を備えた複流排気型(ダブルフロー型)の低圧タービン300の最終段のタービン段落の動翼310およびその近傍の鉛直方向の子午断面の一部を示した図である。
Here, FIGS. 4 and 5 show the
図4に示すように、最終段のタービン段落の動翼310の下流側には、スチームガイド320とベアリングコーン330とが備えられている。スチームガイド320とベアリングコーン330との間には、環状ディフューザ340が形成される。この環状ディフューザ340は、最終段のタービン段落の動翼310を通過した蒸気が導かれる拡大流路を構成する。また、環状ディフューザ340は、排気室の一部を構成する。環状ディフューザ340に導かれた蒸気は、半径方向外側に向かって、放射状に流出される。
As shown in FIG. 4, a
ここで、コンパクトな排気室において性能向上を図るためには、例えば、環状ディフューザ340の入口、すなわち最終段のタービン段落の動翼310の出口において、流れ350が最適な広がり角度に広がり、スチームガイド320の内面320aに沿って流れ、ディフューザ効果を発揮できることが重要である。また、環状ディフューザ340の入口からの流れ350がスチームガイド320の内面320a上で剥離しないことが重要である。そのためには、タービンロータ軸方向に対する流れ350の半径方向外側への広がり角度αは、所定の範囲の角度であることが条件となる。
Here, in order to improve the performance in a compact exhaust chamber, for example, the
図4に示した従来の低圧タービン300では、動翼310の先端であるシュラウド部311は、水平に構成されている。この動翼310を外周から包囲するダイアフラム外輪360の内面360aも水平に構成されている。そして、シュラウド部311と内面360aとの間に所定の間隙365が形成されている。例えば、ダイアフラム外輪360の内面360aに、例えば、シールフィン370を備え、間隙365をシールしている。
In the conventional low-
スチームガイド320は、ダイアフラム外輪360の下流端から、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して所定の拡大傾斜角で傾斜している。
The
しかしながら、このような従来の低圧タービン300においては、間隙365に流れる漏洩蒸気351の流量が多い。また、間隙365に流入した漏洩蒸気351は、水平方向に流出する。そのため、蒸気の流れは、環状ディフューザ340の入口において広がり角度αを維持することができない。また、蒸気の流れは、スチームガイド320の内面320a上で剥離することがある。
However, in such a conventional low-
一方、図5に示した従来の低圧タービン300では、最終段のタービン段落におけるダイアフラム外輪360は、静翼380と動翼310との間で、半径方向外側に内径が広がる段部361を備えている。この段部361を備えることで、動翼310の先端側の上流側には、タービンロータ軸方向に対して垂直な壁面361aが形成される。
On the other hand, in the conventional low-
この場合、間隙365に流れる漏洩蒸気351は、動翼310の上流側において、半径方向外側に導かれ、間隙365に流入する。そのため、図4に示した従来の低圧タービン300に比べて、間隙365に流れる漏洩蒸気351の流量は減少する。
In this case, the leaked
しかしながら、この減少量では、図4に示した従来の低圧タービン300と同様に、間隙365に流入した漏洩蒸気351によって、環状ディフューザ340の入口の蒸気の流れは影響を受ける。これによって、蒸気の流れは、環状ディフューザ340の入口において広がり角度αを維持することができない。また、蒸気の流れは、スチームガイド320の内面320a上で剥離することがある。
However, with this reduced amount, the steam flow at the inlet of the
なお、図5に示した従来の低圧タービン300において、先端部が、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して所定の角度で傾斜するスラント型の動翼を使用することもできる。しかしながら、このスラント型の動翼を使用した場合には、間隙365におけるシール性が低下する。そして、動翼の先端に沿う流れが、間隙365から流出する漏洩蒸気351の流れに乱される。また、蒸気の流れは、スチームガイド320の内面320a上で剥離することがある。
In the conventional low-
上記したように、従来の蒸気タービンにおいては、動翼とダイアフラム外輪との間隙を通過した漏洩蒸気の噴出によって、ディフューザ内における流れの広がりが阻害されたり、環状ディフューザ内の外周側の蒸気の流れの剥離を生じることがある。そのため、蒸気タービンにおいて、排気室内での圧力損失を確実に低減できる技術が求められている。 As described above, in the conventional steam turbine, the flow of the leaked steam that has passed through the gap between the rotor blade and the diaphragm outer ring hinders the spread of the flow in the diffuser, or the flow of the steam on the outer peripheral side in the annular diffuser. May occur. Therefore, there is a need for a technique that can reliably reduce the pressure loss in the exhaust chamber in a steam turbine.
本発明が解決しようとする課題は、ディフューザ性能を向上させるとともに、排気室における流れの剥離を抑制できる蒸気タービンを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a steam turbine capable of improving diffuser performance and suppressing flow separation in an exhaust chamber.
実施形態の蒸気タービンは、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、タービンロータの周方向に複数の動翼を植設して構成された動翼翼列と、前記ケーシングの内側に設けられたダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に周方向に複数の静翼を取り付けて構成され、前記動翼翼列とタービンロータ軸方向に交互に配置された静翼翼列と、前記静翼翼列と当該静翼翼列の直下流の前記動翼翼列とによって構成される複数のタービン段落と、最終段の前記タービン段落を通過した蒸気を排出する環状ディフューザとを備える。 The steam turbine according to the embodiment includes a casing, a moving blade cascade that is provided in the casing and in which a plurality of moving blades are implanted in a circumferential direction of the turbine rotor, and a diaphragm outer ring that is provided inside the casing. And a plurality of stationary blades attached in the circumferential direction between the inner ring and the diaphragm inner ring, the stationary blade cascade arranged alternately in the moving blade cascade and the turbine rotor axial direction, the stationary blade cascade and the stationary blade cascade A plurality of turbine stages constituted by the moving blade cascade immediately downstream, and an annular diffuser for discharging steam that has passed through the turbine stage at the final stage.
そして、最終段の前記タービン段落において、前記ダイアフラム外輪が、前記静翼と前記動翼との間で半径方向外側に内径が広がる段部と、前記段部の外周端から水平方向に延設され、前記動翼の先端に半径方向外側から対向する延設部と、前記動翼の先端部に上流側から対向する前記段部の端面の内周部に周方向に亘って形成され、下流側に突出する突条部とを備える。 In the turbine stage of the final stage, the diaphragm outer ring extends in a horizontal direction from a step part having an inner diameter extending radially outward between the stationary blade and the moving blade, and an outer peripheral end of the step part. An extending portion that faces the tip of the moving blade from the outside in the radial direction, and an inner peripheral portion of the end surface of the step portion that faces the tip of the moving blade from the upstream side in the circumferential direction. And a projecting ridge portion protruding from the surface.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の蒸気タービン10の鉛直方向の子午断面を示す図である。ここでは、蒸気タービン10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。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a meridional section in the vertical direction of the
図1に示すように、蒸気タービン10において、外部ケーシング20内には、内部ケーシング21が備えられている。内部ケーシング21内には、タービンロータ22が貫設されている。このタービンロータ22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23が形成されている。このロータディスク23は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。
As shown in FIG. 1, in the
タービンロータ22のロータディスク23には、周方向に複数の動翼24が植設され、動翼翼列170を構成している。この動翼翼列170は、タービンロータ軸方向に複数段備えられている。タービンロータ22は、ロータ軸受25によって回転可能に支持されている。
A plurality of rotor blades 24 are implanted in the circumferential direction on the rotor disk 23 of the
内部ケーシング21の内側には、ダイアフラム外輪26とダイアフラム内輪27とが設けられている。ダイアフラム外輪26とダイアフラム内輪27との間には、周方向に複数の静翼28が配設され、静翼翼列180を構成している。この静翼翼列180は、タービンロータ軸方向に動翼翼列170と交互になるように配置されている。静翼翼列180と、この静翼翼列180の直下流の動翼翼列170とで一つのタービン段落を構成する。また、ダイアフラム外輪26は、下流側に延設され、静翼28の直下流の動翼24を包囲している。
A diaphragm
蒸気タービン10の中央には、クロスオーバー管29からの蒸気が導入される吸気室30を備えている。この吸気室30から左右のタービン段落に蒸気を分配して導入する。
In the center of the
最終段のタービン段落の下流側には、外周側のスチームガイド40と、その内周側のベアリングコーン50とによって、環状ディフューザ60が形成される。この環状ディフューザ60は、例えば、蒸気を半径方向外側に向かって排出する。なお、ベアリングコーン50の内部には、例えば、ロータ軸受25などが備えられている。
An
環状ディフューザ60を備えた下方排気型の排気室の下方には、例えば、復水器(図示しない)が備えられる。
For example, a condenser (not shown) is provided below the lower exhaust type exhaust chamber provided with the
なお、上記した、外部ケーシング20、内部ケーシング21、スチームガイド40、ベアリングコーン50などは、上下に2つ割り構造で構成されている。例えば、上半側および下半側のスチームガイド40によって筒状のスチームガイド40が構成される。同様に、上半側および下半側のベアリングコーン50よって筒状のベアリングコーン50が構成される。そして、筒状のスチームガイド40と、その内側に設けられた筒状のベアリングコーン50とによって、環状ディフューザ60が構成される。なお、スチームガイド40およびベアリングコーン50における上半側および下半側の構成は同じである。
Note that the
次に、最終段のタービン段落の構成について詳しく説明する。 Next, the configuration of the last turbine stage will be described in detail.
図2は、第1の実施の形態の蒸気タービン10における最終段のタービン段落および環状ディフューザ60の一部の鉛直方向の子午断面を拡大した図である。なお、図2において、説明の便宜上、最終段のタービン段落の構成部には、図1で示した構成部の符号に「a」を加えて示している。
FIG. 2 is an enlarged view of a vertical meridional section of a turbine stage and a part of the
図2に示すように、最終段のタービン段落の静翼28aは、ダイアフラム外輪26aとダイアフラム内輪27aとの間に取り付けられている。静翼28aの外周が取り付けられたダイアフラム外輪26aの内面70は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に、例えば、直線的に拡大する。この内面70は、タービンロータ軸方向の下流側(図2では右方向)に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して拡大傾斜角度θ1で傾斜している。
As shown in FIG. 2, the
この拡大傾斜角度θ1は、例えば、環状ディフューザ60の入口のスチームガイド40の内面41側において、タービンロータ軸方向に対する蒸気の流れ185の半径方向外側への広がり角度αが所定の角度となるように設定される。ここで、所定の角度は、例えば、スチームガイド40の内面41上で流れの剥離が生じない範囲の角度である。
For example, on the
ダイアフラム外輪26aは、静翼28aと動翼24aとの間で、半径方向外側に内径が広がる段部80を備えている。すなわち、段部80は、静翼28aの下流側で、かつ動翼24aの上流側で、半径方向外側にダイアフラム外輪26aの内径が広がることで形成される。ここで、半径方向とは、タービンロータ軸方向に垂直な方向である。この段部80は、図2に示すように、動翼24aの先端部に対向する。
The diaphragm
ここで、動翼24aの先端には、図2に示すように、例えば、シュラウド130が備えられている。このような動翼24aにおいて、シュラウド130を含む翼有効部の翼長さを1としたとき、動翼24aの先端部とは、シュラウド130を含む翼先端から0.01〜0.1程度をいう。この範囲とすることで、翼有効部に適切に蒸気を通過させて仕事を得るとともに、後述する、動翼24aとダイアフラム外輪26aとの間のシール性能を維持することができる。
Here, as shown in FIG. 2, for example, a
動翼24aの先端部に対向する、段部80の下流側の端面81は、例えば、タービンロータ軸方向に垂直である。この端面81の内周部には、周方向に亘って、下流側に突出する突条部90が形成されている。この突条部90の下流側への突出長さは、例えば、ダイアフラム外輪26aやタービンロータ22などが熱膨張した際に、動翼24aに接触しない範囲で設定される。
An
突条部90の形状は、例えば、図2に示すように、タービンロータ軸方向に沿う垂直断面、具体的には鉛直方向の子午断面において、三角形である。そして、突条部90における半径方向内側の内側面91は、内面70に沿う直線と連続する直線で示される。すなわち、内側面91は、内面70に沿う直線の延長線上に存在する。また、突条部90における半径方向外側の外側面92は、例えば、下流側に向かって、タービンロータ軸方向に対して半径方向内側に所定の角度θ2(度)で傾斜している。
For example, as shown in FIG. 2, the shape of the
なお、突条部90の形状は、これに限られるものではない。突条部90の形状は、例えば、タービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、下流に行くに伴って半径方向の幅が狭くなる略台形であってもよい。換言すると、図2に示した三角形の突条部90において、下流側の頂点部が切り落とされ、辺を構成する形状であってもよい。
In addition, the shape of the
このように、突条部90の形状は、図2に示しされた形状に限られるものではなく、下流側に突出する形状であればよい。
Thus, the shape of the
ダイアフラム外輪26aは、段部80の外周端に、水平方向に延設され、動翼24aの先端に半径方向外側から対向する延設部100を備えている。そして、水平方向に延びる延設部100の水平内面101と、動翼24aの先端との間には、所定の間隙が形成されている。この間隙には、シール部110が形成されている。シール部110は、例えば、図2に示すように、水平内面101に複数のシールフィン111を備えることで形成される。
The diaphragm
ここで、上記した、水平内面101、端面81および外側面92で囲まれる空間には凹部120が形成される。この凹部120を設けることで、ダイアフラム外輪26aの内面70に沿って流れる蒸気の一部が漏洩蒸気190として流れ込む際、流れ方向を大きく転換する。そのため、凹部120に流入する漏洩蒸気190の流量を減少させることができる。
Here, the
ここで、動翼24aの先端のシュラウド130は、例えば、上流側の端部が先端に行くに伴って上流側に突出する傾斜面131を有してもよい。なお、図2では、シュラウド130の下流側の端部にも、傾斜面を備えた一例を示している。この場合、下流側の傾斜面のタービンロータ軸方向に対する角度は、例えば、上流側の傾斜面131のタービンロータ軸方向に対する角度と等しく構成される。
Here, the
シュラウド130の上流側の傾斜面131は、突条部90の外側面92と対向している。そして、図2に示すように、タービンロータ軸方向に対する傾斜面131の角度をθ3(度)とした場合、この角度θ3と、前述したタービンロータ軸方向に対する外側面92の角度θ2とが、例えば、次の式(1)の関係を満たすことが好ましい。
The
角度θ2=角度θ3±10度 …式(1) Angle θ2 = Angle θ3 ± 10 degrees Formula (1)
角度θ2をこの範囲にすることで、可能な限り損失を小さくして漏洩蒸気190を凹部に導くことができる。なお、角度θ2を角度θ3と等しくすることがより好ましい。
By setting the angle θ2 in this range, it is possible to reduce the loss as much as possible and guide the leaked
なお、ここでは、動翼24aの先端のシュラウド130に傾斜面131を有する一例を示したが、傾斜面131を有しない構成でもよい。すなわち、シュラウド130の上流側および下流側の端部が、先端方向に一定の長さであってもよい。この場合には、前述した式(1)の関係は、成立しない。
Although an example in which the
ダイアフラム外輪26aの下流端、すなわち延設部100の下流端面102には、スチームガイド40が隣接されている。スチームガイド40の上流端は、図2に示すように、延設部100の下流端面102のうちの半径方向内側部分に接している。スチームガイド40は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い、半径方向外側に拡開する拡大筒状に構成されている。
The
スチームガイド40の上流部は、例えば、図2に示すように、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に直線的に拡大している。スチームガイド40の下流部は、例えば、図1に示すように、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大する。なお、スチームガイド40の形状は、これに限られない。スチームガイド40は、例えば、上流端から下流端において、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大するラッパ状に構成されてもよい。
For example, as shown in FIG. 2, the upstream portion of the
スチームガイド40の入口における内面41は、図2に示すように、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴って半径方向外側に、タービンロータ軸方向に対して拡大傾斜角度θ4で傾斜している。なお、スチームガイド40が、上流端から下流端において、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い半径方向外側に湾曲しながら拡大する場合には、拡大傾斜角度θ4(度)は、図2に示した断面において、スチームガイド40の内面41の上流端における接線とタービンロータ軸方向とのなす角で定義される。
As shown in FIG. 2, the
ここで、拡大傾斜角度θ4は、最終段のタービン段落を通過した蒸気が、スチームガイド40の内面41上で剥離しない程度の角度に設定される。拡大傾斜角度θ4は、例えば、拡大傾斜角度θ1の±20度の範囲内の角度に設定される。
Here, the enlarged inclination angle θ4 is set to such an angle that the steam that has passed through the turbine stage at the final stage does not peel on the
ベアリングコーン50は、タービンロータ軸方向の下流側に行くに伴い、湾曲しながら半径方向外側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50の上流端は、図2に示すように、回動するロータディスク23aに接しない程度に、ロータディスク23aの下流側端面のうちの半径方向外側部分に隣接している。ベアリングコーン50の下流端は、図1に示すように、外部ケーシング20の、タービンロータ軸方向の下流側の側壁140の内壁面141に接している。
The bearing
ここで、図2に示されたタービンロータ軸方向に沿う垂直断面において、ダイアフラム外輪26aの内面70に沿う線を下流側に延長した線上に、環状ディフューザ60の入口を形成するスチームガイド40の内面41が位置してもよい。この場合、スチームガイド40の入口における内面41の拡大傾斜角度θ4は、ダイアフラム外輪26aの内面70の拡大傾斜角度θ1と等しい。このように、内面70に沿う線を下流側に延長した線上にスチームガイド40の内面41が位置することで、蒸気の流れをスムーズにスチームガイド40に誘導し、内面41からの流れの剥離を抑制できる。
Here, in the vertical cross section along the axial direction of the turbine rotor shown in FIG. 2, the inner surface of the
なお、拡大傾斜角度θ1は、例えば、動翼24aを通過した蒸気の流れ、すなわち環状ディフューザ60の入口における蒸気の流れが、漏洩流れの影響を受けない場合に、スチームガイド40の内面41上で剥離しない程度の角度に設定される。
The enlarged inclination angle θ1 is, for example, on the
ここで、本実施の形態における構成は、ベアリングコーン50のタービン軸方向の長さを減少させてコンパクト化を図るとともに、環状ディフューザ60において静圧を十分に回復させることを実現する蒸気タービンに好適である。
Here, the configuration according to the present embodiment is suitable for a steam turbine that reduces the length of the bearing
具体的には、最終段のタービン段落における動翼24aの外径Dに対するベアリングコーン50のタービンロータ軸方向の長さLの比(L/D)が、例えば、2/5以下となる蒸気タービンに、本実施の形態における構成は好適である。
Specifically, the steam turbine in which the ratio (L / D) of the length L in the turbine rotor axial direction of the bearing
ここで、図1に示すように、長さLは、ベアリングコーン50の動翼24a側の端部からベアリングコーン50の下流端が接する側壁140の内壁面141までの距離である。外径Dは、動翼24aが回転する際、動翼24aの翼先端が描く円の直径に等しい。なお、シュラウド130を備える動翼24aにおいては、シュラウド130を含んだ外径である。
Here, as shown in FIG. 1, the length L is the distance from the end of the bearing
L/Dが2/5以下の蒸気タービンにおいては、排気室が十分に小型化されたものとなり、製造や設置などの費用が削減される。なお、L/Dは、環状ディフューザ60における曲がり損失などを考慮すると、1/5程度まで設定することができる。
In a steam turbine having an L / D of 2/5 or less, the exhaust chamber is sufficiently miniaturized, and costs for manufacturing and installation are reduced. Note that L / D can be set to about 1/5 in consideration of bending loss in the
次に、蒸気タービン10の作用について、図1および図2を参照して説明する。
Next, the operation of the
図1に示すように、クロスオーバー管29を経て蒸気タービン10内の吸気室30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28、動翼24を備える蒸気流路を膨張しながら通過し、タービンロータ22を回転させる。
As shown in FIG. 1, the steam that flows into the
図2に示すように、最終段のタービン段落において、ダイアフラム外輪26aの内面70に沿って流れる蒸気は、内面70の拡大傾斜角度θ1を有して流れる。そして、環状ディフューザ60の入口のスチームガイド40の内面41側において、タービンロータ軸方向に対する蒸気の流れ185の半径方向外側への広がり角度αが所定の角度に維持される。また、下流側に延設された突条部90は、環状ディフューザ60の入口において、流れの広がり角度αが所定の角度に維持されることを助ける。
As shown in FIG. 2, in the final stage turbine stage, the steam flowing along the
ここで、例えば、図2に示すように、シュラウド130の下流側の端部にも傾斜面を備えた場合、この傾斜面は、環状ディフューザ60の入口において、流れの広がり角度αが所定の角度に維持されることをさらに助ける。
Here, for example, as shown in FIG. 2, when the downstream end of the
一方、ダイアフラム外輪26aの内面70に沿って流れる蒸気の一部は、突条部90の外側面92とシュラウド130の上流側の傾斜面131との間から流れ方向を上流側に変えて凹部120に流入する。そして、凹部120に流入した漏洩蒸気190は、シール部110を通過して、水平内面101と、動翼24aの先端との間から環状ディフューザ60の入口に噴出される。
On the other hand, a part of the steam flowing along the
ここで、漏洩蒸気が凹部120に流入する際、漏洩蒸気190は、その流れ方向が大きく転換され、大きな圧力損失を生じる。そのため、凹部120に流入する漏洩蒸気190の流量は少なく、シール部110から環状ディフューザ60の入口に噴出される漏洩蒸気190の流量および噴出速度は小さい。これによって、環状ディフューザ60の入口において、蒸気の流れは、広がりが阻害されることなく、所定の広がり角度に広がる。また、スチームガイド40の内面41に沿う蒸気の流れが、シール部110からの漏洩蒸気190の噴出によって乱されることを抑制できる。
Here, when the leaking steam flows into the
その結果、環状ディフューザ60の入口において、環状ディフューザ60の内面に沿う適正な流れが形成されるとともに、スチームガイド40の内面41に沿う蒸気の流れの剥離が抑制される。
As a result, an appropriate flow along the inner surface of the
そして、環状ディフューザ60内に流入した蒸気は、剥離することなく、スチームガイド40の内面41に沿って流れる。そして、その流れは、環状ディフューザ60によって減速される。そして、環状ディフューザ60において、静圧が十分に回復される。
And the vapor | steam which flowed in in the
環状ディフューザ60の出口において、図1に示すように、蒸気は、半径方向外側に流出する。半径方向外側に流出した蒸気は、流れが下方に転向される。そして、転向された蒸気は、例えば、タービンロータ22の下方に設置された復水器(図示しない)に導かれる。
At the outlet of the
上記したように、第1の実施の形態の蒸気タービン10によれば、ダイアフラム外輪26aに突条部90を備えることで、シール部110に流入する漏洩蒸気190の流量を低減することができる。また、シール部110から環状ディフューザ60の入口に噴出される漏洩蒸気190の流量および噴出速度を小さくすることができる。そのため、環状ディフューザ60の入口において、流れを所定の広がり角度に広げられるとともに、スチームガイド40の内面41に沿う蒸気の流れの剥離が抑制される。これによって、ディフューザ性能を向上させることができるとともに、排気室における流れの剥離を抑制することができる。
As described above, according to the
(第2の実施の形態)
図3は、第2の実施の形態の蒸気タービン11における最終段のタービン段落および環状ディフューザ60の一部の鉛直方向の子午断面を拡大した図である。なお、図3において、図2と同様に、説明の便宜上、最終段のタービン段落の構成部には、図1で示した構成部の符号に「a」を加えて示している。また、図3において、第1の実施の形態の蒸気タービン10と同一の構成部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。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is an enlarged view of a vertical meridional section of a turbine stage and a part of the
第2の実施の形態では、第1の実施の形態と突条部の形状およびドレンを回収する流路を備えた点が異なる。ここでは、この異なる構成について主に説明する。 The second embodiment is different from the first embodiment in that the shape of the protrusion and the flow path for collecting the drain are provided. Here, this different configuration will be mainly described.
図3に示すように、蒸気タービン11は、ダイアフラム外輪26aは、静翼28aと動翼24aとの間で、半径方向外側に内径が広がる段部80を備えている。この段部80は、図3に示すように、動翼24aの先端部に対向する。
As shown in FIG. 3, in the
動翼24aの先端部に対向する、段部80の下流側の端面81の内周部には、周方向に亘って、下流側に突出する突条部150が形成されている。この突条部150の下流側への突出長さは、例えば、ダイアフラム外輪26aやタービンロータ22などが熱膨張した際に、動翼24aに接触しない範囲で設定される。
On the inner peripheral portion of the
突条部150の形状は、図3に示すように、タービンロータ軸方向に沿う垂直断面、具体的には鉛直方向の子午断面において、例えば、略扇状である。そして、突条部150における半径方向内側の内側面151は、ダイアフラム外輪26aの内面70に沿う直線と連続する直線およびこの連続する直線に連続する曲線で示される。なお、この曲線部は、半径方向内側に凸の曲面を形成する。
As shown in FIG. 3, the shape of the
また、突条部150における半径方向外側の外側面152は、例えば、水平(タービンロータ軸方向に平行)となる。なお、突条部150の形状は、これに限られるものではない。例えば、突条部150の外側面152が、下流側に向かって半径方向内側に傾斜する構成であってもよい。
Further, the radially
そして、第1の実施の形態と同様に、水平内面101、端面81および外側面152で囲まれる空間には凹部121が形成される。また、ダイアフラム外輪26aには、開口161を介して凹部121に連通する流路160が形成されている。
Similar to the first embodiment, a
この流路160は、凹部121に流れ込んだドレンを回収するための流路である。この流路160は、例えば、凹部121内の圧力よりも低圧状態である復水器(図示しない)に、例えば配管(図示しない)を介して連通している。このように、ドレンを凹部121から吸引するための流路160や配管(図示しない)からなる通路を備える。
The
凹部121を設けることで、ダイアフラム外輪26aの内面70に沿って流れる蒸気の一部が漏洩蒸気190として流れ込む際、流れ方向を大きく転換する。そのため、凹部121に流入する漏洩蒸気190の流量を減少させることができる。また、突条部150の一部を曲面で構成することで、突条部150の内側面151に沿って流れる液膜や蒸気中の水滴を遠心力によって曲面に沿わせて凹部121に導くことができる。なお、液膜や水滴は、温度の低下によって蒸気が凝縮したものである。
By providing the
次に、蒸気タービン11の作用について、図3を参照して説明する。
Next, the operation of the
前述したように、蒸気は、各タービン段落を通って最終段のタービン段落に流入する。最終段のタービン段落において、ダイアフラム外輪26aの内面70に沿って流れる蒸気は、内面70の拡大傾斜角度θ1を有して流れる。そして、環状ディフューザ60の入口のスチームガイド40の内面41側において、タービンロータ軸方向に対する蒸気の流れ185の半径方向外側への広がり角度αが所定の角度に維持される。また、下流側に延設された突条部150の一部は、環状ディフューザ60の入口において、流れの広がり角度αが所定の角度に維持されることを助ける。
As described above, the steam flows through each turbine stage to the final turbine stage. In the turbine stage of the final stage, the steam that flows along the
一方、ダイアフラム外輪26aの内面70に沿って流れる蒸気の一部は、突条部150の外側面152とシュラウド130の上流側の傾斜面131との間から流れ方向を上流側に変えて凹部121に流入する。そして、凹部121に流入した漏洩蒸気190は、シール部110を通過して、水平内面101と、動翼24aの先端との間から環状ディフューザ60の入口に噴出される。
On the other hand, a part of the steam flowing along the
ここで、漏洩蒸気190が凹部121に流入する際、漏洩蒸気190は、その流れ方向が大きく転換され、大きな圧力損失を生じる。そのため、凹部121に流入する漏洩蒸気190の流量は少なく、シール部110から環状ディフューザ60の入口に噴出される漏洩蒸気190の流量および噴出速度は小さい。これによって、環状ディフューザ60の入口において、蒸気の流れは、広がりが阻害されることなく、所定の広がり角度に広がる。また、スチームガイド40の内面41に沿う蒸気の流れが、シール部110からの漏洩蒸気190の噴出によって乱されることを抑制できる。
Here, when the leaking
その結果、環状ディフューザ60の入口において、環状ディフューザ60の内面に沿う適正な流れが形成されるとともに、スチームガイド40の内面41に沿う蒸気の流れの剥離が抑制される。
As a result, an appropriate flow along the inner surface of the
また、突条部150の内側面151に沿って流れる液膜や蒸気中の水滴は、遠心力によって突条部150の曲面に沿って凹部121に導かれる。そして、遠心力によって凹部121内の半径方向外側に溜まったドレンは、開口161から吸引され、流路160、配管(図示しない)を通り、例えば、復水器(図示しない)に導かれる。なお、ドレンを吸引する際、漏洩蒸気190の一部も吸引されるが微量である。
In addition, a liquid film flowing along the
環状ディフューザ60内に流入した蒸気は、剥離することなく、スチームガイド40の内面41に沿って流れる。そして、その流れは、環状ディフューザ60によって減速される。そして、環状ディフューザ60において、静圧が十分に回復される。
The steam that has flowed into the
なお、環状ディフューザ60を通過した後の蒸気の流れは、第1の実施の形態で説明したとおりである。
Note that the flow of the steam after passing through the
上記したように、第2の実施の形態の蒸気タービン11によれば、ダイアフラム外輪26aに突条部150を備えることで、シール部110に流入する漏洩蒸気190の流量を低減することができる。また、シール部110から環状ディフューザ60の入口に噴出される漏洩蒸気190の流量および噴出速度を小さくすることができる。そのため、環状ディフューザ60の入口において、流れを所定の広がり角度に広げられるとともに、スチームガイド40の内面41に沿う蒸気の流れの剥離が抑制される。これによって、ディフューザ性能を向上させることができるとともに、排気室における流れの剥離を抑制することができる。
As described above, according to the
さらに、凹部121に流れ込んだドレンを回収する流路160を備えることで、最終段の静翼28aと動翼24aとの間でドレンを回収できる。これによって、水滴や吹き千切れた液膜によって動翼24aがエロージョンを受けることを抑制できる。また、突条部150の一部を曲面で構成することで、突条部150の内側面151に沿って流れる液膜や蒸気中の水滴を凹部121に導きやすくする。
Furthermore, by providing the
なお、第2の実施の形態におけるドレンを回収する通路の構成は、第2の実施の形態にも適用することができる。この場合においても、水滴や吹き千切れた液膜によって動翼24aがエロージョンを受けることを抑制できる。
In addition, the structure of the channel | path which collect | recovers drains in 2nd Embodiment is applicable also to 2nd Embodiment. Even in this case, it is possible to suppress the
以上説明した実施形態によれば、ディフューザ性能を向上させるとともに、排気室における流れの剥離を抑制することが可能となる。 According to the embodiment described above, it is possible to improve the diffuser performance and suppress the separation of the flow in the exhaust chamber.
なお、上記実施の形態では、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したが、本実施の形態の構成は、例えば、環状の排気室を備える軸流排気型の低圧タービンにも適用することができる。 In the above embodiment, the double flow exhaust type low-pressure turbine provided with the lower exhaust type exhaust chamber has been described as an example. However, the configuration of the present embodiment includes, for example, an axial flow exhaust provided with an annular exhaust chamber. It can also be applied to low pressure turbines of the type.
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。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10,11…蒸気タービン、20…外部ケーシング、21…内部ケーシング、22…タービンロータ、23,23a…ロータディスク、24,24a…動翼、25…ロータ軸受、26,26a…ダイアフラム外輪、27,27a…ダイアフラム内輪、28,28a…静翼、29…クロスオーバー管、30…吸気室、40…スチームガイド、41,70…内面、50…ベアリングコーン、60…環状ディフューザ、80…段部、81…端面、90…突条部、91,151…内側面、92,152…外側面、100…延設部、101…水平内面、102…下流端面、110…シール部、111…シールフィン、120,121…凹部、130…シュラウド、131…傾斜面、140…側壁、141…内壁面、150…突条部、160…流路、161…開口、170 …動翼翼列、180…静翼翼列、190…漏洩蒸気。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ケーシング内に設けられ、タービンロータの周方向に複数の動翼を植設して構成された動翼翼列と、
前記ケーシングの内側に設けられたダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に周方向に複数の静翼を取り付けて構成され、前記動翼翼列とタービンロータ軸方向に交互に配置された静翼翼列と、
前記静翼翼列と当該静翼翼列の直下流の前記動翼翼列とによって構成される複数のタービン段落と、
最終段の前記タービン段落を通過した蒸気を排出する環状ディフューザと
を備え、
最終段の前記タービン段落において、
前記ダイアフラム外輪が、
前記静翼と前記動翼との間で半径方向外側に内径が広がる段部と、
前記段部の外周端から水平方向に延設され、前記動翼の先端に半径方向外側から対向する延設部と、
前記動翼の先端部に上流側から対向する前記段部の端面の内周部に周方向に亘って形成され、下流側に突出する突条部と
を備えることを特徴とする蒸気タービン。 A casing,
A blade cascade provided in the casing and configured by implanting a plurality of blades in the circumferential direction of the turbine rotor;
A plurality of stationary blades are attached in a circumferential direction between a diaphragm outer ring and a diaphragm inner ring provided inside the casing, and the stationary blade cascade arranged alternately in the moving blade cascade and the turbine rotor axial direction;
A plurality of turbine stages constituted by the stationary blade cascade and the moving blade cascade immediately downstream of the stationary blade cascade;
An annular diffuser for discharging steam that has passed through the turbine stage in the final stage,
In the turbine stage of the final stage,
The diaphragm outer ring is
A step portion having an inner diameter extending radially outward between the stationary blade and the moving blade;
An extending portion that extends in the horizontal direction from the outer peripheral end of the stepped portion, and that faces the tip of the moving blade from the outside in the radial direction;
A steam turbine, comprising: a protrusion formed on the inner peripheral portion of the end surface of the step portion facing the tip portion of the moving blade from the upstream side in a circumferential direction and protruding downstream.
前記傾斜面と前記突条部における半径方向外側の外側面とが対向し、
タービンロータ軸方向に対する前記外側面のなす角が、タービンロータ軸方向に対する前記傾斜面のなす角の±10度の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項1記載の蒸気タービン。 A shroud provided at a tip of the rotor blade in the turbine stage of the final stage, and an upstream end portion having an inclined surface protruding upstream as it goes to the tip;
The inclined surface and the outer surface on the radially outer side of the protruding portion are opposed to each other,
The steam turbine according to claim 1, wherein an angle formed by the outer surface with respect to the turbine rotor axial direction is set within a range of ± 10 degrees of an angle formed by the inclined surface with respect to the turbine rotor axial direction.
前記突条部における半径方向内側の内側面が、前記前記静翼を支持する部分の前記ダイアフラム外輪の内面に沿う直線の延長線上にあることを特徴とする請求項1または2記載の蒸気タービン。 In the vertical section along the turbine rotor axial direction,
3. The steam turbine according to claim 1, wherein an inner side surface on an inner side in the radial direction of the protruding portion is on a straight extension line along an inner surface of the diaphragm outer ring in a portion supporting the stationary blade. 4.
前記突条部における半径方向内側の内側面が、前記前記静翼を支持する部分の前記ダイアフラム外輪の内面に沿う直線と連続する直線、および当該連続する直線に連続する曲線で示されることを特徴とする請求項1または2記載の蒸気タービン。 In the vertical section along the turbine rotor axial direction,
A radially inner inner surface of the projecting portion is indicated by a straight line continuous with a straight line along an inner surface of the diaphragm outer ring of a portion supporting the stationary blade, and a curve continuous with the continuous straight line. The steam turbine according to claim 1 or 2.
最終段の前記タービン段落の前記静翼を支持する部分の前記ダイアフラム外輪の内面に沿う線を下流側に延長した線上に、前記環状ディフューザの入口を形成する外壁の内面があることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の蒸気タービン。 In the vertical section along the turbine rotor axial direction,
The inner surface of the outer wall that forms the inlet of the annular diffuser is on a line extending downstream from the inner surface of the diaphragm outer ring of the portion of the turbine stage that supports the stationary blade of the final stage. The steam turbine according to any one of claims 1 to 4.
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