JP4881338B2 - 蒸気タービンおよびその抽気運転方法 - Google Patents

Description

本発明は蒸気タービンおよびその抽気運転方法に係り、とりわけ各タービン段落出口から適切に抽気して熱効率の向上を図ることができる蒸気タービンおよびその抽気運転方法に関する。

近年、地球温暖化の抑制が強く望まれ、蒸気タービンを備えた発電プラントにおいても発電効率の改善により発電用の燃料消費を減らし、二酸化炭素の排出を抑制することが必要とされている。そのため、蒸気タービンのタービン翼列の性能向上、および発電プラントの熱バランスの改善による発電効率が重要な課題となっている。

蒸気タービンはタービンノズルと、タービン動翼段とからなる複数のタービン段落を有しているが、タービン性能の向上を図るには、タービン段落の損失を改善する必要がある。タービン段落の損失には、様々なものがあり、ノズル翼やタービン動翼の翼型形状そのものに起因するプロファイル損失と、翼列間を流れる流体力に起因する二次流れ損失と、作動流体が翼列間を通過せずに翼列間外部を通過、つまり漏洩することによる外部漏洩損失とに分けることができる。

特に、外部漏洩損失には、作動流体が翼列間から外部へ漏洩することによるタービン出力の低下の他に、漏洩した作動流体が、下流段落で翼列間を通過した作動流体と合流するに起因する損失増加が発生する。作動流体の主流と漏洩流量の各々は、流れのベクトル方向が大きく異なっており、合流することで複雑な流れとなり、下流段落での翼列損失を招きタービン性能を低減させている。

一般的な蒸気タービンのタービン段落の構成を図１０に示す。各タービン段落１１は、タービンノズル１と、タービン動翼段５とを有し、このうちタービンノズル１はダイアフラム外輪１７と、ダイアフラム内輪１６と、ダイアフラム外輪１７とダイアフラム内輪１６との間に形成され、かつ周方向に配列されたノズル翼１ａとを有している。タービンノズルは、ケーシング１２とともに蒸気タービンの静止部を構成している。ダイアフラム内輪１６とロータ１３の間には、作動流体の漏洩を減らすためにラビリンスパッキン１８が周方向に設けられている。

このように形成されたタービンノズル１の下流側には、各タービンノズル１に対向してタービン動翼段５が配設されている。このタービン動翼段５は、ロータ（タービン軸）１３に設けられたロータディスク２１の外周に周方向に所定間隔で列状に植設された複数のタービン動翼５ａを有する。いる。タービン動翼段５はその外周端に、周方向に複数設けられているタービン動翼５ａの先端部を一体として束ねて固定させるシュラウド２０を有する。シュラウド２０の外周側にて動翼段５を取り囲む静止部であるケーシング１２には、シュラウド２０とこのケーシング１２の間における作動流体の漏洩を減少させるためのチップパッキン４がその内面に取り付けられている。

一方、一般的に蒸気タービンプラントの熱サイクルは、再熱−再生サイクルからなっている。図９に蒸気タービンプラントの再熱−再生サイクルの概略配置図を示す。

図９に示すようにボイラ３１で高温・高圧の蒸気が生成され、生成された蒸気のもつエネルギーは高圧タービン３２で仕事をすることにより動力として回収される。仕事を終えた蒸気は、再びボイラ３１で加熱（再熱）され、中圧タービン３３へ送られ仕事を行なう。その後蒸気は低圧タービン３４でも仕事を行なって更に動力を発生させる。そして発生させた動力により発電機４５を回転させて発電する。低圧タービン３４にて仕事を終えた蒸気は、復水器３５へ導かれ復水し、水となって復水ポンプ３８、復水熱交換器３９、グランド蒸気復水器４０、低圧給水加熱器４１、脱気器４２およびブースタポンプ４３を経て、給水ポンプ３６によりボイラ３１へ送られる。給水ポンプ３６からの給水はボイラ３１へ送られる途中で高圧給水加熱器３７により加熱され、このことによってボイラ３１での燃料消費を節約することができる。

高圧給水加熱器３７の熱源は、蒸気タービン３２、３３内の可逆断熱膨張途中の一部の蒸気を蒸気タービン外部に取り出した蒸気からなる。このように膨張途中で外部に取り出された蒸気を抽気と称しているが、給水加熱器３７，４１においては、抽気の保有する潜熱がボイラ３１への給水により再生される。特に、再熱−再生サイクルの熱効率は、蒸気タービンの高圧タービン３２、中圧タービン３３の初圧・初温および排圧による影響を受けるとともに、蒸気タービンの高圧タービン３２、中圧タービン３３内での可逆熱膨張の途中から外に取り出す抽気の量にも関係している。高圧タービン３２、中圧タービン３３内部より高温蒸気の多くを抽気して高圧給水加熱器３７に供給し、給水を加熱することにより、ボイラで消費される燃料を節約することができる。しかしながら、抽気を多くすれば高圧タービン３２や中圧タービン３３での蒸気流量が低下し、高圧タービン３２、中圧タービン３３の出力が低下して熱効率の低下を招く恐れがある。このため、蒸気タービンプラントの熱効率を向上させるには、高圧タービン３２、中圧タービン３３での抽気量や抽気方法を最適化することが重要である。

上記の通り、従来の蒸気タービンでは、高圧タービン３２、中圧タービン３３から抽気された作動流体と、高圧タービン３２、中圧タービン３３を通過した作動流体が合流するため、下流段落に流入する作動流体が複雑な流れとなり、蒸気タービン３２、３３の翼列間における損失を増加させタービン効率を低下させる課題があった。さらに、図１０に示すように一般的に蒸気タービンにおいて、抽気管２２はタービン段落１１出口の円周方向の１箇所に設置され、局所的に作動流体を外部に取り出している。このため抽気するタービン段落では、円周方向において流量の分布が形成され下流段階で性能を低下させる問題があった。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、蒸気タービンの抽気構造を改善することで、損失低減によるタービン性能向上と熱サイクル向上を図ることができる蒸気タービンおよびその抽気運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、タービン軸を内部に配置するケーシングと、前記ケーシングの内部に設けられて当該ケーシングとともに静止部を構成し、ダイアフラム外輪と、ダイアフラム内輪と、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間の環状流路の周方向に複数配置されたノズル翼とを有するタービンノズルと、このタービンノズルの下流側の位置にて前記タービン軸の周方向に複数配置されるタービン動翼からなり、前記タービンノズルとともにタービン段落を形成するタービン動翼段とを備え、タービン段落は前記ケーシングの内部に前記タービン軸に沿って上流側から下流側へと複数段が配置されるとともに、これら複数段のタービン段落のうち少なくとも２つのタービン段落出口部の前記静止部にそれぞれ抽気機構を設けて前記タービン段落出口部の作動流体をそれぞれ抽気させ、前記各抽気機構にて抽気された作動流体は合流させられて外部に供給され、かつ、前記複数の抽気機構は、上流側が下流側よりもその抽気流量が多くなるよう構成されていることを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、複数の抽気機構のうち少なくとも１つは、静止部の内表面に開口する複数の抽気孔を有することを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、静止部内表面に開口する抽気孔は、抽気される作動流体がタービン軸の軸方向の速度成分を持って流入するように形成されることを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、静止部内表面に開口する複数の抽気孔を備える抽気機構は、さらに各抽気孔に連通する抽気管を有する蒸気タービンである。

本発明は、各抽気機構にて抽気された作動流体は合流させられて外部に供給されるように構成されていることを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、少なくとも、最も下流側に位置する以外の抽気機構には、それぞれ絞り機構が設けられていることを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、タービン動翼段のうち少なくとも１つは外周にシュラウド部を有し、タービン動翼段出口部においてシュラウド内周端部がシュラウド外周端部のよりも上流側に位置し、前記シュラウド内周端部と前記シュラウド外周端部とが半径方向に傾斜する傾斜面により接続されていることを特徴とする蒸気タービンである。

本発明は、タービンノズルとタービン動翼段の一対にて構成されるタービン段落の複数を備え、当該複数のタービン段落を直列に配置した作動流体通路に上流側から下流側に向って作動流体を通流させることにより前記タービン動翼段を回転させる蒸気タービンの抽気運転方法であって、前記複数のタービン段落のうち一のタービン段落から流出した作動流体から、作動流体の一部を抽気する工程と、前記一のタービン段落よりも下流側の別のタービン段落から流出した作動流体から、前記一のタービン段落にて抽気した作動流体よりも少ない流量の作動流体を抽気する工程とを備えたことを特徴とする蒸気タービンの抽気運転方法である。

本発明は、一のタービン段落にて抽気した作動流体を減圧して前記別のタービン段落にて抽気した作動流体と合流させることを特徴とする蒸気タービンの抽気運転方法である。

本発明によれば、蒸気タービンにおいて抽気を適切に行なうことができ、熱効率の向上を図ることができる。

第１の実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図４は本発明による蒸気タービンの第１の実施の形態を示す図である。

本実施の形態に係る蒸気タービンは、蒸気タービンプラントのうち、特に高圧タービンや中圧タービンに好適な蒸気タービンである。

図１に示すように、蒸気タービンはケーシング１２と、ケーシング１２内に回転可能に設けられたロータ（タービン軸）１３と、ケーシング１２内部に設けられた複数のタービンノズル１と、ロータ１３に設けられた複数のタービン動翼段５とを備えている。

このうちタービンノズル１と、タービン動翼段５とによってタービン段落１１が構成される。ケーシング１２内には複数段のタービン段落１１が、ロータ１３に沿って上流側から下流側にへと配設されている。蒸気タービンに導入される作動流体は、このタービン段落の中を作動流体流路として上流側から下流側に向けて通流し、その間にタービン動翼段５およびロータ１３を回転させる。

各タービンノズル１はダイアフラム外輪１７と、ダイアフラム内輪１６と、ダイアフラム外輪１７とダイアフラム内輪１６との間に周方向に配列された多数のノズル翼１ａとを有している。タービンノズル１のダイアフラム外輪１７はケーシング１２の内部に固定されて設けられ、ケーシング１２とともに蒸気タービンの静止部を構成している。

またタービン動翼段５は、ロータ１３に設けられたロータディスク２１の外周に周方向に所定間隔をおいて列状に多数植設されたタービン翼５ａを有している。また、タービン動翼段５の外周端には、周方向に複数設けられているタービン動翼５ａの先端部を一体として束ねて固定するためのシュラウド２０が備えられている。ロータ１３とタービン動翼段５は、ケーシング１２やタービンノズル１といった静止部の内側（内周側）に配設されて蒸気タービンの回転部を構成している。

ダイアフラム内輪１６には、静止部であるダイアフラム内輪１６と回転部であるロータ１３との間から作動流体が漏洩しないようラビリンスパッキン１８が周方向に設けられている。さらにダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂには、静止部であるダイアフラム外輪１７とタービン動翼段５のシュラウド２０との間隙２６から作動流体が漏洩しないようチップパッキン４が取り付けられている。

ところで、ケーシング１２の内周面１２ｂやダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂといった静止部の内表面には、各タービン段落１１の出口近傍に、抽気孔２２ａが形成されている。各抽気孔２２ａはケーシング１２やダイアフラム外輪１７の内側を通流する作動流体を抽気して外部に取り出すものであり、各抽気孔２２ａは抽気管２２に連通している。これら抽気孔２２ａと抽気管２２とにより、各タービン段落１１の出口で抽気を行なう抽気機構２５が構成されている。

ここで、本実施の形態においては、抽気孔２２ａはケーシング１２の内周面１２ｂやダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂ、すなわち静止部におけるロータ１３の軸に対する円筒面に開口しており、ここから径方向（放射方向）、すなわちロータ１３の軸に直交する方向に延びている。

なお、本実施の形態では、各タービン段落１１それぞれの出口近傍に抽気機構２５を設けたが、抽気機構２５については、全てのタービン段落１１の出口近傍に設ける必要はなく、一部のタービン段落１１の出口近傍に設けられていなくても構わない。

各タービン段落１１の出口に設けられた抽気機構２５の抽気管２２に合流管２４が接続され、複数の抽気孔２２ａからそれぞれ抽気された蒸気は合流管２４にて合流する。この合流管２４は後述するようにケーシング１２内に設けられていてもよいが、ケーシング１２、すなわち蒸気タービンの外部に設けられていてもよい。各タービン段落にて抽気機構２５により抽気され、合流管２４にて合流させられた作動流体は、蒸気タービンの外部に設けられた給水加熱器３７に供給される。抽気機構２５にて抽気され、給水加熱器３７に供給された作動流体は、給水ポンプ３６から送られてくる給水と給水加熱器３７内で熱交換しこの給水を加熱する。給水加熱器にて加熱された給水はその後ボイラ３１へ送られる。

抽気機構２５の抽気管２２が接続される合流管２４については、図２に示すようにケーシング１２内部に設けてもよい。この場合、合流管２４を抽気機構２５内の作動流体流路よりも大径とすることが好ましい。このようにして、抽気機構２５にて抽気され、大径の合流管２４にて合流させられた作動流体をケーシング１２外方へ取り出すことも可能である。

上述の通り、本実施の形態の蒸気タービンにおいては、複数のタービン段落１１の出口部に抽気機構２５が設けられており、これらの各抽気機構２５にも受けられた抽気管２２が合流管２４にて合流するように構成されているが、各タービン段落１１を流れる作動流体はそれぞれその圧力が異なるため、各抽気管２２を単に合流管２４にて合流させるだけとすると、圧力差により場合によっては逆流が生じる可能性がある。

このため、本実施の形態では、抽気機構２５の各抽気管２２には、圧力を調整するための絞り機構２２ｂが設けられている。なお、図１に示した蒸気タービンでは、全ての抽気管２２に圧力調整用の絞り機構２２ｂをつけているが、最下流のタービン段落１１に設けられた抽気機構２５については、必ずしも圧力を低下させる必要はないため、この圧力調整用の絞り機構２２ｂを省略することができる。また、図１に示した本実施の形態では絞り機構２２ｂとしてオリフィスを採用しているが、絞り機構２２ｂとしては、このほか絞り弁や絞り流路部とすることも可能である。

そして、本実施の形態においてはさらに、各抽気機構２５にて抽気される作動流体の流量が、上流側のタービン段落１１から下流側のタービン段落１１に向かって減少するように構成されている。すなわち、本実施の形態においては、上流側のタービン段落１１の出口部に設けられた抽気機構２５での抽気流量が、下流側のタービン段落１１の出口部に設けられた抽気機構２５での抽気流量よりも多くなるように構成されている。

ここで、各抽気機構２５での抽気流量については、例えば抽気機構２５の作動流体流路の流路断面積が最も小さくなる部位（最狭部）の流路断面積によって設定することができる。したがって、各抽気機構２５の抽気流量が上流側ほど多くなり、下流側に向かって減少するようにするためには、例えば上流側の抽気機構２５における最狭部の管径など流路断面積をより大きく取り、下流側の抽気機構２５における管径最狭部の流路断面積を小さく取ればよい。特に、本実施の形態においては、各抽気機構２５には絞り機構２２ｂとしてオリフィスが設けられているため、このオリフィスの部分を各抽気機構２５の作動流体流路うちで流路断面積が最も小さくなる部位（最狭部）となるように設定すれば、オリフィスの孔径が上流側の抽気機構２５ほど大きくなるように設定することで、各抽気機構２５にて抽気される作動流体の流量が、上流側のタービン段落１１から下流側のタービン段落１１に向かって減少するような構成を実現することができる。すなわち、オリフィス部を各抽気機構２５の作動流体流路の最狭部とする場合、圧力調整用の絞り機構２２ｂであるオリフィスが流量調整の機能も備えることとなる。

なお、ここで、抽気機構２５の作動流体流路の最狭部を決定するにあたっては、作動流体流路が並列になっている部分については、並列になっている部分の各断面積の合計を流路断面積として取り扱う。

ところで抽気機構２５により抽気される作動流体の流量（抽気流量）は、作動流体流路の最狭部の断面積以外にも、作動流体の温度、圧力などによっても異なる。

上述例では、絞り機構２２ｂとしてのオリフィスの孔径（断面積）を上流側の抽気機構２５から下流側の抽気機構２５に向って徐々に小さくすることで上流側のタービン段落１１から下流側のタービン段落１１に向って抽気流量が減少する構成としたが、これに限るものではない。すなわち、上述の通り抽気流量は流路断面積の他、蒸気条件（温度・圧力）によっても異なるため、例えば上流側のタービン段落１１から下流側のタービン段落１１に向って徐々に作動流体の圧力および温度が低下する場合などでは、抽気機構２５の作動流体流路の断面積が上流側から下流側に向って略同一、あるいは徐々に大きくなっても、各抽気機構２５からの抽気流量を上流側のタービン段落１１から下流側のタービン段落１１に向って減少する構造とすることが可能である。

従って、本実施の形態においては、抽気機構２５の作動流体流路の流路断面積が最も小さくなる部位（最狭部）の流路断面積のほか、各タービン段落１１における圧力、温度に基づいて各タービン段落１１における抽気機構２５による抽気流量をそれぞれ設定することにより、各抽気機構２５にて抽気される作動流体の流量が、上流側のタービン段落１１から下流側のタービン段落１１に向って減少するような構成を実現できる。

次にこのような構成から成る本実施の形態の作用について説明する。

図１において、ケーシング１２内に流入する作動流体は、各タービン段落１１のタービンノズル１からタービン動翼段５内に流入し、蒸気タービンの回転部であるタービン動翼段５およびロータ１３を回転させる。この間、ケーシング１２内の作動流体は、各タービン段落１１の出口部に設けられた抽気孔２２ａから抽気管２２を経て抽気される。このとき抽気管２２からの抽気量は、上述のように上流のタービン段落１１から下流のタービン段落１１へ向かって減少する。

図３は、蒸気タービンの軸方向位置と、その位置における抽気流量を示したグラフである。各タービン段落１１の出口部における抽気機構２５による抽気流量を決定するにあたって、本実施の形態では、図３に破線で示したような蒸気タービンの入口部からの軸方向位置によって、上流側から下流側へ向かって減少するような抽気流量特性を、予め最適な特性として与えておく。そして、蒸気タービンの設計の際に、各タービン段落１１の出口部の蒸気タービン内での軸方向位置が決定した時点で、図３に示したように各位置を抽気流量特性上にプロットする。このようにすることで抽気流量特性から抽気流量を決定することができる。

なお、図３に破線で示した抽気流量特性の曲線については、蒸気タービンプラント全体のヒートバランスのシミュレーションを行なうことによって適切に定めることが可能である。また、図３においては横軸を蒸気タービンの入口部からの軸方向位置としているが、抽気流量特性の曲線は、蒸気タービンの作動流体流路内の静圧の関数として与えることも可能である。

図４に本実施の形態におけるタービン動翼５ａ出口における、タービン動翼の翼高さ方向の作動流体の温度分布を示す。

タービン動翼段５は、複数設けられているタービン動翼５ａに流入する作動流体の熱エネルギーを動力に変換する。このため、タービン動翼段５出口の作動流体温度は、タービンの駆動動力として仕事を行なうことによりタービン段落１１の入口温度よりも低下する。

他方、タービン動翼段５外周端のシュラウド２０と静止部であるダイアフラム外輪１７の内面１７ｂとの間にはチップパッキン４の間隙２６が形成されている。このチップパッキン４の間隙２６を通過した作動流体は仕事を行なわないため、タービン段落１１入口温度の状態でタービン動翼５出口に流れ込み、図４に示すように翼長の高い部分の温度が上昇する。

タービン動翼５出口で抽気を行なわない場合では、タービンノズル１を流出してチップパッキン４とシュラウド２０との間隙２６へと漏洩した漏洩流体は、間隙２６を通過した後に再びタービン段落１１の通路部へ向かい、タービン段落１１の通路部であるタービン動翼５ａの間を流れてきた作動流体の主流と合流する。しかしながら、このときの主流に合流しようとする漏洩流体の流れの向きは、ロータ１３の中心軸方向、すなわち径方向の内側であるため、タービン段落１１の通路部であるタービン動翼５ａの間を流れてきた作動流体の主流の流れの向き（略軸方向）とは大きく異なる。このため、この漏洩流体が主流に合流する際には、作動流体の主流の流れを乱すことによって、それ以降のタービン段落１１におけるタービン翼列性能を低下させていた。

これに対し本実施の形態によれば、複数のタービン段落１１のタービン動翼５の出口部に抽気機構２５を設け、この抽気機構２５に設けられた抽気孔２２ａから抽気を行なうことによって、間隙２６からの漏洩流体の流量を減少させ、漏洩流体がタービン段落１１の作動流体の主流に流れ込んで合流することを抑制し、翼列性能を向上させることができる。

特に、タービン動翼５ａのスロート面積に対するシュラウド２０部分とケーシング１２の内面１２ｂとの間の間隙２６の断面積（スロート面積と動翼チップ部間隙断面積の比）は、タービン動翼５ａの翼長が短く半径の小さい上流のタービン段落ほど大きくなる。このため、本実施の形態においては、上流のタービン段落１１では抽気流量を大きくし、下流のタービン段落１１では上流側のタービン段落１１での抽気流量よりもその抽気流量を少なくすることにより、効果的にタービン性能を向上させることができる。さらに、間隙２６を通過した漏洩流量は、仕事をしていないため、タービン動翼段５を通過した流体温度よりも高温となる。このような高温の流体を給水加熱器３７で抽気として使用することにより、給水を効果的に加熱できる。このように間隙２６を通過した漏洩流体を効果的に抽気することで、ボイラ３１での燃料消費をより一層節約することができ、蒸気タービンプラントの熱効率を向上させることができる。

また、図２に示したように、各タービン段落１１にて抽気された作動流体を、ケーシング１２内部で大径の合流管２４により合流させてからケーシング１２外部へ取り出すこととすれば、各タービン段落１１の出口部から取り出される抽気管２２からの放熱を抑制することができる。これにより、抽気の温度低下を少なくして給水加熱器３７に供給することができるので、蒸気タービンプラントン熱効率をさらに向上させることができる。さらにこの際に、抽気の圧力が高い抽気機構２５の抽気管２２には絞り機構２２ｂを設けて減圧させることで、合流後の圧力を一定に保ち安定に運転することができる。

第２の実施の形態
次に本発明の第２の実施の形態について、図５乃至図６により説明する。図５乃至図６に示す第２の実施の形態は、各タービン段落１１毎に設けた抽気機構２５の構成が異なるのみであり、他は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。図５乃至図６に示す第２の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を符して詳細な説明は省略する。

図５（ａ）は抽気機構を蒸気タービンの子午断面にて示す拡大図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ線断面図である。図５（ａ）（ｂ）に示すように、各タービン段落１１の出口毎に抽気機構２５が設けられ、各抽気機構２５の抽気孔２２ａは、その一端がダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂ、すなわち蒸気タービンの静止部の内周面に周方向に間隔をおいて複数開口するように設けられている。すなわち本実施の形態においては、抽気機構２５の抽気孔２２ａは、各タービン段落１１を包囲する静止部（ケーシング１２あるいはダイアフラム外輪１７）の周方向に全周に亘って一定の間隔をあけて複数設けられている。そして、各抽気機構２５の抽気孔２２ａは、それぞれこの静止部の内周面に設けられた開口部から径方向（放射方向）、すなわちロータ１３の軸に直交する方向に延びている。また、ダイアフラム外輪１７の内部には、ダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂに沿って全周に延びる連通管９が設けられており、抽気機構２５の抽気孔２２ａの他端は、この連通管９に開口するように形成されている。連通管９の外側部には、抽気機構２５の抽気管２２が接続され、抽気管２２には絞り機構２２ｂが第１の実施の形態と同様に設けられている。

このような本実施の形態の構成においては、ダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂに複数設けられた抽気孔２２ａによりそれぞれ抽気された作動流体は、ダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂに沿って全周に延びる連通管９に流入して集合し、連通管９から抽気管２２を介して、さらに図２に示した合流管２４を経て給水加熱器３７に送られる。

タービン動翼５先端のシュラウド２０と、ダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂとの間の間隙２６を通過する作動流体である漏洩流体はダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂの全周にて発生する。すなわち、本実施の形態のように、抽気機構２５の抽気孔２２ａを静止部の内周面の全周に設けることによって、全周から作動流体を抽気して、ダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂとの間の間隙２６を通過した漏洩流体がタービン段落１１の翼列を通過する作動流体の主流に合流することを全周において抑制することができる。これにより、主流が局所的に変化することで周方向に不均一な流量分布が生じることを防ぎ、抽気段落以降の翼列性能の低減を抑制することができる。

ところで、図５（ａ）（ｂ）では、抽気孔２２を蒸気タービン静止部の内周面に開口した放射状の孔として設けているが、これには限らず、抽気孔２２を子午断面においてロータ軸３に平行に設けることも可能である。このような例を変形例として図６を用いて次に説明する。

図６は抽気機構を蒸気タービンの子午断面にて示す拡大図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ線断面図である。この変形例においても、各タービン段落１１を包囲する静止部（ケーシング１２あるいはダイアフラム外輪１７）の周方向に全周に亘って一定の間隔をあけて複数設けられており、また、ダイアフラム外輪１７の内部には、ダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂに沿って全周に延びる連通管９が設けられており、抽気機構２５の抽気孔２２ａがこの連通管９に開口するように形成されている。また、連通管９の外側部には、抽気機構２５の抽気管２２が接続され、抽気管２２には絞り機構２２ｂが設けられている。そして本変形例では、図６（ａ）（ｂ）に示すように、各抽気孔２２ａの開口部が、タービン動翼段５のシュラウド２０の下流側に配置されるダイアフラム外輪１７の側壁１７ａに位置するよう設けている。この場合、ダイアフラム外輪１７の側壁１７ａはロータ１３直交する面となっており、したがって側壁１２ａその一端が開口する各抽気孔２２ａは、子午断面においてロータ１３の軸に平行に形成され、抽気孔２２ａに抽気される作動流体はロータ軸３の軸方向の速度成分を持って流入する。 シュラウド２０と、ダイアフラム外輪１７の内周面１７ｂとの間の間隙２６を通過する作動流体である漏洩流体はロータ１３の軸方向の速度成分をもって流れるため、このような構成とすることによって、この漏洩流体の流れ方向と、抽気孔２２ａからの作動流体の抽気の方向とを同一のとすることができ、抽気による圧力損失を低減することができる。

すなわち、本実施の形態において、抽気孔２２ａはケーシング１２あるいはダイアフラム外輪１７といった静止部の内表面にその一端が開口し、ロータ１３の軸に対する周方向に全周に亘って複数設けられているものであり、各抽気孔２２ａ自体は、径方向（放射方向）に配置されていても、軸方向に配置されていても構わない。特に、図６に示したように、各抽気孔２２ａを蒸気タービンの子午断面においてロータ１３の軸に平行に形成する場合、抽気孔２２ａをタービン動翼段５の回転方向に合わせて円周方向に傾けて配置し、よりスムーズに漏洩流体が抽気される構成とすることもできる。

なお、図５（ａ）（ｂ）や図６（ａ）（ｂ）に示したような本実施の形態に係る抽気機構２５については、図１乃至図４に示した第１の実施の形態のタービン段落１１のすべてに設けるようにしてもよく、あるいはタービン段落１１のうち少なくとも１つに設けるようにしてもよい。

第３の実施の形態
次に本発明の第３の実施の形態について図７および図８により説明する。図７および図８に示す第３の実施の形態は、各タービン動翼段５の外周端部に設けられたシュラウド２０の構成が異なるのみであり、他は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

図７および図８に示す第３の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を符して詳細な説明は省略する。

図７および図８に示すように、タービン動翼５段の外周部のシュラウド２０は、その出口においてシュラウド内周部の長手方向長さがシュラウド外周部の長手方向長さより短くなっており、これにより半径方向に傾斜する傾斜部２０ａが形成されている。すなわち、本実施の形態においては、シュラウド２０は、動翼段出口部においてシュラウド内周端部がシュラウド外周端部のよりも上流側に位置しており、シュラウド内周端部と前記シュラウド外周端部とが半径方向に傾斜する傾斜面である傾斜部２０ａにより接続されている。

図８は、各タービン動翼５ａにおける、翼高さと局所的なエネルギー損失との関係を示したグラフである。一般的にタービン動翼５の出口は、図８に示すように翼長の高い部分でエネルギー損失が大きくなる。これにより、エネルギー損失の大きい流体が下流段落に流れ、さらにエネルギー損失を招いていてタービンの効率を低下させている。

このため、本実施の形態のように、タービン動翼段５の外周部に位置するシュラウド２０の出口側を、半径方向に傾斜する傾斜面である傾斜部２０ａとしたので、タービン動翼５のケーシング１２の内周面１２ｂ近傍（翼長が高い部分）で発生したエネルギー損失の大きい作動流体をスムーズに傾斜部２０ａにより抽気孔２２ａ側へ案内して抽気することが可能となる。これにより、下流側のタービン段落１１へエネルギー損失の大きい流体を受け渡さなくて済むため、下流側のタービン段落１１における損失低下を抑制することができる。また、このようにエネルギー損失の大きい、翼長の高い部分を流れる流体の温度は作動流体の主流の温度よりも高いため、これを抽気に用いることで効果的に給水を加熱することができ、蒸気タービンプラントの熱効率の向上も期待できる。

なお、本実施の形態に係るタービン動翼段５のシュラウド部２０の構成については、図１乃至図４に示した第１の実施の形態のタービン段落１１のすべてに設けるようにしてもよく、あるいはタービン段落１１のうち少なくとも１つに設けるようにしてもよい。また、図５あるいは図６の第２の実施の形態と適宜組み合わせることも可能である。

図１は本発明の第１の実施の形態による蒸気タービンを示す断面図。 図２は本発明の第１の実施の形態の変形例による蒸気タービンを示す断面図。 図３は本発明の第１の実施の形態による蒸気タービンの作用を説明する図。 図４は本発明の第１の実施の形態による蒸気タービンの作用を説明する補足図。 図５（ａ）（ｂ）は本発明の第２の実施の形態による蒸気タービンを示す図。 図６（ａ）（ｂ）は本発明の第２の実施の形態の変形例による蒸気タービンを示す図。 図７は本発明の第３の実施の形態による蒸気タービンを示す断面図。 図８は本発明の第３の実施の形態による蒸気タービンの作用を説明する図。 蒸気タービンプラントの概略を示す配置図。 従来の蒸気タービンを示す断面図。

符号の説明

１ タービンノズル
１ａ ノズル翼
５ タービン動翼
４ チップパッキン
９ 連通管
１１ タービン段落
１２ ケーシング
１２ａ 側壁
１２ｂ 内周面
１３ ロータ
１６ ダイアフラム内輪
１７ ダイアフラム外輪
１８ ラビリンスパッキン
２０ シュラウド
２１ ロータディスク
２２ 抽気管
２２ａ 抽気孔
２２ｂ 絞り機構
２４ 合流管
２５ 抽気機構
２６ 間隙

Claims (6)

1. タービン軸を内部に配置するケーシングと、
   前記ケーシングの内部に設けられて当該ケーシングとともに静止部を構成し、ダイアフラム外輪と、ダイアフラム内輪と、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間の環状流路の周方向に複数配置されたノズル翼とを有するタービンノズルと、
   このタービンノズルの下流側の位置にて前記タービン軸の周方向に複数配置されるタービン動翼からなり、前記タービンノズルとともにタービン段落を形成するタービン動翼段とを備え、
   タービン段落は前記ケーシングの内部に前記タービン軸に沿って上流側から下流側へと複数段が配置されるとともに、これら複数段のタービン段落のうち少なくとも２つのタービン段落出口部の前記静止部にそれぞれ抽気機構を設けて前記タービン段落出口部の作動流体をそれぞれ所定の抽気流量だけ抽気させ、前記各抽気機構にて抽気された作動流体は合流させられて外部に供給され、かつ、
   各抽気機構はそれぞれ絞り機構を有し、各絞り機構の断面積は、上流側が下流側よりもその抽気流量が多くなるよう設定され、上流側のタービン段落の抽気機構にて抽気された作動流体は当該抽気機構の絞り機構により減圧されて下流側のタービン段落の抽気機構にて抽気された作動流体と合流することを特徴とする蒸気タービン。
2. 複数の抽気機構のうち少なくとも１つは、静止部の内表面に開口する複数の抽気孔を有することを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 静止部内表面に開口する抽気孔は、抽気される作動流体がタービン軸の軸方向の速度成分を持って流入するように形成されることを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
4. 静止部内表面に開口する複数の抽気孔を備える抽気機構は、さらに各抽気孔に連通する抽気管を有する請求項２または３のいずれか記載の蒸気タービン。
5. タービン動翼段のうち少なくとも１つは外周にシュラウド部を有し、タービン動翼段出口部においてシュラウド内周端部がシュラウド外周端部のよりも上流側に位置し、前記シュラウド内周端部と前記シュラウド外周端部とが半径方向に傾斜する傾斜面により接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の蒸気タービン。
6. タービンノズルとタービン動翼段の一対にて構成されるタービン段落の複数を備え、当該複数のタービン段落を直列に配置した作動流体通路に上流側から下流側に向って作動流体を通流させることにより前記タービン動翼段を回転させる蒸気タービンの抽気運転方法であって、
   前記複数のタービン段落のうち一のタービン段落から流出した作動流体から、作動流体の一部を抽気機構により抽気する工程と、
   前記一のタービン段落よりも下流側の別のタービン段落から流出した作動流体から、前記一のタービン段落にて抽気した作動流体よりも少ない流量の作動流体を抽気機構により抽気する工程とを備え、
   各抽気機構はそれぞれ絞り機構を有し、各絞り機構の断面積は、上流側が下流側よりもその抽気流量が多くなるよう設定され、一のタービン段落の抽気機構にて抽気された作動流体は当該抽気機構の絞り機構により減圧されて下流側のタービン段落の抽気機構にて抽気された作動流体と合流することを特徴とする蒸気タービンの抽気運転方法。

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