JP6603971B2

JP6603971B2 - 蒸気タービン

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Publication number: JP6603971B2
Application number: JP2018533332A
Authority: JP
Inventors: 拓郎香田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2036-08-09
Also published as: JPWO2018029770A1; US11149549B2; US20210189883A1; WO2018029770A1

Description

この発明は、蒸気タービン翼及び蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、軸線を中心として回転するロータと、このロータを覆うケーシングとを備えている。ロータは、軸線を中心として軸方向に延びるロータ軸と、ロータ軸の外周に固定されて軸方向に並ぶ複数段の動翼列と、を有する。蒸気タービンは、ケーシングの内周に固定され、複数段の動翼列の各段の上流側に配置されている静翼列を有する。動翼列は、ロータ周りに複数配置された動翼を有する。静翼列は、動翼の上流側でロータ周りに複数配置された静翼を有する。

動翼や静翼は、流体から圧力を受ける正圧面と、正圧面に作用する圧力に対して相対的に負圧となる負圧面とを有している。このような蒸気タービンでは、正圧面に沿って流れる主蒸気の圧力を上昇させると共に、負圧面に沿って流れる主蒸気の圧力を相対的に負圧とすることで、駆動力を発生させている。

このような動翼や静翼では、負圧面に沿って流れる主蒸気が剥離して流れが乱れることで、翼性能の低下が生じる。そこで、例えば、特許文献１には、負圧面上の流れが剥離することで生じる後縁付近からのウェークを抑える翼構造が開示されている。具体的には、正圧面である腹面に抽気スリットを形成することで、上流側で隣接する他の翼で発生したウェークを吸い込んで処理する翼構造が開示されている。

特開２００１−０６５３０２号公報

しかしながら、蒸気タービンでは、上記のような構造を用いるだけではなく、負圧面での剥離に起因する翼性能の低下を抑えて、更なる効率の向上を図ることが望まれている。

本発明は、負圧面での剥離を効果的に抑えることが可能な蒸気タービン翼及び蒸気タービンを提供する。

本発明の第一態様の蒸気タービンは、軸線を中心として回転するロータ軸と、前記ロータ軸を回転可能に覆うケーシングと、前記ロータ軸の径方向外側に固定され、前記軸線が延びる軸方向に並んでいる複数配置される動翼列と、前記ケーシングに固定され、複数の前記動翼列毎に、前記動翼列の前記軸方向における上流側に隣接して配置される静翼列と、を備え、前記動翼列の動翼及び前記静翼列の静翼として、蒸気タービン翼を有し、前記蒸気タービン翼は、主蒸気の流れるように前記ロータ軸の回りに形成された蒸気主流路内に配置され、凹面状の正圧面と凸面状の負圧面とが前縁と後縁とを介して連続してなる翼型断面を有する翼本体を備え、前記翼本体は、前記翼型断面と交差する翼高さ方向に延びるように内部に形成され、前記正圧面及び前記負圧面が曝されている主蒸気よりも圧力の高い蒸気を流通させる第一流路と、前記第一流路を流通する前記蒸気を前記負圧面に形成された負圧面開口孔から噴出させる第二流路とが形成され、前記翼本体は、前記動翼列と、前記動翼列の上流側に隣接配置されている前記静翼列との組で構成される複数の段のうち、最も下流側に配置されている最終段及び最終段のひとつ上流側の段のみに設けられ、前記負圧面開口孔は、前記ロータ軸の径方向における前記翼本体の中心位置よりも径方向内側に形成され、前記負圧面開口孔は、上流側に配置された翼本体の方が前記ロータ軸に近い位置に形成され、前記ケーシングには、前記複数の段のうち、最も上流側に配置されている調速段の前記静翼列と前記動翼列との隙間によって、前記蒸気主流路と繋がったシール空間と、前記静翼列に設けられた前記翼本体の前記第一流路と外部とを繋ぐケーシング蒸気流路とが形成され、前記ロータ軸には、前記動翼列に設けられた前記翼本体の前記第一流路と前記シール空間とを繋ぐロータ蒸気流路が形成されている。

このような構成によれば、負圧面に沿って流れる主蒸気の流れに、負圧面開口孔から噴出させた蒸気を合流させることができる。その結果、負圧面近傍の境界層の発達を抑制することができる。
また、径方向内側に重点的に蒸気を供給することができる。したがって、負圧面の中で剥離の生じやすい径方向内側で効果的に蒸気を利用して剥離を抑えることができる。
また、蒸気タービンの出口側からの主蒸気の逆流が生じることを抑制することができる。
また、翼効率の向上や蒸気の逆流によるロスを低減でき、運転効率を向上させることができる。

本発明の第二態様の蒸気タービンでは、第一態様において、前記負圧面開口孔は、前記翼型断面において、前記負圧面に沿った方向であって、前記翼本体の翼弦方向成分を含む翼面方向の中心位置よりも後縁側に形成されていてもよい。

このような構成によれば、後縁側に重点的に蒸気を供給することができる。したがって、負圧面の中で剥離の生じやすい後縁側で効果的に蒸気を利用して剥離を抑えることができる。

本発明の第三態様の蒸気タービンでは、第一態様又は第二態様において、前記第一流路から後縁側に向かって延び、前記第一流路を流通する前記蒸気を前記正圧面に形成された正圧面開口孔から噴出させる第三流路を備えていてもよい。

このような構成によれば、正圧面開口孔から蒸気を噴出させることで、周方向に隣接する他の蒸気タービン翼の負圧面に沿って流れる主蒸気の流れに正圧面開口孔から噴出させた蒸気を合流させることができる。その結果、多くの蒸気で負圧面近傍の境界層の発達をより一層抑制することができる。

本発明の第四態様の蒸気タービンでは、第三態様において、前記正圧面開口孔は、前記翼型断面において、前記負圧面に沿った方向であって、前記翼本体の翼弦方向成分を含む翼面方向の中心位置よりも後縁側に形成されていてもよい。

このような構成によれば、隣接する蒸気タービン翼の後縁側に負圧面開口孔だけでなく正圧面開口孔からも重点的に蒸気を供給することができる。したがって、負圧面の中で剥離の生じやすい後縁側で効果的に蒸気を利用して剥離をより一層抑えることができる。

本発明の第五態様の蒸気タービンでは、第三態様又は第四態様において、前記正圧面開口孔は、前記ロータ軸の径方向における前記翼本体の中心位置よりも径方向内側に形成されていてもよい。

このような構成によれば、隣接する蒸気タービン翼の負圧面の径方向内側に負圧面開口孔だけでなく正圧面開口孔からも重点的に蒸気を供給することができる。したがって、負圧面の中で剥離の生じやすい径方向内側で効果的に蒸気を利用して剥離をより一層抑えることができる。

本発明によれば、負圧面での剥離を効果的に抑えることができる。

この発明の第一実施形態における蒸気タービンの断面図である。この発明の第一実施形態の動翼の断面図である。この発明の第一実施形態における蒸気タービンの最終段の断面拡大図である。この発明の第二実施形態における蒸気タービンの断面図である。この発明の第二実施形態の動翼の断面図である。

《第一実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の蒸気タービン１を説明する。
図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、軸線Ａｒを中心として回転するロータ２０と、ロータ２０を回転可能に覆うケーシング１０と、を有している。

なお、以下の説明の都合上、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａとする。軸方向Ｄａの第一側を上流側（一方側）Ｄａｕ、軸方向Ｄａの第二側を下流側（他方側）Ｄａｄとする。また、軸線Ａｒを基準としたロータ２０における径方向を単に径方向Ｄｒとする。この径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向内側Ｄｒｉ、この径方向Ｄｒで径方向内側Ｄｒｉとは反対側を径方向外側Ｄｒｏとする。また、軸線Ａｒを中心としたロータ２０の周方向を単に周方向Ｄｃとする。

ロータ２０は、ロータ軸２１と、ロータ軸２１の軸方向Ｄａに沿って間隔をあけて複数列設けられた動翼列３１と、を有している。

ロータ軸２１は、軸線Ａｒを中心として回転する。ロータ軸２１は、軸芯部２２と、複数のディスク部２３と、を有する。軸芯部２２は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成して軸方向Ｄａに延びている。ディスク部２３は、軸芯部２２から径方向外側Ｄｒｏに広がっている。ディスク部２３は、軸方向Ｄａに互いに間隔をあけて並んでいる。ディスク部２３は、複数の動翼列３１毎に設けられている。

動翼列３１は、ロータ軸２１の外周部分であるディスク部２３の外周に取り付けられている。動翼列３１は、ロータ軸２１の軸方向Ｄａに沿って間隔をあけて複数列が設けられている。本実施形態の場合、動翼列３１の数は、７つ設けられている。よって、本実施形態の場合、動翼列３１は、後述する第一段５１から最終段である第七段５７の動翼列３１まで設けられている。各動翼列３１は、周方向Ｄｃに並ぶ複数の動翼３２を有している。

蒸気タービン１は、ケーシング１０の内周に固定された複数の静翼列４１を備えている。静翼列４１は、軸方向Ｄａに沿って間隔を空けて複数設けられている。本実施形態の場合、静翼列４１の数は、動翼列３１の数と同じ７つ設けられている。よって、本実施形態の場合、静翼列４１として、後述する第一段５１から最終段である第七段５７の静翼列４１まで設けられている。複数の静翼列４１は、それぞれ動翼列３１に対して上流側Ｄａｕに隣接して配置されている。

静翼列４１は、周方向Ｄｃに並ぶ複数の静翼４２と、複数の静翼４２の径方向外側Ｄｒｏに設けられている環状の外側リング４３と、複数の静翼４２の径方向内側Ｄｒｉに設けられている環状の内側リング４６と、を有する。すなわち、複数の静翼４２は、外側リング４３と内側リング４６との間に配置されている。静翼４２は、外側リング４３と内側リング４６とに固定されている。

動翼列３１と、この動翼列３１の上流側Ｄａｕに隣接配置されている静翼列４１との組毎に、一つの段５０が形成されている。本実施形態の蒸気タービン１は、７つの動翼列３１のそれぞれに対して静翼列４１が設けられており、７つの段５０を備えている。つまり、本実施形態の蒸気タービン１は、上流側Ｄａｕから下流側Ｄａｄへ順に、第一段５１、第二段５２、第三段５３、第四段５４、第五段５５、第六段５６、及び第七段５７を備えている。

本実施形態の蒸気タービン１では、複数の段５０のうち、最上流の第一段５１が、調速段５０ａを成している。調速段５０ａは、この調速段５０ａよりも下流側Ｄａｄの段５０へ送られる主蒸気Ｓの流量を調節してロータ２０の回転数を調整する。

本実施形態の蒸気タービン１では、第二段５２、第三段５３、及び第四段５４が、中圧段５０ｂを成す。また、本実施形態の蒸気タービン１では、第五段５５、第六段５６、及び最下流の第七段５７が、低圧段５０ｃを成す。

ケーシング１０には、外部から主蒸気Ｓが流入するノズル室１１と、ノズル室１１からの主蒸気Ｓが流れる蒸気主流路室１２と、蒸気主流路室１２から流れた主蒸気Ｓを排出する排気室１３と、が形成されている。ノズル室１１と蒸気主流路室１２との間には、複数の動翼列３１及び静翼列４１のうちで最も上流側Ｄａｕの第一段５１の動翼列３１及び静翼列４１が配置されている。言い換えると、ケーシング１０内は、この最も上流側Ｄａｕの動翼列３１及び静翼列４１により、ノズル室１１と蒸気主流路室１２とに仕切られている。ノズル室１１と蒸気主流路室１２と排気室１３とによって、高圧の主蒸気Ｓが流通する蒸気主流路１５が構成されている。

蒸気主流路１５では、高圧の主蒸気が上流側Ｄａｕから下流側Ｄａｄに向かって徐々に圧力が低下しながら流れている。蒸気主流路１５は、ロータ軸２１の回りに環状をなしている。蒸気主流路１５は、複数の動翼列３１及び静翼列４１に跨って軸方向Ｄａに延在している。蒸気主流路１５は、静翼列４１の外側リング４３と内側リング４６との間の静翼４２が配置されている環状の空間によって一部が形成されている。

ケーシング１０とロータ２０との間には、ノズル室１１よりも径方向内側Ｄｒｉにシール空間１７が形成されている。シール空間１７には、ラビリンスシール等の複数のシール部材が設けられている。シール空間１７は、調速段５０ａの静翼列４１と動翼列３１との隙間によって蒸気主流路１５と繋がっている。シール部材は、ノズル室１１よりも径方向内側Ｄｒｉに設けられている。シール部材は、軸芯部２２とケーシング１０との間から主蒸気Ｓがケーシング１０の外部に流出しないようにシール空間１７と外部との間をシールしている。つまり、シール空間１７は、ケーシング１０とロータ２０との間の空間であって、シール部材を介して蒸気タービン１の外部と連通されることで、シールされている。

以下、本発明の蒸気タービン翼の実施形態について説明する。
蒸気タービン翼は、蒸気タービン１に設けられた複数の動翼３２及び静翼４２のうちの少なくとも一つである。本実施形態では、蒸気タービン翼は、複数の動翼３２及び静翼４２のうちの最も下流側Ｄａｄに配置されている最終段の動翼３２及び静翼４２の少なくとも一方を含んでいる。具体的には、本実施形態の蒸気タービン翼は、複数の動翼３２及び静翼４２のうち、第六段５６の動翼３２及び静翼４２と、第七段５７の動翼３２及び静翼４２とである。

ここで、第一実施形態では蒸気タービン翼の一例として、第六段５６の動翼３２及び静翼４２と、第七段５７の動翼３２及び静翼４２のうち、第七段５７の動翼３２を例に挙げて説明する。

第七段５７の動翼３２は、翼本体７０と、シュラウド３４と、プラットフォーム３５と、を有する。翼本体７０は、径方向Ｄｒに延びている。シュラウド３４は、翼本体７０の径方向外側Ｄｒｏに設けられている。プラットフォーム３５は、翼本体７０の径方向内側Ｄｒｉに設けられている。シュラウド３４とプラットフォーム３５との間の環状の空間は、主蒸気Ｓが流通する蒸気主流路１５の一部を成している。

翼本体７０は、蒸気主流路１５内に配置されている。翼本体７０は、図２に示すように、凹面状の正圧面８１と凸面状の負圧面８２とが前縁７１と後縁７２とを介して連続してなる翼型断面を有している。翼本体７０は、翼型断面と交差する翼高さ方向Ｚに延びている。翼本体７０は、ロータ軸２１に対して径方向Ｄｒに延びている。翼本体７０は、第一流路９１と、第二流路９２と、が内部に形成されている。

なお、本実施形態では、翼本体７０の翼高さ方向Ｚは、翼本体７０の延びている方向であって、本実施形態における径方向Ｄｒである。また、後述する翼本体７０の翼弦方向Ｘは、本実施形態における翼高さ方向Ｚと直交する方向であって、翼本体７０の翼弦の延びる方向である。

また、翼本体７０の翼面方向Ｗは、正圧面８１や負圧面８２等の外面に沿った方向であって、翼弦方向Ｘ成分を含む方向である。つまり、翼面方向Ｗは、翼高さ方向Ｚと直交する翼形断面において、翼本体７０の翼面（正圧面８１や負圧面８２）が延びている方向である。

第一流路９１は、翼本体７０の内部で翼高さ方向Ｚに延びるように形成されている。第一流路９１は、正圧面８１及び負圧面８２が曝されている蒸気主流路１５を流通する主蒸気Ｓよりも圧力の高い蒸気が流通している。第一流路９１は、後述するロータ蒸気流路２０ａと連通されている。第一流路９１は、ロータ蒸気流路２０ａから供給される蒸気を第二流路９２及び第三流路９３に供給している。第一流路９１は、翼型断面において、円形状をなしている。第一流路９１は、翼型断面において、前縁７１や後縁７２よりも翼面方向Ｗの中心位置に近い位置に形成されている。

第二流路９２は、第一流路９１を流通する蒸気を負圧面８２に形成された負圧面開口孔９２ａから噴出させる。第二流路９２は、翼形断面において、第一流路９１から負圧面開口孔９２ａに向かって延びている。本実施形態の第二流路９２は、第一流路９１よりも断面流路面積が小さくなるよう形成されている。第二流路９２は、負圧面開口孔９２ａごとに形成されている。複数の第二流路９２は、翼形断面において、一つの第一流路９１から放射状に延びるように形成されている。

負圧面開口孔９２ａは、翼型断面において、負圧面８２の翼面方向Ｗの中心位置よりも後縁７２側に形成されている。負圧面開口孔９２ａは、ロータ軸２１の径方向Ｄｒにおける翼本体７０の中心位置よりも径方向内側Ｄｒｉで負圧面８２に形成されている。つまり、負圧面開口孔９２ａは、翼本体７０の翼高さ方向Ｚの中心位置よりもプラットフォーム３５側に形成されている。本実施形態の負圧面開口孔９２ａは、翼面方向Ｗに間隔を空けて複数（本実施形態で２つ）形成されている。加えて、負圧面開口孔９２ａは、径方向Ｄｒに間隔を空けて複数形成されている。具体的には、本実施形態の負圧面開口孔９２ａは、図１に示すように、最終段の動翼３２では六つ、最終段の静翼４２では五つ、第六段５６の動翼３２では四つ、第六段５６の静翼４２では四つ、それぞれ径方向Ｄｒに形成されている。

このように、負圧面開口孔９２ａは、上流側Ｄａｕに配置された蒸気タービン翼の方がよりロータ軸２１に近い位置に配置されるように形成されている。つまり、第七段５７の動翼３２よりも、第七段５７の静翼４２の方が負圧面開口孔９２ａはロータ軸２１に近い位置に形成されている。また、第七段５７の静翼４２よりも、第六段５６の動翼３２や静翼４２の方が負圧面開口孔９２ａはロータ軸２１に近い位置に形成されている。

なお、説明を省略しているが、第一実施形態の第六段５６の動翼３２及び静翼４２と、第七段５７の静翼４２も第七段５７の動翼３２と同様の翼本体７０を有している。つまり、本実施形態での第六段５６の動翼３２及び静翼４２と、第七段５７の静翼４２とは、負圧面開口孔９２ａ及び正圧面開口孔９３ａの数が第七段５７の動翼３２と異なるだけで、同様の構造をもつ翼本体７０を有している。

ロータ軸２１には、高圧の蒸気が流通するロータ蒸気流路２０ａが形成されている。ロータ蒸気流路２０ａは、シール空間１７から第六段５６及び第七段５７の動翼３２の第一流路９１まで延びている。ロータ蒸気流路２０ａは、調速段５０ａ付近の蒸気主流路１５からシール空間１７に漏れ出た主蒸気Ｓの一部を、各動翼３２の第一流路９１に供給している。つまり、本実施形態のロータ蒸気流路２０ａは、第六段５６及び第七段５７の蒸気主流路１５を流通する主蒸気Ｓよりも圧力の高い調速段５０ａ付近の蒸気主流路１５を流れる主蒸気Ｓの一部を第一流路９１に蒸気として供給している。

ケーシング１０には、高圧の蒸気が流通するケーシング蒸気流路１０ａが形成されている。ケーシング蒸気流路１０ａは、外部から外側リング４３を貫通して第六段５６及び第七段５７の静翼４２の第一流路９１まで延びている。ケーシング蒸気流路１０ａは、ノズル室１１に供給される前の高圧の蒸気を抽気して第六段５６及び第七段５７の静翼４２の第一流路９１まで供給している。つまり、本実施形態のケーシング蒸気流路１０ａは、ノズル室１１に供給される前の第六段５６及び第七段５７の蒸気主流路１５を流通する主蒸気Ｓよりも圧力の高い主蒸気Ｓの一部を蒸気として静翼４２の第一流路９１に供給している。

上記のような第一実施形態の動翼３２や静翼４２によれば、ロータ蒸気流路２０ａやケーシング蒸気流路１０ａを介して上流側Ｄａｕの主蒸気Ｓの一部が第一流路９１に供給される。これにより、周囲の蒸気主流路１５を流通する主蒸気Ｓよりも圧力の高い蒸気を負圧面開口孔９２ａまで供給することができる。そのため、負圧面開口孔９２ａから負圧面８２の後縁７２側に蒸気を噴出させることができる。したがって、負圧面８２に沿って後縁７２側を流れる主蒸気Ｓの流れに、負圧面開口孔９２ａから噴出させた蒸気を合流させることができる。その結果、負圧面８２の後縁７２側の近傍の境界層の発達を噴出させた蒸気によって抑制することができる。これにより、負圧面８２での剥離を効果的に抑えることができる。

また、負圧面開口孔９２ａが翼面方向Ｗの中心位置よりも後縁７２側に形成されていることで、負圧面８２の中でも後縁７２側に重点的に蒸気を供給することができる。したがって、負圧面８２の中で剥離の生じやすい後縁７２側で効果的に蒸気を利用して剥離を抑えることができる。

また、負圧面開口孔９２ａが翼高さ方向Ｚの中心位置よりもプラットフォーム３５側に形成されていることで、負圧面８２の中でも径方向内側Ｄｒｉであるプラットフォーム３５付近に重点的に蒸気を供給することができる。したがって、負圧面８２の中で剥離の生じやすいプラットフォーム３５付近で効果的に蒸気を利用して剥離を抑えることができる。

また、最終段の動翼３２及び静翼４２に負圧面開口孔９２ａが形成されている。そのため、蒸気主流路１５の出口が形成されている排気室１３側から蒸気主流路室１２側に向かって逆流してくる主蒸気Ｓを最終段よりも排気室１３側に押し返すことができる。

蒸気タービン１では、低負荷運転や低真空運転を行う際に、蒸気主流路１５を流通する主蒸気Ｓの流量が減少する。その結果、出口に近い最終段付近では、主蒸気Ｓが逆流する可能性がある。特に、図３に示すように、動翼３２が回転することで生じる遠心力により、翼本体７０の先端側に主蒸気Ｓが集まってしまう。その結果、最終段が設けられている蒸気主流路１５の中でも、ロータ軸２１側である翼本体７０の径方向内側Ｄｒｉの領域の主蒸気Ｓの流量が減少し易くなる。

ところが、本実施形態のように、最終段の動翼３２や静翼４２の負圧面開口孔９２ａから蒸気を噴出させることで、最終段の径方向内側Ｄｒｉでの蒸気主流路１５を流通する主蒸気Ｓの流量を増加させることができる。これにより、最終段付近での主蒸気Ｓの逆流が生じることを抑制することができる。

また、上記のような蒸気タービン１では、負圧面開口孔９２ａを有する動翼３２や静翼４２を備えることで、蒸気主流路１５内で主蒸気Ｓの剥離を抑えて翼効率を向上させることができる。また、最終段の動翼３２及び静翼４２に負圧面開口孔９２ａを有することで、主蒸気Ｓの逆流が発生することを抑制して、逆流によるロスを低減することができる。これらにより、運転効率を向上させることができる。

《第二実施形態》
次に、本発明の蒸気タービンの第二実施形態について説明する。第二実施形態で示す蒸気タービンは、第一実施形態の蒸気タービン１に対して、一部の動翼及び静翼が異なるのみである。したがって、第二実施形態の説明においては、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに重複説明を省略する。つまり、第一実施形態で説明した構成と共通する蒸気タービンの全体構成については、その説明を省略する。

第二実施形態の蒸気タービン１Ａでは、蒸気タービン翼は、図４に示すように、第七段５７の動翼３２Ａ及び静翼４２Ａのみである。ここで、第二実施形態では、蒸気タービン翼の一例として、第七段５７の動翼３２Ａ及び静翼４２Ａのうち、第七段５７の動翼３２Ａを例に挙げて説明する。

第二実施形態の動翼３２Ａの翼本体７０Ａは、第一流路９１と、第二流路９２と、第三流路９３とが内部に形成されている。第二実施形態の第一流路９１及び第二流路９２は、第一実施形態と同様の形状をなしている。

第三流路９３は、図５に示すように、第一流路９１を流通する蒸気を正圧面８１に形成された正圧面開口孔９３ａから噴出させる。第三流路９３は、翼形断面において、第一流路９１から正圧面開口孔９３ａに向かって延びている。本実施形態の第三流路９３は、キャンバーラインを境界として第二流路９２と異なる方向に延びている。第三流路９３は、第一流路９１よりも断面流路面積が小さくなるよう形成されている。本実施形態の第三流路９３は、第二流路９２と同程度の断面流路面積となるように形成されている。第三流路９３は、正圧面開口孔９３ａごとに形成されている。複数の第三流路９３は、第二流路９２とともに、一つの第一流路９１から放射状に延びるように形成されている。

正圧面開口孔９３ａは、翼型断面において、正圧面８１の翼面方向Ｗの中心位置よりも後縁７２側に形成されている。正圧面開口孔９３ａは、径方向Ｄｒにおける翼本体７０Ａの中心位置よりも径方向内側Ｄｒｉで正圧面８１に形成されている。つまり、正圧面開口孔９３ａは、翼本体７０Ａの翼高さ方向Ｚの中心位置よりもプラットフォーム３５側に形成されている。実施形態の正圧面開口孔９３ａは、翼面方向Ｗに間隔を空けて複数（本実施形態では例えば２つ）形成されている。加えて正圧面開口孔９３ａは、径方向Ｄｒに間隔を空けて複数形成されている。具体的には、本実施形態の正圧面開口孔９３ａは、最終段の動翼３２Ａでは六つ、最終段の静翼４２Ａでは五つ、それぞれ等間隔に形成されている。

このように、正圧面開口孔９３ａは、上流側Ｄａｕに配置された蒸気タービン翼の方がよりロータ軸２１に近い位置に配置されるように形成されている。つまり、第七段５７の動翼３２Ａよりも、第七段５７の静翼４２Ａの方が正圧面開口孔９３ａはロータ軸２１に近い位置に形成されている。

なお、説明を省略しているが、第二実施形態の第七段５７の静翼４２Ａも第七段５７の動翼３２Ａと同様の翼本体７０Ａを有している。

上記のような第二実施形態の動翼３２Ａや静翼４２Ａによれば、正圧面開口孔９３ａから正圧面８１の後縁７２側に蒸気を噴出させることができる。したがって、周方向Ｄｃに隣接する他の動翼３２Ａや静翼４２Ａの負圧面８２に沿って後縁７２側を流れる主蒸気Ｓの流れに、正圧面開口孔９３ａから噴出させた蒸気を合流させることができる。つまり、剥離が生じそうな領域に負圧面開口孔９２ａだけでなく正圧面開口孔９３ａからも蒸気を供給することができる。その結果、周方向Ｄｃに隣接する他の動翼３２Ａや静翼４２Ａの負圧面８２の後縁７２側の近傍の境界層の発達をより多くの蒸気で高い精度で抑制することができる。これにより、負圧面８２での剥離を効果的に抑えることができる。

また、正圧面開口孔９３ａが翼面方向Ｗの中心位置よりも後縁７２側に形成されていることで、隣接する動翼３２Ａや静翼４２Ａの負圧面８２の中でも後縁７２側に負圧面開口孔９２ａだけでなく正圧面開口孔９３ａからも重点的に蒸気を供給することができる。したがって、負圧面８２の中で剥離の生じやすい後縁７２側で効果的に蒸気を利用して剥離を高い精度で抑えることができる。

また、負圧面開口孔９２ａが翼高さ方向Ｚの中心位置よりもプラットフォーム３５側に形成されていることで、隣接する動翼３２Ａや静翼４２Ａの負圧面８２の中でも径方向内側Ｄｒｉであるプラットフォーム３５付近に負圧面開口孔９２ａだけでなく正圧面開口孔９３ａからも重点的に蒸気を供給することができる。したがって、負圧面８２の中で剥離の生じやすいプラットフォーム３５付近で効果的に蒸気を利用して剥離を高い精度で抑えることができる。

また、最終段の動翼３２Ａ及び静翼４２Ａに負圧面開口孔９２ａだけでなく正圧面開口孔９３ａが形成されていることで、蒸気主流路１５の出口が形成されている排気室１３側から逆流してくる主蒸気Ｓを排気室１３側により多くの蒸気で押し返すことができる。つまり、最終段の動翼３２Ａや静翼４２Ａの負圧面開口孔９２ａ及び正圧面開口孔９３ａから蒸気を噴出させることで、最終段での蒸気主流路１５を流通する主蒸気Ｓの流量を大きく増加させることができる。これにより、最終段付近での主蒸気Ｓの逆流が生じることを高い精度で抑制することができる。

また、上記のような蒸気タービン１Ａでは、負圧面開口孔９２ａ及び正圧面開口孔９３ａを有する動翼３２Ａや静翼４２Ａを備えることで、蒸気主流路１５内で主蒸気Ｓの剥離をより一層抑えて翼効率を大きく向上させることができる。また、最終段の動翼３２Ａ及び静翼４２Ａに負圧面開口孔９２ａを有することで、主蒸気Ｓの逆流が生じることを高い精度で抑制して、逆流によるロスを大幅に低減することができる。これらにより、運転効率を大きく向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、第一実施形態では第六段５６及び第七段５７のみが第一流路９１、及び第二流路９２、を有し、第二施形態では第七段５７のみが第一流路９１、第二流路９２、及び第三流路９３を有している。しかしながら、蒸気タービン翼の構成は、このような実施形態に限定されるものではない。例えば、剥離を抑制するためには、全ての段５０の動翼３２及び静翼４２本実施形態の翼本体７０、７０Ａを有していてもよく、上流側Ｄａｕの動翼３２及び静翼４２のみが翼本体７０、７０Ａを有していてもよい。また、最終段での主蒸気Ｓの逆流を抑えるためには、最終段の動翼３２Ａのみが本実施形態の翼本体７０、７０Ａを有していてもよい。

また、第一流路９１に供給される蒸気は、第一流路９１が形成されている蒸気タービン翼の周囲を流通する主蒸気Ｓよりも圧力が高ければよい。したがって、本実施形態のロータ蒸気流路２０ａやケーシング蒸気流路１０ａから供給される蒸気であることに限定されるものではない。つまり、第一流路９１を流通する蒸気は、蒸気主流路１５を流通する主蒸気Ｓの一部を上流側Ｄａｕで抽気したものであればよい。したがって、例えば、第一流路９１に供給される蒸気は、一段前の動翼３２や静翼４２の周囲を流れる主蒸気Ｓの一部が漏れ出たものを利用してもよい。

上記した蒸気タービン翼によれば、負圧面開口孔９２ａから蒸気を噴出させることで負圧面８２での剥離を効果的に抑えることができる。

１、１Ａ蒸気タービン
Ｄａ軸方向
Ｄａｕ上流側
Ｄａｄ下流側
Ｄｒ径方向
Ｄｒｉ径方向内側
Ｄｒｏ径方向外側
Ｄｃ周方向
２０ロータ
Ａｒ軸線
２１ロータ軸
２２軸芯部
２３ディスク部
２０ａロータ蒸気流路
３１動翼列
３２、３２Ａ動翼
７０、７０Ａ翼本体
７１前縁
７２後縁
Ｗ翼面方向
Ｚ翼高さ方向
Ｘ翼弦方向
８１正圧面
８２負圧面
９１第一流路
９２第二流路
９２ａ負圧面開口孔
３４シュラウド
３５プラットフォーム
４１静翼列
４２、４２Ａ静翼
４３外側リング
４６内側リング
Ｓ主蒸気
１０ケーシング
１１ノズル室
１２蒸気主流路室
１３排気室
１５蒸気主流路
１７空間
１０ａケーシング蒸気流路
５０段
５１第一段
５２第二段
５３第三段
５４第四段
５５第五段
５６第六段
５７第七段
５０ａ調速段
５０ｂ中圧段
５０ｃ低圧段
９３第三流路
９３Ａ正圧面側開口孔

Claims

軸線を中心として回転するロータ軸と、
前記ロータ軸を回転可能に覆うケーシングと、
前記ロータ軸の径方向外側に固定され、前記軸線が延びる軸方向に並んでいる複数配置される動翼列と、
前記ケーシングに固定され、複数の前記動翼列毎に、前記動翼列の前記軸方向における上流側に隣接して配置される静翼列と、を備え、
前記動翼列の動翼及び前記静翼列の静翼として、蒸気タービン翼を有し、
前記蒸気タービン翼は、主蒸気の流れるように前記ロータ軸の回りに形成された蒸気主流路内に配置され、凹面状の正圧面と凸面状の負圧面とが前縁と後縁とを介して連続してなる翼型断面を有する翼本体を備え、
前記翼本体は、
前記翼型断面と交差する翼高さ方向に延びるように内部に形成され、前記正圧面及び前記負圧面が曝されている主蒸気よりも圧力の高い蒸気を流通させる第一流路と、
前記第一流路を流通する前記蒸気を前記負圧面に形成された負圧面開口孔から噴出させる第二流路とが形成され、
前記翼本体は、前記動翼列と、前記動翼列の上流側に隣接配置されている前記静翼列との組で構成される複数の段のうち、最も下流側に配置されている最終段及び最終段のひとつ上流側の段のみに設けられ、
前記負圧面開口孔は、前記ロータ軸の径方向における前記翼本体の中心位置よりも径方向内側に形成され、
前記負圧面開口孔は、上流側に配置された翼本体の方が前記ロータ軸に近い位置に形成され、
前記ケーシングには、前記複数の段のうち、最も上流側に配置されている調速段の前記静翼列と前記動翼列との隙間によって、前記蒸気主流路と繋がったシール空間と、前記静翼列に設けられた前記翼本体の前記第一流路と外部とを繋ぐケーシング蒸気流路とが形成され、
前記ロータ軸には、前記動翼列に設けられた前記翼本体の前記第一流路と前記シール空間とを繋ぐロータ蒸気流路が形成されている蒸気タービン。
前記負圧面開口孔は、前記翼型断面において、前記負圧面に沿った方向であって、前記翼本体の翼弦方向成分を含む翼面方向の中心位置よりも後縁側に形成されている請求項１に記載の蒸気タービン。
前記第一流路から後縁側に向かって延び、前記第一流路を流通する前記蒸気を前記正圧面に形成された正圧面開口孔から噴出させる第三流路を備える請求項１または請求項２に記載の蒸気タービン。
前記正圧面開口孔は、前記翼型断面において、前記負圧面に沿った方向であって、前記翼本体の翼弦方向成分を含む翼面方向の中心位置よりも後縁側に形成されている請求項３に記載の蒸気タービン。
前記正圧面開口孔は、前記ロータ軸の径方向における前記翼本体の中心位置よりも径方向内側に形成されている請求項３または請求項４に記載の蒸気タービン。