蒸気タービン
【課題】ケーシングとダイアフラム外輪との間の冷却媒体流路から主蒸気流路への冷却媒体の流出を防止することができる蒸気タービンを提供する。
【解決手段】実施形態の蒸気タービン１０は、内部ケーシング２０の内周に軸方向に配置され、ダイアフラム内輪２７およびダイアフラム外輪２５によって支持された静翼翼列と、タービンロータ２２に構成され、静翼翼列と軸方向に交互に設けられた動翼翼列と、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間に冷却媒体流路３３を備える。ダイアフラム外輪２５どうしが所定の間隙を有して軸方向に隣接され、ダイアフラム外輪２５において、上流端側の側面に周方向に上流端側段部５１を、下流端側の側面に周方向に下流端側段部５２を有する。下流端側段部５２から上流端側段部５１に亘って、ダイアフラム外輪間の間隙を覆うように、周方向に環状の封止部材６０が配置されている。
【解決手段】実施形態の蒸気タービン１０は、内部ケーシング２０の内周に軸方向に配置され、ダイアフラム内輪２７およびダイアフラム外輪２５によって支持された静翼翼列と、タービンロータ２２に構成され、静翼翼列と軸方向に交互に設けられた動翼翼列と、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間に冷却媒体流路３３を備える。ダイアフラム外輪２５どうしが所定の間隙を有して軸方向に隣接され、ダイアフラム外輪２５において、上流端側の側面に周方向に上流端側段部５１を、下流端側の側面に周方向に下流端側段部５２を有する。下流端側段部５２から上流端側段部５１に亘って、ダイアフラム外輪間の間隙を覆うように、周方向に環状の封止部材６０が配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蒸気タービンが用いられる火力発電プラントにおいて、ＣＯ２排出量削減の必要性や化石燃料価格の高騰の影響により、蒸気タービンの内部効率向上の要求がこれまで以上に高まってきている。
【０００３】
蒸気タービンは、ケーシングの内周に取り付けられ、ダイアフラム内輪とダイアフラム外輪との間に支持されたノズルと、このノズルとタービンロータ軸方向に交互になるように配置され、ケーシング内に貫設されたタービンロータに植設された動翼とを備えている。このような構成を備える蒸気タービンは、蒸気の熱エネルギをノズルにおいて速度エネルギに変換し、動翼において速度エネルギを機械エネルギへ変換する。
【０００４】
蒸気タービンの内部効率を向上させるために、蒸気流路部の形状の改良、作動流体の高温化が検討されている。特に後者に関して、ランキンサイクルを利用した蒸気タービンにおいては、入口温度（主蒸気の温度）を上昇させることによって、内部効率を向上させることができる。そのため、近年、主流蒸気の温度を６５０〜７５０℃程度とする蒸気タービンの開発が進められている。
【０００５】
このように主蒸気の温度が高温となる蒸気タービンでは、運転時における構成部品の機械的強度を維持するために、高温特性に優れた耐熱材料を使用することが必要となる。しかしながら、耐熱材料は、既存の材料と比較して高価であるため、製造コストが増加するという問題を有している。さらに、耐熱材料において大型部品の製作が困難であるなどの問題も有している。そこで、高温となる構成部品を冷却することで高温化による材料の機械的強度の低下を抑制し、従来の安価で製造性に優れた材料を使用することが検討されている。
【０００６】
構成部品の冷却方法として、例えば、ケーシングとダイアフラム外輪との間に冷却媒体流路を形成し、この冷却媒体流路に冷却媒体を流すことで構成部品を冷却する方法が挙げられる。この冷却方法では、冷却媒体流路に流れる冷却媒体の圧力を、主蒸気流路を流れる主蒸気の圧力よりも高くすることにより、隣接するダイアフラム外輪間に形成される軸方向の間隙から冷却媒体の一部を主蒸気流路へ噴出させ、ケーシングを冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−９７５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、従来の構成部品の冷却方法においては、隣接するダイアフラム外輪間に形成される軸方向の間隙から冷却媒体の一部が主蒸気流路へ噴出される。また、冷却媒体の主蒸気流路へ噴出量を抑制するために、ダイアフラム外輪間に形成される軸方向の間隙にシール装置を備える場合においても、冷却媒体の主蒸気流路への流出を完全に防止することはできない。
【０００９】
そのため、主蒸気流路を流れる主蒸気の温度が低下し、蒸気タービンの内部効率を向上させるために主蒸気の温度を上昇させた効果が十分に発揮されていなかった。また、隣接するダイアフラム外輪間に形成される軸方向の間隙は狭いため、シール装置を設置するのは容易ではなかった。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、ケーシングとダイアフラム外輪との間の冷却媒体流路から主蒸気流路への冷却媒体の流出を防止することができる蒸気タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の蒸気タービンは、ケーシングの内周に軸方向に間隔をあけて複数配置され、周方向に配置された複数のノズルの内周部がダイアフラム内輪で支持され、外周部がダイアフラム外輪で支持された静翼翼列と、前記ケーシング内に貫設されたタービンロータの周方向に複数の動翼が植設されて構成され、前記静翼翼列と軸方向に交互に設けられた動翼翼列と、前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間に冷却媒体を流す冷却媒体流路とを備えている。また、前記ダイアフラム外輪どうしが所定の間隙を有して軸方向に隣接され、前記ダイアフラム外輪における上流端側の側面に周方向に上流端側段部を有し、前記ダイアフラム外輪における下流端側の側面に周方向に下流端側段部を有している。さらに、前記下流端側段部から前記上流端側段部に亘って、前記ダイアフラム外輪間の間隙を覆うように、周方向に環状の封止部材が配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの子午断面を示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路の構成を説明するために、蒸気タービンの子午断面の一部を拡大した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの封止部材を軸方向側から見たときの側面図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの封止部材を軸方向に沿う一方の側面側から見たときの側面図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態の他の構成を備える蒸気タービンの子午断面を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路の構成を説明するために、蒸気タービンの子午断面の一部を拡大した図である。
【図７】本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路の他の構成を説明するために、蒸気タービンの子午断面の一部を拡大した図である。
【図８】本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路に備えられる封止部材を構成する分割構成部材を半径方向外側から見たときの平面図である。
【図９】本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路に備えられる封止部材を構成する分割構成部材を、周方向の一方の側から見たときの平面図である。
【図１０】本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路に備えられる封止部材を構成する分割構成部材の他の構成を、周方向の一方の側から見たときの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面を示す図である。図２は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３の構成を説明するために、蒸気タービン１０の子午断面の一部を拡大した図である。なお、以下に示す実施の形態において、同一の構成部分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。
【００１５】
図１に示すように、蒸気タービン１０は、内部ケーシング２０とその外側に設けられた外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２０内に、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、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、タービンロータ２２の軸方向に複数段形成されている。なお、タービンロータ２２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。
【００１６】
また、内部ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２５が設けられ、ノズル２６の外周部を支持している。ノズル２６の内周部は、ダイアフラム内輪２７によって支持されている。このように、ダイアフラム外輪２５とダイアフラム内輪２７との間に周方向に配置された複数のノズル２６が支持され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は軸方向に間隔をあけて複数配置され、各静翼翼列は、タービンロータ２２の動翼翼列それぞれの上流側に配置される。すなわち静翼翼列と動翼翼列は交互に複数段配設され、静翼翼列と動翼翼列の一組から構成されるタービン段落が複数形成されている。
【００１７】
また、図２に示すように、内部ケーシング２０の内周面には、タービンロータ２２側に周方向に突出する突条部２８が形成されている。この突条部２８は、各タービン段落に対応して、タービンロータ２２の軸方向に複数形成されている。この突条部２８間の溝部に、ダイアフラム外輪２５に形成された半径方向に突出する突出部５０が位置する。そして、突条部２８の上流側の側面２８ａに、ダイアフラム外輪２５の突出部５０の下流側端面５０ａが当接し、ダイアフラム外輪２５のタービンロータ２２の軸方向の下流側への移動が防止される。
【００１８】
ダイアフラム内輪２７のタービンロータ２２側には、図１に示すように、ラビリンスシール部２９が設けられ、ダイアフラム内輪２７とタービンロータ２２との間からの蒸気の漏洩を抑制している。なお、ラビリンスシール部２９は、円周方向に、例えば８つなど複数に分割された構成となっており、それぞれダイアフラム内輪２７の内周側に設けられた溝部に、円周方向に挿入され嵌合するようになっている。
【００１９】
ここで、ダイアフラム外輪２５およびダイアフラム内輪２７は、２つの半円筒形状の部材を組み合わせて円筒形状に構成されている。そのため、半円筒形状の部材の両端部には、半円筒形状の部材どうしを組み合わせて固定するためのフランジ部（図示しない）を有している。
【００２０】
また、蒸気タービン１０には、外部ケーシング２１と、内部ケーシング２０とを連通するように、外部からの蒸気が導入される蒸気入口管３０が備えられている。蒸気入口管３０は、ノズルボックス３１に連通するように接続されている。また、ノズルボックス３１の出口には、第１段のノズル２６を備える静翼翼列が構成されている。
【００２１】
また、蒸気タービン１０には、最終段の動翼２４を通過した作動流体である蒸気を内部ケーシング２０内から外部に導く排気流路３２が設けられている。
【００２２】
内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間には、冷却媒体ＣＭを通す冷却媒体流路３３が形成されている。また、上記した突条部２８またはダイアフラム外輪２５の突出部５０には、冷却媒体ＣＭを上流側から下流側へ通過させる通過孔（図示しない）が周方向の数箇所に形成されている。そのため、突条部２８の上流側の側面２８ａに、ダイアフラム外輪２５の突出部５０の下流側端面５０ａが当接したときでも、冷却媒体ＣＭを上流側から下流側へ導くことができる。
【００２３】
また、図１に示すように、この冷却媒体流路３３に冷却媒体ＣＭを供給する供給配管３４が設けられている。この供給配管３４は、外部ケーシング２１を貫通し、一端が内部ケーシング２０に設けられた貫通口に嵌合されている。ここでは、第２段のタービン段落の冷却媒体流路３３に冷却媒体ＣＭを供給するように供給配管３４が設けられているが、この位置に限られるものではない。
【００２４】
ここで、ダイアフラム外輪２５は、図２に示すように、間隙Ｌをおいて軸方向に隣接して設置されている。また、ダイアフラム外輪２５は、支持するノズル２６の直下流に位置する動翼２４の外周を取り囲むように下流方向に延設されている。
【００２５】
また、ダイアフラム外輪２５の上流端側の側面２５ａに周方向に上流端側段部５１が形成されている。また、ダイアフラム外輪２５の下流端側の側面２５ｂに周方向に下流端側段部５２が形成されている。図２に示すように、上流端側段部５１は、ダイアフラム外輪２５の上流端側の外径を小さくすることで形成された段部であり、下流端側段部５２は、ダイアフラム外輪２５の下流端側の外径を小さくすることで形成された段部である。
【００２６】
図２に示すように、軸方向に隣接するダイアフラム外輪２５のうち、下流側に位置するダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１から上流側に位置するダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２に亘って、ダイアフラム外輪２５間の間隙Ｌを覆うように、環状の封止部材６０が周方向に配置されている。このように封止部材６０を設けることで、ダイアフラム外輪２５間の軸方向の間隙Ｌを塞ぐことができる。換言すると、蒸気が流れる主蒸気流路３５と、冷却媒体ＣＭが流れる冷却媒体流路３３との間を封止することができる。
【００２７】
封止部材６０は、平板状の部材で構成されている。封止部材６０は、ダイアフラム外輪２５を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成されることが好ましい。封止部材６０をダイアフラム外輪２５を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成することで、例えば、蒸気タービン運転時にダイアフラム外輪２５が変形しても、その変形に追従して封止部材６０が変形することができる。そのため、封止部材６０が、隣接するダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１と下流端側段部５２との間に的確に嵌合し、封止性能を維持することができる。
【００２８】
封止部材６０は、使用される温度条件に応じて、例えば、Ｎｉ基合金や１２Ｃｒ鋼、あるいはＣｒＭｏＶ鋼などの金属材料とするほか、樹脂材料、あるいはセラミックス材料を使用することもできる。なお、ダイアフラム外輪２５は、例えば、Ｎｉ基合金や１２Ｃｒ鋼、あるいはＣｒＭｏＶ鋼などの金属材料で構成される。
【００２９】
また、封止部材６０は、ダイアフラム外輪２５やダイアフラム内輪２７と同様に、２つの半円筒形状の部材を組み合わせて円筒形状に構成されている。
【００３０】
ここで、半円筒形状の部材を組み合わせ部の構造を次のように構成してもよい。図３は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の封止部材６０を軸方向側から見たときの側面図である。図４は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の封止部材６０を軸方向に沿う一方の側面側から見たときの側面図である。
【００３１】
図３および図４に示すように、例えば、上半部における封止部材６０の両端部側の側面と、下半部における封止部材６０の両端部側の側面に嵌合部材７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを設けてもよい。
【００３２】
嵌合部材７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄの構造は特に限定されるものではない。例えば、図３および図４に示すように、上半部における封止部材６０の一方の端部側の側面に設けられた嵌合部材７０ａには、棒状の突起部７１ａと、対向する嵌合部材７０ｃの棒状の突起部７１ｃを挿入するための挿入孔７２ａが設けられている。一方、この嵌合部材７０ａに対向する、下半部における封止部材６０の一方の端部側の側面に設けられた嵌合部材７０ｃには、嵌合部材７０ａの挿入孔７２ａに挿入するための棒状の突起部７１ｃと、嵌合部材７０ａの突起部７１ａを挿入するための挿入孔７２ｃが設けられている。
【００３３】
なお、上半部における封止部材６０の他方の端部側の側面に設けられた嵌合部材７０ｂと、下半部における封止部材６０の他方の端部側の側面に設けられた嵌合部材７０ｄの構成も、上記した嵌合部材７０ａおよび嵌合部材７０ｃの構成と同じである。
【００３４】
上記した、対応する嵌合部材７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄどうしを嵌合することで、上半部における封止部材６０と下半部における封止部材６０とを適正に結合することができる。これによって、封止部材６０が、隣接するダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２と上流端側段部５１との間に的確に嵌合し、封止性能を維持することができる。
【００３５】
また、第１の実施の形態の蒸気タービン１０は、封止部材６０における封止性能を向上させるために、次のような構成を備えてもよい。図５は、本発明に係る第１の実施の形態の他の構成を備える蒸気タービン１０の子午断面を示す図である。
【００３６】
図５に示すように、内部ケーシング２０の突条部２８の内周面と封止部材６０との間に、封止部材６０の半径方向の位置を固定するための固定部材７５を備えてもよい。この固定部材７５は、周方向に所定の間隔をおいて複数設けられることが好ましい。また、固定部材７５は、間隙Ｌ上以外の位置に配置されることが好ましい。例えば、封止部材６０を介して下流端側段部５２上となる位置に、固定部材７５を配置することができる。
【００３７】
また、固定部材７５の半径方向の高さは、封止部材６０を確実に固定するため、突条部２８の内周面と封止部材６０との間の間隙の高さよりも若干高く構成されることが好ましい。なお、固定部材７５は、封止部材６０の冷却媒体流路３３側の表面、または突条部２８の内周面に形成されてもよい。このように、固定部材７５を備えることで、封止部材６０の封止性能を向上させることができる。
【００３８】
ここで、冷却媒体流路３３における冷却媒体ＣＭの圧力は、主蒸気流路３５における主蒸気の圧力よりも高く設定される。冷却媒体ＣＭとしては、例えば、他の蒸気タービンから抽気された蒸気、他の蒸気タービンから排気された蒸気、ボイラから抽気された蒸気などを使用することができる。蒸気タービン１０が、中圧タービンである場合は、冷却媒体ＣＭとして、例えば高圧タービンから抽気された蒸気を使用することができる。また、蒸気タービン１０が、高圧タービンである場合は、冷却媒体ＣＭとして、例えばボイラから抽気された蒸気を使用することができる。なお、冷却媒体ＣＭの温度は、冷却する内部ケーシング２０やダイアフラム外輪２５などの部品に大きな熱応力が発生しない程度の温度に設定されることが好ましい。
【００３９】
次に、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の作用について説明する。
【００４０】
上記した構成を備える蒸気タービン１０において、蒸気入口管３０を経て、ノズルボックス３１内に流入した蒸気は、各段落のノズル２６と動翼２４との間の主蒸気流路３５を通り、タービンロータ２２を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気流路３２に排出される。
【００４１】
供給配管３４から冷却媒体流路３３に導入された冷却媒体ＣＭは、内部ケーシング２０およびダイアフラム外輪２５を冷却しながら下流方向へ流れ、例えば、排気流路３２に排出される。ここで、前述したように、冷却媒体流路３３における冷却媒体ＣＭの圧力は、主蒸気流路３５を流れる主蒸気の圧力よりも高く設定されているため、この差圧により、封止部材６０には、タービンロータ２２側の方向に押し付ける力が作用する。そのため、主蒸気流路３５と冷却媒体流路３３との間の封止効果が向上され、冷却媒体ＣＭの主蒸気流路３５への流出を防止することができる。
【００４２】
上記した第１の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、封止部材６０を備えることで、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間の冷却媒体流路３３から主蒸気流路３５への冷却媒体ＣＭの流出を防止することができる。また、封止部材６０を容易に設置することができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１０では、ダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１および下流端側段部５２の構成および封止部材９０の構成が、前述した第１の実施の形態の蒸気タービン１０におけるダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１および下流端側段部５２の構成および封止部材６０の構成と異なるので、ここでは主にこの異なる構成について説明する。
【００４４】
図６は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３の構成を説明するために、蒸気タービン１０の子午断面の一部を拡大した図である。図７は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３の他の構成を説明するために、蒸気タービン１０の子午断面の一部を拡大した図である。
【００４５】
なお、図６は、蒸気タービン１０が運転されていない状態、または、蒸気タービン１０が運転されている状態であって、蒸気タービンの構成部品の熱伸び差に起因する内部ケーシング２０の変形などが生じていない状態を示している。また、図７は、蒸気タービン１０が運転されている状態であって、蒸気タービンの構成部品の熱伸び差に起因する内部ケーシング２０の変形などが発生し、隣接するダイアフラム外輪２５の半径方向の位置に相違が生じている状態を示している。
【００４６】
図６に示すように、ダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１は、周方向に垂直な断面における形状が凹状の溝８０で構成され、この溝８０は、周方向に形成されている。また、溝８０を形成するために、ダイアフラム外輪２５の上流端部には、半径方向に突出した端部側壁部８１が形成されている。
【００４７】
ダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２は、上流端側段部５１と同様に、周方向に垂直な断面における形状が凹状の溝８２で構成され、この溝８２は、周方向に形成されている。また、溝８２を形成するために、ダイアフラム外輪２５の下流流端部には、半径方向に突出した端部側壁部８３が形成されている。また、端部側壁部８１、８３の先端は、円弧状に形成することが好ましい。
【００４８】
封止部材９０は、周方向に垂直な断面における形状がコ字状の環状の部材で構成されている。図６に示すように、軸方向に隣接するダイアフラム外輪２５のうち、下流側に位置するダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１の溝８０に、封止部材９０一方の側端部９１が挿入される。さらに、上流側に位置するダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２の溝８２に、封止部材９０他方の側端部９２が挿入される。すなわち、封止部材９０は、ダイアフラム外輪２５間の間隙Ｌを覆うように、周方向に配置されている。
【００４９】
この際、封止部材９０の、側端部９１と側端部９２との間に位置する内壁面９０ａは、端部側壁部８１および端部側壁部８３の先端と当接している。上記したように、端部側壁部８１、８３の先端を円弧状に形成することで、図７に示すように、蒸気タービンの運転時において、隣接するダイアフラム外輪２５の半径方向の位置に相違が生じたときでも、封止部材９０の内壁面９０ａと端部側壁部８１、８３の先端とを確実に当接させることができる。
【００５０】
また、封止部材９０の側端部９１の端面９１ａは、溝８０の底面８０ａと当接するように構成することが好ましい。同様に、封止部材９０の側端部９２の端面９２ａは、溝８２の底面８２ａと当接するように構成することが好ましい。なお、封止部材９０を構成する材料は、第１の実施の形態の封止部材６０と同じ材料である。
【００５１】
ここで、端部側壁部８１、８３の先端が、ダイアフラム外輪２５および封止部材９０を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成されていることが好ましい。端部側壁部８１、８３の先端を構成する材料は、例えば、金属材料のほか、樹脂材料、あるいはセラミックス材料を使用することもできる。
【００５２】
このように端部側壁部８１、８３の先端を構成することで、主蒸気流路３５と冷却媒体流路３３との差圧によって封止部材９０が端部側壁部８１、８３に押し付けられた際、先端と封止部材９０との密着性が増し、封止効果が向上される。
【００５３】
また、図７に示すように、端部側壁部８１、８３に対向して形成され、端部側壁部８１、８３とともに溝８０、８２を構成する壁部の表面１００、１０１に快削材層１０２、１０３を形成してもよい。また、溝８０、８２の底面１０４、１０５に快削材層１０６、１０７を形成してもよい。なお、快削材層は、表面１００、１０１または底面１０４、１０５の少なくとも一方に形成されていればよく、図７に示すように、表面１００、１０１および底面１０４、１０５に形成されてもよい。
【００５４】
ここで、快削材層１０２、１０３、１０６、１０７は、例えば、コバルト、ニッケル、クロム、アルミニウムおよびイットリウム系の材料（ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ系材料）、ニッケル、クロム、アルミニウム系の材料（ＮｉＣｒＡｌ系材料）、あるいはニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、ホウ素および窒素系の材料（ＮｉＣｒＦｅＡｌＢＮ系材料）などの材料で構成される。また、快削材層１０２、１０３、１０６、１０７は、これらの少なくともいずれかの材料を、例えば溶射することによって形成可能である。
【００５５】
図７に示すように、蒸気タービンの運転時において、隣接するダイアフラム外輪２５の半径方向の位置に相違が生じたときでも、封止部材９０が、例えば、快削材層１０３を介して表面１０１に接触する。また、封止部材９０が、快削材層１０６を介して底面１０４に接触する。この際、快削材層１０３、１０６が削られ、封止部材９０が快削材層１０３、１０６と密着し、封止効果を向上させることができる。
【００５６】
なお、封止部材９０は、第１の実施の形態で説明した嵌合部材７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄと同様の嵌合部材を備えることによって、封止部材９０の上半部と下半部とを適正に結合することができる。
【００５７】
上記した第２の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、封止部材９０を備えることで、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間の冷却媒体流路３３から主蒸気流路３５への冷却媒体ＣＭの流出を防止することができる。また、封止部材９０を容易に設置することができる。
【００５８】
（第３の実施の形態）
本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン１０では、封止部材１１０の構成が、前述した第２の実施の形態の蒸気タービン１０における封止部材９０の構成と異なるので、ここでは主にこの異なる構成について説明する。
【００５９】
図８は、本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３に備えられる封止部材１１０を構成する分割構成部材１２０を半径方向外側から見たときの平面図である。図９は、本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３に備えられる封止部材１１０を構成する分割構成部材１２０を、周方向の一方の側（図８の左側）から見たときの平面図である。図１０は、本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３に備えられる封止部材１１０を構成する分割構成部材１２０の他の構成を、周方向の一方の側（図８の左側）から見たときの平面図である。
【００６０】
第３の実施の形態における封止部材１１０は、周方向に分割された複数の分割構成部材１２０で形成されている。分割構成部材１２０は、第２の実施の形態における封止部材９０と同様に、周方向に垂直な断面における形状がコ字状に形成されている。
【００６１】
コ字状に開口された側の反対側となる半径方向外側には、図９に示すように、リング状の貫通部材１３０を貫通させ、各分割構成部材１２０を連結して環状に構成するための貫通孔１２１が形成されている。なお、貫通孔１２１は、分割構成部材１２０の半径方向外側に設けられることに限られず、図１０に示すように、周方向に垂直な断面における中央部に設けられてもよい。
【００６２】
また、分割構成部材１２０は、図８に示すように、連結する分割構成部材１２０の連結部１２２、１２３どうしが互いに重なり合う構造に形成されている。このように、互いに重なり合う連結部１２２、１２３を備えることで、連結部における封止効果を向上させることができる。
【００６３】
また、連結部１２２、１２３において、互いに接触する接触面の少なくとも一方の接触面に、ダイアフラム外輪２５および封止部材１１０を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成される摺動層（図示しない）を形成してもよい。
【００６４】
摺動層を構成する材料は、例えば、金属材料のほか、樹脂材料、あるいはセラミックス材料を使用することができる。
【００６５】
このように摺動層を設けた場合、隣接する分割構成部材１２０の連結部１２２、１２３における接触面に力が作用すると、摺動層が変形し、接触面における封止効果をより向上させることができる。
【００６６】
ここで、図６に示した封止部材９０の場合と同様に、軸方向に隣接するダイアフラム外輪２５のうち、下流側に位置するダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１の溝８０に、分割構成部材１２０の一方の側端部１２４が挿入される。さらに、上流側に位置するダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２の溝８２に、分割構成部材１２０の他方の側端部１２５が挿入される。この際、分割構成部材１２０の、側端部１２４と側端部１２５との間に位置する内壁面１２０ａは、ダイアフラム外輪２５の端部側壁部８１、８３の先端と当接している。
【００６７】
また、分割構成部材１２０の側端部１２４の端面１２４ａは、溝８０の底面８０ａと当接するように構成することが好ましい。同様に、分割構成部材１２０の側端部１２５の端面１２５ａは、溝８２の底面８２ａと当接するように構成することが好ましい。
【００６８】
貫通部材１３０は、貫通孔１２１の形状に対応した円形の断面形状を有する半環状の部材である。
【００６９】
そして、貫通孔１２１に貫通部材１３０を貫通し、連結する分割構成部材１２０の連結部１２２、１２３どうしを互いに重なり合わせて周方向に連結し、複数の分割構成部材１２０からなる環状の封止部材１１０を形成する。
【００７０】
上記した第３の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、封止部材１１０を複数の分割構成部材１２０で構成することで、蒸気タービンの運転時において、隣接するダイアフラム外輪２５の半径方向の位置に相違が生じたときでも、周方向に分割された分割構成部材１２０がそれぞれに個々にその相違に応じて傾斜することができる。特に、半径方向の位置の相違が周方向に不均一となる場合であっても、周方向に分割された分割構成部材１２０がそれぞれに個々にその相違に応じて傾斜することができる。そのため、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間の冷却媒体流路３３から主蒸気流路３５への冷却媒体ＣＭの流出を防止することができる。
【００７１】
さらに、互いに重なり合う連結部１２２、１２３を備えることで、連結部における封止効果を向上させることができる。また、封止部材１１０を容易に設置することができる。
【００７２】
ここで、貫通孔１２１の形状は、上記した形状に限られるものではない。貫通孔１２１の形状を、例えば、四角形、五角形などの多角形としてもよい。この場合、貫通部材１３０の断面形状も、貫通孔１２１の形状に対応して多角形に形成される。
【００７３】
このように、貫通孔１２１の形状を多角形とすることで、分割構成部材１２０の回転が互いに独立でなくなり、分割構成部材１２０の水平方向に対する傾斜角度θ（図７参照）が大きな分割構成部材１２０に対しては、傾斜角度θを小さくする方向に、貫通部材１３０によって力が作用する。一方、傾斜角度θが小さな分割構成部材１２０に対しては、傾斜角度θを大きくする方向に、貫通部材１３０によって力が作用する。そのため、分割構成部材１２０に作用する力を周方向に均一化することができる。
【００７４】
なお、上記した実施形態において、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備える蒸気タービン１０を例示して説明したが、これに限られるものではない。例えば、ケーシングの構成が一重構造の蒸気タービンにおいても、上記した実施形態の構成を適用することができ、上記した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７５】
以上説明した実施形態によれば、ケーシングとダイアフラム外輪との間の冷却媒体流路から主蒸気流路への冷却媒体の流出を防止することが可能となる。
【００７６】
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。
【符号の説明】
【００７７】
１０…蒸気タービン、２０…内部ケーシング、２１…外部ケーシング、２２…タービンロータ、２３…ロータディスク、２４…動翼、２５…ダイアフラム外輪、２５ａ、２５ｂ、２８ａ…側面、２６…ノズル、２７…ダイアフラム内輪、２８…突条部、２９…ラビリンスシール部、３０…蒸気入口管、３１…ノズルボックス、３２…排気流路、３３…冷却媒体流路、３４…供給配管、３５…主蒸気流路、５０…突出部、５０ａ…下流側端面
５１…上流端側段部、５２…下流端側段部、６０，９０，１１０…封止部材、７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ…嵌合部材、７１ａ，７１ｃ…突起部、７２ａ，７２ｃ…挿入孔、７５…固定部材、８０，８２…溝、８０ａ，８２ａ，１０４…底面、８１，８３…端部側壁部、９０ａ，１２０ａ…内壁面、９１，９２，１２４，１２５…側端部、９１ａ，９２ａ，１２４ａ，１２５ａ…端面、１００…表面、１０２，１０３，１０６，１０７…快削材層、１２０…分割構成部材、１２１…貫通孔、１２２，１２３…連結部、１３０…貫通部材、ＣＭ…冷却媒体。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蒸気タービンが用いられる火力発電プラントにおいて、ＣＯ２排出量削減の必要性や化石燃料価格の高騰の影響により、蒸気タービンの内部効率向上の要求がこれまで以上に高まってきている。
【０００３】
蒸気タービンは、ケーシングの内周に取り付けられ、ダイアフラム内輪とダイアフラム外輪との間に支持されたノズルと、このノズルとタービンロータ軸方向に交互になるように配置され、ケーシング内に貫設されたタービンロータに植設された動翼とを備えている。このような構成を備える蒸気タービンは、蒸気の熱エネルギをノズルにおいて速度エネルギに変換し、動翼において速度エネルギを機械エネルギへ変換する。
【０００４】
蒸気タービンの内部効率を向上させるために、蒸気流路部の形状の改良、作動流体の高温化が検討されている。特に後者に関して、ランキンサイクルを利用した蒸気タービンにおいては、入口温度（主蒸気の温度）を上昇させることによって、内部効率を向上させることができる。そのため、近年、主流蒸気の温度を６５０〜７５０℃程度とする蒸気タービンの開発が進められている。
【０００５】
このように主蒸気の温度が高温となる蒸気タービンでは、運転時における構成部品の機械的強度を維持するために、高温特性に優れた耐熱材料を使用することが必要となる。しかしながら、耐熱材料は、既存の材料と比較して高価であるため、製造コストが増加するという問題を有している。さらに、耐熱材料において大型部品の製作が困難であるなどの問題も有している。そこで、高温となる構成部品を冷却することで高温化による材料の機械的強度の低下を抑制し、従来の安価で製造性に優れた材料を使用することが検討されている。
【０００６】
構成部品の冷却方法として、例えば、ケーシングとダイアフラム外輪との間に冷却媒体流路を形成し、この冷却媒体流路に冷却媒体を流すことで構成部品を冷却する方法が挙げられる。この冷却方法では、冷却媒体流路に流れる冷却媒体の圧力を、主蒸気流路を流れる主蒸気の圧力よりも高くすることにより、隣接するダイアフラム外輪間に形成される軸方向の間隙から冷却媒体の一部を主蒸気流路へ噴出させ、ケーシングを冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−９７５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、従来の構成部品の冷却方法においては、隣接するダイアフラム外輪間に形成される軸方向の間隙から冷却媒体の一部が主蒸気流路へ噴出される。また、冷却媒体の主蒸気流路へ噴出量を抑制するために、ダイアフラム外輪間に形成される軸方向の間隙にシール装置を備える場合においても、冷却媒体の主蒸気流路への流出を完全に防止することはできない。
【０００９】
そのため、主蒸気流路を流れる主蒸気の温度が低下し、蒸気タービンの内部効率を向上させるために主蒸気の温度を上昇させた効果が十分に発揮されていなかった。また、隣接するダイアフラム外輪間に形成される軸方向の間隙は狭いため、シール装置を設置するのは容易ではなかった。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、ケーシングとダイアフラム外輪との間の冷却媒体流路から主蒸気流路への冷却媒体の流出を防止することができる蒸気タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の蒸気タービンは、ケーシングの内周に軸方向に間隔をあけて複数配置され、周方向に配置された複数のノズルの内周部がダイアフラム内輪で支持され、外周部がダイアフラム外輪で支持された静翼翼列と、前記ケーシング内に貫設されたタービンロータの周方向に複数の動翼が植設されて構成され、前記静翼翼列と軸方向に交互に設けられた動翼翼列と、前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間に冷却媒体を流す冷却媒体流路とを備えている。また、前記ダイアフラム外輪どうしが所定の間隙を有して軸方向に隣接され、前記ダイアフラム外輪における上流端側の側面に周方向に上流端側段部を有し、前記ダイアフラム外輪における下流端側の側面に周方向に下流端側段部を有している。さらに、前記下流端側段部から前記上流端側段部に亘って、前記ダイアフラム外輪間の間隙を覆うように、周方向に環状の封止部材が配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの子午断面を示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路の構成を説明するために、蒸気タービンの子午断面の一部を拡大した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの封止部材を軸方向側から見たときの側面図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの封止部材を軸方向に沿う一方の側面側から見たときの側面図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態の他の構成を備える蒸気タービンの子午断面を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路の構成を説明するために、蒸気タービンの子午断面の一部を拡大した図である。
【図７】本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路の他の構成を説明するために、蒸気タービンの子午断面の一部を拡大した図である。
【図８】本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路に備えられる封止部材を構成する分割構成部材を半径方向外側から見たときの平面図である。
【図９】本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路に備えられる封止部材を構成する分割構成部材を、周方向の一方の側から見たときの平面図である。
【図１０】本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービンの冷却媒体流路に備えられる封止部材を構成する分割構成部材の他の構成を、周方向の一方の側から見たときの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面を示す図である。図２は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３の構成を説明するために、蒸気タービン１０の子午断面の一部を拡大した図である。なお、以下に示す実施の形態において、同一の構成部分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。
【００１５】
図１に示すように、蒸気タービン１０は、内部ケーシング２０とその外側に設けられた外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２０内に、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、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、タービンロータ２２の軸方向に複数段形成されている。なお、タービンロータ２２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。
【００１６】
また、内部ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２５が設けられ、ノズル２６の外周部を支持している。ノズル２６の内周部は、ダイアフラム内輪２７によって支持されている。このように、ダイアフラム外輪２５とダイアフラム内輪２７との間に周方向に配置された複数のノズル２６が支持され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は軸方向に間隔をあけて複数配置され、各静翼翼列は、タービンロータ２２の動翼翼列それぞれの上流側に配置される。すなわち静翼翼列と動翼翼列は交互に複数段配設され、静翼翼列と動翼翼列の一組から構成されるタービン段落が複数形成されている。
【００１７】
また、図２に示すように、内部ケーシング２０の内周面には、タービンロータ２２側に周方向に突出する突条部２８が形成されている。この突条部２８は、各タービン段落に対応して、タービンロータ２２の軸方向に複数形成されている。この突条部２８間の溝部に、ダイアフラム外輪２５に形成された半径方向に突出する突出部５０が位置する。そして、突条部２８の上流側の側面２８ａに、ダイアフラム外輪２５の突出部５０の下流側端面５０ａが当接し、ダイアフラム外輪２５のタービンロータ２２の軸方向の下流側への移動が防止される。
【００１８】
ダイアフラム内輪２７のタービンロータ２２側には、図１に示すように、ラビリンスシール部２９が設けられ、ダイアフラム内輪２７とタービンロータ２２との間からの蒸気の漏洩を抑制している。なお、ラビリンスシール部２９は、円周方向に、例えば８つなど複数に分割された構成となっており、それぞれダイアフラム内輪２７の内周側に設けられた溝部に、円周方向に挿入され嵌合するようになっている。
【００１９】
ここで、ダイアフラム外輪２５およびダイアフラム内輪２７は、２つの半円筒形状の部材を組み合わせて円筒形状に構成されている。そのため、半円筒形状の部材の両端部には、半円筒形状の部材どうしを組み合わせて固定するためのフランジ部（図示しない）を有している。
【００２０】
また、蒸気タービン１０には、外部ケーシング２１と、内部ケーシング２０とを連通するように、外部からの蒸気が導入される蒸気入口管３０が備えられている。蒸気入口管３０は、ノズルボックス３１に連通するように接続されている。また、ノズルボックス３１の出口には、第１段のノズル２６を備える静翼翼列が構成されている。
【００２１】
また、蒸気タービン１０には、最終段の動翼２４を通過した作動流体である蒸気を内部ケーシング２０内から外部に導く排気流路３２が設けられている。
【００２２】
内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間には、冷却媒体ＣＭを通す冷却媒体流路３３が形成されている。また、上記した突条部２８またはダイアフラム外輪２５の突出部５０には、冷却媒体ＣＭを上流側から下流側へ通過させる通過孔（図示しない）が周方向の数箇所に形成されている。そのため、突条部２８の上流側の側面２８ａに、ダイアフラム外輪２５の突出部５０の下流側端面５０ａが当接したときでも、冷却媒体ＣＭを上流側から下流側へ導くことができる。
【００２３】
また、図１に示すように、この冷却媒体流路３３に冷却媒体ＣＭを供給する供給配管３４が設けられている。この供給配管３４は、外部ケーシング２１を貫通し、一端が内部ケーシング２０に設けられた貫通口に嵌合されている。ここでは、第２段のタービン段落の冷却媒体流路３３に冷却媒体ＣＭを供給するように供給配管３４が設けられているが、この位置に限られるものではない。
【００２４】
ここで、ダイアフラム外輪２５は、図２に示すように、間隙Ｌをおいて軸方向に隣接して設置されている。また、ダイアフラム外輪２５は、支持するノズル２６の直下流に位置する動翼２４の外周を取り囲むように下流方向に延設されている。
【００２５】
また、ダイアフラム外輪２５の上流端側の側面２５ａに周方向に上流端側段部５１が形成されている。また、ダイアフラム外輪２５の下流端側の側面２５ｂに周方向に下流端側段部５２が形成されている。図２に示すように、上流端側段部５１は、ダイアフラム外輪２５の上流端側の外径を小さくすることで形成された段部であり、下流端側段部５２は、ダイアフラム外輪２５の下流端側の外径を小さくすることで形成された段部である。
【００２６】
図２に示すように、軸方向に隣接するダイアフラム外輪２５のうち、下流側に位置するダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１から上流側に位置するダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２に亘って、ダイアフラム外輪２５間の間隙Ｌを覆うように、環状の封止部材６０が周方向に配置されている。このように封止部材６０を設けることで、ダイアフラム外輪２５間の軸方向の間隙Ｌを塞ぐことができる。換言すると、蒸気が流れる主蒸気流路３５と、冷却媒体ＣＭが流れる冷却媒体流路３３との間を封止することができる。
【００２７】
封止部材６０は、平板状の部材で構成されている。封止部材６０は、ダイアフラム外輪２５を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成されることが好ましい。封止部材６０をダイアフラム外輪２５を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成することで、例えば、蒸気タービン運転時にダイアフラム外輪２５が変形しても、その変形に追従して封止部材６０が変形することができる。そのため、封止部材６０が、隣接するダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１と下流端側段部５２との間に的確に嵌合し、封止性能を維持することができる。
【００２８】
封止部材６０は、使用される温度条件に応じて、例えば、Ｎｉ基合金や１２Ｃｒ鋼、あるいはＣｒＭｏＶ鋼などの金属材料とするほか、樹脂材料、あるいはセラミックス材料を使用することもできる。なお、ダイアフラム外輪２５は、例えば、Ｎｉ基合金や１２Ｃｒ鋼、あるいはＣｒＭｏＶ鋼などの金属材料で構成される。
【００２９】
また、封止部材６０は、ダイアフラム外輪２５やダイアフラム内輪２７と同様に、２つの半円筒形状の部材を組み合わせて円筒形状に構成されている。
【００３０】
ここで、半円筒形状の部材を組み合わせ部の構造を次のように構成してもよい。図３は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の封止部材６０を軸方向側から見たときの側面図である。図４は、本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービン１０の封止部材６０を軸方向に沿う一方の側面側から見たときの側面図である。
【００３１】
図３および図４に示すように、例えば、上半部における封止部材６０の両端部側の側面と、下半部における封止部材６０の両端部側の側面に嵌合部材７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを設けてもよい。
【００３２】
嵌合部材７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄの構造は特に限定されるものではない。例えば、図３および図４に示すように、上半部における封止部材６０の一方の端部側の側面に設けられた嵌合部材７０ａには、棒状の突起部７１ａと、対向する嵌合部材７０ｃの棒状の突起部７１ｃを挿入するための挿入孔７２ａが設けられている。一方、この嵌合部材７０ａに対向する、下半部における封止部材６０の一方の端部側の側面に設けられた嵌合部材７０ｃには、嵌合部材７０ａの挿入孔７２ａに挿入するための棒状の突起部７１ｃと、嵌合部材７０ａの突起部７１ａを挿入するための挿入孔７２ｃが設けられている。
【００３３】
なお、上半部における封止部材６０の他方の端部側の側面に設けられた嵌合部材７０ｂと、下半部における封止部材６０の他方の端部側の側面に設けられた嵌合部材７０ｄの構成も、上記した嵌合部材７０ａおよび嵌合部材７０ｃの構成と同じである。
【００３４】
上記した、対応する嵌合部材７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄどうしを嵌合することで、上半部における封止部材６０と下半部における封止部材６０とを適正に結合することができる。これによって、封止部材６０が、隣接するダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２と上流端側段部５１との間に的確に嵌合し、封止性能を維持することができる。
【００３５】
また、第１の実施の形態の蒸気タービン１０は、封止部材６０における封止性能を向上させるために、次のような構成を備えてもよい。図５は、本発明に係る第１の実施の形態の他の構成を備える蒸気タービン１０の子午断面を示す図である。
【００３６】
図５に示すように、内部ケーシング２０の突条部２８の内周面と封止部材６０との間に、封止部材６０の半径方向の位置を固定するための固定部材７５を備えてもよい。この固定部材７５は、周方向に所定の間隔をおいて複数設けられることが好ましい。また、固定部材７５は、間隙Ｌ上以外の位置に配置されることが好ましい。例えば、封止部材６０を介して下流端側段部５２上となる位置に、固定部材７５を配置することができる。
【００３７】
また、固定部材７５の半径方向の高さは、封止部材６０を確実に固定するため、突条部２８の内周面と封止部材６０との間の間隙の高さよりも若干高く構成されることが好ましい。なお、固定部材７５は、封止部材６０の冷却媒体流路３３側の表面、または突条部２８の内周面に形成されてもよい。このように、固定部材７５を備えることで、封止部材６０の封止性能を向上させることができる。
【００３８】
ここで、冷却媒体流路３３における冷却媒体ＣＭの圧力は、主蒸気流路３５における主蒸気の圧力よりも高く設定される。冷却媒体ＣＭとしては、例えば、他の蒸気タービンから抽気された蒸気、他の蒸気タービンから排気された蒸気、ボイラから抽気された蒸気などを使用することができる。蒸気タービン１０が、中圧タービンである場合は、冷却媒体ＣＭとして、例えば高圧タービンから抽気された蒸気を使用することができる。また、蒸気タービン１０が、高圧タービンである場合は、冷却媒体ＣＭとして、例えばボイラから抽気された蒸気を使用することができる。なお、冷却媒体ＣＭの温度は、冷却する内部ケーシング２０やダイアフラム外輪２５などの部品に大きな熱応力が発生しない程度の温度に設定されることが好ましい。
【００３９】
次に、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の作用について説明する。
【００４０】
上記した構成を備える蒸気タービン１０において、蒸気入口管３０を経て、ノズルボックス３１内に流入した蒸気は、各段落のノズル２６と動翼２４との間の主蒸気流路３５を通り、タービンロータ２２を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気流路３２に排出される。
【００４１】
供給配管３４から冷却媒体流路３３に導入された冷却媒体ＣＭは、内部ケーシング２０およびダイアフラム外輪２５を冷却しながら下流方向へ流れ、例えば、排気流路３２に排出される。ここで、前述したように、冷却媒体流路３３における冷却媒体ＣＭの圧力は、主蒸気流路３５を流れる主蒸気の圧力よりも高く設定されているため、この差圧により、封止部材６０には、タービンロータ２２側の方向に押し付ける力が作用する。そのため、主蒸気流路３５と冷却媒体流路３３との間の封止効果が向上され、冷却媒体ＣＭの主蒸気流路３５への流出を防止することができる。
【００４２】
上記した第１の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、封止部材６０を備えることで、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間の冷却媒体流路３３から主蒸気流路３５への冷却媒体ＣＭの流出を防止することができる。また、封止部材６０を容易に設置することができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１０では、ダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１および下流端側段部５２の構成および封止部材９０の構成が、前述した第１の実施の形態の蒸気タービン１０におけるダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１および下流端側段部５２の構成および封止部材６０の構成と異なるので、ここでは主にこの異なる構成について説明する。
【００４４】
図６は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３の構成を説明するために、蒸気タービン１０の子午断面の一部を拡大した図である。図７は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３の他の構成を説明するために、蒸気タービン１０の子午断面の一部を拡大した図である。
【００４５】
なお、図６は、蒸気タービン１０が運転されていない状態、または、蒸気タービン１０が運転されている状態であって、蒸気タービンの構成部品の熱伸び差に起因する内部ケーシング２０の変形などが生じていない状態を示している。また、図７は、蒸気タービン１０が運転されている状態であって、蒸気タービンの構成部品の熱伸び差に起因する内部ケーシング２０の変形などが発生し、隣接するダイアフラム外輪２５の半径方向の位置に相違が生じている状態を示している。
【００４６】
図６に示すように、ダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１は、周方向に垂直な断面における形状が凹状の溝８０で構成され、この溝８０は、周方向に形成されている。また、溝８０を形成するために、ダイアフラム外輪２５の上流端部には、半径方向に突出した端部側壁部８１が形成されている。
【００４７】
ダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２は、上流端側段部５１と同様に、周方向に垂直な断面における形状が凹状の溝８２で構成され、この溝８２は、周方向に形成されている。また、溝８２を形成するために、ダイアフラム外輪２５の下流流端部には、半径方向に突出した端部側壁部８３が形成されている。また、端部側壁部８１、８３の先端は、円弧状に形成することが好ましい。
【００４８】
封止部材９０は、周方向に垂直な断面における形状がコ字状の環状の部材で構成されている。図６に示すように、軸方向に隣接するダイアフラム外輪２５のうち、下流側に位置するダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１の溝８０に、封止部材９０一方の側端部９１が挿入される。さらに、上流側に位置するダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２の溝８２に、封止部材９０他方の側端部９２が挿入される。すなわち、封止部材９０は、ダイアフラム外輪２５間の間隙Ｌを覆うように、周方向に配置されている。
【００４９】
この際、封止部材９０の、側端部９１と側端部９２との間に位置する内壁面９０ａは、端部側壁部８１および端部側壁部８３の先端と当接している。上記したように、端部側壁部８１、８３の先端を円弧状に形成することで、図７に示すように、蒸気タービンの運転時において、隣接するダイアフラム外輪２５の半径方向の位置に相違が生じたときでも、封止部材９０の内壁面９０ａと端部側壁部８１、８３の先端とを確実に当接させることができる。
【００５０】
また、封止部材９０の側端部９１の端面９１ａは、溝８０の底面８０ａと当接するように構成することが好ましい。同様に、封止部材９０の側端部９２の端面９２ａは、溝８２の底面８２ａと当接するように構成することが好ましい。なお、封止部材９０を構成する材料は、第１の実施の形態の封止部材６０と同じ材料である。
【００５１】
ここで、端部側壁部８１、８３の先端が、ダイアフラム外輪２５および封止部材９０を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成されていることが好ましい。端部側壁部８１、８３の先端を構成する材料は、例えば、金属材料のほか、樹脂材料、あるいはセラミックス材料を使用することもできる。
【００５２】
このように端部側壁部８１、８３の先端を構成することで、主蒸気流路３５と冷却媒体流路３３との差圧によって封止部材９０が端部側壁部８１、８３に押し付けられた際、先端と封止部材９０との密着性が増し、封止効果が向上される。
【００５３】
また、図７に示すように、端部側壁部８１、８３に対向して形成され、端部側壁部８１、８３とともに溝８０、８２を構成する壁部の表面１００、１０１に快削材層１０２、１０３を形成してもよい。また、溝８０、８２の底面１０４、１０５に快削材層１０６、１０７を形成してもよい。なお、快削材層は、表面１００、１０１または底面１０４、１０５の少なくとも一方に形成されていればよく、図７に示すように、表面１００、１０１および底面１０４、１０５に形成されてもよい。
【００５４】
ここで、快削材層１０２、１０３、１０６、１０７は、例えば、コバルト、ニッケル、クロム、アルミニウムおよびイットリウム系の材料（ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ系材料）、ニッケル、クロム、アルミニウム系の材料（ＮｉＣｒＡｌ系材料）、あるいはニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、ホウ素および窒素系の材料（ＮｉＣｒＦｅＡｌＢＮ系材料）などの材料で構成される。また、快削材層１０２、１０３、１０６、１０７は、これらの少なくともいずれかの材料を、例えば溶射することによって形成可能である。
【００５５】
図７に示すように、蒸気タービンの運転時において、隣接するダイアフラム外輪２５の半径方向の位置に相違が生じたときでも、封止部材９０が、例えば、快削材層１０３を介して表面１０１に接触する。また、封止部材９０が、快削材層１０６を介して底面１０４に接触する。この際、快削材層１０３、１０６が削られ、封止部材９０が快削材層１０３、１０６と密着し、封止効果を向上させることができる。
【００５６】
なお、封止部材９０は、第１の実施の形態で説明した嵌合部材７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄと同様の嵌合部材を備えることによって、封止部材９０の上半部と下半部とを適正に結合することができる。
【００５７】
上記した第２の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、封止部材９０を備えることで、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間の冷却媒体流路３３から主蒸気流路３５への冷却媒体ＣＭの流出を防止することができる。また、封止部材９０を容易に設置することができる。
【００５８】
（第３の実施の形態）
本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン１０では、封止部材１１０の構成が、前述した第２の実施の形態の蒸気タービン１０における封止部材９０の構成と異なるので、ここでは主にこの異なる構成について説明する。
【００５９】
図８は、本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３に備えられる封止部材１１０を構成する分割構成部材１２０を半径方向外側から見たときの平面図である。図９は、本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３に備えられる封止部材１１０を構成する分割構成部材１２０を、周方向の一方の側（図８の左側）から見たときの平面図である。図１０は、本発明に係る第３の実施の形態の蒸気タービン１０の冷却媒体流路３３に備えられる封止部材１１０を構成する分割構成部材１２０の他の構成を、周方向の一方の側（図８の左側）から見たときの平面図である。
【００６０】
第３の実施の形態における封止部材１１０は、周方向に分割された複数の分割構成部材１２０で形成されている。分割構成部材１２０は、第２の実施の形態における封止部材９０と同様に、周方向に垂直な断面における形状がコ字状に形成されている。
【００６１】
コ字状に開口された側の反対側となる半径方向外側には、図９に示すように、リング状の貫通部材１３０を貫通させ、各分割構成部材１２０を連結して環状に構成するための貫通孔１２１が形成されている。なお、貫通孔１２１は、分割構成部材１２０の半径方向外側に設けられることに限られず、図１０に示すように、周方向に垂直な断面における中央部に設けられてもよい。
【００６２】
また、分割構成部材１２０は、図８に示すように、連結する分割構成部材１２０の連結部１２２、１２３どうしが互いに重なり合う構造に形成されている。このように、互いに重なり合う連結部１２２、１２３を備えることで、連結部における封止効果を向上させることができる。
【００６３】
また、連結部１２２、１２３において、互いに接触する接触面の少なくとも一方の接触面に、ダイアフラム外輪２５および封止部材１１０を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成される摺動層（図示しない）を形成してもよい。
【００６４】
摺動層を構成する材料は、例えば、金属材料のほか、樹脂材料、あるいはセラミックス材料を使用することができる。
【００６５】
このように摺動層を設けた場合、隣接する分割構成部材１２０の連結部１２２、１２３における接触面に力が作用すると、摺動層が変形し、接触面における封止効果をより向上させることができる。
【００６６】
ここで、図６に示した封止部材９０の場合と同様に、軸方向に隣接するダイアフラム外輪２５のうち、下流側に位置するダイアフラム外輪２５の上流端側段部５１の溝８０に、分割構成部材１２０の一方の側端部１２４が挿入される。さらに、上流側に位置するダイアフラム外輪２５の下流端側段部５２の溝８２に、分割構成部材１２０の他方の側端部１２５が挿入される。この際、分割構成部材１２０の、側端部１２４と側端部１２５との間に位置する内壁面１２０ａは、ダイアフラム外輪２５の端部側壁部８１、８３の先端と当接している。
【００６７】
また、分割構成部材１２０の側端部１２４の端面１２４ａは、溝８０の底面８０ａと当接するように構成することが好ましい。同様に、分割構成部材１２０の側端部１２５の端面１２５ａは、溝８２の底面８２ａと当接するように構成することが好ましい。
【００６８】
貫通部材１３０は、貫通孔１２１の形状に対応した円形の断面形状を有する半環状の部材である。
【００６９】
そして、貫通孔１２１に貫通部材１３０を貫通し、連結する分割構成部材１２０の連結部１２２、１２３どうしを互いに重なり合わせて周方向に連結し、複数の分割構成部材１２０からなる環状の封止部材１１０を形成する。
【００７０】
上記した第３の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、封止部材１１０を複数の分割構成部材１２０で構成することで、蒸気タービンの運転時において、隣接するダイアフラム外輪２５の半径方向の位置に相違が生じたときでも、周方向に分割された分割構成部材１２０がそれぞれに個々にその相違に応じて傾斜することができる。特に、半径方向の位置の相違が周方向に不均一となる場合であっても、周方向に分割された分割構成部材１２０がそれぞれに個々にその相違に応じて傾斜することができる。そのため、内部ケーシング２０とダイアフラム外輪２５との間の冷却媒体流路３３から主蒸気流路３５への冷却媒体ＣＭの流出を防止することができる。
【００７１】
さらに、互いに重なり合う連結部１２２、１２３を備えることで、連結部における封止効果を向上させることができる。また、封止部材１１０を容易に設置することができる。
【００７２】
ここで、貫通孔１２１の形状は、上記した形状に限られるものではない。貫通孔１２１の形状を、例えば、四角形、五角形などの多角形としてもよい。この場合、貫通部材１３０の断面形状も、貫通孔１２１の形状に対応して多角形に形成される。
【００７３】
このように、貫通孔１２１の形状を多角形とすることで、分割構成部材１２０の回転が互いに独立でなくなり、分割構成部材１２０の水平方向に対する傾斜角度θ（図７参照）が大きな分割構成部材１２０に対しては、傾斜角度θを小さくする方向に、貫通部材１３０によって力が作用する。一方、傾斜角度θが小さな分割構成部材１２０に対しては、傾斜角度θを大きくする方向に、貫通部材１３０によって力が作用する。そのため、分割構成部材１２０に作用する力を周方向に均一化することができる。
【００７４】
なお、上記した実施形態において、内部ケーシング２０と外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備える蒸気タービン１０を例示して説明したが、これに限られるものではない。例えば、ケーシングの構成が一重構造の蒸気タービンにおいても、上記した実施形態の構成を適用することができ、上記した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７５】
以上説明した実施形態によれば、ケーシングとダイアフラム外輪との間の冷却媒体流路から主蒸気流路への冷却媒体の流出を防止することが可能となる。
【００７６】
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。
【符号の説明】
【００７７】
１０…蒸気タービン、２０…内部ケーシング、２１…外部ケーシング、２２…タービンロータ、２３…ロータディスク、２４…動翼、２５…ダイアフラム外輪、２５ａ、２５ｂ、２８ａ…側面、２６…ノズル、２７…ダイアフラム内輪、２８…突条部、２９…ラビリンスシール部、３０…蒸気入口管、３１…ノズルボックス、３２…排気流路、３３…冷却媒体流路、３４…供給配管、３５…主蒸気流路、５０…突出部、５０ａ…下流側端面
５１…上流端側段部、５２…下流端側段部、６０，９０，１１０…封止部材、７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ…嵌合部材、７１ａ，７１ｃ…突起部、７２ａ，７２ｃ…挿入孔、７５…固定部材、８０，８２…溝、８０ａ，８２ａ，１０４…底面、８１，８３…端部側壁部、９０ａ，１２０ａ…内壁面、９１，９２，１２４，１２５…側端部、９１ａ，９２ａ，１２４ａ，１２５ａ…端面、１００…表面、１０２，１０３，１０６，１０７…快削材層、１２０…分割構成部材、１２１…貫通孔、１２２，１２３…連結部、１３０…貫通部材、ＣＭ…冷却媒体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングの内周に軸方向に間隔をあけて複数配置され、周方向に配置された複数のノズルの内周部がダイアフラム内輪で支持され、外周部がダイアフラム外輪で支持された静翼翼列と、前記ケーシング内に貫設されたタービンロータの周方向に複数の動翼が植設されて構成され、前記静翼翼列と軸方向に交互に設けられた動翼翼列と、前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間に冷却媒体を流す冷却媒体流路とを備えた蒸気タービンであって、
前記ダイアフラム外輪どうしが所定の間隙を有して軸方向に隣接され、前記ダイアフラム外輪における上流端側の側面に周方向に上流端側段部を有し、前記ダイアフラム外輪における下流端側の側面に周方向に下流端側段部を有し、
軸方向に隣接する前記ダイアフラム外輪のうち、下流側に位置する前記ダイアフラム外輪の前記上流端側段部から上流側に位置する前記ダイアフラム外輪の前記下流端側段部に亘って、前記ダイアフラム外輪間の間隙を覆うように、周方向に環状の封止部材が配置されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記上流端側段部および前記下流端側段部が、前記ダイアフラム外輪の外径を小さくすることで形成された段部であり、
前記封止部材が、平板状の部材で構成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。
【請求項３】
前記上流端側段部および前記下流端側段部が、周方向に垂直な断面における形状が凹状の溝を有し、
前記封止部材の周方向に垂直な断面における形状がコ字状に形成され、軸方向に隣接する前記ダイアフラム外輪のうち、下流側に位置する前記ダイアフラム外輪の前記上流端側段部の前記溝に、前記封止部材における一方の側端部が挿入され、かつ上流側に位置する前記ダイアフラム外輪の前記下流端側段部の前記溝に前記封止部材における他方の側端部が挿入され、それぞれの前記溝の端部側の半径方向に突出した端部側壁部の先端に、前記封止部材の内壁面が当接することを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項４】
前記封止部材が、周方向に分割された複数の分割構成部材で形成され、各前記分割構成部材が周方向に貫通孔を有し、当該貫通孔にリング状の貫通部材を挿入して各前記分割構成部材を連結し、環状に構成することを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン。
【請求項５】
前記貫通孔および前記貫通部材における周方向に垂直な断面の形状が円形であることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
【請求項６】
前記貫通孔および前記貫通部材における周方向に垂直な断面の形状が多角形であることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
【請求項７】
前記端部側壁部の先端が、前記ダイアフラム外輪および前記封止部材を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成されていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記端部側壁部に対向して形成され、前記端部側壁部とともに前記凹状の溝を構成する壁部の表面に快削材層を備えることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項９】
前記凹状の溝の底面に快削材層を備えることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
前記封止部材が、前記ダイアフラム外輪を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項１】
ケーシングの内周に軸方向に間隔をあけて複数配置され、周方向に配置された複数のノズルの内周部がダイアフラム内輪で支持され、外周部がダイアフラム外輪で支持された静翼翼列と、前記ケーシング内に貫設されたタービンロータの周方向に複数の動翼が植設されて構成され、前記静翼翼列と軸方向に交互に設けられた動翼翼列と、前記ケーシングと前記ダイアフラム外輪との間に冷却媒体を流す冷却媒体流路とを備えた蒸気タービンであって、
前記ダイアフラム外輪どうしが所定の間隙を有して軸方向に隣接され、前記ダイアフラム外輪における上流端側の側面に周方向に上流端側段部を有し、前記ダイアフラム外輪における下流端側の側面に周方向に下流端側段部を有し、
軸方向に隣接する前記ダイアフラム外輪のうち、下流側に位置する前記ダイアフラム外輪の前記上流端側段部から上流側に位置する前記ダイアフラム外輪の前記下流端側段部に亘って、前記ダイアフラム外輪間の間隙を覆うように、周方向に環状の封止部材が配置されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記上流端側段部および前記下流端側段部が、前記ダイアフラム外輪の外径を小さくすることで形成された段部であり、
前記封止部材が、平板状の部材で構成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。
【請求項３】
前記上流端側段部および前記下流端側段部が、周方向に垂直な断面における形状が凹状の溝を有し、
前記封止部材の周方向に垂直な断面における形状がコ字状に形成され、軸方向に隣接する前記ダイアフラム外輪のうち、下流側に位置する前記ダイアフラム外輪の前記上流端側段部の前記溝に、前記封止部材における一方の側端部が挿入され、かつ上流側に位置する前記ダイアフラム外輪の前記下流端側段部の前記溝に前記封止部材における他方の側端部が挿入され、それぞれの前記溝の端部側の半径方向に突出した端部側壁部の先端に、前記封止部材の内壁面が当接することを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項４】
前記封止部材が、周方向に分割された複数の分割構成部材で形成され、各前記分割構成部材が周方向に貫通孔を有し、当該貫通孔にリング状の貫通部材を挿入して各前記分割構成部材を連結し、環状に構成することを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン。
【請求項５】
前記貫通孔および前記貫通部材における周方向に垂直な断面の形状が円形であることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
【請求項６】
前記貫通孔および前記貫通部材における周方向に垂直な断面の形状が多角形であることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
【請求項７】
前記端部側壁部の先端が、前記ダイアフラム外輪および前記封止部材を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成されていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記端部側壁部に対向して形成され、前記端部側壁部とともに前記凹状の溝を構成する壁部の表面に快削材層を備えることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項９】
前記凹状の溝の底面に快削材層を備えることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
前記封止部材が、前記ダイアフラム外輪を構成する材料よりもヤング率の小さな材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２０２２４８（Ｐ２０１２−２０２２４８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６５４７１（Ｐ２０１１−６５４７１）
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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