蒸気タービン
【課題】発生した水滴や液膜を的確に除去するとともに、タービン効率の向上を図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、ダイアフラム外輪２３に復水器に連通する中空部５１を有する。静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａに、静翼２５の背側の翼面に沿う所定の位置から内周面２３ａにおける等圧線に沿って、隣接する静翼２５の腹側に向かって、０．３≦Ｘ／Ｃｘ≦０．８かつＳ／Ｌ≧０．５の関係を満たす、中空部５１に連通する外輪スリット３０が形成される。Ｘは静翼２５の前縁２５ａから外輪スリット３０の一端Ｅ１までの距離、Ｃｘは静翼２５の前縁２５ａから後縁２５ｂまでの距離、Ｓは内周面２３ａの等圧線に沿う外輪スリット３０の長さ、Ｌは外輪スリット３０の一端Ｅ１となる点に接し、静翼２５間に内接する円の直径である。
【解決手段】実施形態の蒸気タービン１０は、ダイアフラム外輪２３に復水器に連通する中空部５１を有する。静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａに、静翼２５の背側の翼面に沿う所定の位置から内周面２３ａにおける等圧線に沿って、隣接する静翼２５の腹側に向かって、０．３≦Ｘ／Ｃｘ≦０．８かつＳ／Ｌ≧０．５の関係を満たす、中空部５１に連通する外輪スリット３０が形成される。Ｘは静翼２５の前縁２５ａから外輪スリット３０の一端Ｅ１までの距離、Ｃｘは静翼２５の前縁２５ａから後縁２５ｂまでの距離、Ｓは内周面２３ａの等圧線に沿う外輪スリット３０の長さ、Ｌは外輪スリット３０の一端Ｅ１となる点に接し、静翼２５間に内接する円の直径である。
【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】
蒸気タービンは、火力プラント、ガスタービンと組み合わせたコンバインドサイクルプラント、原子力プラント、さらには、再生可能エネルギを利用した地熱発電プラント、太陽熱発電プラントに広く適用されている。蒸気タービンにおける性能および信頼を向上させることは、ＣＯ２排出の削減やエネルギ消費の削減へ大きく寄与する。
【０００３】
原子力用蒸気タービン、地熱用蒸気タービンの大部分の段落あるいは火力用蒸気タービンの低圧タービンの段落では、作動流体である蒸気の一部が凝縮して液化する。液化した蒸気の一部は、静翼の翼面、ダイアフラム外輪の壁面に付着して水膜を形成し、静翼の後縁部やダイアフラム外輪の壁面から吹き千切れて液滴となる。この液滴は、下流側の動翼に衝突し、動翼の一部を侵食する。
【０００４】
このような現象は、特に、蒸気圧力や温度が低下した、湿り度が高い最終のタービン段落の近傍で生じる。この現象は、経年的に信頼性の低下を招き、タービン効率を低下させ、ＣＯ２排出量を増加させる。
【０００５】
一般的な火力プラントに備えられる低圧タービンにおける最終のタービン段落の近傍における蒸気などの流動について説明する。
【０００６】
図９は、従来の低圧タービンにおける最終のタービン段落近傍の子午断面を示す図である。なお、図９において、破線は蒸気の流線を示し、実線は発生した水滴の流線を示している。
【０００７】
図９に示すように、ケーシング３００の内周には、ダイアフラム外輪３１０ａ、３１０ｂとが備えられている。このダイアフラム外輪３１０ａ、３１０ｂとダイアフラム内輪３１１ａ、３１１ｂとの間には、周方向に複数の静翼３１２ａ、３１２ｂが支持され、静翼翼列を構成している。
【０００８】
また、静翼翼列の直下流側には、タービンロータ３２０のロータディスク３２１に、周方向に複数の動翼３２２ａ、３２２ｂが植設された動翼翼列が構成されている。そして、静翼翼列とその直下流に位置する動翼翼列とによって一段のタービン段落が構成される。図９には、最終のタービン段落３３０と、それよりも一段上流のタービン段落３３１が示されている。動翼３２２ａ、３２２ｂでは、静翼３１２ａ、３１２ｂにおいて膨張された蒸気の速度エネルギを回転エネルギに変換し動力を発生する。
【０００９】
蒸気は、図９に示すように、下流に行くに伴って拡大する拡大流路に沿って膨張する。水滴は、蒸気の圧力および温度が降下し、湿り度が３〜５％程度まで非平衡膨張した際に発生する。通常の火力用蒸気タービンのおける水滴の発生は、最終のタービン段落３３０よりも一段上流のタービン段落３３１で発生する。
【００１０】
初期に形成される水滴径は、０．１μｍ〜１μｍ程度であり、下流での蒸気の膨張に伴い水滴径が増加する。その際、一部の水滴は、静翼３１２ｂや動翼３２２ｂの表面に衝突して付着するが、水滴径が比較的小さいため、タービン段落３３１における動翼３２２ｂの侵食は軽微である。
【００１１】
タービン段落３３１の動翼３２２ｂに衝突し付着した水滴は、実線で示すように、遠心力、コリオリ力を受けて外周側へ流れる。そのため、タービン段落３３０のダイアフラム外輪３１０ａの内周面には多くの水滴が付着して液膜を形成する。
【００１２】
この液膜は、ダイアフラム外輪３１０ａの内周面側に発生する蒸気の二次流れによって、静翼３１２ａの腹側から、周方向に隣接する静翼３１２ａの背側へと導かれる。そして、液膜は、背側に達した後、二次流れに乗って、静翼３１２ａの背側の外周側から内周側へ拡散され、静翼３１２ａの後縁に到達する。図９では、液膜が拡散する領域を一点鎖線のハッチングで示している。
【００１３】
静翼３１２ａの後縁に到達した液膜は、図９に示すように、後縁端より蒸気流に吹きちぎられて液滴３４０となって、蒸気流内に放出される。このときの液滴径は、数百μｍ程度に達し、直下流側の動翼３２２ａに衝突し、動翼３２２ａを侵食する。翼断面形状は、この侵食によって設計時の翼型とは異なる形状となるため、翼型損失が増加する。また、成長した液滴の速度は、蒸気流の速度よりも低下するために、液滴は、動翼３２２ａの背側より流入する。そのため、動翼３２２ａには、回転方向とは逆方向の力が作用し、タービン効率が低下する。
【００１４】
このような液膜から発達した液滴による侵食に伴う翼型損失の増加や、タービン効率の低下を抑制するために、例えば、発生した水滴を除去する水滴除去装置を備えた蒸気ターンなどが提案されている。
【００１５】
水滴除去装置として、静翼の腹側および背側にスリットを形成し、そのスリットから水滴を回収する技術などが提案されている。また、ダイアフラム外輪の内周面に、周方向に隣接する静翼間に亘ってスリットを形成し、液膜を回収する技術などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特公昭４９−９５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、従来の水滴除去装置においては、ダイアフラム外輪の内周面に設けられたスリットは、静翼間をほぼ横切るように設置されているため、液膜（水滴）と一緒に吸い込まれる蒸気の流量が過剰となり、タービン効率が低下するといった問題があった。
【００１８】
本発明が解決しようとする課題は、発生した水滴や液膜を的確に除去するとともに、タービン効率の向上を図ることができる蒸気タービンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
実施形態の蒸気ターンは、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、前記動翼翼列を囲むケーシングに設けられたダイアフラム外輪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段落を構成する静翼翼列とを備え、低圧となるタービン段落に湿り蒸気が流れる。
【００２０】
前記ダイアフラム外輪が、蒸気タービンの外部に設けられた復水器に連通する中空部を有し、前記静翼翼列における静翼間の前記ダイアフラム外輪の内周面に、静翼の背側の翼面に沿う所定の位置から、前記ダイアフラム外輪の内周面における等圧線に沿って、隣接する静翼の腹側に向かって、次の関係式を満たすように、前記ダイアフラム外輪の中空部に連通する外輪スリットが形成されている。
【００２１】
０．３≦Ｘ／Ｃｘ≦０．８、かつＳ／Ｌ≧０．５
【００２２】
ここで、Ｘは、静翼の前縁から、静翼の背側の翼面に沿う前記外輪スリットの一端までのタービンロータ軸方向の距離、Ｃｘは、前記静翼の前縁から後縁までのタービンロータ軸方向の距離、Ｓは、前記等圧線に沿う前記外輪スリットの長さ、Ｌは、静翼の背側の翼面に沿う前記外輪スリットの一端となる点に接し、前記外輪スリットが形成される静翼間に内接する円の直径である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの鉛直方向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における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの最終のタービン段落において、静翼間のダイアフラム外輪の内周面上を流れる液膜の流線を模式的示した図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の断面が示された図５のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図７】ダイアフラム外輪の内周面上における、Ｘ／Ｃｘと液膜幅との関係を示す図である。
【図８】外輪スリットの、ダイアフラム外輪の中空部への貫通方向と、ダイアフラム外輪の内周面とのなす角θと、外輪スリットを介して回収した液膜の回収流量比との関係を示す図である。
【図９】従来の低圧タービンにおける最終のタービン段落近傍の子午断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（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の鉛直方向の子午断面を示す図である。また、以下において、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。
【００２６】
図１に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング２０を備え、このケーシング２０内には、動翼２１が植設されたタービンロータ２２が貫設されている。動翼２１を周方向に複数植設して動翼翼列を構成し、この動翼翼列をタービンロータ軸方向に複数段備えている。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。
【００２７】
ケーシング２０の内周には、タービンロータ軸方向に動翼２１と交互になるように、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４に支持された静翼２５が配設されている。静翼２５を周方向に複数植設して静翼翼列を構成し、静翼翼列と直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。
【００２８】
タービンロータ２２とケーシング２０との間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２６が設けられている。
【００２９】
蒸気タービン１０には、内部に蒸気を導入するための蒸気入口管２７がケーシング２０を貫通して設けられている。
【００３０】
なお、図示しないが、最終のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気流路が設けられている。この排気流路は、復水器（図示しない）に連通されている。
【００３１】
次に、低圧となり湿り蒸気が流れるタービン段落の構成について説明する。
【００３２】
ここでは、発生した水滴や液膜を除去する機能を、最終のタービン段落に備えた一例を示す。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における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。なお、図２には、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面に形成される外輪スリット３０を含む位置での断面が示されている。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における最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【００３３】
図２および図３に示すように、静翼翼列を構成する静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａには、蒸気が凝縮することで発生した水滴や液膜などの凝縮水を回収するための外輪スリット３０が形成されている。
【００３４】
この外輪スリット３０は、図３に示すように、一端Ｅ１が、静翼２５の背側の翼面に沿う所定の位置に形成され、この一端Ｅ１から、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおける等圧線に沿って、隣接する静翼２５の腹側に向かって、次に示す式（１）かつ式（２）の関係式を満たすように形成されている。
【００３５】
０．３≦Ｘ／Ｃｘ≦０．８ …式（１）
Ｓ／Ｌ≧０．５ …式（２）
【００３６】
ここで、Ｘは、静翼２５の前縁２５ａから、静翼２５の背側の翼面に沿う外輪スリット３０の一端Ｅ１までのタービンロータ軸方向の距離である。Ｃｘは、静翼２５の前縁２５ａから後縁２５ｂまでのタービンロータ軸方向の距離である。Ｓは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおける等圧線に沿う外輪スリット３０の長さである。Ｌは、静翼２５の背側の翼面に沿う外輪スリット３０の一端Ｅ１となる点に接し、外輪スリット３０が形成される静翼２５間に内接する円の直径である。
【００３７】
Ｘ／ＣｘおよびＳ／Ｌを上記範囲とすることによって、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる液膜を的確に外輪スリット３０に導くことができ、凝縮水を効率よく回収することができる。なお、Ｓ／Ｌの最大値は、風洞試験の観察結果より水膜が存在する範囲である０．８５となる。より好ましいのは、Ｘ／Ｃｘが０．３以上０．８以下、かつＳ／Ｌが０．５以上０．８５以下の範囲である。
【００３８】
また、Ｘ／Ｃｘの範囲においてＸ／Ｃｘが増加するに伴って、Ｓ／Ｌの範囲においてＳ／Ｌが減少するように、上記した関係式（式（１）かつ式（２））が満たされることが好ましい。例えば、Ｘ／Ｃｘが０．３のときにＳ／Ｌを０．８５に設定し、Ｘ／Ｃｘの増加に伴って、Ｓ／Ｌを減少させ、Ｘ／Ｃｘが０．８のときにＳ／Ｌを０．５に設定することができる。
【００３９】
外輪スリット３０の長さＳに垂直な方向の幅Ｗは、外輪スリット３０への蒸気の流入を抑制しつつ、液膜を確実に回収するために、０．３〜３ｍｍ程度に設定することが好ましい。
【００４０】
静翼２５は、図３に示すように、中空の翼構造を有し、腹側と背側に翼スリット４０、４１が形成されている。これらの翼スリット４０、４１は、蒸気が凝縮することで発生した水滴や液膜を回収するためのものである。腹側の翼スリット４０は、後縁２５ｂ側に形成され、背側の翼スリット４１は、前縁２５ａ側に形成されている。水滴や液膜を確実に回収するため、翼スリット４０、４１を、例えば、図２に示すように、タービンロータ軸方向には互いにくい違い、かつ半径方向には重なり合う千鳥格子状に形成することができる。水滴などは、蒸気流路の外周側に向かって流されるため、翼スリット４０、４１は、静翼２５の半径方向（高さ方向）における中心よりも外周側に形成されることが好ましい。
【００４１】
例えば、静翼２５の腹側および背側に形成された翼スリット４０、４１は、それぞれ静翼面における等圧線に沿って形成され、かつそれぞれの等圧線が示す圧力が等しいことが好ましい。このように、静翼２５の腹側および背側に翼スリット４０、４１を形成することで、均等に水滴や液膜を回収でき、不均一な圧力場により発生する液滴や液膜の逆流現象を防止することができる。
【００４２】
図２に示すように、ダイアフラム外輪２３には、蒸気タービン１０の外部に設けられた復水器（図示しない）に連通する中空部５０が形成されている。この中空部５０は、中空部５１と中空部５２とから構成され、それぞれの空間は区切られ、異なる別個の空間を構成している。
【００４３】
中空部５１は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａに形成された外輪スリット３０に連通する。外輪スリット３０から中空部５１に回収された水滴や液膜は、復水器（図示しない）に導かれる。
【００４４】
中空部５２には、図２に示すように、静翼２５の半径方向の端部が挿入し、中空部５２は、静翼２５の中空部２５ｃ、すなわち静翼２５の腹側および背側に形成された翼スリット４０、４１に連通する。翼スリット４０、４１から静翼２５の中空部２５ｃを介して中空部５２に回収された水滴や液膜は、復水器（図示しない）に導かれる。
【００４５】
このように、外輪スリット３０からの水滴や液膜の回収経路と、翼スリット４０、４１からの水滴や液膜の回収経路とを独立した分離構造とすることができる。そのため、例えば、外輪スリット３０を形成するダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおける等圧線が示す圧力と、翼スリット４０、４１を形成する静翼２５の腹側および背側における等圧線が示す圧力とが異なるように、任意に構成することができる。
【００４６】
このように構成することで、外輪スリット３０、静翼２５での圧力設定の自由度を増すことができる。そのため、従来のように、静翼２５と外輪スリット３０を等圧にすることで発生していた蒸気の過剰な吸い込みを抑制することができる。これによって、タービン効率を向上させることができる。
【００４７】
ここで、外輪スリット３０は、図２に示すように、蒸気の流れの上流側に向かって開口されている。外輪スリット３０の、ダイアフラム外輪２３の中空部５１への貫通方向と、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａとのなす角θは、３０〜６０度に設定されることが好ましい。
【００４８】
この範囲に角θを設定することで、外輪スリット３０の内周面２３ａに発生した液膜の回収率を向上することができる。また、角θが６０度を超えると、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａから中空部５１へ至るまでの外輪スリット３０の長さが長くなり、圧力損失が増加する。角θのより好ましい範囲は、３０〜４５度である。
【００４９】
ここで、蒸気タービン１０の動作について説明する。
【００５０】
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の最終のタービン段落において、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる液膜の流線を模式的示した図である。なお、図４では、外輪スリット３０の内周面２３ａ上を流れる液膜の流線を実線の矢印で示し、内周面２３ａ上における等圧線を破線で示している。
【００５１】
蒸気入口管２７を経て蒸気タービン１０内に流入した蒸気は、各タービン段落の静翼２５、動翼２１を備える、徐々に拡大する蒸気流路を膨張仕事をしながら通過し、タービンロータ２２を回転させる。
【００５２】
蒸気は、下流に行くに伴って、圧力および温度が低下する。例えば、蒸気の圧力および温度が低下し、湿り度が３〜５％程度まで非平衡膨張すると水滴が発生する。通常の火力発電用の蒸気タービンでは、水滴は、最終のタービン段落よりも１段落上流のタービン段落で発生する。
【００５３】
初期に形成される水滴径は、０．１μｍ〜１μｍ程度であり、下流での蒸気の膨張に伴い水滴径が増加する。その際、一部の水滴は、静翼２５や動翼２１の表面に衝突して付着する。最終のタービン段落よりも１段落上流のタービン段落の動翼２１に衝突し付着した水滴は、遠心力、コリオリ力を受けて外周側へ流れる。そのため、最終のタービン段落のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａには多くの水滴が付着して液膜を形成する。
【００５４】
図４に示すように、静翼２５の入口側から流入した液膜の流れは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れているために、静翼２５間を流れる蒸気の流れに流引される。ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの近傍を流れる蒸気は、境界層を形成して流速が遅くなり、静翼２５間の圧力差とバランスするために、静翼２５間の流路の曲率に対して流れの曲率が小さくなる。
【００５５】
その結果、蒸気の流れは、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かって流れ、背側の翼面に到達すると渦流となって下流側へ流出する。液膜も、蒸気の流れに追従し、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かって流れる。そして、静翼２５の入口側の内周面２３ａ上に存在する液膜は、図４に示すように、下流側に行くに伴い集合し、隣接する静翼２５の背側へ流れる。そして、集合した液膜は、外輪スリット３０を介して中空部５１に回収され、復水器（図示しない）に導かれる。
【００５６】
外輪スリット３０の長さＳは、集合する液膜の幅に対応するように構成されているため、液膜の回収率に優れるとともに、蒸気の回収を抑制することができる。そのため、液膜から発達した液滴による動翼２１の侵食に伴う翼型損失の増加や、蒸気が回収されることに伴うタービン効率の低下を抑制することができる。
【００５７】
一方、最終のタービン段落における静翼２５に付着した水滴や流動する水滴は、静翼２５の腹側および背側に形成された翼スリット４０、４１を介して中空部５２に回収され、復水器（図示しない）に導かれる。このように、静翼２５に翼スリット４０、４１を備えることで、水滴が下流の動翼２１側へ流出するのを抑制することができ、これによっても、動翼２１の侵食に伴う翼型損失の増加を抑制することができる。
【００５８】
最終のタービン段落を通過した蒸気は、最終のタービン段落の下流に設けられた排気流路（図示しない）を通過し、復水器（図示しない）に導かれる。
【００５９】
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、例えば、最終のタービン段落の静翼翼列において、水滴や液膜を的確に除去することができる。そのため、動翼２１の侵食に伴う翼型損失の増加を抑制しつつ、タービン効率の向上を図ることができる。
【００６０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン１１は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの構成以外は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの構成について主に説明する。
【００６１】
図５は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１１における最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。図６は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１１における最終のタービン段落の断面が示された図５のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【００６２】
図５および図６に示すように、外輪スリット３０が形成されたダイアフラム外輪２３の内周面２３ａに、静翼２５間の上流側から外輪スリット３０に連通する凹状の溝６０が形成されている。この溝６０は、前述したダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる液膜の流線（図４参照）に沿って形成されることが好ましい。溝６０は、少なくとも１つ形成されていれば、本実施の形態に係る作用効果が得られ、図５および図６に示すように、複数形成されてもよい。
【００６３】
このように溝６０を備えることで、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を、蒸気の流れに追従して、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かう液膜の流れは、溝６０内またはその表面を外輪スリット３０に向かって流れる。これによって、液膜の流れを確実に外輪スリット３０に導くことができる。
【００６４】
第２の実施の形態の蒸気タービン１１によれば、液膜から発達した液滴による動翼２１の侵食に伴う翼型損失の増加や、蒸気が回収されることに伴うタービン効率の低下を抑制することができる。
【００６５】
（Ｘ／ＣｘとＱ／Ｌとの関係）
図７は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上における、Ｘ／Ｃｘと液膜幅との関係を示す図である。なお、図７には、風洞試験における結果が示され、この試験は、外輪スリット３０を形成しない状態で行った。
【００６６】
風洞試験では、静翼２５の上流側から静翼２５間の幅に相当する液膜幅Ｑを有する液膜をダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上に形成し、Ｘ／Ｃｘで定められる、静翼２５の背側の翼面に沿う点からの等圧線に沿う液膜幅Ｑを計測している。図７の縦軸に示されたＱ／Ｌは、計測された液膜幅Ｑを、前述した直径Ｌ（静翼２５の背側の翼面に沿う外輪スリット３０の一端Ｅ１となる点に接し、外輪スリット３０が形成される静翼２５間に内接する円の直径）で除したものである。
【００６７】
図７に示すように、液膜は、静翼２５の先端部では、静翼２５間に亘って存在している。下流側に行くに伴い、すなわちＸ／Ｃｘの増加に伴い、二次流れの影響によって、液膜が静翼２５の翼腹から隣接する静翼２５の背側へ移動し、液膜幅Ｑが減少している。
【００６８】
ここで、外輪スリット３０の長さＳを液膜幅Ｑと同程度とすることで、外輪スリット３０を介して液膜を的確に回収することができる。本実施の形態では、式（１）かつ式（２）の関係を満たすように外輪スリット３０が形成され、Ｘ／Ｃｘが０．３以上０．８以下の範囲において、Ｓ／Ｌを０．５以上となるように設定しているため、外輪スリット３０を介して液膜を的確に回収できることがわかる。
【００６９】
また、Ｘ／Ｃｘの範囲においてＸ／Ｃｘが増加するに伴って、Ｓ／Ｌの範囲においてＳ／Ｌが減少するように、式（１）かつ式（２）の関係を満たすように、外輪スリット３０を形成することで、Ｘ／Ｃｘの増加に伴う液膜幅Ｑの減少に対応した、好適な外輪スリット３０を構成できることがわかる。
【００７０】
（角θと回収流量比との関係）
図８は、外輪スリット３０の、ダイアフラム外輪２３の中空部５１への貫通方向と、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａとのなす角θと、外輪スリット３０を介して回収した液膜の回収流量比との関係を示す図である。なお、図８には、風洞試験における結果が示されている。
【００７１】
風洞試験では、静翼２５の上流側から流量Ｇ０の水を供給してダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上に液膜を形成し、角θを変化させて、外輪スリット３０を介して回収された回収流量Ｇ１を計測した。ここでは、Ｘ／Ｃｘを０．８とし、これによって定められる、静翼２５の背側の翼面に沿う外輪スリット３０の一端Ｅ１から等圧線に沿って設けた外輪スリット３０を備える構成とした。また、Ｓ／Ｌを０．７とし、外輪スリット３０の幅Ｗを１ｍｍとした。
【００７２】
なお、図８の縦軸に示された回収流量比は、供給された流量Ｇ０に対する回収流量Ｇ１の比（Ｇ１／Ｇ０）である。
【００７３】
図８に示すように、角θが３０〜６０度における回収流量比は、０．９５を超えており、良好な回収率であることがわかる。
【００７４】
以上説明した実施形態によれば、発生した水滴や液膜を的確に除去するとともに、タービン効率の向上を図ることが可能となる。
【００７５】
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】
【００７６】
１０，１１…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１…動翼、２２…タービンロータ、２３…ダイアフラム外輪、２３ａ…内周面、２４…ダイアフラム内輪、２５…静翼、２５ａ…前縁、２５ｂ…後縁、２５ｃ，５０，５１，５２…中空部、２６…グランドシール部、２７…蒸気入口管、３０…外輪スリット、４０，４１…翼スリット、６０…溝。
【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】
蒸気タービンは、火力プラント、ガスタービンと組み合わせたコンバインドサイクルプラント、原子力プラント、さらには、再生可能エネルギを利用した地熱発電プラント、太陽熱発電プラントに広く適用されている。蒸気タービンにおける性能および信頼を向上させることは、ＣＯ２排出の削減やエネルギ消費の削減へ大きく寄与する。
【０００３】
原子力用蒸気タービン、地熱用蒸気タービンの大部分の段落あるいは火力用蒸気タービンの低圧タービンの段落では、作動流体である蒸気の一部が凝縮して液化する。液化した蒸気の一部は、静翼の翼面、ダイアフラム外輪の壁面に付着して水膜を形成し、静翼の後縁部やダイアフラム外輪の壁面から吹き千切れて液滴となる。この液滴は、下流側の動翼に衝突し、動翼の一部を侵食する。
【０００４】
このような現象は、特に、蒸気圧力や温度が低下した、湿り度が高い最終のタービン段落の近傍で生じる。この現象は、経年的に信頼性の低下を招き、タービン効率を低下させ、ＣＯ２排出量を増加させる。
【０００５】
一般的な火力プラントに備えられる低圧タービンにおける最終のタービン段落の近傍における蒸気などの流動について説明する。
【０００６】
図９は、従来の低圧タービンにおける最終のタービン段落近傍の子午断面を示す図である。なお、図９において、破線は蒸気の流線を示し、実線は発生した水滴の流線を示している。
【０００７】
図９に示すように、ケーシング３００の内周には、ダイアフラム外輪３１０ａ、３１０ｂとが備えられている。このダイアフラム外輪３１０ａ、３１０ｂとダイアフラム内輪３１１ａ、３１１ｂとの間には、周方向に複数の静翼３１２ａ、３１２ｂが支持され、静翼翼列を構成している。
【０００８】
また、静翼翼列の直下流側には、タービンロータ３２０のロータディスク３２１に、周方向に複数の動翼３２２ａ、３２２ｂが植設された動翼翼列が構成されている。そして、静翼翼列とその直下流に位置する動翼翼列とによって一段のタービン段落が構成される。図９には、最終のタービン段落３３０と、それよりも一段上流のタービン段落３３１が示されている。動翼３２２ａ、３２２ｂでは、静翼３１２ａ、３１２ｂにおいて膨張された蒸気の速度エネルギを回転エネルギに変換し動力を発生する。
【０００９】
蒸気は、図９に示すように、下流に行くに伴って拡大する拡大流路に沿って膨張する。水滴は、蒸気の圧力および温度が降下し、湿り度が３〜５％程度まで非平衡膨張した際に発生する。通常の火力用蒸気タービンのおける水滴の発生は、最終のタービン段落３３０よりも一段上流のタービン段落３３１で発生する。
【００１０】
初期に形成される水滴径は、０．１μｍ〜１μｍ程度であり、下流での蒸気の膨張に伴い水滴径が増加する。その際、一部の水滴は、静翼３１２ｂや動翼３２２ｂの表面に衝突して付着するが、水滴径が比較的小さいため、タービン段落３３１における動翼３２２ｂの侵食は軽微である。
【００１１】
タービン段落３３１の動翼３２２ｂに衝突し付着した水滴は、実線で示すように、遠心力、コリオリ力を受けて外周側へ流れる。そのため、タービン段落３３０のダイアフラム外輪３１０ａの内周面には多くの水滴が付着して液膜を形成する。
【００１２】
この液膜は、ダイアフラム外輪３１０ａの内周面側に発生する蒸気の二次流れによって、静翼３１２ａの腹側から、周方向に隣接する静翼３１２ａの背側へと導かれる。そして、液膜は、背側に達した後、二次流れに乗って、静翼３１２ａの背側の外周側から内周側へ拡散され、静翼３１２ａの後縁に到達する。図９では、液膜が拡散する領域を一点鎖線のハッチングで示している。
【００１３】
静翼３１２ａの後縁に到達した液膜は、図９に示すように、後縁端より蒸気流に吹きちぎられて液滴３４０となって、蒸気流内に放出される。このときの液滴径は、数百μｍ程度に達し、直下流側の動翼３２２ａに衝突し、動翼３２２ａを侵食する。翼断面形状は、この侵食によって設計時の翼型とは異なる形状となるため、翼型損失が増加する。また、成長した液滴の速度は、蒸気流の速度よりも低下するために、液滴は、動翼３２２ａの背側より流入する。そのため、動翼３２２ａには、回転方向とは逆方向の力が作用し、タービン効率が低下する。
【００１４】
このような液膜から発達した液滴による侵食に伴う翼型損失の増加や、タービン効率の低下を抑制するために、例えば、発生した水滴を除去する水滴除去装置を備えた蒸気ターンなどが提案されている。
【００１５】
水滴除去装置として、静翼の腹側および背側にスリットを形成し、そのスリットから水滴を回収する技術などが提案されている。また、ダイアフラム外輪の内周面に、周方向に隣接する静翼間に亘ってスリットを形成し、液膜を回収する技術などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特公昭４９−９５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、従来の水滴除去装置においては、ダイアフラム外輪の内周面に設けられたスリットは、静翼間をほぼ横切るように設置されているため、液膜（水滴）と一緒に吸い込まれる蒸気の流量が過剰となり、タービン効率が低下するといった問題があった。
【００１８】
本発明が解決しようとする課題は、発生した水滴や液膜を的確に除去するとともに、タービン効率の向上を図ることができる蒸気タービンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
実施形態の蒸気ターンは、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、前記動翼翼列を囲むケーシングに設けられたダイアフラム外輪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段落を構成する静翼翼列とを備え、低圧となるタービン段落に湿り蒸気が流れる。
【００２０】
前記ダイアフラム外輪が、蒸気タービンの外部に設けられた復水器に連通する中空部を有し、前記静翼翼列における静翼間の前記ダイアフラム外輪の内周面に、静翼の背側の翼面に沿う所定の位置から、前記ダイアフラム外輪の内周面における等圧線に沿って、隣接する静翼の腹側に向かって、次の関係式を満たすように、前記ダイアフラム外輪の中空部に連通する外輪スリットが形成されている。
【００２１】
０．３≦Ｘ／Ｃｘ≦０．８、かつＳ／Ｌ≧０．５
【００２２】
ここで、Ｘは、静翼の前縁から、静翼の背側の翼面に沿う前記外輪スリットの一端までのタービンロータ軸方向の距離、Ｃｘは、前記静翼の前縁から後縁までのタービンロータ軸方向の距離、Ｓは、前記等圧線に沿う前記外輪スリットの長さ、Ｌは、静翼の背側の翼面に沿う前記外輪スリットの一端となる点に接し、前記外輪スリットが形成される静翼間に内接する円の直径である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの鉛直方向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における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の蒸気タービンの最終のタービン段落において、静翼間のダイアフラム外輪の内周面上を流れる液膜の流線を模式的示した図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービンにおける最終のタービン段落の断面が示された図５のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図７】ダイアフラム外輪の内周面上における、Ｘ／Ｃｘと液膜幅との関係を示す図である。
【図８】外輪スリットの、ダイアフラム外輪の中空部への貫通方向と、ダイアフラム外輪の内周面とのなす角θと、外輪スリットを介して回収した液膜の回収流量比との関係を示す図である。
【図９】従来の低圧タービンにおける最終のタービン段落近傍の子午断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（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の鉛直方向の子午断面を示す図である。また、以下において、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。
【００２６】
図１に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング２０を備え、このケーシング２０内には、動翼２１が植設されたタービンロータ２２が貫設されている。動翼２１を周方向に複数植設して動翼翼列を構成し、この動翼翼列をタービンロータ軸方向に複数段備えている。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。
【００２７】
ケーシング２０の内周には、タービンロータ軸方向に動翼２１と交互になるように、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４に支持された静翼２５が配設されている。静翼２５を周方向に複数植設して静翼翼列を構成し、静翼翼列と直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。
【００２８】
タービンロータ２２とケーシング２０との間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２６が設けられている。
【００２９】
蒸気タービン１０には、内部に蒸気を導入するための蒸気入口管２７がケーシング２０を貫通して設けられている。
【００３０】
なお、図示しないが、最終のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気流路が設けられている。この排気流路は、復水器（図示しない）に連通されている。
【００３１】
次に、低圧となり湿り蒸気が流れるタービン段落の構成について説明する。
【００３２】
ここでは、発生した水滴や液膜を除去する機能を、最終のタービン段落に備えた一例を示す。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における最終のタービン段落の一部の断面を示した図である。なお、図２には、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面に形成される外輪スリット３０を含む位置での断面が示されている。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における最終のタービン段落の一部が示された図２のＡ−Ａ断面を示す図である。
【００３３】
図２および図３に示すように、静翼翼列を構成する静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａには、蒸気が凝縮することで発生した水滴や液膜などの凝縮水を回収するための外輪スリット３０が形成されている。
【００３４】
この外輪スリット３０は、図３に示すように、一端Ｅ１が、静翼２５の背側の翼面に沿う所定の位置に形成され、この一端Ｅ１から、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおける等圧線に沿って、隣接する静翼２５の腹側に向かって、次に示す式（１）かつ式（２）の関係式を満たすように形成されている。
【００３５】
０．３≦Ｘ／Ｃｘ≦０．８ …式（１）
Ｓ／Ｌ≧０．５ …式（２）
【００３６】
ここで、Ｘは、静翼２５の前縁２５ａから、静翼２５の背側の翼面に沿う外輪スリット３０の一端Ｅ１までのタービンロータ軸方向の距離である。Ｃｘは、静翼２５の前縁２５ａから後縁２５ｂまでのタービンロータ軸方向の距離である。Ｓは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおける等圧線に沿う外輪スリット３０の長さである。Ｌは、静翼２５の背側の翼面に沿う外輪スリット３０の一端Ｅ１となる点に接し、外輪スリット３０が形成される静翼２５間に内接する円の直径である。
【００３７】
Ｘ／ＣｘおよびＳ／Ｌを上記範囲とすることによって、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる液膜を的確に外輪スリット３０に導くことができ、凝縮水を効率よく回収することができる。なお、Ｓ／Ｌの最大値は、風洞試験の観察結果より水膜が存在する範囲である０．８５となる。より好ましいのは、Ｘ／Ｃｘが０．３以上０．８以下、かつＳ／Ｌが０．５以上０．８５以下の範囲である。
【００３８】
また、Ｘ／Ｃｘの範囲においてＸ／Ｃｘが増加するに伴って、Ｓ／Ｌの範囲においてＳ／Ｌが減少するように、上記した関係式（式（１）かつ式（２））が満たされることが好ましい。例えば、Ｘ／Ｃｘが０．３のときにＳ／Ｌを０．８５に設定し、Ｘ／Ｃｘの増加に伴って、Ｓ／Ｌを減少させ、Ｘ／Ｃｘが０．８のときにＳ／Ｌを０．５に設定することができる。
【００３９】
外輪スリット３０の長さＳに垂直な方向の幅Ｗは、外輪スリット３０への蒸気の流入を抑制しつつ、液膜を確実に回収するために、０．３〜３ｍｍ程度に設定することが好ましい。
【００４０】
静翼２５は、図３に示すように、中空の翼構造を有し、腹側と背側に翼スリット４０、４１が形成されている。これらの翼スリット４０、４１は、蒸気が凝縮することで発生した水滴や液膜を回収するためのものである。腹側の翼スリット４０は、後縁２５ｂ側に形成され、背側の翼スリット４１は、前縁２５ａ側に形成されている。水滴や液膜を確実に回収するため、翼スリット４０、４１を、例えば、図２に示すように、タービンロータ軸方向には互いにくい違い、かつ半径方向には重なり合う千鳥格子状に形成することができる。水滴などは、蒸気流路の外周側に向かって流されるため、翼スリット４０、４１は、静翼２５の半径方向（高さ方向）における中心よりも外周側に形成されることが好ましい。
【００４１】
例えば、静翼２５の腹側および背側に形成された翼スリット４０、４１は、それぞれ静翼面における等圧線に沿って形成され、かつそれぞれの等圧線が示す圧力が等しいことが好ましい。このように、静翼２５の腹側および背側に翼スリット４０、４１を形成することで、均等に水滴や液膜を回収でき、不均一な圧力場により発生する液滴や液膜の逆流現象を防止することができる。
【００４２】
図２に示すように、ダイアフラム外輪２３には、蒸気タービン１０の外部に設けられた復水器（図示しない）に連通する中空部５０が形成されている。この中空部５０は、中空部５１と中空部５２とから構成され、それぞれの空間は区切られ、異なる別個の空間を構成している。
【００４３】
中空部５１は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａに形成された外輪スリット３０に連通する。外輪スリット３０から中空部５１に回収された水滴や液膜は、復水器（図示しない）に導かれる。
【００４４】
中空部５２には、図２に示すように、静翼２５の半径方向の端部が挿入し、中空部５２は、静翼２５の中空部２５ｃ、すなわち静翼２５の腹側および背側に形成された翼スリット４０、４１に連通する。翼スリット４０、４１から静翼２５の中空部２５ｃを介して中空部５２に回収された水滴や液膜は、復水器（図示しない）に導かれる。
【００４５】
このように、外輪スリット３０からの水滴や液膜の回収経路と、翼スリット４０、４１からの水滴や液膜の回収経路とを独立した分離構造とすることができる。そのため、例えば、外輪スリット３０を形成するダイアフラム外輪２３の内周面２３ａにおける等圧線が示す圧力と、翼スリット４０、４１を形成する静翼２５の腹側および背側における等圧線が示す圧力とが異なるように、任意に構成することができる。
【００４６】
このように構成することで、外輪スリット３０、静翼２５での圧力設定の自由度を増すことができる。そのため、従来のように、静翼２５と外輪スリット３０を等圧にすることで発生していた蒸気の過剰な吸い込みを抑制することができる。これによって、タービン効率を向上させることができる。
【００４７】
ここで、外輪スリット３０は、図２に示すように、蒸気の流れの上流側に向かって開口されている。外輪スリット３０の、ダイアフラム外輪２３の中空部５１への貫通方向と、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａとのなす角θは、３０〜６０度に設定されることが好ましい。
【００４８】
この範囲に角θを設定することで、外輪スリット３０の内周面２３ａに発生した液膜の回収率を向上することができる。また、角θが６０度を超えると、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａから中空部５１へ至るまでの外輪スリット３０の長さが長くなり、圧力損失が増加する。角θのより好ましい範囲は、３０〜４５度である。
【００４９】
ここで、蒸気タービン１０の動作について説明する。
【００５０】
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の最終のタービン段落において、静翼２５間のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる液膜の流線を模式的示した図である。なお、図４では、外輪スリット３０の内周面２３ａ上を流れる液膜の流線を実線の矢印で示し、内周面２３ａ上における等圧線を破線で示している。
【００５１】
蒸気入口管２７を経て蒸気タービン１０内に流入した蒸気は、各タービン段落の静翼２５、動翼２１を備える、徐々に拡大する蒸気流路を膨張仕事をしながら通過し、タービンロータ２２を回転させる。
【００５２】
蒸気は、下流に行くに伴って、圧力および温度が低下する。例えば、蒸気の圧力および温度が低下し、湿り度が３〜５％程度まで非平衡膨張すると水滴が発生する。通常の火力発電用の蒸気タービンでは、水滴は、最終のタービン段落よりも１段落上流のタービン段落で発生する。
【００５３】
初期に形成される水滴径は、０．１μｍ〜１μｍ程度であり、下流での蒸気の膨張に伴い水滴径が増加する。その際、一部の水滴は、静翼２５や動翼２１の表面に衝突して付着する。最終のタービン段落よりも１段落上流のタービン段落の動翼２１に衝突し付着した水滴は、遠心力、コリオリ力を受けて外周側へ流れる。そのため、最終のタービン段落のダイアフラム外輪２３の内周面２３ａには多くの水滴が付着して液膜を形成する。
【００５４】
図４に示すように、静翼２５の入口側から流入した液膜の流れは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れているために、静翼２５間を流れる蒸気の流れに流引される。ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの近傍を流れる蒸気は、境界層を形成して流速が遅くなり、静翼２５間の圧力差とバランスするために、静翼２５間の流路の曲率に対して流れの曲率が小さくなる。
【００５５】
その結果、蒸気の流れは、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かって流れ、背側の翼面に到達すると渦流となって下流側へ流出する。液膜も、蒸気の流れに追従し、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かって流れる。そして、静翼２５の入口側の内周面２３ａ上に存在する液膜は、図４に示すように、下流側に行くに伴い集合し、隣接する静翼２５の背側へ流れる。そして、集合した液膜は、外輪スリット３０を介して中空部５１に回収され、復水器（図示しない）に導かれる。
【００５６】
外輪スリット３０の長さＳは、集合する液膜の幅に対応するように構成されているため、液膜の回収率に優れるとともに、蒸気の回収を抑制することができる。そのため、液膜から発達した液滴による動翼２１の侵食に伴う翼型損失の増加や、蒸気が回収されることに伴うタービン効率の低下を抑制することができる。
【００５７】
一方、最終のタービン段落における静翼２５に付着した水滴や流動する水滴は、静翼２５の腹側および背側に形成された翼スリット４０、４１を介して中空部５２に回収され、復水器（図示しない）に導かれる。このように、静翼２５に翼スリット４０、４１を備えることで、水滴が下流の動翼２１側へ流出するのを抑制することができ、これによっても、動翼２１の侵食に伴う翼型損失の増加を抑制することができる。
【００５８】
最終のタービン段落を通過した蒸気は、最終のタービン段落の下流に設けられた排気流路（図示しない）を通過し、復水器（図示しない）に導かれる。
【００５９】
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、例えば、最終のタービン段落の静翼翼列において、水滴や液膜を的確に除去することができる。そのため、動翼２１の侵食に伴う翼型損失の増加を抑制しつつ、タービン効率の向上を図ることができる。
【００６０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン１１は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの構成以外は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるため、ここでは、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａの構成について主に説明する。
【００６１】
図５は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１１における最終のタービン段落の一部が示された断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。図６は、本発明に係る第２の実施の形態の蒸気タービン１１における最終のタービン段落の断面が示された図５のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【００６２】
図５および図６に示すように、外輪スリット３０が形成されたダイアフラム外輪２３の内周面２３ａに、静翼２５間の上流側から外輪スリット３０に連通する凹状の溝６０が形成されている。この溝６０は、前述したダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を流れる液膜の流線（図４参照）に沿って形成されることが好ましい。溝６０は、少なくとも１つ形成されていれば、本実施の形態に係る作用効果が得られ、図５および図６に示すように、複数形成されてもよい。
【００６３】
このように溝６０を備えることで、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上を、蒸気の流れに追従して、静翼２５の腹側から、隣接する静翼２５の背側へ向かう液膜の流れは、溝６０内またはその表面を外輪スリット３０に向かって流れる。これによって、液膜の流れを確実に外輪スリット３０に導くことができる。
【００６４】
第２の実施の形態の蒸気タービン１１によれば、液膜から発達した液滴による動翼２１の侵食に伴う翼型損失の増加や、蒸気が回収されることに伴うタービン効率の低下を抑制することができる。
【００６５】
（Ｘ／ＣｘとＱ／Ｌとの関係）
図７は、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上における、Ｘ／Ｃｘと液膜幅との関係を示す図である。なお、図７には、風洞試験における結果が示され、この試験は、外輪スリット３０を形成しない状態で行った。
【００６６】
風洞試験では、静翼２５の上流側から静翼２５間の幅に相当する液膜幅Ｑを有する液膜をダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上に形成し、Ｘ／Ｃｘで定められる、静翼２５の背側の翼面に沿う点からの等圧線に沿う液膜幅Ｑを計測している。図７の縦軸に示されたＱ／Ｌは、計測された液膜幅Ｑを、前述した直径Ｌ（静翼２５の背側の翼面に沿う外輪スリット３０の一端Ｅ１となる点に接し、外輪スリット３０が形成される静翼２５間に内接する円の直径）で除したものである。
【００６７】
図７に示すように、液膜は、静翼２５の先端部では、静翼２５間に亘って存在している。下流側に行くに伴い、すなわちＸ／Ｃｘの増加に伴い、二次流れの影響によって、液膜が静翼２５の翼腹から隣接する静翼２５の背側へ移動し、液膜幅Ｑが減少している。
【００６８】
ここで、外輪スリット３０の長さＳを液膜幅Ｑと同程度とすることで、外輪スリット３０を介して液膜を的確に回収することができる。本実施の形態では、式（１）かつ式（２）の関係を満たすように外輪スリット３０が形成され、Ｘ／Ｃｘが０．３以上０．８以下の範囲において、Ｓ／Ｌを０．５以上となるように設定しているため、外輪スリット３０を介して液膜を的確に回収できることがわかる。
【００６９】
また、Ｘ／Ｃｘの範囲においてＸ／Ｃｘが増加するに伴って、Ｓ／Ｌの範囲においてＳ／Ｌが減少するように、式（１）かつ式（２）の関係を満たすように、外輪スリット３０を形成することで、Ｘ／Ｃｘの増加に伴う液膜幅Ｑの減少に対応した、好適な外輪スリット３０を構成できることがわかる。
【００７０】
（角θと回収流量比との関係）
図８は、外輪スリット３０の、ダイアフラム外輪２３の中空部５１への貫通方向と、ダイアフラム外輪２３の内周面２３ａとのなす角θと、外輪スリット３０を介して回収した液膜の回収流量比との関係を示す図である。なお、図８には、風洞試験における結果が示されている。
【００７１】
風洞試験では、静翼２５の上流側から流量Ｇ０の水を供給してダイアフラム外輪２３の内周面２３ａ上に液膜を形成し、角θを変化させて、外輪スリット３０を介して回収された回収流量Ｇ１を計測した。ここでは、Ｘ／Ｃｘを０．８とし、これによって定められる、静翼２５の背側の翼面に沿う外輪スリット３０の一端Ｅ１から等圧線に沿って設けた外輪スリット３０を備える構成とした。また、Ｓ／Ｌを０．７とし、外輪スリット３０の幅Ｗを１ｍｍとした。
【００７２】
なお、図８の縦軸に示された回収流量比は、供給された流量Ｇ０に対する回収流量Ｇ１の比（Ｇ１／Ｇ０）である。
【００７３】
図８に示すように、角θが３０〜６０度における回収流量比は、０．９５を超えており、良好な回収率であることがわかる。
【００７４】
以上説明した実施形態によれば、発生した水滴や液膜を的確に除去するとともに、タービン効率の向上を図ることが可能となる。
【００７５】
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】
【００７６】
１０，１１…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１…動翼、２２…タービンロータ、２３…ダイアフラム外輪、２３ａ…内周面、２４…ダイアフラム内輪、２５…静翼、２５ａ…前縁、２５ｂ…後縁、２５ｃ，５０，５１，５２…中空部、２６…グランドシール部、２７…蒸気入口管、３０…外輪スリット、４０，４１…翼スリット、６０…溝。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記動翼翼列を囲むケーシングに設けられたダイアフラム外輪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段落を構成する静翼翼列とを備え、低圧となるタービン段落に湿り蒸気が流れる蒸気タービンであって、
前記ダイアフラム外輪が、蒸気タービンの外部に設けられた復水器に連通する中空部を有し、
前記静翼翼列における静翼間の前記ダイアフラム外輪の内周面に、静翼の背側の翼面に沿う所定の位置から、前記ダイアフラム外輪の内周面における等圧線に沿って、隣接する静翼の腹側に向かって、次の関係式を満たすように、前記ダイアフラム外輪の中空部に連通する外輪スリットが形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
０．３≦Ｘ／Ｃｘ≦０．８、かつＳ／Ｌ≧０．５
ここで、Ｘは、静翼の前縁から、静翼の背側の翼面に沿う前記外輪スリットの一端までのタービンロータ軸方向の距離、Ｃｘは、前記静翼の前縁から後縁までのタービンロータ軸方向の距離、Ｓは、前記等圧線に沿う前記外輪スリットの長さ、Ｌは、静翼の背側の翼面に沿う前記外輪スリットの一端となる点に接し、前記外輪スリットが形成される静翼間に内接する円の直径である。
【請求項２】
前記Ｘ／Ｃｘの範囲において前記Ｘ／Ｃｘが増加するに伴って、前記Ｓ／Ｌの範囲において前記Ｓ／Ｌが減少するように前記関係式が満たされ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】
静翼が中空の翼構造を有し、背側と腹側に翼スリットが形成され、静翼の中空部が、前記外輪スリットと連通する中空部とは区切られた異なる前記ダイアフラム外輪の中空部を介して、前記復水器に連通す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。
【請求項４】
静翼の背側および腹側に形成された前記翼スリットは、それぞれ静翼面における等圧線に沿って形成され、かつそれぞれの等圧線が示す圧力が等しい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】
前記翼スリットが形成された静翼の背側および腹側における等圧線が示す圧力と、前記外輪スリットが形成された前記ダイアフラム外輪の内周面における等圧線が示す圧力とが異な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】
前記外輪スリットが形成された前記ダイアフラム外輪が、湿り蒸気が流れるタービン段落に備えられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項７】
前記ダイアフラム外輪に形成された前記外輪スリットは、蒸気の流れの上流側に向かって開口され、前記外輪スリットの、前記ダイアフラム外輪の中空部への貫通方向と、前記ダイアフラム外輪の内周面とのなす角が３０〜６０度であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記外輪スリットが形成された前記ダイアフラム外輪の内周面に、静翼間の上流側から前記外輪スリットに連通する少なくとも１つの凹状の溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項１】
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、前記動翼翼列を囲むケーシングに設けられたダイアフラム外輪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段落を構成する静翼翼列とを備え、低圧となるタービン段落に湿り蒸気が流れる蒸気タービンであって、
前記ダイアフラム外輪が、蒸気タービンの外部に設けられた復水器に連通する中空部を有し、
前記静翼翼列における静翼間の前記ダイアフラム外輪の内周面に、静翼の背側の翼面に沿う所定の位置から、前記ダイアフラム外輪の内周面における等圧線に沿って、隣接する静翼の腹側に向かって、次の関係式を満たすように、前記ダイアフラム外輪の中空部に連通する外輪スリットが形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
０．３≦Ｘ／Ｃｘ≦０．８、かつＳ／Ｌ≧０．５
ここで、Ｘは、静翼の前縁から、静翼の背側の翼面に沿う前記外輪スリットの一端までのタービンロータ軸方向の距離、Ｃｘは、前記静翼の前縁から後縁までのタービンロータ軸方向の距離、Ｓは、前記等圧線に沿う前記外輪スリットの長さ、Ｌは、静翼の背側の翼面に沿う前記外輪スリットの一端となる点に接し、前記外輪スリットが形成される静翼間に内接する円の直径である。
【請求項２】
前記Ｘ／Ｃｘの範囲において前記Ｘ／Ｃｘが増加するに伴って、前記Ｓ／Ｌの範囲において前記Ｓ／Ｌが減少するように前記関係式が満たされ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】
静翼が中空の翼構造を有し、背側と腹側に翼スリットが形成され、静翼の中空部が、前記外輪スリットと連通する中空部とは区切られた異なる前記ダイアフラム外輪の中空部を介して、前記復水器に連通す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。
【請求項４】
静翼の背側および腹側に形成された前記翼スリットは、それぞれ静翼面における等圧線に沿って形成され、かつそれぞれの等圧線が示す圧力が等しい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】
前記翼スリットが形成された静翼の背側および腹側における等圧線が示す圧力と、前記外輪スリットが形成された前記ダイアフラム外輪の内周面における等圧線が示す圧力とが異な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】
前記外輪スリットが形成された前記ダイアフラム外輪が、湿り蒸気が流れるタービン段落に備えられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項７】
前記ダイアフラム外輪に形成された前記外輪スリットは、蒸気の流れの上流側に向かって開口され、前記外輪スリットの、前記ダイアフラム外輪の中空部への貫通方向と、前記ダイアフラム外輪の内周面とのなす角が３０〜６０度であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記外輪スリットが形成された前記ダイアフラム外輪の内周面に、静翼間の上流側から前記外輪スリットに連通する少なくとも１つの凹状の溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４１６０７（Ｐ２０１２−２４１６０７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２０７４（Ｐ２０１１−１１２０７４）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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