蒸気タービン
【課題】冷却する構成部品に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制し、的確に冷却を行う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、タービンロータ構成部材４０、５０を軸方向に接合して構成されたタービンロータを備える。タービンロータ構成部材４０は、ロータ胴部４１と、ロータ胴部４１の接合端面４２の中心部に形成された窪み部４３と、ロータ胴部の軸中心に形成され、一端が窪み部４３に連通する中心貫通孔４４と、ロータ胴部４１の外周面に開口を有し、中心貫通孔４４に連通する冷却蒸気導入孔４５とを備える。タービンロータ構成部材５０は、外周面の周方向に形成されたホイール部５４を備えるロータ胴部５１と、ロータ胴部５１の接合端面５２の中心部に形成された窪み部５３と、ロータ胴部５１の外周面に開口を有し、窪み部５３に連通する冷却蒸気噴出孔５５とを備える。
【解決手段】実施形態の蒸気タービン１０は、タービンロータ構成部材４０、５０を軸方向に接合して構成されたタービンロータを備える。タービンロータ構成部材４０は、ロータ胴部４１と、ロータ胴部４１の接合端面４２の中心部に形成された窪み部４３と、ロータ胴部の軸中心に形成され、一端が窪み部４３に連通する中心貫通孔４４と、ロータ胴部４１の外周面に開口を有し、中心貫通孔４４に連通する冷却蒸気導入孔４５とを備える。タービンロータ構成部材５０は、外周面の周方向に形成されたホイール部５４を備えるロータ胴部５１と、ロータ胴部５１の接合端面５２の中心部に形成された窪み部５３と、ロータ胴部５１の外周面に開口を有し、窪み部５３に連通する冷却蒸気噴出孔５５とを備える。
【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】
蒸気タービンの効率向上の観点から、現在、温度が６００℃程度の主流蒸気を用いた蒸気タービンが実用化されている。蒸気タービンの効率をさらに向上させるため、主流蒸気の温度を７００〜７５０℃程度にすることが検討され、開発が進められている。
【０００３】
このような蒸気タービンにおいては、主流蒸気が高温であるため、構成部品によっては耐熱合金で構成することが必要となる。例えば、翼植込部などの大きな応力が発生する部位では、耐久性の向上のため、耐熱合金で構成されること以外に冷却構造を備えることが必要になる。そのため、高温となる構成部品を冷却することで、高温化による材料強度の低下を抑制する技術が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０４９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の蒸気タービンの冷却構造においては、冷却蒸気を供給する冷却蒸気配管が、高温の主流蒸気内を横切るように配置されることがあり、このような構成では、主流蒸気からの熱を受取り、冷却蒸気が加熱される。そのため、冷却する構成部品に到達する前に冷却蒸気の温度が上昇し、構成部品の冷却を十分に行えないこともあった。
【０００６】
また、上流のタービン段落の構成部品の冷却を行った冷却蒸気を使用して、下流のタービン段落の構成部品の冷却を行う構成を備えるものでは、冷却蒸気の温度が上昇するため、下流段の構成部品の冷却を十分に行えないこともあった。
【０００７】
すなわち、従来の蒸気タービンにおいては、簡易な方法で、構成部品の冷却を的確に行う構成を備えるものがなかった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、冷却する構成部品に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制し、構成部品を的確に冷却す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】
【０００９】
実施形態の蒸気タービンは、少なくとも２つのタービンロータ構成部材をタービンロータ軸方向に接合して構成されたタービンロータを備える。接合される一方のタービンロータ構成部材は、円柱状の第１のロータ胴部で構成される。前記第１のロータ胴部は、前記第１のロータ胴部の接合端面の中心部に形成された第１の窪み部と、前記第１のロータ胴部の軸中心に形成され、一端が前記第１の窪み部に連通し、他端が封止可能に形成された中心貫通孔と、前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、導入された冷却蒸気を前記中心貫通孔に導く冷却蒸気導入孔とを備える。
【００１０】
接合される他方のタービンロータ構成部材は、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成された、動翼が植設されるホイール部を備える円柱状の第２のロータ胴部で構成される。前記第２のロータ胴部は、前記第２のロータ胴部の接合端面の中心部に形成された第２の窪み部と、前記第２のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記第２の窪み部に連通する冷却蒸気噴出孔とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の蒸気タービンの子午断面が示された図１におけるＡ−Ａ断面に相当する断面において冷却蒸気噴出孔の他の構成を示した図である。
【図３】第２の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【図４】第３の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【図５】第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、他の形状の窪み部を示す子午断面図である。
【図６】第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、他の形状の窪み部を示す子午断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（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、タービンロータ２４の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。なお、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。
【００１４】
また、以下において、蒸気タービン１０として、中圧タービンを例示して説明するが、高温高圧の蒸気が供給される、高圧タービン、さらには超高圧タービンにも本実施の形態の構成を適用することができる。
【００１５】
図１に示すように、ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２１が周方向に沿って設けられ、このダイアフラム外輪２１の内側には、ダイアフラム内輪２２が周方向に沿って設けられている。そして、ダイアフラム外輪２１とダイアフラム内輪２２との間には、周方向に複数の静翼２３が支持され、静翼翼列を構成している。
【００１６】
ダイアフラム内輪２２の内周には、ラビリンスシール３３が設けられ、ダイアフラム内輪２２と、後述するタービンロータ２４との間からの蒸気の漏洩を抑制している。
【００１７】
ケーシング２０の内には、タービンロータ２４が貫設されている。図１に示すように、タービンロータ２４は、２つのタービンロータ構成部材４０、５０をタービンロータ軸方向に、例えば溶接などにより接合して構成されている。なお、ここでは、タービンロータ２４が、２つのタービンロータ構成部材４０、５０で構成された一例を示すが、３つ以上のタービンロータ構成部材で構成されてもよい。
【００１８】
タービンロータ構成部材４０は、図１に示すように、第１段の静翼２３が備えられる位置よりも外部側（図１では左側）のタービンロータ２４を構成している。そのため、タービンロータ構成部材４０は、高温の蒸気に曝されることがなく、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼などの従来鋼で構成することができる。
【００１９】
タービンロータ構成部材４０は、第１のロータ胴部として機能する、円柱状のロータ胴部４１を備えている。このロータ胴部４１の接合端面４２の中心部には、第１の窪み部として機能する窪み部４３が形成されている。この窪み部４３は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部４３を形成することができる。すなわち、窪み部４３は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。
【００２０】
ロータ胴部４１の軸中心には、一端が窪み部４３に連通する中心貫通孔４４が形成されている。この中心貫通孔４４の他端は、この中心貫通孔４４に導入された冷却蒸気が外部に流出するのを防止するため、封止可能に構成されている。中心貫通孔４４の他端は、例えば、フランジを介して固定された封止板などによって封止される。
【００２１】
ロータ胴部４１には、外周面に開口を有し、中心貫通孔４４に連通する冷却蒸気導入孔４５が形成されている。この冷却蒸気導入孔４５は、例えば、ロータ胴部４１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成され、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気導入孔４５を介して中心貫通孔４４に冷却蒸気が導入される。
【００２２】
一方、タービンロータ構成部材５０は、図１に示すように、第１段の静翼２３が備えられる位置よりも内部側（図１では右側）のタービンロータ２４を構成している。そのため、タービンロータ構成部材５０は、高温の蒸気に曝され、高温となるため、例えば、１２Ｃｒ鋼などの耐熱鋼やＮｉ基合金などの耐熱合金で構成される。
【００２３】
タービンロータ構成部材５０は、第２のロータ胴部として機能する、円柱状のロータ胴部５１を備えている。このロータ胴部５１の接合端面５２の中心部には、第２の窪み部として機能する窪み部５３が形成されている。この窪み部５３は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部５３を形成することができる。すなわち、窪み部５３は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。
【００２４】
なお、ロータ胴部５１の接合端面５２は、ロータ胴部４１の接合端面４２に対応する形状に構成され、例えば、双方の接合端面４２、５２の形状が同一となるように構成されることが好ましい。
【００２５】
ロータ胴部５１には、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成されたホイール部５４を備えている。このホイール部５４は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。このホイール部５４の先端部には、動翼２５が周方向に亘って植設され、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、前述した静翼翼列と交互にタービンロータ２４の軸方向に設けられ、静翼翼列と動翼翼列とからなる複数のタービン段落を構成している。
【００２６】
ホイール部５４における、動翼２５が植設される部分よりもタービンロータ軸側には、上流側から下流側へ貫通する貫通孔５４ａが形成されている。冷却蒸気の一部は、この貫通孔５４ａを通って、下流側、すなわち一段下流のタービン段落に流れ込む。
【００２７】
ロータ胴部５１には、外周面に開口を有し、窪み部５３に連通する冷却蒸気噴出孔５５が形成されている。この冷却蒸気噴出孔５５は、例えば、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成される。そして、冷却蒸気噴出孔５５は、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気噴出孔５５を介して、窪み部５３に流入した冷却蒸気をロータ胴部５１の外部に噴出する。
【００２８】
ここで、ロータ胴部５１の外周面の開口が、図１に示すように、ホイール部５４の根元部と、その上流側に位置するラビリンスシール３３との間に位置するように、冷却蒸気噴出孔５５を形成することが好ましい。また、ロータ胴部５１の外周面の開口が、ホイール部５４の根元部の直上流側に位置するように、冷却蒸気噴出孔５５を形成することがさらに好ましい。
【００２９】
このように冷却蒸気噴出孔５５を形成することで、高温となるホイール部５４を冷却蒸気によって的確に冷却することができる。
【００３０】
図１に示された蒸気タービンでは、タービン段落の中でも高温の蒸気に曝される、例えば、上流から第３段までのタービン段落に冷却蒸気噴出孔５５を形成した一例を示している。冷却蒸気噴出孔５５は、タービン段落の入口蒸気温度、すなわち静翼２３における入口蒸気温度が、例えば６００〜７５０℃となるタービン段落に形成されることが好ましい。
【００３１】
ここで、冷却蒸気噴出孔５５は、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔、すなわちタービンロータ軸に垂直な方向に、放射状に形成される構造に限られない。例えば、図１の第３段のタービン段落に形成された冷却蒸気噴出孔５５のように、タービンロータ軸方向に傾けて形成されてもよい。また、各ホイール部５４に対応して形成された冷却蒸気噴出孔５５の通路断面積や個数は、対応するホイール部５４ごとに異なるように構成してもよい。
【００３２】
主蒸気が流れる蒸気流路３２における圧力は、第１段のタービン段落よりも第３段のタービン段落の方が低いため、冷却蒸気の圧力および冷却蒸気噴出孔５５の構成を同じとした場合、第１段のタービン段落よりも第３段のタービン段落の冷却蒸気の流量が多くなる。しかしながら、上記したように、各タービン段落に対応して、冷却蒸気噴出孔５５の形状や個数などを変えることで、冷却蒸気噴出孔５５を冷却蒸気が流れる際の圧力損失を調整して、冷却蒸気の流量の最適化を図ることができる。
【００３３】
上記したタービンロータ構成部材４０とタービンロータ構成部材５０とが接合部２６において溶接などにより接合され、タービンロータ２４は、図１に示すように、窪み部４３と窪み部５３とからなる中空部を備える構成となる。
【００３４】
第１段の動翼２５が備えられる位置よりも外部側（図１では左側）のケーシング２０の内周には、タービンロータ軸方向に沿って、複数のグランドラビリンスシール２７が設けられ、ケーシング２０とタービンロータ２４との間における、蒸気の外部への漏洩を防止している。
【００３５】
タービンロータ構成部材４０に形成された冷却蒸気導入孔４５の開口に対向するケーシング２０の内周面には、図１に示すように、周方向に亘って凹状の溝部２８が形成されている。溝部２８よりも外部側（図１では左側）および内部側（図１では右側）には、グランドラビリンスシール２７が備えられ、溝部２８に導入された冷却蒸気が周囲へ漏洩するのを抑制している。
【００３６】
ケーシング２０には、冷却蒸気を供給する冷却蒸気供給管２９と連通し、溝部２８に冷却蒸気を導く連通孔３０が形成されている。この連通孔３０は、冷却蒸気導入流路として機能する。なお、連通孔３０は、周方向に亘って溝部２８に冷却蒸気を均等に供給するために、周方向に複数箇所形成されることが好ましい。
【００３７】
冷却蒸気としては、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、冷却蒸気として、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、冷却蒸気として、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。
【００３８】
なお、冷却蒸気の温度は、冷却するタービンロータ２４などの構成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。冷却蒸気の温度としては、冷却蒸気を供給する蒸気タービンの仕様によって変更可能であり、例えば、４００℃程度に設定することができる。
【００３９】
また、冷却蒸気の供給圧力は、冷却蒸気噴出孔５５から噴出される冷却蒸気の圧力が、蒸気流路３２における圧力よりも高くなるように設定される。すなわち、冷却蒸気の供給圧力は、冷却蒸気噴出孔５５から蒸気流路３２に、確実に冷却蒸気を噴出することができる程度に設定される。
【００４０】
また、蒸気タービン１０には、ケーシング２０を連通するように、蒸気入口管３１が備えられている。外部からの蒸気が、この蒸気入口管３１によって蒸気タービン１０内に導入され、主蒸気として蒸気流路３２に導入される。
【００４１】
次に、上記したような冷却構造を備える蒸気タービン１０の作用について説明する。
【００４２】
図１に示すように、蒸気入口管３１から蒸気タービン１０内に導入された蒸気は、第１段の静翼２３に導かれ、第１段の動翼２５に向けて噴出される。そして、蒸気は、静翼２３と動翼２５を備える蒸気流路３２を流動し、膨張仕事をしながらタービンロータ２４を回転させる。最終段の動翼２５を通過した蒸気は、排気流路（図示しない）を通り蒸気タービン１０の外部へ排気される。
【００４３】
冷却蒸気供給管２９から連通孔３０を介して溝部２８に導入された冷却蒸気は、冷却蒸気導入孔４５を通り、中心貫通孔４４に導かれる。この際、中心貫通孔４４の他端側は、封止部材（図示しない）によって封止されているため、冷却蒸気が中心貫通孔４４の他端から外部に流出することはない。
【００４４】
中心貫通孔４４に導かれた冷却蒸気は、窪み部４３と窪み部５３とからなる中空部に導入され、内部からタービンロータ２４を冷却する。中空部に導入された冷却蒸気は、各冷却蒸気噴出孔５５から、例えば、ホイール部５４の根元部の直上流側に噴出され、タービンロータ２４やホイール部５４の表面を冷却する。そして、冷却蒸気の大部分は、蒸気流路３２に流れ込む。
【００４５】
噴出された冷却蒸気の一部は、ホイール部５４に形成された貫通孔５４ａを通過して、下流側のタービン段落に導かれる。冷却蒸気が、貫通孔５４ａを通過する際にも、ホイール部５４は冷却される。
【００４６】
このように、タービンロータ２４を冷却蒸気によって内部および外部から冷却することができる。
【００４７】
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、タービンロータ２４の内部の中空部に冷却蒸気を一旦導入し、冷却蒸気噴出孔５５から外部に噴出することができる。そのため、タービンロータ２４を内部および外部から冷却することができるとともに、冷却する構成部品に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制することができる。これによって、冷却する構成部品を的確に効率よく冷却することができる。
【００４８】
ここで、前述した冷却蒸気噴出孔５５の構成は、上記した構成に限られるものではない。図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面が示された図１におけるＡ−Ａ断面に相当する断面において冷却蒸気噴出孔５５の他の構成を示した図である。
【００４９】
図２に示すように、冷却蒸気噴出孔５５をタービンロータの半径方向に対して周方向に傾けて形成してもよい。傾ける方向は、タービンロータ２４の回転方向またはその逆方向であってもよい。
【００５０】
各ホイール部５４に対応して形成された各冷却蒸気噴出孔５５の傾き角度は、対応するホイール部５４ごとに異なるように構成してもよい。また、同じホイール部５４に対応して形成された冷却蒸気噴出孔５５においても、各冷却蒸気噴出孔５５の傾き角度を異ならせてもよい。
【００５１】
このように、冷却蒸気噴出孔５５を周方向に傾けて形成することで、冷却蒸気噴出孔５５の通路長さを変え、冷却蒸気噴出孔５５における圧力損出を調整することができる。さらに冷却蒸気噴出孔５５の形状や大きさなどを変えることで、冷却蒸気が冷却蒸気噴出孔５５を流れる際の圧力損失を調整することができる。換言すれば、各ホイール部５４に対応して形成された各冷却蒸気噴出孔５５ごと、または同じホイール部５４に対応して形成された各冷却蒸気噴出孔５５ごとに、噴出する冷却蒸気の流量を調整することができる。
【００５２】
このように冷却蒸気噴出孔５５を構成した場合においても、前述した蒸気タービン１０における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン１１においては、冷却蒸気噴出孔の構成以外は第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるので、ここでは、主に冷却蒸気噴出孔の構成について説明する。
【００５４】
図３は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の、タービンロータ２４の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【００５５】
タービンロータ２４は、２つのタービンロータ構成部材４０、５０をタービンロータ軸方向に、例えば溶接などにより接合して構成されている。
【００５６】
タービンロータ構成部材５０を構成するロータ胴部５１には、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成されたホイール部５４を備えている。このホイール部５４は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。このホイール部５４の先端部には、動翼２５が周方向に亘って植設され、動翼翼列を構成している。
【００５７】
ホイール部５４には、図３に示すように、その先端面に開口を有し、窪み部５３に連通する冷却蒸気噴出孔６０が形成されている。この冷却蒸気噴出孔６０は、例えば、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成される。そして、冷却蒸気噴出孔６０は、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気噴出孔６０を介して窪み部５３に流入した冷却蒸気が、ホイール部５４の先端面から外部に噴出する。
【００５８】
図３に示すような、アウトサイドタブティル型の翼植込部を備える動翼２５を用いる場合、翼植込部の鞍型脚部の根元部とホイール部５４の先端面との間には隙間を有している。そのため、ホイール部５４の先端面の、冷却蒸気噴出孔６０の開口から噴出された冷却蒸気は、翼植込部の鞍型脚部の根元部に衝突し、根元部を冷却する。
【００５９】
ここで、冷却蒸気噴出孔６０は、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔、すなわちタービンロータ軸に垂直な方向に、放射状に形成される構造に限られず、前述したように、タービンロータ軸方向に傾けられた部分を有して形成されてもよい。また、各ホイール部５４に対応して形成された冷却蒸気噴出孔６０の通路断面積や個数は、対応する各ホイール部５４ごとに異なるように構成してもよい。さらに、図３に示したように、冷却蒸気噴出孔６０をタービンロータの半径方向に対して周方向に傾けて形成してもよい。
【００６０】
例えば、各タービン段落に対応して、冷却蒸気噴出孔６０の形状や個数などを変えることで、冷却蒸気噴出孔６０を冷却蒸気が流れる際の圧力損失を調整して、冷却蒸気の流量の最適化を図ることができる。
【００６１】
このような冷却構造を備える蒸気タービン１１において、冷却蒸気供給管２９から連通孔３０を介して溝部２８に導入された冷却蒸気は、冷却蒸気導入孔４５を通り、中心貫通孔４４に導かれる。この際、中心貫通孔４４の他端側は、封止部材（図示しない）によって封止されているため、冷却蒸気が中心貫通孔４４の他端から外部に流出することはない。
【００６２】
中心貫通孔４４に導かれた冷却蒸気は、窪み部４３と窪み部５３とからなる中空部に導入され、内部からタービンロータ２４を冷却する。中空部に導入された冷却蒸気は、各冷却蒸気噴出孔６０を通り、ホイール部５４の先端面の、冷却蒸気噴出孔６０の開口から、動翼２５における翼植込部の鞍型脚部の根元部に向けて噴出される。そして、噴出された冷却蒸気は、ホイール部５４の先端部および動翼２５を冷却し、蒸気流路３２に流れ込む。
【００６３】
なお、冷却蒸気噴出孔６０の開口から噴出された冷却蒸気は、蒸気流路３２に流れ込むため、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態におけるホイール部５４に形成された貫通孔５４ａを備えずに構成することができる。
【００６４】
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、タービンロータ２４の内部の中空部に冷却蒸気を一旦導入し、冷却蒸気噴出孔６０から外部に噴出することができる。また、冷却蒸気をホイール部５４の内部を通過させ、ホイール部５４の先端部から噴出することができる。
【００６５】
そのため、タービンロータ２４を内部および外部から冷却することができるとともに、冷却する構成部品に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制することができる。これによって、冷却する構成部品を的確に効率よく冷却することができる。
【００６６】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の蒸気タービン１２においては、タービンロータ２４の内部に形成される、窪み部４３と窪み部５３とからなる中空部の構成以外は第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるので、ここでは、主に中空部の構成について説明する。
【００６７】
図４は、第３の実施の形態の蒸気タービン１２の、タービンロータ２４の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【００６８】
図４に示すように、タービンロータ２４は、２つのタービンロータ構成部材４０、５０をタービンロータ軸方向に、例えば溶接などにより接合して構成されている。
【００６９】
タービンロータ構成部材４０は、円柱状のロータ胴部４１を備え、このロータ胴部４１の接合端面４２の中心部には、窪み部４３が形成されている。この窪み部４３は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じか、または開口側に向かって断面積が徐々に増加するように、窪み部４３を形成することができる。
【００７０】
タービンロータ構成部材５０は、円柱状のロータ胴部５１を備え、このロータ胴部５１の接合端面５２の中心部には、窪み部５３が形成されている。この窪み部５３は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成され、かつ窪み部５３の底部５３ａに向かって断面積が徐々に増加するように形成されている。すなわち、窪み部５３は、底部５３ａに向かってテーパ状に広がる空洞部で構成される。
【００７１】
なお、ロータ胴部５１の接合端面５２は、ロータ胴部４１の接合端面４２に対応する形状に構成され、例えば、双方の接合端面４２、５２の形状が同一となるように構成されることが好ましい。
【００７２】
ロータ胴部５１には、外周面に開口を有し、窪み部５３に連通する冷却蒸気噴出孔５５が形成されている。この冷却蒸気噴出孔５５は、例えば、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成することができる。そして、冷却蒸気噴出孔５５は、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気噴出孔５５を介して窪み部５３に流入した冷却蒸気がロータ胴部５１の外部に噴出する。
【００７３】
なお、冷却蒸気噴出孔５５は、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔、すなわちタービンロータ軸に垂直な方向に、放射状に形成される構造に限られず、前述したように、タービンロータ軸方向に傾けて形成されてもよい。また、各ホイール部５４に対応して形成された冷却蒸気噴出孔５５の通路断面積や個数は、対応する各ホイール部５４ごとに異なるように構成してもよい。さらに、図３に示したように、冷却蒸気噴出孔６０をタービンロータの半径方向に対して周方向に傾けて形成してもよい。
【００７４】
例えば、各タービン段落に対応して、冷却蒸気噴出孔５５の形状や個数などを変えることで、冷却蒸気噴出孔５５を冷却蒸気が流れる際の圧力損失を調整して、冷却蒸気の流量の最適化を図ることができる。
【００７５】
このような冷却構造を備える蒸気タービン１２において、冷却蒸気の動作は、前述した第１の実施の形態における冷却蒸気の動作と同じである。
【００７６】
蒸気タービン１２では、運転停止後に、窪み部４３および窪み部５３に存在する冷却蒸気が凝縮し、窪み部４３および窪み部５３内の重力下方側に水滴が溜まる。これを放置すると、タービンロータ２４の内部において腐食が進む。
【００７７】
そこで、窪み部５３の形状を上記したように傾斜側面を有するテーパ状に構成することで、窪み部５３内の重力下方側に溜まった凝縮水が、冷却蒸気噴出孔５５に導かれ、冷却蒸気噴出孔５５を介して、蒸気流路３２へ排出される。ここで、図４には、凝縮水の流れを矢印で示している。蒸気流路３２の重力下方側に導かれた凝縮水は、凝縮した主流蒸気を排出する排出管（図示しない）によって、蒸気タービン１２の外部へ排出される。
【００７８】
この窪み部５３の構成の場合には、凝縮水は、最終的には、窪み部５３の底部５３ａ側に導かれる。そのため、他の冷却蒸気噴出孔５５で排出されなかった凝縮水を、底部５３ａ側の冷却蒸気噴出孔５５から排出することができ、窪み部５３内に凝縮水が残存することを防止できる。
【００７９】
また、窪み部４３においては、例えば、窪み部４３の深さが深い場合に、開口側に向かって断面積が徐々に増加するように、傾斜側面を有するテーパ状に構成することで、溜まった凝縮水をより確実に冷却蒸気噴出孔５５に導くことができる。
【００８０】
上記したように、第３の実施の形態の蒸気タービン１２によれば、運転停止後に窪み部４３および窪み部５３に溜まった凝縮水を蒸気タービン１２の外部へ排出することができる。そのため、前述した第１の実施の形態の蒸気タービン１０の作用効果に加えて、タービンロータ２４の内部の腐食を防止することができる。
【００８１】
ここで、窪み部５３の形状は、前述した形状に限られるものではなく、窪み部５３におけるタービンロータ軸に垂直な断面の面積が、タービンロータ軸方向に沿って異なるように窪み部５３が形成されていればよい。すなわち、いずれかの冷却蒸気噴出孔５５に最終的に凝縮水が導かれるように、窪み部５３の形状が設定されていればよい。
【００８２】
図５および図６は、第３の実施の形態の蒸気タービン１２における、他の形状の窪み部５３を示す子午断面図である。
【００８３】
図５に示すように、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に向かって傾斜するように窪み部５３の側面を形成してもよい。この場合、凝縮水は、最終的には、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に導かれる。そのため、他の冷却蒸気噴出孔５５で排出されなかった凝縮水を、開口側の冷却蒸気噴出孔５５から排出することができ、窪み部５３内に凝縮水が残存することを防止できる。
【００８４】
また、図６に示すように、図５で示した構成に、さらに、開口側の冷却蒸気噴出孔５５の入口を備える窪み部５３の内周面に、周方向に亘って溝部７０を形成してもよい。この溝部７０を備えることで、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に導かれた凝縮水を溜めることができる。そのため、例えば、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に集まる凝縮水の流量が多い場合でも、窪み部４３側へ流出することなく、凝縮水を排出できる。
【００８５】
なお、図５および図６に示された構成では、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に向かって傾斜するように窪み部５３の側面を形成した一例を示したがこの構成に限られない。例えば、中央の冷却蒸気噴出孔５５（第２段のタービン段落の冷却蒸気噴出孔５５）に向かって傾斜するように、窪み部５３の側面を形成してもよい。
【００８６】
また、ここでは、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成に、上記したテーパ状の側面を有する窪み部５３を備えた一例を示したが、前述した第２の実施の形態の蒸気タービン１１の構成に、この窪み部５３の構成を適用することもできる。この場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００８７】
以上説明した実施形態によれば、冷却する構成部材に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制し、的確に冷却を行うことが可能となる。
【００８８】
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。
【符号の説明】
【００８９】
１０，１１，１２…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１…ダイアフラム外輪、２２…ダイアフラム内輪、２３…静翼、２４…タービンロータ、２５…動翼、２６…接合部、２７…グランドラビリンスシール、２８、７０…溝部、２９…冷却蒸気供給管、３０…連通孔、３１…蒸気入口管、３２…蒸気流路、３３…ラビリンスシール、４０，５０…タービンロータ構成部材、４１，５１…ロータ胴部、４２，５２…接合端面、４３，５３…窪み部、４４…中心貫通孔、４５…冷却蒸気導入孔、５３ａ…底部、５４…ホイール部、５４ａ…貫通孔、５５…冷却蒸気噴出孔、６０…冷却蒸気噴出孔。
【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】
蒸気タービンの効率向上の観点から、現在、温度が６００℃程度の主流蒸気を用いた蒸気タービンが実用化されている。蒸気タービンの効率をさらに向上させるため、主流蒸気の温度を７００〜７５０℃程度にすることが検討され、開発が進められている。
【０００３】
このような蒸気タービンにおいては、主流蒸気が高温であるため、構成部品によっては耐熱合金で構成することが必要となる。例えば、翼植込部などの大きな応力が発生する部位では、耐久性の向上のため、耐熱合金で構成されること以外に冷却構造を備えることが必要になる。そのため、高温となる構成部品を冷却することで、高温化による材料強度の低下を抑制する技術が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０４９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の蒸気タービンの冷却構造においては、冷却蒸気を供給する冷却蒸気配管が、高温の主流蒸気内を横切るように配置されることがあり、このような構成では、主流蒸気からの熱を受取り、冷却蒸気が加熱される。そのため、冷却する構成部品に到達する前に冷却蒸気の温度が上昇し、構成部品の冷却を十分に行えないこともあった。
【０００６】
また、上流のタービン段落の構成部品の冷却を行った冷却蒸気を使用して、下流のタービン段落の構成部品の冷却を行う構成を備えるものでは、冷却蒸気の温度が上昇するため、下流段の構成部品の冷却を十分に行えないこともあった。
【０００７】
すなわち、従来の蒸気タービンにおいては、簡易な方法で、構成部品の冷却を的確に行う構成を備えるものがなかった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、冷却する構成部品に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制し、構成部品を的確に冷却す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】
【０００９】
実施形態の蒸気タービンは、少なくとも２つのタービンロータ構成部材をタービンロータ軸方向に接合して構成されたタービンロータを備える。接合される一方のタービンロータ構成部材は、円柱状の第１のロータ胴部で構成される。前記第１のロータ胴部は、前記第１のロータ胴部の接合端面の中心部に形成された第１の窪み部と、前記第１のロータ胴部の軸中心に形成され、一端が前記第１の窪み部に連通し、他端が封止可能に形成された中心貫通孔と、前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、導入された冷却蒸気を前記中心貫通孔に導く冷却蒸気導入孔とを備える。
【００１０】
接合される他方のタービンロータ構成部材は、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成された、動翼が植設されるホイール部を備える円柱状の第２のロータ胴部で構成される。前記第２のロータ胴部は、前記第２のロータ胴部の接合端面の中心部に形成された第２の窪み部と、前記第２のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記第２の窪み部に連通する冷却蒸気噴出孔とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の蒸気タービンの子午断面が示された図１におけるＡ−Ａ断面に相当する断面において冷却蒸気噴出孔の他の構成を示した図である。
【図３】第２の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【図４】第３の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【図５】第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、他の形状の窪み部を示す子午断面図である。
【図６】第３の実施の形態の蒸気タービンにおける、他の形状の窪み部を示す子午断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（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、タービンロータ２４の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。なお、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。
【００１４】
また、以下において、蒸気タービン１０として、中圧タービンを例示して説明するが、高温高圧の蒸気が供給される、高圧タービン、さらには超高圧タービンにも本実施の形態の構成を適用することができる。
【００１５】
図１に示すように、ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２１が周方向に沿って設けられ、このダイアフラム外輪２１の内側には、ダイアフラム内輪２２が周方向に沿って設けられている。そして、ダイアフラム外輪２１とダイアフラム内輪２２との間には、周方向に複数の静翼２３が支持され、静翼翼列を構成している。
【００１６】
ダイアフラム内輪２２の内周には、ラビリンスシール３３が設けられ、ダイアフラム内輪２２と、後述するタービンロータ２４との間からの蒸気の漏洩を抑制している。
【００１７】
ケーシング２０の内には、タービンロータ２４が貫設されている。図１に示すように、タービンロータ２４は、２つのタービンロータ構成部材４０、５０をタービンロータ軸方向に、例えば溶接などにより接合して構成されている。なお、ここでは、タービンロータ２４が、２つのタービンロータ構成部材４０、５０で構成された一例を示すが、３つ以上のタービンロータ構成部材で構成されてもよい。
【００１８】
タービンロータ構成部材４０は、図１に示すように、第１段の静翼２３が備えられる位置よりも外部側（図１では左側）のタービンロータ２４を構成している。そのため、タービンロータ構成部材４０は、高温の蒸気に曝されることがなく、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼などの従来鋼で構成することができる。
【００１９】
タービンロータ構成部材４０は、第１のロータ胴部として機能する、円柱状のロータ胴部４１を備えている。このロータ胴部４１の接合端面４２の中心部には、第１の窪み部として機能する窪み部４３が形成されている。この窪み部４３は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部４３を形成することができる。すなわち、窪み部４３は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。
【００２０】
ロータ胴部４１の軸中心には、一端が窪み部４３に連通する中心貫通孔４４が形成されている。この中心貫通孔４４の他端は、この中心貫通孔４４に導入された冷却蒸気が外部に流出するのを防止するため、封止可能に構成されている。中心貫通孔４４の他端は、例えば、フランジを介して固定された封止板などによって封止される。
【００２１】
ロータ胴部４１には、外周面に開口を有し、中心貫通孔４４に連通する冷却蒸気導入孔４５が形成されている。この冷却蒸気導入孔４５は、例えば、ロータ胴部４１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成され、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気導入孔４５を介して中心貫通孔４４に冷却蒸気が導入される。
【００２２】
一方、タービンロータ構成部材５０は、図１に示すように、第１段の静翼２３が備えられる位置よりも内部側（図１では右側）のタービンロータ２４を構成している。そのため、タービンロータ構成部材５０は、高温の蒸気に曝され、高温となるため、例えば、１２Ｃｒ鋼などの耐熱鋼やＮｉ基合金などの耐熱合金で構成される。
【００２３】
タービンロータ構成部材５０は、第２のロータ胴部として機能する、円柱状のロータ胴部５１を備えている。このロータ胴部５１の接合端面５２の中心部には、第２の窪み部として機能する窪み部５３が形成されている。この窪み部５３は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部５３を形成することができる。すなわち、窪み部５３は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。
【００２４】
なお、ロータ胴部５１の接合端面５２は、ロータ胴部４１の接合端面４２に対応する形状に構成され、例えば、双方の接合端面４２、５２の形状が同一となるように構成されることが好ましい。
【００２５】
ロータ胴部５１には、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成されたホイール部５４を備えている。このホイール部５４は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。このホイール部５４の先端部には、動翼２５が周方向に亘って植設され、動翼翼列を構成している。この動翼翼列は、前述した静翼翼列と交互にタービンロータ２４の軸方向に設けられ、静翼翼列と動翼翼列とからなる複数のタービン段落を構成している。
【００２６】
ホイール部５４における、動翼２５が植設される部分よりもタービンロータ軸側には、上流側から下流側へ貫通する貫通孔５４ａが形成されている。冷却蒸気の一部は、この貫通孔５４ａを通って、下流側、すなわち一段下流のタービン段落に流れ込む。
【００２７】
ロータ胴部５１には、外周面に開口を有し、窪み部５３に連通する冷却蒸気噴出孔５５が形成されている。この冷却蒸気噴出孔５５は、例えば、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成される。そして、冷却蒸気噴出孔５５は、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気噴出孔５５を介して、窪み部５３に流入した冷却蒸気をロータ胴部５１の外部に噴出する。
【００２８】
ここで、ロータ胴部５１の外周面の開口が、図１に示すように、ホイール部５４の根元部と、その上流側に位置するラビリンスシール３３との間に位置するように、冷却蒸気噴出孔５５を形成することが好ましい。また、ロータ胴部５１の外周面の開口が、ホイール部５４の根元部の直上流側に位置するように、冷却蒸気噴出孔５５を形成することがさらに好ましい。
【００２９】
このように冷却蒸気噴出孔５５を形成することで、高温となるホイール部５４を冷却蒸気によって的確に冷却することができる。
【００３０】
図１に示された蒸気タービンでは、タービン段落の中でも高温の蒸気に曝される、例えば、上流から第３段までのタービン段落に冷却蒸気噴出孔５５を形成した一例を示している。冷却蒸気噴出孔５５は、タービン段落の入口蒸気温度、すなわち静翼２３における入口蒸気温度が、例えば６００〜７５０℃となるタービン段落に形成されることが好ましい。
【００３１】
ここで、冷却蒸気噴出孔５５は、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔、すなわちタービンロータ軸に垂直な方向に、放射状に形成される構造に限られない。例えば、図１の第３段のタービン段落に形成された冷却蒸気噴出孔５５のように、タービンロータ軸方向に傾けて形成されてもよい。また、各ホイール部５４に対応して形成された冷却蒸気噴出孔５５の通路断面積や個数は、対応するホイール部５４ごとに異なるように構成してもよい。
【００３２】
主蒸気が流れる蒸気流路３２における圧力は、第１段のタービン段落よりも第３段のタービン段落の方が低いため、冷却蒸気の圧力および冷却蒸気噴出孔５５の構成を同じとした場合、第１段のタービン段落よりも第３段のタービン段落の冷却蒸気の流量が多くなる。しかしながら、上記したように、各タービン段落に対応して、冷却蒸気噴出孔５５の形状や個数などを変えることで、冷却蒸気噴出孔５５を冷却蒸気が流れる際の圧力損失を調整して、冷却蒸気の流量の最適化を図ることができる。
【００３３】
上記したタービンロータ構成部材４０とタービンロータ構成部材５０とが接合部２６において溶接などにより接合され、タービンロータ２４は、図１に示すように、窪み部４３と窪み部５３とからなる中空部を備える構成となる。
【００３４】
第１段の動翼２５が備えられる位置よりも外部側（図１では左側）のケーシング２０の内周には、タービンロータ軸方向に沿って、複数のグランドラビリンスシール２７が設けられ、ケーシング２０とタービンロータ２４との間における、蒸気の外部への漏洩を防止している。
【００３５】
タービンロータ構成部材４０に形成された冷却蒸気導入孔４５の開口に対向するケーシング２０の内周面には、図１に示すように、周方向に亘って凹状の溝部２８が形成されている。溝部２８よりも外部側（図１では左側）および内部側（図１では右側）には、グランドラビリンスシール２７が備えられ、溝部２８に導入された冷却蒸気が周囲へ漏洩するのを抑制している。
【００３６】
ケーシング２０には、冷却蒸気を供給する冷却蒸気供給管２９と連通し、溝部２８に冷却蒸気を導く連通孔３０が形成されている。この連通孔３０は、冷却蒸気導入流路として機能する。なお、連通孔３０は、周方向に亘って溝部２８に冷却蒸気を均等に供給するために、周方向に複数箇所形成されることが好ましい。
【００３７】
冷却蒸気としては、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、冷却蒸気として、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、冷却蒸気として、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。
【００３８】
なお、冷却蒸気の温度は、冷却するタービンロータ２４などの構成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。冷却蒸気の温度としては、冷却蒸気を供給する蒸気タービンの仕様によって変更可能であり、例えば、４００℃程度に設定することができる。
【００３９】
また、冷却蒸気の供給圧力は、冷却蒸気噴出孔５５から噴出される冷却蒸気の圧力が、蒸気流路３２における圧力よりも高くなるように設定される。すなわち、冷却蒸気の供給圧力は、冷却蒸気噴出孔５５から蒸気流路３２に、確実に冷却蒸気を噴出することができる程度に設定される。
【００４０】
また、蒸気タービン１０には、ケーシング２０を連通するように、蒸気入口管３１が備えられている。外部からの蒸気が、この蒸気入口管３１によって蒸気タービン１０内に導入され、主蒸気として蒸気流路３２に導入される。
【００４１】
次に、上記したような冷却構造を備える蒸気タービン１０の作用について説明する。
【００４２】
図１に示すように、蒸気入口管３１から蒸気タービン１０内に導入された蒸気は、第１段の静翼２３に導かれ、第１段の動翼２５に向けて噴出される。そして、蒸気は、静翼２３と動翼２５を備える蒸気流路３２を流動し、膨張仕事をしながらタービンロータ２４を回転させる。最終段の動翼２５を通過した蒸気は、排気流路（図示しない）を通り蒸気タービン１０の外部へ排気される。
【００４３】
冷却蒸気供給管２９から連通孔３０を介して溝部２８に導入された冷却蒸気は、冷却蒸気導入孔４５を通り、中心貫通孔４４に導かれる。この際、中心貫通孔４４の他端側は、封止部材（図示しない）によって封止されているため、冷却蒸気が中心貫通孔４４の他端から外部に流出することはない。
【００４４】
中心貫通孔４４に導かれた冷却蒸気は、窪み部４３と窪み部５３とからなる中空部に導入され、内部からタービンロータ２４を冷却する。中空部に導入された冷却蒸気は、各冷却蒸気噴出孔５５から、例えば、ホイール部５４の根元部の直上流側に噴出され、タービンロータ２４やホイール部５４の表面を冷却する。そして、冷却蒸気の大部分は、蒸気流路３２に流れ込む。
【００４５】
噴出された冷却蒸気の一部は、ホイール部５４に形成された貫通孔５４ａを通過して、下流側のタービン段落に導かれる。冷却蒸気が、貫通孔５４ａを通過する際にも、ホイール部５４は冷却される。
【００４６】
このように、タービンロータ２４を冷却蒸気によって内部および外部から冷却することができる。
【００４７】
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、タービンロータ２４の内部の中空部に冷却蒸気を一旦導入し、冷却蒸気噴出孔５５から外部に噴出することができる。そのため、タービンロータ２４を内部および外部から冷却することができるとともに、冷却する構成部品に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制することができる。これによって、冷却する構成部品を的確に効率よく冷却することができる。
【００４８】
ここで、前述した冷却蒸気噴出孔５５の構成は、上記した構成に限られるものではない。図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面が示された図１におけるＡ−Ａ断面に相当する断面において冷却蒸気噴出孔５５の他の構成を示した図である。
【００４９】
図２に示すように、冷却蒸気噴出孔５５をタービンロータの半径方向に対して周方向に傾けて形成してもよい。傾ける方向は、タービンロータ２４の回転方向またはその逆方向であってもよい。
【００５０】
各ホイール部５４に対応して形成された各冷却蒸気噴出孔５５の傾き角度は、対応するホイール部５４ごとに異なるように構成してもよい。また、同じホイール部５４に対応して形成された冷却蒸気噴出孔５５においても、各冷却蒸気噴出孔５５の傾き角度を異ならせてもよい。
【００５１】
このように、冷却蒸気噴出孔５５を周方向に傾けて形成することで、冷却蒸気噴出孔５５の通路長さを変え、冷却蒸気噴出孔５５における圧力損出を調整することができる。さらに冷却蒸気噴出孔５５の形状や大きさなどを変えることで、冷却蒸気が冷却蒸気噴出孔５５を流れる際の圧力損失を調整することができる。換言すれば、各ホイール部５４に対応して形成された各冷却蒸気噴出孔５５ごと、または同じホイール部５４に対応して形成された各冷却蒸気噴出孔５５ごとに、噴出する冷却蒸気の流量を調整することができる。
【００５２】
このように冷却蒸気噴出孔５５を構成した場合においても、前述した蒸気タービン１０における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の蒸気タービン１１においては、冷却蒸気噴出孔の構成以外は第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるので、ここでは、主に冷却蒸気噴出孔の構成について説明する。
【００５４】
図３は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の、タービンロータ２４の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【００５５】
タービンロータ２４は、２つのタービンロータ構成部材４０、５０をタービンロータ軸方向に、例えば溶接などにより接合して構成されている。
【００５６】
タービンロータ構成部材５０を構成するロータ胴部５１には、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成されたホイール部５４を備えている。このホイール部５４は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。このホイール部５４の先端部には、動翼２５が周方向に亘って植設され、動翼翼列を構成している。
【００５７】
ホイール部５４には、図３に示すように、その先端面に開口を有し、窪み部５３に連通する冷却蒸気噴出孔６０が形成されている。この冷却蒸気噴出孔６０は、例えば、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成される。そして、冷却蒸気噴出孔６０は、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気噴出孔６０を介して窪み部５３に流入した冷却蒸気が、ホイール部５４の先端面から外部に噴出する。
【００５８】
図３に示すような、アウトサイドタブティル型の翼植込部を備える動翼２５を用いる場合、翼植込部の鞍型脚部の根元部とホイール部５４の先端面との間には隙間を有している。そのため、ホイール部５４の先端面の、冷却蒸気噴出孔６０の開口から噴出された冷却蒸気は、翼植込部の鞍型脚部の根元部に衝突し、根元部を冷却する。
【００５９】
ここで、冷却蒸気噴出孔６０は、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔、すなわちタービンロータ軸に垂直な方向に、放射状に形成される構造に限られず、前述したように、タービンロータ軸方向に傾けられた部分を有して形成されてもよい。また、各ホイール部５４に対応して形成された冷却蒸気噴出孔６０の通路断面積や個数は、対応する各ホイール部５４ごとに異なるように構成してもよい。さらに、図３に示したように、冷却蒸気噴出孔６０をタービンロータの半径方向に対して周方向に傾けて形成してもよい。
【００６０】
例えば、各タービン段落に対応して、冷却蒸気噴出孔６０の形状や個数などを変えることで、冷却蒸気噴出孔６０を冷却蒸気が流れる際の圧力損失を調整して、冷却蒸気の流量の最適化を図ることができる。
【００６１】
このような冷却構造を備える蒸気タービン１１において、冷却蒸気供給管２９から連通孔３０を介して溝部２８に導入された冷却蒸気は、冷却蒸気導入孔４５を通り、中心貫通孔４４に導かれる。この際、中心貫通孔４４の他端側は、封止部材（図示しない）によって封止されているため、冷却蒸気が中心貫通孔４４の他端から外部に流出することはない。
【００６２】
中心貫通孔４４に導かれた冷却蒸気は、窪み部４３と窪み部５３とからなる中空部に導入され、内部からタービンロータ２４を冷却する。中空部に導入された冷却蒸気は、各冷却蒸気噴出孔６０を通り、ホイール部５４の先端面の、冷却蒸気噴出孔６０の開口から、動翼２５における翼植込部の鞍型脚部の根元部に向けて噴出される。そして、噴出された冷却蒸気は、ホイール部５４の先端部および動翼２５を冷却し、蒸気流路３２に流れ込む。
【００６３】
なお、冷却蒸気噴出孔６０の開口から噴出された冷却蒸気は、蒸気流路３２に流れ込むため、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態におけるホイール部５４に形成された貫通孔５４ａを備えずに構成することができる。
【００６４】
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、タービンロータ２４の内部の中空部に冷却蒸気を一旦導入し、冷却蒸気噴出孔６０から外部に噴出することができる。また、冷却蒸気をホイール部５４の内部を通過させ、ホイール部５４の先端部から噴出することができる。
【００６５】
そのため、タービンロータ２４を内部および外部から冷却することができるとともに、冷却する構成部品に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制することができる。これによって、冷却する構成部品を的確に効率よく冷却することができる。
【００６６】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の蒸気タービン１２においては、タービンロータ２４の内部に形成される、窪み部４３と窪み部５３とからなる中空部の構成以外は第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同じであるので、ここでは、主に中空部の構成について説明する。
【００６７】
図４は、第３の実施の形態の蒸気タービン１２の、タービンロータ２４の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。
【００６８】
図４に示すように、タービンロータ２４は、２つのタービンロータ構成部材４０、５０をタービンロータ軸方向に、例えば溶接などにより接合して構成されている。
【００６９】
タービンロータ構成部材４０は、円柱状のロータ胴部４１を備え、このロータ胴部４１の接合端面４２の中心部には、窪み部４３が形成されている。この窪み部４３は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じか、または開口側に向かって断面積が徐々に増加するように、窪み部４３を形成することができる。
【００７０】
タービンロータ構成部材５０は、円柱状のロータ胴部５１を備え、このロータ胴部５１の接合端面５２の中心部には、窪み部５３が形成されている。この窪み部５３は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成され、かつ窪み部５３の底部５３ａに向かって断面積が徐々に増加するように形成されている。すなわち、窪み部５３は、底部５３ａに向かってテーパ状に広がる空洞部で構成される。
【００７１】
なお、ロータ胴部５１の接合端面５２は、ロータ胴部４１の接合端面４２に対応する形状に構成され、例えば、双方の接合端面４２、５２の形状が同一となるように構成されることが好ましい。
【００７２】
ロータ胴部５１には、外周面に開口を有し、窪み部５３に連通する冷却蒸気噴出孔５５が形成されている。この冷却蒸気噴出孔５５は、例えば、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成することができる。そして、冷却蒸気噴出孔５５は、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気噴出孔５５を介して窪み部５３に流入した冷却蒸気がロータ胴部５１の外部に噴出する。
【００７３】
なお、冷却蒸気噴出孔５５は、ロータ胴部５１の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔、すなわちタービンロータ軸に垂直な方向に、放射状に形成される構造に限られず、前述したように、タービンロータ軸方向に傾けて形成されてもよい。また、各ホイール部５４に対応して形成された冷却蒸気噴出孔５５の通路断面積や個数は、対応する各ホイール部５４ごとに異なるように構成してもよい。さらに、図３に示したように、冷却蒸気噴出孔６０をタービンロータの半径方向に対して周方向に傾けて形成してもよい。
【００７４】
例えば、各タービン段落に対応して、冷却蒸気噴出孔５５の形状や個数などを変えることで、冷却蒸気噴出孔５５を冷却蒸気が流れる際の圧力損失を調整して、冷却蒸気の流量の最適化を図ることができる。
【００７５】
このような冷却構造を備える蒸気タービン１２において、冷却蒸気の動作は、前述した第１の実施の形態における冷却蒸気の動作と同じである。
【００７６】
蒸気タービン１２では、運転停止後に、窪み部４３および窪み部５３に存在する冷却蒸気が凝縮し、窪み部４３および窪み部５３内の重力下方側に水滴が溜まる。これを放置すると、タービンロータ２４の内部において腐食が進む。
【００７７】
そこで、窪み部５３の形状を上記したように傾斜側面を有するテーパ状に構成することで、窪み部５３内の重力下方側に溜まった凝縮水が、冷却蒸気噴出孔５５に導かれ、冷却蒸気噴出孔５５を介して、蒸気流路３２へ排出される。ここで、図４には、凝縮水の流れを矢印で示している。蒸気流路３２の重力下方側に導かれた凝縮水は、凝縮した主流蒸気を排出する排出管（図示しない）によって、蒸気タービン１２の外部へ排出される。
【００７８】
この窪み部５３の構成の場合には、凝縮水は、最終的には、窪み部５３の底部５３ａ側に導かれる。そのため、他の冷却蒸気噴出孔５５で排出されなかった凝縮水を、底部５３ａ側の冷却蒸気噴出孔５５から排出することができ、窪み部５３内に凝縮水が残存することを防止できる。
【００７９】
また、窪み部４３においては、例えば、窪み部４３の深さが深い場合に、開口側に向かって断面積が徐々に増加するように、傾斜側面を有するテーパ状に構成することで、溜まった凝縮水をより確実に冷却蒸気噴出孔５５に導くことができる。
【００８０】
上記したように、第３の実施の形態の蒸気タービン１２によれば、運転停止後に窪み部４３および窪み部５３に溜まった凝縮水を蒸気タービン１２の外部へ排出することができる。そのため、前述した第１の実施の形態の蒸気タービン１０の作用効果に加えて、タービンロータ２４の内部の腐食を防止することができる。
【００８１】
ここで、窪み部５３の形状は、前述した形状に限られるものではなく、窪み部５３におけるタービンロータ軸に垂直な断面の面積が、タービンロータ軸方向に沿って異なるように窪み部５３が形成されていればよい。すなわち、いずれかの冷却蒸気噴出孔５５に最終的に凝縮水が導かれるように、窪み部５３の形状が設定されていればよい。
【００８２】
図５および図６は、第３の実施の形態の蒸気タービン１２における、他の形状の窪み部５３を示す子午断面図である。
【００８３】
図５に示すように、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に向かって傾斜するように窪み部５３の側面を形成してもよい。この場合、凝縮水は、最終的には、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に導かれる。そのため、他の冷却蒸気噴出孔５５で排出されなかった凝縮水を、開口側の冷却蒸気噴出孔５５から排出することができ、窪み部５３内に凝縮水が残存することを防止できる。
【００８４】
また、図６に示すように、図５で示した構成に、さらに、開口側の冷却蒸気噴出孔５５の入口を備える窪み部５３の内周面に、周方向に亘って溝部７０を形成してもよい。この溝部７０を備えることで、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に導かれた凝縮水を溜めることができる。そのため、例えば、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に集まる凝縮水の流量が多い場合でも、窪み部４３側へ流出することなく、凝縮水を排出できる。
【００８５】
なお、図５および図６に示された構成では、開口側の冷却蒸気噴出孔５５に向かって傾斜するように窪み部５３の側面を形成した一例を示したがこの構成に限られない。例えば、中央の冷却蒸気噴出孔５５（第２段のタービン段落の冷却蒸気噴出孔５５）に向かって傾斜するように、窪み部５３の側面を形成してもよい。
【００８６】
また、ここでは、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成に、上記したテーパ状の側面を有する窪み部５３を備えた一例を示したが、前述した第２の実施の形態の蒸気タービン１１の構成に、この窪み部５３の構成を適用することもできる。この場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００８７】
以上説明した実施形態によれば、冷却する構成部材に達するまでの冷却蒸気の温度上昇を抑制し、的確に冷却を行うことが可能となる。
【００８８】
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。
【符号の説明】
【００８９】
１０，１１，１２…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１…ダイアフラム外輪、２２…ダイアフラム内輪、２３…静翼、２４…タービンロータ、２５…動翼、２６…接合部、２７…グランドラビリンスシール、２８、７０…溝部、２９…冷却蒸気供給管、３０…連通孔、３１…蒸気入口管、３２…蒸気流路、３３…ラビリンスシール、４０，５０…タービンロータ構成部材、４１，５１…ロータ胴部、４２，５２…接合端面、４３，５３…窪み部、４４…中心貫通孔、４５…冷却蒸気導入孔、５３ａ…底部、５４…ホイール部、５４ａ…貫通孔、５５…冷却蒸気噴出孔、６０…冷却蒸気噴出孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのタービンロータ構成部材をタービンロータ軸方向に接合して構成されたタービンロータを備えた蒸気タービンであって、
接合される一方のタービンロータ構成部材は、円柱状の第１のロータ胴部で構成され、
前記第１のロータ胴部が、
前記第１のロータ胴部の接合端面の中心部に形成された第１の窪み部と、
前記第１のロータ胴部の軸中心に形成され、一端が前記第１の窪み部に連通し、他端が封止可能に形成された中心貫通孔と、
前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、導入された冷却蒸気を前記中心貫通孔に導く冷却蒸気導入孔と
を備え、
接合される他方のタービンロータ構成部材は、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成された、動翼が植設されるホイール部を備える円柱状の第２のロータ胴部で構成され、
前記第２のロータ胴部が、
前記第２のロータ胴部の接合端面の中心部に形成された第２の窪み部と、
前記第２のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記第２の窪み部に連通する冷却蒸気噴出孔と
を備えることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記第１のロータ胴部の外周面に形成された、前記冷却蒸気導入孔の開口に対向するケーシングの内壁に、周方向に亘って形成された溝部と、
前記ケーシングの内壁の、前記溝部よりも蒸気タービンの内部側および外部側に設けられた、蒸気の漏洩を防止するシール部と、
前記ケーシングに形成され、外部から導入された冷却蒸気を前記溝部に導く冷却蒸気導入流路と
をさらに備え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】
前記冷却蒸気噴出孔の開口が、前記ホイール部の根元部の直上流側に形成されてい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】
前記冷却蒸気噴出孔の開口が、前記ホイール部の先端部に形成されてい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５】
前記ホイール部がタービンロータ軸方向に複数段形成され、各前記ホイール部に対応して前記冷却蒸気噴出孔が形成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１項記載の蒸気タービン。
【請求項６】
各前記ホイール部に対応して形成された前記冷却蒸気噴出孔の通路断面積および／または個数が、対応する前記ホイール部ごとに異なることを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン。
【請求項７】
少なくとも１つの前記ホイール部に対応して形成された前記冷却蒸気噴出孔が、タービンロータの半径方向に対して周方向に傾けて形成されていることを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記第１の窪み部および前記第２の窪み部におけるタービンロータ軸に垂直な断面形状が円形であ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９】
前記第２の窪み部におけるタービンロータ軸に垂直な断面の面積が、タービンロータ軸方向に沿って異なることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
接合される前記タービンロータ構成部材が、それぞれ異なる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】
少なくとも２つのタービンロータ構成部材をタービンロータ軸方向に接合して構成されたタービンロータを備えた蒸気タービンであって、
接合される一方のタービンロータ構成部材は、円柱状の第１のロータ胴部で構成され、
前記第１のロータ胴部が、
前記第１のロータ胴部の接合端面の中心部に形成された第１の窪み部と、
前記第１のロータ胴部の軸中心に形成され、一端が前記第１の窪み部に連通し、他端が封止可能に形成された中心貫通孔と、
前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、導入された冷却蒸気を前記中心貫通孔に導く冷却蒸気導入孔と
を備え、
接合される他方のタービンロータ構成部材は、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成された、動翼が植設されるホイール部を備える円柱状の第２のロータ胴部で構成され、
前記第２のロータ胴部が、
前記第２のロータ胴部の接合端面の中心部に形成された第２の窪み部と、
前記第２のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記第２の窪み部に連通する冷却蒸気噴出孔と
を備えることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記第１のロータ胴部の外周面に形成された、前記冷却蒸気導入孔の開口に対向するケーシングの内壁に、周方向に亘って形成された溝部と、
前記ケーシングの内壁の、前記溝部よりも蒸気タービンの内部側および外部側に設けられた、蒸気の漏洩を防止するシール部と、
前記ケーシングに形成され、外部から導入された冷却蒸気を前記溝部に導く冷却蒸気導入流路と
をさらに備え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】
前記冷却蒸気噴出孔の開口が、前記ホイール部の根元部の直上流側に形成されてい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】
前記冷却蒸気噴出孔の開口が、前記ホイール部の先端部に形成されてい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５】
前記ホイール部がタービンロータ軸方向に複数段形成され、各前記ホイール部に対応して前記冷却蒸気噴出孔が形成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１項記載の蒸気タービン。
【請求項６】
各前記ホイール部に対応して形成された前記冷却蒸気噴出孔の通路断面積および／または個数が、対応する前記ホイール部ごとに異なることを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン。
【請求項７】
少なくとも１つの前記ホイール部に対応して形成された前記冷却蒸気噴出孔が、タービンロータの半径方向に対して周方向に傾けて形成されていることを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記第１の窪み部および前記第２の窪み部におけるタービンロータ軸に垂直な断面形状が円形であ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９】
前記第２の窪み部におけるタービンロータ軸に垂直な断面の面積が、タービンロータ軸方向に沿って異なることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
接合される前記タービンロータ構成部材が、それぞれ異なる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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１９２８４（Ｐ２０１３−１９２８４Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５１６６９（Ｐ２０１１−１５１６６９）
【出願日】平成２３年７月８日（２０１１．７．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月８日（２０１１．７．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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