JPH0440522B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、蒸気流入部分に配置された軸しや
へいリングを備え、この軸しやへいリングが軸を
間隔を隔てて囲み、かつ第１静翼環の静翼の半径
方向内端に結合されている軸流蒸気タービンにか
かわる。

〔従来技術とその問題点〕

かかる蒸気ダービンはフランス国特許第851531
号により知られている。これに記載の複流蒸気タ
ービンにおいては軸方向中央に設けられた蒸気流
入部分に軸しやへいリングが配置され、この軸し
やへいリングは複流の各第１静翼環の静翼の半径
方向内端に固定されている。軸を間隔を隔てて囲
むこの軸しやへいリングは、半径方向に流入する
蒸気を複流に等分割し軸方向に向きを変えるよう
に外周が形成されている。したがつて軸しやへい
リングは半径方向に流入する蒸気が軸表面に直接
衝突するのを防止する。

トラウペル（W.Traupel）著“テルミツシエ
トウルボマシーネン（Thermische
Turbomachinen）”第２巻、第２版、シユプリン
ガ（Springer）書店、ベルリン、ハイデルベル
ク、ニユーヨーク、1968年、第341頁に、単流形
軸流蒸気タービンにおいて蒸気入流部分にしやへ
い板を付設して、軸としやへい板との間に形成さ
れたリング状流路に外部から冷蒸気を導入する技
術が開示されている。そしてこの場合冷蒸気はリ
ング状流路の中を第１静翼環の手前まで流れる。
こうして大きい遠心応力に加えて蒸気流入部分及
び第１動翼環の動翼固定部分において軸に生じる
熱応力が低減される。しかしながらこのために若
干の出費をもたらす冷蒸気の準備が必要である。
さらに複流蒸気タービンにおいては、軸しやへい
リングと軸との間に形成されたリング状流路へこ
のように外部から冷蒸気を導入することは、冷蒸
気の供給配管が蒸気流入部分に敷設されたときに
だけ可能となる。かかる構造は雑誌“ベーベーツ
エー−ナツハリヒテン（BBC−Nachrichten）”
1980年、第10号、第378頁により公知である。し
かしながら蒸気流入部分に冷蒸気の供給配管を敷
設することにより、付加的な流れ損失が発生す
る。また、冷蒸気による蒸気流入部分の軸の冷却
は熱力学的にも不利である。なぜならば冷蒸気は
蒸気タービン内部の平均作動媒体温度を下げるか
らである。また冷蒸気の供給により負荷しや断の
際に制御技術上の問題も生じうる。なぜらばな冷
蒸気の供給が別置の安全弁によりしや断されない
限り、冷蒸気により蒸気タービンないしタービ
ン・発電機セツトが過速されることがあるからで
ある。

〔発明の目的〕

この発明は頭記の種類の軸流蒸気タービンにお
いて、蒸気流入部分における軸の熱応力を冷蒸気
を用いることなく効果的に低減することを目的と
する。

〔発明の概要〕

この目的はこの発明にもとづき、蒸気流入部分
に配置された軸しやへいリングを備え、この軸し
やリングが軸を間隔を隔てて囲みかつ第一静翼環
の静翼の半径方向内端と結合されている軸流蒸気
タービンにおいて、前記軸しやへいリングの中に
ノズルが設けられ、このノズルは、一方が蒸気流
入側に開口し他方が軸の回転方向に向けて軸と軸
しやへいリングとの間に形成されたリング状流路
に接線方向に開口し、このノズルから前記リング
状流路に蒸気ターブンの流入部の作動蒸気の一部
を供給し、この蒸気のみで、前記軸しやへいリン
グで囲まれた軸部分を冷却してなるものとするこ
とにより達成される。

したがつてこの発明にもとづく蒸気タービンに
おいては、第１の静翼環をう回して、全流入蒸気
のごく一部が接線方向に配置されたノズルを経て
軸しやへいリングの下に在る軸部分に導かれる。
この部分流が軸しやへいリングとの間に形成され
たリング状空間に流入する速度は、第１静翼環で
生じる圧力降下量に相応する。蒸気ノズルを経て
リング状空間を旋回流として流れることによつ
て、その際軸が冷却される理由を以下に説明す
る。

蒸気は、ノズルにおいて断熱的に膨張し、動的
エネルギーの増加に相応して温度が低下する。旋
回流の蒸気温度が低下するので、これにより軸は
その分温度が低下し冷却され得る環境におかれる
ことになる。しかしながら、実際には、軸と蒸気
流との間の境界層に着目した場合、軸周速と蒸気
流速度が異なる場合にその相対速度のみあつて、
一種の流体粘性摩擦により、温度が上昇する。

しかしながら、この上昇分は、蒸気の動的エネ
ルギーに相応した温度降下分に比較して小さくで
きるので、軸の温度を低下させることができる。

この発明は、上述のように、軸しやへいリング
中のノズルを設けることにより、前記冷却原理に
基づいて、外部から冷蒸気を導入することなく軸
の冷却ができることに着眼してなされたものであ
る。

上記の概念的な説明を数式を用いて、さらに詳
しく説明すると下記のとおりである。ここで、式
に用いる記号を以下のように定義する。

t₀：ノズル流入初期温度、Ｃ：蒸気旋回流速 ｔ：旋回蒸気温度、Ｕ：軸周速 t_s：軸境界層温度、Ｗ：相対速度 c_p：蒸気の定圧比熱、（Ｗ＝Ｃ−Ｕ） 前述の動的エネルギーに相応する旋回蒸気温度
の低下は、下記で表すことができる。

ｔ＝t₀−C²／2c_p ……(1) また、軸境界層温度の相対速度Ｗに基づく温度
上昇は、下式で表すことができる。

t_s＝ｔ＋W²／2c_p ……(2) ここで（Ｗ＝Ｃ−Ｕ）を上記(1)、(2)式に代入す
ると、下式が成立する。

t_s＝t₀＋U²／2c_p−UC／c_p ……(3) (3)式において、c_p、Ｕは既知数である。

ここで、軸境界層温度t_sがノズル流入初期温度
t₀より低くなる条件は、(3)式より UC／c_p＞U²／2c_p であり、即ち、Ｃ＞Ｕ／２である。

従つて、ノズルは、ノズルからリング状流路を
旋回通流する蒸気旋回流速Ｃが少なくとも軸周速
Ｕの1/2以上となるように形成れることが必要と
なる。なお、冷却効果を考慮すると実用上は旋回
流が軸周速より早く流れるようにすることが必要
である。かくて、軸しやへいリングに接線方向に
設けられたノズルにより、蒸気流入部分及び第１
動翼環の動翼固定部分の軸の効果ある冷却が達成
できる。

〔発明の実施態様〕

軸しやへいリングが複流の各第１静翼環の静翼
の半径方向内端に固定された複流形軸流タービン
における有利な実施態様では、ノズルはリング状
流路の軸方向中央に開口する。そして中央のノズ
ルを経てリング状流路に流入した部分流は二つの
旋回流に等分割され、これら旋回流は軸に沿つて
軸方向にそれぞれ第１の動翼環まで流れる。

さらに良好な冷却作用を得るために好適な実施
態様は、翼列の第１段を弱反動段として構成する
こと及び複流形にあつては複流の各第１段をそれ
ぞれ弱反動段として構成することである。これに
より第１静翼環の中で最大可能な圧力降下量が生
じると、これに対応する動的エネルギの増加によ
りリング状流路に導入された部分流の旋回蒸気温
度が最大限に低下される。

また加工技術上の理由から、４個のノズルが軸
しやへいリングの周上に等分に配設されるのが良
い。

この発明にもとづく蒸気タービンの別の有利な
実施態様においては、リング状流路を通る蒸気の
質量流量が蒸気流入部分に供給される蒸気の全質
量流量の約３％となるように、ノズルの断面積が
設定される。これにより、軸を有効に冷却した場
合に第１静翼環をう回して流れる部分流により生
じる蒸気消費量の増加は、極めて小さい値に制限
できる。

〔発明の実施例〕

つぎにこの発明にもとづく蒸気タービンの１実
施例を示す図面によりこの発明を詳細に説明す
る。

第１図において蒸気は、軸方向中央Ｍに対し対
称に配置された複流の静翼支持体３及び３′によ
り形成されるリング状流入路２を経て、矢１の方
向に半径方向内側に向つて流れる。そして半径方
向に流入した蒸気は軸方向に向きを変えて複流に
等分割される。しかしながらその際僅かな部分流
がリング状流路４に導入される。この流路は、軸
５とこれに同心の軸しやへいリング６との間に形
成され、軸５と軸しやへいリング６との適切な形
状により軸方向中央Ｍから両側に向つて僅かに上
昇している。軸しやへいリング６は複流の各第１
静翼環の静翼７及び７′の半径方向内端にそれぞ
れ固定されている。静翼７及び７′はそれ自身静
翼支持体３及び３′にそれぞれ挿入固定されてい
る。

軸しやへいリング６の中には、４個のノズル８
が丸孔として周上等分に配設されている。第２図
からわかるように、ノズル８は矢９に示す軸の回
転方向に軸５と軸しやへいリング６との間に形成
されたリング状流路４に接線方向に開口する。流
入する蒸気から分岐された部分流はノズル８を経
て接線方向にリング状流路４に流入するので、そ
こで矢１０により示される旋回流が生じる。

そして旋回流１０は、第１図の矢１１と１１′
とにより示すように、軸方向中央Ｍから流れ去る
二つの旋回流に分かれ、複流の各第１動翼環の動
翼１２及び１２′まで軸５に沿つて流れる。その
際両旋回流１１及び１１′は複流の各第１静翼環
の静翼７及び７′をう回する。したがつて流入す
る蒸気から分岐された部分流がノズル８に流入す
る速度は複流の各第１静翼環に生じる圧力降下量
に相応するので、この流入速度は翼列の各第１段
を弱反動段として構成することにより増加されう
る。

軸しやへいリング６は一方では矢１の方向に半
径方向に流入する高温蒸気が軸５の表面に直接衝
突するのを防ぐ。他方ではリング状流路４の中の
旋回流の境界層温度を、動的エネルギの増加によ
り温度低下した旋回蒸気により低下させる。

この発明の一実施例に関し、定量的に説明する
と以下のとおりである。ノズル８を経てリング状
流路に流入する蒸気の質量流量は流入路２に供給
される蒸気の全質量流量の約３％であるとき、軸
５の軸しやへいリング６の下に在る部分の温度低
下は流入蒸気の温度にくらべて、軸方向中央にお
ける旋回域の始端において20度、旋回域の各終端
において10ないし15度となる。軸の冷却のために
必要な蒸気消費量の増加は約0.06％であり、した
がつて外部から導入する冷蒸気による強制冷却の
際に得られる値に等しい。なお旋回域の各終端に
おける冷却効果の僅から減少は、場合により軸５
上に追加設置される動翼列により回避される。軸
方向中央Ｍとリング状流路４とに設置されるこの
動翼列はフリージエツトタービンとして構成され
るのが良い。

〔発明の効果〕

この発明によれば、蒸気流入部分に配置された
軸しやへいリングを備え、この軸しやへいリング
が軸を間隔を隔てて囲みかつ第一静翼環の静翼の
半径方向内端と結合されている流蒸気タービンに
おいて、前記軸しやへいリングの中にノズルが設
けられ、このノズルは、一方が蒸気流入側に開口
し他方が軸の回転方向に向けて軸と軸しやへいリ
ングとの間に形成されたリング状流路に接線方向
に開口し、このノズルから前記リング状流路に蒸
気タービンの流入部の作動蒸気の一部を供給し、
この蒸気のみで、前記軸しやへいリングで囲まれ
た軸部分を冷却してなるものとしたことにより、
外部から特別に冷蒸気を導入する必要がなくな
る。

従つて、冷蒸気供給用の配管設備が不要となり
構造が簡単となる。また、冷蒸気導入に伴う前述
の熱力学上の不利益や負荷しや断時の制御上の問
題も生じることがなく、総じて、設備および運転
コストが低減する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にもとづく複流形軸流蒸気タ
ービンの一実施例の蒸気流入部分の軸方向断面
図、第２図は第１図の切断線−による断面
図、である。 図面において、４はリング状流路、５は軸、６
は軸しやへいリング、７は第１静翼環の静翼、８
はノズル、９は軸の回転方向、Ｍは軸方向中央、
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蒸気流入部分に配置された軸しやへいリング
   を備え、この軸しやへいリングが軸を間隔を隔て
   て囲みかつ第一静翼環の静翼の半径方向内端と結
   合されている軸流蒸気タービンにおいて、前記軸
   しやへいリングの中にノズルが設けられ、このノ
   ズルは、一方が蒸気流入側に開口し他方が軸の回
   転方向に向けて軸と軸しやへいリングとの間に形
   成されたリング状流路に接線方向に開口し、この
   ノズルから前記リング状流路に蒸気タービンの流
   入部の作動蒸気の一部を供給し、この蒸気のみ
   で、前記軸しやへいリングで囲まれた軸部分を冷
   却してなることを特徴とする軸流蒸気タービン。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の軸流蒸気ター
   ビンにおいて、タービンが軸しやへいリングが複
   流の各第一静翼環の静翼の半径方向内端に固定さ
   れた複流形タービンとして構成され、ノズルが軸
   方向中央でリング状流路に開口することを特徴と
   する軸流蒸気タービン。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の軸流蒸気ター
   ビンにおいて、複流の各翼列の第１段がそれぞれ
   弱反動段として構成されることを特徴とする軸流
   蒸気タービン。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載の軸流蒸気ター
   ビンにおいて、翼列の第１段が弱反動段として構
   成されることを特徴とする軸流蒸気タービン。 ５ 特許請求の範囲第１項から第４項までのいず
   れかに記載の軸流蒸気タービンにおいて、４個の
   前記ノズルが軸しやへいリングの周上に等分に配
   設されていることを特徴とする軸流蒸気タービ
   ン。 ６ 特許請求の範囲第１項から第５項までのいず
   れかに記載の軸流蒸気タービンにおいて、ノズル
   の断面積がリング状流路を通る蒸気の質量流量が
   蒸気流入部分に供給される蒸気の全質量流量の約
   ３％となるように設定されることを特徴とする軸
   流蒸気タービン。