JPH06101410A - 蒸気タービンのノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ノズル可動部１２は、ノズル１の出口側上部の
切欠部１６に設けられ、ノズル可動部１２には回転棒１
５が固定されており、回転棒１５の下端は切欠部１６の
下側１６ａで回動自在に枢支されている。回転棒１５の
上端は外輪７を貫通し隔板に枢支され、リンク機構部１
３のリンク１７の一端に固定されている。一方、リンク
機構部１３には、リンク１７の他端に枢支され水平方向
に作動するリンク棒１８ａが設けられ、この連動リンク
棒１８ａの一端から分岐して油圧シリンダ１９のピスト
ン１９ａと連動する連動リンク棒１８ｂが設けられてい
る。制御装置１４は、タービン負荷信号を入力して蒸気
タービンに応じて油圧シリンダ１９の油圧を変化させて
ノズル可動部１２の角度を変化させる。 【効果】低負荷でも剥離も抑制され、タービンの効率が
向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸気タービンのノズル
（静翼）に係わり、特に低圧の最終段落およびその付近
の段落で使用するに好適な蒸気タービンのノズルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】蒸気タービンのノズル（静翼）は、蒸気
熱エネルギーを速度エネルギーにかえるときに、蒸気の
流出方向を特定方向に揃えて羽根に効率よく蒸気が流入
させるものであり、蒸気タービンでは重要な構成部品の
一つである。

【０００３】ノズルの作用を高負荷時を例に図５を参照
して説明すると、ノズル１と羽根２が相対的に図の関係
であったとき、ノズル出口の蒸気の流れ３羽根の周速４
とすれば、羽根への蒸気の相対流れ５のようになる。こ
れによつて、羽根２への蒸気の相対流れ５が羽根２に最
適な角度と速度となって流入する。図６は、ノズルを断
面方向からみたもので外輪７と内輪８にノズル１が溶接
されており、高負荷時には図示鎖線矢印に示す蒸気が乱
流を生じることなく流れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た作用のノズルは、最大負荷時に十分に蒸気を流すこと
ができるようにノズル１と羽根２が設計されており次の
ような問題がある。

【０００５】まず、一つには、近年、発電用の蒸気ター
ビンは大容量化が進み、最終段翼には１メートル前後の
羽根が使われ、また、昼夜の電力需要の落差から、昼間
では最大出力でタービンが運転され、夜間では低出力で
運転される状況になっている。ところが、図５および図
６で説明した如く、最大負荷において十分な蒸気を流し
得るようにノズル１や羽根２を設計されているから、低
負荷では蒸気の圧力や温度が低く、流量が少ないために
必然的にノズル１の入口と出口でのエンタルピや圧力の
差が小さくなる。このため、低負荷時に図７に示すよう
にノズル出口の蒸気の流れ３が小さくなるから、羽根へ
の蒸気の相対流れ５が変化し、剥離の流れ６を生じ羽根
の性能が低下する。特に、長翼を有する最終段落では、
図７に示すように羽根先端付近での羽根への蒸気流入角
が当初の設計点から大きくずれるため、性能が大幅に低
下するという問題がある。

【０００６】もう一つは、高負荷時には羽根２の入口と
出口では図６に示すように乱れのない流れであるが、低
負荷時には図８に示すように、ルート付近では羽根の入
口と出口での圧力差が逆転して流れが大きく乱れ、図８
に示すように逆流を起こすことが知られている。このよ
うな流れの乱れは損失となってタービンの性能を悪くす
る上、羽根２やノズル１に対する大きな励振力となるた
め、タービンの設計上振動に対する考慮が必要である。

【０００７】従来の技術では性能低下はやむを得ないも
のとして、振動に対しては羽根２やノズル１を強固に構
成すると共に、羽根は互いを連結して振動抑制作用を持
たせる等、いわば受け身の対策を取るしかなく、時には
予想し得ない大きな振動となることがあり、最近ある原
子力発電所で静翼を損傷した事例がある。また、時には
低負荷での運転を制限することもあり、蒸気タービンの
信頼性、運用にとって一つの大きな障害となっている。

【０００８】このような従来の問題は、蒸気タービンが
強靱な金属で強固に組立られた機械であり、羽根やノズ
ルは一定の形状を有しているため、タービンの負荷に応
じて変化する蒸気タービンに追従できず、低負荷での損
失や振動はある程度避けられないものと考えられてい
た。

【０００９】上記問題を解決する類似する手段として、
例えば、図９に示すように航空機９の主翼１１のフラッ
プ１０を上下させることが知られている。すなわち、図
１０は図９のＡーＡ断面図で、巡行時には、フラップ１
０を水平方向とする、離着陸の低速時には、フラップ１
０を下方向として翼面積を増加させて浮力を増加させて
いるが、これによって蒸気タービンのノズルの如く流れ
の出口の流体の状態を制御するものではなく、図９に示
す手段は全く別の技術である。

【００１０】また、流体機械の可動翼の例では、コンプ
レッサのガイドベン、ポンプの可変ピッチ翼などがある
が、これらのいずれも被駆動機の事例であり、原動機に
対してかかる構造を適用した事例はこれまでに存在しな
い。従って、流体力学的には別の発想による別の技術で
あり、これらの技術に用いても上記した問題を解決する
ことはできない。

【００１１】そこで、本発明は、タービン負荷に応じて
羽根に流入する蒸気の速度と角度を最適に制御してター
ビン効率を向上させると共に、流れの乱れを抑えてター
ビンの損失を減少させると共に振動を抑える蒸気タービ
ンのノズルを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、蒸気
の流出方向を特定方向に揃えて羽根に流入させるための
外輪と内輪とに固定される蒸気タービンのノズルにおい
て、蒸気タービンの運転状態に応じてノズルの出口面積
の増減により蒸気の流出方向を変えるノズル可動部とを
設けるようにしたものである。

【００１３】請求項２の発明は、蒸気タービン負荷信号
またはノズルの入口と出口との圧力差に基づいてノズル
可動部を可動制御する制御手段を備えるようにしたもの
である。

【００１４】

【作用】上記構成により、ノズルから流出する蒸気の角
度がノズル出口面積が狭くなるように変化し、蒸気の流
出速度が増加し、羽根に流入する蒸気の角度が高負荷時
とほぼ等しくなり剥離も抑制され、タービンの効率が向
上する。また、同時にノズル出口圧力の調整が可能であ
るため、ノズルに続く羽根の入口圧力を上げることがで
き、羽根ルート付近での逆流現象を抑制して損失を減ら
し、流れの乱れにより励起される羽根の振動を抑制する
ことができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１６】図１は、本発明の第１実施例を示す蒸気タ
ービンのノズルの説明図である。図５乃至図８で説明し
た蒸気タービンのノズルと異なる点は、ノズル１の一部
にノズル可動部１２と蒸気タービンの負荷が小さいとき
ノズル出口面積が狭くなるようにノズル可動部１２を動
作させるリンク機構部１３と制御装置１４とを設けた点
である。

【００１７】ノズル可動部１２は、ノズル１の出口側上
部の切欠部１６に設けられ、ノズル可動部１２には回転
棒１５が固定されており、回転棒１５の下端は切欠部１
６の下側１６ａで回動自在に枢支される一方、回転棒１
５の上端は外輪７を貫通し図示省略する隔板に枢支さ
れ、さらに、リンク機構部１３のリンク１７の一端に固
定されている。一方、リンク機構部１３には、リンク１
７の他端に枢支され水平方向に作動するリンク棒１８ａ
が設けられ、この連動リンク棒１８ａの一端から分岐し
て油圧シリンダ１９のピストン１９ａと連動する連動リ
ンク棒１８ｂが設けられている。制御装置１４は、予め
蒸気タービンの運転状態、例えば、タービン負荷信号に
応じて最適なノズル可動部１２の位置になるようにター
ビン負荷信号と油圧との関係を測定し設定しておき、設
定された前記関係と運転時のタービン負荷信号とから油
圧シリンダ１９の油圧を変化させてピストン１９ａを最
適な位置にするようにしている。

【００１８】上記構成で、制御装置１４からの油圧に応
じてピストン１９ａが図示矢印方向に移動し、これに対
応して連動リンク棒１８ｂと連動リンク棒１８ａも図示
矢印方向に移動する。これに応じてリンク１７に固定さ
れた回転棒１５を支点として図示矢印方向に回動する。
これによって、ノズル可動部１２が最適な角度に制御さ
れる。

【００１９】図２は、図１のＢーＢ断面図で、蒸気ター
ビンの高負荷時に比較して低負荷時では、ノズル可動部
１２を図２に示すようにノズル出口面積が狭くなる方向
に動かす。これによつて、羽根２への蒸気の相対流れ５
が図３に示すようになり、図５に示す高負荷時とほぼ蒸
気の角度が等しく剥離の流れ６も抑制される。

【００２０】このように、ノズル１にはノズル可動部１
２が設けられ、このノズル可動部１２は回転棒１５に固
定され、回転棒１５は隔板に設けられた支点を中心に回
転することができる。このようなノズルの構成は、この
段落の全てのノズルに装備されており、各ノズルの回転
棒１５はリンク機構部１３により互いに連結されてその
一端は、油圧シリンダ１９のピストン１９ａに連絡され
ている。油圧シリンダ１９はタービン負荷信号、ノズル
入口、出口、羽根出口の圧力信号等により制御され、蒸
気タービンの運転状態に応じてノズル可動部１２は最適
な角度に制御される。

【００２１】次に、本発明の第２実施例を図４を参照し
て説明する。

【００２２】本実施例は、ノズル１にノズル可動部１２
を設ける点で第１実施例と同じであるが、ノズル可動部
１２を回動させるためにベローズ２０を設け、ベローズ
２０の連絡シャフト２０ａをリンク１７を介して回転棒
１５に取付けている。ベローズ２０の内側は圧力配管２
１ａを介して段落のノズル入口部に接続する。一方、ベ
ローズ２０の外側は圧力配管２１ｂを介してノズル１の
出口側または羽根２の出口側に接続している。これによ
って、ノズル１の入口側とノズル１の出口側との圧力差
に応じてベローズ２０の連絡シャフト２０ａが図示矢印
方向に移動し、回転棒１５の回動によってノズル可動部
１２の角度が制御される。なお、駆動部としてのベロー
ズ２０は、ダイヤフラムで構成してもよい。

【００２３】第２実施例によれば、段落における圧力差
に応じてノズル可動部１２の角度が制御されることから
蒸気タービンの最終段付近の効率低下と振動の増加が解
消される。

【００２４】このようにノズル１から流出する蒸気の角
度がノズル出口面積が狭くなる方向に変化し蒸気の流出
速度が増加するため羽根２に流入する蒸気の角度が低負
荷時にも最適化されて剥離も抑制され、タービンの効率
を向上することができる。また、同時にノズル出口圧力
の調整が可能であるため、ノズル１に続く羽根２の入口
圧力を上げることができ、羽根ルート部付近での逆流現
象を抑制して損失を減らし、流れの乱れにより励起され
る羽根の振動を抑制することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、蒸
気タービンの運転状態に応じてノズルから流出する蒸気
の角度が変化するから羽根に流入する蒸気の角度が低負
荷でも高負荷時とほぼ等しくなり剥離も抑制され、ター
ビンの効率が向上する。また、同時にノズル出口圧力の
調整がされるため羽根の入口圧力を上げることができ、
羽根ルート付近での逆流現象が抑制されて損失が減少
し、また、流れの乱れにより励起される羽根の振動を抑
制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す蒸気タービンのノズ
ルの構成を示す説明図である。

【図２】図１の蒸気タービンのノズルの作用を示す説明
図である。

【図３】図１の蒸気タービンのノズルの低負荷時の蒸気
の流速と角度を示す説明図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す蒸気タービンのノズ
ルの構成を示す説明図である。

【図５】従来の蒸気タービンのノズルにおける高負荷時
の蒸気の流速と角度を示す説明図である。

【図６】従来の蒸気タービンのノズルにおける高負荷時
の蒸気の流れを示す説明図である。

【図７】従来の蒸気タービンのノズルにおける低負荷時
の蒸気の流速と角度を示す図５に対応する説明図であ
る。

【図８】従来の蒸気タービンのノズルにおける低負荷時
の蒸気の流れを示す図６に対応する説明図である。

【図９】蒸気タービンのノズルの類似技術を示す説明図
である。

【図１０】図９のＡーＡ断面を示す説明図である。

【符号の説明】

１ ノズル ２ 羽根 １２ ノズル可動部 １３ リンク機構部 １４ 制御装置 １５ 回転棒 １６ 切欠部 １７ リンク １８ａ 連動リンク棒 １８ｂ 連動リンク棒 １９ 油圧シリンダ ２０ ベローズ ２１ａ 圧力配管 ２１ｂ 圧力配管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気の流出方向を特定方向に揃えて羽根
   に流入させるための外輪と内輪とに固定される蒸気ター
   ビンのノズルにおいて、 蒸気タービンの運転状態に応じて前記ノズルの出口面積
   の増減により前記蒸気の流出方向を変えるノズル可動部
   を備えたことを特徴とする蒸気タービンのノズル。
2. 【請求項２】 蒸気タービン負荷信号または前記ノズル
   の入口と出口との圧力差に基づいて前記ノズル可動部を
   可動制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項
   １記載の蒸気タービンのノズル。