JPH0791961B2 - 蒸気タ−ビンの静翼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は蒸気タービンの静翼に係り、特に蒸気中のドレ
ンが動翼の先端に衝突することによって起きる羽根の浸
蝕や性能の低下を防止するのに適する蒸気タービンの静
翼に関する。

（従来の技術） 原子力タービンや地熱タービンの大部分の段落あるいは
火力タービンの低圧部の段落では、作動流体である蒸気
の一部分が凝縮してドレンとなり、静翼の表面を流れ、
これらドレンが下流にある動翼を浸蝕したり、タービン
効率を低下させたりすることは知られている。

静翼の表面で発生したドレンは、成長し集合し後縁へ流
れそこから飛散して蒸気主流の速度に追従できないまま
動翼に衝突する。衝突速度は翼の先端ほど速く、ドレン
の発生は翼の外周近くに多い。したがって、動翼先端が
集中的に浸蝕を受ける。また、ドレンの動翼への衝突
は、動翼の回転に対してブレーキとして作用するのでタ
ービン効率低下の要因となる。

このような問題を改善するために、従来、第８図、第９
図に示されるような湿分分離装置を備えた蒸気タービン
が提案されている。

第８図において、流路外周壁１と静翼内輪２との間には
溶接や鋳込みなどにより50枚から100枚程度の静翼３が
放射状に固設されている。静翼３の腹側面3aの下流側に
は第９図に示すようにドレン捕獲溝４が形成され、この
ドレン捕獲溝４は流路外周壁１側から長手方向に流路中
央近くまで延設されている。また、ドレン捕獲溝４は流
路外周壁１内に設けられたドレン回収室５に連通孔６を
介して連通されている。静翼３の上流側と下流側の流路
外周壁１にはドレン吸込スリット８が設けられ、ドレン
回収室５に連通されている。ドレン回収室５は低圧の復
水器（図示せず）などに連通されている。また、静翼３
の下流にはホイール９に植込まれた静翼10が配設されて
いる。

主流蒸気は第８図における左方より静翼３に流入しここ
で流れの向きを変えつつ増速されて動翼10に流入し、こ
れを回転させる。温度、圧力の低い湿り蒸気が流れてい
る蒸気タービン段落では静翼３や流路外周壁１上で蒸気
の一部が凝縮してドレンが発生する。静翼３の腹側を流
れるドレンはドレン捕獲溝４で捕獲され、連通孔６から
ドレン回収室５に吸込まれ流路外へ排出される。流路外
周壁１上のドレンはドレン吸込スリット８を介して流路
外へ排出される。

（発明が解決しようとする問題点） 静翼３の背側面には上記腹側面と同様にドレンの流れが
存在し、その量は腹側面を流れるドレンの20％〜120％
にも達し、背側面の下流近くで付着し成長するドレンも
多い。ドレンの半径方向の分布を見ると流路中央部から
外側に向かってドレンの大部分が集中しており、特に流
路高さの75％より外側に多く集中している。流路外周壁
１でもドレンは多量にフィルム状になって流れる。静翼
３の表面に長手方向に上記のようにドレン捕獲溝４を設
けると、ここでドレンは捕獲され、ドレンの主流方向の
速度は無くなり、あとは溝に沿った静圧勾配でより低圧
な方へ流されることが観察されている。

つまり、上記従来技術においては、静翼の背側面を流れ
るドレンは全く捕獲されないばかりか腹側のドレン捕獲
溝４でとらえたドレンも静圧勾配が抵抗となって連通孔
６まで達するものはごく一部に限られ、残りは再度流出
してしまう可能性が大きい。また、外周壁１を流れる多
量のドレンで連通孔６がいっぱいになりドレン捕獲溝４
のドレンが逆流する可能性もある。このような現象を防
ぐために連通孔６を大きくすることは可能であるが、有
効な仕事をする蒸気まで排出することになりタービン効
率の低下を招くことになる。

そこで、本発明は、上述したような従来の蒸気タービン
静翼のドレン排出上の欠点を解消し、静翼の表面上で発
生するドレンによる動翼の浸蝕を防止すると共に、ター
ビン効率を向上させることを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は、外周側端部を流
路外周壁に、内周側端部を静翼内輪にそれぞれ支持した
静翼を有し、この静翼の背側面または腹側面の少なくと
も一方の面に上記流路外周壁から間隔を隔てた位置より
上記静翼内輪側へ向けて長手方向へ延びるドレン捕獲溝
を形成したことを特徴とするものである。

（作 用） 本発明によれば、静翼の表面を流れるドレンはドレン捕
獲溝に捕えられ、外周壁側における静圧が内輪側におけ
る静圧より高いという上記溝内の静圧勾配によってドレ
ンは内輪側へ流され、静翼の下流に配置された動翼の周
速が充分小さくなる半径方向の位置まで導かれ、上記溝
がなくなる近くでドレンは再び静翼の表面に流れ出して
後縁から飛散する。ここでは動翼の先端近くと異なりそ
の周速が小さいのでドレンの動翼への衝突速度は小さ
く、動翼を浸蝕することはなく、ブレーキ作用によるタ
ービン効率の低下も小さい。また、ドレン蒸気は流路か
ら外部へ排出されないので、蒸気の損失も少なくなる。

（実施例） 以下、本発明による蒸気タービンの静翼の一実施例を第
１図乃至第３図を参照して説明する。なお、第８図と同
一部分には同一符号を付して示し説明を省略する。

第１図において、静翼３の背側面及び腹側面の後縁近く
には、静翼３の長手方向に沿ってドレン捕獲溝４が形成
されている。この溝４は流路外周壁１側に開口しない形
状になっており、本実施例においては、溝４の外周側端
部と流路外周壁１との距離Ｄが約3mm以上隔てられてい
る。一方、溝４の内周側端部は、静翼内輪２の外周面を
基準とする静翼高さの75％より内輪２側に近くなるよう
形成されている。

静翼３の背側面の溝４は、後縁近くに後縁とほぼ平行に
なるように形成され、静翼３の腹側面の溝４は、外周側
端部がプロフィル前縁側にかつ内周側端部がプロフィル
後縁側に近付くよう形成されている。

次に、本発明における蒸気タービンの静翼の作用を説明
する。

湿り蒸気が流れる蒸気タービンにおいては、蒸気が静翼
３の間を流れるときに、蒸気中の湿分が流れ方向の速度
変化に追従できず静翼３の表面に衝突したり、静翼３の
表面に沿って流れるうちに凝縮したりして静翼３表面に
ドレンが発生する。

静翼３のIII−III断面及びIV−IV断面（第１図参照）の
プロフィル表面静圧分布は第３図に示すような関係にあ
り、外周側のIII−III断面部の方が内周側のIV−IV断面
部より圧力は高い。従って、ドレン捕獲溝４を形成する
と背・腹側両面とも外周側で高く内周側で低いという圧
力差が溝４に沿って生じる。第３図ではこの圧力差を腹
側、背側についてそれぞれ△P₁,△P₂で示している。た
だし背側では溝４を後縁に平行にするだけで十分な圧力
差が生ずるが、腹側では第３図から明らかなように、そ
れだけでは不十分なので溝４の外周側端部をプロフィル
前縁寄りに、かつ内周側端部をプロフィル後縁寄りにな
るよう形成することによって圧力差を大きくしている。

静翼３表面のドレンは翼の表面上を流れるうちにドレン
捕獲溝４に捕えられ、溝４内の静圧勾配によって内周側
に流され、溝４がなくなる部位の近くで再び流出して静
翼３の後縁まで流される。この間のドレンの経路は第１
図に符号Fdで示されている。後縁に到達したドレンはそ
こから飛散して動翼７に衝突するが、前記ドレン捕獲溝
４は充分に長く、ドレンが衝突する位置の半径は充分小
さくなっているので、ドレンの衝突速度は充分小さい。

一方、実験によって流路外周壁１上をフィルム状になっ
て流れるドレンはその量も多いことがわかっているが、
ドレン捕獲溝４と流路外周壁１との間には3mm以上の間
隔Ｄがあり、外周壁１上のドレンが溝４に流れ込むこと
はなく、外周壁１上のドレンは静翼３の下流のドレン吸
込スリット８に効率良く吸込まれる。

通常、26インチ程度までの最終段動翼では先端から75％
高さまでの範囲がドレンとの衝突速度が大きく浸蝕が激
しい。本実施例では、ドレン捕獲溝４を形成することに
よってこの範囲は少なくとも保護される。

上記のようにして、動翼に衝突するときの衝突速度が充
分小さくなる内周側の部分に静翼３の表面で発生するド
レンを導くことによって、動翼の浸蝕は大幅に低減で
き、信頼性が向上すると共にタービンの補修費用を減ら
すことができる。また、動翼への衝突損失は小さくなる
ので、タービンの段落効率が向上する。本実施例では、
ドレン及び蒸気を流路外へ流出することがないので、蒸
気の損失もなくなる。

さらに、最終段静翼では静翼流出蒸気速度は内周側にな
ればなるほど大きくなるので、ドレンを内周側に導いて
から流出させることは静翼後縁から飛散するドレン粒子
をより微細化することになり、動翼の浸蝕をさらに低減
できるという効果が得られる。

本発明によれば、静翼３の表面に溝を設けるだけの簡単
な構造であるので、湿り蒸気を作動流体とするタービン
のコストを低減できるばかりでなく、既存設備にも簡単
に適用でき動翼の浸蝕防止及び性能向上を安価に実現す
ることができる。

次に、本発明の他の実施例について第４図及び第５図を
参照して説明する。なお、第５図は第４図に示した静翼
３のＶ−Ｖ断面図である。

第４図において、静翼３の背・腹側両面には複数のドレ
ン捕獲溝４が形成されている。すべての溝４の外周側端
部は流路外周壁１から第１図と同様して距離Ｄだけ隔て
られており、溝４の長さは下流に位置するものほど短く
なるように、かつ背・腹側含めてすべての溝４の内周側
端部の半径方向位置が異なるように形成されている。

このように構成することによって、一本の溝４だけでは
捕獲しきれなかったドレンや一本目の溝４の下流で新た
に発生したドレンを確実に捕獲でき、ドレンが流出する
半径方向の位置を分散させ低速といえども集中して動翼
にドレンが衝突するのを防止することができる。

また、第６図及び第７図を参照して他の実施例について
説明する。なお、第７図は第６図の静翼のVI−VI断面図
である。

この静翼３は中空構造であり、その内部は空洞11になっ
ており、表面圧力がほぼ等しい背側前縁近くと腹側後縁
近くには、外部と空洞11とを連通するドレン吸込スリッ
ト10が形成されている。スリット10は静翼３の長手方向
に沿いかつ流れに直交するように形成され、静翼３の強
度を低下させないように３つに分割されている（第６図
参照）。空洞11に連通するドレン回収室５は流路外周壁
１の内部に設けられ、この回収室５はより低圧なたとえ
ば復水器などの部分へつながっている。また、静翼３の
後縁近くの背側面上には後縁と平行にドレン捕獲溝４が
形成されている。

このように構成した蒸気タービン静翼においては、翼の
表面上を流れるドレンは上記ドレン吸込スリット10から
空洞11内に吸込まれ、ドレン回収室５を経て、上記低圧
の部分へ排出される。ところで背側の静翼ドレン吸込ス
リット10は前縁近くに形成されているので、例えここで
すべてのドレンを吸込んだとしてもその下流では凝縮に
よってドレンが発生する。このドレンを背側後縁近くの
ドレン捕獲溝４が捕えて半径方向の位置が充分小さい位
置までドレンを導く。本実施例では、ドレンの吸込みと
溝４によるドレンの移動を併用するので、特に湿り度が
高くドレンの多いタービン段落に有効であり、従来の吸
込スリットだけの中空状静翼では防止できなかった背側
下流に発生するドレンによる浸蝕を有効に防止すること
ができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、静翼
の背側面または腹側面の少なくとも一方の面に形成され
たドレン捕獲溝を介して静翼の表面上のドレンを動翼に
浸蝕を与えない半径方向の位置まで導くようにしたの
で、動翼の浸蝕を防止できると共に、タービン段落の効
率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す蒸気タービン最終段の
縦断面図、第２図は第１図のII−II断面図、第３図は第
１図のIII−III断面とIV−IV断面における静翼のプロフ
ィル表面静圧分布図、第４図は他の実施例を示す蒸気タ
ービン最終段静翼の縦断面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ
断面図、第６図は他の実施例を示す蒸気タービン最終段
の縦断面図、第７図は第６図のVII−VII断面図、第８図
は従来の蒸気タービン最終段の縦断面図、第９図は第８
図のIX−IX断面図である。 １……流路外周壁、２……静翼内輪、３……静翼、４…
…ドレン捕獲溝、５……ドレン回収空洞、６……連通
孔、７……動翼、８……ドレン吸込スリット、10……静
翼ドレン吸込スリット、11……静翼空洞、Fd……ドレン
の流れ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−108806（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−176404（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−44706（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−183205（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−132506（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭51−141702（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−73801（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭49−9522（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭52−27282（ＪＰ，Ｙ１) 実公 昭51−20322（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外周側端部を流路外周壁に、内周側端部を
   静翼内輪にそれぞれ支持した静翼を有し、この静翼の背
   側面または腹側面の少なくとも一方の面に上記流路外周
   壁から間隔を隔てた位置より上記静翼内輪側へ向けて長
   手方向へ延びるドレン捕獲溝を形成したことを特徴とす
   る蒸気タービンの静翼。
2. 【請求項２】上記溝は、溝の外周側端部が上記流路外周
   壁より少なくとも3mm以上隔てられ、溝の内周側端部が
   上記静翼内輪の外周面を基準とする静翼高さの75％以下
   の位置へ達するよう形成されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の蒸気タービンの静翼。
3. 【請求項３】上記溝は背側面の後縁近くに後縁とほぼ平
   行に形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の蒸気タービンの静翼。
4. 【請求項４】上記溝は溝の外周側端部がプロフィル前縁
   寄りに、かつ溝の内周側端部がプロフィル後縁寄りに位
   置するよう形成され、上記外周側端部から上記内周側端
   部へ向かって上記溝内の静圧が低くなるようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の蒸気タービン
   の静翼。
5. 【請求項５】上記静翼の背側面または腹側面の同一面内
   に２本以上の溝を並列状に形成し、溝の長さは後縁近く
   にある溝ほど短くなるよう形成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の蒸気タービンの静翼。
6. 【請求項６】上記静翼は中空構造に形成し、蒸気圧力が
   同じになる背側面内のプロフィル前縁側と腹側面内のプ
   ロフィル後縁側とに蒸気静翼の長手方向に沿いかつ蒸気
   の流れに直交するスリット状のドレン吸込口を形成する
   と共に、上記背側面の後縁の近くには上記溝を後縁とほ
   ぼ平行に形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の蒸気タービンの静翼。