JPH11303608A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一体ロータ材で形成されたタービンロータを
備える高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用
化を図る。 【解決手段】 主蒸気（２０）が供給される高圧タービ
ン（３）と、タービン最終段動翼（４７）を有する低圧
タービン（５）と、一体ロータ材で形成されたタービン
ロータ（２）と、一体のケーシング（６）と、下方排気
形式の排気室（１５）とを備え、主蒸気は、１００kg/c
ｍ² 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度とを有
し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、タービン最終段
動翼は、翼の有効長が３６インチ以上であって回転数が
３０００ｒｐｍである動翼であるか、または翼の有効長
が３３．５インチ以上であって回転数が３６００ｒｐｍ
である動翼かであり、高圧側ジャーナル軸受（１）と低
圧側ジャーナル軸受（１１）のいずれか一方の軸受
（１）がハウジングの少なくとも一部が設置される基礎
部（１０、１２）に設置され、他方の軸受（１１）が基
礎部から外れて設置されている蒸気タービン。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気タービンに係
り、特に、高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術（１） 主蒸気圧力が１００kg/cｍ²以上であり主蒸気温度が５
００℃以上である蒸気条件と１００ＭＷ以上の定格出力
とを有し、翼の有効長が３６インチ以上のタービン最終
段動翼を有する３０００ｒｐｍ機または有効長が３３．
５インチ以上のタービン最終段動翼を有する３６００ｒ
ｐｍ機であって下方排気形式のタービン排気を有し（以
下に、「高温高圧高出力条件」という）、かつ、２個の
ジャーナル軸受で支持された一体ロータ材からなるター
ビンロータ上に高圧部と中圧部および低圧部、または高
圧部と低圧部が形成され、これらの各部が一体のケーシ
ングに収められている（以下に、「単一タービンロータ
条件」という）高低圧一体蒸気タービンは、その技術的
困難さから、特に軸振動対策の困難さから未だ実用化さ
れていない。

【０００３】「高温高圧高出力条件」を満たすが「単一
タービンロータ条件」を満たさない従来の高低圧一体蒸
気タービンは、図１１または図１３に示すように、高中
圧部または高圧部１０３、１０４のロータ１１１と低圧
部１０５のロータ１１２とをそれぞれ別個に作成してそ
れぞれを別個のケーシング１０６、１０７に収め、それ
らのロータ１１１、１１２をカップリング１１３を介し
て締結して使用する方法が採られていた。

【０００４】また、「高温高圧高出力条件」を満たさな
いが「単一タービンロータ条件」を満たす従来の高低圧
一体蒸気タービンの場合には、軸系の剛性を比較的高く
設定することが可能であったことから、図１２に示すよ
うに、２個の軸受１、１１はともに基礎部１０、１２の
上に置かれていた。

【０００５】従来技術（２） 「高温高圧高出力条件」を満たさないが「単一タービン
ロータ条件」を満たす従来の高低圧一体蒸気タービンの
場合には、主蒸気圧力温度が高くなく出力も小さいこと
から、軸受スパンは比較的短く、従って、高低圧一体蒸
気タービンの高圧部側に配設する前部軸受と低圧側に配
設する後部軸受はともに適正な軸受荷重を分担している
ので軸振動的に安定した設計が可能であった。

【０００６】従来技術（３） 前述したように、「高温高圧高出力条件」と「単一ター
ビンロータ条件」を満たす高低圧一体蒸気タービンは、
その技術的困難さから未だ実用化されていない。

【０００７】従来型蒸気タービンにおいては、図１１に
示すように、複数のケーシングからなる多ケーシングを
有し、高中圧ロータまたは高圧ロータと、低圧ロータの
それぞれが２個ずつの軸受を有しているか、または、図
１３に示すように２本のロータが締結された状態に対し
て３個の軸受を配設していた。このような多ケーシング
蒸気タービンにおいては各ロータの軸受スパンは高低圧
一体ロータに比べて短く剛性が極めて高く、一対のター
ビン静翼とタービン動翼の組み合わせで構成される段落
の数を多くして軸受スパンが少々増加しても軸振動的に
は良好な特性を確保することができた。

【０００８】従来技術（４） 前述したように、「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気
タービンの製造においては、従来は図１１または図１３
に示すように、また、従来、下方排気の高低圧一体ター
ビンにおいては、図１２に示すように、排気室のコーン
形状は直線的な円錐形状と言える形状になっていた。

【０００９】従来技術（５） 「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの製造に
おいては、従来は、排気室のコーン形状は直線的な円錐
形状といえる形状にして（図１２）、排気性能を確保す
る目的で図１７に示すように排気室の軸長Ｌを長く取っ
てＬ／Ｄが０．５を超えた排気室形状となっていた。

【００１０】従来技術（６） 「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの製造に
おいては、従来は、図１２のように排気室のコーン形状
はその縦断面が直線的な円錐形状と言える形状となって
いた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】課題（１） 一般に蒸気タービンでは流入する蒸気条件が高温高圧に
なってタービンの出力が増大すると段落数を増やして対
応するため、２個のジャーナル軸受で支持された１本の
タービンロータを使用する高低圧一体タービンでは、出
力が増大するにつれて軸受スパンが長くなるのが一般的
である。

【００１２】高低圧一体蒸気タービンは１本のロータに
高圧から低圧までの全ての段落を設置するのでロータ１
本の長さが長くなる。このため、流入する主蒸気の蒸気
条件が高温高圧になって定格出力が増大するようになる
と軸受スパンＳとロータシャフト外径Ｄｏの比Ｓ／Ｄｏ
が大きくなるため軸の剛性が小さくなって軸系の固有値
が低くなりがちであり軸振動的に設計が難しくなる。ま
た、一般には蒸気流量も増大するので最終段などの長翼
の翼長が長くなって軸系の固有値低下要因である付加重
量が増加するので、良好な振動特性を確保するには高度
な技術力が必要とされていた。

【００１３】特に、「高温高圧高出力条件」と「単一タ
ービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧
一体蒸気タービンの実用化にあたっては、従来技術のま
までは軸受スパンが長くなって危険速度が低下し、特に
二次危険速度が定格回転速度に対して接近し離調が不十
分になったり又は二次危険速度が定格回転速度に合致
し、安全な運転が困難になるという課題があった。

【００１４】これらの課題の解決にはロータ軸径を太く
するのが効果的ではあるが、ラビング防止の観点から静
止部と回転部との間の半径方向の間隙寸法を狭めること
が困難であることからロータ径を太くすると間隙の面積
が拡大して漏洩損失が増大し、性能悪化を招く。また、
ロータ軸系を太くすることに伴なって翼取り付け位置の
直径が大きくなると翼長が短くなり、二次流れ損失が増
大するので性能悪化を招く。従って、高圧高温で高出力
の高低圧一体蒸気タービンの実用化における軸振動間題
解決の対策として、ロータ軸系を太くするという対応は
あまり推奨されない。

【００１５】このように、「高温高圧高出力条件」と
「単一タービンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力
の高低圧一体蒸気タービンの実用化にあっては、軸受ス
パンの増大と軸系の付加重量の増大とにより、ロータを
支持する２個の軸受を全て基礎部の上に配置すると軸受
スパンが長大になってタービン軸系の剛性が低下するこ
とから、良好な軸振動特性を確保することが困難になる
という課題があった。

【００１６】課題（２） 図１４に示すように、高低圧一体蒸気タービンの重量Ｗ
は前部軸受および後部軸受で支持され、前部軸受荷重Ｆ
Ａと後部軸受荷重ＦＢとして分担される。ロータは各軸
受からそれと同じ大きさの反力すなわち前部軸受反力Ｒ
Ａと後部軸受反力ＲＢを受ける。Ｇはロータの重心位置
を示し、Ｗはロータの重量を示す。

【００１７】「高温高圧高出力条件」と「単一タービン
ロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸
気タービンの実用化にあっては、主蒸気圧力が高く高出
力であることから軸受スパンに占める高圧部または高圧
部と中圧部の割合が大きくなって、翼長が長く重量が重
い最終段動翼の位置が相対的に後部軸受に近くなること
から前部軸受荷重が軽くなり、そのため、前部軸受にお
いて軸受特性の不安定な領域に近接し、場合によって不
安定領域内となることが予想される。このため、前記条
件を有する高圧高温で高出力の高低圧一体蒸気タービン
の実用化は困難であった。

【００１８】課題（３） 高低圧一体タービンではタービンロータは１本であり、
高温高圧になってタービンの出力が増大すると段落数を
増やして対応するのが一般的であるため、出力が増大す
ると軸受スパンが長くなるのが一般的である。

【００１９】「高温高圧高出力条件」と「単一タービン
ロータ条件」を満たす高低圧一体蒸気タービンの実用化
にあたっては、前記条件に満たさない従来の高低圧一体
蒸気タービンのロータシャフト外径のままではタービン
出力増大に伴う軸受スパンの増加により、軸系の剛性が
不足し危険速度が低下して定格回転速度に対して離調不
足となり軸振動が増大するという問題があった。

【００２０】このように、高低圧一体蒸気タービンは１
本のロータに高圧から低圧までの全ての段落を設置する
のでロータ１本の長さが長くなり、従って軸受スパンＳ
とロータシャフト外径Ｄｏの比Ｓ／Ｄｏが大きくなるこ
とから、従来の高低圧一体蒸気タービンのロータシャフ
ト外径の実績範囲内で前記条件を有する高低圧一体蒸気
タービンの実用化にあたっては軸系の固有値が低下し
て、特に二次危険速度が定格回転速度に対して接近し離
調が不十分になり、又は合致して、安全な運転が困難に
なるという課題があった。

【００２１】軸受スパンがさらに長くなると危険速度が
低下し、二次危険速度は定格回転速度よりも低くなって
二次危険速度は再び離調が確保されるが、図１０からも
わかるように、今度はタービン起動特性に対して問題が
生じてくる。すなわち、例えばコンバインドサイクルに
おけるタービン起動時にはパージ運転と称して流路に堆
積した不純物を流れによって排出するという運転モード
が一般的に設定されている。パージ運転におけるタービ
ン回転速度（パージ回転速度）は定格回転数ｎrの１／
３（例えば、３６００ｒｐｍ機のパージ回転数は１２０
０ｒｐｍ）に設定されるのが通常であり、かつ、このパ
ージ回転数において蒸気タービンの運転が一定時間保持
される。ここで、図１０において、ｎr：定格回転数、
Ｒr：定格回転数離調幅、Ｒp：パージ回転数をｎr／３
に設定した場合のパージ回転数離調幅、Ｃr1：一次危険
速度、Ｃr2：二次危険速度、ＳA：軸受スパン設定可能
領域、ＳB：軸受スパン設定不可能領域、ＳC：軸受スパ
ン設定が可能ではあるがパージ回転数をｎr／３より下
に設定しなければならない領域（運転性劣）を示す。

【００２２】従来実用化されている比較的小型の高低圧
一体蒸気タービンで定格回転数が３６００ｒｐｍ又は３
０００ｒｐｍを有するタービンでは、一般にパージ回転
速度は一次危険速度より低いが、軸受スパンが長くなる
と軸系の一次危険速度が低下してきてパージ回転速度に
近接または合致するようになるため、パージ運転時間に
亘って大きな軸振動が発生して運転に支障をきたす。そ
の場合、パージ回転速度を上げて一次危険速度から離す
方法が考えられるが、パージ運転は無負荷状態の運転で
あるため回転数を上げると蒸気タービンの長翼での風損
が大きくなって発熱し長翼が高温にさらされると共に長
翼に作用する流体励張力が増大しタービン長翼に不具合
をきたす恐れがあるので推奨出来ないという問題があっ
た。他方、パージ回転速度を下げて一次危険速度から離
す方法が考えられるが、この方法では流路を通過する流
体の流速が遅くパージの効果が極めて小さくなってパー
ジ時間を大幅に延長する必要が生じるため起動時間が長
くなり、タービン起動特性が大きく悪化するのでやはり
推奨し難いという問題があった。

【００２３】高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト
中央部の最小軸径が従来実績と同様に５００ｍｍ程度の
場合、軸受スパンを５７００ｍｍ以上とすることによっ
て二次危険速度を定格回転速度の下側で離調することが
可能となるが、既述の如く一次危険速度が、定格回転速
度ｎrの１／３に設定されるのが常であるところのパー
ジ回転速度に近接または合致する恐れが大きく、その回
避のためにパージ回転速度の低速化を余儀なくされてタ
ービン起動特性の大幅な悪化を招くことが予想されると
いう課題があった。

【００２４】なお、ここでは、ロータシャフト中央部の
最小軸径とは、１／４軸受スパン位置から３／４軸受ス
パン位置の範囲内におけるロータ各部位の軸径のうちの
最小値と定義することにする。

【００２５】課題（４） 従来のように排気室のコーン形状を直線的な円錐状とし
たままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い
状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン性能
が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状とし
たままで必要な排気性能を確保するには、排気流が排気
室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるよう
に排気室の軸方向距離を大きく取る必要が生じる。しか
しながら、この場合には、排気室の軸長Ｌが長くなり、
それに伴ってタービンの軸受スパンも長くなることから
タービン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下
して大きな軸振動が発生しやすかった。このような振動
の防止策としては軸径を太く設計し固有値の低下を抑制
する方法が取られがちであるが、一般に軸径を太くする
と漏洩損失が増加し性能が大幅に悪化することから、こ
のような対応は排気室軸長を長くして獲得した性能改善
よりも大きな性能悪化を招き、タービン全体の性能を悪
化させてしまうため実用上は採用困難である。

【００２６】このような理由から、「高温高圧高出力条
件」と「単一タービンロータ条件」を満たし、高圧部と
低圧部とが単一のハウジングに収納された高性能で高出
力の高低圧一体蒸気タービンを実用化することは困難を
伴うものであった。

【００２７】さらに、翼の有効長が３６”以上のタービ
ン最終段動翼を有する３０００ｒｐｍ機または有効長が
３３．５”以上のタービン最終段動翼を有する３６００
ｒｐｍ機というような長大な最終段動翼（ＬＳＢ）を有
する高低圧一体蒸気タービンの場合、タービン軸系にと
っては付加重量として作用する動翼の重量やホイールの
重量の増加が著しくなってタービン軸系の固有値の低下
を招き、従来技術のままでは、二次危険速度の離調不足
による軸振動増大などの高出力高低圧一体蒸気タービン
の実用化にとって困難な課題に直面していた。

【００２８】課題（５） 従来のように排気室のコーン形状を直線的な円錐状とし
たままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い
状態で衝突して渦を形成するために排気損失が大きくな
りタービン性能が悪化する。このため排気室のコーン形
状を円錐状としたままで必要な排気性能を確保するに
は、排気流が排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が
十分に落ちるように排気室の軸方向距離を大きく取る必
要が生じる。しかしながら、この場合には、排気室の軸
長Ｌが長くなり、それに伴ってタービンの軸受スパンも
長くなることからタービン軸の剛性が低下しタービン軸
系の固有値が低下して大きな軸振動が発生しやすかっ
た。このような振動の防止策としては軸径を太く設計し
固有値の低下を抑制する方法が取られがちであるが、一
般に軸径を太くすると漏洩損失が増加し性能が大幅に悪
化することから、このような対応は排気室軸長を長くし
て獲得した性能改善よりも大きな性能悪化を招き、ター
ビン全体の性能を悪化させてしまうため実用上は採用困
難であった。

【００２９】このような理由から、「高温高圧高出力条
件」と「単一タービンロータ条件」を満たす高性能で高
出力の高低圧一体蒸気タービンを実用化することは困難
を伴うものであった。

【００３０】排気室のコーン形状を従来から多用されて
いる円錐状の形状とすると排気流が排気室後流側隔壁に
垂直に近い状態で衝突するため排気性能が悪化する。必
要な排気性能を確保するには排気室の軸方向距離（軸長
Ｌ）を大きく取って、排気流が排気室後流側隔壁に衝突
するまでに流速を落としておく必要が生じる。また、曲
面排気とするも、それは排気性能の向上を目的としてい
るために排気室の軸長Ｌを長く取っていた。それ故にタ
ービンの軸受スパンも長くなってタービン軸の剛性が低
下し、それに伴い危険速度が低下することから、二次危
険速度がタービンの定格回転数に近い状態となって軸振
動が増大しがちになるという問題があった。従って、
「高温高圧高出力条件」を満たす蒸気タービンの実用化
においては、二次危険速度の離調を図る目的で従来設計
手法を踏襲した設計による場合よりも軸受スパンを短縮
するよう何らかの対策を講じなければならないという課
題があった。

【００３１】課題（６） 従来のように排気室のコーン形状を円錐状としたままの
場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に近い状態で衝
突するため排気損失が大きくなりタービン性能が悪化す
る。このため排気室のコーン形状を円錐状としたままで
必要な排気性能を確保するには、排気流が排気室後流側
隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちるように排気室
の軸方向距離を大きく取る必要が生じる。しかしなが
ら、この場合には、排気室の軸長Ｌが長くなり、それに
伴ってタービンの軸受スパンも長くなることからタービ
ン軸の剛性が低下しタービン軸系の固有値が低下して大
きな軸振動が発生しやすかった。このような振動の防止
策としては軸径を太く設計し固有値の低下を抑制する方
法が取られがちであるが、一般に軸径を太くすると漏洩
損失が増加し性能が大幅に悪化することから、このよう
な対応は排気室軸長を長くして獲得した性能改善よりも
大きな性能悪化を招き、タービン全体の性能を悪化させ
てしまうため実用上は採用困難であった。

【００３２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願の第１の発明によれば、主蒸気が供給される高
圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあり、ター
ビン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記高圧ター
ビンと前記低圧タービンとが結合される一体ロータ材で
形成されたタービンロータと、前記高圧タービンと前記
低圧タービンとが収納される一体のケーシングと、前記
低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気され
る前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気室
と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを
回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前記低圧
タービンの後段側で前記タービンロータを回転可能に支
持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主蒸気
は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸
気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、前
記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以上
であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であるか、
または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回転数
が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記高圧側ジャ
ーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一方
の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置される
基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れて
設置されていることを特徴とする。

【００３３】上述の第１の発明によれば、前記高圧側ジ
ャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のいずれか一
方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が設置され
る基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部から外れ
て設置されているので、高圧側ジャーナル軸受と低圧側
ジャーナル軸受のいずれをも設置する場合に比べて、高
圧側ジャーナル軸受と低圧側ジャーナル軸受との間隔
（軸受スパン）を縮小させることができ、これによって
タービン軸系の剛性を確保し軸系の固有値の低下を防止
して軸振動特性を良好に保ち、二次危険速度が回転速度
に対して接近し離調が不十分又は合致することを防止す
るができ、これにより、性能悪化の要因となるロータ径
の増大を招くことなく、軸振動が小さく運転性が良好で
高温高圧高出力化に対応したコンパクトな高低圧一体蒸
気タービンを提供することができる。

【００３４】本願の第２の発明によれば、主蒸気が供給
される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあ
り、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記
高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロ
ータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービ
ンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシング
と、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に
排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の
排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロ
ータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前
記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可
能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主
蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００℃以上
の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有
し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６イン
チ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であ
るか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって
回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記高圧
タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落か
ら高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部
分送入段落としたことを特徴とする。

【００３５】上述の第２の発明によれば、前記高圧ター
ビンは、前記高圧タービンを構成する高圧初段落から高
圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落を部分送
入段落（パーシャルアーク段落）としたので、前部軸受
（高圧側ジャーナル軸受）の軸受安定性を確保できる。

【００３６】高圧第１段落から高圧最終段落までの高圧
段落において少なくとも１段落以上に部分送入（パーシ
ャルアーク）を採用することにより、前部軸受側のロー
タに下向きの蒸気力を付加することができ、従って、軸
受安定性の高いコンパクトで高出力の高低圧一体蒸気タ
ービンを提供出来るという効果が発揮出来る。

【００３７】本願の第３の発明によれば、主蒸気が供給
される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあ
り、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記
高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロ
ータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービ
ンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシング
と、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に
排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の
排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロ
ータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前
記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可
能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主
蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００℃以上
の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有
し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６イン
チ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であ
るか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって
回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記ター
ビンロータは、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側
ジャーナル軸受との間隔である軸受スパンとして５７０
０ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有
することを特徴とする。

【００３８】上述の第３の発明によれば、前記タービン
ロータは、前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャ
ーナル軸受との間隔である軸受スパンとして５７００ｍ
ｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有する
ので、（図３に示すように）定格回転速度に対して二次
危険速度の離調を確保して軸振動の増大を抑制し、か
つ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高くす
ることが可能になってタービン起動特性の悪化を防止し
た高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンとすること
ができる。このように、二次危険速度を離調することが
可能になって、かつ、一次危険速度を定格回転速度の１
／３よりも高くすることが可能になったので、タービン
起動特性の悪化を防止するという蒸気タービンの運転に
おいて極めて重要な振動特性と起動特性の２つの要求事
項を同時に達成することが可能になり、「高温高圧高出
力条件」と「単一タービンロータ条件」とを満たす高圧
高温高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化において
特筆すべき効果を発揮することができる。

【００３９】本願の第４の発明によれば、主蒸気が供給
される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあ
り、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記
高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロ
ータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービ
ンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシング
と、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に
排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の
排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロ
ータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前
記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可
能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主
蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００℃以上
の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有
し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６イン
チ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であ
るか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって
回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気
室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単
一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの
円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度を
なすように滑らかに繋がれた線で表される形状か、また
は、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすよう
に滑らかに繋がれた線で表される形状であることを特徴
とする。

【００４０】上述の第４の発明によれば、前記排気室の
後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の
円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧
と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなす
ように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状か、ま
たは、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすよ
うに滑らかに繋がれた線で表される形状であるので、軸
受スパンを短くする対策を講じることができ軸系の剛性
を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保すること
ができる。すなわち、排気室コーン部を曲面とした曲面
排気室または曲面を模擬した疑似曲面排気室形状とする
ことにより排気流をスムーズにして排気損失の増大を防
止し、排気性能を確保したまま排気室の軸方向距離を短
縮し、それにともない軸受スパンを短縮した高低圧一体
蒸気タービンとするものである。

【００４１】すなわち、従来のように排気室のコーン形
状を円錐状としたままの場合には、排気性能を確保する
必要から排気室の軸長Ｌが長くなり、それに伴ってター
ビンの軸受スパンも長くなることからタービン軸の剛性
が低下しタービン軸系の固有値が低下して大きな軸振動
が発生しやすく、「高温高圧高出力条件」と「単一ター
ビンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧一
体蒸気タービンを実用化することは困難を伴うものであ
ったが、本発明で提案する曲面排気室の適用によりその
問題点を解決し、排気性能を悪化させることなく、か
つ、軸系の必要な剛性が確保されため大きな軸振動が発
生することのない、運転性に優れた高温高圧高出力でコ
ンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供できる。

【００４２】従来のように排気室のコーン形状を円錐状
としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に
近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン
性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状
としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が
排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちる
ように排気室の軸方向距離を大きく取る必要あった。そ
れに対し、本発明で提案する曲面排気室は、排気性能に
おいて、従来のコーン形状が円錐状で排気室軸長が長い
排気室と同等のレベルを保ったまま排気室軸長を大幅に
短縮することが可能な排気室である。

【００４３】このように本発明では、排気室コーン部を
曲面または曲面を模擬した形状とすることにより排気流
をスムーズにし軸方向距離を短縮しタービンの軸受スパ
ンを短縮したので、排気性能を悪化させることなく、か
つ、軸系の必要な剛性が確保され危険速度の低下を招く
ことがなく離調が確保されて通常の運転では大きな軸振
動が発生することのない、運転性に優れた高温高圧高出
力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供できる
という効果を有する。

【００４４】本願の第５の発明によれば、主蒸気が供給
される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあ
り、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記
高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロ
ータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービ
ンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシング
と、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に
排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の
排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロ
ータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前
記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可
能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主
蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００℃以上
の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有
し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６イン
チ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であ
るか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって
回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気
室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単
一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの
円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度を
なすように滑らかに繋がれた線で表される形状か、また
は、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすよう
に滑らかに繋がれた線で表される形状であり、前記ター
ビン最終段動翼の中心位置から前記コーン部の後端部ま
での軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄとの
比Ｌ／Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にあることを
特徴とする。

【００４５】上述の第５の発明によれば、前記排気室の
後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の
円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧
と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなす
ように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状か、ま
たは、複数の直線が互いに１４０度以上の角度をなすよ
うに滑らかに繋がれた線で表される形状であり、前記タ
ービン最終段動翼の中心位置から前記コーン部の後端部
までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端径Ｄと
の比Ｌ／Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にあるの
で、軸受スパンを短くする対策を講じることができ、軸
系の剛性を高めて危険速度を離調し、軸振動の増大を抑
制することができる。すなわち、排気室コーン部を曲面
とした曲面排気室または曲面を模擬した疑似曲面排気室
形状とし、かつ、Ｌ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲
に限定することにより排気流をスムーズにして排気損失
の増大を防止して、排気コーン室コーン形状が円錐状で
Ｌ／Ｄが０．５以上であるところの従来型の良好な排気
性能と同等もしくはそれ以上の排気性能を確保したまま
排気室の軸方向距離を短縮し、それにともない軸受スパ
ンをも短縮した構成の高低圧一体蒸気タービンとするこ
とによって二次試験速度の離調を確保し、軸振動の増大
を抑制する。

【００４６】本願の第６の発明によれば、主蒸気が供給
される高圧タービンと、前記高圧タービンの後段側にあ
り、タービン最終段動翼を有する低圧タービンと、前記
高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一体ロ
ータ材で形成されたタービンロータと、前記高圧タービ
ンと前記低圧タービンとが収納される一体のケーシング
と、前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に
排気される前記ケーシングに形成された下方排気形式の
排気室と、前記高圧タービンの前段側で前記タービンロ
ータを回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、前
記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転可
能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、前記主
蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００℃以上
の蒸気温度とを有し、１００ＭＷ以上の定格出力を有
し、前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６イン
チ以上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼であ
るか、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって
回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、前記排気
室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単
一の円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの
円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度を
なすように滑らかに繋がれた線で表される形状かであ
り、前記コーン部の内壁の縦断面形状を形成する少なく
とも一つの円弧は、前記タービン最終段動翼の翼長の
０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径を有す
るか、または、４５度以上の中心角を有することを特徴
とする。

【００４７】上述の第６の発明によれば、前記排気室の
後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形状は、単一の
円弧で表される形状か、または、少なくとも一つの円弧
と少なくとも一つの直線とが１４０度以上の角度をなす
ように滑らかに繋がれた線で表されるかする形状であ
り、前記コーン部の内壁の縦断面形状を形成する少なく
とも一つの円弧は、前記タービン最終段動翼の翼長の
０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径を有す
るか、または、４５度以上の中心角を有するので前軸受
スパンを短くする対策を講じることにより軸系の剛性を
高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保することが
できる。すなわち、「高温高圧高出力条件」と「単一タ
ービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低圧
一体蒸気タービンにおいて、排気室コーンを曲面形状ま
たは曲面を模擬した形状の排気室として、排気室の曲面
コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の翼長
の０．９倍から１．８倍の範囲に設定するか、または、
排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度以上の
広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室を構成する
ことにより排気流をスムーズに流出させて排気損失の増
大を防止し、排気室コーン形状が直線的な円錐状でＬ／
Ｄが０．５以上であるところの従来型排気室の良好な排
気性能と同等もしくはそれ以上の性能の確保と排気室の
軸方向距離の短縮を図り、その結果、軸受スパンが短縮
されて二次危険速度が十分に離調され軸振動が低レベル
に抑制された高低圧一体蒸気タービンを実用化すること
ができる。

【００４８】本願の第４乃至第６の発明において、前記
高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受のい
ずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一部が
設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基礎部
から外れて設置されていてもよい（本願の第７の発
明）。

【００４９】本願の第１、３、４、５、６または７の発
明において、前記高圧タービンは、前記高圧タービンを
構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも
１段落以上の段落を部分送入段落としてもよい。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明に
係る蒸気タービンの実施の形態について説明する。同一
部材には同一の符号を付けて重複した説明を省略する。

【００５１】図１を参照して第１の実施の形態について
説明する。本実施の形態は、「課題（１）」と「本願の
第１の発明」に対応するものである。

【００５２】図１に示す蒸気タービンは１００ＭＷ以上
の定格出力を有し、一体ロータ材で形成されたタービン
ロータ２に高圧タービン３と、高圧タービン３の後段側
に配列された低圧タービン５と、高圧タービン３と低圧
タービン５の間に配列された中圧タービン４とが結合さ
れている。高圧タービン３には主蒸気２０が供給され
る。主蒸気２０は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５
００℃以上の蒸気温度とを有する。

【００５３】低圧タービン５はその最終段にタービン最
終段動翼を有する。タービン最終段動翼は、翼の有効長
が３６インチ以上であって回転数が３０００ｒｐｍであ
る動翼であるか、または翼の有効長が３３．５インチ以
上であって回転数が３６００ｒｐｍである動翼かであ
る。

【００５４】高圧タービン３と中圧タービン４と低圧タ
ービン５とは一体のケーシング６に収納されている。

【００５５】低圧タービン５のケーシング６の部分に
は、低圧タービン５から排出される排気蒸気を下方に排
気するための下方排気形式の排気室１５が形成されてい
る。排気室１５の中心後部には排気室コーン８が形成さ
れている。排気室１５の背部は排気室後流側隔壁９によ
って構成されている。

【００５６】タービンロータ２は、高圧タービン３の前
段側で回転可能に支持する高圧側ジャーナル軸受１と、
低圧タービン５の後段側で回転可能に支持する低圧側ジ
ャーナル軸受１１とによって支持されている。高圧側ジ
ャーナル軸受１は高圧軸受ハウジング２１内に収納され
ている。低圧側ジャーナル軸受１１は低圧軸受ハウジン
グ２２内に収納されている。

【００５７】高圧側ジャーナル軸受１は、基礎部１０上
に高圧軸受ハウジング２１とともに設置されている。

【００５８】低圧軸受ハウジング２２は、基礎部１２上
に設置されている。ここで、基礎部１０と基礎部１２
は、蒸気タービンや図示しない発電装置等が取り付けら
れる部分であり、基礎部１０と基礎部１２とは一体的に
構成されている。基礎部１０と基礎部１２との間には窪
み空間２３が形成されており、窪み空間２３にハウジン
グ６や排気室１５等が配設されている。

【００５９】基礎部１２上に設置された低圧軸受ハウジ
ング２２は、図４や図１２に示す低圧軸受ハウジング２
４と異なり、基礎部１２から高圧側ジャーナル軸受１側
へはみだした部分２２ａを有する。低圧軸受ハウジング
２２の部分２２ａは、排気室コーン８の下部外壁上に当
接されている。

【００６０】図１に示すように、低圧側ジャーナル軸受
１１は低圧軸受ハウジング２２の部分２２ａ内の底部上
に取り付けられており、低圧側ジャーナル軸受１１は基
礎部１２から高圧側ジャーナル軸受１側へはみだした位
置に設置されている。このために、高圧側ジャーナル軸
受１と低圧側ジャーナル軸受１１との間隔である軸受ス
パンを短くすることができる。

【００６１】上述の実施形態によれば、高圧側ジャーナ
ル軸受１と低圧側ジャーナル軸受１１との間隔（軸受ス
パン）を縮小させることができ、これによってタービン
軸系の剛性を確保し軸系の固有値の低下を防止して軸振
動特性を良好に保ち、二次危険速度が回転速度に対して
接近し離調が不十分又は合致することを防止することが
でき、これにより、性能悪化の要因となるタービンロー
タ２の径の増大を招くことなく、軸振動が小さく運転性
が良好で高温高圧高出力化に対応したコンパクトな高低
圧一体蒸気タービンを提供することができ、前述の「高
温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」とを
満たす高温高圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用
化を図ることができる。

【００６２】次に、図２を参照して第２の実施の形態に
ついて説明する。本実施の形態は、「課題（２）」と
「本願の第２の発明」に対応するものである。

【００６３】本実施形態における高低圧一体蒸気タービ
ンは図１２に示される。本実施形態において、高圧ター
ビン３は、高圧タービン３を構成する高圧初段落から高
圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の段落（例え
ば、図２において符号３６で示す段落）を部分送入段落
として構成されている。ここで、部分挿入段落とは図２
に表すように、その段落で環状に配設されている静翼か
らなる環状翼列の一部分である部分送入角（パーシャル
アーク）の領域だけを蒸気が通過して動翼に流入するよ
うにし、その段落の静翼のその他の領域は蒸気が流出し
ないように閉止した構成の段落のことを言う。

【００６４】図１４に示すように、高低圧一体蒸気ター
ビンの重量Ｗは前部軸受（高圧側ジャーナル軸受１）お
よび後部軸受（低圧側ジャーナル軸受１１）で支持さ
れ、前部軸受荷重ＦＡと後部軸受荷重ＦＢとして分担さ
れる。ロータは各軸受からそれと同じ大きさの反力すな
わち前部軸受反力ＲＡと後部軸受反力ＲＢを受ける。Ｇ
はロータの重心位置を示し、Ｗはロータの重量を示す。
また、ａは重心Ｇから高圧側ジャーナル軸受１までの長
さ（前方長さ）であり、ｂは重心Ｇから低圧側ジャーナ
ル軸受１１までの長さ（後方長さ）である。

【００６５】部分送入はロータに下向きの蒸気力が作用
するように設定される。具体的には、図２に示すよう
に、段落の蒸気出口側から見てロータの回転が時計周り
の場合は３時位置付近の範囲が含まれるように又は６時
から１２時位置の範囲の蒸気送入率よりも０時から６時
位置の範囲の蒸気送入率が大きくなるように設定され
る。また、ロータの回転が反時計周りの場合は９時付近
の範囲が含まれるように又は０時から６時位置の範囲の
蒸気送入率よりも６時から１２時位置の範囲の蒸気送入
率が大きくなるように設定される。

【００６６】また、αを図２に示すように蒸気の部分送
入角（パーシャルアーク）とするとき、他の実施例とし
て、部分送入率（パーシャルアーク率）α／３６０を下
流の段落ほど高めた段落構成としてもよい。

【００６７】図１５は、前方長さａに対する荷重Ｆの関
係を示す。ＦAは前側軸受荷重を示し、ＦBは後側軸受荷
重を示し、実線は部分送入による蒸気負荷状態を示し、
鎖線は全周送入による蒸気負荷状態を示し、ΔＦAは部
分輸送による前側軸受荷重増分を示し、ΔＦBは部分輸
送による後側軸受荷重増分を示す。

【００６８】高圧第１段落から高圧最終段落までの高圧
段落において少なくとも１段落以上に部分送入（パーシ
ャルアーク）を採用することにより、図１５に示すよう
に、前部軸受（高圧側ジャーナル軸受１）側のロータに
下向きの蒸気力を付加することができ、従って、軸受安
定性の高いコンパクトで高出力の高低圧一体蒸気タービ
ンを提供することができる。

【００６９】また、高圧第１段落から高圧最終段落まで
の高圧段落において少なくとも１段落以上に部分送入
（パーシャルアーク）を採用することにより、次のよう
な効果を奏することができる。

【００７０】すなわち、タービン起動時などの極低負荷
運転時には一般にケーシング上半の温度がケーシング下
半の温度より高くなってケーシング下半に比べ上半の熱
膨張が大きくなるために、ケーシング６が図１６に示す
ように上半側に凸になるような熱変形いわゆるケーシン
グ６の猫背変形を生じ、その熱変形が過大でありかつ回
転部と静止部との半径方向間隙の設定格度が小さい場合
には、回転部である動翼あるいはロータが静止部と接触
して大きな軸振動を引き起こすいわゆるラビングと称す
る事象が発生する可能性がある。このラビングの発生の
確率を低減する目的で、性能を若干犠性にしてまでも回
転部と静止部との間の間隙の最小値に制限を設けるなど
の設計的な配慮が払われているのが一般である。ところ
で、下向きの蒸気力が発生するように設定された部分送
入（パーシャルアーク）段落ではタービン下半部を流れ
る蒸気量が上半部分を流れる蒸気量よりも多くなる。従
って下半部分の蒸気流速が速くなることからタービン下
半ケーシング内面の熱伝達率が上半よりも大きくなり、
その結果ケーシング下半メタルヘの熱流束が大きくなっ
て下半ケーシングの温度の上昇が速やかになる。これは
ケーシング猫背変形を抑制する方向の現象であることか
ら、前述のように、温度の高い高圧段落に部分送入（パ
ーシャルアーク）を採用した構成とすることにより、タ
ービン起動時などの極低負荷運転時に発生するケーシン
グの猫背変形を抑制することが可能になるという大きな
効果が期待でき、蒸気タービンの健全性、性能および運
転性の改善に大きく貢献することができる。

【００７１】次に、図３等を参照して第３の実施の形態
について説明する。本実施の形態は、「課題（３）」と
「本願の第３の発明」に対応するものである。

【００７２】本実施の形態においては、タービンロータ
３は、高圧側ジャーナル軸受１と低圧側ジャーナル軸受
１１との間隔である軸受スパンとして５７００ｍｍ以上
の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸径とを有する。

【００７３】図３において、ｎr：定格回転数、Ｒr：定
格回転数離調幅、Ｒp：パージ回転数をｎr／３に設定し
た場合のパージ回転数離調幅、Ｃr1S：小径ロータ（中
心部軸径５５０ｍｍ未満の従来のロータをいう。以下同
様）の一次危険速度、Ｃr2S：小径ロータの二次危険速
度、ＳAS：小径ロータの軸受スパン設定可能領域、ＳB
S：小径ロータの軸受スパン設定不可能領域、ＳCS：小
径ロータの軸受スパン設定が可能ではあるがパージ回転
数をｎr／３より下に設定しなければならない領域（運
転性劣）、ＳAL：大径ロータ（中心部軸径直径５５０ｍ
ｍ以上の本発明のロータをいう。以下同様）の軸受スパ
ン設定可能領域、ＳBL：大径ロータの軸受スパン設定不
可能領域、ＳCL：大径ロータの軸受スパン設定が可能で
はあるがパージ回転数をｎr／３より下に設定しなけれ
ばならない領域（運転性劣）、ＳDL：大径ロータの軸受
スパン設定可能領域である。また、添字Ｓは例えば中心
部軸径５００ｍｍの従来のロータを指し、添字Ｌは例え
ば中心部軸径５５０ｍｍの本発明のロータを指す。ま
た、符号２１８は従来手法の小径ロータにおける一次危
険速度設定例を示し、符号２１９は本発明の大径ロータ
における一次危険速度設定例を示し、符号２２０は従来
手法の小径ロータにおけるに次危険速度設定例を示し、
符号２２１は本発明の大径ロータにおけるに次危険速度
設定例を示す。

【００７４】高低圧一体蒸気タービンのロータシャフト
中央部の最小軸径が従来実績と同様に５００ｍｍ程度の
場合、軸受スパンを５７００ｍｍ以上とすることによっ
て二次危険速度を定格回転速度の下側で離調することが
可能となるが、既述の如く一次危険速度が、定格回転速
度の１／３に設定されるのが常であるところのパージ回
転速度に近接または合致する恐れが大きく、その回避の
ためにパージ回転速度の低速化を余儀なくされてタービ
ン起動特性の大幅な悪化を招くことが予想されるという
課題があった。

【００７５】これに対し、図３に示すように、高低圧一
体蒸気タービンの軸受スパンを５７００ｍｍ以上とし、
かつ、ロータシャフト中央部の最小軸径を５５０ｍｍ以
上に太くするという構成により、定格回転速度に対して
二次危険速度の離調を確保して軸振動の増大を抑制し、
かつ、一次危険速度を定格回転速度の１／３よりも高く
することが可能になってタービン起動特性の悪化を防止
した高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンとするこ
とができる。

【００７６】本実施の形態によれば、高低圧一体蒸気タ
ービンの軸受スパンを５７００ｍｍ以上とし、かつ、ロ
ータ中央部の最小軸径を太くして５５０ｍｍ以上にする
という構成にしたので、図３に示すように、定格回転速
度に対して二次危険速度の離調を確保されて良好な振動
特性を有し軸振動の増大が抑制され、かつ、一次危険速
度を定格回転速度の１／３よりも高く設定することが可
能となりタービン起動特性の悪化を防止することができ
るという大きな効果が発揮できる。このように、二次危
険速度を離調することが可能になって、かつ、一次危険
速度を定格回転速度の１／３よりも高くすることが可能
になったので、タービン起動特性の悪化を防止するとい
う、蒸気タービンの運転において極めて重要な振動特性
と起動特性の２つの要求事項を同時に達成することが可
能になり、前述の「高温高圧高出力条件」と「単一ター
ビンロータ条件」とを満たす高温高圧高出力の高低圧一
体蒸気タービンの実用化において特筆すべき効果を発揮
することができる。

【００７７】次に、図４乃至図６を参照して第４の実施
の形態について説明する。本実施の形態は、「課題
（４）」と「本願の第４の発明」に対応するものであ
る。

【００７８】本実施の形態では、排気室１５の後部を形
成するコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すよ
うに単一の円弧で表される形状か、または、図５に示す
ように一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上
の角度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形
で表されるか、または、図６に示すように隣り合う直線
の角度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直
線の連続として表されるかのいずれかである。ここで、
排気室内壁コーンの隣り合う面同士がなす角度φιまた
はθιが小さすぎるとその角部で流れの剥離が生じて排
気損失を増大させるので、φιまたはθιは剥離による
損失を小さくするよう１４０度以上の角度として設定さ
れている。図５において、ｃは直線部分の長さを表し、
ｄは曲線部分の長さを表す。

【００７９】従来のように排気室のコーン形状を円錐状
としたままの場合、排気流が排気室後流側隔壁に垂直に
近い状態で衝突するため排気損失が大きくなりタービン
性能が悪化する。このため排気室のコーン形状を円錐状
としたままで必要な排気性能を確保するには、排気流が
排気室後流側隔壁に衝突するまでに流速が十分に落ちる
ように排気室の軸方向距離を大きく取る必要あった。

【００８０】それに対し、本実施の形態によれば、排気
性能において、従来のコーン形状が円錐状で排気室軸長
が長い排気室と同等のレベルを保ったまま排気室軸長を
大幅に短縮することが可能になり、排気室コーン部８を
曲面または曲面を模擬した形状とすることにより排気流
をスムーズにし軸方向距離を短縮しタービンの軸受スパ
ンを短縮したので、排気性能を悪化させることなく、か
つ、軸系の必要な剛性が確保され危険速度の低下を招く
ことがなく離調が確保されて通常の運転では大きな軸振
動が発生することのない、運転性に優れた高温高圧高出
力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンが提供するこ
とができる。

【００８１】次に、図８を参照して第５の実施の形態に
ついて説明する。本実施の形態は、「課題（５）」と
「本願の第５の発明」に対応するものである。

【００８２】本実施の形態では、前述の第４の実施の形
態における内容、すなわち、排気室１５の後部を形成す
るコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すように
単一の円弧で表される形状か、または、図５に示すよう
に一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角
度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表
されるか、または、図６に示すように隣り合う直線の角
度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の
連続として表されるかのいずれかである、という内容を
前提にし、さらに、図８に示すように、次の内容、すな
わち、タービン最終段動翼４７の中心位置からコーン部
９の後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼
先端径Ｄとの比Ｌ/Ｄが、０．３２から０．４８の範囲
にある、という内容を備えている。図８に示す例では、
比Ｌ/Ｄは０．４である。

【００８３】なお、排気室上半の後流隔壁が図１８のよ
うに傾斜している場合は図１８の下半側での軸長を採る
というように、排気室軸長Ｌはその排気室の最大の排気
室軸長をもって定義するものとする。

【００８４】図１９に、排気室コーン部８を図５に示す
ような曲面としＬ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲に
限定した本実施の形態に係る曲面排気室の排気性能と、
排気室コーン部が円錐状で従来型のＬ／Ｄが０．５以上
の図１７に示す従来の排気室の排気性能の比較の実験結
果の一例を示す。ここで、ＺAは、排気室コーン部が円
錐状である従来の排気室の排気性能を示す排気損失カー
ブであり、ＺBは、排気室コーン部８を図５に示すよう
な曲面とした曲面排気室の排気性能を示す排気損失カー
ブであり、ζ／ζoは排気損失比を示す。

【００８５】図１９からわかるように、ＺBで示す曲面
排気室のＬ／Ｄを０．３２から０．４８の範囲に設定す
ることにより、従来のＬ／Ｄが０．５以上の円錐状の排
気室と同等もしくはそれ以上の排気性能を有する高低圧
一体蒸気タービンを提供することができる。具体的には
排気室コーン部分を曲面または曲面を模擬した形状とす
ることにより排気流をスムーズにして軸方向距離を短縮
する。特に、排気室形状は排気室内壁コーンの縦断面の
形状が一つの円弧で表される曲面排気室、または一つ以
上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角度φι
（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表される
曲面排気室、または隣り合う直線の角度θι（ι＝１，
２，３，…）が１４０度以上の直線の連続として表され
る擬似曲面排気室とし、かつ、排気室の軸長Ｌが低圧最
終段動翼（ＬＳＢ）の翼先端径Ｄに対しＬ／Ｄが０．３
２から０．４８の範囲にあることにより排気流をスムー
ズにし従来と同等の排気性能を確保しつつ軸方向距離を
短縮してタービンの軸受スパンを短縮したことから、危
険速度の大幅な低下を招くことがなく従って大きな軸振
動が発生することのない、性能と運転性に優れた高圧高
温高出力でコンパクトな高低圧一体蒸気タービンを提供
することができる。

【００８６】次に、図７を参照して第６の実施の形態に
ついて説明する。本実施の形態は、「課題（６）」と
「本願の第６の発明」に対応するものである。

【００８７】本実施の形態では、前述の第４の実施の形
態における内容、すなわち、排気室１５の後部を形成す
るコーン部８の内壁の縦断面形状は、図４に示すように
単一の円弧で表される形状か、または、図５に示すよう
に一つ以上の直線と一つ以上の円弧を１４０度以上の角
度φι（ι＝１，２，３，…）で滑らかに繋いだ形で表
されるか、または、図６に示すように隣り合う直線の角
度θι（ι＝１，２，３，…）が１４０度以上の直線の
連続として表されるかのいずれかである、という内容を
前提にし、さらに、図７に示すように、次の内容、すな
わち、コーン部８の内壁の縦断面形状を形成する少なく
とも一つの円弧は、タービン最終段動翼４７の翼長ＬB
の０．９倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径Ｒを
有するか、または、４５度以上の中心角β（図７に示す
例では、中心角β＝６０度）を有する。これにより、軸
受スパンを短くする対策を講じることにより軸系の剛性
を高めて危険速度を離調し軸系の安定性を確保すること
ができる。

【００８８】すなわち、「高温高圧高出力条件」と「単
一タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高
低圧一体蒸気タービンにおいて、排気室コーンを曲面形
状または曲面を模擬した形状の排気室として、排気室の
曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳＢ）の
翼長ＬBの０．９倍から１．８倍の範囲に設定するか、
または、排気室コーン部分の縦断面において角度で４５
度以上の広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室を
構成することにより排気流をスムーズに流出させて排気
損失の増大を防止し、排気室コーン形状が直線的な円錐
状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型排気室の
良好な排気性能と同等もしくはそれ以上の性能の確保と
排気室の軸方向距離の短縮を図り、その結果、軸受スパ
ンが短縮されて二次危険速度が十分に離調され軸振動が
低レベルに抑制された高低圧一体蒸気タービンを実用化
することができる。

【００８９】従来の円錐形の排気室コーン（図１７等）
に比べ、排気室コーンに曲率を設けて曲面排気室とし排
気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼（ＬＳ
Ｂ）の翼長の０．９倍から１．８倍の範囲に設定するか
または排気室コーン部分の縦断面において角度で４５度
以上の広さの範囲を曲面がカバーした構造の排気室（図
７）を構成することにより、排気性能を維持したまま良
好な振動特性を確保することが可能であり、この曲面排
気室を高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンに適用
することにより高圧及び出力大による軸受けスパンの増
加を抑制し、危険速度の低下を防止することができる。

【００９０】従って、「高温高圧高出力条件」と「単一
タービンロータ条件」とを満たす高圧高温高出力の高低
圧一体蒸気タービンにおいて、排気流をスムーズ排出し
て排気損失の増大を防止し、かつ、排気室コーン形状が
円錐状でＬ／Ｄが０．５以上であるところの従来型排気
室の良好な排気性能と同等またはそれ以上の排気性能を
確保したまま排気室の軸方向距離が短縮され、この結
果、ロータの軸受スパンを短縮し軸系の剛性を高めて危
険速度を離調し軸系の安定性を確保できるという高温高
圧高出力の高低圧一体蒸気タービンの実用化にとって絶
大で決定的な効果を発揮することができる。

【００９１】このように、排気室コーンの縦断面が曲線
形状または曲線を模擬した形状の曲面排気室として、か
つ、排気室の曲面コーンの曲率半径Ｒを低圧最終段動翼
（ＬＳＢ）の翼長の０．９倍から１．８倍の範囲に設定
するかまたは排気室コーン部分の縦断面において角度で
４５度以上の広さの範囲を曲面がカバーする構造の排気
室として構成したので、排気性能を維持したまま高圧及
び出力大による軸受けスパンの増加を抑制して危険速度
の低下を防止した高圧高温高出力のコンパクトな高低圧
一体タービンを提供できる。

【００９２】なお、上述した種々の本発明の実施の形態
を組み合わせることも可能である。例えば、図９は、本
発明の第１の実施の形態と本発明の第４、５または６の
実施の形態を組み合わせた実施の形態を示す図である。

【００９３】

【発明の効果】以上のように、本発明の構成によれば、
「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロータ条件」
とを満たす高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タービンの
実用化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる蒸気タービンの第１の実施形態
を示す断面図。

【図２】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形態
を説明する説明図。

【図３】本発明に係わる蒸気タービンの第３の実施形態
を説明するグラフ。

【図４】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態
の一例を示す断面図。

【図５】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態
の他の例を示す断面図。

【図６】本発明に係わる蒸気タービンの第４の実施形態
のさらに他の例を示す断面図。

【図７】本発明に係わる蒸気タービンの第６の実施形態
を示す断面図。

【図８】本発明に係わる蒸気タービンの第５の実施形態
の一例を示す断面図。

【図９】本発明に係わる蒸気タービンの第１の実施形態
と第４、５または６の実施の形態を組み合わせた実施の
形態例を示す断面図。

【図１０】軸受スパンと回転数の関係を一般的に説明す
る図。

【図１１】従来の蒸気タービンを示す断面図。

【図１２】「高温高圧高出力条件」と「単一タービンロ
ータ条件」を備える高圧高温高出力の高低圧一体蒸気タ
ービンを示す断面図。

【図１３】従来の蒸気タービンを示す断面図。

【図１４】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形
態に係る課題等を説明するための図。

【図１５】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形
態に係る効果等を説明するための図。

【図１６】本発明に係わる蒸気タービンの第２の実施形
態に係る課題等を説明するための図であり、ケーシング
の上半側が凸になるような熱変形し猫背変形を生じた例
を示す図。

【図１７】排気室コーン部が円錐状でＬ／Ｄが０．５以
上の従来の排気室を示す断面図。

【図１８】排気室上半の後流隔壁が傾斜している場合に
おける排気室軸長Ｌの定義を説明する図。

【図１９】本発明に係わる蒸気タービンの第５の実施形
態に係る効果等を説明するための図。

【符号の説明】

１ 高圧側ジャーナル軸受（前部軸受） ２ タービンロータ ３ 高圧タービン ４ 中圧タービン ５ 低圧タービン ６ ケーシング ９ 排気室後流側隔壁 １０ 基礎部 １１ 底圧側ジャーナル軸受（後部軸受） １２ 基礎部 １５ 排気室 ２０ 主蒸気 ２１ 高圧軸受ハウジング ２２ 低圧軸受ハウジング ２４ 低圧軸受ハウジング ４７ タービン最終段動翼

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 織 田 亮 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 松 山 健 三 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 佐久間 章 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主蒸気が供給される高圧タービンと、 前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼
   を有する低圧タービンと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一
   体ロータ材で形成されたタービンロータと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一
   体のケーシングと、 前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気
   される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気
   室と、 前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、 前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、 前記主蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００
   ℃以上の蒸気温度とを有し、 １００ＭＷ以上の定格出力を有し、 前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以
   上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼である
   か、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回
   転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、 前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジャーナル軸受
   のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの少なくとも一
   部が設置される基礎部に設置され、他方の軸受が前記基
   礎部から外れて設置されていることを特徴とする蒸気タ
   ービン。
2. 【請求項２】主蒸気が供給される高圧タービンと、 前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼
   を有する低圧タービンと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一
   体ロータ材で形成されたタービンロータと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一
   体のケーシングと、 前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気
   される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気
   室と、 前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、 前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、 前記主蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００
   ℃以上の蒸気温度とを有し、 １００ＭＷ以上の定格出力を有し、 前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以
   上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼である
   か、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回
   転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、 前記高圧タービンは、前記高圧タービンを構成する高圧
   初段落から高圧最終段落に至る少なくとも１段落以上の
   段落を部分送入段落としたことを特徴とする蒸気タービ
   ン。
3. 【請求項３】主蒸気が供給される高圧タービンと、 前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼
   を有する低圧タービンと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一
   体ロータ材で形成されたタービンロータと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一
   体のケーシングと、 前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気
   される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気
   室と、 前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、 前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、 前記主蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００
   ℃以上の蒸気温度とを有し、 １００ＭＷ以上の定格出力を有し、 前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以
   上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼である
   か、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回
   転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、 前記タービンロータは、前記高圧側ジャーナル軸受と前
   記低圧側ジャーナル軸受との間隔である軸受スパンとし
   て５７００ｍｍ以上の大きさと５５０ｍｍ以上の最小軸
   径とを有することを特徴とする蒸気タービン。
4. 【請求項４】主蒸気が供給される高圧タービンと、 前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼
   を有する低圧タービンと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一
   体ロータ材で形成されたタービンロータと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一
   体のケーシングと、 前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気
   される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気
   室と、 前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、 前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、 前記主蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００
   ℃以上の蒸気温度とを有し、 １００ＭＷ以上の定格出力を有し、 前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以
   上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼である
   か、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回
   転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、 前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形
   状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくと
   も一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上
   の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状
   か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度を
   なすように滑らかに繋がれた線で表される形状であるこ
   とを特徴とした高低圧一体蒸気タービン。
5. 【請求項５】主蒸気が供給される高圧タービンと、 前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼
   を有する低圧タービンと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一
   体ロータ材で形成されたタービンロータと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一
   体のケーシングと、 前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気
   される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気
   室と、 前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、 前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、 前記主蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００
   ℃以上の蒸気温度とを有し、 １００ＭＷ以上の定格出力を有し、 前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以
   上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼である
   か、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回
   転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、 前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形
   状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくと
   も一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上
   の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状
   か、または、複数の直線が互いに１４０度以上の角度を
   なすように滑らかに繋がれた線で表される形状であり、 前記タービン最終段動翼の中心位置から前記コーン部の
   後端部までの軸長Ｌと前記タービン最終段動翼の翼先端
   径Ｄとの比Ｌ／Ｄが、０．３２から０．４８の範囲にあ
   ることを特徴とした高低圧一体蒸気タービン。
6. 【請求項６】主蒸気が供給される高圧タービンと、 前記高圧タービンの後段側にあり、タービン最終段動翼
   を有する低圧タービンと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが結合される一
   体ロータ材で形成されたタービンロータと、 前記高圧タービンと前記低圧タービンとが収納される一
   体のケーシングと、 前記低圧タービンから排出される排気蒸気が下方に排気
   される前記ケーシングに形成された下方排気形式の排気
   室と、 前記高圧タービンの前段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する高圧側ジャーナル軸受と、 前記低圧タービンの後段側で前記タービンロータを回転
   可能に支持する低圧側ジャーナル軸受と、を備え、 前記主蒸気は、１００kg/cｍ² 以上の蒸気圧力と５００
   ℃以上の蒸気温度とを有し、 １００ＭＷ以上の定格出力を有し、 前記タービン最終段動翼は、翼の有効長が３６インチ以
   上であって回転数が３０００ｒｐｍである動翼である
   か、または翼の有効長が３３．５インチ以上であって回
   転数が３６００ｒｐｍである動翼かであり、 前記排気室の後部を形成するコーン部の内壁の縦断面形
   状は、単一の円弧で表される形状か、または、少なくと
   も一つの円弧と少なくとも一つの直線とが１４０度以上
   の角度をなすように滑らかに繋がれた線で表される形状
   かであり、 前記コーン部の内壁の縦断面形状を形成する少なくとも
   一つの円弧は、前記タービン最終段動翼の翼長の０．９
   倍から１．８倍の大きさの範囲の曲率半径を有するか、
   または、４５度以上の中心角を有することを特徴とした
   高低圧一体蒸気タービン。
7. 【請求項７】前記高圧側ジャーナル軸受と前記低圧側ジ
   ャーナル軸受のいずれか一方の軸受が前記ハウジングの
   少なくとも一部が設置される基礎部に設置され、他方の
   軸受が前記基礎部から外れて設置されていることを特徴
   とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の蒸気ター
   ビン。
8. 【請求項８】前記高圧タービンは、前記高圧タービンを
   構成する高圧初段落から高圧最終段落に至る少なくとも
   １段落以上の段落を部分送入段落としたことを特徴とす
   る請求項１、３、４、５、６または７のいずれか１項に
   記載の蒸気タービン。