水分分离器和蒸汽涡轮设备的制作方法

本发明涉及一种水分分离器和蒸汽涡轮设备。

本申请基于2018年10月2日于日本申请的日本专利申请2018-187093号主张优先权，并将其内容援用于此。

背景技术：

核发电设备具有蒸汽涡轮设备，该蒸汽涡轮设备将由蒸汽发生器产生的蒸汽送到蒸汽涡轮以发电。在这种蒸汽涡轮设备中，通常的结构是将送到高压涡轮的蒸汽通过高压涡轮后，经由水分分离加热器分离水分，并将其送到低压涡轮。例如，专利文献1记载有将高压涡轮分为高压涡轮和中压涡轮，并且在它们之间分离水分的系统。并且，已通过低压涡轮的蒸汽经由低压水分分离加热器被冷凝器冷却并返回到液相，由供水加热器等加热之后被送至蒸汽发生器。这样的蒸汽涡轮设备通常建设在一个涡轮建筑物内。

在此，专利文献1中记载的水分分离器具备如下结构：从设置在圆筒内部的中央的歧管部流入水分分离元件的蒸汽通过设置在圆筒内的上部的蒸汽出口部排出。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-48969号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

如上所述，由于蒸汽涡轮设备建设在一个涡轮建筑物内，因此蒸汽涡轮设备的水分分离器的布局限制也很大。

因此，本发明提供一种提高布局自由度并能够小型化的水分分离器和蒸汽涡轮设备。

用于解决技术课题的手段

为了解决上述问题，本发明采用以下方法。

即，本发明的一实施方式所涉及的水分分离器具备：圆筒形管，其呈以沿水平方向的轴线为中心的圆筒形状，并且在内部形成有沿所述轴线方向延伸的空间；蒸汽入口部，其设置在所述圆筒形管的下部，并使蒸汽流入；蒸汽出口部，其从所述圆筒形管的所述轴线方向的端部朝所述轴线方向开口，并从所述圆筒形管排出所述蒸汽；以及水分分离元件，其配置在所述蒸汽入口部和所述蒸汽出口部之间的所述圆筒形管中，并且具有多个叶片，所述多个叶片通过使所述蒸汽通过而将水分从所述蒸汽中分离。

根据该结构，使已通过水分分离元件的蒸汽利用朝圆筒形管的轴线方向开口的蒸汽出口部从圆筒形管的轴端排出，从而能够使连接到蒸汽出口部的配管沿水平方向延伸，增加水分分离器在涡轮建筑物内的布局自由度。

并且，使已通过水分分离元件的蒸汽从圆筒形管的轴端排出，从而蒸汽出口部不会成为妨碍，水分分离元件的布局也不易受到蒸汽出口部的限制。因此，水分分离元件能够配置在圆筒形管中靠近轴线的位置。因此，与将水分分离元件配置在圆筒形管中远离轴线的位置的情况相比，能够增加水分分离元件的上下方向的尺寸。因此，不必为了确保水分分离元件中的叶片面积而水分分离器的大型化，并且还能够应对涡轮建筑物内的蒸汽涡轮设备的各结构的布局限制。并且，通过确保叶片面积而避免水分分离器大型化，能够降低设备成本，并且能够提高可维护性。

并且，在上述水分分离器中，所述蒸汽出口部设置在所述圆筒形管的所述轴线方向的至少一端部，所述水分分离元件以隔着所述轴线对置的方式配置有多个，并且在所述圆筒形管的内周面与所述水分分离元件之间形成第一流路，在隔着所述轴线对置的所述水分分离元件彼此之间形成第二流路，来自所述蒸汽入口部的所述蒸汽经由所述第一流路流入所述第二流路，并被引导至所述蒸汽出口部。

根据该结构，由于水分分离元件以隔着轴线对置的方式配置有多个，因此能够充分确保水分分离元件中的叶片面积，并且在不使圆筒形管大型化的情况下，能够在从蒸汽入口部流入的蒸汽中有效地除去水分并从蒸汽出口部排出。

并且，在上述水分分离器中，所述蒸汽入口部设置在所述圆筒形管中的所述轴线方向的两端部之间，所述蒸汽出口部设置在所述圆筒形管中的所述轴线方向的两端部，并且所述水分分离元件以所述蒸汽入口部为基准设置在所述空间内的所述轴线方向两侧。

根据该结构，通过在圆筒形管的轴向方向的两端部设置蒸汽出口部，例如能够将两个水分分离器合二为一，并且能够进一步使水分分离器小型化。

并且，上述水分分离器在所述蒸汽入口部的上方还可以具备分流部件，所述分流部件具有引导面，并将所述蒸汽引导至所述第一流路，所述引导面与所述轴线交叉的截面沿着所述圆筒形管的内周面。

根据该结构，从蒸汽入口部流入的蒸汽与分流部件的引导面碰撞之后隔着轴线分流成两路，然后被引导至第一流路。被引导至第一流路的蒸汽在通过水分分离元件分离出水分之后被引导至第二流路，并从蒸汽出口部排出。因此，即使当蒸汽与引导面碰撞时也能够分离水分，并且通过使蒸汽流入隔着轴线对置的各个水分分离元件中，能够提高水分分离器整体的水分分离性能。

并且，在上述水分分离器中，所述水分分离元件也可以在所述圆筒形管的上方和下方配置成多段。

根据该结构，通过水分分离元件在圆筒形管的上方和下方配置成多段，能够充分确保水分分离元件中的叶片面积，因此能够从蒸汽中有效地分离水分。

并且，上述水分分离器也可以设置在蒸汽涡轮设备中的高压涡轮与中压涡轮之间，所述蒸汽涡轮设备具备：所述高压涡轮；连接到所述高压涡轮的低压侧的所述中压涡轮；以及连接到所述中压涡轮的低压侧的低压涡轮。

并且，本发明的一实施方式所涉及的蒸汽涡轮设备也可以具备：第一涡轮；第二涡轮，其连接到所述第一涡轮的低压侧；以及上述水分分离器，其设置在所述第一涡轮与所述第二涡轮之间，从所述第一涡轮排出的蒸汽通过所述蒸汽入口部被引入所述水分分离器的内部，并且从所述蒸汽出口部排出的蒸汽被引入所述第二涡轮。

根据该构造，通过使蒸汽涡轮设备具备上述水分分离器，能够增加水分分离器在涡轮建筑物内的布局自由度，并且通过避免水分分离器大型化，能够降低设备成本，并且能够提高可维护性。

发明效果

根据本发明的水分分离器和蒸汽涡轮设备，能够提高连接到水分分离器的配管的布局自由度，并且能够实现小型化。

附图说明

图1是具备本发明的实施方式所涉及的水分分离器的蒸汽涡轮设备的系统图，是从上方观察的图。

图2是本发明的实施方式所涉及的水分分离器的立体图。

图3是包括本发明的实施方式所涉及的水分分离器的轴线的纵剖视图，是从上方观察水分分离器的图。

图4是与本发明的实施方式所涉及的水分分离器的轴线正交的横剖视图，是与图3所示的结构体的a-a剖面对应的图。

图5是与本发明的实施方式所涉及的水分分离器的轴线正交的横剖视图，是与图3所示的结构体的b-b剖面对应的图。

具体实施方式

(整体结构)

以下，参考图1～图5对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的实施方式所涉及的蒸汽涡轮设备p的系统图。

本发明的实施方式所涉及的蒸汽涡轮p例如用于核发电设备，并且在未图示的涡轮建筑物内具备中高压涡轮1、低压涡轮2、高压水分分离器(水分分离器)3、低压水分分离加热器4及除气器5。来自未图示的蒸汽发生器的蒸汽被引入中高压涡轮1，并且来自中高压涡轮1中的高压涡轮(第一涡轮)11的蒸汽经由高压水分分离器3被引入中高压涡轮1中的中压涡轮(第二涡轮)12。之后，来自中压涡轮12的蒸汽经由低压水分分离加热器4被引入低压涡轮2。从低压涡轮2排出的蒸汽由未图示的冷凝器冷凝，并被引入除气器5之后，由蒸汽发生器生成蒸汽，并被引入高压涡轮11。

中高压涡轮1由高压涡轮11和中压涡轮12构成。高压涡轮11的入口部经由配管连接到蒸汽发生器。另外，高压涡轮的出口部111经由配管6a连接到高压水分分离器3的第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32。中压涡轮12的入口部121经由配管6b连接到高压水分分离器3的第一蒸汽出口部33和第二蒸汽出口部34，并且中压涡轮12的出口部122经由配管6c连接到低压水分分离加热器4的入口部41。

高压涡轮11的出口部111在高压涡轮11的下部，在与高压涡轮11的旋转中心轴线即中心线c交叉(正交)的一方向d上，隔着中心线c对称地设置在两个位置。并且，对应于这些出口部111，如图2所示，在高压水分分离器3的下部设置有在一方向d上隔开间隔而上下开口的第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32。高压水分分离器3在与中心线c交叉的一方向d上，以中心线c的位置为中心而横跨中心线c配置。在本实施方式中，第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32分别在高压水分分离器3中的一方向d的端部与中央的正中间位置上连接到高压水分分离器3。

高压水分分离器3的第一蒸汽出口部33在高压水分分离器3中的一方向d的两端部朝一方向d开口而各设有一个，并分别连接到中压涡轮的多个入口部121。并且，高压水分分离器3的第二蒸汽出口部34在中心线c与第一蒸汽入口部31之间以及中心线c与第二蒸汽入口部32之间朝上方开口而各设有一个，并分别连接到中压涡轮12的多个入口部121。

与第一蒸汽出口部33对应的中压涡轮12的入口部121设置在中压涡轮12的下部，并且第一蒸汽出口部33与中压涡轮12的入口部121经由配管6b连接。与第二蒸汽出口部34对应的中压涡轮12的入口部121设置在中压涡轮12的上部，并且经由配管6d与第二蒸汽出口部34连接。

中压涡轮12的出口部122设置在中压涡轮12的上部，比该中压涡轮12的入口部121靠近低压涡轮2侧。这些出口部122隔着中心线c而在一方向d上隔开间隔设置有两个，并且经由配管6c分别与设置在中心线c的两侧的两个低压水分分离加热器4中的入口部41连接。

未图示的低压水分分离加热器4的出口部经由配管6e分别连接到低压涡轮2的入口部21。低压涡轮2的未图示的出口部经由配管连接到冷凝器。

中高压涡轮1和低压涡轮2通过绕中心线c旋转的主轴7连接，主轴7的末端与未图示的发电机连接。

(水分分离器)

以下，对高压水分分离器3进行详细说明。

如图2至图5所示，本实施方式所涉及的高压水分分离器3具备：圆筒形管314、多个水分分离元件315、隔板38、区划板39、间隔件316、密封部件317及分流部件320。

(圆筒形管)

圆筒形管314沿着水平方向在与中心线c交叉(正交)的轴线o的方向(一方向d)上延伸，并且形成为中空。如图2所示，如上所述，在圆筒形管314形成有第一蒸汽入口部31、第二蒸汽入口部32、第一蒸汽出口部33及第二蒸汽出口部34。第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32设置成与圆筒形管314的内部连通，并且能够引入蒸汽。从第一蒸汽出口部33和第二蒸汽出口部34能够将蒸汽排放到圆筒形管314的外部。

(水分分离元件)

在圆筒形管314的内部沿轴线o方向排列设置有多个水分分离元件315。具体而言，以第一蒸汽入口部31为基准排列在轴线o方向上的两侧，以第二蒸汽入口部32为基准排列在轴线o方向的两侧。水分分离元件315在上下方向上设置成多段(在本实施方式中为两段，但也可以为三段以上)。设置在上下方向的两段水分分离元件315设置为隔着轴线o在上方和下方对置，并且，水分分离元件315在中心线c的方向上隔开间隔地成对设置，并且设置为在中心线c的方向上对置。多个水分分离元件315中的各个呈矩形板状，并且其表面朝向中心线c的方向，并且其长度方向沿着轴线o的方向配置。

各个水分分离元件315具有呈波形的分隔叶片以规定间隔层叠的结构。

以下，如图2所示，在作为圆筒形管314的长度方向的轴线o方向上，从第一蒸汽出口部33朝向第二蒸汽出口部34将一组水分分离元件315设为第一水分分离元件组310、第二水分分离元件组311、第三水分分离元件组312及第四水分分离元件组313。在第一水分分离元件组310与第二水分分离元件组311之间配置第一蒸汽入口部31，在第三水分分离元件组312与第四水分分离元件组313之间配置第二蒸汽入口部32。

在与第二水分分离元件组311和第三水分分离元件组312各自的轴线o方向的中心位置对应的圆筒形管314的上部，开口设置有上述第二蒸汽出口部34。

由此，如图3至图5所示，在圆筒形管314的内周面与多个水分分离元件315之间，在中心线c的方向上隔开间隔成对地区划有沿着蒸汽流过的轴线o方向延伸的截面半月形状的第一流路36。并且，在隔着轴线o在中心线c的方向上对置的多个水分分离元件315之间区划有第二流路37。蒸汽在第一流路36沿轴线o方向移动的同时通过水分分离元件315被引导至第二流路37，并且从第一蒸汽出口部33和第二蒸汽出口部34排出，由此蒸汽通过水分分离元件时被除去水分。在此，由于第一流路36仅需要具有将流过该流路的蒸汽引导至第二流路37的性质即可，因此不必一定形成为半月形状，只要形成为当蒸汽从第一流路36流到第二流路37时通过水分分离元件315即可。

(隔板)

在第一水分分离元件组310和第二水分分离元件组311的面向第一蒸汽入口部31的各端部设置有隔板38。并且，在第三水分分离元件组312和第四水分分离元件组313的面向第二蒸汽入口部32的端部设置有隔板38。另一方面，在第一水分分离元件组310中的面向第一蒸汽出口部33和第四水分分离元件组313中的面向第二蒸汽出口部34的端部没有设置隔板38。同样地，在第二水分分离元件组311和第三水分分离元件组312对置的位置上没有设置隔板38。

如图4所示，隔板38以覆盖上下两段水分分离元件315的整个端部的方式在圆筒形管314的内部遍及圆筒形管314的上下方向而设置。由此，与第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32连通的蒸汽引入室35在圆筒形管314的内部被区划。从第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32流入的蒸汽从蒸汽引入室35流向第一流路36。

(区划板)

如图5所示，在圆筒形管314的内部设置有在轴线o方向上延伸的区划板39。在上下配置的多个水分分离元件315中，下侧的水分分离元件315b的下端固定在区划板39上。区划板39配置在圆筒形管314内部的轴线o的下方，并且在区划板39与圆筒形管314的内周面之间区划用于冷凝水流过的截面半月形状的冷凝水流路318。

并且，在上侧的水分分离元件315a的下端与水分分离元件315b的上端之间设置间隔件316，以支撑这些水分分离元件315a和315b。另外，水分分离元件315a的上端由固定部件319支撑在圆筒形管314的内周面上。在此，上侧的水分分离元件315a和下侧的水分分离元件315b之间的固定不一定必须通过使用间隔件316来进行。

在区划板39与圆筒形管314的内周面之间的冷凝水流路318内设置有迷宫状的密封部件317，该密封部件317从区划板39的下表面向下突出并且从圆筒形管314的内周面向上突出，以阻止蒸汽流入到冷凝水流路318内。冷凝水从设置成与冷凝水流路318连通的未图示的冷凝水排出口排出到外部。

(分流部件)

如图2和图6所示，分流部件320以与第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32对置的方式设置在圆筒形管314的内部。更具体而言，分流部件320具有引导面320a，该引导面320a呈沿着圆筒形管314的内周面的弯曲形状并且朝向中心线c延伸。分流部件320与第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32在上下方向上隔开间隔而配置在这些蒸汽入口部31和蒸汽入口部32的上方，并且固定在圆筒形管314的内周面。

引导面320a在将来自第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32的蒸汽引导至蒸汽引入室35时，以从轴线o向圆筒形管314的径向外侧分离的方式分流，之后将蒸汽引导至一对第一流路36。

(作用效果)

接着，对本实施方式的高压水分分离器3的作用进行说明。

在具有上述结构的蒸汽涡轮设备p中，从除气器5送出的水在蒸汽发生器中变成加热蒸汽，该加热蒸汽被送至高压涡轮的入口部进行工作，之后经由配管6a将其从高压涡轮的出口部111送至高压水分分离器3，并且在除去水分之后被送至中压涡轮的入口部121。

如图4所示，在高压水分分离器3中，从第一蒸汽入口部31和第二蒸汽入口部32流入蒸汽引入室35的蒸汽通过与分流部件320碰撞而被引导至引导面320a，并流入一对第一流路36的各个流路中。流入第一流路36的蒸汽沿轴线o的方向流过第一流路36。之后，从第一流路36朝向圆筒形管314的径向内侧流过。

此时，蒸汽通过设置在第一流路36与第二流路37之间的边界处的水分分离元件315。然后，蒸汽中含有的水分在水分分离元件315中成为冷凝水，并能够从蒸汽中除去水分。被分流部件320分成两路的蒸汽通过第一水分分离元件组310和第四水分分离元件组313，之后在第二流路37中合流，并在第二流路37中沿轴线o方向移动，并从设置在圆筒形管314的长度方向两端的第一蒸汽出口部33排出至外部。并且，被分流部件320分成两路的蒸汽通过第二水分分离元件组311和第三水分分离元件组312，之后在第二流路37中合流，并从设置在圆筒形管314的上部的第二蒸汽出口部34排出至外部。

当从蒸汽中除去水分时产生的冷凝水通过在圆筒形管314内部向下滴落而被引导至冷凝水流路318，并且从未图示的冷凝水排出口排出至圆筒形管314的外部。

根据本实施方式的蒸汽涡轮设备p，使已通过水分分离元件315的蒸汽利用朝圆筒形管314的轴线o方向开口的蒸汽出口部33、34从圆筒形管314的轴端排出，从而能够将连接到蒸汽出口部33、34的配管6b沿水平方向延伸，并且增加配管6b在涡轮建筑物内的布局自由度。

另外，已通过水分分离元件315的蒸汽利用朝圆筒形管314的轴线o方向开口的蒸汽出口部33、34从圆筒形管314的轴端排出，从而水分分离元件315的布局将不易受到蒸汽出口部33、34的限制。具体而言，通过使已通过水分分离元件315的蒸汽从圆筒形管314的轴端排出，能够靠近圆筒形管314的径向内侧配置水分分离元件315，并且能够在圆筒形管314内的径向外侧配置第一流路36，该第一流路36是用于使蒸汽流入水分分离元件315的流路。

能够将水分分离元件315配置在圆筒形管314的内部靠径向内侧靠近轴线o的位置处，由此，与将水分分离元件315配置在圆筒形管314中远离轴线o的位置，即配置在靠近圆筒形管314中的径向外侧的情况相比，能够增加水分分离元件315的上下方向的尺寸。因此，不必为了确保水分分离元件315中的叶片面积而使圆筒形管314大型化，并且能够应对涡轮建筑物内的蒸汽涡轮设备p的各结构的布局限制。并且，通过确保叶片面积，能够使高压水分分离器3小型化，能够降低设备成本，并且能够提高可维护性。

另外，在本实施方式中，通过在圆筒形管314的轴线o方向的两端部设置蒸汽出口部33、34，成为将两个水分分离器合二为一的形状。即，能够将两个水分分离器合二为一，并且进一步使水分分离器3更小型化。因此，能够进一步使蒸汽涡轮设备p小型化。

另外，在本实施方式中，多个水分分离元件315以隔着轴线o对置的方式配置有多个，并且通过在圆筒形管314的上方和下方配置成两段，能够充分确保水分分离元件315中的叶片面积。因此，能够在不增加圆筒形管314的尺寸的情况下有效地在从蒸汽入口部31和32流入的蒸汽中除去水分并且从蒸汽出口部33、34排出。

并且，从蒸汽入口部31和32流入的蒸汽与分流部件320的引导面320a碰撞之后隔着轴线o分流成两路，然后被引导至第一流路36。因此，即使当蒸汽与分流部件320碰撞时也能够分离水分，并且通过使蒸汽流入隔着轴线o在中心线c方向上对置的各个水分分离元件315中，能够提高高压水分分离器3整体的水分分离性能。

在本实施方式中，不一定必须设置分流部件320。并且，分流部件320的引导面320a不一定必须沿着圆筒形管314的内部形成为弯曲形状，例如引导面320a也可以是平面。

以上，参考附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但是具体的结构并不限于该实施方式，还包括在不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更等。

例如，高压水分分离器3的第一蒸汽出口部33不一定必须朝高压水分分离器3的轴线o的两端部开口，也可以仅朝一个端部开口。

并且，上述的蒸汽涡轮设备p并不限定应用于核发电设备，例如也能够应用于火力发电设备。

产业上的可利用性

本发明能够应用于水分分离器和蒸汽涡轮设备。

符号说明

1-中高压涡轮，2-低压涡轮，3-高压水分分离器，4-低压水分分离加热器，5-除气器，6a、6b、6c、6d、6e-配管，7-主轴，11-高压涡轮(第一涡轮)，12-中压涡轮(第二涡轮)，21-低压涡轮的入口部，31-第一蒸汽入口部，32-第二蒸汽入口部，33-第一蒸汽出口部，34-第二蒸汽出口部，35-蒸汽引入室，36-第一流路，37-第二流路，38-隔板，39-区划板，41-低压水分分离器的入口部，111-高压涡轮的出口部，121-中压涡轮的入口部，122-中压涡轮的出口部，310-第一水分分离元件组，311-第二水分分离元件组，312-第三水分分离元件组，313-第四水分分离元件组，314-圆筒形管，315-水分分离元件，315a-上侧的水分分离元件，315b-下侧的水分分离元件，316-间隔件，317-密封部件，318-冷凝水流路，319-固定部件，320-分流部件，321-隔板，p-蒸汽涡轮设备。