JP2004060565A

JP2004060565A - タービンノズル

Info

Publication number: JP2004060565A
Application number: JP2002221675A
Authority: JP
Inventors: Junichi Tominaga; 富永　純一; Sakae Kawasaki; 川崎　榮; Akihiro Onoda; 小野田　昭博; Daisuke Nomura; 野村　大輔
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】製作誤差によって引き起こされる翼効率低下を防止し、より一層翼効率を向上させたタービンノズルを提供する。
【解決手段】本発明に係るタービンノズルは、ノズル翼１４の翼先端部をダイアフラム外輪１１に接続し、ノズル翼１４の翼根元部をダイアフラム内輪１２に接続するとともに、ノズル翼１４を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、ダイアフラム外輪１１のダイアフラム外輪用当て板１５の穴１６に嵌装するノズル翼１４の翼先端部を直線状に形成するとともに、ダイアフラム内輪１２のダイアフラム内輪用当て板１７の穴１８に嵌装するノズル翼１４の翼根元部を直線状に形成する一方、直線状に形成した翼先端部と直線状に形成した翼根元部との間を結ぶ軸線を腹側に向って凸状の湾曲に形成する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントの蒸気タービン等に適用するタービンノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラント等に適用する蒸気タービンでは、タービンノズル（タービン静翼）とタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落を蒸気の流れ方向（タービンロータの軸方向）に沿って複数段にして配置している。蒸気の持つ熱エネルギは、タービンノズルで速度エネルギに変換され、タービン動翼で回転運動として吸収される。
【０００３】
蒸気タービンには大別して反動形式と衝動形式との二つの形式がある。
【０００４】
この衝動形式は、蒸気の持つ熱エネルギを上述のタービンノズルでより多くの膨張仕事をさせ、膨張仕事後の蒸気を上述のタービン動翼で転向させ、次のタービン段落に案内するようになっている。
【０００５】
このように、蒸気の持つ熱エネルギの大部分を速度エネルギに変換するタービンノズルは、その蒸気入口側とその蒸気出口側とで大きな圧力差が発生するため、圧力差に対処してダイアフラム構造を採用しており、その構成として図２に示すものがある。
【０００６】
図２に示すダイアフラム構造のタービンノズルは、環状体１を水平継手面ＨＪＳで二つに分割し、分割した環状体１，１の周方向に沿って環状列に配置するノズル翼２，２の両端をダイアフラム外輪３とダイアフラム内輪４とで支持するとともに、タービン軸（図示せず）に対峙するダイアフラム内輪４の内周側に形成するラビリンスパッキン取付用溝５を設けてラビリンスパッキン（図示せず）を嵌装する構成になっている。
【０００７】
また、タービンノズルは、ノズル翼２，２をダイアフラム外輪３およびダイアフラム内輪４のそれぞれに接続させる際、ダイアフラム外輪用当て板６およびダイアフラム内輪用当て板７のそれぞれを介装させて溶接で固設する、いわゆる溶接タイプになっている。
【０００８】
このような構成を備えるタービンノズルには、ノズル翼効率を低下させる二次流れが発生しており、その二次流れの発生メカニズムを図４を引用して説明する。
【０００９】
蒸気等の作動流体（以下、主流と記す）ＳＴは、隣接するノズル翼２，２の翼間に形成する流路８を流れるとき、流路８中で円弧状に曲げられて流れる。このため、ノズル翼２，２の翼間の流路８を流れる主流ＳＴに働く遠心力によりノズル翼２，２の腹面Ｆの圧力は、その背面Ｂの圧力よりも高くなり圧力勾配が生ずる。
【００１０】
一方、ダイアフラム外輪３およびダイアフラム内輪４の壁面側では、主流ＳＴの粘性の影響により流速の遅い境界層が発達する。
【００１１】
境界層中の圧力勾配は、主流ＳＴの圧力勾配と等しいため、境界層中の圧力勾配と主流ＳＴに働く遠心力とが釣り合うには、流速が小さい分だけ流線の曲率半径が小さくなる。そして、流線の曲率半径が小さくなった分、主流ＳＴは、ノズル翼２，２の腹面Ｆから背面Ｂに向って流れる、いわゆる二次流れ９が発生する。
【００１２】
この二次流れ９は、ノズル翼２，２の背面Ｂ側に衝突して巻き上がり、ノズル翼２，２のダイアフラム外輪３側およびダイアフラム内輪４側のそれぞれの接続部分側に二次渦１０ａ，１０ｂを発生させ、主流ＳＴの持つエネルギの一部を失わせる。
【００１３】
このように、ノズル翼２，２の流路８間で発生する二次渦１０ａ，１０ｂは、主流ＳＴに不均一な流れを生じさせ、ノズル翼効率を低下させることはもとより、下流側のタービン動翼に流入する主流ＳＴのエネルギ損失を招来し、タービン段落の効率を著しく低下させる要因になっていた。
【００１４】
このような二次渦１０ａ，１０ｂの発生を抑制するタービンノズルが、現在、数多く提案されている。例えば、特開平８−１０９８０３号公報に見られるように、ノズル翼２の後縁と隣接するノズル翼２の背面Ｂとのスロート（最短距離）をＳとし、環状ピッチをＴとするとき、スロートピッチ比Ｓ／Ｔを、図５に示すように、翼高中央部（ＰＣＤ）で最大にし、翼根元部および翼先端部のスロートピッチ比Ｓ／Ｔを小さくするタービンノズルがある。
【００１５】
また、別の例として、例えば特開平１−１０６９０３号公報に提案されているタービンノズルがある。このタービンノズルは、図７に示すように、ダイアフラム外輪３とノズル翼２，２の頂部との接続部分およびダイアフラム内輪４とノズル翼２，２の根元部との接続部分のそれぞれを、ともに直線状の傾斜に形成し、ノズル翼２，２の高さ方向の中間部分を腹面Ｆに向って凸状に湾曲させたものである。
【００１６】
このような形状に形成したタービンノズルでは、ダイアフラム外輪３およびダイアフラム内輪４のそれぞれの接続部分を直線状の傾斜にし、この傾斜を利用して、ダイアフラム外輪３およびダイアフラム内輪４のそれぞれの壁面に向って押圧力を発生させているので、ダイアフラム外輪３およびダイアフラム内輪４のそれぞれの壁面に生成される境界層の発達を低く抑制する利点を持っている。
【００１７】
しかし、このような形状のタービンノズルでは、ダイアフラム外輪３およびダイアフラム内輪４とノズル翼２，２とのそれぞれの接続部分（壁面側）への主流ＳＴの流量が増加するのに対し、図６に示すように、翼効率損失の最も少ない翼高さ方向の翼中央部分への主流ＳＴの流量が減少している。このため、従来、翼高さ方向の翼中央部分でより多くの膨張仕事をさせていたものが、主流ＳＴの流量が減少することによって、結果として、タービン段落効率が設計値のとおりに向上できない不具合があった。
【００１８】
このような不具合を解決する手段として、図５で示した翼高さ方向の翼中央部分でスロートピッチ比Ｓ／Ｔが最大になる形状のタービンノズルと、図７で示した形状のタービンノズルとを組み合せた新たなタービンノズルの実現が現在、検討されている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の三次元形状のノズル翼２，２を備えたタービンノズルでは、ダイアフラム外輪３およびダイアフラム内輪４を製造する場合、ノズル翼２，２の翼根元部および翼先端部の翼断面形状が翼高さ方向に向って変化しているため、図２で示したダイアフラム外輪用当て板６およびダイアフラム内輪用当て板７のそれぞれの穴形状をノズル翼２，２の翼根元部および翼先端部の翼断面形状よりも予め広く、大きく切削することを必要としていた。
【００２０】
しかし、ダイアフラム外輪用当て板６およびダイアフラム内輪用当て板７のそれぞれの穴形状を、ノズル翼２，２の翼根元部および翼先端部の翼断面形状よりも広く、大きくすると、組立設置の際、誤差を招来し、ノズル翼流路の断面積が最大となるスロート位置やスロート面積が設計値よりも大きくずれ、ノズル翼効率の低下の要因になっていた。
【００２１】
特に、タービンノズルは、スロート面積の適正値か否かの設定がノズル翼効率の向上に直接的な影響を与えるものであり、ノズル翼２，２におけるダイアフラム外輪用当て板６およびダイアフラム内輪用当て板７のそれぞれの僅かな穴寸法形状の大きさの狂いでも翼効率低下を招来する問題を抱えていた。
【００２２】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、製作誤差によって引き起こされる翼効率低下を防止し、より一層翼効率を向上させたタービンノズルを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、ノズル翼の翼先端部をダイアフラム外輪に接続し、前記ノズル翼の翼根元部をダイアフラム内輪に接続するとともに、前記ノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ダイアフラム外輪のダイアフラム外輪用当て板の穴に嵌装する前記ノズル翼の翼先端部を直線状に形成するとともに、前記ダイアフラム内輪のダイアフラム内輪用当て板の穴に嵌装する前記ノズル翼の翼根元部を直線状に形成する一方、前記直線状に形成した翼先端部と前記直線状に形成した翼根元部との間を結ぶ軸線を腹側に向って凸状の湾曲に形成するものである。
【００２４】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、直線状に形成する翼先端部は、スタッガ角を同一にすることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、直線状に形成する翼根元部は、スタッガ角を同一にすることを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、直線状に形成する翼先端部は、頂部端位置、頂部側中間高さ位置および頂部側翼有効部高さ位置のそれぞれに区分けするとき、頂部端位置から頂部側中間高さ位置までの距離をダイアフラム外輪用当て板の穴に嵌装させるものである。
【００２７】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、直線状に形成する翼先端部のうち、ダイアフラム外輪用当て板の穴から飛び出る頂部側翼有効部高さ位置の距離は、５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に設定したものである。
【００２８】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、直線状に形成する翼根元部は、根元端位置、根元側中間高さ位置および根元側翼有効部高さ位置のそれぞれに区分けするとき、根元端位置から根元側中間高さ位置までの距離をダイアフラム内輪用当て板の穴に嵌装させるものである。
【００２９】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、直線状に形成する翼根元部のうち、ダイアフラム内輪用当て板の穴から飛び出る根元側翼有効部高さ位置の距離は、５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に設定したものである。
【００３０】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、直線状に形成する翼根元部と、直線状に形成する翼根元部とを結び、腹側に向って凸状の湾曲に形成する軸線は、翼中央部分で最大になるように形成するものである。
【００３１】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、直線状に形成する翼先端部と、直線状に形成する翼根元部とを結び、腹側に向って凸状の湾曲に形成する軸線を備えたノズル翼の後縁端と隣りのノズル翼の背側との最短距離とノズル翼の環状ピッチとのスロートピッチ比は、翼中央部分で最大になるよう形成するものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るタービンノズルの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係るタービンノズルをノズル翼の後縁の出口側から観察した斜視図である。
【００３４】
本発明に係るタービンノズルは、ダイアフラム外輪１１とダイアフラム内輪１２との間に形成される環状の流路１３に複数のノズル翼１４，１４を周方向に沿って一定間隔を置いて列状に配置し、各ノズル翼１４，１４の翼先端部および翼根元部のそれぞれをダイアフラム外輪１１およびダイアフラム内輪１２のそれぞれに接続する構成になっている。
【００３５】
ダイアフラム外輪１１およびダイアフラム内輪１２のそれぞれに接続するノズル翼１４，１４のうち、ノズル翼１４，１４の先端部（チップ部）は、ダイアフラム外輪用当て板１５の穴１６に、正対して片当り等の発生がなく密に嵌装できるよう翼断面の捩りを伴わない直線状で、かつスタッガ角同一の形状に形成される。
【００３６】
翼断面の捩りを伴わない直線状で、かつスタッガ角同一の形状に形成されるノズル翼１４，１４の先端部Ｔは、頂部端位置をＴ_１、頂部側中間高さ位置をＴ_２、ダイアフラム外輪用当て板１５の穴１６から飛び出る頂部側翼有効部高さ位置Ｔ_３と区分けするとき、頂部端位置Ｔ_１から頂部側中間高さ位置Ｔ_２までの距離（高さ）の部分をダイアフラム外輪用当て板１５の穴１６に嵌装させる寸法形状になっている。
【００３７】
また、ノズル翼１４，１４の根元部（ルート部）Ｒは、ダイアフラム内輪用当て板１７の穴１８に、上述と同様に、正対して片当り等の発生がなく密に嵌装できるよう翼断面の捩りを伴わない直線状で、かつスタッガ角同一の形状に形成される。
【００３８】
翼断面の捩りを伴わない直線状で、かつスタッガ角同一の形状に形成されるノズル翼１４，１４の根元部は、根元端位置Ｒ_１、根元側中間高さ位置Ｒ_２、ダイアフラム内輪用当て板１７から飛び出る根元側翼有効部高さ位置Ｒ_３と区分けするとき、根元端位置Ｒ_１から根元側中間高さ位置Ｒ_２までの距離の部分をダイアフラム内輪用当て板１７の穴１８に嵌装させる寸法形状になっている。
【００３９】
また、頂部側中間高さ位置Ｔ_２から頂部側翼有効部高さ位置Ｔ_３までの距離（高さ）Ｌｔおよび根元側中間高さ位置Ｒ_２から根元側翼有効部高さ位置Ｒ_３までの距離Ｌ_Ｒのそれぞれは、ともに、図３に示すように、
【数１】
５ｍｍ≦Ｌｔ，Ｌ_Ｒ≦２０ｍｍ
の範囲に設定される。これらの範囲は、製作上の誤寸法を考慮して組立て上、経験から求めた寸法である。なお、５ｍｍ≦Ｌｔ≦２０ｍｍの範囲は、スロートピッチ比Ｓ／Ｔが最小値になる範囲でもある。
【００４０】
一方、頂部側翼有効部高さ位置Ｔ_３から根元側翼有効部高さ位置Ｒ_３までのノズル翼１４，１４の軸線ＣＬ（輪郭線）は、図１に示すように、翼中央部分に向い、かつ腹側（周方向）に向って凸状の湾曲に形成される。
【００４１】
また、頂部側翼有効部高さ位置Ｔ_３から根元側翼有効部高さ位置Ｒ_３までのノズル翼１４，１４のスロートピッチ比Ｓ／Ｔのうち、翼中央部分におけるスロートピッチ比Ｓ_２／Ｔ_２は、図３に示すように、頂部側翼有効部高さ位置Ｔ_３におけるスロートピッチ比Ｓ_３／Ｔ_３および根元側翼有効部高さ位置Ｒ_３におけるスロートピッチ比Ｓ_１／Ｔ_１に較べて大きく、かつ最大になるように設定される。
【００４２】
これは、図６に示すように、翼効率損失の最も少ない翼中央部分におけるスロートピッチ比Ｓ_２／Ｔ_２を最大にし、より多くの流体流量を流すことにより、出力をより一層増加させるためである。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るタービンノズルは、ノズル翼の翼先端部および翼根元部のそれぞれを翼断面の捩りを伴わない直線形状に形成し、ダイアフラム外輪用当て板およびダイアフラム内輪用当て板のそれぞれの穴に、正対して片当り等の発生がなく密に嵌装できるようにしたから、スロート面積を設計値どおりに確実に確保することができ、翼効率をより一層向上させることができる。
【００４４】
また、本発明に係るタービンノズルは、翼中央部分におけるスロートピッチ比を、翼先端部および翼根元部のそれぞれにおけるスロートピッチ比に較べて大きくし、かつ最大にしたから、翼効率損失の最も少ない部分により多くの流体流量を流すことができ、出力をより多く増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るタービンノズルの実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁の出口側から観察した斜視図。
【図２】半割れ状に形成した従来のダイアフラム外輪およびダイアフラム内輪を示す斜視図。
【図３】本発明に係るタービンノズルに適用するスロートピッチ線図。
【図４】従来のタービンノズルの翼間流路における二次流れを示す概念図。
【図５】従来のタービンノズルに適用するスロートピッチ線図。
【図６】従来のタービンノズルの翼根元部から翼先端部までの翼効率損失を示す翼効率損失線図。
【図７】従来のタービンノズルを示すもので、ノズル翼の後縁の出口側から観察した斜視図。
【符号の説明】
１　環状体
２　ノズル翼
３　ダイアフラム外輪
４　ダイアフラム内輪
５　ラビリンスパッキン取付用溝
６　ダイアフラム外輪用当て板
７　ダイアフラム内輪用当て板
８　流路
９　二次流れ
１０ａ，１０ｂ　二次渦
１１　ダイアフラム外輪
１２　ダイアフラム内輪
１３　流路
１４　ノズル翼
１５　ダイアフラム外輪用当て板
１６　穴
１７　ダイアフラム内輪用当て板
１８　穴

Claims

ノズル翼の翼先端部をダイアフラム外輪に接続し、前記ノズル翼の翼根元部をダイアフラム内輪に接続するとともに、前記ノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ダイアフラム外輪のダイアフラム外輪用当て板の穴に嵌装する前記ノズル翼の翼先端部を直線状に形成するとともに、前記ダイアフラム内輪のダイアフラム内輪用当て板の穴に嵌装する前記ノズル翼の翼根元部を直線状に形成する一方、前記直線状に形成した翼先端部と前記直線状に形成した翼根元部との間を結ぶ軸線を腹側に向って凸状の湾曲に形成することを特徴とするタービンノズル。
直線状に形成する翼先端部は、スタッガ角を同一にすることを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。
直線状に形成する翼根元部は、スタッガ角を同一にすることを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。
直線状に形成する翼先端部は、頂部端位置、頂部側中間高さ位置および頂部側翼有効部高さ位置のそれぞれに区分けするとき、頂部端位置から頂部側中間高さ位置までの距離をダイアフラム外輪用当て板の穴に嵌装させることを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。
直線状に形成する翼先端部のうち、ダイアフラム外輪用当て板の穴から飛び出る頂部側翼有効部高さ位置の距離は、５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする請求項４記載のタービンノズル。
直線状に形成する翼根元部は、根元端位置、根元側中間高さ位置および根元側翼有効部高さ位置のそれぞれに区分けするとき、根元端位置から根元側中間高さ位置までの距離をダイアフラム内輪用当て板の穴に嵌装させることを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。
直線状に形成する翼根元部のうち、ダイアフラム内輪用当て板の穴から飛び出る根元側翼有効部高さ位置の距離は、５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする請求項６記載のタービンノズル。
直線状に形成する翼根元部と、直線状に形成する翼根元部とを結び、腹側に向って凸状の湾曲に形成する軸線は、翼中央部分で最大になるように形成することを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。
直線状に形成する翼先端部と、直線状に形成する翼根元部とを結び、腹側に向って凸状の湾曲に形成する軸線を備えたノズル翼の後縁端と隣りのノズル翼の背側との最短距離とノズル翼の環状ピッチとのスロートピッチ比は、翼中央部分で最大になるよう形成することを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。