JP2004100578A

JP2004100578A - 軸流タービンの翼部構造

Info

Publication number: JP2004100578A
Application number: JP2002263556A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ishizaka; 石坂　浩一
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】軸流タービンの翼部において、馬蹄形渦に起因する温度上昇を低減し、焼損を防ぐ。
【解決手段】動翼１１を形設したプラットフォーム１２の前縁１３であって、動翼１１と軸流タービンの軸線方向に整列する箇所に、前方に向かってせり出す張り出し部１６を形設する。張り出し部１６の存在により、作動流体の主流３１と馬蹄形渦１５との干渉が阻止され、作動流体が前縁１３に漏れ込んで前縁１３が焼損することが防がれる。静翼２１には内部に冷却空気通路を設け、冷却空気をフィルム冷却用空気出口２３やピンフィン冷却用空気出口２４から後方に向かって噴出させる。これらの空気出口は後方に位置する動翼１１の根元部に向かう空気量の割合が大きくなるように構成する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軸流タービンの翼部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸流タービンを運転すると、翼を形設した環状プラットフォームの前縁に馬蹄形渦が発生する（特許文献１参照）。馬蹄形渦はプラットフォーム前縁で発達した前流境界層が翼前縁に衝突することにより起こる。
【０００３】
図８は馬蹄形渦の発生状況を観念的に図示する部分斜視図、図９は図８の状況が発生する箇所の部分断面図である。図において、１１は動翼、１２は動翼１１を形設した環状のプラットフォーム、すなわちシュラウドである。プラットフォーム１２の前縁１３は上流側の静翼２１のプラットフォーム２２の後縁との間にキャビティ１４を形成する。この前縁１３から動翼１１の根元を囲むように馬蹄形渦１５が発生する。馬蹄形渦１５は作動流体を象徴する矢印の集合として示されている。
【０００４】
馬蹄形渦１５は次のような問題を引き起こす。図９に示すように、静翼２１から動翼１１へと高温作動流体の主流３１が流れる。主流３１が当たる動翼１１の前縁では圧力が高くなる。この時プラットフォーム１２の前縁に馬蹄形渦１５が発生していると、馬蹄形渦１５との干渉により、高温の主流３１の一部がキャビティ１４に流れる漏れ込み３２と、キャビティ１４から作動流体が主流３１に流れ込む漏れ込み３３とが交互に生じる。漏れ込み３２は高温であるため、プラットフォーム１２の前縁で、動翼１１の根元付近に位置する箇所の温度を上昇させ、場合によっては焼損（クラックが発生）に至らせる。このような馬蹄形渦の問題は静翼２１のプラットフォーム２２においても発生する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−３２４６０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、馬蹄形渦に起因する温度上昇を低減し、焼損を防ぐことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、軸流タービンの翼部を次のように構成した。
【０００８】
（１）翼を形設したプラットフォームの前縁であって、前記翼と軸流タービンの軸線方向に整列する箇所に、前方に向かってせり出す張り出し部を形設した。
【０００９】
この構成によれば、張り出し部の存在により、作動流体の主流からプラットフォームの前縁への漏れ込みが阻止される。従って、プラットフォームの前縁が焼損に至るまで温度上昇することはない。
【００１０】
（２）上記のような翼部構造において、前記翼が動翼であることとした。
【００１１】
この構成によれば、動翼のプラットフォームが焼損し、クラックが発生するおそれを回避できる。
【００１２】
（３）上記のような翼部構造において、前記翼が静翼であることとした。
【００１３】
この構成によれば、静翼のプラットフォームが焼損し、クラックが発生するおそれを回避できる。
【００１４】
（４）静翼側翼部構造体の内部に冷却空気通路を形成し、この冷却空気通路の出口を後方に向けて開口させるとともに、前記出口は、後方に位置する動翼の根元部に向かう空気量の割合が大きくなるように構成した。
【００１５】
この構成によれば、馬蹄形渦の存在のため温度上昇しやすくなっている動翼の根元部に多量の冷却空気が吹き付けられ、焼損が防がれる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７に基づき本発明の実施形態を説明する。図８及び図９の従来構造と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、説明は省略する。
【００１７】
図１及び図２に第１実施形態を示す。図１は図８と同様の部分斜視図、図２は図９と同様の部分断面図である。この第１実施形態では、プラットフォーム１２の前縁であって、動翼１１と軸流タービンの軸線方向に整列する箇所に、前方に向かってせり出す張り出し部１６が形設されている。張り出し部１６は円弧状の縁を有し、同じく円弧状である動翼１１の前縁部と円弧の中心を同じくするように配置されている。動翼１１の前縁部の円弧半径をＲとした場合、張り出し部１６の円弧半径は２Ｒ〜３Ｒに設定する。
【００１８】
張り出し部１６の存在により、動翼１１の前縁で圧力が高まったとしても、作動流体の主流３１が馬蹄形渦１５に干渉しにくくなる。そのため主流３１からキャビティ１４への漏れ込みが生ぜず、プラットフォーム１２の前縁が漏れ込んだ作動流体により過熱することはない。
【００１９】
図３〜図５に示す構成を第１実施形態の構成に組み合わせることが可能である。図３は図１と同様の部分斜視図、図４は図３から馬蹄形渦を消去した部分斜視図、図５は図２と同様の部分断面図である。この構成は、プラットフォーム１２の前縁の角に、隣接する動翼１１の中間に位置するように案内溝１７を設けたことを特徴とする。
【００２０】
案内溝１７は馬蹄形渦１５を動翼１１の間へとスムーズに誘導し、作動流体の主流３１に合流させる。馬蹄形渦１５の運動成分の観点から見ると、作動流体の主流２１と直角の運動成分が減少したことになる。このため作動流体の主流３１と馬蹄形渦１５との干渉が弱まり、主流３１からの漏れ込み３２が少なくなる。
【００２１】
上記第１実施形態の構成は、静翼２１のプラットフォーム２２に適用することも可能である。
【００２２】
図６及び図７に第２実施形態を示す。図６は部分断面図、図７は静翼の斜視図である。この実施形態は、静翼２１から吹き出す冷却空気を図６の破線矢印に示すように動翼１１の根元部に特に多く吹き付け、この部分の冷却効果を高めることを特徴とする。
【００２３】
静翼側翼部構造体、すなわち静翼２１及びプラットフォーム２２の内部には、冷却空気通路（図示せず）が形成されている。静翼２１には冷却空気の出口が次のように設けられる。すなわち静翼２１の腹側面後方寄りには翼面に冷却空気膜（フィルム）を形成するためのフィルム冷却用空気出口２３が設けられる。静翼２１の後縁には、静翼２１の内部に設けた多数のピンフィン間を通って熱を奪った冷却空気の出口であるピンフィン冷却用空気出口２４が形設される。フィルム冷却用空気出口２３もピンフィン冷却用空気出口２４も、軸流タービンのラジアル方向に複数の小孔を配設した構成であり、後方に向かって開口する。
【００２４】
フィルム冷却用空気出口２３及びピンフィン冷却用空気出口２４から噴出した冷却空気は後方に位置する動翼１１に当たり、これを冷却する。動翼１１の中でも、馬蹄形渦により過熱を招きやすい根元部（動翼１１の高さの５〜１０％の領域）は特に冷却をしたい箇所なので、ここに冷却空気が特に多く集まるようにする。そのため、フィルム冷却用空気出口２３及びピンフィン冷却用空気出口２４に次のような工夫を施す。
【００２５】
フィルム冷却用空気出口２３及びピンフィン冷却用空気出口２４が小孔の集合であることは前述のとおりであるが、その中でも動翼１１の根元部に対応する位置の小孔については単位面積当たりの数を増やすか、直径を大きくするか、あるいはその両方を適用する。図７の例では、フィルム冷却用空気出口２３は単位面積当たりの小孔の数を増やすことにより、ピンフィン冷却空気出口２４は小孔の直径を大きくすることにより、それぞれ動翼１１の根元部に対応する箇所からの空気噴出量比率を高めている。
【００２６】
上記構成により、動翼１１の根元部及びこれに連なるプラットフォーム１２には多量の冷却空気が吹き付けられる。従って、馬蹄形渦により過熱を招きやすい箇所であるにもかかわらず、焼損を免れることができる。
【００２７】
小孔の数を増やす、あるいは小孔の直径を大きくする領域は、静翼２１の高さの２０％くらいまでとする。この第２実施形態の構成は、第１実施形態の構成と併用することが可能である。
【００２８】
以上本発明の各実施形態につき説明したが、この他、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は次のような効果を奏するものである。
【００３０】
（１）翼を形設したプラットフォームの前縁であって、前記翼と軸流タービンの軸線方向に整列する箇所に、前方に向かってせり出す張り出し部を形設したから、張り出し部の存在により、作動流体の主流からプラットフォームの前縁への漏れ込みが阻止される。従って、プラットフォームの前縁に焼損に至るほどの温度上昇が生じない。焼損により軸流タービンを停止させざるを得なくなり、稼働率が低下するという事態を招かずに済む。
【００３１】
（２）上記のような翼部構造において、前記翼が動翼であることとしたから、動翼のプラットフォームが焼損し、クラックが発生するおそれを回避できる。従ってメンテナンスインターバルや部品交換インターバルを長く設定し、メンテナンスコストを低減できる。
【００３２】
（３）上記のような翼部構造において、前記翼が静翼であることとしたから、静翼のプラットフォームが焼損し、クラックが発生するおそれを回避できる。従ってメンテナンスインターバルや部品交換インターバルを長く設定し、メンテナンスコストを低減できる。
【００３３】
（４）静翼側翼部構造体の内部に冷却空気通路を形成し、この冷却空気通路の出口を後方に向けて開口させるとともに、前記出口は、後方に位置する動翼の根元部に向かう空気量の割合が大きくなるように構成したから、馬蹄形渦の存在のため温度上昇しやすくなっている動翼の根元部に多量の冷却空気が吹き付けられ、効率的に冷却される。従って、動翼の根元部、またそれに連なるプラットフォームの前縁が焼損に至るまで温度上昇することがなく、翼部の故障により軸流タービンの稼働率を低下させずに済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明翼部構造の第１実施形態を示す部分斜視図
【図２】本発明翼部構造の第１実施形態を示す部分断面図
【図３】第１実施形態と併用可能な翼部構造を示す部分斜視図
【図４】図３から馬蹄形渦を消去した部分斜視図
【図５】第１実施形態と併用可能な翼部構造を示す部分断面図
【図６】本発明翼部構造の第２実施形態を示す部分断面図
【図７】本発明翼部構造の第２実施形態に係る静翼の斜視図
【図８】従来の翼部構造を示す部分斜視図
【図９】従来の翼部構造を示す部分断面図
【符号の説明】
１１　動翼
１２　プラットフォーム
１３　前縁
１４　キャビティ
１５　馬蹄形渦
１６　張り出し部
２１　静翼
２２　プラットフォーム
２３　フィルム冷却用空気出口
２４　ピンフィン冷却用空気出口
３１　作動流体の主流
３２、３３　作動流体の漏れ込み

Claims

翼を形設したプラットフォームの前縁であって、前記翼と軸流タービンの軸線方向に整列する箇所に、前方に向かってせり出す張り出し部を形設したことを特徴とする軸流タービンの翼部構造。
前記翼が動翼であることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービンの翼部構造。
前記翼が静翼であることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービンの翼部構造。
静翼側翼部構造体の内部に冷却空気通路を形成し、この冷却空気通路の出口を後方に向けて開口させるとともに、前記出口は、後方に位置する動翼の根元部に向かう空気量の割合が大きくなるように構成したことを特徴とする軸流タービンの翼部構造。