JP2005240727A - 衝動型軸流タービン - Google Patents

Abstract

【課題】 ディスクと仕切板との隙間を通過する漏れ込み流れを抑制した衝動型軸流タービンを提供することを目的とする。
【解決手段】
動翼５と静翼１とを有する衝動型軸流タービンにおいて、静翼１内周に固定される仕切板２の静翼上流側端部に、上流方向に突出する突起部９を沿設したことを特徴とする。
動翼５と静翼１とを有する衝動型軸流タービンにおいて、静翼１内周に固定される仕切板の静翼上流側の角部の、静翼１の腹側に対応する部位に、切欠傾斜部１１を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、衝動型軸流タービンに関し、詳しくは、上流段動翼ディスクに設けられたバランスホールからの漏れ流れの影響を抑制するための構造を備えた衝動型軸流タービンに関する。

衝動型軸流タービンは、蒸気やガスなどの作動流体が軸方向から入り軸方向に出るものであり、代表的な流体機械として使用されている。図６に衝動型軸流タービンの一例について、回転軸方向断面（子午線断面）側から見た模式図を示す。図６に示すように、一般に衝動型軸流タービンは、回転軸（ロータ８００）にディスク部６００を介して取り付けられた動翼５００と、ケーシング４００などの静止系に静翼取付部３００を介して取り付けられた静翼１００とが軸方向に対して交互に並んで配置されている。静翼１００内周には、静止部と回転軸（ロータ８００）の隙間部半径を小さくし、作動流体の漏れを極力小さくすることを目的とした仕切板２００が設けられている。

衝動型軸流タービンでは作動流体Ｆが上流方向から下流方向へと主流Ａを形成して流れるが、回転系と静止系とが交互に存在する部分を通過する作動流体Ｆの流れは極めて複雑であり、詳しい現象については解明されていない点もある。そのため、衝動型軸流タービンの空力的性能を改善する余地は未だ残されており、軸流タービンの翼列を通過する作動流体Ｆの流体エネルギー損失を低減するなどして、衝動型軸流タービンの性能をさらに向上することが求められている。

図９に、衝動型タービン段落の静翼１００と動翼５００を示す。静翼１００は静翼取付部３００に固定され、仕切板２００は静翼１００の内周に固定されている一方で、動翼５００はロータ８００の回転と共に回転する。仕切板２００とロータ８００との間には不可避的な隙間が存在するが、隙間が極力小さくなるよう仕切板内周にはラビリンスフィン７００が設けられている。

一方、主流Ａは静翼１００を加速しつつ通過するため、仕切板２００の上流側と下流側との間には圧力差が発生し、この圧力差によってロータ８００とラビリンスフィン７００の隙間に漏れ流れＦ１が発生する。衝動型軸流タービンにおいて、漏れ流れＦ１が仕切板２００とディスク６００の隙間を通過して動翼５００の入口へ流入することは動翼５００の著しい性能低下を引き起こすため、一般に衝動型軸流タービンでは、漏れ流れＦ１を動翼５００を通過させずに動翼出口側へ導くことを目的として、ディスク６００にバランスホール１０００が設けられている。

漏れ流れＦ１は、静翼１００を通過したのち主流Ａから分かれて仕切板２００とディスク６００の隙間に僅かに流入する漏れ流れＦ２と合流し、バランスホール１０００を通過する。バランスホールを通過した漏れ流れの一部は下流段仕切板２００に設置されたラビリンスフィン７００とロータ８００の隙間部へ向かう漏れ流れＦ３となり、他は仕切板２００とディスク６００の隙間を半径方向外側へと流れる漏れ流れＦ４となり、静翼１００の入口部から主流Ａへと漏れ込む。
漏れ込み流れの抑制手段としては、例えば、静翼シュラウドの前側つばをその前側にある動翼のローター側流路に面の延長上より半径の大きい方へ突出させ、主流の動圧を利用して、シュラウド付き静翼シール部の下流側圧力を高め、静翼のシール部におけるリーク量を減らし、静翼部での漏れ損失を低減する技術が提案されている（特許文献１）。また、動翼の根元部において作動流体漏洩孔を設けて洩れ込み流れが主流に入り込まないようにして、流体エネルギーの損失を抑制する、衝動タービンに適した技術が提案されている（特許文献２）。

特開平１１−３４３８０８号公報 特開平６−３２３１０５号公報

本発明者らは最新の流動解技術を駆使し、改めて、漏れ流れＦ４の状況を解析した。従来のタービンにおける漏れ流れの解析結果を図１０、図１１および図１２に示す。漏れ流れＦ４は、流速が低く慣性力が小さいため、静翼列内部の腹背面間の圧力差によって、静翼背面１００ｂ側へと運ばれやすい（図１０、図１１）。図１１に示すように、静翼背面１００ｂ側へ流れた漏れ流れは、流れ方向に対し縦に広がる縦渦（二次流れ渦Ｎｓ）を形成する。この二次流れ渦Ｎｓの形成過程および形成された二次流れ渦Ｎｓによって静翼１００壁面付近に強い摩擦が生じ、主流の流体エネルギーが損失となって失われる。

図１２に、漏れ流れおよび二次流れ渦の流れの様子とエントロピ分布を模式的に示す。図１２に示すように、二次流れ渦Ｎｓが縦方向に広がり、エントロピ分布Ｅ３およびＥ４も外周方向に向かって大きく広がっていることがわかる。二次流れ渦Ｎｓは、渦のねじれが強く発達するほど、あるいは渦が静翼１００根本側から外周方向に広がるほど、漏れ込み流れＮｓによる静翼内部の流体エネルギー損失は大きくなり、タービンの出力低下につながる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、漏れ込み流れを抑制した衝動型軸流タービンを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明では、漏れ込み流れが静翼背面に集まり、縦長に強い二次流れ渦を形成してしまうことを抑制する手段を設けた。すなわち、本発明は下記、衝動型軸流タービンを提供する。

第１の発明は、動翼と静翼とを有する衝動型軸流タービンにおいて、静翼が固定される仕切板の静翼上流側端部に、静翼背面側への漏れ込み流れを抑制する上流方向に突出した突起部を沿設したことを特徴とする、衝動型軸流タービンである。

第２の発明は、動翼と、同動翼が固定されバランスホールが設けられているディスクと、前記動翼の下流側に設けられている静翼と、同静翼内周に固定されている仕切板とを有する衝動型軸流タービンにおいて、前記仕切板の静翼上流側端部に、前記バランスホールからの漏れ込み流れの静翼背面側への流れを抑制するための、上流方向に突出する突起部を沿設したことを特徴とする、衝動型軸流タービンである。

上記第１および第２の発明は何れも、仕切板外周端部に上流方向に突出した突起部を備えることにより、漏れ込み流れが静翼背面側に集中してしまうことを抑制することができる。静翼の背面と腹面とでは圧力差があり、背面側のほうが圧力が低くなるところ、突起部が防波堤的な役割を果たし、漏れ込み流れに対する静翼背面腹面の圧力差の影響を抑制し、主流への漏れ込みをディスクの周方向に均一化し、漏れ込み流れが静翼背面側へと集中することを抑制できる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記突起部のタービン軸芯側（すなわち、回転軸側）面が、仕切板壁面に対して上流側に傾斜した傾斜面を形成してなることを特徴とする。突起部の軸芯側面が仕切板壁面に対して上流側に傾斜していることにより、静翼背面へ漏れ込み流れを集中させずに、漏れ込み流れの流れをいたずらに乱すことなく、より円滑に仕切板表面へと流れ込むようにすることができる。

第４の発明は、第１ないし第３の何れかの発明において、前記傾斜面の傾斜角度が、仕切板壁面に対して１５〜８０度であることを特徴とする。傾斜面角度は、より好ましくは、５０〜８０度である。傾斜角度を、このような角度とすることにより、第１および第２の発明の効果をより向上させることができる。

第５の発明は、第１ないし第４の何れかの発明において、前記突起部が、断面三角形状の突起部であることを特徴とする。突起部を断面三角形状とすることにより、静翼背面へ漏れ込み流れを集中させずに、漏れ込み流れをいたずらに乱すことなく、より円滑に仕切板表面へと流れ込むようにすることができる。

第６の発明は、第１ないし第５の何れかの発明において、前記突起部の先端角度が１５〜８０度であることを特徴とする。先端角度は、より好ましくは５０〜８０度である。このような角度とすることにより、第１ないし第５の発明の効果をより向上させることができる。

第７の発明は、動翼と静翼とを有する衝動型軸流タービンにおいて、静翼内周に固定される仕切板の静翼上流側の角部の、静翼の腹側に対応する部位に、切欠傾斜部を設けたことを特徴とする、衝動型軸流タービンである。

仕切板の静翼上流側の角部の、静翼の腹側に対応する部位に、切欠傾斜部を備えることにより、静翼腹側への漏れ込み流れを助長し、漏れ込み流れが静翼背側に集中してしまうことを抑制することができる。静翼の背面と腹面とでは圧力差があり、静翼の背面側よりも腹面側のほうがその圧力が高いが、切欠傾斜部が漏れ込み流れを呼び込む役割を果たし、漏れ込み流れに対する静翼背面と腹面との圧力差の影響を抑制し、主流への漏れ込みをディスクの周方向に均一化し、漏れ込み流れが静翼背面側へと集中することを抑制できる。

本発明によれば、衝動型軸流タービンにおいて、静翼背面側への漏れ込み流れを抑制し、作動流体の損失を抑制することができる。また、静翼腹面側への漏れ込み流れを案内（助勢）することで、静翼背面側への漏れ込み流れを抑制し、作動流体の損失を抑制することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を図１から図６に沿って説明する。図１は、１段落の静翼１、動翼５及び下流側段落の静翼１を、回転軸方向断面（子午線断面）方向から示す模式図である。動翼５は一方の端部がディスク６に固定され、さらにロータ８に固定されている。動翼５とケーシング４との間には、ケーシング４にラビリンスフィン７が設けられている。静翼１は、一方の端部が静翼取付部３に固定され、他方の端部には仕切板２が取り付けられ、さらに仕切板２の内周側にラビリンスフィン７が設けられている。ロータ８の回転と共に動翼５は周方向に回転する。作動流体は静翼１および動翼５を通過し、主流Ａを形成する。静翼１に取り付けられた仕切板２の内周側端部とロータ８との間には隙間が形成されている。隙間にそって漏れ流れＭが発生する。漏れ流れＭはディスク６の上流側壁面に当たって外周方向へと流れの方向を変え、ディスク６に設けられたバランスホール１０を通過する。漏れ流れＭはバランスホール１０を通過したのち、その一部が仕切板２の上流側壁面に当たって外周方向へと流れの方向を変え、仕切板２の上端部を越えて主流Ａに混じり、漏れ込み流れとなって流れていく。

第１実施形態においては、仕切板２の静翼側の上流側端部（上流側外周端部）に沿って、上流方向に突出した突起部９が設けられている。突起部９を拡大した図を図２に示す。第１実施形態では、突起部は、その断面が三角形状（剣先形状）を有している。断面三角形状の突起部９の上流側先端部とディスク６との間には距離Ｌの隙間が設けられる。この距離Ｌは、タービンの運転状況などによる温度などの変化に伴い若干変動するため、突起部を設けない場合と同様、タービンの運転に支障が生じない程度の隙間をあけて設けられる。また、突起部９はディスク６の上面と同一レベル位置とするか、または、図２に示すように、仕切板２の上部表面部（図４、５の２ｂ）および突起部９の上面はディスク６の上面よりも低い位置に設けてある。

図３は、突起部９をさらに拡大し、角度を示した図である。第１実施形態においては、先端角度α（アルファ）は３０度である。また、仕切板部壁面２ａに対し上流側に傾斜してなる傾斜面８ａの傾斜角度β（ベータ）は６０度である。

図４に第１実施形態における漏れ流れＭの状況を示す。バランスホール通過後、半径方向外側へ吹き上がってくる漏れ流れＭは、突起部９の傾斜面８ａに当たる。突起部９に当たった漏れ流れＭは、突起部９を巻き込むようにして仕切板２の上部表面部２ｂへと流れ、さらには該上部表面部２ｂを這うように、主流Ａの流れ方向、すなわち下流側へ、漏れ込み流れとなって流れる。なお、本第１実施形態においては断面が三角形状の突起部９が設けられているが、突起部の形状は上記のように漏れ込み流れが上部表面部２ｂ上を這うような流れを形成させるような形状であればよく、本発明は断面が三角形状の突起部に限定されるものではない。

静翼背面側の様子が明確になるよう、静翼の設置向きが異なる第１実施形態の変形例において、流体学的解析によるエントロピ分布の解析結果を模式的に示す図を図５に示す。図５にハッチングして示されるエントロピ分布Ｅ１およびＥ２は、本実施形態によるエントロピ分布の様子を示す。Ｅ１およびＥ２部分が漏れ流れＭのエントロピが大きい部分である。図１２の従来例の場合と比較すれば明らかなように、図１２では仕切板部表面に表れるエントロピの分布Ｅ３が静翼背面１００ｂ側に大きく表れているのに対し、第１実施形態変形例の場合には均一化されている。また、図１２の従来例におけるＥ４と、図５の第１実施形態変形例におけるＥ２部分を比較すれば明らかなように、第１実施形態変形例のほうが、外周方向への流れの乱れが少ないことが示されている。さらに、図１２に示す二次流れ渦Ｎｓと比べ、図５に示す二次流れ渦Ｍｓはねじれが少なく弱いものであることが示されている。図５と従来図１２との比較からも明らかなように、本発明の第１実施形態により、静翼背面１ｂ側への漏れ込み流れが抑制され、主流の流体エネルギーの損失を抑制できる。概算であるが、第１実施形態により主流の流体エネルギーの損失をおよそ０．２％程度抑制可能である。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を図７および図８に基づき説明する。図７の（ａ）は静翼１と仕切板２とを示す平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。図８は静翼１と仕切板２とを示す斜視図である。突起部９は第１実施形態のものと比べ、個々の静翼１の静翼背面１ｂ側に対応する部位（部分位置）だけに設けられている点が相違する。なお、本衝動型軸流タービンは、図７および図８には図示されていないが、図１に示す動翼５と、動翼５が固定されバランスホール１０が設けられているディスク６を有すものである。また、前記動翼５の下流側に隣接して、図７および図８に示す静翼１が設けられている。

仕切板２の静翼１の上流側端部には、前記バランスホール１０からの漏れ流れ（Ｍ）の静翼背面１ｂ側への流れを抑制するための、上流方向に突出する突起部９を沿設している。１１は切欠傾斜部であり、この切欠傾斜部１１は仕切板２の静翼上流側の角部に設けられていて、その設置位置は静翼１の静翼腹面１ａ側に対応する部位（部分位置）である。切欠傾斜部１１は、図示のように仕切板２の角部を直線的にカットして角部を無くしたものであり、個々の静翼１毎に一定の幅寸法で、設けられている。

この幅寸法は、図１に示すディスク６と仕切板壁面２ａとの間より立ち上がってくる漏れ流れ（Ｍ）を、静翼腹面１ａ側に案内する観点から設定すればよく、ほぼ静翼腹面１ａの起点から隣接する静翼１との中間部までの幅寸法内に設ければ良い。もし、必要以上に長くすると隣接する静翼背側１ｂにも漏れ込み流れが広がることになるので、それは好ましくない。また、切欠傾斜部１１の傾斜角度は漏れ込み流れが仕切板２の上部表面部２ｂにできるだけ沿うように考えて設定すればよい。

突起部９と切欠傾斜部１１とを、仕切板２の静翼上流側の角部に交互に設けることにより、突起部９が静翼背面１ｂへの漏れ込み流れを抑制し、切欠傾斜部１１が漏れ込み流れを静翼腹面１ａに呼び込む役割を果たす。したがって、漏れ込み流れに対する静翼背面１ｂと腹面１ａとの圧力差の影響を抑制し、主流（Ａ）への漏れ込み流れをディスク（６）の周方向に均一化し、漏れ込み流れが静翼背面１ｂ側へと集中することを抑制できる。

なお、図７、８において、仕切板２の静翼上流側の角部に、突起部９を設けずに切欠傾斜部１１のみを各静翼１に対応して設けても良い。また、逆に、仕切板２の静翼上流側の角部に、切欠傾斜部１１を設けずに、図７、８に示す突起部９のみを各静翼１に対応して設けてもよい。また、切欠傾斜部１１面を円弧状に形成しても良い。

１段の動翼および静翼を、回転軸方向断面（子午線断面）方向から示す模式図である。 突起部を示す図である。 突起部および角度を示す図である。 第１実施形態による漏れ流れ込みの流れを模式的に示す斜視図である。 第１実施形態による漏れ込み流れ、およびそのエントロピ分布を模式的に示す図である。 軸流タービンを子午線断面方向から示す模式図である。 （ａ）は静翼１と仕切板２とを示す平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 静翼と仕切板とを示す斜視図である。 従来の、１段の静翼、動翼および下流段静翼を、回転軸方向断面（子午線断面）方向から示す模式図である。 従来の漏れ込み流れの状況を動翼腹側から模式的に示す斜視図である。 従来の漏れ込み流れの状況を動翼背面側から模式的に示す斜視図である。 従来の漏れ込み流れおよびそのエントロピ分布を示す図である。

符号の説明

１ 静翼
１ａ 静翼腹面
１ｂ 静翼背面
２ 仕切板
２ａ 壁面
２ｂ 上部表面部
３ 静翼取付部
４ ケーシング
５ 動翼
６ ディスク
７ ラビリンスフィン
８ ロータ
９ 突起部
１０ バランスホール
１１ 切欠傾斜部
Ａ 作動流体の主流
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４ 漏れ流れ
Ｍ 漏れ流れ
Ｍｓ 二次流れ渦
Ｎｓ 二次流れ渦
Ｌ ディスク下流部と仕切板上流部との距離
α 先端角度
β 傾斜面角度
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４ エントロピ分布

Claims (7)

1. 動翼と静翼とを有する衝動型軸流タービンにおいて、静翼内周に固定される仕切板の静翼上流側端部に、静翼背面側への漏れ込み流れを抑制するための、上流方向に突出する突起部を沿設したことを特徴とする、衝動型軸流タービン。
2. 動翼と、同動翼が固定されバランスホールが設けられているディスクと、前記動翼の下流側に設けられている静翼と、同静翼内周に固定されている仕切板とを有する衝動型軸流タービンにおいて、前記仕切板の静翼上流側端部に、前記バランスホールからの漏れ込み流れの静翼背面側への流れを抑制するための、上流方向に突出する突起部を沿設したことを特徴とする、衝動型軸流タービン。
3. 前記突起部のタービン軸芯側面が、仕切板壁面に対して上流側に傾斜した傾斜面を形成してなることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の衝動型軸流タービン。
4. 前記傾斜面の傾斜角度が、仕切板壁面に対して１５〜８０度であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れかに記載の衝動型軸流タービン。
5. 前記突起部が、断面三角形状の突起部であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れかに記載の衝動型軸流タービン。
6. 前記突起部の先端角度が１５〜８０度であることを特徴とする、請求項１ないし請求項５の何れかに記載の衝動型軸流タービン。
7. 動翼と静翼とを有する衝動型軸流タービンにおいて、静翼内周に固定される仕切板の静翼上流側の角部の、静翼の腹側に対応する部位に、切欠傾斜部を設けたことを特徴とする、衝動型軸流タービン。
   
   
   

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