JP2005299680A - 軸流タービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】吹き出しに使用できる高圧流体の流量に制限がある場合に効果的に流れ損失の低減を図ることができる軸流タービン翼の提供。
【解決手段】軸流タービンの静翼１または動翼２であって、翼の内部に中空部７を形成するとともに、翼の後縁部に中空部に連通する吹き出し口を形成し、翼後縁まわりの作動流体流路に流れる主流作動流体よりも高圧で前記中空部に導かれた流体を、翼後縁側の吹き出し口から作動流体流路に吹き出すようにした軸流タービンにおいて、吹き出し口は、内周壁側に外周壁側よりも多量の吹き出し流体が流れるように形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は軸流タービンの静翼または動翼の改良に係り、特に翼の加熱、冷却、流れの制御の目的で翼の内部に流体を導いて翼後縁又は翼表面から吹き出すようにしたものにおいて、流れの適正化のための吹き出し口部の形状を改良した軸流タービン翼に関する。

軸流タービン翼の内部に中空部を形成して、翼まわりを流れる主流作動流体より高圧の流体を翼内部に導いて、後縁や翼表面から流出させるようにしたタービン翼は、タービンの性能と信頼性を向上させるために、ガスタービンでは一般的に使用されており、また蒸気タービンに適用する構成例も既に提案されている。

ガスタービンにおいては、タービン翼を冷却するためにタービンの作動流体より低温高圧の空気を圧縮機から抽気して、タービン段落の静翼及び動翼の内部の中空部に導き、翼後縁や翼表面から吹き出している。

一方、蒸気タービンに関しては、湿り蒸気中で使用されるタービン静翼内部に高温高圧の蒸気を導いて静翼を加熱して表面を流れる凝縮水分を再度蒸発させ、下流動翼の水分による浸食を防止し、さらに水滴の衝突によって生じる損失を低減するための技術が特開昭５０−１１２６０４号公報などで提案されている。

更に、一般の軸流流体機械の段落の二次流れ損失と後流損失の低減を目的として、翼表面から主流の一部を吸い込んで翼内部に導き、後縁から吹き出させる構造が特公昭５６−１４８４５号公報で提案されている。

以上の従来技術の中から特開昭５０−１１２６０４号公報に記載された蒸気タービンに関する技術を例にして具体的に説明する。

図６および図７は、前述した蒸気タービンの例の一つで、低圧最終段への適用例である。タービンの段落は周方向に複数枚配置された静翼１と、同じく周方向に複数枚配置された動翼２とによって構成される。動翼２はロータ３に植え込まれており、ロータ３と共に回転する。

静翼２はケーシング４に固定されており、ケーシング４の通路側表面は、静翼１に流通する主流作動流体Ｆｍを外側から囲む外周壁１１を形成しており、静翼２の内輪側植え込み部の表面は内周壁１１を形成している。最終段の上流段落の静翼入口部には高温高圧の作動流体の吸い込み口５が設けてあり、この吸い込み口５から取り入れた蒸気はバイパス通路６を通って静翼１の内部の中空部７に導かれる。

図７は図６のＡ−Ａ断面図である。静翼１の後縁には吹き出し口としての後縁吹き出し口９が形成されており、中空部７の蒸気は吹き出し通路８によって後縁吹き出し口９に導かれる。

以上のように構成した蒸気タービンにおいては、吸い込み口５から最終段に比べて高温高圧で、通常は乾き状態の蒸気を取り入れ、バイパス通路６を通して中空部７に導くようになっている。静翼１はこの蒸気によって加熱され、表面を流れる凝縮水分の一部は再度蒸発して蒸気になる。

中空部７の蒸気は、吹き出し通路８を通って後縁吹き出し口９から主流蒸気中に吹き出される。このとき、静翼１の加熱によって蒸発せずに後縁まで到達した水分が吹き飛ばされて微細化する。この結果、動翼２に衝突する水分の合計量と浸食作用の強い比較的大きな水滴の数の両方が減少して動翼２の浸食が低減され、合わせて水滴の動翼２への衝突によって生ずる段落性能の低下も低減される。

この従来技術においては、後縁吹き出し口９からの噴射の方向は作動流体の流出方向とほぼ一致させ、また噴射速度は作動流体の主流の速度に等しいか、もしくはそれより若干高めとなるようにされている。
特開昭５０−１１２６０４号公報 特公昭５６−１４８４５号公報

上記のように構成された蒸気タービンは、静翼上の凝縮水分を静翼表面から吸い込んで外部に排出してしまう方法に比べて、蒸気の一部が水分と一緒に外部に流出してしまうことが無いので、段落の性能を損なうことがなく、動翼の浸食を防止できて望ましいように思われる。そこで、環状翼列試験によって後縁からの吹き出しが段落性能に及ぼす影響を調べたところ、以下の問題点が明らかになった。

図８は静翼の損失分布を全圧損失係数で表したものである。縦軸は後縁高さで無次元化した静翼出口の高さ位置を表し、横軸は吹き出しなしの時の流路中央の全圧損失係数ζＰＣＤで無次元化した全圧損失係数を表している。実線は後縁吹き出しが無い場合、破線は後縁吹き出しが有る場合の計測値を示す。

無次元高さ０．８以上で損失が急に増加するのは、外周壁面１０の低エネルギー流体が主流に流れ込んで生ずる二次流れによる。この部分では、後縁吹き出し有りの時の損失が吹き出しなしを上回っている。

一方、無次元高さ０．５から０．７ではわずかに吹き出し有りの損失が減少している。従って、外周壁側の高さ０．８から１．０の間で吹き出しを行った場合は吹き出しによる効率の低下が大きく、高さ０．５から１．０の間で吹き出しを行った場合には中央付近の損失減少により多少改善されるが、やはり効率は低下する。

図９は翼列下流の二次流れを簡略化して表現した説明図である。外周壁及び内周壁上の境界層を形成する速度の遅い低エネルギーの流れの部分が、翼列流路の腹側から背側への圧力勾配によって翼背側に移動する。背側に到達した低エネルギー流体は更に背側の一定の高さの位置まで入り込んで行き、ここで翼面から離れて渦を形成して行く。

従って、二次流れの影響領域においては、後縁に沿って流路中央に向かう速度成分が存在することがわかる。ここに後縁からの吹き出しを行うと、吹き出された流体は二次流れ渦に引き込まれて同じ方向に偏向し、その結果二次流れ渦にエネルギーを供給して二次流れ損失を増加させると考えられる。

図６、図７で説明した従来技術の例では、吹き出しの周方向の角度は比較的長い助走区間として吹き出し通路８を設けることにより、作動流体の主流の方向に向けることができるが、後縁に沿った流れの方向はなんら拘束できず、その結果吹き出し通路８の入口と出口の状態で流れの方向が決定してしまうことになる。

図６の中空部７の構造から明らかなように、中空部には外周壁から流路中央に向かう流れが生じており、前述した二次流れの方向に吹き出す傾向を助長していることがわかる。二次流れの影響があまり及ばない流路中央付近で吹き出しによって損失が低減される現象を明らかにするために高精度の流れの数値シミュレーションを実施したところ、吹き出しの無い後縁において通常生じている逆流領域が吹き出し流れで満たされており、逆流による乱れのない安定した流れになっていることが分かった。

従って、二次元的な流れとなっている流路中央では、吹き出しは翼列の損失を低減するが、流れの３次元性が著しい内外壁の近くでは何らかの方法で吹き出しの半径方向の流れの向きを制御しない限り、吹き出しは二次流れを増大させる方向に作用し、段落全体で見た場合タービンの効率を低下させることになる。

他の従来技術についても同様な問題点がある。特公昭５６−１４８４５号においても後縁に沿った方向の吹き出しの制御は何等なされておらず、そのかわりに二次流れの低減対策として周方向の吹き出し流出角度を幾何学的な静翼流出角から３〜５度オフセットすることを提案している。

しかしながら、翼列の流出角度は流出速度などの流体条件で変化し、更に主流の方向と後縁のすぐ下流の後流内では１度以上の差が有るので効果的なオフセット角度を見つけることは事実上かなり難しく、効果の程度も十分ではないと考えられる。

ガスタービン冷却翼に関しては非常に多くの提案がなされている。たとえば、特開平６−１３７１０５号では、後縁の外周壁と内周壁の近くで吹き出しスリットの開口面積を大きくして、二次流れ損失を低減させる技術が開示されている。しかしながら、開口面積を大きく取るだけで流出方向を効果的に制御しなければ、前述した例のようにかえって二次流れを増大させることになる。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、吹き出しに使用できる高圧流体の流量に制限がある場合に効果的に流れ損失の低減を図ることができる軸流タービン翼を提供することを目的とする。また、翼後縁や翼表面からの高圧流体の吹き出しによって損失が増加せず、むしろ吹き出しによって効率が向上するように機能する軸流タービン翼を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、軸流タービンの静翼または動翼であって、翼の内部に中空部を形成するとともに、翼の後縁部に前記中空部に連通する吹き出し口を形成し、翼後縁まわりの作動流体流路に流れる主流作動流体よりも高圧で前記中空部に導かれた流体を、前記翼後縁側の吹き出し口から前記作動流体流路に吹き出すようにした軸流タービンにおいて、前記吹き出し口は、内周壁側に外周壁側よりも多量の吹き出し流体が流れるように形成されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の軸流タービン翼において、前記吹き出し口は、前記内周壁近くの後縁部のみに設けられていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の軸流タービン翼において、前記吹き出し口は、内周壁近くの開口部幅が外周壁近くの吹き出し口の開口部幅に比べて大きく形成されていることを特徴とする。

なお、本発明においては、翼内部の中空部に導かれた高圧流体は後縁から吹き出される際に、内周壁近くでは内周壁側に傾斜するように吹き出す構成とすることが望ましい。このような構成とすることにより、図８に示した二次流れＦｓと逆向きの流れが後縁下流に生じて二次流れの渦を弱くし、二次流れ損失を低減させることができる。

本発明に係る軸流タービン翼によれば、一般的に二次流れ損失と衝撃波損失が大きい内周壁側に集中して吹き出しを行うことにより、吹き出しに使用できる高圧流体の流量に制限がある場合に効果的に流れ損失の低減を図ることができる。

また、本発明において、翼内部の中空部に導かれた高圧流体は後縁から吹き出される際に、内周壁近くでは内周壁側に傾斜するように吹き出す構成とすれば、翼列の二次流れと反対方向の吹き出し流れを生じさせることができ、それによって二次流れの渦を減衰させることができる。従って、後縁からの吹き出しによっては損失が増加せず、むしろ吹き出しによって効率が向上する等の効果が奏される。すなわち、二次流れと逆向きの流れが後縁下流に生じて二次流れの渦を弱くし、二次流れ損失を低減させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１および図２は軸流タービンの一実施形態を示している。なお、従来の構成と同一または対応する部分には図６および図７と同一の符号を用いて説明する。

本実施形態では、図１および図２に示すように、作動流体流路の外周壁１０を構成するケーシング４と内周壁１１を構成する静翼内輪２１との間に、周方向に数十枚の静翼１が接合固定されている。また、ロータ３には周方向に数十枚の動翼２（図５参照）が取り付けられ、高速で回転できる構成になっている。

ケーシング４には高圧流体通路１６が設けられており、図示しない上流のタ一ビン段落や外部の圧縮機などから、翼の加熱、冷却あるいは流れの制御等の目的で高圧流体が静翼１の内部の中空部に導かれるようになっている。なお、本実施形態は静翼を対象として説明しているが、動翼を対象とする場合には、高圧流体通路１６がロータ３の内部に設けられる。

本実施形態においては、後縁部の吹き出し通路８が静翼１の内周壁１１に近い部分だけに設けられており、高圧流体はもっぱら静翼１の内周壁１１側の近くに壁の方向に向かって吹き出すようになっている。すなわち、内周壁１１の壁際で、後縁全長の５％から１０％の長さの位置までには後縁吹き出し口９を設けず、吹き出し通路内周側壁１５を設け、内周壁１１から遠い部分には吹き出し通路外周側壁１２を設けている。

図２は図１のＢ−Ｂ断面図であり、この図２に示すように、中空部７と後縁吹き出し口９の間には、吹き出し通路８が設けられている。そして図１に示すように、吹き出し通路８は案内翼１３によって仕切られ、各半径ごとにあらかじめ決められた子午面傾斜角βで、高圧流体が後縁から吹き出すようになっている。

タービン中心軸から計った外周壁の傾斜角をβｔ、外周壁と後縁の交点の半径をＲｔ、内周壁の傾斜角をβｒ、内周壁と後縁の交点の半径をＲｒとし、任意半径Ｒにおける後縁位置で定義した平均傾斜角βｍを、
［数１］
βｍ＝｛βｔ（Ｒ−Ｒｒ）＋βｒ（Ｒｔ−Ｒ）｝／（Ｒｔ−Ｒｒ）
と定義した場合、後縁吹き出しの子午面傾斜角βが、
［数２］
Ｒ＜（Ｒｒ＋Ｒｔ）／２においてはβ＜βｍ，
Ｒ＞（Ｒｒ＋Ｒｔ）／２においてはβ＞βｍ
となるように、後縁吹き出し口９を形成する案内翼１３の形状と半径方向の取り付け角度を調整している。

次に、本実施形態の作用について説明する。高圧流体の流れＦｈは、中空部７から吹き出し通路８を通って後縁吹き出し口９から主流作動流体Ｆｍに吹き出す間に、吹き出し通路８の中に設けられた案内翼１３、吹き出し通路外周側壁１２、吹き出し通路内周側壁１５によって、流路中央より内周壁寄りでは内周壁１１の方向に向かう速度成分を与えられる。一方、外周壁１０に近い位置には吹き出し口が開口していないので、壁の近くで吹き出した流体同士が衝突することがなく滑らかに流れる。

このように本実施形態によれば、後縁からの吹き出しの方向を後縁に沿って内周壁１１の方向に傾斜させることができ、しかも壁の極めて近い位置に過度の集中をすることがないので、効果的に二次流れを抑制してタービン段落の損失を低減することができる。

翼を周方向に傾斜させたり、湾曲させる従来の二次流れの抑制手段では、周方向に平均的な効果しか期待できないのに対し、本実施形態では二次流れの渦が集中する後流付近に、集中的に二次流れの渦と逆方向の流れを起こすものであり、より効果的に渦を減衰させることができる。

本実施形態によれば、特に主流作動流体Ｆｍが遷音流れになっており、高圧流体Ｆｈの流量に制約が有る場合に効果的である。例えば、圧縮機からの高圧流体で静翼１を冷却する場合を考えると、通常冷却に必要な高圧の空気流量は主流作動流体の質量流量の２％前後である。一方、主流が遷音速になると、翼列の損失が急に大きくなる。これは、図８（Ａ）に示すように、静翼後縁の背側と腹側に衝撃波が発生して、特に、腹側の衝撃波が隣接翼の背側に入射し、この部分の境界層を乱すことに起因する。ここで後縁から主流の４％前後の吹き出しを行うと、図３（Ｂ）に示すように、腹側の衝撃波が消滅することが分かっている。

また、通常の設計をした翼列では流速が上がるに従って内輪側から衝撃波の発生する条件になって行く。従って冷却空気量を増やさずにタービン段落の損失の低減を図るためには、内輪側に吹き出しを集中することが効果的である。

図４は後縁吹き出し口を内輪側から徐々に長くしたときの段落性能向上率の変化を示す。後縁吹き出し口の長さが０．５すなわち、静翼後縁高さの中央から内輪側の半分だけ吹き出しを行うことによって、後縁全長にて吹き出しを行ったときの約２／３の効果を上げている。冷却空気流量には圧縮機側の制約で性能を落とさずに供給できる限界があるので、本発明が有効となる。

なお、以上の一実施形態では、後縁吹き出し口９が内周壁１１近くの後縁部のみに設けられている構成としたが、これに限らず、図５に示すように、後縁吹き出し口９を外周壁１０近くの後縁部にも設けた構成とし、その場合において後縁吹き出し口９は内周壁１０近くの開口部幅が外周壁近くの吹き出し口の開口部幅に比べて大きく形成されているものとしてもよい。このような構成であっても、上記同様の作用効果が奏される。

本発明に係る軸流タービン翼の一実施形態を示す断面図。 図１におけるＢ−Ｂ断面図。 （Ａ），（Ｂ）は本発明に係る軸流タービン翼の一実施形態の効果を説明する翼列の衝撃波説明図。 本発明に係る軸流タービン翼の一実施形態効果を説明する性能向上率と後縁吹き出し長さの関係図。 本発明に係る軸流タービン翼の他の実施形態を示す断面図。 従来の軸流タービン翼を示す断面図。 図６におけるΑ−Α断面図。 従来の軸流タービン翼の問題点を説明する全圧損失係数の高さ方向分布図。 軸流タービンの二次流れを説明する概念図。

符号の説明

１ 静翼
２ 動翼
３ ロータ
４ ケーシング
５ 吸い込み口
６ バイパス通路
７ 中空部
８ 吹き出し通路
９ 後縁吹き出し口
１０ 外周壁
１１ 内周壁
１２ 通路外周側壁
１３ 案内翼
１５ 吹き出し通路内周側壁
１６ 高圧流体通路
１７ 流体入口
２１ 静翼内輪

Claims (3)

1. 軸流タービンの静翼または動翼であって、翼の内部に中空部を形成するとともに、翼の後縁部に前記中空部に連通する吹き出し口を形成し、翼後縁まわりの作動流体流路に流れる主流作動流体よりも高圧で前記中空部に導かれた流体を、前記翼後縁側の吹き出し口から前記作動流体流路に吹き出すようにした軸流タービンにおいて、前記吹き出し口は、内周壁側に外周壁側よりも多量の吹き出し流体が流れるように形成されていることを特徴とする軸流タービン翼。
2. 請求項１に記載の軸流タービン翼において、前記吹き出し口は、前記内周壁近くの後縁部のみに設けられていることを特徴とする軸流タービン翼。
3. 請求項１に記載の軸流タービン翼において、前記吹き出し口は、内周壁近くの開口部幅が外周壁近くの吹き出し口の開口部幅に比べて大きく形成されていることを特徴とする軸流タービン翼。

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