JP2006090331A - タービンノズル - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル翼の前縁で主流が衝突により発生する二次流れ渦をより一層低く抑えることにより翼効率の向上を図ったタービンノズルを提供する。
【解決手段】外周壁２１と内周壁２２とで環状の流路２３を形成し、流路２３内にノズル翼２０を列状に配列したタービンノズルにおいて、上記ノズル翼２０の前縁２４からスロート２５までを、上記外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれに、腹側２６に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線に対して傾斜する直線状の基線Ａ1，Ａ2を設け、各基線Ａ1，Ａ2間を腹側２６に向う湾曲状曲線の中間基線Ａ3で接続する一方、上記ノズル翼２０のスロート２５から後縁２７までを、上記外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれに背側２８に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線に対して傾斜する直線状の基線Ａ4，Ａ5を設け、各基線Ａ4，Ａ5間を背側２８に向う湾曲状曲線の中間基線Ａ6で接続したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービンノズルに係り、特にノズル翼の流路内に発生する二次流れ渦に伴う二次流れ損失を効果的に抑制し、翼効率の向上を図ったタービンノズルに関する。

近年、発電プラントにおいては、経済的な運転を行なうために発電効率の改善、特にタービン性能の向上を図ることが重要な課題になっている。

タービン性能の向上を図るにはタービン翼、特にタービンノズルに発生する諸損失を低減する必要がある。タービンノズルに発生する諸損失には、ノズル翼の流路内を通過する作動流体（以下主流と記す）がノズル翼の湾曲状曲面に沿って流れる際に発生する翼型損失、流路の境界層が遠心力により吹き上げられる吹上げ損失、主流が翼間流路を通過する際、主流に交差して翼から隣接翼に向って流れる二次流れに伴う二次流れ損失などがある。特に、翼高さが比較的低く、アスペクト比が小さいタービンノズルにおいていは、二次流れ損失が翼効率を改善する上で隘路になっており、その二次流れ損失を低減することがでタービン性能を飛躍的に向上させる要因になっている。

二次流れ損失は、図６に示すように、境界層１を持った主流２がノズル翼３の前縁４に衝突したときにできる二次流れ渦５（カウンターボルテックス）により発生する。この二次流れ渦５は、ノズル翼３の背側６と腹側７に向って分れる。背側６に向う二次流れ渦５は、反時計方向に回転しながらノズル翼３の湾曲状曲面に沿って流れ、後縁１０に至る間にそのエネルギを失って弱められる。

ところが、腹側７に向う二次流れ渦５は、時計方向に回転しながら流路９を通過する間に腹側７からの押圧力により次第に隣接するノズル翼３の背側６に移動して行く。二次流れ渦５は、隣接するノズル翼３の背側６に移動する間に流路９の境界層を巻き上げ流路渦８（パッセージボルテックス）となって大きく成長する。この流路渦８は、ノズル翼３の腹側７の押圧力の影響を受けて発生するものであるが、この押圧力はノズル翼３の腹側７と背側６とでは腹側７の方が圧力（静圧）が高いことが原因になっている。

このように、従来のタービンノズルでは、二次流れ渦５の発生と成長により、主流２がノズル翼３を通過する間にエネルギの一部を失い、またその流線に変動が生じ、タービン性能を飛躍的に向上させることができない要因になっていた。

最近、ノズル翼３の流路９内に発生する二次流れ渦５に伴う二次流れ損失を低減するタービンノズルが数多く提案されている。

例えば、図７に示すように、両端を外周壁１１と内周壁１２とで固設されたノズル翼３の後縁１０を、腹側７の方向に湾曲状曲面に形成し、外周壁１１および内周壁１２で発生する二次流れ渦５を、湾曲状曲面の押圧力により抑制した、いわゆるリーンノズルや、図８に示すように、ノズル翼３に腹側７の吸込口１３と背側６の吹出口１４とを結ぶ連通路１５を設け、腹側７を通過する主流２を吸い込んで圧力（静圧）を下げ、吸い込んだ主流２を背側６から吹き出すことにより背側６を通過する主流２の圧力を高めて腹側７および背側６を互いに圧力バランスさせ、二次流れ渦５の低減を図ったものがある。

図７で示す従来のリーンノズルでは、ノズル翼３の前縁４で発生した二次流れ渦５を、腹側７の湾曲状曲面から外周壁１１および内周壁１２に向う押圧力により抑制できる優れた利点を備えているため、翼効率が従来に比べ高くなっている。

しかし、発電プラントの高出力化に伴って主流２の流量が増加してくると、限られた翼高さのリーンノズルでは、より一層曲率を増して湾曲状曲面に形成することが難しく、それに伴って湾曲状曲面からの押圧力を増加させることに限界がある。このため、ノズル翼３の前縁４で発生した二次流れ渦５のうち、一部抑制できなかった二次流れ渦５は、二次流れとともに、ノズル翼３の腹側７から隣接するノズル翼３の背側６に移動し、この間、流路９の境界層を巻き上げて流路渦８ができ、この流路渦８のために設計とおりの翼効率にできない問題点を抱えていた。

一方、図８で示す従来のタービンノズルでは、ノズル翼３の腹側７に吸込口１３を、その背側６に吹出口１４をそれぞれ設け、ノズル翼３の横断面が湾曲状曲面になっているために必然的に発生する腹側７と背側６との圧力アンバランスを解決する点で期待されているが、何分にも吸込口１３で主流２を吸い込むと、腹側７の主流２の流線が乱れ、また吹出口１４から吸い込んだ主流２を吹き出すと背側６の主流２の流線が乱れ、このため翼効率の向上が期待できない。

最近の発電プラントでは、図７の一点鎖線で示すスロート１６（ノズル翼と隣接するノズル翼との最小流路幅）からノズル３の前縁４側にかけて主流２に交差する二次流れ渦５の存在のために翼効率が向上できない点に着目してノズル翼３の翼形状に改善を加える研究が進められている。と同時に、ノズル翼３の外周壁１１、内周壁１２に発達する境界層を極力少なくし、ノズル翼３の湾曲状曲面から外周壁１１、内周壁１２に向って与えられる押圧力を充分に活用し、前縁４で発生する二次流れ渦５を外周壁１１、内周壁１２に向って押圧させることにより従来よりもより一層二次流れ渦５を抑制する検討が進められている。いずれも現在、模索中である。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、主流の前縁での衝突により発生する二次流れ渦をより一層低く抑えることにより翼効率の向上を図ったタービンノズルを提供することを目的とする。

本発明に係るタービンノズルは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を列状に配列したタービンノズルにおいて、上記ノズル翼の前縁からスロートまでを、上記外周壁および内周壁の接続端のそれぞれに、腹側に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線に対して傾斜する直線状の基線を設け、各基線間を腹側に向う湾曲状曲線の中間基線で接続する一方、上記ノズル翼のスロートから後縁までを、上記外周壁および内周壁の接続端のそれぞれに背側に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線に対して傾斜する直線状の基線を設け、各基線間を背側に向う湾曲状曲線の中間基線で接続したものである。

また、本発明に係るタービンノズルは、上記目的を達成するために、請求項２に記載したように、ノズル翼の前縁からスロートまでにおける外周壁の接続端に設けた基線の高さＨoeは、外周壁の直径をＤoe、上記基線のラジアル線に対する傾斜角θoe、上記ノズル翼の枚数をＮとするとき、

また、本発明に係るタービンノズルは、上記目的を達成するために、請求項３に記載したように、ノズル翼のスロートから後縁までにおける外周壁の接続端に設けた基線の高さＨoiは、外周壁の直径をＤoe、上記基線のラジアル線に対する傾斜角をθoi、上記ノズル翼の枚数をＮとするとき、

また、本発明に係るタービンノズルは、上記目的を達成するために、請求項４に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を列状に配列したタービンノズルにおいて、上記ノズル翼の前縁から後縁までを、上記外周壁および内周壁の接続端のそれぞれに、背側に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線に対して傾斜する直線状の基線を設け、各基線間を背側に向う湾曲状曲線の中間基線で接続したものである。

本発明に係るタービンノズルは、ノズル翼の前縁からスロートまでを、外周壁および内周壁の接続端のそれぞれから腹側に向って傾斜された直線状の基線をそれぞれ設け、各基線間を湾曲状曲線の中間基線で接続する一方、スロートから後縁までを、外周壁および内周壁の接続端のそれぞれから背側に向って傾斜させた直線状の基線をそれぞれ設け、各基線間を湾曲状曲線の中間基線で接続したので、主流が前縁で衝突し、腹側に廻り込む二次流れ渦に対し、上記腹側に向って傾斜させた直線状の基線が外周壁および内周壁のそれぞれに向って押圧する。

したがって、本発明に係るタービンノズルによれば、各基線の押圧力によって腹側に廻り込む二次流れ渦を抑制し、圧力損失を低く抑えて翼効率を向上させることができる。

以下、本発明に係るタービンノズルの一実施形態について添付図を参照して説明する。

図１は、本発明に係るタービンノズルの概略斜視図であり、ノズル翼の後縁から観察した例を示す。タービンノズルは、外周壁２１と内周壁２２との間に形成される環状の流路２３に複数のノズル翼２０をタービン軸（図示せず）の周方向に沿って列として構成する。ノズル翼２０は、前縁２４からスロート２５（スロートとは、一方のノズル翼と隣接する他方のノズル翼との最小流路幅をいうが、説明の便宜上、他方のノズル翼の後縁から一方のノズル翼の背側に垂直線として画した部分を、以下スロートと記す）までを腹側２６に向って凸状に膨出する湾曲状曲面３４に形成する一方、スロート２５から後縁２７までを背側２８に向って凸状に膨出する湾曲状曲面３５に形成し、スロート２５を境に互いに軸対称になっている。

前縁２４からスロートまでの湾曲状曲面３４は、図２に示すように、外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれに、腹側２６に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線Ｏに対して傾斜する直線状の基線Ａ1，Ａ2を設け、各基線Ａ1，Ａ2間を腹側２６に向う曲率Ｒ1の中間基線Ａ3で接続する。

また、ノズル翼２０の基線Ａ1および基線Ａ2のそれぞれは、外周壁２１および内周壁２２の接続端３２からの高さをそれぞれＨoe，Ｈieとし、基線Ａ1および基線Ａ2のラジアル線に対する傾斜角（基線Ａ1，Ａ2とタービン軸の回転中心を通るラジアル線Ｏとの交差角）のそれぞれをθoe，θieとし、外周壁２１および内周壁２２の直径をそれぞれＤoe，Ｄieとし、翼枚数をＮとした場合、各基線Ａ1，Ａ2の高さＨoe，Ｈieは、

一方、スロートから後縁までの湾曲状曲面３５は、図３に示すように、外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれに、背側２８に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線Ｏに対して傾斜する直線状の基線Ａ4，Ａ5を設け、各基線Ａ4，Ａ5間を背側２８に向かう曲率Ｒ2の中間基線Ａ6で接続する。

また、ノズル翼２０の基線Ａ4および基線Ａ5のそれぞれは、外周壁２１および内周壁２２の接続端３７からの高さをそれぞれＨoi，Ｈiiとし、基線Ａ4および基線Ａ5のラジアル線に対する傾斜角（基線Ａ4，Ａ5とタービン軸の回転中心を通るラジアル線Ｏとの交差角）のそれぞれをθoi，θiiとし、外周壁２１および内周壁２２の直径をそれぞれＤoe，Ｄieとし、翼枚数をＮとした場合、各基線Ａ4，Ａ5の高さＨoi，Ｈiiは、

次に作用を説明する。

主流２９が流路２３に流入し、ノズル翼２０の前縁２４に衝突すると、二次流れ渦３０が発生する。この二次流れ渦３０は、腹側２６と背側２８とにそれぞれ分かれる。腹側２６に廻った二次流れ渦３０は、二次流れに伴って隣接するノズル翼２０における背側２８のスロート２５に向って移動し、流路２３の境界層を巻き上げて大きく成長し、流路渦３１になろうとする。このとき、前縁２４からスロート２５に亘って設けた直線状の基線Ａ1，Ａ2には外周壁２１および内周壁２２に向って押圧力が作用しているので、この押圧力により二次流れ渦３０を抑制することができる。

一方、背側２８に廻ったエネルギとしては低い二次流れ渦３０は、背側２８に沿って流れるが、スロート２５から後縁２７に亘って設けた直線状の基線Ａ4，Ａ5の押圧力により外周壁２１および内周壁２２に押圧されて抑制される。また、腹側２６に廻った二次流れ渦３０が上述基線Ａ1，Ａ2で抑制できなかった場合、残りの二次流れ渦３０は、隣接するノズル翼２０のスロート２５に移動するが、このときも上述基線Ａ4，Ａ5の押圧力により外周壁２１および内周壁２２に押圧されて抑制される。なお、中間基線Ａ3，Ａ6のそれぞれは、曲率Ｒ1，Ｒ2の湾曲状曲面３４，３５になっているので、ノズル翼２０の中間部を通過する主流２９は、擾乱の少ない、圧力損失の少ない安定流にして動翼に流すことができる。

このように、本実施形態は、前縁２４からスロート２５までを、外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれから腹側２６に向って直線状の基線Ａ1，Ａ2を設け、これら基線Ａ1，Ａ2間を曲率Ｒ1の中間基線Ａ3で接続する一方、スロート２５から後縁２７までを、外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれから背側２８に向って直線状の基線Ａ4，Ａ5を設け、これら基線Ａ4，Ａ5間を曲率Ｒ2の中間基線Ａ6で接続しているので、基線Ａ1，Ａ2，Ａ4，Ａ5の押圧力により二次流れ渦３０を抑制することができ、中間基線Ａ3，Ａ6の湾状曲面３４，３５により主流２９を圧力損失の少ない安定流にすることができる。

したがって、本実施形態によれば、基線Ａ1，Ａ2，Ａ4，Ａ5の押圧力により二次流れ渦を抑制でき、また中間基線Ａ3，Ａ6の湾曲状曲面３４，３５により主流２９を圧力損失の少ない安定流にすることができるので、発電プラントの高出力化に伴って流量が増加しても充分に対処でき、翼効率を従来以上に向上させることができる。

図４は、本発明に係るタービンノズルの第２実施形態を示す概略斜視図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付す。

本実施形態は、ノズル翼２０の前縁２４から後縁２７までを、背側２８に向って湾曲状曲面３６に形成したものである。

湾曲状曲面３６は、図５に示すように、外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれに、背側２８に向い、タービン軸の中心を通るラジアル線Ｏに対して傾斜する直線状の基線Ｂ1，Ｂ2を設け、各基線Ｂ1，Ｂ2間を背側２８に向う曲率Ｒ3の中間基線Ｂ3で接続する。

このように、本実施形態は、外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれから背側２８に向い、かつラジアル線Ｏに対して傾斜する直線状の基線Ｂ1，Ｂ2から外周壁２１および内周壁２２のそれぞれに押圧力が作用するよう図っているので、主流２９が前縁２４に衝突し、発生した二次流れ渦３０のうち、背側２８に廻り込む二次流れ渦３０を、その押圧力により外周壁２１および内周壁２２のそれぞれに押圧する。また、前縁２４で発生した二次流れ渦３０のうち、腹側２６に廻り込む二次流れ渦３０は、流路渦３１に成長して隣接するノズル翼２０の背側２８に移動するが、ここでも直線状の基線Ｂ1，Ｂ2の押圧力が外周壁２１および内周壁２２のそれぞれに向って流路渦３１を押圧する。

また、本実施形態は、外周壁２１および内周壁２２の接続端３７のそれぞれに設けた直線状の基線Ｂ1，Ｂ2間を曲率Ｒ3の中間基線Ｂ3で接続し、ノズル翼２０の中間部を湾曲状曲面３６に形成しているため、主流２９の流れを圧力損失の少ない安定流にすることができる。

したがって、本実施形態では、第１実施形態と同様に、二次流れ渦の抑制と主流の安定流化を図ることができ、翼効率を従来以上に向上させることができる。

本発明に係るタービンノズルの第１実施形態を示す概略斜視図。 図１のノズル翼の前縁の形状を後縁側から観察した模式図。 図１のノズル翼の後縁の形状を後縁側から観察した模式図。 本発明に係るタービンノズルの第２実施形態を示す概略斜視図。 図４のノズル翼の後縁の形状を後縁側から観察した模式図。 ノズル翼で発生する二次流れ渦の挙動を説明する模式図。 従来のタービンノズルを示す概略斜視図。 従来のタービンノズルの別の例を示す模式図。

符号の説明

１ 境界層
２ 主流
３ ノズル翼
４ 前縁
５ 二次流れ渦
６ 背側
７ 腹側
８ 流路渦
９ 流路
１０ 後縁
１１ 外周壁
１２ 内周壁
１３ 吸込口
１４ 吹出口
１５ 連通路
１６ スロート
２０ ノズル翼
２１ 外周壁
２２ 内周壁
２３ 流路
２４ 前縁
２５ スロート
２６ 腹側
２７ 後縁
２８ 背側
２９ 主流
３０ 二次流れ渦
３１ 流路渦
３４，３５，３６ 湾曲状曲面
２７ 背端
Ａ1，Ａ2，Ａ4，Ａ5 基線
Ａ3，Ａ6 中間基線
Ｂ1，Ｂ2 基線
Ｂ3 中間基線

Claims (4)

1. 外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を列状に配列したタービンノズルにおいて、上記ノズル翼の前縁からスロートまでを、上記外周壁および内周壁の接続端のそれぞれに、腹側に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線に対して傾斜する直線状の基線を設け、各基線間を腹側に向う湾曲状曲線の中間基線で接続する一方、上記ノズル翼のスロートから後縁までを、上記外周壁および内周壁の接続端のそれぞれに、背側に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線に対して傾斜する直線状の基線を設け、各基線間を背側に向う湾曲状曲線の中間基線で接続したことを特徴とするタービンノズル。
2. ノズル翼の前縁からスロートまでにおける外周壁の接続端に設けた基線の高さＨoeは、外周壁の直径をＤoe、上記基線のラジアル線に対する傾斜角θoe、上記ノズル翼の枚数をＮとするとき、
   

   

   の範囲に設定する一方、ノズル翼の前縁からスロートまでにおける内周壁の接続端に設けた基線の高さＨieは、内周壁の直径をＤie、上記基線のラジアル線に対する傾斜角θie、上記ノズル翼の枚数をＮとするとき、
   

   

   の範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル。
3. ノズル翼のスロートから後縁までにおける外周壁の接続端に設けた基線の高さＨoiは、外周壁の直径をＤoe、上記基線のラジアル線に対する傾斜角をθoi、上記ノズル翼の枚数をＮとするとき、
   

   

   の範囲に設定する一方、ノズル翼のスロートから後縁までにおける内周壁の接続端に設けた輝線の高さＨiiは、内周壁の直径をＤie、上記基線のラジアル線に対する傾斜角をθii、上記ノズル翼の枚数をＮとするとき、
   

   

   の範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル。
4. 外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を列状に配列したタービンノズルにおいて、上記ノズル翼の前縁から後縁までを、上記外周壁および内周壁の接続端のそれぞれに、背側に向いかつタービン軸の中心を通るラジアル線に対して傾斜する直線状の基線を設け、各基線間を背側に向う湾曲状曲線の中間基線で接続したことを特徴とするタービンノズル。

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