JP2006207554A - Turbine nozzle and axial-flow turbine using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軸流タービンのタービンノズルに関し、より詳しくは、2次流れ損失および境界層の発達を積極的に低減する技術に関する。 The present invention relates to a turbine nozzle of an axial flow turbine, and more particularly to a technique for actively reducing secondary flow loss and boundary layer development.
図3は一般的な軸流タービンを構成するノズル断面形状を示す図であって、複数枚のノズル翼1が環状ピッチTの間隔で周方向に配設されている。
FIG. 3 is a view showing a cross-sectional shape of a nozzle constituting a general axial turbine, and a plurality of
このような軸流タービンの内部効率を低下させる要因について言及すると、その1番目として、ノズル翼断面の後縁端が有限の厚みTEを有していることが挙げられる。
一般に、タービンノズルの周方向に配置されて隣接する翼同士の最短距離(スロート)Sと翼断面の後縁端厚み(TE)との比、すなわちTE/Sの値が小さいほどタービン翼の後縁端厚みに起因する損失は小さい。
後縁端厚みに起因する損失とTE/Sの値との関係を図示すると、図4のようになる。 これにより、ノズル翼の後縁端厚みによる内部効率の低下を防ぐべく、図5に示したようにノズル翼1の枚数を削減することによってスロート長をSをS’へと増大させ、TE/Sの値を小さくすることによって性能向上を図ることができる。
Referring to the factors that decrease the internal efficiency of such an axial turbine, the first is that the trailing edge of the nozzle blade cross section has a finite thickness TE.
Generally, the ratio of the shortest distance (throat) S between adjacent blades arranged in the circumferential direction of the turbine nozzle to the trailing edge thickness (TE) of the blade cross section, that is, the smaller the TE / S value, the more the rear of the turbine blade. The loss due to the edge thickness is small.
The relationship between the loss due to the trailing edge thickness and the value of TE / S is shown in FIG. Accordingly, in order to prevent a decrease in internal efficiency due to the thickness of the trailing edge of the nozzle blade, the throat length is increased from S to S ′ by reducing the number of
一方、タービン内部効率を低下させる2番目の要因として2次流れ損失がある。
この2次流れ損失は、図6に示したように、ノズル翼1の根元および先端側の壁面2,3の近くにおいて翼面の圧力が高い腹側から圧力の低い背側に向かって流体が流れようとする力4により発生する2次流れ渦5に起因している。
この2次流れ損失は、図7に示したように翼面の背腹の圧力差が大きく、翼の環状ピッチTが長いほど大きくなる。
つまり、ノズル後縁端の厚みTEに起因する損失を低減する為に、ノズル翼1の枚数を削減すると、翼一枚あたりの負荷が増大(すなわち、翼面の背腹の圧力差が増大)すると同時に環状ピッチTが増大する。
これは、前述したように2次流れ損失が増加する方向であるため、多数の実験、解析に基づいて決定したノズル翼の最適枚数を減少させることは困難であった。
On the other hand, there is a secondary flow loss as a second factor that lowers the turbine internal efficiency.
As shown in FIG. 6, this secondary flow loss is caused by fluid flowing from the ventral side where the pressure on the blade surface is high toward the back side where the pressure is low near the base of the
As shown in FIG. 7, the secondary flow loss increases as the pressure difference between the wings of the blade surface increases and the blade annular pitch T increases.
That is, if the number of
Since this is a direction in which the secondary flow loss increases as described above, it is difficult to reduce the optimum number of nozzle blades determined based on many experiments and analyses.
そこで、2次流れ損失を低減するために、円周方向の流体流出側に湾曲させた形状のノズル翼(以下、湾曲ノズルと言う)が使用されている(例えば、下記の特許文献1を参照)。
図8は、この湾曲ノズルの後縁端形状の一例を流体流出側から見た状態を示している。 この湾曲ノズルの特徴を示すパラメータとして、周方向の最大突出量δmax がある。
このδmaxの値は、通常、ノズル翼の環状ピッチTに関わらずに一定とされてきた。
Therefore, in order to reduce the secondary flow loss, a nozzle blade having a shape curved toward the fluid outflow side in the circumferential direction (hereinafter referred to as a curved nozzle) is used (for example, see
FIG. 8 shows an example of the shape of the trailing edge of the curved nozzle as viewed from the fluid outflow side. As a parameter indicating the characteristics of the curved nozzle, there is a maximum protrusion amount δmax in the circumferential direction.
The value of δmax has usually been constant regardless of the annular pitch T of the nozzle blades.
ところが、粘性解析の結果によると、ノズル翼1の枚数削減による環状ピッチTの増大にも関わらずδmaxの値を一定にすると、図9に翼高さ方向のノズルエネルギー損失分布を比較して示したように、翼の長手方向中央部における2次流れ損失は枚数削減による効果で減少するが、壁面近傍での2次流れ損失は増大する。
つまり環状ピッチTの増大による2次流れ損失の増大を、湾曲ノズルによって抑制することはできない。
However, according to the result of the viscosity analysis, FIG. 9 shows a comparison of nozzle energy loss distribution in the blade height direction when the value of δmax is constant despite the increase in the annular pitch T due to the reduction in the number of
That is, the increase in the secondary flow loss due to the increase in the annular pitch T cannot be suppressed by the curved nozzle.
他方、タービンの内部効率を低下させる3番目の要因として、ノズル翼1の根元側および先端側の壁面2,3との摩擦による境界層発達が挙げられる。
これは壁面との摩擦に伴う減速によって発達する境界層に起因するもので、流体のレイノルズ数低下に応じて境界層の発達が助長され、2次流れ損失に境界層損失を含めた壁面付近の損失の絶対量を増大させる。
On the other hand, the third factor that reduces the internal efficiency of the turbine is the development of the boundary layer due to friction with the
This is due to the boundary layer that develops due to the deceleration caused by friction with the wall surface, and the boundary layer development is promoted as the Reynolds number of the fluid decreases, and the vicinity of the wall surface including the boundary layer loss is included in the secondary flow loss. Increase the absolute amount of loss.
このとき、実際の軸流タービンは多数の段落から構成されるため、後段に行くにしたがって流体の温度圧力が低下して粘性が増大し、レイノルズ数もまた低下する。
図10には、高圧蒸気タービン各段落の代表レイノルズ数と推定される境界層厚さが示されている。
この図10から明らかなように、後段に行くにしたがって境界層が増大し、2次流れ渦の発達を助長してエネルギー損失の絶対量がさらに増加する。
At this time, since the actual axial flow turbine is composed of a large number of stages, the temperature and pressure of the fluid decrease and the viscosity increases as it goes to the subsequent stage, and the Reynolds number also decreases.
FIG. 10 shows the boundary layer thickness estimated as the representative Reynolds number of each stage of the high-pressure steam turbine.
As is clear from FIG. 10, the boundary layer increases as it goes to the subsequent stage, and the development of secondary flow vortices is promoted to further increase the absolute amount of energy loss.
また、多数の段落から構成される軸流タービンの翼高さは、流体の膨張に合わせて後段に行くにしたがって高くなる。
ところが、従来の湾曲ノズル後縁端の周方向突出量最大値δmaxは、翼長Hに関わらず一定であった。
Further, the blade height of the axial flow turbine constituted by a large number of paragraphs becomes higher as it goes to the subsequent stage in accordance with the expansion of the fluid.
However, the maximum circumferential protrusion amount δmax of the trailing edge of the conventional curved nozzle is constant regardless of the blade length H.
図11は、翼高さが異なる2つのケースについて、δmaxの値を同一とした場合のノズル出口の翼高さ方向速度分布の比較を示している。
マイナス側の速度は流体を翼根元側の壁面に押し付ける方向を示し、プラス側は翼先端側の壁面方向を示している。
粘性解析の結果によれば、湾曲ノズル出口で発生するノズル根元と先端側の壁面に流体を押しつけようとする流速は、翼長によらず一定になることが分かる。
FIG. 11 shows a comparison of the blade height direction velocity distribution at the nozzle outlet when the value of δmax is the same for two cases with different blade heights.
The minus side velocity indicates the direction in which the fluid is pressed against the blade root wall surface, and the plus side indicates the blade tip wall surface direction.
According to the result of the viscosity analysis, it can be seen that the flow velocity at which the fluid is pressed against the nozzle root and the tip side wall generated at the curved nozzle outlet is constant regardless of the blade length.
これにより、境界層および2次流れ渦を壁面に押し付けることで抑制する効果も、翼長によらず一定と考えられる。
つまり軸流タービンの後段に行くに従い発達する境界層および、それにより助長される2次流れ損失は、δmaxが翼長によらず一定である湾曲ノズルによって抑制することができない。
もっとも、後段に行くにしたがって翼長が高くなる為、相対的にノズル根元および先端側の壁面の影響は小さくなり、境界層による損失および2次流れ損失を合わせた壁面付近の損失割合が図12に示したように小さくなる。
これにより、タービン後段側においては壁面による損失を積極的に低減させる手段を採用してこなかったのである。
Thus, the effect of suppressing the boundary layer and the secondary flow vortex by pressing them against the wall surface is considered to be constant regardless of the blade length.
That is, the boundary layer that develops as it goes to the subsequent stage of the axial flow turbine and the secondary flow loss promoted by the boundary layer cannot be suppressed by the curved nozzle in which δmax is constant regardless of the blade length.
However, since the blade length increases as going to the rear stage, the influence of the nozzle root and the wall surface on the tip side becomes relatively small, and the loss ratio in the vicinity of the wall surface including the loss due to the boundary layer and the secondary flow loss is shown in FIG. It becomes smaller as shown in.
As a result, no means for actively reducing the loss due to the wall surface has been adopted on the turbine rear stage side.
上述したように、タービン内部効率を低減させる主な要因として、タービンノズル断面の後縁端厚みに起因する損失、ノズルの根元側および先端側の壁面近傍に発生する2次流れ渦に起因する損失、これらの壁面との摩擦により発達する境界層に起因する損失の三つに着目することができる。 As described above, the main factors for reducing the turbine internal efficiency are the loss caused by the thickness of the trailing edge of the turbine nozzle cross section and the loss caused by the secondary flow vortices generated near the nozzle base side and tip side wall surfaces. Attention can be paid to three of the losses caused by the boundary layer developed by friction with these wall surfaces.
ノズル断面の後縁端損失を減少させるためにノズル翼の枚数を削減すると、2次流れ損失が増大するという問題がある。
また、2次流れ損失低減のための有効な手段である湾曲ノズルも、周方向突出量の最大値δmaxをノズル環状ピッチTによらず一定とする設計では、2次流れ損失抑制できないという問題があり、ノズル翼の枚数を削減することができなかった。
If the number of nozzle blades is reduced in order to reduce the trailing edge loss of the nozzle cross section, there is a problem that the secondary flow loss increases.
Further, the curved nozzle, which is an effective means for reducing the secondary flow loss, has a problem that the secondary flow loss cannot be suppressed in a design in which the maximum value δmax of the circumferential protrusion amount is constant regardless of the nozzle annular pitch T. Yes, the number of nozzle blades could not be reduced.
また、多段落タービンにおいてはその後段に行くにしたがってレイノルズ数が低下するため、2次流れ損失を助長する境界層による損失も増加する。
このとき、従来のノズル翼1においては、湾曲ノズルの周方向突出量の最大値δmaxが翼長Hによらず一定であるため、ノズルの根元側および先端側の壁面に流体を押し付けることによって損失を抑制する効果も一定であり、後段の翼長の高い段落において境界層の発達を効果的に抑制し、それによって2次流れ損失を抑制することができなかった。
In a multi-stage turbine, the Reynolds number decreases as it goes to the subsequent stage, so that the loss due to the boundary layer that promotes secondary flow loss also increases.
At this time, in the
そこで本発明の目的は、上述した従来技術における問題点を解消し、ノズル枚数削減による性能向上量を確保しつつ、多段落タービンの初段から最終段までの2次流れ損失および境界層発達を積極的に低減することができるタービンノズルを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to eliminate the problems in the prior art described above, and to positively develop secondary flow loss and boundary layer development from the first stage to the last stage of a multi-stage turbine while ensuring a performance improvement amount by reducing the number of nozzles. It is to provide a turbine nozzle that can be reduced.
上記の課題を解決する本発明のタービンノズルは、2次流れ損失および境界層の発達抑制に効果のある湾曲ノズルの円周方向突出量最大値δmaxを、ノズル環状ピッチTに応じて
δmax/T=C1(定数)
の関係を保つように決定する。
これにより、ノズル翼の後縁端厚みに起因する損失を低下させるためにノズル翼の枚数を削減した時に増大する2次流れ損失を抑制することができる。
The turbine nozzle of the present invention that solves the above-described problems is obtained by setting the circumferential protrusion maximum value δmax of the curved nozzle, which is effective for suppressing the secondary flow loss and the boundary layer development, in accordance with the nozzle annular pitch T.
δmax / T = C1 (constant)
Decide to keep the relationship.
Thereby, the secondary flow loss which increases when the number of nozzle blades is reduced in order to reduce the loss due to the thickness of the trailing edge of the nozzle blades can be suppressed.
同時に、δmax の値を翼長Hに応じて、
δmax/H=C2(定数)
の関係を保つように決定する。
これにより、レイノルズ数の低下に伴い多段落軸流タービンの後段に行くにしたがって増加するノズルの根元側および先端側の壁面での境界層の発達を抑制することができる。
At the same time, the value of δmax depends on the blade length H,
δmax / H = C2 (constant)
Decide to keep the relationship.
Thereby, it is possible to suppress the development of the boundary layer on the wall surfaces on the root side and the tip side of the nozzle, which increases as the Reynolds number decreases and goes to the subsequent stage of the multi-stage axial flow turbine.
なお、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端とそのノズル翼に隣接するノズル翼の背面との間の最短距離Sとノズル翼の環状ピッチTの比S/Tの値が、翼高さ中央部で最大になるように形成することができる。 In the turbine nozzle of the present invention, the ratio S / T of the shortest distance S between the trailing edge of the nozzle blade and the back surface of the nozzle blade adjacent to the nozzle blade and the annular pitch T of the nozzle blade is It can be formed so as to be maximum at the center of the height.
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼断面の翼弦長が翼先端位置で最大、翼根元位置で最小になるように形成することができる。 Further, the turbine nozzle of the present invention can be formed such that the chord length of the nozzle blade cross section is maximum at the blade tip position and minimum at the blade root position.
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端位置を翼根元部から翼先端部までの範囲で軸流方向に傾斜させることができる。 Further, the turbine nozzle of the present invention can tilt the trailing edge position of the nozzle blade in the axial direction in the range from the blade root to the blade tip.
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端位置を軸流方向に湾曲させることができる。 Moreover, the turbine nozzle of the present invention can curve the position of the trailing edge of the nozzle blade in the axial direction.
さらに、上述した本発明のタービンノズルをそれぞれ用いることにより軸流タービンを構成することができる。 Furthermore, an axial flow turbine can be comprised by using the turbine nozzle of this invention mentioned above, respectively.
本発明によれば、ノズル枚数削減による性能向上量を確保しつつ、多段落タービンの初段から最終段までの2次流れ損失および境界層発達を積極的に低減できるタービンノズルを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a turbine nozzle capable of actively reducing secondary flow loss and boundary layer development from the first stage to the last stage of a multistage turbine while ensuring a performance improvement amount by reducing the number of nozzles. .
以下、図1および図2を参照し、本発明に係るタービンノズルの一実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a turbine nozzle according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
図1(a)には、ダイアフラム外輪11とダイアフラム内輪12との間の環状流路13内に配置された、翼高さがH、翼高さ中央部における環状ピッチがT、翼断面後縁端位置の周方向流体流出側の突出量最大値がδmaxであるノズル翼14が示されている。
FIG. 1A shows a blade height H, an annular pitch T in the center of the blade height, which is disposed in an
図1(b)に示した本実施形態のノズル翼15は、図1(a)に示したノズル翼14に対し、ノズル枚数を削減した結果、その環状ピッチTがT1に広がっているが、翼長Hはそのままである。
このノズル翼15におけるδmax1の値は、環状ピッチの広がりに応じて
δmax/T=δmax1/T1
の関係を満足するように決定される。
In the
The value of δmax1 in the
δmax / T = δmax1 / T1
It is determined to satisfy the relationship.
図1(c)に示した本実施形態のノズル翼16は、図1(b)に示したノズル翼15に対し、翼長をHからH1へと高くしたものである。
このノズル翼15におけるδmax2の値は、翼長の拡大に応じて
δmax1/H=δmax2/H1
の関係を満足するように決定される。
The
The value of δmax2 in this
δmax1 / H = δmax2 / H1
It is determined to satisfy the relationship.
すなわち、本実施形態のタービンノズルにおいては、ノズル後縁端厚みTEに起因する損失を低減するべくノズル翼の枚数を削減したことによりノズル環状ピッチTが拡大した段落や、他の翼長の段落においても、2次流れ損失および境界層発達を抑制できる湾曲ノズルの効果を得ることができる。
これにより、多段落で構成される軸流タービンの全段落にわたり、ノズル枚数削減による性能向上量を確保しつつ、環状ピッチTの拡大により増大する2次流れ損失、翼長が高くなる後段においてレイノルズ数低下により増大する壁面境界層の発達およびそれによって助長される2次流れ損失を積極的に抑制することができる。
That is, in the turbine nozzle of the present embodiment, a paragraph in which the nozzle annular pitch T is expanded by reducing the number of nozzle blades in order to reduce the loss due to the nozzle trailing edge thickness TE, and other blade length paragraphs. In this case, the effect of the curved nozzle capable of suppressing the secondary flow loss and the boundary layer development can be obtained.
As a result, the secondary flow loss that increases due to the expansion of the annular pitch T and the blade length increases in the latter stage while ensuring the performance improvement amount by reducing the number of nozzles throughout the entire stage of the axial turbine constituted by multiple stages. It is possible to positively suppress the development of the wall boundary layer that increases due to the decrease in the number and the secondary flow loss promoted thereby.
図2は、ノズル枚数削減による環状ピッチTの拡大および翼長Hの変化に応じてδmaxを拡大した本実施形態のタービンノズルと、環状ピッチおよび翼長によらずδmaxが一定である従来のタービンノズルとにおける、エネルギー損失分布の比較を示している。
図2からも明らかなように、解析結果によれば、翼高さ中央部の損失は両方のタービンノズルにおいて良好であるが、壁面付近においては本実施形態のタービンノズルの方が性能的に上回っている。
FIG. 2 shows a turbine nozzle of the present embodiment in which δmax is increased in accordance with the increase in the annular pitch T and the change in the blade length H by reducing the number of nozzles, and a conventional turbine in which δmax is constant regardless of the annular pitch and the blade length. The comparison of energy loss distribution with a nozzle is shown.
As is clear from FIG. 2, according to the analysis result, the loss at the center of the blade height is good in both turbine nozzles, but the turbine nozzle of the present embodiment exceeds the performance in the vicinity of the wall surface. ing.
以上、本発明に係るタービンノズルの一実施形態ついて説明したが、本発明は上述した実施形態によって限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、S/T分布を翼高さ方向に変化させたことを特徴とするノズル翼や、他の三次元形状を特徴とするノズルにおいても、同様の手法で湾曲ノズルの周方向突出最大値δmaxを決定することにより、2次流れ損失の低減および壁面境界層の発達抑制効果を期待することができる。
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端とそのノズル翼に隣接するノズル翼の背面との間の最短距離Sとノズル翼の環状ピッチTの比S/Tの値が、翼高さ中央部で最大になるように形成することができる。
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼断面の翼弦長が翼先端位置で最大、翼根元位置で最小になるように形成することができる。
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端位置を翼根元部から翼先端部までの範囲で軸流方向に傾斜させることができる。
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端位置を軸流方向に湾曲させることができる。
さらに、上述した本発明のタービンノズルをそれぞれ用いることにより軸流タービンを構成することができる。
Although the embodiment of the turbine nozzle according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
For example, even in a nozzle blade characterized by changing the S / T distribution in the blade height direction, or a nozzle characterized by another three-dimensional shape, the circumferential protrusion maximum value δmax of the curved nozzle is determined in the same manner. Can be expected to reduce the secondary flow loss and suppress the wall boundary layer development.
The turbine nozzle of the present invention has a ratio S / T of the shortest distance S between the trailing edge of the nozzle blade and the back surface of the nozzle blade adjacent to the nozzle blade, and the annular pitch T of the nozzle blade. It can be formed so as to be maximum at the center of the height.
Further, the turbine nozzle of the present invention can be formed such that the chord length of the nozzle blade cross section is maximum at the blade tip position and minimum at the blade root position.
Further, the turbine nozzle of the present invention can tilt the position of the trailing edge of the nozzle blade in the axial direction in the range from the blade root to the blade tip.
Moreover, the turbine nozzle of the present invention can curve the position of the trailing edge of the nozzle blade in the axial direction.
Furthermore, an axial flow turbine can be comprised by using the turbine nozzle of this invention mentioned above, respectively.
1 ノズル翼
2 ノズル翼の根本側の壁面
3 ノズル翼の翼端側の壁面
4 流体が流れようとする力
5 2次流れ渦
11 ダイアフラム外輪
12 ダイアフラム内輪
13 環状流路
14,15,16 ノズル翼
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ノズル翼の後縁端位置の円周方向の湾曲の最大突出量をδmaxとし、翼高さ中央部の環状ピッチをTとし、C1を定数としたときに、
δmax/T=C1
の関係を保つようにTの値に応じてδmaxの値を決定し、
かつ翼高さをHとし、C2を定数としたときに、
δmax/H=C2
の関係を保つようにHの値に応じてδmaxの値を決定したことを特徴とするタービンノズル。 In the turbine nozzle in which a plurality of nozzle blades are arranged in the circumferential direction in the internal annular flow path of the axial flow turbine, and the nozzle blades are curved toward the circumferential fluid outflow side,
When the maximum protrusion amount in the circumferential curvature of the nozzle blade trailing edge position is δmax, the annular pitch at the center of the blade height is T, and C1 is a constant,
δmax / T = C1
The value of δmax is determined according to the value of T so that the relationship of
And when the blade height is H and C2 is a constant,
δmax / H = C2
A turbine nozzle characterized in that the value of δmax is determined in accordance with the value of H so as to maintain the above relationship.
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