JP2007309235A - タービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】空力的な損失、信頼性の低下、大幅なコストアップを伴うことなく、湿り損失を効果的に抑制し、翼効率の向上を図ったタービン翼を提供する。
【解決手段】本発明に係るタービン翼は、翼本体１３の腹側６および背側１１のうち、少なくともいずれか一方に親水処理層１４を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービン翼に係り、特に蒸気に含まれた水滴等に基づいて発生する翼本体のエロージョンを抑制するために改良を加えたタービン翼に関する。

最近の蒸気タービンでは、性能向上、信頼性向上の強化、見直しが行われており、その一つにエロージョン対策がある。

従来、火力発電用蒸気タービン、特にタービン低圧部では、蒸気の温度、圧力が比較的低いので、膨張仕事中に一部が凝縮し、湿り蒸気やドレンとなって翼間で構成する蒸気通路の内外周壁やタービンノズル、タービン動翼で構成するタービン段落に流れる。

蒸気通路の内外周壁やタービン段落に流れる湿り蒸気やドレンは、やがて大きな水滴に成長し、タービンノズルやタービン動翼の前縁を浸食したり、タービン動翼の回転に対する衝突抵抗を生じさせ、タービンノズルやタービン動翼の翼効率を低下させる要因になっていた。

特に、原子力発電用蒸気タービンでは、原子炉から供給される蒸気がもともと飽和蒸気であり、蒸気温度が低く、翼浸食現象が比較的多く発生している。

ところで、湿り蒸気が蒸気タービン内を流れると、以下に示す損失発生のあることが非特許文献１では、報告されている。

（１）過飽和蒸気が急激に凝縮する際、復水衝撃損失が発生する。

（２）速度の遅い水滴を加速する際、加速損失が発生する。

（３）粗大水滴がタービン動翼に衝突する際、制動損失が発生する。

（４）翼表面に水膜を形成する際、翼型損失が発生する。

これら数多くの損失のうち、粗大水滴がタービン動翼に衝突する際に発生する制動損失は、水滴がタービン動翼を浸食することがあるため、蒸気タービンの寿命を短縮させる要因にもなっている。

一方、これらの損失を低減させる技術には、発生した水滴を翼表面に設けたスリットに吸引させる手法やタービン動翼の遠心力によって外周壁面に飛ばした水滴を分離除去するドレンキャッチアなどが設けられ、実施されている。

また、タービン動翼の翼面に半径方向の外径側に向って延びる溝を設け、水滴を積極的に外周側に移動飛散させて除去する手法が提案されている。

また、鋼板表面に付着した水滴が良好に流れるようにする技術として、例えば特許文献１に見られるように、水滴との接触角が１０°〜５０°以下で、水滴の転落開始角度が４５°未満となる表面層を備えたステンレス鋼板が開示されている。

さらに、タービンノズルとタービン動翼の間隔を広げ、水滴の加速を促進させることやタービン動翼に対する水滴の衝突速度を小さくさせる手法が提案されている。

他方、タービン動翼の浸食対策には、非特許文献２，３にも見られるように、水滴の衝突が発生し易い翼前縁にシールド材を貼着する手法が実施されている。
特開２００２−１６１３７４号公報 ターボ機械第２２巻第１１号、ターボ機械協会編、５３ページ〜６０ページ 蒸気タービン、ターボ機械協会編、１７９ページ〜１８１ページ、２１０ページ〜２１３ページ 蒸気タービン、ターボ機械協会編、ベエ、エス、トロヤノフスキー、９９ページ〜１０３ページ

上述の既に提案されている技術のうち、翼表面にスリットを設けて水滴を除去する技術は、水滴だけでなく、主流蒸気（作動蒸気）の一部も誘引するので、回転運動エネルギとして変換すべきエネルギの一部を排出して出力を低下させる要因になっており、また、スリットが翼面上に設けられていることによる空力損失が増加する等の不都合、不具合がある。

また、タービン静翼とタービン動翼の間隔を広げ、タービン動翼に衝突する水滴の速度を小さくする手法は、タービン軸の軸長が長くなるため部材量が多くなり、コストアップ、振動を助長する等のおそれがある。

また、エロージョンシールド材（防食材）のように硬質材をタービン動翼に被着することは、高度な接合技術を必要とし、さらにはロウ付により母材強度が低下する等の問題を含んでいた。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、空力的な損失や信頼性の低下、大幅なコストアップを伴うことなく、湿り損失を効果的に抑制し、翼効率の向上を図ったタービン翼を提供することを目的とする。

本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、翼本体の腹側および背側のうち、少なくともいずれか一方に親水処理層を形成したものである。

本発明に係るタービン翼は、翼本体の腹側および背側のうち、少なくともいずれか一方に親水処理層を形成させ、水膜等を薄くして拡散させ、翼本体の界面との親水性分布を広く維持させるので、後縁から放出させる水膜等を最小化させ、下流側に位置するタービン動翼の浸食をより一層抑制させることができる。

以下、本発明に係るタービン翼の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

本発明に係るタービン翼の実施形態の説明に先立ち、まず図２および図３を引用してタービンノズルおよびタービン動翼を流れる蒸気の挙動および水滴の速度三角形のそれぞれを説明する。

なお、図中、図２は蒸気タービンを流れる蒸気および水滴の速度三角形を示す図であり、また、図３は、タービン段落の一部を示す概念図である。

蒸気タービンは、タービン軸（図示せず）に周方向に沿って環状列に配置されたタービンノズル（静翼）１とタービン軸に植設されたタービン動翼２とでタービン段落３を構成し、このタービン段落３をタービン軸の軸方向に向って複数段を配置する、いわゆる軸流形式になっている。

また、蒸気タービンは、蒸気の持つエネルギをタービンノズル１で膨張させて速度エネルギに変換し、変換した速度エネルギをタービン動翼２で転向させ、その際に発生する回転トルクで駆動機、例えば発電機を駆動している。

このような構成を備える蒸気タービンにおいて、タービンノズル１に流入した飽和蒸気は、流路４を流れる間に微小水滴５が生成され、この微小水滴５の一部がタービンノズル１の腹側６に付着して水膜７を形成し、やがて膜厚を厚くして成長し、タービンノズル１の後縁８から粗大水滴９として放出され、タービン動翼２に流れる。

一方、タービンノズル１からタービン動翼２に流れる破線で示す飽和蒸気および実線で示す粗大水滴９のベクトル線図は、今、周速をＵとし、飽和蒸気の絶対速度Ｖ_ｓａ、飽和蒸気の相対速度Ｗ_ＳＲ、粗大水滴９の絶対速度Ｖ_ｗａ、粗大水滴９の相対速度Ｗ_ＷＲとするとき、図２に示す速度三角形で表される。

この速度三角形からわかるように、タービンノズル１の後縁８から放出される粗大水滴９の相対速度Ｗ_ＷＲは、飽和蒸気に較べて遅くなっている。

このため、タービン動翼２に流入する粗大水滴９の相対流入速度は、飽和蒸気に較べて大きくなり、飽和蒸気と異なった角度でタービン動翼２に衝突する。この衝突位置は、タービン動翼２の前縁１０における背側１１が著しく、長年の使用の結果、浸食領域になっている。

そして、この浸食領域は、高硬度なエロージョンシールド部（防食部）１２が被着させ、浸食に対処させていた。

このように、タービン動翼２を浸食させる水滴の挙動を子細に観察してみると、図３に示すように、両端を外輪１０ａと内輪１０ｂとで支持させたタービンノズル１の前縁１０から流入する微小水滴５は、腹側６と背側１１に付着し、ここから成長して帯状の水膜７となるものの、点在的な形成になっている。

そして、腹側６および背側１１のそれぞれで成長し、膜厚を増した水膜７は、後縁８に集合し、ここからタービン動翼２に向って放出される。この場合、後縁８から放出される水膜７は、タービンノズル１の翼高さ方向に向って均一ではなく、断続的かつ非定常的になっている。

タービンノズル１の後縁８から断続的かつ非定常的に水膜７が流れるが故に粗大水滴９は発生すると考えられている。

なお、浸食量と水滴径との関係は、実験によれば、図４に示すように、加速度的に増加している。

しかも、水滴径が大きくなるほど、浸食量も著しく大きくなることがわかる。

したがって、浸食を低減させるには、粗大水滴９の発生を抑制することが必要とされる。

なお、タービンノズル１の場合、飽和蒸気（作動蒸気）の旋回流の影響を受け、水滴は、水膜７とともに、半径方向の外径方向に向って集められる。

このような事象に対し、本実施形態は、図１に示すように、タービンノズル１およびタービン動翼２の翼本体１３の腹側６および背側１１のそれぞれに親水処理層１４を形成したものである。

翼本体１３の腹側６および背側１１のそれぞれに親水処理層１４を形成する手法は、例えば、ブラスト処理で行なわれる。ブラスト処理を行なえば、翼本体１３に微小な凹凸をつけることができ、異種材料のコーティングと異なって接合部分の剥離の心配がなくなる。

なお、水滴または水膜７等と親水処理層１４との接触角は、４０°以下に抑えることが、水膜７等の拡散化、厚さの均質化、界面との広い親水性の分布を維持させる上で望ましい。

このように、本実施形態は、翼本体１３の腹側６および背側１１のそれぞれに親水処理層１４を形成し、水膜７等を薄くして拡散させ、翼本体１３の界面との親水性分布を広く維持させるので、後縁８から放出される水膜７等を最小化させ、下流側に位置するタービン動翼２の浸食をより一層抑制させることができる。

図５は、本発明に係るタービン翼（以下、タービンノズルおよびタービン動翼を含む）の第２実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素、または対応する要素には、同一符号を付す。

本実施形態に係るタービン翼は、翼本体１３の翼頂部１５側と翼根元部１６側とのそれぞれに親水処理層１４ａ，１４ｂを形成するとともに、各親水処理層１４ａ，１４ｂのそれぞれに沿って翼頂部側溝１７と翼根元部側溝１８を備えたものである。

また、本実施形態に係るタービン翼は、翼頂部側溝１７と翼根元部側溝１８を結び、翼本体１３の翼高さ方向に向って延びる接続縦溝２０を設けるとともに、各溝１７，１８の端部にドレン捕集口１９ａ，１９ｂを設け、各ドレン捕集口１９ａ，１９ｂに集められたドレンを翼本体１３内を通して、または直接翼本体１３の外側に流出させたものである。

なお、翼頂部側溝１７、翼根元部側溝１８、接続縦溝２０のそれぞれには、親水処理層１４が形成される。

このように、本実施形態は、翼頂部１５側および翼根元部１６側のそれぞれに親水処理層１４ａ，１４ｂおよび翼頂部側溝１７、翼根元部側溝１８、接続縦溝２０、ドレン捕集口１９ａ，１９ｂのそれぞれを設け、親水処理層１４ａ，１４ｂで水膜７等の膜厚を薄くし、膜厚を薄くした水膜７等を各溝１７，１８，２０に集め、集めたドレン等をドレン捕集口１９ａ，１９ｂで回収するので、後縁８から水膜７等の放出を抑制してタービン動翼２の浸食をより一層少なくさせることができる。

図６は、本発明に係るタービン翼の第３実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係るタービン翼、特にタービン動翼２は、回転中、遠心力が発生し、遠心力の影響を受けて水膜７等が翼頂部１５側に集まることに着目したものであり、翼本体１３の後縁８における翼頂部１５側に親水処理層１４を形成したものである。

このように、本実施形態は、翼頂部１５側に親水処理層１４を形成し、ここを流れる水膜７等をより一層拡散、膜厚の均質化、翼界面での親水のより広い分布を維持させるので、後縁８からの水膜７等の放出をより一層少なくさせることができ、翼効率の高い運転を行うことができる。

図７および図８は、気液二相流の取扱いを考慮したもので、翼本体に親水処理層を形成する際、親水処理層の凹凸を適正に設定する場合の概念図である。

なお、図中、図７は、平均水膜厚さを算出する際、実験式を用いて算出するときの図であり、図８は、親水処理層の凹凸を場所毎に変えて適正な形状に設定した例を示す図である。

平均水膜厚さを算出するにあたり、実験式は、以下に示す式で求められる。

今、平均水膜厚さをｔＦ、タービン翼の直径をＨ、気体として扱う蒸気の密度をρ_ｇ、液体としての水膜７の密度をρ_Ｌ、蒸気の速度をｕ_ｇ、水膜７の速度をｕＬ、重力の加速度をｇとすると、平均水膜厚さｔＦは、

この（１）式から平均水膜厚さ（ｔＦ）は、気体、液体の密度比（ρ_ｇ／ρ_Ｌ）、速度差の二乗（ｕ_ｇ／ｕ_Ｌ）^２、およびタービン翼の直径（Ｈ）に依存している。

したがって、翼表面に凹凸を設けた後、親水処理を行う場合、各タービン段落で異なるタービン翼の直径、気体、液体の密度（温度、圧力の関数）および速度に応じて、図８に示すように、液体が凹部に収まる深さに設定することによって液体と気体の界面が丁度、空力的に適正な設計形状になる。

この結果、従来、水膜７によってタービン翼の腹側で翼厚が厚くなることに伴う翼効率の低下が抑制され、その結果、翼効率を向上させることができる。

図９は、本発明に係るタービン翼の第４実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素または対応する要素には、同一符号を付す。

本実施形態に係るタービン翼は、各タービン段落を流れる飽和蒸気の湿り度合を考慮したもので、翼本体１３の翼頂部１５側と翼根元部１６側とのそれぞれに親水処理層１４ａ，１４ｂを形成するとともに、各親水処理層１４ａ，１４ｂのそれぞれに沿って複数本の第１翼頂部側溝１７ａと第２翼頂部側溝１７ｂおよび複数本の第１翼根元部側溝１８ａおよび第２翼根元部側溝１８ｂを備える一方、各翼根元部側溝１７ａ，１７ｂと各翼根元部側溝１８ａ，１８ｂを結び翼本体１３の翼高さ方向に向って延びる接続縦溝２０を設けたものである。

また、本実施形態に係るタービン翼は、第１，第２翼頂部側溝１７ａ，１７ｂおよび第１，第２翼根元部側溝１８ａ，１８ｂのそれぞれの端部にドレン捕集口１９ａ，１９ｂを設けるとともに、第１，第２翼頂部側溝１７ａ，１７ｂおよび第１，第２翼根元部側溝１８ａ，１８ｂのそれぞれの形状を、図１０（ａ）〜（ｈ）に示すものから選択する。

なお、各溝１７ａ，１７ｂ、１８ａ，１８ｂには、親水処理層が形成される。

このように、本実施形態は、各タービン段落を流れる飽和蒸気の湿り度合に応じて翼本体１３の翼頂部１５側と翼根元部側１６とのそれぞれに親水処理層１４ａ，１４ｂを形成するとともに、各親水処理層１４ａ，１４ｂのそれぞれに沿って複数本の溝１７ａ，１７ｂ、１８ａ，１８ｂを備え、各溝１７ａ，１７ｂ、１８ａ，１８ｂを互いに結ぶ接続縦溝２０を備え、さらに各溝１７ａ，１７ｂ、１８ａ，１８ｂのうち、少なくとも一つ以上の端部にドレン捕集口１９ａ，１９ｂを設ける一方、各溝１７ａ，１７ｂ、１８ａ，１８ｂの形状を、例えば凹陥状、Ｕ字陥状、Ｖ字陥状等のうちから適正なものを選択したので、ドレンを良好に捕獲して翼効率を向上させることができる。

なお、本実施形態に係るタービン翼は、第１，第２翼頂部側溝１７ａ，１７ｂおよび第１，第２翼根元部側溝１８ａ，１８ｂのそれぞれの端部にドレン捕集口１９ａ，１９ｂを設けるとともに、第１，第２翼頂部側溝１７ａ，１７ｂおよび第１，第２翼根元部側溝１８ａ，１８ｂのそれぞれの形状を、図１０（ａ）〜（ｈ）に示すものから選択しているが、この例に限らず、例えば、図１１に示すように、翼本体１３の両端を支持する外輪２１、内輪２２のそれぞれに親水処理層１４、ドレン捕獲溝２３、ドレン捕集口１９ａ，１９ｂを設けてもよい。

本発明に係るタービン翼の第１実施形態を示す概念図。 従来の蒸気タービンを流れる蒸気および水滴の速度三角形を示す概念図。 従来のタービン段落の一部を示す概念図。 水滴径と浸食量との関係を示す線図。 本発明に係るタービン翼の第２実施形態を示す概念図。 本発明に係るタービン翼の第３実施形態を示す概念図。 平均水膜厚さを算出する際、実験式を用いて算出するときの図。 親水処理層の凹凸を場所毎に変えて適正な形状に設定した例を示す図。 本発明に係るタービン翼の第４実施形態を示す概念図。 本発明に係るタービン翼において、（ａ）〜（ｈ）に示す溝形状の中から選択する第１，第２翼頂部側溝および第１，第２翼根元部側溝のそれぞれを示す図。 本発明に係るタービン翼の第５実施形態を示す概念図。

符号の説明

１ タービンノズル
２ タービン動翼
３ タービン段落
４ 流路
５ 微小水滴
６ 腹側
７ 水膜
８ 後縁
９ 粗大水滴
１０ 前縁
１０ａ 外輪
１０ｂ 内輪
１１ 背側
１２ エロージョンシールド部
１３ 翼本体
１４，１４ａ，１４ｂ 親水処理層
１５ 翼頂部
１６ 翼根元部
１７ 翼頂部側溝
１７ａ 第１翼頂部側溝
１７ｂ 第２翼頂部側溝
１８ 翼根元部側溝
１８ａ 第１翼根元部側溝
１８ｂ 第２翼根元部側溝
１９ａ，１９ｂ ドレン捕集口
２０ 接続縦溝
２１ 外輪
２２ 内輪
２３ ドレン捕獲溝

Claims (11)

1. 翼本体の腹側および背側のうち、少なくともいずれか一方に親水処理層を形成したことを特徴とするタービン翼。
2. 前記翼本体は、翼頂部側および翼根元部側のうち、少なくともいずれか一方に親水処理層を形成するとともに、前記親水処理層に沿って翼頂部側溝および翼根元部側溝のうち、少なくともいずれか一方を設けたことを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 翼頂部側溝および翼根元部側溝は、互いを結び、かつ翼本体の高さ方向に向って延びる接続縦溝を備えるとともに、端部にドレン捕集口を備えたことを特徴とする請求項２記載のタービン翼。
4. 翼頂部側溝および翼根元部側溝は、溝本数と溝深さをタービン段落を流れる蒸気に含まれる湿り度に応じて設定することを特徴とする請求項２記載のタービン翼。
5. 翼頂部側溝および翼根元部側溝は、溝本数を少なくとも一つ以上に設定したことを特徴とする請求項２記載のタービン翼。
6. 翼頂部側溝および翼根元部側溝は、親水処理層を形成することを特徴とする請求項２記載のタービン翼。
7. 接続縦溝は、親水処理層を形成することを特徴とする請求項３記載のタービン翼。
8. 翼本体は、後縁の翼頂部側に親水処理層を形成させたことを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
9. 親水処理層は、ブラスト処理で行うことを特徴とする請求項１，２，６，７，８記載のタービン翼。
10. 翼本体は、タービンノズルおよびタービン動翼のうち、いずれか一方であることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
11. 翼本体は、翼頂部側に外輪を備えるとともに、翼根元部側に内輪を備え、前記外輪および前記内輪のそれぞれに、ドレン捕獲溝とドレン捕集口を設けたことを特徴とする請求項１記載のタービン翼。

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