JP2009019516A - 軸流タービン及びそれを用いた低圧蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、単一の材料で翼形損失の低減ができる動翼を容易に得ることができる軸流タービン及びそれを用いた低圧蒸気タービンを提供することにある。
【解決手段】本発明は、作動流体（蒸気）の流通方向に多段に設けられた動翼列５，５Ｅのうち、作動流体の下流側に位置する動翼列５Ｅの下流側に、この動翼列５Ｅの動翼４に較べて翼長が短く翼厚が薄い動翼１４を有する補助動翼列１３，１３Ｘを設けたのである。
このように、翼長１４を短かくすることで、作用する遠心力が小さく剪断強度を確保する肉厚を薄くすることが可能となり、その結果、作動流体の流通抵抗が小さくなって翼形損失の低減を図ることができるのである。しかも、単一の材料で動翼の肉厚を薄くすることができるので、その形成は容易である。
【選択図】図２

Description

本発明は燃焼ガスや蒸気などの作動流体を供給して駆動する軸流タービン及びそれを用いた低圧蒸気タービンに係り、特に、作動流体の下流側近傍に位置する動翼を改善した軸流タービン及びそれを用いた低圧蒸気タービンに関する。

一般に、軸流タービンにおいては、多段に構成された動翼列の最終段を出た作動流体の運動エネルギーは全て速度損失となり、この損失は最終段の動翼列における蒸気通過部の断面積である環状面積の二乗に逆比例するので、高性能で環状面積を大きくするために多段に構成された動翼列の動翼の翼長を作動流体の下流側に向うにしたがって漸増させている。

しかしながら、動翼の翼長を長大化させてゆくと、高速回転時に作用する遠心力に耐えるために動翼の内径側の厚さを厚くして円盤などの回転部品に強固に固定する必要がある。しかしながら、動翼の厚さを厚くしてゆくと、翼形損失が大きくなるので、特許文献１に示すように、動翼の後縁をチタン系合金やステライト系合金等の超硬材料を用いて後縁の厚さを薄くすることが試みられている。

特開昭５８−２０２３０５号公報

上記特許文献１における技術は、動翼の後縁のみの材質を超硬材料に変えたものであるが、動翼の基本部分の材質は超硬材料ではないため、動翼の基本部分の厚さは薄くすることができない。このため、後縁のみ超硬材料を使用しても、動翼全体が薄くできない限り、後縁のみの薄肉化は困難であり、翼形損失の低減は困難であった。また、上記特許文献１においては二種の材料を用いて動翼を形成しなければならず、その形成が厄介である。

本発明の目的は単一の材料で翼形損失の低減ができる動翼を容易に得ることができる軸流タービン及びそれを用いた低圧蒸気タービンを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、作動流体の流通方向に多段に設けられた動翼列のうち、作動流体の下流側に位置する下流側動翼列の下流側に、この下流側動翼列の動翼に較べて翼長が短く翼厚が薄い動翼を有する補助動翼列を設けたのである。

このように、翼長が短い動翼を設けることで、作用する遠心力が小さく剪断強度を確保する肉厚を薄くすることが可能となり、その結果、作動流体の流通抵抗が小さくなって翼形損失の低減を図ることができるのである。しかも、単一の材料で動翼の肉厚を薄くすることができるので、その形成は容易である。

以上説明したように、単一の材料で翼形損失の低減ができる動翼を容易に得ることができる軸流タービン及びそれを用いた低圧蒸気タービンを得ることができる。

以下本発明による軸流タービンを用いた低圧蒸気タービンの一実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。

低圧蒸気タービン1は、回転軸２上に同心的に固定され軸方向に間隔をおいて複数配置された円盤３，３Ｅと、これら複数の円盤３，３Ｅの外周に夫々複数の動翼４を等間隔で放射状に固定した動翼列５，５Ｅと、これら複数の動翼列５，５Ｅ間に夫々位置し内径側を内輪７に支持された複数の静翼６を周方向に等間隔で配置した複数の静翼列８と、これら複数の静翼列８を保持し複数の動翼列５，５Ｅを覆うタービンケーシング９と、このタービンケーシング９の軸方向の一端側から蒸気（作動流体）を供給する作動流体入口１０と、タービンケーシング９内を流通させ蒸気（作動流体）流Ｓの下流側となるタービンケーシング９の他端側から蒸気を排出する作動流体排出口１１と、この作動流体排出口１１に接続された復水器１２とを有し、前記動翼列５，５Ｅは作動流体の下流側に向うにしたがっての膨張に対して動翼４の翼長を漸増させている。

上記構成において、作動流体入口１０から供給された蒸気Ｓは、例えば高圧蒸気タービンから排出される蒸気やボイラで発生させた蒸気であり、静翼列８で整流された蒸気流Ｓが動翼列５，５Ｅの各動翼４に所定角度で衝突することで回転力を与え、回転軸２を駆動する。

このような低圧蒸気タービン１において、蒸気流Ｓの下流側に位置する下流側の動翼列５Ｅの下流に、この下流側の動翼列５Ｅの動翼４に較べて翼長が短く翼厚が薄い動翼１４を有する補助動翼列１３を設けて二重の動翼列を構成したのである。即ち、下流側の動翼列５Ｅが固定される円盤３Ｅの動翼列５Ｅよりも下流となる位置に、動翼４に沿うキャンバーラインの延長線上となるように、補助動翼列１３の動翼１４を固定したのである。

以上説明したように、翼長が短く薄肉の動翼１４からなる補助動翼列１３を、多段に設けた動翼列５，５Ｅの最下流側に設けることで、補助動翼列１３の流通抵抗は小さくなるので翼形損失の低減が行え、その結果、翼形損失の低減ができる低圧蒸気タービンを得ることができる。

また、前記補助動翼列１３の動翼１４は、動翼列５，５Ｅの各動翼４と同じ材料で形成できるので、単一の材料で翼形損失の低減ができる動翼を容易に得ることができる。

ところで、以上の実施の形態では、動翼列５Ｅの動翼４が有するキャンバーラインの延長線上に、補助動翼列１３の動翼１４を配置したが、図３に示す第２の実施の形態のように構成しても良い。尚、図２と同符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

即ち、図３においては、動翼列５Ｅの周方向に隣接する動翼４間の中間位置に、補助動翼列１３の動翼１４の前縁が位置するように円盤３Ｅに固定したもので、このような動翼配置においても、第１の実施の形態と同等の効果を奏することができる。

図４は、本発明の第３の実施の形態を示すもので、図２及び図３と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

上記各実施の形態と異なるのは、補助動翼列１３の動翼１４の設置数を、上流側の動翼列５Ｅの動翼４の設置数よりも少なくした点である。

このように、補助動翼列１３の動翼１４の設置数を、上流側の動翼列５Ｅの動翼４の設置数よりも少なくすることで、動翼１４の周方向ピッチ幅の設計の自由度が増える利点がある。さらに、動翼１４は薄肉であるが、動翼壁面と蒸気の摩擦をゼロにすることは現実的に不可能であるので、動翼１４の設置数を少なくすることで、蒸気との接触面積を減らすことができる。その結果、補助動翼列１３全体として蒸気と動翼壁面の摩擦を低減することができ、上流側に位置する長大な動翼４の内径側における翼形損失を低減することができる。

図５は、本発明による第４の実施の形態を示すもので、図２，図３及び図４と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態は、外観的には第１の実施の形態と同じであるが、補助動翼列１３の動翼１４の材質が他の動翼４や静翼６と異なるのである。

即ち、動翼４に、例えば鋼材を使用した場合、動翼１４には鋼材に較べて質量が小さく同等の強度を有するチタン系合金やステライト系合金等の超硬材料を用いたのである。このように動翼１４を超硬材料で形成することで、動翼１４の厚さをさらに薄くすることができるので、上流側に位置する動翼４の内径側における翼形損失を寄り低減することができる。

図６は、図１に示す第１の実施の形態の変形例を示すもので、同一符号は同一構成部品を示す。

前述の第１の実施の形態においては、補助動翼列１３をその上流側の動翼列５Ｅと共通の円盤３Ｅに固定したものであるが、本変形例では、円盤３Ｅの下流側に、補助動翼列５Ｘを固定する専用の円盤３Ｘを回転軸２に固定した点が異なる。

このように補助動翼列５Ｘ専用の円盤３Ｘを設けることで、一つの円盤３Ｅに二種の動翼列５Ｅ，１３の固定部を形成する場合に較べて、固定部の加工作業が容易になる利点がある。

ところで、以上の各実施の形態において、高速な蒸気の流れ場にあって、流出される蒸気が超音速になる場合には、隣接する動翼１４の翼間流路を、絞り流路と拡大流路とを組合せた先細末広の所謂ラバールノズル形状にした遷音速翼形を補助動翼列１３に採用することで、超音速部での衝撃波損失を低減させることができる。

さらに、高速な流れ場にあっては、蒸気が動翼列５Ｅの周方向に隣接する動翼４間で超音速化することが想定されるので、動翼列５Ｅの翼間流路を先細末広の遷音速翼形にし、補助動翼列１３の翼間流路を拡大流路からなる超音速翼形にすることが望ましい。このように構成することで、超音速部分は薄肉の動翼１４なので、厚肉の動翼よりも衝撃波損失の低減に効果がある。

また、上記各説明は、低圧蒸気タービンを一例に説明したが、本発明は低圧蒸気タービンに特定されるものではなく、例えば、ガスタービンや高圧蒸気タービンなどの軸流タービンに適用できるのは云うまでもない。

本発明による軸流タービンを低圧蒸気タービンに適用した第１の実施の形態を示す概略縦断側面図。 図１の下流側の動翼列近傍を示す部分斜視図。 本発明による第２の実施の形態を示す図２相当図。 本発明による第３の実施の形態を示す図２相当図。 本発明による第４の実施の形態を示す図２相当図。 図１の変形例を示す概略縦断側面図。

符号の説明

１…低圧蒸気タービン、２…回転軸、３，３Ｅ，３Ｘ…円盤、４，１４…動翼、５，５Ｅ…動翼列、６…静翼、７…内輪、８…静翼列、９…タービンケーシング、１０…作動流体入口、１１…作動流体排出口、１２…復水器、１３，１３Ｘ…補助動翼列、Ｓ…蒸気（作動流体）流。

Claims (7)

1. 回転軸上に同心的に固定され軸方向に間隔をおいて複数配置された円盤と、これら複数の円盤の外周に夫々複数の動翼を等間隔で放射状に固定した動翼列と、これら複数の動翼列間に夫々位置し周方向に複数の静翼を等間隔で配置した複数の静翼列と、これら複数の静翼列を保持し複数の動翼列を覆うタービンケーシングと、このタービンケーシングの軸方向の一端側から作動流体を供給する作動流体入口と、タービンケーシング内を流通させ作動流体の下流側となるタービンケーシングの他端側から作動流体を排出する作動流体排出口とを有し、作動流体の下流側に向うにしたがって動翼の翼長を漸増させた軸流タービンにおいて、前記複数の動翼列のうち作動流体の下流側となる動翼列を二重の動翼列で構成し、この二重の動翼列のうち下流側動翼列の動翼を、上流側動翼列の動翼よりも翼長を短く翼厚を薄く形成したことを特徴とする軸流タービン。
2. 回転軸上に同心的に固定され軸方向に間隔をおいて複数配置された円盤と、これら複数の円盤の外周に夫々複数の動翼を等間隔で放射状に固定した動翼列と、これら複数の動翼列間に夫々位置し周方向に複数の静翼を等間隔で配置した複数の静翼列と、これら複数の静翼列を保持し複数の動翼列を覆うタービンケーシングと、このタービンケーシングの軸方向の一端側から作動流体を供給する作動流体入口と、タービンケーシング内を流通させ作動流体の下流側となるタービンケーシングの他端側から作動流体を排出する作動流体排出口とを有し、作動流体の下流側に向うにしたがって動翼の翼長を漸増させた軸流タービンにおいて、前記動翼列のうち作動流体の下流側に位置する下流側動翼列の下流に、この下流側動翼列の動翼に較べて翼長が短く翼厚が薄い動翼を有する補助動翼列を設けたことを特徴とする軸流タービン。
3. 前記補助動翼列は、作動流体の下流側に位置する最下流側動翼列の近傍に設けたことを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
4. 前記補助動翼列の動翼は、前記下流側動翼列の隣接動翼の間に配置されていることを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
5. 前記補助動翼列の動翼は、前記下流側動翼列の動翼数よりも少ないことを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
6. 前記補助動翼列の動翼は、前記下流側動翼列の動翼に較べて小さい比重の超硬材料で形成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の軸流タービン。
7. 請求項１又は２記載の軸流タービンを用いて構成したことを特徴とする低圧蒸気タービン。

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