JP2009085185A - 軸流タービンおよび軸流タービン段落構造 - Google Patents

Abstract

【課題】静翼ダイヤフラム外輪に貫通孔を設けることにより、動翼先端部と静翼ダイヤフラム外輪の隙間を通過する漏洩流体を積極的にコントロールし、主流への干渉を抑制することで段落損失を低減できる高効率な軸流タービン及びその段落構造を提供する。
【解決手段】軸流タービンの環状流路内に周方向に列状に配置された静翼３およびこの静翼の下流側に配置されタービン軸の周方向に列状に植設された動翼６から構成される軸流タービン段落構造において、前記静翼のダイヤフラム外輪１の静翼入口側から静翼出口側に複数の貫通孔９を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸方向に流体が流れる軸流タービンの段落構造に関し、特にタービン段落で発生する段落損失を低減することができる軸流タービンの段落構造に関する。

従来の軸流タービンの段落構造を図５を用いて説明する。
図５は、軸方向に流体が流れる軸流タービンの１つの段落構造を示す構成図であって、複数枚の静翼３がダイヤフラム外輪１とダイヤフラム内輪２との間に周方向に配設されている。このように形成されたタービン静翼の下流側には、上記各タービン静翼に対向して複数枚の動翼６が配設されている。このタービン動翼６はロータディスク４の外周に周方向に所定間隔で列状に植設されている。

このように構成されたタービン静翼３は、タービン作動流体である主流７をその翼間に導き通過させることで、静翼入口圧力Ｐ１を出口圧力Ｐ２へ降下させるとともに、作動流体を増速させる働きを有する。タービン静翼３を通過し、加速された流体は動翼６に流入し、保持している速度エネルギーを回転機械エネルギーに変換することで仕事をする。

一方、静翼３および動翼６は流れに対しては抵抗となるため、静翼３および動翼６を流体が通過する際には流れ場が乱れ損失を伴う。翼列内で発生する損失の主なものには、翼素損失（以下、プロファイル損失）や翼列の根元部と先端部の壁面に発生する二次損失などが挙げられる。また、先に挙げたプロファイル損失と二次損失の他に段落間で発生する損失には、静翼ダイヤフラム内輪２とロータ軸との隙間（ラビリンス）から流体が漏れる軸部漏洩損失、動翼先端と静翼ダイヤフラム外輪１との隙間から流体が漏れる翼頂部漏洩損失、及び湿り損失などがある。

図６は段落間で発生する損失の内訳を示した図である。軸部および翼頂部での漏洩損失は、段落翼列間の損失の主としたものと認識されているプロファイル損失や二次損失と比較しても無視できないほど大きい。特に、翼頂部漏洩流体１０は翼列間を通過せず段落にて仕事をしないので、その漏洩流体量は全体の段落の損失に直接的に影響を及ぼす。段落の漏洩損失の大小は、静翼ダイヤフラム内輪と軸部の隙間長さ、または動翼先端部のシュラウド５と静翼ダイヤフラム外輪１の隙間（ラビリンス）の長さと、静翼・動翼の圧力差とによって決まる。したがって、静翼ダイヤフラム内輪２と軸部の隙間またはシュラウド５と静翼ダイヤフラム外輪１の隙間長さを小さくすることで漏洩損失を小さくすることは理論的に可能であるが、実際の運用上はロータやダイヤフラムなどの熱伸びの影響を考慮する必要があるので、隙間長さをある一定以上小さくすることは困難である。

軸流タービンにおける一般的な段落間の流体の流れを図５を用いて説明する。主流７がノズルに流入する際に、主流７の一部が軸部漏洩流体８として静翼ダイヤフラム内輪２と軸部の隙間を通過して動翼入口にて主流と合流する。

同様に、主流７が動翼６を通過する際には、一部の流体が翼頂部漏洩流体１０として動翼先端部シュラウド５と静翼ダイヤフラム外輪１の隙間を通過して次の段落の静翼入口にて主流と合流する。これらの漏洩する流体が主流から分岐する際および合流する際には壁面近傍にて局所的に主流に乱れが生じる。この局所的な主流の乱れによって、壁面近傍では流れ角度が変化するため、翼前縁の幾何的な角度と主流の流れ角度の差が大きくなり翼列にて損失が増加する（インシデンス損失）。また、漏洩流体が主流に合流する動翼入口および静翼入口では、主流の乱れが動翼根元部や静翼先端部で発生する二次流れ渦の発達を促進させる。このように、漏洩流体の主流に対する干渉で段落損失はより大きくなり、その影響は漏洩流体量が多いほど大きい。
このようなことから、これまで段落の漏洩流体低減や主流への干渉抑制のための様々な方法が提案されている。

現在、軸部および翼頂部での漏洩損失低減の技術として、図５に示すように静翼ダイヤフラム内輪２と軸部の隙間または動翼先端部と静翼ダイヤフラム外輪１の隙間に複数のフィン１１を設け、漏洩流体を低減する技術が知られている。また、公知文献として、特許文献１にも、静翼ダイヤフラム内輪と軸部の隙間に複数のフィンからなるラビリンスシールを設けること、また、動翼先端部と静翼ダイヤフラム外輪の隙間にもラビリンスシールを設けることが記載されている。
特開２００６−９７５４４号公報

タービンの高効率化は、省エネルギーなどの環境負荷低減策となると認識されており、そのための開発が進められている。
その中でタービン段落の性能はタービン効率に大きく寄与する。したがって、タービンの高効率化のために、タービン段落に発生する損失を低減して性能を向上させることが効果的である。その中でも漏洩損失の低減や漏洩流体の主流への干渉による翼列損失の低減は段落性能に大きく影響する。上述のとおり、軸部および翼頂部での漏洩損失低減の技術の一つとして，静翼ダイヤフラム内輪と軸部の隙間または動翼先端部と静翼ダイヤフラム外輪の隙間に数枚のフィンを設け、漏洩流体を低減する技術が開示されている。

しかし、動翼先端部と静翼ダイヤフラム外輪の隙間を通過した漏洩流体の主流への干渉を抑制するような技術は現状では確立されていない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、静翼ダイヤフラム外輪に貫通孔を設けることにより、動翼先端部と静翼ダイヤフラム外輪の隙間を通過する漏洩流体を積極的にコントロールし、主流への干渉を抑制することで段落損失を低減できる高効率な軸流タービン及びその段落構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る軸流タービン段落構造は、軸流タービンの環状流路内に周方向に列状に配置された静翼およびこの静翼の下流側に配置されタービン軸の周方向に列状に植設された動翼から構成されるタービン段落構造において、前記静翼のダイヤフラム外輪の静翼入口側から静翼出口側に複数の貫通孔を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、静翼ダイヤフラム外輪に貫通孔を設けることにより、動翼先端部と静翼ダイヤフラム外輪の隙間を通過する漏洩流体を積極的にコントロールし、主流への干渉を抑制することで段落損失を低減できる高効率な軸流タービン段落構造を有する軸流タービンを提供することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した軸流タービンの１つの段落を構成する静翼３および動翼６を示す図であって、複数枚の静翼３がダイヤフラム外輪１とダイヤフラム内輪２との間に周方向に配設されている。このように形成された静翼３の下流側には、上記各静翼３に対向して複数枚の動翼６が配設されている。この動翼６はロータディスク４の外周に周方向に所定間隔で列状に植設されている。

静翼ダイヤフラム外輪１には、内周部の近傍でかつ周方向に複数の貫通孔９が設けられ、この貫通孔９を動翼先端部と静翼ダイヤフラム外輪１の隙間を通過した翼頂部漏洩流体１０が通過することができる。また、静翼ダイヤフラム外輪１には、入口側と出口側の静翼３側端部に突部１ａを形成することにより、主流７から、静翼ダイヤフラム外輪１と動翼６の先端部シュラウド５との隙間へ分岐する翼頂部漏洩流体１０、および一旦分岐した漏洩流体が主流７に戻ることを制限している。突部１ａの形状は鋭角形状、薄板形状、等様々な形状を採用することができる。また、突部１ａは、静翼ダイヤフラム外輪１を成形加工して形成してもよく、又は別部材として突部を溶接等により静翼ダイヤフラム外輪１に接合して形成してもよい。

図２は、静翼ダイヤフラム外輪１の正面図である。静翼のダイヤフラム外輪１の静翼入口側から静翼出口側に設けられた貫通孔９は静翼ダイヤフラム外輪１の周方向に複数配列されている。貫通孔９の形状（円形、楕円形、角形等）、個数及び配列は静翼ダイヤフラム外輪１の機械的強度、漏洩流体量、等に応じて適宜変更することができる。

また、本第１の実施形態では、動翼先端部シュラウド５と静翼ダイヤフラム外輪１の隙間にフィンからなるラビリンスシールは設けられていないが、当該段落の段落損失特性に応じて、適宜、ラビリンスシールを設けてもよい。

さらに、突起１ａを設ける代りに、静翼ダイヤフラム外輪１の内周部近傍と動翼３の先端部５との軸方向の隙間（図１のＡ部）に、特許文献１に記載されている様なラビリンスシールを設けてもよい。要は、流体に対する抵抗部が形成されればよい。

本第１の実施形態によれば、翼頂部漏洩流体１０の大部分が、貫通孔９及び動翼６の先端部と静翼ダイヤフラム外輪１の隙間とを通過するため、主流７から分岐する流体と、主流７へ合流する流体が低減され、主流７の乱れが小さくなる。それにより、静翼・動翼の壁面近傍で局所的に発生する流体角度の変化も小さくなりインシデンス（角度）損失が小さくなる、また、主流７の乱れによって発生する静翼・動翼壁面近傍の二次損失の増加を最小限に抑えることができる。これにより、段落損失を低減させたタービン段落とすることができ、段落効率が向上する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態を図３により説明する。
図３は、静翼ダイヤフラム外輪１に設置した貫通孔９の拡大図である。翼頂部漏洩流体１０は周方向に速度成分を有しているので、貫通孔９はその流れ角度に合わせるために周方向に角度を付けて設置されている。これにより漏洩流体１０は貫通孔９を円滑に通過することができ、不要な乱流の発生を抑制することができる。

また、貫通孔の孔径をタービン軸方向に変化させてもよく、例えば翼頂部漏洩流体１０が通過する入口側の径を大きくして、漏洩流体が貫通孔に流入する際の乱れを最小限にし、流体が貫通孔９へ流入するのを容易にしている。

第２の実施形態によれば、貫通孔９に流入する翼頂部漏洩流体１０の乱れを最小限にすることができるので、貫通孔９への翼頂部漏洩流体１０の通過効率をさらに改善することができる。これにより、主流７から分岐する流体と主流７へ合流する流体が低減され、主流７の乱れが小さくなり、静翼・動翼の壁面近傍で局所的に発生する流体角度の変化も小さくなってインシデンス損失をさらに小さくすることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態を図４により説明する。
第３の実施形態は、静翼先端部壁面が軸方向に傾斜を有するタービンに本発明を適用したものである。図４に示したように、静翼ダイヤフラム外輪１に設けられた貫通孔９は、下流側の動翼６の先端部と静翼ダイヤフラム外輪１の隙間の方向へ斜めに設けられている。

本第３の実施形態によれば、貫通孔９に流入する翼頂部漏洩流体１０は、その乱れを最小限にすることができるので、さらに効率的に貫通孔９内を通ることができる。これにより、主流７から分岐する流体と主流７へ合流する流体が低減され、主流７の乱れが小さくなり、静翼・動翼の壁面近傍で局所的に発生する流体角度の変化も小さくなってインシデンス損失をさらに小さくすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る軸流タービン段落構造図。 本発明の第１の実施形態に係る貫通孔が設けられた静翼ダイヤフラム外輪の正面図。 本発明の第２の実施形態に係る貫通孔が設けられた静翼ダイヤフラム外輪の拡大図。 本発明の第３の実施形態に係る軸流タービン段落構造図。 従来の軸流タービン段落構造図。 タービン段落に発生する損失内訳図。

符号の説明

１…ダイヤフラム外輪、１ａ…突部、２…ダイヤフラム内輪、３…タービン静翼、４…ロータディスク、５…シュラウド、６…タービン動翼、７…主流、８…軸部漏洩流体、９…貫通孔、１０…頂部漏洩流体、１１…フィン、Ａ…ダイヤフラム外輪と動翼先端部との軸方向隙間。

Claims (7)

1. 軸流タービンの環状流路内に周方向に列状に配置された静翼およびこの静翼の下流側に配置されタービン軸の周方向に列状に植設された動翼から構成される軸流タービン段落構造において、前記静翼のダイヤフラム外輪の静翼入口側から静翼出口側に複数の貫通孔を設けたことを特徴とする軸流タービン段落構造。
2. 前記貫通孔は、その孔径がタービン軸方向に変化していることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン段落構造。
3. 前記貫通孔は、その角度がタービン周方向に傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸流タービン段落構造。
4. 前記貫通孔は、その角度がタービン軸方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の軸流タービン段落構造。
5. 前記静翼のダイヤフラム外輪の主流入口側又は出口側に突部を設け、前記動翼の先端部と前記静翼のダイヤフラム外輪との間を通過する流体を制限することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の軸流タービン段落構造。
6. 前記静翼のダイヤフラム外輪の内周部近傍と前記動翼の先端部との軸方向の隙間に、ラビリンスシールを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の軸流タービン段落構造。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の軸流タービン段落構造を有することを特徴とする軸流タービン。

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