JP2009174330A - タービン翼列エンドウォール - Google Patents

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Abstract

【課題】タービン静翼の背面に発生する巻き上がりを抑制することができ、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができるタービン翼列エンドウォールを提供すること。
【解決手段】環状に配列された複数のタービン静翼Bのチップ側に位置するタービン翼列エンドウォール10であって、前記タービン静翼Bの上流側に位置するタービン動翼のチップと、このタービン動翼のチップに対向して配置されたチップエンドウォールとの隙間から漏れ出たクリアランス漏れ流れによって、前記タービン静翼Bの背面において翼高さ方向に発生する圧力勾配を緩和する圧力勾配緩和手段11が設けられている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、タービン翼列エンドウォールに関するものである。
流体の運動エネルギーを回転運動に変えて動力を得る動力発生装置としてのタービンにおけるタービン翼列エンドウォール上では、一のタービン翼の腹側から隣接するタービン翼の背側に向かって、いわゆる「クロスフロー(二次流れ)」が発生する。
タービン性能の向上を図るには、このクロスフローを低減させるとともに、このクロスフローに伴って発生する二次流れ損失を低減させる必要がある。
そこで、このようなクロスフローに伴う二次流れ損失を低減させて、タービン性能の向上を図るものとして、タービン翼列エンドウォール上に、非軸対称に形成された凹凸を有するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
米国特許第6283713号明細書
ところで、図13に示すような、タービン動翼(図示せず)の下流側に位置して、タービン動翼のチップとタービン動翼のチップエンドウォールとの隙間(チップクリアランス)から漏れ出たクリアランス漏れ流れによって作動流体(例えば、燃焼ガス)の流入角(入射角)が大きく減少するタービン静翼Bのタービン翼列エンドウォール(チップエンドウォール)100上には、例えば、図14中に細い実線で示すような流線が形成され、タービン静翼Bの前縁から背側に回り込んだ位置(タービン静翼Bの前縁から背面に沿って下流側に離間した位置)によどみ点が形成されることとなる。そのため、タービン静翼Bの背面において翼高さ方向(図15において上下方向)に圧力勾配(圧力分布)が生じ、例えば、図15中に細い実線で示すようなタービン静翼Bのチップ側(半径方向外側:図15において上側)からハブ側(半径方向内側:図15において下側)に向かう流れが誘起され、タービン静翼の背面に強い巻き上がり(背面の二次流れ)が発生するとともに、この巻き上がりに伴う二次流れ損失が増大して、タービン性能が低下してしまうといった問題点があった。
なお、図15中の実線矢印は、作動流体の流れ方向を示している。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、タービン静翼の背面に発生する巻き上がりを抑制することができ、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができるタービン翼列エンドウォールを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るタービン翼列エンドウォールは、環状に配列された複数のタービン静翼のチップ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、前記タービン静翼の上流側に位置するタービン動翼のチップと、このタービン動翼のチップに対向して配置されたチップエンドウォールとの隙間から漏れ出たクリアランス漏れ流れによって、前記タービン静翼の背面において翼高さ方向に発生する圧力勾配を緩和する圧力勾配緩和手段が設けられている。
本発明に係るタービン翼列エンドウォールは、環状に配列された複数のタービン静翼のチップ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、0%Caxを軸方向におけるタービン静翼の前縁位置、100%Caxを軸方向におけるタービン静翼の後縁位置とし、0%ピッチをタービン静翼の背面における位置、100%ピッチを前記タービン静翼の腹面と対向するタービン静翼の腹面における位置とした場合に、一のタービン静翼と、このタービン静翼に隣接配置された他のタービン静翼との間の、略−50%Cax〜+50%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに隆起するとともに、軸方向に略平行に延びる凸部が設けられている
本発明に係るタービン翼列エンドウォールは、環状に配列された複数のタービン静翼のチップ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、0%Caxを軸方向におけるタービン静翼の前縁位置、100%Caxを軸方向におけるタービン静翼の後縁位置とし、0%ピッチをタービン静翼の背面における位置、100%ピッチを前記タービン静翼の腹面と対向するタービン静翼の腹面における位置とした場合に、一のタービン静翼と、このタービン静翼に隣接配置された他のタービン静翼との間の、略−50%Cax〜+50%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに陥没するとともに、軸方向に略平行に延びる凹部が設けられている。
本発明に係るタービン翼列エンドウォールは、環状に配列された複数のタービン静翼のチップ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、0%Caxを軸方向におけるタービン静翼の前縁位置、100%Caxを軸方向におけるタービン静翼の後縁位置とし、0%ピッチをタービン静翼の背面における位置、100%ピッチを前記タービン静翼の腹面と対向するタービン静翼の腹面における位置とした場合に、一のタービン静翼と、このタービン静翼に隣接配置された他のタービン静翼との間の、略−50%Cax〜+50%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに隆起するとともに、軸方向に略平行に延びる凸部が設けられており、一のタービン静翼と、このタービン静翼に隣接配置された他のタービン静翼との間の、略−50%Cax〜+50%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに陥没するとともに、軸方向に略平行に延びて前記凸部に連続し前記背面との間に前記凸部を挟むように凹部が設けられている。
本発明に係るタービン翼列エンドウォールによれば、タービン静翼の背面に発生する巻き上がりを抑制することができ、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができる。
本発明に係るタービンによれば、タービン静翼の背面に発生する巻き上がりを抑制することができ、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができるタービン翼列エンドウォールを具備しているので、タービン全体の性能を向上させることができる。
本発明によれば、タービン静翼の背面に発生する巻き上がりを抑制することができ、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができるという効果を有する。
以下、本発明に係るタービン翼列エンドウォールの第1実施形態について、図1から図3を参照しながら説明する。
図1に示すように、本実施形態に係るタービン翼列エンドウォール(以下、「チップエンドウォール」という)10は、一のタービン静翼Bと、このタービン静翼Bに隣接配置されたタービン静翼Bとの間に、凸部(圧力勾配緩和手段)11をそれぞれ有するものである。なお、図1中のチップエンドウォール10上に描いた実線は、凸部11の等高線を示している。
凸部11は、略−30%Cax〜+40%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略40%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに(滑らかに)隆起した部分である。
ここで、0%Caxとは、軸方向におけるタービン静翼Bの前縁位置のことを指し、100%Caxとは、軸方向におけるタービン静翼Bの後縁位置のことを指している。また、−(マイナス)はタービン静翼Bの前縁位置から軸方向に沿って上流側に遡った位置のことを指し、+(プラス)はタービン静翼Bの前縁位置から軸方向に沿って下流側に下った位置のことを指している。さらに、0%ピッチとは、タービン静翼Bの背面における位置のことを指し、100%ピッチとは、タービン静翼Bの腹面における位置のことを指している。
凸部11の前縁側の頂点は、略−20%Caxの位置において略30%ピッチの位置に形成されており、この位置から軸方向に略沿って(略平行に)第1の稜線が略−30%Caxのところまで延びている。また、この凸部11の前縁側の頂点の高さ(凸量)は、タービン静翼Bの軸コード長(タービン静翼Bの軸方向長さ)の10%〜20%(本実施形態では約10%)とされている。
一方、凸部11の後縁側の頂点は、略+20%Caxの位置において略10%ピッチの位置に形成されており、この位置から軸方向に略沿って(略平行に)第2の稜線が略+40%Caxのところまで延びている。また、この凸部11の後縁側の頂点の高さ(凸量)は、タービン静翼Bの軸コード長(タービン静翼Bの軸方向長さ)の10%〜20%(本実施形態では約10%)とされている。
そして、凸部11の頂部中央部(すなわち、前縁側の頂点と後縁側の頂点との間に位置する領域)は、前縁側の頂点と後縁側の頂点とを滑らかにつなぐような湾曲面とされている。
本実施形態に係るチップエンドウォール10によれば、当該チップエンドウォール10上には、例えば、図2中に細い実線で示すような流線が形成され、凸部11の上流側(図1において下側)表面によどみ点が形成されて、タービン静翼Bの前縁から背側に回り込んだ位置(タービン静翼Bの前縁から背面に沿って下流側に離間した位置)にはよどみ点が形成されなくなる。
また、タービン静翼Bの背面と凸部11の下流側(図1において上側)表面との間をチップエンドウォール10の表面に沿って流れる作動流体は、タービン静翼Bの背面と凸部11の下流側表面との間を通過する際に加速され、タービン静翼Bの背面に沿って流れることとなる。
これにより、タービン静翼Bの背面において翼高さ方向(図3において上下方向)に発生する圧力勾配が緩和し、タービン静翼Bの背面上に、例えば、図3中に細い実線で示すような流線を形成させることができ、タービン静翼Bの背面に発生する巻き上がりを抑制することができて、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができる。
なお、図3中の実線矢印は、作動流体の流れ方向を示している。
ここで、図4〜図6に示すチップエンドウォール15は、上述した第1実施形態と同様、一のタービン静翼Bと、このタービン静翼Bに隣接配置されたタービン静翼Bとの間に、凸部16をそれぞれ有するものである。なお、図4中のチップエンドウォール15上に描いた実線は、凸部16の等高線を示している。
図4に示すように、凸部16は、略−30%Cax〜+10%Caxの範囲内で、かつ、略10%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに(滑らかに)隆起した部分である。
凸部16の前縁に近い側の頂点は、略−10%Caxの位置において略20%ピッチの位置に形成されており、この位置から軸方向と直交する方向に略沿って(略平行に)第1の稜線が略10%ピッチのところまで延びている。また、この凸部16の前縁に近い側の頂点の高さ(凸量)は、タービン静翼Bの軸コード長(タービン静翼Bの軸方向長さ)の10%〜20%(本実施形態では約10%)とされている。
一方、凸部16の前縁から遠い側の頂点は、略−10%Caxの位置において略40%ピッチの位置に形成されており、この位置から軸方向と直交する方向に略沿って(略平行に)第2の稜線が略+50%ピッチのところまで延びている。また、この凸部16の後縁側の頂点の高さ(凸量)は、タービン静翼Bの軸コード長(タービン静翼Bの軸方向長さ)の10%〜20%(本実施形態では約10%)とされている。
そして、凸部16頂部中央部(すなわち、前縁に近い側の頂点と前縁から遠い側の頂点との間に位置する領域)は、前縁に近い側の頂点と前縁から遠い側の頂点とを滑らかにつなぐような湾曲面とされている。
しかしながら、このような凸部16を有するチップエンドウォール15では、当該チップエンドウォール15上に、例えば、図5中に細い実線で示すような流線が形成され、タービン静翼Bの前縁から背側に回り込んだ位置(タービン静翼Bの前縁から背面に沿って下流側に離間した位置)によどみ点が形成されることとなる。そのため、チップエンドウォール15では、図13〜図15を用いて説明した従来のチップエンドウォール100と同様、タービン静翼Bの背面において翼高さ方向(図6において上下方向)に圧力勾配(圧力分布)が生じ、例えば、図6中に細い実線で示すようなタービン静翼Bのチップ側(半径方向外側:図6において上側)からハブ側(半径方向内側:図6において下側)に向かう流れが誘起され、タービン静翼Bの背面に強い巻き上がり(背面の二次流れ)が発生するとともに、この巻き上がりに伴う二次流れ損失が増大してしまい、上述した第1実施形態で得ることができた作用効果は得ることができなかった。
本発明に係るチップエンドウォールの第2実施形態を図7〜図9に基づいて説明する。
図7に示すように、本実施形態に係るチップエンドウォール20は、一のタービン静翼Bと、このタービン静翼Bに隣接配置されたタービン静翼Bとの間に、凹部(圧力勾配緩和手段)21をそれぞれ有するものである。なお、図7中のチップエンドウォール20上に描いた実線は、凹部21の等深線を示している。
凹部21は、略−50%Cax〜+40%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに(滑らかに)陥没した部分である。
また、この凹部21の底点は、略0%Caxの位置において略30%ピッチの位置に形成されており、この位置から軸方向に略沿って(略平行に)第1の谷線が略−50%Caxのところまで延びているとともに、この位置から軸方向に略沿って(略平行に)第2の谷線が略+40%Caxのところまで延びている。そして、この凹部21の底点の深さ(凹量)は、タービン静翼Bの軸コード長(タービン静翼Bの軸方向長さ)の10%〜20%(本実施形態では約10%)とされている。
本実施形態に係るチップエンドウォール20によれば、当該チップエンドウォール20上には、例えば、図8中に細い実線で示すような流線が形成され、凹部21の下流側(図7において上側)表面によどみ点が形成されて、タービン静翼Bの前縁から背側に回り込んだ位置(タービン静翼Bの前縁から背面に沿って下流側に離間した位置)にはよどみ点が形成されなくなる。
また、タービン静翼Bの背面と凹部21の下流側(図7において上側)表面との間をチップエンドウォール20の表面に沿って流れる作動流体は、タービン静翼Bの背面と凹部21の下流側表面との間を通過する際に凹部21内に流れ込むとともに加速され、タービン静翼Bの背面に沿って流れることとなる。
これにより、タービン静翼Bの背面において翼高さ方向(図9において上下方向)に発生する圧力勾配が緩和し、タービン静翼Bの背面上に、例えば、図9中に細い実線で示すような流線を形成させることができ、タービン静翼Bの背面に発生する巻き上がりを抑制することができて、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができる。
なお、図9中の実線矢印は、作動流体の流れ方向を示している。
本発明に係るチップエンドウォールの第3実施形態を図10〜図12に基づいて説明する。
図10に示すように、本実施形態に係るチップエンドウォール30は、一のタービン静翼Bと、このタービン静翼Bに隣接配置されたタービン静翼Bとの間に、凸部(圧力勾配緩和手段)31と、凹部(圧力勾配緩和手段)32とをそれぞれ有するものである。なお、図10中のチップエンドウォール30上に描いた実線は、凸部31の等高線および凹部32の等深線を示している。
凸部31は、略−30%Cax〜+40%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略40%ピッチの範囲内(本実施形態では略0%ピッチ〜略30%ピッチの範囲内)において、全体的になだらかに(滑らかに)隆起した部分である。
凸部31の前縁側の頂点は、略−20%Caxの位置において略20%ピッチの位置に形成されており、この位置から軸方向に略沿って(略平行に)第1の稜線が略−30%Caxのところまで延びている。また、この凸部31の前縁側の頂点の高さ(凸量)は、タービン静翼Bの軸コード長(タービン静翼Bの軸方向長さ)の10%〜20%(本実施形態では約10%)とされている。
一方、凸部31の後縁側の頂点は、略+20%Caxの位置において略10%ピッチの位置に形成されており、この位置から軸方向に略沿って(略平行に)第2の稜線が略+40%Caxのところまで延びている。また、この凸部31の後縁側の頂点の高さ(凸量)は、タービン静翼Bの軸コード長(タービン静翼Bの軸方向長さ)の10%〜20%(本実施形態では約10%)とされている。
そして、凸部31の頂部中央部(すなわち、前縁側の頂点と後縁側の頂点との間に位置する領域)は、前縁側の頂点と後縁側の頂点とを滑らかにつなぐような湾曲面とされている。
凹部32は、略−50%Cax〜+40%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに(滑らかに)陥没した部分であり、凸部31に連続するようにして(つながるようにして)設けられている。
また、この凹部32の底点は、略0%Caxの位置において略30%ピッチの位置に形成されており、この位置から軸方向に略沿って(略平行に)第1の谷線が略−50%Caxのところまで延びているとともに、この位置から軸方向に略沿って(略平行に)第2の谷線が略+40%Caxのところまで延びている。そして、この凹部32の底点の深さ(凹量)は、タービン静翼Bの軸コード長(タービン静翼Bの軸方向長さ)の10%〜20%(本実施形態では約10%)とされている。
本実施形態に係るチップエンドウォール30によれば、当該チップエンドウォール30上には、例えば、図11中に細い実線で示すような流線が形成され、凹部32の下流側(図10において上側)表面から凸部31の上流側(図10において下側)の表面にかけてよどみ点が形成されて、タービン静翼Bの前縁から背側に回り込んだ位置(タービン静翼Bの前縁から背面に沿って下流側に離間した位置)にはよどみ点が形成されなくなる。
また、タービン静翼Bの背面と凸部31の下流側(図1において上側)表面との間をチップエンドウォール30の表面に沿って流れる作動流体は、タービン静翼Bの背面と凸部31の下流側表面との間を通過する際に加速され、タービン静翼Bの背面に沿って流れることとなる。
これにより、タービン静翼Bの背面において翼高さ方向(図12において上下方向)に発生する圧力勾配が緩和し、タービン静翼Bの背面上に、例えば、図12中に細い実線で示すような流線を形成させることができ、タービン静翼Bの背面に発生する巻き上がりを抑制することができて、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができる。
なお、図12中の実線矢印は、作動流体の流れ方向を示している。
また、上述した実施形態に係るチップエンドウォールを具備したタービンによれば、タービン静翼の背面に発生する巻き上がりが抑制され、この巻き上がりに伴う二次流れ損失が低減することとなるので、タービン全体の性能が向上することとなる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で適宜必要に応じて変形実施、変更実施、および組合せ実施可能である。
本発明の第1実施形態に係るタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 図1に示すタービン翼列エンドウォールの表面における流線を示す図である。 図1に示すタービン翼列エンドウォールの背面における流線を示す図である。 本発明の第1実施形態に係るタービン翼列エンドウォールと類似するタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 図4に示すタービン翼列エンドウォールの表面における流線を示す図である。 図4に示すタービン翼列エンドウォールの背面における流線を示す図である。 本発明の第2実施形態に係るタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 図7に示すタービン翼列エンドウォールの表面における流線を示す図である。 図7に示すタービン翼列エンドウォールの背面における流線を示す図である。 本発明の第3実施形態に係るタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 図10に示すタービン翼列エンドウォールの表面における流線を示す図である。 図10に示すタービン翼列エンドウォールの背面における流線を示す図である。 従来のタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 図13に示すタービン翼列エンドウォールの表面における流線を示す図である。 図13に示すタービン翼列エンドウォールの背面における流線を示す図である。
符号の説明
10 チップエンドウォール(タービン翼列エンドウォール)
11 凸部(圧力勾配緩和手段)
20 チップエンドウォール(タービン翼列エンドウォール)
21 凹部(圧力勾配緩和手段)
30 チップエンドウォール(タービン翼列エンドウォール)
31 凸部(圧力勾配緩和手段)
32 凹部(圧力勾配緩和手段)
B タービン静翼

Claims (5)

  1. 環状に配列された複数のタービン静翼のチップ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、
    前記タービン静翼の上流側に位置するタービン動翼のチップと、このタービン動翼のチップに対向して配置されたチップエンドウォールとの隙間から漏れ出たクリアランス漏れ流れによって、前記タービン静翼の背面において翼高さ方向に発生する圧力勾配を緩和する圧力勾配緩和手段が設けられていることを特徴とするタービン翼列エンドウォール。
  2. 環状に配列された複数のタービン静翼のチップ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、
    0%Caxを軸方向におけるタービン静翼の前縁位置、100%Caxを軸方向におけるタービン静翼の後縁位置とし、0%ピッチをタービン静翼の背面における位置、100%ピッチを前記タービン静翼の腹面と対向するタービン静翼の腹面における位置とした場合に、
    一のタービン静翼と、このタービン静翼に隣接配置された他のタービン静翼との間の、略−50%Cax〜+50%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに隆起するとともに、軸方向に略平行に延びる凸部が設けられていることを特徴とするタービン翼列エンドウォール。
  3. 環状に配列された複数のタービン静翼のチップ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、
    0%Caxを軸方向におけるタービン静翼の前縁位置、100%Caxを軸方向におけるタービン静翼の後縁位置とし、0%ピッチをタービン静翼の背面における位置、100%ピッチを前記タービン静翼の腹面と対向するタービン静翼の腹面における位置とした場合に、
    一のタービン静翼と、このタービン静翼に隣接配置された他のタービン静翼との間の、略−50%Cax〜+50%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに陥没するとともに、軸方向に略平行に延びる凹部が設けられていることを特徴とするタービン翼列エンドウォール。
  4. 環状に配列された複数のタービン静翼のチップ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、
    0%Caxを軸方向におけるタービン静翼の前縁位置、100%Caxを軸方向におけるタービン静翼の後縁位置とし、0%ピッチをタービン静翼の背面における位置、100%ピッチを前記タービン静翼の腹面と対向するタービン静翼の腹面における位置とした場合に、
    一のタービン静翼と、このタービン静翼に隣接配置された他のタービン静翼との間の、略−50%Cax〜+50%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに隆起するとともに、軸方向に略平行に延びる凸部が設けられており、
    一のタービン静翼と、このタービン静翼に隣接配置された他のタービン静翼との間の、略−50%Cax〜+50%Caxの範囲内で、かつ、略0%ピッチ〜略50%ピッチの範囲内において、全体的になだらかに陥没するとともに、軸方向に略平行に延びて前記凸部に連続し前記背面との間に前記凸部を挟むように凹部が設けられていることを特徴とするタービン翼列エンドウォール。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載のタービン翼列エンドウォールを備えてなることを特徴とするタービン。
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