JP2009531593A - 流体機械、特に蒸気タービンの案内ブレード - Google Patents

Abstract

【課題】
空気動的ブレード損失の減少によって流体機械の改良された効率を達成させる流体機械の案内ブレードを準備すること。
【解決手段】
この発明は、次の幾何学的特徴事項を有する流体機械、特に蒸気タービンの案内ブレード（４）に関する。傾斜−彎曲部と、連続−彎曲部と、それぞれのブレード（４）の半径方向におけるねじれと、流れ方向（１５）において流体機械の回転軸線（８）に対して半径方向に内方に逆戻りするハブ側周辺段（１４）と、案内ブレード（４）の半径方向延長部にわたり案内ブレード（４）の変り得る弦長さ（ｓ）と、案内ブレード（４）の半径方向延長部にわたり案内ブレード（４）の変り得る横断面輪郭とを備えている。

Description

この発明は。少なくとも一つの案内ブレード列を備える流体機械、特に蒸気タービンの案内ブレードに関する。

特に蒸気タービン構造では、彎曲されたブレードは、ロータ側とステータ側の間の静止圧力経過における鋳造された半径方向差異を示し、転向によって案内ブレードに生じる強力な三次元流れが生じるならば、タービンブレードの実施態様として使用され得る。大きな流入横断面を備える低圧タービンの最終段における流れ媒体の流れは特にブレード長さとハブの間の大きな比では蒸気タービンの効率に負的に奏する半径方向反動分布をまねく。この場合には、反動分布は半径方向において異なっていて、反動分布がハブには低く、タービンのハウジングには高い、それは一般に欠点として紹介される。

ハブ領域における高反動は案内ブレードリムにおける隙間損失を減少させて、それにより改良された効率を導く。それ故に、半径方向反動分布を最適化するために、彎曲されたブレードが使用される。

ドイツ特許出願公開第３７４３７３８号明細書（特許文献１）から、周辺方向に彎曲された案内ブレードを備えるタービンが知られていて、その案内ブレードの曲率がブレード高さを越えてそれぞれに周辺方向に隣接した案内ブレードの圧力側に対して向けられている。追加的にこの刊行物からブレードが知られていて、そのブレードの曲率がブレード高さを越えてそれぞれに周辺方向に隣接した案内ブレードの吸込み側に対して向けられている。それにより有効な形式には、半径方向並びに周辺方向に延びている限界層圧力勾配が減少されて、それにより空気動的ブレード損失が全体的に減少される。

軸方向に且つ周辺方向に彎曲された案内ブレードを備えるタービンが例えばドイツ特許出願公開第４２２８８７９号明細書（特許文献２）から知られている。この場合には、案内格子の上流に固定案内格子が配置されていて、その回転ブレードが数に関して並びに弦対区分の関係に関して流れ技術的に全負荷に最適化されている。回転ブレードは流れに回転格子に流入のために必要なねじれを与える。ブレードの曲率が弦に垂直に延びていて、それは輪郭横断面の変位によって周辺方向並びに軸方向に達成される。案内ブレードの曲率がそれぞれに周辺方向に隣接した案内ブレードの圧力側に対して向けられている。ブレード弦に垂直なこの曲率により、半径方向に投射されたブレード面が周辺方向のみにおける公知の曲率におけるよりも大きく、それにより半径方向力が流れ媒体に上昇されるので、これが通路壁に押圧されて、そこで限界層厚を減少させる。

国際出願公開第２００５／００５７８４号明細書（特許文献３）からタービンブレードが知られていて、流れ方向においてそのロータ側端とそのステータ側端に負的に矢印で示され、流れ方向に関して半径方向にそのロータ側端並びにそのステータ側端にて圧力側に対して傾斜されている。この場合には、周辺方向に及び軸方向に彎曲されたタービンブレードを備えるタービンが重要である。

欧州特許第０９１６８１２号明細書（特許文献４）から、大きな通路分岐部並びに一列に彎曲された案内ブレードと一列に先細に旋回された回転ブレードを備える軸方向に貫流されたタービンの最終段が知られていて、案内ブレードが軸方向にそのロータ側端にて正に且つそのステータ側端にて負的に矢印で示され、それぞれにロータ側通路限度の経過に関して示される。この場合には、案内ブレードの正の矢印がブレード高さの三分の二にわたり延びていて、その後に負の矢印に移行し、ここで正の矢印の領域には、案内ブレード後辺が案内ブレード前辺まで平行に延びていて、案内ブレードと回転ブレードの間の負の矢印の領域には、壁に対して常に分散する軸方向拡散器を流れ媒体の軸方向成分の増加する遅延を伴って形成する。

周辺方向及び／又は半径方向に彎曲されたタービンブレードを備える別のタービンは例えば米国特許第５２４９９２２号明細書（特許文献５）、米国特許第４４７０７５５号明細書（特許文献６）、米国特許第４５００２５６号明細書（特許文献７）或いは欧州特許出願公開第０４２５８８９号明細書（特許文献８）から知られている。
ドイツ特許出願公開第３７４３７３８号明細書 ドイツ特許出願公開第４２２８８７９号明細書 国際出願公開第２００５／００５７８４号明細書 欧州特許第０９１６８１２号明細書 米国特許第５２４９９２２号明細書 米国特許第４４７０７５５号明細書 米国特許第４５００２５６号明細書 欧州特許出願公開第０４２５８８９号明細書

この発明の課題は、空気動的ブレード損失の減少によって流体機械の改良された効率を達成させる流体機械の案内ブレードを準備することである。

この問題は、独立請求項の対象によって解決される。好ましい実施態様は従属請求項の対象である。

この発明は、流体機械では案内ブレード列の少なくとも案内ブレードに傾斜−湾曲部、連続−湾曲部、ねじれ、案内ブレードの半径方向延長部にわたり変り得る弦長さと案内ブレードの半径方向延長部にわたり変り得る横断面輪郭とを備えるという一般思想に基づいている。追加的に案内ブレード列がハブ側周辺段を有し、その周辺段が流れ方向において流体機械の回転軸線に対して半径方向に内方に逆戻りする。これによって複数の利点が統合される。一方では、タービンによって貫流する質量流の半径方向分布並びに半径方向圧力勾配が減少されるのに、他方では、大きな質量流、即ち大量貫流がハブの領域にて励起される。同時に衝突エネギーが水滴により減少されていて、それにより腐食行動が有効に影響される。特に衝突エネギーがブレード尖端における反動率を減少させるように、利用され得て、それにより僅かな絶対速度が案内ブレード流出辺にて実現され得るので、僅かな漏れ損失が生じる。

流体機械のこの発明の案内ブレードの別の重要な特徴と利点は、従属請求項、図面や図面に基づく付属図の説明から明らかになる。

この発明の好ましい実施態様は、図面には図示されて、次の詳細な説明で詳細に説明される。

図１では、ロータハブ２と半径方向外壁３の間にハウジングに配置されている流れ空間１には例として切断された案内ブレード４が図示されている。この場合には、案内ブレード４が重要であるけれども、限定されずに設定するので、この発明から例えば回転ブレードのような流体機械に配置された他のブレードを包含する。

図１に示されるように、案内ブレード４が所謂傾斜ー彎曲部を有し、周辺方向に向けられていて、曲率角度γが半径方向ブレード長さに沿って、つまりハブ２から半径方向外壁３までに変更される。図１に図示された実施態様では、案内ブレード４の傾斜ー彎曲部が半径方向ブレード長さに沿ってブレード脚から、つまりハブ２からブレード尖端まで、つまり外壁３に対して延びている。案内ブレード４の傾斜ー彎曲部では、正の傾斜ー彎曲部が重要であり、即ち彎曲部が案内ブレード４の回転方向に延びている。この場合には、彎曲された案内ブレード４の形状が特に一般に連続的弓弦を示し、弓弦はハブ２或いは外壁３を備える尖端角度γを形成する。この曲率角度γが案内ブレード４の流出辺１２或いは流出辺１６にてブレード表面６に隣接する接線７と流体機械の回転軸線８に垂直に延びる光線９との間に位置し、特に０°≦γ≦１５°の範囲に位置する。

図２には、案内ブレード４の所謂連続彎曲部が図示されていて、彎曲部が軸方向において、即ち案内ブレード４の弦１０と平行である。この場合には、連続彎曲部は曲率角度δによって記載され、その曲率角度は半径方向ブレード長さに沿って変更され、ハブ２にて正の値を、ハウジング３にて負の値を有する。この場合には、正の値は、弦１０が交差点１１の上部で流体機械の回転軸線８と垂直に延びる光線９と光線９の右に延びていて、弦が負の曲率角度δでは交差点１１の上部に光線９の左に延びていることによって定義されている。それ故に、曲率角度δは流入辺１６或いは流出辺１２にてブレード表面６に隣接する子午線の接線７と流体機械の回転軸線８に垂直に延びている光線９との間に位置し、通常には１５°≦δ≦- ２０°の値を有する。

この発明によると、案内ブレード４がそれぞれのブレード４の半径方向においてねじれを有し、それが図３に図示されている。この場合には、ねじれ或いは旋回が金属角度α₂ にわたり定義されていて、金属角度が一方では流体機械の周辺方向におけるそれぞれの案内ブレード４のそれぞれの流出辺１２に接続する周辺線２１と他方では流出辺１２に関する流入辺１６における曲率中心線１３の接線７との間に配置されている。連続彎曲部或いは傾斜彎曲部と同様に、金属角度α₂ が半径方向ブレード長さに沿って変更され、金属角度がハブ２の領域では、ハウジング３におけるより大きい。この場合には、金属角度α₂ の流体機械の空気動的関係に有効な領域が通常には２５°≦α₂ ≦１０°である。

図４には、流体機械を通る案内ブレード４の領域における縦断面が図示されていて、ハブ側周辺段１４が流れ方向１５において流体機械の回転軸線８に対して半径方向に内方に逆戻りすることが認められる。周辺段１４が図４の表示により流入辺１６と流出辺１２の間のｓ状輪郭を有する。これはとにかく強制されておらず、周辺段が選定的に流入辺１６と流出辺１２の間の直線経過を有し得る。周辺段１４によって流入辺１６におけるハブ直径が流出辺１２におけるより大きい、それにより同様に空気動的特性が正に影響される。この場合には、周辺段１４の高さは角度β₁ とβ₂ にわたり決定され、この角度がそれぞれに一方で周辺段１４における接線７と他方では流体機械の回転軸線８或いはこの回転軸線に対する平行線の間に決定され、通常には−２０°≦β_1,2 ≦２０°に位置する。この場合には、周辺段１４における接線７が前記接線７が重点線１８と周辺段１４と交差する交点１７において最大勾配を有する。前記交点１７では周辺段１４のｓ状横断面形状にて通常には転向点である。

図５には、区分関係ｔ／ｓ、即ち二つの隣接した案内ブレード４の間の周辺方向におけるブレード間隔ｔと案内ブレード４の半径方向延長部にわたる弦長さｓとから商が図示されている。この場合には、弦長さｓ及びブレード間隔ｔが直線量として把握され、案内ブレード４の半径方向延長部にわたり変更され、通常にはブレード脚における区分関係ｔ／ｓがブレード尖端３におけるより小さい。通常には区分関係ｔ／ｓが位置する範囲は０．４５≦ｔ／ｓ≦０．７５の間に定義されている。

図６の表示には、この発明による案内ブレード４の二つの別の特性が、即ち一方では案内ブレード４の半径方向ブレード長さにわたり変更する入射角度α₁ 並びに圧力側１９の面接線７ａと案内ブレード４の流出辺１２における吸込み側２０の面接線７ｂの間に半径方向ブレード長さにわたり変更する楔角度ＷＥを示す。この場合には、ブレード脚２における曲率中心線１３の流入側入射角度α₁ がブレード尖端３より小さく、例えば５５°≦α₁ ≦１１０°の範囲である。それ故に、入射角度α₁ がブレード脚２からブレード尖端３まで増加する。従って、ブレード脚２における楔角度ＷＥがブレード尖端３におけるより大きく、特に連続的にブレード脚２からブレード尖端３の方向に減少される。楔角度ＷＥが通常には１５°≦ＷＥ≦０°の範囲に位置する。

この場合には、案内ブレード４は、それら曲率角度が曲率中心線１３に関して或いは流出辺１６に関して測定される限り、傾斜−彎曲部の少なくとも曲率角度γ及び／又は連続彎曲部の曲率角度δが半径方向ブレード長さに沿って変更されないように形成されていることが注目に値する。

図６によると、最狭の流れ横断面ｑが隣接した二つの案内ブレード４の間に形成され、ハブ２とハウジング３の間に流れ方向１５と反対に移動される。言い換えると、二つの隣接した案内ブレード４のハブ２における流れ通路ｑが流出辺１２の領域に位置し、二つの隣接した案内ブレード４のハウジング３の領域の狭い通路が流入辺１６の領域におけるより増しである。

角度Δαは図６により一方では接線７’によって他方では接線７”によって形成されている。接線７’が流出辺１２の吸込み側２０に当接し、接線７”が案内ブレード４の吸込み側２０に当接して同時に狭い通路ｑに垂直に整合されている。この場合には、この角度Δαはこの発明によるとハブ２からハウジング３まで減少されて、半径方向ブレード長さに沿って可変である。この場合に、角度Δαの典型的範囲が−５°≦Δα≦１５°の間に位置する。

案内ブレードの領域におけるこの発明の流体機械を通る横断面を示す。 案内ブレードの領域における流体機械を通る縦断面を示す。 案内ブレードに関して半径方向における平面図を示す。 ハブ側段の領域における流体機械を通る縦断面を示す。 区分関係を説明する強力な概略滴表示を示す。 図５にあるけれども、楔角度を説明する表示を示す。

符号の説明

１．．．．．流れ空間
２．．．．．流体機械のハブ
３．．．．．半径方向外壁／ハウジング
４．．．．．案内ブレード
６．．．．．ブレード表面
７．．．．．接線
８．．．．．流体機械の回転軸線
９．．．．．半径方向光線
１０．．．．ブレード弦
１１．．．．交点
１２．．．．流出辺
１３．．．．曲率中心線
１４．．．．ハブ輪郭
１５．．．．流れ方向
１６．．．．流入辺
１７．．．．交点
１８．．．．重点線
１９．．．．案内ブレードの圧力側
２０．．．．案内ブレードの吸込み側
２１．．．．周辺線
α₁ ．．．．ブレード流入辺における金属角度
α₂ ．．．．ブレード流出辺における金属角度
β．．．．．ハブ輪郭１４の角度
γ．．．．．傾斜−曲率角度
δ．．．．．連続−曲率角度
ｓ．．．．．弦長さ
ｔ．．．．．ブレード間隔
ｑ．．．．．最狭流れ横断面
ＷＥ．．．．楔角度

Claims (9)

1. 流体機械、特に蒸気タービンの案内ブレード（４）において、次の幾何学的特徴事項： ・ブレード弦（１０）に垂直に、即ち実質的に周辺方向における傾斜−彎曲部と、
   ・ブレード弦（１０）と平行に、即ち実質的に流体機械の半径方向における連続−彎曲部と、
   ・それぞれのブレード（４）の半径方向におけるねじれと、
   ・流れ方向（１５）において流体機械の回転軸線（８）に対して半径方向に内方へ逆戻りするハブ側周辺段（１４）と、
   ・案内ブレード（４）の半径方向延長部にわたり案内ブレード（４）の変り得る弦長さ（ｓ）と、
   ・案内ブレード（４）の半径方向延長部にわたり案内ブレード（４）の変り得る横断面輪郭とを備えていることを特徴とする案内ブレード（４）。
2. ・傾斜−彎曲部が半径方向ブレード長さに沿って変更すること及び／又は
   ・傾斜−彎曲部が半径方向ブレード長さに沿ってハブ（２）からハウジング（３）まで減少すること及び／又は
   ・案内ブレード（４）の流出辺（１２）或いは流入辺（１６）にてブレード表面（６）に隣接する接線（７）と流体機械の回転軸線（８）に垂直に延びている光線（９）との間の曲率角度（γ）が０°≦γ≦１５°の範囲に位置すること及び／又は
   ・案内ブレード（４）が正の傾斜−彎曲部、即ち回転方向における彎曲部を有することを特徴とする請求項１に記載の案内ブレード（４）。
3. ・案内ブレード（４）の連続彎曲部が半径方向ブレード長さに沿って変更されること及び／又は
   ・案内ブレード（４）の連続彎曲部が半径方向ブレード長さに沿ってハブ（２）の範囲で正の値を有し、ハウジング（３）にて負の値を有すること及び／又は
   ・流入辺（１６）或いは流出辺（１２）にてブレード表面（６）に隣接する子午線の接線（７）と流体機械の回転軸線（８）に垂直に延びている光線（９）との間の曲率角度（δ）が１５°≦δ≦−２０°の範囲に位置することを特徴とする請求項１或いは２に記載の案内ブレード（４）。
4. ・流出辺（１２）にて金属角度（α₂ ）が流体機械の周辺方向における周辺線（２１）と流出辺（１２）における曲率中心線（１３）の接線との間に定義されていること及び／又は
   ・金属角度（α₂ ）が半径方向ブレード長さに沿って変更されること及び／又は
   ・ハブ（２）における金属角度（α₂ ）がハウジング（３）におけるより大きいこと及び／又は
   ・案内ブレード（４）の流出辺（１２）における曲率中心線（１３）の接線と流体機械の回転軸線との間の金属角度（α₂ ）が２５°≦α₂ ≦１０°の範囲に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の案内ブレード（４）。
5. ・ハブ側周辺段（１４）が案内ブレード（４）の流入辺（１６）と流出辺（１２）間のｓ状輪郭を有する、或いは直線に両辺（１２、１６）の間に延びていること及び／又は
   ・流入辺（１６）と流出辺（１２）が平行に延びていないこと及び／又は
   ・周辺段（１４）における接線（７）と流体機械の回転軸線（８）の間の角度（β）が−２０°≦β≦２０°の範囲に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の案内ブレード（４）。
6. ・区分比（ｔ／ｓ）、即ち商が周辺方向における隣接した案内ブレード（４）と弦長さ（ｓ）の間のブレード間隔（ｔ）から案内ブレード（４）の半径方向延長部にわたり変化されること及び／又は
   ・ハブ（２）における区分比（ｔ／ｓ）がハウジング（３）におけるより小さいこと及び／又は
   ・区分比（ｔ／ｓ）が０．４５≦ｔ／ｓ≦０．７５の範囲に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の案内ブレード（４）。
7. ・曲率中心線（１３）の流入側入射角度（α₁ ）が案内ブレード（４）の半径方向延長部にわたり変化されること及び／又は
   ・ハブ（２）における曲率中心線（１３）の流入側入射角度（α₁ ）が区分比ハウジング（３）におけるより小さいこと及び／又は
   ・曲率中心線（１３）の流入側入射角度（α₁ ）が５５°≦α₁ ≦１１０°の範囲に位置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の案内ブレード（４）。
8. ・圧力側（１９）の平面接線（７’）と吸込み側（２０）の平面接線（７”）の間の楔角度（ＷＥ）が案内ブレード（４）の流出辺（１２）において案内ブレード（４）の案内ブレード（４）の半径方向ブレード長さにわたり変更されること及び／又は
   ・ハブ（２）における楔角度（ＷＥ）がハウジング（３）におけるより大きいこと及び／又は
   ・楔角度（ＷＥ）が１５°≦ＷＥ≦０°の範囲に位置することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の案内ブレード（４）。
9. 隣接した案内ブレード（４）の間の最も狭い流れ横断面（ｑ）がハブ（２）からハウジング（３）まで流れ方向（１５）と反対に移動されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の案内ブレード（４）。

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