JP2010265826A - Nozzle box for steam turbine and steam turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蒸気タービンに設置される蒸気タービン用ノズルボックスおよびこの蒸気タービン用ノズルボックスを備えた蒸気タービンに関する。 The present invention relates to a steam turbine nozzle box installed in a steam turbine and a steam turbine including the steam turbine nozzle box.
火力発電所などで用いられる蒸気タービンのような軸流回転機械は、作動流体が通過する流路が静止しているノズルと、回転する動翼とを複数段組み合わせて構成された翼列を備えている。蒸気タービンの場合、作動流体である蒸気の条件から、一般に、高圧部、中圧部、低圧部に分類されている。それぞれの翼列部において、作動流体による仕事の効率を向上させるため、翼列間の流路は、作動流体が円滑に流れるような形状に設計される必要がある。 BACKGROUND ART An axial flow rotary machine such as a steam turbine used in a thermal power plant or the like includes a cascade composed of a combination of a plurality of stages of nozzles with stationary flow paths through which a working fluid passes and rotating rotor blades. ing. In the case of a steam turbine, it is generally classified into a high-pressure part, an intermediate-pressure part, and a low-pressure part based on the conditions of steam as a working fluid. In each blade row, in order to improve work efficiency by the working fluid, the flow path between the blade rows needs to be designed in a shape that allows the working fluid to flow smoothly.
従来、エネルギ資源の有効利用やCO2排出量の削減のため、発電機器においては、機器の効率を向上させることが重要な課題となっている。蒸気タービンの効率を向上させるためには、例えば、与えられたエネルギを有効に機械仕事に変換することが挙げられる。その対策の一つとして、様々な内部損失を低減することが挙げられる。 Conventionally, in order to effectively use energy resources and reduce CO 2 emissions, it is important to improve the efficiency of power generation equipment. In order to improve the efficiency of the steam turbine, for example, it is possible to effectively convert the given energy into mechanical work. One countermeasure is to reduce various internal losses.
蒸気タービンにおける内部損失には、翼の形状に起因するプロファイル損失、二次流れに起因する二次損失、翼列外への作動流体の漏洩に起因する漏洩損失、最終翼群に特有のドレンに起因する湿り損失などの蒸気タービン翼列内の損失がある。さらに、蒸気弁、蒸気をある翼列まで導く通路部、ある翼列を出て次の翼列までの通路部における損失、低圧最終段における排気損失などがある。 Internal losses in steam turbines include profile loss due to blade shape, secondary loss due to secondary flow, leakage loss due to leakage of working fluid outside the cascade, and drains specific to the final blade group. There are losses in the steam turbine cascade, such as due to wet loss. Further, there are a steam valve, a passage portion for introducing steam to a certain blade row, a loss in a passage portion from a certain blade row to the next blade row, an exhaust loss in the low-pressure final stage, and the like.
翼列と翼列をつなぐ通路部の圧力損失を低減するため、翼列にできるだけ均一に蒸気を導く技術が開示されている。例えば、翼列にできるだけ均一に蒸気を導くため、蒸気の流れを制御するガイドを備える蒸気タービンが開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、翼列にできるだけ均一に蒸気を導くため、翼列入口部にハニカム材や多孔板を備える蒸気タービン(例えば、特許文献2参照。)や、翼列を周方向に傾けて流れの均一化が図られた蒸気タービン(例えば、特許文献3参照。)などが開示されている。 In order to reduce the pressure loss of the passage portion connecting the blade rows, the technology for guiding the steam to the blade rows as uniformly as possible is disclosed. For example, a steam turbine is disclosed that includes a guide for controlling the flow of steam in order to guide steam as uniformly as possible to the cascade (see, for example, Patent Document 1). In addition, in order to guide steam as uniformly as possible to the cascade, a steam turbine (for example, see Patent Document 2) having a honeycomb material or a perforated plate at the cascade inlet, or a uniform flow by tilting the cascade in the circumferential direction (For example, refer to Patent Document 3).
ここで、従来のノズルボックスの構成について説明する。図7は、従来のノズルボックス300のタービンロータに垂直な断面を第1段ノズル303側から見たときの図である。図8は、図7のA−A断面を示す図である。なお、中心にはタービンロータが貫設されているが、ここではタービンロータの図示を省略して示している。
Here, the configuration of the conventional nozzle box will be described. FIG. 7 is a view when a cross section perpendicular to the turbine rotor of the
図7に示すように、ノズルボックス300は上下2つの空間に分離され、それぞれの空間にボイラ(図示しない)からの蒸気301が2つの蒸気入口管302によって導入される。図8に示すように、ノズルボックス300に導入された蒸気301は、ノズルボックス300の構造を補強するために設けられたブリッジ304の間を通り、第1段ノズル303に導かれる。第1段ノズル303の下流で通路部は全周連結され、第1段ノズル303を通過した蒸気301は、第1段動翼(図示しない)へ導かれる。
As shown in FIG. 7, the
図9は、蒸気入口管302からノズルボックス300の空間に導入された蒸気301がブリッジ304間に流入する際の蒸気301の流れを模式的に示した図である。なお、図9は、ブリッジ304および第1段ノズル303の周方向断面(円周方向断面)を平面上に展開した周方向断面展開模式図として表しており、図9の上下方向が周方向(円周方向)であり、左右方向がタービンロータ軸方向となっている。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the flow of the
図9に示すように、すべてのブリッジ304は同形状で構成され、一定の方向を向いて、周方向に等間隔に設置されている。また、ブリッジ304は、中心線305が直線となる形状で構成され、この中心線305がタービンロータ軸に平行になるように設置されている。ここで、図9に示したαは、ブリッジ304間への蒸気301の流入角である。この流入角αは、ブリッジ304間の蒸気流入部において、ブリッジ304の最上流側の端部(以下、前縁304aという)における中心線305の延長線に平行な直線と、蒸気301の流線とがなす角度である。
As shown in FIG. 9, all the
図9に示すように、この流入角αが大きいほど、ブリッジ304の間に流入した蒸気301の流れの一部に渦306が発生しやすく、圧力損失が生じやすい。また、このようにブリッジ304の間に流入した蒸気301は、乱れた状態でブリッジ304の下流側に設置されている第1段ノズル303へ流入する。
As shown in FIG. 9, the larger the inflow angle α, the more easily the
ここで、図10は、ブリッジ304の周方向の位置を示す周方向角度における流入角αを示した図である。なお、図7には、この周方向角度に対応する位置を示している。図10に示された流入角αは、CFD(Computational Fluid Dynamics)を用いて、定常状態における3次元熱流体解析によって得られたものである。図10の縦軸に示された流入角αにおいて、例えば、流入角αが0度の場合には、蒸気301の流れ方向は、ブリッジ304の前縁304aにおける中心線305の延長方向と平行となる。この場合、蒸気301は、ブリッジ304の間をブリッジ304の中心線305に平行に流れ、第1段ノズル303へ導かれる。
Here, FIG. 10 is a diagram showing the inflow angle α at the circumferential angle indicating the circumferential position of the
図10に示すように、流入角αは、周方向角度において大きく変動している。さらに、大きな流入角αを有する場合には、上記したように渦306が発生し、圧力損失が生じ、蒸気タービンの効率が低下する。
As shown in FIG. 10, the inflow angle α varies greatly in the circumferential direction angle. Further, when the inflow angle α is large, the
図11は、2つの蒸気入口管302によってノズルボックス300に蒸気301を導入する構成を備える従来のノズルボックス300のタービンロータに垂直な断面を第1段ノズル303側から見たときの図である。図12は、図11に示されたノズルボックス300の形状における、ブリッジ304の周方向の位置を示す周方向角度における流入角αを示した図である。なお、ブリッジ304の形状等は、図8に示したものと同じである。また、図10に示された流入角αと同様に、図12に示された流入角αは、CFD(Computational Fluid Dynamics)を用いて、定常状態における3次元熱流体解析によって得られたものである。
FIG. 11 is a view when a cross section perpendicular to the turbine rotor of the
図12に示すように、このノズルボックス300においても、流入角αは、周方向角度において大きく変動している。さらに、大きな流入角αを有する位置では、上記したように渦306が発生し、圧力損失が生じ、蒸気タービンの効率が低下する。
As shown in FIG. 12, also in this
上記のように、従来のノズルボックス300においては、ブリッジ304の間に、大きな流入角αを有して蒸気301が流入する領域が存在していた。これによって、圧力損失が生じ、蒸気タービンの効率が減少するといった問題があった。
As described above, in the
そこで、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、一定の方向に向けて、周方向に所定の間隔で列設された補強部材間を蒸気が流れる際の圧力損失を低減させて蒸気を第1段ノズルへ導くことができる蒸気タービン用ノズルボックスおよびこの蒸気タービン用ノズルボックスを備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and reduces pressure loss when steam flows between reinforcing members arranged in a circumferential direction at predetermined intervals in a certain direction. It is an object of the present invention to provide a steam turbine nozzle box capable of guiding steam to the first stage nozzle and a steam turbine including the steam turbine nozzle box.
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、蒸気入口管から導入され、周方向に広がる蒸気流路に流入した蒸気を、周方向に一定の向きで列設された補強部材間を通して第1段ノズルへ導くように構成された蒸気タービン用ノズルボックスであって、前記第1段ノズルの上流側に列設された複数の前記補強部材が、前縁および後縁を有する翼型形状で構成され、複数の前記補強部材のうち、少なくとも1つの前記補強部材の前縁から後縁方向に亘る一方の側面の一部に、蒸気の流れを乱す流れ乱化機構を備えることを特徴とする蒸気タービン用ノズルボックスが提供される。 In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, the reinforcing members that are arranged from the steam inlet pipe and flow into the steam flow path that extends in the circumferential direction are arranged in a certain direction in the circumferential direction. A steam turbine nozzle box configured to lead to the first stage nozzle through the blade, wherein the plurality of reinforcing members arranged upstream of the first stage nozzle have a leading edge and a trailing edge. A flow disturbance mechanism that disturbs the flow of steam is provided on a part of one side surface extending from the front edge to the rear edge direction of at least one of the plurality of reinforcing members. A featured nozzle box for a steam turbine is provided.
また、本発明の一態様によれば、蒸気入口管から導入され、周方向に広がる蒸気流路に流入した蒸気を、周方向に一定の向きで列設された補強部材間を通して第1段ノズルへ導くように構成された蒸気タービン用ノズルボックスを備えた蒸気タービンであって、前記ノズルボックスが、上記した蒸気タービン用ノズルボックスであることを特徴とする蒸気タービンが提供される。 Moreover, according to one aspect of the present invention, the first stage nozzle passes the steam introduced from the steam inlet pipe and flowing into the steam flow path extending in the circumferential direction between the reinforcing members arranged in a certain direction in the circumferential direction. There is provided a steam turbine including a nozzle box for a steam turbine configured to guide the steam turbine, wherein the nozzle box is the nozzle box for a steam turbine described above.
本発明の蒸気タービン用ノズルボックスおよびこの蒸気タービン用ノズルボックスを備えた蒸気タービンによれば、一定の方向に向けて、周方向に所定の間隔で列設された補強部材間を蒸気が流れる際の圧力損失を低減させて蒸気を第1段ノズルへ導くことができる。 According to the steam turbine nozzle box of the present invention and the steam turbine provided with the steam turbine nozzle box, when steam flows between the reinforcing members arranged in the circumferential direction at predetermined intervals in a certain direction. The pressure loss can be reduced and the steam can be led to the first stage nozzle.
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係るノズルボックス10を備えた蒸気タービン200の上半ケーシング部における断面を示した図である。
FIG. 1 is a view showing a cross section of an upper half casing portion of a
図1に示すように、蒸気タービン200は、例えば、内部ケーシング210とその外側に設けられた外部ケーシング211とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング210内に動翼214が植設されたタービンロータ212が貫設されている。このタービンロータ212は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。
As shown in FIG. 1, the
また、内部ケーシング210の内側面には、タービンロータ212の軸方向に動翼214と交互になるようにノズル213が配設されている。タービンロータ212と各ケーシングとの間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドラビリンス部215a、215b、215c、215dが設けられている。
In addition,
さらに、蒸気タービン200には、蒸気入口管220が、外部ケーシング211および内部ケーシング210を貫通して設けられ、さらに蒸気入口管220の端部が、動翼214側に向けて蒸気を導出するノズルボックス10に連通して接続されている。このノズルボックス10は、蒸気入口管220から導入された蒸気が周方向に広がる蒸気流路20を備えている。また、ノズルボックス10は、蒸気流路20に導入された蒸気を第1段ノズル213aへ導くブリッジ30を備えている。
Further, the
蒸気入口管220を経て、ノズルボックス10内に流入した蒸気は、蒸気流路20内に広がり、ブリッジ30間を通り第1段ノズル213aへ導かれ、第1段動翼214aに向けて噴出される。噴出された蒸気は、各段落のノズル213と動翼214との間の蒸気通路を通り、タービンロータ212を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気され、例えば、低温再熱管(図示しない)を通りボイラ(図示しない)に流入する。また、第1段ノズル213aから第1段動翼214aに向けて噴出された蒸気の一部は、例えば、タービンロータ212と、ノズルボックス10側の内部ケーシング210との間のグランドラビリンス部215aをタービンロータ212の軸方向に沿って外側に向かって流れ、内部ケーシング210と外部ケーシング211との間に流出する。そして、冷却用蒸気として内部ケーシング210と外部ケーシング211との間に導かれ、グランドラビリンス部215bまたは膨張仕事をした蒸気の大部分が排気される排気経路から排気される。
The steam that has flowed into the
なお、蒸気タービン200の構成は、上記した構成に限定されるものではなく、蒸気入口管220を経てノズルボックス10内に蒸気が流入される構成を備える蒸気タービンであればよい。
Note that the configuration of the
次に、本発明に係るノズルボックス10について説明する。
Next, the
(第1の実施の形態のノズルボックス)
図2は、本発明に係る第1の実施の形態のノズルボックス10のタービンロータ212に垂直な断面を第1段ノズル213a側から見たときの図である。なお、中心にはタービンロータ212が貫設されているが、ここではタービンロータ212の図示を省略して示している。図3は、本発明に係る第1の実施の形態のノズルボックス10内におけるブリッジ30および第1段ノズル213aの設置構成を模式的に示した図である。なお、図3は、ブリッジ30および第1段ノズル213aの周方向断面(円周方向断面)を平面上に展開した周方向断面展開模式図として表しており、図3の上下方向が周方向(円周方向)であり、左右方向がタービンロータ軸方向となっている。
(Nozzle box of the first embodiment)
FIG. 2 is a view when a cross section perpendicular to the
ここでは、図2に示すように、上下2つの空間に分離され、それぞれの空間に2つの蒸気入口管によって蒸気が導入されるノズルボックス10の構成を例示して説明する。なお、ノズルボックス10は、この構成に限られるものではなく、例えば、前述した、図11に示すような、2つの蒸気入口管によって蒸気を導入する構成のノズルボックスであってもよい。
Here, as illustrated in FIG. 2, the configuration of the
図2に示すように、ノズルボックス10は、上下2つの空間に分離され、それぞれの空間に、例えば、ボイラ(図示しない)からの蒸気Sが2つの蒸気入口管220によって導入される。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、ノズルボックス10の蒸気流路20に対応して、複数のブリッジ30および複数の第1段ノズル213aが円周方向に所定の間隔をおいて列設されている。また、ブリッジ30は、補強部材として機能し、ノズルボックス10の構造を補強するために、複数のブリッジ30が、第1段ノズル213aの上流側、すなわち第1段ノズル213aよりも蒸気流路20側に、第1段ノズル213aと所定の間隔をおいて、一定の方向に向けて列設されている。このブリッジ30は、図3に示すように、例えば、前縁32および後縁34を有する翼型形状で構成されている。また、ブリッジ30の前縁32側の断面形状は、例えば、図3に示すように、半円や楕円となるように構成されている。なお、ここでは、すべてのブリッジ30は、ブリッジ30の周方向断面における、前縁32から後縁34に至る中心線31(以下、ブリッジ30の中心線31という)が直線となるように構成され、このブリッジ30の中心線31がタービンロータ軸方向と平行になるように配置されている。
As shown in FIG. 3, a plurality of
蒸気入口管220から導入されて蒸気流路20内に広がった蒸気Sは、図2に示すように、蒸気流路20の周方向角度によって、ブリッジ30間に形成される通路に対して流入する角度が異なる。すなわち、ブリッジ30の中心線31の延長線に平行な直線と、このブリッジ間を流れる各蒸気の流線方向に平行な直線とのなす角が、各ブリッジ30間で異なる。なお、ここでは、ブリッジ30の中心線31の延長線と、ブリッジ30の前縁32における蒸気の流線とがなす角を流入角βと定義する。
The steam S introduced from the
図3には、4つの蒸気入口管220のうちの1つの蒸気入口管220からの蒸気Sをブリッジ30間に導く流路の流路中心線が、ブリッジ30cとブリッジ30dとの間の中心を通る部位の周方向断面展開模式図が例示されている。また、図3では、各ブリッジ30a〜30fにおける流入角をそれぞれβa〜βfと示している。
In FIG. 3, the flow path center line of the flow path for guiding the steam S from one of the four
これらの流入角βa〜βfは、図3に示すように、各ブリッジ30a〜30fによって異なる。なお、ここでは、ブリッジ30の中心線31に対して右回り(時計回り)に形成される流入角βa〜βcを正の角度とし、ブリッジ30の中心線31に対して左回り(反時計回り)に形成される流入角βd〜βfを負の角度とする。
These inflow angles βa to βf are different depending on the
例えば、上記した流路中心線に近い、ブリッジ30cの流入角βcやブリッジ30dの流入角βdの絶対値は小さく、これらのブリッジ30c、30dから周方向に離れるに伴って、流入角βの絶対値は増加する。そして、図10に示したように、流入角βは、所定の周方向角度において正または負のピーク値を示す。
For example, the absolute values of the inflow angle βc of the
本発明に係る第1の実施の形態のノズルボックス10におけるブリッジ30a〜30fにおいて、流入角βa〜βfが±5度の範囲内、すなわち−5度以上5度以下の範囲となるブリッジ30以外のブリッジ30には、図3に示すように、流れ乱化機構50が備えられている。ここでは、ブリッジ30cの流入角βcとブリッジ30dの流入角βdが±5度の範囲内となるものとして説明する。したがって、図3に示した範囲では、流れ乱化機構50は、流入角βが±5度の範囲を超えるブリッジ30a、30b、30e、30fに設けられる。
In the
ここで、図4は、流れ乱化機構50を備えるブリッジ30eの斜視図である。この流れ乱化機構50は、流れ乱化機構50に沿って流れる蒸気の流れを乱す機能を発現するものである。
Here, FIG. 4 is a perspective view of the
この流れ乱化機構50は、ブリッジ30a、30b、30e、30fの前縁32から後縁34方向に亘る一方の側面33aの一部に設けられる。この流れ乱化機構50が設けられる側面33aは、図3に示すように、ブリッジ30a、30b、30e、30fの中心線31で区分される、蒸気入口管220からの蒸気を導入する導入部に対向する側の側面33bとは異なる側の側面である。換言すると、各ブリッジ30a、30b、30e、30fにおいて、上記した、蒸気入口管220からの蒸気Sをブリッジ30間に導く流路の流路中心線から遠い側の側面である。
This
ここで、流れ乱化機構50が設けられる後縁34方向の範囲は、例えば、ブリッジ30a、30b、30e、30fの形状などに対応して設定される。流れ乱化機構50は、例えば、ブリッジ30a、30b、30e、30fの前縁32側の側面33aの、流れの剥離などを生じやすい領域に対応して設けられることが好ましい。また、図4に示すように、流れ乱化機構50は、ブリッジ30a、30b、30e、30fの高さ方向に亘って設けられている。すなわち、流れ乱化機構50は、ブリッジ30a、30b、30e、30fの根本部から先端部に亘って設けられている。
Here, the range in the direction of the trailing
また、流入角βが±5度の範囲を超えるブリッジ30に流れ乱化機構50を備えることが好ましいのは、流入角βが±5度の範囲内である場合には、ブリッジ30の前縁32側において流れの剥離が発生し難いからである。一方、流入角βが±5度の範囲を超える場合には、ブリッジ30の前縁32側において流れの剥離が発生しやすく、ブリッジ30の間に流入した蒸気Sの流れの一部に渦が発生して、圧力損失を増加するからである。
In addition, it is preferable to provide the
流れ乱化機構50は、例えば、流れ乱化機構50を構成すべき部分の側面33aの表面粗さを、流れ乱化機構50を備えないブリッジ30a、30b、30e、30fの表面の表面粗さよりも大きくすることで構成される。また、流入角βの増加に伴って、表面粗さを徐々に大きくするように構成することが好ましい。具体的には、ブリッジ30a、ブリッジ30bにおいては、ブリッジ30bの流れ乱化機構50の表面粗さよりも、ブリッジ30aの流れ乱化機構50の表面粗さの方が大きく構成される。また、ブリッジ30e、ブリッジ30fにおいては、ブリッジ30eの流れ乱化機構50の表面粗さよりも、ブリッジ30fの流れ乱化機構50の表面粗さの方が大きく構成される。また、ブリッジ30b、ブリッジ30aの順に流入角βは増加し、一方、ブリッジ30e、ブリッジ30fの順に流入角βは減少し(流入角βの絶対値は増加)し、図10に示したように、所定の周方向角度において正または負のピーク値を示す。これらの各ピーク値を示す位置のブリッジ30まで、流れ乱化機構50の表面粗さを徐々に大きくしていくことが好ましい。すなわち、各ピーク値を示す位置のブリッジ30に備えられた流れ乱化機構50の表面粗さが最も大きくなるように、換言すれば、各ピーク値を示す位置のブリッジ30に備えられた流れ乱化機構50の表面粗さの大きさがピーク値を示すように構成することが好ましい。
In the
ここで、ブリッジ30bから正のピーク値を示す位置のブリッジ30まで、また、ブリッジ30eから負のピーク値を示す位置のブリッジ30まで、例えば、表面粗さが最大高さ(Rz)で、1Sから20Sまでの範囲で徐々に大きくなるように構成することができる。なお、1Sとは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から最も高い山頂までの高さと、最も低い谷底までの深さを加算した長さが、1μmであることを意味する。また、20Sとは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から最も高い山頂までの高さと、最も低い谷底までの深さを加算した長さが、20μmであることを意味する。
Here, from the
なお、流れ乱化機構50を備えない部分のブリッジ30a、30b、30e、30fの側面や、ブリッジ30a、30bの側面は、例えば、最大高さ(Rz)で1S程度の滑らかな面を構成するように加工されている。
The side surfaces of the
ここでは、ブリッジ30bから正のピーク値を示す位置のブリッジ30まで、また、ブリッジ30eから負のピーク値を示す位置のブリッジ30まで、流れ乱化機構50の表面粗さを徐々に大きくする一例を示したが、例えば、1つのブリッジ30の流れ乱化機構50において、表面粗さを変化させてもよい。
Here, an example of gradually increasing the surface roughness of the
例えば、流れ乱化機構50において、ブリッジ30aの前縁32から後縁34側に向かって、表面粗さを徐々に小さくするように構成してもよい。このように構成することで、特に流れの剥離が生じやすい前縁32側の側面33aに沿う流れを積極的に乱し、前縁32側よりは流れの剥離が生じ難い後縁34側の側面33aにおける蒸気Sとの表面摩擦を低減することができる。
For example, in the
次に、図3に示したブリッジ30a、30b、30c、30d、30e、30f間を流れる蒸気Sの作用について説明する。
Next, the action of the steam S flowing between the
蒸気入口管220から導出され、蒸気流路20に広がった蒸気Sは、所定の流入角βで、各ブリッジ30a、30b、30c、30d、30e、30f間に流入する。この際、例えば、流れ乱化機構50を備えないブリッジ30cとブリッジ30dとの間などに流入した蒸気Sは、ブリッジ30cやブリッジ30dの側面における表面摩擦が小さい状態でブリッジ30cとブリッジ30dとの間を流れ、第1段ノズル213aへ流入する。この場合、ブリッジ30の表面における蒸気Sとの表面摩擦が小さいため、圧力損失を小さくすることができる。
The steam S that is led out from the
一方、ブリッジ30a、30b、30e、30fの流れ乱化機構50に沿って流れる蒸気は、流れ乱化機構50近傍の境界層における流れが乱される。そのため、流れが剥離し難くなり、渦の形成が抑制される。これによって、圧力損失を低減することができる。そして、渦の形成が抑制された蒸気は、第1段ノズル213aへ流入する。
On the other hand, the steam flowing along the
なお、第1段ノズル213aの下流で通路部は全周連結され、第1段ノズル213aを通過した蒸気Sは、第1段動翼214aへ導かれる。
In addition, the passage portion is connected to the entire circumference downstream of the
上記したように、第1の実施の形態のノズルボックス10によれば、流れの剥離が発生しやすい、ブリッジ30の前縁32から後縁34方向に亘る側面33aの一部に、流れ乱化機構50を備えることで、ブリッジ30の前縁32側における流れの剥離や渦の発生を抑制することができる。これによって、蒸気を第1段ノズル213aへ円滑に導くことができ、ブリッジ30間における圧力損失を抑制し、蒸気タービンの効率の向上を図ることができる。
As described above, according to the
なお、流れ乱化機構50は、上記した、ブリッジ30の前縁32から後縁34方向に亘る一方の側面33aの一部の表面粗さを大きくすることで構成されることに限られるものではない。図5は、他の構成の流れ乱化機構50を備えるブリッジ30eの斜視図である。なお、ここでは、ブリッジ30eを例示して説明するが、流れ乱化機構50を備える他のブリッジ30a、30b、30fにおいても同様の構成を備える。
The
図5に示すように、流れの剥離が発生しやすい、ブリッジ30eの前縁32から後縁34方向に亘る側面33aの一部に設けられた流れ乱化機構50は、複数の突起60で構成されてもよい。複数の突起60は、それぞれ所定の間隔をあけて側面33aから突起するように設けられている。なお、突起60は、少なくとも1つ備えられていればよい。
As shown in FIG. 5, the
ここで、突起60は、特に限定されるものではないが、例えば、円錐、三角錐、四角錐などの錐体、円柱、三角柱、四角柱などの柱体などで構成される。また、流れ乱化機構50は、別体として形成された突起60を側面33aに接合することで構成されてもよいが、側面33aからの離脱を防止するため、側面33aに機械加工などを施すことによって側面33aと一体的に構成されることが好ましい。
Here, the protrusion 60 is not particularly limited, and is configured by, for example, a cone such as a cone, a triangular pyramid, or a quadrangular pyramid, or a column such as a cylinder, a triangular prism, or a quadrangular prism. Further, the
また、上記した、ブリッジ30の前縁32から後縁34方向に亘る側面33aの一部の表面粗さを大きくすることで構成される流れ乱化機構50の場合と同様に、流入角βの増加に伴って、突起60の高さを徐々に高くするように構成することが好ましい。具体的には、ブリッジ30a、ブリッジ30bにおいては、ブリッジ30bの流れ乱化機構50の突起60の高さよりも、ブリッジ30aの流れ乱化機構50の突起60の高さの方が高く構成される。また、ブリッジ30e、ブリッジ30fにおいては、ブリッジ30eの流れ乱化機構50の突起60の高さよりも、ブリッジ30fの流れ乱化機構50の突起60の高さの方が高く構成される。また、ブリッジ30b、ブリッジ30aの順に流入角βは増加し、一方、ブリッジ30e、ブリッジ30fの順に流入角βは減少し(流入角βの絶対値は増加)し、図10に示したように、所定の周方向角度において正または負のピーク値を示す。これらの各ピーク値を示す位置まで、流れ乱化機構50の突起60の高さを徐々に高くしていくことが好ましい。すなわち、各ピーク値を示す位置のブリッジ30に備えられた流れ乱化機構50の突起60の高さが最も高くなるように、換言すれば、ピーク値を示す位置のブリッジ30に備えられた流れ乱化機構50の突起60の高さがピーク値を示すように構成することが好ましい。
In addition, as in the case of the
ここで、ブリッジ30bから正のピーク値を示す位置のブリッジ30まで、また、ブリッジ30eから負のピーク値を示す位置のブリッジ30まで、突起60の高さが、例えば、0.1mm〜2mmまでの範囲で徐々に高くなるように構成することができる。
Here, the height of the protrusion 60 is, for example, from 0.1 mm to 2 mm from the
ここでは、ブリッジ30bから正のピーク値を示す位置のブリッジ30まで、また、ブリッジ30eから負のピーク値を示す位置のブリッジ30まで、突起60の高さを徐々に高くする一例を示したが、例えば、1つのブリッジ30の流れ乱化機構50において、突起60の高さを変化させてもよい。
Here, an example is shown in which the height of the protrusion 60 is gradually increased from the
例えば、流れ乱化機構50において、ブリッジ30aの前縁32から後縁34側に向かって、突起60の高さを徐々に低くするように構成してもよい。このように構成することで、特に流れの剥離が生じやすい前縁32側の側面33aに沿う流れを積極的に乱し、前縁32側よりは流れの剥離が生じ難い後縁34側の側面33aにおける蒸気Sとの表面摩擦を低減することができる。
For example, in the
このように、流れ乱化機構50を突起60で構成することで、上記した、ブリッジ30の前縁32から後縁34方向に亘る側面33aの一部の表面粗さを大きくすることで構成される流れ乱化機構50を備える場合と同様の作用効果を得ることができる。
In this way, by configuring the
すなわち、流れの剥離が発生しやすい、ブリッジ30の前縁32から後縁34方向に亘る側面33aの一部に、流れ乱化機構50を備えることで、ブリッジ30の前縁32側における流れの剥離や渦の発生を抑制することができる。これによって、蒸気を第1段ノズル213aへ円滑に導くことができ、ブリッジ30間における圧力損失を抑制し、蒸気タービンの効率の向上を図ることができる。また、突起60の高さを上記した範囲で構成することができるため、流れ乱化機構50上に形成される境界層の領域を超えて、流れを乱すことができる。
That is, the
(第2の実施の形態のノズルボックス)
本発明に係る第2の実施の形態のノズルボックス10は、ブリッジ30の流れ乱化機構50の構成が異なる以外は、上記した第1の実施の形態のノズルボックス10と同じ構成である。そのため、ここでは、第2の実施の形態のノズルボックス10における、ブリッジ30の流れ乱化機構50について主に説明する。
(Nozzle box of the second embodiment)
The
なお、本発明に係る第2の実施の形態のノズルボックス10においても、第1の実施の形態のノズルボックス10と同様に、図3を参照して説明し、ここでもブリッジ30cの流入角βcとブリッジ30dの流入角βdが±5度の範囲内となるものとして説明する。したがって、図3に示した範囲では、流れ乱化機構50は、流入角βが±5度の範囲を超えるブリッジ30a、30b、30e、30fに設けられる。
Note that the
図6は、本発明に係る第2の実施の形態のノズルボックス10に備えられた、流れ乱化機構50を有するブリッジ30eの斜視図である。なお、ここでは、ブリッジ30eを例示して説明するが、流れ乱化機構50を備える他のブリッジ30a、30b、30fにおいても同様の構成を備える。
FIG. 6 is a perspective view of a
第2の実施の形態のノズルボックス10のブリッジ30eに備えられた流れ乱化機構50は、周囲の気体の一部をプラズマ化することにより所定の方向に気流を発生させる気流発生装置70で構成される。
The
気流発生装置70は、固体からなる誘電体71と、誘電体71の一方の表面71aに設けられた第1の電極72と、誘電体71の他方の表面71b近傍に、第1の電極72に対設された第2の電極73とを備えている。また、第1の電極72と第2の電極73とは、直接接触することなく誘電体71を介在させて配設されている。なお、第1の電極72と第2の電極73は、例えばケーブルを介してそれぞれの電極間に電圧を印加する放電用電源(図示しない)と接続されている。
The airflow generation device 70 includes a
ここでは、複数の上記構成を有する気流発生装置が一体的に構成された気流発生装置モジュールを、ブリッジ30eの前縁32から後縁34方向に亘る一方の側面33aの一部に形成された凹部に嵌め込んで接合した構成を例示している。なお、気流発生装置モジュールにおいて、上記構成を有する気流発生装置が少なくとも1つ備えられていればよい。
Here, the airflow generating device module in which the airflow generating devices having a plurality of the above-described configurations are integrally formed is a recess formed on a part of one
気流発生装置70は、高温環境下で使用されるため、誘電体71は、例えば、窒化アルミ、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、チタニア、シリカなどを主成分としたセラミックス材料で構成されることが好ましい。 Since the airflow generation device 70 is used in a high temperature environment, the dielectric 71 is preferably composed of a ceramic material whose main component is, for example, aluminum nitride, alumina, zirconia, hafnia, titania, silica, or the like.
第1の電極72および第2の電極73は、例えば、薄板状などの形状を有し、気流発生装置70が使用される環境に応じて、公知の導電性の材料から適宜に選択される。また、第1の電極72および第2の電極73を構成する材料として、例えば、ステンレス、インコネル(商品名)、ハステロイ(商品名)、チタン、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、金、銀、クロム等の金属、これらの金属元素を主成分とする合金、導電性セラミックス等の無機良導電体などが挙げられる。これらの導電性の材料から、気流発生装置70を使用する環境下に応じて適宜に選択して使用することができる。
The first electrode 72 and the
特に、インコネル、ハステロイ、チタン等の耐熱または耐腐食性金属を導電体に用いた場合には、高温多湿、酸化性等の高腐食雰囲気においても長期間使用することができる電極を実現することができる。 In particular, when a heat-resistant or corrosion-resistant metal such as Inconel, Hastelloy, or titanium is used for the conductor, it is possible to realize an electrode that can be used for a long time even in a high-corrosion atmosphere such as high temperature and high humidity and oxidation. it can.
なお、図6に示された一例では、第1の電極72の一方の表面が誘電体71の一方の表面71aと同一平面となるように構成されているが、第1の電極72が誘電体71に埋設されるように構成されてもよい。また、第2の電極73は、例えば、ブリッジ30eが金属で構成される場合には、ブリッジ30eとの接触を防止するため、誘電体71に埋設されるように構成されることが好ましい。
In the example shown in FIG. 6, one surface of the first electrode 72 is configured to be flush with the one
次に、気流発生装置70の作用について説明する。 Next, the operation of the airflow generation device 70 will be described.
放電用電源(図示しない)から、第1の電極72と第2の電極73との間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第1の電極72と第2の電極73との間に放電が生じる。この放電に伴って放電プラズマが生成される。ここで、第1の電極72と第2の電極73との間に誘電体71を介在させているので、高温下においてもアーク放電にはいたらず、安定に維持することが可能な誘電体バリア放電が生じる。また、誘電体バリア放電は、誘電体71の一方の表面71aに沿って形成される沿面放電となる。この誘電体バリア放電によって、所定の方向に気流74が発生する。
When a voltage is applied between the first electrode 72 and the
ここで、気流発生装置70の第1の電極72と第2の電極73の設置位置や、第1の電極72と第2の電極73との間に印加する電圧などを変更することで、ブリッジ30eの側面33a上に発生させる気流74は、ブリッジ30eの前縁32側から後縁34側に向かう方向、または、ブリッジ30eの後縁34側から前縁32側に向かう方向に発生させることができる。したがって、ブリッジ30eの側面33aに沿って流れる蒸気Sの流れの制御方法に応じて、ブリッジ30eの側面33a上に発生させる気流74の向きを適宜に変更することができる。
Here, by changing the installation position of the first electrode 72 and the
なお、ここでは、誘電体71、第1の電極72、第2の電極73を備える複数の気流発生装置が一体的に構成された気流発生装置モジュールを、ブリッジ30eの前縁32から後縁34方向に亘る側面33aの一部に形成された凹部に嵌め込んで接合する構成を例示したが、この構成に限られるものではない。例えば、ブリッジ30eを、上記したセラミックス材料からなる誘電体で構成してもよい。この場合には、例えば、ブリッジ30eの前縁32から後縁34方向に亘る側面33aの一部に第1の電極72が設けられる。また、第2の電極73は、例えば、ブリッジ30e内における第1の電極72に対向する位置に埋設される。
Here, an airflow generation device module in which a plurality of airflow generation devices each including the dielectric 71, the first electrode 72, and the
次に、第2の実施の形態のノズルボックス10のブリッジ30a、30b、30c、30d、30e、30f間を流れる蒸気Sの作用について、図3および図6を参照して説明する。
Next, the action of the steam S flowing between the
蒸気入口管220から導出され、蒸気流路20に広がった蒸気Sは、所定の流入角βで、各ブリッジ30a、30b、30c、30d、30e、30f間に流入する。この際、例えば、流れ乱化機構50を備えないブリッジ30cとブリッジ30dとの間などに流入した蒸気Sは、ブリッジ30cやブリッジ30dの側面における表面摩擦が小さい状態でブリッジ30cとブリッジ30dとの間を流れ、第1段ノズル213aへ流入する。この場合、ブリッジ30の表面における蒸気Sとの表面摩擦が小さいため、圧力損失を小さくすることができる。
The steam S that is led out from the
一方、ブリッジ30eの前縁32側から後縁34側に向かって流れる気流74が発生するように、気流発生装置70を構成した場合には、気流発生装置70に電圧を印加することで発生した気流74によって、ブリッジ30a、30b、30e、30fの側面33a付近における蒸気Sの減速が抑制される。そのため、流れが剥離し難くなり、渦の形成が抑制される。これによって、圧力損失を低減することができる。また、ブリッジ30eの後縁34側から前縁32側に向かって流れる気流74が発生するように、気流発生装置70を構成した場合には、気流発生装置70に電圧を印加することで発生した気流74によって、境界層における流れが乱される。そのため、流れが剥離し難くなり、渦の形成が抑制される。これによって、圧力損失を低減することができる。そして、渦の形成が抑制された蒸気は、第1段ノズル213aへ流入する。
On the other hand, when the airflow generation device 70 is configured so that the
なお、第1段ノズル213aの下流で通路部は全周連結され、第1段ノズル213aを通過した蒸気Sは、第1段動翼214aへ導かれる。
In addition, the passage portion is connected to the entire circumference downstream of the
上記したように、第2の実施の形態のノズルボックス10によれば、流れの剥離が発生しやすい、ブリッジ30の前縁32から後縁34方向に亘る側面33aの一部に、流れ乱化機構50を備えることで、ブリッジ30の前縁32側における流れの剥離や渦の発生を抑制することができる。これによって、蒸気を第1段ノズル213aへ円滑に導くことができ、ブリッジ30間における圧力損失を抑制し、蒸気タービンの効率の向上を図ることができる。
As described above, according to the
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。 Although the present invention has been specifically described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
10…ノズルボックス、30,30a,30b,30c,30e,30f…ブリッジ、20…蒸気流路、31…中心線、32…前縁、33a,33b…側面、34…後縁、50…流れ乱化機構、60…突起、70…気流発生装置、71…誘電体、71a、71b…表面、72…第1の電極、73…第2の電極、74…気流、200…蒸気タービン、210…内部ケーシング、211…外部ケーシング、212…タービンロータ、213…ノズル、213a…第1段ノズル、214…動翼、214a…第1段動翼、215a,215b…グランドラビリンス部、220…蒸気入口管。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1段ノズルの上流側に列設された複数の前記補強部材が、前縁および後縁を有する翼型形状で構成され、複数の前記補強部材のうち、少なくとも1つの前記補強部材の前縁から後縁方向に亘る一方の側面の一部に、蒸気の流れを乱す流れ乱化機構を備えることを特徴とする蒸気タービン用ノズルボックス。 Steam turbine nozzle configured to guide the steam introduced from the steam inlet pipe and flowing into the steam flow path extending in the circumferential direction to the first stage nozzle through the reinforcing members arranged in a certain direction in the circumferential direction A box,
The plurality of reinforcing members arranged in the upstream side of the first stage nozzle are configured in an airfoil shape having a leading edge and a trailing edge, and the front of at least one of the reinforcing members among the plurality of reinforcing members. A nozzle box for a steam turbine, comprising a flow turbulence mechanism for disturbing a flow of steam at a part of one side surface extending from an edge toward a rear edge.
前記ノズルボックスが、請求項1乃至7のいずれか1項記載の蒸気タービン用ノズルボックスであることを特徴とする蒸気タービン。 Steam turbine nozzle configured to guide the steam introduced from the steam inlet pipe and flowing into the steam flow path extending in the circumferential direction to the first stage nozzle through the reinforcing members arranged in a certain direction in the circumferential direction A steam turbine with a box,
A steam turbine, wherein the nozzle box is the nozzle box for a steam turbine according to any one of claims 1 to 7.
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WO2015052466A1 (en) * | 2013-10-11 | 2015-04-16 | Reaction Engines Limited | Ducts for engines |
CN113107606A (en) * | 2021-05-10 | 2021-07-13 | 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 | Thermodynamic calculation and design algorithm for transverse stage of steam turbine |
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2009
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WO2015052466A1 (en) * | 2013-10-11 | 2015-04-16 | Reaction Engines Limited | Ducts for engines |
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