JP2011021525A - タービン翼列、およびこれを用いたタービン段落、軸流タービン - Google Patents

Abstract

【課題】二次損失が低減されたタービン翼列を提供すること。
【解決手段】軸流タービン１の環状流路内に周方向に配置された複数枚のタービン翼１２からなるタービン翼列１１であって、前記タービン翼１２間の翼間底面１３に前記タービン翼１２の腹面１２ａに沿って形成され、前記タービン翼１２の高さ方向に凸状となる凸部１４ａと、前記凸部１４ａと前記タービン翼１２の腹面１２ａとを繋ぎ、前記凸部１４ａよりも高さの低い略水平状の段部１４ｂとからなる隆起部１４を有するもの。
【選択図】図３

Description

本発明は、タービン翼列、およびこれを用いたタービン段落、軸流タービンに係り、特に二次損失が低減されたタービン翼列、およびこれを用いたタービン段落、軸流タービンに関する。

図１１は、従来の軸流タービンの一例として、タービン段落をロータの中心軸を含む断面（子午断面）で模式的に示した子午断面図である。軸流タービン２１のタービン段落は、ダイヤフラム外輪２２とダイヤフラム内輪２３との間に複数枚の静翼２４が周方向に配設された静翼列２５と、タービン軸（ロータ）２６の外周に複数枚の動翼２７が周方向に植設され、静翼列２５の下流側に設けられた動翼列２８とから構成されている。このようなタービン段落を軸方向に複数備えて構成される軸流タービン２１は、作動流体が静翼列２５の翼間を通過することで増速され、その後に動翼列２８に流入して保持する速度エネルギーを回転機械エネルギーに変換して仕事を行う。

これら静翼列２５、動翼列２８は作動流体に対して抵抗となり、作動流体に乱れを発生させ、損失を発生させる。このような損失としては、例えば翼損失（プロファイル損失）や、翼高さ方向の両端部（根本部、先端部）付近に発生する二次損失が挙げられる。

図１２、１３は、それぞれ静翼２４、動翼２７の翼高さ方向（すなわち、タービン軸（ロータ）２６の中心軸に対する半径方向）における損失分布を示したものである。どちらについても、翼損失２４ａ、２７ａと共に、それらの翼高さ方向の両端部付近に二次損失２４ｂ、２７ｂが発生している。特に、動翼２７については、図１３に示すように根本部（タービン軸２６側、つまり内径側端部）に発生する二次損失２７ｂが回転に伴う遠心力によって翼高さ方向の中央部側へと移動し、性能を低下させている。

図１４は、静翼２４または動翼２７としてのタービン翼３２を作動流体が通過する際の様子を示したものである。なお、図１４では、タービン軸（ロータ）２６の中心軸に対する円周方向での翼断面を模式的に示している。タービン翼３２の翼間を通過する作動流体については、一方のタービン翼３２（図中、上側）の腹面３２ａ付近を通過する遅い流れ３３と、他方のタービン翼３２（図中、下側）の背面３２ｂ付近を通過する速い流れ３４とに大きく分けられる。そして、この遅い流れ３３と速い流れ３４とにより、一方のタービン翼３２の腹面３２ａ付近の静圧が他方のタービン翼３２の背面３２ｂ付近の静圧に比べて大きくなる。これにより、タービン翼３２の翼間には主流に対して法線方向に圧力勾配が生じる。

一方、主流はタービン翼３２によって転向されているために、主流には上記した圧力勾配による力Ｆｐとは逆方向の遠心力Ｆｒが働いている。しかしながら、翼高さ方向（タービン軸（ロータ）２６の中心軸に対する半径方向）の両側付近、すなわち隣接するタービン翼３２どうしを繋ぐ底面付近の境界層内については、底面との摩擦によって作動流体の流速が主流に比べて遅くなっている。このため、翼高さ方向の両側付近については作動流体が受ける遠心力Ｆｒが小さくなり、相対的に圧力勾配による力Ｆｐが大きくなるために、主流に対して法線方向の流れが発生する。

この流れは二次流れと呼ばれており、タービン翼３２の翼高さ方向の両側付近に渦を発生させ、図１２、１３に示すような翼高さ方向の両側付近に大きな二次損失２４ｂ、２７ｂを発生させる。この二次損失２４ｂ、２７ｂは、上記した渦の成長につれて大きくなる。

このような二次損失２４ｂ、２７ｂを抑制する方法として、例えば図１５に示すようなタービン翼３２のスロート長Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔの値を翼高さ方向の中央部で最大となるようにしたり、図示しないがタービン翼３２の後端縁を翼高さ方向の中央部で最も流体流出側（腹面側）に突出するように湾曲させつつ、Ｓ／Ｔの値を翼高さ方向の中央部で最大となるようにしたりする方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、タービン翼３２の翼圧力面を周方向に突き出すように湾曲形成したものにおいて、その枚数や高さにかかわらず周方向のピッチと周方向の突き出し量との比を一定とする方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。さらに、タービン翼３２の翼高さ方向の端部壁面に前端縁と後端縁との間に頂部を有する突起形状等を設ける方法が知られている（例えば、特許文献４、５参照）。

特開平６−２７２５０４号公報 特開平８−１０９８０３号公報 特開平１０−１３１７０７号公報 特許第３６２６８９９号公報 特開平８−１０９８０３号公報

省エネルギー等の環境負荷低減策として、軸流タービンの高効率化が有効なものとして認識されている。軸流タービンの性能にはタービン翼列の性能が大きく影響を及ぼすことから、タービン翼列における損失を低減し、高効率なものとすることが軸流タービンの高効率化に有効である。特に、タービン翼列における損失の中で二次損失は大きな割合を占めることから、これを低減することがタービン翼列の高効率化に有効である。

上記したように、二次損失の低減について様々な方法が検討されているものの、必ずしも十分に低減することができていない。本発明は上記した課題を解決するためになされたものであって、二次損失が低減されたタービン翼列、およびこれを用いたタービン段落、軸流タービンを提供することを目的としている。

本発明のタービン翼列は、軸流タービンの環状流路内に周方向に配置された複数枚のタービン翼からなるものであって、前記タービン翼間の翼間底面に前記タービン翼の腹面に沿って形成され、前記タービン翼の高さ方向に凸状となる凸部と、前記凸部と前記タービン翼の腹面とを繋ぎ、前記凸部よりも高さの低い略水平状の段部とからなる隆起部を有することを特徴とする。

前記隆起部は、前記凸部の高さをＨａ、幅をＬａ、前記段部の高さをＨｂ、幅をＬｂ、前記タービン翼の高さをＨ、前記タービン翼の背面間距離をＬとしたとき、
０ ＜ Ｈｂ／Ｈ ＜ Ｈａ／Ｈ ≦ ０．３５かつ、
０ ＜ （Ｌａ＋Ｌｂ）／Ｌ ≦ ０．７５
の関係を満たすことが好ましい。

前記隆起部は、前記タービン翼の前縁部から後縁部に渡って連続的に設けられ、かつ前記前縁部と前記後縁部との略中央部において最も高さが高くなる凸状形状を有することが好ましい。

本発明によれば、タービン翼間の二次流れを抑制し、二次損失を低減することができる。

本発明のタービン翼列、およびタービン段落、軸流タービンを示す模式的子午断面図。 隆起部を示す模式的外観斜視図。 隆起部を示す模式的周方向断面図。 隆起部を示す模式的平面図。 本発明が適用可能なタービン翼列の一例を示す外観図。 スロート長Ｓ、環状ピッチＴを説明する説明図。 Ｓ／Ｔの好適な分布状態を示す分布図。 後端縁が周方向に傾斜するタービン翼を説明する説明図。 後端縁が軸流方向に傾斜するタービン翼を説明する説明図。 後端縁が軸流方向に凸状となるタービン翼を説明する説明図。 従来の軸流タービンのタービン段落を示す断面図。 従来の軸流タービンにおける動翼の損失分布を示す分布図。 従来の軸流タービンにおける静翼の損失分布を示す分布図。 従来の軸流タービンの翼における損失の発生原因を説明する説明図。 従来の軸流タービンにおけるスロート長Ｓ、環状ピッチＴを説明する説明図。

以下、本発明について図面を参照して説明する。
図１は、本発明のタービン翼列により構成されたタービン段落を有する軸流タービンの一例を模式的に示す断面図である。なお、図１は、タービン段落を子午断面（タービン軸（ロータ）の中心軸を含む断面）で示した模式図である。軸流タービン１のタービン段落は、ダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪３との間に複数枚の静翼４が周方向に配設されて構成される静翼列５と、静翼列５の下流側に設けられ、タービン軸（ロータ）６の外周に複数枚の動翼７が周方向に植設されて構成される動翼列８を備える。動翼７の先端には、この動翼７の固定および作動流体の漏洩を抑制するためのシュラウド９が設けられている。軸流タービン１は、静翼列５と動翼列８とが対になったタービン段落を軸方向に複数備える構成となっている。

ここで、静翼列５、動翼列８のそれぞれが本発明のタービン翼列となるものであり、静翼列５における静翼４または動翼列８における動翼７が本発明におけるタービン翼となるものである。以下、静翼列５、動翼列８をまとめてタービン翼列１１と呼び、またこれらの静翼４、動翼７をまとめてタービン翼１２と呼んで説明する。

本発明のタービン翼列１１はタービン軸（ロータ）６の周方向に隣接するタービン翼１２間の翼間底面１３に隆起部１４を有することを特徴としている。なお、図１に示す各タービン翼列１１については、いずれもタービン軸６側の翼間底面１３、すなわち静翼列５についてはダイヤフラム内輪３の外周面、また動翼列８についてはタービン軸６の外周面にそれぞれ隆起部１４を設けた例を示している。

隆起部１４については、必ずしもタービン軸６側の翼間底面１３に設けられている必要はなく、タービン軸６とは反対側の翼間底面１３、すなわち静翼列５についてはダイヤフラム外輪２の内周面、また動翼列８についてはシュラウド９の内周面にそれぞれ設けられていてもよい。

図２は、このような隆起部１４を模式的に示した外観斜視図である。また、図３は、図２に示す隆起部１４のタービン軸（ロータ）６に対する周方向断面を模式的に示した図である。これら図２、３については、説明のために適宜周方向に隣接するタービン翼１２を図示している。

図２に示す隆起部１４は、例えば図１に示す静翼列５におけるものであり、翼間底面１３としてのダイヤフラム内輪３の外周面に設けられたものである。隆起部１４は、タービン翼１２間の翼間底面１３となる部分に、該タービン翼１２の腹面１２ａに沿うようにして形成されている。そして、この隆起部１４は、図３に示すようにタービン翼１２間の翼間方向（タービン軸（ロータ）６に対する周方向）における断面において翼高さ方向（タービン軸（ロータ）６に対する半径方向）に凸状となる凸部１４ａと、この凸部１４ａとタービン翼の腹面１２ａとを繋ぎ、凸部１４ａよりも翼高さ方向の高さ（以下、単に高さという）の低い略水平状（タービン軸（ロータ）６に対する円筒面状）の段部１４ｂとを有している。そして、この凸部１４ａと段部１４ｂの高さは、それぞれ作動流体が流入するタービン翼１２の前縁部から腹面１２ａに沿う方向（すなわち作動流体の流れる方向）の中央付近にかけて徐々に高くなり、中央付近からタービン翼１２の後縁部にかけて作動流体の流れ方向（腹面１２ａに沿う後縁方向）に徐々に低くなるように設けられる。

本発明では、このような隆起部１４を設けることにより二次流れを抑制することができる。すなわち、タービン翼１２の腹面１２ａに隣接して所定の高さの段部１４ｂを設けることにより、タービン翼１２の前縁部から流入し腹面１２ａ付近を流れる作動流体は、段部１４ｂの高さが増すにつれて加速されるのでこの部分での静圧が低下する。これにより、隣接する他のタービン翼１２の背面１２ｂ付近の静圧との圧力差を小さくすることができ、二次流れを弱めることができる。また、このようにしてタービン翼１２の腹面１２ａ付近を流れる流体を加速させることにより、この腹面１２ａ付近の翼間底面１３に形成される境界層を薄くし、二次流れ渦を弱めることもできる。

さらに、段部１４ｂに対して翼間方向（周方向）の中央部側に、この段部１４ｂよりも高い凸部１４ａを設けることで、流れ方向にこの凸部１４ａの高さが増すにつれて、上流側から流入した作動流体はこの凸部１４ａの付近でさらに加速され、段部１４ｂの部分よりもさらに静圧が低下する。これにより、凸部１４ａ付近から段部１４ｂやタービン翼１２の腹面１２ａに向けての、一般的な二次流れとは逆方向の流れを誘起することができ、タービン翼１２の腹面１２ａ付近に形成される二次流れ渦をさらに弱めることができる。

このように、本発明によれば凸部１４ａや段部１４ｂを有する特定形状の隆起部１４をタービン翼列１１の特定の位置に設けることで、二次流れや二次流れ渦を低減することができ、これにより二次損失が低減され、性能に優れるものとすることができる。

このような隆起部１４は、例えばタービン翼１２と一体に形成されたものであってもよいし、タービン翼１２とは別に形成され、タービン翼１２の腹面１２ａに密接するようにして配置、固定されたものであってもよい。

隆起部１４は、例えば図３に示すような翼間方向（タービン軸（ロータ）６の周方向）の断面において凸部１４ａの高さをＨａ、幅をＬａ、段部１４ｂの高さをＨｂ、幅をＬｂ、タービン翼１２の高さをＨ、タービン翼１２の翼間底面１３における周方向（翼間方向）の背面間距離をＬとしたとき、
０ ＜ Ｈｂ／Ｈ ＜ Ｈａ／Ｈ ≦ ０．３５かつ、
０ ＜ （Ｌａ＋Ｌｂ）／Ｌ ≦ ０．７５
の関係を満たすことが好ましい。

ここで隆起部１４については、タービン翼１２の腹面１２ａに沿って延びる方向における各翼間方向の断面について上記関係を満たしていることが好ましいが、少なくとも腹面１２ａに沿った方向（すなわち作動流体の流れる方向）の中央付近において凸部１４ａの高さＨａが最大となる部分での翼間方向（周方向）の断面について上記関係を満たしていればよい。

なお、凸部１４ａの高さＨａは、翼間底面１３からの高さであり、幅Ｌａは、段部１４ｂ側の実質的に傾斜が始まる部分から、翼間底面１３と同じ高さとなる部分までの距離である。ここで、翼間底面１３の位置については、タービン翼１２の背面１２ｂの壁面端部におけるタービン軸（ロータ）６の中心からの半径方向の距離と定義することができる。また、段部１４ｂの高さＨｂについても翼間底面１３からの高さであり、幅Ｌｂは、タービン翼１２の腹面１２ａから、上記した凸部１４ａの実質的に傾斜が始まる部分までの距離である。

さらに、タービン翼１２の高さＨは、図示した一方（例えば根元側）の翼間底面１３からこれに対向する図示しない他方（例えば先端側）の翼間底面１３までの半径方向距離であり、タービン翼１２の背面間距離Ｌは、翼間底面１３におけるタービン翼１２の背面１２ｂから周方向に隣接するタービン翼１２の背面１２ｂまでの周方向（翼間方向）距離である。

隆起部１４を上記した関係を満たすものとすることで、隆起部１４、すなわち凸部１４ａや段部１４ｂ付近を流れる作動流体を加速させ、二次流れを抑制することができる。これにより二次損失が低減され、性能に優れたものとすることができる。

すなわち、Ｈｂ／Ｈが０（ゼロ）である場合、段部１４ｂが形成されていないこととなり、タービン翼１２の腹面１２ａ付近を流れる流体を加速させることができない。また、Ｈａ／ＨがＨｂ／Ｈ以下である場合、実質的に段部１４ｂのみが形成されているのと同じ状態となり、上記した一般的な二次流れとは逆方向の流れを誘起することができない。また、Ｈａ／Ｈが０．３５を超える場合、過度に凸部１４ａが高いこととなり、かえって凸部１４ａに基づく損失が大きくなるおそれがある。

一方、（Ｌａ＋Ｌｂ）／Ｌが０（ゼロ）である場合、実質的に隆起部１４が形成されていないこととなり、タービン翼１２の腹面１２ａの近傍を流れる流体を加速させ、また一般的な二次流れとは逆方向の流れを誘起することができない。また、（Ｌａ＋Ｌｂ）／Ｌが０．７５を超える場合、隆起部１４が形成される範囲が広すぎるために、タービン翼１２の腹面１２ａ付近を流れる流体を効率的に加速させることができず、また一般的な二次流れとは逆方向の流れを効率的に誘起することができないおそれがある。

図４は、図２に示すタービン翼１２および隆起部１４を翼高さ方向（タービン軸（ロータ）６に対する半径方向の外方）から見たときの平面図である。図４に示すように、隆起部１４は、タービン翼１２の前端縁１２ｃから後端縁１２ｄに渡って連続的に設けられていることが好ましい。また、図２にも示すように、タービン翼１２の腹面１２ａに沿った方向における略中央部、すなわちタービン翼１２の前端縁１２ｃと後端縁１２ｄとの間の略中央部において最も高さが高くなるような凸状とされていることが好ましい。この際、隆起部１４の前端縁１２ｃ側および後端縁１２ｄ側は、それぞれ翼間底面１３と同じ高さとされていることが好ましい。

このように隆起部１４をタービン翼１２の腹面１２ａに沿った方向（作動流体の流れ方向）の略全体に設けると共に、タービン翼１２の腹面１２ａに沿った方向における略中央部において最も高さが高くなるような凸状とすることで、隆起部１４自身による損失を抑制しつつ、二次損失を効率的に低減することができる。なお、隆起部１４は必ずしもタービン翼１２の前端縁１２ｃから後端縁１２ｄまで渡って設けられている必要はないが、少なくとも前端縁１２ｃから後端縁１２ｄまでの腹面１２ａに沿った距離の１／２以上の範囲に設けられていることが好ましく、２／３以上の範囲に設けられていることが好ましい。

以上、本発明のタービン翼列１１について一例を挙げて説明したが、既に説明したようにこのようなタービン翼列１１としては図１に示すような静翼列５、動翼列８のいずれであってもよい。また、隆起部１４が設けられる翼間底面１３としては、タービン翼列１１の翼高さ方向の両側（根元側および先端側）のいずれの翼間底面１３であってもよく、例えば静翼列５の場合にはダイヤフラム外輪２の内周面（先端側）またはダイヤフラム内輪３の外周面（根元側）のいずれであってもよいし、動翼列８の場合にはタービン軸６の外周面（根元側）またはシュラウド９の内周面（先端側）のいずれであってもよい。この際、隆起部１４は翼高さ方向において対向する一方の翼間底面１３だけに設けてもよいし、対向する双方の翼間底面１３に設けてもよい。

また、このようなタービン翼列１１を有するタービン段落、軸流タービン１については、静翼列５または動翼列８の一方のみがこのようなタービン翼列１１からなるものであってもよいし、双方がこのようなタービン翼列１１からなるものであってもよい。この際、静翼列５と動翼列８とで、隆起部１４が設けられる翼間底面１３が異なっていても構わない。

本発明のタービン翼列１１については、公知のタービン翼列に適宜適用して用いることができる。このようなものとすることで、適用される公知のタービン翼列の本来の効果に加えて、本発明のタービン翼列１１の効果、すなわち隆起部１４による二次流れの抑制、これらによる二次損失の低減といった効果を併せて得ることができる。

本発明が適用されるタービン翼列１１としては、例えば図５に示すようにタービン翼１２の断面を翼高さ方向（タービン軸（ロータ）６に対する半径方向）の略中央部で最突出点が存在するように円周方向流体流出側（腹面１２ａ側）に湾曲させたものが挙げられる。

また、このようなものにおいて、図６に示すようにタービン軸（ロータ）６に対する周方向断面におけるタービン翼１２の後端縁１２ｄとこれに隣接するタービン翼１２の背面１２ｂとの最短距離をスロート長Ｓとし、後端縁１２ｄ間の周方向距離を環状ピッチＴとしたとき、これらの比Ｓ／Ｔを図７に示すように高さ方向の略中央部で最大としたものが挙げられる。

これらのタービン翼列１１に隆起部１４を設けることで、タービン翼１２の形状や比Ｓ／Ｔを所定のものとした効果に加えて、隆起部１４による二次流れや二次流れ渦の低減、これによる二次損失の低減といった効果を併せて得ることができる。

また、適用可能なタービン翼列１１としては、例えば図８に示すようにタービン軸６から半径方向に延びるラジアル線１５に対してタービン翼１２の後端縁１２ｄを徐々に離れるように周方向に傾斜させたものが挙げられる。このようなものについても、隆起部１４を設けることで、タービン翼１２の後端縁１２ｄを周方向に傾斜させた効果に加えて、隆起部１４による二次流れや二次流れ渦の低減、これによる二次損失の低減といった効果を併せて得ることができる。

さらに、適用可能な他のタービン翼列１１としては、例えば図９に示すようにタービン翼１２の後端縁１２ｄを翼高さ方向の一端から他端に向かうにつれて徐々に軸流方向に傾斜させたもの、また例えば図１０に示すようにタービン翼１２の後端縁１２ｄを翼高さ方向の略中央部において軸流方向に凸状としたものが挙げられる。なお、図９、１０は、タービン翼列１１として静翼列５を図示している。これらのものについても、隆起部１４を設けることで、タービン翼１２の後端縁１２ｄを所定の形状とした効果に加えて、隆起部１４による二次流れの抑制、これによる二次損失の低減といった効果を併せて得ることができる。

また、図示しないが、適用可能なさらに他のタービン翼列１１としては、タービン翼１２の翼断面における翼弦長をこのタービン翼１２の翼高さ方向の一方の端部側で最大とし、他方の端部側で最小としたものが挙げられる。このようなものについても、隆起部１４を設けることで、タービン翼の翼弦長を所定のものとする効果に加えて、隆起部１４による二次流れの抑制、これによる二次損失の低減といった効果を併せて得ることができる。

１…軸流タービン、２…ダイヤフラム外輪、３…ダイヤフラム内輪、４…静翼、５…静翼列、６…タービン軸、７…動翼、８…動翼列、９…シュラウド、１１…タービン翼列（静翼列、動翼列）、１２…タービン翼（静翼、動翼）、１２ａ…腹面、１２ｂ…背面、１２ｃ…前端縁、１２ｄ…後端縁、１３…翼間底面、１４…隆起部、１４ａ…凸部、１４ｂ…段部

Claims (5)

1. 軸流タービンの環状流路内に周方向に配置された複数枚のタービン翼からなるタービン翼列であって、
   前記タービン翼間の翼間底面に前記タービン翼の腹面に沿って形成され、前記タービン翼の高さ方向に凸状となる凸部と、前記凸部と前記タービン翼の腹面とを繋ぎ、前記凸部よりも高さの低い略水平状の段部とからなる隆起部を有することを特徴とするタービン翼列。
2. 前記隆起部は、前記凸部の高さをＨａ、幅をＬａ、前記段部の高さをＨｂ、幅をＬｂ、前記タービン翼の高さをＨ、前記タービン翼の背面間距離をＬとしたとき、
   ０ ＜ Ｈｂ／Ｈ ＜ Ｈａ／Ｈ ≦ ０．３５かつ、
   ０ ＜ （Ｌａ＋Ｌｂ）／Ｌ ≦ ０．７５
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のタービン翼列。
3. 前記隆起部は、前記タービン翼の前縁部から後縁部に渡って連続的に設けられ、かつ前記前縁部と前記後縁部との略中央部において最も高さが高くなる凸状形状を有することを特徴とする請求項１または２記載のタービン翼列。
4. 軸流タービンの環状流路内に周方向に配置された複数枚の静翼からなる静翼列と、前記静翼列の下流側に配置され、タービン軸の周方向に配置された複数枚の動翼からなる動翼列とを有するタービン段落であって、
   前記静翼列および前記動翼列から選ばれる少なくとも一方のタービン翼列が請求項１乃至３のいずれか１項記載のタービン翼列からなることを特徴とするタービン段落。
5. 軸流タービンの環状流路内に周方向に配置される複数枚の静翼からなる静翼列と、前記静翼列の下流側に配置され、タービン軸の周方向に植設された複数枚の動翼からなる動翼列とを有する軸流タービンであって、
   前記静翼列および前記動翼列から選ばれる少なくとも一方のタービン翼列が請求項１乃至３のいずれか１項記載のタービン翼列からなることを特徴とする軸流タービン。

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