JP2012207668A - ターボ機械用翼 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来様式のターボ機械用翼を基にした、新しいターボ機械用翼を提供することにある。
【解決手段】
ツヴァイフェルのパラメータが翼板の縦方向にわたって、所属する翼列の損失が最小限に抑えられているように可変に調節されていることにより解決される。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の上位概念によるターボ機械用翼に関する。さらに本発明は、ターボ機械、特に蒸気タービンのロータ及びステータ、ならびにこのような翼を備えたターボ機械それ自体にも関する。

翼格子体において、例えばターボ機械の案内翼列あるいは回転翼列において、流れ損失は相応するように、いわゆる分割比（Ｔｅｉｌｕｎｇｓｖｅｒｈａｌｔｎｉｓ）により影響を受ける。分割比は翼の翼弦長に関連して、隣接した二つの翼列の翼間の間隔として定義されている。この場合、その間隔は一般に翼格子体の中間部分に規定され、従って翼列の翼数に関連して、中間部分半径に沿って定義される周囲長から得られる。その際、分割比が大きいと、まず形状損失が少なくなる。というのも湿った表面と、同時に翼境界層内で生じる摩擦損失が減少するからである。他方の側面では、流れ流路がハブ、場合によってはケーシングにより区画される、外側の流路区画壁において、そこで生じるいわゆる二次的渦流は、強度と拡張の点で分割比が上昇するにつれて、一定の分割比以上で、二次的渦流によって引き起こされる損失が、摩擦損失の減少を過剰補償するように増大する。それに応じて、最少損失が生じる最適な分割比が得られる。翼列がこの分割比あるいは最適な分割比にきわめて近い分割比でもって設計されるのはよくあることである。同様に、翼先端部に沿って作動流体が過剰に流れることにより生じる損失は、分割比によって増大する。

本発明の課題は、冒頭で述べた様式のターボ機械用翼を基にした、新しいターボ機械用翼を提供することにある。翼格子体の損失全体のさらなる低下が可能になる、冒頭で述べた様式のターボ機械用翼を提供しなければならないのが特有である。

このことにより、そこに記載された構造にもたらす、他の一連の長所以外に、請求項１に述べたターボ機械用翼が充足される。

さらに翼は翼板縦方向にわたり可変の翼弦長を有している。従ってその定義と意味が当業者には公知であるツヴァイフェルのパラメータは、翼板の縦方向にわたって、所属する翼格子体の損失が最小限に抑えられるように、可変に調節される。その際、ツヴァイフェルのパラメータは翼板の中央領域において先端部側端部もしくは脚部側端部におけるよりも大きいように調節される。本発明の実施形態において、翼弦長の配分は、理想的には翼板の先端部側もしくは脚部側端部に対して０．７の値まで落ちるように、次元の無いツヴァイフェルのパラメータが中央領域で０．９の値をとるように構成することが目標とされる。実際、このような理想化された分割は一般的には得られず、その代わりに使用できる近似値に到達することを目標とされる。

さらに、ここに記載されている流体機械用翼の場合、従来の基準による最適でかつ一定の分割比に基づいて設計するのとは意図的に異なり、形状損失の増加は犠牲にされるが、これにより、意外であるが損失全体はさらに軽減する。

その際、翼板の脚部側領域とは、翼板の端部であり、この端部でもって翼板は翼脚部に接続しており、この翼脚部でもって翼板はロータあるいはステータ内で固定されている。翼板の先端部側領域は、脚部側領域に対置された状態で設けられた翼板の端部に対応している。案内翼の場合、先端部側端部は翼板のハブ側端部に対応し、さらに翼板の端部に対応しており、翼板端部は取付け状態においては流体機械のハブに固定されている。従って、案内翼板の脚部側端部はケーシング側端部でもある。回転翼の翼板の場合、脚部側端部は半径方向で内側の、ハブ側端部であり、先端部側端部は半径方向で外側の、ケーシング側端部である。記載された翼は、特に翼板が脚部側端部では脚部側翼弦長を備え、先端部側端部では先端部側翼弦長を備え、縦方向の中央領域では、脚部側翼弦長よりも短く、また同様に先端部側翼弦長よりも短い翼弦長を備えていることを特徴としている。翼板は実施形態においては、先端部側端部に、脚部側端部に、あるいは翼板の先端部側端部にも脚部側端部にもある、最大の翼弦長を備えている。

本発明の実施形態において、縦方向の中央領域における翼弦長は、短い翼弦長の位置では、最大翼弦長の９０％未満の値、特に８５％未満あるいは８２％未満の値を有している。別の実施形態では、縦方向の中央領域における翼弦長は、短い翼弦長の位置において、最大翼弦長の７０％以上の値、特に７５％以上あるいは７８％以上の値を有している。

ターボ機械回転翼、特に囲い板の無い回転翼列のためのターボ機械回転翼としての、ここに記載されたターボ機械用翼の別の実施形態において、脚部側の翼弦長は先端部側の翼弦長よりも短く、例えば先端部側の翼弦長の９５％未満であり、連続した成形部では先端部側の翼弦長の９０％以上である。強度上の理由から、回転翼の脚部側の翼弦長は先端部側の翼弦長と同じ大きさかあるいは先端部側の翼弦長よりも極めて長く選定しなければならなないことが必要であることがある。後者は特に囲い板部材を備えた回転翼の場合に生じる。

ターボ機械回転翼の場合、脚部側の翼弦長は、脚部側の翼弦長が最大翼弦長であるように、先端部側の翼弦長よりも長く選定される。

脚部側の翼弦長が最大翼弦長である翼の場合、特殊な実施形態では、先端部側の翼弦長は脚部側の翼弦長の９５％未満および／または９０％未満に選定される。

ターボ機械用翼の実施形態において、翼板には、翼板の流出角が翼板縦方向にわたり基本的に一定である性質がある。このことは、翼板縦方向ではどの位置でも、翼板後縁部における翼板形状の中心線が互いに平行に延びていることを意味する。翼板縦方向での異なる位置における偏向は、最大１０°、特に最大６°、他の実施形態ではそれどころか最大４°あるいは５°である。その際、形状の湾曲は、翼板の中央領域では、翼弦長が短いため空力的負荷が大きいので、先端部側もしくは脚部側の領域においてよりも大きい。

本発明は数ある中でも蒸気タービン翼を形成するのに適している。

上述の様式の流体機械用翼は、例えば回転翼として、ターボ機械のロータの回転翼列内に配設するのに適している。さらに流体機械用翼は、例えば回転翼として、ターボ機械のステータの回転翼列内に配設するのに適している。

さらに本発明はターボ機械、特に先に記載した構造の翼を備えた、少なくとも一つの回転翼列を有するロータを備えており、および／または先に記載した構造の翼を備えた、少なくとも一つの回転翼列を有するステータを備えている蒸気タービンを備えている。

蒸気タービンの概略図である。 特許請求の範囲に記載されたことを特徴とする様式の捩れていない翼の第一実施例を示す図である。 特許請求の範囲に記載されたことを特徴とする様式の捩れていない翼の第二実施例を示す図である。 特許請求の範囲に記載されたことを特徴とする様式の捩れた翼の第一実施例を示す図である。 特許請求の範囲に記載されたことを特徴とする様式の捩れた翼の第二実施例を示す図である。 特許請求の範囲に記載されたことを特徴とする様式の翼の第一実施例を示す図である。 特許請求の範囲に記載されたことを特徴とする様式の翼の別の実施例を示す図である。

本発明を以下に図を基で説明した実施例を基にして詳しく説明する。

本発明の理解に不必要な部材は省略してある。実施例は純粋に役に立つように用意されており、かつ特許請求の範囲を特徴とする本発明の制限を考慮すべきではない。

図１にはタービン、例えば高圧の蒸気タービン１が概略的に示してある。例えば図示したタービンは、左から右へと作動流体が貫流している。タービンはロータとステータを備えている。特にロータは軸２ならびに回転翼２１を有する。特にステータはケーシング３と案内翼３１を備えている。タービンの段差部は各々、案内翼環と、流れを下ってその中に設けられた回転翼環を有している。

図２には例えば案内翼３１が示してある。翼脚部３２、翼プラットフォーム３３、ならびに翼プラットフォームに設けられた翼板３４を備えている。翼は囲い板のない状態で示してあり、このことは限定することを意味するものではない。本発明は類似の方法で囲い板部材を備えた翼で実現することができる。図示した翼は、翼板の翼弦長が翼板縦方向に沿って変化することを特徴とする。この場合、翼板の中間領域の翼弦長ｓ_ｍは、翼脚部の領域の翼弦長ｓ_ｏよりも短く、かつ翼先端部３５の領域の翼弦長ｓ_１よりも短い。さらに翼脚部の領域の翼弦長ｓ_ｏは、翼先端部の領域の翼弦長ｓ_１よりも長い。二つの翼間の間隔は、翼脚部の領域内の案内翼環の場合、翼先端部領域内よりも長いので、翼脚部は必要ではないが、場合によっては有利であることがわかる。そこでは先端部領域および脚部領域に比べて、疑わしいパラメータが増加するので、まず翼板の中間領域の翼弦長を短縮するのが重要である。翼板の縦方向では、三つの翼板形状３４０，３４１および３４２を示すのが典型的である。この形状は各々、その中心線３５０，３５１および３５２、ならびにその輪郭が特徴である。翼前縁部、場合によっては、翼後縁部での中心線の接線は、基本的に、設計上の空気の流れ及び翼板形状の流出方向と一致している。捩れていない翼なので、これらの方向はここに図示した全ての形状の場合は同じである。さらにこれらの形状は、最大の形状厚さが特徴であり、この形状厚さは厚さｄ_０，ｄ_１及びｄ_ｍを有する異なる形状であることを特徴としている。本発明の実施形態において、最大形状厚さは、翼弦長が短ければ短いほど厚い。なぜなら短くなった翼弦長により空気力学的負荷が増大するからである。例えば本発明の実施形態において、翼弦長が最も短い形状３４２の形状厚さｄ_ｍは最も厚い。

図２の実施例において、翼弦長の短縮は、翼後縁部の輪郭の形付けによって達成されている。図３は翼弦長の所望の変形が翼前縁部の形付けによっても達成できることを示している。明確には図示していない別の実施例においては、前縁部も後縁部も形付けられている。このことの実行の可能性は、本発明の後で示す他の形態全ての場合でも当然存在し、このことは実際頻繁に適用される。

捩れた翼板を備えた典型的な案内翼が図４及び５に示してある。さらに翼板３４の縦方向において、翼板形状３４０，３４１及び３４２の横断面が示してある。流出方向は、翼板形状全てにおいて基本的に同じである。それに比べて、翼脚部３２から翼先端部３５に向かう流線形状の偏向（Ｓｔｒｏｍｕｎｇｓｕｍｌｅｎｋｕｎｇ）は小さくなる。これは、翼板縦方向において、翼脚部から翼先端部に向かう表向きの流れが、見ればますます流出方向に近づくことを意味している。翼板の中央における翼弦長ｓ_ｍは、翼脚部の翼弦長ｓ_０よりも短く、かつ翼先端部の翼弦長ｓ_１よりも短い。さらに、翼脚部の翼弦長ｓ_０は、翼先端部の翼弦長ｓ_１よりも長く、ここでは、先に挙げたコメントに関っている。さらに図５は、翼弦長の変形が翼前縁部の形付けによっても、あるいは翼板前縁部と同様翼板後縁部の形付けによっても得られることを示している。

図６には回転翼２１における本発明の変形が示してある。回転翼は、翼脚部２２，翼プラットフォーム２３，翼板２４ならびに翼先端部２５を備えている。翼板の三つの位置の横断面が再度示してある。この場合、２４０は翼脚部の領域内の翼板形状であり、２４１は翼先端部の翼板形状であり、２４２は翼板中央の翼板形状である。前縁部と後縁部の翼板形状の中心線の方向と接線は、各々基本的に同じであり、このことは捩れていない翼板であることを意味している。翼板中央部での翼板形状２４２の翼弦長ｓ_ｍは、翼脚部の領域内にある形状２４０の翼弦長ｓ_０および翼先端部にある形状２４１の翼弦長ｓ_１よりも短い。さらに流体力学的に見ると、実例で示したように、翼脚部の領域の翼弦長ｓ_０が翼板先端部２５の領域の翼弦長ｓ_１よりも短いのは望ましい。他方において、翼脚部の領域の翼板横断面部は回転翼の場合に翼板全体の遠心負荷を担持する。このことは先端部領域の翼板に囲い板部材が設けられていると尚明らかである。従って回転翼の場合、本発明の図示していない実施形態において、翼脚部の領域の翼弦長ｓ_０は、翼先端部領域の翼弦長ｓ_１と同じ大きさに選定されるか、あるいはそれどころか翼弦長ｓ_１よりも大きく選定される。翼板中央部の翼板形状２４２は、翼弦長が短いので、翼脚部の形状２４０の翼厚ｄ_０、および翼板の先端部の形状２４１の翼厚ｄ_１よりも厚い翼厚ｄ_ｍを有する。

図６の実施例の場合には翼板後縁部の形付けがあるが、図７の実施例の場合には翼板前縁部が形付けられている。明確には図示していない実施形態においては、全縁部よりむしろ後縁部が形付けられているのが当業者にとって自明である。

この実施形態の考えにおいて、実施例には明確に示していない、特許請求の範囲に記載されたことを特徴とする、規則にとらわれない別の実施形態が当業者に開示される。特に本発明は、翼板を傾斜かあるいは曲げのような同一でない幾何学的特徴を備えた翼にも、あるいはいわゆる「捩れ」あるいは「湾曲」（この場合、この考えは当業者には周知である）を備えた翼にも適用できる。

１ 流体機械，蒸気タービン
２ 軸
３ ケーシング
２１ 回転翼
２２ 回転翼脚部
２３ 回転翼プラットフォーム
２４ 翼板
２５ 翼先端部
３１ 案内翼
３２ 案内翼脚部
３３ 案内翼プラットフォーム
３４ 翼板
３５ 翼先端部
２４０ 翼板形状
２４１ 翼板形状
２４２ 翼板形状
２５０ 中心線
２５１ 中心線
２５２ 中心線
３４０ 翼板形状
３４１ 翼板形状
３４２ 翼板形状
３５０ 中心線
３５１ 中心線
３５２ 中心線
ｄ_０ 翼板形状の最大形状厚
ｄ_１ 翼板形状の最大形状厚
ｄ_ｍ 翼板形状の最大形状厚
ｓ_０ 翼弦長
ｓ_１ 翼弦長
ｓ_ｍ 翼弦長

Claims (10)

1. 翼板（２４，３４）を備えており、
   この翼板が翼板縦方向でもって脚部側端部（２３，３３）から先端部側端部（２５，３５）まで延在しており、かつこの翼板が翼板前縁部と翼板後縁部とを備えているターボ機械用翼（２１，３１）において、
   ツヴァイフェルのパラメータが翼板の縦方向にわたって、所属する翼列の損失が最小限に抑えられているように可変に調節されていることを特徴とするターボ機械用翼。
2. ツヴァイフェルのパラメータが翼板の中央領域においては先端部側端部もしくは脚部側端部におけるよりも大きいように調節されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械用翼。
3. 縦方向の位置には、翼板前縁部から翼板後縁部までの翼弦長（ｓ_０，ｓ_１，ｓ_ｍ）が定義されていること、そして
   翼板の先端部側もしくは脚部側端部に対して０．７前後の値まで落ちるように、次元の無いツヴァイフェルのパラメータが中央領域で０．９前後の値をとるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械用翼。
4. 翼板が脚部側端部において脚部側翼弦長（ｓ_０）を備え、先端部側端部（２５，３５）において、先端部側翼弦長（ｓ_１）を備え、かつ縦方向の中央領域において、翼弦長（ｓ_ｍ）を備えており、この縦方向の中央領域の翼弦長が脚部側翼弦長よりも短いのと同様に、先端部側翼弦長よりも短いことを特徴とする請求項３に記載のターボ機械用翼。
5. 翼板形状が各々最大の形状厚さ（ｄ_０，ｄ_１，ｄ_ｍ）を備えていること、そして
   翼弦長が短いほど空力的な負荷が大きいので、各翼弦長が短いほど、最大形状厚さが大きいことを特徴とする請求項４に記載のターボ機械用翼。
6. ターボ機械用翼が翼板の少なくとも一つの位置において最大の翼弦長を備えており、
   この最大の翼弦長が先端部側端部に、脚部側端部に、あるいは翼板の先端部側端部にも脚部側端部にも生じることを特徴とする請求項４記載のターボ機械用翼。
7. 縦方向の中央領域における翼弦長が、最大翼弦長の９０％未満の値、特に８５％未満あるいは８２％未満の値の最小翼弦長を有していることを特徴とする請求項６に記載のターボ機械用翼。
8. 縦方向の中央領域における翼弦長（ｓ_ｍ）が、最大翼弦長の７０％以上の値、特に７５％以上あるいは７８％以上の値の最小翼弦長を有していることを特徴とする請求項６または７に記載のターボ機械用翼。
9. 先端部側の翼弦長（ｓ１）が最大翼弦長であり、脚部側の翼弦長が先端部側の翼弦長よりも小さいか、あるいは最大でも先端部側の翼弦長と同じであることを特徴とするターボ機械回転翼（２１）としての請求項６〜８のいずれか一つに記載のターボ機械用翼。
10. ターボ機械用翼が囲い板の無い回転翼列のための回転翼であることを特徴とする請求項６に記載のターボ機械用翼。

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