JP2014206085A - Axial flow turbine - Google Patents

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亮 ▲高▼田
亮 ▲高▼田
Akira Takada
雅徳 堤
Masanori Tsutsumi
雅徳 堤
大武 茂樹
Shigeki Otake
茂樹 大武
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve high nozzle efficiency over the whole area of a varying pressure ratio in an axial flow turbine in which a pressure ratio of working fluid between a nozzle blade inlet and a nozzle blade outlet is drastically varied.SOLUTION: Nozzle chambers 16a-16d are provided in such a manner of surrounding a turbine rotor 14, and working fluid w is supplied from working fluid supply pipes 22a-22d to the nozzle chambers 16a-16d. Flow control valves 26a-26d are respectively provided in the working fluid supply pipes 22a-22d. The flow control valves 26a-26d are opened and closed by a control device 28. A nozzle blade group constituted by nozzle blades having different shapes is provided for each of the nozzle chambers so that reduction of nozzle efficiency can be prevented in correspondence with different pressure ratios of nozzle inlet pressure and nozzle outlet pressure of the working fluid w.

Description

本発明は、運転条件によってノズル翼の入口と出口における作動流体の圧力比が大きく変動する軸流タービンに好適であり、前記圧力比が変動してもノズル効率を高く維持できるタービンノズルを備えた軸流タービンに関する。   The present invention is suitable for an axial flow turbine in which the pressure ratio of the working fluid at the inlet and outlet of the nozzle blades varies greatly depending on operating conditions, and includes a turbine nozzle that can maintain high nozzle efficiency even when the pressure ratio varies. The present invention relates to an axial flow turbine.

軸流タービンにおいて、作動流体は、作動流体供給管からタービンノズルが設けられた環状の導入路を経て、初段のタービン動翼に導入される。水中機器の動力として用いられる軸流タービンや、発電所に設けられたDSS(日間起動停止)軸流タービンにおいては、タービンノズルを構成するノズル翼の入口(前縁)圧力Pと出口(後縁)圧力Pとの圧力比(P/P)が大きく変動する。前記圧力比が大きくなり、作動流体の流速が超音速領域に達する運転条件では、超音速領域でエネルギ損失(圧力損失)が少ない先細―末広型ノズル翼が一般的に用いられる。 In the axial turbine, the working fluid is introduced from the working fluid supply pipe into the first stage turbine rotor blade through an annular introduction path provided with a turbine nozzle. And axial-flow turbine used as a power of underwater equipment, in a DSS (days start stop) axial flow turbine provided in the power plant, the inlet (leading edge) of the nozzle blade that constitutes the turbine nozzle pressure P 1 and the outlet (after edge) pressure ratio between the pressure P 2 (P 1 / P 2 ) is varied significantly. Under operating conditions where the pressure ratio increases and the flow rate of the working fluid reaches the supersonic region, a tapered-diverging nozzle blade with a small energy loss (pressure loss) in the supersonic region is generally used.

図7(A)は、先細―末広型ノズル翼を模式的に示す図である。図に示すように、先細―末広型ノズル翼1は、広い断面積を有する入口1aと、断面積が最小となる喉部1bと、広い断面積を有する出口1cとを有している。入口1aから流入した音速以下の作動流体wは、ノズル断面積が狭まるに従い速度が増し、減圧する。そして、ある条件下で、喉部1bで音速(マッハM=1)に達する。その後、断面積が広がるに従い、作動流体wは減圧(膨張)して超音速(M>1)となる。   FIG. 7 (A) is a diagram schematically showing a tapered-diverging nozzle blade. As shown in the figure, the tapered-widest nozzle wing 1 has an inlet 1a having a wide cross-sectional area, a throat portion 1b having a minimum cross-sectional area, and an outlet 1c having a wide cross-sectional area. The working fluid w below the sonic velocity flowing in from the inlet 1a increases in speed and depressurizes as the nozzle cross-sectional area decreases. Under certain conditions, the sound velocity (Mach M = 1) is reached at the throat 1b. Thereafter, as the cross-sectional area increases, the working fluid w is depressurized (expanded) and becomes supersonic (M> 1).

図7(B)は、先細型ノズル翼を模式的に示す図である。図に示すように、先細型ノズル翼3は、最も広い断面積を有する入口3aと、最も狭い断面積を有する出口3bとを有している。作動流体wの流速は出口3bで最も速くなるが、超音速にはならない。従って、先細型ノズル翼は亜音速対応用又は遷音速対応用として用いられる。   FIG. 7B is a diagram schematically showing a tapered nozzle blade. As shown in the figure, the tapered nozzle blade 3 has an inlet 3a having the widest cross-sectional area and an outlet 3b having the narrowest cross-sectional area. The flow velocity of the working fluid w is the fastest at the outlet 3b, but is not supersonic. Accordingly, the tapered nozzle blade is used for subsonic speed or transonic speed.

しかし、圧力比(P/P)が1〜30まで幅広く変動するとき、超音速対応用のノズル翼のみを用いたタービンノズルでは、部分負荷運転時に作動流体の流速が亜音速以下に低下したとき、ノズル効率が大きく低下する。
図8は、タービンノズルを構成する先細―末広型ノズル翼5の形状及び配置の例を示す。図8において、点tは、ノズル翼間で最も隙間面積が狭くなるノズル翼間喉部を示す。先細―末広型ノズル翼において、喉部tの隙間面積(スロート面積)aとノズル翼出口の隙間面積bの比(b/a)をAR値と言う。
However, when the pressure ratio (P 1 / P 2 ) fluctuates widely from 1 to 30, in a turbine nozzle that uses only supersonic-compatible nozzle blades, the flow rate of the working fluid drops below subsonic speed during partial load operation. As a result, the nozzle efficiency is greatly reduced.
FIG. 8 shows an example of the shape and arrangement of the tapered-divergent nozzle blades 5 constituting the turbine nozzle. In FIG. 8, the point t indicates the throat portion between the nozzle blades where the gap area is the narrowest between the nozzle blades. The ratio (b / a) between the clearance area (throat area) a of the throat t and the clearance area b of the nozzle blade outlet in the tapered-diverged nozzle blade is referred to as an AR value.

図9は、タービンノズルにおける作動流体の圧力比(P/P)の一例を示している。図中、臨界点は喉部tに相当する。ノズル翼間を流れる作動流体は、加速しつつ膨張(減圧)し、前記圧力比は増加する。ノズル翼出口で圧力比がPoとなるとき、ノズル効率が最良となる。運転中圧力比の変動幅が大きい軸流タービンでは、超音速域(領域ニ)に合わせてノズル翼の形状を設計している。しかし、このノズル翼の形状では、ノズル翼出口で圧力比が領域ロ(亜音速域)又は領域ハ(遷音速域)の値となった場合、衝撃波が発生し、ノズル効率が低下する。 FIG. 9 shows an example of the pressure ratio (P 1 / P 2 ) of the working fluid in the turbine nozzle. In the figure, the critical point corresponds to the throat t. The working fluid flowing between the nozzle blades expands (depressurizes) while accelerating, and the pressure ratio increases. The nozzle efficiency is best when the pressure ratio is Po at the nozzle blade outlet. In an axial turbine having a large fluctuation range of the pressure ratio during operation, the shape of the nozzle blade is designed in accordance with the supersonic region (region D). However, with this nozzle blade shape, when the pressure ratio at the nozzle blade outlet becomes a value in the region B (subsonic region) or region C (transonic region), a shock wave is generated and the nozzle efficiency is lowered.

特許文献1には、タービンノズルが設けられた環状の導入路を半径方向に2分割し、作動流体の流量が少ない部分負荷運転時に、一方の導入路のみに作動流体を導入し、作動流体の圧力及び流速を確保する構成が開示されている。この構成は、環状の導入路を周方向に分割し、一部の導入路のみに作動流体を導入した場合、これら導入路の境界で急激な流れの変化が起こり、タービン動翼に過大な衝撃力が加わって、タービン動翼が破損するのを防止するために採用されている。   In Patent Document 1, an annular introduction path provided with a turbine nozzle is divided into two in the radial direction, and the working fluid is introduced into only one introduction path during partial load operation where the flow rate of the working fluid is small. A configuration for ensuring pressure and flow velocity is disclosed. In this configuration, when the annular introduction path is divided in the circumferential direction and the working fluid is introduced into only some of the introduction paths, a sudden flow change occurs at the boundary of these introduction paths, resulting in excessive impact on the turbine blades. This is used to prevent the turbine blades from being damaged due to the applied force.

特許文献2には、前記環状の導入路を周方向に分割して複数のノズル室を形成した軸流タービンが開示されている。この軸流タービンは、作動流体の圧力が低下する一部のノズル室の開口面積を絞ることで、作動流体の圧力及び流速を確保し、ノズル効率(調速段効率)の低下を防止するようにしている。   Patent Document 2 discloses an axial turbine in which the annular introduction path is divided in the circumferential direction to form a plurality of nozzle chambers. This axial flow turbine ensures the pressure and flow velocity of the working fluid by restricting the opening area of a part of the nozzle chamber where the pressure of the working fluid decreases, and prevents the nozzle efficiency (regulator stage efficiency) from decreasing. I have to.

特開昭60−69213号公報JP-A-60-69213 実用新案第2601200号公報Utility Model No. 2601200

前述のように、運転中圧力比が幅広く変動する軸流タービンでは、圧力比の全域で高いノズル効率を維持することが困難である。特許文献1及び特許文献2に開示された構成は、かかる問題を解決するものではない。   As described above, in an axial flow turbine in which the pressure ratio varies widely during operation, it is difficult to maintain high nozzle efficiency over the entire pressure ratio. The configurations disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 do not solve this problem.

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ノズル翼入口及びノズル翼出口間の作動流体の圧力比が大きく変動する軸流タービンにおいて、変動する圧力比の全域で高いノズル効率を可能にすることを目的とする。   In the axial flow turbine in which the pressure ratio of the working fluid between the nozzle blade inlet and the nozzle blade outlet fluctuates greatly, the present invention enables high nozzle efficiency in the entire range of the varying pressure ratio. With the goal.

本発明の軸流タービンは、ノズル翼群がタービンロータの周囲に列状に配置されてなるタービンノズルと、タービンロータの一部を構成し、タービンノズルに隣接して配置されたタービン動翼群と、作動流体をタービンノズルを介してタービン動翼群に供給する作動流体供給路とを備えている軸流タービンである。   The axial flow turbine of the present invention includes a turbine nozzle in which nozzle blade groups are arranged in a line around the turbine rotor, and a turbine rotor blade group that is part of the turbine rotor and is disposed adjacent to the turbine nozzle. And a working fluid supply path that supplies the working fluid to the turbine rotor blade group via the turbine nozzle.

そして、前記目的を達成するため、前記タービンノズルは、タービンロータの周囲に形成された環状の空間をタービンロータの周方向に複数に仕切って形成された複数のノズル室と、複数のノズル室に設けられ、ノズル室毎に異なる形状を有し、作動流体のノズル入口圧とノズル出口圧との異なる圧力比又は前記作動流体の異なる流量に夫々対応してノズル効率の低下を防止可能なノズル翼群とで構成されている。そして、各ノズル室に供給される作動流体の流量を制御する流量制御機構と、軸流タービンの運転条件によって流量制御機構を制御する制御装置とを備えている。   In order to achieve the object, the turbine nozzle is divided into a plurality of nozzle chambers formed by dividing an annular space formed around the turbine rotor into a plurality of circumferential directions of the turbine rotor, and a plurality of nozzle chambers. Nozzle blades that are provided and have different shapes for each nozzle chamber and can prevent a decrease in nozzle efficiency corresponding to different pressure ratios of the nozzle inlet pressure and nozzle outlet pressure of the working fluid or different flow rates of the working fluid. It consists of groups. And the flow control mechanism which controls the flow volume of the working fluid supplied to each nozzle chamber, and the control apparatus which controls a flow control mechanism by the operating condition of an axial flow turbine are provided.

かかる構成によって、前記制御装置によって、運転中の作動流体の圧力比又は流量の変動に対応して、流量制御機構を制御し、ノズル効率が最良となるノズル翼を有するノズル室に作動流体を導入する。これによって、圧力比が変動しても、常に高いノズル効率を得ることができる。なお、流量制御機構は、例えば、タービンノズルに作動流体を供給する作動流体供給路に設けられた流量制御弁又は流量制御ダンパでもよく、あるいは作動流体が流入する各ノズル室の入口を開閉する開閉機構を設けるようにしてもよい。   With this configuration, the control device controls the flow rate control mechanism in response to fluctuations in the pressure ratio or flow rate of the working fluid during operation, and introduces the working fluid into the nozzle chamber having the nozzle blades with the best nozzle efficiency. To do. Thereby, even if the pressure ratio fluctuates, a high nozzle efficiency can always be obtained. Note that the flow rate control mechanism may be, for example, a flow rate control valve or a flow rate control damper provided in a working fluid supply path that supplies the working fluid to the turbine nozzle, or an open / close that opens and closes the inlet of each nozzle chamber into which the working fluid flows. A mechanism may be provided.

図1は、ノズル翼出口の作動流体の流速(マッハ数)に対する作動流体のエネルギ損失係数比(ノズル翼で発生する最小のエネルギ損失を1.0としたときのエネルギ損失係数の比)を示す。図中、曲線Aは大曲率の先細型ノズル翼の場合であり、曲線Bは小曲率の先細型ノズル翼の場合であり、曲線Cはフラットバックノズル翼(FBノズル翼)の場合であり、曲線Dは先細―末広型ノズル翼の場合である。
大曲率の先細型ノズル翼とは、図5(A)に示すノズル翼30aのように、ノズル翼出口近くの背面fの曲率が大きい形状の先細型ノズル翼を言う。FBノズル翼とは、図5(B)に示すノズル翼30bのように、ノズル翼背面出口中央から出口まで直線断面を有する、即ち、曲率半径が無限大の先細型ノズル翼を言う。
FIG. 1 shows the energy loss coefficient ratio of the working fluid to the flow velocity (Mach number) of the working fluid at the nozzle blade outlet (ratio of the energy loss coefficient when the minimum energy loss generated in the nozzle blade is 1.0). . In the figure, curve A is a case of a tapered nozzle blade having a large curvature, curve B is a case of a tapered nozzle blade having a small curvature, and curve C is a case of a flat back nozzle blade (FB nozzle blade). Curve D is for a tapered-splunger nozzle blade.
The tapered nozzle blade having a large curvature is a tapered nozzle blade having a shape with a large curvature on the back surface f near the nozzle blade outlet, like a nozzle blade 30a shown in FIG. The FB nozzle blade refers to a tapered nozzle blade having a straight section from the center of the nozzle blade rear exit to the outlet, that is, an infinite curvature radius, like a nozzle blade 30b shown in FIG.

図1に示すように、マッハ数が0.6以下では大曲率の先細型ノズル翼のエネルギ損失が最も少なく、マッハ数が0.6〜1.0では、小曲率の先細型ノズル翼のエネルギ損失が最も少ない。また、マッハ数が1.0〜1.4では先細型ノズル翼のエネルギ損失が最も少なく、マッハ数が1.4以上では先細―末広型ノズル翼のエネルギ損失が最も少ない。   As shown in FIG. 1, when the Mach number is 0.6 or less, the taper-shaped nozzle blade having a large curvature has the least energy loss. When the Mach number is 0.6 to 1.0, the energy of the tapered nozzle blade having a small curvature is small. The least loss. Further, when the Mach number is 1.0 to 1.4, the energy loss of the tapered nozzle blade is the smallest, and when the Mach number is 1.4 or more, the energy loss of the tapered-divergent nozzle blade is the smallest.

本発明の一態様として、複数のノズル室に設けられたすべてのノズル翼は、超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成することができる。そして、この先細―末広型ノズル翼は、ノズル室毎にスロート面積と出口隙間面積との面積比(AR値)が異なり、各ノズル室に設けられたノズル翼のAR値は、複数の異なる前記圧力比に夫々対応してノズル効率を低減可能な値に設定することができる。   As one aspect of the present invention, all the nozzle blades provided in the plurality of nozzle chambers can be constituted by a tapered-diverging nozzle blade for supersonic speed. The tapered-diverged nozzle blade has a different area ratio (AR value) between the throat area and the outlet gap area for each nozzle chamber, and the AR value of the nozzle blade provided in each nozzle chamber has a plurality of different values. The nozzle efficiency can be set to a value that can be reduced corresponding to each pressure ratio.

前記態様は、作動流体がノズル翼間で超音速となる場合に適用される態様である。先細―末広型ノズル翼は、前記圧力比によって最良なノズル効率となるAR値が異なる。本態様によれば、運転中の圧力比に対して、ノズル効率が最良となるノズル翼を有するノズル室に作動流体を導入することで、圧力比が変動しても、常に高いノズル効率を得ることができる。   The said aspect is an aspect applied when a working fluid becomes a supersonic speed between nozzle blades. The taper-diverging nozzle blades have different AR values that provide the best nozzle efficiency depending on the pressure ratio. According to this aspect, by introducing the working fluid into the nozzle chamber having the nozzle blades with the best nozzle efficiency with respect to the pressure ratio during operation, high nozzle efficiency is always obtained even if the pressure ratio varies. be able to.

また、本発明の別な態様として、各ノズル室に設けられたすべてのノズル翼は、作動流体がタービン動翼に流入するときの出口流出角のばらつきが±10度以内になるように設定されている。
これによって、作動流体がタービン動翼に流入するときの作動流体の圧力損失を抑制でき、ノズル効率の低下を防止できる。
As another aspect of the present invention, all the nozzle blades provided in each nozzle chamber are set so that the variation in the outlet outflow angle when the working fluid flows into the turbine blade is within ± 10 degrees. ing.
Thereby, the pressure loss of the working fluid when the working fluid flows into the turbine rotor blade can be suppressed, and the decrease in nozzle efficiency can be prevented.

本発明の別な態様として、前記複数のノズル室に設けられたすべてのノズル翼を、亜音速対応用の先細ノズル翼で構成すると共に、ノズル室毎に先細型ノズル翼の出口背面曲率が異なるものとすることができる。この態様は、作動流体がノズル翼間で遷音速を含む亜音速となる場合に適用される。
このように、ノズル室毎に先細型ノズル翼の出口背面曲率を変えることで、ノズル室毎に、ノズル翼の形状を複数の異なる圧力比に夫々対応してノズル効率の低下を防止可能な形状にすることができる。そして、ノズル翼間の作動流体の流速に応じて、作動流体のエネルギ損失が最低となるノズル翼を有するノズル室に作動流体を導入することで、圧力比が変動しても、常に作動流体のエネルギ損失を抑制し、ノズル効率を高く維持できる。
As another aspect of the present invention, all the nozzle blades provided in the plurality of nozzle chambers are composed of tapered nozzle blades for subsonic speed, and the outlet back curvature of the tapered nozzle blade is different for each nozzle chamber. Can be. This aspect is applied when the working fluid has subsonic speed including transonic speed between the nozzle blades.
In this way, by changing the outlet back curvature of the tapered nozzle blade for each nozzle chamber, the shape of the nozzle blade can correspond to a plurality of different pressure ratios for each nozzle chamber, thereby preventing a decrease in nozzle efficiency. Can be. Then, by introducing the working fluid into the nozzle chamber having the nozzle blade that minimizes the energy loss of the working fluid according to the flow velocity of the working fluid between the nozzle blades, the working fluid is always kept in place even if the pressure ratio fluctuates. Energy loss can be suppressed and nozzle efficiency can be maintained high.

本発明のさらに別な態様として、複数のノズル室のうち、一つのノズル室に設けられたノズル翼を超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成し、他のノズル室に設けられたノズル翼を亜音速対応用の先細型ノズル翼で構成することができる。   As yet another aspect of the present invention, among the plurality of nozzle chambers, the nozzle blades provided in one nozzle chamber are configured with a tapered-divergent nozzle blade for supersonic speed, and are provided in the other nozzle chambers. The nozzle blade can be formed of a tapered nozzle blade for subsonic speed.

かかる構成のタービンノズルは、発電所に設けられたDSS軸流タービンに好適である。DSS軸流タービンでは、75〜100%の間で負荷が変動するとき、一部のノズル室の作動流体の流量を絞り、小流量としている。そのため、小流量のノズル室では、作動流体がノズル翼間で高圧力比となり超音速となっている。かかる小流量のノズル室に亜音速対応用の先細型ノズル翼を設けると、衝撃波が発生し、圧力損失が大きくなる。そこで、該ノズル室のノズル翼を超音波対応用の先細―末広型ノズル翼とすることで、該ノズル室のノズル効率を向上できる。   The turbine nozzle having such a configuration is suitable for a DSS axial flow turbine provided in a power plant. In the DSS axial flow turbine, when the load fluctuates between 75% and 100%, the flow rate of the working fluid in some nozzle chambers is reduced to a small flow rate. Therefore, in the nozzle chamber with a small flow rate, the working fluid has a high pressure ratio between the nozzle blades and is supersonic. When a tapered nozzle blade for subsonic speed is provided in such a small flow rate nozzle chamber, a shock wave is generated and pressure loss increases. Therefore, the nozzle efficiency of the nozzle chamber can be improved by making the nozzle blade of the nozzle chamber into a tapered-diverging nozzle blade for ultrasonic waves.

本発明のさらに別な態様では、複数のノズル室のうち、一つのノズル室に設けられたノズル翼を超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成し、他の一つのノズル室に設けられたノズル翼を遷音速対応用の先細型ノズル翼で構成すると共に、残りのノズル室に設けられたノズル翼を亜音速対応用の先細型ノズル翼で構成することができる。   In yet another aspect of the present invention, among the plurality of nozzle chambers, the nozzle blades provided in one nozzle chamber are configured with a tapered-divergent nozzle blade for supersonic speed and provided in the other nozzle chamber. The nozzle blades thus formed can be configured with a tapered nozzle blade for transonic speed, and the nozzle blades provided in the remaining nozzle chambers can be configured with a tapered nozzle blade for subsonic speed.

DSS軸流タービンで負荷が50%付近に低下すると、作動流体はさらに小流量となる。そのため、亜音速対応用の先細型ノズル翼を設けたノズル室の一部でも高圧力比及び小流量となるので、衝撃波が発生しやすくなり、ノズル効率が低下する。従って、小流量となるノズル室に設けられた亜音速対応用の先細型ノズル翼を遷音速対応用の先細型ノズル翼に代えることで、衝撃波の発生を抑制し、ノズル効率を高めることができる。   When the load is reduced to around 50% in the DSS axial flow turbine, the working fluid has a smaller flow rate. Therefore, even a part of the nozzle chamber provided with the subsonic nozzle blades corresponding to the subsonic speed has a high pressure ratio and a small flow rate, so that a shock wave is easily generated and the nozzle efficiency is lowered. Therefore, by substituting the tapered nozzle blade for subsonic speed provided in the nozzle chamber having a small flow rate with the tapered nozzle blade for transonic speed, the generation of shock waves can be suppressed and the nozzle efficiency can be increased. .

なお、遷音速対応用の先細型ノズル翼は、作動流体の出口領域の背面を平坦面とすることで、容易に製造できる。そのため、遷音速対応用の先細型ノズルの製造費を低コスト化できる。   In addition, the taper type nozzle blade for transonic response can be easily manufactured by making the back surface of the exit area of the working fluid a flat surface. Therefore, the manufacturing cost of the tapered nozzle for transonic response can be reduced.

本発明のさらに別な態様は、船舶に搭載された軸流タービンに好適なものである。この態様は、船舶の推進軸を駆動する船舶の主機エンジンから排出される第1の排ガスを、作動流体として複数のノズル室の一部に供給し、船舶に搭載された発電機を駆動する船舶の補機エンジンから排出される第2の排ガスを、作動流体として他のノズル室に供給する。この態様においては、先細―末広型ノズルや先細型ノズルの如き形状の違いでなく、ノズル翼のスロート面積の違いによって区別するものである。   Yet another aspect of the present invention is suitable for an axial turbine mounted on a ship. In this aspect, the first exhaust gas discharged from the main engine of the ship that drives the propulsion shaft of the ship is supplied as a working fluid to a part of the plurality of nozzle chambers to drive the generator mounted on the ship. The second exhaust gas discharged from the auxiliary engine is supplied to the other nozzle chamber as a working fluid. In this embodiment, the distinction is made not by the difference in shape as in the tapered-diverging nozzle or the tapered nozzle, but by the difference in the throat area of the nozzle blades.

即ち、第1の排ガス用の複数のノズル室に設けられたノズル翼のスロート面積を、第2の排ガス用のノズル室に設けられたノズル翼のスロート面積よりも大きくする。第1の排ガスのように大流量の排ガスの場合には、スロート面積の大きいノズル翼を設けたノズル室に導入することで、ノズル効率を向上できる。一方、補機エンジンから排出される排ガスは流量が小さいので、スロート面積をより小さくしたノズル翼を設けたノズル室に導入することで、ノズル効率を高く維持できる。この場合、ノズル翼の形状が先細―末広型ノズル翼か又は先細型ノズル翼かを問わない。   That is, the throat area of the nozzle blades provided in the plurality of nozzle chambers for the first exhaust gas is made larger than the throat area of the nozzle blades provided in the nozzle chamber for the second exhaust gas. In the case of exhaust gas with a large flow rate such as the first exhaust gas, nozzle efficiency can be improved by introducing it into a nozzle chamber provided with nozzle blades having a large throat area. On the other hand, since the exhaust gas discharged from the auxiliary engine has a small flow rate, the nozzle efficiency can be maintained high by introducing it into a nozzle chamber provided with nozzle blades having a smaller throat area. In this case, it does not matter whether the shape of the nozzle blades is a tapered-diverging nozzle blade or a tapered nozzle blade.

本発明によれば、作動流体の圧力比又は流量の変動が大きい軸流タービンであっても、常に高いノズル効率で稼動させることができる。   According to the present invention, even an axial turbine having a large fluctuation in the pressure ratio or flow rate of the working fluid can always be operated with high nozzle efficiency.

各種形状のノズル翼のエネルギ損失係数比を示す線図である。It is a diagram which shows the energy loss coefficient ratio of the nozzle blade of various shapes. 本発明の第1実施形態に係る軸流タービンの縦断面図である。It is a longitudinal section of an axial flow turbine concerning a 1st embodiment of the present invention. 図1中の矢印E方向から視た模式図である。It is the schematic diagram seen from the arrow E direction in FIG. (A)はAR値が大の先細―末広型ノズル翼の横断面図であり、(B)はAR値が小さい先細―末広型ノズル翼の横断面図である。(A) is a cross-sectional view of a tapered-divergent nozzle blade having a large AR value, and (B) is a cross-sectional view of a tapered-divergent nozzle blade having a small AR value. (A)及び(B)は出口背面曲率が異なる先細型ノズル翼の横断面図である。(A) And (B) is a cross-sectional view of the taper type | mold nozzle blade from which an exit back surface curvature differs. 本発明の第5実施形態に係る軸流タービンの模式図である。It is a schematic diagram of the axial flow turbine which concerns on 5th Embodiment of this invention. (A)は先細―末広型ノズルの模式図であり、(B)は先細―末広型ノズルの模式図である。(A) is a schematic diagram of a taper-diverging nozzle, and (B) is a schematic diagram of a tapering-diverging nozzle. 先細―末広型ノズル翼の横断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a tapered-suehiro type nozzle blade. ノズル翼間における作動流体の圧力比を示す線図である。It is a diagram which shows the pressure ratio of the working fluid between nozzle blades.

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention to that unless otherwise specified.

(実施形態1)
本発明の第1実施形態を図2〜図4に基づいて説明する。図2及び図3において、本実施形態に係る軸流タービン10Aは、例えば、水中機器に動力用として搭載されるものである。内部ケーシング12の内側中央にタービンロータ14が設けられている。内部ケーシング12とタービンロータ14との間に、タービンロータ14を囲むように、4個のノズル室16a〜16dが設けられている。ノズル室16a〜16dは内部ケーシング12に固定され、ノズル室16a〜16dの内部には、夫々多数のノズル翼からなるノズル翼群が設けられている。ノズル室16a〜16dに隣接かつ対面して、タービンロータ14の一部を構成する多数のタービン動翼群20が放射状に取り付けられている。
(Embodiment 1)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3, the axial turbine 10 </ b> A according to the present embodiment is mounted on an underwater device for power, for example. A turbine rotor 14 is provided at the inner center of the inner casing 12. Four nozzle chambers 16 a to 16 d are provided between the inner casing 12 and the turbine rotor 14 so as to surround the turbine rotor 14. The nozzle chambers 16a to 16d are fixed to the inner casing 12, and a nozzle blade group including a large number of nozzle blades is provided inside the nozzle chambers 16a to 16d. A large number of turbine rotor blade groups 20 constituting a part of the turbine rotor 14 are radially attached so as to be adjacent to and face the nozzle chambers 16a to 16d.

ノズル室16a〜16dには、夫々作動流体供給管22a〜22dが接続されている。作動流体供給管22a〜22dには夫々流量制御弁26a〜26dが設けられている。
図3は、矢印A方向から視たノズル室16a〜16dの模式図である。図3には、ノズル室16a〜16dに夫々接続される作動流体供給管22a〜22dの出口開口24a〜24dが模式的に図示されている。流量制御弁26a〜26dの開閉動作は、制御装置28によって制御される。
Working fluid supply pipes 22a to 22d are connected to the nozzle chambers 16a to 16d, respectively. The working fluid supply pipes 22a to 22d are provided with flow control valves 26a to 26d, respectively.
FIG. 3 is a schematic diagram of the nozzle chambers 16a to 16d viewed from the direction of the arrow A. FIG. 3 schematically shows the outlet openings 24a to 24d of the working fluid supply pipes 22a to 22d connected to the nozzle chambers 16a to 16d, respectively. The opening / closing operation of the flow control valves 26 a to 26 d is controlled by the control device 28.

タービン動翼群20は、タービンロータ14の周方向に配置されているが、各ノズル室16a〜16dに設けられたノズル翼も、タービン動翼群20と同様に、タービンロータ14の周方向に配置されている。ノズル室16a〜16dはタービン動翼群20に面して開放されている。各ノズル室には、夫々形状が異なるノズル翼が設けられている。即ち、作動流体の流速がマッハ数1.4以上となる場合に適用するもので、各ノズル室に設けられたノズル翼は、すべて超音波対応用の先細―末広型ノズル翼である。しかし、各ノズル室毎に、夫々AR値(ノズル翼の出口隙間面積b/喉部tのスロート面積a)が異なった形状を有している。   The turbine blade group 20 is arranged in the circumferential direction of the turbine rotor 14, but the nozzle blades provided in the nozzle chambers 16 a to 16 d are also arranged in the circumferential direction of the turbine rotor 14, similarly to the turbine blade group 20. Has been placed. The nozzle chambers 16 a to 16 d are opened facing the turbine blade group 20. Each nozzle chamber is provided with nozzle blades having different shapes. In other words, this is applied when the flow velocity of the working fluid is Mach number 1.4 or more, and the nozzle blades provided in each nozzle chamber are all tapered-stoe-wide nozzle blades for ultrasonic waves. However, each nozzle chamber has a shape with a different AR value (nozzle blade outlet clearance area b / throat part t throat area a).

図4は本実施形態で用いられる先細―末広型ノズル翼を示す。図中(A)は、AR値が大きい先細―末広型ノズル翼18aを示し、図4(B)は、AR値が小さい先細―末広型ノズル翼18bを示している。   FIG. 4 shows a tapered-divergent nozzle blade used in this embodiment. In the figure, (A) shows a tapered-diverging nozzle blade 18a having a large AR value, and FIG. 4 (B) shows a tapered-diverging nozzle blade 18b having a small AR value.

流量制御弁24a〜24dの開閉動作は、制御装置28によって、圧力比(P/P)に応じて制御される。作動流体wは、いずれかの作動流体供給管22a〜22dからいずれかのノズル室16a〜16dに流入し、さらにノズル室からタービン動翼群20に流れる。運転時の圧力比(P/P)に応じて最良のノズル効率を発揮するAR値は異なる。そのため、制御装置28は、前記圧力比に応じて最良のノズル効率が得られるノズル翼18を備えたノズル室の流量制御弁を開放する。これによって、運転中に圧力比が変動しても、最良のノズル効率を得ることができる。 Opening and closing operation of the flow control valve 24a~24d is by the control device 28 is controlled according to the pressure ratio (P 1 / P 2). The working fluid w flows into one of the nozzle chambers 16a to 16d from one of the working fluid supply pipes 22a to 22d, and further flows from the nozzle chamber to the turbine blade group 20. The AR value that provides the best nozzle efficiency varies depending on the pressure ratio (P 1 / P 2 ) during operation. Therefore, the control device 28 opens the flow control valve of the nozzle chamber provided with the nozzle blades 18 that can obtain the best nozzle efficiency in accordance with the pressure ratio. As a result, the best nozzle efficiency can be obtained even if the pressure ratio fluctuates during operation.

また、ノズル室16a〜16dのすべてのノズル翼18の出口流出角cのばらつきが、±10度以内になるように設定されているので作動流体wがタービン動翼群20に流入したとき、作動流体wがタービン動翼群20に流入するときの作動流体wの圧力損失を最小限に抑えることができる。
なお、本実施形態において、流量制御弁26a〜26dの代わりに、流量制御ダンパを設けてもよく、あるいは作動流体wが流入する各ノズル室の入口を開閉する開閉機構を設け、この開閉機構を制御装置28で制御することで、作動流体wをノズル室16a〜16dのどれかに選択的に流入させるようにしてもよい。
Further, since the variation of the outlet outflow angle c of all the nozzle blades 18 in the nozzle chambers 16a to 16d is set to be within ± 10 degrees, the operation is performed when the working fluid w flows into the turbine blade group 20. The pressure loss of the working fluid w when the fluid w flows into the turbine blade group 20 can be minimized.
In this embodiment, a flow rate control damper may be provided instead of the flow rate control valves 26a to 26d, or an opening / closing mechanism for opening / closing each nozzle chamber into which the working fluid w flows is provided. By controlling with the control device 28, the working fluid w may be selectively introduced into any of the nozzle chambers 16a to 16d.

(実施形態2)
次に、本発明の第2実施形態を図5により説明する。本実施形態の軸流タービンの構成は、ノズル室16a〜16dに設けられるノズル翼の形状以外は、前記第1実施形態と同一の構成を有している。本実施形態は、第1実施形態と異なりマッハ数が1.4以下の場合に適用されるものである。図5に、本実施形態で用いられるノズル翼の形状を示している。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the axial turbine according to this embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the shape of the nozzle blades provided in the nozzle chambers 16a to 16d. Unlike the first embodiment, this embodiment is applied when the Mach number is 1.4 or less. FIG. 5 shows the shape of the nozzle blade used in the present embodiment.

図5(A)及び(B)に示すノズル翼30a及び30bは、亜音速対応の先細型ノズル翼である。先細型ノズル翼30aとノズル翼30bとは、作動流体wのマッハ数に応じてノズル翼出口背面fの曲率を違えている。
先細型ノズル翼30aは大曲率の先細型ノズル翼であり、ノズル翼出口近くの背面fが正の曲率を有し、先細型ノズル翼30bは、フラットバックノズル(FBノズル)であり、ノズル翼背面出口中央部から出口まで直線断面を有している、即ち曲率が無限大である。
4個のノズル室16a〜16dに、夫々出口背面曲率の異なる形状の先細型ノズル翼が設けられている。
Nozzle blades 30a and 30b shown in FIGS. 5A and 5B are tapered nozzle blades corresponding to subsonic speed. The tapered nozzle blade 30a and the nozzle blade 30b have different curvatures at the nozzle blade outlet rear surface f according to the Mach number of the working fluid w.
The tapered nozzle blade 30a is a tapered nozzle blade having a large curvature, the back surface f near the nozzle blade outlet has a positive curvature, and the tapered nozzle blade 30b is a flat back nozzle (FB nozzle). It has a straight section from the center of the rear exit to the exit, that is, the curvature is infinite.
The four nozzle chambers 16a to 16d are provided with tapered nozzle blades each having a shape with a different outlet back curvature.

本実施形態のように作動流体の流速が亜音速の場合は、第1実施形態で用いた超音速対応用の先細-末広型ノズルでは効率が低下するため、先細型ノズルにすることで高いノズル効率が得られる。また、図5に示すように、ノズル出口背面の曲率を調整することにより、マッハ数が1.4以下の場合でもマッハ数に応じて、ノズル効率の良いノズル翼を使用可能となる。   When the flow velocity of the working fluid is subsonic as in this embodiment, the efficiency decreases with the supersonic-capable taper-divergent nozzle used in the first embodiment. Efficiency is obtained. Further, as shown in FIG. 5, by adjusting the curvature of the back surface of the nozzle outlet, nozzle blades with good nozzle efficiency can be used according to the Mach number even when the Mach number is 1.4 or less.

本実施形態では、ノズル翼出口で発生する作動流体wのマッハ数に応じて、最もエネルギ損失が少ないノズル翼を有するノズル室に作動流体wを導入する。これによって、圧力比が変動しても、常にノズル効率を高く維持できる。また、すべてのノズル翼の出口流出角cのばらつきが、±10度以内になるように設定されているのでタービン動翼群20に流入する作動流体wの圧力損失を最小限に抑えることができる。   In the present embodiment, the working fluid w is introduced into a nozzle chamber having nozzle blades with the least energy loss in accordance with the Mach number of the working fluid w generated at the nozzle blade outlet. Thereby, even if the pressure ratio varies, the nozzle efficiency can always be maintained high. Further, since the variation of the outlet outflow angle c of all the nozzle blades is set within ± 10 degrees, the pressure loss of the working fluid w flowing into the turbine blade group 20 can be minimized. .

(実施形態3)
次に、本発明の第3実施形態を説明する。本実施形態は、電力負荷調整用のDSS軸流タービンに好適な実施形態である。本実施形態でも、ノズル室は、第1実施形態及び第2実施形態と同様に、4個のノズル室16a〜16dに仕切られている。そして、第2実施形態のようにノズル室16a〜16dが全て亜音速対応の先細型ノズルでなく、ノズル室16a〜16cに設けられたノズル翼は、すべて亜音速対応用の先細ノズル翼とし、ノズル室16dに設けられたノズル翼のみ超音波対応用の先細―末広型ノズル翼としている。また、すべてのノズル翼の出口流出角cは、タービン動翼20におけるインシデンス損失他の諸損失の増加を抑えるように、ノズル形状によらず統一することが望ましい。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. This embodiment is an embodiment suitable for a DSS axial flow turbine for adjusting electric power load. Also in this embodiment, the nozzle chamber is divided into four nozzle chambers 16a to 16d, as in the first and second embodiments. The nozzle chambers 16a to 16d are not all tapered nozzles corresponding to subsonic speeds as in the second embodiment, and the nozzle blades provided in the nozzle chambers 16a to 16c are all tapered nozzle blades corresponding to subsonic speeds. Only the nozzle blades provided in the nozzle chamber 16d are tapered and divergent nozzle blades for ultrasonic waves. Further, it is desirable that the outlet outflow angles c of all the nozzle blades be unified regardless of the nozzle shape so as to suppress an increase in the incidence loss and other losses in the turbine blade 20.

DSS軸流タービンでは、運転中、流量制御弁26a〜26dをすべて開放し、ノズル室16a〜16dに作動流体wを導入して運転する。運転の大半は部分負荷運転(ノズル室16a〜16cで作動流体wを100%流入、ノズル室16dで作動流体wの流入量を調整)となる。そのため、75〜100%の負荷運転では、ノズル室16dで運転中大部分小流量状態となり、作動流体wは超音速で作動している。   In the DSS axial flow turbine, during operation, all the flow control valves 26a to 26d are opened, and the working fluid w is introduced into the nozzle chambers 16a to 16d. Most of the operation is partial load operation (the working fluid w flows in 100% in the nozzle chambers 16a to 16c, and the inflow amount of the working fluid w is adjusted in the nozzle chamber 16d). Therefore, in the load operation of 75 to 100%, the nozzle chamber 16d is mostly in a low flow state during operation, and the working fluid w is operating at supersonic speed.

従って、ノズル室16dには超音速対応用の先細―末広型ノズル翼を設けることで、ノズル効率を高く維持できる。ノズル室16dでは、100%負荷運転に近づくほど、高圧力比かつ小流量となるため、作動流体wの流速は超音速域となり、先細型ノズル翼では衝撃波が発生し、ノズル効率が低下する。そのため、ノズル室16dでは、ノズル翼を超音波対応用の先細―末広型ノズル翼とすることで、ノズル効率を高く維持できる。   Therefore, by providing the nozzle chamber 16d with a tapered-diverging nozzle blade for supersonic speed, the nozzle efficiency can be maintained high. In the nozzle chamber 16d, the closer to 100% load operation, the higher the pressure ratio and the smaller the flow rate. Therefore, the flow velocity of the working fluid w becomes a supersonic region, and shock waves are generated in the tapered nozzle blades, resulting in a decrease in nozzle efficiency. Therefore, in the nozzle chamber 16d, nozzle efficiency can be maintained high by making the nozzle blades into tapered and divergent nozzle blades for ultrasonic waves.

(実施形態4)
次に、本発明の第4実施形態を説明する。DSS軸流タービンでは、50%程度の負荷になると、ノズル室16d以外のノズル室(例えばノズル室16c)でも作動流体wの流量を絞って運転する。そのため、ノズル室16cでは、作動流体wのマッハ数が大きくなり、ノズル室16cに亜音速対応用の先細型ノズル翼を設けた場合、衝撃波による圧力損失が大きくなり、ノズル効率が低下する。そこで、本実施形態では、遷音速にも対応可能の先細型ノズル(図5(B)のノズル翼30b)を設ける。その他の構成は前記第3実施形態と同一である。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the DSS axial flow turbine, when the load is about 50%, the nozzle chamber other than the nozzle chamber 16d (for example, the nozzle chamber 16c) is also operated with the flow rate of the working fluid w reduced. For this reason, in the nozzle chamber 16c, the Mach number of the working fluid w increases, and when the nozzle chamber 16c is provided with a tapered nozzle blade for subsonic speed, the pressure loss due to the shock wave increases and the nozzle efficiency decreases. Therefore, in this embodiment, a tapered nozzle (nozzle blade 30b in FIG. 5B) that can cope with transonic speed is provided. Other configurations are the same as those of the third embodiment.

これによって、50%負荷時においても、ノズル室16cのノズル効率を向上できる。なお、75〜100%負荷時に、ノズル室16cでは作動流体wの流量を絞らないので、低マッハ数となる。そのため、ノズル室16cに超音波対応用の先細―末広型ノズル翼を設けると、75〜100%負荷時にノズル効率が大きく低下するので、遷音速対応用の先細型ノズル30bとしたほうがノズル効率が低下しない。   Thereby, the nozzle efficiency of the nozzle chamber 16c can be improved even at 50% load. Note that, when the load is 75 to 100%, the flow rate of the working fluid w is not reduced in the nozzle chamber 16c, so the Mach number is low. For this reason, if the nozzle chamber 16c is provided with a tapered-diverged nozzle blade for ultrasonic waves, the nozzle efficiency is greatly reduced at 75 to 100% load. Therefore, the tapered nozzle 30b for transonic speed has a higher nozzle efficiency. It does not decline.

また、本実施形態では、作動流体wの流入量が大きいノズル室16a及び16bをタービンロータ14を挟んで真向いに配置し、かつ作動流体wの流入量が少ないノズル室16c及び16dをタービンロータ14を挟んで真向いに配置している。そのため、タービン動翼20に当たる作動流体wの力のバランスをタービンロータ14の周方向で均等にできるので、タービン動翼20の振動発生等を防止できる。   Further, in the present embodiment, the nozzle chambers 16a and 16b having a large inflow amount of the working fluid w are arranged facing the turbine rotor 14 and the nozzle chambers 16c and 16d having a small inflow amount of the working fluid w are disposed in the turbine rotor 14. It is arranged in the opposite direction across the. Therefore, the balance of the force of the working fluid w striking the turbine rotor blade 20 can be made uniform in the circumferential direction of the turbine rotor 14, so that vibration of the turbine rotor blade 20 can be prevented.

(実施形態5)
次に、本発明を船舶に搭載される軸流タービンに適用した実施形態を図6により説明する。図6において、主機エンジン40及び補機エンジン42が搭載されている。主機エンジン40で推進器44を駆動し、補機エンジン42で発電機46を駆動し、船舶内の電力をまかなっている。本実施形態の軸流タービン10Bは、4個のノズル室16a〜16dを有している。ノズル室16a及び16bは、タービンロータ14の周方向に長く拡張され、容積を大きく形成され、高圧かつ大流量の作動流体が流入可能になっている。一方、ノズル室16c及び16dは、ノズル室16a及び16bと比べて周方向に短く、容積が小さく形成され、低圧かつ小流量の作動流体が流入するように構成されている。
(Embodiment 5)
Next, an embodiment in which the present invention is applied to an axial flow turbine mounted on a ship will be described with reference to FIG. In FIG. 6, a main engine 40 and an auxiliary engine 42 are mounted. The propulsion unit 44 is driven by the main engine 40 and the generator 46 is driven by the auxiliary engine 42 to supply power in the ship. The axial turbine 10B according to the present embodiment has four nozzle chambers 16a to 16d. The nozzle chambers 16a and 16b are extended long in the circumferential direction of the turbine rotor 14, are formed to have a large volume, and a high-pressure and large-flow working fluid can flow in. On the other hand, the nozzle chambers 16c and 16d are shorter in the circumferential direction than the nozzle chambers 16a and 16b, have a small volume, and are configured such that a low-pressure and small flow rate working fluid flows in.

主機エンジン40に設けられた排ガス路48は、供給管22a及び22bに接続され、主機エンジン40から排出される排ガスは、ノズル室16a及び16bに供給可能になっている。また、補機エンジン42に設けられた排ガス路50は、供給管22c及び22dに接続され、補機エンジン42から排出される排ガスは、ノズル室16c及び16dに供給可能になっている。   The exhaust gas passage 48 provided in the main engine 40 is connected to the supply pipes 22a and 22b, and the exhaust gas discharged from the main engine 40 can be supplied to the nozzle chambers 16a and 16b. Further, the exhaust gas passage 50 provided in the auxiliary engine 42 is connected to the supply pipes 22c and 22d, and the exhaust gas discharged from the auxiliary engine 42 can be supplied to the nozzle chambers 16c and 16d.

本実施形態においては、前記第1〜第3実施形態のように、先細―末広型ノズル翼や先細型ノズル翼などの形状の違いでなく、ノズル翼のスロート面積の違いにて区別するものである。即ち、首機エンジン40から排出される高圧かつ大流量の排ガスは、スロート面積の大きいノズル翼を設けたノズル室16a及び16bに導入し、補機エンジン42から排出される低圧かつ小流量の排ガスは、スロート面積をより小さくしたノズル翼が設けられたノズル室16c及び16dに導入する。   In the present embodiment, as in the first to third embodiments, the difference is not the difference in the shape of the tapered-diverging nozzle blade or the tapered nozzle blade, but the difference in the throat area of the nozzle blade. is there. That is, the high-pressure and large-flow exhaust gas discharged from the head engine 40 is introduced into the nozzle chambers 16a and 16b provided with nozzle blades having a large throat area, and the low-pressure and small-flow exhaust gas discharged from the auxiliary engine 42. Is introduced into the nozzle chambers 16c and 16d provided with nozzle blades having a smaller throat area.

また、軸流タービン10Bのタービンロータ14には、発電機(図示省略)が接続され、タービンロータ14の回転によって発電可能になっている。流量制御弁24a〜24dの開閉動作は、制御装置28によって行われる。すべてのノズル翼の出口流出角cは、タービン動翼20におけるインシデンス損失が最小となる角度に設定されている。   Further, a generator (not shown) is connected to the turbine rotor 14 of the axial flow turbine 10 </ b> B so that power can be generated by the rotation of the turbine rotor 14. The control device 28 performs opening / closing operations of the flow control valves 24a to 24d. The outlet outflow angle c of all the nozzle blades is set to an angle at which the incidence loss in the turbine blade 20 is minimized.

かかる構成において、主機エンジン40及び補機エンジン42の余剰排熱によって、軸流タービン10Bを駆動し、発電が可能になる。こうして、主機エンジン40及び補機エンジン42で発生する余剰排熱を、1個の軸流タービン10Bで動力回収用として有効利用できる。また、主機エンジン40から排出される排ガスは圧力及び流量が大きいので、大流量の排ガスを流入可能なスロート面積が大きいノズル翼を備えたノズル室16a及び16bに供給することで、ノズル効率を向上できる。一方、補機エンジン42から排出される排ガスは圧力及び流量が小さいので、前記ノズル翼よりスロート面積が小さいノズル翼を備えたノズル室16c及び16dに供給することで、ノズル効率を高く維持できる。   In such a configuration, the axial turbine 10 </ b> B is driven by the excess exhaust heat of the main engine 40 and the auxiliary engine 42 to enable power generation. Thus, the excess exhaust heat generated by the main engine 40 and the auxiliary engine 42 can be effectively utilized for power recovery by the single axial turbine 10B. Further, since the exhaust gas discharged from the main engine 40 has a large pressure and flow rate, the nozzle efficiency is improved by supplying the nozzle chambers 16a and 16b having nozzle blades having a large throat area into which a large flow rate of exhaust gas can flow. it can. On the other hand, since the exhaust gas discharged from the auxiliary engine 42 has a small pressure and flow rate, the nozzle efficiency can be maintained high by supplying it to the nozzle chambers 16c and 16d provided with the nozzle blades having a smaller throat area than the nozzle blades.

本発明によれば、運転中圧力比が幅広く変動する軸流タービンにおいて、圧力比の全域で高いタービン効率を維持できる。   According to the present invention, in an axial turbine in which the pressure ratio varies widely during operation, high turbine efficiency can be maintained over the entire pressure ratio.

1、5 先細―末広型ノズル翼
1a 入口
1b 喉部
1c 出口
3 先細型ノズル翼
3a 入口
3b 出口
10A、10B 軸流タービン
12 内部ケーシング
14 タービンロータ
16a〜16d ノズル室
18a、18b 先細型ノズル翼
20 タービン動翼群
22a〜22d 作動流体供給管
24a〜24d 出口開口
26a〜26d 流量制御弁
28 制御装置
30a、30b 先細型ノズル翼
40 主機エンジン
42 補機エンジン
44 推進器
46 発電機
48,50 排ガス路
a スロート面積
b 出口隙間面積
c 出口流出角
t 喉部
w 作動流体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 5 Tapered-snow-wide nozzle blade 1a Inlet 1b Throat 1c Outlet 3 Tapered nozzle blade 3a Inlet 3b Outlet 10A, 10B Axial flow turbine 12 Inner casing 14 Turbine rotor 16a-16d Nozzle chamber 18a, 18b Tapered nozzle blade 20 Turbine blade group 22a-22d Working fluid supply pipe 24a-24d Outlet opening 26a-26d Flow rate control valve 28 Control device 30a, 30b Tapered nozzle blade 40 Main engine 42 Auxiliary engine 44 Propeller 46 Generator 48, 50 Exhaust passage a Throat area b Outlet clearance area c Outlet outflow angle t Throat w Working fluid

Claims (8)

ノズル翼群がタービンロータの周囲に列状に配置されてなるタービンノズルと、
前記タービンロータの一部を構成し、前記タービンノズルに隣接して配置されたタービン動翼群と、
作動流体を前記タービンノズルを介して前記タービン動翼群に供給する作動流体供給路とを備えた軸流タービンにおいて、
前記タービンノズルは、前記タービンロータの周囲に形成された環状の空間を前記タービンロータの周方向に複数に仕切って形成された複数のノズル室と、前記複数のノズル室に設けられ、前記ノズル室毎に異なる形状を有し、前記作動流体のノズル入口圧とノズル出口圧との異なる圧力比又は前記作動流体の異なる流量に夫々対応してノズル効率の低下を防止可能なノズル翼群とで構成され、
前記ノズル室に供給される前記作動流体の流量を制御する流量制御機構と、
前記軸流タービンの運転条件によって前記流量制御機構を制御する制御装置と、を備えていることを特徴とする軸流タービン。
A turbine nozzle in which nozzle blade groups are arranged in a row around the turbine rotor;
A portion of the turbine rotor, and a turbine blade group disposed adjacent to the turbine nozzle;
An axial flow turbine comprising a working fluid supply path for supplying a working fluid to the turbine rotor blade group via the turbine nozzle;
The turbine nozzle is provided in a plurality of nozzle chambers formed by partitioning an annular space formed around the turbine rotor into a plurality of circumferential directions of the turbine rotor, and the nozzle chambers. A nozzle blade group that has a different shape for each, and that can prevent a decrease in nozzle efficiency corresponding to different pressure ratios of nozzle inlet pressure and nozzle outlet pressure of the working fluid or different flow rates of the working fluid. And
A flow rate control mechanism for controlling the flow rate of the working fluid supplied to the nozzle chamber;
And a control device that controls the flow rate control mechanism according to operating conditions of the axial flow turbine.
前記複数のノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するすべてのノズル翼は、超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成されていると共に、各ノズル室毎に前記先細―末広型ノズル翼のスロート面積と出口隙間面積との面積比が異なることを特徴とする請求項1に記載の軸流タービン。   All the nozzle blades constituting the nozzle blade group provided in the plurality of nozzle chambers are configured with a tapered-diverging nozzle blade for supersonic speed, and the tapered-diverging type for each nozzle chamber. The axial flow turbine according to claim 1, wherein an area ratio between a throat area of the nozzle blade and an outlet clearance area is different. 前記複数のノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するすべてのノズル翼は、前記作動流体が前記タービン動翼に流入するときの出口流出角のばらつきが±10度以内になるように設定されていることを特徴とする請求項1又は2記載の軸流タービン。   All the nozzle blades constituting the nozzle blade group provided in the plurality of nozzle chambers are set so that the variation in outlet outlet angle when the working fluid flows into the turbine blade is within ± 10 degrees. The axial-flow turbine according to claim 1, wherein the axial-flow turbine is provided. 前記複数のノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するすべてのノズル翼は、亜音速対応用の先細ノズル翼で構成されると共に、ノズル室毎に前記先細ノズル翼の出口背面曲率が異なることを特徴とする請求項1に記載の軸流タービン。   All the nozzle blades constituting the nozzle blade group provided in the plurality of nozzle chambers are formed of tapered nozzle blades for subsonic speed, and the outlet back surface curvature of the tapered nozzle blades is different for each nozzle chamber. The axial-flow turbine according to claim 1. 前記複数のノズル室のうち、一つのノズル室に設けられたノズル翼が超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成され、
他のノズル室に設けられたノズル翼が亜音速対応用の先細型ノズル翼で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の軸流タービン。
Among the plurality of nozzle chambers, a nozzle blade provided in one nozzle chamber is composed of a tapered-diverging nozzle blade for supersonic speed,
2. The axial flow turbine according to claim 1, wherein the nozzle blades provided in the other nozzle chambers are tapered nozzle blades for subsonic speed.
前記複数のノズル室のうち、一つのノズル室に設けられたノズル翼が超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成され、
他の一つのノズル室に設けられたノズル翼が遷音速対応用の先細型ノズル翼で構成され、
残りのノズル室に設けられたノズル翼が亜音速対応用の先細型ノズル翼で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の軸流タービン。
Among the plurality of nozzle chambers, a nozzle blade provided in one nozzle chamber is composed of a tapered-diverging nozzle blade for supersonic speed,
The nozzle blade provided in the other nozzle chamber is composed of a tapered nozzle blade for transonic speed,
2. The axial flow turbine according to claim 1, wherein the nozzle blades provided in the remaining nozzle chambers are tapered nozzle blades for subsonic speed.
前記遷音速対応用の先細型ノズル翼は、後縁領域の背面が平坦面となっていることを特徴とする請求項6に記載の軸流タービン。   The axial flow turbine according to claim 6, wherein the tapered nozzle blade for transonic speed has a flat back surface in a rear edge region. 前記軸流タービンが船舶に搭載され、
前記船舶の推進軸を駆動する前記船舶の主機エンジンから排出される第1の排ガスが、前記作動流体として前記複数のノズル室の一部に供給されると共に、
前記船舶に搭載された発電機を駆動する前記船舶の補機エンジンから排出される第1の排ガスよりも流量が少ない第2の排ガスが、前記作動流体として他の前記ノズル室に供給され、
前記第1の排ガス用の複数のノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するノズル翼のスロート面積は、前記第2の排ガス用の前記ノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するノズル翼のスロート面積よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の軸流タービン。
The axial turbine is mounted on a ship;
The first exhaust gas discharged from the main engine of the ship that drives the propulsion shaft of the ship is supplied to some of the plurality of nozzle chambers as the working fluid,
A second exhaust gas having a lower flow rate than the first exhaust gas discharged from an auxiliary engine of the ship driving a generator mounted on the ship is supplied to the other nozzle chamber as the working fluid;
The throat area of the nozzle blades constituting the nozzle blade group provided in the plurality of nozzle chambers for the first exhaust gas constitutes the nozzle blade group provided in the nozzle chamber for the second exhaust gas. The axial turbine according to claim 1, wherein the axial turbine is larger than a throat area of the nozzle blade.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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