JP2017020403A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】ドレンを効果的に排出することができるタービン動翼を提供する。
【解決手段】実施の形態によるタービン動翼１は、動翼本体２を備え、動翼本体２の背面２２の前部２２Ｆに、翼高さ方向の先端から基端側に向けて延びる複数のドレン溝２ａ〜２ｄが形成されている。そして、翼高さ方向に沿って見た場合に、第１ドレン溝２ａの前側内面と後側内面とがなす開き角度の二等分線がタービン周方向に対して前側に傾いており、第１ドレン溝２ａよりも後側に位置するドレン溝のうちの第３ドレン溝２ｃ及び第４ドレン溝２ｄの前側内面と後側内面とがなす開き角度の二等分線が、タービン周方向に対して後側に傾いている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、タービン動翼に関する。

蒸気タービンの流路内を流れる蒸気は、湿り度が高いほど多くのドレンを含み、エンタルピーが低下する。そのため、蒸気タービンにおいては、流路内の蒸気の湿り度が高いほど内部効率が低下する。特に、蒸気タービンの流路内の蒸気は、低圧側（下流側）の段落において湿り度が特に高くなるため、当該段落における内部効率が低下し易い。これに対し、蒸気に含まれるドレンを除去した場合には、蒸気の湿り度が低下して蒸気のエンタルピーが増大するため、内部効率の向上を図ることができる。

また、蒸気に含まれるドレンは、一般的に、数十ミクロン以上の粗大水滴と、それよりも小さい微小水滴と、を含む。このようなドレンは、蒸気タービンの流路内において、水滴の形で蒸気の主流とともに下流に向かって流れる。この際、粗大水滴となったドレンが高速で回転しているタービン動翼（以下、動翼と呼ぶ。）に衝突すると、動翼が浸食され、その結果、その寿命が縮まるとともに、翼断面形状の変化による性能低下が生じる。

上述の観点から、蒸気タービンでは、その流路内にドレンを除去するための構造が設けられる場合がある。

蒸気タービンの流路において、ドレンが蒸気の主流とともに上流側の段落から下流側の段落に向けて流れる際には、ドレンは、まず、下流側の段落のノズル表面に接触して液膜を形成する。この液膜は、ノズル後端（下流端）から排出されるが、その際にノズルの腹面側と背面側を流れる蒸気の主流によってせん断を受けることで微細化し、再度、水滴となる。ここで水滴となったドレンのうちの微小水滴は、蒸気の主流とともに動翼に向けて流れるが、粗大水滴は慣性が大きいため、蒸気の主流とは一体的に流れることができない場合がある。その結果、流路内の旋回流の影響により、下流に進むに従って蒸気タービンの半径方向（以下、タービン半径方向と呼ぶ。）外側へ流れる場合がある。

図８（Ａ）は、蒸気タービンにおける粗大水滴の流れを蒸気タービン軸方向（以下、タービン軸方向と呼ぶ。）から見た図を示している。図８（Ｂ）は、粗大水滴の流れをタービン軸方向に沿って延びる面から見た図を示している。図８（Ａ）において、矢印８１は、蒸気タービンの回転方向を示し、流路内では、矢印８１の方向に旋回流が生じる。また、図８（Ａ），（Ｂ）において、矢印８２は、蒸気及びこれと一体に流れる微小水滴の流れを示し、矢印８３は、粗大水滴の動きを示し、符号１０１はノズルを示している。図８（Ａ），（Ｂ）の矢印８３に示すように、粗大水滴は、ノズル１０１から下流に向けてタービン半径方向外側に流れ、微小水滴を含む蒸気の主流から外れる場合がある。

図９（Ａ）は、ノズルから動翼に流れる蒸気の主流の流れを説明する速度三角形を示している。図９（Ｂ）は、ノズルから動翼に向かう粗大水滴の流れを説明する速度三角形を示している。なお、図９において、符号１０２は動翼を示している。

図９（Ａ）に示すように、主流の蒸気の流れは、ノズル１０１の出口（後端）における絶対速度Ｃと動翼の周速度Ｕとで定まる動翼１０２への相対流入速度Ｗの方向が、動翼１０２の入り口形状に合う方向となるように、設計されている。

これに対して、図９（Ｂ）に示すように、ノズル１０１の出口における粗大水滴の絶対速度Ｃ’は、その質量が大きいことから、蒸気の絶対速度Ｃより小さくなる。そのため、動翼の周速度Ｕを考慮すると、動翼１０２への流入速度Ｗ’の方向は、下流の段落の動翼１０２の背面の前部に衝突する方向となる（特に、図９（Ｂ）の拡大部分参照）。

したがって、粗大水滴は、動翼１０２の背面の前部に衝突し易い。なお、このように衝突した粗大水滴の一部は、タービン軸方向に流れるが、その大部分は、動翼１０２の背面に付着して、動翼１０２の回転により、動翼１０２の背面上を半径方向外側に流れる。

このように、粗大水滴は動翼の背面の前部に衝突する傾向にあるため、この点を考慮して、動翼の背面の前部においてドレンの除去を行う構造が従来から用いられる場合がある。一般的な構造として、動翼の背面の前部付近に、ドレンを排出するためのドレン溝が複数設けられる構造が知られている。このようなドレン溝では、粗大水滴のほとんどがドレン溝を伝って半径方向外側へ流れる。その一方、動翼の背面に衝突した水滴の一部は、弾かれたり、動翼の背面を流れる間に剥離したりして、蒸気の主流に戻り、下流の段落へ運ばれる。

図１０は、一般的なドレン溝を有する動翼の背面側を周方向に沿って見た図を示し、図１１（Ａ）〜（Ｄ）は、図１０のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線及びＤ−Ｄ線に対応する図を示している。また、図１１（Ｅ）は、図１１（Ａ）の拡大図である。以下では、図示の一般的なドレン溝について説明する。なお、図１０及び図１１においても、符号１０２が動翼を示している。

図１０及び図１１に示す動翼１０２における複数のドレン溝１０２ａ〜１０２ｄは、動翼１０２の高さ方向（以下、翼高さ方向と呼ぶ。）の先端から基端側に向けて延びるように形成されている。なお、一般的なドレン溝の加工本数は、通常２つ以上であるが、この例では、４つのドレン溝１０２ａ〜１０２ｄが設けられている。以下では、４つのドレン溝１０２ａ〜１０２ｄを、動翼の前側から後側（上流側から下流側）に並ぶ順で、第１ドレン溝１０２ａ、第２ドレン溝１０２ｂ、第３ドレン溝１０２ｃ、第４ドレン溝１０２ｄと呼ぶ。

図１１（Ｅ）に示すように、この例において、第１ドレン溝１０２ａは、翼高さ方向に沿って見た場合に、動翼１０２の背面から蒸気タービン周方向（以下、タービン周方向と呼ぶ。）における反回転側に延びるに従い後側に向けて延びる直線状の前側内面１１１と、前側内面１１１の後側に位置して動翼１０２の背面からタービン周方向における反回転側に延びるに従い前側に向けて延びる直線状の後側内面１１２と、前側内面１１１及び後側内面１１２を接続する円弧状の底面１１３と、で形成されている。底面１１３は、前側内面１１１の内部側端点と後側内面１１２の内部側端点とを接続する半円形状となっている。なお、他のドレン溝１０２ｂ〜１０２ｄも、第１ドレン溝１０２ａと同様の形状であり、前側内面と、後側内面と、円弧状（半円形状）の底面と、で形成されている。

この例における各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの形状は、上述の前側内面と後側内面とによって規定される開き角度と、この開き角度の二等分線がタービン周方向となす角度と、溝深さとによって決定されている。

詳しくは、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの開き角度は、前側内面と後側内面とがなす角度である。この開き角度は、任意の値（例えば、３０度等）に設定される。また、開き角度の二等分線は、当該開き角度を二等分する線である。具体的にこの例における各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄでは、翼高さ方向に沿って見た場合に、各々の開き角度の二等分線がタービン周方向に平行となっている。これにより、各ドレン溝１０２ａ〜１０２の向きが規定されている。すなわち、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの二等分線とタービン周方向とがなす角度が０°となっており、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄは、タービン周方向に沿うように開放している。このように各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの二等分線とタービン周方向とがなす角度が０°となる関係は、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの先端から基端にわたる全断面で成立している。

具体的に、図１１（Ｅ）に示す第１ドレン溝１０２ａについて説明すると、図中のα１１は、第１ドレン溝１０２ａの開き角度を示し、図中のＬ１１は、開き角度Ｌ１１の二等分線を示している。二等分線Ｌ１１は、タービン周方向と平行であり、タービン周方向となす角度は、０°である。

また、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの溝深さは、図１１（Ｂ）において、ｈ１ａ〜ｈ１ｄで示されている。これら溝深さｈ１ａ〜ｈ１ｄは、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄにおいて、底面におけるタービン周方向で最も深くなる位置（以下、最下点と呼ぶ。）と、前側内面の外部側端点及び後側内面の外部側端点を流線形状に接続する仮想曲線と、を結んだ長さで規定されている。なお、前記仮想曲線は、溝加工前の動翼１０２の背面によって形成される曲線に相当する。また、これら溝深さｈ１ａ〜ｈ１ｄの各々は、対応する各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの先端から基端にわたる全断面で一定となっている。

また、この例におけるドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの配置は、ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄのうちの隣り合うドレン溝の半円形状の底面の中心間の間隔である溝間隔によって決定されている。隣り合うドレン溝の溝間隔は、図１１（Ａ）において、ｄ１ａ〜ｄ１ｃで示されている。これら溝深さｄ１ａ〜ｄ１ｃは、先端から基端にわたり一定となっている。さらに、図１０において、符号Ｈは、ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの翼高さ方向における設置範囲を示している。この設置範囲Ｈは、この例では、動翼１０２の先端から全体高さに対する５０〜６０％までの範囲に規定されている。設置範囲Ｈは、上流のノズルから動翼１０２に流れて衝突する水滴の水滴量の多い領域をドレン溝１０２ａ〜１０２ｄでカバーするために、設定されている。

一方、図１１（Ａ）〜（Ｄ）において、符号Ｄは、動翼１０２の前端から最も後側に位置する第４ドレン溝１０２ｄの後側内面の外部側端点までのタービン軸方向における距離であり、複数のドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの設置範囲を示している。この設置範囲Ｄは、約１５〜２０ｍｍの範囲となっている。設置範囲Ｄは、実稼動後の動翼表面の観察結果である動翼表面に残された流跡に基づいて、上流のノズルから流れて動翼１０２に衝突する水滴の大部分がこの範囲に集中していると判断されるため、設定されている。

図１２は、ドレン溝の無い図１０及び図１１に示す形状の動翼の実稼動後の表面上での流跡の観察結果を説明するための図である。この観察結果では、動翼の表面が、以下で説明する表面の状況に基づき、図１２に示すＩ〜Ｖの５つの領域に分類されている。

「領域Ｉ：エロージョンによる動翼形状の変化あり」
領域Ｉは、動翼の前端から背面の前部のうちの特に翼断面形状の変化が大きかった部分までの領域である。領域Ｉでは、粗大水滴が直接衝突することによって発生したと考えられる、エロージョンによる翼断面形状の変化が確認された。この領域Ｉでは、翼断面形状が変化するほどの影響を受けていることから、粗大水滴が、高速で回転する動翼へ直接衝突していると考えられる。
「領域ＩＩ：動翼表面上をタービン半径方向に沿って延びる窪みあり」
領域ＩＩは、背面の前部のうちの領域Ｉよりも後側であり、領域Ｉよりも翼断面形状の変化が小さかった領域である。領域ＩＩでは、動翼表面に付着した水滴の流れによって発生したと考えられるタービン半径方向に延びる窪みが形成されていた。この窪みには軸方向への傾きはほとんどなく、動翼表面に付着した水滴は、動翼の高速回転により、タービン軸方向とほぼ垂直にタービン半径方向外側に移動するものと考えられる。
「領域ＩＩＩ：表面に薄く不純物付着あり」
領域ＩＩＩは、領域ＩＩの後端から背面の前後方向略中央までの領域である。領域ＩＩＩでは、まだら模様の水跡が残されているが、これは動翼表面上に薄く付着しているだけであった。このため、動翼表面上に存在していた水滴量は少ないものと考えられる。
「領域ＩＶ：水跡の痕跡なし」
領域ＩＶは、領域ＩＩＩの後端から背面の後端までの領域である。領域ＩＶでは、水跡は確認されず、動翼表面上に存在した水滴は非常に少ないと考えられる。
「Ｖ：表面に薄く不純物付着あり」
領域Ｖは、動翼の腹面全体である。領域Ｖでは、領域ＩＩＩと同様に、存在した水滴量は少ないと考えられる。

この観察結果において、形状変化が大きく現れた図１２における領域Ｉ，ＩＩは、動翼の前端から１５〜２０ｍｍの範囲であった。これに基づき、上述の一般的なドレン溝１０２ａ〜１０２ｄを有する動翼１０２では、ドレン溝の設置範囲Ｄが、約１５〜２０ｍｍの範囲に設定されている。

特開２０１２−１３７０９４号公報

しかしながら、上述した一般的なドレン溝には、以下の問題点１〜４がある。

（問題点１）
上述のように、水滴量が多く存在する範囲は、図１２に示した領域Ｉ及びＩＩである。このことを考慮すると、第１ドレン溝１０２ａは、可能な限り動翼１０２の前端の近くに設置することが望ましい。しかしながら、第１ドレン溝１０２ａでは、例えば図１１（Ｄ）に示す距離ｄ２ｄのように、特に動翼ルート部側で、動翼１０２の前端から第１ドレン溝１０２ａの底面までのタービン軸方向の距離が比較的大きくなっている。

この理由は、一般的な動翼流体設計の結果、動翼の捻り角度は、動翼先端で大きく、動翼ルート部で小さいためである。すなわち、この場合、動翼１０２の前端近傍となる第１ドレン溝１０２ａの設置位置でのタービン周方向における肉厚Ｔ１ａ〜Ｔ１ｄ（加工前）は、図１１（Ａ）〜（Ｄ）から明らかなように、各断面で異なり、ロータ中心からの距離が近い（動翼ルート部側の）断面ほど、小さくなる傾向となる。ここで、第１ドレン溝１０２ａを加工した際には肉厚Ｔ１ａ〜Ｔ１ｄは減少するが、溝加工後の肉厚Ｔ２ａ〜Ｔ２ｄはある程度の厚さを確保する必要がある。そのため、動翼ルート部に近い断面では、動翼先端側の断面と比較して、上述の距離ｄ２ｄのように、動翼の前端から下流側に比較的離れた位置に第１ドレン溝１０２ａを設置する必要が生じる。このような理由から、第１ドレン溝１０２ａでは、特に、動翼ルート部側で、動翼１０２の前端から第１ドレン溝１０２ａの底面までのタービン軸方向の距離を比較的大きくせざるを得ない。

しかしながら、動翼１０２の前端から第１ドレン溝１０２ａまでの距離が大きくなることは、第１ドレン溝１０２ａを可能な限り動翼１０２の前端の近くに設置することが望ましいという上述の理想から外れる。したがって、上述の一般的なドレン溝には、効果的にドレンを捕獲できておらず、効果的にドレンを排出できていないという問題がある。

（問題点２）
図１３（Ａ）〜（Ｄ）には、図１１（Ａ）〜（Ｄ）に示す各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄを重ねて翼高さ方向に沿って見た図が示されている。なお、図１３における各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄには、符号Ａ〜Ｄを括弧書きで付している。この付記された符号は、図１１（Ａ）〜（Ｄ）のいずれかに対応することを意味する。図１３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄでは、各断面におけるドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの底面を線で結んだ場合に、この線が折れ曲がっていることが分かる。

また、図１４は、第１ドレン溝１０２ａの底面の翼高さ方向の先端から基端にかけてのタービン周方向での位置変化を表すグラフを示している。図１４において、縦軸は、動翼１０２の全長を１．０とした際の高さ位置を示し、横軸は、第１ドレン溝１０２ａの底面のタービン軸方向の位置（ｍｍ）を示している。また、符号Ｃａは図１１（Ａ）に対応する底面の位置、符号Ｃｂは図１１（Ｂ）に対応する底面の位置、符号Ｃｃは図１１（Ｃ）に対応する底面の位置、符号Ｃｄは図１１（Ｄ）に対応する底面の位置を示している。図１４に示すように、第１ドレン溝１０２ａの底面は、基端から先端側に向けて延びる際に、ＣｃとＣｂの間で急激に傾きが変換する傾き変化点を有することが分かる。図示省略するが、他のドレン溝１０２ｂ〜１０２ｄも同様に急激に傾きが変換する傾き変化点を有する。

ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄにて確保された水滴は、溝内をタービン半径方向外側に移動するが、上述のように、底面に折れ曲がりや傾き変化点が存在する場合には、このような箇所で水滴が溝から離脱し易くなり、蒸気タービンの流路内に再び戻ってしまう可能性がある。これは、ドレンの排出に関して良好な形状とは言い難い。したがって、この点においても、上述した一般的なドレン溝には、効果的にドレンを排出できていないという問題がある。なお、ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄにて確保された水滴は、回転方向と略直交するタービン半径方向外側へ流れるため、この方向に流れる水滴を阻害しない溝形状が望まれる。

（問題点３）
ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄのうちの隣り合うドレン溝の底面の中心の間の間隔である溝間隔が一定である点に着目すると、特に、図１１（Ａ）の断面において、第３ドレン溝１０２ｃと第４ドレン溝１０２ｄとの間の部分が、刃状に尖った形状となっていることがわかる。これは、全てのドレン溝１０２ａ〜１０２ｄにおいて、開き角度の二等分線とタービン周方向とが平行（開き角度（ドレン溝加工角度）β＝０°）のために、動翼１０２の捻り角度が大きくなる先端側は、隣り合うドレン溝の間の部分、特に下流側で隣り合うドレン溝の間の部分が、基端側に比べて平たい形状になってしまうことに起因している。

しかしながら、上述のように隣り合う溝の間の尖った形状の部分においては、ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの設置範囲Ｄに制約があるために、肉厚を確保することが難しい。そのため、エロージョンが生じた際に、溝形状を保つことが困難となり易く、ドレン溝での水滴の捕獲が困難となる恐れがある。したがって、上述した一般的なドレン溝には、ドレン溝の間の部分の強度を確保し難しく、これにより水滴の捕獲性能に支障が生じ得るという問題がある。

（問題点４）
図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、図１１（Ａ）〜（Ｄ）に示すドレン溝１０２ａ〜１０２ｄにおいて水滴を保持できる有効面積を示す図であり、斜線部が有効面積領域を示している。動翼１０２が高速で回転することにより、水滴は各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの底面に押し付けられるため、図中の斜線部で水滴を保持することができる。ここで、例えば図１１（Ｃ），（Ｄ）に示す断面では、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの有効面積に大きな差は見られないが、図１１（Ａ），（Ｂ）に示す断面では、動翼１０２の捻りの影響を受け、各ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄの有効面積が小さくなっていることが分かる。

図１６は、第１ドレン溝１０２ａ及び第４ドレン溝１０２ｄの有効面積の翼高さ方向における変化状況を表すグラフを示す。縦軸は、動翼１０２の全長を１．０とした際の高さ位置を示し、横軸は、各ドレン溝の各高さ位置における有効面積を最大有効面積で除して示した値を示している。また、破線は、第１ドレン溝１０２ａの有効面積を示し、実線は、第４ドレン溝１０２ｄの有効面積を示している。

図１６に示すように、第１ドレン溝１０２ａ及び第４ドレン溝１０２ｄの有効面積はともに、動翼先端側において減少する傾向にある。特に、下流側に位置する第４ドレン溝１０２ｄでは、動翼１０２の捻りの影響を大きく受けるために、例えば、図１１（Ａ）に示す断面での有効面積は、図１１（Ｄ）に示す断面での有効面積の３０％程度に減少している。このように有効面積が先端に向けて減少し且つその変化量が大きい場合には、確保した水滴の多くが、タービン半径方向外側に排出される際に、保持しきれずに溢れて蒸気に戻ってしまい易い。そのため、上述した一般的なドレン溝では、この点においても、効果的にドレンを捕獲できておらず、効果的にドレンを排出できていないという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、ドレンを効果的に排出することができるタービン動翼を提供することを目的とする。

実施の形態によるタービン動翼は、動翼本体を備える。前記動翼本体の背面の前部に、翼高さ方向の先端から基端側に向けて延びる複数のドレン溝が形成されている。翼高さ方向に沿って見た場合に、前記複数のドレン溝のうちの最も前側に位置するドレン溝の前側内面と後側内面とがなす開き角度の二等分線が、前記タービン周方向に対して前側に傾く、及び／又は、前記複数のドレン溝のうちの最も前側に位置するドレン溝よりも後側に位置するドレン溝の少なくともいずれかの前側内面と後側内面とがなす開き角度の二等分線が、前記タービン周方向に対して後側に傾く。

本発明によれば、ドレンを効果的に排出することができる。

実施の形態に係るタービン動翼の背面側を周方向に沿って見た図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に対応する図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、実施の形態に係るタービン動翼に設けられるドレン溝の拡大図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示す各ドレン溝を重ねて翼高さ方向に沿って見た図である。 本実施の形態に係る第１ドレン溝の底面の翼高さ方向の先端から基端にかけてのタービン軸方向での位置変化を表すグラフを示した図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示すドレン溝の各々において水滴を保持できる有効面積を示す図である。 本実施の形態に係るドレン溝のうちの第１ドレン溝及び第４ドレン溝の有効面積の翼高さ方向における変化状況を表すグラフを示した図である。 （Ａ）は、蒸気タービンにおける粗大水滴の流れを蒸気タービン軸方向から見た図であり、（Ｂ）は、粗大水滴の流れをタービン軸方向に沿って延びる面から見た図である。 （Ａ）は、ノズルから動翼に流れる蒸気の主流の流れを説明する速度三角形を示した図であり、（Ｂ）は、ノズルから動翼に向かう粗大水滴の流れを説明する速度三角形を示した図である。 一般的なドレン溝を有する動翼の背面側を周方向に沿って見た図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図１０のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線及びＤ−Ｄ線に対応する図であり、（Ｅ）は（Ａ）の拡大図である。 ドレン溝の無い図１０及び図１１に示す形状の動翼の実稼動後の表面上での流跡の観察結果を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図１１（Ａ）〜（Ｄ）に示す各ドレン溝を重ねて翼高さ方向に沿って見た図である。 一般的なドレン溝のうちの第１ドレン溝の底面の翼高さ方向の先端から基端にかけてのタービン軸方向での位置変化を表すグラフを示した図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図１１（Ａ）〜（Ｄ）に示すドレン溝の各々において水滴を保持できる有効面積を示す図である。 一般的なドレン溝のうちの第１ドレン溝及び第４ドレン溝の有効面積の翼高さ方向における変化状況を表すグラフを示した図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るタービン動翼１の背面側を周方向に沿って見た図である。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に対応する図である。図１に示すように、本実施の形態に係るタービン動翼１は、図示省略するロータに結合されてロータの半径方向外側に延びる動翼本体２を備えている。動翼本体２の根元には、図示省略する植え込み部が設けられている。動翼本体２は、この植え込み部によってロータに結合されるようになっている。

以下の説明においては、動翼本体２が延びるロータの半径方向のことを、タービン半径方向又は翼高さ方向と呼ぶ。ロータの回転軸方向をタービン軸方向と呼び、タービン軸方向周りの方向をタービン周方向と呼ぶ。また、タービン動翼１は、軸流タービンに設けられることが想定されており、この場合、蒸気はタービン軸方向に沿って流れる。この蒸気の流れで見た場合のタービン軸方向の上流側を前側と呼び、下流側を後側と呼ぶ。

図１及び図２に示すように、動翼本体２は、ロータを回転させるためにノズルから流れる蒸気を受ける腹面２１と、その反対側の背面２２と、を有している。このうち背面２２の前部２２Ｆに、翼高さ方向の先端から基端側に向けて延びる複数のドレン溝２ａ〜２ｄが形成されている。本実施の形態では、ドレン溝２ａ〜２ｄが４つ形成されているが、この数に限られるものではない。以下では、４つのドレン溝２ａ〜２ｄを、前側から後側に並ぶ順で、第１ドレン溝２ａ、第２ドレン溝２ｂ、第３ドレン溝２ｃ、第４ドレン溝２ｄと呼ぶ。

腹面２１と背面２２とは、図示省略するキャンバーラインによって区切られている。上述のドレン溝２ａ〜２ｄが形成される背面２２の前部２２Ｆは、キャンバーラインが動翼本体２に前側で交差する境界点に近接した背面２２の前側の部分を意味する。なお、図２に示す符号２２ＤＥは、動翼本体２のうちで最も前側に位置する部分である前端を示している。また、図１において、符号Ｈは、ドレン溝２ａ〜２ｄの翼高さ方向における設置範囲を示している。この設置範囲Ｈは、この例では、動翼本体２の先端から全体高さに対する５０〜６０％までの範囲に規定されている。

図３（Ａ）には、第１ドレン溝２ａが示され、図３（Ｂ）には、第２ドレン溝２ｂが示され、図３（Ｃ）には、第３ドレン溝２ｃが示され、図３（Ｄ）には、第４ドレン溝２ｄが示されている。図３（Ａ）に示すように、本実施の形態の第１ドレン溝２ａは、翼高さ方向に沿って見た場合に、背面２２からタービン周方向における反回転側に延びる直線状の前側内面３０ａと、前側内面３０ａの後側に位置して背面２２からタービン周方向における反回転側に延びる直線状の後側内面３０ｂと、前側内面３０a及び後側内面３０ｂを接続する底面３０ｃと、で形成されている。

本実施の形態では、底面３０ｃが、一例として、前側内面３０ａの内部側端点Ｐ１と後側内面３０ｂの内部側端点Ｐ２とを接続する半円形状となっているが、これに限られるものではない。例えば、底面３０ｃは、前側内面３０ａの内部側端点と後側内面３０ｂの内部側端点とに内接する内接円の一部によって構成される円弧形状に形成されてもよい。また、底面３０ａは、前側内面３０ａの内部側端点と後側内面３０ｂの内部側端点とを直線状に結ぶ平坦面状に形成されてもよい。

他のドレン溝２ｂ〜２ｄも、第１ドレン溝２ａと同様の形状である。すなわち、図３（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、第２ドレン溝２ｂは、前側内面３１ａと、後側内面３１ｂと、底面３１ｃと、で形成されている。第３ドレン溝２ｃは、前側内面３２ａと、後側内面３２ｂと、底面３２ｃと、で形成されている。第４ドレン溝２ｄは、前側内面３３ａと、後側内面３３ｂと、底面３３ｃと、で形成されている。

各ドレン溝２ａ〜２ｄにおいては、前後で並ぶ上述の前側内面と上述の後側内面とがなす角度によって、開き角度α１〜α４が規定されている。開き角度α１〜α４は任意の角度に設定されている。そして、翼高さ方向に沿って見た場合に、当該開き角度α１〜α４を二等分する二等分線Ｌ１〜Ｌ４のタービン周方向に対する傾きによって、各ドレン溝２ａ〜２ｄの向きが規定されている。

詳しくは、本実施の形態においては、翼高さ方向に沿って見た場合に、第１ドレン溝２ａの二等分線Ｌ１が、タービン周方向に対して前側に１５度（β１）の角度をなして傾いている。第２ドレン溝２ｂの二等分線Ｌ２は、タービン周方向に対して平行であり、二等分線Ｌ２がタービン周方向となす角度は０度（β２）となっている。第３ドレン溝２ｃの二等分線Ｌ３は、タービン周方向に対して後側に１５度（β３）の角度をなして傾き、同様に、第４ドレン溝２ｄの二等分線Ｌ４は、タービン周方向に対して後側に１５度（β４）の角度をなして傾いている。なお、開き角度の二等分線とタービン周方向とがなす角度は、当該タービン周方向に対して前側に３０度から後側に３０度の範囲に設定されることが好ましい。当該範囲であれば、動翼本体２の強度或いは剛性は好適に確保され得る。

各ドレン溝２ａ〜２ｄについてさらに詳述すると、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示す各ドレン溝２ａ〜２ｄを重ねて翼高さ方向に沿って見た図であり、この図４における各ドレン溝２ａ〜２ｄには、符号Ａ〜Ｄを括弧書きで付している。この付記された符号は、図２（Ａ）〜（Ｄ）のいずれかに対応することを意味する。

図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、本実施の形態において、ドレン溝２ａ〜２ｄの各々は、翼高さ方向に沿って見た場合に、それぞれの半円形状の底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃの中心が翼高さ方向の先端から基端にわたって直線状に並ぶように形成されている。なお、上述の３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃの中心とは、それぞれ半円形状に形成される底面の輪郭を規定する円の中心を意味する。図中の符号Ｃ１は第１ドレン溝２ａの底面３０ｃの中心を示し、符号Ｃ２は第２ドレン溝２ｂの底面３１ｃの中心を示し、符号Ｃ３は第３ドレン溝２ｃの底面３２ｃの中心を示し、符号Ｃ４は第４ドレン溝２ｄの底面３３ｃの中心を示している。なお、このようなドレン溝の配置を実現するために、図４から明らかなように、本実施の形態では、ドレン溝２ａ〜２ｄの溝深さは、翼高さ方向の先端から基端にかけて変化している。また、底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが内接円の一部によって規定される円弧形状となる場合には、この内接円の中心が各底面の中心となる。

このように底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃの中心が直線状に並ぶ場合には、底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃのタービン軸方向における急激な位置変化が抑制され、底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが翼高さ方向の先端から基端にかけて滑らかに連続する。具体的に、図５には、第１ドレン溝２ａの底面３０ｃの翼高さ方向の先端から基端にかけてのタービン軸方向での位置変化を表すグラフが示されている。図５に示すように、底面３０ｃは、翼高さ方向の先端から基端にかけて滑らかに連続している。なお、詳細には、図５は、底面３０ｃの最下点の位置変化を示している。最下点は、翼高さ方向に沿って見た場合に、底面３０ｃのうちのタービン周方向に最も深くなる位置を意味する。

また、図２（Ｂ）を参照し、符号ｄ１２は、第１ドレン溝２ａの後側内面３０ｂの外部側端点Ｐ１２と第２ドレン溝２ｂの前側内面３１ａの外部側端点Ｐ２１との間のタービン軸方向での間隔を示している。符号ｄ２３は、第２ドレン溝２ｂの後側内面３１ｂの外部側端点Ｐ２２と第３ドレン溝２ｃの前側内面３２ａの外部側端点Ｐ３１との間のタービン軸方向での間隔を示している。符号ｄ３４は、第３ドレン溝２ｃの後側内面３２ｂの外部側端点Ｐ３２と第４ドレン溝２ｄの前側内面３３ａの外部側端点Ｐ４１との間のタービン軸方向での間隔を示している。

間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４の各々は、翼高さ方向の位置に応じて変化するが、本実施の形態では、翼高さ方向の先端から基端にかけて１ｍｍ以上に確保されている。なお、このような間隔は、１ｍｍ未満となってもよいが、１ｍｍ以上であれば蒸気の衝突及びそれに含まれる水滴の衝突に好適に耐え得る強度が確保される。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態では、翼高さ方向に沿って見た場合に、複数のドレン溝２ａ〜２ｄのうちの最も前側に位置する第１ドレン溝２ａの開き角度α１の二等分線Ｌ１が、タービン周方向に対して前側に傾く。これにより、第１ドレン溝２ａに好適に水を捕獲し得る溝深さを設定し、翼高さ方向の先端から基端にわたって第１ドレン溝２ａの底面３０ｃから動翼本体２の腹面２１までの望ましい肉厚を確保できる程度に、動翼本体２の前端２２ＤＥから底面３０ｃまでのタービン軸方向での距離を比較的大きく確保した場合であっても、第１ドレン溝２ａを前端２２ＤＥに極力近づけることが可能となる。これにより、動翼本体２の適切な強度或いは剛性を確保しつつ、ノズルから流れて動翼本体２２の前端２２ＤＥ近傍に衝突する水滴を、第１ドレン溝２ａによって多く捕獲できることにより、効果的にドレンを捕獲でき、且つ効果的にドレンを排出できる。

具体的に、図１０及び図１１等を用いて説明した一般的なドレン溝（第１ドレン溝１０２ａ）との対比で説明すると、本実施の形態に係る第１ドレン溝２ａと一般的な第１ドレン溝１０２ａとの間で、溝深さ、タービン軸方向での形成位置、及び開き角度を同一と想定した場合に、本実施の形態に係る第１ドレン溝２ａは前側に傾くことにより、一般的な第１ドレン溝１０２ａよりも、前端２２ＤＥに近づくため、一般的な第１ドレン溝１０２ａよりも効果的にドレンを捕獲でき、捕獲性能を向上させることができる。

さらに、一般的な第１ドレン溝１０２ａと対比すると、本実施の形態に係る第１ドレン溝２ａは前側に傾くことにより、前側内面３０ａと後側内面３０ｂとの間のタービン軸方向における距離が、一般的な第１ドレン溝１０２ａよりも大きくなる。そのため、本実施の形態の第１ドレン溝２ａでは、一般的な第１ドレン溝１０２ａを有する動翼と同等の強度或いは剛性を確保しつつ、水滴を捕獲し得る有効面積を拡大させることもできる。また、溝深さを一般的な第１ドレン溝１０２ａよりも小さくしながらも、一般的な第１ドレン溝１０２ａと同等の水滴を捕獲し得る有効面積を確保することもできる。したがって、本実施の形態の第１ドレン溝２ａの構成によれば、一般的な第１ドレン溝１０２ａを有する動翼よりも、動翼本体２２の強度或いは剛性を有利に確保しつつ、水滴の捕獲性能を向上させることも可能となる。

また、図６（Ａ）〜（Ｄ）は、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示すドレン溝２ａ〜２ｄの各々において水滴を保持できる有効面積を示す図であり、斜線部が有効面積領域を示している。本実施の形態では、第１ドレン溝２ａを前側に傾けるとともに、第３ドレン溝２ｃ及び第３ドレン溝２ｄを後側に傾けることにより、図１０及び図１１等を用いて説明した一般的なドレン溝を有する動翼よりも、効果的にドレン溝の有効面積のばらつきを抑えて、効果的にドレンの捕獲性能及びドレンの排出性能を向上させることも可能となる。

詳しくは、各ドレン溝２ａ〜２ｄの有効面積は、動翼本体２の捻りの影響によって、先端側において減少する傾向にある。ここで、本実施の形態に係る第１ドレン溝２ａにおいては、一般的な第１ドレン溝１０２ａと、溝深さ、タービン軸方向での形成位置、及び開き角度を同一と想定した場合に、第１ドレン溝２ａが前側に傾くことにより、特に、先端側において、一般的な第１ドレン溝１０２ａよりも有効面積を大きく確保できる。これにより、本実施の形態に係る第１ドレン溝２ａでは、一般的な第１ドレン溝１０２ａを有する動翼よりも、動翼本体２２の強度或いは剛性を低下させることなく、且つドレン溝の基端側と先端側との有効面積との差を小さく抑えることができる。これにより、一般的なドレン溝を有する動翼よりも、効果的にドレン溝の有効面積のばらつきを抑えて、効果的にドレンの捕獲性能及びドレンの排出性能を向上させることができることになる。

また、本実施の形態に係る第３ドレン溝２ｃ及び第４ドレン溝２ｄでは、基端側との有効面積との差を抑制するために、先端側の溝深さを大きくして有効面積を大きく確保した場合であっても、後側に傾くことにより、第３ドレン溝２ｃ及び第４ドレン溝２ｄのタービン軸方向での設置範囲を抑えることができる。これに対して、一般的なドレン溝の第３ドレン溝１０２ｃ及び第４ドレン溝１０２ｄでは、溝深さを大きくして有効面積を大きく確保した場合には、タービン軸方向での設置範囲が大きくなってしまい、動翼の流体性能の低下が生じ得る。したがって、本実施の形態に係る第３ドレン溝２ｃ及び第４ドレン溝２ｄでは、一般的な第３ドレン溝１０２ｃ及び第４ドレン溝１０２ｄよりも、動翼の流体性能を低下させることなく、ドレン溝の基端側と先端側との有効面積との差を小さく抑えることができる。これにより、一般的なドレン溝を有する動翼よりも、効果的に有効面積のばらつきを抑えて、効果的にドレンの捕獲性能及びドレンの排出性能を向上させることができることになる。

ここで、図７は、本実施の形態に係る第１ドレン溝２ａ及び第４ドレン溝２ｄの有効面積の翼高さ方向における変化状況を表すグラフを示している。図７において、縦軸は、動翼本体２の全長を１．０とした際の高さ位置を示し、横軸は、各ドレン溝の各高さ位置における有効面積を最大有効面積で除して示した値を示している。また、破線は、第１ドレン溝２ａの有効面積を示し、実線は、第４ドレン溝２ｄの有効面積を示している。

図７に示すように、本実施の形態では、第１ドレン溝２ａ及び第４ドレン溝２ｄにおいては、捩じれ角の大きな先端側でも有効面積を大きく確保できており、第１ドレン溝２ａでは最大値の８０％以上、第４ドレン２ｄでは最大値の７０％以上の有効面積となっている。そのため、有効面積の変化が緩やかになっており、水滴がドレン溝を通って半径方向外側に排出される際に、途中で溢れて蒸気流の中に戻る可能性を防止することができるようになっている。

また、本実施の形態では、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示したように、ドレン溝２ａ〜２ｄの各々は、翼高さ方向に沿って見た場合に、それぞれの半円形状（円弧状）の底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃの中心が翼高さ方向の先端から基端にわたって直線状に並ぶように形成されている。これにより、底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃのタービン軸方向における急激な位置変化が抑制され、底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃは翼高さ方向の先端から基端にかけて滑らかに連続する。このように底面３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが翼高さ方向の先端から基端にかけて滑らかに連続する場合には、ドレン溝２ａ〜２ｂの基端側で捕獲された水滴が、動翼の回転によって、翼高さ方向（タービン半径方向）に沿って外側に排出される際に、途中で離脱することが抑制される。したがって、本実施の形態によれば、ドレンの排出性能を更に向上させることもできる。

また、本実施の形態では、第１ドレン溝２ａの後側内面３０ｂの外部側端点Ｐ１２と第２ドレン溝２ｂの前側内面３１ａの外部側端点Ｐ２１との間の間隔ｄ１２、第２ドレン溝２ｂの後側内面３１ｂの外部側端点Ｐ２２と第３ドレン溝２ｃの前側内面３２ａの外部側端点Ｐ３１との間の間隔ｄ２３、及び第３ドレン溝２ｃの後側内面３２ｂの外部側端点Ｐ３２と第４ドレン溝２ｄの前側内面３３ａの外部側端点Ｐ４１との間の間隔ｄ３４の各々が１ｍｍ以上確保されている。これにより、水滴の衝突に好適に耐え得る強度が確保される。そして、エロージョンでドレン溝間の部分が減肉した際におけるドレン溝２ａ〜２ｄの有効面積の減少を抑えることができる。すなわち、侵食に対するロバスト性能を向上できる。

ここで、本実施の形態では、第１ドレン溝２ａを前側に傾けるとともに、第３ドレン溝２ｃ及び第４ドレン溝２ｄを後側に傾けることにより、上述の間隔ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４を１ｍｍ以上確保し、且つ水滴を好適に捕獲し得る有効面積を確保しつつ、ドレン溝２ａ〜２ｄのタービン軸方向での設置範囲をコンパクトに抑制してタービン動翼１の流体性能の低下を抑制することができる。これに対して、一般的なドレン溝１０２ａ〜１０２ｄを有する動翼において、隣接する溝間の間隔を１ｍｍ以上確保し、本実施の形態と同等の有効面積を確保しようとした場合には、ドレン溝１０２ａ〜１０２ｄのタービン軸方向での設置範囲が大きくなってしまい、流体性能が低下してしまう。そのため、本実施の形態によれば、一般的なドレン溝１０２ａ〜１０２ｄを有する動翼よりも、コンパクトに複数のドレン溝を形成しながらも、水滴の衝突に好適に耐え得る強度及び水滴を好適に捕獲し得る有効面積を確保することができるという効果も得られる。

したがって、本実施の形態によれば、ドレンを効果的に排出することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第１ドレン溝２ａの二等分線Ｌ１の角度等は、上述の実施の形態に限定されるものではない。この角度は、ノズルからのドレンの飛来位置及び方向に応じて適切な角度が設定されればよい。また、上述の実施の形態では、ドレン溝２ａ〜２ｄの前側内面及び後側内面が直線状に形成される例であるが、これら前側内面及び後側内面は円弧状でもよい。この場合、前側内面と後側内面とで規定される開き角度は、前側内面の両端点間を結ぶ直線と、後側内面の両端点間を結ぶ直線とで規定される。

１ タービン動翼、２ 動翼本体、２ａ 第１ドレン溝、２ｂ 第２ドレン溝、２ｃ 第３ドレン溝、２ｄ 第４ドレン溝、２２ 背面、２２Ｆ 前部、２２ＤＥ 前端、３０ａ，３１ａ，３２ａ，３３ａ 前側内面、３０ｂ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ 後側内面、３０ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｄ 底面、Ｐ１ 内部側端点、Ｐ２ 内部側端点、Ｐ１２．Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ４１ 外部側端点、α１，α２，α３，α４ 開き角度、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 二等分線、ｄ１２，ｄ２３，ｄ３４ 間隔。

Claims (4)

1. 動翼本体を備えるタービン動翼であって、
   前記動翼本体の背面の前部に、翼高さ方向の先端から基端側に向けて延びる複数のドレン溝が形成され、
   前記翼高さ方向に沿って見た場合に、前記複数のドレン溝のうちの最も前側に位置するドレン溝の前側内面と後側内面とがなす開き角度の二等分線が、前記タービン周方向に対して前側に傾く、及び／又は、前記複数のドレン溝のうちの最も前側に位置するドレン溝よりも後側に位置するドレン溝の少なくともいずれかの前側内面と後側内面とがなす開き角度の二等分線が、前記タービン周方向に対して後側に傾く、
   ことを特徴とするタービン動翼。
2. 前記翼高さ方向に沿って見た場合の前記複数のドレン溝の各々の前記開き角度の二等分線と前記タービン周方向とがなす角度が、当該タービン周方向に対して前側に３０度から後側に３０度の範囲に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
3. 前記複数のドレン溝の各々は、前記前側内面と、前記後側内面と、前記前側内面の内部側端点及び前記後側内面の内部側端点を接続する円弧状の底面と、で構成されており、
   前記複数のドレン溝の各々は、前記翼高さ方向に沿って見た場合に、円弧状の前記底面の中心が翼高さ方向の先端から基端にわたって直線状に並ぶように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン動翼。
4. 隣り合う前記ドレン溝の外部側端点の間のタービン軸方向での間隔が、１ｍｍ以上である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のタービン動翼。

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