JP2018141453A - Axial flow rotating machine and rotor blade - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軸流回転機械、動翼に関する。 The present invention relates to an axial-flow rotating machine and a moving blade.
蒸気タービン、ガスタービン等の軸流回転機械において、ケーシングと、ケーシングの内部に回転自在に設けられたロータと、ケーシングの内周部に固定配置された静翼と、この静翼の下流側において回転軸に放射状に設けられた動翼と、を備えたものが知られている。
例えば蒸気タービンの場合、蒸気の圧力エネルギーを静翼によって速度エネルギーに変換し、この速度エネルギーを動翼によって回転エネルギー(機械エネルギー)に変換している。また、動翼内で圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、蒸気が噴出する反動力により回転エネルギー(機械エネルギー)に変換される場合もある。
In an axial rotating machine such as a steam turbine or a gas turbine, a casing, a rotor rotatably provided in the casing, a stationary blade fixedly disposed on an inner peripheral portion of the casing, and a downstream side of the stationary blade The one provided with the rotor blades provided radially on the rotating shaft is known.
For example, in the case of a steam turbine, steam pressure energy is converted into velocity energy by a stationary blade, and this velocity energy is converted into rotational energy (mechanical energy) by a moving blade. In some cases, pressure energy is converted into velocity energy in the moving blade, and converted into rotational energy (mechanical energy) by reaction force from which steam is ejected.
例えば特許文献1に開示されているように、この種の回転機械では、動翼の先端部と、動翼を囲繞して蒸気の流路を形成するケーシングとの間に径方向の隙間が形成されている。動翼の先端部とケーシングとの隙間を通過する作動流体の漏れ流れは、動翼の下流側において、動翼の先端部とケーシングとの隙間から径方向内側に流れ出て、ケーシング内を中心軸方向に流れる作動流体の主流に合流する。
For example, as disclosed in
ところで、動翼の下流側で径方向に流れ出る作動流体の漏れ流れは、ケーシング内を中心軸方向に流れる作動流体の主流に対して、交差するように合流する。作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとが交差して合流するときには、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとが衝突して混合されるため、混合損失と呼ばれるエネルギー損失が発生する。この混合損失の増加は、軸流回転機械の効率向上の妨げとなる場合があり、混合損失を低減することが望まれる。 By the way, the leakage flow of the working fluid flowing out in the radial direction on the downstream side of the moving blade joins the main flow of the working fluid flowing in the central axis direction in the casing so as to intersect. When the main flow of the working fluid and the leakage flow of the working fluid intersect and merge, the main flow of the working fluid and the leakage flow of the working fluid collide and mix, and thus an energy loss called a mixing loss occurs. This increase in the mixing loss may hinder the improvement of the efficiency of the axial-flow rotating machine, and it is desired to reduce the mixing loss.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとの混合損失を低減し、軸流回転機械の効率を高めることができる軸流回転機械、動翼を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and reduces the mixing loss between the main flow of the working fluid and the leakage flow of the working fluid, and increases the efficiency of the axial flow rotating machine. The purpose is to provide wings.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の第一の態様では、軸流回転機械は、中心軸回りに回転する回転軸と、前記回転軸の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体を有する静翼と、前記回転軸から径方向外側に設けられた動翼本体、前記動翼本体の径方向外側に設けられたチップシュラウド、及び、前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面から径方向外側に延び、前記ケーシングの内周面に対向する動翼フィンを備えた動翼と、前記動翼フィンに対して上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、前記ケーシングから径方向内側に延びて前記チップシュラウドの前記外周面に対向するケース側フィンと、を備える。前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成されている。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
In the first aspect of the present invention, the axial-flow rotating machine is disposed on the rotating shaft rotating around the central axis and on the radially outer side of the rotating shaft, and the working fluid extends along the central axial direction on the radially inner side A cylindrical casing that flows from the upstream side to the downstream side, a stationary blade having a stationary blade body that extends from the casing toward the radially inner side, and a radially outer side from the rotating shaft. A blade main body, a tip shroud provided on the radially outer side of the blade main body, and a blade that extends radially outward from an outer peripheral surface facing the radially outer side of the tip shroud and faces the inner peripheral surface of the casing A blade provided with fins, and a case side provided on an upstream side and a downstream side with respect to the blade fins, extending radially inward from the casing and facing the outer peripheral surface of the tip shroud It includes a fin, a. In the moving blade fin, the upstream inner peripheral end portion on the radially inner side of the surface facing the upstream side in the moving blade fin is the downstream inner peripheral end on the radially inner side of the surface facing the downstream side of the moving blade fin. By being located radially outside the portion, the downstream downstream end of the tip shroud is formed with a smaller radial thickness than the upstream upstream end of the tip shroud.
このような構成によれば、チップシュラウドの上流端よりもチップシュラウドの下流端の径方向の厚さ寸法が小さいので、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から下流側で剥離する際に生じる剥離渦(後縁のウェーク)が小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失が低減される。
また、剥離渦が小さくなることで、チップシュラウドの下流端から剥離した作動流体の漏れ流れは、ケーシング内で径方向内側に寄りやすくなる。これによって、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとの混合が、チップシュラウドの下流端に近い位置で開始される。
また、チップシュラウドの上流側で、作動流体の主流から分離した作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドとケーシングとの間を径方向外側に向かって流れる。チップシュラウドの上流端は、下流端よりも径方向の厚さ寸法が大きいので、径方向外側に向かって流れる作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドの上流端に沿って長く流れる。これにより、チップシュラウドの上流端の径方向外側で作動流体の漏れ流れから剥離して生成される剥離渦が強くなる。チップシュラウドの上流端側における剥離渦が強くなると、作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドと上流側のケース側フィンとの隙間を通り抜けにくくなり、漏れ流れが低減される。
According to such a configuration, since the radial thickness dimension of the downstream end of the tip shroud is smaller than the upstream end of the tip shroud, the leakage flow of the working fluid through the clearance between the tip shroud and the inner peripheral surface of the casing However, the separation vortex (the trailing edge wake) generated when peeling from the downstream end of the chip shroud downstream is reduced. Thereby, the loss by the leakage flow of the working fluid in the downstream of a chip shroud is reduced.
Further, since the separation vortex is reduced, the leakage flow of the working fluid separated from the downstream end of the chip shroud is likely to move radially inward in the casing. Thereby, mixing of the main flow of the working fluid and the leakage flow of the working fluid is started at a position near the downstream end of the tip shroud.
Further, the leakage flow of the working fluid separated from the main flow of the working fluid on the upstream side of the tip shroud flows radially outward between the tip shroud and the casing. Since the upstream end of the tip shroud has a larger radial dimension than the downstream end, the leakage flow of the working fluid flowing outward in the radial direction flows longer along the upstream end of the tip shroud. As a result, the separation vortex generated by separation from the leakage flow of the working fluid on the radially outer side of the upstream end of the tip shroud is strengthened. When the separation vortex on the upstream end side of the tip shroud becomes stronger, the leakage flow of the working fluid is less likely to pass through the gap between the tip shroud and the upstream case side fin, and the leakage flow is reduced.
本発明の第二の態様では、上記第一の態様において、前記動翼は、前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、前記第一外周面と前記第二外周面との間に設けられ、前記中心軸方向の下流側を向く段差面と、を有していてもよい。 In a second aspect of the present invention, in the first aspect, the moving blade includes a first outer peripheral surface formed on the upstream side of the moving blade fin on the outer peripheral surface of the tip shroud, and the tip shroud. A second outer peripheral surface formed on the downstream side of the bucket fin on the outer peripheral surface and positioned radially inward of the first outer peripheral surface, and between the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. And a step surface facing the downstream side in the central axis direction.
このような構成により、チップシュラウドの上流端よりもチップシュラウドの下流端の径方向の厚さ寸法が小さくなる。 With this configuration, the radial thickness dimension of the downstream end of the tip shroud is smaller than the upstream end of the tip shroud.
本発明の第三の態様では、上記第二の態様において、前記動翼フィンは、前記第一外周面の前記下流側の端部から径方向外側に延びるように形成され、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の一部が前記段差面を形成するようにしてもよい。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the blade fin is formed to extend radially outward from the downstream end of the first outer peripheral surface, and A part on the radially inner side of the surface facing the downstream side may form the step surface.
このように構成することで、動翼フィンにおいて下流側を向く面の一部が段差面を形成するので、段差面よりも下流側に動翼フィンが突出することがない。これによって、熱伸び等によって、ケーシング及び静翼と、回転軸及び動翼とが中心軸方向に相対変位した場合に、下流側のケース側フィンが動翼フィンに干渉することを抑制できる。 With this configuration, a part of the surface facing the downstream side of the rotor blade fin forms a step surface, so that the rotor blade fin does not protrude further downstream than the step surface. Accordingly, it is possible to suppress the downstream case-side fin from interfering with the moving blade fin when the casing and the stationary blade, the rotating shaft, and the moving blade are relatively displaced in the central axis direction due to thermal elongation or the like.
本発明の第四の態様によれば、上記第一から第三の態様において、前記チップシュラウドの前記外周面は、前記中心軸に平行に形成されていてもよい。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects, the outer peripheral surface of the tip shroud may be formed in parallel to the central axis.
これによって、ケース側フィンとチップシュラウドの外周面とのクリアランスを、容易に適正に維持することができる。 Thereby, the clearance between the case-side fin and the outer peripheral surface of the chip shroud can be easily maintained appropriately.
本発明の第五の態様によれば、上記第一から第四の態様において、前記チップシュラウドにおいて径方向内側を向く内周面は、前記上流側から前記下流側に向かって径方向外側に傾斜していてもよい。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects, the inner peripheral surface facing the radially inner side in the tip shroud is inclined radially outward from the upstream side toward the downstream side. You may do it.
このように構成することで、チップシュラウドの上流端の径方向の厚さ寸法よりも、チップシュラウドの下流端の径方向の厚さ寸法を、より小さくすることが可能となる。 With this configuration, the radial thickness dimension of the downstream end of the chip shroud can be made smaller than the radial thickness dimension of the upstream end of the chip shroud.
本発明の第六の態様によれば、上記第一から第五の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって径方向の厚さが漸次小さくなる湾曲面又は傾斜面を有していてもよい。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects, the downstream end of the tip shroud has a curved surface or an inclined surface that gradually decreases in radial direction toward the downstream side. You may have.
このような構成によれば、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失を、より一層低減することができる。 According to such a configuration, the separation vortex generated when the leakage flow of the working fluid passing through the gap between the tip shroud and the inner peripheral surface of the casing peels from the downstream end of the tip shroud is further reduced. Thereby, the loss by the leakage flow of the working fluid in the downstream of a chip | tip shroud can be reduced further.
本発明の第七態様によれば、上記第六の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は半円の円周面であってもよい。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, the downstream end of the tip shroud has a curved surface that is convex toward the downstream side, and the curved surface is a semicircular circumferential surface. It may be.
According to such a configuration, the separation vortex generated when peeling from the downstream end of the chip shroud can be made smaller, and the trailing edge loss can be further reduced.
本発明の第八態様によれば、上記第六の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は、長軸が前記中心軸方向に一致し、短軸が前記径方向に一致する半楕円の円周面であってもよい。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。
According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth aspect, the downstream end of the tip shroud has a curved surface that protrudes toward the downstream side, and the curved surface has a long axis at the center. It may be a semi-elliptical circumferential surface that coincides with the axial direction and whose minor axis coincides with the radial direction.
According to such a configuration, the separation vortex generated when peeling from the downstream end of the chip shroud can be made smaller, and the trailing edge loss can be further reduced.
本発明の第九態様によれば、上記第六の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面として、前記径方向の外側の第一湾曲面と、前記径方向の内側の第二湾曲面とが形成されており、前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きくともよい。
このような構成によれば、径方向内側の第二湾曲面の方が、径方向外側の第一湾曲面よりも曲率半径が小さいので、第二湾曲面側で第一湾曲面側よりも蒸気がチップシュラウドの下流端で剥離しやすくなる。即ち、第一湾曲面側で径方向内側に蒸気が向かう一方、第二湾曲面側で中心軸方向に蒸気が向かう。これによって、蒸気の主流が、径方向外側から合流する蒸気の漏れ流れに巻き込まれることを抑制し、蒸気の主流と蒸気の漏れ流れとが混合するときの損失を抑制することができる。
According to a ninth aspect of the present invention, in the sixth aspect, the downstream end of the tip shroud has a curved surface that protrudes toward the downstream side, and the curved surface is an outer side in the radial direction. The first curved surface and the second curved surface inside in the radial direction are formed, and the radius of curvature of the first curved surface may be larger than the radius of curvature of the second curved surface.
According to such a configuration, the radius of curvature of the second curved surface on the radially inner side is smaller than that of the first curved surface on the radially outer side. However, it becomes easy to peel off at the downstream end of the chip shroud. That is, the steam is directed radially inward on the first curved surface side, while the steam is directed in the central axis direction on the second curved surface side. Thereby, it is possible to suppress the main flow of the steam from being involved in the steam leakage flow that merges from the outside in the radial direction, and it is possible to suppress the loss when the steam main flow and the steam leakage flow are mixed.
本発明の第十態様では、作動流体が上流側から下流側に向かって流れるケーシング内で、中心軸回りに回転可能に支持される回転軸の径方向外側に設けられる動翼であって、前記回転軸から径方向外側に延びるよう設けられる動翼本体と、前記動翼本体の径方向外側に設けられるチップシュラウドと、前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面に設けられ、前記外周面から径方向外側に延びる動翼フィンと、を備える。前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成されている。 In a tenth aspect of the present invention, there is provided a moving blade provided on a radially outer side of a rotating shaft that is rotatably supported around a central axis in a casing in which a working fluid flows from the upstream side toward the downstream side, A rotor blade body provided to extend radially outward from the rotating shaft, a tip shroud provided radially outward of the rotor blade body, and provided on an outer peripheral surface of the tip shroud facing radially outward, from the outer periphery surface And a moving blade fin extending outward in the radial direction. In the moving blade fin, the upstream inner peripheral end portion on the radially inner side of the surface facing the upstream side in the moving blade fin is the downstream inner peripheral end on the radially inner side of the surface facing the downstream side of the moving blade fin. By being located radially outside the portion, the downstream downstream end of the tip shroud is formed with a smaller radial thickness than the upstream upstream end of the tip shroud.
このような構成によれば、チップシュラウドの上流端よりもチップシュラウドの下流端の径方向の厚さ寸法が小さいので、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦が小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失が低減される。 According to such a configuration, since the radial thickness dimension of the downstream end of the tip shroud is smaller than the upstream end of the tip shroud, the leakage flow of the working fluid through the clearance between the tip shroud and the inner peripheral surface of the casing Peeling vortex generated when peeling from the downstream end of the chip shroud is reduced. Thereby, the loss by the leakage flow of the working fluid in the downstream of a chip shroud is reduced.
本発明に係る軸流回転機械、動翼によれば、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとの混合損失を低減し、軸流回転機械の効率を高めることができる。 According to the axial flow rotating machine and the moving blade according to the present invention, the mixing loss between the main flow of the working fluid and the leakage flow of the working fluid can be reduced, and the efficiency of the axial flow rotating machine can be increased.
以下、本発明の一実施形態に係る軸流回転機械、動翼を図面に基づき説明する。
(第一実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。図2は、上記蒸気タービンの動翼の先端部を示す拡大図である。
図1に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン(軸流回転機械)100は、回転軸1と、ケーシング2と、複数の静翼7を備える静翼段6と、複数の動翼4を備える動翼段3と、を備えている。
Hereinafter, an axial-flow rotating machine and a moving blade according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a steam turbine according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view showing a tip portion of a moving blade of the steam turbine.
As shown in FIG. 1, a steam turbine (axial rotary machine) 100 according to the present embodiment includes a
回転軸1は、中心軸Acに沿って延びる円柱状をなしている。回転軸1は、中心軸Acに沿った中心軸方向Daの両端部が、軸受装置5によって中心軸Ac回りに回転自在に支持されている。軸受装置5は、回転軸1の中心軸方向Da両側に1つずつ設けられたジャーナル軸受5Aと、中心軸方向Daの第一側のみに設けられたスラスト軸受5Bと、を有している。ジャーナル軸受5Aは、回転軸1による径方向Drへの荷重を支持する。スラスト軸受5Bは、回転軸1による中心軸方向Daへの荷重を支持する。
The
ケーシング2は、中心軸方向Daに延びる筒状をなしている。ケーシング2は、回転軸1を外周側から覆う。
ケーシング2は、吸気口10と、排気口11と、を備えている。吸気口10は、ケーシング2の中心軸方向Daの第一側に形成され、外部からケーシング2内に蒸気(作動流体)を取り入れる。排気口11は、ケーシング2の中心軸方向Daの第二側に形成され、ケーシング2内を通過した蒸気を外部に排気する。
以降の説明では、排気口11から見て吸気口10が位置する側を上流側と呼び、吸気口10から見て排気口11が位置する側を下流側と呼ぶ。
The
The
In the following description, the side where the
静翼段6は、ケーシング2の内周面に、中心軸方向Daに沿って間隔をあけて、複数段が設けられている。各静翼段6は、各動翼段3の上流側に配置されている。各静翼段6は、中心軸Ac回りの周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼7を有している。
The
静翼7は、静翼本体70と、静翼シュラウド71と、を備えている。
静翼本体70は、ケーシング2の内周面2Sから径方向Dr内側に向かって延びるよう設けられている。静翼本体70は、径方向Drから見て翼型の断面を有している。
静翼シュラウド71は、静翼本体70の径方向Dr内側の端部に取り付けられている。
The
The
The
回転軸1の径方向Dr外側を向く外周面1S上において、各動翼段3の上流側には、回転軸1の外周面1Sから径方向Dr内側に向かって窪み、中心軸Ac回りの周方向に連続する溝状の静翼キャビティ8が形成されている。各静翼7の静翼シュラウド71は、静翼キャビティ8内に収容されている。
On the outer
動翼段3は、回転軸1の外周面1Sに、中心軸方向Daの第一側から第二側に向かって間隔をあけて、複数段が設けられている。各動翼段3は、回転軸1の外周面1S上で、中心軸Ac回りの周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼4を有している。
The moving
動翼4は、動翼本体40と、チップシュラウド41と、を有している。
The moving
動翼本体40は、回転軸1から径方向Dr外側に向かって延びるよう形成されている。動翼本体40は、径方向Drから見て翼型の断面を有している。
本実施形態では、動翼本体40と静翼本体70との径方向Dr寸法は互いに同一とされている。言い換えると、中心軸方向Daから見た場合、動翼本体40と静翼本体70とは互いに重なるように配列されている。
The
In the present embodiment, the radial direction Dr dimensions of the moving
図2に示すように、チップシュラウド41は、動翼本体40の径方向Dr外側の端部に設けられている。チップシュラウド41は、中心軸方向Daにおける寸法が、同中心軸方向Daにおける動翼本体40の寸法よりも大きく設定されている。
As shown in FIG. 2, the
ケーシング2の内周側であって、チップシュラウド41と径方向Drで対向する領域には、チップシュラウド41を収容するための動翼キャビティ20が形成されている。動翼キャビティ20は、ケーシング2の内周面2Sから径方向Dr外側に向かって窪み、中心軸Ac回りの周方向に連続する溝状をなしている。
A moving
本実施形態において、動翼4は、動翼側フィン42をさらに有している。動翼側フィン42は、チップシュラウド41の中心軸方向Daの中間部に設けられている。動翼側フィン42は、チップシュラウド41において径方向Dr外側を向く外周面41sから径方向Dr外側に延び、その先端部がケーシング2の動翼キャビティ20との間に間隔を空けて対向するよう設けられている。この動翼側フィン42は、中心軸方向Daの上流側を向く上流面43と、中心軸方向Daの下流側を向く下流面44と、を有している。ここで、上流面43は、中心軸方向Daに直交する面内に位置している。下流面44は、中心軸方向Daに沿って上流側から下流側に向かって、漸次径方向内側に延びるよう傾斜して形成されている。
この動翼側フィン42は、チップシュラウド41と一体成形することで形成されている。
In the present embodiment, the moving
The rotor
チップシュラウド41は、第一外周面45Aと、第二外周面45Bと、段差面46と、を有している。
The
第一外周面45Aは、チップシュラウド41の外周面41sにおいて動翼側フィン42の上流側に形成されている。第二外周面45Bは、チップシュラウド41の外周面41sにおいて動翼側フィン42の下流側に形成されている。第二外周面45Bは、第一外周面45Aよりも径方向Dr内側に位置するよう形成されている。チップシュラウド41の外周面41sを構成する第一外周面45A及び第二外周面45Bは、それぞれ、中心軸Ac(図1参照)に平行に形成されている。
The first outer peripheral surface 45 </ b> A is formed on the upstream side of the rotor
段差面46は、第一外周面45Aと第二外周面45Bとの間に設けられ、中心軸方向Daの下流側を向くよう形成されている。この段差面46の径方向Drの外側に、動翼側フィン42が連続して設けられている。言い換えると、動翼側フィン42は、第一外周面45Aの下流側の端部から径方向Dr外側に延びるように形成されている。動翼側フィン42は、下流側を向く下流面44の径方向Dr内側の一部が、段差面46を形成している。
The
このようにして、動翼側フィン42は、上流面43の径方向Dr内側の上流側内周端部43aが、下流面44の径方向Dr内側の下流側内周端部44aよりも径方向Dr外側に位置している。
また、チップシュラウド41において径方向Dr内側を向く内周面41tは、上流側から下流側に向かって径方向Dr外側に傾斜して形成されている。
これにより、動翼4は、チップシュラウド41の上流側の上流端41aよりもチップシュラウド41の下流側の下流端41bの径方向Drの厚さ寸法が小さく形成されている。
In this way, in the rotor
Further, an inner
Thereby, the moving
上記したようなチップシュラウド41の径方向Drの外側には、ケース側フィン22A,22Bが設けられている。ケース側フィン22A,22Bは、動翼側フィン42に対して上流側と下流側とに設けられている。ケース側フィン22A,22Bは、それぞれ、ケーシング2から径方向Dr内側に延び、その径方向Drの内側の先端部が、チップシュラウド41の第一外周面45A,第二外周面45Bに間隔を隔てて対向している。
ここで、第一外周面45A及び第二外周面45Bの径方向Drの位置の差分は、ケース側フィン22Aの径方向Drの内側の先端部と第一外周面45Aとの間の間隔(クリアランス)よりも大きくなっているとよい。
Case-side fins 22 </ b> A and 22 </ b> B are provided outside the
Here, the difference between the positions of the first outer
以上のように構成された蒸気タービン100の動作について図1を参照して説明する。
蒸気タービン100を運転するに当たっては、まずボイラ等の蒸気供給源(図示省略)から供給された高温高圧の蒸気が、吸気口10を通じてケーシング2の内部に導入される。
ケーシング2内に導入された蒸気は、動翼4(動翼段3)、及び静翼7(静翼段6)に順次衝突する。各静翼段6においては、上流側から流れてきた蒸気が静翼7に当たることで、この蒸気の流れに回転軸1周りの旋回成分が付与される。これにより、各静翼段6の下流側では、蒸気の流れは回転軸1周りに旋回している。各動翼段3は、上流側の静翼段6を経て回転軸1周りに旋回した蒸気の流れが到達する。この旋回した蒸気の流れが各動翼4に当たることで、回転軸1は回転エネルギーを得て、中心軸Ac回りに回転する。この回転軸1の回転運動は、軸端に連結された発電機等(図示省略)によって取り出される。
以上のサイクルが連続的に繰り返される。
The operation of the
In operating the
The steam introduced into the
The above cycle is repeated continuously.
上記のようにして、蒸気が、静翼7と動翼4とを交互に経て上流側から下流側に向かって流れることで、主流FMを形成する。この主流FMは、上記のように静翼7と動翼4とに順次衝突することで整流されるとともに、動翼4に対してエネルギーを与える。
As described above, the steam flows alternately from the upstream side to the downstream side through the
ここで、各動翼段3においては、上流側から流れてきた蒸気のうち、主流FMを除く成分は、上記の動翼キャビティ20に流れ込み、動翼漏れ流れFLを形成する。
この動翼漏れ流れFLは、チップシュラウド41に対して上流側で、チップシュラウド41の上流端41aと、その上流側に位置する動翼キャビティ20の上流側面21Aとの間を径方向Drの外側に向かって流れる。
ここで、チップシュラウド41の上流端41aの径方向Dr外側では、径方向Drの外側に向かう作動流体の漏れ流れFLの一部が剥離し、剥離渦S1が生成される。チップシュラウド41の上流端41aは、下流端41bよりも径方向Drの厚さ寸法が大きいので、径方向Dr外側に向かって流れる作動流体の漏れ流れFLは、チップシュラウド41の上流端41aに沿って長く流れる。これにより、生成される剥離渦S1が強くなる。
Here, in each moving
This blade leakage flow FL is upstream of the
Here, on the outside of the
径方向Drの外側に向かった作動流体の漏れ流れFLの一部は、上流側のケース側フィン22Aとチップシュラウド41の第一外周面45Aとの間、動翼側フィン42と動翼キャビティ20との間、下流側のケース側フィン22Bとチップシュラウド41の第二外周面45Bとの間を通り抜ける。
A part of the leakage flow FL of the working fluid toward the outer side in the radial direction Dr is between the case-
下流側のケース側フィン22Bとチップシュラウド41の第二外周面45Bとの間を通り抜けた作動流体の漏れ流れFLは、チップシュラウド41の下流端41bから後方に流れ、作動流体の主流FMと合流する。ここで、チップシュラウド41の上流端41aよりもチップシュラウド41の下流端41bの径方向Drの厚さ寸法が小さいので、チップシュラウド41と動翼キャビティ20との隙間を通った蒸気の漏れ流れFLがチップシュラウド41の下流端41bから剥離する際に生じる剥離渦S2が小さくなる。剥離渦S2が小さくなることで、チップシュラウド41の下流端41bから剥離した蒸気の漏れ流れFLは、径方向Dr内側に寄りやすくなる。これによって、蒸気の主流FMと蒸気の漏れ流れFLとの混合が、チップシュラウド41の下流端41bに、より近い位置で開始される。
このようにして蒸気の主流FMと混合した蒸気の漏れ流れFLは、下流側の静翼7へと流れていく。
The leakage flow FL of the working fluid that has passed between the downstream case-
The steam leakage flow FL mixed with the steam main flow FM in this manner flows to the
上述したような蒸気タービン100、動翼4によれば、チップシュラウド41の上流端41aよりもチップシュラウド41の下流端41bの径方向Drの厚さ寸法が小さいので、蒸気の漏れ流れFLがチップシュラウド41の下流端41bから剥離する際に生じる剥離渦S2が小さくなる。これにより、チップシュラウド41の下流側における蒸気の漏れ流れFLによる損失が低減される。
また、剥離渦S2が小さくなることで、チップシュラウド41の下流端41bから剥離した蒸気の漏れ流れFLは、径方向Dr内側に寄りやすくなる。これによって、蒸気の主流FMと蒸気の漏れ流れFLとの混合が、チップシュラウド41の下流端41bに近い位置で開始される。これによって、蒸気の漏れ流れFLが、チップシュラウド41の下流端41bに対向する動翼キャビティ20の下流側面21Bにまで到達することを抑制する。したがって、蒸気の漏れ流れFLが下流側面21Bに衝突することで生じる損失が低減される。
また、チップシュラウド41の上流端41aは、下流端41bよりも径方向Drの厚さ寸法が大きいので、チップシュラウド41の上流端41aの径方向Dr外側で蒸気の漏れ流れFLから剥離して生成される剥離渦S1が強くなる。このように、チップシュラウド41の上流端41a側における剥離渦S1が強くなると、蒸気の漏れ流れFLは、チップシュラウド41と上流側のケース側フィン22Aとの隙間を通り抜けにくくなる。したがって、蒸気の漏れ流れFLの量が低減される。
According to the
In addition, since the separation vortex S2 is reduced, the steam leakage flow FL separated from the
Further, since the
また、動翼側フィン42は、下流側を向く下流面44の一部が段差面46を形成するので、段差面46よりも下流側に動翼側フィン42が突出することがない。これによって、熱伸び等によってケーシング2及び静翼7と、回転軸1及び動翼4とが中心軸方向Daに相対変位した場合に、下流側のケース側フィン22Bが動翼側フィン42に干渉することを抑制できる。
In addition, since the moving
また、チップシュラウド41の外周面41sは、中心軸Acに平行に形成されている。これによって、ケース側フィン22A,22Bとチップシュラウド41の第一外周面45A,第二外周面45Bとのクリアランスを、容易に適正に維持することができる。
Further, the outer
また、チップシュラウド41において径方向Dr内側を向く内周面41tは、上流側から下流側に向かって径方向Dr外側に傾斜している。このように構成することで、チップシュラウド41の上流端41aの径方向Drの厚さ寸法よりも、チップシュラウド41の下流端41bの径方向Drの厚さ寸法を、より小さくすることが可能となる。
Further, the inner
(第二実施形態)
次に、本発明にかかる軸流回転機械、動翼の第二実施形態について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態とチップシュラウド41の下流端41bの形状のみが異なるので、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the axial-flow rotating machine and the moving blade according to the present invention will be described. In the second embodiment described below, only the shape of the
図3は、本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状を示す断面図である。
この実施形態における蒸気タービン100の動翼4は、上記第一実施形態と同様の、動翼本体40と、チップシュラウド41と、動翼側フィン42(図2参照)を有している。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the shape of the tip of the rotor blade of the steam turbine according to the second embodiment of the present invention.
The moving
図3に示すように、この実施形態におけるチップシュラウド41の下流端41bは、下流側に向かって径方向Drの厚さが漸次小さくなるように、周方向からみて半円状をなす湾曲面48Aによって形成されている。
As shown in FIG. 3, the
このような構成によれば、チップシュラウド41と動翼キャビティ20との隙間を通った蒸気の漏れ流れFLがチップシュラウド41の下流端41bから剥離する際に生じる剥離渦S2が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウド41の下流側における蒸気の漏れ流れFLによる損失を、より一層低減することができる。
According to such a configuration, the separation vortex S2 generated when the steam leakage flow FL passing through the gap between the
(第二実施形態の第一変形例)
図4は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第一変形例を示す図である。
図4に示すように、チップシュラウド41の下流端41bは、下流側に向かって径方向Drの厚さが漸次小さくなる半楕円状の湾曲面48Bによって形成されている。ここで、湾曲面48Bは、中心軸方向Daに長軸方向A1が一致し、径方向Drに短軸方向A2が一致した半楕円状に形成するのが好ましい。
(First modification of the second embodiment)
FIG. 4 is a view showing a first modification of the shape of the tip of the moving blade of the steam turbine according to the second embodiment.
As shown in FIG. 4, the
このような構成によっても、チップシュラウド41と動翼キャビティ20との隙間を通った蒸気の漏れ流れFLがチップシュラウド41の下流端41bから剥離する際に生じる剥離渦S2が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウド41の下流側における蒸気の漏れ流れFLによる損失を、より一層低減することができる。
Even with such a configuration, the separation vortex S <b> 2 generated when the steam leakage flow FL passing through the gap between the
(第二実施形態の第二変形例)
図5は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第二変形例を示す図である。
図5に示すように、チップシュラウド41の下流端41bは、下流側に向かって漸次径方向内側に傾斜することで、径方向Drの厚さが漸次小さくなる傾斜面48Cによって形成されている。
(Second modification of the second embodiment)
FIG. 5 is a view showing a second modification of the shape of the tip of the moving blade of the steam turbine according to the second embodiment.
As shown in FIG. 5, the
このような構成によっても、チップシュラウド41と動翼キャビティ20との隙間を通った蒸気の漏れ流れFLがチップシュラウド41の下流端41bから剥離する際に生じる剥離渦S2が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウド41の下流側における蒸気の漏れ流れFLによる損失を、より一層低減することができる。
Even with such a configuration, the separation vortex S <b> 2 generated when the steam leakage flow FL passing through the gap between the
(第二実施形態の第三変形例)
図6は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第三変形例を示す図である。
傾斜面48Cは下流側に突出する湾曲面であってもよい。この湾曲面では、径方向Drの中央部付近での接線の径方向Drに対する傾斜角度θが、0度<θ<90度を満たす。
(Third modification of the second embodiment)
FIG. 6 is a view showing a third modification of the shape of the tip portion of the moving blade of the steam turbine according to the second embodiment.
The
(第二実施形態の第四変形例)
図7は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第四変形例を示す図である。
図7に示すように、チップシュラウド41の下流端41bは、下流側に向かって径方向Drの厚さが漸次小さくなるよう形成されている。この変形例において、チップシュラウド41の下流端41bには、径方向Drの外側に第一湾曲面48Dが、径方向Drの内側に第二湾曲面48Eが形成されている。径方向Drの外側の湾曲面48Dの曲率半径Rdは、径方向Drの内側の湾曲面48Eの曲率半径Reよりも大きく設定されている。また、湾曲面48Dと湾曲面48Eとの間は、径方向Drに延びる平面49によって滑らかに連結されている。
(Fourth modification of the second embodiment)
FIG. 7 is a view showing a fourth modification of the shape of the tip of the moving blade of the steam turbine according to the second embodiment.
As shown in FIG. 7, the
このような構成によっても、チップシュラウド41と動翼キャビティ20との隙間を通った蒸気の漏れ流れFLがチップシュラウド41の下流端41bから剥離する際に生じる剥離渦S2が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウド41の下流側における蒸気の漏れ流れFLによる損失を、より一層低減することができる。
ここで、チップシュラウド41の下流端41bにおいて、径方向Drの外側の第一湾曲面48Dの方が、径方向Drの内側の第二湾曲面48Eよりも曲率半径R1が大きいので、チップシュラウド41の径方向Drの外側を流れる蒸気の漏れ流れFLがチップシュラウド41の下流端41bから剥離しにくくなる。これによって、蒸気の漏れ流れFLを、第一湾曲面48Dの下流側で、径方向Drの内側に向かって転向させることができる。一方、チップシュラウド41の下流端41bにおいて、径方向Drの内側の第二湾曲面48Eの方が、径方向Drの外側の第一湾曲面48Dよりも曲率半径R2が小さいので、蒸気の主流FMがチップシュラウド41の下流端41bで剥離しやすくなる。即ち、第一湾曲面48D側で径方向Drの内側に蒸気が向かう一方、第二湾曲面48E側で中心軸方向Dcに蒸気が向かう。これによって、蒸気の主流FMが、径方向Drの外側から合流する蒸気の漏れ流れFLに巻き込まれることを抑制し、蒸気の主流FMと蒸気の漏れ流れFLとが混合するときの損失を抑制する。
Even with such a configuration, the separation vortex S <b> 2 generated when the steam leakage flow FL passing through the gap between the
Here, at the
ここで、上記の第三変形例、及び第四変形例のさらなる変形例として、径方向Drの外側の湾曲面48Dの曲率半径Rdと、径方向Drの内側の湾曲面48Eの曲率半径Reとが同一であってもよい。この場合、湾曲面48Dと湾曲面48Eとの間の径方向Drに延びる平面49の径方向Drに対する角度θは0度である。
Here, as a further modification of the third modification and the fourth modification, the curvature radius Rd of the outer
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。即ち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上記各実施形態およびその変形例では、動翼側フィン42がチップシュラウド41と一体化されているが、これに限らない。
図8は、上記各実施形態の蒸気タービンの動翼の変形例を示す図である。
例えば、図8に示すように、動翼側フィン42Fを、チップシュラウド41Fとは別体とするようにしてもよい。この場合、動翼側フィン42Fは、チップシュラウド41Fの外周面41sに形成された第一外周面45Aと第二外周面45Bとの段差面46Fに沿わせるように配置される。動翼側フィン42Fは、その基端部42gを、第二外周面45Bに形成された溝47に嵌め込んで固定される。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications made to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. That is, the specific shapes, configurations, and the like given in the embodiment are merely examples, and can be changed as appropriate.
For example, in each of the above-described embodiments and modifications thereof, the blade-
FIG. 8 is a view showing a modification of the moving blade of the steam turbine of each of the above embodiments.
For example, as shown in FIG. 8, the rotor
このような構成において、動翼側フィン42Fは、段差面46Fに突き当たることで、第一外周面45Aよりも径方向Drの外側の部分のみが、動翼側フィン42Fにおいて上流側を向く上流面43Fを形成する。したがって、動翼側フィン42Fにおいて上流側を向く上流面43Fの径方向Dr内側の上流側内周端部43fは、動翼側フィン42Fにおいて下流側を向く下流面44Fの径方向Dr内側の下流側内周端部44gよりも径方向Dr外側に位置している。これにより、上記第一、第二実施形態と同様、チップシュラウド41Fの上流側の上流端(図示無し)よりもチップシュラウド41の下流端41bの径方向Drの厚さ寸法が小さく形成される。
In such a configuration, the blade-
また、上述した実施形態、及び各変形例の構成は、適宜組み合わせてよい。 Moreover, you may combine suitably the structure of embodiment mentioned above and each modification.
1 回転軸
1S 外周面
2 ケーシング
2S 内周面
3 動翼段
4 動翼
5 軸受装置
5A ジャーナル軸受
5B スラスト軸受
6 静翼段
7 静翼
8 静翼キャビティ
10 吸気口
11 排気口
20 動翼キャビティ
21A 上流側面
21B 下流側面
22A、22B ケース側フィン
40 動翼本体
41、41F チップシュラウド
41a 上流端
41b 下流端
41s 外周面
41t 内周面
42、42F 動翼側フィン
42g 基端部
43、43F 上流面
43a、43f 上流側内周端部
44、44F 下流面
44a、44g 下流側内周端部
45A 第一外周面
45B 第二外周面
46、46F 段差面
47 溝
48A、48B 湾曲面
48D 第一湾曲面
48E 第二湾曲面
48C 傾斜面
49 平面
70 静翼本体
71 静翼シュラウド
100 蒸気タービン
A1 長軸方向
A2 短軸方向
Ac 中心軸
Da 中心軸方向
Dr 径方向
FM 主流
FL 漏れ流れ
R1、R2、Rd、Re 曲率半径
S1、S2 剥離渦
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記回転軸の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、
前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体を有する静翼と、
前記回転軸から径方向外側に設けられた動翼本体、前記動翼本体の径方向外側に設けられたチップシュラウド、及び、前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面から径方向外側に延び、前記ケーシングの内周面に対向する動翼フィン
を備えた動翼と、
前記動翼フィンに対して上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、前記ケーシングから径方向内側に延びて前記チップシュラウドの前記外周面に対向するケース側フィンと、
を備え、
前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成されている、軸流回転機械。 A rotating shaft that rotates about a central axis;
A cylindrical casing that is disposed on the radially outer side of the rotating shaft, and in which the working fluid flows from the upstream side toward the downstream side along the central axis direction on the radially inner side;
A stationary blade having a stationary blade body provided to extend radially inward from the casing;
A rotor blade body provided radially outward from the rotating shaft, a tip shroud provided radially outward of the rotor blade body, and extending radially outward from an outer peripheral surface facing radially outward in the tip shroud; A moving blade provided with a moving blade fin facing the inner peripheral surface of the casing;
A case-side fin provided on each of the upstream and downstream sides of the blade fin, extending radially inward from the casing and facing the outer peripheral surface of the tip shroud;
With
In the moving blade fin, the upstream inner peripheral end portion on the radially inner side of the surface facing the upstream side in the moving blade fin is the downstream inner peripheral end on the radially inner side of the surface facing the downstream side of the moving blade fin. An axial flow in which the downstream thickness of the downstream end of the tip shroud is smaller than that of the upstream end of the tip shroud. Rotating machine.
前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、
前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、
前記第一外周面と前記第二外周面との間に設けられ、前記中心軸方向の下流側を向く段差面と、を有している、請求項1に記載の軸流回転機械。 The blade is
A first outer peripheral surface formed on the upstream side of the bucket fin on the outer peripheral surface of the tip shroud;
A second outer peripheral surface formed on the downstream side of the bucket fin on the outer peripheral surface of the tip shroud, and positioned radially inward from the first outer peripheral surface;
The axial-flow rotating machine according to claim 1, further comprising a step surface provided between the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface and facing the downstream side in the central axis direction.
前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の一部が前記段差面を形成する、請求項2に記載の軸流回転機械。 The blade fin is formed to extend radially outward from the downstream end of the first outer peripheral surface,
The axial flow rotary machine according to claim 2, wherein a part of a radially inner side of a surface facing the downstream side of the moving blade fin forms the step surface.
前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きい請求項6に記載の軸流回転機械。 The downstream end of the tip shroud has a curved surface that is convex toward the downstream side. The curved surface includes a first curved surface on the radially outer side and a second curved surface on the radially inner side. And are formed,
The axial flow rotary machine according to claim 6, wherein a radius of curvature of the first curved surface is larger than a radius of curvature of the second curved surface.
前記回転軸から径方向外側に延びるよう設けられる動翼本体と、
前記動翼本体の径方向外側に設けられるチップシュラウドと、
前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面に設けられ、前記外周面から径方向外側に延びる動翼フィンと、
を備え、
前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部は、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成されている、動翼。 In a casing in which the working fluid flows from the upstream side toward the downstream side, the moving blade is provided on the radially outer side of the rotating shaft that is rotatably supported around the central axis,
A rotor blade body provided to extend radially outward from the rotating shaft;
A tip shroud provided on the radially outer side of the rotor blade body;
A blade fin provided on an outer peripheral surface facing radially outward in the tip shroud and extending radially outward from the outer peripheral surface;
With
The upstream inner peripheral end portion on the radially inner side of the surface facing the upstream side in the blade fin is more radial than the downstream inner peripheral end portion on the radially inner side of the surface facing the downstream side of the blade fin. The moving blade in which the radial dimension of the downstream downstream end of the tip shroud is smaller than the upstream upstream end of the tip shroud by being positioned outside.
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