JP3786443B2

JP3786443B2 - タービンノズル、タービン動翼及びタービン段落

Info

Publication number: JP3786443B2
Application number: JP02548995A
Authority: JP
Inventors: 田實松; 井健一今
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1995-02-14
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JPH08218803A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、軸流タービンにおけるタービンノズル、タービン動翼、及びその組合わせからなるタービン段落に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、軸流タービンにおいては、性能向上を目的として内部効率の向上のための種々の技術が採用されているが、タービン内部損失のうち特に２次流れ損失はタービンの各段落に共通する損失であるため、その改善策が要望されている。
【０００３】
図１０は一般的な軸流タービンのノズル翼構成を示す図であって、複数枚のノズル翼１がダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪３との間に形成される環状流路４に周方向に配列されている。
【０００４】
また、このように形成されたタービンノズルの下流側には、図１１に示すように、上記各ノズル翼１に対向して複数枚の動翼５が配設されている。この動翼５はロータディスク６の外周に周方向に所定間隔で列状に植設されており、動翼５の外周端には、動翼を固定するため及び作動流体の漏洩を防止するためシュラウド７が装着してある。
【０００５】
一般にタービン段落の流路は、図１２（ａ）、（ｂ）に示すフリーボルテックス設計法が多く採用されている。図１２のsin ^-1（Ｓ／Ｔ）はノズル翼１または動翼５の翼列内部で形成された通路部の最小長さ（スロート）とその周方向の翼枚数から決まる翼間長さ（環状部でのピッチ）の比を用いたもので幾何学的な流出角である。
【０００６】
上記フリーボルテックス設計法においては、ノズル翼は根元部から先端部へsin ^-1（Ｓ／Ｔ）が直線的に増加し、動翼はその逆の傾向で減少する。一方、上記フリーボルテックス設計法に対して、ノズル翼の根元部スロートを大にし、先端部スロートを小にしたコントロールドボルテックス設計法もある。
【０００７】
ところが、上記フリーボルテックス及びコントロールドボルテックス設計法によって流路を形成したノズル翼の内部では、以下に述べる２次流れ損失が発生し、ノズル翼の下流にある性能に悪影響を及ぼしている。
【０００８】
次に、上記の段落構成において、タービンノズルをノズル出口側から観察した斜視図である図１０を参照して、ノズル翼１における２次流れの発生機構について説明する。すなわち、高圧蒸気などの作動流体は、隣接するノズル翼１の間で形成される翼間流路を流れるときに流路内で円弧状に曲げられて流れる。このときノズル翼１の背面Ｂから腹面Ｆ方向に遠心力を生じ、この遠心力と静圧が平衡しているため、腹面はＦにおける静圧が高くなり、一方背面Ｂにおいては作動流体の流速が大きいため静圧が低くなる。そのため、流路内では腹面Ｆから背面Ｂに向って圧力勾配を生じる。この圧力勾配はダイアフラム外輪２とダイアフラム内輪３の周壁面上に形成される流速の遅い層、すなわち境界層においても同じである。
【０００９】
ところが、境界層付近においては流速が小さく、作用する遠心力も小さいため、腹面Ｆから背面Ｂへの圧力勾配に抗しきれずに腹面Ｆ側から背面Ｂ側に向かう流れ、すなわち２次流れ８が生ずる。そして、この２次流れ８はノズル翼１の背面Ｂ側に衝突して巻き上がり、ノズル翼１の内輪側及び外輪側の両接合端において、それぞれ２次流れ渦９ａ、９ｂを発生する。このようにして作動流体が保有するエネルギは、２次流れ渦９ａ、９ｂを形成するためにその一部が散逸する。しかもノズル流路内で発生する上記２次流れ渦９ａ、９ｂは作動流体の不均一な流れを生じ、ノズル性能を著しく低下させる。
【００１０】
ところで、上記ノズル流路内で発生する２次流れ渦９ａ、９ｂに起因する２次流れ損失を低減するためには種々のタービンノズルが研究されている。
【００１１】
例えば、ノズル翼をタービンの回転中心を通るラジアル線（図１０のＥ）に対して湾曲させて取り付けた形状を採用したタービンノズルがある。図１３は、この湾曲ノズル１ｂを採用したタービンノズルを示す斜視図である。このような湾曲ノズル１ｂでは翼間流路における速度ベクトルを根元側ではダイアフラム内輪３、先端側では逆にダイアフラム外輪２の方向に向ける効果があり、ダイアフラム内輪３及びダイアフラム外輪２の両方で境界層の成長が抑制される。その結果図１４の点線Ｐ₂に示すように、実線Ｐ₁で示す従来の圧力損失に比して、ノズル根元部、および先端部での圧力損失が大幅に低減される。
【００１２】
また、上記従来の湾曲ノズルでは、速度ベクトルの向きが根元側及び先端側でそれぞれダイアフラム内輪、ダイアフラム外輪の方向となるため、図１５の点線ｆ₂に示すように、流体の流量分布が根元部と先端部で流量大、中央部で流量小となる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の如き湾曲ノズルでは、ノズル翼から下流の動翼を通過する際、図１２で示した動翼の幾何学的流出角sin ^-1（Ｓ／Ｔ）の分布では、ノズルで根元部と先端部へと増加させた流量を流すのに十分な通路幅が確保できない。このため、余剰流量が中央部へと流れ込み、流線も中央部へと偏向される。したがって、湾曲ノズルの使用によってノズル翼単体の損失を低減しても段落効率が悪化することになる。さらに、通常ノズル翼および動翼の翼高さが小さい時にはノズル翼の根元部と先端部で発生した２次流れが動翼の内部で発達し、翼高さ中央部で互いに干渉することで損失が増大する。
【００１４】
また、従来の湾曲ノズルは、根元部と先端部の２次流れを抑制するため、この部分に流量を多く流すが、動翼での流量分布とあまりに異なる分布だと、流線が偏向されることとなり、ノズルでの損失が減るにもかかわらず、動翼において損失が増加する等の問題がある。
【００１５】
したがって、湾曲型ノズルに合った動翼のフローパターン（流出角）が不可欠である。
【００１６】
本発明はこのような点に鑑み、簡単な構造を有し、タービンノズル、タービン動翼の２次流れ損失を低減させるとともに翼高さ方向の流体の流量分布をもコントロールすることで段落性能を向上させることができるタービンノズル、タービン動翼及びそれらを組合わせたタービン段落を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
第一の発明は、ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との間に形成される環状流路にその周方向に複数のノズル翼を列状に配設し、各ノズル翼をダイヤフラム内輪側及び外輪側の接合端において固定したタービンノズル翼において、ノズル翼断面を周方向に移動させ湾曲したノズル流路を形成するとともに、当該ノズル翼の後端縁とそのノスル翼に隣接するノスル翼の背面との最短距離と環状ピッチの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）の最小値を翼高さ３０％〜６５％の範囲に位置させ、かつ前記幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）が、当該幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）が最小値となる位置と翼根元部との間、及び当該幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）が最小値となる位置と翼先端部との間においてそれぞれ極大値をもつようにしたことを特徴とする。
【００１８】
第二の発明は、タービンロータの植え込み部に複数の動翼を列状に配設したタービン動翼において、動翼断面を周方向に移動させ湾曲した動翼流路を形成するとともに、当該動翼の後端縁とその動翼に隣接する動翼の背面との最短距離と環状ピッチの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）の最小値を翼高さ３０％〜６５％の範囲に位置させ、かつ前記幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）が、当該幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）が最小値となる位置と翼根元部との間、及び当該幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）が最小値となる位置と翼先端部との間においてそれぞれ極大値をもつようにしたことを特徴とする。
【００１９】
また、第三の発明は、上記タービンノズルとタービン動翼の組み合わせからなるタービン段落である。
【００２０】
【作用】
上述のように構成されたノズル翼或はタービン動翼によって、内周壁面近傍に流入した作動流体が内周壁面側に押圧される一方、外周壁面近傍に流入した作動流体が外周壁面側に押圧され、翼列間の２次流れが抑制され、２次流れ損失が低減される。さらにノズルの下流にある動翼も同様に根元部と先端部で流量が多く流れるが、動翼内での流体の流れが拘束されることなく動翼の下流へ導かれ、さらに動翼の高さ方向中央部での損失が大きい領域の流量が少なくなり、動翼で有効にエネルギーを変換することができる。また、このノズルと動翼の組合わせによって中央部の損失の大きい部分の流量を減らし、根元部と先端部の損失の小さい部分の流量を増すことができ、段落性能を向上させることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、図１乃至図９を参照して本発明の実施例について説明する。
【００２２】
図１において、ノズルダイアフラム外輪２とノズルダイアフラム内輪３との間に形成される環状流路４に複数のノズル翼１を周方向に所定間隔をおいて列状に配設し、各ノズル翼１の先端部及び根元部の接合端をノズルダイアフラム外輪２とノズルダイアフラム内輪３に接合することによってタービンノズルが構成されている。また、図２は上記タービンノズルの後方に配設されている動翼５の斜視図であり、図３にノズル翼１および動翼５の流路部における断面を示す。
【００２３】
ところで、図３に示すように、ノズル翼或は動翼の後端縁とそのノズル翼或は動翼に隣接するノズル翼或は動翼の背面との最短距離すなわち流路の最小通路幅をスロート幅Ｓとし、環状部の円周長さをノズル数或は動翼数で割った数を環状ピッチＴとした場合、その比Ｓ／Ｔをノズル或は動翼出口からの流出方向と流量を決めるパラメータとし、図４の（ａ）、（ｂ）に、それぞれノズル翼と動翼の幾何学的な流出角sin ^-1（Ｓ／Ｔ）を示す。
【００２４】
本発明においては、図４（ａ）、（ｂ）の実線に示すように、ノズル翼と動翼ともにsin ^-1（Ｓ／Ｔ）を根元部と先端部で点線で示す従来のものより大きくし、中央部では逆に小さくしてある。この場合における動翼の損失分布を図５に示しているが、翼長が小さい時には、中央部で損失が大きくなる傾向がある。しかして、本発明においてはノズル及び動翼共に中央部におけるsin ^-1（Ｓ／Ｔ）を小さくし、流量を減らし、根元部と先端部のsin ^-1（Ｓ／Ｔ）を大きくし、各流量を増やすようにしてある。
【００２５】
このように、各部における幾何学的な流出角sin ^-1（Ｓ／Ｔ）を選定することによって、動翼の根元部と先端部での絞りによる中央部への流れの偏向が消滅し、損失が増加することを防止でき、各段落で有効にエネルギ変換を行うことができる。
【００２６】
ノズル及び動翼のsin ^-1（Ｓ／Ｔ）は本実施例に関する試験によれば、下記条件が段落効率の最高となる。すなわち、翼長は図５の動翼の損失分布になる範囲とし、高さ（図１１のＨ）は２０mm〜５５mm、高さＨ／根元部直径Ｄ≦０．０７、またこの範囲においてsin ^-1（Ｓ／Ｔ）の最小値を、動翼の損失が大なる領域でノズル及び動翼の高さ方向３０％〜６５％の位置とすることが好ましい。
【００２７】
このように、ノズル翼及び動翼ともにＳ／Ｔ分布が翼高さ中央部で最小値をもつような構造を有するため、動翼中央部の損失が大きい部分の流量を減らしつつ、内周壁面、外周壁面での２次流れ損失を低減する効果が得られる。さらに、このようなノズルと動翼を組み合わせることで、ノズルでの効率向上分を動翼で損なうことなくタービン段落の効率を向上することができる。
【００２８】
図６は本発明の他の実施例を示すノズル翼１の斜視図であって、このノズル翼からなるタービンノズルは、図７に示すようにsin ^-1（Ｓ／Ｔ）分布が翼高さ中央部で最小点Ｍをもち、根元部と中央部間及び中央部と根元部間にそれぞれ極大値Ｎ1 、Ｎ2 が存在するようにＳ／Ｔが大きなくるようにしてある。すなわち、図６に示すように翼高さ中央部における中央スロート幅Ｓ2 が最小で、その上方及び下方に極大点スロート幅Ｓ4 、Ｓ5 が形成され、根元部及び先端部ではそれより小さなスロート幅Ｓ1 、Ｓ3 となるように形成されている。
【００２９】
このように、翼高さ中央部で最小点Ｍをもつことにより中央の損失の大きい領域の流量を減らすことができ、かつ根元部及び先端側の極大値Ｎ1 、Ｎ2 より流量を多く流すことで、速度ベクトルを内周壁面及び外周壁面に向けることとなり、壁面部での２次流れ損失を低減できる。さらに同形状を有するタービン動翼と組み合わせることにより、第一実施例と同一の作用を行なう。
【００３０】
図８は、本発明のさらに他の実施例を示す湾曲形のタービンノズルの斜視図であって、この場合も翼高さ中央部の中央スロート幅Ｓ2 が最小となるようにしてある。ところで、図１３で示すような湾曲ノズルの場合には、図９の（ａ）に示すように流出偏向角度が根元部と先端部で大きく、中央部で小さくなる。したがって、図９の（ｂ）に示すようにsin ^-1（Ｓ／Ｔ）を根元部と先端部で予め小さくし、根元側と先端側で極大値Ｎ1 、Ｎ2 をもつようにすることによって、その合成角△α＋sin ^-1（Ｓ／Ｔ）が同図（ｃ）に示すように、根元部と先端部で大、中央部で小の湾曲型ノズルに構成されている。
【００３１】
しかして、この場合も第１及び第２の実施例と同様に２次流れ損失を低減でき、しかも幾何学的流出角αが最小値となる位置と翼根元部との間、及び当該幾何学的流出角αが最小値となる位置と翼先端部との間においてそれぞれ極大値Ｎ1、Ｎ2 をもつようにし、翼根元部と先端部において前記幾何学的流出角ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）を予め小さくすることにより、流出偏向角度が根元部と先端部で大きく中央部で小さくなる湾曲形のタービンノズル翼においても、上記流出偏向角度と幾何学的流出角ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）との合成によりノズル翼の根元部と先端部における流出角が大きく偏向されることがなく、ノズル翼からの流体における流出角の設計値からのずれを抑制することができ、上記ノズル翼からの流出角をノズル翼の全域にわたって最適値とすることができる。さらに同形状を有するタービン動翼と組合わせることにより、タービン段落においてノズル翼での効率向上分を損ねることなく動翼での効率を向上させ、タービン段落の性能を向上させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、ノズル翼及び動翼のＳ／Ｔ分布を翼高さ中央部で最小値をもつようにしたので、損失の大きい領域での流量を減少させることができ、内周壁面及び外周壁面での２次流れ損失を低減することができる。さらに、上記形状を有するノズル翼と動翼を組み合わせた段落とすることにより、流線のシフトを防ぎ、段落出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるノズルを流体流出側より見た斜視図。
【図２】本発明の一実施例における動翼を流体流出側より見た斜視図。
【図３】ノズル翼及び動翼の流路部の断面図。
【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明の上記一実施例におけるノズル及び動翼の流出角分布説明図。
【図５】上記一実施例の動翼の損失分布説明図。
【図６】本発明の他の実施例におけるノズル翼を流体流出側から見た斜視図。
【図７】図６に示す実施例のsin ^-1（Ｓ／Ｔ）分布図。
【図８】本発明のさらに他の実施例のノズル翼を流体流出側より見た斜視図。
【図９】（ａ）は図８に示す実施例のノズル翼の流出偏向角、（ｂ）はsin ^-1（Ｓ／Ｔ）分布、（ｃ）は△α＋sin ^-1（Ｓ／Ｔ）の分布を示す図。
【図１０】従来のノズルを流体流出側より見た斜視図。
【図１１】タービン段落の半径方向縦断側面図。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は従来のノズル翼及び動翼のsin ^-1（Ｓ／Ｔ）分布図。
【図１３】湾曲ノズルを流体流出側より見た斜視図。
【図１４】従来のノズル翼の圧力損失分布図。
【図１５】従来のノズル翼の単位面積流量分布図。
【符号の説明】
１ノズル翼
２ダイアフラム外輪
３ダイアフラム内輪
５動翼
６ロータディスク
７シュラウド

Claims

ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との間に形成される環状流路にその周方向に複数のノズル翼を列状に配設し、各ノズル翼をダイヤフラム内輪側及び外輪側の接合端において固定したタービンノズル翼において、ノズル翼断面を周方向に移動させ湾曲したノズル流路を形成するとともに、当該ノズル翼の後端縁とそのノスル翼に隣接するノスル翼の背面との最短距離と環状ピッチの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）の最小値を翼高さ３０％〜６５％の範囲に位置させ、かつ前記幾何学的流出角α＝ｓｉｎ ^−１（Ｓ／Ｔ）が、当該幾何学的流出角α＝ｓｉｎ ^−１（Ｓ／Ｔ）が最小値となる位置と翼根元部との間、及び当該幾何学的流出角α＝ｓｉｎ ^−１（Ｓ／Ｔ）が最小値となる位置と翼先端部との間においてそれぞれ極大値をもつようにしたことを特徴とするタービンノズル翼。
タービンロータの植え込み部に複数の動翼を列状に配設したタービン動翼において、動翼断面を周方向に移動させ湾曲した動翼流路を形成するとともに、当該動翼の後端縁とその動翼に隣接する動翼の背面との最短距離と環状ピッチの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α＝ｓｉｎ^−１（Ｓ／Ｔ）の最小値を翼高さ３０％〜６５％の範囲に位置させ、かつ前記幾何学的流出角α＝ｓｉｎ ^−１（Ｓ／Ｔ）が、当該幾何学的流出角α＝ｓｉｎ ^−１（Ｓ／Ｔ）が最小値となる位置と翼根元部との間、及び当該幾何学的流出角α＝ｓｉｎ ^−１（Ｓ／Ｔ）が最小値となる位置と翼先端部との間においてそれぞれ極大値をもつようにしたことを特徴とするタービン動翼。
請求項１記載のタービンノズル翼と請求項２記載のタービン動翼との組み合わせからなるタービン段落。