JP4822924B2 - Turbine blade and steam turbine provided with the same - Google Patents
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本発明は、タービン翼に係り、特に、翼効率のより一層の向上を図ったタービン翼、およびこれを備える蒸気タービンに関する。 The present invention relates to a turbine blade, and more particularly to a turbine blade that further improves blade efficiency and a steam turbine including the turbine blade.
近時、発電プラントに適用される蒸気タービンは、環境問題や省エネルギの観点から、信頼性の確保および高効率化の強化見直しが行われており、その中でも数多くの使用実績がある軸流タイプを対象としている。 Recently, steam turbines applied to power plants have been reviewed to ensure reliability and to enhance efficiency from the viewpoint of environmental problems and energy savings. Is targeted.
軸流タイプの蒸気タービンは、図3に示すように、静翼外輪11と静翼内輪12とで挟設支持され、環状列に配置する静翼13と回転軸14のディスク15に植設された動翼16と、この動翼16の翼頂部側に設置されたシュラウド17とでタービン段落18を構成し、このタービン段落18を回転軸14の軸方向に向って複数段に配置している。
As shown in FIG. 3, the axial flow type steam turbine is sandwiched and supported by a stationary blade
また、軸流タイプの蒸気タービンは、シュラウド17と静翼外輪11との隙間から漏洩する蒸気の流れを防ぐフィン19を静翼外輪11に植設する一方、静翼内輪12と回転軸14との隙間から漏洩する蒸気の流れを防ぐラビリンスフィン20を静翼内輪12に植設している。
In addition, the axial flow type steam turbine has
このような構成を備える軸流タイプの蒸気タービンは、静翼13内で蒸気を膨張させて増速し、増速させた蒸気の流れを動翼16で転向させ、その際、動翼16に回転力を与え、この回転力によって発電機(図示せず)を駆動し、発電を行っている。
In the axial flow type steam turbine having such a configuration, the steam is expanded in the
ところで、軸流タイプに適用する静翼13および動翼16のうち、少なくともいずれか一方のタービン翼は、空力性能向上策の一環として、翼面の粗さを細かくし、滑らかに施工して管理し、翼面の摩擦損失を抑制する手法が採り入れられている。
By the way, of at least one of the
このような翼面の管理の下、最近のタービン翼では、翼面全域を対象とし、設計製作図面上で翼面粗さRy値(JIS表記:最大粗さ高さ、単位ミクロン)を20以下に指定し、翼面粗さの施工管理を行っている。 Under such blade surface management, recent turbine blades cover the entire blade surface, and the blade surface roughness Ry value (JIS notation: maximum roughness height, unit micron) is 20 or less on the design and production drawings. The construction management of the blade surface roughness is performed.
翼表面の粗さを施工管理すると、タービン翼は、空力性能を向上することがForster等による非特許文献1で報告している。 It is reported in Non-Patent Document 1 by Forster et al. That turbine blades improve aerodynamic performance when the blade surface roughness is managed.
また、他の空力性能向上策には、例えば、特許文献1に見られるように、翼後縁部のスパン方向に向って延びるスリット管を設け、翼背側に発生する衝撃波を緩衝させるとともに、圧力損失を低減させることが開示されている。 In addition, in other aerodynamic performance improvement measures, for example, as seen in Patent Document 1, a slit tube extending toward the span direction of the blade trailing edge is provided, and shock waves generated on the blade back side are buffered, Reducing pressure loss is disclosed.
また、タービン翼とは異なるが、圧縮機翼では、低レイノルズ数領域における層流剥離渦および乱流境界層発達の抑制に基づく翼効率の向上と、サージ裕度減少防止のため、翼面粗さを細かにし、滑らかに施工する管理が、例えば、特許文献2に開示されている。 Although different from turbine blades, compressor blades have rough blade surfaces to improve blade efficiency and prevent surge tolerance reduction based on suppression of laminar separation vortices and turbulent boundary layer development in the low Reynolds number region. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-133620 discloses management for making the thickness fine and performing smooth construction.
また、タービン翼に関するものでは、動翼の前縁で乱流遷移促進策として前縁表面の粗さを大きくする手法が、例えば、特許文献3に開示されている。 For turbine blades, for example, Patent Document 3 discloses a technique for increasing the roughness of the leading edge surface as a turbulent transition promotion measure at the leading edge of the moving blade.
ここで、タービン翼における翼面粗さおよび翼面速度が摩擦損失に与える影響度合を考察してみる。 Here, the degree of influence of the blade surface roughness and blade surface speed on the friction loss in the turbine blade will be considered.
一般に、翼面に形成される境界層の特性値として、排除厚δや運動量厚さθで定義される境界層厚さがある。すなわち、翼面近傍に形成される単位時間当りの運動量欠損は、上述運動量厚さθの部分を通過する運動量と等価である。このため、運動量欠損は、非特許文献2に見られるように、翼面剪断応力、物体の抗力、圧力損失に直接関連する。
In general, the boundary layer thickness defined by the excluded thickness δ and the momentum thickness θ is a characteristic value of the boundary layer formed on the blade surface. That is, the momentum deficit per unit time formed near the blade surface is equivalent to the momentum passing through the portion of the momentum thickness θ described above. For this reason, as seen in Non-Patent
この運動量厚さθは、図4に示すように、翼面速度の絶対値が大きい程、厚くなることが非特許文献3で報告されている。 As shown in FIG. 4, it is reported in Non-Patent Document 3 that the momentum thickness θ increases as the absolute value of the blade surface velocity increases.
また、運動量厚さθは、図5に示すように、翼面速度が大きくなるほど厚くなることが非特許文献4に報告されている。
ところで、軸流タイプの蒸気タービンの内部損失は、大きく分けて翼プロファイル損失、二次流れ損失、漏洩損失に分類されている。この中でも、二次流れ損失を低減させることが空力性能を向上させる上で重要な重点項目になっている。 By the way, the internal loss of the axial flow type steam turbine is roughly classified into blade profile loss, secondary flow loss, and leakage loss. Among these, reducing the secondary flow loss is an important priority item in improving aerodynamic performance.
図6は、蒸気が翼間を流れるときに発生する二次流れ損失を示す模式図である。境界層を伴った蒸気は、翼21の前縁に流れると馬蹄形縦渦22になり、背側と腹側に二分されて成長する。背側では、翼面に沿って流れる蒸気がカウンタ渦23となるのに対し、腹側では、隣接する翼21の背側に向うとき剥離渦になって流れる。そして、この剥離渦は、隣接する背側に達すると、翼高さ方向に向って大きく成長し、パッセージ渦24となり、上述カウンタ渦23に重なって流れる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing secondary flow loss that occurs when steam flows between the blades. When the steam accompanied by the boundary layer flows to the leading edge of the
このような事象を翼列試験を行って検証してみると、翼列損失中、カウンタ渦23とパッセージ渦24が二次流れ損失の要因であり、また、翼後縁からのウェーク(後流)25の速度欠損が翼プロファイル損失の主要因であることがわかった。
When this phenomenon is verified by performing a cascade test, during the cascade loss, the
また、図7は、翼端面から翼高さ(スパン)方向の翼列ピッチ方向平均翼列損失分布線図であるが、この線図から、翼高さ方向7〜18%の範囲に亘ってパッセージ渦24が現われていることがわかった。
FIG. 7 is an average blade row loss distribution diagram in the blade row pitch direction from the blade end surface to the blade height (span) direction. From this diagram, the blade height direction ranges from 7 to 18%. It was found that the
なお、翼端部の翼高さ方向5%以内では、翼端面に形成される境界層とカウンタ渦23とに基づく速度欠陥が現われている。
A velocity defect based on the boundary layer formed on the blade tip surface and the
しかし、この速度欠損は、局所的に圧力損失が大きいものの、その領域は著しく小さい。 However, although this velocity deficit has a large pressure loss locally, the region is extremely small.
このため、速度欠損をそのままにしておき、むしろパッセージ渦24の翼高さ(スパン)方向の広がりを抑制することの方が二次流れ損失を低減させる上で重要である。
For this reason, it is more important to reduce the secondary flow loss while leaving the velocity deficit as it is and suppressing the spread of the
このように、二次流れ損失を低減させるために、パッセージ渦24が翼高さ方向に向って進展しないように翼面粗さの管理が大切になってきている。
As described above, in order to reduce the secondary flow loss, it is important to manage the blade surface roughness so that the
しかも、最近のタービン翼は、高反動型翼型を採用し、翼列ピッチが大きくなっていることを考慮すると、より一層翼面粗さを管理し、二次流れ損失を抑制する必要性が求められていた。 In addition, the recent turbine blades adopt a high reaction type airfoil, and considering the fact that the blade row pitch is larger, there is a need to further manage the blade surface roughness and suppress the secondary flow loss. It was sought after.
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、翼面の粗さを高精度に維持して管理し、パッセージ渦に基づく二次流れ装置出力をより一層抑制するタービン翼、およびこれを備える蒸気タービンを提供することを目的とする。 The present invention has been made based on such circumstances, and maintains the turbine blade roughness with high accuracy and manages the turbine blade, and further suppresses the secondary flow device output based on the passage vortex, and the turbine blade. It aims at providing a steam turbine provided with.
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項1に記載したように、同軸に形成される円筒状の内周壁および外周壁と、流体の流入側の前縁と流体の出口側の後縁との間に形成された腹側曲面および背側曲面の2つの湾曲状の曲面からなり、前記前縁および前記後縁が前記内周壁と前記外周壁の間に挟まれるように配置される翼本体を備えるタービン翼において、前記翼本体のうち、前記腹側曲面および前記背側曲面のそれぞれの前記前縁と前記後縁との中間位置から前記後縁に至るまでの翼表面を翼面粗さ管理領域とするとともに、前記翼本体の両端部の前記内周壁および前記外周壁の少なくとも一方の表面を翼エンドウォール表面粗さ管理領域とし、前記翼面粗さ管理領域と前記翼エンドウォール表面粗さ管理領域における各表面粗さの値をそれぞれ予め定められた異なる値に設定したものである。 In order to achieve the above object, a turbine blade according to the present invention has a cylindrical inner peripheral wall and an outer peripheral wall formed coaxially, a front edge on the fluid inflow side, and a fluid as described in claim 1. The curved surface is formed between two curved surfaces, a ventral curved surface and a dorsal curved surface, formed between the rear edge of the outlet side, and the front edge and the rear edge are sandwiched between the inner peripheral wall and the outer peripheral wall. In the turbine blade provided with the blade body arranged as described above, from the blade body to the rear edge from an intermediate position between the front edge and the rear edge of each of the ventral curved surface and the back curved surface. The blade surface is used as a blade surface roughness management region, and at least one of the inner peripheral wall and the outer peripheral wall at both ends of the blade body is used as a blade endwall surface roughness management region, and the blade surface roughness management region And in the blade endwall surface roughness management area Kicking is obtained by setting the value of each surface roughness different predetermined value, respectively.
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項2に記載したように、請求項1記載のタービン翼において、翼本体はノズル翼であり、内周壁および外周壁はそれぞれ、前記翼本体を挟持するノズルダイアフラム内輪およびノズルダイアフラム外輪であることを特徴とするものである。
Turbine blade according to the present invention, in order to achieve the above object, as described in
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項3に記載したように、請求項1記載のタービン翼において、翼素本体はタービン動翼であり、外周壁は前記タービン動翼の外周端に設けられたシュラウドであることを特徴とするものである。 For turbine blades according to the present invention, to achieve the object described above, as described in claim 3, in the turbine blade according to claim 1, blade element body is a turbine blade, the outer peripheral wall the turbine It is a shroud provided at the outer peripheral end of the rotor blade.
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項4に記載したように、前記翼面粗さ管理領域の表面粗さの値をAとし、前記翼エンドウォール表面粗さ管理領域の表面粗さの値をBとし、翼高さをHとし、翼コード長さをLとし、アスペクト比をH/Lとするとき、アスペクト比H/Lが予め定められた値を境として前記表面粗さA,Bの関係式を大小異ならしめることを特徴とするものである。 In order to achieve the above-described object, the turbine blade according to the present invention has a surface roughness value of the blade surface roughness management region of A as described in claim 4 and the blade endwall surface roughness. When the surface roughness value of the management region is B, the blade height is H, the blade cord length is L, and the aspect ratio is H / L, the aspect ratio H / L is a boundary value. The relational expressions of the surface roughness A and B are made different from each other.
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項5に記載したように、前記翼面粗さ管理領域の表面粗さの値をAとし、前記翼エンドウォール表面粗さ管理領域の表面粗さの値をBとし、翼高さをHとし、翼コード長さをLとするとき、アスペクト比H/Lが2以下のとき、前記表面粗さA,Bを、A≧Bの関係式を満たすように設定したものである。
In order to achieve the above-described object, the turbine blade according to the present invention has a surface roughness value of the blade surface roughness management region as A and the blade endwall surface roughness as described in
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項6に記載したように、前記翼面粗さ管理領域の表面粗さの値をAとし、前記翼エンドウォール表面粗さ管理領域の表面粗さの値をBとし、翼高さをHとし、翼コード長さをLとするとき、アスペクト比H/Lが2以上のとき、前記表面粗さA,Bを、A<Bの関係式を満たすように設定したものである。
In order to achieve the above-described object, the turbine blade according to the present invention has a surface roughness value of A in the blade surface roughness management region as defined in
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項7に記載したように、前記翼エンドウォール表面粗さ管理領域は、翼エンドウォール表面粗さのうち最大高さをRyとし、翼コード長さをLとするとき、翼コードの単位長さ当りの翼エンドウォール表面粗さ比Ry/Lを、Ry/L<0.001の関係式を満たすことを特徴とするものである。 In order to achieve the above-mentioned object, the turbine blade according to the present invention is configured such that, as described in claim 7 , the blade endwall surface roughness management region has a maximum height Ry of the blade endwall surface roughness. And when the blade cord length is L, the blade endwall surface roughness ratio Ry / L per unit length of the blade cord satisfies the relational expression of Ry / L <0.001. It is.
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項8に記載したように、前記翼エンドウォール表面粗さ管理領域は、翼エンドウォール表面粗さのうち最大高さをRyとするとき、Ry<50μmの関係式を満たすことを特徴とするものである。
In order to achieve the above-described object, the turbine blade according to the present invention is configured such that, as described in
本発明に係るタービン翼は、上述の目的を達成するために、請求項9に記載したように、請求項1〜8のいずれか1項記載のタービン翼を備えるものである。 In order to achieve the above-mentioned object, a turbine blade according to the present invention includes the turbine blade according to any one of claims 1 to 8 , as described in claim 9 .
本発明に係るタービン翼は、翼本体における腹側および背側の中間位置から後縁に至るまで翼面粗さ管理領域を設けるとともに、翼本体の両端を挟設支持するダイアフラム外内輪のそれぞれに翼エンドウォール表面粗さ管理領域を設け、流体の流れを円滑かつ安定にさせたので、二次流れに基づく損失および圧力損失をより一層抑制することができ、このようなタービン翼を採用した蒸気タービンによれば、より一層熱効率の向上を図ることができる。 The turbine blade according to the present invention provides a blade surface roughness management region from the middle position on the abdominal side and the back side of the blade body to the trailing edge, and is provided on each of the diaphragm outer inner rings that support the both ends of the blade body. Since the blade endwall surface roughness control area is provided and the fluid flow is smooth and stable, the loss and pressure loss due to the secondary flow can be further suppressed. According to the turbine, the thermal efficiency can be further improved.
以下、本発明に係るタービン翼の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。 Hereinafter, embodiments of a turbine blade according to the present invention will be described with reference to the drawings and the reference numerals attached to the drawings.
本実施形態に係るタービン翼は、例えば、静翼1を適用対象とするとき、蒸気等の流体の流入側に位置する前縁2と、流体の流出側に位置する後縁3と、これら前縁2と後縁3とを2つの稜線で結び、外側に向って湾曲面状に形成する腹側4と背側5とからなる翼本体6を備えている。
The turbine blade according to this embodiment, for example, when the stationary blade 1 is an application target, the
また、本実施形態に係るタービン翼は、翼本体6のチップ側(翼頂部側)とルート側(翼根元部側)とのそれぞれをダイアフラム外輪7とダイアフラム内輪8とで挟設支持する一方、境界層の運動量厚さが大きい翼面低圧領域あるいは翼面高速領域に位置する翼面粗さ管理領域9と壁面を囲う翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bとを備えている。
Further, the turbine blade according to the present embodiment sandwiches and supports the tip side (blade top side) and the root side (blade root side) of the
また、これら翼面粗さ管理領域9と翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bとのうち、翼面粗さ管理領域9は、図示、一点鎖線で囲う翼本体6における腹側4および背側5の中間位置から後縁3に至るまでの領域であり、さらに翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bは、翼本体6の両端を挟設支持するダイアフラム外輪7の内面壁(流体の通過側)とダイアフラム内輪8の内面壁(流体の通過側)との全領域になっている。
Of these blade surface roughness management regions 9 and blade endwall surface
このように、本実施形態は、翼本体6とダイアフラム外,内輪7,8との内面壁とのそれぞれに翼面粗さ管理領域9、翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bとを区分けし、これら区分け領域9,10a,10bの表面粗さを予め設定した値に管理する区域としたので、当該領域9,10a,10bを通過する流体に発生する摩擦損失を低く抑えることができ、翼本体6のルート側に発生する二次流れ渦(パッセージ渦)の翼高さ(翼スパン)方向への広がりを抑制して二次流れ損失をより一層抑制することができる。
Thus, in the present embodiment, the blade surface roughness management region 9 and the blade end wall surface
なお、本実施形態は、静翼を適用対象としたが、この例に限らず、動翼も適用対象とすることができる。 In addition, although this embodiment set the stationary blade as an application object, not only this example but a moving blade can also be an application object.
動翼を適用対象とする場合、翼面粗さ管理領域は、静翼と同様に、翼本体の中間位置から後縁に至る領域であり、また、翼エンドウォール表面粗さ管理領域は、翼先端に設けたシュラウドが該当する。 When moving blades are applied, the blade surface roughness management region is the region from the middle position of the blade body to the trailing edge, as with the stationary blades, and the blade endwall surface roughness management region is The shroud provided at the tip corresponds to this.
一方、翼面粗さ管理領域9と翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bとの表面粗さを比較する際、翼面粗さ管理領域9の翼面管理粗さの値をAとし、翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bの壁面管理粗さの値をBとし、翼高さをH、翼コード長さLとするとき、本実施形態では、アスペクト比H/LがH/L≦2の場合、表面粗さの値A,Bの関係式は、A≧Bに設定するのがより好ましい。すなわち、本発明では、翼高さが比較的低い翼においては、翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bの壁面管理粗さを翼面粗さ管理領域9の翼面管理粗さよりも小さく設定するか、あるいはほぼ同等の粗さに設定して、厳密に管理している。
On the other hand, when comparing the surface roughness of the blade surface roughness management region 9 and the blade endwall surface
従来の技術においては、翼エンドウォール表面粗さ管理領域を設けないため、本発明において翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bの壁面管理粗さを翼面粗さ管理領域9の翼面管理粗さとほぼ同等の粗さに設定することでも、従来翼と比較して二次流れ損失を低く抑えることができるが、さらに表面粗さの値A,Bの関係をA≧Bとすることでより大きな効果が期待できる。
In the prior art, since the blade endwall surface roughness management region is not provided, the wall surface management roughness of the blade endwall surface
また、アスペクト比H/Lが、H/L>2の場合、本実施形態は、表面粗さの値A,Bの関係式をA<Bまたは翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bを非管理領域に設定する。 このように、本実施形態は、アスペクト比H/Lが、H/L≦2のとき、表面粗さA,Bの関係式をA≧B、あるいは翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bの表面粗さを、翼面粗さ管理領域9の翼面粗さと同等のレベルに設定し、流体の流れの円滑かつ安定化を図ったので、二次流れ損失をより一層低く抑えることができる。
Further, when the aspect ratio H / L is H / L> 2, in the present embodiment, the relational expression of the surface roughness values A and B is set to A <B or the blade endwall surface
また、本実施形態は、アスペクト比H/Lが、H/L>2のとき、表面粗さA,Bの関係式をA<Bまたは翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bを非管理域に設定するので、低コストの下、粗さ管理を行うことができる。
In the present embodiment, when the aspect ratio H / L is H / L> 2, the relational expression of the surface roughness A and B is A <B or the blade endwall surface
ところで、本実施形態に係るタービン翼では、翼エンドウォール表面粗さのうち、最大高さをRy(JIS表記最大粗さ)とし、翼コード長さをLとするとき、翼コードの単位長さ当りの翼エンドウォール表面粗さ比Ry/Lを、Ry/L<0.001に施工管理すると、図2に示すように、より一層圧力損失が少なくなっていることが実験によって確認された。 By the way, in the turbine blade according to the present embodiment, of the blade end wall surface roughness, when the maximum height is Ry (JIS notation maximum roughness) and the blade cord length is L, the unit length of the blade cord As shown in FIG. 2, it was confirmed by experiment that when the blade blade end wall surface roughness ratio Ry / L was controlled to Ry / L <0.001, the pressure loss was further reduced.
すなわち、図2は、翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bにおいて、翼エンドウォール表面粗さを、翼コードの単位長さ当りの翼エンドウォール表面粗さ比Ry/L<0.001とし、さらに、その比をRy/L>0.001とした場合の圧力損失を低減化させた度合を比較した線図である。
That is, FIG. 2 shows that in the blade endwall surface
この線図から、比Ry/L>0.001に較べて比Ry/L<0.001の方が翼列損失δζだけ低くなっており、また、二次流れ渦領域δyだけ少なくなっていることがわかった。 From this diagram, the ratio Ry / L <0.001 is lower by the cascade loss δζ than the ratio Ry / L> 0.001, and is also reduced by the secondary flow vortex region δy. I understood it.
このように、本実施形態は、翼コードの単位長さ当りの翼エンドウォール表面粗さ比Ry/Lを、Ry/L<0.001の関係式を満たすように、翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bを施工管理するので、圧力損失および二次流れ渦領域をより一層少なくさせることができる。
As described above, in this embodiment, the blade endwall surface roughness is set so that the blade endwall surface roughness ratio Ry / L per unit length of the blade cord satisfies the relational expression of Ry / L <0.001. Since the
なお、本実施形態は、翼エンドウォール表面粗さ管理領域10a,10bを、Ry/L<0.001の関係式を満たすように設定したが、この例に限らず、翼エンドウォール表面粗さRyを、Ry<50にしてもよい。
In this embodiment, the blade endwall surface
1 静翼
2 前縁
3 後縁
4 腹側
5 背側
6 翼本体
7 ダイアフラム外輪
8 ダイアフラム内輪
9 翼面粗さ管理領域
10a,10b 翼エンドウォール表面粗さ管理領域
11 静翼外輪
12 静翼内輪
13 静翼
14 回転軸
15 ディスク
16 動翼
17 シュラウド
18 タービン段落
19 フィン
20 ラビリンスフィン
21 翼
22 馬蹄形縦渦
23 カウンタ渦
24 パッセージ渦
25 ウェーク
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