JP5025241B2

JP5025241B2 - タービン動翼および蒸気タービン

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Publication number: JP5025241B2
Application number: JP2006325464A
Authority: JP
Inventors: 谷治伸菅; 上宏川; 亮造宇田川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: JP2008138585A

Description

本発明は、表面に付着した水滴を、外方に効率よく排出することができる分離溝を備えたタービン動翼に関する。

蒸気タービン翼を湿り度が大きい蒸気中で使用する場合、湿った状態の蒸気中の水分は、水滴の形で蒸気とともにタービン内を流下する。動翼流路部では、タービン動翼は大きな周速で回転するので、水滴には気体である蒸気と比べて大きな慣性力が働く。このため、多くの水滴はタービン動翼の表面に衝突し、付着する。

このように付着した水滴には、タービン動翼が回転することに伴って発生する遠心力と、蒸気のせん断力とが作用する。このため、このような水滴は、タービン動翼の表面上を半径方向であってタービン動翼下流側に向かって水膜となって流れる。また、水滴の一部は、タービン動翼下流から流出し次段の翼へ流入する。このような水滴をタービン動翼の外方へスムーズに排出することができないと、タービン動翼が浸食し、タービン全体としての性能が悪化するおそれがある。

従来、図１３および図１４に示すように、タービン動翼１の背面３１側の前縁領域８ａに、半径方向外周側に向かって平行に延びる分離溝２を設け、タービン動翼１が回転することによって発生する遠心力によって、タービン動翼１に付着した水滴７を半径方向の外周側に排出する方法が知られている（例えば、特許文献１）。

また、図１５および図１６に示すように、タービン動翼１の翼先端部３６に設けられたカバー（シュラウド）３と重ならない位置であって、タービン動翼１の背面３１側に、半径方向外周側に向かって平行に延びる分離溝２を設置することにより、水滴７を排出する方法も知られている。
特開平１１−１５９３０２号公報

図１４に示すように、分離溝２を有するタービン動翼１に対して、蒸気１６は、幾何流入角αに近い角度で流入するが、これに対して、水滴７は、幾何流入角αと大きくずれて流入する。

このとき、タービン動翼１の背面３１側の前縁領域８ａ（Ａ部）に衝突することによって生成され、背面３１に沿って流下する水滴７は、タービン動翼１の背面３１側の前縁領域８ａに設けられ、半径方向外周側に向かって平行に延びる分離溝２によって除去することができる。しかしながら、タービン動翼１の背面３１側の前縁領域８ａ（Ａ部）を通過し、背面３１側のＢ部に衝突することによって生成され、背面３１に沿って流下する水滴７を除去することができない。

すなわち、図１３および図１４に示すように、分離溝２より前縁８側の領域からタービン動翼１に対する水滴７の相対速度ベクトルＶに沿って延びる領域の水分を、分離溝２はタービン動翼１の外方に排出することができるが、分離溝２より後縁９側の領域からタービン動翼１に対する水滴７の相対速度ベクトルＶに沿って延びる領域とタービン動翼１間の領域の水分を、タービン動翼１の外方に排出することができない。

従って、図１３および図１４に示すように、分離溝２より前縁８側の領域からタービン動翼１に対する水滴７の相対速度ベクトルＶに沿って延びる領域が、水分を除去することができる湿分除去可能領域ＲＡとなり、分離溝２より後縁９側の領域からタービン動翼１に対する水滴７の相対速度ベクトルＶに沿って延びる領域とタービン動翼１間の領域が、水分を除去することができない湿分除去不可能領域ＩＡとなる。

また、図１５に示すように、一般的なタービン動翼１は、翼根元部３７側断面の方が、翼先端部３６側の断面よりも面積が広くなり、翼先端部３６から翼根元部３７に向かうにつれて、タービン動翼１の前縁領域８ａを通り過ぎてタービン動翼１の表面に衝突する水滴７の量が増える。

しかしながら、図１５に示すように、従来の分離溝２は、タービン動翼１の半径方向外周側に向かって平行に延びている。このため、翼根元部３７側に向かうにつれて増えるタービン動翼１の表面に付着した水滴７を、タービン動翼１外方に確実に排出することができない。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、タービン動翼の背面側の前縁領域を通過して背面に衝突することによって生成され、背面に沿って流下する水滴や、翼根元部側に向かうにつれて増えるタービン動翼の表面に付着した水滴を、タービン動翼外方に確実に排出することができるタービン動翼およびタービン動翼を有する蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明は、タービン動翼において、背面側であって、回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線とタービン動翼の前縁との間の中心線より下流側に、一部または全部が延在し、表面に付着した水滴を外方へと導く分離溝を備えたことを特徴とするタービン動翼である。

本発明は、タービン動翼において、背面側であって、回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線より下流側に、一部または全部が延在し、表面に付着した水滴を外方へと導く分離溝を備えたことを特徴とするタービン動翼である。

本発明は、タービン動翼において、背面側であって、回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線とタービン動翼の後縁との間の中心線より下流側に、一部または全部が延在し、表面に付着した水滴を外方へと導く分離溝を備えたことを特徴とするタービン動翼である。

本発明は、タービン動翼において、背面側に延在し、翼根元部から翼先端部に向かうにつれてタービン動翼の前縁方向に近づき、表面に付着した水滴を外方へと導く分離溝を備えたことを特徴とするタービン動翼である。

本発明は、翼先端部に、翼先端部と一体または別体としてカバーが設けられ、分離溝のうち翼先端部側の部分が、前記カバーの上流端より上流側に位置し、分離溝のうち翼根元部側の部分が、前記カバーの上流端から回転軸に向かって延びる上流端部線より下流側に位置することを特徴とするタービン動翼である。

本発明は、上述のタービン動翼を有する蒸気タービンである。

本発明によれば、表面に付着した水滴を外方へと導く分離溝を、適切な位置や適切な形状でタービン動翼の背面に設けることによって、タービン動翼の背面側の前縁領域を通過して背面に衝突することによって生成され、背面に沿って流下する水滴や、翼根元部側に向かうにつれて増えるタービン動翼の表面に付着した水滴を、タービン動翼外方に確実に排出することができるタービン動翼および当該タービン動翼を有する蒸気タービンを提供することができる。

第１の実施の形態
以下、本発明に係るタービン動翼１の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図４は本発明の第１の実施の形態を示す図である。

図１および図２に示すように、タービン動翼１は、背面３１および腹面３２と、翼根元部３７および翼先端部３６とを有し、回転軸（図示せず）を中心として回転可能となっている。また、タービン動翼１は、回転する時に前方側となる前縁８と、回転するときに後方側となる後縁９とを有している。なお、タービン動翼１は、回転軸の周りで列状になって配置されている（図２参照）。また、タービン動翼１は、タービン静翼（図示せず）の下流側に配置されている。

また、図１に示すように、タービン動翼１の背面３１側であって、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも下流側に、一部が延在し、タービン動翼１の表面に付着した水滴７をタービン動翼１外方へ導く分離溝２が２本設けられている。なお、分離溝２の本数は２本に限定する必要はない。

次に、このような構成からなるタービン動翼１の作用について説明する。

まず、図２において、タービン静翼（図示せず）を通過した蒸気１６が、列状になったタービン動翼１の間に流入する。

次に、このような蒸気１６によって、タービン動翼１が回転軸（図示せず）の周りを大きな周速で回転し、電気を生成する。

このとき、タービン動翼１は湿り度が大きい蒸気１６内で回転するので、多くの水滴７がタービン動翼の表面に衝突し、付着する（図１４参照）。ここで、図１に示すように、分離溝２の一部は、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の背面３１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０より下流側に延在している。このため、図２乃至図４に示すように、本発明のタービン動翼１によると、従来の分離溝２によって除去することができなかった、タービン動翼１の背面３１側の前縁領域８ａを通過して、背面３１に衝突することによって生成され、背面３１に沿って流下する水滴７を除去することができる。

従って、図２乃至図４に示すように、タービン動翼１の背面３１の前縁８から最背面部３３までの範囲で、タービン動翼１に対する水滴７の相対速度ベクトルＶに沿って延びる領域を、水分を除去することができる湿分除去可能領域ＲＡとすることができ、水分を除去することができない湿分除去不可能領域ＩＡをタービン動翼１間の領域に留めることができる。

この結果、タービン動翼１に付着した水滴７を確実にタービン動翼１の外方に排出することができるので、タービン動翼１の浸食を防止することができ、タービン全体としての性能を向上させることができる。

ところで、上記では、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０より下流側に延在している態様を用いて説明したが、これに限ることなく、分離溝２は、その全部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０より下流側に延在していてもよい。

第２の実施の形態
次に図５により本発明の第２の実施の形態について説明する。図５に示す第２の実施の形態は、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも下流側に延在する代わりに、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１よりも下流側に延在したものであり、その他の構成は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

図５に示す第２の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に示すように、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１より下流側に延在している。

このため、タービン動翼１の背面３１側の前縁領域８ａを通過して、背面３１に衝突することによって生成され、背面３１に沿って流下する水滴７を除去することができる（図２乃至図４参照）。この結果、タービン動翼１の浸食を防止することができ、タービン全体としての性能を向上させることができる。

ところで、上記では、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１よりも下流側に延在している態様を用いて説明したが、これに限ることなく、分離溝２は、その全部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１よりも下流側に延在していてもよい。

第３の実施の形態
次に図６により本発明の第３の実施の形態について説明する。図６に示す第３の実施の形態は、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも下流側に延在する代わりに、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の後縁９との間の中心線１２よりも下流側に延在したものであり、その他の構成は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

図６に示す第３の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の後縁９との間の中心線１２より下流側に延在している。

このため、従来の分離溝２によって除去することができなかった、タービン動翼１の背面３１側の前縁領域８ａを通過して、背面３１に衝突することによって生成され、背面３１に沿って流下する水滴７を除去することができる（図２乃至図４参照）。この結果、タービン動翼１の浸食を防止することができ、タービン全体としての性能を向上させることができる。

ところで、上記では、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の後縁９との間の中心線１２より下流側に延在している態様を用いて説明したが、これに限ることなく、分離溝２は、その全部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の後縁９との間の中心線１２より下流側に延在していてもよい。

第４の実施の形態
次に図７により本発明の第４の実施の形態について説明する。図７に示す第４の実施の形態は、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも下流側に延在する代わりに、中心線１０、１１、１２等にとらわれることなく、分離溝２を、翼根元部３７から翼先端部３６に向かうにつれてタービン動翼１の前縁８方向に近づくように設けたものであり、その他の構成は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

図７に示す第４の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、分離溝２は、翼根元部３７から翼先端部３６に向かうにつれてタービン動翼１の前縁８方向に近づいている。

一般的なタービン動翼１は、翼根元部３７側の断面の方が、翼先端部３６側の断面よりも面積が広くなり、翼先端部３６から翼根元部３７に向かうにつれて、タービン動翼１の前縁領域８ａを通り過ぎてタービン動翼１の表面に衝突する水滴７の量が増える（図３および図４参照）。

このため、図７に示すように、翼根元部３７から翼先端部３６に向かうにつれてタービン動翼１の前縁８方向に近づいた（すなわち、翼先端部３６から翼根元部３７に向かうにつれてタービン動翼１の前縁８方向から離れた）分離溝２を設けることにより、タービン動翼１の表面に付着した水滴７を確実に外方に排出することができる。この結果、タービン動翼１の浸食を防止することができ、タービン全体としての性能を向上させることができる。

第５の実施の形態
次に図８により本発明の第５の実施の形態について説明する。図８に示す第５の実施の形態は、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも上流側に位置し、分離溝２のうち翼根元部３７側の部分１４が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも下流側に位置したものである。また、タービン動翼１の翼先端部３６であって、後縁９側にはカバー（シュラウド）３が設けられている。その他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。ところで、上流側とはタービン動翼１に流入する蒸気１６の上流側を意味し、下流側とはタービン動翼１に流入する蒸気１６の下流側を意味する。

図８に示す第５の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図８に示すように、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも上流側に位置し、かつ分離溝２のうち翼根元部３７側の部分１４が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも下流側に位置している。

このため、翼根元部３７側に向かうにつれて増えるタービン動翼１の表面に付着した水滴７を、タービン動翼１外方に確実に排出することができる。また、タービン動翼１の翼先端部３６に設けられたカバー３と干渉せず、タービン動翼１の背面３１側の前縁領域８ａを通過して、背面３１に衝突することによって生成され、背面３１に沿って流下する水滴７を除去することができる。この結果、タービン動翼１の浸食を防止することができ、タービン全体としての性能を向上させることができる。

第６の実施の形態
次に図９により本発明の第６の実施の形態について説明する。図９に示す第６の実施の形態は、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１よりも上流側に位置し、分離溝２のうち翼根元部３７側の部分１４が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１よりも下流側に位置したものである。その他の構成は、図５に示す第２の実施の形態と略同一である。

図９に示す第６の実施の形態において、図５に示す第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図９に示すように、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３は、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１よりも上流側に位置し、分離溝２のうち翼根元部３７側の部分１４は、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１よりも下流側に位置している。

第７の実施の形態
次に図１０により本発明の第７の実施の形態について説明する。図１０に示す第７の実施の形態は、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の後縁９との間の中心線１２よりも上流側に位置し、分離溝２のうち翼根元部３７側の部分１４が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の後縁９との間の中心線１２よりも下流側に位置したものである。その他の構成は、図６に示す第３の実施の形態と略同一である。

図１０に示す第７の実施の形態において、図６に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１０に示すように、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３は、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の後縁９との間の中心線１２よりも上流側に位置し、分離溝２のうち翼根元部３７側の部分１４は、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の後縁９との間の中心線１２よりも下流側に位置している。

第８の実施の形態
次に図１１により本発明の第８の実施の形態について説明する。図１１に示す第８の実施の形態は、翼先端部３６に、翼先端部３６と一体または別体としてカバー３が設けられたものである。また、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３は、回転軸方向において、当該カバー３と重ならない範囲に設けられている。その他の構成は、図７に示す第４の実施の形態と略同一である。

図１１に示す第８の実施の形態において、図７に示す第４の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１１に示すように、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３は、回転軸方向において、当該カバー３と重なっていない。また、分離溝２は、翼根元部３７から翼先端部３６に向かうにつれてタービン動翼１の前縁８方向に近づいている（すなわち、分離溝２は、翼先端部３６から翼根元部３７に向かうにつれてタービン動翼１の前縁８方向から離れている）。

第９の実施の形態
次に図１２により本発明の第９の実施の形態について説明する。図１２に示す第９の実施の形態は、分離溝２の一部が、回転軸に向かって延びるタービン動翼１の軸方向中心線１１とタービン動翼１の前縁８との間の中心線１０よりも下流側に延在する代わりに、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３が、カバー３の上流端３ｕよりも上流側に位置し、かつ分離溝２のうち翼根元部３７側の部分１４が、カバー３の上流端３ｕから回転軸に向かって延びる上流端部線１５よりも下流側に位置しているものであり、その他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。

図１２に示す第８の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１２に示すように、分離溝２のうち翼先端部３６側の部分１３が、カバー３の上流端３ｕより上流側に位置し、かつ分離溝２のうち翼根元部３７側の部分１４が、カバー３の上流端３ｕから回転軸に向かって延びる上流端部線１５より下流側に位置している。

本発明の第１の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。本発明の第１の実施の形態によるタービン動翼を半径方向から見た断面図。本発明の第１の実施の形態によるタービン動翼の翼先端部側を半径方向から見た断面図。本発明の第１の実施の形態によるタービン動翼の翼根元部側を半径方向から見た断面図。本発明の第２の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。本発明の第３の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。本発明の第４の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。本発明の第５の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。本発明の第６の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。本発明の第７の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。本発明の第８の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。本発明の第９の実施の形態によるタービン動翼を円周方向から見た側面図。従来のタービン動翼を半径方向から見た断面図。図１３に示した従来のタービン動翼の分離溝近傍を拡大した拡大図。従来のタービン動翼を円周方向から見た側面図。カバーを備えた従来のタービン動翼を半径方向から見た断面図。

符号の説明

１タービン動翼
２分離溝
３カバー
３ｕカバーの上流端
８前縁
８ａ前縁領域
９後縁
１０回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線とタービン動翼の前縁との間の中心線
１１回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線
１２回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線とタービン動翼の後縁との間の中心線
１５上流端部線
１６蒸気
３１背面
３２腹面
３６翼先端部
３７翼根元部
Ｖタービン動翼に対する水滴の相対速度ベクトル
ＲＡ湿分除去可能領域
ＩＡ湿分除去不可能領域
α 幾何流入角

Claims

タービン動翼において、
背面側であって、回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線とタービン動翼の前縁との間の中心線よりも下流側に、一部または全部が延在し、表面に付着した水滴を外方へと導く分離溝を備え、
分離溝のうち翼先端部側の部分は、回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線とタービン動翼の前縁との間の中心線よりも上流側に位置し、
分離溝のうち翼根元部側の部分は、回転軸に向かって延びるタービン動翼の軸方向中心線とタービン動翼の前縁との間の中心線よりも下流側に位置する
ことを特徴とするタービン動翼。
請求項１に記載のタービン動翼を有する蒸気タービン。