JP5247361B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、回転熱機械の分野、特に蒸気タービンに関し、そのステータ羽根は羽根高さにわたり符号が変化するスイープ角を有している。

大規模蒸気タービンの最終段におけるステータ羽根上において、超音速流が出口側で圧倒的に優先する。ステータ羽根の入射角の結果として、通例もたらされる流れ角の影響は、この場合、超音速膨張と衝撃波の前面の結果として、大きな範囲まで確認されている。さらに、段の反応程度が正確に半径方向の変化を受けるという好ましくない状況に、設計技術者は直面している。羽根高さにわたり羽根輪郭の捩り（英語のねじれ）、接線方向あるいは円周方向での羽根形の傾斜（英語の傾斜）、および特別な超音速輪郭を与えることによるような、これらのパラメータに影響を与える様々な方法がある。さらに羽根形は、流れに影響を及ぼすように、湾曲部あるいは子午線平面内の傾斜（英語の湾曲）有することができる。ロータ軸線に対して半径方向によって含まれる子午線平面内のスイープ角（スイープ角）によって、ならびに子午線平面内の羽根形に対してある接線によって、後者の傾斜は一般的に特定されており、その際、半径方向から測定される角度の弦は重要である。しかしながら、他の本質的に依存した流れのパラメータもこの場合変えられる。大型蒸気タービンの場合、半径方向の流れ角のばらつきと反応程度のばらつきに関する設定目標を達成するために、ハブ半径とケーシング半径の大きなばらつきにより、困難を伴ってのみ、羽根の局部的傾斜と入射でもって実現されるべき特殊な流れ構造がもたらされる。

蒸気タービンの最終段内のステータ羽根の場合の効率を高めるために、羽根形と基部の間の移行部に丸みを付された角部を与えることは、特許文献１に提案されている。

対照的に、特許文献２には、羽根のロータ側とステータ側縁部領域で負の、および間の中間領域内で負に変化する湾曲部を備えたタービン羽根（ステータ羽根とロータ羽根の両方）を与えることが提案されている。

米国特許第５９０６４７４号明細書 国際特許公開第２００５／００５７８４号明細書

本発明の課題は、段の反応度合いが改善される効果に対して、導入部で述べたタイプの蒸気タービンを最適化すことにある。

この課題は、請求項１の特徴の完全な形によりにより解決される。最終段のステータ羽根の湾曲部がケーシング側（すなわちステータに隣接した）およびハブ側（すなわちロータに隣接した）の両方で正であるスイープ角による、そしてステータ羽根の中央部おける負のスイープ角によるＳ字形状でもって形成されているのが、本発明にとって重要である。この場合、正のスイープ角は、子午線平面で、ステータ羽根に対して接線方向に向かう、ロータ軸線に対する半径方向から、時計方向に測定方向により規定され、負のスイープ角は、ステータ羽根に対して、接線方向に向かう、ロータ軸線に対する半径方向から、反時計方向に測定方向により規定されている。

本発明の実施形態は、最終段のステータ羽根が、前縁、後縁および重心線の中央部を有していて、この際、前縁、後縁および重心線の中央部がどれも本発明によればＳ字形状である、各場合において湾曲部を有していることを特徴とする。特に、相対羽根高さに依存した、スイープ角のＳ字形状の進行は、正から負へ、そして正へと、羽根高さにわたり、スイープ角の進行の意味で、前縁、後縁および重心線の中央部の場合に均質である。

本発明の別の実施形態は、最終段のステータ羽根が、前縁、後縁および重心線の中央部を有しており、この際、これら三つの線の二つが、本発明によればＳ字形状である湾曲部を備えていることを特徴とする。この場合、三つの線の二つの湾曲部のＳ字状の進行が前記の意味で均質である。

本発明の別の実施形態は、最終段のステータ羽根が、前縁、後縁および重心線の中央部を有しており、この際、ステータ羽根が、前縁、後縁あるいは重心線の中央部のいずれかが本発明によればＳ字形状である湾曲部を備えていることを特徴とする。

本発明の別の実施形態において、ステータ羽根の後縁が、いずれの場合においても、本発明によればＳ字形状である湾曲部を備えている。この実施形態は、最終段反応の効果が、著しく大きいという特別な長所を有している。

本発明の一実施形態において、ハブ側の、すなわちロータに隣接したスイープ角とケーシング側の、すなわちステータに隣接したスイープ角が、１０°〜２５°の間の範囲内にあり、中間高さのスイープ角が０°〜−１５°の間の範囲内にある。さらに、スイープ角は３０〜８０％の相対羽根高さの範囲内で負であるのが好ましい。

本発明の一実施形態において、ハブ側の、すなわちロータに隣接したスイープ角とケーシング側の、すなわちステータに隣接したスイープ角が、１３°〜２０°の間の範囲内にあり、中間高さのスイープ角が−６°〜−１０°の間の範囲内にある。さらに、スイープ角は３０〜８０％の相対羽根高さの範囲内で負であるのが好ましい。

流れパラメータの同時に起こる影響にとって、本発明の実施形態は、最終段のステータ羽根にある湾曲部に加えて、円周方向で、すなわち蒸気タービンロータに対して接線方向で傾斜を有しており、その際、特に傾斜角は羽根高さにわたり変化しており、例えば、ハブからケーシングに向かって減る、特にますます負の傾斜角を有している。この場合、タービンを流れる蒸気流の方向でわかるような、正の傾斜角は、ステータ羽根に対して接線方向に、時計方向にロータ軸線に対して半径方向からの角度により規定され、負の傾斜角は、ステータ羽根に対して接線方向に、ロータ軸線に対して反時計方向に、半径方向からの角度により相応するように規定されている。

本発明の別の実施形態において、後縁線の傾斜角は接線方向あるいは円周方向において変化し、タービンロータ軸線に対して半径方向に関しては、ハブ側では＋５°〜−５°の間で変化し、ケーシング側では、−１０°〜＋１０°の間で変化する。

本発明の別の実施形態において、ステータ羽根は回転軸線に対して半径方向に変化するピッチ比を別に有しており、その際、このピッチ比は羽根高さが増すにつれて変化する。
ピッチ比は、ステータ羽根弦長に対して、円周長に沿った羽根環内の隣接したステータ羽根間のピッチ比あるいは間隔比に等しい。特にハブでのゼロの羽根高さにより、ピッチ比は、０．４〜０．５の範囲の値であり、ケーシングでの最大羽根高さにより、ピッチ比は０．４５〜０．６５の範囲の値である。

本発明による蒸気タービンの最終段におけるステータ羽根のＳ字形状の湾曲部は、羽根と残留運動エネルギーの間の圧力を効率的に制御するのに特に適している。主たる空力学的効果は、ハブでの最終段反能が低減され、他方では、最終段反応が、変更されるロータ羽根に対する入口角により羽根先で増大することである。最終段の後に来るロータ羽根の出口において送込まれる出力と圧力の送込みにより、この場合、あるパターンが許容される。運動エネルギーは、減少させるのが有利である。本発明により、改善された羽根の構成が、二次流れが増大することなく達せられる。

本発明図に関連した好適実施例を基にこの後詳しく説明する。

本発明の好適実施例による、Ｓ字の領域を備えたステータ羽根を有する開発された蒸気タービンの最終工程の詳細を示す図である。 本発明の好適実施例による、Ｓ字の領域を備えた、ステータ羽根の相対高さに基づいた異なるスイープ角に依存した曲線を示す図である。 本発明の好適実施例による、Ｓ字の領域を備えた、ステータ羽根の相対高さに依存した傾斜角δのための範囲を示す図である。 蒸気タービンの選定された羽根のラインの傾斜角を示す図である。 羽根高さに依存した、本発明による蒸気タービン内のステータ羽根の後縁での傾斜角δの値を示す図である。 相対羽根高さに依存した、本発明による蒸気タービンのステータ羽根のピッチ比を示す図である。 図４に適用されたようなピッチ比を示す図である。

本発明図に関連した好適実施例を基にこの後詳しく説明する。

図１は蒸気タービン１０の最終段を示しており、この蒸気タービンは、ロータ羽根１４，１５を備えたロータ１１を有しており、またこのロータはタービンのロータ軸線１７を中心に回転可能であり、かつステータ１２のそばで間隙をもって同軸に包含されている。連続して追従するロータ羽根１４，１５の列の間で、ロータ１１とステータ１２の環状通路１３内で流れる蒸気流２０が、追従するロータ羽根列１５に対して偏向させられることにより、固定されたステータ羽根１６の列は配置される。

本発明によれば、ステータ羽根１６はスイープ角がα_１，α_２，α_３の湾曲部を有しており、このスイープ角は対応する羽根高さにわたり変化する（羽根高さｈはハブで始まり、かつ最大高さｈ_ｍに帰する）。スイープ角は、タービンロータ軸線１７に対して直角である半径方向で始まり、かつステータ羽根１６上の参照線に対して子午線接線方向で終わるように測定され、この場合、羽根の後縁１６ａである。測定方向が時計方向であると、スイープ角は正であり、測定方向が反時計回りであると、スイープ角は負である。本発明によれば、ロータの隣接したスイープ角α_１（位置Ｐ１）とステータに隣接したスイープ角α_３（位置Ｐ３）は正であり、ステータ羽根１６の中間高さにおけるスイープ角α_２（位置Ｐ２）は負である。羽根高さにわたる角度の符号が変わる結果、Ｓ字形状で形成された湾曲部が生じる。図示した典型的な実施例において、湾曲部はステータ羽根の後縁１６ａで、ステータ羽根の前縁１６ｂで、およびステータ羽根の重心線の中央部に沿ってＳ字形状で形成されている。

別の実施例においては、前述のように、羽根の三つの参照線（後縁、前縁、重心線の中央部）の一つだけが、もしくは三つの参照線の二つが、このタイプの湾曲部を有していてもよい。

好ましい湾曲部の実施形態は、相対羽根高さｈ／ｈ_ｍに依存した、前縁（β）、後縁（α）および重心線の中央部（ε）のスイープ角に基づき、図２に再現してある。湾曲部は三つの全ての場合においてＳ字形状である。特に、スイープ角β、あるいはε、あるいはαのカーブ進行は、前縁１６ｂの場合に、後縁１６ａの場合に、ならびに重心線の中央部の場合に、相対羽根高さｈ_ｍに依存して均質である。ロータ１１（位置Ｐ１）に隣接したおよびステータ１２（位置Ｐ３）に隣接したスイープ角α，βおよびεは、１３°〜２０°の間の範囲にある。中間高さ（位置２）において、スイープ角は−６°から−１０°の間の範囲にある。図２からわかるように、スイープ角は、３０％〜８０％の相対羽根高さｈ／ｈ_ｍの範囲で負である。

別の実施形態において、中間高さ（位置Ｐ２）でのスイープ角は、０°〜１５°の間の範囲にあり、縁部領域（位置ＰおよびＰ３）内でのスイープ角は、１０°〜２５°の間の範囲にある。

ステータ羽根１６の湾曲部が機械軸線あるいはタービンロータ軸線１７を通過する子午線平面に関しているが、ステータ羽根１６は円周方向に傾斜している。すなわち、機械軸線１７に垂直である平面内で、かつタービンロータ軸線１７半径方向に傾斜している。羽根高さにわたり変化し、かつ符号が変化するこのタイプの傾斜の場合に、湾曲が生じる。図３ａは、相対羽根高さにわたる傾斜角が、本発明の典型的実施例の場合に移動する範囲を示している。

（ハブにおける）ゼロの羽根高さに関連して、傾斜角は−５°〜＋５°の間の範囲内にあり、羽根の全高は−１０°〜＋５°の間の範囲内にある。図３ｂは、選択された羽根の線あるいは縁部のための、異なる羽根高さで示した傾斜角δ_１，δ_２，δ_３およびδ_４を示している。傾斜角は、各々の場合において、選択された線上の点を通って半径方向で始まり、かつ関連した点における線に対して接線で終わるように測定され、この際時計方向に測定される角度は正（δ_４）であり、反時計方向に測定される角度は負（δ_１，δ_２，δ_３）である。本発明の別の一実施例において、後縁１６ａの場合の、相対羽根高さｈ／ｈ_ｍに依存して局部的傾斜角δを図３ｃに再現してある。

本発明の別の一実施例において、蒸気タービンのステータ羽根は、羽根高さと共に変化し、かつ隣接したステータ羽根と羽根弦長の間のピッチ比により規定されたピッチ比を別に有する。図４ａは平面内に突出した羽根リングのステータ羽根と、さらに隣接したステータ羽根１６間のピッチＴと、さらに皿にピッチ比Ｔ／Ｓにとって重要である羽根弦長Ｓを示している。図４ｂは、相対羽根高さｈ／ｈ_ｍの機能としての、ピッチ比Ｔ／Ｓ値の範囲を示している。最小羽根高さに関しては、ピッチ比は０．４〜０．６５の間の範囲内で移動し、最大羽根高さに関しては、０．４５〜０．６５の間の範囲内で移動する。

１０ 蒸気タービン
１１ ロータ
１２ ステータ
１３ 環状通路
１４， １５ ロータ羽根
１６ ステータ羽根
１６ａ ステータ羽根の後縁
１６ｂ ステータ羽根の前縁
１７ 機械軸線
２０ 蒸気流
ｈ 羽根高さ
ｈｍ 最大羽根高さ
δ_１，δ_２，δ_３，δ_４ 傾斜角
ｓ 羽根の弦長
Ｐ１，．．，Ｐ３ 位置
β スイープ角（前縁）
ε スイープ角（重心線の中央部）
α，α_１，α_２，α_３ スイープ角（後縁）

Claims (12)

1. 機械軸線（１７）を中心に回転するロータ（１１）と、間隙をもってロータ（１１）を同軸で包含するステータ（１７）を備えた蒸気タービン（１０）であって、
   上記ロータとステータの間に、環状通路（１３）が形成され、この環状通路が軸方向で蒸気流（２０）により貫流するように曝されており、この環状通路内で、複数のロータ羽根（１４，１５）がロータ（１１）上に固定されおり、固定されたステータ羽根（１６）が複数の段に配置されており、その際、最終段のステータ羽根（１６）が、スイープ角（α，α_１，α_２，α_３，β，ε）を備えた湾曲部を有し、この湾曲部が相対羽根高さｈ／ｈ_ｍにわたり変化する蒸気タービン（１０）であって、
   湾曲部がスイープ角（α，α_１，α_２，α_３，β，ε）を備えたＳ字形状で形成されており、ステータ（１２）に隣接したスイープ角とロータ（１１）に隣接したスイープ角がどちらも正であり、ステータ羽根（１６）の中間高さでのスイープ角が負である蒸気タービン（１０）において、
   最終段のステータ羽根（１６）が、前縁、後縁および重心線の中央部を有しており、Ｓ字状湾曲部が、前縁（１６ｂ）、後縁（１６ａ）および重心線の中央部である三つの線の二つに沿って延びていることを特徴とする蒸気タービン（１０）。
2. 最終段のステータ羽根（１６）が、前縁、後縁および重心線の中央部を有しており、Ｓ字状湾曲部が、前縁（１６ｂ）、後縁（１６ａ）および重心線の中央部に沿って延びていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン（１０）。
3. 最終段のステータ羽根（１６）が、後縁（１６ａ）を有しており、Ｓ字状湾曲部が、後縁（１６ａ）に沿って延びていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン（１０）。
4. 相対羽根高さｈ／ｈ_ｍに依存した、スイープ角（α，α_１，α_２，α_３，β，ε）のカーブ進行が、前縁（１６ｂ）の場合も、後縁（１６ａ）の場合も、そして重心線の中央部の場合も均質であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン（１０）。
5. ロータ（１１）およびステータ（１２）に隣接したスイープ角（α，α_１，α_２，α_３，β，ε）が、１０°〜２０°の間の範囲内にあり、重心線の中央部でのスイープ角が−６°から−１０°の間の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の蒸気タービン（１０）。
6. ロータ（１１）およびステータ（１２）に隣接したスイープ角（α，α_１，α_２，α_３，β，ε）が、１０°〜２５°の間の範囲内にあり、重心線の中央部でのスイープ角が０°から−１５°の間の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の蒸気タービン（１０）。
7. スイープ角（α，α_１，α_２，α_３，β，ε）が、３０％〜８０％の相対羽根高さｈ／ｈ_ｍの負の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の蒸気タービン（１０）。
8. 最終段のステータ羽根（１６）が、タービンロータ軸線（１７）の半径方向に関して、円周方向の傾斜（δ）を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の蒸気タービン。
9. 傾斜角（δ）が羽根高さ（ｈ）にわたり変化することを特徴とする請求項８記載の蒸気タービン（１０）。
10. 蒸気タービンのハブからケーシングまでの羽根高さ（ｈ）にわたり、傾斜角が減少することを特徴とする請求項９記載の蒸気タービン（１０）。
11. 蒸気タービンのロータ軸線（１７）に対する半径方向に関して、後縁（１６ａ）の傾斜角（δ）が、最小羽根高さ（ｈ）に関しては、−５°〜＋５°の間の範囲内にあり、最大羽根高さ（ｈ）に関しては、−１０°〜＋５°の間の範囲内にあることを特徴とする請求項９記載の蒸気タービン（１０）。
12. 蒸気タービン（１０）の最終段のステータ羽根（１６）のピッチ比（Ｔ／Ｓ）が、最小羽根高さ（ｈ）に関しては、０．４〜０．５の間の範囲内にあり、最大羽根高さ（ｈ）に関しては、０．４５〜０．６５の間の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の蒸気タービン（１０）。

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