JP5595428B2 - 軸流タービン - Google Patents

Description

本発明は、軸流タービンに関する。本発明の実施形態は、殊に、蒸気タービンの最終低圧タービン段内の翼形羽根の設計を改善した結果、効率が増大する軸流蒸気タービンに関する。

発電に使用される蒸気タービンにはふつう、高圧タービン部分と、オプションの中圧部分および低圧部分が含まれており、これらの部分は、軸流の順に配置されており、またそれぞれはタービン段の列を有する。各タービン部分のタービンを通って蒸気が膨張すると、蒸気の圧力および温度が下がり、低圧タービン部分の最終段を通って膨張した後、蒸気は、タービン排気システムを通って吐出される。

殊に効率がわずかに増大しただけでも電力を製造するのに必要な燃料の量が大きく低減されることになり得る大発電設備では、蒸気タービンの効率は極めて重要である。これにより、極めて大きなコストが節約され、またＣＯ₂の放出が大きく低減され、これに伴ってＳＯxおよびＮＯxが相応に低減されるのである。このために相当な量の資金および努力が、翼形羽根設計の研究に継続的に費やされている。それは、翼形羽根設計が、タービン効率に大きな影響を及ぼすからである。

上記の最終低圧タービン段およびタービン排気システムは共に性能に大きな影響を与え、したがって蒸気タービンの全体的な効率に影響を与える。従来の蒸気タービンの最終低圧タービン段に使用される翼形羽根設計は、多量の排出エネルギ（leaving energy）および不均一よどみ圧力分布を形成する傾向があり、これらは共に上記の最終低圧タービン段およびタービン排出システムの全体的な性能にとって好ましくない。

したがって最終低圧タービン段が、タービン排出システムに最小量の排出エネルギを送出し、タービン排出システムの入口において一層理想に近いよどみ圧力分布を形成できることになれば好都合である。この理想的な圧力分布は、最終低圧タービン段における翼形羽根の高さにわたってほぼ一定であり、チップ領域に向かってわずかに増大する。

上記のハブ領域とチップ領域との間で半径方向の高さが増大する翼形羽根は、最終低圧タービン段の排出エネルギを低減し、ひいてはこの最終低圧ター分段の効率を増大させることを試すために使用されている。しかしながら、これによって得ることができたのは、最終低圧タービン段の回転翼形羽根の高さ（Ｈ）に対する、排気システムの軸長（Ｌ）の比（すなわちＬ／Ｈ）が極めて小さくなったタービン排気システムである。ふつうタービン排気システムの軸長（Ｌ）を増大することはいくつかの理由から望ましくないが、殊に蒸気タービンのコンパクトさをどのように低減したとしても、その設置占有面積が増大し、したがった据え付けコストが増大してしまうため、望ましくない。

定義
この明細書全体にわたってつぎの定義を使用する。

翼形羽根の半径方向に見て最も内側の端部は、それが静翼形羽根か回転翼形羽根であるかにかかわらず、「ハブ領域」と称される（またふつうルートとして知られている）のに対し、翼形羽根の半径方向に見て最も外側の端部は、静翼形羽根か回転翼形羽根であるかにかかわらず、「チップ領域」と称される。

翼形羽根の「圧力面」は、その凹部側であり、「吸込面」は、その凸部側である。

翼形羽根の羽根出口角（α）は、作動流体が、円周に沿って配置された羽根の列を離れる、ロータの円周方向を基準にした角度であり、つぎの関係式から得られる、すなわち、
α＝sin^-1Ｋ
であり、ただし
Ｋ＝スロート寸法（ｔ）／ピッチ寸法（ｐ）である。

このスロート寸法（ｔ）は、翼形羽根後縁から、同じ列の隣り合う翼形羽根の吸込面に垂直に延びる最短の線として定義されるのに対し、ピッチ寸法（ｐ）は、１つの翼形羽根後縁から、同じ列の隣り合う翼形羽根後縁に至る円周に沿った距離であり、この距離は、この翼形羽根のハブ領域から所定の半径方向の間隔で計測したものである。

式ＡＮ²は、低圧タービン部分の出口において最終低圧タービン段の回転翼形羽根によって環状に掃かれる領域（Ａ）と、回転翼形羽根の回転速度（Ｎ）の二乗との積である。上記の環状領域（Ａ）は、回転翼形羽根の内径および外径によって描かれる円のエリアにおける差分として定義される。

翼形羽根の「軸方向幅（Ｗ）」は、この翼形羽根の前縁と後縁との間の軸方向の間隔（すなわち、このタービンの回転軸に沿って測定した前縁と後縁との間の距離）である。

本発明の課題は、従来技術の軸流タービンの効率を改善することである。

上記の課題は、本発明の請求項１により、軸流の順に低圧タービン部分およびタービン排気システムを含む軸流タービンにおいて、この低圧タービン部分には、最終低圧タービン段が含まれており、この最終低圧タービン段には、静翼形羽根が円周に沿って並んでいる列が含まれており、この列には回転翼形羽根が円周に沿って並んでいる列が軸方向に続いており、各翼形羽根は、半径方向内側のハブ領域と、半径方向外側のチップ領域とを有しており、各静翼形羽根の、ピッチ寸法（ｐ）に対するスロート寸法（ｔ）の比に等しいＫ値は、上記のハブ領域とチップ領域との間で、概ねＷ字形の分布にしたがい、上記の静翼形羽根の高さに沿って変化することを特徴とする軸流によって解決される。

軸流タービンの流れ方向を通る概略軸方向断面図である。 軸流タービンの最終低圧タービン段における静翼形羽根の高さに対してＫ値の変化を示すグラフである。 静翼形羽根の高さ方向に沿ってＫ値がＷ字状に分布する静翼形羽根の一部分を示す斜視図である。 軸流タービンの最終低圧タービン段における回転翼形羽根の高さに対してＫ値の変化を示すグラフである。

上記の軸流タービンは、蒸気タービンとすることが可能である。

上記のＫ値に対して概ねＷ字形の分布を採用することにより、上記の最終低圧タービン段からタービン排気システムにされる排出エネルギが最小化される。また排気システムの入口において理想的な圧力分布が得られ、殊に翼形羽根の高さにわたって均一でありかつチップ領域に向かってわずかに増大する圧力分布が得られる。

したがって、例えばおよそ125m/sの低い排気速度条件において、最終低圧タービン段の全圧−全圧効率（total-to-total efficiency）が大きく改善されるにもかかわらず、例えばおよそ300m/sの高い排気速度条件において全圧−全圧効率が大きく低減されることはない。このことは極めて有利である。それは従来の蒸気タービンの最終低圧タービン段の全圧−全圧効率は、よそ170m/s以下の排気速度において急速に低下する傾向があるからである。実際に従来の蒸気タービンの最終低圧タービン段の十分な性能は、およそ150m/s以下の排気速度ではふつう保証されない。

各静翼形羽根のＫ値は、静翼形羽根の高さ方向に沿って、以下の表１に定義される値Ｋ_{stat min}とＫ_{stat max}との間で変化して、概ねＷ字形をしたＫ値の分布が得られる。

各静翼形羽根の最適Ｋ値Ｋ_{stat opt}は、静翼形羽根の高さ方向に沿って、以下の表２に定義される概ねＷ字形をしたＫ値の分布にしたがって変化し得る。静翼形羽根に沿った所定の高さにおける値Ｋ_{stat min}およびＫ_{stat max}は、上記の最適値Ｋ_{stat opt}±0.1に等しい。

各静翼形羽根は、１６度と２５度との間の後縁傾斜角を有し得る。ふつう各静翼形羽根は、約１９度の後縁傾斜角を有する。いくつかの実施形態では上記の後縁傾斜角は１９．２度とすることができる。

いくつかの実施形態では、各静翼形羽根は、半径方向に隣り合う複数の翼形部分を含むことができ、これらの翼形部分は、静翼形羽根の後縁に沿った直線上に積み重ねることができる。別の複数の実施形態において、上記の翼形部分は、静翼形羽根の前縁に沿った直線上に積み重ねるか、または静翼形羽根の重心を通る直線に沿って積み重ねることができる。当然のことながら、別の積み重ね配置もすべて請求した本発明の範囲に含まれる。

各静翼形羽根はふつう、上記のハブ領域とチップ領域との間で、静翼形羽根の高さに沿って翼形断面が変化し得るタイプの静翼形羽根である。

各回転翼形羽根のＫ値は、回転翼形羽根の高さ方向に沿って、以下の表３に定義される値Ｋ_{rot min}とＫ_{rot max}との間で変化して、所望のＫ値の分布が得られる。各回転翼形羽根の最適Ｋ値Ｋ_{rot opt}は、回転翼形羽根の高さ方向に沿い、以下の表４に定義されるＫ値の分布にしたがって変化する。回転翼形羽根に沿った所定の高さにおける値Ｋ_{rot min}およびＫ_{rot max}は、上記の最適値Ｋ_{rot opt}±0.1に等しい。

回転翼形羽根毎に表４に定義される最適分布Ｋ_{rot opt}により、静翼形羽根毎に表２に定義される最適な概ねＷ字形をした分布Ｋ_{stat opt}が補われる。このような配置構成により、翼形羽根の半径方向の高さにわたり、最終低圧タービン段を通る流体の流れが最適化される。

各回転翼形羽根はふつう、ハブ領域における最大軸幅と、チップ領域における最小軸幅との間で半径方向にテーパ状になっている。

以下では添付の図面を参照し、本発明の実施形態を単なる例として示す。

図１には蒸気タービンの流路を通る概略軸断面図が示されている。環状流路を通る作動流体すなわち蒸気の流れ方向Ｆは、概ねタービンロータ軸Ａ−Ａに平行である。図示した蒸気タービンには、軸流の順で高圧（ＨＰ）タービン部分１０、低圧タービン部分１２および排気システム１４が含まれている。別の実施形態では中圧（ＩＰ）タービン部分を設けることができる。蒸気タービンは、従来のように動作して、蒸気はＨＰタービン部分１０およびＬＰタービン部分１２を通って膨張し、最終的にはタービン排気部分１４を通って圧縮機に吐出される。

ＨＰタービン部分１０には、静翼形羽根１６が円周に沿って並んでいる列が含まれており、この列には、回転翼形羽根１８が円周に沿って並んでいる列が、軸方向に続いている。静翼形羽根１６が円周に沿って並んでいる列と、回転翼形羽根１８が円周に沿って並んでいる列とは一緒になってＨＰタービン段を形成する。分かり易くするため、上記のＨＰタービン部分１０には１つのＨＰタービン段しか示されていないが、実際にはふつう複数のＨＰタービン段が設けられる。

ＬＰタービン部分１２には、静翼形羽根２０，２４が円周に沿って並んでいる２つの列が含まれており、これらの各列には、回転翼形羽根２２，２６が円周に沿って並んでいるそれぞれ列が軸方向に続いている。軸方向に見て連続している、静翼形羽根および回転翼形羽根が円周に沿って並んでいる列２０および２２、２４および２６はそれぞれ複数のＬＰタービン段を構成している。静翼形羽根２４が円周に沿って並んでいる列と、回転翼形羽根２６が円周に沿って並んでいる列とによって形成されるＬＰタービン段は、最終ＬＰタービン段２８である。環状流路に沿って流れる蒸気は、最終ＬＰタービン段２８からタービン排出システム１４に送出される。わかり易くするため、ここではＬＰタービン部分１２には２つのＬＰタービン段だけしか示されていないが、ふつうはより多くのＬＰタービン段が設けられる。

上で示したように最終ＬＰタービン段２８からタービン排気システム１４に送出される蒸気は、蒸気タービンの動作効率を最大化するため、理想の流れ特性を有するようにしたい。最終ＬＰタービン段２８の回転翼形羽根２６が取り付けられている軸方向位置において約2.03メートル（８０インチ）のハブ直径を有する蒸気タービンでは、直径比が大きくまたパラメタＡＮ²の値が大きいことに起因して、従来のアプローチを使用した場合、理想的な流れ特性を達成することはむずかしい。ここで上記の最終ＬＰタービン段２８では、回転翼形羽根２６の高さは約1.27メートル（５０インチ）であり、回転速度は、3,000回／分である。本発明の複数の実施形態によって可能になるのは、最終ＬＰタービン段２８の静翼形羽根２４の高さ方向に沿い、ハブ領域２４ａとチップ領域２４ｂとの間で、概ねＷ字形をしたＫ値分布を設けることにより、上記の流れ特性を最適化することである。

上記の蒸気タービンの最終ＬＰタービン段２８の静翼形羽根２４に対して、概ねＷ字形の有利なＫ値分布（Ｋ_{stat opt}）は、以下の表２に示されており、また図２にグラフで示されている。このＫ値分布により、最終ＬＰタービン段２８からタービン排出システム１４への最適な蒸気の流れ特性が得られるが、与えられた半径方向高さにおける値Ｋ_{stat opt}は、各静翼形羽根２４に沿って±0.1だけ変化することがあり、これにより、例えば、以下の表１に定義したＷ字形の分布Ｋ_{stat min}およびＫ_{stat max}が得られる。またこれは図２にもグラフで示されている。

以下の表２に定義されかつ概ねＷ字形をした分布Ｋ_{stat opt}にしたがってＫ値が変化し、したがって前縁３０が概ねＷ字形をした幾何学形状プロフィールを有する最終ＬＰタービン段２８の静翼形羽根２４のうちの１つの部分を説明する図３を参照すると、（変化する陰影によって概略的に示した）等圧線図により、静翼形羽根２４の圧力面３４において、後縁３２に沿い、半径方向に実質的に均一な圧力分布が示されることがわかる。この均一な半径方向の圧力分布と、概ねＷ字形をしたＫ値分布によって得られる最小化排出エネルギとにより、最終ＬＰタービン２８段の全圧−静圧効率（total-to-static efficiency）および全圧−全圧効率が改善され、したがって蒸気タービンの全体的な効率が改善される。

静翼形羽根２４は、半径方向に積み重ねた複数の翼形部分によって形成され、これらの部分は、ハブ領域２４ａとチップ領域２４ｂとの間で、静翼形羽根２４の高さ方向に沿って断面が変化する。図２を参照して説明されかつ図３に図示された実施形態においてわかるのは、翼形部分が、静翼形羽根２４の後縁３２に沿った直線上に積み重ねられることである。また静翼形羽根２４は、約１９．２°の後縁傾斜角を有しているが、この後縁傾斜角は、実際には１６°と２５°との間で変化し得る。

最終ＬＰタービン段２８の静翼形羽根２４の高さ方向に沿いかつ概ねＷ字形をしたＫ値分布を補うため、最終ＬＰタービン段２８の回転翼形羽根２６のＫ値も最適化され、これにより、回転翼形羽根２６から排気システム１４に送出される蒸気が理想的な流れ特性を有するようにする。Ｋ値（Ｋ_{rot opt}）の有利な分布は以下の表に定義されており、また図４にグラフで示されている。この有利な分布により、最終ＬＰタービン段２８からタービン排出システム１４に至る出口における最適な蒸気の流れ特性が得られるが、与えられた半径方向高さにおける値Ｋ_{rot opt}は、各静翼形羽根２６に沿って±0.1で変化することがあり、これにより、例えば、以下の表３に定義した分布Ｋ_{rot min}およびＫ_{rot max}が得られる。またこのことは図４にグラフで示されている。

上の段落では本発明の複数の実施形態を示してきたが、添付の特許請求の範囲を逸脱することなくこれらの実施形態にさまざまな変更を行い得ることは明らかである。

１０ 高圧（ＨＰ）タービン部分、 １２ 低圧（ＬＰ）タービン部分、 １４ タービン排気部分、 １６，２０，２４ 静翼形羽根、 １８，２２，２６ 回転翼形羽根、 ２４ａ ハブ領域、 ２４ｂ チップ領域、 ２８ 最終低圧（ＬＰ）タービン段、 ３０ 前縁、 ３２ 後縁、 ３４ 圧力面

Claims (10)

1. 軸流の順に低圧タービン部分（１２）およびタービン排気システム（１４）を含む軸流タービンにおいて、
   前記の低圧タービン部分（１２）には、最終低圧タービン段（２８）が含まれており、
   当該の最終低圧タービン段には、静翼形羽根（２４）が円周に沿って並んでいる列が含まれており、当該列には、回転翼形羽根（２６）が円周に沿って並んでいる列が軸方向に続いており、
   各翼形羽根は、半径方向内側のハブ領域（２４ａ）と、半径方向外側のチップ領域（２４ｂ）とを有しており、
   各静翼形羽根（２４）の、ピッチ寸法（ｐ）に対するスロート寸法（ｔ）の比に等しいＫ値は、前記のハブ領域（２４ａ）とチップ領域（２４ｂ）との間で、Ｗ字形の分布にしたがい、前記の静翼形羽根（２４）の高さに沿って変化することを特徴とする
   軸流タービン。
2. 前記の各静翼形羽根（２４）のＫ値は、以下の表１に定義されたＷ字形の分布にしたがい、Ｋ_{stat min}と、Ｋ_{stat max}との間で、静翼形羽根（２４）の高さ方向に沿って変化する、
   請求項１に記載の軸流タービン。
3. 前記の各静翼形羽根（２４）の最適Ｋ値Ｋ_{stat opt}は、以下の表２に定義されたＷ字形の分布にしたがい、静翼形羽根（２４）の高さ方向に沿って変化する、
   請求項１に記載の軸流タービン。
4. 各静翼形羽根（２４）は、１６度と２５度との間の後縁（３２）傾斜角を有する、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の軸流タービン。
5. 各静翼形羽根（２４）は、１９度の後縁（３２）傾斜角を有する、
   請求項４に記載の軸流タービン。
6. 各静翼形羽根（２４）には、当該静翼形羽根（２４）の後縁（３２）に沿った直線上で積み重ねられかつ半径方向に隣り合う複数の翼形部分が含まれている。
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の軸流タービン。
7. 前記の各回転翼形羽根（２６）のＫ値は、回転翼形羽根（２６）の高さ方向に沿い、Ｋ_{rot min}と、Ｋ_{rot max}との間で、以下の表３に定義された分布にしたがって変化する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の軸流タービン。
8. 前記の各回転翼形羽根（２６）の最適Ｋ値Ｋ_{rot opt}は、回転翼形羽根（２６）の高さ方向に沿い、以下の表４に定義された分布にしたがって変化する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の軸流タービン。
9. 各回転翼形羽根（２６）は、ハブ領域における最大軸幅と、チップ領域における最小軸幅との間で半径方向にテーパ状になっている、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の軸流タービン。
10. 前記の軸流タービンは、蒸気タービンである、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の軸流タービン。