JP6578360B2 - 一軸型構造体のための流入輪郭 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸線周りに回転可能に支承されたロータと、当該ロータの周囲に設けられたハウジングと、前記ロータと前記ハウジングとの間に形成された流路と、を含み、さらに流入領域を含む流体機関に関し、前記流入領域は流入接続部を有するとともに流入環状ダクト内に出口を有し、当該流入環状ダクトは概ね環状ダクト断面を有するとともに、流体力学的に前記流路と接続されており、前記流入環状ダクトは回転軸線周りに形成されており、前記流入接続部は流入断面を有し、当該流入断面を介して作動中に、流れ媒体が流れ方向において流れる。

本発明はまた、流入接続部を流入環状ダクトに結合するための方法に関する。

蒸気タービンは概ね、回転軸線周りに回転可能に支承されるとともに動翼を含むロータと、案内翼を備えて形成されたハウジングと、を含み、ロータとハウジングとの間に流路が形成されており、当該流路は案内翼と動翼とを包囲する。蒸気の熱エネルギーは、ロータの機械エネルギーに変換される。様々な部分タービンが知られており、それらは例えば高圧部分タービン、中圧部分タービン、および／または低圧部分タービンに分類される。部分タービンを高圧部分、中圧部分、および低圧部分に分類することは、専門家の間で統一的に定義されていないが、当該分類はいずれにせよ必然的に、流入および流出する蒸気の圧力と温度とに依存する。

さらに、高圧部分と中圧部分とが共通の外部ハウジング内に設けられている実施の形態が知られている。このような実施の形態は、密に隣接して設けられている二つの流入領域を必要とする。このときロータ力学的観点から、高圧流入と中圧流入とは密接して設けられることが必要である。軸方向の空間が限定されているためである。さらに高圧流入領域と中圧流入領域とが、密に隣接して設けられていると、より経済的である。

さらに、弁を介して蒸気を流路に供給することが知られている。このとき蒸気は、緊急遮断弁および制御弁を介して流れ、続いて流入領域内に流れ、流入領域から環状ダクト内に流れる。環状ダクトは概ね、回転軸線周りに回転対称に形成されている。環状ダクト内の蒸気の速度は、できる限り均一かつ小さくあるべきである。二弁式構造体において、すなわち蒸気が二つの弁を介し、それにより二つの流入領域を介して流入路内に流れるとき、環状ダクト内の流れ状況は単弁式構造体における場合とは異なる。単弁式構造体において蒸気は、単独の流入領域を介して、環状ダクト内に流れる。単弁式構造体において環状ダクトの断面は通常、二弁式構造体における環状ダクトの断面よりも大きい。これは概ね、流れ速度が低い水準に保たれるように行われる。

環状ダクトを径方向において拡大することは可能であると思われるが、これは内部ハウジング内で内圧により生じる応力を増大させる。壁厚を増大させれば応力は低減されると思われるが、これも温度によって生じる応力を増大させるであろう。これら二つの設計コンセプトは、最適化すべきである。

本発明は、流れ状況を改善させる流入領域を記載することを課題とした。

上記の課題は、回転軸線周りに回転可能に支承されたロータと、当該ロータの周囲に設けられたハウジングと、前記ロータと前記ハウジングとの間に形成された流路と、を含み、さらに流入領域を含む蒸気タービンによって解決され、前記流入領域は流入接続部を有するとともに流入環状ダクト内に出口を有し、当該流入環状ダクトは概ね環状ダクト断面を有するとともに、流体力学的に前記流路と接続されており、前記流入環状ダクトは回転軸線周りに形成されており、前記流入接続部は流入断面を有し、当該流入断面を介して作動中に、流れ媒体が流れ方向において流れ、前記断面は流れ方向において最大断面に拡大し、続いて環状ダクト断面に縮小する。

従って本発明により、流入領域内の流れ速度を変更するというアプローチが追求され、これは流入領域の幾何形状の変更によって行われる。このとき流入接続部と環状ダクトとの間の断面の結合が概ね変更され、前記断面は環状ダクト断面を超えて拡大され、流れが減速された後、新たな加速が、他の方向においてではあるが、行われる。

従属請求項には有利な発展的構成が記載されている。従って、一の有利な発展的構成において、最大断面Ａ２と流入断面Ａ１との比は以下の通りである。

１．１＜Ａ２／Ａ１＜１．７

最適化実験と流れモデルとにより、上記の関係式が最適な流れを生じさせることが特定され得た。
さらに一の有利な発展的構成において、以下の関係が示されている。

０．７＜Ａ３／Ａ１＜１．０
上記の式において、Ａ３は環状ダクト断面を表す。

ここでもモデルと計算とにより、上記の値を備える最適な流入が特定された。

本発明の上記の特性、特徴、および有利点と、これらが実現されるやり方とは、以下の実施の形態の詳細な説明に関連してより明瞭に理解され、実施の形態は図面に関連してより詳しく説明される。

以下において本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。図面は、実施の形態を実体的に表示すべきものではなく、むしろ説明に役立つように、概略的および／またはやや歪めた形で実施されている。図面において直接的に認識可能な理論の補足に関しては、関連する従来技術を参照することが求められる。
図面に示すのは以下の通りである。

流入領域の断面を概略的に示す図である。 図１の断面Ｂ−Ｂを示す図である。 図１の断面Ａ−Ａを示す図である。 代替的な実施の形態における、図１の断面Ａ−Ａを示す図である。 代替的な実施の形態における、図１の断面Ａ−Ａを示す図である。 従来技術による流れ状況を概略的に示す図である。 本発明による流れ状況を概略的に示す図である。

図１は蒸気タービンの流入領域１の断面を示している。図１において蒸気タービンは詳しく表示されていない。蒸気タービンは概ね、回転可能に支承されているロータを含み、当該ロータは、回転軸線２周りに回転可能に支承されている。ロータの周囲にはハウジング、例えば内部ハウジングが設けられている。

内部ハウジングの周囲にさらなるハウジング、例えば外部ハウジングが設けられ得る。ロータとハウジングとの間に、流路（図示略）が形成されている。ロータは当該ロータの表面に、複数の動翼を含む。内部ハウジングは当該内部ハウジングの内部表面に、複数の案内翼を有している。従って、流路は案内翼と動翼とによって形成され、作動中に蒸気の熱エネルギーは、ロータの回転エネルギーに変換される。ここで図１は蒸気タービンの流入領域を示し、流路は回転軸線方向に向けられている。流入領域１は流入環状ダクト３を含む。当該流入環状ダクトは、概ね回転軸線２に対して回転対称に形成されているとともに、外部画定部４を有している。当該外部画定部４は少なくとも、６時の位置５以降３時の位置７まで、回転対称に形成されている。これはハウジング半径８が、６時の位置５から３時の位置７まで一定であることを意味する。

流入領域はさらに、流入接続部９を有している。流入接続部９は概ね管状の結合部であり、図示されていない蒸気導管を流入環状ダクト３に接続する。流入接続部９は個々の幾何学的形状を有している。ここで、当該形状をより詳しく説明する。開始部輪郭１０は、管状蒸気導管（図示略）への接続部を形成する。従って開始部輪郭１０の断面は円形であってよい。しかしながら他の幾何学的管状輪郭も可能である。当該開始部輪郭１０は接続部下方画定部１１を含み、当該接続部下方画定部の形成は、当該接続部下方画定部が６時の位置５において接続するように行われている。これは、接続部下方画定部１１が回転軸線２に対して接線方向に、外部画定部４へと向けられていることを意味する。このとき接続部下方画定部１１は、当該接続部下方画定部が開始部輪郭１０の近傍で、６時の位置５における外部画定部４の下方に設けられているように配置されていて全く構わない。すなわち開始部輪郭１０における接続部下方画定部１１は、高さ距離１２の分だけ６時の位置５における外部画定部４よりも低い。

流入接続部９はさらに、接続部上方画定部１３を含む。接続部上方画定部１３は開始部輪郭１０を起点として、３時の位置７へと上方に半円形の曲線を描く。３時の位置７において接続部上方画定部１３は、外部画定部４に対して接線方向に接する。流入接続部９はこれにより流入環状ダクト３内に出口を有する。流入環状ダクト３は、概ね環状ダクト断面Ａ３を有し（詳しく示されていない）、流体力学的に流路（図示略）と接続されている。見やすくするために、図１において環状ダクト断面Ａ３は、９時の位置１４、１２時の位置１５、および３時の位置７において描き込まれている。

流入接続部９は開始部輪郭１０において、流入断面Ａ１を有している。流入断面Ａ１は円形であってよく、または楕円形であってよい。作動中に流れ媒体、特に蒸気が蒸気タービンを通過し、流れ方向１６において流入環状ダクト３に流入する。流入環状ダクトに入る蒸気の流れは複雑であり、後に図６および図７においてより詳しく説明される。図１に示す輪郭を理解するにあたり、明瞭にするために、流れは流線１７によって表示される。流線１７は、概ね流入環状ダクト内の流れ媒体の動きを表示すべきである。すなわち、流れは開始部輪郭１０を起点とし、およそ５時の位置１８において、開始方向に偏向される。流線１７に沿って、流入断面Ａ１は一定の値を有し、最大断面Ａ２に拡大する。最大断面は図１において一の線で示され、当該線はまた、図３、図４、および図５においてより詳しく説明される断面Ａ−Ａを表している。すなわち本発明によれば、断面は流れ方向１６において流入断面Ａ１に、続いて環状ダクト断面Ａ３に縮小される。これにより、流れは減速され、改めて加速されるが、他の方向に加速されることになる。言い換えれば流れ速度は、断面流入部が環状ダクトへの入口に向かう過程で減速され、続いて再び加速され、接線方向における速度の一部は、径方向における速度成分に変換される。この径方向の流れ速度成分は、周回する接線方向流れの進路を妨げ、それにより蒸気を軸方向に流路内に押し込める。これにより流入損失が最小化される。

このとき以下の式が成り立つ。
１．１＜Ａ２／Ａ１＜１．７および０．７＜Ａ３／Ａ１＜１．０

図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面を示す。本図で線１９は流入断面Ａ１を示し、線２０，２１および２２は三つの異なる実施の形態を示し、当該実施の形態は以下のように説明可能である。線２０は、比Ａ２／Ａ１＝１であるときの輪郭を表す。線２１は、比Ａ２／Ａ１＝１．２５であるときの輪郭を表す。線２２は、比Ａ２／Ａ１＝１．５５であるときの輪郭を表す。

図３は図１の線Ａ−Ａに沿った断面を示す。図４および図５は、図１の切断箇所Ａ−Ａに沿った、異なる比に対するさらなる断面を示す。すなわち図３は比Ａ２／Ａ１＝１．５５を示し、図４は比Ａ２／Ａ１＝１．２５を示し、図５は比Ａ２／Ａ１＝１を示す。

図６は損失を伴う流れにおいて、流入領域１内の流れ状況を概略的に示す。部分図２３には、流入領域１の流入接続部の斜視的な表示が示される。このとき図６が示す実施の形態では、断面が流れ方向において拡大されない。図６にはさらに、流入領域１内の流れが、臨界領域２４において大きな周方向成分を有することが示されている。これに対して図７は、本発明に係る流入接続部９の実施の形態を示す。さらなる部分２４は、流入領域１の流入接続部９の斜視的な表示を示す。開始部輪郭１０において、開始部における断面Ａ１は流れ方向において最大断面Ａ２に拡大され、続いて一定の環状ダクト断面Ａ３に縮小される。図１に示す実施の形態は、単弁式構造体を示している。明瞭にするために、可能な第二の弁ガイド２５が示されていた。

本発明は細部において、好適な実施の形態に基づいて詳しく図示かつ説明されたが、本発明は開示された実施の形態によって限定されておらず、当業者により、本発明の保護範囲を離れることなく、開示された実施の形態から他の変化形態が導き出され得る。

１ 流入領域
２ 回転軸線
３ 流入環状ダクト
４ 外部画定部
５ ６時の位置
７ ３時の位置
８ ハウジング直径
９ 流入接続部
１０ 開始部輪郭
１１ 接続部下方画定部
１２ 高さ距離
１３ 接続部上方画定部
１４ ９時の位置
１５ １２時の位置
１６ 流れ方向
１７ 流線
１８ ５時の位置
１９ 流入断面Ａ１
２０ 比Ａ２／Ａ１＝１であるときの輪郭
２１ 比Ａ２／Ａ１＝１．２５であるときの輪郭
２２ 比Ａ２／Ａ１＝１．５５であるときの輪郭
２３ 部分
２４ 部分
２５ 第二の弁ガイド
Ａ１ 流入断面
Ａ２ 最大断面
Ａ３ 環状ダクト断面

Claims (5)

1. 回転軸線（２）周りに回転可能に支承されたロータと、当該ロータの周囲に設けられたハウジングと、前記ロータと前記ハウジングとの間に形成された流路と、を含み、さらに流入領域（１）を含む蒸気タービンであって、前記流入領域は単独の流入接続部（９）を有するとともに流入環状ダクト（３）内に出口を有し、
   当該流入環状ダクト（３）は概ね環状ダクト断面（Ａ３）を有するとともに、流体力学的に前記流路と接続されており、
   前記流入環状ダクト（３）は前記回転軸線（２）周りに形成されており、
   前記流入接続部（９）は流入断面（Ａ１）を有し、当該流入断面を通じて、作動中に流れ媒体が流れ方向において流れ、
   前記流入断面（Ａ１）は流れ方向において最大断面（Ａ２）に拡大し、続いて前記環状ダクト断面（Ａ３）に縮小しており、
   以下の式
   １．１＜Ａ２／Ａ１＜１．７
   が成立する蒸気タービン。
2. 前記流入環状ダクト（３）は、概ね前記回転軸線（２）周りに回転対称に形成されている請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記流れ方向（１６）は、前記流入接続部（９）の領域内で、前記流入環状ダクト（３）に対して概ね接線方向に形成されている請求項１または２に記載の蒸気タービン。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気タービンであって、以下の式
   ０．７＜Ａ３／Ａ１＜１．０
   が成立する蒸気タービン。
5. 蒸気タービンの流入領域（１）内の流れ状況を最適化するための方法であって、
   前記蒸気タービンは、回転軸線（２）周りに回転可能に支承されたロータと、当該ロータの周囲に設けられたハウジングと、形成された流路と、を含み、さらに流入領域（１）を含み、前記流入領域は単独の流入接続部（９）を有するとともに流入環状ダクト（３）内に出口を有し、
   当該流入環状ダクト（３）は概ね環状ダクト断面（Ａ３）を有するとともに、流体力学的に前記流路と接続されており、
   前記流入接続部（９）は流入断面（Ａ１）を有し、当該流入断面を介して作動中に、流れ媒体が流れ方向において流れ、
   前記流入断面（Ａ１）は流れ方向において最大断面（Ａ２）に拡大され、続いて前記環状ダクト断面（Ａ３）に縮小され、
   以下の式
   １．１＜Ａ２／Ａ１＜１．７
   が成立する方法。

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