JPH01106903A - タービンノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は軸流タービンのタービンノズルに係り、特にタ
ービンノズルの環状流路周壁面に生じる境界層の発達を
抑制することによって二次流れの発生を防止し、ざらに
二次流れが撹乱して発生ずる二次渦による圧力損失を低
減し、タービン性能を向上し得るタービンノズルに関す
る。

（従来の技術） 近年、発電プラントの運転経済性を改善し、発電効率の
改善を図るためにタービン性能の向上を図ることが重要
な課題となっている。

タービン性能の向上を図るには各タービン段落の圧力損
失を低減する必要がある。タービン段落における内部損
失には、翼形損失、漏洩損失、流出損失などがあるが、
特にアスペクト比が小さくノズル翼高さが低いタービン
段落においては二次流れによる二次損失の比率が支配的
であり、その翼形損失を低減することがタービン性能を
向上する上で大きな課題となっている。

一般的な軸流タービンのノズル構成を第７図に示す。複
数枚のノズル翼１が、ダイヤフラム外輪２とダイヤフラ
ム内輪３との間に形成される環状流路４に固設される。

また第４図に示すように上記ノズル翼１に対向して下流
側に複数枚の動翼５が配設される。動ｍ５は、ロータデ
ィスク６の外周の周方向に所定間隔で列状に植設される
。動Ｗ５の外周端には動翼端を固定するため、および作
動流体の漏洩を防止するためのシュラウド７が固着され
る。

次に上記の段落構成においてノズル翼１における二次流
れの発生機構を第７図を参照して説明する。第７図は第
４図に示すタービンノズルをノズル出口側から観察した
斜視図である。

各ノズル翼１は、ロータディスク６の回転中心を通る基
準線Ｆに対して傾斜しておらず、ダイヤフラム内輪３の
外周面に対して垂直に配設された例で示している。

高圧蒸気などの作動流体は、隣設するノズル翼１．１間
の翼間流路を流れるときに、流路中で円弧状に曲げられ
て流れる。このときノズル翼１の背面Ｂから腹面Ｆ方向
に遠心力を生じ、この遠心力と静圧とが平衡しているた
め、腹面Ｆにおける静圧が高くなり、一方背面Ｂにおい
ては作動流体の流速が大きいため静圧が低い。そのため
、流路内では腹面Ｆ側から背面Ｂ側に圧力勾配を生じる
。

この圧力勾配はダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪
３の周壁面上に形成される流速のおそい層、すなわち境
界層においても同様である。

ところが、境界層付近においては流速が小さく、作用す
る遠心力も小さいため、腹面Ｆ側から背面Ｂへの圧力勾
配に抗しきれずに腹面Ｆ側から背面Ｂ側に向かう流れ、
ずなわち二次流れ８が生じる。

そして上記二次流れ８はノズル翼１の背面Ｂ側に衝突し
て巻き上がり、ノズル翼１の内輪側および外輪側の両接
合端において、それぞれ二次渦９ａ、９ｂを発生する。

かくして作動流体が保有するエネルギは、二次渦９を形
成するためにその一部が散逸する。

このようにノズル流路内で発生する二次渦９ａ。

９ｂは作動流体の不均一な流れを生じ、ノズル性能を著
しく低下させるうえに、下流側の動翼５に流入する作動
流体のエネルギ損失を招き、各タービン段落の性能を低
下させている。

上記のノズル流路内で発生する二次渦９ａ、９ｂに起因
する二次流れ損失を低減するために種々のタービンノズ
ル構造が研究されている。

例えば環状流路の周壁面に発達する境界層の厚さを低減
するタービンノズルの構成が特開昭５３−９０５０２号
公報に開示されている。第８図（ａ）はその従来例を示
すタービンノズルを示す断面図であり、ノズル翼１の上
流側の境界層生成領域に境界層制御棒１０を配置した例
を示す。この境界層制御棒１０によって、周壁面上に発
達する境界層の厚さを薄くして二次流れによる圧力損失
を低減することを企図したものである。

また第９図は特開昭５２−５４８０９号公報に開示され
たタービンノズルの従来例を示す断面図であり、ノズル
翼１の腹面Ｆ側の接合端に吸込孔１１を設ける一方、背
面Ｂ側の接合端に吹出孔１２を設けて、吸込孔１１から
吹出孔１２に抜ける連通孔１３を形成している。

環状流路の周壁面近傍を流れる作動流体を連通孔１３を
経由して逃がすようにして、隣設したノズル１１１１．
１間において、腹面Ｆ側から背面Ｂ側に流れる二次流れ
を極力低減するようにしたものである。

さらに第１０図は、実開昭５２−１４８８０２号公報に
開示されたタービンノズルであり、ダイヤフラム外輪２
またはダイヤフラム内輪３の周壁面上で隣設されるノズ
ル翼１，１間に邪魔板１４を配設した従来例である。

発生が予想される作動流体の壁面境界層の厚さを越える
高さを有する邪魔板１４によって、二次流れ８を抑止す
るものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら第８図（ａ）に示す従来のタービンノズル
においては、環状流路の周壁近傍に境界層制御棒１０を
配設したことにより、周壁面上に発達する二次流れはあ
る程度抑止することが可能となる。しかし、第８図（ｂ
）に示すように、タービン作動流体の速度分布Ｇが乱れ
、境界層制御棒１０の２次側において、作動流体主流に
大きな速度欠損をもたらし、タービン性能を抜本的に改
善する手段にはなり得ていない。

また第９図に示すようにノズル翼１基部に連通孔１３を
設けた従来のタービンノズルでは、隣設されたノズル翼
１，１間の流路において、一方のノズル翼１の腹面Ｆ側
から、他方のノズル翼１の背面Ｂ側に生じる二次流れは
大幅に低減することができる。しかし腹面Ｆ側から吸込
んだ流れを背面Ｂに吹出すため、作動流体主流の流線を
大きく攪乱するおそれがあり、圧力損失が逆に増大する
場合がある。

また、この従来例によると、連通孔１３の構造が複雑で
あり、その加工精麿を高く設定する必要があるため、加
工製作費が高騰する問題点がある。

さらに第１０図に示すようにノズル翼１，１間に邪魔板
１４を配設した従来のタービンノズルにおいては、環状
流路４の周壁面上に邪魔板１４が設けられているため、
周壁面近傍においてノズル翼間を横断する流れはある程
度低減されるものの、ノズルＴＡ１の腹面Ｆ側から邪魔
板１４に至る二次流れ８または、邪魔板１４から隣設さ
れるノズルｍ１の背面Ｂ側に至る二次流れ８は、解消さ
れず残存するため、二次流れの圧力損失の大幅な低減に
は直結しない問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、簡素な構造を有し、タービンノズルの環状流路周
壁面上に生じる境界層の発達を抑止し、二次流れに起因
する二次渦の発生による圧力損失の低減を可能とし、タ
ービン性能を向上し得るタービンノズルを提供すること
を目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、ダイヤフラム内輪と
ダイヤフラム外輪との間に形成される環状流路の周方向
に複数のノズル翼を列状に配設し、各ノズル翼をダイヤ
フラム内輪側の接合端およびダイヤフラム外輪側の接合
端において固定して構成したタービンノズルにおいて、
ノズル翼の内接合端部における軸線を直線状に形成し、
かつ上記軸線がタービンの回転中心を通る基準線に対し
てノズルＷの腹面方向に傾斜するように接合端を接合す
るとともに、ノズル翼の中間部における軸線は腹面方向
に彎曲するように形成したことを特徴とする。

（作用） 上記構成のタービンノズルによれば、ノズル翼の内接合
端部における軸線を直線状に形成し、かつ上記軸線がタ
ービンの回転中心を通る基準線に対して、ノズル翼の腹
面方向に傾斜しているため、ダイヤフラム内輪の周壁面
近傍に流入した作動流体はダイヤフラム内輪側の周壁面
に押圧される一方、ダイヤフラム外輪の周壁面近傍に流
入した作動流体はダイヤフラム外輪側の周壁面に押圧さ
れる。そのため両局壁面における境界層の発達が効果的
に抑制され、さらに二次流れによって各ノズル翼の背面
側に発生する二次渦の成長が抑止される。

また各ノズルＷの中間部における軸線は腹面方向に彎曲
するように形成しているため、再接合Ｂｉ部から翼長方
向の中間部に平行に分布する作動流体の流線は、滑らか
に変化し、大ぎな攪乱が生じることがない。そのため作
動流体が動翼に流入した場合においても、動翼間におけ
る混合による圧力損失が少ない。

上記のように本発明よれば各ノズル翼の内接合端部にお
ける二次損失が低減され、また動翼間における混合損失
も少ないため、タービン効率を大幅に向上させることが
できる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について、添付図面第１図〜第６
図を参照して説明する。第１図は木発明に係るタービン
ノズルの構造を示す斜視図であり、ノズル出口側より観
察した例を示す。また第２図は、ノズル翼１の形状を示
す断面図であり、第７図に示す従来例と同一要素には同
一符号を付してその説明は省略する。

本実施例に係るタービンノズルは、ダイヤフラム外輪２
と、ダイヤフラム内輪３との間に形成される環状流路４
に複数のノズル１１１ａを周方向に所定間隔をおいて列
状に配設して構成する。各ノズル翼１ａのチップ側およ
びルート側の接合端はそれぞれダイヤフラム外輪２とダ
イヤフラム内輪３とに接合されている。

各ノズル翼１ａは第２図に示すように、その両接合端部
における軸線α　、α２が直線状に形成され、かつ上記
軸線α　、α２がタービンの回転中心を通る基準線Ｅに
対して、それぞれ角度θ７゜θ１だけノズル翼１ａの腹
面方向に傾斜するように接合端が接合されている。また
ノズル翼１ａの中間部における軸線α３は傾斜部の両軸
線に滑らかに接続し、腹面方向に彎曲するように形成さ
れる。

またノズル！１Ｑ１ａの傾斜した接合端部の高さρ　　
ｐ　はノズル！ｇ１１ａの全高りに対してＯ１γ・　ｔ ０５〜０．３５の範囲に設定される。

また接合端部の傾斜角度θ　　θ　は基準線Ｅγｌｔ に対して２．５〜２５度に設定される。またノズル１１
ａの断面形状は、翼長方向全域にわたり一定に形成され
ている。

本実施例に係るタービンノズルにおいて、ダイヤフラム
外輪２側の傾斜部に流入した作動流体は、傾斜したノズ
ル翼１ａの腹面Ｆに沿って流れ、ダイヤフラム外輪２の
周壁面に押圧される。そのため周壁面における境界層の
発達が抑止され、二次渦の発生が防止される。

一方、ダイヤフラム内輪３側の傾斜部に流入した作動流
体は同様にダイヤフラム外輪３の周壁面に押圧されるた
め、周壁面における境界層の発達が抑止され法部におけ
る二次渦による圧力損失が低減される。

またノズルｍ１ａの中間部においては、その軸線α３が
腹面方向に滑らかな彎曲形状を呈するように形成されて
いるため、作動流体主流の流線が大きく攪乱されること
がなく、作動流体の動翼５間における混合損失も抑制さ
れる。

その結果、ノズルｇ１ａ全体における圧力損失が低減さ
れ、タービン効率を大幅に向上させることができる。

さらに第３図を参照して、圧力損失の低減効果を説明す
る。第３図は第１図に示すタービンノズルの出口部にお
ける全圧損失の分布を従来例と比較して示すグラフであ
る。第７図に示す従来のタービンノズルの全圧損失と比
較すると、本実施例によればノズル翼１ａの中間部領域
における圧力損失分布はほぼ近似している。一方、ノズ
ル翼１ａのルート側およびチップ側の両接合端部におけ
る圧力損失は従来例と比較して著しく低減されている。

また第４図を参照して本実施例のタービンノズルを流れ
る作動流体の流線変化を説明する。第４図は子午平面か
ら観察したタービン段落の流線図である。破線で示ず従
来例のタービンノズルにおける流線はほぼ平行に形成さ
れ、半径方向への偏位は観察されない。

一方実線で示す本実施例のタービンノズルにおける流線
にはダイヤフラム外輪２およびダイヤフラム内輪３近傍
においてやや半径方向に偏位している。この偏位はノズ
ルＲ１１ａの両接合端部を傾斜して構成したことによっ
て、作動流体がそれぞれの周壁面に押圧されるためであ
る。この押圧力によって周壁面における境界層の発達が
抑止され、二次渦の生成が防止される。

また、ノズル翼１ａの中間部を通過する作動流体の流線
には、ノズル！ＩＪ１ａ中間部の軸線が滑らかに彎曲形
成されているため、大きな攪乱が発生せず、従来例とほ
ぼ近似している。従って、動翼５間の流路においても作
動流体の混合による圧力損失が少ない。

次に、ノズルＥＱ１ａの傾斜部分の高さｐおよび傾斜角
度θを変化させた場合に、タービン段落効率ηに及ぼす
影響について説明する。第５図は、ノズル翼１ａの傾斜
部の傾斜角度θと、タービン段落効率ηとの関係を示す
グラフであり、縦軸には、第７図に示す従来例のタービ
ンノズルを使用５度の範囲においてタービン段落効率比
が１．０を越え、従来例より優れた効果を発揮すること
が判明する。

また第６図はノズル１１ａの傾斜部の高さｐととタービ
ン段落効率η１との関係を従来例と比較して示すグラフ
であり、横軸にはノズル翼１ａの全高りに対する傾斜部
高さ１の比（ρ／ｈ）で表わした無次元値を表示する一
方、縦軸には従来例第６図から、傾斜部の高さρをノズ
ル翼１ａの全高りに対して０．０５〜０．３５の範囲に
設定すると、従来例と比較してタービン段落効率η１が
改善されることが実証される。

なお、第２図に示すようにノズル翼１ａの傾斜部の高さ
ｆＪ　　ｇ　および傾斜角度θア、θ１はγ゛　　　を 必ずしも両接合端部において、同一値である必要はなく
、作動流体の流量分布特性等を勘案して、相互に異なる
値が設定される場合もある。

また第２図においては、各ノズル翼１ａの後縁線１５が
基準線Ｅとダイヤフラム内外輪２，３との交点を起点と
して接合されているが、内輪側と外輪側とで異なる基準
線との交点を起点としてもよい。

以上説明の通り本実施例のタービンノズルによれば、両
接合端部におけるノズル翼１ａの軸線α　、α２を直線
状に形成し、かつ上記軸線α　１゜α２が基準線に対し
てノズル翼１ａの腹面Ｆ方向に傾斜しているため、環状
流路４の周壁面近傍に流入した作動流体は、傾斜した腹
面Ｆに沿って案内され周壁面方向に押圧される。そのた
め両回壁面における境界層の発達が効果的に抑止され、
さらに二次流れによって各ノズル翼１ａの背面側に発生
する二次渦９ａ、９ｂの成長が抑止されるため、作動流
体のタービンノズルにおける圧力損失が低下する。

特に、ノズル翼１ａの傾斜部の傾斜角度が２゜５〜２５
度の範囲に設定され、また傾斜部の高さ９がノズル翼１
ａの全高に対して０，０５〜０゜３５の範囲に設定され
た場合にタービン段落効率の改善度が顕著となる。

また各ノズル翼１ａの中間部における軸線α３を腹面方
向に滑らかに彎曲形成しているため、作動流体の流線は
大きな擾乱作用を受けない。そのため、作動流体が動翼
５内に流入した場合においても、混合による圧力損失が
少ない。すなわちノズル１１ａ全体における圧力損失が
低減されるため、タービン効率を大幅に改善することが
できる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係るタービンノズルによれば
各ノズル翼の両接合端部がノズル翼の腹面方向に傾斜し
て構成されているため、周壁面一　　１６　− 近傍に流入した作動流体は、それぞれダイ１７フラム内
外輪側の周壁面方向に押圧される。そのため周壁面にお
ける境界層の発達が閉止され、二次流れおよび二次渦の
発生が効果的に抑止される。

またノズル翼の中間部における軸線が腹面方向に彎曲す
るように形成されているため、作動流体の流線は撹乱さ
れることが少なく、動翼間流路における作動流体の混合
による圧力損失も少ない。

すなわちノズル翼全体における圧力損失を大幅に低減す
ることができるため、タービン効率を大幅に向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るタービンノズルの一実施例を示す
斜視図、第２図はノズル翼の形状を示す断面図、第３図
は本実施例のタービンノズルの全圧損失分布を従来例と
比較して示すグラフ、第４図は本実施例のタービンノズ
ルにおりる作動流体の流線を従来例と比較して示す断面
図、第５図はノズル翼の傾斜角度とタービン段落効率比
との関係を示すグラフ、第６図はノズル翼の傾斜部の高
さとタービン段落効率比との関係を示すグラフ、第７図
は従来のタービンノズルの構造を示す斜視図、第８図（
ａ）は境界層制御棒を配設した従来のタービンノズルを
示す断面図、第８図（ｂ）は第８図（ａ）に示すタービ
ンノズルにおける作動流体の速度分布を示す断面図、第
９図はノズル翼接合部に連通孔を設けた従来のタービン
ノズルを示す平断面図、第１０図はノズル翼間に邪魔板
を設けた従来のタービンノズルを示す平断面図である。 １．１ａ・・・ノズル翼、２・・・ダイヤフラム外輪、
３・・・ダイヤフラム内輪、４・・・環状流路、５・・
・動翼、６・・・ロータディスク、７・・・シュラウド
、８・・・二次流れ、９．９ａ、９ｂ・・・二次渦、１
０・・・境界層制御棒、１１・・・吸込孔、１２・・・
吹出孔、１３・・・連通孔、１４・・・邪魔板、１５・
・・後縁線、Ｂ・・・背面、Ｆ・・・腹面、Ｇ・・・作
動流体の速度分布、Ｅ・・・タービンの回転中心を通る
基準線、Ｋ・・・流線、α１．α２゜α　・・・軸線、
ｈ・・・ノズル翼全高、θ、θ　　θ３　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　γｌｔ・・
・傾斜角度、ρ、１　　ｐ　・・・傾斜部高さ、η。 γ°　ｔ η０．η１・・・タービン段落効率。 代理人弁理士　　則　　近　　憲　　缶周　　　　　　
　　第　　子　　丸　　　　　　　健枳　　ぼ 区 ◇ ム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との間に形成
   される環状流路の周方向に複数のノズル翼を列状に配設
   し、各ノズル翼をダイヤフラム内輪側の接合端およびダ
   イヤフラム外輪側の接合端において固定して構成したタ
   ービンノズルにおいて、ノズル翼の両接合端部における
   軸線を直線状に形成し、かつ上記軸線がタービンの回転
   中心を通る基準線に対してノズル翼の腹面方向に傾斜す
   るように接合端を接合するとともに、ノズル翼の中間部
   における軸線は腹面方向に彎曲するように形成したこと
   を特徴とするタービンノズル。 ２、ノズル翼の両接合部における軸線は基準線に対する
   傾斜角度を２．５〜２５度の範囲に設定した特許請求の
   範囲第１項記載のタービンノズル。