JPH01163404A

JPH01163404A - 軸流タービンノズル

Info

Publication number: JPH01163404A
Application number: JP31746087A
Authority: JP
Inventors: Taro Sakamoto; 太郎坂本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1989-06-27

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ノズルに係り、特にノズル翼のル
ー１〜部およびチップ部近傍において発生する作動流体
の二次流れ損失を低減し、タービン効率を向上し得る軸
流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、
特にノズル翼高さが低いタービンにおいては二次流れに
よる二次損失の比率が高く、その翼形損失を低減するこ
とが大きな課題となっている。

一般的な軸流タービンノズルの段落構成を第８図に示す
。複数枚のノズル翼１が、ノズル外輪２とノズル内輪３
との間に形成される環状流路４に固設され静止部が形成
される。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。

動翼５は、回転軸６と一体または嵌め込みによって形成
されたロータディスク７の外周の周方向に所定間隔で列
状に植設され回転部を形成する。またノズル外輪２はケ
ーシング８の内周面に固着される。

このようり静止部と回転部とによって形成されたタービ
ン段落を軸方向に複数個配設することにより多段の軸流
タービンが構成される。

上記の軸流タービンに供給された蒸気または燃焼ガス等
の作動流体は、ノズル内輪３の外表面すなわち内壁９と
、ノズル外輪２の内周面すなわち外壁１０とで形成され
る環状流路４を軸方向に流れ、ノズル翼１を通過するこ
とによって、周方向に十分な旋回力が付与された後に、
対向する動翼５に吹き付けられる。作動流体の旋回ノｊ
は動翼５を介して回転軸６の回転力に変換される。

作動流体は動翼５から流出し、さらに次のタービン段落
に流入して同様な動作が繰り返され、作動流体が保有し
ていた温度、圧力エネルギが回転軸６の機械的エネルギ
に変換される。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら従来の軸流タービンのように円弧状の曲面
を有するノズル翼によって流体流路を形成しているター
ビンノズルにおいては、流路内における流線の曲率の変
化に基づいて圧力分布を生じることが知られている。

ここで密度ρの流体が速度Ｖで曲率半径Ｒの円弧に沿っ
て流れる場合における半径方向の圧力分布Ｐは一般に（
１）式で表わされる。

ｄＰ　　　　　Ｖ □＝ρ□　・・・・・・・・・・・・（１）ｄＲＲ流路内の流体圧力Ｐは、曲率半径Ｒが大きくなる程増大
する。この関係をノズル翼間を流れる流体にあてはめて
みると、流体のノズル翼の各軸方向位置における圧力分
布は第９図に示す通りとなる。

すなわち、ノズル翼１の腹側Ｆにおいては背側Ｂより曲
率半径が大であるため圧力が高く、背側Ｂにおいては圧
力が低くなる。

この圧力分布は、作動流体の主流の流速および流線の曲
率によって支配される。主流部においては、この圧力分
布が、流線の曲率および流速に応じて生ずる遠心力と均
衡している。

第１０図はノズル翼１間の環状流路を通過する作動流体
の状態を示している。第１０図において、ノズル翼１の
内壁９近傍（以下「ルート部１１」と称する。）および
ノズル翼１の外壁１０の近傍（以下「チップ部１２」と
称する。）における流体の流速は、作動流体のもつ粘性
により、境界層流れが生じるため、主流の流速と比較し
て小さくなる。

一方主流の圧力分布は、境界層にまで達するため、この
境界層流れ部においても、主流と同様の圧力分布が形成
される。このため、境界層付近を通過する流体は、上記
の圧力差に対抗し均衡するだけの十分な遠心力が得られ
ず、ルート部１１およびチップ部１２の近傍に沿ってノ
ズル翼１の腹側Ｆから背側Ｂに向う二次流れ１３が誘起
され、核部に二次流れ渦１４が発生する。

かくして作動流体が保有するエネルギは、二次流れ渦１
４を形成するために一部が消費される結果、タービン段
落における圧力損失が増加し、タービン効率が低下する
。

第１１図は、ノズル翼間の流れにおいて発生する圧力損
失の分布を示したグラフである。本図に示す如く、ノズ
ル翼中央の主流部においては翼形状による損失（プロフ
ァイル損失）ζ８のみであるのに対し、ノズル翼ルート
部１１およびノズル翼チップ部１２においては、さらに
前述の二次流れ渦による損失ζ８が加わるため、損失が
大きくなっている。ノズル翼ルート部１１における二次
流れ損失の発生する領域をＨ１ノズル買チップ部１２に
おける二次流れ損失の発生する領域をＨｌ、ノズル翼の
高さをＨとし、ノズル翼高さに対する二次流れ損失の発
生する領域の比Ａを下記（２）式で求める。

このＡの値が大なる程、二次流れ損失が段落損失に占め
る割合が大きく、タービン効率が低下することとなる。

ところが一般に（２）式の分子（Ｈ＋ＨＲ）■ はノズル翼の高低によって変化することが少ない。

したがって蒸気タービンの高圧・中圧段落のようなノズ
ル翼高さＨの比較的小さい段落においてはノズル翼＾さ
に対する二次流れ損失が発生する領域の占める割合Ａが
大きくなり、二次流れ損失の低減が段落効率の向上に大
きな役割を果たすことになる。

以上述べたように、二次流れは、ノズル翼間の流路のル
ート部およびチップ部において、ノズル翼の腹側と背側
の圧力分布（圧力差）に対抗する遠心力を発生させる流
れが不足しているために発生する。

二次流れ損失を低減する方法は従来から種々提案されて
おり、その一つとして、ノズル翼をその後縁線がタービ
ンの回転中心を通過する基準線から所定角度だけ傾斜す
るように取付ける方法が特公昭６１−１０８８０号公報
に開示されている。

第１２図は、その構造例を示す斜視図である。

作動流体の出口側より見た本図において、各ノズル翼１
・・・の後縁線Ｅ１が、タービンの回転中心Ｏを通過す
る基準線Ｅ。に対して反時計回り方向に所定の傾斜角度
θだけ傾斜して各ノズル翼１・・・が固定されている。

この場合における二次流れによる圧力損失を防止するメ
カニズムについて、以下第１３図、第１４図および第１
５図を共に参照して説明する。

第１３図は、従来の傾斜していないノズル翼１を配置し
て構成したタービンノズルを流体の出口側から観察した
斜視図である。第１３図において、角度αはノズル翼１
の出口における流体の流出角度であり、ＸＡ軸は、流体
が流れる方向に設けた軸方向座標であり、またＸ。軸は
、円周方向に設けた円周方向座標であり、ＸＲ軸は半径
方向座標である。これらの座標は、静止座標系を形成す
る。

またｘＲ′軸はノズル翼１の後縁線Ｅ１の方向を表わし
、Ｘｏ′は後縁線Ｅ１に垂直な方向を表わす。

ノズル翼１を第１３図に示すように直立した状態から、
反時計回り方向に角度θだけ傾斜させた状態を第１４図
に示す。この場合、軸方向座標ＸＡは変化せずに、ノズ
ル翼１の後縁線Ｅ１が角度θだけ傾斜することにより、
ノズル翼出口側における流体の流出角度は第１３図の場
合と比較して、角度γだけ下向きに偏向する。この作動
流体の下向き角度γは、幾何学的な関係から下記（３）
式で与えられる。

３　ｉ　ｎ７＝３　ｉ　ｎ’ｓ　−（：、ｏｓａ・・−
・・・（３）作動流体の流出角度が下向きに変化したこ
とにより、タービン段落における流体の流れは第１５図
に示すように変化する。

すなわちタービン段落を流れる作動流体の流線Ｇ１は、
ノズル翼出口部においてルート側にシフトする。このた
め、ルート部１１では、境界層の発達が小さく、また作
動流体の流速が減少することがないため、二次流れが生
じにくくなる。その結果二次流れ渦の発生もな（なり、
ルート部における二次流れによる圧力損失が減少する。

しかしながら、ノズル翼１のチップ部１２においては、
逆に流れが下向きとなるため、チップ部１２を流れる作
動流体子が減少し、境界層が逆に発達し易く、その境界
層が外壁９から離れて作動流体内に流れ出る、いわゆる
剥離現象が発生し易い。その結果、チップ部１２におい
ては、ノズル翼１後方に二次流れ渦が発生し易くなり、
逆に二次流れ損失が増大するという欠点がある。

この現象は、ノズル翼１の傾斜方向を第１４図に示す方
向とは逆に時計回り方向に設定した場合においても同様
に観察される。すなわち、この場合は、ノズル翼間を流
れる作動流体の流線が上向きに偏向力を受けるために、
チップ部１２における二次流れ損失は低減するが、ルー
ト部１１においては逆に増大するという問題点がある。

いずれにしろ、ノズルＨ１を傾斜させて取付けると、ル
ート部１１およびチップ部１２における二次流れ損失の
うち、一方は低減することが可能となるが、他方は逆に
増大することになり、両部位における圧力損失の増減量
を差し引いたタービン段落全体としての圧力損失の低減
効果は極めて少ないという問題点があった。

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、ノズル翼を傾斜させて取付けた場合に、ルート部
およびチップ部の一方の二次流れ損失が増大することを
防止し、タービン段落全体としての二次流れ損失を低減
することが可能であり、タービン効率を向上し得る軸流
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、ノズル内輪とノズル
外輪との間に形成された環状流路の周方向に複数のノズ
ル翼を列状に配設し、各ノズル翼のルート側およびチッ
プ側の両接合端をそれぞれノズル内輪およびノズル外輪
に接合して構成した軸流タービンノズルにおいて、各ノ
ズル翼の後縁線がタービンの回転中心を通る基準線に対
して翼列方向に傾斜させて各ノズル翼を固設するととも
に、傾斜したノズル翼の背面と対向するチップ側および
ルート側の一方の接合端部にノズル翼の前縁と背面とを
連通ずる連通孔を穿設したことを特徴とする。

（作用）上記構成の軸流タービンノズルにおいては、ノズル翼の
接合端の近傍を流れる作動流体は、翼列方向に傾斜した
ノズル翼の腹面に沿って流れ、腹面に対向した環状流路
の周壁面に押圧される圧力を受ける。そのため周壁面に
おける境界層の発達が効果的に抑制され、二次流れ渦の
発生を防止することができる。

一方、傾斜したノズル翼の背面と対向する接合端部に、
ノズル翼前縁と背面とを連通する連通孔が設けられてお
り、このノズル翼前縁における流体圧力は背面側の圧力
よりも高いため、この接合端部に流入した作動流体の一
部は、連通孔を通り、ノズル翼前縁から背面側に流出す
る。そのため、この接合端部における流体流量が増加し
、流体に作用する遠心力が増大して、ノズル翼の背側と
腹側との圧力を均衡させることが可能となる。従って圧
力差によって発生する二次流れを効果的に抑制すること
が可能となり、タービンノズル全体としての圧力損失が
低減し、タービン効率を大幅に向上させることができる
。

（実施例）以下本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。第
１図は本発明に係る軸流タービンノズルの一実施例を示
す斜視図であり、第２図は第１図におけるＩＩ−ＩＩ矢
視断面図である。なお、従来例を示す第８図〜第１５図
と同一要素には同一符号を付している。

本実施例に係る軸流タービンノズルは、ノズル内輪３と
ノズル外輪２との間に形成された環状流路４の周方向に
ノズル翼１を配設し、ノズル翼１のルート部１１および
チップ部１２の両接合端をそれぞれノズル内輪３および
ノズル外輪２に接合して構成される。ここで各ノズル翼
１は、その後縁線Ｅ１がタービンの回転中心Ｏを通る基
準線Ｅｏに対して、反時計回り方向に角度θだけ傾斜す
るように固設される。また、傾斜したノズル翼１の背面
と対向するチップ側の接合端部に連通孔１５が穿設され
ている。この連通孔１５は、ノズル翼１の前縁りと背面
Ｂとを連通して形成され、その入口部および出口部にそ
れぞれ入口スリット１５ａおよび出口スリット１５ｂが
形成されている。出口スリット１５ｂは第２図に示すよ
うに流出する作動流体がノズル翼間を流れる作動流体の
主流を攪乱しないようにノズル翼１の背面Ｂに対して斜
め後方に傾斜して設けられる。

本実施例の軸流タービンノズルによれば、ノズル１１１
間に流入した作動流体は、傾斜したノズル翼の腹面Ｆに
よってルート部１１方向に押圧され、流れが偏向される
。そのため、ルート部１１において、十分な流体流量が
確保されるため、ノズルｍ１の腹側Ｆと背側Ｂとの圧力
差に釣合う遠心力が得られる。従って圧力勾配が発生す
ることがなく、二次流れに起因する圧力損失が低減され
る。

一方、チップ部においては、ノズル翼１の前縁りと背面
側Ｂとを連通する連通孔１５を穿設しており、また前縁
しにおける流体圧力は、背側Ｂの圧力よりも大であるた
め、第２図に示すように、ノズル翼１間に流入する作動
流体１６の一部は入口スリット１５ａから連通孔１５を
通り、出口スリット１５ｂから、ノズル翼１の背面側Ｂ
に流出する。

そしてノズル翼１の背面側Ｂに流れる流体量が出口スリ
ット１５ｂから流出した吹出し流体１７によって増加す
るため、作用する遠心力が増大する。その結果、ノズル
翼１の背側Ｂと腹側Ｆとの圧力差が低減され、二次流れ
の発生が抑制される。

こうして、ノズル翼１のルート部１１およびチップ部１
２の両接合端部において二次流れの発生が抑制されるた
め、タービンノズル全体として圧力損失が大幅に低減さ
れ、タービン効率を大幅に向上させることができる。

次に本発明の第２実施例について第３図および第４図を
参照して説明する。本実施例において各ノズル翼１は、
作動流体の出口側より見て、タービンの回転中心Ｏを通
る基準線Ｅ。に対して、ノズル翼１の後縁線Ｅ１が時計
回り方向に角度θだけ傾斜して固設されている。また、
各ノズル翼１のルート部１１には、連通孔１５が穿設さ
れている。この連通孔１５は、ノズル関前縁に穿設され
た入口スリット１５ａと、背面側に開口する出口スリッ
ト１５ｂとを有する。

本実施例においては、ノズル翼１間に流入した作動流体
は、第１実施例の場合とは逆に、チップ部１２方向に押
圧される。流体が押圧される状態を第４図に示す。

すなわちタービンノズルに流入した作動流体の流線Ｇ２
は、ノズル翼１の出口部においてチップ部１２方向に偏
向される。チップ側に流Ｉ！１１Ｇ２が集中することに
よって十分な流れが確保されるため、ノズル翼間流路の
圧力分布に均衡する遠心力が作動流体に作用する。従っ
て、圧力勾配によって二次流れ渦が発生することがなく
、圧力損失が低減される。

一方、ルート部１１においては第３図に示すようにノズ
ル翼１の前縁りと背側Ｂとを連通ずる連通孔１５が穿設
されているため、ノズル翼列に流入した作動流体の一部
は、圧力の高い前縁部に設けた入口スリット１５ａから
連通孔１５内に流入し、圧力の低いルート部１１の背側
Ｂに設けた出口スリット１５ｂから流出する。

流出した吹き出し流体１７によってルート部１１の背側
Ｂの流体流量が増加し、従来生じていた圧力差を相殺す
る遠心力が発生するため、圧力勾配が解消し、二次流れ
の発生を抑制することが可能となる。

次に本発明の第３実施例について第５図および第６図を
参照して説明する。本実施例のタービンノズルは、中空
状に形成したノズルｌｌａの前縁に入口スリット１５ａ
を穿設するとともにノズルｌＸ１１ａの背面に出口スリ
ット１５ｂを穿設して形成した連通孔１５を有するノズ
ル翼１ａで構成される。

各ノズル翼１ａは、ルート部１１における侵縁線Ｅ１が
タービンの回転中心０を通る基準線Ｅ。

から、反時計回り方向に角度θだけ傾斜して固設される
。

また連通孔１５の出口スリット１５ｂは、第６図に示す
ように流出する吹き出し流体１７が背面側を流れる作動
流体の主流を攪乱しないように、斜め後方に流出するよ
うに、ノズル翼背側表面に対して傾斜して穿設されてい
る。

本実施例においても第１図に示す実施例と同様に、ノズ
ル翼に流入した作動流体は、ルート部１１方向に押圧さ
れ、集中して流れることとなる。

そのため、ルート部における十分な流量が確保され、従
来のノズル翼間流路における圧力分布を解消する遠心力
が得られる結果、二次流れの発生を防止することができ
る。

一方、チップ部１２においては、第６図に示すようにノ
ズル翼列に流入した作動流体１６の一部が入口スリット
１５ａから連通孔１５内に流入し、出口スリット１５ｂ
より流出する。この流出した吹き出し流体１７によって
チップ部１２における十分な流量が確保され、従来の圧
力差を解消する遠心力が発生し、二次流れによる圧力損
失を低減することができる。

特に本実施例においてはノズル翼１ａを中空状に形成し
ており、第１実施例に示すようにノズル奮本体内に帯状
の流路空間を形成したノズル翼１と比較してその加工製
作が容易であるため、タービンノズルの製作費を大幅に
低減することが可能となる。

次に本発明の第４実施例について第７図を参照して説明
する。本実施例においては、中空状に形成したノズル翼
１ａの後縁線Ｅ１を基準線Ｅ。に対して、時計回り方向
に角度θだけ傾斜しして固設するとともにルート部１１
に連通孔１５を穿設して構成する。

本実施例においても、第３図に示す第２実施例と同様な
、作用効果を発揮する。すなわち、ノズル１ｉｌａ間に
流入した作動流体は、傾斜したノズルｍ１ａの腹面に案
内されてチップ部１２方向に集中して流れる。このため
チップ部１２における、従来の圧力分布の発生が防止さ
れ、核部における二次流れによる圧力損失が低減される
。

一方ルート部１１においては、連通孔１５の出口スリッ
ト１５ｂから流出した吹き出し流体１７によってノズル
Ｉｌａの背面側における流体流量が十分確保され、従来
生じていた圧力差を解消する遠心力が発生するため、同
様に二次流れにょる圧力損失を低減することが可能とな
る。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係る軸流タービンノズルによれ
ば、ノズル翼の後縁線がタービンの回転中心を通る基準
線に対して翼列方向に傾斜させて、各ノズル翼を固設し
ているため、ノズル翼の接合端の近傍を流れる作動流体
は、傾斜したノズル翼の腹面に沿って流れ、腹面に対向
した環状流路の周壁面に押圧される圧力を受ける。その
ため周壁面における境界層の発達が効果的に抑制され、
二次流れ渦の発生を防止することができる。

一方、傾斜したノズル翼の背面と対向する接合端部に、
ノズル翼前縁と背面とを連通ずる連通孔が設けられてお
り、またノズル翼前縁における流体圧力は背面側の圧力
よりも高いため、この接合端部に流入した作動流体の一
部は、連通孔を通り、ノズル翼前縁から背面側に流出す
る。そのため、この接合端部における流体流量が増加し
、流体に作用する遠心力が増大して、ノズル翼の背側と
腹側との圧力を均衡させることが可能となる。従つて圧
力差によって発生する二次流れを効果的に抑制すること
が可能となり、タービンノズル全体としての圧力損失が
低減し、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図は本発明に係る軸流タービンノズルの第１実施例
を示す斜視図、第２図は第１図におけるＩＩ−Ｉ矢視断
面図、第３図は本発明の第２実施例を示す斜視図、第４
図は第３図に示すノズル翼を使用したタービンノズル内
の流れを示す断面図、第５図は本発明の第３実施例を示
す斜視図、第６図は第５図における■−■矢視断面図、
第７図は本発明の第４実施例を示す斜視図、第８図は従
来の一般的なタービン段落の構成を示す断面図、第９図
は従来のノズル翼表面における圧力分布を示すグラフ、
第１０図は二次流れの発生状態を示すタービンノズルの
斜視図、第１１図は従来のノズル翼における流体の圧力
損失の分布を示す断面図、第１２図は従来の軸流タービ
ンノズルの構成例を示す斜視図、第１３図は後縁線が傾
斜していないノズル翼の出口における流体の流れを示す
斜視図、第１４図は後縁線を傾斜させて取付けたノズル
翼の出口における流体の流れを示す斜視図、第１５図は
従来のタービン段落内における流れの状態を示す断面図
である。１．１ａ・・・ノズル翼、２・・・ノズル外輪、３・・
・ノズル内輪、４・・・環状流路、５・・・動翼、６・
・・回転軸、７・・・ロータディスク、８・・・ケーシ
ング、９・・・内壁、１０・・・外壁、１１・・・ルー
ト部、１２・・・チップ部、１３・・・二次流れ、１４
・・・二次流れ渦、１５・・・連通孔、１５ａ・・・入
口スリット、１５ｂ・・・出口スリット、１６・・・作
動流体、１７・・・吹き出し流体、Ｌ・・・ノズル翼の
前縁、Ｆ・・・ノズル翼の腹側、Ｂ・・・ノズル翼の背
側、Ｇ、Ｇ２・・・流線、ζ８・・・プロファイル損失
、ζ８・・・二次流れ渦による圧力損失、Ｈ・・・ノズ
ル翼高さ、ＨＲ・・・ルート部における二次流れ損失の
発生領域、Ｈ□・・・チップ部にお、ける二次流れ損失
の発生領域、θ・・・ノズル大の傾斜角度、α・・・ノ
ズル翼出口部における流体の流出角度、γ・・・作動流
体の下向き角度、Ａ・・・ノズルＩａ高さに対する、二
次流れ損失の発生領域の比率、Ｏ・・・タービンの回転
中心、Ｅｏ・・・タービンの回転中心を通る基準線、Ｅ
ｌ・・・ノズル翼の後縁線、ＸＡ・・・軸方向座標、Ｘ
ｏ・・・円周方向座標、ＸＲ・・・半径方向座標、ｘＲ
′・・・ノズル翼の後縁線の方向、Ｘｏ′・・・ノズル
翼の復縁線に垂直な方向。出願人代理人　　波　多　野　　　　久第ｆ区手２図 θ 蓼４　日 ≠６配Ｏ第８　因ノスール奪釉ｆｆ向位五　　− ＄９　回茶ｆ４１ＥＥ（

Claims

【特許請求の範囲】１、ノズル内輪とノズル外輪との間に形成された環状流
路の周方向に複数のノズル翼を列状に配設し、各ノズル
翼のルート側およびチップ側の両接合端をそれぞれノズ
ル内輪およびノズル外輪に接合して構成した軸流タービ
ンノズルにおいて、各ノズル翼の後縁線がタービンの回
転中心を通る基準線に対して翼列方向に傾斜させて各ノ
ズル翼を固設するとともに、傾斜したノズル翼の背面と
対向するチップ側およびルート側の一方の接合端部にノ
ズル翼の前縁と背面とを連通する連通孔を穿設したこと
を特徴とする軸流タービンノズル。２、作動流体の出口側より見て、タービンの回転中心を
通る基準線に対してノズル翼の後縁線が反時計回り方向
に傾斜して設けられる場合において連通孔は、ノズル翼
のチップ側に設けた特許請求の範囲第１項記載の軸流タ
ービンノズル。３、作動流体の出口側より見て、タービンの回転中心を
通る基準線に対してノズル翼の後縁線が時計回り方向に
傾斜して設けられる場合において連通孔は、ノズル翼の
ルート側に設けた特許請求の範囲第１項記載の軸流ター
ビンノズル。４、連通孔は、中空状に形成したノズル翼の前縁に穿設
した入口スリットと、ノズル翼の背面に穿設した出口ス
リットとを備える特許請求の範囲第１項ないし第３項い
ずれか１項に記載の軸流タービンノズル。