JPH02259201A - 軸流タービン - 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に係り、特に静翼のルート部およ
びチップ部近傍における作動流体の二次流れ損失を低減
し得る軸流タービンに関する。

（従来の技術） 従来より、蒸気タービン等として用いられる軸流タービ
ンの構成は、第１５図に示されるように、円周方向に複
数個配設された静翼１の内外両端部を内輪２および外輪
３に一体的に固定し、さらにこの外輪３をケーシング４
に固定して静止部を構成するとともに、回転軸５と一体
または嵌込みのディスク６に動ｇ７を植設して回転部を
構成し、この静止部と回転部とによって一段落を構成し
ている。そしてこの段落を軸方向に１段または複数段組
合せることにより軸流タービンが構成されている。

このような軸流タービンにおいては、蒸気あるいは燃焼
ガス等の作動流体は、内輪２の外面即ち内壁８と、外輪
３の内面即ち外壁つとで形成される環状通路をほぼ軸方
向に向って流れ、静翼１を通過することにより十分な旋
回力が与えられた後動Ｗ７に入り、ここで作動流体の旋
回力が動翼７を介して回転軸５の回転力として変換され
る。そしてこの作動流体は、動翼７から流出し、さらに
次の段落に流入して同様の動作が繰返され、作動流体の
もつエネルギーが回転軸５の動力へと変換される。

一方、軸流タービンの静翼のような円弧状の曲面を有す
る流路では、流路内に流線の曲率に基づく圧力分布が生
じる。密度ρの流体が速度Ｖで曲率半径Ｒの円弧に沿っ
て流れる場合には半径方向の圧力分布は一般に次式で表
される。

ｄρ／ｄＲ−ρ（Ｖ／Ｒ）　　　　　　・・・・・・・
・・■上記■式からも明らかなように、 ｄ　ｐ　／　ｄ　Ｒ＞　０ であるため、曲率半径Ｒが大きくなる程、流路内の圧力
は高くなる。これを静翼１間の流れにあてはめてみると
、第１６図に示すように、静翼腹側１０では圧力が高く
、静翼背側１１ては圧力が低くなる。

この圧力分布は、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
曲率と流速に応じて生じる遠心力に釣合っている。

第１７図は静翼間の流れを示したものである。

本図における静翼の内壁近傍（以下、ルート部と称する
）１２、静翼の外壁近傍（以下、チップ部と称する）１
３における流速は、作動流体のもつ粘性により境界層流
れが生じ、主流の流速に比べて小さくなる。一方、主流
の圧力分布は境界層にまで及ぶため、この境界層流れ部
においても、主流と同様の圧力分布となっている。この
ため圧力差に対抗するだけの十分な遠心力が得られず、
ルート部１２、チップ部１３両面に沿って静翼腹側１０
から静翼背側１１に向かう二次流れ１４が誘起され、二
次流れ渦１５が生ずる。この二次流れ渦１５はタービン
段落において損失の原因となる。

第１８図は、静翼間の流れにおいて発生する損失分布を
示した図である。本図に示すように、主流部においては
翼形状による損失（プロファイル損失）ζＢのみである
のに対し、静翼ルート部１２および静翼チップ部１３に
おいては、さらに前述の二次流れ渦による損失ζが加わ
るため、損失が大きくなっている。静翼ルート部１２に
おける二次流れ損失の発生する領域をＨＲ，静翼チップ
部１３における二次流れ損失の発生する領域をＨＴ、静
翼の高さをＨとすると、静翼高さに対する二次流れ損失
の発生する領域の比をＡとして、Ａ−（ＨＴ　＋ＨＲ）
　／Ｈ・・・・・・・・・■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い。上記０式の分子ＨＴ
　＋Ｈ１？は静翼高さによってあまり変化しないため、
蒸気タービンの高圧・中圧段落のような静翼高さＨの比
較的小さい段落においては、静翼高さに対する二次流れ
損失が発生する領域の占める割合式が大きくなり、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、静翼腹側と静翼背側の
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。

このような二次流れ損失を低減する方法は、種々提案さ
れており、その一つとして、静翼をその後縁線が円周の
中心を通過する線から傾斜するように取付ける方法があ
る（特公昭＄１−１０８８０４号公報参照）。

第１９図は、その−例を示したものである。

流体の出口側より見て、ルート部１２における静翼１の
後縁線が円周の中心を通過する線から傾斜する角度を、
静翼１の腹側かルート部１２に近づく方向を正とすると
、本図はθ＞０の場合である。この場合は、ルート部１
２における二次流れ損失が低減される。以下、このこと
について説明する。

第２０図は、傾斜していない静翼１を流体の出口側から
見た状態を示している。本図において、角度αは静翼出
口における流体の出口角度を表わす。ＸＡ軸は軸流方向
を表わし、ＸＣ軸は円周方向を表わし、ＸＲ軸は半径方
向を表わし、これらの座標は静止座標系である。また、
ＸＲ’軸は静翼後縁線に固定した半径方向を表わし、Ｘ
Ｃ’軸は静翼後縁線に固定した円周方向を表わす。

この状態から、静翼１を反時計方向にθだけ傾斜させる
と、第２１図のようになる。

この場合、静翼間の流れは、角度γだけ下向きなり、そ
の値は幾何学的な関係から、 Ｓ１０γ″＝ｓｉｎθ拳ＣＯ３α　　　　　　・・・・
・・・・・■また、段落全体で考えると、流れは第２２
図に示すようになる。

本図において、符号１６は段落を流れる流線を示してい
る。流線１６は静翼出口でルート部１２側に集中する。

このため、ルート部１２において、二次流れの原因とな
る境界層流れが抑制されて境界層厚さが減少し、ルート
部１２における二次流れ損失が低減できる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述したように静翼１に傾斜角を付ける
と、チップ部１３側においては、流れが下向きとなるた
め、チップ部１３を流れる流体が減少し、境界層がルー
ト部１２とは逆に発達し流れは剥離し易くなる。このた
め、ルート部１３については、逆に二次流れ損失が増大
するという欠点がある。

また、θ＜０の場合については、静翼間の流れが上向き
になるために、チップ部１３における二次流れ損失は低
減するが、ルート部１２においては逆に二次流れ損失が
増大するという欠点がある。

このように静翼１を傾斜させて取付けると、ルート部１
２とチップ部１３の二次流れ損失のうち、一方は低減で
きるが、他方は増大するので、段落としては二次流れ損
失が殆ど低減しないという問題があった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになさ
れたもので、静翼を傾斜させて取付けた場合に、ルート
部とチップ部の片方の二次流れ損失が増大することがな
いようにして、段落としての二次流れ損失が低減できる
軸流タービンを提供することを目的とするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の軸流タービンは、円周上に複数個配設された静
翼と、該静翼を固定する上下の側壁とを備え、上記静翼
と側壁とを一体にして限定された環状流路を構成する軸
流タービンにおいて、静翼後縁線が円周の中心を通過す
る線から傾斜するように前記静翼を固設するとともに、
この静翼の上下どちらか一方の側壁側近傍に前記静翼の
腹側と背側とを連通ずる連通孔を穿設したことを特徴と
するものである。

また本発明の軸流タービンは、上記環状流路の下流側か
ら上流方向に臨んで、下部側壁近傍の静翼後縁線と円周
の中心を通過する線とのなす角度を前記静翼腹側が下部
側壁に近づく方向を正に規定してθとしたとき、 θ＞０の場合に、前記連通孔を前記静翼の上部側壁近傍
に設け、 θ＜０の場合に、前記連通孔を前記静翼の下部側壁近傍
に設けることを特徴とするものである。

（作　用） 本発明は、静翼の腹側と背側とを連通させる孔をルート
部あるいはチップ部の一方のみに穿設し、かつ静翼をそ
の後縁線が円周の中心を通過する線から傾斜するように
取付けるように構成したので、ルート部とチップ部の片
方の二次流れ損失が増大することなく、段落としての二
次流れ損失が低減でき、軸流タービンプラント効率の向
上を図ることが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図を参照して説明する。

尚、第１５図ないし第２２図と同一部分には同一符号を
付して重複する部分の説明を省略する。

第１図は、実施例の構成を示す図で、本図は静ｇ１を流
体の軸方向出口側より見た図であり、静翼１は静翼ルー
ト部におけるその後縁線ＸＲが円周の中心を通過する線
ＸＩ？’から反時計方向にθだけ傾斜するように固設さ
れている。

また、第２図は、第１図の静翼１をＢ方向から見た断面
図である。

第１図および第２図に示す如く、静翼１のチップ部１３
には静翼１の腹側と背側を連通する孔（スリット）１７
が穿設されている。

このような構造の接欲１の作用について説明する。前述
の説明と同様に、静翼傾斜角度θは、θ＞０であるので
、前述０式からも明らかなように、下向きの流れが生じ
る。このため、静翼間流れのルート部１２においては、
十分な流れが得られるため、静翼１の腹側と背側の圧力
差に釣合う遠心力が得られ、二次流れ損失を低減するこ
とができる。

一方、チップ部１３については、静翼１の腹側と背側を
連通するスリット１７が穿設されているため、静ＩＡ１
のチップ部１３における背側と腹側の圧力はほぼ等しく
なり、静翼腹側と静翼背側の圧力分布（圧力差）は、は
ぼゼロとなる。

チップ部１３においては、流れが減少し、遠心力は小さ
くなるが、静翼腹側と背側の圧力差も小さくなるため、
両者は釣合うことができ、二次流れを抑制する°ことが
できる。

また、静５Ａｌの腹側と背側を連通する孔１７の穿設す
る位置について、以下に説明する。

第３図は、静ｇｌの腹側１０と背側１１の圧力差を示し
たものである。本図に示すように、圧力差は静翼軸方向
の位置Ａで最大となる。このため、位置Ａ付近に腹側１
０と背側１１とを貫通する孔１７を穿設すれば、圧力差
の減少は最大となり、二次流れの抑制効果は最も大きく
なる。

第４図および第５図は、本発明の他の実施例を示す図で
ある。本図においては、静翼１はルート部１２における
その後縁線ＸＲが円周の中心を通過する線ＸＲ’から、
時計方向にθだけ傾斜するように固設されている。本実
施例の場合は、静翼傾斜角度θは、θ＜０であるので、
前述０式から、第５図中の流線１６に示すような上向き
の流れが生じる。このため、静翼間流れのチップ部１３
１；おいては、十分な流れが得られるため、静ｇ１の背
側と腹側の圧力差に釣り合う遠心力が得られ、二次流れ
損失を低減することができる。

一方、静翼１のルート部１２には、静１ｔ１の腹側と背
側を連通するスリット１７が穿設されているため、ルー
ト部１２における腹側と背側との圧力差はほぼゼロとな
る。このため、ルート部１２において流れが減少し遠心
力は小さくなるが、静翼腹側と背側の圧力差も小さくな
るため、両者は釣り合うことができ、二次流れを抑制す
ることができる。

第６図は、本発明のさらに他の実施例を示す図である。

本図に示す如く、本実施例においては、静１１は静翼ル
ート部１２におけるその後縁線ＸＲが円周の中心を通過
する線ＸＲ’から反時計方向にθだけ傾斜するように固
設されている。

第７図は第６図に示す静翼ｌをＣ方向から見た図である
。本図に示す如く、静ｇ１は中空の構造となっており、
腹側と背側に各々スリット１９およびスリット２０が穿
設されている。本実施例においては、前述の定義より静
翼傾斜角度θは、θ＞０であるので、■式からも明らか
なように、下向きの流れが生じる。即ち、段落内におけ
る作動流体の流れはルート部１２に集中することになる
。このため、ルート部１２においては、十分な流れが得
られるため、静翼間流路の圧力分布に釣り合う遠心力が
得られ、二次流れを低減することが可能となる。

一方、チップ部１３においては、静翼１の腹側および背
側に各々スリット１９とスリット２０を設けている。こ
のため、静翼１のチップ部１３における腹側と背側の圧
力はほぼ等しくなり、静翼腹側と背側の圧力分布（圧力
差）はほぼゼロとなる。チップ部１３において流れが減
少し遠心力は小さくなるが、静翼腹側と背側の圧力差も
小さくなるため、両者は釣り合うことができ、二次流れ
を抑制することができる。

第８図は、本発明のさらに他の実施例を示す図である。

本実施例においては、静翼１は中空の構造であり、静Ｔ
Ａ１を出口側から見てルート部１２における後縁線ＸＲ
が円周の中心を通過する線ＸＲ’からθ＜Ｏとなるよう
に傾斜させて固設されている。本発明においては、■式
からも明らかなように、上向きの流れが発生する。即ち
、静翼間流路における流れはチップ部１３に集中するこ
とになる。このため、静翼チップ部１３側においては十
分な流れが存在するので、圧力差に釣り合う遠心力が得
られ、二次流れを低減することが可能となる。

一方、ルート部１２においては、静翼１の腹側と背側に
各々スリット１９およびスリット２０を設けているため
、ルート部１２における静翼腹側と背側の圧力差はほぼ
ゼロとなる。このため、ルート部１２においてに流れが
減少し、遠心力は小さくなるが、静翼腹側と背側の圧力
差も小さくなるため、両者は釣り合うことができ、二次
流れを抑制することができる。

第９図は、本発明のさらに他の実施例を示す図である。

本実施例においては、静翼１は静翼ルート部におけるそ
の後縁線ＸＲ’が円周の中心を通過する線ＸＲから反時
計方向にθだけ傾斜するように固設されている。また、
静翼１のチップ部１３には、静翼１の腹側と背側を連通
する孔１７が穿設されている。この孔１７は複数例えば
４つの細溝１７　ａ、　１７　ａ、　１７　ａｓ　１７
　ａの集合により構成されている。

第１０図は、本発明のさらに他の実施例を示す図である
。本実施例においては、静翼１は静翼ルート部１２に於
けるその後縁線ＸＲ’が円周の中心を通過する線ＸＲか
ら時計方向にθだけ傾斜するように固設されている。ま
た、静ＩＡ１のルート部１２には、静翼１の腹側と背側
を連通ずる孔１７が４つ穿設されている。この孔１７は
複数例えば４つの細溝１７ａ、１７ａ、１７ａ、１７ａ
の集合により構成されている。

第１１図は、本発明のさらに他の実施例を示す図である
。本実施例においては、静ＴＡ１は、静翼ルート部１２
におけるその後縁線ＸＲ’が円周の中心を通過する線Ｘ
Ｒから反時計方向にθだけ傾斜するように固設されてい
る。また、静ＴＡ１のチップ部１３には中空の構造とな
っており、腹側と背側に各々櫛歯状のスリット１９およ
びスリット２０が穿設されている。

第１２図は、本発明のさらに他の実施例を示す図である
。本実施例においては、静翼１は静翼ルート部１２にお
けるその後縁線ＸＲ’が円周の中心を通過する線ＸＲ’
から時計方向にθだけ傾斜するように固設されている。

また、静翼１は中空の構造となっており、腹側と背側に
各々櫛歯状のスリット１９およびスリット２０が穿設さ
れている。

第１３図は、本発明のさらに他の実施例を示す図である
。本実施例においては、静Ｗｌは、ルート部１２におけ
るその後縁線ＸＲ’が円周の中心を通過する線ＸＲから
反時計方向にθだけ傾斜するように固設されている。ま
た、静ＴＡ１のチップ部１３には、静ＴＡ１の腹側と背
側を連通ずるスリット１７が穿設され、該スリット１７
に多孔質板２１が嵌込まれている。

第１４図は、本発明の他の実施例を示す図である。本実
施例においては、静翼１はルート部１２におけるその後
縁線ＸＲ’が円周の中心を通過する線ＸＲから時計方向
にθだけ傾斜するように固設されている。また、静翼１
のルート部１２には、静ＩＡ１の腹側と背側を連通ずる
スリット１７が穿設され、該スリット１７に多孔質板２
１が嵌込まれている。

以上第９図ないし第１４図における他の実施例・におい
てもその作用は第１の実施例と同様である。

即ち、第９図、第１１図、第１３図の実施例においては
、前述の定義よりθ＞０であるので、■式からも明らか
なように、下向きの流れが生じる。

このため、静翼間流れのルート部１２においても、十分
な流れが得られるため、静ＴＡ１の腹側と背側との圧力
差に釣り合う遠心力が得られ、二次流れ損失を低減する
ことができる。

一方、チップ部１３については、静翼１の腹側と背側を
スリット１７により貫通する構造となっている。このた
め、静翼１のチップ部１３に於ける腹側と背側の圧力は
ほぼ等しくなり、静翼腹側と背側の圧力分布（圧力差）
はほぼゼロとなる。

チップ部１３において流れが減少し、遠心力は小さくな
るが、静翼腹側と背側の圧力差も小さくなるため、両者
は釣り合うことができ、二次流れを抑制することができ
る。

また、第１Ｏ図、第１２図、第１４図の実施例において
は、前述の定義よりθ＜０であるので、０式からも明ら
かなように、上向きの流れが生じる。このため、静翼間
流れのチップ部１３においては、十分な流れが得られる
ため、静翼１の腹側と背側との圧力差に釣り合う遠心力
が得られ、二次流れ損失を低減することができる。

一方、ルート部１２側については、静Ｗｔ１の腹側と背
側をスリット１７により貫通する構造となっている。こ
のため、静翼１のルート部１２における腹側と背側の圧
力はほぼ等しくなり、静翼腹側と背側の圧力分布（圧力
差）はほぼゼロとなる。

ルート部１２において流れが減少し、遠心力は小さくな
るが、静翼腹側と背側の圧力差も小さくなるため、両者
は釣り合うことができ、二次流れを抑制することができ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の軸流タービンによれば、
静翼をその後縁線が、円周の中心を通過する線から傾斜
するように固設し、静翼の腹側と背側を連通する孔を流
体の出口側より見て、ルート部における静翼の後縁線が
円周の中心を通過する線から傾斜する角度を静翼腹側が
ルート部に近づく方向を正に規定してθとしたとき、θ
＞０ならば、静翼上のチップ部に連通孔を設け、θ＜０
ならば、静翼上のルート部に連通孔を設けるようにした
ので、静翼ルート部およびチップにおける二次流れ損失
を低減することができ、軸流タービンプラント効率の向
上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成を示す図、第２図は第１
図に示す静翼をＢ方向から見た図、第３図は静翼腹側と
背側との圧力差を示す図、第４図は本発明の他の実施例
の構成を示す図、第５図は第４図に示す静翼を用いた場
合の段落内の流れを示す図、第６図は本発明の他の実施
例の構成を示す図、第７図は第６図に示す静翼をＣ方向
から見た図、第８図は本発明のさらに他の実施例の構成
を示す図、第９図は本発明のさらに他の実施例の構成を
示す図、第１０図は本発明のさらに他の実施例の構成を
示す図、第１１図は本発明のさらに他の実施例の構成を
示す図、第１２図は本発明のさらに他の実施例の構成を
示す図、第１３図は本発明のさらに他の実施例の構成を
示す図、第１４図は本発明のさらに他の実施例を示す図
、第１５図は軸流タービンの１段落の構成を示す図、第
１６図は静翼表面の圧力分布を説明するための図、第１
７図は二次流れを説明するための図、第１８図は静翼に
おける損失分布を説明するための図、第１９図は従来装
置の構成を示す図、第２０図および第２１図は静翼出口
の流れを説明するための図、第２２図は従来゛装置にお
ける段落内の流れを説明するための図である。 １・・・・・・・・・静翼 ２・・・・・・・・・内輪 ３・・・・・・・・・外輪 ４・・・・・・・・・ケーシング ５・・・・・・・・・回転軸 ６・・・・・・・・・ディスク ７・・・・・・・・・動翼 ８・・・・・・・・・内壁 ９・・・・・・・・・外壁 １０・・・・・・・・・静翼腹側 １１・・・・・・・・・静翼背側 １２・・・・・・・・・静翼ルート部 １３・・・・・・・・・静翼チップ部 １４・・・・・・・・・二次流れ １５・・・・・・・・・二次流れ渦 １６・・・・・・・・・流線 １７・・・・・・・・・連通孔 １８・・・・・・・・・作動流体の流れ１９・・・・・
・・・・静翼前縁のスリット２０・・・・・・・・・静
翼背側のスリット２１・・・・・・・・・多孔質板 ＸＡ・・・・・・・・・軸流方向座標 ＸＡ’・・・・・・軸流方向座標 ＸＣ・・・・・・・・・円周方向座標 ′・・・・・・静翼後縁線に垂直方向の座標・・・・・
・・・・半径方向座標 ′・・・・・・静翼後縁線方向座標 ・・・・・・・・・静翼傾斜角度 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 第２図 第３図 第６図 第７図 第８図 第１０図 第９図 第１１図 第１４図 第１５図 第１６図 第１８図 第１７図 第１９図 第２０Ｍ 第２１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円周上に複数個配設された静翼と、該静翼を固定
   する上下の側壁とを備え、上記静翼と側壁とを一体にし
   て限定された環状流路を構成する軸流タービンにおいて
   、 静翼後縁線が円周の中心を通過する線から傾斜するよう
   に前記静翼を固設するとともに、この静翼の上下どちら
   か一方の側壁側近傍に前記静翼の腹側と背側とを連通す
   る連通孔を穿設したことを特徴とする軸流タービン。
2. （２）前記環状流路の下流側から上流方向に臨んで、下
   部側壁近傍の静翼後縁線と円周の中心を通過する線との
   なす角度を前記静翼腹側が下部側壁に近づく方向を正に
   規定してθとしたとき、θ＞０の場合に、前記連通孔を
   前記静翼の上部側壁近傍に設け、 θ＜０の場合に、前記連通孔を前記静翼の下部側壁近傍
   に設けたことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン
   。