JPH023006B2

JPH023006B2 -

Info

Publication number: JPH023006B2
Application number: JP57160851A
Authority: JP
Inventors: Norio Yasugadaira; Takeshi Sato; Yoshiaki Arima
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-09-17
Filing date: 1982-09-17
Publication date: 1990-01-22
Also published as: JPS5951104A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は軸流流体機械の段落の内部構造に係
り、特に蒸気タービン及びガスタービンに好適な
段落内部構造を提供することを目的とする。

〔従来の技術〕

一般に、蒸気タービンやガスタービンなどの軸
流流体機械の段落は、静止翼と回転動翼との翼列
によつて構成され、動翼が回転することによつて
お互いの翼列は相対運動をする。この場合、静翼
の下流側に位置する動翼は、静翼後流を横切つて
通過する為に、干渉作用が働いて付加損失をもた
らす。特に、蒸気タービンの高圧タービンのよう
な短翼で構成された段落では、前記の付加損失と
側壁に発達する二次流れ損失とが複雑に綜錯して
極めて乱れた流れ現象を呈する。

第１図は従来のタービン段落構造を示す縦断面
図であ。通常の蒸気タービンやガスタービンの段
落は、本図に示す如く環状に複数個配列された静
止翼１と該静止翼を固定、保持する上部ダイヤフ
ラム２、下部ダイヤフラム２′、軸封装置９、前
記静止翼１の下流側に環状に複数個配列された回
転動翼３、及び該回転動翼３の頂部を連結して固
定するシユラウドリング５が設けられる。動翼３
の下方のデイスク２８にはスラスト力を軽減する
ためにバランスホール１０が配設されており、前
記のシユラウドリング５に対向せしめてシールフ
イン７が設けられている。上述のような従来形の
タービン段落構造においては、静止翼１と回転動
翼３とが相対的に運動するため次記のような現象
を呈する。即ち、第２図に示す如く、動翼３は静
止翼１の後流を順次横切りながら回転して通過す
る。このため、速度欠損の大きい後流部イと、速
度欠損の無い主流部の流れロとが交互に動翼３に
流入することになり、動翼に対して速度変動と迎
え角変動とを誘起する。これらの流れの変動は時
間的に変化する、いわゆる非定常な流れであつ
て、動翼々面の速度変動と圧力変動を招いてしま
う。したがつて、局所的に境界層を発達させて剥
離現象まで引き起す結果となり、定常流における
動翼損失よりも大幅に損失が増加する。

本発明者らは上記の付加的損失について実験し
た結果、この付加的損失は第２図に示す静止翼１
と回転動翼２との軸方向間隔Ｚによつて影響され
ることを確認した。その情況を第３図に示す。本
図表は横軸にＺ／Ｃの値（ただし、Ｃは翼弦長）
をとり、縦軸に損失をとつてある。この図表から
容易に理解できるようにＺ／Ｃが小さい場合には
付加損失ζ_uが大きく、Ｚ／Ｃの増加とともにζ_uが
減少するような特性をもつ。しかし、Ｚ／Ｃの増
加は上部ダイヤフラム２及び下部ダイヤフラム
２′の壁面摩擦損失の増加を招くために、動翼３
への流入境界層を厚くし、動翼の二次流れ損失ζ_w
を大きくしてしまう。したがつて、ζ_uとζ_wとは
Ｚ／Ｃに対してお互いに相反する特性となり、徒
らにＺ／Ｃを大きくすることは動翼全体の損失増
加につながる。両者の損失を考える場合には、
Ｚ／Ｃに関する適性値が存在することになり、
Ｚ／Ｃ＝0.25〜0.3程度が最適であることを本発
明者らは実験的に確認している。この実験的事実
は、翼間距離Ｚをある程度離す方が都合よいこと
を示している。

上に述べた付加損失ζ_uおよび二次流れ損子ζ_wの
発生位置を翼の長さ方向について見ると第４図の
如くであつて、付加損失ζ_uは翼の全長にわたつて
一様に分布し、二次流れ損失ζ_wは動翼３の先端部
と根元部に集中して発生している。

上記の付加損失ζ_uは翼間距離をなるべく大きく
設定することによつて抑制し得るが、こうした条
件下においては二次流れ損失ζ_wが大きくなるとい
う不具合を生じる。従来においてはこの二次流れ
損失を軽減するための有効な方策が無かつた。

〔発明の目的〕

本発明は上記の事情に鑑みて為され、その目的
とするところは前記の翼間距離Ｚを適宜に設定し
て付加損失を最小ならしめるようにし、この条件
下において、二次流れ損失を減少せしめ得るター
ビン段落の内部構造を提供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明のタービン
段落の内部構造は、段落を構成するダイヤフラム
に作動流体のバイパススロツトを形成し、その流
入口を静止翼の後縁端よりも後流側に設け、下部
ダイヤフラム側の流出口はロータデイスクのバラ
ンスホールに対向せしめて配列し、上部ダイヤフ
ラム側の流出口はシールフインの間に開口せしめ
た。

〔本発明の事施例〕

次に本発明の一実施例を第５図乃至第１０図に
ついて説明する。

第５図は、本発明を適用したタービン段落の構
造を示している。段落の主構成要素である静止翼
１は、ケーシング６に装着した上部ダイヤフラム
２と下部ダイヤフラム２′によりそれぞれ翼頂部
と翼根元部を固定保持されている。前記静止翼１
の下流側に配備された動翼３はその翼頂部をシユ
ラウドリング５で連結して固定され、翼根元部を
デイスク１２によつて保持されている。また、デ
イスク１２の中途部にはスラスト力を軽減させる
ためにバランスホール１０が穿孔されている。前
記の下部ダイヤフラム２′とロータシヤフト１３
との間にはラビリンス型軸封装置９を設け、上部
ダイヤフラム２と動翼３のシユラウドリング５と
の間には１対のラジアルシールフイン７，７′を
設ける。

静止翼１の出口部の下部ダイヤフラム２′の上
壁面に開口部２５を有するバイパススロツト１５
を形成し、該バイパススロツト１５により静止翼
１から流出する流量G₃の一部を抽気し（特にダ
イヤフラム側壁近傍の二次流れ領域の流量を抽気
する）、下部ダイヤフラム２′に縦方向に設けたバ
イパススロツト１５を介して端部に設けた噴出孔
１９まで導き、該噴出孔１９より下部ダイヤフラ
ム２′とデイスク１２によつて囲まれた空間３２
に高速で噴出せしめる。

上に述べたバイパス流動を行なわせる作動流体
の圧力分布を第５図、第６図を参照して次に述べ
る。下部ダイヤフラム２′とデイスク１２で囲ま
れた狭い空間３２内の流体は、動翼３即ちデイス
ク１２の回転に伴つて第６図に示す圧力勾配が半
径方向に発生する。即ち、下部ダイヤフラム２′
の上壁面１７の圧力P₁よりもデイスク１２のバ
ランスホール１０開口部の圧力P₂は大幅に低く
なるため、バイパススロツト１５内の流体は圧力
差ΔP＝P₁−P₂を駆動源として噴出孔１９より高
速で噴射されることになる。また、この場合、ラ
ビリンス型軸封装置９の後流の圧力P₃よりも高
い圧力の流体を噴出させることになるので、前記
軸封装置９の軸封作用をより効果的に働かせるこ
とが可能となる。このように本発明装置は軸封装
置９の機能を助けるように作用するので、該軸封
装置９を構成するシールフインの枚数を減じて簡
略化することも可能となる。

以上のように、静翼１の出口ダイヤフラム壁面
に沿つて設けたバイパススロツト１５は二次流れ
を吸い取つてバイパスさせ、二次流れ損失を軽減
させる。このように二次流れを吸い取る効果は、
バイパススロツトの流入口を静止翼の後縁端に設
けると共に、該バイパススロツトの流出口を上記
の流入口に比して作動流体の下流側に設けること
によつて達成される。

第７図は作動流体のエントロピーエンタルピ曲
線であり、本図に付記したP₁，P₂，P₃はそれぞ
れ第６図におけるP₁，P₂，P₃に対応している。
本第７図に示したように、静止翼１で膨張した後
の流体の温度T₂は明らかに軸封装置９を通過し
たあとの流体の温度T₁よりも低くなり、この流
体温度T₂の状態でデイスク１２を冷却させるこ
とができ、冷却効果が増加する。

一方、第５図に示す如く上部ダイヤフラム２の
下壁面１６の静止翼１出口部には、側壁に発達す
る二次流れを吸込む為のバイパススロツト１４を
設け、該バイパススロツトに導かれた流体を前記
シユラウドリング５に対向するシールフイン７と
７′との中間位置から噴出させることによつて、
二次流れ損失の軽減に加え、噴出流体によるシー
ル効果を動かせる。第８図は、本発明を適用した
段落構造の一部を切断した斜視図である。

本発明の効果を充分に発揮せしめるためには、
第８図、第９図に示したバイパススロツト１５の
開口部２５の形状、開口位置を適正に選定するこ
とが重要である。

第９図に示すごとく静止翼１の後端縁１ａとバ
イパススロツト開口部２５の手前側との距離をＹ
とし、同開口部２５の向う側までの距離（即ち、
流入口である開口部２５のタービン軸方向の幅寸
法と前記の距離Ｙとの和）をＸとする。本発明者
らの実験によれば、Ｘ／Ｙの値を0.3〜0.5に設定
し、かつ同開口部２５の幅Ｌを翼列ピツチＴに対
してＬ／Ｔ＝0.25〜0.4に設定することが適正で
ある。その理由は次のごとくである。

２次流れ損失は静翼の後端縁１ａ付近に発生す
るものであるから、これを防止するためには第９
図に示した流入口２５をなるべく静止翼１に接近
させてＹの値を小さくすることが望ましい。しか
し、Ｙの値を余り小さくすると強度上の不具合を
生じる虞れがある。強度上の不具合を生じる虞れ
を無からしめるよう、このＹの値を図示のＸの距
離との関係においてＹ／Ｘ＞0.3としなければな
らない。その半面、２次流れ損失の防止効果を得
るためにＹ／Ｘ＜0.5とする必要がある。

また、翼列ピツチＴに対して流入口２５の周方
向の幅Ｌを小さくすると、２次流れ損失防止効果
が周方向に関して不均一となり、実用上有意義な
効率向上が達成されないので、Ｌ／Ｔ＞0.25とす
る必要がある。しかし、Ｔに対してＬが大き過ぎ
ると強度上の不具合を生じるのでＬ／Ｔ＜0.4に
抑えることが適当である。

又、バイパススロツト１５から流体を噴出させ
るための噴射孔１９は、第１０図に示すように周
方向に対して複数個配設し、バランスホール１０
とは図示のごとく同一円周上に、それぞれ等間隔
に配列する。

第１１図は上部ダイヤフラム２からバイパスス
ロツト１４を介して吸込まれた流体がシールフイ
ン７と７′との中間から噴射される状況を模式的
に表わしたものである。

第１２図は本発明の変形例を示す。本例におい
てはバイパススロツト１５の流出口２６を下部ダ
イヤフラム２′の側壁２４に多数配列して穿つて
ある。これにより、上記のダイヤフラム側壁２４
に対向するデイスクの側壁面を均一に冷却するこ
とができる。

前記のバイパススロツト１５の縦断面形状を第
１３図若しくは第１４図のように先細ノズル形状
若しくは未広がりノズル形状にすると、噴射口出
口の圧力を減少させるとともに流体温度を低下さ
せて、バイパス流体の流入と冷却効果を助長し得
る。

第１５図は本発明の応用例を示す。下部ダイヤ
フラム２′に装着されたラビリンス型軸封装置９
の下流側に位置するごとく、ロータシヤフト１３
に軸流ポンプ羽根に類似した形状の漏洩防止片２
７を固着する。この漏洩防止片２７の外観は第１
６図に示すごとくである。これにより、ロータシ
ヤフトが矢印ω方向に回転すると漏洩防止片周辺
の流体は矢印Ｎのごとく上流側に向けて送られ
る。この作用によつて軸封装置９の下流端と漏洩
防止片２７との空間の圧力を上昇させて漏洩量の
低減を図る。また、この漏洩防止片２７の働き
は、下部ダイヤフラム２′とデイスク１２とに囲
まれた空間３２の圧力を減少させる作用として働
くため、バイパススロツト１５からの流体の吸引
効果を増加させて流体の流入を助長することがで
きる。

以上に説明した２種類のバイパススロツト、即
ち下部ダイヤフラム２′に設けたバイパススロツ
ト１５と、上部ダイヤフラム２に設けたバイパス
スロツト１４とはそれぞれ独立的に作用してそれ
ぞれ二次流れ損失を低減せしめるので、これら２
種類のバイパススロツトの何れか任意の一方を設
置することもでき、両方を設置することもでき
る。特に、下部ダイヤフラム２′にバイパススロ
ツト１５を設けると二次流れ損失の低減に加えて
デイスク１２の冷却を行うこともできる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明のタービン段落の
内部構造は、下部ダイヤフラムの上壁面に流入口
を有しダイヤフラム下流側端面に流出口を有する
バイパススロツトを設けると共に、該バイパスス
ロツトの流入口と静翼後縁との間隔寸法をＹと
し、該流入口のタービン軸方向の幅と上記寸法Ｙ
との和をＸとして、Ｙ／Ｘ＝0.3〜0.5ならしめ、
上記流入口の周方向の幅をＬとし、静翼の翼列ピ
ツチをＴとし、Ｌ／Ｔ＝0.25〜0.4とし、前記の流出口は前記バランスホールと同一半径
の円周上に配列されて該バランスホールに対向
し、かつ上部ダイヤフラム下壁面に流入口を有
し、前記複数のシールフインの開口流出口を有す
るバイパススロツトを設けると共に、上流流入口
は静翼後縁よりも下流側に位置せしめたことによ
り、タービン静止翼と動翼との軸方向間隔（第２
図のＺ）を適宜に設定して付加損失を最小ならし
めるように抑制した上で、二次流れ損失を減少せ
しめることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来形のタービン段落構造を示す縦断
面図、第２図乃至第４図は上記のタービン段落構
造における損失を示し、第２図は損失発生のメカ
ニズムの説明図、第３図は翼間間隔と損失との関
係を示す図表、第４図は損失の発生位置を示す図
表である。第５図乃至第１１図は本発明のタービ
ン段落の内部構造の一実施例を示し、第５図は縦
断面図、第６図は流体圧力の分布を示す図表、第
７図は流体のエントロピとエンタルピとの関係を
示す図表、第８図は一部を切断した斜視図、第９
図は静止翼とバイパススロツト流入口との関係位
置の説明図、第１０図はバイパススロツト流出口
とバランスホールとの関係位置の説明図、第１１
図は一部を切断した斜視図である。第１２図は上
記と異なる実施例の一部を切断した斜視図であ
る。第１３図及び第１４図はそれぞれ本発明の変
形例におけるバイパススロツトルの形状の説明図
である。第１５図は本発明の応用例の縦断面図、
第１６図は上記応用例におけるロータの斜視図で
ある。１…静止翼、２…上部ダイヤフラム、２′…下
部ダイヤフラム、３…回転動翼、１０…バランス
ホール、１２…デイスク、１４，１５…バイパス
スロツト、１９…バイパススロツトの流出側の噴
射孔、２５…バイパススロツトの流入側開口、２
７…漏洩防止片。

Claims

【特許請求の範囲】１上部ダイヤフラム及び下部ダイヤフラムによ
つて保持された複数の静翼と、バランスホールを穿たれたロータデイスクによ
つて保持された複数の動翼と、動翼の先端部に対向せしめて上部ダイヤフラム
に取り付けた複数のシールフインとを有するター
ビン段落構造において、下部ダイヤフラムの上壁面に流入口を有しダイ
ヤフラム下流側端面に流出口を有するバイパスス
ロツトを設けると共に、該バイパススロツトの流
入口と静翼後縁との間隔寸法をＹとし、該流入口
のタービン軸方向の幅と上記寸法Ｙとの和をＸと
して、Ｙ／Ｘ＝0.3〜0.5ならしめ、上記流入口の周方向の幅をＬとし、静翼の翼列
ピツチをＴとして、Ｌ／Ｔ＝0.25〜0.4とし、前記の流出口は前記バランスホールと同一半径
の円周上に配列されて該バランスホールに対向
し、かつ上部ダイヤフラム下壁面に流入口を有
し、前記複数のシールフインの間に流出口を有す
るバイパススロツトを設けると共に、上流流入口
は静翼後縁よりも下流側に位置せしめたことを特
徴とするタービン段落の内部構造。２前記の下部ダイヤフラムは、その内周が軸封
装置を介してロータシヤフトに対向しており、か
つ、上記ロータシヤフトは上記軸封装置の下流側
に位置せしめて軸流ポンプ羽根状の部材を固着し
ていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項
に記載のタービン段落の内部構造。