JPH03100302A - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は軸流タービンであって、その出口側回転翼にデ
ィフューザが接続されており、ディフューザの遅延ゾー
ン内部に、スワールを持つ流れのそのスワールを取除＜
ｔ；めの手段が設けられた形式のものに関する。

［従来技術］ 上記のようなタービンはＥＰ−Ａ２６５６３３明細書か
ら知られている。ここでは、部分負荷時にできる限り最
良の圧力回復率を得るという要求を適えるためにはディ
フューザ内部に整流を行なう翼列が設けられ、この翼列
は貫流される通路の全高にわたって延びている。このス
ワールを取除く手段は全周にわたって均一に配置された
、３つの厚いプロフィールを持つ流れリブであり、流れ
リブは流体機械構造の知識に基いて設計され、かつこれ
は斜めの入射流に対してできる限りにふくなくてはなら
ない。リブの圧力領域を原因とする、最後の翼列への刺
激を回避するためにリブの、流れが入射する方の前縁は
最後の回転翼の出口縁から比較的遠い後方にある。この
距離は、有利には３のディフューザ縦横比が支配してい
る平面内にリブの前縁が位置するように設計されている
。したがって翼と流れリブとの間のディフューザゾーン
は全体的な回転対称構成のために妨害物がない筈である
。リブと翼との間に干渉効果が予期されないという事実
は、比較的低いエネルギーレベルが支配的である平面内
で初めてリブが有効になることに帰せられる。

一般的なガスタービンではディフューザはアイドリング
時に約１．２の速度比ＣＨ／　Ｃ＠の下で流過を受ける
。ここでＣ３は媒体の接線方向速度、かつＣ１は軸方向
速度を表わす。この斜めの入射流は後述の第２図から判
るように（曲線Ａ）、圧力回復率ｃｐの低下をもたらす
。

例えば蒸気タービンまたは渦流成層燃焼（Ｗｉｒｂｓｌ
ｓｃｈｉｃｈＬ−ｆｅｕｅｒｕｎｇ）のためのガスター
ビンのような他の機械タイプでは実に容積流が４０％に
低下せしめられ、したがって３までのｃｔ／Ｃ１比が存
在することになる。このような機械タイプでは公知のデ
ィフューザ構成は提案されない、それというのも第２図
から判るように圧力回復率が負にすらなり得るからであ
る。このことは、流れリブのピッチ対翼弦の比が０．５
である場合（曲線Ａ）にも該当する。ピッチ対質弦比約
１の流れリブ（曲線Ｂ）（これは第２図によれば全負荷
で、すなわちＣ＋／Ｃｍ−約０で若干より大きい圧力回
復率を与えよう）はこのような機械ではそもそも使用可
能ではない。

圧力回復率の大巾な低下の他に上記の極端な状態では第
１図（同様にして下記で説明）に示されているように出
口側回転翼と流れリブとの間の強い渦流が特徴的である
。渦流は流れリブによって制限され、流れリブの所で速
度の接線方向成分は消失せしめられる。生じた逆流で固
体粒子（例えばガスタービン）または水滴（例えば蒸気
タービン）が連行されると、最後の回転列の翼で基部の
腐食といった深刻な危険が生じることがある。

渦流成層燃焼用のガスタービンの場合には、全負荷で４
０％容積流で翼後力の圧力は通常０．９８から１．１５
バールまで上昇することがある。このような背圧は、４
０％容積流では機械にとって良好に作動するディフュー
ザが存在する場合よりも大きな駆動出力を供給しなけれ
ばならないことを意味する。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の課題は、冒頭に記載の形式の軸流タービンにお
いて拡散ゾーンを機械の部分負荷挙動が更に改善される
ように構成することである［問題点を解決するための手
段］ 上記の課題を解決するための本発明の手段はスワールを
取除くための手段と出口側回転翼との間に調節可能な案
内翼が少なくとも１列配置されていることである。

［発明の効果］ 本発明の利点は、大きな負荷範囲にわたって著しく改善
された圧力回復率が得られる他に、中でも上述の渦流が
そもそも生じた場合でもこれが案内翼と流れリブとの間
で初めて形成されしたがって回転する出口側回転翼に対
して不都合な影響を及ぼすことがないことである。

案内翼が対称的なプロフィールを有する直線の中線を持
っていると特に有利である。この手段を用いてこのよう
な翼列の、流れの中でのにぷい形状に基づく十分に知ら
れた性質を損失の少ない変向案内に利用することができ
る。

［実施例］ 図面には本発明の現解に必要である部材のみが示されて
いる。装置のうち、例えば圧縮機部分、燃焼室並びに完
全な排気管および煙突は示されていない。作業媒体の流
れ方向は矢印で示されている。

公知のガスタービン（第１図にはこのうち最後の３つの
軸流段が示されているにすぎない）は主として翼を備え
たロータｌ′と案内翼を備えた翼支持体２′とを備えて
いる。翼支持体はタービンケーシング３′内に懸架され
ている。

ロータは支持軸受４′内に支承され、支持軸受自体は排
ガスケーシング５′内で支持されている。この排ガスケ
ーシング５′は主にボス側の内側の部材６′と外側の部
材７′とを備え、これらはディフューザ１３’を制限し
ている。両部材６′と７′は軸方向の分割平面を持たな
い一体の鉢形ケーシングであってよい。両部材は複数の
、溶接された、支持の働きをする流れリブ８′を介して
互いに結合されており、流れリブは全周にわたって均一
に分配され、かつそのプロフィールは符号９′で示され
ている。冒頭に挙げた理由から流れリブ８′が翼に対し
て適切な距離に配置されていることは認めることができ
る。

同様にして強い渦流ｌＯが認められる。この渦流は低い
部分負荷では出口側回転翼１２’と流れリブ８′との間
に形成され、本発明でこの渦流を回避するのが重要であ
る。

このような渦流の結果は第２図の表に示すことができる
。すべての計算と試験の基礎である絶対値が示されてい
ないことは明らかである。

それというのも絶対値は余りにも数多くのパラメータに
依存しているために不十分な説得力しか持たないと思わ
れるからである。したがって示された曲線はとりわけ質
的に解釈すべきである。表の横軸にＣ＋／ｃ、の値が取
られ、この値は容積流のための基準である。これは最後
の出口側回転翼からの流出角αのタンジェントでありこ
こでＣ３は接線成分を、かつＣ８は垂直成分を表わす。

機械の回転数一定では負荷が減少すると、したがって容
積流が減少するとこの角度は大きくなる。

縦軸には圧力回復率Ｃｐが取られており、これは第１次
近似で比（ｐＡ−ｐｍ）　／　（ｐｍｔ−ｐｍ）に相当
する。式中１）Ａはディフューザの出口における静圧を
表わし、ｐｔはディフューザの入口における静圧を表わ
し、かつｐ零〇はディフューザの入口における、シｔ；
がって翼の出口における総圧力を表わす。

曲線Ａはディフューザ内の圧力回復率を示しディフュー
ザはピッチ対翼弦の比０．５を持つ流れリブを備えてい
る。あるｃ、／ｃ、−値までの低下はまあ受容できるが
、容積流が小さくなると圧力回復率は劇的に悪化するこ
とが認められる。ピッチ対翼弦の比約１の流れリブを使
用した場合に、曲線Ｂは完全に不適当な経過を示す。

これを取除くためには第３図に示されているように本発
明により出口側回転翼１２と流れリブ８との間に１列の
調節可能な案内翼１１が配置されている。第３図に示さ
れたガスタービンは構造上は第１図のものに等しい、し
たがって構成については説明を繰返さない。第１図と同
一の部材については第３図では同一の符号で（′）を付
けずに示す。整流する流れリブ８は直線の中線とピッチ
対翼弦の比０．５を有し、全周にわたって均一に分配さ
れている。この比は半径方向でみて円錐形状に延びる流
れリブの、貫流される通路の中心断面において生じる。

案内翼１１は同様にして例えばＮＡＣＡＯＯｌＯとして
知られているような直線の中線を持つ対称的なプロフィ
ールである。本例ではこの案内翼は貫流される過酷の中
心断面においてピッチ対翼弦の比０．５を有している。

このような翼は斜めにの入射流に対しである程度までは
にぷい形状である［ショルツ（Ｎ、　５ｃｈｏｌｚ）　
著“ウンタズッフンゲン・アン・シャウフエルギテルン
・７オン・シュトレームングスマシー不ン（Ｕｎｔｅｒ
ｓｕｃｈｕｎｇｅｎ　　ａｎ　　Ｓｃｈａｕｆｅｌｇｉ
ｔｔｅｒｎｖｏｎ　　Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｏｍａｓｃｈ
ｉｎｅｎ）″　ツアイトシュリ７ト・フユア・フルーク
ヴイツセンシャフテン（Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ　ｆｕ
ｅｒ　Ｆｌｕｇｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ）誌、１
９５５、第３号所収１゜案内翼１１は半径方向に円錐形
状に延び、かつ有利にはねじられている。

翼列中における案内翼１１の調節は例えば圧縮機構造か
ら知られているような操作部材（図示せず）を介して行
なわれる。本来の調節は有利には自動的に運転パラメー
タ、例えば負荷、回転数の関数で行なわれる。軸出力が
すべての運転条件で最大可能な値を取るように案内翼の
調節が行なわれると、最大の圧力回復率が達成される。

したがって接続的な出力測定が適切である。最大の圧力
回復率はまた案内翼の調節が、案内Ｊｆｆ１１前方の、
すなわち出口側回転翼１２の後方の静圧ができる限り小
さな値を取るように行なわれた場合にも達成することが
できる。これによれば接続的な差圧測定１）Ａ−ｐｙｔ
が適当である。

第４図の円筒部分は考察のガスタービン内の翼構成を拡
大図で示したものである。図中それぞれ機械の、Ｃは絶
対速度を、Ｗは相対速度を、かつＵは周速度を表わす。

例を実施する際のす−ダを提示すると、各翼列は次のデ
ータを持つ：案内翼１１の翼弦はｌ　２５　ａｒｍ、流
れリブの翼弦は約７００ｍｍである。プロフィール厚と
翼弦との比は案内翼と、流れリブで０．１である。

案内翼１１へは近似的には、流れが出口側回転翼１２を
去る時と等しい条件下で流入する、すなわち速度Ｃおよ
び角度σ６０°で流入するさて案内翼１１は、死水域内
で働くように角βの下に設けられている。ピッチ対翼弦
比０゜５を選択した場合、この範囲は２０°である。

したがって排ガスは案内翼列をほぼ４０°の角度で出、
この角度で排ガスは斜めの入射流に対して同様にしてに
ぷい流れリブの前縁に衝突しここで排ガスは軸方向に、
すなわち０°に向けられる。

案内翼内では流れの変向のみが行なわれるのではない。

案内翼の入口と出口に示された速度ベクトルの量により
付加的な圧縮過程も起ることが判る。

所で第２図の曲線Ｃはその都度最適に調節された案内翼
の作用を示す。案内翼のないディフューザ構成と比べて
上記のＣ１／Ｃ＠−比約１までは圧力回復率は殆ど一定
であり、この後で初めて決定的に低下する。

第２図の表に曲線りによって詳述されていない例、流れ
リブがピッチ対翼弦比＝１でもって構成された例が同様
に示されている。これは、本実施例に比べて同じ翼弦長
で流れリブの数が半数に減らされることを意味する。こ
のような場合整流の仕事をより良好に果たすことができ
るようにするためにはリブは相当して厚いプロフィール
を持つことができる。リプ数が少ないとディフューザ内
に余り濡れない、かつ摩擦損失を惹起する面も存在する
ので、全負荷では、すなわち翼からの軸方向の流出では
圧力回復率は図示の場合よりも僅かにより高い。しかし
流れリブへの次第に大きくなる斜めの入射流では圧力回
復率はリブの数が多い場合よりも若干強勾配で強制的に
低下する。

実地では機械が運転される部分負荷の意味においてピッ
チ対翼弦比が最適化されることは自明である。

更に表からは全負荷で、すなわちｃ、／ｃ、比０．１〜
＋０．１の範囲で（翼の設計による）従来技術に含まれ
るディフューザ形状が若干より良い圧力回復率を達成す
ることが判る。これはディフューザ内の流れがめぐる面
積が案内翼を備えている場合よりも全体的に僅かである
ためである。

これまでの考察から、機械の全負荷では案内翼１１はそ
の中線が平均して軸方向に向けられると結論することが
できる。

しかしこの新規手段はまた最後の回転翼１２からの出口
で流れのスワールとは逆向きのねじれを与えることを可
能にする、それというのもディフューザ内の下流で軸方
向の整流が案内翼と流れリブによって行なわれるからで
ある。この逆のねじれは次の利点を有している：効率を
変えずに段作業を上昇させることができる：または 段作業を変えずに効率を上昇させることができる： 最後の回転翼列の翼をねじれのより小さい構成にするこ
とができ、これは費用節減ももならす： 最後のタービン段における変向案内を減らすことができ
、これは粒子分離のために特に渦流成層燃焼されるガス
タービンで効果が現る。

もちろん本発明は図示され、詳述された実施例に限定さ
れるものではない、この実施例は軸方向の出口を有する
ディフューザを対象とし、したがって流れリブの配置を
著しく筒単にする。本発明は特に蒸気タービンまたは排
気ターボ過給機のタービンでも使用可能であり、これら
は両者とも普通質からのいわゆる軸方向−半径方向出口
を有している。このような機械ではスワールを取除くた
めの手段は出口ケーシング自体の半径方向部分によって
代用される。

更に部分負荷範囲内の効率に対して特に高い要求がある
場合には２つ以上の前後に配置される案内翼列が考えら
れる。

最後に図示の、詳述された例を変更して案内翼の中線の
形を湾曲することもできるが、これはもちろんこの付加
手段を著しく高いものとしよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術のディフューザ系の略示原理図、第２
図はＣ１／Ｃ＠の関数で示された圧力回復率の表を示し
た図、第３図は本発明によるディフューザを備えたガス
タービンの部分縦断面図、第４図は第３図における貫流
される通路の円筒区分の展開図である。 １．１’・・・ロータ、２．２′・・・翼支持体、３３
′・・・タービンケーシング、４．４’・・・支持軸受
、５．５’・・・排ガスケーシング、６．６’７．７′
・・・部材、８，８′・・・流れリブ、９゜９′・・・
プロフィール、１０・・・渦流、１１・・・案内翼、１
２．１２′・・・出口側回転翼、１３．１３・・・ディ
フューザ。 ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸流タービンであって、その出口側回転翼（１２）
   にディフューザ（１３）が接続されており、ディフュー
   ザの遅延ゾーン内部に、スワールを持つ流れのそのスワ
   ールを取除くための手段（８）が設けられた形式のもの
   において、スワールを取除くための手段（８）と出口側
   回転翼（１２）との間に調節可能な案内翼（１１）が少
   なくとも１列配置されていることを特徴とする、軸流タ
   ービン。 ２、案内翼（１１）が対称的なプロフィールを持つ直線
   の中線を有している、請求項１記載の軸流タービン。 ３、案内翼（１１）が半径方向に円錐状に延びている、
   請求項２記載の軸流タービン。 ４、案内翼（１１）がねじられている、請求項２記載の
   軸流タービン。 ５、貫流される通路の中心断面における案内翼（１１）
   のピッチ対翼弦の比が０．５〜１である、請求項１記載
   の軸流タービン。 ６、ディフューザ（１３）内部のスワールを取除くため
   の手段が全周にわたって均一に配置された流れリブ（８
   ）であり、これらの流れリブが直線の中線と、対称的な
   プロフィールと、貫流される通路の中心横断においてピ
   ッチ対翼弦の比０．５〜１とを有している、請求項１記
   載の軸流タービン。 ７、流れリブ（８）が半径方向に円錐形状に延びている
   、請求項６記載の軸流タービン。 ８、請求項１による軸流タービンを運転するための方法
   において、案内翼を、各運転状態で軸出力が最大可能な
   値を取るように運転パラメータの関数において調整する
   ことを特徴とする方法。 ９、請求項１による軸流タービンを運転するための方法
   において、案内翼を、各運転状態で出口側回転翼と案内
   翼との間の圧力ができる限り小さな値を取るように運転
   パラメータの関数において調整することを特徴とする、
   方法。