JPH04350302A - タービン段落構造 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸気タービン，ガスタ
ービン等の各種流体機械に応用できる軸流タービンに関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、蒸気タービンやガスタービン及
び圧縮機等の軸流流体機械の一段落は、図２にその典型
的な構造を示すように、外周ダイヤフラム３と内周ダイ
ヤフラム４に固定保持された複数の静翼３１とディスク
５及びシュラウドリング２３で固定された複数の動翼２
からなり、この一つの段落を複数段設けたいわゆる多段
落から構成されている。また、静翼３１の形状は、図３
にその代表例を示したように、流体力学的に好適なプロ
フィルを選定し適用される。従って、静翼３１ａ，３１
ｂ，３１ｃ，３１ｄ等の代表的な翼列諸元である翼弦長
ｃ，最狭流路長ｓ（通常スロート長と呼ぶ）及び翼ピッ
チｔは、流れ解析や実験的な経験をもとにして決定され
ている。一方、静翼３１の上流と下流との圧力差は、静
翼根元に加わる曲げ応力として作用するが、この曲げ応
力に耐えられるように静翼３１の断面積（図３のハッチ
ング部）を確保している。しかし、蒸気タービンやガス
タービンの高中圧段落ほど静翼前後に働く圧力差が大き
くなり、これに伴って作用する曲げ応力も増加し、前述
の流体力学的に決められた静翼プロフィルがもつ静翼断
面積のみでは、強度上信頼性を欠く場合もある。その場
合には、通常、図４から図６に示す方法が適用される。 図４に示した例が最も静翼の断面積を大きくするように
翼形状を配備したものであり、環状流路の周方向に配備
する静翼３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…の全ての
静翼を流体力学的に好適とされる静翼形状（図中に破線
で示してある静翼３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ…）
の翼厚みがほぼ最大になる位置から、静翼の上流側（静
翼前縁部の方向）に延長した静翼を採用し、強度上問題
ないように静翼の断面積を確保する。しかし、前述の翼
厚みがほぼ最大になる位置から下流側の静翼形状すなわ
ち翼腹面３６背面３７のプロフィルは、流体力学的に好
適とされる静翼３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ…の形
状と同一である。このように、従来の静翼形状を翼前縁
側に延長した静翼は、ハイノズル形静翼あるいはハイノ
ーズ形静翼と呼ばれている。図５は、従来の静翼３１ａ
，３１ｂ，…とハイノーズ形静翼３５ａ，３５ｂ，…と
を環状流路の周方向に交互に配備した例であり、静翼前
後の圧力差が前述の図４の例に比べて小さい段落に適用
される。また、図６は二枚置きにハイノーズ形静翼３５
ａ，３５ｂ，…を配備した例であり、静翼前後の圧力差
が前述の図５の例に比べてさらに小さい段落に適用され
る。このようなハイノーズ形静翼の周方向配備の選定は
、通常、静翼前後の圧力差が段落反動度に依存するため
、段落の熱設計に対応して決められる。

【０００３】しかし、段落構成が信頼性に主眼を置いて
決められた場合、段落性能上好ましくない影響が生じて
くる。図４に併記したように、ハイノーズ形静翼３５ａ
，３５ｂ，…の軸方向の翼長さｌａ′は、流体力学的に
好適とされる静翼３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ…の
軸方向の翼長さｌａに比べて増大する。さらに、ハイノ
ーズ形静翼３５は静翼前縁から転向が最大になる位置ま
で流れがほとんど加速されないような翼間の流路構成に
なる。従って、ハイノーズ形静翼３５をタービン段落に
適用した場合には、図７に示したように翼根元と翼先端
に発生する二次流れ損失ζｓｒ′及びζｓｔ′が、従来
の流体力学的に好適とされる静翼３１のみを適用した場
合に比べて大幅に増加する。また、従来からタービン翼
の二次流れ損失を低減法として数多く提案されているが
（例えば、特許１０１５８３８号，特許１０３０６５３
号，特許１３７９９３３号など）、これらの提案はすべ
て従来の流体力学的に好適とされる静翼を対象としたも
のであり、ハイノーズ形静翼を対象とした二次流れ損失
低減に関する提案は、ほとんど見当らない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術に示した蒸気
タービンやガスタービンの低アスペクト比段落で部分的
に適用されているハイノーズ形静翼は、従来の流体力学
的に好適とされる静翼に比べて翼根元や翼先端の側壁近
くでの二次流れ損失が大幅に増加し、段落性能を著しく
低下させるなど、段落性能面での考慮がなされておらず
、上記のタービンを適用している発電プラントの省エネ
ルギの観点からみると、必ずしも最適な段落構成になっ
ているとは言い難い。すなわち、ハイノーズ形静翼は、
従来の流体力学的に好適とされる静翼よりも必然的に静
翼のコード長が大きくなること、翼の前縁部から適正な
翼形を形成するまでに流れの加速がほとんど現れない流
路構成になるために、翼根元や翼先端の側壁近くで二次
流れ損失が大幅に増加することは必至である。

【０００５】本発明の目的は、ハイノーズ形静翼を供試
した段落の二次流れ損失を低減し、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性能を向上させるこ
とによって、発電プラントの省エネルギ化に貢献するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、ハイノーズ形静翼上流の内周側壁と外
周側壁の一部に複数の側壁境界層吸いこみスリットある
いは吸いこみ孔を配設し、さらに前記ハイノーズ形静翼
の上流側に中空室を設け、前記ハイノーズ形静翼の根元
及び先端近くの前縁部と上流側の腹面部及び背面部に複
数の翼面境界層吸いこみスリットあるいは吸いこみ孔を
配設し、前記中空室と該翼面境界層吸いこみスリットあ
るいは吸いこみ孔を連通させる。さらに前記中空室と外
周側の側壁境界層吸いこみスリットあるいは吸いこみ孔
は、前記ハイノーズ形静翼を保持する外周側ダイヤフラ
ムの内部に配備された吸いこみスロットと連通し、前記
吸いこみスロットは、ハイノーズ形静翼の下流に配備さ
れた複数の動翼先端のシュラウドと対向して配備される
先端フィンの上流側の側壁に開口した吹き出し孔と連通
する。一方、内周側の側壁境界層吸いこみスリットある
いは吸いこみ孔は、内周側ダイヤフラム内部に配備され
た吸いこみスロットと連通し、前記吸いこみスロットは
、内周側ダイヤフラムの下部に配設された軸封パッキン
グの下流側の側壁に開口した吹き出し孔と連通する。

【０００７】本発明はハイノーズ形静翼を供試したター
ビン段落において、前記ハイノーズ形静翼の上流側壁及
び静翼翼面に発達する境界層を効果的に吸引することに
よって、前記ハイノーズ形静翼固有の二次流れを排除し
、この二次流れに起因する流れ損失を低減しようとする
ものである。また、本発明は、前記吸いこみ流れを動翼
先端フィンの上流側及び軸封パッキング装置の上流側に
吹き出すことによって、先端フィンと軸封パッキング装
置からの漏れ流れを少なくし、漏洩損失を低減しようと
するものである。

【０００８】

【作用】本発明の作用について説明する前に、まず、一
般的なタービン翼列側壁部における二次流れのメカニズ
ムについて図８から図１０を用いて説明する。側壁４の
近傍において静翼３１に流入する流れは、側壁面上で発
達した厚さδの低エネルギ流体である入口境界層５０が
、静翼３１の前縁に衝突して二つの馬蹄形渦を形成する
。この二つの渦は、背面側馬蹄形渦５１と腹面側馬蹄形
渦５２に分かれる。これらの渦が静翼３１の翼列流路内
に入ると、背面側馬蹄形渦５１は静翼背面と側壁の境界
層の発達によって次第に大きな渦に成長しながら下流へ
移行する。一方、腹面側馬蹄形渦５４は、静翼腹面と背
面との圧力差によって下流側に移行するほど静翼背面に
偏向しながら渦の大きさも拡大、成長する。このように
翼背面側に偏向しながら下流側に増長した渦を流路渦５
３という。背面側馬蹄形渦５１は、この流路渦５３によ
って入口境界層の巻きあげ領域５２のように側壁４から
剥離する流れとなる。このような剥離流れの領域５２（
図９の高さＺＴＥを示す）は、静翼３１の後縁に達する
と静翼高さのかなりの領域を占めることになる。この剥
離流れの高さＺＴＥは相対的には流路渦５３の大きさを
表すことになるが、図１０に示すように入口境界層の厚
さδに大きく依存し、入口境界層の厚さに比例して剥離
流れの高さＺＴＥが急増する。従って、本発明の対象と
したハイノーズ形静翼の場合には、流体力学的に好適と
される翼形を形成するのはかなり下流側に達してからで
あり、そのため、側壁と翼面の境界層の発達が著しく、
前述の剥離流れの領域が大幅に拡大することが懸念され
、このような二次流れによる損失もまた急増することは
必至である。

【０００９】本発明は前述の手段を講じることによって
、この不具合を解消しようとするものであるが、以下、
その作用について説明する。ハイノーズ形静翼の上流側
において、根元と先端の両側壁に側壁境界層吸いこみス
リットあるいは吸いこみ孔を設けることによって、ハイ
ノーズ形静翼の翼列に流入する前に側壁境界層の発達を
抑える作用が生じる。さらに、ハイノーズ形静翼の前縁
部，翼腹面及び背面に翼面境界層吸いこみスリットある
いは吸いこみ孔を設け、側壁と静翼前縁部、翼腹面及び
翼背面とで形成されるコーナ部の境界層を吸引すること
によって、側壁境界層が静翼前縁部に衝突した後に分か
れる腹面側馬蹄形渦と背面側馬蹄形渦の発達を抑える作
用が生じる。特に、腹面側馬蹄形渦の拡大を抑えること
は、翼列流路の下流側に拡大、発達しようとする流路渦
の成長を抑止する作用につながり、静翼後縁での剥離流
れの領域を縮小させることが可能になる。従って、ハイ
ノーズ形静翼特有の従来静翼に比べて異常に発達する二
次流れに起因する損失を低減できる可能性がある。

【００１０】また、側壁境界層及び静翼翼面境界層の吸
いこみ流れを、動翼先端フィンの上流側と軸封パッキン
装置の下流側に吹き出すことによって、動翼先端フィン
の上流側と軸封パッキン装置からの漏洩流れを抑止する
ことができ、漏洩損失を低減することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例及び変形実施例の詳細
を図１及び図１１から図１４を用いて説明する。

【００１２】図１は、本発明を適用した典型的なタービ
ン段落構造を示す。段落は、本発明による複数のハイノ
ーズ形静翼と従来の静翼を環状流路の周方向に交互に配
備した静翼１と静翼１を固定保持する外周側ダイヤフラ
ム３及び内周側ダイヤフラム４，動翼２と動翼２を固定
するシャフト６に連結したディスク５とシュラウドリン
グ２３，動翼先端シールフィン２２及び軸封パッキング
装置３０等によって主に構成される（図１の静翼１はハ
イノーズ形静翼の縦断面構造を表したものである）。段
落に流入する主流５５は、静翼１及び動翼２で構成され
る翼列流路を通過して後続する次の段落へ導かれる。外
周側ダイヤフラム３の側壁面９には、静翼１の上流側に
スリット１９を配備し、スリット１９は連通孔１８を介
して外周側ダイヤフラム３の内部に設けられたスロット
１４と連結している。さらに、スロット１４は連通孔１
７を介して側壁面９とは段差をもつ側壁面７１の先端シ
ールフィン２２の上流部に設けられた開口部２０と連結
する。側壁面９上に発達した側壁境界層は側壁境界層吸
いこみスリット１９から矢印５７のように吸引され、開
口部２０から矢印５８のように噴出される。内周側ダイ
ヤフラム４の側壁面８には、静翼１の上流側にスリット
２４を配備し、スリット２４は連通孔２５を介して内周
側ダイヤフラム４の内部に設けられたスロット２６と連
結している。さらに、スロット２６は連通孔２７を介し
て内周側ダイヤフラム４の下部側壁面７２の軸封パッキ
ング装置３０の下上流部に設けられた開口部２９と連結
する。側壁面８上に発達した側壁境界層は、側壁境界層
吸いこみスリット２４から矢印６３のように吸引され、
開口部２９から矢印６５のように噴出される。

【００１３】一方、ハイノーズ形静翼１は、前縁部６８
から図中に破線６９で示した位置までがハイノーズ部７
３と、破線６９の位置から後縁部７０までが従来の静翼
形状部７４によって形成されるが、ハイノーズ部７３の
先端側には前縁部６８の先端前縁開口部１５と連結する
先端中空室１２が配設される。先端中空室１２は、連通
孔１３を介して外周側ダイヤフラム３の内部に設けられ
たスロット１４と連結している。また、ハイノーズ部７
３の根元側には前縁部６８の根元前縁開口部１６と連結
する根元中空室１０が配設される。根元中空室１０は、
連通孔１１を介して先端中空室１２と連結している。さ
らに、図１１に示すように、ハイノーズ部７３の先端側
と根元側の背面３６と腹面３７には、先端中空室１２あ
るいは根元中空室１０と連結する複数の背面開口部４０
及び腹面開口部４１が配設される。先端前縁開口部１５
と根元前縁開口部１６には、ハイノーズ静翼１の上流側
の外周側側壁面９及び内周側側壁面８において、外周側
側壁境界層吸いこみスリット１９と内周側側壁境界層吸
いこみスリット２４によって吸引できなかった側壁境界
層を吸引する。また、図１１に示したハイノーズ静翼１
の背面開口部４０及び腹面開口部４１には、ハイノーズ
静翼１の翼列流路内部の外周側側壁面９及び内周側側壁
面８の側壁境界層と翼背面及び腹面境界層を吸引する。 根元中空室１０に導かれた流れ６１は、根元中空室１０
と先端中空室１２とを連結する連通孔１１から矢印６２
のように導かれて先端中空室１２に流入し、外周側側壁
から吸引された流れ１５と合流して、連通孔１３を介し
て外周側ダイヤフラム３の内部に設けられたスロット１
４に導かれる。このようにして、ハイノーズ静翼１の先
端及び根元端部で前縁開口部１５，１６及び背面開口部
４０及び腹面開口部４１から吸引された側壁境界層と翼
面境界層は、スロット１４から連通孔１７を介して側壁
面９とは段差をもつ側壁面７１の先端シールフィン２２
の上流部に設けられた開口部２０から噴出される。

【００１４】図１１は、本発明のハイノーズ静翼１を適
用した段落の実施例を表すもので、ハイノーズ静翼１と
従来の静翼３１が環状流路の周方向に一枚置きに交互に
配備された翼列構成を示している。ハイノーズ静翼１の
上流側の側壁面９には、側壁境界層を吸引する吸いこみ
スリット１９ａ，１９ｂ，１９ｃが配備される。このよ
うな側壁境界層を吸引する構造は、吸いこみスリット１
９に限定する必要はなく、例えば、図１２に示すように
複数の吸いこみ孔３８ａ，３８ｂ，３８ｃを配備させる
ことも可能であり、吸いこみスリット１９と同様の効果
を期待できる。また、図１３はハイノーズ静翼１と従来
の静翼３１が環状流路の周方向に二枚置きに配備された
翼列構成に本発明を適用した実施例を示したものである
。このような翼列構成は、図１１及び図１２に示した翼
列構成に比べて静翼前後の圧力差が小さい段落に適用さ
れる。

【００１５】さらに、図１４はハイノーズ静翼だけが環
状流路の周方向に配備された翼列構成に、本発明を適用
した実施例を示したものである。このような翼列構成の
場合には、ハイノーズ静翼１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの上
流側の側壁面９上に設ける側壁境界層吸いこみスリット
３８は、図１１あるいは図１３のように周方向に断続的
に配備するのではなく、連続したスリット形状が好適と
思われる。

【００１６】本発明で提案した段落構造を蒸気タービン
やガスタービンなどの軸流流体機械に適用した場合、従
来のハイノーズ形静翼に固有に現れる翼先端や根元の側
壁近くに発生する二次流れ損失の抑制が可能である。そ
の理由については前述の作用の項で詳細に説明したよう
に、ハイノーズ形静翼に流入する前の上流側側壁に発達
する側壁境界層を薄くすることによって、静翼前縁部で
、突如、発生する背面側馬蹄形渦と腹面側馬蹄形渦の成
長をかなり抑制できること、また、ハイノーズ形静翼の
翼列流路内部に流入後の側壁境界層と翼面境界層を効果
的に排除することによって、静翼の腹面側から背面側に
偏向しようとする流路渦の増長を抑制し、静翼後縁での
剥離領域の拡大を阻止することが可能と思われるからで
ある。さらに、側壁境界層や翼面境界層の吸いこみ流れ
を、動翼先端シールフィンの上流部や軸封装置の下流部
に吹き出すことによって、段落内部の漏洩流れ抑制も可
能であることが特徴である。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、ハイノーズ形静翼を適
用した段落内全損失の３０％〜４０％を占める二次流れ
損失を半減することができ、段落性能の向上に寄与でき
る。

【００１８】動翼先端部及び軸封パッキング装置からの
漏洩損失低減を図り、段落性能の向上に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的な実施例を示すタービン段落構
造の説明図。

【図２】従来の典型的なタービン段落構造の説明図。

【図３】従来の静翼の翼列構成の説明図。

【図４】従来のハイノーズ形静翼の翼列構成の説明図。

【図５】従来のハイノーズ形静翼の翼列構成の説明図。

【図６】従来のハイノーズ形静翼の翼列構成の説明図。

【図７】タービン段落の損失分布図。

【図８】タービン翼列側壁部の二次流れの特徴を示す説
明図。

【図９】タービン翼列側壁部の二次流れの特徴を示す説
明図。

【図１０】タービン翼列側壁部の二次流れの特徴を示す
説明図。

【図１１】本発明を適用したハイノーズ形静翼の翼列構
成の説明図。

【図１２】本発明を適用したハイノーズ形静翼の翼列構
成の説明図。

【図１３】本発明を適用したハイノーズ形静翼の翼列構
成の説明図。

【図１４】本発明を適用したハイノーズ形静翼の翼列構
成の説明図。

【符号の説明】

１…ハイノーズ形静翼、２…動翼、３…外周側ダイヤフ
ラム、４…内周側ダイヤフラム、８…内周側ダイヤフラ
ム側壁面、９…外周側ダイヤフラム側壁面、１０…静翼
根元中空室、１２…静翼先端中空室、１４…外周側ダイ
ヤフラムスロット、１５…静翼先端前縁部吸いこみ孔、
１６…静翼根元前縁部吸いこみ孔、１９…外周側側壁境
界層吸いこみスリット、２０…外周側側壁境界層吹き出
し孔、２２…動翼先端シールフィン、２４…内周側側壁
境界層吸いこみスリット、２６…内周側ダイヤフラムス
ロット、２９…内周側側壁境界層吹き出し孔、３０…軸
封パッキン装置、４０…翼背面吸いこみ孔、４１…翼腹
面吸いこみ孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸気タービンやガスタービン等の軸流流体
   機械の段落を構成する複数の静翼と動翼のうち、ハイノ
   ーズ形静翼と従来の静翼とを環状流路の周方向に交互に
   配備した段落において、前記ハイノーズ形静翼の上流の
   内周側壁と外周側壁の一部に複数の側壁境界層吸い込み
   スリットあるいは吸い込み孔を配設することによって静
   翼上流の前記側壁境界層の吸引を可能とし、前記ハイノ
   ーズ形静翼の先端部と根元部に中空室を配備し、前記先
   端中空室と前記根元中空室には静翼先端前縁の吸い込み
   孔及び静翼根元前縁の吸い込み孔と静翼背面及び静翼腹
   面吸いこみ孔より、静翼前縁に発生する馬蹄形渦の吸引
   と静翼翼列の流路内の前記側壁境界層及び翼面境界層の
   吸引を可能とし、前記先端中空室と前記根元中空室を連
   結する連通孔を介して外周側ダイヤフラムの内部に配設
   したスロットに前記外周側の側壁境界層及び前記翼面境
   界層を吸引した流れを導き、かつ、前記スロットと連通
   する動翼先端シールフィンの上流側壁に開口する吹き出
   し孔から前記吸引流れを噴出させ、さらに、内周側の前
   記側壁境界層の吸いこみスリットから吸引した流れを内
   周側ダイヤフラムの内部に配設したスロットに導き、か
   つ、前記スロットと連結する連通孔を介して軸封パッキ
   ン装置の下流部に開口した吹き出し孔より、前記の内周
   側の前記側壁境界層の吸いこみ流れを噴出することを特
   徴とするタービン段落構造。