JPH05113101A - ドラム形ロータを有する衝動蒸気タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ドラム形ロータを有する衝動蒸気タービン及
びかかるタービンの改良 【構成】 衝動蒸気タービンは、ロータ（１）とステー
タ（２）とを含んでおり、複数の段（５）を有し、各段
は、静翼列（１０）を有する仕切板と、ロータに伴って
回転する翼（８）を含む動翼列（１０）とから順次構成
され、前記静翼列（１０）が段（５）の圧力降下の８５
％以上を与え、動翼（８）がディスクでなくロータ
（１）に直接装着されていることを特徴とする。これら
のタービンは、二次損失を減少させる改良を備え得る。
本発明のタービンによって数％の効率増加が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロータとステータと含
んでおり、複数の段を有し、各段が、静翼列とロータに
伴って回転する動翼列とから順次構成され、各段の圧力
降下の８５％以上が前記静翼列によって生じる衝動蒸気
タービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】公知の衝動タービンにおいては、ロータ
に一体的に固定されたディスクに動翼が装着されてい
る。

【０００３】ロータが動的挙動を有するという理由から
は（図１参照）、ロータが十分な剛性を有すること、従
って、ハブがある程度の大きさの適当な直径ＤＲを有す
ることが必要である。効率面からは逆に、ハブができる
だけ小さい直径を有しているのが好ましい。ハブの直径
を小さくすることによって固定部と可動部との間の漏れ
断面積を縮小でき、従って漏れ自体を減少させることが
できるからである。ロータの直径ＤＲは、上記の２つの
要件が折り合うように決定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ディスクの機械的品質
を低下させずに動翼をロータのディスクに固定できるよ
うにするためには、翼の基部とロータシャフトとの間に
十分なスペースを維持する必要がある。このため、直径
ＤＲが一定のとき、翼の基部直径ＤＢを所定の下限値よ
り小さくすることはできない。

【０００５】また、効率を改良するためには（図２参
照）、細長比Ｚ（翼頂端の直径Ｄｓと翼基部の直径ＤＢ
との比）を大きくするのが有利である。実際、（翼幅が
所与の値のとき）Ｚの値が大きいほど二次流（ｅ）によ
る損失が少ない。しかしながら、蒸気流の通過断面積は
機械の作動条件を設定することによって決まり、その値
はＤＢ²（Ｚ²−１）に比例する。従って、効率を改良す
るためには、ＤＢをできるだけ引き下げ、下限値に近い
値にすることが必要である。

【０００６】更に、効率を向上させるために、固定部と
可動部との間の漏れ（ｆ、ｆ’）をできるだけ減らすよ
うにすることも必要である。

【０００７】特に、静翼列の下方を通る蒸気漏れ
（ｆ’）は効率を大幅に低下させる。その理由は、第一
にこの蒸気が有効仕事量を供給しないからであり、第二
に静翼列の下流にディスクが存在するのでこの蒸気が主
流中にラジアル方向で侵入し主流の品質を低下させるか
らである。

【０００８】最後に、いくつかの場合には、ロータ及び
動翼列に作用する比較的小さい圧力（ｐ）に対する対策
として、ＤＲをやや上回る直径の釣合いピストンを機械
の頂部に配備する必要が生じ、これもまた、多少の効率
低下につながる。

【０００９】他方、段の圧力降下を段の静翼列と動翼列
との間で実質的に等しい２つの部分に分配する所謂「反
動」蒸気タービンも公知である。

【００１０】反動タービンにおいて、動翼はロータシャ
フトに直接固定されている。翼の基部の直径ＤＢはシャ
フトの直径ＤＲに近い値を有する（ドラム形ロータ）。

【００１１】動翼列において圧力降下が生じるので、動
翼列に対するスラストが極めて大きい。従って、このス
ラストの釣合いをとるために、ＤＳ（動翼の頂端の直
径）に達するような大きさの大直径の釣合いピストンを
機械の頂部に配備する必要があり、これはかなりの効率
低下を生じさせる。

【００１２】また、釣合いピストンが大直径であること
は漏れの原因にもなる。結局、スラストの問題が反動タ
ービンの極度の効率低下の原因となる。

【００１３】反動タービンにおいては、漏れを減少させ
るために基部直径ＤＢを縮小することはできない。

【００１４】実際、特に高圧モジュールの場合、基部直
径を縮小すると段数が増加し、この増加は、特定の該当
モジュールのコスト及び長手方向寸法の見地から許容で
きない程度になる。

【００１５】最後に、反動式機械、即ちドラム形ロータ
を有する機械の場合には、衝動式機械、即ちディスク形
ロータを有する機械と違って、静翼の下方を通る漏れが
妨害作用を与えないことに注目しなければならない。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、動翼を
固定するためのディスクを使用せず、反動タービンの場
合のように動翼をロータ自体に直接固定することによっ
て衝動タービンの基部直径ＤＢが縮小される。

【００１７】本発明の衝動タービンの特徴は、動翼がロ
ータに直接装着されることであり、その結果として、基
部直径ＤＢとシャフト直径ＤＲとの差が極めて小さい値
になる。

【００１８】本発明のタービンにおいては、膨張ゾーン
において蒸気通路が極めて良好に延長されるので、その
空気力学的効率を改良し得る。

【００１９】このことは、機械の頂部における質量対体
積比が小さい衝動タービンのすべての蒸気通路、特に、
質量流量が小さい亜臨界タービンの高圧蒸気通路、及び
質量流量にかかわりなく超臨界タービンの高圧蒸気通路
で重要である。

【００２０】本発明のタービンにおいて、基部直径ＤＢ
を縮小するときには段数を増加させる必要がある。

【００２１】しかしながら、段数の増加に伴って蒸気通
路の延長が生じないことに注目されたい。

【００２２】その理由としては、 −動翼が（等価の応力レベルで）同じ幅を維持してい
る、 −Δｐ及び力の作用面積が減少するので仕切板が薄くな
っている、 −ロータのディスクが削除されており、ディスクに動翼
を固定するための開孔形成に必要であった軸方向延長部
が不要である、 −ディスクと仕切板との間に必要であった間隙が不要で
ある、などがある。

【００２３】更に、蒸気通路の基部の直径が縮小される
のでモジュール全体の横寸法が小さくなると考えられ
る。

【００２４】この縮小の利点は、高圧モジュールの場合
ほど大きく、ステータ部の必要な機械的強度が容易に得
られる。

【００２５】

【実施例】添付図面に示す非限定実施例に基づいて本発
明をより詳細に以下に説明する。

【００２６】図１及び図２に示す従来の衝動タービン
は、ロータ１と、内部ステータ３と外部ステータ４とを
有するステータ２とを含んでおり、複数の段５を有す
る。各段５は、内部ステータ３に一体的に固定された仕
切板６と動翼列７とから順次構成されている。

【００２７】動翼列７はロータ１と一体的なディスク９
に固定された動翼８を含む。

【００２８】仕切板６は、動翼８に向き合って配置され
た静翼２０から成る静翼列１０を含む。静翼列２０はロ
ータ１のシャフトとの間の気密性を確保するグランド１
２を備えたリング１１を支持している。

【００２９】また、ロータ／ステータ間の気密性を確保
するグランド１３が動翼８の頂端に備えられている。こ
のグランドはステータを熱防護する機能も果たす。

【００３０】動翼８の付根は、ピン１５によってディス
ク９に固定されたフィンガ１４を備えている。

【００３１】ロータ１のシャフトの直径ＤＲは、ロータ
が剛性を維持するための十分に大きい値と、漏れを減少
させるための十分に小さい値とを折り合わせた値に決定
される。

【００３２】ディスク９の機械的品質を損なわないよう
にして翼８をディスク９に固定するために、ロータシャ
フト１と翼８の付根との間に十分なスペースを維持する
必要がある。これらの条件下にＤＲを決めると、ＤＢ
（翼の基部の直径）も決まる。

【００３３】衝動タービンにおいては、静翼列１０が１
つの段の基部での圧力降下の８５％〜９５％を与える。
残りの圧力降下は動翼列７によって与えられる。

【００３４】本発明の衝動タービンを図３及び図４に示
す。図１及び図２の素子に対応する素子を同じ参照符号
で示す。

【００３５】従ってこのタービンは、順次に配置された
静翼列１０と動翼列７とを含み、静翼列１０が１つの段
の基部での圧力降下の８５％〜９５％を確保し、残りの
圧力降下が動翼列７によって確保される。

【００３６】動翼８はディスクに固定される代わりに、
ロータ１（ドラム形ロータ）に直接固定される。その結
果として、ＤＢ’（翼８の基部の直径）はＤＲ’（ロー
タシャフトの直径）に極めて近い値になる。ＤＢ’がＤ
Ｂよりも小さいので、蒸気通路の高さＨが増加し、この
衝動タービンの効率が改良される。

【００３７】静翼列１０の高さが増加するにもかかわら
ず、圧力の作用をうける仕切板の面積は、従来のタービ
ンの同様の面積よりもはるかに小さい（内側リング１
１’は簡単な帯状リングになり、リングの外径が顕著に
縮小される）。

【００３８】更に、この技術では段の数が増加するの
で、仕切板における圧力降下Δｐが減少している。

【００３９】従って、従来の技術に比べて仕切板を薄く
することが可能である。

【００４０】従来のタービンで必要であったディスクの
開孔形成用の軸方向延長部はもはや不要である。また、
仕切板の撓みを許容するために必要であった仕切板とデ
ィスクとの間のスペースも不要である。従って間隙Ｊ１
を縮小できる。

【００４１】図１と図３との比較から分かるように、ロ
ータシャフトの直径ＤＲ’及びＤＲは実質的に等しい。

【００４２】これに反して、ＤＢ’はＤＢよりも小さ
い。本発明のタービンの段の数は比（ＤＢ）²／（Ｄ
Ｂ’）²だけ増加するが、このように段の数が増加して
も、上記のごとき理由から段の数の増加に伴ってタービ
ン長さは延長されないので、各モジュールの全長は変わ
らない。

【００４３】基部の直径ＤＢ’がＤＢよりも小さいの
で、内部ステータの直径ＤＩ’及び外部ステータの直径
ＤＥ’は、従来の衝動タービンの対応する直径ＤＩ及び
ＤＥよりも小さい。

【００４４】従って、本発明のタービンは従来のタービ
ンに比較して構造的に多大な利点を有する。

【００４５】本発明のタービンを用いて得られる効率増
加は、スーパークリティカルタービンのＨＰモジュール
の場合には５％に達し、サブクリティカルタービンのＨ
Ｐモジュールに場合には３.５％である。

【００４６】図５に示す本発明の改良によれば、グラン
ド１２を通る漏れが主流内に実質的に軸方向で注入され
るように、動翼８のヒール１６（ロータ１の外部に突出
した付根１４’の部分）及びこれらに向き合う仕切板６
の下部帯状リング１１’が面取りされている。これらの
条件下では、漏れが主流をあまり妨害しないので、効率
が更に増加する。

【００４７】面取り部１７が存在しても間隙を増大する
必要がない。従って間隙は図４のタービンの間隙Ｊ１に
等しい。

【００４８】図６に示す本発明の別の改良によれば、ロ
ータ１の軸に平行な開孔１８が各動翼８のヒール１６に
設けられている。

【００４９】仕切板６の下方を通る漏れと主流の極く一
部分との双方の流量が通過できるように開孔１８の通過
断面積は十分に大きい。その結果として、二次流の妨害
が阻止され、これに伴う損失も回避される。

【００５０】動翼８のヒール１６の開孔１８は容易に形
成でき、また、動翼列７の各々毎に最適の開孔口径を採
用し得る。これに反して、ディスクを有する衝動タービ
ンにおいては（図７）、ディスクの穴あけが難しく、シ
ャフトの直径またはフィンガの深さ次第では必ずしも穴
あけができるとは限らない。後者の場合にはまた、１つ
の穴あけバイトで全部のディスクの開孔を形成するの
で、全部の開孔が同じ口径を有することになり、開孔寸
法の最適化ができない。

【００５１】更に、穴あけの技術から考察して、開孔１
８の寸法が大きくなり易い。従って、入口の最適な丸み
付け（Ｒ／Φ；Ｒ＝開孔とディスク面との間の接続半
径、Φ＝開孔口径）、最適なＬ／Φ比（Ｌ＝開孔の長
さ）を与えることもできない。

【００５２】実際、開孔の流量係数を流体の入射角から
ほぼ独立させるためには、Ｒ／Φ比が０.５を上回る
値、Ｌ／Φ比が２を上回る値になるように選択する必要
がある。

【００５３】更に、これらの開孔１８の存在によって気
流が変化し、従ってディスクにかかる圧力分布が変化す
る。（翼の上流側と下流側との間の圧力差が翼の基部で
正確に決定されているときでも）開孔の上流端と下流端
との間の圧力差を正確に設定することができない。圧力
差のこのような不確かさは、開孔を通る流量及びディス
クに作用するスラストの双方にも反映する。

【００５４】これらの条件下では、釣合い用開孔１８の
最適寸法を決めることは極めて難しい。従って実際に
は、得られる効率増加は、理論的に予想できる最大値よ
りもはるかに少ない。

【００５５】上記と対照的に本発明の動翼列は以下のご
とき利点を有し得る： −入口の丸み付けが最適である（Ｒ／Φは約１）、 −入口の蒸気の入射角が既知の値であり、更に、開孔を
通る蒸気の流量にほとんど影響を与えない、 −（翼の基部における反動の程度によって決まる）開孔
の上流端と下流端との間の圧力差が完全に所定の値であ
る、 −比Ｌ／Φが最適である。

【００５６】これらの条件下では釣合い用開孔の寸法を
何の困難もなく決定でき、得られる効率増加は理論的に
予想される最大値に近い値である。

【００５７】更に、エンドスラストに関する不確かさが
増加しない。

【００５８】最後に、行なったすべての実験において、
必要な開孔の寸法は、開孔１８の形成によって翼８のヒ
ール１６の機械的品質が低下しないような大きさである
ことが判明した。

【００５９】図８〜１０に示す本発明の別の改良によれ
ば、各静翼に開孔１９が設けられ、開孔１９の延長上
に、周縁リング内を軸方向に延びる開孔１９’が設けら
れている。その結果として、段内にＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞
Ｐ４＞Ｐ５で存在する圧力段階を利用して、漏れ蒸気を
仕切板６のグランド１２の第１チャンバ２１から取り出
し、動翼８のグランド１３の入口で軸方向に注入し得
る。

【００６０】これらの条件下に、仕切板６の基部の漏れ
の一部が動翼８の頂端に注入され、その結果として、動
翼列７内で作用する流体の主流の流量から差し引かれる
流量が全体として減少する。これもまた効率増加につな
がる。

【００６１】更に、このシステムは、いくつかの機械の
場合には決定的ともいえる利点を有する。実際、現行の
機械では、動力の増加が、単一ロータによって得られる
ので、全負荷に到達する前に不安定になり易い。これら
の不安定生は、固定部と可動部との間の流体の漏れによ
って発生し且つ翼の周縁に作用する横方向の力に起因す
る（図９参照）。

【００６２】試験機及び実用機（遠心圧縮機及びタービ
ン）の双方において、これらの力は、グランドに侵入す
る流体がかなりの回転成分（Ｆ）を有するときには不安
定性を誘発するが、流体がグランドに軸方向（Ｆ’）に
侵入するときには安定性を維持することが判明した。

【００６３】この改良によって、蒸気は、グランド１３
の入口で静翼に対して流出角αを形成することなく軸方
向に流れる。

【００６４】従って、動翼の封じグランド１３に侵入す
る流体流の大部分は回転成分を有していない。この改良
の結果として、不安定性を誘発し易い漏れが安定性を維
持し得る。

【００６５】ドラム形ロータはディスク形ロータよりも
大きい曲げモーメントを有している上に、前記のごとき
改良によって更に、特に超臨界機械の場合のＨＰモジュ
ールの安定性の裕度がかなり増加する。

【００６６】図１１及び図１２に示す本発明の別の改良
によれば、仕切板６の封じグランド１２の最終チャンバ
２３のうちの１つのチャンバと各群の連続する静翼２０
の狭搾部２４との間に傾斜ダクト２２を設ける。圧力差
があるので、静翼列の漏れ全部が蒸気チャネル２５に再
注入される。

【００６７】この結果、動翼列の上流で静翼列１０と動
翼列７との間の間隙に少量の蒸気流が吸引される。

【００６８】これらの条件下に、仕切板６の基部の漏れ
は主流を妨害せず、（境界層を吹出すことによって）静
翼列１０のチャネル内の流れの品質を改良し得る。

【００６９】このシステムは図１２に示すようにチャネ
ル２５内のＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４の圧力段階を利用す
る。

【００７０】図５、図６、図８、図１０及び図１１に示
す改良を別々に使用することが可能である。また、特に
以下の組み合わせで同時に使用することも可能である：
図５及び図８の改良、図６及び図８の改良、図８及び図
１１の改良。

【００７１】亜臨界（１８０バール）及び超臨界（＞２
００バール）な衝動タービンのＨＰモジュールの場合に
は、本発明によって以下のごとき利点が得られる。

【００７２】ドラム形ロータを使用するだけで（図１３
参照）、考察中のＨＰ蒸気通路の空気力学的効率を、
（機械の動力及び選択された熱動力学的サイクル次第
で）１％〜４％の量（Ａ）だけ改良し得る。

【００７３】ドラム形ロータでは、前記のごとくロータ
１の直径ＤＲ’で生じ動翼列の上流に再注入される蒸気
の漏れに起因する空気力学的損失を減少させ得る装置を
容易に配置し得る（ノズル羽根の穿孔、下部帯状リング
の穿孔、釣合い用開孔の形成、下部帯状リングの面取
り）。衝動タービンでは静翼列の圧力降下が大きいの
で、漏れの再注入に起因する空気力学的損失が極めて大
きく、モジュールの効率の１％〜２％に達し得る。本発
明によって提案された装置はこの損失のほぼ７０％の量
（Ｂ）を削除し得る（図１２参照）。

【００７４】ドラム形ロータでは、蒸気力に起因するロ
ータの不安定性を減少させ得る装置（仕切板の穿孔）を
容易に配置し得る（図９及び図１０参照）。

【００７５】また、モジュールの横寸法及び重量が低減
できる。

【００７６】更に、ステータ部の耐圧性の確保が容易で
ある。

【００７７】上記の利点と同時に、モジュールの長手方
向寸法は維持されている。

【００７８】最後に、ドラム形ロータの使用及び衝動タ
ービンの原理の使用の双方によって以下の利点が与えら
れる。

【００７９】ロータの長さが所与の値のとき（双方とも
ドラム形ロータ）、衝動機械の基部の直径が反動機械の
基部の直径よりも小さい。前記のごとく、蒸気通路自体
で効率増加が得られることに加えて、衝動タービンで
は、ロータにかかるスラストが極めて小さいので、釣合
いピストンの直径が反動タービンの釣合いピストンの直
径よりもはるかに小さい。このことが更に効率増加に導
き、極めて高圧力のいくつかの機械の場合には効率増加
が２％に達する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ドラム形ロータを有する従来の衝動タービンの
断面図である。

【図２】図１のタービンの１つの段の説明図である。

【図３】ドラム形ロータを有する本発明の衝動タービン
の断面図である。

【図４】図３のタービンの１つの段の説明図である。

【図５】第１の改良を備えた本発明の衝動タービンの１
つの段の断面図である。

【図６】第２の改良を備えた本発明の衝動タービンの１
つの段の断面図である。

【図７】図６と同じ改良を備えた従来の衝動タービンの
断面図である。

【図８】第３の改良を備えた本発明の衝動タービンの１
つの段の断面図である。

【図９】静翼列の出口に由来する動翼列の頂部の漏れ
（傾斜角度α１のベクトル）を有するディスク形ロータ
の上の衝動タービンの１つの段を示す斜視図である。

【図１０】仕切板の基部から軸方向開孔を介して動翼の
頂部に達する漏れを示すドラム形ロータ上の図８の段を
示す斜視図である。

【図１１】第４の改良を備えた本発明の衝動タービンの
１つの段の断面図である。

【図１２】図１１の円筒面の断面図である。

【図１３】本発明によって得られる効率増加を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１ ロータ ２ ステータ ３ 内部ステータ ４ 外部ステータ ５ 段 ６ 仕切板 ７ 動翼列 ８ 動翼 ９ ディスク １０ 静翼列 １１’ 帯状リング １２、１３ 封じグランド １６ ヒール １８、１９、１９’ 開孔 ２０ 静翼 ２１、２３ チャンバ ２２、２５ チャネル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータとステータとを含んでおり、複数
   の段を有し、各段が、静翼列を有する仕切板とロータに
   伴って回転する翼を有する動翼列とから順次構成され、
   各段の基部における圧力降下の８５％以上が前記静翼列
   によって与えられる衝動蒸気タービンであって、動翼列
   がロータに直接装着されていることを特徴とする衝動蒸
   気タービン。
2. 【請求項２】 仕切板の基部に漏れを含み、前記漏れが
   実質的に軸方向で主流内に注入されることを特徴とする
   請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 【請求項３】 ロータに固定された各翼のヒールは、ロ
   ータの軸に実質的に平行でヒールの両側を互いに連通さ
   せる開孔を備えており、前記開孔の入口は、仕切板の基
   部の近傍に位置していることを特徴とする請求項１に記
   載の蒸気タービン。
4. 【請求項４】 仕切板の基部が、複数の直列チャンバを
   有する封じグランドを含んでおり、動翼の頂端が封じグ
   ランドを含んでおり、静翼及び仕切板が、仕切板の基部
   のグランドの第１チャンバから漏れ蒸気を吸引し且つ動
   翼のグランドの入口で該蒸気を軸方向に注入する開孔を
   備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項
   に記載の蒸気タービン。
5. 【請求項５】 静翼の付根が装着された仕切板の帯状リ
   ングが、複数の直列チャンバから成る封じグランドを含
   んでおり、仕切板の基部の漏れが、静翼列の連続する２
   つの翼によって形成されたチャネルに接線方向で再導入
   されるように、前記帯状リングが、最終チャンバの１つ
   と主流とを接続する傾斜チャネルを含むことを特徴とす
   る請求項１に記載の蒸気タービン。