JPH07332007A - タービン静翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、静翼の後縁端に波状の凹凸を
設け、半径方向の流れ分布を干渉しやすくすることによ
り、静翼の後縁端の下流側に生じるウエイクによる速度
欠損割合を低減し、タービン段落の流れ性能を向上する
タービン静翼を提供することにある。 【構成】ダイヤフラム外輪とダイヤフラム内輪の間に形
成される環状流路内に、複数枚の静翼と複数枚の動翼で
構成される軸流タービンの段落において、前記静翼は根
元から先端にかけて多断面構造とし、該静翼の後縁端
は、静翼下流側の流れの逆方向から見て、前記ダイヤフ
ラム内輪からダイヤフラム外輪にかけて、凹凸のある波
状の面を形成するタービン静翼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸気タービンやガスタ
ービンなどの軸流流体機械の静翼構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】タービン段落での流体の流れは複雑な３
次元流れとなるが、タービン性能の向上を図る上で、内
部損失を低減する段落流路の適正化がすすめられてい
る。しかしながら、その方法はまだ十分なものとは言え
ず大きな課題となっている。

【０００３】図２に一般のタービン段落の子午面形状を
示す。静翼１は動翼２１への流れを制御するものであ
り、ダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪３により支
えられている。一方、動翼２１はロータ２０に埋め込め
られ、静翼１に対向して下流側に配設される。上記のタ
ービン段落に供給された蒸気または燃焼ガス等の作動流
体は静翼１を通過する際、周方向に十分な旋回力が与え
られた後、対向する動翼２１に吹き付けられる。そして
最終的には作動流体の旋回力は動翼２１を介してロータ
２０の回転力に変換される。

【０００４】このようなタービン段落を形成する静翼１
において、幾何学的な特性のため個々の静翼間で形成さ
れる流路では大きな圧力勾配が存在する。この圧力勾配
は、円周方向及び半径方向にそれぞれ存在する。また、
静翼１では図３に示すように流れが転向することによっ
て、遠心力の影響により腹側から背側にかけて向かう二
次流れが発生し、背側に衝突して巻上がる二次渦を発生
する。

【０００５】以上のような二次流れや圧力勾配は作動流
体の主流に影響を及ぼし、複雑な３次元流れを助長し、
流れのエネルギーが散逸するため、内部損失をもたら
す。

【０００６】これらの回避方法として従来より次のよう
な構造が考案されている。

【０００７】ひとつは、図４に示すように静翼１を動翼
の回転方向１７に対してある角度（接線方向傾き角１
６）傾けて取り付ける構造。あるいは、図５に示すよう
に静翼の根元では動翼の回転方向に傾き角１８を設け、
先端では動翼の回転方向とは逆方向に傾き角１９を設け
る構造などがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の方
法においては、次のような課題がある。

【０００９】静翼と動翼の流れの干渉では、従来の技術
で述べた現象による流れ損失の他に、以下に述べる現象
から生じる損失がある。

【００１０】図６に静翼１を通過した後の流れの速度分
布を示す。静翼１を流れが通過したあと、静翼１の後縁
端は厚みがあるので、静翼１の後縁端の下流側では周囲
の流れの速度よりも小さい流れ場を生じる。この流れの
領域を特にウエイクと呼ぶ。動翼２１は静翼１の下流側
に配設され、周方向に回転するので、動翼２１に流入す
る流れは一様ではなく、必ずこのウエイクを伴う流れの
分布を過ぎる。そのため、動翼への入射角が変化し流れ
の損失を生じる。

【００１１】図４及び図５のような構造の場合、二次流
れなどによる流れの損失を低減するための効果はある
が、ウエイクを低減する効果については考慮されておら
ず、タービン段落内での流れの損失を低減する発明とし
ては、まだまだ不十分なものである。

【００１２】本発明の目的は、静翼の後縁端に波状の凹
凸を設け、半径方向の流れ分布を干渉しやすくすること
により、静翼の後縁端の下流側に生じるウエイクの分布
を低減し、タービン段落の流れ性能を向上するタービン
静翼を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
のタービン静翼は、静翼の後縁端に波状の凹凸を設け、
半径方向の流れの干渉を増進することにより、静翼の後
縁端の流れの速度分布が周囲の流れと同様な速度分布に
なり、ウエイクによる流れ損失が低減できるという着想
に基づき発明されたものである。

【００１４】（１）本発明は、ダイヤフラム外輪とダイ
ヤフラム内輪の間に形成される環状流路内に、複数枚の
静翼と複数枚の動翼で構成される軸流タービンの段落に
おいて、前記静翼は根元から先端にかけて多断面構造と
し、該静翼の後縁端は、静翼下流側の流れの逆方向から
見て、前記ダイヤフラム内輪からダイヤフラム外輪にか
けて、凹凸のある波状の面を形成することを要点とす
る。

【００１５】（２）本発明は、請求項１において、前記
静翼の後縁端の波状の面は、前記ダイヤフラム内輪から
ダイヤフラム外輪に向かって、凹凸の分布が徐々に密で
あることを要点とする。

【００１６】

【作用】本発明によるタービン静翼を用いれば、静翼の
下流側のウエイクを伴う速度分布が、静翼の後縁端に設
けた半径方向の凹凸部の影響で、半径方向の各断面で、
周方向に少しずつずれた位置に発生する。そのため、あ
るウエイクの部分は、流体の粘性の影響により半径方向
上下のウエイクより速い流れに引きずられ、速度分布の
欠損した部分はある速度を持つようになり、速度分布の
欠損部分は緩和される。よって、静翼の下流側の流れは
動翼に流入する間に、均一な速度分布である流れとなる
ため、動翼の流れの損失は低減され、ひいてはタービン
段落での流れ性能は向上する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２，図
６〜図９を用いて詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明を取り入れたタービン静翼
の全体構成図である。また、図２はタービン段落の全体
構成図、図６はタービン静翼下流側の流れ分布の模式
図、図７は静翼下流側の流れ方向の逆方向から見た静翼
の構成図、図８は図７の断面１１，１２でのタービン静
翼下流側の流れ分布の模式図、そして図９は本発明を取
り入れたタービン静翼下流側の流速分布である。

【００１９】第１実施例である図１において、１は静
翼、２はダイヤフラム外輪、３はダイヤフラム内輪を各
々示し、４は上記のもので構成される流路を流れる流れ
の主流を示す。また、図２で２０はロータを示し、２１
は動翼を示す。また、図中の５は静翼背側、６は静翼腹
側を示し、７は静翼の後縁端に設けた周方向の凹凸部を
示す。また、図６で８は静翼下流側の流速分布、９はウ
エイク、１０は静翼後縁端を示し、図７で１１，１２は
静翼後縁端の凹凸の分布が各々異なる静翼の周方向断面
を示す。さらに、図８で８１は、図７の静翼の周方向断
面１１での静翼下流側の流速分布、８２は静翼の周方向
断面１２での静翼下流側の流速分布を各々示す。

【００２０】さて、蒸気あるいは燃焼ガスなどの作動流
体が、図２で表したタービン段落を通過する場合、ター
ビン静翼では図１の４で表した矢印の方向に主流は流れ
る。このタービン静翼を通過した後の下流側の周方向速
度分布は、静翼後縁端１０の影響で一般に図６に示すよ
うになり、周方向に速度欠損部分すなわちウエイク９を
伴った分布となる。さてここで、本発明を取り入れた図
１に示すタービン静翼での静翼下流側の流れはどのよう
になるか考える。図７において、静翼の周方向断面１
１，１２で流れは半径方向に全く干渉しないことを仮定
すれば、静翼１の下流側の速度分布は、図８において、
各々８１，８２のようになる。すなわち、静翼後縁端の
周方向に設けた凹凸部７の影響で、周囲の流速分布より
も小さい流速であるウエイクの分布が、静翼の周方向断
面１１と静翼の周方向断面１２の各々の位置で周方向に
ずれて現われることになる。

【００２１】しかしながら、実際は流れの粘性の影響に
より、半径方向に速度差があれば、互いに均一な流れに
なろうと干渉するので、本発明を取り入れたタービン静
翼の下流側の周方向流速分布は、図９のようになる。す
なわち、本発明によれば、静翼１の静翼後縁端１０の半
径方向に設けた波状の凹凸部のために、ウエイクの分布
は半径方向に互い違いに分けられ、流速分布の小さい部
分と大きい部分を干渉する度合いを促進することがで
き、図２に示した静翼１と動翼２１の軸方向の間隙の間
で、周方向に均一な流速分布になる。そのため、動翼に
流入する流れは周方向に均一な流速分布となり、タービ
ン段落での流れ損失の低減が可能となる。次に本発明の
第２実施例について、図１０と図１１を用いて詳細に述
べる。

【００２２】図１０はタービン段落の容積が半径方向に
広がった扇形度を持ったタービン段落の流れの模式図で
あり、図１１は静翼下流側の流れ方向の逆方向から見た
静翼の構成図である。

【００２３】図１０において、タービン段落の容積が半
径方向に広がった扇形度を持ったタービン段落の流れは
等流量線で示すと８′のような流れとなり、一般に半径
方向内周側と外周側の流量分布を比べると、図１０のよ
うに外周側の等流量線分布は密になる。そのため、先に
述べたウエイクによる流れ損失の度合いは、外周側の方
が内周側に比べて大きい。これに対して、図１１に示す
ように静翼の後縁端に設けた周方向の凹凸部７を内周側
から外周側にわたって、次第に密になるようにすれば、
図１の発明と同様な効果が、凹凸部が密の分布になるほ
ど大きくなることが期待できるので、外周側のウエイク
による流れ損失を低減できる。

【００２４】また、本発明を実施するにあたっては、図
１２，図１３に示すように、従来の傾き角を持つタービ
ン静翼において、静翼後縁端の半径方向に凹凸部を設け
る構造にする方がより望ましい。なぜなら、静翼で生じ
る二次流れ損失の低減とウエイクによる流れ損失の低減
が併せてなされるので、タービン段落の損失低減効果が
向上するからである。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、静翼
の後縁端に波状の凹凸を設け、半径方向の流れ分布を干
渉しやすくすることにより、静翼の後縁端の下流側に生
じるウエイクによる速度欠損割合を低減し、タービン段
落の流れ性能を向上するタービン静翼が構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す全体図である。

【図２】一般のタービン段落を示す全体図である。

【図３】一般のタービン段落の流れを示す全体図であ
る。

【図４】従来の実施例を示す全体図である。

【図５】従来の実施例を示す全体図である。

【図６】静翼下流の流速分布を示す模式図である。

【図７】本発明の第１の実施例を示す模式図である。

【図８】静翼下流の流速分布を示す模式図である。

【図９】本発明を取り入れた静翼下流の流速分布を示す
模式図である。

【図１０】半径方向に広がりを持つタービン段落の全体
図である。

【図１１】本発明の第２の実施例を示す模式図である。

【図１２】本発明の応用を示す全体図である。

【図１３】本発明の応用を示す全体図である。

【符号の説明】

１…静翼、２…ダイヤフラム外輪、３…ダイヤフラム内
輪、４…流れの主流、５…静翼背側、６…静翼腹側、７
…凹凸部、８，８１，８２…静翼下流側の流速分布、９
…ウエイク、１０…静翼後縁端、１１，１２…静翼の周
方向断面、１３…ｒ方向座標軸、１４…二次流れ、１５
…二次渦、１６…接線方向傾き角、１７…動翼の回転方
向、１８，１９…傾き角、２０…ロータ、２１…動翼、
４１…翼間流路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤフラム外輪とダイヤフラム内輪の間
   に形成される環状流路内に、複数枚の静翼と複数枚の動
   翼で構成される軸流タービンの段落において、前記静翼
   は根元から先端にかけて多断面構造とし、該静翼の後縁
   端は、静翼下流側の流れの逆方向から見て、前記ダイヤ
   フラム内輪からダイヤフラム外輪にかけて、凹凸のある
   波状の面を形成することを特徴とするタービン静翼。
2. 【請求項２】請求項１において、前記静翼の後縁端の波
   状の面は、前記ダイヤフラム内輪からダイヤフラム外輪
   に向かって、凹凸の分布が徐々に密であることを特徴と
   するタービン静翼。