JPH09158703A - 軸流タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車室の外部から供給された流体を円滑にター
ビン段落内に導き、ノズル流路入口部の周方向の不安定
な流れを低減し、タービン段落効率を改善した軸流ター
ビンを提供することを目的にしている。 【解決手段】 絞りダクトから内車室入口部にわたっ
て、作動流体を内車室の周方向に分散して導く分流板
（１０，１１）が設けられていることを特徴としてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火力タービン等の
軸流タービンに関し、詳しくは、車室の外部から供給さ
れた流体を円滑にタービン段落内に導き、ノズル流路入
口部の周方向の不安定な流れを低減し、タービン段落効
率を改善した軸流タービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、軸流型回転機械において、その
作動流体の流路では、作動流体が静止しているノズルか
らロータ側の羽根に向けて噴出されて、ロータが回転さ
れている。タービンの場合には、ノズルにより、圧力の
高い上流から圧力の低い下流へ作動流体が膨張され、熱
エネルギが速度エネルギに変換されている。一方、羽根
は、ノズルからの速度エネルギにより回転され、そのエ
ネルギが動力として取り出されている。また、蒸気ター
ビンの場合には、流体の条件に応じ、材質、サイズ、製
造方式等によって、車室は、高圧用、中圧用、及び低圧
用に分類されている。各車室の入口部から段落入口まで
の作動流体は、円滑に流されて段落内で有効にエネルギ
変換される必要がある。

【０００３】図４は、軸流タービンにおいて、従来から
採用されている複流型ノズルを有する入口流路形状と段
落を示す断面図である。なお、図４（ａ）は、軸流ター
ビンの縦断面図、図４（ｂ）は、その横断面図、図４
（ｃ）は、図４（ａ）のＣで囲む部分の拡大断面図であ
る。

【０００４】この図４に示すように、タービン段落にお
いて、タービン外車室１の径方向内方に、内車室２が設
けられており、外車室１側から内車室２側まで絞りダク
ト９が設けられており、この絞りダクト９を介して作動
流体が内車室２側に供給され、内車室２入口部で二分さ
れて内車室２内を周方向に導かれる。さらに、図４
（ｃ）に示すように、内車室２の径方向内側に、ノズル
外輪３が設けられており、このノズル外輪３の径方向内
側に、ノズル内輪４が設けられており、これにより、ノ
ズル外輪３とノズル内輪４との間に、ノズル５が形成さ
れている。一方、内車室２の中心に、ロータ６が回転自
在に設けられており、このロータ６の径方向外方側に、
ホィール７が設けられており、このホイール７の先端
に、羽根８が設けられている。これにより、絞りダクト
９から供給された作動流体は、ノズル５を介して羽根８
に噴出され、その結果、ホィール７及びロータ６が回転
されている。

【０００５】ところで、作動流体は、絞りダクト９を介
して内車室２内に供給されているが、図４に示すような
複流型ノズルを有した軸流タービンにおいては、絞りダ
クト９を介して流入された作動流体は、図４（ｂ）に矢
印（ａ）で示すように流され、内車室２の上部で矢印
（ｂ）で示すように分散され、内車室２内を周方向に回
りこんだ後、図４（ｃ）に矢印（ｃ）で示すようにノズ
ル５から羽根８に導かれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示すような従来の流路構造にあっては、流体が内車室２
の流路で全周均一に流体が配分されないため、ノズル５
の流路へ流入する際、不均一な不安定な流れとなってい
る。

【０００７】この原因を図５乃至図７を参照して説明す
る。図４に示す周方向位置、即ち、左水平部（θ＝０
゜）、真上（θ＝９０゜）、右水平部（θ＝１８０
゜）、真下（θ＝２７０゜）での流れの様相を図５乃至
図７に示す。

【０００８】図５は、真上（θ＝９０゜）の流路を示し
ており、絞りダクトから流されてきた流体が直接ノズル
５の流路内に進入するため、ノズル５の翼長先端におい
て、矢印ｄで示すように、大きな剥離が発生し易い。こ
のような不安定な剥離流れは、下流にある羽根８に悪影
響を及ぼす。

【０００９】図６（ａ）（ｂ）は、真下（θ＝２７０
゜）の流路を示している。絞りダクトからの流体が真上
（θ＝９０゜）の箇所で二分された後、真下（θ＝２７
０゜）で、図６（ｂ）に矢印ｅで示すように互いに衝突
して渦流が発生する。さらに、この２つの流れは、ノズ
ル５の上流で大きな入射角（最適流入角からのずれ角
度）となって、流路内に流入する。そのため、ノズル５
の翼間で、図６（ｂ）に矢印ｆ，ｇで示すように剥離が
発生し、大きな損失となる。

【００１０】図７は、水平部（θ＝０゜，１８０゜）の
流路を示す。ノズル５の流入部において、大きな入射角
となり、流路内に流れるため、図７（ａ）（ｂ）に矢印
ｈ，ｉで示すように、剥離が生じ、ノズル５の翼間で損
失が生起される。

【００１１】図８は、従来技術におけるノズル流路の周
方向流量分布（図８（ａ））と周方向の各部位における
損失（図８（ｂ））を示している。流量分布は、平均流
量に対し、真上（θ＝９０゜）と真下（θ＝２７０゜）
との流量が±４〜７％程度変動するため、周方向の各部
位で不均一な非定常流れが生起されている。その結果、
変動による損失、ノズル流入部の大きな入射各による損
失、設計流量より過大又は過小流量で生起される損失、
ノズル外周壁部で生じる剥離損失等でタービン効率が著
しく低下される。以上のように、この不均一な流れによ
る損失を低減する改善策が必要とされている。

【００１２】本発明は、上述したような事情に鑑みてな
されたものであって、車室の外部から供給された流体を
円滑にタービン段落内に導き、ノズル流路入口部の周方
向の不安定な流れを低減し、タービン段落効率を改善し
た軸流タービンを提供することを目的にしている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明に係る軸流タービンは、外車室から絞りダク
トを介して供給された作動流体が内車室入口部で二分さ
れて内車室内を周方向に導かれると共に、内車室の軸方
向両側に配設されたノズル流路を介してロータの羽根に
噴出されてロータが回転される軸流タービンにおいて、
絞りダクトから内車室入口部にわたって、作動流体を内
車室の周方向に分散して導く分流手段が設けられている
ことを特徴としている。

【００１４】このように、絞りダクトから内車室入口部
にわたって分流手段（即ち、整流装置）が設けられいる
ため、内車室内を周方向に流される作動流体が均等に分
散される。そのため、周方向の全周にわたって配設され
た各ノズルに流入される作動流体の流量が均一化され、
作動流体が円滑に流される。その結果、渦流等の不均一
流れが防止され、これに起因する羽根流路内の損失が小
さくなり、タービン段落効率が改善される。

【００１５】さらに、他の本発明に係る軸流タービン
は、外車室から絞りダクトを介して供給された作動流体
が内車室入口部で二分されて内車室内を周方向に導かれ
ると共に、内車室の軸方向両側に配設されたノズル流路
を介してロータの羽根に噴出されてロータが回転される
軸流タービンにおいて、絞りダクトから内車室入口部に
わたって、この内車室入口部に導入される作動流体の流
れを偏向させる偏向手段が設けられていることを特徴と
している。

【００１６】このように構成されているため、絞りダク
トから流入した流体は、例えば、約５０〜１００ｍｍ／
ｓでノズルに導かれるが、内車室入口部近辺では、偏向
手段により流量が抑制され、その他の箇所では、流量が
多く流される。これにより、内車室の上方からの高速流
が、その入口部近辺のノズルに直接進入することが防止
され、周方向の全周にわたって配設された各ノズルに流
入される作動流体の流量が均一化され、作動流体が円滑
に流され、その結果、渦流等の不均一流れが防止され
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
の実施形態に係る軸流タービンを説明する。

【００１８】図１に第１実施形態に係る軸流タービンを
示す。なお、図１（ａ）は、軸流タービンの縦断面図、
図１（ｂ）は、その横断面図、図１（ｃ）は、図１
（ａ）のＣで囲む部分の拡大断面図である。

【００１９】図１（ａ）（ｂ）に示すように、タービン
段落において、タービン外車室１の径方向内方に、内車
室２が設けられており、外車室１側から内車室２側まで
絞りダクト９が設けられており、この絞りダクト９を介
して作動流体が内車室２側に供給され、内車室２入口部
で二分されて内車室２内を周方向に導かれる。さらに、
図１（ｃ）に示すように、内車室２の径方向内側に、ノ
ズル外輪３が設けられており、このノズル外輪３の径方
向内側に、ノズル内輪４が設けられており、これによ
り、ノズル外輪３とノズル内輪４との間に、ノズル５が
形成されている。一方、内車室２の中心に、ロータ６が
回転自在に設けられており、このロータ６の径方向外方
側に、ホィール７が設けられており、このホイール７の
先端に、羽根８が設けられている。これにより、絞りダ
クト９から供給された作動流体は、ノズル５を介して羽
根８に噴出され、その結果、ホィール７及びロータ６が
回転されている。

【００２０】さて、本実施形態では、図１（ｂ）に示す
ように、絞りダクト９から内車室２入口部にわたって、
作動流体を内車室２の周方向に均一に分散して導くため
の複数個の第１分流板１０が設けられている。さらに、
内車室２の下半側に、作動流体の一部を径方向内方に導
く所定曲率Ｒの第２分流板１１が設けられている。

【００２１】このように構成されているため、図１
（ｂ）に矢印ｊで示すように、絞りダクト９から供給さ
れた作動流体は、図１（ｂ）に矢印ｋで示すように、均
等に分散されて内車室２の上半側に円滑に導かれる。そ
のため、周方向の全周にわたって配設された各ノズル５
に流入される作動流体の流量が均一化され、作動流体が
円滑に流され、その結果、渦流等の不均一流れが防止さ
れる。

【００２２】さらに、内車室２の上半側から下半側に供
給された作動流体は、図１（ｂ）に矢印ｌで示すよう
に、第２分流板１１によって分流される。この分流され
た作動流体の一部は、径方向内方に向かうように流さ
れ、その結果、内車室２の下半側の各ノズル５への流入
量が均等化され、安定した流れが得られる。

【００２３】次に、図２を参照して、本実施形態の効果
を説明する。図２は、本実施形態の分流板を有する場合
と、従来技術の分流板を有しない場合との比較を示す図
である。図２（ａ）はノズル流入部の周方向流量分布を
示してるが、従来、真上と真下で大きな流量変化が発生
しており、それに伴って、図２（ｂ）に示すような大き
な損失が発生していた。この段落の大きな流量変化は、
下流にある次段、次々段にも悪影響を与えていた。

【００２４】これに対して、本実施形態では、第１及び
第２分流板１０，１１が設けられているため、図２
（ａ）（ｂ）に示すように、周方向の流量が均一にな
り、損失が低減される。図２（ｃ）は、初段の不均一な
流量分布、渦流等をなくすことができるため、下流の２
段、３段以降の段落も安定的な流れで効率が上昇するこ
とを示している。このように各段落の効率が大幅に向上
し、大きな改善効果が得られる。

【００２５】次に、図３を参照して、第２実施形態に係
る軸流タービンを説明する。

【００２６】図３（ａ）において、内車室２の作動流体
の入口部に、軸方向の間隔が径方向内方ほど狭くなるよ
うに傾斜されたバッフル板１２が設けられている。ま
た、内車室２の作動流体の入口部でバッフル板１２の下
流側に、所定間隔の第１バッフルリング１３が設けられ
ている。さらに、ノズル外輪３の作動流体の流路側に、
所定間隔の第２バッフルリング１４が設けられている。

【００２７】これらバッフル板１２、バッフルリング１
３，１４は、周方向に形状が異なっており、図３（ｂ）
に示すように、真上（θ＝９０゜）での通過部の長さが
小さくされている（Ｓｕ）のに対し、真下（θ＝２７０
゜）での通過部の長さは、大きくなる（Ｓｄ）ように構
成されている。

【００２８】このように構成されているため、絞りダク
トから流入した流体は、約５０〜１００ｍｍ／ｓでノズ
ル５に導かれるが、真上（θ＝９０゜）では、バッフル
板１２、バッフルリング１３，１４により流量が抑制さ
れ、真下（θ＝２７０゜）では、流量が多く流される。
これにより、内車室２の上方からの高速流が、その入口
部近辺のノズル５に直接進入することが防止され、周方
向の全周にわたって配設された各ノズル５に流入される
作動流体の流量が均一化され、作動流体が円滑に流さ
れ、その結果、渦流等の不均一流れが防止される。な
お、絞りダクト９の形状によっては、周方向の流量分布
が変化するため、通過部の長さを任意に変えて制御し、
ノズル５内の流量の均一化を図ることができる。

【００２９】このように、渦流等の不均一な流れが防止
されるため、これに起因する羽根流路内の損失が小さく
なり、タービン段落効率が改善される。

【００３０】なお、本発明は、上述した実施形態に限定
されないのは勿論であり、種々変形可能のである。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、絞りダ
クトから内車室入口部にわたって分流手段（即ち、整流
装置）が設けられいるため、内車室内を周方向に流され
る作動流体が均等に分散される。そのため、周方向の全
周にわたって配設された各ノズルに流入される作動流体
の流量が均一化され、作動流体が円滑に流される。その
結果、渦流等の不均一流れが防止され、これに起因する
羽根流路内の損失が小さくなり、タービン段落効率が改
善される。

【００３２】さらに、他の本発明では、絞りダクトから
流入した流体は、内車室入口部近辺では、バッフル手段
により流量が抑制され、その他の箇所では、流量が多く
流される。これにより、内車室の上方からの高速流が、
その入口部近辺のノズルに直接進入することが防止さ
れ、周方向の全周にわたって配設された各ノズルに流入
される作動流体の流量が均一化され、作動流体が円滑に
流され、その結果、渦流等の不均一流れが防止され、こ
れに起因する羽根流路内の損失が小さくなり、タービン
段落効率が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る軸流タービンを示し、図１
（ａ）は、軸流タービンの縦断面図、図１（ｂ）は、そ
の横断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＣで囲む部分
の拡大断面図。

【図２】第１実施形態の分流板を有する場合と、従来技
術の分流板を有しない場合との比較を示すグラフ。

【図３】第２実施形態に係る軸流タービンを示し、図３
（ａ）は、軸流タービンの拡大縦断面図、図３（ｂ）
は、内車室の位置と通過長さとの関係を示すグラフ。

【図４】軸流タービンにおいて、従来から採用されてい
る複流型ノズルを有する入口流路形状と段落を示す断面
図であり、図４（ａ）は、軸流タービンの縦断面図、図
４（ｂ）は、その横断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）
のＣで囲む部分の拡大断面図。

【図５】従来の軸流タービンの真上（θ＝９０゜）での
流れを示す断面図。

【図６】図６（ａ）は従来の軸流タービンの真下（θ＝
２７０゜）での流れを示す断面図であり、図６（ｂ）は
図６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

【図７】図７（ａ）（ｂ）は、各々、従来の軸流タービ
ンの水平部（θ＝０゜，１８０゜）での流れを示す模式
図。

【図８】図８（ａ）は、従来技術におけるノズル流路の
周方向流量分布を示すグラフであり、図８（ｂ）は、周
方向の各部位における損失を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 外車室 ２ 内車室 ３ ノズル外輪 ４ ノズル内輪 ５ ノズル ６ ロータ ７ ホィール ８ 羽根 ９ 絞りダクト １０ 第１分流板（分流手段） １１ 第２分流板（分流手段） １２ バッフル板（偏向手段） １３ 第１バッフルリング（偏向手段） １４ 第２バッフルリング（偏向手段）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外車室から絞りダクトを介して供給された
   作動流体が内車室入口部で二分されて内車室内を周方向
   に導かれると共に、内車室の軸方向両側に配設されたノ
   ズル流路を介してロータの羽根に噴出されてロータが回
   転される軸流タービンにおいて、 絞りダクトから内車室入口部にわたって、作動流体を内
   車室の周方向に分散して導く分流手段が設けられている
   ことを特徴とする軸流タービン。
2. 【請求項２】上記分流手段は、絞りダクトから内車室入
   口部にわたって配置された複数個の第１分流板を有して
   いることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
3. 【請求項３】上記分流手段は、内車室の作動流体の周方
   向下流側に配置され且つ作動流体の一部を径方向内方に
   導く所定曲率の第２分流板を有していることを特徴とす
   る請求項１に記載の軸流タービン。
4. 【請求項４】外車室から絞りダクトを介して供給された
   作動流体が内車室入口部で二分されて内車室内を周方向
   に導かれると共に、内車室の軸方向両側に配設されたノ
   ズル流路を介してロータの羽根に噴出されてロータが回
   転される軸流タービンにおいて、 絞りダクトから内車室入口部にわたって、この内車室入
   口部に導入される作動流体の流れを偏向させる偏向手段
   が設けられていることを特徴とする軸流タービン。
5. 【請求項５】上記偏向手段は、内車室の作動流体の入口
   部に配置され且つ、軸方向の間隔が径方向内方ほど狭く
   されたバッフル板を有していることを特徴とする請求項
   ４に記載の軸流タービン。
6. 【請求項６】上記偏向手段は、内車室の作動流体の入口
   部で上記バッフル板の作動流体の下流側に配置され且つ
   所定間隔の第１バッフルリングを有していることを特徴
   とする請求項４に記載の軸流タービン。
7. 【請求項７】上記偏向手段は、ノズル外輪の作動流体の
   流路側に配置され且つ所定間隔の第２バッフルリングを
   有していることを特徴とする請求項４に記載の軸流ター
   ビン。